KR20140003233A - Preparing method of formic acid by electrochemical reduction of carbon dioxide and apparatus therefor - Google Patents

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KR20140003233A
KR20140003233A KR1020120071265A KR20120071265A KR20140003233A KR 20140003233 A KR20140003233 A KR 20140003233A KR 1020120071265 A KR1020120071265 A KR 1020120071265A KR 20120071265 A KR20120071265 A KR 20120071265A KR 20140003233 A KR20140003233 A KR 20140003233A
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신운섭
송지은
이종명
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서강대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for preparing formic acid by the electrochemical reduction of carbon dioxide and a device therefor. The method for preparing formic acid according to the present invention electrochemically reduces carbon dioxide using a metal-mercury amalgam electrode material. [Reference numerals] (AA) Formic acid; (BB) Formic acid

Description

이산화탄소의 전기화학적 환원에 의한 포름산의 제조 방법 및 이를 위한 환원 장치{PREPARING METHOD OF FORMIC ACID BY ELECTROCHEMICAL REDUCTION OF CARBON DIOXIDE AND APPARATUS THEREFOR}Process for producing formic acid by electrochemical reduction of carbon dioxide and reduction apparatus therefor {PREPARING METHOD OF FORMIC ACID BY ELECTROCHEMICAL REDUCTION OF CARBON DIOXIDE AND APPARATUS THEREFOR}

본원은 이산화탄소의 전기화학적 환원에 의한 포름산의 제조 방법 및 상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 장치에 관한 것이다.The present application relates to a method for producing formic acid by electrochemical reduction of carbon dioxide and an electrochemical reduction apparatus for the carbon dioxide.

지구온난화의 가속화에 따른 기후변화 대응이 현재의 국제 사회에 있어서 가장 중요한 현안이 되었다. 지구온난화의 주범으로 지목되는 이산화탄소는 석탄, 석유 등의 화석연료의 사용으로 대부분 배출되는데, 이산화탄소는 가장 낮은 에너지를 갖는 탄소화합물이므로 이를 유용한 자원으로 활용하는 전환 기술에 있어서는 에너지의 투입이 필수적이다.Response to climate change due to the acceleration of global warming has become the most important issue in the current international society. Carbon dioxide, which is considered the main cause of global warming, is mostly emitted by the use of fossil fuels such as coal and petroleum. Since carbon dioxide is the carbon compound having the lowest energy, the input of energy is essential for the conversion technology that uses it as a useful resource.

이산화탄소의 활용 방법은 크게 두 가지로 이산화탄소를 그 자체로 유용하게 사용하는 비-전환(non-conversion) 방법과 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하여 재사용할 수 있게 하는 전환(conversion) 방법으로 나누어 볼 수 있다. 이 중 변환 방법을 이용한 이산화탄소의 전환기술은 탄소화합물 중 가장 안정된 이산화탄소를 다른 유용한 화합물로 변환시키는 기술로서, 에너지 사용이 최소화되며 반응의 선택성을 향상시키는 촉매의 개발이 필수적이고 전극 반응의 경우에는 이산화탄소 환원에 선택적인 전극물질의 개발이 요구된다. 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시키기 위해서는 다양한 형태의 에너지원이 활용 가능한데, 수소에너지, 태양에너지, 전기에너지 등의 활용이 활발히 연구되고 있다.There are two main ways to use carbon dioxide: non-conversion method that uses carbon dioxide usefully in itself, and conversion method that converts carbon dioxide to useful compounds and reuses them. . The conversion technology of carbon dioxide using the conversion method is a technology that converts the most stable carbon dioxide of carbon compounds to other useful compounds, it is necessary to develop a catalyst that minimizes the use of energy and improves the selectivity of the reaction. There is a need for the development of electrode materials that are selective for reduction. In order to convert carbon dioxide into a useful compound, various forms of energy sources can be utilized, and utilization of hydrogen energy, solar energy, and electric energy has been actively studied.

그 중에서도 전기에너지, 특히 전기화학적 방법을 통해 이산화탄소를 전환하는 방법이 수소에너지 또는 태양에너지를 이용한 전환방법에 비해 많은 장점을 가지고 있는 것으로 보고되고 있다. 이산화탄소의 전기화학적 변환은 상온, 상압 조건 하 수용액에서 일산화탄소, 포름산, 옥살산, 메탄올, 에탄올, 아세트알데히드 등의 다양한 유기물로의 전환이 높은 효율로 가능하고, 어떠한 촉매를 사용하는가에 따른 선택성이 비교적 좋다. 또한, 태양광, 풍력, 수력, 지열 등으로부터 생산된 전기를 사용할 수 있으며, 전기화학적 시스템을 구성하는데 있어서 비용이 적게 들고, 소형화된 디자인이 가능하므로 적은 면적에서도 구현이 가능하며, 대용량 생산을 위해 규모 확대(scale-up)도 비교적 간단하다. 또한, 전기에너지를 이용한 이산화탄소의 변환은 발전소의 유휴전력을 활용하여 현장(on-site)에서 적용할 경우, 이산화탄소의 처리와 동시에 저렴한 비용으로 유용한 물질로 재전환하여 부가가치가 생산되므로 상당히 유용한 기술로서 평가되고 있다. 따라서, 유용한 생성물의 효율적인 생성을 위하여 전극 물질의 개발과 선택적이고 효율적인 촉매의 개발을 통해 적은 전기에너지로 높은 수율의 부가가치가 있는 생성물을 얻을 수 있는 효과적인 시스템의 구성이 필수적이다. 이와 관련하여, 국제 공개특허 WO 2007/041872에서 Sn 전극을 기반으로 하여 이산화탄소를 전환하는 기술에 대하여 기재하고 있다.Among them, the method of converting carbon dioxide through electric energy, in particular, electrochemical method, has been reported to have many advantages over the conversion method using hydrogen energy or solar energy. The electrochemical conversion of carbon dioxide is possible with high efficiency in the conversion of various organic materials such as carbon monoxide, formic acid, oxalic acid, methanol, ethanol, acetaldehyde, etc. under normal temperature and atmospheric pressure conditions, and the selectivity according to which catalyst is used is relatively good. . In addition, it is possible to use electricity produced from solar, wind, hydro, geothermal, etc., and it is possible to implement in a small area because it is inexpensive and miniaturized in constructing an electrochemical system. Scale-up is relatively simple. In addition, the conversion of carbon dioxide using electric energy is a very useful technology when applied on-site by utilizing the idle power of a power plant. It is evaluated. Therefore, for the efficient production of useful products, it is essential to construct an effective system capable of obtaining high yield value-added products with low electrical energy through the development of electrode materials and the development of selective and efficient catalysts. In this regard, international publication WO 2007/041872 describes a technique for converting carbon dioxide based on Sn electrodes.

본 발명자들은 금속-수은 아말감 전극물질을 이용하여 이산화탄소를 고효율로 전기화학적 환원시킬 수 있음을 발견하여 본원을 완성하였다.The present inventors have completed the present application by discovering that carbon-metal can be electrochemically reduced with high efficiency using a metal-mercury amalgam electrode material.

이에, 본원은 금속-수은 아말감 전극물질을 이용하여 이산화탄소를 전기화학적으로 환원시키는 것을 포함하는 포름산의 제조방법 및 이산화탄소의 전기화학적 환원 장치를 제공하고자 한다.Accordingly, the present application is to provide a method for producing formic acid, including the electrochemical reduction of carbon dioxide using a metal-mercury amalgam electrode material and an electrochemical reduction device of carbon dioxide.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the problems described above, and other problems not described can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 제 1 측면은, 금속-수은 아말감 전극물질을 이용하여 이산화탄소를 전기화학적으로 환원시키는 것을 포함하는, 포름산의 제조방법을 제공한다. A first aspect of the present application provides a method of preparing formic acid, which includes electrochemically reducing carbon dioxide using a metal-mercury amalgam electrode material.

본원의 제 2 측면은, 양극 및 양극액을 포함하는 양극 챔버; 음극 및 음극액을 포함하는 음극 챔버; 및 상기 양극과 음극 사이에 형성된 분리 멤브레인을 포함하며, 상기 음극은 금속-수은 아말감 전극물질을 포함하는 이산화탄소의 전기화학적 환원 장치를 제공한다.A second aspect of the present application, the anode chamber including the anode and the anolyte; A cathode chamber comprising a cathode and a catholyte; And a separation membrane formed between the anode and the cathode, wherein the cathode provides an electrochemical reduction apparatus of carbon dioxide including a metal-mercury amalgam electrode material.

본원에 따른 포름산 제조 방법은, 금속-수은 아말감 전극물질을 사용하여, 고효율 및 높은 안정성으로 이산화탄소를 전기화학적으로 환원시켜 포름산으로 전환시킬 수 있어, 이산화탄소의 처리와 동시에 저렴한 비용으로 유용한 물질로 재전환하여 높은 부가가치를 생산할 수 있다.Formic acid production method according to the present invention, by using a metal-mercury amalgam electrode material, can be converted into formic acid by electrochemically reducing the carbon dioxide with high efficiency and high stability, re-conversion to a useful material at a low cost simultaneously with the treatment of carbon dioxide It can produce high added value.

도 1은 본원의 일 비교예에 따른 H-타입 셀을 나타낸 것이다.
도 2는 본원의 일 비교예에 따른 주석 전극물질 사용 시 순환전압전류그림(Cyclic voltammogram)(a), -1.5 V vs. Ag/AgCl의 전위에서 전기분해시 전하량 축적(b) 및 포름산의 전류효율(c)을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본원의 일 비교예에 따른 납 전극물질의 사용시 순환전압전류그림 및 5 mA/cm2의 일정전류로 전기분해시 환원전극의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 주석-수은 아말감 전극물질의 사용시 순환전압전류그림(a), 5 mA/cm2의 일정전류로 전기분해시 환원전극의 전압(b) 및 포름산생성 전류효율(c)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 주석-수은 아말감 전극물질의 사용시 22 시간 동안 5 mA/cm2 일전전류로 전기분해시 환원전극의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 플로우 셀의 내부 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 실험실 규모의 플로우 셀 시스템을 나타낸 것이다.
도 8는 본원의 일 실시예에 따른 금속-수은 아말감 전극물질의 사용하여 5 mA/cm2로 정전류전기분해시 전체 셀전압을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소의 전기화학적 환원 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
1 shows an H-type cell according to a comparative example of the present application.
Figure 2 is a cyclic voltammogram (a), -1.5 V vs. when using a tin electrode material according to a comparative example of the present application. It is a graph showing charge accumulation (b) and formic acid current efficiency (c) during electrolysis at the Ag / AgCl potential.
Figure 3 is a cyclic voltage current diagram when using the lead electrode material according to a comparative example of the present application and a graph showing the voltage of the cathode when electrolysis at a constant current of 5 mA / cm2.
Figure 4 is a cyclic voltammogram when using a tin-mercury amalgam electrode material according to an embodiment of the present application (a), the voltage (b) and formic acid production current efficiency of the electrode when electrolysis at a constant current of 5 mA / cm 2 It is a graph which shows (c).
FIG. 5 is a graph showing the voltage of the cathode when electrolyzed at 5 mA / cm 2 daily current for 22 hours when the tin-mercury amalgam electrode material is used according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 6 shows the internal structure of the flow cell according to an embodiment of the present application.
7 shows a lab scale flow cell system according to one embodiment of the present application.
Figure 8 is a graph showing the total cell voltage during constant current electrolysis at 5 mA / cm 2 using a metal-mercury amalgam electrode material according to an embodiment of the present application.
Figure 9 schematically shows an electrochemical reduction apparatus of carbon dioxide according to an embodiment of the present application.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains.

그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments and examples described herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is located "on" another member, this includes not only when one member is in contact with another member but also when another member exists between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.Throughout this specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise. The terms "about "," substantially ", etc. used to the extent that they are used throughout the specification are intended to be taken to mean the approximation of the manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to help prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure. The word " step (or step) "or" step "used to the extent that it is used throughout the specification does not mean" step for.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
Throughout this specification, the term "combination of these" included in the expression of the makushi form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of constituents described in the expression of the makushi form, wherein the constituents It means to include one or more selected from the group consisting of.

본원의 제 1 측면은, 금속-수은 아말감 전극물질을 이용하여 이산화탄소를 전기화학적으로 환원시키는 것을 포함하는, 포름산의 제조방법을 제공한다. A first aspect of the present application provides a method of preparing formic acid, which includes electrochemically reducing carbon dioxide using a metal-mercury amalgam electrode material.

본원의 일 구현예에 따르면, 본원의 포름산의 제조 방법은 전기화학적 반응기의 음극 챔버에 이산화탄소를 포함하는 음극액을 공급하는 단계 및 상기 금속-수은 아말감 전극물질을 포함하는 음극, 및 양극에 전류를 인가하여 이산화탄소를 환원시키는 단계를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to one embodiment of the present application, the method of preparing formic acid of the present invention comprises supplying a catholyte including carbon dioxide to a cathode chamber of an electrochemical reactor and a cathode including the metal-mercury amalgam electrode material, and a current to the anode. It may include a step of reducing the carbon dioxide by applying, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-수은 아말감 전극물질에 의해 이산화탄소가 환원되어 포름산으로 전환되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to the exemplary embodiment of the present application, the metal-mercury amalgam may be converted to formic acid by reducing carbon dioxide by the electrode material, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속은 주석, 납 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 수은은, 수소발생에 대한 에너지 장벽이 가장 큰 특성을 가지고 있어 이산화탄소의 환원시 수소 발생을 억제하기 때문에 이산화탄소의 환원 전극 물질로서 유용하게 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 주석과 수은의 아말감을 전극물질로 사용함으로써, 주석만을 전극물질로 사용하였을 때보다 약 2 배 이상 효율이 증가하였으며, 전극의 안정도 역시 약 3 배 내지 약 5 배 증가하여, 고효율로 이산화탄소를 포름산으로 전환시킬 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the metal may include, but is not limited to, a metal selected from the group consisting of tin, lead, and combinations thereof. The mercury may be usefully used as a reducing electrode material of carbon dioxide because the energy barrier to hydrogen generation has the greatest characteristic and thus inhibits hydrogen generation upon reduction of carbon dioxide, but is not limited thereto. For example, by using the amalgam of tin and mercury as electrode material, the efficiency is increased by about 2 times or more than when using only tin as electrode material, and the stability of the electrode is also increased by about 3 to 5 times, resulting in high efficiency. Carbon dioxide can be converted to formic acid.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-수은 아말감 전극물질은 금속 전극을 수은 용액에 함침하여 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal-mercury amalgam electrode material may be prepared by impregnating a metal electrode in a mercury solution, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 음극액 및 양극액은 KHCO3 용액을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 음극액은 이산화탄소가 포화된 KHCO3 용액을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 음극액은, 상기 금속-수은 아말감 전극물질로부터 음극액으로 수은 이온이 용출되는 것을 방지하기 위하여 KCl을 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속-수은 아말감 전극물질로부터 수은 이온이 용출되면 KCl과 반응하여 전극 표면에서 바로 Hg2Cl2 고체로 침전되게 된다.According to one embodiment of the present application, the catholyte and the anolyte may include a KHCO 3 solution, for example, the catholyte may include a KHCO 3 solution saturated with carbon dioxide, but is not limited thereto. . The catholyte may further include KCl to prevent elution of mercury ions from the metal-mercury amalgam electrode material to the catholyte, but is not limited thereto. When mercury ions are eluted from the metal-mercury amalgam electrode material, they react with KCl and precipitate as Hg 2 Cl 2 solids directly on the electrode surface.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이산화탄소는 약 50% 이상, 예를 들어, 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상 및 약 90% 이상의 전류효율로 포름산으로 전환되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to one embodiment of the present application, the carbon dioxide may be converted to formic acid with a current efficiency of about 50% or more, for example, about 60% or more, about 70% or more, about 80% or more and about 90% or more, It is not limited to this.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전류는 약 2 mA/cm2 내지 약 15 mA/cm2, 예를 들어, 약 5 mA/cm2 내지 약 15 mA/cm2, 약 10 mA/cm2 내지 약 15 mA/cm2, 약 2 mA/cm2 내지 약 10 mA/cm2, 또는 약 2 mA/cm2 내지 약 5 mA/cm2일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
According to an embodiment of the present disclosure, the current is about 2 mA / cm 2 to about 15 mA / cm 2 , for example about 5 mA / cm 2 to about 15 mA / cm 2 , about 10 mA / cm 2 to About 15 mA / cm 2 , about 2 mA / cm 2 to about 10 mA / cm 2 , or about 2 mA / cm 2 to about 5 mA / cm 2 , but is not limited thereto.

본원의 제 2 측면은, 양극 및 양극액을 포함하는 양극 챔버; 음극 및 음극액을 포함하는 음극 챔버; 및 상기 양극과 음극 사이에 형성된 분리 멤브레인을 포함하며, 상기 음극은 금속-수은 아말감 전극물질을 포함하는, 이산화탄소의 전기화학적 환원 장치를 제공한다.A second aspect of the present application, the anode chamber including the anode and the anolyte; A cathode chamber comprising a cathode and a catholyte; And a separation membrane formed between the anode and the cathode, wherein the cathode comprises a metal-mercury amalgam electrode material.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속은 주석, 납 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 주석을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 수은은, 수소발생에 대한 에너지 장벽이 가장 큰 특성을 가지고 있어 이산화탄소의 환원시 수소 발생을 억제하기 때문에 이산화탄소의 환원 전극 물질로서 유용하게 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 주석과 수은의 아말감을 전극물질로 사용함으로써, 금속만을 전극물질로서 사용하였을 때보다 약 2 배 이상 효율이 증가하였으며, 전극의 안정도 역시 약 3 배 내지 약 5 배 증가하여, 고효율로 이산화탄소를 포름산으로 전환시킬 수 있다.According to one embodiment of the present application, the metal may include a metal selected from the group consisting of tin, lead, and combinations thereof, for example, tin may be used, but is not limited thereto. The mercury may be usefully used as a reducing electrode material of carbon dioxide because the energy barrier to hydrogen generation has the greatest characteristic and thus inhibits hydrogen generation upon reduction of carbon dioxide, but is not limited thereto. For example, by using the amalgam of tin and mercury as electrode material, the efficiency was increased by about 2 times or more than when only metal was used as the electrode material, and the stability of the electrode was also increased by about 3 to 5 times. Carbon dioxide can be converted to formic acid.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-수은 아말감 전극물질은 상기 금속을 함유하는 전극을 수은 용액에 함침하여 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal-mercury amalgam electrode material may be prepared by impregnating an electrode containing the metal in a mercury solution, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 음극액 및 양극액은 KHCO3 용액을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 음극액은 이산화탄소가 포화된 KHCO3 용액을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 음극액은, 상기 금속-수은 아말감 전극물질로부터 음극액으로 수은 이온이 용출되는 것을 방지하기 위하여 KCl을 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속-수은 아말감 전극물질로부터 수은 이온이 용출되면 KCl과 반응하여 전극 표면에서 바로 Hg2Cl2 고체로 침전되게 된다.According to one embodiment of the present application, the catholyte and the anolyte may include a KHCO 3 solution, for example, the catholyte may include a KHCO 3 solution saturated with carbon dioxide, but is not limited thereto. . The catholyte may further include KCl to prevent elution of mercury ions from the metal-mercury amalgam electrode material to the catholyte, but is not limited thereto. When mercury ions are eluted from the metal-mercury amalgam electrode material, they react with KCl and precipitate as Hg 2 Cl 2 solids directly on the electrode surface.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이산화탄소는 약 50% 이상, 예를 들어, 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상 및 약 90% 이상의 전류효율로 포름산으로 전환되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to one embodiment of the present application, the carbon dioxide may be converted to formic acid with a current efficiency of about 50% or more, for example, about 60% or more, about 70% or more, about 80% or more and about 90% or more, It is not limited to this.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전류는 약 2 mA/cm2 내지 약 15 mA/cm2, 예를 들어, 약 5 mA/cm2 내지 약 15 mA/cm2, 약 10 mA/cm2 내지 약 15 mA/cm2, 약 2 mA/cm2 내지 약 10 mA/cm2, 또는 약 2 mA/cm2 내지 약 5 mA/cm2일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present disclosure, the current is about 2 mA / cm 2 to about 15 mA / cm 2 , for example about 5 mA / cm 2 to about 15 mA / cm 2 , about 10 mA / cm 2 to About 15 mA / cm 2 , about 2 mA / cm 2 to about 10 mA / cm 2 , or about 2 mA / cm 2 to about 5 mA / cm 2 , but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 분리 멤브레인은 나피온 멤브레인, CMI-7000 등 양이온교환 멤브레인을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the separation membrane may include a cation exchange membrane such as Nafion membrane, CMI-7000, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 산화반응에 의해 물로부터 발생되는 산소의 영향을 최소화하기 위해 Ar 가스를 상기 양극 챔버 내로 불어줄 수 있으며, 상기 음극 챔버를 이산화탄소로 포화시키기 위해 이산화탄소를 상기 음극 챔버 내로 지속적으로 불어넣을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present disclosure, Ar gas may be blown into the anode chamber to minimize the effect of oxygen generated from water by oxidation, and carbon dioxide may be injected into the cathode chamber to saturate the cathode chamber with carbon dioxide. Can be blown continuously, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양극은 Pt, Au, Pd, Ir, Ag, Rh, Ru, Ni, Al, Mo, Cr, Cu, Ti, W 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
According to an embodiment of the present disclosure, the anode includes one selected from the group consisting of Pt, Au, Pd, Ir, Ag, Rh, Ru, Ni, Al, Mo, Cr, Cu, Ti, W, and combinations thereof. It may be, but is not limited thereto.

이하, 실시예를 이용하여 본원에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the present invention is not limited thereto.

[[ 실시예Example ] ]

비교예Comparative Example 1  One

전극물질로서 주석 및 납을 각각 사용하여 이산화탄소의 전기화학적 환원에 의한 포름산의 생성을 평가하였다.The production of formic acid by electrochemical reduction of carbon dioxide was evaluated using tin and lead as electrode materials, respectively.

먼저, 도 1과 같이 배치(Batch) 형 H-타입 셀을 구성하고(도 1), 나피온 멤브레인(Nafion membrane)을 이용하여 양극부(Anodic compartment)와 음극부(Cathodic compartment)를 구분하였고, 작업전극으로 가로 0.5 cm, 세로 2 cm의 직사각형 전극을 이용하여 단면적 2 cm2 에서 이산화탄소의 환원을 실시하였다. 상온, 상압에서 0.5 M KHCO3를 전해질로 사용하였으며, 양극부는 물의 산화반응에 의해 발생되는 산소의 영향을 없애기 위해 Ar 가스를 불어넣었고, 음극부에는 이산화탄소를 지속적으로 불어주어 포화시켰다.First, a batch H-type cell was configured as shown in FIG. 1 (FIG. 1), and an anode compartment and a cathode compartment were divided using a Nafion membrane. Carbon dioxide was reduced at a cross-sectional area of 2 cm 2 using a rectangular electrode of 0.5 cm in width and 2 cm in length as the working electrode. At room temperature and atmospheric pressure, 0.5 M KHCO 3 was used as an electrolyte. The anode part was blown with Ar gas to eliminate the influence of oxygen generated by the oxidation reaction of water, and the cathode part was continuously blown with carbon dioxide to saturate.

도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 주석(Sn)을 전극 물질로 사용한 경우, -1.5 V vs. Ag/AgCl의 전위를 걸어주었을 때 약 5 mA/cm2의 환원전류가 흐르며 일정하게 전하량이 축적되었다(도 2b). 시간에 따라 생성된 생성물을 확인해 본 결과, 초기 30 분 이후부터 안정적으로 30% 내지 40% 의 전류효율을 보이며, 이산화탄소가 포름산으로 전환되었다.As can be seen in Figure 2, when tin (Sn) is used as the electrode material, -1.5 V vs. When a potential of Ag / AgCl was applied, a reduction current of about 5 mA / cm 2 flowed and a constant charge amount was accumulated (FIG. 2B). As a result of confirming the product produced over time, since the initial 30 minutes, it shows a stable current efficiency of 30% to 40%, carbon dioxide was converted to formic acid.

도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 납(Pb)을 전극물질로 사용한 경우에는, 정전류 5 mA/cm2를 걸어 주었더니 환원전극의 전압이 -1.6 V ~ -1.7 V vs. Ag/AgCl로 유지되었다. 초기 10분 동안은 30% 내지 40%의 전류 효율을 보여주었는데 1 시간 이후엔 효율이 10% 이하로 급격히 떨어지는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 납 표면은 수용액상에서 쉽게 산화되어 실험 직전에 표면을 아무리 깨끗이 처리해도 1 시간 이후엔 효율이 10 % 이하로 좋지 않은 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 3, when lead (Pb) was used as the electrode material, a constant current of 5 mA / cm 2 was applied, and the voltage of the cathode was -1.6 V to -1.7 V vs. It was maintained at Ag / AgCl. The first 10 minutes showed a current efficiency of 30% to 40%, but after one hour it was observed that the efficiency sharply drops to less than 10%. In addition, the lead surface was easily oxidized in aqueous solution, and no matter how clean the surface immediately before the experiment, it was confirmed that the efficiency was not good at 10% or less after 1 hour.

실시예Example 1 One

수은/주석 아말감(Hg/Sn amalgam) 전극물질은 주석 전극을 수은 용액에 담구어 제작하였고, 도 1의 셀과 동일한 H-타입셀(H-type cell)에서 그 특성을 확인해 보았다. 혹시 수용액으로 빠져 나올 수은 이온의 생성을 막기 위해 KHCO3 용액상에 KCl을 첨가하여, 수은이 유출되었을 때 전극표면에서 바로 Hg2Cl2 고체로 침전되도록 하였고, 효과를 확인하기 위해 실험을 끝낸 후 용액을 취하여 금속 원소 분석(ICP-Mass)을 한 결과 용액상에서는 수은의 존재가 측정되지 않음을 확인하였다. 수은/주석 아말감 전극을 사용한 경우는 동일 조건에서 주석전극을 사용했을 때보다 0.4~0.5 V정도 전압을 더 인가하여야 하며, 생성물을 확인한 결과, 포름산 변환 효율이 80% 내지 100%로 12 시간에서 20 시간까지 일정하게 유지되며 효율적으로 이산화탄소를 포름산으로의 전환시킴을 4 회의 실험을 거쳐 확인할 수 있었다(도 4). 또한, 포름산의 농도도 12 시간 내지 18 시간 동안 0.4 M 내지 0.5 M까지 생성이 되었다(표 1). 주석만 사용하였을 때(비교예 1)보다 주석/수은 아말감을 전극으로 이용한 경우, 효율도 2 배 이상 증가하고, 전극의 안정도도 3 배 내지 5 배 이상 증가되는 것을 확인하였으며, 안정적으로 포름산을 고농도로 생성할 수 있음을 확인할 수 있었다.The mercury / tin amalgam electrode material was prepared by immersing a tin electrode in a mercury solution and confirming its characteristics in the same H-type cell as the cell of FIG. 1. In order to prevent the generation of mercury ions that may come out of the aqueous solution, KHCO 3 KCl was added to the solution to precipitate Hg 2 Cl 2 solids directly on the electrode surface when mercury was leaked. After completion of the experiment to confirm the effect, the solution was taken and the metal element analysis (ICP-Mass) was performed. It was confirmed in the solution phase that the presence of mercury was not measured. In the case of using the mercury / tin amalgam electrode, the voltage of 0.4 ~ 0.5 V should be applied more than the tin electrode under the same conditions. It was confirmed through four experiments to maintain a constant up to time and efficiently convert carbon dioxide to formic acid (FIG. 4). In addition, the concentration of formic acid was also produced up to 0.4 M to 0.5 M for 12 to 18 hours (Table 1). When tin / mercury amalgam was used as the electrode than when only tin was used (Comparative Example 1), it was confirmed that the efficiency was increased by 2 times or more, and the stability of the electrode was increased by 3 to 5 times or more. It could be confirmed that it can be generated.

Figure pat00001
Figure pat00001

실시예Example 2 2

납-수은 아말감 전극을 사용하여 실시예 1과 동일하게 효과를 관찰하였다. 주석에서와 마찬가지로 전류효율이 55% 내지 75%로 납 전극에 비해 2배 정도 향상되고, 납 전극의 경우 1 시간 지나면 효율이 10% 이하로 떨어지면서 전극의 안정성이 좋지 않았는데 수은/납 아말감 전극은 24 시간 정도 사용하여도 60% 이상의 전류효율이 유지되면서 0.5 M 정도의 포름산이 생성되는 좋은 결과를 보여주었다.
The effect was observed similarly to Example 1 using the lead-mercury amalgam electrode. As in tin, the current efficiency is 55% to 75%, which is about 2 times higher than that of lead electrodes, and in the case of lead electrodes, the efficiency drops to less than 10% after 1 hour. After 24 hours of use, over 60% of current efficiency was maintained, producing about 0.5 M of formic acid.

실험예Experimental Example 1  One

실시예 1 에서 볼 수 있는 바와 같이, 수은과 아말감을 형성한 주석 전극으로 12 시간 내지 20 시간 전기분해를 하면 0.4 M 내지 0.5 M정도의 포름산이 축적됨을 확인할 수 있었다. 현재 조건에서 최대 포름산 축적 농도를 확인하기 위해 주석/수은 아말감 전극을 이용하여 H 타입 셀에서 실험을 더 진행하였다. 초기에 0.45 M의 포름산이 들어있는 용액에 수은/주석 아말감 전극을 넣고, 10 시간 전기분해를 더 진행하였더니 0.9 M까지 포름산이 지속적으로 생성되며 축적됨을 확인할 수 있었다.
As can be seen in Example 1, it was confirmed that formic acid of about 0.4 M to 0.5 M accumulates when electrolysis is performed for 12 hours to 20 hours with a tin electrode formed of mercury and amalgam. Further experiments were carried out in H type cells using tin / mercury amalgam electrodes to determine the maximum formic acid accumulation concentration under current conditions. Initially, the mercury / tin amalgam electrode was added to a solution containing 0.45 M formic acid, and electrolysis was further performed for 10 hours. Formic acid was continuously generated and accumulated up to 0.9 M.

실시예Example 3 3

실시예 1 에서 2 cm2의 전극을 이용하여 배치-타입 셀에서 고효율 전극을 찾은 기본적인 실험 결과를 토대로 전극면적을 5배 규모 확대(scale-up)하여 플로우 셀(flow cell)에서 구현하기 위한 시스템을 구성하였다. 도 6과 같이 플로우 셀의 각 부분을 제작하였는데, 이산화탄소 환원전극으로는 앞서 좋은 성능을 보인 주석/수은 전극을 1 cm x 10 cm 크기로, 산화전극으로는 동일한 크기의 백금판을 사용하였다. 두 전극 사이를 나피온 멤브레인으로 분리하고 양쪽을 O-링으로 고정하여 양극부와 음극부가 분리되도록 하였다. 또한 음극부와 양극부에 각각 용액이 순환될 수 있도록 PVC 재질로 된 튜빙(tubing)을 연결하여 펌프로 연결되도록 하였다.A system for implementing a flow cell by scaling up the electrode area by 5 times based on the basic experimental results of finding a high efficiency electrode in a batch-type cell using a 2 cm 2 electrode in Example 1 It was configured. Each part of the flow cell was fabricated as shown in FIG. 6. A tin / mercury electrode having a good performance as a carbon dioxide reduction electrode was 1 cm × 10 cm in size, and a platinum plate having the same size was used as the anode. The two electrodes were separated by a Nafion membrane and both sides were fixed with O-rings to separate the positive and negative electrodes. In addition, a tubing made of PVC material was connected to the cathode and the anode to connect the pump.

실험예Experimental Example 2 2

실시예 3에서와 같이 플로우 셀을 구성한 후 연동 펌프(peristaltic pump)를 이용하여 음극부와 양극부의 용액 각 20 mL를 40 mL/min의 속도로 순환시키면서 이산화탄소를 전기분해하여 포름산으로의 생성을 확인하였다. 전체적인 시스템은 도 7 과 같이 구성하였다. 이 때 용액은 수은 생생물이 녹아나오는 것을 최소화하기 위해 0.5 M KHCO3 에 2 M KCl을 추가하였다. 전류밀도를 5 mA/cm2 로 걸어주면 양전극과 음전극 양단의 전압이 3.5 V 내지 4.0 V 정도 인가되었고(도 8), 1시간 정도 전기분해했을 때 40 mM의 포름산이 생성되었고 전류효율은 84 %였다.
After constructing the flow cell as in Example 3, using a peristaltic pump (peristaltic pump) to circulate each 20 mL of the solution at the rate of 40 mL / min to confirm the formation of formic acid by electrolysis of carbon dioxide It was. The overall system was configured as shown in FIG. In this case, 2 M KCl was added to 0.5 M KHCO 3 to minimize the dissolution of mercury biomass. When the current density was set at 5 mA / cm 2 , the voltage between the positive electrode and the negative electrode was applied at about 3.5 V to 4.0 V (FIG. 8). When electrolysis was performed for about 1 hour, 40 mM formic acid was generated and the current efficiency was 84%. It was.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 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 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention .

Claims (14)

금속-수은 아말감 전극물질을 이용하여 이산화탄소를 전기화학적으로 환원시키는 것을 포함하는, 포름산의 제조방법.
A method for producing formic acid, comprising electrochemically reducing carbon dioxide using a metal-mercury amalgam electrode material.
제 1 항에 있어서,
전기화학적 반응기의 음극 챔버에 이산화탄소를 포함하는 음극액을 공급하는 단계; 및
상기 금속-수은 아말감 전극물질을 포함하는 음극, 및 양극에 전류를 인가하여 이산화탄소를 환원시키는 단계를 포함하는, 포름산의 제조 방법.
The method of claim 1,
Supplying a catholyte comprising carbon dioxide to a cathode chamber of an electrochemical reactor; And
And a cathode including the metal-mercury amalgam electrode material, and reducing carbon dioxide by applying a current to the anode.
제 1 항에 있어서,
상기 금속-수은 아말감 전극물질에 의해 이산화탄소가 환원되는 것인, 포름산의 제조방법.
The method of claim 1,
Carbon dioxide is reduced by the metal-mercury amalgam electrode material, method of producing formic acid.
제 1 항에 있어서,
상기 금속은 주석, 납 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속을 포함하는 것인, 포름산의 제조 방법.
The method of claim 1,
Wherein the metal comprises a metal selected from the group consisting of tin, lead and combinations thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 수은이 이산화탄소의 환원시 수소 발생을 억제하는 것인, 포름산의 제조 방법.
The method of claim 1,
The mercury is to suppress the generation of hydrogen when the reduction of carbon dioxide, a method of producing formic acid.
제 1 항에 있어서,
상기 금속-수은 아말감 전극물질은 상기 금속을 함유하는 전극을 수은 용액에 함침하여 제조하는 것인, 포름산의 제조 방법.
The method of claim 1,
The metal-mercury amalgam electrode material is prepared by impregnating an electrode containing the metal into a mercury solution.
제 2 항에 있어서,
상기 음극액은 KHCO3 용액을 포함하는 것인, 포름산의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
The catholyte comprises a KHCO 3 solution, method of producing formic acid.
제 7 항에 있어서,
상기 KHCO3 용액이 KCl을 추가 포함하는 것인, 포름산의 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
The KHCO 3 solution further comprises KCl, method of producing formic acid.
제 1 항에 있어서,
50% 이상의 전류효율을 나타내는, 포름산의 제조 방법.
The method of claim 1,
A process for producing formic acid, which shows a current efficiency of at least 50%.
제 2 항에 있어서,
상기 전류는 2 mA/cm2 내지 15 mA/cm2인 것인, 포름산의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
The current is 2 mA / cm 2 to 15 mA / cm 2 , the method of producing formic acid.
양극 및 양극액을 포함하는 양극 챔버;
음극 및 음극액을 포함하는 음극 챔버; 및
상기 양극과 음극 사이에 형성된 분리 멤브레인
을 포함하며,
상기 음극은 금속-수은 아말감 전극물질을 포함하는,
이산화탄소의 전기화학적 환원 장치.
An anode chamber comprising an anode and an anolyte solution;
A cathode chamber comprising a cathode and a catholyte; And
A separation membrane formed between the anode and the cathode
/ RTI >
Wherein the cathode comprises a metal-mercury amalgam electrode material,
Electrochemical reduction apparatus of carbon dioxide.
제 11 항에 있어서,
상기 음극액 및 양극액은 KHCO3 용액을 포함하는 것인, 이산화탄소의 전기화학적 환원 장치.
The method of claim 11,
The catholyte and the anolyte will comprise a KHCO 3 solution, electrochemical reduction apparatus of carbon dioxide.
제 12 항에 있어서,
상기 KHCO3 용액이 KCl을 추가 포함하는 것인, 이산화탄소의 전기화학적 환원 장치.
13. The method of claim 12,
The KHCO 3 solution further comprises KCl, electrochemical reduction apparatus of carbon dioxide.
제 11 항에 있어서,
상기 금속은 주석, 납 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속을 포함하는 것인, 이산화탄소의 전기화학적 환원 장치.
The method of claim 11,
Wherein said metal comprises a metal selected from the group consisting of tin, lead and combinations thereof.
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