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POSTECH, 햇빛으로 ‘녹조’ 주범 질산 없앤다

최원용 교수팀, 태양광 이용해 질산 이온 질소로 바꾸는 탈질 광촉매 소재 개발

박영재 기자 | 기사입력 2021/09/14 [11:26]

POSTECH, 햇빛으로 ‘녹조’ 주범 질산 없앤다

최원용 교수팀, 태양광 이용해 질산 이온 질소로 바꾸는 탈질 광촉매 소재 개발

박영재 기자 | 입력 : 2021/09/14 [11:26]

 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)은 환경공학부 최원용 교수팀이 태양광을 이용해 질산 이온 질소로 바꾸는 탈질 광촉매 소재를 개발했다고 14일 밝혔다.

 

▲ 최원용 교수  © 포스텍

여름철 기온이 올라갈 때마다 강과 호수를 짙은 녹색으로 물들이는 불청객 ‘녹조(綠潮)’는 비료나 생활하수, 공장폐수 등이 하천으로 유입되면서 물속에 영양염류가 많아지며 생긴다.

 

특히 햇볕이 강하게 내리쬐고 수온이 올라가는 여름철은 녹조가 일어나기 좋은 환경으로, 녹조가 심해지면 물속 산소가 줄어들어 곧 수질 악화로 이어지게 된다.

 

녹조를 일으키는 비료나 공장폐수 등에는 많은 양의 질소화합물이 들어 있으며, 이를 방지하기 위해 질산이온을 질소로 전환하는 ‘탈질(脫窒, denitrification)’이라 불리는 기술이 핵심 기술 중 하나로 꼽히고 있다. 질산이온이 질소 가스로 바뀌면 물속에서 빠져나가게 돼 영양염류의 증가를 막을 수 있기 때문이다.

 

최원용 교수‧통합과정 이신비씨 팀은 화학환원제 없이 햇빛을 이용해 녹조 현상을 유발하는 오염원, 질산 이온(NO3-)만을 골라 질소(N2)로 전환하는 광촉매소재를 세계 최초로 개발, 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry, RSC)가 발행하는 에너지 환경 분야 최고 권위 학술지 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’지 뒷표지논문으로 발표했다.

 

같은 학회가 발행하는 ‘케미스트리 월드(Chemistry World)’ 역시 기사를 통해 소개하며 학회의 비상한 관심을 모은 이 성과는 특히 기존의 탈질 공정의 난제를 완벽하게 해결한 혁신적인 성과로 평가받고 있다.

 

▲ Cu-Pd 이중금속과 rGO를 포함한 복합광촉매의 합성 및 이를 활용한 고효율/고선택성의 광-탈질 반응 모식도  © 포스텍


기존 탈질 공정은 고에너지는 물론 수소 가스나 메탄올, 포름산과 같은 환원제를 필요로 한다. 물론 환경에 해가 없는 태양광을 그 에너지원으로 활용하려는 시도는 계속 있어왔지만 대부분이 많은 환원제를 필요로 해 경제성이나 현실성 면에서 문제가 많았다. 물론 물을 환원제로 이용하는 방법 역시 오랜 과제로 남아 있었다.

 

이 연구는 빛을 쬐면 생기는 정공과 전자가 일으키는 계면반응으로 산화와 환원 반응을 유도하는 반도체 소재, 광촉매를 이용하는 아이디어에서 출발했다.

 

먼저 연구팀은 이중 금속(Cu-Pd) 나노입자와 그래핀 옥사이드(rGO)가 담지된 이산화 티타늄(TiO2) 기반의 광촉매를 새로 합성했다. 이 광촉매는 별다른 화학환원제가 없이도 600 ppm의 질산이온(NO3-)을 100% 환원하는 한편, 98%가 질소(N2))로 변환되는 결과를 얻었다.

 

이 광촉매는 물 분해 반응을 통해 수소를 발생시키고 이 수소를 바로 환원제로 사용하도록 되어 있는 특성을 가져 화학환원제를 필요로 하지 않으면서 기존의 탈질 수처리 촉매의 문제를 개선했다.

 

특히 이 촉매는 탈질 반응 중 부산물로 생성되는 아질산 이온(NO2-)이 거의 생겨나지 않아 환경친화적인 특성을 가졌다는 점에서 더욱 의미 있는 성과로 주목받고 있다.

 

한편, 이 성과는 한국연구재단의 리더연구사업의 지원으로 수행됐다.

 

<아래는 구글번역기로 번역한 기사 전문이다.>

 <The following is the full text of the article translated by Google Translate.>


POSTECH eliminates nitric acid, the main culprit of ‘green algae’ with sunlight


 POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Kim Moo-hwan) announced on the 14th that Professor Won-yong Choi's team in the School of Environmental Engineering has developed a denitrification photocatalyst material that converts nitrate ions into nitrogen using sunlight.

 

Whenever the temperature rises in summer, the uninvited visitor ‘green algae’, which dyes rivers and lakes dark green, is caused by the influx of fertilizers, domestic sewage, and factory wastewater into the river, resulting in an increase in nutrients in the water.

 

Especially in summer, when the sun is shining strongly and the water temperature rises, it is a good environment for algae to occur.

 

Fertilizers and factory wastewater that cause green algae contain a large amount of nitrogen compounds, and to prevent this, a technology called “denitrification” that converts nitrate ions into nitrogen is considered one of the core technologies. This is because when nitrate ions are converted to nitrogen gas, they escape from the water, preventing the increase of nutrients.

 

Professor Won-Yong Choi and Integrated Course Lee Sin-BC team developed the world's first photocatalyst material that converts nitrogen (N2) to nitrogen (N2) by selecting only nitrate ions (NO3-), a pollutant that causes algae, using sunlight without a chemical reducing agent. It was published as a paper on the back cover of 'Energy & Environmental Science', the most prestigious journal in the field of energy and environment issued by the Society of Chemistry (RSC).

 

‘Chemistry World’, published by the same society, was also introduced through an article, and this achievement, which drew extraordinary attention from the society, is evaluated as an innovative achievement that perfectly solved the problem of the existing denitrification process.

 

Existing denitrification processes require high energy as well as reducing agents such as hydrogen gas, methanol, and formic acid. Of course, there have been continuous attempts to use sunlight, which is harmless to the environment, as an energy source, but most of them require a lot of reducing agent, which has many problems in terms of economic feasibility and practicality. Of course, the method of using water as a reducing agent also remained a long-standing task.

 

This study started with the idea of ​​using a semiconductor material and a photocatalyst that induces oxidation and reduction reactions through the interfacial reaction between holes and electrons generated when exposed to light.

 

First, the research team newly synthesized a photocatalyst based on titanium dioxide (TiO2) supported with double metal (Cu-Pd) nanoparticles and graphene oxide (rGO). This photocatalyst resulted in 100% reduction of 600 ppm of nitrate ions (NO3-) without any chemical reducing agent, while 98% was converted to nitrogen (N2)).

 

This photocatalyst improves the problem of the existing denitrification water treatment catalyst without requiring a chemical reducing agent because it generates hydrogen through a water decomposition reaction and uses this hydrogen directly as a reducing agent.

 

In particular, this catalyst is attracting attention as a more meaningful achievement in that it hardly generates nitrite ions (NO2-) generated as a by-product during the denitrification reaction and has environmentally friendly properties.

 

Meanwhile, this achievement was carried out with the support of the National Research Foundation's Leader Research Project.

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