금-백금 나노입자 합성 모식도/KIST 제공

KIST 계산과학연구센터 한상수, 김동훈 박사, 물질구조제어연구센터 이승용 박사, 고려대학교 이관영 교수 공동연구팀이 대규모 생산설비 없이 수소와 산소만으로 과산화수소를 직접 합성할 수 있는 기술 개발에 성공했다.
공동연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 기존의 과산화수소 직접 합성 촉매로 연구돼 온 팔라듐에 비해 효율이 월등히 높은 백금-금 합금 촉매를 개발했다.
팔라듐 촉매에서 30~40%에 불과했던 과산화수소 선택성을 95%까지 올리는 성과를 얻어냈다.
과산화수소는 소독제, 표백제로는 물론 산업 전반에서 폭넓게 사용되는 산화제다.
다만 대규모 설비를 갖춘 공장에서만 생산이 가능한데다 생산 공정에서 독성 물질이 사용되는 문제가 있다.
이를 해결하기 위한 과산화수소 직접 합성법은 지금까지 주로 팔라듐(Pd) 촉매를 기반으로 연구돼 왔다.
하지만 팔라듐 가격이 비싼 데다 수소-산소 반응시 과산화수소보다 물이 더 많이 생성돼 상용화의 걸림돌이 되어 왔다.
연구팀은 원소 조합에 의해 발현되는 물성을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이론적으로 예측하는 방법을 통해 새로운 형태의 백금(Pt)-금(Au) 합금계 나노입자 촉매를 개발했다.
백금과 금은 서로 잘 섞이지 않기 때문에 둘을 합쳐 촉매를 제작하기 어렵다.
연구팀은 백금과 금의 전구체를 섞은 후 환원시켜 강제로 합금 형태의 나노입자를 합성했다. 백금과 금의 전구체 양을 조절하여 입자의 함량도 제어할 수 있다.
컴퓨터 시뮬레이션을 통해 백금-금 합금계 나노입자의 결정 구조와, 금의 함량에 따른 과산화수소 생산 능력의 변화를 원자 수준에서 예측할 수 있는 메커니즘을 함께 제시했다.
이 촉매를 활용해 수소와 산소를 수용액에 주입하기만 하면 어디에서나 대형설비 없이도 상온(10˚C), 상압(1기압) 조건에서 최대 95%까지 과산화수소를 생성할 수 있게 됐다.
8시간 이상의 촉매 반응에도 백금-금 합금 형태가 잘 유지되면서 생산 능력에 저하도 없는 구조적 안정성을 확보했다.

                                 촉매 성능 평가/KIST 제공

KIST 한상수 센터장은 “개발된 기술은 장소의 제약 없는 친환경 과산화수소 생산 기술로, 팔라듐 촉매의 한계인 낮은 선택성을 극복하여 상용화를 대폭 앞당겼다는 데에 의의가 있다. 시행착오를 통해 연구해 나가는 분야인 촉매 소재 개발을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있었다”고 설명했다.

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