태양광으로 반도체 생산 공정 등 산업 전반에 활용되는 과산화수소가 펑펑

태양광-화학변환효율 1.1%로 세계 최고 기록 달성

변지혜 선임연구원, 이동기 선임연구원

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 폭발의 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 시급한 상황이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 지난 11월 물자원순환연구단 변지혜, 청정에너지연구센터 이동기 박사팀이 과산화수소를 생산하는데 필요한 고온과 고압의 에너지를 태양광으로 대체하면서도 전례 없이 높은 농도로 과산화수소를 생산할 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 열화학적 공정을 광촉매 공정으로 대체하여 탄소 배출 없이 핵심 화학 원료를 생산할 수 있음을 보여준 사례이다.

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. 그뿐만 아니라 연구진은 유기 반응 용액 자체가 빛을 흡수하여 광화학적인 반응으로 과산화수소가 생성됨을 최초로 규명하였다.

태양광 과산화수소 생산 기술 모식도

출처: Energy Environ. Sci., 2022, 15, 4853 DOI: 10.1039/D2EE90071H

연구진은 광촉매 소재와 반응 용액을 제어할 때 태양광을 이용하여 단위 시간 및 광촉매 그램 당 53,000ppm 농도(즉 5.3%)의 과산화수소를 생산하는 성과를 달성했다. 이는 과산화수소 생산 산업 기준인 최소 10,000ppm, 즉 1%을 5배 이상 초과 달성하는 성과이다. 이는 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 “이 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.

본 연구는 KIST의 젊은 과학자들 간의 융합 연구를 통해 달성된 원천 기술로서, 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원을 받아 KIST 미래원천국가기반기술개발사업, 우수신진연구사업, 나노및소재기술개발사업, 바이오의료기술개발사업 및 선행융합연구사업으로 수행되었다. 이번 연구 결과는 국제학술지인 ‘Energy & Environmental Science (IF: 39.714, JCR 분야 상위 0.179%) 최신 호에 표지 논문으로 게재되었다. 논문명은 Solar-driven H2O2 production via cooperative auto-and photocatalytic oxidation in fine-tuned reaction media

-(제 1저자) 한국과학기술연구원 문병철 박사후연구원

-(제 1저자) 한국과학기술연구원 볼로마바이야쿠 학생연구원

-(교신저자) 한국과학기술연구원 이동기 선임연구원

-(교신저자) 한국과학기술연구원 변지혜 선임연구원

□연구개요

1. 연구배경

광촉매 기술은 빛과 산소만을 이용하여 산업 핵심 원료인 과산화수소를 만들 수 있다는 점에서 친환경 이점이 큰 기술이다. 그러나 광촉매 기술은 생산 효율이 턱없이 낮아 상용화 가능성이 낮은 기술로 지적되어 왔다. 광촉매 재료를 고도화하여 생산 효율을 높이려는 시도들이 진행되고 있지만, 고비용의 재료를 도입함에도 불구하고 산업 기준인 최소10,000ppm(1%) 수준의 고농도/고순도의 과산화수소를 생산하는 재료가 발굴되지 못한 실정이다.

2. 연구내용

본 연구는 광촉매 기술에서 촉매 재료 뿐만 아니라 반응 용액을 제어할 때 전체 촉매 공정의 효율이 크게 향상될 수 있음을 최초로 제시하였다. 연구진은 기존 산업 공정이 안트라퀴논이라는 유기 분자의 산화/환원 반응을 통해 고농도 과산화수소를 생산함에 착안하여 광촉매 유기 반응 용액을 설계하였다. 유기 분자로 구성된 반응 용액에서 광촉매의 활성이 크게 향상될 뿐만 아니라 유기 분자 용액 자체가 빛을 흡수하고 산소를 과산화수소로 변환시킬 수 있는 광화학적 특성이 있음을 규명하였다. 광촉매와 광화학의 시너지 반응을 통해 산업 기준을 최대 5배 이상 뛰어넘는 수준의 고농도의 과산화수소를 생산하였다. 생산된 과산화수소를 수처리 분리막 여과 기술을 이용하여 99.99% 순도로 정제하여 기술의 실효성을 확인하였다.

3. 기대효과

탄소중립기본법 제정에 따라 2030년까지 온실가스 배출량을 2018년 대비 35% 감축해야 하는데, 이는 주요 산업 공정에서 온실가스 배출량을 필수적으로 감축해야 달성 가능한 수치이다. 과산화수소는 산업 100대 화학물질로서 필수 핵심 원료이나 고탄소 방식으로 생산이 되고 있는 실정이다. 청정 태양광을 에너지원으로 고농도 및 고순도 과산화수소를 생산하는 본 기술은 에너지 소모와 탄소 배출을 최소화한 친환경 기술로 산업 공정을 혁신할 수 있음을 보여준 사례이다.

□용어해설

1. 과산화수소 (Hydrogen peroxide, H2O2)

수소와 산소의 무기화합물로 가장 간단한 구조의 과산화물이다. 일반적으로 수용액 상태의 과산화수소수로 활용되며 강한 산화력을 가지고 있어 산화 공정, 표백, 소독에 널리 사용된다. 과산화수소는 물과 산소로 바뀔 때 열이 발생하여 엔진과 로켓에 추친제로 사용되며 최근에는 연료전지 연료로도 활용될 수 있음이 밝혀졌다. 다양한 활용처로 인해 산업 100대 화학연료로 꼽히며 2020년 기준 한화 5조원 이상의 세계 시장 규모를 형성하고 있으며 2024년가지 전 세계 시장 규모가 한화기준 7조를 돌파할 것으로 예상된다.

2. 안트라퀴논 공정 (Anthraquinone process)

유기 용매에 녹인 안트라퀴논 분자를 촉매 존재 하에서 환원과 산화 반응을 반복적으로 거쳐 과산화수소를 생산하는 공정이다. 값비싼 팔라듐 촉매가 대량으로 필요하며 생산과 정제 단계마다 과도한 에너지가 소비되어 에너지 효율이 낮다. 또, 유기 반응에서 부산물이 발생하기 때문에 환경오염을 야기한다는 한계가 있다.

3. 광촉매 (Photocatalyst)

광촉매 재료는 빛을 에너지원으로 촉매 작용을 촉진시키는 재료를 일컫는데, 빛을 흡수하여 공기 중 산소를 환원시켜 과산화수소로 변환시킬 수 있다. 본 연구에서 사용된 광촉매는 완전 유기물로 구성된 고분자 광촉매가 사용되었다. 일반적인 광촉매 반응은 촉매 재료를 물에 담가 산소를 불어넣은 후 빛을 쪼여 과산화수소를 생산한다. 이번 기술은 광촉매 반응을 물이 아닌 유기 분자로 구성된 반응 용액을 사용하였는데, 이 때 광촉매 표면에서 산소가 환원되고 유기 분자가 산화되는 것을 기본 원리로 한다. 연구진은 유기 반응 용액이 광촉매의 활성을 증대시킴과 동시에 자체적으로 광화학적인 촉매 반응을 일으켜 과산화수소의 생산이 크게 향상될 수 있음을 확인하였다

KIST 홍보실 제공