장민 교수 연구팀,

에너지 생산 및 수중 난분해성 미량유기오염물질의 제거를 위한 광촉매 합성법 개발  

- Chemical Engineering Journal (JCR IF: 13.273, JCR Ranking: 2.8 %) 과학전문지 게재 -

<환경공학과 장민 교수(우)와 종초은 연구 교수 (좌)>

본교 환경공학과 장민 교수 연구팀(사진)은 환경공학과 종초은 (Choong Choe Earn) 연구 교수(제 1저자)의 주도로 질화탄소(carbon nitride, 이하 PCN)에 세륨 페라이트 (CeFeO3, 이하 CFO)를 결합하여 400 nm LED 광 조사 하에 암모니아 (Ammonia, NH3)를 생성하고, 수중 난분해성 미량유기오염물질을 완전하게 처리할 수 있는 광촉매 (이하 PCN@CFO) 합성법을 개발했다.

지난 수십년 동안 광촉매는 에너지 생산과 환경 오염 문제의 해결을 위한 기술로 주목받아왔으며 이에 따라 수소 생산, 질소 고정, 오염물질 분해, 이산화탄소 저감 등의 광범위한 분야에서 연구되어왔다. 본 연구진은 간단한 제작 방법과 낮은 원가 등의 장점으로 많은 연구자들의 관심을 받아왔던 2D 구조의 PCN에 상대적으로 낮은 띠틈 (Band gap)을 가지는 희토류 페로브스카이트 (Perovskite) 물질인 CFO를 손쉬운 한 단계의 석회화 방법(single-step calcination) 으로 합성하였다. PCN@CFO는 Z-scheme 기작과 적절한 구조 결함 (Structural defect)의 존재를 통하여 더 높은 광촉매 반응 활성도를 보였다.

일반적으로 광촉매의 경우 빛을 받으면 여기 (Excitation)되어 전자 (Electron)와 정공 (Hole)을 생성하고 이들이 직접 사용되거나 라디칼 (Radical) 형성 반응이 일어나게 되어 반응이 진행된다. 그러나 대부분의 전자와 정공은 재결합을 통하여 안정화되어 광촉매 반응의 효율은 크게 감소한다. 본 연구진은 PCN@CFO의 경우 PCN에서 생성된 전자가 두 물질 (PCN과 CFO)의 계면에서 광합성 반응과 같이 Z-scheme의 경로를 통하여 더 높은 전자-정공 분리 경향을 보임을 확인하였다. 또한 PCN@CFO 내 적절한 정도의 표면 결함 역시 전자와 정공의 재결합을 억제하여 광촉매 성능을 향상시켰다.

PCN@CFO은 400 nm의 단파장 LED 조사 하에서 높은 암모니아 생성 능력을 보였으며, 수중에서 3가지의 미량유기오염물질 (Bisphenol A, Atrazine, Sulfamethoxazole)을 효과적으로 제거하였다. 미량유기오염물질 제거 실험에는 실제 폐수처리장 유출수를 배경 용액으로 사용하여 높은 현장 적용 가능성을 확인하였다. 본 연구는 에너지 생산 및 오염물질 제거가 가능한 다기능 광촉매에 대한 새로운 전략을 제시하였으며, PCN@CFO의 손쉬운 제조 방법은 이의 대량 생산 및 현장 적용에 대한 높은 잠재력을 보여준다.

에너지 부족과 난분해성 미량유기오염물질의 처리 문제는 세계적으로 꾸준히 큰 관심을 받고 있다. 본 연구진은 효율이 높은 광촉매의 제작 뿐만 아니라 이의 현장 적용 확대를 위한 다양한 연구를 주도적으로 진행하고 있다.

사진 설명: PCN@CFO의 구조

한편, 본 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 과학전문지인 Chemical Engineering Journal (IF: 13.273) 2021년 8월 8일자 온라인 판에 게재되었다. (논문명: Interfacial coupling perovskite CeFeO3 on layered graphitic carbon nitride as a multifunctional Z-scheme photocatalyst for boosting nitrogen fixation and organic pollutants demineralization)