Electrochemical $CO_2$ reduction reaction ($CO_2$RR) has been emerging as a key method for reducing the concentration of $CO_2$ in the atmosphere, which has been rapidly increasing since the industrial revolution. Ethanol has attracted a lot of attention due to its high energy density, but exhibited low selectivity. Various Cu-based catalysts have been developed to increase the selectivity of ethanol. Copper-zinc alloy catalysts have been recently investigated for enhanced ethanol production due to the alloying effect in addition to the low toxicity and price of zinc. However, as many products can be produced on copper-zinc alloy catalyst, the necessity for research on it has increased.
In this dissertation, the causes were suggested by analyzing the products from $CO_2$RR on the copper-zinc alloy catalyst. In chapter 1, we introduce the need for improvement of $CO_2$RR performance on the copper-zinc alloy, which is known as a means to solve the problem of increasing $CO_2$ in the atmosphere. In chapter 2, the improvement of ethanol production on copper-zinc alloys with controlled various factors such as facet, crystal structure, and morphology is investigated by dividing it into electronic and geometric ensemble effects. Chapter 3 presents an analysis of the reduction process of copper zinc oxide and key factor for ethanol production improvement from $CO_2$RR on it.
전기 화학적 이산화탄소 환원 반응은 산업혁명 이후 급격히 증가하고 있는 공기 중에 이산화탄소 농도를 줄이기 위한 핵심적인 방법으로 대두되고 있다. 에탄올은 높은 에너지 밀도로 많은 관심을 받고 있으나 선택도가 낮다. 에탄올의 선택도를 높이기 위해 다양한 구리 기반 촉매가 개발되고 있다. 구리아연 합금 촉매는 아연의 낮은 독성과 저렴한 가격에 더해 합금 효과로 최근 에탄올 생산 향상에 연구되고 있다. 그러나, 구리아연 합금 촉매에서의 다양한 생산물이 나타남에 따라 이에 대한 연구의 필요성이 높아져 왔다.
이 논문에서는 구리아연 합금 촉매에서의 이산화탄소 환원 반응을 통한 생산물 분석을 하여 그 원인을 제시한다. 1 장에서는 공기 중의 이산화탄소의 증가 문제를 해결할 수 있는 수단으로 알려진 전기화학적 이산화탄소 환원 반응에 대한 구리아연 합금의 성능 개선 필요성에 대해 기술한다. 2 장에서는 결정면이나, 결정 구조, 형태 등과 같은 다양한 변수가 제어된 구리아연 합금에서의 에탄올 생산 증가를 전자적 효과와 기하학적 효과로 나누어 분석한다. 3 장에서는 구리아연 산화물을 환원시키는 과정에서의 분석을 제시하며 구리아연 산화물에서의 이산화탄소 환원반응을 통한 에탄올 생산 향상에 대한 핵심 요인을 분석한다.
