KR20190125822A - Electrochemical CO2 conversion device including Anion exchange membrane-Cation exchange membrane and carbon dioxide conversion method using same - Google Patents

Electrochemical CO2 conversion device including Anion exchange membrane-Cation exchange membrane and carbon dioxide conversion method using same Download PDF

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KR20190125822A
KR20190125822A KR1020180050117A KR20180050117A KR20190125822A KR 20190125822 A KR20190125822 A KR 20190125822A KR 1020180050117 A KR1020180050117 A KR 1020180050117A KR 20180050117 A KR20180050117 A KR 20180050117A KR 20190125822 A KR20190125822 A KR 20190125822A
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이재영
박기범
홍수직
이재광
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광주과학기술원
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Abstract

The present invention relates to an electrochemical CO_2 conversion reactor having CEM-AEM and a driving method thereof. More specifically, a carbon dioxide converter with high CO_2 conversion efficiency by using a carbon dioxide conversion device includes a cathode, an anode facing the cathode, and an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode, wherein the electrolyte membrane includes an anion exchange membrane in contact with the cathode and a cation exchange membrane in contact with the anode, and the anion exchange membrane and the cation exchange membrane are in contact with each other to have a junction structure.

Description

음이온교환막 및 양이온교환막을 포함한 전기화학적 CO2 전환 장치 및 이를 사용한 이산화탄소 전환방법{Electrochemical CO2 conversion device including Anion exchange membrane-Cation exchange membrane and carbon dioxide conversion method using same}Electrochemical CO2 conversion device including Anion exchange membrane-Cation exchange membrane and carbon dioxide conversion method using same}

본 발명은 음이온교환막 및 양이온교환막을 포함한 전기화학적 CO2 전환 장치 및 이를 사용한 이산화탄소 전환방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음이온 교환막을 포함하여 CO2전환 효율이 높은 이산화탄소 전환기를 제조하는 것에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical CO 2 conversion apparatus including an anion exchange membrane and a cation exchange membrane and a carbon dioxide conversion method using the same, and more particularly, to a production of a carbon dioxide converter having a high CO 2 conversion efficiency, including an anion exchange membrane.

기후변화대응의 기본 틀을 규정한 파리 협정(Paris Agreement) 체결 이후, 전 세계 국가들은 온실가스 감축 및 에너지정책 결정에 다양한 전환을 시도하였다.Since the conclusion of the Paris Agreement, which laid down the framework for climate change response, countries around the world have made various transitions to GHG reduction and energy policy decisions.

따라서, 대기 중으로 온실가스인 이산화탄소의 방출량을 감소시키는 방법을 발견하고 개발하는 것이 바람직하다.Therefore, it is desirable to find and develop a method of reducing the amount of carbon dioxide emission, which is a greenhouse gas into the atmosphere.

이산화탄소가 전기화학적으로 환원되는 방법은 이온 교환 방법에 따라 구분된다. 그 중 양이온 교환막을 이용하는 전기화학적 이산화탄소의 환원은 산화극에서 물이 분해되어 산소, 전자, 그리고 수소이온을 발생시키게 된다. 환원극에서는 이산화탄소가 산화극에서 발생한 전자와 함께 반응하여 환원반응을 일으켜 다른 물질로 전환된다.The way in which carbon dioxide is electrochemically reduced is classified according to the ion exchange method. Among them, the reduction of electrochemical carbon dioxide using a cation exchange membrane causes water to decompose in the anode to generate oxygen, electrons, and hydrogen ions. In the cathode, carbon dioxide reacts with the electrons from the anode, causing a reduction reaction, which is converted into another substance.

이산화탄소의 환원 생성물 중 액체 형태의 생성물은 기체 형태의 생성물에 비해서 에너지 밀도가 높고 취급이 용이하다는 장점을 가진다. 특히, 포름산은 다른 액체 형태의 이산화탄소 환원 생성물에 비해 높은 가격을 갖을뿐만 아니라 의약품의 합성이나 종이와 펄프의 생산과정에 활용이 가능하다는 이점을 가지고 있다. 이 때문에 포름산은 이산화탄소를 환원하여 생성할 수 있는 물질 중 다른 물질에 비해서 많은 관심을 받고 있다.The liquid form of the reduced product of carbon dioxide has the advantage of higher energy density and easier handling than the gaseous form. In particular, formic acid has a higher price than other liquid carbon dioxide reduction products, and has the advantage that it can be used in the synthesis of medicines and in the production of paper and pulp. Because of this, formic acid has received much attention compared to other materials that can be produced by reducing carbon dioxide.

일반적으로 이산화탄소를 액상 전해질에 포화시켜 환원극에 공급하는 방식의 액상 환원반응의 경우, 패러데이 효율(또는 전류 효율)이 80% 이상으로 기상 환원반응에 비해 높으나 생성물이 액상의 전해액과 혼합된 상태이므로 생성물의 농도가 수 ppm 수준으로 매우 낮다. 이에 따라 제품으로서의 가치가 매우 낮고 별도의 분리, 농축 공정이 필요하다.In general, in the liquid phase reduction reaction in which carbon dioxide is saturated in a liquid electrolyte and supplied to a cathode, the Faraday efficiency (or current efficiency) is 80% or higher, compared to the gas phase reduction reaction, but the product is mixed with the liquid electrolyte. The concentration of the product is very low, at the level of several ppm. This requires very low product value and requires separate separation and concentration processes.

한편, 이산화탄소를 직접 환원극에 공급하는 방식의 기상 환원반응의 경우 패러데이 효율은 현재까지 보고된 바로는 최고 성능이 10% 수준이다. 또한, 상기 이산화탄소의 기상 환원반응에서 생성물의 농도 역시 수 내지 수십mmol/L (수천 ppm 수준) 수준으로 제품으로서의 가치가 매우 낮다. 이에 따라 별도의 분리, 농축 공정이 필요하다.On the other hand, in the case of gas phase reduction reaction in which carbon dioxide is directly supplied to the cathode, Faraday efficiency is reported to be 10% of the highest performance. In addition, the concentration of the product in the gas phase reduction of carbon dioxide is also very low value as a product in the level of several to several tens of mmol / L (a few thousand ppm level). Accordingly, a separate separation and concentration process is required.

또한, 기존 전기화학적으로 이산화탄소를 전환하는 장치는 애노드에서 과량의 수소이온이 캐소드로 넘어가 이산화탄소가 전환되는 초개의 활성상태를 포화시켜 이산화탄소 전환율이 낮은 문제점이 있다.In addition, the conventional electrochemical conversion device for carbon dioxide has a problem that the carbon dioxide conversion rate is low by saturating the active state of the carbon dioxide is converted to excess hydrogen ions from the anode to the cathode.

따라서, 향상된 전체 엔지니어링(engineering) 및 전반적인 성능을 제공하는 전기화학적 공정이 필요하다.Thus, there is a need for an electrochemical process that provides improved overall engineering and overall performance.

한국 공개특허 KR 10-2015-0036093Korean Patent Publication KR 10-2015-0036093

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전기화학적 CO2전환 장치를 제공하는 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 포함한 전기화학적 CO2전환 반응기 및 이의 구동 방법을 사용하여 CO2전환 효율을 높이는 효과를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide an electrochemical CO 2 conversion device. More specifically, the present invention provides an effect of increasing the CO 2 conversion efficiency by using an electrochemical CO 2 conversion reactor including a cation exchange membrane and an anion exchange membrane and a driving method thereof.

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

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 이산화탄소 전환장치를 제공한다 이러한 이산화탄소 전환장치는 캐소드, 상기 캐소드와 마주보는 애노드 및 상기 캐소드 및 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고, 상기 전해질막은 상기 캐소드와 접하는 음이온교환막 및 상기 애노드와 접하는 양이온교환막을 포함하고, 상기 음이온교환막 및 상기 양이온교환막은 접하여 정션(junction)구조를 갖는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention provides a carbon dioxide conversion device includes a cathode, an anode facing the cathode and an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode, the electrolyte The membrane includes an anion exchange membrane in contact with the cathode and a cation exchange membrane in contact with the anode, wherein the anion exchange membrane and the cation exchange membrane are in contact with each other and have a junction structure.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 캐소드는 Sn, Sn 합금, Al, Au,Ag, C, Cd, Co, Cr, Cu,Cu합금, Ga, Hg, In, Mo, Nb, Ni, NiCo2O4, Ni 합금, Ni-Fe 합금, Pb, Rh, Ti, V, W, Zn, 엘길로이(elgiloy), 니크롬, 오스테나이트 강, 듀플렉스 강, 페라이트 강, 마텐자이트 강, 스테인레스 강 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the cathode is Sn, Sn alloy, Al, Au, Ag, C, Cd, Co, Cr, Cu, Cu alloy, Ga, Hg, In, Mo, Nb, Ni, NiCo 2 O 4 , Ni alloy, Ni-Fe alloy, Pb, Rh, Ti, V, W, Zn, elgiloy, nichrome, austenitic steel, duplex steel, ferrite steel, martensite steel, stainless steel or their It may be characterized by including one or more selected from the group consisting of a mixture.

또한, 상기 애노드는 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 주석, 철, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텡스텐, 바나듐 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종이상 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the anode includes one or more selected from the group consisting of platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, osmium, tin, iron, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, vanadium, or mixtures thereof. It can be characterized.

또한, 상기 음이온교환막은 상기 애노드에서 발생한 수소이온을 캐소드로 넘어가는 양을 감소시키는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the anion exchange membrane may be characterized in that to reduce the amount of hydrogen ions generated in the anode to pass to the cathode.

또한, 상기 음이온교환막은 탄화수소계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the anion exchange membrane may be characterized in that it comprises a hydrocarbon system.

또한, 상기 양이온교환막은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리설폰, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌, 아크릴산, 메타크릴산, 글리시딜아크릴레이트, 글리시딜메타크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 및 셀루로오스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the cation exchange membrane is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyamide, polyester, polysulfone, polyethylene, polypropylene, styrene, acrylic acid, methacrylic acid, glycidyl acrylate, glycidyl methacrylate, It may be characterized in that it comprises at least one member selected from the group consisting of polyethylene glycol diacrylate, 1,3-butylene glycol diacrylate, ethylene glycol dimethacrylate and cellulose.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 이산화탄소 전기화학 환원방법을 제공한다. 이러한 전기화학 환원방법은 제1주입구로 이산화탄소를 캐소드에 주입하는 단계, 제2주입구에 물 또는 전해액을 애노드에 주입하는 단계 및 상기 애노드 및 상기 캐소드에 전압을 인가하여 상기 애노드에서 상기 주입된 물 또는 전해액을 분해하고, 상기 캐소드에서 상기 주입된 이산화탄소를 환원시키는 단계를 포함하고, 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention provides a carbon dioxide electrochemical reduction method. The electrochemical reduction method includes injecting carbon dioxide into a cathode through a first inlet, injecting water or an electrolyte into an anode into a second inlet, and applying voltage to the anode and the cathode to apply water to the anode or the cathode. Decomposing an electrolyte solution and reducing the injected carbon dioxide at the cathode, between the anode and the cathode.

전해질막이 위치하되, 상기 전해질막은 상기 캐소드와 접하는 음이온교환막 및 상기 애노드와 접하는 양이온교환막을 포함하고, 상기 음이온교환막 및 상기 양이온교환막은 접하여 정션(junction) 구조를 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 전해질막의 음이온교환막은 상기 애노드에서 상기 물 또는 전해액을 분해하면서 발생된 수소이온이 상기 캐소드로 넘어가는 양을 감소시키는 것을 특징으로 한다. An electrolyte membrane is positioned, wherein the electrolyte membrane includes an anion exchange membrane in contact with the cathode and a cation exchange membrane in contact with the anode, and the anion exchange membrane and the cation exchange membrane are in contact with each other and have a junction structure. The exchange membrane is characterized in that the amount of hydrogen ions generated while decomposing the water or the electrolyte at the anode is reduced to the cathode.

또한, 상기 전해액은 KHCO3, K2CO3, KOH, KCl, KClO4, K2SiO3, Na2SO4, NaNO3, NaCl, NaF, NaClO4, CaCl2, 구아니디늄 양이온, H+양이온, 알칼리 금속 양이온, 암모늄 양이온, 알킬암모늄 양이온, 할라이드 이온, 알킬 아민, 보레이트, 카본에이트, 구아니디늄 유도체, 나이트라이트, 나이트레이트, 포스페이트, 폴리포스페이트, 퍼클로레이트, 실리케이트, 설페이트, 테트라알킬 암모늄염, 또는 이들의 혼합물을 함유하는 수용액인 것을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the electrolyte solution is KHCO 3 , K 2 CO 3 , KOH, KCl, KClO 4 , K 2 SiO 3 , Na 2 SO 4 , NaNO 3 , NaCl, NaF, NaClO 4 , CaCl 2 , guanidinium cation, H + Cations, alkali metal cations, ammonium cations, alkylammonium cations, halide ions, alkyl amines, borates, carbonates, guanidinium derivatives, nitrites, nitrates, phosphates, polyphosphates, perchlorates, silicates, sulfates, tetraalkyl ammonium salts, Or an aqueous solution containing a mixture thereof.

또한, 상기 이산화 탄소를 환원시키는 단계의 온도는 10℃ 내지 100℃인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the temperature of the step of reducing the carbon dioxide may be characterized in that 10 ℃ to 100 ℃.

본 발명의 실시예에 따르면, 이산화탄소를 가치 있는 탄화수소계 화합물로 전환시키는 효과를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide the effect of converting carbon dioxide to a valuable hydrocarbon-based compound.

또한, 본 발명은 수소반응을 최소하여 이산화탄소 전환효율을 높이는 효과를 제공할 수 있다In addition, the present invention can provide an effect of increasing the carbon dioxide conversion efficiency by minimizing the hydrogen reaction.

또한, 본 발명은 장소에 제약 받지 않고 안정적으로 이산화탄소를 전환할 수 있다.In addition, the present invention can convert carbon dioxide stably without being restricted by the place.

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

도 1은 본 발명의 이산화탄소 전환 장치 구조를 나타낸 모식도 이다.
도 2는 본 발명의 이산화탄소 전기화학 환원방법을 나타낸 순서도 이다.
도 3내지 도 4는 시간에따른 전류밀도 측정 결과 그래프이다.
도 5내지 도6은 전환 생성물 분석 결과를 나타낸 그래프 이다.
1 is a schematic diagram showing the structure of the carbon dioxide conversion device of the present invention.
2 is a flow chart showing a carbon dioxide electrochemical reduction method of the present invention.
3 to 4 are graphs of current density measurement results over time.
5 to 6 are graphs showing the results of the conversion product analysis.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, coupled)" with another part, it is not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member in between. "Includes the case. In addition, when a part is said to "include" a certain component, this means that it may further include other components, without excluding the other components unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described on the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

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

도 1은 본 발명의 이산화탄소 전환 장치 구조를 나타낸 모식도 이다.1 is a schematic diagram showing the structure of the carbon dioxide conversion device of the present invention.

도 1을 참조하면, 캐소드, 상기 캐소드와 마주보는 애노드 및 상기 캐소드 및 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고, 상기 전해질막은 상기 캐소드와 접하는 음이온교환막 및 상기 애노드와 접하는 양이온교환막을 포함하고, 상기 음이온교환막 및 상기 양이온교환막은 접하여 정션(junction)구조를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.1, a cathode, an anode facing the cathode, and an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode, wherein the electrolyte membrane includes an anion exchange membrane in contact with the cathode and a cation exchange membrane in contact with the anode, wherein the anion The exchange membrane and the cation exchange membrane may be in contact with each other and have a junction structure.

예를 들어서, 상기 캐소드는 Sn, Sn 합금, Al, Au,Ag, C, Cd, Co, Cr, Cu,Cu합금, Ga, Hg, In, Mo, Nb, Ni, NiCo2O4, Ni 합금, Ni-Fe 합금, Pb, Rh, Ti, V, W, Zn, 엘길로이(elgiloy), 니크롬, 오스테나이트 강, 듀플렉스 강, 페라이트 강, 마텐자이트 강, 스테인레스 강 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.For example, the cathode is Sn, Sn alloy, Al, Au, Ag, C, Cd, Co, Cr, Cu, Cu alloy, Ga, Hg, In, Mo, Nb, Ni, NiCo 2 O 4 , Ni alloy , Ni-Fe alloy, Pb, Rh, Ti, V, W, Zn, elgiloy, nichrome, austenitic steel, duplex steel, ferrite steel, martensite steel, stainless steel or mixtures thereof It may be characterized by including one or more selected from.

상기 캐소드에 이산화탄소가 공급되고 이산화탄소 전환 장치에 전압을 인가하면, 3CO2 + H2 + 2e-→ CO + 2HCO3 - 반응식과 같이 이산화탄소가 환원 될 수 있다.When carbon dioxide is supplied to the cathode voltage is applied to the carbon dioxide conversion device, 3CO 2 + H 2 + 2e - → CO + 2HCO 3 - may be carbon dioxide is reduced as shown in the following scheme.

상기 애노드는 상기 캐소드와 마주보게 배치될 수 있다.The anode may be disposed to face the cathode.

예를 들어서, 상기 애노드는 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 주석, 철, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텡스텐, 바나듐 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종이상 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.For example, the anode includes at least one selected from the group consisting of platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, osmium, tin, iron, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, vanadium or mixtures thereof. It can be characterized by.

상기 애노드는 금속 또는 전이금속을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The anode may be characterized in that it comprises a metal or transition metal.

상기 애노드에 물 또는 전해액이 공급되고 이산화탄소 전환 장치에 전압을 인가하면, 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- 반응식과 같은 원리로 상기 애노드에서 수소이온이 발생 될 수 있다.When the water or electrolyte solution to the anode supply and a voltage is applied to the carbon dioxide conversion device, 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e - has the same principle as the reaction formula can be a hydrogen ion generated at the anode.

상기 전해질막은 상기 캐소드 및 상기 애노드 사이에 위치할 수 있다.The electrolyte membrane may be located between the cathode and the anode.

또한, 상기 전해질막은 상기 캐소드와 접하는 음이온교환막 및 상기 애노드와 접하는 양이온교환막을 포함하고, 상기 음이온교환막 및 상기 양이온교환막은 접하여 정션(junction)구조를 갖을 수 있다.In addition, the electrolyte membrane may include an anion exchange membrane in contact with the cathode and a cation exchange membrane in contact with the anode, and the anion exchange membrane and the cation exchange membrane may have a junction structure in contact.

상기 정션에서는 H++HCO3 - → CO2 + H2O, H++OH- → H2O와 같은 반응식으로 물이 생성 될 수 있다.In the junction H + + HCO 3 -, water can be generated in a reaction scheme such as → H 2 O - → CO 2 + H 2 O, H + + OH.

따라서, 상기 전해질막에서 이산화탄소 전환 과정에서 물이 발생 될 수있고, 발생되는 물로 인하여 상기 캐소드에 이산화탄소를 주입할 때 가습하는 공정이 필요하지 않아 가습하는 공정이 따로 필요하지 않아 공정을 단축 시키는 효과를 제공할 수 있다.Therefore, water may be generated during the carbon dioxide conversion process in the electrolyte membrane, and the humidification process is not necessary when the carbon dioxide is injected into the cathode due to the generated water. Can provide.

또한, 상기 음이온교환막은 상기 애노드에서 발생한 수소이온을 캐소드로 넘어가는 양을 감소시키는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the anion exchange membrane may be characterized in that to reduce the amount of hydrogen ions generated in the anode to pass to the cathode.

종래의 이산화탄소 전환장치는 애노드에서 생성된 과량의 수소이온(H+)이 캐소드로 넘어가 이산화탄소가 전환되는 촉매의 활성 부위(Active site)를 포화시키므로 낮은 이산화탄소 전환효율을 갖는 문제점이 발생했다.The conventional carbon dioxide conversion device has a problem of having a low carbon dioxide conversion efficiency because an excess of hydrogen ions (H + ) generated from the anode is passed to the cathode to saturate the active site of the catalyst to convert carbon dioxide.

본 발명의 실시예에 따른 상기 음이온 교환막은 상기 애노드에서 발생한 수소이온을 캐소드로 넘어가는 수소이온양을 감소시켜 수소이온 농도를 제어할 수 있는 버퍼층(buffer layer)역할을 할 수 있다. The anion exchange membrane according to an embodiment of the present invention may serve as a buffer layer that can control the concentration of hydrogen ions by reducing the amount of hydrogen ions passing from the hydrogen ions generated at the anode to the cathode.

따라서, 본 발명의 음이온교환막은 애노드에서 캐소드로 넘어오는 과량의 수소이온(H+)을 선택적으로 제어하여 활성부위에 수소이온이 포화되는 것을 막고, 전기화학적 이산화탄소 전환의 선택성을 증가시켜 종래의 문제점을 해결하므로 이산화탄소 전환효율을 높이는 효과를 제공할 수 있다.Accordingly, the anion exchange membrane of the present invention selectively controls excess hydrogen ions (H + ) from the anode to the cathode to prevent hydrogen saturation at the active site, and increases the selectivity of the electrochemical carbon dioxide conversion to the conventional problem Therefore, it can provide an effect of increasing the carbon dioxide conversion efficiency.

예를 들어서, 상기 음이온교환막은 탄화수소계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.For example, the anion exchange membrane may be characterized in that it comprises a hydrocarbon system.

상기 음이온 교환막의 경우, 양이온 교환막 표면에서의 수소이온(H+)의 축적으로 인하여 캐소드의 이산화탄소 전환 성능이 저해되는 것을 방지하기 위하여 막 전극 접합체(MEA: Membrane electrode assembly)에 삽입되며, OH-, HCO3 -, CO3 2- 과 같은 음이온이 투과 가능한 분리상(分離像)을 의미할 수 있다.For the anion exchange membranes, due to the accumulation of hydrogen ions (H +) of the cation exchange membrane surface of the membrane electrode assembly to prevent the cathode carbon dioxide conversion performance is inhibited: is inserted into the (MEA Membrane electrode assembly), OH -, An anion such as HCO 3 , CO 3 2 may refer to a separate phase that can permeate.

또한, 상기 탄화수소계를 포함한 음이온 교환막은 탄산염을 액체 전해질을 포함하는 다공성 분리막을 사용할 수 있다.In addition, the anion exchange membrane including the hydrocarbon-based may be a porous separator comprising a carbonate of the liquid electrolyte.

예를 들어, 상기 탄화수소계는 4급 암모늄 염기, 피리디늄 염기, 이마다졸륨 염기, 제3급 아미노기 또는 포스포늄기를 포함할 수 있다.For example, the hydrocarbon system may include quaternary ammonium base, pyridinium base, imadazolium base, tertiary amino group or phosphonium group.

음이온 교환 수지는 시판품 예를 들어, Tokuyama Co. Ltd.의 상품형 (A201), FuMA-TechGmbH의 상품명 (Fumasep), Asahi Chemical Industry Co.의 상품명 (Aciplex) 등으로서 입수할 수도 있다.Anion exchange resin is commercially available, for example, Tokuyama Co. Ltd. Ltd. (A201), the trade name (Fumasep) of FuMA-TechGmbH, the trade name (Aciplex) of Asahi Chemical Industry Co., etc. can also be obtained.

예를 들어서, 상기 양이온교환막은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리설폰, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌, 아크릴산, 메타크릴산, 글리시딜아크릴레이트, 글리시딜메타크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 및 셀루로오스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.For example, the cation exchange membrane is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyamide, polyester, polysulfone, polyethylene, polypropylene, styrene, acrylic acid, methacrylic acid, glycidyl acrylate, glycidyl methacryl It may be characterized in that it comprises one or more selected from the group consisting of latex, polyethylene glycol diacrylate, 1,3-butylene glycol diacrylate, ethylene glycol dimethacrylate and cellulose.

상기 양이온 교환막의 경우 촉매 작용에 의하여 캐소드에서 생성된 환원 물질 혹은 중간체가 애노드로 이동하여 산화하지 않도록 하는 결기막 역할을 담당하며, 음이온의 투과를 억제하며 수소이온(H+)과 같은 양이온이 투과 가능한 분리상(分離像)일 수 있다.In the case of the cation exchange membrane, it acts as a barrier membrane to prevent the reduction material or intermediate produced at the cathode to move to the anode by oxidation, inhibits the permeation of the anion and is permeable to cations such as hydrogen ions (H +) It may be a separate phase.

본 발명에 있어서, 양이온 교환막은 양이온이 전도성이 있는 것으로 공지된 것을 제한 없이 사용할 수 있다.  In the present invention, the cation exchange membrane can be used without limitation that the cation is known to be conductive.

구체적으로는, 타공질 필름, 부직포, 직포, 종이, 부직지, 무기막 등을 둘 수 있다. 이들 양이온 교환막의 재질은 특별히 제한되는 것은 아니고, 열가소성 수지, 열경화성 수지, 무기물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.Specifically, a porous film, a nonwoven fabric, a woven fabric, paper, a nonwoven paper, an inorganic film, etc. can be provided. The material of these cation exchange membranes is not particularly limited, and thermoplastic resins, thermosetting resins, inorganic substances, and mixtures thereof can be used.

또한, 양이온 교환막 중에서도, 기계적 강도, 화학적 안정성 및 내약품성이 우수하고, 음이온 교환 수지와 친화가 좋은 관점에서 불화수소계 막 혹은 탄화수소계 막을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.In addition, among the cation exchange membranes, it may be preferable to use a hydrogen fluoride membrane or a hydrocarbon membrane from the viewpoint of excellent mechanical strength, chemical stability and chemical resistance, and good affinity with the anion exchange resin.

양이온 교환막은 시판품, 예를 들어, Dupont사의 상품명 [Nafion], FuMA-TechGmbH의 상품명 (Fumapem), 등으로서 입수할 수도 있다. A cation exchange membrane can also be obtained as a commercial item, for example, the brand name [Nafion] from Dupont, the product name (Fumapem) of FuMA-TechGmbH, etc.

따라서, 본 발명 구조를 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치는 이산화탄소를 가치 있는 탄화수소계 화합물로 전환시키는 효과, 수소반응을 최소하여 이산화탄소 전환효율을 높이는 효과 및 장소에 제약 받지 않고 안정적으로 이산화탄소를 전환할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.Therefore, the carbon dioxide conversion device characterized by the structure of the present invention is capable of converting carbon dioxide stably without being restricted by the effect of converting carbon dioxide to a valuable hydrocarbon-based compound, minimizing hydrogen reaction, and increasing the carbon dioxide conversion efficiency. Can provide an effect.

도 2는 본 발명의 이산화탄소 전기화학 환원방법을 나타낸 순서도 이다.2 is a flow chart showing a carbon dioxide electrochemical reduction method of the present invention.

도 2를 참조하면, 제1주입구로 이산화탄소를 캐소드에 주입하는 단계(S100), 제2주입구에 물 또는 전해액을 애노드에 주입하는 단계(S200) 및 상기 애노드 및 상기 캐소드에 전압을 인가하여 상기 애노드에서 상기 주입된 물 또는 전해액을 분해하고, 상기 캐소드에서 상기 주입된 이산화탄소를 환원시키는 단계(S300)를 포함하고, 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 전해질막이 위치하되, 상기 전해질막은 상기 캐소드와 접하는 음이온교환막 및 상기 애노드와 접하는 양이온교환막을 포함하고, 상기 음이온교환막 및 상기 양이온교환막은 접하여 정션(junction) 구조를 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 전해질막의 음이온교환막은 상기 애노드에서 상기 물 또는 전해액을 분해하면서 발생된 수소이온이 상기 캐소드로 넘어가는 양을 감소시키는 것을 특징으로 할 수 있다.Referring to FIG. 2, injecting carbon dioxide into a cathode through a first inlet (S100), injecting water or an electrolyte into an anode in a second inlet (S200), and applying a voltage to the anode and the cathode to the anode. Decomposing the injected water or the electrolyte in the step, and reducing the injected carbon dioxide in the cathode (S300), the electrolyte membrane is located between the anode and the cathode, the electrolyte membrane is an anion exchange membrane in contact with the cathode And a cation exchange membrane in contact with the anode, wherein the anion exchange membrane and the cation exchange membrane are in contact with each other and have a junction structure, wherein the anion exchange membrane of the electrolyte membrane is generated while decomposing the water or the electrolyte at the anode. To reduce the amount of hydrogen ions passed to the cathode. Can.

먼저, 제1주입구로 이산화탄소를 캐소드에 주입한다(S100).First, carbon dioxide is injected into the cathode through the first inlet (S100).

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 이산화탄소를 주입하는 단계는 이산화탄소를 따로 가습하는 공정이 필요하지 않을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the injecting the carbon dioxide may not require a process of humidifying the carbon dioxide separately.

본 발명의 이산화탄소 전환과정에서 물이 생성되는 화학반응으로 이산화탄소를 가습하는 공정이 필요하지 않아 공정을 단축하는 효과를 제공할 수 있다.In the process of converting carbon dioxide of the present invention, a chemical reaction in which water is generated does not require a process of humidifying carbon dioxide, thereby providing an effect of shortening the process.

그 다음으로, 제2주입구에 물 또는 전해액을 애노드에 주입한다(S200).Next, water or electrolyte is injected into the anode at the second inlet (S200).

예를 들어서, 상기 전해액은 KHCO3, K2CO3, KOH, KCl, KClO4, K2SiO3, Na2SO4, NaNO3, NaCl, NaF, NaClO4, CaCl2, 구아니디늄 양이온, H+양이온, 알칼리 금속 양이온, 암모늄 양이온, 알킬암모늄 양이온, 할라이드 이온, 알킬 아민, 보레이트, 카본에이트, 구아니디늄 유도체, 나이트라이트, 나이트레이트, 포스페이트, 폴리포스페이트, 퍼클로레이트, 실리케이트, 설페이트, 테트라알킬 암모늄염, 또는 이들의 혼합물을 함유하는 수용액인 것을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.For example, the electrolyte is KHCO 3 , K 2 CO 3 , KOH, KCl, KClO 4 , K 2 SiO 3 , Na 2 SO 4 , NaNO 3 , NaCl, NaF, NaClO 4 , CaCl 2 , guanidinium cation, H + cation, alkali metal cation, ammonium cation, alkylammonium cation, halide ion, alkyl amine, borate, carbonate, guanidinium derivative, nitrite, nitrate, phosphate, polyphosphate, perchlorate, silicate, sulfate, tetraalkyl It may be characterized in that it comprises an aqueous solution containing an ammonium salt, or a mixture thereof.

그 다음으로, 상기 애노드 및 상기 캐소드에 전압을 인가하여 상기 애노드에서 상기 주입된 물 또는 전해액을 분해하고, 상기 캐소드에서 상기 주입된 이산화탄소를 환원시킨다(S300).Subsequently, voltage is applied to the anode and the cathode to decompose the injected water or electrolyte at the anode, and the injected carbon dioxide is reduced at the cathode (S300).

예를 들어, 상기 애노드에서 수소이온을 발생하는 화학반응 반응식은 하기 [반응식 1] 일 수 있다.For example, a chemical reaction scheme for generating hydrogen ions at the anode may be the following [Scheme 1].

[반응식 1]Scheme 1

2H2O → O2 + 4H+ + 4e- 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -

즉, 본 발명에서 애노드 반응물은 액상이다. 애노드 영역에서는 물의 공급만으로도 수소이온을 형성할 수 있고, 전해액, 구체적으로 전해질을 함유한 수용액의 공급으로도 수소 이온을 형성할 수 있다.In other words, the anode reactant in the present invention is a liquid phase. In the anode region, hydrogen ions can be formed only by supplying water, and hydrogen ions can be formed by supplying an electrolyte solution, specifically, an aqueous solution containing an electrolyte.

예를 들어, 상기 캐소드에서 이산화탄소를 환원시키는 화학반응 반응식은 하기 [반응식 2] 일 수 있다.For example, a chemical reaction scheme for reducing carbon dioxide at the cathode may be the following [Scheme 2].

[반응식 2]Scheme 2

3CO2 + H2 + 2e-→ CO + 2HCO3 - 3CO 2 + H 2 + 2e - → CO + 2HCO 3 -

즉, 캐소드 영역 내의 반응물은 이산화탄소이다. 반응물인 이산화탄소는 캐소드 표면까지 전달된다. In other words, the reactant in the cathode region is carbon dioxide. The reactant carbon dioxide is delivered to the cathode surface.

또한, 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 전해질막이 위치하되, 상기 전해질막은 상기 캐소드와 접하는 음이온교환막 및 상기 애노드와 접하는 양이온교환막을 포함하고, 상기 음이온교환막 및 상기 양이온교환막은 접하여 정션(junction) 구조를 갖는 것을 특징으로 하고,In addition, an electrolyte membrane is positioned between the anode and the cathode, wherein the electrolyte membrane includes an anion exchange membrane in contact with the cathode and a cation exchange membrane in contact with the anode, and the anion exchange membrane and the cation exchange membrane are in contact with a junction structure. Characterized in that,

상기 전해질막의 음이온교환막은 상기 애노드에서 상기 물 또는 전해액을 분해하면서 발생된 수소이온이 상기 캐소드로 넘어가는 양을 감소시키는 것을 특징으로 할 수 있다.The anion exchange membrane of the electrolyte membrane may reduce the amount of hydrogen ions generated while decomposing the water or the electrolyte in the anode to the cathode.

상기 음이온교환막은 상기 애노드에서 발생한 수소이온을 캐소드로 넘어가는 수소이온 양을 감소시키는 것을 특징으로 할 수 있다.The anion exchange membrane may be characterized in that to reduce the amount of hydrogen ions passing from the hydrogen ions generated at the anode to the cathode.

종래의 이산화탄소 전환장치는 캐소드 표면에 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction; HER)이 발생하여 과량의 수소이온이 포화되는 경우 수소이온들 간의 결합으로 수소가 발생함으로 HER이 촉진되며 이와 경쟁 반응인 이산화탄소 전환반응은 억제된다.In the conventional carbon dioxide conversion device, a hydrogen evolution reaction (HER) occurs on the surface of the cathode, when excess hydrogen ions are saturated, hydrogen is generated as a bond between hydrogen ions, thereby promoting HER, and a competitive reaction is carbon dioxide conversion. The reaction is suppressed.

따라서, 양이온 교환막을 단독으로 전해질막으로 사용하는 종래의 경우 양이온 교환막의 경우 수소이온을 포함하여 양이온을 선택적으로 투과시키는 성질로 인하여, 애노드에서 발생한 과량의 수소이온이 캐소드로 넘어가 이산화탄소 전환율이 낮아지는 문제점이 발생했다.Therefore, in the conventional case of using a cation exchange membrane alone as an electrolyte membrane, in the case of a cation exchange membrane, due to the property of selectively permeating cations including hydrogen ions, the excess hydrogen ions generated at the anode are transferred to the cathode and the carbon dioxide conversion rate is lowered. A problem has occurred.

본 발명의 실시예에 따른 상기 음이온 교환막은 상기 애노드에서 발생한 수소이온을 캐소드로 넘어가는 양을 감소시켜 수소이온 농도를 제어할 수 있는 버퍼층(buffer layer)역할을 할 수 있다. The anion exchange membrane according to an embodiment of the present invention may serve as a buffer layer that can control the concentration of hydrogen ions by reducing the amount of hydrogen ions generated from the anode to the cathode.

따라서, 본 발명의 음이온교환막은 애노드에서 캐소드로 넘어오는 과량의 수소이온(H+)을 선택적으로 제어하여 활성부위에 수소이온이 포화되는 것을 막고, 전기화학적 이산화탄소 전환의 선택성을 증가시켜 종래의 문제점을 해결하므로 이산화탄소 전환효율을 높이는 효과를 제공할 수 있다.Accordingly, the anion exchange membrane of the present invention selectively controls excess hydrogen ions (H + ) from the anode to the cathode to prevent hydrogen saturation at the active site, and increases the selectivity of the electrochemical carbon dioxide conversion to the conventional problem Therefore, it can provide an effect of increasing the carbon dioxide conversion efficiency.

예를 들어, 상기 정션(junction)에서 발생하는 화학반응 반응식은 하기 [반응식 3] 및 [반응식 4]일 수 있다.For example, the chemical reaction scheme occurring at the junction may be the following [Scheme 3] and [Scheme 4].

[반응식 3]Scheme 3

H+ + HCO3 - → CO2 + H2O H + + HCO 3 - → CO 2 + H 2 O

[반응식 4]Scheme 4

H+ + OH- → H2O H + + OH - → H 2 O

이산화 탄소 전환 과정에서 애노드에서 발생하는 물로 인하여 이온 교환막으로 제공됨으로 이산화탄소를 주입할 때 습윤 상태를 유지할 수 있어 가습하는 공정이 필요하지 않을 수 있고, 상기 캐소드 영역내의 반응물인 이산화탄소와 함께 전해질막에서 발생하는 수분(H2O)이 전해질막에 공급된다.Due to the water generated at the anode during the carbon dioxide conversion process, it is provided to the ion exchange membrane so that the wet state can be maintained when the carbon dioxide is injected, so that a humidification process may not be required, and the carbon dioxide generated in the electrolyte membrane together with the carbon dioxide which is a reactant in the cathode region. Moisture (H 2 O) is supplied to the electrolyte membrane.

따라서, 습윤 상태를 유지할 수 있기 때문에 이산화 탄소를 주입할 경우 가습하는 공정이 필요하지 않아 공정을 단축시키는 효과를 제공할 수 있다.Therefore, since it is possible to maintain the wet state, when injecting carbon dioxide, a humidifying process is not required, and thus, the process may be shortened.

또한, 상기 전해질막은 캐소드에 접한 음이온 교환막 상기 애노드에 접한 양이온 교환막을 포함할 수 있다.In addition, the electrolyte membrane may include an anion exchange membrane in contact with the cathode and a cation exchange membrane in contact with the anode.

상기 음이온교환막은 음이온을 선택적으로 통과시키므로 상기 수소이온은 음이온 교환막을 통과할 수 없다.Since the anion exchange membrane selectively passes anions, the hydrogen ions cannot pass through the anion exchange membrane.

따라서, 상기 캐소드로 넘어오는 수소이온이 적고 상기 전해질막의 화학반응으로 수소이온 발생이 줄어들 수 있다.Therefore, less hydrogen ions are introduced to the cathode and hydrogen ions can be reduced by chemical reaction of the electrolyte membrane.

수소이온이 낮게 발생하므로 촉매의 활성부위에 수소이온이 포화되는 것을 막고 높은 이산화탄소 전환효율을 갖는 효과를 제공할 수 있다.Since hydrogen ions are generated low, it is possible to prevent hydrogen ions from saturating at the active site of the catalyst and provide an effect of having high carbon dioxide conversion efficiency.

따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 이산화탄소는 환원되어 이산화탄소 환원생성물을 제공할 수 있다.Therefore, according to the embodiment of the present invention, carbon dioxide may be reduced to provide a carbon dioxide reduction product.

예를 들어서, 이산화탄소 환원생성물은 일산화탄소, 메테인, 에테인, 에틸렌, 개미산, 포름 알데하이드, 포르메이트, 아세트알데하이드, 아세테이트, 아세트산, 아세톤, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-부탄온, 에탄올, 이소프로판올, 락테이트, 락트산, 메탄올, 1-프로판알, 1-프로판올, 프로피온산 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.For example, carbon dioxide reduction products include carbon monoxide, methane, ethane, ethylene, formic acid, formaldehyde, formate, acetaldehyde, acetate, acetic acid, acetone, 1-butanol, 2-butanol, 2-butanone, ethanol, isopropanol , Lactate, lactic acid, methanol, 1-propanal, 1-propanol, propionic acid or mixtures thereof.

상기 이산화 탄소의 환원 생성물로 환원시키는 단계의 온도는 10℃ 내지 100℃인 것을 특징으로 할 수 있다.The temperature of the step of reducing the reduced product of carbon dioxide may be characterized in that 10 ℃ to 100 ℃.

또한, 상기 환원시키는 단계의 온도가 10℃미만일 경우 물이 빙결하여 이온의 이동을 저해하고, 부피팽창으로 막 전극 접합체(MEA: Membrane electrode assembly)의 접함을 손상시켜 내구성 및 성능이 감소할 수 있다. 양이온 교환막 및 음이온 교환막의 모재가 되는 폴리머 유리 전이 온도가 100℃이므로 100℃ 초과할 경우 양이온 교환막 및 음이온 교환막의 내구성 및 성능이 감소할 수 있다.In addition, when the temperature of the reducing step is less than 10 ℃ water freezes to inhibit the movement of ions, volume expansion may damage the contact of the membrane electrode assembly (MEA: Membrane electrode assembly) may be reduced durability and performance. . Since the polymer glass transition temperature as the base material of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane is 100 ° C., when the temperature exceeds 100 ° C., the durability and performance of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane may decrease.

또한, 상기 이산화탄소를 환원하는 단계(S300)의 캐소드 및 애노드 상대습도는 특별히 제한되지 않는다.In addition, the cathode and anode relative humidity of the step of reducing the carbon dioxide (S300) is not particularly limited.

이산화탄소 전환반응의 경우 정션(junction)에서 수소이온과 음이온이 반응하여 물을 생성할 수 있다.In the case of the carbon dioxide conversion reaction, hydrogen ions and anions react at the junction to generate water.

이러한 물 분자를 분해하여 수소이온, 전자, 산소를 발생시키는 애노드의 전기화학 반응을 고려할 때, 과량의 물이 애노드에 공급되며 애노드에 공급된 물의 일부는 이온 교환막이 습윤상태를 유지하는 것에 사용될 수 있다.Considering the electrochemical reaction of the anode, which decomposes these water molecules to generate hydrogen ions, electrons, and oxygen, excess water is supplied to the anode and some of the water supplied to the anode can be used to keep the ion exchange membrane wet. have.

따라서, 상기 물은 애노드로부터 공급될 뿐만 아니라, 이온 교환막으로부터도 공급될 수 있다.Thus, the water can be supplied not only from the anode but also from the ion exchange membrane.

그로 인해, 본 발명의 이산화탄소 전환기의 경우 캐소드 및 애노드에 공급되는 가스의 상대습도는 제한되지 않는 효과가 있다.Therefore, in the case of the carbon dioxide converter of the present invention, there is an effect that the relative humidity of the gas supplied to the cathode and the anode is not limited.

하지만, 전환 장치의 운전 온도에 있어서 대략 0%RH 내지 95%RH정도의 상대습도를 유지할 수 있다.However, relative humidity of approximately 0% RH to 95% RH can be maintained at the operating temperature of the switching device.

더욱 바람직하게, 상대습도는 이온 전도도가 있는 교환막을 사용하므로 연료전지 시스템 및 양이온 교환막 수전해 시스템의 경우 캐소드 및 애노드에 공급되는 가스의 상대 습도가 80%RH내지 100%RH로 유지하는 것이 바람직할 수 있다.More preferably, since the relative humidity uses an exchange membrane having ion conductivity, it may be desirable to maintain the relative humidity of the gas supplied to the cathode and the anode from 80% RH to 100% RH in the case of a fuel cell system and a cation exchange membrane electrolytic system. Can be.

예를 들어, 공급되는 가스의 상대습도가 80%RH 미만일 경우, 이온 교환막이 건조되어 전기 저항이 높아지고, 전지 출력이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.For example, when the relative humidity of the gas to be supplied is less than 80% RH, the ion exchange membrane may be dried, resulting in high electrical resistance and a decrease in battery output.

또한, 상기 이산화탄소 전환 장치의 운전은 정전류 운전, 정전압 운전, 부하 변동 운전을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the operation of the carbon dioxide conversion device may be characterized by including a constant current operation, constant voltage operation, load fluctuation operation.

상기 정전류 운전에 있어서는 애노드 및 캐소드에 1.5V내지 4.5V 전압이 인가될 수 있다.In the constant current operation, a voltage of 1.5 V to 4.5 V may be applied to the anode and the cathode.

높은 전류밀도를 달성하기 위해 3V이상의 전압을 인가하는 것이 가능하지만 4.5V전압을 초과 할 경우 높은 전압에서 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction; HER)이 급격하게 증가하는 현상이 발생할 수 있다.It is possible to apply a voltage of 3V or more to achieve a high current density, but when the voltage exceeds 4.5V, the hydrogen evolution reaction (HER) may increase rapidly at a high voltage.

따라서, 1.5V내지 4.5V의 전압을 인가하는 것이 바람직하다. Therefore, it is preferable to apply a voltage of 1.5V to 4.5V.

제조예Production Example

1) 캐소드(200)에 제1주입구(100)를 통하여 이산화탄소를 전극 면적 1cm2당 1ml/분 내지 1000ml/분 속도로 공급했다.1) Carbon dioxide was supplied to the cathode 200 through the first inlet 100 at a rate of 1 ml / min to 1000 ml / min per 1 cm 2 of electrode area.

2) 애노드(400)에 제2주입고(500)를 통하여 물을 공급했다.2) Water was supplied to the anode 400 through the second injection 500.

3) 캐소드 및 애노드에 상대습도는 80%RH내지 100%RH, 온도는 25℃ 내지 75℃로 준비했다.3) The relative humidity of the cathode and the anode was prepared from 80% RH to 100% RH, the temperature of 25 ℃ to 75 ℃.

4) 애노드 및 캐소드에 3V전압을 인가하였다.4) A 3V voltage was applied to the anode and the cathode.

5) 캐소드 및 애노드에 전위차를 형성함과 동시에 전류를 흐르게 하여 이산화탄소 전환 반응을 발생시켰다.5) A potential difference was formed at the cathode and the anode and a current was flowed to generate a carbon dioxide conversion reaction.

실험예Experimental Example

상기 제조예를 통하여 제조한 이산화탄소 전환 장치를 사용하고 인가 전압: 3.2 V (정전압 운전), 반응 온도: 298 K, 반응 압력: 1 atm, 전해질 막: AEM-CEM membrane (CEM: Nafion 115, AEM: FumasepFAA-3-50), 애노드 촉매: Pt/C (TEC10E50E), 캐소드 촉매: 100 nm thick Aucatalyst layer, 전극 면적: 9 cm2, 애노드 반응물: 0.5 M KHCO3 수용액 30 ml/min, 캐소드 반응물: CO2 가스 20 ml/min 조건에서 이산화탄소 전환 성능을 실험하였다.Using a carbon dioxide conversion device prepared according to the preparation example, applied voltage: 3.2 V (constant voltage operation), reaction temperature: 298 K, reaction pressure: 1 atm, electrolyte membrane: AEM-CEM membrane (CEM: Nafion 115, AEM: FumasepFAA-3-50), anode catalyst: Pt / C (TEC10E50E), cathode catalyst: 100 nm thick Aucatalyst layer, electrode area: 9 cm 2 , anode reactant: 0.5 M KHCO 3 aqueous solution 30 ml / min, cathode reactant: CO The carbon dioxide conversion performance was tested in 2 gas 20 ml / min conditions.

비교예Comparative example

종래 일반적인 MEA(Membrane Electrode Assembly)를 포함한 이산화탄소 전환 장치를 사용하고, 인가 전압: 3.2 V (정전압 운전), 반응 온도: 298 K, 반응 압력: 1 atm, 전해질 막: CEM membrane (Nafion 115), 애노드 촉매: Pt/C (TEC10E50E), 캐소드 촉매: 100 nm thick Aucatalyst layer, 전극 면적: 9 cm2, 애노드 반응물: 0.5 M KHCO3 수용액 30 ml/min, 캐소드 반응물: CO2 가스 20 ml/min조건에서 이산화탄소 전환 성능을 실험하였다.Using a carbon dioxide conversion device including a conventional MEA (Membrane Electrode Assembly), applied voltage: 3.2 V (constant voltage operation), reaction temperature: 298 K, reaction pressure: 1 atm, electrolyte membrane: CEM membrane (Nafion 115), anode Catalyst: Pt / C (TEC10E50E), Cathode catalyst: 100 nm thick Aucatalyst layer, Electrode area: 9 cm 2 , Anode reactant: 0.5 M KHCO 3 aqueous solution 30 ml / min, Cathode reactant: CO 2 gas 20 ml / min Carbon dioxide conversion performance was tested.

도 3내지 도 4는 시간에따른 전류밀도 측정 결과 그래프이다.3 to 4 are graphs of current density measurement results over time.

도 3 내지 도 4를 참고하면, 도3은 상기 실험예를 나타낸 그래프이고, 도 4는 상기 비교예를 나타낸 그래프이다.Referring to Figures 3 to 4, Figure 3 is a graph showing the experimental example, Figure 4 is a graph showing the comparative example.

도 3 및 도 4를 비교하면, 전류 밀도가 비교예 그래프인 도 4에서 5 mA/cm2 TL 실험예 그래프인 도 3에서 8 mA/cm2로 나타낸 것을 확인한다.Comparing FIG. 3 and FIG. 4, it is confirmed that the current density is shown as 8 mA / cm 2 in FIG. 3, which is a 5 mA / cm 2 TL experimental example graph in FIG. 4, which is a comparative example graph.

따라서, 본 발명의 구조를 가진 이산화탄소 전환장치는 도 3을 통해 약 60%의 전류가 더 흐르는 것을 확인할 수 있고, 전류가 더 흐름에 따라 이산화탄소 전환 효율을 높이는 것을 확인 할 수 있다.Therefore, the carbon dioxide conversion device having the structure of the present invention can confirm that more than about 60% of the current flows through Figure 3, it can be confirmed that as the current flows further increase the carbon dioxide conversion efficiency.

도 5내지 도 6은 전환 생성물 분석 결과를 나타낸 그래프 이다. 5 to 6 are graphs showing the results of the conversion product analysis.

도 5 내지 도 6을 참고하면, 도5는 상기 실험예를 나타낸 그래프이고, 도 6은 상기 비교예를 나타낸 그래프이다.5 to 6, Figure 5 is a graph showing the experimental example, Figure 6 is a graph showing the comparative example.

도 5 및 도 6을 비교하면, 비교예에서 23%의 수소(Hydrogen)발생반응 전류효율과 실험예에서 8% 수소발생반응 전류효율을 가지는 것을 확인한다.Comparing FIG. 5 and FIG. 6, it is confirmed that the comparative example has 23% hydrogen generation reaction current efficiency and the experimental example has 8% hydrogen generation reaction current efficiency.

본 발명의 구조를 가지는 도 5는 본 발명의 구조로 인하여 수소이온의 제어하고, 종래 이산화탄소 전환 장치를 사용한 도 6의 수소 발생 반응기준 보다 40% 이하로 줄어들어, 본 발명의 이산화탄소 전환장치는 수소 이온을 충분히 제어하는 것을 확인할 수 있다.5 having the structure of the present invention, due to the structure of the present invention, the control of hydrogen ions and 40% less than the hydrogen generation reaction standard of FIG. 6 using the conventional carbon dioxide conversion device, the carbon dioxide conversion device of the present invention is a hydrogen ion It can be seen that the control sufficiently.

CO로의 CO2 전환 반응은(Carbon monoxide) 실험예 그래프인 도 5에서 85% 그리고 비교예 그래프인 도 6에서 60%임을 확인할 수 있다.CO 2 conversion reaction to CO (Carbon monoxide) it can be seen that the experimental example graph of 85% in Figure 5 and the comparative example graph of 60% in FIG.

도 5는 도 6에 비해 부반응이 억제됨에 따라 CO2 전환 효율은 약 40% 증가하는 것으로 확인하였다.FIG. 5 confirms that the CO 2 conversion efficiency increases by about 40% as side reactions are suppressed compared to FIG. 6.

따라서, 본 발명의 구조를 포함한 이산화 탄소 전환 장치는 실험예 그래프인 도 5를 통해 화학적 이산화탄소 전환 반응에 영향을 줄 수 있음을 확인할 수 있다.Therefore, it can be seen that the carbon dioxide conversion device including the structure of the present invention may affect the chemical carbon dioxide conversion reaction through FIG.

또한, 본 발명의 이산화탄소 전환 장치 구조는 종래의 전기화학 반응기의 문제점이었던 캐소드 표면에서의 수소이온(Hydrogen) 포화 문제를 해결하는 것을 확인 할 수 있다.In addition, it can be seen that the structure of the carbon dioxide conversion device of the present invention solves the problem of hydrogen saturation at the cathode surface, which was a problem of the conventional electrochemical reactor.

본 발명의 실시예에 따르면, 이산화탄소를 가치 있는 탄화수소계 화합물로 전환시키는 효과를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide the effect of converting carbon dioxide to a valuable hydrocarbon-based compound.

또한, 본 발명은 수소반응을 최소하여 이산화탄소 전환효율을 높이는 효과를 제공할 수 있다In addition, the present invention can provide an effect of increasing the carbon dioxide conversion efficiency by minimizing the hydrogen reaction.

또한, 본 발명은 장소에 제약 받지 않고 안정적으로 이산화탄소를 전환할 수 있다.In addition, the present invention can convert carbon dioxide stably without being restricted by the place.

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

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

100 : 제1 주입구
200 : 캐소드
300 : 전해질막
310 : 음이온 교환막
320 : 양이온 교환막
400 : 애노드
500 : 제2 주입구
100: first inlet
200: cathode
300: electrolyte membrane
310 anion exchange membrane
320: cation exchange membrane
400: anode
500: second inlet

Claims (9)

캐소드;
상기 캐소드와 마주보는 애노드; 및
상기 캐소드 및 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고,
상기 전해질막은 상기 캐소드와 접하는 음이온교환막 및 상기 애노드와 접하는 양이온교환막을 포함하고,
상기 음이온교환막 및 상기 양이온교환막은 접하여 정션(junction)구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 장치.
Cathode;
An anode facing the cathode; And
An electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode,
The electrolyte membrane includes an anion exchange membrane in contact with the cathode and a cation exchange membrane in contact with the anode,
And the anion exchange membrane and the cation exchange membrane are in contact with each other and have a junction structure.
제1항에 있어서,
상기 캐소드는 Sn, Sn 합금, Al, Au,Ag, C, Cd, Co, Cr, Cu,Cu합금, Ga, Hg, In, Mo, Nb, Ni, NiCo2O4, Ni 합금, Ni-Fe 합금, Pb, Rh, Ti, V, W, Zn, 엘길로이(elgiloy), 니크롬, 오스테나이트 강, 듀플렉스 강, 페라이트 강, 마텐자이트 강, 스테인레스 강 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 장치.
The method of claim 1,
The cathode is Sn, Sn alloy, Al, Au, Ag, C, Cd, Co, Cr, Cu, Cu alloy, Ga, Hg, In, Mo, Nb, Ni, NiCo 2 O 4 , Ni alloy, Ni-Fe One selected from the group consisting of alloys, Pb, Rh, Ti, V, W, Zn, elgiloy, nichrome, austenitic steel, duplex steel, ferrite steel, martensite steel, stainless steel, or mixtures thereof A carbon dioxide conversion device comprising the above.
제1항에 있어서,
상기 애노드는 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 주석, 철, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텡스텐, 바나듐 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종이상 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 장치.
The method of claim 1,
The anode is characterized in that it comprises one or more selected from the group consisting of platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, osmium, tin, iron, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, vanadium or a mixture thereof. CO2 conversion device.
제1항에 있어서,
상기 음이온교환막은 상기 애노드에서 발생한 수소이온을 캐소드로 넘어가는 양을 감소시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 장치.
The method of claim 1,
The anion exchange membrane is a carbon dioxide conversion device, characterized in that for reducing the amount of hydrogen ions generated at the anode to pass to the cathode.
1항에 있어서,
상기 음이온교환막은 탄화수소계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 장치.
According to claim 1,
The anion exchange membrane carbon dioxide conversion device, characterized in that it comprises a hydrocarbon system.
제1항에 있어서,
상기 양이온교환막은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리설폰, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌, 아크릴산, 메타크릴산, 글리시딜아크릴레이트, 글리시딜메타크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 및 셀루로오스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화 탄소 전환 장치.
The method of claim 1,
The cation exchange membrane is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyamide, polyester, polysulfone, polyethylene, polypropylene, styrene, acrylic acid, methacrylic acid, glycidyl acrylate, glycidyl methacrylate, polyethylene glycol A carbon dioxide conversion device comprising at least one selected from the group consisting of diacrylate, 1,3-butylene glycol diacrylate, ethylene glycol dimethacrylate and cellulose.
제1주입구로 이산화탄소를 캐소드에 주입하는 단계;
제2주입구에 물 또는 전해액을 애노드에 주입하는 단계; 및
상기 애노드 및 상기 캐소드에 전압을 인가하여 상기 애노드에서 상기 주입된 물 또는 전해액을 분해하고, 상기 캐소드에서 상기 주입된 이산화탄소를 환원시키는 단계를 포함하고,
상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 전해질막이 위치하되, 상기 전해질막은 상기 캐소드와 접하는 음이온교환막 및 상기 애노드와 접하는 양이온교환막을 포함하고, 상기 음이온교환막 및 상기 양이온교환막은 접하여 정션(junction) 구조를 갖는 것을 특징으로 하고,
상기 전해질막의 음이온교환막은 상기 애노드에서 상기 물 또는 전해액을 분해하면서 발생된 수소이온이 상기 캐소드로 넘어가는 양을 감소시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전기화학 환원방법.
Injecting carbon dioxide into the cathode through a first inlet;
Injecting water or electrolyte into the anode at the second inlet; And
Applying a voltage to the anode and the cathode to decompose the injected water or electrolyte at the anode, and reducing the injected carbon dioxide at the cathode,
An electrolyte membrane is positioned between the anode and the cathode, wherein the electrolyte membrane includes an anion exchange membrane in contact with the cathode and a cation exchange membrane in contact with the anode, and the anion exchange membrane and the cation exchange membrane are in contact with each other to have a junction structure. With
The anion exchange membrane of the electrolyte membrane is a carbon dioxide electrochemical reduction method characterized in that for reducing the amount of hydrogen ions generated while decomposing the water or the electrolyte in the anode to the cathode.
제7항에 있어서,
상기 전해액은 KHCO3, K2CO3, KOH, KCl, KClO4, K2SiO3, Na2SO4, NaNO3, NaCl, NaF, NaClO4, CaCl2, 구아니디늄 양이온, H+양이온, 알칼리 금속 양이온, 암모늄 양이온, 알킬암모늄 양이온, 할라이드 이온, 알킬 아민, 보레이트, 카본에이트, 구아니디늄 유도체, 나이트라이트, 나이트레이트, 포스페이트, 폴리포스페이트, 퍼클로레이트, 실리케이트, 설페이트, 테트라알킬 암모늄염, 또는 이들의 혼합물을 함유하는 수용액인 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전기화학 환원방법.
The method of claim 7, wherein
The electrolyte solution is KHCO 3 , K 2 CO 3 , KOH, KCl, KClO 4 , K 2 SiO 3 , Na 2 SO 4 , NaNO 3 , NaCl, NaF, NaClO 4 , CaCl 2 , guanidinium cation, H + cation, Alkali metal cations, ammonium cations, alkylammonium cations, halide ions, alkyl amines, borates, carbonates, guanidinium derivatives, nitrites, nitrates, phosphates, polyphosphates, perchlorates, silicates, sulfates, tetraalkyl ammonium salts, or these Carbon dioxide electrochemical reduction method, characterized in that it comprises an aqueous solution containing a mixture of.
제7항에 있어서,
상기 이산화 탄소를 환원시키는 단계의 온도는 10℃ 내지 100℃인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전기화학 환원방법.
The method of claim 7, wherein
The carbon dioxide electrochemical reduction method, characterized in that the temperature of the step of reducing the carbon dioxide is 10 ℃ to 100 ℃.
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