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ISSN : 1738-1894(Print)
ISSN : 2288-5471(Online)
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology Vol.10 No.2 pp.97-104
DOI :

CaCl₂ 용융염에서 TiO₂ 펠렛의 전기화학적 환원반응 특성

정상문
충북대학교

An Electrochemical Reduction of TiO₂ Pellet in Molten Calcium Chloride

Sang Mun Jeong, Hyun-Sub Ji, Hyo Yeol Ryu, Ha Myung Jeong, Kwang Ho Jeong
Chungbuk National University
(Received May 05, 2012 / Revised June 20, 2012 / Approved June 20, 2012)

Abstract

A porous TiO₂ pellet was electrochemically converted to the metallic titanium by using a CaCl₂ molten salt systemat 850 . Ni-TiO₂ and graphite electrodes were used as cathode and anode, respectively. The electrochemicalbehaviour of TiO₂ pellet was determined by a constant voltage control electrolysis. Various reaction intermediatessuch as CaTiO₃, Ti₂O and Ti6O were observed by XRD analysis during electrolysis of the pellet. Once TiO₂ pellet wasconverted to a porous metallic structure, the porous structure disappeared by sintering and shrinking with increasingthe reaction time at high temperature.

BSSPBH_2012_v10n2_97.pdf2.76MB

I. 서 론

고온 용융염 전해 환원법은 다양한 금속산화물로부터 고순 도 금속을 제조하기 위해 적용되고 있다. 또한 산화물 사용후 핵연료의 재활용을 위한 파이로공정에서 산화물 핵연료를 전기화학적으로 금속으로 전환시키기 위한 핵심공정으로 활용되고 있다[1-3]. 일반적파이로공정에서는 후속공정인 전해정련공정과의 연계를 위해 LiCl 염을 사용하여 전해환원공정을수행하고 있다[4]. 그러나 LiCl의 열역학적 한계와 부식성 및 생성된 리튬금속의 intercalation에 의한 전극의 손상 등 때문에 CaCl2 용융염에서 우라늄산화물의 전해환원반응 특성도 많은 관심을 끌고 있다. CaCl2 염이 용융염으로 사용될 경우 보통 800∼1000 ℃의 조업온도에서 진행되며, 이와 같은 고온은 열역학적으로 금속산화물이 전기화학적으로 분해될 때 분해전위를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 산소이온의 확산속도 및 전극반응의 속도론 측면에서 긍정적인 영향을 준다. 금속산화물의 전해환원에서 금속산화물은 대부분 펠렛으로 제조되어 소성된 후 환원전극으로 사용된다. 용융염전해 시 사용하는 산화전극 재료에 따라 산화전극 생성물이 다르다. 예를들면, 탄소전극을 산화전극으로 사용할 경우 CO 또는 CO2가 전극 표면에서 생성되어 방출되고, 백금전극 또는 세라믹 전극과 같은 불활성 산화전극을 사용하는 경우에는 O2 gas가 생성 된다[5-8].

 본 연구에서는 사용후핵연료 재활용을 위한 파이로공정 개발에서 LiCl2 계 대신 CaCl 계에서 금속산화물의 전해환원 반응특성에 대한 자료를 제공하는데 그 목적이 있으며, 이와 동시에 고가의 기능성 금속인 Ti 금속스폰지 제조를 위한 용융염 전해반응 특성을 고찰하고자 한다. 원자기호 Ti, 원자번호 22, 원자량 47.86인 티타늄은 용융점이 1668℃이며 지구에서 9번째로 풍부한 원소로 지각 질량의 0.63%를 차지하고 있다. 티타늄의 높은 정제비용과 처리 비용 및 가공비용으로 인해 아직까지는 가격이 높은 상태이므로 향후 생산 비용 저감과 생산성 증가, 고품질의 티타늄을 제조 할 수 있는 기술의 지속적인 연구가 필요하다.

 현재 Ti 스폰지를 제련하는 환원 공정에는 3가지 방법이 있다. 첫 번째로 환원제로 나트륨을 이용하는 Hunter법, 두 번째로 환원제로 마그네슘을 이용하는 Kroll법, 마지막으로 용융염 전해법이 있다[9]. 하지만 현재 생산되는 티타늄의 대부분은 Kroll 법에 의해 생산되고 있다. Kroll법은 TiO2에서 Ti 스폰지로 만드는데 3단계의 공정을 갖는다. TiO2에서 TiCl4 제조 공정과, TiCl4에서 Ti의 환원 공정, MgCl2를 회수하는 공정이 있다. TiCl4에서 Ti를 생성하는데 Mg이 사용되고, 부산물로 나온 MgCl2는 금속 Mg로 만들어서 재사용 된다. 이 공정은 50년 이상 티타늄 금속의 상업 제품 목적으로 널리 사용되어 왔다[10]. 하지만 Kroll법은 제조 공정의 복잡성으로 인해 생산 단가가 매우 높은 편이기 때문에 티타늄 금속의 가격 또한 높은 편이다. 반면에 FFC Cambridge process와 같은 고온 용융염 전해환원법은 Kroll 법을 대신하는 Ti 스폰지 제조의 새로운 공정 방법이다. 고온 용융염 전해환원법은 전통적인 Kroll 법에 비해 공정이 더 간단하고, 생산 단계의 간소화 및 빠른 공정단계로 높은 생산성과 에너지 절약이 가능하다. 이 공정은 Kroll 법과 달리 용융염 전해를 이용하여 금속 산화물로부터 금속 또는 합금을 만드는 방법이기 때문에 염화물을 환원하는 Kroll 법에 비해 염소 기체가 덜 발생되어 환경친화적이다. TiO2로부터 직접 환원하여 티타늄 금속을 제조하기 때문에 공정이 1단계로 간소화된다. 용융염 전해에 사용되는 염들은 다양하지만 금속 산화물의 용해도가 없고, 산소 이온의 이동이 가능한 CaCl2 기반 용융염과 조업온도를 낮출 수 있는 LiCl 기반 용융염이 주로 사용되고 있다.

 본 연구에서는 다공성의 TiO2 펠렛을 이용하여 CaCl2 용융염에서 전해환원 반응 특성을 고찰하였다. 전해 환원 공정 과정에서 공급한 전하량과 전압의 크기에 따른 환원 거동 차이를 평가하였다. 또한 TiO2의 전해 환원 반응도중 생성될 수 있는 중간 생성물을 X-선 회절법(XRD)을 통해 분석하였고, 주사전자현미경(SEM)을 통해 생성된 Ti 금속의 표면형상을 관찰하였다. 특히 전해환원 반응동안 발생하는 펠렛의 물리적 크기변화에 대하여 중간생성물 생성 및 금속의 소결현상을 이용하여 해석하였다. 본 실험의 결과를 통하여 Ti 금속 제조의 조건과 CaCl2 용융염을 이용한 전해 환원 반응의 메커니즘을 제시하였다. 이러한 TiO2의 전해환원 반응 결과는 사용후 핵연료 재활용을 위한 파이로 공정개발에서 CaCl2 용융염 매질에 대한 기초자료를 제공하고 고기능성 금속재료인 Ti 스폰지 제조에 대한 전해환원 반응특성을 제시하고자 한다.

II. 실험방법

가. 시약

본 연구에서는 용융염 매질로 무수화물 CaCl2 (순도 96%, SAMCHUN)를 사용하였고, 티타늄 산화물로는 TiO2 펠렛(catalyst support, Alfa Aesar)을 사용하였다. CaCl2는 단계적으로 가열시켜 550℃에서 5시간 소성시킨 후에 고순도의 아르곤 분위기가 형성된 글로브박스 안에서 보관하여 수분과의 접촉을 차단하였다. 또한 0.29 cc/g의 기공부피를 갖는 다공성 TiO2 펠렛을 소성기에서 단계적으로 가열시켜 1000℃에서 3시간 소성시킨 후에 사용하였다. 

나. 실험 장치

TiO2의 전기화학적 환원실험은 수분과의 접촉을 차단하기 위해서 고순도의 아르곤 (Ar) 글로브박스 안에서 진행하였다. 글로브박스는 전기분해 셀과 온도조절기, 아르곤 가스 유입구 와 아르곤 및 염소 가스 배출구, 냉각수 장치가 설치되어있다. Fig. 1는 TiO2의 전해환원실험을 위한 실험장치의 개략도이다. 용융염 전해환원 장치는 반응기를 가열시키는 원통형 전기저항로, CaCl2 용융염이 담긴 알루미나 도가니, 산화전극, 환원전극으로 구성된 전기분해 셀로 이루어져 있다. TiO2 펠렛 (직경2mm × 높이 5mm) 0.5g을 Ni net (20mesh)와 조합시킨 후 Ni와이어 (직경 2mm)에 고정시킨 TiO2-Ni 조합전극을 환원전극으로 사용하였다. 산화전극으로는 그라파이트( 직경 10mm)를 사용하였다.

Fig. 1. Experimental apparatus for electrochemical reduction of TiO₂ pellet.

다. 실험 방법

상온에서 알루미나 도가니에 435g의 CaCl2를 넣은 후 반응기를 단계적으로 가열시켰다. CaCl2염이 용융된 후 용융염의 온도를 850℃로 유지시킨 후 환원전극과 산화전극을 용융염에 담가 전기분해 셀을 구성하였다. 구성된 전기분해셀에 DC power supply (E3633A, Agilent)를 이용하여 전압을 인가하여 TiO2의 전해 환원실험을 진행하였다. 전해환원 반응은 전압을 인가한 후 일정 시간이 경과한 후에 전원을 차단함으로써 종료하였다. 셀 전압은 850℃에서 CaCl2의 이론분해전압인 3.26V보다 낮은 2.8∼3.2V의 전압을 가해주어 CaCl2의 분해 없이 TiO2만 전해환원반응이 가능하도록 하였다. 

TiO2의 전기화학적 환원거동을 살펴보기 위해서 다양한 실험조건에서 실험을 진행하였다. 2.8∼3.2V의 셀 전위 범위에서 10시간 동안 시간에 따른 셀전위에 대한 전류특성을 관찰하였으며, 환원된 시료의 형상 및 결정구조 분석을 통해 TiO2의 환원반응 특성을 살펴보았다. 또한 전하량에 따 른 TiO2의 전해거동 및 중간생성물을 살피기 위해 3.2V의 전압을 가한 후 이론전하량 대비 50, 100, 200, 300 및 400%의 전하량을 전해 셀에 인가하였다.
TiO2의 전해 환원실험을 종료한 후 용융염으로부터 환원 된 시료를 꺼내어 불활성 아르곤 분위기에서 냉각시키고 증류수로 세척하여 염을 제거한 후 상온에서 진공상태로 건조 시켰다. 환원된 시료의 표면형상구조 및 결정학적 구조를 관찰하기 위해서 XRD와 SEM을 이용하여 분석하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

가. 일정전압 조건에서 TiO₂의 전해환원 거동

 TiO2의 전해환원반응에서 가해준 전압에 따른 전기화학적 환원거동을 살펴보기 위해 시간-전류 그래프를 측정하였다. Fig. 2는 각각 2.8V, 3.0V 및 3.2V의 전압을 10시간동안 가해주었을 때 시간에 따른 전류의 변화를 보여주는 그래프이고, 각각은 이론 전하량 대비의 96%, 161% 및 256%를 공급해 주었다. Fig. 2(a)의 그래프를 살펴보면 초기에는 전류가 급격히 감소하다가 2시간이 지나고 전류가 다시 증가하면서 피크를 형성하고, 이후 시간이 경과함에 따라 완만하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 전류의 세기는 금속 산화물의 환원반응 속도와 비례하는 경향을 보이고, 환원반응은 금속, 금속 산화물과 전해액이 만나는 접촉부분에서 진행된다. 초기에는 Ni 금속과 산화물의 작은 접촉면적에서 빠른 환원반응이 진행되기 때문에 전류가 급격히 감소하였다. 이후에는 환원반응이 산화물 표면으로 확대되면서 반응표면적이 확대되기 때문에 전하이동이 활발해지므로 전류가 증가한다. 그리고 환원반응이 표면에서 내부로 진행하는데 산화물 내부에서는 물질 전달이 어려워지기 때문에 전류가 감소하게 된다[11,12]. 또한 시간-전류 그래프에서 전압이 높을수록 전류의 세기가 더 큼을 알 수 있는데, 이러한 현상은 전압이 높을수록 TiO2의 환원반응이 빠르게 진행되는 것을 의미한다. 3.0V (Fig 2b)에서의 응답전류 거동 역시 3.2V에서와 유사하나 2.8V에서 수행된 전류곡선은 다소 상이한 모습을 보이고 있다. Fig. 2(a)에 보인바와 같이, 2.8V의 인가전압 조건에서 초기의 급격한 전류의 감소에 이은 지속적인 완만한 감소를 보인다. 이는 2.8V 조건의 TiO2 전해환원에서 펠렛 표면에 금속이 생성되지 않고 CaTiO2나 TixOy (x/y < 0.5) 와 같은 산화물 형태로 존재하기 때문인 것으로 예상된다. 즉 전해환원 반응을 통해 TiO2가 더 낮은 산화가를 갖는 산화물까지는환원이 되더라도 최종적으로 매우 낮은 산소함량을 갖는 Ti 금속 생성물이 형성되지 않을 것으로 보여 진다.

Fig. 2. Current-time curves of constant voltage electrolysis of TiO2 at different voltages in CaCl2 molten salt at 850℃ ; (a)3.2V, (b)3.0V and (c)2.8V

Table. 1는 다양한 티타늄 산화물, CaO 및 CaCl2의 깁스 자유 에너지 변화 및 분해 전위 값을 나타낸다. Table. 1을 통해 TiO2 전해환원 반응 동안 다양한 반응 중간생성물이 생성되고 사라지는 것을 예측할 수 있다. 이론적으로 CaCl2의 분해전위인 3.26V 이하의 셀전압에서 TiO2의 선택적 환원반응이 진행되게 된다. 

Table. 1. Gibbs free energy change and decomposition voltages at 850℃ calculated by HSC chemistry.

TiO2의 전기화학적 환원반응에서 전압의 영향을 파악하기 위해서 이론전하량 대비 300%에 해당하는 전하량을 각각 2.8V, 3.0V 및 3.2V의 전압을 가해주어 공급하였다. Fig. 3은 가해준 전압에 따른 전해 환원된 시료의 XRD 분석 결과를 보여주고 있다. Fig. 3(b)와 (c)를 살펴보면 각각 3.0V, 3.2V의 전압을 가해주어 이론전하량의 300%를 가해주었을 때 Ti 금속으로 완전히 환원반응이 진행됨을 확인할 수 있다. 반면에 Fig. 3(a)에서는 TiO2가 Ti 스폰지로 충분히 환원될 수 있도록 이론전하량 대비 300%의 전하량을 공급해 주었으나 완전히 환원되지 않고 반응 중간생성물이라고 할 수 있는 CaTiO3, Ti2O가 생성되었음을 확인할 수 있다. 그 이유는 전기분해 셀에 가해준 2.8V의 전압이 회로 및 전해액 저항과 같은 iR 강하를 고려할 때 TiO2를 Ti 스폰지로 충분히 환원시킬 수 있는 전위 값보다 낮음을 의미한다. 또한 티타늄 산화물 내부의 산 소이온의 농도가 낮아질수록 환원반응에 필요한 전압이 높아지기 때문에 더 높은 전압이 필요하게 된다[13]. 따라서 전압강하를 고려하여 2.8V보다 높은 3.0V이상의 전압을 전기분해셀에 인가해 주어야 TiO2의 환원반응이 충분히 이뤄질 수 있을 알 수 있다.

Fig. 3. X-ray diffraction patterns of the reduced samples with a variation of the applied voltages(300% charges to the theoretical value); (a) 2.8V, (b)3.0V and (c)3.2V.

나. 반응 중간생성물(Reaction intermediate) 분석

 TiO2의 전기화학적 환원반응에서 반응중간체를 파악하기 위해서 3.2V의 전압을 가해주어 TiO2 이론전하량의 50, 100, 200, 300 및 400%의 전하량을 가해준 시료를 비교하였다. Fig. 4는 공급한 전하량의 변화에 따른 TiO2 시료의 XRD 분석결과이다. Fig. 4(a)와 4(b)를 살펴보면 반응초기에 perovskite구조인 CaTiO3가 CaO와 TiO2의 화학적 반응 또는 전기화학적 삽입반응에 의해 빠르게 생성이 되며[14], CaTiO3의 전기화학적 환원에 의해 TiO를 거쳐 Ti2O가 빠르게 형성된 것을 확인할 수 있다. 이와 관련한 반응식은 다음과 같이 제안될 수 있다[14-17].

Fig. 4. x-ray diffraction patterns of the reduced samples with variation of supplied charges; (a)50%, (b)100%, (c)200%, (d)300% and(e)400% of the theoretical charges necessary for a complete reduction of TiO₂.

 Ca2+ + TiO2 + O2- → CaTiO3  ----------------------------(1)
CaTiO3 + 4e- → Ca2+ + TiO + 2O2- ---------------------(2)
2TiO + 2e- → Ti2O + O2- -------------------------------------(3)

 전기분해 셀에 더 많은 전하량을 공급해주면 산화물이 더 낮은 산화상태인 TiO2와 같은 매우 낮은 산화가 상태로 환원되며 최종적으로 Ti 금속으로 환원된다. 이와 관련한 반응식은 다음과 같이 제안될 수 있다.

 3Ti2O + 4e- → Ti6O + 2O2- ------------------------(4)
Ti6O + 2e- → 6Ti + O2- -------------------------------(5)

이외에 Ti2O3, Tix2Oy (x/y>2)와 같은 티타늄 산화물의 중간생성물들이 다른 논문들에서 발견되었으나 XRD 결과 분석의 한계 및 증류수 세척 시 산화물의 산화반응에 의한 불안전성 등을 고려할 때 발견되지 않았다[14]. XRD 결과를 통해 TiO2의 전기화학적 환원반응에 의해 CaTiO3, Ti2O,Ti6O 등과 같은 다양한 중간생성물이 생성됨을 알 수 있다. 또한 3.2V의 전압을 전해셀에 인가하였을 경우 이론전하량 대비 200∼300%의 전하량 범위에서 TiO2가 Ti 금속까지 환원되는 것을 알 수 있다. 

다. SEM 형상 분석

 Fig. 5는 공급한 전하량에 따른 TiO2 펠렛 단면의 SEM 사진과 펠렛 단면의 직경을 나타낸 그래프이다. Fig. 5(a)는 전해환원반응 전의 순수한 TiO2 펠렛의 단면으로 직경은 약 2mm이다. Fig. 5(b)는 이론전하량의 50%를 가해준 펠렛으로 Fig. 5(a)의 경우 보다 단면의 직경이 약 15% 정도 증가 하였다. TiO2의 전해 환원반응 초기에 중간생성물인 CaTiO3를 형성하는데 이 때 TiO2의 기공 사이에 Ca2+ 이온과 O2-이온이 삽입(intercalation)되면서 perovskite 형태의 결정구조가 생성되면서 펠렛의 크기가 증가한 것으로 추측된다. Fig. 5(c)∼(f)는 이론전하량의 100, 200, 300 및 400%를 가해준 환원된 펠렛의 단면을 나타낸 사진이다. 그림을 살펴보면 공급한 전하량이 증가함에 따라 펠렛의 직경이 점차 감소함을 확인할 수 있는데, 이는 환원반응이 진행되면서 산화물에서 산소 이온이 빠져나오고 Ti 금속이온은 금속 원자가 되면서 원자끼리 재결합하여 수축하게 된다[8]. 이론전하량 대비 400%의 전하량을 공급한 TiO2 펠렛의 지름은 초기의 펠렛의 직경보다 약 5% 감소하였다. Fig. 5(g)는 전하량에 따른 펠렛 직경을 나타낸 그래프이다. Fig 5에서 언급했던 것처럼 전하량을 공급함에 따라 직경이 증가하였다가 감소하는 경향을 보인다. 50%만큼 공급한 경우에는 Ca2+ 이온과 O2- 이온이 전기적으로 삽입(intercalation)되어 직경이 증가하였다. 전하량이 점차 증가함에 따라 Ca2+ 이온과 O2-이온이 빠져 나오면서 직경이 점차 감소하고 생성된 금속부분에서 소결현상이 발생함으로써 300% 이상에서는 순수한 TiO2 펠렛의 직경보다 감소함을 알 수 있다.

Fig. 5. SEM images of the reduced sample with a variation of the supplied charges; (a)fresh TiO₂ pellet, (b)50%, (c)100%, (d)200%, (e)300% and (f)400% of the theoretical charges, (g) Variation of pellet diameter as a function of the supplied charges.

Fig. 6는 3.2V의 전압으로 이론전하량 대비 100%의 전하량을 공급한 TiO2 펠렛의 단면 SEM 사진이다. Fig. 6(a)에서 펠렛의 중심부와 바깥부분의 경계를 확인할 수 있는데, 이는 TiO2의 환원반응이 펠렛 외부에서부터 진행됨을 보여주고 있다. 전해환원 초기에 빠른 화학반응 및 전기화학적 intercataion을 통해 펠렛 전반에 걸쳐 CaTiO3가 고르게 생성된다 [12]. 그 후 반응식 2∼5에 의한 CaTiO3의 전기화학적 환원은 펠렛 외부표면에서부터 중심부로 진행이 된다. 전기화학적 환원반응에 의해 Ca2+와 O2-이온이 외부 전해질로 확산되면서 경계면 바깥부분(Fig. 6c)은 다공성 구조를 갖게 되며, 경계면의 안쪽부분(Fig. 6d)은 환원반응이 충분히 진행되지 않았기 때문에 초기 시료와 비슷한 구조를 보이고 있다. 경계면에 대한 SEM 결과(Fig. 6b)에서는 이러한 현상이 두드러지게 나타나고 있다. 

Fig. 6. SEM images of the partially reduced pellet by supplying 100% of the theoretical charges; low magnification(a) and high magnification of middle of surface(b), outer surface(c) and inner surface(d) of the pellet.

 Fig. 7는 3.2V의 전압으로 이론전하량 대비 400%의 전하량을 공급한 펠렛의 단면 SEM 사진이다. XRD 결과에서 살핀바와 같이 이론 전하량 대비 400%를 공급하였을 경우 완전한 Ti 금속 구조를 가지게 된다. Fig. 7(b)는 제조된 Ti 금속 펠렛의 외부 표면 근처에 대한 SEM 결과이다. 본 결과에서 펠렛 바깥부분은 금속이 소결되어 기공이 거의 없어짐을 알 수 있다. 이는 Fig. 6(c)의 결과와 상반된 것으로 일반적으로 전기화학적 환원반응에 의해 생성된 금속은 스폰지 형태의 다공성구조를 지닌다는 보고와도 다른 결과를 보여주고 있다 [5,7,8]. 이러한 이유는 반응초기에 다공성구조가 발달하면서 Ti 스폰지 형태가 생성되지만(Fig. 6c), 반응시간 이 경과함에 따라 다공성 Ti 금속이 서로 소결되면서 수축하여 기공이 대부분 사라는 것으로 설명될 수 있다. 이러한 설명은 전기화학적 환원반응으로 제조된 금속펠렛의 직경이 초기 TiO2 펠렛의 직경보다 감소한다는 실험결과(Fig. 5)와 잘 일치한다. 제조된 Ti 금속은 펠렛의 중심부로 이동할수록 다공성 구조가 관찰된다. Fig. 7(d)의 중심부에는 작은 마디 모양(nodular structure)의 Ti 금속이 스폰지형태로 잘 발달되어 있음을 알 수 있다. 이러한 이유는 TiO2 펠렛의 환원반응이 펠렛 중심부에서 가장 늦게 이루어지기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 7. SEM images of the partially reduced pellet by supplying 400% of the theoretical charges; low magnification (a) and high magnification of middle of surface (b), outer surface (c) and inner surface (d) of the pellet.

Ⅳ. 결 론

 본 연구에서는 CaCl2 용융염에서 TiO2 펠렛의 전기화학적 환원반응 특성에 대해 고찰하였다. Ni-TiO2 조합전극을 환원전극으로 그라파이트를 산화전극으로 사용하여 전기분해셀을 구성하였고 셀 전압을 제어함으로써 TiO2 펠렛을 환원 시켰다. 시간-전류 그래프를 통해 TiO2의 전기화학적 환원거동을 살펴보았고, 환원된 시료의 표면구조 및 결정학적 구조를 관찰하기 위해서 XRD 및 SEM을 이용하여 분석하였다. 열역학적 자료 및 XRD 분석을 통해 TiO2가 CaTiO3, Ti2O, Ti6O 등의 다양한 중간생성물을 거쳐 Ti 스폰지로 환원됨을 확인할 수 있었다. 또한 SEM 분석을 통해 TiO2의 전해환원반응이 바깥 표면으로부터 점차적으로 내부로 진행됨을 알 수 있었다. 전해환원 반응동안 산화물로부터 산소이온이 확산되어 나옴에 따라 다공성구조가 발달하지만 반응시간이 경과함에 따라 다공성 Ti 금속이 서로 소결되면서 수축하여 다공성 구조가 사라지게 된다. 또한 회로 및 전해액 저항과 같은 iR 강하를 고려할 때 TiO2의 전해환원반응을 통한 Ti 금속 스폰지의 제조는 3.0V 이상에서 달성될 수 있었다. 본 연구는 사용후핵연료 재활용을 위한 파이로공정의 핵심공정인 고온용융염 전해환원기술에 대한 기초적 자료를 제공하고 제조된 금속의 형상을 이해하는데 활용될 수 있다.

감사의 글

이 논문은 2011년도 충북대학교 학술연구지원사업의 연구비 지원에 의하여 연구되었습니다. 

Reference

  1. SEARCH
  2. JNFCWT

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  3. Korean Radioactive
    Waste Society (KRS)

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