UNIST(총장 정무영)는 주상훈 에너지·화학공학부 교수팀은 전기를 이용해 산소를 과산화수소로 전환시킬 수 있는 '고성능 탄소 촉매'를 개발했다고 27일 밝혔다.

이 촉매는 반응을 활발하게 만드는 가장자리인 엣지(Edge)가 풍부해 엣지가 거의 없을 때보다 28배 더 많은 과산화수소를 생산했다. 

과산화수소는 냄새가 없고, 무색투명하며, 강한 산성을 띠는 액상 화합물이다. 종이를 만드는 제지산업을 비롯한 화합합성 분야에서 주로 쓰인다.

기존에는 여러 단계를 거치는데다 고압 수소와 귀금속 촉매를 사용하는 공정으로 만들기 때문에 생산단가가 높았다. 게다가 유기폐기물이 다량 생성돼 환경오염도 유발했다. 

친환경적이고 값싼 과산화수소 생산법으로는 '전기화학적 변환'이 있다. 재생 에너지로 생산한 전기를 이용해 공기 중 산소를 과산화수소로 변환시키는 방식이다. 이 방식에는 산소를 환원시켜 선택적으로 과산화수소로 전환하는 반응을 촉진하는 저렴한 촉매가 중요하다.

주 교수팀은 나노 다공성 물질의 구멍 내부에서 탄소 원자를 흑연 결정으로 성장시키는 전략을 고안했다. 구멍 속에서 성장한 탄소 원자는 수직으로 층을 이루는데, 이때 엣지 수가 증가한 구조를 만들었다. 
 
엣지 수가 늘어난 탄소 촉매는 엣지가 거의 없는 탄소 나노튜브보다 약 28배 높은 과산화수소 생산 성능을 보였다.

산소 선택도 99% 수준으로 우수했다. 현재 알려진 탄소 촉매 중 최고 성능이다. 엣지 많은 탄소 촉매는 안정성도 우수해 16시간 연속 구동하면서 상당한 양의 과산화수소를 포함한 반응수(反應水)를 생산했다. 

연구진은 촉매에서 산소로 전자(Electron) 하나를 전달하는 과정이 반응속도를 결정한다는 사실도 밝혔다.

주 교수는 "고성능 탄소 촉매로 얻은 반응수는 추가로 분리하거나 농축하지 않고 표백이나 산폐수 처리 등에 바로 적용할 수 있다"며 "새로운 탄소 촉매를 전기적 과산화수소 산업으로 응용할 미래가 기대된다"고 말했다. 

이번 연구는 주상훈 교수 주도 하에 사영진 박사, 김재형 연구원이 참여했다. 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자사업과 기초연구실사업의 지원을 받아 수행됐다.  

연구결과는 화학 분야 국제 학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)'에 지난 21일자로 출판됐다.