Engineering of NiMoLa and ZIF-derived nanoporous carbon on nickel foam as an electrode for alkaline hydrogen evolution reaction

Abstract

화석 연료 사용으로 인해 지구온난화가 가속화되고 있는 와중에, 친환경적인 에너지원이자 에너지 저장원으로 수소가 주목받고 있다. 현재 수소를 생산하는 방법으로는 부생 수소나 개질 수소 등이 상용화 중에 있지만 탄소 배출로 인해 완전히 친환경적이지는 않다. 따라서 친환경적인 수전해가 활발하게 연구 중에 있는데 수전해에서도 수소발생반응에 있어서 가장 전기화학적으로 활성을 보이는 물질은 백금이다. 백금은 가격 경쟁력이 떨어져 백금을 대체하기 위한 연구들이 진행 중에 있다. 이 연구에서는 NiMoLa 촉매와 ZIF를 열처리하여 만든 Co-NSC 촉매를 합성하였고 니켈 폼 위에 코팅하여 수전해 전극으로써 비교 분석하였다. SEM, XPS, XRD 분석을 통해 NiMoLa/NF와 Co-NSC/NF 전극들의 물리적, 화학적 특성을 평가하였다. 또한, 전기화학적 분석을 통하여 NiMoLa/NF가 Co-NSC/NF보다 더 높은 활성과 높은 내구성을 지니고 있음을 확인하였다. Ni과 Mo, La 촉매가 활성 측면에서 더 우수하였고 전극으로 코팅하는 과정에서도 바인더 물질을 사용하지 않고 열 분해 방식으로 금속 지지체 위에 직접 부착함으로써 부식이 덜 발생하여 좋은 내구성을 갖춘 것으로 보인다. 결론적으로, 니켈 폼을 활용하여 NiMoLa/NF라는 고 활성, 고 내구성의 수소발생전극을 합성할 수 있었다.; While global warming is accelerating due to the use of fossil fuels, hydrogen is attracting attention as an eco-friendly energy source and a source of energy storage. Currently, the methods of producing hydrogen such as reformed hydrogen are in commercial use, but carbon emissions are not completely eco-friendly. Therefore, electrolysis is actively being studied as an alternative. Like fuel cells, platinum is the most electrically active substance in hydrogen evolution reactions in electrolysis field. Studies are underway to replace platinum because platinum is less cost competitive. In this study, a NiMoLa catalyst and Co-NSC catalyst made by heat treatment of ZIF were synthesized and coated on nickel foam to be analyzed comparatively as hydrogen evolution electrodes. Physical and chemical properties of NiMoLa/NF and Co-NSC/NF electrodes were evaluated through SEM, XPS and XRD analysis. Electrochemical analysis also confirmed that NiMoLa/NF has higher activity and higher durability than Co-NSC/NF. Ni, Mo and La catalysts were superior in terms of activity, and by the method of coating with electrodes, less corrosion occurred and appeared to have resulted in durability by attaching directly over metal substrates without using binder materials. In conclusion, using nickel foam, it was possible to synthesize a highly active, high-durable non-Pt hydrogen evolution electrode NiMoLa/NF.