KR102498338B1 - 과산화수소 제조용 전기분해장치 및 이를 이용한 과산화수소의 제조 방법 - Google Patents

과산화수소 제조용 전기분해장치 및 이를 이용한 과산화수소의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

일 태양에 따른 과산화수소 제조용 전기분해장치를 제공한다. 상기 과산화수소 제조용 전기분해장치는 전해조; 상기 전해조에 설치되고, 무기탄소-유기물질 촉매층을 포함하는 캐소드; 및 상기 전해조에 설치되고, 상기 캐소드와 이격되어 있는 애노드;를 포함하고, 상기 유기물질은 4,4'-디아미노아조벤젠(4,4'-diaminoazobenzene, DAAB) 또는 2-하이드록시-1,4-나프토퀴논(2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, HNQ)을 포함하고, 상기 캐소드로 공급되는 산소가 환원되어 과산화수소를 생성한다.

Description

과산화수소 제조용 전기분해장치 및 이를 이용한 과산화수소의 제조 방법{Electrolysis device and method for production of hydrogen peroxide}
본 발명은 과산화수소 제조용 전기분해장치 및 이를 이용한 과산화수소의 제조 방법에 관한 것이다.
과산화수소는 제지 및 펄프분야 산화표백제, 섬유/염색분야 표백제, 반도체분야 세정제, LCD/PCB분야 에칭제, 식품공업분야 표백/살균제, 폐수처리장 펜톤산화제 등 다양한 공업분야에서 유용하게 쓰이는 물질이다. 과산화수소를 만드는 대표적인 공정으로는 안트라퀴논 공정(anthraquinone process)이 있다. 해당 공정은 유기 용매 내의 2-알킬안트라퀴논(2-alkylanthraquinone)이 촉매 하에서 수소와 반응하여 하이드로퀴논(hydroquinone)이 되는 수첨 공정, 이후 공기 중의 산소를 환원시켜 과산화수소를 생성하는 산화 공정, 이후 순수를 투입하여 과산화수소를 추출하는 추출공정, 최종적으로는 증류를 통한 농축 공정을 거친다. 안트라퀴논 공정은 오늘날 주요한 과산화수소 제조 공정으로 자리를 잡고 있지만, 값비싼 수소 기체와 귀금속인 팔라듐 촉매를 요구하며, 반응을 유지하기 위해 들어가는 에너지가 매우 크고, 폭발 가능성이 있는 수소 기체와 독성 유기 용매를 사용해야 한다는 점에서 비용이 높고, 비환경적이며, 위험성을 포함한다.
이러한 안트라퀴논 공정의 문제를 해결하기 위해 사용될 수 있는 것이 산소의 환원을 통한 전기화학적 과산화수소 합성이며, 이를 위한 다양한 탄소 기반의 촉매들이나 수은-귀금속 합금 촉매들이 개발되었다. 그러나 탄소 기반 촉매는 전기적 구조나 에너지 준위 등이 명확히 규명되지 않아 활성 자리의 제어를 통한 과산화수소 생성 효율의 상승이 어렵다는 단점이 있고, 수은-귀금속 합금 촉매의 경우 원재료가 비싸고 수은의 유출 가능성으로 인한 환경문제가 있다. 또한, 많은 촉매들이 별도의 합성 과정을 거친 후 전극에 적용되어야 하며, 이는 공정을 매우 번거롭게 하는 요인 중 하나로서 작용한다.
뿐만 아니라, 기체 분자가 반응물로서 전기화학반응에 참여하기 위해 전해질 내부에 녹아야 하는 경우, 기체 분자가 전해질에 녹아 전극으로 전달되는 속도(즉, 물질 전달 속도)가 전체 공정의 효율을 결정하는 요인이 될 수 있다. 기체 분자가 효과적으로 전달되지 않는 시스템의 경우, 물질 전달 속도가 공정의 효율을 제한할 수 있다. 전기화학적으로 산소를 환원하여 과산화수소를 제조하는 공정에서는 산소 전달 과정이 전체 공정의 효율에 미치는 영향을 크며, 이를 최소화하기 위하여 전통적인 전극의 형태에서 벗어날 필요성이 있다.
위와 같은 이유들에 기반하여, 효율적인 과산화수소 제조 공정의 개발은 단순히 효율적이고 안전한 전극 촉매 물질 개발만을 고려할 것이 아니라, 효과적인 반응 조건(전극, 전해셀의 구조 등)의 개발에도 초점을 두고 고려를 해야한다.
본 발명은 효과적인 반응 조건을 제공하여 효율적으로 과산화수소를 제조할 할 수 있는 과산화수소 제조용 전기분해장치 및 이를 이용한 과산화수소 제조방법을 제공하는 것이다.
일 태양에 따른 과산화수소 제조용 전기분해장치를 제공한다. 상기 과산화수소 제조용 전기분해장치는
전해조;
상기 전해조에 설치되고, 무기탄소-유기물질 촉매층을 포함하는 캐소드; 및
상기 전해조에 설치되고, 상기 캐소드와 이격되어 있는 애노드;를 포함하고,
상기 유기물질은 4,4'-디아미노아조벤젠(4,4'-diaminoazobenzene, DAAB) 또는 2-하이드록시-1,4-나프토퀴논(2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, HNQ)을 포함하고,
상기 캐소드로 공급되는 산소가 환원되어 과산화수소를 생성한다.
상기 캐소드는 가스확산전극(gas diffusion electrode, GDE)일 수 있다.
상기 가스확산전극은 중첩된 복수 개의 니켈 폼(nickel foam)이 압착되어 형성될 수 있다.
상기 무기탄소-유기물질 촉매의 상기 유기물질의 함량은 상기 무기탄소-유기물질 촉매의 전체 중량에 대하여 0.1 중량 % 내지 20 중량 %일 수 있다.
상기 탄소는 카본블랙을 포함할 수 있다.
상기 애노드는 예를 들어 백금(Pt), BOD(boron-doped diamond), 또는 그래파이트(graphite)를 포함할 수 있다.
다른 일 태양에 따른 과산화수소 제조방법을 제공한다. 상기 과산화수소 제조방법은
상기 과산화수소 제조용 전기분해장치의 상기 전해조에 전해액을 공급하는 단계;
상기 캐소드에 산소를 공급하는 단계; 및
상기 캐소드와 상기 애노드에 전류 또는 전압을 인가하는 단계;를 포함한다.
상기 전해액은 인산완충용액을 포함할 수 있다.
상기 캐소드에 제공되는 산소의 압력은 0.1 내지 10 bar 일 수 있다.
상기 전기분해장치에 전류밀도가 5 mA/cm2 내지 50 mA/cm2 이 되도록 전압 또는 전류가 인가될 수 있다.
본 발명에 의하면 무기탄소-4,4'-디아미노아조벤젠(DAAB) 또는 무기탄소-2-하이드록시-1,4-나프토퀴논(HNQ)을 포함하는 촉매층으로 개질된 가스확산전극을 사용함으로써 효율적으로 산소를 환원시켜 과산화수소를 제조할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 과산화수소 제조용 전기분해장치를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 가스확산층에 무기탄소-유기물질 촉매층이 형성된 캐소드를 도시한 개념도이다.
도 3은 4,4'-디아미노아조벤젠(DAAB) 화합물의 구조를 보여준다.
도 4는 2-하이드록시-1,4-나프토퀴논(HNQ) 화합물의 구조를 보여준다.
도 5는 전기분해장치를 이용한 과산화수소의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 실시예 3, 4 및 비교예 4, 5, 6의 과산화수소 생성시 반응 시간에 따른 과산화수소의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 반응개시 20분 및 30분 경과 후 실시예 3, 4 및 비교예 4, 5, 6의 과산화수소 농도을 나타낸 그래프이다.
도 8은 반응개시 20분 및 30분 경과 후 실시예 3, 4 및 비교예 4, 5, 6의 과산화수소 생성효율을 나타낸 그래프이다.
이하에서 구현예들에 따른 과산화수소 제조용 전기분해장치 및 이를 이용한 과산화수소 제조방법을 상세히 설명한다.
(과산화수소 제조용 전기분해장치)
도 1은 일 구현예에 따른 과산화수소 제조용 전기분해장치를 개념적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 과산화수소 제조용 전기분해장치(100)는 가스챔버(10), 캐소드(20), 애노드(30) 및 전해조(40)를 포함한다.
가스챔버(10)는 산소를 포함하며, 캐소드(20)와 인접하여 캐소드(20)에 산소를 공급할 수 있다.
캐소드(20)는 전기분해과정에서 산소가 환원되어 과산화수소가 생성되는 전극이다. 캐소드(20)는 전극 물질(21)과 그 위에 형성된 무기탄소-유기물질 촉매층(22)을 포함한다. 즉, 캐소드(20)는 전극 물질의 표면이 무기탄소-유기물질 촉매로 개질되어 있다.
무기탄소-유기물질 촉매는 무기물질인 카본블랙 분말에 산소를 환원시켜 과산화수소를 생성시킬 수 있는 유기물질이 혼합되어 있는 촉매이다. 이때 카본블랙은 전극 물질(21)로부터 전자를 공급받아서 산소를 환원시켜 과산화수소를 생성시킬 수 있을 뿐 아니라 유기물질을 전극 물질(21) 표면에 고정시키는 역할을 할 수 있다. 유기물질은 전극 물질(21)으로부터 전자를 받고 전해조(40) 내의 전해질로부터 수소 이온을 받아서 환원될 수 있고, 환원된 유기물질과 산소가 반응하여 산소가 환원되어 과산화수소가 생성될 수 있다. 무기탄소-유기물질 촉매는 촉매 전체 중량에 대하여 유기물질을 0.1 중량 % 내지 10 중량 %로 함유할 수 있다. 유기물질이 상기 범위로 존재할 경우 순수한 카본블랙에 비해 보다 효율적으로 과산화수소를 생성할 수 있다.
캐소드(20)는 가스확산전극(gas diffusion electrode, GDE)일 수 있다. 캐소드(20)는 예를 들어 다공성인 가스확산층의 표면이 무기탄소-유기물질 촉매로 코팅된 전극일 수 있다. 즉, 전극 물질(21)은 다공성의 가스확산층일 수 있다.
캐소드(20)의 가스확산층(21)은 예를 들어 니켈 폼(nickel foam)으로 형성될 수 있다. 캐소드(20)의 가스확산층(21)은 구체적으로 니켈 폼을 복수 개 중첩하고 압착하여 형성될 수 있다. 예를 들어 니켈 폼 5 내지 10장을 중첩하고, 이를 핫프레스로 압착하여 캐소드(20)의 가스확산층(21)을 형성할 수 있다. 이 가스확산층(21)의 한쪽 면에 무기탄소-유기물질 촉매층(22)을 형성하여 캐소드(20)를 형성할 수 있다.
도 2는 가스확산층(21)에 무기탄소-유기물질 촉매층(22)이 형성된 캐소드(20)를 도시한 개념도이다. 도 2를 참조하면, 가스확산층(21)의 일면에 무기탄소-유기물질 촉매층(22)이 형성되어 있다. 도 2의 무기탄소-유기물질 촉매층(22)에서 무기탄소는 22a로 표시되었고, 유기물질은 22b로 표시되었다. 무기탄소-유기물질 촉매층(22)의 반대편 가스확산층(21a)으로부터 산소가 공급되어 가스확산층(21a)을 통과하여 무기탄소-유기물질 촉매층(22)에 산소가 공급되면 무기탄소-유기물질 촉매층(22)과 반응하여 산소가 환원되면서 과산화수소가 생성된다.
유기물질은 예를 들어 4,4'-디아미노아조벤젠(4,4'-diaminoazobenzene, DAAB) 또는 2-하이드록시-1,4-나프토퀴논(2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, HNQ)일 수 있다. DAAB 와 HNQ 는 에탄올에 용해되며 카본블랙 또한 에탄올에 쉽게 분산되므로 무기탄소-유기물질 촉매층을 제작하는 과정에서 촉매층 형성을 위한 잉크의 균일한 혼합 및 빠른 건조를 위한 번거로운 추가 공정이 요구되지 않는다. 또한, DAAB 와 HNQ 는 과산화수소의 제조를 위한 전기분해의 운영 조건인 중성 pH 영역에서 전해질로 녹아 나오지 않고 따라서 수계로의 유출될 걱정이 없다.
도 3 및 도 4는 각각 4,4'-디아미노아조벤젠(DAAB)과 2-하이드록시-1,4-나프토퀴논(HNQ) 화합물의 구조를 보여준다. 도 3을 참조하면, DAAB의 -N=N- 기가 전자(2e-)와 수소이온(2H+)을 받아서 -HN-NH- 기로 환원된다. 환원된 DAAB는 산소와 반응하여 전자와 수소이온을 산소에 전달하고 산화되고, 전자와 수소이온을 전달받은 산소는 과산화수소로 환원된다. 도 4를 참조하면, HNQ가 전자와 수소이온을 받으면 2개의 =O 기가 -OH 기로 환원된다. 환원된 HNQ는 산소와 반응하여 전자와 수소이온을 산소에 전달하고 산화되고, 전자와 수소이온을 전달받은 산소는 과산화수소로 환원된다.
이와 같이 무기탄소-유기물질로 개질된 캐소드는 기존의 안트라퀴논 공정과 달리 반응물로 수소 가스가 아닌 산소를 이용하며, 상온 조건에서 운영이 가능하다. 또한, 가스확산전극의 다공성 구조를 통한 기체의 전해질로의 원활한 확산 및 분산이 전체 반응 속도에서 물질(산소) 전달의 영향을 최소화시킬 수 있다.
카본블랙은 산소의 과산화소로의 환원에 대해 높은 선택성을 가지며, 분말로서 물에 녹지 않으므로 생성된 과산화수소의 분리가 쉬운 반면, 반응을 위해 인가해 줘야하는 전압이 이론적인 전압에 비해 커서 환원 과정에 많은 에너지가 필요하다. DAAB 또는 HNQ는 안트라퀴논과 유사하게 산소의 환원을 유도할 수 있으나, 안트라퀴논과 마찬가지로 이들 유기물 또한 균일계에서 해당 반응을 유도할 경우 생성된 과산화수소의 분리에 추가적인 공정이 요구된다. 캐소드(20)의 촉매층(22)으로 카본블랙과 DAAB 또는 HNQ의 유기물질을 함께 사용함으로써 산소로부터 과산화수소를 생성하는 에너지를 줄임과 동시에 생성된 과산화수소의 분리의 어려움을 줄일 수 있다.
애노드(30)는 전해질 및 생성물의 산화가 일어나는 전극이다. 애노드(30)는 예를 들어 백금(Pt), BDD(boron-doped diamond), 그라파이트 등의 물질로 이루어질 수 있다.
전해조(40) 내의 전해질은 수소이온을 캐소드로 전달할 수 있다. 수소이온은 애노드에서 생성되거나 혹은 전해질 내의 물에 의해 공급될 수 있다. 전해조(40) 내의 전해질은 예를 들어 인산염완충용액, 과염소산염나트륨(NaClO4) 용액 등으로 형성할 수 있다. 전해질의 pH는 6 내지 7일 수 있다. 전해질이 상기 pH 범위에 있을 때 환원극이 안정적으로 작동할 수 있다.
전해조(40)는 캐소드(20)와 애노드(30) 사이에 선택적으로 분리막(미도시)을 설치할 수 있다. 분리막(미도시)는 전하 및 수소이온을 선택적으로 투과시킬 수 있으나, 상대적으로 분자 크기가 큰 과산화수소는 투과가 어려워 결과적으로는 캐소드에서 생성된 과산화수소를 애노드가 다시 분해하는 반응을 막을 수 있다. 한편, 전해조(40)는 기준전극을 사용할 경우 에너지 소비량 등 전기분해장치에 대한 보다 정밀한 평가가 가능해진다.
(과산화수소의 제조)
도 5는 전술한 전기분해장치를 이용한 과산화수소의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 과산화수소 제조를 위한 전해셀을 구성한다(S10). 이를 위하여 전술한 전기분해장치를 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이 캐소드로서 카본블랙-DAAB 또는 카본블랙-HNQ 촉매층이 형성된 가스확산전극을 사용할 수 있다. 반응기에 전해질을 공급하고, 캐소드에 산소를 공급한다. 이때 레귤레이터에서 산소의 공급 압력이 예를 들어 0.1 내지 1 bar, 예를 들어 0.2 내지 0.4 bar가 되도록 산소를 공급할 수 있다.
전기분해장치에 전압을 인가하거나 전류를 흘린다(S20). 이때 전기분해장치를 흐르는 전류밀도가 예를 들어 1 mA/cm2 내지 100 mA/cm2 또는 5 mA/cm2 내지 50 mA/cm2 또는 10 mA/cm2 내지 20 mA/cm2 이 되도록 전압을 인가하거나 전류를 흘릴 수 있다. 원하는 시간 내에 희망하는 과산화수소 농도를 달성하기 위하여 필요한 전류밀도를 계산하여 인가할 전압 도는 흘려줄 전류값을 변경할 수 있다.
전기분해장치에 전압이 인가되거나 전류가 흐르면 캐소드에 공급되는 산소와 캐소드의 카본블랙-DAAB 또는 카본블랙-HNQ 촉매층이 반응하여 산소가 환원되면서 과산화수소가 생성된다.
본 구현예에 따른 과산화수소의 제조방법은 생성 효율이 비교적 좋다고 알려진 다른 탄소 기반 물질들(CNT, g-C3N4 등)에 비해서도 높은 이전자 산소 환원 능력을 보이며, 운영 조건에서 가질 수 있는 최대 과산화수소 생성 농도에 비교적 가까운 값을 나타낸다.
(실시예)
전기분해장치의 캐소드 제조
실시예 1
(1) 카본블랙-DAAB 촉매용 잉크 제조
에탄올 50 mL에 카본블랙 1 g과 DAAB 0.005 g을 섞고, 1시간 동안 초음파 처리하여 혼합하였다. 카본블랙과 DAAB의 전체중량 대비 DAAB의 중량비는 0.5 중량 % 이었다. 이 혼합물에 PTFE 분산 수용액(60 중량%) 1 mL를 첨가하고 다시 1시간 동안 초음파 처리한 후, 다시 PTFE 분산 수용액(60 중량%) 1 mL를 첨가하고 15분 동안 초음파 처리하고, 15분 동안 균질기(Homogenizer) 처리를 하여 카본블랙-DAAB 촉매용 잉크를 제조하였다.
(2) 가스확산전극의 제조
7 장의 니켈 폼을 중첩시킨 후 핫프레스를 사용하여 100 bar의 압력으로 압착하여 전극용 지지체를 형성한 후, 지지체 한쪽 면의 가장 바깥쪽 1장의 니켈 폼을 제거하여 가스확산전극을 제조하였다. 바깥쪽 니켈 폼을 제거함으로써 니켈 폼의 거친 면이 드러나서 이후 촉매층의 형성이 용이하다.
(3) 카본블랙-DAAB 촉매층이 형성된 가스확산전극의 제조
니켈 폼 전극의 거친 면에 에어건을 이용하여 (1)에서 제조된 카본블랙-DAAB 촉매 잉크를 니켈 폼 전극이 노출된 곳이 보이지 않도록 고르게 도포하였다. 카본블랙-DAAB 촉매 잉크가 도포된 니켈 폼 전극을 120℃의 핫플레이트에서 약 3분 동안 건조하여 잉크 내의 용매를 제거하고, 270℃의 퍼니스에서 10분 동안 소결하고, 핫프레스에서 100 bar의 압력으로 10분 동안 압착하였다. 핫프레스에서 압착된 니켈 폼 전극의 측면을 방수능력이 있는 접착체(Pattex glue)로 코팅하여 카본블랙-DAAB 촉매층이 형성된 가스확산전극을 완성하였다.
실시예 2
DAAB 0.005 g 대신 HNQ 0.04 g 을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 카본블랙-HNQ 촉매층이 형성된 가스확산전극을 제조하였다. 이때 촉매층의 전체중량 대비 HNQ의 중량비는 4.0 중량 % 이었다.
비교예 1
DAAB을 사용하지 않고 카본블랙만 1 g 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 카본블랙 촉매층이 형성된 가스확산전극을 제조하였다.
비교예 2
DAAB 0.005 g 대신 그래피틱 질화탄소(graphitic carbon nitride, g-C3N4) 0.05 g 을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 카본블랙-g-C3N4 촉매층이 형성된 가스확산전극을 제조하였다. 이때 촉매층의 전체중량 대비 g-C3N4의 중량비는 5.0 중량 % 이었다.
비교예 3
카본블랙 1 g 대신 탄소나노튜브(CNT) 1 g을 사용한 것을 제외하고 비교예 1과 동일한 방법으로 탄소나노튜브 촉매층이 형성된 가스확산전극을 제조하였다.
과산화수소의 제조
실시예 3
전기분해장치의 캐소드(워킹 전극)로서 실시예1에서 제작된 가스확산전극을 적용하였다. 전기분해장치의 애노드(상대 전극)에 백금 코일 전극을 사용하고, 기준 전극으로서 포화 칼로멜 전극(saturated calomel electrode, SCE)을 사용하고, 전해질로서 100 mM 인산염완충용액(phosphate buffer solution)(pH=7.0)을 사용하였다. 캐소드의 면적은 7 cm2 이었고, 전해질의 부피는 25 mL 이었다.
캐소드로 제공되는 산소(O2)의 압력은 레귤레이터 기준 0.3 bar 이고, 반응 시간은 30분이었다. 과산화수소 생성 반응은 전기분해장치에 0.14 A의 정전류를 흘려서 시작되었다. 전류밀도는 20mA/cm2 이었다.
과산화수소 생성 반응 개시후 0분, 5분, 10분, 20분, 30분에 0.2 내지 1 mL의 샘플을 전해질로부터 채취하여 샘플 내 과산화수소 농도가 0.25 내지 2 mM이 되도록 희석하였다. 이후 희석된 샘플 1 mL를 황산 티타늄 수용액 2 mL와 혼합하여 발색(titanium sulfate method) 및 UV-VIS 분광분석기를 통해 405 nm 파장에서 샘플의 흡광도를 측정하였다. 샘플의 흡광도 값은 분석에 사용한 황산 티타늄 수용액의 몰흡광도 값을 이용하여 구할 수 있다.
실시예 4
실시예 2에서 제조한 전극을 전기분해장치의 캐소드에 적용한 것을 제외하고 실시예 3과 동일한 방법으로 과산화수소를 생성하였다.
비교예 4
비교예 1에서 제조한 전극을 전기분해장치의 캐소드에 적용한 것을 제외하고 실시예 3과 동일한 방법으로 과산화수소를 생성하였다.
비교예 5
비교예 2에서 제조한 전극을 전기분해장치의 캐소드에 적용한 것을 제외하고 실시예 3과 동일한 방법으로 과산화수소를 생성하였다.
비교예 6
비교예 3에서 제조한 전극을 전기분해장치의 캐소드에 적용한 것을 제외하고 실시예 3과 동일한 방법으로 과산화수소를 생성하였다.
도 6은 실시예 3, 4 및 비교예 4, 5, 6의 과산화수소 생성시 반응 시간에 따른 과산화수소의 농도를 나타낸 그래프이다. 도 7은 반응개시 20분 및 30분 경과 후 실시예 3, 4 및 비교예 4, 5, 6의 과산화수소 농도을 나타낸 그래프이다. 도 8은 반응개시 20분 및 30분 경과 후 실시예 3, 4 및 비교예 4, 5, 6의 과산화수소 생성효율을 나타낸 그래프이다. 도 6 및 도 7에서 최대 과산화수소 생성농도(이론값)은 전류 밀도 20 mA/cm2, 전극 면적 7 cm2 의 조건에서 일정 시간 동안 전극에 전달되는 전자가 모두 과산화수소의 생성에 사용될 경우 얻어질 수 있는 과산화수소의 최대농도를 나타낸다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 반응개시 30분 경과 후 최대 과산화수소 생성농도(이론값)은 약 52 mM이고, 실시예 3에서는 약 46 mM, 실시예 4에서는 약 44 mM의 과산화수소가 생성되었다. 도 8을 참조하면, 실시예 3 및 실시예 4에서 반응개시 30분 경과 후 생성된 과산화수소의 양은 최대 과산화수소 생성농도(이론값)의 80%를 넘어선다. 반면, 비교예 4 내지 6에서 반응개시 30분 경과 후 생성된 과산화수소의 양은 각각 약 25 mM, 약 27 mM 및 약 32 mM 로서 최대 과산화수소 생성농도(이론값)의 약 48%, 약 52% 및 약 62% 만큼 생성되는 것으로 나타난다.
이로부터 본 발명에 따른 CB/DAAB 또는 CB/HNQ로 개질된 캐소드를 갖는 전기분해장치로부터 과산화수소가 높은 효율로 생성될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 전해조;
    상기 전해조에 설치되고, 무기탄소-유기물질 촉매층을 포함하는 캐소드; 및
    상기 전해조에 설치되고, 상기 캐소드와 이격되어 있는 애노드;를 포함하고,
    상기 유기물질은 4,4'-디아미노아조벤젠(4,4'-diaminoazobenzene, DAAB)을 포함하고,
    상기 캐소드로 공급되는 산소가 환원되어 과산화수소를 생성하는 과산화수소 제조용 전기분해장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 캐소드는 가스확산전극(gas diffusion electrode, GDE)인 과산화수소 제조용 전기분해장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 가스확산전극은 중첩된 복수 개의 니켈 폼이 압착되어 형성된 과산화수소 제조용 전기분해장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 무기탄소-유기물질 촉매의 상기 유기물질의 함량은 상기 무기탄소-유기물질 촉매의 전체 중량에 대하여 0.1 중량 % 내지 10 중량 %인 과산화수소 제조용 전기분해장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 무기탄소는 카본블랙인 과산화수소 제조용 전기분해장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 애노드는 백금(Pt), BOD(boron-doped diamond), 또는 그래파이트(graphite)를 포함하는 과산화수소 제조용 전기분해장치.
  7. 제1 항의 과산화수소 제조용 전기분해장치의 상기 전해조에 전해액을 공급하는 단계;
    상기 캐소드에 산소를 공급하는 단계; 및
    상기 캐소드와 상기 애노드에 전류 또는 전압을 인가하는 단계;를 포함하는 과산화수소 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 캐소드는 가스확산전극(gas diffusion electrode, GDE)인 과산화수소 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 가스확산전극은 중첩된 복수 개의 니켈 폼이 압착되어 형성된 과산화수소 제조 방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 무기탄소-유기물질 촉매의 유기물질의 함량은 무기탄소-유기물질 촉매의 전체 중량에 대하여 0.1 중량 % 내지 10 중량 %인 과산화수소 제조 방법.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 무기탄소는 카본블랙인 과산화수소 제조 방법.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 전해액은 인산완충용액인 과산화수소 제조 방법.
  13. 제7 항에 있어서,
    상기 애노드는 백금(Pt), BOD(boron-doped diamond), 또는 그래파이트(graphite)를 포함하는 과산화수소 제조 방법.
  14. 제7 항에 있어서,
    상기 캐소드에 제공되는 산소의 압력은 0.1 내지 10 bar 인 과산화수소 제조 방법.
  15. 제7 항에 있어서,
    상기 전기분해장치에 5 mA/cm2 내지 50 mA/cm2 의 단위면적당 전류가 인가되는 과산화수소 제조 방법.
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