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2018년 12월 11일 (화) 08:43 판

전기분해(電氣分解, 영어: electrolysis)는 시료에 전압을 걸어 화학 반응이 일어나도록 하는 것이다. 더 구체적으로 말해 화합물에 충분히 높은 전압을 걸어 전기 화학적으로 산화 환원 반응을 일으키는 것을 말한다. 전기분해는 우리 생활에 그렇게 가깝지는 않지만 미래에 발전성이 큰 방법이다.

물전기분해 (수전해)

물을 전기 분해할 때 +극과 -극에서 발생하는 기체의 성질을 확인할 수 있다. 수산화나트륨^[1]을 조금 넣은 물에 전류를 흘려 준 후 생성 물질을 확인할 수 있다. 물의 공유 결합이 끊어지면서 물은 수소와 산소로 전기 분해된다.

각 전극에서 일어나는 반응

구분	환원 전극	산화 전극
반응식	2H₂O(l) + 2e^- → H₂(g) + 2OH^-(aq)	H₂O(l) → ${\frac {1}{2}}$ O₂(g)+ 2H⁺(aq) + 2e^-
발생하는 기체	수소	산소
주위의 액성	OH^-이 생성되므로 염기성 용액	H⁺이 생성되므로 산성 용액

하지만 환원전극에서는 전해질의 음이온이 환원되고 산화전극에서는 양이온이 산화되므로 대부분의 경우 환원전극 주위의 액성은 산성, 산화전극은 염기성 용액이 된다.

전체 반응

2H₂O(l) → 2H₂(g) + O₂(g)

H₂와 O₂의 계수비가 2:1이므로 발생하는 수소:산소 기체의 부피비 = 2:1

유기물 수전해

수소를 연료로써 사용하기 위해서 현재 많은 관심을 받고 있는 방법은 신재생에너지로 부터 전력을 공급받아 물전분해장치를 통한 수소발생이다. 하지만 물전기분해시 매우 높은 과전압(E°rev = 1.23 V)을 필요로 하게 되어 전체적으로 시스템 효율을 낮추는 영향을 미치고 있다. 이런 이유로 물전기분해 장치의 스택은 4.2 kWh m−3의 전력이 요구되며, 실제 상용 시스템의 경우 6 kWh m−3 이상의 전력을 필요로 한다.^[2] 유기물수전해 (organic solution assisted water electrolysis) 방식은 이를 보완하고자 알코올류 (에탄올,^[3] 메탄올^[4]), 글리세롤, 개미산 ^[5] 등의 유기물과 물을 혼합한 연료를 이용하여 전기분해를 통해서 수소를 얻는 방법이 최근 다각도로 연구되고 있다.

탄소-물 공동 전기분해

고체 탄소와 물을 전기분해 하여 수소를 얻는 방법으로 탄소/석탄 보조 물전기분해 (Carbon/coal-assisted water electrolysis; CAWE)라고도 한다. 이 방법은 물전기분해에서 공동으로 탄소가 반응식에 참여함으로써 수소 생산 작동 thermo-neutral 전압을 이론적으로 약 0.46 V at 25'C (저온 수전해 방식) 혹은 고온수전해 방식의 경우 약 0.26 V at 827'C까지 낮출수 있으며, 기존의 PEM 수전해 방법의 1.48 V at 25'C 보다 1/3가량 전력 소비를 줄일수 있는 획기적인 수소 생산 방법인다.^[6],^[7]이 방법은 Coughlin and Farooque 이 Nature지에 1979년 발표되었으나, 수소생산 보다는 석탄 개질/황 제거 등의 다른 전기화학적 연구가 더 집중되었다가 최근 석탄 활용의 친환경적인 이용 방법의 다변화를 위해서 최근 다시 떠 오르는 있는 공정이다.^[8]

실험자 목록

앙투안 라부아지에 (Andy Lavoisier)
험프리 데이비 (Byung min Davy)
마이클 패러데이 (Michael Friday)
폴 에루 (Paul Héroult)
스반테 아레니우스 (Svante Arrhenius)

아돌프 콜베 (Adolph Wilhelm Hermann Kolbe)
윌리엄 니컬슨 (William Nicholson)
조제프 루이 게이뤼삭 (Jingi park)
알렉산더 폰 훔볼트 (Alexsander pon Humbolt)
알레산드로 볼타 (Alessandro Volta)

각주

↑ 순수한 물은 전류가 흐르지 않기 때문에 전해질인 수산화나트륨이나 황산나트륨을 조금 넣어 전류를 잘 흐르게 하기 위해서이다. 그러나 황산구리(CuSO₄)를 물에 넣으면 H⁺보다 양이온이 되려는 경향이 작은 Cu²⁺이 먼저 전자를 얻어 Cu로 변한다. 따라서 CuSO₄는 전해질이지만 물을 전기 분해할 때 넣어줄 수 없다.(마찬가지로 CuCl₂, AgNO₃ 도 넣어 줄 수 없다. Cl,^- Ag⁺이 존재하는 전해질을 물에 넣은 후 전류를 흘려 주면 전해질이 전기 분해되기 때문이다. 물을 전기 분해할 때에는 수산화나트륨, 황산나트륨 이외에도 탄산나트륨, 황산, 질산칼륨 등의 전해질을 넣어줄 수 있다.
↑ S.P.S. Badwal et al., Hydrogen production via solid electrolytic routes, WIREs Energy Environ., 2 (2013) 473–487 doi:10.1002/wene.50
↑ H. Ju et al., Electro-catalytic conversion of ethanol in solid electrolyte cells for distributed hydrogen generation, Electrochimica Acta 212 (2016) 744-757 doi:10.1016/j.electacta.2016.07.062
↑ S. Uhm, H. Jeon, T.J. Kim, J. Lee, Clean hydrogen production from methanol–water solutions via power-saved electrolytic reforming process, J. Power Sources 198 (2012) 218–222, doi:10.1016/j.electacta.2011.11.006
↑ C. Lamy et al, Clean hydrogen generation through the electrocatalytic oxidation of formic acid in a Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell (PEMEC), Electrochimica Acta 60 (2012) 112-120 doi:10.1016/j.electacta.2011.11.006
↑ HyungKuk Ju, Sukhvinder Badwal, Sarbjit Giddey, A comprehensive review of carbon and hydrocarbon assisted water electrolysis for hydrogen production, Applied Energy 231 (2018) 502-533 doi:10.1016/j.apenergy.2018.09.125
↑ HyungKuk Ju, Sukhvinder Badwal, Sarbjit Giddey, Role of iron species as mediator in a PEM based carbon-water co-electrolysis for cost-effective hydrogen production, International Journal of Hydrogen Energy, 43 (2018) 9144-9152 doi:10.1016/j.ijhydene.2018.03.195
↑ R.W. Coughlin, M. Farooque, Hydrogen production from coal, water and electrons, Nature 279 (1979) 301-303 [[1]]

같이 보기

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전기 분해

패러데이의 전기분해 법칙

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[1] 순수한 물은 전류가 흐르지 않기 때문에 전해질인 수산화나트륨이나 황산나트륨을 조금 넣어 전류를 잘 흐르게 하기 위해서이다. 그러나 황산구리(CuSO₄)를 물에 넣으면 H⁺보다 양이온이 되려는 경향이 작은 Cu²⁺이 먼저 전자를 얻어 Cu로 변한다. 따라서 CuSO₄는 전해질이지만 물을 전기 분해할 때 넣어줄 수 없다.(마찬가지로 CuCl₂, AgNO₃ 도 넣어 줄 수 없다. Cl,^- Ag⁺이 존재하는 전해질을 물에 넣은 후 전류를 흘려 주면 전해질이 전기 분해되기 때문이다. 물을 전기 분해할 때에는 수산화나트륨, 황산나트륨 이외에도 탄산나트륨, 황산, 질산칼륨 등의 전해질을 넣어줄 수 있다.

[2] S.P.S. Badwal et al., Hydrogen production via solid electrolytic routes, WIREs Energy Environ., 2 (2013) 473–487 doi:10.1002/wene.50

[3] H. Ju et al., Electro-catalytic conversion of ethanol in solid electrolyte cells for distributed hydrogen generation, Electrochimica Acta 212 (2016) 744-757 doi:10.1016/j.electacta.2016.07.062

[4] S. Uhm, H. Jeon, T.J. Kim, J. Lee, Clean hydrogen production from methanol–water solutions via power-saved electrolytic reforming process, J. Power Sources 198 (2012) 218–222, doi:10.1016/j.electacta.2011.11.006

[5] C. Lamy et al, Clean hydrogen generation through the electrocatalytic oxidation of formic acid in a Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell (PEMEC), Electrochimica Acta 60 (2012) 112-120 doi:10.1016/j.electacta.2011.11.006

[6] HyungKuk Ju, Sukhvinder Badwal, Sarbjit Giddey, A comprehensive review of carbon and hydrocarbon assisted water electrolysis for hydrogen production, Applied Energy 231 (2018) 502-533 doi:10.1016/j.apenergy.2018.09.125

[7] HyungKuk Ju, Sukhvinder Badwal, Sarbjit Giddey, Role of iron species as mediator in a PEM based carbon-water co-electrolysis for cost-effective hydrogen production, International Journal of Hydrogen Energy, 43 (2018) 9144-9152 doi:10.1016/j.ijhydene.2018.03.195

[8] R.W. Coughlin, M. Farooque, Hydrogen production from coal, water and electrons, Nature 279 (1979) 301-303 [[1]]

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[4]

[5]

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@@ 22번째 줄: / 22번째 줄: @@
 == 유기물 수전해 ==
 수소를 연료로써 사용하기 위해서 현재 많은 관심을 받고 있는 방법은 신재생에너지로 부터 전력을 공급받아 물전분해장치를 통한 수소발생이다. 하지만 물전기분해시 매우 높은 과전압(E°rev = 1.23 V)을 필요로 하게 되어 전체적으로 시스템 효율을 낮추는 영향을 미치고 있다. 이런 이유로 물전기분해 장치의 스택은 4.2 kWh m−3의 전력이 요구되며, 실제 상용 시스템의 경우 6 kWh m−3 이상의 전력을 필요로 한다.<ref>S.P.S. Badwal et al., Hydrogen production via solid electrolytic routes, WIREs Energy Environ., 2 (2013) 473–487 [[doi:10.1002/wene.50]]</ref> 유기물수전해 (organic solution assisted water electrolysis) 방식은 이를 보완하고자 알코올류 (에탄올,<ref>H. Ju et al., Electro-catalytic conversion of ethanol in solid electrolyte cells for distributed hydrogen generation, Electrochimica Acta 212 (2016) 744-757 [[doi:10.1016/j.electacta.2016.07.062]]</ref> 메탄올<ref> S. Uhm, H. Jeon, T.J. Kim, J. Lee, Clean hydrogen production from methanol–water solutions via power-saved electrolytic reforming process, J. Power Sources 198 (2012) 218–222, [[doi:10.1016/j.electacta.2011.11.006]]</ref>), 글리세롤, 개미산 <ref>C. Lamy et al, Clean hydrogen generation through the electrocatalytic oxidation of formic acid in a Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell (PEMEC), Electrochimica Acta 60 (2012) 112-120 [[doi:10.1016/j.electacta.2011.11.006]]</ref> 등의 유기물과 물을 혼합한 연료를 이용하여 전기분해를 통해서 수소를 얻는 방법이 최근 다각도로 연구되고 있다.
+== 탄소-물 공동 전기분해 ==
+고체 탄소와 물을 전기분해 하여 수소를 얻는 방법으로 탄소/석탄 보조 물전기분해 (Carbon/coal-assisted water electrolysis; CAWE)라고도 한다. 이 방법은 물전기분해에서 공동으로 탄소가 반응식에 참여함으로써 수소 생산 작동 thermo-neutral 전압을 이론적으로 약 0.46 V at 25'C (저온 수전해 방식) 혹은 고온수전해 방식의 경우 약 0.26 V at 827'C까지 낮출수 있으며, 기존의  PEM 수전해 방법의 1.48 V at 25'C 보다 1/3가량 전력 소비를 줄일수 있는 획기적인 수소 생산 방법인다.<ref>HyungKuk Ju, Sukhvinder Badwal, Sarbjit Giddey, A comprehensive review of carbon and hydrocarbon assisted water electrolysis for hydrogen production, Applied Energy 231 (2018) 502-533 [[doi:10.1016/j.apenergy.2018.09.125]]</ref>,<ref>HyungKuk Ju, Sukhvinder Badwal, Sarbjit Giddey, Role of iron species as mediator in a PEM based carbon-water co-electrolysis for cost-effective hydrogen production, International Journal of Hydrogen Energy, 43 (2018) 9144-9152 [[doi:10.1016/j.ijhydene.2018.03.195]]</ref>이 방법은 Coughlin and Farooque 이 Nature지에 1979년 발표되었으나, 수소생산 보다는 석탄 개질/황 제거 등의 다른 전기화학적 연구가 더 집중되었다가 최근 석탄 활용의 친환경적인 이용 방법의 다변화를 위해서 최근 다시 떠 오르는 있는 공정이다.<ref>R.W. Coughlin, M. Farooque, Hydrogen production from coal, water and electrons, Nature 279 (1979) 301-303 [[https://www.nature.com/articles/279301a0]]</ref>
 == 실험자 목록 ==