KR102409746B1 - Catalyst electroode, method for manufacturing the catalyst electrode, eletrochemical reactor comprising the same and system for reduction of carbon dioxide - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는, 탄소계 기재층, 상기 탄소계 기재층에 배치된 금속 프라이머층, 상기 금속 프라이머층 상에 배치된 촉매 활성층을 포함하며, 상기 촉매 활성층은 금속 입자를 포함하는 촉매 전극을 제공한다. 또한, 본 발명의 일 실시예는, 상기 촉매 전극의 제조방법, 상기 촉매 전극을 포함하는 전기화학 반응장치 및 상기 전기화학 반응장치를 포함하는 이산화탄소 환원 시스템을 제공한다.An embodiment of the present invention includes a carbon-based substrate layer, a metal primer layer disposed on the carbon-based substrate layer, and a catalytically active layer disposed on the metal primer layer, wherein the catalytically active layer includes metal particles. provides In addition, an embodiment of the present invention provides a method for manufacturing the catalyst electrode, an electrochemical reaction apparatus including the catalyst electrode, and a carbon dioxide reduction system including the electrochemical reaction apparatus.
Description
본 발명은 촉매 전극, 촉매 전극의 제조방법, 촉매 전극을 포함하는 전기화학 반응장치 및 이산화탄소 환원 시스템에 대한 것이다. The present invention relates to a catalyst electrode, a method for manufacturing the catalyst electrode, an electrochemical reactor including the catalyst electrode, and a carbon dioxide reduction system.
지구 상의 탄소 순환은 대기 중의 이산화탄소의 증가로 인해 그 균형이 깨지고 있다. 대기 중의 이산화탄소의 증가는, 공장, 발전소 또는 자동차 등으로부터 이산화탄소 배출량이 증가하는 것이 그 주요 원인이 되고 있다. The carbon cycle on Earth is out of balance due to an increase in carbon dioxide in the atmosphere. The increase in carbon dioxide in the atmosphere is a major cause of the increase in carbon dioxide emissions from factories, power plants, automobiles, and the like.
탄소 순환의 균형을 유지하기 위해, 대기 중 이산화탄소의 양을 줄이는 것이 필요하다. 대기 중 이산화탄소의 양을 줄이기 위해, 이산화탄소를 전기화학적으로 환원하고 그 결과물을 이용하고자 하는 연구가 꾸준히 진행되고 있다. To balance the carbon cycle, it is necessary to reduce the amount of carbon dioxide in the atmosphere. In order to reduce the amount of carbon dioxide in the atmosphere, research to electrochemically reduce carbon dioxide and use the result is continuously being conducted.
이산화탄소의 전기화학적 환원 효율을 향상시키기 위해, 이산화탄소를 효율적으로 포집하고, 포집된 이산화탄소를 효율적으로 이용하는 것이 필요하다. 또한, 이산화탄소를 효과적으로 환원시키는 촉매의 개발이 필요하다.In order to improve the electrochemical reduction efficiency of carbon dioxide, it is necessary to efficiently capture carbon dioxide and efficiently use the captured carbon dioxide. In addition, it is necessary to develop a catalyst that effectively reduces carbon dioxide.
본 발명의 일 실시예는, 이산화탄소를 효율적으로 전기 환원시킬 수 있는 촉매 전극을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a catalyst electrode capable of efficiently electrically reducing carbon dioxide.
본 발명의 다른 일 실시예는, 이산화탄소를 효율적으로 전기 환원시킬 수 있는 촉매 전극의 제조방법을 제공하고자 한다.Another embodiment of the present invention is to provide a method for manufacturing a catalyst electrode capable of efficiently electrically reducing carbon dioxide.
본 발명의 또 다른 일 실시예는, 이산화탄소를 효율적으로 전기 환원시킬 수 있는 촉매 전극을 포함하는 전기화학 반응장치 및 이산화탄소 환원 시스템을 제공하고자 한다.Another embodiment of the present invention is to provide an electrochemical reaction device and a carbon dioxide reduction system including a catalyst electrode capable of efficiently reducing carbon dioxide.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예는, 탄소계 기재층, 상기 탄소계 기재층에 배치된 금속 프라이머층, 상기 금속 프라이머층 상에 배치된 촉매 활성층을 포함하며, 상기 촉매 활성층은 금속 입자를 포함하는 촉매 전극을 제공한다. In order to achieve the above object, an embodiment of the present invention includes a carbon-based substrate layer, a metal primer layer disposed on the carbon-based substrate layer, and a catalytically active layer disposed on the metal primer layer, the catalytically active layer comprising: A catalyst electrode comprising metal particles is provided.
본 발명의 다른 일 실시예는, 증착에 의해 탄소계 기재층에 금속 프라이머층을 형성하는 단계, 상기 금속 프라이머층 상에 촉매 활성 물질을 코팅하는 단계, 염소 이온을 포함하는 제1 전해질 용액으로 상기 촉매 활성 물질을 1차 처리하는 단계 및 탄산염을 포함하는 제2 전해질 용액으로 상기 1차 처리된 상기 촉매 활성 물질을 2차 처리하는 단계를 포함하는, 촉매 전극의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention comprises the steps of forming a metal primer layer on a carbon-based substrate layer by deposition, coating a catalytically active material on the metal primer layer, and using a first electrolyte solution containing chlorine ions. There is provided a method for manufacturing a catalyst electrode, comprising the steps of first treating the catalytically active material and second treating the firstly treated catalytically active material with a second electrolyte solution comprising carbonate.
본 발명의 또 다른 일 실시예는, 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하며 상기 촉매 전극을 포함하는 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 분리막을 포함하는, 전기화학 반응장치를 제공한다.Another embodiment of the present invention includes a first electrode, a second electrode facing the first electrode and including the catalyst electrode, and a separator disposed between the first electrode and the second electrode, A chemical reaction device is provided.
본 발명의 또 다른 일 실시예는, 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집장치 및 상기 이산화탄소 포집장치와 연결된 상기 전기화학 반응장치를 포함하는, 이산화탄소 환원 시스템을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a carbon dioxide reduction system comprising a carbon dioxide collecting device for collecting carbon dioxide and the electrochemical reaction device connected to the carbon dioxide collecting device.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 전극은 우수한 이산화탄소 환원 특성을 가져, 이산화탄소 환원 효율을 향상시킬 수 있다. The catalyst electrode according to an embodiment of the present invention has excellent carbon dioxide reduction properties, thereby improving carbon dioxide reduction efficiency.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 전극을 포함하는 전기화학 반응장치는 우수한 이산화탄소 환원 효율을 갖는다.The electrochemical reaction apparatus including the catalyst electrode according to an embodiment of the present invention has excellent carbon dioxide reduction efficiency.
본 발명의 일 실시예에 촉매 전극을 포함하는 이산화탄소 환원 시스템은, 우수한 생산성으로 이산화탄소를 이용하여 반응가스를 생산할 수 있다.The carbon dioxide reduction system including a catalyst electrode in an embodiment of the present invention can produce a reaction gas using carbon dioxide with excellent productivity.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 전극에 대한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소계 기재층에 대한 개략적인 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 전극에 대한 개략적인 구조도이다.
도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 전극에 대한 부분 확대 사진이다.
도 5a 및 5b는 각각 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 촉매 전극에 대한 부분 확대 사진이다.
도 6은 수접촉각을 설명하는 개략도이다.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 촉매 전극의 제조방법에 대한 공정도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전기화학 반응장치에 대한 개략적인 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템의 개략도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a catalyst electrode according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic structural diagram of a carbon-based substrate layer according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic structural diagram of a catalyst electrode according to an embodiment of the present invention.
4A and 4B are partially enlarged pictures of a catalyst electrode according to an embodiment of the present invention, respectively.
5A and 5B are partially enlarged pictures of a catalyst electrode according to another embodiment of the present invention, respectively.
6 is a schematic diagram illustrating a water contact angle.
7A to 7C are flowcharts of a method for manufacturing a catalyst electrode according to another embodiment of the present invention.
8 is a schematic exploded perspective view of an electrochemical reaction apparatus according to another embodiment of the present invention.
9 is a schematic diagram of a carbon dioxide reduction system according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범위를 이해시키기 위해 제공되는 것이다. 본 발명의 범위는 청구항에 의해 정의될 뿐이다. Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to help those who have an understanding of the scope of the invention. The scope of the invention is only defined by the claims.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로, 본 발명이 도면에 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략된다. Since the shapes, sizes, proportions, angles, numbers, etc. disclosed in the drawings for explaining the embodiments of the present invention are exemplary, the present invention is not limited to the matters shown in the drawings. Like reference numerals refer to like elements throughout. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 명세서에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.When 'including', 'having', 'consisting', etc. mentioned in this specification are used, other parts may be added unless 'only' is used. When a component is expressed in the singular, the case in which the plural is included is included unless otherwise explicitly stated.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.In interpreting the components, it is construed as including an error range even if there is no separate explicit description.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.In the case of a description of the positional relationship, for example, when the positional relationship of two parts is described as 'on', 'on', 'on', 'beside', etc., 'right' Alternatively, one or more other parts may be positioned between two parts unless 'directly' is used.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.In the case of a description of a temporal relationship, for example, 'immediately' or 'directly' when a temporal relationship is described with 'after', 'following', 'after', 'before', etc. It may include cases that are not continuous unless this is used.
제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.Although the first, second, etc. are used to describe various elements, these elements are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, the first component mentioned below may be the second component within the spirit of the present invention.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다. Each feature of the various embodiments of the present invention can be partially or wholly combined or combined with each other, technically various interlocking and driving are possible, and each of the embodiments may be independently implemented with respect to each other or implemented together in a related relationship. may be
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명한다. Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 전극(100)에 대한 개략적인 단면도이다. 1 is a schematic cross-sectional view of a
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 전극(100)은 탄소계 기재층(10), 탄소계 기재층(10)에 배치된 금속 프라이머층(20), 및 금속 프라이머층(20) 상에 배치된 촉매 활성층(30)을 포함한다. 촉매 활성층(30)은 금속 입자(31)를 포함한다. The
탄소계 기재층(10)은 촉매 전극(100)의 본체(main body)라고 할 수 있으며, 촉매 활성층(30)을 지지하는 지지층 역할을 할 수 있다.The carbon-based
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소계 기재층(10)은 전기 전도성 및 다공성 특성을 가질 수 있다. 탄소계 기재층(10)이 전기 전도성을 가짐에 따라 촉매 전극(100)을 통하여 전하들이 원활하게 이동할 수 있다. 탄소계 기재층(10)이 다공성을 가짐에 따라, 용액 또는 기체들이 촉매 전극(100)의 표면에서 활발하게 접촉하여 전기 화학 반응이 이루어질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon-based
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소계 기재층(10)은 탄소 페이퍼를 포함할 수 있다. 탄소계 기재층(10)은, 예를 들어, 탄소 페이퍼로 만들어질 수 있다. 탄소 페이퍼로, 카본 페이퍼 또는 탄소 페이퍼(carbon paper)라는 이름으로 시판되는 제품이 사용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon-based
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소계 기재층(10)에 대한 개략적인 구조도이다. 도 2를 참조하면, 탄소계 기재층(10)은 섬유 형상을 갖는 복수의 선형 구조체(11) 및 기공(12)을 포함할 수 있다. 기공(12)은 복수의 선형 구조체(11) 사이의 빈 공간에 형성된다.2 is a schematic structural diagram of the carbon-based
선형 구조체(11)는 탄소를 포함한다. 선형 구조체(11)를 통하여 전하가 이동할 수 있으며, 그 결과, 선형 구조체(11)가 전기 전도성을 가질 수 있다.The
복수의 선형 구조체(11) 사이에 형성된 기공(12)을 통하여 기체 또는 액체가 이동할 수 있다. 그 결과, 용액 또는 기체들이 촉매 전극(100)의 내부로 이동할 수 있고, 촉매 전극(100)의 표면에 형성된 활성층에서 전기 화학 반응이 이루어질 수 있다Gas or liquid may move through the
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소계 기재층(10)은 다공성 구조를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소계 기재층(10)은 70 내지 85 %의 공극률을 가질 수 있다. 공극률은 탄소계 기재층(10)의 전체 부피에 대한 전체 공극(12)의 부피비를 의미한다. 공극률은 하기 식 1에 의하여 계산될 수 있다.As such, the carbon-based
[식 1][Equation 1]
공극률 = [(전체 공극의 부피)/(탄소계 기재층의 부피)] x 100Porosity = [(volume of total pores)/(volume of carbon-based substrate layer)] x 100
탄소계 기재층(10)의 공극률이 70% 미만인 경우, 촉매 전극(100)의 내부와 외부로 기체 또는 액체가 원활하게 이동하지 못하여, 촉매 전극(100)에서의 전기 화학 반응의 효율이 저하될 수 있다. When the porosity of the carbon-based
탄소계 기재층(10)의 공극률이 85%를 초과하는 경우, 탄소계 기재층(10)의 기계적 안정성이 저하될 수 있고, 탄소계 기재층(10)의 표면 또는 촉매 전극(100)의 표면과 접촉하지 않고 통과되는 기체 또는 액체의 양이 증가하여 촉매 전극(100)에서의 전기 화학 반응 효율이 저하될 수 있다. When the porosity of the carbon-based
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소계 기재층(10)은 0.1 내지 2mm의 두께를 가질 수 있다. 또는, 탄소계 기재층(10)은 0.1 내지 1mm의 두께를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon-based
종래, 탄소계 기재층(10)이 용액에 과도하게 젖어(wet), 탄소계 기재층(10)이 찢어지거나 손상되는 것을 방지하기 위해, 탄소계 기재층(10)이 비수성 처리되기도 했다. 비수성(hydrophobic) 처리는 탄소계 기재층(10)의 친수성을 저하시키는 처리라고 할 수 있다.Conventionally, in order to prevent the carbon-based
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소계 기재층(10)이 비수성(hydrophobic) 처리되지 않을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소계 기재층(10)은 금속 프라이머층(20)으로 처리될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon-based
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 전극(100)에 대한 개략적인 구조도이다.3 is a schematic structural diagram of a
도 3을 참조하면, 탄소계 기재층(10)은 섬유 형상을 갖는 복수의 선형 구조체(11) 및 복수의 선형 구조체(11) 사이에 형성된 기공(12)을 포함하고, 금속 프라이머층(20)은 복수의 선형 구조체(11)의 표면에 배치된다. Referring to FIG. 3 , the carbon-based
도 3과 비교하여, 도 1에는 금속 프라이머층(20)이 탄소계 기재층(10)의 상부 표면에 배치되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 도 1은 예시적인 도면이며, 본 발명의 일 실시예가 도 1에 의하여 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 프라이머층(20)은 도 3에 도시된 바와 같이, 탄소계 기재층(10)을 구성하는 선형 구조체(11)의 표면에 형성될 수 있다. Compared with FIG. 3 , FIG. 1 shows that the
금속 프라이머층(20)은 촉매 활성층(30)을 구성하는 금속 입자(31)가 탄소계 기재층(10)에 안정적으로 부착되도록 하는 역할을 하며, 촉매 활성층(30)의 촉매 활성을 향상시킬 수 있다.The
금속 프라이머층(20)은 촉매 활성층(30)을 구성하는 금속 입자(31)와 부착성이 우수한 금속 재료로 만들어질 수 있다. 금속 프라이머층(20)은, 예를 들어, 은(Ag)을 포함할 수 있다. The
금속 프라이머층(20)은 100 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다. 금속 프라이머층(20)의 두께가 100nm 미만인 경우, 금속 프라이머층(20)에 의하여 탄소계 기재층(10)을 구성하는 복수의 선형 구조체(11)를 충분히 커버하지 못할 수 있다. 금속 프라이머층(20)의 두께가 300nm를 초과하는 경우, 촉매 전극(100)의 공극률이 감소될 수 있다.The
도 1 및 도 3을 참조하면, 촉매 활성층(30)은 금속 프라이머층(20) 상에 배치될 수 있다. 복수의 금속 입자(31)에 의해 촉매 활성층(30)이 만들어질 수 있다.1 and 3 , the catalytically
도 3을 참조하면, 촉매 활성층(30)을 구성하는 금속 입자(31)는, 탄소계 기재층(10)을 구성하는 선형 구조체(11)의 표면에 형성된 금속 프라이머층(20) 상에 배치될 수 있다.Referring to FIG. 3 , the
금속 입자(31)는 이산화탄소의 전기 화학 반응에서 촉매 역할을 할 수 있다.The
금속 입자(31)는 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 금속 입자(31)는 은(Ag), 금(Au) 및 아연(Zn) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The
금속 입자(31)는 5 내지 200nm의 평균 입경을 가질 수 있다. 금속 입자(31)의 평균 입경이 5 내지 200nm의 범위일 때, 촉매 활성이 최적화되고, 금속 입자(31)의 기계적 안정성이 우수하고, 금속 입자(31)가 금속 프라이머층(20)에 부착된 상태를 안정적으로 유지할 수 있다,The
촉매 활성, 기계적 안정성 및 부착 안정성을 위하여, 금속 입자(31)는 20 내지 50nm의 평균 입경을 가질 수도 있다.For catalytic activity, mechanical stability, and adhesion stability, the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매 활성층(30)은 탄소 입자를 더 포함할 수 있다. 금속 입자(31) 및 탄소 입자에 의하여 촉매 활성층(30)이 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the catalytically
탄소 입자는 카본 블랙 또는 활성 탄소에 의하여 만들어질 수 있다. 예를 들어, Ketjenblack™의 EC-600JD 카본 블랙 또는 Vulcanㄾ carbon에 의하여 탄소 입자가 만들어질 수 있다.The carbon particles may be made of carbon black or activated carbon. For example, carbon particles can be made by Ketjenblack™ EC-600JD carbon black or Vulcan carbon.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매 활성층(30)의 전체 중량에 대하여, 금속 입자(31)의 함량은 30 내지 80 중량%이고, 탄소 입자의 함량은 20 내지 70 중량% 범위일 수 있다. 이러한 함량 범위에서 촉매 활성층(30)은 우수한 촉매 활성 및 우수한 부착 안정성을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, based on the total weight of the catalytically
본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매 활성층(30)은, 촉매 활성층(30)의 전체 중량에 대하여, 3 중량% 이하의 염소 이온을 포함할 수 있다. 염소 이온은 촉매 전극(100)의 제조 과정에서 발생되어, 촉매 활성층(30)에 잔존할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the catalytically
도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 전극(100)에 대한 부분 확대 사진이다. 도 4a는 배율 1,000배의 현미경 사진이고, 도 4b는 배율 50,000배의 현미경 사진이다. 4A and 4B are partially enlarged pictures of the
도 4a에 도시된 사진에서, 탄소계 기재층(10)을 구성하는 선형 구조체(11)의 표면에 형성된 금속 프라이머층(20) 및 촉매 활성층(30)을 구성하는 금속 입자(31)를 확인할 수 있다.In the photo shown in Figure 4a, it can be confirmed that the
도 4b는 촉매 활성층(30)에 대한 확대 사진이다. 도 4b에서 밝은 부분은 금속 입자(31)이고, 어두운 부분은 탄소 입자이다.4B is an enlarged photograph of the catalytically
도 5a 및 5b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 촉매 전극(100)에 대한 부분 확대 사진이다. 도 5a는 배율 1,000배의 현미경 사진이고, 도 5b는 배율 50,000배의 현미경 사진이다.5A and 5B are partially enlarged pictures of the
도 5a에 도시된 사진에서, 탄소계 기재층(10)을 구성하는 선형 구조체(11)의 표면에 형성된 금속 프라이머층(20) 및 촉매 활성층(30)을 구성하는 금속 입자(31)를 확인할 수 있다. 도 5a에 도시된 구조를 산호(coral) 구조라고도 한다.In the photo shown in FIG. 5A , the
도 5b에서 밝은 부분은 금속 입자(31)이고, 어두운 부분은 탄소 입자이다.In FIG. 5B , the bright part is the
본 발명의 일 실시예 따르면, 촉매 전극(100)은 125° 이하의 수접촉각을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
도 6은 수접촉각을 설명하는 개략도이다.6 is a schematic diagram illustrating a water contact angle.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수접촉각 측정을 위해, 2uL의 물방울(H2O) (WD)을 촉매 전극(100)에 떨어뜨리고 2초가 경과된 후 이미지가 촬영된다. 촬영된 이미지에서 촉매 전극(100)의 표면과 물방울(WD)의 경계의 각도(θ)가 측정된다. 물방울(WD)의 좌측과 우측에서 각각 측정된 촉매 전극(100)의 표면과 물방울(WD)의 경계의 각도(θ)들의 평균이 수접촉각으로 정의된다. According to an embodiment of the present invention, for measuring the water contact angle, 2uL of water droplet (H 2 O) (WD) is dropped on the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매 전극(100)은 85° 내지 125°의 수접촉각을 가질 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the
촉매 전극(100)이 125° 이하의 수접촉각을 가지는 경우, 촉매 전극(100) 및 탄소계 기재층(10)이 용액에 과도하게 젖는(wet) 현상이 방지될 수 있다. 그 결과, 촉매 전극(100) 또는 탄소계 기재층(10)이 찢어지거나 손상되는 것이 방지될 수 있다. 또한, 촉매 전극(100)의 수접촉각이 125° 이하의 수접촉각을 가지는 경우, 촉매 활성이 저하되지 않고, 촉매 전극(100)이 우수한 촉매 활성을 가질 수 있다.When the
본 발명의 다른 일 실시예는 촉매 전극(100)의 제조방법을 제공한다. Another embodiment of the present invention provides a method of manufacturing the
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 촉매 전극(100)의 제조방법은, 탄소계 기재층(10)에 금속 프라이머층(20)을 형성하는 단계, 금속 프라이머층(20) 상에 촉매 활성 물질을 코팅하는 단계, 염소 이온을 포함하는 제1 전해질 용액으로 촉매 활성 물질을 1차 처리하는 단계 및 탄산염을 포함하는 제2 전해질 용액으로 상기 1차 처리된 상기 촉매 활성 물질을 2차 처리하는 단계를 포함한다. The method of manufacturing the
도 7a 내지 7c는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 촉매 전극의 제조방법에 대한 공정도이다. 이하, 도 7a 내지 7c를 참조하여, 본 발명의 다른 일 실시예는 촉매 전극(100)의 제조방법을 상세히 설명한다.7A to 7C are flowcharts of a method for manufacturing a catalyst electrode according to another embodiment of the present invention. Hereinafter, a method of manufacturing the
도 7a를 참조하면, 먼저 탄소계 기재층(10)을 준비한다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 탄소계 기재층(10)으로 탄소 페이퍼가 사용될 수 있다.Referring to FIG. 7A , first, the carbon-based
도 7a에 도시된 바와 같이, 탄소계 기재층(10)은 섬유 형상을 갖는 복수의 선형 구조체(11) 및 기공(12)을 포함할 수 있다. As shown in FIG. 7A , the carbon-based
도 7b를 참조하면, 탄소계 기재층(10)에 금속 프라이머층(20)이 형성된다. 금속 프라이머층(20), 증착에 의해 탄소계 기재층(10)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 프라이머층(20) 형성을 위해 전자선 또는 이온빔 증착이 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 7B , a
도 7b의 상부에 도시된 단면도에는 금속 프라이머층(20)이 탄소계 기재층(10)의 상부 표면에 배치된 구성이 도시되어 있다. 도 7b의 상부 도면은, 제조 공정의 이해를 돕기 위해, 예시적으로 표현된 것이다. 금속 프라이머층(20)의 배치 형태가 도 7b의 상부에 도시된 단면도에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 프라이머층(20)은, 도 7b의 부분 확대도에 도시된 바와 같이, 탄소계 기재층(10)을 구성하는 선형 구조체(11)의 표면에도 배치될 수 있다.The cross-sectional view shown in the upper part of FIG. 7B shows a configuration in which the
구체적으로, 증착에 의해 금속 프라이머층(20)이 형성되는 과정에서, 금속 프라이머층(20) 형성 물질이 탄소계 기재층(10)의 내부로 침투할 수 있다. 그 결과, 도 7b의 부분 확대도에 도시된 바와 같이, 금속 프라이머층(20)이 선형 구조체(11)의 표면에 형성될 수 있다.Specifically, in the process of forming the
도 7c를 참조하면, 금속 프라이머층(20) 상에 촉매 활성층(30)이 형성된다. 촉매 활성층(30)은 금속 입자(31)를 포함하며, 탄소 입자를 더 포함할 수 있다. 도 7c를 참조하면, 촉매 활성층(30)을 구성하는 금속 입자(31) 및 탄소 입자는, 선형 구조체(11)의 표면에 형성된 금속 프라이머층(20) 상에 형성될 수 있다.Referring to FIG. 7C , the catalytically
도 7c의 상부에 도시된 단면도에는 촉매 활성층(30)이 탄소계 기재층(10)의 상부 표면에 배치된 금속 프라이머층(20) 상에 형성되어 있는 구성이 도시되어 있다. 도 7c의 상부 도면은, 제조 공정의 이해를 돕기 위해, 예시적으로 표현된 것이다. 촉매 활성층(30)의 배치 형태가 도 7c의 상부에 도시된 단면도에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매 활성층(30)은, 도 7c의 부분 확대도에 도시된 바와 같이, 선형 구조체(11)를 코팅하는 금속 프라이머층(20) 상에 형성될 수 있다.The cross-sectional view shown in the upper part of FIG. 7C shows a configuration in which the catalytically
금속 프라이머층(20) 상에 촉매 활성층(30)을 형성하기 위해, 먼저, 금속 프라이머층(20) 상에 촉매 활성 물질이 코팅된다.In order to form the catalytically
촉매 활성 물질은 금속 입자 및 탄소 입자를 포함할 수 있다. The catalytically active material may include metal particles and carbon particles.
금속 입자는 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 금속 입자(31)는 은(Ag), 금(Au) 및 아연(Zn) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The metal particles include at least one of silver (Ag), gold (Au), zinc (Zn), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), manganese (Mn), copper (Cu), and palladium (Pd). may include More specifically, the
탄소 입자 형성을 위해 카본 블랙 또는 활성 탄소가 사용될 수 있다. 예를 들어, Ketjenblack™의 EC-600JD 카본 블랙 또는 Vulcanㄾ carbon에 의하여 탄소 입자가 형성될 수 있다.Carbon black or activated carbon may be used to form the carbon particles. For example, carbon particles may be formed by EC-600JD carbon black or Vulcan carbon from Ketjenblack™.
금속 프라이머층(20) 상에 촉매 활성 물질이 코팅됨으로써, 촉매 활성 물질의 코팅층이 형성될 수 있다.By coating the catalytically active material on the
다음, 염소 이온을 포함하는 제1 전해질 용액으로 촉매 활성 물질을 1차 처리한다. Next, the catalytically active material is first treated with a first electrolyte solution containing chlorine ions.
제1 전해질 용액은 염화칼륨(KCl) 용액을 포함할 수 있다. 촉매 활성 물질을 1차 처리하는 단계에서, 제1 전해질 용액으로 전하가 공급될 수 있다.The first electrolyte solution may include a potassium chloride (KCl) solution. In the step of first treating the catalytically active material, an electric charge may be supplied to the first electrolyte solution.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 촉매 활성 물질은 은(Ag)을 포함하며, 촉매 활성 물질을 1차 처리함으로써 염화은(AgCl)이 형성될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the catalytically active material includes silver (Ag), and silver chloride (AgCl) may be formed by first treating the catalytically active material.
다음, 1차 처리된 촉매 활성 물질을, 탄산염을 포함하는 제2 전해질 용액으로 2차 처리한다. Next, the firstly treated catalytically active material is subjected to a second treatment with a second electrolyte solution containing carbonate.
제2 전해질 용액은 탄산수소칼륨(KHCO3) 용액을 포함할 수 있다. The second electrolyte solution may include a potassium hydrogen carbonate (KHCO 3 ) solution.
1차 처리된 촉매 활성 물질을 2차 처리하는 단계에서, 제2 전해질 용액으로 전하가 공급될 수 있다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 제1 전해질 용액 및 제2 전해질 용액 중 적어도 하나로 전하가 공급될 수 있다. In the second treatment of the first treated catalytically active material, an electric charge may be supplied to the second electrolyte solution. According to another embodiment of the present invention, charge may be supplied to at least one of the first electrolyte solution and the second electrolyte solution.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 촉매 활성 물질이 1차 처리되어 염화은(AgCl)이 형성될 수 있고, 염화은(AgCl)이 제2 전해질 용액인 탄산수소칼륨(KHCO3) 용액에 의하여 처리됨으로써, 염소 이온(Cl)이 제거되고, 은(Ag) 입자가 형성될 수 있다. 그 결과, 금속 입자(31)가 만들어질 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the catalytically active material may be first treated to form silver chloride (AgCl), and silver chloride (AgCl) may be treated with a second electrolyte solution, potassium hydrogen carbonate (KHCO 3 ) solution. , chlorine ions (Cl) may be removed, and silver (Ag) particles may be formed. As a result, the
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 금속 입자(31)는 5 내지 200nm의 평균 입경을 가질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the
상기 설명된 제조방법에 의하여, 도 7c에 도시된 바와 같은 촉매 전극이 제조될 수 있다.By the above-described manufacturing method, a catalyst electrode as shown in FIG. 7C can be manufactured.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전기화학 반응장치(200)에 대한 개략적인 분해 사시도이다.8 is a schematic exploded perspective view of an
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 반응장치는, 제1 전극(122), 제1 전극(122)과 대향하며 촉매 전극(100)을 포함하는 제2 전극(123), 및 제1 전(122)극과 제2 전극(123) 사이에 배치된 분리막(121)을 포함한다. The electrochemical reaction apparatus according to an embodiment of the present invention includes a
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 전극(123)은 상기 설명된 촉매 전극(100)을 포함한다. 상기 설명된 촉매 전극(100)이 제2 전극(123)으로 사용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 전극(123)은 환원 전극일 수 있다. 또한, 제1 전극(122)은 산화 전극일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 전극(123)은 이산화탄소가 용해되어 있는 용액과 접촉하도록 구성될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the
이하, 도 8을 참조하여, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전기화학 반응장치(200)를 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, an
도 8를 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전기화학 반응장치(200)는 분리막(121), 제1 전극(122), 제2 전극(123), 제1 유체 공급부(124) 및 제2 유체 공급부(125)를 포함한다. Referring to FIG. 8 , the
또한, 도 8를 참조하면, 전기화학 반응장치(200)는 제1 하우징(126) 및 제2 하우징(127)을 포함할 수 있다. 제1 하우징(126) 및 제2 하우징(127)은, 분리막(121), 제1 전극(122), 제2 전극(123), 제1 유체 공급부(124) 및 제2 유체 공급부(125)를 결착 및 보호하는 역할을 할 수 있다. Also, referring to FIG. 8 , the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 이산화탄소 용액 주입구(120a) 및 반응액 배출구(120b)가 제2 하우징(127)에 형성될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the carbon dioxide solution inlet (120a) and the reaction solution outlet (120b) may be formed in the second housing (127).
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 제2 전극(123)에서 이산화탄소가 환원되어, 합성가스인 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 생성될 수 있다. 제2 전극(123)는 환원 촉매를 포함할 수 있다. 환원 촉매로 은(Ag) 촉매가 사용될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, carbon dioxide is reduced in the
보다 구체적으로, 도 1 및 도 7c에 도시된 촉매 전극(100)이 제2 전극(123)으로 사용될 수 있다. 촉매 전극(100)의 촉매 활성층(30)에 포함된 금속 입자(31)가 환원 촉매로 사용될 수 있다. 촉매 전극(100)은 환원 전극의 역할을 할 수 있다. 도 1 및 도 7c에 도시된 촉매 전극(100)이 제2 전극(123)으로 사용되는 경우, 촉매 활성층(30)이 외부로 돌출되어 있는 촉매 전극(100)의 상부면이 분리막(121)과 접촉하도록 배치될 수 있다.More specifically, the
제2 전극(123)은 제2 유체 공급부(125)와 접촉한다.The
제2 유체 공급부(125)는 유입 홀(125a) 및 배출 홀(125b)을 포함할 수 있다. 유입 홀(125a)은 이산화탄소 용액 주입구(120a)와 연결되고, 배출 홀(125b)은 반응액 배출구(120b)와 연결된다. 제2 유체 공급부(125)는, 제2 하우징(127)의 용액 주입구(120a)와 연결된 유입 홀(125a)을 통해 공급되는 이산화탄소 용액이 제2 전극(123)과 용이하게 접촉하도록 하여, 이산화탄소 환원반응이 용이하게 일어날 수 있도록 한다. 제2 유체 공급부(125)는 제2 전극(123)와 마주하는 면에 배치된 유로를 포함한다. The second
이산화탄소 용액은 유입 홀(125a)을 통해 제2 유체 공급부(125)로 주입되며, 제2 유체 공급부(125)에 형성된 유로를 흐르면서 제2 전극(123)과 접촉한다.The carbon dioxide solution is injected into the second
제2 유체 공급부(125)는 제2 전극(123)의 집전체로 기능할 수도 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 전원(130)의 한쪽 단자가 제2 하우징(127)을 통하여 제2 유체 공급부(125)와 연결되거나 제2 유체 공급부(125)에 직접 연결될 수 있다. 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 제2 전극(123)이 제2 유체 공급부(125)와 전기적으로 접촉하고 있기 때문에, 제2 유체 공급부(125)를 통해, 제2 전극(123)으로 전자가 공급될 수 있다.The second
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 제1 전극(122)에서 물이 분해되어 산소가 생성될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, water may be decomposed in the
제1 전극(122)는 산화 촉매를 포함할 수 있다. 산화 촉매는 니켈을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 산화 촉매로 당업계에 공지된 다양한 재료가 이용될 수 있다. 제1 전극(122)을 산화 전극이라고 할 수 있다.The
제1 전극(122)은 제1 유체 공급부(124)와 접촉한다.The
제1 유체 공급부(124)는 유입 홀(미도시) 및 배출 홀(미도시)을 포함할 수 있다. 제1 유체 공급부(124)의 유입 홀은 수용액 주입구(120c)와 연결되고, 배출홀은 수용액 배출구(120d)와 연결된다. The first
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수용액 주입구(120c) 및 수용액 배출구(120d)는 제1 하우징(126)에 형성될 수 있다. 수용액 주입구(120c)로 주입된 수용액이 제1 유체 공급부(124)로 공급된다. 수용액은, 예를 들어, 전해질이다.According to an embodiment of the present invention, the aqueous solution inlet (120c) and the aqueous solution outlet (120d) may be formed in the first housing (126). The aqueous solution injected through the
제1 유체 공급부(124)는, 제1 하우징(126)의 수용액 주입구(120c)와 연결된 유입 홀을 통해 공급되는 수용액이 제1 전극(122)과 용이하게 접촉하도록 하여, 물 분해 반응이 용이하게 일어날 수 있도록 한다. 제1 유체 공급부(124)는 제1 전극(122)와 마주하는 면에 배치된 유로를 포함한다. 제1 유체 공급부(124)는 제1 하우징(126)를 통해 공급되는 수용액이 제1 전극(122)과 용이하게 접촉하여 산화반응이 용이하게 일어날 수 있도록 한다.The first
제1 유체 공급부(124)는 제1 전극(122)의 집전체로 기능할 수도 있다. 예를 들어, 전원(130)의 한쪽 단자가 제1 하우징(126)을 통하여 제1 유체 공급부(124)와 연결되거나, 제1 유체 공급부(124)에 직접 연결될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전극(122)이 제1 유체 공급부(124)와 전기적으로 접촉하고 있기 때문에, 제1 유체 공급부(124)를 통해, 제1 전극(122)으로 전하가 공급될 수 있다. 보다 구체적으로, 물 분해 과정에서 발생된 전자는 제1 유체 공급부(124)를 통하여 전원(130)으로 전달될 수 있다.The first
제1 유체 공급부(124)의 배출 홀 및 배출 홀과 연결된 수용액 배출구(120d)를 통하여, 수용액 및 제1 전극(122)에서 생성된 산소(O2)가 전기화학 반응장치(200)의 외부로 배출될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 산소는 수용액과 함께 전기화학 반응장치(200)의 외부로 배출될 수 있다. 수용액과 함께 배출된 산소는 수용액과 분리되어 별도로 포집될 수 있다.Through the discharge hole of the first
분리막(121)은 제2 전극(123)과 제1 전극(122) 사이에 배치된다. The
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 분리막(121)으로 이온교환막이 사용될 수 있다. 이온교환막으로 양쪽성(bipolar) 이온교환막이 사용될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, an ion exchange membrane may be used as the
분리막(121)으로 음이온 교환막이 사용되는 경우, 이산화탄소 용액에 포함된 중탄산이온(HCO3 -)이 제1 전극(122) 쪽으로 이동할 수 있다. 그 결과, 제2 전극(123) 쪽에서 이루어지는 합성가스 생성 반응의 효율이 저하될 수 있다.When an anion exchange membrane is used as the
분리막(121)으로 양이온 교환막이 사용되는 경우, 이산화탄소 용액에 포함된 (CH2CH3)3NH+ 이온이 제1 전극(122) 쪽으로 이동할 수 있다. 또한, 양이온 교환막이 사용되는 경우, 수용액의 전해질 양이온이 제2 전극(123) 쪽으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(122)으로 공급되는 수용액에 수산화칼륨(KOH)이 용해되어 있는 경우, 수산화칼륨에서 유래된 칼륨 이온(K+)가 양이온 교환막을 통과하여 제2 전극(123) 쪽으로 이동할 수 있다. 그 결과, 제2 전극(123) 쪽에서 이루어지는 합성가스 생성 반응의 효율이 저하될 수 있다.When a cation exchange membrane is used as the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 분리막(121)으로 양쪽성(bipolar) 이온교환막이 사용됨으로써, 제2 전극(123) 쪽으로 수소 이온(H+)가 공급될 수 있고, 제1 전극(122) 쪽으로 수산화이온(OH-)가 공급될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, by using a bipolar ion exchange membrane as the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 제2 전극(123)에서는, 아래 반응식 1 및 2에 의하여 일산화탄소가 생성될 수 있고, 반응식 3에 의하여 수소가 생성될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, in the
[반응식 1][Scheme 1]
HCO3 - + H+ → CO2 + H2OHCO 3 - + H + → CO 2 + H 2 O
[반응식 2][Scheme 2]
CO2 + H2O + 2e- → CO + 2OH- CO 2 + H 2 O + 2e - → CO + 2OH -
[반응식 3][Scheme 3]
2H+ + 2e- → H2 2H + + 2e - → H 2
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 제1 전극(122)에서는, 아래 반응식 4에 의하여 산소가 생성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the
[반응식 4][Scheme 4]
2OH- → 2e- + 1/2 O2 + H2O2OH - → 2e - + 1/2 O 2 + H 2 O
이와 같이, 이산화탄소 용액이 전기화학 반응장치(200)에서 합성가스를 생산하는 과정에서 이산화탄소가 소모될 수 있다. In this way, carbon dioxide may be consumed in a process in which the carbon dioxide solution produces syngas in the
구체적으로, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 이산화탄소 용액이 제2 전극(123)과 접촉하여 반응한 결과 이산화탄소가 소모되고, 이산화탄소 용액은 반응액이 된다. 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 반응액은 제2 유체 공급부(125)의 배출 홀(125b) 및 반응액 배출구(120b)를 통해 전기화학 반응장치(200)의 외부로 배출된다.Specifically, according to another embodiment of the present invention, as a result of the reaction of the carbon dioxide solution in contact with the
반응액은 전기화학 반응장치(200)에서 생산된 합성가스를 포함한다. 구체적으로, 반응액은 물, 아민 및 합성가스를 포함할 수 있다. 반응액은 미반응 중탄산이온(HCO3 -)을 포함할 수도 있다.The reaction solution includes synthesis gas produced in the
이하, 도 9를 참조하여, 상기 설명된 전기화학 반응장치(200)를 포함하는 이산화탄소 환원 시스템(300)을 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 9, the carbon
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템(300)의 개략도이다.9 is a schematic diagram of a carbon
도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템(300)은, 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집장치(110) 및 이산화탄소 포집장치(110)와 연결된 전기화학 반응장치(200)를 포함한다. 또한, 산화탄소 환원 시스템(300)은 전기화학 반응장치(200)에 전기 에너지를 공급하기 위한 전원(130)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9 , the carbon
도 9를 참조하면, 이산화탄소 포집장치(110)는, 이산화탄소 공급을 위한 이산화탄소 주입구(111), 물(H2O) 공급을 위한 물 주입구(112), 아민 공급을 위한 아민 주입구(113), 이산화탄소가 물과 아민에 용해되어 이루어진 이산화탄소 용액을 배출하기 위한 이산화탄소 용액 배출구(114) 및 물과 아민에 용해되지 않은 이산화탄소를 배출하기 위한 이산화탄소 배출구(155)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9 , the carbon
이산화탄소 주입구(111)를 통하여 이산화탄소가 이산화탄소 포집장치(110)로 공급된다. 공장, 발전소 또는 자동차 등과 같은 다양한 분야에서 생성된 이산화탄소가 이산화탄소 주입구(111)를 통하여 이산화탄소 포집장치(110)로 공급될 수 있다. 이산화탄소 주입구(111)를 통하여, 공기의 성분들, 예를 들어, 질소(N2), 산소(O2) 등이 이산화탄소 포집장치(110)로 주입될 수도 있다.Carbon dioxide is supplied to the carbon
물 주입구(112)를 통하여 물(H2O)이 이산화탄소 포집장치(110)로 공급된다. Water (H 2 O) is supplied to the carbon
아민 주입구(113)를 통하여 아민이 이산화탄소 포집장치(110)로 공급된다.The amine is supplied to the carbon
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 아민으로 3차 아민(tertiary amine)이 사용될 수 있다. 3차 아민으로, 예를 들어, 트리에틸아민(triethylamine; TEA)이 사용될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a tertiary amine may be used as the amine. As the tertiary amine, for example, triethylamine (TEA) may be used.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 이산화탄소 포집장치(110) 내에서 이산화탄소가 물과 아민에 용해되어 이산화탄소 용액이 형성된다. 구체적으로, 물과 아민의 혼합액에 이산화탄소가 용해될 수 있다. 보다 구체적으로, 물과 트리에틸아민(triethylamine; TEA)의 혼합액에 이산화탄소가 용해될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, carbon dioxide is dissolved in water and amine in the carbon
본 발명의 또 다른 일 실시예에서는, 물과 아민의 혼합액에 이산화탄소가 용해되어 이루어진 용액을 "이산화탄소 용액"이라고 한다. 이산화탄소 용액은 이산화탄소와 물(H2O)의 반응물 및 이산화탄소와 아민의 반응물을 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, a solution formed by dissolving carbon dioxide in a mixture of water and amine is called a “carbon dioxide solution”. The carbon dioxide solution may include a reactant of carbon dioxide and water (H 2 O) and a reactant of carbon dioxide and an amine.
이산화탄소 포집을 위한 용액으로, 물(H2O)과 트리에틸아민(TEA)의 혼합액이 사용되는 경우, 이산화탄소가 용액에 안정적으로 포집될 수 있으며, 이산화탄소는 용액에 용해된 상태로 전기화학 반응장치(200)로 공급될 수 있다.When a mixed solution of water (H 2 O) and triethylamine (TEA) is used as a solution for capturing carbon dioxide, carbon dioxide can be stably captured in the solution, and carbon dioxide is dissolved in the solution in an electrochemical reaction device (200) can be supplied.
트리에틸아민(TEA)은 하기 화학식 1 또는 2로 표현될 수 있다.Triethylamine (TEA) may be represented by the following Chemical Formula 1 or 2.
[화학식 1][Formula 1]
N(CH2CH3)3 N(CH 2 CH 3 ) 3
[화학식 2][Formula 2]
이산화탄소는 하기 반응식 5 또는 6과 같은 반응을 통해 물(H2O)과 트리에틸아민(TEA)의 혼합액에 용해될 수 있다.Carbon dioxide may be dissolved in a mixture of water (H 2 O) and triethylamine (TEA) through a reaction such as Scheme 5 or 6 below.
[반응식 5][Scheme 5]
CO2 + N(CH2CH3)3 + H2O → (CH2CH3)3NH+ + HCO3 - CO 2 + N(CH 2 CH 3 ) 3 + H 2 O → (CH 2 CH 3 ) 3 NH + + HCO 3 -
[반응식 6][Scheme 6]
CO2 + OH- ↔ HCO3 - CO 2 + OH - ↔ HCO 3 -
반응식 5 및 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 용액은 중탄산이온(bicarbonate ion, HCO3 -)을 포함할 수 있다.Referring to Schemes 5 and 6, the carbon dioxide solution according to another embodiment of the present invention may contain bicarbonate ions (HCO 3 − ).
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 이산화탄소는 물(H2O)과 트리에틸아민(TEA)의 혼합액에 용해되어, 중탄산이온(HCO3 -) 형태가 되어, 이산화탄소 용액에 안정적으로 존재할 수 있다. 구체적으로, 이산화탄소는, 이산화탄소 용액에 용해된 중탄산이온(HCO3 -) 상태로 전기화학 반응장치(200)로 공급될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, carbon dioxide is dissolved in a mixed solution of water (H 2 O) and triethylamine (TEA), in the form of bicarbonate ions (HCO 3 - ), and can be stably present in the carbon dioxide solution. have. Specifically, carbon dioxide may be supplied to the
종래, 포집 수단에 의해 이산화탄소가 포집된 다음, 포집 수단으로부터 이산화탄소가 다시 분리된 후, 전기화학 반응장치(200)로 이산화탄소가 투입되는 것이 일반적이었다. 그 결과, 종래의 일반적인 방법에 따를 경우, 포집된 이산화탄소를 분리하는 공정이 필요하였다.Conventionally, after carbon dioxide is captured by a collecting means, carbon dioxide is again separated from the collecting means, and then carbon dioxide is generally introduced into the
반면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 이산화탄소 포집장치(110)에서 포집된 이산화탄소는 별도의 분리공정을 거치지 않으며, 이산화탄소가 중탄산이온(HCO3 -) 상태로 용해되어 있는 이산화탄소 용액이 전기화학 반응장치(200)로 투입된다. 따라서, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 종래와 비교하여 이산화탄소 분리 공정 비용이 절약되는 장점이 있다. On the other hand, according to another embodiment of the present invention, the carbon dioxide captured by the carbon
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 이산화탄소 용액에서 트리에틸아민(TEA)은 1 내지 5몰(mole/L)의 농도를 가질 수 있다. 이산화탄소 용액에서 트리에틸아민(TEA)의 농도가 1몰(mole/L) 미만인 경우, 이산화탄소 포집 효율이 저하될 수 있다. 반면, 이산화탄소 용액에서 트리에틸아민(TEA)의 농도가 5몰(mole/L)을 초과하는 경우, 과량의 트리에틸아민(TEA)으로 인해, 물과 트리에틸아민(TEA)의 층분리가 심해져, 전기화학 반응장치(200)에서 반응 효율이 저하될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, triethylamine (TEA) in the carbon dioxide solution may have a concentration of 1 to 5 moles (mole/L). When the concentration of triethylamine (TEA) in the carbon dioxide solution is less than 1 mol (mole/L), the carbon dioxide capture efficiency may be reduced. On the other hand, when the concentration of triethylamine (TEA) in the carbon dioxide solution exceeds 5 mol (mole/L), the layer separation between water and triethylamine (TEA) becomes severe due to the excess triethylamine (TEA). , the reaction efficiency in the
보다 구체적으로, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 이산화탄소 용액에서 트리에틸아민(TEA)은 1.5 내지 3.5몰(mole/L)의 농도를 가질 수 있으며, 2.0 내지 3.0몰(mole/L)의 농도를 가질 수도 있다.More specifically, according to another embodiment of the present invention, triethylamine (TEA) in the carbon dioxide solution may have a concentration of 1.5 to 3.5 moles (mole/L), and 2.0 to 3.0 moles (mole/L) may have a concentration of
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 중력 방향을 기준으로, 이산화탄소 주입구(111)는 물 주입구(112) 및 아민 주입구(113)보다 하부에 배치된다. 도 9를 기준으로, 이산화탄소 주입구(111)는 물 주입구(112) 및 아민 주입구(113)보다 하부에 배치된다고 할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, based on the direction of gravity, the
이산화탄소 포집장치(110) 내에서, 물과 아민은 중력 방향을 따라 하부로 흐르고, 이산화탄소는 중력 방향을 거슬러 상부로 흐른다. 그 결과, 이산화탄소와 물 및 아민의 접촉 효율이 향상되어 이산화탄소 용액이 용이하게 제조될 수 있다. 이산화탄소는 이산화탄소 주입구(111)로 주입되는 압력에 의해 상부로 흐를 수 있다.In the carbon
도 9을 참조하면, 이산화탄소가 물 및 아민에 용해되어 이루어진 이산화탄소 용액은 이산화탄소 용액 배출구(114)를 통하여 이산화탄소 포집장치(110)의 외부로 배출될 수 있다.Referring to FIG. 9 , the carbon dioxide solution formed by dissolving carbon dioxide in water and amine may be discharged to the outside of the carbon
물 및 아민에 용해되지 않은 이산화탄소는 이산화탄소 배출구(155)를 통하여 이산화탄소 포집장치(110)의 외부로 배출될 수 있다. 물 및 아민에 용해되지 않은 이산화탄소를 "미용해 이산화탄소"라고도 한다.Carbon dioxide not dissolved in water and amine may be discharged to the outside of the carbon
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템(300)은, 이산화탄소 포집장치(110)와 전기화학 반응장치(200) 사이에 배치된 액-액 분리기(140)를 더 포함할 수 있다. The carbon
액-액 분리기(140)는 이산화탄소 용액 배출구(114)와 연결된 유입부(141) 및 서로 다른 높이를 갖는 복수의 배출구를 포함한다. 액-액 분리기(140)는 2개 이상의 배출구를 포함하며, 각 배출구는 서로 다른 높이에 배치된다. The liquid-
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액-액 분리기(140)는, 이산화탄소 포집장치(110)에서 제조된 이산화탄소 용액이 흐르는 과정에서 층분리가 발생될 때, 층분리된 용액들이 다시 혼합될 수 있도록 한다.According to an embodiment of the present invention, the liquid-
구체적으로, 이산화탄소 포집장치(110)에서 제조된 이산화탄소 용액이 전기화학 반응장치(200)로 공급되는 과정에서, 이산화탄소 용액의 흐름이 정체되거나, 이산화탄소 용액이 소정의 시간 동안 흐르지 않고 보관되는 경우, 층분리가 발생될 수 있다. 예를 들어, 트리에틸아민(TEA)은 비수성(hydrophobic)이며 물(H2O)보다 밀도가 작기 때문에, 이산화탄소 용액의 흐름이 정체되는 경우, 이산화탄소 용액이 2개의 층으로 층분리될 수 있다. 일반적으로 수용액이 하부층에 위치하고, 트리에틸아민(TEA) 용액이 상부층(140b)에 위치할 수 있다. 이산화탄소 용액이 층분리된 상태에서, 어느 하나의 층에 포함된 용액만이 전기화학 반응장치(200)로 공급되는 경우, 전기화학 반응이 제대로 이루어지 않을 수 있다. Specifically, in the process in which the carbon dioxide solution prepared in the carbon
이산화탄소 용액의 층분리에 의한 문제점을 방지하기 위해, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 액-액 분리기(140)의 서로 다른 높이에 배치된 복수의 배출구에서 동시에 용액이 배출되고, 각 배출구에서 배출된 용액들이 다시 합쳐진 후 전기화학 반응장치(200)로 공급되도록 할 수 있다. 그 결과, 이산화탄소 용액의 층분리에 의한 전기화학 반응 효율 저하가 방지될 수 있다.In order to prevent a problem caused by layer separation of the carbon dioxide solution, according to another embodiment of the present invention, the solution is discharged simultaneously from a plurality of outlets disposed at different heights of the liquid-
이산화탄소 포집장치(110)에서 제조된 이산화탄소 용액은 전기화학 반응장치(200)로 공급된다. 전기화학 반응장치(200)는 이산화탄소 용액을 이용하여 합성가스를 생산한다. 합성가스 생산 효율을 향상시키기 위해, 이산화탄소 용액은 고압 상태로 전기화학 반응장치(200)로 공급될 수 있다. 이산화탄소 용액을 고압 상태로 만들기 위해 펌프(150)가 사용될 수 있다.The carbon dioxide solution prepared in the carbon
펌프(150)는 전기화학 반응장치(200)로 공급되는 이산화탄소 용액의 압력을 증가시킬 수 있다. 펌프(150)에 의해 이산화탄소 용액이 고압 상태로 전기화학 반응장치(200)로 공급될 수 있고, 전기화학 반응장치(200)에서 전기화학 반응이 일어나는 동안 고압 상태가 유지될 수 있다. The
또한, 전기화학 반응장치(200) 내에서 이산화탄소 용액이 고압 상태로 유지되도록 하기 위해, 밸브가 사용될 수 있다. 도 9을 참조하면, 전기화학 반응장치(200)와 이산화탄소 포집장치(110)의 아민 주입구(113) 사이에 압력 조절 밸브(161)가 배치될 수 있다. 또한, 전기화학 반응장치(200)에서 생산된 합성가스의 배출을 위한 합성가스 배출구(162)가 밸브 형태로 만들어질 수 있다. In addition, in order to maintain the carbon dioxide solution in a high pressure state in the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 펌프(140), 압력 조절 밸브(161) 및 합성가스 배출구(162)에 의하여 전기화학 반응장치(200) 내에서 이산화탄소 용액이 고압 상태로 유지될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the carbon dioxide solution may be maintained at a high pressure in the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 전기화학 반응장치(200)는 이산화탄소 용액과 접촉하는 제2 전극(123), 제2 전극(123)과 대향하는 제1 전극(122) 및 제2 전극(123)과 제1 전극(122) 사이에 배치된 분리막(121)을 포함한다. According to another embodiment of the present invention, the
이산화탄소 용액은 이산화탄소 용액 주입구(120a)를 통하여 전기화학 반응장치(200)로 공급될 수 있다. The carbon dioxide solution may be supplied to the
이산화탄소 용액은 전기화학 반응장치(200)에서 합성가스를 생산한다. 구체적으로, 전기화학 반응장치(200)로 공급된 이산화탄소 용액은 분리막(121) 및 제2 전극(123)과 접촉하여 합성가스를 생산한다. 합성가스는, 예를 들어, 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함할 수 있다.The carbon dioxide solution produces synthesis gas in the
이산화탄소 용액이 전기화학 반응장치(200)에서 합성가스를 생산하는 과정에서 이산화탄소가 소모된다. 이산화탄소 용액이 전기화학 반응장치(200)의 제2 전극(123)과 접촉하여 합성가스를 생산하게 되면, 이산화탄소 용액의 조성이 변하게 될 것이다. 본 발명의 또 다른 일 실시예에서는, 이산화탄소 용액이 전기화학 반응장치(200)의 제2 전극(123)과 접촉하여 합성가스를 생산한 후 형성된 용액을 "반응액"이라고 한다. 반응액은 합성가스를 포함할 수 있다.Carbon dioxide is consumed while the carbon dioxide solution produces synthesis gas in the
전기화학 반응장치(200)는, 이산화탄소 용액이 제2 전극(123)과 접촉한 후 형성된 반응액을 배출하기 위한 반응액 배출구(120b)를 포함한다. 반응액 배출구(120b)는 이산화탄소 포집장치(110)의 아민 주입구(113)와 연결될 수 있다. The
도 9을 참조하면, 반응액 배출구(120b)는 이산화탄소 포집장치(110)의 아민 주입구(113)와 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 반응액 배출구(120b)는 용액-기체 분리 수단(160)을 통하여 이산화탄소 포집장치(110)의 아민 주입구(113)와 연결될 수 있다.Referring to FIG. 9 , the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 반응액 배출구(120b)는 합성가스 배출구(162)와 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 반응액 배출구(120b)는 용액-기체 분리 수단(160)을 통하여 합성가스 배출구(162)와 연결될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the reaction solution outlet (120b) may be connected to the synthesis gas outlet (162). More specifically, the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템(300)은, 용액-기체 분리 수단(160)을 포함할 수 있다. 용액-기체 분리 수단(160)은 전기화학 반응장치(200)의 반응액 배출구(120b)와 연결될 수 있다. 반응액 배출구(120b)를 통하여 배출된 반응액은 일시적으로 용액-기체 분리 수단(160)에 보관될 수 있다.Carbon
용액-기체 분리 수단(160)에서 용액과 기체의 상분리가 이루어질 수 있다. 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 반응액 배출구(120b)를 통하여 배출된 반응액은 용액-기체 분리 수단(160)에서 상분리될 수 있으며, 그 결과, 합성가스가 분리될 수 있다. 구체적으로, 용액-기체 분리 수단(160)에서 반응액은 합성가스와 아민 용액으로 분리될 수 있다. 본 발명의 또 다른 일 실시예 따르면, 반응액에서 합성가스가 분리된 후 남은 용액을 아민 용액이라고 한다. 아민 용액은 물과 아민을 포함한다.In the solution-gas separation means 160 , phase separation of the solution and the gas may be performed. According to another embodiment of the present invention, the reaction liquid discharged through the
용액-기체 분리 수단(160)에서 반응액으로부터 분리된 합성가스는 합성가스 배출구(162)를 통해 배출될 수 있다. 그 결과, 전기화학 반응장치(200)에서 생산된 합성가스가 합성가스 배출구(162)를 통해 배출될 수 있다. 합성가스 배출구(162)는 밸브 형태로 만들어질 수 있다. 밸브 형태의 합성가스 배출구(162)는 전기화학 반응장치(200)에 주입된 이산화탄소 용액의 압력 조절에 사용될 수 있다.The syngas separated from the reaction solution by the solution-gas separation means 160 may be discharged through the
도 9을 참조하면, 합성가스 배출구(162)는 합성가스를 이용하는 반응기(260)와 연결될 수 있다. 합성가스 배출구(162)는, 예를 들어, 수소 운반체 제조장치와 연결될 수 있다. 수소 운반체 제조장치는 전기화학 반응장치(200)에서 생산된 합성가스인 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 이용하여, 수소운반체인 메탄올을 생성할 수 있다.Referring to FIG. 9 , the
반응기(260)는 압력 밸브(261)와 연결될 수 있다. 압력 밸브(261)에 반응기(260)의 압력이 조절될 수 있다. 또한, 압력 밸브(261)에 의하여 전기화학 반응장치(200)에 주입된 이산화탄소 용액의 압력이 조절될 수도 있다.The
도 9을 참조하면, 이산화탄소 환원 시스템(300)은, 반응액 배출구(120b)와 이산화탄소 포집장치(110)의 아민 주입구(113) 사이에 배치된 압력 조절 밸브(161)를 포함할 수 있다. 압력 조절 밸브(161)는 전기화학 반응장치(200)에 주입된 이산화탄소 용액의 압력 조절에 사용될 수 있다. 구체적으로, 펌프(150), 압력 조절 밸브(161), 합성가스 배출구(162) 및 압력 밸브(261)에 의하여 전기화학 반응장치(200)에 주입된 이산화탄소 용액의 압력이 조절될 수 있다.Referring to FIG. 9 , the carbon
반응액에 포함된 합성가스가 용액-기체 분리 수단(160)에서 상분리된 후 합성가스 배출구(162)로 배출되면, 반응액에서 합성가스의 전부 또는 대부분이 제거되어, 물과 아민을 포함하는 아민 용액이 남게 되고, 아민 용액은 압력 조절 밸브(161)를 통과한다. When the synthesis gas included in the reaction solution is phase-separated by the solution-gas separation means 160 and then discharged to the
압력 조절 밸브(161)를 통과한 아민 용액은 이산화탄소 포집장치(110)의 아민 주입구(113)를 통하여, 다시 이산화탄소 포집장치(110)로 주입될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 아민 용액이 재순환될 수 있다. 구체적으로, 아민은, 이산화탄소 용액, 반응액 및 아민 용액에 포함된 상태로, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템(300)에서 순환되어 재사용될 수 있다.The amine solution passing through the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 별도의 장치(미도시)를 통하여 아민(216)이 추가 공급될 수 있다. 아민(216)은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원 시스템(300)의 작동 초기에 공급될 수 있고, 또한 아민이 손실된 경우 추가 공급될 수 있다. 이 경우, 이산화탄소 포집장치(110)의 아민 주입구(113)로 공급되는 아민 용액(213)은 순환되어 재사용되는 아민 및 별도의 장치를 통하여 공급되는 아민(216)을 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 이산화탄소 용액은 5 bar 이상의 압력으로 전기화학 반응장치(200)로 공급될 수 있다. 이 경우, 이산화탄소 용액은 전기화학 반응장치(200) 내에서 5 bar 이상의 압력을 유지할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the carbon dioxide solution may be supplied to the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 이산화탄소 용액은 20 bar 이상의 압력으로 전기화학 반응장치(200)로 공급될 수 있다. 이 경우, 이산화탄소 용액은 전기화학 반응장치(200) 내에서 20 bar 이상의 압력을 유지할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the carbon dioxide solution may be supplied to the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라, 전기화학 반응장치(200) 내에서 이산화탄소 용액의 압력이 5 bar 이상 또는 20 bar 이상으로 유지되는 경우, 합성가스 생산 효율이 향상될 수 있다. 보다 구체적으로, 전기화학 반응장치(200) 내에서 이산화탄소 용액의 압력이 5 bar 이상 또는 20 bar 이상으로 유지되는 경우, 합성가스인 일산화탄소(CO)의 생산 효율이 향상될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, when the pressure of the carbon dioxide solution in the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 전기화학 반응장치(200) 내에서 이산화탄소 용액의 압력은 5 bar 내지 50bar의 범위가 될 수 있다. 전기화학 반응장치(200) 내에서 이산화탄소 용액의 압력이 5 bar 미만인 경우, 일산화탄소(CO)의 생산 효율이 저하될 수 있다. 반면, 전기화학 반응장치(200) 내에서 이산화탄소 용액의 압력이 50bar를 초과하더라도 일산화탄소(CO)의 생산 효율이 추가적으로 더 향상되지 않기 때문에, 전기화학 반응장치(200) 내에서 이산화탄소 용액의 압력이 50bar를 초과하도록 할 실익이 없다.According to another embodiment of the present invention, the pressure of the carbon dioxide solution in the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 이산화탄소가 용해되어 있는 용액 상태의 이산화탄소 용액을 이용하여 전기화학 반응이 진행되기 때문에, 저순도의 이산화탄소를 이용하더라도 이산화탄소의 전환효율이 향상되는 장점이 있다.According to another embodiment of the present invention, since the electrochemical reaction proceeds using a carbon dioxide solution in a solution state in which carbon dioxide is dissolved, there is an advantage in that carbon dioxide conversion efficiency is improved even when low-purity carbon dioxide is used.
반면, 종래의 경우, 분리공정을 거쳐 분리된 고순도의 이산화탄소가 사용됨에도 불구하고 전기화학 반응장치(200)에서 생성되는 합성가스의 생성율이 저조하여 이산화탄소 전환효율이 저조하였다. On the other hand, in the conventional case, despite the use of high-purity carbon dioxide separated through the separation process, the production rate of the syngas generated in the
또한, 종래의 경우, 분리된 이산화탄소가 상대전극으로 넘어가는 크로스오버가 발생하여 시스템이 불안정한 문제가 발생하지만, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 이산화탄소가 용액에 포집된 상태로 전기화학 반응장치(200)로 투입되기 때문에, 이산화탄소가 상대전극으로 넘어가는 크로스오버가 발생하지 않는다. In addition, in the conventional case, a crossover occurs in which the separated carbon dioxide is transferred to the counter electrode, which causes a system instability problem. Since it is injected into the
또한, 종래의 경우, 전기화학 반응장치(200)에서 생성된 합성가스를 이산화탄소와 분리하는 추가공정이 필요하지만, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 이산화탄소가 용액에 포집된 상태로 순환하기 때문에, 합성가스를 이산화탄소와 분리하는 추가공정이 필요하지 않다. In addition, in the conventional case, an additional process of separating the syngas generated in the
100: 촉매 전극
10: 탄소계 기재층 11: 선형 구조체
12: 기공 20: 금속 프라이머층
30: 촉매 활성층 31: 금속 입자
110: 이산화탄소 포집장치 120a: 이산화탄소 용액 주입구
120b: 반응액 배출구 120c: 수용액 주입구
120d: 수용액 배출구 121: 분리막
122: 제1 전극 123: 제2 전극
124: 제1 유체 공급부 125: 제2 유체 공급부
126: 제1 하우징 127: 제2 하우징
130: 전원 140: 액-액 분리기
150: 펌프 160: 용액-기체 분리 수단
161: 압력 조절 밸브 162: 합성가스 배출구
200: 전기화학 반응장치 300: 이산화탄소 환원 시스템100: catalyst electrode
10: carbon-based substrate layer 11: linear structure
12: pores 20: metal primer layer
30: catalytically active layer 31: metal particles
110: carbon
120b:
120d: aqueous solution outlet 121: separator
122: first electrode 123: second electrode
124: first fluid supply unit 125: second fluid supply unit
126: first housing 127: second housing
130: power 140: liquid-liquid separator
150: pump 160: solution-gas separation means
161: pressure regulating valve 162: syngas outlet
200: electrochemical reactor 300: carbon dioxide reduction system
Claims (27)
상기 탄소계 기재층에 배치된 금속 프라이머층; 및
상기 금속 프라이머층 상에 배치된 촉매 활성층;을 포함하며,
상기 촉매 활성층은 금속 입자 및 탄소 입자를 포함하며;
상기 촉매 활성층의 전체 중량에 대하여,
상기 금속 입자의 함량은 30 내지 80 중량%이고,
상기 탄소 입자의 함량은 20 내지 70 중량%이고,
85° 내지 125°의 수접촉각을 갖는, 촉매 전극:
여기서, 상기 수접촉각 측정을 위해, 2uL의 물방울(H2O)을 상기 촉매 전극에 떨어뜨리고 2초가 경과된 후 이미지가 촬영되며, 상기 촬영된 이미지에서 상기 촉매 전극의 표면과 상기 물방울의 경계의 각도가 측정되고, 상기 물방울의 좌측과 우측에서 측정된 상기 촉매 전극의 표면과 상기 물방울의 경계의 각도들의 평균이 수접촉각으로 정의된다.carbon-based substrate layer;
a metal primer layer disposed on the carbon-based substrate layer; and
and a catalytically active layer disposed on the metal primer layer;
the catalytically active layer includes metal particles and carbon particles;
Based on the total weight of the catalytically active layer,
The content of the metal particles is 30 to 80% by weight,
The content of the carbon particles is 20 to 70% by weight,
Catalyst electrode having a water contact angle of 85° to 125°:
Here, for the measurement of the water contact angle, 2uL of water droplet (H 2 O) is dropped on the catalyst electrode and an image is taken after 2 seconds have elapsed. The angle is measured, and the average of the angles of the boundary between the surface of the catalyst electrode and the water droplet measured at the left and right sides of the droplet is defined as the water contact angle.
상기 탄소계 기재층은 섬유 형상을 갖는 복수의 선형 구조체 및 상기 복수의 선형 구조체 사이에 형성된 기공을 포함하고,
상기 금속 프라이머층은 상기 복수의 선형 구조체의 표면에 배치된, 촉매 전극.The method of claim 1,
The carbon-based substrate layer includes a plurality of linear structures having a fiber shape and pores formed between the plurality of linear structures,
The metal primer layer is disposed on the surfaces of the plurality of linear structures, the catalyst electrode.
상기 탄소계 기재층은 탄소 페이퍼를 포함하는, 촉매 전극.According to claim 1,
The carbon-based substrate layer is a catalyst electrode comprising carbon paper.
상기 탄소계 기재층은 다공성 구조를 가지며, 70 내지 85 %의 공극률을 갖는, 촉매 전극:
여기서, 공극률은 탄소계 기재층의 전체 부피에 대한 전체 공극의 부피비로, 하기 식 1에 의하여 계산된다.
공극률 = [(전체 공극의 부피)/(탄소계 기재층의 부피)] x 100According to claim 1,
The carbon-based substrate layer has a porous structure, and has a porosity of 70 to 85%, a catalyst electrode:
Here, the porosity is a volume ratio of the total pores to the total volume of the carbon-based substrate layer, and is calculated by the following Equation 1.
Porosity = [(volume of total pores)/(volume of carbon-based substrate layer)] x 100
상기 탄소계 기재층은 비수성(hydrophobic) 처리되지 않은, 촉매 전극.According to claim 1,
The carbon-based substrate layer is not a non-aqueous (hydrophobic) treatment, the catalyst electrode.
상기 금속 프라이머층은 은(Ag)을 포함하는, 촉매 전극.According to claim 1,
The metal primer layer comprises silver (Ag), the catalyst electrode.
상기 금속 프라이머층은 100 내지 300nm의 두께를 갖는, 촉매 전극.According to claim 1,
The metal primer layer has a thickness of 100 to 300 nm, the catalyst electrode.
상기 금속 입자는 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나를 포함하는, 촉매 전극.According to claim 1,
The metal particles may include at least one of silver (Ag), gold (Au), zinc (Zn), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), manganese (Mn), copper (Cu), and palladium (Pd). A catalyst electrode comprising one.
상기 금속 입자는 5 내지 200nm의 평균 입경을 갖는, 촉매 전극.According to claim 1,
The metal particles have an average particle diameter of 5 to 200 nm, the catalyst electrode.
상기 촉매 활성층은, 상기 촉매 활성층의 전체 중량에 대하여, 3 중량% 이하의 염소 이온을 포함하는, 촉매 전극.The method of claim 1,
The catalytically active layer, based on the total weight of the catalytically active layer, comprising 3 wt% or less of chlorine ions, the catalyst electrode.
상기 금속 프라이머층 상에 촉매 활성 물질을 코팅하는 단계;
염소 이온을 포함하는 제1 전해질 용액으로 상기 촉매 활성 물질을 1차 처리하는 단계; 및
상기 1차 처리된 상기 촉매 활성 물질을, 탄산염을 포함하는 제2 전해질 용액으로 2차 처리하는 단계;를 포함하는,
촉매 전극의 제조방법.forming a metal primer layer on the carbon-based substrate layer by vapor deposition;
coating a catalytically active material on the metal primer layer;
first treating the catalytically active material with a first electrolyte solution comprising chlorine ions; and
Secondary treatment of the firstly treated catalytically active material with a second electrolyte solution containing carbonate;
A method for manufacturing a catalyst electrode.
상기 촉매 활성 물질은 금속 입자 및 탄소 입자를 포함하는, 촉매 전극의 제조방법.16. The method of claim 15,
wherein the catalytically active material comprises metal particles and carbon particles.
상기 금속 입자는 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나를 포함하는, 촉매 전극의 제조방법.17. The method of claim 16,
The metal particles may include at least one of silver (Ag), gold (Au), zinc (Zn), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), manganese (Mn), copper (Cu), and palladium (Pd). A method of manufacturing a catalyst electrode comprising one.
상기 제1 전해질 용액은 염화칼륨(KCl) 용액을 포함하는, 촉매 전극의 제조방법.16. The method of claim 15,
The first electrolyte solution comprises a potassium chloride (KCl) solution, a method of manufacturing a catalyst electrode.
상기 촉매 활성 물질은 은(Ag)을 포함하며,
상기 촉매 활성 물질을 1차 처리하는 단계에서 염화은(AgCl)이 형성되는, 촉매 전극의 제조방법.16. The method of claim 15,
The catalytically active material comprises silver (Ag),
Silver chloride (AgCl) is formed in the first treatment of the catalytically active material, the method of manufacturing a catalyst electrode.
상기 제2 전해질 용액은 탄산수소칼륨(KHCO3) 용액을 포함하는, 촉매 전극의 제조방법.16. The method of claim 15,
The second electrolyte solution is potassium hydrogen carbonate (KHCO 3 ) A method of manufacturing a catalyst electrode comprising a solution.
상기 제1 전해질 용액 및 상기 제2 전해질 용액 중 적어도 하나로 전하가 공급되는, 촉매 전극의 제조방법.16. The method of claim 15,
A method of manufacturing a catalyst electrode, wherein an electric charge is supplied to at least one of the first electrolyte solution and the second electrolyte solution.
상기 제1 전극과 대향하며, 제1항 내지 제9항 및 제12항 중 어느 한 항에 따른 촉매 전극을 포함하는 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 분리막;을 포함하는,
전기화학 반응장치.a first electrode;
a second electrode facing the first electrode and comprising the catalyst electrode according to any one of claims 1 to 9 and 12; and
Including, a separator disposed between the first electrode and the second electrode
electrochemical reactor.
상기 제2 전극은 환원 전극인, 전기화학 반응장치.23. The method of claim 22,
The second electrode is a reduction electrode, an electrochemical reactor.
상기 제2 전극은 이산화탄소가 용해되어 있는 용액과 접촉하도록 구성된, 전기화학 반응장치.23. The method of claim 22,
and the second electrode is configured to contact a solution in which carbon dioxide is dissolved.
상기 이산화탄소 포집장치와 연결된 전기화학 반응장치;를 포함하며,
상기 전기화학 반응장치는
제1 전극;
상기 제1 전극과 대향하며, 제1항 내지 제9항 및 제12항 중 어느 한 항에 따른 촉매 전극을 포함하는 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 분리막;을 포함하는,
이산화탄소 환원 시스템.a carbon dioxide trapping device for collecting carbon dioxide; and
It includes; an electrochemical reaction device connected to the carbon dioxide trapping device;
The electrochemical reaction device is
a first electrode;
a second electrode facing the first electrode and comprising the catalyst electrode according to any one of claims 1 to 9 and 12; and
Including, a separator disposed between the first electrode and the second electrode
carbon dioxide reduction system.
이산화탄소 포집장치는, 상기 이산화탄소가 물 및 아민에 용해되어 이루어진 이산화탄소 용액을 형성하도록 구성된, 이산화탄소 환원 시스템.26. The method of claim 25,
The carbon dioxide trapping device, the carbon dioxide reduction system, configured to form a carbon dioxide solution consisting of the carbon dioxide dissolved in water and an amine.
상기 아민은 트리에틸아민(triethylamine; TEA)을 포함하는, 이산화탄소 환원 시스템.27. The method of claim 26,
The amine comprises triethylamine (TEA), carbon dioxide reduction system.
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