Ученые КИСТ создали технологию производства перекиси водорода с эффективностью 219%

빛을 이용해 과산화수소를 만드는 방식의 광 이용 효율 한계를 넘어선 기술이 개발됐다. 게티이미지뱅크 제공 빛을 이용해 과산화수소를 만드는 효율을 2배 이상 끌어올린 기술이 개발됐다. 기존 광촉매 방식에서 100%가 최대라고 여겼던 광 이용 효율 한계를 넘어섰다. 한국과학기술연구원(KIST)은 변지혜·정재식 기후환경연구소 물자원순환연구단 책임연구원 연구팀이 초고속 실험과 인공지능(AI)을 결합해 빛으로 과산화수소를 생산하는 새로운 반응 용액을 개발했다고 9일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '줄' 최신 호에 온라인 게재됐다. 과산화수소(H2O2)는 일상에서는 상처 소독에 쓰이며 산업 현장에서는 정수·폐수 처리, 반도체 세정 등 다양한 곳에서 활용된다. 현재 전 세계 과산화수소의 95% 이상이 대형 화학 공장에서 생성된다. 많은 에너지를 필요로 하며 고농도 액체를 운송·보관하는 과정에서 위험이 크고 비용이 많이 든다. 기존 광촉매 생성 방식은 빛을 받은 촉매에서 생긴 전자가 산소와 반응해 과산화수소를 만든다. 빛 입자(광자) 1개는 한번의 반응을 일으키기 때문에 광자 한개당 과산화수소 분자를 최대 1개 생성할 수 있다. 광 이용 효율이 사실상 100%인 것이다. 연구팀의 연구 과정을 나타낸 모식도. KIST 제공 연구팀은 한 번의 빛으로 반응이 계속 이어지는 '연쇄 반응'에 주목했다. 도미노처럼 첫 반응이 다음 반응을 연속으로 일으켜 광자 하나로 여러 개의 과산화수소를 만들어내는 방식이다. 연구팀은 빛을 흡수해 반응을 시작하는 물질, 수소를 제공하는 물질, 두 물질이 잘 반응하도록 돕는 용매를 섞은 용액을 제조했다. 세 물질의 종류와 비율을 달리한 184가지 조합을 구성해 총 5888회의 실험을 진행하고 AI로 최적의 용액 조합을 찾아냈다. 연구팀이 개발한 용액은 광자 1개당 과산화수소 분자 2개 이상을 생성해 광 이용 효율 219.1%를 기록했다. 이론적 한계인 100%를 넘어선 것이다. 연구팀은 산업 현장에서 사용하는 수준인 1% 농도의 고순도 과산화수소를 1리터급 반응기에서 안정적으로 생산하는 데 성공했다. 실제 수처리에 적용한 결과 대표적인 환경호르몬 물질인 '비스페놀 A'를 99.95% 이상 제거했다. 현재 상용 공정과 연구팀의 광화학 공정의 생산·공급 방식 비교. KIST 제공 연구팀이 개발한 기술은 스마트폰 충전기와 비슷한 전력인 4~8와트(W)로 구동된다. 300W급 고전력 광원을 사용하는 기존 태양광 촉매 연구의 40분의 1 수준이다. 연구팀의 기술은 향후 정수장·하수처리장 등 과산화수소가 필요한 현장에서 직접 과산화수소를 생성해 사용하는 분산형 생산 방식으로 활용될 가능성이 제시됐다. 대형 공장에서 고농도로 생산해 운송·보관해야 하는 부담을 줄여 중소규모 수처리 시설에서 비용·안전 측면에서 유리할 것으로 기대된다. 환경영향평가에서도 기존 방식보다 적은 화학물질과 단순한 장비를 사용해 담수 생태 독성은 90.9%, 인체 독성은 93.2% 낮은 것으로 분석됐다. 변지혜 책임연구원은 "빛 한 번으로 시작된 반응이 연속적으로 이어지도록 해 기존 광화학 과산화수소 생산의 효율 한계를 넘어섰다"며 "정수장과 하수처리장, 스마트팜, 첨단 산업 현장은 물론 재난 지역의 응급 수처리 등 필요한 곳에서 과산화수소를 직접 생산하는 기술로 발전시킬 수 있을 것"이라고 밝혔다. <참고 자료> doi.org/10.1016/j.joule.2026.102603   왼쪽부터 정재식 책임연구원, 변지혜 책임연구원. KIST 제공