장민 교수 연구팀(환경공학과),

야자껍질 폐기물로 만든 활성탄의 광촉매 기능 발견

- Water Research (JCR IF 9.130, JCR Rank: 1.06% in Water Resources) 과학전문지 게재 -

<장민 교수 연구팀 (Homepage: https://www.jentl.net)>

본교 환경공학과 장민 교수 연구팀(사진)은 환경공학과 종초은(Choong Choe Earn) 박사후 연구원(제1저자)와 함께 자외선 조사 하에 야자껍질 폐기물 기반 활성탄 (Palm shell waste activated carbon)이 광촉매로서 수중 미량유기 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 슈퍼옥사이드 라디칼 (·O2-)을 생산한다는 것을 발견했다.

광촉매는 빛을 받으면 촉매반응을 일으키는 물질로, 광촉매가 태양광, 자외선, LED 등의 광원에 조사되면 광유도 전하 운반체가 전자(electron)와 정공(positive hole)으로 분리된다. 분리된 전자와 정공은 각각 수중의 산소, 물과 반응하여 강력한 산화제인 하이드록실 라디칼(·OH)과 슈퍼옥사이드 라디칼(·O2-)을 만들어 낸다. 이렇게 생성된 라디칼들은 유기오염물질을 최종적으로 물과 이산화탄소로 분해시킨다. 이러한 특성으로 인해 광촉매는 살균·항균 및 수처리, 토양정화 등에 광범위하게 응용될 수 있다.

활성탄은 다공성 구조로 이루어져 있고 큰 표면적, 그리고 우수한 전도성으로 인해 대기？수처리 등의 분야에서 흡착제로 주로 사용되는 물질로, 전세계적으로 활성탄을 이용한 오염물질 제거연구가 활발하게 이루어져왔다. 야자껍질 폐기물 기반 활성탄은 동남아시아 지역에서 대량생산되는 바이오매스 중 하나인 Palm Kernal Shell로부터 생산된다. 본 연구팀은 야자껍질 폐기물 기반 활성탄을 이용하여 다양한 종류의 유기？무기오염물질 저감 연구를 지속적으로 진행해왔다.

하지만 활성탄을 유기오염물질 제거를 위해 광촉매로서 사용한 연구는 보고된 바가 없고, 체계적으로 연구된 바 없다. 본 연구팀은 야자껍질 폐기물 기반 입상활성탄을 광촉매로서 이용하여 양이온성 염료인 메틸렌블루와 음이온성 염료(메틸 오렌지, 메틸 레드), 그리고 대표적인 내분비계 교란물질인 비스페놀 A(Bisphenol A, BPA)과 설파메톡사졸(Sulfamethoxazole, SMX)를 효과적으로 제거하였다.

본 연구에서는 야자껍질 폐기물 기반 입상활성탄이 자외선 조사 하에 슈퍼옥사이드 라디칼을 생산하는 것을 발견하여, 이에 대한 광촉매적 메커니즘 규명을 위해 광촉매의 효율을 감소시킬 수 있는 전자와 정공의 재결합 정도 및 UV-C, UV-A, LED를 사용하여 각 광원에 따른 라디칼 생성 효율 평가를 진행하였다. 그 결과 야자껍질 폐기물 기반 활성탄은 UV-A 조사 하에 더 느린 전자-정공 재결합과 향상된 전하 전달을 보였으며, 활성탄 내 함유된 Si1 가 활성탄의 산소 결함 생성에 영향을 미쳐 광촉매 효율과 밀접한 관련이 있음을 입증하였다. 향후 대규모 수처리분야 적정기술로 개발 시 수질 문제로 고통받는 저개발국가 내 수질 향상에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

<야자껍질 폐기물 기반 활성탄에 의한 광원 조사 하에 슈퍼옥사이드 라디칼 생성과 메틸렌 블루 제거의 개략도>

한편, 본 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 Water Research (IF: 9.130) 2020년 12월 16일자 온라인 판에 “Unexpected discovery of superoxide radical generation by oxygen vacancies containing biomass derived granular activated carbon”의 제목으로 게재되었다.

Web link : https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116757