- 수전해 장치에 사용되는 백금 및 이리듐 사용량 대폭 저감 - 이리듐 사용량을 현재보다 1/10 수준으로 낮추면서도 높은 성능 유지 최근 탈탄소 경제 실현을 위한 노력의 일환으로 화석연료의 사용이나 이산화탄소의 배출이 없이 수소를 생산하는 그린수소의 중요성이 부각되고 있다. 하지만, 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 높은 생산비용으로 인해 그린수소의 경제성이 그리 높지 않은 것이 현실이었다. 그러던 와중에 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 이리듐, 백금 등 희귀금속의 사용량을 대폭 저감하는 기술이 개발되면서 생산비용을 낮출 수 있는 길이 열리고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사 연구팀은 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발해 그린수소 생산비용을 대폭 낮추면서 기존 장치와 동등한 수준의 성능과 내구성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히, 다량의 백금과 금을 전극 보호층으로 사용하는 구조는 유지한 채 이리듐 촉매 사용량 저감에 초점을 둔 기존 연구와 달리 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고, 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다. 고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 제철, 화학 등 다양한 산업 분야에 수소를 공급하는 역할을 하고 있다. 또한, 재생에너지 전력을 수소에너지로 보관하는 에너지 전환에도 유리해 이 장치의 경제성을 높이는 것은 그린수소 경제 구현을 위해 매우 중요하다. 일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1mg/cm2 가량 코팅하여 보호층으로 사용하고, 그 위에는 1-2mg/cm2의 이리듐 촉매를 코팅한다. 이처럼 수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막는 주요 요인이다. 연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe2N)로 대체했다. 이를 위해 먼저 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 또한, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 0.1mg/cm2 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다. 개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮춘 것이다. 뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다. KIST 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구로, 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며, “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 산업통산자원부(장관 이창양) 및 KIST 주요사업의 지원으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B:Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 온라인 게재됐다. [그림 1] (A) 기존 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-백금) (B) 본 개발 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-질화철) [그림 2] (A) 본 개발 전극 제조 공정 모식도 [그림 3] (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 성능 [그림 4] (A) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 (C) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (D) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 [표 1] 상용 전극과 본 개발 전극의 비교 [사진 1] 백금 대신 값싼 질화철 보호층 위에 이리듐을 담지하여 그린수소 생산이 가능한 전극을 개발한 KIST 수소·연료전지연구센터 박현서 박사 연구팀 [사진 2] KIST 박현서 박사팀 연구진 ((좌)오진호 연구원(박사과정), (우)이규성 연구원(박사과정)이 개발한 성능과 내구성이 최적화된 전극을 활용하여 수전해 실험을 하고 있다. ○ 논문명: High–performance water electrolyzer with minimum platinum group metal usage: Iron nitride–iridium oxide core–shell nanostructures for stable and efficient oxygen evolution reaction ○ 논문저자 - 오진호 박사과정(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 정희윤 박사(제1저자/로렌스 리버모어 국립연구소) - 박현서 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용‧친환경 전기화학적 합성법 이용 - 시간 당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다. 과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다. 안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/cm2의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도와 활성을 갖기 때문에 대량생산이 어렵다는 한계가 있었다. KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다. 제1저자인 KIST 최재원 박사후 연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다.”라고 설명했다. 교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다. [그림 1] 이산화탄소 전환 반응으로 합성된 과산화수소 생성용 고효율 탄소 소재 모식도 [그림 2] 계산과학 시뮬레이션을 이용한 이산화탄소 전환 촉매의 과산화수소 생성 반응 활성점 규명 [그림 3] 이산화탄소 전환 탄소 촉매의 고전류밀도 과산화수소 생성률 비교 및 장기 안정성 테스트 [그림 4] 과산화수소 생성용 고효율 코발트 단원자 촉매 및 전기펜톤산화 공정 모식도 [그림 5] 전기펜톤산화를 통한 수처리 응용(메틸렌블루 염료 제거) [사진 1] KIST 연구진(좌측 : 장웬준 연구원/우측 : 최재원 박사후연구원)이 개발한 고성능 탄소 촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다. [사진 2] (좌측부터) (1) KIST 연구진이 개발한 고효율 저비용의 붕소도핑된 탄소 촉매 (2) 촉매를 도포한 전극, (3) 코발트 단원자가 담지된 탄소 촉매 ○ 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.07.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 이홍우 박사후연구원(제1저자/물질구조제어연구센터) - 변아영 박사(제1저자/KAIST) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터) - 이재우 교수(교신저자/KAIST) ○ 논문명: Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.08.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김수연 박사후연구원(제1저자/KIST 계산과학연구센터) - 장웬준 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터)

- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용‧친환경 전기화학적 합성법 이용 - 시간 당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다. 과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다. 안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/cm2의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도와 활성을 갖기 때문에 대량생산이 어렵다는 한계가 있었다. KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다. 제1저자인 KIST 최재원 박사후 연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다.”라고 설명했다. 교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다. [그림 1] 이산화탄소 전환 반응으로 합성된 과산화수소 생성용 고효율 탄소 소재 모식도 [그림 2] 계산과학 시뮬레이션을 이용한 이산화탄소 전환 촉매의 과산화수소 생성 반응 활성점 규명 [그림 3] 이산화탄소 전환 탄소 촉매의 고전류밀도 과산화수소 생성률 비교 및 장기 안정성 테스트 [그림 4] 과산화수소 생성용 고효율 코발트 단원자 촉매 및 전기펜톤산화 공정 모식도 [그림 5] 전기펜톤산화를 통한 수처리 응용(메틸렌블루 염료 제거) [사진 1] KIST 연구진(좌측 : 장웬준 연구원/우측 : 최재원 박사후연구원)이 개발한 고성능 탄소 촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다. [사진 2] (좌측부터) (1) KIST 연구진이 개발한 고효율 저비용의 붕소도핑된 탄소 촉매 (2) 촉매를 도포한 전극, (3) 코발트 단원자가 담지된 탄소 촉매 ○ 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.07.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 이홍우 박사후연구원(제1저자/물질구조제어연구센터) - 변아영 박사(제1저자/KAIST) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터) - 이재우 교수(교신저자/KAIST) ○ 논문명: Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.08.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김수연 박사후연구원(제1저자/KIST 계산과학연구센터) - 장웬준 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터)

- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용‧친환경 전기화학적 합성법 이용 - 시간 당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다. 과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다. 안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/cm2의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도와 활성을 갖기 때문에 대량생산이 어렵다는 한계가 있었다. KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다. 제1저자인 KIST 최재원 박사후 연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다.”라고 설명했다. 교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다. [그림 1] 이산화탄소 전환 반응으로 합성된 과산화수소 생성용 고효율 탄소 소재 모식도 [그림 2] 계산과학 시뮬레이션을 이용한 이산화탄소 전환 촉매의 과산화수소 생성 반응 활성점 규명 [그림 3] 이산화탄소 전환 탄소 촉매의 고전류밀도 과산화수소 생성률 비교 및 장기 안정성 테스트 [그림 4] 과산화수소 생성용 고효율 코발트 단원자 촉매 및 전기펜톤산화 공정 모식도 [그림 5] 전기펜톤산화를 통한 수처리 응용(메틸렌블루 염료 제거) [사진 1] KIST 연구진(좌측 : 장웬준 연구원/우측 : 최재원 박사후연구원)이 개발한 고성능 탄소 촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다. [사진 2] (좌측부터) (1) KIST 연구진이 개발한 고효율 저비용의 붕소도핑된 탄소 촉매 (2) 촉매를 도포한 전극, (3) 코발트 단원자가 담지된 탄소 촉매 ○ 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.07.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 이홍우 박사후연구원(제1저자/물질구조제어연구센터) - 변아영 박사(제1저자/KAIST) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터) - 이재우 교수(교신저자/KAIST) ○ 논문명: Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.08.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김수연 박사후연구원(제1저자/KIST 계산과학연구센터) - 장웬준 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터)

- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용‧친환경 전기화학적 합성법 이용 - 시간 당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다. 과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다. 안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/cm2의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도와 활성을 갖기 때문에 대량생산이 어렵다는 한계가 있었다. KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다. 제1저자인 KIST 최재원 박사후 연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다.”라고 설명했다. 교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다. [그림 1] 이산화탄소 전환 반응으로 합성된 과산화수소 생성용 고효율 탄소 소재 모식도 [그림 2] 계산과학 시뮬레이션을 이용한 이산화탄소 전환 촉매의 과산화수소 생성 반응 활성점 규명 [그림 3] 이산화탄소 전환 탄소 촉매의 고전류밀도 과산화수소 생성률 비교 및 장기 안정성 테스트 [그림 4] 과산화수소 생성용 고효율 코발트 단원자 촉매 및 전기펜톤산화 공정 모식도 [그림 5] 전기펜톤산화를 통한 수처리 응용(메틸렌블루 염료 제거) [사진 1] KIST 연구진(좌측 : 장웬준 연구원/우측 : 최재원 박사후연구원)이 개발한 고성능 탄소 촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다. [사진 2] (좌측부터) (1) KIST 연구진이 개발한 고효율 저비용의 붕소도핑된 탄소 촉매 (2) 촉매를 도포한 전극, (3) 코발트 단원자가 담지된 탄소 촉매 ○ 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.07.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 이홍우 박사후연구원(제1저자/물질구조제어연구센터) - 변아영 박사(제1저자/KAIST) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터) - 이재우 교수(교신저자/KAIST) ○ 논문명: Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.08.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김수연 박사후연구원(제1저자/KIST 계산과학연구센터) - 장웬준 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터)

- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용‧친환경 전기화학적 합성법 이용 - 시간 당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다. 과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다. 안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/cm2의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도와 활성을 갖기 때문에 대량생산이 어렵다는 한계가 있었다. KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다. 제1저자인 KIST 최재원 박사후 연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다.”라고 설명했다. 교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다. [그림 1] 이산화탄소 전환 반응으로 합성된 과산화수소 생성용 고효율 탄소 소재 모식도 [그림 2] 계산과학 시뮬레이션을 이용한 이산화탄소 전환 촉매의 과산화수소 생성 반응 활성점 규명 [그림 3] 이산화탄소 전환 탄소 촉매의 고전류밀도 과산화수소 생성률 비교 및 장기 안정성 테스트 [그림 4] 과산화수소 생성용 고효율 코발트 단원자 촉매 및 전기펜톤산화 공정 모식도 [그림 5] 전기펜톤산화를 통한 수처리 응용(메틸렌블루 염료 제거) [사진 1] KIST 연구진(좌측 : 장웬준 연구원/우측 : 최재원 박사후연구원)이 개발한 고성능 탄소 촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다. [사진 2] (좌측부터) (1) KIST 연구진이 개발한 고효율 저비용의 붕소도핑된 탄소 촉매 (2) 촉매를 도포한 전극, (3) 코발트 단원자가 담지된 탄소 촉매 ○ 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.07.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 이홍우 박사후연구원(제1저자/물질구조제어연구센터) - 변아영 박사(제1저자/KAIST) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터) - 이재우 교수(교신저자/KAIST) ○ 논문명: Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.08.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김수연 박사후연구원(제1저자/KIST 계산과학연구센터) - 장웬준 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터)

- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용‧친환경 전기화학적 합성법 이용 - 시간 당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다. 과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다. 안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/cm2의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도와 활성을 갖기 때문에 대량생산이 어렵다는 한계가 있었다. KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다. 제1저자인 KIST 최재원 박사후 연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다.”라고 설명했다. 교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다. [그림 1] 이산화탄소 전환 반응으로 합성된 과산화수소 생성용 고효율 탄소 소재 모식도 [그림 2] 계산과학 시뮬레이션을 이용한 이산화탄소 전환 촉매의 과산화수소 생성 반응 활성점 규명 [그림 3] 이산화탄소 전환 탄소 촉매의 고전류밀도 과산화수소 생성률 비교 및 장기 안정성 테스트 [그림 4] 과산화수소 생성용 고효율 코발트 단원자 촉매 및 전기펜톤산화 공정 모식도 [그림 5] 전기펜톤산화를 통한 수처리 응용(메틸렌블루 염료 제거) [사진 1] KIST 연구진(좌측 : 장웬준 연구원/우측 : 최재원 박사후연구원)이 개발한 고성능 탄소 촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다. [사진 2] (좌측부터) (1) KIST 연구진이 개발한 고효율 저비용의 붕소도핑된 탄소 촉매 (2) 촉매를 도포한 전극, (3) 코발트 단원자가 담지된 탄소 촉매 ○ 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.07.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 이홍우 박사후연구원(제1저자/물질구조제어연구센터) - 변아영 박사(제1저자/KAIST) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터) - 이재우 교수(교신저자/KAIST) ○ 논문명: Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.08.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김수연 박사후연구원(제1저자/KIST 계산과학연구센터) - 장웬준 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터)

- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용‧친환경 전기화학적 합성법 이용 - 시간 당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다. 과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다. 안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/cm2의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도와 활성을 갖기 때문에 대량생산이 어렵다는 한계가 있었다. KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다. 제1저자인 KIST 최재원 박사후 연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다.”라고 설명했다. 교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다. [그림 1] 이산화탄소 전환 반응으로 합성된 과산화수소 생성용 고효율 탄소 소재 모식도 [그림 2] 계산과학 시뮬레이션을 이용한 이산화탄소 전환 촉매의 과산화수소 생성 반응 활성점 규명 [그림 3] 이산화탄소 전환 탄소 촉매의 고전류밀도 과산화수소 생성률 비교 및 장기 안정성 테스트 [그림 4] 과산화수소 생성용 고효율 코발트 단원자 촉매 및 전기펜톤산화 공정 모식도 [그림 5] 전기펜톤산화를 통한 수처리 응용(메틸렌블루 염료 제거) [사진 1] KIST 연구진(좌측 : 장웬준 연구원/우측 : 최재원 박사후연구원)이 개발한 고성능 탄소 촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다. [사진 2] (좌측부터) (1) KIST 연구진이 개발한 고효율 저비용의 붕소도핑된 탄소 촉매 (2) 촉매를 도포한 전극, (3) 코발트 단원자가 담지된 탄소 촉매 ○ 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.07.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 이홍우 박사후연구원(제1저자/물질구조제어연구센터) - 변아영 박사(제1저자/KAIST) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터) - 이재우 교수(교신저자/KAIST) ○ 논문명: Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.08.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김수연 박사후연구원(제1저자/KIST 계산과학연구센터) - 장웬준 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터)

- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용‧친환경 전기화학적 합성법 이용 - 시간 당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다. 과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다. 안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/cm2의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도와 활성을 갖기 때문에 대량생산이 어렵다는 한계가 있었다. KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다. 제1저자인 KIST 최재원 박사후 연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다.”라고 설명했다. 교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다. [그림 1] 이산화탄소 전환 반응으로 합성된 과산화수소 생성용 고효율 탄소 소재 모식도 [그림 2] 계산과학 시뮬레이션을 이용한 이산화탄소 전환 촉매의 과산화수소 생성 반응 활성점 규명 [그림 3] 이산화탄소 전환 탄소 촉매의 고전류밀도 과산화수소 생성률 비교 및 장기 안정성 테스트 [그림 4] 과산화수소 생성용 고효율 코발트 단원자 촉매 및 전기펜톤산화 공정 모식도 [그림 5] 전기펜톤산화를 통한 수처리 응용(메틸렌블루 염료 제거) [사진 1] KIST 연구진(좌측 : 장웬준 연구원/우측 : 최재원 박사후연구원)이 개발한 고성능 탄소 촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다. [사진 2] (좌측부터) (1) KIST 연구진이 개발한 고효율 저비용의 붕소도핑된 탄소 촉매 (2) 촉매를 도포한 전극, (3) 코발트 단원자가 담지된 탄소 촉매 ○ 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.07.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 이홍우 박사후연구원(제1저자/물질구조제어연구센터) - 변아영 박사(제1저자/KAIST) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터) - 이재우 교수(교신저자/KAIST) ○ 논문명: Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.08.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김수연 박사후연구원(제1저자/KIST 계산과학연구센터) - 장웬준 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터)

- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용‧친환경 전기화학적 합성법 이용 - 시간 당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다. 과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다. 안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/cm2의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도와 활성을 갖기 때문에 대량생산이 어렵다는 한계가 있었다. KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다. 제1저자인 KIST 최재원 박사후 연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다.”라고 설명했다. 교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다. [그림 1] 이산화탄소 전환 반응으로 합성된 과산화수소 생성용 고효율 탄소 소재 모식도 [그림 2] 계산과학 시뮬레이션을 이용한 이산화탄소 전환 촉매의 과산화수소 생성 반응 활성점 규명 [그림 3] 이산화탄소 전환 탄소 촉매의 고전류밀도 과산화수소 생성률 비교 및 장기 안정성 테스트 [그림 4] 과산화수소 생성용 고효율 코발트 단원자 촉매 및 전기펜톤산화 공정 모식도 [그림 5] 전기펜톤산화를 통한 수처리 응용(메틸렌블루 염료 제거) [사진 1] KIST 연구진(좌측 : 장웬준 연구원/우측 : 최재원 박사후연구원)이 개발한 고성능 탄소 촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다. [사진 2] (좌측부터) (1) KIST 연구진이 개발한 고효율 저비용의 붕소도핑된 탄소 촉매 (2) 촉매를 도포한 전극, (3) 코발트 단원자가 담지된 탄소 촉매 ○ 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.07.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 이홍우 박사후연구원(제1저자/물질구조제어연구센터) - 변아영 박사(제1저자/KAIST) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터) - 이재우 교수(교신저자/KAIST) ○ 논문명: Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.08.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김수연 박사후연구원(제1저자/KIST 계산과학연구센터) - 장웬준 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터)