Power generation by reverse electrodialysis is experimentally investigated by placing nanostructures between two sodium chloride solutions with various combinations of concentrations. Bare and silica-coated alumina nanopore arrays and sintered silica nanoparticles are used in the present study. The current-potential characteristics are measured for various electrolyte concentration levels. The transference number and the electrical conductance of nanostructures are obtained from these characteristics. The transference numbers of the bare and silica-coated alumina nanopore arrays were 0.30 and 0.72, respectively; these values were nearly independent of the concentration of the sodium chloride solutions when it was less than 200 mM. Therefore, the bare and silica-coated alumina arrays can be used as anion-selective and cation-selective membranes, respectively, for micro batteries and micro power generators. The transference number of the sintered silica nanoparticles, which can be used as a cation-selective membrane, is 0.6. Finally, power generation by reverse electrodialysis using an alumina nanopore array is presented. The highest power generation measured is 542 nW, which was several orders of magnitude higher than those measured in previous studies based on nanofluidic channels or nanopores.
최근 우리나라는 매년 전력난에 시달리고 있는 실정이다. 수요 전력을 충당하기 위해 화석연료 및 원자력을 이용하고 있지만, 그 발전량과 발전에 따라 수반되는 환경 문제들을 해결하기 위한 방안이 필요하다. 따라서 다양한 신재생 에너지가 개발되고 있다. 그 중 바닷물과 강물의 농도 차를 이용한 역전기투석발전은 다른 신재생 에너지와 비교하여 지속적이고 안정적인 발전이 용이하다는 장점을 지니고 있다. 역전기투석 발전시스템은 2개의 전극 사이에 양이온, 음이온 교환막을 교차로 배치하고 교환막 사이에 바닷물과 강물을 공급해준다. 바닷물은 강물에 비해 양이온, 음이온의 농도가 높기 때문에 농도 차에 의해 이온은 바닷물에서 강물 방향으로 이동한다. 이 때 교차로 배치된 이온교환막에 의해 이온들이 특정 방향으로만 이동하게 되어 전류가 발생되고 발전이 이루어진다. 즉, 역전기투석 발전시스템은 바닷물의 농도 차를 이용한 화학에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다. 역전기투석 발전시스템에서는 높은 이온선택성을 지닌 이온교환막이 필요하다. 그러나 상용화된 이온교환막을 이용할 경우 역전기투석방식의 농도 차 발전은 다른 에너지원을 이용한 발전에 비해 많은 비용이 수반된다. 따라서 높은 발전 단가를 낮추기 위해서 역전기투석발전 시스템에 적용할 수 있는 새로운 이온교환막의 개발이 절실히 요구된다.
비금속 물질의 경우 전해질 용액과 접촉하게 되면 표면과 전해질 용액의 상호 작용에 의해 표면이 대전되게 된다. 이 때 대전되는 전하의 종류는 표면 물질에 의해 결정된다. 실리카 (SiO2)의 경우에는 표면이 음전하를 띄게 되고, 알루미나 (Al2O3)의 경우에는 표면이 양전하를 띄게 된다. 앞에서 언급한 바와 같이 알루미나와 실리카를 활용하여 나노 구조물을 제작하고 이를 활용하여 농도 차를 이용한 역전기투석 방식의 발전 시스템의 성능을 평가하였다. AAO (Anodic Aluminum Oxide)는 제작 방법이 간단하고 구조물의 형상을 조절하기 쉽다는 장점을 지니고 있기 때문에 다양한 분야에서 널리 쓰이고 있다. 특히 AAO는 SiCl4, CCl4, DI Water 등을 활용해 표면을 실리카로 코팅할 수 있다. AAO와 실리카로 코팅된 AAO, 신터링된 실리카 나노파티클을 제작하여 역전기투석 전지를 제작하여 실험을 수행하였다. 실험에서는 NaCl 용액을 사용하였고, 양단의 농도비를 일정하게 고정시키고 농도를 바꿔가면서 반복 실험을 수행하였다. 측정된 전류-전압 커브를 살펴보면 전압이 증가할수록 전류가 감소한다. 즉, 구성된 시스템에 의해 발전이 가능하다는 것을 알 수 있고, 이 때 발생하는 전력은 전류와 전압의 곱으로 계산된다. 특히, 전류가 0이 되는 전압값은 OCV라고 하고 이를 통해 시편의 이온 선택성을 나타내는 이동수를 계산할 수 있다. AAO, 실리카로 코팅된 AAO, 신터링된 실리카 나노파티클의 이동수는 각각 0.3, 0.72 및 0.5이다. 따라서 AAO은 음이온 교환막으로, 실리카로 코팅된 AAO, 신터링된 실리카 나노파티클은 양이온 교화막으로 사용할 수 있다. 실험에서 얻어진 최대 전력은 542 nW이다. 이 값은 다른 기존 연구자들의 결과에 비해 약 1000배 가량 높은 값이다.
본 연구에서는 최근 국내 연구진에서 새로운 신기술로 주목 받고 있는 역전기투석 발전시스템에 관한 연구를 수행하였다. 특히, 기존의 상용 이온교환막이 아닌 나노 구조물을 이용하여 역전기투석 발전시스템에 대한 가능성을 제시하였다.
