최원용 교수팀, 태양광 이용해 질산 이온 질소로 바꾸는 탈질 광촉매 소재 개발

포스텍 환경공학부 최원용 교수. <사진제공=포스텍>
▲ 포스텍 환경공학부 최원용 교수. <사진제공=포스텍>

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 환경공학부 최원용 교수‧통합과정 이신비씨 팀은 화학환원제 없이 햇빛을 이용해 녹조 현상을 유발하는 오염원, 질산 이온(NO3-)만을 골라 질소(N2)로 전환하는 광촉매소재를 세계 최초로 개발, 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry, RSC)가 발행하는 에너지 환경 분야 최고 권위 학술지 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’지 뒷표지논문으로 발표했다.

같은 학회가 발행하는 ‘케미스트리 월드(Chemistry World)’ 역시 기사를 통해 소개하며 학회의 비상한 관심을 모은 이 성과는 특히 기존의 탈질 공정의 난제를 완벽하게 해결한 혁신적인 성과로 평가받고 있다.

기존 탈질 공정은 고에너지는 물론 수소 가스나 메탄올, 포름산과 같은 환원제를 필요로 한다. 물론 환경에 해가 없는 태양광을 그 에너지원으로 활용하려는 시도는 계속 있어왔지만 대부분이 많은 환원제를 필요로 해 경제성이나 현실성 면에서 문제가 많았다. 물론 물을 환원제로 이용하는 방법 역시 오랜 과제로 남아 있었다.

이 연구는 빛을 쬐면 생기는 정공과 전자가 일으키는 계면반응으로 산화와 환원 반응을 유도하는 반도체 소재, 광촉매를 이용하는 아이디어에서 출발했다.

먼저 연구팀은 이중 금속(Cu-Pd) 나노입자와 그래핀 옥사이드(rGO)가 담지된 이산화 티타늄(TiO2) 기반의 광촉매를 새로 합성했다. 이 광촉매는 별다른 화학환원제가 없이도 600 ppm의 질산이온(NO3-)을 100% 환원하는 한편, 98%가 질소(N2))로 변환되는 결과를 얻었다.

이 광촉매는 물 분해 반응을 통해 수소를 발생시키고 이 수소를 바로 환원제로 사용하도록 되어 있는 특성을 가져 화학환원제를 필요로 하지 않으면서 기존의 탈질 수처리 촉매의 문제를 개선했다.

특히 이 촉매는 탈질 반응 중 부산물로 생성되는 아질산 이온(NO2-)이 거의 생겨나지 않아 환경친화적인 특성을 가졌다는 점에서 더욱 의미 있는 성과로 주목받고 있다.

한편, 이 성과는 한국연구재단의 리더연구사업의 지원으로 수행됐다.

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