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과산화수소는 제지·펄프 산업, 의료·바이오 분야, 반도체 세정 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용되는 화학 물질이다. 그러나 현재의 생산 방식은 공정이 복잡하고 에너지 소비도 많다. 이에 따라 친환경 과산화수소 생산 기술 개발이 중요한 과제로 떠오르고 있다.
최근에는 산소를 직접 과산화수소로 전환하는 전기화학적 생산 기술이 주목받고 있다. 다만 기존 시스템은 산소발생반응(OER)에 필요한 높은 전위와 느린 반응속도로 인해 상당한 에너지 손실이 발생한다. 특히 지금까지의 연구는 주로 촉매 개발에 집중돼 있으며 전해조 내부에서 발생하는 기포가 성능에 미치는 영향은 간과됐다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 화학 반응이 일어나는 전극 표면에서 발생하는 기체 기포의 움직임에 주목했다. 연구팀은 초고속 카메라 촬영 기술을 도입해 미세 전극 표면을 관찰했고 반응물인 유기 물질(푸르푸랄)이 용액의 표면장력을 낮춰 전극 표면에 미세 기포 형성을 촉진한다는 점을 발견했다. 이로 인해 전극 표면의 물질 전달이 크게 제한된다는 사실을 규명했다.
연구팀은 전해질 유동을 정밀하게 제어하는 전략을 도입해 기포 제거를 촉진했으며 이를 통해 기존 조건 대비 약 3배 향상된 전류밀도를 확보했다. 특히 최적화된 막전극접합체(MEA) 시스템에서는 외부 전력 공급없이 산업적 전류밀도를 달성하였으며, 과산화수소 선택성(특정 생성물에 대한 생산량)은 약 90% 수준으로 유지됐다. 외부 전기 에너지 없이 자발적인 화학 반응(갈바닉 공정)만으로 친환경 과산화수소뿐만 아니라 미래 청정에너지인 수소(H2), 고부가가치 화학 원료인 푸로산(Furoic acid)을 동시에 대량 생산할 수 있다는 의미다.
박승학 교수는 “이번 연구는 지속가능한 전기화학 공정에 적용할 새로운 전략을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.
