기포 제어 기술로 세계 최고 수준 친환경 화학 합성 달성

친환경 과산화수소와 수소, 고부가 화학 물질 동시 생산… 미래 지속 가능한 제조 공정 제시

▲ (왼쪽부터) 성균관대 황지나 석박통합과정생, 고려대 KU-KIST융합대학원 이병훈 교수, 노스웨스턴대학 에드워드 사전트 교수, 성균관대 박승학 교수

미래에너지공학과 박승학 교수 연구팀이 고려대학교, 노스웨스턴대학교 공동 연구팀과 함께 외부 전력 공급 없이도 친환경 과산화수소(H2O2)를 높은 효율로 대량 생산할 수 있는 혁신적인 전기화학 시스템을 개발했다. 이번 연구 성과는 에너지 및 환경 분야 세계 최고 권위 학술지인 'Energy & Environmental Science'에 게재되었다.

과산화수소는 제지·펄프 산업, 의료·바이오 분야, 반도체 세정 등 폭넓게 활용되는 화학 물질이다. 그러나 현재 상산 방식은 대부분 대규모 안트라퀴논 공정에 의존하고 있어 높은 에너지 소비와 복잡한 공정이 요구된다. 이에 따라 분산형 친환경 과산화수소 생산 기술 개발이 중요한 과제로 떠오르고 있다.

최근에는 산소를 직접 과산화수소로 전환하는 전기화학적 생산 기술이 주목받고 있으나, 기존 시스템은 산소발생반응(OER)에 필요한 높은 전위와 느린 반응속도로 인해 상당한 에너지 손실이 발생한다. 특히 지금까지의 연구는 주로 촉매 개발에 집중되어 있으며, 전해조 내부에서 발생하는 기포가 성능에 미치는 영향은 간과되어 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 화학 반응이 일어나는 전극 표면에서 발생하는 기체 기포의 움직임에 주목했다. 연구팀은 초고속 카메라 촬영 기술을 도입해 미세 전극 표면을 관찰한 결과, 반응물인 유기 물질(푸르푸랄)이 용액의 표면장력을 낮추어 전극 표면에 미세 기포 형성을 촉진한다는 사실을 밝혀냈다. 이로인해 전극 표면의 물질 전달이 크게 제한된다는 사실을 규명했다.

▲유기물이 전극계면의 표면장력을 낮춰 미세 기포 형성을 촉진하는 현상을 규명하고, 전해질 유동 제어를 통해 기포 축적을 효과적으로 제거함으로써 산업 수준의 과산화수소 생산에 있어 외부 전압 인가 없이 구동되는 시스템을 구현하였다.

연구팀은 전해질 유동을 정밀하게 제어하는 전략을 도입하여 기포 제거를 촉진하였으며, 이를 통해 기존 조건 대비 약 3배 향상된 전류밀도를 확보하였다. 특히 최적화된 막전극접합체(MEA) 시스템에서는 외부 전력 공급없이 331 mA cm-2 수준의 산업적 전류밀도를 달성하였으며, 과산화수소 선택성은 약 90% 수준으로 유지되었다. 또한 시간당 5.617 mmol cm-2 h-1의 과산화수소 생산 속도를 기록하였다.

  *선택성 : 생성물이 다양한 반응에서 원하는 특정 생성물에 대한 생산량을 의미함.

이는 외부 전기 에너지 없이 자발적인 화학 반응(갈바닉 공정)만으로 친환경 과산화수소뿐만 아니라 미래 청정에너지인 수소(H2), 그리고 고부가가치 화학 원료인 푸로산(Furoic acid)을 동시에 대량 생산할 수 있는 획기적인 성과다. 특히 전기 소비량은 약 236 kWh tonne-1 H2O2 수준으로 평가되어, 기존 전기화학 기반 과산화수소 생산 기술 대비 크게 낮은 에너지 요구량을 나타냈다.

미래에너지공학과 박승학 교수는 "이번 연구는 전기화학 공정에서 오랫동안 간과되어 왔던 전극 표면의 기포 문제를 과학적으로 분석하고, 유체 흐름 조절이라는 친환경적이고 간단한 방법으로 상용화 가능한 수준의 생산 속도를 확보한 데 큰 의의가 있다"라며 "향후 탄소 배출 없는 지속 가능한 전기화학 공정에 적용 가능한 새로운 전략 제시에 기여할 것"이라고 연구의 의미를 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 탑-티어 연구기관 간 협력 플랫폼 구축 및 공동연구 지원 사업과 기초연구실, 우수신진연구 사업 지원으로 수행했다.

※ 논문명: Energy efficient integrated H2O2 electrosynthesis via tailored bubble dynamics

※ 학술지: Energy & Environmental Science (IF: 32.4)

※ 논문링크: https://doi.org/10.1039/d6ee02489k 

출처 : 에스프레스(S-PRESS)(https://www.spressnews.com)