계산과학을 통해 입증된 금-백금 나노입자 촉매의 H2O2 생산 메커니즘/자료=KIST
생산 과정 까다로운 과산화수소…필라듐 가격 상승에 산업현장 부담 가중과산화수소는 물에 희석해 상처를 치료하는 소독제로 사용되기도 하고, 반도체의 불순물 제거, 폐수 처리제 등 친환경 산화제로 산업 전반에서 폭넓게 사용하고 있다. 하지만 생산 공정에서 독성 물질이 사용되고 대규모 설비가 필요해 제한된 장소에서만 생산할 수 있고, 생산 후에도 특수운송 수단을 필요로 하는 등의 문제가 있었다. 이를 해결하고자 팔라듐(Pd) 촉매를 이용해 수소(H2)와 산소(O2)를 반응시켜 과산화수소를 생산하는 기술이 개발됐지만, 팔라듐 촉매의 경우 최대 40%의 과산화수소와 60%의 물이 생성된다. 특히 팔라듐 가격의 급격한 상승으로 산업현장에서의 비용 부담도 점점 커지고 있는 실정이다. 따라서 물 생성은 억제하고 과산화수소만을 선택적으로 생산할 수 있으면서도, 궁극적으로 팔라듐을 대체할 수 있는 새로운 합성 촉매 개발이 필요했다.
금-백금 나노입자 합성 모식도 (좌) 및 촉매 성능 평가 (우)/자료=KIST
연구진은 최적의 촉매 성능을 확보하기 위해 백금과 금의 전구체 양을 서로 달리하면서 다양한 조성에서 촉매 성능을 평가했다. 그 결과 금의 함량이 증가할수록 점점 더 높은 과산화수소 생산성을 보였다. 일반적으로 알려진 합금계에 금이 증가하면 불가피하게 촉매 활성이 감소할 수밖에 없던 한계를 극복한 사례이다.
한상수 박사는 “고공행진 가격을 보이는 팔라듐이 아닌 새로운 금-백금 합금의 대체를 통해 과산화수소 생산 단가를 낮출 수 있을 것”이라고 말했다. 또 “컴퓨터 시뮬레이션을 통해 시행착오를 줄임으로써 약 100여 년 동안 정체돼있던 해당 분야의 소재 개발 시간·비용을 획기적으로 줄였다는 데 큰 의의가 있다”며 “다른 소재 개발 연구 산업에도 모범사례가 될 것”이라고 덧붙였다.