전기화학적 수분해를 위한 금속-유기 골격체 기반의 3차원 구조 전기화학 촉매 개발

Abstract

금속-유기 구조체(MOF)는 높은 비표면적, 적절한 기공 크기와 원하는 표면 형태학 및 이중 기능성 등의 고유한 특성으로 인해 에너지 생산 및 저장의 소재로서 큰 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 알칼리성 전해질에서의 수전해 전극 물질을 개발하기 위해 코발트-이미다졸 기반의 MOFs를 다양한 합성 방법을 활용하여 새로운 기능성을 부여한 물질을 사용하는 것에 초점을 맞추었다. 본 연구에서는 보론(B)-도핑 코발트-산화물/코발트-금속 nanohybrids의 3D mesoporous heterostructures의 니켈폼 기판을 합성 후 개질 및 Ar/H¬2의 기체 흐름 속에서 어닐링을 통하여 합성하였고 이는 알칼리성 전해질에서의 수분해를 위한 다중 기능성 전기화학 촉매로 사용되었다. 흥미롭게도, 10% H2 가스(B-CoO/Co@NC/NF (10%H2))로 제조된 촉매는 196 mV로 가장 낮은 과전위를 보였으며, Ar가스 조건에서 개발된 B-CoO/Co@NC/NF(Ar) 촉매는 100시간 동안 우수한 장기 내구성과 함께 10 mA cm-2에서 307 mV의 OER 과전위를 보였다. 또한, 전체적인 수분해 평가에서 양극 및 음극에 (B-CoO/Co@NC/NF(Ar)(+)//B-CoO/Co@NC/NF(10% H2) (-))인 최상의 조건인 촉매 사용한 결과 10 mA cm-2의 전류 밀도를 구동하기 위한 알칼리 전기 분해의 경우 최근에 보고된 다양한 금속-산화물 기반의 촉매들보다 낮은 수치인 1.62 V 셀 전위만을 요구하였다. 이는 개발된 전기 촉매의 풍부한 활성 부위, 높은 Specific Surface Area(SSA), mesoporous, 변조된 전자적 특성이 관여할 수 있으며, 이러한 우수한 성능은 B-CoO/Co@NC/NF의 소재가 에너지 저장 응용을 위한 소재로서 효율적일 수 있음을 보여주었다.