Increasing fossil fuel consumption and greenhouse gas emissions due to increased energy demand cause serious climate change. Especially, carbon dioxide is the substance that accounts for the largest portion of greenhouse gases. Therefore, there are many efforts to develop methods that collect and convert waste carbon dioxide gases into value-added products. In addition, research to reduce greenhouse gas emissions by developing next-generation batteries which uses environmentally benign resources such as oxygen is also active. In this thesis, the design and \textit{in-situ} analysis of electrocatalysts for efficient energy conversion and storage of the electrochemical carbon dioxide reduction and non-aqueous lithium-oxygen batteries are discussed. In this research, ultra-thin layered copper was uniformly covered on the entire surface of the porous silver metal framework structure by the pulse electrodeposition method. The manufactured catalyst has high activity and selectivity towards ethanol at moderate overpotential when it was applied to the electrochemical carbon dioxide reduction reaction. Next, charging and discharging processes of non-aqueous lithium-oxygen batteries with various catalysts and metal electrodes were analyzed through the in-situ quantitative gas analysis using online electrochemical mass spectrometry for a better understanding of underlying electrochemical reactions. Through the \textit{in-situ} quantitative gas analysis, we could understand the reason for side reactions occurring in lithium-oxygen batteries.
에너지 수요의 증가로 인한 화석 연료의 사용량 증가 및 온실가스의 배출은 심각한 기후변화를 초래하고 있다. 그 중, 이산화탄소는 온실가스 중 가장 많은 비중을 차지하는 물질이기 때문에 이를 포집하여 고부가가치의 물질로 전환하는 연구에 대한 관심이 높다. 또한 산소와 같은 환경친화적 자원을 이용한 차세대 배터리를 개발하여 온실가스 배출을 줄이고자 하는 연구 또한 활발하다. 본 논문은 전기화학적 이산화탄소의 환원반응 및 비수계 리튬-산소 전지의 효율적인 에너지 변환 및 저장을 위한 전기촉매의 설계 및 실시간 분석을 주제로 한다. 본 연구에서는 먼저 펄스 전착법을 이용하여 초박막 두께의 구리를 은 다공성 금속 프레임 구조 표면에 균일하게 성장시킬 수 있음을 보였고, 제작된 촉매를 전기화학적 이산화탄소 환원반응에 적용한 결과 에탄올에 대한 높은 활성 및 생성 선택성을 가짐을 확인하였다. 다음으로, 온라인 전기화학 질량분석 시스템을 이용한 실시간 정량 가스 분석을 통해 다양한 촉매 및 금속 전극 조건 하에서 진행되는 비수계 리튬-산소 전지의 충방전 구동 중 일어나는 전기화학 반응을 이해하고, 반응 중 발생하는 부반응의 원인을 파악하여 이를 해결할 수 있는 방안을 제시하였다.
