국립창원대학교 스마트그린공학부 환경에너지공학전공 정대운 교수 연구팀은 17일 캐나다 Concordia University 황재훈 교수팀, 미국 University of Central Florida 연구팀 등과의 국제공동연구를 통해 과불화화합물(PFAS) 제거를 위한 구리 황화물 기반 광활성 소재를 개발하고, 그 연구 성과가 국제학술지 ‘Separation and Purification Technology(Impact Factor=9.0, JCR Ranking 상위 9.1%)’에 게재됐다고 밝혔다.

*논문보기=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586626021350

이번 연구는 국립창원대 G-램프(LAMP) 사업을 기반으로 추진된 국제공동연구 성과로, 전 세계적 환경 이슈인 PFAS를 대상으로 한 차세대 수처리 소재 개발 연구다. PFAS는 강한 탄소–불소(C–F) 결합으로 인해 자연환경에서 잘 분해되지 않아 ‘영원한 화학물질’로 불리며, 기존 흡착, 이온교환, 막여과 기술로는 물에서 분리할 수는 있어도 오염물질 자체를 분해하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 구리 황화물(copper sulfide) 계열 광활성 소재에 주목했다. CuS, Cu₂S, 혼합상 Cu₂S/CuS, Cu₂S/rGO 등의 소재를 설계 및 합성하고, 대표적 장쇄 PFAS인 퍼플루오로옥탄산(PFOA)와 퍼플루오로옥탄설폰산(PFOS)에 대한 자외선 기반 분해 성능을 비교 평가했다. 그 결과 혼합상 Cu₂S/CuS 소재가 가장 우수한 성능을 보였으며, PFOS는 약 95%, PFOA는 약 68%까지 제거 가능한 것으로 확인됐다.

특히 이번 연구는 단순한 제거율 향상을 넘어, 반응 후 불소 이온(F⁻) 방출을 확인함으로써 PFAS가 소재 표면에 흡착되는 수준을 넘어 핵심 결합인 C–F 결합이 실제로 절단될 수 있음을 입증했다는 점에서 의미가 크다. 이는 기존 분리 및 농축 중심 처리 기술과 차별화되는 ‘파괴형 PFAS 처리’ 가능성을 제시한 성과다.

또한 연구팀은 PFAS 분해 성능이 구리 황화물 소재의 결정상 구조, 구리 이온의 산화·환원 순환(Cu⁺/Cu²⁺ redox cycling), 황(S) 중심의 산화·환원 반응과 밀접하게 연관된다는 점을 규명했다. 특히 혼합상 Cu₂S/CuS 구조는 전하 이동과 계면 반응을 촉진해 PFAS의 C–F 결합 절단 및 분해에 기여하는 것으로 분석됐다. 이는 기존 TiO₂ 등 산화물 광촉매가 주로 의존해 온 활성산소종(ROS) 기반 산화 경로와 구별되는 황화물 기반의 새로운 PFAS 분해 경로를 제시했다는 점에서 독창성이 크다.

국립창원대 정대운 교수는 “이번 연구는 난분해성 PFAS를 직접 분해할 수 있는 가능성과 황화물 기반 광활성 소재의 PFAS 분해 메커니즘을 체계적으로 규명한 성과”라며 “환경문제 해결을 위한 국제공동연구의 모범 사례이자, 향후 친환경 수처리 기술의 학문적 확산과 실제 현장 적용에 기여할 것으로 기대된다”며 "향후 실제 수계 환경과 가시광, 태양광 조건에서의 성능 검증을 통해 실용화 가능성을 높여갈 계획"이라고 설명했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 국립창원대 G-램프(LAMP)사업(사업단장 박종규)의 지원을 받아 수행되었다.