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스테파노 Stefano

07-11-04 14:22

촉매의 경우 금속성분의 차이 뿐 만 아니라 표면의 형상, 표면조도, Pore의 크기, 등에 따라서도 성능이나 수명, 그리고 선택성 등이 크게 달라질 것입니다. 촉매의 형상이 어떤지 그리고 어느 용도로 사용하고 있는지 보다 구체적으로 질문해 주시면 촉매 전문가의 도움을 받으실 수도 있을 것으로 봅니다 .

catty laserdori

07-11-04 23:05

환원수기를 연구하고 있습니다.
주된 사용용도로는 물을 전기분해하는 실험을 진행하고 있는데 사용하는 전극으로는
50x50x1 (mm)의 티타늄을 사용하고 있으며 표면에 에칭같은 기타의 가공은 하고 있지 않습니다.
조도? 이건 잘 모르겠구요. pore은 30x30 내에 다수의 1~1.5mm의 기공을 디자인 했습니다.
사용하는 전력은 5A, 5V 미만에서 구동 중입니다.

백금과 이리듐을 사용할 경우 반응성과 내구성을 비교체크하려 하는데 백금의 경우 물안에서 전기분해 시 물속의 금속성분으로 백금이 산화된다고 하던데요. 이를 방지하기 위하여 두껍게 코팅하면 해결이 되는지요. 이리듐 사용시도 같은지가 궁금합니다.

스테파노 Stefano

07-11-06 17:56

(1) 환원수기??
전해질이 용해되어 있는 물이라면 소금물에 Na+ 이온과 Cl-이온이 함께 들어있거나 이온이 제거된 순수라고 해도 미량의 H+이온과 OH-이온 즉 양이온과 음이온이 함께 존재할 수 밖에 없는데 무엇을 연구하고 있는지 궁금합니다.
"환원수기"--이것에 대해 먼저 소개해 주세요.

(2) 전극의 표면적
전극의 표면적이 넓으면 전도도가 이에 비례하여 증가하기 때문에 가급적이면 표면적을 넓혀줄 필요가 있을 것입니다.

(3) 이온화 경향 서열
어느 원소로부터 전자를 빼앗아 양이온으로 만들기 위해 필요한 에너지를 "산화전극전위"라고 하여 전자가 가진 전하량 전압을 곱하여 Electron Volt로 나타냅니다. 이 값이 크면 클수록 양이온으로 되면서 산화되기 쉽고 작으면 작을수록 환원되기 쉽습니다. 아래의 이온화 경향 서열은 수소를 기준으로 해서 왼쪽에는 음이온화 경향이 큰것이 그리고 오른쪽으로는 양이온화 하기 어려운 순서로 나열되어 있습니다. 단순히 서열만 나타냈기 때문에 정성적인 비교표이지요.
우측으로 갈수록 산화시키기 위한 에너지가 더 크기 때문에 산화가 잘 되지 않는 물질이라고 보면 됩니다.

F<Cl<Br<I<H<K<Na<Ca<Mg<Al<Zn<Fe<Sn<Pb<Cu<Hg<Ag<Pt<Au

(4) 전극전위
원소가 산화되기 쉬운가 어려운가를 정량적으로 나타내기 위하여 수소전극과 비교해서 산화전위는 나타내는 방법이 있습니다. 이는 수소와 비교해서 전극전위(Electrode Potential)을 상대적인 수치로 나타낼 수 있기 때문에 정량적으로 나타낸 것이 됩니다. 원소가 가지고 있는 전자들중에서 가장 에너지준위가 높은 것 하나를 빼앗기 위하 에너지가 됩니다. 원자가를 +2, +3 등 +1이상으로 나타낸 것은 첫번째 전자와 두번째 전자를 빼앗기 위산 에너지의 평균값이라고 보면 됩니다 . +값이 클수록 금속과 H+(산)이 결합하여 수소를 만들면서 금속이온으로 산화되는 반응으로 잘 진행된다는 의미를 가집니다. 수치값은 volt값을 나타냅니다.

Ti-->Ti++ +2e :+1.63~1.75
Pb-->Pb++ +2e :+1.2663
H2-->2H+ +2e : 0.0000(기준)
Cu-->Cu+ +1e :-0.522
Hg-->Hg+ +1e :-0.7986
Ag-->Ag+ +1e :-0.7996
Ir---->Ir+ +1e:-0.962
Pt-->Pt++ +2e :-1.2
Au-->Au+ +1e :-1.5

위 표로 보면 Ir>Pt>Au 순으로 산화되기 쉽다는 것을 알 수 있습니다.

(5) 백금이 금속성분에 의해 산화??
이말을 화학이온 수식으로 표현하면 다음과 같습니다.

Pt + M++ -----> Pt++ + M

이 반응을 일으키기 위한 금속은 위의 Table에서는 오직 금(Au)밖에 없습니다.
전기분해를 위해 금을 사용한 전해질을 사용하지는 않을 것으로 보면 설득력이 없는 이야기입니다.

(6) 그렇다면. 백금이 왜 산화되는가?
백금이 산화되는 이유는
전극에 강한(전자의 행동에 영향을 줄 수 있는 이상의) 전압을 걸어줌으로써 백금이 산화되는 것입니다.
전극표면에서는 전해질로부터 전자를 받아들이거나 전자를 전극을 통하여 방출하게 될 것인데 백금이 산화된다는 의미는

Pt ------------> Pt+ +1e
Pt+------------> Pt++ +1e

와 같은 반응이 일어나 백금원소가 전극을 통해 전자를 방출하면서 백금양이온이 전해질 속에 녹아들어가면서 전극이 손상된다는 의미가 됩니다. 전극전압이 백금의 이온화 전위를 초과한다면 항상 일어날 수 있는 일입니다.

(7) 백금의 부식 반응
전해질 속에 백금보다 전자를 잘 방출할 수 있는 물질이 들어 있다고 한다면 백금대신 전자를 빼앗아 가기 때문에 백금전극이 손상될 리는 없겠으나 전해질 내에 전극가까이 옮겨와서 음이온이 전자를 방출할 수도 있습니다. 아래의 예는 백금전긍에서 염소가스가 발생하는 반응이 됩니다 .

2Cl- ------------->Cl2 +2e
2H+ + 2e---->H2
Pt + 2H+ ------> Pt++ + H2

위 첫 반응은 소금물의 전기분해시 염소가 발생되는 반응과 같은 반응입니다 . 염소의 산화반응이고 전기분해조의 양극에서 일어나는 반응입니다 .
위 두번째 반응은 백금 전극이 산에 의해 부식되는 반응이고 수소가 생성되는 반응입니다. 소금물을 전기분해할 때 음극에서 일어나는 수소의 환원반응입니다.
세번째 반응은 백금으로부터 전자를 빼앗는 반응이라서 두번째 반응에 뒤지기 때문에 일어날 수 없지만 전해조에 걸려있는 전압이 커서 국부적으로 일어날 수도 있는 전극 부식반응입니다.

(8) 이것도 저것도 아니라면..
환원수기는 도대체 어떤 원리인지 소개해 주시고 추가 질문 바랍니다 .

(1) 환원수기??  
전해질이 용해되어 있는 물이라면 소금물에 Na+ 이온과 Cl-이온이 함께 들어있거나 이온이 제거된 순수라고 해도 미량의 H+이온과 OH-이온 즉 양이온과 음이온이 함께 존재할 수 밖에 없는데 무엇을 연구하고 있는지 궁금합니다. 
"환원수기"--이것에 대해 먼저 소개해 주세요.

(2) 전극의 표면적
전극의 표면적이 넓으면 전도도가 이에 비례하여 증가하기 때문에 가급적이면 표면적을 넓혀줄 필요가 있을 것입니다.

(3) 이온화 경향 서열
어느 원소로부터 전자를 빼앗아 양이온으로 만들기 위해 필요한 에너지를 "산화전극전위"라고 하여 전자가 가진 전하량 전압을 곱하여 Electron Volt로 나타냅니다.  이 값이 크면 클수록 양이온으로 되면서 산화되기 쉽고 작으면 작을수록 환원되기 쉽습니다.  아래의 이온화 경향 서열은 수소를 기준으로 해서 왼쪽에는 음이온화 경향이 큰것이 그리고 오른쪽으로는 양이온화 하기 어려운 순서로 나열되어 있습니다. 단순히 서열만 나타냈기 때문에 정성적인 비교표이지요.    
우측으로 갈수록 산화시키기 위한 에너지가 더 크기 때문에 산화가 잘 되지 않는 물질이라고 보면 됩니다.

F<Cl<Br<I<H<K<Na<Ca<Mg<Al<Zn<Fe<Sn<Pb<Cu<Hg<Ag<Pt<Au

(4) 전극전위
원소가 산화되기 쉬운가 어려운가를 정량적으로 나타내기 위하여 수소전극과 비교해서 산화전위는 나타내는 방법이 있습니다.  이는 수소와 비교해서 전극전위(Electrode Potential)을 상대적인 수치로 나타낼 수 있기 때문에 정량적으로 나타낸 것이 됩니다.  원소가 가지고 있는 전자들중에서 가장 에너지준위가 높은 것 하나를 빼앗기 위하 에너지가 됩니다.  원자가를 +2, +3 등 +1이상으로 나타낸 것은 첫번째 전자와 두번째 전자를 빼앗기 위산 에너지의 평균값이라고 보면 됩니다 . +값이 클수록  금속과 H+(산)이 결합하여 수소를 만들면서 금속이온으로 산화되는 반응으로 잘 진행된다는 의미를 가집니다. 수치값은 volt값을 나타냅니다.

Ti-->Ti++    +2e :+1.63~1.75
Pb-->Pb++  +2e :+1.2663
H2-->2H+   +2e : 0.0000(기준)
Cu-->Cu+    +1e :-0.522
Hg-->Hg+   +1e  :-0.7986
Ag-->Ag+    +1e :-0.7996
Ir---->Ir+      +1e:-0.962 
Pt-->Pt++   +2e :-1.2
Au-->Au+    +1e :-1.5

위 표로 보면 Ir>Pt>Au 순으로 산화되기 쉽다는 것을 알 수 있습니다.

(5) 백금이 금속성분에 의해 산화??
이말을 화학이온 수식으로 표현하면 다음과 같습니다.

Pt +  M++  -----> Pt++  +  M

이 반응을 일으키기 위한 금속은 위의 Table에서는 오직 금(Au)밖에 없습니다. 
전기분해를 위해 금을 사용한 전해질을 사용하지는 않을 것으로 보면 설득력이 없는 이야기입니다.

(6) 그렇다면.  백금이 왜 산화되는가?
백금이 산화되는 이유는 
전극에 강한(전자의 행동에 영향을 줄 수 있는 이상의) 전압을 걸어줌으로써 백금이 산화되는 것입니다. 
전극표면에서는 전해질로부터 전자를 받아들이거나 전자를 전극을 통하여 방출하게 될 것인데 백금이 산화된다는 의미는

Pt  ------------> Pt+      +1e
Pt+------------> Pt++    +1e

와 같은 반응이 일어나 백금원소가 전극을 통해 전자를 방출하면서 백금양이온이 전해질 속에 녹아들어가면서 전극이 손상된다는 의미가 됩니다.  전극전압이 백금의 이온화 전위를 초과한다면 항상 일어날 수 있는 일입니다.

(7) 백금의 부식 반응
전해질 속에 백금보다 전자를 잘 방출할 수 있는 물질이 들어 있다고 한다면 백금대신 전자를 빼앗아 가기 때문에 백금전극이 손상될 리는 없겠으나  전해질 내에 전극가까이 옮겨와서 음이온이 전자를 방출할 수도 있습니다.  아래의 예는 백금전긍에서 염소가스가 발생하는 반응이 됩니다 .

2Cl- ------------->Cl2      +2e 
2H+   + 2e---->H2 
Pt + 2H+  ------> Pt++  +  H2

위 첫 반응은 소금물의 전기분해시 염소가 발생되는 반응과 같은 반응입니다 .  염소의 산화반응이고 전기분해조의 양극에서 일어나는 반응입니다 .
위 두번째 반응은 백금 전극이 산에 의해 부식되는 반응이고 수소가 생성되는 반응입니다.  소금물을 전기분해할 때 음극에서 일어나는 수소의 환원반응입니다. 
세번째 반응은 백금으로부터 전자를 빼앗는 반응이라서 두번째 반응에 뒤지기 때문에 일어날 수 없지만 전해조에 걸려있는 전압이 커서 국부적으로 일어날 수도 있는 전극 부식반응입니다.

(8) 이것도 저것도 아니라면..
환원수기는 도대체 어떤 원리인지 소개해 주시고 추가 질문 바랍니다 .