KR20190094650A - 전극 및 상기 전극을 포함하는 전기화학 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소를 분해하여 유용한 전환물로 환원할 때 촉매로 이용되는 음극용 전극과 상기 전극을 포함하는 전기화학 셀에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 물질을 환원시키기 위한 환원 반응이 일어나고, 내부에 이온이 침투할 수 있는 기공을 포함하며, 촉매를 포함하는 환원 반응층; 상기 촉매로 반응 물질들을 이동시키고 생성물들을 배출시키기 위한 미세 확산 기공이 무질서하게 분포하는 반응물 확산층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 전극 을 제공함으로써, 전극 표면에서의 화학반응이 극대화되어 이산화탄소의 분해 및 C2 이상의 탄화수소와 같은 생성물의 생산 효율이 증가하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

전극 및 상기 전극을 포함하는 전기화학 셀 {ELECTRODE AND ELECTRO-CHEMICAL CELL CONTAINING THE SAME}
본 발명은 전극에 관한 발명으로, 특히 이산화탄소를 분해하여 유용한 전환물로 환원할 때 촉매로 이용되는 음극용 전극과 상기 전극을 포함하는 전기화학 셀에 관한 것이다.
산업이 발달함에 따라 에너지 사용량은 지속적으로 증가하고 있고, 사용되는 에너지의 대부분은 화석 연료를 포함한 탄화수소류가 주종을 이루고 있다. 탄화수소류는 기본적으로 일정 비율의 탄소 및 수소를 포함하고 있으므로, 이들은 연소될 때 반드시 이산화탄소를 발생시키게 된다.
이산화탄소는 지구 온난화의 주요 요인으로 알려져 있다. 이에 따라 전세계적으로 이산화탄소 저감은 매우 중요한 이슈로 부각되어 왔다.
특히 국내에는 산업 기반시설인 화학공장, 제철소, 시멘트 공장들이 많이 소재하는데, 이러한 시설들은 이산화탄소를 많이 배출시킨다.
위와 같이 발생된 이산화탄소를 제거하는 방법으로, 이산화탄소를 회수하여 해저 등에 매립하여 저장하거나 생물학적 또는 화학적인 처리 방법을 이용하여 환원시키는 방법과 같은 몇 가지의 대표적인 방법들이 알려져 있거나 적용되고 있다.
이 중 이산화탄소에 에너지를 인가하여 탄소화합물과 산소와 같은 유용한 자원으로 변환시켜주는 전환기술이 최근에 주목을 받고 있다. 이러한 전환기술로 미생물을 이용하는 생물학적 방법 이외에도, 고온에서 압력을 가하거나 촉매를 이용하는 방법 등을 사용할 수 있다.
상기 전환기술들 가운데 촉매를 사용하는 방법은, 장치 및 방법 자체가 매우 간단하고 신재생 에너지로부터 생산된 전기를 그대로 사용할 수 있으며 상업적인 규모로까지 스케일 업(scale up)이 매우 쉽다는 많은 장점이 있다. 또한 촉매를 사용하는 방법은 다양한 종류의 탄소화합물들을 선택적으로 생성할 수 있다는 장점도 있다
반면 상기 촉매를 사용하는 방법이 실용화까지 진행되기 위해서는, 이산화탄소를 분해시키는 반응을 일으킬 수 있는 높은 효율을 가지고 반응에 의한 부산물로 실용성이 우수한 에틸렌, 에탄올, 프로판올 및 부탄올과 같은 C2 이상의 유용한 탄화수소를 생산할 수 있는 우수한 촉매를 포함하는 전극 재료가 반드시 필요하다.
그러나 종래의 촉매 또는 전극 재료는 대부분 부가가치가 낮은 생성물을 형성하거나, C2 이상의 탄화수소 생성효율이 낮거나, 또는 반응 초기에는 C2 이상의 탄화수소 생성효율이 높더라도 반응이 진행될수록 C2 이상의 탄화수소 생성 비율이 지속적으로 감소하고 수소(H2)의 생성 비율이 지속적으로 증가하는 등의 단점들이 있다.
이러한 단점들은 촉매 재료의 종류나 성분 등의 재료적인 문제뿐만 아니라 촉매나 촉매가 적용되는 전극의 구조나 형상 등의 구조적인 문제점들에서 기인한다.
특히 이산화탄소의 분해 또는 전환이 발생하는 음극에서 과도하게 복잡한 전극 형상으로 인해, 이산화탄소의 분해가 진행됨에 따라 경시변화가 일어나거나 반응물 및/또는 생성물의 원활한 순환이 어려워 이산화탄소의 분해 효율이 급격히 떨어지거나 생성물의 오염이 발생하는 등의 문제점들이 보고되고 있다.
따라서 본 발명에서는 이산화탄소의 분해를 안정적이고 균일하게 진행시킬 수 있고 이산화탄소의 C2 이상의 탄화수소로의 전환 효율이 우수한 전극을 발명하고자 한다.
본 발명은 전기화학적 셀(cell)의 환원이 일어나는 음극(cathode)에 있어서, 생산성이 우수하고 경시변화가 최소화되며 물질 흐름이 원활한 새로운 구조 및/또는 재료의 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 새로운 전극은, 전기도도가 우수하여 직렬저항 및 접촉저항이 낮고 전체 전기화학 셀의 전기 손실이 최소화된 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서는 전극을 구성하는 촉매와 반응 생성물의 오염이 최소화 된 구조 및/또는 재료를 가지는 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 물질을 환원시키기 위한 환원 반응이 일어나고, 내부에 이온이 침투할 수 있는 기공을 포함하며, 촉매를 포함하는 환원 반응층; 상기 촉매로 반응 물질들을 이동시키고 생성물들을 배출시키기 위한 미세 확산 기공이 무질서하게 분포하는 반응물 확산층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 전극이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 환원 반응층 내의 기공이 반응물 확산층 내의 기공보다 더 크거나; 또는 상기 환원 반응층의 비표면적보다 반응물 확산층의 비표면적이 더 큰 것;을 특징으로 하는 다층 전극이 제공될 수 있다.
바람직하게는 상기 환원 반응층은 촉매로 이루어진 다공체인 것;을 특징으로 하는 다층 전극이 제공될 수 있다.
또는, 상기 환원 반응층은 전기전도도를 가지는 담지체; 상기 담지체를 코팅하는 촉매;를 포함하는 다층 전극이 제공될 수 있다.
특히, 상기 촉매는 Cu, CuO, Cu3N, TaN, OsN, NbN, MoN, IrN, AgN, VN, RuN, MnN, RhN, PdN, NiN, CoN, FeN, CrN, HfN, TiN, YN, ZrN, ScN 들 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것;을 특징으로 하는 다층 전극이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 담지체는 전기 전도성을 가지는 것;을 특징으로 하는 다층 전극이 제공될 수 있다.
특히, 상기 담지체는 금속 또는 탄소를 포함하는 것;을 특징으로 하는 다층 전극이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 반응물 확산층은 불활성 또는 소수성 물질로 코팅된 것;을 특징으로 하는 다층 전극이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 반응물 확산층은 전기 전도성을 가지는 것;을 특징으로 하는 다층 전극이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 환원 반응층과 반응물 확산층 사이에 위치하며, 방향성을 가지는 통기성 구조를 포함하는 고속 이동층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 전극이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 고속 이동층 내의 기공이 환원 반응층 내의 기공보다 더 크거나; 또는 상기 고속 이동층의 비표면적보다 환원 반응층의 비표면적이 더 큰 것;을 특징으로 하는 다층 전극이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 고속 이동층은 전기 전도성을 가지는 것;을 특징으로 하는 다층 전극이 제공될 수 있다.
특히, 상기 고속 이동층의 통기성 구조는 불활성 또는 소수성 물질로 코팅된 것;을 특징으로 하는 다층 전극이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 물질의 환원 반응을 하기 위한 전기화학적 셀(cell)로써, 상기 어느 하나의 다층 전극을 포함하고 환원 반응이 일어나는 음극; 산화 반응이 일어나는 양극; 상기 양극과 음극이 담기는 전해질을 수용하기 위한 구획; 상기 양극과 음극 사이에서 위치하며 상기 전해질 상의 원하는 성분만 선택적으로 통과시키는 멤브레인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 셀이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 음극은 표면에 다공질 또는 요철을 가지는 것;을 특징으로 하는 전기화학적 셀이 제공될 수 있다.
본 발명의 다층 전극에 따르면, 이산화탄소를 분해하는 전기화학 셀의 음극을 구성하는 환원 반응층에서 높은 비표면적의 촉매 표면 구성이 가능해 진다.
이를 통해 음극 표면에서의 화학반응이 극대화되어 이산화탄소의 분해 및 C2 이상의 탄화수소와 같은 생성물의 생산 효율이 증가한다.
또한 본 발명에서의 다층 전극은, 반응물 확산층이 무질서하고 조밀한 미세 기공을 가짐으로써 환원 반응층으로의 반응 기체를 균일하게 공급할 수 있게 한다.
더 나아가 본 발명에서의 다층 전극의 반응물 확산층은 조밀한 미세 기공을 가짐으로써 반응시 전해질의 역류를 억제할 수 있다.
이를 통해 환원 반응후 환원 반응층에서 전환되는 기상의 생성물들의 추출이 더욱 용이해 지며, 경시변화를 최소화 할 수 있다.
또한 본 발명의 다층 전극은, 전극을 구성하는 환원 반응층 내지 반응물 확산층이 금속 또는 카본 기반의 전도성 소재이므로, 전기화학 반응시 필요한 전자의 이동시 직렬저항 및 접촉저항이 최소화된 경로를 제공할 수 있다.
이를 통해 본 발명의 다층 전극으로 된 전기화학 셀은 전기적 손실을 최소화할 수 있으며, 이 효과는 특히 상용화 또는 대면적 전기화학 셀 구현 시 더욱 유리하다.
더욱이 본 발명의 다층 전극에 의하면, 환원 반응층과 반응물 확산층 사이에서 위치하며 방향성을 가지는 고통기성의 고속 이동층을 포함함으로써 반응물과 생성물의 이동을 빠르게 할 수 있다.
이를 통해 본 발명의 다층 전극은 전체 반응의 생산성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 더 나아가 반응물과 생성물의 이동이 원활하지 않아 촉매 표면이 피독(poisoning)되어 촉매의 성능이 저하되거나 생성물이 반응물 확산층과 반응하여 오염되는 문제를 원천적으로 해소할 수 있다.
도 1은 이산화탄소를 분해하여 환원하기 위한 전기화학적 셀의 모식도이다.
도 2는 환원 반응시 시간의 경과에 따라 종래 기술의 음극에서 발생하는 생성물의 변화를 도시한 것이다.
도 3은 이산화탄소 분해용 전기화학 셀에서 종래의 음극의 미세조직을 도시한 것이다.
도 4는, 도 1과 같은 이산화탄소 분해용 전기화학 셀과 상기 셀에서 사용되는 종래의 음극의 구조를 보다 자세히 묘사한 것이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 전극을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다층 전극을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예의 다층 전극 구조를 가지는 다층 전극을 실제로 구현한 실험예의 사진이다.
도 8은 Cu와 CuO가 혼합된 합금의 성분을 가지며 다공질 구조로 된 본 발명의 환원 반응층의 실시예 사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 다층 전극과 종래의 전극을 이용한 이산화탄소 분해를 위한 전기화학 셀의 패러데이(Faradaic) 효율을 측정한 결과이다.
이하, 본원에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매와 이를 제조하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 발명을 구현함에 있어서 설명의 편의를 위하여 구성요소를 세분화하여 설명할 수 있으나, 이들 구성요소가 하나의 장치 또는 모듈 내에 구현될 수도 있고, 혹은 하나의 구성요소가 다수의 장치 또는 모듈들에 나뉘어져서 구현될 수도 있다.
도 1은 이산화탄소를 분해하여 환원하기 위한 일반적인 전기화학적 셀의 모식도이다.
도 1에서 도시한 바와 같이 상기 전기화학적 셀(cell)은 산소가 발생하는 산화반응이 일어나는 양극과 이산화탄소의 환원이 일어나는 음극, 상기 양극과 음극이 담기는 전해질을 수용하기 위한 구획, 그리고 상기 양극과 음극 사이에서 위치하며 상기 전해질 상의 원하는 성분만 선택적으로 통과시키는 멤브레인이 포함된다.
한편, 상기 도 1에는 도시되지는 않았으나, 상기 셀에는 상기 셀을 구동시키기 위해 외부에서 에너지를 공급하기 위한 에너지 공급원을 포함한다. 또한 상기 이산화탄소의 환원으로부터 발생한 부산물을 추출하기 위한 추출기를 추가로 포함한다. 또한 필요에 따라 전해질 공급장치를 추가할 수도 있다.
이와는 별도로, 만일 이산화탄소의 환원으로부터 발생한 부산물이 또 다른 추가적인 반응을 필요로 하는 경우, 상기 반응을 위한 이차적인 반응기도 선택적으로 포함할 수 있다.
상기 도 1과 같은 셀에서 이산화탄소를 분해하여 환원시킬 때, 환원전극(음극)에서는 환원반응이 일어나는 촉매의 종류에 따라 다음의 식 (1)과 같은 다양한 부산물(또는 전환물 또는 생성물이라 한다)이 생성되는 것으로 알려져 있다.
CO2 + nH+ + ne- CxHyOz (1)
구체적인 예로써, Ag 또는 Sb를 촉매로 사용하게 되면, 이 경우 상기 촉매에서 환원된 이산화탄소는 다음의 반응식 (2)을 통해 일산화탄소가 생성된다. 반면 Cu 또는 Cu2O를 촉매로 사용하면, 이 경우 이산화탄소는 다음의 반응식 (3) 내지 (6)를 통해, 메탄, 에탄, 에틸렌 등의 자원이 생성되는 것으로 알려져 있다.
CO2 + 2H+ + 2e- → CO + H2O -0.51 V (2)
CO2 + 8H+ + 8e- → CH4 + 2H2O -0.24 V (3)
2CO2 + 12H+ + 12e- → C2H4 + 4H2O -0.33 V (4)
2CO2 + 12H+ + 12e- → C2H5OH + 3H2O -0.32 V (5)
3CO2 + 18H+ + 18e- → C3H7OH + 5H2O -0.31 V (V vs.NHE) (6)
반면, 산화 전극에서는 다음의 식 (7)을 통해 물이 산화되어 산소, 수소이온, 그리고 전자가 발생된다.
n/2 H2O → nH+ + n/4O2 + ne- (7)
따라서 Cu 또는 +1가의 Cu 이온을 포함하는 촉매를 사용하면, 다양한 종류의 탄화수소를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 더 나아가 에틸렌, 에탄올, 프로판올 및 부탄올과 같은 C2 이상의 유용한 탄화수소를 얻을 수 있다.
그런데 C2 이상의 유용한 탄화수소를 생성하기 위해 상기의 Cu계 촉매를 음극에 사용하더라도, 환원 반응이 진행됨에 따라 고부가 탄화수소인 C2의 C2H4 등의 분율은 지속적으로 감소하고 오히려 수소(H2)의 분율이 계속 증가하는 것을 도 2를 통해 알 수 있다.
이와 같은 경시 변화의 원인은, 도 3에 도시된 바와 같이, 음극의 구조가 환원 반응의 밀도나 환원 반응을 쉽게 일어나기 적합한 비표면적 등을 고려하지 않은 구조를 가지기 때문이다. 또한 단순히 반응 면적을 넓히기 위해 비표면적을 지나치게 높인 결과, 전극 내의 기공 구조가 과도하게 복잡하게 되어 그 결과 원활한 반응물 및 생성물의 순환이 어려워졌기 때문인 것으로 판단된다.
도 4는, 도 1과 같은 이산화탄소 분해용 전기화학 셀과 상기 셀에서 사용되는 종래의 음극의 구조를 보다 자세히 묘사한 것이다.
종래의 음극은 개념적으로, 도 4에서 도시된 바와 같이, 먼저 전해질과 직접 또는 간접적으로 접촉하여 H+ 또는 OH- 이온이 촉매로 이동되는 멤브레인과, 중간에 위치하며 탄소 등의 지지체에 담지된 촉매층, 그리고 반응에 관여되는 가스 들을 촉매로 유입시키고 형성된 탄화수소를 배출하는 가스확산층으로 이루어 진다.
그런데 통상적으로 사용되던 종래의 음극은, 도 4의 아래 그림에서와 같이, 촉매층의 촉매가 멤브레인과 동일성분의 이오노머와 함께 패이스트 또는 잉크화 되어 멤브레인 상에 코팅되어 형성된다. 따라서 종래에 사용되던 일반적인 음극은, 도 4에 도시된 바와 같이, 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)와 가스확산층(gas diffusion layer, GDL)의 2층 구조를 가진다.
전해질 속의 H+ 또는 OH- 이온과 외부에 가스 상태로 존재하는 CO2 및 H2O와 전자는 각각, 멤브레인에 코팅된 담지체 또는 지지체에 담지된 촉매층까지, 확산 등의 메커니즘을 통해 이동한 후 촉매층에서 생성물인 탄화수소 류 및 H2로 전환된다. 이후 촉매층에서 생성된 탄화수소 및 H2는 다시 확산 등의 메커니즘을 통해 음극 밖으로 빠져 나가게 된다.
이 때, 종래의 가스확산층은 지나치게 조밀(dense)하게 설계되어 반응가스(reactant)가 촉매층까지 도달하기 어려워 반응 효율이 감소하는 문제가 있었다.
이와는 반대로 종래의 멤브레인 구조의 경우, 전해질 및 H+ 또는 OH- 이온을 코팅된 촉매층으로 충분하게 공급하지 못하여 이로 인해 반응 효율이 또 다시 감소하는 문제가 있었다.
또한 상기의 문제점들과는 별개로, 탄화수소나 수소 등의 생성된 가스들도 조밀한 가스확산층에서 빠져나가기 어렵거나 가스확산층 내에 존재하는 soot 등에 의해 오염되는 문제가 발생하였다.
따라서 본 발명자들은 이산화탄소를 C2 이상의 탄화수소로 높은 효율 및 경시변화 없이 전환시키기 위하여, 전극 구조를 개선한 새로운 다층 구조의 전극을 완성하였다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 전극을 도시한 것이다.
이를 위해 본 발명에서의 다층 전극은, 물질을 환원시키기 위한 환원 반응이 일어나고, 내부에 이온이 침투할 수 있는 기공을 포함하며, 촉매를 포함하는 환원 반응층; 상기 촉매로 반응 물질들을 이동시키고 생성물들을 배출시키기 위한 미세 확산 기공이 무질서하게 분포하는 반응물 확산층;을 포함한다.
또한 본 발명에서의 다층 전극은 상기 환원 반응층과 전해질 사이에 필요에 따라 추가적으로 멤브레인을 포함할 수도 있다.
본 발명에서의 환원 반응층은 기본적으로 종래의 촉매층 대비 환원과 같은 화학 반응의 극대화를 위해 높은 비표면적을 가지는 구조가 바람직하다.
이를 위해 보다 구체적으로, 본 발명의 환원 반응층은 미세한 기공을 포함하는 다공성 구조를 가지거나 또는 화학반응이 일어나는 촉매들이 나노 입자나 나노 구조체 형태로 존재하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에서의 환원 반응층은 촉매로만 소재를 구성하거나, 또는 담지체 위에 촉매를 코팅, 인쇄 등의 방법을 통해 구현할 수 있다.
이 때 본 발명에서의 촉매는 C2 이상의 탄화수소를 생성할 수 있는 촉매가 보다 바람직하다.
비한정적인 구체적인 촉매의 예로써, 상기 촉매는 Cu, CuO, Cu3N, TaN, OsN, NbN, MoN, IrN, AgN, VN, RuN, MnN, RhN, PdN, NiN, CoN, FeN, CrN, HfN, TiN, YN, ZrN, ScN 들 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
특히 Cu 또는 Cu 이온을 포함하는 Cu2O 또는 Cu3N 등의 촉매가 보다 바람직한데, 상기 촉매들은 C2 이상의 탄화수소 생성에 보다 효과적이기 때문이다.
다만, Cu 촉매의 경우 다른 촉매들 대비 높은 전기 전도도로 인해 그 자체만으로도 직렬저항 및 접촉저항이 최소화가 가능하여, 만일 전기화학 셀을 대면적으로 구현할 경우 전체 셀의 전기적 손실(loss)가 줄어들거나 최소화된다는 추가적인 이점을 가진다.
물론 Cu 촉매에 Cu2O 또는 Cu3N 등의 Cu 이온을 포함하는 촉매를 포함하는 경우는 Cu 단독 성분의 촉매에 비해 전기 전도도는 감소하지만, 서로 다른 특성을 가지는 계면 또는 표면 비율이 증가하여 그 결과 동일 전압에서 C2 이상의 탄화수소 비율이 증가하는 장점이 있는 트레이드 오프(trade-off)의 관계를 가진다.
본 발명의 환원 반응층은 앞에서의 구성과는 달리 전기전도도를 가지는 담지체; 상기 담지체를 코팅하는 촉매의 구조로도 형성될 수 있다.
이 때 담지체는 촉매를 담지하는 기능을 수행한다. 이에 더하여 본 발명의 담지체는 전기전도도를 가지는 것이 보다 바람직하다. 이는 전기화학 셀 전체로 보아 직렬저항 및 접촉저항을 최소화하여 전기화학 셀 전체의 전기적 손실을 최소화할 수 있기 때문이다.
이를 위해 본 발명에서의 담지체는 금속을 포함하거나 또는 카본을 포함하는 것이 전기전도도 측면에서 바람직하다.
또한 표면적을 높이기 위해 상기 금속 또는 카본은 파이버(fiber) 형태이거나 표면에 미세한 요철을 포함하는 형상이 보다 바람직하다.
본 발명에서 상기 담지체 위에 코팅되는 촉매는, 표면적을 포함한 기계적인 특성 및 전기적인 특성은 상기 담지체가 담당하므로, 전기전도도의 고려 없이 순수하게 이산화탄소 등의 반응물과의 전기화학적인 반응만을 고려하여 선택될 수 있다는 조성 상의 자유도를 가질 수 있다.
예를 들어, 반드시 Cu와 같은 금속 촉매에 국한되지 않고 산화물 또는 질화물 등의 화합물을 포함할 수도 있으며, 더 나아가 산화물 또는 질화물 등의 화합물로만 이루어진 촉매일 수도 있다.
이와 같이 촉매를 포함하는 환원 반응층에서는 반응물들인 CO2/CO/H+/OH-/e- 등이 촉매의 표면에서 전기 화학적 반응을 일으켜 원하는 자원을, 예를 들면 C2 이상의 탄화수소, 생성하게 된다.
본 발명의 다층 전극의 일 구성요소인 반응물 확산층은 환원 반응층으로 반응 가스를 균일하고 막힘 없이 공급하고, 환원 반응층으로부터 생성 또는 전환된 생성 가스를 막힘없이 외부로 방출하는 기능을 수행한다. 따라서 균일하고 막힘 없는 가스의 유입 및 방출을 담보할 수 있는 구조여야 한다.
이를 위해 본 발명에서의 반응물 확산층은 조밀한 미세기공으로 이루어 진다. 반응물인 CO2/CO/H2O 등의 가스 또는 혼합 가스가 상기와 같은 조밀한 미세기공을 통과하면, 각각의 기공은 기체 공급의 점 소스(point source)로 작용한다. 이 때 미시적으로 각각의 기공으로부터 공급되는 기상은, 반응물 확산층을 통과하면서 거시적으로는 평면적으로 균일하게 환원 반응층으로 공급된다. 따라서 본 발명에서의 반응물 확산층은 일종의 반응물 분배기(distributor)로써 기능을 하게 된다.
이 때, 본 발명에서의 반응물 확산층은 본 발명에서의 환원 반응층 대비 이송되는 물질이 기상이라는 점, 그리고 전해질에서 환원 반응층으로 유입된 전해질 등 일부 액상성분이 반응물 확산층으로 역류하지 못하게 해야 하는 점 등을 감안하여, 상기 환원 반응층 내의 기공이 반응물 확산층 내의 기공보다 더 크거나 또는 상기 환원 반응층의 비표면적보다 반응물 확산층의 비표면적이 더 크게 하는 것이 바람직하다. 이를 통해 환원 반응층에서 생성된 기상의 생성물을 반응물 확산층을 통해 추출하는 것이 보다 용이해 진다.
이에 더하여, 본 발명에서의 반응물 확산층은 불활성 소재 또는 소수성 소재로 코팅하는 것이 바람직하다.
본 발명에서의 반응물 확산층은 기공의 크기가 미세하여 그로 인해 구조적으로 일부 소수성 특성을 가질 수 있다. 이에 더하여 본 발명의 반응물 확산층이 불활성 또는 소수성 소재로 반응물 확산층이 코팅되면, 반응물 및 생성물과 반응물 확산층 소재와의 의도하지 않은 반응을 제한할 수 있고, 그로 인하여 반응물 확산층 내에서 반응에 의한 버블이 생성되거나 기공의 막힘 현상 등을 억제할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서의 반응물 확산층은 그 자체가 전기 전도도가 높은 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 전기화학 셀이 사용되는 이산화탄소 분해의 경우, C2 이상의 탄화수소를 생산하기 위해서는 외부에서 전기를 인가해야 한다. 이 때 음극에서의 전자의 이동이 반응물 확산층에서부터 환원 반응층 방향으로 이동하기 때문에, 반응물 확산층의 전기 전도도가 높을수록 직렬저항 및 접촉저항을 최소화할 수 있기 때문이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다층 전극을 도시한 것이다.
상기 제1 실시예의 다층 전극과 비교해서, 본 발명에서의 제2 실시예의 다층 전극은 상기 환원 반응층과 반응물 확산층 사이에 위치하며, 방향성을 가지는 통기성 구조를 포함하는 고속 이동층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서의 고속 이동층은 기본적으로 방향성과 고통기성을 가져야 하므로, 고속 이동층 내의 기공이 환원 반응층 내의 기공보다 더 크거나 또는 고속 이동층의 비표면적보다 환원 반응층의 비표면적이 더 큰 것이 바람직하다.
고속 이동층이 상기와 같은 기공 구조 또는 비표면적을 가짐으로써 반응물 확산층을 통과한 반응물의 이동이 빨라져서 반응속도를 높여서 전기화학 셀 전체의 생산성을 높일 수 있는 기능 내지는 효과를 가진다. 또한 환원 반응층으로부터 생산된 생성물의 이동 속도를 높이게 되어, 환원 반응층 내의 촉매 표면의 피독(poisoning)을 방지하여 촉매의 성능 저하를 방지할 수 있다. 더 나아가 생산된 생성물이 고속 이동층에 의해 일정한 방향으로 가속된 이동 속도로 반응물 확산층으로 유입되고 빠져 나가게 되므로 생산성이 향상될 뿐만 아니라 생성물의 반응물 확산층에서의 오염도 저감시킬 수 있다.
또한 본 발명의 제2 실시예에서의 고속 이동층도, 환원 반응층 및 반응물 확산층과 동일하게, 우수한 전기 전도도를 가지는 것이 바람직하다. 만일 고속 이동층의 전기 전도도가 다른 환원 반응층 및 반응물 확산층보다 낮을 경우, 환원 반응층의 촉매에서 환원 반응이 일어나기 위해 필요한 전자의 흐름은 고속 이동층에 의해 늦추어지고 결정된다. 왜냐하면 본 발명의 전기 화학셀에서 상기 환원 반응층, 고속 이동층 및 반응물 확산층은 전기적으로 직렬로 연결되어 있고, 직렬 연결된 반응(series reaction)에서의 율속 단계(reaction rate control step)는 가장 느린 단계에 의해 결정되기 때문이다.
따라서 본 발명에서의 고속 이동층은 금속 또는 카본을 포함하는 것이 전기전도도 측면에서 바람직하다.
더 나아가 본 발명에서의 고속 이동층의 통기성 구조는 불활성 소재 또는 소수성 소재로 코팅하는 것이 바람직하다. 이는 상기 불활성 소재 등은 본 발명에서의 반응물 및 생성물과 고속 이동층 소재와의 의도하지 않은 반응을 제한할 수 있고, 그로 인하여 고속 이동층 특히 통기성 구조에서 반응에 의한 버블의 생성이나 막힘 현상 등도 억제할 수 있기 때문이다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에서의 반응물 확산층은 고속 이동층으로 일정한 압력으로 반응물을 공급할 수 있게 한다. 따라서 만일 반응물 확산층 없이 고속 이동층만으로 반응물을 공급하게 되면 환원 반응층으로 균일한 반응 가스의 공급을 담보하기 어렵게 된다.
더 나아가 본 발명의 제2 실시예에서의 반응물 확산층은 환원 반응층으로부터 생성된 기상의 생성물의 추출을 용이하게 한다. 만일 반응물 확산층이 없다면 전해질 등의 일부 액상 성분이 환원 반응층을 거쳐 보다 조대한 기공 구조를 가지는 고속 이동층까지 역류하게 되어 기상의 생성물의 추출이 어렵게 된다. 이 때 가장 미세한 구조를 가지는 반응물 확산층이 존재하게 되면, 외부에서의 양압 분위기와 함께 반응물 확산층에서의 미세한 기공으로 인해 전해질의 반응물 확산층으로의 침투가 억제된다. 따라서 그로 인해 기상인 생성물이 안정적인 추출이 가능해 진다.
도 7은 본 발명의 구조를 가지는 다층 전극을 실제로 구현한 실험예의 사진이다.
먼저 본 발명에서의 환원 반응층은 Cu 기반의 촉매를 이용하여 다공성 구조를 형성하였다. 본 발명에서의 Cu 다공성 촉매는 먼저 환원 반응층인 Cu를 용해시키는 단계, 상기 용해된 Cu 용탕에 증점제를 투입후 교반하여 용탕이 원하는 점성을 가지도록 하는 증점제 투입 단계, 상기 증점제가 투입된 용탕을 가스 공급을 위한 다수의 분사공이 형성된 금속삽입물을 이용하여 분할하는 단계, 상기 분할된 용탕을 분사공을 통하여 가스를 주입하거나 발포제를 투입하여 발포하는 단계를 통해 제조하였다.
이 때, 증점제는 용탕의 점도를 높여서 후속 단계인 가스나 발포제가 용탕 내에 공급되었을 때, 가스나 발포재가 용탕 밖으로 빠져나가지 못하게 하기 위한 기능을 수행한다. 대표적인 증점제로는 Ca 등이 알려져 있다.
한편, 분사공을 통해 용탕 안에 기공이 형성되려면, 분사를 위해 충분한 압력이 공급되어야 한다. 이 때 분사공으로부터 분사되는 가스는 건조공기, 질소, CO2 가스, 불활성 가스 등이 될 수 있다. 통상의 발포 금속을 제조하는 경우에는 금속의 산화를 방지하기 위해 건조공기 등은 사용되지 않는 편이 바람직하지만, 본 발명에서는 Cu가 일부 산화되어 Cu2O, CuO 등이 형성되더라도 전기 전도도는 다소 감소하지만 C2 이상의 탄화수소 형성에는 유리한 효과도 있으므로 필요한 경우 건조공기를 사용해도 무방하다.
이와 같은 방법을 통해 형성된 본 발명의 환원 반응층은, 도 8에서 도시된 바와 같이, Cu와 CuO가 혼합된 합금의 성분을 가지고 95% 이상의 기공도를 가지는 것으로 조사되었으며, 노즐의 직경과 분사압력 조절을 통해 기공도 및 기공의 크기를 제어할 수 있었다.
한편, 필요한 경우 상기 촉매층을 포함하는 환원 반응층은 후속 공정으로 나피온(Nafion), 셀레니온(Selenion) 등의 이온 투과막으로 코팅할 수도 있다. 상기 이온 투과막들은 내산화성 및 내알칼리성이 뛰어나면서 동시에 전해질 내부의 H+와 OH- 이온은 투과시켜, 촉매를 보호하면서 동시에 촉매에서의 환원 반응에는 지장을 주지 않기 때문이다.
다음으로 도 7에서 도시된 바와 같이, 본 발명에서의 고속 이동층도 환원 반응층과 동일하게 Cu로 된 발포 금속층으로 제조되었다. 다만 기공의 형상 등은 노즐의 직경 및 형상 등을 통해 제어할 수 있었다.
또한, 본 발명에서의 고속 이동층의 경우 앞서 설명한 바와 같이, 필요에 따라 추가적으로 비활성 물질 등으로 코팅하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 본 발명에서는 Cu로 된 지지체 표면을 카본을 이용하여 습식 코팅하였다.
마지막으로 본 발명에서의 반응물 확산층도, 도 7에서 도시된 바와 같이, Cu 발포체를 이용하여 제조하였다. 다만, 이전의 환원 반응층 및 고속 이동층과 대비하여, 본 발명에서의 반응물 확산층의 기공은 더욱 미세하며 구조 자체도 무질서한(random) 구조를 가짐을 알 수 있다.
한편, 본 발명에서의 고속 이동층 및 반응물 확산층은 Cu 이외에도 발포 금속으로 많이 사용되는 Ni 또는 Al 등으로도 형성될 수 있으며, 필요한 경우 선택되는 물질에 따라 알맞은 코팅층을 형성할 수도 있다.
도 7 및 8에서 예시된 본 발명의 다층 전극은 도 1 및 4에서 도시된 전기화학 셀에서의 음극에 사용되어, 원하는 반응물의 전환에 이용된다.
도 9는 도 7 및 8에서 예시된 본 발명에 따른 다층 전극과 종래의 전극을 이용한 이산화탄소 분해를 위한 전기화학 셀의 Faradaic 효율을 측정한 결과이다.
도 9에서의 각각의 기체별 Faradaic 효율은, 기체 반응물이 반응기 외부로 유출되지 않게 밀폐된 글래스 반응기에 환원전극, 산화전극, 기준전극, 멤브레인으로 구성된 3전극 전기화학 평가 셀을 이용하여 측정된 결과이다. 전해질은 CO2가 포화된 0.1M KHCO3 수용액을 사용하였고, 인가전압은 3.0 V, 평가된 전극의 면적은 5 ㎠로 규격화하였고, CO2 및 H2O의 유입량은 각각 20 cc/min 및 1 cc/min의 조건에서 평가하였다. C2H4를 포함한 가스들의 성분 분석은 기체 크로마토그래피를 사용하였으며, Faradaic Efficiency(예: 에틸렌(C2H4))는 아래의 식으로 계산하였다.
Faradaic Efficiency = (생성된 C2H4 몰수 X C2H4 1몰 생성에 필요한 전자수 X 패러데이 상수) / 환원전극에 인가된 전체 전하량 X 100%
도 9에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다층 전극을 이용한 전기화학 셀은 종래의 전극을 이용한 셀 대비, 메탄(CH4)과 수소(H2)를 제외한 생성물(product) 기체(gas)의 효율이 증가한 것으로 나타났다. 특히 에틸렌(C2H4)의 추출 효율은 17배 이상 크게 증가하였는데, 이는 본 발명의 다층 전극의 높은 비표면적으로 인한 반응의 극대화와 함께 반응물과 생성물의 이동을 빠르게 하고 이를 통해 환원 반응층에서의 경시변화를 최소화하였기 때문인 것으로 판단된다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (15)

  1. 물질을 환원시키기 위한 환원 반응이 일어나고, 내부에 이온이 침투할 수 있는 기공을 포함하며, 촉매를 포함하는 환원 반응층;
    상기 촉매로 반응 물질들을 이동시키고 생성물들을 배출시키기 위한 미세 확산 기공이 무질서하게 분포하는 반응물 확산층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 환원 반응층 내의 기공이 반응물 확산층 내의 기공보다 더 크거나;
    또는 상기 환원 반응층의 비표면적보다 반응물 확산층의 비표면적이 더 큰 것;
    을 특징으로 하는 다층 전극.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 환원 반응층은 촉매로 이루어진 다공체인 것;
    을 특징으로 하는 다층 전극.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 환원 반응층은 전기전도도를 가지는 담지체;
    상기 담지체를 코팅하는 촉매;
    를 포함하는 다층 전극.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 촉매는 Cu, CuO, Cu3N, TaN, OsN, NbN, MoN, IrN, AgN, VN, RuN, MnN, RhN, PdN, NiN, CoN, FeN, CrN, HfN, TiN, YN, ZrN, ScN 들 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것;
    을 특징으로 하는 다층 전극.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 담지체는 전기 전도성을 가지는 것;
    을 특징으로 하는 다층 전극.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 담지체는 금속 또는 탄소를 포함하는 것;
    을 특징으로 하는 다층 전극.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 반응물 확산층은 불활성 또는 소수성 물질로 코팅된 것;
    을 특징으로 하는 다층 전극.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 반응물 확산층은 전기 전도성을 가지는 것;
    을 특징으로 하는 다층 전극.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 환원 반응층과 반응물 확산층 사이에 위치하며, 방향성을 가지는 통기성 구조를 포함하는 고속 이동층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 전극.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 고속 이동층 내의 기공이 환원 반응층 내의 기공보다 더 크거나;
    또는 상기 고속 이동층의 비표면적보다 환원 반응층의 비표면적이 더 큰 것;
    을 특징으로 하는 다층 전극.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 고속 이동층은 전기 전도성을 가지는 것;
    을 특징으로 하는 다층 전극.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 고속 이동층의 통기성 구조는 불활성 또는 소수성 물질로 코팅된 것;
    을 특징으로 하는 다층 전극.
  14. 물질의 환원 반응을 하기 위한 전기화학적 셀(cell)로서,
    제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항의 다층 전극을 포함하고 환원 반응이 일어나는 음극;
    산화 반응이 일어나는 양극;
    상기 양극과 음극이 담기는 전해질을 수용하기 위한 구획;
    상기 양극과 음극 사이에서 위치하며 상기 전해질 상의 원하는 성분만 선택적으로 통과시키는 멤브레인;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 음극은 표면에 다공질 또는 요철을 가지는 것;
    을 특징으로 하는 전기화학 셀.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230111303A (ko) * 2022-01-18 2023-07-25 중앙대학교 산학협력단 역류방지 기능을 가진 수소 압축기

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110624593A (zh) * 2019-09-30 2019-12-31 陕西科技大学 一种VN@Co电催化剂的制备方法
CN111206271B (zh) * 2020-02-14 2021-09-28 山西大学 一种自支撑金属掺杂氮化铁电极的制备方法、产品及应用

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE0100927D0 (sv) * 2001-03-16 2001-03-16 Kth Holding Ab Oxygen reduction electrode
JPWO2010131535A1 (ja) * 2009-05-13 2012-11-01 日本電気株式会社 触媒電極、燃料電池、空気電池および発電方法
RU2014152645A (ru) * 2012-06-12 2016-07-27 Монаш Юниверсити Газопроницаемый электрод и способ получения
JP6166485B2 (ja) * 2014-10-20 2017-07-19 パナソニック株式会社 電極、燃料電池及び水処理装置
KR101773969B1 (ko) * 2016-11-11 2017-09-04 한국과학기술연구원 환원반응을 향상시키는 전기화학 반응 셀

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230111303A (ko) * 2022-01-18 2023-07-25 중앙대학교 산학협력단 역류방지 기능을 가진 수소 압축기

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