KR20210085486A - Current collector for reduction apparatus of carbon dioxide, reduction apparatus of carbon dioxide comprising the same, and reducing method of carbon dioxide using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a current collector used for an apparatus for reducing carbon dioxide, an apparatus for reducing carbon dioxide comprising the same, and a method for reducing carbon dioxide using the same. The current collector of the present invention comprises, as a current collector which is used in an apparatus for reducing carbon dioxide and has a plate shape, a body part and a protruding part integrated with the body part. According to the present invention, reaction stability during reduction of carbon dioxide can be improved.

Description

이산화탄소 환원 장치를 위한 집전체, 이를 포함하는 이산화탄소 환원 장치 및 이를 이용하여 이산화탄소를 환원하는 방법{Current collector for reduction apparatus of carbon dioxide, reduction apparatus of carbon dioxide comprising the same, and reducing method of carbon dioxide using the same}Current collector for reduction apparatus of carbon dioxide, reduction apparatus of carbon dioxide comprising the same, and reducing method of carbon dioxide using the same}

본 발명은 이산화탄소 환원 장치에 사용하기 위한 집전체, 이를 포함하는 이산화탄소 환원 장치 및 이를 이용하여 이산화탄소를 환원하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a current collector for use in a carbon dioxide reduction device, a carbon dioxide reduction device including the same, and a method for reducing carbon dioxide using the same.

최근 급격한 산업화와 경제 활동에 의해 대기 중으로 다량 배출되는 이산화탄소는 온실효과를 증대시켜 지표나 하층 대기의 기온을 상승시켜 지구온난화 및 기후변화를 초래하고 있다. 이러한 이산화탄소를 분리·회수하는 기술로 물리화학적 흡수법, 흡착법, 막분리법 등을 이용하여 이산화탄소를 회수한 후 지중이나 해양에 저장하는 기술이 공지되어 있다. 또한, 이산화탄소는 지구상에서 풍부하게 존재하는 탄소 화합물에 해당하므로, 이산화탄소를 효과적으로 활성화시켜 유용한 유기물로 변환시켜 에너지원 혹은 유기합성에 필요한 탄소의 공급원으로 이용하기 위한 촉매법, 전기화학법, 생물학적 전환법, 광화학법 등 재생에너지 형태로 전환시키는 기술 또한 공지되어 있다.Recently, a large amount of carbon dioxide emitted into the atmosphere due to rapid industrialization and economic activities increases the greenhouse effect and raises the temperature of the surface or lower atmosphere, causing global warming and climate change. As a technology for separating and recovering such carbon dioxide, a technique for recovering carbon dioxide using a physicochemical absorption method, an adsorption method, a membrane separation method, etc. In addition, since carbon dioxide corresponds to a carbon compound abundantly present on earth, a catalytic method, an electrochemical method, a biological conversion method for effectively activating carbon dioxide to convert it into a useful organic substance and using it as an energy source or a source of carbon required for organic synthesis Techniques for converting into a form of renewable energy such as photochemical methods and photochemical methods are also known.

이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하기 위한 기술은 탄소 화합물 중 가장 안정된 이산화탄소를 다른 유용한 화합물로 변환시키는 기술이기 때문에, 에너지의 투입이 필수적이다. 또한, 효과적인 전환을 위하여 관련된 반응의 확립이 필수적이다. 이산화탄소를 환원하여 메탄, 에탄, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 알릴 알코올, 글리콜알데히드, 아세트알데히드, 아세테이트, 에틸렌글리콜, 프로피온알데히드, 아세톤, 히드록시아세톤, 포름알데히드, 포름산염 등으로 전환하는 기술의 대부분은 H-cell에서 평면 전극을 이용하여 수행되고 있다. 여기서, 평면 전극은 플레이트, 시트 또는 회전 원반형 전극과 같이 기체 채널이 없는 전극이다. 따라서, 평면 전극이 이용되는 경우, 이산화탄소는 버블링을 통해 액상 전해질에 용해되고, 용해된 이산화탄소는 전극 표면을 따라 긴 거리를 통해 확산된다. 그렇기 때문에 위와 같은 평면 전극을 이용하는 기술은 이산화탄소의 낮은 용해도로 인해 낮은 전류 밀도를 갖게 되어 효율이 낮은 문제가 있다.Since the technology for converting carbon dioxide into useful compounds is a technology for converting the most stable carbon dioxide among carbon compounds into other useful compounds, input of energy is essential. In addition, the establishment of the relevant reaction is essential for effective conversion. The technology of reducing carbon dioxide into methane, ethane, methanol, ethanol, n-propanol, allyl alcohol, glycolaldehyde, acetaldehyde, acetate, ethylene glycol, propionaldehyde, acetone, hydroxyacetone, formaldehyde, formate, etc. Most of them are performed using planar electrodes in H-cell. Here, the planar electrode is an electrode without gas channels, such as a plate, sheet, or rotating disk-shaped electrode. Therefore, when a flat electrode is used, carbon dioxide is dissolved in the liquid electrolyte through bubbling, and the dissolved carbon dioxide diffuses through a long distance along the electrode surface. Therefore, the technique using the flat electrode as described above has a low current density due to low solubility of carbon dioxide, and thus has a problem of low efficiency.

이에, 기체 이산화탄소가 바로 전극으로 투입될 수 있도록 하는 기체 확산 전극(Gas diffusion electrodes, GDE)를 이용하는 셀 형상이 개발되어, 촉매 상에서 고농도의 이산화탄소가 이용되는 획기적인 기술이 개발된 바 있다. 이러한 기체 확산 전극이 도입됨에 따라 이산화탄소를 버블링하여 이용함으로써 10 mA·cm-2 미만 정도의 전류 밀도를 갖던 반응이 수십 mA·cm-2의 전류 밀도를 가질 수 있도록 개선되었다.Accordingly, a cell shape using gas diffusion electrodes (GDE) that allows gaseous carbon dioxide to be directly injected into the electrode has been developed, and an innovative technology in which a high concentration of carbon dioxide is used on a catalyst has been developed. As such a gas diffusion electrode was introduced, a reaction having a current density of less than 10 mA·cm -2 was improved to have a current density of several tens of mA·cm -2 by bubbling carbon dioxide.

그러나, 위와 같은 이산화탄소를 전기화학반응을 통해 고에너지 화합물로 전환하는 반응은 동시에 수소화 반응을 일으킨다. 이와 같이 양극에서의 수소 발생 반응과 음극에서의 환원 반응이 경쟁하므로 상대적으로 큰 음의 전위에서 반응을 진행하여야 하기 때문에, 전압과 전위의 효율 증가와 이산화탄소의 환원 생성물에 대한 선택성을 향상시키기 위한 연구가 계속되고 있다.However, the above reaction of converting carbon dioxide into a high-energy compound through an electrochemical reaction simultaneously causes a hydrogenation reaction. As described above, since the hydrogen evolution reaction at the anode and the reduction reaction at the cathode compete with each other, the reaction must be carried out at a relatively large negative potential. A study to increase the efficiency of voltage and potential and improve the selectivity for reduction products of carbon dioxide is continuing.

이에, 본 발명의 발명자들은 GDE 전극을 이용한 이산화탄소 환원 장치의 효율을 개선하기 위한 예의 연구를 진행하던 도중,Accordingly, the inventors of the present invention while conducting intensive research to improve the efficiency of the carbon dioxide reduction device using the GDE electrode,

GDE를 이용한 이산화탄소 환원 장치의 반응 안정성과 환원 효율을 더욱 우수하게 개선할 수 있는 장치를 개발하여 본 발명을 완성하였다.The present invention was completed by developing an apparatus capable of further improving the reaction stability and reduction efficiency of the carbon dioxide reduction apparatus using GDE.

본 발명은 이산화탄소 환원의 반응 안정성을 개선하기 위한 이산화탄소 환원 장치를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a carbon dioxide reduction device for improving the reaction stability of carbon dioxide reduction.

구체적으로, 본 발명은 이산화탄소 환원 장치에 안정적인 전기 화학 반응을 유도하기 위한 집전체, 이를 이용한 이산환탄소 환원 장치 및 이를 이용하여 이산화탄소를 환원하는 방법을 제공하고자 한다.Specifically, an object of the present invention is to provide a current collector for inducing a stable electrochemical reaction in a carbon dioxide reduction device, a carbon dioxide reduction device using the same, and a method for reducing carbon dioxide using the same.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 이산화탄소 환원 장치에 사용하고 판상의 형태인 집전체로서, 몸체부, 및 상기 몸체부와 일체로 형성된 돌출부를 포함하는 집전체를 제공한다.In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, the present invention is a current collector in the form of a plate and used in a carbon dioxide reduction device, the current collector comprising a body portion, and a protrusion formed integrally with the body portion provides

다른 측면에서, 본 발명은 기체 유입구 및 기체 배출구를 포함하는 제1 챔버, 제1 집전체, 환원 전극, 양성자 교환 막, 제2 집전체 및 산화 전극을 포함하는 제2 챔버를 포함하고, 상기 제1 집전체 및 제2 집전체 중 적어도 하나는 상기 집전체인 것인, 이산화탄소 환원 장치를 제공한다.In another aspect, the present invention comprises a first chamber comprising a gas inlet and a gas outlet, a second chamber comprising a first current collector, a reducing electrode, a proton exchange membrane, a second current collector and an oxidizing electrode, wherein the second chamber comprises: At least one of the first current collector and the second current collector is the current collector, and provides a carbon dioxide reduction device.

또 다른 측면에서, 본 발명은 상기 이산화탄소 환원 장치를 이용하여 이산화탄소를 환원하는 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for reducing carbon dioxide using the carbon dioxide reduction device.

본 발명의 집전체를 이용하면 이산화탄소 환원 반응의 반응 안정성을 향상시킬 수 있다.Reaction stability of the carbon dioxide reduction reaction can be improved by using the current collector of the present invention.

또한, 본 발명의 집전체를 이용하면 이산화탄소 환원에 의해 포름산 및 이산화탄소의 전기화학적 환원에 의한 액체 생성물을 더 높은 효율로 전환할 수 있다.In addition, using the current collector of the present invention, it is possible to convert the liquid product by the electrochemical reduction of formic acid and carbon dioxide by carbon dioxide reduction with higher efficiency.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 집전체(100)의 정면도를 도시한 것이다.
도 2는 일 실시예에 따른 제1 챔버의 사시도(a), 정면도(b), 측면도(c)를 도시한 것이다.
도 3은 일 실시예에 따른 제3 챔버의 사시도(a), 정면도(b), 측면도(c)를 도시한 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 제4 챔버의 사시도를 도시한 것이다.
도 5는 일 실시예에 따라 제조된 기체 확산 전극의 SEM 이미지를 도시하였다.
도 6은 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 장치의 개략도를 도시하였다.
도 7은 일 실시예에 따라 이산화탄소 환원 반응의 효율을 나타낸 그래프를 도시하였다. 구체적으로, 음극액 내 전해질 농도를 달리하여 전환 효율을 평가한 그래프를 도시하였다.
도 8은 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 장치를 이용하여 각 전압에 따른 순환전압전류법 평가 결과를 도시한 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따른 기체 확산 전극의 -0.76 VRHE 에서 72 시간 동안 내구성 시험을 수행하기 전(a)과 후(b)의 SEM 이미지를 도시한 것이다. (c)는 내구성 시험의 전 후에 얻어진 XRD 스펙트럼을 나타낸 것이다.
The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the above-described content of the present invention, so the present invention is limited to the matters described in those drawings It should not be construed as being limited.
1 illustrates a front view of a current collector 100 according to an embodiment.
2 shows a perspective view (a), a front view (b), and a side view (c) of the first chamber according to an embodiment.
3 illustrates a perspective view (a), a front view (b), and a side view (c) of a third chamber according to an embodiment.
4 is a perspective view of a fourth chamber according to an embodiment.
5 shows an SEM image of a gas diffusion electrode manufactured according to an embodiment.
6 shows a schematic diagram of a carbon dioxide reduction device according to an embodiment.
7 is a graph showing the efficiency of the carbon dioxide reduction reaction according to an embodiment. Specifically, a graph evaluating the conversion efficiency by varying the electrolyte concentration in the catholyte is shown.
8 is a graph showing the evaluation results of the cyclic voltammetry according to each voltage using the carbon dioxide reduction device according to an embodiment.
9 shows SEM images before (a) and after (b) performing a durability test for 72 hours at -0.76 V RHE of a gas diffusion electrode according to an embodiment. (c) shows the XRD spectrum obtained before and after the durability test.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명의 집전체는 이산화탄소 환원 장치에 사용하고 판상(板狀)의 형태인 집전체로서, 몸체부 및 상기 몸체부와 일체로 형성된 돌출부를 포함한다.The current collector of the present invention is a current collector in the form of a plate and used in a carbon dioxide reduction device, and includes a body portion and a protrusion formed integrally with the body portion.

구체적으로, 상기 집전체의 형상은 철(凸)형으로서, 몸체부와 몸체부와 일체로 형성된 적어도 하나의 돌출부를 갖는 것일 수 있다.Specifically, the current collector has a convex shape, and may have a body portion and at least one protrusion formed integrally with the body portion.

일 구현예에서, 상기 집전체는, 평탄면의 내부에 이산화탄소 환원 반응용 전극층을 수용하기 위한 개구부가 형성되어 있다.In one embodiment, the current collector, an opening for accommodating the electrode layer for carbon dioxide reduction reaction is formed in the interior of the flat surface.

일 구현예에서, 상기 몸체부는 사각 형상이고, 상기 개구부는 몸체부와 대응되는 형상의 사각 형상일 수 있다. 예컨대, 상기 몸체부는 이산화탄소 환원 장치에 사용되는 전극층의 형상에 대응되는 형상으로서 사각 형상일 수 있으며, 상기 개구부 또한 사각 형상일 수 있다. 그리고, 사각 형상의 전극을 이용하는 경우 상기 개구부의 크기는 집전체와 전극이 접촉되는 적어도 일부의 접촉면적을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 개구부는, 상기 전극을 5 내지 25 %로 축소한 크기의 형상을 갖는 것일 수 있다.In one embodiment, the body portion may have a rectangular shape, and the opening may have a rectangular shape corresponding to the body portion. For example, the body portion may have a rectangular shape as a shape corresponding to the shape of the electrode layer used in the carbon dioxide reduction device, and the opening may also have a rectangular shape. In addition, when a rectangular electrode is used, it is preferable that the size of the opening has at least a portion of a contact area in which the current collector and the electrode are in contact. For example, the opening may have a shape in which the electrode is reduced by 5 to 25%.

또한, 상기 집전체는 이산화탄소 환원 장치에 고정하기 위한 적어도 하나의 체결부, 예를 들어 볼트가 결합되는 적어도 하나의 홀(hole)을 포함할 수 있다. 상기 체결부의 수는 장치 내 각 구성이 유출되지 않도록 구비할 수 있으며, 예컨대 집전체의 각 모서리에 구비하여, 사각형의 집전체는 4개의 체결부를 갖는 것일 수 있다. 상기 체결부의 크기는, 예컨대 볼트의 크기에 따라 조절할 수 있다.In addition, the current collector may include at least one fastening portion for fixing to the carbon dioxide reduction device, for example, at least one hole to which a bolt is coupled. The number of the fastening parts may be provided so that each component in the device does not leak, for example, provided at each corner of the current collector, the rectangular current collector may have four fastening parts. The size of the fastening part may be adjusted according to, for example, the size of the bolt.

일 구현예에서, 상기 집전체의 몸체부는 이산화탄소 환원 장치 내 각 챔버 내에 체결되도록 하고, 챔버 외부의 공기면과 접촉하지 않도록, 각 모서리에 중심부 방향으로 만입부를 갖는 형상일 수 있다.In one embodiment, the body portion of the current collector to be fastened in each chamber in the carbon dioxide reduction device, so as not to contact the air surface outside the chamber, each corner may have a shape having an indentation in the direction of the center.

상기 집전체는 이산화탄소 환원 장치의 환원 전극, 산화 전극 및 기준 전극 중 적어도 하나에 이용되는 것일 수 있으며, 집전체의 소재는 이용되는 전극에 따라 집전체에서 반응이 수행되지 않도록 그 소재를 결정하여 구비할 수 있다. 예컨대 상기 집전체는 구리, 니켈, 알루미늄, 백금, 팔라듐, 은, 금 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.The current collector may be one used for at least one of the reduction electrode, the oxidation electrode, and the reference electrode of the carbon dioxide reduction device, and the material of the current collector is provided by determining the material so that the reaction is not performed in the current collector according to the electrode used can do. For example, the current collector may include at least one selected from the group consisting of copper, nickel, aluminum, platinum, palladium, silver, gold, and alloys thereof.

일 구현예에서, 상기 집전체는 구리 표면에 금으로 도금된 소재로 구성되는 것일 수 있다.In one embodiment, the current collector may be made of a material plated with gold on a copper surface.

상기 집전체를 이용하면 종래 전도성 테이프, 전도성 박 등의 예컨대 구리 테이프를 집전체로 이용하는 이산화탄소 환원 장치 대비 이산화탄소 환원 반응의 안정성을 우수하게 향상할 수 있다.When the current collector is used, the stability of the carbon dioxide reduction reaction can be excellently improved compared to a carbon dioxide reduction device using, for example, a copper tape such as a conventional conductive tape or a conductive foil as a current collector.

일 구현예에서, 도 1을 참조하면, 상기 집전체(100)는 몸체부(101)와 몸체부와 일체형인 돌출부(102)를 포함하고, 사각 형상의 몸체부에 대응되는 형상의 개구부(103)를 포함한다. 또한, 몸체부의 각 모서리에 적어도 하나의 체결부(104)를 포함할 수 있다.In one embodiment, referring to FIG. 1 , the current collector 100 includes a body portion 101 and a protrusion portion 102 integral with the body portion, and an opening 103 having a shape corresponding to the rectangular body portion. ) is included. In addition, at least one fastening portion 104 may be included at each corner of the body portion.

본 발명은 상기 집전체를 이용한 이산화탄소 환원 장치를 제공한다.The present invention provides a carbon dioxide reduction device using the current collector.

상기 이산화탄소 환원 장치는, 기체 유입구 및 기체 배출구를 포함하는 제1 챔버; 제1 집전체, 환원 전극, 양성자 교환 막, 제2 집전체 및 산화 전극을 포함하는 제2 챔버;를 포함하고, 상기 제1 집전체 및 제2 집전체 중 적어도 하나는 상술한 집전체를 사용한다.The carbon dioxide reduction device, a first chamber including a gas inlet and a gas outlet; a second chamber including a first current collector, a reduction electrode, a proton exchange membrane, a second current collector, and an oxidizing electrode, wherein at least one of the first current collector and the second current collector uses the current collector described above do.

도 2에는 일 실시예에 따른 상기 제1 챔버의 사시도(a), 정면도(b), 측면도(c)를 도시하였다.2 shows a perspective view (a), a front view (b), and a side view (c) of the first chamber according to an embodiment.

상기 제1 챔버(200)는, 이산화탄소가 기체 상태로 환원 반응에 참여할 수 있도록 장치 내에 기체 상태의 이산화탄소를 공급하기 위한 기체 유입구(201), 및 기체 상태의 반응 생성물, 미반응의 이산화탄소 또는 이들의 혼합물을 배출시키기 위한 기체 배출구(202)를 포함한다. 또한, 이산화탄소와 같은 기체가 흐를 수 있도록 기체 유로(203)를 포함할 수 있다.The first chamber 200 includes a gas inlet 201 for supplying gaseous carbon dioxide into the device so that carbon dioxide can participate in a gaseous reduction reaction, and a gaseous reaction product, unreacted carbon dioxide or their and a gas outlet 202 for discharging the mixture. In addition, a gas flow path 203 may be included to allow gas such as carbon dioxide to flow.

일 구현예에서, 상기 제1 챔버는 두개 이상의 기체 유입구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 챔버는 이산화탄소 유입을 위한 제1 유입구와 비활성 기체 유입을 위한 제2 유입구를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the first chamber may include two or more gas inlets. For example, the first chamber may include a first inlet for introducing carbon dioxide and a second inlet for introducing inert gas.

일 구현예에서, 상기 제1 챔버는 이산화탄소 환원 장치의 결합 및 밀착 등을 목적으로 적어도 하나의 체결부(204)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the first chamber may include at least one fastening portion 204 for the purpose of coupling and close contact with the carbon dioxide reduction device.

상기 제2 챔버는 제1 집전체, 환원 전극, 양성자 교환 막, 제2 집전체 및 산화 전극을 포함한다. 상기 양성자 교환 막은 상기 환원 전극과 산화 전극 사이에 구비되어 각 전극이 침지되는 음극액 및/또는 양극액의 전해질 내 이온이 연통될 수 있도록 하여 전해질의 pH를 유지시켜주는 역할을 하는 것일 수 있다.The second chamber includes a first current collector, a reduction electrode, a proton exchange membrane, a second current collector and an oxidation electrode. The proton exchange membrane is provided between the reduction electrode and the oxidation electrode so that the ions in the electrolyte of the catholyte and/or the anolyte in which each electrode is immersed can communicate to maintain the pH of the electrolyte.

일 구현예에서, 상기 양성자 교환 막은 나피온 멤브레인을 이용하는 것일 수 있다.In one embodiment, the proton exchange membrane may use a Nafion membrane.

또한, 상기 제2 챔버는 양성자 교환 막으로 분리되어, 제1 집전체 및 환원 전극을 포함하여 이산화탄소의 환원 반응이 일어나는 환원 반응부와 제2 집전체 및 산화 전극을 포함하여 상기 환원 반응의 상대 반응인 물 산화 반응이 일어나는 산화 반응부로 분리되는 것일 수 있다.In addition, the second chamber is separated by a proton exchange membrane, and includes a reduction reaction unit in which a reduction reaction of carbon dioxide occurs, including a first current collector and a reduction electrode, and a second collector and an oxidation electrode, the relative reaction of the reduction reaction It may be separated into an oxidation reaction part where phosphorus water oxidation reaction occurs.

일 구현예에서, 상기 환원 반응부를 제3 챔버, 상기 산화 반응부를 제4 챔버로 구비할 수 있고, 상기 제3 챔버와 제4 챔버 사이에 양성자 교환 막을 배치하는 것일 수 있다.In one embodiment, the reduction reaction unit may be provided as a third chamber and the oxidation reaction unit as a fourth chamber, and a proton exchange membrane may be disposed between the third chamber and the fourth chamber.

도 3에는 일 실시예에 따른 상기 제3 챔버의 사시도(a), 정면도(b)를 도시하였다.3 shows a perspective view (a) and a front view (b) of the third chamber according to an embodiment.

도 4에는 일 실시예에 따른 상기 제4 챔버의 사시도(a), 정면도(b)를 도시하였다.4 shows a perspective view (a) and a front view (b) of the fourth chamber according to an embodiment.

일 구현예에서, 상기 제3 챔버(300)의 상면의 개구부에 양성자 교환 막이 접촉되고, 하면의 개구부에 기체 확산 전극(GDE)이 접촉되고, 양성자 교환 막이 체결된 후에 양성자 교환 막을 기준으로 그 반대면에 제4 챔버(400)가 체결되는 것 일 수 있다.In one embodiment, the proton exchange membrane is in contact with the opening of the upper surface of the third chamber 300, the gas diffusion electrode (GDE) is in contact with the opening of the lower surface, and after the proton exchange membrane is fastened, the opposite with respect to the proton exchange membrane The fourth chamber 400 may be fastened to the surface.

장치를 구동할 때, 제3 챔버(300)에 전해질 유입구(302)를 통해 전해질(음극액)을 공급하고, 소진된 전해질(음극액)은 전해질 배출구(303)를 통해 배출될 수 있다. 또한, 환원 반응을 통해 생성된 기체 생성물은 기체 생성물 배출구(304)를 통해 장치 외부로 배출되어 이후 포집될 수 있다.When the device is driven, the electrolyte (cathode solution) is supplied to the third chamber 300 through the electrolyte inlet 302 , and the depleted electrolyte (cathode solution) may be discharged through the electrolyte outlet 303 . In addition, the gaseous product generated through the reduction reaction may be discharged to the outside of the apparatus through the gaseous product outlet 304 and then collected.

일 구현예에서, 이산화탄소 환원 장치가 기준 전극을 포함하는 3 전극계로 구동되는 경우, 기준 전극은 환원 전극과 가깝게 배치될 수 있도록 제3 챔버(300)는 기준 전극 체결부(301)를 포함할 수 있다.In one embodiment, when the carbon dioxide reduction device is driven by a three-electrode system including a reference electrode, the third chamber 300 may include a reference electrode coupling part 301 so that the reference electrode can be disposed close to the reduction electrode. have.

일 구현예에서, 상기 제4 챔버(400)는 제3 챔버(300)와 접촉되는 면의 개구부에 양성자 교환 막이 접촉되고, 그 반대면에 상대 전극(산화 전극)이 접촉될 수 있다. 이때, 산화 전극에서 수행되는 반응에 의해 생성된 기체 생성물, 예컨대 물의 전기분해에 의해 생성된 산소 기체는 제4 챔버(400)의 기체 생성물 배출구(401)를 통해 장치 외부로 배출되어 이후 포집될 수 있다.In one embodiment, in the fourth chamber 400 , the proton exchange membrane may be in contact with the opening on the surface in contact with the third chamber 300 , and the counter electrode (oxidation electrode) may be in contact with the opposite surface. At this time, the gas product generated by the reaction performed at the oxidizing electrode, for example, oxygen gas generated by the electrolysis of water is discharged to the outside of the device through the gas product outlet 401 of the fourth chamber 400 and can be collected thereafter. have.

상기 제2 챔버는 일단(또는 상기 제3 챔버)에 환원 전극과 제1 집전체를 포함하며, 상기 환원 전극은 직사각형, 원형 등의 판형으로 제작되는 것일 수 있고, 대응되는 형태의 개스킷을 이용하여 상기 환원 전극 및/또는 제1 집전체를 상기 제2 챔버의 일단에 고정시키는 것일 수 있다. 상기 개스킷은 전기 전도성이 없는 유연 소재의 물질이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 규소(Si) 등의 물질로 구성되는 것일 수 있다.The second chamber includes a reduction electrode and a first current collector at one end (or the third chamber), and the reduction electrode may be manufactured in a plate shape such as a rectangle or a circle, and using a gasket of a corresponding form The reduction electrode and/or the first current collector may be fixed to one end of the second chamber. The gasket is not particularly limited as long as it is a material of a flexible material having no electrical conductivity, and may be made of, for example, a material such as silicon (Si).

일 측면에서, 상기 제1 집전체로서 상술한 집전체를 이용하는 경우, 상기 개스킷은 상기 집전체의 몸체부 형상에 대응되도록 준비되는 것일 수 있다.In one aspect, when the above-described current collector is used as the first current collector, the gasket may be prepared to correspond to the shape of the body portion of the current collector.

구체적으로, 상기 환원 전극은 기체 확산 전극(Gas diffusion electrode)을 이용하는 것일 수 있으며, 이때 기체 확산 전극은 전도성 기재 및 전도성 기재 상에 형성된 촉매층을 포함하는 것이다.Specifically, the reduction electrode may use a gas diffusion electrode, wherein the gas diffusion electrode includes a conductive substrate and a catalyst layer formed on the conductive substrate.

일 측면에서, 상기 기체 확산 전극은 이산화탄소 환원 장치에 이용하는 것으로 공지된 기체 확산 전극을 이용하는 것일 수 있다.In one aspect, the gas diffusion electrode may be a gas diffusion electrode known to be used in a carbon dioxide reduction device.

다른 측면에서, 상기 기체 확산 전극은 전도성 기재, 상기 전도성 기재 상에 코팅된 금속 박막층, 및 상기 금속 박막층 상에 형성된 화변형(花弁形) 주석 촉매 미립자를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 금속 박막층과 화변형 주석 촉매 미립자가 상기 전도성 기재 상에 촉매 활성을 나타내는 것일 수 있다.In another aspect, the gas diffusion electrode may include a conductive substrate, a metal thin film layer coated on the conductive substrate, and tin catalyst fine particles formed on the metal thin film layer. In this case, the metal thin film layer and the tin catalyst fine particles may exhibit catalytic activity on the conductive substrate.

상기 전도성 기재는 기체가 확산되는 매질로서 작용할 수 있으며, 다공성 소재 또는 망상조직을 나타내는 것일 수 있다. 상기 전도성 소재는 예를 들어 금속계 또는 탄소계일 수 있으며, 보다 구체적으로 금속 메쉬(mesh), 금속 거품(foam), 금속 천(cloth), 탄소 천, 탄소 종이, 탄소 와이어, 또는 기타 다공성 전도성 소재일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The conductive substrate may act as a medium in which the gas diffuses, and may represent a porous material or a network. The conductive material may be, for example, a metal-based or carbon-based material, and more specifically, a metal mesh, metal foam, metal cloth, carbon cloth, carbon paper, carbon wire, or other porous conductive material. However, it is not limited thereto.

상기 전도성 기재의 금속 박막층에 대한 배면은 기체 확산층을 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 기체 확산층은 예컨대 불소 수지 코팅을 포함하는 것일 수 있고, 그러한 불소 수지 코팅은 예를 들어 사플루오르화폴리에틸렌(PTFE), 다른 플루오르화된 바인더 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.A rear surface of the conductive substrate with respect to the metal thin film layer may further include a gas diffusion layer. The gas diffusion layer may include, for example, a fluororesin coating, and the fluororesin coating may include, for example, polyethylene tetrafluoride (PTFE), another fluorinated binder, or a mixture thereof.

상기 촉매층 또는 금속 박막층은 이산화탄소의 환원 반응에 촉매 활성을 나타내는 것으로 알려진 금속이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 주석, 팔라듐, 수은, 금, 은, 니켈, 구리, 카드뮴, 납 및 인듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 것일 수 있다. 일 측면에서, 상기 촉매층 또는 금속 박막층은 주석을 포함하는 것일 수 있다.The catalyst layer or the metal thin film layer is not particularly limited as long as it is a metal known to exhibit catalytic activity in the reduction reaction of carbon dioxide, for example, a group consisting of tin, palladium, mercury, gold, silver, nickel, copper, cadmium, lead and indium. It may include at least one metal selected from In one aspect, the catalyst layer or the metal thin film layer may include tin.

또한, 상기 금속 박막층은 기체 확산 전극의 전기화학적 성능을 향상시키고, 금속 박막층 상에 촉매를 안정적으로 형성하기 위해 전도성 기재 상에 매끄러운 표면을 제공하기 위한 것일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, the metal thin film layer may improve the electrochemical performance of the gas diffusion electrode and provide a smooth surface on the conductive substrate to stably form a catalyst on the metal thin film layer, but the present invention is not limited thereto .

상기 금속 박막층은 두께가 5 내지 500 nm, 예를 들어 10 내지 400 nm, 50 내지 300 nm, 50 내지 200 nm 또는 50 내지 150 nm일 수 있다.The metal thin film layer may have a thickness of 5 to 500 nm, for example, 10 to 400 nm, 50 to 300 nm, 50 to 200 nm, or 50 to 150 nm.

상기 금속 박막층 상에 형성된 화변형 주석 촉매 미립자는 예를 들어 벚꽃잎(Cherry blossom) 형상을 갖는 것일 수 있으며, 이하 본원의 명세서에 있어서 SnCB는 화변형 주석 촉매 미립자를 포함하는 기체 확산 전극을 나타내는 것일 수 있다.The metamorphic tin catalyst fine particles formed on the metal thin film layer may have, for example, a cherry blossom shape. Hereinafter, in the present specification, SnCB denotes a gas diffusion electrode including the changeable tin catalyst fine particles. can

상기 화변형 주석 촉매 미립자는 평탄면과 두께면을 갖는 형상일 수 있다.The metamorphic tin catalyst fine particles may have a shape having a flat surface and a thickness surface.

상기 평탄면과 두께면의 치수는 SEM 이미지로부터 100 내지 500개의 미립자의 평균 수치 값으로 표현할 수 있다.The dimensions of the flat surface and the thickness surface may be expressed as an average numerical value of 100 to 500 particles from the SEM image.

구체적으로, 상기 화변형 주석 촉매 미립자는 평균 두께가 10 내지 1,000 nm, 예를 들어 100 내지 800 nm, 300 내지 800 nm 또는 300 내지 600 nm일 수 있다.Specifically, the average thickness of the tin catalyst fine particles may be 10 to 1,000 nm, for example, 100 to 800 nm, 300 to 800 nm, or 300 to 600 nm.

또한, 상기 화변형 주석 촉매 미립자의 평탄면은 평균 장경이 0.1 내지 100 nm, 예를 들어 0.5 내지 50 μm, 1 내지 30 μm 또는 3 내지 10 μm일 수 있다. 또한, 상기 화변형 주석 촉매 미립자의 평탄면은 평균 단경이 50 내지 10,000 nm, 예를 들어 100 내지 8,000 nm, 500 내지 5,000 nm 또는 1,000 내지 5,000 nm일 수 있다. 상기 장경은 평탄부의 최장 길이를 기준으로 측정하며, 상기 장경과 단경은 서로 수직이 되도록 측정하는 것이 바람직할 수 있다.In addition, the flat surface of the transformation tin catalyst fine particles may have an average long diameter of 0.1 to 100 nm, for example, 0.5 to 50 μm, 1 to 30 μm, or 3 to 10 μm. In addition, the flat surface of the transformation tin catalyst fine particles may have an average minor diameter of 50 to 10,000 nm, for example, 100 to 8,000 nm, 500 to 5,000 nm, or 1,000 to 5,000 nm. The major axis may be measured based on the longest length of the flat part, and it may be preferable to measure the major axis and the minor axis to be perpendicular to each other.

상기와 같은 화변형 주석 촉매 미립자는 전기화학적 활성화 비표면적이 증가되어, 전기 전도도가 형상되며, 이는 높은 전류 밀도에서의 촉매의 전기화학적 활성을 야기하게 되어, 기체 확산 전극 상에서 높은 촉매 활성을 나타내게 될 수 있다.The above-described chemical transformation tin catalyst fine particles have an increased electrochemically activated specific surface area, and thus electrical conductivity is formed, which causes electrochemical activity of the catalyst at high current density, thereby exhibiting high catalytic activity on the gas diffusion electrode. can

보다 구체적으로, 상기 기체 확산 전극은 바인더를 이용하여 촉매를 형성함에 따른 문제, 예컨대 촉매 활성 면적의 감소에 따른 촉매 활성 저하, 이산화탄소의 포름산으로의 전환율을 저하시키는 문제, 반응 안정성을 저하시키는 문제 등을 해소하기 위해, 바인더의 사용 없이 촉매가 형성된 것일 수 있다.More specifically, the gas diffusion electrode has a problem with forming a catalyst using a binder, such as a decrease in catalytic activity due to a decrease in the catalytic active area, a problem of lowering the conversion rate of carbon dioxide into formic acid, a problem of lowering the reaction stability, etc. In order to solve the problem, the catalyst may be formed without the use of a binder.

예컨대, 상기 기체 확산 전극은 전도성 기재 상에 금속 박막층을 형성하는 단계 및 상기 금속 박막층 상에 전착에 의해 화변형 주석 촉매 미립자를 형성하는 단계를 포함하는 제조방법에 따라 제조되는 것일 수 있다.For example, the gas diffusion electrode may be manufactured according to a manufacturing method comprising the steps of forming a metal thin film layer on a conductive substrate and forming tin catalyst microparticles by electrodeposition on the metal thin film layer.

또한, 상기 금속 박막층은 전자빔 조사 처리에 의해 형성함으로써, 전도성 기재에 바인더의 사용 없이 촉매층을 구비한 것일 수 있다.In addition, by forming the metal thin film layer by electron beam irradiation treatment, the conductive substrate may have a catalyst layer without the use of a binder.

그리고, 상기 '바인더'는 종래 기체 확산 전극에 촉매층을 형성하기 위해 사용하는 바인더를 의미하는 것으로, 예를 들어 이에 제한되는 것은 아니나, 불소를 함유하는 이오노머(ionomer)일 수 있다. 일 측면에서, 상기 기체 확산 전극은 Nafion®으로 상용되는 수지를 이용하지 않고 촉매층이 형성된 것일 수 있다.In addition, the 'binder' refers to a binder used to form a catalyst layer on a conventional gas diffusion electrode, for example, but not limited thereto, and may be an ionomer containing fluorine. In one aspect, the gas diffusion electrode may have a catalyst layer formed without using a resin that is commercially available as Nafion®.

다음으로, 상기 기체 확산 전극은, 상기 전도성 기재 상에 금속 박막층을 형성한 후, 전착(Electro deposition)에 의해 주석 촉매 미립자를 형성하는 단계를 포함하여 제조되는 것일 수 있다.Next, the gas diffusion electrode may be manufactured by forming a metal thin film layer on the conductive substrate and then forming tin catalyst particles by electro-deposition.

상기 전착을 위한 도금액은 산화주석 및 이의 염 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어 Na2SnO3·3H2O를 포함하는 것일 수 있다. 상기 도금액은 NaOH를 더 포함하는 것일 수 있다.The plating solution for the electrodeposition may include at least one of tin oxide and a salt thereof, for example, may include Na 2 SnO 3 ·3H 2 O. The plating solution may further include NaOH.

특히, 상기 전착은 염기성 조건 하에서 수행되는 것일 수 있다. 통상적으로 주석을 전기 도금하는 기술에 있어서, 주석의 수산화물(Sn(OH)2)의 형성을 방지하기 위하여 산성 조건에서 수행할 수 있으나, 본 발명에 있어서 금속 박막층의 용해를 방지하기 위해 염기성 조건 하에서 수행되는 것일 수 있다.In particular, the electrodeposition may be performed under basic conditions. In general, in the technique of electroplating tin, it may be carried out under acidic conditions to prevent the formation of hydroxide (Sn(OH) 2 ) of tin, but in the present invention, under basic conditions to prevent dissolution of the metal thin film layer may be performed.

예컨대, 상기 도금액이 산화주석, 예컨대 Na2SnO3를 포함하는 경우, 상기 도금액은 염기성 조건, 예컨대 0.01 M 내지 0.5 의 NaOH, 구체적으로 0.4 M NaOH의 조건 하에서 전기도금을 수행하여 주석 촉매 미립자를 전착하는 것일 수 있다.For example, when the plating solution contains tin oxide, such as Na 2 SnO 3 , the plating solution is electroplating under basic conditions, such as 0.01 M to 0.5 NaOH, specifically 0.4 M NaOH, to electrodeposit tin catalyst fine particles. may be doing

본 발명의 발명자들은 상기 전착에 의해 주석 촉매 미립자를 형성하는 단계에 있어서, 형성되는 주석 촉매의 형상을 고려할 때 도금액의 온도가 중요함을 실험을 통해 확인하였다. 구체적으로, 상기 전착을 위한 도금액의 온도가 너무 낮은 경우 Sn 전착보다 오히려 전극 상에서 대량의 수소 발생 반응이 야기될 수 있으며, 도금액의 온도가 너무 높은 경우 형성되는 촉매가 평면으로 형성되어 촉매의 표면적이 적어 촉매 활성이 저하되는 문제가 있을 수 있음을 확인하였다. 이에 따라, 상기 전착을 위한 도금액의 온도는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 0 내지 55℃의 온도일 수 있으며, 구체적으로 10 내지 50℃, 15 내지 45℃, 20 내지 40℃, 20 내지 35℃, 20 내지 30℃ 또는 25℃일 수 있다.The inventors of the present invention confirmed through an experiment that the temperature of the plating solution is important when considering the shape of the tin catalyst formed in the step of forming the tin catalyst fine particles by the electrodeposition. Specifically, when the temperature of the plating solution for electrodeposition is too low, a large amount of hydrogen generating reaction may be caused on the electrode rather than Sn electrodeposition, and when the temperature of the plating solution is too high, the formed catalyst is formed in a plane, so that the surface area of the catalyst is It was confirmed that there may be a problem that the catalytic activity is lowered. Accordingly, the temperature of the plating solution for the electrodeposition is not limited thereto, but may be, for example, a temperature of 0 to 55°C, specifically 10 to 50°C, 15 to 45°C, 20 to 40°C, 20 to 35°C. °C, 20-30 °C or 25 °C.

또한, 상기 기체 확산 전극은 1 cm2 이상의 평면적을 갖는 전도성 기재를 이용하여 제조되는 것일 수 있으며, 이에 따라 1 cm2 이상의 평면적 상에 이산화탄소 환원 반응의 촉매가 형성된 기체 확산 전극일 수 있다.In addition, the gas diffusion electrode may be manufactured using a conductive substrate having a planar area of 1 cm 2 or more, and thus a gas diffusion electrode in which a catalyst for carbon dioxide reduction reaction is formed on a planar area of 1 cm 2 or more.

일 측면에서, 상기 기체 확산 전극은 1 cm2 내지 10 cm2일 수 있으며, 예컨대 1 cm2 내지 10 cm2 , 2 cm2 내지 9 cm2 , 3 cm2 내지 8 cm2 , 4 cm2 내지 7 cm2 , 4 cm2 내지 6 cm2일 수 있다.In one aspect, the gas diffusion electrode may be 1 cm 2 to 10 cm 2 , such as 1 cm 2 to 10 cm 2 , 2 cm 2 to 9 cm 2 , 3 cm 2 to 8 cm 2 , 4 cm 2 to 7 cm 2 , 4 cm 2 to 6 cm 2 .

상기 제2 챔버는 타단(또는 상기 제4 챔버)에 산화 전극을 포함할 수 있다.The second chamber may include an oxide electrode at the other end (or the fourth chamber).

상기 산화 전극은 니켈(Ni), 철(Fe), 이리듐(Ir), 이들의 산화물 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The oxide electrode may be at least one selected from the group consisting of nickel (Ni), iron (Fe), iridium (Ir), oxides thereof, and alloys thereof.

나아가, 상기 제2 챔버는 이산화탄소 환원 장치 내 전극 전위 측정을 위해 기준 전극을 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 기준 전극은 저항 발생을 취소화하기 위해 상기 환원 전극과 가깝게 배치될 수 있으며, 예컨대 상기 환원 반응부에 배치되는 것일 수 있다. 상기 기준 전극은 이에 제한되는 것은 아니나, Ag/AgCl 등일 수 있다.Furthermore, the second chamber may be to further include a reference electrode for measuring the electrode potential in the carbon dioxide reduction device. The reference electrode may be disposed close to the reduction electrode in order to cancel the generation of resistance, for example, may be disposed in the reduction reaction unit. The reference electrode is not limited thereto, but may be Ag/AgCl or the like.

상기 제1 챔버, 제2 챔버, 제2 챔버 내 적어도 하나의 집전체는 이들을 관통하면서 연결할 수 있는 체결부에 의해 밀폐되어 결합되는 것일 수 있다.At least one current collector in the first chamber, the second chamber, and the second chamber may be sealed and coupled by a fastening part that can connect while passing through them.

또 다른 측면에서, 본 발명은 상기 이산화탄소 환원 장치를 이용하여 이산화탄소를 환원하는 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for reducing carbon dioxide using the carbon dioxide reduction device.

구체적으로, 본 발명은 상술한 이산화탄소 환원 장치를 이용한 이산화탄소 환원 방법을 제공한다.Specifically, the present invention provides a carbon dioxide reduction method using the above-described carbon dioxide reduction device.

먼저, 상기 기체 유입구를 통해 이산화탄소를 제1 챔버로 공급한다. 공급된 이산화탄소는 기체 유로를 통해 흐르게 되고, 이때 제2 챔버의 환원 전극 상에서 이산화탄소가 환원될 수 있다.First, carbon dioxide is supplied to the first chamber through the gas inlet. The supplied carbon dioxide flows through the gas flow path, and in this case, carbon dioxide may be reduced on the reduction electrode of the second chamber.

본 발명에 있어서, 상기 환원 전극과 접촉되는 집전체로서 상술한 집전체를 이용함으로써, 안정적인 전류가 공급되어 환원 반응의 반응 안정성을 향상시켜, 환원 반응의 수율을 개선하는 효과를 나타낼 수 있다.In the present invention, by using the current collector as described above as the current collector in contact with the reduction electrode, a stable current is supplied to improve the reaction stability of the reduction reaction, thereby exhibiting the effect of improving the yield of the reduction reaction.

또한, 상기 환원 전극으로서 상술한 기체 확산 전극, 예컨대 전도성 기재, 금속 박막층 및 화변형 주석 촉매 미립자를 포함하는 기체 확산 전극을 이용함으로써 이산화탄소의 환원 수율을 우수하게 개선할 수 있다. 뿐만 아니라, 이산화탄소의 포름산 및 포름산염으로의 전환 수율을 우수하게 개선하는 효과를 나타낼 수 있다.In addition, by using the above-described gas diffusion electrode as the reduction electrode, for example, a gas diffusion electrode including a conductive substrate, a metal thin film layer, and a fire-transformation tin catalyst fine particles, it is possible to excellently improve the reduction yield of carbon dioxide. In addition, it can exhibit the effect of excellently improving the conversion yield of carbon dioxide into formic acid and formic acid salt.

상기 기체 확산 전극으로서 상술한 기체 확산 전극을 이용하는 경우, 본 발명자들은 음극액 내 완충염의 농도가 이산화탄소의 포름산 및 이의 염으로의 전환 효율에 중요한 영향을 미치는 것을 확인하였다.When the gas diffusion electrode described above is used as the gas diffusion electrode, the present inventors have confirmed that the concentration of the buffer salt in the catholyte has an important effect on the conversion efficiency of carbon dioxide into formic acid and its salts.

보다 구체적으로, 상기 음극액 내 완충염, 예컨대 KHCO3의 농도는 예를 들어 0.05 M 내지 5 M일 수 있으며, 0.1 M 내지 4 M, 0.1 M 내지 3 M, 0.1 내지 2 M 또는 0.5 내지 1.5 M일 수 있다. 상기 음극액 내 완충염의 농도가 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 완충염의 농도가 상기 범위인 경우 이산화탄소로부터 포름산으로의 전환 수율을 우수하게 개선하는 것일 수 있다.More specifically, the concentration of the buffer salt, such as KHCO 3 in the catholyte may be, for example, 0.05 M to 5 M, 0.1 M to 4 M, 0.1 M to 3 M, 0.1 to 2 M, or 0.5 to 1.5 M can be The concentration of the buffer salt in the catholyte is not limited thereto, but when the concentration of the buffer salt is within the above range, the conversion yield from carbon dioxide to formic acid may be excellently improved.

이하, 도면, 실시예 등을 들어 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to drawings, examples, and the like.

실시예 1. 집전체의 제조Example 1. Preparation of a current collector

도 1에는 일 실시예에 따른 집전체 도면에 따라 집전체를 제조하였다. 집전체의 소재는 표면에 금이 도금된 구리를 이용하였다.In FIG. 1, a current collector was manufactured according to a drawing of a current collector according to an embodiment. As a material of the current collector, copper plated with gold was used.

실시예 2. 이산화탄소 환원 장치의 제조Example 2. Preparation of carbon dioxide reduction device

[환원 전극의 제조][Production of reduction electrode]

(1) Sn 금속 박막층이 형성된 탄소 천의 제조 (Sn/CC)(1) Preparation of carbon cloth with Sn metal thin film layer (Sn/CC)

탄소 천(Carbon cloth, CC, CeTech)이 기체 투과성 기재로 이용되었다. 상기 기재의 뒷면은 0.3mgPTFE·cm-2이 되도록 N2 조건 하에 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)로 코팅하였다. PTFE 잉크는 무수 에틸 알코올(Sigma Aldrich) 내 PTFE 용액(60%, Sigma Aldrich)을 1%로 희석하여 제조하였다. E-beam evaporator(Daeki High-Tech)를 이용하여 초고진공 조건 하에서 CC 상에 Sn 박막층을 형성하였다. Sn source로서 Sn shots(99.999 %, Alfa Aesar)을 이용하였다. Sn은 0.7Å·s-1의 증착 속도로 100 nm의 두께를 나타내는 쿼츠 결정이 될 때까지 증착하였다. Sn 박막층의 부피 밀도 및 Z 인자는 각각 7.30 g·cm-3 및 0.724이었다.Carbon cloth (CC, CeTech) was used as the gas permeable substrate. The back side of the substrate was coated with polytetrafluoroethylene (PTFE) under N 2 conditions to be 0.3 mg PTFE ·cm -2. PTFE ink was prepared by diluting a solution of PTFE (60%, Sigma Aldrich) in anhydrous ethyl alcohol (Sigma Aldrich) to 1%. An Sn thin film layer was formed on CC under ultra-high vacuum conditions using an E-beam evaporator (Daeki High-Tech). Sn shots (99.999 %, Alfa Aesar) were used as the Sn source. Sn was deposited at a deposition rate of 0.7 Å·s −1 until it became a quartz crystal having a thickness of 100 nm. The bulk density and Z factor of the Sn thin film layer were 7.30 g·cm −3 and 0.724, respectively.

(2) Sn/CC 상에 화변형 Sn 촉매 미립자의 형성 (SnCB/Sn/CC)(2) Formation of fire transformation Sn catalyst fine particles on Sn/CC (SnCB/Sn/CC)

Sn/CC 상에 화변형 Sn 촉매 미립자(SnCB)를 전착하였다.Fire transformation Sn catalyst fine particles (SnCB) were electrodeposited on Sn/CC.

전착을 위한 작동 전극의 준비를 위해, Sn/CC 기재를 유리 슬라이드 상에 배치한 후 전기적 접촉을 위해 Cu 테이프를 이용하였다. 전해질에 Sn 표면만을 노출시키기 위해 다른 부분은 에폭시 접착제(Loctite® EA 9460TM)로 덮었다. 전위차 조절기(ZIVE BP2, WonATech)와 전압기(WonATech)를 이용하여 전위차를 형성하였다. 1 M NaOH (Sigma-Aldrich)로 채워진 Hg/HgO 전극(RE-61AP, ALS)과 Sn 와이어(99.99 %, Nilaco)를 각각 기준 전극 및 상대 전극으로 이용하였다.For the preparation of the working electrode for electrodeposition, the Sn/CC substrate was placed on a glass slide and then Cu tape was used for electrical contact. The other part was covered with an epoxy adhesive (Loctite® EA 9460 TM ) to expose only the Sn surface to the electrolyte. A potential difference was formed using a potential difference regulator (ZIVE BP2, WonATech) and a voltage device (WonATech). A Hg/HgO electrode (RE-61AP, ALS) filled with 1 M NaOH (Sigma-Aldrich) and a Sn wire (99.99 %, Nilaco) were used as reference and counter electrodes, respectively.

별도로 제조한 셀 상에 위 3전극을 고정한 후, 1M Na2SnO3·3H2O (Sigma-Aldrich)과 0.4 M NaOH (Sigma-Aldrich)을 혼합하여 도금액을 제조하고, 80분 동안 -4.0 VHg/HgO 의 일정 전압을 걸었다.After fixing the three electrodes on a separately prepared cell, 1M Na 2 SnO 3 ·3H 2 O (Sigma-Aldrich) and 0.4 M NaOH (Sigma-Aldrich) were mixed to prepare a plating solution, and -4.0 V for 80 minutes. A constant voltage of Hg/HgO was applied.

25℃의 도금액을 이용하여세 개의 시료를 제조하였으며, 전착이 완료된 후 준비된 전극을 DI로 수 차례 헹구고 DI 내에서 불순물 제거를 위해 초음파 처리하였다. 표면을 닦은 후 50℃ 오븐에서 건조한 후 데시케이터 내에 유지하였다.Three samples were prepared using a plating solution at 25°C, and after electrodeposition was completed, the prepared electrode was rinsed with DI several times and sonicated to remove impurities in DI. After wiping the surface, it was dried in an oven at 50° C. and kept in a desiccator.

도 5에는 25℃에서 전착되어 제조된 기체 산화 전극의 SEM 이미지를 도시하였다.5 shows an SEM image of a gas-oxidized electrode prepared by electrodeposition at 25°C.

[이산화탄소 환원 장치의 제작][Production of carbon dioxide reduction device]

제1 챔버(도 2), 제3 챔버(환원 반응부, 도 3), 양성자 교환 막, 제4 챔버(산화 반응부, 도 4)를 준비하였다.A first chamber (FIG. 2), a third chamber (reduction reaction unit, FIG. 3), a proton exchange membrane, and a fourth chamber (oxidation reaction unit, FIG. 4) were prepared.

이때, 기체 확산 전극은 상기에서 25℃의 도금액을 이용하여 제조한 기체 확산 전극을 이용하였다.In this case, as the gas diffusion electrode, the gas diffusion electrode prepared by using the plating solution at 25° C. was used.

상기 제1 챔버의 일단에 Si 개스킷으로 상기에서 제조한 집전체와 기체 확산 전극을 고정시키고 제3 챔버, 양성자 교환막(Nafion membrane), 제4 챔버, 산화 전극을 고정하고 커버 플레이트(cover plate)를 고정하였다. 상기 각 구성은 4개의 긴 볼트를 이용하여 고정시켰다.The current collector and the gas diffusion electrode prepared above are fixed to one end of the first chamber with a Si gasket, the third chamber, the proton exchange membrane, the fourth chamber, and the oxide electrode are fixed, and a cover plate is attached. fixed. Each of the above components was fixed using four long bolts.

도 6에 상기 이산화탄소 환원 장치의 개략도를 도시하였다.6 shows a schematic diagram of the carbon dioxide reduction device.

실험예 1. 이산화탄소 환원 장치를 이용한 이산화탄소의 환원 효율 평가Experimental Example 1. Evaluation of reduction efficiency of carbon dioxide using a carbon dioxide reduction device

실시예 2의 이산화탄소 환원 장치를 사용하여 다음과 같은 방법으로 이산화탄소의 환원 효율을 평가하였다.Using the carbon dioxide reduction apparatus of Example 2, the reduction efficiency of carbon dioxide was evaluated in the following way.

이때, 제3 챔버 내 음극액으로는 KHCO3를 사용하였고, 전해질의 농도를 0.1M, 0.5M, 1.0M, 2.0M로 달리하여 전환 효율을 평가하였다. At this time, KHCO 3 was used as the catholyte in the third chamber, and the conversion efficiency was evaluated by varying the concentration of the electrolyte to 0.1M, 0.5M, 1.0M, and 2.0M.

또한, 전해질의 흐름 속도는 4 ml/min으로 유지시켰으며, 이산화탄소는 50 sccm 으로 흐르도록 유지시켰다.In addition, the flow rate of the electrolyte was maintained at 4 ml/min, and the carbon dioxide was maintained to flow at 50 sccm.

그 결과를 도 7에 도시하였다. 도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 이산화탄소 환원 장치를 이용하여 이산화탄소를 약 75% 정도의 효율로 포름산염을 전환시킬 수 있음을 확인하였으며, 특히 1M의 전해질을 이용하는 경우 저전압에서도 고효율로 포름산염의 전환율을 개선할 수 있음을 확인하였다.The results are shown in FIG. 7 . As can be seen in FIG. 7 , it was confirmed that carbon dioxide can be converted to formate with an efficiency of about 75% by using the carbon dioxide reduction device. In particular, when 1M electrolyte is used, the conversion rate of formate with high efficiency even at low voltage It was confirmed that it can be improved.

실험예 2. 이산화탄소 환원 장치의 내구성 평가Experimental Example 2. Durability evaluation of carbon dioxide reduction device

실시예 2의 이산화탄소 환원 장치를 사용하여 반복 실험에 따른 장치의 내구성을 순환전압전류법을 이용하여 평가하여 그 결과를 도 8에 도시하였다.The durability of the device according to the repeated experiment using the carbon dioxide reduction device of Example 2 was evaluated using a cyclic voltammetry, and the results are shown in FIG. 8 .

또한, 실시예 2의 이산화탄소 환원 장치를 사용하여 -0.76 VRHE 의 고정 전압에서 72 시간 동안 이산화탄소 환원을 수행한 후 기체 확산 전극의 반응 전/후의 변화를 관찰하여 도 9에 도시하였다. 연속 실험을 위해, 250 mL의 CO2-포화된 1M KHCO3 음극액이 순환하였고 액체 생성물은 음극액 내에 저장되었다. In addition, after carbon dioxide reduction was performed for 72 hours at a fixed voltage of -0.76 V RHE using the carbon dioxide reduction device of Example 2, changes before and after the reaction of the gas diffusion electrode were observed and shown in FIG. 9 . For continuous experiments, 250 mL of CO 2 -saturated 1M KHCO 3 catholyte was circulated and the liquid product was stored in the catholyte.

위 실험 결과를 참고하면, 본 발명에 따른 집전체를 이용하여 이산화탄소를 환원하는 경우, 종래 테이프 형태의 집전체를 이용하여 이산화탄소를 환원하는 경우 대비 환원 장치의 안정적인 구동이 가능함을 확인하였다.Referring to the above experimental results, it was confirmed that when carbon dioxide is reduced using the current collector according to the present invention, stable operation of the reduction device is possible compared to the case of reducing carbon dioxide using a conventional tape-type current collector.

100: 집전체 101: 몸체부
102: 돌출부 103: 개구부
104: 체결부 200: 제1 챔버
201: 기체 유입구 202: 기체 배출구
203: 기체 유로 204: 체결부
300: 제3 챔버 301: 기준 전극 체결부
302: 전해질 유입구 303: 전해질 배출구
304: 기체 생성물 배출구 400: 제4 챔버
401: 기체 생성물 배출구
100: current collector 101: body portion
102: protrusion 103: opening
104: fastening unit 200: first chamber
201: gas inlet 202: gas outlet
203: gas flow path 204: fastening part
300: third chamber 301: reference electrode fastening part
302: electrolyte inlet 303: electrolyte outlet
304: gas product outlet 400: fourth chamber
401: gas product outlet

Claims (17)

이산화탄소 환원 장치에 사용하고 판상의 형태인 집전체로서,
몸체부, 및 상기 몸체부와 일체로 형성된 돌출부를 포함하는 집전체.
As a current collector in the form of a plate and used in a carbon dioxide reduction device,
A current collector comprising a body and a protrusion integrally formed with the body.
청구항 1에 있어서,
평탄면의 내부에 이산화탄소 환원 반응용 전극층을 수용하기 위한 개구부가 형성되어 있는 것인 집전체.
The method according to claim 1,
The current collector which has an opening for accommodating the electrode layer for carbon dioxide reduction reaction in the interior of the flat surface.
청구항 2에 있어서,
상기 몸체부는 사각 형상이고, 상기 개구부는 상기 몸체부에 대응되는 형상의 사각 형상인 것인, 집전체.
3. The method according to claim 2,
The body portion has a rectangular shape, and the opening has a rectangular shape corresponding to the body portion, the current collector.
청구항 1에 있어서,
상기 집전체의 소재는 구리, 니켈, 알루미늄, 백금, 팔라듐, 은, 금 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 집전체.
The method according to claim 1,
The current collector material includes at least one selected from the group consisting of copper, nickel, aluminum, platinum, palladium, silver, gold, and alloys thereof.
기체 유입구 및 기체 배출구를 포함하는 제1 챔버,
제1 집전체, 환원 전극, 양성자 교환 막, 제2 집전체 및 산화 전극을 포함하는 제2 챔버를 포함하고,
상기 제1 집전체 및 제2 집전체 중 적어도 하나는 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 따른 집전체인 것인, 이산화탄소 환원 장치.
a first chamber comprising a gas inlet and a gas outlet;
a second chamber comprising a first current collector, a reducing electrode, a proton exchange membrane, a second current collector and an oxidizing electrode;
At least one of the first current collector and the second current collector is a current collector according to any one of claims 1 to 4, a carbon dioxide reduction device.
청구항 5에 있어서,
상기 환원 전극은 전도성 기재 및 전도성 기재 상에 형성된 촉매층을 포함하는 기체 확산 전극인 이산화탄소 환원 장치.
6. The method of claim 5,
The reduction electrode is a carbon dioxide reduction device that is a gas diffusion electrode comprising a conductive substrate and a catalyst layer formed on the conductive substrate.
청구항 5에 있어서,
상기 환원 전극은,
전도성 기재,
상기 전도성 기재 상에 코팅된 금속 박막층, 및
상기 금속 박막층 상에 형성된 화변형(花弁形) 주석 촉매 미립자를 포함하는 기체 확산 전극인 이산화탄소 환원 장치.
6. The method of claim 5,
The reduction electrode is
conductive substrate,
A metal thin film layer coated on the conductive substrate, and
A carbon dioxide reduction device which is a gas diffusion electrode comprising fine particles of a tin catalyst formed on the metal thin film layer.
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 촉매층 또는 상기 금속 박막층은 주석, 팔라듐, 수은, 금, 은, 니켈, 구리, 카드뮴, 납 및 인듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 것인 이산화탄소 환원 장치.
8. The method according to claim 6 or 7,
The catalyst layer or the metal thin film layer is a carbon dioxide reduction device comprising at least one metal selected from the group consisting of tin, palladium, mercury, gold, silver, nickel, copper, cadmium, lead and indium.
청구항 7에 있어서,
상기 기체 확산 전극은 1 cm2 이상의 평면적을 갖는 것인 이산화탄소 환원 장치.
8. The method of claim 7,
The gas diffusion electrode is a carbon dioxide reduction device having a planar area of 1 cm 2 or more.
청구항 7에 있어서,
상기 화변형 주석 촉매 미립자는 평균 두께가 10 내지 1,000 nm인 것인 이산화탄소 환원 장치.
8. The method of claim 7,
The carbon dioxide reduction device of the fire transformation tin catalyst fine particles having an average thickness of 10 to 1,000 nm.
청구항 7에 있어서,
상기 화변형 주석 촉매 미립자의 평탄면은 평균 장경 0.1 내지 100 μm 및 평균 단경 50 내지 10,000 nm인 것인 이산화탄소 환원 장치.
8. The method of claim 7,
The carbon dioxide reduction device of the planar surface of the transformation tin catalyst fine particles having an average major diameter of 0.1 to 100 μm and an average minor diameter of 50 to 10,000 nm.
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 기체 확산 전극은,
상기 전도성 기재 상에 바인더의 사용 없이 촉매가 형성된 것인 이산화탄소 환원 장치.
8. The method according to claim 6 or 7,
The gas diffusion electrode,
A carbon dioxide reduction device in which a catalyst is formed on the conductive substrate without the use of a binder.
청구항 7에 있어서,
상기 금속 박막층은 전자빔 조사 처리에 의해 형성된 것인 이산화탄소 환원 장치.
8. The method of claim 7,
The metal thin film layer is a carbon dioxide reduction device that is formed by electron beam irradiation treatment.
청구항 7에 있어서,
상기 화변형(花弁形) 주석 촉매 미립자는 0 내지 55℃의 온도에서 수행되는 전착에 의해 형성된 것인 이산화탄소 환원 장치.
8. The method of claim 7,
The carbon dioxide reduction device of the fire transformation (flower shape) tin catalyst fine particles are formed by electrodeposition carried out at a temperature of 0 to 55 ℃.
청구항 5에 있어서,
기준 전극을 더 포함하는 것인 이산화탄소 환원 장치.
6. The method of claim 5,
Carbon dioxide reduction device that further comprises a reference electrode.
청구항 5에 따른 이산화탄소 환원 장치를 이용한, 이산화탄소 환원 방법.
Using the carbon dioxide reduction device according to claim 5, carbon dioxide reduction method.
청구항 16에 있어서,
완충염의 농도가 0.05 M 내지 5 M인 음극액을 이용하는 것인 이산화탄소 환원 방법.
17. The method of claim 16,
A method for reducing carbon dioxide using a catholyte having a buffer salt concentration of 0.05 M to 5 M.
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