연구성과

환경 조강우 교수팀, “흙 속의 진주를 찾아라” 생활 하수로부터 수소를 생산하는 마법

2024-03-07 462

[조강우 교수팀, 수소 발생 효율 높이는 요소 산화 반응 촉매 개발]

환경공학부 조강우 교수 · 박사과정 김지선 씨 연구팀이 KIST(한국과학기술연구원)과의 공동 연구를 통해 오염된 생활 하수를 사용해 친환경 에너지인 수소 생산 반응의 효율을 높일 새로운 촉매를 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지 중 하나인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced functional materials)’에 최근 게재됐다.

화석 연료로 인한 환경 오염 문제가 심각해짐에 따라 수소에 대한 관심이 증가하고 있다. 물을 전기분해 하여 수소를 생산하는 수전해(Water Electrolysis) 기술은 지구상에 풍부한 물을 사용해 지속 가능한 공정이지만, 수소 생산과 동시에 발생하는 산소 발생 반응의 속도가 매우 느려 에너지 전환 효율이 매우 낮았다.

최근 학계에서는 요소 산화 반응을 수소 발생 반응과 결합해 이러한 문제를 해결하고 있다. 소변에 포함된 오염물질인 요소는 산화 과정에서 많은 양의 에너지를 방출해 이를 활용하면 수소 발생 효율을 높일 수 있음은 물론, 화장실 폐수를 정화할 수 있다. 결국, 수소 발생 반응과 폐수 처리 효율을 높이기 위해서는 요소 산화 반응을 효과적으로 촉진할 수 있는 촉매가 필요하다.

연구팀은 요소 산화 반응의 효율을 높이기 위해 니켈(Ni) 금속에 철(Fe)과 옥살산(Oxalate)을 결합한 니켈-철-옥살산(이하 O-NFF) 촉매를 만들었다. 이 촉매는 나노미터 크기의 입자들이 파편 형태로 조합되어 표면적이 매우 크다. 이러한 특성으로 더 많은 반응 물질을 흡착함으로써 요소 산화 반응 속도를 높일 수 있다.

실험 결과, 연구팀의 O-NFF 촉매는 수소 발생에 필요한 전압을 1.47V RHE*1(0.5 A/cm2)로 낮추는 데 성공했으며, 수산화칼륨(1M)과 요소(0.33M)가 혼합된 용액에서도 높은 반응 속도를 보였다. (테펠 기울기(TeFal*1) = 12.1mV/dec) 또, 연구팀은 방사광가속기를 이용한 광전자 · X선 흡수 분광 실험에서도 이 촉매가 요소의 산화 반응을 촉진함을 확인했다.


이번 연구를 이끈 조강우 교수는 “생활 하수도 정화하면서 친환경 에너지원인 수소 생산 효율을 높일 수 있는 촉매를 개발했다”며, “금속과 유기물로 만든 O-NFF 촉매로 산업용 전기분해 수소 생산 효율이 향상되길 바란다”는 말을 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 미래수소원천기술개발사업, 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원으로 진행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202315625


1. RHE(Normal Hydrogen Electrode)
표준 수소 전극을 말한다. RHE는 수소 기체와 액체 수소의 중간 평형상태인 표준 상태에서 전위가 0V로 정의됩니다.

2. 테펠(Tefel)
전기화학적 반응 속도를 나타내며, 값이 높을수록 촉매의 높은 활성을 나타낸다.