전기 없이 과산화수소 생산하는 차세대 시스템 개발…기포 제거했더니 성능 3배 ‘껑충’

△ 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 구현했다

고려대학교(총장 김동원) KU-KIST융합대학원 이병훈 교수 연구팀은 미국 노스웨스턴대학교 에드워드 사전트(Edward H. Sargent) 교수 연구팀과 성균관대학교 박승학 교수 연구팀과의 국제공동연구를 통해 외부 전력 공급 없이 과산화수소를 생산할 수 있는 고효율 전기화학 시스템을 개발했다.

과산화수소는 반도체 세정, 수처리, 제지·펄프 산업, 의료·바이오 분야 등에서 폭넓게 활용되는 핵심 화학물질이다. 현재 과산화수소 생산은 대규모 ‘안트라퀴논’ 공정에 의존하고 있는데, 이는 공정이 매우 복잡할 뿐만 아니라 에너지를 많이 소비한다는 한계가 있다.

*안트라퀴논 공정: 높은 온도와 압력 조건에서 안트라퀴논 유기 화합물의 순환 반응을 이용하여 과산화수소를 대량 생산하는 전통적인 화학 공정 방식

최근 대체 방안으로 산소를 직접 과산화수소로 전환하는 전기화학적 생산 기술이 주목받고 있다. 하지만 이 기술을 활용한 기존 시스템은 산소발생반응(OER)에 높은 전위(전압)가 필요한 데다가, 느린 반응속도로 인해 상당한 에너지 손실이 발생한다. 

연구팀은 촉매 개발에 집중하던 기존 연구에서 벗어나, 푸르푸랄 산화 반응을 과산화수소 생성 반응과 결합해 외부 전력 공급 없이 스스로 작동하는 ‘갈바닉(galvanic)’ 전해 시스템을 구현했다. 

*푸르푸랄 산화 반응: 친환경 유기 화합물인 ‘푸르푸랄’을 전극에서 산화시켜, 기존 방식보다 훨씬 낮은 전압으로 고부가가치 화학 원료(푸로산)와 수소를 생산하는 전기화학 반응

그러나 이 과정에서 뜻밖의 부작용이 발견됐다. 푸르푸랄이 계면의 표면장력을 낮추어 미세 기포 형성을 촉진했고, 이에 전극 표면의 물질 전달이 크게 제한되면서 과산화수소 생산 성능이 저하된 것이다. 연구팀은 전해액이 흐르는 속도를 정밀하게 제어해 기포 제거를 촉진하는 방식으로 문제를 해결했다. 그 결과, 기존 대비 과산화수소 생산 효율(전류밀도)을 약 3배 끌어올리는 성과를 거뒀다. 

실제 산업 공정에 바로 적용할 수 있도록 과산화수소 생성 반응의 핵심 부품인 ‘막전극접합체(MEA)’를 최적화한 결과, 외부 전력 공급 없이 대용량 상업 생산이 가능한 수준(331 mA cm-2)의 전류밀도를 달성했다. 이때 과산화수소 선택성은 약 90% 수준으로 유지됐으며, 빠른 과산화수소 생산 속도(시간당 5.617 mmol cm-2 h-1)를 기록했다. 

*선택성: 생성물이 다양한 반응에서 원하는 특정 생성물에 대한 생산량을 의미함. 여기서는 과산화수소만을 선별해내는 능력을 말한다

연구팀이 개발한 시스템은 과산화수소뿐만 아니라 수소와 푸로산을 동시에 생산할 수 있어 에너지 효율성과 경제성을 모두 극대화할 수 있다. 특히 전기 소비량은 기존 전기화학 기반 과산화수소 생산 기술 대비 크게 낮은 수준(약 236 kWh tonne-1 H2O2)을 보였다. 

이병훈 교수는 “본 연구는 산업 수준에서의 전기화학 시스템 구동에 있어 촉매 성능 향상만이 아니라 전해조(반응기) 내부에서 발생하는 기포의 생성과 제거를 제어하는 것이 전기화학 시스템 성능을 결정하는 핵심 요소임을 보여준 연구”라며, “향후 과산화수소 생산뿐 아니라 수소 생산, 이산화탄소 전환, 바이오매스 업그레이딩 등 다양한 전기화학 공정에도 적용 가능한 새로운 설계 전략이 될 것”이라고 밝혔다.

본 연구 성과는 에너지 분야 국제 저명 학술지 ‘Energy & Environmental Science(IF=30.8)’ 온라인에 6월 29일 게재됐다.

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

*DOI: 10.1039/D6EE02489K

*URL: https://doi.org/10.1039/D6EE02489K

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

[연구진 사진]

△(왼쪽부터) 고려대 KU-KIST융합대학원 김연도 박사과정(제1저자), 고려대 KU-KIST융합대학원 이병훈 교수(교신저자), 미국 노스웨스턴대 박성진 박사후연구원(제1저자), 미국 노스웨스턴대학 에드워드 사전트(Edward H. Sargent) 교수(교신저자), 성균관대 황지나 석박통합과정(제1저자), 성균관대 미래에너지공학과 박승학 교수(교신저자)