KIST 김종식 박사팀 “상용화 단계까지 연구 매진”

한국과학기술연구원(KIST·원장 이병권) 물질구조제어연구센터 김종식 박사팀이 하·폐수를 처리할 목적으로 니켈을 이용한 촉매를 개발했다고 밝혔다. 이를 이용해 수용성 오염물을 보다 효율적이고 안정적으로 분해할 수 있는 전기화학 공정을 개발했다는 전언이다.

산업 현장에서 필연적으로 발생하는 하·폐수는 오염물을 제거한 후 방류해야 한다. 이를 위해 물에 포함된 염료, 항생제 등의 오염물을 환경에 해롭지 않은 물 및 이산화탄소 등으로 분해하기 위해 강력한 분해제인 ‘OH 라디칼’을 이용하고 있다. 기존의 공정은 ‘철’ 기반의 촉매를 사용, 라디칼 전구체를 활성화해 산화 역할을 하는 라디칼을 형성해 오염물을 분해했다.

하지만 기존의 철 기반 촉매는 성능이 낮고, 수명이 일회성이라는 단점을 가지고 있다. 또 현재까지 공정개선을 통한 오염물 분해 성능향상의 연구 방향으로만 진행되고 있고 ‘비(非)철’계 소재를 활용한 촉매 개발 연구는 드문 실정이었다.

김종식 박사팀은 최근 철 이외의 금속들이 하·폐수 처리용 촉매로 사용될 가능성에 주목했다고 전했다. 철과 유사한 물리·화학적 특징을 가진다고 알려진 망간, 코발트, 니켈, 구리를 사용해 같은 화학구조를 가지는 5가지의 황화물 촉매를 제작·연구했다.

그 결과 ‘니켈황화물’ 촉매가 라디칼 전구체 활성화 및 오염물 분해에 가장 우수한 성능 및 지속성을 제공한다는 점을 밝혀냈다는 전언이다.

새로 개발된 니켈황화물 촉매는 기존 철 기반 촉매들(철황화물 포함)보다 약 3배 향상된 라디칼 생산성을 제공한다. 또 약 9배 향상된 오염물 분해성능을 보였다. 또 철 기반 촉매의 치명적인 단점인 일회성을 극복, 여러 번 사용 가능했다.

KIST 연구진은 단순히 효율적인 오염물 처리를 위한 성능향상에만 치중하지 않고 니켈황화물 촉매가 우수한 성능을 보이는 이유에 주목했다고 설명했다. 연구진은 형성된 라디칼이 촉매표면으로부터 떨어지는 ‘탈착’ 단계가 수월할수록 오염물이 더욱 효과적으로 분해된다는 사실을 규명, 금속황화물 촉매의 라디칼 전구체 활성화 메커니즘을 세계 최초로 밝혀냈다.

김종식 박사는 “이번 연구를 통해 물속 오염물 처리를 위한 차세대 촉매 개발과 그에 대한 메커니즘과 효용성을 세계 최초로 검증했다”며 “향후 상용화를 위한 니켈황화물 촉매의 표면을 개선하는 연구에 매진하겠다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 KIST 기관 고유사업 및 한국연구재단의 중견 핵심사업으로 수행됐다. 연구 결과는 촉매 분야 최고 수준 과학전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental(IF : 11.698, JCR 분야 상위 1.00%)’ 최신호에 게재됐다.