▲ 대칭 및 대칭이 깨진 염소생산용 촉매의 활성점 모식도

국내 연구진이 소독에 쓰이는 염소의 생산 효율을 높이고 생산비용을 저감할 수 있는 촉매 구조를 발견, 촉매에 적용했을 때 높은 생산 효율을 보이는 만큼 상용화가 기대된다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 포항공과대학교 최창혁 교수, 서울대학교 주상훈 교수 연구팀이 염소를 효율적으로 생산하는 촉매의 설계 원리를 밝혀냈다고 12일 밝혔다.

살균이나 소독에 쓰이는 염소는 연간 7,500만 톤이 생산되는 세계 10대 화합물 중 하나다. 소금물을 기반으로 한 전기화학 공정법을 통해 생산되는데, 이 과정에서 금속 산화물 전극(DSA)이 촉매로 사용된다.

DSA는 이리듐이나 루테늄과 같은 값비싼 귀금속을 대량 포함하고 있어 비싸고, 염소 이온 농도가 낮거나 산도가 중성일 때는 산소 발생 반응이 동시에 발생해 생산효율도 떨어진다.

연구팀은 저렴하면서도 효율적인 염소 생산을 위해 DSA를 대체할 백금 단원자 촉매를 개발했다. 단원자 촉매는 금속 원자가 지지체 표면에 하나씩 흩뿌려진 형태의 촉매로, 금속 원자 각각을 모두 반응점으로 활용할 수 있어 같은 중량의 귀금속을 쓰더라도 더 효율적이다.

다만 백금 단원자가 가장 높은 성능을 보이는 활성점 형태를 밝히는 것은 차세대 고성능 촉매 개발의 숙제로 남아있었는데, 연구팀이 고성능 촉매 활성점 구조를 규명하기 위한 기초연구에 착수했다.

일반적으로 백금은 단원자 상태로 존재할 때, 마치 의자의 네 다리와 같이 평면에서의 네 개의 결합으로 대칭 구조를 형성하는 것이 널리 알려져 있다. 하지만 대칭적 활성점 구조는 촉매 성능이 낮고, 오히려 대칭 구조가 무너졌을 때 더 성능이 높을 수 있음을 예측했다.

연구팀은 이를 뒷받침하기 위해 원자 수준에서 정밀하게 제어된 백금 단원자 촉매를 개발했고 이를 분광분석을 통해 분석한 결과, 네 개의 결합을 가진 대칭 구조와 세 개의 결합을 가진 대칭이 깨진 구조가 공존하고 있음을 밝혀냈다. 이중 촉매 반응성이 높은 구조는 비대칭성 구조임을 실험적으로 규명하고, 대칭이 무너진 백금의 구조를 선택적으로 합성하는 데 성공했다.

이러한 발견을 통해 단원자 촉매의 성능 향상과 더불어 실제 염소 생산 공정에 적용 가능한 수준의 고성능 촉매 개발에 한 걸음 다가갔다. 나아가 단원자 촉매의 설계 원리를 염소 발생 반응에 그치지 않고, 다양한 전기촉매 반응에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

최창혁 교수와 주상훈 교수는 “지속 가능한 염소 생산을 위한 전극 소재 설계의 핵심 원리를 밝혔으며, 이를 실제로 구현해 상용화 가능한 전극을 개발했다”며, “이번 연구를 바탕으로 에너지 및 환경문제 해결을 위한 다양한 전기화학 전극 소재 개발에 더욱 집중할 것”이라 전했다.

한편, 과학기술정보통신부과 한국연구재단에서 추진하는 선도연구센터, 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 6월 3일 게재됐다.