화학과 남기민 교수팀이 해수전해 산화 반응에서 산소 발생은 줄이고 염소이온 반응은 선택적으로 촉진하는 고성능 이종계면 촉매를 개발했다. 바닷물이나 염소이온이 들어 있는 전해질을 이용해 살균 성분인 차아염소산을 현장에서 바로 생산하는 기술로, 살균·소독 공정의 효율을 높이고, 해수 기반 친환경 전기화학 공정과 염소이온 함유 수계 전기화학 시스템 등 활용 범위가 넓을 것으고 기대된다.

연구팀은 Co₃O₄(산화코발트) 나노큐브 표면에 IrO₂(이산화이리듐)와 PdO(산화팔라듐)를 순차적으로 광증착해 IrO₂-PdO/Co₃O₄ 이종계면 촉매를 합성했다. 개발된 촉매는 0.5 M NaCl 전해질[(염화나트륨(NaCl, 소금)이 0.5 mol/L 농도로 녹아 있는 전해질] 등 해수 조건에서 산소 발생 반응을 효과적으로 억제하면서 염소 이온 산화 반응을 선택적으로 촉진했으며, 높은 HOCl(차아염소산) 생성 효율과 우수한 장기 안정성을 보였다.

해수 또는 염소이온이 포함된 전해질을 이용한 전기화학 반응에서는 환원전극에서 수소 발생 반응이 일어나고, 산화전극에서는 산소 발생 반응과 염소 이온 산화 반응이 경쟁적으로 진행된다. 이 가운데 염소 이온 산화 반응을 선택적으로 유도하면 살균·소독에 활용 가능한 염소 기체 또는 차아염소산을 생산할 수 있다. 그러나 기존 촉매는 높은 염소 이온 산화 선택성과 장기 구동 안정성을 동시에 확보하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 기능이 서로 다른 금속 산화물을 한 촉매 표면에 정밀하게 배치했다. 광증착법은 빛을 이용해 금속 산화물 나노입자를 촉매 표면에 형성하는 합성법으로, 상온에서 증착 순서와 조성을 제어할 수 있다는 장점이 있는데, 연구팀은 이를 활용해 Co₃O₄ 나노큐브 표면에 IrO₂와 PdO를 순차적으로 도입하고, 약 1 nm 크기의 IrO₂-PdO 나노입자를 균일하게 형성했다.

PdO는 염소 이온 산화 반응에 대한 높은 선택성을 제공하고, IrO₂S는 촉매 구조의 안정성 향상에 기여한다. 연구팀은 두 산화물이 접촉하는 IrO₂-PdO 이종계면을 의도적으로 구축함으로써 선택성과 안정성이라는 두 가지 성능을 동시에 끌어올렸다. Pd와 Ir은 각각 1% 이내의 소량만 사용됐음에도 0.5 M NaCl 전해질에서 산소 발생 반응을 억제하고 염소이온 산화 반응을 선택적으로 촉진했으며, 낮은 염 농도 조건에서도 우수한 선택성을 보였다. 

개발된 촉매는 연속 흐름 조건에서도 차아염소산을 안정적으로 생산하고, 장시간 구동에도 성능을 유지해 해수 기반 현장형 차아염소산 생산 기술로의 활용 가능성을 보였다.

이번 연구는 해수 기반 전기화학 반응에서 촉매의 선택성과 내구성을 동시에 높일 수 있는 설계 원리를 제시한 것으로, 살균·소독용 차아염소산의 현장 생산, 해수전해 기반 친환경 화학 공정, 염소이온 함유 수계 전기화학 시스템 등에 활용될 것으로 기대된다.

남기민 교수는 “해수전해 연구는 선택성과 안정성이라는 두 가지 걸림돌을 동시에 해결해야 하는 연구 분야”라며 “이번 연구는 PdO와 IrO₂의 기능을 이종계면에서 결합함으로써 선택적인 염소 이온 산화 반응과 장기 안정성을 함께 향상시켰다”고 말했다.

【왼쪽부터 남기민 교수, 박준용 연구원】

부산대·경희대 공동연구로 수행된 이번 성과는 한국연구재단 중견연구사업, 선도연구센터(SRC) 사업 및 세종과학펠로우십 국내 사업의 지원을 받았다. 부산대 화학과 박준용 연구원이 제1저자, 남기민 교수가 공동 교신저자로, 국제 학술지 『ACS Energy Letters』 5월 8일자에 논문이 게재됐다. 

- 논문 제목: Deliberate Construction of IrO₂-PdO Heterointerfaces via Sequential Photodeposition for Selective and Durable Chloride Oxidation (순차적 광증착 제어를 통한 IrO₂-PdO 이종계면 기반 고선택성 고내구성 염소 이온 산화 촉매 개발)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c00805 

* 상단 연구 이미지: 순차적 광증착으로 합성한 IrO₂-PdO/Co₃O₄ 이종계면 촉매와 연속흐름 전해 시스템을 통한 수소 및 차아염소산 생성 모식도.

[Abstract]

A sequential photodeposition strategy was developed to construct IrO₂-PdO heterointerfaces on Co₃O₄ nanocubes for selective chloride oxidation. The resulting catalyst achieved nearly 100% HOCl production efficiency in neutral NaCl electrolyte by suppressing the competing oxygen evolution reaction. Experimental and theoretical analyses revealed that the IrO₂-PdO heterointerface enhances chloride oxidation activity and durability by optimizing Cl* adsorption and stabilizing the catalytic structure. These findings suggest a practical catalyst design strategy for seawater-relevant chloride oxidation and continuous disinfectant production.

- Authors (Pusan National University, Department of Chemistry)

 · Corresponding author: Ki Min Nam

 · First author: Joon Yong Park

- Title of original paper: Deliberate Construction of IrO₂-PdO Heterointerfaces via Sequential Photodeposition for Selective and Durable Chloride Oxidation

- Journal: ACS Energy Letters

- Web link: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c00805 

- Contact e-mail: kimin.nam@pusan.ac.kr