100대 산업용 화학물질 ‘과산화수소’ 생산하는 고효율 촉매 나와

KAIST, 물과 산소, 햇빛 이용해 과산화수소 생산
기존 촉매보다 높은 생산성...반도체 등에 활용 가능
100대 산업용 화학물질로 널리 쓰이는 과산화수소를 친환경, 경제적으로 생산할 수 있는 촉매 기술이 나왔다. 앞으로 산화제, 의약품, 반도체, 디스플레이, 로켓 추진연료 등에 유용하게 쓰일 전망이다.

KAIST는 강정구 교수 연구팀이 물과 산소, 햇빛을 이용해 과산화수소를 생산하는 고효율 촉매를 개발했다고 1일 밝혔다.

현재 과산화수소는 대부분 '안트라퀴논 공정'을 통해 생산한다. 이 공정은 고압의 수소 기체와 값비싼 팔라듐 기반 수소화 촉매를 이용하기 때문에 경제성과 안전성에 문제를 안고 있다. 또 반응 중에 유기오염 물질이 방출돼 환경문제를 발생시킨다.

반면, 햇빛을 에너지원으로 산소를 과산화수소로 환원시키는 광촉매는 물리적으로 반도체 특성을 갖는 전이 금속산화물을 이용해 기존 팔라듐 촉매보다 수천 배 이상 저렴하다. 아울러 지구에 풍부한 산소에서 태양에너지를 통해 과산화수소를 얻을 수 있어 안전하고 친환경 특성을 갖는다.

하지만, 기존 과산화수소 생산 광촉매는 산소로부터 과산화수소를 생산하기 위해 전자를 전달하는 산화 반응에 과산화수소보다 비싼 알코올류 산화제를 첨가해야 하고, 과산화수소가 광촉매 표면에서 빠르게 분해돼 촉매 효율이 떨어지는 단점이 있다.

연구팀은 비싼 팔라듐 촉매보다 저렴한 코발트, 티타늄, 철 산화물을 요소-수열 합성법으로 나노 구조체로 만든 후, 각기 다른 세 가지 금속 산화물이 각자의 산화물 상태로 분리, 형성되는 '삼상 산화물'의 나노구조체 촉매를 개발했다.

이 촉매는 2차원적으로 넓은 나노 시트에 '코발트 산화물'이 위치하고, 그 위에 가시광선과 자외선을 각각 흡수해 전자를 전달하는 코어-셀 구조의 '철 산화물-티타늄 산화물 나노입자'가 배열된 독특한 구조로 제작됐다. 물 산화반응에서 생긴 전자를 철 산화물이 받아 티타늄 산화물에 전달해 산소 환원 반응을 통해 과산화수소를 생산하는 방식이다.

이 과정에서 코발트 산화물은 물 분자를 흡착해 산소로 환원하고, 철 산화물-티타늄 산화물 나노입자는 태양광을 흡수해 반응물인 산소 분자를 선택적으로 흡착해 과산화수소는 분해되지 않고 안정적으로 얻을 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

강정구 KAIST 교수는 "기존 광촉매의 문제인 과산화수소 분해나 알코올 산화제 이용 등을 해결하면서 높은 촉매효율을 얻을 수 있다"며 "기존 귀금속계 촉매보다 수 천 배 저렴하고, 약 30배 정도 높은 생산력을 보여 광촉매를 통한 과산화수소 생산 상용화에 기여할 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(지난달 25일자)' 온라인에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr