화학공학부 박호석 교수 연구팀, 금속유기골격체 소재를 활용한 신개념 물-에너지 넥서스 기술 개발

- 고에너지효율·고선택성 이온회수 기술로 염·폐수를 활용한 에너지저장·담수화·자원회수 가능

▲(왼쪽부터)화학공학부 박호석 교수, 장건 박사 및 김상백 박사과정생

화학공학부 박호석 교수 연구팀은 삼성전자 삼성리서치와의 공동연구를 통해, 반도체·이차전지·디스플레이 등 고부가가치 산업 공정에서 발생하는 염·폐수를 효율적으로 처리하면서 이를 에너지 저장이나 자원 회수로 전환할 수 있는 신개념 물-에너지 넥서스(Water-Energy Nexus)* 기술을 개발했다고 밝혔다.

* 물-에너지 넥서스(Water-Energy Nexus): 물은 에너지 생산에 필수적이고, 에너지는 물 관리에 필요하다. 두 자원의 상호관계를 최적화하여 물 부족과 기후변화에 대응하고 지속 가능한 자원 관리를 실현하려는 개념이다.

기존 오염수 처리 기술은 물 속 이온을 전극에 물리적으로 붙였다 떼는 방식으로 처리해 에너지 소모가 크고 이온 선택성이 낮은 한계가 있었다. 이번 연구에서는 올해 노벨 화학상을 수상한 금속유기골격체(Metal-Organic Framework, MOF)*의 특이한 이온 저장 메커니즘을 활용하여, 별도의 이온교환막 없이도 양이온과 음이온을 동시에 선택적으로 제거하거나 저장할 수 있는 고효율 전기화학 소자 원천 기술을 확보했다.

* 금속유기골격체(Metal-Organic Framework, MOF): 금속 이온 또는 금속 클러스터와 유기 리간드가 결합해 형성된 다공성 구조체로, 내부 공간이 넓고 구조적 안정성이 높아 가스 저장·촉매·센서 등 다양한 분야에 응용된다.

▲ 금속유기골격체 유래 전극 소재를 활용한 고에너지효율·고선택성 이온회수·저장 소자 개발을 통한 신개념 물-에너지 넥서스 기술 개념도

금속유기골격체(MOF)는 금속 이온과 유기 리간드가 결합해 만든 3차원 다공성 구조체로, 가스 저장·촉매·센서 등 다양한 분야에 응용 가능한 첨단 소재다. 박 교수팀은 이 구조적 특성을 활용해 Ca²⁺, Mg²⁺ 등의 2가 양이온과 Br⁻, I⁻, Cl⁻ 등의 음이온을 선택적으로 동시에 처리하면서, 약 76 Wh/kg의 낮은 에너지 소모로도 안정적으로 작동할 수 있는 전극 기술을 구현했다.

박호석 교수는 “이번 연구는 염·폐수를 단순히 정화하는 수준을 넘어, 재생에너지 전환과 자원화 가능성을 동시에 제시했다”며 “향후 이차전지, 담수화, 자원 회수 등 다양한 분야로 응용이 확대될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 리더연구사업 및 미래유망융합파이어니어사업 지원, 그리고 삼성전자 삼성리서치의 협력으로 수행되었다. 연구 성과는 에너지 분야 세계적 학술지 『줄(Joule)』(IF=35.4, 상위 1.4%)에 10월 28일자로 게재되었다.

※ 논문명: Divalent and Halide Dual Ion Storage of A Redox-Active Symmetric Cell for Efficient Wastewater-Energy Nexus

※ 학술지: Joule

※ 저자명: 교신저자 성균관대 박호석 교수, 제1저자 성균관대 장건 박사, 김상백 박사과정생

※ 논문링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435125003575