연세대학교와 포항공과대학교(POSTECH)가 공동 연구를 통해 친환경적인 과산화수소(H₂O₂) 생산용 고효율·고안전성 광전기화학전지(PEC)를 개발했습니다. 연세대학교 건설환경공학과 김형일 교수, POSTECH 환경공학부 최원용 교수, 전태화 박사가 수행한 이번 연구는 <Energy & Environmental Science>에 게재됐습니다.
과산화수소 생성공정 대안될까
과산화수소는 소독이 필요한 의료용품, 폐수처리, 반도체 공정 등에 폭넓게 사용됩니다. 특히 반도체 공정의 세정제로 일본의 수출규제 품목인 불화수소(HF) 보다 100배 이상 많이 쓰입니다. 현재의 과산화수소 생성 공정은 값비싼 귀금속 촉매와 많은 에너지를 필요로 하며 환경오염 부산물을 생산한다는 한계가 있습니다. 그런데 이번 연구에서 개발한 광전기화학전지는 태양에너지, 물, 산소를 이용해 과산화수소를 생산하는 친환경적인 기술로 현재의 과산화수소 생성공정의 대안으로 주목받고 있습니다.
단일전극을 사용해 과산화수소를 생산하는 일반적인 (광)전기화학전지와 달리 이번 연구에서는 양극(Anode)과 음극(Cathode)을 모두 사용하는 새로운 이중 과산화수소 생성 광전기화학시스템을 개발했습니다. 양극에서는 물, 음극에서는 산소로부터 과산화수소를 동시에 생성해 패러데이 효율을 획기적으로 높였습니다.
- Photoelectrochemical cell (광전기화학전지)
광전기화학전지는 널리 알려진 태양전지에서처럼 태양에너지를 전기에너지로 바꾸는 대신 화학반응에 직접 활용한다는 차이점이 있습니다. 일반적으로 반도체 물질이 광전극으로 사용되어 태양에너지를 전자(electron)-홀(hole)의 엑시톤(exciton)으로 전환하며 이때 생성된 전자와 홀은 각각 환원력과 산화력을 가지므로 다양한 산화·환원 반응에 적용될 수 있습니다.
- 비스무스 바나데이트 (BiVO4)
가시광선 아래에서 잘 작동하는 광촉매 물질 중 하나로서 가격이 저렴하고 대량 생산이 가능해 에너지 및 환경 분야에서 많이 사용되고 있습니다.
광양극(photoanode)으로는 물을 이용한 과산화수소 생성에 열역학적으로 가장 적합한 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 사용해 물을 직접 과산화수소로 산화시켰으며 음극(Cathode)에는 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube)와 안트라퀴논(Anthraquinone)을 결합해 사용하여 산소로부터 과산화수소를 생성했습니다.
또한 뛰어난 과산화수소 생성효율을 보이나 낮은 안전성을 가진 양극 광촉매인 비스무스 바나데이트(BiVO4)에 몰리브덴(Mo)을 도핑하고 인산염(Phosphate)을 증착해 기존 비스무스 바나데이트(BiVO4) 전극 대비 패러데이 효율을 3배, 안전성을 300배 이상 향상시켰습니다. 참고로 패러데이 효율이란 전극을 이용해 과산화수소 생성 시 사용한 에너지 중 실제 과산화수소 생성을 위해 사용된 에너지의 비율을 말합니다.
본 연구에서 제시한 광전기화학전지는 기존의 과산화수소 생산용 광전기화학전지가 가진 한계인 낮은 패러데이 효율 및 안전성 문제를 획기적으로 개선한 시스템으로 광전기화학전지 시스템의 상용화에 교두보적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.
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