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이 반응을 산화라고 한다. 아연이 전해질로 들어가는 동안, 전해질에서 두 개의 양전하 수소 이온(H+)이 구리 전극 표면에서 두 개의 전자와 결합하여 중성의 수소 분자(H2)를 형성한다.
이 반응을 환원이라고 한다. 구리에서 수소 분자를 형성하는 데 사용되는 전자들은 구리와 아연을 연결하는 외부 전선을 통해 아연에서 이동된다. 환원 반응으로 구리 표면에 형성된 수소 분자들은 결국 수소 기체로 기포가 되어 빠져나간다.
이 화학 반응 모델은 2001년 제리 구드스만이 발표한 실험에서 검증된 몇 가지 예측을 한다. 구드스만은 최근의 수많은 저자들이 레몬 전지의 화학 반응에 구리 전극의 전해질 용해를 포함하고 있다고 지적한다. 구드스만은 이 반응이 실험과 일치하지 않는다고 배제하며, 구리 전극에서 수소가 발생하는 것이 포함되고 은을 구리 대신 사용할 수 있는 정확한 화학은 오랫동안 알려져 왔다고 지적한다. 모델의 자세한 예측 대부분은 전지로부터 직접 측정되는 개방 회로 전압(아무것도 전지에 연결되지 않은 상태)에 적용된다. 전해질에 황산 아연(ZnSO4)을 첨가하여 전해질을 변경했을 때, 네른스트 식을 사용하여 모델에서 예측한 대로 전지 전압이 감소했다. 네른스트 식은 본질적으로 황산 아연이 더 많이 첨가될수록 전압이 얼마나 떨어지는지를 나타낸다. 황산구리(CuSO4)를 첨가해도 전압에는 영향을 미치지 않았다. 이 결과는 전극의 구리 원자가 전지의 화학 반응 모델에 관여하지 않는다는 사실과 일치한다.
전지가 외부 회로에 연결되어 상당한 전류가 흐를 때, 위에서 설명한 아연 산화 반응에 의해 예측된 대로 아연 전극은 질량을 잃는다. 유사하게, 수소 기체는 구리 전극에서 기포 형태로 발생한다. 마지막으로, 전지에서 나오는 전압은 pH로 측정된 전해질의 산도에 따라 달라졌다. 산도 감소(및 pH 증가)는 전압을 떨어뜨린다. 이 효과 또한 네른스트 식에 의해 예측된다. 사용된 특정 산(시트르산, 염산, 황산 등)은 pH 값을 통해서만 전압에 영향을 미쳤다.
네른스트 식 예측은 강산성 전해질(pH &lt; 3.4)에서는 실패했다. 이때 아연 전극은 전지가 회로에 전류를 공급하지 않을 때에도 전해질에 용해된다. 위에 나열된 두 가지 산화-환원 반응은 외부 회로를 통해 전기 전하가 운반될 수 있을 때만 발생한다. 추가적인 개방 회로 반응은 개방 회로에서 아연 전극에서 기포가 형성되는 것으로 관찰될 수 있다. 이 효과는 궁극적으로 최고 산성 수준에서 실온 근처의 전지 전압을 1.0V로 제한했다.
에너지는 아연이 산에 용해될 때 발생하는 화학 변화에서 나온다. 에너지는 레몬이나 감자에서 나오지 않는다. 아연은 레몬 안에서 산화되어, 더 낮은 에너지 상태에 도달하기 위해 산과 일부 전자를 교환하며, 방출된 에너지가 전력을 공급한다.
현재 관행에서 아연은 황산 아연의 전기제련 또는 탄소를 이용한 아연의 건식제련으로 생산되며, 이는 에너지 투입을 필요로 한다. 레몬 전지에서 생성되는 에너지는 이 반응을 역전시켜 아연 생산 중 투입된 에너지의 일부를 회수하는 것이다.
스미 전지.
1840년부터 19세기 후반까지 아연 전극과 황산 전해질을 사용하는 대형 볼타 전지가 인쇄 산업에서 널리 사용되었다. 레몬 전지와 같은 구리 전극이 때때로 사용되었지만, 1840년에 앨프레드 스미는 구리 전극 대신 거친 백금 코팅이 된 은을 사용하는 이 전지의 정제된 버전을 발명했다. 은 또는 구리 전극 표면에 달라붙는 수소 기체는 전지에서 뽑아낼 수 있는 전류를 감소시킨다. 이 현상을 "분극"이라고 한다. 거칠게 "백금화된" 표면은 수소 기체의 기포 발생을 가속화하고 전지에서 나오는 전류를 증가시킨다. 아연 전극과 달리 구리 또는 백금화된 은 전극은 전지를 사용해도 소모되지 않으며, 이 전극의 세부 사항은 전지의 전압에 영향을 미치지 않는다. 스미 전지는 신문 및 서적의 활판 인쇄용 구리 판뿐만 아니라 동상 및 기타 금속 물품을 생산하는 전기주조에 편리했다.
스미 전지는 순수 아연 대신 아말감 아연을 사용했다. 아말감 아연의 표면은 수은으로 처리되었다. 아말감 아연은 순수 아연보다 산성 용액에 의한 분해에 덜 취약했던 것으로 보인다. 아말감 아연과 일반 아연 전극은 아연이 순수할 때 본질적으로 동일한 전압을 제공한다. 19세기 실험실에서 불완전하게 정제된 아연을 사용했을 때는 일반적으로 다른 전압을 제공했다.
가미카네촌()은 야마나시현 히가시야마나시군에 있던 촌이다. 현재의 고슈시 북동부, 국도 제411호선 연선에 해당한다.
리처드 루이스 손버그(Richard Lewis Thornburgh, 1932년 7월 16일 ~ 2020년 12월 31일)는 미국의 정치인이다.
이산화 탄소의 광전기화학적 환원() 또는 이산화 탄소의 광전기분해(photoelectrolysis of carbon dioxide)는 이산화 탄소가 입사광의 에너지에 의해 일산화 탄소 또는 탄화수소로 환원되는 화학 공정이다. 이 과정에는 대부분 반도체 물질인 촉매가 필요하다. 이 화학 반응의 실현 가능성은 이탈리아 광화학자인 자코모 루이지 치아미치안에 의해 처음으로 이론화되었다. 그는 이미 1912년에 "[적절한 촉매를 사용함으로써 물과 이산화 탄소의 혼합물을 산소와 메탄으로 변환하거나 다른 흡열 과정을 유발하는 것이 가능해야 한다]"고 말했다.
더욱이 환원된 화학종은 다른 과정의 귀중한 원료로 판명될 수 있다. 이용되는 입사광이 태양 에너지인 경우 이 과정은 또한 재생 가능 에너지와 CO2 환원을 결합한 에너지 경로를 잠재적으로 나타낸다.
CO2가 다양한 생성물로 환원되는 열역학 퍼텐셜은 다음 표에 pH = 7에서 NHE에 대해 주어진다. CO2가 CO2●− 라디칼로 단일 전자 환원되는 것은 25 °C의 수용액에서 1 atm 기압 하에 pH = 7에서 NHE에 대해 E° = −1.90 V에서 일어난다. CO2의 높은 음의 열역학적으로 불리한 단일 전자 산화·환원 전위의 원인은 선형 분자와 굽은 라디칼 음이온 사이의 큰 재배열 에너지 때문이다. CO2 환원을 위한 양성자 결합 다전자 단계는 열역학적으로 더 안정한 분자가 생성되므로 일반적으로 단일 전자 환원보다 유리하다.
열역학적으로 양성자 결합 다전자 CO2 환원은 단일 전자 환원보다 쉽다. 그러나 다중 양성자 결합 다전자 과정을 관리하는 것은 동역학적으로 엄청난 도전이다. 이는 탄화수소 및 알코올로의 CO2 전기화학적 이종 환원에 대한 높은 과전압으로 이어진다. 단일 환원된 CO2●− 라디칼 음이온의 이종 환원은 음으로 편향된 전극과 음으로 대전된 음이온 사이의 반발 상호작용 때문에 더욱 어렵다.
그림 2는 p형 반도체/액체 접합의 경우 빛에 노출될 때 반도체/액체 계면에서 광 생성 전자를 사용할 수 있음을 보여준다. 산화 환원 종의 환원은 반도체/액체 계면에서의 밴드 굽힘으로 인해 금속 전극에 비해 빛에 노출된 p형 반도체에서 덜 음의 전위에서 발생한다. 그림 3은 열역학적으로 일부 양성자 결합 다전자 CO2 환원이 반도체의 띠틈 내에 있음을 보여준다. 이는 p형 반도체에서 CO2를 광환원하는 것을 가능하게 한다. p-GaP, p-CdTe, p-Si, p-GaAs, p-InP, p-SiC를 포함한 다양한 p형 반도체가 CO2 광환원에 성공적으로 사용되었다. 그러나 동역학적으로 이러한 반응은 주어진 반도체 표면에서 극히 느리다. 이는 이러한 반도체 표면에서 CO2 환원에 상당한 과전압을 유발한다. 높은 과전압 외에도 이러한 시스템은 지속 가능성(이 시스템에서는 빛 에너지 외에는 아무것도 소비되지 않음), 태양 에너지를 화학 에너지로 직접 변환, 에너지 집약적 공정에 재생 가능 에너지 자원 활용, 공정의 안정성(반도체는 빛에 노출될 때 실제로 안정적임) 등 몇 가지 장점을 가지고 있다. CO2의 광환원에 대한 다른 접근 방식은 분자 촉매, 광감응제 및 희생 전자 공여체를 포함한다. 이 과정에서 희생 전자 공여체는 과정 중에 소모되고 광감응제는 장시간 빛에 노출될 때 분해된다.
용매 효과.
p형 반도체 광전극에서의 CO2 광환원은 수성 및 비수성 매질 모두에서 달성되었다. 수성 및 비수성 매질의 주요 차이점은 CO2의 용해도이다. 1 atm의 CO2 수성 매질에서의 CO2 용해도는 약 ≈ 35 mM인 반면, 메탄올에서의 CO2 용해도는 약 210 mM이고 아세토나이트릴에서는 약 210 mM이다.
수성 매질.
CO2를 폼산으로 광환원하는 것은 수성 매질의 p-GaP 광음극에서 시연되었다. p-GaP에서의 CO2 광환원에 대한 다른 여러 보고 외에도 p-GaAs, p-InP, p-CdTe, 및 p+/p-Si와 같은 다른 p형 반도체들도 CO2 광환원에 성공적으로 사용되었다. CO2 광환원의 최저 전위는 p-GaP에서 관찰되었다. 이는 더 높은 띠틈 p-GaP (2.2 eV) 광음극에서 예상되는 높은 광전압 때문일 수 있다. 폼산 외에도 CO2 광환원에서 관찰되는 다른 생성물은 폼알데하이드, 메탄올 및 일산화 탄소이다. p-GaP, p-GaAs 및 p+/p-Si 광음극에서는 주 생성물이 폼산이며 소량의 폼알데하이드와 메탄올이 생성된다. 그러나 p-InP 및 p-CdTe 광음극에서는 일산화 탄소와 폼산이 비슷한 양으로 관찰된다. Hori가 금속 전극에서의 CO2 환원을 기반으로 제안한 메커니즘은 수성 매질에서 폼산(단일 환원된 CO2●− 라디칼 음이온이 표면에 흡착되지 않는 경우)과 일산화 탄소(단일 환원된 CO2●− 라디칼 음이온이 표면에 흡착되는 경우) 모두의 형성을 예측한다. 이 동일한 메커니즘은 단일 환원된 CO2●− 라디칼 음이온이 표면에 흡착되지 않기 때문에 p-GaP, p-GaAs 및 p+/p-Si 광음극에서 주로 폼산이 형성되는 것을 설명하는 데 사용될 수 있다. p-InP 및 p-CdTe 광음극의 경우 CO2●− 라디칼 음이온의 부분적 흡착으로 인해 일산화 탄소와 폼산이 모두 형성된다. CO2 광환원에 대한 낮은 촉매 전류 밀도와 경쟁적인 수소 발생은 이 시스템의 두 가지 주요 단점이다.
비수성 매질.
CO2 용해도 및 확산 제한을 기반으로 수성 매질에서 달성할 수 있는 CO2 환원의 최대 촉매 전류 밀도는 10mA cm−2에 불과하다. p-Si (1.12 eV), p-InP (1.3 eV), p-GaAs (1.4 eV), p-GaP (2.3 eV)에 대한 태양 에너지 전환의 기존 Shockley-Quiesser 한계에서 Air Mass 1.5 조명 하의 통합 최대 광전류는 각각 44.0 mA cm−2, 37.0 mA cm−2, 32.5 mA cm−2 및 9.0 mA cm−2이다. 따라서 DMF, 아세토나이트릴, 메탄올과 같은 비수성 매질은 CO2 전기화학적 환원을 위한 용매로 탐색된다. 또한 메탄올은 렉티졸법에서 CO2의 물리적 흡수제로 산업적으로 사용되었다. 수성 매질 시스템과 유사하게 p-Si, p-InP, p-GaAs, p-GaP 및 p-CdTe가 CO2 광전기화학적 환원에 탐색된다. 이 중 p-GaP는 가장 낮은 과전압을 가지는 반면, p-CdTe는 DMF와 5% 물 혼합 시스템에서 중간 과전압이지만 높은 촉매 전류 밀도를 가진다. 비수성 매질에서의 CO2 환원의 주 생성물은 일산화 탄소이다. 비수성 매질에서는 경쟁적인 수소 생성이 최소화된다. 비수성 매질에서 CO2가 CO로 환원되는 제안된 메커니즘은 CO2가 CO2●− 라디칼 음이온으로 단일 전자 환원되고 라디칼 음이온이 표면에 흡착된 다음, 환원되지 않은 CO2와 CO2●− 라디칼 음이온 사이의 불균등화 반응을 통해 CO32−와 CO가 형성되는 것을 포함한다.
히시야마촌()은 야마나시현 히가시야마나시군에 있던 촌이다. 현재의 고슈시 가쓰누마정 히시야마에 해당한다.
유나이티드 오버시즈 뱅크 리미티드(United Overseas Bank Limited), , UOB)는 싱가포르 래플스 플레이스 에 본사를 둔 싱가포르의 지역 은행으로, 대부분 동남아시아 국가에 지점이 있다.
이 은행은 국내 3대 '지방 대형은행' 중 하나이며, 나머지 2개 은행은 DBS 은행 과 OCBC(Oversea-Chinese Banking Corporation)이다.
1935년 대공황 동안 사라왁 출신의 Wee Kheng Chiang을 포함한 호클로 사업가 그룹에 의해 United Chinese Bank(UCB) 로 처음 설립된 이 은행은 싱가포르 강 근처 Boat Quay 에 위치한 Bonham Building의 임대 건물에 있는 단일 지점 은행에서 운영되었다. 이 회사는 주로 싱가포르에 있는 호키엔 중국계 사업가들을 포함한 현지 사업가 계층에 단기 대출을 제공했다.
UOB는 총자산 기준으로 동남아시아에서 세 번째로 큰 은행이다. 이 은행은 개인 금융 서비스, 기업 은행 업무, 프라이빗 뱅킹 및 자산 관리 서비스는 물론 기업 금융, 벤처 캐피털 및 보험 서비스를 제공한다. 싱가포르에 68개 지점을 두고 있으며 아시아 태평양, 서유럽, 북미의 19개국 및 지역에 500개 이상의 사무실 네트워크를 보유하고 있다.
1935년 8월 6일, 사라왁 출신 사업가 Wee Kheng Chiang은 다른 6명의 파트너와 함께 1 백만 싱가포르 달러의 납입 자본금으로 은행을 설립했다. 이 은행은 원래 "United Chinese Bank(UCB)" 로 설립되었으며 싱가포르의 호키엔 중국인 커뮤니티를 대상으로 서비스를 제공했다. 최대주주인 위(Wee)가 초대 회장이 되었다. 1935년 10월, UCB는 3층짜리 Bonham Building에서 영업을 시작했다. 1965년 1월 23일, UCB는 홍콩의 다른 "United Chinese Bank" ( )와의 중복을 피하기 위해 이름을 United Overseas Bank로 변경했다. 그리고 홍콩에 첫 해외 지점을 개설했다.
1970년에 UOB는 싱가포르와 말레이시아 공동 증권 거래소에 상장되었다. 당시 증권거래소는 싱가포르와 쿠알라룸푸르에 사무실을 두고 있었다. 은행은 상장 후 일련의 타깃 인수를 진행했다. 이 은행은 1971년에 처음으로 Chung Khiaw Bank 의 지배적 지분을 인수하여 국내적 영향력을 확대했으며 말레이시아와 홍콩에도 은행 사무실을 두게 되었다. United Overseas Bank와 Chung Khiaw Bank의 새로운 로고는 1972년 1월에 출시되었다.
1973년 UOB는 1920년 Eu Tong Sen이 공동 창립자이자 창립 이사 중 한 명인 Cheong Yoke Choy 와 함께 설립한 Lee Wah Bank를 인수하여 말레이시아와 싱가포르에서 서비스를 제공했다. 같은 해에 은행은 Bonham Building 대신 UOB Building(현재는 UOB Plaza Two 로 알려짐)이라는 이름의 30층짜리 새로운 사무실 타워를 건설했다. 회사는 1984년 Far Eastern Bank, 1999년 Westmont Bank(현재 UOB Philippines로 알려짐), Radanasin Bank(현재 United Overseas Bank (Thai) Public Company Limited로 알려짐)를 인수하면서 인수를 계속했다
2001년 9월 UOB는 당시 싱가포르에서 4번째로 큰 현지 은행이었던 Overseas Union Bank를 10억 싱가포르 달러에 인수했다.
2002년 UOB는 상하이에 새로운 풀서비스 지점을 개설하고 베이징 사무실을 풀서비스 지점으로 업그레이드하여 중국 시장 진출을 시작했다.
2019년 1월 16일, UOB는 성평등을 인정받아 처음으로 블룸버그 성평등 지수(GEI)에 등재되었다.
2022년 1월 14일 UOB는 인도네시아, 말레이시아, 태국, 베트남의 시티그룹 소비자 은행 프랜차이즈를 약 50억 싱가포르 달러에 인수했다.
주주들.
2017년 3월 1일 기준 최대 주주 10명은 다음과 같다 .
"* 비율은 자기주식을 제외한 발행된 보통주 총수를 기준으로 계산된다."
국제 운영.
UOB는 아시아 태평양, 북미, 서유럽에 걸쳐 지점과 사무실을 두고 있으며, 대부분의 사업은 브루나이, 말레이시아, 인도네시아, 미얀마, 필리핀, 태국, 베트남 등 동남아시아 국가에서 이루어진다.
시드니의 UOB 빌딩에 본사를 둔 UOB Australia는 1986년 호주와 아시아 간 무역 및 금융을 강조하기 위해 상업은행으로서 MLC 센터 에 첫 지점을 열었다. 이 은행은 현재 시드니 지점 외에도 멜버른 과 브리즈번에 사무실을 두고 있으며 현재 당좌예금, 예금, 대출, 자산 금융, 무역 금융, 구조화 금융, 현금 관리 및 국경 간 지불을 포함하는 상업 은행 서비스를 제공하고 있다.
1983년 UOB는 서울에 첫 대표 사무소를 열었고 1998년에는 한국에서 총 8,100만 싱가포르 달러의 자산을 보유하게 되었다. 이 은행은 현재 서울에 지점을 운영하고 있다.
인공 광합성()은 자연적인 광합성 과정을 생체모방하는 화학적 과정이다. 인공 광합성이라는 용어는 태양으로부터 에너지를 포획하여 연료, 특히 태양연료를 생산함으로써 에너지를 저장하는 모든 방안을 지칭하는 데 느슨하게 사용된다. 인공 광합성의 장점은 태양 에너지를 변환하여 저장할 수 있다는 것이다. 이와 대조적으로, 태양광 발전 전지를 사용하면 햇빛이 전기로 변환된 다음 저장용으로 다시 화학 에너지로 변환되며, 두 번째 변환과 관련된 일부 에너지 손실이 발생한다. 이러한 반응의 부산물은 환경 친화적이다. 인공 광합성 연료는 탄소 중립 에너지원이 될 수 있지만, 실용적인 의미에서 입증된 적은 없다. 인공 광합성의 경제성은 경쟁력이 없다.
수많은 방식이 인공 광합성으로 설명되어 왔다.
사회경제적 함의 때문에 인공 광합성은 많은 도전에도 불구하고 시의성이 있다. 이상적으로는 이러한 태양연료를 생산하는 데 필요한 유일한 입력은 물, 이산화탄소, 그리고 햇빛뿐이다. 유일한 부산물은 직접적인 과정을 사용함으로써 산소가 될 것이다.
인공 광합성은 1912년 이탈리아의 화학자 자코모 치아미치안에 의해 처음으로 예상되었다. 나중에 사이언스지에 게재된 강연에서 그는 화석연료 사용에서 태양에 의해 제공되고 기술적 광화학 장치에 의해 포착되는 복사 에너지로의 전환을 제안했다. 이 전환에서 그는 유럽의 부유한 북부와 가난한 남부 사이의 격차를 줄일 가능성을 보았고, 석탄에서 태양 에너지로의 전환이 "진보와 인간의 행복에 해롭지 않을 것"이라고 추측했다.
1960년대 후반, 후지시마 아키라는 이산화 타이타늄의 광촉매 특성, 즉 혼다-후지시마 효과를 발견했는데, 이는 가수분해에 사용될 수 있었다.
단일 부품 다중 접합 반도체 장치(UV 광선과 이산화 타이타늄 반도체 대비)를 이용한 가시광선 물 분해는 1983년 Energy Conversion Devices의 윌리엄 에어스에 의해 처음으로 시연되고 특허를 받았다. 이 그룹은 물을 광분해하여 수소와 산소로 분리하는 것을 시연했으며, 이는 현재 "인공 잎"이라고 불리며 저비용의 박막 비정질 실리콘 다중 접합 시트를 물에 직접 담그는 방식이다. 수소는 다양한 촉매로 장식된 전면 비정질 실리콘 표면에서 발생했으며, 산소는 후면 금속 기판에서 발생하여 수소/산소 혼합 가스 발생의 위험을 제거했다. 침지된 장치 위의 폴리머 막은 양성자 수송 경로를 제공했다. 가시광선을 이용한 다중 접합 박막 장치에서 얻을 수 있는 더 높은 광전압은 UV 또는 다른 단일 접합 반도체 광전극을 이용한 이전 광분해 시도에 비해 큰 발전이었다. 이 그룹의 특허는 또한 비정질 실리콘 외에도 여러 다른 반도체 다중 접합 구성을 나열하고 있다.
1990년대 이후로, 수소 발생 반응과 산소 발생 반응의 촉매에 대해 많은 것이 밝혀졌다. 불행히도, 많은 노력에도 불구하고 실용적인 시스템은 아직 입증되지 않았다.
촉매 삼잔기.
인공 광합성 개념 중 일부는 자연 광합성에서 영감을 받은 개별 구성 요소로 구성된다.
이러한 과정은 촉매 삼잔기 조합에 의해 복제될 수 있는데, 이는 하나의 촉매에서 물을 산화시키고, 다른 촉매에서 양성자를 환원시키며, 전체 시스템에 동력을 공급하는 감광제 분자를 가질 수 있다.
태양 전지용 일부 촉매는 수소를 생산하도록 고안되었다.
1) 균일 시스템은 촉매가 구획화되지 않은 시스템으로, 구성 요소가 동일한 구획에 존재한다는 의미이다. 이는 수소와 산소가 같은 위치에서 생산된다는 것을 의미한다. 이는 폭발성 혼합물을 구성하므로 가스 제품 분리가 필요하다는 단점이 될 수 있다. 또한, 모든 구성 요소는 대략 동일한 조건(예: 수소 이온 농도 지수)에서 활성화되어야 한다.
2) 이종 시스템은 두 개의 분리된 전극인 양극과 음극을 가지고 있어 산소와 수소 생산을 분리할 수 있다. 또한, 다른 구성 요소들이 반드시 동일한 조건에서 작동할 필요는 없다. 그러나 이러한 시스템의 복잡성이 증가하면 개발이 더 어려워지고 비용이 더 많이 든다.
선정된 촉매.
O2-발생 및 환원 측면 모두에 대해 많은 촉매가 평가되었다. 아래에 나열된 산화제 및 환원제를 포함하는 촉매는 실용적이지 않지만 예시적이다.
자연 광합성과 유사하게, 이러한 인공 잎은 전체 물 분해 또는 CO2 환원을 위해 빛 흡수체의 탠덤을 사용할 수 있다. 이러한 통합 시스템은 가볍고 유연한 기판 위에 조립될 수 있으며, 그 결과 연잎과 유사한 부유 장치가 만들어진다.
촉매 안정성.
인공 광합성용 촉매는 수백만 번의 회전수를 달성할 것으로 예상된다. 촉매는 특히 빛에 노출될 때 물에서 종종 부식된다. 따라서 태양광 발전보다 안정성이 낮을 수 있다. 수소 산화 촉매는 산소에 매우 민감하여 산소가 존재하면 비활성화되거나 분해되며, 시간이 지남에 따라 광손상도 발생할 수 있다.
스웨덴, 미국 등 전 세계적으로 연구 센터가 설립되었으며, 오직 햇빛, 물, 이산화탄소만을 입력으로 사용하여 연료를 생산하는 비용 효율적인 방법을 찾는 것을 목표로 한다. 일본에서는 그해 말 KAITEKI 연구소 설립으로 이러한 목표가 확인되었으며, 인공 광합성을 통한 이산화탄소 감축이 주요 목표 중 하나였다. 그리고 호주에서도 연구 센터가 설립되었다.
다양한 구성 요소.
수소 촉매.
수소는 가장 단순한 태양 연료이다. 수소의 형성은 두 양성자에 두 전자를 전달하는 것만을 포함한다:
수소화효소 효소는 이 변환을 수행한다.
다이로듐 광촉매와 코발트 촉매
물 산화 촉매.
물 산화는 양성자 환원보다 더 복잡한 화학 반응이다. 자연에서 산소 발생 복합체는 광계 II(PS II) 내의 망가니즈-칼슘 클러스터에 환원 당량(전자)을 축적한 다음, 이를 물 분자로 전달하여 분자 산소와 양성자를 생성함으로써 이 반응을 수행한다:
촉매(자연 또는 인공)가 없으면 이 반응은 매우 흡열적이며, 고온(최소 2500K)이 필요하다.
산소 발생 복합체의 정확한 구조는 실험적으로 결정하기 어려웠다. 2011년 기준으로, 가장 상세한 모델은 광계 II의 1.9Å 해상도 결정 구조에서 나온 것이다. 이 복합체는 4개의 망가니즈 이온과 1개의 칼슘 이온을 포함하는 클러스터이지만, 클러스터 내에서 물 산화의 정확한 위치와 메커니즘은 알려져 있지 않다. 그럼에도 불구하고, 생체 모방 망가니즈 및 망가니즈-칼슘 복합체가 합성되었으며, 예를 들어 [Mn4O4] 쿠반형 클러스터는 일부 촉매 활성을 보인다.
일부 루테늄 착물, 예를 들어 이핵성 μ-옥소 브릿지 "블루 이합체"(합성된 최초의 착물)는 높은 원자가 상태를 형성할 수 있어 빛 구동 물 산화를 수행할 수 있다. 이 경우, 루테늄 착물은 광감제와 촉매 역할을 모두 한다. 이 착물과 다른 분자 촉매는 명확한 구조, 활성 부위, 그리고 연구하기 쉬운 메커니즘과 같은 다양한 장점을 가지고 있어 이 분야의 연구자들을 여전히 매료시키고 있다. 극복해야 할 주요 과제 중 하나는 단기 안정성과 인공 광합성 장치 응용을 위한 효과적인 이종화이다.
산화 루테늄(IV)(RuO2), 산화 이리듐(IV)(IrO2), 코발트 산화물(니켈-도핑된 산화 코발트(II,III) Co3O4 포함), 산화 망가니즈(층상 MnO2(버네사이트), Mn2O3 포함), Mn2O3와 CaMn2O4 혼합물을 포함한 많은 금속 산화물이 물 산화 촉매 활성을 가지는 것으로 밝혀졌다. 산화물은 분자 촉매, 특히 상대적으로 풍부한 전이 금속(코발트 및 망가니즈)에서 얻은 촉매보다 얻기 쉽지만, 낮은 회전 빈도와 느린 전자전달 특성을 가지며, 작용 메커니즘을 해독하기 어렵고, 따라서 조절하기 어렵다.
감광제.
자연은 주로 엽록소와 같은 생물 색소를 사용하여 가시 스펙트럼의 넓은 부분을 흡수한다. 인공 시스템은 넓은 흡수 범위를 가진 한 가지 유형의 색소를 사용하거나 동일한 목적을 위해 여러 색소를 결합할 수 있다.
루테늄 폴리피리딘 착물, 특히 트리스(바이피리딘)루테늄(II) 및 그 파생물은 효율적인 가시광선 흡수와 그로 인한 장수명의 금속-리간드 전하 이동 들뜬 상태로 인해 강력한 환원제 역할을 하여 수소 광생산에 광범위하게 사용되었다. 사용된 다른 귀금속 (화학) 함유 착물에는 백금, 로듐 및 이리듐을 포함하는 착물이 있다.
금속을 포함하지 않는 유기 착물도 광감제로 성공적으로 사용되었다. 예로는 에오신 Y와 로즈 벵갈이 있다. 포르피린과 같은 피롤 고리도 동종 및 이종 촉매 작용을 위해 나노물질 또는 반도체 코팅에 사용되었다.
현재 연구 노력의 일환으로 인공 광자 안테나 시스템은 인공 광합성을 위한 효율적이고 지속 가능한 빛 수집 방법을 결정하기 위해 연구되고 있다. 기온 칼자페리(2009)는 식물의 빛 수집 시스템을 모방하기 위해 제올라이트 L을 유기 염료의 호스트로 사용하는 안테나를 설명한다. 이 안테나는 염료 분자를 제올라이트 L의 채널에 삽입하여 제작된다. 진공 및 고온 조건에서 이루어지는 삽입 과정은 제올라이트 골격과 염료 분자의 협력적인 진동 운동에 의해 가능해진다. 결과로 생성된 물질은 스톱콕 중간체를 통해 외부 장치와 연결될 수 있다.
이산화 탄소 환원 촉매.
자연에서 탄소 고정은 녹색 식물이 캘빈 회로의 일부로 루비스코 효소를 사용하여 수행한다. 루비스코는 다른 대부분의 효소에 비해 다소 느린 촉매로, 분당 몇 분자만을 이산화탄소를 리불로스 1,5-이인산에 통합하지만, 대기압 및 온화한 생물학적 조건에서 그렇게 한다. 결과물은 추가적으로 환원되어 결국 포도당 합성에 사용되며, 이는 다시 더 복잡한 탄수화물, 예를 들어 셀룰로스와 녹말의 전구체이다. 이 과정은 ATP와 NADPH 형태의 에너지를 소비한다.
연료 생산을 위한 인공 이산화탄소 환원은 주로 대기 중 이산화탄소에서 환원된 탄소 화합물을 생산하는 것을 목표로 한다. 이러한 목적을 위해 일부 전이 금속 포스핀 폴리포스핀 착물이 개발되었지만, 일반적으로 사용 전에 이산화탄소의 사전 농축이 필요하며, 호기성 조건에서 안정하고 대기 중 이산화탄소를 농축할 수 있는 운반체(이산화탄소를 고정할 분자)는 아직 개발되지 않았다. 이산화탄소 환원의 가장 간단한 생성물은 일산화 탄소(CO)이지만, 연료 개발을 위해서는 추가적인 환원(예: 다중 탄소 생성물로)이 필요하며, 추가 개발이 필요한 핵심 단계는 수소 음이온을 CO로 전달하는 것이다.
광생물학적 연료 생산.
인공 광합성 내의 또 다른 연구 분야는 태양 연료 생산을 위한 광합성 미생물, 즉 녹색 미세 조류와 남세균의 선택 및 조작이다. 많은 균주가 자연적으로 수소를 생산한다. 조류 바이오 연료인 뷰탄올과 메탄올은 다양한 규모로 생산되었다. 이 방법은 합성생물학의 발전에 힘입었다. "사이보그 박테리아"를 이용한 이산화탄소로부터 아세트산 생산과 같은 다양한 바이오 연료가 개발되었다.
일부 태양전지는 물을 산소와 수소로 분해할 수 있으며, 이는 자연 광합성보다 약 10배 더 효율적이다. 인공 잎 기반의 스타트업인 Sun Catalytix는 이 장치가 햇빛으로부터 수소를 생산하는 다른 방법에 비해 절감 효과가 적기 때문에 프로토타입을 확대하지 않을 것이라고 밝혔다.
일부 광영양생물 미생물은 특정 조건에서 수소를 생산할 수 있다. 필라멘트형 남세균과 같은 질소 고정 미생물은 대기 중 N2를 암모니아로 전환하는 질소고정효소를 가지고 있다. 분자 수소는 이 반응의 부산물이며, 종종 미생물에 의해 방출되지 않고 수소 산화(흡수) 수소화효소에 의해 흡수된다. 이러한 유기체들이 수소를 생산하도록 강제하는 한 가지 방법은 흡수 수소화효소 활성을 제거하는 것이다. 이는 Nostoc punctiforme의 한 균주에서 수행되었다. NiFe 흡수 수소화효소의 구조 유전자 중 하나가 삽입 돌연변이에 의해 비활성화되었고, 돌연변이 균주는 조명 하에서 수소 발생을 보였다.
이러한 광합성 미생물 중 다수는 특정 조건에서 수소를 생산할 수 있는 양방향 수소화효소도 가지고 있다. 그러나 다른 에너지 소비 대사경로가 양성자 환원에 필요한 전자와 경쟁하여 전체 과정의 효율을 감소시킬 수 있으며, 이러한 수소화효소는 산소에 매우 민감하다.
시아노박테리아를 이용한 1-뷰탄올과 같은 여러 탄소 기반 바이오 연료도 생산되었다.
합성생물학 기술은 이 주제에 유용할 것으로 예상된다. 미생물학 및 효소 공학은 효소 효율성과 견고성을 향상시키고, 이전에 존재하지 않았던 광합성 미생물에 새로운 바이오 연료 생산 대사경로를 구축하거나 기존 경로를 개선할 잠재력을 가지고 있다. 또 다른 개발 중인 주제는 상업적 적용을 위한 광생물반응기 최적화이다.
연구원들은 이산화탄소, 전기, 물을 아세트산으로 변환한 다음 식품 생산 유기체가 소비하여 성장하는 2단계 전기촉매 과정을 통해 암흑에서 다양한 식품의 통제된 성장을 달성했다. 이는 식품 생산의 에너지 효율성을 높이고 환경 영향을 줄이는 방법이 될 수 있다. 그러나 실험 과정에 기반한 식품 생산 메커니즘이 실행 가능하며 확장될 수 있는지는 불분명하다.
장점, 단점 및 효율성.
촉매 설계에서 일반적으로 다루는 문제는 효율성, 특히 시스템에서 실제로 입사광을 얼마나 많이 사용할 수 있는지에 대한 것이다. 이는 빛-화학 에너지 변환이 측정되는 광합성 효율과 비교할 수 있다. 광합성 유기체는 입사 태양 복사의 약 50%를 수집할 수 있지만, 광합성 효율의 이론적 한계는 C3 탄소 고정 식물과 C4 탄소 고정 식물 각각 4.6%와 6.0%이다. 실제로는 광합성의 효율은 훨씬 낮으며, 열대 기후의 사탕수수와 같은 일부 예외를 제외하고는 보통 1% 미만이다. 대조적으로, 인공 광합성 실험 프로토타입에서 보고된 최고 효율은 22.4%이다. 그러나 식물은 대기 중 이산화탄소 농도에서 효율적으로 이산화탄소를 사용할 수 있지만, 인공 촉매는 아직 이러한 기능을 수행할 수 없다.
이산화 탄소의 광화학적 환원()은 태양 에너지를 활용하여 이산화 탄소를 고에너지 생성물로 전환한다. CO2가 온실 기체라는 인식이 인공 시스템 생산에 대한 환경적 관심을 촉발한다. 이 과정은 상업화되지 않았다.
광화학적 환원은 감광제라고 불리는 다른 분자의 광여기(photoexcitation)에서 생성되는 화학적 환원(산화환원)을 포함한다. 태양 에너지를 활용하기 위해 감광제는 가시광선 및 자외선 스펙트럼 내에서 빛을 흡수할 수 있어야 한다.
이 기준을 충족하는 분자 감광제는 종종 금속 중심을 포함하는데, 유기금속종의 d-궤도 분할이 원자외선 및 가시광선의 에너지 범위에 속하기 때문이다. 언급했듯이 환원 과정은 감광제의 여기로 시작된다. 이는 전자가 금속 중심에서 기능성 리간드로 이동하게 한다. 이 이동은 금속-리간드 전하 이동(MLCT)이라고 불린다. 전하 이동 후 리간드에서 금속으로의 역전자 이동은 순 결과를 낳지 않으므로 용액에 전자 공여종을 포함시켜 방지한다. 성공적인 감광제는 보통 단일항에서 삼중항으로의 상호변환으로 인해 오래 지속되는 여기 상태를 가지며, 이는 전자 공여자가 금속 중심과 상호 작용할 시간을 허용한다.
광화학적 환원에서 일반적인 공여자는 트라이에틸아민(TEA), 트라이에탄올아민(TEOA), 및 1-벤질-1,4-다이하이드로나이코틴아마이드(BNAH)를 포함한다.
여기 후, CO2는 환원된 금속의 내부 배위권과 배위되거나 상호 작용한다. 일반적인 생성물은 폼산, 일산화 탄소, 및 메탄올을 포함한다. 빛 흡수 및 촉매 환원은 동일한 금속 중심 또는 다른 금속 중심에서 발생할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 즉, 감광제와 촉매는 종들 간의 전자적 통신을 제공하는 유기 연결을 통해 연결될 수 있다. 이 경우 두 금속 중심은 이금속 초분자 복합체를 형성한다. 그리고 감광제의 기능성 리간드에 존재했던 여기된 전자는 보조 리간드를 통해 촉매 중심으로 이동하며, 이는 일전자 환원(OER) 종이 된다. 두 공정을 다른 중심에 나누는 장점은 다른 금속이나 리간드를 선택하는 등 특정 작업에 각 중심을 조절할 수 있는 능력에 있다.
1980년대에 르네는 CoCl2, 2,2'-바이피리딘(bpy), 삼차 아민, 및 Ru(bpy)3Cl2 감광제를 포함하는 용액에서 Co(I) 종이 생성되는 것을 관찰했다. CO2의 코발트 중심에 대한 높은 친화력은 그와 지젤이 코발트 중심을 환원을 위한 전기 촉매로 연구하게 만들었다. 1982년에 그들은 700ml의 CO2, Ru(bpy)3 및 Co(bpy)를 포함하는 용액의 조사에서 CO와 H2를 생성물로 보고했다.
르네와 지젤의 연구 이후 여러 촉매가 Ru(bpy)3 감광제와 짝지어졌다.
메틸바이올로젠, 코발트 및 니켈 기반 촉매와 짝지어질 때, 일산화 탄소와 수소 기체가 생성물로 관찰된다.
레늄 촉매와 짝지어질 때, 일산화 탄소가 주요 생성물로 관찰되며, 루테늄 촉매와 짝지어질 때 폼산이 관찰된다. 반응 환경을 조절하여 일부 생성물 선택이 가능하다. 다른 감광제도 촉매로 사용되었다. 여기에는 FeTPP (TPP=5,10,15,20-테트라페닐-21H,23H-포르핀) 및 CoTPP가 포함되며, 둘 다 CO를 생성하고 후자는 폼산도 생성한다. 비금속 광촉매로는 피리딘과 N-헤테로고리 카벤이 있다.
2022년 8월, 납-황 (Pb-S) 결합을 기반으로 한 광촉매가 개발되어 유망한 결과를 보였다.
광전기화학()은 빛과 전기화학 시스템 간의 상호작용을 다루는 물리화학의 하위 분야이다. 이는 활발히 연구되고 있는 분야이다. 이 전기화학 분야의 선구자 중 한 명은 독일의 전기화학자 하인츠 게리셔였다. 재생 가능 에너지 변환 및 에너지 저장 기술 개발과 관련하여 이 분야에 대한 관심이 높다.
광전기화학은 1차 석유 파동으로 인해 1970~80년대에 집중적으로 연구되었다. 화석연료는 재생 불가능하므로 재생 가능한 자원을 얻고 청정 에너지를 사용하는 공정을 개발할 필요가 있다. 인공 광합성, 광전기화학적 물 분해 및 재생형 태양 전지는 이 맥락에서 특별한 관심을 받고 있다. 광기전 효과는 알렉상드르 에드몽 베크렐이 발견했다.
하인츠 게리셔, H. 트리부슈, A.J. 노지크, A.J. 바드, 후지시마 아키라, 혼다 기이치, P.E. 라이비니스, K. 라제슈와르, T.J. 마이어, P.V. 카마트, N.S. 루이스, R. 멤밍, 존 보크리스는 광전기화학 분야에 많은 기여를 한 연구자들이다.
반도체 전기화학.
반도체 물질은 띠틈을 가지고 있으며, 흡수된 광자의 에너지가 반도체 띠틈 에너지보다 높으면 각 광자당 한 쌍의 전자와 정공을 생성한다. 반도체 물질의 이러한 특성은 태양 전지를 통해 태양 에너지를 전력량으로 변환하는 데 성공적으로 사용되었다.
광촉매에서는 전자-정공 쌍이 즉시 산화환원 반응을 구동하는 데 사용된다. 그러나 전자-정공 쌍은 빠른 재결합을 겪는다. 광전기촉매에서는 전자와 정공 사이의 재결합 수를 줄이기 위해 차등 전위가 인가된다. 이는 빛의 화학 에너지 변환 수율을 증가시킨다.
반도체-전해질 계면.
반도체가 액체(산화·환원 종)와 접촉할 때, 정전기적 평형을 유지하기 위해 산화·환원 종의 정규 산화환원 전위가 반도체 띠틈 내에 있으면 반도체와 액체 상 사이에 전하 이동이 발생한다. 열역학적 평형 상태에서 반도체의 페르미 준위와 산화·환원 종의 정규 산화환원 전위는 반도체와 산화·환원 종 사이의 계면에서 정렬된다. 이는 N형 반도체/액체 접합(그림 1(a))의 경우 N형 반도체에서 상향 띠 굽힘을 유발하고 P형 반도체/액체 접합(그림 1(b))의 경우 P형 반도체에서 하향 띠 굽힘을 유발한다. 반도체/액체 접합의 이러한 특성은 정류형 반도체/금속 접합 또는 쇼트키 접합과 유사하다. 이상적으로 반도체/액체 계면에서 좋은 정류 특성을 얻으려면 정규 산화환원 전위가 N형 반도체의 경우 반도체의 원자가 띠에 가깝고 P형 반도체의 경우 반도체의 전도 띠에 가까워야 한다. 반도체/액체 접합은 정류형 반도체/금속 접합보다 한 가지 장점이 있는데, 빛이 반사 없이 반도체 표면으로 통과할 수 있다는 점이다. 반면 반도체/금속 접합에서는 대부분의 빛이 금속 표면에서 반사된다. 따라서 반도체/액체 접합은 고체 PN 접합 장치와 유사하게 태양 전지로도 사용될 수 있다. N형 및 P형 반도체/액체 접합 모두 태양 에너지를 전력량으로 변환하는 광전지 장치로 사용될 수 있으며, 이를 광화학전지라고 한다. 또한 반도체/액체 접합은 반도체/액체 접합에서의 광전기분해에 의해 태양 에너지를 화학 에너지로 직접 변환하는 데에도 사용될 수 있다.
반도체는 일반적으로 광화학전지에서 연구된다. 3전극 장치를 사용한 여러 구성이 존재한다. 연구 대상 현상은 작동 전극(WE)에서 발생하며, 차등 전위는 WE와 기준 전극(RE, 포화 칼로멜, Ag/AgCl) 사이에 인가된다. 전류는 WE와 상대 전극(CE, 탄소 유리, 백금 망) 사이에 측정된다. 작동 전극은 반도체 물질이며, 전해질은 용매, 전해질 및 산화·환원 종으로 구성된다.
작동 전극을 조명하는 데는 일반적으로 UV-Vis 램프가 사용된다. 광전기화학 전지는 일반적으로 빛을 흡수하지 않기 때문에 석영 창으로 만들어진다. 단색화 장치를 사용하여 WE로 보내지는 파장을 제어할 수 있다.
광전기화학에 사용되는 주요 흡수체.
반도체 IV.
C(다이아몬드), Si, Ge, SiC, SiGe
반도체 III-V.
BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs...
반도체 II-VI.
CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2
금속 산화물.
TiO2, Fe2O3, Cu2O
유기 염료.
메틸렌 블루...
페로브스카이트.
최근 123 cm2 이상의 면적을 가진 확장 가능한 모든 페로브스카이트 기반 PEC 광전기화학 시스템이 태양 수소 패널로 개발되었다.
광전기화학적 물 분해.
광전기화학은 물과 태양 에너지로부터 수소 생산 분야에서 집중적으로 연구되어 왔다. 물의 광전기화학적 분해는 1972년 후지시마와 혼다가 TiO2 전극에서 처음 발견했다. 최근 많은 물질들이 효율적인 물 분해에 유망한 특성을 보였지만, TiO2는 저렴하고 풍부하며 광부식에 대한 안정성을 유지한다. TiO2의 주요 문제는 결정성(아나타제 또는 루틸)에 따라 3 또는 3.2 eV인 띠틈이다. 이 값들은 너무 높아 UV 영역의 파장만 흡수될 수 있다. 태양 파장으로 물을 분해하는 이 물질의 성능을 높이려면 TiO2를 감광시키는 것이 필요하다. 현재 양자점 감광은 매우 유망하지만, 효율적으로 빛을 흡수할 수 있는 새로운 물질을 찾기 위한 더 많은 연구가 필요하다.
이산화 탄소의 광전기화학적 환원.
광합성은 빛을 사용하여 CO2를 탄화수소 화합물(예: 설탕)로 변환하는 자연 과정이다. 화석연료의 고갈은 과학자들이 탄화수소 화합물을 생산하기 위한 대안을 찾도록 장려한다. 인공 광합성은 이러한 화합물을 생산하기 위해 자연 광합성을 모방하는 유망한 방법이다. 의 광전기화학적 환원은 전 세계적인 영향 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다. 많은 연구자들이 안정적이고 효율적인 광양극과 광음극을 개발하기 위한 새로운 반도체를 찾고자 한다.
재생 전지 또는 염료 감응 태양 전지 (그라첼 전지).
염료감응형 태양전지 또는 DSSC는 TiO2와 염료를 사용하여 빛을 흡수한다. 이러한 흡수는 전자-정공 쌍의 형성을 유도하며, 이는 동일한 산화·환원 쌍(일반적으로 I−/I3−)을 산화 및 환원하는 데 사용된다. 결과적으로 차등 전위가 생성되어 전류를 유도한다.
나카마키촌()은 야마나시현 히가시야마나시군에 있던 촌이다. 현재의 야마나시시에 해당한다.
캐나다 장로교회()는 1875년부터 이 이름으로 캐나다에서 활동하고 있는 장로교 교단이다. 캐나다연합교회는 1925년부터 1939년까지 이 이름에 대한 권리를 주장했다. 2021년 캐나다 인구조사에 따르면 301,400명의 캐나다인이 자신을 장로교인이라고 밝혔는데, 이는 전체 인구의 0.8%에 해당한다.
캐나다 장로교회의 캐나다 내 뿌리는 스코틀랜드 정착민과 프랑스 위그노 모두에게서 찾을 수 있으며, 최초의 장로교회는 장 칼뱅과 존 녹스와 같은 유럽 종교 개혁 신학자들을 따라 16세기 후반에서 17세기 초반에 형성되었다.
한때 영어권 캐나다에서 가장 큰 기독교 교단이었던 이 교회는 1925년에 약 70%의 회중이 캐나다 감리교회와 온타리오 및 퀘벡 회중 연합과 합류하여 캐나다연합교회를 형성했다. 이후 합병에 참여하지 않은 이들은 "지속 장로교인"과 "비동의 장로교인"이라는 용어를 사용했으며, 1939년에 "캐나다 장로교회"라는 이름을 사용할 법적 권리를 되찾았다. 캐나다 대법원은 제도적 캐나다 장로교회가 감리교회와 법적으로 합병되었을 수 있지만, 연합교회가 사실상 그 이름을 비워두었으므로 비동의 장로교인들이 사용할 수 있다고 판결했다. 또한 캐나다 총독 트위즈뮤어 경과 윌리엄 라이언 매켄지 킹 캐나다 총리의 지지를 받는 것도 도움이 되었다.
1759년, 영국은 7년 전쟁 중 점령했던 프랑스 식민지 누벨프랑스를 장악했다. 성벽으로 둘러싸인 퀘벡 성채 외곽의 에이브러햄 평원에는 로버트 맥퍼슨 목사를 포함한 장로교 군목이 있는 스코틀랜드 대대인 프레이저 하이랜더스 제78연대가 주둔하고 있었다. 이 부대가 퀘벡 시의 성 안드레아 교회 (퀘벡 시)의 뿌리가 되었다.
노바스코샤주 식민지에서는 장로교인들이 처음에는 독일계 개혁교회 정착민이었으며, 이들은 1753년에 루넌버그 (노바스코샤주)에 성 안드레아 장로교회 (루넌버그)를 설립했다. 이들은 1837년에 스코틀랜드 교회의 노바스코샤 시노드 (1833년 8월에 설립됨)에 가입했다. 트루로 (노바스코샤주)에서는 스코틀랜드 정착민들이 1760년에 제1 연합교회(1925년까지는 장로교회)를 설립했다. 성 야고보 장로교회는 1925년에 연합교회에 가입하지 않은 소수에 의해 형성되었다. 핼리팩스에서는 성 마태 교회가 1749년 "반대파 개신교 예배당"으로 거슬러 올라가며, 이후 장로교 정치에 따랐다. 성 다윗 장로교회는 성 마태 교회를 포함한 핼리팩스 시내 내에서 1925년에 결성된 또 다른 "소수 집단"으로, 2005년에 80주년을 기념했으며, 초기에는 옛 그래프턴 거리 감리교회 건물(1869년)에서 모임을 가졌다.
13개 식민지가 영국령 북아메리카에서 독립한 후, 1791년에 어퍼캐나다 (현재의 온타리오주)와 로어캐나다 (현재의 퀘벡주)로 분할된 캐나다의 인구가 증가했다. 여기에는 이전에 인구가 많았던 누벨프랑스 식민지의 대부분 지역과 노바스코샤주, 뉴브런즈윅주, 프린스에드워드아일랜드주를 포함한 마리타임스 지역이 포함되었다.
초기 캐나다 장로교인들 중 일부는 스코틀랜드계 통합제국 충성파였으며, 다른 이들은 1773년 헥터 호가 픽투 (노바스코샤주)에 도착한 것처럼 스코틀랜드에서 직접 건너왔다.
초기 성직자들은 다양한 개혁 신학의 흐름을 대표했으며, 스코틀랜드, 아일랜드, 미국에서 교육을 받았다. 자체적인 노회를 구성하려는 초기 시도는 소용이 없었다. 캐나다에 대한 미국의 영향은 처음에는 뉴욕주 출신의 네덜란드 개혁교회 선교사들로부터 왔고, 나중에는 여러 장로교 그룹의 미국 장로교인들로부터 왔다.
회중은 결국 많은 지역사회(처음에는 도시보다 타운십에서)에 형성되었는데, 보통 성직자의 공급 없이 오랜 기간이 지난 후에야 형성되었다(매니토바의 레드 리버 식민지에서는 30년이 걸렸다). 많은 경우, 가정 예배는 경건회와 교리문답으로 이루어졌다.
두 가지 사건이 캐나다 교회에 대한 미국의 초기 지원 이탈로 이어졌다. 미영 전쟁 (1812–14)과 어퍼캐나다 및 로어캐나다의 1837년 반란. 후자는 정치 개혁과 책임정부로 이어졌고, 어퍼캐나다는 캐나다 서부가 되었고 로어캐나다는 1841년부터 1867년까지 캐나다 동부가 되었다. 남부 온타리오에는 한때 스탬퍼드 노회가 있었는데, 그들의 마지막 회중은 밀턴 (온타리오주) 근처에 위치했으며 1951년에 문을 닫았다. 나이아가라폴스 (온타리오주)의 스탬퍼드 교회는 1936년에 캐나다 장로교회에 가입했다.
마리타임스(현재 노바스코샤주, 뉴브런즈윅주, 프린스에드워드아일랜드주)에서는 원래 스코틀랜드 장로교인들이 스코틀랜드 통합장로교회의 두 분파에서 왔으며, 1817년 노바스코샤 시노드를 창설하기 위한 연합 이전에 1786년에 설립된 트루로 연합 노회와 1795년에 설립된 픽투 노회가 있었다. 뉴브런즈윅에서 1833년 1월 30일(1835년부터는 시노드)과 노바스코샤에서 통합되기 전에는 여전히 이 그룹 밖에 남아 있는 스코틀랜드 교회 회중과 목사들이 있었다.
1811년, 토마스 맥컬록 목사는 목사를 양성하는 최초의 교육기관인 픽투 아카데미를 설립했다. 일부 졸업생들은 교육을 계속하기 위해 스코틀랜드로 여행했다. 이로 인해 맥컬록은 핼리팩스에서 가르치게 되었고, 그곳에서 결국 댈하우지 대학교가 설립되었다. 픽투 카운티의 웨스트 리버에 있는 또 다른 아카데미(1848년)도 핼리팩스에 장로교 대학(이후 파인 힐 신학교(연합교회))을 설립하는 데 기여했으며, 이 대학은 1971년부터 대서양 신학대학의 일부가 되었다.
캐나다에서는 1818년에 다른 단체의 지원을 받는 성직자들의 느슨한 모임인 캐나다 연합 노회가 결성되었다. 1839년까지 이 연합 시노드(한때 세 개의 노회가 있었음)는 1831년에 모교회에 의해 시노드로 설립되고 글래스고 선교회에서 파견된 선교사들로 강화된 스코틀랜드 국교회와 연관된 캐나다 장로교회에 흡수되었다. 1834년에 이 단체는 또한 많은 연합 시노드 성직자들과 회중들을 받아들이기 시작했고, 이는 1840년까지 앞서 언급된 '올드 커크(Auld Kirk)'와의 연합으로 이어졌다.
1831년, 스코틀랜드의 연합 연합 시노드(1847년 이후 스코틀랜드 통합장로교회)는 캐나다에 선교사를 파견하기로 합의했고, 세 명이 임명되어 1832년에 도착했다. 1834년 크리스마스에 새로 통합된 토론토 시에 캐나다 시노드가 설립되었으며, 여기에는 캐나다 연합 시노드의 회중과 최소 한 명의 목사가 포함되었다. 그들은 나중에 1838년에 자체 토론토 회중을 시작했고, 1844년에 캐나다 서부 런던에 신학 대학을 설립했다.
토론토에서는 캐나다 연합 시노드 회중(1820년 요크 타운에서 형성됨)과 그들의 목사인 제임스 해리스 목사가 1834년에 탈퇴하여 1844년까지 독립적으로 남아 있다가, 스코틀랜드 교회의 성 안드레아 토론토 (1830년 형성됨)에서 탈퇴한 자유 교회 반대자들과 합류하여 토론토의 녹스 장로교회 (토론토)를 창립했다.
연합 시노드 합병 이후 스코틀랜드 교회 캐나다 시노드의 통합은 짧았지만, 1841년 캐나다 서부 킹스턴에 신학 대학인 퀸스 칼리지를 설립할 기회를 제공했다. 퀸스 신학 대학(연합교회)은 현재 퀸스 대학교의 일부이다.
1844년 6월, 시노드는 킹스턴 (온타리오주)에서 모였고, 1843년 스코틀랜드 총회에 영향을 미쳤던 상황과 유사하게 많은 그룹이 탈퇴하여 스코틀랜드 자유 교회 캐나다 시노드를 형성했다. 다음 9월까지 퀸스의 신학생 대부분은 자유 교회에 합류하여 토론토로 가서 녹스 칼리지를 설립했다. 그들은 1861년에 앞서 언급된 스코틀랜드 통합장로교회 대학과 합병했는데, 이 대학은 1853년에 런던 (온타리오주)에서 토론토로 이전했다.
마리타임스 주에서는 노바스코샤주, 뉴브런즈윅주, 프린스에드워드아일랜드주, 그리고 케이프브레턴섬에 식민지가 세워졌다. 어퍼캐나다와 로어캐나다 모두에서 다양한 그룹이 회중을 조직했다. 1843년 스코틀랜드 교회 분열의 영향은 노바스코샤에서도 느껴졌다. 식민지 목사들은 스코틀랜드의 회중으로 다시 초청되거나 노바스코샤 및 다른 지역의 자유 교회에 합류했다. 스코틀랜드 교회의 공식적인 구조는 그곳에서 10년 동안 영향을 받았다.
1860년, 캐나다에서 연합이 이루어지기 1년 전, 노바스코샤(케이프브레턴 포함)와 프린스에드워드아일랜드의 자유 교회와 통합 장로교회 회중이 합병하여 하부 주 장로교회가 설립되었고, 1866년에는 뉴브런즈윅의 동포들도 합류했다.
1861년 6월, 스코틀랜드 자유 교회와 통합 장로교회의 캐나다 시노드가 합병하여 캐나다 장로교회가 형성되었다. 이 교회는 캐나다에서 지배적인 장로교 그룹이 되었고, 도시, 마을, 시골, 심지어 시카고 (일리노이주), 세인트 앤 (일리노이주)의 프랑스 공동체와 엘미라의 게일어 사용 회중을 포함한 일리노이주, 미시간주와 뉴욕주의 국경 도시, 그리고 존 블랙 목사와 함께 레드 리버 식민지의 킬도난과 제임스 니즈벳 목사와 함께 프린스앨버트 (현재 서스캐처원주) 북서부 지역에까지 퍼졌다. 로버트 제이미슨은 캐나다 장로교회 창립 시노드에서 토론토 근처의 요크 밀스와 피셔빌 교구(후자 교회는 현재 토론토의 블랙 크릭 개척자 마을에 위치하며, 리치먼드힐 (온타리오주)에 위치한 가장 오래된 1817년 토론토 지역 회중의 교역자 주택 옆에 있다)에서 브리티시컬럼비아주 식민지로 파견되어 뉴웨스트민스터, 나나이모, 그리고 프레이저 계곡에 회중을 설립했다. 1875년 이후 그는 캐나디안 퍼시픽 철도가 1885년 버라드 만(나중에 밴쿠버)에 도달할 때까지 스코틀랜드 교회에 합류했고, 그 후 그들은 (다른 회중들과 함께) 캐나다 장로교회에 다시 합류했으며, 브리티시컬럼비아 시노드는 나중에 형성되었다.
캐나다 장로교회는 1867년에 두 번째 신학 대학인 몬트리올 장로교회 신학대학을 설립했다(인가증은 1865년에 주어짐). 녹스 칼리지와 몬트리올 장로교회 신학대학은 1925년 교회 연합 이후에도 캐나다 장로교회에 남았다.