연세대-POSTECH 공동연구팀, 고효율·고내구성 광전기화학전지 개발

양·음극 동시 과산화수소 생성용 광전기화학 전지 모식도 ©연세대

태양광을 이용, 물과 산소에서 동시에 과산화수소를 생산하는 광전기화학전지 개발
세계적인 학술지 Energy & Environmental Science (IF: 33.250) 표지논문으로 선정

연세대학교와 포항공과대학교(이하 POSTECH)가 개방·공유 Campus 협력 사업을 통한 공동연구를 기반으로 친환경적인 과산화수소(H₂O₂) 생산용 고효율·고안전성 광전기화학전지(PEC)를 개발했다.

연세대 건설환경공학과 김형일 교수, POSTECH 환경공학부 최원용 교수, 전태화 박사가 수행한 이번 연구는 에너지 분야 국제저명학술지인 Energy & Environmental Science(IF 33.250) 6월 1일자(현지시각) 온라인 판 표지논문으로 게재됐다.

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 (광)전기화학전지와 달리 이번 연구에서는 양극(Anode)과 음극(Cathode)을 모두 사용하는 새로운 이중 과산화수소 생성 광전기화학시스템을 개발했다. 양극에서는 물, 음극에서는 산소로부터 과산화수소를 동시에 생성해 패러데이 효율을 획기적으로 높였다(단일 CNT/C 전극 대비 5배 증가).

광양극(photoanode)으로는 물을 이용한 과산화수소 생성에 열역학적으로 가장 적합한 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 사용해 물을 직접 과산화수소로 산화시켰으며, 음극(Cathode)에는 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube)와 안트라퀴논(Anthraquinone)을 결합해 사용하여 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(90% 효율 유지 기준).

본 연구에서 제시한 광전기화학전지는 기존의 과산화수소 생산용 광전기화학전지가 가진 한계인 낮은 패러데이 효율 및 안전성 문제를 획기적으로 개선한 시스템으로 광전기화학전지 시스템의 상용화에 교두보적인 역할을 할 것으로 기대된다.

이번 연구는 연구재단의 글로벌연구실사업과 기초연구실지원사업의 지원으로 수행됐으며 연세대와 POSTECH가 2018년 3월 함께 시작한 개방·공유 Campus 선언문의 첫 번째 선언인 ‘양교는 개방, 공유, 협력의 가치를 추구하고, 이를 실천하기 위한 실질적 상호 교류를 적극 추진한다.’를 이행함으로써 나온 산물이다.

(좌상) 광양극을 이용한 물 산화 과수생성 시스템 (우상) 음극의 ORR반응을 이용한 과수생성 시스템 (좌하) 광양극의 물 산화 과수생성+ 음극의 산소를 이용한 과수생성 통합 시스템 (우하) 외부 인가전압을 이용하지 않는 광양극과 음극을 이용한 과수생성 통합 시스템 ©연세대

(논문명 : Highly durable photoelectrochemical H2O2 production via dual photoanode and cathode processes under solar simulating and external bias-free conditions) 아래는 연구결과개요 및 용어설명.

1. 연구배경

△과산화수소(H₂O₂)는 화학, 환경분야에서 매우 유용한 산화제로 쓰이며, 이를 친환경적인 방법을 이용해 생성하는 공법은 필수적이다. 최근에는 광촉매와 전기화학적인 방법을 이용한 과산화수소 생성 연구가 활발히 이루어지고 있다. 광촉매와 전기화학을 이용해 과산화수소 생성 시 일반적으로 산소 환원 반응(Oxygen Reduction Reaction)을 이용하며, 다른 방법으로는 광전기화학전지(PEC)를 이용해 물에서 과산화수소를 얻는 방법이 있다.

2. 연구내용

△본 연구팀은 스핀코팅(Spin coating) 방식을 이용하여 Bi,V와 Mo를 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide)에 코팅 후 500°C에서 가열하는 과정을 반복하여130nm의 두께를 갖는 Mo-BiVO4 전극(Anode)을 제작했다. 이후, drop-casting공법을 이용하고 열처리 과정을 거쳐 인산염 코팅을 완성시켰다. 음극(Cathode) 또한 Carbon paper에 안트라퀴논 용액을 투하 후 건조하는 drop-casting공법을 이용했다.

△연구팀은 광전기화학 전지 시스템 성능 평가를 위해 양극과 음극 각각의 성능평가와 전체 시스템 성능평가를 실시했다(그림 설명 참조). 양극에서 세 가지 금속 도핑(W, Mo, Cr)을 이용하여 과산화수소 생성 효율을 측정했다. 그 결과 W(텅스텐)와 Cr(크롬)을 도핑할 경우 기존의 BiVO4 전극보다 과산화수소의 생성량이 더 적고 Mo(몰리브덴)을 도핑할 경우에만 과산화수소 생성 효율이 증가함을 알 수 있었다. 또한, 태양광으로 인한 과산화수소 분해 속도를 측정해본 결과 Cr-BiVO4, Mo-BiVO4, W-BiVO4, BiVO4 순으로 분해 속도가 늦춰지는 것을 알 수 있었다.

△음극의 성능 평가 시 안트라퀴논을 합성한 CNT와 bare CNT를 비교했다. AQ-CNT와 bare CNT 모두 패러데이 효율은 100%에 근접하게 나왔지만, bare CNT의 경우, 과산화수소 생성반응과의 경쟁 반응인 수소생성반응과 과산화수소생성반응이 일어나고 수소생성반응의 효율이 더 높았지만, AQ-CNT는 100% 과산화수소의 생성이 되는 것을 확인할 수 있었다.

3. 용어설명

Photoelectrochemical cell (광전기화학전지)
- 광전기화학전지는 널리 알려진 태양전지에서처럼 태양에너지를 전기에너지로 바꾸는 대신 화학반응에 직접 활용한다는 차이점이 있다. 일반적으로 반도체 물질이 광전극으로 사용되어 태양에너지를 전자(electron)-홀(hole)의 엑시톤(exciton)으로 전환하며 이때 생성된 전자와 홀은 각각 환원력과 산화력을 가지므로 다양한 산화·환원 반응에 적용될 수 있다.

비스무스 바나데이트 (BiVO4)
- 가시광선 아래에서 잘 작동하는 광촉매 물질 중 하나로서 가격이 저렴하고 대량 생산이 가능해 에너지 및 환경 분야에서 많이 사용되고 있다.

패러데이 효율 (Faraday efficiency)
- 전극을 이용하여 과산화 수소를 생성 시 사용한 에너지 중 실제 과산화수소 생성을 위해 사용된 에너지의 비율을 말한다.