TiO2 에어로젤 광촉매를 통한 포름알데히드
휘발성 유기화합물 분해 기술 연구의 해외 우수저널 게재
한양대 융합전자공학과 박진섭 교수연구팀
한양대학교 융합IT 미래인재양성 교육연구단에 참여하고 있는 박진섭 교수(교신저자)와 N. Kumar 연구교수 (제1저자)가 TiO2 에어로젤 기반 광촉매를 통한 휘발성 유기 화합물인 포름알데히드의 분해 기술을 개발하여, 세계적으로 권위 있는 저널 “Chemical engineering journal” (IF: 15.1, 전체/학문 상위 5%)에 논문 게재하였습니다.
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휘발성 유기 화합물(VOCs)은 발암성 및 피부 문제를 일으키는 위험한 공기 오염 물질로 여겨지고 있으며, 최근 연구에 따르면 82개의 다중 시설 실내 공기에서 여러 VOCs의 농도가 상당히 높게 측정되었습니다(Hwang et al 2018). 대표적인 실내 VOC 물질인 포름알데히드(FA)는 높은 독성으로 인해 인간의 건강에 큰 영향을 미칩니다. 장기간 FA 증기에 노출되면 폐 질환, 부비동염, 비인두암, 백혈병 등 더 위험한 증상을 초래할 수 있어, 건강한 생활 환경을 유지하기 위해 실내 공기에서 FA를 제거하는 것이 필수적입니다.
FA 저감을 위한 다양한 처리 기술이 존재합니다. 예를 들어, 흡착, 광촉매, 열촉매, 플라즈마 산화, 생물학적 복원 등이 있으며, 이 중에서도 광촉매는 여러 장점(예: 강한 광촉매 활성, 화학적 안정성, 풍부한 공급량, 저비용, 생체 적합성, 다목적성)으로 VOC 제거에 뛰어난 잠재력을 가지고 있습니다. 실내 공기 청정에 광촉매를 적용하는 가장 잘 알려진 전략은 광촉매로 이산화티타늄(TiO2)을 사용하는 공기 청정기(AP) 시스템을 통해 이루어집니다. TiO2는 광촉매 활성을 높이기 위해 도핑하거나 분말, 필름, 코팅 등 다양한 형태로 사용될 수 있지만, TiO2는 광촉매로서 전하 운반체의 빠른 재결합과 태양광 이용 효율이 낮은 등 여러 도전 과제를 가지고 있습니다.
본 연구에서는 공기 중 FA의 광촉매 분해를 위해 자체 세정 TiO2 에어로젤(TiO2 xerogel, TX)을 탑재한 휴대용 공기 청정기(Air purifier, AP)의 실질적인 효능을 조사하였습니다. AP-TX 시스템의 광촉매 성능은 합성 변수(예: 소성 온도(150-750 ℃), 필터 제작 시 광촉매의 콜로이드 양(1-10 mL))와 공정 변수(예: 공기 순환 속도(100-160 L/min), 광원 유형(UVA vs. UVC), FA 농도(0.5-5 mg/L))의 제어를 통해 최적화되었으며, 자체 세정 잠재력은 다양한 설정에서 10번의 반복 주기 동안 ≥96%의 FA 제거 효율로 검증되었습니다. Langmuir-Hinshelwood 1차 속도 모델에 따라 450 ℃에서 소성된 TX 코팅 벌집형 필터로 FA의 최적 운동 속도 상수(0.0195 s-1)를 달성하였습니다. AP-TX 시스템의 높은 광촉매 효능은 깨끗한 공기 전달 속도(CADR) 19.57 L/min, 양자 효율(QY) 1.93×10-3 분자/광자, 공간-시간 수율 2.57×10-2 분자/광자/g로 추가로 뒷받침되었습니다. 확산 반사 적외선 푸리에 변환 분광 분석(DRIFTS)으로 FA 분해 중간체로서 디옥시메틸렌과 포메이트의 형성이 확인되었으며, 밀도 함수 이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 FA의 광촉매 분해의 흡열 반응 과정을 계산하였습니다. 본 연구 결과는 공기 정화를 위한 자체 세정 광촉매 제조에 대한 고급 전략 수립에 기여할 것으로 기대됩니다. 본 연구는 건설환경공학과 김기현 교수 연구팀과의 협업을 통해 진행되었습니다.