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KR20190094651A - Catalyst for carbon dioxide conversion and method for manufacturing thereof - Google Patents

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KR20190094651A
KR20190094651A KR1020180014059A KR20180014059A KR20190094651A KR 20190094651 A KR20190094651 A KR 20190094651A KR 1020180014059 A KR1020180014059 A KR 1020180014059A KR 20180014059 A KR20180014059 A KR 20180014059A KR 20190094651 A KR20190094651 A KR 20190094651A
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KR
South Korea
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catalyst
catalyst layer
layer
raw material
carbon dioxide
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Withdrawn
Application number
KR1020180014059A
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Korean (ko)
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지광선
계정일
김광헌
김동백
임은자
Original Assignee
엘지전자 주식회사
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Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
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Priority to PCT/KR2019/001042 priority patent/WO2019151715A1/en
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Abstract

본 발명은 이산화탄소를 분해하여 유용한 전환물로 환원할 때 이용되는 전기화학 셀과 상기 셀 내의 음극용 전극에 사용되는 촉매에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 전기 전도도를 가지는 담체; 이산화탄소가 탄화수소로 전환되며 +1가의 Cu 이온을 포함하는 화합물인 주촉매; 상기 주촉매에 산소 또는 산소 이온을 공급하는 보조촉매;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매를 제공함으로써, 이산화탄소를 전환하여 C2 이상의 탄화수소 화합물을 선택적이고 안정적으로 생성할 수 있어 그로 인해 내구성을 갖춘 촉매를 제공할 수 있다.
The present invention relates to an electrochemical cell used to decompose carbon dioxide to a useful conversion and to a catalyst used for the electrode for the cathode in the cell.
According to the present invention, a carrier having an electrical conductivity; A main catalyst which is a compound in which carbon dioxide is converted to a hydrocarbon and contains +1 valent Cu ions; By providing a catalyst characterized in that it comprises a secondary catalyst for supplying oxygen or oxygen ions to the main catalyst, by converting carbon dioxide to produce a hydrocarbon compound of C2 or more selectively and stably, thereby providing a catalyst with durability Can provide.

Description

이산화탄소 전환용 촉매 및 그 제조 방법{CATALYST FOR CARBON DIOXIDE CONVERSION AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}Catalyst for carbon dioxide conversion and its manufacturing method {CATALYST FOR CARBON DIOXIDE CONVERSION AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 촉매에 관한 발명으로, 특히 이산화탄소를 분해하여 유용한 생성물로 전환할 때 이용되는 전기화학 셀과 상기 셀 내의 음극용 전극에 사용되는 촉매에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to catalysts, and in particular, to electrochemical cells used to decompose carbon dioxide and convert them into useful products, and to catalysts used for the electrodes for cathodes in the cells.

산업이 발달함에 따라 에너지 사용이 크게 증가하고, 이에 따라 화석 연료를 포함한 탄화수소류의 사용량도 급격히 증가하고 있다. 모든 탄화수소류는 기본적으로 일정 비율의 탄소 및 수소로 되어 있어, 이들이 연소될 때는 필연적으로 이산화탄소를 발생시키게 된다.As the industry develops, energy use is greatly increased, and accordingly, the use of hydrocarbons including fossil fuels is also rapidly increasing. All hydrocarbons are basically in a certain proportion of carbon and hydrogen, which inevitably generates carbon dioxide when they are burned.

그런데 이산화탄소는 지구 온난화의 주요 요인으로 알려져 있어, 이에 따라 전세계적으로 이산화탄소 저감은 매우 중요한 이슈로 부각되어 왔다.However, since carbon dioxide is known as a major factor of global warming, the reduction of carbon dioxide has emerged as a very important issue worldwide.

한편 국내에는 산업 기반시설인 화학공장, 제철소, 시멘트 공장들이 많이 소재하는데, 이러한 시설들은 특히 이산화탄소를 많이 배출시키고 있다.On the other hand, there are many industrial plants, chemical plants, steel mills, and cement plants, which emit a lot of carbon dioxide.

발생된 이산화탄소를 제거하는 방법으로 최근에 들어, 이산화탄소에 에너지를 인가하면 탄소화합물과 산소와 같은 유용한 자원으로 변환시켜주는 전환기술이 큰 주목을 받고 있다. 이러한 전환기술은 고온에서 압력을 가하거나 촉매를 이용하는 방법 등을 사용할 수 있다.Recently, as a method of removing the generated carbon dioxide, the conversion technology that converts energy into carbon dioxide and useful resources such as oxygen has attracted great attention. Such a conversion technique may use a method of applying pressure at a high temperature or using a catalyst.

이러한 전환기술들 가운데 촉매를 사용하는 방법은, 장치 및 방법 자체가 매우 간단하고 신재생 에너지로부터 생산된 전기를 그대로 사용할 수 있으며 상업적인 규모로까지 스케일 업(scale up)이 매우 쉽다는 많은 장점이 있다. 또한 촉매를 사용하는 방법은 다양한 종류의 탄소화합물들을 선택적으로 생성할 수 있다는 장점도 있다Among these conversion techniques, the method of using a catalyst has many advantages that the apparatus and the method itself are very simple, can use electricity produced from renewable energy as it is, and it is very easy to scale up to a commercial scale. . In addition, the method using a catalyst has the advantage that it can selectively produce various kinds of carbon compounds.

반면 상기 촉매를 사용하는 방법이 실용화까지 진행되기 위해서는 실용성이 우수한 에틸렌, 에탄올, 프로판올 및 부탄올과 같은 C2 이상의 유용한 탄화수소를 안정적이고 지속적으로 생산할 수 있어야 한다. On the other hand, in order for the method using the catalyst to be put into practical use, it is necessary to be able to stably and continuously produce useful hydrocarbons of C2 or more such as ethylene, ethanol, propanol and butanol having excellent practicality.

특히 최근 들어 Cu와 Cu2O 같은 일부 촉매들이 C2 이상의 탄화수소 생성에 효과를 보이는 것으로 보고되어 주목을 받고 있다.Recently, some catalysts such as Cu and Cu 2 O have been reported to have an effect on the generation of hydrocarbons of C2 or more have attracted attention.

그러나 Cu 촉매의 경우 이산화탄소의 환원반응으로 생성되는 생성물 중 CH4가 C2H4보다 생성 비율이 더 높다는 문제가 있는 것으로 알려져 있다. However, in the case of Cu catalyst, it is known that there is a problem that CH 4 has a higher generation rate than C 2 H 4 in the product generated by the reduction reaction of carbon dioxide.

한편 Cu2O 촉매의 경우 C2H4의 생성비율이 CH4보다 높지만, 촉매 반응이 진행됨에 따라 +1가의 Cu 이온으로부터 Cu 원자로의 환원이 일어나게 되고 그로 인해 C2H4로의 전환효율이 지속적으로 감소되는 문제가 있다. On the other hand, in the case of the Cu 2 O catalyst, the production rate of C 2 H 4 is higher than that of CH 4 , but as the catalytic reaction proceeds, reduction of Cu atoms from + monovalent Cu ions occurs, thereby resulting in continuous conversion efficiency to C 2 H 4 . There is a problem that is reduced to.

결국 촉매를 이용하여 이산화탄소를 C2 이상의 탄화수소로 선택적이고 안정적으로 전환시키기 위해서는, Cu 촉매에서 C2 이상의 탄화수소로의 전환율을 높이는 것이 필요하다.As a result, in order to selectively and stably convert carbon dioxide to C2 or more hydrocarbons using a catalyst, it is necessary to increase the conversion rate of Cu catalyst to C2 or more hydrocarbons.

따라서 본 발명에서는 이산화탄소에서 C2 이상의 탄화수소로의 전환율이 높은 Cu 촉매를 발명하고자 한다.Therefore, the present invention intends to invent a Cu catalyst having a high conversion rate from carbon dioxide to C2 or more hydrocarbons.

본 발명은 이산화탄소의 분해에 사용되는 전기화학적 셀(cell)에서 환원이 일어나는 음극(cathode)용 촉매에 있어서, C2 이상의 탄화수소 생성에 유리한 결정학적 우선 배향성을 가지는 표면 구조를 포함하는 새로운 촉매를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a novel catalyst comprising a surface structure having a crystallographic preferential orientation for the production of C2 or more hydrocarbons in a catalyst for a cathode in which reduction occurs in an electrochemical cell used for the decomposition of carbon dioxide. For the purpose of

또한 본 발명은 촉매의 표면에서 서로 다른 계면(interface) 또는 입계(grain boundary) 특성을 가짐으로써 C2 이상의 탄화수소 생성에 유리한 새로운 촉매를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide new catalysts which are advantageous for the production of hydrocarbons above C2 by having different interface or grain boundary properties at the surface of the catalyst.

한편 본 발명에서는 별 다른 고가의 장비나 공정 없이도 기존의 금속분야에서 통상적이고 상업적으로 널리 사용되는 장비나 공정을 이용하여 경제적이면서 상업적 규모로 스케일 업(scale up)이 용이한 촉매의 제조 방법을 제공하고자 한다.On the other hand, the present invention provides a method for producing a catalyst that is easy to scale up on an economical and commercial scale using equipment or processes commonly used in the existing metal field without expensive equipment or processes. I would like to.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, {100} 면을 우선 방위로 가지는 Cu 다결정 베이스를 포함하는 제1 촉매층; 상기 제1 촉매층 상에 위치하며, Cu로 이루어진 다결정 층을 포함하는 제2 촉매층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 촉매가 제공될 수 있다.In order to solve the above technical problem, according to an aspect of the present invention, the first catalyst layer comprising a Cu polycrystalline base having a {100} plane in the first direction; A second catalyst layer is disposed on the first catalyst layer and includes a polycrystalline layer made of Cu. The complex catalyst may be provided.

바람직하게는 상기 Cu 다결정 베이스에서의 {100} 면의 분율은 30% 이상인 것;을 특징으로 하는 복합 촉매가 제공될 수 있다.Preferably, the fraction of the {100} plane in the Cu polycrystalline base is 30% or more; a composite catalyst may be provided.

바람직하게는 상기 제2 촉매층에서의 다결정 층은 우선 방위가 형성되지 않은 것;을 특징으로 하는 복합 촉매가 제공될 수 있다.Preferably, the polycrystalline layer in the second catalyst layer may be provided with a composite catalyst, characterized in that the orientation is not formed first.

또는 상기 제2 촉매층에서의 다결정 층은 {111} 또는 {110}면의 우선 방위를 가지는 것;을 특징으로 하는 복합 촉매가 제공될 수 있다.Alternatively, the polycrystal layer in the second catalyst layer may have a preferred orientation of {111} or {110} planes.

바람직하게는, 상기 제1 촉매층과 상기 제2 촉매층 사이에는 높이차 또는 단차를 형성한 표면 구조를 가지는 것;을 특징으로 하는 복합 촉매가 제공될 수 있다.Preferably, a complex catalyst may be provided between the first catalyst layer and the second catalyst layer having a surface structure in which a height difference or a step is formed.

바람직하게는 제 2촉매층은 도트(dot)와 같은 0차원 구조 또는 와이어(wire), 바늘(needle), 및 가는 기둥(column)의 1차원 구조 또는 박막, 아일랜드 형태의 2차원 구조인 것;을 특징으로 하는 복합 촉매가 제공될 수 있다.Preferably, the second catalyst layer is a 0-dimensional structure such as a dot or a 1-dimensional structure of a wire, a needle, and a thin column, or a 2-dimensional structure of a thin film or an island; A complex catalyst characterized in that may be provided.

바람직하게는, 상기 복합 촉매는 촉매 내부에 산소, 질소, 또는 수소 중 하나이상의 원소를 포함하는 것;을 특징으로 하는 복합 촉매가 제공될 수 있다. Preferably, the complex catalyst may be provided with a complex catalyst, characterized in that containing at least one element of oxygen, nitrogen, or hydrogen in the catalyst.

바람직하게는, 상기 복합 촉매는 촉매 내부에 Cu 산화물, Cu 질화물, Cu 산질화물 또는 Cu 수산화물 중 하나 이상을 포함하는 것;을 특징으로 하는 복합 촉매가 제공될 수 있다.Preferably, the complex catalyst may be provided with a complex catalyst comprising at least one of Cu oxide, Cu nitride, Cu oxynitride or Cu hydroxide in the catalyst.

바람직하게는, 상기 제1 촉매층과 제2 촉매층은 각각 서로 다른 원소를 포함하는 것;을 특징으로 하는 복합 촉매가 제공될 수 있다.Preferably, the first catalyst layer and the second catalyst layer may each include a different element; a complex catalyst may be provided.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 촉매층을 구성하는 Cu 원재료를 준비하는 단계; 상기 Cu 원재료를 변형시키는 1차 가공 단계; 상기 Cu 원재료 상에 제2 촉매층을 형성하는 2차 가공 단계; 소둔 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 촉매의 제조 방법이 제공될 수 있다.According to another aspect of the invention, the step of preparing a Cu raw material constituting the first catalyst layer; A primary processing step of deforming the Cu raw material; Forming a second catalyst layer on the Cu raw material; Annealing step; may be provided a method for producing a composite catalyst comprising a.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 촉매층을 구성하는 Cu 원재료를 준비하는 단계; 상기 Cu 원재료를 동적 재결정 시키는 1차 가공 단계; 상기 Cu 원재료 상에 제2 촉매층을 형성하는 2차 가공 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 촉매의 제조 방법이 제공될 수 있다.According to another aspect of the invention, preparing a Cu raw material constituting the first catalyst layer; A primary processing step of dynamically recrystallizing the Cu raw material; The secondary processing step of forming a second catalyst layer on the Cu raw material; may be provided a method for producing a composite catalyst comprising a.

바람직하게는, 상기 1차 가공 단계는 멀티 패스(multi-pass) 압연인 것;을 특징으로 하는 복합 촉매의 제조 방법 이 제공될 수 있다.Preferably, the primary processing step is a multi-pass (multi-pass) rolling; it can be provided a method for producing a composite catalyst characterized in that.

바람직하게는, 상기 2차 가공 단계는 증착, 도금, 또는 인쇄 중 하나 이상의 공정을 포함하는 것;을 특징으로 하는 복합 촉매의 제조 방법 이 제공될 수 있다.Preferably, the secondary processing step may include a process of one or more of deposition, plating, or printing; may be provided a method for producing a complex catalyst characterized in that.

본 발명의 우선 배향성을 가지는 표면 구조를 포함하는 촉매에 따르면, 이산화탄소를 분해함에 있어 유용한 탄화수소를, 구체적으로 C2 이상의 탄화수소 화합물을, 다른 탄화수소 대비 보다 높은 비율로 선택적으로 생성할 수 있다.According to the catalyst comprising the surface structure having preferential orientation of the present invention, hydrocarbons useful for decomposing carbon dioxide, specifically C2 or more hydrocarbon compounds, can be selectively produced in a higher proportion than other hydrocarbons.

이를 통해 다른 촉매들 대비 C2 이상의 탄화수소의 생성에 유리한 촉매를 얻을 수 있다.Through this, it is possible to obtain a catalyst that is advantageous for the production of C2 or more hydrocarbons compared to other catalysts.

또한 본 발명의 촉매는 표면에 서로 다른 계면 내지는 입계를 많이 포함함으로써, 상기 계면 내지는 입계에서의 C2 탄화수소 형성 이합체화 반응(dimerization)이 반응속도나 열역학적 에너지 측면에서 보다 조장되는 효과를 가진다.In addition, since the catalyst of the present invention includes many different interfaces or grain boundaries on the surface, C2 hydrocarbon-forming dimerization at the interface or grain boundaries is more enhanced in terms of reaction rate or thermodynamic energy.

또한, 본 발명의 촉매의 제조 방법을 통해, 통상의 금속분야에서 상업적으로 쉽게 이용 가능한 장비 및 공정을 적용하여 이산화탄소 전환 효율이 우수한 촉매를 제조할 수 있다.In addition, through the production method of the catalyst of the present invention, it is possible to prepare a catalyst having excellent carbon dioxide conversion efficiency by applying equipment and processes that are readily commercially available in the conventional metal field.

이를 통해 본 발명의 촉매의 제조 방법은 경제성이 뛰어나고 스케일 업이 손쉬운 장점을 가진다.Through this method of producing a catalyst of the present invention has the advantage of excellent economy and easy scale-up.

한편, 본 발명의 또 다른 촉매의 제조 방법은 별도의 후속 열처리 없이도 C2 이상의 탄화수소 전환 효율이 우수한 촉매를 생산할 수 있다.On the other hand, another method for producing a catalyst of the present invention can produce a catalyst excellent in hydrocarbon conversion efficiency of C2 or more without a separate subsequent heat treatment.

그로 인해 본 발명의 촉매 제조 방법은, 열처리라는 긴 시간과 에너지가 소모되는 단위 공정을 생략할 수 있어 생산성과 경제성이 매우 뛰어난 효과를 가진다. Therefore, the catalyst manufacturing method of the present invention can omit a unit process that consumes a long time and energy, such as heat treatment, and has an effect of very excellent productivity and economy.

도 1은 이산화탄소를 분해하여 환원하기 위한 전기화학적 셀의 모식도이다.
도 2는 Cu 및 Cu 이온의 표면에서 이산화탄소가 분해될 때 생성되는 탄화수소의 종류별 비율을 도시한 것이다.
도 3은 Cu 촉매를 이용하여 탄소수 2(C2) 이상의 탄화수소 생성시 Cu의 표면의 결정학적 방위(crystallographic orientation)에 따른 계면에서의 자유 에너지 상태를 도시한 것이다.
도 4는 통상적인 Cu 촉매의 결정학적 방위를 나타내는 미세조직 사진이다.
도 5는 다양한 표면에서 C2 이상의 탄화수소 형성을 위해 필요한 전이 단계(transition state)에서의 에너지 레벨 및 최종 단계에서의 에너지 레벨을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 복합 촉매를 제조하는 하나의 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 도 6에서의 제조 방법을 도식적으로 예시한 도면이다.
도 8은 Cu의 결정학적 방향성에 따른 영율(Young's modulus)을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 복합 촉매를 제조하는 또 다른 방법을 나타낸 순서도이다.
도 10은 냉간 압연으로 1차 가공 단계를 수행할 때, 압연 패스(pass) 횟수에 따른 구리판의 미세조직을 도시한 것이다.
도 11은 서로 다른 {100} 우선 배향성을 가지며 제1 촉매층과 제2 촉매층을 가지는 복합촉매를 각각 이용하여 제작한 이산화탄소 분해용 전기화학 셀에서 전환된 반응가스를 분석한 실험결과를 도시한 것이다.
1 is a schematic diagram of an electrochemical cell for decomposing and reducing carbon dioxide.
Figure 2 shows the ratio of the type of hydrocarbon produced when carbon dioxide is decomposed on the surface of Cu and Cu ions.
FIG. 3 shows the free energy state at the interface according to the crystallographic orientation of the surface of Cu when generating a hydrocarbon having 2 or more carbon atoms (C2) using a Cu catalyst.
4 is a microstructure photograph showing the crystallographic orientation of a conventional Cu catalyst.
FIG. 5 shows the energy levels in the transition and final levels required for the formation of hydrocarbons above C2 on various surfaces.
6 is a flow chart showing one method of preparing the composite catalyst of the present invention.
FIG. 7 is a diagram schematically illustrating the manufacturing method in FIG. 6.
8 shows Young's modulus according to the crystallographic orientation of Cu.
9 is a flow chart showing another method of preparing the composite catalyst of the present invention.
FIG. 10 shows the microstructure of the copper plate according to the number of rolling passes when performing the primary processing step with cold rolling.
FIG. 11 shows experimental results of analyzing a reaction gas converted in an electrochemical cell for decomposing carbon dioxide, which is prepared using a composite catalyst having different {100} preferred orientations and having a first catalyst layer and a second catalyst layer, respectively.

이하, 본원에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매와 이를 제조하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a catalyst and a method of preparing the same according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.The present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms, only this embodiment to make the disclosure of the present invention complete and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention It is provided to inform you.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.In order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals designate like elements throughout the specification. In addition, some embodiments of the invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. In adding reference numerals to components of each drawing, the same components may have the same reference numerals as much as possible even though they are shown in different drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description may be omitted.

본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In describing the components of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) can be used. These terms are only to distinguish the components from other components, and the terms are not limited in nature, order, order or number of the components. If a component is described as being "connected", "coupled" or "connected" to another component, that component may be directly connected to or connected to that other component, but between components It is to be understood that the elements may be "interposed" or each component may be "connected", "coupled" or "connected" through other components.

또한, 본 발명을 구현함에 있어서 설명의 편의를 위하여 구성요소를 세분화하여 설명할 수 있으나, 이들 구성요소가 하나의 장치 또는 모듈 내에 구현될 수도 있고, 혹은 하나의 구성요소가 다수의 장치 또는 모듈들에 나뉘어져서 구현될 수도 있다.In addition, in the implementation of the present invention may be described by subdividing the components for convenience of description, these components may be implemented in one device or module, or one component is a plurality of devices or modules It can also be implemented separately.

도 1은 이산화탄소를 분해하여 환원하기 위한 일반적인 전기화학적 셀의 모식도이다. 1 is a schematic diagram of a typical electrochemical cell for decomposing and reducing carbon dioxide.

도 1에서 도시한 바와 같이 상기 전기화학적 셀(cell)은 산소가 발생하는 산화반응이 일어나는 양극과 이산화탄소의 환원이 일어나는 음극, 상기 양극과 음극이 담기는 전해질을 수용하기 위한 구획, 그리고 상기 양극과 음극 사이에서 위치하며 상기 전해질 상의 원하는 성분만 선택적으로 통과시키는 멤브레인이 포함된다.As shown in FIG. 1, the electrochemical cell includes a cathode for receiving an oxidation reaction in which oxygen is generated, a cathode for reducing carbon dioxide, a compartment for accommodating an electrolyte containing the anode and the cathode, and Included are membranes positioned between the cathodes and selectively passing only the desired components on the electrolyte.

한편, 상기 도 1에는 도시되지는 않았으나, 상기 셀에는 상기 셀을 구동시키기 위해 외부에서 에너지를 공급하기 위한 에너지 공급원을 포함한다. 또한 상기 이산화탄소의 환원으로부터 발생한 부산물을 추출하기 위한 추출기를 추가로 포함한다. 또한 필요에 따라 전해질 공급장치를 추가할 수도 있다.On the other hand, although not shown in Figure 1, the cell includes an energy supply source for supplying energy from the outside to drive the cell. The apparatus further includes an extractor for extracting a by-product generated from the reduction of the carbon dioxide. In addition, an electrolyte supply device can be added as needed.

이와는 별도로, 만일 이산화탄소의 환원으로부터 발생한 부산물이 또 다른 추가적인 반응을 필요로 하는 경우, 상기 반응을 위한 이차적인 반응기도 선택적으로 포함할 수 있다.Apart from this, if the by-product resulting from the reduction of carbon dioxide requires another additional reaction, it may optionally also comprise a secondary reactor for the reaction.

상기 도 1과 같은 셀에서 이산화탄소를 분해하여 환원시킬 때, 환원전극(음극)에서는 이산화탄소, 수소이온, 전자가 반응하여 탄화수소화합물이 생성된다.When the carbon dioxide is decomposed and reduced in the cell as shown in FIG. 1, carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons react with each other in the cathode (cathode) to generate a hydrocarbon compound.

환원반응이 일어나는 촉매의 종류에 따라 다양한 부산물(또는 전환물 또는 생성물이라 한다)이 생성되는 것으로 알려져있다.It is known that various by-products (or conversions or products) are produced depending on the type of catalyst in which the reduction reaction takes place.

CO2 + nH+ + ne- CxHyOz (1)CO2 + nH+ + ne-   CxHyOz (One)

예를 들면, Ag 또는 Sb를 촉매로 사용하게 되면, 이 경우 상기 촉매에서 환원된 이산화탄소는 다음의 반응식 (2)을 통해 일산화탄소가 생성된다. 반면, Cu 또는 Cu2O를 촉매로 사용하면, 이 경우 이산화탄소는 다음의 반응식 (3) 내지 (6)를 통해, 메탄, 에탄, 에틸렌 등의 자원이 생성되는 것으로 알려져 있다.For example, when Ag or Sb is used as a catalyst, in this case, carbon dioxide reduced in the catalyst generates carbon monoxide through the following reaction formula (2). On the other hand, when Cu or Cu 2 O is used as a catalyst, carbon dioxide is known to generate resources such as methane, ethane and ethylene through the following reaction formulas (3) to (6).

CO2 + 2H+ + 2e- → CO + H2O -0.51 V (2) CO 2 + 2H + + 2e - → CO + H 2 O -0.51 V (2)

CO2 + 8H+ + 8e- → CH4 + 2H2O -0.24 V (3) CO 2 + 8H + + 8e - → CH 4 + 2H 2 O -0.24 V (3)

2CO2 + 12H+ + 12e- → C2H4 + 4H2O -0.33 V (4) 2CO 2 + 12H + + 12e - → C 2 H 4 + 4H 2 O -0.33 V (4)

2CO2 + 12H+ + 12e- → C2H5OH + 3H2O -0.32 V (5) 2CO 2 + 12H + + 12e - → C 2 H 5 OH + 3H 2 O -0.32 V (5)

3CO2 + 18H+ + 18e- → C3H7OH + 5H2O -0.31 V (V vs.NHE) (6) 3CO 2 + 18H + + 18e - → C 3 H 7 OH + 5H 2 O -0.31 V (V vs.NHE) (6)

반면, 산화 전극에서는 다음의 식 (7)을 통해 물이 산화되어 산소, 수소이온, 그리고 전자가 발생된다.On the other hand, in the oxidation electrode, water is oxidized through the following equation (7) to generate oxygen, hydrogen ions, and electrons.

n/2 H2O → nH+ + n/4O2 + ne- (7) n / 2 H 2 O → nH + + n / 4O 2 + ne - (7)

도 2는 Cu 및 Cu 이온의 촉매 표면에서 이산화탄소가 분해될 때 생성되는 탄화수소의 종류별 비율을 도시한 것이다.Figure 2 shows the ratio of the type of hydrocarbon produced when carbon dioxide is decomposed on the catalyst surface of Cu and Cu ions.

도 2에서 도시된 바와 같이 금속상태의 Cu를 촉매로 사용하는 경우, Cu의 표면에서의 이산화탄소의 환원으로 CH4와 C2H4가 주로 생성된다. 그리고 이 때 CH4와 C2H4의 각각의 생성 비율은 상호 비슷하나, CH4가 C2H4보다 더 많은 분율을 차지함을 알 수 있다.As shown in FIG. 2, when metal Cu is used as a catalyst, CH 4 and C 2 H 4 are mainly generated by reduction of carbon dioxide on the surface of Cu. In this case, although the production rates of CH 4 and C 2 H 4 are similar to each other, it can be seen that CH 4 occupies a larger fraction than C 2 H 4 .

이와는 달리, 만일 +1가 이온 상태의 Cu를 촉매로 사용하는 경우, +1가 Cu 이온 표면에서의 이산화탄소의 환원은 CH4와 C2H4를 주로 생성하지만, 생성된 탄화수소의 비율은 C2H4가 CH4보다 최대 15배 이상의 훨씬 더 많은 분율을 차지함을 알 수 있다. 이는 이산화탄소 환원용 전기화학적 셀의 촉매로써 +1가 이온 상태의 Cu를 사용하는 것이, C2 이상의 탄화수소 생성에 매우 유리한 효과를 가져옴을 의미한다.In contrast, if +1 Cu is used as the catalyst, the reduction of carbon dioxide on the surface of +1 Cu ion produces mainly CH 4 and C 2 H 4 , but the proportion of hydrocarbons produced is C 2. It can be seen that H 4 occupies a much larger fraction up to 15 times higher than CH 4 . This means that the use of Cu in the +1 ionic state as a catalyst of the electrochemical cell for carbon dioxide reduction has a very advantageous effect on the generation of hydrocarbons above C2.

도 3은 Cu 촉매를 이용하여 C2 이상의 탄화수소 생성시 Cu의 표면의 결정학적 방위(crystallographic orientation)에 따른 계면에서의 자유 에너지 상태를 도시한 것이다.FIG. 3 shows the free energy state at the interface according to the crystallographic orientation of the surface of Cu when generating C2 or more hydrocarbons using a Cu catalyst.

도 3에서와 같이 Cu 촉매는, 비록 화학적으로는 동일한 촉매라 할지라도, {111} 면보다는 {100} 면의 방향이 조사된 모든 C2 탄화수소 생성에 있어 더 낮은 에너지 상태를 유지하는 것으로 조사되었다. As shown in FIG. 3, the Cu catalyst, although chemically identical, was found to maintain a lower energy state for all C2 hydrocarbon productions investigated in the {100} plane than in the {111} plane.

예를 들어 "+OCCHO"라는 탄화수소를 생성하려면, {111}면에서는 일산화탄소 2개가 결합된 상태보다 "+OCCHO"생성 반응 후의 전체 시스템의 자유 에너지가 증가함을 도 3으로부터 알 수 있다. 도 3의 상기 결과는, 만일 "+OCCHO" 탄화수소를 일산화탄소로부터 생성하기 위해서는 최종 "+OCCHO" 탄화수소의 열역학적으로 높은 에너지만큼을 보상하기 위해 외부에서 에너지를 인가해야 하고, 이에 더하여 상기 생성 또는 전환 반응을 위한 활성화 단계를 극복하기 위한 에너지를 외부에서 공급해야 함을 의미한다. For example, to generate a hydrocarbon called "+ OCCHO", it can be seen from FIG. 3 that the free energy of the entire system after the "+ OCCHO" generation reaction increases in the {111} aspect than the state where two carbon monoxides are combined. The results of FIG. 3 indicate that if the "+ OCCHO" hydrocarbons are to be produced from carbon monoxide, energy must be applied externally to compensate for the thermodynamically high energy of the final "+ OCCHO" hydrocarbons, in addition to the production or conversion reaction This means that energy must be supplied from outside to overcome the activation step.

이에 반해 {100}면에서는 일산화탄소 2개가 결합된 상태와 "+OCCHO"라는 탄화수소의 자유 에너지 상태는 거의 동일한 것으로 나타났다. 또한 활성화 에너지 역시 {100} 면에서의 활성화 에너지가 {111}면의 활성화 에너지보다 낮은 것으로 나타났다.On the contrary, in the case of {100}, the state where two carbon monoxides are bonded and the free energy state of the hydrocarbon "+ OCCHO" are almost identical. In addition, the activation energy of the {100} plane was lower than the activation energy of the {111} plane.

이와 같은 결과는 {100}면에서는 {111}면보다 작은 에너지만으로도 "+OCCHO"탄화수소를 열역학적으로 안정적으로 형성할 수 있음을 의미한다. 또한 상기 생성 또는 전환 반응을 일으키기 위한 활성화 에너지 역시 {100} 면이 더 적게 필요함을 의미한다.This result means that the {100} plane can form thermodynamically stable "+ OCCHO" hydrocarbons with less energy than the {111} plane. In addition, the activation energy for causing the production or conversion reaction also means that less {100} plane is needed.

도 4는 통상적인 Cu 촉매의 결정학적 방위를 나타내는 미세조직 사진이다.4 is a microstructure photograph showing the crystallographic orientation of a conventional Cu catalyst.

일반적으로 Cu와 같은 금속은 통상의 금속학적 프로세스를 거쳐서 제조된다. 구체적으로 용해 및 주조와 열간가공 및/또는 냉간가공, 열처리 그리고 필요한 경우 에칭이나 표면처리를 통해 제조된다. In general, metals such as Cu are produced via conventional metallurgical processes. Specifically, it is manufactured by melting and casting, hot working and / or cold working, heat treatment and, if necessary, etching or surface treatment.

한편 Cu와 같은 면심입방격자(face centered cubic, FCC)은 일반적으로 {111}면이 표면에너지 측면에서는 가장 낮은 에너지를 가지므로 가장 안정한 표면이다. 한편 Cu와 같은 면심격자(cubic lattice)를 가지는 금속의 경우 <100> 방향은 탄성적으로 가장 연한(soft)한 방향이다. Face centered cubic (FCC), such as Cu, is generally the most stable surface because the {111} plane has the lowest energy in terms of surface energy. Meanwhile, in the case of a metal having a cubic lattice such as Cu, the <100> direction is the softest direction elastically.

그러나 일반적인 금속 제조 프로세스를 통해서는, 열역학적으로나 또는 용해 및 주조 공정시 발생하는 미세한 유동(turbulence)에 의해, 주조 미세조직(as-cast microstructure)은 어느 하나의 결정립으로만 이루어지는 단결정(single crystal)은 형성되지 못하고 서로 다른 결정학적 방위를 가지는 결정립들로 이루어지는 다결정(poly-crystal) 미세조직을 가진다.However, in the general metal fabrication process, due to the thermodynamics or the fine turbulence generated during the melting and casting process, as-cast microstructures consist of only one crystal grain. It has a poly-crystal microstructure consisting of crystal grains which cannot be formed and have different crystallographic orientations.

이 후 열간가공 및/또는 냉간가공 그리고 후속 열처리를 통해 주조 미세조직은 모두 파괴되고 미세한(fine) 다결정으로 이루어지는 가공된 미세조직이 형성된다.Thereafter, hot and / or cold working and subsequent heat treatment cause all the cast microstructures to be broken down to form a processed microstructure consisting of fine polycrystals.

이 때, 각각의 결정립들의 방위는 도 4에서와 같이 일반적으로 무작위하게(randomly) 분포하는 것으로 알려져 있다. 도 4에서의 Cu 다결정 결정방위 분석 결과는 일반적인 금속 재료에서의 열간가공 및/또는 냉간가공 그리고 후속 열처리를 통해 얻어진 방위 분포와 일치한다. 도 4의 방위 결과는 표면에너지나 탄성에너지가 작은 {111}면 또는 {100}면의 분포는 오히려 소수이고 {101}면의 분포가 높은 것으로 나타났다.At this time, the orientations of the respective grains are generally known to be distributed randomly as shown in FIG. The results of Cu polycrystal orientation analysis in FIG. 4 are consistent with the azimuth distribution obtained through hot and / or cold working and subsequent heat treatment in common metallic materials. 4 shows that the distribution of {111} planes or {100} planes with small surface energy or elastic energy is rather small and the distribution of {101} planes is high.

그런데 도 4의 통상의 Cu 촉매의 결정 방향은 도 2 및 3의 결과와 잘 부합한다.However, the crystal orientation of the conventional Cu catalyst of FIG. 4 is in good agreement with the results of FIGS. 2 and 3.

구체적으로 살펴보면, 도 4의 통상적인 Cu 촉매의 결정 방위 분석 결과는 {100}면의 비율이 2.1%로 매우 적은 것을 알려준다. 도 4의 결과는 도 3에서 나타난 바와 같이, 종래의 통상적인 Cu 촉매의 표면에서는 C2 탄화수소 생성에 유리한 {100}면이 없음을 의미하며, 다시 이와 같은 예상은 도 2에서 나타난 바와 같이 Cu 촉매에서의 상대적으로 작은 C2H4 전환 비율과 잘 일치한다.Specifically, the results of the crystal orientation analysis of the conventional Cu catalyst of FIG. 4 indicate that the ratio of the {100} plane is very small at 2.1%. The results of FIG. 4 mean that, as shown in FIG. 3, there is no {100} plane on the surface of the conventional Cu catalyst, which is advantageous for C2 hydrocarbon production, and this expectation is again shown in FIG. 2. The relatively small C 2 H 4 conversion ratio agrees well.

한편 도 5는, 표준 수소 환원 전위 기준 -0.9V의 전위를 외부에서 가한 상태에서, 다양한 표면에서 C2 이상의 탄화수소 형성을 위해 필요한, 전이 단계에서의 에너지 레벨 및 최종 단계에서의 에너지 레벨을 도시한 것이다.On the other hand, Figure 5 shows the energy level in the transition stage and the energy level in the final stage, necessary for the formation of C2 or more hydrocarbons on a variety of surfaces with an external potential of -0.9V based on the standard hydrogen reduction potential .

먼저 {111} 면을 가지는 Cu 금속 촉매의 경우 CO(일산화탄소)와 CO의 결합에 의한 OCCO라는 C2 탄화수소 형성 이합체화 반응(dimerization)을 위해서는, 흡착된 CO 분자들이 기울어진 후(tilt) 두 개의 CO 분자들을 서로 근접하게 이끄는 전이 단계(transition stage)를 거친 후 OCCO라는 표면 화학종이 만들어진다. 이 때 초기의 두 개의 CO 분자 단계와 비교해서, 전이 단계에서는 1.1 eV 그리고 최종 단계에서는 0.86 eV의 자유 에너지 차이가 발생한다. 이러한 자유 에너지 차이의 물리적 의미는, {111} 면을 가지는 Cu 금속 촉매의 경우 CO(일산화탄소)와 CO의 결합에 의한 이합체화 반응(dimerization)을 위해서는, 외부에서 1.1 eV 이상의 에너지를 공급해야 반응이 일어날 수 있는 에너지 장벽이 있음을 의미한다.First, in the case of the Cu metal catalyst having the {111} plane, for the C2 hydrocarbon-forming dimerization called OCCO by combining CO (carbon monoxide) and CO, the adsorbed CO molecules are tilted and then two CO After a transition stage leading the molecules closer together, a surface species called OCCO is created. Compared to the initial two CO molecular stages, there is a difference of free energy of 1.1 eV in the transition stage and 0.86 eV in the final stage. The physical meaning of this free energy difference is that in the case of the Cu metal catalyst having the {111} plane, for dimerization by combining CO (carbon monoxide) and CO, an energy of 1.1 eV or more must be supplied from the outside. It means there is an energy barrier that can arise.

반면, Cu2O의 금속 산화물과 {111} 면을 가지는 Cu 금속이 공존하는 복합 촉매의 경우, Cu 원자에서의 CO와 +1가의 Cu 이온에서의 CO 원자가 OCCO라는 C2 탄화수소 형성 이합체화 반응을 하기 위해서는 전이 단계에서는 0.71 eV 그리고 최종 단계에서는 0.12 eV의 자유 에너지 차이가 발생한다. 이는 Cu2O의 금속 산화물과 {111} 면을 가지는 Cu 금속 촉매가 공존하는 촉매에서는, 외부에서 0.71 eV 이상의 에너지를 공급해야만 상기 반응이 일어날 수 있음을 의미한다. On the other hand, in the case of the composite catalyst in which the metal oxide of Cu 2 O and the Cu metal having the {111} plane coexist, the C 2 hydrocarbon-forming dimerization reaction in which the CO atom in the Cu atom and the CO atom in the + 1-valent Cu ion is OCCO This results in a difference of free energy of 0.71 eV in the transition stage and 0.12 eV in the final stage. This means that in a catalyst in which a metal oxide of Cu 2 O and a Cu metal catalyst having a {111} plane coexist, the reaction may occur only when an energy of 0.71 eV or more is supplied from the outside.

상기 Cu2O 금속 산화물과 Cu 금속의 복합 촉매에서 C-C 커플링(coupling)이 에너지적으로 더 잘 일어나는 이유는, +1가의 Cu 이온에서 흡착된 CO에서의 C는 양으로 하전된 반면, Cu 원자에서 흡착된 CO에서의 C는 음으로 하전되어 있기 때문이다. 따라서 두 개의 C들 사이에서의 C-C 결합 형성을 위한 정전기적인 인력으로 인해, 상기 Cu2O 금속 산화물과 Cu 금속의 복합 촉매에서 C-C 커플링(coupling)이 에너지적으로 더 잘 일어난다. 이는 C2 이합체화 반응에 대해 상기 정전기적인 인력이 반응 속도(kinetics)나 열역학적인 구동력을 증가시킴을 의미한다. The reason why CC coupling occurs more energetically in the complex catalyst of the Cu 2 O metal oxide and the Cu metal is that C in the CO adsorbed on the + monovalent Cu ions is positively charged, while Cu atoms This is because C in CO adsorbed at is negatively charged. Thus, due to the electrostatic attraction for the formation of CC bonds between the two Cs, CC coupling occurs more energetically in the complex catalyst of Cu 2 O metal oxide and Cu metal. This means that for the C2 dimerization reaction, the electrostatic attraction increases kinetics or thermodynamic driving forces.

그런데 일반적으로 금속의 표면에서는 금속 원자의 결합이 끊어진 불안정한 상태이므로 금속 원자 상태만으로는 존재할 수 없다. 이로 인해 비록 아무런 표면 처리를 하지 않더라도 순수한 금속은 그 표면에 자연적으로 산화막이 형성된다. 그리고 이와 같은 금속의 일반적인 특성은 Cu 금속 촉매에서도 그대로 적용되어, Cu 금속 표면에 Cu는 금속 상태가 아닌 CuOx와 같은 산화물로 존재된다. In general, however, the surface of the metal is unstable because the bonds of the metal atoms are broken, and thus the metal atoms cannot exist alone. Because of this, even if no surface treatment is performed, pure metal naturally forms an oxide film on the surface. In addition, the general characteristics of the metal are applied to the Cu metal catalyst as it is, and Cu is present on the Cu metal surface as an oxide such as CuOx instead of the metal state.

따라서 본 발명자들은 이산화탄소를 전환하여 C2 이상의 탄화수소를 높은 효율로 형성하기 위하여, 종래의 Cu 금속 촉매의 결정학적 배향을 제어 및 조절한 새로운 구조의 Cu 금속 촉매를 완성하였다.Accordingly, the present inventors have completed a Cu metal catalyst having a new structure in which the crystallographic orientation of the conventional Cu metal catalyst is controlled and controlled in order to convert carbon dioxide to form C 2 or more hydrocarbons with high efficiency.

이를 위해 본 발명에서의 촉매는, {100} 면을 우선 방위로 가지는 Cu 다결정 베이스를 포함하는 제1 촉매층과 상기 제1 촉매층 상에 위치하며, Cu로 이루어진 다결정 층을 포함하는 제2 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 촉매이다.To this end, the catalyst in the present invention includes a first catalyst layer including a Cu polycrystalline base having a {100} plane in an orientation and a second catalyst layer positioned on the first catalyst layer and including a polycrystalline layer made of Cu. It is a composite catalyst characterized by the above-mentioned.

이 때, 상기 Cu 다결정 베이스에서의 {100} 면의 분율은 30% 이상인 것이 바람직하다. 만일 {100} 면의 분율이 30% 보다 작다면, C2 탄화수소 형성에 대한 결정 배향 효과를 기대하기 어렵기 때문이다.At this time, it is preferable that the fraction of the {100} plane in the said Cu polycrystal base is 30% or more. If the fraction of the {100} plane is less than 30%, it is difficult to expect a crystal orientation effect on the formation of C2 hydrocarbons.

반면, 제2 촉매층은 {111}, {110}, {100}이 혼재된 다결정 촉매이다. 이 때 상기 제2 촉매층에서의 다결정 층은 제1 촉매층과 달리 우선 방위가 형성되지 않는 것이 바람직하다. 또는 만일 상기 제2 촉매층이 우선 방위를 가지더라도, 이 경우 제2 촉매층의 우선 방위는 {111} 또는 {110} 면의 우선 방위를 가지는 것이 바람직하다. On the other hand, the second catalyst layer is a polycrystalline catalyst in which {111}, {110}, and {100} are mixed. At this time, unlike the first catalyst layer, the polycrystalline layer in the second catalyst layer is preferably not formed orientation. Alternatively, even if the second catalyst layer has a preferential orientation, in this case, the preferred orientation of the second catalyst layer preferably has a preferred orientation of the {111} or {110} plane.

또한 상기 제1 촉매층과 상기 제2 촉매층 사이에는 높이차 또는 단차를 형성한 표면 구조를 가진다. 이와 같이 높이 차이가 있는 다층형 복합 촉매 구성을 통해 촉매가 반응하는 반응 면적을 보다 넓힐 수 있어, 그로 인해 촉매의 유효 면적을 넓혀 이산화 탄소의 전환 효율의 향상을 도모할 수 있게 된다.In addition, it has a surface structure in which a height difference or a step is formed between the first catalyst layer and the second catalyst layer. The multilayered composite catalyst structure having a height difference as described above can further widen the reaction area in which the catalyst reacts, thereby increasing the effective area of the catalyst and improving the conversion efficiency of carbon dioxide.

한편, 상기 제 2촉매층은 도트(dot)와 같은 0차원 구조 또는 와이어(wire), 바늘(needle), 및 가는 기둥(column)과 같은 1차원 구조일 수도 있다. The second catalyst layer may be a 0-dimensional structure such as a dot or a 1-dimensional structure such as a wire, a needle, and a thin column.

또한, 상기 제2 촉매층은 박막이거나 또는 아일랜드(island) 형태의 입자와 같은 2차원의 평면 구조를 가질 수 있다. In addition, the second catalyst layer may be a thin film or have a two-dimensional planar structure such as island-shaped particles.

이와 같은 제2 촉매의 형상(morphology)은 2차 촉매를 형성하기 위한 가공 방법에 맞추어서 가장 효율적인 형상으로 결정될 수 있다. The morphology of this second catalyst can be determined to be the most efficient shape in accordance with the processing method for forming the secondary catalyst.

예를 들어, 만일 2차 촉매층이 증착에 의해 형성되면, 이 경우 형성된 2차 촉매층은 주로 박막과 같은 2차원의 평면 구조를 가질 수 있다. For example, if the secondary catalyst layer is formed by vapor deposition, the secondary catalyst layer formed in this case may mainly have a two-dimensional planar structure such as a thin film.

반면, 만일 2차 촉매층이 인쇄와 같은 공정에 의해 형성되면 이 경우 2차 촉매층은 후막의 형태이거나 또는 아일랜드 형상의 2차원 평면구조일 수도 있으나, 스크린의 형상 또는 패이스트의 조건에 따라 와이어나 기둥과 같은 1차원이거나 또는 도트와 같은 0차원 형상을 가질 수도 있다.On the other hand, if the secondary catalyst layer is formed by a process such as printing, in this case, the secondary catalyst layer may be in the form of a thick film or an island-shaped two-dimensional planar structure, depending on the shape of the screen or the paste, It may be one-dimensional such as or have a zero-dimensional shape such as a dot.

한편, 본 발명에서의 복합 촉매는 자연적으로, 또는 산화 처리, 질화 처리, 또는 수소화 처리 등의 인위적인 후속공정에 의해, Cu 촉매 내부에 추가적으로 산소, 질소, 또는 수소 등의 원소를 포함할 수도 있다. On the other hand, the composite catalyst in the present invention may further contain elements such as oxygen, nitrogen, or hydrogen in the Cu catalyst, either naturally or by artificial subsequent steps such as oxidation treatment, nitriding treatment, or hydrogenation treatment.

또한, 본 발명에서의 복합 촉매는 자연적으로, 또는 산화 처리, 질화 처리, 또는 수소화 처리 등의 인위적인 후속공정에 의해 Cu 촉매 내부에 추가적으로 Cu 산화물, Cu 질화물, Cu 산질화물 또는 Cu 수화물 등의 화합물을 포함할 수도 있다.In addition, the composite catalyst according to the present invention may naturally add compounds such as Cu oxide, Cu nitride, Cu oxynitride or Cu hydrate to the Cu catalyst by an artificial subsequent process such as oxidation treatment, nitriding treatment or hydrogenation treatment. It may also include.

본 발명의 복합 촉매에서의 제1 촉매층과 제2 촉매층은 각각 서로 다른 원소를 포함할 수도 있다. The first catalyst layer and the second catalyst layer in the composite catalyst of the present invention may each contain different elements.

앞에서 도 5에서 살펴본 바와 같이, 서로 다른 산화 상태의 Cu의 계면 부근에서는 C2 이합체화 반응이 반응 속도나 열역학적인 측면에서 보다 유리하다. 그리고 Cu를 비롯한 금속의 경우, 기지 또는 모재와 서로 다른 성분이 포함되어 합금이 형성되게 되면, 서로 다른 금속 성분들 사이의 이온화 경향 차이로 인해 이온화 경향이 높은 금속은 산화가 더욱 용이해 진다. 따라서 만일 본 발명의 복합 촉매에서의 제1 및 제2 촉매층이 서로 다른 원소를 포함한다면, 제1 및 제2 촉매층 내에서의 각각의 Cu는 서로 산화 상태가 달라질 수 있으며, 이로 인해 C2 이합체화 반응은 더욱 촉진될 수 있다.As described above in FIG. 5, the C 2 dimerization reaction is more advantageous in terms of reaction rate or thermodynamic in the vicinity of Cu interfaces in different oxidation states. In the case of a metal including Cu, when the alloy is formed by including different components from the matrix or the base metal, the metal having a high ionization tendency is more easily oxidized due to the difference in ionization tendency between different metal components. Thus, if the first and second catalyst layers in the composite catalyst of the present invention contain different elements, the respective Cus in the first and second catalyst layers may have different oxidation states, thereby resulting in a C2 dimerization reaction. Can be further promoted.

본 발명에서의 상기 복합 촉매는, 도 6 및 7에서 도시된 바와 같은 방법을 통해 제조될 수 있다.The complex catalyst in the present invention may be prepared through the method as shown in FIGS. 6 and 7.

먼저 Cu 원재료를 준비한다(S1). 이 때 상기 Cu 원재료는 동판이나 동박, 그리고 동선(cable)과 같은 다양한 형태가 가능하다. 또한 Cu를 기지로 하고 다른 성분이 일부 포함된 Cu 합금일 수도 있다.First, Cu raw materials are prepared (S1). At this time, the Cu raw material may be in various forms such as copper plate, copper foil, and copper. It may also be a Cu alloy based on Cu and containing some other components.

다음으로 상기 Cu 원재료는 냉간가공과 같은 1차 가공단계를 거친다(S2). Next, the Cu raw material is subjected to the first processing step such as cold working (S2).

Cu 원재료와 같은 다결정 금속에서는, 인근 결정립의 상호 간성 때문에 다중슬립(multi-slip)이 쉽게 일어나며 이로 인해 가공에 의해 재료가 경화되는 경화 현상인 가공경화가 발생하게 된다. 이러한 가공경화가 풀리지 않는 온도영역과 시간에서 행하여지는 소성변형을 일반적으로 냉간가공이라 한다.In polycrystalline metals such as Cu raw materials, multi-slip easily occurs due to the interdependence of neighboring grains, which causes work hardening, a hardening phenomenon in which the material is hardened by processing. The plastic deformation performed in the temperature range and time at which such work hardening does not loosen is generally called cold working.

가공경화를 유발시키는 소성변형으로 Cu 원재료 내부에는 전위(dislocation)의 수가 증가한다. 소둔(annealing) 처리를 한 금속에서는 전위의 수가 ㎠당 106~108개 정도인 데 반해, 심하게 변형된 금속의 전위 밀도는 1012개 정도이다. 이렇게 냉간가공된 조직에는 고전위밀도영역(tangles)이 형성되는데, 이것이 곧 엉킨 전위망(dislocation web)으로 발전한다.Plastic deformation causing work hardening increases the number of dislocations inside Cu raw materials. In the annealing metal, the number of dislocations is about 10 6 to 10 8 per cm 2, whereas the dislocation density of the heavily deformed metal is about 10 12 . These cold processed tissues form high potential densities (tangles), which develop into a tangled dislocation web.

Cu 원재료를 냉간가공하여 변형시키는데 소비된 에너지 대부분은 사실 열로 변한다. 단지 소비된 에너지의 약 10%가 금속의 내부, 즉 격자(lattice) 속에 저장되어 내부에너지가 증가한다. 이렇게 저장된 에너지 대부분은 냉간가공 중 전위의 발생과 상호작용에 기인한 것이다. 공공(vacancy)도 매우 낮은 온도에서 변형된 금속의 저장된 에너지의 일부를 담당할 수 있으나, 공공은 전위보다 훨씬 이동하기 쉽기 때문에 상온에서는 변형된 대부분의 금속으로부터 쉽게 빠져나간다. 적층결함(stacking fault)과 쌍정(twin) 결함도 저장된 에너지의 극히 일부만을 담당한다. 또한 탄성변형에너지 역시 저장된 에너지의 소량만을 담당한다.Most of the energy consumed by cold working Cu raw materials is actually converted to heat. Only about 10% of the energy consumed is stored inside the metal, ie the lattice, increasing the internal energy. Most of this stored energy is due to the generation and interaction of dislocations during cold working. Vacancies can also account for some of the stored energy of the deformed metal at very low temperatures, but the vacancy is easier to move away from the dislocation at room temperature because it is much more mobile than the potential. Stacking faults and twin faults also account for only a fraction of the stored energy. In addition, elastic strain energy is also responsible for only a small amount of stored energy.

변형단계 이후에는 상기 Cu 원재료 위에 저응력 가공 공정과 같은 2차 가공 단계(S3)를 통해 본 발명의 복합 촉매의 제2 촉매층을 형성한다.After the deformation step, a second catalyst layer of the composite catalyst of the present invention is formed on the Cu raw material through a secondary processing step (S3) such as a low stress processing process.

상기 저응력 가공 공정이란 이전 단계인 변형단계 대비 상대적이거나 절대적으로 응력을 가하지 않는 공정을 의미한다.The low stress machining process refers to a process that does not apply relative or absolute stress to the previous deformation step.

보다 구체적으로 본 발명에서의 상기 저응력 가공 공정은, 기지 및 제1 촉매층의 원재료로써 작용하는 Cu 원재료 상에 증착, 도금, 또는 인쇄 등의 공정을 통해 제2 촉매층을 국부적으로 형성하는 단계이다.More specifically, the low stress machining step in the present invention is a step of locally forming the second catalyst layer through a process such as deposition, plating, or printing on the Cu raw material serving as the raw material of the matrix and the first catalyst layer.

만일 이 때 형성되는 형성되는 제2 촉매층이 도트(dot)와 같은 형상인 경우 이는 0차원 구조에 해당한다. 반면 제2 촉매층은 와이어(wire), 바늘(needle), 및 가는 기둥(column)과 같은 1차원 구조일 수도 있다. 더 나아가 상기 제2 촉매층은 박막이거나 또는 아일랜드(island) 형태의 입자와 같은 2차원의 평면 구조를 가질 수도 있다. If the second catalyst layer formed at this time is shaped like a dot, this corresponds to a 0-dimensional structure. On the other hand, the second catalyst layer may be a one-dimensional structure such as a wire, a needle, and a thin column. Furthermore, the second catalyst layer may be a thin film or have a two-dimensional planar structure such as island-shaped particles.

다음으로 냉간가공된 Cu 원재료 및 저응력 가공 공정을 거친 촉매는 소둔공정 단계(S4)를 거친다. Next, the cold processed Cu raw material and the catalyst which has undergone the low stress processing process go through an annealing process step (S4).

보다 구체적으로 상기 소둔공정은 냉간가공된 Cu 원재료와 상기 원재료 위에 위치하는 저응력 가공 공정에 의한 제2 촉매층을 포함한 복합촉매를 소둔(annealing)하는 단계를 의미한다.More specifically, the annealing process refers to annealing the composite catalyst including the cold-processed Cu raw material and the second catalyst layer by a low stress processing process located on the raw material.

이와 같은 소둔공정은 금속 내부의 미세조직을 크게 변화시킨다.This annealing process greatly changes the microstructure in the metal.

일반적으로 냉간가공된 상태는 변형되지 않은 금속보다 가공에 의해 더 큰 내부에너지를 가지고 있는 상태이다. 따라서 냉간가공된 재료 속의 전위방(dislocation cell) 조직은 기계적으로는 안정할 수 있지만 열역학적으로 불안정하다. 그리고 온도가 증가함에 따라 냉간가공된 상태는 더욱 불안정해진다. 결국 금속은 연화(softening)되고 변형이 없는 조직으로 변화하는데, 이러한 전체 과정을 소둔(annealing)이라 한다.In general, the cold worked state is a state that has a greater internal energy by processing than the undeformed metal. Thus, the dislocation cell structure in the cold worked material may be mechanically stable but thermodynamically unstable. And as the temperature increases, the cold worked state becomes more unstable. Eventually, the metal changes into a softening, strain-free tissue. This whole process is called annealing.

일반적으로 소둔과정은 회복(recovery), 재결정(recrystallization), 그리고 결정립 성장(grain growth)의 3 단계로 분류될 수 있다. 그러나 본 발명에서의 촉매의 소둔공정에서는 결정립이 작을수록 결정립들 사이의 경계부분인 결정립계(grain boundary)가 많아지므로, 결정립 성장 단계까지는 진행하지 않는 것이 바람직하다.In general, the annealing process can be classified into three stages: recovery, recrystallization, and grain growth. However, in the annealing step of the catalyst in the present invention, the smaller the grains, the more grain boundaries, which are boundary portions between the grains, and therefore, it is preferable not to proceed until the grain growth step.

회복은 냉각가공된 금속의 현미경조직의 변화가 별로 없이 금속의 물리적 성질이 회복되는 단계이다. 회복 중 전기전도도는 급격히 증가하고 격자의 변형은 상당히 감소한다. 회복에 의해 가장 크게 영향을 받는 성질은 점결함(point defect)에 민감한 성질이다. 전위에 의해 제어되는 강도는 회복 온도에 별로 영향을 받지 않는다.Recovery is the step in which the physical properties of the metal are restored without much change in the microstructure of the cold worked metal. During recovery, the conductivity increases sharply and the deformation of the lattice decreases considerably. The property most affected by recovery is that it is sensitive to point defects. The intensity controlled by the potential is not much affected by the recovery temperature.

재결정은 냉간가공된 조직이 변형 없는 새로운 결정립으로 대치되는 것을 말한다. 재결정은 현미경조직을 관찰함으로써 쉽게 알아낼 수 있다. 재결정이 일어나면 경도나 강도가 감소하고 연성이 증가하며 전위밀도가 현저히 감소하고 가공경화의 모든 효과가 없어진다. 회복과 재결정의 열역학적인 구동력은 냉간가공에 의하여 저장된 에너지이다. Recrystallization refers to the substitution of cold grains with new grains without deformation. Recrystallization can be easily determined by observing the microscopic tissue. When recrystallization occurs, hardness or strength decreases, ductility increases, dislocation density decreases significantly, and all effects of work hardening are lost. The thermodynamic driving force for recovery and recrystallization is the energy stored by cold working.

본 발명에서의 냉간가공된 Cu 원재료와 상기 원재료 위에 위치하는 저응력 가공 공정에 의한 제2 촉매층을 포함한 복합촉매는, 상기 소둔공정 동안 회복과 재결정을 거쳐 미세조직이 변화된다.In the present invention, the composite catalyst including the cold-processed Cu raw material and the second catalyst layer by the low stress working process positioned on the raw material undergoes recovery and recrystallization during the annealing process to change the microstructure.

보다 구체적으로 소둔공정 동안 본 발명의 복합촉매에서의 베이스에 해당하는 Cu 원재료는, 변형이 심한 높은 스트레스 상태에서 스트레스 완화(relaxation)을 거쳐 변형이 없는 새로운 결정립을 가지는 미세조직을 가지게 된다. 이 때 재결정에 의한 변형이 없는 새로운 미세조직은, 도 8에서 도시된 바와 같이 영률(Young's modulus)이 가장 작은 {100} 방향을 우선 방향으로 하여 성장된다. 그 결과 본 발명에서의 복합촉매에서 베이스에 해당하는 Cu 원재료는 {100} 방향으로 우선 방위를 가지는 미세조직의 제1 촉매층이 된다.More specifically, during the annealing process, the Cu raw material corresponding to the base in the composite catalyst of the present invention has a microstructure having new grains without deformation through stress relaxation in a high stress state where deformation is severe. At this time, a new microstructure without deformation due to recrystallization is grown with the {100} direction having the smallest Young's modulus as the first direction, as shown in FIG. As a result, the Cu raw material corresponding to the base in the composite catalyst according to the present invention becomes a first catalyst layer of a microstructure having a preferential orientation in the {100} direction.

반면, 상기 제1 촉매층을 구성하는 Cu 원재료의 위에 위치하는 제2 촉매층은 2차 가공 단계에 의해 우선 방위가 없이 다양한 방위를 가지거나 또는 {100} 우선 방위를 가질 수도 있다. On the other hand, the second catalyst layer positioned on the Cu raw material constituting the first catalyst layer may have various orientations without the preferred orientation by the secondary processing step or may have the {100} preferred orientation.

만일 2차 가공 단계가 저응력 가공 공정인 경우, 상기 소둔 단계에 의해 재결정시킬 정도의 충분한 가공량이 2차 촉매층에 제공되지 않으므로 그 결과 2차 촉매층은 우선 방위를 가지지 않거나 또는 적어도 탄성적으로 가장 유연한(soft) {100} 우선방위를 가지지 못하게 된다. If the secondary machining step is a low stress machining process, sufficient processing amount to be recrystallized by the annealing step is not provided to the secondary catalyst layer, so that the secondary catalyst layer has no orientation or at least elastically the most flexible. (soft) {100} will not have priority.

한편 만일 2차 가공 단계가 증착이나 도금과 같은 공정들로 진행되며 상기 공정들이 원자의 이동이 매우 자유로운 조건으로 진행된다면, 2차 가공에 의한 2차 촉매층은 Cu의 계면 에너지가 가장 작은 {111} 우선 방위를 가질 가능성이 매우 높아진다. On the other hand, if the secondary processing step proceeds to processes such as deposition and plating, and the processes are carried out under conditions in which the movement of atoms is very free, the secondary catalyst layer by secondary processing has the smallest {111} interfacial energy of Cu. First of all, the possibility of having a bearing becomes very high.

반면 만일 2차 가공 단계가 1차 가공 단계처럼 가공량이 많은 공정으로 수행되는 경우, 상기 소둔 단계 이후 2차 촉매층은 1차 촉매층과 동일한 {100} 우선방위를 가질 가능성이 높아진다.On the other hand, if the secondary processing step is carried out in a process with a large amount of processing, such as the primary processing step, the secondary catalyst layer after the annealing step is likely to have the same {100} preferred orientation as the primary catalyst layer.

앞에서 도 5에서 살펴본 바와 같이, C-C 커플링에 의해 CO(일산화탄소)와 CO가 결합하는 이합체화 반응(dimerization)을 위해서는, 각각의 일산화탄소가 흡착되는 촉매의 표면이 서로 다른 표면 특성을 가지는 것이 보다 바람직하다. 따라서 제2 촉매층은 제1 촉매층과는 달리 우선방위를 가지지 않거나, 만일 가지더라도 제1 촉매층의 우선 방위와는 다른 {111} 또는 {110} 우선 방위를 가질 수 있는 저응력 가공 공정을 이용하는 것이 보다 바람직하다.As shown in FIG. 5, for dimerization in which CO (carbon monoxide) and CO are bonded by CC coupling, it is more preferable that the surfaces of the catalysts to which carbon monoxide is adsorbed have different surface characteristics. Do. Therefore, it is better to use a low stress machining process in which the second catalyst layer does not have a preferential orientation unlike the first catalyst layer, or may have a {111} or {110} preferred orientation different from the preferred orientation of the first catalyst layer even if it has the first catalyst layer. desirable.

한편, 본 발명의 복합 촉매는 위의 도 6 및 7과는 달리 도 9에서와 같이 다른 방법을 통해서도 제조될 수 있다.On the other hand, the composite catalyst of the present invention can be prepared through other methods as shown in Figure 9, unlike the above 6 and 7.

구체적으로 도 9에서의 방법은, 도 6 및 7에서와는 달리, 소둔 공정 단계를 필요로 하지 않는다. Specifically, the method in FIG. 9 does not require an annealing process step, unlike in FIGS. 6 and 7.

보다 구체적으로 도 9에서의 방법은, Cu 원재료를 준비하는 단계(S'1), Cu 원재료를 동적 재결정이 발생하는 온도 이상의 온도에서 열간 변형시키는 1차 가공 단계(S' 2), 동적 재결정이 발생하여 {100} 우선 방위가 형성된 Cu 원재료 위에 저응력 가공 공정과 같은 2차 가공 단계(S'3)를 통해 제2 촉매층을 형성하는 방법으로 이루어 진다.More specifically, the method of FIG. 9 includes preparing a Cu raw material (S'1), performing a primary processing step (S '2) for hot deformation of the Cu raw material at a temperature above a temperature at which dynamic recrystallization occurs, and dynamic recrystallization. It occurs by forming a second catalyst layer through the secondary processing step (S'3), such as a low stress processing process occurs on the Cu raw material formed {100} first orientation.

도 9에서의 방법은, 앞서의 소둔 공정을 포함하는 방법 대비, 1차 가공 단계에서 가공과 함께 재결정을 발생시켜 Cu 원재료 내에 {100} 우선 배향을 가지게 하는 것에 특징이 있다. The method in FIG. 9 is characterized by having a {100} preferred orientation in the Cu raw material by generating recrystallization with processing in the primary processing step as compared to the method comprising the annealing process described above.

이와 같이 가공 단계에서 재결정이 일어나는 공정을 소위 동적 재결정(dynamic recrystallization)이라 한다. 이러한 동적 재결정은 소둔 공정시 일어나는 재결정인 정적 재결정과는 반대되는 개념으로, 가공 또는 변형 중에 결함이 없는 새로운 결정립의 핵생성과 성장이 일어나는 것을 의미한다.The process in which recrystallization occurs in the machining step is called dynamic recrystallization. This dynamic recrystallization is in contrast to static recrystallization, which is a recrystallization that occurs during the annealing process, which means that nucleation and growth of new grains without defects occurs during processing or deformation.

동적 재결정은 가공 중에 재결정에 의해 연화 효과가 발생하므로, 응력-변위 곡선에서 응력 곡선에서의 재결정 특유의 피크가 발생하는 것으로부터 동적 재결정의 발생을 확인할 수 있다.Since the dynamic recrystallization has a softening effect due to the recrystallization during processing, the occurrence of the dynamic recrystallization can be confirmed from the occurrence of a peak peculiar to the recrystallization in the stress curve in the stress-displacement curve.

따라서 공정 변수나 조건의 조절을 통해 동적 재결정을 발생시키게 되면, 후속 열처리 공정을 수행하지 않고도 재결정을 통해 우선방위를 가지는 제1 촉매층을 형성할 수 있다. 그리고 이를 통해 복합 촉매를 제조하는 시간을 줄일 수 있게 되어 생산성을 크게 높일 수 있다.Therefore, when dynamic recrystallization is generated by adjusting process variables or conditions, it is possible to form a first catalyst layer having a preferential direction through recrystallization without performing a subsequent heat treatment process. In this way, the production time of the composite catalyst can be reduced, thereby greatly increasing productivity.

실시예Example

본 발명에서는 Cu 원재료로써 두께 100~150um의 순도 98%의 구리판을 준비하였다.In the present invention, a copper plate having a purity of 98% having a thickness of 100 to 150 um was prepared as a Cu raw material.

상기 구리판은 먼저 냉간가공의 구체적인 방법으로써, 상기 구리판에 압연기를 이용하여 1 내지 3 패스(pass)의 냉간압연을 실시하였으며, 각 패스(pass)당 압하율은 18%~30%로 설정하였다.As a specific method of cold working, the copper plate was first subjected to cold rolling in one to three passes using a rolling mill on the copper plate, and the rolling reduction per pass was set to 18% to 30%.

냉간 압연된 구리판은 다시 스퍼터링을 통해 상기 구리판 위에 제2 촉매층을 형성하였다.The cold rolled copper plate again formed a second catalyst layer on the copper plate through sputtering.

구체적으로, 상기 스퍼터링 공정은 다결정 Cu 타겟을 사용하여 먼저 초기 진공도 <10- 6torr 유지후, 100sccm의 Ar을 챔버 내에 채운 뒤, 1mTorr의 챔버 진공도에서 20~50V의 가속전압범위에서 200~1000W의 전력 조건에서 DC 스퍼터링을 통해 상기 구리판 위에 약 100~500nm 두께의 구리층 박막을 증착시켰다.Specifically, the sputtering process uses a polycrystalline Cu target first initial vacuum <10 - 6 torr maintained then back filled with Ar of 100sccm into the chamber, 1mTorr of 200 ~ 1000W from an acceleration voltage range of 20 ~ 50V in the chamber vacuum A copper layer thin film having a thickness of about 100 to 500 nm was deposited on the copper plate through DC sputtering under power conditions.

이와 같이 구리층이 증착된 구리판은 다시 200℃의 온도에서 1시간 동안, 산화방지를 위해 진공 분위기에서 소둔 처리하고, 일부 형성 가능한 표면의 Cu 산화층은 정밀한 분석을 위해 HCl등으로 화학적 에칭을 실시하였다.The copper plate on which the copper layer was deposited was subjected to annealing in a vacuum atmosphere for 1 hour at a temperature of 200 ° C. again to prevent oxidation, and the Cu oxide layer on the surface of some formable was chemically etched with HCl for precise analysis. .

표 1은 소둔 처리후, 패스 횟수에 따른 구리판의 결정 배향성을 요약한 것이고, 도 10은 패스 횟수에 따른 구리판의 미세조직을 도시한 것이다.Table 1 summarizes the crystal orientation of the copper plate according to the number of passes after the annealing treatment, and FIG. 10 shows the microstructure of the copper plate according to the number of passes.

표 1. 패스 횟수에 따른 구판의 결정 배향성(%)Table 1. Crystal Orientation (%) of Old Plates According to Number of Passes

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먼저 표 1에서 나타난 바와 같이, 패스 횟수가 증가할수록 {100} 우선 배향성이 더욱 커지는 것을 알 수 있다. First, as shown in Table 1, it can be seen that as the number of passes increases, the {100} preferred orientation becomes larger.

이는 앞에서 설명한 바와 같이, 우선 냉간 변형량이 늘어날수록 구리판 내부에 축적된 변형에너지가 많아진다. 이와 같이 금속 내부에 축적된 변형에너지는 소둔 시 결함이 없는 새로운 결정립으로의 재결정의 구동력으로 작용한다. 그 결과 재결정된 미세조직은 탄성적으로 가장 소프트한 다시 말하면 영률이 가장 작은 {100} 우선 배향성을 가지게 된다.As described above, first, as the amount of cold deformation increases, the amount of strain energy accumulated in the copper plate increases. As such, the strain energy accumulated in the metal acts as a driving force for recrystallization into new grains without defects during annealing. As a result, the recrystallized microstructure has the softest elasticity, that is, the {100} preferred orientation having the smallest Young's modulus.

한편, 도 10은 압연 패스별 재료의 결정학적 배향성을 도시한 그림으로, 패스가 증가할수록 {100} 방향으로 배열된 결정립이 많아짐을 명확하게 알 수 있다.On the other hand, Figure 10 is a diagram showing the crystallographic orientation of the material for each rolling pass, it can be clearly seen that the more grains arranged in the {100} direction as the pass increases.

도 11은 서로 다른 {100} 우선 배향성을 가지며 제1 촉매층과 제2 촉매층을 가지는 복합촉매를 각각 이용하여 제작한 이산화탄소 분해용 전기화학 셀에서 전환된 반응가스를 분석한 실험결과를 도시한 것이다.FIG. 11 shows experimental results of analyzing a reaction gas converted in an electrochemical cell for decomposing carbon dioxide, which is prepared using a composite catalyst having different {100} preferred orientations and having a first catalyst layer and a second catalyst layer, respectively.

도 11에서 사용된 전기화학 셀은, 도 1에와 같은 구조를 가지며, 3전극의 비이커 셀을 이용하여 제작되었다.The electrochemical cell used in FIG. 11 has a structure as shown in FIG. 1 and was manufactured using a beaker cell of three electrodes.

보다 구체적인 실험조건을 살펴보면, 워킹 전극(working electrode)으로는 본 발명의 실시예에서 제작한 제1 촉매층과 제2 촉매층을 포함한 복합촉매를 이용하였고, 카운터(counter) 전극과 기준(reference) 전극으로는 각각 Pt와 Ag/AgCl을 이용하였다. 전해질로는 0.1M의 KHCO3를 사용하였고, -1.9V(vs. Ag/AgCl)에서 4 ~ 10 쿨롱(C)의 전하량을 인가하여 생성되는 반응가스를 포집하였다. 포집된 반응가스는 가스 크로매토그래피(GC)를 이용하여 분석하였다.Looking at more specific experimental conditions, as a working electrode (working electrode) was used a complex catalyst including a first catalyst layer and a second catalyst layer prepared in an embodiment of the present invention, as a counter electrode and a reference electrode Pt and Ag / AgCl were used, respectively. 0.1 M KHCO 3 was used as an electrolyte, and a reaction gas generated by applying a charge amount of 4 to 10 coulombs (C) at -1.9 V (vs. Ag / AgCl) was collected. The collected reaction gas was analyzed using gas chromatography (GC).

이 때, 에틸렌(C2H4)에 대한 패러데이 효율(Faradaic efficiency)은 다음과 같이 정의된다.At this time, Faraday's efficiency (Faradaic efficiency) for ethylene (C 2 H 4 ) is defined as follows.

Faradaic Efficiency = (생성된 C2H4 몰수 X C2H4 1몰 생성에 필요한 전자수 X 패러데이 상수) / 환원전극에 인가된 전체 전하량 X 100%Faradaic Efficiency = (generated C 2 H 4 Confiscated XC 2 H 4 Number of electrons needed to produce 1 mole X Faraday constant) / Total amount of charge applied to cathode X 100%

도 11을 살펴보면, 먼저 {100} 우선 배향성이 24%인 구리(Cu)를 음극용 촉매로 쓴 경우, 에틸렌(C2H4)에 대한 패러데이 효율(Faradaic efficiency)은 반응 초기에 약 43%의 최대 효율을 보인 후 시간이 지남에 따라 감소하는 것으로 측정되었다. 이에 반해, 본 발명의 실시예에 해당하는 {100} 우선 배향성이 95.5%인 구리(Cu)를 음극용 촉매로 쓴 경우는, 에틸렌(C2H4)에 대한 패러데이 효율(Faradaic efficiency)은 반응 초기에 약 63%의 최대 효율을 보인 후 시간이 지남에 따라 감소하는 것으로 측정되었다.Referring to FIG. 11, first, when copper (Cu) having a {100} preferred orientation of 24% was used as a catalyst for a cathode, the Faradaic efficiency for ethylene (C 2 H 4 ) was about 43% at the beginning of the reaction. It was measured to decrease over time after showing maximum efficiency. In contrast, when copper (Cu) having a {100} preferred orientation of 95.5%, which corresponds to an embodiment of the present invention, was used as a catalyst for a negative electrode, Faraday's efficiency for ethylene (C 2 H 4 ) was reacted. It was initially measured to show a maximum efficiency of about 63% and then decrease over time.

도 11의 상기 결과는, 본 발명의 {100} 우선 배향성을 가지는 구리 촉매가 C2 이상의 탄화수소 생성에 매우 효과적임을 의미하는 것이라 할 수 있다. The results of FIG. 11 may indicate that the copper catalyst having the {100} preferred orientation of the present invention is very effective for generating C 2 or more hydrocarbons.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.As described above, the present invention has been described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments and drawings disclosed herein, and various modifications may be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. It is obvious that modifications can be made. In addition, even if the above described embodiments of the present invention while not explicitly described and described the operation and effect according to the configuration of the present invention, it is obvious that the effect predictable by the configuration is also to be recognized.

Claims (13)

{100} 면을 우선 방위로 가지는 Cu 다결정 베이스를 포함하는 제1 촉매층;
상기 제1 촉매층 상에 위치하며, Cu로 이루어진 다결정 층을 포함하는 제2 촉매층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 촉매.
A first catalyst layer comprising a Cu polycrystalline base having the {100} plane first in orientation;
A second catalyst layer positioned on the first catalyst layer, the second catalyst layer including a polycrystalline layer made of Cu;
Composite catalyst comprising a.
제 1항에 있어서,
상기 Cu 다결정 베이스에서의 {100} 면의 분율은 30% 이상인 것;
을 특징으로 하는 복합 촉매.
The method of claim 1,
The fraction of the {100} plane in the Cu polycrystalline base is 30% or more;
Complex catalyst characterized in that.
제 1항에 있어서,
상기 제2 촉매층에서의 다결정 층은 우선 방위가 형성되지 않은 것;
을 특징으로 복합 촉매.
The method of claim 1,
The polycrystalline layer in the second catalyst layer is not first formed in an orientation;
A composite catalyst characterized by the above.
제 1항에 있어서,
상기 제2 촉매층에서의 다결정 층은 {111} 또는 {110}면의 우선 방위를 가지는 것;
을 특징으로 복합 촉매.
The method of claim 1,
The polycrystalline layer in the second catalyst layer has a preferred orientation of the {111} or {110} plane;
A composite catalyst characterized by the above.
제 1항에 있어서,
상기 제1 촉매층과 상기 제2 촉매층 사이에는 높이차 또는 단차를 형성한 표면 구조를 가지는 것;
을 특징으로 하는 복합 촉매.
The method of claim 1,
Having a surface structure in which a height difference or a step is formed between the first catalyst layer and the second catalyst layer;
Complex catalyst characterized in that.
제 1항에 있어서,
제 2촉매층은 도트(dot) 형태의 0차원 구조 또는 와이어(wire), 바늘(needle), 및 가는 기둥(column) 형태의 1차원 구조 또는 박막, 아일랜드 형태의 2차원 구조인 것;
을 특징으로 하는 복합 촉매.
The method of claim 1,
The second catalyst layer is a one-dimensional structure in the form of a dot or a one-dimensional structure in the form of a wire, a needle, and a column, or a two-dimensional structure in the form of a thin film or an island;
Complex catalyst characterized in that.
제 1항에 있어서,
상기 복합 촉매는 촉매 내부에 산소, 질소, 또는 수소 중 하나이상의 원소를 포함하는 것;
을 특징으로 하는 복합 촉매.
The method of claim 1,
The composite catalyst includes one or more elements of oxygen, nitrogen, or hydrogen in the catalyst;
Complex catalyst characterized in that.
제 1항에 있어서,
상기 복합 촉매는 촉매 내부에 Cu 산화물, Cu 질화물, Cu 산질화물 또는 Cu 수소화물 중 하나 이상을 포함하는 것;
을 특징으로 하는 복합 촉매.
The method of claim 1,
The composite catalyst comprises at least one of Cu oxide, Cu nitride, Cu oxynitride or Cu hydride inside the catalyst;
Complex catalyst characterized in that.
제 1항에 있어서,
상기 제1 촉매층과 제2 촉매층은 각각 서로 다른 원소를 포함하는 것;
을 특징으로 하는 복합 촉매.
The method of claim 1,
The first catalyst layer and the second catalyst layer each containing different elements;
Complex catalyst characterized in that.
제1 촉매층을 구성하는 Cu 원재료를 준비하는 단계;
상기 Cu 원재료를 변형시키는 1차 가공 단계;
상기 Cu 원재료 상에 제2 촉매층을 형성하는 2차 가공 단계;
소둔 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 촉매의 제조 방법.
Preparing a Cu raw material constituting the first catalyst layer;
A primary processing step of deforming the Cu raw material;
Forming a second catalyst layer on the Cu raw material;
Annealing step;
Method for producing a composite catalyst comprising a.
제1 촉매층을 구성하는 Cu 원재료를 준비하는 단계;
상기 Cu 원재료를 동적 재결정시키는 1차 가공 단계;
상기 Cu 원재료 상에 제2 촉매층을 형성하는 2차 가공 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 촉매의 제조 방법.
Preparing a Cu raw material constituting the first catalyst layer;
A primary processing step of dynamically recrystallizing the Cu raw material;
Forming a second catalyst layer on the Cu raw material;
Method for producing a composite catalyst comprising a.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 1차 가공 단계는 멀티 패스(multi-pass) 압연인 것;
을 특징으로 하는 복합 촉매의 제조 방법.
The method according to claim 11 or 12, wherein
The first machining step is multi-pass rolling;
Method for producing a composite catalyst, characterized in that.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 2차 가공 단계는 증착, 도금, 또는 인쇄 중 하나 이상의 공정을 포함하는 것;
을 특징으로 하는 복합 촉매의 제조 방법.
The method according to claim 11 or 12, wherein
The secondary processing step includes one or more processes of deposition, plating, or printing;
Method for producing a composite catalyst, characterized in that.
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