KR102154198B1 - Method of preparing metal alloy catalysts, method of reducing carbon dioxide using metal alloy catalysts, and reduction system of carbon dioxide - Google Patents
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- B01J37/346—Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation making use of electric or magnetic fields, wave energy or particle radiation of electromagnetic wave energy of microwave energy
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 금속 합금 촉매의 제조 방법은, 팔라듐 나노입자가 담지된 탄소지지체를 준비하는 단계, 팔라듐 나노입자가 담지된 탄소지지체를 상기 팔라듐과 다른 합금용 금속의 이온을 포함하는 폴리올 용매에 분산시켜 전구체 용액을 준비하는 단계, 및 전구체 용액에 마이크로파를 조사하여 팔라듐 나노입자와 합금용 금속을 합금화하는 단계를 포함한다.A method of preparing a metal alloy catalyst according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a carbon support on which palladium nanoparticles are supported, and a polyol containing ions of palladium and other alloys on a carbon support on which palladium nanoparticles are supported. Dispersing in a solvent to prepare a precursor solution, and irradiating microwaves to the precursor solution to alloy palladium nanoparticles and an alloying metal.
Description
본 발명은 금속 합금 촉매의 제조 방법, 금속 합금 촉매를 이용한 이산화탄소 환원 방법, 및 이산화탄소 환원 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 제조가 용이하며 이산화탄소 환원 반응의 효율과 안정성을 확보할 수 있는 금속 합금 촉매의 제조 방법, 이를 이용한 이산화탄소 환원 방법, 및 이산화탄소 환원 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a metal alloy catalyst, a carbon dioxide reduction method using a metal alloy catalyst, and a carbon dioxide reduction system, and more particularly, a metal alloy that is easy to manufacture and can secure the efficiency and stability of the carbon dioxide reduction reaction. It relates to a method for producing a catalyst, a carbon dioxide reduction method using the same, and a carbon dioxide reduction system.
최근, 탄소 기반 에너지의 고갈 및 연료 가스 배출로 인한 환경 문제를 해결하기 위한 대책으로, 이산화탄소 전환을 통해 대체 에너지를 얻는 방식에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 중에서도 전기에너지, 특히 전기화학적 방법을 통해 이산화탄소를 전환하는 방법이 널리 연구되고 있다. 이산화탄소의 전기화학적 전환은 상온, 상압 조건 하의 수용액에서 일산화탄소, 포름산, 옥살산, 메탄올, 에탄올, 아세트알데히드 등의 다양한 유기물로의 전환이 가능하다. 특히, 포름산은 운반성이 뛰어나고 안전하며 친환경적인 물질이다. 또한, 포름산은 상온에서 자발적으로 수소연료로의 전환이 가능한 물질로서, 수소 에너지 관련 산업과의 연계성이 뛰어난 액체 연료이다. 따라서, 이러한 포름산 생성 효율을 확보할 수 있으면서, 동시에 촉매 안정성을 갖는 촉매의 개발이 중요하다. 여기에서, 촉매 안정성은 반응 속도를 나타내는 전류밀도의 유지 및 생성물에 대한 선택도의 유지를 의미한다. 하지만, 종래의 이산화탄소 환원용 촉매 기술에서는, 포름산에 대한 생성 효율을 확보하면서도 안정성을 갖는 촉매를 제시하지 못하였다.Recently, as a countermeasure for solving environmental problems caused by exhaustion of carbon-based energy and emission of fuel gas, research on a method of obtaining alternative energy through carbon dioxide conversion has been actively conducted. Among them, electric energy, especially a method of converting carbon dioxide through an electrochemical method, has been widely studied. The electrochemical conversion of carbon dioxide can be converted into various organic substances such as carbon monoxide, formic acid, oxalic acid, methanol, ethanol, and acetaldehyde in an aqueous solution under conditions of room temperature and pressure. In particular, formic acid is a safe, environmentally friendly material with excellent transportability. In addition, formic acid is a material capable of voluntarily converting to hydrogen fuel at room temperature, and is a liquid fuel having excellent connection with hydrogen energy related industries. Therefore, it is important to develop a catalyst having catalytic stability while ensuring such formic acid production efficiency. Here, catalyst stability means maintaining the current density indicating the reaction rate and maintaining the selectivity for the product. However, in the conventional carbon dioxide reduction catalyst technology, a catalyst having stability while securing the production efficiency for formic acid has not been presented.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 이산화탄소 환원 시에 포름산 생성에 대한 향상된 선택성을 가지며 촉매의 안정성이 확보된 금속 합금 촉매의 제조 방법 및 금속 합금 촉매를 이용한 이산화탄소 환원 방법을 제공하는 것이다.One of the technical problems to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a method for producing a metal alloy catalyst having improved selectivity for formic acid generation during carbon dioxide reduction and securing stability of the catalyst, and a carbon dioxide reduction method using a metal alloy catalyst. will be.
또한, 본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 이러한 금속 합금 촉매를 코팅한 전극을 포함하는 이산화탄소 환원 시스템을 제공하는 것이다.In addition, one of the technical problems to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a carbon dioxide reduction system including an electrode coated with such a metal alloy catalyst.
본 발명의 실시예에 따른 금속 합금 촉매의 제조 방법은, 팔라듐 나노입자가 담지된 탄소지지체를 준비하는 단계, 상기 팔라듐 나노입자가 담지된 탄소지지체를 상기 팔라듐과 다른 합금용 금속의 이온을 포함하는 폴리올 용매에 분산시켜 전구체 용액을 준비하는 단계, 및 상기 전구체 용액에 마이크로파를 조사하여 상기 팔라듐 나노입자와 상기 합금용 금속을 합금화하는 단계를 포함한다.The method of manufacturing a metal alloy catalyst according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a carbon support on which palladium nanoparticles are supported, the carbon support on which the palladium nanoparticles are supported, including ions of the palladium and other alloy metals. Dispersing in a polyol solvent to prepare a precursor solution, and irradiating microwaves to the precursor solution to alloy the palladium nanoparticles and the alloying metal.
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법은, 팔라듐 나노입자가 담지된 탄소지지체를 준비하는 단계, 상기 팔라듐 나노입자가 담지된 탄소지지체를 상기 팔라듐과 다른 합금용 금속의 이온을 포함하는 폴리올 용매에 분산시켜 전구체 용액을 준비하는 단계, 상기 전구체 용액에 마이크로파를 조사하여 상기 팔라듐 나노입자와 상기 합금용 금속을 합금화하여 팔라듐 합금 촉매를 형성하는 단계, 상기 팔라듐 합금 촉매를 제1 전극의 표면에 코팅하는 단계, 상기 제1 전극, 제2 전극, 및 이산화탄소가 용해된 전해질을 수용하는 반응기를 준비하는 단계, 및 상기 반응기에 전기적 신호를 인가하여 상기 전해질 내에 용해된 이산화탄소를 전기분해하는 단계를 포함한다.In the carbon dioxide reduction method according to an embodiment of the present invention, preparing a carbon support carrying palladium nanoparticles, the carbon support carrying the palladium nanoparticles in a polyol solvent containing ions of the palladium and other alloy metals. Preparing a precursor solution by dispersion, forming a palladium alloy catalyst by alloying the palladium nanoparticles and the alloy metal by irradiating microwaves to the precursor solution, coating the palladium alloy catalyst on the surface of the first electrode The step, the first electrode, the second electrode, and preparing a reactor for accommodating an electrolyte in which carbon dioxide is dissolved, and applying an electrical signal to the reactor to electrolyze the carbon dioxide dissolved in the electrolyte.
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템은, 이산화탄소가 용해된 전해질을 포함하는 반응기, 상기 전해질에 적어도 일부가 침지된 제1 및 제2 전극, 상기 제1 전극의 표면에 코팅되고, 탄소지지체에 담지된 팔라듐-은(PdAg) 합금 나노입자 촉매, 및 이산화탄소가 환원되어 포름산을 생성하도록 상기 제1 및 제2 전극에 전기적 신호를 인가하는 전원부를 포함한다.The carbon dioxide reduction system according to the embodiment of the present invention includes a reactor including an electrolyte in which carbon dioxide is dissolved, first and second electrodes in which at least a portion is immersed in the electrolyte, and coated on the surface of the first electrode, and on a carbon support. And a supported palladium-silver (PdAg) alloy nanoparticle catalyst, and a power supply for applying electrical signals to the first and second electrodes so that carbon dioxide is reduced to generate formic acid.
이산화탄소 환원 시에 포름산 생성에 대한 향상된 선택성을 가지며 촉매의 안정성이 확보된 금속 합금 촉매의 제조 방법, 금속 합금 촉매를 이용한 이산화탄소 환원 방법, 및 이산화탄소 환원 시스템이 제공될 수 있다.A method of manufacturing a metal alloy catalyst having improved selectivity for formic acid generation during carbon dioxide reduction and ensuring stability of the catalyst, a carbon dioxide reduction method using a metal alloy catalyst, and a carbon dioxide reduction system may be provided.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Various and beneficial advantages and effects of the present invention are not limited to the above-described contents, and may be more easily understood in the course of describing specific embodiments of the present invention.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 합금 촉매의 제조 방법을 나타내는 도면들이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 합금 촉매의 X-선 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD) 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템의 개략도이다.
도 5는 이산화탄소 환원 시스템의 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 전류밀도 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 패러데이 효율을 나타내는 그래프들이다.1A to 1D are views showing a method of manufacturing a metal alloy catalyst according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are graphs showing X-Ray Diffraction (XRD) results of a metal alloy catalyst prepared according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram of a carbon dioxide reduction system according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram for explaining a reaction of a carbon dioxide reduction system.
6A and 6B are graphs showing changes in current density according to a carbon dioxide reduction method according to an exemplary embodiment of the present invention.
7A and 7B are graphs showing Faraday efficiency according to a carbon dioxide reduction method according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형되거나 여러 가지 실시예가 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시예는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.The embodiments of the present invention may be modified into various different forms or a combination of various embodiments, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those with average knowledge in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
금속 합금 촉매의 제조 방법Method for producing a metal alloy catalyst
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 합금 촉매의 제조 방법은, (1) 금속 나노입자가 담지된 지지체를 준비하는 단계, (2) 상기 금속 나노입자가 담지된 지지체를 상기 금속과 다른 합금용 금속의 이온을 포함하는 용매에 분산시켜 전구체 용액을 준비하는 단계, 및 (3) 상기 전구체 용액에 마이크로파를 조사하여 상기 금속 나노입자와 상기 합금용 금속을 합금화하는 단계를 포함한다. 이하에서, 각 단계들에 대하여 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 상세히 설명한다.A method of preparing a metal alloy catalyst according to an embodiment of the present invention includes the steps of: (1) preparing a support on which metal nanoparticles are supported, (2) a support on which the metal nanoparticles are supported, and a metal for an alloy other than the metal. Preparing a precursor solution by dispersing in a solvent containing ions of, and (3) alloying the metal nanoparticles with the alloying metal by irradiating microwaves to the precursor solution. Hereinafter, each step will be described in detail with reference to FIGS. 1A to 1D.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 합금 촉매의 제조 방법을 나타내는 도면들이다.1A to 1D are views showing a method of manufacturing a metal alloy catalyst according to an embodiment of the present invention.
도 1a를 참조하면, 먼저 금속 나노입자(15)가 탄소지지체(12)에 담지된, 촉매 전구체 구조물(10)을 준비한다.Referring to FIG. 1A, first, a
탄소지지체(12)는 촉매로 기능하는 금속 나노입자(15)에서, 반응에 참여하는 표면적의 증가를 위하여 지지체로서 제공될 수 있다. 예를 들어, 탄소지지체(12)는, 카본블랙(carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 탄소 나노튜브, 흑연, 그래핀(graphene), 흑연 나노 섬유, 및 풀러렌(fullerene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만, 탄소지지체(12)는 일 예로서, 반드시 지지체가 탄소를 포함해야하는 것은 아니며, 금속 합금 촉매가 이용되는 반응에 참여하지 않는 물질로 이루어질 수 있다. 탄소지지체(12)는 구형의 형태를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 탄소지지체(12)는 예를 들어, 약 20 nm 내지 80 nm의 범위의 지름을 가질 수 있다.The
금속 나노입자(15)는 예를 들어, 화학적 합성법에 의하여 제조되어 탄소지지체(12)에 담지되거나, 탄소지지체(12) 상에 담지되도록 합성될 수 있다. 금속 나노입자(15)는 팔라듐(Pd)으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며 제조되는 촉매의 용도에 따라, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 수은(Hg) 등의 귀금속(noble metal), 및 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd) 등의 전이 금속 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 금속 나노입자(15)는 약 1 nm 내지 10 nm의 범위의 지름을 가질 수 있으며, 특히 약 3 nm 내지 7 nm의 범위의 지름을 가질 수 있다.The
도 1b를 참조하면, 합금용 금속의 이온을 포함하는 용매(20)에 촉매 전구체 구조물(10)을 분산시켜 전구체 용액(30)을 준비한다.Referring to FIG. 1B, a
용매(20)는 예를 들어, 폴리올(polyol)을 포함하도록 준비될 수 있다. 폴리올은 분자 중에 두 개 이상의 하이드록실기를 포함하는 알코올 화합물을 지칭한다. 폴리올은 촉매 전구체 구조물(10)의 응집을 방지하며 금속 이온을 환원시키는 역할을 할 수 있다. 용매(20)는 예를 들어, 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 테트라에틸렌 글리콜(tetraethylene glycol), 및 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The
다음으로, 용매(20)에 합금용 금속 이온(Mn+)을 포함하는 금속염을 용해시킬 수 있다. 상기 합금용 금속은 금속 나노입자(15)와 합금을 이루게 하기 위한 금속으로, 금속 나노입자(15)와 다른 금속일 수 있다. 상기 합금용 금속은 예를 들어, 은(Ag), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 비스무트(Bi), 납(Pb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속염은, 금속 양이온을 포함하는, 질산염(nitrate), 염화물(chloride), 트리플루오르아세트산염(trifluoroacetate), 브롬화물(bromide), 요오드화물(iodide), 플루오르화물 (fluoride), 황산염(sulfate), 아세트산염(acetate), 카보네이트염(carbonate), 아세틸아세토네이트염(acetylacetoante), 옥살레이트염(oxalate) 및 수산화물(hydroxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 상기 금속염으로 실버 트리플루오르아세트산염(silver trifluoroacetate)을 사용할 수 있으며, 이에 의해 합금용 금속 이온(Mn+)은 은(Ag) 양이온이 될 수 있다. 상기 합금용 금속과 금속 나노입자(15)를 이루는 금속의 몰비율이 0.1: 3 내지 2.8:3의 범위의 비율을 갖도록, 상기 금속염의 투입량이 제어될 수 있다. 상기 합금용 금속의 몰비율이 상기 범위보다 높은 경우, 금속 나노입자(15)와 합금을 이루지 않고 별도의 단일 금속상을 형성할 수 있기 때문이다.Next, a metal salt containing an alloy metal ion (M n+ ) may be dissolved in the
촉매 전구체 구조물(10)은 전구체 용액(30)에 교반 방식 또는 음파처리 방식을 이용하여 분산시킬 수 있다.The
도 1c를 참조하면, 전구체 용액(30)에 마이크로파(40)를 조사하여 금속 나노입자(15)와 상기 합금용 금속을 합금화한다.Referring to FIG. 1C, the
본 단계에서, 합금용 금속 이온(Mn+)이 환원되면서 금속 나노입자(15)와 합금을 이룰 수 있다. 합금화 단계에서의 공정 온도 및 공정 시간은 최종적으로 형성되는 금속 합금 나노입자의 크기 균일도에 중대한 영향을 미친다. 따라서, 본 발명에서는 가열 방식으로서 마이크로파(40)를 조사함으로써, 온도의 구배(gradient) 발생 없이, 단시간에 균일하게 가열하는 것이 가능하므로, 금속 합금 나노입자의 균일도가 향상될 수 있다. 마이크로파(40)는 약 50 W 내지 700 W 범위의 출력을 이용할 수 있으며, 특히, 약 200 W의 출력으로 조사할 수 있다. 마이크로파(40)는 주파수가 약 1 kHz 내지 3000 MHz의 범위일 수 있다. 마이크로파(40)의 조사 시간은 약 10 초 내지 15 분의 범위일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 전구체 용액(30)의 용량 등에 따라 변경될 수 있다. In this step, the alloying metal ions (M n+ ) may be reduced to form an alloy with the
본 발명에서는, 이와 같이 금속 나노입자(15)를 먼저 준비하고, 금속 나노입자(15)에 다른 금속 이온을 환원시키는 방식을 이용하면서, 이에 마이크로파(40)를 활용함으로써, 합금화 과정을 단순화하여 금속 합금 촉매를 용이하게 대량 생산할 수 있다.In the present invention, the
도 1d를 참조하면, 최종적으로 제조된 금속 합금 나노입자(16)를 포함하는 금속 합금 촉매 구조물(10')이 도시된다. 금속 합금 촉매인 금속 합금 나노입자(16) 내에서 합금용 금속의 조성비는 영역에 따라 균일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 금속 합금 나노입자(16)는 합금용 금속이 은(Ag)인 경우, PdxAg1-x(여기에서, 0 < x ≤ 0.2)의 평균 조성을 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.Referring to FIG. 1D, a metal
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 합금 촉매의 X-선 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD) 결과를 나타내는 그래프들이다.2 and 3 are graphs showing X-Ray Diffraction (XRD) results of a metal alloy catalyst prepared according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 금속 나노입자(15)가 팔라듐(Pd)이고, 합금용 금속을 그래프의 위에서부터, 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 은(Ag), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 비스무트(Bi), 납(Pb)과 같이 다양하게 변경하면서 상술한 제조 방법에 따라 제조한 금속 합금 촉매 구조물(10')의 X-선 회절 패턴 분석 결과가 도시된다. 그래프에서 나타나는 것과 같이, 합금화에 따라 결정 피크의 위치가 쉬프트되어 나타났으며, 별도의 합금용 금속의 결정면에 따른 피크를 나타내지는 않았다. 이로부터, 본 발명의 금속 합금 촉매의 제조 방법에 따르면, 다양한 금속과의 금속 합금 촉매를 제조할 수 있음을 알 수 있다.2, the
도 3을 참조하면, 금속 나노입자(15)가 팔라듐(Pd)이고, 합금용 금속으로 은(Ag)을 사용하면서, 몰비율을 다르게 제조한 경우의 X-선 회절 패턴 분석 결과가 도시된다. 각 패턴 상에 제조 시의 은(Ag)과 팔라듐(Pd)의 몰비율을 표시하였으며, 그래프 하부에 각각 팔라듐(Pd), 팔라듐-은(PdAg) 합금, 및 은(Ag)의 피크 위치를 참조로 표시하였다. Referring to FIG. 3, an X-ray diffraction pattern analysis result in the case where the
그래프에서 나타나는 것과 같이, 은(Ag)과 팔라듐(Pd)의 몰비율이 2:3보다 큰 경우, 은(Ag)의 피크가 별도로 나타났다. 은(Ag)과 팔라듐(Pd)의 몰비율이 2:3인 경우, 합금에서의 조성은 Pd0.8Ag0.2로 분석되었다. 이로부터, 합금용 금속의 몰비율이 상대적으로 큰 경우, 별도의 상(phase)을 형성하거나 합금 반응을 저해할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 은(Ag)과 팔라듐(Pd)의 몰비율은 최대 3:3보다 작을 수 있으며, 예를 들어, 최대 몰비율은 2:3 내지 2.8:3의 범위일 수 있다. 또한, 상기 결과로부터, 본 발명의 금속 합금 촉매의 제조 방법에 따르면, 금속 합금 촉매에서 원소비율의 조절도 가능함을 알 수 있다.As shown in the graph, when the molar ratio of silver (Ag) and palladium (Pd) is greater than 2:3, the peak of silver (Ag) appeared separately. When the molar ratio of silver (Ag) and palladium (Pd) is 2:3, the composition in the alloy was analyzed as Pd 0.8 Ag 0.2 . From this, it can be seen that when the molar ratio of the alloying metal is relatively large, a separate phase may be formed or the alloying reaction may be inhibited. Accordingly, the molar ratio of silver (Ag) and palladium (Pd) may be less than a maximum of 3:3, and for example, the maximum molar ratio may be in the range of 2:3 to 2.8:3. In addition, from the above results, it can be seen that according to the method for producing a metal alloy catalyst of the present invention, it is possible to control the element ratio in the metal alloy catalyst.
이산화탄소 환원 방법 및 이산화탄소 환원 시스템Carbon dioxide reduction method and carbon dioxide reduction system
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법은, (1) 금속 나노입자가 담지된 지지체를 준비하는 단계, (2) 상기 금속 나노입자가 담지된 지지체를 합금용 금속의 이온을 포함하는 용매에 분산시켜 전구체 용액을 준비하는 단계, (3) 상기 용액에 마이크로파를 조사하여 상기 금속 나노입자와 상기 합금용 금속을 합금화하여 금속 합금 촉매를 형성하는 단계, (4) 상기 금속 합금 촉매를 제1 전극의 표면에 코팅하는 단계, (5) 상기 제1 전극, 제2 전극, 및 이산화탄소가 용해된 전해질을 수용하는 반응기를 준비하는 단계, 및 (6) 상기 반응기에 전기적 신호를 인가하여 상기 전해질 내에 용해된 이산화탄소를 전기분해하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 (1) 내지 (3)의 단계는 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 상술한 금속 합금 촉매의 제조 방법에 따른 단계들이므로, 중복되는 설명은 생략한다.The carbon dioxide reduction method according to an embodiment of the present invention includes the steps of (1) preparing a support on which metal nanoparticles are supported, (2) a support on which the metal nanoparticles are supported in a solvent containing ions of an alloying metal. Preparing a precursor solution by dispersing, (3) forming a metal alloy catalyst by alloying the metal nanoparticles with the alloy metal by irradiating microwaves to the solution, (4) using the metal alloy catalyst as a first electrode Coating on the surface of, (5) preparing a reactor for receiving an electrolyte in which the first electrode, the second electrode, and carbon dioxide are dissolved, and (6) applying an electrical signal to the reactor to dissolve in the electrolyte It may include the step of electrolyzing the carbon dioxide. Steps (1) to (3) are steps according to the method of manufacturing the metal alloy catalyst described above with reference to FIGS. 1A to 1D, and thus redundant descriptions will be omitted.
상기 (4) 단계는, 제조된 금속 합금 촉매를 이산화탄소 환원 시스템용 전극의 표면에 코팅하는 단계이다. 구체적으로, 도 1a 내지 도 1d의 금속 합금 촉매 구조물(10')을 분말의 형태로 수거하여 니피온 이오노머(ionomer)와 같은 불소계 수지 용매 등에 분산한 후, 드랍-캐스팅(drop-casting) 방식으로 전극 상에 코팅할 수 있다. 상기 용매는 금속 합금 촉매 구조물(10')을 분산시키고 전극에 고정하기 위한 용매일 수 있다. Step (4) is a step of coating the prepared metal alloy catalyst on the surface of an electrode for a carbon dioxide reduction system. Specifically, the metal
금속 합금 촉매는 전극 상에 코팅된 후, 촉매 표면의 활성화를 위하여, 금속 합금 촉매로부터 합금용 금속의 일부를 선택적으로 용해시키는 단계를 더 거칠 수 있다. 이에 의해, 과증착된 합금용 금속이 존재하는 경우, 선택적으로 제거될 수 있다. 상기 용해시키는 단계는 전기화학적 방법을 이용할 수 있다.After the metal alloy catalyst is coated on the electrode, in order to activate the surface of the catalyst, a step of selectively dissolving a part of the alloy metal from the metal alloy catalyst may be further performed. Thereby, when the overdeposited alloy metal is present, it can be selectively removed. The dissolving step may use an electrochemical method.
상기 (5) 단계는, 이와 같이 금속 합금 촉매가 코팅된 제1 전극을, 제2 전극과 함께 이산화탄소가 용해된 전해질을 수용하는 반응기 내에 준비하여 이산화탄소 환원 시스템을 구성하는 단계이다. 이에 대해서는 하기에 도 4의 이산화탄소 환원 시스템을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.In the step (5), the first electrode coated with the metal alloy catalyst is prepared in a reactor for accommodating an electrolyte in which carbon dioxide is dissolved together with the second electrode to form a carbon dioxide reduction system. This will be described in more detail below with reference to the carbon dioxide reduction system of FIG. 4.
상기 (6) 단계는, 금속 합금 촉매가 코팅된 제1 전극을 이용하여 이산화탄소를 전기분해하는 단계이다. 이에 대해서는 하기에 도 5의 반응 모식도를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.The step (6) is a step of electrolyzing carbon dioxide using a first electrode coated with a metal alloy catalyst. This will be described in more detail below with reference to the reaction schematic diagram of FIG. 5.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템의 개략도이다.4 is a schematic diagram of a carbon dioxide reduction system according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 이산화탄소 환원 시스템(100)은, 반응기(110), 전해질 수용액(115), 기준 전극(120), 제1 전극(cathode)(130), 제2 전극(anode)(140), 및 전원부(160)를 포함할 수 있다. 기준 전극(120), 및 제1 및 제2 전극(130, 140)은 전원부(160)에 의하여 연결될 수 있다. 실시예들에 따라, 이산화탄소 환원 시스템(100)은 제1 및 제2 전극(130, 140)을 분할하며 이온 투과성 물질로 이루어진 멤브레인을 더 포함할 수 있다. 또한, 실시예들에 따라, 이산화탄소 환원 시스템(100)은 생성물 포집부 및 이산화탄소 공급부 등을 더 포함할 수 있다.4, the carbon
이산화탄소 환원 시스템(100)은 전해질 수용액(115) 내의 이산화탄소를 포름산(formic acid)을 포함하는 생성물로 환원시키는 시스템일 수 있다. 상기 생성물은, 포름산 이외에, 일산화탄소, 옥살산(oxalic acid), 메탄올, 에탄올, 아세트알데히드 등을 더 포함할 수 있다.The carbon
반응기(110)는 전해질 수용액(115)을 수용할 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 반응기(110)는 예를 들어, 파이렉스, 아크릴, 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC) 등으로 이루어질 수 있다.The
전해질 수용액(115)은 반응기(110) 내에 수용되며, 이산화탄소의 공급원 및 이산화탄소의 환원 반응 시 생성되는 양성자의 수용체로서의 역할을 수행할 수 있다. 전해질 수용액(115)은 이산화탄소가 용해된 증류수에, 예를 들어, 탄산수소나트륨(NaHCo3), 중탄산칼륨(KHCO3), 및 과염소산나트륨(NaClO4) 중 적어도 하나를 더 포함하는 용액일 수 있다. The electrolyte
기준 전극(120)은 제1 및 제2 전극(130, 140)의 전극 전위를 측정하기 위한 전극일 수 있으며, 특별한 제한이 없으나, 염화은(AgCl), 은(Au) 또는 이의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 기준 전극(120)은 음극 또는 양극 중 어느 한 쪽에 위치할 수 있다.The
제1 및 제2 전극(130, 140)은 전해질 수용액(115) 내에 일부 또는 전부가 침지될 수 있다. 제1 전극(130)은 작업 전극(working electrode)이고, 제2 전극(140)은 상대 전극(counter electrode)일 수 있다. 제1 및 제2 전극(130, 140)은 각각 반도체 물질 또는 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극(130, 140)은 구리(Cu), 수은(Hg), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 주석(Sn), 아연(Zn), 철(Fe), 및 이들이 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 전극(130)은 환원 전극이고, 제2 전극(140)은 산화 전극일 수 있다. Part or all of the first and
제1 전극(130)은 상술한 (1) 내지 (4) 단계의 과정에 의해 준비될 수 있다. 따라서, 제1 전극(130)의 적어도 일 면에는 본 발명의 금속 합금 촉매를 포함하는 촉매층(150)이 위치할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 전극(130)은 거울상 탄소 플레이트로 이루어지고, 촉매층(150)은 팔라듐-은(PdAg) 합금 나노입자들의 파우더가 코팅된 층일 수 있다.The
전원부(160)는 반응기(110) 내에 전기적 신호를 인가함으로써, 이산화탄소의 환원 반응이 일어나게 할 수 있다. 전원부(160)는 기준 전극(120) 및 제1 및 제2 전극(130, 140) 모두에 연결되거나, 일부에만 연결될 수 있다. 전원부(160)가 인가하는 전압은 0.2 V 내지 100 V의 범위일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The
도 5는 이산화탄소 환원 시스템의 반응을 설명하기 위한 도면이다.5 is a diagram for explaining a reaction of a carbon dioxide reduction system.
도 5를 참조하면, 이산화탄소 환원 시스템(100)에서 제1 및 제2 전극(130, 140)의 사이에 전압이 인가되면, 제1 전극(130)에서 이산화탄소가 환원되고, 제2 전극(140)에서 산소가 발생되는 반응이 일어나게 된다. 상술한 것과 같이, 이산화탄소의 환원 반응 생성물은 특히 포름산을 포함할 수 있으며, 일산화탄소의 생성은 최소화될 수 있다. 도 5에서, 금속 합금 촉매의 표면 상에서, 일산화탄소가 생성되는 반응은 경로 (1)로 도시되고, 포름산을 생성하는 반응은 경로 (2)로 도시되었다. 본 발명에 따른 금속 합금 촉매에 의해, 경로 (1)에 따른 반응보다 경로 (2)에 따른 반응의 선택성이 높을 수 있다. 즉, 금속 합금 촉매의 표면은 탄소(C)보다 산소(O)에 대한 선택성이 높을 수 있다.Referring to FIG. 5, when a voltage is applied between the first and
따라서, 제1 전극(130)에서의 반응은 반응식 1로 표현될 수 있으며, 제2 전극(140)에서의 반응은 반응식 2로 표현될 수 있다. Accordingly, the reaction at the
[반응식 1] CO2 + 2 H+ + 2 e- → HCOOH [Scheme 1] CO 2 + 2 H + + 2 e - → HCOOH
[반응식 2] H2O → 1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- [
본 발명의 실시예들에서는, 이산화탄소 전환 시스템으로, 전기분해 시스템을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소의 환원용 금속 합금 촉매는 다양한 전기화학반응 시스템들에 이용될 수 있을 것이다. In the embodiments of the present invention, as a carbon dioxide conversion system, an electrolysis system has been exemplarily described, but the present invention is not limited thereto, and the metal alloy catalyst for reduction of carbon dioxide according to an embodiment of the present invention has various electrochemical reactions. It could be used in systems.
팔라듐-은(PdAg) 합금 촉매의 실시예Examples of palladium-silver (PdAg) alloy catalyst
일 실시예의 금속 합금 촉매 및 이산화탄소 환원 시스템은 다음과 같이 준비되었다.The metal alloy catalyst and carbon dioxide reduction system of an embodiment were prepared as follows.
금속 합금 촉매는, 팔라듐(Pd) 나노 입자가 담지된 탄소지지체를, 실버 트리플루오르아세트산염(silver trifluoroacetate)을 포함하는 에틸렌 글리콜 내에 분산시킨 후, 마이크로파를 조사하여 합금화하였다. 금속 합금 촉매의 분말을 나피온 이오노머 용액(5wt%, Sigma Aldrich)이 포함된 이소프로판올(isopropanol) 또는 에탄올(ethanol) 용액에 분산시키고 약 10 분간 음파처리에 의해서 촉매 잉크를 제조하였다. 상기 촉매 잉크 용액 중 촉매의 양은 대략 6 mg/ml이었다. 전극으로는, 거울상 탄소 플레이트(Alfa Aesar)를 폴리싱하고 탈이온수로 세정하여 준비한 후, 상기 촉매 잉크를 거울상 탄소 플레이트 위에 드랍-캐스팅하였다. 전극의 활성 면적은 0.5 cm2이고, 상기 촉매 잉크가 코팅된 양은 대략 80 μl이었다. 금속 합금 촉매가 코팅된 전극을 작업 전극으로, 백금 플레이트를 상대 전극으로, Ag/AgCl 전극을 기준 전극으로 사용하고, 전해질로 아르곤 기체로 포화된 0.1M HClO4 용액을 사용한 3-전극 시스템을 준비하였다. 순환전류전압법(cyclic voltammetry)을 이용하여, 기준 전극 대비 -0.35 V에서 1.10 V 사이에서 50 mV/s의 스캔 속도로 2 회 내지 8 회 반복 수행하여, 과증착된 합금용 금속을 제거하였다. 이산화탄소 환원은, 백금(Pt) 판과 Ag/AgCl(3M NaCl) 전극을 각각 상대 전극 및 기준 전극으로 사용한 시스템을 이용하였다. 전기화학적 특성의 측정은 2실 전기화학 셀에서 CHI 전위 가변기(potentiostat)를 사용하여 수행하였고, 나피온 이온 교환막을 사용하여 캐소드액과 애노드액을 분리하였다. 전해질 용액(0.5 M NaHCO3/0.5 M NaClO4)을 적어도 15 분 동안 고순도 이산화탄소 가스로 퍼지했으며, 포화 후 pH는 대략 7.2 였다. 각 고정 전위에서 시간에 따라 전류를 측정하였으며, 가스상 생성물(즉 H2, CO)을 열 전도율 검출기(TCD)와 불꽃 이온화 검출기(FID)가 장착된 기체 크로마토그래프로 분석하였다. 액체 생성물(HCOOH)은 핵자기공명분석법을 이용하여 정량화하였다.The metal alloy catalyst was alloyed by dispersing a carbon support on which palladium (Pd) nanoparticles were supported in ethylene glycol containing silver trifluoroacetate, followed by irradiation with microwaves. The powder of the metal alloy catalyst was dispersed in an isopropanol or ethanol solution containing Nafion ionomer solution (5wt%, Sigma Aldrich), and a catalyst ink was prepared by sonication for about 10 minutes. The amount of catalyst in the catalyst ink solution was approximately 6 mg/ml. As an electrode, a mirror carbon plate (Alfa Aesar) was prepared by polishing and washing with deionized water, and then the catalyst ink was drop-cast on the mirror carbon plate. The active area of the electrode was 0.5 cm 2 and the amount coated with the catalyst ink was approximately 80 μl. A three-electrode system was prepared using an electrode coated with a metal alloy catalyst as a working electrode, a platinum plate as a counter electrode, an Ag/AgCl electrode as a reference electrode, and a 0.1M HClO 4 solution saturated with argon gas as an electrolyte. I did. Using cyclic voltammetry, the overdeposited alloy metal was removed by repeating 2 to 8 times at a scan rate of 50 mV/s between -0.35 V and 1.10 V compared to the reference electrode. For carbon dioxide reduction, a system using a platinum (Pt) plate and an Ag/AgCl (3M NaCl) electrode as a counter electrode and a reference electrode, respectively, was used. The electrochemical properties were measured in a two-room electrochemical cell using a CHI potentiostat, and the catholyte and the anolyte were separated using a Nafion ion exchange membrane. The electrolyte solution (0.5 M NaHCO 3 /0.5 M NaClO 4 ) was purged with high purity carbon dioxide gas for at least 15 minutes, and the pH after saturation was approximately 7.2. Current was measured over time at each fixed potential, and gaseous products (ie, H 2 , CO) were analyzed by a gas chromatograph equipped with a thermal conductivity detector (TCD) and a flame ionization detector (FID). The liquid product (HCOOH) was quantified using nuclear magnetic resonance analysis.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 전류밀도 변화를 나타내는 그래프들이다.6A and 6B are graphs showing changes in current density according to a carbon dioxide reduction method according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 패러데이 효율을 나타내는 그래프들이다.7A and 7B are graphs showing Faraday efficiency according to a carbon dioxide reduction method according to an embodiment of the present invention.
도 6a 및 도 7a는 도 1d의 금속 합금 나노입자(16)가 팔라듐(Pd)으로만 이루어진 비교예에 대한 분석 결과이고, 도 6b 및 도 7b는 금속 합금 나노입자(16)가 팔라듐-은(PdAg) 합금으로 이루어진 실시예에 대한 분석 결과이다.6A and 7A are analysis results for a comparative example in which the
먼저, 도 6a 및 도 6b을 참조하면, 기준 전극에 대한 전압을 변화시키며 전류밀도를 측정한 결과, 비교예의 경우, 단시간에 전류밀도가 0에 가까운 값으로 급격히 감소하는 경향을 나타내었다. 이에 비하여, 실시예의 경우, - 1.35 V의 경우 외에는 상대적으로 시간이 지나도 안정적으로 전류밀도를 유지하는 결과를 나타내었다. 다만, - 1.35 V의 경우는, 수소 생산의 증가로 인한 전류에 기인한 것이므로, 전류밀도의 안정성이 낮다고 보기는 어렵다. 이에 대해서는 하기에 도 7a 및 도 7b를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.First, referring to FIGS. 6A and 6B, as a result of measuring the current density while changing the voltage for the reference electrode, in the case of the comparative example, the current density showed a tendency to rapidly decrease to a value close to zero in a short time. In contrast, in the case of the embodiment, except for the case of -1.35 V, the result was shown to stably maintain the current density even after the passage of time. However, in the case of -1.35 V, it is difficult to say that the stability of the current density is low because it is due to the current caused by the increase in hydrogen production. This will be described in more detail below with reference to FIGS. 7A and 7B.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 다양한 전위에서 패러데이 효율을 분석한 결과, 비교예에 비하여 실시예의 경우, 전체 전위 영역들에서 상대적으로 주 생성물인 포름산염(HCOO-)의 효율 증가하고 일산화탄소(CO)의 효율이 낮아진 것을 알 수 있다. 특히, 포름산에 대한 패러데이 효율은 대부분의 전위에서 90 % 이상으로 나타났으며, 생성물 중 효율이 가장 높게 나타났다. 또한, - 1.35 V의 경우 수소의 패러데이 효율이 급격히 증가한 것을 알 수 있으며, 상기 도 6b의 전류밀도의 변화는 이에 기인한 것으로 해석할 수 있다.When FIG. 7a and FIG. 7b, the embodiment than in comparative analysis of the Faraday efficiency at different potential, for example, relative to the main product, formate (HCOO -) in the full potential region increases the efficiency of the carbon monoxide (CO ), it can be seen that the efficiency of In particular, the Faraday efficiency for formic acid was 90% or more at most potentials, and the efficiency was the highest among the products. In addition, in the case of -1.35 V, it can be seen that the Faraday efficiency of hydrogen rapidly increases, and the change in the current density in FIG. 6B can be interpreted as being caused by this.
이러한 결과에 따르면, 본 발명의 팔라듐-은(PdAg) 합금 촉매를 이용하는 경우, 도 5를 참조하여 상술한 반응 경로 중, 경로 (1)로 진행하는 반응을 경로 (2)로 유도하여, 포름산의 생성율을 향상시키는 것으로 이해할 수 있다. 이는 팔라듐(Pd)과 합금된 은(Ag)에 기인한 특성으로 이해된다. 은(Ag)은 COOH* 중간체보다 OCHO* 중간체를 주로 유도할 수 있으며, 이는 은(Ag)과 상기 유기분자의 결합 능력에 따른 것일 수 있다. OCHO*에 대하여 팔라듐(Pd)과 은(Ag)은 모두 적절한 수준의 촉매로서의 결합 친화성(binding affiity)을 가지면서, COOH*에 대해서는 은(Ag)은 팔라듐(Pd)에 비하여 낮은 결합 친화성을 가지므로, 금속 합금 촉매 전체의 결합 친화성을 조절할 수 있으며, 반응 경로를 변경할 수 있게 된다. 또한, 일산화탄소의 경우, 금속 합금 촉매의 표면에 고정되어 반응을 위한 활성점 수를 지속적으로 감소시키는 문제가 있으나, 일산화탄소의 발생을 억제함으로써, 촉매 안정성도 향상될 수 있다.According to these results, in the case of using the palladium-silver (PdAg) alloy catalyst of the present invention, among the reaction pathways described above with reference to FIG. 5, the reaction proceeding to pathway (1) is induced to pathway (2), It can be understood as improving the production rate. This is understood as a property due to silver (Ag) alloyed with palladium (Pd). Silver (Ag) may be mainly induced OCHO * Intermediate than COOH * intermediate, which may be one of the binding capacity of (Ag) and the organic molecule. For OCHO * , palladium (Pd) and silver (Ag) both have an appropriate level of binding affiity as a catalyst, while for COOH * silver (Ag) has a lower binding affinity than palladium (Pd). Therefore, it is possible to control the binding affinity of the entire metal alloy catalyst and to change the reaction path. In addition, in the case of carbon monoxide, there is a problem that the number of active sites for the reaction is continuously reduced by being fixed on the surface of the metal alloy catalyst, but catalyst stability may also be improved by suppressing the generation of carbon monoxide.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Therefore, various types of substitutions, modifications and changes will be possible by those of ordinary skill in the art within the scope not departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, and this also belongs to the scope of the present invention. something to do.
100: 이산화탄소 환원 시스템
110: 반응기
115: 전해질 수용액
120: 기준 전극
130: 제1 전극
140: 제2 전극
150: 촉매층
160: 전원부100: carbon dioxide reduction system
110: reactor
115: aqueous electrolyte solution
120: reference electrode
130: first electrode
140: second electrode
150: catalyst layer
160: power supply
Claims (10)
상기 팔라듐 나노입자가 담지된 탄소지지체를 상기 팔라듐과 다른 합금용 금속의 이온을 포함하는 폴리올 용매에 분산시켜 전구체 용액을 준비하는 단계; 및
상기 전구체 용액에 마이크로파를 조사하여 상기 팔라듐 나노입자와 상기 합금용 금속을 합금화하는 단계를 포함하는 금속 합금 촉매의 제조 방법.
Preparing a carbon support on which palladium nanoparticles are supported;
Preparing a precursor solution by dispersing the carbon support on which the palladium nanoparticles are supported in a polyol solvent containing ions of the palladium and other alloy metals; And
A method for producing a metal alloy catalyst comprising the step of alloying the palladium nanoparticles and the alloy metal by irradiating microwaves to the precursor solution.
상기 합금용 금속은 은(Ag)인 금속 합금 촉매의 제조 방법.
The method of claim 1,
The alloying metal is a method of manufacturing a metal alloy catalyst of silver (Ag).
상기 전구체 용액을 준비하는 단계는,
상기 폴리올 용매에 상기 합금용 금속의 양이온을 포함하는 금속염을 용해시키는 단계를 포함하는 금속 합금 촉매의 제조 방법.
The method of claim 1,
Preparing the precursor solution,
A method of producing a metal alloy catalyst comprising dissolving a metal salt containing a cation of the alloy metal in the polyol solvent.
상기 합금용 금속 및 상기 팔라듐의 몰비율이 0.1:3 내지 2.8:3의 범위를 갖도록, 상기 전구체 용액에 포함되는 상기 금속염의 양을 제어하는 금속 합금 촉매의 제조 방법.
The method of claim 3,
A method of manufacturing a metal alloy catalyst for controlling the amount of the metal salt contained in the precursor solution so that the molar ratio of the alloy metal and the palladium ranges from 0.1:3 to 2.8:3.
상기 팔라듐 나노입자는 1 nm 내지 10 nm의 범위의 지름을 갖는 금속 합금 촉매의 제조 방법.
The method of claim 1,
The palladium nanoparticles are a method for producing a metal alloy catalyst having a diameter in the range of 1 nm to 10 nm.
상기 팔라듐 나노입자가 담지된 탄소지지체를 상기 팔라듐과 다른 합금용 금속의 이온을 포함하는 폴리올 용매에 분산시켜 전구체 용액을 준비하는 단계;
상기 전구체 용액에 마이크로파를 조사하여 상기 팔라듐 나노입자와 상기 합금용 금속을 합금화하여 팔라듐 합금 촉매를 형성하는 단계;
상기 팔라듐 합금 촉매를 제1 전극의 표면에 코팅하는 단계;
상기 제1 전극, 제2 전극, 및 이산화탄소가 용해된 전해질을 수용하는 반응기를 준비하는 단계; 및
상기 반응기에 전기적 신호를 인가하여 상기 전해질 내에 용해된 이산화탄소를 전기분해하는 단계를 포함하는 이산화탄소 환원 방법.
Preparing a carbon support on which palladium nanoparticles are supported;
Preparing a precursor solution by dispersing the carbon support on which the palladium nanoparticles are supported in a polyol solvent containing ions of the palladium and other alloy metals;
Irradiating microwaves to the precursor solution to alloy the palladium nanoparticles and the alloying metal to form a palladium alloy catalyst;
Coating the palladium alloy catalyst on the surface of the first electrode;
Preparing a reactor for accommodating the first electrode, the second electrode, and an electrolyte in which carbon dioxide is dissolved; And
A carbon dioxide reduction method comprising the step of electrolyzing carbon dioxide dissolved in the electrolyte by applying an electrical signal to the reactor.
상기 이산화탄소를 전기분해하는 단계는, 상기 제1 전극에 환원 전위를 인가하여 포름산을 생성하는 단계를 포함하는 이산화탄소 환원 방법.
The method of claim 6,
The step of electrolyzing the carbon dioxide comprises applying a reduction potential to the first electrode to generate formic acid.
상기 포름산의 패러데이 효율은 전기분해 생성물 중에서 가장 큰 이산화탄소 환원 방법.
The method of claim 7,
The Faraday efficiency of formic acid is the largest carbon dioxide reduction method among electrolysis products.
상기 제1 전극의 표면에 코팅된 상기 팔라듐 합금 촉매가 활성화되도록, 상기 팔라듐 합금 촉매로부터 상기 합금용 금속의 일부를 선택적으로 용해시켜 제거하는 단계를 더 포함하는 이산화탄소 환원 방법.
The method of claim 7,
The carbon dioxide reduction method further comprising the step of selectively dissolving and removing a part of the alloy metal from the palladium alloy catalyst so that the palladium alloy catalyst coated on the surface of the first electrode is activated.
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