KIST 연구진, 컴퓨터 시뮬레이션으로 촉매 개발
실험결과 수소·산소 95%가 과산화수소로 만들어져
한국과학기술연구원(KIST)은 계산과학연구센터 한상수, 김동훈 박사, 물질구조제어연구센터 이승용 박사, 고려대 이관영 교수 공동연구팀이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 과산화수소 생산용 백금-금 합금 촉매를 개발했다고 12일 밝혔다.
한상수 센터장은 "이 촉매 기술은 장소 제약 없이도 친환경 과산화수소를 생산하는 기술로 상용화를 대폭 앞당겼다는 데에 의의가 있다"고 설명했다. 또한 "시행착오를 통해 연구해 나가는 분야인 촉매 소재 개발을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있었다"고 말했다.
과산화수소는 반도체의 불순물 제거나 종이의 표백제, 폐수 처리제 등에서 친환경 산화제로 다양한 산업군에 사용되고 있다. 특히 멸균 성분이 강해 코로나19 방역에도 쓰인다. 글로벌 시장조사기관 글로벌 마켓 인사이트는 2024년까지 전세계 과산화수소 시장 규모가 60억달러(약 7조1400억원)를 넘을 것으로 전망했다.
기존 생산 공정은 독성 물질을 사용하고 대규모의 설비가 필요해 제한된 장소에서만 생산이 가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 팔라듐 촉매를 이용해 과산화수소를 생산하는 기술이 개발됐다. 하지만 최대 40%만이 과산화수소가 만들어지고 나머지 60%는 물로 만들어져 아직 상용화되지 못하고 있다.
연구진은 촉매를 만드는 연구에 컴퓨터 시뮬레이션으로 이론적 예측 방법을 적용했다. 그 결과 새로운 형태의 백금-금 합금계 나노입자 촉매를 개발했다.
백금과 금이 만들어지기 이전인 원소형태에서 섞어 강제로 합금형태의 나노입자를 만들었다. 이 방식을 활용해 백금과 금의 전구체 양을 조절, 입자의 함량을 제어했다. 연구진은 백금과 금의 비율을 조절하면서 실험한 결과 백금 10%, 금 90%인 합금 나노입자 촉매일때 수소와 산소가 반응해 최대 95%까지 과산화수소로 만들어졌다.
연구진은 백금-금 합금 소재가 비교적 간단한 방법으로 상온에서 단시간 만에 합성할 수 있었다고 설명했다. 향후에는 반도체와 펄프 산업, 하수처리 시설 등에 과산화수소가 필요할 때마다 바로 합성해 사용이 가능 적용이 가능할 것이라고 전망했다.
연구진은 백금-금 합금 촉매 소재와 관련해 국내는 물론 미국과 유럽, 일본 특허도 출원 및 등록했다고 말했다. 향후 실제 산업현장 상용화를 위해 파일럿 플랜트-실증-양산 단계의 추가 연구가 필요하다고 설명했다.
이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제저널인 '악타 머터리얼리아(Acta Materialia)' 최신호에 게재됐다.
monarch@fnnews.com 김만기 기자
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