산소의 역할

Nature Communications 14권, 기사 번호: 2040(2023) 이 기사 인용

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바이오매스 가치화와 이산화탄소(CO2) 전환의 전기화학적 결합은 전해조 양쪽에서 부가가치 화학물질을 생성하는 유망한 접근 방식을 제공합니다. 여기에서 산소 공극이 풍부한 인듐 옥시수산화물(InOOH-OV)은 CO2를 포름산염으로 환원하고 5-하이드록시메틸푸르푸랄 전기산화를 2,5-푸란디카르복실산으로 전환하기 위한 이작용성 촉매로 개발되었으며 최적화된 전위에서 90.0% 이상의 패러데이 효율을 제공합니다. 원자 규모의 전자 현미경 이미지와 밀도 범함수 이론 계산을 통해 산소 결손 부위의 도입으로 인해 격자 왜곡과 전하 재분배가 발생한다는 사실이 밝혀졌습니다. Operando 라만 스펙트럼은 산소 결손이 CO2 변환 중에 InOOH-OV가 추가로 감소되는 것을 방지하고 알칼리 전해질의 수산화물 이온에 대한 5-하이드록시메틸푸르푸랄의 흡착 경쟁력을 높여 InOOH-OV를 다음과 같은 주요 그룹 p-블록 금속 산화물 전기촉매로 만들 수 있음을 나타냅니다. 이중 기능적 활동. InOOH-OV의 촉매 성능을 기반으로 단일 전기화학 셀에서 CO2 환원과 5-하이드록시메틸푸르푸랄 산화를 함께 결합하여 높은 수율로 2,5-푸란디카르복실산과 포름산염을 생성하는 pH 비대칭 통합 셀을 제작합니다. 90.0%), 두 전극에서 동시에 귀중한 상용 화학 물질을 생성할 수 있는 유망한 접근 방식을 제공합니다.

CO2 전기화학적 환원 반응(CO2RR)은 지구 온난화 완화와 귀중한 화학물질 생산을 위한 전기화학 연구의 선두 핫스팟 중 하나로 부상했습니다1,2,3. 일반적인 CO2RR 테스트 전극은 일반적으로 OER4,5의 느린 반응 역학으로 인해 에너지 소비가 높은 상대 전극인 산소 발생 반응(OER)과 쌍을 이룹니다. 또한 O2 제품은 현재 가치(~0.03$/kg)6,7,8의 관점에서 전기분해 시스템의 경제적 이점을 제한합니다. 이러한 문제를 해결하기 위한 한 가지 유망한 접근법은 OER을 더 낮은 열역학적 전위에서 바이오매스 유래 소분자의 산화 가치화 과정으로 대체하는 것입니다. 이는 이미 수소 발생 반응(HER)에 대한 전기분해 셀 전압을 줄이는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다. 5,9,10. CO2RR과 바이오매스 유래 소분자의 산화가 결합된 통합 전기분해 셀을 구축함으로써 전반적인 에너지 효율이 향상될 뿐만 아니라 두 전극 모두에서 고부가가치 제품을 얻을 수 있습니다.

음극에서 CO2RR의 가능한 환원 생성물 중에서 포름산(HCOOH)은 많은 산업 공정에서 필수적인 화학 중간체, 수소 저장을 위한 잠재적인 액체 화합물, 심지어 산업 현장에서 직접 사용되는 연료 역할을 할 수 있다는 점에서 매우 중요합니다. 포름산 연료전지11,12,13. 양극 반응의 유망한 후보는 리그노셀룰로오스 바이오매스 유래 소분자인 5-하이드록시메틸푸르푸랄(HMF)의 산화입니다14. 활성 수산기와 알데히드 그룹의 존재로 인해 HMF는 화학 산업에 유용한 다양한 고가치 화학 전구체로 변환될 수 있습니다14,15. 구체적으로, 2개의 산소 함유 그룹이 카르복실로 산화되어 HMF에서 생성된 2,5-푸란디카르복실산(FDCA)은 미국 에너지부가 주장한 상위 12가지 설탕 유래 플랫폼 화학 물질 중 하나입니다16,17. 따라서 음극 CO2RR과 양극 HMF 산화 반응(HMFOR)의 전기화학적 결합은 하나의 전기분해 전지 내에서 부가가치 화학물질(예: HCOOH 및 FDCA)의 동시 생산에 큰 가능성을 가지고 있습니다(그림 1a). 그림 1a와 관련된 반쪽 전지 및 전체 반응은 다음과 같습니다.

통합 시스템에 높은 생산 효율을 부여하려면 두 가지 문제를 해결해야 합니다. i) CO2RR에 유리한 중성 전해질로서 효과적인 비대칭 전기분해 셀을 개발해야 하며 강력한 기본 환경은 FDCA 생산을 현저하게 가속화할 수 있습니다14,19. ii) 음극과 양극 각각에서 상응하는 경쟁적 HER 및 OER 반응을 억제함으로써 HCOOH와 FDCA 모두의 생산 효율성을 향상시키기 위해 촉매의 활성과 선택성을 업그레이드해야 합니다. 따라서, 비대칭 pH 값을 갖는 전기분해 전지에서 효율적인 CO2RR 및 HMFOR을 위한 이기능성 촉매 클래스를 개발하는 것은 매우 바람직하지만 여전히 어려운 일입니다. CO2RR 및 HMFOR 이중 기능성 촉매가 실현되면 전기분해 셀 구성을 단순화하고 다른 촉매의 합성을 방지하여 실제 응용 분야에서 에너지/비용을 절약할 수 있습니다(아래 동영상 참조).