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심재진 교수 연구팀, 독성폐수 처리용 나노촉매 개발hit : 3282 | 2019.06.11
기존 촉매 대비 분해시간 획기적 단축, 값싼 산화제 이용 저비용 고효율 처리
페놀 등 독성폐수 처리에 효과적, 관련 산업에 파급효과 기대
한국연구재단 중점연구소사업 연구성과로 주목
[2019-6-10]

 독성폐수 처리 산업에 새로운 길이 열렸다.  
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영남대 화학공학부 심재진 교수 연구팀이 값싼 산화제를 사용하여 페놀과 같은 독성폐수를 30분 만에 100% 분해할 수 있으며 장기간 재사용이 가능한 새로운 나노구조 촉매 개발에 성공하여, 향후 관련 산업에 획기적으로 기여할 것으로 주목 받고 있다.
 
 기존의 수용성 폐수처리 촉매들은 처리에 시간이 많이 걸리고, 처리수에 중금속이 포함되며, 포집과 재사용이 불가능한 환경적, 경제적 문제점이 있었다. 이러한 단점을 개선하기 위해 심 교수 연구팀은 물에 녹지 않고 자성을 가져 회수가 용이한 아연철산화물 나노입자를 초음파를 이용하여 그래핀에 부착시키고, 그 위에 감마(γ) 이산화망간 나노 박편을 수열합성법으로 성장시켜 나노복합체촉매를 개발하였다. 이번에 개발된 나노촉매는 값싼 산화제만을 사용하면서도 회수가 용이하고 안정하여 장기간 재사용이 가능하며, 독성폐수에 효과가 매우 높은 장점을 가지고 있다.
 
 이번에 개발된 촉매는 초음파를 이용하여 그래핀 상에 아연철산화물 입자(10-20 nm)를 도포하고 그 위에 2-5 nm두께의 이산화망간 나노 박편을 수열합성방법으로 성장시킨 나노복합체 구조를 가지고 있어 BET표면적이 376 m2/g으로 매우 넓고 평균기공은 8 nm로서 산화제와 오염물질이 촉매표면에 쉽게 전달될 수 있다. 또한 많은 촉매활성점에서 라디칼 공급원을 활성화시킬 수 있으므로 개발된 나노혼성체 촉매는 0.2 g/L의 값싼 과산화일황산(PMS)을 이용하여 30분 만에 20 ppm의 페놀을 100% 분해하는 등 기존의 촉매에 비하여 페놀 분해에서 탁월한 촉매효과(총 유기탄소는 180분 안에 95% 제거)와 안정성을 보여 주었다. 아울러 촉매의 자성 때문에 회수가 용이하여 장기간 재사용이 가능함을 보여 주었다. 이 나노혼성체 촉매는 빛이 없이도 값싼 라디칼만 제공되면 오염물을 탁월하게 분해할 수 있어서 페놀 등 환경 위해물질 분해를 위한 효과적인 촉매로 사용될 수 있다.
 
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<감마 이산화망간/아연철산화물/그래핀 나노복합체촉매의 합성과정 개략도>
 
 페놀은 보통 코발트, 망간, 철 등의 염을 사용하여 액상으로 처리하거나, 미생물을 이용하여 대규모 처리장에서 장시간 분해시키거나, 활성탄에 의한 흡착과 촉매재생을 한 후 산화제로 2차 처리를 하므로 처리수에 중금속이 포함되고 열에너지가 소요되며 복수의 처리단계가 필요하여 환경적으로나 경제적으로 문제가 된다. 최근에 개발된 다른 촉매들은 회수가 어렵거나 중간체가 촉매에 남아 있어 촉매효율이 떨어지므로 촉매의 재생을 위해 열처리가 필요하다. 하지만 개발된 촉매는 이들을 전혀 사용하지 않고 직접 분해함으로써 처리에 소요되는 에너지와 비용을 크게 감소시킬 뿐만 아니라 2차 오염을 막고, 처리수를 재사용함으로써 물 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 등 경제적 이점이 크다. 아울러 망간산화물계 촉매에 비해 200~700%, 과산화수소를 사용하는 촉매보다 300~1000%, TiO2에 비해 7~130배, 전기화학촉매보다 5배, 그리고 값비싼 오존을 사용하는 촉매보다 0.7~15배 높은 성능을 기대할 수 있다.
 
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<합성된 감마 이산화망간/아연철산화물/그래핀 나노복합체촉매의 SEM과 TEM 사진>
 
 본 연구의 책임자인 심 교수는 “이번에 개발한 감마 이산화망간/아연철산화물/그래핀 나노복합체 촉매는 분해가 어려운 독성 폐기물 분해에 활용 가능할 뿐만 아니라, UV를 쪼이지 않고도 값싼 산화제만을 사용하며, 회수하여 반복적으로 사용할 수 있고, 높은 분해효율과 높은 안정성 및 짧은 분해시간 등의 다양한 장점이 있어 향후 관련 산업에 기여도가 매우 높을 것으로 기대된다. 이 촉매는 최근 본 연구실에서 개발한 은/아연철산화물/그래핀 촉매와 함께 사용하면 페놀 등 난분해성 독성폐수를 낮에는 태양광으로, 밤에는 값싼 산화제로 큰 에너지의 공급 없이 저렴한 비용으로 효율적으로 처리할 수 있어서, 독성폐수 처리공정의 상용화 및 환경산업 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 평가하며, “앞으로 청정용매를 사용하여 에너지저장용 슈퍼커패시터 전극소재, 광촉매, 화학센서, 가스센서, 항균 바이오소재 등에 활용되는, 최고의 성능을 가진 그래핀-금속산화물 나노복합체 소재 개발 및 탄소나노양파(CNO), 맥신(MAXene), 페로브스카이트, 그래핀퀀텀닷 등의 신물질을 개발하기 위해 지속적으로 연구해 나갈 예정이다”고 밝혔다.
 
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<감마 이산화망간/아연철산화물/그래핀 나노복합체촉매에 의한 페놀의 분해반응기구>
 
 이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 중점연구소사업, 기본연구사업, 한중핵심국제공동연구사업의 지원으로 이루어졌으며, 청정에너지중점연구소사업단 연구교수이자 이집트 국영 석유연구소 부교수인 암르 후세인 마디(Amr Hussein Mady) 박사와 국립필리핀대학의 Marjorie Lara Baynosa 조교수 (영남대 박사과정), 독일 BAM 연방재료시험연구소의 Dirk Tuma 박사가 공동연구원으로 참여하였다. 연구결과는 <어플라이드 캐털리시스 B> (Applied Catalysis B: Environmental, 인용지수 11.698, 상위백분율 0% 이내)에 게재되었다 (2019년 5월. Heterogeneous activation of peroxymonosulfate by a novel magnetic 3D γ-MnO2@ZnFe2O4/rGO nanohybrid as a robust catalyst for phenol degradation).
 
 심 교수는 최근 5년간 90여 편의 나노소재 관련 SCI 논문을 게재하였으며, 특히 <어플라이드 캐털리시스 B> (Applied Catalysis B: Environmental, 2017년, 인용지수 11.698,  상위백분율 0%), (ACS Applied Materials and Interfaces, 2019년, 인용지수 8.097, 상위백분율 8.77%), <나노스케일> (Nanoscale, 2018년, 인용지수 7.233, 상위백분율 9.59%), <저널 오브 파워소시스> (Journal of Power Sources, 2015년, 인용지수 6.945, 상위백분율 7.14%), <케미컬 엔지니어링 저널> (Chemical Engineering Journal, 2017년, 인용지수 6.735, 상위백분율 4.0%), (ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2017년, 인용지수 6.14, 상위백분율 6.57%) <이상 인용지수와 상위백분율은 JCR 2017 기준>와 같은 유력 저널에 게재하는 등 논문의 우수성을 인정받았다(h-index 31). 또한 연구 성과를 기반으로 국내특허 27건과 미국특허 1건을 등록하였으며, 30여개 국제 학회에서 plenary, keynote, invited speaker로 왕성하게 활동하고 있다. 한국청정기술학회 회장(2012년), 한국공학교육학회 부회장(2011~2012년)을 역임했으며 현재 영남대학교 산학협력단 청정에너지중점연구소사업단장 및 청정기술연구소장으로 활동하고 있다.
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