[논문]DSA 전극에서 염소 발생 메커니즘

김지예; 김춘수; 김성환; 윤제용

doi:10.9713/kcer.2015.53.5.531

DSA 전극에서 염소 발생 메커니즘
A Review of Chlorine Evolution Mechanism on Dimensionally Stable Anode (DSA®) 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.53 no.5, 2015년, pp.531 - 539

김지예 (서울대학교 공과대학 화학생물공학부, 화학공정신기술 연구소) , 김춘수 (서울대학교 공과대학 화학생물공학부, 화학공정신기술 연구소) , 김성환 (서울대학교 공과대학 화학생물공학부, 화학공정신기술 연구소) , 윤제용 (서울대학교 공과대학 화학생물공학부, 화학공정신기술 연구소)

초록
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클로로알카리 산업은 염화나트륨 수용액의 전기분해로 연간 약 7천만 톤의 가성소다 및 염소를 생산하는 전 세계적으로 가장 큰 전기화학 공정 중 하나이다. 클로로알카리 공정에서는 DSA(Dimensionally Stable Anodes) 전극인 $RuO_2$ 및 $IrO_2$를 주로 사용하여 염소를 생산하며 상업적으로 사용되고 있는 전극에 비하여 염소 발생 효율이 높은 전극을 개발하려는 연구가 계속되고 있다. 그러나 보다 염소 발생 효율이 좋은 전극을 개발하기 위해서는 DSA 전극에서의 염소 발생 메커니즘에 대한 이해가 뒷받침되어야 한다. 따라서 본 글에서는 기존 연구를 중심으로 DSA 전극에서 염소 발생 메커니즘 연구가 현재까지 어떻게 발전되어 왔는지 검토하고 염소 발생 메커니즘의 핵심적인 요인들을 분석 및 정리하여 DSA 전극에서 염소 발생을 체계적으로 이해하는데 도움이 되고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Chlor-alkali industry is one of the largest electrochemical processes which annually producing 70 million tons of sodium hydroxide and chlorine from sodium chloride solution. $DSA^{(R)}$ (Dimensionally Stable Anodes) electrodes such as $RuO_2$ and $IrO_2$, which is popular in chlor-alkali process, have been investigated to improve the chlorine generation efficiency. Although DSA electrode has been developed with various researches, understanding of the chlorine evolution mechanism is essential to the development of highly efficient DSA electrode. In this review paper, chlorine generation mechanisms are summarized and that of key factors are identified to systematically understand the chlorine generation mechanism. Rate determining step, effect of pH, reaction intermediate, and electrode crystal structure were intensively overviewed as key factors of the chlorine mechanism.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

고효율 염소 생성용 DSA 전극 개발을 위해서 전극 표면에서의 염소 발생 메커니즘을 살펴보고, 염소 발생에 영향을 미치는 인자들을 체계적으로 검증할 필요가 있다[9]. 따라서, 본 총설에서는 1987년 Trasatti와 2013년 Over의 리뷰논문을 기본 틀로 하여 DSA 전극에서 염소 발생 메커니즘에 대하여 현재까지 연구된 내용을 종합적으로 정리하고, DSA 전극에서 염소 발생 메커니즘의 핵심적인 인자들을 이해하고자 한다.
본총설에서는염소발생메커니즘의연구진행상황을개괄적으로 소개하고, 속도 결정 단계, pH, 전극 구조, 및 염소 발생 중간 물질 등의 인자들이 염소 발생 메커니즘 발전에 어떠한 영향을 주었는지 기존 연구들을 중심으로 정리하였다. 염소 발생 메커니즘은 염소이온의 표면 흡착 상태, 반응 중간 물질의 형태, 전극 표면의 산화 여부, pH 영향, 전극 구조의 영향 등 5가지의 논점을 중심으로 연구가 진행되어 왔으며 최근까지도 보다 정확한 염소 메커니즘을 규명하려는 노력이 계속되고 있다.
Table 1에서 나타난 바와 같이 1972년부터 현재까지 DSA 전극에서의 염소 발생 메커니즘에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 여러 메커니즘이 제시되어 왔다. 이러한 메커니즘 연구에서 속도결정단계, pH, 전극 조성 및 표면 구조, 염소 발생 중간 물질 등의 요인들에 따라 메커니즘이 어떻게 결정되는지 다음 파트에서 보다 심층적으로 살펴보고자 한다.

제안 방법

이 때, 전극 산화에 관여하는 산소종은 물분해를 통해 발생한다. 물 분해 시 수소 발생으로 pH 변화가 있기 때문에 pH에 따른 염소 발생 정도를 관찰하게 되었다.
초기의 염소 발생 메커니즘 연구는 DSA 전극에서 염소 발생 반응의 속도 결정 단계를 밝히는 것부터 시작되었다. 속도 결정 단계의 규명은 주로 Tafel slope를 이용하였는데, 전극 조성 및 전해질 농도에 따른 Tafel slope의변화, 높은 과전압영역에서 Tafel slope 등을 관찰함으로써각인자들이염소발생에주는영향을확인하였고, 이를통하여염소발생메커니즘을예측하여제시하였다(Table 1, Mechanism 1-9) [34-36].
지금까지 염소 발생 메커니즘의 발전 방향과 각 발전 단계의 주요 내용들을 염소이온의 흡착 형태, 전극 표면 산화, 그에 따른 pH의 영향 등으로 살펴보았다. Table 1에서 나타난 바와 같이 1972년부터 현재까지 DSA 전극에서의 염소 발생 메커니즘에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 여러 메커니즘이 제시되어 왔다.

성능/효과

3을 전극 물질에 따른 염소 발생 반응의 전기화학적 활성도로 이해할 수 있다. 최근 라만 분광법(Raman Spectroscopy)을 사용하여 염소 발생의 라만 이동(Raman shift)을 측정한 연구를 살펴보면, Fig. 4와 같이 전극 물질에 따른 라만 이동과 염소 발생 과전압을 도시한 결과 Cl-O 결합의 진동에너지가 Ru-O 또는 Ir-O의 진동 에너지와 가장 유사함을 보여 RuO₂와 IrO₂ 전극에서 다른 전극에 비해 염소 발생이 잘 일어날 수 있음을 확인할 수 있다. 다음에서는 RuO₂ 전극에서 염소 발생 메커니즘을 살펴보고자 한다[1,20-25]

후속연구

염소 발생 중간 물질로는 Cl_ad, (Cl_ad)⁺ , (ClO_ad)^- , OCl_ad, (M^z+1)Cl_ad, M(OH)Cl, M-OCl, (O₂)_ot-Cl 등여러 가지가 제안되었지만 현재로서는 명확하게 밝혀지지 않았다. 따라서 추가적인 연구를 통해 염소 발생 메커니즘에 대한 체계적인 연구가 지속되어야 할 것이다.
현재까지 염소 발생의 중간물질을 밝히기 위한 수많은 연구가 진행되었지만 아직 명확하게 제시되어 있지 않은 상태이다. 현재까지 연구를 종합해보면, 우선 전극 표면이 산화되고, 그 위에 염소가 결합한 형태가 중간물질이 될 수 있지만 실제 어떤 형태로 존재할지에 대해서는 추가적인 연구가 필요한 실정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DSA 전극 표면에서 물분해반응을 통하여 산소를 많이 발생시키기 위하여 사용하는 원소는 무엇인가?	한편, Co3O4, Fe3O4와 같이 전극의 산화가 쉽게 일어나고, 산소원자가 전극 표면에 강하게 결합되어 있는 경우 생성된 산소가 전극 표면으로부터 탈착되기 어려워 산소 발생이 적게 일어난다. 따라서, 전극물질과 산소원자 간 적절한 결합 에너지를 갖는 RuO2, IrO2의 경우 산소가 많이 발생할 수 있다. 산소 발생은 염소 발생과 선형적인 관계를 갖는 것으로 알려져 있기 때문에[1] Fig.
	클로로알카리 산업이란 무엇인가?	클로로알카리 산업은 염화나트륨 수용액의 전기분해로 연간 약 7천만 톤의 가성소다 및 염소를 생산하는 전 세계적으로 가장 큰 전기화학 공정 중 하나이다. 클로로알카리 공정에서는 DSA(Dimensionally Stable Anodes) 전극인 $RuO_2$ 및 $IrO_2$를 주로 사용하여 염소를 생산하며 상업적으로 사용되고 있는 전극에 비하여 염소 발생 효율이 높은 전극을 개발하려는 연구가 계속되고 있다.
	클로로알카리 공정에서 염소이온 공급원으로 무엇을 이용하는가?	1에서 확인할 수 있는 것과 같이 전 세계적으로 연간 6천만 톤 이상의 염소 및 가성소다를 생산하는 기술적·학문적 성공을 거둔 전기화학 공정 중 하나이다. 클로로알카리 공정은 염소이온 공급원으로 대부분 바닷물 또는 고농도 소금물을 이용해서 전기 분해가 이루어진다. Fig.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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