- 친환경적 과산화수소(H₂O₂) 생산용...고효율·고내구성 갖춰
- 물과 산소 동시 생성...패러데이 효율 획기적으로 높여
연세대학교와 포항공과대학교(이하 POSTECH)가 개방·공유 캠퍼스 협력 사업을 통한 공동연구를 기반으로 친환경적인 과산화수소(H₂O₂) 생산용 고효율·고안전성 광전기화학전지(PEC)를 개발했다.
과산화수소는 소독이 필요한 의료용품, 폐수처리, 반도체 공정 등에 폭넓게 사용되며, 특히 반도체 공정의 세정제로 일본의 수출규제 품목인 불화수소(HF) 보다 100배 이상 많이 쓰인다. 현재의 과산화수소 생성공정은 값비싼 귀금속 촉매와 많은 에너지를 필요로 하며, 환경오염 부산물을 생산한다는 한계가 있다.
본 연구에서 개발한 광전기화학전지는 태양에너지, 물, 산소를 이용해 과산화수소를 생산하는 친환경적인 기술로 현재의 과산화수소 생성공정의 대안으로 주목받고 있다. 단일전극을 사용해 과산화수소를 생산하는 일반적인 광전기화학전지와 달리 이번 연구에서는 양극과 음극을 모두 사용하는 새로운 이중 과산화수소 생성 광전기화학시스템을 개발했다. 양극에서는 물, 음극에서는 산소로부터 과산화수소를 동시에 생성해 패러데이 효율을 획기적으로 높였다.
연구팀은 스핀코팅(Spin coating) 방식을 이용해 Bi, V와 Mo를 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide)에 코팅 후 500°C에서 가열하는 과정을 반복해 130nm의 두께를 갖는 Mo-BiVO4 전극을 제작했다. 이후 drop-casting 공법을 이용해 열처리 과정을 거친 뒤 인산염 코팅을 완성시켰다. 음극(Cathode) 또한 Carbon paper에 안트라퀴논 용액을 투하 후 건조하는 drop-casting 공법을 이용했다.
광양극(photoanode)으로는 물을 이용한 과산화수소 생성에 열역학적으로 가장 적합한 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 사용해 물을 직접 과산화수소로 산화시켰다. 비스무스 바나데이트(BiVO4)는 가시광선 아래에서 잘 작동하는 광촉매 물질 중 하나로, 가격이 저렴하고 대량 생산이 가능한 특징이 있다. 음극에는 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube)와 안트라퀴논(Anthraquinone)을 결합해 산소로부터 과산화수소를 생성했다.
또한 뛰어난 과산화수소 생성효율을 보이나 낮은 안전성을 가진 양극 광촉매인 비스무스 바나데이트(BiVO4)에 몰리브덴(Mo)을 도핑하고 인산염(Phosphate)을 증착해 기존 비스무스 바나데이트(BiVO4) 전극 대비 패러데이 효율을 3배, 안전성을 300배 이상 향상시켰다.
연구팀은 광전기화학 전지 시스템 성능 평가를 위해 양극과 음극 각각의 성능평가와 전체 시스템 성능평가를 실시했다. 양극에서 세가지 금속 도핑(W, Mo, Cr)을 이용해 과산화수소 생성 효율을 측정한 결과, W(텅스텐)와 Cr(크롬)을 도핑할 경우 기존의 BiVO4 전극보다 과산화수소의 생성량이 더 적고 Mo(몰리브덴)을 도핑할 경우에만 과산화수소 생성 효율이 증가했다. 태양광으로 인한 과산화수소 분해 속도는 측정 결과 Cr-BiVO4, Mo-BiVO4, W-BiVO4, BiVO4 순으로 분해 속도가 늦춰지는 것을 알 수 있었다.
아울러 음극의 성능 평가 시 안트라퀴논을 합성한 CNT와 bare CNT를 비교했는데, AQ-CNT와 bare CNT 모두 패러데이 효율은 100%에 근접하게 나왔다. 그러나 bare CNT의 경우 과산화수소 생성과의 경쟁 반응인 수소생성반응의 효율이 더 높았지만, AQ-CNT는 100% 과산화수소 생성이 되는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 제시한 광전기화학전지는 기존의 과산화수소 생산용 광전기화학전지가 가진 한계인 낮은 패러데이 효율 및 안전성 문제를 획기적으로 개선한 시스템으로 광전기화학전지 시스템 상용화에 교두보적인 역할을 할 것으로 기대된다.
이번 연구는 연구재단의 글로벌연구실사업과 기초연구실지원사업의 지원으로 수행됐다. 연세대 건설환경공학과 김형일 교수, POSTECH 환경공학부 최원용 교수, 전태화 박사가 수행한 이번 연구는 에너지 분야 국제저명학술지인 Energy&Environmental Science에 6월 1일자 온라인 판 표지논문으로 게재됐다.
