연세대-포스텍, 과산화수소 생산용 고효율·고내구성 광전기화학전지 개발

▲ 양·음극 동시 과산화수소 생성용 광전기화학 전지 모식도 (자료=연세대)

[에너지경제신문 송기우 에디터] 연세대학교와 포항공과대학교(이하 포스텍)가 개방·공유 캠퍼스 협력사업을 통한 공동연구를 기반으로 친환경적인 과산화수소(H₂O₂) 생산용 고효율·고안전성 광전기화학전지(PEC)를 개발했다.

연세대 건설환경공학과 김형일 교수, 포스텍 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.

이 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).

이 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 포스텍이 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.

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

▲ (a)광양극을 이용한 물 산화 과수생성 시스템 (b)음극의 ORR반응을 이용한 과수생성 시스템 (c)광양극의 물 산화 과수생성+ 음극의 산소를 이용한 과수생성 통합 시스템 (d)외부 인가전압을 이용하지 않는 광양극과 음극을 이용한 과수생성 통합 시스템 (자료=연세대)