KAIST 연구팀, 원전 폐수 섞인 삼중수소 획기적 제거 촉매 개발

크롬 기반 MOF의 소수성 변형 및 MOF-고분자 복합체 구조의 촉매 제작 과정.(KAIST 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 방사성 물질인 삼중수소를 획기적으로 제거할 촉매를 개발해 주목된다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 고동연 교수 연구팀이 한국원자력연구원 박찬우 박사 연구팀과 원전 폐수에 함유된 삼중수소 제거 공정을 위한 새로운 구조의 이중기능 소수성 촉매를 개발했다고 27일 밝혔다.

이중기능은 액체 상태의 물은 차단하고 기체 상태의 수증기는 통과하는 성질을 말한다.

이 촉매는 특정 반응 조건에서 최대 76.3%의 반응 효율을 보였으며, 특히 지금까지 밝혀진 바가 거의 없는 수백 ppm 수준의 저농도 동위원소에 대한 촉매 작용을 하는 것을 확인했다.

연구팀은 금속-유기 골격체(MOF)와 다공성 고분자의 복합체 형태의 새로운 구조의 삼중수소 제거 촉매를 개발했다.

이는 평균 약 2.5나노미터(nm) 지름의 백금 입자를 금속-유기 골격체에 고르게 분포시키고, 이후 화학적인 변형을 통해 소수성을 부여하는 구조다.

이로써 분자 수준에서 소수성을 조절해 촉매가 물에 의해 활성을 잃는 것을 방지하면서도 동시에 반응에 필요한 양의 물 분자는 촉매에 쉽게 접근할 수 있도록 한다.

이 촉매는 기존 촉매 연구에서 구현하지 못한 원전 운전조건과 비슷한 매우 낮은 농도의 동위원소 함량에서도 삼중수소 제거 반응에 탁월한 활성을 나타냈다. 또 4주 연속 가동 시에도 일정 수준 이상의 성능을 유지해 내구성을 입증했다.

이밖에 연구팀은 현장 난반사 적외선 분광법 분석을 통해 아주 작은 분자 수준에서의 물 분자의 실시간 움직임을 확인했다.

이를 통해 촉매가 수분에 의한 촉매 비활성화를 억제하면서도 물 분자가 촉매 활성 자리에 지속적으로 접근해 반응이 일어날 수 있음을 입증했다.

현장 난반사 적외선 분광법은 실시간으로 빛이 물질에 반사돼 돌아오는 정보를 분석함으로써 그 물질의 성분 변화를 알아내는 기술을 말한다.

이번 연구는 비교적 간단한 금속-유기 골격체 소재의 소수성 조절을 통해 촉매 비활성화의 주요 원인인 수분 저항성을 높이고, 삼중수소 제거 반응에 이용될 수 있는 새로운 구조의 촉매를 제안했다는 데 의의가 있다.

고동연 KAIST 교수

고동연 교수는 “삼중수소 폐액 처리뿐 아니라 반도체에 사용되는 중수소 원료 생산과 핵융합 연료 주기 기술 등 다양한 기술에 필수적인 수소 동위원소 분리 핵심 소재로의 응용이 기대된다”고 말했다.

KAIST 생명화학공학과 허희령 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구 성과는 환경 분야 국제 학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 머티리얼스'에 지난 7월 31일 게재됐다.

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