300kHz 초음파 시스템에서 초음파 전기화학 수소 생성

국문 초록 (Abstract)

전 세계적으로 지속 가능한 수소 생산 기술의 필요성이 커지고 있으며, 이에 따라 초음파와 전기화학을 결합한 초음파 전기화학 수소 생성 공정이 유망한 대안으로 제시되고 있다. 본 연구에서는 물/메탄올 혼합 조건에서 300kHz 초음파와 전기화학 공정을 결합한 초음파 전기화학 수소 생성 효율을 평가하였다. 실험은 단독 초음파 공정, 단독 전기화학 공정, 그리고 두 공정을 결합한 초음파 전기화학 공정에서 수행되었으며, Ar 100% 및 N2 100% 포화 조건에서 메탄올 농도(0-5.0% v/v)를 변화시키며 진행되었다.
초음파 단독 공정에서는 메탄올 농도 증가에 따라 수소 생성 속도가 점진적으로 증가했으며, Ar 조건의 5% 메탄올에서 2.44μmol/min으로 최대값을 나타냈다. 반면 전기화학 공정에서는 메탄올의 농도 상승이 오히려 반응 속도를 저해했다. 초음파와 전기화학을 결합한 공정에서는 저농도의 메탄올 (0.25-0.5%) 구간에서 뚜렷한 시너지 효과를 보였으며, Ar 조건에서 단독 공정의 단순 합산 대비 최대 약 17% 높은 수소 생성 성능을 보였다. N2 조건에서도 유사한 경향으로 최대 약 19% 향상률을 보였다. 전기화학 공정 대비 초음파 전기화학 공정의 수소 생성 속도는 Ar 조건에서 평균적으로 약 21%, N2 조건에서 약 13% 증가했고, 평균 전류밀도는 각각 23%와 16% 더 높게 나타났다.
SCL 분석 결과, 초음파와 초음파 전기화학 공정에서 강한 초음파 활성 영역이 뚜렷하게 관찰된 반면, 전기화학 공정에서는 활성 영역이 거의 형성되지 않는 것으로 나타났다. 본 연구는 고주파 초음파 전기화학이 알코올을 포함한 유기성 폐자원을 활용한 수소 생산 공정에 적용될 수 있는 가능성을 제시한다.