The intensification of global warming and climate change, induced by the discharge of carbon dioxide into the atmosphere through fossil fuel usage, has urged the dire need to restrict its use. Nonetheless, when copious amounts of energy are required, such as in factory operations, an innovative methodology of transforming the emitted carbon dioxide into high-value-added materials, such as multi-carbon (C2+) compounds, is imperative. In this regard, electrochemical carbon dioxide reduction (CO2RR) has been widely studied due to its economic advantages and the fact that it can be carried out at room temperature and pressure. However, the hydrogen evolution reaction proceeds together in an aqueous electrolyte solution, and the complexity of the C2+ production pathway poses significant challenges in understanding the reaction mechanism. In this Ph.D. dissertation, the design of organic layers on the copper (Cu) catalyst surface is studied to improve the selectivity and the understanding of the reaction mechanism in CO2RR. Chapter 2 outlines the manipulation of the density of organic capping ligands on Cu nanoparticles, elucidating the correlation between the shielding rate of the ligand and the selective production of multi-carbon materials and the morphological transformation of nanoparticles during electrocatalysis. Chapter 3 describes the development of a four nm-thick nanofilm of an organic framework containing triazine moiety, coating planar Cu catalyst. In addition, operando spectroscopic analysis using infrared and Raman spectroscopy was carried out to study the inhibition of hydrogen evolution reaction and the generation of C2+ intermediate species on the well-defined, two-dimensional catalyst surface during electrochemical CO2RR.
화석연료 사용으로 인한 대기 중의 이산화탄소 배출로 지구 온난화 및 기후변화가 악화되고 있다. 이를 해결하기 위해 화석연료의 사용 제한이 필수적이지만, 공장 가동 등 필수불가결하게 큰 에너지를 필요로 할 경우는 배출되는 이산화탄소를 전환하는 방법이 필요하다. 특히 이산화탄소를 다탄소계 (C2+) 화합물 등의 산업에 필요한 고부가가치 물질로 전환하는 전략은 매우 유용하다. 전기화학을 이용한 이산화탄소 환원반응 (CO2RR)은 상온 상압에서 진행되고 경제적인 장점으로 많은 연구가 진행되었다. 하지만 수계 전해액에서 수소발생반응이 함께 진행될 수 있으며, 다탄소 화합물 형성의 복잡한 반응으로 인해 반응 메커니즘에 대한 이해도가 낮다. 본 박사 논문은 구리(Cu) 촉매와 표면의 유기층을 디자인하여 이산화탄소 환원반응의 선택성 및 반응 메커니즘을 연구한 결과이다. 챕터 2에서는 구리 나노입자 표면에 유기 캡핑 리간드의 밀도를 조절하였다. 전기화학 이산화탄소 환원반응에서 리간드의 차폐율에 따른 다탄소 분자의 선택적인 생성 및 전기화학 반응 시 구리입자의 형태 변화의 상관관계를 연구하였다. 챕터 3에서는 트라이아진 단위체를 포함하는 4 nm 두께의 나노필름 유기골격 구조체를 평판형 구리에 코팅한 촉매를 개발하였다. 전기화학 이산화탄소 환원반응에서 실시간 적외선 및 라만 분광분석을 통하여 잘 정의된 이차원 촉매 상에서 다탄소계 화합물 생성 반응 중간체 및 수소 발생 반응의 억제를 연구하였다.
