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  • 기사등록 2019-05-14 12:00:01
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▲ KIST 물질구조제어연구단 김종식 박사팀 연구원들이 개발한 `니켈황화물` 촉매로 저비용, 고효율로 물 속 오염물을 정화하는 실험을 하고 있다.



[기계신문] 한국과학기술연구원(KIST) 물질구조제어연구센터 김종식 박사팀은 하·폐수 처리를 위한 ‘구하기 쉽고 저렴한’ 니켈을 이용하여 촉매를 개발, 이를 활용해 수용성 오염물들을 보다 효율적이고 안정적으로 분해시킬 수 있는 전기화학 공정을 개발했다고 밝혔다.


산업 현장에서 필수적으로 발생하는 하·폐수는 오염물을 제거한 후 방류되어야 한다. 이를 위하여 물에 포함된 염료, 항생제 등의 오염물을 환경에 무해한 물 및 이산화탄소 등으로 분해하기 위하여 강력한 분해제인 ‘OH 라디칼’을 이용하고 있다. 기존의 공정은 ‘철’ 기반의 촉매를 사용, 라디칼 전구체를 활성화시켜 산화역할을 하는 라디칼을 형성하여 오염물을 분해했다.


이때 라디칼(Radicals)은 물에 잘 분해되지 않는 오염물들의 산화분해에 의한 물 및 이산화탄소 생성에 적용되는 산화제를 말하며, 라디칼 전구체(Radical precursors)는 라디칼 형성을 위한 재료이다.


그러나 기존의 철 기반 촉매는 성능이 낮고, 수명이 1회성이라는 단점을 가지고 있다. 또한 현재까지 공정 개선을 통한 오염물 분해 성능향상의 연구방향으로만 진행되고 있고, ‘비(非)철’계 소재를 활용한 촉매개발에 대한 연구는 드문 실정이었다.


KIST 김종식 박사팀은 최근 철 이외의 금속들이 하·폐수 처리용 촉매로 사용될 수 있는 가능성에 주목하고, 각광 받는 소재들을 살펴보았다. 철과 유사한 물리·화학적 특징을 가진다고 알려진 망간, 코발트, 니켈, 구리를 사용하여 동일한 화학구조를 가지는 5가지의 황화물 촉매를 제작, 연구하였다. 그 결과, ‘니켈황화물’ 촉매가 라디칼 전구체 활성화 및 오염물 분해에 가장 우수한 성능 및 지속성을 제공한다는 사실을 밝혀냈다.


새로 개발된 니켈황화물 촉매는 기존 철 기반 촉매들(철황화물 포함)보다 약 3배 향상된 라디칼 생산성을 제공하고, 약 9배 향상된 오염물 분해 성능을 보였다. 또한, ‘철’ 기반 촉매들의 치명적인 단점인 1회성을 극복, 여러 번 사용 가능하여 큰 경제적 이점이 발생할 것으로 예상되어 향후 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다.



▲ (a) 전원 입력 하의 오염물 분해반응 개략도 (b) 사용된 금속황화물 촉매들



연구팀은 단순히 효율적인 오염물 처리를 위한 성능 향상에만 치중하지 않고, 니켈황화물 촉매가 우수한 성능을 보이는 이유에 주목하였다. 연구팀은 형성된 라디칼이 촉매표면으로부터 떨어지는 ‘탈착’ 단계가 용이할수록 오염물이 보다 효과적으로 분해된다는 사실을 규명하고, 금속황화물 촉매의 라디칼 전구체 활성화 메커니즘을 세계 최초로 밝혀냈다.


김종식 박사는 “이번 연구를 통해 물 속 오염물 처리를 위한 차세대 촉매 개발과 그에 대한 메커니즘과 효용성을 세계 최초로 검증한 획기적이며 도전적인 연구였다”면서 “향후 상용화를 위한 니켈황화물 촉매의 표면 개선에 대한 연구에 매진하겠다”고 밝혔다.


이번 연구에서 제안된 니켈 황화물의 경우, 현재 수처리용 상용촉매로 각광받는 철 기반 산화물∙황화물 대비 진보된 오염물 분해능∙안정성을 제공하는 획기적인 촉매라고 할 수 있다. 향후 OH 탈착에 우호적인 촉매표면의 탐구 및 전기공정 개선을 통하여 오염물 분해성능이 추가적으로 개선 가능할 것으로 예상되며, 장기적으로 하·페수 처리장에 상용화될 것으로 기대된다.


한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 바탕으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단의 중견핵심사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 촉매분야 국제 과학전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ 최신호에 게재되었다.


오상미 기자 osm@mtnews.net

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