친환경 과산화수소 생산 돌파구! KIST, 공기 중 산소를 과산화수소로 전환하는 촉매 개발 - 메조 기공(Mesopore) 도입으로 낮은 산소 농도의 공기 공급 환경에서도 세계 최고 수준의 과산화수소 생산 특성 구현 - 중성 전해질에서 과산화수소 생산, 실용성 확보 및 상용화 가능성 제시 과산화수소는 화학, 의료, 반도체 산업 등에서 폭넓게 활용되는 세계 100대 산업용 화학 물질 중 하나다. 현재 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정(Anthraquinone process)을 통해 생산되지만, 이 공정은 높은 에너지 소비, 고가의 팔라듐 촉매 사용, 부산물 발생으로 인한 환경 오염 등 여러 문제점을 가지고 있다. 이에 따라, 최근에는 저렴한 탄소 촉매를 활용해 산소를 전기화학적으로 환원해 과산화수소를 생산하는 친환경적 방식이 주목받고 있다. 그러나 이 방식은 고순도의 산소 가스를 주입해야 하는 높은 비용 문제와 생성된 과산화수소가 불안정한 염기성 전해질 환경에서 주로 생성되는 실용적 한계가 존재했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한물성소재연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사, 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수, 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 양성광) 문준희 박사 공동연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 탄소 촉매에 메조 기공(Mesopore)을 도입해 낮은 산소 농도를 갖는 공기 공급 환경 및 중성 전해질에서도 과산화수소를 효과적으로 생산할 수 있는 고효율 메조 다공성 촉매를 개발했다. 연구팀은 온실가스인 이산화탄소(CO₂), 강력한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH₄), 그리고 메조 크기의 탄산칼슘(CaCO₃) 입자를 반응시킨 후, 탄산칼슘 입자를 선택적으로 제거하는 방식으로 약 20나노미터(nm) 크기의 메조 기공을 갖는 붕소 도핑 탄소를 합성했다. 이를 전기화학적 과산화수소 생산 촉매로 활용한 결과, 메조 기공으로 인해 형성된 굴곡진 표면 특성이 과산화수소 생성 반응이 어려운 중성 전해질 환경에서도 우수한 촉매 활성을 발휘하는 것을 실험과 계산을 통해 규명했다. 또한, 실시간 라만 분석을 통해 메조 다공성 구조가 반응물인 산소의 원활한 전달을 촉진함으로써, 산소 농도가 약 20%에 불과한 공기 환경에서도 높은 촉매 활성을 유지할 수 있음을 확인했다. 이러한 연구 성과를 바탕으로, 연구팀은 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 과산화수소 대량생산 반응기에 적용할 경우, 상용화에 가까운 환경인 중성 전해질과 공기 공급 및 산업 규모의 전류밀도(200 mA/cm²) 조건에서 80% 이상의 세계 최고 수준 과산화수소 생산 효율을 기록할 수 있음을 입증했다. 특히, 의료용 과산화수소 농도(3%)를 초과하는 3.6% 농도의 과산화수소 용액을 제조하는 데 성공함으로써 상용화 가능성을 제시했다. KIST 김종민 박사는 "우리가 호흡하는 공기 중의 산소를 활용해 중성 전해질에서 과산화수소를 생산하는 메조 다공성 탄소 촉매 기술은 기존 촉매보다 실용성이 높아 산업화에 속도를 더할 것"이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 우수신진연구사업(2N74120), 나노소재기술개발사업(2N76070) 및 선도연구센터지원사업(NRF-2022R1A5A1033719)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Materials」 (IF 27.4, JCR 분야 1.94%) 최신 호에 게재됐다. * (논문명) Mesoporous Boron-doped Carbon with Curved B4C Active Sites for Highly Efficient H2O2 Electrosynthesis in Neutral Media and Air-supplied Environments [그림 1] 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매 구조 (좌) 다공성 탄소 촉매의 표면과 메조 기공을 이루는 탄소 벽에 붕소가 도핑되어 있는 구조를 나타낸 모식도. (우) 투과전자현미경과 원자단층현미경을 이용하여 측정된 탄소 촉매의 메조 기공 구조 및 붕소의 원자 단위 분포 상태. [그림 2] 평면 도핑 구조와 휘어진 붕소 도핑 구조의 촉매 활성 비교 (좌) 평면 도핑 구조와 메조 기공에 의해 휘어진 도핑 구조의 촉매 반응 과정 모식도. (우) 도핑 형태에 따른 중성 전해질에서 과산화수소 생성 반응에 대한 활성 비교. [그림 3] 공기를 이용한 과산화수소 생산 전극 구조 및 촉매 성능 (좌) 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 이용해 만든 공기 활용 과산화수소 생산 전극 구조의 모식도. (우) 중성 전해질 및 대기 환경에서 측정한 본 연구 개발 촉매와 기존 촉매와의 성능 비교표.

친환경 과산화수소 생산 돌파구! KIST, 공기 중 산소를 과산화수소로 전환하는 촉매 개발 - 메조 기공(Mesopore) 도입으로 낮은 산소 농도의 공기 공급 환경에서도 세계 최고 수준의 과산화수소 생산 특성 구현 - 중성 전해질에서 과산화수소 생산, 실용성 확보 및 상용화 가능성 제시 과산화수소는 화학, 의료, 반도체 산업 등에서 폭넓게 활용되는 세계 100대 산업용 화학 물질 중 하나다. 현재 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정(Anthraquinone process)을 통해 생산되지만, 이 공정은 높은 에너지 소비, 고가의 팔라듐 촉매 사용, 부산물 발생으로 인한 환경 오염 등 여러 문제점을 가지고 있다. 이에 따라, 최근에는 저렴한 탄소 촉매를 활용해 산소를 전기화학적으로 환원해 과산화수소를 생산하는 친환경적 방식이 주목받고 있다. 그러나 이 방식은 고순도의 산소 가스를 주입해야 하는 높은 비용 문제와 생성된 과산화수소가 불안정한 염기성 전해질 환경에서 주로 생성되는 실용적 한계가 존재했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한물성소재연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사, 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수, 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 양성광) 문준희 박사 공동연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 탄소 촉매에 메조 기공(Mesopore)을 도입해 낮은 산소 농도를 갖는 공기 공급 환경 및 중성 전해질에서도 과산화수소를 효과적으로 생산할 수 있는 고효율 메조 다공성 촉매를 개발했다. 연구팀은 온실가스인 이산화탄소(CO₂), 강력한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH₄), 그리고 메조 크기의 탄산칼슘(CaCO₃) 입자를 반응시킨 후, 탄산칼슘 입자를 선택적으로 제거하는 방식으로 약 20나노미터(nm) 크기의 메조 기공을 갖는 붕소 도핑 탄소를 합성했다. 이를 전기화학적 과산화수소 생산 촉매로 활용한 결과, 메조 기공으로 인해 형성된 굴곡진 표면 특성이 과산화수소 생성 반응이 어려운 중성 전해질 환경에서도 우수한 촉매 활성을 발휘하는 것을 실험과 계산을 통해 규명했다. 또한, 실시간 라만 분석을 통해 메조 다공성 구조가 반응물인 산소의 원활한 전달을 촉진함으로써, 산소 농도가 약 20%에 불과한 공기 환경에서도 높은 촉매 활성을 유지할 수 있음을 확인했다. 이러한 연구 성과를 바탕으로, 연구팀은 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 과산화수소 대량생산 반응기에 적용할 경우, 상용화에 가까운 환경인 중성 전해질과 공기 공급 및 산업 규모의 전류밀도(200 mA/cm²) 조건에서 80% 이상의 세계 최고 수준 과산화수소 생산 효율을 기록할 수 있음을 입증했다. 특히, 의료용 과산화수소 농도(3%)를 초과하는 3.6% 농도의 과산화수소 용액을 제조하는 데 성공함으로써 상용화 가능성을 제시했다. KIST 김종민 박사는 "우리가 호흡하는 공기 중의 산소를 활용해 중성 전해질에서 과산화수소를 생산하는 메조 다공성 탄소 촉매 기술은 기존 촉매보다 실용성이 높아 산업화에 속도를 더할 것"이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 우수신진연구사업(2N74120), 나노소재기술개발사업(2N76070) 및 선도연구센터지원사업(NRF-2022R1A5A1033719)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Materials」 (IF 27.4, JCR 분야 1.94%) 최신 호에 게재됐다. * (논문명) Mesoporous Boron-doped Carbon with Curved B4C Active Sites for Highly Efficient H2O2 Electrosynthesis in Neutral Media and Air-supplied Environments [그림 1] 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매 구조 (좌) 다공성 탄소 촉매의 표면과 메조 기공을 이루는 탄소 벽에 붕소가 도핑되어 있는 구조를 나타낸 모식도. (우) 투과전자현미경과 원자단층현미경을 이용하여 측정된 탄소 촉매의 메조 기공 구조 및 붕소의 원자 단위 분포 상태. [그림 2] 평면 도핑 구조와 휘어진 붕소 도핑 구조의 촉매 활성 비교 (좌) 평면 도핑 구조와 메조 기공에 의해 휘어진 도핑 구조의 촉매 반응 과정 모식도. (우) 도핑 형태에 따른 중성 전해질에서 과산화수소 생성 반응에 대한 활성 비교. [그림 3] 공기를 이용한 과산화수소 생산 전극 구조 및 촉매 성능 (좌) 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 이용해 만든 공기 활용 과산화수소 생산 전극 구조의 모식도. (우) 중성 전해질 및 대기 환경에서 측정한 본 연구 개발 촉매와 기존 촉매와의 성능 비교표.

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친환경 과산화수소 생산 돌파구! KIST, 공기 중 산소를 과산화수소로 전환하는 촉매 개발 - 메조 기공(Mesopore) 도입으로 낮은 산소 농도의 공기 공급 환경에서도 세계 최고 수준의 과산화수소 생산 특성 구현 - 중성 전해질에서 과산화수소 생산, 실용성 확보 및 상용화 가능성 제시 과산화수소는 화학, 의료, 반도체 산업 등에서 폭넓게 활용되는 세계 100대 산업용 화학 물질 중 하나다. 현재 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정(Anthraquinone process)을 통해 생산되지만, 이 공정은 높은 에너지 소비, 고가의 팔라듐 촉매 사용, 부산물 발생으로 인한 환경 오염 등 여러 문제점을 가지고 있다. 이에 따라, 최근에는 저렴한 탄소 촉매를 활용해 산소를 전기화학적으로 환원해 과산화수소를 생산하는 친환경적 방식이 주목받고 있다. 그러나 이 방식은 고순도의 산소 가스를 주입해야 하는 높은 비용 문제와 생성된 과산화수소가 불안정한 염기성 전해질 환경에서 주로 생성되는 실용적 한계가 존재했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한물성소재연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사, 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수, 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 양성광) 문준희 박사 공동연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 탄소 촉매에 메조 기공(Mesopore)을 도입해 낮은 산소 농도를 갖는 공기 공급 환경 및 중성 전해질에서도 과산화수소를 효과적으로 생산할 수 있는 고효율 메조 다공성 촉매를 개발했다. 연구팀은 온실가스인 이산화탄소(CO₂), 강력한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH₄), 그리고 메조 크기의 탄산칼슘(CaCO₃) 입자를 반응시킨 후, 탄산칼슘 입자를 선택적으로 제거하는 방식으로 약 20나노미터(nm) 크기의 메조 기공을 갖는 붕소 도핑 탄소를 합성했다. 이를 전기화학적 과산화수소 생산 촉매로 활용한 결과, 메조 기공으로 인해 형성된 굴곡진 표면 특성이 과산화수소 생성 반응이 어려운 중성 전해질 환경에서도 우수한 촉매 활성을 발휘하는 것을 실험과 계산을 통해 규명했다. 또한, 실시간 라만 분석을 통해 메조 다공성 구조가 반응물인 산소의 원활한 전달을 촉진함으로써, 산소 농도가 약 20%에 불과한 공기 환경에서도 높은 촉매 활성을 유지할 수 있음을 확인했다. 이러한 연구 성과를 바탕으로, 연구팀은 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 과산화수소 대량생산 반응기에 적용할 경우, 상용화에 가까운 환경인 중성 전해질과 공기 공급 및 산업 규모의 전류밀도(200 mA/cm²) 조건에서 80% 이상의 세계 최고 수준 과산화수소 생산 효율을 기록할 수 있음을 입증했다. 특히, 의료용 과산화수소 농도(3%)를 초과하는 3.6% 농도의 과산화수소 용액을 제조하는 데 성공함으로써 상용화 가능성을 제시했다. KIST 김종민 박사는 "우리가 호흡하는 공기 중의 산소를 활용해 중성 전해질에서 과산화수소를 생산하는 메조 다공성 탄소 촉매 기술은 기존 촉매보다 실용성이 높아 산업화에 속도를 더할 것"이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 우수신진연구사업(2N74120), 나노소재기술개발사업(2N76070) 및 선도연구센터지원사업(NRF-2022R1A5A1033719)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Materials」 (IF 27.4, JCR 분야 1.94%) 최신 호에 게재됐다. * (논문명) Mesoporous Boron-doped Carbon with Curved B4C Active Sites for Highly Efficient H2O2 Electrosynthesis in Neutral Media and Air-supplied Environments [그림 1] 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매 구조 (좌) 다공성 탄소 촉매의 표면과 메조 기공을 이루는 탄소 벽에 붕소가 도핑되어 있는 구조를 나타낸 모식도. (우) 투과전자현미경과 원자단층현미경을 이용하여 측정된 탄소 촉매의 메조 기공 구조 및 붕소의 원자 단위 분포 상태. [그림 2] 평면 도핑 구조와 휘어진 붕소 도핑 구조의 촉매 활성 비교 (좌) 평면 도핑 구조와 메조 기공에 의해 휘어진 도핑 구조의 촉매 반응 과정 모식도. (우) 도핑 형태에 따른 중성 전해질에서 과산화수소 생성 반응에 대한 활성 비교. [그림 3] 공기를 이용한 과산화수소 생산 전극 구조 및 촉매 성능 (좌) 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 이용해 만든 공기 활용 과산화수소 생산 전극 구조의 모식도. (우) 중성 전해질 및 대기 환경에서 측정한 본 연구 개발 촉매와 기존 촉매와의 성능 비교표.

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친환경 과산화수소 생산 돌파구! KIST, 공기 중 산소를 과산화수소로 전환하는 촉매 개발 - 메조 기공(Mesopore) 도입으로 낮은 산소 농도의 공기 공급 환경에서도 세계 최고 수준의 과산화수소 생산 특성 구현 - 중성 전해질에서 과산화수소 생산, 실용성 확보 및 상용화 가능성 제시 과산화수소는 화학, 의료, 반도체 산업 등에서 폭넓게 활용되는 세계 100대 산업용 화학 물질 중 하나다. 현재 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정(Anthraquinone process)을 통해 생산되지만, 이 공정은 높은 에너지 소비, 고가의 팔라듐 촉매 사용, 부산물 발생으로 인한 환경 오염 등 여러 문제점을 가지고 있다. 이에 따라, 최근에는 저렴한 탄소 촉매를 활용해 산소를 전기화학적으로 환원해 과산화수소를 생산하는 친환경적 방식이 주목받고 있다. 그러나 이 방식은 고순도의 산소 가스를 주입해야 하는 높은 비용 문제와 생성된 과산화수소가 불안정한 염기성 전해질 환경에서 주로 생성되는 실용적 한계가 존재했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한물성소재연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사, 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수, 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 양성광) 문준희 박사 공동연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 탄소 촉매에 메조 기공(Mesopore)을 도입해 낮은 산소 농도를 갖는 공기 공급 환경 및 중성 전해질에서도 과산화수소를 효과적으로 생산할 수 있는 고효율 메조 다공성 촉매를 개발했다. 연구팀은 온실가스인 이산화탄소(CO₂), 강력한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH₄), 그리고 메조 크기의 탄산칼슘(CaCO₃) 입자를 반응시킨 후, 탄산칼슘 입자를 선택적으로 제거하는 방식으로 약 20나노미터(nm) 크기의 메조 기공을 갖는 붕소 도핑 탄소를 합성했다. 이를 전기화학적 과산화수소 생산 촉매로 활용한 결과, 메조 기공으로 인해 형성된 굴곡진 표면 특성이 과산화수소 생성 반응이 어려운 중성 전해질 환경에서도 우수한 촉매 활성을 발휘하는 것을 실험과 계산을 통해 규명했다. 또한, 실시간 라만 분석을 통해 메조 다공성 구조가 반응물인 산소의 원활한 전달을 촉진함으로써, 산소 농도가 약 20%에 불과한 공기 환경에서도 높은 촉매 활성을 유지할 수 있음을 확인했다. 이러한 연구 성과를 바탕으로, 연구팀은 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 과산화수소 대량생산 반응기에 적용할 경우, 상용화에 가까운 환경인 중성 전해질과 공기 공급 및 산업 규모의 전류밀도(200 mA/cm²) 조건에서 80% 이상의 세계 최고 수준 과산화수소 생산 효율을 기록할 수 있음을 입증했다. 특히, 의료용 과산화수소 농도(3%)를 초과하는 3.6% 농도의 과산화수소 용액을 제조하는 데 성공함으로써 상용화 가능성을 제시했다. KIST 김종민 박사는 "우리가 호흡하는 공기 중의 산소를 활용해 중성 전해질에서 과산화수소를 생산하는 메조 다공성 탄소 촉매 기술은 기존 촉매보다 실용성이 높아 산업화에 속도를 더할 것"이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 우수신진연구사업(2N74120), 나노소재기술개발사업(2N76070) 및 선도연구센터지원사업(NRF-2022R1A5A1033719)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Materials」 (IF 27.4, JCR 분야 1.94%) 최신 호에 게재됐다. * (논문명) Mesoporous Boron-doped Carbon with Curved B4C Active Sites for Highly Efficient H2O2 Electrosynthesis in Neutral Media and Air-supplied Environments [그림 1] 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매 구조 (좌) 다공성 탄소 촉매의 표면과 메조 기공을 이루는 탄소 벽에 붕소가 도핑되어 있는 구조를 나타낸 모식도. (우) 투과전자현미경과 원자단층현미경을 이용하여 측정된 탄소 촉매의 메조 기공 구조 및 붕소의 원자 단위 분포 상태. [그림 2] 평면 도핑 구조와 휘어진 붕소 도핑 구조의 촉매 활성 비교 (좌) 평면 도핑 구조와 메조 기공에 의해 휘어진 도핑 구조의 촉매 반응 과정 모식도. (우) 도핑 형태에 따른 중성 전해질에서 과산화수소 생성 반응에 대한 활성 비교. [그림 3] 공기를 이용한 과산화수소 생산 전극 구조 및 촉매 성능 (좌) 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 이용해 만든 공기 활용 과산화수소 생산 전극 구조의 모식도. (우) 중성 전해질 및 대기 환경에서 측정한 본 연구 개발 촉매와 기존 촉매와의 성능 비교표.

친환경 과산화수소 생산 돌파구! KIST, 공기 중 산소를 과산화수소로 전환하는 촉매 개발 - 메조 기공(Mesopore) 도입으로 낮은 산소 농도의 공기 공급 환경에서도 세계 최고 수준의 과산화수소 생산 특성 구현 - 중성 전해질에서 과산화수소 생산, 실용성 확보 및 상용화 가능성 제시 과산화수소는 화학, 의료, 반도체 산업 등에서 폭넓게 활용되는 세계 100대 산업용 화학 물질 중 하나다. 현재 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정(Anthraquinone process)을 통해 생산되지만, 이 공정은 높은 에너지 소비, 고가의 팔라듐 촉매 사용, 부산물 발생으로 인한 환경 오염 등 여러 문제점을 가지고 있다. 이에 따라, 최근에는 저렴한 탄소 촉매를 활용해 산소를 전기화학적으로 환원해 과산화수소를 생산하는 친환경적 방식이 주목받고 있다. 그러나 이 방식은 고순도의 산소 가스를 주입해야 하는 높은 비용 문제와 생성된 과산화수소가 불안정한 염기성 전해질 환경에서 주로 생성되는 실용적 한계가 존재했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한물성소재연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사, 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수, 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 양성광) 문준희 박사 공동연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 탄소 촉매에 메조 기공(Mesopore)을 도입해 낮은 산소 농도를 갖는 공기 공급 환경 및 중성 전해질에서도 과산화수소를 효과적으로 생산할 수 있는 고효율 메조 다공성 촉매를 개발했다. 연구팀은 온실가스인 이산화탄소(CO₂), 강력한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH₄), 그리고 메조 크기의 탄산칼슘(CaCO₃) 입자를 반응시킨 후, 탄산칼슘 입자를 선택적으로 제거하는 방식으로 약 20나노미터(nm) 크기의 메조 기공을 갖는 붕소 도핑 탄소를 합성했다. 이를 전기화학적 과산화수소 생산 촉매로 활용한 결과, 메조 기공으로 인해 형성된 굴곡진 표면 특성이 과산화수소 생성 반응이 어려운 중성 전해질 환경에서도 우수한 촉매 활성을 발휘하는 것을 실험과 계산을 통해 규명했다. 또한, 실시간 라만 분석을 통해 메조 다공성 구조가 반응물인 산소의 원활한 전달을 촉진함으로써, 산소 농도가 약 20%에 불과한 공기 환경에서도 높은 촉매 활성을 유지할 수 있음을 확인했다. 이러한 연구 성과를 바탕으로, 연구팀은 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 과산화수소 대량생산 반응기에 적용할 경우, 상용화에 가까운 환경인 중성 전해질과 공기 공급 및 산업 규모의 전류밀도(200 mA/cm²) 조건에서 80% 이상의 세계 최고 수준 과산화수소 생산 효율을 기록할 수 있음을 입증했다. 특히, 의료용 과산화수소 농도(3%)를 초과하는 3.6% 농도의 과산화수소 용액을 제조하는 데 성공함으로써 상용화 가능성을 제시했다. KIST 김종민 박사는 "우리가 호흡하는 공기 중의 산소를 활용해 중성 전해질에서 과산화수소를 생산하는 메조 다공성 탄소 촉매 기술은 기존 촉매보다 실용성이 높아 산업화에 속도를 더할 것"이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 우수신진연구사업(2N74120), 나노소재기술개발사업(2N76070) 및 선도연구센터지원사업(NRF-2022R1A5A1033719)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Materials」 (IF 27.4, JCR 분야 1.94%) 최신 호에 게재됐다. * (논문명) Mesoporous Boron-doped Carbon with Curved B4C Active Sites for Highly Efficient H2O2 Electrosynthesis in Neutral Media and Air-supplied Environments [그림 1] 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매 구조 (좌) 다공성 탄소 촉매의 표면과 메조 기공을 이루는 탄소 벽에 붕소가 도핑되어 있는 구조를 나타낸 모식도. (우) 투과전자현미경과 원자단층현미경을 이용하여 측정된 탄소 촉매의 메조 기공 구조 및 붕소의 원자 단위 분포 상태. [그림 2] 평면 도핑 구조와 휘어진 붕소 도핑 구조의 촉매 활성 비교 (좌) 평면 도핑 구조와 메조 기공에 의해 휘어진 도핑 구조의 촉매 반응 과정 모식도. (우) 도핑 형태에 따른 중성 전해질에서 과산화수소 생성 반응에 대한 활성 비교. [그림 3] 공기를 이용한 과산화수소 생산 전극 구조 및 촉매 성능 (좌) 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 이용해 만든 공기 활용 과산화수소 생산 전극 구조의 모식도. (우) 중성 전해질 및 대기 환경에서 측정한 본 연구 개발 촉매와 기존 촉매와의 성능 비교표.

- 농작부산물 같은 폐자원 활용한 친환경·저비용·고효율의 폐수 처리 촉매제 개발 - 초음파 자극 결합으로 효율↑시간↓, 향후 환경호르몬 제거 시스템 구축 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물자원순환연구센터 최재우 박사, 정경원 박사팀은 농촌지역에서 흔히 발생하는 부산물을 활용하여 오염물을 효과적으로 제거하고, 내분비계 교란물질인 환경호르몬을 높은 효율로 제거할 수 있는 폐수 처리 공정을 개발했다고 밝혔다. 산업 현장에서 필수적으로 발생하는 하·폐수에는 오염물과 내분비계 교란물질인 환경호르몬이 다량 함유되어 있다. 특히 환경호르몬은 쉽게 분해가 되지 않아 환경 뿐만 아니라 우리 인체에도 심각한 영향을 미칠 수 있기 때문에 반드시 제거하는 공정이 필요하다. 기존 하·폐수 처리에 사용되고 있는 촉매는 시간이 지날수록 성능이 급격히 떨어지고, 높은 효율을 얻기 위한 조건이 한정적이어서 많은 비용이 소요된다는 단점이 있다. 또한, 현재까지의 연구는 주로 단일 물질로 구성된 촉매제 개발과 이를 활용한 성능향상의 연구방향으로 진행되고 있고, 환경호르몬 제거 등 친환경 나노복합 촉매제 개발에 대한 연구는 드문 실정이다. KIST 최재우·정경원 박사팀은 폐수 처리 공정을 통해 물 속 오염물과 내분비계 교란물질인 환경호르몬을 제거하기 위해 농작 부산물을 이용한 친환경 바이오차(Biochar)**를 활용했다. 연구진은 폐자원인 ‘왕겨’를 활용하여 친환경적이고 높은 경제성을 만족시키는 바이오차를 구현했으며, 바이오차 표면에 나노크기의 이산화망간을 코팅하여 나노복합체를 형성, 바이오차와 이산화망간이 갖고 있는 장점들을 기반으로 고효율 경제성을 확보할 수 있는 바이오차-나노복합체 촉매제를 개발했다. **바이오차(Biochar) : 산소공급이 제한된 조건에서 목재를 포함한 다양한 종류의 바이오매스를 열분해시켜 만들 수 있는 고상의 물질을 통칭함 KIST 연구진은 나노복합체 합성 시, 높은 재현성과 안정적이고 높은 활성도의 촉매제를 구현하기 위해, 광물합성법 중 하나인 높은 열과 압력을 가하는 열수합성법(Hydrothermal method)을 이용하였다. 이를 통해 3차원 형태의 계층화된 구조를 갖도록 하여, 넓은 표면적으로 인해 고도산화공정에 높은 효율을 보이는 것을 확인했다. 기존의 촉매가 환경호르몬인 ‘비스페놀 A’를 80%밖에 제거하지 못했던 조건에서 KIST 연구진이 개발한 촉매를 사용하면 1시간 이내에 95%이상을 제거할 수 있고, 특히, 초음파(20 KHz)와 결합하면 20분 이내에 ‘비스페놀 A’ 100% 제거하는 것을 확인하였다. 또한, 수 차례의 반복 및 재이용 실험에서도 약 93%의 높고 안정적인 제거효율을 확인할 수 있었다. KIST 물자원순환연구센터 정경원 박사는 “본 연구를 통해 개발된 촉매제는 다양한 폐자원을 활용할 수 있기 때문에, 대체가능 물질에 대한 추가 연구를 통해 다양한 바이오매스 활용을 통한 폐자원 순환형 촉매제 개발을 예정 중이다.”라고 말했으며, KIST 물자원순환연구센터 최재우 박사는 “향후 공정의 최적화 및 회수성 증대에 대한 연구를 통해 환경적 측면과 경제적 측면을 동시에 충족시킬 수 있는 환경호르몬 제거 시스템을 구축하는데 큰 기여를 할 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Ultrasonics Sonochemistry’ (IF : 6.012, JCR 분야 상위 1.613%)에 최신호에 게재되었다. * (논문명) Ultrasound-assisted heterogeneous Fenton-like process for bisphenol A removal at neutral pH using hierarchically structured manganese dioxide/biochar nanocomposites as catalys - (제1저자) 한국과학기술연구원 정경원 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 최재우 책임연구원 <그림설명> <그림 1> 바이오차에 코팅된 이산화망간의 SEM과 TEM 이미지 나노복합체의 표면이 3차원 구조로 되어있어 넓은 표면적으로 인해 효율이 높아짐 <그림 2> 바이오차-나노복합체의 C, O, Mn 원소에 대한 elemental distribution mapping 결과 시간 조절에 따른 다른 구조를 가지고 있는 나노복합체 형성 결과

- 농작부산물 같은 폐자원 활용한 친환경·저비용·고효율의 폐수 처리 촉매제 개발 - 초음파 자극 결합으로 효율↑시간↓, 향후 환경호르몬 제거 시스템 구축 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물자원순환연구센터 최재우 박사, 정경원 박사팀은 농촌지역에서 흔히 발생하는 부산물을 활용하여 오염물을 효과적으로 제거하고, 내분비계 교란물질인 환경호르몬을 높은 효율로 제거할 수 있는 폐수 처리 공정을 개발했다고 밝혔다. 산업 현장에서 필수적으로 발생하는 하·폐수에는 오염물과 내분비계 교란물질인 환경호르몬이 다량 함유되어 있다. 특히 환경호르몬은 쉽게 분해가 되지 않아 환경 뿐만 아니라 우리 인체에도 심각한 영향을 미칠 수 있기 때문에 반드시 제거하는 공정이 필요하다. 기존 하·폐수 처리에 사용되고 있는 촉매는 시간이 지날수록 성능이 급격히 떨어지고, 높은 효율을 얻기 위한 조건이 한정적이어서 많은 비용이 소요된다는 단점이 있다. 또한, 현재까지의 연구는 주로 단일 물질로 구성된 촉매제 개발과 이를 활용한 성능향상의 연구방향으로 진행되고 있고, 환경호르몬 제거 등 친환경 나노복합 촉매제 개발에 대한 연구는 드문 실정이다. KIST 최재우·정경원 박사팀은 폐수 처리 공정을 통해 물 속 오염물과 내분비계 교란물질인 환경호르몬을 제거하기 위해 농작 부산물을 이용한 친환경 바이오차(Biochar)**를 활용했다. 연구진은 폐자원인 ‘왕겨’를 활용하여 친환경적이고 높은 경제성을 만족시키는 바이오차를 구현했으며, 바이오차 표면에 나노크기의 이산화망간을 코팅하여 나노복합체를 형성, 바이오차와 이산화망간이 갖고 있는 장점들을 기반으로 고효율 경제성을 확보할 수 있는 바이오차-나노복합체 촉매제를 개발했다. **바이오차(Biochar) : 산소공급이 제한된 조건에서 목재를 포함한 다양한 종류의 바이오매스를 열분해시켜 만들 수 있는 고상의 물질을 통칭함 KIST 연구진은 나노복합체 합성 시, 높은 재현성과 안정적이고 높은 활성도의 촉매제를 구현하기 위해, 광물합성법 중 하나인 높은 열과 압력을 가하는 열수합성법(Hydrothermal method)을 이용하였다. 이를 통해 3차원 형태의 계층화된 구조를 갖도록 하여, 넓은 표면적으로 인해 고도산화공정에 높은 효율을 보이는 것을 확인했다. 기존의 촉매가 환경호르몬인 ‘비스페놀 A’를 80%밖에 제거하지 못했던 조건에서 KIST 연구진이 개발한 촉매를 사용하면 1시간 이내에 95%이상을 제거할 수 있고, 특히, 초음파(20 KHz)와 결합하면 20분 이내에 ‘비스페놀 A’ 100% 제거하는 것을 확인하였다. 또한, 수 차례의 반복 및 재이용 실험에서도 약 93%의 높고 안정적인 제거효율을 확인할 수 있었다. KIST 물자원순환연구센터 정경원 박사는 “본 연구를 통해 개발된 촉매제는 다양한 폐자원을 활용할 수 있기 때문에, 대체가능 물질에 대한 추가 연구를 통해 다양한 바이오매스 활용을 통한 폐자원 순환형 촉매제 개발을 예정 중이다.”라고 말했으며, KIST 물자원순환연구센터 최재우 박사는 “향후 공정의 최적화 및 회수성 증대에 대한 연구를 통해 환경적 측면과 경제적 측면을 동시에 충족시킬 수 있는 환경호르몬 제거 시스템을 구축하는데 큰 기여를 할 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Ultrasonics Sonochemistry’ (IF : 6.012, JCR 분야 상위 1.613%)에 최신호에 게재되었다. * (논문명) Ultrasound-assisted heterogeneous Fenton-like process for bisphenol A removal at neutral pH using hierarchically structured manganese dioxide/biochar nanocomposites as catalys - (제1저자) 한국과학기술연구원 정경원 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 최재우 책임연구원 <그림설명> <그림 1> 바이오차에 코팅된 이산화망간의 SEM과 TEM 이미지 나노복합체의 표면이 3차원 구조로 되어있어 넓은 표면적으로 인해 효율이 높아짐 <그림 2> 바이오차-나노복합체의 C, O, Mn 원소에 대한 elemental distribution mapping 결과 시간 조절에 따른 다른 구조를 가지고 있는 나노복합체 형성 결과