Redox-neutral Electrochemical Conversion of CO2 to Organic carbonates

Abstract

Given the limited time of approximately 15 years, we are in a situation that requires radical and innovative measures to address the issue of global warming. However, the most challenging aspect in implementing solutions is the increase in costs. In other words, the main obstacle to resolving the carbon dioxide problem is its economic feasibility, emphasizing the need for research and development of carbon dioxide utilization technologies with a focus on cost-effectiveness. We recognized that existing electrochemical methods for carbon dioxide conversion require excessive use of electrons and face the challenge of producing low-value fuels. Therefore, our goal was to establish a methodology in electrochemical carbon dioxide conversion that minimizes electron consumption and enables the production of substances that can be utilized for purposes other than energy storage. In this thesis, we introduce two different forms of redox-neutral electrochemical CO2 conversion. Redox-neutral electrochemical CO2 conversion is an electrochemical methodology for CO2 conversion where changes in the oxidation state of carbon dioxide are not involved. It allows for minimal electron consumption and enables the production of useful organic carbonates as chemical feedstocks. The key principle in implementing such methodologies is to combine electrochemical and chemical reactions that occur during electrochemical halogen production to facilitate CO2 conversion.

현재 지구 온난화 문제에 대처하기 위해 우리에게 주어진 시간은 약 15년 남짓으로, 급진적이고 혁신적인 조치가 필요한 상황이다. 그러나 저탄소 발전 및 이산화탄소 포집 등의 대책을 실제 구현하는 데 있어, 비용의 증가는 빠른 행동을 불가하게 하고 있다. 다시 말해, 탄소 배출 문제를 해결하는데 있어 현재 가장 주요한 장애물은 경제적 실현 가능성이다. 탄소 활용 기술은 비용을 들여 포집된 이산화탄소를 활용하여 유용한 물질을 생산하는 기술로, 저탄소 발전 및 이산화탄소 포집의 후단 기술로 경제적 이득을 확보할 수 있는 가능성을 제공할 수 있다. 그러나 우리는 대표적인 이산화탄소 활용 기술인 전기화학, 또는 수소를 이용한 이산화탄소의 환원 기술의 경우 과도한 전기에너지 소비량으로 인해 경제성 확보가 어려움을 인식하였다. 또한 이들 기술은 대게 이산화탄소를 활용하여 탄소 중립 연료를 생산하는 방식을 제안하고 있으며, 이렇게 생산된 탄소 중립 연료의 경우, 수소 및 암모니아에 비하여 에너지 효율성 및 가격에서 우위를 점하기 어려울 것으로 판단되었다. 이에 우리는 전자 소비를 최소화함과 동시에 에너지 저장 외의 용도로 활용할 수 있는 물질 생산이 가능한 새로운 형태의 전기화학적 이산화탄소 전환 방법론을 수립하고자 하였다. 이 논문에서는 이러한 목표를 바탕으로 개발된 산화 환원 중성의 전기화학적 이산화탄소 전환 방법론의 두 가지 형태를 소개한다. 산화 환원 중성의 전기화학적 이산화탄소 전환은 이산화탄소의 최종 산화수가 변화되지 않는 전기화학적 전환 방법론으로 최소한의 전자 소비를 허용하며, 화학적 원료로 활용될 수 있는 유용한 유기 탄산염의 생산을 가능하게 한다. 이러한 방법론을 구현하는 핵심 원리는 전기화학적 할로젠 생산의 결과로 동반되는 모든 전기화학적, 화학적 반응을 결합하여 CO2 전환에 활용하는 것이다.