[논문]수처리용 Ti/IrO2/SnO2-Sb-Ni 전극의 전기화학적 특성평가

양소영

doi:10.5322/jesi.2020.29.10.943

수처리용 Ti/IrO2/SnO2-Sb-Ni 전극의 전기화학적 특성평가
Electrochemical Properties of Ti/IrO2/SnO2-Sb-Ni Electrode for Water Treatment 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.29 no.10, 2020년, pp.943 - 949

양소영 (경북대학교 물산업융복합연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, we prepared a heterojunction anode with a surface layer of SnO2-Sb-Ni (SSN) on a Ti/IrO2 electrode by thermal decomposition to improve the electrochemical activity of the Ti/IrO2 electrode. The Ti/IrO2-SSN electrode showed significantly improved electrochemical activity compared with Ti/IrO2. For the 0.1 M NaCl and 0.1 M Na2SO4 electrolytes, the onset potential of the Ti/IrO2-SSN electrode shifted in the positive direction by 0.1 VSCE and 0.4 VSCE, respectively. In 2.0-2.5 V voltages, the concentration in Ti/IrO2-SSN was 2.59-214.6 mg/L Cl2, and Ti/IrO2 was 0.55-49.21 mg/L Cl2. Moreover, the generation of the reactive chlorine species and degradation of Eosin-Y increased by 3.79-7.60 times and 1.06-2.15 times compared with that of Ti/IrO2. Among these voltages, the generation of the reactive chlorine species and degradation of Eosin-Y were the most improved at 2.25 V. Accordingly, in the Ti/IrO2-SSN electrode, it can be assumed that the competitive reaction between chlorine ion oxidation and water oxidation is minimized at an applied voltage of 2.25V.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 Ti/IrO₂ 위에 전기촉매로써 성능이 우수한 것으로 알려진 SnO₂-Sb-Ni (SSN) 촉매를 전극의 표면층으로 적용해 보았다. 이를 통해 1) NaCl 전해질과 Na₂SO₄ 전해질에서 Ti/IrO₂ 전극과 Ti/IrO₂/SSN 전극의 전기화학적 특성을 분석하고, 2) 활성염소종의 생성량과 에오신-Y(Eosin-Y)의 분해능을 조사하였다.
이는 Ti/IrO₂ 전극대비 Ti/IrO₂-NSS 전기촉매의 전기활성의 변화를 의미한다. 또한, 염소이온의 산화반응에 높은 선택성을 가진 최적전압을 알아보고자 한다. 인가전압은 이종접합층의 옴 접촉, 전극과 전해질 사이의 전자전달, 전해질의 특성 등 여러 요소에 영향을 주며, 이로 인해 활성염소종 생성, 물산화 반응, 오염물질 분해 등이 영향을 받게 된다.
이 연구는 Ti/IrO₂ 전극의 전기화학적 활성을 향상시키기 위해 Ti/IrO₂ 전극 상에 SnO₂-Sb-Ni (NSS)의 표면층을 갖는 이종접합 양극을 열분해에 의해 제조하였다. 전압(2.

제안 방법

0.1 M NaCl 전해질에서 Ti/IrO₂와 Ti/IrO₂-SSN 전극을 이용하여 인가전압(2.0-2.5 V)에 따라 활성염소종(유리염소종)의 생성량을 조사하였다(Fig. 2). 전기분해의 시간이 증가함에 따라 활성염소종은 거의 선형적으로 증가하였다.
0.1 M NaCl 전해질에서 전압에 따라 100 μM 에오신-Y(Eosin Y)의 분해능을 조사하였다(Fig. 3).
/SSN 전극의 전기화학적 특성을 분석하고, 2) 활성염소종의 생성량과 에오신-Y(Eosin-Y)의 분해능을 조사하였다. 3) Ti/IrO₂ 전극을 기준으로 Ti/IrO₂/SSN 전극의 활성염소종의 생성량과 에오신-Y의 분해능을 비교하여 활성염소종의 생성에 높은 선택성을 가진 최적전압을 알아보았다.
이를 통해 1) NaCl 전해질과 Na₂SO₄ 전해질에서 Ti/IrO₂ 전극과 Ti/IrO₂/SSN 전극의 전기화학적 특성을 분석하고, 2) 활성염소종의 생성량과 에오신-Y(Eosin-Y)의 분해능을 조사하였다. 3) Ti/IrO₂ 전극을 기준으로 Ti/IrO₂/SSN 전극의 활성염소종의 생성량과 에오신-Y의 분해능을 비교하여 활성염소종의 생성에 높은 선택성을 가진 최적전압을 알아보았다. 더불어 4) 비염소계 Na₂SO₄ 전해질에서 전압별 RNO (N,N-dimethyl-p-nitrosoaniline) 분해능을 조사하였다.
3) Ti/IrO₂ 전극을 기준으로 Ti/IrO₂/SSN 전극의 활성염소종의 생성량과 에오신-Y의 분해능을 비교하여 활성염소종의 생성에 높은 선택성을 가진 최적전압을 알아보았다. 더불어 4) 비염소계 Na₂SO₄ 전해질에서 전압별 RNO (N,N-dimethyl-p-nitrosoaniline) 분해능을 조사하였다.
3에서 본 바와 같이 전압이 상승함에 따라 활성염소종의 생성량과 에오신-Y의 분해능은 증가하였다. Ti/IrO₂ 전극을 기준(M_[Ti/IrO2])으로 활성염소종의 생성(M)과 에오신-Y의 분해능(M)을 Ti/IrO₂-SSN 전극(M_{[Ti/IrO2-SSN]})으로 나누어 전기화학적 활성을 비교하였다(Fig. 5). 이는 Ti/IrO₂ 전극대비 Ti/IrO₂-NSS 전기촉매의 전기활성의 변화를 의미한다.
선형주사전위법(LSV)은 일정하게 전위를 가해 물질의 산화전위를 측정하는 방법이다. 염소이온과 물의 전기화학적 산화반응을 알아보기 위해 Ti/IrO₂ 전극과 Ti/IrO₂-SSN 전극을 0.1 M NaCl 염소계 전해질과 0.1 M Na₂SO₄ 비염소계 전해질 조건에서 10 mV/s의 주사 속도로 전극의 LSV를 측정하였다(Fig. 1). Ti/IrO₂ 전극은 시작전위(onset potential)가 약 1.
-Sb-Ni (NSS)의 표면층을 갖는 이종접합 양극을 열분해에 의해 제조하였다. 전압(2.0-2.5 V)에 따라 NaCl과 Na₂SO₄ 전해질에서 LSV, 활성염소종(reactive chlorine species) 생성, 에오신-Y 분해능, 그리고 염소이온산화와 물산화의 경쟁반응을 최소화시키는 최적전압을 알아보았다. 결과는 다음과 같다.
전압에 따라 Na2SO4 전해질에서 50 μM RNO의 분해능을 조사하였다(Fig. 4).
제조된 수용액에 Ti/IrO2 전극을 초당 100 μm로 5차례 담지하고 담지된 전극을 450℃, 10분 동안 열처리하였다.
활성염소종의 생성과 에오신-Y(Eosin Y)의 분해능은 정전기위를 사용하여 2전극(작동전극, 상대전극)으로 2.0 V, 2.25 V, 2.375 V, 2.5 V 전압을 공급하여 0.1 M NaCl과 0.1 M Na₂SO₄ 전해질에서 3번 실험을 반복하여 수행하였으며, 평균농도로 나타내었다. 활성염소종은 HACH DR300 pocket colorimeter를 이용하여 DPD(Hach methods 10102, 0.

대상 데이터

1 M SnCl4·5H2O (98%, Aldrich), 1 M SbCl3 (99%, Aldrich), 1 M NiCl2·6H2O (reagent grade, Aldrich) 용액을 제조하고 95 : 5 : 1 부피비율로 혼합하여 SnO2-Sb-Ni 용액을 제조하였다.
전극은 Ti mesh(20 mm × 40 mm)로 졸겔법(pechini sol-gel method)에 의해 제작하였다(Terezo and Pereira, 2000). Ti/IrO₂ 전극위에 SnO₂-Sb-Ni 전기촉매를 테이블탑 딥코터(dip coater, 이플럭스, EF-4100)를 이용하여 제작하였다. 1 M SnCl₄·5H₂O (98%, Aldrich), 1 M SbCl₃ (99%, Aldrich), 1 M NiCl₂·6H₂O (reagent grade, Aldrich) 용액을 제조하고 95 : 5 : 1 부피비율로 혼합하여 SnO₂-Sb-Ni 용액을 제조하였다.
본 연구는 20 mm × 40 mm 크기(활성면적 20 mm × 20 mm)의 Ti/IrO2와 Ti/IrO2-SSN(작동전극), 동일크기의 스테인레스 스틸(stainless steel)(상대전극)을 사용하였고, 전극 간의 거리는 2 mm, 반응기의 부피는 100 ㎖ 조건에서 수행하였다.
본 연구에 사용한 Ti/IrO2 전극은 Ti mesh(20 mm × 40 mm)로 졸겔법(pechini sol-gel method)에 의해 제작하였다(Terezo and Pereira, 2000).

이론/모형

-SSN(작동전극), 동일크기의 스테인레스 스틸(stainless steel)(상대전극)을 사용하였고, 전극 간의 거리는 2 mm, 반응기의 부피는 100 ㎖ 조건에서 수행하였다. 전기화학적 특성은 정전기위(Ivium electrochemical analyser, Netherlands)를 사용하여 선형주사전위법(Linar Sweep Voltammetry, LSV)으로 3전극(작동전극, 상대전극, 기준전극)으로 측정하였고, 기준전극은 포화 칼로멜 전극(Saturated Calomel Electrode, SCE)를 사용하였다.
1 M Na₂SO₄ 전해질에서 3번 실험을 반복하여 수행하였으며, 평균농도로 나타내었다. 활성염소종은 HACH DR300 pocket colorimeter를 이용하여 DPD(Hach methods 10102, 0.09-5.00 mg/L Cl₂)법으로 측정하였고, 측정된 활성염소종은 HOCl, OCl^- 등 유리염소종이다. 초기 RNO (N,N-dimethyl-p- nitrosoaniline)와 에오신-Y의 농도는 각각 50 μM, 100 μM 이며, 이들 농도는 UV-VIS spectrophoto meter(Lambda 950, Perkin Elmer)를 사용하여 440 nm와 517 nm를 측정하고 검량선을 사용하여 농도로 나타내었다.

성능/효과

1) NaCl과 Na₂SO₄ 전해질에서 Ti/IrO₂-SSN 전극은 Ti/IrO₂ 전극에 비해 시작전위(onset potential)가 0.1 V_SCE, 0.4 V_SCE 정도 양의 방향으로 이동하였다.
2) Ti/IrO₂ 전극과 Ti/IrO₂-SSN 전극에서 활성염소종은 0.55-49.21 mg/L Cl₂, 2.59-214.6 mg/L Cl₂가 생성되었다.
3) Ti/IrO₂ 전극을 기준으로 Ti/IrO₂-SSN 전극의 활성염소종의 발생량과 에오신-Y 분해능을 비교한 결과 3.79-7.60배와 1.06-2.15배 증가하였다. 전압별로는 2.
Fig. 2와 Fig. 3에서 본 바와 같이 전압이 상승함에 따라 활성염소종의 생성량과 에오신-Y의 분해능은 증가하였다. Ti/IrO₂ 전극을 기준(M_[Ti/IrO2])으로 활성염소종의 생성(M)과 에오신-Y의 분해능(M)을 Ti/IrO₂-SSN 전극(M_{[Ti/IrO2-SSN]})으로 나누어 전기화학적 활성을 비교하였다(Fig.
인가전압은 이종접합층의 옴 접촉, 전극과 전해질 사이의 전자전달, 전해질의 특성 등 여러 요소에 영향을 주며, 이로 인해 활성염소종 생성, 물산화 반응, 오염물질 분해 등이 영향을 받게 된다. Ti/IrO₂ 전극대비 Ti/IrO₂-SSN 전극은 2.0 V, 2.25 V, 2.375 V, 2.5 V 전압에서 염소발생량은 4.71, 7.60, 3.79, 4.36배로, 에오신-Y는 1.18, 2.15, 1.61, 1.06배로 모든 전압에서 SSN 도핑에 의해 전기화학적 활성이 뚜렷하게 증가하는 것으로 나타났다.
Lee and Park(2020)은 염소계 전해질과 비염소계 전해질에서 시작전위의 차이가 크면 염소이온의 산화에 대한 선택성이 증가한다고 보고하였다. Ti/IrO₂-SSN 전극은 두 전해질 간 0.3 V_SCE 차이가 나므로 Ti/IrO₂ 전극에 비해 활성산소종이 많이 발생할 것으로 판단하였다.
에오신-Y의 분해능은 활성염소종의 발생과 유사한 경향은 아니지만, 2.25 V에서 에오신-Y의 분해능이 2.15배로 가장 높았다. 이로써, Ti/IrO₂-SSN 전극은 인가전압 2.
두 전극 모두 전압이 높아질수록 이오신-Y의 분해가 증가하였다. 전기분해 2시간 후 Ti/IrO₂과 Ti/IrO₂-SSN 전극은 에오신-Y(Eosin Y)의 분해능이 2.0 V에서는 12.2%와 14.5%, 2.25 V에서는 15.9%와 34.2%가 감소하였다.
15배 증가하였다. 전압별로는 2.25 V 일 때 가장 높았으며, 염소이온의 산화반응에 높은 선택성을 가진 전압임을 알 수 있다.
전기분해의 시간이 증가함에 따라 활성염소종은 거의 선형적으로 증가하였다. 활성염소종은 2.0 V, 2.25 V 전압에서는 두 전극 모두 미량이 생성되지만, 2.375 V와 2.5 V에서는 Ti/IrO₂-SSN 전극은 60.6 mg/L Cl₂, 214.6 mg/L Cl₂로 Ti/IrO₂전극에 비해 활성염소종의 생성량이 약 3.79배와 4.36배 증가하였다. 50 mM NaCl 전해질 조건에서 Ti/IrO₂/Ta₂O₅/TiO₂ 전극은 1.
활성염소종의 증가비율은 전압에 따라 증가해야 되지만, 본 연구에서는 2.25 V까지 증가하다가 다시 낮아지는 것으로 나타났다. 이는 LSV의 시작전위의 차이와 관련이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기화학적 고도산화공정은 어떤 기술인가?	, 2012; Chaplin, 2014). 이 중 전기화학적 고도산화공정(Electrochemical advanced oxidation processes)은 전극표면에서 일어나는 레독스 반응(redox reactions)에서 생성된 산화제(활성산소종/활성염소종)에 의해 오염물질을 처리하는 기술로써 높은 처리효율, 운전 용이성, 간단한 설비 등의 장점을 가지고 있어 수처리 공정으로 활발한 연구가 진행되고 있다(Panizza and Creisola, 2009; Yang et al., 2012).
	수처리 전극으로 불용성전극을 사용할 경우 문제점은?	수처리 전극인 불용성전극(Dimensionally Stable Anode, DSA)은 낮은 산소발생전위(Oxygen Evolution Potential, OEP)로 산소발생용 및 염소발생용 전극으로 알려져 있지만, 수처리 적용시 부식으로 인한 전극의 내구성 약화로 안정성에 문제점이 있어 이를 개선하기 위한 여러 방법들이 연구되고 있다(Comninellis and Vercesi, 1991). 그 중 Ti 기판에 Ir 산화층을 코팅하고 그 위에 여러 금속을 추가로 코팅한 Ti/IrO2/SnO2, Ti/IrO2/Ta2O5/TiO2, Ti/TiO2/IrO2/RuO2, Ti/IrOx-Sb2O5-SnO2, Ti/IrO2/TiO2 전극 등이 개발되었고, 이들 전극은 안정성 향상 및 산소발생/염소종발생에 효율적인 것으로 보고되었다(Chen et al.
	기존 Sb-SnO2의 성능을 3배 혹은 6배 이상 증가시키는 금속촉매는?	, 2019). 또한, Sb-SnO2의 성능을 더 향상시키기 위해 다른 금속(co-dopant : Fe, Co, Ni 등)을 첨가하는 연구가 진행되었으며, Sb-SnO2에 비해 Fe-Sb-SnO2와 Ni-Sb-SnO2 촉매는 페놀화합물의 분해능이 3배와 6배 이상 증가하였다(He and Mho, 2004; Yang et al., 2014).

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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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