고성능 단원자 촉매 활용해 폐수 속 환경호르몬 신속 제거

- 계산과학 도입, 화학물질 없는 건식 공정으로 고성능 단원자 촉매 개발

- 수(水) 처리 공정에 적용해 신종 오염물질 제거 기대

KIST 연구진이 건식기반 아크플라즈마 증착 공정을 통해서 개발한 고성능 코발트 단원자 촉매가 담지된 탄소나노섬유를 확인하고 있다. (자료제공: KIST)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사, 극한소재연구센터 김상훈 박사와 고려대학교 전기전자공학부 주병권 교수 공동연구팀이 화학물질을 사용하지 않는 친환경 건식 기반 아크 플라즈마 증착 공정을 통해 고성능 코발트 단원자 촉매를 제작했다고 8월 8일 밝혔다. 

연구팀은 이를 전기화학적 과산화수소 합성에 기반한 전기-펜톤 공정(electro-Fenton)에 적용해 수용액 내 비스페놀류 환경호르몬을 짧은 시간 내 제거하는 데 성공했다. 

비스페놀은 열에 강하고 기계·화학적 물성이 뛰어나 영수증, 물병, 생수통, 비닐 등 플라스틱 소재의 주요 원료로 널리 사용되고 있다. 비스페놀류 중 비스페놀A(이하 BPA)는 우리가 흔히 ‘환경호르몬’이라고 부르는 내분비교란물질로 생식, 발달, 지능 뿐 아니라 다양한 대사성 질환에도 악영향을 준다. 최근, BPA의 대체물질로 개발된 비스페놀-Free(BPF) 역시 신경계 교란 및 다양한 건강위험을 초래할 수 있다고 학계를 통해 보고되고 있다. 

아크 플라즈마 공정은 진공 상태에서 반복적인 펄스 전압으로 금속 또는 세라믹을 증발시켜 이를 물체 표면에 얇은 막으로 입히는 방식으로 펄스 횟수를 조절해 원하는 두께나 특성을 가진 증착층을 만들 수 있다. 

아크 플라즈마 공정을 통해 제작한 코발트 단원자 촉매는 기존에 보고된 건식 공정의 단원자 촉매 담지율(1 wt% 내외) 대비 세계 최고 수준의 금속 단원자 촉매 담지율(2.24 wt%)을 보였다. 계산과학을 비롯한 다양한 재료분석을 통해 제작한 단원자 촉매의 배위 구조와 활성점을 규명하였으며, 전기화학적 측정을 통해 과산화수소 생성에 매우 우수한 단원자 촉매임을 확인했다.

연구진은 개발한 코발트 단원자 촉매를 전기-펜톤 수처리 공정 내 과산화수소를 실시간으로 공급하는 전극 소재로 적용했다. 그 결과 수용액 내 타겟팅된 20ppm 농도의 신종 환경호르몬인 BPF를 5분 이내 100% 신속히 분해될 수 있음을 확인했다. 반복 실험 및 폐수처리 테스트를 통해서 촉매의 안정성과 비스페놀류 제거를 검증하였으며, 이를 바탕으로 실제 대도시 주변 하수 처리장 또는 특정 산업폐수 처리 시설 등에서 신종 오염물질 제거에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.

KIST 김종민 박사는 “이번 성과는 화학물질을 사용하지 않는 건식 공정 방식으로 고성능 단원자 촉매를 제작하고 이를 수 처리 분야까지 응용한 점에서 의의가 있다”고 밝혔다.

KIST 김상훈 박사는 “아크플라즈마 증착법으로 금속 나노입자를 만드는 연구는 널리 알려져 있으나, 단원자 증착까지 가능하다는 것을 보여준 연구는 이번 연구가 처음”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업(NRF-2022M3H4A7046278) 및 환경부 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 국제 학술지 ‘Carbon Energy’에 7월 5일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹코리아)=이광호 ]