The utilization of fossil fuels has provided comfort to humanity, yet the extensive release of carbon dioxide has led to a rise in global temperatures. Presently, electrochemical CO$_2$ reduction reactions are extensively explored using diverse catalysts. However, the initial application in a basic environment to suppress hydrogen evolution reactions has resulted in challenges related to carbon efficiency and product cross-over issues due to anion penetration through anion exchange membrane. In this research, we have synthesized a highly selective nickel single-atom catalyst by incorporating nitrogen atoms onto a carbon black support. The effective dispersion of nickel atoms is confirmed through various analytical techniques. EXAFS analysis has revealed a metal-nitrogen peak at 1.6 Å without the typically observed metal-metal peak at 2.1 Å. The CO$_2$RR activity of the synthesized catalyst is evaluated in various types of electrolyzer, demonstrating a CO faradaic efficiency exceeding 15% in a H-cell and 50% in a flow-cell, even in a phosphate buffer at pH 2. The introduction of K+ cations further elevates the catalyst's selectivity to 90% in the same pH environment. This catalyst development holds the potential to be a crucial advancement for designing an acidic reactor, enhancing carbon efficiency, and optimizing the performance of the CO$_2$ electrolyzer by preventing the penetration of produced anions through the membrane.
화석연료 기반의 산업화 이후 온실가스 배출량의 급격한 증가는 지구온난화 및 이상 기후 현상을 야기하였다. 이를 완화하기 위하여 촉매 반응을 활용해 이산화탄소를 다양한 고부가가치 생성물로 전환하여 실제 공정이나 연료로 사용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 음이온 교환막 기반 이산화탄소 전해조의 경우 촉매 표면의 산성도를 낮추어 높은 전환 효율을 나타내지만, 반응물 (탄산염으로 전환된 형태) 및 생성물이 분리막을 투과하여 유실되기 때문에 경제성이 낮을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 질소 도핑을 통해 비귀금속 입자를 단일 원자 형태로 탄소 지지체에 분산시킨 촉매를 합성하였고, 전자 투과 현미경 및 X선 흡수 분광학 등의 다양한 분석법을 활용하여 원자 형태로 잘 분산되어 있음을 입증하였다. 이후 삼전극시스템(반쪽전지, H형 전해조, 기체확산전극 기반 전해조)에서 이산화탄소 환원 반응에 대한 활성을 평가하였고, 생성물에 대한 가스 크로마토그래피 분석을 통하여 일산화탄소 생성 반응에 대한 페러데이 효율을 계산하였다. 인산 완충 용액을 활용한 일정한 산성도에서의 삼전극시스템 실험 결과 니켈 단일 원자 촉매가 산성 조건에서 금 촉매나 철 단일 원자 촉매에 비해 높은 활성과 선택성을 나타냈다.
