KR20210158059A - Apparatus of generating hydrogen peroxide using two electron oxygen reduction reaction - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 기술적 사상은 과산화수소 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2 전자 산소환원반응을 이용한 과산화수소 발생장치에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a hydrogen peroxide generator, and more particularly, to a hydrogen peroxide generator using a two-electron oxygen reduction reaction.
과산화수소는 강력한 산화력이 있어, 소독제, 산화제, 표백제, 촉매, 화학적 합성, 수처리, 펄프 및 제지 제조, 등 다양한 산업계에서 사용되고 있다. 또한, 과산화수소는 친환경적인 특성으로 인해 염소를 대체할 수 있고, 산소의 발생 및 공급을 필요로 하는 분야에서 사용될 수 있다. 종래의 과산화수소의 생산은 대부분 안트라퀴논 산화(anthraquinone oxidation)를 이용하며, 상기 방법은 에너지 소비량이 높고, 귀금속인 팔라듐 (Pd) 금속을 사용하는 등 장치 비용이 높은 한계가 있다. 또한, 종래의 과산화수소의 생산에서는 전기화학적으로 산소환원반응을 사용하는데, 이러한 반응을 위하여 외부 전원의 공급이 필수적인 한계가 있다.Hydrogen peroxide has a strong oxidizing power and is used in various industries such as disinfectant, oxidizing agent, bleaching agent, catalyst, chemical synthesis, water treatment, pulp and paper manufacturing, and the like. In addition, hydrogen peroxide can replace chlorine due to its eco-friendly properties, and can be used in fields requiring generation and supply of oxygen. Conventional production of hydrogen peroxide mostly uses anthraquinone oxidation, and the method has high energy consumption and high device cost, such as using palladium (Pd) metal, which is a noble metal. In addition, in the conventional production of hydrogen peroxide, an electrochemical oxygen reduction reaction is used, but there is a limitation that an external power supply is essential for this reaction.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 외부 전원을 요구하지 않고, 팔라듐과 같은 귀금속을 사용하지 않음으로써 경제적이고 간단한 설비로서, 2 전자 산소환원반응을 이용하여 과산화수소를 발생하는 과산화수소 발생장치를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a hydrogen peroxide generator that generates hydrogen peroxide using a two-electron oxygen reduction reaction as an economical and simple facility by not requiring an external power source and not using a noble metal such as palladium will provide
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 과산화수소 발생장치는, 애노드;상기 애노드를 마주보고 배치되고, 산소가 공급되는 캐소드; 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되고, 물을 포함하는 전해질; 및 상기 캐소드에 배치되고, 상기 산소와 상기 물을 2 전자 산소환원반응시켜 과산화수소를 발생시키는 촉매체;를 포함하고, 상기 캐소드의 일측은 상기 전해질과 접촉하고, 상기 캐소드의 타측은 공기 또는 산소 기체와 직접 접촉하도록 노출된다.A device for generating hydrogen peroxide according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem is an anode; a cathode disposed to face the anode and supplied with oxygen; an electrolyte disposed between the anode and the cathode and comprising water; and a catalyst that is disposed on the cathode and causes a two-electron oxygen reduction reaction of the oxygen and the water to generate hydrogen peroxide, wherein one side of the cathode is in contact with the electrolyte, and the other side of the cathode is air or oxygen gas exposed in direct contact with
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드로 공급되는 상기 산소는 상기 캐소드와 직접 접촉하는 상기 공기 또는 상기 산소 기체를 이용하여 제공될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the oxygen supplied to the cathode may be provided using the air or the oxygen gas in direct contact with the cathode.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전해질은 수산화이온(OH-)을 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에서 전달할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the electrolyte may transfer hydroxide ions (OH − ) between the anode and the cathode.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 과산화수소는 이온 상태로 상기 전해질 내에 용해될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the hydrogen peroxide may be dissolved in the electrolyte in an ionic state.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 과산화수소 발생장치는, 상기 과산화수소를 발생시킬 때에, 상기 애노드로부터 상기 캐소드로 전자가 이동하고, 이에 따라 전력을 발생시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the hydrogen peroxide generator, when generating the hydrogen peroxide, electrons move from the anode to the cathode, and thus may generate power.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 과산화수소가 발생하는 동안에 상기 애노드를 구성하는 물질이 산화되고, 충전에 의하여 상기 산화된 물질이 환원되어 상기 애노드를 보충할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the material constituting the anode is oxidized while the hydrogen peroxide is generated, and the oxidized material is reduced by charging to supplement the anode.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉매체는, 하기의 식으로부터 산출된 산소환원반응에 참여하는 전자의 갯수가 2 내지 4 범위인 물질을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the catalyst body, the number of electrons participating in the oxygen reduction reaction calculated from the following formula may include a material in the range of 2 to 4.
n = 4 x Id / (Id + Ir/N)n = 4 x I d / (I d + I r /N)
(여기에서, n은 산소환원반응에 참여하는 전자의 갯수, Id 는 디스크 전극의 전류량, Ir 은 링 전극의 전류량, N은 수집효율로서 0.41임)(Where n is the number of electrons participating in the oxygen reduction reaction, I d is the amount of current of the disk electrode, I r is the amount of current of the ring electrode, and N is the collection efficiency of 0.41)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉매체는, 금속, 금속 합금, 탄소 화합물, 산화물, 및 페로브스카이트 물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the catalyst body may include at least one of a metal, a metal alloy, a carbon compound, an oxide, and a perovskite material.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉매체는, 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 구리(Cu), Pt-Hg 합금, Pd-Hg 합금, Ag-Hg 합금 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the catalyst body is platinum (Pt), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), copper (Cu), Pt-Hg alloy, Pd-Hg alloy, Ag It may include at least one of -Hg alloys.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉매체는 작용기가 포함된 탄소 화합물 및 헤테로 원자가 치환된 탄소 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the catalyst may include at least one of a carbon compound having a functional group and a carbon compound substituted with a hetero atom.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 애노드는 전자를 잃어 양이온이 되는 물질을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the anode may contain a material that loses electrons to become a cation.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 애노드는, 아연(Zn), 바나듐(V) 크롬(Cr) 망간(Mn) 철(Fe) 코발트(Co) 니켈(Ni) 구리(Cu) 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 및 칼슘(Ca) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the anode includes zinc (Zn), vanadium (V) chromium (Cr) manganese (Mn) iron (Fe) cobalt (Co) nickel (Ni) copper (Cu) aluminum (Al) , magnesium (Mg), and may include at least one of calcium (Ca).
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 과산화수소 발생장치는, 애노드; 상기 애노드를 마주보고 배치되고, 산소가 공급되는 캐소드; 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되고, 물을 포함하는 전해질; 및 상기 캐소드에 배치되고, 상기 산소와 상기 물을 2 전자 산소환원반응시켜 과산화수소를 발생시키는 촉매체;를 포함하고, 상기 캐소드는 상기 전해질 내에 침지된다.A device for generating hydrogen peroxide according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem is an anode; a cathode disposed facing the anode and supplied with oxygen; an electrolyte disposed between the anode and the cathode and comprising water; and a catalyst that is disposed on the cathode and causes a two-electron oxygen reduction reaction between the oxygen and the water to generate hydrogen peroxide, wherein the cathode is immersed in the electrolyte.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드에 인접하여 배치되고, 상기 전해질에 공기 또는 산소 기체를 주입하는 기체 주입부를 더 포함할 수 있고, 상기 캐소드로 공급되는 상기 산소는 상기 기체 주입부에 의하여 주입되는 상기 공기 또는 산소 기체를 이용하여 제공될 수 있다.In one embodiment of the present invention, it is disposed adjacent to the cathode and may further include a gas injection unit for injecting air or oxygen gas into the electrolyte, wherein the oxygen supplied to the cathode is supplied to the cathode by the gas injection unit. It may be provided using the injected air or oxygen gas.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드로 공급되는 상기 산소는 상기 전해질에 포함된 잔류 산소를 이용하여 제공될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the oxygen supplied to the cathode may be provided using residual oxygen included in the electrolyte.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 과산화수소 발생장치는, 애노드; 상기 애노드를 마주보고 배치되고, 산소가 공급되는 캐소드; 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되고, 물을 포함하는 전해질; 및 상기 캐소드에 배치되고, 상기 산소와 상기 물을 2 전자 산소환원반응시켜 과산화수소를 발생시키는 촉매체;를 포함한다.A device for generating hydrogen peroxide according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem is an anode; a cathode disposed facing the anode and supplied with oxygen; an electrolyte disposed between the anode and the cathode and comprising water; and a catalyst that is disposed on the cathode and generates hydrogen peroxide by reacting the oxygen and the water with a two-electron oxygen reduction reaction.
본 발명의 기술적 사상에 따른 과산화수소 발생장치는 2 전자 산소환원반응을 이용하여 과산화수소를 발생시킬 수 있으므로, 외부 전원과 같은 추가적인 장치를 요구하지 않고, 팔라듐과 같은 귀금속을 사용하지 않음으로써 경제적이고 간단한 장치로서 구현될 수 있다. 또한, 상기 과산화수소 발생장치는 과산화수소 발생과 함께 부산물로서 전력을 생산할 수 있어 에너지 소비효율을 증가시킬 수 있고, 또한, 소모된 애노드를 충전에 의하여 보충할 수 있으므로 원료 소비를 감소시키고 장치의 수명을 증가시킬 수 있다.Since the hydrogen peroxide generator according to the technical idea of the present invention can generate hydrogen peroxide using a two-electron oxygen reduction reaction, it does not require an additional device such as an external power source, and is an economical and simple device by not using a noble metal such as palladium. can be implemented as In addition, the hydrogen peroxide generator can produce electric power as a by-product along with the hydrogen peroxide generation, thereby increasing energy consumption efficiency, and also reducing the consumption of raw materials and increasing the lifespan of the device because the consumed anode can be replenished by charging. can do it
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above-described effects of the present invention have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 과산화수소 발생장치를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 과산화수소 발생장치를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 과산화수소 발생장치에 적용된 촉매체의 산소환원반응을 판단하는 회전링-디스크 전극을 도시하는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing an apparatus for generating hydrogen peroxide according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing an apparatus for generating hydrogen peroxide according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram showing a rotating ring-disc electrode for determining the oxygen reduction reaction of the catalyst applied to the hydrogen peroxide generator according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the technical idea of the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so as to more fully and complete the present disclosure, and to fully convey the technical spirit of the present invention to those skilled in the art. In this specification, the same reference numerals refer to the same elements throughout. Furthermore, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 과산화수소 발생장치(100)를 도시하는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a
도 1을 참조하면, 과산화수소 발생장치(100)는, 애노드(110), 캐소드(120) 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 배치되는 전해질(130), 및 촉매체(140)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the
애노드(110)는, 전자를 잃어 양이온이 되는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있다. 애노드(110)는, 예를 들어 아연(Zn), 바나듐(V) 크롬(Cr) 망간(Mn) 철(Fe) 코발트(Co) 니켈(Ni) 구리(Cu) 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 및 칼슘(Ca) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 물질들은 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 애노드(110)는 일측이 전해질(130)과 접촉하는 배치를 가질 수 있고, 또는 하기의 도 2와 같이 전해질(130) 내에 침지될 수 있다. The
캐소드(120)는 애노드(110)를 마주보고 배치될 수 있다. 캐소드(120)의 일측은 전해질(130)과 접촉할 수 있고, 캐소드(120)의 타측은 공기 또는 산소 기체와 직접 접촉하도록 노출될 수 있다. 상기 과산화수소를 발생시키는 원료물질로서 산소가 캐소드(120)에 공급될 수 있다. 상기 산소의 공급은 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 캐소드(120)로 공급되는 상기 산소는 캐소드(120)와 직접 접촉하는 상기 공기 또는 상기 산소 기체를 이용하여 제공될 수 있다. 또한, 캐소드(120)로 공급되는 상기 산소는 전해질(130)에 포함된 잔류 산소를 이용하여 제공될 수 있다.The
캐소드(120)에는 촉매체(140)가 배치될 수 있다. 캐소드(120)는 금속이나 탄소 등과 같은 전도성 물질로 구성될 수 있다. 캐소드(120)는, 예를 들어 탄소 종이(carbon paper) 또는 니켈 그물망(nickel mesh) 등을 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 물질들은 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.A
과산화수소 발생장치(100)는 캐소드(120)가 공기 중의 산소를 이용할 수 있으므로, 이론적으로는 캐소드(120)의 무게를 0으로 또는 비약적으로 감소시킬 수 있다. 그러므로, 캐소드(120)의 무게를 감소시킴에 따라 애노드(110)의 무게를 증가시킬 수 있으므로, 과산화수소 발생장치(100)의 전체 무게에 대한 애노드(110)의 무게 비율이 증가되어, 결과적으로 무게 당 높은 과산화수소 발생률을 제공할 수 있다. In the
전해질(130)은 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 배치될 수 있다. 전해질(130)은 전해 물질을 포함할 수 있고, 물을 포함할 수 있다. 전해질(130)은 수산화이온(OH-)을 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에서 전달할 수 있고, 이러한 기능을 수행하는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 전해질(130)은, 예를 들어 액상 물질이거나 또는 고상 물질일 수 있다. 전해질(130)은, 예를 들어 산성 물질이거나 또는 염기성 물질일 수 있다. 전해질(130)이 산성을 가지는 경우에, 염기성을 가지는 경우에 비하여, 상온에서 상기 과산화수소의 합성 효율이 높을 수 있다. 예를 들어, 전해질(130)은 강염기성 용액인 경우에 1M 내지 6M의 KOH를 포함하여 구성될 수 있고, 중성 용액으로서 KHCO3를 포함하여 구성될 수 있고, 산성 용액으로서 HClO4 혹은 H2SO4 를 포함하여 구성될 수 있다. 그러나, 이러한 물질들은 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.The
촉매체(140)는 캐소드(120)에 배치될 수 있다. 촉매체(140)는 산소와 물을 2 전자 산소환원반응시켜 과산화수소를 발생시킬 수 있고, 이러한 기능을 수행하는 물질을 포함할 수 있다. 촉매체(140)는 예를 들어 금속, 금속 합금, 탄소 화합물, 산화물, 및 페로브스카이트 물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 촉매체(140)는, 예를 들어 원자 단위로 분산된 금속 물질로서 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 및 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 촉매체(140)는, 예를 들어 Pt-Hg 합금, Pd-Hg 합금, 및 Ag-Hg 합금 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 촉매체(140)는 작용기가 포함된 탄소 화합물을 포함할 수 있고, 예를 들어 카르복실(-COOH) 작용기가 포함된 탄소 화합물 또는 에테르 (C-O-C) 작용기가 포함된 탄소 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 촉매체(140)는 헤테로 원자가 치환된 탄소 화합물을 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 물질들은 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.The
이하에서는, 과산화수소 발생장치(100)에서의 과산화수소 발생 반응에 대하여 설명하기로 한다. 애노드(110)와 캐소드(120)에서는 반응은 다음과 같다. 아래의 반응식에서 애노드(110)를 구성하는 물질로서 아연을 예시적으로 선택함에 유의한다.Hereinafter, a hydrogen peroxide generation reaction in the
<과산화수소 발생 반응식><Hydrogen Peroxide Generation Reaction Formula>
애노드 반응 : Zn + 2OH- -> ZnO + H2O + 2e- (E0 = -1.33 V vs. SHE)Anode Reaction: Zn + 2OH - -> ZnO + H 2 O + 2e - (E 0 = -1.33 V vs. SHE)
캐소드 반응 : O2 + H2O + 2e- -> HO2 - + OH- (E0 = -0.065 V vs. SHE)Cathodic reaction: O 2 + H 2 O + 2e - -> HO 2 - + OH - (E 0 = -0.065 V vs. SHE)
캐소드(120)에서 형성된 수산화이온(OH-)은 전해질(130)을 통과하여 애노드(110)로 이동한다. 상기 수산화이온(OH-)은 애노드를 구성하는 금속(M)과 반응하여 금속 산화물(MO), 물(H2O), 및 전자(2e-)를 형성한다. 예를 들어 상기 금속이 아연(Zn)인 경우에는, 아연산화물(ZnO)을 형성한다. 상기 발생한 전자(2e-)는 배선(180)을 거쳐 캐소드(120)에 공급된다. 캐소드(120)에서는 산소(O2), 물(H2O) 및 전자(2e-)가 반응하여 과산화수소(HO2 -)와 수산화이온(OH-)을 형성한다. 상기 과산화수소(HO2 -)는 이온 형태로 전해질(130) 내에 용해될 수 있고, 이후에 전해질(130)에서 과산화수소(H2O2)로서 추출될 수 있다. Hydroxide ions (OH − ) formed in the
과산화수소 발생장치(100)는 금속과 산소의 반응을 이용하여 전력을 생성할 수 있다. 과산화수소 발생장치(100)는 상기 과산화수소를 발생시킬 때에, 애노드(110)로부터 캐소드(120)로 전자가 이동하고, 이에 따라 전력을 발생시킬 수 있다. 이와 같이 발생한 전력은 부하(190)에 제공될 수 있다. 애노드(110)가 아연인 경우에는 자발적으로 발생하는 기전력은 1.27V 가 된다. 이때에, 부하(190)를 통과하는 전류 흐름은 캐소드(120)에서 애노드(110)로 향하게 되므로, 캐소드(120)는 +극이 되고, 애노드(110)는 - 극이 된다. 이러한 전력 생성의 장점은 자연계에 무한히 존재하는 산소를 활물질로 이용하며, 다른 이차전지에 비하여 매우 높은 이론 에너지 밀도를 가지고, 또한 친화경적인 특성을 보유할 수 있다. 또한, 과산화수소 발생장치(100)는 내부에 화학 산화제를 포함하지 않으므로 폭발이나 화재의 우려가 없으며 무게를 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 수소나 알코올을 사용하는 연료 전지에 비하여 매우 경제적이고 안정성이 우수하고 낮은 온도에서의 작동능력도 우수할 수 있다.The
또한, 과산화수소 발생장치(100)에서는, 충전 과정을 통하여 소비된 애노드(110)의 금속 물질을 전해질(130)로부터 보충할 수 있다. 충전 시의 반응식은 하기와 같다.In addition, in the
<충전시의 반응식><Reaction formula during charging>
애노드 반응 : Zn(OH)4 2- + 2e- -> Zn + 4 OH- (aq)Anode reaction: Zn(OH) 4 2- + 2e - -> Zn + 4 OH - (aq)
캐소드 반응 : 4 OH-(aq) -> O2 (g)+ 2H2O + 4e- Cathodic reaction: 4 OH - (aq) -> O 2 (g)+ 2H 2 O + 4e -
과산화수소 발생장치(100)에서, 과산화수소가 발생하는 동안에 애노드(110)를 구성하는 물질이 산화되어 산화물을 형성하거나 또는 전해질(130) 내에 이온으로 용해되어, 결과적으로 애노드(110)가 소비된다. 상기와 같은 충전에 의하여 상기 산화된 물질이 환원되어 소비된 애노드(110)를 보충할 수 있다. 상기 충전 시에는 애노드(110)를 외부 전원(미도시)의 + 극을 연결하고, 캐소드를 상기 외부 전원의 - 극을 연결하여 전자를 이동시켜야 한다. In the
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 과산화수소 발생장치(200)를 도시하는 개략도이다. 도 1의 실시예의 구성요소와 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.2 is a schematic diagram showing a
도 2를 참조하면, 과산화수소 발생장치(200)는, 애노드(210), 캐소드(220) 애노드(210)와 캐소드(220) 사이에 배치되는 전해질(230), 및 촉매체(240)를 포함한다.Referring to FIG. 2 , the
캐소드(220)는 애노드(210)를 마주보고 배치될 수 있고, 산소가 공급될 수 있다. 전해질(230)은 애노드(210)와 캐소드(220) 사이에 배치될 수 있고, 물을 포함할 수 있다. 촉매체(240)는 캐소드(220)에 배치될 수 있고, 상기 산소와 상기 물을 2 전자 산소환원반응시켜 과산화수소를 발생시킬 수 있다.The
캐소드(220)는 전해질(230) 내에 침지될 수 있다. 또한, 애노드(210)는 전해질(230) 내에 침지될 수 있고, 또는 도 1과 같이 애노드(210)의 일측이 전해질(230)과 접촉하는 배치를 가질 수 있다. The
캐소드(220)에는 상기 과산화수소를 발생시키는 원료물질로서, 산소가 공급될 수 있다. 상기 산소의 공급은 다양한 방식으로 수행될 수 있다.Oxygen may be supplied to the
과산화수소 발생장치(200)는 기체 주입부(270)를 더 포함할 수 있다. 기체 주입부(270)는 캐소드(220)에 인접하여 배치되고, 전해질(230)에 공기 또는 산소 기체를 주입할 수 있다. 이 경우에는, 캐소드(220) 상기 산소는 기체 주입부(270)에 의하여 주입되는 상기 공기 또는 산소 기체를 이용하여 제공될 수 있다.The
또한, 캐소드(220)로 공급되는 상기 산소는 전해질(230)에 포함된 잔류 산소를 이용하여 제공될 수 있다.In addition, the oxygen supplied to the
도 2의 배선(280)은 도 1의 배선(180)에 상응할 수 있다. 도 2의 부하(290)는 도 1의 부하(190)에 상응할 수 있다.The
본 발명의 기술적 사상에 따른 과산화수소 발생장치는 2 전자 산소환원반응을 이용하여 과산화수소를 발생시킨다. 이하에서는 상기 2 전자 산소환원반응에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.The hydrogen peroxide generator according to the technical idea of the present invention generates hydrogen peroxide using a two-electron oxygen reduction reaction. Hereinafter, the two-electron oxygen reduction reaction will be described in detail.
산소는 산소환원반응(Oxygen reduction reaction, ORR)에 의하여 환원되어 물(H2O), 수산화이온(OH-), 과산화수소(H2O2), 및 과산화수소 라디칼(HO2 -)을 형성할 수 있다. 과산화수소(HO2 -)는 정확한 의미에서는 과산화수소 음이온(또는 라디칼)이지만, 본 명세서에서는 과산화수소로 지칭하기로 한다.Oxygen is reduced by an oxygen reduction reaction (ORR) to form water (H 2 O), hydroxide ions (OH - ), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and hydrogen peroxide radicals (HO 2 - ) have. Hydrogen peroxide (HO 2 − ) is a hydrogen peroxide anion (or radical) in a precise sense, but will be referred to as hydrogen peroxide in the present specification.
이러한 산소환원반응은 참여하는 전자의 갯수에 따라 다른 생성물을 형성할 수 있다. 하기에는 상기 산소환원반응에 4개의 전자가 참여하는 4 전자 반응식과 상기 산소환원반응에 2개의 전자가 참여하는 2 전자 반응식이 나타나있다.This oxygen reduction reaction can form different products depending on the number of participating electrons. A four-electron reaction formula in which four electrons participate in the oxygen reduction reaction and a two-electron reaction formula in which two electrons participate in the oxygen reduction reaction are shown below.
<4 전자 반응식><4 electron reaction formula>
O2 + 2H2O + 4e- <-> 4OH- O 2 + 2H 2 O + 4e - <-> 4OH -
<2 전자 반응식><2 electron reaction formula>
O2 + H2O + 2e- <-> HO2 - + OH- O 2 + H 2 O + 2e - <-> HO 2 - + OH -
상기 4 전자 반응식에서는 1 개의 산소(O2), 2 개의 물(H2O) 및 4 개의 전자(e-)가 반응하여 4 개의 수산화이온(OH-)을 형성한다. 반면, 상기 2 전자 반응식에서는 1 개의 산소(O2), 1 개의 물(H2O), 및 2 개의 전자(e-)가 반응하여, 1 개의 과산화수소(HO2 -)와 1 개의 수산화이온(OH-)을 형성한다. 즉, 상기 2 전자 반응에서는 중간 생성물(intermediate product)로서 과산화수소(HO2 -)를 형성한다.In the four-electron reaction equation, one oxygen (O 2 ), two water (H 2 O), and four electrons (e − ) react to form four hydroxide ions (OH − ). On the other hand, in the two-electron reaction formula, one oxygen (O 2 ), one water (H 2 O), and two electrons (e - ) react, and one hydrogen peroxide (HO 2 - ) and one hydroxide ion ( OH - ). That is, in the two-electron reaction, hydrogen peroxide (HO 2 − ) is formed as an intermediate product.
산소환원반응이 일어나는 촉매체의 종류에 따라 4 전자 반응이 우세하거나 또는 2 전자 반응이 우세하게 된다. 이와 같이, 발생하는 산소환원반응이 4 전자 반응 또는 2 전자 반응인지 여부는 회전링-디스크 전극(rotating ring disk electrode, RRDE)을 이용하여 판단할 수 있다.Depending on the type of catalyst in which the oxygen reduction reaction occurs, a four-electron reaction or a two-electron reaction dominates. As such, whether the generated oxygen reduction reaction is a four-electron reaction or a two-electron reaction can be determined using a rotating ring disk electrode (RRDE).
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 과산화수소 발생장치에 적용된 촉매체의 산소환원반응을 판단하는 회전링-디스크 전극을 도시하는 개략도이다.3 is a schematic diagram showing a rotating ring-disc electrode for determining the oxygen reduction reaction of the catalyst applied to the hydrogen peroxide generator according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 상기 회전링-디스크 전극에서 발생하는 2 전자 반응의 산소환원반응이 예시적으로 도시되어 있다. 상기 회전링-디스크 전극은 디스크 전극(10), 링 전극(20) 및 촉매(30)를 포함한다. 디스크 전극(10) 상에 촉매(30)를 배치하고 전기를 인가하면, 산소 분자가 2개의 전자를 받아 환원되어 과산화수소 라디칼과 수산화이온으로 변화하고, 다시 링 전극(20)에서 상기 과산화수소 라디칼과 상기 수산화이온은 산화되어 2 개의 전자를 링 전극(20)에 전달하고 산소 분자로 변환한다. 인가되는 전기의 극성은 링 전극(20)이 +극 이고, 디스크 전극(10)이 -극 이 된다. 상기 산소환원반응에 참여한 전자의 갯수는 하기의 식에 의하여 산출할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the oxygen reduction reaction of the two-electron reaction occurring in the rotating ring-disk electrode is illustrated by way of example. The rotating ring-disk electrode includes a
<전자 갯수 산출식><Electron count calculation formula>
n = 4 x Id / (Id + Ir/N)n = 4 x I d / (I d + I r /N)
(여기에서, n은 산소환원반응에 참여하는 전자의 갯수, Id 는 디스크 전극의 전류량, Ir 은 링 전극의 전류량, N은 수집효율로서 0.41임)(Where n is the number of electrons participating in the oxygen reduction reaction, I d is the amount of current of the disk electrode, I r is the amount of current of the ring electrode, and N is the collection efficiency of 0.41)
과산화수소를 발생시키기 위하여는 촉매체는 상기 산소환원반응에 참여하는 전자의 갯수(n)가 2 내지 4 범위일 수 있다. 상기 전자의 개수는 사용된 전자의 평균값을 계산을 통해서 산출한다. 상기 전자의 개수가 2에 가까울수록 상기 2 전자 반응 경향이 커지고, 이에 따라 과산화수소 생산 효율이 증가됨을 의미한다. 반면, 상기 전자의 개수가 4에 가까울수록 상기 4 전자 반응 경향이 커지고, 이에 따라 과산화수소 생산 효율이 감소됨을 의미한다. 따라서, 상기 촉매체는, 상기 식으로부터 산출된 산소환원반응에 참여하는 상기 전자의 갯수가 2 내지 4 범위인 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 촉매체는 상기 전자의 개수가 2 이상 내지 4 미만 범위인 물질을 포함할 수 있다.In order to generate hydrogen peroxide, the number (n) of electrons participating in the oxygen reduction reaction of the catalyst may be in the range of 2 to 4. The number of electrons is calculated by calculating the average value of the electrons used. The closer the number of electrons to two, the greater the two-electron reaction tendency, which means that the hydrogen peroxide production efficiency is increased accordingly. On the other hand, the closer the number of electrons to 4, the greater the tendency of the 4-electron reaction, which means that the hydrogen peroxide production efficiency is reduced accordingly. Accordingly, the catalyst may include a material in which the number of electrons participating in the oxygen reduction reaction calculated from the above formula is in the range of 2 to 4. Preferably, the catalyst body may include a material in which the number of electrons is in the range of 2 or more to less than 4.
또한, 상기 과산화수소 발생장치에서 발생되는 과산화수소의 생산도는 하기의 식과 같다.In addition, the production degree of hydrogen peroxide generated in the hydrogen peroxide generator is as follows.
<과산화수소의 생산도 산출식><Calculation formula for production of hydrogen peroxide>
[HO2 -] (%) = 200 x (Ir/N) /(Id + Ir/N)[HO 2 - ] (%) = 200 x (I r /N) /(I d + I r /N)
(여기에서, Id 는 디스크 전극의 전류량, Ir 은 링 전극의 전류량, N은 수집효율로서 0.41임)(Here, I d is the amount of current of the disk electrode, I r is the amount of current of the ring electrode, and N is the collection efficiency of 0.41)
상기 수집효율(N)은 디스크 전극에서 생산된 생산물이 링 전극에서 수집된 정도를 나타내는 척도이며, 일반적으로 0.41이 될 수 있다.The collection efficiency (N) is a measure indicating the degree to which the product produced by the disk electrode is collected by the ring electrode, and may generally be 0.41.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The technical spirit of the present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is the technical spirit of the present invention that various substitutions, modifications and changes are possible without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which this belongs.
100, 200: 과산화수소 발생장치
110, 210: 애노드, 120, 220: 캐소드,
130, 230: 전해질, 140, 240: 촉매체,
270: 기체 주입부,
180, 280: 배선, 190, 290: 부하,
10: 디스크 전극, 20: 링 전극, 30: 촉매100, 200: hydrogen peroxide generator
110, 210: anode, 120, 220: cathode,
130, 230: electrolyte, 140, 240: catalyst,
270: gas injection unit;
180, 280: wiring, 190, 290: load,
10: disk electrode, 20: ring electrode, 30: catalyst
Claims (16)
상기 애노드를 마주보고 배치되고, 산소가 공급되는 캐소드;
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되고, 물을 포함하는 전해질; 및
상기 캐소드에 배치되고, 상기 산소와 상기 물을 2 전자 산소환원반응시켜 과산화수소를 발생시키는 촉매체;를 포함하고,
상기 캐소드의 일측은 상기 전해질과 접촉하고, 상기 캐소드의 타측은 공기 또는 산소 기체와 직접 접촉하도록 노출된, 과산화수소 발생장치.anode;
a cathode disposed facing the anode and supplied with oxygen;
an electrolyte disposed between the anode and the cathode and comprising water; and
A catalyst body disposed on the cathode and generating hydrogen peroxide by reacting the oxygen and the water with a two-electron oxygen reduction reaction;
One side of the cathode is in contact with the electrolyte, and the other side of the cathode is exposed to be in direct contact with air or oxygen gas, a hydrogen peroxide generator.
상기 캐소드로 공급되는 상기 산소는 상기 캐소드와 직접 접촉하는 상기 공기 또는 상기 산소 기체를 이용하여 제공되는, 과산화수소 발생장치.The method according to claim 1,
The oxygen supplied to the cathode is provided using the air or the oxygen gas in direct contact with the cathode, a hydrogen peroxide generator.
상기 전해질은 수산화이온(OH-)을 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에서 전달하는, 과산화수소 발생장치.The method according to claim 1,
The electrolyte transfers hydroxide ions (OH − ) between the anode and the cathode, a hydrogen peroxide generator.
상기 과산화수소는 이온 상태로 상기 전해질 내에 용해되는, 과산화수소 발생장치.The method according to claim 1,
The hydrogen peroxide is dissolved in the electrolyte in an ionic state, a hydrogen peroxide generator.
상기 과산화수소 발생장치는, 상기 과산화수소를 발생시킬 때에, 상기 애노드로부터 상기 캐소드로 전자가 이동하고, 이에 따라 전력을 발생시키는, 과산화수소 발생장치.The method according to claim 1,
In the hydrogen peroxide generator, when generating the hydrogen peroxide, electrons move from the anode to the cathode, thereby generating electric power.
상기 과산화수소가 발생하는 동안에 상기 애노드를 구성하는 물질이 산화되고, 충전에 의하여 상기 산화된 물질이 환원되어 상기 애노드를 보충하는, 과산화수소 발생장치.The method according to claim 1,
A material constituting the anode is oxidized while the hydrogen peroxide is generated, and the oxidized material is reduced by charging to supplement the anode.
상기 촉매체는, 하기의 식으로부터 산출된 산소환원반응에 참여하는 전자의 갯수가 2 내지 4 범위인 물질을 포함하는, 과산화수소 발생장치.
n = 4 x Id / (Id + Ir/N)
(여기에서, n은 산소환원반응에 참여하는 전자의 갯수, Id 는 디스크 전극의 전류량, Ir 은 링 전극의 전류량, N은 수집효율로서 0.41임)The method according to claim 1,
The catalyst body, the hydrogen peroxide generator comprising a material in which the number of electrons participating in the oxygen reduction reaction calculated from the following formula is in the range of 2 to 4.
n = 4 x I d / (I d + I r /N)
(Where n is the number of electrons participating in the oxygen reduction reaction, I d is the amount of current of the disk electrode, I r is the amount of current of the ring electrode, and N is the collection efficiency of 0.41)
상기 촉매체는, 금속, 금속 합금, 탄소 화합물, 산화물, 및 페로브스카이트 물질 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 과산화수소 발생장치.The method according to claim 1,
The catalyst body, a hydrogen peroxide generator comprising at least one of a metal, a metal alloy, a carbon compound, an oxide, and a perovskite material.
상기 촉매체는, 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 구리(Cu), Pt-Hg 합금, Pd-Hg 합금, Ag-Hg 합금 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 과산화수소 발생장치.The method according to claim 1,
The catalyst includes at least one of platinum (Pt), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), copper (Cu), a Pt-Hg alloy, a Pd-Hg alloy, and an Ag-Hg alloy which is a hydrogen peroxide generator.
상기 촉매체는 작용기가 포함된 탄소 화합물 및 헤테로 원자가 치환된 탄소 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 과산화수소 발생장치.The method according to claim 1,
The catalyst body includes at least one of a carbon compound containing a functional group and a carbon compound substituted with a hetero atom, a hydrogen peroxide generator.
상기 애노드는 전자를 잃어 양이온이 되는 물질을 포함하는, 과산화수소 발생장치.The method according to claim 1,
The anode contains a material that loses electrons and becomes a cation, a hydrogen peroxide generator.
상기 애노드는, 아연(Zn), 바나듐(V) 크롬(Cr) 망간(Mn) 철(Fe) 코발트(Co) 니켈(Ni) 구리(Cu) 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 및 칼슘(Ca) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 과산화수소 발생장치.The method according to claim 1,
The anode is zinc (Zn), vanadium (V) chromium (Cr) manganese (Mn) iron (Fe) cobalt (Co) nickel (Ni) copper (Cu) aluminum (Al), magnesium (Mg), and calcium ( Ca) comprising at least one of, hydrogen peroxide generator.
상기 애노드를 마주보고 배치되고, 산소가 공급되는 캐소드;
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되고, 물을 포함하는 전해질; 및
상기 캐소드에 배치되고, 상기 산소와 상기 물을 2 전자 산소환원반응시켜 과산화수소를 발생시키는 촉매체;를 포함하고,
상기 캐소드는 상기 전해질 내에 침지된, 과산화수소 발생장치.anode;
a cathode disposed facing the anode and supplied with oxygen;
an electrolyte disposed between the anode and the cathode and comprising water; and
a catalyst body disposed on the cathode and generating hydrogen peroxide by reacting the oxygen and the water with a two-electron oxygen reduction reaction;
The cathode is immersed in the electrolyte, hydrogen peroxide generator.
상기 캐소드에 인접하여 배치되고, 상기 전해질에 공기 또는 산소 기체를 주입하는 기체 주입부를 더 포함하고,
상기 캐소드로 공급되는 상기 산소는 상기 기체 주입부에 의하여 주입되는 상기 공기 또는 산소 기체를 이용하여 제공되는, 과산화수소 발생장치.14. The method of claim 13,
It is disposed adjacent to the cathode, further comprising a gas injection unit for injecting air or oxygen gas into the electrolyte,
The oxygen supplied to the cathode is provided using the air or oxygen gas injected by the gas injection unit, a hydrogen peroxide generator.
상기 캐소드로 공급되는 상기 산소는 상기 전해질에 포함된 잔류 산소를 이용하여 제공되는, 과산화수소 발생장치.14. The method of claim 13,
The oxygen supplied to the cathode is provided using residual oxygen contained in the electrolyte, a hydrogen peroxide generator.
상기 애노드를 마주보고 배치되고, 산소가 공급되는 캐소드;
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되고, 물을 포함하는 전해질; 및
상기 캐소드에 배치되고, 상기 산소와 상기 물을 2 전자 산소환원반응시켜 과산화수소를 발생시키는 촉매체;를 포함하는, 과산화수소 발생장치.anode;
a cathode disposed facing the anode and supplied with oxygen;
an electrolyte disposed between the anode and the cathode and comprising water; and
A catalyst body disposed on the cathode and generating hydrogen peroxide by reacting the oxygen and the water with a two-electron oxygen reduction reaction.
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