장민 교수(환경공학과) 연구팀, AQ-Redox 사이클을 가속화 시키는 결함 엔지니어링을 통한 

고효율 과산화수소 생성 광촉매 개발

- APPLIED CATALYSIS B-ENVIRONMENTAL AND ENERGY (IF: 22.1, JCR rank: 0.6 %) 환경-에너지 분야 1위 과학전문지 게재 

본교 환경공학과 석사과정생인 김연화(공동 제1저자), 황건덕 연구교수(공동 제1저자), 종초은 연구교수를 포함한 장민 교수(교신저자, 대한중점연구소 부소장, 환경나노기술연구소 (JENTL) 소장) 연구팀은 광촉매 기반 과산화수소(H2O2) 생산의 한계를 극복하고자, 결함 엔지니어링을 통해 일중항 산소(1O2) 생성하고 이를 통해 안트라퀴논(anthraquinone, AQ) 산화환원 사이클 가속화를 유도하는 전략을 세계 최초로 제시했다.

(좌측부터) 김연화 석사과정생 (공동 제1저자), 황건덕 연구교수 (공동 제1저자), 장민 교수(교신저자)

과산화수소(H2O2)는 강력한 산화제로서 살균, 폐수 처리, 종이 표백, 연료전지 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용된다. 기존의 산업적 과산화수소 생산은 안트라퀴논(AQ) 산화법에 의존하며, 고온·고압의 에너지 집약적 공정에 의해 높은 에너지 소비와 경제적 비용 문제에 직면해 있다. 이로 인해 친환경적인 광촉매 기반 과산화수소 생산 기술이 주목받고 있지만, 낮은 효율과 생성된 과산화수소의 분해로 인해 성과가 제한적이었다.

본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 전하 분리 및 촉매 효율을 향상시키는 방안을 모색하였으며, 광촉매의 결함 엔지니어링을 통해 ISC(intersystem crossing)와 일중항 산소(1O2) 중간체를 활용하는 새로운 광촉매 설계를 시도하였다. 그 결과, poly(heptazine imide)에 AQ를 5% 함량으로 도핑한 광촉매인, AQ5PHI를 개발하였으며, 해당 촉매는 O2 포화 조건에서 76.8 mmol/g/h(~2,600 mg/g/h)의 과산화수소를 생성, 기존 문헌들 대비 매우 높은 생성 효율을 보였다. 이 뛰어난 효율은 전자 공여 탄소 결함과 근접한 AQ 분자 사이의 시너지 상호작용에서 비롯되며, 이를 통해 단일항 산소(¹O₂) 생성과 과산화수소 형성이 촉진되고, 가속화된 AQ-Redox 순환을 통해 이루어짐을 밝혔다. 즉, 광-활성화된 AQ5PHI는 전자를 산소로 전달하며, 이 과정에서 AQ-Redox 순환이 핵심 중간체로 작용해 AHQ를 AQ로 산화시키고 과산화수소를 축적한다.

ISC(intersystem crossing)를 통한 일중항 산소(1O2) 생성 메커니즘 및 광촉매 내 에너지 전달 경로 모식도(좌측), AQ 매개 촉매 산화환원 사이클에 대한 상대 에너지 프로파일 시뮬레이션(우측)

AQ 매개 산화환원 사이클 및 일중항 산소(1O2) 활성화를 중심으로 한 AQ5PHI의 과산화수소 생성 광촉매 메커니즘 모식도

이번 연구는 결함 공학을 통한 광촉매 설계와 단일항 산소(¹O₂) 활성화, AQ-Redox 순환 가속화 메커니즘을 규명함으로써, 광촉매 기반 과산화수소(H₂O₂) 생산 효율을 획기적으로 향상시켰다는 점에서 과학적으로 큰 의의가 있다. 이는 기존 고온·고압의 에너지 집약적 공정에 의존하던 산업용 H₂O₂ 생산 방식을 대체할 수 있는 새로운 원리를 제시한 것으로, 친환경적이고 저비용의 지속가능한 산화제 생산 경로를 열었다는 점에서 사회적 파급효과가 크다. 특히 본 성과는 폐수처리, 살균, 연료전지 등 다양한 환경·에너지 산업 분야에 적용 가능성이 높아, 탄소중립 사회 구현과 녹색기술 확산에 기여할 수 있다.

본 연구는 한국연구재단의 지원지원사업(2023R1A2C1003464, RS-2021-NR060112, RS-2023-00240726, and RS-2023-00282898)으로 수행되었고, 연구 결과는 환경-에너지 분야1위 과학전문지인 Applied Catalysis B: Environmental and Energy (IF: 22.1) 2025년 8월 15일자 온라인 판에 “Defect-Mediated Intersystem Crossing in Poly(Heptazine Imide) for Singlet Oxygen-Accelerated Anthraquinone Redox Cycling”의 제목으로 게재되었다.

Web link:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337325008185#ack0005 

광운대학교 환경공학과 장민 교수 연구실

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