[논문]그래핀을 이용한 다공성 구리 전극의 전기화학적 이산화탄소 환원 능력 향상

방승완; 노호균; 배효정; 강성주; 하준석

doi:10.6117/kmeps.2018.25.4.105

그래핀을 이용한 다공성 구리 전극의 전기화학적 이산화탄소 환원 능력 향상
Improvement of Electrochemical Reduction Characteristics of Carbon Dioxide at Porous Copper Electrode using Graphene 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.25 no.4, 2018년, pp.105 - 109

방승완 (전남대학교 화학공학부) , 노호균 (전남대학교 화학공학부) , 배효정 (전남대학교 광전자융합기술연구소) , 강성주 (전남대학교 화학공학부) , 하준석 (전남대학교 화학공학부)

초록
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본 연구는 구리의 이산화탄소 환원 촉매 특성을 향상시키기 위해 전극 촉매 물질인 다공성 구리에 그래핀을 적용하였다. Thermal Chemical Vapor Deposition(TCVD)법을 이용하여 직접적으로 그래핀이 혼합된 다공성 구리를 제조하였다. 0.1 M $KHCO_3$ 전해액을 사용하여, -1.0 V ~ -1.4 V의 인가전위로 전기화학 실험을 수행한 결과, 그래핀이 혼합된 다공성 구리 전극의 전류 밀도는 다공성 구리에 비해 1.8 배 이상 증가하였다. 생성물을 평가한 결과, 다공성 구리 전극에서 CO와 $H_2$만 생성된 반면 그래핀이 포함된 다공성 구리의 생성물은 CO 뿐만이 아닌 $CH_4$와 $C_2H_4$가 생성되었다. 이는 그래핀으로 인해 이산화탄소 흡착 시간이 길어짐으로써 반응 중 생성된 중간체들이 전극 표면에 머무르는 시간이 길어졌으며, 결과적으로 C2 화합물 생성 반응까지 연속적으로 진행될 수 있었다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

We studied graphene synthesis to porous Cu to improve the characteristics of carbon dioxide reduction of cu. Cu powders were formed through Thermal Chemical Vapor Deposition(TCVD) to Porous Cu/Graphene structures synthesized with graphene. As a result of electrochemical experiments using a 0.1 M $KHCO_3$ electrolyte at an applied potential of -1.0 V to -1.4 V, the current density of Porous Cu/Graphene was 1.8 times higher than that of Porous Cu. As a result of evaluating the product, CO and $H_2$ were generated to Porous Cu electrode. On the other hand, the product of porous Cu/Graphene produced CO, $CH_4$ and $C_2H_4$. It is considered that the graphene causes longer carbon dioxide adsorption time, which means that the intermediates formed during the reaction remain on the electrode surface for a longer time. As a result, it can be concluded that the production reaction of the C2 compound could be continuously performed.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 2. 실온 조건에서 측정한 (a) PCu 샘플과 (b) PCuG 샘플의 Raman spectroscopy.
그림 Fig. 3. PCu 샘플과 PCuG 샘플의 Cyclic voltammetry(V vs. RHE).Scan rate 0.02 Vs⁻¹.
그림 Fig. 1. (a) PCu과 (b) PCuG의 SEM morphology.
그림 Fig. 4. (a) PCu와 (b) PCuG의 -1.0 V ~ -1.4 V 전압에 따른 전기 화학적 이산화탄소 환원 기체 생성물 발생량(μmol/m³).
표 Table 1. PCu 샘플과 PCuG 샘플의 전기화학적 이산화탄소 환원 기체 생성물 발생량. (인가전압 −1.4 V vs. RHE).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 구리의 이산화탄소 환원 특성을 향상시키기 위해 다공성 구조의 구리에 비교적 간단하고 저렴한 합성법인 CVD법을 사용하여²⁵⁾ 그래핀을 합성하였다.

제안 방법

0.1 M KHCO3 전해질 내에서 0.6 V ~ −1.4 V의 인가전압 하에서 3 전극법으로 측정하였다.
또한 마그네틱 바를 이용하여 200 rpm으로 stirring 시켰다. 10 분 동안 이산화탄소 전기화학 반응 후, 발생한 기체 성분은 Gas chromatography(Micro GC Fusion)로 분석하였다.
3 전극법으로 cyclic voltammetry (scan rate: 0.02 Vs−1) 분석을 하였다.
75 µm의 구리 파우더를 TCVD법을 통하여 PCu 구조를 형성하고, 그래핀을 합성하여 PCuG 구조를 만들었다.
Potentiostat (PARSTAT4000)을 이용하여 전기화학적 특성을 평가하였다. 3 전극법으로 cyclic voltammetry (scan rate: 0.
Thermal Chemical Vapor Deposition(TCVD)에 75 µm 구리 파우더를 석영 보트에 담아 넣어 수소 분위기(10−4 Torr)에서 furnace 온도를 60분 동안 1000°C까지 올려준 후 30분 동안 열처리하였다.
그래핀이 잘 합성되었는지 확인하기 위해 PCu 샘플과 PCuG 샘플의 표면을 Raman spectroscopy 분석을 진행하였고, Fig. 2에 그 결과를 나타내었다.
이후, 수소 분위기하 상온에서 자연냉각 시켜 Porous Cu(PCu) 샘플을 완성하였다. 그래핀이 함유된 PCu 샘플을제작하기 위해, 동일한 TCVD 방법으로 pCu 샘플 제작 후, 메탄가스를 탄소 공급원으로 사용하여 30분 동안 반응기 챔버에 공급하였다. 이후, 수소분위기하 상온에서 자연냉각 시켜 Porous Cu/Graphene (PCuG) 샘플을 완성하였다.
기공의 크기 및 형태를 확인하기 위해 PCuG, PCu 샘플의 표면을 관찰하였다.
위 샘플을 전극으로 제작하기 위하여 1.2 × 1.2 ×0.8 cm3 크기로 cutting 하였으며, 샘플 뒷면에 인듐으로 테플론으로 피복된 구리와이어와 ohmic contact을 형성시켰다.
8 cm³ 크기로 cutting 하였으며, 샘플 뒷면에 인듐으로 테플론으로 피복된 구리와이어와 ohmic contact을 형성시켰다. 접합부분의 전해질 내의 dissolution을 피하기 위해 에폭시 수지로 감싸고 에폭시 수지를 24 시간 동안 건조하여 충분히 굳을 수 있도록 하였다.
제작한 샘플의 표면 및 기공 크기를 확인하기 위하여, JSM-5400 Series Scanning electron microscopy(SEM) 장비를 이용하였고, Raman Spectra는 NRS-5000 Series Raman Spectrometer로 그래핀의 존재 유무를 확인하였다.

대상 데이터

구리전극 제작을 위한 고순도 구리(99.5%) 파우더는 Sigma-Aldrich에서 구입하였다. Thermal Chemical Vapor Deposition(TCVD)에 75 µm 구리 파우더를 석영 보트에 담아 넣어 수소 분위기(10⁻⁴ Torr)에서 furnace 온도를 60분 동안 1000°C까지 올려준 후 30분 동안 열처리하였다.
02 Vs⁻¹) 분석을 하였다. 기준전극은 Ag/AgCl/NaCl(sodium chloride saturated silver chloride electrode; SSSE,E^o_AgCl/Ag = 0.212 V vs. SHE), 상대전극은 직경 0.5 mm Pt 와이어 그리고 전해질은 160 ml의 0.1 M KHCO₃(pH=6.8)를 사용하였다. 전압은 Reversible hydrogen electrode(RHE) 기준으로 변환하였다.
본 연구는 구리의 이산화탄소 환원 촉매m특성을 향상시키기 위해 다공성 구조의 구리에 그래핀을 적용하였다. 75 µm의 구리 파우더를 TCVD법을 통하여 PCu 구조를 형성하고, 그래핀을 합성하여 PCuG 구조를 만들었다.
전기화학적 실험을 위해 밀폐형 H형 셀을 제작하였다. 이 때 셀의 재질은 투명한 glass로 하였으며 셀의 용량은 한쪽 셀의 부피를 기준으로 100 mL(총 200 mL)이다.

데이터처리

실제로 전기화학적 환원 능력이 향상되었는지 확인하기 위하여 cyclic voltammetry 분석을 진행하였고, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 0.

성능/효과

−1.0 V ~ −1.4 V의 인가전위로 전기화학 실험을 수행한 결과, 그래핀이 혼합된 다공성 구리 전극의 전류 밀도는 다공성 구리에 비해 1.8 배 이상 증가하였다.
(b) PCuG 샘플 모두 약 150 µm 크기의 열린 기공을 가진 다공성 구조가 잘 형성되었음을 확인할 수 있었다.
특히, 대기 중의 이산화탄소 농도의 증가는 지구 온난화 및 기후 변화와 관련된 가장 심각한 환경 문제이다.¹⁾ 지구온난화 방지를 위한 이산화탄소 고정화 기술로는 주로 접촉수소화에 의한 탄화수소의 제조가 주로 연구, 검토되고 있으나 값비싼 수소의 확보가 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 따라서 최근에는 지구 온난화 문제를 해결할 뿐만 아니라 동시에 탄소 재활용 방법으로써 이산화탄소의 전기화학적 환원기술이 각광받고 있다.
경쟁반응인 수소 가스를 제외한 생성 가스를 분석한 결과, PCu 전극에서는 −1.3 V, −1.4 V 전압에서 오직 CO만이 생성되었다(Fig.
인가전압 −1.4 V에서 전류밀도는 PCu 샘플의 경우−70 mA/cm2를 보이고, PCuG 샘플은 −130 mA/cm2로 1.8배 이상 증가한 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기화학적 환원방법은 어떤 방법인가?	이산화탄소 환원방법 중 하나인 전기화학적 환원방법은 외부로부터 직접 전기를 공급받아 이산화탄소를 환원하는 방법이다. 전기화학적인 방법이 반응온도가 낮기 때문에 기존의 이산화탄소 환원에 요구되는 고온, 고압의 조건보다 에너지 요구량이 적을 뿐 아니라 장치가 간단하다는 여러 장점을 지니고 있다.
	전기화학적 환원방법은 어떤 장점이 있는가?	이산화탄소 환원방법 중 하나인 전기화학적 환원방법은 외부로부터 직접 전기를 공급받아 이산화탄소를 환원하는 방법이다. 전기화학적인 방법이 반응온도가 낮기 때문에 기존의 이산화탄소 환원에 요구되는 고온, 고압의 조건보다 에너지 요구량이 적을 뿐 아니라 장치가 간단하다는 여러 장점을 지니고 있다.
	이산화탄소 환원 장치는 무엇으로 구성되는가?	이산화탄소 환원 장치는 물 산화 반응으로 산소를 생성해내는 양극과 이산화탄소를 환원하여 탄화수소물을 만들어내는 음극으로 구성되며, 반응물(물, 이산화탄소, 양성자)은 양극과 음극 사이의 이산화탄소 포화 수용액을 통해 제공된다. 또한, 생성물의 교차 현상과 역반응을 막기 위해 분리막이 사용된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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