KIST 연구진, 컴퓨터 시뮬레이션 통해 촉매 개발
수소와 산소만으로 상온·상압에서 과산화수소 생산
수소와 산소만으로 상온·상압에서 과산화수소 생산
이를 해결하고자 팔라듐(Pd) 촉매를 이용해 수소와 산소를 반응시켜 과산화수소를 생산하는 기술이 개발됐지만, 이 과정에 과산화수소보다 물이 더 많이 형성돼 상용화에 걸림돌이 됐다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 계산과학연구센터 한상수·김동훈 박사, 물질구조제어연구센터 이승용 박사와 이관영 고려대학교 교수팀이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 과산화수소 생산용 백금-금 합금 촉매를 개발했다고 밝혔다. 이 촉매를 사용하면 팔라듐 촉매를 사용할 경우 30~40%에 불과했던 과산화수소 비유을 95%까지 높일 수 있다.
연구팀은 원소 조합에 의해 발현되는 물성을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이론적으로 예측하는 방법을 통해, 기존의 팔라듐을 사용하지 않는 새로운 형태의 백금(Pt)-금(Au) 합금계 나노입자 촉매를 개발했다. 본래 백금과 금은 서로 잘 섞이지 않기 때문에 둘을 합쳐 촉매를 제작하기 어려웠는데 연구진은 합금을 형성하지 않는 백금과 금을 각각 원소의 전구체를 섞은 후 환원시켜 강제로 합금 형태의 나노입자를 성공적으로 합성했다. 이를 통해 백금과 금의 전구체 양을 조절해 입자의 함량을 제어할 수도 있었다.
이 촉매를 활용하면 수소 가스와 산소 가스를 수용액에 주입하기만 하면 어디서나 대형설비 없이도 과산화수소를 생산할 수 있다. 특히, 팔라듐 촉매와 달리 상온(10˚C), 상압(1기압) 조건에서도 최대 95%까지 과산화수소를 생성할 수 있다. 또한, 8시간 이상의 촉매 반응에도 백금-금 합금 형태가 잘 유지되면서 생산 능력에 저하도 없는 구조적 안정성을 확보했다.
연구진은 추가적인 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 일반적인 소재 분석 기술로는 알기 힘든 백금-금 합금계 나노입자의 결정 구조를 제시했다. 나아가 금의 함량이 증가함에 따른 과산화수소 생산 능력의 변화를 원자 수준에서 예측할 수 있는 메커니즘을 함께 제시하였다.
한상수 KIST 센터장은 "개발된 기술은 장소의 제약 없는 친환경 과산화수소 생산 기술로, 팔라듐 촉매의 한계인 낮은 선택성을 극복해 상용화를 대폭 앞당겼다는 데 의의가 있다"고 밝혔다.
이 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 한국연구재단 미래소재디스커버리사업 지원 하에 이뤄졌다. 연구결과는 재료과학 분야 국제저널인 'Acta Materialia' 최신 호에 게재됐다. 안경애기자 naturean@dt.co.kr
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