장민 교수(환경공학과) 연구팀, 시간당 0.36% 과산화수소 생산 가능한 전기-촉매 물질 개발

- 응용 표면 과학 (JCR IF 6.3, 재료 과학(코팅 및 필름) 분야 1위, JCR 순위: 97.83%) 과학 저널에 게재 -

(좌측부터) 종초은 연구교수, 윤소연 박사, Reneesha Valiyaveettil Basheer, Nurhaslina 박사과정 Abd Rahman 박사과정, 장민 교수

모교 환경공학과 박사 과정생인 Reneesha Valiyaveettil Basheer(제1저자)와 Nurhaslina Abd Rahman(박사과정), 윤소연 박사, 종초은 연구교수(공동교신저자)를 포함한 장민 교수(교신저자, 대한중점연구소 부소장, 환경나노기술연구소(JENTL) 소장) 연구팀은 전자바이오물리학과 임준섭 박사, 최은하 교수(PBRC 소장), 이화여자대학교 윤여민 교수와 함께 전기 분해를 통한 고효율 과산화수소 생산을 위한 고성능 전극을 개발, 그 결과는 표면 코팅 분야의 선도적인 저널인 Applied Surface Science에 게재되었다.

이번 연구 결과를 통해 효율적이고 안정적인 전기-촉매적 과산화수소 생산을 위해 최적화된 새로운 플라즈마 처리 트리메톡시페닐실란 전극을 소개하고, 반응 메커니즘에서 실라놀 작용기의 중요한 역할을 밝혀냈다. 과산화수소(H₂O₂)는 무색 투명한 액체로, 강력한 산화력을 바탕으로 살균, 소독, 표백 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되는 필수적인 화학 물질이다. 특히, 사용 후 물과 산소로 분해되어 환경 친화적인 특성을 지니고 있어 더욱 주목받고 있다. 하지만 기존의 주요 생산 방식인 안트라퀴논 공정은 높은 에너지 소비와 환경 부담이라는 단점이 있어, 친환경적인 전기촉매적 산소환원반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 통한 과산화수소 생산 기술에 대한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다.

본 연구에서는 트리메톡시페닐실란(TMPS)으로 코팅된 탄소펠트(CF)에 아르곤 제트 플라즈마 처리를 통해 다양한 중합된 TMPS (P-TMPS) 구조 형성을 확인하였으며, 최적화된 15분 동안 플라즈마 처리된 CF-S10-P15 전극은 5시간 동안 약 1.8%의 과산화수소를 생산, 5 사이클 동안 지속적으로 같은 과산화수소 생산 수율을 기록하였다. ATR-FTIR, ¹³C/¹H NMR, TPD, XPS 및 in-situ Raman 분석 결과를 토대로, CF-S10-P15 전극에 생성된 Si-OH 작용기가 ORR을 통한 고효율 과산화수소 생산에 중요한 역할을 하여 과산화수소 수율을 크게 향상시키고 있음을 확인하였다.

본 연구는 플라즈마를 사용하여 친환경적이고 빠르게 전극을 제조하고, 환경 친화적인 전기 분해를 통해 과산화수소를 고효율로 생산할 수 있는 시스템을 개발하는 새로운 연구 분야이며, 전극 성능 향상을 위한 루이스 산(Lewis acid) 형성에 있어 플라즈마 처리의 새로운 기작을 발견했다는 점에서 의의가 있다.

중합 TMPS가 도입된 탄소 펠트에서 Si–OH가 ORR을 통해 과산화수소 생산 촉진 개념도

본 연구는 한국연구재단(NRF, 과제번호 2021R1A6A1A03038785, 2023R1A2C1003464, RS-2023-00240726), 플라즈마 생명과학 연구센터 (PBRC), 환경부 산하 한국환경산업기술원 (과제번호RS-2023-00215807)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 과학 저널 Applied Surface Science (IF: 6.3) 온라인 판에 2025년 2월 12일 아르곤-제트 플라즈마-중합된 트리메톡시페닐실란을 사용한 루이스 산 형성을 통한 과산화수소 생산의 전기촉매적 향상'이라는 제목으로 발표되었다.  

link : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433225003903  JENTL.net

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)