KR20230068756A - Single-atom nickel catalyst for electrochemical conversion of carbon dioxide with high activity and selectivity and electrode for conversion of carbon dioxide including the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a single-atom nickel catalyst for electrochemically converting carbon dioxide with high activity and selectivity, which comprises an organometallic compound in which at least one nitrogen (N) atom bonded to a central nickel (Ni) ion in a nickel porphyrin-based compound is replaced with a heteroatom, and a carbon dioxide conversion electrode including the same. According to the present invention, the catalyst for electrochemically converting carbon dioxide has twisted symmetry at the atomic level around a nickel active point through controlling the coordination environment of a monatomic nickel catalyst to efficiently convert carbon dioxide to carbon monoxide with high selectivity and the carbon monoxide produced through this can be useful in the production of various petrochemical-based compounds.

Description

고활성 및 고선택도의 전기화학적 이산화탄소 전환용 단원자 니켈 촉매 및 이를 포함하는 이산화탄소 전환용 전극{SINGLE-ATOM NICKEL CATALYST FOR ELECTROCHEMICAL CONVERSION OF CARBON DIOXIDE WITH HIGH ACTIVITY AND SELECTIVITY AND ELECTRODE FOR CONVERSION OF CARBON DIOXIDE INCLUDING THE SAME} Monoatomic nickel catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion with high activity and high selectivity and carbon dioxide conversion electrode containing the same SAME}

본 발명은 이산화탄소(CO2)의 일산화탄소(CO)로의 전기화학적 전환 반응에 촉매로 활용할 수 있는 신규한 이산화탄소 전환용 단원자 니켈 촉매 및 이를 포함하는 이산화탄소 전환용 전극에 관한 것이다.The present invention relates to a novel monoatomic nickel catalyst for carbon dioxide conversion that can be used as a catalyst for electrochemical conversion of carbon dioxide (CO 2 ) into carbon monoxide (CO) and an electrode for carbon dioxide conversion including the same.

온실가스에 의한 지구 온난화가 기후변화, 생태계 교란, 식량 부족 등 광범위하고도 지속적인 문제를 야기함에 따라, 지구 온난화의 주원인으로 꼽히는 배출된 이산화탄소(CO2)를 처리하는 기술이 주목받고 있다.As global warming caused by greenhouse gases causes widespread and persistent problems such as climate change, ecosystem disturbance, and food shortage, technology for processing emitted carbon dioxide (CO 2 ), which is considered the main cause of global warming, is attracting attention.

이산화탄소 처리 기술은 탄소 포집 및 저장(Carbon capture & storage) 기술과 유용가치를 지닌 자원으로 활용하는(Utilization) 기술로 나눠진다. 포집 및 저장은 이산화탄소를 초임계 형태로 심층수에 저장하거나 오일 추출 기술(EOR)과 연계한 저장 등의 지하저장 방법과 알칼리 금속과의 반응을 통해 이산화탄소를 탄산염의 형태로 저장하는 광물 탄산화 방법이 대표적이다. 그러나, 이러한 방법들은 저장 장소 확보 및 저장량 한계, 환경 파괴의 단점을 갖고 있다. 이에 최근 대두되고 있는 것이 이산화탄소를 고부가 가치의 유용 자원으로 변환하는 기술이다. Carbon dioxide processing technology is divided into carbon capture & storage technology and utilization technology as a resource with useful value. Capture and storage are representative of underground storage methods such as storing carbon dioxide in deep water in supercritical form or storage in conjunction with oil extraction technology (EOR), and mineral carbonation method that stores carbon dioxide in the form of carbonate through reaction with alkali metals. . However, these methods have disadvantages of securing a storage space, limiting the amount of storage, and destroying the environment. Accordingly, a technology that has recently emerged is a technology that converts carbon dioxide into a useful resource with high added value.

이와 같은 이산화탄소 전환 기술에는 생화학적, 광화학적 방법, 전기화학적 방법 등이 있으며, 대부분 자연 상태에서 매우 안정한 이산화탄소의 환원 반응을 통해 탄화수소 화합물을 생산하는 기술이며, 단순히 저장에 그치지 않고 이산화탄소를 소비하는 기술이므로 기존의 포집 및 저장 기술에 비해 보다 적극적인 의미에서의 저감 노력이라고 할 수 있다. Such carbon dioxide conversion technologies include biochemical, photochemical, and electrochemical methods. Most of them are technologies that produce hydrocarbon compounds through the reduction reaction of carbon dioxide, which is very stable in nature, and consume carbon dioxide rather than simply storing it. Therefore, it can be said that it is a reduction effort in a more active sense than the existing capture and storage technology.

특히, 전기화학적 이산화탄소 환원 반응(Electrochemical carbon dioxide reduction reaction, CO2RR) 기술은, 반응 조건(환원 전위, 온도, 시간)에 따라 생성되는 탄화수소 화합물의 선택도 조절이 가능하고, 지역 및 환경에 영향을 받지 않는다는 점에서 다른 변환 기술에 비해 많은 관심을 받고 있다. 또한, 이산화탄소 환원에 쓰이는 전기 에너지는 풍력, 태양력, 지열 등 신재생 에너지로부터 공급이 가능하고, 이산화탄소 전환과 생성된 화합물을 연료로 사용하는 과정을 통해 1차적으로 생산된 전기에너지를 저장하는 탄소순환을 갖는 에너지 흐름을 구축할 수 있다는 장점을 가진다. In particular, the electrochemical carbon dioxide reduction reaction (CO 2 RR) technology can control the selectivity of hydrocarbon compounds produced according to the reaction conditions (reduction potential, temperature, time), and has an effect on the region and environment It is receiving a lot of attention compared to other conversion technologies in that it does not receive In addition, electrical energy used for carbon dioxide reduction can be supplied from renewable energy such as wind power, solar power, and geothermal energy, and the carbon cycle stores electrical energy primarily produced through the process of converting carbon dioxide and using the generated compound as fuel. It has the advantage of being able to build an energy flow with

이러한 전기화학적 이산화탄소 전환으로부터 생성 가능한 화합물 중 일산화탄소(CO)는 변환 과정에서 발생하는 부생 수소와 함께 합성가스의 원료가 되어, 연속적인 기체-액체 전환 반응(Fischer-Tropsch synthesis)을 통해 다양한 형태의 저탄소 연료로 변환 및 활용이 가능해 그 부가가치가 매우 높다. Among the compounds that can be produced from this electrochemical carbon dioxide conversion, carbon monoxide (CO), together with by-product hydrogen generated in the conversion process, becomes a raw material for syngas, and through continuous gas-liquid conversion reaction (Fischer-Tropsch synthesis), various types of low-carbon It can be converted and used as fuel, so its added value is very high.

한편, 전기화학적 이산화탄소 전환 기술에 사용되는 촉매는 주로 금이나 은과 같은 고비용의 귀금속을 기반으로 이루어진다. 이들 귀금속은 이산화탄소 전환시 반응 중간체(*COOH)와 생성물(*CO)간에 최적의 흡착에너지를 가져 이산화탄소에서 일산화탄소로의 전환에 좋은 활성을 가지나, 가격적 측면이나 안정성과 같은 문제가 해결되지 못하고 있다. Meanwhile, catalysts used in electrochemical carbon dioxide conversion technology are mainly based on expensive precious metals such as gold or silver. These noble metals have optimal adsorption energy between the reaction intermediate (*COOH) and the product (*CO) when converting carbon dioxide, so they have good activity in the conversion of carbon dioxide to carbon monoxide, but problems such as price and stability have not been solved. .

따라서, 이산화탄소 전기화학적 전환의 실용화를 위해서는 촉매의 가격을 낮춤과 동시에 높은 성능의 촉매 소재 개발이 필요하다. Therefore, in order to put the electrochemical conversion of carbon dioxide to practical use, it is necessary to develop a catalyst material with high performance while lowering the cost of the catalyst.

대한민국 공개특허 제10-2013-0085635호 (공개일: 2013. 7. 30)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2013-0085635 (published date: 2013. 7. 30) 국제공개특허 WO 2015/169763 (공개일: 2015. 11. 12)International Patent Publication WO 2015/169763 (published date: 2015. 11. 12) 국제공개특허 WO 2013/042695 (공개일: 2013. 3. 28)International Patent Publication WO 2013/042695 (published date: 2013. 3. 28)

본 발명은, 전기화학적 이산화탄소 전환 반응을 위한 촉매로서 귀금속이 아닌 전이 금속인 니켈(Ni)을 유기 리간드로 안정화시킨 단원자 니켈 촉매를 기반으로 하되, 중심 니켈 이온의 배위환경을 조절해 전기화학적 이산화탄소 전환에 고활성을 보이는 신규한 단원자 니켈 촉매 및 이를 포함하는 이산화탄소 전환용 전극의 제공을 그 목적으로 한다. The present invention, as a catalyst for the electrochemical carbon dioxide conversion reaction, is based on a single-atomic nickel catalyst in which nickel (Ni), a transition metal rather than a noble metal, is stabilized with an organic ligand, but by controlling the coordination environment of the central nickel ion, electrochemical carbon dioxide Its object is to provide a novel monoatomic nickel catalyst showing high activity for conversion and an electrode for carbon dioxide conversion comprising the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 니켈 포르피린(Nickel porphyrin)계 화합물에서 중심 니켈(Ni) 이온과 결합된 하나 이상의 질소(N) 원자가 이종 원자(Heteroatom)로 치환된 유기금속 화합물로 이루어진 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매를 제안한다. In order to achieve the above object, the present invention is an organometallic compound in which one or more nitrogen (N) atoms bonded to a central nickel (Ni) ion are substituted with heteroatoms in a nickel porphyrin-based compound. A catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion is proposed.

일례로, 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매는 니켈 포르피린(Nickel porphyrin)계 화합물에서 질소 원자 1개가 산소(O) 원자로 치환된 유기금속 화합물로서 아래 화학식 1로 표시될 수 있다. For example, the catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion according to the present invention is an organometallic compound in which one nitrogen atom is substituted with an oxygen (O) atom in a nickel porphyrin-based compound, and may be represented by Formula 1 below.

<화학식 1><Formula 1>

Figure pat00001
Figure pat00001

(상기 화학식 1에서,(In Formula 1 above,

R은 서로 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 탄화수소 기임).R are independently of each other hydrogen or a hydrocarbon group having 1 to 12 carbon atoms).

상기 R이 탄소수 1 내지 12의 탄화수소 기일 경우, 상기 탄화수소 기는 포화 또는 불포화 그 어느 것도 무방하며, 직쇄상, 분지쇄상 또는 환상 그 어느 것이라도 가능하다. 일례로, 상기 탄화수소 기는 메틸기, 에틸기, n-프로필기, i-프로필기, n-부틸기, n-펜틸기, n-헥실기, 옥틸기, 시클로헥실기, 사이클로옥틸기, 시클로헥실메틸기, 페닐기, 나프틸기, 벤질기 등일 수 있으며, 나아가, 수산기, 아미노기, 카르복실기, 카보닐기, 설프하이드릴기, 설포닐기, 할로기 등의 치환기를 가지고 있어도 좋다. 또한, 인접한 R은 탄화수소 사슬로 연결되어 환상 구조를 형성할 수 있으며, 이때의 탄화수소 사슬은 포화 또는 불포화일 수 있다. When R is a hydrocarbon group having 1 to 12 carbon atoms, the hydrocarbon group may be either saturated or unsaturated, and may be linear, branched or cyclic. For example, the hydrocarbon group is a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an i-propyl group, an n-butyl group, an n-pentyl group, an n-hexyl group, an octyl group, a cyclohexyl group, a cyclooctyl group, a cyclohexylmethyl group, It may be a phenyl group, a naphthyl group, a benzyl group, or the like, and may further have a substituent such as a hydroxyl group, an amino group, a carboxyl group, a carbonyl group, a sulfhydryl group, a sulfonyl group, or a halo group. In addition, adjacent R's may be linked by a hydrocarbon chain to form a cyclic structure, wherein the hydrocarbon chain may be saturated or unsaturated.

나아가, 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매는 하기 화학식 2로 표시되는 니켈 포르피린(Nickel porphyrin)계 화합물로 이루어질 수 있다. Furthermore, the catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion according to the present invention may be composed of a nickel porphyrin-based compound represented by Formula 2 below.

<화학식 2><Formula 2>

Figure pat00002
Figure pat00002

그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서, 상기 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매를 포함해 이루어지는 전기화학적 이산화탄소 전환용 전극을 제안한다. And, in another aspect of the invention, the present invention proposes an electrode for electrochemical carbon dioxide conversion comprising the catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion.

일례로, 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 전극은, 집전체(current collector) 표면에 상기 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매를 포함하는 전도성 조성물의 코팅층을 구비한 구조로 이루어질 수 있다. For example, the electrode for electrochemical conversion of carbon dioxide according to the present invention may have a structure including a coating layer of a conductive composition including the catalyst for conversion of electrochemical carbon dioxide on a surface of a current collector.

이때, 상기 집전체 표면의 코팅층을 형성하기 위한 조성물은, 상기 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매와 도전성 소재를 포함해 이루어질 수 있으며, 상기 도전성 소재는 활성탄소(아세틸렌 블랙, 케첸 블랙 등), 카본나노튜브, 그래핀 또는 플러렌 등의 탄소 재료인 것이 바람직하다. 또한, 상기 도전성 소재로서 금속 재료를 사용할 수도 있으며, 예를 들면, Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ni, Zn, Sn, Bi 및 Pd 등 및 이들의 합금을 사용할 수 있다. 나아가, 상기 코팅층 형성용 조성물은 도전성 소재로써 ITO, ZnO, FTO, AZO, ATO 등의 투명 전도성 금속 산화물을 포함할 수도 있으며, 그밖에도 상기 전도성 탄소 소재와 전도성 수지, 전도성 이온 교환 수지 등의 복합체, 이오노머 등의 수지 재료를 사용해도 좋다. In this case, the composition for forming the coating layer on the surface of the current collector may include the catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion according to the present invention and a conductive material, and the conductive material may be activated carbon (acetylene black, Ketjen Black, etc.) , It is preferably a carbon material such as carbon nanotube, graphene or fullerene. In addition, metal materials may be used as the conductive material, and for example, Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ni, Zn, Sn, Bi, Pd, etc., and alloys thereof may be used. Furthermore, the composition for forming the coating layer may include a transparent conductive metal oxide such as ITO, ZnO, FTO, AZO, or ATO as a conductive material, and in addition, a composite of the conductive carbon material, a conductive resin, a conductive ion exchange resin, etc. You may use resin materials, such as an ionomer.

한편, 전술한 각종 도전성 소재는 2종 이상을 조합하여 상기 코팅층 형성용 조성물에 포함될 수 있다. Meanwhile, the aforementioned various conductive materials may be included in the composition for forming the coating layer by combining two or more types.

본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매는, 단원자 니켈 촉매의 배위환경 조절을 통해 니켈 활성점 주변의 원자 수준에서 뒤틀린 대칭성을 가짐으로써 높은 선택도로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환 시킬 수 있으며, 이를 통해 생성된 일산화탄소는 다양한 석유화학 기반 화합물 생산에 매우 유용하게 활용할 수 있다. The catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion according to the present invention has twisted symmetry at the atomic level around the nickel active site through the coordination environment control of the monoatomic nickel catalyst, thereby converting carbon dioxide into carbon monoxide with high selectivity, thereby generating Carbon monoxide can be used very usefully in the production of various petrochemical-based compounds.

도 1(a)는 Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP을 합성하는 과정을 보여주는 도면이고, 도 1(b)는 단결정 X-선 회절(SC-XRD)에 의해 결정된 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 3D 분자 구조를 나타낸 도면이고, 도 1(c)는 Ni-N4-TPP, Ni(-Cl)-N3O-TPP 및 니켈의 Ni K-edge X-선 흡수 분광분석법(XANES) 스펙트럼이다.
도 2a는 본원 실시예에서 제조된 2,5-비스-(페닐히드록시메틸)퓨란(2,5-bis-(phenylhydroxymethyl)furan)에 대한 1H NMR 스펙트럼이다.
도 2b는 본원 실시예에서 제조된 2,5-비스-(페닐히드록시메틸)퓨란(2,5-bis-(phenylhydroxymethyl)furan)에 대한 13C NMR 스펙트럼이다.
도 3a는 본원 실시예에서 제조된 N3O-TPP에 대한 1H NMR 스펙트럼이다.
도 3b는 본원 실시예에서 제조된 N3O-TPP에 대한 13C NMR 스펙트럼이다.
도 4a는 본원 실시예에서 제조된 Ni(-Cl)-N3O-TPP에 대한 1H NMR 스펙트럼이다.
도 4b는 본원 실시예에서 제조된 Ni(-Cl)-N3O-TPP에 대한 13C NMR 스펙트럼이다.
도 5는 본원 실시예에서 제조된 Ni-N4-TPP에 대한 1H NMR 스펙트럼이다.
도 6(a)은 아르곤/이산화탄소로 포화된 0.5 M KHCO3 전해질에서 5 mV s-1의 전위주사속도로 측정된 Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 분극 곡선이고, 도 6(b) 및 도 6(c)는 각각 Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 실시간 스캐닝 플로우 셀(SFC) 시스템과 결합된 시차 전기화학적 질량분석법(differential electrochemical mass spectroscopy, DEMS) 결과이며(CO2 (m/z = 44), CO (m/z = 28) 및 H2 (m/z = 2) 신호는 이산화탄소가 포화된 0.5 M KHCO3에서 0 부터 -0.9 VRHE까지 순환전압전류법의 두 사이클 동안 수집되었으며, DEMS 측정 중 전위 프로파일은 점선으로 표시함), 도 6(d)는 이산화탄소 포화 전해질, -0.5 ~ 0.4 VRHE의 전위 범위에서 50 mV s-1의 전위주사속도로 측정된 Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 순환전압전류법 결과이며(산화-환원쌍 A는 화살표로 표시함), 도 6(e)는 개방회로전위(Open circuit potential; OCP) 및 -0.65 VRHE에서 측정된 Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 반응실시간 XANES 스펙트럼이고(OCP와 -0.65 VRHE에서 얻은 스펙트럼 간의 차이는 점선으로 나타냄), 도 6(f)는 -0.65 VRHE에서 수집된 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 Ni K-edge XANES 스펙트럼의 선형 조합(Linear combination) 피팅결과이다.
도 7(a)는 Ni-N4-TPP (왼쪽) 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP (오른쪽)의 촉매 사이클을 보여주는 모식도이고, 도 7(b)는 -0.6 VRHE의 전위가 인가될 때 해당되는 밀도범함수 이론 계산 자유 에너지 프로파일이다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 각각 Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPPㅣ-의 밀도범함수 이론 계산 최적화 구조를 보여주는 모식도이고(니켈에 대한 ·COOH의 결합 에너지가 표시되며, 음(-)의 값이 클수록 결합이 강함을 의미함), 도 8(c)는 모식화된 분자 오비탈(MO) 다이어그램이다(강한 Ni-COOH 결합을 형성하기 위해, 전자가 풍부한 니켈의 전자 밀도를 포르피린 리간드로 재분배할 필요가 있음(주황색 화살표), 리간드 필드 분리(Ligand-field splitting, Δ)가 증가하면 이러한 전자 재분배에 대한 에너지 비용이 커짐).
도 9(a)는 이중칸 H-셀에서 다양한 전위로 1 시간 동안 이루어진 이산화탄소 환원 반응에 대해 얻어진 총 페러데이 효율(FETotal) 및 일산화탄소 생성 페러데이 효율(FECO)이고, 도 9(b)는 이중칸 H-셀에서 다양한 전위로 1 시간 동안 이루어진 이산화탄소 환원 반응에 대해 얻어진 총 전류밀도(j Total) 및 일산화탄소 생성 부분 전류밀도(j CO)이며, 도 9(c)는 서로 다른 전위 범위를 사용하여 순환전압전류법으로 측정한 Ni(-Cl)-N3O-TPP에 대한 산화 피크이고(분극 곡선은 이산화탄소가 포화된 0.5 M KHCO3 전해질에서 50 mV s-1의 전위주사속도로 낮은 전위 한계 (Lower potential limit; LPL)를 -0.5 에서 -0.8 VRHE로 순차적으로 변경하여 측정되었고 피크(A 및 B)는 화살표로 표시함), 도 9(d)는 0.4 에서 -0.8 VRHE까지의 순차적 순환전압전류법 측정 전후에 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 라만 스펙트럼이다.
Figure 1(a) is a diagram showing the process of synthesizing Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP, and Figure 1(b) shows single crystal X-ray diffraction (SC-XRD) 1(c) shows the 3D molecular structure of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP determined by Ni-N 4- TPP, Ni(-Cl)-N 3 O-TPP and Ni This is a K-edge X-ray absorption spectroscopy (XANES) spectrum.
2a is a 1 H NMR spectrum of 2,5-bis-(phenylhydroxymethyl)furan prepared in Example herein.
2b is a 13 C NMR spectrum of 2,5-bis-(phenylhydroxymethyl)furan prepared in Example herein.
Figure 3a is a 1 H NMR spectrum for N 3 O-TPP prepared in the present example.
Figure 3b is a 13 C NMR spectrum of N 3 O-TPP prepared in the present example.
Figure 4a is a 1 H NMR spectrum of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP prepared in the present example.
Figure 4b is a 13 C NMR spectrum of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP prepared in the present example.
5 is a 1 H NMR spectrum of Ni-N 4- TPP prepared in the present example.
Figure 6(a) shows the polarization of Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP measured at a potential scan rate of 5 mV s -1 in 0.5 M KHCO 3 electrolyte saturated with argon/carbon dioxide. curves, and Fig. 6(b) and Fig. 6(c) show differential electrochemical masses of Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP combined with a real-time scanning flow cell (SFC) system, respectively. Differential electrochemical mass spectroscopy (DEMS) results (CO 2 ( m / z = 44), CO ( m / z = 28) and H 2 ( m / z = 2) signals are 0.5 M KHCO 3 saturated with carbon dioxide was collected during two cycles of cyclic voltammetry from 0 to -0.9 V RHE , and the potential profile during DEMS measurement is indicated by a dotted line), Figure 6(d) shows the potential range of carbon dioxide saturated electrolyte, -0.5 to 0.4 V RHE Cyclic voltammetry results of Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP measured at a potential scan rate of 50 mV s -1 at (oxidation-reduction pair A is indicated by an arrow) , FIG. 6(e) is a reaction real-time XANES spectrum of Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP measured at open circuit potential (OCP) and -0.65 V RHE ( The difference between the spectra obtained at OCP and -0.65 V RHE is indicated by a dotted line), Fig. 6(f) is a linear plot of the Ni K-edge XANES spectrum of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP collected at -0.65 V RHE . This is the linear combination fitting result.
7(a) is a schematic diagram showing the catalytic cycles of Ni-N 4- TPP (left) and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP (right), and FIG. 7(b) shows a potential of -0.6 V RHE is the corresponding density functional theory calculated free energy profile when is applied.
8(a) and 8(b) are schematic diagrams showing optimization structures of the density functional function theory calculation of Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP l- , respectively (for nickel The binding energy of COOH is displayed, and a larger negative (-) value means a stronger bond), and FIG. 8(c) is a schematic molecular orbital (MO) diagram (to form a strong Ni-COOH bond). , the electron density of electron-rich nickel needs to be redistributed to porphyrin ligands (orange arrows), increasing the ligand-field splitting (Δ) increases the energy cost of this electron redistribution).
FIG. 9(a) shows the total Faraday efficiency (FE Total ) and carbon monoxide production Faraday efficiency (FE CO ) obtained for the carbon dioxide reduction reaction at various potentials for 1 hour in a double compartment H-cell, and FIG. 9(b) shows the double The total current density ( j Total ) and the partial current density ( j CO ) obtained for the carbon dioxide reduction reaction at various potentials in the cell H-cell for 1 hour. Oxidation peaks for Ni(-Cl)-N 3 O-TPP measured by cyclic voltammetry (polarization curve is at the lower potential limit at a potential scan rate of 50 mV s -1 in 0.5 M KHCO 3 electrolyte saturated with carbon dioxide) (Lower potential limit; LPL) was measured by sequentially changing from -0.5 to -0.8 V RHE , peaks (A and B) are indicated by arrows), FIG. Raman spectra of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP before and after cyclic voltammetry measurement.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments according to the concept of the present invention can be applied with various changes and can have various forms, so specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "having" are intended to designate that the described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof exists, but one or more other features or numbers However, it should be understood that it does not preclude the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하, 본 명세서를 실시예를 들어 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail with reference to examples. However, embodiments according to the present specification may be modified in many different forms, and the scope of the present specification is not construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments herein are provided to more completely explain the present specification to those skilled in the art.

<실시예><Example>

본 실시예에서는 전기화학적 이산화탄소 전환에 고활성을 갖는 단원자 니켈 촉매의 활성점을 도출하고자, 정확하게 제어된 구조를 갖는 2종의 유기 금속복합체 즉, 4개의 질소원자로 둘러싸인 단원자 니켈을 포함한 구조(Ni-N4-TPP)와 두 번째 분자로 하나의 질소가 산소로 치환되어 대칭성이 뒤틀린 구조(Ni-N3O-TPP)를 합성하였으며, 이들에 대한 다양한 전기화학적 그리고 분광학적 분석을 통해, 대칭성이 뒤틀린 구조가 높은 이산화탄소 전환성능을 보임을 확인할 수 있었다. 계산화학을 통해 활성점의 뒤틀린 대칭성이 반응 중간체 생성에 필요한 에너지를 효과적으로 낮추어 결과적으로 높은 전환성능을 보인다는 것을 밝혔다.In this embodiment, in order to derive the active site of a monatomic nickel catalyst having high activity for electrochemical carbon dioxide conversion, two organometallic complexes having precisely controlled structures, that is, a structure containing monoatomic nickel surrounded by 4 nitrogen atoms ( Ni-N 4- TPP) and a structure with distorted symmetry (Ni-N 3 O-TPP) were synthesized by replacing one nitrogen with oxygen as a second molecule, and through various electrochemical and spectroscopic analyses, It was confirmed that the structure with distorted symmetry showed high carbon dioxide conversion performance. Through computational chemistry, it was revealed that the distorted symmetry of the active site effectively lowers the energy required to generate the reaction intermediate, resulting in high conversion performance.

1. Ni-Porphyrin 화합물의 합성1. Synthesis of Ni-Porphyrin Compounds

N4-TPP 및 N3O-TPP는 피롤과 알데하이드를 이용한 축합 반응을 통해 합성하였으며, N3O-TPP의 경우 2,5-비스-(페닐히드록시메틸)퓨란(2,5-bis-(phenyl hydroxymethyl)furan)을 전구체로 사용하였다. Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP는 N4-TPP 및 N3O-TPP의 금속화반응 후에 재결정을 통하여 합성하였다.N 4- TPP and N 3 O-TPP were synthesized through a condensation reaction using pyrrole and aldehyde, and in the case of N 3 O-TPP, 2,5-bis-(phenylhydroxymethyl)furan (2,5-bis- (phenyl hydroxymethyl)furan) was used as a precursor. Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP were synthesized through recrystallization after metallization of N 4- TPP and N 3 O-TPP.

(1) 2,5-Bis(phenylhydroxymethyl)furan의 합성(1) Synthesis of 2,5-Bis(phenylhydroxymethyl)furan

Figure pat00003
Figure pat00003

250 mL 둥근바닥플라스크에 증류된 n-헥산 (50 mL), 테트라메틸에틸렌다이아민 (4.3 g, 37.5 mmol, 5.6 mL), n-뷰틸리튬 (2.4 g, 37.5 mmol, 15.0 mL 의 2.5 M 헥산 용액)을 넣고 질소 분위기에서 10 분간 교반한다. 이후, 증류된 퓨란 (1.0 g, 15.0 mmol, 1.1 mL)을 넣고 상온에서 1 시간 동안 교반한다. 교반한 용액을 0 도의 얼음에서 냉각하고, 0 도의 벤즈알데하이드(4.0 g, 37.5 mmol, 33.8 mL 의 1.1 M 테트라하이드로퓨란 용액)를 천천히 첨가한다. 해당 혼합물을 천천히 상온으로 가온하며 15 분간 교반하고, 이후 차가운 염화 암모늄 수용액(70 mL, 1.0 M 수용액)을 첨가하여 반응을 종료시킨다. 유기층을 물(3 X 70 mL)과 소금물(1 X 70 mL)로 세척하고, 황산마그네슘을 사용하여 건조한 뒤, 용매를 감압 제거한다. 30%(v/v) 아세트산에틸/n-헥산을 포함하는 실리카겔 칼럼을 사용한 정제를 수행하여 원하는 생성물을 얻는다. 이때, 수율은 35%(1.46 g) 이다.In a 250 mL round bottom flask, distilled n-hexane (50 mL), tetramethylethylenediamine (4.3 g, 37.5 mmol, 5.6 mL), n-butyllithium (2.4 g, 37.5 mmol, 15.0 mL of 2.5 M hexane solution ) was added and stirred for 10 minutes in a nitrogen atmosphere. Then, distilled furan (1.0 g, 15.0 mmol, 1.1 mL) was added and stirred at room temperature for 1 hour. The stirred solution is cooled on 0 degree ice, and 0 degree benzaldehyde (4.0 g, 37.5 mmol, 33.8 mL of 1.1 M tetrahydrofuran solution) is slowly added. The mixture was stirred for 15 minutes while slowly warming to room temperature, and then the reaction was terminated by adding cold ammonium chloride aqueous solution (70 mL, 1.0 M aqueous solution). The organic layer was washed with water (3 X 70 mL) and brine (1 X 70 mL), dried over magnesium sulfate, and the solvent was removed under reduced pressure. Purification using a silica gel column containing 30% (v/v) ethyl acetate/n-hexane is carried out to obtain the desired product. At this time, the yield is 35% (1.46 g).

(2) N(2) N 33 O-TPP의 합성Synthesis of O-TPP

Figure pat00004
Figure pat00004

500 mL 둥근바닥플라스크에 2,5-비스-(페닐히드록시메틸)퓨란(0.56 g, 2.0 mmol), 클로로포름(200 mL)을 첨가하고 질소 분위기에서 15 분간 교반한다. 해당 용액에 벤즈알데하이드(0.39 g, 4.0 mmol, 0.41 mL), 피롤(0.43 g, 6.0 mmol, 0.42 mL), 및 BF3OEt2(0.22 g, 2.0 mmol, 0.25 mL)를 첨가하고, 혼합물을 상온에서 2 시간 동안 교반한다. 이후, 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논(1.36 g, 6.0 mmol)을 첨가하고, 혼합물을 1 시간 동안 교반한다. 용매를 감압 제거 후, 두 단계의 칼럼을 사용한 정제를 수행한다. 먼저, 10%(v/v) 아세톤/디클로로메탄을 포함하는 염기성 알루미나 칼럼을 사용하여 일차적으로 정제한다. 이어서, 동일한 용매를 포함하는 실리카겔 칼럼을 사용하여 최종적으로 원하는 생성물을 얻는다. 이 때, 수율은 15%(0.19 g)이다.2,5-bis-(phenylhydroxymethyl)furan (0.56 g, 2.0 mmol) and chloroform (200 mL) were added to a 500 mL round bottom flask and stirred for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. Benzaldehyde (0.39 g, 4.0 mmol, 0.41 mL), pyrrole (0.43 g, 6.0 mmol, 0.42 mL), and BF 3 OEt 2 (0.22 g, 2.0 mmol, 0.25 mL) were added to the solution, and the mixture was warmed to room temperature. stirred for 2 hours. Then 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone (1.36 g, 6.0 mmol) is added and the mixture is stirred for 1 hour. After removing the solvent under reduced pressure, purification using a two-stage column is performed. First, it is primarily purified using a basic alumina column containing 10% (v/v) acetone/dichloromethane. Subsequently, a silica gel column containing the same solvent is used to finally obtain the desired product. At this time, the yield is 15% (0.19 g).

(3) Ni(-Cl)-N(3) Ni(-Cl)-N 33 O-TPP의 합성Synthesis of O-TPP

Figure pat00005
Figure pat00005

100 mL 둥근바닥플라스크에 N3O-TPP(0.080 g, 0.13 mmol)을 첨가하고 클로로포름(70 mL)에 용해시킨다. 염화니켈(0.037 g, 1.56 mmol)을 에탄올(7 mL)에 용해시킨 용액을 둥근바닥플라스크에 첨가하여 반응을 개시하고, 2 시간동안 환류시킨다. 용매를 감압 제거하고, 해당 고체를 클로로포름(5 mL)에 용해시킨다. 5%(v/v) 아세톤/클로로포름을 포함하는 실리카겔 칼럼을 사용한 정제를 수행하여 보라색 생성물을 얻는다. 이후, 디클로로메탄/n-헥산에서 재결정하여 원하는 보라색 결정을 얻는다. 이 때, 최종 수율은 64%(0.059 g)이다.N 3 O-TPP (0.080 g, 0.13 mmol) was added to a 100 mL round bottom flask and dissolved in chloroform (70 mL). A solution of nickel chloride (0.037 g, 1.56 mmol) in ethanol (7 mL) was added to a round bottom flask to initiate the reaction and refluxed for 2 hours. The solvent is removed under reduced pressure, and the solid is dissolved in chloroform (5 mL). Purification using a silica gel column with 5% (v/v) acetone/chloroform gives a purple product. Thereafter, recrystallization from dichloromethane/n-hexane yields desired purple crystals. At this time, the final yield is 64% (0.059 g).

(4) Ni-N(4) Ni-N 4-4- TPP의 합성Synthesis of TPP

Figure pat00006
Figure pat00006

250 mL 둥근바닥플라스크에 테트라페닐포르피린(0.10 g, 0.16 mmol)을 첨가하고 디메틸포름아미드(7 mL)를 넣어 용해시킨다. 해당 용액에 니켈(II)아세트산(0.81 g, 3.25 mmol)을 첨가하여 반응을 개시하고, 밤새 환류시킨다. 이어서, 용매를 감압 제거한다. 30%(v/v) 디클로로메탄/n-헥산을 포함하는 실리카겔 칼럼을 사용한 정제를 수행하여 원하는 생성물을 얻는다. 이때, 수율은 43%(0.047 g)이다.Tetraphenylporphyrin (0.10 g, 0.16 mmol) was added to a 250 mL round bottom flask, and dimethylformamide (7 mL) was added to dissolve it. The reaction was initiated by adding nickel(II)acetic acid (0.81 g, 3.25 mmol) to the solution and refluxed overnight. Then, the solvent is removed under reduced pressure. Purification using a silica gel column with 30% (v/v) dichloromethane/n-hexane gives the desired product. At this time, the yield is 43% (0.047 g).

(5) 합성된 니클 포르피린 화합물의 물리화학적 물성분석(5) Analysis of physical and chemical properties of the synthesized nickel porphyrin compound

X-선 광전자 분광(XPS) 스펙트럼에서 약 856.0 eV에서의 피크 및 X-선 흡수 분광분석법(XANES) 스펙트럼에서 8345 eV의 Ni K-edge 위치로부터(도 1(c)), 니켈의 산화 상태는 두 니켈 포르피린 화합물 모두에 대해 +2인 것으로 드러났다. Ni(-Cl)-N3O-TPP의 구조는 단결정 X-선 회절(SC-XRD; 도 1(b))을 참조해 니켈 원자와 O(1)N(2)-N(3)N(4) 평면 간 수직 거리가 0.303 Å이고, 축 방향 염화 이온과 2.279 Å 만큼 떨어져 있는 5 배위 니켈 착물을 보여준다. η 1-퓨란 리간드는 θ = 18.2°(θ는 퓨란 평면과 Ni-O 결합 사이의 각도)으로 니켈 원자에 배위된다. XANES 스펙트럼의 약 8339 eV에서 1s → 4pz 전환은 Ni-N4-TPP의 스펙트럼에서 명확하게 볼 수 있는 사각 평면구조(square planar)의 특징이다(도 1(c)). 반면에, 증가된 쌍극자 허용 1s → 4p 전환으로 인해 Ni(-Cl)-N3O-TPP에 대해 약 8335 eV에서 pre-edge 피크가 관찰되며, 이는 3d 및 4p 궤도의 혼성화를 유도하는 뒤틀린 D 4h 대칭의 증거이다. 따라서, 4 배위 2 음이온(dianionic) 리간드 (square planar Ni-N4-TPP) 및 축 염화 이온을 갖는 단 음이온(monoanionic) 리간드(Ni(-Cl)-N3O-TPP)를 갖는 NiII 착물이 확인되었다.From the peak at about 856.0 eV in the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum and the Ni K-edge position at 8345 eV in the X-ray absorption spectroscopy (XANES) spectrum (Fig. 1(c)), the oxidation state of nickel is It was found to be +2 for both nickel porphyrin compounds. The structure of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP was determined by single-crystal X-ray diffraction (SC-XRD; Fig. 1(b)), and nickel atoms and O(1)N(2)-N(3)N (4) shows a five-coordinate nickel complex with an interplanar vertical distance of 0.303 Å and a distance of 2.279 Å from the axial chloride ion. The η 1 -furan ligand is coordinated to the nickel atom with θ = 18.2° (θ is the angle between the furan plane and the Ni-O bond). The 1s → 4p z transition at about 8339 eV in the XANES spectrum is characteristic of the square planar structure clearly visible in the spectrum of Ni-N 4- TPP (Fig. 1(c)). On the other hand, a pre-edge peak is observed at about 8335 eV for Ni(-Cl)-N 3 O-TPP due to the increased dipole-allowing 1s → 4p transition, which is a twisted D leading to hybridization of 3d and 4p orbitals. It is a proof of 4h symmetry. Thus, a Ni II complex with a 4-coordinate dianionic ligand (square planar Ni-N 4- TPP) and a monoanionic ligand with a condensed chloride ion (Ni(-Cl)-N 3 O-TPP) this has been confirmed

2. 포르피린 화합물의 반응실시간 특성분석2. Real-time reaction characterization of porphyrin compounds

Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP 상의 전기화학적 이산화탄소 환원 반응성을 회전 원판전극을 사용하여 0.5 M KHCO3 전해질에서 측정하였다. 전극은 충분한 전기 전도성을 제공하기 위해 포르피린과 활성탄소를 혼합하여 제조되었다. 선형주사전위법 측정 결과는 아르곤 및 이산화탄소 포화 전해질(각각의 pH는 약 8.9 및 7.2)에서 Ni-N4-TPP는 유사한 전류 개형을 보여준다(도 6(a)). 반면 Ni(-Cl)-N3O-TPP는 이산화탄소 포화 전해질에서 환원전류 밀도가 크게 증가하고, 특히 -0.8 VRHE에서 이산화탄소가 부재한 조건에서보다 2배 더 높다. 환원전류는 니켈 포르피린 화합물이 없는 유리질 카본과 활성탄소에 대해 거의 부재하며, 이산화탄소 포화 전해질에서 향상된 환원전류는 니켈 포르피린 화합물의 전기 촉매 특성에 기인함을 확인할 수 있다. 따라서, Ni(-Cl)-N3O-TPP 전극에서 명확하게 관찰되지만, Ni-N4-TPP 전극에서는 관찰되지 않는 분극 곡선의 차이는 Ni-N4-TPP보다 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 전기화학적 이산화탄소 환원 반응성이 더욱 높음을 의미한다. 상기의 가설을 확인하기 위해서 동일 반응 조건에서 단원자 니켈 촉매에 대한 2가지 주요 반응(이산화탄소에서 일산화탄소로의 환원 반응 및 경쟁적인 수소 발생 반응)을, 스캐닝 플로우 셀(SFC) 시스템과 결합된 시차 전기화학적 질량분석법(Differential electrochemical mass spectroscopy; DEMS)으로 관찰하였다. 선형주사전위법 중 DEMS 분석결과, 전해질의 이산화탄소(m/z = 44)는 낮은 과전압 범위에서 소비되지 않지만, Ni-N4-TPP 및 Ni(-Cl)-N3O-TPP 각각에 대해 약 -0.8 및 -0.6 VRHE 미만의 전위에서 소비되기 시작한다(도 6(b) 및 도 6(c)). 동시에, 과전압이 증가함에 따라 일산화탄소(m/z = 28)가 증가한다. 이러한 변화는 이산화탄소가 부재한 조건에서 관찰되지 않는 현상이며, 해당 조건에서는 오직 수소의 생성만이 관찰된다. 이산화탄소 소비와 일산화탄소 발생에 대한 동일한 개시 전위는 용해된 이산화탄소의 전기화학적 환원에 의해 일산화탄소가 생성됨을 의미한다. 더 높은 개시 전위와 더불어, Ni-N4-TPP보다 Ni(-Cl)-N3O-TPP에서 이산화탄소 소비 및 일산화탄소 생성에 대한 신호 변화가 크게 기록되었다. 따라서, 이러한 결과는 Ni-N4-TPP보다 Ni(-Cl)-N3O-TPP에 의해 전기화학적 이산화탄소 환원이 더 잘 이루어짐을 보인다.The electrochemical carbon dioxide reduction reactivity on Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP was measured in 0.5 M KHCO 3 electrolyte using a rotating disk electrode. The electrode was prepared by mixing porphyrin and activated carbon to provide sufficient electrical conductivity. Linear scanning potential measurement results show a similar current profile for Ni-N 4- TPP in argon and carbon dioxide saturated electrolytes (pH about 8.9 and 7.2, respectively) (Fig. 6(a)). On the other hand, the reduction current density of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP is greatly increased in a carbon dioxide saturated electrolyte, and is twice as high as that in the absence of carbon dioxide, especially at -0.8 V RHE . Reduction current is almost absent for glassy carbon and activated carbon without nickel porphyrin compounds, and it can be confirmed that the improved reduction current in carbon dioxide saturated electrolyte is due to the electrocatalytic properties of nickel porphyrin compounds. Therefore, the difference in the polarization curves clearly observed for the Ni(-Cl)-N 3 O-TPP electrode but not the Ni-N 4- TPP electrode is greater for Ni(-Cl)-N than Ni(-Cl)-N 4- TPP. This means that the electrochemical carbon dioxide reduction reactivity of 3 O-TPP is higher. In order to confirm the above hypothesis, two main reactions (reduction reaction from carbon dioxide to carbon monoxide and competitive hydrogen evolution reaction) on a monatomic nickel catalyst under the same reaction conditions were analyzed using differential electricity coupled with a scanning flow cell (SFC) system. It was observed by differential electrochemical mass spectroscopy (DEMS). As a result of DEMS analysis during the linear scanning potential method, carbon dioxide ( m / z = 44) in the electrolyte is not consumed in the low overvoltage range, but about Ni-N 4- TPP and Ni(-Cl)-N 3 O-TPP, respectively. It starts to be consumed at potentials below -0.8 and -0.6 V RHE (Fig. 6(b) and Fig. 6(c)). At the same time, carbon monoxide ( m / z = 28) increases as the overpotential increases. This change is not observed in the absence of carbon dioxide, and only hydrogen is observed in that condition. The same onset potential for carbon dioxide consumption and carbon monoxide generation means that carbon monoxide is produced by electrochemical reduction of dissolved carbon dioxide. In addition to higher onset potentials, larger signal changes for carbon dioxide consumption and carbon monoxide production were recorded in the Ni(-Cl)-N 3 O-TPP than in the Ni-N 4- TPP. Therefore, these results show that electrochemical carbon dioxide reduction is better achieved by Ni(-Cl)-N 3 O-TPP than by Ni—N 4- TPP.

니켈 포르피린 간의 상충하는 이산화탄소 환원 활성의 근원을 밝히기 위해, 반응성을 결정하는 핵심 변수 중 하나로 주장되는 니켈의 산화 상태를 이산화탄소 환원 조건에서 관찰하였다. Ni-N4-TPP에 대한 순환전압전류법 측정 결과, 이산화탄소 포화 전해질에서 니켈의 산화-환원이 부재함을 확인할 수 있었으며, 0.4 ~ -0.8 VRHE까지의 범위에서 초기 산화 상태(+2가)가 안정화되어 있음을 보인다. 그러나, Ni(-Cl)-N3O-TPP의 순환전압전류법 측정 결과, 약 -0.22 VRHE(피크 A)에서 명확한 산화-환원쌍이 관찰된다. 전극의 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 양과 반응 중에 전달되는 전자의 전하량을 고려할 때, 산화-환원 반응 시 한 개의 Ni(-Cl)-N3O-TPP에 대해 전달되는 전자 수는 약 1.9개로 추정할 수 있다. 아르곤 포화 전해질에서도 산화-환원쌍이 관찰되지만, Ni(-Cl)-N3O-TPP의 산화-환원 전위(E 0 )는 pH를 보정한 가역 수소 전극(Reversible hydrogen electrode; RHE) 스케일에서 약 110 mV 만큼 양(+)으로 이동한다. 그러나, pH를 보정하지 않은 표준 수소 전극(Standard hydrogen electrode; SHE) 스케일에서 산화-환원쌍 A는 전해질의 pH에 상관없이 -0.62 VRHE의 동일한 E 0 에 위치한다. 해당 분극 곡선 결과는 산화-환원쌍이 양성자 전달 없이 2 전자 전달을 수반함을 나타낸다.To elucidate the source of the conflicting carbon dioxide reduction activities among nickel porphyrins, the oxidation state of nickel, which is claimed to be one of the key variables determining the reactivity, was observed under carbon dioxide reduction conditions. Cyclic voltammetry measurement results for Ni-N 4- TPP, carbon dioxide It was confirmed that there was no oxidation-reduction of nickel in the saturated electrolyte, and the initial oxidation state (+2 valency) was stabilized in the range from 0.4 to -0.8 V RHE . However, as a result of cyclic voltammetry measurement of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP, a clear oxidation-reduction pair is observed at about -0.22 V RHE (peak A). The number of electrons transferred for one Ni(-Cl)-N 3 O-TPP in the oxidation-reduction reaction, given the amount of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP in the electrode and the charge of electrons transferred during the reaction. can be estimated to be about 1.9. Although oxidation-reduction pairs are observed in argon-saturated electrolytes, the oxidation-reduction potential ( E 0 ) of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP is about 110 on the pH-corrected reversible hydrogen electrode (RHE) scale. Move to positive (+) by mV. However, on the standard hydrogen electrode (SHE) scale without pH correction, the oxidation-reduction pair A is located at the same E 0 of -0.62 V RHE regardless of the pH of the electrolyte. The corresponding polarization curve results indicate that the oxidation-reduction pair involves two-electron transfer without proton transfer.

니켈 포르피린 촉매의 이산화탄소 환원 반응 중, 니켈의 산화수 변화는 XANES를 활용하여 추가로 분석되었다. XANES 스펙트럼은 각각 OCP 및 -0.65 VRHE에서 이산화탄소가 포화된 전해질에서 기록되었다(도 6(e)). 후자의 전위는 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 산화-환원 전위(즉, -0.22 VRHE)보다 낮으며, 이산화탄소 환원 반응이 해당 전위에서 최대화된다. Ni-N4-TPP의 경우, 반응실시간 XANES 스펙트럼은 전극 전위에 상관없이 거의 유사하다. 그러나, Ni(-Cl)-N3O-TPP의 Ni K-edge 위치는 환원전위(-0.65 VRHE)로 분극 시 -2 eV 만큼 변화한다. 해당 Ni K-edge 위치(8343 eV)는 약 +1.6의 평균 산화수를 의미하며, 이는 니켈의 일부가 +0 또는 +1로 환원되었음을 나타낸다. 이는, 중심 니켈의 전자 상태가 전기화학적 이산화탄소 전환에 결정적인 역할을 할 수 있으며, Ni0 또는 NiI NiII에 비해 고활성을 가짐을 추측할 수 있다. 그러나, -0.65 VRHE에서 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 XANES 스펙트럼을 Ni0, NiII의 니켈 종으로 선형 조합(Linear combination) 피팅을 수행해보았을 때, 정확하지 않은 피팅 값(R-factor = 0.075)을 나타낸다(도 6(f)). 이러한 피팅의 실패는 Ni(-Cl)-N3O-TPP 분극 곡선 결과에서 관찰된 -0.22 VRHE에서의 산화-환원쌍 A가 NiII와 Ni0로의 산화-환원쌍이 아님을 뒷받침한다. 따라서, 순환전압전류법에 의해 확인된 바와 같이 산화-환원쌍 A가 2 전자 전달을 수반하기 때문에, N3O-TPP 리간드의 또 다른 단전자 환원을 수반하는 NiII의 NiI로의 단전자 환원을 고려할 수 있다(도 6(d)).During the carbon dioxide reduction reaction of the nickel porphyrin catalyst, the oxidation number change of nickel was further analyzed using XANES. XANES spectra were recorded in CO2-saturated electrolyte at OCP and -0.65 V RHE , respectively (Fig. 6(e)). The latter potential is lower than the oxidation-reduction potential of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP (ie, -0.22 V RHE ), and the carbon dioxide reduction reaction is maximized at that potential. In the case of Ni-N 4- TPP, the reaction real-time XANES spectrum is almost similar regardless of the electrode potential. However, the Ni K-edge position of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP changes by -2 eV when polarized to a reduction potential (-0.65 V RHE ). The corresponding Ni K-edge position (8343 eV) means an average oxidation number of about +1.6, indicating that some of the nickel is reduced to +0 or +1. This is because the electronic state of the central nickel can play a decisive role in the electrochemical conversion of carbon dioxide, and Ni 0 or Ni I It can be assumed that it has higher activity than Ni II . However, when performing a linear combination fitting of the XANES spectrum of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP at -0.65 V RHE with nickel species of Ni 0 and Ni II , an inaccurate fitting value (R -factor = 0.075) (Fig. 6(f)). This failure of fitting supports that the oxidation-reduction pair A at -0.22 V RHE observed in the Ni(-Cl)-N 3 O-TPP polarization curve results is not the oxidation-reduction pair of Ni II and Ni 0 . Thus, the single-electron reduction of Ni II to Ni I involves another single-electron reduction of the N 3 O-TPP ligand since the oxidation-reduction pair A involves two electron transfers as confirmed by cyclic voltammetry. can be considered (Fig. 6(d)).

3. 이산화탄소 환원 반응 중 활성 니켈 종의 전자구조3. Electronic structure of active nickel species during carbon dioxide reduction reaction

다양한 전이금속 포르피린 시스템(Me-N4-TPP; Me = Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn)에 대해 신뢰할 수 있는 E 0 를 예측하는 것으로 확인된 밀도범함수 이론 계산을 사용하여 니켈 포르피린 화합물의 E 0 를 이론적으로 살펴보았다. 밀도범함수 이론 계산은 Ni-N4-TPP의 단전자 환원 전위를 -1.04 VSHE로 예측하고 N4-TPP의 π* 오비탈에 전자가 추가됨을 예측하며, 이는 기존 실험 및 이론 결과에 부합한다. 따라서, 밀도범함수 이론 계산 결과는 Ni-N4-TPP의 +2 산화수의 니켈이 이산화탄소 환원 반응의 전위 범위에서 환원되지 않음을 뒷받침한다. Ni(-Cl)-N3O-TPP의 2 전자 산화-환원은 다음 반응을 통해 발생하는 것으로 예측된다. Determination of nickel porphyrin compounds using density functional theory calculations found to predict reliable E 0 for various transition metal porphyrin systems (Me-N 4 -TPP; Me = Fe, Co, Ni, Cu and Zn). We looked at E 0 theoretically. Density functional theory calculations predict the single-electron reduction potential of Ni-N 4- TPP as -1.04 V SHE and the addition of electrons to the π* orbitals of N 4- TPP, which is consistent with the existing experimental and theoretical results. . Therefore, the density functional theory calculation results support that nickel of the +2 oxidation number of Ni-N 4- TPP is not reduced in the potential range of the carbon dioxide reduction reaction. The two-electron oxidation-reduction of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP is predicted to occur via the following reaction.

Figure pat00007
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밀도범함수 이론 계산은 상기 식 (1)의 E 0을 -0.54 VSHE로 예측한다. 이것은 -0.62 VSHE 근처에 위치한 산화-환원쌍 A의 실험적 관찰 결과에 대응한다. 밀도범함수 이론 계산은 Ni-N3O-TPPㅣ0 종의 스핀 밀도 플롯과 니켈의 +0.98 Mulliken spin population에 의해 뒷받침되는 바와 같이 2 전자 환원 중에 하나의 전자가 NiII을 NiI로 환원시킨다는 것도 보여준다. 다른 전자는 N3O-TPP의 π* 오비탈을 차지하며 니켈의 Mulliken spin population을 +1에서 약간 변화시키지만, 포르피린 π-시스템의 스핀 밀도를 크게 증가시킨다. Density functional theory calculation predicts E 0 in Equation (1) as -0.54 V SHE . This corresponds to the experimental observation of oxidation-reduction pair A located near -0.62 V SHE . Density functional theory calculations suggest that one electron reduces Ni II to Ni I during two-electron reduction, as supported by the spin density plot of the Ni-N 3 O-TPP ㅣ0 species and the +0.98 Mulliken spin population of nickel. also show The other electron occupies the π* orbital of NO -TPP and slightly changes the Mulliken spin population of nickel from +1, but greatly increases the spin density of the porphyrin π-system.

결과적으로, Ni-N4-TPP의 NiII과 Ni-N3O-TPPㅣ-의 NiI은 고활성을 실제로 책임지는 화학종이다. 따라서, 이들 두 개의 서로 다른 산화수를 가지는 니켈 활성점에서 이산화탄소 환원 반응성이 관심사이다. 리간드 필드와 산화 상태의 변화 효과를 분리하기 위해 Ni(-Cl)-N3O-TPP에서 니켈의 산화수 변화 없이 축 방향 염화물을 제거하여 형성될 수 있는 Ni-N3O-TPPㅣ+의 가상 모델을 밀도범함수 이론 계산을 사용하여 추가로 살펴보았다. Ni(-Cl)-N3O-TPP와 달리 Ni-N3O-TPPㅣ+의 다섯 번째 배위가 없고 사실상 구조의 뒤틀림이 없는 저스핀(low-spin) NiII 상태(S = 0)가 안정화된다. 따라서, Ni-N3O-TPPㅣ+ 및 Ni-N4-TPP의 금속 산화 상태 및 배위 구조는 거의 동일하지만 N과 O의 치환으로 인해 Ni-N3O-TPPㅣ+에 대해서만 선택적으로 D 4h 리간드 필드가 붕괴된다.As a result, Ni II of Ni-N 4- TPP and Ni I of Ni-N 3 O-TPP l- are chemical species actually responsible for the high activity. Therefore, the carbon dioxide reduction reactivity of nickel active sites with these two different oxidation numbers is of interest. To isolate the effect of changing ligand field and oxidation state, hypothetical analysis of Ni-N 3 O-TPP l+ , which can be formed by removing axial chloride without changing the oxidation number of nickel in Ni(-Cl)-N 3 O-TPP. The model was further explored using density functional theory calculations. Unlike Ni(-Cl)-N 3 O-TPP, there is no fifth coordination of Ni-N 3 O-TPP l+ and a low-spin Ni II state (S = 0) with virtually no structural distortion stabilized Therefore, the metal oxidation state and coordination structure of Ni-N 3 O-TPP ㅣ+ and Ni-N 4- TPP are almost identical, but D is selective only for Ni-N 3 O-TPP ㅣ+ due to substitution of N and O. The 4h ligand field collapses.

이산화탄소 환원 반응 전위인 -0.6 VRHE의 전위가 인가될 때 Ni-N4-TPP (D 4h 리간드 필드를 가지는 구조) 및 Ni-N3O-TPPㅣ- (D 4h 리간드 필드가 변형된 구조)에 대한 이산화탄소 환원 반응의 자유 에너지를 도 7에 도시하였다. 가장 불리한 에너지를 나타내는 *COOH 단계에서 Ni-N4-TPP의 NiII은 *COOH의 낮은 안정화 능력을 나타내어 큰 과전압이 예측된다. 반면에, 반응실시간 조건에서 Ni-N3O-TPP의 활성종, Ni-N3O-TPPㅣ-의 NiI은 실질적으로 *COOH를 안정화하여 훨씬 감소된 과전압을 가진다. 흥미롭게도, Ni-N3O-TPPㅣ+의 NiII의 가상 활성점은 Ni-N3O-TPPㅣ-의 NiI에 상당하는 환원 반응성을 예측한다.When a potential of -0.6 V RHE , which is the carbon dioxide reduction reaction potential, is applied, Ni-N 4- TPP (structure having a D 4h ligand field) and Ni-N 3 O-TPP l- (structure with a modified D 4h ligand field) The free energy of the carbon dioxide reduction reaction for is shown in FIG. 7 . In the *COOH phase, which exhibits the most unfavorable energy, Ni II of Ni-N 4- TPP shows a low stabilization ability of *COOH, so a large overpotential is predicted. On the other hand, the active species of Ni-N 3 O-TPP, Ni I of Ni-N 3 O-TPP l-, substantially stabilizes *COOH under real-time reaction conditions and has a much reduced overpotential. Interestingly, the hypothetical active site of Ni II of Ni-N 3 O-TPP ㅣ+ predicts a reduction reactivity equivalent to that of Ni I of Ni-N 3 O-TPP .

따라서, 고활성의 이산화탄소 환원을 위해 면내 리간드 필드의 대칭을 깨는 것이 중요하다고 결론지을 수 있었다. 추가로 수행된 순환전압전류법 실험 및 밀도범함수 이론 계산은 또 다른 고성능 단원자 니켈 촉매의 니켈 프탈로시아닌(Ni phthalocyanine; NiPc)의 반응 조건 하에서 뒤틀린 D 4h 리간드 필드가 유도된다는 점을 보였다. 따라서, 상기 결론은 뒤틀린 리간드 필드로 유도된 고성능의 이산화탄소 환원 반응성은 Ni(-Cl)-N3O-TPP만의 특성이 아니라 단원자 니켈 촉매에 대해 일반적으로 적용될 수 있는 현상임을 뒷받침할 수 있다. Therefore, it can be concluded that it is important to break the symmetry of the in-plane ligand field for highly active carbon dioxide reduction. Further performed cyclic voltammetry experiments and density functional theory calculations showed that under the reaction conditions of another high-performance single-atomic nickel catalyst, nickel phthalocyanine (NiPc), a distorted D 4h ligand field was induced. Therefore, the above conclusion can support that the high-performance carbon dioxide reduction reactivity induced by the distorted ligand field is not a characteristic of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP, but a phenomenon that can be generally applied to monatomic nickel catalysts.

도 8(a) 및 도 8(b)에서 볼 수 있듯이, NiI-N3O-TPPㅣ-는 NiII-N4-TPP보다 더 강한 Ni-C 결합을 형성할 수 있으며, 이는 NiI-N3O-TPPㅣ-이 보이는 고활성의 원인으로 추정된다. 이를 설명하기 위해 모식화된 분자 오비탈(MO) 다이어그램이 도 8(c)에 도시되어 있다. +2 및 +1과 같은 낮은 산화수의 니켈 종의 d 오비탈은 대부분이 채워져 있어, 니켈 이온은 낮은 루이스 산도(Lewis acidity)를 가지며 COOH와 강한 Ni-C 결합 형성을 막는다. 따라서, COOH와 강한 Ni-C 결합을 형성하려면 니켈 전자 밀도의 재분배를 필요로 한다. N4-TPP 리간드의 경우와 같이 강한 리간드 필드가 큰 리간드 필드 분리(Splitting, Δ)을 발생시키면 전하 재분배에 필요한 에너지 비용이 현저히 높아지며(도 8(c) 참조), 이는 Ni-C 결합 강도를 실질적으로 약화시킨다. 따라서 N3O-TPP 리간드의 경우와 같이 리간드 필드의 뒤틀린 경우, 니켈은 더 강한 Ni-C 결합을 형성하여 *COOH를 안정화할 수 있으며, 이는 니켈 활성점에서 이산화탄소 환원 반응에 대한 바람직한 에너지 조건을 달성하는 관건이 된다. 그러나, 그것은 또한 니켈의 비어 있는 d 오비탈의 에너지 준위가 낮아짐에 따라 니켈 환원 전위의 상당한 양(+)의 이동을 수반하여 분극 하에서 NiI의 생성을 촉진한다.As shown in FIG. 8(a) and FIG. 8(b), Ni I- N 3 O-TPP l- can form a stronger Ni-C bond than Ni II- N 4- TPP, which means that Ni I - N 3 O-TPP l- is presumed to be the cause of the high activity. To explain this, a schematic molecular orbital (MO) diagram is shown in FIG. 8(c). The d orbitals of nickel species with low oxidation numbers, such as +2 and +1, are mostly filled, so the nickel ions have low Lewis acidity and prevent the formation of strong Ni-C bonds with COOH. Thus, forming strong Ni-C bonds with COOH requires a redistribution of nickel electron density. As in the case of the N 4 -TPP ligand, when a strong ligand field causes a large ligand field splitting (Δ), the energy cost required for charge redistribution increases significantly (see Fig. 8(c)), which reduces the Ni-C bond strength. substantially weaken. Thus, in the case of twisting of the ligand field, as in the case of the N 3 O-TPP ligand, nickel can form stronger Ni-C bonds to stabilize *COOH, which provides a favorable energy condition for the carbon dioxide reduction reaction at the nickel active site. is the key to achieving However, it also promotes the production of Ni I under polarization, accompanied by a significant positive (+) shift of the nickel reduction potential as the energy level of the unoccupied d orbital of nickel is lowered.

4. 이산화탄소의 일산화탄소로의 전기화학적 전환4. Electrochemical conversion of carbon dioxide to carbon monoxide

반응실시간 분광 분석 및 전산 연구를 기반으로 한 기본적인 이해와 함께 이산화탄소 환원 반응에 대한 페러데이 효율(Faradaic efficiency; FE) 및 부분 전류 밀도를 확인하기 위해 이중칸 H-셀에서 반응실시간 가스크로마토그래피(GC)로 가스 생성물을 분석하였다.Response real-time gas chromatography (GC) in a double-compartment H-cell to determine the Faradaic efficiency (FE) and partial current density for the CO reduction reaction, along with basic understanding based on reaction-time spectroscopic analysis and computational studies The gas product was analyzed.

도 9(a)는 1 시간 동안의 이산화탄소 환원 반응에 대한 정전위 분극 조건 하 일산화탄소 및 수소 생성의 페러데이 효율을 보여준다. 두 니켈 포르피린 전극 모두에서 FECO와 FEH2의 합이 거의 100%에 도달하여 다른 생성물의 형성은 거의 무시 가능하다. 1H NMR 스펙트럼을 통해 반응 후 전해질에 액체 생성물(예를 들면, 포름산염 또는 메탄올)의 부재(또는 감지할 수 없을 정도의 함량)를 확인하였다. 이산화탄소 환원 반응 동안 Ni-N4-TPP는 전체 전위 범위에 걸쳐 수소 생성이 지배적이며, 일산화탄소는 -0.75 VRHE 미만의 높은 과전압 영역에서 불과 약 2%의 페러데이 효율을 보인다(도 9(a) 및 도 9(b)). 반면, Ni(-Cl)-N3O-TPP는 약 -0.55 VRHE에서 일산화탄소 생성의 개시 전위를 보이며 최대 페러데이 효율은 -0.65 VRHE에서 약 80%에 이른다. 그러나, Ni(-Cl)-N3O-TPP의 페러데이 효율과 일산화탄소 생성의 부분 전류 밀도는 높은 과전압 영역에서 악화되며, 반면에 수소 생성은 크게 향상된다(도 9(a)). 이는 과전압이 증가함에 따라 향상된 일산화탄소 발생을 보여주는 반응실시간 SFC-DEMS 측정한 결과와 상반된다. Ni(-Cl)-N3O-TPP에 대한 추가 순환전압전류법 분석은 두 분석결과의 불일치를 이해하는 단서를 제공한다(도 9(c)). 순환전압전류법의 낮은 전위 한계가 -0.7 VRHE 미만으로 감소하면 이산화탄소 포화 전해질에서 약 -0.22 VRHE에서의 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 산화-환원쌍 A는 사라진다. 한편, 넓은 산화-환원쌍이 약 0.07 VRHE에서 새롭게 성장하며(도 9(c); 피크 B), 이는 아르곤 포화 전해질에서 약 0.13 및 0.07 VRHE에서의 두 개의 서로 다른 산화-환원쌍으로 보다 명확하게 구분될 수 있다(각각 B1 및 B2 피크). 이산화탄소 포화 전해질의 0.07 VRHE 에서의 피크 B(또는 아르곤 포화 전해질의 약 0.13 VRHE에서 피크 B1)는 니켈이 없는 N3O-TPP의 산화-환원쌍을 담당하며, 이는 <-0.6 VRHE 이하의 전위에서 니켈의 구조적 불안정성(예를 들면, 탈금속화)을 나타낸다. 니켈의 포베 다이어그램(Pourbaix diagram)을 고려할 때, 용해된 니켈 이온이 금속 니켈 또는 산화된 NiO 및 Ni(OH)2로 침전되는 것은 pH 조건 (즉, pH = 7.2-8.9)에서 에너지 방출의 자발적 과정이며 표준 E 0는 각각 약 0.13 (E 0 Ni/NiO) 및 0.11 (E 0 Ni/Ni(OH)2) VRHE이다. 고체 NiO 종의 형성은 -0.8에서 0.4 VRHE 범위의 순환전압전류법 측정 후 Ni(-Cl)-N3O-TPP 전극의 라만(Raman) 스펙트럼에 의해 명확하게 확인되었다(도 9(d)). 이러한 고상의 니켈 종은 H2 생성 반응에 매우 활성이 높다는 것에 주목할 필요가 있다. 이중칸 H-셀에서 이산화탄소 환원 반응 측정 시, 각 전위에서 전극은 새 전극으로 교체되었지만 1 시간의 작동 시간은 SFC-DEMS 분석에 비해 수 분(-0.7 VRHE 미만의 전위에서 불과 80 초)보다 훨씬 더 길어 결과적으로 이중칸 H-셀에서 분석 시 니켈 포르피린의 훨씬 더 심각한 열화를 초래한다. SFC-DEMS의 빠른 측정에도 불구하고 Ni(-Cl)-N3O-TPP의 불안정성은 두 번째 순환전압전류법 측정 중 분극에서 이산화탄소 소비 및 일산화탄소 생성량이 상당히 감소한 것으로 뒷받침될 수 있다(도 6(c)).9(a) shows Faraday efficiencies of carbon monoxide and hydrogen production under potentiostatic polarization conditions for the carbon dioxide reduction reaction for 1 hour. In both nickel porphyrin electrodes, the sum of FE CO and FE H2 reached almost 100%, so the formation of other products was almost negligible. The absence (or undetectable content) of a liquid product (eg, formate or methanol) in the electrolyte after the reaction was confirmed through the 1 H NMR spectrum. carbon dioxide During the reduction reaction, Ni-N 4- TPP is dominated by hydrogen production over the entire potential range, and carbon monoxide shows only about 2% Faraday efficiency in the high overpotential region below -0.75 V RHE (Fig. 9(a) and Fig. 9(b)). On the other hand, Ni(-Cl)-N 3 O-TPP shows an initiation potential for carbon monoxide generation at about -0.55 V RHE and the maximum Faraday efficiency reaches about 80% at -0.65 V RHE . However, the Faraday efficiency of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP and the partial current density of carbon monoxide production deteriorate in the high overvoltage region, whereas hydrogen production is greatly improved (Fig. 9(a)). This contradicts the results of the reaction real-time SFC-DEMS measurement showing enhanced carbon monoxide generation as the overpotential increases. Further cyclic voltammetry analysis of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP provides clues to understanding the discrepancy between the two analysis results (Fig. 9(c)). When the lower potential limit of cyclic voltammetry decreases below -0.7 V RHE , the oxidation-reduction pair A of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP at about -0.22 V RHE in CO2-saturated electrolyte disappears. On the other hand, a broad oxidation-reduction pair newly grows at about 0.07 V RHE (Fig. 9(c); peak B), which is more evident as two different oxidation-reduction pairs at about 0.13 and 0.07 V RHE in argon-saturated electrolyte. (B1 and B2 peaks, respectively). Peak B at 0.07 V RHE in carbon dioxide saturated electrolyte (or peak B1 at about 0.13 V RHE in argon saturated electrolyte) is responsible for the oxidation-reduction pair of nickel-free N 3 O-TPP, which is below <-0.6 V RHE . indicates structural instability (e.g., demetallization) of nickel at a potential of Considering the Pourbaix diagram of nickel, the precipitation of dissolved nickel ions into metallic nickel or oxidized NiO and Ni(OH) 2 is a spontaneous process of energy release under pH conditions (i.e. pH = 7.2–8.9). and the norm E 0 is about 0.13 ( E 0 Ni/NiO ) and 0.11 ( E 0 Ni/Ni(OH) 2 ) V RHE , respectively. The formation of solid NiO species was clearly confirmed by the Raman spectrum of the Ni(-Cl)-N 3 O-TPP electrode after cyclic voltammetry measurements in the range of -0.8 to 0.4 V RHE (Fig. 9(d) ). It is noteworthy that these solid-phase nickel species are highly active in the H 2 production reaction. When measuring the carbon dioxide reduction reaction in a double-compartment H-cell, the electrode at each potential was replaced with a new one, but the 1-hour operating time was less than several minutes (only 80 seconds at potentials below -0.7 V RHE ) compared to the SFC-DEMS analysis. much longer, resulting in much more severe degradation of the nickel porphyrin when analyzed in a double-compartment H-cell. Despite the rapid measurement of SFC-DEMS, the instability of Ni(-Cl)-N 3 O-TPP can be supported by the significant decrease in carbon dioxide consumption and carbon monoxide production at polarization during the second cyclic voltammetry measurement (Fig. 6( c)).

상기와 같이 본 발명을 바람직한 실시예 및 비교예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구 범위에 속한다 할 것이다.As described above, the present invention has been described based on preferred embodiments and comparative examples, but the technical spirit of the present invention is not limited thereto, and variations or modifications are possible within the scope described in the claims. It will be obvious to those skilled in the art, and such variations or modifications will fall within the scope of the appended claims.

Claims (5)

니켈 포르피린(Nickel Porphyrin)계 화합물에서 중심 니켈(Ni) 이온과 결합된 하나 이상의 질소(N) 원자가 이종 원자(Heteroatom)로 치환된 유기금속 화합물로 이루어진 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매.A catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion composed of an organometallic compound in which one or more nitrogen (N) atoms bonded to a central nickel (Ni) ion in a nickel porphyrin-based compound are replaced with heteroatoms. 제1항에 있어서,
상기 이종 원자는 산소(O) 원자인 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매.
According to claim 1,
The heteroatom is an electrochemical carbon dioxide conversion catalyst, characterized in that the oxygen (O) atom.
제1항에 있어서,
하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매:
<화학식 1>
Figure pat00008

(상기 화학식 1에서,
R은 서로 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 탄화수소기임).
According to claim 1,
A catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion, characterized in that represented by the following formula (1):
<Formula 1>
Figure pat00008

(In Formula 1 above,
R are independently hydrogen or a hydrocarbon group having 1 to 12 carbon atoms).
제3항에 있어서,
하기 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 촉매:
<화학식 2>
Figure pat00009
.
According to claim 3,
A catalyst for electrochemical carbon dioxide conversion, characterized in that represented by the following formula (2):
<Formula 2>
Figure pat00009
.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 촉매를 포함하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 전극.An electrode for electrochemical carbon dioxide conversion comprising the catalyst according to any one of claims 1 to 4.
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