▲ 산화철 그래핀 흡착제의 흡착 메커니즘 및 양극성 VOCs에 대한 흡착성능 그래프

국내 연구진이 흑연, 철과 같이 구하기 쉬운 소재를 융합해 기존 휘발성 유기화합물(VOCs) 흡착제의 한계를 뛰어넘는데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 지속가능환경연구단 이지원·오영탁 박사 연구팀이 친수성과 소수성 모두를 갖고 있어 기존 활성탄 기술로 제어가 어려웠던 양극성 VOCs를 효율적으로 흡착할 수 있는 새로운 흡착제 원천기술을 개발했다고 지난 26일 밝혔다.

VOCs는 실온에서 쉽게 증발하는 유기 화합물을 말하는 것으로 페인트, 접착제, 가구, 화장품, 탈취제 등 일상용품에 널리 사용되는 화학물질에서 자연발생하며 지속해서 노출될 경우 호흡기 질환, 두통, 피부염, 암 등 건강문제를 유발한다. 

실내공기 중 VOCs를 정화하기 위해 활성탄을 이용한 흡착 방식을 가진 공기 청정기가 널리 활용되고 있다. 활성탄은 탄소표면과 넓은 비표면적을 갖고 있기 때문에 톨루엔과 벤젠 같은 비극성 물질은 효과적으로 정화할 수 있지만 케톤이나 알데하이드류 등의 양극성 물질은 제거하지 못한다.

이에 연구팀은 흑연과 철의 표면 산화 정도를 정밀하게 제어함으로써 산화그래핀-철산화물 융합구조를 합성해 흡착제를 만들었다. 그 결과 표면에 산소 작용기와 철산화물이 증가해 양극성 VOCs에 대해 높은 흡착력을 보였다. 연구팀이 개발한 흡착제의 흡착효율은 기존 활성탄 흡착제보다 양극성 VOCs에 대해 최대 15배나 향상된 것으로 나타났다.

또한, 흡착제 표면 내 산소작용기 및 철산화물 비율을 조절하면 오염물질의 특성에 따라 제거 기능성을 최적화시킬 수도 있다는 사실도 밝혔다. 활성탄 흡착제로는 제어가 어려웠던 케톤류 물질 4종에 대한 테스트를 진행한 결과 탄소사슬이 적을수록 낮은 흡착효율을 보인다는 것을 확인하고, 흡착제에 산소 작용기와 철산화물 함유량을 증가시켜 해당 케톤물질을 효과적으로 제거할 수 있었다.

연구팀은 흡착제와 VOCs 분자 사이에서 수 나노미터 이하 거리의 전자 이동 현상을 분석해 오염물질의 모양과 흡착 경향성 간의 연관성을 최초로 찾아냈다. 이를 이용하면 우리 주변에 존재하는 다양한 대기 유해인자들에 대한 맞춤형 탐지·제어 기술 개발이 가능해질 것으로 기대된다.

KIST 이지원 선임연구원은 “흡착제의 흡착성능과 재생효율을 높이는 것에 초점을 둔 기존 연구들과는 달리 흑연, 철과 같이 구하기 쉬운 재료만으로 기존 흡착제의 한계를 뛰어넘는 새로운 소재를 개발하는 데 성공해 상용화 가능성이 높다고 판단된다”고 밝혔다. 

한편 이번 연구성과는 국제 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 10월 1일 게재됐다.