화학공학과 김종식 교수 연구팀이 독성 물질을 안정적으로 분해하는 차세대 촉매 기술을 개발했다.

화학공학과 김종식 교수 연구팀, 인산화 라디칼 촉매 기술 개발
기존 수산화 라디칼 대비 16배 높은 독성 분해 성능 보여

파라옥손 메틸(paraoxon-methyl), 4-클로로페놀(4-chlorophenol) 및 설파메톡사졸(sulfamethoxazole) 등의 화학작용제, 농약, 살충제 및 의약품 유래 독성 유기화합물은 전쟁이나 사고 발생 시 수계로 빠르게 전파되고, 오랫동안 잔존해 인류 사회에 심각한 피해와 후유증을 남긴다. 이러한 문제를 해결하기 위해 화학공학과 김종식 교수 연구팀이 독성 물질을 안정적으로 분해할 수 있는 차세대 촉매 기술을 개발했다. 이번 연구는 과학적 우수성을 인정받아 국제 학술지 『Chemical Engineering Journal(IF=13.4)』에 게재됐다.

수중 독성물은 ‘라디칼(radical)’이라는 강력한 화합물을 활용해 분해할 수 있다. 라디칼은 독성물과 격렬하게 반응하며 이를 효과적으로 파괴할 수 있지만, 상용화된 라디칼에는 몇 가지 단점이 있다. 기존에 주로 사용된 ‘수산화 라디칼’은 수명이 짧고, 독성물과 반응 후 해로운 찌꺼기가 남아 추가 처리 과정이 필요했다. ‘인산화 라디칼’은 수산화 라디칼보다 수명이 약 10,000배 길고, 찌꺼기 없이 독성물을 파괴할 수 있어 대체 라디칼로 주목받았지만, 강한 산성 또는 방사선·자외선과 같이 강한 에너지 아래에서 생성돼 독성물 분해에 활용되기 어려웠다.

김종식 교수 연구팀은 준중성 및 강한 에너지 없이도 인산화 라디칼을 생성할 수 있는 기술을 개발했다. 금속 산화물 촉매(지르코늄 산화물) 표면에 인산화 라디칼 전구물질을 고정하되, 과산화수소를 이용해 촉매 표면에서 인산화 라디칼 생성을 구현했다. 또한, 촉매 표면에서 인산화 라디칼이 지속적으로 생성되는 기작을 규명하였고, 인산화 라디칼의 안정적 생성을 위한 핵심 원리를 육군사관학교 정근홍 교수 연구팀과 협력해 실험적·계산적으로 규명했다.

이를 통해 인산화 라디칼을 복잡하거나 과도한 조건 없이 안전하게 사용할 길이 열렸다. 개발된 촉매는 기존 수산화 라디칼 기반 촉매 대비 최대 16배 높은 독성물 분해 성능을 보였고, 해로운 찌꺼기 생성을 회피하며, 과산화수소 유래 라디칼 피독물을 쉽게 탈착시키므로, 재사용성과 내구성도 우수해 인산화 라디칼의 실용성을 높였다.

김종식 교수는 “이번 연구는 과도한 방식 없이 실제 현장에서 활용할 수 있는 촉매 기술을 확보했다는 점에서 큰 의미가 있다. 앞으로 수질 정화와 환경 복원 등 다양한 분야에 활용될 것”이라고 예측했다. 이번 연구의 공동 1저자인 김준서 학생(화학공학과 1기)은 “학부 때부터 적극적으로 참여한 첫 연구가 수월성 있게 마무리 돼 기쁜 마음”이라는 소감을 남겼다. 김종식 교수 연구팀은 획기적인 독성물 분해 성능을 지닌 차세대 촉매 개발에 매진하고 있다.

김종식 교수 연구팀은 획기적인 독성물 분해 성능을 지닌 차세대 촉매 개발에 매진하고 있다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

ⓒ 경희대학교 커뮤니케이션센터 communication@khu.ac.kr