과산화수소는 화학, 의료, 반도체 산업 등에서 폭넓게 활용되는 세계 100대 산업용 화학 물질 중 하나다. 현재 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정(Anthraquinone process)을 통해 생산되지만, 이 공정은 높은 에너지 소비, 고가의 팔라듐 촉매 사용, 부산물 발생으로 인한 환경 오염 등 여러 문제점을 가지고 있다. 이에 따라, 최근에는 저렴한 탄소 촉매를 활용해 산소를 전기화학적으로 환원해 과산화수소를 생산하는 친환경적 방식이 주목받고 있다. 그러나 이 방식은 고순도의 산소 가스를 주입해야 하는 높은 비용 문제와 생성된 과산화수소가 불안정한 염기성 전해질 환경에서 주로 생성되는 실용적 한계가 존재했다.

 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한물성소재연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사, 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수, 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 양성광) 문준희 박사 공동연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 탄소 촉매에 메조 기공(Mesopore)을 도입해 낮은 산소 농도를 갖는 공기 공급 환경 및 중성 전해질에서도 과산화수소를 효과적으로 생산할 수 있는 고효율 메조 다공성 촉매를 개발했다.

 연구팀은 온실가스인 이산화탄소(CO₂), 강력한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH₄), 그리고 메조 크기의 탄산칼슘(CaCO₃) 입자를 반응시킨 후, 탄산칼슘 입자를 선택적으로 제거하는 방식으로 약 20나노미터(nm) 크기의 메조 기공을 갖는 붕소 도핑 탄소를 합성했다. 이를 전기화학적 과산화수소 생산 촉매로 활용한 결과, 메조 기공으로 인해 형성된 굴곡진 표면 특성이 과산화수소 생성 반응이 어려운 중성 전해질 환경에서도 우수한 촉매 활성을 발휘하는 것을 실험과 계산을 통해 규명했다. 또한, 실시간 라만 분석을 통해 메조 다공성 구조가 반응물인 산소의 원활한 전달을 촉진함으로써, 산소 농도가 약 20%에 불과한 공기 환경에서도 높은 촉매 활성을 유지할 수 있음을 확인했다.

 이러한 연구 성과를 바탕으로, 연구팀은 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 과산화수소 대량생산 반응기에 적용할 경우, 상용화에 가까운 환경인 중성 전해질과 공기 공급 및 산업 규모의 전류밀도(200 mA/cm²) 조건에서 80% 이상의 세계 최고 수준 과산화수소 생산 효율을 기록할 수 있음을 입증했다. 특히, 의료용 과산화수소 농도(3%)를 초과하는 3.6% 농도의 과산화수소 용액을 제조하는 데 성공함으로써 상용화 가능성을 제시했다.

 KIST 김종민 박사는 "우리가 호흡하는 공기 중의 산소를 활용해 중성 전해질에서 과산화수소를 생산하는 메조 다공성 탄소 촉매 기술은 기존 촉매보다 실용성이 높아 산업화에 속도를 더할 것"이라고 밝혔다.

 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 우수신진연구사업(2N74120), 나노소재기술개발사업(2N76070) 및 선도연구센터지원사업(NRF-2022R1A5A1033719)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Materials」 (IF 27.4, JCR 분야 1.94%) 최신 호에 게재됐다.

* (논문명) Mesoporous Boron-doped Carbon with Curved B4C Active Sites for Highly Efficient H2O2 Electrosynthesis in Neutral Media and Air-supplied Environments

[그림 1] 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매 구조

(좌) 다공성 탄소 촉매의 표면과 메조 기공을 이루는 탄소 벽에 붕소가 도핑되어 있는 구조를 나타낸 모식도. (우) 투과전자현미경과 원자단층현미경을 이용하여 측정된 탄소 촉매의 메조 기공 구조 및 붕소의 원자 단위 분포 상태.

[그림 2] 평면 도핑 구조와 휘어진 붕소 도핑 구조의 촉매 활성 비교 

(좌) 평면 도핑 구조와 메조 기공에 의해 휘어진 도핑 구조의 촉매 반응 과정 모식도. (우) 도핑 형태에 따른 중성 전해질에서 과산화수소 생성 반응에 대한 활성 비교.

[그림 3] 공기를 이용한 과산화수소 생산 전극 구조 및 촉매 성능 

(좌) 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 이용해 만든 공기 활용 과산화수소 생산 전극 구조의 모식도. (우) 중성 전해질 및 대기 환경에서 측정한 본 연구 개발 촉매와 기존 촉매와의 성능 비교표.