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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10298(2023) 이 기사 인용

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우리는 유기 생성물의 연속 합성을 위한 태양전지 통합형 무막 미세유체 반응기에서 해수와 이산화탄소(CO2) 가스의 공동 전기분해를 보고합니다. 미세유체 반응기는 CO2 가스와 해수 주입을 위한 한 쌍의 입구와 유기 생성물 제거를 위한 출구를 갖춘 중앙 마이크로채널로 구성된 폴리디메틸실록산 기판을 사용하여 제작되었습니다. 한 쌍의 구리 전극이 마이크로채널에 삽입되어 유입되는 CO2 가스 및 해수가 마이크로채널을 통과할 때 직접적인 상호작용을 보장합니다. 태양전지 패널과 전극의 결합은 저전압에서 전극 전체에 고강도 전기장을 생성하여 CO2와 해수의 공동 전기분해를 촉진했습니다. CO2 가스와 해수의 전기분해는 태양전지 매개 외부 전기장의 영향을 받아 산업적으로 중요한 다양한 유기물을 생산했습니다. 합성된 유기 화합물을 하류에서 수집하고 특성화 기술을 사용하여 식별했습니다. 더욱이, 유기 생성물의 합성을 위해 전극 근처의 잠재적인 기본 전기화학 반응 메커니즘이 제안되었습니다. 반응물로 온실 CO2 가스, 전해질로 해수, 공동 전기분해 개시를 위한 저렴한 전력원으로 태양 에너지를 포함함으로써 마이크로반응기는 CO2 격리 및 유기 화합물 합성을 위한 저렴하고 지속 가능한 대안이 됩니다.

마이크로반응기는 일반적인 직경이 1mm 미만이고 반응량이 나노리터에서 마이크로리터까지인 연속 흐름 마이크로채널로 구성됩니다1,2,3. 지난 10년 동안 마이크로반응기는 제약 산업4,5,6, 현장 진단7, 청정 에너지8,9 및 고처리량 화학 합성10,11,12에 혁명을 일으켰습니다. 배치 공정에 비해 마이크로반응기 기술은 반응 시간 감소, 수율 향상, 선택성 향상, 효율성 향상, 수익성 향상, 정밀한 반응 제어, 폐기물 감소 및 위험한 반응의 안전한 처리를 통해 상용 제품의 지속적인 합성을 가능하게 합니다13,14. 마이크로반응기는 유기 화합물을 합성하기 위해 CO2 가스 활용 및 격리에 실질적으로 사용될 수 있습니다.

산업 활동, 자동차 배기가스 또는 화석 연료 연소로 인한 높은 수준의 CO2 배출은 전 세계적으로 원치 않는 기후 변화, 지구 온난화 및 심각한 환경 스트레스를 촉발시켰습니다18. 결과적으로 CO2 배출을 줄이고 CO2 가스를 상용 제품으로 전환하려면 혁신적인 솔루션이 필요합니다19. 실제로 화학적 또는 전기화학적 공정을 통한 CO2 포집, 추출, 정화 및 변환은 현재 높은 비용과 에너지 요구 사항으로 인해 방해를 받고 있습니다20. CO2 격리를 위한 가장 유망한 접근 방식은 깨끗한 CO2 가스를 알코올, 카르복실산, 알데히드, 에스테르, 케톤, 파라핀 또는 산업용 용매와 같은 제품으로 변환하는 것입니다21,22. 이전 연구에서는 거시적 회분식 반응기가 대기 CO2를 메탄올로 전기화학적 환원하는데 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 최근에는 가공유, 디젤 또는 기타 액체 탄화수소 혼합물 외에도 연도 가스에서 나오는 CO2를 전기화학적 환원시켜 포름산(HCOOH), 포름알데히드(HCHO)와 같은 다양한 부가가치 유기 제품을 생산해 왔습니다. ) 및 메탄올(CH3OH)26,27,28,29. 더욱이, 해수가 존재하는 상태에서 대기 중 CO2를 탄화수소 연료로 전환하기 위한 촉매 보조 역수-가스 전환 반응 시스템도 개발되었습니다30. 최근 연구에 따르면 전기화학 전지는 한 구획에서 H2O를 동시에 전기분해하는 동시에 다른 구획에서 CO2를 감소시켜 카르복실산, 글리콜 및 카르복실산염 화합물을 생산할 수 있음이 입증되었습니다31,32,33,34,35. 풍력 및 태양광 조사와 같은 대체 에너지원을 사용한 CO2 및 H2O의 공동 전기분해를 사용하여 탄화수소 연료 및 산업용 화학 물질을 생산할 수 있다는 것이 입증되었습니다36,37,38. 문헌 보고서에 따르면 마이크로채널 반응기는 촉매 전기화학적 환원을 통해 갈바니 조건에서 CO2를 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다39,40. 촉매가 없는 태양열 구동 마이크로반응기 시스템의 개발을 통해 온실가스를 부가가치가 높은 탄화수소로 효율적으로 전환하는 것이 가능할 것입니다.