KR20220139050A - System for the Generation of Hydrogen Peroxide Using Both of the Charging and Discharging Cycles - Google Patents

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KR20220139050A
KR20220139050A KR1020210045197A KR20210045197A KR20220139050A KR 20220139050 A KR20220139050 A KR 20220139050A KR 1020210045197 A KR1020210045197 A KR 1020210045197A KR 20210045197 A KR20210045197 A KR 20210045197A KR 20220139050 A KR20220139050 A KR 20220139050A
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김정원
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울산과학기술원
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Abstract

The present invention provides a hydrogen peroxide production system (100). The hydrogen peroxide production system (100) comprises: a first chamber (110) including a cathode (111) to which oxygen is supplied and a first electrolyte (112); a second chamber (120) including an anode (121) and a second electrolyte (122); and a metal electrode (130) disposed between the first chamber (110) and the second chamber (120) and facing the cathode (111) and the anode (121). During a discharge cycle, hydrogen peroxide is generated by an oxygen reduction reaction in the first chamber (110), and during a charging cycle, hydrogen peroxide is generated by the oxidation of water in the second chamber (120). According to the present invention, the hydrogen peroxide production system can spontaneously produce hydrogen peroxide without using external power and can produce hydrogen peroxide in both charge and discharge cycles. Therefore, the efficiency in producing hydrogen peroxide is high.

Description

충방전 사이클을 이용하는 과산화수소 생산 시스템 {System for the Generation of Hydrogen Peroxide Using Both of the Charging and Discharging Cycles}System for the Generation of Hydrogen Peroxide Using Both of the Charging and Discharging Cycles

본 발명은 과산화수소 생산 시스템, 구체적으로는 충전 사이클과 방전 사이클을 이용하여 과산화수소를 연속적으로 생산할 수 있는 과산화수소 생산 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen peroxide production system, specifically, to a hydrogen peroxide production system capable of continuously producing hydrogen peroxide using a charge cycle and a discharge cycle.

과산화수소는 표백제 및 소독제로 화학 및 의료 산업에서 널리 사용되는 친환경 산화제이다. 또한 산업적으로는 프로필렌옥사이드(화장품, 자동차 내장재 등에 필요한 원료)을 생산하는 데에도 사용되고 있으며, 고순도 과산화수소의 경우에는 반도체 공정의 세정제로 불화수소(HF) 보다 100배 이상 많이 쓰인다. 더욱이 전기차에 사용되는 수소연료전지에서 수소 대신 쓰일 가능성도 있어 앞으로 수요가 급증할 것으로 예상된다.Hydrogen peroxide is an environmentally friendly oxidizing agent widely used in the chemical and medical industries as a bleaching agent and disinfectant. In addition, industrially, it is also used to produce propylene oxide (a raw material necessary for cosmetics and automobile interior materials), and in the case of high-purity hydrogen peroxide, it is used more than 100 times more than hydrogen fluoride (HF) as a cleaning agent for semiconductor processes. Moreover, there is a possibility that hydrogen fuel cells used in electric vehicles may be used instead of hydrogen, so demand is expected to surge in the future.

과산화수소의 생산은 고온, 고압의 안트라퀴논 공정에 크게 의존하고 있다. 이는 안트라퀴논 유기물과 값비싼 팔라듐 촉매로 고온 고압의 수소 기체를 이용하여 반응시키는 과정으로, 많은 시설 및 비용을 필요로 한다. 또한 고순도의 과산화수소를 얻기 위해서 많은 비용이 발생하는데, 그 이유는 안트라퀴논이 분산된 유기계 용매로부터 과산화수소 생산물을 정제하여 추출하는 과정이 필수적으로 수반되기 때문이다. The production of hydrogen peroxide is highly dependent on the high-temperature, high-pressure anthraquinone process. This is a process of reacting anthraquinone organic matter with an expensive palladium catalyst using high-temperature and high-pressure hydrogen gas, and requires a lot of facilities and costs. In addition, a lot of cost is incurred in order to obtain high-purity hydrogen peroxide, because the process of purifying and extracting the hydrogen peroxide product from an organic solvent in which anthraquinone is dispersed is essential.

이를 대체하고자 많은 연구들이 진행되고 있는데, 그 중에 (1) 직접 합성법, (2) 광촉매 이용 방법 그리고 (3) 전기화학적 과산화수소 생산 등이 연구되고 있다. Many studies are being conducted to replace this, among which (1) direct synthesis method, (2) photocatalyst use method, and (3) electrochemical hydrogen peroxide production are being studied.

직접 합성법의 경우는 고농도의 수소, 산소 가스를 이용하여 고온에서 촉매 물질을 가지고 합성하는 방식인데, 가연성 및 폭발의 위험성이 있다. 이 기술은 아직까지 과산화수소의 생산성이 산업적인 요구를 따라오지 못하고, 현재 팔라듐계 촉매들만이 높은 활성을 보여주어 상용화에는 많은 제약이 따른다. 광촉매를 이용하는 경우도 앞선 기술과 같이 산업적인 요구에 비하면 생산성이 떨어지지만, 보다 친환경적인 방식으로 접근되고 있다. In the case of the direct synthesis method, it is a method of synthesizing with a catalyst material at a high temperature using high concentration of hydrogen and oxygen gas, but there is a risk of flammability and explosion. In this technology, the productivity of hydrogen peroxide has not yet kept up with industrial demands, and currently only palladium-based catalysts show high activity, so there are many restrictions on commercialization. In the case of using a photocatalyst, productivity is lowered compared to industrial requirements as in the previous technology, but it is approached in a more environmentally friendly way.

앞선 기술과 다르게, 과산화수소의 전기화학적 생산법은 수전해 및 염소화 공정과 더불어 일종의 전기분해 방식으로 합성이 되기에, 기존의 해수를 이용한 염소화 공정을 진행하던 시스템을 그대로 적용할 수 있다는 점에서 현재 많은 기업들도 현 산업 모델에서 가장 관심을 가지고 접근하고 있다. 산소는 각각 전자 2개 혹은 4개와 반응하여 과산화수소 또는 물로 전기화학적으로 환원될 수 있으므로, 상기 전기화학적 과산화수소 생산법은 산소 환원 반응을 이용하고 있다. 그러나, 이러한 반응은 외부 전원의 공급이 필수적인 한계가 있다.Unlike the previous technology, the electrochemical production method of hydrogen peroxide is synthesized by a kind of electrolysis method along with water electrolysis and chlorination process. Companies are also approaching with the most interest in the current industry model. Since oxygen can be electrochemically reduced to hydrogen peroxide or water by reacting with two or four electrons, respectively, the electrochemical hydrogen peroxide production method uses an oxygen reduction reaction. However, this reaction has a limitation in which external power supply is essential.

본 발명의 일 목적은, 외부 전원의 공급없이 자발적으로 과산화수소를 생산할 수 있으며, 나아가, 방전 사이클뿐만 아니라 충전 사이클 동안에도 과산화수소가 연속적으로 생성될 수 있어서 과산화수소의 생산 효율을 향상시킬 수 있는 과산화수소 생산 시스템을 제공하는 것이다.One object of the present invention is that hydrogen peroxide can be produced spontaneously without supply of external power, and further, hydrogen peroxide can be continuously produced not only during the discharge cycle but also during the charging cycle, so that the production efficiency of hydrogen peroxide can be improved. is to provide

본 발명의 일 양태에 따르면, 산소가 공급되는 캐소드(111) 및 제1 전해질(112)을 포함하는 제1 챔버(110); 애노드(121) 및 제2 전해질(122)을 포함하는 제2 챔버(120); 및 상기 제1 챔버(110)와 상기 제2 챔버(120) 사이에 배치되고 상기 캐소드(111) 및 상기 애노드(121)와 대향하는 금속 전극(130)을 포함하고, 방전 사이클 동안 상기 제1 챔버(110)에서 산소 환원 반응에 의해 과산화수소를 발생하고, 충전 사이클 동안 상기 제2 챔버(120)에서 물의 산화 반응에 의해 과산화수소를 발생하는, 과산화수소 생산 시스템(100)이 제공된다.According to an aspect of the present invention, the first chamber 110 including the cathode 111 and the first electrolyte 112 to which oxygen is supplied; a second chamber 120 containing an anode 121 and a second electrolyte 122; and a metal electrode (130) disposed between the first chamber (110) and the second chamber (120) and facing the cathode (111) and the anode (121), wherein during a discharge cycle, the first chamber A hydrogen peroxide production system 100 is provided, which generates hydrogen peroxide by an oxygen reduction reaction at 110 and generates hydrogen peroxide by an oxidation reaction of water in the second chamber 120 during a charging cycle.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 챔버(110)는 상기 캐소드(111)와 상기 금속 전극 (130) 사이에 제1 바이폴라(bipolar) 멤브레인(113)을 더 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the first chamber 110 may further include a first bipolar membrane 113 between the cathode 111 and the metal electrode 130 .

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 제2 챔버(120)는 상기 애노드(121)와 상기 금속 전극 (130) 사이에 제2 바이폴라 멤브레인(123)을 더 포함하는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the second chamber 120 may further include a second bipolar membrane 123 between the anode 121 and the metal electrode 130 .

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 캐소드(111)는 일측이 상기 제1 전해질(112)과 접촉하고 타측이 공기 또는 산소 기체와 직접 접촉하도록 노출되어 있는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the cathode 111 may be exposed so that one side is in contact with the first electrolyte 112 and the other side is in direct contact with air or oxygen gas.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 제1 챔버(110)는 상기 제1 전해질(112)에 공기 또는 산소 기체를 주입하는 기체 주입부(미도시)를 더 포함하고, 상기 기체 주입부는 상기 캐소드(111)에 인접하여 배치되어 상기 캐소드(111)로 산소가 공급되는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the first chamber 110 further includes a gas injection unit (not shown) for injecting air or oxygen gas into the first electrolyte 112, and the gas injection unit is the It may be disposed adjacent to the cathode 111 to supply oxygen to the cathode 111 .

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 캐소드(111)는 산소와 물을 산소 환원 반응시켜 과산화수소를 발생하는 산소 환원 촉매를 포함하는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the cathode 111 may include an oxygen reduction catalyst for generating hydrogen peroxide by reacting oxygen and water with an oxygen reduction reaction.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 산소 환원 촉매는 Pt-Hg 합금, Pd-Hg 합금, 및 Ag-Hg 합금로 이루어진 군에서 선택되는 금속 합금; 금(Au), 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택되는 금속으로서 원자 단위로 분산된 금속; 카르복실(-COOH) 작용기 및/또는 에테르(-C-O-C-) 작용기를 포함하는 탄소 화합물; 및 헤테로 원자가 치환된 탄소 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the oxygen reduction catalyst is a metal alloy selected from the group consisting of Pt-Hg alloy, Pd-Hg alloy, and Ag-Hg alloy; a metal selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and copper (Cu) and dispersed in atomic units; carbon compounds comprising a carboxyl (-COOH) functional group and/or an ether (-C-O-C-) functional group; And the hetero atom may be at least one selected from the group consisting of a substituted carbon compound.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 애노드(121)는 물을 산화반응시켜 과산화수소를 발생하는 금속 산화물 촉매를 포함하는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the anode 121 may include a metal oxide catalyst for generating hydrogen peroxide by oxidizing water.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 금속 산화물 촉매는 ZnO, MnOx, TiO2, BiVO4, WO3, SnO2, Co3O4, Al2O3, 및 CaSnO3 로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the metal oxide catalyst is selected from the group consisting of ZnO, MnO x , TiO 2 , BiVO 4 , WO 3 , SnO 2 , Co 3 O 4 , Al 2 O 3 , and CaSnO 3 . It can be at least one species.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 방전 사이클 동안에 상기 금속 전극(130)은 애노드가 되고 상기 금속 전극(130)의 금속이 산화되어 금속 산화물을 형성하는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, during a discharge cycle, the metal electrode 130 may become an anode and the metal of the metal electrode 130 may be oxidized to form a metal oxide.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 충전 사이클은 상기 시스템에 전위를 인가하여 실시되고 상기 충전 과정 동안에 상기 금속 전극은 캐소드가 되는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the charging cycle may be performed by applying a potential to the system, and the metal electrode may become a cathode during the charging process.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 방전 사이클과 상기 충전 사이클이 서로 순차적으로 반복되어, 과산화수소가 연속적으로 생성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the discharging cycle and the charging cycle are sequentially repeated with each other, so that hydrogen peroxide may be continuously generated.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 방전 사이클 동안에 금속 전극(130)의 금속으로부터 형성된 금속 산화물은 상기 충전 사이클 동안에 환원되어 금속을 형성할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the metal oxide formed from the metal of the metal electrode 130 during the discharging cycle may be reduced to form a metal during the charging cycle.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 금속 전극(130)은 아연(Zn), 바나듐(V) 크롬(Cr) 망간(Mn) 철(Fe) 코발트(Co) 니켈(Ni) 구리(Cu) 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the metal electrode 130 is zinc (Zn), vanadium (V) chromium (Cr) manganese (Mn) iron (Fe) cobalt (Co) nickel (Ni) copper (Cu) At least one selected from the group consisting of aluminum (Al), magnesium (Mg), and calcium (Ca) may be included.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 제1 전해질(112) 및 상기 제2 전해질(122)은 물을 함유하는 수계 전해질일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the first electrolyte 112 and the second electrolyte 122 may be an aqueous electrolyte containing water.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 제1 바이폴라 멤브레인(113)은 방전 사이클 동안에 물을 양성자(H+)와 수산화 이온(OH-)으로 분해하는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the first bipolar membrane 113 may decompose water into protons (H + ) and hydroxide ions (OH − ) during a discharge cycle.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 제2 바이폴라 멤브레인(123)은 충전 사이클 동안에 물을 양성자(H+)와 수산화 이온(OH-)으로 분해하는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the second bipolar membrane 123 may decompose water into protons (H + ) and hydroxide ions (OH − ) during the charging cycle.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 제1 바이폴라 멤브레인(113)에서 형성된 양성자는 상기 캐소드(111) 쪽의 제1 전해질로 이동하고, 상기 수산화 이온은 상기 금속 전극(130) 쪽의 제1 전해질로 이동하는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, protons formed in the first bipolar membrane 113 move to the first electrolyte toward the cathode 111 , and the hydroxide ions move to the first electrolyte toward the metal electrode 130 . It may be moving to the electrolyte.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 제2 바이폴라 멤브레인(123)에서 형성된 양성자는 상기 금속 전극(130) 쪽의 제2 전해질로 이동하고, 상기 수산화 이온은 상기 애노드 (121) 쪽의 제2 전해질로 이동하는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, protons formed in the second bipolar membrane 123 move to the second electrolyte on the metal electrode 130 side, and the hydroxide ions move to the second electrolyte on the anode 121 side. It may be moving to the electrolyte.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 제1 바이폴라 멤브레인(113) 또는 상기 제2 바이폴라 멤브레인(123)은 음이온 교환성 고분자막과 양이온 교환성 고분자막을 접합하여 제조된 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the first bipolar membrane 113 or the second bipolar membrane 123 may be manufactured by bonding an anion exchange polymer membrane and a cation exchange polymer membrane.

본 발명에 따른 과산화수소 생산 시스템은 외부 전력을 이용하지 않고 과산화수소를 연속적으로 생산할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 과산화수소 생산 시스템은 시스템 방전 사이클 동안의 산소 환원 반응에 추가하여 시스템 충전 사이클 동안의 물의 산화 반응을 통해서도 과산화수소가 이중으로 생성될 수 있어서 과산화수소의 생산 효율이 탁월하다. 아울러, 산소 환원 촉매와 물 산화 촉매를 이용함으로써 금속 전극이 소모되지 않고 반영구적으로 사용될 수 있으므로, 시스템에서 금속 전극의 교체에 따른 비용과 효율 문제를 해결할 수 있다.The hydrogen peroxide production system according to the present invention can continuously produce hydrogen peroxide without using external power. Specifically, in the hydrogen peroxide production system according to the present invention, in addition to the oxygen reduction reaction during the system discharge cycle, hydrogen peroxide can be produced double through the oxidation reaction of water during the system charge cycle, so the production efficiency of hydrogen peroxide is excellent. In addition, since the metal electrode is not consumed and can be used semi-permanently by using the oxygen reduction catalyst and the water oxidation catalyst, it is possible to solve the problems of cost and efficiency due to the replacement of the metal electrode in the system.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 과산화수소 생산 시스템을 도시하는 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a hydrogen peroxide production system according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. The terminology used in this application is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다, "함유”한다, “가지다”라고 할 때, 이는 특별히 달리 정의되지 않는 한, 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes", "contains", or "has" a certain element, it means that other elements may be further included unless otherwise defined.

제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 전술한 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.Terms such as 1st, 2nd, etc. are used to distinguish one component from another component, and the component is not limited by the above-mentioned terms.

층, 막 등의 어떤 부분이 다른 부분 “위에” 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 “바로 위에” 또는 “바로 상에” 있어서 어떤 부분과 다른 부분이 서로 접해 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 존재하는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 “바로 위에” 또는 “바로 상에” 있다고 할 때는 중간에 다른 부분이 없는 것을 의미한다.When a part, such as a layer, film, etc., is said to be “on” or “on” another part, it is not only when a part and another part are in contact with each other, but also in the middle of the other part “directly on” or “on” another part. Including cases where another part exists in Conversely, when a part is said to be “right above” or “right on” another part, it means that there is no other part in the middle.

이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 과산화수소 생산 시스템(100)에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the hydrogen peroxide production system 100 according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 .

도 1을 참조하면, 먼저, 본 발명의 일 구현예에 따른 과산화수소 생산 시스템(100)은 캐소드(111), 제1 전해질(112), 및 제1 바이폴라 멤브레인(113)을 포함하는 제1 챔버(110); 애노드(121), 제2 전해질(122), 및 제2 바이폴라 멤브레인(123)을 포함하는 제2 챔버(120); 및 상기 제1 챔버(110)와 상기 제2 챔버(120) 사이에 배치되는 금속 전극(130)을 포함한다.Referring to FIG. 1 , first, a hydrogen peroxide production system 100 according to an embodiment of the present invention includes a cathode 111 , a first electrolyte 112 , and a first bipolar membrane 113 including a first chamber ( 110); a second chamber 120 including an anode 121 , a second electrolyte 122 , and a second bipolar membrane 123 ; and a metal electrode 130 disposed between the first chamber 110 and the second chamber 120 .

캐소드(111)는 일측이 상기 제1 전해질(112)과 접촉하고 타측이 공기 또는 산소 기체와 직접 접촉하도록 노출될 수 있다. 여기서 산소가 과산화수소를 생산하기 위한 원료물질이다. 상기 산소의 공급은 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 캐소드(111)로 공급되는 상기 산소는 캐소드(111)와 직접 접촉하는 상기 공기 또는 상기 산소 기체에 의해 제공될 수 있다. 또한, 캐소드(111)로 공급되는 상기 산소는 제1 전해질(112)에 포함된 잔류 산소를 이용하여 제공될 수 있다. The cathode 111 may be exposed so that one side is in contact with the first electrolyte 112 and the other side is in direct contact with air or oxygen gas. Here, oxygen is a raw material for producing hydrogen peroxide. The supply of oxygen may be performed in various ways. For example, the oxygen supplied to the cathode 111 may be provided by the air or the oxygen gas in direct contact with the cathode 111 . In addition, the oxygen supplied to the cathode 111 may be provided using residual oxygen included in the first electrolyte 112 .

대안적으로, 비록 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 제1 챔버(110)는 기체 주입부(미도시)를 더 포함하고, 상기 기체 주입부로부터 상기 제1 전해질(112)에 공기 또는 산소 기체가 주입되어 과산화수소의 생산 원료물질로서 산소가 캐소드(111)로 공급될 수 있다. 상기 캐소드(111)로의 산소 공급을 효율적으로 하기 위해서는 상기 기체 주입부는 상기 캐소드(111)에 인접하여 배치되는 것이 바람직하다. 상기 기체 주입부를 이용할 경우, 상기 캐소드(111)는 일측이 제1 전해질(112)에 접촉하는 배치를 가져도 되지만, 이와 달리 상기 캐소드(111)의 일부 또는 전부가 상기 제1 전해질(112) 내에 침지되어 있을 수도 있다.Alternatively, although not shown in the drawings, the first chamber 110 further includes a gas injection unit (not shown), and air or oxygen gas is injected into the first electrolyte 112 from the gas injection unit. As a raw material for production of hydrogen peroxide, oxygen may be supplied to the cathode 111 . In order to efficiently supply oxygen to the cathode 111 , the gas injection unit is preferably disposed adjacent to the cathode 111 . When using the gas injection unit, the cathode 111 may have a configuration in which one side is in contact with the first electrolyte 112 , but in contrast to this, a part or all of the cathode 111 is in the first electrolyte 112 . It may be immersed.

캐소드(111)는 산소 환원 촉매를 포함할 수 있다. 상기 산소 환원 촉매로는 산소와 물을 산소 환원 반응시켜 과산화수소를 발생할 수 있는 촉매라면 특별히 제한되지는 않으나, 구체적으로는 금속, 금속 합금, 탄소 화합물, 산화물 촉매, 및 페로브스카이트 물질 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 산소 환원 촉매는, 예를 들어 Pt-Hg 합금, Pd-Hg 합금, 및 Ag-Hg 합금로 이루어진 군에서 선택되는 금속 합금; 금(Au), 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택되는 금속으로서 원자 단위로 분산된 금속; 카르복실(-COOH) 작용기 및/또는 에테르(-C-O-C-) 작용기를 포함하는 탄소 화합물; 및 헤테로 원자가 치환된 탄소 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다.The cathode 111 may include an oxygen reduction catalyst. The oxygen reduction catalyst is not particularly limited as long as it is a catalyst capable of generating hydrogen peroxide by performing an oxygen reduction reaction of oxygen and water, but specifically, at least any one of a metal, a metal alloy, a carbon compound, an oxide catalyst, and a perovskite material can be one The oxygen reduction catalyst may include, for example, a metal alloy selected from the group consisting of a Pt-Hg alloy, a Pd-Hg alloy, and an Ag-Hg alloy; a metal selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and copper (Cu) and dispersed in atomic units; carbon compounds comprising a carboxyl (-COOH) functional group and/or an ether (-C-O-C-) functional group; And the hetero atom may be at least one selected from the group consisting of a substituted carbon compound.

애노드(121)는 산화 촉매를 포함할 수 있다. 상기 산화 촉매는 물을 산화반응시켜 과산화수소를 발생할 수 있는 촉매라면 특별히 제한되지는 않으나, 구체적으로는 금속 산화물 촉매일 수 있다. 상기 금속 산화물 촉매는, 예를 들어 ZnO, MnOx, TiO2, BiVO4, WO3, SnO2, Co3O4, Al2O3, 및 CaSnO3 로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다. 또는, 상기 산화 촉매는 전술한 금속 산화물 촉매와 금속을 함께 사용하여도 된다. 예를 들어, 상기 산화 촉매는 BiVO4, WO3/BiVO4, WO3/BiVO4/Al2O3, Co3O4/TiO2, Mo-BiVO4 등일 수 있다. 상기 애노드(121)는 도 1에 도시된 바와 같이 일측이 제2 전해질(122)과 접촉하여 있을 수도 있으나, 이와 달리 상기 애노드(121)의 일부 또는 전부가 제2 전해질(122) 내에 침지되어 있어도 된다.The anode 121 may include an oxidation catalyst. The oxidation catalyst is not particularly limited as long as it is a catalyst capable of generating hydrogen peroxide by oxidizing water, but specifically may be a metal oxide catalyst. The metal oxide catalyst may be, for example, at least one selected from the group consisting of ZnO, MnO x , TiO 2 , BiVO 4 , WO 3 , SnO 2 , Co 3 O 4 , Al 2 O 3 , and CaSnO 3 . . Alternatively, as the oxidation catalyst, the above-described metal oxide catalyst and metal may be used together. For example, the oxidation catalyst may be BiVO 4 , WO 3 /BiVO 4 , WO 3 /BiVO 4 /Al 2 O 3 , Co 3 O 4 /TiO 2 , Mo-BiVO 4 , or the like. One side of the anode 121 may be in contact with the second electrolyte 122 as shown in FIG. do.

금속 전극(130)은 상기 제1 챔버(110)와 상기 제2 챔버(120) 사이에 배치되고, 일측으로는 상기 캐소드(111)와 대향하며, 타측으로는 상기 애노드(121)와 대향한다. 또한, 상기 금속 전극(130)은 일측이 상기 제1 챔버(110) 내의 상기 제1 전해질(112)에 접촉하고, 타측이 상기 제2 챔버(120) 내의 상기 제2 전해질(122)에 접촉한다. 방전 사이클 동안에 상기 금속 전극(130)은 상기 캐소드(111)에 대해 애노드의 역할을 하고, 충전 사이클 동안에는 상기 금속 전극(130)은 상기 애노드(121)에 대해 캐소드의 역할을 한다. 이에 따라, 상기 금속 전극(130)은 방전 사이클 동안에는 산화되어 금속 산화물을 형성하지만 충전 사이클 동안에는 상기 금속 산화물이 금속으로 환원되므로 원칙적으로는 충전-방전 사이클 사이에 소모되지 않고 유지될 수 있다. 상기 금속 전극(130)에서 금속은 아연(Zn), 바나듐(V) 크롬(Cr) 망간(Mn) 철(Fe) 코발트(Co) 니켈(Ni) 구리(Cu) 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다.The metal electrode 130 is disposed between the first chamber 110 and the second chamber 120 , and faces the cathode 111 on one side, and faces the anode 121 on the other side. In addition, one side of the metal electrode 130 contacts the first electrolyte 112 in the first chamber 110 , and the other side contacts the second electrolyte 122 in the second chamber 120 . . During a discharge cycle, the metal electrode 130 serves as an anode for the cathode 111 , and during a charge cycle the metal electrode 130 serves as a cathode for the anode 121 . Accordingly, the metal electrode 130 is oxidized to form a metal oxide during a discharge cycle, but since the metal oxide is reduced to a metal during a charge cycle, in principle, it can be maintained without being consumed between charge-discharge cycles. In the metal electrode 130 , the metal is zinc (Zn), vanadium (V) chromium (Cr) manganese (Mn) iron (Fe) cobalt (Co) nickel (Ni) copper (Cu) aluminum (Al), magnesium (Mg) ), and may be at least one selected from the group consisting of calcium (Ca).

제1 전해질(112)은 물을 함유하는 수계 전해질일 수 있다. 상기 제1 전해질(112)은 물 이외에도 산성 전해 물질 또는 염기성 전해 물질을 더 함유할 수 있다. 상기 산성 전해 물질과 염기성 전해 물질의 종류는 특별히 제한되지는 않는다. 다만, 환원 반응의 경우에는 전해질이 염기성을 가지는 경우에 비하여 산성을 가지는 경우에 상온에서 과산화수소의 합성 효율이 더 높을 수 있고, 이 경우, 상기 제1 전해질은 물에 추가하여, 산성 전해 물질로서 HClO4 혹은 H2SO4 를 더 함유할 수 있다. 만약 염기성 또는 중성 상태를 목적하는 경우라면 예를 들어, 상기 제1 전해질은 염기성 전해 물질로서 1M 내지 6M의 KOH를 더 함유할 수 있고, 중성 전해 물질로서 KHCO3를 더 함유할 수 있다. 한편, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 후술하는 바와 같이 제1 바이폴라 멤브레인(113)이 방전 사이클 동안에 캐소드(111)와 금속 전극(130) 사이에 인가되는 전압으로 인하여 물을 양성자와 수산화 이온으로 분해하여 양성자를 상기 캐소드(111) 쪽으로 이동시킬 수 있고, 이에 의하면 상기 캐소드(111) 쪽의 제1 전해질(112)은 양성자가 풍부하여 과산화수소의 합성 효율이 향상될 수 있다.The first electrolyte 112 may be an aqueous electrolyte containing water. The first electrolyte 112 may further contain an acidic electrolyte or a basic electrolyte in addition to water. The types of the acidic electrolytic material and the basic electrolytic material are not particularly limited. However, in the case of the reduction reaction, the synthesis efficiency of hydrogen peroxide at room temperature may be higher when the electrolyte is acidic than when the electrolyte has basicity. 4 or H 2 SO 4 may be further contained. If a basic or neutral state is desired, for example, the first electrolyte may further contain 1M to 6M KOH as a basic electrolyte material, and may further contain KHCO 3 as a neutral electrolyte material. Meanwhile, according to one embodiment of the present invention, as described later, the first bipolar membrane 113 converts water into protons and hydroxide ions due to the voltage applied between the cathode 111 and the metal electrode 130 during the discharge cycle. By decomposition, the protons can be moved toward the cathode 111 , whereby the first electrolyte 112 on the cathode 111 side is rich in protons, so that the synthesis efficiency of hydrogen peroxide can be improved.

제2 전해질(122)은 물을 함유하는 수계 전해질일 수 있다. 상기 제2 전해질(122)은 물 이외에도 산성 전해 물질 또는 염기성 전해 물질을 더 함유할 수 있다. 상기 산성 전해 물질과 염기성 전해 물질의 종류는 전술한 제1 전해질(112)에서 설명한 바를 참고한다. 산화 반응의 경우에는 전해질이 중성을 가지는 경우에 산화 전극(애노드)이 더욱 잘 구동되는 경향이 있다. 이에 따라, 상기 제2 전해질(122)은 물에 추가하여, 중성 전해 물질로서 예를 들어 KHCO3를 더 함유할 수 있다. 이와 달리 상기 제2 전해질(122)은 물 이외에 전술한 추가의 전해 물질을 함유하지 않아도 된다. 한편, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 후술하는 바와 같이 제2 바이폴라 멤브레인(123)이 충전 사이클 동안에 애노드(121)와 금속 전극(130) 사이에 인가되는 전압으로 인하여 물을 양성자와 수산화 이온으로 분해하고 수산화 이온을 상기 애노드(121) 쪽으로 이동시킬 수 있다.The second electrolyte 122 may be an aqueous electrolyte containing water. The second electrolyte 122 may further contain an acidic electrolyte or a basic electrolyte in addition to water. The types of the acidic electrolyte material and the basic electrolyte material refer to the description of the first electrolyte 112 described above. In the case of oxidation reaction, the oxidation electrode (anode) tends to be better driven when the electrolyte is neutral. Accordingly, the second electrolyte 122 may further contain, for example, KHCO 3 as a neutral electrolyte material in addition to water. Alternatively, the second electrolyte 122 does not need to contain the above-described additional electrolyte material other than water. Meanwhile, according to one embodiment of the present invention, as described later, the second bipolar membrane 123 converts water into protons and hydroxide ions due to the voltage applied between the anode 121 and the metal electrode 130 during the charging cycle. decomposition and may move hydroxide ions toward the anode 121 .

바이폴라 멤브레인은 통상적으로 음이온 교환막과 양이온 교환막이 접합된 형태의 이온 교환막으로서, 일정 전압 이상이 인가될 경우 물을 양성자(H+)와 수산화 이온(OH-)으로 분해시킬 수 있다. 상기 음이온 교환막은 음이온에 대해 실질적으로 투과성이고 양이온에 대해 실질적으로 비투과성인 이온 교환 재료를 포함하고, 상기 양이온 교환막은 양이온에 대해 실질적으로 투과성이고 음이온에 대해 실질적으로 비투과성인 이온 교환 재료를 포함한다. 본 발명에 사용될 수 있는 (제1 또는 제2) 바이폴라 멤브레인으로서 예를 들어 Fumasep FBM (FuelcellStore 제품)을 들 수 있다.A bipolar membrane is typically an ion exchange membrane in which an anion exchange membrane and a cation exchange membrane are bonded. When a predetermined voltage or more is applied, water can be decomposed into protons (H + ) and hydroxide ions (OH − ). wherein the anion exchange membrane comprises an ion exchange material substantially permeable to anions and substantially impermeable to cations, and wherein the cation exchange membrane comprises an ion exchange material substantially permeable to cations and substantially impermeable to anions. do. As the (first or second) bipolar membrane that can be used in the present invention, there is, for example, Fumasep FBM (from FuelcellStore).

상기 음이온 교환막과 상기 양이온 교환막은 음이온 교환성 고분자막과 양이온 교환성 고분자막일 수 있다. 상기 음이온 교환성 고분자막 또는 양이온 교환성 고분자막은 기공을 포함하는 다공성 지지체 및 상기 기공의 내부에 충진된 이온 교환성 고분자를 포함하는 형태이거나 또는 다공성 지지체의 일면 또는 양면에 이온 교환성 고분자층을 더 포함하는 형태일 수 있다. 또한, 상기 음이온 또는 양이온 교환성 고분자막은 다공성 지지체를 고분자 용액에 침지시켜 다공성 지지체의 내부 기공에 고분자를 충진시킨 후 이온 교환기를 도입하여 제조된 것이어도 되고, 또는 다공성 지지체에 이온교환기를 가지는 모노머를 침투시킨 후 중합하여 제조된 것이어도 된다.The anion exchange membrane and the cation exchange membrane may be an anion exchange polymer membrane and a cation exchange polymer membrane. The anion exchange polymer membrane or the cation exchange polymer membrane is a form including a porous support including pores and an ion exchange polymer filled inside the pores, or an ion exchange polymer layer on one or both sides of the porous support. may be in the form of In addition, the anion or cation exchange polymer membrane may be prepared by immersing the porous support in a polymer solution to fill the internal pores of the porous support with a polymer and then introducing an ion exchanger, or a monomer having an ion exchange group on the porous support After infiltration, it may be prepared by polymerization.

상기 음이온 또는 양이온 교환성 고분자막에 사용되는 고분자로는, 이온교환 능력을 가지는 공지의 고분자라면 특별히 제한되지는 않는다. 음이온 교환성 고분자의 예로는 스티렌계 모노머(예를 들어 스티렌)와 비닐벤젠계 모노머(예를 들어 디비닐벤젠)를 중합한 후 음이온 교환기(예를 들어 4급 암모늄기)를 도입하여 제조한 것을 들 수 있다. 또한, 양이온 교환성 고분자의 예로는 폴리설폰 또는 폴리에테르에테르케톤 등과 같은 고분자를 사용하고 여기에 양이온 교환기(예를 들어 술폰산기)를 도입하여 제조한 것일 수 있다. The polymer used for the anion or cation exchange polymer membrane is not particularly limited as long as it is a known polymer having ion exchange ability. Examples of the anion-exchangeable polymer include those prepared by polymerizing a styrenic monomer (eg, styrene) and a vinylbenzene-based monomer (eg, divinylbenzene) and introducing an anion-exchange group (eg, quaternary ammonium group). can In addition, examples of the cation exchange polymer may be prepared by using a polymer such as polysulfone or polyether ether ketone and introducing a cation exchange group (eg, a sulfonic acid group) thereto.

한편, 물 분해 효율을 높이기 위해 상기 바이폴라 멤브레인에 촉매층을 추가하여 사용하기도 하는데, 이 때 상기 바이폴라 멤브레인은 음이온 교환층, 촉매층, 및 양이온 교환층을 적층한 형태이거나 또는 촉매층을 음이온 교환층과 양이온 교환층 각각의 양면에 형성시켜서 적층하여 사용하기도 한다. On the other hand, in order to increase the water decomposition efficiency, a catalyst layer is added to the bipolar membrane and used. In this case, the bipolar membrane is a stacked anion exchange layer, a catalyst layer, and a cation exchange layer, or a catalyst layer is an anion exchange layer and a cation exchange layer. Formed on both sides of each layer and laminated.

제1 바이폴라 멤브레인(113)은 상기 제1 챔버(110) 내에서 상기 캐소드(111)와 상기 금속 전극(130) 사이에 배치된다. 제2 바이폴라 멤브레인(123)은 상기 제2 챔버(120) 내에서 상기 애노드(121)와 상기 금속 전극(130) 사이에 배치된다. 상기 제1 바이폴라 멤브레인(113)과 상기 제2 바이폴라 멤브레인(123)은 동일하거나 또는 상이한 재료로 구성된 것일 수 있으며, 상기 제1 바이폴라 멤브레인(113)과 상기 제2 바이폴라 멤브레인(123)에 대한 구체적 구현예는 전술한 바이폴라 멤브레인에 대한 설명을 참조한다.The first bipolar membrane 113 is disposed between the cathode 111 and the metal electrode 130 in the first chamber 110 . A second bipolar membrane 123 is disposed between the anode 121 and the metal electrode 130 in the second chamber 120 . The first bipolar membrane 113 and the second bipolar membrane 123 may be made of the same or different materials, and specific implementations of the first bipolar membrane 113 and the second bipolar membrane 123 . For examples, see the description of the bipolar membrane above.

이하에서는, 과산화수소 생산 시스템(100)에서의 과산화수소 생성 반응에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a hydrogen peroxide production reaction in the hydrogen peroxide production system 100 will be described.

본 발명에 따른 과산화수소 생산 시스템(100)은 방전 사이클 동안에 상기 제1 챔버(110)에서 산소 환원 반응에 의해 과산화수소가 생산되며, 충전 사이클 동안 상기 제2 챔버(120)에서 물의 산화 반응에 의해 과산화수소가 생산된다.In the hydrogen peroxide production system 100 according to the present invention, hydrogen peroxide is produced by an oxygen reduction reaction in the first chamber 110 during a discharge cycle, and hydrogen peroxide is produced by an oxidation reaction of water in the second chamber 120 during a charge cycle. is produced

방전 사이클 동안에 상기 제1 챔버(110)에서 상기 캐소드(111)와 상기 금속 전극(130) 사이에 전위차가 발생하여 제1 바이폴라 멤브레인(113)에서 물 (H2O)이 양성자 (H+)와 수산화 이온 (OH-)으로 분해된다. 상기 제1 바이폴라 멤브레인(113)에서 상기 양성자 (H+)는 상기 캐소드(111) 쪽의 제1 전해질(112)로 이동하고 상기 수산화 이온 (OH-)은 상기 금속 전극(130) 쪽의 제1 전해질(112)로 이동한다. 상기 바이폴라 멤브레인으로부터 이동한 양성자는 상기 캐소드(111)에서 산소의 환원 반응에 참여하여 과산화수소를 생성하며, 그 반응식은 하기 반응식 1에서와 같을 수 있다. 또한, 상기 바이폴라 멤브레인으로부터 이동한 수산화이온은 금속 전극(130)에서 금속과 반응하여 금속 산화물, 물, 및 전자를 형성한다. 예를 들어, 상기 금속 전극(130)의 금속이 아연(Zn)인 경우에는 아연산화물(ZnO)를 형성할 수 있으며 그 반응식은 다음의 반응식 2 에서와 같을 수 있다. 상기 발생한 전자(2e-)는 배선(180)을 거쳐 캐소드(120)에 공급된다.During the discharge cycle, a potential difference is generated between the cathode 111 and the metal electrode 130 in the first chamber 110 so that water (H 2 O) is combined with protons (H + ) in the first bipolar membrane 113 . It decomposes into hydroxide ions (OH - ). In the first bipolar membrane 113 , the protons (H + ) move to the first electrolyte 112 on the cathode 111 side, and the hydroxide ions (OH − ) move to the first electrolyte 112 on the side of the metal electrode 130 . It moves to the electrolyte 112 . Protons moving from the bipolar membrane participate in a reduction reaction of oxygen in the cathode 111 to generate hydrogen peroxide, and the reaction formula may be the same as in Reaction Equation 1 below. In addition, the hydroxide ions moved from the bipolar membrane react with the metal in the metal electrode 130 to form metal oxide, water, and electrons. For example, when the metal of the metal electrode 130 is zinc (Zn), zinc oxide (ZnO) may be formed, and the reaction formula may be the same as in Reaction Equation 2 below. The generated electrons 2e − are supplied to the cathode 120 through the wiring 180 .

[반응식 1][Scheme 1]

O2 + 2H+ + 2e- -> H2O2 O 2 + 2H + + 2e - -> H 2 O 2

[반응식 2][Scheme 2]

Zn + 2OH- -> ZnO + H2O + 2e- Zn + 2OH - -> ZnO + H 2 O + 2e -

이와 같이 과산화수소 생성 시스템(100)은 금속과 산소의 반응을 이용하여 전력을 생성할 수 있다. 과산화수소 생성 시스템(100)은 상기 과산화수소를 생산할 때에 금속 전극(130)으로부터 캐소드(111)로 전자가 이동하고, 이에 따라 전력을 발생시킬 수 있다. 금속 전극(130)이 아연인 경우에는 자발적으로 발생하는 기전력은 1.27V 가 된다. 이러한 전력 생성의 장점은 자연계에 무한히 존재하는 산소를 활물질로 이용하며, 다른 이차전지에 비하여 매우 높은 이론 에너지 밀도를 가지고, 또한 친환경적인 특성을 보유할 수 있다. 또한, 과산화수소 생산 시스템(100)은 내부에 화학 산화제를 포함하지 않으므로 폭발이나 화재의 우려가 없으며 무게를 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 수소나 알코올을 사용하는 연료 전지에 비하여 매우 경제적이고 안정성이 우수하고 낮은 온도에서의 작동능력도 우수할 수 있다.As such, the hydrogen peroxide generation system 100 may generate electric power using a reaction between metal and oxygen. When the hydrogen peroxide generation system 100 produces the hydrogen peroxide, electrons move from the metal electrode 130 to the cathode 111 , thereby generating electric power. When the metal electrode 130 is zinc, the electromotive force that is spontaneously generated becomes 1.27V. The advantage of such power generation is that it uses oxygen, which is infinitely present in nature, as an active material, has a very high theoretical energy density compared to other secondary batteries, and can also have eco-friendly characteristics. In addition, since the hydrogen peroxide production system 100 does not contain a chemical oxidizing agent therein, there is no risk of explosion or fire, and the weight can be greatly reduced. In addition, compared to a fuel cell using hydrogen or alcohol, it is very economical, has excellent stability, and has excellent operating ability at a low temperature.

또한, 충전 사이클 동안에 상기 제2 챔버(120)에서 외부 전력에 의해 상기 애노드(121)와 상기 금속 전극(130) 사이에 전압이 인가되면 제2 바이폴라 멤브레인(123)에서 물 (H2O)이 양성자 (H+)와 수산화 이온 (OH-)으로 분해된다. 상기 제2 바이폴라 멤브레인(123)에서 상기 양성자 (H+)는 상기 금속 전극(130) 쪽의 제2 전해질(122)로 이동하고 상기 수산화 이온 (OH-)은 상기 애노드(121) 쪽의 제2 전해질(122)로 이동한다. 상기 방전 사이클 동안에 금속 산화물로 소비된 금속 전극(130)의 금속 물질은 제2 전해질(122)로부터 보충할 수 있으며, 그 반응식은 예를 들어 금속이 아연일 경우 다음의 반응식 3과 같을 수 있다. 또한, 상기 애노드(121)에서는 물이 산화되어 과산화수소를 생성할 수 있으며, 그 반응식은 예를 들어 다음의 반응식 4와 같을 수 있다.In addition, when a voltage is applied between the anode 121 and the metal electrode 130 by external power in the second chamber 120 during the charging cycle, water (H 2 O) is generated in the second bipolar membrane 123 . It decomposes into protons (H + ) and hydroxide ions (OH - ). In the second bipolar membrane 123 , the protons (H + ) move to the second electrolyte 122 on the side of the metal electrode 130 , and the hydroxide ions (OH − ) move to the second electrolyte 122 on the side of the anode 121 . It moves to the electrolyte 122 . The metal material of the metal electrode 130 consumed as metal oxide during the discharge cycle may be replenished from the second electrolyte 122, and the reaction formula may be as follows when the metal is zinc, for example. In addition, in the anode 121, water may be oxidized to generate hydrogen peroxide, and the reaction formula thereof may be, for example, the following Reaction Equation 4.

[반응식 3][Scheme 3]

Zn(OH)4 2- + 2e- -> Zn + 4 OH- Zn(OH) 4 2- + 2e - -> Zn + 4 OH -

[반응식 4][Scheme 4]

2H2O -> H2O2 + 2H+ + 2e- 2H 2 O -> H 2 O 2 + 2H + + 2e -

이와 같이 본 발명에 따른 과산화수소 생산 시스템(100)은 충전 사이클 동안에 금속 전극(130)의 금속 물질을 보충할 수 있을 뿐만 아니라 애노드(121)로부터 물의 산화 반응에 의해 과산화수소를 생산할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 과산화수소 생산 시스템(100)은 상기 방전 사이클과 상기 충전 사이클 모두에서 과산화수소를 생산할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 방전 사이클과 상기 충전 사이클을 서로 순차적으로 반복함으로써 과산화수소를 연속적으로 생산할 수 있다.As such, the hydrogen peroxide production system 100 according to the present invention can not only replenish the metal material of the metal electrode 130 during the charging cycle, but also produce hydrogen peroxide by the oxidation reaction of water from the anode 121 . Accordingly, the hydrogen peroxide production system 100 of the present invention can produce hydrogen peroxide in both the discharging cycle and the charging cycle. Accordingly, according to an exemplary embodiment of the present invention, hydrogen peroxide may be continuously produced by sequentially repeating the discharging cycle and the charging cycle with each other.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that you can.

100 : 과산화수소 생산 시스템
110 : 제1 챔버
111 : 캐소드 112 : 제1 전해질
113 : 제1 바이폴라 멤브레인
120 : 제2 챔버
121 : 애노드 122 : 제2 전해질
123 : 제2 바이폴라 멤브레인
130 : 금속 전극100: hydrogen peroxide production system
110: first chamber
111: cathode 112: first electrolyte
113: first bipolar membrane
120: second chamber
121: anode 122: second electrolyte
123: second bipolar membrane
130: metal electrode

Claims (20)

산소가 공급되는 캐소드 및 제1 전해질을 포함하는 제1 챔버;
애노드 및 제2 전해질을 포함하는 제2 챔버; 및
상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버 사이에 배치되고 상기 캐소드 및 상기 애노드와 대향하는 금속 전극을 포함하고,
방전 사이클 동안 상기 제1 챔버에서 산소 환원 반응에 의해 과산화수소를 발생하고,
충전 사이클 동안 상기 제2 챔버에서 물의 산화 반응에 의해 과산화수소를 발생하는, 과산화수소 생산 시스템.a first chamber including a cathode to which oxygen is supplied and a first electrolyte;
a second chamber containing an anode and a second electrolyte; and
a metal electrode disposed between the first chamber and the second chamber and facing the cathode and the anode;
generating hydrogen peroxide by an oxygen reduction reaction in the first chamber during the discharge cycle;
and generating hydrogen peroxide by an oxidation reaction of water in said second chamber during a charging cycle. 제1항에 있어서, 상기 제1 챔버는 상기 캐소드와 상기 금속 전극 사이에 제1 바이폴라(bipolar) 멤브레인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.The system of claim 1, wherein the first chamber further comprises a first bipolar membrane between the cathode and the metal electrode. 제1항에 있어서, 상기 제2 챔버는 상기 애노드와 상기 금속 전극 사이에 제2 바이폴라 멤브레인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.The system of claim 1, wherein the second chamber further comprises a second bipolar membrane between the anode and the metal electrode. 제1항에 있어서, 상기 캐소드는 일측이 상기 제1 전해질과 접촉하고 타측이 공기 또는 산소 기체와 직접 접촉하도록 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.The hydrogen peroxide production system according to claim 1, wherein the cathode is exposed such that one side is in contact with the first electrolyte and the other side is in direct contact with air or oxygen gas. 제1항에 있어서, 상기 제1 챔버는 상기 제1 전해질에 공기 또는 산소 기체를 주입하는 기체 주입부를 더 포함하고, 상기 기체 주입부는 상기 캐소드에 인접하여 배치되어 상기 캐소드로 산소가 공급되는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.According to claim 1, wherein the first chamber further comprises a gas injection unit for injecting air or oxygen gas into the first electrolyte, the gas injection unit is disposed adjacent to the cathode to supply oxygen to the cathode hydrogen peroxide production system. 제1항에 있어서, 상기 캐소드는 산소와 물을 산소 환원 반응시켜 과산화수소를 발생하는 산소 환원 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.The hydrogen peroxide production system according to claim 1, wherein the cathode comprises an oxygen reduction catalyst for generating hydrogen peroxide by an oxygen reduction reaction of oxygen and water. 제6항에 있어서, 상기 산소 환원 촉매는 Pt-Hg 합금, Pd-Hg 합금, 및 Ag-Hg 합금로 이루어진 군에서 선택되는 금속 합금; 금(Au), 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택되는 금속으로서 원자 단위로 분산된 금속; 카르복실(-COOH) 작용기 및/또는 에테르(-C-O-C-) 작용기를 포함하는 탄소 화합물; 및 헤테로 원자가 치환된 탄소 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.According to claim 6, wherein the oxygen reduction catalyst is a metal alloy selected from the group consisting of Pt-Hg alloy, Pd-Hg alloy, and Ag-Hg alloy; a metal selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and copper (Cu) and dispersed in atomic units; carbon compounds comprising a carboxyl (-COOH) functional group and/or an ether (-C-O-C-) functional group; and at least one selected from the group consisting of a carbon compound in which a hetero atom is substituted. 제1항에 있어서, 상기 애노드는 물을 산화반응시켜 과산화수소를 발생하는 금속 산화물 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.The hydrogen peroxide production system according to claim 1, wherein the anode comprises a metal oxide catalyst that oxidizes water to generate hydrogen peroxide. 제8항에 있어서, 상기 금속 산화물 촉매는 ZnO, MnOx, TiO2, BiVO4, WO3, SnO2, Co3O4, Al2O3, 및 CaSnO3 로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.The method of claim 8, wherein the metal oxide catalyst is at least one selected from the group consisting of ZnO, MnO x , TiO 2 , BiVO 4 , WO 3 , SnO 2 , Co 3 O 4 , Al 2 O 3 , and CaSnO 3 . Hydrogen peroxide production system, characterized in that. 제1항에 있어서, 방전 사이클 동안에 상기 금속 전극은 애노드가 되고 상기 금속 전극의 금속이 산화되어 금속 산화물을 형성하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.The hydrogen peroxide production system of claim 1 , wherein during a discharge cycle the metal electrode becomes an anode and the metal of the metal electrode oxidizes to form a metal oxide. 제1항에 있어서, 상기 충전 사이클은 상기 시스템에 전위를 인가하여 실시되고 상기 충전 사이클 동안에 상기 금속 전극은 캐소드가 되는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.2. The hydrogen peroxide production system according to claim 1, wherein said charging cycle is effected by applying an electric potential to said system and said metal electrode is a cathode during said charging cycle. 제1항에 있어서, 상기 방전 사이클과 상기 충전 사이클이 서로 순차적으로 반복되어, 과산화수소가 연속적으로 생성되는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.The hydrogen peroxide production system according to claim 1, wherein the discharging cycle and the charging cycle are sequentially repeated with each other to continuously generate hydrogen peroxide. 제10항에 있어서, 상기 방전 사이클 동안에 금속 전극의 금속으로부터 형성된 금속 산화물은 상기 충전 사이클 동안에 환원되어 금속을 형성하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.11. The system of claim 10, wherein the metal oxide formed from the metal of the metal electrode during said discharge cycle is reduced to form metal during said charge cycle. 제1항에 있어서, 상기 금속 전극은 아연(Zn), 바나듐(V) 크롬(Cr) 망간(Mn) 철(Fe) 코발트(Co) 니켈(Ni) 구리(Cu) 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.According to claim 1, wherein the metal electrode is zinc (Zn), vanadium (V) chromium (Cr) manganese (Mn) iron (Fe) cobalt (Co) nickel (Ni) copper (Cu) aluminum (Al), magnesium ( Mg), and a hydrogen peroxide production system comprising at least one selected from the group consisting of calcium (Ca). 제1항에 있어서, 상기 제1 전해질 및 상기 제2 전해질은 물을 함유하는 수계 전해질인 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.The hydrogen peroxide production system according to claim 1, wherein the first electrolyte and the second electrolyte are aqueous electrolytes containing water. 제2항에 있어서, 상기 제1 바이폴라 멤브레인은 방전 사이클 동안에 물을 양성자(H+)와 수산화 이온(OH-)으로 분해하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.The hydrogen peroxide production system according to claim 2, wherein the first bipolar membrane decomposes water into protons (H + ) and hydroxide ions (OH − ) during a discharge cycle. 제3항에 있어서, 상기 제2 바이폴라 멤브레인은 충전 사이클 동안에 물을 양성자(H+)와 수산화 이온(OH-)으로 분해하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.4. The hydrogen peroxide production system according to claim 3, wherein the second bipolar membrane decomposes water into protons (H + ) and hydroxide ions (OH − ) during a charging cycle. 제16항에 있어서, 상기 제1 바이폴라 멤브레인에서 형성된 양성자는 상기 캐소드 쪽의 제1 전해질로 이동하고, 상기 수산화 이온은 상기 금속 전극 쪽의 제1 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.The hydrogen peroxide production system according to claim 16, wherein the protons formed in the first bipolar membrane move to the first electrolyte on the cathode side, and the hydroxide ions move into the first electrolyte on the metal electrode side. 제17항에 있어서, 상기 제2 바이폴라 멤브레인에서 형성된 양성자는 상기 금속 전극 쪽의 제2 전해질로 이동하고, 상기 수산화 이온은 상기 애노드 쪽의 제2 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.The hydrogen peroxide production system according to claim 17, wherein the protons formed in the second bipolar membrane move to the second electrolyte on the metal electrode side, and the hydroxide ions move to the second electrolyte on the anode side. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 바이폴라 멤브레인 또는 상기 제2 바이폴라 멤브레인은 음이온 교환성 고분자막과 양이온 교환성 고분자막을 접합하여 제조된 것을 특징으로 하는 과산화수소 생산 시스템.[Claim 4] The hydrogen peroxide production system according to claim 2 or 3, wherein the first bipolar membrane or the second bipolar membrane is manufactured by bonding an anion exchange polymer membrane and a cation exchange polymer membrane.
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