[공압 지식] 수소 산업 핵심인 수전해(Water Electrolysis) 개념, 원리, 공정 과정 알아보기
Electrolysis(전기분해) 기초
: 물질에 전기 에너지를 가하여 산화, 환원반응이 일어나도록 하는 것. 자발적으로 산화·환원반응이 일어나지 않는 경우 전기에너지를 이용하여 비자발적인 반응을 일으키는 것을 전기분해라고 한다.(출처 : 두산백과) 전기 분해라는 용어는 19세기에 마이클 패러데이에 의해 처음으로 대중화되었습니다.
그것은 순수 원소를 얻는 데 있어서 화학 반응 연구에 도움을 준 과정입니다.
오늘날 전기 분해는 광석과 같은 자연적으로 발생하는 공급원으로부터 순수한 원소를 분리하거나 얻는 데 널리 사용되기 때문에 상업적으로 중요합니다.
전기분해(Electrolysis)란 무엇인가?
전기 분해는 유체 형태의 화합물에 직류 전류를 통과시킴으로써 이온 화합물을 그들의 원소로 분해하는 과정으로 정의됩니다. 양이온은 음극에서 환원되고 음이온은 양극에서 산화됩니다. 전기 분해를 수행하기 위해 필요한 주요 구성 요소는 전해질, 전극 그리고 어떤 형태의 외부 전원 또한 필요합니다. 전기분해(Electrolysis)의 효율을 높이기 위해 추가적으로 이온 교환 막 또는 염 브릿지와 같은 파티션도 사용되지만 이것은 선택 사항입니다. 그것들은 주로 생성물이 반대 전극 근처에서 확산되는 것을 방지하기 위해 사용됩니다.
전기분해(Electrolysis)의 예를 들면, 산성화된 물 또는 염분을 함유한 물은 원래의 원소인 수소와 산소에 전류를 전달함으로써 분해될 수 있으며, 용융된 염화나트륨은 나트륨과 염소 원자로 분해될 수 있습니다.
용융 : 녹아서 섞이는 일
전기분해는 보통 두 개의 전극(양극, 양극)이 들어있는 '전해전지(electrolytic cell)'라는 용기에서 이루어지며, 직류원과 분해가 진행중인 이온성 화합물인 전해질은 용융된 형태 또는 적절한 용매에 용해된 상태로 연결되며, 일반적으로 금속, 흑연 및 반도체 물질로 이루어진 전극이 사용되지만, 적절한 전극의 선택은 전극과 전해질 사이의 화학적 반응성 및 제조 비용에 따라 결정됩니다.
Electrolysis(전기분해) 공정
전기 분해 과정에서 외부 회로에서 전자가 추가되거나 제거되어 이온과 원자의 교환이 있습니다. 기본적으로 전류가 흐를 때 양이온이 음극으로 이동하고 음극에서 전자를 빼앗아 중성 원자로 방출됩니다. 고체일 경우 중성 원자가 음극에 축적되고 가스일 경우 위쪽으로 이동합니다. 이것은 환원 과정이고 양이온은 음극에서 환원됩니다.
동시에 음이온은 여분의 전자를 양극에 내주고 양극에서 중성 원자로 산화됩니다. 음이온에 의해 방출된 전자는 전기 회로를 가로질러 이동하여 음극에 도달하여 회로를 완성합니다. 전기 분해는 양극에서의 산화 반응과 음극에서의 환원 반응을 동시에 수반합니다.
예를 들어, 녹인 염화나트륨에 전류가 흐를 때, 나트륨 이온은 음극에 의해 끌어당겨지고, 음극으로부터 전극을 빼앗아 나트륨 원자가 됩니다.
염화 이온은 양극에 도달하여 전자를 주고 염소 원자가 되어 염소 분자를 형성합니다.
Na+(전해질 내) + e-(음극에서) → Na…. 음극에서
Cl – (전해질에서) → e– + Cl → Cl2 … 양극에서
전기 분해 공정은 화합물로부터 직접 원소 형태를 얻는 데 유용하지만, 알칼리 및 알칼리 토금속의 금속공학, 금속의 정제, 금속의 증착, 화합물의 제조 등에도 간접적으로 사용될 수 있습니다.
또한 요즘과 같은 친환경 에너지로 전환하는 시대에 이러한 전기분해(Electrolysis) 기술이 중요하게 사용되는 산업이 있습니다.
무엇일까요?
수전해(Water Electrolysis)
수전해(Water Electrolysis)는 현재 우리의 미래 에너지와 굉장히 밀접하게 연관되어 있습니다.
바로 수소 에너지입니다.
왜 수소에너지와 전기분해가 연관이 있을까요? 수소를 생산할 수 있는 친환경적인 방법이 바로 수전해 기술(Water Electrolysis)이기 때문입니다.
아래의 글을 통해서 수소를 생산하는 다양한 방법에 대해 아실 수 있으며 이번 글에서는 수전해 기술(Water Electrolysis)의 가장 기본적인 원리에 대해 알아보도록 하겠습니다.
수전해(Water Electrolysis)는 다양한 산업, 주로 식품 산업, 금속공학, 발전소 등에서 다양한 용도로 사용되는 대중적인 방법이지만 전기 분해를 통해 얻은 수소는 깨끗하고, 재생 가능하고, 효율적인 연료원입니다.
수전해는 주로 순수한 수소와 산소 가스를 생산하기 위해 행해집니다. 그것은 물에 전류를 통과시키는 것을 포함하고, 물은 수소와 산소로 분해됩니다.
수전해(Water Electrolysis)의 원리
수전해는 물(H2O)을 전류를 통과시켜 수소(H+)와 수산화(OH–) 이온으로 분해하는 과정이며,
이온은 반대 전극으로 이동하여 순수한 수소(H2)와 산소(O2) 가스를 방출하며, 자발적인 산화환원(산화환원) 반응입니다.
전기 분해는 전형적으로 백금으로 구성된 양전하 양극과 음전하 음극으로 구성된 전해 셀에서 발생합니다. 수전해를 위한 화학 반응은 음극과 양극에서 발생하는 두 개의 반반응으로 나눌 수 있습니다.
수소 이온이 전자를 얻어 수소 기체로 전환될 때 음극에서 환원 반응이 일어나는데, 반 반응은 다음과 같습니다:
2 H+ (aq) + 2 e – → H2 (g)
산화반응은 물 분자가 양극에 전자를 주고 양극에서 산소 가스를 방출할 때 발생합니다. 반반응은 아래와 같습니다.
2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e-
전체적인 화학반응은
2 H2O(l) + 전기 에너지 → 2 H2(g) + O2(g)
따라서 수전해 반응은 물로부터 수소와 산소의 분리를 보여줍니다. 물 2몰의 경우 수소 2몰과 산소 1몰이 해방됩니다. 발생하는 수소 2몰의 수는 산소의 두 배입니다. 또한 전극과 전해질 사이에 전하가 전달됩니다. 수소 1몰 당 2개의 전자가 음극에서 전해질로 전달됩니다. 산소 1몰 당 4개의 전자가 전해질에서 양극으로 전달됩니다.
수전해(Water Electrolysis)가 어려운 이유
물의 전기 분해는 여러 가지 이유로 쉽지 않습니다.
- 물은 매우 약하게 수소 이온과 수산화 이온으로 해리됩니다. 중성수에 있는 이온의 농도는 같습니다(= mole per litre). 전기분해에는 전류가 흐르게 하는 전하 운반체가 관여합니다. 따라서 이온의 양이 매우 적은 물은 나쁜 전기전도체입니다. 따라서 순수한 물의 전기분해는 매우 느린 과정이 될 것입니다.
- 수소 이온은 다른 물 분자와 연관되어 수소 이온으로 존재합니다. 따라서 양극 쪽으로 이동하는 수산화 이온은 양극에 도달하기도 전에 수소 이온에 의해 중화되어 산소 가스를 형성합니다. 마찬가지로 수소가 존재하는 모든 수소는 음극 근처에 존재하는 수산화 이온에 의해 중화되어 수소로 환원되지 않습니다. 따라서 물에서 수소와 산소로의 전기 분해는 매우 적을 것입니다. 전기 분해는 또한 전자를 음이온에서 양극으로, 음극에서 양이온으로 이동시키는 것을 포함합니다.
이와 같은 이유들로 수전해는 까다로운 공정입니다. 또한 이러한 어려움 속에서 수전해를 통해 수소를 얻을 때의 효율을 높이는 것이 수소를 주된 에너지원으로 사용하기 위한 최대 과제입니다.
수전해(Water Electrolysis) 효율에 영향을 미치는 인자
전기 분해 또는 전자 전달의 효율은 다음과 같은 많은 요소에 따라 달라집니다
i) 용액에서 사용 가능한 양이온과 음이온의 수.
ii) 전극에 도달하는 이온의 이동 속도.
iii) 전극에서 전해질 이온으로의 전자 전달에 필요한 활성화 에너지.
iv) 전극을 둘러싸고 있는 가스 버블이 추가적인 전기전달 등에 미치는 영향.
과전압 또한 수소 생산 비용을 증가시키는 요인입니다.
과전압은 여러 인터페이스(용질-액체, 용질-고체, 고체-가스)에 걸쳐 교차하면서 열역학적 Gibbs energy에 의해 예측된 것보다 전기 분해(과전압)에 대한 에너지 요구량이 증가하면서 발생합니다.
수전해용 전해질
수전해에 적합한 전해질을 선택하는 것이 매우 중요합니다. 왜 중요합니까? 우리가 전해질에서 나오는 음이온을 보면, 그것은 보통 수산화 이온과 전자를 방출하기 위해 경쟁합니다. 전해질 음이온이 수산화 이온보다 표준 전극 전위가 낮으면, 그것은 수산화 이온 대신 산화됩니다. 따라서 산소가 생성되지 않습니다. 양이온의 경우, 그것이 수소 이온보다 표준 전극 전위가 높으면, 그것은 감소합니다. 이 경우, 수소 가스가 생성되지 않습니다.
전기촉매를 이용한 물의 전기분해
전기 촉매는 화학 반응에서 촉매처럼 반응에 소모되지 않고 전기 화학 반응을 촉진시키는 물질입니다. 촉매는 더 낮은 활성화 에너지의 다른 경로를 통해 반응을 유도합니다. 높은 표면적과 더 큰 활성화 중심은 반응성을 증가시키는 촉매의 능력입니다.
백금과 같은 불활성 전극의 활성은 다음과 같은 방법으로 표면을 변형시킴으로써 향상될 수 있습니다
i) 나노 입자로 표면적을 증가시키거나 촉매 d-block 원소로 합금화하고 다른 촉매 물질로 코팅된 전자 상태를 변화시켜 전기 분해를 향상시키는 것.
ii) 전극 표면에 효소와 같은 촉매 활성 물질을 코팅합니다.