김병수·김형일 교수팀, 태양에너지로 과산화수소 생산 및 중금속 제거 가능한 광촉매 개발

비피리딘 기반 신규 폴리이미드 고분자 골격체

환경공학 분야 최상위 저널 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’ 게재 

[사진 1. (왼쪽부터) 김병수 교수, 김형일 교수, 김태형 연구원(공동 제1저자), 이도연 연구원(공동 제1저자)]

화학과 김병수 교수팀과 건설환경공학과 김형일 교수팀이 태양에너지를 활용해 물속에서 과산화수소를 생산함과 동시에 중금속을 제거할 수 있는 비피리딘 폴리이미드 고분자 기반 광촉매 시스템을 개발했다.

과산화수소는 제지, 화학, 반도체 산업 등 다양한 분야에서 활용되며, 최근에는 수소 저장 물질로도 주목받고 있다. 현재 전 세계 생산량의 95%는 안트라퀴논을 사용하는 연속식 합성법으로 생산된다. 하지만 이 방법은 귀금속 촉매와 고온고압의 에너지가 필요하고, 폭발 위험성이 큰 수소 가스를 사용해야 하는 단점이 있다. 또다른 방법으로 수소와 산소로부터 과산화수소를 생산하는 방법도 연구됐지만, 여전히 비싼 귀금속과 외부 에너지가 필요하고 수소와 산소 가스를 직접 반응시켜야해 폭발 위험성이 존재한다. 

이 문제를 해결하기 위해 김병수·김형일 교수팀은 태양광을 이용해 과산화수소를 안전하고 친환경적으로 생성하는 비귀금속 기반 광촉매를 연구했다. 

[그림 1. 개발된 비피리딘 폴리이미드 고분자 골격체의 구조와 광촉매 반응을 통해 과산화소수 생산과 중금속의 산화가 이루어지는 모식도]

다양한 유기 광촉매 중 고분자 골격체는 반응물 확산이 용이하고, 촉매반응에 유리한 다공성 구조를 가지며, 결정구조로 인해 안정성을 갖는다. 또, 단량체와 결합에 따라 다양한 기능성을 도입할 수 있는 장점이 있어 주목받고 있다. 연구팀은 물 산화 및 산소 환원 능력을 가진 비피리딘 단량체를 기반으로, 산화-환원 특성을 가진 폴리이미드 결합을 선택해 두 가지 촉매활성 기능기를 가지는 비피리딘 폴리이미드 고분자 골격체를 합성하고, 이를 태양광 기반 과산화수소 생산에 적용했다.

연구 결과, 합성한 폴리이미드 고분자 골격체는 태양광을 이용해 물과 산소로부터 과산화수소를 생산하고, 동시에 중금속을 제거할 수 있음을 확인했다. 이 물질은 태양광에너지, 물, 그리고 산소가 존재할 때 폴리이미드 결합이 광촉매 반응을 통해 산소를 환원해 과산화수소를 생산하는 활성 기능기 역할을 수행했다. 또한, 비피리딘 구조가 추가적인 활성 기능기 역할을 해 시너지 효과를 통해 더 많은 과산화수소를 생산할 수 있음을 규명했다.

과산화수소 생산과 동시에 강력한 산화력을 가지는 수산화 라디칼이 비피리딘 폴리이미드 고분자 골격체에 의해 생성됐고, 이를 산업 폐수와 지하수에 존재하는 중금속인 비소의 산화 반응에 적용해 중금속 제거가 가능함을 확인했다. 기존의 비소 산화 방식은 별도의 과정이 필요했으나, 이번 연구에서 개발한 고분자 골격체 광촉매 시스템은 과산화수소 생산과 중금속 제거를 동시에 할 수 있어 그 가치가 매우 크다.

공동 연구팀은 “이번 연구를 통해 자연에 존재하는 자원을 활용해 산업적으로 유용한 화합물의 생산과 중금속 제거를 동시에 할 수 있는 친환경 시스템을 구축했다.”며, “고분자 골격체 촉매를 설계할 때, 결합의 기능성이 고려돼야 한다는 사실을 확인했다.”고 연구 의의를 밝혔다. 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원과제, 나노 소재기술개발사업, 신진연구자 지원과제, 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 환경공학 분야 상위 1% 저널인 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’에 6월 3일(현지시간) 온라인 게재됐다.

논문정보

● 논문 제목: 

Simultaneous Photocatalytic Hydrogen Peroxide Production and Pollutant Degradation via Bipyridine-Based Polyimide Covalent Organic Framework

● 논문 주소: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337324005782