[에너지단열경제]정두수 기자

양·음극 동시 과산화수소 생성용 광전기화학 전지 모식도./연세대학교 제공

연세대학교가 포스텍과 공동연구를 통해 친환경 과산화수소 생산용 고효율·고안전성 광전기화학전지(PEC)를 개발했다.
연구에는 김형일 연세대 건설환경공학 교수 연구팀, 최원용 포스텍 환경공학부 교수팀 등이 참여했다.
이번 광전기화학전지는 태양에너지, 물, 산소를 이용해 과산화수소를 생산하는 친환경적인 기술로 현재의 과산화수소 생성공정의 대안으로 주목받고 있다.
과산화수소는 소독이 필요한 의료용품, 폐수처리, 반도체 공정 등에 폭넓게 사용되며 반도체 공정의 세정제로 일본의 수출규제 품목인 불화수소(HF) 보다 100배 이상 많이 사용되고 있다.
과산화수소 생성공정은 비싼 귀금속 촉매와 많은 에너지를 필요로 하고 있으며 환경오염 부산물을 생산한다는 한계가 있다.
단일전극을 사용해 과산화수소를 생산하는 일반적인 (광)전기화학전지와 달리 이번 연구에서는 양극(Anode)과 음극(Cathode)을 모두 사용하는 새로운 이중 과산화수소 생성 광전기화학시스템을 개발했다.
양극에서는 물, 음극에서는 산소로부터 과산화수소를 동시에 생성해 패러데이 효율을 획기적으로 높였다.
광양극(photoanode)으로는 물을 이용한 과산화수소 생성에 열역학적으로 가장 적합한 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 사용해 물을 직접 과산화수소로 산화시켰다.
음극(Cathode)에는 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube)와 안트라퀴논(Anthraquinone)을 결합해 사용, 산소로부터 과산화수소를 생성했다.
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 향상시켰다.
이번 연구에서 제시한 광전기화학전지는 기존의 과산화수소 생산용 광전기화학전지가 가진 한계인 낮은 패러데이 효율 및 안전성 문제를 획기적으로 개선한 시스템이다.
광전기화학전지 시스템의 상용화에 교두보적인 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
이번 연구의 결과는 국제학술지 ‘에너지&환경과학회지’ 6월1일자 온라인판 표지논문으로 게재됐다. 

 

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