과산화수소의 지속가능한 생산 효율 높이는 새로운 기술 개발

ㅇ 막스플랑크 연구팀, 과산화수소를 더욱 지속가능하고 효율적으로 생산할 수 있는 최적화된 방법 개발

- 폐수 처리와 소독 등에 활용되는 과산화수소(H₂O₂)는 수요가 증가하고 있으나, 기존 생산 공정은 높은 에너지 소비와 탄소배출이 한계로 지적됨

- 이에 독일 막스플랑크 콜로이드·계면연구소가 참여한 국제 공동연구팀은 빛을 이용해 과산화수소를 생산하는 새로운 광촉매 합성 기술을 개발함

- 연구진은 질화탄소 내부의 이온 공간 배열을 정밀하게 제어해 기존 친환경 생산 방식보다 약 3배 높은 효율을 달성함

ㅇ 광촉매 기술, 이를 대체할 수 있는 유망한 방법

- 광촉매의 효율은 빛에 의해 생성된 전하의 이동성과 유지 시간에 영향을 받으며, 연구진은 화학적 조성을 변경하는 대신 물질 내부의 이온 배열을 제어해 효율을 높이는 방법을 연구함

- 이를 위해 유기·무기 이온 공결정을 전구체로 활용해 리튬과 칼륨 이온의 공간적 배열을 정밀하게 제어한 결정성 질화탄소 광촉매 ‘CALiK’를 개발함

- 기존 용융염 기반 합성법은 이온이 불규칙하게 분포해 배열 제어에 한계가 있었으나, 새로운 합성법은 전구체의 이온 배열을 최종 광촉매에 반영할 수 있도록 설계됨

- 연구진은 동일한 화학 성분을 가진 다른 방식의 합성 물질과 비교해, 화학적 조성뿐 아니라 이온의 공간적 배열이 광촉매 특성에 미치는 영향을 분석함

ㅇ 정밀하게 제어된 이온 배열, 광촉매 성능 향상

- 실험 결과, 새로운 광촉매 CALiK는 기존 방식으로 제조한 KPHI보다 약 3배, 단일 양이온 기반 촉매 CALi보다 약 40% 높은 과산화수소 생산량을 기록함

- 특히 410 nm 파장의 빛에서 겉보기 양자수율 58%를 달성해 비교 대상 촉매 중 가장 높은 효율을 보임

- 구조·분광·전기화학 분석 결과, CALiK는 빛에 의해 생성된 전하를 효과적으로 분리하고 유지해 산소와의 반응을 촉진하는 것으로 나타남

- 연구진은 결정 내 이온의 공간적 배열이 광촉매 성능에 중요한 영향을 미친다는 사실을 입증하고, 합성 단계부터 성능을 최적화하는 새로운 방법을 제시함

Source: MPI