Sysnthesis and fabrication of binder-free electrodes for oxygen evolution reaction

Abstract

수소 발생 반응(HER) 및 산소 발생 반응(OER)과 같은 에너지 전환 과정에는 반드시 전기화학적 촉매가 필요하다. 개발된 대부분의 전기화학적 촉매를 전극에 고정시키기 위해 Nafion, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)과 같은 바인더를 사용해왔다. 그러나 이러한 고분자 바인더는 직렬 저항을 증가시키고 활성 사이트에서 전기 화학적 반응을 방해하며 고분자적 특성으로 확산을 방해해 촉매 활성을 제한할 수 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 수열합성법, CVD(화학적 기상 증착법) 등을 포함하여 다양한 접근법을 사용하여 활성 사이트가 전도성 기판에 직접 성장할 수 있도록 할 수 있다. 앞서 언급한 수열합성법과 CVD 등은 모두 훌륭한 증착법이나, 고온의 열처리 과정과 광범위한 화학적 처리 활용 면에서 유용하지 않은 방법으로 여겨진다. 따라서, 본 연구에서는 HER 및 OER 반응에 적용 가능한 전극을 제작하는 데에 바인더를 사용하지 않는 비용 효율적이고 넓은 범위에서 사용 가능한 다른 합성 방법 두 가지에 대해 논의하고자 한다. 첫 번째로, 스테인리스 스틸의 부식을 이용해 니켈/철 산화물 나노입자 활성 표면을 만들고 OER 성능을 평가하였다. 이는 1 M KOH에서 287 mV @ 500 mA cm-2의 낮은 과전압을 보이며 좋은 성능을 나타내었다. 또한 전기증착법을 이용하여 코발트 셀레나이드 촉매를 스테인리스 스틸에 증착한 전극도 제작하여 같은 방법으로 평가되었다. 해당 전극은 1 M KOH에서 240 mV @ 10 mA cm-2 의 과전압을 나타내며 역시 좋은 성능을 나타내었다.|In energy conversion processes such as hydrogen and oxygen evolution reactions, the majority of the electro-catalysts developed were initially spread on a glass carbon (GC) electrode surface before being covered with a binder like Nafion or PTFE (Polytetrafluoroethylene) to immobilize it. Such a polymer binder would, however, raise the series resistance, may obstruct active sites, and could prevent diffusion, which would limit catalytic activity. Numerous approaches can be used to overcome such issues, including hydrothermal procedure or chemical vapor deposition (CVD), which allows the active phases to grow directly on conductive substrates. Both the CVD and the hydrothermal processes were successful in depositing material; however, the utilization of high temperatures and extensive chemical treatments severely restricts their usefulness in real-world settings. Here, in this work different cost-effective, scalable, and binder-free synthesis routes of electrodes applicable for HER and OER are discussed. Moreover, from stainless steel, a binder-free electrode is fabricated and evaluated for OER electrochemical performance to demonstrate the effectiveness of binderless substrates for clean energy generation. Inherent active species are fully revealed in the form of Ni/FeOOH nanocrystallites showing competent water oxidation displaying low overpotential (η500) of 287 mV @ 500 mA cm-2 in 1 M KOH by surface corrosion of SSW. Also, electrodeposition was used to fabricate the OER electrode with CoSe-CoP. The electrochemical performance was equally assessed and showed 240 mV @ 10 mA cm-2 in 1 M KOH. This work will highlight a completely new way to synthesize and fabricate a current collector for water splitting.