지구 온난화를 완화하기 위한 탄소 중립을 실현하기 위해 이산화탄소(CO₂)를 탄소 기반 연료 및 부가가치 화합물로 전환하는 많은 기술들이 널리 연구되고 있습니다. 그 중에서 재생 에너지를 활용하는 전기화학적 CO₂ 환원 반응(e-CO₂RR)은 일산화탄소(CO), 에틸렌, 포름산염 등의 탄화수소를 생성함으로써 산업 응용 가능성이 높은 경로로 주목 받고 있습니다. 특히, 일산화탄소는 생성물로서의 높은 선택도를 가지고 있어 산업 응용성이 큽니다. Ag 기반 물질은 일산화탄소 생산에 높은 선택도를 가진 가장 활성화된 전기화학 촉매입니다. 그러나 Ag 는 산업적 적용 및 확대를 위해 필요한 전류 밀도와 내구성을 달성하는데 한계를 가지고 있습니다. 따라서, 다양한 연구들이 Ag 촉매의 내재적 특성을 변화시켜 CO₂ 환원 반응의 운동학 및 최종 생성물에 대한 선택도를 향상시키는 것을 목표로 하고 있습니다. 또한, 범람과 같은 외부적 특성도 CO₂ 환원 반응의 성능과 내구성에 영향을 미칩니다. CO₂ 환원 반응 구동 후 몇 시간 후에 발생하는 가스 확산 전극(GDE)의 범람은 CO₂ 환원 반응 생성물에 대한 선택도를 감소시킵니다. 이 현상은 물 축적으로 인해 일부 기공이 막히고, 염 침전을 촉진하여 경쟁 반응인 수소 발생 반응(HER)을 가속화합니다. 그러나, CO₂ 환원 반응 전해조의 3 상 계면에서의 소수성과 관련된 전해질 거동과 CO₂ 환원 반응 특성 사이의 상관 관계를 실시간으로 관찰한 연구는 아직 보고되지 않았습니다. 따라서, 소수성 표면을 가진 전극을 개발하는 것이 중요합니다.
본 논문에서는 내재적 및 외적 특성을 고려하여 CO₂ 환원 반응에서 우수한 성능과 내구성을 나타내는 Ag 촉매를 합성할 뿐만 아니라 이러한 내재적 및 외적 특성의 영향을 다양한 실시간 분석 방법을 통해 확인합니다.
연구 1 에서는 Ag 와 혼합된 다양한 종류의 탄소 지지체가 CO₂ 환원 반응 성능에 미치는 영향을 설명합니다. 탄소의 특성에 관한 영향은 주사 전자 현미경(SEM), 마이크로 전산화 단층 촬영(Micro-CT), 라만 분광법, 물 접촉각(WCA), 그리고 X 선 광전자 분광법(XPS)와 같은 다양한 분석을 통해 조사되었습니다. Ag/CNC 는 적은 탄소 결함과 높은 소수성을 가진 탄소 나노 케이지(CNCs)로 인해 가장 높은 CO 부분 전류 밀도를 나타냈습니다.
연구 2 에서는 탄소 담지된 텅스텐 시드 Ag 덴드라이트 (AgD-W/C 로 명칭함) 촉매의 3 차원 구조를 보여줍니다. AgD-W/C 의 CO₂ 환원 반응 활동 메커니즘은 실시간 X 선 흡수 분광법(XAS), 전기화학적 산화 순환 전압전류법(CV), 깊이 분해 X 선 광전자 분광법(XPS)을 통해 확인 되었습니다. 또한, 광전지-전해조는 실외 조건에서 실제 구동되었습니다.
연구 3 에서는 부분적으로 소수성 리간드로 구성된 Ag-NP 를 소개합니다. 지질 리간드로 인한 외부 소수성을 가진 Ag-NP 의 현상은 입자 분리와 탈착을 크게 억제했습니다. 또한, Ag-NP 가 상용 Ag 보다 더 높은 전압에서 범람을 유발하고 있음이 실시간 X 선 분석을 통해 발견되었으며, Ag-NP 의 CO₂ 환원 반응 성능 향상 이유도 분석되었습니다.