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전위-pH도를 이용한 금속나노입자 형성공정의 구축

전문가 제언: ○ 금속이온이나 금속, 수산화물의 산화-환원 평형상태를 예측하는데 전기화학적인 전위-pH도를 활용하는 것이 효과적이다. 전위-pH도는 전기화학적인 수용액계의 가역과 비가역, 평형상태의 반응의 척도를 예측할 수 있다. 최근에는 연료전지개발을 위한 비수용액에서의 금속나노입자 석출에도 전위-pH도의 열역학적 데이터를 활용하고 있다.

○ 전기화학전지에는 두 가지 형태가 있다. 화학전지와 농도차전지이다. 화학전지는 전극들이 서로 다른 금속으로 구성되어 있지만, 농도차전지는 전극들이 동일금속으로 구성되어 있다. 최근 일본에서는 금속나노입자의 금속이온의 활동도를 측정하는데 산화-환원반응에 전위-pH도를 활용하고 있다. 연료전지개발에 금속나노입자의 원료로서 산화물을 분산시킨 현탁액과 비수용액을 사용하고 있다.

○ 금속나노입자를 얻기 위해서는 결정립이 성장할 때에 있어서, 핵형성제나 결정립 성장을 억제하는 분산제와 응집방지제 첨가에 의한 반응속도의 제어가 필요하다. 전기화학적으로 안정한 금속재료를 전극으로서 사용하여 전위를 측정한다. 열역학 데이터가 어떠한 기준에서 결정되는가에 대하여 확인하고, 반응속도나 입자크기 제어를 위해서는 첨가제나 원료분말형상, 비표면적의 검토가 필요하다.

○ 최근, 강원대학교 나노응용 공학과에서는 전위-pH도를 활용한 엔탈피변화와 열용량, 동아대 금속공학과에서도 일부 정량적인 전기화학 활동도 측정에 관한 연구를 진행중이다. 한양대학교 공과대학 전지와 부식연구실에서는 1990년대 중반에 가역전기화학전지를 활용한 열역학데이터를 개발하였다. 자유에너지와 기전력을 패러데이상수와 이동전자수의 곱과, 엔트로피와 자유에너지 변화량으로 미분하여 구하였다.

○ 현재 국내에서는 비수용액의 산화환원전위나 용해도를 측정하기 어렵고, 전위-pH도 열역학 데이터도 충분하지 못한 상황이다. 향후 연료전지개발에 활용하기 위한 비수용액계의 산화-환원 전위-pH도와 나노입자형태제어를 위한 기술개발이 요구되며, 이에 관련한 열역학데이터 확보가 급선무라 사료된다.

저자: Shunsuke YAGI
자료유형: 학술정보