세계 10대 화합물 '염소' 값싸게 대량 생산한다

2020.01.21 19:00
곽상규 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수와 정관영 박사, 주상훈 교수, 임태정 박사과정생(왼쪽부터)은 염소를 더 싸게 만들 수 있는 저렴한 촉매를 개발했다. 울산과학기술원 제공
곽상규 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수와 정관영 박사, 주상훈 교수, 임태정 박사과정생(왼쪽부터)은 염소를 더 싸게 만들 수 있는 저렴한 촉매를 개발했다. 울산과학기술원 제공

살균이나 소독에 쓰이는 세계 10대 화합물 염소를 기존보다 값싸면서도 더 높은 효율로 만들 수 있는 새로운 촉매가 개발됐다.

 

주상훈 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수와 곽상규 교수 공동연구팀은 염소 생산용 전기화학적 방법에 쓰이는 기존 촉매보다 귀금속 함량은 150배 줄이면서도 성능은 높이고, 반응 조건은 덜 까다로운 새로운 촉매를 개발했다고 이달 21일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 발표했다.

 

염소는 제약산업과 고분자 관련 산업에 폭넓게 쓰이는 세계 10대 화합물 중 하나다. 강력한 산화제로 폐수 처리와 제지 산업에도 쓰인다. 전세계적으로 연간 7500만t 이상 염소가 ‘전기화학적 클로르 알칼리 공정’으로 생산된다. 이 반응은 염소를 꾸준히 공급할 수 있어 수영장과 같은 중·소규모 수처리 장치나 선박평형수에 미생물이 생기지 않도록 관리하는 데도 쓰인다.

 

전기화학적으로 염소를 만들 땐 1967년 개발된 DSA라는 상용 촉매가 쓰인다. DSA는 티타늄 기판 위에 귀금속 루테늄(Ru)과 이리듐(Ir) 산화물을 코팅해 만든다. 활성도와 내구성이 높으나 귀금속을 30% 이상 포함해야 해 비싸다. 염소 이온 농도가 낮거나 산도가 중성일 땐 산소까지 발생시켜 생산효율도 떨어진다. 최근 연구에선 이 결점이 금속산화물 촉매의 특성이라 아예 이를 대신하는 단원자 분산 촉매를 개발하는 추세다. 금속 원자를 표면에 고루 배치해 밖으로 드러나게 해 금속을 쓰는 양을 줄이면서도 효율을 높인다. 염소의 선택성도 높아 차세대 촉매로 주목받고 있다.

 

연구팀이 개발한 새로운 염소발생 촉매의 투과전자현미경(TEM) 사진과 활성점의 모식도다. 흰색으로 빛나는 백금 원자가 고르게 퍼져있는 것을 볼 수 있다. UNIST 제공
연구팀이 개발한 새로운 염소발생 촉매의 투과전자현미경(TEM) 사진과 활성점의 모식도다. 흰색으로 빛나는 백금 원자가 고르게 퍼져있는 것을 볼 수 있다. UNIST 제공

연구팀은 탄소나노튜브(CNT) 위에 질소 원자 4개로 둘러싸인 백금 원자가 퍼진 형태의 새로운 단원자 분산 촉매를 개발했다. 질소에 둘러싸인 백금 원자는 다른 입자와 뭉치지 않고 탄소나노튜브 표면에 하나 하나 달라붙었다. 이를 이용해 연구팀은 촉매에 쓰이는 귀금속의 양을 DSA의 150분의 1 수준으로 줄였다.

 

이 촉매는 같은 전압을 가했을 때 기존 촉매보다 높은 전류 밀도를 보였다. 전류 밀도가 높은 것은 전자가 염소 이온에 잘 전달돼 염소로 만들어지기 쉽다는 의미다. 연구팀은 촉매의 활성점과 CNT가 구조적으로 비슷해 전자를 쉽게 전달해줘 성능이 높아졌다는 것을 확인했다. 활성점은 반응 물질이 촉매 작용을 받는 부위로 염소생산 반응이 일어나는 곳이다. 용액의 산성도가 중성일 때와 염소 농도가 낮을 때도 성능을 그대로 유지했다.  이 촉매의 활성점에는 염소 이온은 스스로 붙는 반면 산소 발생으로 만들어지는 물은 잘 붙지 않아 산소 발생이 억제된다는 것도 이론 계산과 실험을 거쳐 확인했다.

 

주 교수는 “이번에 개발한 단원자 촉매는 50년 전 상용화된 귀금속 산화물계 촉매 패러다임을 바꾸는 새로운 촉매 설계 개념”이라며 “이번 촉매는 전해질 조성에 크게 영향을 받지 않아 중·소규모 수처리 장치와 선박평형수 처리 등 다양하게 응용될 것”이라고 말했다.

 

이번에 개발된 촉매(Pt₁/CNT)와 비교군 촉매(상용 촉매: DSA, 백금 나노입자: PtNP/CNT, 탄소 나노튜브: CNT)의 염소 발생 반응 성능 측정 그래프다(왼쪽). 낮은 전압으로 높은 전류 밀도를 얻어낼수록 활성도가 높은 촉매다. Pt₁/CNT는 염소 이온이 없을 때 활성이 없는데(점선), 이는 부반응이 없다는 것이다. 오른쪽은 염소 발생 반응의 선택성 그래프로 DSA는 전해질에 따라 영향을 받으나 Pt₁/CNT는 전해질 조성과 관계없이 선택성이 100%에 가깝다. UNIST 제공
이번에 개발된 촉매(Pt₁/CNT)와 비교군 촉매(상용 촉매: DSA, 백금 나노입자: PtNP/CNT, 탄소 나노튜브: CNT)의 염소 발생 반응 성능 측정 그래프다(왼쪽). 낮은 전압으로 높은 전류 밀도를 얻어낼수록 활성도가 높은 촉매다. Pt₁/CNT는 염소 이온이 없을 때 활성이 없는데(점선), 이는 부반응이 없다는 것이다. 오른쪽은 염소 발생 반응의 선택성 그래프로 DSA는 전해질에 따라 영향을 받으나 Pt₁/CNT는 전해질 조성과 관계없이 선택성이 100%에 가깝다. UNIST 제공

 

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