KIST, 공기 중 산소를 과산화수소로 전환하는 촉매 개발
||2025.03.09
연구팀, 탄소 촉매 메조 기공 도입
고효율 메조 다공성 촉매 개발해
한국과학기술연구원(KIST) 공기 중 산소를 과산화수소로 전환하는 촉매를 개발했다고 9일 밝혔다.
김종민 KIST 극한물성소재연구센터 박사, 한상수 KIST 계산과학연구센터 박사, 이재우 한국과학기술원(KAIST) 교수, 문준희 한국기초과학지원연구원(KBSI) 박사 공동연구팀은 탄소 촉매에 메조 기공을 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 20nm 크기 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.
또 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.
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.
의료용 과산화수소 농도(3%)를 초과하는 3.6% 농도의 과산화수소 용액을 제조하는 데 성공함으로써 상용화 가능성을 제시했다.
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.
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