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그래핀-티타니아 복합물, 대기 오염물질 제거에 효과적
등록일 : 2019-12-11 10:22 | 최종 승인 : 2019-12-11 10:22
조선우
그래핀 티타니아는 티타니아를 단독으로 사용했을때보다 공기 중의 오염 물질을 훨씬 더 잘 분해할 수 있다(사진=셔터스톡)
 

[리서치페이퍼=조선우 기자] 티타니아를 단독으로 사용했을 때보다 공기 중의 오염 물질을 훨씬 더 잘 분해할 수 있는 새로운 물질이 발견됐다. 바로 대기 오염 물질의 70%까지 분해할 수 있는 그래핀-티타니아(Graphene-Titania)다.

이번 연구를 주도한 유럽연합(EU)의 가장 큰 규모의 과학적 이니셔티브 '그래핀 플래그십'에 따르면, 그래핀-티타니아 물질은 몇 주 안에 공기 중의 오염 물질을 70%까지 제거할 수 있다. 

그래핀 화합물, 스모그 분해에 더욱 효과적

티타늄 다이옥사이드 제조업체협회에 따르면, 티타니아(이산화타이타늄)는 공기 중의 오염 물질을 제거하는데 널리 사용되는 재료다. 

주로 다양한 건축 자재 및 페인트의 활성 성분으로 쓰이는데, 구조물이 더러워지는 것을 방지해준다. 용어만 들어선 마치 공상과학 영화에나 나올 법한 물질처럼 들리지만, 사실 티타니아는 다른 도시에서 높은 수준으로 나타나는 산화질소와 이산화질소 등의 대기 오염 물질을 제거하는데 효과적이다.

분해 공정 평가 결과 복합재는 티타니아 단독에 비해 질소산화물의 70%, 로다민 B의 40%를 더 분해한 것으로 나타났다(사진=셔터스톡)
 

그러나 나날이 심화되는 대기 오염으로 과학계는 더 나은 물질을 찾는데 집중해야 했다. 티타니아가 대기 오염의 증가율보다 더 빨리 공기를 맑게 할 수는 없기 때문이다. 

이에 따라 그래핀 플래그십은 볼로냐대학과 폴리테크니코 디 밀라노, 하이델베르크시멘트 그룹, 그리고 기타 주요 기관과 함께 티타니아의 잠재적 후계자를 찾기 위한 연구에 돌입했다.

팀은 특히 그래핀과 티타니아 조합에 대해 집중적으로 연구했다. 그 결과 이들 복합 물질이 티타니아를 단독으로 사용할 때보다 대기 오염 물질의 분해 효과를 극대화시킬 수 있다는 사실을 발견했다. 복합물의 분해 전위는 광촉매 시험을 통해 진행됐다.

연구에 참여한 마르코 고이시스는 "광촉매 작용을 촉진하기 위해, 가장 많이 사용되는 광촉매인 티타니아에 그래핀을 결합하기로 결정했다"며 "공정 과정에서 광촉매가 소비되지 않는다는 점으로 인해 광촉매는 환경 오염을 제거하는 가장 강력한 방법 가운데 하나"라고 말했다. 반면 태양 광선에 의해 활성화된 반응이라는 설명이다.

연구팀은 티타니아 나노 입자에 함유된 흑연의 액상 박리를 통해 그래핀 티타니아 복합체를 개발했다. 대기압과 물만 사용해 완성한 것으로, 최종적으로 만들어진 형태는 구조물이나 물체의 표면에 코팅시킬 수 있다. 

또한 비나 바람 혹은 수작업의 청소를 통해 제거될 수 있으며 복합재의 세정 제품 역시 생물체에 무해하다.

 

 

그래핀-티타티아의 광촉매 실험

연구팀은 테스트 과정에서 질소산화물을 적용, 혼합물의 스모그 제거 가능성을 관찰했다. 아울러 이 화합물과 유사한 분자 구조를 가진 휘발성 유기 오염물을 나타내기 위한 용도로 로다민 B를 이용했다. 

이후엔 복합재 패널을 만들고 유리 지붕으로 분리시켰는데, 이때 상부는 오염 물질로 덮이지 않도록 하고 반면 하부는 비에 씻겨 내려가지 않도록 보호했다. 그리고 이를 외부에 노출시켰다. 마지막 단계는 새로운 합성물이 3주간 자외선 아래에서 오염 물질을 분해할 수 있도록 그대로 둔 것이다.

그 결과, 3주 후 패널 하부의 색상은 상부와 거의 동일하게 나타났다. 이는 오염 물질의 분해를 의미하는 것으로, 분해 공정 평가 결과 복합재는 티타니아 단독에 비해 질소산화물의 70%, 로다민 B의 40%를 더 분해한 것으로 나타났다.

다만 성공적인 결과에도 불구하고 상용화하는데는 커다란 장애물이 있다. 그래핀의 대량 생산이 여의치 않을 수 있기 때문이다. 따라서 보다 저렴한 방법을 개발해야 할 상황에 처했다. 

만일 저렴한 그래핀 제조법이 개발되지 않는다면, 그래핀 티타니아 복합재는 비싼 비용으로인해 도시에서 제대로 사용될 수 없을 것으로 보인다.

광촉매란

광촉매는 빛의 작용과 분자를 분리하는 화학적 반응인 '광분해'를 촉진하기 위해, 빛을 이용하는 과정이다. 티타니아는 여기서 광촉매를 수행해, 공기 중의 독성 질소산화물을 제거할 수 있다. 또한 질소산화물에서 분자를 분리할때의 빛의 작용은, 무해한 수용성 질산염을 생산하기 때문에 소금이나 수작업으로 제거될 수 있다.

티타니아가 오늘날 대기 오염을 해결하기 위한 훌륭한 해결책으로 떠오른 데는 크게 두 가지 이유가 있다. 먼저 티타니아가 건물이나 벽 및 기타 표면을 위한 코팅용으로 생산될 수 있다는 점으로, 이는 도시에서의 대량 생산 및 복합물의 응용을 가능케한다. 코팅된 표면이 햇빛에 노출되는 한, 광촉매가 오염 물질을 제거할 수 있기 때문이다.

두 번째로는 티타니아는 오염 물질이 제거될 때 분해되지 않는다. 코팅은 질소산화물 분자를 수동적으로 분리시키면서 오랫동안 유지되는 힘을 가진다.

 

[리서치페이퍼=조선우 기자]
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