울산과학기술원(UNIST)·KAIST·스탠퍼드대 공동 연구진이 외부 전기나 태양광 에너지 없이 친환경 과산화수소(H₂O₂)를 생산하는 혁신 기술을 세계 최초로 개발했다고 10일 밝혔다.

장지욱 UNIST 에너지화학공학과 교수팀은 서동화 KAIST 교수, 토머스 하라미요 미 스탠퍼드대 교수팀과 공동으로 바이오디젤 부산물인 글리세롤을 활용한 그린 과산화수소 생산 시스템을 구축했다. 이 시스템은 전력 소모 없이 작동할 뿐 아니라 오히려 전기를 생산하며 고부가가치 글리세르산까지 동시에 얻을 수 있다.

과산화수소는 소독제로 널리 알려져 있지만 실제로는 전체 생산량의 90% 이상이 펄프표백, 반도체 세정 등 산업 공정에서 사용되는 핵심 원료다.

연료전지 산화제나 에너지 저장체로서 잠재력이 주목받으며 수요 증가가 예상되나, 현재는 고가의 수소와 유기 용제, 대량의 화석연료를 사용하는 안트라퀴논 공정에 의존하고 있다. 이 과정에서 유기 오염물과 이산화탄소 배출량도 상당하다.

새로 개발된 생산 시스템은 오염물과 이산화탄소 배출이 전혀 없으며 외부 에너지도 필요하지 않다. 글리세롤의 화학 에너지를 직접 이용하는 방식이기 때문이다.

양극에서 글리세롤이 자발적으로 산화돼 글리세르산으로 변환되며 전자를 방출하고, 이 전자가 음극으로 이동해 산소를 환원시켜 과산화수소를 생성하는 구조다. 이 과정에서 전기까지 생산된다.

작동 원리는 건전지와 비슷하다. 건전지에서 아연이 산화되고 이산화망간이 환원되면서 전기가 나오는 것처럼, 이 시스템도 화학 반응을 통해 전기를 생산한다. 하지만 건전지와 달리 재료가 소모되는 대신 유용한 화합물들을 생산할 수 있다는 점이 차별화된다.

연구진은 시스템 설계에서 양극에 비스무트가 코팅된 백금 촉매, 음극에는 탄소나노튜브를 적용했다. 글리세롤 산화와 산소 환원 반응이 이론적으로 가능한 최대 전위차에서 일어나도록 최적화한 것이다. 전위차가 클수록 전자가 흐르는 에너지 낙차가 커져 두 반응이 원활히 진행된다.

실험에서 이 시스템은 1분당 1㎠ 면적에서 약 8.475μmol의 과산화수소를 생산했다. 이는 기존 안트라퀴논 공정의 단위 면적당 생산 속도와 비슷한 수준이다.

글리세롤이 글리세르산으로 전환되는 반응의 선택도는 74%를 기록했다. 반응 선택도는 반응물에서 목표 생성물이 만들어진 비율을 뜻하며 수치가 높을수록 고순도 글리세르산 생산이 가능하다. 글리세르산은 제약, 화장품, 생분해성 고분자 소재에 활용되며 글리세롤보다 경제적 가치가 약 3000배 높다.

장지욱 교수는 "기존 친환경 생산 기술들이 화석연료 기반 전기를 사용하거나 태양광이 필요해 부지 확보, 운용 시간 등에서 경제성 제약이 있었던 한계를 극복했다"며 "저비용 바이오디젤 부산물인 글리세롤로 과산화수소와 고부가 화합물을 동시에 생산하고 전기까지 회수할 수 있어 경제성과 지속 가능성을 모두 확보했다"고 설명했다.

이번 연구에는 오동락 UNIST 박사, 황선우 UNIST 연구원, 김동연 KAIST 연구원, 제시 메튜 스탠퍼드대 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.

연구 결과는 화학 합성 분야 권위 학술지인 '네이처 신서시스(Nature Synthesis)' 8월 호에 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 우수연구자교류지원사업(Brainlink), 글로벌 기초연구실 지원사업(BRL), 중견연구사업 등의 지원을 받아 수행됐다.