'반도체 세정제' 현장에서 바로 만든다

과산화수소를 사용하는 모습<자료사진>

[아시아경제 황준호 기자] 표백제나 소독제, 반도체 세정제 등 다양한 용도로 활용되고 있는 화합물인 '과산화수소'를 현장에서 바로 만들 수 있는 촉매제가 개발됐다. 과산화수소의 운송과 저장에 따른 비용을 절감할 수 있는 기술로 각광받을 것으로 예상된다. 울산과학기술원은 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수 연구팀의 이같은 연구 결과가 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스에 실렸다고 6일 밝혔다.

탄소 기반 과산화수소 촉매제 개발.. 효율 97.8%

작용기 별 과산화수소 생성 반응(ORHP)의 성능에 관한 분석.

백 교수의 연구팀은 탄소 소재 기반의 과산화수소 촉매제를 개발했다. 연구팀은 그래핀과 같은 얇은 탄소 기반 물질에 퀴논(Quinone), 에테르(Ether), 카르보닐(Carbonyl) 등의 작용기(Functional Group)를 붙이는 방식을 통해 촉매를 만들어냈다.

구체적으로 연구팀은 퀴논, 카르복실기, 에테르와 같은 산소 작용기를 가지는 그래피틱(산화탄소)를 합성하는과정에서 퀴논 그룹이 높은 촉매 활성과 선택도, 낮은 과전압의 특징을 가진다는 것을 확인했다. 이는 과산화수소 촉매 반응이 정확히 어디서 일어나는지 확인했다는 것을 뜻한다. 기존에는 정확한 활성 자리가 밝혀지지 않았다. 연구팀은 이같은 연구 결과를 통해 촉매가 일어나는 장소에 대한 이해도를 높일 수 있었고, 새로운 촉매제를 개발할 수 있게 됐다.

필요한 곳에서 만들어 쓴다

여러 산소 작용기의 이론적 분석

이번에 개발된 촉매제의 가장 큰 특징은 필요한 곳에서 필요한 만큼 생산할 수 있다는 것이다. 기존 과산화수소의 생산은 복잡하고 에너지 소모가 높은 '안트라퀴논 공정'을 통한 공장식 대량생산에 의존해 왔다.

특히 이 촉매제는 값싼 탄소 기반 물질로 구성돼 있으면서도 과산화수소 생산 효율이 97.8%에 달한다는 점이 특징이다.

과산화수소는 표백, 소독, 살균에 많이 쓰이는 친환경 산화제이면서 잠재적인 에너지 운반체(과산화수소 연료전지)로 평가받는 물질이다. 글로벌 산업 분석에 따르면 2024년 세계 과산화수소 수요량은 600만 톤으로 예상된다.

가오-펑 한(Gao-Feng Han) 박사는 "과산화수소 생성에 중요한 활성 자리에 대한 이해도를 높인 연구"라며 "실험과 더불어 밀도함수이론 계산법을 이용해 퀴논 작용기가 과산화수소 생성 반응(ORHP)에서 높은 촉매 활성과 매우 작은 과전압을 가진다는 걸 확인했다"고 설명했다.

백종범 교수는 "이번 연구는 과산화수소가 필요한 현장에서 바로 사용 가능한 고효율 과산화수소를 촉매를 설계하는 길라잡이 역할을 할 것"이라며 "이를 통해 과산화수소의 운송과 저장에 필요한 비용을 절감하고 각종 산업영역에서 과산화수소의 활용 범위를 넓힐 수 있을 것"이라고 기대했다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr