전기화학 CO₂ 환원을 위한 최적화된 탠덤 촉매 패턴 설계

초록

본 연구는 2차원 흐름 전해 셀에서 은(Ag)과 구리(Cu) 촉매를 교대로 배열한 탠덤 구조를 최적화한다. 연속체 전송 모델과 인접법(adjoint) 기반 설계 최적화 알고리즘을 결합해 전압, 전해액 흐름 속도, 패턴 구간 수(N) 등을 변수로 하여 에틸렌 생산 전류밀도를 목표함수로 설정하였다. 최적화 결과, -1.7 V (vs SHE)에서 12구간 패턴이 2구간 균등 패턴 대비 에틸렌 전류밀도를 최대 65 % 향상시켰으며, 이는 CO 중간체의 생산·소비 균형과 Cu 구간의 CO 농도 분포 개선에 기인한다.

상세 분석

이 논문은 전기화학적 CO₂ 환원( CO₂R )에서 촉매 간 상호작용을 설계 변수로 삼아 시스템 전체 효율을 극대화하려는 시도를 구체적인 수치 모델링과 최적화 기법을 통해 구현하였다. 먼저, 2 D 평면 흐름 전해 셀을 가정하고, 전해액은 500 mM KHCO₃와 34 mM CO₂를 포함한 혼합물로 흐른다. 전극 표면은 Ag와 Cu 구역이 교대로 배치되며, Ag 구역은 CO₂ → CO 반응을, Cu 구역은 CO → C₂H₄·C₂H₆·CH₄ 등 고부가가치 제품을 촉진한다. 전극 전압, 유속, 구역 수(N) 등을 입력 파라미터로 설정하고, 목표 함수는 식(25)로 정의된 에틸렌 전류밀도이다.

연속체 전송 방정식(질량 보존, 전하 보존, 전해질 흐름)과 Butler‑Volmer 형태의 전극 반응식이 PDE 제약으로 사용된다. 특히, CO와 같은 중간체의 생성·소비를 정확히 포착하기 위해 bulk 반응과 표면 반응을 명확히 구분하고, CO는 전해액에 초기 존재하지 않으며 Ag 구역에서만 생성된다는 가정을 두었다. 이는 CO가 Cu 구역으로 직접 전달되는 ‘스필오버’ 효과를 정량화하는 데 핵심적이다.

설계 최적화는 인접법(adjoint method)을 활용해 목표 함수에 대한 설계 변수(각 구역 길이 l_j)의 민감도를 효율적으로 계산한다. 인접 방정식은 원래의 전송‑반응 PDE와 동일한 격자에서 역방향으로 풀리며, 이를 통해 수백 번의 설계 반복을 빠르게 수행한다. 최적화 알고리즘은 구역 수가 증가할수록(예: N=12) 더 세밀한 패턴을 허용해 CO 농도 구배를 완화하고, Cu 구역에서 CO 농도가 낮은 ‘공백’ 영역을 최소화한다. 결과적으로, 전압이 -1.7 V와 같이 전극 반응이 강하게 진행되는 조건에서 최적화된 비대칭 패턴이 에틸렌 전류밀도를 65 %까지 끌어올렸다.

전압이 완만한 -1.0 V 수준에서는 반응 속도가 제한적이어서 패턴 최적화 효과가 상대적으로 작았다. 또한, 유속이 높을수록 전해액 내 CO 확산이 촉진돼 Cu 구역에 충분한 CO가 공급되지만, 동시에 CO가 전극 표면에서 빠르게 제거돼 선택성이 감소한다는 트레이드오프가 관찰되었다. 이러한 현상은 최적화 결과에서 유속과 전압에 따라 구역 길이 배분이 달라지는 이유를 설명한다.

연구는 실험적 검증이 아닌 모델 기반 증명 개념(proof‑of‑concept)임을 명시하면서, 실제 산업용 GDE(기체 확산 전극)와 같은 복합 구조를 포함한 확장 가능성을 제시한다. 향후 연구에서는 3 D 전해 셀, 다중 전해질 흐름, 전극 표면 거칠기 등 추가 물리적 요인을 통합해 최적화 프레임워크를 더욱 현실화할 필요가 있다.