하·폐수, 철→니켈 촉매로 정화시 분해성능 9배↑

철 기반 촉매 대신 니켈황화물 촉매 개발

분해 성능 9배 향상되고, 다(多)사용 가능

【서울=뉴시스】KIST 물질구조제어연구단 김종식 박사팀의 연구원들이 개발한 '니켈황화물' 촉매로 저비용, 고효율로 물 속 오염물을 정화하는 실험을 하고 있다. (사진/KIST 제공)  [email protected]

【서울=뉴시스】이국현 기자 = 국내 연구진이 하·폐수 처리에 이용되는 철 기반의 촉매 대신 저비용·고효율의 '니켈황화물' 촉매 개발에 성공했다. 니켈황화물을 이용할 경우 분해 성능이 9배나 높아지고, 1회 이상 사용할 수 있어 경제적 효과도 높은 것으로 나타났다.

한국과학기술연구원(KIST) 물질구조제어연구센터 김종식 박사팀은 하·폐수 처리를 위해 니켈을 이용한 촉매를 개발하고, 수용성 오염물을 효율적이고 안정적으로 분해시킬 수 있는 전기화학 공정을 개발했다고 14일 밝혔다.

현재 산업현장에서 발생하는 하·폐수는 강력한 분해제인 'OH 라디칼'을 이용해 물에 포함된 염료, 항생제 등 오염물을 물, 이산화탄소 등으로 분해한다. 기존 공정은 철 기반의 촉매를 사용해 라디칼 전구체를 활성화시켜 산화 역할을 하는 라디칼을 형성하는 방식으로 오염물을 분해했다.

그러나 기존의 철 기반 촉매는 성능이 낮고, 수명이 1회성이라는 단점이 있다. 또 현재까지 공정 개선을 통한 오염물 분해 성능 향상의 연구만 진행됐고, 비(非)철계 소재를 활용한 촉매개발에 대한 연구는 드물었다.
 
이에 김종식 박사팀은 철 외의 금속들이 하·폐수 처리용 촉매로 사용될 수 있는 가능성에 주목하고, 철과 유사한 물리·화학적 특징을 가진 망간, 코발트, 니켈, 구리를 사용해 동일한 화학구조를 가지는 5가지의 황화물 촉매를 제작했다. 연구 결과, 니켈황화물 촉매가 라디칼 전구체 활성화 및 오염물 분해에 우수한 성능 및 지속성을 제공한다는 사실을 밝혔다.
 
니켈황화물 촉매는 기존 철 기반 촉매들(철황화물 포함)보다 3배 향상된 라디칼 생산성을 제공하고, 9배 향상된 오염물 분해 성능을 보였다. 철 기반 촉매의 치명적인 단점인 1회성을 극복해 여러 번 사용할 수 있다.

연구진은 형성된 라디칼이 촉매 표면으로부터 떨어지는 탈착 단계가 용이할수록 오염물이 효과적으로 분해된다는 사실을 규명해 금속황화물 촉매의 라디칼 전구체 활성화 메커니즘을 세계 최초로 밝혀냈다. 

김종식 박사는 "물 속 오염물 처리를 위한 차세대 촉매 개발과 메커니즘 및 효용성을 세계 최초로 검증했다"며 "상용화를 위한 니켈황화물 촉매의 표면 개선에 대한 연구에 매진하겠다"고 밝혔다.

연구 결과는 촉매분야 최고 수준의 과학전문지인 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이로멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)' 최신호에 게재됐다.


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