나노기술 및 정책 정보

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● 한국과학기술원의 강정구 교수 연구팀이 햇빛을 이용해 물과 산소만으로 과산화수소를 생산하는 고효율 나노구조체 촉매를 개발

● 현재 과산화수소는 대부분 `안트라퀴논 공정'을 통해 생산되며, 이 공정은 고압의 수소 기체와 값비싼 팔라듐 기반 수소화 촉매를 이용하기 때문에 안전성과 경제성에서 문제를 가지고 있을 뿐만 아니라 반응 중에 이용되는 유기 오염물질이 방출되기 때문에 환경 문제를 유발

● 반면, 햇빛을 에너지원으로 이용하여 산소를 과산화수소로 환원시키는 광촉매는 전이금속 산화물을 이용할 수 있어 기존 팔라듐 촉매보다 저렴하지만, 산화 반응에 과산화수소보다 더 비싼 알코올류의 산화제를 첨가해야만 하고, 생산된 과산화수소가 광촉매 표면에서 빠르게 분해돼 촉매 효율이 떨어지는 단점을 보유

● 이에 연구팀은 고가의 팔라듐 촉매보다 훨씬 저렴한 코발트, 티타늄, 철 산화물을 요소-수열 합성법을 통해 나노 구조화함

● 두 가지 이상의 금속 조합을 갖는 금속산화물의 경우, 일반적으로 각기 다른 금속이 혼합되어 한 가지 구조의 상을 형성

● 하지만 연구팀은 코발트 전구체의 비율을 높여 철과 코발트 산화물을 분리한 후, 2가 철 산화물의 화학적 비안정성을 이용해 티타늄 산화물과 다시 분리함으로써, 각기 다른 세 가지 금속산화물이 각자의 산화물 상으로 분리되어 형성되는 삼상 산화물(Triphasic metal oxide)을 합성

● 삼상 산화물 광촉매는 2차원적으로 넓은 나노시트 형태의 코발트 산화물이 있고, 그 위에 코어-쉘 구조를 가진 철 산화물-티타늄 산화물 나노입자가 배열된 독특한 구조를 보임

● 또한, 연구팀은 계산과학을 통해 코어-쉘 구조의 나노입자는 효율적으로 가시광선과 자외선을 흡수해 전자를 전달한다는 것을 입증

● 해당 기술은 기존에 가장 효율이 높다고 알려진 귀금속계 촉매보다 수 천배 저렴할 뿐만 아니라 약 30배 정도 높은 생산성을 가져 광촉매를 통한 과산화수소 생산의 상용화에 이바지할 것으로 기대

※ Advanced Energy Materials 게재(2022.02.25.), “Triphasic metal oxide photocatalyst for reaction site-specific production of hydrogen peroxide from oxygen reduction and water oxidation”