싸고 효율적인 염소 생산 촉매 개발

■ 싸고 효율적인 염소 생산 촉매 개발

울산과학기술원(UNIST) 연구진은 살균. 소독에 흔하게 쓰이고, 10대 화학 물질 중 하나로 꼽히는 염소(Cl2)를 저렴하게 생산하는 방법을 개발했다. 에너지 및 화학공학부 주상훈. 곽상규 교수팀은 염소 생산에 주로 쓰는 전기화학적 방법에 쓸 새로운 촉매(Pt₁/CNT)를 개발했다고 2020년 01월 21일 밝혔다. 새로운 촉매는 백금(Pt) 원자 하나가 탄소 나노 튜브(CNT)에 고르게 분산된 구조를 가졌다. 이 촉매는 기존 상용 촉매(DSA) 보다 귀금속 함량이 150배 적으면서도 염소 발생 효율이 높고, 반응 조건은 덜 까다롭다는 장점이 있다.

현재 쓰이는 염소 발생용 전기 화학 촉매는 루테늄(Ru)과 이리듐(Ir) 같은 귀금속을 다량 포함한 산화물이어서 비싸다는 한계가 있다. 또한, 염소 이온 농도가 낮은 조건이나 중성 수소 이온 농도(pH) 환경에서는 염소만 생산하는 것이 아니라 산소까지 발생시켜 염소 생산 효율이 낮다.

연구진은 그 원인이 금속 산화물 기반 촉매의 본질적 특성에 있다는 점에 착안, 금속 산화물이 아닌 다른 형태의 촉매를 개발했다. 새로 개발한 촉매는 탄소 나노튜브 위에 '질소(N) 원자 4개로 둘러싸인 백금 원자'가 분산된 형태의 단원자 분산 촉매이다.

이 촉매는 금속 원자가 표면에 완전히 드러나기 때문에 그 함량이 적어도 높은 효율을 낼 수 있고, 다양한 전해질 조건에서 상용 촉매 보다 우수한 성능을 보였다. 특히 바닷물처럼 염소 이온을 많이 포함해도, 반대로 염소 이온 농도가 낮아도 모두 높은 효율을 보였다. 앞으로 다양한 환경이 전기 화학적 수처리 장비에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

주상훈 교수는 "이번에 개발한 단원자 촉매는 50년 전 상용화된 귀금속 산화물계 촉매의 패러다임을 바꾸는 새로운 촉매 설계 개념이다. 전해질 조성에 크게 영향을 받지 않아 중·소규모 수처리 장치와 선박 평형수 처리 등에서 다양하게 응용될 것"이라고 내다봤다. 이번 연구는 자연과학 분야 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 온라인판에 2020년 01월 21일 게재됐다.