Mesoporous Carbon Electrodes for Capacitive Deionization
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(2) 58. J. Korean Electrochem. Soc., Vol. 17, No. 1, 2014 the addition of carbon black changed the electrode structure resulting in an increase in the fraction of mesopore and finally enhanced the desalting efficiency by decreasing Faraday current. Key words : Mesoporous carbon electrode, Capacitive deionization, Activated carbon, Carbon black, Mesopore, Faraday reaction. 1. 서. 론. 최근 수질환경오염으로 인한 먹는 물 부족 및 처리 와 같은 다양한 문제들이 발생하면서 탈염기술에 대 한 관심이 높아지고 있다. 탈염기술에는 증류법, 역삼 투법, 전기투석법, 이온교환법 등이 있으며 해수 담수 화, 보일러수 제조, 초순수 제조, 발전소 냉각수, 지하 수 중의 환경오염물질제거 등 다양한 산업공정에서 광 범위하게 요구되는 기술이다. 그러나 기존의 탈염기술 들은 전처리 기술을 요구하거나 에너지 효율이 우수 하지 못하다는 단점을 가지고 있다. 그래서 이들을 보 완할 수 있는 고도처리의 차세대 수처리 기술인 축전 식 탈염(CDI: Capacitive deionization)이 새롭게 등장 하게 되었다.1-7) 축전식 탈염기술은 다공성의 탄소로 이루어진 전극을 이용하여 전극에 전위를 인가하면 전 기이중층을 형성하고 수용액 안에 존재하는 반대전하 를 갖는 이온종을 흡착하여 제거함으로써 탈염하는 원 리를 바탕으로 하는 기술이다. 전극 표면에서 일어나 는 전하의 이동은 주된 두 가지 기작들이 있다. 하나 는 비페러데이(non-Faraday) 반응으로 전극과 용액 사 이에 전자들이 이동하지 않는 반응으로 주로 대전된 화학종인 이온들이 전극에 흡착되는 현상을 의미한다. 다른 하나는 페러데이(Faraday) 반응으로 전자들이 용 액과 전극사이에서 이동하는 것으로 용액 안에 존재 하는 화학종의 산화 및 환원 반응을 나타낸다.8) 축전 식 탈염기술에서 요구하는 주요 기작은 비페러데이 반 응을 통해 이온을 흡착하는 것이고 이 때 인가한 전 압에 비해 소모전류가 낮게 되어 염 제거 양에 따른 에너지 소모가 다른 탈염기술에 비하여 상당히 낮다 고 알려져 있다. 또한 전극표면에 전기이중층을 형성 시킬 수 있는 낮은 전압으로 이온종의 흡착 및 탈착 이 가능하여 비교적 운전조작이 간단하고, 공정 중에 화학물질 첨가 또는 화학반응이 없어 2차 오염물질을 생성하지 않는 친환경적인 기술이다. 하지만 모든 탈 염기술에는 효율적으로 탈염이 가능한 유입수 농도가 존재하는데, 축전식 탈염기술은 상당히 낮은 염 농도 에서만 효율적인 탈염성능을 보이며 높은 농도에서는 여전히 기술적 한계를 보이고 있다.9-15) 축전식 탈염 공정의 탈염 성능을 높이기 위해서는 흡 착용량을 증가시킬 수 있는 넓은 면적과 우수한 전도성 을 지닌 전극의 개발, 셀의 구조변형, 운전방법 최적화. 등과 같은 여러 가지 기술적 방법들이 있다.16,17) 이 중 전극의 흡착면적을 증가시키기 위해 다공성의 전극을 제조하여 사용하는데 이를 실현하기 위해 가장 적합한 재료로 넓은 표면적과 낮은 반응성을 지니고 있는 다양 한 탄소체가 널리 사용되고 있다.18,19) 본 탄소체 중 활 성탄소체(Activated carbon powder)는 넓은 기공 부피, 넓 은 비표면적, 높은 흡·탈착 성능을 가지고 있어 다양한 물질들의 흡착기작에 대표적으로 사용되는 물질이다.18,20,21) 이외에도 활성 탄소섬유, 탄소 나노튜브, 카본 에어로 겔, 그래핀 등과 같은 탄소체도 축전식 탈염용 전극 재 료로 사용하기 위하여 폭넓게 개발되고 있다.22-26) 이상적인 축전식 탈염기술을 위한 전극은 다공성 탄 소 표면에서 비페러데이 반응으로만 존재하는 것으로 모든 전류가 이온들의 흡착에만 사용되는 것이다. 결 국, 페러데이 반응은 축전식 탈염기술에서 낮은 탈염 효율과 큰 폭의 pH 변화를 기인할 수 있어 이를 최 소화할 수 있는 효율적인 전극을 개발하는 것이 중요 하다. 일부 연구에서는 페러데이 반응을 감소시키기 위해 탄소 표면에 있는 carbonyl 또는 quinine계와 같은 산소 원자를 포함하는 기능기들에 의해 조절이 가능하다고 보고하고 있다.13,14) 또 다른 방법으로는 탄소체로 제작한 전극의 기공 구조 및 크기를 제어하는 것이다. Fig. 1(a)에서 보이 는 것처럼 일반적으로 전극에는 micropore(< 2 nm)와 mesopore(> 2 nm)의 영역을 볼 수 있는데 micropore 는 활성탄소 내부에 많이 분포되어 있는 것으로 miropore의 비율이 높을수록 비축전용량(specific capacitance)을 높게 얻을 수 있고, mesopore는 이온 들의 이동을 원활하게 하여 흡착 및 탈착 속도를 크 게 향상시킬 수 있다. 따라서, 기존의 활성탄소로 구 성된 전극에 mesopore 영역을 늘리게 되면 이중층의 중첩 효과를 예방하여 더 효율적인 성능을 얻을 수 있게 되는 것이다. 따라서, 본 효과를 극대화하기 위 해서는 micropore와 mesopore의 최적 분포를 형성할 수 있도록 전극의 형상을 제어하는 것이 요구된다고 보고하고 있다.27-29) Fig. 1(b)에서 나타난 것처럼 micropore의 분포가 많은 활성탄소에 입자크기가 더 작은 탄소체를 혼합하게 되면 mesopore의 영역이 늘 어나고 이는 기공의 비표면적과 부피를 증가시켜 이 온의 이동을 원활히 하고 탈염성능을 크게 증가시켜 줄 것이라고 예상할 수 있다..
(3) 전기화학회지, 제 17권, 제 1 호, 2014. 59. Fig. 1. Schematic diagram of micro and mesopore of (a) activated carbon and (b) activated carbon/carbon black mixed electrodes.. 본 연구에서는 통상 입자크기가 10~20 µm인 다공 성의 활성탄소 전극에 30~60 nm의 크기를 갖는 탄소 체인 carbon black을 여러 비율로 혼합하여 탄소체로 형성한 다공성 전극 구조를 변형함으로써 mesopore의 비율을 증가시키고 이를 다양한 분석을 통해 입증하 고자 하였다. 다양한 크기의 탄소체를 혼합한 전극을 제조하고 구조 변화의 결과를 확인하기 위해 주사전 자현미경(Scanning electron microscopy, SEM)을 통 한 전극 구조의 관찰, 제조한 전극의 비표면적 분석으 로 인한 물리적 흡착 특성 변화 분석, 전극 구조 변 화에 따른 전극의 전기화학적 특성 분석을 위한 축전 용량 분석, 신규 제조한 전극을 채용한 단위셀 탈염 실험을 통한 염의 제거양상과 pH 변화 및 축적 전하 의 비교 등을 통하여 carbon black의 효과를 분석하 였으며 이를 위해 본 carbon black이 혼합되지 않은 전극과 비교분석하였다.. 2. 실험 및 방법 2.1. 탄소전극의 제조 탄소체와 고분자는 96:4 wt%의 비율로 혼합하여 CDI 탈염 공정에 사용될 탄소전극을 제조하였다. 탄소 체는 carbon black(Vulcan XC-72, Cabot Co.)과 활 성탄소 분말(P-60, Daedong AC Co., specific surface area = 1260 m2/g)을 비율별로 혼합하였으며, 그 세부사 항은 Table 1에 요약하였다. 고분자 바인더로 활용한 polyvinylidene fluoride (PVdF, M.W. = 1,800,000)는 유기용매인 dimethylacetamide (DMAc, Aldrich)에 용해시킨 후 탄소체와 12 h 동안 교반하며 균일한 전 극슬러리를 제조하였다. Doctor blade를 이용하여 전 극슬러리를 집전체인 graphite sheet (F02511, Dongbang Carbon Co.) 위에 캐스팅한 후 80oC의. Table 1. Compositions of slurries for porous carbon electrodes prepared in this study Materials Activated carbon powder Carbon black. AC (wt%) X1 (wt%) X2 (wt%) CB (wt%) 100. 99.95. 99. 0. 0. 0.05. 1. 100. 건조 오븐에서 4 h 동안 건조하여 두께 240~245 µm 의 최종적인 다공성 탄소전극을 제조하였다.. 2.2. 탄소전극의 물리적, 전기화학적 특성 분석 제작된 전극의 물리적 특성을 살펴보기 위해 SEM (MIRA LMH, TESCAN) 측정을 통해 전극의 표면 과 단면 구조를 관찰하였고, 비표면적 (BELSORPMINI II, BEL Japan) 분석을 이용하여 비표면적과 기공의 크기 및 부피 등을 분석하였다. N2 adsorption -desorption isotherms은 −196oC에서 수행되었고, pore size distribution (PSD) 곡선은 BJH (Barret-JoynerHalenda)법에 의해 계산되었으며, total pore volume은 p/po = 0.99에서 추정되었다. 서로 다른 두 탄소체를 비율별로 혼합하여 제조된 전극은 3-전극 시스템에 연결하여 전기화학적 특성을 분석하였다. 직경 10 mm의 작업전극 holder에 절단한 전극을 삽입하였고 전기화학적 특성 분석을 위해 전 해질 용액 0.5 M KCl에 24 h 동안 담가두었다. 측정 전에 탄소체의 내부 기공에 남아있는 일부 용액들을 완전히 제거하기 위해 상온에서 진공 건조하였다. 작 업전극으로 holder에 고정시킨 다공성 탄소전극을, 기 준전극으로 Ag/AgCl, 상대전극으로 백금 전극을 사용 하여 3-전극 시스템을 구성하였고 Biologic SP-150 potentiostat과 연결하여 cyclic voltammetry (CV) 분.
(4) 60. J. Korean Electrochem. Soc., Vol. 17, No. 1, 2014. 석을 실시하였다. 전해질은 0.5 M KCl을 사용하였고 측정 전에 carbon black에 의한 산소반응이 일어나지 않도록 하기 위해 질소를 30 min 동안 주입하여 탈기 하였다. Cyclic voltammetry는 −0.5~0.5 V (vs. Ag/ AgCl)의 전위구간에서 5.0 mV/s의 전위주사속도로 측 정하였다. 비축전용량은 아래의 식(1)을 활용하여 구 할 수 있다. ∆I C ( F ⁄ g ) = ---------2mv. (1). 여기서, ∆I는 cyclic voltammogram 커브에서 나타난 산화전류와 환원전류의 차이, m은 탄소체의 질량, v는 cyclic voltammetry 측정에 이용한 전위주사속도이다.. 2.3. CDI 셀의 구성과 탈염 실험 본 연구에서 사용한 CDI 셀은 (주)시온텍에서 제공 받아 사용하였다. Fig. 2에서 보이는 것처럼 본 셀의 체결은 두 개의 아크릴 판 사이에 실리콘 가스켓을 대고 그 사이에 셀 모양에 맞게 절단한 제조 전극 두 개를 놓고 이 전극들 사이에 스페이서를 놓아 조립하 였다. 또한 셀의 구조는 가장자리에 용액이 유입구가 존재하여 스페이서를 통해 흐른 용액은 셀의 정중앙 에 위치하는 유출구를 통해 배출하였다. 일정 유량으 로 용액을 공급하기 위해 정량펌프를 두어 셀과 연결 하였고 탈염된 유출수는 별도로 탱크를 두어 유출수 와 유입수가 분리된 연속식 운전으로 진행하였다. 유입 시료는 200 ppm NaCl 용액으로 20 mL/min 의 유량으로 공급되었다. 운전 시 potentiostat을 이용 하여 전극에 0.8 V 전위를 인가하여 10분 동안 흡착 을 진행하였고, 이어서 0 V를 인가하여 5분 동안 탈. 착을 진행하였다. 흡착과 탈착은 7 사이클로 운전하였 고 유출수의 pH와 전도도는 3초 간격으로 측정하여 데이터를 수집하였다.. 3. 결과 및 고찰 3.1. 전극의 물리적 특성 분석 Fig. 3은 제작된 전극의 표면과 단면을 촬영한 SEM 이미지이다. 모든 제조 전극의 코팅두께가 일정 한 것으로 관찰되어 doctor knife를 활용한 전극 코팅 이 균일하게 형성되었음을 알 수 있다. Fig. 3(a)는 활 성탄소(AC) 전극, (b)는 X1 전극, (c)는 X2 전극에 대 한 것이다. (a)에서 (c)로 갈수록 조밀해지는 것을 관찰 할 수 있다. 이는 입자 크기가 큰 활성탄소만으로 제 작된 전극에는 큰 공극이 존재하나 (b)와 (c)와 같은 혼합 전극에서는 활성탄소보다 작은 크기의 carbon black을 첨가하면서 공극사이에 채워져 조밀해지는 전 극 구조를 형성한 것으로 판단된다. 이는 앞서 설명한 Fig. 1(b)와 같이 다공성을 갖는 활성탄소 입자들의 적 층 구조를 변형시킴으로써 micropore의 노출도를 높 이고 mesopore의 형성을 유리하게 하여 흡착용량을 증가시킬 수 있음을 예상할 수 있다. Fig. 4와 Table 2는 전극의 비표면적 분석을 통해 얻 은 결과로 Fig. 4는 N 2 adsorptiondesorption isotherms과 탈착 구간을 BJH (Barret-Joyner-Halenda) 계산법에 의해 얻어진 pore size distribution(PSD)이고, 흡착 구간을 이용하여 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 법으로 계산한 총 비표면적 값과 그 이외의 계산 변수 값을 Table 2에 나타내었다. Fig. 4(a)에서 N 2 adsorptiondesorption isotherms은 hysteresis loop의. Fig. 2. Schematic diagram of a CDI process prepared in this study..
(5) 전기화학회지, 제 17권, 제 1 호, 2014. 61. Table 2. Results of N2 adsorption-desorption isotherms of AC and X2 electrode Total Average Total pore Mesopore Mesopore surface pore Materials volume volume fraction area diameter (%) (cm3/g) (cm3/g) 2 (m /g) (nm) AC 52.6 8.19 0.108 0.0908 84.3 X2 37.4 15.3 0.144 0.134 93.1. Fig. 3. SEM images of the various electrodes: (a) AC electrode, (b) X1 electrode, (c) X2 electrode (left: top view (2,500x), right: cross-sectional view (1000x)).. Fig. 4. (a) N2 adsorption-desorption isotherms and (b) BJH pore size distributions of AC and X2 electrode (ADS: adsorption, DES: desorption).. 형태를 관찰할 수 있었고, 이는 mesopore가 존재함을 의미하는 것이다. 또한 Fig. 4(b)에서 PSD 곡선을 통 해 mesopore에 대한 분포를 관찰해보면 X2 전극이 AC 전극보다 증가한 것으로 나타났고, 이는 carbon black의 첨가로 인해 mesopore가 증가되었다는 것을 나 타내고 있는 것이다. 또한 Table 2에서 나타난 것과 같이 총 pore의 부피는 X2 전극이 AC 전극보다 약 33% 증가하였고 동시에 mesopore 부피도 약 10% 증가한 것을 분석할 수 있었다. 이는 앞서 논의한 것 처럼 Fig. 1(a)에서 보이는 것과 같이 활성탄소만 존재 하는 전극의 경우 많은 이온종을 흡착시킬 수 있는 pore의 통로가 입자들의 배열에 의해 막힐 수 있지만, Fig. 1(b)와 같이 입자크기가 보다 작은 carbon black 을 첨가함으로써 그 통로가 개방되어 mesopore가 증 가하였고 흡착용량을 보다 증가시켜 탈염성능을 향상 시킬 수 있다고 기대할 수 있었다. 하지만 비표면적을 고려해 볼 때 X2 전극이 AC 전극보다 약 29% 작 다는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 X2 전극에서 비 표면적이 큰 활성탄소의 양이 carbon black의 첨가량 만큼 줄어들었기 때문이라고 볼 수 있지만 비표면적 은 흡착에 중요한 영향을 미치는 인자로 오히려 탈염 성능을 떨어뜨릴 수도 있다고 예측할 수 있었고, 이를 확인하기 위해 본 연구에서 전기화학적 특성 및 탈염 성능을 측정해 보았다.. 3.2. 전극의 전기화학적 특성 분석 Fig. 5는 순환전압전류법(cyclic voltammetry)에 의 해 얻어진 결과이다. 명확한 분석을 위해 carbon black만으로 만든 전극도 추가 실험하여 Fig. 5에 포 함시켰다. 일반적으로 이상적인 성능을 갖는 축전식 탈염용 전극의 cyclic voltammogram은 직사각형 모 양이다. 하지만 Fig. 4의 커브는 다소 기울어진 직사 각형 모양을 나타내어 pseudo-capacitance의 형태를 띠고 있다. 그 이유는 전극의 저항 또는 전극 표면에 서의 산화 또는 환원반응과 같은 페러데이 반응에 의 한 것이라고 보고되었다.13,14) 또한 cyclic voltammogram의 결과를 정량화하여 결과를 살펴보기 위해 비축 전용량(specific capacitance)을 계산하였고 이를 Table 3에 나타내었다. Carbon black만으로 구성한 전극과.
(6) 62. J. Korean Electrochem. Soc., Vol. 17, No. 1, 2014. Fig. 5. Cyclic voltammograms of the various electrodes (CB: carbon black electrode).. Fig. 6. Changes in conductivity of the various electrodes.. Table 3. Specific capacitance of the various electrodes Materials Specific capacitance (F/g). AC. X1. X2. CB. 220.5. 231.3. 237.6. 107.4. 활성탄소만으로 구성된 전극의 비축전용량은 약 2 배 정도의 차이가 나는 것으로 판단할 때, 첨가한 carbon black은 크게 비축전용량을 증가시키는 요인으로 작용 하지 않는다는 것을 알 수 있었다. 하지만 활성탄소에 carbon black을 혼합할수록 활성탄소 전극보다 비축전 용량이 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 앞서 언급한 것과 같이 carbon black을 첨가함으로써 비표 면적은 줄어들었지만 mesopore의 영역이 증가함에 따 라 축전에 대한 용량이 늘어난 것으로 볼 수 있다. 그리하여 활성탄소에 carbon black을 혼합하는 것이 탈염성능을 증가시킬 것이라고 예상할 수 있었다.. 3.3. 전극의 탈염성능 비교 Fig. 6은 전극에 흡착 전위 0.8 V를 10 min 동안 인가한 후 탈착 전위 0 V를 5 min 동안 인가하는 과 정을 반복하면서 배출되는 유출수의 전기전도도를 측 정한 결과를 나타낸 것이다. 흡착과정이 시작되면 전극 으로 이온들이 흡착되고 어느 시점에서 이온의 흡착능 이 포화되어 초기 유입수의 전도도와 일정해진다. 그 이후 탈착과정이 진행되면 전도도가 급격히 증가하다 가 탈착이 완료된 후 유입수의 전도도와 일정해지는 것을 관측할 수 있다. 그림에서 알 수 있듯이 carbon black이 많이 함유된 X2가 보다 많은 양의 이온을 흡 착한다는 것을 알 수 있으며 이와 비례하여 탈착된다 는 것을 알 수 있다. 활성탄소에 carbon black의 첨가 로 mesopore 영역이 늘어난 전극의 탈염성능이 활성탄 소만 존재하는 전극보다 우수하다는 것을 입증하였다. 전압의 변화로 탈염 실험이 진행되는 동안 전극에. Fig. 7. Changes in pH of the various electrodes.. 서 일어나는 화학종의 산화 환원과 같은 반응들을 살 펴보기 위해 배출되는 유출수의 pH를 관찰하여 Fig. 7과 같이 나타내었다. 초기의 pH는 3 사이클까지 큰 변화 없이 모두 비슷한 양상을 나타내었지만 4 사이 클 이후로 pH의 변화 폭이 커지는 것을 관찰하였다. 또한 각 전극들의 pH 변화 폭이 뚜렷하게 차이가 나 는 것을 볼 수 있다. 이러한 pH의 변화는 페러데이 반응에 의한 것으로 주로 전극에 인가된 전위에 의해 전극 표면에서 물분해 반응과 같은 화학종의 산화 환 원 반응으로 인해 발생한다. Fig. 7에서 보이는 것과 같이 AC 전극, X1 전극, X2 전극의 순으로 pH 변 화의 폭이 덜 증가하였다. Carbon black은 일반적으로 흡착, 탈착에 대한 능력이 낮은 반면 산소에 대한 환 원력이 우수한 탄소체로 수용액 중 용존산소와의 반 응이 일어날 수 있다. 하지만 이와 반대로 페러데이 반응을 더욱 증진시켜줄 carbon black이 첨가될수록 pH 변화의 폭이 활성탄소 전극보다 줄어든다는 것을 관찰할 수 있다. 이는 전극에 carbon black을 첨가함으 로써 비록 비표면적은 낮아졌지만 mesopore를 증가시 켜 이중층의 중첩 현상을 감소시켰고, 그로 인해 이온 의 흡착에 더 의존할 수 있게 되어 물분해와 같은 페 러데이의 영향이 줄어들었다고 판단할 수 있는 것이다..
(7) 전기화학회지, 제 17권, 제 1 호, 2014. 63. 로 인해 전기이중층의 중첩을 완화시켰으며, 비표면적은 줄어들었지만 mesopore의 영역이 증가함에 따라 축전에 대한 용량이 증가하여 탈염 성능을 높일 수 있었다.. 4. 결. Fig. 8. (a) Changes in cumulative charges and (b) nonFaradaic current fraction of the various electrodes.. 3.4. 전극의 페러데이 전류 비교 Fig. 8(a)는 전극에 공급되는 전하의 축적량의 변화를 나타낸 것이다. 흡착하는 동안에는 전류가 계속 공급되 는데 이때 축적되는 전하들은 전기이중층에 의해 흡착 되는 이온들에 의한 것뿐만 아니라 페러데이 반응에 이 용되는 전하들도 포함한다. 탈착으로 전환되는 순간 급 격히 축적된 전하들이 떨어지게 되고 짧은 시간 안에 이온의 탈착에 이용된 전하들은 더 이상 축적되지 않 고 일정해진다. 탈착구간에서의 전하량은 순수하게 탈 착된 이온들의 전하라고 볼 수 있다. 결국 흡착구간과 탈착구간에서의 축적전하의 차이는 페러데이 반응에 이 용되는 전하임을 알 수 있다. 이 차이를 이용하여 비페 러데이 전류의 비율을 Fig. 8(b)에 나타내었다. Fig. 8(a)에서 볼 수 있듯이 흡착 운전 동안에 측정되 는 축적 전하의 양은 carbon black의 양이 증가할수록 감 소하였다. 이는 위에서 언급한 것과 같이 활성탄소 전극 의 축적전하량이 carbon black이 첨가된 전극보다 상당히 높은 것을 알 수 있는데, 이는 carbon black 함량이 낮은 전극일수록 이중층의 중첩 및 물분해와 같은 페러데이 반응에 더욱 의존되어 흡착과정과 탈착과정에서의 축적 전하량의 차이가 나타났다고 볼 수 있다. 따라서, 본 연 구에서 수행한 carbon black의 첨가는 증가된 mesopore. 론. 본 연구에서는 축전식 탈염기술에서 서로 입자 크기 가 다른 두 종류의 탄소체를 다양한 비율로 혼합하여 전극의 적층배열 구조를 변형시킴으로써 전극의 물리적 , 전기화학적 특성 및 탈염성능을 살펴보았다. 본 연구 결과 흡착 또는 탈착에 영향을 거의 미치지 않는 carbon black을 다공성의 활성탄소와 혼합하고 코팅하여 전극을 제조하였는데, 이는 micropore가 많이 분포된 활 성탄소에 입자크기가 더 작은 carbon black을 첨가하여 전극의 적층배열 구조상 막혀있던 mesopore영역을 증 가시켜 흡착용량의 증가, 이중층의 중첩 완화 등을 통 하여 탈염성능을 증가시킬 것으로 예상할 수 있었다. 전극의 물리적인 성능 분석을 통해 carbon black의 양이 증가하면서 구조가 조밀해지는 것을 관찰할 수 있었고, 기공 크기 및 부피를 살펴본 결과 전체 기공 률이 약 33%가 늘어났고 mesopore 부피도 약 10% 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 비표면적이 약 29% 줄어들어 탈염성능에 악영향을 줄 것이라 예 상하였다. 하지만, 전기화학적인 평가로 순환전압전류 법을 이용하여 축전용량을 살펴본 결과 carbon black 의 양이 늘어날수록 비축전용량이 증가하는 것을 보 았고 이는 mesopore 영역이 증가하면서 이온이 흡착 할 수 있는 용량이 증가하였다는 것을 입증할 수 있 었다. 이 근거를 바탕으로 탈염실험을 진행하였고 carbon black을 가장 많이 넣은 전극(X2)의 탈염 성능 이 가장 우수하다는 것을 확인하였다. 또한 pH와 축 전전하량의 변화를 살펴본 결과에서는 전극반응이 일 어나는 것을 의미하는 페러데이 반응이 carbon black 의 양이 증가할수록 감소하였다는 것을 알 수 있었다. Carbon black의 첨가는 흡착의 바탕이 되는 이중층의 중첩을 완화시켰고, 또한 mesopore를 증가시켜 페러 데이 반응을 감소시켰다. 결론적으로 활성탄소에 carbon black의 첨가는 낮은 비표면적을 기인하기는 하나 그에 따른 전기화학적 특성이 나빠지지 않았으 며, 전극의 구조 변형으로 활성탄소만 존재하는 전극 보다 더 우수한 탈염성능을 보였고 페러데이 반응을 감소시켰다는 것을 입증할 수 있었다.. 감사의 글 본 논문은 상명대학교 2012학년도 교내연구비에 의 하여 수행되었습니다..
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