자외선 조사로 플라스마의 수산기 라디칼 생성 반응 경로 규명해
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자외선 조사로 플라스마의 수산기 라디칼 생성 반응 경로 규명해
  • 오현창 기자
  • 승인 2019.09.11 01:01
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대기압 플라스마의 활성산소·질소종 생성 반응 중 수산기 라디칼 생성에서 자외선의 기여도를 여러 경로에 대해 정량적으로 분석

원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 플라스마에 노출된 물에서 수산기 라디칼*을 생성할 수 있는 경로를 추가 규명하고, 이를 이용해 자외선으로 수산기 라디칼(OH) 생성을 촉진하는 데 성공했다. 이번 연구는 지난 7월 8일 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)> 온라인판에 게재됐다. 

 

유용한 화학물질 생성하는 플라스마 

플라스마는 기체, 액체, 고체와 함께 물질의 4가지 상태 중 하나로, 원자핵과 궤도 전자가 분리되어 이온화된 상태를 말한다. 플라스마는 번개처럼 자연적으로 발생하기도 하며, 강한 전자기장을 이용해 저온에서도 생성이 가능하다. 플라스마는 전기적 특성 때문에 다른 조건에서는 일어나기 어려운 화학 반응을 쉽게 일으킬 수 있기 때문에, 플라스마가 촉진하는 화학 반응의 결과물이 널리 연구되고 있다. 연구 대상은 수많은 활성산소·질소종을 포함하는데, 그 중 수산기 라디칼은 강한 살균력을 가지기에 많은 관심을 받고 있다. 

 

수산기 라디칼 얻는 광분해 작용

플라스마는 여러 방법으로 다양한 결과 물질을 만들어낸다. 플라스마의 하전입자가 직접 반응에 참여하기도 하며, 플라스마의 전자기장은 다른 조건에서 일어나기 어려운 화학 반응을 촉진하기도 한다. 플라스마는 공기 중 원자들의 전자를 들뜨게 만들고, 이들 전자는 다시 낮은 에너지 준위로 떨어지며 자외선과 같은 전자기파를 발생시킨다. 자외선은 플라스마가 만드는 여러 결과물에 대해 광분해를 일으킨다고 알려져 있었는데, 이번 연구에서는 수산기 라디칼 생성에 대한 자외선의 기여도를 정량적으로 측정하여 추가 자외선을 공급하면 수산기 라디칼이 얼마나 더 발생하는지, 그리고 어떤 경로를 통해 발생하는지 밝혔다.

반응물 저장 위해 물에 직접 조사하는 대기압 플라스마(a)대기압 플라스마를 액체 위에 조사하는 모습. (b)플라스마의 활성산소·질소종 생성 반응의 반응 경로. (ⓒ최원호 교수 제공)
반응물 저장 위해 물에 직접 조사하는 대기압 플라스마
(a)대기압 플라스마를 액체 위에 조사하는 모습.
(b)플라스마의 활성산소·질소종 생성 반응의 반응 경로. (ⓒ최원호 교수 제공)

활성산소·질소종을 비롯한 플라스마의 결과물 중 다수는 화학적으로 불안정하기 때문에 다시 반응을 일으키며 다른 화학종으로 변화한다. 플라스마를 액체에 조사하면 이들 화학종을 액체에 녹아 있는 수용 상태로 전환할 수 있고, 화학종을 저장함으로써 여러 목적으로 활용할 수 있다. 물에 대기압 플라스마**를 조사했을 때, 물에 녹아드는 결과물로는 과산화수소(H2O2), 아질산(HONO), 질산(NO2) 그리고 수산기 라디칼 등이 있다. 이중 과산화수소와 아질산은 자외선에 의해 광분해되는 물질로, 플라스마의 자외선 작용에 의해 일부 수산기 라디칼로 분해된다. 

 

자외선 조사로 광분해 작용 촉진해

연구팀은 플라스마와 함께 자외선을 추가 조사하면 과산화수소와 아질산의 광분해가 촉진된다는 사실에 집중했다. 이 경우 자외선을 추가 조사하면 과산화수소와 아질산에서 종결되었을 기존의 화학반응이 연장되어 수산기 라디칼을 추가로 발생시킬 수 있다. 연구팀은 플라스마로 인한 일련의 화학반응에 대해 물리화학적으로 반응 속도를 계산했고, 자외선 조사량을 변화하며 발생하는 수산기 라디칼의 농도를 측정했다. 이전까지 아질산, 질산, 과산화수소의 광분해는 수산기 라디칼의 생성의 주 경로로 알려지지 않았으나, 이번 연구를 통해 아질산과 질산의 광분해가 수산기 라디칼 생성의 주요한 경로라는 것이 밝혀졌다. 또한, 연구팀은 추가 자외선을 공급함으로써 이들 경로를 촉진할 수 있고 수산기 라디칼을 더 효과적으로 얻을 수 있음을 보였다.

 

최 교수는 “수산기 라디칼의 생성에서 자외선의 기여도를 정량적으로 분석하고, 이후 활용에 널리 사용될 수 있는 방향을 제시했다”고 연구의 의의를 전했다. 이어 “추후 염지공정, 비료, 농산물 처리 등의 분야에서 활성질소종을 활용하는 연구를 진행하겠다”며 “플라스마가 일으키는 화학 반응은 그 경로가 아주 복잡하기 때문에, 컴퓨터 시뮬레이션도 연구에 활용하고자 한다”고 추후 연구 계획을 밝혔다.

 

라디칼*
홀전자를 가져 화학적으로 불안정한 물질.

대기압 플라스마**
대기압 조건에서 생성된 플라스마로 여러 산업에 넓게 응용되고 있다. 비료에 활용되는 질산, 식품 처리에 사용되는 일산화질소가 대기압 플라스마에서 얻어진다.


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