$CO_2$ is a major contributor to global warming and greenhouse effect. To reduce the accumulation of $CO_2$ in the atmosphere, various strategies for $CO_2$ conversion into fuels have been developed. Photoelectrochemical and electrochemical system is highly desirable due to its ambient reaction conditions, high energy efficiency and sustainability. However, since $CO_2$ is extremely stable, the primary obstacle for success these systems is to find suitable catalyst having good catalytic activity, selectivity, and stability. Herein, design strategies of catalysts for highly efficient photoelectrochemical and electrochemical $CO_2$ reduction are developed and their catalysis are also investigated using physical characterizations, electrochemical analyses, theoretical calculation, and etc. As a cathode material for a photoelectrochemical system, i) various transition metals decorated layered $CuO/Cu_2O$ films and ii) polypyrrole-coated p-ZnTe electrode (PPy/ZnTe) were developed and their catalytic activities were investigated. Deposition of the transition metals and polypyrrole effectively enhanced $CO_2$ con-version to fuel in terms of faradaic efficiency and production rate. In electrochemical $CO_2$ reduction system, the correlations of $CO_2$ conversion selectivity on Sn and Zn electrodes with their chemical and crystal structures are demonstrated. Based on this design strategy, i) a hierarchical Sn dendrite electrode with high oxygen content and ii) hexagonal Zn catalyst with high (101) concentration was synthesized. Furthermore, both of these elec-trodes exhibits a superior production rate with high selectivity and unprecedented stability toward $CO_2$ reduc-tion reaction.
이산화탄소를 연료로 변환하여 재사용하는 기술은 에너지 고갈문제와 환경문제의 해결책으로 주목 받고 있다. 하지만 이산화탄소는 안정한 물질이므로 이의 변환에는 높은 에너지 장벽이 존재한다. 따라서 높은 활성 및 선택성을 가지는 촉매를 개발하는 것이야 말로 가장 우선순위로 해결해야 할 과제이다. 본 연구에서는 이산화탄소변환 시스템 중 전기화학적 . 광전기화학적 시스템에서 사용되는 전극촉매를 개발하고 그에 대한 특성 평가 및 반응 메커니즘 등을 다양한 물성 평가 및 전기화학 분석, 이론 계산 등을 통하여 규명하였다. 광전기화학적 이산화탄소 환원을 위한 양극 촉매로서 1)산화구리를 층상구조로 제작한 필름 위에 전이금속을 증착한 촉매 및 2)폴리피롤을 증착한 징크텔루라이드 등을 개발했고 이러한 개선 전략이 물질의 성능을 효율적으로 향상시킴을 증명했다. 전기화학적 시스템에서는 주석과 아연의 전극을 사용했을 때 이산화탄소 환원 선택성이 각각의 화학적 . 결정적 구조와 상호 연관관계가 있음을 규명했다. 이런 디자인 전략을 바탕으로 1)산소함유량이 많은 덴드라이트 형태의 주석과 2)(101) 면이 많은 육각형 구조의 아연 촉매를 각각 제작하였다. 두 전극 촉매 모두 뛰어난 반응 선택성 및 반응물 생성속도를 보였으며 무엇보다도 장시간 반응에 안정적인 성능을 나타냈다.
