IBS 연구진, 몸속 효소 모방해 산소·물만 쓰는 촉매 개발
부산물 없어 친환경적…반도체 세정, 의료 등에 응용 기대
부산물 없어 친환경적…반도체 세정, 의료 등에 응용 기대
현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수)과 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수)팀은 유종석 서울시립대 교수팀과 공동으로 산소와 물만을 원료로 과산화수소를 생산하는 전기촉매를 개발했다. 팔라듐, 백금 등 귀금속 촉매보다 2000배 이상 저렴해, 과산화수소 생산 비용과 효율, 환경 문제를 모두 해결한 '1석 3조' 기술로 평가된다.
과산화수소는 치약, 주방세제 등 생활용품은 물론 멸균이 필요한 의료현장, 폐수 처리, 반도체 웨이퍼 세정 등에 폭넓게 사용된다. 특히 반도체 공정에서 불화수소보다 100배 많은 양이 쓰인다. 산업용 과산화수소는 주로 유기용매에 녹인 안트라퀴논을 원료로 촉매를 통한 환원·산화 반응을 거쳐 생산하는데, 값비싼 팔라듐 촉매가 많이 필요하고 에너지가 많이 드는 단점이 있다. 유기용매가 부산물로 발생해 환경오염을 야기하는 문제도 있다. 이 가운데 초정밀 반도체나 기계부품 발전으로 과산화수소 수요가 늘어나 저렴하면서도 성능이 우수하고 친환경적인 기술이 요구돼 왔다.
연구팀은 몸속에서 촉매 역할을 하는 효소에서 해법을 찾아냈다. 원자 수준에서 촉매 구조를 몸속 효소와 비슷하게 설계해 촉매 성능을 최대한 높였다.
현택환 단장은 "탄소로 이뤄진 그래핀에 코발트와 질소를 배치해 최적의 구조를 설계했다"면서 "촉매 위에 물과 산소를 흘리면 과산화수소가 만들어지고, 촉매는 계속 재사용할 수 있다"고 설명했다.
실험 결과 지금까지 가장 효율이 좋다고 알려진 귀금속계 촉매보다 최대 8배 이상 높은 생산 성능이 확인됐다.
성영은 교수는 "1㎏의 촉매를 사용해 하루 340㎏ 이상의 과산화수소를 생산할 수 있다"면서 "또 110시간 이상 연속 생산실험 후에도 초기성능의 98% 이상을 유지하는 것으로 확인됐다"고 밝혔다.
특히 압력을 가하면 생산량이 9배 늘어나 1㎏ 촉매로 하루 2.7톤을 생산할 수 있다. 연구진이 개발한 촉매는 반응물과 생성물의 상이 다른 불균일촉매로, 반응 이후 회수해 재활용할 수 있다는 장점이 있다. 이번 연구는 세계 최초로 원자 수준에서 불균일 촉매의 활성을 높이는 원리를 찾아냈다는 점에서도 의미가 있다.
현택환 단장은 "반도체 세정제. 의료용 소독제 등으로 다양하게 쓰이는 과산화수소를 환경친화적이면서 경제적으로 생산할 수 있게 됐다"며 "과산화수소뿐 아니라 촉매를 사용하는 많은 화학반응에 적용해 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다"고 말했다.
이 연구결과는 소재분야 세계적 학술지인 네이처머터리얼스에 14일 발표됐다. 안경애기자 naturean@dt.co.kr
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