제주 자성 산업 뉴스] LaCoO3 칼코게나이드 물질의 제조 방법 및 포름알데히드 폐수에 대한 촉매 분해 효과

2026년 1월 9일자 서신, 상임 대표가 보낸업계 뉴스 LaCoO3 칼코게나이드 촉매 분해 솔-젤 방식 포름알데히드 폐수 처리 비균질 펜톤 유사 산화16030

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포름알데히드(HCHO)는 널리 퍼진 수용성 독성 오염 물질로, 주로 산업 생산 배출, 건축 및 장식 재료의 휘발, 일상 생활용품의 방출에서 비롯됩니다. 이 화합물은 발암성이 강하고 생체 독성이 있어 인간의 호흡기와 면역 체계에 심각한 손상을 줄 뿐만 아니라 수역의 생태 균형을 파괴합니다. 따라서 효율적인 포름알데히드 제거 기술의 개발은 인체 건강 보호와 생태계 안정성 유지에 큰 의미가 있습니다. 기존의 포름알데히드 분해 방법에는 주로 흡착 기술, 생분해 방법, 촉매 산화 방법이 있으며, 그 중 촉매 산화 방법은 완전 분해와 2차 오염이 없다는 장점으로 인해 현재 연구의 핵심 방향이 되고 있습니다.

독특한 결정 구조, 우수한 전자 전도도, 안정적인 촉매 활성을 가진 방해석형 산화물(ABO₃)은 CO 산화 및 휘발성 유기 화합물 분해와 같은 다상 촉매에서 괄목할 만한 발전을 이루었습니다. 대표적인 칼코게나이드 물질인 란탄 코발트 산화물(LaCoO₃)은 활성 성분인 코발트(Co)의 원자가 조율 능력으로 인해 잠재적인 산화 촉매 능력을 가지고 있습니다. 그러나 LaCoO₃에 의한 물속 포름알데히드 분해에 대한 연구는 상대적으로 적고, 그 촉매 활성 메커니즘과 반응 경로는 아직 완전히 이해되지 않았습니다.

위의 배경을 바탕으로 본 연구에서는 란탄과 코발트 몰비가 다른 칼코게나이드 LaCoO₃ 촉매를 졸-겔법으로 제조하고 상온에서 물속 포름알데히드의 촉매 분해 특성을 체계적으로 조사하였으며, 물질 특성화 기술과 자유 라디칼 파열 실험을 병행하여 촉매 메커니즘을 밝혀냈다. 촉매 성능 실험 결과, 제조된 LaCoO₃ 촉매는 우수한 포름알데히드 분해 활성을 나타냈습니다. 기존의 비균질 촉매(예: 전이 금속 산화물, 귀금속 탑재 촉매 등)에 비해 포름알데히드 완전 분해 시간이 119분에서 10분으로 단축되었고, 분해 효율은 12배 향상되었습니다. 란탄과 코발트 몰비가 1:1일 때 가장 우수한 분해 활성을 보였으며, 상온에서 10분 만에 물에서 포름알데히드를 완전히 제거할 수 있었고, 3회 재사용 후에도 분해율이 95% 이상으로 유지되어 우수한 안정성을 보였습니다.

촉매 활성 차이의 본질적인 원인을 규명하기 위해 본 연구에서는 란탄과 코발트 몰비가 다른 촉매의 표면 전자 상태를 X-선 광전자 분광법(XPS)을 이용해 분석했습니다. 그 결과 란탄-코발트 몰비가 증가함에 따라 촉매 표면의 Co²⁺ 상대 함량은 점차 감소하는 반면 Co³⁺의 함량은 증가하는 것으로 나타났습니다. 촉매 성능 데이터와 결합하여 촉매의 포름알데히드 분해 활성은 Co²⁺ 함량과 양의 상관 관계가 있음을 알 수 있으며, 이는 Co²⁺가 포름알데히드의 산화 분해를 촉진하는 핵심 활성 사이트이며 Co²⁺ / Co³⁺ 원자가 순환을 통해 산화 환원 반응에 참여한다는 것을 나타냅니다. 반응에 참여하여 활성 종의 생성을 가속화합니다.

본 연구에서는 반응 과정 중 주요 활성종을 확인하기 위해 반응 시스템에 황산염 라디칼(SO₄・-) 파열제(무수 에탄올)와 하이드 록실 라디칼(・OH) 파열제(테트-부탄올)를 각각 첨가하여 자유 라디칼 파열 실험을 추가로 수행했습니다. 실험 결과, 두 파열제의 첨가는 포름알데히드의 분해 효율을 유의하게 저해하는 것으로 나타났으며, 무수 에탄올을 첨가한 경우 분해 속도가 681 TP3T, tert-부탄올을 첨가한 경우 521 TP3T 감소하여 SO₄・- 및 ・OH가 포름알데히드 분해의 주요 활성 종임을 확인했습니다. 이상의 결과를 바탕으로 본 연구에서는 LaCoO₃ 촉매 포름알데히드 분해의 반응 메커니즘이 비균질 펜톤 유사 산화 반응으로, 촉매 표면의 Co²⁺가 시스템 내의 산화제(예: 용존 산소, 과산화수소 등)와 반응하여 SO₄・- 및・OH를 형성한 후 강한 산화 작용을 통해 포름알데히드를 CO₄ 및・OH로 산화시키는 것으로 제안했다. 포름알데히드는 산화적으로 CO₂와 H₂O로 분해됩니다.

이 연구에서는 물속 포름알데히드 분해에 칼코게나이드 LaCoO₃의 적용 가능성을 최초로 확인하고, 란타나이드-코발트 몰비가 촉매 활성에 미치는 메커니즘을 규명하여 비균질 펜톤 유사 산화의 반응 경로를 밝혀 상온에서 효율적이고 안정적인 포름알데히드 분해 촉매 개발을 위한 이론적 근거와 기술적 참고 자료를 제공했다.

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