후쿠시마 오염수 해양 방류로 중수로 원전에서 발생하는 방사성 물질 '삼중수소'에 대한 관심이 늘어난 가운데, 우리 연구진이 이를 획기적으로 제거할 수 있는 촉매 기술을 개발했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 고동연 생명화학공학과 교수팀이 한국원자력연구원(원장 주한규)의 박찬우 박사팀과 원전 폐수 함유 삼중수소 제거 공정을 위한 이중기능(물은 차단하고 수증기는 통과하는 성질) 소수성 촉매를 개발했다고 27일 밝혔다.
해당 촉매는 최대 76.3% 반응 효율을 보였고, 수백 ppm 수준 저농도 동위원소에 대한 촉매 작용도 확인했다.
현재 삼중수소 제거에는 주로 액상 촉매 교환 공정이 이용된다. 수소-물 동위원소 교환 반응이 일어난다. 촉매로는 주로 반응성이 높은 백금이 쓰이는데, 비용이 높고 물에 의해 쉽게 반응이 비활성화 되는 문제가 있다.
적은 백금을 고르게 분산하고, 물을 밀어내는 소수성 물질을 도입하는 것이 핵심이다.
고동연 교수팀은 금속-유기 골격체(MOF)와 다공성 고분자 복합체 형태의 촉매를 개발했다. 평균 약 2.5나노미터(nm) 지름 백금 입자를 금속-유기 골격체에 고르게 분포시키고, 화학 변형으로 소수성을 부여하는 구조다. 분자 수준에서 소수성을 조절해 촉매가 물에 활성을 잃는 것을 막으면서 반응에 필요한 물 분자는 촉매에 쉽게 접근할 수 있도록 한다.
개발 촉매는 기존 촉매 연구에서 구현하지 못한 원전 운전조건과 비슷한 매우 낮은 농도의 동위원소 함량에서도 삼중수소 제거에 탁월했다. 또 4주 연속 가동에도 성능을 유지해 내구성을 입증했다.
연구팀은 또 아주 작은 분자 수준에서 실시간 물 분자 움직임을 확인했다. 이로써 개발 촉매가 수분에 의한 촉매 비활성화를 억제하면서 물 분자가 촉매 활성 자리에 지속 접근해 반응이 일어날 수 있음을 입증했다.
고동연 교수는 “반도체에 사용되는 중수소 원료 생산과 핵융합 연료 주기 기술 등에 필수적인 수소 동위원소 분리 핵심 소재로도 응용이 기대된다”고 밝혔다.
허희령 KAIST 생명화학공학과 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 성과는 에너지 앤 인바이런멘탈 머티리얼스 7월 31일 자로 게재됐다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 원전해체 안정성강화 융복합 핵심 기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
