사영진 교수(화학과) 연구팀,

새로운 전기 과산화수소 생산촉매 작동원리 규명

- 세륨 산화물 기반 촉매의 산화/환원 매개효과에 의한 성능 개선 -

- 국제 저명 촉매학술지 ACS Catalysis(IF : 12.9) 논문 게재 -

광운대학교 화학과 사영진 교수 연구팀은 석사과정 김소희(제1저자) 학생과 전기를 이용한 과산화수소 생산 기술에 필수적인 새로운 촉매를 개발하고 작동 원리를 규명해 미국 화학회 출판의 국제 저명 촉매학술지 ACS Catalysis(IF : 12.9)에 논문을 게재했다고 밝혔다.

과산화수소(H2O2)는 펄프 표백, 살균, 화학 합성을 비롯한 다양한 산업에서 널리 활용되고 있는 친환경 산화제로 수요가 점차 증가하고 있다. 과산화수소는 안트라퀴논 공정을 통해 생산되고 있는데, 이 과정에는 고압의 수소 가스와 값비싼 귀금속 촉매가 사용되며 유기 폐기물을 만들어 내므로 이를 대체할 과산화수소 생산 기술이 필요한 상황이다.

전기 과산화수소 생산은 대기 중 산소와 물을 원료로 하므로 친환경적이고 재생에너지와 연동하여 생산 단가를 낮출 수 있지만 산소를 선택적으로 과산화수소로 전환시킬 수 있는 효율적인 전기 촉매가 필수적이다. 이를 개선하고자 사영진 교수 연구팀은 귀금속이 포함되지 않은 저가의 세륨 산화물(세리아)-탄소 나노튜브 복합 촉매를 개발했으며, 해당 연구 분야에서 도전과제로 제시된 중성 전해질에서 효율을 검증했다. 반응 중 일어나는 촉매 구조의 변화를 관찰할 수 있는 실시간 분광법을 통해 세리아에서 산소로 먼저 전자가 전달돼 생성된 산소 라디칼이 인근 탄소 나노튜브 표면에 흡착하는 계단식 메커니즘으로 반응이 진행되며, 세리아는 산소로의 전자 전달을 도와 촉매 효율이 향상됨을 밝혔다.

사영진 교수는 “본 연구에서 제시된 세리아의 활성 촉진효과의 원리는 미래에 개발될 전기 과산화수소 생산 촉매개발 및 연료전지나 수전해장치와 같은 다른 에너지 변환장치에 사용되는 촉매개발에도 유사하게 적용될 수 있어 범용성을 가질 것으로 기대한다”고 설명했다.

이 연구는 정부 지원사업인 한국연구재단 ‘중견연구/연계 신진후속과제(NRF-RS-2023-00208805)’의 지원을 받아 수행됐다.

사영진 교수, 김소희 학생, 세리아-산소나노튜브 촉매의 작동원리 모식도(사진 왼쪽부터)