KR101439953B1 - 과산화수소 생성용 전극 조립체 및 이를 포함하는 과산화수소 생성용 전해 시스템 - Google Patents

과산화수소 생성용 전극 조립체 및 이를 포함하는 과산화수소 생성용 전해 시스템 Download PDF

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Abstract

과산화수소 생성용 전극 조립체 및 이를 포함하는 과산화수소 생성용 전해 시스템이 개시되어 있다. 과산화수소 생성용 전극 조립체는 전해질을 포함하지 않는 물을 이용하여 과산화수소를 생성하기 위한 전극 조립체로서, 전기활성 코팅물질이 메쉬형 채전극 표면에 코팅되어 형성된 환원 채 전극과, 상기 환원 채 전극과 면접하는 양이온 교환막 및 상기 양이온 교환막과 면접하는 매쉬 형태의 산화 채 전극을 포함하는 구성을 갖는다.

Description

과산화수소 생성용 전극 조립체 및 이를 포함하는 과산화수소 생성용 전해 시스템{electrode assembly for hydrogen peroxide generation and Electrochemical system for hydrogen peroxide generation}
본 발명은 과산화수소 생성용 전극 조립체 및 이를 포함하는 과산화수소 생성용 전해 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전해질을 사용하지 않고 물로부터 과산화수소를 효과적으로 생성하는데 적용되는 과산화수소 생성용 전극 조립체 및 이를 포함하는 과산화수소 생성용 전해 시스템에 관한 것이다.
과산화수소는 친환경적인 강산화로서, 화학적 합성, 수 처리, 펄프 및 제지 공정과 폐수 처리 및 의료 분야 등에 응용 된다. 과산화수소는 환경적 호환성으로 인해 안전하고 염소를 대체하는데 사용된다. 또한 과산화수소의 분해에서 얻어지는 산소의 발생 및 공급을 목적으로 하는 분야에 사용된다. 따라서 이런 특성을 이용하여 수영장, 공기조화장치(HVAC: Heating, Ventilating and Air-Conditioning), 식기세척기, 세탁기, 냉장고, 가습기, 공기정화기 등의 살균/소독/위생 기능 및/또는 산소 공급기능 등에 대한 응용 분야가 대두되고 있다.
현재까지 보고된 과산화수소의 합성법을 정리하면 다음과 같다. M. Giomoa 등은 산소환원 기체확산 전극을 사용하는 과산화수소의 전기생성법을 발표하였다 (ElectrochimicaActa, 54 (2008) 808-815). 또한, L. Wang 등은 플라즈마 방전에 의한 비스페놀 A (BPA)의 분해(degradation)및 과산화수소의 동시 형성에 대해 보고하였다 (Journal of Hazardous Materials, 154 (2008) 1106-1114).
M. Panizza 등은 공기가 공급되는 기체확산 양극(cathode)을 사용하여 낮은 이온 강도의 용액으로부터 과산화수소를 전기 생성하는 방법을 보고하였다 (Electrochimica Acta, 54 (2008) 876-878). 한편, J.C. Forti 등은 2-에틸안트라퀴논으로 개조된 산소가 공급되는 흑연/PTEE 전극을 이용하여 과산화수소 생성 효율이 개선되었다고 보고하였다 (Journal of Electroanalytical Chemistry, 601 (2007) 63-67). 또한, I. Yamanaka는 물과 산소의 전기분해에 의해 중성 과산화수소를 합성하였다. R. Gopal은 산소가 공급되고 유기 산화환원 촉매가 적용된 기체확산 전극에서 과산화수소 산성 수용액의 합성의 개선방법을 제시하였다(US Patent 6,712,949). 또한, Lehmann 등은 연료전지 내에서 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통한 과산화수소 합성 과정을 청구하였다 (US Patent 6,685,818).
Y. Nakajima 등은 기체 확산 양극이 있는 양극 챔버 내의 산소를 포함하는 기체와 전해질을 이용하여 과산화수소를 생성하는 방법을 공개하였다 (US Patent 6,773,575). 또한, M. Uno 등은 다원자 금속 이온이 없는 전해질 내에서 오랜 시간을 통한 과산화수소의 안정적 생성을 선언하였다 (US Patent 6,767,447).
이러한 다양한 방법에도 불구하고, 종래 산업적으로 가장 효율적인 과산화수소의 대용량 합성방법은 안트라퀴논을 기본으로 하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 작은 용량의 현장 발생용이나 보급용, 그리고 즉석 활용을 위한 용도로는 매우 불편하다. 이는 생산된 과산화수소는 고농도로 보관이 되며 필요한 현장에 운송이 되기 때문에 안전문제가 있을 수 있다. 그리고 반응중에 부반응 물질이 생기기 때문에 환경적 문제가 있을 수 있다.
일반적으로, 과산화수소 합성을 위한 전기화학적 또는 전기분해적 방법은 안트라퀴논 방식에 비해 더 높은 순도, 더 적은 분리 과정, 더 적은 부산물과 높은 안전성 및 적은 환경문제 등의 장점을 제공한다. 과 황산염 공정으로 알려진 가장 전통적인 전기분해 합성법은 높은 부식성 전해질과 백금으로 된 음극(anode)을 필요로 한다. 그럼에도 불구하고 그 효율은 25%로 낮은 수준에 머무르고 있다.
보다 최근의 접근 방법은 기체 확산층 또는 trickle bed 반응기 내에서 산소를 전기화학적으로 환원시키는 것이다. 그러나, 이 방법은 1) 대체로 알칼리 전해질에서 작동하고, 2)순수한 산소를 필요로 하고, 3) 수 퍼센트 정도의 낮은 농도만 얻어진다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 착안된 기술로서 물이나 초순수를 채 전극을 이용한 전기분해를 통해서 과산화수소를 생산하는 기술로 분리공정이 없고 친환경적이며 현장에서 필요에 따라 과산화수소를 생산할 수 있는 고 효율의 과산화수소 생성용 전극 조립체를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고 효율의 과산화수소 생성용 전극 조립체가 적용된 과산화수소 생성용 전해 시스템을 제공하는데 그 목적을 갖는다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 과산화수소 생성용 전극 조립체는 전해질을 포함하지 않는 물을 이용하여 과산화수소를 생성하기 위한 전극 조립체로서, 전기활성 코팅물질이 메쉬형 채전극 표면에 코팅되어 형성된 환원 채 전극과, 상기 환원 채 전극과 면접하는 양이온 교환막 및 상기 양이온 교환막과 면접하는 매쉬 형태의 산화 채 전극을 포함하는 구성을 갖는다.
일 실시예에 따른 전극 조립체에 있어서, 상기 전기활성 코팅 물질은 탄소를 포함하는 전기활성 물질 3 내지 12 중량%, 바인더 1 내지 3 중량% 및 여분의 알콜성 용매가 혼합된 조성을 갖는 전기활성 코팅 페이스트를 상기 메쉬형 채 전극의 표면에 적어도 2회 이상 코팅함으로서 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 전극 조립체에 있어서, 상기 탄소를 포함하는 전기활성 물질은 그래파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 탄소파우더, 카본블랙, 탄소와 금속의 혼합물 및 탄소와 금속의 화합물을 적어도 하나 포함하고, 상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 및 폴리플루오린화비닐(PVF)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 불소수지를 사용할 수 있다.
일 실시예에 따른 전극 조립체에 있어서, 상기 메쉬 형태의 환원 채 전극 또는 상기 메쉬 형태의 산화 채 전극은 0.1 mm2내지 0.8mm2 면적의 채 눈을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따른 전극 조립체에 있어서, 상기 메쉬 형태의 환원 채 전극 또는 상기 메쉬 형태의 산화 채 전극은 0.2 내지 0.3mm의 매쉬 선경을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 과산화수소 생성용 전해 시스템은 그 내부에 수용된 물의 용존 산소가 환원 전극에 의해 환원작용이 이루어져 과산화수소가 생성되는 환원 전해조와, 상기 환원 전해조와 마주하며 체결되며, 그 내부에 수용된 물이 산화 전극에 의해 산화가 이루어지는 산화 전해조와, 상기 환원 전해조와 산화전해조 사이에 구비되며, 전기활성 코팅물질이 메쉬형 채전극 표면에 코팅되어 형성된 환원 채 전극과, 상기 메쉬 형태의 환원 채 전극과 면접하는 양이온 교환막 및 상기 양이온 교환막과 면접하는 매쉬 형태의 산화 채 전극을 포함하는 과산화수소 생성용 전극 조립체 및 상기 환원 채 전극과 산화 채 전극에 전기를 인가하는 전력 공급부를 포함할 수 있다.
언급한 본 발명의 과산화수소 생성용 전극 조립체의 경우, 상술한 전기활성 코팅물질이 그 표면에 코팅된 메쉬 형태의 환원 채 전극을 포함함으로 인해 물을 이용한 전기분해 방식을 이용한 과산화수소 생성 시스템에서 전해질을 별도로 사용하지 않고도 효과적으로 과산화수소를 생성할 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체가 적용되는 상기 과산화수소 생성용 전해 시스템은 별도의 전해질을 이용하지 않기 때문에 전극 구조체의 손실을 최소화활 수 있을 뿐만 아니라 낮은 전기에너지를 이용하기 때문에 가동이 용이하고 소형화가 가능하며, 종래 기술에 비해 낮은 비용으로 구현 가능하다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 물을 이용하여 과산화수소를 생성하기 위한 전극 조립체를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전극 조립체가 적용되는 본 발명의 일 예에 따른 과산화수소 생성용 전해 시스템을 나타내는 도이다.
도 3은 본 발명에 일 실시예에 따른 전극 조립체에 적용되는 환원 채 전극을 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 과산화수소 생성용 전해시스템에 적용되는 비교예의 환원 채 전극을 나타내는 사진이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1의 환원 전극의 적용에 따른 과산화수소 생성용 전해 시스템에서의 과산화수소 발생량을 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1의 환원 전극의 적용에 따른 과산화수소 생성용 전해 시스템에서의 전기효율을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성 요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 발명의 명확성을 기하기 위해 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 설명하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
과산화수소 생성용 전극 조립체 및 이의 제조방법
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 물을 이용하여 과산화수소를 생성하기 위한 전극 조립체를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 전기활성 코팅물질이 그 표면에 코팅된 메쉬 형태의 환원 채 전극(120), 상기 환원 채 전극과 면접하는 양이온 교환막(130) 및 상기 양이온 교환막과 면접하는 메쉬 형태의 산화 채 전극(140)을 포함하는 구조를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 전해질을 포함하지 않는 물로부터 메쉬 형태의 채 전극들을 이용하여 과산화수소를 보다 효율적으로 생성하기 위해 전기활성 코팅물질이 그 표면에 코팅된 환원 채 전극(120)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
메쉬 형태를 갖는 환원 채 전극(120)은 메쉬 형태를 갖는 금속의 채 전극을 적용함으로서 물의 접촉면적을 최대한 증가시키는 동시에 상기 채 전극 표면에 탄소를 포함하는 전도성 물질을 포함하는 전기활성 코팅물질이 코팅됨으로 인해 전기 전도도를 크게 향상시키는 구조를 갖는다. 구체적으로, 환원 채 전극(120)은 탄소를 포함하는 전기활성 물질을 포함하는 전기활성 코팅물질(미도시)이 상기 금속의 채 전극(115)의 표면에 코팅됨으로서 수득될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 환원 전극에 적용되는 금속의 채 전극은 채 눈 하나 당 0.1 mm2 내지 0.8mm2 단위 면적을 가질 수 있다. 상기 채 전극을 구성하는 채 눈 한 개당 면적이 작을수록 전극 구조체에서 물과의 접촉 면적이 상대적으로 커짐으로 인해 과산화수소 생성 반응(3-phase boundary 반응)이 증가하여 반응효율이 증가할 수 있다. 그러나, 채 전극의 채 눈 한 개당 면적이 0.1mm2이하가 될 경우 기 채 전극의 표면에 전기활성 코팅물질을 코팅될 때 상기 코팅물질에 의해 채 눈이 막히는 문제점이 발생한다.
그리고 상기 채 전극의 채 눈의 크기가 너무 커지게 되면 전극 구조체에서 물과의 접촉 면적이 작아져 과산화수소 생성 반응(3-phase boundary 반응)이 감소할 수 있다. 따라서 채 전극의 채 눈 한 개당 면적이 0.8 mm2를 초과할 경우 반응의 효율이 급격하게 감소되는 문제점이 발생한다. 따라서, 상기 환원 전극에 적용되는 금속의 채 전극(115)은 채 눈 하나 당 약 0.1 mm2 내지 0.8mm2 단위 면적을 갖는 것이 바람직하고, 약 0.3 mm2 내지 0.6mm2 단위 면적을 갖는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 환원 채 전극 또는 산화 채 전극에 적용되는 채 전극은 금속 라인들이 서로 교차하는 방법으로 짜임으로 형성되는 메쉬 형상을 갖는다. 따라서, 상기 채 전극을 구성하는 금속 라인들의 선경이 0.2mm이하일 경우 채 전극의 내구성이 약해 취급하는데 어려움이 있는 문제점이 있고, 선 경이 0.4mm를 초과할 경우 채전극의 단위 면적당 채 눈의 수가 감소되어 과산화수소 생성 반응이 감소되는 문제점이 초래된다.
상기 채 전극에 코팅되는 전기활성 코팅물질은 탄소를 포함하는 전도성 물질이 바인더에 의해 결합된 상태를 전기활성 코팅막으로서 상기 채 전극의 전기활성 전도를 크게 상향시키는 동시에 과산화수소의 생성을 보다 촉진시킨다. 구체적으로 상기 전기활성 코팅물질은 탄소를 포함하는 전기활성 물질 3 내지 12 중량%, 바인더 1 내지 3 중량% 및 여분의 알콜성 용매가 혼합된 조성을 갖는 전기활성 코팅 페이스트를 상기 메쉬형 채 전극의 표면에 코팅함으로서 형성될 수 있다.
상기 탄소를 포함하는 전도성 물질의 예로서는 그래파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 탄소파우더, 카본블랙, 탄소와 금속의 혼합물 및 탄소와 금속의 화합물등을 들 수 있다. 또한 질산을 이용한 카본물질의 산 처리를 통해서 전기화학적 활성물질의 친수성 정도를 증가시킨 물질도 사용될 수 있다. 이들은 단독 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 일 예로서, 상기 탄소를 포함하는 전도성 물질은 나노 크기를 갖는 탄소 입자들을 적용할 수 있다.
상기 환원 채 전극을 형성하는데 적용되는 전기활성 코팅물질에서 탄소를 포함하는 전도성 물질의 함유량이 3중량% 이하일 경우 채 전극의 전기 활성 반응이 감소되는 문제점이 발생하며, 상기 탄소를 포함하는 전도성 물질의 함유량이 12 중량%를 초과할 경우 페이스트의 점도 증가로 인해 채 전극에 코팅시 채 눈의 막힘이 발생하는 문제점을 있다. 이에 따라, 상기 환원 채 전극을 형성하는데 적용되는 전기활성 코팅물질에서는 탄소를 포함하는 전도성 물질은 3 내지 12중량%가 포함되는 것이 바람직하고, 4 내지 8 중량%가 포함되는 것이 보다 바람직하다.
상기 환원 채 전극을 형성하는데 적용되는 전기활성 코팅물질에 적용되는 바인더는 탄소를 포함하는 전도성 물질을 서로 단단하게 상기 체 전극의 표면에 결합 또는 부착시키는 결합제로 사용된다. 상기 바인더의 예로서는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 및 폴리플루오린화비닐(PVF)등의 불소수지를 들 수 있다.
상기 환원 채 전극을 형성하는데 적용되는 전기활성 코팅물질에서 바인더의 함유량이 1 중량% 이하일 경우 상기 탄소를 포함하는 전도성 물질들 및 재 전극 표면과 결합력이 약해지는 문제점이 초래된다. 상기 바인더의 함유량이 3 중량%를 초과할 경우 전기활성 코팅물질 내부에서 비전도성을 갖는 바인더 함량의 증가로 인해 환원 채 전극의 전기 전도성이 낮아지는 문제점을 있다. 이에 따라, 상기 환원 채 전극의 전기활성 코팅물질에서 바인더는 1 내지 3 중량%가 포함되는 것이 바람직하고, 1 내지 2.5 중량%가 포함되는 것이 보다 바람직하다.
상기 채 전극에 전기활성 코팅물질을 형성하기 위해 적용되는 알코올성 용매는 전기활성 코팅 페이스트의 농도를 조절하기 위해 사용되는 용매로서 본 실시예에서는 그 함량을 구체적으로 한정하지 않는다. 또한, 상기 전기활성 코팅물질을 채 전극에 코팅하는 방법으로는 브러쉬를 이용한 코팅이나 딥코팅(dip coating) 방법이 이용될 수 있다.
본 실시예에서 적용되는 양이온 교환막(130)은 상기 전극 구조체의 포함된 환원 채 전극과 산화 채 전극의 사이에 구비되며, 물을 이동을 차단하는 동시에 수소이온 이동을 위해 사용된다. 상기 양이온 교환막(cation exchange membrane)은 산화 채 전극(anode)의 표면에 물(H2O)이 흡착되어 물 분해(Water dissociation) 현상에 의해 생성된 수소이온(proton, H+)을 환원 채 전극으로 이동시켜 환원 채 전극(cathode) 표면에서 외부 주입된 산소와 상기 수소이온의 결합을 유도하여 과산화수소를 생성할 수 있도록 한다.
일 예로서, 본 실시예에서는 산화 채 전극에서 생성된 수소이온을 환원 채 전극(cathode) 표면으로 이동시켜 과산화수소의 발생을 촉진하기 위해 수소이온에 대한 선택성이 높은 나피온(Nafion) 양이온 교환막을 사용하는 것이 바람직하다.
산화 채 전극(140)은 IrO2나 RuO2와 같은 물질이 코팅된 채 전극 또는 스테인리스 스틸 채 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 산화반응을 통해 오존과 같은 산화제를 발생하고자 하면, 산화 채 전극으로 채 전극 형태의 BDD 전극이나 PbO2 가 코팅된 채 전극을 사용할 수 있다.
상술한 전기활성 코팅물질이 그 표면에 코팅된 메쉬 형태의 환원 채 전극(120), 상기 환원 채 전극과 면접하는 양이온 교환막(130) 및 상기 양이온 교환막과 면접하는 메쉬 형태의 산화 채 전극(140)을 포함하는 전극 조립체는 물을 이용한 전기분해 방식을 이용한 과산화수소 생성 시스템에서 전해질을 별도로 사용하지 않고도 효과적으로 과산화수소를 생성할 수 있다.
과산화수소 생성용 전해 시스템
도 2는 도 1에 도시된 전극 조립체가 적용되는 본 발명의 일 예에 따른 과산화수소 생성용 전해 시스템을 나타내는 도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 과산화수소 생성용 전해 시스템(500)은과산화수소가 생성되는 환원 전해조(200), 수소가 생성되는 산화 전해조(300) 상기 환원 전해조와 산화전해조 사이에 구비되는 전극 조립체(100) 및 상기 전극 조립체에 적용된 전극에 각각 전기를 공급하는 전원 공급부(400)를 포함하는 구성을 갖는다.
본 실시예에 따른 과산화수소 생성용 전해 시스템(500)에 적용되는 전해조는 상기 전극 조립체(100)에 의해 환원 전해조(200)와 산화 전해조(300)로 구획 또는 구분될 수 있다.
일 예로서, 전해조는 전극 조립체(100)를 사이에 두고, 독립된 환원 전해조(200)와 독립된 산화 전해조(300)를 포함하는 구조를 가질 수 있다. 상기 환원 전해조(200)와 산화 전해조(300)는 서로 접하는 부분이 일부 연통되는 구조를 갖고 볼트 결합으로 인해 일체형으로 체결될 수 있다. 이때, 상기 환원 전해조(200)는 상기 전극 조립체에 포함된 메쉬 형태를 갖는 환원 채 전극(120)과 접하고, 산화 전해조(300)는 상기 전극 조립체에 포함된 메쉬 형태를 갖는 산화 채 전극(140)과 접한다.
또한, 상기 환원 전해조(200)와 마주하면서 과산화수소 생성공정이 환원 전해조와 밀착 체결되는 전극 조립체 사이에는 제1 패킹(미도시)이 존재하고, 상기 산화 전해조(300)와 마주하면서 과산화수소 생성공정이 산화 전해조와 밀착 체결되는 전극 조립체 사이에는 제2 패킹(114)이 존재한다. 이로 인해, 환원 전해조(200)와 산화 전해조(300)의 결합시 제1 패킹과 제2 패팅은 서로 밀착될 수 있으며, 제1 패킹과 제2 패킹 사이에는 상기 전극 구조체가 구비될 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 패킹으로 오링을 사용할 수 있다.
다른 예로서, 상기 전해조는 일체형 구조를 갖고, 전극 조립체(100)가 상기 일체형 전해조에 내부에 삽입됨으로 인해 환원 전해조(200)와 산화 전해조(300)로 구획될 수 있다. 이때. 환원 전해조(200)는 상기 전극 조립체에 포함된 메쉬 형태를 갖는 환원 채 전극(120)과 접하고, 산화 전해조(300)는 상기 전극 조립체에 포함된 메쉬 형태를 갖는 산화 채 전극(140)과 접한다.
상기 산화 전해조 및 환원 전해조는 생성되는 가스 등에 따라서 다르지만, 내구성 및 안정성의 관점에서, 글라스 라이닝 재료, 카본, 플라스틱 및 PTFE 수지 등의 절연성 재질을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
상기 산화 전해조 및 환원 전해조는 각각 상기 전극 조립체와 마주하는 측면이 개방된 구조를 갖고, 물을 공급받을 수 있도록 그 상부에 공급부가 형성된 구조를 가질 수 있다. 일 예로서, 상기 환원 전해조는 과산화수소의 생성이 보다 효과적으로 생성될 수 있도록 산소를 추가적으로 공급 받을 수 있는 구조를 가질 수 있다.
상기 전극 조립체(100)는 환원 전해조(200)와 산화 전해조(300)사이에 구비되며, 구조전기활성 코팅물질이 그 표면에 코팅된 메쉬 형태의 환원 채 전극(120), 상기 환원 채 전극과 면접하는 양이온 교환막(130) 및 상기 양이온 교환막과 면접하는 메쉬 형태의 산화 채 전극(140)을 포함하는 구조를 갖는다. 상기 전극 조립체에 대한 구체적인 설명은 위에서 상세히 설명하였기에 중복을 피하기 위해 생략하였다.
상기 과산화수소 생성용 전해 시스템에서 과산화수소를 생성하기 위해 상기 전극 조립체에 전력을 공급하는 전력 공급부가 적용될 있다. 상기 전력 공급부는 상기 산화 채전극과 환원 채 전극의 양끝 단과 연결되어 과산화수소를 생성하기 위한 기화학적 환원반응을 수행하기 위해 전력을 공급한다.
상기 전극 조립체가 적용되는 과산화수소 생성용 전해 시스템은 산화 채 전극에서 물의 산화반응으로 전자와 수소이온을 생성하고, 외부 서킷을 통해서 이동된 전자와, 양이온 교환막을 통해서 이동한 후 환원 채 전극에서 산소의 환원반응을 통해서 과산화수소를 생성한다.(anode: O2+2H++2e=H2O at 1.23V vs. NHE, cathode: O2+2H++2e=H2O2 at 0.68V vs. NHE).이 때 과산화수소를 생성하기 위한 전기화학적 환원반응은 전극, 양이온교환막, 산소가 모두 만나는 3-phase boundary에서 일어나게 된다.
특히 상술한 구성을 갖는 과산화수소 생성용 전해 시스템은 기존 과산화 수소 생성 장치에서 전극을 채 전극 형태로 변형함과 동시에 그 표면에 별도의 전기활성 물질을 추가적으로 코팅함으로서 기존 과산화수소 생성 율을 보다 효과적으로 향상시켜 고효율의 과산화수소 생성용 전해 시스템을 구축할 수 있다. 또한, 상기 과산화수소 생성용 전해 시스템은 별도의 전해질을 이용하지 않기 때문에 전극 구조체의 손실을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 낮은 전기에너지를 이용하기 때문에 가동이 용이하고 소형화가 가능하며, 종래 기술에 비해 낮은 비용으로 구현 가능하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예 및 비교예를 들어 보다 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 하기 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
실시예 1
전기방사법으로 얻은 카본파이버를 분쇄하고 분쇄된 카본파이버와 Polyvinylidene fluoride (PVDF), N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP)를 0.12 g: 0.06 g: 2 mL 의 비율로 혼합하여 슬러리 상태의 용액을 만든다. 이를 stainless steel 채 전극에 붓으로 코팅하였다. 여기에 사용된 stainless steel 채 전극의 크기는 겉보기 면적은 30 mm ㅧ 40 mm 이고 채 눈의 크기는 0.44 mm2이며 채 눈의 수 는 1344개 이다. 카본파이버가 코팅된 채 전극을 70o℃오븐에서 건조시켰으며 이 과정을 3번 반복하여 도 3에 도시된 환원 채 전극을 마련하였다. 이때, 채 전극에 코팅된 도전성 코팅 물질의 질량은 70 mg으로 측정되었다.
비교예 1
카본파이버가 Nafion에 hot-press법으로 코팅된 전극을 마련하였다. 상기 전극의 경우 파우더 형태의 CF와 PVDF를 2: 1 의 질량비로 혼합한 후 점토와 같은 상태가 될 때까지 용매인 NMP를 첨가하면서 혼합해 주었다. 이 혼합물을 hot-press에서(Rotech Engineering, Pressing Machine, Korea) 25bar, 100oC에서 1시간 동안 한 쪽면의 Nafion에만 압착하여 도 4에 도시된 환원 전극인 CFNA를 마련하였다.
과산화수소 생성용 환원 전극의 평가
실시예 1의 환원 채 전극 및 비교예 1의 전극을 각각 과산화수소 생성용 환원 전극으로 사용하고, 산화전극으로는 전기화학적 활성물질이 코팅되지 않은 동일한 크기의 stainless steel 채 전극을 사용하였다. 상기 전극을 양이온교환막(Nafionㄾ117) 접촉시켜 전극/양이온교환막/전극이 적층된 전극 조립체를 구성하여 과산화수소 생성용 시스템에 적용하였다. 양쪽의 전해조에 75 mL의 초순수를 넣고 환원 채 전극이 있는 전해조에는 50 mL/min의 유량으로 산소를 지속적으로 공급하면서 과산화수소 생산실험을 하였다.
이때, 조건으로 전위차계를(potentiostat) 이용하여 -0.1 V vs. Ag/AgCl를 환원 채 전극에 인가하였고, 20분 동안 생산된 과산화수소 농도를 측정하여 이에 따른 환원반응 전류효율 및 에너지 소모량을 각각 계산하여 그 결과를 하기 도 5 및 6의 그래프에 개시하였다.
여기서, 전기화학 반응에 의해서 발생된 과산화수소는 copper (II) 와 DMP를 이용하여 454 nm에서 흡광도 변화를 통해서 분석하였다. 전기화학 반응 동안 기록된 전류를 이용하여 환원반응 전류효율 및 에너지 소모량을 2전자 전달 반응으로 계산하였다.(하기 식에서 n은 전자의 수, F는 Faraday 상수 (96485 C), CH2O2는 발생된 과산화수소의 몰농도 (M), V는 초순수의 부피 (L), I는 전류 (A), P는 인가된 전압 (V), t는 전기화학 반응시간을 (sec) 나타낸다.)
Figure 112012101367678-pat00001

도 5 및 도 6의 그래프의 결과에서 알 수 있듯이, -0.1V (vs. Ag/AgCl)가 인가되었을 경우 20분 동안 발생된 과산화수소의 농도와 전류효율은 전극물질이 코팅된 실시예 1의 채 전극을 이용하였을 경우 과산화수소 발생량은 nafion에 전극물질이 코팅되어 있는 비교예1의 전극에 비해 약 4배 정도 증가한 것으로 확인되었다. 또한, 전류의 효율의 경우 약 23배 증가한 것으로 확인되었다.

Claims (6)

  1. 전해질을 포함하지 않는 물을 이용하여 과산화수소를 생성하기 위한 전극 조립체에 있어서,
    전기활성 코팅물질이 메쉬형 채전극 표면에 코팅되고, 0.1 mm2내지 0.8mm2 면적의 채 눈을 갖는 환원 채 전극;
    상기 환원 채 전극과 면접하는 양이온 교환막; 및
    상기 양이온 교환막과 면접하는 매쉬 형태의 산화 채 전극을 포함하되,
    상기 전기활성 코팅 물질은 그래파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 탄소파우더, 카본블랙, 탄소와 금속의 혼합물 및 탄소와 금속의 화합물을 적어도 하나를 포함하는 전기활성 물질 3 내지 12 중량%, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 및 폴리플루오린화비닐(PVF)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 바인더 1 내지 3 중량% 및 여분의 알콜성 용매가 혼합된 조성을 갖는 전기활성 코팅 페이스트인 것을 특징으로 하는 과산화수소 생성용 전극 조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 메쉬 형태의 산화 채 전극은 0.1 mm2내지 0.8mm2 면적의 채 눈을 갖는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생성용 전극 조립체.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 메쉬 형태의 환원 채 전극 또는 상기 메쉬 형태의 산화 채 전극은 0.2 내지 0.3mm의 메쉬 선경을 갖는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생성용 전극 조립체.
  6. 그 내부에 수용된 물의 용존 산소가 환원 전극에 의해 환원작용이 이루어져 과산화수소가 생성되는 환원 전해조;
    상기 환원 전해조와 마주하며 체결되며, 그 내부에 수용된 물이 산화 전극에 의해 산화가 이루어지는 산화 전해조;
    상기 환원 전해조와 산화전해조 사이에 구비되며, 전기활성 코팅물질이 메쉬형 채전극 표면에 코팅되고, 0.1 mm2내지 0.8mm2 면적의 채 눈을 갖는 환원 채 전극과, 상기 환원 채 전극과 면접하는 양이온 교환막 및 상기 양이온 교환막과 면접하는 매쉬 형태의 산화 채 전극을 포함하는 과산화수소 생성용 전극 조립체; 및
    상기 환원 채 전극과 산화 채 전극에 전기를 인가하는 전력 공급부를 포함하되,
    상기 전기활성 코팅 물질은 그래파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 탄소파우더, 카본블랙, 탄소와 금속의 혼합물 및 탄소와 금속의 화합물을 적어도 하나를 포함하는 전기활성 물질 3 내지 12 중량%, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 및 폴리플루오린화비닐(PVF)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 바인더 1 내지 3 중량% 및 여분의 알콜성 용매가 혼합된 조성을 갖는 전기활성 코팅 페이스트인 것을 특징으로 하는 과산화수소 생성용 전해 시스템.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101932428B1 (ko) * 2017-10-16 2018-12-26 한국과학기술연구원 환원전극 물질 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 전기펜톤장치
WO2020166776A1 (ko) * 2019-02-11 2020-08-20 주식회사 보야스에너지 리튬이온교환막 수전해 시스템

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101966784B1 (ko) * 2017-10-12 2019-04-10 한국에너지기술연구원 과산화수소 연속 생성 장치
WO2019118898A1 (en) * 2017-12-15 2019-06-20 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University High-efficiency oxygen reduction to hydrogen peroxide catalyzed by oxidized carbon materials
EP3864192A4 (en) * 2018-10-12 2022-08-31 Synexis LLC ELECTROLYTIC DEVICES AND METHODS FOR PRODUCTION OF DRY HYDROGEN PEROXIDE
CN110965077B (zh) * 2019-12-04 2021-04-02 武汉科技大学 一种单层自呼吸高效产双氧水阴极片的制备方法
KR102456504B1 (ko) * 2021-01-11 2022-10-18 울산과학기술원 산소 환원반응과 물 산화반응을 이용하는 과산화수소 발생용 촉매체 및 이를 포함하는 과산화수소 발생장치

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040055199A (ko) * 2002-12-20 2004-06-26 권호용 전기분해장치와 이를 이용한 전기분해수 생성장치,이온수기 및 용존산소 정수기
JP2010215744A (ja) * 2009-03-16 2010-09-30 Tokyo Institute Of Technology 電子・イオン混合伝導性膜およびそれを用いた過酸化水素の製造方法
JP2012086167A (ja) 2010-10-20 2012-05-10 Toshiba Corp 過酸化水素水の生成装置および除菌システム
JP4944615B2 (ja) * 2003-11-14 2012-06-06 ベーアーエスエフ フューエル セル ゲーエムベーハー ガス拡散材料のための構造及びその製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040055199A (ko) * 2002-12-20 2004-06-26 권호용 전기분해장치와 이를 이용한 전기분해수 생성장치,이온수기 및 용존산소 정수기
JP4944615B2 (ja) * 2003-11-14 2012-06-06 ベーアーエスエフ フューエル セル ゲーエムベーハー ガス拡散材料のための構造及びその製造方法
JP2010215744A (ja) * 2009-03-16 2010-09-30 Tokyo Institute Of Technology 電子・イオン混合伝導性膜およびそれを用いた過酸化水素の製造方法
JP2012086167A (ja) 2010-10-20 2012-05-10 Toshiba Corp 過酸化水素水の生成装置および除菌システム

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101932428B1 (ko) * 2017-10-16 2018-12-26 한국과학기술연구원 환원전극 물질 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 전기펜톤장치
WO2020166776A1 (ko) * 2019-02-11 2020-08-20 주식회사 보야스에너지 리튬이온교환막 수전해 시스템

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