KR20190107876A - 이산화탄소 환원 시스템 및 이산화탄소 환원 방법 - Google Patents

이산화탄소 환원 시스템 및 이산화탄소 환원 방법 Download PDF

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조남헌
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템은, 이산화탄소가 용해된 전해질을 포함하는 반응기, 전해질에 적어도 일부가 침지된 제1 및 제2 전극, 제2 전극의 표면에 코팅된 촉매층, 및 이산화탄소가 환원되도록 제1 및 제2 전극에 전기적 신호를 인가하는 전원부를 포함하고, 전원부는 제2 전극에 주기적으로 역전압(reverse bias)을 인가하도록 제어된다.

Description

이산화탄소 환원 시스템 및 이산화탄소 환원 방법{REDUCTION SYSTEM OF CARBON DIOXIDE AND METHOD OF REDUCING CARBON DIOXIDE USING THE SAME}
본 발명은 이산화탄소 환원 시스템 및 이산화탄소 환원 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 촉매의 활성도가 유지되는 이산화탄소 환원 시스템 및 이산화탄소 환원 방법에 관한 것이다.
최근, 탄소 기반 에너지의 고갈 및 연료 가스 배출로 인한 환경 문제를 해결하기 위한 대책으로, 이산화탄소 전환을 통해 대체 에너지를 얻는 방식에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 중에서도 전기에너지, 특히 전기화학적 방법을 통해 이산화탄소를 전환하는 방법이 널리 연구되고 있다. 이산화탄소의 전기화학적 전환은 상온, 상압 조건 하의 수용액에서 일산화탄소, 포름산, 옥살산, 메탄올, 에탄올, 아세트알데히드 등의 다양한 유기물로의 전환이 가능하다. 따라서, 생성물에 대한 선택성의 확보를 위하여 촉매의 개발이 중요하다.
이와 같은 촉매의 안정성은 반응 속도를 나타내는 전류밀도의 유지 및 생성물에 대한 선택도의 유지로 나타날 수 있다. 하지만, 종래의 이산화탄소 환원 시스템의 경우, 환원 과정의 중단 또는 촉매의 분리 과정 없이 촉매의 활성도를 장시간 동안 유지하는 기술을 제시하지 못하였다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 촉매의 활성도가 유지되는 이산화탄소 환원 시스템 및 이산화탄소 환원 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템은, 이산화탄소가 용해된 전해질을 포함하는 반응기, 상기 전해질에 적어도 일부가 침지된 제1 및 제2 전극, 상기 제2 전극의 표면에 코팅된 촉매층, 및 이산화탄소가 환원되도록 상기 제1 및 제2 전극에 전기적 신호를 인가하는 전원부를 포함하고, 상기 전원부는 상기 제2 전극에 주기적으로 역전압(reverse bias)을 인가하도록 제어된다.
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법은, 제1 전극, 촉매가 코팅된 제2 전극, 및 이산화탄소가 용해된 전해질을 수용하는 반응기를 준비하는 단계, 상기 반응기에 전기적 신호를 인가하여 상기 전해질 내에 용해된 이산화탄소를 전기분해하는 단계, 및 상기 제2 전극에 주기적으로 역전압을 인가하는 단계를 포함한다.
반응의 중단 없이도 촉매의 활성도를 유지할 수 있는 이산화탄소 환원 시스템 및 이산화탄소 환원 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 촉매 활성 작용을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 전류 밀도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 전류 밀도 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 전류 밀도 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 패러데이 효율의 변화를 나타내는 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형되거나 여러 가지 실시예가 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시예는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
이산화탄소 환원 시스템
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 이산화탄소 환원 시스템(100)은, 반응기(110), 전해질 수용액(115), 기준 전극(120), 제1 전극(anode)(130), 제2 전극(cathode)(140), 및 전원부(160)를 포함할 수 있다. 기준 전극(120), 및 제1 및 제2 전극(130, 140)은 전원부에 의하여 연결될 수 있다. 실시예들에 따라, 이산화탄소 환원 시스템(100)은 제1 및 제2 전극(130, 140)을 분할하며 이온 투과성 물질로 이루어진 멤브레인을 더 포함할 수 있다. 또한, 실시예들에 따라, 이산화탄소 환원 시스템(100)은 생성물 포집부 및 이산화탄소 공급부 등을 더 포함할 수 있다.
이산화탄소 환원 시스템(100)은 전해질 수용액(115) 내의 이산화탄소를 일산화탄소, 포름산(formic acid), 옥살산(oxalic acid), 메탄올, 에탄올, 아세트알데히드 등의 다양한 생성물 중 적어도 하나로 환원시키는 시스템일 수 있다.
반응기(110)는 전해질 수용액(115)을 수용할 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 반응기(110)는 예를 들어, 파이렉스, 아크릴, 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC) 등으로 이루어질 수 있다.
전해질 수용액(115)은 반응기(110) 내에 수용되며, 이산화탄소의 공급원 및 이산화탄소의 환원 반응 시 생성되는 양성자의 수용체로서의 역할을 수행할 수 있다. 전해질 수용액(115)은 이산화탄소가 용해된 증류수에, 예를 들어, 탄산수소나트륨(NaHCo3), 중탄산칼륨(KHCO3), 및 과염소산나트륨(NaClO4) 중 적어도 하나를 더 포함하는 용액일 수 있다.
기준 전극(120)은 제1 및 제2 전극(130, 140)의 전극 전위를 측정하기 위한 전극일 수 있으며, 특별한 제한이 없으나, 염화은(AgCl), 은(Au) 또는 이의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 기준 전극(120)은 음극 또는 양극 중 어느 한 쪽에 위치할 수 있다.
제1 및 제2 전극(130, 140)은 전해질 수용액(115) 내에 일부 또는 전부가 침지될 수 있다. 제1 전극(130)은 상대 전극(counter electrode)이고, 제2 전극(140)은 작업 전극(working electrode)일 수 있다. 제1 및 제2 전극(130, 140)은 각각 반도체 물질 또는 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극(130, 140)은 구리(Cu), 수은(Hg), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 주석(Sn), 아연(Zn), 철(Fe), 및 이들이 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 전극(130)은 산화 전극이고, 제2 전극(140)은 환원 전극일 수 있다.
제2 전극(140)의 적어도 일 면에는 촉매층(150)이 부착 또는 코팅될 수 있으며, 촉매층(150)은 이산화탄소의 환원 효율을 향상시키고, 특정 생성물에 대한 선택성을 향상시킬 수 있다. 촉매층(150)은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 수은(Hg) 등의 귀금속(noble metal), 및 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd) 등의 전이 금속 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에서, 제2 전극(140)은 유리상 탄소(glassy carbon)으로 이루어지고, 촉매층(150)은 전이 금속의 나노입자, 예컨대 팔라듐(Pd) 나노입자들의 파우더가 코팅된 층일 수 있다. 또한, 예를 들어, 일 실시예에서, 제2 전극(140)은 구리 호일과 같은 귀금속으로 이루어지고, 촉매층(150)은 상기 구리 호일의 적어도 일부가 산화된(oxide-derived) 산화구리층일 수 있다.
전원부(160)는 반응기(110) 내에 전기적 신호를 인가함으로써, 이산화탄소의 환원 반응이 일어나게 할 수 있다. 전원부(160)는 기준 전극(120) 및 제1 및 제2 전극(130, 140) 모두에 연결되거나, 일부에만 연결될 수 있다. 전원부(160)가 인가하는 전압은 0.2 V 내지 100 V의 범위일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 전원부(160)는 제2 전극(140)에 주기적으로 역전압(reverse bias), 즉 산화 전압을 인가하도록 제어될 수 있다. 이에 대해서는 하기에 이산화탄소 환원 방법과 함께 더욱 상세히 설명한다.
이산화탄소 환원 시스템(100)에서 제1 및 제2 전극(130, 140)의 사이에 전압이 인가되면, 제1 전극(130)에서 산소가 발생하고, 제2 전극(140)에서 이산화탄소가 환원되는 반응이 일어나게 된다. 상술한 것과 같이, 이산화탄소의 환원 반응 생성물은 조건에 따라 다양할 수 있으며, 특히 사용하는 촉매층(150)의 물질에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 제2 전극(140)에서의 반응은 생성물에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예시적으로, 생성물이 포름산 및 일산화탄소인 경우, 제1 및 제2 전극(130, 140)에서의 각 반응은 하기와 같은 반응식 1과, 반응식 2-1 또는 2-2로 표현될 수 있다.
[반응식 1] H2O → 1/2 O2 + 2 H+ + 2 e-
[반응식 2-1] CO2 + 2 H+ + 2 e- → HCOOH
[반응식 2-2] CO2 + 2H+ + 2e- → CO + H2O
본 발명의 실시예들에서는, 이산화탄소 전환 시스템으로, 전기분해 시스템을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소의 환원 방법은 다양한 전기화학반응 시스템들에 이용될 수 있을 것이다.
이산화탄소 환원 방법
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법은, (1) 제1 및 제2 전극(130, 140) 및 이산화탄소가 용해된 전해질 수용액(115)을 수용하는 반응기(110)를 준비하는 단계, (2) 반응기(110)에 전기적 신호를 인가하여 전해질 수용액(115) 내에 용해된 이산화탄소를 전기분해하는 단계, 및 (3) 제2 전극(140)에 주기적으로 역전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (1) 단계에서, 반응기(110)의 구성은 도 1을 참조하여 상술한 것과 같은 구성으로 준비될 수 있다. 전해질 수용액(115)은 제1 및 제2 전극(130, 140) 등이 설치되기 전이나 설치된 후에 반응기(110) 내에 투입될 수 있다. 실시예들에 따라, 이온 투과성 멤브레인이 반응기(110) 내에 설치될 수 있다. 이산화탄소는 전해질 수용액(115) 내에 미리 용해시키거나, 전기분해가 진행되는 동안 계속적으로 공급할 수 있다.
상기 (2) 단계에서, 전원부(160)를 통하여 반응기(110)에 침지된 기준 전극(120) 및 제1 및 제2 전극(130, 140)에 전기적 신호를 인가하여 이산화탄소의 환원 반응이 일어나게 할 수 있다. 예를 들어, 기준 전극(120)을 기준으로, 제1 전극(130)에는 양전압이 인가되고, 제2 전극(140)에는 음전압이 인가될 수 있다. 이산화탄소는 제2 전극(140)에서 환원되어 생성물을 발생시키고, 제1 전극(130)에서는 물이 산화되어 산소가 발생할 수 있다. 다만, 제1 전극(130)에서의 반응은 전해질 수용액(115) 내에 투입된 물질에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
상기 (3) 단계에서, 제2 전극(140)에 주기적으로 역전압, 예를 들어, 상기 (2) 단계에서와 반대되는 극성의 전압을 인가할 수 있다. 따라서, 제2 전극(140)에는 산화 전압, 예를 들어 양전압이 인가될 수 있다. 다만, 본 발명에서의 역전압의 개념은 반드시 양의 전압값에 한정되는 것은 아니며, 촉매층(150)을 둘러싸는 이산화탄소 환원 시스템 내의 분위기를 환원 분위기에서 산화 분위기로 전환할 수 있는 전압을 의미하는 개념으로 사용될 수 있다.
상기 (3) 단계는 상기 (2) 단계의 전기분해가 진행되는 중에 주기적으로 수행될 수 있다.
인가되는 역전압의 크기는, 예를 들어 0.4 V 내지 2 V의 범위일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 실시예들에 따라 최적화된 범위로 선택될 수 있다. 역전압이 인가되는 주기 및 인가 시간도 실시예들에서 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 역전압이 인가되는 주기는 1 분 내지 60 분의 범위일 수 있으며, 역전압이 인가되는 시간은 한 주기마다 4 초 내지 300 초의 범위일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
일 실시예에서, 상기 (3) 단계에 의하여, 제2 전극(140)의 표면에 부착된 촉매층(150)에 흡착된 이물질이 제거될 수 있다. 상기 이물질은 예를 들어, 전기분해 반응의 생성물 및/또는 중간 생성물인 중간체를 포함할 수 있다. 제2 전극(140)에 역전압을 인가함으로써, 상기 이물질이 촉매층(150)으로부터 탈착될 수 있다. 따라서, 촉매층(150)은 표면 상태가 초기 상태로 회복될 수 있으며, 이에 의해 촉매의 활성도 저하를 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (3) 단계에 의하여, 제2 전극(140)의 표면에 부착된 촉매층(150)이 산화되어, 초기의 표면 상태로 회복될 수 있다. 예를 들어, 촉매층(150)의 표면은 상기 (2) 단계의 환원 반응에 의하여 초기 상태와 다르게 변형될 수 있으며, 이에 따라 촉매의 활성도가 저하되어 생성물 선택도가 감소할 수 있다. 이 경우, 역전압을 인가함으로써, 촉매층(150)의 표면이 산화되어 초기의 표면 상태를 회복할 수 있다.
특히, 상기 (3) 단계는 상기 (2) 단계의 전기분해가 진행되는 중에 수행되므로, 이와 같은 촉매의 활성도 회복이 전기분해 반응의 중단 또는 촉매층(150)의 분리 없이, 전원부(160)의 제어만으로 이루어질 수 있다. 따라서, 이산화탄소 환원 시스템의 환원 효율이 저하되지 않으면서 촉매 활성도를 유지할 수 있다. 특히, 이산화탄소 환원 시스템의 경우, 다양한 생성물 및 중간체들이 생성되므로, 목적하는 생성물의 선택도를 확보하기 위하여 이와 같이 촉매의 활성도를 유지하는 것이 더욱 중요하다. 따라서, 본 발명의 이산화탄소 환원 방법에 의하면, 고전압 및 고전류 밀도에서도 지속적이며 안정적으로 생성물을 포집할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 대하여 실시예들을 바탕으로 보다 상세하게 설명한다.
제1 실시예의 이산화탄소 환원 시스템 및 이산화탄소 환원 방법
도 2 내지 도 5를 참조하여, 제1 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템 및 이산화탄소 환원 방법을 설명한다.
제1 실시예의 경우, 기준 전극(120)으로 Ag/AgCl 전극을 사용하고, 제1 전극(130)으로 백금(Pt) 플레이트, 제2 전극(140)으로 유리상 탄소, 촉매층(150)은 팔라듐(Pd) 나노입자들의 파우더가 코팅된 층을 사용하였다. 전해질 수용액(115)은 0.5 M의 NaHCO3 및 0.5 M의 NaClO4를 포함하였다. 제1 및 제2 전극(130, 140)의 사이에 나피온(NAFION®) 멤브레인을 설치하였다. 제2 전극(140)에는 포름산의 선택도가 높은 전압을 선택하여 -0.8 V의 전압을 인가하고, 20 분의 주기로 역전압을 0.6 V의 전압으로 인가하였다. 이산화탄소는 전기분해 중에 계속적으로 공급하였으며, 약 20 cc/min으로 공급하였다. 제1 실시예의 환원 시스템에서는, 이산화탄소의 환원 반응이 포름산염(HCOO), OCHO 등의 중간체를 거쳐 일산화탄소 및/또는 포름산을 발생시키는 경로로 이루어졌다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 촉매 활성 작용을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 제1 실시예의 이산화탄소 환원 시스템에서 측정한 순환 전류-전압 곡선(cyclic voltammogram)이 도시된다. 환원 반응의 시간을 0, 20, 40, 및 60 분으로 다르게 하면서 측정이 수행되었다. 도 2의 그래프들에서, (1)로 표시한 우측 피크는 환원 반응 시간이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 촉매층의 표면에 부착된 생성물인 일산화탄소(CO)의 양이 증가함을 나타낸다. 또한, 그래프들에 (2)로 표시한 포름산염의 산화는 처음 산화 전압 구간을 지날 때에는 나타나지 않다가, 그래프들에 (3)으로 표시한 구간에서 이루어지는 일산화탄소의 탈착 작용 이후에 (2)로 표시한 포름산염의 산화에 의한 피크가 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 포름산염의 산화가 일산화탄소의 흡착에 의해 촉매의 활성 지점(active site)들이 막혀 저지되었다가, 일산화탄소가 탈착된 후에 촉매가 활성화되어 반응이 이루어지는 것으로 해석할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 전류 밀도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 역전압을 0.6 V 인가한 경우, 역전압 인가 시간에 따른 전류 밀도 측정 결과를 도시한다. 제1 실시예의 시스템에서, 역전압을 0.4 V 인가한 경우, 8 초 동안 인가한 이후에도 초기 전류 밀도의 회복이 나타나지 않은 반면, 0.6 V를 인가한 경우, 도시한 것과 같이 6 초 이후에 전류 밀도가 회복되었다.
생성물의 선택도를 나타내는 패러데이 효율은 아래 표 1에 나타난 것과 같이, 6 초 이상 역전압을 인가한 경우에 100 % 이상의 값에서 크게 변화하지 않았다. 따라서, 제1 실시예의 시스템의 경우, 역전압은 0.6 V로 20 분 당 6 초 이상 인가하는 조건에서 촉매의 활성도가 회복되는 효과가 나타나는 것으로 해석할 수 있다. 다만, 실시예들에서, 촉매의 물질 및 구조, 전해질 수용액 내에 포함되는 물질 및 그 농도, 전극에 인가되는 전압의 크기, 주기의 길이 등에 따라, 역전압 인가 조건은 다르게 설정될 수 있을 것이다.
역전압 인가 시간 (sec) 패러데이 효율 (%)
2 75.53
6 102.94
10 106.88
20 102.86
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 전류 밀도 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 4를 참조하면, 20 분의 주기로 0.6 V의 역전압을 6초간 인가하면서 전기분해 반응을 24 시간 동안 수행한 경우, 1 시간을 하나의 사이클로 볼 때, (a) 첫번째 사이클, (b) 6번째 사이클, (c) 12번째 사이클, (d) 18번째 사이클, 및 (e) 마지막 사이클에 대한 전류 밀도의 변화를 나타낸다. 도 5는 첫번째 사이클과 마지막 사이클에 대한 그래프인 도 4의 (a)와 (e)의 그래프를 중첩하여 도시한다.
도 4 및 도 5에 나타난 것과 같이, 주기적으로 역전압을 인가한 경우, 초기의 전류 밀도가 23 시간 이후에도 거의 유지되는 것을 알 수 있다. 마지막 주기에서의 패러데이 효율은 약 91.38 %로, 90 % 이상의 효율을 나타났다. 따라서, 주기적으로 역전압을 인가한 경우, 일산화탄소가 촉매에 흡착되어 촉매의 활성도를 저하시키는 것을 계속적으로 방지할 수 있음을 알 수 있다.
제2 실시예의 이산화탄소 환원 시스템 및 이산화탄소 환원 방법
도 6 내지 도 8을 참조하여, 제2 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템 및 이산화탄소 환원 방법을 설명한다.
제2 실시예의 경우, 기준 전극(120)으로 Ag/AgCl 전극을 사용하고, 제1 전극(130)으로 백금(Pt) 플레이트, 제2 전극(140)으로 구리 호일, 촉매층(150)은 구리 호일의 일부가 산화된 층을 사용하였다. 전해질 수용액(115)은 0.1 M의 KHCO3를 포함하였다. 제2 전극(140)에는 에틸렌에 대한 선택도가 높은 것으로 알려진 -1.8 V의 전압을 인가하고, 30 분의 주기로 역전압을 1.1 V의 전압으로 인가하였다. 이산화탄소는 시스템 내에 포화된 상태로 기밀(gas tight) 상태를 유지하며 전기분해를 수행하였다. 제2 실시예의 환원 시스템에서는, 이산화탄소의 환원 반응의 생성물이 에틸렌(C2H4)인 조건으로 전기분해 반응을 수행하였다.
특히, 촉매층(150)은 전기분해 반응 전에, 구리를 일부 산화 처리하여 산화구리층을 형성하였다. 촉매층의 산화 처리는, 아래의 표 2와 같이 산화 전압을 다르게 인가하면서 에틸렌에 대한 패러데이 효율을 측정한 결과를 바탕으로, 1.1 V의 전압으로 선택하였다.
산화 전압 (V) 패러데이 효율 (%)
0.8 31.2
1.1 41.4
1.4 28.0
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 전류 밀도 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 6을 참조하면, 실시예에 따른 전류 밀도 변화가 도시되며, 역전압을 30 분 주기로 240 초 동안 1.1 V로 인가한 결과를 도시한다. 도 6에 나타난 것과 같이, 전류 밀도가 초기와 거의 비슷한 수준으로 유지됨을 알 수 있다.
도 7을 참조하면, 비교예의 경우, 실시예와 동일한 시스템에서 역전압을 인가하는 단계를 수행하지 않은 경우의 전류 밀도의 변화를 나타낸다. 비교예의 경우 전류 밀도가 지속적으로 상승하는 경향을 나타내었다. 또한, 아래에서 도 8을 참조하여 설명하는 것과 같이, 생성물의 분석 결과 효율이 감소하는 것으로 나타났으며, 결과적으로 수소의 생성이 증가했을 것으로 추측할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 이산화탄소 환원 방법에 따른 패러데이 효율의 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 8을 참조하면, 비교예의 경우, 반응이 계속됨에 따라 패러데이 효율이 점차적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 하지만, 실시예의 경우, 2 시간 경과 후에도 약 27.5 %의 효율을 나타내어, 초기의 효율인 35.6 %의 70 % 이상의 효율을 나타내었다. 따라서, 본 발명의 실시예와 같이 역전압을 주기적으로 인가하는 경우, 촉매의 산화 처리 효과가 유지됨으로써, 환원 반응에 의해 촉매의 표면이 변하는 것을 방지하고 초기의 촉매의 표면 상태를 유지할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100: 이산화탄소 환원 시스템
110: 반응기
115: 전해질 수용액
120: 기준 전극
130: 제1 전극
140: 제2 전극
150: 촉매층
160: 전원부

Claims (12)

  1. 이산화탄소가 용해된 전해질을 포함하는 반응기;
    상기 전해질에 적어도 일부가 침지된 제1 및 제2 전극;
    상기 제2 전극의 표면에 코팅된 촉매층; 및
    이산화탄소가 환원되도록 상기 제1 및 제2 전극에 전기적 신호를 인가하는 전원부를 포함하고,
    상기 전원부는 상기 제2 전극에 주기적으로 역전압(reverse bias)을 인가하도록 제어되는 이산화탄소 환원 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 환원 전극이고, 상기 역전압은 산화 전압인 이산화탄소 환원 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 역전압은 한 주기마다 4 초 내지 300 초의 범위의 시간동안 인가되는 이산화탄소 환원 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 촉매층은 귀금속 원소 및 전이 금속 원소 중 적어도 하나를 포함하는 이산화탄소 환원 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 촉매층은 팔라듐(Pd) 나노 입자들을 포함하는 이산화탄소 환원 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 촉매층은 산화 처리된 구리를 포함하는 이산화탄소 환원 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    전압 측정을 위한 기준 전극을 더 포함하는 이산화탄소 환원 시스템.
  8. 제1 전극, 촉매가 코팅된 제2 전극, 및 이산화탄소가 용해된 전해질을 수용하는 반응기를 준비하는 단계;
    상기 반응기에 전기적 신호를 인가하여 상기 전해질 내에 용해된 이산화탄소를 전기분해하는 단계; 및
    상기 제2 전극에 주기적으로 역전압을 인가하는 단계를 포함하는 이산화탄소 환원 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 역전압을 인가하는 단계에 의해, 상기 촉매에 흡착된 물질이 제거되어 상기 촉매의 활성도가 유지되는 이산화탄소 환원 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 역전압을 인가하는 단계에 의해, 상기 촉매의 표면이 산화되어 상기 촉매의 활성도가 유지되는 이산화탄소 환원 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 역전압은 0.4 V 내지 2 V의 범위의 전압값으로 인가되는 이산화탄소 환원 방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 역전압은 한 주기마다 4 초 내지 300 초의 범위의 시간동안 인가되는 이산화탄소 환원 방법.
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