[논문]불용성 산화 전극(DSA)의 최신 연구 동향

박수련; 박진수

doi:10.5229/jkes.2020.23.1.1

불용성 산화 전극(DSA)의 최신 연구 동향
An Updated Review of Recent Studies on Dimensionally Stable Anodes (DSA) 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.23 no.1, 2020년, pp.1 - 10

박수련 (상명대학교 미래환경.에너지연구소) , 박진수 (상명대학교 공과대학 그린화학공학과)

초록
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불용성 산화 전극(Dimensionally Stable Anode, DSA)은 물리적, 열적, 전기화학적으로 안정적인 산화 전극이며, 주로 Ru, Ir, Ta 등의 금속 산화물이 Ti 기판에 코팅되어 사용된다. DSA 전극의 우수한 물성을 바탕으로 chlor-alkali, 전기화학적 수처리, 수전해 등의 여러 분야에 활용되고 있다. 이에 본 총설은 DSA 전극의 여러 분야의 적용과 관련된 최근 5년 자료를 정리 요약한 것이다. 이를 통해 DSA 전극의 다양한 적용을 위해서 전극 물질의 스크리닝, 구조 설계 및 경제적인 제조법에 대한 연구가 필요하다는 것을 알 수 있었다. 이러한 연구를 통하여 다양한 분야에 적용할 수 있는 DSA 전극 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, DSA 전극 개발을 통하여 전기화학적 공정을 적용할 수 있는 응용 분야를 넓힐 수 있을 것으로 예상한다.

Abstract ▼ AI-Helper

DSA (Dimensionally Stable Anode) electrodes are physically, thermally and electrochemically stable and are mainly Ti electrodes coated by Ru, Ir and Ta. DSA electrodes have been used in many industrial fields such as chlor-alkali, electrochemical water treatment, water electrolysis, etc. This review paper summarizes the study on the applications using DSA electrodes published in the recent 5 years. It suggests that the researches are intensively required on effective screening of electrodes materials, optimal designing of electrode structures and economical manufacturing of large area electrodes. It is expected that these studies will contribute to the further research and development on advanced DSA electrodes. In addition, the enhancement of DSA electrodes significantly leads to expand the type of the application using electrochemical processes in industry.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Application of DSA electrodes in various fields.
그림 Fig. 2. A schematic diagram showing the preparation of the reported DSA electrodes.
표 Table 1. Examples of electrochemical oxidation of pollutants using DSAs
표 Table 2. Examples of electrochemical oxidation of pollutants using DSAs in combined processes

AI 본문요약
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문제 정의

본문에서는 DSA와 이의 적용에 대하여 최근 5 년간 발표된 논문을 분석하였다. 그동안 DSA 전극은 물리적, 열적, 전기화학적 안정성이 뛰어나며 산소 발생 시 과전압이 적은 장점을 바탕으로 chlor-alkali 공정의 염소 발생 전극에 사용되었다.
이 중 염소 발생극인 산화극의 경우 전극 물질 및 구조에 따라 최종 생성물의 수득 율 및 공정 운전의 소비 전력을 결정하는 요인으로 보고되었다. 이에 chlor-alkali에 DSA 전극을 적용한 사례 및 가능성에대해 보고된 사례를 소개하고자 한다. Chlor-alkali에 적용하는 DSA 전극의 최신 동향의 경우, 새로운 전극 구조를 설계하고 이를 적용하는 논문이 주로 보고되었다.
이에 본 총설에서는 최근 5 년 내에 발표된 DSA전극의 응용 사례 및 연구 동향을 소개하며 향후 DSA 전극의 발전 방향성에 대해 논의하고자 한다.
최근 5년간 발표된 논문에서 분해 물질, TOC(Total Organic Carbon), COD (Chemical OxygenDemand) 등과 같은 성능 평가 결과 등을 비교하고자한다. 대부분의 DSA 전극은 에탄올 및 이소프로필알콜에 전이금속 전구체를 분산시켜 지지체에 코팅한 후열분해를 통하여 제작한다.

제안 방법

20) P. Li등은 Ti/SnO2-Sb-Mn/β-PbO2 전극을 제조함으로써 페놀 전해질 내에서 Mn으로 인한 용량 향상과 Pb를 전극 물질로 사용하는 새로운 전략을 제안했다.
Park 등은 Ti mesh에 전기 전착 법을 이용하여 RuO₂와 IrO₂를 코팅한 사례를 발표했다.⁵⁰⁾ 제조된 전극은 알칼리 및 산성 조건에서OER 반응에 대하여 낮은 과전압을 나타내며, 기존의 열분해법과 비교 시 제작의 용이성과 수월한 재현 가능성은 수전해 산소극의 새로운 제조법으로 제안했다.

대상 데이터

Tang-Kong등은 태양광을 활용한 염수의 전기분해를 위한 양극을 제조하여 이를 실제 태양광에서 적용한 결과를 보고했다. 전극은 실리콘 기판위에 TiO₂를 원자 층 증착을 한 후 그 위에 Ir을 코팅하여 제작했다. 제작된 전극은 염수의 부식에 강하며, 살균 및 소독제를 생성할 수 있는 효과를 보임을 확인했다.

성능/효과

Park 등은 3차원 구조의 TiO2를 설계 및 제조하여 추가적인 다른 코팅 없이 chlor-alkali의 양극으로 사용한 사례를 보고했다.⁴⁴⁾ 제조된 TiO₂는RuO₂ 및 IrO₂가 코팅된 상용 DSA 전극 대비 chlor-alkali 양극에 적용했을 시 더 많은 염소 가스를 생성하며 더 적은 에너지를 소비함을 보였다. 이로 보아 추가적인 코팅 없이 Ti 전극 표면의 형상변화로도 성능 향상의 기대를 할 수 있을 것으로 판단된다.
이로 보아 추가적인 코팅 없이 Ti 전극 표면의 형상변화로도 성능 향상의 기대를 할 수 있을 것으로 판단된다. S. E. Heo 그룹은 Ti의 양극 산화 후 TiO₂나 노튜브에 RuO₂를 전기 전착 법으로 코팅한 새로운DSA 전극 제조 및 이의 전기화학적 성능 평가를 통하여 chlor-alkali의 양극 적용 가능성을 보였다.⁴⁵⁾ F.
^16-19) IL법의 경우 알코올법으로 제작하는 것과 비교하여 상대적으로 더 적은 양의 전구체를 사용하면서 촉매의 양은 비슷한 수준으로 유지할 수 있고, 제작 시간 및 비용을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 보고된 결과에 의하면 IL법으로 제작한 전극이 Pechini법으로 제작한 전극보다 유기물 분해 성능이 더 우수함을 보였다.^16,17) 이와 비교하여 L.
그리고 DSA전극 제조는 열분해법으로 제조하는 방식이 다수 보고되었지만, 최근에는 IL법 Pechini법, 전착법 등이 보고되었다. 또한, 열분해법 대비 제조 시간이 감소된 IL법으로 제작한 DSA 전극이 더 우수한 결과를 나타냈다. 이에 열분해법 대비 시간 및 비용적으로 경제적인제조법의 연구가 필요하다고 판단한다.
전극은 실리콘 기판위에 TiO₂를 원자 층 증착을 한 후 그 위에 Ir을 코팅하여 제작했다. 제작된 전극은 염수의 부식에 강하며, 살균 및 소독제를 생성할 수 있는 효과를 보임을 확인했다.⁵⁷⁾ 앞의 수 처리의 적용사례에서 보듯이 태양광을 활용하는 소재와 혼합하는 방법은 시너지 효과가 있는 것으로 확인되며, 다른 적용 사례에서도 응용을 할 수 있을 것으로 기대된다.
Ge 등의 경우 Si 생산을 위한 DSA전극으로 Ti₄O₇를 전극 물질로 활용하였으며, 이를 통해 생산된 Si의 태양광 전지의 잠재적인 사용 가능성을 보였다. 특히, Ti₄O₇전극물질을 활용한 Si 생산 공정이기존의 공정대비 CO₂ 발생량이 적어 환경 친화적임을 확인했다.⁵⁶⁾ 이와 같은 보고는 기존의 TiO₂ 산화물 기반이 아닌 Ti₄O₇ 구조의 제작 및 활용성이 많이 보고되지 않았음을 알 수 있었다.
DSA 전극은 대부분Ti 기판 위에 코팅을 하는 방식으로 제작되며 코팅전이 금속 물질로 Ru, Ir, Ta, Pb, Sn, Pt 등을 사용된다. 특히, 안정성이 좋은 IrO₂와 반응성이 좋은 RuO₂를 주로 사용됨을 확인하였다. 전극 제조 방법의대부분은 기판 위에 전구체를 코팅하여 열분해법을 이용하는 방법이 보고되었으며, 기판 처리에 따라 전기화학적 성능차이가 있음을 확인하였다.

후속연구

제작된 전극은 염수의 부식에 강하며, 살균 및 소독제를 생성할 수 있는 효과를 보임을 확인했다.⁵⁷⁾ 앞의 수 처리의 적용사례에서 보듯이 태양광을 활용하는 소재와 혼합하는 방법은 시너지 효과가 있는 것으로 확인되며, 다른 적용 사례에서도 응용을 할 수 있을 것으로 기대된다. H.
궁극적으로 전극의 적용처에 따른 적합한 전극 물질의 스크리닝 및 새로운 구조로 설계하는 것은 추후 DSA 전극의 활용도를 현재보다 높일 수 있을 것으로 기대되며 물질에 최적화된 공정 개발 역시필요하다. 이를 위하여 전극 물질 및 구조 개발의 설계뿐만 아니라 개발한 DSA 전극의 적용 처에 사용되는 메커니즘 규명과 관련된 연구는 현재는 미흡하지만 추후 필요한 연구라고 판단된다.
특히, 수 처리의 적용 분야에서의 전극 구조에 따른 메커니즘의 규명은 향후 수전해 및 chlor-alkali등과 같은 물 기반의 공정에 상당한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 나아가 이와 같은 연구를 통하여 물기반의 전기화학적 공정의 확대 및 친환경 공정의 적용 범위 확장이라는 방향성을 가질 수 있을 것으로 사료된다. 이에 이러한 기초적인 연구가 이루어져야할 필요성이 있으며, 이를 통하여 전극의 응용처에 따른 전극 구조 및 최적의 공정을 설계할 수 있을 것으로 기대된다.
이를 위하여 전극 물질 및 구조 개발의 설계뿐만 아니라 개발한 DSA 전극의 적용 처에 사용되는 메커니즘 규명과 관련된 연구는 현재는 미흡하지만 추후 필요한 연구라고 판단된다. 이러한 향후 노력들은 전극의 설계 및 적합한 재료 선택으로 다방면에 적용할 수 있는 DSA 전극 개발에 기여할 수 있고 현재보다 활용도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.
⁴⁴⁾ 제조된 TiO₂는RuO₂ 및 IrO₂가 코팅된 상용 DSA 전극 대비 chlor-alkali 양극에 적용했을 시 더 많은 염소 가스를 생성하며 더 적은 에너지를 소비함을 보였다. 이로 보아 추가적인 코팅 없이 Ti 전극 표면의 형상변화로도 성능 향상의 기대를 할 수 있을 것으로 판단된다. S.
궁극적으로 전극의 적용처에 따른 적합한 전극 물질의 스크리닝 및 새로운 구조로 설계하는 것은 추후 DSA 전극의 활용도를 현재보다 높일 수 있을 것으로 기대되며 물질에 최적화된 공정 개발 역시필요하다. 이를 위하여 전극 물질 및 구조 개발의 설계뿐만 아니라 개발한 DSA 전극의 적용 처에 사용되는 메커니즘 규명과 관련된 연구는 현재는 미흡하지만 추후 필요한 연구라고 판단된다. 이러한 향후 노력들은 전극의 설계 및 적합한 재료 선택으로 다방면에 적용할 수 있는 DSA 전극 개발에 기여할 수 있고 현재보다 활용도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.
또한, DSA 전극의 수 처리 적용에 있어 실제 공정에 적용 시 이의에너지 효율을 비교한 사례 역시 연구가 부족한 상황이다. 이에 분석된 메커니즘을 활용하여 적합한 물질선정과 최적화된 전극 구조 및 적용 공정에서 에너지효율을 향상시킬 수 있는 연구가 필요하다고 판단된다. 특히, 수 처리의 적용 분야에서의 전극 구조에 따른 메커니즘의 규명은 향후 수전해 및 chlor-alkali등과 같은 물 기반의 공정에 상당한 영향을 미칠 것으로 예상된다.
나아가 이와 같은 연구를 통하여 물기반의 전기화학적 공정의 확대 및 친환경 공정의 적용 범위 확장이라는 방향성을 가질 수 있을 것으로 사료된다. 이에 이러한 기초적인 연구가 이루어져야할 필요성이 있으며, 이를 통하여 전극의 응용처에 따른 전극 구조 및 최적의 공정을 설계할 수 있을 것으로 기대된다.
이와 같은 흐름으로 보아 추후에는 기존의 MMO(Mixed Metal Oxide) 기반 이외의 광·전기화학적 성질을 가지는 다른 물질을 추가하거나 다른 형태의 전기화학적 성질을 가지는 물질을 추가하여 현재의 적용 분야 이외의 응용 분야를 넓힐 것으로 기대된다.
이에 분석된 메커니즘을 활용하여 적합한 물질선정과 최적화된 전극 구조 및 적용 공정에서 에너지효율을 향상시킬 수 있는 연구가 필요하다고 판단된다. 특히, 수 처리의 적용 분야에서의 전극 구조에 따른 메커니즘의 규명은 향후 수전해 및 chlor-alkali등과 같은 물 기반의 공정에 상당한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 나아가 이와 같은 연구를 통하여 물기반의 전기화학적 공정의 확대 및 친환경 공정의 적용 범위 확장이라는 방향성을 가질 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아연, 니켈, 납 등이 재료인 산화전극의 문제점은 무엇인가?	과거 chlor-alkali 공정, 전기화학적수처리에서는 주로 아연, 니켈, 납 등이 재료인 산화전극을 사용했다. 그러나 이러한 전극 물질의 경우 공정이 진행될수록 산화 전극 물질이 용출되는 점과 부식과 관련된 문제점이 있다. 이와 같은 문제는 전극의 교체 주기를 감소시키며, 이로 인하여 비용이 증가하는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 금속 원소 중안정적인 백금 족 금속을 코팅하여 제작하는 DSA가 등장하였다.
	불용성 산화 전극이란 무엇인가?	불용성 산화 전극(Dimensionally Stable Anode, DSA)은 물리적, 열적, 전기화학적으로 안정적인 산화 전극이며, 주로 Ru, Ir, Ta 등의 금속 산화물이 Ti 기판에 코팅되어 사용된다. DSA 전극의 우수한 물성을 바탕으로 chlor-alkali, 전기화학적 수처리, 수전해 등의 여러 분야에 활용되고 있다.
	전기화학 시스템을 구성하는 요소에는 무엇이 있는가?	전기화학 시스템을 구성하는 요소로는 크게 양극, 음극, 전해액이 있다. 그 중 양극은 산화 전극이라 부르며 전해질 내의 물질을 산화시켜 전자를 소모하는 전극을 의미한다.

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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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