KAIST, 과산화수소 생산하는 고효율 촉매 개발
경제성과 생산성 크게 높은 친환경 기술로 기대
KAIST(총장 이광형)는 강정구 신소재공학과 교수 연구팀이 물과 산소, 햇빛으로 과산화수소를 생산하는 고효율 촉매를 개발했다고 31일 밝혔다.
과산화수소는 소독, 염색, 산화제, 의약품, 반도체, 디스플레이, 로켓 추진연료 등 다양한 산업군에 쓰이는 자원이다.
현재 과산화수소 생산은 대부분 '안트라퀴논 공정'을 통해 생산된다. 이 공정은 고압의 수소 기체와 값비싼 팔라듐 기반 수소화 촉매를 이용해 경제성과 안전성에서 문제가 있다. 또 반응 중에 유기 오염 물질이 방출돼 환경문제도 유발한다.
연구팀이 개발한 나노구조체 촉매는 빛을 흡수해 산소 분자를 과산화수소 분자로 선택적으로 환원시킨다. 햇빛을 에너지원으로 이용, 산소를 과산화수소로 환원시키는 광촉매는 물리적으로 반도체 특성을 갖는 전이 금속산화물을 이용할 수 있어 기존 팔라듐 촉매보다 크게 저렴하다는 게 연구팀의 설명이다. 또 지구에 풍부한 산소와 태양에너지로 과산화수소를 생산할 수 있어 안전하고 친환경적인 특성을 가진다.
기존 과산화수소 생산 광촉매는 산소로부터 과산화수소를 생산하기 위해 전자를 전달하는 산화 반응에 과산화수소보다 더 비싼 알코올류의 산화제를 첨가해야 했다. 생산된 과산화수소가 광촉매 표면에서 빠르게 분해돼 촉매 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있었다.
강정구 교수 연구팀은 고가의 팔라듐 촉매보다 저렴한 코발트, 티타늄, 철 산화물을 요소-수열 합성법을 통해 나노 구조화했다. 두 가지 이상의 금속 조합을 갖는 금속산화물의 경우, 일반적으로 각기 다른 금속이 혼합돼 한 가지 구조의 상을 형성하는 게 일반적이다. 연구팀은 코발트 전구체의 비율을 높여 철과 코발트 산화물을 분리했다. 이어 2가 철 산화물의 화학적 비안정성을 이용해 티타늄 산화물과 다시 분리, 각기 다른 세 가지 금속 산화물이 각자 분리돼 형성되는 삼상 산화물 (Triphasic metal oxide)을 합성했다.
코발트 산화물은 기존 물 산화 반응 촉매로 가장 잘 알려진 물질이다. 물 분자를 흡착해 산소로 환원하고 전자를 제공할 수 있는 능력이 있다. 철 산화물-티타늄 산화물 코어-쉘 나노입자는 각각 가시광선과 자외선을 흡수할 수 있고 산소 흡착 능력이 우수해 반응물인 산소 분자를 선택적으로 흡착할 수 있다.
또 물 산화 반응에서 생긴 전자를 철 산화물이 받아 효율적으로 티타늄 산화물에 전달해 산소 환원 반응을 통한 과산화수소를 생산할 수 있다. 이렇게 생성된 과산화수소는 환원점과 산화점이 분리된 광촉매의 구조적인 특성으로 분해되지 않고 안정적으로 농축되는 특성을 가진다.
강 교수는 "친환경적인 이 기술은 수소 분자와 유기물질을 이용하지 않아 안전성이 뛰어나고, 비교적 값이 저렴한 전이 금속산화물을 이용하기 때문에 경제성이 뛰어나다"라며 "기존에 가장 효율이 높다고 알려진 귀금속계 촉매보다 수 천배 저렴할 뿐만 아니라 약 30배 정도 높은 생산성능을 가져 광촉매를 통한 과산화수소 생산의 상용화에 이바지할 것"이라고 기대했다.
이번연구에는 김건한 박사(現 옥스포드 대학교 화학과, KAIST 신소재공학과 졸업)가 제1 저자로 참여하고, 김형준 교수(KAIST 화학과) 연구팀이 공동으로 참여했다. 결과는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 2월 25일자 온라인 게재됐다.
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