표면 OH기가 풍부한 알칼리화된 카본나이트라이드를 활용하여 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 

과산화수소로 광개질하는 전략과 생산된 과산화수소를 활용하여 완전한 광물화 구현

환경공학분야 1위 저널 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy (IF: 20.3, JCR 상위 0.6%)’에 게재

사진 1  (왼쪽부터) 김형일 교수, 손상욱 박사 (제 1 저자)

• 공과대학 건설환경공학과 김형일 교수 연구팀은 고효율 광촉매로 도입하여 알칼리 조건에서 PET를 광개질하여 과산화수소를 생성하는 시스템을 개발하였으며 나아가 폐수 내 잔류 PET 문제를 해결하기 위해 연구팀은 자외선 조사 하에서 현장에서 생성된 과산화수소를 고도 산화 공정을 적용하여 완전한 광물화를 달성함으로써 플라스틱 폐기물 관리에 대한 포괄적인 해결책을 제시하였다.
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• 플라스틱은 현대 사회에서 필수적인 소재이지만, 연간 430Mt(메가톤) 이상 사용됨에도 불구하고 낮은 재활용성과 생분해성으로 인해 심각한 환경적, 경제적 피해를 초래하고 있다. 현재 플라스틱 폐기물의 재활용 방법으로는 고온 열분해, 액화, 가스화 등이 있으며, 이들은 에너지를 많이 소비할 뿐만 아니라 휘발성 유기화합물과 같은 2차 오염 물질을 발생시킨다. 또한, 현재의 재활용 기술은 주로 플라스틱을 화학적으로 변환하여 저품질의 물질로 만들거나, 폐기물을 단량체 또는 올리고머로 전환하는 데 중점을 두고 있어 폐플라스틱 문제의 근본적인 해결책이 되지 못하고 있다.
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• 본 연구에서는 표면에 풍부한 OH기를 갖는 알칼리화된 카본나이트라이드 광촉매를 활용하여 플라스틱 폐기물을 과산화수소로 업사이클링하는 새로운 전략을 제시하였다. 본 광개질 공정은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리락틱산(PLA)과 같은 폴리에스터 계열 플라스틱을 알칼리 조건에서 효과적으로 과산화수소로 전환하였으며, 플라스틱 유래 단량체들의 선택적 산화가 과산화수소 생산의 주요 결정 인자임을 확인하였다. 더 나아가, 실제 상용 PET 병(제주 삼다수병)을 이용한 실험에서도 동일한 촉매 반응이 적용 가능함을 입증하여 본 기술의 실용성과 확장 가능성을 검증하였다.

• 사진 2 (왼쪽부터) 알칼리화된 카본나이트라이드의 화학구조 그림, 전처리된 폴리에스터 기반 플라스틱의 광개질, 실제 상용 PET 병의 광개질
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• 추가적으로 본 연구에서는 장기간의 광개질 실험을 통해 PET가 5일 동안 지속적으로 과산화수소를 생산할 수 있음을 입증했다. 특히, PET의 주요 성분인 에틸렌글리콜이 선택적으로 산화되면서 광개질 과정에서 테레프탈산이 축적됨을 확인했다. 또한, 폐수 내 미량으로 잔류하는 PET를 효과적으로 처리하기 위해, 현장에서 생성된 과산화수소를 활용한 고도산화공정을 적용했다. 이 과정에서 생성된 하이드록실 라디칼은 PET를 완전히 분해하는 데 기여했으며, 총유기탄소 제거율 95%를 달성하는 성과를 거뒀다.

사진 3 알칼리화된 카본나이트라이드를 활용한 PET의 양면적 처리 전략 

(<Photoreforming> 과산화수소 생산 및 테레프탈산 회수, <AOPs> 고도산화공정을 이용한 PET의 완전한 광물화)

• 김형일 교수는 “이번 연구는 플라스틱 폐기물 관리에 대한 양면적 전략을 제시했다는 점에서 주목할 만하다. 하나는 PET의 광개질을 통한 고부가가치 화학물질 회수, 다른 하나는 고도산화공정을 이용한 완전한 분해를 통해 플라스틱 폐기물을 보다 지속 가능하게 처리할 수 있는 가능성을 열었다.” 라고 하였다.
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• 본 연구는 연세 시그니처 연구클러스터사업의 지원으로 수행되었으며, 환경공학분야에서 1위 학술지인 ‘어플라이드 카탈리시스 비: 엔바이론멘트 앤드 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)’에 2024년 11월 27일에 온라인 게재되었다.

[논문 정보]

논문 정보: Son, S., Haider, Z., Lee, D.-Y., Kim, S., Thai, N. V., & Kim, H.-I. (2025). Ambivalent photocatalytic strategies for plastic waste conversion: Alkalinized carbon nitride for H₂O₂ production and complete mineralization. Applied Catalysis B: Environment and Energy, 365, 124847.

논문주소: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124847