하버-보슈(Haber-Bosch) 공정을 통한 암모니아 비료의 대량 생산은 농업 생산성을 향상시키고 전 세계 인구 증가를 뒷받침해 왔으나, 하수에서 자연수로 배출되는 암모니아는 부영양화(eutrophication)를 유발하여 수생 생태계를 해친다. 또한 암모니아의 합성 및 제거 모두 에너지 집약적인 공정이며, 하버-보슈 공정은 세계 1차 에너지의 약 2%를 소비한다. 전기화학적 암모니아 회수(ECAmR; electrochemical ammonia recovery)는 화학 물질을 사용하지 않는 운전이 가능하고 기존의 방법에 비해 에너지 효율이 더 높다는 점에서 유망한 해결책으로 부상해 왔다. 본 리뷰에서는 암모니아 선택성에 기반한 ECAmR 전략을 그 기전에 따라 포괄적으로 개관한다: (1) pH-전이(pH-shift) 매개 시스템 수전해(WE), 양극성 막 전기투석(bipolar membrane electrodialysis, BMED) 및 (2) 전기흡착(electrosorption) 매개 시스템(축전형 탈염(capacitive deionization, CDI), 삽입(intercalation)). 이들 시스템의 우수한 성능은 낮은 에너지 소비와 70%를 초과하는 높은 제거율을 통해 검증되었으며, 운전 성능은 농도 의존적이었다. 더 나아가, 실제 하수 적용을 위한 실용적 과제를 평가하기 위해 각 시스템의 상반된 특징을 포괄적으로 분석하였다. ECAmR의 상용화를 위해서는 전극 안정성을 통한 장기 운전 확보가 필수이며, 이는 구조적 안정성의 향상과 부반응의 완화가 요구된다. 또한 ECAmR 시스템의 실용적 기술 타당성을 입증하기 위해 향후 기술경제성 분석(TEA; techno-economic analysis) 및 전과정평가(LCA; life cycle assessment) 프레임워크에 대한 지침을 제공하였다. 궁극적으로 본 연구는 ECAmR의 현재 상태를 명확히 진단하고, 지속가능한 질소 순환 시스템을 구축하기 위한 향후 연구 방향을 제시하는 것을 목표로 한다.

NC 껍질이 없는 Ag 입자의 것과 비교했을 때, 또는 더 큰(마이크로스케일) 크기를 가진 입자들의 경우와 비교했을 때 포획(capture)이 향상되었다. 이러한 향상된 성능은 작은 입자 크기와 NC 껍질에 기인하며, 그 결과 Ag의 이용률이 더 높아지고 염소화/탈염소화 과정에서 수반되는 부피 변화에 대한 내성이 증가한다.

대기 중 CO 2 농도의 상승으로 인해 발생하는 기후변화의 중대한 성과에 따라, 유망한 탄소 포집 기술의 개발에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 재생에너지의 비중 확대와 산업 공정의 전기화에 관한 지속적인 노력과 관련하여, 전기화학적 전압 스윙에 의해 구동되는 탄소 포집이 주목받고 있다. 전기화학적 CO 2 포집은 주변 온도에서의 운전이라는 고유한 장점을 지니지만, 이 공정을 실제 적용하기 위해서는 추가적인 개선이 필요하다. 본 연구에서는 축전형(capacitive) CO 2 포집 기술을 철저히 검토한다. 두 가지 대표적 방법인 막 축전형 탈염(membrane capacitive deionization, MCDI)과 초축전형 스윙 흡착(supercapacitive swing adsorption, SSA)의 최근 발전을 다룬 다음, 이들의 반응 메커니즘 및 서로 다른 특성의 기원에 관한 비판적 논의를 제시한다. 또한 MCDI와 SSA 시스템의 핵심 구성요소인 이온교환막(ion exchange membranes)과 지지 전해질(supporting electrolyte)을 바탕으로, CO 2 포집 성능에 영향을 미치는 파라미터와 설계 전략을 조사한다. • 축전형 CO 2 포집 기술에 대한 최근 발전을 철저히 검토한다. • MCDI 및 SSA 시스템의 CO 2 포집 메커니즘 차이를 조사한다. • 핵심 구성요소에 근거하여 MCDI와 SSA의 특징적 장점을 논의한다.

하버-보슈(Haber-Bosch) 공정을 통한 암모니아 비료의 대량 생산은 농업 생산성을 향상시키고 전 세계 인구 증가를 뒷받침해 왔으나, 하수에서 자연수로 배출되는 암모니아는 부영양화(eutrophication)를 유발하여 수생 생태계를 해친다. 또한 암모니아의 합성 및 제거 모두 에너지 집약적인 공정이며, 하버-보슈 공정은 세계 1차 에너지의 약 2%를 소비한다. 전기화학적 암모니아 회수(ECAmR; electrochemical ammonia recovery)는 화학 물질을 사용하지 않는 운전이 가능하고 기존의 방법에 비해 에너지 효율이 더 높다는 점에서 유망한 해결책으로 부상해 왔다. 본 리뷰에서는 암모니아 선택성에 기반한 ECAmR 전략을 그 기전에 따라 포괄적으로 개관한다: (1) pH-전이(pH-shift) 매개 시스템 수전해(WE), 양극성 막 전기투석(bipolar membrane electrodialysis, BMED) 및 (2) 전기흡착(electrosorption) 매개 시스템(축전형 탈염(capacitive deionization, CDI), 삽입(intercalation)). 이들 시스템의 우수한 성능은 낮은 에너지 소비와 70%를 초과하는 높은 제거율을 통해 검증되었으며, 운전 성능은 농도 의존적이었다. 더 나아가, 실제 하수 적용을 위한 실용적 과제를 평가하기 위해 각 시스템의 상반된 특징을 포괄적으로 분석하였다. ECAmR의 상용화를 위해서는 전극 안정성을 통한 장기 운전 확보가 필수이며, 이는 구조적 안정성의 향상과 부반응의 완화가 요구된다. 또한 ECAmR 시스템의 실용적 기술 타당성을 입증하기 위해 향후 기술경제성 분석(TEA; techno-economic analysis) 및 전과정평가(LCA; life cycle assessment) 프레임워크에 대한 지침을 제공하였다. 궁극적으로 본 연구는 ECAmR의 현재 상태를 명확히 진단하고, 지속가능한 질소 순환 시스템을 구축하기 위한 향후 연구 방향을 제시하는 것을 목표로 한다.

NC 껍질이 없는 Ag 입자의 것과 비교했을 때, 또는 더 큰(마이크로스케일) 크기를 가진 입자들의 경우와 비교했을 때 포획(capture)이 향상되었다. 이러한 향상된 성능은 작은 입자 크기와 NC 껍질에 기인하며, 그 결과 Ag의 이용률이 더 높아지고 염소화/탈염소화 과정에서 수반되는 부피 변화에 대한 내성이 증가한다.

대기 중 CO 2 농도의 상승으로 인해 발생하는 기후변화의 중대한 성과에 따라, 유망한 탄소 포집 기술의 개발에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 재생에너지의 비중 확대와 산업 공정의 전기화에 관한 지속적인 노력과 관련하여, 전기화학적 전압 스윙에 의해 구동되는 탄소 포집이 주목받고 있다. 전기화학적 CO 2 포집은 주변 온도에서의 운전이라는 고유한 장점을 지니지만, 이 공정을 실제 적용하기 위해서는 추가적인 개선이 필요하다. 본 연구에서는 축전형(capacitive) CO 2 포집 기술을 철저히 검토한다. 두 가지 대표적 방법인 막 축전형 탈염(membrane capacitive deionization, MCDI)과 초축전형 스윙 흡착(supercapacitive swing adsorption, SSA)의 최근 발전을 다룬 다음, 이들의 반응 메커니즘 및 서로 다른 특성의 기원에 관한 비판적 논의를 제시한다. 또한 MCDI와 SSA 시스템의 핵심 구성요소인 이온교환막(ion exchange membranes)과 지지 전해질(supporting electrolyte)을 바탕으로, CO 2 포집 성능에 영향을 미치는 파라미터와 설계 전략을 조사한다. • 축전형 CO 2 포집 기술에 대한 최근 발전을 철저히 검토한다. • MCDI 및 SSA 시스템의 CO 2 포집 메커니즘 차이를 조사한다. • 핵심 구성요소에 근거하여 MCDI와 SSA의 특징적 장점을 논의한다.

염화물 매개 전기화학적으로 조절된 반응에서 비스무트 전극을 사용하여 산성화된 해수로부터 CO₂가 제거된다.

최근 수년간 금속 자원의 공급 안정성이 중요해지고 있다. 마그네슘은 지구상에서 가장 가벼운 구조 금속이며, 무게 민감 응용 분야 및 차세대 에너지 저장 기술에서 널리 사용된다. 그러나 마그네슘은 현재 에너지 집약적인 공정 또는 화학물질의 대량 사용을 통해 생산되고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 경로의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 스피넬 구조의 산화물 전극을 사용하는 전기화학적 분리 공정을 조사하였다. 탈리튬화(delithiated) LiMn2O4 (LMO) 및 LiNixMn2–xO4 (LNMO)는 수성 환경에서 풍부한 양이온(Na+, Mg2+, K+, Ca2+) 중 Mg2+에 대해 높은 선택성을 보였다. 특히 LNMO 전극은 Mg2+/Na+에 대해 10.47, Mg2+/K+에 대해 13.59, Mg2+/Ca2+에 대해 6.40의 분리 인자를 바탕으로 높은 선택성을 달성하였다. LMO는 높은 마그네슘 흡착(uptake) 용량을 나타내었으나, 순환 작동 중 성능이 급격히 저하되는 현상이 관찰되었다. 반면 LNMO는 100사이클까지 LMO에 비해 약 3배 더 큰 용량을 보이며 장기 안정성이 유의하게 향상되었으며, 이는 마그네슘 분리 및 생산에서 전기화학적 공정의 실현 가능성을 시사한다. 또한 마그네슘 회수에서 스피넬 산화물 전극의 물리화학적 거동을 규명하였고, 성능을 추가로 개선하기 위한 전략을 논의한다.

세계 산업의 급속한 성장에 따라 자원 공급을 확보하는 것의 중요성이 극적으로 증가하였다. 마그네슘은 수요가 크고 지속적인 금속 자원이다. 현재의 Mg 생산 및 정련 공정은 대규모 에너지 소비를 필요로 하며, 또한 채굴 과정과 결합된 환경적 문제가 있다. 이에 본 연구에서는 염수호수 물 및 폐수와 같은 다양한 Mg 공급원에 대한 응용을 잠재적으로 목표로 하는, 혼합 용액으로부터 Mg2+를 선택적으로 회수하는 전기화학적 시스템을 보고한다. 높은 빈도의 양이온(Na+, Mg2+, K+, Ca2+) 사이에서 Mg2+의 선택적 삽입을 가능하게 하는 이온 채널 크기를 갖는 λ-MnO2 전극을 사용함으로써, Mg2+는 다른 이온들과 분리될 수 있었다. 선택도와 에너지적 특성으로 대표되는 전기화학적 시스템의 성능을 철저히 조사하였다. 각 이온 농도 수준이 20 mM인 조건에서, Na+, K+, Ca2+에 대한 Mg2+의 선택도는 각각 27.4, 20.0, 8.52였다. 또한 산업적 응용의 관점에서 유리한 흐름형 공정으로 시스템 구성을 구성함으로써, 시스템 구성의 유연성 또한 확인되었다. 더 나아가 순환 운전을 통해 시스템의 신뢰성도 추가로 입증되었다.

최근 전기화학적 제염(electrochemical desalination) 기술의 발전은 염수의 활용을 가능하게 했다. 특히 축전식 탈염(capacitive deionization, CDI)은 높은 에너지 효율과 경제적 타당성을 바탕으로 염을 제거할 수 있으나, 장기 운전에서 탄소 전극의 열화(degradation)에 의해 적용성이 저해되는 문제에 직면해 있다. 본 연구에서는 CDI 시스템의 안정성 문제를 야기하는 탄소 전극의 표면 전기화학 및 파라데이 반응(Faradaic reactions)에 대해 철저한 조사를 수행하였다. 모델 시스템으로 무처리(맨) CDI(bare CDI) 및 막 분리 CDI(membrane CDI, MCDI)를 사용하여, 전극 전위와 pH에 의해 지배되는 열역학 및 동역학 하에서 물 또는 산소와 탄소 전극 사이에서 일어나는 다양한 전기화학 반응을 규명하였다. 그 결과, CDI 및 MCDI 시스템에서 발생하는 물리화학적 변화를 추적함으로써 CDI에서 진행되는 파라데이 반응에 대한 포괄적인 개요를 구축하였다.