KR20240010402A - 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리알킬렌옥사이드를 포함하는 전해질 조성물; 산화 전극; 분리막; 및 환원 전극을 포함하는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 환원 전극에 수분이 침투하는 플러딩 현상을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에 관한 것이다.
산업화가 고도화됨에 따라 화석연료가 과도하게 사용되어 이산화탄소가 과도하게 발생되었고, 그 결과 이상기후와 지구 온난화 등의 문제가 대두되고 있다. 이러한 문제로 인한 경제적, 사회적 문제가 가시화되면서 이산화탄소의 배출량 저감을 위한 국제적 논의가 확대되고 있다. 따라서, 지구온난화의 주원인인 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하는 기술이 많은 관심을 받고 있다. 이러한 기술 중 전기화학적 전환 기술은 이산화탄소를 고부가가치의 연료 또는 석유화학제품의 합성을 위한 플랫폼 화합물 등의 유용한 물질로 전환할 수 있다. 뿐만 아니라, 신재생 에너지 저장 기술로 활용이 가능하여 중요성이 부각되고 있다. 그러나 이러한 기술을 현실화하고 산업에 적용하여 이윤을 창출하기 위해서는 많은 시스템과 소재 개발이 이루어져야 한다.
한편, 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 성능을 향상시키기 위해 기체확산층과 기체확산층 상에 위치한 촉매층을 포함하는 환원 전극에 수증기와 함께 이산화탄소를 지속적으로 공급하면, 전기화학적 전환 반응의 선택도와 효율을 높일 수 있다. 그러나 이러한 환원 전극을 도입한 시스템을 상업적으로 유효한 전류밀도 조건(200 ㎃/㎠ 이상)에서 장시간 운전 시, 환원 전극이 가진 본연의 소수성을 잃고 수분이 침투하는 플러딩(flooding) 현상이 발생하는 문제가 발생하였다. 또한 플러딩이 발생하면 환원 전극으로 이산화탄소가 이동하는 것이 방해되어, 이산화탄소 전환 반응의 선택도와 효율이 저하되었고, 이로 인해 시스템의 교체 주기가 단축되었다.
본 발명의 과제는 환원 전극에 수분이 침투하는 플러딩 현상을 방지하여, 내구성이 향상된 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 1) 폴리알킬렌옥사이드를 포함하는 전해질 조성물; 산화 전극; 분리막; 및 환원 전극을 포함하는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
2) 본 발명은 상기 1)에 있어서, 상기 폴리알킬렌옥사이드는 폴리(에틸렌옥사이드), 폴리(프로필렌옥사이드), 폴리(에틸렌옥사이드)-블록-폴리(프로필렌옥사이드), 폴리(에틸렌옥사이드)-블록-폴리(프로필렌옥사이드)-블록-폴리(에틸렌옥사이드) 및 에틸렌옥사이드-프로필렌옥사이드 랜덤 중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
3) 본 발명은 상기 1) 또는 2)에 있어서, 상기 전해질은 알칼리 금속의 염화물을 포함하는 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
4) 본 발명은 상기 3)에 있어서, 상기 알칼리 금속의 염화물은 염화리튬, 염화소듐, 염화칼륨, 염화루비듐, 염화세슘 및 염화프랑슘으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
5) 본 발명은 상기 3) 또는 4)에 있어서, 상기 폴리알킬렌옥사이드와 알칼리 금속의 염화물의 몰비는 1:0.1 내지 100.0인 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
6) 본 발명은 상기 1) 내지 5) 중 어느 하나에 있어서, 상기 전해질 내 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 몰농도는 0.01 내지 1.00 mM인 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
7) 본 발명은 상기 1) 내지 6) 중 어느 하나에 있어서, 상기 전해질 조성물은 KOH, KHCO3, K2CO3, NaOH, NaHCO3, Na2CO3, LiOH, LiHCO3, Li2CO3, CsOH, CsHCO3 및 Cs2CO3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 수용액을 포함하는 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
8) 본 발명은 상기 1) 내지 7) 중 어느 하나에 있어서, 상기 분리막은 이온교환막 및 다공성막으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
9) 본 발명은 상기 1) 내지 8) 중 어느 하나에 있어서, 상기 환원 전극은 기체확산층 및 상기 기체확산층 상에 위치한 촉매층을 포함하는 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
10) 본 발명은 상기 9)에 있어서, 상기 촉매층은 In, Sn, Hg, Pb, Zn, Au, Ag 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
본 발명의 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템은 환원 전극에 수분이 침투하는 플러딩 현상을 방지하여, 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예 4와 비교예 1의 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 시간에 따른 전압 변화를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
전기화학적 이산화탄소 전환 시스템
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템은 폴리알킬렌옥사이드를 포함하는 전해질 조성물, 산화 전극, 분리막 및 환원 전극을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템은 막전극 집합체형 셀(membrane electrode assembly type cell) 또는 플로우형 셀(flow type cell)일 수 있다.
여기서, 상기 막전극 집합체형 셀은 산화 전극, 분리막 및 환원 전극이 순차적으로 위치한 구조를 의미한다. 그리고, 상기 막전극 집합체형 셀은 전해질 조성물을 산화 전극에 공급하고 이산화탄소를 환원 전극에 공급하여 구동할 수 있다.
상기 플로우형 셀은 산화 전극과 환원 전극 사이에 분리막이 위치하고, 산화 전극과 분리막 사이에 전해질 조성물이 위치하고 환원 전극과 분리막 사이에 전해질 조성물이 위치하는 구조를 의미한다. 상기 플로우형 셀은 환원 전극과 분리막 사이에 위치하는 전해질 조성물이 폴리알킬렌옥사이드를 포함할 수 있다. 산화 전극과 분리막 사이에 위치하는 전해질 조성물은 폴리알킬렌옥사이드를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 또한, 상기 플로우형 셀은 이산화탄소를 환원 전극에 공급하여 구동할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.
1) 전해질 조성물
전해질 조성물은 폴리알킬렌옥사이드를 포함한다.
상기 폴리알킬렌옥사이드는, 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 운전 시, 환원 전극이 본연의 성질인 소수성을 잃게 되어 내부로 수분이 침투하는 플러딩 현상을 방지할 수 있다. 상세하게는 상기 폴리알킬렌옥사이드는, 환원 전극의 표면, 구체적으로는 촉매층 표면에 흡착되어 소수성 막을 형성할 수 있다. 이 소수성 막이 환원 전극이 소수성을 잃게 하는 것을 방지해줄 수 있다.
상기 폴리알킬렌옥사이드는 폴리(에틸렌옥사이드), 폴리(프로필렌옥사이드), 폴리(에틸렌옥사이드)-블록-폴리(프로필렌옥사이드) 폴리(에틸렌옥사이드)-블록-폴리(프로필렌옥사이드)-블록-(폴리에틸렌옥사이드) 및 에틸렌옥사이드-프로필렌옥사이드 랜덤 중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 폴리알킬렌옥사이드는 중량평균분자량이 500 내지 50,000 g/mol, 바람직하게는 500 내지 30,000 g/mol, 보다 바람직하게는 1,000 내지 20,000 g/mol일 수 있다. 상술한 조건을 만족하면, 상기 폴리알킬렌옥사이드가 적정량으로 환원 전극에 흡착되어 이산화탄소 분해 반응에 영향을 미치지 않으면서 플러딩 현상을 방지할 수 있다.
상기 전해질 조성물은 상기 폴리알킬렌옥사이드가 환원 전극의 표면에 잘 흡착되기 위하여, 알칼리 금속의 염화물을 포함할 수 있다.
상기 알칼리 금속의 염화물은 염화리튬, 염화소듐, 염화칼륨, 염화루비듐, 염화세슘 및 염화프랑슘으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 이 중 염화소듐 및 염화칼륨으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 바람직하다.
상기 폴리알킬렌옥사이드와 알칼리 금속의 염화물의 몰비는 1:0.1 내지 100, 바람직하게는 1:0.5 내지 50일 수 있다. 상술한 조건을 만족하면, 상기 폴리알킬렌옥사이드와 환원 전극에 적정량으로 흡착될 수 있고, 염소 이온으로 인한 부작용, 즉 염소 이온이 산화 전극에서 산화되어 염소 기체가 발생하는 현상을 방지할 수 있다.
상기 전해질 조성물 내 상기 폴리알킬렌옥사이드의 몰농도는 0.01 내지 1.00 mM, 바람직하게는 0.05 내지 0.50 mM일 수 있다. 상술한 조건을 만족하면, 상기 폴리알킬렌옥사이드가 적정량으로 환원 전극에 흡착되어 이산화탄소 분해 반응에 영향을 미치지 않으면서 플러딩 현상을 방지할 수 있다.
상기 전해질 조성물은 KOH, KHCO3, K2CO3, NaOH, NaHCO3, Na2CO3, LiOH, LiHCO3, Li2CO3, CsOH, CsHCO3 및 Cs2CO3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 수용액을 포함할 수 있고, 이 중 수소 기체 발생 반응을 억제할 수 있는 강염기인 KOH가 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환 시스팀에 상기 플로우형 셀일 경우, 환원 전극과 분리막 사이에 위치하는 전해질 조성물이 폴리알킬렌옥사이드를 포함할 수 있다. 하지만, 산화 전극과 분리막 사이에 위치하는 전해질 조성물은 폴리알킬렌옥사이드를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
2) 산화 전극
전해질 조성물이 중성이나 염기성일 경우, 산화 전극에서는 OH-가 산화되어 산소, 물 및 전자(e-)가 발생할 수 있고, 물과 전자가 환원 전극으로 이동하여 이산화탄소 환원 반응이 일어날 수 있다.
또한, 전해질 조성물이 산성일 경우, 산화 전극에서는 물 분자가 산화되어 산소 기체, 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생할 수 있다. 상기 수소 이온은 분리막을 통해 전자는 외부 회로를 통해 환원 전극으로 이동할 수 있다. 산화 전극으로부터 이동한 수소 이온 및 전자가 이산화탄소와 만나 환원 반응을 일으키며, 반응에 참여하는 전자와 수소 이온의 개수에 따라 아래와 같은 다양한 전환 생성물이 생성될 수 있다.
CO2 + 2H+ + 2e- → CO + H2O
CO2 + 2H+ + 2e- → HCOOH
CO2 + 4H+ + 4e- → HCHO + H2O
CO2 + 6H+ + 6e- → CH3OH + H2O
CO2 + 8H+ + 8e- → CH4 + 2H2O
상기 산화 전극은 Ru, Ir, Pt, Co, Ni, Fe 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 산화물을 포함할 수 있다.
3) 분리막
분리막은 산화 전극과 환원 전극을 분리시키면서, 산화 전극에서 발생한 수소 이온이 환원 전극으로 이동하는 통로일 수 있다.
상기 분리막은 이온교환막 또는 다공성막일 수 있다.
상기 이온교환막은 음이온교환막일 수 있다. 상기 음이온교환막은 이산화탄소의 전환율이 양호하지만, 상온에서 쉽게 건조해지므로 부스러지거나 파손될 수 있다. 이에 따라, 상기 음이온교환막은 일정량의 수분을 항상 포함하는 것이 바람직하다.
상기 음이온교환막은 시판 중인 제품을 이용할 수 있으며, Dioxide material 사의 Sustainion을 이용할 수 있다.
상기 다공성막은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 원활한 이동이 가능하다. 상기 다공성막은 친수성 다공성 기재를 포함하며, 일정량의 수분을 항상 포함하는 것이 바람직하다. 상기 친수성 다공성 기재는 친수성 고분자일 수 있으며, 하이드록시기, 카르복시기, 알킬렌옥사이드기 및 아민기로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 친수성기를 포함하는 단량체를 중합하여 제조한 고분자일 수 있다. 상기 친수성 고분자는 폴리피롤리돈, 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리비닐알코올로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 친수성 고분자는 소수성 고분자에 친수 처리한 것일 수도 있다. 상기 친수 처리는 소수성 고분자의 표면에 대한 물의 접촉각을 감소시켜 친수성을 갖도록 하는 것으로서, 고전압 코로나 방전, 직류 플라즈마 방전, 표면 처리 등이 있다. 상기 표면 처리는 소수성 고분자 표면에 친수성 수지 또는 친수화 처리제를 도포하는 것일 수 있다. 이때, 상기 소수성 고분자는 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리설폰, 폴리비닐리덴디플로라이드 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 다공성막은 기공의 평균입경이 150 ㎚ 내지 700 ㎚인 것이 바람직하다. 상술한 조건을 만족하면, 전해질에 의해 이온, 물 분자를 포함한 다양한 분자들이 원활하게 이동할 수 있는 통로를 제공할 수 있다. 또한 이산화탄소 전환율을 높이고 과전압을 감소시킬 수 있다.
4) 환원 전극
환원 전극에서 상기 산화 전극에서 이동한 물 및 전자가 이산화탄소와 만나 환원 반응을 일으키거나, 상기 산화 전극에서 이동한 수소 이온 및 전자가 이산화탄소와 만나 환원 반응을 일으킬 수 있다.
상기 환원 전극은 기체확산층 및 상기 기체확산층 상에 위치한 촉매층을 포함할 수 있다.
상기 기체확산층은 기체확산매체(Gas Diffusion Medium) 및 미세다공층(Micro Porous Layer)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 기체확산매체는 상기 미세다공층보다 큰 기공을 가지며, 부직 카본 페이퍼, 카본 펠트, 니켈 폼, 타타늄 폼 및 절연 메쉬로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 미세다공층은 카본 분말 및 열팽창성 흑연으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 기체확산층이 기체확산매체와 미세다공층을 모두 포함하는 경우, 상기 기체확산층은 상기 기체확산매체, 상기 기체확산매체 상에 위치하는 미세다공층, 및 상기 미세다공층 상에 위치하는 촉매층을 포함할 수 있다.
상기 촉매층은 이산화탄소 전환 반응에 대하여 활성을 갖는 In, Sn, Hg, Pb, Zn, Au, Ag 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상과; 불소계 고분자 및 음이온성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 불소계 고분자는 폴리테트라플루오로에틸렌일 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 상기 실시예는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
제조예 1
KOH(제조사: 대정화금사)를 순수에 녹여 1M의 농도가 되는 KOH 수용액인 전해질 조성물을 제조하였다.
제조예 2
KOH(제조사: 대정화금사)를 순수에 녹여 1M의 농도가 되는 KOH 수용액을 제조하였다. 상기 KOH 수용액에 PPG-4000(중량평균분자량이 최대 4,000 g/mol인 폴리(프로필렌옥사이드), 판매처: Sigma-Aldrich, 상품명: Poly(propylene glycol))을 0.1 mM의 농도가 되도록 첨가하여 전해질 조성물을 제조하였다.
제조예 3
KOH(제조사: 대정화금사)를 순수에 녹여 1M의 농도가 되는 KOH 수용액을 제조하였다. 상기 KOH 수용액에 PEG-PPG-PEG 5800(중량평균분자량이 최대 5,800 g/mol인 폴리(에틸렌옥사이드)-블록-폴리(프로필렌옥사이드)-블록-폴리(에틸렌옥사이드), 판매처: Sigma-Aldrich, 상품명: Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol))을 0.1 mM의 농도가 되도록 첨가하여 전해질 조성물을 제조하였다.
제조예 4
KOH(제조사: 대정화금사)를 순수에 녹여 1M의 농도가 되는 KOH 수용액을 제조하였다. 상기 KOH 수용액에 PEG-1000(중량평균분자량이 약 1,000 g/mol인 폴리에틸렌옥사이드, 판매처: Sigma-Aldrich, 상품명: Polyethylene Glycol 1000)와 염화소듐을 각각 0.1 mM과 1.0 mM의 농도가 되도록 첨가하여 전해질 조성물을 제조하였다.
제조예 5
KOH(제조사: 대정화금사)를 순수에 녹여 1M의 농도가 되는 KOH 수용액을 제조하였다. 상기 KOH 수용액에 PEG-6000(중량평균분자량이 약 6,000 g/mol인 폴리에틸렌옥사이드, 판매처: Sigma-Aldrich, 상품명: Polyethylene Glycol 6000(PEG-6000))와 염화소듐을 각각 0.1 mM과 1.0 mM의 농도가 되도록 첨가하여 전해질 조성물을 제조하였다.
제조예 6
KOH(제조사: 대정화금사)를 순수에 녹여 1M의 농도가 되는 KOH 수용액을 제조하였다. 상기 KOH 수용액에 PEG-20000(중량평균분자량: 약 20,000 g/mol인 폴리에틸렌옥사이드, 판매처: Sigma-Aldrich, 상품명: Polyethylene Glycol 20000)와 염화소듐을 각각 0.1 mM과 1.0 mM의 농도가 되도록 첨가하여 전해질 조성물을 제조하였다.
제조예 7
이소프로필알코올에 구리 나노 입자(평균입경: 100 ㎚, 제조사: Avention)를 5 ㎎/㎖로 첨가하고, Nafion D-521 ionomer(상품명, 제조사: Alfa Aesar, 구성: Nafion(Rf[OCF2CF(CF3)2]nOCF2CF2SO3)을 물과 1-프로판올에 5 중량%로 혼합함) 0.5 ㎎/㎖로 첨가하여 촉매 잉크를 제조하였다.
기체확산층(상품명: Sigracet 39BB, 제조사: SGL, 구성성분: 부직 카본 페이퍼 기체확산매체)의 일면에 상기 촉매 잉크를 도포하고, 60 분 동안 초음파 처리한 후, 스프레이 건을 활용하여 상기 기체확산층에 구리 나노입자와 Naflon D-521 ionomer의 고형분의 총 함량이 1.0 ㎎/㎠가 되도록 도포하여 환원 전극을 제조하였다.
비교예 1
제조예 7의 환원 전극과 산화 전극(상품명: Anode electrode for carbon dioxid electrolyzer, 제조사: Dioxide materials, 구성성분: IrO2)이 분리막(상품명: Zirfon 다공성막, 제조사: Agfa)으로 분리된 막전극 집합체형 셀 (활성 면적: 25 ㎠)인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템을 제조하였다. 상기 산화 전극에는 제조예 1의 전해질 조성물을 15 ㎖/min의 속도로 공급하였다. 상기 환원 전극에는 40 ℃로 가습된 이산화탄소를 100 ㎖/min의 속도로 공급하였다.
실시예 1 내지 실시예 5
비교예 1에서 제조예 1의 전해질 대신 표 1 및 표 2에 기재된 전해질 조성물을 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템을 제조하였다.
실험예 1
실시예 및 비교예의 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에 전원 장치(모델명: SP32VDC1600W, 제조사: MK Power)으로 역전류를 하기 표 1 및 표 2에 기재된 밀도 및 시간 동안 인가한 후, 정전류를 하기 표 1 및 표 2에 기재된 밀도로 인가하여 이산화탄소를 전환하는 동안 전위차를 측정하고 기체 생성물과 액체 생성물의 선택도를 측정하였고, 그 결과를 표 1, 표 2 및 도 1(y축: 셀 전압(V), x축: 정전류 인가 시간(분))에 나타냈다.
한편, 역전류를 인가할 때, 전원 장치의 음극에 이산화탄소 전환 시스템의 산화 전극에 연결하고, 전원 장치의 양극에 이산화탄소 전환 시스템의 환원 전극에 연결하였다. 정전류를 인가할 때, 전원 장치의 음극에 이산화탄소 전환 시스템의 환원 전극에 연결하고, 전원 장치의 양극에 이산화탄소 전환 시스템의 산화 전극에 연결하였다. 그리고, 셀 전압과 전류 밀도는 전원 장치(모델명: SP32VDC1600W, 제조사: MK Power)로 측정하였다.
그리고, 기체 생성물은 가스 크로마토그래피(모델명: 8890GC, 제조사: Agilent)로, 액체 생성물은 액체 크로마토그래피(모델명: HPLC1200, 제조사: Agilent)로 분석하였다.
그리고, 선택도는 아래의 식으로 계산하였다.
z: 이산화탄소를 생성물로 전환하기 위해 사용되는 전자 수
n: 생성물의 mole 수(mol)
F: Faraday 상수(96485 C/mol)
Q: 흘려준 전하(C)
| 구분 | 비교예 1 | 실시예 1 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 2 | |
| 전해질 조성물 |
종류 | 제조예 1 | 제조예 2 | 제조예 2 | 제조예 3 | 제조예 3 |
| PPG 4000(mM) | 0.0 | 0.1 | 0.1 | 0.0 | 0.0 | |
| PEG-PPG-PEG 5800(mM) | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.1 | |
| NaCl(mM) | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | |
| 역전류 | 인가여부 | × | × | × | × | × |
| 밀도 (㎃/㎠) |
- | - | - | - | - | |
| 시간(초) | - | - | - | - | - | |
| 정전류 | 밀도 (㎃/㎠) |
400 | 400 | 400 | 400 | 400 |
| 정전류 인가 시작 후 생성물 측정 시점(분) | 20 | 20 | 120 | 20 | 120 | |
| 셀 전압(V) | 3.85 | 4.04 | 4.28 | 4.02 | 4.41 | |
| 기체 생성물 | 수소 | 18.70 | 23.5 | 33.6 | 21.0 | 45.5 |
| 일산화탄소 | 7.21 | 8.42 | 5.22 | 9.26 | 3.79 | |
| 메탄 | 0.08 | 0.05 | 0.09 | 0.03 | 0.11 | |
| 에틸렌 | 35.5 | 34.0 | 27.3 | 33.3 | 18.5 | |
| 에탄 | 0.06 | 0.04 | 0.02 | 0.04 | 0.01 | |
| 액체 생성물 | 메탄올 | 7.86 | 8.77 | 3.92 | 8.89 | 3.34 |
| 에탄올 | 12.9 | 10.8 | 6.77 | 11.3 | 4.49 | |
| 1-프로판올 | 8.07 | 5.07 | 3.11 | 5.33 | 2.05 | |
| 포메이트 | 0.87 | 0.99 | 0.72 | 0.95 | 0.66 | |
| 아세테이트 | 4.01 | 2.76 | 2.06 | 3.42 | 1.98 | |
| 구분 | 실시예 3 | 실시예 3 | 실시예 4 | 실시예 4 | 실시예 5 | 실시예 5 | |
| 전해질 조성물 |
종류 | 제조예 4 | 제조예 4 | 제조예 5 | 제조예 5 | 제조예 6 | 제조예 6 |
| PEG-1000(mM) | 0.1 | 0.1 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | |
| PEG-6000(mM) | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.1 | 0.0 | 0.0 | |
| PEG-20000(Mm) | 0.1 | 0.1 | |||||
| NaCl(mM) | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | |
| 역전류 | 인가여부 | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 밀도 (㎃/㎠) |
20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | |
| 시간(초) | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | |
| 정전류 | 밀도 (㎃/㎠) |
400 | 400 | 400 | 400 | 400 | 400 |
| 정전류 인가 시작 후 생성물 측정 시점(분) | 20 | 120 | 20 | 120 | 20 | 120 | |
| 셀 전압(V) | 3.94 | 4.10 | 4.01 | 3.93 | 4.09 | 3.96 | |
| 기체 생성물 | 수소 | 22.2 | 28.6 | 21.7 | 22.4 | 20.9 | 21.3 |
| 일산화탄소 | 9.39 | 6.29 | 9.40 | 8.57 | 9.04 | 10.5 | |
| 메탄 | 0.03 | 0.08 | 0.10 | 0.06 | 0.00 | 0.01 | |
| 에틸렌 | 33.9 | 30.1 | 34.1 | 33.2 | 34.7 | 33.8 | |
| 에탄 | 0.04 | 0.02 | 0.07 | 0.06 | 0.05 | 0.04 | |
| 액체 생성물 | 메탄올 | 7.97 | 5.28 | 8.13 | 7.86 | 8.20 | 8.37 |
| 에탄올 | 11.0 | 8.17 | 11.1 | 10.7 | 12.3 | 10.9 | |
| 1-프로판올 | 4.96 | 3.10 | 5.47 | 4.85 | 5.86 | 5.75 | |
| 포메이트 | 1.02 | 0.68 | 0.96 | 1.10 | 1.00 | 0.96 | |
| 아세테이트 | 3.34 | 2.11 | 3.55 | 3.32 | 3.51 | 3.14 | |
표 1, 표 2 및 도 1을 참조하면, 비교예 1은 운전 시작으로부터 30 분이 경과한 후, 환원 전극의 플러딩 현상으로 인하여 셀 전압이 급격하게 증가하여 이산화탄소 전환 시스템을 안정적으로 구동할 수 없었다.
비교예 1과 동일하게 운전 전에 역전류를 인가하지 않은 실시예 1 및 실시예 2는 폴리알킬렌옥사이드로 인해 셀 전압과 수소 선택도가 소폭 상승하였다. 하지만, 효과적으로 환원 전극의 플러딩 현상을 방지하여 120 분 이상 운전이 가능하였다. 또한, 실시예 1과 실시예 2는 정전류 인가 시작부터 20 분이 경과한 후와 120 분이 경과한 후 선택도가 차이가 나지만, 이는 플러딩에 의한 촉매층의 열화로 인한 것으로 유추하였다.
비교예 1과 달리 운전 전에 역전류를 인가한 실시예 3 내지 실시예 5는 폴리에틸렌옥사이드와 염소이온이 환원 전극에 흡착되어 소수성 막이 형성되었다. 이 소수성 막에 의해 셀 전압이 초기에는 조금 높지만 시간이 경과하면서 셀 전압이 낮아졌다. 또한, 효과적으로 환원 전극의 플러딩 현상을 방지하여 120 분 이상 운전이 가능하였다. 또한, 정전류 인가 시작부터 120 분이 경과한 후에도 초기와 유사한 선택도를 보이며 안정적으로 구동되었다. 또한, 실시예 4와 실시예 5는, 실시예 3과 비교하여 정전류 인가 시작부터 20 분 및 120 분 경과 후의 선택도와 전압이 유사한 수준으로 유지된다. 이 결과로부터 실시예 4와 실시예 5가 실시예 3 대비 플러딩 억제 효과가 우수한 것을 유추할 수 있다.
Claims (10)
- 폴리알킬렌옥사이드를 포함하는 전해질 조성물;
산화 전극;
분리막; 및
환원 전극을 포함하는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 폴리알킬렌옥사이드는 폴리(에틸렌옥사이드), 폴리(프로필렌옥사이드), 폴리(에틸렌옥사이드)-블록-폴리(프로필렌옥사이드), 폴리(에틸렌옥사이드)-블록-폴리(프로필렌옥사이드)-블록-폴리(에틸렌옥사이드) 및 에틸렌옥사이드-프로필렌옥사이드 랜덤 중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전해질 조성물은 알칼리 금속의 염화물을 포함하는 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템.
- 청구항 3에 있어서,
상기 알칼리 금속의 염화물은 염화리튬, 염화소듐, 염화칼륨, 염화루비듐, 염화세슘 및 염화프랑슘으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템.
- 청구항 3에 있어서,
상기 폴리알킬렌옥사이드와 알칼리 금속의 염화물의 몰비는 1:0.1 내지 100.0인 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전해질 조성물 내 상기 폴리알킬렌옥사이드의 몰농도는 0.01 내지 1.00 mM인 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전해질 조성물은 KOH, KHCO3, K2CO3, NaOH, NaHCO3, Na2CO3, LiOH, LiHCO3, Li2CO3, CsOH, CsHCO3 및 Cs2CO3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 수용액을 포함하는 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 분리막은 이온교환막 및 다공성막으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 환원 전극은 기체확산층 및 상기 기체확산층 상에 위치한 촉매층을 포함하는 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템.
- 청구항 9에 있어서,
상기 촉매층은 In, Sn, Hg, Pb, Zn, Au, Ag 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20220087816 | 2022-07-15 | ||
| KR1020220087816 | 2022-07-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240010402A true KR20240010402A (ko) | 2024-01-23 |
Family
ID=89714011
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230082440A KR20240010402A (ko) | 2022-07-15 | 2023-06-27 | 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240010402A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020524742A (ja) | 2017-06-21 | 2020-08-20 | コベストロ、ドイチュラント、アクチエンゲゼルシャフトＣｏｖｅｓｔｒｏ Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ Ａｇ | 二酸化炭素を還元するガス拡散電極 |
-
2023
- 2023-06-27 KR KR1020230082440A patent/KR20240010402A/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020524742A (ja) | 2017-06-21 | 2020-08-20 | コベストロ、ドイチュラント、アクチエンゲゼルシャフトＣｏｖｅｓｔｒｏ Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ Ａｇ | 二酸化炭素を還元するガス拡散電極 |
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