니켈 촉매로 하·폐수 정화 9배 향상

국내 연구진이 ‘니켈황화물’ 촉매를 개발, 하·폐수 분해성능을 9배 향상한 활성화 메커니즘을 세계 최초로 규명했다

한국과학기술연구원(KIST) 물질구조제어연구센터 김종식 박사팀은 ‘구하기 쉽고 저렴한’ 니켈을 이용한 촉매를 통해 수용성 오염물들을 보다 효율적이고 안정적으로 분해시킬 수 있는 전기화학 공정을 개발했다고 밝혔다.

산업 현장에서 필수적으로 발생하는 하·폐수는 오염물을 제거한 후 방류해야 한다. 이를 위해 물에 포함된 염료, 항생제 등의 오염물을 환경에 무해한 물 및 이산화탄소 등으로 분해하기 위해 강력한 분해제인 ‘OH 라디칼(수산기)’을 이용하고 있다.

높고 강력한 에너지에 의해서 제4의 물질이라는 플라즈마 상태에서 생성되는 산소음이온계 천연물질인 수산기를 제조하기위한 기존의 공정에는 ‘철’ 기반의 촉매를 사용했다. 라디칼 전구체를 활성화시켜 산화역할을 하는 라디칼을 형성해 오염물을 분해했다.

그러나 기존의 철 기반 촉매는 성능이 낮고, 수명이 1회성이라는 단점이 있었다. 또한 현재까지 공정개선을 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 주목했다. 철과 유사한 물리,화학적 특징을 가진다고 알려진 망간, 코발트, 니켈, 구리를 사용해 동일한 화학구조를 가지는 5가지의 황화물 촉매를 제작, 연구했다. 그 결과, ‘니켈황화물’ 촉매가 라디칼 전구체 활성화 및 오염물 분해에 가장 우수한 성능 및 지속성을 제공함을 밝혔다.

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 사용가능한 경제성을 입증, 향후 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

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

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

본 연구는 과학기술정보통신부 지원을 바탕으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단의 중견핵심사업으로 수행됐다. 연구 결과는 촉매분야 최고 수준의 과학전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF : 11.698, JCR 분야 상위 1.00%) 최신호에 게재됐다.

* (논문명) Grasping Periodic Trend and Rate-Determining Step for S-Modified Metals of Metal Sulfides Deployable to Produce •OH via H2O2 Cleavage

– (제1저자 및 교신저자) KIST 물질구조제어연구센터 김종식 선임연구원

– (공저자) KIST 물질구조제어연구센터 최윤정 학생연구원(박사과정)