“영원한 오염물 GenX, 구리 도핑 광촉매로 해결의 실마리”

장민 교수(환경공학과) 연구팀, 3전자 산소환원경로 광촉매 기술을 활용한 차세대 수처리 기술 개발

- Chemical Engineering Journal (JCR IF 13.2, JCR Rank : 3.0%)에 게재 -

전 세계적으로 과불화합물(PFAS) 오염이 심각한 환경 문제로 부상하고 있는 가운데, 차세대 불소계 화합물인 GenX(HFPO-DA, 헥사플루오로프로필렌 옥사이드 디머산)에 대한 우려도 빠르게 확산되고 있다.

GenX는 내열성·내화학성 등의 특성으로 인해 비점착 조리기구, 방수 섬유, 산업 공정 등에 폭넓게 사용되지만, 생분해가 거의 되지 않고 인체에 축적될 수 있어 ‘영원한 화학물질’로 불린다. 특히 미국과 유럽에서는 음용수 및 하천에서 GenX가 검출되며, 현지 규제기관들은 안전 기준을 잇따라 강화하고 있다. 하지만 기존의 정수 기술로는 낮은 농도의 GenX 제거가 어렵고 비용도 높아, 각국은 보다 선택적이고 지속가능한 제거 기술 개발에 박차를 가하고 있는 실정이다

개념도 : Cu(2%)-SnO₂/TiO₂를 이용한GenX 분해 메커니즘

차세대 환경 유해물질인 GenX를 효과적으로 제거할 수 있는 신개념 광촉매 수처리 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다

모교 환경공학과 장민 교수(교신저자) 연구팀은 구리(Cu)가 도핑된 SnO₂/TiO₂ 복합 광촉매를 활용해 GenX를 기존보다 더 빠르고 강력하게 분해하는 데 성공했다고 밝혔다. 본 연구는 장석범 박사후연구원을 제1저자로 종초은 연구교수를 교신저자로 하여 환경 분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal에 최근 게재되었다.

▶ 구리가 이끈 산소환원 반응, 강력한 수산화 라디칼 생성

핵심은 바로 3전자 산소환원경로(3e⁻ ORR)를 유도하는 전략이다. 일반적으로 광촉매 반응에서 산소는 4전자를 받아 물(H₂O)로 환원되는데, 이 경우 활성산소종(•OH)의 형성이 제한된다. 그러나 이번 연구팀은 구리 도핑을 통해 3전자까지만 환원이 진행되도록 유도함으로써, 중간 생성물인 과산화수소(H₂O₂)를 거쳐 •OH 라디칼을 다량 생성하는 데 성공했다.

• OH 라디칼은 수처리 분야에서 가장 강력한 산화제 중 하나로, PFAS 계열 오염물질인 GenX 분해에 매우 효과적이다.

▶ 연구 결과: 제거율 96.4%, 5회 재사용 후에도 성능 유지

연구팀은 2% 구리가 도핑된 SnO₂/TiO₂ 광촉매를 활용해 실험을 진행한 결과, GenX를 6시간 내 96.4%까지 제거할 수 있었고, 분해 속도 상수는 0.399 min⁻¹로 측정되었다. 이는 기존의 TiO₂나 SnO₂ 단독 촉매보다 최대 3배 이상 높은 수치다. 또한 5회 연속 반복 실험에서도 촉매의 성능 저하가 거의 없었고, 금속 성분인 Ti와 Sn의 용출량도 극히 미미한 수준으로 유지되어 산업 현장에서의 장기 사용 가능성을 입증했다.

▶ 왜 중요한가? “차세대 유해물질 GenX, 기존 처리 기술로는 역부족”

GenX는 기존의 PFOA를 대체하는 차세대 불소계 화합물(PFAS)로, 비점착 조리기구, 방수 섬유, 산업용 플루오르수지 등에 널리 사용되고 있다. 하지만 환경 중에서 거의 분해되지 않고 인체에 유해한 영향을 줄 수 있다는 점에서 심각한 사회적 이슈로 부각되고 있다.

미국 환경보호청(EPA)은 GenX에 대한 음용수 기준을 10 ng/L로 대폭 강화했지만, 기존의 활성탄, 막 여과, 오존 처리 등 정수 기술만으로는 제거가 어렵고, 비용도 만만치 않다.

이번 연구는 저비용·고효율·지속가능한 처리 기술로서, GenX뿐 아니라 다른 난분해성 유기오염물까지 적용 범위를 확대할 수 있는 기반 기술이 될 수 있다. 본 연구는 한국연구재단(NRF, 과제번호 2023R1A2C1003464, RS-2023-00240726), 플라즈마 생명과학 연구센터(PBRC, 과제번호 RS-2021-NR060112), MSIT(과제번호 RS-2024-00512818), 그리고 2025년 광운대학교 연구지원 사업의 지원을 받아 수행되었다.

[논문 정보]

• 논문 제목: Highly stable Cu doped SnO₂/TiO₂ photocatalyst enables selective 3e⁻ ORR-driven •OH generation for robust GenX removal

• 저널명: Chemical Engineering Journal

• DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166304

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문의처 : 광운대학교 환경공학과 장민 교수 연구실

홈페이지 : JENTL.net

☎ +82-2-940-5125 | ✉ minjang@kw.ac.kr

113. 2025-07-29

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)