질환 유발하는 ‘환경호르몬’…고성능 단원자 촉매 활용해 제거

KIST, 고성능 코발트 단원자 촉매 제작
수 처리 공정 적용, 환경호르몬 신속 제거

아크플라즈마 증착 기술을 이용한 금속(코발트) 단원자 촉매 제조에 관한 모식도. ⓒ한국과학기술연구원

한국과학기술연구원(KIST)은 폐수 속 신종 환경호르몬을 고성능 단원자 촉매를 활용해 제거할 수 있는 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.

KIST에 따르면 김종민 물질구조제어연구센터 박사, 한상수 계산과학연구센터 박사, 김상훈 극한소재연구센터 박사와 주병권 고려대학교 전기전자공학부 교수 공동연구팀은 화학물질을 사용하지 않는 친환경 건식 기반 아크 플라즈마 증착 공정을 통해 고성능 코발트 단원자 촉매를 제작했다. 연구팀은 이를 전기화학적 과산화수소 합성에 기반한 전기-펜톤 공정(electro-Fenton)에 적용해 수용액 내 비스페놀류 환경호르몬을 짧은 시간 내 제거하는 데 성공했다.

아크 플라즈마 공정은 진공 상태에서 반복적인 펄스 전압으로 금속 또는 세라믹을 증발시켜 이를 물체 표면에 얇은 막으로 입히는 방식으로 펄스 횟수를 조절해 원하는 두께나 특성을 가진 증착층을 만들 수 있다. 아크 플라즈마 공정을 통해 제작한 코발트 단원자 촉매는 기존에 보고된 건식 공정의 단원자 촉매 담지율(1 wt% 내외) 대비 세계 최고 수준의 금속 단원자 촉매 담지율(2.24 wt%)을 보였다. 계산과학을 비롯한 다양한 재료분석을 통해 제작한 단원자 촉매의 배위 구조와 활성점을 규명했으며, 전기화학적 측정을 통해 과산화수소 생성에 매우 우수한 단원자 촉매임을 확인했다.

연구진은 개발한 코발트 단원자 촉매를 전기-펜톤 수처리 공정 내 과산화수소를 실시간으로 공급하는 전극 소재로 적용했다. 그 결과 수용액 내 타겟팅된 20ppm 농도의 신종 환경호르몬인 BPF를 5분 이내 100% 신속히 분해될 수 있음을 확인했다.

반복 실험 및 폐수처리 테스트를 통해서 촉매의 안정성과 비스페놀류 제거를 검증했으며, 이를 바탕으로 실제 대도시 주변 하수 처리장 또는 특정 산업폐수 처리 시설 등에서 신종 오염물질 제거에 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

김종민 KIST 박사는 “이번 성과는 화학물질을 사용하지 않는 건식 공정 방식으로 고성능 단원자 촉매를 제작하고 이를 수 처리 분야까지 응용한 점에서 의의가 있다”고 말했다.

김상훈 KIST 박사는 “아크플라즈마 증착법으로 금속 나노입자를 만드는 연구는 널리 알려져 있으나, 단원자 증착까지 가능하다는 것을 보여준 연구는 이번 연구가 처음”이라고 설명했다.