국내 연구진이 제지산업을 비롯해 다양한 화학합성 산업에 활용되는 과산화수소를 손쉽게 생산할 수 있는 방법을 개발했다. 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 주상훈 교수팀은 친환경적이고 저렴하게 산소를 과산화수소로 바꿀 수 있는 고성능 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구결과는 화학분야 국제학술지 ‘앙게반테 케미’ 21일자 최우수 논문으로 선정돼 실렸다.

흔히 상처를 소독할 때 사용하는 과산화수소는 냄새가 없고 무색투명하며 강한 산성을 띄는 물질이다. 종이를 만드는 제지산업은 물론 다양한 합성에 널리 쓰이는 물질이다. 문제는 과산화수소를 만들기 위해서는 고압의 수소와 귀금속 촉매를 사용해야 하기 때문에 생산단가가 높고 제조공정 자체도 매우 복잡하다. 게다가 생산 과정에서 유기 폐기물이 다량으로 발생해 환경오염도 유발되기 십상이다.

이 때문에 전기를 이용해 공기중 산소를 과산화수소로 변환시키는 전기화학적 생산법이 개발되기는 했지만 촉매에 따라 생산효율이 달라진다.

이에 연구팀은 탄소 원자가 모여 흑연결정을 이루면서 만들어지는 탄소 ‘엣지’ 촉매를 만들었다. 엣지 촉매는 활성이 높은 탄소의 가장자리를 그대로 노출시킨 촉매이다. 연구팀은 다공성 나노물질의 구멍 내부에 탄소원자를 흑연결정으로 성장시키도록 했는데 구멍 안에서 형성된 흑연은 수직으로 층을 이루면서 엣지 숫자가 현저히 증가한 구조가 만들어지게 된다.

실제로 엣지 수가 늘어난 탄소 촉매는 엣지가 거의 없는 탄소나노튜브 촉매보다 약 28배 정도 우수한 생산 효율을 보였다. 특히 과산화수소로 전환할 수 있는 산소 선택도도 99% 수준으로 높였다.

주상훈 교수는 “이번에 개발한 고성능 탄소 촉매로 얻은 과산화수소는 추가로 분리공정이나 농축공정을 거치지 않고 표백이나 산폐수 처리에 바로 적용할 수 있다는 장점이 있다”라며 “이번 연구를 통해 촉매에서 산소로 전자 하나를 전달하는 과정이 반응 속도를 결정한다는 사실도 함께 밝혀내 탄소촉매의 활성을 높이기 위한 비밀을 풀었다”고 설명했다.

씨스켐닷컴(2019-01-28)