국민대학교(총장 임홍재) 응용화학부 이찬우 교수 연구팀과 서울대학교 재료공학부 김진영 교수 연구팀(임현우 박사과정)이 클로로 알칼리 산업 (Chlor-Alkali Industry)에 활용될 수 있는, 세계 최고 수준의 성능과 높은 전류밀도에서도 우수한 안정성을 보인 촉매 전극을 개발했다.
클로로 알칼리 공정은 염수를 이용하여 전기분해 반응을 통해 염소, 수산화나트륨 및 수소를 생산하는 반응이다. 생성된 염소는 플라스틱과 여러 폴리머의 주원료로서 사용될 뿐만 아니라 폐수 및 오수의 정화작용에도 활용되며 매년 약 8800만 톤의 염소 기체가 생성된다. 염소의 부산물로서 생성되는 수산화나트륨과 수소의 연간 생산량 역시 9680만 톤과 264 만 톤의 높은 생산량을 보이며 클로로 알칼리 공정의 산업적, 경제적 가치가 높음을 보여준다.
클로로 알칼리 공정에서 사용되고 있는 상용 촉매 전극은 Dimensionally Stable Anode (DSA)로 타 촉매 전극들과 비교하였을 때 상대적으로 높은 내구성과 촉매 활성을 보여주지만, 상당량의 귀금속이 투입되어야 하기에 전극 제조에 많은 비용이 요구된다. 게다가, 전류 밀도가 높아짐에 따라 요구되는 전압이 급격하게 증가하여 실제 산업 조건에서 전기 에너지 소모가 크다는 근본적인 문제점을 갖고 있다.
국민대학교와 서울대학교 공동연구팀은 티타늄 발포체 기판의 표면에 과산화수소를 이용하여 얇은 티타늄 산화층을 형성하고, 그 층에 니오비움 (Niobium, Nb)이라는 전이 금속을 소량 도핑하였다. 그리고 그 위에 1-2 nm 크기의 루테늄 산화물 나노입자를 고르게 증착하였으며, 최종적으로 저온 열처리를 통해 원자 단위의 열확산을 가능하게 하여 코어-쉘 구조를 갖는 신규 전기 촉매 전극을 개발했다. 코어-쉘 촉매의 고유한 전자 구조에 기인한 이점으로 인해 기존 상용 전극인 DSA보다 20배 낮은 귀금속의 함량을 가지면서도 10 mA/cm2, 500 mA/cm2 의 전류밀도에서 각각 9 mV, 44 mV의 낮은 과전압을 보였으며, 발포체 전극 구조로 인해 반응에 필요한 액상 반응물의 고속 확산 공급을 가능하게 하여 높은 전류밀도에서도 월등히 향상된 안정성을 보여주는 것이 특징이다. 또한, 실제 클로로 알칼리 공정 조건에서도 기존 DSA 전극보다 월등히 낮은 전기 에너지 소비를 보여주며 차세대 상용 전극으로의 가능성을 증명하였다.
국민대학교 이찬우 교수는 “염소 생산 기술이 에너지, 환경, 화학, 반도체 등 다양한 산업 분야에 활용될 수 있는 기반 기술인 만큼, 본 연구에서 개발한 염소 생산 전극이 산업적으로 높은 가치를 지닌다”고 말하며, “염소 생산 전극의 핵심 소재 기술은 염소 생산 반응 이외에도 다양한 촉매 반응에 응용될 수 있는 원천 기술이 될 것”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 신진연구지원사업, 기초연구실사업, 원천기술개발사업 및 한국과학기술연구원 K-Lab 사업 등의 지원을 받아 수행되었다. 또한 연구 결과는 환경 분야 저명학술지인 Applied Catalysis B: Environmental (IF 24.319, JCR 분야 상위 0.93%) 최신호에 게재되었다.
