KAIST, 원전폐수 삼중수소 제거 촉매 개발

크롬 기반 MOF의 소수성 변형 및 MOF-고분자 복합체 구조의 촉매 제작 과정 모습. 카이스트 제공

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

현재 삼중수소 제거는 주로 액상 촉매 교환(Liquid-phase catalytic exchange) 공정이 이용된다.

촉매로 이용되는 백금은 반응성이 높지만, 비용이 많이 들고 물에 의해 반응 자리가 쉽게 비활성화되는 문제가 있다.

적은 양의 백금을 고르게 분산해 물을 밀어내는 소수성 물질을 도입해 촉매를 활성화하는 것이 핵심이다.

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

평균 약 2.5㎚(나노미터) 지름의 백금 입자를 MOF에 고르게 분포시키고 화학적 변형을 통해 소수성을 부여하도록 했다.

분자 수준에서 소수성을 조절, 촉매가 물에 의해 활성을 잃는 것을 방지하는 동시에 필요한 양의 물 분자는 촉매에 쉽게 접근할 수 있게 한 것이다.

이 촉매는 기존 촉매 연구에서 구현하지 못한 원전 운전조건과 유사한 낮은 농도의 동위원소 함량에서 삼중수소 제거 반응 효율을 보였다.

또 4주 연속 가동에도 일정 수준 이상의 성능을 유지하는 것을 확인했다.

연구팀은 현장 난반사 적외선 분광법(빛이 물질에 반사돼 돌아오는 정보를 분석함으로써 그 물질의 성분 변화를 알아내는 기술) 분석을 통해 해당 촉매가 수분에 의한 촉매 비활성화를 억제하고, 물 분자가 촉매 활성 자리에 지속 접근해 반응이 일어나는 것을 입증했다.

고동연 교수는 "삼중수소 폐액 처리뿐 아니라 반도체에 사용되는 중수소 원료 생산과 핵융합 연료 주기 기술 등 다양한 기술에 필수적인 수소 동위원소 분리 핵심 소재로서도 응용할 수 있을 것"이라고 설명했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '에너지 앤 인바이런멘탈 머티리얼스'Energy & Environmental Materials)에 지난달 31일 자로 게재됐다.