• ▲ 충북대학교 신소재공학과 김한슬 교수.ⓒ충북대학교
    ▲ 충북대학교 신소재공학과 김한슬 교수.ⓒ충북대학교
    충북대학교(총장 고창섭)는 5일 신소재공학과 김한슬 교수와 한국과학기술연구원 물자원순환연구단 변지혜 박사 공동 연구팀이 전자 폐기물에서 귀금속을 회수해 단일 원자 촉매를 제작하고, 이를 활용해 지속 가능한 광촉매 수처리 반응을 구현하는데 성공했다고 밝혔다.

    광촉매는 기존의 화학 촉매를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 태양광을 이용해 친환경적으로 화학 반응을 유도할 수 있는 잠재력을 가져 차세대 지속 가능한 화학·환경·에너지 산업의 핵심 기술로 여겨지고 있다. 그러나 기존의 광촉매는 고가의 금속을 사용 함에도 불구하고 금속 활성점이 불균일하게 분포하거나 응집돼 성능이 저하되며, 촉매의 반응성과 선택성 조절이 어려웠다. 

    연구팀은 포르피린 기반 고분자 내부에 전자 폐기물에서 회수한 금속이 고활성의 단일 원자로 고정될 수 있음을 이론적으로 규명하고, 금 단일 원자 촉매를 통해 저비용 가시광선에서 높은 선택성으로 과산화수소 생산이 가능함을 확인했다.

    전자 폐기물에 공존하는 철 원자를 촉매에 추가할 때 생산된 과산화수소를 활성화해 광-펜톤 반응을 유도, 강력한 산화력을 지닌 수산화 라디칼(OH)을 생성해 수중 유해 물질을 완전히 분해함을 확인했다.

    이 기술은 전자 폐기물 내 함유된 귀금속이 촉매의 표면 반응성을 정밀하게 조절하는 단일 원자 촉매로 탈바꿈할 수 있음을 밝힌 첫 사례로 전자 폐기물을 촉매로 사용하는 설계 전략을 제시함으로써 환경 정화, 에너지 변환 등 다양한 화학 산업 분야에의 활용 가능성을 열었다. 

    김한슬 교수는 “단일 원자 금속은 촉매의 활성을 크게 향상시킨다고 알려져 왔지만 금속 비용과 복잡한 촉매 합성법으로 인해 상용화되기 어려웠다”며 “이 기술은 전자 폐기물에서 고가의 금속을 선택적으로 추출해 고효율의 촉매를 만들 수 있어 단일 원자 촉매의 상용화에 이바지 할 것”이라고 말했다.

    이 연구는 ‘Engineering Single-Atom Catalysts on Conjugated Porphyrin Polymer Photocatalysts via E-Waste for Sustainable Photocatalysis(지속 가능한 광촉매를 위한 전자 폐기물을 통한 공액 포르피린 고분자 광촉매의 단일 원자 촉매 엔지니어링)’라는 제목으로 존 와일리 앤 선즈(Wiley Journals)에서 발행하는 재료과학 분야의 권위 있는 학술지 ‘Advanced Funtional Materials(ISSN: 1616-301X , IF값 18.5, JCR Materials Science 분야 상위 4.1%)’에 지난 1월 15일자로 온라인 표지 논문으로 게재됐다. 

    이번 연구는 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 에너지/반도체소재 이론을 개발하고 있는 김한슬 교수와 고분자 소재를 활용한 환경·에너지 재료 합성에 집중하고 있는 변지혜 박사가 교신저자로 참여했으며, 한국과학기술연구원 볼로마 바이야쿠(Bolormaa Bayarkhuu) 박사, 조혜경 박사, 고려대학교 조가은 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다.