Professor Kangwoo Cho and PhD candidate Jiseon Kim from the Division of Environmental Science & Engineering at Pohang University of Science and Technology (POSTECH) collaborated with the Korea Institute of Science and Technology (KIST) to devise a novel catalyst aimed at enhancing the efficiency of reactions using contaminated municipal sewage to produce hydrogen—a green energy source. Their research recently featured in the international journal Advanced Functional Materials.

With the growing environmental concerns of pollution associated with fossil fuel, hydrogen has garnered increased interest. Water electrolysis technology is a sustainable process that leverages Earth's abundant water to produce hydrogen. However, the concurrent oxygen evolution reaction during hydrogen production is notably slow, resulting in a considerably low energy conversion efficiency.

Lately, the academic community has been tackling this issue by integrating the urea oxidation reaction with the hydrogen generation reaction. Urea, a pollutant found in urine, releases a significant amount of energy during its oxidation process, offering a potential means to enhance both the efficiency of hydrogen generation and the purification of toilet wastewater. Ultimately, it is necessary to find a catalyst that can effectively drive the urea oxidation reaction, thereby amplifying the efficiency of both hydrogen generation and wastewater treatment.

In pursuit of increased efficiency in the urea oxidation reaction, the team created a catalyst known as nickel-iron-oxalate (O-NFF). This catalyst combines iron (Fe) and oxalate on nickel (Ni) metal, resulting in an expansive surface area characterized by nanometer-sized particles in fragment form. This unique property enables the catalyst to adsorb more reactants, facilitating an accelerated urea oxidation reaction.

In experiments, the O-NFF catalyst devised by the team successfully lowered the voltage required for hydrogen generation to 1.47 V RHE (at 0.5 A/cm2) and exhibited a high reaction rate even when tested in a mixed solution of potassium hydroxide (1 M) and urea (0.33 M) with a Tafel slope of 12.1 mV/dec. The researchers further validated the catalyst's efficacy by confirming its promotion of the urea oxidation reaction through photoelectron/X-ray absorption spectroscopy using a radiation photo accelerator.

Professor Kangwoo Cho who led the research stated, "We have developed a catalyst capable of purifying municipal sewage while simultaneously enhancing the efficiency of hydrogen production, a green energy source.” He added, “We anticipate that O-NFF catalysts, synthesized from metals and organics, will contribute to the improved efficiency of industrial electrolysis hydrogen production."

The research was sponsored by the Mid-Career Researcher Program and the Hydrogen Source Technology Development Program of the National Research Foundation of Korea, and the National Supercomputing Center.

포항공과대학교 환경과학기술학부 조강우 교수와 김지선 박사과정 학생은 한국과학기술연구원(KIST)과 공동으로 오염된 도시 하수를 이용한 친환경 에너지원인 수소 생산의 효율을 높이기 위한 새로운 촉매를 고안했다. 이들의 연구는 최근 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 실렸다.

화석 연료와 관련된 오염에 대한 환경 문제가 증가함에 따라 수소에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 물 전기분해 기술은 지구의 풍부한 물을 활용하여 수소를 생산하는 지속 가능한 공정입니다. 그러나 수소 생산 중 동시 산소 발생 반응은 현저히 느려 에너지 변환 효율이 상당히 낮습니다.

최근 학계에서는 요소 산화 반응과 수소 생성 반응을 통합하여 이 문제를 해결하고 있습니다. 소변에서 발견되는 오염 물질인 요소는 산화 과정에서 상당한 양의 에너지를 방출하여 수소 생성의 효율성과 화장실 폐수 정화를 모두 향상시킬 수 있는 잠재적인 수단을 제공합니다. 궁극적으로는 요소 산화 반응을 효과적으로 유도하여 수소 생성과 폐수 처리의 효율성을 모두 높일 수 있는 촉매를 찾아야 합니다.

요소 산화 반응의 효율을 높이기 위해 연구팀은 니켈-철-옥살레이트(O-NFF)로 알려진 촉매를 만들었습니다. 이 촉매는 니켈(Ni) 금속에 철(Fe)과 옥살레이트를 결합하여 조각 형태의 나노미터 크기의 입자를 특징으로 하는 광대한 표면적을 생성합니다. 이 독특한 특성으로 인해 촉매는 더 많은 반응물을 흡착하여 요소 산화 반응을 가속화할 수 있습니다.

실험에서 연구팀이 고안한 O-NFF 촉매는 수소 생성에 필요한 전압을 1.47V RHE(0.5A/cm에서)로 낮추는 데 성공했습니다.2)을 나타내고 수산화칼륨(1M)과 요소(0.33M)의 혼합 용액에서 12.1mV/dec의 Tafel 기울기로 테스트한 경우에도 높은 반응 속도를 나타냈습니다. 연구진은 방사선 광가속기를 이용한 광전자/X선 흡수 분광법을 통해 요소 산화 반응의 촉진을 확인함으로써 촉매의 효능을 추가로 검증했다.

연구를 이끈 조강우 교수는 "생활하수를 정화하는 동시에 친환경 에너지원인 수소 생산의 효율을 높일 수 있는 촉매를 개발했다"고 말했다. 이어 "금속과 유기물에서 합성된 O-NFF 촉매가 산업용 전기분해 수소 생산의 효율 향상에 기여할 것으로 기대한다"고 덧붙였다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 프로그램, 수소원천기술개발사업, 국가슈퍼컴퓨팅센터 등이 후원했다.