포스텍은 환경공학과 조강우 교수 연구팀이 KIST(한국과학기술연구원)와의 공동연구를 통해 오염된 생활 하수를 사용해 수소 생산 반응의 효율을 높일 새로운 촉매를 개발했다고 6일 밝혔다.
수소를 생산하는 대표적인 방식 중 하나는 물을 전기분해하는 수전해 기술이다. 이 기술은 지구상에 풍부한 물을 사용해 지속 가능한 공정이나 수소 생산과 동시에 발생하는 산소 발생 반응의 속도가 매우 느려 에너지 전환 효율이 매우 낮았다.
업계는 수소 생산 효율을 높이기 위해 다양한 방법을 강구하고 있다. 이번 연구는 요소에 주목했다. 소변에 포함된 오염물질인 요소는 산화 과정에서 많은 양의 에너지를 방출하는데 이를 활용하면 수소 발생 효율을 높일 수 있다. 또 화장실 폐수를 정화하는 것도 가능하다. 이 과정에서 효율을 높이기 위해 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 조합돼 표면적이 크다. 더 많은 반응 물질을 흡착해 요소 산화 반응 속도를 높일 수 있다는 뜻이다.
연구팀의 O-NFF 촉매는 수소 발생에 필요한 전압을 1.47V RHE(0.5A/㎠)로 낮추는 데 성공했으며, 수산화칼륨(1M)과 요소(0.33M)가 혼합된 용액에서도 높은 반응 속도를 보였다. 또, 방사광가속기를 이용한 광전자·X선 흡수 분광 실험에서도 이 촉매가 요소의 산화 반응을 촉진함을 확인했다.
이번 연구를 이끈 조강우 교수는 "생활 하수를 정화하면서 수소 생산 효율을 높일 수 있는 촉매를 개발했다"라며 "금속과 유기물로 만든 O-NFF 촉매로 산업용 전기분해 수소 생산 효율이 향상되길 바란다"고 말했다.