조성 변형 바이메탈 Cu에서 CO2의 선택적 전기화학적 환원

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13456(2022) 이 기사 인용

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이산화탄소(CO2RR)를 전기촉매를 통해 부가가치 연료로 환원하는 것은 기후 변화에 대한 CO2의 악영향을 극복하기 위한 유망한 계획입니다. 그러나 연구된 대부분의 전기촉매는 고성능을 달성하기 위해 이러한 촉매를 추출하는 데 사용되는 유해한 채굴 관행을 간과합니다. 따라서 대체 전기촉매로 사용하기 위해 고철을 용도 변경하면 고성능이 저하되더라도 높은 특권을 누릴 수 있습니다. 이 연구에서 우리는 CO2를 일산화탄소와 포름산염으로 전환하기 위해 Zn 함량이 다른 스크랩 황동 합금의 용도를 변경하는 방법을 시연했습니다. 스크랩 합금은 공기 중 단순 어닐링을 통해 CO2RR쪽으로 활성화되었으며 Ag로의 갈바니 대체를 통해 CO 생산쪽으로 더 선택적으로 만들어졌습니다. Ag로 갈바닉 대체 시, 스크랩 황동 기반 전기촉매는 CO 형성에 대한 더 나은 선택성과 함께 CO 생산을 위한 향상된 전류 밀도를 보여주었습니다. 밀도 범함수 이론(DFT) 계산은 스크랩 황동 촉매의 잠재적 메커니즘과 선택성을 설명하는 데 사용되었습니다. CO2RR을 향해. Zn 함량이 다른 다양한 황동 샘플의 d-밴드 중심이 밝혀졌습니다.

기후 변화의 해로운 영향을 완화하기 위해 과학계는 지구적 경계에 속하는 지속 가능성에 대한 비전을 추구하고 있습니다. 높은 에너지 수요로 인해 화석 연료의 과잉 소비와 과도한 이산화탄소(CO2) 배출이 발생했습니다1,2. 일반적인 부실한 규제로 인한 광물의 과도한 채굴 역시 환경적, 사회적 피해의 그물망에 얽혀 있습니다3,4. 따라서 상당한 연구 작업이 금속 채굴과 화석 연료 연소를 보다 친환경적인 대안으로 전환하는 방향으로 진행되고 있습니다5,6. 재생 가능 에너지원을 활용하는 솔루션을 개발하고 저렴한 재활용 계획을 위한 기반을 구축하는 것이 지속 가능한 미래를 위한 열쇠입니다7,8.

따라서, 탄소 순환을 폐쇄하기 위한 유망한 단계로서, 전기촉매 CO2 환원 반응(CO2RR)은 광범위한 연구 관심을 불러일으켰습니다. 복잡한 반응임이 입증되었음에도 불구하고 많은 연구에서 다양한 전기촉매를 사용하여 강력한 결과를 입증했습니다9,10,11,12,13,14. 이러한 연구의 기본 목표는 궁극적으로 이 프로세스를 확장하여 기존 에너지 생산 방법과 경쟁할 수 있도록 하는 것입니다. 따라서 자본 비용과 운영 비용을 모두 최소화하기 위한 결정을 내리는 것은 필수적인 고려 사항입니다. 후자의 경우, 선택한 촉매인 구리(Cu)를 사용하여 CO2를 고급 탄화수소(C2+)로 직접 변환하는 것은 어려운 작업입니다. 즉, Cu는 선택적이지 않고 패러디 효율(FE)15이 낮은 다양한 탄화수소를 생성하기 때문입니다. 산업적 관점에서 볼 때, 낮은 FE에서 많은 제품을 생산하는 것보다 높은 FE에서 단일 제품을 생산하는 것이 분리 비용을 절약할 수 있기 때문에 바람직합니다. 또 다른 과제는 CO2를 CH4로 직접 변환하면 높은 과전압에 직면하게 되어 비효율성의 중요한 원인이 될 수 있다는 것입니다16. 기술 경제적 모델은 일산화탄소(CO)를 통한 탄화수소 생산의 간접적인 경로가 상업적 생존 가능성 측면에서 더 실용적일 수 있음을 시사합니다17,18,19. 또한 Fischer-Tropsch와 같이 잘 확립된 산업 공정에서는 직접 CO2 기반 공급원료를 활용합니다. 따라서 CO2RR의 산물인 CO는 여러 측면에서 탄화수소보다 더 유리합니다.

반면에, 자본 비용을 최소화하기 위해서는 값싸고 풍부한 촉매 물질을 고려해야 합니다. CO 생산을 위한 가장 우수하고 지속적으로 성능을 발휘하는 촉매는 Pd, Au 및 Ag입니다11,21,22. 그러나 귀금속만으로 촉매를 설계하는 것은 비용 효율적이지 않습니다. 반면에 황동은 널리 이용 가능하고 저렴하며 환경 문제가 없습니다. 많은 연구에서 황동을 CO2RR12,23,24,25,26,27,28,29,30,31의 전기촉매로 사용하여 유망한 결과를 보여주었습니다. Cu 및 Zn 바이메탈 센터가 있는 MOF(금속-유기 프레임워크) 파생 전기촉매는 88% FE로 CO를 생성했습니다. 프탈로시아닌 분자는 CuN4와 ZnO4 중심 사이의 시너지 효과를 촉진하여 높은 속도로 CO를 생성합니다32. 또 다른 연구에서는 다단계 하소 방법을 사용하여 탄소 나노튜브(CNT)에 지지된 산화된 황동 나노입자를 합성했습니다. 그들은 CO의 경우 약 50% FE, 합성가스의 경우 약 90% FE를 보고했습니다33. 황동 기반 나노입자의 유망한 성능에도 불구하고 특수 화학물질과 정밀한 합성 기술의 요구 사항으로 인해 크기 조정이 어렵고 비용이 많이 들 수 있습니다. 따라서 나노입자는 산업적 관점에서 항상 가장 실용적인 것은 아닙니다. 결과적으로 나노폼과 구조물은 금속 호일5,26,27에서 직접 생산되었습니다. Stojkovikjet al. 높은 전위 처리를 통해 청동 나노폼을 제조했습니다. 구조는 표면 거칠기를 실질적으로 증가시키는 수상돌기로 구성되어 CO FE가 35-40%에서 약 85%36으로 향상되었습니다. 그러나 나노폼의 생산에는 극도로 높은 전류 밀도가 필요하며 이는 특히 산업 규모에서 비용 부담이 됩니다37,38. 이를 위해서는 고가의 가공 없이 금속 스크랩을 직접 사용하는 것이 가장 비용 효율적이고 환경적으로 지속 가능한 대안으로 보인다. 더욱이, CO2RR에서 다양한 Cu-Zn 기반 전기촉매의 높은 활성 보고에도 불구하고, CO2 감소 성능에 대한 다른 금속과의 합금 효과는 여전히 부족합니다39.