KR102011252B1 - 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매 및 이를 포함하는 전해셀 - Google Patents

이산화탄소의 전기환원반응용 촉매 및 이를 포함하는 전해셀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매에 있어서, 상기 촉매는 AuRu 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매에 관한 것으로, Ru의 CO에 대한 피독성능을 통해, Au의 내구성능을 증대시킴으로써, Au의 활성 향상을 통한 전기화학 성능의 향상을 기대할 수 있다.

Description

이산화탄소의 전기환원반응용 촉매 및 이를 포함하는 전해셀{A Catalyst for electroreduction of carbon dioxide and An Electrolyzer Cell comprising the same}
본 발명은 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매 및 이를 포함하는 전해셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 효율로 이산화탄소로부터 일산화탄소를 발생시키기 위한 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매 및 이를 포함하는 전해셀에 관한 것이다.
최근에는, 수소 가스를 이용하여 에너지를 얻는 기술에 대한 연구가 주목되고 있다. 종래의 에너지원인 석탄이나 석유가 탄소를 포함하는 반면, 수소 가스는 탄소를 전혀 포함하지 않고 대부분이 물로 전환되므로, 에너지원으로서 사용된 후 불필요한 부산물의 생성이 전혀 없고, 물로 전환 시에 큰 에너지를 발생시킬 수 있다.
따라서, 수소 가스는 가장 친환경적이고 이상적인 에너지원으로 고려되고 있다.
에너지원으로서 수소를 사용하기 위하여는, 물이나 탄화 수소 등으로부터 수소 가스를 취득할 필요가 있다. 수소 가스 취득을 위하여, 천연가스, 석탄, 석유 등의 탄화수소 계열의 물질을 이용해서 수증기 개질 열분해 가스화 과정을 거쳐 수소 가스를 생성할 수 있다. 그러나, 이러한 탄화수소 계열의 물질은 원하지 않는 부산물인 이산화탄소 등을 함께 생성하게 되므로, 환경을 오염시키는 우려가 있다. 특히, 이산화탄소는 온실 효과로 인하여, 세계 각국에서 배출량을 규제하고 있다.
이러한 이산화탄소 배출량을 감소시키는 방법으로서, 이산화탄소를 연료로서 사용할 수 있는 일산화탄소로 전환하는 기술이 주목 받고 있다. 이러한 기술로서, 이산화탄소를 전기분해에 의한 환원으로 일산화탄소 가스로 전환하는 기술이 있다.
즉, 이산화탄소의 배출량은 매년 증가하는 추세이며, 이에 따라 이산화탄소의 주요 배출원에 대해 친환경 발전 기술도입 및 에너지 이용효율 개선 등을 통해 배출되는 이산화탄소를 적극 활용하여, 산업에서의 활용도가 높은 일산화탄소로의 전환이 시급한 실정이다.
따라서, 높은 효율로 이산화탄소로부터 일산화탄소를 생성하는 전해 기술이 요구된다.
한국공개특허 10-2015-0117605
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 높은 효율로 이산화탄소로부터 일산화탄소를 생성하는 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매 및 이를 포함하는 전해셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매에 있어서, 상기 촉매는 AuRu 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 AuRu 합금에서의 Au 및 Ru의 원자비는 1:1~3 인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 AuRu 합금에서의 Au 및 Ru의 원자비는 1:1 인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 AuRu 합금 촉매는 지지체 상에 담지되고, 상기 지지체는 탄소(C) 지지체 또는 티타늄(Ti) 화합물 지지체인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 티타늄(Ti) 화합물은 티타늄 카바이드(TiC), 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 산화물(TiOx, 단, x＜2) 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매를 제공한다.
또한, 본 발명은 이산화탄소가 분해되어 형성된 일산화 탄소 가스를 배출하는 캐소드; 상기 캐소드와 마주보며 배치되고 상기 이산화탄소가 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 분리막을 포함하고, 상기 캐소드는, AuRu 합금 촉매를 포함하는 전해셀을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 AuRu 합금에서의 Au 및 Ru의 원자비는 1:1~3 인 것을 특징으로 하는 전해셀을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 AuRu 합금에서의 Au 및 Ru의 원자비는 1:1 인 것을 특징으로 하는 전해셀을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 AuRu 합금 촉매는 지지체 상에 담지되고, 상기 지지체는 탄소(C) 지지체 또는 티타늄(Ti) 화합물 지지체인 것을 특징으로 하는 전해셀을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 티타늄(Ti) 화합물은 티타늄 카바이드(TiC), 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 산화물(TiOx, 단, x＜2) 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 전해셀을 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, Ru의 CO에 대한 피독성능을 통해, Au의 내구성능을 증대시킴으로써, Au의 활성 향상을 통한 전기화학 성능의 향상을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 티타늄(Ti) 화합물로 이루어지는 지지체 상에 금(Au)을 담지시킨, 예를 들면, AuRu/TiC, AuRu/TiN, AuRu/TiOx(단, x＜2)의 형태의 촉매를 통하여, Au와 Ti의 부가적인 시너지 효과(electronic/bi-functional effects)를 통해, 담지된 Au의 촉매 활성 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일산화탄소를 발생시키기 위한 전해셀을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2는 각 촉매층에 대한 포텐셜에 따른 전기화학 활성을 도시하는 그래프이다.
도 3은 각 촉매층에 따른 CO 스트리핑(stripping) 성능을 설명하기 위한 도면이으로, 도 3a는 촉매층으로 Au를 단독으로 사용한 경우를 도시하고 있고, 도 3b는 Au 및 Ru의 원자비가 1:1 인 AuRu 합금을 도시하고 있으며, 도 3c는 Au 및 Ru의 원자비가 1:3 인 AuRu 합금을 도시하고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 일산화탄소를 발생시키기 위한 전해셀의 전체적인 시스템을 도시하는 블록도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 일산화탄소를 발생시키기 위한 전해셀을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 일산화탄소를 발생시키기 위한 전해셀(10)은 이산화탄소가 분해되어 형성된 일산화탄소 가스를 배출하는 캐소드(11); 상기 캐소드와 마주보며 배치되고 상기 이산화탄소가 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드(12); 및 상기 애노드(12)와 상기 캐소드(11) 사이에 배치되는 분리막(13)을 포함한다.
이때, 상기 캐소드(11)는 일산화탄소 가스와 접촉하므로 연료 전극으로 지칭될 수 있고, 상기 애노드(12)는 산소 가스와 접촉하므로 산소 전극으로 지칭될 수 있다.
한편, 상기 전해셀(10)의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이, 캐소드(11)의 이산화탄소(CO2)가 일산화탄소(CO)와 산소 이온(O2 -)으로 변하는 음극반응과 분리막(13)을 통해 이동해 온 상기 산소 이온이 산소 가스(O2)로 변하는 양극반응으로 이루어진다.
이러한 반응은 통상적인 연료 전지의 반응 원리와는 반대이다.
<반응식>
음극반응: CO2 + 2e- -> O2 - + CO
양극반응: O2 - -> 1/2 O2 + 2e-
또한, 이산화탄소로부터의 합성 가스의 발생의 전체적인 반응은 다음과 같이 표현될 수 있다.
CO2 + H2O → CO + H2 + O2
즉, 고체 산화물 전해셀(10)에 외부 전원(14)으로부터 전력이 인가되면, 외부 전원(14)으로부터 고체 산화물 전해 셀(10)에 전자가 제공된다.
상기 전자는 캐소드(11)에 제공되는 이산화탄소와 반응하여 일산화탄소 가스와 산소 이온을 생성한다. 상기 일산화탄소 가스는 외부로 배출되고, 상기 산소 이온은 전해질(13)을 통과하여 애노드(12)로 이동된다.
애노드(12)로 이동된 상기 산소 이온은 전자를 잃고 산소 가스로 변환하여 외부로 배출된다.
또한, 상기 전자는 외부 전원(14)으로 흐르게 된다. 이러한 전자 이동을 통하여, 고체 산화물 전해셀(10)는 이산화탄소를 전기 분해하여, 캐소드(11)에서 일산화탄소 가스를 형성하고, 애노드(12)에서 산소가스를 형성할 수 있다.
먼저, 상기 애노드(12)는 특별히 제한되지 않으며, 다양한 종류의 물질을 포함하여 형성될 수 있다.
즉, 상기 애노드(12)는, 예를 들어 LaSrFe-YSZ를 포함할 수 있고, 예를 들어 La0.8Sr0.2Fe-YSZ를 포함할 수 있다.
또한, 상기 애노드(12)는, 예를 들어 PrBaaSr1 - aCo2 - bFebO5 +d 화합물 (상기 a는 0 이상 1 이하의 수이고, 상기 b는 0 이상 2 이하의 수이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수임)을 포함할 수 있고, 예를 들어 PrBa0 .5Sr0 .5Co1 .5Fe0 .5O5 +d 화합물, NdBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+d 화합물, 또는 GdBa0 .5Sr0 .5CoFeO5 +d 화합물 등을 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 분리막(13)은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.
예를 들어, 상기 분리막(13)은, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ) 등의 안정화 지르코니아계; 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 등과 같은 희토류 원소가 첨가된 세리아계; 기타 LSGM ((La, Sr)(Ga, Mg)O3)계; 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 분리막(13)은, 스트론튬 또는 마그네슘이 도핑된 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate) 등을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 고체 산화물 전해셀(10)는 해당 기술 분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 상기 고체 산화물 전해셀(10)는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다.
또한, 상기 고체 산화물 전해셀(100)는 단위 셀의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어, 캐소드(11), 애노드(12), 및 전해질(13)로 구성되는 단위 셀(MEA, Membrane and Electrode Assembly)이 직렬로 적층되고 상기 단위 셀들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(separator)가 개재되어 단위 셀의 스택(stack)이 얻어질 수 있다.
다음으로, 상기 캐소드(11)는 일반적으로 Sn, Cu, Cu 합금(예컨대, 황동 또는 청동) 및 스테인레스 강을 포함할 수 있으며, 일부 캐소드 물질을 수소 발생에 대해 더욱 감수성인 다른 캐쏘드 물질(예를 들어, Ir, Os, Pd, Pt, Rh 및 Ru 같은 백금족 금속)과 합쳐서, 소정 전위 및 pH에서 목적하는 일산화탄소 대 수소 몰비를 생성시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 고체 산화물 전해 셀(10)을 구성하고, 상기 캐소드(11)에 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 AuRu 합금을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 AuRu 합금 촉매는 상기 캐소드의 전극 표면에, Au와 Ru가 동시에 전극표면에 노출되도록 합금화되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 AuRu 합금에서의 Au 및 Ru의 원자비는 1:1~3 인 것이 바람직하며, 또한, Au 및 Ru의 원자비는 1:1 인 것이 더욱 바람직하다.
한편, 본 발명에서 상기 AuRu 합금 촉매는 지지체 상에 담지되는 것이 바람직하다.
상기 지지체는 탄소(C) 지지체 또는 티타늄(Ti) 화합물 지지체일 수 있다.
이때, 상기 티타늄(Ti) 화합물은 티타늄 카바이드(TiC), 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 산화물(TiOx, 단, x＜2) 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 티타늄 카바이드(TiC)일 수 있다.
한편, 상기 AuRu 합금 촉매는 지지체 상에 담지됨에 있어서, 상기 AuRu는 합금의 형태로 담지될 수 있으며, 이와는 달리, Au와 Ru가 각각 상기 지지체 상에 담지되는 것도 가능하다.
일반적으로, 상기 Au는 다른 금속들에 비해 우수한 일산화탄소 전환 효율을 가지고 있어 이산화탄소 환원 촉매로 각광 받고 있다.
하지만, 비싼 가격으로 인하여, 사용량을 줄이거나 활성을 높이려는 연구가 많이 진행되고 있으며, 따라서, Au의 성능을 최적화시키는 연구가 필요한 실정이나, 실제 사용촉매로 사용하기는 공정상의 복잡함 때문에 쉽게 해결하고 있지 못하는 상황이다.
본 발명에서는 상기 Au 촉매에 Ru를 첨가시킨 AuRu 촉매를 통해, Au의 활성을 더욱 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 Ru의 경우, CO에 대한 피독성능이 뛰어나며, 따라서, AuRu 촉매에서의 Au의 내구성능을 증대시켜, 보다 향상된 전기화학 성능을 기대할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 고가의 Au를 적게 사용하더라도 Ru의 CO에 대한 피독성능을 통해, Au의 내구성능을 증대시킴으로써, Au의 활성 향상을 통한 전기화학 성능의 향상을 기대할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 본 발명에서 상기 AuRu 합금 촉매는 지지체 상에 담지될 수 있으며, 예를 들어, 티타늄(Ti) 화합물 지지체 상에 담지될 수 있다.
즉, 본 발명에서는 티타늄(Ti) 화합물로 이루어지는 지지체 상에 AuRu를 담지시킨, 예를 들면, AuRu/TiC, AuRu/TiN, AuRu/TiOx(단, x＜2)의 형태의 촉매를 사용할 수 있다.
티타늄(Ti) 화합물로 이루어지는 지지체 상에 AuRu를 담지시킨 경우, Ti의 특유의 산소친화특성으로 인한, Au와 Ti의 부가적인 시너지 효과(electronic/bi-functional effects)를 통해, 담지된 Au의 촉매 활성 특성을 향상시킬 수 있다.
즉, 기존의 연구의 경우, 고효율의 일산화탄소의 발생을 위한 이산화탄소 전기화학적 환원 촉매 개발에 있어서, Au의 morphology 및 size 제어에 관한 연구가 주를 이루고 있었다.
하지만, 본 발명에서는 Ru의 CO에 대한 피독성능을 통해, Au의 내구성능을 증대시킴으로써, Au의 활성을 향상시킬 수 있을 뿐만아니라, 또한, 티타늄 화합물의 담지체를 사용하여 Ti와 Au의 부가적 시너지 효과 (electronic/bi-functional effects)를 발현시켜 Au의 활성을 극대화시킬 수 있다.
또한, Au-Ti 간의 전자적 상호작용과 더불어, 산소와의 흡착이 강한 Ti를 촉매 표면에 노출시킴으로써 일산화 소 생성을 더욱 극대화시킬 수 있다.
한편, 티타늄 카바이드(TiC)의 경우, C를 통해 전도성을 높일 수 있어 고효율로 일산화탄소를 생산하기 위한 전기화학적 촉매를 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 촉매층의 활성 특성에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에서는 각 촉매층에 따른 전기화학활성도를 측정하였으며, 또한, 각 촉매층에 따른 일산화탄소 발생량을 측정하였다.
도 2는 각 촉매층에 대한 포텐셜에 따른 전기화학 활성을 도시하는 그래프이다.
도 2에서 Au는 촉매층으로 Au를 단독으로 사용한 경우를 도시하고 있고, AuRu1은 Au 및 Ru의 원자비가 1:1 인 AuRu 합금을 도시하고 있으며, AuRu3은 Au 및 Ru의 원자비가 1:3 인 AuRu 합금을 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 이산화탄소 환원반응에 대한 활성에 있어서, AuRu1 및 AuRu3은 Au에 비하여 매우 우수한 활성을 보임을 확인할 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, AuRu1 및 AuRu3 중 AuRu1가 AuRu3보다 높은 활성을 나타냄을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 상기 AuRu 합금에서의 Au 및 Ru의 원자비는 1:1~3 인 것이 바람직하며, 또한, Au 및 Ru의 원자비는 1:1 인 것이 더욱 바람직하다.
도 3은 각 촉매층에 따른 CO 스트리핑(stripping) 성능을 설명하기 위한 도면이다. 이때, 도 3a는 촉매층으로 Au를 단독으로 사용한 경우를 도시하고 있고, 도 3b는 Au 및 Ru의 원자비가 1:1 인 AuRu 합금을 도시하고 있으며, 도 3c는 Au 및 Ru의 원자비가 1:3 인 AuRu 합금을 도시하고 있다.
충분한 CO 흡착을 통해서 촉매 표면을 덮고 CO를 stripping 시킨 결과, 도 3a의 경우, 0.75V vs. RHE 부근에서 CO stripping이 일어남을 확인할 수 있고, 도 3b의 경우, 0.65V vs. RHE 부근에서 CO stripping이 일어남을 확인할 수 있으며, 도 3c의 경우, 0.55V vs. RHE 부근에서 CO stripping이 일어남을 확인할 수 있다.
이러한 결과에 따라, 본 발명에서는 Ru가 첨가됨으로써 촉매의 CO에 대한 내구성능이 증가한다는 사실을 확인할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 일산화탄소를 발생시키기 위한 전해셀의 전체적인 시스템을 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 일산화탄소를 발생시키기 위한 전해셀의 전체적인 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 일산화탄소를 발생시키기 위한 전해셀 시스템(100)은 통상의 전지(또는 용기)(101), 액체 공급원(130), 전력 공급원(14), 기체 공급원(140) 및 추출기(150)를 포함한다.
유출 기체는 추출기(150)로부터 제공될 수 있다. 다른 유출 기체는 전지(101)로부터 제공될 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
상기 전지(101)는 전기화학적 전지일 수 있으며, 상술한 도 1의 이산화탄소가 분해되어 형성된 일산화 탄소 가스를 배출하는 캐소드(11); 상기 캐소드와 마주보며 배치되고 상기 이산화탄소가 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드(12); 및 상기 애노드(12)와 상기 캐소드(11) 사이에 배치되는 분리막(13)을 포함하는 전해셀을 기본으로 한다.
이때, 상기 전지(101)는 통상 이산화탄소(CO2)를 환원시켜 하나 이상의 생성물을 생성시키도록 작동한다.
일반적으로 전지(101) 내의 전해질의 수용액 중으로 이산화탄소를 폭기시킴으로써 환원이 이루어진다.
전지(101)의 캐소드(11)는 이산화탄소와 양성자를 환원시켜 하나 이상의 분자(예를 들어, 일산화탄소 및/또는 수소) 및/또는 유기 화합물을 생성시킬 수 있다.
또한, 전지(101)는 통상 둘 이상의 구획(또는 챔버)(110, 120), 분리막(13), 애노드(12) 및 캐소드(11)를 포함한다.
상기 애노드(12)는 소정 구획(예컨대, 110)에 배치될 수 있다.
또한, 상기 캐소드(11)는 상기 애노드(12)에 대해 분리막(13)의 반대쪽에 있는 다른 구획(예를 들어, 120)에 배치될 수 있다.
두 구획(110, 120)을 각각 수성 용액(111, 121)으로 채울 수 있다.
한편, 상기 액체 공급원(130)은 물 공급원으로서 구현될 수 있으며, 즉, 상기 액체 공급원(130)은 순수한 물을 전지(101)에 공급하도록 작동될 수 있다.
또한, 전력 공급원(14)는 가변 전압 공급원으로서 구현될 수 있으며, 또한, 상기 공급원(14)은 애노드(12)와 캐소드(11) 사이에서 전위를 발생시키도록 작동할 수 있고, 이때, 전위는 DC 전압일 수 있다.
상기 기체 공급원(140)은 이산화탄소 공급원으로서 구현될 수 있으며, 즉, 본 발명에서 상기 기체 공급원(140)은 상기 전지(101)에 이산화탄소를 제공하도록 작동된다.
또한, 상기 추출기(150)는 산소 추출기로서 구현될 수 있으며, 즉, 상기 추출기(150)는 일반적으로 이산화탄소의 환원 및/또는 물의 산화에 의해 생성되는 산소(예컨대, O2) 부산물을 추출하도록 작동한다.
이때, 추출된 산소는 후속 저장 및/또는 다른 장치 및/또는 공정에 의한 소비를 위해 시스템(100)의 포트(151)를 통해 제공될 수 있다.
또한, 이산화탄소의 환원에 의해 생성되는 합성 가스(예를 들어, 일산화탄소 및 수소 기체)를 포트(122)를 통해 전지(101)로부터 추출할 수 있다.
본 발명에서는, 애노드(12)에서 물이 산화되어 양성자와 산소가 되고, 캐쏘드(11)에서 이산화탄소가 환원되어 일산화탄소가 된다.
또한, 캐소드(11)에서는 산화된 물로부터의 양성자를 환원시켜 수소 기체를 생성시킬 수 있다.
상기 전지(101) 중의 전해질(111, 121)은 수용성인 임의의 염 및 촉매를 갖는 물을 용매로서 사용할 수 있다.
상기 촉매는 질소, 황 및 산소 함유 헤테로환을 포함할 수 있으나, 이들로한정되지는 않는다. 헤테로환상 화합물의 예는 피리딘, 이미다졸, 피롤, 티아졸, 퓨란, 티오펜 및 아미노-티아졸 및 벤즈이미다졸 같은 치환된 헤테로환일 수 있다.
이와 같은 전해셀의 전체적인 시스템을 통해, 본 발명에서는 이산화탄소를 환원하여 일산화탄소를 생성할 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

  1. 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매에 있어서,
    상기 촉매는 AuRu 합금을 포함하고,
    상기 AuRu 합금 중, Ru는 일산화 탄소에 대한 피독성능을 통하여, Au의 활성을 향상시켜, 상기 이산화탄소의 상기 일산화 탄소로의 전환 효율을 증대시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 AuRu 합금에서의 Au 및 Ru의 원자비는 1:1~3 인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 AuRu 합금에서의 Au 및 Ru의 원자비는 1:1 인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 AuRu 합금 촉매는 지지체 상에 담지되고,
    상기 지지체는 탄소(C) 지지체 또는 티타늄(Ti) 화합물 지지체인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 티타늄(Ti) 화합물은 티타늄 카바이드(TiC), 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 산화물(TiOx, 단, x＜2) 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 전기환원반응용 촉매.
  6. 이산화탄소가 분해되어 형성된 일산화 탄소 가스를 배출하는 캐소드;
    상기 캐소드와 마주보며 배치되고 상기 이산화탄소가 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드; 및
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 분리막을 포함하고,
    상기 캐소드는, AuRu 합금 촉매를 포함하고,
    상기 AuRu 합금 촉매 중, Ru는 일산화 탄소에 대한 피독성능을 통하여, Au의 활성을 향상시켜, 상기 이산화탄소의 상기 일산화 탄소로의 전환 효율을 증대시키는 것을 특징으로 하는 전해셀.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 AuRu 합금에서의 Au 및 Ru의 원자비는 1:1~3 인 것을 특징으로 하는 전해셀.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 AuRu 합금에서의 Au 및 Ru의 원자비는 1:1 인 것을 특징으로 하는 전해셀.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 AuRu 합금 촉매는 지지체 상에 담지되고,
    상기 지지체는 탄소(C) 지지체 또는 티타늄(Ti) 화합물 지지체인 것을 특징으로 하는 전해셀.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 티타늄(Ti) 화합물은 티타늄 카바이드(TiC), 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 산화물(TiOx, 단, x＜2) 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 전해셀.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102217311B1 (ko) 2019-04-12 2021-02-19 한국과학기술원 중공형 다면체 이산화탄소 환원 촉매
KR20210033744A (ko) 2019-09-19 2021-03-29 포항공과대학교 산학협력단 이산화탄소 분해용 고체산화물 전해전지의 캐소드 조성물, 이산화탄소 분해용 고체산화물 전해전지 및 캐소드 조성물의 제조 방법
KR102389165B1 (ko) 2020-06-09 2022-04-21 포항공과대학교 산학협력단 이산화탄소 분해용 고체산화물 전해전지의 불소를 포함하는 캐소드 조성물, 이산화탄소 분해용 고체산화물 전해전지 및 캐소드 조성물의 제조 방법
KR20220069706A (ko) * 2020-11-20 2022-05-27 롯데케미칼 주식회사 이산화탄소 환원용 3원계 촉매

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000169149A (ja) 1998-12-03 2000-06-20 Basf Ag 複合金属酸化物材料、その製造方法、それの使用方法、それを含有する触媒および触媒の使用方法
CN101530797A (zh) 2008-10-16 2009-09-16 郑州大学 一种核壳结构催化剂及其制备方法
JP2010043953A (ja) 2008-08-12 2010-02-25 Toshiba Corp 使用済核燃料の再処理方法および遠心抽出装置
JP2010515564A (ja) 2007-01-16 2010-05-13 ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア 鉄元素を酸化された形で含む、多元素酸化物材料の製造方法
CN102039125A (zh) 2009-10-13 2011-05-04 中国科学院生态环境研究中心 一种去除水中硝酸盐的双金属负载型催化剂的制备和使用方法
US9359681B1 (en) 2013-03-11 2016-06-07 Alexey Serov CO2 electroreduction on metals and metal alloys prepared by a sacrificial support-based method
KR101840211B1 (ko) 2016-08-30 2018-03-20 부산대학교 산학협력단 일산화탄소를 발생시키기 위한 전해셀

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5387297B2 (ja) * 2009-09-30 2014-01-15 住友化学株式会社 複合酸化物触媒の製造方法
KR101662652B1 (ko) 2014-04-10 2016-11-01 울산과학기술원 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀 및 그 제조 방법
WO2017010814A1 (ko) * 2015-07-14 2017-01-19 한국에너지기술연구원 이산화탄소를 전기환원시켜 이산화탄소의 환원 생성물을 제조하는 방법 및 장치

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000169149A (ja) 1998-12-03 2000-06-20 Basf Ag 複合金属酸化物材料、その製造方法、それの使用方法、それを含有する触媒および触媒の使用方法
JP2010515564A (ja) 2007-01-16 2010-05-13 ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア 鉄元素を酸化された形で含む、多元素酸化物材料の製造方法
JP2010043953A (ja) 2008-08-12 2010-02-25 Toshiba Corp 使用済核燃料の再処理方法および遠心抽出装置
CN101530797A (zh) 2008-10-16 2009-09-16 郑州大学 一种核壳结构催化剂及其制备方法
CN102039125A (zh) 2009-10-13 2011-05-04 中国科学院生态环境研究中心 一种去除水中硝酸盐的双金属负载型催化剂的制备和使用方法
US9359681B1 (en) 2013-03-11 2016-06-07 Alexey Serov CO2 electroreduction on metals and metal alloys prepared by a sacrificial support-based method
KR101840211B1 (ko) 2016-08-30 2018-03-20 부산대학교 산학협력단 일산화탄소를 발생시키기 위한 전해셀

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ACS catalysis 3, pp.2449-2455(2013) 1부.*
Journal of catalysis, 307, pp.162-169(2013) 1부.*
Nat. Commun., 5, pp.4948(2014) 1부.*
논문1: J. Mater. Chem. A
논문2:중국임업학회
논문3: ACS Catal.
논문4:Rev.Adv.Mater.Sci.

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