장민(환경공학과) 교수 연구팀, Z-scheme 플라즈마 촉매를 이용한 차세대PFAS(GenX) 분해 기술 개발

- Journal of Environmental Management 게재 (IF: 8.4, 환경공학 분야 상위 91.9% 저널) -​

본교 환경공학과 장민 교수 연구팀은 최근 환경오염 문제로 주목받는 PFAS 계열 물질인GenX를 더 효율적으로 제거할 수 있는 새로운 플라즈마-촉매 기술을 개발하였다. PFAS는 “영원한 화학물질(Forever Chemicals)”이라고 불릴 정도로 잘 분해되지 않는 물질이며, 특히GenX는 기존PFAS를 대체하기 위해 개발되었지만 여전히 높은 환경 독성과 안정성을 가진 것으로 알려져 있다.

이번 연구의 핵심은 플라즈마(plasma)와 반도체 촉매(catalyst)를 결합한 “플라즈마-촉매 복합 시스템”이다. 연구팀은 세륨산화물(CeO₂)과 비스무트산화물(Bi₂O₃)을 결합한 촉매에 극소량의 루테늄(Ru)을 첨가하여 촉매 내부의 산소 공공(oxygen vacancy)을 증가시켰다. 산소 공공은 전자가 더 쉽게 이동할 수 있도록 도와주는 일종의“전자 이동 통로” 역할을 하며, 활성산소종(ROS)을 효과적으로 생성하는 데 매우 중요한 요소이다.

특히 Ru가 0.1% 도핑된 촉매(Ru(0.1%)-CBO)는 플라즈마와 결합되었을 때 단일항 산소(¹O₂)와 수산화 라디칼(•OH) 같은 강력한 산화종을 다량 생성하였고, 이를 통해 난분해성 PFAS 물질인 GenX를 빠르게 분해할 수 있었다.

실험 결과, 해당 촉매를 적용한 플라즈마 시스템은 30분 만에 최대 74%의 GenX 제거 효율을 달성하였다. 이는 플라즈마만 단독으로 사용했을 때보다 약 1.7배 높은 성능이다. 또한 PFAS 분해 과정에서 중요한 지표인 탈불소화(defluorination) 효율도 크게 향상되어 실제로 PFAS 구조가 효과적으로 파괴되고 있음을 확인하였다.

연구팀은 in-situ XPS와 표면증강 라만분광법(SERS)을 이용해 촉매 내부의 전자 이동 메커니즘도 규명하였다. 분석 결과, 전자가CeO₂에서 Bi₂O₃를 거쳐 RuO₂ 방향으로 이동하는“Z-scheme 전자 전달 구조”가 형성되었으며, RuO₂는 전자를 저장하는 저장소(electron sink) 역할을 하여 전자와 정공의 재결합을 억제하고 활성산소종 생성을 촉진하는 것으로 나타났다.

또한 광전기화학 분석 결과, Ru 도핑은 광여기 전자의 수명을 증가시켜 전하 분리 효율을 향상시키고, 산소 공공이 많을수록 전자 전달과 촉매 반응성이 증가하여GenX 분해 속도 역시 향상되는 것으로 확인되었다.

무엇보다 이번 기술은 에너지 효율 측면에서도 큰 장점을 보였다. 연구팀이 개발한 플라즈마-촉매 시스템은 기존 플라즈마 공정 대비 에너지 소비량(EEO)을 약50% 수준까지 줄였으며, 반복 재사용 실험에서도 안정적인 성능을 유지하였다. 이는 실제 산업 폐수 처리나 수처리 공정에 적용될 가능성을 높이는 중요한 결과이다.

장민 교수는 “이번 연구는 플라즈마와 산소 공공 기반 반도체 촉매의 시너지 효과를 통해 기존 PFAS 처리 기술의 한계를 극복한 사례”라며, “향후 실제 산업 폐수 및 수처리 시스템에 적용 가능한 친환경 PFAS 제거 기술로 발전시킬 계획”이라고 밝혔다.

금번 연구는 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행되었으며, 차세대 난분해성 오염물질 처리 및 저에너지 고도산화 공정 분야에서 중요한 학문적·산업적 성과로 평가받고 있다.

본 연구는 한국연구재단의 지원지원사업(Grant Nos. RS- 2021-NR060112, 2023R1A2C1003464, RS-2024-00512818)으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 Journal of Environmental Management 2026년 온라인 판에 “Z-scheme plasma-catalysis using Ru-doped CeO2/Bi2O3 for efficient GenX degradation via oxygen vacancy engineering”의 제목으로 게재되었다.

Web link: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2026.129960