| 초록 |
1.분석자 서문 무분별한 화석연료의 사용으로 인해 대기 중에 축적된 이산화탄소에 의한 다양한 문제들이 대두되고 있는 상황에서 이의 저감을 위한 많은 노력들이 진행되고 있다. 다양한 방법들 중에서도 전기화학적 이산화탄소 환원은 문제를 야기시키고 있는 이산화탄소의 저감과 동시에 유용한 물질로의 전환을 모색할 수 있다는 점에서 많은 관심을 받고 있다. 본 논문에서는 최근 대두되고 있는 전기화학적 이산화탄소 환원을 위한 탄소 기반 비금속 촉매에 대해 이해하고 이들이 앞으로 나아가야 할 방향성을 제시하고자 하였다. 이를 통해 전기화학적 이산화탄소 환원에 필수적으로 필요한 촉매의 다양성을 확보하고 가능성을 증진시킴으로써 환경오염 문제를 해결할 수 있는 하나의 대안으로 자리매김하는 데 기여할 수 있는 자료가 될 것이라 생각된다. 2. 목차 1. 개요 2. 전기화학적 이산화탄소 환원 3. 비금속 탄소 기반 촉매 3.1. 포름산(HCOOH)/포르메이트(HCOO-) 3.2. 일산화탄소(CO) 3.3. 포름알데하이드(HCHO) 3.4. 메탄(CH4) 3.5. 아세테이트(CH3COO-) 3.6. 에틸렌(C2H4)/에탄올(C2H5OH) 4. 분석자 결론 이산화탄소의 저감 혹은 활용을 위한 기술 중의 하나로 ECR에 대한 많은 연구가 진행되고 있고 특히 최근 각광을 받고 있는 탄소 기반의 비금속 촉매를 활용하고자 하는 시도가 많이 이루어지고 있다. 이러한 분위기 속에 본 논문은 비금속 촉매를 이용한 ECR 반응에 대한 현황 파악과 반응에 대한 이해를 증진함으로써 앞으로의 개발 전략에 대해 고찰해보고자 하였다. 앞서 기술한 바와 같이 많은 연구 결과들을 통하여 비금속 촉매를 활용한 ECR 반응의 가능성을 확인할 수 있었고 다양한 물질이 생성물로 전환이 될 수 있는 것도 밝혀졌다. 하지만 이러한 결과를 실제 이산화탄소 저감 혹은 활용에 적용하기에는 몇몇 부분에서 아직 부족하다고 판단이 된다. 특히 현재까지는 각각 개발한 비금속 촉매를 이용하여 ECR 반응에 적용했을 때 어떠한 생성물로 전환이 되는지 확인하는 수준에 머물러 있는 것으로 보인다. 이를 해결하기 위해서는 모델화된 촉매의 개발을 이용해 비금속 촉매에서의 ECR 반응이 어떻게 일어나는지 반응 기작을 확인할 필요가 있다. 이러한 반응 기작 파악을 통해 생성물에 대한 선택성을 증진시킬 수 있을 것으로 생각된다. 이러한 반응 기작 파악을 위해서는 모델화된 비금속 촉매의 개발도 중요하지만 이를 분석할 수 있는 다양한 실시간 분석 장비들에 대한 기술 향상도 반드시 이루어져야 한다. 또한 ECR 반응의 장기 성능과 패러데이 효율을 향상시킬 수 있는 방안 역시 모색되어야 한다. 현재 비금속 촉매를 활용한 ECR 반응을 진행했을 때 수십 시간 동안만 그 성능이 유지되는 것으로 파악되고 있고, 이를 실제로 적용하기 위해서는 수백 시간 동안 그 성능을 유지할 수 있는 촉매의 개발이 필요할 것으로 여겨진다. 패러데이 효율의 경우에는 경쟁 반응인 수소발생반응을 억제할 수 있는 방안 모색을 통해 지금보다 향상된 효율을 확보해야 다양한 생성물로의 효과적인 전환을 달성할 수 있을 것으로 생각된다.탄소 기반 비금속 촉매에 있어 장기 내구성 확보 및 패러데이 효율을 향상시키기 위해서는 탄소 구조에 대한 이해와 적절한 제어가 이루어져야 할 것으로 보인다. 또한 경쟁 반응인 수소발생반응을 저하 혹은 억제시킬 수 있는 방안으로서 새로운 전해질의 개발이나 전해질 첨가물의 개발을 모색하는 것도 패러데이 효율을 향상시킬 수 있는 하나의 방법이 될 수 있을 것이라 생각된다. 이외에도 ECR 반응을 이산화탄소 저감 혹은 활용 기술로 적용하기 위해서는 전류밀도를 높이거나 과전압을 낮추는 등의 에너지 효율을 높일 수 있는 연구의 진행도 필요할 것으로 판단된다. 또한 대량의 이산화탄소 처리를 위한 공정 개발 및 full cell 수준에서의 연구 등과 같이 개발된 소재를 이용한 전기화학적 공정 및 시스템 개발 부분에서도 더 많은 연구를 필요로 하고 있다. 이에 따라 지금과 같은 지속적인 관심과 활발한 연구개발을 통해 기술 향상을 달성함으로써 ECR 반응을 이용한 이산화탄소 저감 혹은 활용이 빠른 시일 내에 자리매김할 수 있도록 할 필요가 있다. 이러한 분위기 속에서 탄소 기반 비금속 촉매의 경우에도 현재 많은 가능성을 보여주고 있는 만큼 다양한 연구를 통하여 ECR 반응의 핵심 소재로서 중요한 역할을 할 수 있기를 기대해본다. References 1. Tao Ma, Qun Fan, Hengcong Tao, Zishan Han, Mingwen Jia,Yunnan Gao, Wangjing Ma, and Zhenyu Sun, Heterogeneous electrochemical CO2 reduction using nonmetallic carbon-based catalysts: current status and future challenges, Nanotechnology, 2017. 2. Ruud Kortlever, Jing Shen, Klaas Jan P. Schouten, Federico Calle-Vallejo, and Marc T. M. Koper, Catalysts and Reaction Pathways for the Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide, Journal of Physical Chemistry Letters, 2015. 3. 최송이, 정순관, 윤여일, 김학주, 박기태, 이산화탄소의 전기화학적 전환 기술, 공업화학 전망, 2015. 4. Jinli Qiao, Yuyu Liu, Feng Hong, and Jiujun Zhang, A review of catalysts for the electroreduction of carbon dioxide to produce low-carbon fuels, Chemical Society Reviews, 2013. 5. Jingjie Wu, Sichao Ma, Jing Sun, Jake I. Gold, ChandraSekhar Tiwary, Byoungsu Kim, Lingyang Zhu, Nitin Chopra, Ihab N. Odeh, Robert Vajtai, Aaron Z. Yu, Raymond Luo, Jun Lou, Guqiao Ding, Paul J. A. Kenis, and Pulickel M. Ajayan, A metal-free electrocatalyst for carbon dioxide reduction to multi-carbon hydrocarbons and oxygenates, Nature Communications, 2016. 6. Seunghwa Lee, Sujik Hong, Jaeyoung Lee, Bulk pH contribution to CO/HCOO minus; production from CO2 on oxygen-evacuated Cu2O electrocatalyst, Catalysis Today, 2016. 7. Qi Lu, Feng Jiao, Electrochemical CO2 reduction: Electrocatalyst, reaction mechanism, and process engineering, Nano Energy, 2016. 8. Xien Liu Liming Dai, Carbon-based metal-free catalysts, Nature Reviews Materials, 2016. 9. Xiaochuan Duan, Jiantie Xu, Zengxi Wei, Jianmin Ma, Shaojun Guo, Shuangyin Wang, Huakun Liu, and Shixue Dou, Metal-Free Carbon Materials for CO2 Electrochemical Reduction, Advanced Materials, 2017. ※ 이 자료의 분석은 MPI-CEC의 신동윤님께서 수고해주셨습니다. |
