▲ 희토류 회수 소재의 하이브리드 합성 전략(출처: 한국연구재단)

국내 연구진이 폐 영구자석에서 희토류 원소를 효율적으로 회수할 수 있는 밀리미터 크기의 캡슐형 흡착 소재를 개발해 나노 흡착 및 촉매 소재의 대형화를 실현할 계획이다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 한국과학기술연구원(KIST) 정경원 책임연구원과 서울대학교 이창하 교수 공동 연구팀이 폐 영구자석에서 희토류 금속(네오디뮴, 디스프로슘)을 효율적이고 선택적으로 회수할 수 있는 친환경, 저비용, 고효율 소재를 개발했다고 10일 밝혔다.

희토류 원소는 첨단 산업의 필수 자원이지만, 특정 국가에 매장이 집중돼 자원 무기화 우려로 안정적인 공급망 확보가 시급하다.

이에 폐 영구자석 등 폐기물에서 희토류 원소를 회수하는 기술이 주목받고 있으며, 특히 우수한 흡착 성능을 가진 금속유기구조체(MOF)를 활용한 회수 기술이 그 가능성을 인정받고 있다.

그러나 기존 MOF는 나노 분말 형태로 합성되기 때문에 대규모 공정에서 분리 및 제어가 어려운 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 MOF를 대형화하는 다양한 성형 기술이 개발되고 있으나, 과정이 복잡하고, MOF의 고유 이화학적 특성이 손상되는 경우가 많아 투입한 소재 대비 높은 회수 효율을 기대하기 어렵다.

연구팀은 약 3밀리미터 크기의 고분자 캡슐 내부에 MOF를 직접 성장시키는 하이브리드 합성 전략을 제시했다. 이 방법은 역확산과 상변환방식을 결합해, 고분자 캡슐 내부에만 MOF 나노 입자를 선택적으로 성장시킬 수 있다.

기존 방법과 달리 투입된 시약 전량을 MOF 성형에만 활용할 수 있으며, 대량 생산에 용이하고 무독성 유기용제를 사용해 환경에 미치는 영향을 최소화하는 것이 특징이다.

개발된 소재는 네오디뮴과 디스프로슘에 대해 각각 463.59 mg/g, 580.84 mg/g의 회수 성능을 기록했다. 이는 현재까지 보고된 희토류 회수 소재 중 가장 우수한 성능이다.

또한, 다양한 불순물이 포함된 실제 폐 영구자석 침출액에서도 희토류 금속만 선택적으로 회수할 수 있었고, 5회 재사용 후에도 높은 회수 효율(네오디뮴 93%, 디스프로슘 82%)을 유지했다.

KIST 정경원 책임연구원은 “새로운 캡슐형 흡착 소재는 희토류 금속의 자원순환시스템 구축에 크게 기여할 것”이라며 “추가 연구를 통해 나노 흡착 및 촉매 소재 대형화를 실현하고, 물 속 및 대기 중 오염물질 제거 등 다양한 환경 문제 해결에도 활용할 계획”이라고 밝혔다.