김가영 단국대 교수팀, 삼상계면 광촉매 기술 개발...수질오염 해결

삼상계면 활용한 '최초' 광촉매 자가구동형 수질 정화 플랫폼 개발
기존 광촉매 기술 대비 최대 8배 높은 효율 달성

권태혁 기자 | 2025.02.19 15:00

김가영 단국대 고분자시스템공학부 교수 연구팀.(사진 상단 오른쪽, 김가영 교수)/사진제공=단국대

단국대학교는 최근 김가영 고분자시스템공학부 교수 연구팀이 이준석 한양대학교 화학과 교수와 함께 수질오염 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 자가구동형 삼상계면 광촉매 살균시스템을 개발했다고 19일 밝혔다.

오염수를 정화하는 기술에는 박테리오파지, 전기장, 광촉매를 활용한 기술이 주로 사용된다. 특히 태양광을 활용한 친환경 광촉매 기술은 저개발 국가의 수질오염 해결책으로 주목받고 있다.

기존 광촉매 기술은 고체와 액체의 계면(서로 맞닿아 있는 두 물질의 경계면)을 활용해 이상계면 반응으로 오염수를 정화했다. 그러나 오염수를 정화하는 데 필요한 활성산소(reactive oxygen species, ROS) 생성이 제한적이고 반응 효율이 낮다는 단점이 있다.

이를 개선하기 위해 개발된 삼상계면(액체-기체-고체) 광촉매 기술은 산소 공급을 촉진해 활성산소 생성을 극대화했다. 하지만 이 또한 공기가 잘 통하지 않는 기판을 사용해 산소 공급이 제한적이거나 삼상계면을 미세하게 조절하기 어렵다는 한계에 부딪혔다.

김 교수팀은 한양대팀과 공동으로 공기가 잘 통하는 다공성 구조를 가진 '구리 산화물 솔잎 모양 나노구조'(이하 CO-FPN) 기반의 삼상계면 광촉매 살균시스템을 설계했다.

연구팀이 개발한 '계층구조 CO-FPN' 광촉매 살균시스템은 산소 공급을 극대화해 기존 광촉매 기술 대비 최대 8배 이상의 높은 오염물 제거 효율을 달성했다.

특히 삼상계면을 효과적으로 구현해 활성산소 생성 기능을 대폭 향상, 대장균과 황색포도상구균 등 유해 박테리아를 99.9% 이상 제거하는 성능을 보였다.

아울러 '계층구조 CO-FPN'과 니켈-철 산화물 증착 비스무스 바나데이트를 결합해 외부 전원 없이 스스로 구동하는 자가구동형 수질 정화 플랫폼을 구축했다.

김 교수는 "이번 연구는 삼상계면을 활용한 최초의 광촉매 자가구동형 수질 정화 플랫폼으로 삼상계면을 최적화해 오염물 제거 성능을 향상했다는 점에서 큰 의의가 있다"며 "상하수도 시설이 열악하고 전기가 부족한 저개발 국가에 안전한 식수를 제공할 수 있는 살균시스템 개발에 기여할 수 있을 것"이라고 전했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 '중견연구사업', 산업부의 '스마트센서인력양성사업'의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 'Triple-Phase Interfacial Freestanding Fluffy Pine Needle Structures for Efficient Self-Powered Photoelectrocatalysis'(효율적인 자가 구동형 광전기 촉매를 위한 자립형 삼상계면 솔잎 모양 나노구조체 개발)라는 제목으로 나노기술 분야 국제학술지 'Small'(IF=13.0)에 게재됐다.