Ceria (CeO$_2$) is one of the most widely used metal oxides of the rare earth metals. Crucially, ceria has synergistic effects with various active metals via strong metal–support interactions. As a result, it is attracting attention as a catalyst material for the electrochemical CO$_2$ reduction reaction (eCO$_2$RR). Cu-ceria composites are known to have close interactions between adjacent Cu and Ce atoms. For example, not only can charge transfer between Cu atoms and ceria occur, but Cu metal loaded on the ceria catalyst support can be uniformly dispersed from nanometer scale to single atom scale. However, in-depth studies are needed to utilize the properties at the catalyst interface. In this study, Cu-ceria nanomaterials were synthesized and analyzed at each step of the synthetic process, and the change in interface properties was analyzed in detail by giving variables such as defect and morphology change of the ceria support. Through this, a comprehensive understanding of the Cu/ceria interface as well as high efficiency as an electrochemical carbon dioxide reduction catalyst were achieved.
세리아(CeO$_2$)는 희토류 금속 중 가장 널리 사용되는 금속 산화물 중 하나로서, 강력한 금속 지지체 상호 작용(Strong Metal-Support Interaction, SMSI)을 통해 다양한 활성 금속과 시너지 효과를 나타낸다. 이러한 특성때문에 전기화학적 CO$_2$ 환원반응(eCO$_2$RR)을 위한 촉매 소재로 주목받고 있다. 구리-세리아 복합체는 인접한 구리와 세륨 원자 사이에 밀접한 상호작용을 하는 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 구리 원자와 세리아 사이에서 전하 이동이 발생할 뿐만 아니라, 세리아 촉매 지지체에 로딩된 구리 금속은 나노미터 규모에서 단일 원자 규모로 균일하게 분산될 수 있다. 그러나 아직까지 물리, 화학적 인자의 조절에 따른 구리/세리아 복합체 계면에서 특성변화에 대한 연구는 부족하며, 이에 해당하는 특성들을 활용하기 위해서는 구리/세리아 계면에 대한 심층적이고 종합적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 다양한 형태의 구리-세리아 나노물질을 합성하고 각 합성단계마다의 변화를 자세히 들여다 보았으며, 세리아 지지체의 결함 및 형태 변화와 같은 변수를 부여하여 계면 특성의 변화를 상세하게 분석하였다. 이를 통해 구리/세리아 계면에 대한 포괄적인 이해를 얻을 수 있었을 뿐 아니라. 전기화학적 이산화탄소 환원 촉매로서의 높은 효율 또한 달성할 수 있었다.
