[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 한국과학기술연구원(KIST) 물질구조제어연구센터 김종식 박사팀은 하·폐수 처리와 관련해 ‘구하기 쉽고 저렴한’ 니켈을 이용한 촉매를 개발했다고 15일 밝혔다.

이번 연구는 수용성 오염물을 더 효율적이고 안정적으로 분해시킬 수 있는 전기화학 공정을 개발한 것으로 평가된다. 연구결과는 촉매분야 최고 수준의 과학 전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ 최신호에 실렸다.

KIST 물질구조제어연구단 김종식 박사팀의 연구원들이 개발한 '니켈황화물' 촉매로 저비용, 고효율로 물 속 오염물을 정화하는 실험을 하고 있다. [사진=KIST]

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’을 이용하고 있다. 라디칼은 물에 잘 분해되지 않는 오염물의 산화분해에 의한 물 및 이산화탄소 생성에 적용되는 산화제다.

기존의 공정은 ‘철’ 기반의 촉매를 사용, 라디칼 형성을 위한 라디칼 전구체를 활성화시켜 산화 역할을 하는 라디칼을 형성해 오염물을 분해했다.

하지만 기존의 철 기반 촉매는 성능이 낮고, 수명이 1회성이라는 단점을 갖고 있다.

또한 현재까지 공정개선을 통한 오염물 분해 성능향상의 연구방향으로만 진행되고 있고, 비(非)철 계통의 소재를 활용한 촉매 개발에 대한 연구는 드문 실정이었다.

김 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 갖는 5가지의 황화물 촉매를 제작, 연구했다. 그 결과, ‘니켈황화물’ 촉매가 라디칼 전구체 활성화 및 오염물 분해에 가장 우수한 성능 및 지속성을 제공함을 밝혀냈다.

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 사용 가능해 큰 경제적 이점이 발생할 것으로 예상돼 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 밝혀냈다.

김 박사는 “이번 연구는 물 속 오염물 처리를 위한 차세대 촉매 개발과 그에 대한 메커니즘과 효용성을 세계 최초로 검증한 획기적이며, 도전적인 과제로 평가된다”며 “향후 상용화를 위한 니켈황화물 촉매의 표면 개선에 대한 연구에 매진하겠다”고 말했다.

kimys@newspim.com