KIST, 빛으로 과산화수소 생산…광 이용 효율 219%

AI로 5888회 실험해 최적 조합 발굴

4~8W 저전력 구동…현장 생산 가능성

한국과학기술연구원(KIST)은 기후환경연구소 물자원순환연구단 변지혜·정재식 박사 연구팀이 광화학 연쇄 반응을 이용한 과산화수소 생산 용액을 개발했다고 8일 밝혔다. ⓒ한국과학기술연구원

한국과학기술연구원(KIST)이 빛과 인공지능(AI)을 활용해 과산화수소를 현장에서 고효율로 생산하는 기술을 개발했다.

KIST는 기후환경연구소 물자원순환연구단 변지혜·정재식 박사 연구팀이 광화학 연쇄 반응을 이용한 과산화수소 생산 용액을 개발했다고 8일 밝혔다.

전 세계 과산화수소의 95% 이상은 대형 화학공장에서 생산된다. 고농도 제품을 필요한 곳까지 운송·보관해야 해 비용과 안전 부담이 크다.

기존 광촉매 방식은 광자 1개가 한 번의 반응을 일으켜 광 이용 효율을 높이는 데 한계가 있었다. 연구팀은 한 번의 빛으로 반응이 연속해서 이어지는 연쇄 반응을 적용했다.

빛을 흡수하는 물질과 수소를 공급하는 물질, 용매의 184가지 조합을 구성해 5888회의 실험을 거쳤다. AI로 찾아낸 최적 조합은 광자 1개당 과산화수소 2개 이상을 만들어 219.1%의 광 이용 효율을 보였다. 연구팀은 세계 최고 수준으로 평가했다.

1ℓ급 반응기에서는 산업 현장에서 사용하는 수준인 1% 농도의 고순도 과산화수소 생산에도 성공했다. 수처리에 적용하자 환경호르몬 물질인 비스페놀 A가 99.95% 이상 제거됐다.

구동에는 4~8W의 저전력 광원을 사용한다. 기존 태양광 촉매 연구의 300W급 광원보다 크게 낮은 수준이다. 환경영향평가에서는 기존 생산 방식보다 담수 생태 독성과 인체 독성이 각각 90.9%, 93.2% 낮게 나타났다.

연구팀은 정수장과 하수처리장 등에서 필요한 과산화수소를 직접 만들어 사용하는 분산형 생산 방식에 활용할 수 있을 것으로 보고 있다.

연구 결과는 국제학술지 ‘줄(Joule)’ 최신호에 온라인 게재됐다.

변지혜 KIST 박사는 “빛 한 번으로 시작된 반응이 연속적으로 이어지도록 해 기존 광화학 과산화수소 생산의 효율 한계를 넘어섰다”며 “필요한 곳에서 과산화수소를 직접 생산하는 기술로 발전시킬 수 있을 것”이라고 말했다.