꿈의 신소재 그래핀과 값싼 코발트 결합한 촉매 개발...귀금속 촉매 가격의 2000분의 1 수준

국내 연구진이 화학산업은 물론 제약산업에서 다방면으로 쓰이는 과산화수소를 저렴하면서도 친환경적이고 생산효율을 8배 가량 높일 수 있는 촉매기술을 개발해 주목받고 있다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단, 서울시립대 화학공학과, 포항가속기연구소 공동연구팀은 산소와 물만으로 화학산업의 ‘쌀’로 불리는 과산화수소를 저렴하게 생산해 낼 수 있는 방법을 개발했다고 13일 밝혔다. 이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈’ 14일자에 실렸다. 이번에 개발된 기술은 기존에 사용되던 촉매보다 2000배 가량 저렴해 가격, 효율, 환경 문제를 모두 해결한 것으로 평가받고 있다.

과산화수소는 치약, 주방세제 같은 생활용품은 물론 폐수처리장, 멸균과 살균이 필요한 의료현장, 불순물 제거가 필수적인 반도체 공정 등 다양한 화학, 의료, 환경분야에서 활용되는 화학물질이다. 과산화수소 분자식을 보면 원자 2개, 산소 원자 2개가 결합된 형태이기 때문에 이론적으로는 수소기체, 산소기체, 물만으로도 합성이 가능하지만 실제 세 종류만으로는 활성이 낮아 거의 활용되지는 않는다.

현재는 과산화수소를 만들 때 안트라퀴논을 유기용매에 녹인 뒤 값비싼 귀금속인 팔라듐으로 만든 촉매를 이용해 산화, 환원반응을 거쳐 만들어 진다. 비싼 촉매를 이용해 다단계를 거치기 때문에 에너지 효율이 낮고 유기 용매를 사용하기 때문에 환경오염을 일으킨다는 단점이 있다.

연구팀은 철이나 코발트, 니켈 같은 저렴한 원자가 그래핀 위에 놓여있을 때 전기화학적 반응 효율이 높아진다는 점에 착안했다. 실제로 연구팀은 계산화학적 방법을 이용해 촉매 활성 조절이 가능하다는 것을 확인하고 꿈의 신소재라고 불리는 2차원 그래핀 위에 저렴한 코발트 원자를 올린 형태의 촉매를 만들었다. 팔라듐으로 촉매를 만들었을 때보다 가격이 2000분의 1 수준에 불과하다. 연구팀이 개발한 코발트-그래핀 촉매를 산소포화 수용액에 넣고 전기를 가하면 별도의 화합물이나 복잡한 공정없이 간단히 과산화수소를 생산할 수 있는 것이다.1㎏의 촉매를 사용했을 때 하루 341.2㎏의 과산화수소를 생산할 수 있어 현재 가장 효율이 높다는 귀금속계 촉매보다 8배 이상 생산효율이 높은 것으로 평가받고 있다. 이번에 개발한 촉매는 110시간 이상 연속 생산을 한 뒤에도 성능이 98% 이상 유지되는 것도 관찰됐다.

이와 함께 기존 촉매와는 달리 반응 후 회수해 재활용할 수 있다는 장점을 갖고 있기 때문에 폐촉매 발생 같은 환경문제도 일으키지 않는다.

현택환 단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수)은 “최근 초정밀 반도체, 정밀 기계부품 기술이 발전하면서 과산화수소 수요도 증가하고 있는 만큼 저렴하고도 높은 효율로 생산할 수 있는 방법이 필요한 상황”이라며 “이번 연구는 과산화수소를 환경친화적이며 경제적으로 생산할 수 있게해줄 뿐만 아니라 화학산업 전반의 생산성 향상에도 도움을 줄 것으로 기대한다”고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr