연구보고서
할로겐 고선택성 생체 모방형 전기화학 촉매를 이용한 수처리용 기능성 전극 제조 기술 개발
(Development of functional electrodes for water purification with halogen selective bio-inspired electrocatalysts)
□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
• 저염 및 극저염 농도 조건에서 할로겐 이온을 선택적으로 산화시키는 생체 모방형 전기화학 촉매전극 제조 기술개발
• 생체 모방형 전기화학 촉매전극을 이용한 저염 및 극저염 (1g/L)조건하에서 작동하는 소독수 생산용 미니시스템 시제품 개발
◼ 전체 내용
• 주요 개발 내용
(1)할로겐 고선택성 생체 모방형 촉매 대량합성법
(2)생체 모방 촉매 기반 저염 및 극저염 할로겐 산화 촉매 전극
(3)소독수 생산용 미니시스템
• 주요 성능치
(1)준 양산 대응 가능 나노촉매 합성기술 (100g/lot)
(2)저염 및 극저염 (1g/L) 조건하에서 작동하는 소독수 생산 기능
(3)유기화학 반응 중 브롬의 선택적 산화를 통한 화학 반응 촉진 기능
(4)할로겐 고선택성 나노촉매
- 생산량 (100g/L), 수득률(90%), 입도(100nm이하)
(5)살균수 제조장치 (1g/L 염소 농도 조건)
- 유효염소량(200ppm), 살균소독력(99.999%), 생산능력(15L/min)
(6) 신뢰성 : (가속평가, 15oC)
- 3000시간 이상 (50mA/cm2, 실제 구동 기준 20,000 시간 이상)
(7) 생체 모방 촉매 전극 : 브롬 산화용
- 선택성 (1g/L 염소농도 조건) : 25 cm2단위 전극 : 90 %
◼ 1단계
❏ 목표
• 최종목표 저염 및 극저염 농도 조건에서 할로겐 이온을 선택적으로 산화시키는 생체 모방형 전기화학 촉매전극 제조 기술개발
• 상세목표
(1)할로겐 고선택성 생체 모방형 촉매
(2)생체 모방 촉매 기반 저염 및 그저염 할로겐 산화 촉매 전극 (HW)
(3)소독수 생산용 미니시스템 (HW)
- 주요 기능(또는 규격)
(1)준 양산 대응 가능 나노촉매 합성기술 (100g/lot)
(2)저염 및 극저염 (1g/L) 조건하에서 작동하는 소독수 생산 기능
(2)유기화학 반응 중 브롬의 선택적 산화를 통한 화학 반응 촉진 기능
- 주요 성능치
(1)할로겐 고선택성 나노촉매
- 생산량 (100g/L), 수득률(90%), 입도(100nm이하)
(2)살균수 제조장치 (1g/L 염소 농도 조건)
- 유효염소량(200ppm), 살균소독력(99.999%), 생산능력(15L/min)
(3) 신뢰성 : (가속평가, 100mA/cm^2, 15oC)
- 3000시간 이상 (50mA/cm^2, 실제 구동 기준 20,000 시간 이상)
(4) 생체 모방 촉매 전극 : 브롬 산화용
1) 선택성 (1g/L 염소농도 조건)
- 25 cm^2 단위 전극 : 90 %
❏ 내용
●연구개발 요약
할로겐 1g/L 농도 조건에서 유효염소량이 200ppm 이하인 살균수를 제조할 수 있는 고신뢰성 전기화학 촉매전극을 개발하고, 이를 이용한 차염 살균 소독수 제조 장치 시제품 개발 (200ppm 농도의 차염 살균수를 분당 15L 이상 생산량을 목표로 함)
●1차년도
(1)생체모방 촉매 전극 제조 관련 요소기술 분석 및 설계
(2)생체모방 촉매 소재의 공정 적합도 평가 및 핵심 소재 적용 기술 확립
- 주 촉매 소재 및 분산용액 개발, 코팅액 조성 설계
(3)생체모방 촉매 전극 제조 공정 요소 기술 확립
-핵심소재 대면적 코팅법 개발, 촉매 소재 및 기판간 간 접착성 향상 기술개발
(4)살균수 생산 시작품 제작 및 평가 수행
●2차년도
(1)생체모방 할로겐 선택성 촉매 전극 구조 최적화 기술 확보
(2)생체모방 촉매 전극 박막화 대면적 코팅 공정 최적화 기술 확보
●3차년도
(1)생체모방 할로겐 선택성 촉매전극 실용화 적용성 평가를 위한 시작품 제작
-염소 선택성 촉매 전극 : 소독수 생산 미니 시작품 제작
-브롬 선택성 촉매 전극 : 유기합성 반응 시스시템 적용 평가
□ 연구개발성과
• 원천기술확보 : 공동연구기관과 공동개발을 통해 저가격/고효율 생체모방 할로겐 선택성 촉매 전극은 기존은 고가의 희토류 금속 기반 불용성 산화전극(DSA) 전극을 대체할 수 있는 차세대 할로겐 산화 전극으로 활용할 수 있는 핵심 원천기술 될 것으로 기대됨
• 개발되는 차세대 할로겐 산화 전극은 할로겐 고선택성 생체 모방형 촉매를 이용하여 개발된 전극이 소독수 생산용 미니시스템에 들어가는 것을 목표로 함. 소독수 생산용 미니시스템를 위하여 준 양산 대응 가능 나노촉매 합성기술 (100g/lot) 확보, 저염 및 극저염 (1g/L) 조건하에서 작동하는 소독수 생산 기능하게 하는 목표를 지니고 있음. 또한, 요새 대두되는 유기합성 반응 중 브롬의 선택적 산화를 통한 화학 반응 촉진을 달성하고자 함.
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
• 제품화 방안 : 본 연구개발을 통해 개발된 할로겐 고선택성 생체 모방형 촉매는, 대면적 코팅 기술과 융합되어 소독수 생산용 미니시스템 시제품 제작 및 상용화 평가를 진행 할 예정임. 더나아가 개발 예정 촉매전극을 적용한 개인 방역 제품 시장에 진입할 수 있는 생활 소독수 응용제품을 기획하고 제품화를 통한 신사업 분야 창출
• 활용분야 : 현장 차염소독수 생산 장치 코로나-19 사태가 장기화 됨에 따라 개인 및 공공 방역 대한 관심의 증가하고 있음.저염 또는 극저염 농도에서 염소 이온을 높은 선택성으로 산화시키기 때문에, 관련 제품의 촉매전극으로 활용하여 고성능, 소형화 및 저가화를 이루어 전 세계적으로 인정받고 있는 K-방역 제품으로 적용되어 해당 제품의 국내 보급 뿐 아니라 수출에 따른 국가 산업의 신성장 동력 아이템이 될 수 있음.
(출처 : 요약문 5p)
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과제
할로겐 고선택성 생체 모방형 전기화학 촉매 물질 개발
2021/서울대학 /333.33 백만원
논문
Copper-Organic Framework Fabricated with CuS Nanoparticles: Synthesis, Electrical Conductivity, and Electrocatalytic Activities for Oxygen Reduction Reaction
