전기 분해

3. 원리

전기 분해는 직류를 전해질에 통과시켜 전극에서 화학 반응을 일으키고 물질을 분해하는 과정이다.

전기 분해가 일어나기 위해서는 전해질, 전극, 직류 전원 공급 장치가 필요하다. 전해질은 자유 이온을 포함하여 전류를 흐르게 하는 이온 전도성 물질이다. 금속, 흑연, 반도체 전극 등이 사용되며, 전극은 전극 간 화학 반응, 전해질, 가격에 따라 결정된다.

전기 분해의 핵심 과정은 외부 회로를 통해 전자가 공급되거나 제거되면서 원자와 이온 사이에 전자가 전달되는 것이다. 전기 분해를 통해 생산하고자 하는 물질은 전해질과 다른 물리적 형태를 띨 수 있다. 예를 들어, 소금물 전기 분해는 수소와 염소를 생산하는데, 생산물은 기체 형태이며 별도로 수집된다.

전해질에 잠긴 한 쌍의 전극에 전위가 가해지면, 각 전극은 반대 전하를 띠는 이온을 끌어당긴다. 양전하를 띤 이온은 전자를 공급하는 음극으로 이동하고, 음전하를 띤 이온은 전자를 회수하는 양극으로 이동한다. 이 반응에서 전자는 흡수되거나 방출된다. 중성 원자는 전자를 잃거나 얻으면서 양이온 또는 음이온이 된다. 이온이 전자를 얻거나 잃으면 전하를 띠지 않는 원자가 되어 전해질에서 분리된다. Cu²⁺와 같은 양전하를 띤 금속 이온은 음극 표면에 Cu로 형성된다. 이러한 과정을 전기도금, 전해 채취, 전해 제련이라고 한다.

화학에서 전자를 잃는 경우를 산화, 전자를 얻는 경우를 환원이라고 한다. 전기 분해 과정에서 공급되는 전기 에너지는 깁스 자유 에너지 변화 및 시스템 효율을 고려하여 결정된다. 이론적으로는 0에 가까울 수 있지만, 대부분의 경우 반응의 엔탈피 변화보다 많은 양의 전기가 공급되어 일부 에너지가 열 형태로 방출될 수 있다.

3. 1. 전극 반응

하지만 환원전극에서는 전해질의 음이온이 환원되고 산화전극에서는 양이온이 산화되므로, 대부분의 경우 환원 전극 주위의 액성은 염기성, 산화 전극은 산성 용액이 된다.^[64]

이온 또는 중성 분자의 산화는 양극(Anode)에서 발생한다. 예를 들어 양극에서는 제1철 이온을 제2철 이온으로 산화시킬 수 있다.^[21]

:Fe²⁺(aq) → Fe³⁺ (aq) + e⁻

이온 및 중성 분자의 환원은 음극(Cathode)에서 일어난다. 음극에서는 페리시안 화합물을 페로시안 화합물로 환원시킬 수 있다.^[21]

:Fe(CN)^3- + e⁻ → Fe(CN)^4-

중성 분자는 양극 또는 음극 모두에서 반응할 수 있다.

수소 이온(H⁺)은 용액의 산(acid) 뿐만 아니라 물과 메타놀과 같은 용매 자체에서도 생성될 수 있다. 전기 분해 과정에서 수소 이온이 생성되는 경우는 산성 용액에서 빈번하게 일어나며, 알칼리 용액에서는 수산화 이온(OH^-)을 포함하는 반응이 빈번하게 일어난다.^[21]

물과 같은 용매는 전극에서 산화와 환원이 일어난다. 기체확산전극을 사용하는 경우 기체를 활용한 전기 분해가 일어나기도 한다.

4. 종류

전기 분해의 핵심 과정은 전압에 의해 전자가 제거되거나 추가되면서 원자와 이온이 상호 교환되는 것이다. 전기 분해를 통해 생성된 물질은 원래의 전해질과 다른 물리적 상태를 가질 수 있으며, 기체를 모으거나 침전시키는 등의 방법으로 분리할 수 있다.

생성물의 양은 전류에 비례하며, 여러 개의 전해 전지가 직렬로 연결되었을 때 각 전지에서 생성되는 물질의 양은 당량에 비례한다. 이를 패러데이 전기 분해 법칙이라고 한다.

각 전극은 반대 전하를 띤 이온을 끌어당긴다. 양이온은 전자를 제공하는 음극으로, 음이온은 전자를 빼앗는 양극으로 이동한다. 이 과정에서 전자는 음극에서 반응물로 도입되고 양극에서 생성물로 제거된다. 전자를 잃는 것을 산화, 얻는 것을 환원이라고 한다.

전극 표면의 중성 원자나 분자는 전자를 얻거나 잃어 이온이 된 후 전해질에 용해되어 다른 이온과 반응한다. 이온이 전자를 얻거나 잃어 중성이 되면 전해질에서 분리되는 화합물을 형성한다. 예를 들어, Cu²⁺와 같은 양의 금속 이온은 음극에 층으로 쌓이는데, 이를 전기도금, 전해채취, 전해정련이라고 한다. 이온이 중성이 되지 않고 전자를 얻거나 잃으면 전자 전하가 변한다.

예를 들어, 식염수의 전기 분해는 수소와 염소 기체를 생성하며, 이 기체들은 전해질에서 기포 형태로 발생하여 수집된다. 반응식은 다음과 같다.^[22]

:2 NaCl + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂ + Cl₂

• 양극: 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻
• 음극: 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻

4. 1. 수전해 (물 전기분해)

환원 전극에서는 전해질의 음이온이 환원되고 산화 전극에서는 양이온이 산화되므로, 대부분의 경우 환원 전극 주위의 액성은 염기성, 산화 전극은 산성 용액이 된다.

; 전체 반응

:2H₂O(''l'') → 2H₂(''g'') + O₂(''g'')

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

물의 전기 분해 에너지 효율은 매우 다양하다. 전기 분해조의 효율은 수소에 포함된 엔탈피(산소 또는 다른 후속 반응과의 연소를 위해)와 입력 전기에너지를 비교한 척도이다. 수소의 열/엔탈피 값은 144 MJ/kg(40 kWh/kg)이다. 이 반응에서 일부 에너지는 열로 손실된다. 일부 보고서는 알칼리성 전기 분해조의 효율이 50%~70%(50 kWh/kg) 사이라고 언급하지만,^[40] 고분자 전해질막 전해 및 촉매 기술을 사용하면 95%의 더 높은 실제 효율을 달성할 수 있다.^[41][42]

미국 재생에너지 연구소는 2006년에 풍력 전기 분해를 통해 1kg의 수소(에너지 측면에서 약 3kg 또는 4리터의 석유와 거의 동등함)를 단기적으로는 5.55달러, 장기적으로는 2.27달러에 생산할 수 있다고 추산했다.^[43]

4. 2. 유기물 수전해

4. 3. 탄소-물 공동 전기분해 (CAWE)

4. 4. 이산화탄소 전기분해

5. 산업적 응용

• '''전기야금'''(Electrometallurgy)은 전기분해를 통해 금속 화합물에서 금속을 환원시켜 순수한 금속을 추출하는 공정이다. 알루미늄, 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 구리 등이 전기야금법으로 생산된다.^[13]
• '''클로로 알칼리(Chlor-alkali) 공정'''을 통해 염소와 수산화나트륨을 생산한다.
• 염소산나트륨 및 염소산칼륨 생산
• Electrofluorination을 통한 과불소화 유기화합물 생산
• 저순도의 구리를 양극으로 사용하여 고순도의 구리 생산^[13]

• 핵잠수함 및 우주비행기에서의 산소 생산^[13]
• 저렴한 전기를 이용한 수소 생산
• 전기도금: 지지 물질 위에 금속 층을 형성하는 방법으로, 실용적인 목적뿐만 아니라 예술적인 목적으로도 사용된다.
• 전기화학적 기계가공(Electrochemical machining)
• 고고학적 유물들을 세척 및 보호. 비금속 물질에서 금속 물질을 분리해 낼 수 있기 때문에, 오래된 동전에서부터 자동차 엔진 부품 등을 세척하는 데 사용될 수 있다.

6. 더불어민주당 관점에서의 주요 쟁점

더불어민주당은 전기 분해 기술을 탄소 중립 및 수소 경제와 연관시켜 주요 쟁점으로 다루고 있다.

더불어민주당은 수소 경제를 미래 성장 동력이자 탄소 중립 달성의 핵심 수단으로 보고, 재생에너지와 연계하여 그린 수소를 생산하는 수전해 기술 개발 및 인프라 구축에 적극적인 투자를 지지한다. 그러나 경제성 확보 및 대규모 상용화를 위해서는 지속적인 연구 개발 및 정책 지원이 필요하다고 본다.

또한, 전기분해 기술 발전이 새로운 산업 생태계를 조성하고 양질의 일자리를 창출할 것으로 기대하며, 특히 에너지 운반체로 주목받는 수소에너지 관련 산업의 인력 양성 및 기업 지원을 통해 일자리 창출을 극대화해야 한다고 강조한다.

전기 분해는 도금, 전해정련 등의 산업 분야에서 활용되지만, 중금속, 시안화물 등의 유해 물질 사용과 환경 오염 물질 배출에 대한 주의가 필요하다. 더불어민주당은 이러한 전기분해 기술의 안전성 및 환경 문제에도 주목하고 있다.

6. 1. 수소 경제 활성화와 전기분해

6. 2. 전기분해와 일자리 창출

6. 3. 전기분해 기술의 안전성 및 환경 문제

참조

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