[논문]다양한 기판에 형성된 BDD 전극의 폐수처리 특성

권종익; 유미영; 김서한; 송풍근

doi:10.5695/jkise.2019.52.2.53

[국내논문] 다양한 기판에 형성된 BDD 전극의 폐수처리 특성
Performance of BDD Electrodes Prepared on Various Substrates for Wastewater Treatment 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.52 no.2, 2019년, pp.53 - 57

권종익 (부산대학교 재료공학부) , 유미영 (부산대학교 재료공학과) , 김서한 (부산대학교 재료공학과) , 송풍근 (부산대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Stability and activity of boron doped diamond (BDD) electrode are key factors for water treatment. In this study, BDD electrodes were prepared on various substrates such as Nb, Si, Ti, and $TiN_x/Ti$ by hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) method. BDD/Ti film showed the delamination between BDD and Ti substrate due to the formation of TiC layer caused by diffusion of carbon. On the other hand, $BDD/TiN_x/Ti$ showed remarkably improved stability, compared to BDD/Ti. It was confirmed that $TiN_x$ intermediate layer act as barrier layer for diffusion of carbon. High potential window of 2.8 eV was maintained on the $BDD/TiN_x/Ti$ electrode and, better wastewater treatment capability and longer electrode working life than BDD/Nb, BDD/Si and BDD/Ti were obtained.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. FE-SEM images of BDD deposited on different substrates with and without TiN_x interlayer: (a) BDD/Nb, (b) BDD/Si, (c) BDD/TiN_x/Ti, (d) BDD/Ti.
그림 Fig. 2. XRD patterns of BDD films deposited on different substrates with and without TiN_x interlayer: (a) BDD/Nb, (b) BDD/Si, (c) BDD/TiN_x/Ti, (d) BDD/Ti.
그림 Fig. 3. FE-SEM images of the surface (a) and cross section (b) of TiN_x deposited on Ti substrate.
그림 Fig. 4. Cyclic voltammograms of BDD films deposited on different substrates with and without TiN_x interlayer: (a) BDD/Nb, (b) BDD/Si, (c) BDD/TiN_x/Ti, (d) BDD/Ti.
그림 Fig. 5. COD (a) and colon bacillus (b) with sterilization time using BDD electrodes prepared on various substrates of Nb, Si, TiN_x/Ti and Ti.
그림 Fig. 6. Cyclic voltammograms of BDD/Nb and BDD/TiN_x/Ti electrodes up to 1000cycles.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 Ti 기판의 단점을 극복하기 위해 반응성 DC 마그네트론 스퍼터링 (DCMS)법을 이용하여 TiN_x 박막을 도입한 BDD 전극을 제조하였고, Nb, Si, Ti 기판상에 제작된 BDD 전극과의 성능에 대한 비교 평가를 수행하였다.

제안 방법

전기화학적 수 처리에 사용되는 BDD 전극을 Nb, Si, Ti 및 TiN_x /Ti 기판에 증착한 뒤 미세구조 및 전극성능을 비교 평가하였다. BDD와 Ti 전극 사이에서 carbon 확산으로 인한 TiC 층 형성 억제를 위하여 반응성 DCMS 법을 이용하여 TiN_x 층을 삽입하였다.

대상 데이터

본 연구는 700 μm 두께의 25×25 mm² 크기로 준비된 각각의 Nb, Si, Ti, TiN_x /Ti 기판 위에 열 필라멘트 화학적 기상 증착법 (HFCVD)을 이용하여 BDD를 증착하였다. BDD 증착 전, 기판은 표면적을 넓혀 접착력을 향상시키기 위하여 기계적으로 표면 조도를 만들어 주는 sanding, 화학적으로 표면적을 증가시키는 etching 및 diamond 성장을 돕기 위한 seeding 공정을 진행하였다.
1V/s로 1M HCl 용액에서 기판 종류에 따른 potential window 측정치 및 1000 cycles 진행시 potential window를 측정하여 전극의 수명을 비교하였다. 축산폐수 분해 실험은 batch type 수처리 조에 counter electrode와 working electrode로 각각 SUS와 BDD 샘플을 사용하였다. 2V의 전압 인가 후, 처리시간 총 120분 동안 50mL씩 시료를 채취하여 EPA method 410.

이론/모형

축산폐수 분해 실험은 batch type 수처리 조에 counter electrode와 working electrode로 각각 SUS와 BDD 샘플을 사용하였다. 2V의 전압 인가 후, 처리시간 총 120분 동안 50mL씩 시료를 채취하여 EPA method 410.3과 brilliant green lactose bile broth (BGLB) 배지법에 따라 COD와 대장균 군을 측정하여 평가하였다.
/Ti 기판에 증착한 뒤 미세구조 및 전극성능을 비교 평가하였다. BDD와 Ti 전극 사이에서 carbon 확산으로 인한 TiC 층 형성 억제를 위하여 반응성 DCMS 법을 이용하여 TiN_x 층을 삽입하였다. BDD/TiN_x /Ti 전극은 TiC 층 형성 억제로 인한 접착성의 개선과 함께 1 μm의 stoichiometric한 TiN_x 의 높은 전기 전도성으로 인해 넓은 potential window를 확보할 수 있었다.
각각의 Nb, Si, TiN_x /Ti, Ti 기판 위에 HFCVD법을 이용하여 증착한 BDD전극을 제작 후 평가를 진행하였다. 그림 1에서는 BDD/Nb, BDD/Si, BDD/TiN_x /Ti, BDD/Ti의 surface FE-SEM을 통해 얻은 BDD 박막의 표면형상을 나타낸다.

성능/효과

BDD와 Ti 전극 사이에서 carbon 확산으로 인한 TiC 층 형성 억제를 위하여 반응성 DCMS 법을 이용하여 TiN_x 층을 삽입하였다. BDD/TiN_x /Ti 전극은 TiC 층 형성 억제로 인한 접착성의 개선과 함께 1 μm의 stoichiometric한 TiN_x 의 높은 전기 전도성으로 인해 넓은 potential window를 확보할 수 있었다. 이에 따라 축산 폐수의 COD 및 대장균 처리 실험을 통해 실제 폐수에서도 우수한 폐수 처리 성능을 입증하였으며 1000회 반복한 CV 특성 평가에서 BDD/Nb과 비교하였을 시 1000회 반복 후에도 2.
BDD/TiN_x /Ti 전극은 TiC 층 형성 억제로 인한 접착성의 개선과 함께 1 μm의 stoichiometric한 TiN_x 의 높은 전기 전도성으로 인해 넓은 potential window를 확보할 수 있었다. 이에 따라 축산 폐수의 COD 및 대장균 처리 실험을 통해 실제 폐수에서도 우수한 폐수 처리 성능을 입증하였으며 1000회 반복한 CV 특성 평가에서 BDD/Nb과 비교하였을 시 1000회 반복 후에도 2.5eV로 동일한 potential window 수치를 나타낼 수 있었다. 결과적으로 Ti 위에 TiN_x 중간층을 삽입함으로써, 상대적으로 저가인 Ti 기판을 이용하여 높은 반응성과 안정성을 모두 충족시키는 고효율 BDD 전극을 제작할 수 있었으며, 향후 대면적화에 대한 기술이 확보된다면 실용화 가능성이 매우 높다고 판단된다.

후속연구

5eV로 동일한 potential window 수치를 나타낼 수 있었다. 결과적으로 Ti 위에 TiN_x 중간층을 삽입함으로써, 상대적으로 저가인 Ti 기판을 이용하여 높은 반응성과 안정성을 모두 충족시키는 고효율 BDD 전극을 제작할 수 있었으며, 향후 대면적화에 대한 기술이 확보된다면 실용화 가능성이 매우 높다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BDD에 사용하는 불용성 금속 중 Ti를 사용 시 발생하는 문제점은?	이에 불용성 금속인 Si, Nb 및 Ti을 사용해 왔으나 Si의 경우 낮은 기계적 강도와 대면적화에서의 한계가 존재하며 Nb의 경우 비싼 모재 원가로 인해 폐수처리 전극으로의 상용화가 어렵다[6]. 반면 Ti의 경우 상대적으로 저렴하며 높은 전기 전도도와 기계적 강도를 갖추고 있으나 titanium carbide(TiC) 층으로 인한 BDD와 Ti 기판간 접착력 저하가 문제되고 있다[7].
	전기화학적 폐수처리에 사용되는 양극산화 전극 물질은 어떤 것이 있는가?	이에 반해 전기화학적 폐수처리 기술은 상대적으로 처리공정이 간단하고 처리효율이 우수하다고 알려져 있다[3]. 전기화학적 폐수처리에 사용되는 양극산화 전극 물질로는 대표적으로 PbO, IrO2및 boron doped diamond(BDD)가 있다. 산화물 촉매 전극인 PbO와 IrO2는 긴 시간 안정성을 유지할 수 있어 난분해성 물질 처리에 효과적인 것으로 알려져 있으나 폐수처리의 경우 낮은 에너지 밀도로 인해 경제적 측면에서 현장 적용에 대한 어려움이 존재한다[4].
	BDD전극의 특징은?	산화물 촉매 전극인 PbO와 IrO2는 긴 시간 안정성을 유지할 수 있어 난분해성 물질 처리에 효과적인 것으로 알려져 있으나 폐수처리의 경우 낮은 에너지 밀도로 인해 경제적 측면에서 현장 적용에 대한 어려움이 존재한다[4]. 반면 BDD전극은 우수한 전기 전도성을 바탕으로 높은 에너지 밀도와 함께 넓은 potential window를 유지할 수 있으며 다이아몬드의 기계적 특성으로 인해 안정성 또한 충족한다[5].

참고문헌 (8)

B. S. Min, W. S. Chung, K. H. Kim, B. C. Min, and M. H. Lee, "Study on Electrochemical Characteristics and Fabrication of Catalytic Electrode", J. Korean Inst. Surf. Eng., vol. 35, no. 6 (2002), p. 401-407.
S.K. Kim, S. W. Park, and D. I. Hong, "A study on dye wastewater treatment using the electrolysis", J. Korean Environ. Siences Soc., vol. 8, no. 4 (1999), p. 539-545.
C. Feng, N. Sugiura, S. Shimada, and T. Maekawa, "Development of a high performance electrochemical wastewater treatment system", J. Hazard. Mater., vol. 103, no. 1-2 (2003), pp. 65-78.

상세보기
M. H. Um, B. Y. Ha, and H. C. Kang, "Electrochemical Treatment of Dyeing Wastewater using Insoluble Catalyst Electrode", Clean Tech., vol. 9, no. 3 (2003), p. 133-144.
J. Sun, H. Lu, H. Lin, W. Huang, H. Li, J. Lu, and T. Cui, "Boron doped diamond electrodes based on porous Ti substrates", Mater. Lett., vol. 83 (2012), p. 112-114.

상세보기
X. Chen, G. Chen, F. Gao, and P. L. Yue, "High-Performance Ti/BDD Electrodes for Pollutant Oxidation", Environ. Sci. Technol., vol. 37, no. 21 (2003), p. 5021-5026.

상세보기
L. Guo and G. Chen, "Long-Term Stable Ti/BDD Electrode Fabricated with HFCVD Method Using Two-Stage Substrate Temperature", J. Electrochem. Soc., vol. 154, no. 12 (2007), p. D657-D661.

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Y. Tian, X. Chen, C. Shang, and G. Chen, "Active and Stable Ti？Si？BDD Anodes for Electrooxidation", J. Electrochem. Soc., vol. 153, no. 7 (2006), p. J80-J85.

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