This study demonstrated an anti-scaling strategy during the cathodic reaction of a large-scaled reverse electrodialysis (RED) stack for a variety of carbon-based cathodes. The scaling phenomena in the RED stack are a result of the conversion of multi-valent ions that migrate from seawater to the cathode through a shielding membrane into inorganic forms such as hydroxides and/or carbonates; this has a serious effect on ong-term stability in RED stack. To date, a detailed scaling mechanism and effective anti-scaling approaches have not been suggested. This study is the first to report findings that scale formation strongly depends on the structural morphology and surface chemistry of catalytic materials in a cathode. The nano-scaled Pt/C with a thin and porous foam-like $Mg(OH)_2$ was four times more effective with anti-scaling than the bulk Pt thin film with thick and dense film-like $Mg(OH)_2$ In using a higher cell paired RED stack (≥300 cell pairs) with higher voltage, the surface-modified carbon nanostructures demonstrated anti-scaling behaviors that were superior to the Pt-based catalysts. In particular, O-rich functionalized carbon treated by acid and air plasma formed a one-dimensional $Mg(OH)_2$ nanostructure. The results indicate that the highly acidified surface leads to the growth of an orientated $Mg(OH)_2$ nanostructure, facilitating stable catalytic activity and charge transport over an extended period of time compared to other types of cathodes. The long-term test showed that the RED performance was stable at 35.12 $A/m^2$ for 12 h for ≥300 cell pairs; this was compatible with the Pt/C catalysts with scales. These anti-scaling carbon electrodes were also applied for the on-site electrochemical production of hydrogen peroxide via a cathodic reaction during the production of chlorine-based oxidizing species using an anodic reaction. Both oxidants were observed to almost completely disinfect aquaculture wastewater within a short period of time, exhibiting a stable power production of 0.1 $W/m^2$ with a specific energy of 0.01 $kWh/m^3$ during the 680 h operation. These results offer a meaningful solution for the commercialization of RED along with other electrochemical systems under natural seawater conditions.
역전기투석의 상용화를 위하여 경제적이고 친환경적인 전해용액으로 해수를 사용하는 것은 좋은 대안이다. 그러나 해수를 활용할 경우, 환원 전극의 무기 오염(전극 스케일)으로 인한 전류 감소 및 변동은 상용화의 가장 큰 제한 요소로 작용하고 있다. 이러한 무기 오염은 물 환원 반응에 의한 pH 상승과 해수에 함수 된 $Mg^{2+}$ 및 $Ca^{2+}$의 과포화가 주 원인이다. 특히 국부적인 고알칼리 환경을 갖는 전해질/전극 계면에서 CaCO3 및 $Mg(OH)_2$ 와 같은 불용성 염으로 석출되어 전해질/전극 계면에 형성되면 전극의 유효 활성 면적을 감소시키고 이온 및 전자 전달의 저항체로 작용한다. 그러나 이러한 이슈를 해결하기 위한 무기 오염 메커니즘 규명과 내오염 전략에 대한 연구는 미비한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 무기 오염 저항성을 갖는 나노 탄소 기반 전극 소재를 개발하고 기존 백금 소재와의 무기 오염 메커니즘을 비교하였다. 그 결과 기존 백금 소재 전극 표면에서는 두껍고 치밀한 구조의 $Mg(OH)_2$ 이 형성되었고, 나노 백금 전극 소재 표면에서는 기공이 잘 발달한 폼 구조의 $Mg(OH)_2$ 가 형성되어 기존 백금 촉매 대비 내오염성이 증가하였다. 그러나 대용량 역전기 투석 시스템(≥ 300 셀)에서는 백금 촉매를 사용하지 않은 나노 탄소 전극의 내오염성이 더 우수하였다. 특히, 산 및 플라즈마 병합 처리 탄소 표면에서 1차원 $Mg(OH)_2$ 구조가 발견 되었으며, 적층없이 기공이 잘 발달하여 전기화학적 특성이 가장 우수 하였다. 따라서 전극 표면 구조 및 OH- 분산에 따라 $Mg(OH)_2$ 성장에 큰 영향을 주었으며, 스케일 업 역전기 투석(≥300 셀)의 장기 운전 시간 동안 35.12 $A/m^2$의 안정적인 전류 생산이 가능 하였다. 더 나아가 본 연구에서 개발한 내오염성 탄소 소재를 해수 전해질 기반 역전기투석의 전극으로 활용할 경우, 산화 전극에서는 차아염소산 및 환원 전극에서는 과산화 수소가 부수적으로 생성되었다. 특히, 온사이트 생성 차아염소산은 실제 양식장 폐수 처리에도 효과적이었으며, 폐수 내 미생물이 단 시간내 대부분 사멸했을 뿐만 아니라, 약 680 시간의 장기 운전 동안 안정적인 출력(0.1 $W/m^2$) 및 비에너지(0.02 $kWh/m^3$) 성능을 유지하였다. 이는 에너지 및 화학 약품의 투입 없이 전극 자체에서 전극 스케일을 제어하고, 실제 조건에서의 장기 내오염 성능을 처음 검증한 결과로 역전기 투석의 수처리 적용 및 상용화의 가능성을 확인 할 수 있었다.
