태양광-화학변환효율 1.1%로 세계 최고 기록 달성
[기계신문] 과산화수소는 산업 100대 화학물질 중 하나로 반도체 생산 공정에 사용되는 핵심 약품이자 소독, 산화, 펄프 제조 등에 폭넓게 사용되는 중요한 원료이다. 2024년 세계 과산화수소 시장규모는 한화기준 7조원을 돌파할 것으로 예상되고 있다.
하지만 최근 전 세계적인 코로나 방역 조치와 반도체 생산 수요 폭증으로 인해 과산화수소의 안정적 공급이 어려워질 전망이다. 또한 현재 과산화수소를 만드는 방법은 열화학적 공정(안트라퀴논 공정)으로, 높은 온도와 압력에서 값비싼 희귀금속인 팔라듐을 촉매로 사용한다.
이 공정은 에너지 소모가 클 뿐만 아니라 폭발 위험성과 온실가스 배출 등 다양한 환경 문제를 발생시키는 문제가 있다. 에너지 소모가 낮고 탄소 배출이 적은 방식으로 과산화수소를 생산하기 위한 많은 노력이 이루어지고 있지만, 생산성과 효율이 턱없이 낮아 상용화 문턱을 넘기 어려운 실정이다. 따라서 기존 열화학적 공정의 문제를 해결할 수 있는 친환경 기술 개발이 시급하다.
한국과학기술연구원(KIST)은 지난 11월 물자원순환연구단 변지혜, 청정에너지연구센터 이동기 박사팀이 과산화수소를 생산하는데 필요한 고온·고압의 에너지를 태양광으로 대체하면서도 전례 없이 높은 농도로 과산화수소를 생산할 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다.
KIST 연구진은 과산화수소를 만드는 기존 열화학적 공정에서 안트라퀴논 유기 분자가 반복적으로 산화, 환원 반응을 하며 과산화수소를 생산하는 것에 착안해 광촉매 반응용액을 유기용액으로 설계했다.
그 결과 유기 반응 용액에서 광촉매의 산소 환원 능력이 향상되어 과산화수소 생산이 크게 증가됨을 확인하였다. 뿐만 아니라 연구진은 유기 반응 용액 자체가 빛을 흡수하여 광화학적인 반응으로 과산화수소가 생성됨을 최초로 규명하였다.
연구진은 광촉매 소재와 반응 용액을 제어할 때 태양광을 이용하여 단위 시간 및 광촉매 그램당 53,000 ppm 농도(5.3%)의 과산화수소를 생산하는 성과를 달성했다. 이는 과산화수소 생산 산업 기준인 최소 10,000 ppm, 즉 1%을 5배 이상 초과 달성하는 성과이다. 기존 광촉매 기술이 수십~수백 ppm 수준의 과산화수소 생산에 그치는 것을 고려할 때 획기적인 성능 수치이다.
이 기술은 광촉매와 광화학의 두 가지 광반응의 시너지 효과로 태양광-화학변환효율(solar-to-chemical conversion efficiency) 1.1%를 달성하여, 기존 광촉매 최고 효율인 0.61%를 깨고 세계 최고 효율을 경신하였다.
KIST 변지혜, 이동기 박사는 “이번 연구는 태양광을 이용한 저탄소 친환경 기술로도 산업 핵심 연료를 높은 농도와 순도로 만들 수 있음을 보여준 사례”라며 “생산된 과산화수소를 리터 규모로 정제하는 공정도 연계해서 기술의 완성도를 확인하였고, 향후 대용량 실증을 거쳐 기술 상용화되도록 힘쓸 것”이라고 밝혔다.
탄소중립기본법 제정에 따라 2030년까지 온실가스 배출량을 2018년 대비 35% 감축해야 하는데, 이는 주요 산업 공정에서 온실가스 배출량을 필수적으로 감축해야 달성 가능한 수치이다. 과산화수소는 필수 핵심 원료이나 고탄소 방식으로 생산이 되고 있는 실정이다.
청정 태양광을 에너지원으로 고농도 및 고순도 과산화수소를 생산하는 이번 개발 기술은 에너지 소모와 탄소 배출을 최소화한 친환경 기술로 산업 공정을 혁신할 수 있음을 보여준 사례이다.
한편, 이번 연구는 KIST의 젊은 과학자들 간 융합 연구를 통해 달성된 원천 기술로서, 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 미래원천국가기반기술개발사업, 우수신진연구사업, 나노및소재기술개발사업, 바이오의료기술개발사업 및 선행융합연구사업으로 수행되었다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ 최신 호에 표지 논문으로 게재되었다.
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