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전기화학에서 작업 전극()은 관심 있는 화학 반응이 일어나는 전기화학 시스템 내의 전극이다. 작업 전극은 종종 보조 전극 및 기준 전극과 함께 삼전극 시스템에서 사용된다. 전극에서 일어나는 반응이 환원인지 산화인지에 따라 작업 전극은 각각 캐소드 또는 애노드로 불린다. 일반적인 작업 전극은 금 또는 백금과 같은 귀금속부터 유리 탄소, 붕소가 도핑된 다이아몬드 또는 열분해 탄소와 같은 불활성 탄소, 그리고 수은 방울 및 필름 전극에 이르는 재료로 구성될 수 있다. 화학적으로 개질된 전극은 유기 및 무기 샘플 모두의 분석에 사용된다.
분석화학에서 선형 주사 전위법()은 작업 전극에서 전류를 측정하는 전압전류법의 한 방법으로, 작업 전극과 기준 전극 사이의 전위를 시간에 따라 선형적으로 주사한다. 물질의 산화·환원 반응은 해당 물질이 산화되거나 환원되기 시작하는 전위에서 전류 신호의 피크 또는 트로프(trough)로 기록된다.
선형 주사 전위법의 실험 설정은 전위차계와 삼전극 설정을 활용하여 용액에 전위를 가하고 전류의 변화를 모니터링한다. 삼전극 설정은 작업 전극, 보조 전극, 그리고 기준 전극으로 구성된다. 전위차계는 삼전극 설정을 통해 전위를 가한다. 작업 전극을 통해 전위 가 가해진다. 전위 대 시간 그래프의 기울기는 스캔 속도라고 불리며 mV/s에서 1,000,000V/s까지 다양하다.
작업 전극은 산화·환원 반응이 일어나는 전극 중 하나로, 이 전극에서 일어나는 과정들이 모니터링된다. 보조 전극(또는 상대 전극)은 작업 전극에서 일어나는 과정과 반대되는 과정이 일어나는 전극이다. 이 전극에서 일어나는 과정은 모니터링되지 않는다. 아래 방정식은 작업 전극 표면에서 일어나는 환원의 예를 보여준다. 는 A의 환원 전위이다 (만약 전해질과 전극이 표준 조건에 있다면, 이 전위는 표준 환원 전위이다). 가 에 접근함에 따라 표면의 전류가 증가하며, 일 때 A의 농도는 표면에서 산화/환원된 A의 농도와 같아진다 ([A] = [A−]). 작업 전극 표면의 분자들이 산화/환원됨에 따라 표면에서 멀어지고 새로운 분자들이 작업 전극 표면과 접촉한다. 전자의 전극 안팎으로의 흐름이 전류를 발생시킨다. 전류는 전극-전해질 계면을 통해 전자전달되는 속도의 직접적인 측정값이다. 이 속도가 전해질의 벌크에서 전극 표면으로 산화 또는 환원되는 물질이 확산되는 속도보다 높아지면, 전류는 평탄화되거나 피크를 나타낸다.
작업 전극 표면에서 분자 A의 환원.
보조 전극과 기준 전극은 함께 작동하여 작업 전극에 의해 추가되거나 제거된 전하의 균형을 맞춘다. 보조 전극은 작업 전극의 균형을 맞추지만, 얼마나 많은 전위를 추가하거나 제거해야 하는지 알기 위해 기준 전극에 의존한다. 기준 전극은 알려진 산화·환원 전위를 갖는다. 보조 전극은 기준 전극을 특정 환원 전위에 유지하려고 하며, 이를 위해 작업 전극의 균형을 맞춰야 한다.
특성 파악.
선형 주사 전위법은 미지의 물질을 식별하고 용액의 농도를 결정하는 데 사용될 수 있다. E1/2는 미지의 물질을 식별하는 데 사용될 수 있으며, 한계 전류의 높이는 농도를 결정할 수 있다. 전류 변화 대 전압의 민감도는 스캔 속도를 증가시킴으로써 높일 수 있다. 초당 더 높은 전위는 작업 전극 표면에서 더 많은 물질의 산화/환원을 초래한다.
가역 반응의 경우 순환 전압전류법을 사용하여 정반응 및 역반응에 대한 정보를 찾을 수 있다. 선형 주사 전위법과 마찬가지로 순환 전압전류법은 시간에 따라 선형 전위를 가하며, 특정 전위에서 전위차계는 가해진 전위를 역전시켜 시작점으로 되돌아간다. 순환 전압전류법은 산화 및 환원 반응에 대한 정보를 제공한다.
순환 전압전류법이 선형 주사 전위법이 사용되는 대부분의 경우에 적용 가능하지만, 선형 주사 전위법이 더 유용한 경우도 있다. 반응이 비가역적인 경우 순환 전압전류법은 선형 주사 전위법이 제공하는 추가 데이터를 제공하지 않는다. 한 예로, 선형 전압전류법이 생체 음극을 통한 직접 메탄 생산을 조사하는 데 사용되었다. 이산화탄소로부터의 메탄 생산은 비가역 반응이기 때문에 순환 전압전류법은 선형 주사 전위법에 비해 어떠한 뚜렷한 이점도 제공하지 않았다. 이 그룹은 생체 음극이 일반 탄소 음극보다 더 높은 전류 밀도를 생산했으며, 수소 가스 없이도 직접 전류로부터 메탄이 생산될 수 있음을 발견했다.
볜칭화(, Andy Bian, 1991년 6월 19일 ~ )는 대만의 배우, 가수이자 진행자이다.
전기화학에서 랜드레스-세브식 방정식()은 순환 전압전류법 실험에서 피크 전류 ()에 대한 주사 속도의 영향을 설명한다. 반응이 전기화학적으로 가역적이고, 생성물과 반응물이 모두 용해되는 간단한 산화·환원 반응 (예: 페로센/페로세늄 쌍)의 경우, 는 전기활성 종의 농도 및 확산 특성뿐만 아니라 주사 속도에도 의존한다.
또는 용액이 25°C일 경우:
전기화학 초보자에게 이 방정식의 예측은 직관에 반하는 것처럼 보인다. 즉, 가 빠른 전압 주사 속도에서 증가한다는 것이다. 전류 i는 단위 시간당 전하(또는 통과한 전자)라는 점을 기억하는 것이 중요하다. 순환 전압전류법에서 전극을 통과하는 전류는 전극 표면으로 종이 확산되는 것에 의해 제한된다. 이 확산 유량은 전극 근처의 농도 기울기에 영향을 받는다. 농도 기울기는 전극에서의 종의 농도와 종이 용액을 통해 얼마나 빨리 확산될 수 있는지에 의해 영향을 받는다. 전지 전압을 변경함으로써 네른스트 식에 따라 전극 표면의 종 농도도 변경된다. 따라서 더 빠른 전압 스위프는 전극 근처에서 더 큰 농도 기울기를 유발하여 더 높은 전류를 발생시킨다.
이 방정식은 다음 지배 방정식과 초기/경계 조건을 사용하여 유도된다.
이 방정식에 의해 정의된 관계를 사용하여 전기활성 종의 확산 계수를 결정할 수 있다. ip 대 ν1/2의 선형 플롯과 ν에 의존하지 않는 피크 전위(Ep)는 전기화학적으로 가역적인 산화·환원 과정을 증명한다. 확산 계수가 알려져 있거나(또는 추정될 수 있는) 종의 경우, ip 대 ν1/2 플롯의 기울기는 산화·환원 과정의 화학량론, 분석물의 농도, 전극의 면적 등에 대한 정보를 제공한다.
더 일반적인 조사 방법은 로그 스케일 x축에서 주사 속도의 함수로 피크 전류를 플롯하는 것이다. 편차는 쉽게 감지할 수 있으며 더 일반적인 맞춤 공식
를 사용할 수 있다.
이 방정식에서 formula_19는 평형 전위 formula_20에서 제로 주사 속도에서의 전류이다. 전기화학 실험실 실험에서 formula_19는 작을 수 있지만, 요즘에는 현대 장비로 쉽게 모니터링할 수 있다. 예를 들어 부식 과정은 사라지지 않지만 여전히 감지 가능한 formula_19를 유발할 수 있다. formula_23이고 x가 0.5에 가까울 때 랜드레스-세브식에 따른 반응 메커니즘을 할당할 수 있다.
이러한 종류의 반응 메커니즘의 예는 흑연 전극에서 고농도 (1M) 배경 용액 formula_24에서 분석물 (각 종 5mM 농도)로 formula_25 종의 산화·환원 반응이다.
모든 맞춤 매개변수를 포함한 더 자세한 플롯은 여기에서 볼 수 있다.
오쿠노다촌()은 야마나시현 히가시야마나시군에 있던 촌이다. 현재의 고슈시 남서부, 주오본선 가쓰누마부도쿄역- 엔잔역사이에 동서로 길게 뻗은 지역에 해당한다
다만 개통 당시 우미노미야 게이지로가 특별히 역을 만들어 연회를 열었다고 전해진다.
전기화학에서 베르진스-델라헤이 방정식()은 랜드레스-세브식 방정식과 유사하지만, 반응이 전기화학적으로 가역적이고, 반응물이 용해되며, 생성물이 열역학적 활동도 1로 전극에 증착될 때 선형 전위 스캔의 피크 높이(formula_1)를 예측한다.
이 방정식은 핵 생성이라는 복잡한 현상을 고려할 때 매우 단순한 가정하에 도출되었음에도 불구하고, 베르진스-델라헤이 방정식은 종종 formula_1를 잘 예측한다. 이는 핵 생성 과정이 이 시점에서 해결되어 도출의 근본적인 가정이 물리적 현상과 잘 일치하기 때문일 가능성이 높다. 이러한 잘못된 가정에 대한 수정 사항은 이용 가능하다.
베르진스-델라헤이 방정식은 주로 가역적인 증착 전기화학 반응에 참여하는 분석 물질의 농도 또는 확산 계수를 측정하는 데 사용된다. 이 방정식의 적용을 검증하기 위해 일반적으로 formula_1와 formula_23 사이의 선형 관계와 formula_8에 독립적인 피크 전위(formula_25)를 확인한다. 가라앉는 꼬리가 있는 급격한 환원(음전류)과 빠르게 전류가 0으로 감소하는 큰 산화 피크를 가진 증착 볼타모그램의 특징적인 모양도 반응에 용해성 반응물과 증착된 생성물이 있음을 확인하는 데 필요하다.
에란은 인도 마디아프라데시주의 사가르구에 위치한 고대 도시이자 고고학 유적지이다. 이곳에서 발굴된 다양한 동전들이 증명하듯이, 이곳은 인도 왕조들의 고대 조폐국 중 하나였다. 이 유적지에는 5세기와 6세기 굽타 시대의 사원과 기념물들이 있으며, 특히 조각상 몸에 현자와 학자들이 묘사된 거대한 돌멧돼지가 있다. 에란에서 발견된 비문들은 굽타 제국 역사의 연대기를 재구성하는 데 중요하다. 에란 또는 에라키나는 굽타 제국의 행정 구역이었던 에라키나('아이리키나') 프라데샤 또는 아이르키나 비샤야의 주도였다.
에란(), 에라카이나, 에라칸야 또는 에라키나(비문에 언급됨)의 고대 이름; 아이리키나(, 사무드라굽타 비문에 언급됨) 또는 에리키나(토라마나 비문에 언급됨)는 에라카에서 유래했다. 에라카라는 단어는 아마도 에란에서 풍부하게 자라는 코끼리 부들(학명 Typha elephantina)이라고 흔히 불리는 키 큰 풀을 의미할 것이다.
에란은 마디아프라데시주의 비나강 남쪽 강둑에 위치한다. 고대 비디샤-산치-우다야기리 유적지에서 북북동쪽으로 약 , 사가르에서 서북서쪽으로 약 , 보팔에서 북동쪽으로 약 떨어져 있다. 유적지에서 강은 거꾸로 된 "U"자 모양으로 구부러져 세 면이 물로 둘러싸여 있으며, 커닝엄은 이 때문에 "힌두 도시들이 매우 선호하는 위치"라고 언급했다. 지형은 숲이 우거지고 언덕이 많으며, 높은 지대가 에란 마을의 남쪽을 가려준다.
에란은 고대 도시로, 불교 및 힌두교 문헌, 고대 동전, 산치와 같은 인근 및 먼 유적지의 비문에서 에라카이나 또는 에라칸야로 언급된다. 현재는 많은 흙무더기들에 둘러싸인 작은 마을이며, 이는 과거의 고고학적 유적일 가능성이 높다. 에란 근처의 고고학 유적지에서는 여러 굽타 제국 시대의 비문이 발견되었다. 에란 마을에는 고고학 유물 컬렉션을 소장한 박물관이 있다. 사티(과부의 분신)의 첫 번째 비문 증거는 에란의 바누굽타 비문(510년)에서 발견되었다.
에란 유적지에서 다음과 같은 문화 시퀀스가 발굴 및 탄소 연대 측정되었다.
제1기: 금석병용 시대(기원전 1800년-기원전 700년)
제2기: 초기 역사 시대(기원전 700년-기원전 2세기)
제2B기: 기원전 2세기 - 기원후 1세기
제3기: 1세기 - 기원후 600년
제4기: 중세 후기(16세기 - 18세기)
이 단지는 원래 바수데바와 상카르샤나에게 봉헌된 쌍둥이 사원으로 구성되어 있었고, 13미터 높이의 가루다 기둥으로 보호되었다.
에란 마을 서쪽에는 고대 힌두교 사원들이 모여 있다. 이 사원들은 동쪽이나 다른 주요 방위와 정렬되어 있지 않고, 76도, 즉 동쪽에서 북쪽으로 약 14도 비틀어져 있다. 이는 이 사원들이 굽타 시대에 건설되었음을 시사한다. 커닝엄에 따르면, 모든 사원과 다른 굽타 시대 힌두교 사원 유적지에서 이러한 의도적인 방향 변경은 한 삭샤트라(하루 동안의 달 움직임) 또는 360도의 27분의 1에 맞추기 위한 것일 수 있다.
모든 사원은 직사각형 또는 정사각형 평면을 가지고 있으며 일렬로 늘어서 있다.
기둥: 사원들 줄의 정확히 앞에 있다. 높이의 거석 기둥은 폭의 정사각형 받침대 위에 서 있다. 기둥의 아래 는 정사각형 단면(2.85피트 폭)이고, 다음 는 팔각형이다. 그 위에는 높이와 지름의 갈대 모양 종형 주두가 있다. 주두 위에는 높이의 주판, 그 다음 의 정육면체, 그리고 마지막으로 손에 뱀을 들고 머리 뒤에 차크라 바퀴가 있는 높이의 이중 가루다 조각상이 있다. 비슈누의 바하나인 가루다는 두 사람이 융합되어 등을 공유하며 각각 180도 공간을 바라보고 있는 모습으로 묘사되어 있다. 한 사람은 사원 쪽을, 다른 한 사람은 마을 쪽을 바라본다. 받침대 근처, 사원 쪽을 향하는 면에는 산스크리트어 비문이 있다. 이 비문에는 165년과 힌두 달력의 아샤다월이 언급되어 있으며, 비슈누-자나르다나에게 봉헌되었다. 굽타 연도 165는 기둥이 기원후 484/485년에 봉헌되었음을 의미한다. 이 기둥은 때때로 부다굽타 기둥 또는 비마 기둥으로 불린다.
바라하 사원.
가장 특이하고 주목할 만한 사원은 비슈누의 바라하 아바타라에 봉헌된 것이다. 일반적으로 바라하는 힌두교 사원에서 인간-멧돼지 아바타라로 표현된다. 에란에서는 바라하 전설의 거대한 동물 형태의 표현인데, 캐서린 베커는 이를 "도상학적 혁신"이라고 부른다.
멧돼지는 돌로 만들어졌지만, 표면의 복잡한 조각, 오른쪽 엄니에 매달린 여신, 비문 및 기타 세부 사항들이 이 조각상을 상징적인 서사로 만든다. 에란 유적지는 폐허가 되었지만, 이 유적지가 훨씬 더 복잡하고 발달된 형태였다는 것을 시사하는 충분한 잔해가 남아 있다. 현재 멧돼지는 야외에 서 있지만, 그 주변의 기초와 그루터기는 그 주위에 벽과 만다파가 있어 완전한 사원을 이루었음을 확인시켜 준다. 학자들은 사원의 형태가 어떠했을지에 대해 논쟁하고 있다. 체계적인 보고서를 처음 작성한 커닝엄은 직사각형 신전을 제안했다. 이후 캐서린 베커와 같은 학자들은 그것이 아마도 더 컸을 것이며, 카주라호의 바라하 신전과 더 유사했을 것이라고 제안한다.
에란의 거대한 바라하는 비슈누 아바타라인 바라하의 가장 초기에 알려진 완전한 동물 형태의 도상이다. 묘사된 장면은 바라하가 억압적인 악마 히란야크샤를 성공적으로 죽이고, 여신 대지(프리트비, 부데비)를 찾아 구해내어 안전하게 돌아온 모습이다. 에란 바라하 조각상은 여러 가지 이유로 중요하다.
사원은 디야나비슈누 왕에 의해 건설되었다. 커닝엄과 다른 사람들은 이 사원이 자연적 침식보다는 어느 시점에 파괴되었음을 시사하는 파손된 기둥들과 함께 폐허가 된 상태로 발견했다. 멧돼지는 서 있었다. 길이는 , 높이는 , 폭은 이다. 그것은 성소 안에 있었다. 커닝엄은 그가 본 기둥들의 유적 때문에 그 앞에 만다파도 있었다고 말한다. 그는 "힌두 장식 예술의 놀랍도록 훌륭한 표본"이었던 조각된 10피트 높이의 기둥 두 개를 발견했다.
현재 바라하 플랫폼에서 약 앞에 또 다른 돌이 있는데, 6피트 x 3.5피트 크기이다. 사원 배열과 일치하며 땅에 박혀 있다. 그 위에는 해독되지 않은 큰 조개 문양 비문이 있다. 이것은 아마도 원래 사원의 입구를 형성했던 돌일 것이다. 이 입구 돌에서 약 앞에는 토라나(힌두교 아치형 문)의 파괴된 잔해가 있다. 문 기둥은 부러졌지만, 그 중 하나는 살아남아 장식되어 있다(도면에서 "G"). 커닝엄은 부러진 기둥 부분을 찾았지만, 몇 개의 부러진 조각상만 발견했고 대부분의 토라나 기둥은 사라졌다.
바라하 사원 유적 옆에는 두 개의 테라스가 있는데, 하나는 남쪽에 있는 폭의 정사각형이고, 다른 하나는 x 이다. 이들 또한 사원이었을 가능성이 높지만, 현재는 소실되었다.
비슈누 사원.
비슈누 사원은 바라하 사원 북쪽에 있다. 이곳에는 높이의 손상된 거대한 비슈누 조각상이 있다. 이 사원도 대부분 폐허가 되었지만, 성소, 만다파, 그리고 힌두교 사원의 모든 요소가 있었던 흔적이 보인다. 바라하 사원과 마찬가지로 비슈누 사원에도 복잡하게 조각된 기둥들이 있었지만, 디자인은 달랐다. 성소 앞 문설주 일부는 살아남았는데, 이곳에는 전통적인 강 여신인 강가와 야무나가 성소 입구를 에워싸고 있는 모습이 보인다. 하지만 이들은 후기 굽타 시대 사원들처럼 바닥에 더 가깝게 위치해 있다. 커닝엄은 이 사원이 아마도 5세기 또는 6세기에, 인접한 초기 굽타 시대 바라하 사원보다 2~3세기 후에 지어졌을 것으로 추정했다. 커닝엄은 입구의 잔해가 "호화롭게 장식되어" 있으며, 남아있는 부조들은 일상생활과 통과의례 장면을 보여준다고 썼다. 사원 근처에는 대문과 다른 기념물들의 유적이 있는데, 그 중 하나는 바마나 사원이었을 가능성이 높다. 커닝엄에 따르면, 작은 사당 기념물 중 하나에는 그가 에란 마을에서 발견한 인간-멧돼지 조각상이 있었다.
나라심하 사원.
나라심하 사원은 이 그룹에서 가장 북쪽에 위치한 실질적인 유적이지만, 커닝엄의 발굴에 따르면 추가적인 사원들이 있었다. 나라심하 사원은 12.5피트 x 8.75피트 크기의 단일 방이었고, 앞에 네 기둥으로 된 만다파가 있었다. 이 기둥들은 현재 사라졌지만, 주춧돌의 잔해는 한때 기둥들이 있었다는 것을 확인시켜 준다. 유적지에서 발견된 부러진 기둥들과 남아있는 주춧돌의 형태가 일치하는 것을 보면, 기둥들이 복잡하게 조각되어 있었음을 알 수 있다. 성소에는 비슈누의 인간-사자 아바타라인 높이의 나라심하 조각상이 있었다.
하누만 사원.
기원후 약 750년경의 하누만 옛 사원.
에란은 비디샤, 우자인, 트리푸리와 함께 인도 왕국들의 고대 주화 주조소 중 하나였을 것이다. 기원전 1천년기 마지막 수세기부터 7세기까지 다양한 양식, 모양, 비문을 가진 수많은 고대 동전들이 이곳에서 발견되었다. 이곳에서 발견된 3,000개 이상의 동전은 기원전 300년에서 기원후 100년 사이의 것으로 추정된다. 정사각형 동전은 에란의 특산품이었으며, 발굴된 유물 중에서 지배적이다. 브라운에 따르면, 고대 에라키나 또는 에란 주조소는 "펀치 마크 동전"보다 훨씬 더 완벽한 동전 제작 기술인 "다이-메소드"를 혁신하여 차별화되었다. 19세기 후반의 고고학자 커닝엄은 "에란의 구리 동전은 그가 인도 전역에서 발견한 것 중 가장 훌륭한 표본"이며, "옛 인도 화폐 중 가장 크고 가장 작은 표본을 제시하는 점에서도 주목할 만하다"고 말했다. 가장 큰 동전은 직경 약 , 가장 작은 동전은 직경 약 이다. 커닝엄은 발견된 동전을 네 가지로 분류했다.
동전의 일반적인 모티프는 물을 뿌리는 듯이 두 마리의 코끼리가 옆에 있는 여신 락슈미, 말, 코끼리, 황소, 나무(아마도 보리수), 꽃(특히 연꽃), 스와스티카, 강, 다르마차크라와 트라이라트나 같은 불교 상징, 삼각형을 포함한다. 거의 모든 동전에는 커닝엄이 언급한, 네 부분에 원이 있는 십자가로 구성된 특이한 상징이 나타난다.
에란에서 발견된 동전 중에는 브라흐미 문자로 담마팔라(Dharmapala)라는 이름이 새겨진 것이 있다. 이 구리 동전은 현재 런던의 영국 박물관에 전시되어 있다. 커닝엄은 1891년에 이것이 인도에서 가장 초기에 새겨진 동전 중 하나라고 언급했다. 고문서학적 근거로 이 동전은 기원전 3세기 후반으로 추정된다. 같은 시기로 추정되는 다른 통치자 "인드라굽타(Indragupta)"의 이름이 새겨진 원형 납 조각도 에란에서 발견되었다. 브라흐미 문자로 '에라칸야(Erakannya)' 또는 '에라카나(Erakana)'라는 이름이 새겨진 여러 구리 동전도 에란에서 발견되었다. 커닝엄은 강 상징이 마을이 위치한 비나강을 나타낸다고 제안했다. 그는 또한 동전의 반원이 옛 에란 마을을 나타내며, 아마도 그런 모양이었을 것이라고 추측했다.
기원전 3세기의 에란 청동 주화는 타밀나두주의 코임바토르 지역 술루르에서 발굴 중 발견되었다.
스리다라바르만의 비문 (기원후 350년경).
기원후 339-368년경 중앙 인도를 통치했던 사카 (인도-스키타이) 왕 스리다라바르만은 에란에 있는 작은 기둥에 그의 나가 군 사령관과 함께 비문을 새겼다. 바누굽타는 나중에 기원후 510년경 같은 기둥에 자신의 비문을 썼다.
스리다라바르만의 비문은 연대기적으로 굽타 제국의 사무드라굽타 (재위 336-380년)의 기념물과 비문에 이어지는 것으로 보인다. 사무드라굽타는 "자신의 명성을 높이기 위해" 세워졌으며, 서방 원정에서 스리다라바르만을 축출했을 수도 있다.
사무드라굽타의 비문.
사무드라굽타(336-380년)의 에란 비문은 현재 콜카타의 인도 박물관에 보관되어 있다. 붉은 사암으로 된 이 비문은 파괴된 멧돼지 사원 서쪽에서 멀지 않은 곳에서 발견되었다. 손상되어 비문의 많은 부분이 사라졌지만, 커닝엄에 따르면 이것은 중요한 발견이었다. 왜냐하면 여기에 적어도 "2, 3, 4, 5, 6, 7"이 보존된 숫자 문자가 있기 때문이다.
부다굽타의 비문 (기원후 484-485년).
부다굽타 비문은 기원후 484-485년으로 추정된다. 비슈누파 비문이다. 굽타 왕국이 칼린디 강에서 나르마다 강까지 뻗어 있었으며, 이 비문은 비슈누의 다른 이름인 자나르다나를 기리기 위해 기둥을 세운 것을 기념한다고 묘사한다.
토라마나의 비문 (기원후 500년경).
토라마나의 에란 멧돼지 비문은 산스크리트어 8줄로 된 돌 비문으로, 처음 세 줄은 운율을 이루고 나머지는 산문이며, 북인도 문자로 쓰여 있다. 높이 의 독립형 붉은 사암 멧돼지 조각상(비슈누 아바타라의 동물 형상 도상)의 가슴에 새겨져 있으며, 6세기경으로 추정된다. 이 비문은 알혼족의 왕인 토라마나가 말와를 통치하고("땅을 다스리며") 다냐비슈누가 나라야나(비슈누)에게 돌 사원을 봉헌하는 것을 기록하고 있다.
바누굽타의 비문 (기원후 510년).
네 번째 비문은 심하게 손상되었지만 중요하다. 이 비문은 바누굽타를 언급하며 스리다라바르만 기둥의 뒷면에 새겨져 있다. 또한 달력 체계를 언급하지 않고 191년에 족장 또는 귀족 고파라자가 전투에서 사망한 것을 언급한다. 이는 일반적으로 굽타 시대 191년, 즉 기원후 510년으로 받아들여진다. 또한 고파라자의 화장과 그의 아내가 장례 화장대에서 자신을 화장한 것을 언급한다. 셸랏은 이것이 사티의 가장 초기에 기록된 사례 중 하나라고 말한다. 커닝엄은 이 바누굽타-고파라자 비문에 대해 언급하지 않았지만, 자신이 발견한 세 개의 사티 돌에 대해서는 언급했고, 그가 발견한 가장 초기의 사티 돌 기념물은 삼밧 1361년(기원후 1304년)의 것이라고 말했다. 바누굽타 비문은 사티 또는 동등한 단어를 사용하지 않았으며, 이 비문은 첫 판본에서 플릿에 의해 보간되었고, 나중에 두 번째 판본에서 수정되었다.
에란 유적지에서는 추가적인 사티 돌이 발굴되었다. 알렉산더 커닝엄은 1874-1875년 고고학 조사 보고서에서 에란 유적지 및 강 건너 마을을 포함하여 세 개의 비문이 있는 사티 돌을 언급했다. 그는 비문을 바탕으로 첫 번째 돌은 만두가르-두르그와 찬데리의 술탄 마흐무드 킬치 통치 시기, 두 번째 돌은 1664년 파티사히 사히 자한 통치 시기(커닝엄은 그를 샤 자한 궁정의 자기르이자 귀족으로 추측), 세 번째 돌은 1774년 판디트 발완트 라우 고빈드와 발라지 투카 데바 통치 시기로 추정했다.
전기화학에서 패러데이 전류()는 전극에서 일부 화학 물질의 환원 또는 산화에 의해 생성되는 전류이다. 순 패러데이 전류는 지시 전극 또는 작업 전극을 통해 흐르는 모든 패러데이 전류의 대수학적 합이다.
한계 전류.
전기화학에서 한계 전류(limiting current)는 전극으로의 전하 이동 속도가 증가함에 따라 접근하는 패러데이 전류의 한계 값이다. 한계 전류는 예를 들어 전위를 증가시키거나 전극으로의 물질 이동 속도를 감소시킴으로써 접근할 수 있다. 이는 유한한 범위 내에서 인가된 전위와 독립적이며, 일반적으로 측정된 총 전류에서 적절한 잔류 전류를 빼서 평가된다. 한계 전류는 흡착, 촉매, 확산 또는 운동 전류의 특성을 가질 수 있으며, 이동 전류를 포함할 수 있다.
이동 전류.
지시 전극 또는 작업 전극의 특정 전위 값에서 이온성 전기활성 물질의 환원 또는 산화에 대해 실제로 얻어지는 전류와, 전극 사이의 전기장으로 인해 해당 물질의 운반이 없는 경우 동일한 전위에서 얻어질 전류 사이의 차이. 전류에 관한 부호 규약은 양이온의 환원 또는 음이온의 산화에 대해 이동 전류가 음수이고, 양이온의 산화 또는 음이온의 환원에 대해 양수라는 것이다. 따라서 이동 전류는 관찰되는 총 전류를 증가시키거나 감소시키는 경향이 있을 수 있다. 어떤 경우든 이동 전류는 지지전해질의 농도를 증가시켜 전도도를 높임으로써 전기활성 물질의 운반 숫자가 감소함에 따라 0에 접근한다.
마쓰사토촌()은 야마나시현 히가시야마나시군에 있던 촌이다. 현재의 고슈시 북서쪽에 해당한다
전기화학에서 버틀러-폴머 방정식(, 존 앨프리드 발렌타인 버틀러와 막스 폴머의 이름을 따서 명명됨)은 에르데이-그루즈–폴머(Erdey-Grúz–Volmer) 방정식으로도 알려져 있으며, 전기화학 반응 속도론에서 가장 기본적인 관계 중 하나이다. 이는 양극 반응과 음극 반응이 동일한 전극에서 일어난다고 가정할 때, 단순한 단일 분자 산화환원 반응에서 전극을 통해 흐르는 전류가 전극과 벌크 전해질 사이의 전압 차이에 어떻게 의존하는지를 설명한다.
버틀러-폴머 방정식.
버틀러-폴머 방정식은 다음과 같다.
또는 더 간결한 형태로:
오른쪽 그림은 formula_15에 유효한 플롯을 보여준다.
제한적인 경우.
버틀러-폴머 방정식에는 두 가지 제한적인 경우가 있다.
여기서 formula_21와 formula_22는 상수(주어진 반응과 온도에 대해)이며 타펠 방정식 상수라고 불린다. 타펠 방정식 상수의 이론값은 음극 및 양극 과정에 따라 다르다. 그러나 타펠 기울기 formula_22는 다음과 같이 정의될 수 있다.
여기서 formula_25는 패러데이 전류이며, formula_26로 표현되고, formula_27와 formula_28는 각각 음극 및 양극 부분 전류이다.
확장된 버틀러-폴머 방정식.
물질 이동이 영향을 미치는 조건에 적용할 수 있는 버틀러-폴머 방정식의 더 일반적인 형태는 다음과 같이 쓸 수 있다.
위의 형태는 전극 표면의 전기화학 활성종 농도가 벌크 농도와 같을 때 일반적인 형태(문서 상단에 표시된)로 단순화된다.
전극의 전류-전압 관계를 결정하는 두 가지 속도가 있다. 첫째는 반응물을 소모하고 생성물을 생산하는 전극에서의 화학 반응 속도이다. 이것을 전하 전달 속도라고 한다. 둘째는 확산, 이동, 대류 등 다양한 과정을 통해 반응물이 전극 영역으로 공급되고 생성물이 제거되는 속도이다. 후자를 물질 이동 속도라고 한다. = \frac {zFD_{\rm eff}} {\delta} c^*&lt;/math&gt;
이 두 속도는 전극에서 반응물과 생성물의 농도를 결정하며, 이는 다시 이들 속도에 의해 결정된다. 이들 속도 중 가장 느린 속도가 전체 공정 속도를 결정한다.
단순 버틀러-폴머 방정식은 전극에서의 농도가 벌크 전해질의 농도와 실질적으로 같다고 가정하여, 전류를 전위의 함수로만 표현할 수 있게 한다. 다시 말해, 물질 이동 속도가 반응 속도보다 훨씬 크고, 반응이 더 느린 화학 반응 속도에 의해 지배된다고 가정한다. 이러한 한계에도 불구하고, 버틀러-폴머 방정식은 전기화학에서 널리 사용되며, 종종 "현상학적 전극 반응 속도론의 핵심"으로 간주된다.
확장된 버틀러-폴머 방정식은 이러한 가정을 하지 않고, 전극에서의 농도를 주어진 것으로 간주하여 전류가 전위뿐만 아니라 주어진 농도의 함수로도 표현되는 관계를 제공한다. 물질 전달 속도는 비교적 작을 수 있지만, 화학 반응에 미치는 유일한 영향은 변화된(주어진) 농도를 통해서이다. 사실상, 농도는 전위의 함수이다. 전류를 전위의 함수로만 표현하는 완전한 처리는 확장된 버틀러-폴머 방정식에 의해 표현되겠지만, 농도를 전위의 함수로 표현하기 위해 물질 전달 효과를 명시적으로 포함해야 한다.
일반적인 표현.
확장된 버틀러-폴머 방정식의 다음 유도는 바드와 포크너 및 뉴먼과 토마스-앨리아의 유도에서 가져왔다. 간단한 단일분자, 단일 단계 반응의 형태는 다음과 같다.
정방향 및 역방향 반응 속도(vf 및 vb)와 패러데이의 전기분해 법칙으로부터 관련 전기 전류 밀도(j)는 다음과 같이 쓸 수 있다.
여기서 kf와 kb는 반응 속도 상수이며, 단위는 빈도(1/시간)이고 co와 cr은 각각 산화된 분자와 환원된 분자의 표면 농도(몰/면적)이다(이전 섹션에서는 co(0,t)와 cr(0,t)로 표기됨). 순 반응 속도 v와 순 전류 밀도 j는 다음과 같다.
위 그림은 반응 좌표 ξ의 함수로 다양한 깁스 에너지 곡선을 플롯한 것이다. 반응 좌표는 대략 거리의 척도이며, 전극 본체는 왼쪽에 있고 벌크 용액은 오른쪽에 있다. 파란색 에너지 곡선은 전위가 인가되지 않았을 때 산화된 분자가 전극 표면에 가까워질수록 깁스 에너지가 증가하는 것을 보여준다. 검은색 에너지 곡선은 환원된 분자가 전극에 가까워질수록 깁스 에너지가 증가하는 것을 보여준다. 두 에너지 곡선은 formula_33에서 교차한다. 전극에 전위 E를 인가하면 에너지 곡선이 아래로 이동하며 (빨간색 곡선으로) nFE만큼 이동하고 교차점은 formula_34로 이동한다. formula_35와 formula_36는 일반적인 E에 대해 각각 산화된 종과 환원된 종이 극복해야 할 활성화 에너지(에너지 장벽)인 반면, formula_37와 formula_38는 E=0일 때의 활성화 에너지이다.
속도 상수가 아레니우스 방정식으로 잘 근사된다고 가정하면,
여기서 Af와 Ab는 Af co = Ab cr이 "정확하게 정렬된" O-R 충돌 빈도인 상수이며, 지수 항(볼츠만 인자)은 장벽을 극복하고 반응하기에 충분한 에너지를 가진 충돌의 비율이다.
전이 영역에서 에너지 곡선이 실질적으로 선형이라고 가정하면 다음과 같이 표현할 수 있다.
이 간단한 경우의 전하 전달 계수는 대칭 인자와 동일하며, 에너지 곡선의 기울기로 표현할 수 있다.
간결하게 정의하면:
이제 속도 상수는 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서 제로 전위에서의 속도 상수는 다음과 같다.
인가된 전위 E의 함수로서의 전류 밀도 j는 이제 다음과 같이 쓸 수 있다.
평형 전위로 표현.
특정 전압 Ee에서 평형이 달성되면 정방향 및 역방향 속도(vf 및 vb)는 동일해진다. 이는 위 그림의 녹색 곡선으로 나타낸다. 평형 속도 상수는 kfe 및 kbe로 표기되며, 평형 농도는 coe 및 cre로 표기된다. 평형 전류(jce 및 jae)는 동일하며, 교환 전류 밀도라고 알려진 jo로 표기된다.
평형 상태에서 순 전류 밀도는 0이 된다는 점에 유의한다. 평형 속도 상수는 다음과 같다.
위 식을 kfo와 kbo에 대해 평형 농도 coe와 cre 및 교환 전류 밀도 jo로 풀면, 인가된 전위 E의 함수로서의 전류 밀도 j는 다음과 같이 쓸 수 있다.
벌크 용액에서 평형이 유지된다고 가정하면, 농도는 formula_57 및 formula_58이 되므로, formula_59 및 formula_60이 성립하며, 전류 밀도 j에 대한 위 표현은 버틀러-폴머 방정식이 된다. E-Ee는 또한 η, 즉 활성화 과전압으로도 알려져 있다.
표준 전위로 표현.
간단한 반응의 경우 깁스 에너지의 변화는 다음과 같다.
여기서 aoe와 are는 평형 상태에서의 활동도이다. 활동도 a는 활동도 계수 γ에 의해 a=γc로 농도 c와 관련된다. 평형 전위는 네른스트 식에 의해 주어진다.
여기서 formula_63는 표준 전극 전위이다.
형식 전위를 정의하면 다음과 같다.
평형 전위는 다음과 같다.
이 평형 전위를 버틀러-볼머 방정식에 대입하면 다음과 같다.
이는 표준 속도 상수 ko로도 다음과 같이 쓸 수 있다.
표준 속도 상수는 농도와 무관하게 전극 거동의 중요한 설명자이다. 이는 시스템이 평형에 접근하는 속도의 척도이다. formula_69 극한에서 전극은 이상적인 분극 가능한 전극이 되고 전기적으로 개방 회로처럼 작동한다(커패시턴스 무시). ko가 작은 거의 이상적인 전극의 경우, 상당한 전류를 생성하려면 과전압에 큰 변화가 필요하다. formula_70 극한에서 전극은 이상적인 비분극성 전극이 되고 전기적 단락처럼 작동한다. ko가 큰 거의 이상적인 전극의 경우, 과전압의 작은 변화가 전류의 큰 변화를 생성한다.
가스 확산 전극(, GDE)은 고체, 액체 및 기체 계면이 접합되어 있고, 액체상과 기체상 사이의 전기화학 반응을 지지하는 전기 전도성 촉매를 가진 전극이다.
GDE는 연료전지에 사용되며, 이 연료전지에서는 산소와 수소가 가스 확산 전극에서 반응하여 물을 형성하고, 동시에 화학 결합 에너지를 전력량으로 변환한다. 일반적으로 촉매는 다공성 박막에 고정되어 액체와 기체가 상호작용할 수 있도록 한다. 이러한 젖음 특성 외에도 가스 확산 전극은 낮은 전기저항으로 전자 수송을 가능하게 하기 위해 최적의 전기 전도성을 제공해야 한다.
가스 확산 전극 작동의 중요한 전제 조건은 액체 및 기체상이 전극의 기공 시스템에서 공존한다는 것이며, 이는 영-라플라스 방정식으로 입증될 수 있다:
가스 압력 p는 기공 반경 r, 액체의 표면 장력 γ, 접촉각 θ를 통해 기공 시스템 내 액체와 관련된다. 이 방정식은 너무 많은 미지 또는 달성하기 어려운 매개변수가 있기 때문에 결정의 지침으로 간주되어야 한다. 표면 장력을 고려할 때 고체와 액체 간의 표면 장력 차이를 고려해야 한다. 그러나 탄소상의 백금이나 은과 같은 촉매의 표면 장력은 거의 측정할 수 없다. 평평한 표면의 접촉각은 현미경으로 결정할 수 있다. 그러나 단일 기공은 검사할 수 없으므로 전체 전극의 기공 시스템을 결정해야 한다. 따라서 액체와 기체를 위한 전극 영역을 생성하기 위해 다른 기공 반경 r을 생성하거나 다른 젖음 각도 θ를 생성하는 경로를 선택할 수 있다.
소결 전극.
소결 전극의 이 이미지에서 세 가지 다른 입자 크기가 사용되었음을 알 수 있다. 다른 층은 다음과 같다:
1950년부터 1970년까지 소결 방식으로 제조된 대부분의 전극은 연료 전지용이었다. 이 생산 방식은 두께가 2 mm로 두껍고 무거웠으며, 개별 층은 매우 얇고 결함이 없어야 했기 때문에 경제적인 이유로 중단되었다. 판매 가격이 너무 높았고 전극을 지속적으로 생산할 수 없었다.
가스 확산의 원리는 이 다이어그램에 설명되어 있다. 이른바 가스 분배 층은 전극의 중앙에 위치한다. 작은 가스 압력만으로도 전해질이 이 기공 시스템에서 밀려난다. 작은 유동 저항은 가스가 전극 내부에서 자유롭게 흐를 수 있도록 보장한다. 약간 더 높은 가스 압력에서는 기공 시스템의 전해질이 작업 층으로 제한된다. 표면 층 자체는 압력 최고점에서도 가스가 전극을 통해 전해질로 흐르지 못할 정도로 미세한 기공을 가지고 있다. 이러한 전극은 산란 및 후속 소결 또는 열간 압착에 의해 생산되었다. 다층 전극을 생산하기 위해 미세 입자 재료를 용범에 산란시키고 평활하게 만들었다. 그런 다음 다른 재료들을 여러 층으로 적용하고 압력을 가했다. 생산은 오류가 많을 뿐만 아니라 시간 소모적이었고 자동화하기 어려웠다.
접착 전극.
약 1970년부터 PTFE는 친수성과 소수성 특성을 모두 가지며 화학적으로 안정하고 바인더로 사용할 수 있는 전극을 생산하는 데 사용된다. 이는 PTFE의 비율이 높은 곳에서는 전해질이 기공 시스템으로 침투할 수 없고 그 반대도 마찬가지라는 의미이다. 이 경우 촉매 자체는 소수성이 아니어야 한다.
PTFE 촉매 혼합물을 생산하는 두 가지 기술적 변형이 있다:
분산 경로는 주로 중합체 전해질을 사용하는 전극에 선택되며, 양성자 교환막 연료전지 (PEM 연료 전지) 및 양성자 교환막 (PEM) 또는 염산 (HCL) 막 전기 분해에 성공적으로 도입되었다. 액체 전해질에 사용될 때는 건식 공정이 더 적합하다.
또한, 분산 경로(물의 증발 및 340 °C에서 PTFE의 소결을 통해)에서는 기계적 압착이 생략되고 생산된 전극은 매우 다공성이다. 빠른 건조 방법을 사용하면 액체 전해질이 침투할 수 있는 전극에 균열이 생길 수 있다. 아연-공기 전지 또는 알칼리 연료전지와 같은 액체 전해질 응용 분야에는 건식 혼합 방법이 사용된다.
산성 전해질에서는 전기 촉매가 일반적으로 백금, 루테늄, 이리듐, 로듐과 같은 귀금속이다. 아연-공기 전지 및 알칼리 연료전지와 같은 알칼리 전해질에서는 탄소, 망가니즈, 은, 니켈 폼 또는 니켈 메시와 같은 저렴한 촉매를 사용하는 것이 일반적이다.
처음에는 그로브 전지에 고체 전극이 사용되었고, 프랜시스 토머스 베이컨이 베이컨 연료전지에 가스 확산 전극을 처음 사용하여 고온에서 수소와 산소를 전기로 변환했다. 수년에 걸쳐 가스 확산 전극은 다음과 같은 다양한 다른 공정에 적용되었다:
GDE는 모든 수준에서 생산된다. 연구 개발 회사뿐만 아니라 대부분의 경우 연료 전지 또는 배터리 장치에 사용되는 막 전극 조립체 (MEA) 생산을 위한 대기업에서도 사용된다. 대량 생산을 전문으로 하는 GDE 회사로는 Johnson Matthey, Gore 및 가스카텔이 있다. 그러나 다양한 모양, 촉매 및 적재량을 평가할 수 있는 맞춤형 또는 소량 GDE를 생산하는 많은 회사도 있으며, FuelCellStore, FuelCellsEtc 등이 있다.
이산화 탄소의 전기화학적 환원() 또는 CO2RR은 이산화 탄소(CO2)를 전력량을 사용하여 더 환원된 화학종으로 변환하는 과정이다. CO2RR은 폼산염, 일산화 탄소, 메테인, 에틸렌, 에탄올을 포함한 다양한 화합물을 생산할 수 있다. 재생 가능 에너지와 연도가스 또는 직접공기집기에서 공급되는 CO2를 사용하여 공정을 진행할 경우, 이는 효율적인 형태의 탄소 포집 및 활용이 될 수 있다.
CO₂RR은 폐기물 CO2에서 유용한 제품을 만들면서 온실 기체 배출을 줄일 수 있는 잠재력 때문에 최근 상당한 연구 및 상업적 관심을 받고 있다. 주요 과제는 전기 비용, 이러한 제품의 기존 석유화학 기반 생산 방법과의 경쟁, 그리고 사용 전에 CO2를 정제해야 할 필요성이다.
CO2의 전기화학적 환원은 19세기 아연 캐소드를 사용하여 이산화 탄소를 일산화 탄소로 환원시키면서 처음 시연되었다. 이 분야는 1970년대 오일 쇼크 이후 1980년대에 관심이 급증했다. 2021년 현재, 지멘스, Dioxide Materials, 트웰브, GIGKarasek 및 OCOchem을 포함한 여러 회사에서 이산화 탄소 전기화학적 환원 시범 및 실증 규모가 개발 중이다. 최근 상온 조건에서 이산화 탄소 전기 분해 기술의 주요 기술적 격차와 상업적 잠재력을 평가하기 위한 기술 경제 분석이 수행되었다.
CO2RR은 전기 분해 장치를 사용하여 수행되며, 여기서 CO2는 캐소드에서 환원되고 물은 애노드에서 산소 가스(O2)로 산화된다. 애노드에는 일반적으로 촉매도 포함되어 있는데, 촉매의 선택은 생성물에 큰 영향을 미친다. 예를 들어, 금과 은은 일산화 탄소를 생성하는 경향이 있으며, 구리는 종종 에틸렌 또는 에탄올과 같은 다중 탄소 화합물을 생성한다. 탄산염 또는 CO2에서 유래한 탄산수소염, MEA 또는 DEA와 같은 알칼리 또는 아민 기반 흡착제를 사용하여 연도 가스 방출물에서 얻은 카르밤산염을 포함하여 다른 형태의 CO2를 환원시키기 위한 대체 전기 분해 장치도 개발되었다. 이러한 시스템의 기술 경제성은 아직 실현 가능하지 않지만, 산업적으로 관련된 규모에서 에틸렌과 같은 상업용 화학 물질을 생산하는 데 거의 순수한 탄소 중립 경로를 제공한다.
1870년, 프랑스 화학자 J. 로이어는 탄산 가스(이산화 탄소)를 아연 애노드를 사용하여 폼산으로 전기화학적으로 환원시키는 것을 처음으로 보고했다. 1904년, 독일 화학자 알프레드 쇤과 슈테판 얀은 이 과정을 더 자세히 연구하여 다양한 캐소드와 pH 범위를 테스트했으며, 아연 아말감 캐소드와 비산성 전해질에 대한 강한 선호도를 지적했다. 이러한 조건은 이 신흥 분야의 연구 표준이 되었다. 1940년대와 1950년대의 실험, 특히 피에르 반 라이셀버그의 실험은 반응 과정을 연구하여, 이산화 탄소(탄산염 또는 탄산수소염 이온이 아님)가 전기활성 종임을 증명했다.
이러한 기초 연구는 주로 CO2를 폼산염 또는 폼산으로 환원시키는 것을 보고했다. 다른 제품의 생성은 1980년대에 자세히 연구되기 시작했는데, 당시 호리 요시오와 그의 동료들은 탄화수소와 일산화 탄소를 생산하는 조건을 보고했다.
일부 화학 물질은 요소 (화학), 살리실산, 메탄올 및 특정 무기 및 유기 탄산염을 포함하여 CO2로부터 산업적으로 제조되지만, 이는 전기화학적 공정보다는 표준 화학 공정이다. 그러나 2020년대 초부터 여러 회사가 이산화 탄소의 전기화학적 환원을 위한 상업 규모 공정 개발에 투자하고 있다. 캘리포니아에 본사를 둔 스타트업인 트웰브는 이산화 탄소를 일산화 탄소로 환원시키는 것을 목표로 하며, 이는 다시 피셔-트롭쉬 과정을 통해 탄화수소로 전환될 수 있다. 프랑스-미국 스타트업인 Dioxycle은 광범위한 화학 물질 및 플라스틱의 원료로 널리 사용되는 에틸렌을 생산한다.
실험실에서는 이산화 탄소가 때때로 카복실화로 알려진 과정에서 카복실산을 준비하는 데 사용된다. 산업 규모의 셀 크기(15,000cm2)에서 상온에서 작동하는 전기화학적 CO2 전해조는 미국 육군이 발행한 R&amp;D 계약의 일환으로 OCOchem에 의해 2024년 4월에 발표되었다. 이 CO2 전해조는 캐소드 표면적이 15,000cm2로 가장 가까운 대안보다 650% 더 크고 85%의 지속적인 패러데이 효율을 달성하는 세계 최대 규모로 보고되었다. CO2를 CO로 환원시키기 위한 고온 고체 산화물 전해조 셀 (SOEC)이 상업적으로 이용 가능하다. 예를 들어, Haldor Topsoe는 CO2 환원용 SOEC를 제공하며, 생산된 CO Nm3당 6–8 kWh가 보고되었고 최대 99.999% CO의 순도를 제공한다.
전기촉매 반응.
이산화 탄소의 다양한 제품으로의 전기화학적 환원은 일반적으로 다음과 같이 설명된다.
이러한 반응의 산화환원 전위는 수성 전해질에서 수소 발생 반응과 유사하므로, CO2의 전기화학적 환원은 일반적으로 수소 발생 반응과 경쟁한다.
전기화학적 방법은 다음과 같은 이유로 상당한 주목을 받았다.
CO2의 전기화학적 환원 또는 전기 촉매 변환은 메탄, 에틸렌, 에탄올 등과 같은 부가가치 화학 물질을 생산할 수 있으며, 제품은 주로 선택된 촉매 및 작동 전위(환원 전압 적용)에 따라 달라진다. 다양한 균일 및 불균일 촉매가 평가되었다.
이러한 많은 과정은 금속 이산화탄소 복합체의 중간체를 통해 작동한다고 가정한다. 많은 과정은 높은 과전압, 낮은 전류 효율, 낮은 선택성, 느린 반응 속도, 및 낮은 촉매 안정성으로 인해 어려움을 겪는다.
전해질의 조성이 결정적일 수 있다. 가스 확산 전극이 유용하다.
촉매는 주요 제품에 따라 그룹화될 수 있다. 여러 금속은 수소 발생을 촉진하기 때문에 CO2RR에 적합하지 않다. 특정 유기 화합물에 선택적인 전기 촉매는 폼산염에 주석 (원소) 또는 비스무트, 일산화 탄소에 은 또는 금을 포함한다. 구리는 메테인, 에틸렌, 에탄올과 같은 여러 환원된 제품을 생산하며, 메탄올, 프로판올 및 1-부탄올도 미량 생산되었다.
세 가지 일반적인 제품은 일산화 탄소, 폼산염 또는 고차 탄소 제품(탄소 원자 2개 이상)이다.
일산화 탄소 생성.
일산화 탄소는 다양한 귀금속 촉매를 통해 CO2RR에서 생성될 수 있다. 금은 가장 활성이 높은 것으로 알려져 있지만 은도 매우 활성이 높다. Au와 Ag 결정 모두의 계단면(예: 110 및 211)이 평면면(예: 111 및 100)보다 활성이 10배 이상 높은 것으로 알려져 있다. 그래핀 격자에 Ni를 기반으로 한 단일 자리 촉매도 일산화 탄소에 대한 높은 선택성을 보여주었다.
기계적으로, CO2RR을 일산화 탄소로 전환하는 촉매는 일산화 탄소에 강하게 결합하지 않아 촉매에서 벗어날 수 있다. CO2RR에서 일산화 탄소로의 속도 제한 단계는 첫 번째 전자 전달 단계이며, 이는 전기장에 큰 영향을 받는다.
폼산염/폼산 생성.
폼산은 다양한 촉매를 통해 CO2RR에서 주요 제품으로 생산된다.
CO2에서 폼산 생산을 촉진하는 촉매는 CO2의 두 산소 원자에 모두 강하게 결합하여 양성자가 중심 탄소를 공격하도록 한다. 중심 탄소를 공격한 후, 양성자 하나가 산소에 결합하면 폼산염이 생성된다. 인듐 촉매는 인듐-산소 결합 에너지가 인듐-탄소 결합 에너지보다 강하기 때문에 폼산염 생산을 촉진한다. 이는 일산화 탄소 대신 폼산염 생산을 촉진한다.
C&gt;1 생성 촉매.
구리 전기촉매는 CO2에서 다중 탄소 화합물을 생성한다. 여기에는 C2 제품(에틸렌, 에탄올, 아세테이트 등) 및 C3 제품(프로판올, 아세톤 등)도 포함된다. 이러한 제품은 C1 제품보다 가치가 높지만, 현재 효율성은 낮다.
오후지촌()은 야마나시현 히가시야마나시군에 있던 촌이다. 현재의 고슈시 북서부, 주오본선 엔잔역 북동일대에 해당한다
레몬 전지()는 종종 교육 목적으로 만들어지는 간단한 화학 전지이다. 일반적으로 아연 금속 조각(예: 아연 도금된 못)과 구리 조각(예: 페니 동전)을 레몬에 삽입하고 전선으로 연결한다. 금속의 반응으로 생성된 전력은 발광 다이오드(LED)와 같은 작은 장치를 작동시키는 데 사용된다.
레몬 전지는 1800년에 알레산드로 볼타가 발명한 최초의 전지와 유사하며, 볼타는 레몬즙 대신 고염수를 사용했다. 레몬 전지는 전지에서 발생하는 화학 반응(산화·환원 반응)의 유형을 보여준다. 아연과 구리는 전극이며, 레몬 안의 즙은 전해질이다. 레몬 전지에는 아연과 구리 외의 다른 금속을 전극으로, 다양한 과일(또는 액체)을 전해질로 사용하는 여러 변형이 있다.
학교 프로젝트에서의 활용.
레몬 전지를 만들고 발광 다이오드(LED), 전기 계측기(멀티미터), 아연 도금된 못과 나사 등의 부품을 구하는 방법에 대한 수많은 지침이 있다. 상업용 "감자 시계" 과학 키트에는 전극과 저전압 디지털 시계가 포함되어 있다. 하나의 전지를 조립한 후, 멀티미터를 사용하여 전지로부터의 전압 또는 전류를 측정할 수 있다. 레몬의 일반적인 전압은 0.9V이다. 전류는 더 가변적이지만 최대 약 1mA까지 범위가 넓다(전극 표면이 클수록 전류가 커진다). 더 눈에 띄는 효과를 위해 레몬 전지를 직렬로 연결하여 LED(삽화 참조) 또는 다른 장치를 작동시킬 수 있다. 직렬 연결은 장치에 사용 가능한 전압을 증가시킨다. 스와틀링과 모건은 저전압 장치 목록과 이를 작동시키는 데 필요한 레몬 전지의 수를 발표했다. 여기에는 LED, 압전 부저, 작은 디지털 시계가 포함되었다. 아연/구리 전극을 사용하면 이러한 장치 중 어느 하나라도 작동시키기 위해 최소 두 개의 레몬 전지가 필요했다. 아연 전극을 마그네슘 전극으로 대체하면 더 큰 전압(1.5-1.6V)을 가진 전지가 만들어지며, 단일 마그네슘/구리 전지로 일부 장치를 작동시킬 수 있다. 레몬 전지는 백열등을 켜기에 충분한 전류를 생산하도록 설계되지 않았으므로 손전등의 백열 전구는 사용되지 않는다. 이러한 전지는 일반적으로 0.7V의 전위차에서 0.001A(1mA)의 전류를 생산한다. 이 값들을 곱하면 전체 전력인 0.0007W(0.7mW)가 결정된다.
많은 과일과 액체가 산성 전해질로 사용될 수 있다. 과일은 전해질과 전극을 지지하는 간단한 방법을 모두 제공하기 때문에 편리하다. 감귤류 과일(레몬, 오렌지, 자몽 등)에 포함된 산은 시트르산이다. 측정된 pH로 나타나는 산도는 크게 다르다.
감자에는 인산이 있어 잘 작동하며, 상업용 "감자 시계" 키트의 기반이 된다. LED 조명과 함께 사용되는 감자 전지는 빈곤 국가나 오지 주민들에게 사용될 수 있도록 제안되었다. 2010년에 시작된 국제 연구에 따르면 감자를 8분 동안 삶으면 전기 출력이 향상되며, 여러 구리 및 아연 판 사이에 감자 조각을 놓는 것도 마찬가지이다. 스리랑카 연구원들에 따르면 삶고 잘게 썬 플랜틴 심(줄기)도 적합하다.
과일 대신 다양한 용기의 액체를 사용할 수 있다. 가정용 식초(아세트산 함유)도 잘 작동한다. 자우어크라우트(락트산 함유)는 미국 TV 프로그램 헤드 러시(호기심 해결사 프로그램의 파생작)의 한 에피소드에 등장했다. 자우어크라우트는 통조림 상태였고, 캔 자체가 전극 중 하나인 동안 전해질이 되었다.
아연과 구리 전극은 비교적 안전하고 구하기 쉽다. 납, 철, 마그네슘 등 다른 금속도 연구할 수 있으며, 이들은 아연/구리 쌍과 다른 전압을 생성한다. 특히 마그네슘/구리 전극은 레몬 전지에서 최대 1.6V의 전압을 생성할 수 있다. 이 전압은 아연/구리 전지보다 크다. 이는 표준 가정용 전지(1.5V)와 비슷하며, 여러 전지를 직렬로 사용하지 않고 단일 전지로 장치를 작동시키는 데 유용하다.
5~9세의 가장 어린 학생들에게 교육 목표는 실용적이다. 전지는 전도성 물질로 연결되는 한 다른 장치를 작동시킬 수 있는 장치이다. 전지는 전기 회로의 구성 요소이며, 전지와 전구 사이에 단일 전선을 연결하는 것만으로는 전구를 켤 수 없다.
10~13세의 어린이들에게 전지는 화학과 전기의 연결을 설명하고 전기 회로 개념을 심화하는 데 사용된다. 구리와 아연과 같은 다른 화학 원소가 사용된다는 사실은 원소가 화학 반응을 겪을 때 사라지거나 분해되지 않는다는 더 큰 맥락에 놓일 수 있다.
더 나이 많은 학생들과 대학생들에게 전지는 산화·환원 반응의 원리를 설명하는 역할을 한다. 학생들은 두 개의 동일한 전극은 전압을 생성하지 않으며, 다른 금속 쌍(구리와 아연 외)은 다른 전압을 생성한다는 것을 발견할 수 있다. 전지의 직렬 및 병렬 조합에서 나오는 전압과 전류를 조사할 수 있다.
계측기를 통해 전지에서 출력되는 전류는 전극의 크기, 전극이 과일에 얼마나 깊이 삽입되었는지, 그리고 전극이 서로 얼마나 가깝게 배치되었는지에 따라 달라진다. 전압은 전극의 이러한 세부 사항과는 거의 독립적이다.
대부분의 교과서는 레몬 전지의 화학 반응에 대해 다음 모델을 제시한다. 전지가 외부 회로를 통해 전류를 공급할 때, 아연 전극 표면의 금속 아연이 용액 속으로 용해된다. 아연 원자는 전기적으로 전하를 띤 이온(Zn2+)으로 액체 전해질에 용해되면서 2개의 음전하 전자(e−)를 금속에 남긴다.