물 전기분해의 반쪽 전지 반응(half-cell reaction)

물 전기분해는 일반적으로 수소 발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER)으로 나눌 수 있습니다. HER은 캐소드에서 물이 환원되면서 수소 분자를 생성하는 반응이고, OER은 애노드에서 물이 산화되어 산소 분자를 생성하는 반응입니다. 이번 포스팅에서는 HER에 대해 알아보겠습니다.

 

반쪽 전지 반응(half-cell reaction)

이전 시간에 수소는 높은 효율성과 운반의 용이성을 가지고, 사용 후에 부산물로 물만 생기는 청정 에너지 운반체라고 설명하였습니다. 또한 물 전기분해는 환경 친화적이고 지속 가능한 수소 생산 방법으로, 안정적이고 경제적인 촉매 개발을 위한 연구가 진행되고 있다는 것도 알 수 있었습니다.

(다음 링크 참조: 수소 에너지에 관한 기초 지식)

물의 전기분해 과정은 일반적으로 두 가지 반쪽 전지 반응으로 나뉩니다. 여기서 반쪽 전지 반응이란 전극에서 전자를 잃는 산화 반응 또는 전자를 얻는 환원 반응을 의미합니다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 전기화학 전지의 애노드(anode)에서는 전자를 잃는 산화반응, 캐소드(cathode)에서는 전자를 얻는 환원 반응이 일어납니다. 즉 반쪽 전지 반응은 전지 내에서 일어나는 산화환원 반응의 반쪽을 가리키며, 간단히 반쪽 반응(half reaction)이라고도 불립니다.

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물 전기분해에서 반쪽 전지 반응

물의 전기분해는 전체적으로 보면 다음 반응이 일어나는 것입니다.
2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)
(화학식에서 괄호 안에 l, g, aq는 액체(liquid), 기체(gas), 수용액(aqueous)을 의미합니다.)

그리고 위 반응은 다음 두 가지 반쪽 전지 반응으로 나뉩니다.

 

먼저 산성 용액(acidic solution)에서는, 
환원 반응(캐소드): 2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g)
산화 반응(애노드): 2H₂O (l) → O₂ (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^–
와 같은 반응들이 일어납니다.

여기서, 환원 반응은 수소를 만드는 수소 발생 반응(Hydrogen evolution reaction)이고,
산화 반응은 산소를 만드는 산소 발생 반응(Oxygen evolution reaction)입니다. 

그리고 알카라인(alkaline), 중성(PH-neutral) 용액에서는, 
환원 반응(캐소드): 2H₂O (l) + 2e^– → H₂ (g) + 2OH^– (aq)
산화 반응(애노드): 4OH^– (aq) → O₂ (g) + 2H₂O (l) + 4e^–
와 같은 반응들이 일어납니다.

 

역시 환원 반응은 HER이고, 산화 반응은 OER입니다.

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물 전기분해의 촉매

물의 전기분해는 물에 전기에너지를 가해서 에너지를 수소의 형태로 저장한다고 볼 수 있습니다. 즉, 전기에너지를 수소의 화학적 에너지로 전환하는 것입니다. 따라서 높은 에너지 효율의 수소 생산을 실현하기 위해서는 HER을 일으키는데 필요한 과전위(overpotential)를 최소화할 수 있는 촉매를 사용해야 합니다. 이런 의미에서 Platinum(백금)은 산성 용액에서 매우 작은 과전위로 높은 HER 반응 속도를 가질 수 있는 가장 뛰어난 촉매로 알려져 있습니다. 하지만 백금은 희소성 있고 매우 비싼 물질이기 때문에, 이를 대신할 촉매를 찾는 연구가 광범위하게 이루어지고 있습니다.