Electrocatalytic $CO_2$ reduction (e$CO_2$R) has been highlighted as a novel strategy to mitigate the emission of $CO_2$ and to store renewable energy as a form of organic fuels simultaneously. In this study, $SnO_x$-doped carbon nanotubes were fabricated to the conductive and permeable hollow-fiber electrodes (Sn-CHM), and operated in gas-phase mode to overcome the dependence of catalysts on precious metals (e.g., silver, gold) and the low current density, which represents reaction rate during the CO production from the e$CO_2$R. Due to the enhanced $CO_2$ mass transport in gas-phase operation compared to conventional liquid-phase mode, Sn-CHM achieved the highest CO selectivity and current density among previously reported Sn-based electrodes. From the computational calculation based on the density functional theory (DFT), the highly charged surface of the Sn-CHM as a result of even distribution of SnOx particles on CNT structures significantly reduced the adsorption energy and stabilized key intermediates of the e$CO_2$R for CO production. The highest conversion efficiency and current density for syngas production among non-noble metals based catalysts were achieved by controlling operational parameters including $SnO_x$ loading, flow rate of $CO_2$ gas, and pH of electrolyte in the e$CO_2$R, and this was achieved under low overpotential comparing to noble metals.
전기화학적 이산화탄소 전환 공정은 이산화탄소 전환을 통한 온실가스의 감축과 신재생 에너지를 탄소원으로 저장할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 전기화학적인 일산화탄소로의 전환과정에서 고가의 귀금속 촉매에 의한 비용 문제와 전환과정의 낮은 효율을 극복하기 위하여 나노크기의 주석산화물 입자가 부착된 탄소나노튜브를 이용한 중공사막형태의 투과형 전극을 제조하였다. 신개념의 기체투과형 전극이 결합된 전기화학적 이산화탄소 전환공정을 평가한 결과, 중공사막 형태의 탄소나노튜브 전극은 기존전극의 액체접촉형 반응의 물질전달 한계를 극복하였고, 현재까지 보고된 주석 촉매들과 비교할 때 가장 높은 일산화탄소 선택성을 나타냈다. DFT 이론을 이용한 전산모사 결과, 기체투과형 전극은 나노크기의 주석 산화물 입자가 높은 표면 전하를 나타내는 탄소나노튜브에 고르게 분포되어 있고, 이로 인해 초기 이산화탄소 흡착에너지를 낮추어 일산화탄소 생성 반응을 촉진한 것으로 나타났다. 주석 산화물의 부착량, 이산화탄소 유량 및 전해질의 pH와 같은 다양한 공정 운영 조건을 조절한 결과, 귀금속 기반 촉매보다 낮은 에너지를 이용하여 산업적 가치가 높은 합성가스 생산에 대한 전류 밀도를 향상시킬 수 있었다.
