이산화탄소의 전기화학적 감소

Electrochemical reduction of carbon dioxide
이 기사는 전기 화학 시스템에 관한 것입니다. 관련 시스템은 이산화탄소의 광전기화학적 환원 및 이산화탄소의 광화학적 환원을 참조하십시오.

이산화탄소의 전기화학적 환원은 이산화탄소2(CO)를 전기에너지를 이용하여 더 환원된 화학종으로 전환하는 것입니다. 이는 탄소 포집 및 활용이라는 광범위한 계획의 한 가지 잠재적 단계를 나타냅니다.[1]

CO2RR은 포름산염(HCOO-), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 에틸렌(CH24) 및 에탄올(CHOH25)을 포함한 다양한 화합물을 생성할 수 있습니다.[2] 주요 과제는 상대적으로 높은 전기 비용(vs petroleum2)과 CO가 종종 O로2 오염되고 환원 전에 정제되어야 한다는 것입니다.

CO2RR의 첫 번째 예는 아연 음극을 사용하여 이산화탄소를 일산화탄소로 환원시킨 19세기의 것입니다. 이 분야의 연구는 1970년대 석유 금수 조치 이후 1980년대에 강화되었습니다. 2021년 현재 시범적인 규모의 이산화탄소 전기화학적 환원은 지멘스, [3]이산화 물질, [4][5]12 및 GIG 카라섹을 포함한 여러 회사에서 개발 중입니다. 최근에 기술 경제적 분석은 가까운 주변 조건에서 이산화탄소 전기분해 기술의 핵심 기술 격차와 상업적 잠재력을 평가하기 위해 수행되었습니다.[6][7]

이산화탄소에서 나오는 화학물질

탄소 고정에서 식물은 이산화탄소를 당으로 전환시키며, 여기에서 많은 생합성 경로가 시작됩니다. 이 전환을 담당하는 촉매인 루비스코(RuBisCO)가 가장 일반적인 단백질입니다. 일부 혐기성 유기체는 효소를 사용하여 CO를2 일산화탄소로 전환하고 이로부터 지방산을 생성할 수 있습니다.[8]

산업에서 요소, 살리실산, 메탄올 및 특정 무기 및 유기 탄산염을 포함한 몇 가지 제품이 CO로2 만들어집니다.[9] 실험실에서 이산화탄소는 때때로 카르복실화라고 알려진 과정에서 카르복실산을 준비하는 데 사용됩니다. 상온에서 작동하는 전기화학적 CO2 전해조는 아직 상용화되지 않았습니다. CO에서2 CO로의 환원을 위한 승온 고체 산화물 전해조 전지(SOEC)는 상업적으로 이용 가능합니다. 예를 들어, Haldor Topsoe는 보고된 Nm3[note 1] CO 당 6-8 kWh의 CO 발생량과 최대 99.999%의 CO 순도로 CO2 감소를 위한 SOECs를 제공합니다.[10]

전기촉매

이산화탄소가 다양한 제품으로 전기화학적으로 환원되는 것은 일반적으로 다음과 같이 설명됩니다.

리액션 pH = 7 대 SHE에서 환원 전위 E(V)
CO + 2 H + 2 e → HCOOH −0.61
CO + 2 H + 2 e → CO + HO −0.53
CO + 8 H + 8 e → CH + 2 HO −0.24
2CO + 12H + 12e → CH + 4HO −0.349
2CO + 12H + 12e → CHOH + 3HO −0.329

이러한 반응에 대한 산화환원 전위는 수성 전해질의 수소 진화에 대한 산화환원2 전위와 유사하므로 CO의 전기화학적 환원은 일반적으로 수소 진화 반응과 경쟁력이 있습니다.[2]

전기화학적 방법은 다음과 같이 주목을 받았습니다.

  1. 주위 압력 및 실온에서;
  2. 재생 가능한 에너지원과 관련하여(태양광 연료 참조)
  3. 경쟁력 있는 제어성, 모듈화 및 스케일업은 비교적 간단합니다.[12]

CO의2 전기화학적 환원 또는 전기촉매적 전환은 메탄, 에틸렌, 에탄올 등의 부가가치 화학물질을 생산할 수 있으며, 제품은 주로 선택된 촉매 및 작동 전위(환원 전압 인가)에 의존합니다. 다양한 균질 및 이종 촉매가[13] 평가되었습니다.[14][2]

이러한 많은 과정은 금속 이산화탄소 복합체의 매개를 통해 작동하는 것으로 가정됩니다.[15] 많은 공정이 높은 과전위, 낮은 전류 효율, 낮은 선택도, 느린 동역학 및/또는 낮은 촉매 안정성으로 인해 어려움을 겪습니다.[16]

전해질의 구성이 결정적일 수 있습니다.[17][18][19] 가스 확산 전극은 유용합니다.[20][21][22]

촉매제

촉매는 1차 제품에 따라 그룹화할 수 있습니다.[14][23][24] 몇몇 금속은 대신 수소 진화를 수행하도록 촉진하기 때문에 CORR에2 적합하지 않습니다.[25] 하나의 특정 유기 화합물에 대해 선택적인 전기 촉매는 포름산염의 경우 주석 또는 비스무트, 일산화탄소의 경우 은 또는 금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 촉매. 구리는 메탄, 에틸렌 또는 에탄올과 같은 여러 환원 제품을 생산하며 메탄올, 프로판올 및 1-부탄올도 소량 생산됩니다.[26]

일반적인 세 가지 제품은 일산화탄소, 포름산염 또는 고차 탄소 제품(2개 이상의 탄소)입니다.[27]

일산화탄소 생성

일산화탄소는 다양한 귀금속 촉매를 통해 CORR로부터2 생산될 수 있습니다.[28] 강철은 그러한 촉매제 또는 수소 [29]중 하나임이 입증되었습니다.[30]

기계적으로 일산화탄소는 CO의2 탄소에 결합된 금속에서 발생합니다(금속 카르복실산 참조). 산소는 물로써 없어집니다.[31]

포름산/포름산 생성

포름산은 다양한 촉매를 통해 CORR로부터2 1차 생성물로 생산됩니다.[32]

CO에서2 포름산 생성을 촉진하는 촉매는 CO의 산소2 원자 두 개에 강하게 결합하여 양성자가 중심 탄소를 공격할 수 있도록 하여 작동합니다. 중심 탄소를 공격한 후 산소에 하나의 양성자가 붙으면 포름산염이 생성됩니다.[31] 인듐 촉매는 인듐-산소 결합 에너지가 인듐-탄소 결합 에너지보다 강하기 때문에 포름산염 생성을 촉진합니다.[33] 이것은 일산화탄소 대신 포름산염의 생성을 촉진합니다.

C-생성>1 촉매

구리 전기 촉매는 CO에서2 다중 탄소 화합물을 생성합니다. 여기에는 C2 제품(에틸렌, 에탄올, 아세테이트 등)과 심지어3 C 제품(프로판올, 아세톤 등)[34]이 포함됩니다. 이 제품들은 C1 제품보다 가치가 높지만 현재 효율은 낮습니다.[35]

참고 항목

메모들

  1. ^ 일반 입방 미터 - 표준 온도 및 압력에서 1 입방 미터를 차지하는 가스의 양.

참고문헌

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