부식성 첨가제를 배제한 과산화수소 직접 제조 반응

국문 초록 (Abstract)

다양한 화학반응에서 산화제로 널리 사용되는 과산화수소는 분자 산소와 견줄 수 있을 만큼 분자 내 산소의 함량이 높고, 반응에 참여 시 부생성물로 물만 생성되므로, 수많은 산화제들 중 가장 청정하고 효율적인 산화제라 할 수 있다. 하지만, 이러한 과산화수소의 청정성과 달리, 현재 대부분의 과산화수소 상업 생산은 여러 가지 독성 물질의 사용 및 생성이 수반되며, 과다한 에너지가 요구되는 다단계 공정으로 구성된 앤트라퀴논 공정(Anthraquinone process)을 통해 이루어지고 있다. 앤트라퀴논 공정과 달리 수소와 산소로부터 과산화수소를 직접 합성하는 방법은, 반응 경로가 간단하고 제조 과정에서 부생성물로 물만 생성되므로, 환경적이나 경제적인 관점 모두에서 앤트라퀴논 공정의 대안 기술로 큰 관심을 끌어왔다. 하지만, 과산화수소 직접 제조 연구는, 기대와는 달리 높은 난이도로 인하여, 지난 수십년간 다양한 촉매에 대한 연구와 공정 개선에도 불구하고 현재까지 여전히 연구 단계에 머물러 있다. 가장 큰 문제점 중 하나는, 과산화수소의 수율을 높이기 위해서는 반응 가스 중 수소의 농도를 높여야 하는데, 수소와 산소의 혼합 시 폭발의 위험으로 인해 수소의 농도를 5% 이하로 유지해야 하므로, 과산화수소의 수율을 높이는데 한계가 있다는 점이다. 또한, 수소와 산소로부터 과산화수소뿐만 아니라 물도 생성될 수 있으며, 생성된 과산화수소는 수소화 반응 또는 분해 반응을 통해 다시 물로 변화될 수 있다. 이러한 다른 반응 경로들은 과산화수소 생성반응 경로와 비교하여 열역학적으로 대등하거나 우세하게 안정하므로, 촉매의 과산화수소 선택도를 높이기가 매우 어렵다. 과산화수소 선택도 향상을 위해 반응 용액에 황산이나 할라이드 화합물을 첨가하는 방법이 널리 알려져 있으나, 이러한 부식성 화합물의 첨가는 반응기의 부식을 야기하는 또 다른 문제점을 수반한다. 따라서, 최근에는 부식성 첨가제의 사용을 배제하면서 과산화수소의 수율을 향상시킬 수 있는 방법으로, 담체 표면에 산 기능을 도입한 산성 담체에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 다양한 종류의 산성 담체에 귀금속이 도입된 촉매를 제조하여 부식성 첨가제를 배제한 상태에서 과산화수소 직접 제조 반응을 수행하였으며, 담체 특성이 촉매 활성 및 과산화수소 분해에 미치는 영향을 관찰하였다.