최근 북경화공대 Qiu Jieshan 교수와 동관이공대 Wang Gang 교수가 이끄는 공동 연구팀은 이중 전환 경로를 갖는 전기촉매 소재를 개발했습니다. 이 물질은 우라늄-함유 폐수에서 매우 귀중한 금속 우라늄을 효율적으로 추출 및 회수할 수 있으며, 한 번의 추출로 자체 중량의 3배 이상을 추출할 수 있습니다.
72시간 이내에 이 물질은 우라늄-함유 폐수에서 우라늄의 98.4%를 제거하여 우라늄 농도를 0.022mg L⁻1로 줄여 국제 식수 기준(0.03mg L⁻1)을 충족합니다. 모듈식 실험을 통해 17시간 이내에 지하수에서 15.75mg의 우라늄을 추출할 수 있음이 확인되었습니다.
원자력은 경제와 사회발전을 뒷받침하는 중요한 에너지원이다. 우라늄은 원자력 발전의 핵심 물질이다. 그러나 지구상에서 쉽게 채굴되는 우라늄 매장지는 점점 부족해지고 있으며, 미량의 우라늄을 함유한 폐수는 풍부하여 자원을 낭비하고 환경을 오염시키고 있습니다. 이번 연구진이 개발한 전기촉매물질은 물에서 우라늄을 효율적이고 신속하며 깨끗하게 추출할 수 있는 새로운 형태의 나노물질이다.
(출처: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
01 '두 발로 걷는' 이기능 전기촉매 소재
이러한 획기적인 발전은 이 전기촉매 물질의 이중 기능을 설계하여 "두 다리로 걷는" 능력을 제공하는 데 있습니다.
그들이 만든 이 특수 전기촉매 재료는 무기 텅스텐 산화물과 유기 폴리피롤이라는 두 가지 재료를 독창적으로 결합했습니다.
산화텅스텐은 성게 모양으로 성장하고, 폴리피롤은 전도성 젤리층처럼 성게 표면에 고르게 코팅된다.
이 독창적인 복합 구조는 이 새로운 전기촉매 물질에 다음 두 가지 주요 기능을 부여합니다.
첫 번째 기능은 내부 전기장 "자석"입니다.
산화텅스텐과 폴리피롤이 결합된 후, 이들 사이에 작은 내부 전기장이 생성됩니다. 이 전기장은 방향성 전자 슬라이드처럼 작용하여 전자가 폴리피롤에서 텅스텐 산화물로 보다 원활하게 흐르도록 합니다.
결과적으로, 산화텅스텐의 표면은 양으로 하전된 우라늄 이온을 포착하고 길들이는 데 더욱 능숙해지며, 이를 빠르게 전기환원하여 고체 우라늄으로 되돌립니다. 간단히 말해서, 전기촉매가 우라늄에 더 매력적이게 만들어 더 단단하게 유지하고 환원 속도를 더 빠르게 만듭니다.
두 번째 기능은-"침전제"를 자체 생산하는 것입니다.
폴리피롤 자체에는 독특한 능력이 있습니다. 즉, 물 속의 용존 산소를 완전히 활용하여 2-전자 산소 환원 반응을 기반으로 과산화수소-소독에 사용되는 것과 동일한 과산화수소-를 안정적으로 생성할 수 있습니다.
과산화수소는 물 속에서 우라늄 이온과 만나면 즉시 "클릭 화학" 반응을 거쳐 우라늄 과산화물이라고 불리는 노란색 고체 침전물을 생성하기 때문에 이는 매우 중요합니다.
이 반응은 우라늄 정제를 위한 잘 확립된 산업적 방법입니다.- 이러한 방식으로 전극은 우라늄 이온을 끌어당길 뿐만 아니라 이를 즉시 노란색 고체 침전물로 침전시켜 물과 완전히 분리시킵니다.
이 두 가지 경로-전기장-에 의한 전기화학적 환원과 과산화수소-에 의한 화학 침전-은 전기촉매에 이중 엔진을 장착하는 것과 같은 시너지 효과를 가져서 물에서 추출되는 우라늄의 속도와 총량을 크게 가속화합니다.
(출처: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
02 높은 추출, 빠른 추출, 선명한 인식, 오래-지속적인 사용
실험을 통해 이 이중-엔진 전기촉매의 놀라운 성능이 입증되었습니다.
첫째, 많은 양을 추출한다. 실험 테스트에서 최고 추출 용량은 물질 1그램당 우라늄 3,104밀리그램에 달했는데, 이는 현재의 주요 기술의 거의 두 배에 달하는 수치입니다.
둘째, 빠르게 추출됩니다. 산소가 첨가된 물에서는 6시간 이내에 우라늄의 93% 이상을 제거할 수 있습니다. 이는 단일{3}}엔진, 무산소 환경보다 거의 두 배 효율적입니다.
둘째, 우수한 선택성을 나타냅니다. 물에 나트륨, 칼슘, 마그네슘과 같은 일반적인 금속 이온이 존재하더라도 전극 재료는 여전히 정확하고 우선적으로 우라늄을 포착할 수 있습니다.
마지막으로 장수를 자랑합니다. 묽은 산으로 부드럽게 세척하면 전기촉매 물질에 붙어 있는 작은 노란색 돌이 용해되어 복구됩니다. 전극 소재 자체는 견고하고 안정적이어서 성능 저하 없이 최소 20회 재사용이 가능합니다.
이는 이 기능성 나노{0}}전기촉매 물질이 폭넓은 응용 가능성을 갖고 있음을 의미합니다. 우라늄 채굴, 처리 및 광미 처리에서 이 기술은 폐수에서 우라늄을 효율적으로 회수하여 방사성 폐기물을 줄이고 귀중한 자원을 재활용할 수 있습니다.
막대한 양의 해수에서 우라늄을 경제적이고 효율적으로 추출하는 방법은 오랫동안 해결되지 않은 과제였습니다-. Qiu Jieshan 교수와 Wang Gang 교수 팀이 개발한 효율적인 저에너지-에너지 기술은 해양 우라늄 자원의 미래 개발을 위한 새로운 접근 방식을 제공합니다.
또한 우라늄으로 오염된 지하수를 처리하는 데 이 물질을 적용하면{0}} 수자원 안보와 생태학적 건강을 보장할 수 있습니다.
(출처: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
향후 계획에 대해 Qiu Jieshan 교수는 DeepTech에 "우리 팀은 고급 현장 특성화 기술을 활용하여 이러한 기능성 전기촉매 물질의 고유 구조-활성 관계와 우라늄 종의 수송 및 진화 메커니즘을 심층적으로 밝히고, 재료 설계를 더욱 최적화하고 우라늄 추출 성능을 향상시켜 국내외 최고 수준의 연구 기관 및 학자들과 긴밀히 협력할 것입니다."라고 밝혔습니다.
인터뷰에서 그는 또한 가스 분리, 에너지 저장 및 촉매 작용, 특히 고성능 에너지 저장 재료 및 장치, 해수 담수화, 정밀 화학 물질의 지능형 제조와 결합된 수소 생산을 위한 물 전기분해와 같이 국가가 시급히 필요로 하는 응용 분야에서 기능성 재료, 특히 기능성 탄소 재료의 광범위한 응용 전망을 구상했습니다. 이러한 분야에서는 독특한 구조와 특성으로 인해 기능성 탄소 소재가 중요한 역할을 할 것입니다.