염소 발생 반응은 바닷물과 같이 염화 이온이 포함되어 있는 수용액으로부터 전기화학적 산화 반응을 통해 염소 가스 및 활성 염소를 생산해내는 반응이다. 생성된 활성 염소 화학종은 표백 및 살균 효과를 이용하여 선박 평형수 등 물을 정화하고 처리하는데 활용될 수 있으며, 수산화나트륨 및 수소 기체와 함께 매년 약 8800만 톤 가량의 염소 기체를 생산해 낼 수 있기 때문에 산업적, 경제적으로 가치가 높은 기술이다.
염소 발생 반응에 광범위하게 사용되는 상용 촉매 전극은 Dimensionally Stable Anode (DSA)으로 타 전극과 비교하여 상대적으로 높은 내구성과 촉매 활성을 보여주는 것이 사실이지만, 전극 제조에 많은 비용이 요구된다. 또한 염소의 고속 대량 생산 과정에서 높은 산화 전압이 가해짐에 따라 촉매 성능의 핵심인 루테늄 산화물의 부식 현상이 발생한다는 점이 근본적인 한계로 작용한다.
국민대 연구팀은 티타늄 산화물에 니오비움 (Niobium, Nb)이라는 전이 금속을 소량 도핑하고, 그 위에 1-2 nm 크기의 루테늄 산화물 나노입자를 고르게 증착하였으며, 최종적으로 저온 열처리를 통해 루테늄의 함량은 원자 백분율 기준 1%까지 낮추면서도 촉매 성능은 월등하게 향상된 신규 조성의 전기 촉매를 개발했다. 상용 DSA 전극의 91%를 능가하는 높은 전류 효율을 나타낼 수 있는 것이 특징이다.
국민대 이찬우 교수는 "본 연구결과가 물 전기분해 및 염소 생산 반응을 비롯한 다양한 산화 반응에서 전극 촉매 소재의 내구성을 향상시킬 수 있는 핵심 전략으로 응용될 수 있을 것"이라며, "실제 산업에 활용되기 위해서 가장 중요한 성능 지표가 내구성인 만큼 높은 경제적 가치를 지닌 원천 기술이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부, 농림축산식품부의 신진연구지원사업, 유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업, 스마트팜 다부처패키지 혁신기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 또한 연구 결과는 촉매 분야 저명학술지인 ACS Catalysis (IF 13.084, JCR 분야 상위 8.95%) 최신호에 게재됐다.
김성준기자 illust76@dt.co.kr
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