한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 김종식 박사팀은 하·폐수 처리를 위한 ‘구하기 쉽고 저렴한’ 니켈을 이용한 촉매를 개발, 이를 이용하여 수용성 오염물들을 보다 효율적이고 안정적으로 분해시킬 수 있는 전기화학 공정을 개발했다고 밝혔다.

그러나 기존의 철 기반 촉매는 성능이 낮고, 수명이 1회성이라는 단점을 가지고 있다.·· 또한 현재까지 공정개선을 통한 오염물 분해 성능향상의 연구방향으로만 진행되고 있고, ‘비(非)철’계 소재를 활용한 촉매개발에 대한 연구는 드문 실정이었다.

KIST 김종식 박사팀은 최근 철 이외의 금속들이 하·폐수 처리용 촉매로 사용될 수 있는 가능성에 주목하고, 각광 받는 소재들을 살펴보았다. 철과 유사한 물리,화학적 특징을 가진다고 알려진 망간, 코발트, 니켈, 구리를 사용하여 동일한 화학구조를 가지는 5가지의 황화물 촉매를 제작, 연구하였다. 그 결과, ‘니켈황화물’ 촉매가 라디칼 전구체 활성화 및 오염물 분해에 가장 우수한 성능 및 지속성을 제공함을 밝혀내었다. 

새로 개발된 니켈황화물 촉매는 기존 철 기반 촉매들(철황화물 포함)보다 약 3배 향상된 라디칼 생산성을 제공하고, 약 9배 향상된 오염물 분해 성능을 보였다. 또한, ‘철’ 기반 촉매들의 치명적인 단점인 1회성을 극복, 여러 번 사용가능하여 큰 경제적 이점이 발생할 것으로 예상되어 향후 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다. 

KIST 연구진은 단순히 효율적인 오염물 처리를 위한 성능 향상에만 치중하지 않고, 니켈황화물 촉매가 우수한 성능을 보이는 이유에 주목하였다. 연구진은 형성된 라디칼이 촉매표면으로부터 떨어지는 ‘탈착’ 단계가 용이할수록 오염물이 보다 효과적으로 분해된다는 사실을 규명, 금속황화물 촉매의 라디칼 전구체 활성화 메커니즘을 세계 최초로 밝혀냈다. 

KIST 김종식 박사는 “이번 연구를 통해 물 속 오염물 처리를 위한 차세대 촉매 개발과 그에 대한 메커니즘과 효용성을 세계 최초로 검증한 획기적이며, 도전적인 연구였다.”라고 말하며. “향후 상용화를 위한 니켈황화물 촉매의 표면 개선에 대한 연구에 매진하겠다.”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단의 중견핵심사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 촉매분야 최고 수준의 과학전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF : 11.698, JCR 분야 상위 1.00%) 최신호에 게재되었다.

* (논문명) Grasping Periodic Trend and Rate-Determining Step for S-Modified Metals of Metal Sulfides Deployable to Produce ^？OH via H₂O₂ Cleavage

    - (제1저자 및 교신저자) KIST 물질구조제어연구센터 김종식 선임연구원

    - (공저자) KIST 물질구조제어연구센터 최윤정 학생연구원(박사과정)