KR20190071222A - Cathode containing copper oxide and transition metal sulfide, Preparation Method thereof, Microbial electrolysis cell containing the same, Wasted water treatment using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a reducing electrode comprising copper oxide and transition metal sulfide, a method for manufacturing the same, a microbial electrolysis cell containing the reducing electrode, and a method for treating wastewater. The reducing electrode has transition metal sulfide formed on one side or both sides of a copper oxide layer. When the electrode is applied to a microbial electrolysis cell, the electrode can produce hydrogen with high purity without deteriorating the performance since methane and carbon dioxide gas are generated in a small amount even when operated for a long time.

Description

산화구리 및 전이금속 황화물을 포함하는 환원전극, 이의 제조방법, 이를 포함하는 미생물 전기분해전지 및 폐수처리 방법{Cathode containing copper oxide and transition metal sulfide, Preparation Method thereof, Microbial electrolysis cell containing the same, Wasted water treatment using the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a reduction electrode comprising copper oxide and transition metal sulfide, a method for producing the same, a microbial electrolysis cell containing the same, and a method for treating wastewater treatment using the same}

본 발명은 산화구리 및 전이금속 황화물을 포함하는 환원전극, 이의 제조방법, 이를 포함하는 미생물 전기분해전지 및 폐수처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a reducing electrode comprising copper oxide and a transition metal sulfide, a method for producing the same, a microbial electrolysis cell containing the same, and a method for treating wastewater.

최근 재생 불가능한 화석연료의 매장량 감소로 인해, 재생가능한 자원의 재이용이 많은 주목을 받고 있으며, 특히 환경오염 문제를 해결하기 위해, 청정 및 고효율의 에너지원들이 전 세계적으로 개발되고 있다. 이들 중에 수소 에너지는 화석연료를 대체할 청정 그린 에너지원으로 여겨지고 있다. 수소는 환경적으로 깨끗한 에너지 연료로서 기후변화의 영향을 주는 온실가스 발생을 감소시킬 수 있기 때문에 미래의 에너지원으로서의 큰 잠재력을 갖고 있다.Due to the recent lack of renewable fossil fuel reserves, the reuse of renewable resources has attracted much attention. In particular, clean and highly efficient energy sources are being developed around the world to solve environmental pollution problems. Among them, hydrogen energy is considered a clean green energy source to replace fossil fuels. Hydrogen has great potential as a future energy source because it can reduce greenhouse gas emissions that affect climate change as an environmentally clean energy fuel.

수소 생산의 에너지 고효율화를 위해, 미생물 전기분해전지(microbial electrolysis cell, MEC) 기술이 주목받고 있다. 미생물 전기분해전지 기술은 전기화학 활성 미생물을 이용하여 생분해성 유기물을 수소가스로 전환하기 위한 기술이다. 미생물 전기분해전지의 작용 매커니즘은 유기물이 혐기성 산화되어 전자가 산화전극(anode)으로 이동한 후, 회로에 전위를 가하여 전자가 환원전극(cathode)로 이동하며, 환원전극에서 전자는 프로톤(proton)을 환원시켜 수소 기체를 생성하는 형태로 이루어진다.In order to increase the energy efficiency of hydrogen production, microbial electrolysis cell (MEC) technology has been attracting attention. Microbial electrolysis cell technology is a technology for converting biodegradable organic materials into hydrogen gas using electrochemically active microorganisms. The mechanism of action of the microbial electrolytic cell is that the organic matter is anaerobically oxidized and the electrons move to the anode and then the electric potential is applied to the circuit so that the electrons move to the cathode, To generate hydrogen gas.

그러나, 현재 개발된 미생물 전기분해전지는 장시간 동안 작동시에 메탄 및 이산화탄소 가스가 발생하여 전기분해전지 성능이 현저하게 떨어지는 단점이 있다.However, currently developed microbial electrolytic cells have a disadvantage in that methane and carbon dioxide gas are generated during operation for a long time and the performance of the electrolytic cell remarkably drops.

Nano Lett. 2010, 10, 4686-4691Nano Lett. 2010, 10, 4686-4691

본 발명의 목적은, 전기분해전지의 메탄 및 이산화탄소 발생을 억제하기 위해 산화구리층 일면 또는 양면에 전이금속 황화물이 형성된 환원전극, 이의 제조방법, 이를 포함하는 미생물 전기분해전지 및 이를 이용한 폐수처리 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a reducing electrode in which a transition metal sulfide is formed on one side or both sides of a copper oxide layer to suppress methane and carbon dioxide generation of the electrolysis cell, a method for producing the same, a microbial electrolytic cell containing the same, .

본 발명은, 산화구리층; 및The present invention provides a semiconductor device comprising: a copper oxide layer; And

상기 산화구리층의 일면 또는 양면에 전이금속 황화물층이 형성되고,A transition metal sulfide layer is formed on one or both surfaces of the copper oxide layer,

산화구리층은 나노로드 형태의 산화구리를 포함하며,The copper oxide layer comprises copper oxide in the form of a nanorod,

산화구리는 산화구리층을 기준으로 입사각이 0° 내지 85°으로 분산된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 환원전극을 제공한다.And the copper oxide has a structure in which an incident angle is dispersed from 0 DEG to 85 DEG with respect to the copper oxide layer.

또한, 본 발명은 구리 기판에 400℃ 내지 500℃의 열처리하여 산화구리층을 형성하는 단계; 및The present invention also provides a method of manufacturing a copper-clad laminate, comprising: forming a copper oxide layer on a copper substrate by a heat treatment at 400 ° C to 500 ° C; And

상기 산화구리층 일면 또는 양면에 전이금속 황화물 수용액을 도포하여 전이금속 황화물층을 형성하는 단계를 포함하는 환원전극의 제조방법을 제공한다.And applying a transition metal sulfide aqueous solution to one or both sides of the copper oxide layer to form a transition metal sulfide layer.

아울러, 본 발명은, 본 발명에 따른 환원전극; 바이오필름이 형성된 산화전극; 및 아세테이트를 포함하는 기질을 포함하는 미생물 전기분해전지를 제공한다.In addition, the present invention relates to a reduction electrode according to the present invention; An oxidation electrode on which a biofilm is formed; And a substrate comprising acetate.

또한, 본 발명은 상기 미생물 전기분해전지를 이용한 폐수처리 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for treating wastewater using the microbial electrolytic cell.

본 발명에 따른 환원전극은 산화구리층 일면 또는 양면에 전이금속 황화물이 형성되어 미생물 전기분해전지로 적용시 장시간 동안 작동해도 메탄 및 이산화탄소 가스 발생이 적어 성능의 저하 없이 순도 높은 수소를 생산할 수 있는 장점이 있다.The reduction electrode according to the present invention is capable of producing high purity hydrogen without degrading the performance because the transition metal sulfide is formed on one side or both sides of the copper oxide layer to generate methane and carbon dioxide gas even when operated as a microbial electrolysis cell for a long time. .

도 1은 본 발명에 따른 환원전극을 주사전자현미경으로 촬영한 이미지이다: (a)는 산화구리가 성장한 환원전극(기판)의 주사전자현미경 사진이고, (b)는 산화구리층 상에 황화몰리브덴이 분산도포된 환원전극의 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 환원전극의 X선 광전자분광 스펙트럼 측정 결과 그래프이다.
도 3(a)는 본 발명에 따른 환원전극의 타우 그래프이고, 도 3(b)는 본 발명에 따른 환원전극의 모트-쇼트키(Mott-Schottky) 분석 결과 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 미생물 전기분해전지의 성능 실험 결과 그래프이다: (a)는 인가전압에 따른 수소발생량을 나타낸 그래프이고, (b)는 인가전압에 따른 전체 수소회복율(Overall hydrogen recovery) 및 수소 발생율(H2 production rate)을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 미생물 전기분해전지에서 일어나는 메카니즘을 나타낸 모식도이다.
FIG. 1 is an SEM image of a reduction electrode according to the present invention, wherein (a) is a scanning electron micrograph of a reducing electrode (substrate) on which copper oxide is grown, (b) 3 is a scanning electron micrograph of the dispersed electrode.
2 is a graph of X-ray photoelectron spectroscopic spectroscopy of a reducing electrode according to the present invention.
FIG. 3 (a) is a tau graph of a reducing electrode according to the present invention, and FIG. 3 (b) is a graph of a Mott-Schottky analysis result of a reducing electrode according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a performance test result of the microbial electrolytic cell according to the present invention. FIG. 4 (a) is a graph showing the amount of generated hydrogen according to an applied voltage, FIG. 5 is a graph showing the hydrogen production rate (H 2 production rate). FIG.
5 is a schematic view showing a mechanism occurring in the microbial electrolytic cell according to the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 산화구리층; 및The present invention relates to a copper oxide layer; And

상기 산화구리층의 일면 또는 양면에 전이금속 황화물층이 형성되고,A transition metal sulfide layer is formed on one or both surfaces of the copper oxide layer,

산화구리층은 나노로드 형태의 산화구리를 포함하며,The copper oxide layer comprises copper oxide in the form of a nanorod,

산화구리는 산화구리층을 기준으로 입사각이 0° 내지 85°으로 분산된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 환원전극을 제공한다.And the copper oxide has a structure in which an incident angle is dispersed from 0 DEG to 85 DEG with respect to the copper oxide layer.

예를 들어, 본 발명에 따른 환원전극은 산화구리층; 및 산화구리층 일면에 전이금속 황화물이 분산 도포된 전이금속 황화물층을 포함할 수 있다.For example, the reducing electrode according to the present invention comprises a copper oxide layer; And a transition metal sulfide layer in which a transition metal sulfide is dispersed on one surface of the copper oxide layer.

하나의 예시에서, 산화구리층은, 나노로드 형태의 산화구리가 형성된 형태일 수 있으며, 상기 산화구리는 1가 산화구리(Cu2O) 및 2가 산화구리(CuO)를 포함할 수 있으며, 구체적으로, 1가 산화구리(Cu2O)일 수 있다.In one example, the copper oxide layer may be in the form of a nano-rod of copper oxide formed, the copper oxide may comprise monovalent copper (Cu 2 O) and divalent copper (CuO) Specifically, monovalent copper oxide (Cu 2 O) may be used.

또한, 상기 산화구리는 나노로드 형태로 산화구리층을 기준으로 입사각이 0 내지 85°으로 분산된 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 산화구리는 입사각이 10° 내지 70° 또는 45° 내지 85°로 분산된 구조를 가질 수 있다. 상기와 같은 조로 나노로드 형태의 산화구리가 분산되어 있어 환원전극의 표면적이 넓어 수소발생에 유리할 수 있다.In addition, the copper oxide may have a structure in which the incident angle is dispersed from 0 to 85 degrees with respect to the copper oxide layer in the form of a nano-rod. Specifically, the copper oxide may have a structure in which the angle of incidence is 10 to 70 degrees or 45 to 85 degrees. Copper oxide in the form of nano-rods is dispersed in the above-described manner, and the surface area of the reduction electrode is wide, which is advantageous for generating hydrogen.

하나의 예시에서, 상기 전이금속 황화물은 황화 몰리브덴 또는 황화 텅스텐일 수 있다. 구체적으로, 상기 전이금속 황화물을 황화 몰리브덴일 수 있다. 상기와 같은 전이금속 황화물을 포함하는 경우, 환원전극에서 수소 환원반응이 활발하게 일어날 수 있다. 특히, 황화 몰리브덴을 포함하는 경우가 더 우수한 물성을 나타낼 수 있다.In one example, the transition metal sulfide may be molybdenum sulfide or tungsten sulphide. Specifically, the transition metal sulfide may be molybdenum sulfide. When such a transition metal sulfide is included, a hydrogen reduction reaction may actively occur at the reduction electrode. Particularly, when molybdenum sulfide is contained, it can exhibit better physical properties.

상기 전이금속 황화물의 함량은 0.5 내지 5 mg/cm2일 수 있다. 구체적으로, 전이금속 황화물의 함량은 1 내지 3 mg/cm2, 2 내지 4 mg/cm2 또는 0.5 내지 3 mg/cm2일 수 있다.The content of the transition metal sulfide may be 0.5 to 5 mg / cm < 2 >. Specifically, the content of the transition metal sulfide is 1 to 3 mg / cm 2 , 2 to 4 mg / cm 2 Or 0.5 to 3 mg / cm < 2 >.

하나의 예시에서, 본 발명의 따른 환원전극의 표면적은 8 내지 15 cm2/g일 수 있다. 구체적으로, 환원전극의 표면적은 9 내지 12 cm2/g 또는 10 내지 15 cm2/g 일 수 있다. 상기와 같이 표면적을 가짐으로써 환원전극에서 수소발생에 유리할 수 있다.In one example, the surface area of the reducing electrode according to the present invention may be between 8 and 15 cm 2 / g. Specifically, the surface area of the reducing electrode may be 9 to 12 cm 2 / g or 10 to 15 cm 2 / g. By having the surface area as described above, hydrogen generation can be advantageous in the reduction electrode.

또한, 본 발명은, 구리 기판에 400℃ 내지 500℃의 열처리하여 산화구리층을 형성하는 단계; 및The present invention also provides a method for manufacturing a copper-clad laminate, comprising: forming a copper oxide layer on a copper substrate by heat treatment at 400 ° C to 500 ° C; And

상기 산화구리층 일면 또는 양면에 전이금속 황화물 수용액을 도포하여 전이금속 황화물층을 형성하는 단계를 포함하는 환원전극의 제조방법을 제공한다.And applying a transition metal sulfide aqueous solution to one or both sides of the copper oxide layer to form a transition metal sulfide layer.

하나의 예시에서, 산화구리층을 형성하는 단계는 열처리 하기 전에 구리 기판을 수산화나트륨 및 과황산암모늄을 포함하는 혼합용액에 담지하여 전처리하는 과정을 더 포함할 수 있다. 상기와 같이 구리 기판을 수산화나트륨 및 과황산암모늄을 포함하는 혼합용액에 담지하여 구리 기판에 2가 수산화구리[Cu(OH)2]를 형성할 수 있다. 상기 전처리하는 과정 이후에, 수산화구리[Cu(OH)2]가 형성된 구리 기판을 상온에서 증류수로 세척하여 건조할 수 있다. In one example, the step of forming the copper oxide layer may further include a step of pretreating the copper substrate by carrying it on a mixed solution containing sodium hydroxide and ammonium persulfate before the heat treatment. As described above, the copper substrate may be supported on a mixed solution containing sodium hydroxide and ammonium persulfate to form bivalent copper (Cu (OH) 2 ] on the copper substrate. After the pre-treatment, the copper substrate on which the copper hydroxide [Cu (OH) 2 ] is formed may be washed with distilled water at room temperature and dried.

또한, 상기 산화구리층을 형성하는 단계에서, 수산화나트륨 및 과황산암모늄을 혼합한 혼합용액은 2 내지 3M의 수산화나트륨과 0.1 내지 0.5 M의 과황산암모늄을 혼합하여 제조할 수 있다.In the step of forming the copper oxide layer, a mixed solution of sodium hydroxide and ammonium persulfate may be prepared by mixing 2 to 3M sodium hydroxide and ammonium persulfate 0.1 to 0.5M.

하나의 예시에서, 산화구리층을 형성하는 단계는 400℃ 내지 500℃의 열처리하여 구리 기판에 산화구리층을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 열처리는 400℃ 내지 500℃ 또는 400℃ 내지 500℃의 온도로 수행할 수 있다. 상기와 같이 열처리 하는 경우, 구리 기판 상에 산화구리(Cu2O)를 형성할 수 있으며, 구체적으로 1가 산화구리(Cu2O) 또는 2가 산화구리(CuO)가 혼재된 형태일 수 있다. 보다 구체적으로, 1가 산화구리가 50% 이상 또는 60 내지 80%의 함량으로 혼재된 형태일 수 있다.In one example, the step of forming the copper oxide layer may be a heat treatment at 400 < 0 > C to 500 < 0 > C to form a copper oxide layer on the copper substrate. Specifically, the heat treatment may be performed at a temperature of 400 ° C to 500 ° C or 400 ° C to 500 ° C. When heat treatment is performed as described above, copper oxide (Cu 2 O) may be formed on the copper substrate, and specifically, monovalent copper oxide (Cu 2 O) or divalent copper oxide (CuO) may be mixed . More specifically, the monovalent copper oxide may be in a mixed state in an amount of 50% or more or 60 to 80%.

하나의 예시에서, 상기 산화구리층 일면 또는 양면에 전이금속 황화물 수용액을 도포하여 전이금속 황화물층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전이금속 황화물층을 형성하는 단계는 핀 코팅법, 스프레이 코팅법 및 진공 열증착법으로 선택된 어느 하나의 방법을 통해 전이금속 황화물층을 형성할 수 있다.In one example, the transition metal sulfide layer is formed by applying a transition metal sulfide aqueous solution to one or both sides of the copper oxide layer, and the step of forming the transition metal sulfide layer may be performed by a fin coating method, a spray coating method, The transition metal sulfide layer can be formed through any one method selected by vacuum thermal evaporation.

예를 들어, 상기 전이금속 황화물은 전이금속 황화물은 황화 몰리브덴 또는 황화 텅스텐일 수 있다. 구체적으로, 상기 전이금속 황화물을 황화 몰리브덴일 수 있다. 상기와 같은 전이금속 황화물을 포함하는 경우, 환원전극에서 수소 환원반응이 활발하게 일어날 수 있다. 특히, 황화 몰리브덴을 포함하는 경우가 더 우수한 물성을 나타낼 수 있다.For example, the transition metal sulfide may be a transition metal sulfide such as molybdenum sulfide or tungsten sulfide. Specifically, the transition metal sulfide may be molybdenum sulfide. When such a transition metal sulfide is included, a hydrogen reduction reaction may actively occur at the reduction electrode. Particularly, when molybdenum sulfide is contained, it can exhibit better physical properties.

또한, 전이금속 황화물층을 형성하는 단계에서, 상기 전이금속 황화물 수용액은 전이금속 황화물, 증류수, 이소프로판올 및 나피온 용액을 포함할 수 있으며, 전이금속 황화물 수용액 내의 전이금속 황화물의 농도는 1.5 내지 5 g/L 수 있다. 구체적으로, 전이금속 황화물의 함량은 1.8 내지 4 g/L 또는 2 내지 3 g/L일 수 있다. Further, in the step of forming the transition metal sulfide layer, the transition metal sulfide aqueous solution may include transition metal sulfide, distilled water, isopropanol and Nafion solution, and the concentration of the transition metal sulfide in the transition metal sulfide aqueous solution may be 1.5 to 5 g / L. Specifically, the content of the transition metal sulfide may be 1.8 to 4 g / L or 2 to 3 g / L.

하나의 예시에서, 본 발명의 환원전극의 제조방법은 전이금속 황화물층을 형성하는 단계 이후에, 20 내지 25℃에서 24시간 이상 동안 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 전이금속 황화물층을 형성한 후 20 내지 25℃에서 24시간 이상, 24시간 내지 48 동안 건조하여 환원전극을 제조할 수 있다.In one example, the method for producing a reducing electrode of the present invention may further include a step of drying at 20 to 25 占 폚 for at least 24 hours after the step of forming the transition metal sulfide layer. Specifically, after forming a transition metal sulfide layer, a reducing electrode can be manufactured by drying at 20 to 25 ° C for 24 hours or more for 24 hours to 48 hours.

아울러, 본 발명은, 본 발명에 따른 환원전극;In addition, the present invention relates to a reduction electrode according to the present invention;

생물막이 형성된 산화전극; 및An oxidized electrode formed with a biofilm; And

아세테이트를 함유하는 기질을 포함하는 미생물 전기분해전지를 제공한다.The present invention provides a microbial electrolytic cell comprising a substrate containing acetate.

구체적으로, 도 5에 본 발명의 미생물 전기분해전지의 수소발생 매커니즘을 도식화하여 나타내었다. 도 5를 살펴보면, 산화전극과 환원전극은 마주보는 형태로 위치해 있으며, 전압을 인가하면 산화전극에서 아세테이트로부터 획득한 전자가 환원전극으로 이동하여 기질 상에 있는 수소 이온이 환원전극에서 수소 기체로 발생하는 것을 알 수 있다.Specifically, the hydrogen generation mechanism of the microbial electrolytic cell of the present invention is illustrated in FIG. Referring to FIG. 5, the oxidation electrode and the reduction electrode are opposed to each other. When a voltage is applied, electrons obtained from the acetate in the oxidation electrode migrate to the reduction electrode, and the hydrogen ions on the substrate are converted into hydrogen gas .

하나의 예시에서, 본 발명의 미생물 전기분해전지는, 0.8 V의 전압 인가시에, 수소발생율이 2.0 내지 3.5 m3·H2·m-3·d- 1 일 수 있다. 구체적으로, 미생물 전기분해전지는 0.8 V의 전압 인가시에, 수소발생율이 2.1 내지 3.2 m3·H2·m-3·d-1, 2.3 내지 3.1 m3·H2·m-3·d-1 또는 2.5 내지 3.0 m3·H2·m-3·d- 1 일 수 있다.In one example, the microorganism of the present invention, the electrolytic cell, upon application of 0.8 V voltage, the hydrogen generation rate of 2.0 to 3.5 m 3 · H 2 · m -3 · d - may be one. Specifically, in the microbial electrolytic cell, when a voltage of 0.8 V is applied, the hydrogen generation rate is 2.1 to 3.2 m 3 · H 2 · m -3 · d -1 , 2.3 to 3.1 m 3 · H 2 · m -3 · d It may be 1 - 1 or from 2.5 to 3.0 m 3 · H 2 · m -3 · d.

예를 들어, 본 발명의 미생물 전기분해전지는 하기 일반식 1을 만족할 수 있다:For example, the microbial electrolytic cell of the present invention can satisfy the following general formula 1:

[일반식 1][Formula 1]

H2 / H1 > 0.8H 2 / H 1 > 0.8

일반식 1에서,In the general formula 1,

H1는 0.8 V의 전압 인가시에 수소 발생 부피의 이론값이고,H 1 is the theoretical value of the hydrogen generation volume when a voltage of 0.8 V is applied,

H2는 0.8 V의 전압 인가시에 수소 발생 부피의 실험값이다.H 2 is an experimental value of the hydrogen generation volume when a voltage of 0.8 V is applied.

구체적으로, 본 발명의 미생물 전기분해전지는 일반식 1로 나타나는 수소회복율(overall hydrogen recovery, γH2)이 80% 이상, 80% 내지 95% 또는 83% 내지 90%일 수 있다. 구체적으로 수소회복율(overall hydrogen recovery, γH2)은 80 내지 88%일 수 있다.Specifically, in the microbial electrolytic cell of the present invention, the overall hydrogen recovery (γ H 2 ) represented by the general formula 1 may be 80% or more, 80% to 95% or 83% to 90%. Specifically, the overall hydrogen recovery (γ H 2 ) may be 80 to 88%.

또한, 본 발명은, 본 발명에 따른 미생물 전기분해전지에 폐수를 넣고 광을 조사하면서 전압을 인가하는 단계를 포함하는 폐수처리 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for treating wastewater comprising the steps of charging wastewater into a microbial electrolytic cell according to the present invention and applying a voltage while irradiating light.

하나의 예시에서, 본 발명에 따른 폐수처리 방법은 광을 조사하면서 0.5 내지 1.0 V의 전압을 인가하여 수행할 수 있다. 구체적으로, 0.5 V 내지 0.9 V 또는 0.6 내지 0.85V의 전압을 인가하여 수행할 수 있다. 상기 조건으로 폐수처리를 하는 경우, 수소 기체가 발생할 수 있다.In one example, the wastewater treatment method according to the present invention can be performed by applying a voltage of 0.5 to 1.0 V while irradiating light. Specifically, it can be performed by applying a voltage of 0.5 V to 0.9 V or 0.6 to 0.85 V. When wastewater treatment is performed under the above conditions, hydrogen gas may be generated.

예를 들어 상기 광 조사는 350 내지 850㎚의 파장을 갖는 광을 조사할 수 있다. For example, the light irradiation can irradiate light having a wavelength of 350 to 850 nm.

이하, 상기 서술한 내용을 바탕으로, 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위를 한정하려는 것은 아니다.Best Mode for Carrying Out the Invention Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and drawings based on the above description. The following examples are intended to illustrate the invention and are not intended to limit the scope of the invention.

실시예Example 1 One

구리 기판(또는 호일)을 2.5 M의 수산화나트륨 및 0.125 M의 과황산암모늄을 포함하는 수용액에 담지하였다. 이때, 구리 기판 표면에 Cu(OH)2가 형성되었다. 수용액에 담지한 구리 기판을 증류수로 세척한 후 상온에서 건조한 후, 450℃의 온도로 1시간 동안 가열하여 산화구리를 형성하였다.The copper substrate (or foil) was carried in an aqueous solution containing 2.5 M sodium hydroxide and 0.125 M ammonium persulfate. At this time, Cu (OH) 2 was formed on the surface of the copper substrate. The copper substrate supported on the aqueous solution was washed with distilled water, dried at room temperature, and then heated at 450 ° C. for 1 hour to form copper oxide.

황화몰리브덴 19.2 mg, 증류수 1.59 ml, 이소프로판올 6.4 ml 및 5%의 나피온 용액 0.13 ml를 혼합한 혼합용액을 산화구리가 형성된 기판 일면에 스프레이 코팅하여 황화몰리브덴층을 형성하여 황화몰리브덴 함량이 2 mg/cm2인 환원전극을 제조하였다.A mixed solution of 19.2 mg of molybdenum sulfide, 1.59 ml of distilled water, 6.4 ml of isopropanol and 0.13 ml of a 5% Nafion solution was spray-coated on one side of the substrate with copper oxide to form a molybdenum sulfide layer, cm < 2 & gt ;.

실시예Example 2 2

황화몰리브덴 28.8 mg, 증류수 2.39 ml, 이소프로판올 9.6 ml 및 5%의 나피온 용액 0.19 ml를 혼합한 혼합용액을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 황화몰리브덴 함량이 3 mg/cm2인 환원전극을 제조하였다.A reducing electrode having a molybdenum sulfide content of 3 mg / cm 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that a mixed solution of 28.8 mg of molybdenum sulfide, 2.39 ml of distilled water, 9.6 ml of isopropanol and 0.19 ml of a 5% Nafion solution was used.

실시예Example 3 3

황화몰리브덴 9.6 mg, 증류수 0.8 ml, 이소프로판올 3.2 ml 및 5%의 나피온 용액 0.06 ml를 혼합한 혼합용액을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 황화몰리브덴 함량이 1 mg/cm2인 환원전극을 제조하였다.A reducing electrode having a molybdenum sulfide content of 1 mg / cm 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that a mixed solution of 9.6 mg of molybdenum sulfide, 0.8 ml of distilled water, 3.2 ml of isopropanol and 0.06 ml of a 5% Nafion solution was used.

비교예Comparative Example 1 One

상업적으로 백금을 입수하여 사용하였다.Commercial platinum was obtained and used.

비교예Comparative Example 2 2

아닐린을 과염소산과 염화메틸렌의 계면에서 산화중합 합성 방법으로 폴리아닐린 나노섬유를 포함하는 환원전극을 제조하였다.Reductive electrodes containing polyaniline nanofibers were fabricated by oxidative polymerization synthesis of aniline at the interface of perchloric acid and methylene chloride.

비교예Comparative Example 3 3

황화몰리브덴을 형성하지 않은 것을 제외하고 동일한 방법으로 산화구리만을 포함하는 환원전극을 제조하였다.A reducing electrode containing only copper oxide was prepared in the same manner except that molybdenum sulfide was not formed.

비교예Comparative Example 4 4

황화몰리브덴 4.8 mg, 증류수 0.4 ml, 이소프로판올 1.6 ml 및 5%의 나피온 용액 0.03 ml를 혼합한 혼합용액을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 황화몰리브덴 함량이 0.5mg/cm2인 환원전극을 제조하였다.A reducing electrode having a molybdenum sulfide content of 0.5 mg / cm 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that a mixed solution of 4.8 mg of molybdenum sulfide, 0.4 ml of distilled water, 1.6 ml of isopropanol and 0.03 ml of a 5% Nafion solution was used.

실험예Experimental Example 1 One

본 발명에 따른 환원전극의 성분 및 구조를 확인하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was conducted to confirm the composition and structure of the reducing electrode according to the present invention.

먼저, 실시예 1에서 제조된 환원전극을 대상으로 주사전자현미경(SEM) 분석 및 X선 광전자분광 스펙트럼(XPS) 측정을 수행하였으며, 그 결과는 도 1 및 도 2에 나타내었다.First, a scanning electron microscope (SEM) analysis and an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurement were performed on the reducing electrode prepared in Example 1, and the results are shown in FIG. 1 and FIG.

먼저 도 1을 살펴보면, 도 1의 (a)는 산화구리가 성장한 환원전극(기판)의 주사전자현미경 사진으로 나노섬유 형태의 산화구리가 분산된 구조로, 표면 거칠기 및 비표면적이 큰 것을 알 수 있다. 또한, 도 1의 (b)는 산화구리층 상에 황화몰리브덴이 분산도포된 환원전극으로 비교적 산화구리만 형성된 환원전극 보다 표면 거칠기가 작은 것을 알 수 있다.1 (a) is a scanning electron microscope (SEM) image of a reducing electrode (substrate) on which copper oxide is grown, in which copper oxide in nanofiber form is dispersed and has a large surface roughness and specific surface area have. Also, FIG. 1 (b) shows that the surface roughness of the reducing electrode formed by dispersing molybdenum sulfide dispersed on the copper oxide layer is smaller than that of the reducing electrode formed only of copper oxide.

도 2는 환원전극의 X선 광전자분광 스펙트럼 측정 결과 그래프로, 실시예 1의 환원전극의 산화구리 성분을 확인할 수 있다. 도 2를 살펴보면, 열처리 하기 전의 산화구리 기판은 940 내지 946 eV의 영역에 걸쳐 Cu 2p3 /2 (Shake-up satellite) 피크는 2가 구리이온이 확인되며, 구체적으로, 933.7 eV 및 934.7 eV에서 각각 CuO 및 Cu(OH)2가 49.0%와 51.0%의 비율로 확인되었다. 열처리한 후의 산화구리 기판은 932.7 eV 및 933.7 eV에서 각각 Cu2O 및 CuO가 78.4%와 21.6%의 비율로 확인되었다.FIG. 2 is a graph showing the X-ray photoelectron spectroscopy spectrum measurement result of the reducing electrode. As a result, the copper oxide component of the reducing electrode of Example 1 can be identified. FIG Referring to Figure 2, copper oxide substrate prior to the heat treatment is Cu 2p 3/2 (Shake- up satellite) over an area of 940 to 946 eV peak is, and determine a divalent copper ion, specifically, at 933.7 eV and 934.7 eV CuO and Cu (OH) 2 were found to be 49.0% and 51.0%, respectively. Copper oxide substrate after the heat treatment are respectively Cu 2 O and CuO at 932.7 eV and 933.7 eV was confirmed at a rate of 78.4% and 21.6%.

실험예 2Experimental Example 2

본 발명에 따른 환원전극의 광학 물성 및 광전자화학 물성을 평가하기 위하여, 실시예 1의 환원전극을 대상으로 밴드갭 및 모트-쇼트키(Mott-schottky) 분석을 측정하였다. 측정방법은 다음과 같으며, 그 결과는 도 3에 나타내었다.In order to evaluate the optical properties and the photoelectrochemical properties of the reduction electrode according to the present invention, a band gap and a Mott-schottky analysis were measured on the reducing electrode of Example 1. The measurement method is as follows, and the results are shown in Fig.

밴드갭 측정 방법은 파장에 대한 에너지 값(E)을 X축으로, 확산반사율(R)을 쿠벨카 뭉크(Kubelka-Munk) 변환한 값에 에너지 값을 곱한 값의 제곱근으로 나타낸 Y축으로 나타낸 타우 그래프(Tauc plot)에서, 흡수단 부근에 거의 직선에 가까운 구간의 직선을 연장하여 X축과 만나는 지점을 통해 측정하였다.The bandgap measurement method is a method of measuring a band gap of a tau (tau) expressed by a Y-axis expressed by a square root of a value obtained by multiplying an energy value (E) with respect to a wavelength by an energy value with a value obtained by converting a diffuse reflectance (R) into a Kubelka- In the Tauc plot, the straight line near the absorption edge was extended and measured through the point where it meets the X axis.

Mott-Schottky 분석은 전기화학 임피던스 분석법을 이용하여 얻을 수 있으며 인가전압을 X축으로, 인가전압별로 얻어진 계면의 전기용량을 Y축으로 나타낸 그래프에서 거의 직선에 가까운 구간의 직선을 연장하여 X축과 만나는 지점을 통해 측정하였다.The Mott-Schottky analysis can be obtained by using electrochemical impedance analysis. The graph shows the applied voltage as the X-axis and the electric capacity of the interface obtained by the applied voltage as the Y-axis in the graph. We measured through the meeting point.

도 3을 살펴보면, 도 3(a)는 실시예 1의 환원전극의 타우 그래프이며, 도 3(b)는 실시예 1의 환원전극의 모트-쇼트키(Mott-Schottky) 분석 결과 그래프이다. 도 3(a)를 살펴보면, 실시예 1의 환원전극의 밴드갭 에너지는 1.75 eV로 CuO의 밴드갭 에너지인 1.24 eV 보다 크고 Cu2O의 밴드갭 에너지인 2.04 eV 보다 작은 것을 알 수 있다. 이로 인해 환원전극에 포함된 산화구리 중 CuO 비율이 Cu2O 보다 작음을 알 수 있다.FIG. 3 (a) is a tau graph of the reducing electrode of Example 1, and FIG. 3 (b) is a graph of Mott-Schottky analysis results of the reducing electrode of Example 1. FIG. Referring to FIG. 3 (a), the band gap energy of the reducing electrode of Example 1 is 1.75 eV, which is larger than 1.24 eV, which is the band gap energy of CuO, and less than 2.04 eV, which is the band gap energy of Cu 2 O. As a result, it can be seen that the proportion of CuO in the copper oxide contained in the reduction electrode is smaller than Cu 2 O.

또한, 도 3(b)를 살펴보면, 직선으로 나타나는 영역이 음의 기울기를 갖는 것은 1가 구리산화물이 계면의 아래 띠굽음 현상을 가지는 p-type 반도체 특성을 갖는다는 것을 의미한다. 또한 X 절편값인 1.16 V는 전도띠의 에너지 위치를 나타내는 것이며 밴드갭 에너지인 1.75 V를 이용해 -0.59 V ( = 1.16 - 1.75 V) 의 공유띠의 에너지 위치를 얻을 수 있다.Also, referring to FIG. 3 (b), when the region shown by a straight line has a negative slope, it means that the monovalent copper oxide has a p-type semiconductor characteristic with a bend bending phenomenon at the interface. The X-intercept value of 1.16 V represents the energy position of the conduction band and the energy band of -0.59 V (= 1.16 - 1.75 V) can be obtained using the band gap energy of 1.75 V.

실험예Experimental Example 3 3

본 발명에 따른 환원전극을 포함하는 미생물 전기분해전지의 효율을 평가하기 위하여, 실시예 1의 환원전극을 대상으로 미생물 전기분해전지를 제조하여 미생물 전기분해전지의 성능 실험을 하였다. 측정방법은 다음과 같으며, 그 결과를 도 4, 표 1 및 표 2에 나타내었다.In order to evaluate the efficiency of the microbial electrolytic cell including the reducing electrode according to the present invention, a microbial electrolytic cell was prepared for the reducing electrode of Example 1, and the performance test of the microbial electrolytic cell was performed. The measurement method is as follows, and the results are shown in FIG. 4, Table 1 and Table 2.

미생물 전기분해전지 성능 실험은 15 ml의 정육면체의 챔버에 실시예 1의 환원전극과 바이오필름을 포함하는 산화전극을 챔버의 반대편으로 마주보도록 위치시키고, 챔버 윗부분에 발생기체 임시 보관을 위한 스페이서(5ml)를 설치하였다. 그런 다음 기질로 아세테이트 용액(1 g/L)을 넣고 암 조건, 광조사 조건에서 다양한 전압(0.4 내지 0.8V)을 인가하여 발생한 기체를 수집하여 분석하였으며, 0.8V 전압을 인가하였을 때 전이금속 황화물(황화몰리브덴)의 함량에 따른 환원전극을 포함하는 미생물 전기분해전지의 효율에 대해서도 분석하였다.In the microbial electrolytic cell performance test, the oxidation electrode including the reducing electrode of Example 1 and the biofilm was placed facing the opposite side of the chamber in a 15 ml cube chamber, and a spacer (5 ml ) Were installed. Then, various gases (0.4 to 0.8 V) were applied under the dark condition and the light irradiation condition with the acetate solution (1 g / L) as the substrate. Collected gas was collected and analyzed. When 0.8 V voltage was applied, (Molybdenum sulfide) in the microbial electrolytic cell was also analyzed.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

도 4를 살펴보면, 도 4(a)는 인가전압에 따른 수소발생량을 나타낸 그래프이고, 도 4(b)는 인가전압에 따른 전체 수소회복율(Overall hydrogen recovery, γH2) 및 수소 발생율(H2 production rate, QH2)을 나타낸 그래프이다.FIG. 4A is a graph showing the amount of generated hydrogen according to the applied voltage, FIG. 4B is a graph showing the total hydrogen recovery (γ H2 ) and the hydrogen generation rate (H 2 production rate, Q H2 ).

도 4(a)를 살펴보면, 실시예 1로 제조된 미생물 전기분해전지에 광조사를 하면서, 전압을 인가하는 경우 수소비율은 85% 이상이었다. 구체적으로, 0.4 V의 전압 인가시에는 메탄 및 이산화탄소 가스만이 발생되었으며, 0.6 V의 전압 인가시에는 수소비율(전체 기체발생량 대비 수소발생량의 비율)이 약 87%, 0.8 V의 전압 인가시에는 수소비율이 100%로 수소비율이 현저히 증가하였다. 특히, 0.8 V의 전압 인가시에는 장시간 전압인가에도 메탄 및 이산화탄소가 발생하지 않았다. 그래프에는 나타나진 않았지만, 0.8 V의 전압 인가시에 광 조사를 하지 않은 암조건에서도 69%의 수소가 발생하였다.Referring to FIG. 4 (a), when the voltage was applied to the microbial electrolytic cell fabricated in Example 1 while light irradiation, the hydrogen ratio was more than 85%. Specifically, when a voltage of 0.4 V was applied, only methane and carbon dioxide gas were generated. When a voltage of 0.6 V was applied, the hydrogen ratio (ratio of the amount of generated hydrogen to the total amount of gas generated) was about 87% The hydrogen ratio was 100% and the hydrogen ratio was remarkably increased. Particularly, when a voltage of 0.8 V was applied, methane and carbon dioxide were not generated even when a long time voltage was applied. Although not shown in the graph, 69% of hydrogen was generated even under the dark condition without light irradiation when a voltage of 0.8 V was applied.

도 4(b) 및 표 1을 살펴보면, 실시예 1의 환원전극으로 제조된 미생물 전기분해전지(광조사 조건)의 전체 수소회복율(overall hydrogen recovery, γH2)은 0.6 V의 전압 인가시에 55.4%이고, 0.8 V의 전압 인가시에 84.9% 였다. 이때 수소회복율(overall hydrogen recovery, γH2)은 이론적인 수소발생량 대비 실험적인 수소발생량의 비율을 의미한다. 반면, 비교예 2의 환원전극으로 제조된 미생물 분해전지는 수소회복율이 0.8 V의 전압 인가시 79.2%로 상대적으로 낮은 수치를 나타냈다.4 (b) and Table 1, the overall hydrogen recovery (γ H2 ) of the microbial electrolytic cell (light irradiation condition) produced by the reducing electrode of Example 1 was 55.4 %, And was 84.9% when a voltage of 0.8 V was applied. In this case, the overall hydrogen recovery (γ H2 ) is the ratio of the experimental hydrogen production to the theoretical hydrogen production. On the other hand, the microbial decomposition cell made of the reducing electrode of Comparative Example 2 showed a relatively low hydrogen recovery rate of 79.2% when a voltage of 0.8 V was applied.

또한, 실시예 1의 환원전극으로 제조된 미생물 전기분해전지의 수소 발생율(H2 production rate, QH2)은 0.6 V의 전압 인가시에 1.09 m3·H2/m3·day이고, 0.8 V의 전압 인가시에 2.72m3·H2/m3·day였다. 또한, 표 1에서 수소 수율(hydrogen yield, YH2)는 1 몰의 아세테이트에서 생산해내는 수소기체의 몰수를 의미하는 것으로, 보통의 1몰의 아세테이트에서 생산할 수 있는 수소기체의 몰수는 최대 4몰이다. 실시예 1의 환원전극으로 제조된 미생물 전기분해전지의 상기 수소 수율은 0.6 V의 전압 인가시에 2.2이고, 0.8 V의 전압 인가시에 3.4로 0.8 V 전압 인가시에 4몰에 가까운 수소기체가 발생한 것을 확인하였다.The H 2 production rate (Q H2 ) of the microbial electrolytic cell fabricated from the reducing electrode of Example 1 was 1.09 m 3 · H 2 / m 3 · day when a voltage of 0.6 V was applied, and 0.8 V 2.72m at the time of voltage application of 3 · H 2 / m 3 · day was. In addition, the hydrogen yield (hydrogen yield, Y H2) in Table 1, to mean the number of moles of hydrogen gas to that produced from one mole of acetate, the number of moles of hydrogen gas that can be produced in the usual one mole of acetate is at most 4 mol . The hydrogen yield of the microbial electrolytic cell fabricated from the reducing electrode of Example 1 was 2.2 when a voltage of 0.6 V was applied and close to 4 moles of hydrogen gas when a voltage of 0.8 V was applied at a voltage of 3.4 at a voltage of 0.8 V .

더욱이, ηw 및 ηw +s를 통해 에너지 효율에 관해 알 수 있으며, ηw는투입전력이고, ηw + s는투입전력과 기질에 관한 것이다. 실시예 1의 환원전극으로 제조된 미생물 전기분해전지의 ηw 값은 0.6 V의 전압 인가시에 231%이고, 0.8 V의 전압 인가시에 225%로 100%보다 높게 나와 수소 투입전력보다 높은 에너지를 가지는 것을 확인하였다. 또한, 실시예 1의 환원전극으로 제조된 미생물 전기분해전지의 ηw +s 값은 0.6 V의 전압 인가시에 80.7%이고, 0.8 V의 전압 인가시에 83.0%로 에너지 효율이 우수한 것을 확인하였다.Further, we can know about the energy efficiency through? W and? W + s , where? W is the input power and? W + s is about the input power and the substrate. The eta w value of the microbial electrolytic cell fabricated from the reducing electrode of Example 1 was 231% at the time of applying a voltage of 0.6 V and increased to 100% at 225% when a voltage of 0.8 V was applied, . In addition, the value of? W + s of the microbial electrolytic cell fabricated from the reducing electrode of Example 1 was 80.7% when a voltage of 0.6 V was applied, and 83.0% when a voltage of 0.8 V was applied, .

표 2는 환원전극의 황화 몰리브덴의 함량에 따른 미생물 전기분해전지에 0.8 V의 전압 인가하여 성능을 실험한 결과 표이다. 표 2를 살펴보면, 실시예 1 내지 3의 미생물 전기분해전지는 48% 내지 90%의 수소회복율을 나타냈고, 실시예 1 및 실시예 2의 환원전극으로 제조된 미생물 전기분해전지의 수소 발생율(H2 production rate, QH2)은 0.8 V의 전압 인가시에 2 내지 3m3·H2/m3·day을 나타냈으며, 실시예 1 내지 실시예 3은 1.9 내지 3.4의 수소 수율(hydrogen yield, YH2)을 나타냈고, 특히 실시예 1의 미생물 전기분해전지는 84.9±5.2%의 수소회복율, 2.72±0.31 m3·H2/m3·day의 수소발생율 및 3.4의 수소 수율을 나타내 수소발생량이 우수한 것을 확인하였다. 이에 비해, 비교예 2 및 비교예 3은 45% 미만의 수소회복율을 나타냈고, 2.1 미만의 수소발생율을 나타냈으며, 1.6 미만의 수소 수율을 나타내어, 본 발명에 따른 환원전극을 포함하는 미생물 전기분해전지보다 수소 발생 효율이 낮았다. 따라서, 본 발명에 따른 환원전극을 포함하는 미생물 전기분해전지는 황화 몰리브덴 함량을 조절함에 따라 수소발생 효율이 우수한 것을 확인하였다.Table 2 shows the results of the performance test of the microbial electrolytic cell according to the content of molybdenum sulfide in the reducing electrode by applying a voltage of 0.8 V. As shown in Table 2, the microbial electrolytic cell of Examples 1 to 3 exhibited a hydrogen recovery rate of 48% to 90%, and the hydrogen generation rate H of the microbial electrolytic cell produced by the reduction electrodes of Example 1 and Example 2 2 production rate, Q H2 ) was 2 to 3 m 3 · H 2 / m 3 · day at a voltage of 0.8 V and Examples 1 to 3 showed a hydrogen yield of 1.9 to 3.4 H2 ). In particular, the microbial electrolytic cell of Example 1 exhibited a hydrogen recovery rate of 84.9 ± 5.2%, a hydrogen generation rate of 2.72 ± 0.31 m 3 · H 2 / m 3 · day, and a hydrogen yield of 3.4, Excellent. On the contrary, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 showed a hydrogen recovery rate of less than 45%, a hydrogen generation rate of less than 2.1, and a hydrogen yield of less than 1.6, and the microbial electrolysis The efficiency of hydrogen generation was lower than that of batteries. Therefore, it was confirmed that the microbial electrolytic cell including the reducing electrode according to the present invention had excellent hydrogen generation efficiency by controlling the content of molybdenum sulfide.

또한, 실시예 1 및 실시예 2의 환원전극으로 제조된 미생물 전기분해전지는 0.8 V의 전압 인가시에 ηw 값이 110 내지 240%이고, ηw +s 값이 60 내지 85%인 반면, 비교예 3 및 4의 환원전극으로 제조된 미생물 전기분해전지는 0.8 V의 전압 인가시에 ηw 값이 110% 미만이고, ηw +s 값이 60% 미만으로 나타나, 본 발명에 따른 환원전극을 포함하는 미생물 전기분해전지는 황화 몰리브덴 함량을 조절함에 따라 수소 투입전력보다 높은 에너지를 가지며, 에너지 효율도 우수한 것을 확인하였다.In addition, the microbial electrolytic cell made of the reducing electrode of Example 1 and Example 2 had an eta w value of 110 to 240% and a eta w + s value of 60 to 85% when a voltage of 0.8 V was applied, In the microbial electrolytic cell made of the reduction electrodes of Comparative Examples 3 and 4, when the voltage of 0.8 V was applied, the value of eta w was less than 110% and the value of eta w + s was less than 60% Showed that the microbial electrolytic cell had energy higher than the hydrogen input power and excellent energy efficiency by controlling the content of molybdenum sulfide.

Claims (14)

산화구리층; 및
상기 산화구리층의 일면 또는 양면에 전이금속 황화물층이 형성되고,
산화구리층은 나노로드 형태의 산화구리를 포함하며,
산화구리는 산화구리층을 기준으로 입사각이 0° 내지 85°으로 분산된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 환원전극.
A copper oxide layer; And
A transition metal sulfide layer is formed on one or both surfaces of the copper oxide layer,
The copper oxide layer comprises copper oxide in the form of a nanorod,
Wherein the copper oxide has a structure in which the angle of incidence is dispersed from 0 DEG to 85 DEG with respect to the copper oxide layer.
제 1 항에 있어서,
상기 전이금속 황화물은 황화 몰리브덴 또는 황화 텅스텐인 것을 특징으로 하는 환원전극.
The method according to claim 1,
Wherein the transition metal sulfide is molybdenum sulfide or tungsten sulfide.
제 1 항에 있어서,
전이금속 황화물의 함량은 0.5 내지 5 mg/cm2인 것을 특징으로 하는 환원전극.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the transition metal sulfide is 0.5 to 5 mg / cm < 2 >.
제 1 항에 있어서,
환원전극의 표면적은 8 내지 15 cm2/g인 것을 특징으로 하는 환원전극.
The method according to claim 1,
And the surface area of the reducing electrode is 8 to 15 cm < 2 > / g.
구리 기판에 400℃ 내지 500℃의 열처리하여 산화구리층을 형성하는 단계; 및
상기 산화구리층 일면 또는 양면에 전이금속 황화물 수용액을 도포하여 전이금속 황화물층을 형성하는 단계를 포함하는 환원전극의 제조방법.
Subjecting the copper substrate to a heat treatment at a temperature of 400 ° C to 500 ° C to form a copper oxide layer; And
Applying a transition metal sulfide aqueous solution to one side or both sides of the copper oxide layer to form a transition metal sulfide layer.
제 5 항에 있어서,
산화구리층을 형성하는 단계는 열처리 하기 전에 구리 기판을 수산화나트륨 및 과황산암모늄을 포함하는 혼합용액에 담지하는 것을 특징으로 하는 환원전극의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the step of forming the copper oxide layer comprises, before the heat treatment, carrying the copper substrate in a mixed solution containing sodium hydroxide and ammonium persulfate.
제 5 항에 있어서,
전이금속 황화물층을 형성하는 단계는 핀 코팅법, 스프레이 코팅법 및 진공 열증착법으로 선택된 어느 하나의 방법을 통해 전이금속 황화물층을 형성하는 것을 특징으로 하는 환원전극의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the step of forming the transition metal sulfide layer comprises forming a transition metal sulfide layer by any one method selected from a fin coating method, a spray coating method and a vacuum thermal evaporation method.
제 5 항에 있어서,
전이금속 황화물층을 형성하는 단계에서, 전이금속 황화물 수용액 내의 전이금속 황화물의 농도는 1.5 내지 5 g/L인 것을 특징으로 하는 환원전극의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the concentration of the transition metal sulfide in the transition metal sulfide aqueous solution in the step of forming the transition metal sulfide layer is 1.5 to 5 g / L.
제 5 항에 있어서,
전이금속 황화물층을 형성하는 단계 이후에, 20 내지 25℃에서 24시간 이상 동안 건조하는 단계를 더 포함하는 환원전극의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Further comprising, after the step of forming the transition metal sulfide layer, drying at 20 to 25 DEG C for at least 24 hours.
제1항에 따른 환원전극;
생물막이 형성된 산화전극; 및
아세테이트를 함유하는 기질을 포함하는 미생물 전기분해전지.
A reducing electrode according to claim 1;
An oxidized electrode formed with a biofilm; And
A microbial electrolytic cell comprising a substrate containing acetate.
제 10 항에 있어서,
전기분해전지는, 0.8 V의 전압 인가시에, 수소발생율이 2.3 내지 3.5 m3·H2·m-3·d-1 인 것을 특징으로 하는 미생물 전기분해전지.
11. The method of claim 10,
Wherein the electrolysis cell has a hydrogen generation rate of 2.3 to 3.5 m 3 · H 2 · m -3 · d -1 when a voltage of 0.8 V is applied.
제 10 항에 있어서,
전기분해전지는 하기 일반식 1을 만족하는 미생물 전기분해전지.
[일반식 1]
H2 / H1 > 0.8
일반식 1에서,
H- 1는 0.8 V의 전압 인가시에 수소 발생 부피의 이론값이고,
H2는 0.8 V의 전압 인가시에 수소 발생 부피의 실험값이다.
11. The method of claim 10,
The electrolytic cell satisfies the following general formula (1).
[Formula 1]
H 2 / H 1 > 0.8
In the general formula 1,
H - 1 is the theoretical value of the hydrogen generation volume when a voltage of 0.8 V is applied,
H 2 is an experimental value of the hydrogen generation volume when a voltage of 0.8 V is applied.
제10항에 따른 미생물 전기분해전지에 폐수를 넣고 광을 조사하면서 전압을 인가하는 단계를 포함하는 폐수처리 방법.A method for treating wastewater comprising the steps of: injecting wastewater into a microbial electrolytic cell according to claim 10 and applying a voltage while irradiating light. 제13항에 있어서, 전압을 인가하는 단계에서,
인가되는 전압은 0.5 내지 1.0 V인 것을 특징으로 하는 폐수처리 방법.
14. The method of claim 13,
And the applied voltage is 0.5 to 1.0 V.
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