장민 교수(환경공학) 연구팀, 과산화수소 및 포름산 동시 고효율 생산가능한 광촉매 개발

 

- Applied Catalysis B: Environmental and Energy(IF: 22.1, JCR rank 상위 0.9%, 환경공학분야 1위) 게재 -

  광운대학교 장민 교수(환경공학) 연구팀은 황건덕 박사 후 연구원(제1저자), 종초은 연구교수(공저자), 최은하 교수(플라즈마바이오센터(PBRC) 소장, 전자바이오물리학과 교수, 공저자)와 함께 수소대체 액체 연료체인 과산화수소와 포름산을 동시에 고효율로 생산 가능한 광촉매와 분리공정을 개발했다.   전 세계적으로 탈탄소화된 에너지 전환을 위해 노력하는 추세에 따라 최근 잠재적인 대체 에너지인 수소에 대한 관심이 증가하고 있으나 안전 문제, 저장 및 운송방법의 필요성 등으로 인해 대규모 운용에 한계가 있는 것으로 알려졌다. 이같은 문제 해결을 위해 많은 양의 수소를 포함하고 있는 과산화수소, 포름산, 메탄올 또는 암모니아 등 전환가능한 대체 액체 연료체에 대한 수요가 폭발적인 성장세에 있다.   60% 과산화수소는 3MJ/L의 에너지 밀도 방출을 갖는다. 과산화수소는 의료 및 산업 분야에서 중요한 화학물질이기 때문에 운송 및 저장 측면에서 수소가스보다 인프라를 확보하고 있다. 세계 과산화수소 시장은 2020년 기준 14억4000만 달러로 추산되며, 연평균 5.7%씩 성장해 2028년에는 64억1000만 달러에 이를 것으로 예상된다. 이처럼 세계적 중요성과 성장세에도 불구하고 과산화수소의 산업적 생산은 에너지 집약적이고 환경친화적이지 않은 안트라퀴논 공정에만 의존하는 상황이다.   태양광 조사는 무궁무진하고 저렴한 에너지원이므로 광촉매는 앞서 언급한 문제 해결을 위한 이상적인 해결책을 제시한다. 장민 교수 연구팀은 광촉매를 이용한 과산화수소 생산에 있어 정공(hole)의 희생 화학물질인 옥살산(oxalic acid)을 이용해 광촉매 활성을 향상시키면서 높은 선택도로 수소대체 액체 연료체인 포름산(formic acid)으로 광-개질이 가능한 광촉매를 개발, 광촉매 공정의 경제성을 높여 상용화에 다가갈 수 있는 연구결과를 얻었다는 평가를 받고 있다.   레조르시놀-포름알데히드(Resorcinol-Formaldehyde)와 흑연 질화-탄소(graphitic carbon nitride) 복합체(RF0.2GCN)는 나노 시트와 같은 구조를 지니며 -C-NH-CH2-및 -NH-CH-OH의 결합을 통해 더 높은 수준의 표면 간 접촉이 이루어지는데, 이는 곧 리간드-리간드 전하 이동을 촉진한다. 본 연구에서 옥살산은 물에 비해 낮은 산화전위, 그리고 과산화수소 생산을 위한 이상적인 산성 조건 생성 능력으로 희생 화학물질로 사용됐다. 강력한 환원종인 ·CO2-를 이용해 전도대(CB)에 전자를 주입할 수 있으며, 옥살산 산화 시 또 다른 수소 운반체인 포름산(HCO2H)을 형성하기에 적합한 화학 구조(HO2C-CO2H)를 갖고 있다.   흥미로운 측면은 희생 화학물질인 옥살산의 이중 역할에 있다. 대부분의 연구에서 희생 화학물질을 전자 공여체로만 사용하는 반면, 이 연구에서는 옥살산이 포름산에 대한 전환 선택도가 ~82%이며, 물(31.5 μg g-1s-1)에 비해 과산화수소(325.2 μg g-1s-1) 생산을 10.3배 더 높일 수 있다. 또한 옥살산(pKa:1.23및 4.19)과 포름산(pKa:3.75) 사이의 pKa 차이로 인해 pH 2.1에서 이온화되지 않은 포름산에 비해 양전하를 띄는 RF0.2GCN에 의해 음이온인 옥살산이 주로 산화된다. 연구에서는 과산화수소와 포름산을 분리하는 2단계 방법을 도입했다. 용액을 pH 6으로 조정함으로써 음이온이 된 포름산을 음이온 교환 수지인 Amberlite IRA-416(Cl-)에 선택적으로 흡착해 과산화수소를 수집한 후 산 세척(HCl, pH 3)을 거쳐 수지에서 포름산을 탈착시킨다. 무궁무진한 에너지인 태양광과 소모성 없는 광촉매인 RF0.2GCN을 이용, 수소 운반체인 과산화수소와 포름산을 높은 효율로 동시 생산하고 선택적으로 분리할 수 있다는 결과는 향후 스케일-업 시에 수소 발생을 위한 비용 절감과 환경 지속성에 대한 희망을 갖게 한다.   해당 연구는 한국연구재단의 지원사업(Grant No. 2023R1A2C1003464, 2021R1A6A1A03038785 and RS-2023-00240726)으로 수행됐고, 연구결과는 과학전문지 Applied Catalysis B: Environmental 온라인 판에 2024년 5월 31일 게재됐다. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337324005708  

장민 교수(사진 우측 하단) 연구팀의 연구 요약 이미지.

  출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)