【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교)은 환경공학부 조강우 교수 · 박사과정 김지선 씨 연구팀이 KIST(한국과학기술연구원)와 공동 연구를 통해 오염된 생활 하수를 사용해 친환경 에너지인 수소 생산 반응의 효율을 높일 새로운 촉매를 개발했다고 6일 밝혔다.

▲ 연구팀이 개발한 촉매 반응 모식도(요소 산화 반응 촉진)  © 포스텍

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 RHE1)(0.5 A/cm2)로 낮추는 데 성공했으며, 수산화칼륨(1M)과 요소(0.33M)가 혼합된 용액에서도 높은 반응 속도를 보였다. (테펠 기울기(TeFal2)) = 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.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

POSTECH Professor Jo Kang-woo's team develops a urea oxidation reaction catalyst that increases hydrogen generation efficiency

At POSTECH (Pohang University of Science and Technology), the research team led by Professor Kang-Woo Cho of the Department of Environmental Engineering and Ji-Seon Kim, a doctoral student, developed a new catalyst to increase the efficiency of the hydrogen production reaction, an eco-friendly energy source, using polluted domestic sewage through joint research with KIST (Korea Institute of Science and Technology). It was announced on the 6th that it was done.

This study was recently published in ‘Advanced Functional Materials’, one of the international academic journals.

As environmental pollution problems caused by fossil fuels become more serious, interest in hydrogen is increasing. Water electrolysis technology, which produces hydrogen by electrolyzing water, is a sustainable process that uses water, which is abundant on Earth, but the speed of the oxygen generation reaction that occurs simultaneously with hydrogen production is very slow, so energy conversion efficiency is very low.

Recently, academic circles are solving this problem by combining the urea oxidation reaction with the hydrogen generation reaction. Urea, a contaminant contained in urine, releases a large amount of energy during the oxidation process, which can not only increase hydrogen generation efficiency but also purify toilet wastewater. Ultimately, in order to increase the hydrogen generation reaction and wastewater treatment efficiency, a catalyst that can effectively promote the urea oxidation reaction is needed.

To increase the efficiency of the urea oxidation reaction, the research team created a nickel-iron-oxalic acid (O-NFF) catalyst that combines iron (Fe) and oxalate (oxalate) with nickel (Ni) metal. This catalyst has a very large surface area because nanometer-sized particles are combined in the form of fragments. With these characteristics, the urea oxidation reaction rate can be increased by adsorbing more reactants.

As a result of the experiment, the research team's O-NFF catalyst succeeded in lowering the voltage required for hydrogen generation to 1.47V RHE1) (0.5 A/cm2), and showed high response even in a mixed solution of potassium hydroxide (1M) and urea (0.33M). showed speed. (TeFal2) = 12.1mV/dec) In addition, the research team confirmed that this catalyst promotes the oxidation reaction of urea in photoelectron and X-ray absorption spectroscopy experiments using a synchronized light accelerator.

Professor Cho Kang-woo, who led this research, said, “We have developed a catalyst that can improve the production efficiency of hydrogen, an eco-friendly energy source, while purifying domestic sewage.” He added, “I hope that the efficiency of industrial electrolysis hydrogen production will be improved with the O-NFF catalyst made of metal and organic materials. ” he said.

Meanwhile, this research was conducted with support from the National Research Foundation of Korea's Mid-career Researcher Support Project, Future Hydrogen Source Technology Development Project, and National Supercomputing Center.