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2025년 12월 3일 (수) 23:51 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 전기화학적 CO2 환원반응에 대한 전기화학적 측정 방법에 대한 고찰

영문 : A Review on Electrochemical Measurement Methods for CO2RR

과제 팀명

CNL

지도교수

이두환 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20228710** 정*은(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20203400** 남*재

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ CO2 전기화학적 환원반응(CO2RR)의 반응 특성과 선택도에 영향을 미치는 주요 인자를 규명한다.
◇ 작동전극의 boundary thickness가 CO2RR에 미치는 영향을 분석한다.
◇ CV, LSV, GC 등 다양한 전기화학적 분석 기법을 활용하여 CO2RR 반응 메커니즘을 정량적으로 해석한다.
◇ 전해질 내 불순물의 존재가 CO2RR 효율과 생성물 분포에 미치는 영향을 규명한다.
◇ Ag foil의 ECSA 변화를 정량화하여 CO2RR 활성 및 선택성과의 상관관계를 규명한다.

개발 과제의 배경

◇ CO2 전기화학적 환원 반응은 CO2를 일산화탄소, 메탄, 에틸렌 등과 같은 유용한 화학물질이나 연료로 전환하는 기술로 많은 연구가 이루어졌지만 표준화된 연구의 프로토콜 부재로 인해 촉매 성능을 객관적으로 비교하고 평가하는 데 어려움이 있다.
◇ 촉매의 활성과 선택성은 촉매 자체의 조성과 형태뿐만 아니라 전해질, 전기화학 셀의 유체역학, 촉매 및 전해질의 순도 등 다양한 변수에 의해 영향을 받기 때문에, 재현 가능한 데이터를 얻기 위한 표준화된 절차의 필요성이 대두되고 있다.
◇ 표준화된 촉매 준비 및 셀 작동 조건을 적용하면 객관적인 성능 평가, 데이터 재현성 확보, 연구 효율 증대가 가능할 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ CO2RR working electrode의 boundary thickness를 H-cell 내 stirring 속도 및 CO2 유량 변화를 통해 조절하고, 이에 따른 반응 특성 변화를 규명한다.

◇ CV, LSV, GC 분석 등 다양한 전기화학적 분석 기법을 활용하여 CO2RR 반응 특성 및 생성물 분포를 정밀하게 평가한다.

◇ 전해질 내 불순물의 존재가 CO2RR 반응 효율과 선택도에 미치는 영향을 규명한다.

◇ Ag foil의 ECSA 변화를 정량화하여 CO2RR 활성 및 선택성과의 상관관계를 규명한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

◇ 나노 구조 및 결정면 제어 촉매

대다수의 CO2 RR 관련 특허는 특정 생성물에 대한 패러데이 효율과 활성을 높이는 새로운 촉매 구조 또는 조성 개발에 집중되어 있다. C2 이상의 고부가 탄화수소 생성에 특화된 나노 구조 또는 산화물 유래 Cu를 개발한다. 이는 표면에 CO Dimerization에 유리한 특정 격자 변형이나 원자 틈을 유도하여 선택성을 향상시킨다. CO 선택성이 높은 Ag 촉매의 경우, 나노입자의 곡선형 표면이나 edge 부위의 비율을 조절하여 CO 생성에 대한 활성 부위를 극대화하는 기술이 주를 이룬다. 나노 구조 촉매는 제조 공정이 복잡하고, 촉매 표면의 결정면이 불균일하여 성능 평가의 재현성이 낮다는 근본적인 문제가 있다.

◇ 고압 CO2를 직접 활용하는 반응기 설계 동향

 포집된 고압 CO2를 별도 감압 없이 직접 전해반응기로 주입하여 formate 등으로 전환하는 고압 전해 시스템을 제시한다. 본 특허는 상용 Cu 기반의 나노구조 전극을 PPy 등으로 기능화하여 H+ 흡착을 억제하고 CO2 환원 선택도를 향상시키는 전극 설계를 포함하며 고압에서의 CO2 표면 coverage 증대와 중간체 에너지장벽 변화가 전환 효율 및 제품 분포에 유리하게 작용함을 제시하고 있다. 질량전달 제어를 통한 선택도 변화와 밀접히 연관되어 본 연구에서 H-cell 교반속도, CO2 유량을 통해 조절하는 boundary thickness 결과를 비교함으로써 작동조건과 전극 표면 특성이 CO2 RR 선택도에 미치는 상대적인 기여를 규명할 수 있다.

특허조사

◇ CO2RR 연구에서 변수 및 주의사항

 CO₂공급 방식에 따라 셀 내부의 기체-액체 접촉 메커니즘이 근본적으로 달라지며, 버블링(기포 주입) 방식과 GDE(가스 확산 전극)를 이용한 공급 방식은 기포 크기·기포 상승 속도 등의 다른 유체역학적 변수를 필요로 한다는 점을 여러 특허에서 다룬다. 특히 일부 문서는 기포 주입 방식에서 교반속도, 기포 유량 및 기포 크기 제어가 제품 분포에 직접 영향을 준다고 명시하고 있다. 
 CO₂ 공급 방식은 측정 결과, 특히 FE와 부분 전류밀도에 큰 영향을 주므로, 실험 프로토콜에 가스 유량, 공급 방식, 교반 속도/흐름 조건을 반드시 기재해야 한다. 또한 동일한 전극·전해질이라도 공급 방식 차이로 결과가 달라질 수 있으므로 비교 연구 시 공급 방식 일치를 권장한다.

특허 전략 분석

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 기존 CO₂RR 연구는 촉매 조성, 전해질 종류, 가스 공급 방식, 전극 구조 등 실험 조건의 다양성으로 인해 데이터 비교가 어렵다. 본 연구를 통해 CV, LSV, GC 등의 전기화학적 분석을 통합하여 반응 특성과 선택도에 영향을 미치는 주요 인자를 정량적으로 규명함으로써 반응 표준화 및 객관적 성능 평가 기준을 제시할 수 있다. 표준화된 실험 프로토콜 확립을 통해 데이터 재현성을 확보하며 CO₂RR 연구 간 객관적 비교 및 기술 평가가 가능할 것이다.

◇ H-Cell 내 교반 속도 및 CO₂ 유량 조절을 통해 전극 주변 Boundary thickness를 제어함으로써, 질량 전달 특성과 반응 속도 간의 상관관계를 규명하여 전달 현상 해석 기술을 확보할 수 있다. 향후 CO₂RR 반응에서의 전극 구조 및 셀 설계 최적화 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다. 전해질 내 불순물 농도 변화가 반응 효율 및 생성물 분포에 미치는 영향을 정량적으로 분석함으로써, 전해질 순도 및 반응 환경 최적화의 중요성을 입증할 수 있다. 이를 통해 CO₂를 유용한 화학물질 및 연료로 전환하는 기술의 효율 향상에 기여할 수 있을 것이다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 현재 전 세계적으로 탄소 포집 및 전환(CCU) 기술 시장은 급성장 중이며, 그 중에서도 CO₂RR 기술은 화석연료 기반 공정의 탄소 배출 저감뿐 아니라 고부가가치 화학제품의 생산을 가능하게 한다. 본 연구를 통해 촉매 성능 평가의 신뢰성을 확보하고 반응 조건의 표준화가 이루어진다면, 연구 결과의 재현성이 향상되어 기업 및 연구기관의 기술개발 비용이 절감되고, 상업화에 기여할 수 있을 것이다. 또한 CO₂RR 공정을 통해 탄소배출권 거래제 시장에서 경제적인 이익을 창출할 수 있다. 특히 CO₂를 원료로 하는 연료 및 화학제품 생산 기술은 탄소 순환형 산업구조를 구축함으로써 에너지, 화학 산업 전반의 경쟁력을 강화할 것이다.

◇ CO₂RR 기술은 온실가스인 CO₂를 유용한 자원으로 전환함으로써 탄소 포집·활용 효율을 높이고, 산업계의 친환경 전환과 ESG 경영 강화에 기여할 수 있다. 또한 표준화된 분석 프로토콜 확립을 통해 연구 재현성과 협력 연구를 촉진하여 탄소중립 실현에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

기술개발 일정 및 추진체계

구성원 및 추진체계

◇ CO2RR 관련 논문 조사 및 원리 파악
◇ CO2RR 전극 분석 및 cell 유사성 파악
◇ 선행 논문와 현재 cell의 차이점 파악
◇ 선행 논문 참고하여 전류 밀도, FE, ECSA 계산 및 분석
◇ 분석 결과 선행 논문과 일치하는지 확인

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ◇ 나노 구조 및 결정면 제어 촉매
-대다수의 CO2 RR 관련 특허는 특정 생성물에 대한 패러데이 효율과 활성을 높이는 새로운 촉매 구조 또는 조성 개발에 집중되어 있다. C2 이상의 고부가 탄화수소 생성에 특화된 나노 구조 또는 산화물 유래 Cu를 개발한다. 이는 표면에 CO Dimerization에 유리한 특정 격자 변형이나 원자 틈을 유도하여 선택성을 향상시킨다. CO 선택성이 높은 Ag 촉매의 경우, 나노입자의 곡선형 표면이나 edge 부위의 비율을 조절하여 CO 생성에 대한 활성 부위를 극대화하는 기술이 주를 이룬다. 나노 구조 촉매는 제조 공정이 복잡하고, 촉매 표면의 결정면이 불균일하여 성능 평가의 재현성이 낮다는 근본적인 문제가 있다.
+ 대다수의 CO2 RR 관련 특허는 특정 생성물에 대한 패러데이 효율과 활성을 높이는 새로운 촉매 구조 또는 조성 개발에 집중되어 있다. C2 이상의 고부가 탄화수소 생성에 특화된 나노 구조 또는 산화물 유래 Cu를 개발한다. 이는 표면에 CO Dimerization에 유리한 특정 격자 변형이나 원자 틈을 유도하여 선택성을 향상시킨다. CO 선택성이 높은 Ag 촉매의 경우, 나노입자의 곡선형 표면이나 edge 부위의 비율을 조절하여 CO 생성에 대한 활성 부위를 극대화하는 기술이 주를 이룬다. 나노 구조 촉매는 제조 공정이 복잡하고, 촉매 표면의 결정면이 불균일하여 성능 평가의 재현성이 낮다는 근본적인 문제가 있다.
 ◇ 고압 CO2를 직접 활용하는 반응기 설계 동향
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-◇ CO2RR 연구에서 변수 및 주의사항
-  CO₂ 공급 방식에 따라 셀 내부의 기체-액체 접촉 메커니즘이 근본적으로 달라지며, 버블링(기포 주입) 방식과 GDE(가스 확산 전극)를 이용한 공급 방식은 기포 크기·기포 상승 속도 등의 다른 유체역학적 변수를 필요로 한다는 점을 여러 특허에서 다룬다. 특히 일부 문서는 기포 주입 방식에서 교반속도, 기포 유량 및 기포 크기 제어가 제품 분포에 직접 영향을 준다고 명시하고 있다.
-  CO₂ 공급 방식은 측정 결과, 특히 FE와 부분 전류밀도에 큰 영향을 주므로, 실험 프로토콜에 가스 유량, 공급 방식, 교반 속도/흐름 조건을 반드시 기재해야 한다. 또한 동일한 전극·전해질이라도 공급 방식 차이로 결과가 달라질 수 있으므로 비교 연구 시 공급 방식 일치를 권장한다.