KR102618469B1 - Single-atom nickel catalyst for electrochemical conversion of carbon dioxide with high activity and selectivity and electrode for conversion of carbon dioxide including the same - Google Patents

Single-atom nickel catalyst for electrochemical conversion of carbon dioxide with high activity and selectivity and electrode for conversion of carbon dioxide including the same Download PDF

Info

Publication number
KR102618469B1
KR102618469B1 KR1020210154865A KR20210154865A KR102618469B1 KR 102618469 B1 KR102618469 B1 KR 102618469B1 KR 1020210154865 A KR1020210154865 A KR 1020210154865A KR 20210154865 A KR20210154865 A KR 20210154865A KR 102618469 B1 KR102618469 B1 KR 102618469B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon dioxide
tpp
nickel
conversion
electrochemical
Prior art date
Application number
KR1020210154865A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20230068756A (en
Inventor
최창혁
김해솔
서지원
양우진
김형준
Original Assignee
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 광주과학기술원 filed Critical 광주과학기술원
Priority to KR1020210154865A priority Critical patent/KR102618469B1/en
Publication of KR20230068756A publication Critical patent/KR20230068756A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102618469B1 publication Critical patent/KR102618469B1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/26Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing in addition, inorganic metal compounds not provided for in groups B01J31/02 - B01J31/24
    • B01J31/28Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing in addition, inorganic metal compounds not provided for in groups B01J31/02 - B01J31/24 of the platinum group metals, iron group metals or copper
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/02Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides
    • B01J31/0234Nitrogen-, phosphorus-, arsenic- or antimony-containing compounds
    • B01J31/0235Nitrogen containing compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20Processes
    • C25B3/25Reduction
    • C25B3/26Reduction of carbon dioxide

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

본 발명은 니켈 포르피린(Nickel Porphyrin)계 화합물에서 중심 니켈(Ni) 이온과 결합된 하나 이상의 질소(N) 원자가 이종 원자(Heteroatom)로 치환된 유기금속 화합물로 이루어진 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매 및 이를 포함하는 이산화탄소 전환용 전극에 대한 것으로써, 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매는, 단원자 니켈 촉매의 배위환경 조절을 통해 니켈 활성점 주변의 원자 수준에서 뒤틀린 대칭성을 가짐으로써 높은 선택도로 효율적으로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시킬 수 있으며, 이를 통해 생성된 일산화탄소는 다양한 석유화학 기반 화합물 생산에 매우 유용하게 활용할 수 있다.The present invention relates to a catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion consisting of an organometallic compound in which at least one nitrogen (N) atom bonded to the central nickel (Ni) ion in a nickel porphyrin-based compound is replaced with a heteroatom, and the same. As an electrode for carbon dioxide conversion, the electrochemical catalyst for carbon dioxide conversion according to the present invention has twisted symmetry at the atomic level around the nickel active site through control of the coordination environment of the monoatomic nickel catalyst, thereby efficiently converting carbon dioxide with high selectivity. Carbon dioxide can be converted into carbon monoxide, and the carbon monoxide produced through this can be very useful in the production of various petrochemical-based compounds.

Description

고활성 및 고선택도의 전기화학적 이산화탄소 전환용 단원자 니켈 촉매 및 이를 포함하는 이산화탄소 전환용 전극{SINGLE-ATOM NICKEL CATALYST FOR ELECTROCHEMICAL CONVERSION OF CARBON DIOXIDE WITH HIGH ACTIVITY AND SELECTIVITY AND ELECTRODE FOR CONVERSION OF CARBON DIOXIDE INCLUDING THE SAME} Single-atomic nickel catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion with high activity and high selectivity and electrode for carbon dioxide conversion containing the same SAME}

본 발명은 이산화탄소(CO2)의 일산화탄소(CO)로의 전기화학적 전환 반응에 촉매로 활용할 수 있는 신규한 이산화탄소 전환용 단원자 니켈 촉매 및 이를 포함하는 이산화탄소 전환용 전극에 관한 것이다.The present invention relates to a novel monoatomic nickel catalyst for carbon dioxide conversion that can be used as a catalyst in the electrochemical conversion reaction of carbon dioxide (CO 2 ) to carbon monoxide (CO) and an electrode for carbon dioxide conversion containing the same.

온실가스에 의한 지구 온난화가 기후변화, 생태계 교란, 식량 부족 등 광범위하고도 지속적인 문제를 야기함에 따라, 지구 온난화의 주원인으로 꼽히는 배출된 이산화탄소(CO2)를 처리하는 기술이 주목받고 있다.As global warming caused by greenhouse gases causes widespread and persistent problems such as climate change, ecosystem disturbance, and food shortages, technology for processing emitted carbon dioxide (CO 2 ), which is considered the main cause of global warming, is attracting attention.

이산화탄소 처리 기술은 탄소 포집 및 저장(Carbon capture & storage) 기술과 유용가치를 지닌 자원으로 활용하는(Utilization) 기술로 나눠진다. 포집 및 저장은 이산화탄소를 초임계 형태로 심층수에 저장하거나 오일 추출 기술(EOR)과 연계한 저장 등의 지하저장 방법과 알칼리 금속과의 반응을 통해 이산화탄소를 탄산염의 형태로 저장하는 광물 탄산화 방법이 대표적이다. 그러나, 이러한 방법들은 저장 장소 확보 및 저장량 한계, 환경 파괴의 단점을 갖고 있다. 이에 최근 대두되고 있는 것이 이산화탄소를 고부가 가치의 유용 자원으로 변환하는 기술이다. Carbon dioxide processing technology is divided into carbon capture and storage technology and utilization technology as a resource with useful value. Representative capture and storage methods include underground storage methods such as storing carbon dioxide in deep water in a supercritical form or storage in conjunction with oil extraction technology (EOR), and mineral carbonation methods that store carbon dioxide in the form of carbonate through reaction with alkali metals. . However, these methods have disadvantages such as limited storage space and storage amount, and environmental destruction. Accordingly, a technology that has recently emerged is a technology that converts carbon dioxide into a useful resource of high added value.

이와 같은 이산화탄소 전환 기술에는 생화학적, 광화학적 방법, 전기화학적 방법 등이 있으며, 대부분 자연 상태에서 매우 안정한 이산화탄소의 환원 반응을 통해 탄화수소 화합물을 생산하는 기술이며, 단순히 저장에 그치지 않고 이산화탄소를 소비하는 기술이므로 기존의 포집 및 저장 기술에 비해 보다 적극적인 의미에서의 저감 노력이라고 할 수 있다. Such carbon dioxide conversion technologies include biochemical, photochemical, and electrochemical methods. Most of them are technologies that produce hydrocarbon compounds through a reduction reaction of carbon dioxide, which is very stable in nature. They are technologies that consume carbon dioxide rather than simply storing it. Therefore, it can be said to be a more active reduction effort compared to existing capture and storage technologies.

특히, 전기화학적 이산화탄소 환원 반응(Electrochemical carbon dioxide reduction reaction, CO2RR) 기술은, 반응 조건(환원 전위, 온도, 시간)에 따라 생성되는 탄화수소 화합물의 선택도 조절이 가능하고, 지역 및 환경에 영향을 받지 않는다는 점에서 다른 변환 기술에 비해 많은 관심을 받고 있다. 또한, 이산화탄소 환원에 쓰이는 전기 에너지는 풍력, 태양력, 지열 등 신재생 에너지로부터 공급이 가능하고, 이산화탄소 전환과 생성된 화합물을 연료로 사용하는 과정을 통해 1차적으로 생산된 전기에너지를 저장하는 탄소순환을 갖는 에너지 흐름을 구축할 수 있다는 장점을 가진다. In particular, electrochemical carbon dioxide reduction reaction (CO 2 RR) technology can control the selectivity of hydrocarbon compounds produced depending on reaction conditions (reduction potential, temperature, time) and has an effect on the region and environment. It is receiving more attention than other conversion technologies because it does not receive any changes. In addition, the electrical energy used to reduce carbon dioxide can be supplied from renewable energy such as wind, solar power, and geothermal heat, and the carbon cycle stores the electrical energy primarily produced through the process of converting carbon dioxide and using the generated compounds as fuel. It has the advantage of being able to establish an energy flow with .

이러한 전기화학적 이산화탄소 전환으로부터 생성 가능한 화합물 중 일산화탄소(CO)는 변환 과정에서 발생하는 부생 수소와 함께 합성가스의 원료가 되어, 연속적인 기체-액체 전환 반응(Fischer-Tropsch synthesis)을 통해 다양한 형태의 저탄소 연료로 변환 및 활용이 가능해 그 부가가치가 매우 높다. Among the compounds that can be generated from this electrochemical carbon dioxide conversion, carbon monoxide (CO) becomes a raw material for synthesis gas along with by-product hydrogen generated during the conversion process, and is converted into various forms of low carbon through continuous gas-liquid conversion reaction (Fischer-Tropsch synthesis). It can be converted and utilized as fuel, so its added value is very high.

한편, 전기화학적 이산화탄소 전환 기술에 사용되는 촉매는 주로 금이나 은과 같은 고비용의 귀금속을 기반으로 이루어진다. 이들 귀금속은 이산화탄소 전환시 반응 중간체(*COOH)와 생성물(*CO)간에 최적의 흡착에너지를 가져 이산화탄소에서 일산화탄소로의 전환에 좋은 활성을 가지나, 가격적 측면이나 안정성과 같은 문제가 해결되지 못하고 있다. Meanwhile, catalysts used in electrochemical carbon dioxide conversion technology are mainly based on expensive precious metals such as gold or silver. These precious metals have an optimal adsorption energy between the reaction intermediate (*COOH) and the product (*CO) when converting carbon dioxide and have good activity in converting carbon dioxide to carbon monoxide, but problems such as price and stability have not been solved. .

따라서, 이산화탄소 전기화학적 전환의 실용화를 위해서는 촉매의 가격을 낮춤과 동시에 높은 성능의 촉매 소재 개발이 필요하다. Therefore, in order to commercialize carbon dioxide electrochemical conversion, it is necessary to reduce the price of the catalyst and at the same time develop catalyst materials with high performance.

대한민국 공개특허 제10-2013-0085635호 (공개일: 2013. 7. 30)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2013-0085635 (Publication date: July 30, 2013) 국제공개특허 WO 2015/169763 (공개일: 2015. 11. 12)International Publication Patent WO 2015/169763 (Publication date: November 12, 2015) 국제공개특허 WO 2013/042695 (공개일: 2013. 3. 28)International Publication Patent WO 2013/042695 (Publication Date: March 28, 2013)

본 발명은, 전기화학적 이산화탄소 전환 반응을 위한 촉매로서 귀금속이 아닌 전이 금속인 니켈(Ni)을 유기 리간드로 안정화시킨 단원자 니켈 촉매를 기반으로 하되, 중심 니켈 이온의 배위환경을 조절해 전기화학적 이산화탄소 전환에 고활성을 보이는 신규한 단원자 니켈 촉매 및 이를 포함하는 이산화탄소 전환용 전극의 제공을 그 목적으로 한다. The present invention is a catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion reaction and is based on a monoatomic nickel catalyst in which nickel (Ni), a transition metal rather than a noble metal, is stabilized with an organic ligand, and the coordination environment of the central nickel ion is controlled to convert electrochemical carbon dioxide. The purpose is to provide a novel monoatomic nickel catalyst showing high activity in conversion and an electrode for carbon dioxide conversion containing the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 니켈 포르피린(Nickel porphyrin)계 화합물에서 중심 니켈(Ni) 이온과 결합된 하나 이상의 질소(N) 원자가 이종 원자(Heteroatom)로 치환된 유기금속 화합물로 이루어진 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매를 제안한다. In order to achieve the above-described object, the present invention is an organometallic compound in which one or more nitrogen (N) atoms bonded to the central nickel (Ni) ion are replaced with a heteroatom in a nickel porphyrin-based compound. We propose a catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion.

일례로, 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매는 니켈 포르피린(Nickel porphyrin)계 화합물에서 질소 원자 1개가 산소(O) 원자로 치환된 유기금속 화합물로서 아래 화학식 1로 표시될 수 있다. For example, the catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion according to the present invention is an organometallic compound in which one nitrogen atom is replaced with an oxygen (O) atom in a nickel porphyrin-based compound, and can be represented by Formula 1 below.

<화학식 1><Formula 1>

(상기 화학식 1에서,(In Formula 1 above,

R은 서로 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 탄화수소 기임).R is independently hydrogen or a hydrocarbon group having 1 to 12 carbon atoms).

상기 R이 탄소수 1 내지 12의 탄화수소 기일 경우, 상기 탄화수소 기는 포화 또는 불포화 그 어느 것도 무방하며, 직쇄상, 분지쇄상 또는 환상 그 어느 것이라도 가능하다. 일례로, 상기 탄화수소 기는 메틸기, 에틸기, n-프로필기, i-프로필기, n-부틸기, n-펜틸기, n-헥실기, 옥틸기, 시클로헥실기, 사이클로옥틸기, 시클로헥실메틸기, 페닐기, 나프틸기, 벤질기 등일 수 있으며, 나아가, 수산기, 아미노기, 카르복실기, 카보닐기, 설프하이드릴기, 설포닐기, 할로기 등의 치환기를 가지고 있어도 좋다. 또한, 인접한 R은 탄화수소 사슬로 연결되어 환상 구조를 형성할 수 있으며, 이때의 탄화수소 사슬은 포화 또는 불포화일 수 있다. When R is a hydrocarbon group having 1 to 12 carbon atoms, the hydrocarbon group may be either saturated or unsaturated, and may be linear, branched, or cyclic. For example, the hydrocarbon group includes methyl group, ethyl group, n-propyl group, i-propyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, octyl group, cyclohexyl group, cyclooctyl group, cyclohexylmethyl group, It may be a phenyl group, naphthyl group, benzyl group, etc., and may further have a substituent such as a hydroxyl group, amino group, carboxyl group, carbonyl group, sulfhydryl group, sulfonyl group, or halo group. Additionally, adjacent R may be connected to a hydrocarbon chain to form a cyclic structure, and in this case, the hydrocarbon chain may be saturated or unsaturated.

나아가, 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매는 하기 화학식 2로 표시되는 니켈 포르피린(Nickel porphyrin)계 화합물로 이루어질 수 있다. Furthermore, the catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion according to the present invention may be made of a nickel porphyrin-based compound represented by the following formula (2).

<화학식 2><Formula 2>

그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서, 상기 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매를 포함해 이루어지는 전기화학적 이산화탄소 전환용 전극을 제안한다. And, in another aspect of the invention, the present invention proposes an electrode for electrochemical carbon dioxide conversion comprising the catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion.

일례로, 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 전극은, 집전체(current collector) 표면에 상기 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매를 포함하는 전도성 조성물의 코팅층을 구비한 구조로 이루어질 수 있다. For example, the electrode for electrochemical carbon dioxide conversion according to the present invention may have a structure including a coating layer of a conductive composition containing the catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion on the surface of a current collector.

이때, 상기 집전체 표면의 코팅층을 형성하기 위한 조성물은, 상기 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매와 도전성 소재를 포함해 이루어질 수 있으며, 상기 도전성 소재는 활성탄소(아세틸렌 블랙, 케첸 블랙 등), 카본나노튜브, 그래핀 또는 플러렌 등의 탄소 재료인 것이 바람직하다. 또한, 상기 도전성 소재로서 금속 재료를 사용할 수도 있으며, 예를 들면, Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ni, Zn, Sn, Bi 및 Pd 등 및 이들의 합금을 사용할 수 있다. 나아가, 상기 코팅층 형성용 조성물은 도전성 소재로써 ITO, ZnO, FTO, AZO, ATO 등의 투명 전도성 금속 산화물을 포함할 수도 있으며, 그밖에도 상기 전도성 탄소 소재와 전도성 수지, 전도성 이온 교환 수지 등의 복합체, 이오노머 등의 수지 재료를 사용해도 좋다. At this time, the composition for forming a coating layer on the surface of the current collector may include a catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion according to the present invention and a conductive material, and the conductive material is activated carbon (acetylene black, Ketjen black, etc.) , it is preferable that it is a carbon material such as carbon nanotubes, graphene, or fullerene. Additionally, metal materials may be used as the conductive material, for example, Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ni, Zn, Sn, Bi, and Pd, and alloys thereof. Furthermore, the composition for forming the coating layer may include a transparent conductive metal oxide such as ITO, ZnO, FTO, AZO, and ATO as a conductive material, and may also include a composite of the conductive carbon material, a conductive resin, a conductive ion exchange resin, etc. Resin materials such as ionomers may be used.

한편, 전술한 각종 도전성 소재는 2종 이상을 조합하여 상기 코팅층 형성용 조성물에 포함될 수 있다. Meanwhile, the various conductive materials described above may be included in the composition for forming the coating layer by combining two or more types.

본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매는, 단원자 니켈 촉매의 배위환경 조절을 통해 니켈 활성점 주변의 원자 수준에서 뒤틀린 대칭성을 가짐으로써 높은 선택도로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환 시킬 수 있으며, 이를 통해 생성된 일산화탄소는 다양한 석유화학 기반 화합물 생산에 매우 유용하게 활용할 수 있다. The catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion according to the present invention can convert carbon dioxide into carbon monoxide with high selectivity by having twisted symmetry at the atomic level around the nickel active site through controlling the coordination environment of the monoatomic nickel catalyst, thereby generating Carbon monoxide can be very useful in the production of various petrochemical-based compounds.

도 1(a)는 Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP을 합성하는 과정을 보여주는 도면이고, 도 1(b)는 단결정 X-선 회절(SC-XRD)에 의해 결정된 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 3D 분자 구조를 나타낸 도면이고, 도 1(c)는 Ni-N4-TPP, Ni(-Cl)-N3O-TPP 및 니켈의 Ni K-edge X-선 흡수 분광분석법(XANES) 스펙트럼이다.
도 2a는 본원 실시예에서 제조된 2,5-비스-(페닐히드록시메틸)퓨란(2,5-bis-(phenylhydroxymethyl)furan)에 대한 1H NMR 스펙트럼이다.
도 2b는 본원 실시예에서 제조된 2,5-비스-(페닐히드록시메틸)퓨란(2,5-bis-(phenylhydroxymethyl)furan)에 대한 13C NMR 스펙트럼이다.
도 3a는 본원 실시예에서 제조된 N3O-TPP에 대한 1H NMR 스펙트럼이다.
도 3b는 본원 실시예에서 제조된 N3O-TPP에 대한 13C NMR 스펙트럼이다.
도 4a는 본원 실시예에서 제조된 Ni(-Cl)-N3O-TPP에 대한 1H NMR 스펙트럼이다.
도 4b는 본원 실시예에서 제조된 Ni(-Cl)-N3O-TPP에 대한 13C NMR 스펙트럼이다.
도 5는 본원 실시예에서 제조된 Ni-N4-TPP에 대한 1H NMR 스펙트럼이다.
도 6(a)은 아르곤/이산화탄소로 포화된 0.5 M KHCO3 전해질에서 5 mV s-1의 전위주사속도로 측정된 Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 분극 곡선이고, 도 6(b) 및 도 6(c)는 각각 Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 실시간 스캐닝 플로우 셀(SFC) 시스템과 결합된 시차 전기화학적 질량분석법(differential electrochemical mass spectroscopy, DEMS) 결과이며(CO2 (m/z = 44), CO (m/z = 28) 및 H2 (m/z = 2) 신호는 이산화탄소가 포화된 0.5 M KHCO3에서 0 부터 -0.9 VRHE까지 순환전압전류법의 두 사이클 동안 수집되었으며, DEMS 측정 중 전위 프로파일은 점선으로 표시함), 도 6(d)는 이산화탄소 포화 전해질, -0.5 ~ 0.4 VRHE의 전위 범위에서 50 mV s-1의 전위주사속도로 측정된 Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 순환전압전류법 결과이며(산화-환원쌍 A는 화살표로 표시함), 도 6(e)는 개방회로전위(Open circuit potential; OCP) 및 -0.65 VRHE에서 측정된 Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 반응실시간 XANES 스펙트럼이고(OCP와 -0.65 VRHE에서 얻은 스펙트럼 간의 차이는 점선으로 나타냄), 도 6(f)는 -0.65 VRHE에서 수집된 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 Ni K-edge XANES 스펙트럼의 선형 조합(Linear combination) 피팅결과이다.
도 7(a)는 Ni-N4-TPP (왼쪽) 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP (오른쪽)의 촉매 사이클을 보여주는 모식도이고, 도 7(b)는 -0.6 VRHE의 전위가 인가될 때 해당되는 밀도범함수 이론 계산 자유 에너지 프로파일이다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 각각 Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPPㅣ-의 밀도범함수 이론 계산 최적화 구조를 보여주는 모식도이고(니켈에 대한 ·COOH의 결합 에너지가 표시되며, 음(-)의 값이 클수록 결합이 강함을 의미함), 도 8(c)는 모식화된 분자 오비탈(MO) 다이어그램이다(강한 Ni-COOH 결합을 형성하기 위해, 전자가 풍부한 니켈의 전자 밀도를 포르피린 리간드로 재분배할 필요가 있음(주황색 화살표), 리간드 필드 분리(Ligand-field splitting, Δ)가 증가하면 이러한 전자 재분배에 대한 에너지 비용이 커짐).
도 9(a)는 이중칸 H-셀에서 다양한 전위로 1 시간 동안 이루어진 이산화탄소 환원 반응에 대해 얻어진 총 페러데이 효율(FETotal) 및 일산화탄소 생성 페러데이 효율(FECO)이고, 도 9(b)는 이중칸 H-셀에서 다양한 전위로 1 시간 동안 이루어진 이산화탄소 환원 반응에 대해 얻어진 총 전류밀도(j Total) 및 일산화탄소 생성 부분 전류밀도(j CO)이며, 도 9(c)는 서로 다른 전위 범위를 사용하여 순환전압전류법으로 측정한 Ni(-Cl)-N3O-TPP에 대한 산화 피크이고(분극 곡선은 이산화탄소가 포화된 0.5 M KHCO3 전해질에서 50 mV s-1의 전위주사속도로 낮은 전위 한계 (Lower potential limit; LPL)를 -0.5 에서 -0.8 VRHE로 순차적으로 변경하여 측정되었고 피크(A 및 B)는 화살표로 표시함), 도 9(d)는 0.4 에서 -0.8 VRHE까지의 순차적 순환전압전류법 측정 전후에 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 라만 스펙트럼이다.
Figure 1(a) is a diagram showing the process of synthesizing Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP, and Figure 1(b) is a diagram showing the process of synthesizing Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP, and Figure 1(b) is a diagram showing the process of synthesizing Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP. This is a diagram showing the 3D molecular structure of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP, and Figure 1(c) shows Ni-N 4- TPP, Ni(-Cl)-N 3 O-TPP, and Ni of nickel. K-edge X-ray absorption spectroscopy (XANES) spectrum.
Figure 2a is a 1 H NMR spectrum for 2,5-bis-(phenylhydroxymethyl)furan prepared in the examples herein.
Figure 2b is a 13 C NMR spectrum for 2,5-bis-(phenylhydroxymethyl)furan prepared in the examples herein.
Figure 3a is a 1 H NMR spectrum for N 3 O-TPP prepared in the examples herein.
Figure 3b is a 13 C NMR spectrum for N 3 O-TPP prepared in the examples herein.
Figure 4a is a 1 H NMR spectrum for Ni(-Cl)-N 3 O-TPP prepared in the examples herein.
Figure 4b is a 13 C NMR spectrum for Ni(-Cl)-N 3 O-TPP prepared in the examples herein.
Figure 5 is a 1 H NMR spectrum for Ni-N 4- TPP prepared in the examples herein.
Figure 6(a) shows the polarization of Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP measured at a potential scanning rate of 5 mV s -1 in 0.5 M KHCO 3 electrolyte saturated with argon/carbon dioxide. curves, and Figures 6(b) and 6(c) are the differential electrochemical masses of Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP, respectively, coupled to a real-time scanning flow cell (SFC) system. Differential electrochemical mass spectroscopy (DEMS) results (CO 2 ( m / z = 44), CO ( m / z = 28) and H 2 ( m / z = 2) signals are obtained in 0.5 M KHCO 3 saturated with carbon dioxide. (collected during two cycles of cyclic voltammetry from 0 to -0.9 V RHE , the potential profile during DEMS measurements is indicated by a dotted line), Figure 6(d) shows the potential range from -0.5 to 0.4 V RHE in carbon dioxide-saturated electrolyte. Cyclic voltammetry results of Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP measured at a potential scanning rate of 50 mV s -1 (oxidation-reduction pair A is indicated by an arrow) , Figure 6(e) is the real-time XANES spectrum of the reaction of Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP measured at open circuit potential (OCP) and -0.65 V RHE ( Figure 6(f) is a linear plot of the Ni K-edge This is the linear combination fitting result.
Figure 7(a) is a schematic diagram showing the catalytic cycle of Ni-N 4- TPP (left) and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP (right), and Figure 7(b) is a schematic diagram showing the potential of -0.6 V RHE . This is the free energy profile calculated from density functional theory when is applied.
Figures 8(a) and 8(b) are schematic diagrams showing the density functional theory calculation optimization structure of Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP ㅣ-, respectively (for nickel The bonding energy of COOH is displayed, with a larger negative value meaning a stronger bond), and Figure 8(c) is a schematic molecular orbital (MO) diagram (to form a strong Ni-COOH bond). , the electron density of the electron-rich nickel needs to be redistributed to the porphyrin ligand (orange arrow); as the ligand-field splitting (Δ) increases, the energetic cost of this electron redistribution becomes greater.
Figure 9(a) shows the total Faraday efficiency (FE Total ) and carbon monoxide generation Faraday efficiency (FE CO ) obtained for the carbon dioxide reduction reaction conducted for 1 hour at various potentials in a double-compartment H-cell, and Figure 9(b) shows the double The total current density ( j Total ) and the partial current density of carbon monoxide production ( j CO ) obtained for the carbon dioxide reduction reaction conducted for 1 hour at various potentials in the Khan H-cell. Figure 9(c) shows the results obtained using different potential ranges. Oxidation peak for Ni(-Cl)-N 3 O-TPP measured by cyclic voltammetry (polarization curve shows the lower potential limit with a potential scan rate of 50 mV s -1 in 0.5 M KHCO 3 electrolyte saturated with carbon dioxide. (Lower potential limit; LPL) was measured by sequentially changing from -0.5 to -0.8 V RHE , and the peaks (A and B) are indicated by arrows), Figure 9(d) shows sequential changes from 0.4 to -0.8 V RHE . Raman spectrum of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP before and after cyclic voltammetry measurement.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the embodiments according to the concept of the present invention can make various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

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 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to indicate the existence of a described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or numbers. It should be understood that this does not preclude the existence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하, 본 명세서를 실시예를 들어 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail through examples. However, the embodiments according to the present specification may be modified into various other forms, and the scope of the present specification is not to be construed as being limited to the embodiments described in detail below. The embodiments of this specification are provided to more completely explain the present specification to those with average knowledge in the art.

<실시예><Example>

본 실시예에서는 전기화학적 이산화탄소 전환에 고활성을 갖는 단원자 니켈 촉매의 활성점을 도출하고자, 정확하게 제어된 구조를 갖는 2종의 유기 금속복합체 즉, 4개의 질소원자로 둘러싸인 단원자 니켈을 포함한 구조(Ni-N4-TPP)와 두 번째 분자로 하나의 질소가 산소로 치환되어 대칭성이 뒤틀린 구조(Ni-N3O-TPP)를 합성하였으며, 이들에 대한 다양한 전기화학적 그리고 분광학적 분석을 통해, 대칭성이 뒤틀린 구조가 높은 이산화탄소 전환성능을 보임을 확인할 수 있었다. 계산화학을 통해 활성점의 뒤틀린 대칭성이 반응 중간체 생성에 필요한 에너지를 효과적으로 낮추어 결과적으로 높은 전환성능을 보인다는 것을 밝혔다.In this example, in order to derive the active site of a monoatomic nickel catalyst with high activity in electrochemical carbon dioxide conversion, two types of organometallic complexes with accurately controlled structures, that is, a structure containing monoatomic nickel surrounded by four nitrogen atoms ( Ni-N 4- TPP) and a second molecule (Ni-N 3 O-TPP) with distorted symmetry in which one nitrogen is replaced with oxygen were synthesized, and through various electrochemical and spectroscopic analyses, It was confirmed that the structure with distorted symmetry showed high carbon dioxide conversion performance. Through computational chemistry, it was revealed that the twisted symmetry of the active site effectively lowers the energy required to generate reaction intermediates, resulting in high conversion performance.

1. Ni-Porphyrin 화합물의 합성1. Synthesis of Ni-Porphyrin compound

N4-TPP 및 N3O-TPP는 피롤과 알데하이드를 이용한 축합 반응을 통해 합성하였으며, N3O-TPP의 경우 2,5-비스-(페닐히드록시메틸)퓨란(2,5-bis-(phenyl hydroxymethyl)furan)을 전구체로 사용하였다. Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP는 N4-TPP 및 N3O-TPP의 금속화반응 후에 재결정을 통하여 합성하였다.N 4- TPP and N 3 O-TPP were synthesized through a condensation reaction using pyrrole and aldehyde, and for N 3 O-TPP, 2,5-bis-(phenylhydroxymethyl)furan (2,5-bis- (phenyl hydroxymethyl)furan) was used as a precursor. Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP were synthesized through recrystallization after the metallization reaction of N 4- TPP and N 3 O-TPP.

(1) 2,5-Bis(phenylhydroxymethyl)furan의 합성(1) Synthesis of 2,5-Bis(phenylhydroxymethyl)furan

250 mL 둥근바닥플라스크에 증류된 n-헥산 (50 mL), 테트라메틸에틸렌다이아민 (4.3 g, 37.5 mmol, 5.6 mL), n-뷰틸리튬 (2.4 g, 37.5 mmol, 15.0 mL 의 2.5 M 헥산 용액)을 넣고 질소 분위기에서 10 분간 교반한다. 이후, 증류된 퓨란 (1.0 g, 15.0 mmol, 1.1 mL)을 넣고 상온에서 1 시간 동안 교반한다. 교반한 용액을 0 도의 얼음에서 냉각하고, 0 도의 벤즈알데하이드(4.0 g, 37.5 mmol, 33.8 mL 의 1.1 M 테트라하이드로퓨란 용액)를 천천히 첨가한다. 해당 혼합물을 천천히 상온으로 가온하며 15 분간 교반하고, 이후 차가운 염화 암모늄 수용액(70 mL, 1.0 M 수용액)을 첨가하여 반응을 종료시킨다. 유기층을 물(3 X 70 mL)과 소금물(1 X 70 mL)로 세척하고, 황산마그네슘을 사용하여 건조한 뒤, 용매를 감압 제거한다. 30%(v/v) 아세트산에틸/n-헥산을 포함하는 실리카겔 칼럼을 사용한 정제를 수행하여 원하는 생성물을 얻는다. 이때, 수율은 35%(1.46 g) 이다.A 2.5 M hexane solution of distilled n-hexane (50 mL), tetramethylethylenediamine (4.3 g, 37.5 mmol, 5.6 mL), and n-butyllithium (2.4 g, 37.5 mmol, 15.0 mL) in a 250 mL round bottom flask. ) and stirred for 10 minutes in a nitrogen atmosphere. Afterwards, distilled furan (1.0 g, 15.0 mmol, 1.1 mL) was added and stirred at room temperature for 1 hour. The stirred solution is cooled in ice at 0 degrees, and benzaldehyde (4.0 g, 37.5 mmol, 33.8 mL of 1.1 M tetrahydrofuran solution) at 0 degrees is slowly added. The mixture is slowly warmed to room temperature and stirred for 15 minutes, and then the reaction is terminated by adding a cold aqueous ammonium chloride solution (70 mL, 1.0 M aqueous solution). The organic layer was washed with water (3 Purification using a silica gel column containing 30% (v/v) ethyl acetate/n-hexane is performed to obtain the desired product. At this time, the yield is 35% (1.46 g).

(2) N(2)N 33 O-TPP의 합성Synthesis of O-TPP

500 mL 둥근바닥플라스크에 2,5-비스-(페닐히드록시메틸)퓨란(0.56 g, 2.0 mmol), 클로로포름(200 mL)을 첨가하고 질소 분위기에서 15 분간 교반한다. 해당 용액에 벤즈알데하이드(0.39 g, 4.0 mmol, 0.41 mL), 피롤(0.43 g, 6.0 mmol, 0.42 mL), 및 BF3OEt2(0.22 g, 2.0 mmol, 0.25 mL)를 첨가하고, 혼합물을 상온에서 2 시간 동안 교반한다. 이후, 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논(1.36 g, 6.0 mmol)을 첨가하고, 혼합물을 1 시간 동안 교반한다. 용매를 감압 제거 후, 두 단계의 칼럼을 사용한 정제를 수행한다. 먼저, 10%(v/v) 아세톤/디클로로메탄을 포함하는 염기성 알루미나 칼럼을 사용하여 일차적으로 정제한다. 이어서, 동일한 용매를 포함하는 실리카겔 칼럼을 사용하여 최종적으로 원하는 생성물을 얻는다. 이 때, 수율은 15%(0.19 g)이다.Add 2,5-bis-(phenylhydroxymethyl)furan (0.56 g, 2.0 mmol) and chloroform (200 mL) to a 500 mL round bottom flask and stir for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. Benzaldehyde (0.39 g, 4.0 mmol, 0.41 mL), pyrrole (0.43 g, 6.0 mmol, 0.42 mL), and BF 3 OEt 2 (0.22 g, 2.0 mmol, 0.25 mL) were added to the solution, and the mixture was cooled to room temperature. Stir for 2 hours. Then, 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone (1.36 g, 6.0 mmol) is added and the mixture is stirred for 1 hour. After removing the solvent under reduced pressure, purification using a two-stage column is performed. First, it is primarily purified using a basic alumina column containing 10% (v/v) acetone/dichloromethane. Subsequently, a silica gel column containing the same solvent is used to finally obtain the desired product. At this time, the yield is 15% (0.19 g).

(3) Ni(-Cl)-N(3) Ni(-Cl)-N 33 O-TPP의 합성Synthesis of O-TPP

100 mL 둥근바닥플라스크에 N3O-TPP(0.080 g, 0.13 mmol)을 첨가하고 클로로포름(70 mL)에 용해시킨다. 염화니켈(0.037 g, 1.56 mmol)을 에탄올(7 mL)에 용해시킨 용액을 둥근바닥플라스크에 첨가하여 반응을 개시하고, 2 시간동안 환류시킨다. 용매를 감압 제거하고, 해당 고체를 클로로포름(5 mL)에 용해시킨다. 5%(v/v) 아세톤/클로로포름을 포함하는 실리카겔 칼럼을 사용한 정제를 수행하여 보라색 생성물을 얻는다. 이후, 디클로로메탄/n-헥산에서 재결정하여 원하는 보라색 결정을 얻는다. 이 때, 최종 수율은 64%(0.059 g)이다.Add N 3 O-TPP (0.080 g, 0.13 mmol) to a 100 mL round bottom flask and dissolve in chloroform (70 mL). A solution of nickel chloride (0.037 g, 1.56 mmol) dissolved in ethanol (7 mL) was added to the round bottom flask to initiate the reaction and refluxed for 2 hours. The solvent is removed under reduced pressure, and the solid is dissolved in chloroform (5 mL). Purification using a silica gel column containing 5% (v/v) acetone/chloroform is performed to obtain a purple product. Afterwards, it is recrystallized from dichloromethane/n-hexane to obtain the desired purple crystal. At this time, the final yield was 64% (0.059 g).

(4) Ni-N(4)Ni-N 4-4- TPP의 합성Synthesis of TPP

250 mL 둥근바닥플라스크에 테트라페닐포르피린(0.10 g, 0.16 mmol)을 첨가하고 디메틸포름아미드(7 mL)를 넣어 용해시킨다. 해당 용액에 니켈(II)아세트산(0.81 g, 3.25 mmol)을 첨가하여 반응을 개시하고, 밤새 환류시킨다. 이어서, 용매를 감압 제거한다. 30%(v/v) 디클로로메탄/n-헥산을 포함하는 실리카겔 칼럼을 사용한 정제를 수행하여 원하는 생성물을 얻는다. 이때, 수율은 43%(0.047 g)이다.Add tetraphenylporphyrin (0.10 g, 0.16 mmol) to a 250 mL round bottom flask and dissolve it in dimethylformamide (7 mL). The reaction was initiated by adding nickel(II) acetic acid (0.81 g, 3.25 mmol) to the solution and refluxed overnight. Next, the solvent is removed under reduced pressure. Purification using a silica gel column containing 30% (v/v) dichloromethane/n-hexane is performed to obtain the desired product. At this time, the yield was 43% (0.047 g).

(5) 합성된 니클 포르피린 화합물의 물리화학적 물성분석(5) Physical and chemical property analysis of synthesized nickel porphyrin compounds

X-선 광전자 분광(XPS) 스펙트럼에서 약 856.0 eV에서의 피크 및 X-선 흡수 분광분석법(XANES) 스펙트럼에서 8345 eV의 Ni K-edge 위치로부터(도 1(c)), 니켈의 산화 상태는 두 니켈 포르피린 화합물 모두에 대해 +2인 것으로 드러났다. Ni(-Cl)-N3O-TPP의 구조는 단결정 X-선 회절(SC-XRD; 도 1(b))을 참조해 니켈 원자와 O(1)N(2)-N(3)N(4) 평면 간 수직 거리가 0.303 Å이고, 축 방향 염화 이온과 2.279 Å 만큼 떨어져 있는 5 배위 니켈 착물을 보여준다. η 1-퓨란 리간드는 θ = 18.2°(θ는 퓨란 평면과 Ni-O 결합 사이의 각도)으로 니켈 원자에 배위된다. XANES 스펙트럼의 약 8339 eV에서 1s → 4pz 전환은 Ni-N4-TPP의 스펙트럼에서 명확하게 볼 수 있는 사각 평면구조(square planar)의 특징이다(도 1(c)). 반면에, 증가된 쌍극자 허용 1s → 4p 전환으로 인해 Ni(-Cl)-N3O-TPP에 대해 약 8335 eV에서 pre-edge 피크가 관찰되며, 이는 3d 및 4p 궤도의 혼성화를 유도하는 뒤틀린 D 4h 대칭의 증거이다. 따라서, 4 배위 2 음이온(dianionic) 리간드 (square planar Ni-N4-TPP) 및 축 염화 이온을 갖는 단 음이온(monoanionic) 리간드(Ni(-Cl)-N3O-TPP)를 갖는 NiII 착물이 확인되었다.From the peak at approximately 856.0 eV in the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum and the Ni K-edge position at 8345 eV in the It was found to be +2 for both nickel porphyrin compounds. The structure of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP refers to single crystal X-ray diffraction (SC-XRD; Figure 1(b)), showing nickel atoms and O(1)N(2)-N(3)N. (4) It shows a five-coordinate nickel complex with a vertical distance between planes of 0.303 Å and a distance of 2.279 Å from the axial chloride ion. The η 1 -furan ligand is coordinated to the nickel atom at θ = 18.2° (θ is the angle between the furan plane and the Ni-O bond). The 1s → 4p z transition at approximately 8339 eV in the XANES spectrum is a characteristic of the square planar structure that can be clearly seen in the spectrum of Ni-N 4- TPP (Figure 1(c)). On the other hand, a pre-edge peak is observed at around 8335 eV for Ni(-Cl)-N 3 O-TPP due to the increased dipole-tolerant 1s → 4p transition, which leads to the twisted D leading to hybridization of the 3d and 4p orbitals. This is evidence of 4h symmetry. Therefore, the Ni II complex with a four-coordinate dianionic ligand (square planar Ni-N 4- TPP) and a monoanionic ligand with an axial chloride ion (Ni(-Cl)-N 3 O-TPP) This has been confirmed.

2. 포르피린 화합물의 반응실시간 특성분석2. Real-time reaction characterization of porphyrin compounds

Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP 상의 전기화학적 이산화탄소 환원 반응성을 회전 원판전극을 사용하여 0.5 M KHCO3 전해질에서 측정하였다. 전극은 충분한 전기 전도성을 제공하기 위해 포르피린과 활성탄소를 혼합하여 제조되었다. 선형주사전위법 측정 결과는 아르곤 및 이산화탄소 포화 전해질(각각의 pH는 약 8.9 및 7.2)에서 Ni-N4-TPP는 유사한 전류 개형을 보여준다(도 6(a)). 반면 Ni(-Cl)-N3O-TPP는 이산화탄소 포화 전해질에서 환원전류 밀도가 크게 증가하고, 특히 -0.8 VRHE에서 이산화탄소가 부재한 조건에서보다 2배 더 높다. 환원전류는 니켈 포르피린 화합물이 없는 유리질 카본과 활성탄소에 대해 거의 부재하며, 이산화탄소 포화 전해질에서 향상된 환원전류는 니켈 포르피린 화합물의 전기 촉매 특성에 기인함을 확인할 수 있다. 따라서, Ni(-Cl)-N3O-TPP 전극에서 명확하게 관찰되지만, Ni-N4-TPP 전극에서는 관찰되지 않는 분극 곡선의 차이는 Ni-N4-TPP보다 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 전기화학적 이산화탄소 환원 반응성이 더욱 높음을 의미한다. 상기의 가설을 확인하기 위해서 동일 반응 조건에서 단원자 니켈 촉매에 대한 2가지 주요 반응(이산화탄소에서 일산화탄소로의 환원 반응 및 경쟁적인 수소 발생 반응)을, 스캐닝 플로우 셀(SFC) 시스템과 결합된 시차 전기화학적 질량분석법(Differential electrochemical mass spectroscopy; DEMS)으로 관찰하였다. 선형주사전위법 중 DEMS 분석결과, 전해질의 이산화탄소(m/z = 44)는 낮은 과전압 범위에서 소비되지 않지만, Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP 각각에 대해 약 -0.8 및 -0.6 VRHE 미만의 전위에서 소비되기 시작한다(도 6(b) 및 도 6(c)). 동시에, 과전압이 증가함에 따라 일산화탄소(m/z = 28)가 증가한다. 이러한 변화는 이산화탄소가 부재한 조건에서 관찰되지 않는 현상이며, 해당 조건에서는 오직 수소의 생성만이 관찰된다. 이산화탄소 소비와 일산화탄소 발생에 대한 동일한 개시 전위는 용해된 이산화탄소의 전기화학적 환원에 의해 일산화탄소가 생성됨을 의미한다. 더 높은 개시 전위와 더불어, Ni-N4-TPP보다 Ni(-Cl)-N3O-TPP에서 이산화탄소 소비 및 일산화탄소 생성에 대한 신호 변화가 크게 기록되었다. 따라서, 이러한 결과는 Ni-N4-TPP보다 Ni(-Cl)-N3O-TPP에 의해 전기화학적 이산화탄소 환원이 더 잘 이루어짐을 보인다.The electrochemical carbon dioxide reduction reactivity of Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP was measured in 0.5 M KHCO 3 electrolyte using a rotating disk electrode. The electrode was prepared by mixing porphyrin and activated carbon to provide sufficient electrical conductivity. Linear scan potential measurement results show similar current reforming for Ni-N 4- TPP in argon and carbon dioxide saturated electrolytes (pH of approximately 8.9 and 7.2, respectively) (Figure 6(a)). On the other hand, the reduction current density of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP increases significantly in a carbon dioxide-saturated electrolyte, and is two times higher than in the absence of carbon dioxide, especially at -0.8 V RHE . The reduction current is almost absent for glassy carbon and activated carbon without nickel porphyrin compound, and it can be confirmed that the improved reduction current in carbon dioxide-saturated electrolyte is due to the electrocatalytic properties of the nickel porphyrin compound. Therefore, the difference in polarization curves, which is clearly observed in the Ni(-Cl)-N 3 O-TPP electrode but not in the Ni-N 4- TPP electrode, is greater for Ni(-Cl)-N than for Ni-N 4- TPP. 3 This means that the electrochemical carbon dioxide reduction reactivity of O-TPP is higher. To confirm the above hypothesis, two major reactions (reduction of carbon dioxide to carbon monoxide and competitive hydrogen evolution) on a monoatomic nickel catalyst were performed under the same reaction conditions using differential electrophoresis coupled to a scanning flow cell (SFC) system. It was observed using differential electrochemical mass spectroscopy (DEMS). The results of DEMS analysis during the linear scanning potential method show that carbon dioxide ( m / z = 44) in the electrolyte is not consumed in the low overpotential range, but is consumed at approximately Consumption begins at potentials below -0.8 and -0.6 V RHE (Figures 6(b) and 6(c)). At the same time, carbon monoxide ( m / z = 28) increases as overvoltage increases. This change is a phenomenon that is not observed in the absence of carbon dioxide, and only the production of hydrogen is observed under these conditions. The same onset potential for carbon dioxide consumption and carbon monoxide generation means that carbon monoxide is produced by electrochemical reduction of dissolved carbon dioxide. In addition to the higher onset potential, greater signal changes for carbon dioxide consumption and carbon monoxide production were recorded for Ni(-Cl)-N 3 O-TPP than for Ni-N 4- TPP. Therefore, these results show that electrochemical carbon dioxide reduction is achieved better by Ni(-Cl)-N 3 O-TPP than by Ni-N 4- TPP.

니켈 포르피린 간의 상충하는 이산화탄소 환원 활성의 근원을 밝히기 위해, 반응성을 결정하는 핵심 변수 중 하나로 주장되는 니켈의 산화 상태를 이산화탄소 환원 조건에서 관찰하였다. Ni-N4-TPP에 대한 순환전압전류법 측정 결과, 이산화탄소 포화 전해질에서 니켈의 산화-환원이 부재함을 확인할 수 있었으며, 0.4 ~ -0.8 VRHE까지의 범위에서 초기 산화 상태(+2가)가 안정화되어 있음을 보인다. 그러나, Ni(-Cl)-N3O-TPP의 순환전압전류법 측정 결과, 약 -0.22 VRHE(피크 A)에서 명확한 산화-환원쌍이 관찰된다. 전극의 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 양과 반응 중에 전달되는 전자의 전하량을 고려할 때, 산화-환원 반응 시 한 개의 Ni(-Cl)-N3O-TPP에 대해 전달되는 전자 수는 약 1.9개로 추정할 수 있다. 아르곤 포화 전해질에서도 산화-환원쌍이 관찰되지만, Ni(-Cl)-N3O-TPP의 산화-환원 전위(E 0 )는 pH를 보정한 가역 수소 전극(Reversible hydrogen electrode; RHE) 스케일에서 약 110 mV 만큼 양(+)으로 이동한다. 그러나, pH를 보정하지 않은 표준 수소 전극(Standard hydrogen electrode; SHE) 스케일에서 산화-환원쌍 A는 전해질의 pH에 상관없이 -0.62 VRHE의 동일한 E 0 에 위치한다. 해당 분극 곡선 결과는 산화-환원쌍이 양성자 전달 없이 2 전자 전달을 수반함을 나타낸다.To reveal the source of the conflicting carbon dioxide reduction activity between nickel porphyrins, the oxidation state of nickel, which is claimed to be one of the key variables determining reactivity, was observed under carbon dioxide reduction conditions. Cyclic voltammetry measurement results for Ni-N 4- TPP, carbon dioxide It was confirmed that nickel oxidation-reduction was absent in the saturated electrolyte, and the initial oxidation state (+2 valence) was stabilized in the range from 0.4 to -0.8 V RHE . However, as a result of cyclic voltammetry measurements of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP, a clear redox pair is observed at about -0.22 V RHE (peak A). Considering the amount of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP on the electrode and the charge of electrons transferred during the reaction, the number of electrons transferred for one Ni(-Cl)-N 3 O-TPP during the oxidation-reduction reaction can be estimated to be about 1.9. Although oxidation-reduction pairs are also observed in argon-saturated electrolytes, the oxidation-reduction potential ( E 0 ) of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP is approximately 110 on the pH-corrected reversible hydrogen electrode (RHE) scale. It moves positive (+) by mV. However, on the standard hydrogen electrode (SHE) scale without pH correction, the oxidation-reduction pair A is located at the same E 0 of -0.62 V RHE regardless of the pH of the electrolyte. The corresponding polarization curve results indicate that the redox pair involves two electron transfer without proton transfer.

니켈 포르피린 촉매의 이산화탄소 환원 반응 중, 니켈의 산화수 변화는 XANES를 활용하여 추가로 분석되었다. XANES 스펙트럼은 각각 OCP 및 -0.65 VRHE에서 이산화탄소가 포화된 전해질에서 기록되었다(도 6(e)). 후자의 전위는 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 산화-환원 전위(즉, -0.22 VRHE)보다 낮으며, 이산화탄소 환원 반응이 해당 전위에서 최대화된다. Ni-N4-TPP의 경우, 반응실시간 XANES 스펙트럼은 전극 전위에 상관없이 거의 유사하다. 그러나, Ni(-Cl)-N3O-TPP의 Ni K-edge 위치는 환원전위(-0.65 VRHE)로 분극 시 -2 eV 만큼 변화한다. 해당 Ni K-edge 위치(8343 eV)는 약 +1.6의 평균 산화수를 의미하며, 이는 니켈의 일부가 +0 또는 +1로 환원되었음을 나타낸다. 이는, 중심 니켈의 전자 상태가 전기화학적 이산화탄소 전환에 결정적인 역할을 할 수 있으며, Ni0 또는 NiI NiII에 비해 고활성을 가짐을 추측할 수 있다. 그러나, -0.65 VRHE에서 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 XANES 스펙트럼을 Ni0, NiII의 니켈 종으로 선형 조합(Linear combination) 피팅을 수행해보았을 때, 정확하지 않은 피팅 값(R-factor = 0.075)을 나타낸다(도 6(f)). 이러한 피팅의 실패는 Ni(-Cl)-N3O-TPP 분극 곡선 결과에서 관찰된 -0.22 VRHE에서의 산화-환원쌍 A가 NiII와 Ni0로의 산화-환원쌍이 아님을 뒷받침한다. 따라서, 순환전압전류법에 의해 확인된 바와 같이 산화-환원쌍 A가 2 전자 전달을 수반하기 때문에, N3O-TPP 리간드의 또 다른 단전자 환원을 수반하는 NiII의 NiI로의 단전자 환원을 고려할 수 있다(도 6(d)).During the carbon dioxide reduction reaction of the nickel porphyrin catalyst, the change in the oxidation number of nickel was further analyzed using XANES. XANES spectra were recorded in carbon dioxide-saturated electrolyte at OCP and -0.65 V RHE , respectively (Figure 6(e)). The latter potential is lower than the oxidation-reduction potential of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP (i.e., -0.22 V RHE ), and the carbon dioxide reduction reaction is maximized at that potential. For Ni-N 4- TPP, the reaction real-time XANES spectra are almost similar regardless of electrode potential. However, the Ni K-edge position of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP changes by -2 eV when polarized to the reduction potential (-0.65 V RHE ). The corresponding Ni K-edge position (8343 eV) indicates an average oxidation number of approximately +1.6, indicating that a portion of nickel has been reduced to +0 or +1. This means that the electronic state of the central nickel may play a critical role in electrochemical carbon dioxide conversion, and Ni 0 or Ni I It can be inferred that it has higher activity than Ni II . However, when performing a linear combination fitting of the -factor = 0.075) (Figure 6(f)). This failure of fitting supports that the redox pair A at -0.22 V RHE observed in the Ni(-Cl)-N 3 O-TPP polarization curve results is not the redox pair to Ni II and Ni 0 . Therefore, since the redox pair A involves a two-electron transfer, as confirmed by cyclic voltammetry, one-electron reduction of Ni II to Ni I followed by another one-electron reduction of the N 3 O-TPP ligand. can be considered (Figure 6(d)).

3. 이산화탄소 환원 반응 중 활성 니켈 종의 전자구조3. Electronic structure of active nickel species during carbon dioxide reduction reaction

다양한 전이금속 포르피린 시스템(Me-N4-TPP; Me = Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn)에 대해 신뢰할 수 있는 E 0 를 예측하는 것으로 확인된 밀도범함수 이론 계산을 사용하여 니켈 포르피린 화합물의 E 0 를 이론적으로 살펴보았다. 밀도범함수 이론 계산은 Ni-N4-TPP의 단전자 환원 전위를 -1.04 VSHE로 예측하고 N4-TPP의 π* 오비탈에 전자가 추가됨을 예측하며, 이는 기존 실험 및 이론 결과에 부합한다. 따라서, 밀도범함수 이론 계산 결과는 Ni-N4-TPP의 +2 산화수의 니켈이 이산화탄소 환원 반응의 전위 범위에서 환원되지 않음을 뒷받침한다. Ni(-Cl)-N3O-TPP의 2 전자 산화-환원은 다음 반응을 통해 발생하는 것으로 예측된다. of nickel porphyrin compounds using density functional theory calculations, which were found to predict E 0 reliably for a variety of transition metal porphyrin systems (Me-N 4- TPP; Me = Fe, Co, Ni, Cu, and Zn). E 0 was examined theoretically. Density functional theory calculations predict the single-electron reduction potential of Ni-N 4- TPP to be -1.04 V SHE and that electrons are added to the π* orbital of N 4- TPP, which is consistent with existing experimental and theoretical results. . Therefore, the density functional theory calculation results support that nickel with +2 oxidation number of Ni-N 4- TPP is not reduced in the potential range of carbon dioxide reduction reaction. The two-electron oxidation-reduction of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP is predicted to occur through the following reaction.

밀도범함수 이론 계산은 상기 식 (1)의 E 0을 -0.54 VSHE로 예측한다. 이것은 -0.62 VSHE 근처에 위치한 산화-환원쌍 A의 실험적 관찰 결과에 대응한다. 밀도범함수 이론 계산은 Ni-N3O-TPPㅣ0 종의 스핀 밀도 플롯과 니켈의 +0.98 Mulliken spin population에 의해 뒷받침되는 바와 같이 2 전자 환원 중에 하나의 전자가 NiII을 NiI로 환원시킨다는 것도 보여준다. 다른 전자는 N3O-TPP의 π* 오비탈을 차지하며 니켈의 Mulliken spin population을 +1에서 약간 변화시키지만, 포르피린 π-시스템의 스핀 밀도를 크게 증가시킨다. Density functional theory calculations predict E 0 in equation (1) above to be -0.54 V SHE . This corresponds to the experimental observation of redox pair A located near -0.62 V SHE . Density functional theory calculations show that during two-electron reduction, one electron reduces Ni II to Ni I , as supported by the spin density plot of the Ni-N 3 O-TPP ㅣ0 species and the +0.98 Mulliken spin population of nickel. It also shows. The other electron occupies the π* orbital of N 3 O-TPP and slightly changes the Mulliken spin population of nickel from +1, but significantly increases the spin density of the porphyrin π-system.

결과적으로, Ni-N4-TPP의 NiII과 Ni-N3O-TPPㅣ-의 NiI은 고활성을 실제로 책임지는 화학종이다. 따라서, 이들 두 개의 서로 다른 산화수를 가지는 니켈 활성점에서 이산화탄소 환원 반응성이 관심사이다. 리간드 필드와 산화 상태의 변화 효과를 분리하기 위해 Ni(-Cl)-N3O-TPP에서 니켈의 산화수 변화 없이 축 방향 염화물을 제거하여 형성될 수 있는 Ni-N3O-TPPㅣ+의 가상 모델을 밀도범함수 이론 계산을 사용하여 추가로 살펴보았다. Ni(-Cl)-N3O-TPP와 달리 Ni-N3O-TPPㅣ+의 다섯 번째 배위가 없고 사실상 구조의 뒤틀림이 없는 저스핀(low-spin) NiII 상태(S = 0)가 안정화된다. 따라서, Ni-N3O-TPPㅣ+ 및 Ni-N4-TPP의 금속 산화 상태 및 배위 구조는 거의 동일하지만 N과 O의 치환으로 인해 Ni-N3O-TPPㅣ+에 대해서만 선택적으로 D 4h 리간드 필드가 붕괴된다.As a result, Ni II of Ni-N 4- TPP and Ni I of Ni-N 3 O-TPP ㅣ- are the chemical species actually responsible for the high activity. Therefore, the carbon dioxide reduction reactivity at these two different oxidation states of nickel active sites is of interest. To isolate the effects of changes in the ligand field and the oxidation state, we hypothesize that Ni-N 3 O-TPP ㅣ+ can be formed by removing axial chloride without changing the oxidation number of nickel in Ni(-Cl)-N 3 O-TPP. The model was further explored using density functional theory calculations. Unlike Ni(-Cl)-N 3 O-TPP, there is no fifth coordination of Ni-N 3 O-TPP ㅣ+ and the low-spin Ni II state (S = 0) is virtually free from structural distortion. It stabilizes. Therefore, the metal oxidation state and coordination structure of Ni-N 3 O-TPP ㅣ+ and Ni-N 4- TPP are almost identical, but due to the substitution of N and O, D is selective only for Ni-N 3 O-TPP ㅣ+ 4h The ligand field collapses.

이산화탄소 환원 반응 전위인 -0.6 VRHE의 전위가 인가될 때 Ni-N4-TPP (D 4h 리간드 필드를 가지는 구조) 및 Ni-N3O-TPPㅣ- (D 4h 리간드 필드가 변형된 구조)에 대한 이산화탄소 환원 반응의 자유 에너지를 도 7에 도시하였다. 가장 불리한 에너지를 나타내는 *COOH 단계에서 Ni-N4-TPP의 NiII은 *COOH의 낮은 안정화 능력을 나타내어 큰 과전압이 예측된다. 반면에, 반응실시간 조건에서 Ni-N3O-TPP의 활성종, Ni-N3O-TPPㅣ-의 NiI은 실질적으로 *COOH를 안정화하여 훨씬 감소된 과전압을 가진다. 흥미롭게도, Ni-N3O-TPPㅣ+의 NiII의 가상 활성점은 Ni-N3O-TPPㅣ-의 NiI에 상당하는 환원 반응성을 예측한다.When a potential of -0.6 V RHE , which is the carbon dioxide reduction reaction potential, is applied, Ni-N 4- TPP (structure with D 4h ligand field) and Ni-N 3 O-TPP ㅣ- (structure with modified D 4h ligand field) The free energy of the carbon dioxide reduction reaction for is shown in Figure 7. In the *COOH phase, which represents the most unfavorable energy, Ni II of Ni-N 4- TPP shows a low stabilizing ability of *COOH, and a large overpotential is predicted. On the other hand, under real-time reaction conditions, the active species of Ni-N 3 O-TPP, Ni I of Ni-N 3 O-TPP ㅣ-, substantially stabilizes *COOH, resulting in a much reduced overpotential. Interestingly, the hypothetical active site of Ni II of Ni-N 3 O-TPP ㅣ+ predicts reduction reactivity equivalent to Ni I of Ni-N 3 O-TPP ㅣ- .

따라서, 고활성의 이산화탄소 환원을 위해 면내 리간드 필드의 대칭을 깨는 것이 중요하다고 결론지을 수 있었다. 추가로 수행된 순환전압전류법 실험 및 밀도범함수 이론 계산은 또 다른 고성능 단원자 니켈 촉매의 니켈 프탈로시아닌(Ni phthalocyanine; NiPc)의 반응 조건 하에서 뒤틀린 D 4h 리간드 필드가 유도된다는 점을 보였다. 따라서, 상기 결론은 뒤틀린 리간드 필드로 유도된 고성능의 이산화탄소 환원 반응성은 Ni(-Cl)-N3O-TPP만의 특성이 아니라 단원자 니켈 촉매에 대해 일반적으로 적용될 수 있는 현상임을 뒷받침할 수 있다. Therefore, it can be concluded that breaking the symmetry of the in-plane ligand field is important for highly active carbon dioxide reduction. Additional cyclic voltammetry experiments and density functional theory calculations showed that a distorted D 4h ligand field was induced under the reaction conditions of Ni phthalocyanine (NiPc), another high-performance monoatomic nickel catalyst. Therefore, the above conclusion can support that the high carbon dioxide reduction reactivity induced by the twisted ligand field is not a characteristic of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP but is a phenomenon that can be generally applied to monoatomic nickel catalysts.

도 8(a) 및 도 8(b)에서 볼 수 있듯이, NiI-N3O-TPPㅣ-는 NiII-N4-TPP보다 더 강한 Ni-C 결합을 형성할 수 있으며, 이는 NiI-N3O-TPPㅣ-이 보이는 고활성의 원인으로 추정된다. 이를 설명하기 위해 모식화된 분자 오비탈(MO) 다이어그램이 도 8(c)에 도시되어 있다. +2 및 +1과 같은 낮은 산화수의 니켈 종의 d 오비탈은 대부분이 채워져 있어, 니켈 이온은 낮은 루이스 산도(Lewis acidity)를 가지며 COOH와 강한 Ni-C 결합 형성을 막는다. 따라서, COOH와 강한 Ni-C 결합을 형성하려면 니켈 전자 밀도의 재분배를 필요로 한다. N4-TPP 리간드의 경우와 같이 강한 리간드 필드가 큰 리간드 필드 분리(Splitting, Δ)을 발생시키면 전하 재분배에 필요한 에너지 비용이 현저히 높아지며(도 8(c) 참조), 이는 Ni-C 결합 강도를 실질적으로 약화시킨다. 따라서 N3O-TPP 리간드의 경우와 같이 리간드 필드의 뒤틀린 경우, 니켈은 더 강한 Ni-C 결합을 형성하여 *COOH를 안정화할 수 있으며, 이는 니켈 활성점에서 이산화탄소 환원 반응에 대한 바람직한 에너지 조건을 달성하는 관건이 된다. 그러나, 그것은 또한 니켈의 비어 있는 d 오비탈의 에너지 준위가 낮아짐에 따라 니켈 환원 전위의 상당한 양(+)의 이동을 수반하여 분극 하에서 NiI의 생성을 촉진한다.As can be seen in Figures 8(a) and 8(b), Ni I- N 3 O-TPP ㅣ- can form a stronger Ni-C bond than Ni II- N 4- TPP, which is similar to Ni I - N 3 O-TPP ㅣ- is presumed to be the cause of the high activity shown. To explain this, a schematic molecular orbital (MO) diagram is shown in Figure 8(c). The d orbitals of low oxidation number nickel species such as +2 and +1 are mostly filled, so the nickel ions have low Lewis acidity and prevent the formation of strong Ni-C bonds with COOH. Therefore, forming a strong Ni-C bond with COOH requires redistribution of nickel electron density. If a strong ligand field causes large ligand field separation (Δ), as in the case of the N 4- TPP ligand, the energy cost required for charge redistribution is significantly higher (see Figure 8(c)), which increases the Ni-C bond strength. substantially weakens it. Therefore, in case of distortion of the ligand field, as in the case of N 3 O-TPP ligand, nickel can form stronger Ni-C bonds to stabilize *COOH, which creates favorable energy conditions for the carbon dioxide reduction reaction at the nickel active site. becomes the key to achieving it. However, it is also accompanied by a significant positive shift of the nickel reduction potential as the energy level of nickel's empty d orbital is lowered, promoting the production of Ni I under polarization.

4. 이산화탄소의 일산화탄소로의 전기화학적 전환4. Electrochemical conversion of carbon dioxide to carbon monoxide

반응실시간 분광 분석 및 전산 연구를 기반으로 한 기본적인 이해와 함께 이산화탄소 환원 반응에 대한 페러데이 효율(Faradaic efficiency; FE) 및 부분 전류 밀도를 확인하기 위해 이중칸 H-셀에서 반응실시간 가스크로마토그래피(GC)로 가스 생성물을 분석하였다.Real-time gas chromatography (GC) in a double-chamber H-cell to determine the Faradaic efficiency (FE) and partial current density for the carbon dioxide reduction reaction, along with a basic understanding based on real-time spectroscopic analysis and computational studies. The gas product was analyzed.

도 9(a)는 1 시간 동안의 이산화탄소 환원 반응에 대한 정전위 분극 조건 하 일산화탄소 및 수소 생성의 페러데이 효율을 보여준다. 두 니켈 포르피린 전극 모두에서 FECO와 FEH2의 합이 거의 100%에 도달하여 다른 생성물의 형성은 거의 무시 가능하다. 1H NMR 스펙트럼을 통해 반응 후 전해질에 액체 생성물(예를 들면, 포름산염 또는 메탄올)의 부재(또는 감지할 수 없을 정도의 함량)를 확인하였다. 이산화탄소 환원 반응 동안 Ni-N4-TPP는 전체 전위 범위에 걸쳐 수소 생성이 지배적이며, 일산화탄소는 -0.75 VRHE 미만의 높은 과전압 영역에서 불과 약 2%의 페러데이 효율을 보인다(도 9(a) 및 도 9(b)). 반면, Ni(-Cl)-N3O-TPP는 약 -0.55 VRHE에서 일산화탄소 생성의 개시 전위를 보이며 최대 페러데이 효율은 -0.65 VRHE에서 약 80%에 이른다. 그러나, Ni(-Cl)-N3O-TPP의 페러데이 효율과 일산화탄소 생성의 부분 전류 밀도는 높은 과전압 영역에서 악화되며, 반면에 수소 생성은 크게 향상된다(도 9(a)). 이는 과전압이 증가함에 따라 향상된 일산화탄소 발생을 보여주는 반응실시간 SFC-DEMS 측정한 결과와 상반된다. Ni(-Cl)-N3O-TPP에 대한 추가 순환전압전류법 분석은 두 분석결과의 불일치를 이해하는 단서를 제공한다(도 9(c)). 순환전압전류법의 낮은 전위 한계가 -0.7 VRHE 미만으로 감소하면 이산화탄소 포화 전해질에서 약 -0.22 VRHE에서의 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 산화-환원쌍 A는 사라진다. 한편, 넓은 산화-환원쌍이 약 0.07 VRHE에서 새롭게 성장하며(도 9(c); 피크 B), 이는 아르곤 포화 전해질에서 약 0.13 및 0.07 VRHE에서의 두 개의 서로 다른 산화-환원쌍으로 보다 명확하게 구분될 수 있다(각각 B1 및 B2 피크). 이산화탄소 포화 전해질의 0.07 VRHE 에서의 피크 B(또는 아르곤 포화 전해질의 약 0.13 VRHE에서 피크 B1)는 니켈이 없는 N3O-TPP의 산화-환원쌍을 담당하며, 이는 <-0.6 VRHE 이하의 전위에서 니켈의 구조적 불안정성(예를 들면, 탈금속화)을 나타낸다. 니켈의 포베 다이어그램(Pourbaix diagram)을 고려할 때, 용해된 니켈 이온이 금속 니켈 또는 산화된 NiO 및 Ni(OH)2로 침전되는 것은 pH 조건 (즉, pH = 7.2-8.9)에서 에너지 방출의 자발적 과정이며 표준 E 0는 각각 약 0.13 (E 0 Ni/NiO) 및 0.11 (E 0 Ni/Ni(OH)2) VRHE이다. 고체 NiO 종의 형성은 -0.8에서 0.4 VRHE 범위의 순환전압전류법 측정 후 Ni(-Cl)-N3O-TPP 전극의 라만(Raman) 스펙트럼에 의해 명확하게 확인되었다(도 9(d)). 이러한 고상의 니켈 종은 H2 생성 반응에 매우 활성이 높다는 것에 주목할 필요가 있다. 이중칸 H-셀에서 이산화탄소 환원 반응 측정 시, 각 전위에서 전극은 새 전극으로 교체되었지만 1 시간의 작동 시간은 SFC-DEMS 분석에 비해 수 분(-0.7 VRHE 미만의 전위에서 불과 80 초)보다 훨씬 더 길어 결과적으로 이중칸 H-셀에서 분석 시 니켈 포르피린의 훨씬 더 심각한 열화를 초래한다. SFC-DEMS의 빠른 측정에도 불구하고 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 불안정성은 두 번째 순환전압전류법 측정 중 분극에서 이산화탄소 소비 및 일산화탄소 생성량이 상당히 감소한 것으로 뒷받침될 수 있다(도 6(c)).Figure 9(a) shows the Faraday efficiency of carbon monoxide and hydrogen production under constant potential polarization conditions for the carbon dioxide reduction reaction for 1 hour. For both nickel porphyrin electrodes, the sum of FE CO and FE H2 reached almost 100%, so the formation of other products was almost negligible. The absence (or undetectable content) of liquid products (e.g., formate or methanol) in the electrolyte after reaction was confirmed through 1 H NMR spectrum. carbon dioxide During the reduction reaction, Ni-N 4- TPP is dominated by hydrogen production over the entire potential range, while carbon monoxide shows a Faraday efficiency of only about 2% in the high overpotential region below -0.75 V RHE (Figures 9(a) and 9(b)). On the other hand, Ni(-Cl)-N 3 O-TPP shows the onset potential of carbon monoxide generation at about -0.55 V RHE and the maximum Faraday efficiency reaches about 80% at -0.65 V RHE . However, the Faraday efficiency of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP and the partial current density of carbon monoxide generation deteriorate in the high overpotential region, while hydrogen generation is greatly enhanced (Figure 9(a)). This is contrary to the results of real-time SFC-DEMS measurements, which showed improved carbon monoxide generation as overvoltage increased. Additional cyclic voltammetry analysis of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP provides clues to understanding the discrepancy between the two analysis results (Figure 9(c)). When the lower potential limit of cyclic voltammetry is reduced below -0.7 V RHE , the redox pair A of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP at about -0.22 V RHE in carbon dioxide-saturated electrolyte disappears. Meanwhile, a broad redox pair newly grows at about 0.07 V RHE (Figure 9(c); peak B), which is more clearly seen as two different redox pairs at about 0.13 and 0.07 V RHE in argon-saturated electrolyte. can be distinguished (B1 and B2 peaks, respectively). Peak B at 0.07 V RHE in carbon dioxide-saturated electrolytes (or peak B1 at approximately 0.13 V RHE in argon-saturated electrolytes) is responsible for the redox pair of nickel-free N 3 O-TPP, which is <-0.6 V RHE . indicates structural instability (e.g. demetalization) of nickel at the potential of . Considering the Pourbaix diagram of nickel, precipitation of dissolved nickel ions into metallic nickel or oxidized NiO and Ni(OH) 2 is a spontaneous process of energy release under pH conditions (i.e. pH = 7.2-8.9). and the standard E 0 is approximately 0.13 ( E 0 Ni/NiO ) and 0.11 ( E 0 Ni/Ni(OH)2 ) V RHE , respectively. The formation of solid NiO species was clearly confirmed by the Raman spectrum of the Ni(-Cl)-N 3 O-TPP electrode after cyclic voltammetry measurements in the range from -0.8 to 0.4 V RHE (Figure 9(d) ). It is worth noting that these solid-phase nickel species are very active in the H 2 production reaction. When measuring the carbon dioxide reduction reaction in a double-chamber H-cell, the electrode was replaced with a new electrode at each potential, but the operating time of 1 hour was several minutes (only 80 s at potentials below -0.7 V RHE ) compared to SFC-DEMS analysis. It is much longer and consequently results in much more severe degradation of the nickel porphyrin when analyzed in a double-chamber H-cell. The instability of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP despite the fast measurements by SFC-DEMS can be supported by the significant decrease in carbon dioxide consumption and carbon monoxide production in polarization during the second cyclic voltammetry measurement (Figure 6 ( c)).

상기와 같이 본 발명을 바람직한 실시예 및 비교예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구 범위에 속한다 할 것이다.As described above, the present invention has been described based on preferred examples and comparative examples. However, the technical idea of the present invention is not limited thereto, and modifications and changes may be made within the scope set forth in the claims, as is known in the technical field to which the present invention pertains. It is obvious to a person with knowledge, and such modifications or changes fall within the scope of the appended patent claims.

Claims (5)

하기 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매:
<화학식 2>
.
Catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion, characterized in that represented by the following formula (2):
<Formula 2>
.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 기재된 촉매를 포함하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 전극.An electrode for electrochemical carbon dioxide conversion comprising the catalyst according to claim 1.
KR1020210154865A 2021-11-11 2021-11-11 Single-atom nickel catalyst for electrochemical conversion of carbon dioxide with high activity and selectivity and electrode for conversion of carbon dioxide including the same KR102618469B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210154865A KR102618469B1 (en) 2021-11-11 2021-11-11 Single-atom nickel catalyst for electrochemical conversion of carbon dioxide with high activity and selectivity and electrode for conversion of carbon dioxide including the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210154865A KR102618469B1 (en) 2021-11-11 2021-11-11 Single-atom nickel catalyst for electrochemical conversion of carbon dioxide with high activity and selectivity and electrode for conversion of carbon dioxide including the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230068756A KR20230068756A (en) 2023-05-18
KR102618469B1 true KR102618469B1 (en) 2023-12-29

Family

ID=86545341

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210154865A KR102618469B1 (en) 2021-11-11 2021-11-11 Single-atom nickel catalyst for electrochemical conversion of carbon dioxide with high activity and selectivity and electrode for conversion of carbon dioxide including the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102618469B1 (en)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6182775B2 (en) 2011-09-21 2017-08-23 国立大学法人 岡山大学 Metal porphyrin complex, method for producing the same, carbon dioxide fixing catalyst comprising the same, and method for producing cyclic carbonate
KR101352015B1 (en) 2012-01-20 2014-01-16 서강대학교산학협력단 Organometal/polymer composite and preparing method of the same, and catalyst for reducing carbon dioxide including the same
US10125427B2 (en) 2014-05-05 2018-11-13 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Porphyrin molecular catalysts for selective electrochemical reduction of CO2 into CO
KR20180046460A (en) * 2016-10-28 2018-05-09 한국과학기술원 New Transition metal complexes, catalyst system for reduction of carbon dioxide and process for preparing formic acid by reduction of carbon dioxide using thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230068756A (en) 2023-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fan et al. Recent progress in electrocatalytic glycerol oxidation
Yang et al. Electrochemical oxidation of biomass derived 5-hydroxymethylfurfural (HMF): pathway, mechanism, catalysts and coupling reactions
Zhao et al. Carbon-based materials for electrochemical reduction of CO2 to C2+ oxygenates: Recent progress and remaining challenges
Song et al. Ultrathin layered double hydroxides nanosheets array towards efficient electrooxidation of 5-hydroxymethylfurfural coupled with hydrogen generation
Han et al. Electrocatalytic oxidation of glycerol to formic acid by CuCo2O4 spinel oxide nanostructure catalysts
Liu et al. Selective electro-oxidation of glycerol to dihydroxyacetone by a non-precious electrocatalyst–CuO
Zhu et al. 2, 5-Bis (hydroxymethyl) furan: a new alternative to HMF for simultaneously electrocatalytic production of FDCA and H2 over CoOOH/Ni electrodes
Min et al. Low overpotential and high current CO2 reduction with surface reconstructed Cu foam electrodes
Oliveira et al. Studies of the reaction products resulted from glycerol electrooxidation on Ni-based materials in alkaline medium
Vo et al. Operando mechanistic studies of selective oxidation of glycerol to dihydroxyacetone over amorphous cobalt oxide
Huang et al. Electrochemical oxidation of glycerol to hydroxypyruvic acid on cobalt (oxy) hydroxide by high-valent cobalt redox centers
Fan et al. Recent developments in electrode materials for the selective upgrade of biomass-derived platform molecules into high-value-added chemicals and fuels
Tian et al. Bi–Sn oxides for highly selective CO2 electroreduction to formate in a wide potential window
Vo et al. Highly efficient amorphous binary cobalt-cerium metal oxides for selective oxidation of 5-hydroxymethylfurfural to 2, 5-diformylfuran
Wang et al. Copper-doped nickel oxyhydroxide for efficient electrocatalytic ethanol oxidation
Zhang et al. Reconstructing two-dimensional defects in CuO nanowires for efficient CO 2 electroreduction to ethylene
Ye et al. Highly selective and active Cu-In2O3/C nanocomposite for electrocatalytic reduction of CO2 to CO
Jiang et al. Interfacial engineering of bismuth with reduced graphene oxide hybrid for improving CO2 electroreduction performance
Saxena et al. Nickel selenide as an efficient electrocatalyst for selective reduction of carbon dioxide to carbon-rich products
Ma et al. Synergistic adsorption and activation of nickel phthalocyanine anchored onto ketjenblack for CO2 electrochemical reduction
Zhou et al. Mechanistic study on electro-oxidation of 5-hydroxymethylfurfural and water molecules via operando surface-enhanced Raman spectroscopy coupled with an Fe3+ probe
Si et al. Hydrogen anode/cathode co-productions-coupled anode alcohol selective oxidation and distinctive H/e transfer pathways
Jin et al. Ultrasmall Ag nanoclusters anchored on NiCo-layered double hydroxide nanoarray for efficient electrooxidation of 5-hydroxymethylfurfural
Cui et al. Regulating the interfacial electronic coupling of PtNi/TiO2 via bond evolution for highly efficient hydrogenation of 5-hydroxymethylfurfural
Zhang et al. Rh-dispersed Cu nanowire catalyst for boosting electrocatalytic hydrogenation of 5-hydroxymethylfurfural

Legal Events

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