고려대, 외부 전력 없이 과산화수소 생산…효율 3배 높였다

(서울=뉴스1) 조수빈 기자 = 고려대학교는 이병훈 KU-KIST융합대학원 교수 연구팀이 미국 노스웨스턴대학교, 성균관대학교 연구팀과의 국제공동연구를 통해 외부 전력 공급 없이 과산화수소를 생산하는 갈바닉(galvanic) 기반 전기화학 시스템을 개발했다고 3일 밝혔다.

과산화수소는 반도체 세정과 수처리, 제지·펄프, 의료·바이오 분야 등에 널리 사용되는 핵심 화학물질이다. 현재는 에너지 소모가 큰 안트라퀴논 공정으로 대량 생산되고 있어 보다 효율적인 생산 기술 개발이 요구돼 왔다. 안트라퀴논은 높은 온도와 압력 조건에서 안트라퀴논 유기 화합물의 순환 반응을 이용하여 과산화수소를 대량 생산하는 전통적인 화학 공정 방식이다.

연구팀은 기존처럼 촉매 성능을 높이는 대신 푸르푸랄 산화 반응과 과산화수소 생성 반응을 결합한 새로운 전해 시스템을 설계했다. 이를 통해 외부 전력을 공급하지 않아도 스스로 작동하는 시스템을 구현했다.

연구 과정에서는 푸르푸랄이 전해액의 표면장력을 낮춰 미세 기포 생성을 촉진하고, 이 기포가 전극 표면의 물질 전달을 방해해 과산화수소 생산성을 떨어뜨린다는 사실도 확인했다.

연구팀은 전해액의 유속을 정밀하게 조절해 기포를 빠르게 제거하는 방식으로 문제를 해결했다. 그 결과 기존 시스템보다 과산화수소 생산 효율을 나타내는 전류밀도를 약 3배 높였다.

또 산업 적용을 위해 막전극접합체(MEA)를 최적화한 결과 외부 전력 없이도 상업 생산이 가능한 수준인 331mA/㎠의 전류밀도를 달성했다. 과산화수소 선택성은 약 90%를 유지했고 생산 속도는 시간당 5.617mmol/㎠를 기록했다.

연구팀이 개발한 시스템은 과산화수소뿐 아니라 수소와 푸로산도 동시에 생산할 수 있어 에너지 효율과 경제성을 높였다. 전기 소비량은 기존 전기화학 기반 과산화수소 생산 기술보다 크게 낮은 약 236kWh/t 수준으로 나타났다.

이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 Energy & Environmental Science에 지난달 29일 온라인 게재됐다.

cho@news1.kr