오리건 주립대학교(Oregon State University, OSU) 이과대학의 한 연구팀은 제초제로 오염된 물을 정화하는 동시해 수소를 생산하는 이중 목적의 촉매 개발에 성공했다고 밝혔다. 이 연구 결과는 지난 2일 『ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)』 저널에 발표됐다.

이 연구는 OSU 공과 대학과 HP사(HP Inc.)의 연구원들이 공동으로 참여했으며, 세계적 주요 과제인 수질 오염을 해결하고 깨끗하고 재생가능한 연료인 수소를 생산한다는 점에서 특히 주목된다.

키리아코스 스틸리아누(Kyriakos Stylianou) 화학과 조교수는 "우리는 효율적인 광촉매 시스템을 구축하기 위해 산화와 환원을 단일 공정으로 결합할 수 있었다"라며, "산화는 광분해 반응을 통해 일어나고, 환원은 수소 발생 반응을 통해 일어난다"고 설명했다.

촉매는 어떠한 영구적인 화학 변화를 일으키지 않고 화학 반응 속도를 증가시키는 물질이다.

광촉매는 더 높은 에너지 수준에 도달하기 위해 빛을 흡수하는 물질이고, 그 에너지는 산화를 통해 유기 오염물질을 분해하는 데 사용할 수 있다. 광촉매의 많은 응용 분야 중에는 얼룩 및 냄새 방지 자체 세척 코팅이 있다.

스틸리아누 교수는 금속-유기 구조(MOF)에서 파생된 이산화티타늄 광촉매와 관련된 연구를 주도했다.

MOF는 양전하를 띤 금속 이온으로 유기 '링커(linker)' 분자로 둘러싸여 있으며, 조절 가능한 구조적 특성과 나노 크기의 기공을 가진 결정성, 다공성 물질이다. 광촉매는 MOF의 특성을 결정하는 다양한 구성 요소로 설계될 수 있다.

MOF의 하소(煆燒) 시 이산화티타늄과 같은 반도체 물질이 생성될 수 있다. 이산화티타늄은 가장 일반적으로 사용되는 광촉매이며 아나타제(anatase), 루틸(rutile) 및 브루카이트(brookite) 광물에서 발견된다.

스틸리아누 교수와 OSU 공과 대학의 리니 아르나도티르(Líney Árnadóttir) 및 HP의 윌리엄 스티클(William Stickle)을 포함한 공동 연구자들은 질소와 황으로 도핑된 아나타제가 수소를 생산하는 동시에 시중에 많이 사용되는 제초제인 글리포세이트를 분해하는 '일석이조(一石二鳥)'의 광촉매라는 것을 발견했다.

N-포스포노메틸 글리신 또는 PMG로도 알려진 글리포세이트는 라운드업(Roundup)이라는 상품명으로 시장에 처음 등장한 이후 지난 50년 동안 농업 분야에 널리 사용됐다.

스틸리아누 교수는 "전체 PMG 적용량 중 극히 일부만 농작물에 의해 흡수되고 나머지는 환경에 영향을 미친다"라며 "이는 PMG가 토양과 지하수로 침출되는 것에 대한 우려를 야기하며, 오염수는 지구상의 모든 생명체의 건강에 해로울 수 있고 수로로 침출되는 제초제는 수질 오염의 주요 원인이다”라고 강조했다.

수소가 발견되는 다양한 화합물 중 물이 가장 일반적이며, 광촉매를 통해 물을 분해하여 수소를 생산하는 것은 메탄-가스 개질로 알려진 이산화탄소 생산 공정을 통해 천연가스로부터 수소를 생산하는 기존의 방법보다 깨끗하고 지속 가능하다.

수소는 에너지와 관련된 역할 외에도 과학 및 산업 목적으로 많이 사용된다. 자동차용 연료 전지, 암모니아를 포함한 많은 화학 물질 제조, 금속 정제 및 플라스틱 생산에 사용된다.

스틸리아누 교수는 "물은 풍부한 수소 공급원이며 광촉매는 수소 생산 및 환경 개선을 위해 지구의 풍부한 태양 에너지를 활용하는 방법이다"라며, “광촉매를 통해 유기 오염물질을 제거해 재생 가능한 연료를 생산하거나 유용한 제품으로 탈바꿈시키는 것이 가능하다는 것을 보여주고 있다"라고 말했다.

엠마누엘 무사(Emmanuel Musa) 대학원생, 수만딥 카우흐(Sumandeep Kaur) 박사후 연구원 , 트렌턴 겔러거(Trenton Gallagher) 및 타오 미 앤서니(Thao Mi Anthony) 학생 등이 포함된 이번 공동 연구에서는 광촉매를 글루포세이트 암모늄과 2,4-디클로로페녹시아세트산 등 두 가지 제초제로 오염된 물에 대해 테스트했다. 또한 이 두 화합물과 PMG가 포함된 물에서도 연구 결과가 나타났다.

한편, 이 연구는 OSU 화학과, 미국 에너지부(U.S. Department of Energy) 및 국립과학재단(National Science Foundation)의 자금을 지원받아 수행됐다.

[원문보기]

Oregon State develops catalyst that purifies herbicide-tainted water and produces hydrogen

Researchers in the Oregon State University College of Science have developed a dual-purpose catalyst that purifies herbicide-tainted water while also producing hydrogen.

The project, which included researchers from the OSU College of Engineering and HP Inc. is important because water pollution is a major global challenge, and hydrogen is a clean, renewable fuel.

Findings of the study, which explored photoactive catalysts, were published today in the journal ACS Catalysis.

“We can combine oxidation and reduction into a single process to achieve an efficient photocatalytic system,” OSU’s Kyriakos Stylianou said. “Oxidation happens via a photodegradation reaction, and reduction through a hydrogen evolution reaction.”

A catalyst is a substance that increases the rate of a chemical reaction without itself undergoing any permanent chemical change.

Photocatalysts are materials that absorb light to reach a higher energy level and can use that energy to break down organic contaminants through oxidation. Among photocatalysts’ many applications are self-cleaning coatings for stain- and odor-resistant walls, floors, ceilings and furniture.

Stylianou, assistant professor of chemistry, led the study, which involved titanium dioxide photocatalysts derived from a metal-organic framework, or MOF.

Made up of positively charged metal ions surrounded by organic “linker” molecules, MOFs are crystalline, porous materials with tunable structural properties and nanosized pores. They can be designed with a variety of components that determine the MOF’s properties.

Upon MOFs’ calcination – high heating without melting – semiconducting materials like titanium dioxide can be generated. Titanium dioxide is the most commonly used photocatalyst, and it’s found in the minerals anatase, rutile and brookite.

Stylianou and collaborators including Líney Árnadóttir of the OSU College of Engineering and William Stickle of HP discovered that anatase doped with nitrogen and sulfur was the best “two birds, one stone” photocatalyst for simultaneously producing hydrogen and degrading the heavily used herbicide glyphosate.

Glyphosate, also known as N-phosphonomethyl glycine or PMG, has been widely sprayed on agricultural fields over the last 50 years since first appearing on the market under the trade name Roundup.

“Only a small percentage of the total amount of PMG applied is taken up by crops, and the rest reaches the environment,” Stylianou said. “That causes concerns regarding the leaching of PMG into soil and groundwater, as well it should – contaminated water can be detrimental to the health of every living thing on the planet. And herbicides leaching into water channels are a primary cause of water pollution.”

Among an array of compounds in which hydrogen is found, water is the most common, and producing hydrogen by splitting water via photocatalysis is cleaner and more sustainable than the conventional method of deriving hydrogen – from natural gas via a carbon-dioxide-producing process known as methane-steam reforming.

Hydrogen serves many scientific and industrial purposes in addition to its energy-related roles. It’s used in fuel cells for cars, in the manufacture of many chemicals including ammonia, in the refining of metals and in the production of plastics.

“Water is a rich hydrogen source, and photocatalysis is a way of tapping into the Earth’s abundant solar energy for hydrogen production and environmental remediation,” Stylianou said. “We are showing that through photocatalysis, it is possible to produce a renewable fuel while removing organic pollutants, or converting them into useful products.”

The collaboration that included graduate student Emmanuel Musa, postdoctoral researcher Sumandeep Kaur and students Trenton Gallagher and Thao Mi Anthony also tested its photocatalyst against water tainted by two other often-used herbicides, glufosinate ammonium and 2,4-dichlorophenoxyacetic acid. It worked on water containing them as well – even water with those two compounds plus PMG.

The research was funded by the OSU Department of Chemistry, the U.S. Department of Energy and the National Science Foundation.

About the OSU College of Science:  As one of the largest academic units at OSU, the College of Science has seven departments and 12 pre-professional programs. It provides the basic science courses essential to the education of every OSU student, builds future leaders in science, and its faculty are international leaders in scientific research.

[출처 = Oregon State University(https://today.oregonstate.edu/news/oregon-state-develops-catalyst-purifies-herbicide-tainted-water-and-produces-hydrogen) / 2023년 3월 2일]