녹색 수소의 효율적인 생산을 위해 물이 아닌 소변을 사용하세요

연구자들은 소변과 폐수에서 발견되는 요소를 이용해 수소를 생성하는, 에너지 효율과 비용 효율성이 뛰어난 두 가지 독특한 시스템을 개발했습니다.

이 독특한 시스템은 경제적으로 '녹색' 수소를 생산하는 새로운 경로를 제시하는데, 이는 지속 가능하고 재생 가능한 에너지원이고, 수생 환경에서 질소성 폐기물을 처리할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

일반적으로 수소는 물을 산소와 수소로 분해하는 전기분해를 통해 생성됩니다. 이는 세계 에너지 위기 해결에 도움이 될 유망한 기술이지만, 이 과정은 에너지 집약적이어서 화석 연료에서 수소를 추출하는 방식(회색 수소)에 비해 비용이 매우 높습니다. 회색 수소는 탄소 배출을 유발하기 때문에 바람직하지 않은 공정입니다.

물과 달리 요소에서 수소를 생성하는 전기분해 시스템은 훨씬 적은 에너지를 사용합니다.

이러한 장점에도 불구하고, 기존의 요소 기반 시스템은 추출할 수 있는 수소의 양이 적고 독성이 있으며 수소 생산과 경쟁하는 바람직하지 않은 질소 부산물(질산염과 아질산염)이 생성되어 전체 시스템 효율이 더욱 낮아지는 등 여러 가지 한계에 직면합니다.

호주 탄소 과학 및 혁신 우수성 연구 위원회(COE-CSI)와 애들레이드 대학의 연구원들은 이런 문제를 극복하고 회색 수소 생산 비용과 비슷하거나 더 저렴한 비용으로 녹색 수소를 생성할 수 있는 두 가지 요소 기반 전기분해 시스템을 개발했습니다.

각 시스템에 대한 연구는 각각 별도의 논문으로 게재되었는데, 하나는 Angewandte Chemie International Edition 에, 다른 하나는 Nature Communications에 게재되었습니다.

박사과정생 Xintong Gao는 Angewandte Chemie International Edition 논문의 제1저자였으며, COE-CSI 수석 연구원인 Yao Zheng 교수와 COE-CSI 부소장 겸 수석 연구원인 Shizhang Qiao 교수가 이끄는 화학공학과 팀에 속해 있습니다.

순수한 요소에서 수소를 만드는 것은 새로운 일이 아니지만, 연구팀은 순수한 요소의 대체 공급원으로 소변을 사용하는, 접근성이 높고 비용 효율적인 공정을 찾아냈습니다.

정 교수는 "아직 모든 문제를 해결한 것은 아니지만, 이 시스템을 대규모로 확대하면 우리 시스템은 독성 질산염과 아질산염 대신 무해한 질소 가스를 생산하며, 두 시스템 모두 물 분해 시스템보다 20~27% 적은 전력을 사용할 것"이라고 말했습니다.

"수소 생산 비용을 줄여야 하지만, 탄소 중립적인 방식으로 해야 합니다. 저희 첫 ​​번째 논문의 시스템은 독특한 무막 시스템과 새로운 구리 기반 촉매를 사용하면서도, 하버-보쉬 암모니아 합성 공정을 통해 생산되는 순수 요소를 사용했는데, 이 공정은 에너지 소모가 많고 다량의 이산화탄소를 배출합니다.

"우리는 녹색 요소원인 인간 소변을 사용하여 이 문제를 해결했습니다. 이는 두 번째 논문에서 검토한 시스템의 기반이 됩니다."

소변이나 요소는 질소 함유 폐기물이 많은 하수 및 기타 폐수에서도 발생할 수 있습니다. 그러나 전기 촉매 시스템에서 소변을 사용하는 경우 또 다른 문제가 발생합니다.

소변의 염화물 이온은 염소 생성 반응을 일으켜 시스템의 양극에 돌이킬 수 없는 부식을 유발하고, 양극에서 산화와 전자 손실이 발생합니다.

"첫 번째 시스템에서는 저비용 수소 생산을 위한 혁신적이고 고효율의 무막 요소 전기분해 시스템을 개발했습니다. 두 번째 시스템에서는 탄소 지지체에 백금 기반 촉매를 사용하여 소변에서 수소를 생성하는 새로운 염소 매개 산화 메커니즘을 개발했습니다."라고 Qiao 교수는 말했습니다.

백금은 값비싸고 귀금속이며 유한한 금속으로, 촉매 물질로서의 수요가 증가하고 있어 지속 가능한 사용이 어렵습니다. ARC 탄소 과학 및 혁신 우수 센터의 핵심 사명은 기존 에너지 및 화학 산업을 위한 혁신적인 탄소 촉매 기술을 구현하는 것입니다.

애들레이드 대학 연구팀은 이러한 기초 연구를 바탕으로 탄소로 지지되는 비귀금속 촉매를 개발하여 막이 없는 소변-폐수 처리 시스템을 구축하고, 폐수 환경을 개선하는 동시에 녹색 수소를 보다 저렴하게 회수할 계획입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250509122255.htm