나노기술 및 정책 정보

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양성자 교환 막 전해지(電解池)(PEMWEEs)의 발전에 따라 산성 조건 하에서 물 분해를 통한 수소 제조는 효율적인 전환과 지속가능한 수소 에너지는 밝은 전망을 보유하고 있는 방식 중의 하나로 평가받고 있음. 전기를 이용한 물 분해는 두 개의 반(半) 반응인 양극의 산소 방출 반응(OER)과 음극의 수소 방출 반응(HER)을 포함하고 있음.

산성 조건 하에서 Pt 기반 촉매제가 저 전위(potential)에서 양호한 HER 성능을 보유하고 있는데 비해 양극의 OER 반응 동력학은 느리고, 촉매제는 신속히 활성을 잃게 되는 특징은 PEMWEs의 실제 응용을 불리하게끔 하는 문제가 되고 있음.

중국과학원 푸졘(福建, 복건) 물질구조 연구소 차오룽(曹榮, 조영), 차오민나(曹敏納, 조민납) 연구팀은 표면 부분 산화의 Au@AuIr2 코어 쉘 합금 나노촉매제를 디자인하고 합성하였는데 동 소재는 우수한 전기 촉매를 통한 물 분해 성능을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

Ir 베이스 나노소재는 산성 조건 하에서 가장 효과적인 OER 촉매제로서 폭넓게 연구되고 있으며, 특히 촉매의 활성과 안정성을 희생하지 않는 기초 상에서 원자 이용 비율을 향상시켜 희소 귀금속을 최대한 이용하여 상용화 수요를 충족시킬 수 있도록 하고 있음.

산성 조건 하에서 Au@AuIr2는 우수한 촉매 활성을 나타내는데 Au@AuIr2 본질 특징 활성과 품질 활성은 각각 시장에서 판매되는 Ir 촉매제의 4.6배와 5.6배에 달하는 것으로 나타났음.

그 외, Au@AuIr2는 시장에서 판매되는 Pt/C와 상당한 HER 촉매 성능을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

Au@AuIr2를 사용한 양극과 음극 촉매제를 전체 물 분해에 사용할 때 1.55V의 작업 전압은 10mA/cm2 수준에 달할 수 있는 것으로 나타난 동시에 이러한 활성은 40시간까지 유지할 수 있기 때문에 상용화 Ir/C||Pt/C(1.63V, 활성은 몇 분 내에 감소되는 것으로 나타남)와 현재 문헌에서 보도된 절대 대부분의 촉매 소재보다 훨씬 우수한 것으로 나타났음.

연구팀은 X-레이 흡수 광 스펙트럼과 이론 계산을 이용하여 Au와 Ir 간의 전자 상호 역할로 인해 부분적인 산화 표면의 생성을 발생시키고, 부분적인 산화 표면은 서로 다른 중간체의 결합을 위해 균형을 제공한다는 점을 입증한 동시에 뚜렷한 OER 성능을 실현함.

구조 표면 특징과 성능에 대한 측정 테스트를 실행한 기초 상에서 연구팀은 중국과학원 푸졘(福建, 복건) 물질구조 연구소 쫭워이(庄巍, 장외), 천저닝(陳浙寧, 진절녕) 연구팀과 공동 연구를 수행하고, 밀도 범함수 이론 계산(DFT)과 표면 무(無) 산화 촉매제에 대한 한층 더 심층적인 검증을 통해 표면의 부분적인 산화 Au@AuIr2 코어 쉘 합금 나노입자는 더욱 효과적인 OER 촉매 성능을 보유하고 있다는 점을 검증함.

연구팀은 원자 사이즈 상에서 코어 쉘 합금 나노구조 및 전자 구조에 대한 조정 제어 관련 연구를 실행하였는데 이번 연구는 촉매제 구조와 성능 간의 구성 효과 관계를 이해할 수 있도록 하는데 큰 도움을 제공한 동시에 소재 디자인을 위하여 새로운 아이디어를 제공함.

연구팀은 표면 산화와 소재 구성을 위한 합리적인 디자인을 통해 서로 다른 중간체의 결합을 적당한 균형 수준에 도달시킴으로써 촉매제의 활성을 더욱 큰 한도로 향상시킨 동시에 안정성도 대폭 향상시킴으로써 귀금속 촉매제의 이용 효율을 안정적이고 최대한 향상시킨 상황임.

본 연구 성과는 ‘Journal of the American Chemical Society’ ("Significantly Enhanced Overall Water Splitting Performance by Partial Oxidation of Ir through Au Modification in Core–Shell Alloy Structure")에 게재됨.