사영진 교수(화학과) 연구팀, 중성 조건에서 작동하는 고효율, 고내구성 전기 과산화수소 생산 촉매 개발

- 상제어 및 탄소 껍질 보호 전략을 통한 전이금속 화합물 촉매의 성능·내구성 동시 확보 -

- 미국 화학회 출판의 국제 저명 촉매 학술지 ACS Catalysis (IF: 13.6)에 논문 게재 -

본교 화학과 사영진 교수 연구팀은 김태희 석사과정(제1저자)과 전기를 이용한 친환경 과산화수소 생산 기술의 핵심 한계였던 중성 전해질에서의 낮은 촉매 활성 및 내구성 문제를 해결한 새로운 촉매를 개발하고 그 작동 원리를 규명하였다.

과산화수소(H2O2)는 펄프 표백, 폐수 처리, 살균, 화학 합성을 비롯한 다양한 산업 분야에서 널리 사용되는 친환경 산화제로, 2030년까지 시장 규모가 약 154억 달러에 달할 것으로 전망되고 있다. 현재 과산화수소는 안트라퀴논 공정을 통해 주로 생산되지만, 이는 에너지 소비가 크고 복잡한 공정과 유기 폐기물을 동반한다는 단점이 있다. 이에 대한 대안으로 대기 중의 산소와 물, 그리고 재생에너지를 활용해 온사이트로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 생산 기술이 주목받고 있다. 하지만 기존 촉매들은 대부분 염기성 조건에서만 높은 성능을 보이지만 이 조건에서는 생성된 과산화수소가 쉽게 분해되는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 중성 조건에서의 촉매 개발이 필수적이었으나, 귀금속이 아닌 비귀금속 계열 전이금속 촉매는 중성 전해질에서 활성도가 낮고 구조적 부식이 쉽게 일어나는 문제가 존재했다.

본 연구진은 셀렌화 니켈의 결정상에 따라 촉매 활성이 크게 달라짐에 주목하여, NiSe보다 우수한 성능을 보이는 NiSe2 상을 선별해 내었다. 고려대학교 백서인 교수 연구팀과 협업하여 밀도범함수이론(DFT) 계산과 전자구조 분석을 통해 NiSe2 내 니켈의 높은 산화수가 d-밴드 중심을 이동시켜 핵심 중간체(*OOH)와의 결합 에너지를 최적화하고, 과산화수소 탈착을 촉진함을 밝혔다. 또한, 반응 중 용해되어 파괴되기 쉬운 NiSe2의 열역학적 불안정성을 극복하기 위해 반투과성 비정질 탄소 껍질을 씌운 구조(NiSe2@C)를 설계하였다. 이를 통해 촉매의 고유 활성을 유지하면서도 촉매 부식을 효과적으로 억제하여 획기적인 내구성을 확보했다.

 셀렌화 니켈 촉매의 결정상 효과와 반투과성 탄소 코팅층 효과에 대한 모식도

사영진 교수는 “이번 연구는 셀렌화 니켈의 상 제어를 통해 활성을 극대화하는 동시에 탄소 보호층을 도입해 중성 조건에서의 내구성 문제까지 동시에 해결한 기술”이라며, “기존 비귀금속 촉매의 한계를 넘어선 이번 전략은 향후 다양한 전이금속 기반 에너지 변환 촉매 개발에 범용적인 설계 지침을 제공할 것으로 기대한다”고 전했다.

이번 연구는 정부 지원 사업인 한국연구재단 중견연구/연계 신진후속과제(RS-2023-00208805) 및 나노소재기술개발사업(RS-2026-25607421)와 2024년도 광운대학교 교내연구비 사업의 지원을 받아 수행되었다.

Web link: https://pubs.acs.org/accacs/article/doi/10.1021/acscatal.6c01819/5264157