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오폐수 처리 성능 9배 높인 값싼 니켈 촉매 개발…국내 연구진 활성화 메커니즘 세계 최초 규명

2019-05-14박응서 기자

KIST 물질구조제어연구단 김종식 박사팀 연구원들이 개발한 '니켈황화물' 촉매로 저비용, 고효율로 물 속 오염물을 정화하는 실험을 하고 있다. 사진제공 KIST

국내 연구진이 값싼 니켈을 이용한 촉매를 개발해, 오폐수 처리 비용이 크게 줄어들 것으로 보인다.

한국과학기술연구원(KIST) 물질구조제어연구센터 김종식 박사팀이 하수와 폐수 처리에 값싼 니켈을 이용한 촉매를 개발했다고 14일 밝혔다.

매일 산업 현장에서 엄청나게 발생하는 하수와 폐수는 오염물을 제거한 뒤 방류된다. 이때 염료와 항생제 같은 오염물을 환경에 무해한 물과 이산화탄소 등으로 분해한다. 지금까지는 철 기반 촉매로 라디칼 전구체를 활성화시켜 산화역할을 하는 라디칼을 만들어 오염물을 분해했다.

그러나 철 촉매는 성능이 낮고, 한 번 밖에 사용할 수 없다는 단점을 갖고 있다.

KIST 김종식 박사팀은 최근 다른 금속을 촉매로 활용하면 철 촉매 단점을 극복할 수 있을 것이라는 기대를 갖고 연구에 나섰다. 먼저 철과 비슷한 물리와 화학적 특징을 지닌 망간과 코발트, 니켈, 구리를 사용해 동일한 화학구조를 가지는 5가지 황화물 촉매를 제작해 연구했다. 그 결과 ‘니켈황화물’ 촉매가 라디칼 전구체 활성화와 오염물 분해에 가장 우수한 성능과 지속성을 제공한다는 사실을 밝혀냈다.

연구진이 개발한 니켈황화물 촉매는 기존 철 촉매보다 약 3배 향상된 라디칼 생산성을 제공하고, 약 9배 향상된 오염물 분해 성능을 보였다. 또 철 촉매가 지닌 1회성을 극복, 여러 번 사용할 수 있다. 경제적으로도 큰 이점이 있어 앞으로 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

 

a는 전원을 연결했을 때 오염물 분해반응 개략도이고, b는 연구에 사용한 금속황화물 촉매들이다. 사진제공 KIST

 

연구진은 니켈황화물 촉매가 우수한 성능을 보이는 이유도 밝혀냈다. 라디칼이 촉매표면으로부터 떨어지는 ‘탈착’ 단계가 쉬울수록 오염물이 더 효과적으로 분해된다는 사실을 규명, 금속황화물 촉매에서 라디칼 전구체 활성화 메커니즘을 세계 최초로 밝혀냈다.

KIST 김종식 박사는 “물 속 오염물 처리를 위한 차세대 촉매 개발과 메커니즘, 효용성을 세계 최초로 검증한 획기적이며 도전적인 연구였다”며, “앞으로 상용화를 위한 니켈황화물 촉매 표면 개선 연구에 매진할 예정”이라고 밝혔다.

이 연구 결과는 촉매분야 과학전문지인 ‘응용 촉매 B: 환경’ 최신호에 게재됐다.

 

 박응서 테크M 기자 gopoong@techm.kr