KIST, 화학무기 독성제거 가능한 고활성 제독촉매 개발

[이데일리 이연호 기자] 화학무기는 극소량으로 대량학살이 가능해 전 세계가 ‘화학무기금지조약’을 맺고 생산과 사용을 엄격히 금지하고 있다. 하지만 최근까지도 시리아 내전과 테러 등에 사용되면서 효과적인 보호 방법 개발의 필요성이 높아지고 있다. 이런 가운데 최근 국내 연구진이 화학무기에 대응이 가능한 세계 최고 수준의 제독촉매 개발에 성공했다.

(a) 가격 경쟁력을 가지면서, 쉽고 간단한 방법으로 촉매활성을 극대화시킨 MOF 나노-촉매소재의 고용량 제조방법 개발을 통하여 본 소재의 실증화 가능성 규명. (b) 양자화학계산법을 기반으로 반응 에너지의 계산을 통하여 촉매 반응 메커니즘 규명 및 해석. (c) 기존과 달리 고성능의 촉매성능을 지속할 수 있는 제독 시스템 개발과 실증화된 코팅소재, 보호의 또는 방독면 등으로의 응용개발에 있어서 새로운 가능성을 이론적으로 제시. 그래픽=KIST.

한국과학기술연구원(KIST)은 물질구조제어연구센터 백경열 박사팀이 원재료의 농도 및 산도(pH) 조절과 같은 간단한 방법을 통해 높은 효율을 보이는 나노미터 수준 균일한 입자크기 지르코늄(Zr) 기반의 제독 촉매를 대량으로 합성하는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

현재 일반적으로 사용되고 있는 활성탄 기반의 제독제는 독성 화학물질을 흡착만 한다. 그렇기 때문에 이 흡착된 독성 물질을 제거하는 재처리 과정에서 2차 오염 문제가 발생했다. 또 기존의 제독촉매 소재는 복잡한 유기물을 합성하는 과정이 필요해 대량생산이 어려운 한계를 갖고 있었다.

KIST 연구진은 기존 제독방법인 흡착의 한계를 넘은 직접 독성제거가 가능한 촉매 소재를 개발했다. 연구진은 금속유기물 골격체(MOF, Metal-Organic Framework) 중 가격이 저렴하고 제조방법이 간단한 ‘UiO-66’이라는 소재를 기반으로 약 100㎚ 입자크기의 MOF 합성에 성공했다. 새로 개발된 촉매는 기존 촉매의 1/6수준의 부피를 갖고 있어 부피 대비 표면적이 높아 기존 소재보다 100배 이상 높은 반응효율을 기록해 세계 최고 수준의 제독 성능을 보였다.

또 KIST 연구진은 양자화학계산을 통해 기존의 촉매소재가 일회성 사용에 그쳤던 원인을 밝혀냈다. 이는 향후 지속 사용 가능한 촉매 시스템을 개발하고 실제 코팅소재 및 방독면 등에 응용할 수 있는 밑거름이 될 것으로 기대된다.

KIST 백경열 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 촉매소재는 화학무기의 독성을 근본적으로 제거하는 방법”이라며 “기존의 제독제와 함께 사용하면 화학무기 또는 고위험성 화학물질로부터 보다 능동적으로 국민의 생명과 안전을 지킬 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 국가과학기술연구회(NST) 민군융합기술 연구사업으로 수행됐으며 연구 결과는 촉매 분야의 국제 학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ 최신호에 온라인 게재됐다.