KR20210034348A - Method and device for preparing reduction product of carbon dioxide - Google Patents

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KR20210034348A
KR20210034348A KR1020190116200A KR20190116200A KR20210034348A KR 20210034348 A KR20210034348 A KR 20210034348A KR 1020190116200 A KR1020190116200 A KR 1020190116200A KR 20190116200 A KR20190116200 A KR 20190116200A KR 20210034348 A KR20210034348 A KR 20210034348A
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carbon dioxide
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porous carbon
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박기태
정순관
이원희
김영은
고유나
윤민혜
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한국에너지기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a carbon dioxide electroreduction method and an electrochemical cell. The carbon dioxide electroreduction method comprises the following steps of: a) supplying water or electrolyte to an anode area; b) supplying humidified carbon dioxide gas under the condition that relative humidity is greater than 100% by supplying humidified carbon dioxide gas to a composite cathode area containing any one or two or more catalyst particles selected from the group consisting of carbonic anhydrase (CA) immobilized on a porous carbon support, indium (In), tin (Sn), lead (Pb), mercury (Hg), palladium (Pd), bismuth (Bi), antimony (Sb), nickel (Ni), thallium (Tl), and metal oxides thereof; and c) forming hydrogen ion (H+) in the anode area by applying voltage between the anode area and the composite cathode area, and generating reduction product of carbon dioxide by electroreduction of carbon dioxide gas by allowing the hydrogen ion (H+) to pass through an electrolyte membrane and move to the composite cathode area.

Description

이산화탄소로부터 환원 생성물의 제조방법 및 장치 {Method and device for preparing reduction product of carbon dioxide} [Method and device for preparing reduction product of carbon dioxide}

본 발명은 이산화탄소로부터 환원 생성물의 제조방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for producing a reduction product from carbon dioxide.

화석연료 사용으로 인한 이산화탄소 농도의 급격한 증가는 지구 온난화로 인한 여러 가지 환경문제를 일으키고 있으며, 이산화탄소의 처리 및 감축은 국가적으로 시급한 상황에 있다. 따라서, 대기 중으로 이산화탄소의 방출량을 감소시키는 향상된 방법을 발명하고 개발하는 것이 중요하다. The rapid increase in the concentration of carbon dioxide due to the use of fossil fuels has caused various environmental problems due to global warming, and the treatment and reduction of carbon dioxide is in a national urgent situation. Therefore, it is important to invent and develop improved methods of reducing the amount of carbon dioxide released into the atmosphere.

현재 광화학, 생화학, 또는 전기화학적인 방법에 따른 이산화탄소 환원 방법에 대해 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이 중에서 전기화학적 환원을 통한 이산화탄소의 활용을 위한 노력은 오래 전부터 계속되어 왔다. 전기화학적 방법을 통한 이산화탄소의 환원은 외부로부터 전기를 공급받기 때문에 다른 방법들에 비해서 장치 구조가 간단하다. 따라서 전기만 연결되어 있다면 모듈화를 통해 장치를 구성하기 쉽기 때문에 다른 방법들에 비해 공간적, 기후적 제약을 덜 받는다는 장점을 가진다. Currently, researches on carbon dioxide reduction methods according to photochemical, biochemical, or electrochemical methods are being actively conducted, and among them, efforts to utilize carbon dioxide through electrochemical reduction have been continued for a long time. Since the reduction of carbon dioxide through the electrochemical method receives electricity from the outside, the device structure is simpler than other methods. Therefore, if only electricity is connected, it is easy to configure the device through modularization, so it has the advantage that it is less subject to spatial and climatic constraints than other methods.

일반적으로 이산화탄소의 액상 환원반응의 경우, 패러데이 효율이 80% 이상으로 기상 환원반응에 비해 높으나, 생성물이 액상의 전해액과 혼합된 상태이므로 환원 생성물의 농도가 수 ppm 수준으로 매우 낮아, 제품으로서의 가치가 매우 낮고 별도의 분리, 농축 공정이 필요하다. 또한, 액상 기반 환원반응은 이산화탄소의 용해도가 매우 낮은 문제점 있어, 이를 극복하는 것이 가장 큰 이슈이다. 한편, 이산화탄소의 기상 환원반응은 현재까지 보고된 바로는 패러데이 효율이 10% 수준이며, 비자발적 반응으로 인해, 많은 에너지를 필요로 하는 문제점이 있다. In general, in the case of a liquid phase reduction reaction of carbon dioxide, the Faraday efficiency is 80% or more, which is higher than that of the gas phase reduction reaction, but since the product is mixed with a liquid electrolyte, the concentration of the reduction product is very low, at the level of several ppm. It is very low and requires separate separation and concentration processes. In addition, the liquid-based reduction reaction has a problem in that the solubility of carbon dioxide is very low, and overcoming this is the biggest issue. Meanwhile, the gas phase reduction reaction of carbon dioxide has a Faraday efficiency of 10% as reported so far, and there is a problem that a lot of energy is required due to an involuntary reaction.

이에, 다양한 금속촉매를 사용하여 이산화탄소의 환원반응을 촉진하는 연구도 진행되고 있지만, 이산화탄소 전환반응의 율속단계인 CO2 - 생성반응을 거치기 때문에 반응속도가 여전히 매우 느리다는 문제점이 있다. Thus, although FIG going research to promote the reduction reaction of carbon dioxide using a variety of metal catalysts, the rate limiting step of CO 2 in the CO shift reaction - There is the reaction rate is still too slow because of the problem goes through the resulting reaction.

따라서, 이산화탄소의 낮은 용해도 문제를 극복할 수 있으면서도, 높은 패러데이 효율 및 우수한 반응효율을 가지는 이산화탄소의 환원방법의 개발이 필요한 실정이다. Accordingly, there is a need to develop a method for reducing carbon dioxide having high Faraday efficiency and excellent reaction efficiency while being able to overcome the problem of low solubility of carbon dioxide.

KR 10-2013-0112037 A (2013.10.11)KR 10-2013-0112037 A (2013.10.11)

본 발명의 목적은 이산화탄소의 낮은 용해도에 따른 반응물 농도의 제한 없이, 이산화탄소를 에너지 효율적으로 전기 환원시켜 높은 반응속도로 이산화탄소의 환원 생성물을 제조하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for producing a reduction product of carbon dioxide at a high reaction rate by energy-efficient electro-reduction of carbon dioxide without limitation of reactant concentration due to low solubility of carbon dioxide.

본 발명의 다른 목적은 이산화탄소를 전기 환원시켜 높은 패러데이 효율로 높은 농도의 이산화탄소의 환원 생성물을 제조하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method and apparatus for producing a reduction product of high concentration carbon dioxide with high Faraday efficiency by electro-reducing carbon dioxide.

본 발명은 이산화탄소의 전기환원 방법을 제공하며, The present invention provides a method for electric reduction of carbon dioxide,

a) 산화전극 (Anode) 영역에 물 또는 전해액을 공급하는 단계;a) supplying water or an electrolyte to the anode region;

b) 다공성 탄소 지지체에 고정화된 탄산무수화효소(Carbonic anhydrase, CA), 및 인듐 (In), 주석 (Sn), 납 (Pb), 수은 (Hg), 팔라듐 (Pd), 비스무스 (Bi), 안티몬 (Sb), 니켈 (Ni), 탈륨 (Tl) 및 이들의 금속산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 촉매 입자를 포함하는 복합 환원전극(Cathode) 영역에 가습된 이산화탄소 기체를 공급하여 상대습도가 100%를 초과하는 조건으로 가습된 이산화탄소 기체를 공급하는 단계; 및b) Carbonic anhydrase (CA) immobilized on a porous carbon support, and indium (In), tin (Sn), lead (Pb), mercury (Hg), palladium (Pd), bismuth (Bi), By supplying a humidified carbon dioxide gas to a composite cathode region containing one or two or more catalyst particles selected from the group consisting of antimony (Sb), nickel (Ni), thallium (Tl), and metal oxides thereof. Supplying the humidified carbon dioxide gas under conditions in which the relative humidity exceeds 100%; And

c) 상기 산화전극 영역과 복합 환원전극 영역 사이에 전압을 인가하여 산화전극 영역에서 수소 이온(H+)을 형성시키고 상기 수소 이온(H+)이 전해질막을 통과하여 복합 환원전극 영역으로 이동하여 이산화탄소 기체를 전기환원시켜 이산화탄소의 환원 생성물을 생성시키는 단계;를 포함한다. c) A voltage is applied between the anode area and the complex cathode area to form hydrogen ions (H + ) in the anode area, and the hydrogen ions (H + ) pass through the electrolyte membrane and move to the complex cathode area to generate carbon dioxide. It includes; electro-reducing the gas to produce a reduction product of carbon dioxide.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 다공성 탄소 지지체는 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. In an embodiment according to the present invention, the porous carbon support may include carbon nanotubes.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 다공성 탄소 지지체는 거대기공을 포함하며, 상기 탄산무수화효소는 다공성 탄소 지지체의 거대기공 내부에 고정화되어 있고, 상기 촉매 입자는 다공성 탄소 지지체 내부에 포함되는 것일 수 있다. In an embodiment according to the present invention, the porous carbon support includes macropores, the carbonic anhydrase is immobilized inside the macropores of the porous carbon support, and the catalyst particles are contained within the porous carbon support. Can be.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 탄산무수화효소는 상기 다공성 탄소 지지체 100 중량부에 대하여, 20 내지 5000 IU 고정화된 것일 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the carbonic anhydrase may be immobilized from 20 to 5000 IU based on 100 parts by weight of the porous carbon support.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 다공성 탄소 지지체 및 촉매 입자의 중량비는 1:0.01 내지 1:1인 것일 수 있다. In an embodiment according to the present invention, the weight ratio of the porous carbon support and the catalyst particles may be 1:0.01 to 1:1.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 고정화는 다공성 탄소 지지체를 산화하는 단계; 상기 산화된 다공성 탄소 지지체를 -NH2 치환기로 개질하는 단계; 및 상기 개질된 다공성 탄소 지지체에 탄산무수화효소를 고정화하는 단계를 포함할 수 있다. In an embodiment according to the present invention, the immobilization is performed by oxidizing the porous carbon support; Modifying the oxidized porous carbon support with an -NH 2 substituent; And immobilizing carbonic anhydrase on the modified porous carbon support.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 고정화는 다공성 탄소 지지체 상의 치환기와 탄산무수화효소의 공유결합에 의해 고정되는 것일 수 있다. In an embodiment of the present invention, the immobilization may be immobilized by a covalent bond between a substituent on a porous carbon support and a carbonic anhydrase.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 가습된 이산화탄소 기체의 온도 (T1)는 상기 복합 환원전극 영역의 온도 (T2)보다 높을 수 있다. In an embodiment according to the present invention, the temperature (T1) of the humidified carbon dioxide gas may be higher than the temperature (T2) of the composite cathode region.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 T1은 10 내지 100℃이며, 상기 T2는 10 내지 40℃일 수 있다. In an embodiment according to the present invention, T1 may be 10 to 100°C, and T2 may be 10 to 40°C.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 상대습도는 150% 내지 200%일 수 있다. In an embodiment according to the present invention, the relative humidity may be 150% to 200%.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 이산화탄소의 환원 생성물은 80% 이상의 패러데이 효율 (Faradaic efficiency)로 생성될 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the reduction product of carbon dioxide may be generated with a Faradaic efficiency of 80% or more.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 이산화탄소의 환원 생성물은 개미산, 포름 알데하이드, 포르메이트, 아세트알데하이드, 아세테이트, 아세트산, 아세톤, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-부탄온, 에탄올, 이소프로판올, 락테이트, 락트산, 메탄올, 1-프로판알, 1-프로판올, 프로피온산, 일산화탄소, 메탄, 에틸렌, 에탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the reduction product of carbon dioxide is formic acid, formaldehyde, formate, acetaldehyde, acetate, acetic acid, acetone, 1-butanol, 2-butanol, 2-butanone, ethanol, isopropanol, It may contain any one or two or more selected from the group consisting of lactate, lactic acid, methanol, 1-propanal, 1-propanol, propionic acid, carbon monoxide, methane, ethylene, ethane, and mixtures thereof.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 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 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 수용액인 것일 수 있다. In an embodiment according to the present invention, 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, alkyl ammonium cation, halide ion, alkyl amine, borate, carbonate, guanidinium derivative, nitrite, nitrate, phosphate, polyphosphate, perchlorate, It may be an aqueous solution containing any one or two or more selected from the group consisting of silicates, sulfates, tetraalkyl ammonium salts, and mixtures thereof.

본 발명은 또한 전기화학적 전지를 제공하며, The present invention also provides an electrochemical cell,

산화전극;An anode;

상기 산화전극과 대향하여 위치하는 환원전극;A cathode disposed opposite to the anode;

상기 산화전극과 환원전극의 사이에 위치하는 전해질막;An electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode;

상기 환원전극 영역에 가습된 이산화탄소를 공급하는 기체 주입부; 및A gas injection unit supplying humidified carbon dioxide to the cathode region; And

상기 산화전극 영역에 물 또는 전해액을 공급하는 액체 주입부;를 포함하고, Including; a liquid injection unit for supplying water or an electrolyte solution to the anode region,

상기 환원전극은 본 발명의 일 실시예 따른 복합 환원전극을 포함한다. The cathode includes a composite cathode according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 복합 환원전극은 촉매 금속층을 더 포함할 수 있다. In an embodiment according to the present invention, the composite reduction electrode may further include a catalyst metal layer.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 복합 환원전극은 기체확산층을 더 포함할 수 있다. In an embodiment according to the present invention, the composite cathode may further include a gas diffusion layer.

본 발명에 따른 이산화탄소 전기환원 방법은 액상 환원반응에 따른 낮은 이산화탄소 용해도 문제를 극복할 수 있으면서도 에너지 효율적으로 이산화탄소 환원 생성물을 높은 반응속도 및 효율로 제조할 수 있는 장점이 있다. The carbon dioxide electro-reduction method according to the present invention has the advantage of being able to overcome the problem of low carbon dioxide solubility caused by a liquid-phase reduction reaction and to efficiently produce a carbon dioxide reduction product at a high reaction rate and efficiency.

본 발명에 따른 이산화탄소 전기환원 방법은 또한 80% 이상의 패러데이 효율로 높은 농도의 이산화탄소 환원 생성물을 제조할 수 있는 장점이 있다. The carbon dioxide electroreduction method according to the present invention also has the advantage of being able to produce a high concentration of carbon dioxide reduction products with a Faraday efficiency of 80% or more.

본 발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.Even if the effects are not explicitly mentioned in the present invention, the effects described in the specification expected by the technical features of the present invention and the inherent effects thereof are treated as described in the specification of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 전기환원 방법에 의해 환원 생성물을 제조하는 방법을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개미산 생성과정의 패러데이 효율 및 전류밀도 측정결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 개미산 생성과정의 패러데이 효율 및 전류밀도 측정결과를 나타낸 도면이다.
1 is a schematic diagram showing a method of producing a reduced product by the carbon dioxide electro-reduction method according to the present invention.
2 is a diagram showing the structure of a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a result of measuring Faraday efficiency and current density in a formic acid generation process according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing a result of measuring Faraday efficiency and current density in a process of generating formic acid according to an embodiment and a comparative example of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Unless otherwise defined, technical terms and scientific terms used in the present specification have the meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure are omitted.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.In addition, the singular form used in the present specification may be intended to include the plural form unless otherwise indicated in the context.

또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.In addition, the units used in the present specification are based on weight, for example, the unit of% or ratio means weight% or weight ratio, and the weight% means any one component of the total composition unless otherwise defined. It means the weight percent occupied in the composition.

또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다. In addition, the numerical range used in the present specification is the lower limit and the upper limit and all values within the range, increments that are logically derived from the shape and width of the defined range, all of the limited values, and the upper limit of the numerical range limited to different forms. And all possible combinations of lower limits. Unless otherwise defined in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental errors or rounding of values are also included in the defined numerical range.

본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다. In the present specification, the term'include' is an open type description having a meaning equivalent to expressions such as'include','include','have' or'as a feature', and elements not listed further, It does not exclude materials or processes.

또한, 본 명세서의 용어, '실질적으로'는 특정된 요소, 재료 또는 공정과 함께 열거되어 있지 않은 다른 요소, 재료 또는 공정이 발명의 적어도 하나의 기본적이고 신규한 기술적 사상에 허용할 수 없을 만큼의 현저한 영향을 미치지 않는 양 또는 정도로 존재할 수 있는 것을 의미한다.In addition, the term'substantially' in this specification means that other elements, materials, or processes that are not listed together with the specified element, material, or process are unacceptable for at least one basic and novel technical idea of the invention. It is meant to be present in an amount or degree that does not have a significant effect.

본 발명은 a) 산화전극 (Anode) 영역에 물 또는 전해액을 공급하는 단계; b) 다공성 탄소 지지체에 고정화된 탄산무수화효소(Carbonic anhydrase, CA), 및 인듐 (In), 주석 (Sn), 납 (Pb), 수은 (Hg), 팔라듐 (Pd), 비스무스 (Bi), 안티몬 (Sb), 니켈 (Ni), 탈륨 (Tl) 및 이들의 금속산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 촉매 입자를 포함하는 복합 환원전극(Cathode) 영역에 가습된 이산화탄소 기체를 공급하여 상대습도가 100%를 초과하는 조건으로 가습된 이산화탄소 기체를 공급하는 단계; 및 c) 상기 산화전극 영역과 복합 환원전극 영역 사이에 전압을 인가하여 산화전극 영역에서 수소 이온 (H+)을 형성시키고 상기 수소 이온 (H+)이 전해질막을 통과하여 복합 환원전극 영역으로 이동하여 이산화탄소 기체를 전기환원시켜 이산화탄소의 환원 생성물을 생성시키는 단계;를 포함하는 이산화탄소의 전기환원 방법을 제공한다. The present invention comprises the steps of: a) supplying water or an electrolyte to an anode region; b) Carbonic anhydrase (CA) immobilized on a porous carbon support, and indium (In), tin (Sn), lead (Pb), mercury (Hg), palladium (Pd), bismuth (Bi), By supplying a humidified carbon dioxide gas to a composite cathode region containing one or two or more catalyst particles selected from the group consisting of antimony (Sb), nickel (Ni), thallium (Tl), and metal oxides thereof. Supplying the humidified carbon dioxide gas under conditions in which the relative humidity exceeds 100%; And c) applying a voltage between the anode area and the composite cathode area to form hydrogen ions (H + ) in the anode area, and the hydrogen ions (H + ) pass through the electrolyte membrane and move to the complex cathode area. It provides a method for electro-reduction of carbon dioxide comprising; generating a reduction product of carbon dioxide by electro-reducing carbon dioxide gas.

앞서 서술한 바와 같이, 이산화탄소의 액상 기반 환원반응인 경우, 반응물인 이산화탄소의 낮은 용해도로 인해 반응이 진행될수록 수용액 속의 반응물 농도가 낮아져 생산성이 떨어질 뿐만 아니라, 환원 생성물의 낮은 농도 등 문제점이 있으며, 기상 환원반응인 경우, 패러데이 효율이 낮고 많은 에너지를 필요로 하는 문제점이 있다. 하지만, 본 발명에 따른 이산화탄소의 전기환원 방법은 상술한 바와 같이, 이산화탄소의 낮은 용해도에 따른 제약조건이 없으며, 이산화탄소가 가스상임에도 불구하고 에너지 효율적으로 이산화탄소 환원 생성물을 높은 반응속도 및 효율로 제조할 수 있는 장점이 있다. As described above, in the case of a liquid phase-based reduction reaction of carbon dioxide, as the reaction proceeds due to the low solubility of carbon dioxide as a reactant, the concentration of the reactant in the aqueous solution decreases, resulting in a decrease in productivity, as well as problems such as a low concentration of the reduction product. In the case of a reduction reaction, there is a problem that the Faraday efficiency is low and requires a lot of energy. However, as described above, the electro-reduction method of carbon dioxide according to the present invention has no constraints due to the low solubility of carbon dioxide, and energy-efficient carbon dioxide reduction products can be produced with high reaction speed and efficiency even though carbon dioxide is in the gaseous phase. There is an advantage.

본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 산화전극 영역에 물 또는 전해액을 공급하고, 복합 환원전극 영역에 가습된 이산화탄소 기체를 공급하여 상대습도가 100%를 초과하는 조건하에서 상기 산화전극 영역과 복합 환원전극 영역 사이에 전압을 인가하여 이산화탄소 기체의 환원반응을 일으킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 b) 단계에서 다공성 탄소 지지체에 고정화된 탄산무수화효소 및 촉매 입자를 포함하는 복합 환원전극을 사용하며, 상기 복합 환원전극 영역에 가습된 이산화탄소 기체를 공급하는 것을 특징으로 한다. 여기서 탄산무수화효소란 내부에 아연을 포함하고 있는 금속 효소로서 이산화탄소의 수화반응을 촉매하는 효소를 지칭한다. 구체적으로, 상기 탄산무수화효소는 상기 복합 환원전극 내에서 초당 105 내지 106개의 이산화탄소를 수화시켜 금속 및 금속산화물 촉매에 반응물로 공급함으로써 기체상 반응의 장점에 더하여 추가적으로 반응속도를 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 이산화탄소의 전기환원 방법은 상기 두가지 특징을 동시에 포함함으로써, 복합 환원전극 표면에 응축되어 형성된 수막에 용해된 이산화탄소를 반응물로 사용할 수 있어, 상기 이산화탄소와 복합 환원전극의 접촉면적을 최대화할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 복합 환원전극에 포함된 탄산무수화효소 및 촉매 입자와의 높은 접촉율을 통해 반응물인 이산화탄소를 최대한 효율적으로 사용할 수 있어, 기존의 이산화탄소 액상 또는 기상 기반 환원반응의 문제점을 해소할 수 있다. 나아가, 탄산무수화효소 및 촉매 입자와의 높은 접촉율로 인해, 반응속도 및 효율 또한 현저히 증가시킬 수 있다. In the present invention, as shown in FIG. 1, water or an electrolyte is supplied to the anode area, and humidified carbon dioxide gas is supplied to the complex cathode area, and the compound is combined with the anode area under the condition that the relative humidity exceeds 100%. A voltage is applied between the cathode regions to cause a reduction reaction of carbon dioxide gas. Specifically, the present invention is characterized by using a composite cathode comprising carbonic anhydrase and catalyst particles immobilized on a porous carbon support in step b), and supplying humidified carbon dioxide gas to the composite cathode region. . Here, carbonic anhydrase refers to an enzyme that catalyzes the hydration reaction of carbon dioxide as a metal enzyme containing zinc inside. Specifically, the carbonic anhydrase can hydrate 10 5 to 10 6 carbon dioxide per second in the composite cathode and supply it as a reactant to the metal and metal oxide catalysts, thereby further improving the reaction speed in addition to the advantages of the gas phase reaction. have. The electric reduction method of carbon dioxide according to the present invention includes the above two characteristics at the same time, so that carbon dioxide dissolved in the water film formed by condensation on the surface of the composite cathode can be used as a reactant, thereby maximizing the contact area between the carbon dioxide and the composite cathode. In addition, it is possible to use carbon dioxide as a reactant as efficiently as possible through a high contact rate with carbonic anhydrase and catalyst particles included in the composite cathode, thereby solving the problems of the existing carbon dioxide liquid phase or gas phase-based reduction reaction. can do. Furthermore, due to the high contact rate with carbonic anhydrase and the catalyst particles, the reaction rate and efficiency can also be remarkably increased.

구체적으로, 상기 다공성 탄소 지지체는 도 1에 도시된 바와 같이, 거대기공을 포함하며, 상기 탄산무수화효소는 다공성 탄소 지지체의 거대기공 내부에 고정화되어 있고, 상기 촉매 입자는 다공성 탄소 지지체 내부에 포함될 수 있다. 상기 다공성 탄소 지지체는 평균 기공크기 50 ㎚ 이상, 좋게는 100 ㎚ 내지 1 ㎛의 매크로다공성 (macroporous) 탄소 지지체일 수 있으며, 구체적인 예로, 탄소종이 (Carbon paper), 탄소천 (Carbon cloth) 및 탄소펠트 (Carbon felt)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. Specifically, the porous carbon support includes macropores, as shown in FIG. 1, the carbonic anhydrase is immobilized inside the macropores of the porous carbon support, and the catalyst particles are included in the porous carbon support. I can. The porous carbon support may be a macroporous carbon support having an average pore size of 50 nm or more, preferably 100 nm to 1 μm, and specific examples include carbon paper, carbon cloth, and carbon felt One or more can be selected from the group consisting of (Carbon felt), but is not limited thereto.

다른 구체적인 예로, 상기 다공성 탄소 지지체는 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 다공성 탄소 지지체가 탄소나노뉴브일 경우, 상기 탄산무수화효소는 탄소나노튜브의 표면에 고정화되며, 상기 탄산무수화효소가 고정화된 탄소나노튜브가 촉매 입자와 복합화된 상태로 존재할 수 있다. 즉, 상기 두가지 형태로 탄산무수화효소 및 촉매 입자를 포함하는 다공성 탄소 지지체를 복합 환원전극으로 사용함으로써, 공급되는 전기에너지를 수소 생성반응 등 부반응이 아닌, 이산화탄소의 환원반응에 사용할 수 있어 반응효율을 현저히 증가시킬 뿐만 아니라, 10,000 ppm 내지 100,000 ppm의 고농도 이산화탄소 환원 생성물을 제조할 수 있다. As another specific example, the porous carbon support may include carbon nanotubes. Specifically, when the porous carbon support is a carbon nanonub, the carbonic anhydrase is immobilized on the surface of the carbon nanotubes, and the carbon nanotubes to which the carbonic anhydrase is immobilized may exist in a complex state with the catalyst particles. have. In other words, by using a porous carbon support including carbonic anhydrase and catalyst particles in the above two forms as a composite reduction electrode, the supplied electric energy can be used for the reduction reaction of carbon dioxide rather than side reactions such as hydrogen generation reaction. In addition to significantly increasing the concentration, it is possible to prepare a carbon dioxide reduction product having a high concentration of 10,000 ppm to 100,000 ppm.

상기 탄산무수화효소는 상기 다공성 탄소 지지체 100 중량부에 대하여, 20 내지 5000 IU, 좋게는 100 내지 5000 IU, 더욱 좋게는 500 내지 5000 IU 고정화될 수 있다. 여기서 IU는 탄산무수화효소가 30℃에서 1분 당 1 μmol의 이산화탄소를 환원시키는데 필요한 효소의 양을 지칭한다. 상기 범위에서 탄산무수화효소를 다공성 탄소 지지체에 고정화함으로써, 효소의 활성을 최대한 나타낼 수 있으면서도, 상기 촉매 입자와 동시에 작용하여, 이산화탄소 환원 생성물을 높은 농도로 효율적으로 생성시킬 수 있을 뿐만 아니라, 효소 과다에 의한 반응저하 문제 또한 막을 수 있다. 나아가, 이산화탄소 환원반응의 율속단계인 CO2 - 생성반응을 거치지 않고 환원 생성물을 생성할 수 있기 때문에, 반응 속도 및 효율을 현저히 증가시킬 수 있다. The carbonic anhydrase may be immobilized from 20 to 5000 IU, preferably from 100 to 5000 IU, more preferably from 500 to 5000 IU, based on 100 parts by weight of the porous carbon support. Here, IU refers to the amount of enzyme needed for carbonic anhydrase to reduce 1 μmol of carbon dioxide per minute at 30°C. By immobilizing carbonic anhydrase in the above range on a porous carbon support, the activity of the enzyme can be exhibited as much as possible, while simultaneously acting with the catalyst particles, it is possible to efficiently produce a carbon dioxide reduction product at a high concentration, as well as an excess of enzymes. It can also prevent the problem of reaction degradation caused by. Further, the rate determining step of the reduction reaction of the carbon dioxide CO 2 - because the reduced product without going through the resulting reaction can be generated, it is possible to significantly increase the reaction rate and efficiency.

일반적으로, 이산화탄소의 환원반응은 하기 반응식에 따라 반응하며, 반응식 (1)에 따른 율속단계인 CO2 - 생성반응을 거치게 된다. 상기 CO2 - 생성단계는 정반응 상수가 6.2 Ⅹ 10-2 s-1 (25℃)에 불과하므로, 이산환탄소 환원 생성물의 생성속도가 매우 느린 문제점이 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 탄산무수화효소를 다공성 탄소 지지체에 고정화함으로써, 상기 율속단계를 생략할 수 있어, 보다 빠른 속도로 이산화탄소 생성물을 형성할 수 있으며, 나아가 상기 촉매 입자와 동시에 결합함으로써 반응속도 및 반응효율 면에서 상승효과를 나타낼 수 있다. In general, the reduction reaction of carbon dioxide and the reaction according to the following reaction scheme, the rate limiting step of CO 2 according to reaction (1) goes through the resulting reaction. In the CO 2 - generation step, since the forward reaction constant is only 6.2 X 10 -2 s -1 (25°C), there is a problem in that the rate of generation of the reduced carbon dioxide product is very slow. However, as described above, by immobilizing carbonic anhydrase on a porous carbon support, the rate controlling step can be omitted, thereby forming a carbon dioxide product at a faster rate, and furthermore, by simultaneously binding with the catalyst particles, the reaction rate And it can exhibit a synergistic effect in terms of reaction efficiency.

(1) CO2 + e- → CO2 - (1) CO 2 + e - → CO 2 -

(2) CO2 - + H+ + e- → HCOO- (2) CO 2 - + H + + e - → HCOO -

(3) HCOO- + H+ → HCOOH (3) HCOO - + H + → HCOOH

본 발명에 따른 탄산무수화효소의 고정화는 다공성 탄소 지지체를 산화하는 단계; 상기 산화된 다공성 탄소 지지체를 -NH2 치환기로 개질하는 단계; 및 상기 개질된 다공성 탄소 지지체에 탄산무수화효소를 고정화하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 산화단계는 과망간산칼륨과 같은 산화제, 또는 인산, 황산 및 질산에서 선택되는 어느 하나 이상의 산을 이용하여 산화시킬 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 산화된 다공성 탄소 지지체는 -NH2 치환기로 개질하는 단계를 거친 후, 탄산무수화효소의 고정화 단계를 수행하게 되는데, 공지의 아민화 단계를 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어 R-L-NH2 (R은 NH2-, NCO-, SH- 또는 OH-이며, L은 C1-C20의 알킬렌 또는 아릴렌의 2가 연결기이다.)를 다공성 탄소 지지체와 커플링 결합할 수 있으며, 산화된 다공성 탄소 지지체의 표면과 상기 화합물은 에스테르 결합, 우레탄 결합, 아미드 결합 또는 우레아 결합을 통해 결합될 수 있다. 상기 커플링 반응을 위해 N,N'-디사이클로헥실카보디이미드 (N,N'- dicyclohexylcarbodiimide; DCC)와 같은 커플링제를 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.Immobilization of carbonic anhydrase according to the present invention comprises the steps of oxidizing the porous carbon support; Modifying the oxidized porous carbon support with an -NH 2 substituent; And immobilizing carbonic anhydrase on the modified porous carbon support. The oxidation step may be oxidized using an oxidizing agent such as potassium permanganate, or any one or more acids selected from phosphoric acid, sulfuric acid, and nitric acid, but is not limited thereto. The oxidized porous carbon support undergoes a step of modifying with an -NH 2 substituent, and then performs a step of immobilizing carbonic anhydrase, and a known amination step may be used without limitation. For example, RL-NH2 (R is NH2-, NCO-, SH- or OH-, and L is a C1-C20 alkylene or a divalent linking group of arylene) can be coupled to a porous carbon support. In addition, the surface of the oxidized porous carbon support and the compound may be bonded through an ester bond, a urethane bond, an amide bond, or a urea bond. For the coupling reaction, a coupling agent such as N,N'-dicyclohexylcarbodiimide (N,N'-dicyclohexylcarbodiimide; DCC) may be used, but is not limited thereto.

마지막으로, 상기 개질된 다공성 탄소 지지체를 탄산무수화효소와 혼합함으로써, 상기 탄산무수화효소를 다공성 탄소 지지체의 표면 또는 거대기공 내부에 고정화할 수 있다. 이때, 20 내지 25℃에서 1 내지 10시간, 좋게는 1 내지 6시간 동안 교반을 통해 수행할 수 있으며, 생성된 탄산무수화효소 고정화된 다공성 탄소 지지체는 여과장치를 이용하여 분리 후, 증류수로 세척 및 상온 건조하는 단계를 더 수행할 수 있다. 상기 고정화 단계에 따라, 다공성 탄소 지지체 상의 치환기는 탄산무수화효소와 공유결합에 의해 고정될 수 있으며, 강한 결합력으로 인해 탄산무수화효소의 유출이 거의 없고, 다중 결합에 의해 효소의 강성 (Rigidity)이 증가하므로 안정성을 향상시킬 수 있다. Finally, by mixing the modified porous carbon support with carbonic anhydrase, the carbonic anhydrase may be immobilized on the surface of the porous carbon support or inside the macropores. At this time, it can be carried out by stirring at 20 to 25°C for 1 to 10 hours, preferably 1 to 6 hours, and the resulting carbonic anhydrase-immobilized porous carbon support is separated using a filtration device and then washed with distilled water. And drying at room temperature may be further performed. Depending on the immobilization step, the substituents on the porous carbon support may be fixed by covalent bonds with carbonic anhydrase, and due to strong binding force, there is little outflow of carbonic anhydrase, and the rigidity of the enzyme due to multiple bonds This increases, so stability can be improved.

또한, 상기 다공성 탄소 지지체 및 촉매 입자의 중량비는 1: 0.01 내지 1:1, 좋게는 1: 0.2 내지 1: 0.5, 더욱 좋게는 1: 0.3 내지 1: 0.5일 수 있다. 상기 범위에서 촉매 입자를 포함함으로써, 이산화탄소의 환원에 필요한 활성화 에너지를 현저히 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 상기 고정화된 탄산무수화효소의 유실을 막을 수 있어, 촉매 입자 및 탄산무수화효소 모두 복합 환원전극 표면에서 효율적으로 반응에 참여할 수 있게 된다. In addition, the weight ratio of the porous carbon support and the catalyst particles may be 1: 0.01 to 1:1, preferably 1: 0.2 to 1: 0.5, more preferably 1: 0.3 to 1: 0.5. By including the catalyst particles in the above range, the activation energy required for the reduction of carbon dioxide can be significantly lowered, as well as the loss of the immobilized carbonic anhydrase can be prevented. You will be able to participate in the reaction efficiently.

상기 가습된 이산화탄소 기체의 온도 (T1)은 상기 복합 환원전극 영역의 온도 (T2)보다 높을 수 있으며, 구체적으로, 상기 T1은 10 내지 150℃, 좋게는 25 내지 130℃더욱 좋게는 35 내지 100℃일 수 있으며, 상기 T2는 10 내지 100℃좋게는 10 내지 80℃더욱 좋게는 10 내지 40℃일 수 있다. 상기 범위에서 복합 환원전극 영역의 상대습도가 100%를 초과할 수 있으며, 구체적으로 150% 내지 200%를 나타냄으로써, 이산화탄소가 용해된 수분이 복합 환원전극의 표면에 응축되어 수막을 형성할 수 있고, 이에 용해된 이산화탄소를 반응물로 하여 환원 반응을 일으켜 실질적으로 액상 기반 환원반응과 유사한 환경에서 우수한 패러데이 효율로 이산화탄소의 환원 반응을 일으킬 수 있다. The temperature (T1) of the humidified carbon dioxide gas may be higher than the temperature (T2) of the composite cathode region, and specifically, the T1 is 10 to 150°C, preferably 25 to 130°C, more preferably 35 to 100°C. The T2 may be 10 to 100°C, preferably 10 to 80°C, and more preferably 10 to 40°C. In the above range, the relative humidity of the composite cathode region may exceed 100%, and specifically indicates 150% to 200%, so that water in which carbon dioxide is dissolved is condensed on the surface of the composite cathode to form a water film. As a result, the dissolved carbon dioxide is used as a reactant to cause a reduction reaction, so that a reduction reaction of carbon dioxide can be caused with excellent Faraday efficiency in an environment substantially similar to that of a liquid phase reduction reaction.

구체적으로, 본 발명의 이산화탄소의 전기환원 방법에 따른 이산화탄소의 환원 생성물은 80% 이상, 좋게는 82% 내지 90%의 패러데이 효율로 생성될 수 있다. 여기서 패러데이 효율은 전기화학적 반응을 수행하는 시스템 내에서 전하가 이동되는 효율을 의미할 수 있으며, 일반적으로 패러데이 수율 (Faradaic yield), 쿨롱 효율 (Coulombic efficiency) 또는 전류 효율 (Current efficiency)이라고도 한다. 패러데이 효율은 가해준 전류에 의해 출발 물질이 생성물로 전환되는 화학량론적인 양을 실제 측정된 생성물의 양과 비교하여 얻을 수 있으며, 본 발명에서 패러데이 효율은 가해진 전류로 인해 이산화탄소가 이산화탄소 환원 생성물로 전환되는 효율을 의미할 수 있다. 즉, 본 발명에서 공급되는 이산화탄소가 가스상임에도 불구하고, 액상 이산화탄소 환원반응에서만 가능했던 80% 이상의 패러데이 효율을 나타낼 수 있는 장점을 나타낸다. Specifically, the reduction product of carbon dioxide according to the method for reducing carbon dioxide of the present invention may be generated with a Faraday efficiency of 80% or more, preferably 82% to 90%. Here, the Faraday efficiency may mean the efficiency at which charges are transferred in the system performing the electrochemical reaction, and is generally referred to as Faradaic yield, Coulombic efficiency, or Current efficiency. The Faraday efficiency can be obtained by comparing the stoichiometric amount of the starting material converted into a product by the applied current with the actual measured product amount. In the present invention, the Faraday efficiency is the conversion of carbon dioxide to the carbon dioxide reduction product due to the applied current. It can mean efficiency. That is, even though the carbon dioxide supplied in the present invention is in the gaseous phase, it shows an advantage of exhibiting a Faraday efficiency of 80% or more, which was only possible in a liquid carbon dioxide reduction reaction.

상기 이산화탄소의 환원 생성물은 반응에 참여하는 전자와 수소 이온의 개수에 따라 다양하게 생성될 수 있으며, 구체적으로 개미산, 포름 알데하이드, 포르메이트, 아세트알데하이드, 아세테이트, 아세트산, 아세톤, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-부탄온, 에탄올, 이소프로판올, 락테이트, 락트산, 메탄올, 1-프로판알, 1-프로판올, 프로피온산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. The reduction product of carbon dioxide may be produced in various ways depending on the number of electrons and hydrogen ions participating in the reaction, and specifically 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, and mixtures thereof.

또한 상기 산화전극 영역에 공급되는 전해액은 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 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 수용액일 수 있다. 구체적으로, 상기 전해액은 농도 0.1 내지 2 M, 좋게는 0.1 내지 1 M, 더욱 좋게는 0.2 내지 0.8 M 일 수 있으며, 상기 범위에서 산화전극 영역 및 복합 환원전극 영역의 산화-환원 반응의 평형을 형성할 수 있다. In addition, the electrolyte supplied to the anode region 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, alkyl ammonium cation, halide ion, alkyl amine, borate, carbonate, guanidinium derivative, nitrite, nitrate, phosphate, polyphosphate, perchlorate, It may be an aqueous solution containing one or two or more selected from the group consisting of silicates, sulfates, tetraalkyl ammonium salts, and mixtures thereof. Specifically, the electrolyte may have a concentration of 0.1 to 2 M, preferably 0.1 to 1 M, more preferably 0.2 to 0.8 M, and in the above range, the oxidation-reduction reaction of the anode region and the composite cathode region is formed. can do.

본 발명은 또한 산화전극; 상기 산화전극과 대향하여 위치하는 환원전극; 상기 산화전극과 환원전극의 사이에 위치하는 전해질막; 상기 환원전극 영역에 가습된 이산화탄소를 공급하는 기체 주입부; 및 상기 산화전극 영역에 물 또는 전해액을 공급하는 액체 주입부;를 포함하고, 상기 환원전극은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 환원전극을 포함하는 것인 전기화학적 전지를 제공한다. The present invention also includes an anode; A cathode disposed opposite to the anode; An electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode; A gas injection unit supplying humidified carbon dioxide to the cathode region; And a liquid injection unit supplying water or an electrolyte to the anode region, wherein the cathode includes a composite cathode according to an embodiment of the present invention.

구체적으로, 상기 전기화학적 전지는 도 2에 도시된 바와 같이, 대향하여 위치하는 산화전극과 복합 환원전극 및 상기 산화전극과 복합 환원전극의 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 포함한다. 상기 산화전극에서는 물이 산화되어 산소, 수소 이온 및 전자가 발생하며, 이때 발생한 수소 이온은 전해질막을 통해 전자를 외부회로를 따라 복합 환원전극으로 이동한다. 복합 환원전극에서는 산화전극으로부터 이동한 전자 및 수소 이온이 이산화탄소와 만나 환원반응을 일으키며, 반응에 참여하는 전자와 수소 이온의 개수에 따라 다양한 환원 생성물이 생성된다. 구체적으로 상기 환원 생성물은 개미산, 포름 알데하이드, 포르메이트, 아세트알데하이드, 아세테이트, 아세트산, 아세톤, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-부탄온, 에탄올, 이소프로판올, 락테이트, 락트산, 메탄올, 1-프로판알, 1-프로판올, 프로피온산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. Specifically, the electrochemical cell includes a membrane-electrode assembly including an anode and a composite cathode disposed opposite to each other, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the composite cathode, as shown in FIG. 2. . In the anode, water is oxidized to generate oxygen, hydrogen ions, and electrons, and the generated hydrogen ions move electrons through an electrolyte membrane to the composite cathode through an external circuit. In the composite cathode, electrons and hydrogen ions moving from the anode meet with carbon dioxide to cause a reduction reaction, and various reduction products are generated depending on the number of electrons and hydrogen ions participating in the reaction. Specifically, the reduction product is formic acid, formaldehyde, formate, acetaldehyde, acetate, acetic acid, acetone, 1-butanol, 2-butanol, 2-butanone, ethanol, isopropanol, lactate, lactic acid, methanol, 1-propane Al, 1-propanol, propionic acid, and may include any one or two or more selected from the group consisting of a mixture thereof.

상기 산화전극은 통상적으로 전기화학적 환원장치의 양극재질로 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는, 산화물에 내구성이 있는 것일 수 있으며, 구체적으로 백금(Pt), 스테인레스 스틸, 니켈 (Ni), 금(Au) 및 은(Ag)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The anode may be used without limitation as long as it is generally used as a cathode material for an electrochemical reduction device, and preferably, may be durable against oxide, and specifically platinum (Pt), stainless steel, nickel (Ni) , Gold (Au) and silver (Ag) may be one or more selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

또한 상기 전해질막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 사용할 수 있으며, 구체적으로 Nafion 115 또는 Nafion 117 등 일반적으로 사용되는 양이온 교환막을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, the electrolyte membrane may be a cation exchange membrane or an anion exchange membrane, and specifically, a cation exchange membrane generally used such as Nafion 115 or Nafion 117 may be used, but is not limited thereto.

상기 복합 환원전극은 촉매 금속층을 더 포함할 수 있으며, 구체적으로, Sn, Sn 합금, Al, Au, Ag, C, Cd, Co, Cr, Cu, Cu 합금, 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, 변성 도핑된 p-Si, 변성 도핑된 p-Si:As, 변성 도핑된 p-Si:B, 변성 도핑된 n-Si, 변성 도핑된 n-Si:As, 및 변성 도핑된 n-Si:B 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있으며, 상기 촉매 금속층을 더 포함함으로써, 이산화탄소 환원과정에서 발생하는 수소 생성 등 부반응을 억제하면서도 이산화탄소의 환원과정을 더욱 활성화시킬 수 있다. The composite cathode may further include a catalyst metal layer, specifically, Sn, Sn alloy, Al, Au, Ag, C, Cd, Co, Cr, Cu, Cu alloy, Ga, Hg, In, Mo, Nb , Ni, NiCo2O4, Ni alloy, Ni-Fe alloy, Pb, Rh, Ti, V, W, Zn, elgiloy, nichrome, austenitic steel, duplex steel, ferrite steel, martensite steel, stainless steel , Modified doped p-Si, modified doped p-Si:As, modified doped p-Si:B, modified doped n-Si, modified doped n-Si:As, and modified doped n-Si: Any one or more selected from the group consisting of B and a mixture thereof may be used, and by further including the catalyst metal layer, side reactions such as hydrogen generation occurring in the carbon dioxide reduction process can be suppressed, while the reduction process of carbon dioxide can be further activated. .

상기 복합 환원전극은 또한 기체확산층을 더 포함할 수 있다. 상기 기체확산층은 상기 기체 주입부로부터 공급되는 가습된 이산화탄소를 균일하게 복합 환원전극 영역에 공급할 수 있는 통로역할을 할 수 있으며, 전기 전도성이 있는 탄소 물질을 사용할 수 있다. 구체적으로, 탄소종이 (Carbon paper), 탄소천 (Carbon cloth), 탄소펠트 (Carbon felt) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The composite cathode may further include a gas diffusion layer. The gas diffusion layer may serve as a passage through which the humidified carbon dioxide supplied from the gas injection unit can be uniformly supplied to the composite cathode region, and a carbon material having electrical conductivity may be used. Specifically, carbon paper, carbon cloth, carbon felt, etc. may be used, but the present invention is not limited thereto.

본 발명에 따른 전기화학적 전지는 상술한 막-전극 접합체의 산화전극 영역에 물 또는 전해액을 공급하는 액체 주입부와 연결되어, 산화반응이 일어나는 액체 챔버; 및 복합 환원전극 영역에 가습된 이산화탄소를 공급하는 기체 주입부와 연결되어 복합 환원전극 영역에 가습된 이산화탄소를 공급하는 가습기 또는 무화기를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 산화전극 및 복합 환원전극과 결합되며, 전압을 인가할 수 있는 에너지 공급원을 더 포함할 수 있으며, 상기 전압은 1.2 V 내지 4 V, 좋게는 1.3 내지 3.5 V의 전압을 인가할 수 있다. The electrochemical battery according to the present invention includes a liquid chamber connected to a liquid injection unit for supplying water or an electrolyte solution to an anode region of the membrane-electrode assembly described above, whereby an oxidation reaction occurs; And a humidifier or atomizer connected to the gas injection unit supplying the humidified carbon dioxide to the composite cathode region to supply the humidified carbon dioxide to the composite cathode region. In addition, it is combined with the anode and the composite cathode, and may further include an energy supply source capable of applying a voltage, the voltage can be applied to a voltage of 1.2 V to 4 V, preferably 1.3 to 3.5 V. .

이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples, but these are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

1. 복합 환원전극의 제조1. Fabrication of composite cathode

다공성 탄소 지지체로 탄소나노튜브를 사용하였으며, 상기 탄소나노튜브 10 g에 황산과 인산을 9:1 부피비로 혼합한 혼합액 200 ㎖를 첨가하고, 산화제인 과망간산칼륨 30 g을 첨가한 후, 4℃에서 24시간동안 반응시켰다. 반응 종료 후, 표면 산화된 탄소나노튜브를 물로 세척하고, 80℃에서 5시간 동안 건조시켰다. Carbon nanotubes were used as a porous carbon support, 200 ml of a mixture of sulfuric acid and phosphoric acid in a volume ratio of 9:1 was added to 10 g of the carbon nanotubes, and 30 g of potassium permanganate as an oxidizing agent was added, and then at 4°C. It was reacted for 24 hours. After completion of the reaction, the surface-oxidized carbon nanotubes were washed with water and dried at 80°C for 5 hours.

상기 표면 산화된 탄소나노튜브에 3-아미노프로필 트리에톡시실란 (aminopropyl-triethoxysilane; 3-APTES) 60 ㎖을 첨가한 후, 완전 밀봉하여 50℃에서 24시간 동안 반응시켰으며, 반응 종류 후, -NH2 치환기로 개질된 탄소나노튜브를 물로 세척하고 80℃에서 5시간 동안 건조시켰다.After adding 60 ml of 3-aminopropyl-triethoxysilane (3-APTES) to the surface-oxidized carbon nanotube, it was completely sealed and reacted at 50° C. for 24 hours. After the reaction type,- The carbon nanotubes modified with NH 2 substituents were washed with water and dried at 80° C. for 5 hours.

상기 -NH2 치환기로 개질된 탄소나노튜브를 100 mM 인산나트륨 버퍼용액 (pH 7)에 분산시킨 후, 탄산무수화효소를 3 ㎎/㎖ 농도로 첨가한 후, 25℃에서 2시간 이상 교반하여 탄산무수화효소가 표면에 고정화된 탄소나노튜브를 제조하였다. After dispersing the carbon nanotubes modified with the -NH 2 substituent in 100 mM sodium phosphate buffer solution (pH 7), carbonic anhydrase was added at a concentration of 3 mg/ml, and then stirred at 25° C. for 2 hours or more. Carbon nanotubes were prepared with carbonic anhydrase immobilized on the surface.

상기 탄산무수화효소가 고정화된 탄소나노튜브 및 상기 탄산무수화효소가 고정화된 탄소나노튜브 100 중량부 기준, 40 중량부의 주석 나노입자를 증류수에서 초음파로 분산하여 탄산무수화효소가 고정화된 탄소나노튜브 및 주석 나노입자가 복합화된 구조의 복합체를 제조하였다.Carbon nanotubes immobilized with carbonic anhydrase by ultrasonically dispersing 40 parts by weight of tin nanoparticles based on 100 parts by weight of carbon nanotubes immobilized with carbonic anhydrase in distilled water and carbonic anhydrase-immobilized carbon nanotubes A composite structure was prepared in which a tube and tin nanoparticles were combined.

다음, 2Ⅹ2 ㎝ 사이즈의 Nafion 115 (DuPont)의 환원전극 측 표면에 주석 나노입자를 ㎝2 당 1.8 ㎎로 스프레이 코팅한 후 그 위에 상기 제조된 복합체를 코팅하여 탄산무수화효소 0.01 ㎎/cm2 및 주석 (Sn) 0.2 ㎎/cm2가 도입된 복합 환원전극을 제조하였다. Next, after spray-coating the tin nanoparticles at 1.8 mg per cm 2 on the surface of the cathode side of Nafion 115 (DuPont) having a size of 2×2 cm 2, the prepared composite was coated thereon to obtain 0.01 mg/cm 2 of carbonic anhydrase and A composite cathode into which 0.2 mg/cm 2 of tin (Sn) was introduced was prepared.

2. 막-전극 접합체의 제조 2. Preparation of membrane-electrode assembly

상기 Nafion 115의 환원전극 측에 제조된 복합 환원전극의 반대편에 산화전극으로 2Ⅹ2 ㎝ Ni mesh (100 mesh, Alfa Aesar)를 사용하였으며, 산화전극 촉매로 백금 (Pt) 분말을 Nafion ionomer과 함께 알코올에 분산시켜 촉매 용액을 제조하고 Nafion 115의 산화전극 측 표면에 0.5 ㎎/cm2 스프레이 코팅하였다. 다음, 상기 복합 환원전극 상에는 0.3 ㎜ 두께의 탄소종이를 기체확산층으로 사용하여 2Ⅹ2 ㎝ 사이즈의 막-전극 접합체를 제조하였다. 2x2 cm Ni mesh (100 mesh, Alfa Aesar) was used as an anode on the opposite side of the composite cathode prepared on the cathode side of the Nafion 115, and platinum (Pt) powder was added to alcohol together with Nafion ionomer as an anode catalyst. A catalyst solution was prepared by dispersing, and 0.5 mg/cm 2 was spray coated on the surface of the anode side of Nafion 115. Next, on the composite cathode, a membrane-electrode assembly having a size of 2×2 cm was prepared by using a carbon paper having a thickness of 0.3 mm as a gas diffusion layer.

3. 개미산의 제조 3. Preparation of formic acid

상기 제조된 막-전극 접합체를 이용하여 산화전극 영역 및 환원전극 영역을 구분하였으며, 산화전극 영역의 챔버에는 1 M KOH (Sigma-Aldrich 99.0 %)가 포함된 수용액을 채워주고, 환원전극 영역에는 가습된 이산화탄소를 상대습도 180% 조건 및 50 sccm 유량으로 30℃에서 공급하였다. 상기 이산화탄소의 상대습도를 유지하기 위하여, 수증기를 15 ㎎/㎝2 ·min로 지속적으로 공급하였으며 전압은 2.5 V로 인가하여 이산화탄소를 전기환원시켜 개미산을 제조하였다. The prepared membrane-electrode assembly was used to separate the anode area and the cathode area, and the chamber of the anode area was filled with an aqueous solution containing 1 M KOH (Sigma-Aldrich 99.0%), and the cathode area was humidified. Carbon dioxide was supplied at 30° C. at 180% relative humidity and a flow rate of 50 sccm. In order to maintain the relative humidity of the carbon dioxide, water vapor was continuously supplied at 15 mg/cm 2 ·min, and a voltage was applied at 2.5 V to electroreduce carbon dioxide to prepare formic acid.

상기 실시예 1에서 탄산무수화효소가 0.01 대신, 0.002 ㎎/cm2 도입된 복합 환원전극을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. In Example 1, the carbonic anhydrase was carried out in the same manner as in the case of using a composite cathode electrode , in which 0.002 mg/cm 2 was introduced instead of 0.01.

상기 실시예 1에서 탄산무수화효소가 0.01 대신, 0.02 ㎎/cm2 도입된 복합 환원전극을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. In Example 1, the carbonic anhydrase was carried out in the same manner as in the case of using a composite cathode electrode in which 0.02 mg/cm 2 was introduced instead of 0.01.

(비교예 1) (Comparative Example 1)

상기 실시예 1에서 환원전극을 복합 환원전극 대신 주석 (Sn)을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. In Example 1, the cathode was carried out in the same manner, except that tin (Sn) was used instead of the composite cathode.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

상기 실시예 1에서 막-전극 접합 제조 시, 기체확산층을 사용하지 않고, 환원전극 영역에 가습된 이산화탄소 대신 1 M KOH (Sigma-Aldrich 99.0 %) 수용액을 채워주고 이산화탄소를 지속적으로 공급하여 포화시켜 개미산을 제조한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. In the manufacturing of the membrane-electrode junction in Example 1, a gas diffusion layer was not used, and a 1 M KOH (Sigma-Aldrich 99.0%) aqueous solution was added to the cathode area instead of humidified carbon dioxide, and carbon dioxide was continuously supplied to saturate the formic acid. It was carried out in the same manner except for the one prepared.

실험예Experimental example : : 페러데이Faraday 효율 및 전류밀도 측정: Efficiency and current density measurement:

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 따라 이산화탄소를 전기화학 환원시켜 개미산을 제조하는 성능을 평가하였으며, 그 결과를 도 3 및 도 4에 도시하였다. According to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2, the performance of preparing formic acid by electrochemical reduction of carbon dioxide was evaluated, and the results are shown in FIGS. 3 and 4.

도 3 (a)는 실시예 1 내지 3에 따른 개미산 생성과정의 페러데이 효율 측정 결과이며, (b)는 전류밀도 측정결과를 나타낸 도면이다. 도 3 (a)에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 따른 전기환원 방법에 의해 제조된 개미산은 반응물이 기상임에도 불구하고 넓은 전압 범위에서 80% 이상의 페러데이 효율을 나타낸 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 3 (b)에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 따른 전기환원 방법에 의해 제조된 개미산은 전압 증가에 따라 전류밀도 또한 증가하는 것을 알 수 있으며, 이는 개미산 생성의 빠른 반응속도를 나타낸다. 3 (a) is a Faraday efficiency measurement result of the formic acid generation process according to Examples 1 to 3, and (b) is a view showing the current density measurement result. As can be seen from Figure 3 (a), it can be seen that the formic acid prepared by the electro-reduction method according to the present invention exhibits a Faraday efficiency of 80% or more over a wide voltage range even though the reactant is a gas phase. In addition, as can be seen in Figure 3 (b), it can be seen that the formic acid prepared by the electro-reduction method according to the present invention also increases the current density as the voltage increases, which indicates a rapid reaction rate of formic acid generation.

도 4 (a)는 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에 따른 개미산 생성과정의 페러데이 효율 측정 결과이며, (b)는 전류밀도 측정결과를 나타낸 도면이다. 도 4 (a)에서 볼 수 있듯이, 실시예 1은 비교예 1 및 2 대비 훨씬 넓은 전압 범위에서 80% 이상의 페러데이 효율을 나타내며, 최대 91.5%의 페러데이 효율을 나타낸 반면, 비교예 1은 좁은 전압 범위에서 최대 80.6%의 페러데이 효율을 나타냈으며, 비교예 2는 비교예 1보다도 더 좁은 전압 범위에서 최대 66%의 페러데이 효율을 나타낸 것을 확인할 수 있다. Figure 4 (a) is a Faraday efficiency measurement result of the formic acid generation process according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 2, (b) is a view showing the current density measurement result. As can be seen in Figure 4 (a), Example 1 exhibits a Faraday efficiency of 80% or more in a much wider voltage range compared to Comparative Examples 1 and 2, and a Faraday efficiency of up to 91.5%, whereas Comparative Example 1 has a narrow voltage range. Faraday efficiency of up to 80.6% was shown in, and Comparative Example 2 can be confirmed to exhibit a Faraday efficiency of up to 66% in a narrower voltage range than Comparative Example 1.

또한 도 4 (b)에서 볼 수 있듯이, 최대 페러데이 효율을 나타내는 전압에서, 실시예 1은 64.6 mA/cm2의 전류밀도를 나타낸 반면, 비교예 1은 16.3 mA/cm2, 비교예 2는 9.8 mA/cm2를 나타냈으며, 실시예 1의 80% 이상 페러데이 효율 조건에서 최대 전류밀도 116.7 mA/cm2를 나타낸 반면, 비교예 1 및 비교예 2는 각각 16.3 mA/cm2 및 9.8 mA/cm2에 불과하였다. 즉 실제로, 실시예 1은 80% 이상 페러데이 효율 조건에서 비교예 1 및 2 대비 최소 7배 이상 빠른 반응속도를 나타낼 수 있다는 것을 알 수 있다.In addition, as can be seen in Figure 4 (b), at the voltage showing the maximum Faraday efficiency, Example 1 showed a current density of 64.6 mA / cm 2 , Comparative Example 1 16.3 mA / cm 2 , Comparative Example 2 9.8 mA/cm 2 was shown, and the maximum current density was 116.7 mA/cm 2 under the Faraday efficiency condition of 80% or more of Example 1, whereas Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were 16.3 mA/cm 2 and 9.8 mA/cm, respectively. It was only 2. That is, in practice, it can be seen that Example 1 may exhibit a reaction rate that is at least 7 times faster than Comparative Examples 1 and 2 under 80% or more Faraday efficiency conditions.

Claims (16)

a) 산화전극 (Anode) 영역에 물 또는 전해액을 공급하는 단계;
b) 다공성 탄소 지지체에 고정화된 탄산무수화효소(Carbonic anhydrase, CA), 및 인듐 (In), 주석 (Sn), 납 (Pb), 수은 (Hg), 팔라듐 (Pd), 비스무스 (Bi), 안티몬 (Sb), 니켈 (Ni), 탈륨 (Tl) 및 이들의 금속산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 촉매 입자를 포함하는 복합 환원전극(Cathode) 영역에 가습된 이산화탄소 기체를 공급하여 상대습도가 100%를 초과하는 조건으로 가습된 이산화탄소 기체를 공급하는 단계; 및
c) 상기 산화전극 영역과 복합 환원전극 영역 사이에 전압을 인가하여 산화전극 영역에서 수소 이온(H+)을 형성시키고 상기 수소 이온(H+)이 전해질막을 통과하여 복합 환원전극 영역으로 이동하여 이산화탄소 기체를 전기환원시켜 이산화탄소의 환원 생성물을 생성시키는 단계;를 포함하는 이산화탄소의 전기환원 방법.
a) supplying water or an electrolyte to the anode region;
b) Carbonic anhydrase (CA) immobilized on a porous carbon support, and indium (In), tin (Sn), lead (Pb), mercury (Hg), palladium (Pd), bismuth (Bi), By supplying a humidified carbon dioxide gas to a composite cathode region containing one or two or more catalyst particles selected from the group consisting of antimony (Sb), nickel (Ni), thallium (Tl), and metal oxides thereof. Supplying the humidified carbon dioxide gas under conditions in which the relative humidity exceeds 100%; And
c) A voltage is applied between the anode area and the complex cathode area to form hydrogen ions (H + ) in the anode area, and the hydrogen ions (H + ) pass through the electrolyte membrane and move to the complex cathode area to generate carbon dioxide. Electroreduction of carbon dioxide comprising a; step of generating a reduction product of carbon dioxide by electro-reducing gas.
제1항에 있어서,
상기 다공성 탄소 지지체는 탄소나노튜브를 포함하는 것인 이산화탄소의 전기환원 방법.
The method of claim 1,
The method of electroreduction of carbon dioxide, wherein the porous carbon support includes carbon nanotubes.
제1항에 있어서,
상기 다공성 탄소 지지체는 거대기공을 포함하며, 상기 탄산무수화효소는 다공성 탄소 지지체의 거대기공 내부에 고정화되어 있고, 상기 촉매 입자는 다공성 탄소 지지체 내부에 포함되는 것인 이산화탄소의 전기환원 방법.
The method of claim 1,
The porous carbon support includes macropores, the carbonic anhydrase is immobilized in the macropores of the porous carbon support, and the catalyst particles are contained within the porous carbon support.
제1항에 있어서,
상기 탄산무수화효소는 상기 다공성 탄소 지지체 100 중량부에 대하여, 20 내지 5000 IU 고정화된 것인 이산화탄소의 전기환원 방법.
The method of claim 1,
The carbonic anhydrase is an electro-reduction method of carbon dioxide immobilized from 20 to 5000 IU based on 100 parts by weight of the porous carbon support.
제1항에 있어서,
상기 다공성 탄소 지지체 및 촉매 입자의 중량비는 1:0.01 내지 1:1인 것인 이산화탄소의 전기환원 방법.
The method of claim 1,
The weight ratio of the porous carbon support and the catalyst particles is 1:0.01 to 1:1, the carbon dioxide electroreduction method.
제1항에 있어서,
상기 고정화는
다공성 탄소 지지체를 산화하는 단계;
상기 산화된 다공성 탄소 지지체를 -NH2 치환기로 개질하는 단계; 및
상기 개질된 다공성 탄소 지지체에 탄산무수화효소를 고정화하는 단계를 포함하는 이산화탄소의 전기환원 방법.
The method of claim 1,
The immobilization is
Oxidizing the porous carbon support;
Modifying the oxidized porous carbon support with an -NH 2 substituent; And
Electroreduction method of carbon dioxide comprising the step of immobilizing carbonic anhydrase on the modified porous carbon support.
제6항에 있어서,
상기 고정화는 다공성 탄소 지지체 상의 치환기와 탄산무수화효소의 공유결합에 의해 고정되는 것인 이산화탄소의 전기환원 방법.
The method of claim 6,
The immobilization method of carbon dioxide is immobilized by a covalent bond between a substituent on a porous carbon support and a carbonic anhydrase.
제1항에 있어서,
상기 가습된 이산화탄소 기체의 온도 (T1)는 상기 복합 환원전극 영역의 온도 (T2)보다 높은 이산화탄소 전기환원 방법.
The method of claim 1,
The temperature (T1) of the humidified carbon dioxide gas is higher than the temperature (T2) of the composite cathode region.
제1항에 있어서,
상기 T1은 10 내지 100℃이며, 상기 T2는 10 내지 40℃인 이산화탄소 전기환원 방법.
The method of claim 1,
The T1 is 10 to 100 ℃, the T2 is 10 to 40 ℃ carbon dioxide electro-reduction method.
제1항에 있어서,
상기 상대습도는 150% 내지 200%인 이산화탄소 전기환원 방법.
The method of claim 1,
The relative humidity is 150% to 200% carbon dioxide electric reduction method.
제1항에 있어서,
상기 이산화탄소의 환원 생성물은 80% 이상의 패러데이 효율 (Faradaic efficiency)로 생성되는 이산화탄소 전기환원 방법.
The method of claim 1,
The reduction product of carbon dioxide is a carbon dioxide electro-reduction method that is generated with a Faradaic efficiency of 80% or more.
제1항에 있어서,
상기 이산화탄소의 환원 생성물은 개미산, 포름 알데하이드, 포르메이트, 아세트알데하이드, 아세테이트, 아세트산, 아세톤, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-부탄온, 에탄올, 이소프로판올, 락테이트, 락트산, 메탄올, 1-프로판알, 1-프로판올, 프로피온산, 일산화탄소, 메탄, 에틸렌, 에탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 이산화탄소 전기환원 방법.
The method of claim 1,
The reduction product of carbon dioxide is formic acid, formaldehyde, formate, acetaldehyde, acetate, acetic acid, acetone, 1-butanol, 2-butanol, 2-butanone, ethanol, isopropanol, lactate, lactic acid, methanol, 1-propane Al, 1-propanol, propionic acid, carbon monoxide, methane, ethylene, ethane, and carbon dioxide electroreduction method comprising any one or two or more selected from the group consisting of a mixture thereof.
제1항에 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 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 수용액인 것인 이산화탄소 전기환원 방법.
The method of claim 1,
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 cations, ammonium cations, alkyl ammonium cations, halide ions, alkyl amines, borates, carbonates, guanidinium derivatives, nitrites, nitrates, phosphates, polyphosphates, perchlorates, silicates, sulfates, tetraalkyl ammonium salts and these Carbon dioxide electro-reduction method that is an aqueous solution containing any one or two or more selected from the group consisting of a mixture.
산화전극;
상기 산화전극과 대향하여 위치하는 환원전극;
상기 산화전극과 환원전극의 사이에 위치하는 전해질막;
상기 환원전극 영역에 가습된 이산화탄소를 공급하는 기체 주입부; 및
상기 산화전극 영역에 물 또는 전해액을 공급하는 액체 주입부;를 포함하고,
상기 환원전극은 제 1항 내지 제7항에서 선택되는 어느 한 항의 복합 환원전극을 포함하는 것인 전기화학적 전지.
An anode;
A cathode disposed opposite to the anode;
An electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode;
A gas injection unit supplying humidified carbon dioxide to the cathode region; And
Including; a liquid injection unit for supplying water or an electrolyte solution to the anode region,
The electrochemical cell comprising the composite cathode of any one of claims 1 to 7, wherein the cathode is selected from claim 1 to claim 7.
제 11항에 있어서,
상기 복합 환원전극은 촉매 금속층을 더 포함하는 것인 전기화학적 전지.
The method of claim 11,
The electrochemical cell of the composite cathode further comprises a catalyst metal layer.
제11항에 있어서,
상기 복합 환원전극은 기체확산층을 더 포함하는 것인 전기화학적 전지.

The method of claim 11,
The electrochemical cell of the composite cathode further comprises a gas diffusion layer.

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114686908A (en) * 2022-03-07 2022-07-01 华中科技大学 Method for directly generating formic acid by efficiently electro-catalyzing reduction of carbon dioxide
WO2022220644A1 (en) * 2021-04-16 2022-10-20 경북대학교 산학협력단 Electrochemical urea oxidation-organic compound production system

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130112037A (en) 2010-09-24 2013-10-11 데트 노르스키 베리타스 에이에스 Method and apparatus for the electrochemical reduction of carbon dioxide

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101634794B1 (en) * 2014-07-07 2016-06-29 한국에너지기술연구원 Complex catalysts comprising enzyme and metal, membrane-electrode assembly, electrochemical cell and method for preparing formic acid from carbon dioxide thereof
KR101871948B1 (en) * 2016-06-24 2018-06-27 고려대학교 산학협력단 Carbon dioxide conversion reactor, series reactors for carbon dioxide conversion and capture, and carbon dioxide conversion process using series reactors
US10815577B2 (en) * 2015-07-14 2020-10-27 Korea Institute Of Energy Research Method and apparatus for preparing reduction product of carbon dioxide by electrochemically reducing carbon dioxide
KR101931504B1 (en) * 2017-03-23 2018-12-21 (주)엘켐텍 Membrane Electrode Assembly for the Electrochemical Cell

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130112037A (en) 2010-09-24 2013-10-11 데트 노르스키 베리타스 에이에스 Method and apparatus for the electrochemical reduction of carbon dioxide

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022220644A1 (en) * 2021-04-16 2022-10-20 경북대학교 산학협력단 Electrochemical urea oxidation-organic compound production system
CN114686908A (en) * 2022-03-07 2022-07-01 华中科技大学 Method for directly generating formic acid by efficiently electro-catalyzing reduction of carbon dioxide

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