Year: 2020
Type: dissertation
Abstract: 지난 수십 년 동안 화석 연료를 대체하고자 지속 가능한 에너지에 대한 연구가 지속적으로 증가하고 있으며, 그 중 수소는 가장 유망한 대체 에너지원 중 하나이다. 수소 생산을 위한 기술에는 다양한 방법이 있으나, 그 중 물분해는 수소 생산에 있어서 가장 유망한 기술 중 하나로 알려져 있다. 현재, 물분해를 위한 전기 촉매는 대개 백금, 이리듐과 같은 귀금속이 많이 사용되는데, 귀금속 계열의 비용 문제 등으로 인해 이를 비귀금속 기반의 전이 금속 화합물로 대체하고자 하는 연구가 보고되고 있다. 전이 금속 화합물은 귀금속과 비교하여 저렴한 비용과 귀금속과 비교할만한 성능 구현이 가능함에 따라 물분해 촉매 뿐만 아니라, 이산화탄소 환원, 질소 환원 촉매, 리튬-공기 전지 등과 같은 전기 화학 촉매 및 소자 시스템의 유망한 촉매 및 전극 물질 중 하나로 연구되고 있다. 그러나 전이 금속 화합물 기반 전기 촉매는 대량 생산을 위한 대규모 적용을 가능케 하기 위해서는 전기 촉매 성능의 개선이 여전히 필요하다. 수소 에너지 생성을 위한 물분해 시스템은 크게 산소 발생 반응과 수소 발생 반응 전기 촉매의 전극으로 구성되어 있다. 현재 수소 발생 반응과 비교할 때 산소 발생 반응은 많은 전자가 관여된 반응으로 인해 상대적으로 느린 반응 속도를 보이게 되고 이로 인해 물분해 성능 개선에 큰 방해가 되고 있다. 따라서, 산소 발생 반응은 전체 물분해 시스템의 성능을 개선하기 위한 주요 반응이라 볼 수 있다. 또한, 산소 발생 반응 조건 하에서 전이 금속 화합물 기반 전기 촉매의 제한된 전하 전달은 비효율적인 산소 발생 반응을 초래하고, 전기 촉매의 성능은 활성 부위의 노출 또는 변형 제어에 크게 의존한다. \n본 학위논문의 목적은 효율적인 물분해를 위한 전이 금속 화합물 기반 전기 촉매의 구조적 설계에 관한 것으로, 열역학적으로 고려된 공정 조건과 정밀하게 제어된 활물질의 상 및 구조에 관한 전기 촉매 설계의 지침을 제공하는 것이다. \n먼저 효율적인 산소 발생 반응을 위한 나노구조를 갖는 전기화학적 산화를 거친 이종 원소가 도핑된 니켈-철 층상 이중 수산화물 (NiFe LDH) 전기 촉매는 수열 합성과 이종 원소 도핑 과정, 열역학적으로 프로그래밍된 전기화학적 산화 공정을 통해 제작되었다. 이종 원소인 붕소 도핑의 목적은 NiFe LDH의 상대적으로 열악한 전하 전달과 낮은 전도성을 극복하고 이로 인한 촉매 활성을 높이는 것이다. 지금까지 붕소 도핑 혹은 전이 금속 붕화물 형성을 위한 붕소화 과정은 붕소 자체의 높은 비점과 융점으로 인해 제한되어 고온을 초래했다. 따라서, 본 연구에서 진행된 붕소화 과정은 붕소가 아닌 붕소 기반 전구체를 공급원으로 사용하여 기상 상태의 붕소화를 비교적 낮은 온도에서 진행하였으며, 이는 보다 간단한 공정으로, 붕소 도핑된 NiFe LDH를 제조하여 전하 전달 저항이 개선된 높은 산소 발생 반응 성능을 달성하였다. 또한, 활성화 과정을 통한 붕소 도핑된 NiFe LDH는 전기화학적 산화 과정을 통해 붕소 도핑된 NiFe LDH 내의 옥시수산화물의 비율을 성공적으로 증가시켰다. 이러한 전기화학적 산화 과정을 거친 붕소 도핑된 NiFe LDH은 도핑된 붕소로 인해 활성 부위를 개선시킨다고 알려져 있다. 본 연구에서 제조된 전기화학적 산화 과정을 거친 붕소 도핑된 NiFe LDH은 10 mA cm-2의 전류 밀도에 도달하기 위해 229 mV의 우수한 산소 발생 반응 성능을 필요로 하며, 이는 같은 조건에서 귀금속인 이리듐보다 약 140 mV 낮고, 공정 과정을 거치지 않은 NiFe LDH보다 86 mV 낮은 것을 확인하였다. \n다음으로, 산소 및 수소 발생 반응이 모두 가능하고 효율적인 전체 물분해를 위한 상이 제어된 계층적 다공성 구조를 가진 코발트 황화물 기반 전기 촉매를 개발하였다. 코발트 황화물은 다양한 상을 갖지만, 열역학 계산에 기초한 예측 합성을 통한 황의 비율에 따라 코발트 황화물의 상을 성공적으로 제어하였다. 활성 부위의 노출을 위한 고 다공성 코발트 이황화물 (CoS2) 나노 입자는 적절한 양의 황과 금속-유기 골격체 중 하나인 코발트 프러시안 블루 아날로그의 비를 제어함으로써 합성되었다. 새롭게 설계된 금속-유기 골격체 기반 CoS2 전기 촉매는 약 4 nm의 나노기공을 갖는 다공성 구조이며, 약 30 nm의 크기의 균일한 입자 크기를 갖는 것을 확인하였다. 이러한 구조로 인해 915.6 m2 g-1의 넓은 비표면적을 갖게 되고, 활성 부위의 노출도를 높일 수 있었다. 따라서, 합성된 전기 촉매는 효율적인 산소 및 수소 발생 반응 성능을 10 mA cm-2의 전류 밀도에서 각각 298 mV, -196 mV의 낮은 과전압을 통해 확인했으며, 지속적인 가스 발생에도 불구하고, 10 mA cm-2에서 안정적인 산소 및 수소 발생 반응을 나타냈다. 이러한 우수한 활성은 실제 상용화에 가까운 2전극의 전체 셀 시스템에서 2기능성 전기 촉매 특성을 통해 10 mA cm-2 전류밀도에서 1.65 V의 과전압을 나타내는 것으로 확인하였다. \n본 연구는 전이 금속 화합물의 상과 구조를 열역학적으로 정밀하게 제어하는 방법론을 이해하는 데에 유용한 정보를 제공할 수 있으며, 물분해를 위한 전이 금속 화합물 기반 전기 촉매의 성능을 향상시키는 다양한 설계 및 방법론에 대해 제공한다.
Author: 안인경
Language: English
Field: Energy
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W3111591272