전해채취 - 과전압(Overpotential)

과전압(overpotential)은 어떤 특정한 전기화학반응이 실제로 발생하기 위하여 전극계면에 존재하는 반응저항을 이겨내는데 필요한 과잉 전압입니다. 전해액의 저항과 전기에너지의 열손실 등으로 인하여 이론적으로 발생하는 전압보다 높은 전압이 요구됩니다. 전해채취 과정에서 가해야할 전압을 결정할 때, 고려해야할 사항을 아래의 식으로 보겠습니다.

 

 

V_t: electro-winning cell voltage

E_A: anode potential

E_C: cathode potential

E_A-E_C: the driving force for electrochemical reaction

IR_S: voltage required to flow the electrolyte

IR_L: voltage required to flow the electric wire

 

아래는 위 식에서 본 것과 같이 전기가 흘러야 하는 곳과 각각에 어떠한 저항이 존재하는지를 그림으로 나타낸 것입니다.

Resistance to overcome in Electrowinning process

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위의 식 (1)에서 E_A와 E_C는 전극 전위입니다. 그리고 양극과 음극의 전극 전위은 식 (2)와 (3)과 같이 평형 전위(equilibrium potential)와 전극 계면에 존재하는 반응저항을 이겨내는데 필요한 과전압으로 표현할 수 있습니다.

 

E_eq: equilibrium potential

η: overpotential

 

평형전위는 아래와 같이 네른스트 식(nernst equation)을 통해 구할 수 있습니다. 이 때, 평형반응에 참여하는 화합물 중 활동도가 일정한 금속, 고체는 제외하며, 이온의 활동도가 모두 1일 때, 표준환원전위와 동일합니다.