김가영 교수(사진 오른쪽 상단)와 연구팀

삼상계면을 활용한 광촉매 자가구동형 수질 정화 플랫폼 모식도

용인신문 | 단국대학교 김가영 교수(고분자시스템공학부)팀은 한양대 이준석 교수와 공동으로 수질오염 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 자가구동형 삼상계면 광촉매 살균시스템을 개발했다.

오염수를 정화하는 기술에는 박테리오파지, 전기장, 광촉매를 활용한 기술이 주로 사용되고 있으며 최근에는 태양광을 활용한 친환경적이고 전기가 필요없는 광촉매 기술이 저개발 국가의 수질오염 문제 해결 기술로 주목을 받고 있다.

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

이를 개선하기 위해 개발된 삼상계면(액체·기체·고체) 광촉매 기술은 산소 공급이 촉진돼 활성산소 생성을 극대화할 수는 있으나 공기가 잘 통하지 않는 기판을 사용해 산소 공급에 제한이 있거나 삼상계면을 미세하게 조절하기 어렵다는 문제점이 있었다.

김가영 교수팀은 한양대 이준석 교수팀과 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 공급의 극대화로 기존 광촉매 기술 대비 최대 8배 이상의 높은 오염물 제거 효율을 보였다. 특히 삼상계면을 효과적으로 구현해 활성산소 생성 기능이 크게 향상돼 대장균, 황색포도상구균 등 유해 박테리아를 99.9% 이상 제거할 수 있게 됐다. 또한 ‘계층구조 CO-FPN’과 니켈·철 산화물 증착 비스무스 바나데이트를 결합해 외부 전원 없이 스스로 구동할 수 있는 자가구동형 수질 정화 플랫폼을 구현했다.

연구논문은 나노기술 분야 국제 저명 학술지 ‘Small(2023년 IF=13.0)’에 2024년 12월 게재됐다.

김 교수는 “이번 연구는 삼상계면을 활용한 광촉매 자가구동형 수질 정화 플랫폼으로 삼상계면을 최적화해 오염물 제거 성능을 향상시켰다는 점에 큰 의미가 있다”며 “상하수도 시설이 열악하고 전기가 부족한 저개발 국가에 안전한 식수를 제공할 수 있는 살균시스템 개발에 큰 진전이 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.