최근에 지구온난화와 기후변화로 인해 온실가스 저감 기술에 대한 관심이 커짐에 따라서 Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage(CCUS) 기술에 대한 개발 및 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 본 연구에서는 전기화학적 CO₂ 환원 및 CO 전환에 대한 연구를 진행하였으며, CO₂를 선택적으로 CO로 전환하는 물질로 알려진 금속 중(Au, Ag, Pd, Zn 등) Zn를 선정하였다. Zn는 Ag나 Au에 비해서 전기화학적 CO₂ 환원시 활성 및 CO 선택도 가 낮은 것으로 알려져 있으나, 귀금속계 물질에 비해 풍부한 매장량과 다양한 화합물, 합금 및 미세구조를 구현하여 CO₂ 전환 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. Zn는 합성법 및 첨가제에 따라 다양한 미세구조를 구현할 수 있으며, 미세구조체로 인해 증가한 표면적은 전극의 활성의 증가에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 수열합성법을 통하여 Zn 기반의 나노구조체를 Zn foil 위에 합성하였고, 첨가제의 종류에 따라 합성된 나노구조체가 다양한 조성 및 결정구조를 갖는 것을 확인하였다. 제조된 전극의 전기화학 특성 및 CO₂ 환원 성능 평가는 3 M KCl이 포화된 Ag/AgCl 기준전극, CO₂가 포화된 0.1 M KHCO₃ 전해질(pH 6.8) 및 Nafion 212 멤브레인을 적용한 gas-tight H-type cell을 구성하여 분석을 수행하였다.
Zn 기반 CO₂ 환원 전극의 미세구조와 결정상에 대한 분석을 위해서 Scanning electron microscopy (SEM), Transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD)를 사용하였다. 전기화학적 특성 및 전기화학적 CO₂ 환원성능 평가를 위해 Potentiostat 장비(PGSTAT302N, AUTOLAB)와 Gas chromatography(YL6500GC, Young In Chromass)를 이용하였다. 전기화학특성은 Linear sweep voltammetry, cyclic voltammetry, Chronoamperometry, Impedance spectroscopy measurement를 통해서 평가하였다. 전기화학특성 평가에서 TA-Zn 전극이 -1.8 V vs. Ag/AgCl에서 -5.7 mAcm-2 의 전류밀도 및 86% 의 CO Faradaic efficiency 가 나타남을 확인하였으며, 성능이 20시간 이상 지속되는 것을 확인하였다.