KR102411726B1 - Electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, and electrochemical fuel production device that produces fuel using the same - Google Patents

Electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, and electrochemical fuel production device that produces fuel using the same Download PDF

Info

Publication number
KR102411726B1
KR102411726B1 KR1020200119757A KR20200119757A KR102411726B1 KR 102411726 B1 KR102411726 B1 KR 102411726B1 KR 1020200119757 A KR1020200119757 A KR 1020200119757A KR 20200119757 A KR20200119757 A KR 20200119757A KR 102411726 B1 KR102411726 B1 KR 102411726B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electromagnetic wave
catalyst
electrochemical
fuel production
adsorption energy
Prior art date
Application number
KR1020200119757A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20220037155A (en
Inventor
심욱
최희채
강철
송선주
박찬진
이동규
임윤구
임재형
황도연
Original Assignee
전남대학교산학협력단
광주과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전남대학교산학협력단, 광주과학기술원 filed Critical 전남대학교산학협력단
Priority to KR1020200119757A priority Critical patent/KR102411726B1/en
Publication of KR20220037155A publication Critical patent/KR20220037155A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102411726B1 publication Critical patent/KR102411726B1/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/021—Process control or regulation of heating or cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/10—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone
    • F02M25/12—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone the apparatus having means for generating such gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법 및 이를 이용하여 연료를 생산하는 전기화학적 연료 생산 장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자기파 조사를 통해 저가 비귀금속 촉매의 성능을 향상시킴으로써 종래 귀금속 촉매의 대체가 가능하며, 전자기파 공명주파수 변조를 활용하여 저가 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 조절함으로써 단일 촉매를 이용하면서도 다양한 연료의 선택적 생산이 가능하도록 하는 경제성 높은 전기화학적 연료 생산 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.An embodiment of the present invention provides an electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, and an electrochemical fuel production apparatus for producing fuel using the same. According to an embodiment of the present invention, it is possible to replace the conventional noble metal catalyst by improving the performance of the low-cost non-noble metal catalyst through electromagnetic wave irradiation, and by utilizing the electromagnetic wave resonance frequency modulation to control the adsorption energy of the low-cost non-noble metal catalyst with the reactant This has the effect of providing an economical electrochemical fuel production method that enables the selective production of various fuels while using a single catalyst.

Description

전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법 및 이를 이용하여 연료를 생산하는 전기화학적 연료 생산 장치{Electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, and electrochemical fuel production device that produces fuel using the same}TECHNICAL FIELD [0002] Electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, and electrochemical fuel production device that produces fuel using the same}

본 발명은 전기화학적 연료 생산 방법 및 이를 이용하여 연료를 생산하는 전기화학적 연료 생산 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법 및 이를 이용하여 연료를 생산하는 전기화학적 연료 생산 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical fuel production method and an electrochemical fuel production apparatus for producing fuel using the same, and more particularly, to an electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, and fuel production using the same It relates to an electrochemical fuel production device.

기존 화석 연료로 인한 환경오염 문제가 대두됨에 따라, 이를 대체하기 위한 친환경적이면서도 비용이 저렴한 에너지원으로 알려진 전기화학적 연료생산이 주목받고 있다. 전기화학적 연료 생산은 그 생산 효율성을 향상시키기 위해 낮은 활성화 에너지 장벽을 가진 촉매를 요하므로, 종래에는 이를 위하여 귀금속을 촉매로 이용해왔다. 대표적으로 백금, 루테늄, 이리듐, 금, 은 등의 귀금속은 흡착에너지가 낮아 활성 촉매로 활용되기 적합하다는 장점이 있으나, 그 희소성으로 인한 고비용 문제로 대규모 개발에는 실용성이 떨어진다는 문제점이 있었다. As the problem of environmental pollution caused by existing fossil fuels has emerged, the production of electrochemical fuels known as eco-friendly and inexpensive energy sources to replace them is attracting attention. Since electrochemical fuel production requires a catalyst having a low activation energy barrier to improve its production efficiency, noble metals have been conventionally used as a catalyst for this purpose. Typically, noble metals such as platinum, ruthenium, iridium, gold, and silver have low adsorption energy and thus are suitable for use as active catalysts.

따라서, 다양한 종류의 에너지 전환 촉매를 개발하고 상용화하기 위하여 종래 귀금속 촉매를 대체하기 위한 연구들이 활발히 진행되어 왔다. 대표적으로 저렴한 비귀금속 촉매를 이용하여 공정 과정을 거쳐 성능을 높임으로써 전기화학적 연료 생산에 사용하기 위한 다양한 시도들이 수행되었다. 그러나 이는 상당히 복잡한 공정을 요하므로 상용화가 쉽지 않다는 문제점이 있었다.Therefore, in order to develop and commercialize various types of energy conversion catalysts, studies have been actively conducted to replace the conventional noble metal catalysts. Typically, various attempts have been made to use inexpensive non-precious metal catalysts for use in electrochemical fuel production by increasing their performance through a process process. However, since this requires a fairly complicated process, there was a problem in that commercialization was not easy.

또한, 대표적인 전기화학 반응인 수소와 산소 발생 반응 그리고 산소, 질소 및 이산화탄소 환원 반응 등의 경우, 각각의 반응에 대한 적절한 촉매가 모두 다르기 때문에 각각 별도의 촉매를 이용해야 한다는 번거로움이 있었다. 따라서 이를 위해 여러 반응에 사용이 가능한 단일 촉매의 개발이 여전히 과제로 남아있다.In addition, in the case of the hydrogen and oxygen evolution reaction and the oxygen, nitrogen, and carbon dioxide reduction reaction, which are representative electrochemical reactions, it is inconvenient to use separate catalysts because suitable catalysts for each reaction are all different. Therefore, the development of a single catalyst that can be used for multiple reactions remains a challenge.

대한민국 등록특허 제10-1860763호Republic of Korea Patent No. 10-1860763

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전자기파를 이용하여 저가의 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 귀금속 수준으로 조절하여 촉매의 성능을 향상시킴으로써 종래 귀금속 촉매의 대체가 가능하도록 하는 전기화학적 연료 생산 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is an electrochemical fuel production method that enables the replacement of a conventional noble metal catalyst by controlling the adsorption energy of a low-cost non-noble metal catalyst with a reactant to the level of a noble metal using electromagnetic waves to improve the performance of the catalyst is to provide

또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전자기파 공명주파수 변조를 활용하여 저가 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 조절함으로써 단일 촉매를 이용하면서도 다양한 연료 생산이 가능하도록 하는 경제성 높은 전기화학적 연료 생산 방법을 제공하는 것이다.In addition, the technical task to be achieved by the present invention is a highly economical electrochemical fuel production method that enables the production of various fuels while using a single catalyst by controlling the adsorption energy of a low-cost non-noble metal catalyst with a reactant by using electromagnetic wave resonance frequency modulation. is to provide

또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전자기파 조사를 통해 저가의 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 귀금속 수준으로 조절하여 전기화학적 연료 생산 효율 향상이 가능하도록 하는 전기화학적 연료 생산 장치를 제공하는 것이다.In addition, the technical task to be achieved by the present invention is to provide an electrochemical fuel production device capable of improving the electrochemical fuel production efficiency by controlling the adsorption energy of a low-priced non-noble metal catalyst with a reactant to a noble metal level through electromagnetic wave irradiation. will be.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention provides an electrochemical fuel production method using the control of adsorption energy through electromagnetic wave irradiation.

상기 전기화학적 연료 생산 방법은, 촉매를 포함하는 반응 챔버에 연료 생산을 위한 반응물을 주입하는 반응물 주입 단계; 상기 촉매에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사 단계; 및 상기 반응 챔버에 전압을 인가하여 상기 촉매 표면의 반응물의 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료를 수득하는 연료 수득 단계;를 포함한다.The electrochemical fuel production method includes: a reactant injection step of injecting a reactant for fuel production into a reaction chamber including a catalyst; an electromagnetic wave irradiation step of irradiating electromagnetic waves to the catalyst to control adsorption energy between the catalyst and the reactant; and a fuel obtaining step of obtaining a fuel as a product through an electrochemical reaction of a reactant on the catalyst surface by applying a voltage to the reaction chamber.

상기 촉매는, 니켈, 몰리브데늄, 코발트 및 텡스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 전이 금속 촉매인 것을 특징으로 한다.The catalyst is characterized in that it is a transition metal catalyst comprising at least one selected from the group consisting of nickel, molybdenum, cobalt, and tungsten.

상기 연료 생산을 위한 반응물은, 수소 이온, 수산화 이온, 이산화탄소 및 질소로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.The reactant for the fuel production is characterized in that it includes any one or more selected from the group consisting of hydrogen ions, hydroxide ions, carbon dioxide and nitrogen.

상기 전자기파는, 15 THz 내지 70 THz 주파수 범위를 갖는 고주파 테라헤르츠 전자기파인 것을 특징으로 한다.The electromagnetic wave is characterized in that it is a high-frequency terahertz electromagnetic wave having a frequency range of 15 THz to 70 THz.

상기 생성물인 연료는, 수소, 산소, 과산화수소, 메탄올, 포름산, 일산화탄소 및 암모니아로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.The product, the fuel, is characterized in that it contains any one or more selected from the group consisting of hydrogen, oxygen, hydrogen peroxide, methanol, formic acid, carbon monoxide and ammonia.

상기 전자기파 조사 단계에서는, 생산을 목표로 하는 연료의 종류에 따라 조사되는 상기 전자기파의 주파수를 변조하여 상기 촉매 및 반응물 간의 흡착에너지를 조절함으로써 생산을 목표로 하는 연료의 선택성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.In the electromagnetic wave irradiation step, the selectivity of the fuel targeted for production is improved by modulating the frequency of the electromagnetic wave to be irradiated according to the type of fuel targeted for production and adjusting the adsorption energy between the catalyst and the reactant. .

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치를 제공한다.In order to achieve the above technical object, another embodiment of the present invention provides an electrochemical fuel production apparatus using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation.

상기 전기화학적 연료 생산 장치는, 속이 빈 형태의 실린더 및 상기 실린더 내부에 촉매를 포함하고, 상기 촉매 표면에 반응물이 흡착하여 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료가 생산되는 반응이 일어나는 반응 챔버; 상기 반응 챔버에 연결되며, 상기 반응 챔버 내부로 연료 생산을 위한 상기 반응물을 주입하는 반응물 주입부; 상기 반응 챔버의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부의 촉매 표면에 흡착된 반응물에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사부; 및 상기 반응 챔버에 연결되며, 상기 반응 챔버에서 생성된 연료를 수득하는 연료 수득부;를 포함한다. The electrochemical fuel production apparatus includes: a hollow cylinder and a reaction chamber including a catalyst inside the cylinder, and a reaction in which a reactant is adsorbed on the surface of the catalyst to produce a fuel as a product through an electrochemical reaction; a reactant injection unit connected to the reaction chamber and injecting the reactant for fuel production into the reaction chamber; an electromagnetic wave irradiation unit located at either side of the reaction chamber and irradiating electromagnetic waves to the reactants adsorbed on the surface of the catalyst inside the reaction chamber to control adsorption energy between the catalyst and the reactants; and a fuel obtaining unit connected to the reaction chamber and obtaining fuel generated in the reaction chamber.

상기 촉매는, 상기 실린더의 벽면과 10 um 내지 200 um 간격으로 이격되게 위치하는 것을 특징으로 한다.The catalyst is characterized in that it is spaced apart from the wall surface of the cylinder at an interval of 10 um to 200 um.

또는, 상기 촉매는, 복수개의 구멍을 갖는 구조로 형성된 것을 특징으로 하고, 상기 구멍에 폴리머 매체가 삽입된 것을 특징으로 한다.Alternatively, the catalyst is characterized in that it is formed in a structure having a plurality of holes, and a polymer medium is inserted into the holes.

또는, 상기 촉매는, 일정 방향으로 배치되는 복수개의 슬릿을 갖는 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.Alternatively, the catalyst is characterized in that it is formed in a structure having a plurality of slits arranged in a predetermined direction.

상기 전자기파 조사부는, 펨토초 레이저를 이용하여 저주파 테라헤르츠 전자기파를 생성하는 저주파 테라헤르츠 전자기파 생성부 및 상기 저주파 테라헤르츠 전자기파 생성부에서 생성된 저주파 테라헤르츠 전자기파를 증폭하여 고주파 테라헤르츠 전자기파를 생성하는 고주파 테라헤르츠 전자기파 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The electromagnetic wave irradiation unit includes a low-frequency terahertz electromagnetic wave generator that generates a low-frequency terahertz electromagnetic wave using a femtosecond laser, and a high-frequency terahertz electromagnetic wave that amplifies the low-frequency terahertz electromagnetic wave generated by the low-frequency terahertz electromagnetic wave generator to generate a high-frequency terahertz electromagnetic wave. It characterized in that it includes a hertz electromagnetic wave generator.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 전기화학적 연료 생산 장치를 제공한다.In order to achieve the above technical object, another embodiment of the present invention provides an electrochemical fuel production apparatus.

상기 전기화학적 연료 생산 장치는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치에, 상기 반응 챔버의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부에서 전기화학 반응을 통하여 생성된 생성물을 분석하는 생성물 분석부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The electrochemical fuel production device, in the electrochemical fuel production device according to another embodiment of the present invention, is located on either side of the reaction chamber, and analyzes a product generated through an electrochemical reaction inside the reaction chamber Analysis unit; characterized in that it further comprises.

본 발명의 실시예에 따르면, 전자기파 조사를 통해 저가 비귀금속 촉매의 성능을 향상시킴으로써 종래 귀금속 촉매의 대체가 가능하도록 하는 전기화학적 연료 생산 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, there is an effect that it is possible to provide an electrochemical fuel production method capable of replacing a conventional noble metal catalyst by improving the performance of a low-cost non-noble metal catalyst through electromagnetic wave irradiation.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 공명주파수 변조를 활용하여 저가 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 조절함으로써 단일 촉매를 이용하면서도 수소, 산소 및 과산화수소 생산과 질소, 이산화탄소의 환원 등 다양한 연료의 선택적 생산이 가능하도록 하는 경제성 높은 전기화학적 연료 생산 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, by controlling the adsorption energy of a low-cost non-noble metal catalyst with a reactant by using resonance frequency modulation, hydrogen, oxygen and hydrogen peroxide production and reduction of nitrogen and carbon dioxide, etc. of various fuels while using a single catalyst There is an effect that can provide an economical electrochemical fuel production method that enables selective production.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전자기파 조사를 통해 저가의 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 귀금속 수준으로 조절하여 전기화학적 연료 생산 효율 향상이 가능하도록 하는 전기화학적 연료 생산 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to provide an electrochemical fuel production device capable of improving the electrochemical fuel production efficiency by controlling the adsorption energy of the low-cost non-noble metal catalyst with the reactant to the noble metal level through electromagnetic wave irradiation. there is an effect

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 금속 촉매 표면에 흡착된 반응물에 반응물의 고유 흡착 진동수와 동일한 진동수를 갖는 전자기파를 조사하여 공진 현상을 유도하는 원리를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 전자기파 조사에 따른 수소 생산 반응의 두 가지 반응 경로(볼머-타펠 (Volmer-Tafel) 및 볼머-헤이로프스키 (Volmer-Heyrovsky))를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 전자기파 조사에 따른 저가 전이 금속의 흡착에너지 변화를 나타낸 화산도(Volcano plot) 그래프이다.
도 5는 본 발명의 조사되는 전자기파의 주파수를 변조함으로써 생산 목표 연료의 선택성을 향상시키는 원리를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치의 반응 챔버의 실린더 및 촉매를 개략적으로 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치의 반응 챔버의 실린더 및 촉매를 개략적으로 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치의 반응 챔버의 실린더 및 촉매를 개략적으로 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 11은 본 발명의 생성물 분석부에서 분석되는 촉매 표면, 화학반응 및 관련 생성물 분석 시스템을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 12는 본 발명의 생성물 분석부에서의 테라헤르츠 전자기파를 이용한 분광분석과정을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 13은 기존의 백금 촉매 활성화 에너지 감소량 및 본 발명의 일 실시예에 따른 공명주파수 전자기파 조사를 통한 백금 촉매의 활성화 에너지 감소량을 나타낸 그래프 및 표이다.
도 14는 여러 금속 표면에 흡착된 수소의 자유 에너지 변화에 대한 이론적 예측의 예비결과를 나타낸 표이다.1 is a flowchart schematically showing an electrochemical fuel production method according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram schematically showing the principle of inducing a resonance phenomenon by irradiating an electromagnetic wave having the same frequency as the natural adsorption frequency of the reactant to the reactant adsorbed on the surface of the metal catalyst of the present invention.
3 is a schematic diagram schematically showing two reaction pathways (Volmer-Tafel and Volmer-Heyrovsky) of the hydrogen production reaction according to electromagnetic wave irradiation of the present invention.
4 is a Volcano plot graph showing the change in the adsorption energy of a low-cost transition metal according to the electromagnetic wave irradiation of the present invention.
5 is a schematic diagram schematically showing the principle of improving the selectivity of the target fuel for production by modulating the frequency of the electromagnetic wave to be irradiated according to the present invention.
6 is a schematic diagram schematically showing an electrochemical fuel production apparatus according to an embodiment of the present invention.
7 is a schematic diagram schematically showing a cylinder and a catalyst of the reaction chamber of the electrochemical fuel production apparatus according to an embodiment of the present invention.
8 is a schematic diagram schematically showing a cylinder and a catalyst of a reaction chamber of an electrochemical fuel production apparatus according to another embodiment of the present invention.
9 is a schematic diagram schematically showing a cylinder and a catalyst of a reaction chamber of an electrochemical fuel production apparatus according to another embodiment of the present invention.
10 is a schematic diagram schematically showing an electrochemical fuel production apparatus according to an embodiment of the present invention.
11 is a schematic diagram schematically showing the catalyst surface, chemical reaction and related product analysis system analyzed in the product analysis unit of the present invention.
12 is a schematic diagram schematically illustrating a spectroscopic analysis process using terahertz electromagnetic waves in the product analysis unit of the present invention.
13 is a graph and table showing the reduction in activation energy of the conventional platinum catalyst and the amount of reduction in activation energy of the platinum catalyst through irradiation with resonance frequency electromagnetic wave according to an embodiment of the present invention.
14 is a table showing preliminary results of theoretical predictions for changes in free energy of hydrogen adsorbed on various metal surfaces.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in several different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be “connected (connected, contacted, coupled)” with another part, it is not only “directly connected” but also “indirectly connected” with another member interposed therebetween. "Including cases where In addition, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further provided, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is used only to describe specific embodiments, and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법을 설명한다.An electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.1 is a flowchart schematically showing an electrochemical fuel production method according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 방법은, 촉매를 포함하는 반응 챔버에 연료 생산을 위한 반응물을 주입하는 반응물 주입 단계(S100); 상기 촉매에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사 단계(S200); 및 상기 반응 챔버에 전압을 인가하여 상기 촉매 표면의 반응물의 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료를 수득하는 연료 수득 단계(S300);를 포함할 수 있다.Referring to Figure 1, the electrochemical fuel production method according to an embodiment of the present invention, a reactant injection step of injecting a reactant for fuel production into a reaction chamber containing a catalyst (S100); An electromagnetic wave irradiation step (S200) of irradiating electromagnetic waves to the catalyst to control the adsorption energy between the catalyst and the reactant; and a fuel obtaining step (S300) of obtaining a fuel as a product through an electrochemical reaction of a reactant on the surface of the catalyst by applying a voltage to the reaction chamber.

상기 촉매는, 니켈, 몰리브데늄, 코발트 및 텡스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 저가의 전이 금속 촉매일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전기화학적 연료 생산을 위해 사용 가능한 공지의 금속 촉매라면 제한 없이 이용 가능할 것이다.The catalyst may be a low-cost transition metal catalyst including at least one selected from the group consisting of nickel, molybdenum, cobalt, and tungsten, but is not limited thereto, and known available for electrochemical fuel production. of metal catalysts may be used without limitation.

상기 연료 생산을 위한 반응물은, 전기화학적 연료 생산을 위한 반응물로서, 상기 촉매의 표면에서 전기화학 반응을 거쳐 연료로 생산되는 반응물을 의미한다.The reactant for fuel production is a reactant for electrochemical fuel production, and refers to a reactant produced as a fuel through an electrochemical reaction on the surface of the catalyst.

상기 연료 생산을 위한 반응물은, 수소 이온, 수산화 이온, 이산화탄소 및 질소로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전기화학적 연료 생산을 위해 사용 가능한 공지의 반응물이라면 제한 없이 이용 가능할 것이다.The reactant for the fuel production may include any one or more selected from the group consisting of hydrogen ions, hydroxide ions, carbon dioxide and nitrogen, but is not limited thereto, and if it is a known reactant that can be used for electrochemical fuel production It will be available without restrictions.

상기 전자기파는, 15 THz 내지 70 THz 주파수 범위를 갖는 고주파 테라헤르츠 전자기파일 수 있다. The electromagnetic wave may be a high-frequency terahertz electromagnetic wave having a frequency range of 15 THz to 70 THz.

상기 생성물인 연료는, 수소, 산소, 과산화수소, 메탄올, 포름산, 일산화탄소 및 암모니아로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전기화학적 연료로 이용 가능한 것이라면 제한 없이 해당 가능하다. The product, the fuel, may include any one or more selected from the group consisting of hydrogen, oxygen, hydrogen peroxide, methanol, formic acid, carbon monoxide and ammonia, but is not limited thereto. It is possible.

전술한 바와 같이, 종래에는 전기화학적 연료 생산의 효율성을 향상시키기 위하여 낮은 활성화 에너지 장벽을 가진 귀금속 촉매를 이용하였다. 일반적으로, 귀금속이 촉매로 선호되는 이유는 흡착에너지(ΔGH*)가 0 eV에 가깝기 때문이다.As described above, conventionally, noble metal catalysts having a low activation energy barrier have been used to improve the efficiency of electrochemical fuel production. In general, the reason noble metals are preferred as catalysts is because the adsorption energy (ΔG H *) is close to 0 eV.

이에 착안하여, 본 발명의 발명자들은, 저가의 전이 금속 촉매 표면에 흡착된 반응물 원자의 고유 흡착 진동수와 동일한 진동수를 갖는 전자기파를 조사하여 공명 현상을 유도함으로써 상기 촉매와 반응물 간의 흡착에너지를 귀금속 수준의 흡착에너지를 갖도록 조절하여 촉매 성능을 향상시키고, 상기와 같은 공명 주파수 변조를 통해 단일 촉매만으로도 다양한 연료의 선택적 생산이 가능한 전기화학적 연료 생산 방법을 발명하기에 이르렀다.Paying attention to this, the inventors of the present invention induce a resonance phenomenon by irradiating electromagnetic waves having the same frequency as the natural adsorption frequency of reactant atoms adsorbed on the surface of a low-cost transition metal catalyst, thereby reducing the adsorption energy between the catalyst and the reactant at the noble metal level. By adjusting to have adsorption energy, catalyst performance is improved, and an electrochemical fuel production method capable of selectively producing various fuels with only a single catalyst through the resonance frequency modulation as described above has been invented.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 전기화학적 연료 생산 방법의 전자기파 공명주파수 변조를 통해 흡착에너지를 조절하는 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.2 to 4 are diagrams schematically showing the principle of adjusting the adsorption energy through the electromagnetic wave resonance frequency modulation of the electrochemical fuel production method of the present invention.

도 2는 본 발명의 금속 촉매 표면에 흡착된 반응물에 반응물의 고유 흡착 진동수와 동일한 진동수를 갖는 전자기파를 조사하여 공진 현상을 유도하는 원리를 개략적으로 나타낸 모식도이다. 2 is a schematic diagram schematically showing the principle of inducing a resonance phenomenon by irradiating an electromagnetic wave having the same frequency as the natural adsorption frequency of the reactant to the reactant adsorbed on the surface of the metal catalyst according to the present invention.

도 3은 본 발명의 전자기파 조사에 따른 수소 생산 반응의 두 가지 반응 경로(볼머-타펠 (Volmer-Tafel) 및 볼머-헤이로프스키 (Volmer-Heyrovsky))를 개략적으로 나타낸 모식도이다.3 is a schematic diagram schematically showing two reaction pathways (Volmer-Tafel and Volmer-Heyrovsky) of the hydrogen production reaction according to electromagnetic wave irradiation of the present invention.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 금속 촉매 표면에 흡착된 반응물에 반응물의 고유 흡착 진동수와 동일한 진동수를 갖는 전자기파를 조사함으로써 공진 현상을 유도할 수 있다. 따라서, 예를 들어 수소 생산 반응의 Volmer-Tapel 경로에서는, 전자기파 조사를 통해 촉매 표면에 흡착된 수소 원자의 측면 진동이 향상되어 촉매 표면의 수소 원자의 더 빠른 표면 확산 및 이에 따른 수소 기체(H2) 생산을 유도하는 것을 확인할 수 있다. 또 다른 수소 생산 반응 경로인 Volmer- Heyrovsky 경로에서는, 전자기파 조사를 통해 촉매 표면에 흡착된 수소 원자의 수직 진동이 강화되어 이에 따른 빠른 수소 기체(H2) 생산이 가능한 것을 확인할 수 있다. 2 and 3 , according to an embodiment of the present invention, a resonance phenomenon may be induced by irradiating an electromagnetic wave having the same frequency as the natural adsorption frequency of the reactant to the reactant adsorbed on the surface of the metal catalyst. Therefore, for example, in the Volmer-Tapel pathway of a hydrogen production reaction, lateral vibration of hydrogen atoms adsorbed on the catalyst surface is improved through electromagnetic wave irradiation, resulting in faster surface diffusion of hydrogen atoms on the catalyst surface and thus hydrogen gas (H 2 ) to induce production. In another hydrogen production reaction pathway, the Volmer-Heyrovsky pathway, it can be confirmed that the vertical vibration of hydrogen atoms adsorbed on the catalyst surface is strengthened through electromagnetic wave irradiation, thereby enabling rapid hydrogen gas (H 2 ) production.

도 4는 본 발명의 전자기파 조사에 따른 저가 전이 금속의 흡착에너지 변화를 나타낸 화산도(Volcano plot) 그래프이다.4 is a Volcano plot graph showing the change in the adsorption energy of a low-cost transition metal according to the electromagnetic wave irradiation of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 공명주파수 전자기파 조사에 따라 저가 전이 금속 촉매 표면의 반응물의 공명 현상을 유도함으로써, 저가 전이 금속 촉매의 흡착에너지가 화산도의 정점에 위치하는 귀금속 촉매와 같은 흡착에너지 수준을 갖도록 조절하여 촉매 성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.4, by inducing a resonance phenomenon of the reactants on the surface of the low-cost transition metal catalyst according to the resonance frequency electromagnetic wave irradiation of the present invention, the adsorption energy of the low-cost transition metal catalyst is at the same adsorption energy level as the noble metal catalyst located at the peak of the volcano It can be confirmed that the catalyst performance can be improved by adjusting it to have a

상기 전자기파 조사 단계에서는, 생산을 목표로 하는 연료의 종류에 따라 조사되는 상기 전자기파의 주파수를 변조함으로써, 생산되는 연료 선택성을 향상시키는 것을 특징으로 할 수 있다. 따라서, 상기 조사되는 전자기파의 조절만으로, 다양한 종류의 연료 생산을 위해 각기 별도의 촉매를 사용하지 않아도 단일 촉매를 이용하여 다양한 연료의 선택적 생산이 가능하도록 할 수 있다.In the electromagnetic wave irradiation step, by modulating the frequency of the electromagnetic wave irradiated according to the type of fuel to be produced, it may be characterized in that the produced fuel selectivity is improved. Accordingly, it is possible to selectively produce various fuels using a single catalyst without using separate catalysts for the production of various types of fuels only by controlling the irradiated electromagnetic waves.

도 5는 본 발명의 조사되는 전자기파의 주파수를 변조함으로써 생산 목표 연료의 선택성을 향상시키는 원리를 개략적으로 나타낸 모식도이다.5 is a schematic diagram schematically illustrating the principle of improving the selectivity of a target fuel for production by modulating the frequency of the electromagnetic wave to be irradiated according to the present invention.

도 5의 (a)는 분자들의 경쟁적 흡착을 통해 반응물과 촉매 간 흡착에너지를 조절한 기존의 접근법에 대한 모식도이다.Figure 5 (a) is a schematic diagram of a conventional approach to control the adsorption energy between the reactant and the catalyst through the competitive adsorption of molecules.

도 5의 (b)는 주사된 공명주파수의 변조에 따라 중간 생성물과 촉매 간 흡착에너지를 조절하여 특정 생성물만이 발생 될 수 있도록 선택성을 극대화하는 본 발명의 전략에 대한 모식도이다.Figure 5 (b) is a schematic diagram of the strategy of the present invention for maximizing the selectivity so that only a specific product can be generated by adjusting the adsorption energy between the intermediate product and the catalyst according to the modulation of the scanned resonance frequency.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 생산하고자 하는 목표 연료의 반응물 또는 중간 생성물의 각기 다른 고유 흡착 진동수 및 흡착 에너지를 파악하고, 이와 동일한 진동수를 갖는 공명 주파수 전자기파를 조사함으로써, 생산하고자 하는 연료의 종류에 따라 촉매를 바꾸지 않고도 연료의 생산성을 향상시킴으로써 선택적 생산이 가능한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, by identifying different natural adsorption frequencies and adsorption energies of reactants or intermediate products of a target fuel to be produced according to an embodiment of the present invention, and irradiating a resonance frequency electromagnetic wave having the same frequency, production It can be confirmed that selective production is possible by improving the productivity of the fuel without changing the catalyst according to the type of fuel to be used.

이때, 상기 반응물의 촉매 금속에 대한 각기 다른 고유 흡착에너지 및 진동에너지는 밀도범함수 (Density Functional Theory) 계산을 통해 파악될 수 있다. In this case, different intrinsic adsorption energy and vibration energy for the catalyst metal of the reactant may be determined through density functional theory calculation.

상기 계산을 통해 파악된 개별 반응물 원자의 진동 주파수와 동일한 주파수의 전자기파를 조사하기 위해서는, 다음과 같은 방법이 이용될 수 있다. In order to irradiate electromagnetic waves of the same frequency as the vibration frequency of individual reactant atoms determined through the above calculation, the following method may be used.

(1) 먼저 촉매의 구성을 변화시키는 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매 물질로 Co-Fe, Fe-Mn 기반의 Co1-xFexB 및 Fe1-xNixP와 같은 금속 이원계 화합물 혹은 Ternary metal phosphide와 같은 금속 삼원계 화합물을 이용함으로써, 상기 반응물의 진동수를 변화시켜 조사되는 전자기파와 공명주파수를 일치시킬 수 있다. (1) First, a method of changing the composition of the catalyst can be used. For example, by using a metal binary compound such as Co-Fe, Fe-Mn-based Co 1 - x Fe x B and Fe 1 - x Ni x P or a metal ternary compound such as ternary metal phosphide as the catalyst material. , it is possible to match the resonant frequency with the electromagnetic wave to be irradiated by changing the frequency of the reactant.

(2) 두 번째로는, 촉매의 형태를 변화시키는 방법이 사용될 수 있다. 촉매의 나노구조의 전자기파 흡수량은 전자기파의 입사각도, 파장을 조절함으로써 제어 가능할 뿐만 아니라 형태학에 따라서도 달라질 수 있다. 또한, 촉매의 표면에서만이 입사 전자기파의 대부분을 흡수할 수 있으므로, 촉매의 나노 구조 형태를 변화시킴으로써 상기 반응물의 진동수를 변화시켜 조사되는 전자기파와 공명주파수를 일치시킬 수 있다.(2) Second, a method of changing the form of the catalyst can be used. The amount of electromagnetic wave absorption of the nanostructure of the catalyst can be controlled by adjusting the incident angle and wavelength of electromagnetic waves, and can also vary depending on the morphology. In addition, since only the surface of the catalyst can absorb most of the incident electromagnetic wave, by changing the nanostructure shape of the catalyst, the frequency of the reactant can be changed to match the irradiated electromagnetic wave with the resonance frequency.

상기와 같은 구성적 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자기파 조사를 통해 저가 비귀금속 촉매의 성능을 향상시킴으로써 종래 귀금속 촉매의 대체가 가능하도록 하는 전기화학적 연료 생산 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.Due to the above structural features, according to an embodiment of the present invention, it is possible to provide an electrochemical fuel production method that enables the replacement of a conventional noble metal catalyst by improving the performance of a low-cost non-noble metal catalyst through electromagnetic wave irradiation. It works.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전자기파 공명주파수 변조를 활용하여 저가 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 조절함으로써 단일 촉매를 이용하면서도 수소, 산소 및 과산화수소 생산과 질소, 이산화탄소의 환원 등 다양한 연료의 선택적 생산이 가능하도록 하는 경제성 높은 전기화학적 연료 생산 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, various fuels such as production of hydrogen, oxygen and hydrogen peroxide and reduction of nitrogen and carbon dioxide while using a single catalyst by controlling the adsorption energy of a low-cost non-noble metal catalyst with a reactant by using electromagnetic wave resonance frequency modulation There is an effect that can provide an economical electrochemical fuel production method that enables the selective production of

본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치를 설명한다.An electrochemical fuel production apparatus using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation according to another embodiment of the present invention will be described.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.6 is a schematic diagram schematically showing an electrochemical fuel production apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치는, 속이 빈 형태의 실린더 및 상기 실린더 내부에 촉매를 포함하고, 상기 촉매 표면에 반응물이 흡착하여 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료가 생산되는 반응이 일어나는 반응 챔버(10); 상기 반응 챔버(10)에 연결되며, 상기 반응 챔버 내부로 연료 생산을 위한 상기 반응물을 주입하는 반응물 주입부(20); 상기 반응 챔버(10)의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부의 촉매 표면에 흡착된 반응물에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사부(30); 및 상기 반응 챔버(10)에 연결되며, 상기 반응 챔버에서 생성된 연료를 수득하는 연료 수득부(40);를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 6 , the electrochemical fuel production apparatus according to an embodiment of the present invention includes a hollow cylinder and a catalyst inside the cylinder, and a reactant is adsorbed on the surface of the catalyst to form a product through an electrochemical reaction a reaction chamber 10 in which a reaction in which phosphorus fuel is produced occurs; a reactant injection unit 20 connected to the reaction chamber 10 and injecting the reactant for fuel production into the reaction chamber; an electromagnetic wave irradiator 30 positioned at either side of the reaction chamber 10 and controlling the adsorption energy between the catalyst and the reactant by irradiating electromagnetic waves to the reactants adsorbed on the surface of the catalyst inside the reaction chamber; and a fuel obtaining unit 40 connected to the reaction chamber 10 and obtaining fuel generated in the reaction chamber.

상기 촉매는, 상기 실린더의 벽면과 10 um 내지 200 um 간격으로 이격되게 위치할 수 있다. The catalyst may be positioned to be spaced apart from the wall of the cylinder by an interval of 10 um to 200 um.

또는, 상기 촉매는, 직사각형 및 타원 등의 형태를 갖는 복수개의 구멍을 갖는 구조로 형성된 것을 특징으로 하고, 상기 구멍에 폴리머 매체가 삽입될 수 있다. Alternatively, the catalyst is characterized in that it is formed in a structure having a plurality of holes having a shape such as a rectangle or an ellipse, and a polymer medium may be inserted into the holes.

또는, 상기 촉매는, 일정 방향으로 배치되는 복수개의 슬릿을 갖는 구조로 형성된 것일 수 있다. Alternatively, the catalyst may be formed in a structure having a plurality of slits arranged in a predetermined direction.

이때, 상기 슬릿은 가로세로 비율, 구멍 직경 및 배열의 구멍 간 거리 등이 조절됨으로써 전자기파 손실 저하를 최소화하는 형태로 구성될 수 있다.In this case, the slit may be configured in such a way that the decrease in electromagnetic wave loss is minimized by adjusting the aspect ratio, the hole diameter, and the distance between the holes in the arrangement.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치의 반응 챔버의 실린더 및 촉매를 개략적으로 개략적으로 나타낸 모식도이다.7 to 9 are schematic views schematically showing a cylinder and a catalyst of a reaction chamber of the electrochemical fuel production apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 반응 챔버 내부의 촉매 구조를 설명한다.A catalyst structure inside the reaction chamber of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 to 9 .

본 발명에서 저가 전이 금속 촉매 및 반응물의 흡착에너지 조절을 위하여 사용되는 테라헤르츠 범위의 전자기파는, 대부분 전해액에 흡수되므로 촉매에 영향을 주기 어렵다. 전기화학 반응이 일어나는 반응 챔버는 일반적으로 전해액으로 채워져 있기 때문에, 전해액에 따른 전자기파의 흡수를 최소화 할 필요가 있다.In the present invention, electromagnetic waves in the terahertz range used to control the adsorption energy of the low-cost transition metal catalyst and reactants are mostly absorbed by the electrolyte, so it is difficult to affect the catalyst. Since the reaction chamber in which the electrochemical reaction takes place is generally filled with an electrolyte, it is necessary to minimize the absorption of electromagnetic waves by the electrolyte.

이에 착안하여, 본 발명의 발명자들은, 반응 챔버 실린더의 벽면과 촉매 사이의 거리를 10 um 내지 200 um로 조절함으로써 전해액의 양을 감소시켜 전자기파의 흡수를 최소화하거나, 촉매를 복수개의 구멍을 갖는 구조로 형성하고 상기 구멍에 폴리머 매체를 삽입함으로써 전해액의 접촉을 방지하고 전자기파를 최소한의 흡수 손실만으로 촉매와 전해액 사이의 계면으로 전송 가능하도록 하였다. 이때, 상기 폴리머 매체에는 일정한 크기의 구멍을 형성하여 전해질이 전자기파의 전송을 방해할 수 없도록 하여 전자기파 강도의 손실이 없도록 할 수 있다. Paying attention to this, the inventors of the present invention minimize the absorption of electromagnetic waves by reducing the amount of electrolyte by adjusting the distance between the wall surface of the reaction chamber cylinder and the catalyst to 10 um to 200 um, or the catalyst has a structure having a plurality of holes By inserting a polymer medium into the hole, contact with the electrolyte is prevented and electromagnetic waves can be transmitted to the interface between the catalyst and the electrolyte with minimal absorption loss. In this case, a hole of a certain size is formed in the polymer medium to prevent the electrolyte from interfering with the transmission of electromagnetic waves, so that there is no loss of electromagnetic wave strength.

또는, 상기 촉매를 일정 방향으로 배치되는 복수개의 슬릿을 갖는 구조로 형성하였다. 본 발명에서 사용되는 고주파 테라헤르츠 전자기파의 경우, 금속 촉매는 광학 계수가 높아 손실이 크다. 따라서, 투과성이 뛰어난 슬릿 구조를 공진 반응에 따라 설계하면, 전송에 의한 전자기파 손실의 최소화가 가능하다. 상기와 같은 촉매의 슬릿 형태는 전자기파의 강한 양극화와 더 높은 전송 공명을 발생시킬 수 있으므로, 이는 파동이 표면에 도달했을 때 파동 강도를 개선하고 강도의 저하를 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라, 공명 현상에 영향을 미칠 수 있는 상기 슬릿의 가로세로 비율, 구멍 직경 및 배열의 구멍 간 거리 등을 조절함으로써, 공명 효과를 극대화하여 흡착 이온의 깁스 자유 에너지를 최소화할 수 있다. Alternatively, the catalyst was formed in a structure having a plurality of slits arranged in a predetermined direction. In the case of the high-frequency terahertz electromagnetic wave used in the present invention, the metal catalyst has a high optical coefficient and thus a large loss. Therefore, if the slit structure with excellent transmittance is designed according to the resonance response, it is possible to minimize the electromagnetic wave loss due to transmission. The slit shape of the catalyst as described above can generate strong polarization and higher transmission resonance of electromagnetic waves, which can improve the wave strength and minimize the decrease in strength when the wave reaches the surface. In addition, by controlling the aspect ratio of the slit, the hole diameter, and the distance between the holes in the array, which may affect the resonance phenomenon, the resonance effect can be maximized and the Gibbs free energy of the adsorbed ions can be minimized.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전해질에 따른 전자기파의 흡수를 최소화하면서도 원하는 주파수의 전자기파 조사를 통해 촉매 표면의 반응물의 흡착에너지를 조절함으로써 촉매의 성능 향상 및 이에 따른 연료 생산성 향상이 가능한 전기화학적 연료 생산 장치의 제공이 가능하다. Therefore, according to an embodiment of the present invention, while minimizing the absorption of electromagnetic waves by the electrolyte, by controlling the adsorption energy of the reactants on the surface of the catalyst through electromagnetic wave irradiation of a desired frequency, it is possible to improve the performance of the catalyst and thereby improve the fuel productivity. It is possible to provide a chemical fuel production device.

상기 전자기파 조사부는, 펨토초 레이저를 이용하여 저주파 테라헤르츠 전자기파를 생성하는 저주파 테라헤르츠 전자기파 생성부 및 상기 저주파 테라헤르츠 전자기파 생성부에서 생성된 저주파 테라헤르츠 전자기파를 증폭하여 고주파 테라헤르츠 전자기파를 생성하는 고주파 테라헤르츠 전자기파 생성부를 포함할 수 있다.The electromagnetic wave irradiation unit includes a low-frequency terahertz electromagnetic wave generator that generates a low-frequency terahertz electromagnetic wave using a femtosecond laser, and a high-frequency terahertz electromagnetic wave that amplifies the low-frequency terahertz electromagnetic wave generated by the low-frequency terahertz electromagnetic wave generator to generate a high-frequency terahertz electromagnetic wave. It may include a hertz electromagnetic wave generator.

더욱 상세하게는, 먼저 펨토초 레이저를 이용한 유기 비선형 광학 결정을 포함한 비선형 광학 결정을 사용하여 저주파 테라헤르츠 전자기파 (0.1~15 THz)를 생성한다. 이를 중간 적외선 파라메트릭 광증폭기 (Optical Parametric Amplifier)가 구축될 때까지 ZnTe와 GaP 크리스털이 장착된 800 nm 펨토초 레이저 증폭기 시스템을 사용하여 광대역 테라헤르츠 전자기파를 만든다. 이때, 1 um 이상의 파장을 발생시킬 수 있는 광증폭기를 이용하여 OH1과 같은 유기적인 비선형 결정이 사용될 수 있다. 그 다음 재생 레이저 증폭 시스템을 기반으로 한 파라메트릭 광증폭 시스템을 이용한 촉매 반응에 대해 고주파 테라헤르츠 전자기파 (15~70 THz)가 생성된다. 테라헤르츠 전자기파를 발생시킬 수 있는 광증폭기는 2차 비선형성 동안 차동 주파수 발생을 사용하여 가변 주파수 신호 펄스에 고정 주파수 펌프 레이저 (800 nm, 1 kHz 재생 증폭 시스템)가 장착될 수 있다. 그 후 고정 펨토초 레이저 시스템의 주파수는 펌프 레이저와 신호 펄스의 차이에 따라 광범위하게 조정될 수 있다.More specifically, first, a low-frequency terahertz electromagnetic wave (0.1-15 THz) is generated using a nonlinear optical crystal including an organic nonlinear optical crystal using a femtosecond laser. It uses an 800 nm femtosecond laser amplifier system equipped with ZnTe and GaP crystals to produce broadband terahertz electromagnetic waves until a mid-infrared parametric optical amplifier is built. In this case, an organic nonlinear crystal such as OH1 may be used by using an optical amplifier capable of generating a wavelength of 1 μm or more. High-frequency terahertz electromagnetic waves (15-70 THz) are then generated for a catalytic reaction using a parametric optical amplification system based on a regenerative laser amplification system. An optical amplifier capable of generating terahertz electromagnetic waves can be equipped with a fixed frequency pump laser (800 nm, 1 kHz regenerative amplification system) to pulse a variable frequency signal using differential frequency generation during second-order nonlinearity. The frequency of the fixed femtosecond laser system can then be tuned widely according to the difference between the pump laser and the signal pulse.

상기 전자기파 조사부에서 조사되는 테라헤르츠 전자기파는, 펌핑 레이저의 에너지를 증가시키거나 레이저의 반복률을 감소시킴으로써 펨토초 레이저 시스템의 펄스당 에너지를 증가시키거나, 비선형 광학 계수가 더 높은 새로운 비선형 광학 결정을 도핑 또는 성장시킴으로써 비선형 광학 결정의 손상 임계값을 증가시키거나, 또는 연속파 레이저를 생산할 수 있는 고주파 테라헤르츠 광원을 이용함으로써 그 신호가 개선될 수 있다. The terahertz electromagnetic wave irradiated from the electromagnetic wave irradiation unit increases the energy per pulse of the femtosecond laser system by increasing the energy of the pumping laser or decreasing the repetition rate of the laser, or by doping or doping a new nonlinear optical crystal having a higher nonlinear optical coefficient. The signal can be improved by increasing the damage threshold of a nonlinear optical crystal by growing it, or by using a high frequency terahertz light source capable of producing a continuous wave laser.

상기와 같은 구성적 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자기파 조사를 통해 저가의 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 귀금속 수준으로 조절하여 전기화학적 연료 생산 효율 향상이 가능하도록 하는 전기화학적 연료 생산 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.Due to the above structural features, according to an embodiment of the present invention, the energy of adsorption of a low-cost non-noble metal catalyst with a reactant is adjusted to the level of a noble metal through electromagnetic wave irradiation to improve the electrochemical fuel production efficiency. There is an effect that can provide a chemical fuel production device.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매 구조를 통해 조사되는 전자기파의 손실을 최소화하고 공명 효과를 극대화함으로써 자유로운 흡착에너지 조절이 가능한 전기화학적 연료 생산 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to provide an electrochemical fuel production apparatus capable of freely controlling adsorption energy by minimizing the loss of electromagnetic waves irradiated through the catalyst structure and maximizing the resonance effect.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치를 설명한다.An electrochemical fuel production apparatus using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation according to another embodiment of the present invention will be described.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다. 10 is a schematic diagram schematically showing an electrochemical fuel production apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치는, 속이 빈 형태의 실린더 및 상기 실린더 내부에 촉매를 포함하고, 상기 촉매 표면에 반응물이 흡착하여 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료가 생산되는 반응이 일어나는 반응 챔버(10); 상기 반응 챔버(10)에 연결되며, 상기 반응 챔버 내부로 연료 생산을 위한 상기 반응물을 주입하는 반응물 주입부(20); 상기 반응 챔버(10)의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부의 촉매 표면에 흡착된 반응물에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사부(30); 상기 반응 챔버(10)에 연결되며, 상기 반응 챔버에서 생성된 연료를 수득하는 연료 수득부(40);에, 상기 반응 챔버의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부에서 전기화학 반응을 통하여 생성된 생성물을 분석하는 생성물 분석부;를 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 10 , the electrochemical fuel production apparatus according to an embodiment of the present invention includes a hollow cylinder and a catalyst inside the cylinder, and a reactant is adsorbed on the surface of the catalyst to form a product through an electrochemical reaction a reaction chamber 10 in which a reaction in which phosphorus fuel is produced occurs; a reactant injection unit 20 connected to the reaction chamber 10 and injecting the reactant for fuel production into the reaction chamber; an electromagnetic wave irradiator 30 positioned at either side of the reaction chamber 10 and controlling the adsorption energy between the catalyst and the reactant by irradiating electromagnetic waves to the reactants adsorbed on the surface of the catalyst inside the reaction chamber; It is connected to the reaction chamber 10, and the fuel obtaining unit 40 for obtaining the fuel generated in the reaction chamber; is located at either side of the reaction chamber, and is generated through an electrochemical reaction inside the reaction chamber It may further include; a product analysis unit to analyze the product.

상기 생성물 분석부에서는, 상기 반응 챔버에서 생성된 연료 생성물이 확인 및 분석될 수 있다.In the product analysis unit, the fuel product generated in the reaction chamber may be identified and analyzed.

도 11은 본 발명의 생성물 분석부에서 분석되는 촉매 표면, 화학반응 및 관련 생성물 분석 시스템을 개략적으로 나타내는 모식도이다.11 is a schematic diagram schematically showing the catalyst surface, chemical reaction and related product analysis system analyzed in the product analysis unit of the present invention.

도 11을 참조하여 본 발명의 생성물 분석부에서 사용되는 분석 시스템을 설명한다.An analysis system used in the product analysis unit of the present invention will be described with reference to FIG. 11 .

본 발명의 생성물 분석부에서는, (1) 색채측정검사 및 자외선 및 가시광선 분광 분석(UV-Visible Spectroscopy)을 이용하여 지시약을 사용하여 원소 및 화합물의 농도가 확인될 수 있다. (2) 기체크로마토그래피(Gas Chromatography)와 고성능 액체크로마토그래피(High-Performance Liquid Chromatography)를 이용하면 휘발성 화합물의 분리 및 분석을 통해 생성물에 대한 질적, 정량적 정보의 확인이 가능하다. 이를 통해 혼합 가스 또는 액체는 혼합물의 각 구성 요소에서 분석 및 식별될 수 있다. (3) 핵자기공명 분광 기법 (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)을 이용하면 자기장으로 인한 물질의 공명주파수를 이용하여 시료의 내용 및 순도, 분자구조를 명확히 분석할 수 있다. (4) 현장 푸리에 적외선 변환 (Fourier-transform infrared) 분광은 많은 촉매 반응에 특히 유용하며, 용액 종의 흡수 또는 방출의 적외선 스펙트럼에 기초하므로 전기화학 반응 분석에 적합하다. (5) Operando에서 라만 분석 (Raman Spectroscopy)는 반응물질의 분광특성과 촉매의 활동 및 선택성을 파악하기 위한 해석 기법으로, 이러한 측정을 통하여 구조, 활동 및 선택성과의 관계를 식별하고 반응 메커니즘에 대한 정보를 제공하는 데 사용할 수 있다. In the product analysis unit of the present invention, (1) the concentration of elements and compounds can be confirmed by using an indicator using colorimetry and ultraviolet and visible spectroscopy (UV-Visible Spectroscopy). (2) Using Gas Chromatography and High-Performance Liquid Chromatography, it is possible to confirm qualitative and quantitative information on products through separation and analysis of volatile compounds. This allows the mixed gas or liquid to be analyzed and identified in each component of the mixture. (3) Using Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, the content, purity, and molecular structure of a sample can be clearly analyzed using the resonance frequency of a material due to a magnetic field. (4) In situ Fourier-transform infrared spectroscopy is particularly useful for many catalytic reactions and is suitable for electrochemical reaction analysis as it is based on the infrared spectrum of the absorption or emission of solution species. (5) In Operando, Raman Spectroscopy is an analysis technique to understand the spectral characteristics of reactants and the activity and selectivity of catalysts. Through these measurements, the relationship between structure, activity and selectivity is identified, and the reaction mechanism is analyzed. It can be used to provide information.

또한, 본 발명의 생성물 분석부에서는 본 발명의 전자기파 조사부에서 조사되는 테라헤르츠 전자기파를 이용하여 생성물이 분석될 수 있다. In addition, in the product analysis unit of the present invention, the product may be analyzed using terahertz electromagnetic waves irradiated by the electromagnetic wave irradiation unit of the present invention.

도 12는 본 발명의 생성물 분석부에서의 테라헤르츠 전자기파를 이용한 분광분석과정을 개략적으로 나타내는 모식도이다. 12 is a schematic diagram schematically illustrating a spectroscopic analysis process using terahertz electromagnetic waves in the product analysis unit of the present invention.

도 12를 참조하면, 먼저, (1) 테라헤르츠 전자기파 지원 물 전기 분해 셀용 전기화학적 임피던스 스펙트럼(Electrochemical Impedance Spectroscopy)의 이완 시간 분포(Distribution of Relaxation Time) 분석은 열역학에 기초한 시간 상수에 따른 특정 초등 프로세스의 결정을 가능하게 한다. 임피던스 스펙트럼의 등가회로법 보정에 가장 적합한 방법은 이온 전송의 저항을 고려하는 세 가지 기본 파라미터를 가진 전송선로법 (Transmission Line Method)이므로, 임피던스 스펙트럼의 현장 이완 시간 분포 분석을 실시해 전기화학 반응을 조사하고 전송선로법 회로 설계를 맞춤화하여 테라헤르츠 전자기파 파라미터의 결정이 가능하다. (2) 전기화학 노이즈 분석 (Electrochemical Noise Analysis)을 이용하면 저감도 촉매 활성 검출이 가능하다. 선형주사 전위법 (Linear Sweep Voltammetry)은 일반적으로 재료의 촉매 활성을 분석하는 데 사용되나, 이 방법은 본 발명에서 공명주파수를 조율하는 동안 발생하는 미세한 변화를 감지하는 데 적합하지 않다. 따라서 전기 공학에서의 전기화학 노이즈 분석과 유사한 방식으로 전이 가능한 전류 과도현상을 분석함으로써, 테라헤르츠 전자기파에 대응한 물질의 저감도 촉매 활성 검출이 가능하다. (3) 본 발명의 테라헤르츠 전자기파는 금속 이온의 결합 에너지에 영향을 미칠 뿐만 아니라 전기화학 반응의 생성물 분석에도 적용될 수 있으므로, 회전 또는 진동 에너지는 테라헤르츠 전자기파가 테라헤르츠 시간 영역 분광기를 사용하여 연료가 발생하는 전기화학적 셀로 침투할 때 검출될 수 있으며, 테라헤르츠 전자기파를 조사하는 레이저가 전기화학 체계를 통과할 때와 비교하여 시간 지연을 감지함으로써 연료의 발생량의 추정이 가능하다. (4) 또한, 전자기파를 조사하는 두 레이저를 겹쳐서 2차 고조파 발생을 감지하는 방법이 있다. 이 기법은 겹침으로 인한 빛의 색상 변화를 사용하는데, 이는 주파수를 두 배로 증가시킨다. 테라헤르츠 전자기파를 이용한 이 분석은 생성물에 대한 정보를 추정하는 데 도움이 될 수 있다. 또한, 생성물 종류에 따라 최고 위치 및 강도를 가진 데이터베이스를 구축하여 다양한 반응의 소재를 보다 효율적으로 분석이 가능하다.Referring to FIG. 12 , first, (1) Analysis of Distribution of Relaxation Time of Electrochemical Impedance Spectroscopy for terahertz electromagnetic wave supported water electrolysis cell is a specific elementary process according to time constant based on thermodynamics make decisions possible Since the most suitable method for the correction of the equivalent circuit method of the impedance spectrum is the transmission line method with three basic parameters that consider the resistance of ion transmission, the electrochemical reaction is investigated by performing field relaxation time distribution analysis of the impedance spectrum. And by customizing the transmission line method circuit design, it is possible to determine the terahertz electromagnetic wave parameters. (2) Using electrochemical noise analysis, it is possible to detect catalyst activity with low sensitivity. Linear Sweep Voltammetry is generally used to analyze the catalytic activity of a material, but this method is not suitable for detecting minute changes occurring while tuning the resonance frequency in the present invention. Therefore, it is possible to detect catalytic activity with low sensitivity in response to terahertz electromagnetic waves by analyzing a transferable current transient in a manner similar to electrochemical noise analysis in electrical engineering. (3) Since the terahertz electromagnetic wave of the present invention not only affects the binding energy of metal ions, but also can be applied to the product analysis of electrochemical reactions, rotational or vibrational energy can be converted into fuel using terahertz time domain spectroscopy. It can be detected when it penetrates into the electrochemical cell where the terahertz electromagnetic wave is irradiated, and it is possible to estimate the amount of fuel generated by detecting the time delay compared to when the laser irradiating terahertz electromagnetic waves passes through the electrochemical system. (4) Also, there is a method of detecting the second harmonic by overlapping two lasers irradiating electromagnetic waves. This technique uses the color change of light due to overlap, which doubles the frequency. This analysis using terahertz electromagnetic waves could help infer information about the product. In addition, it is possible to more efficiently analyze materials of various reactions by building a database with the highest position and strength according to the type of product.

상기와 같은 구성적 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기화학 반응 생성물을 효과적으로 확인하고 분석 가능한 전기화학적 연료 생산 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.Due to the above structural features, according to an embodiment of the present invention, there is an effect of providing an electrochemical fuel production apparatus capable of effectively identifying and analyzing an electrochemical reaction product.

이하에서는 제조예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 제조예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Preparation Examples and Experimental Examples. However, the present invention is not limited to the following Preparation Examples and Experimental Examples.

<실험예 1><Experimental Example 1>

본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 조사를 통한 촉매의 활성화 에너지 감소량을 확인하는 실험을 진행하였다. An experiment was conducted to confirm the amount of reduction in activation energy of the catalyst through electromagnetic wave irradiation according to an embodiment of the present invention.

이를 위하여, 촉매는 종래 귀금속 촉매인 백금 촉매를 이용하였다.For this purpose, a platinum catalyst, which is a conventional noble metal catalyst, was used as the catalyst.

도 13은 기존의 백금 촉매 활성화 에너지 감소량 및 본 발명의 일 실시예에 따른 공명주파수 전자기파 조사를 통한 백금 촉매의 활성화 에너지 감소량을 나타낸 그래프 및 표이다.13 is a graph and table showing the reduction in activation energy of the conventional platinum catalyst and the amount of reduction in activation energy of the platinum catalyst through irradiation with resonance frequency electromagnetic wave according to an embodiment of the present invention.

도 14는 여러 금속 표면에 흡착된 수소의 자유 에너지 변화에 대한 이론적 예측의 예비결과를 나타낸 표이다.14 is a table showing preliminary results of theoretical predictions for changes in free energy of hydrogen adsorbed on various metal surfaces.

도 13 및 도 14를 참조하면, 기존 백금 촉매에 공명주파수 전자기파를 조사함으로써, 실제로 기존 백금 촉매의 활성화 에너지 값인 -0.09 eV에서 -0.05 eV로 0 eV에 가까운 값으로 감소한 것을 확인할 수 있으며, 이는 백금 촉매 표면에 흡착된 수소의 자유 에너지 변화에 대한 이론적 예측 결과와도 일치함을 확인할 수 있다. 13 and 14, by irradiating the resonance frequency electromagnetic wave to the conventional platinum catalyst, it can be confirmed that the activation energy value of the conventional platinum catalyst, which is -0.09 eV, is reduced to -0.05 eV, close to 0 eV, which is the platinum catalyst. It can be confirmed that it is consistent with the theoretical prediction results for the change in free energy of hydrogen adsorbed on the catalyst surface.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present invention described above is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

10: 반응 챔버
20: 반응물 주입부
30: 전자기파 조사부
40: 연료 수득부
50: 생성물 분석부10: reaction chamber
20: reactant injection unit
30: electromagnetic wave irradiation unit
40: fuel obtaining unit
50: product analysis unit

Claims (12)

촉매를 포함하는 반응 챔버에 연료 생산을 위한 반응물을 주입하는 반응물 주입 단계;
상기 촉매에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사 단계; 및
상기 반응 챔버에 전압을 인가하여 상기 촉매 표면의 반응물의 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료를 수득하는 연료 수득 단계;를 포함하고,
상기 촉매는, 니켈, 몰리브데늄, 코발트 및 텡스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 전이 금속 촉매인 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법.
a reactant injection step of injecting a reactant for fuel production into a reaction chamber containing the catalyst;
an electromagnetic wave irradiation step of irradiating electromagnetic waves to the catalyst to control adsorption energy between the catalyst and the reactant; and
A fuel obtaining step of obtaining a fuel as a product through an electrochemical reaction of a reactant on the surface of the catalyst by applying a voltage to the reaction chamber;
The catalyst is an electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, characterized in that it is a transition metal catalyst comprising at least one selected from the group consisting of nickel, molybdenum, cobalt and tungsten.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 연료 생산을 위한 반응물은, 수소 이온, 수산화 이온, 이산화탄소 및 질소로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법.
According to claim 1,
The reactant for the fuel production is an electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, characterized in that it contains any one or more selected from the group consisting of hydrogen ions, hydroxide ions, carbon dioxide and nitrogen.
 제1항에 있어서,
상기 전자기파는, 15 THz 내지 70 THz 주파수 범위를 갖는 고주파 테라헤르츠 전자기파인 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법.
According to claim 1,
The electromagnetic wave is an electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, characterized in that it is a high-frequency terahertz electromagnetic wave having a frequency range of 15 THz to 70 THz.
 제1항에 있어서,
상기 생성물인 연료는, 수소, 산소, 과산화수소, 메탄올, 포름산, 일산화탄소 및 암모니아로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법.
According to claim 1,
The product fuel is hydrogen, oxygen, hydrogen peroxide, methanol, formic acid, carbon monoxide and ammonia, characterized in that it contains any one or more selected from the group consisting of electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation.
 제1항에 있어서,
상기 전자기파 조사 단계에서는, 생산을 목표로 하는 연료의 종류에 따라 조사되는 상기 전자기파의 주파수를 변조하여 상기 촉매 및 반응물 간의 흡착에너지를 조절함으로써 생산을 목표로 하는 연료의 선택성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법.
According to claim 1,
In the electromagnetic wave irradiation step, the selectivity of the fuel targeted for production is improved by modulating the frequency of the electromagnetic wave to be irradiated according to the type of fuel targeted for production, thereby controlling the adsorption energy between the catalyst and the reactant. Electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation.
 속이 빈 형태의 실린더 및 상기 실린더 내부에 촉매를 포함하고, 상기 촉매 표면에 반응물이 흡착하여 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료가 생산되는 반응이 일어나는 반응 챔버;
상기 반응 챔버에 연결되며, 상기 반응 챔버 내부로 연료 생산을 위한 상기 반응물을 주입하는 반응물 주입부;
상기 반응 챔버의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부의 촉매 표면에 흡착된 반응물에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사부; 및
상기 반응 챔버에 연결되며, 상기 반응 챔버에서 생성된 연료를 수득하는 연료 수득부;를 포함하고,
상기 촉매는, 니켈, 몰리브데늄, 코발트 및 텡스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 전이 금속 촉매인 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치.
a reaction chamber comprising a hollow cylinder and a catalyst inside the cylinder, wherein reactants are adsorbed on the surface of the catalyst to produce fuel as a product through an electrochemical reaction;
a reactant injection unit connected to the reaction chamber and injecting the reactant for fuel production into the reaction chamber;
an electromagnetic wave irradiation unit located at either side of the reaction chamber and irradiating electromagnetic waves to the reactants adsorbed on the surface of the catalyst inside the reaction chamber to adjust the adsorption energy between the catalyst and the reactants; and
It is connected to the reaction chamber, and includes a fuel obtaining unit for obtaining the fuel generated in the reaction chamber;
The catalyst is an electrochemical fuel production apparatus using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, characterized in that it is a transition metal catalyst comprising at least one selected from the group consisting of nickel, molybdenum, cobalt and tungsten.
 제7항에 있어서,
상기 촉매는, 상기 실린더의 벽면과 10 um 내지 200 um 간격으로 이격되게 위치하는 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치.
8. The method of claim 7,
The catalyst is an electrochemical fuel production apparatus using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, characterized in that it is spaced apart from the wall surface of the cylinder by 10 um to 200 um.
 제7항에 있어서,
상기 촉매는, 복수개의 구멍을 갖는 구조로 형성된 것을 특징으로 하고,
상기 구멍에 폴리머 매체가 삽입된 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치.
8. The method of claim 7,
The catalyst is characterized in that it is formed in a structure having a plurality of holes,
Electrochemical fuel production apparatus using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, characterized in that a polymer medium is inserted into the hole.
 제7항에 있어서,
상기 촉매는, 일정 방향으로 배치되는 복수개의 슬릿을 갖는 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치.
8. The method of claim 7,
The catalyst is an electrochemical fuel production apparatus using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, characterized in that it is formed in a structure having a plurality of slits arranged in a predetermined direction.
 제7항에 있어서,
상기 전자기파 조사부는, 펨토초 레이저를 이용하여 저주파 테라헤르츠 전자기파를 생성하는 저주파 테라헤르츠 전자기파 생성부 및 상기 저주파 테라헤르츠 전자기파 생성부에서 생성된 저주파 테라헤르츠 전자기파를 증폭하여 고주파 테라헤르츠 전자기파를 생성하는 고주파 테라헤르츠 전자기파 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치.
8. The method of claim 7,
The electromagnetic wave irradiation unit includes a low-frequency terahertz electromagnetic wave generator that generates a low-frequency terahertz electromagnetic wave using a femtosecond laser, and a high-frequency terahertz electromagnetic wave that amplifies the low-frequency terahertz electromagnetic wave generated by the low-frequency terahertz electromagnetic wave generator to generate a high-frequency terahertz electromagnetic wave. Electrochemical fuel production apparatus using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, characterized in that it comprises a Hertz electromagnetic wave generator.
 제7항에 있어서,
상기 반응 챔버의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부에서 전기화학 반응을 통하여 생성된 생성물을 분석하는 생성물 분석부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치.
8. The method of claim 7,
Electrochemical fuel using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, characterized in that it further comprises a; product analysis unit located at either side of the reaction chamber and analyzing a product generated through an electrochemical reaction inside the reaction chamber production device.
KR1020200119757A 2020-09-17 2020-09-17 Electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, and electrochemical fuel production device that produces fuel using the same KR102411726B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200119757A KR102411726B1 (en) 2020-09-17 2020-09-17 Electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, and electrochemical fuel production device that produces fuel using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200119757A KR102411726B1 (en) 2020-09-17 2020-09-17 Electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, and electrochemical fuel production device that produces fuel using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220037155A KR20220037155A (en) 2022-03-24
KR102411726B1 true KR102411726B1 (en) 2022-06-22

Family

ID=80936007

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200119757A KR102411726B1 (en) 2020-09-17 2020-09-17 Electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, and electrochemical fuel production device that produces fuel using the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102411726B1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005247638A (en) 2004-03-04 2005-09-15 Nissan Motor Co Ltd Hydrogen generation apparatus, hydrogen generation system and hydrogen generation method
JP2009184919A (en) 2009-04-15 2009-08-20 Kyoto Univ Hydrogen production method and apparatus therefor
KR101465208B1 (en) * 2013-08-29 2014-11-26 성균관대학교산학협력단 Preraring method for synthesis gas and hydrogen, and apparatus for the same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100493811B1 (en) * 2003-10-30 2005-06-08 한국수력원자력 주식회사 Electrolysis for producing hydrogen from water
KR101860763B1 (en) 2016-09-08 2018-05-25 한국과학기술연구원 Non-precious Metal Electrocatalyst, Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer Using The Same And Method For Preparing The Same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005247638A (en) 2004-03-04 2005-09-15 Nissan Motor Co Ltd Hydrogen generation apparatus, hydrogen generation system and hydrogen generation method
JP2009184919A (en) 2009-04-15 2009-08-20 Kyoto Univ Hydrogen production method and apparatus therefor
KR101465208B1 (en) * 2013-08-29 2014-11-26 성균관대학교산학협력단 Preraring method for synthesis gas and hydrogen, and apparatus for the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220037155A (en) 2022-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhao et al. Mechanistic analysis of multiple processes controlling solar-driven H2O2 synthesis using engineered polymeric carbon nitride
Shen et al. Electrocatalytic reduction of carbon dioxide to carbon monoxide and methane at an immobilized cobalt protoporphyrin
Lee et al. Favoring the unfavored: selective electrochemical nitrogen fixation using a reticular chemistry approach
Jiang et al. Enabling specific photocatalytic methane oxidation by controlling free radical type
DuChene et al. Optical excitation of a nanoparticle Cu/p-NiO photocathode improves reaction selectivity for CO2 reduction in aqueous electrolytes
Yu et al. Plasmonic control of multi-electron transfer and C–C coupling in visible-light-driven CO2 reduction on Au nanoparticles
Kutz et al. Reaction pathways of ethanol electrooxidation on polycrystalline platinum catalysts in acidic electrolytes
Liu et al. Improving CO2 photoconversion with ionic liquid and Co single atoms
Qi et al. Dynamic control of elementary step energetics via pulsed illumination enhances photocatalysis on metal nanoparticles
Contreras et al. Plasmon-assisted ammonia electrosynthesis
Yamakata et al. Effects of water addition on the methanol oxidation on Pt/TiO2 photocatalyst studied by time-resolved infrared absorption spectroscopy
Kato et al. Role of oxygen vacancy in the photocarrier dynamics of WO3 photocatalysts: The case of recombination centers
Anibal et al. Stability of the ketyl radical as a descriptor in the electrochemical coupling of benzaldehyde
Nandenha et al. Partial oxidation of methane and generation of electricity using a PEMFC
Bagchi et al. Toward unifying the mechanistic concepts in electrochemical CO2 reduction from an integrated material design and catalytic perspective
Nazemi et al. Managing the nitrogen cycle via plasmonic (photo) electrocatalysis: toward circular economy
Liu et al. A general interfacial-energetics-tuning strategy for enhanced artificial photosynthesis
Han et al. Cobalt hexacyanoferrate as a selective and high current density formate oxidation electrocatalyst
Vennekate et al. Ultrafast primary processes of an iron-(iii) azido complex in solution induced with 266 nm light
Kwon et al. Anodic process of nano-Ni hydroxides for the urea oxidation reaction and its electrochemical removal with a lower energy input
KR102411726B1 (en) Electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, and electrochemical fuel production device that produces fuel using the same
Devasenathipathy et al. Plasmon mediated photoelectrochemical transformations: The example of para-aminothiophenol
De et al. A Happy Get‐Together–Probing Electrochemical Interfaces by Non‐Linear Vibrational Spectroscopy
Zhang et al. Real-Time In Situ Monitoring of CO2 Electroreduction in the Liquid and Gas Phases by Coupled Mass Spectrometry and Localized Electrochemistry
Shibata et al. Synthesis of Copolymerized Carbon Nitride Nanosheets from Urea and 2‐Aminobenzonitrile for Enhanced Visible Light CO2 Reduction with a Ruthenium (II) Complex Catalyst

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right