[논문 리뷰] Efficient Electrocatalytic Reduction of CO2 by Nitrogen-Doped Nanoporous Carbon-Carbon Nanotube Membranes - A Step Towards the Electrochemical CO2 Refinery

Hong Wang, Jia Jia외 12명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 04.

CO2 Reduction Techniques and Catalysts인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 산업적 응용에 적합한 저비용, 확장 가능한, 바인더가 없는 질소 도핑된 나노다공성 탄소-탄소 나노튜브 복합막(HNCM-CNT)을 전기촉매로 제시한다. 이 막은 포름산 생성에 대해 81%의 펄라디우스 효율을 달성하며 우수한 장기 안정성을 보이며, 전기화학적 CO2 변환의 산업적 스케일업에 강력한 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

The search for earth abundant, efficient and stable electrocatalysts that can enable the chemical reduction of CO2 to value-added chemicals and fuels at an industrially relevant scale, is a high priority for the development of a global network of renewable energy conversion and storage systems that can meaningfully impact greenhouse gas induced climate change. Here we introduce a straightforward, low cost, scalable and technologically relevant method to manufacture an all-carbon, electroactive, nitrogen-doped nanoporous carbon-carbon nanotube composite membrane, dubbed "HNCM-CNT". The membrane is demonstrated to function as a binder-free, high-performance electrode for the electrocatalytic reduction of CO2 to formate. The Faradaic efficiency for the production of formate is 81%. Furthermore, the robust structural and electrochemical properties of the membrane endow it with excellent long-term stability.

연구 동기 및 목표

• 산업적 조건에서 효율적인 CO2 환원을 위한 지구에 풍부한 자원, 안정성, 확장 가능성을 갖춘 전기촉매를 개발하기 위해.
• 희토류 금속 기반 촉매의 한계를 극복하기 위해 저비용, 바인더가 없는 탄소 기반 전극 시스템을 구축하기 위해.
• 질소 도핑과 나노다공구조를 통해 포름산 생성의 촉매 활성도와 선택성을 향상시키기 위해.
• 실제 CO2 전기정련 응용을 위한 장기적인 전기화학적 안정성을 확보하기 위해.
• 탄소 기반 전기촉매의 산업적 배포에 적합한 확장 가능한 제조 공정을 구현하기 위해.

제안 방법

• 확장 가능하고 저비용이며 환경에 친화적인 방법을 통해 질소 도핑된 나노다공성 탄소-탄소 나노튜브 복합막(HNCM-CNT)을 합성하기 위해.
• 화학 기상 증착과 제어된 열분해를 이용해 고도의 질소 도핑 수준을 갖춘 계층적인 다공구조를 형성하기 위해.
• 이온 이동 저항을 제거하고 전자 이동을 향상시키기 위해 바인더가 없는 전극 구조를 도입하기 위해.
• 표준 삼극 세포를 사용한 전기화학적 테스트를 수행하기 위해, 기체 확산 전극 구조를 갖춘 H-셀 구성을 사용하기 위해.
• 선형 스위프 전압 및 크로노아미페로메트리 측정을 통해 활성도, 선택도 및 안정성을 평가하기 위해.
• 포름산 및 CO2 생성물의 펄라디우스 효율을 쿨로메트릭 분석과 기체 크로마토그래피를 통해 정량하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바인더가 없는, 전부 탄소 기반의 질소 도핑된 나노다공성 탄소-CNT 복합체가 CO2에서 포름산으로의 전환에 높은 펄라디우스 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 계층적인 다공구조와 질소 도핑이 전기촉매의 물질 이동성과 활성 부위 노출을 향상시키는가?
• RQ3 HNCM-CNT 막의 장기적 안정성은 기존의 탄소 기반 또는 희토류 금속 기반 촉매와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 합성 방법이 산업적 응용을 위해 확장 가능할 수 있으며, 촉매 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ5 질소 기능기 그룹이 선택적으로 CO2를 포름산으로 환원하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• HNCM-CNT 막은 포름산 생성에 대해 81%의 펄라디우스 효율을 달성하여 CO2 전기환원 반응에서 높은 선택성을 보였다.
• 막은 장기적인 안정성을 보이며, 뚜렷한 열화 없이 장기간의 작동 동안 성능을 유지했다.
• 바인더가 없는 구조는 효율적인 전자 이동을 보장하고 이온 확산 저항을 최소화했다.
• 나노다공구조는 CO2가 활성 부위까지의 물질 이동을 향상시켜 반응 동력을 향상시켰다.
• 질소 도핑은 포름산으로의 2e− 환원 경로를 선호하는 촉매 활성 부위를 도입했다.
• 합성 방법는 확장 가능하고 비용 효율적이며, 향후 산업적 배포에 가능성을 지녔다.