나노기술 및 정책 정보

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전기 촉매 공정은 에너지 변환과 환경오염 감소에 중요한 역할을 함. 촉매 반응의 활성, 선택성과 안정성을 향상시키기 위해서는 급속한 발전 요구를 충족시킬 수 있는 고성능 촉매를 개발할 필요가 있음.

지난 몇 년 간 고엔트로피 합금(High entropy alloy, HEA)은 촉매 소재로서 많은 관심을 받고 있으며, HEA의 최종 목표는 거의 무한하게 가능한 원소 조합으로 특성을 개선하고 관련 특성으로 하여금 필요한 응답에 적응될 수 있도록 하는 것임.

촉매 분야에서는 분자와 중간체 종의 촉매제 표면 흡착이 촉매 활성에 영향미침. 순수 원소에 비해 합금화를 통해 이런 흡착 성능을 조절할 수 있기 때문에 촉매 활성을 향상시킬 수 있음.

중국 칭다오(靑島, 청도) 과학기술 대학교 생태 화공 과정 및 기술 대학 왕레이(王磊, 왕뢰) 교수, 라이졘핑(賴建平, 뢰건평) 교수 연구팀은 저온에서 오일을 이용한 합성 방법 전략으로 균일한 동시에 초소형(3.4nm)의 고엔트로피 합금(HEA) PtNiFeCoCu 나노 촉매를 개발하였음. 동 촉매는 강한 수소 방출 반응(HER) 활성과 메탄올 산화 반응(MOR) 활성 및 우수한 안정성을 보임.

연구팀은 최초로 고엔트로피 합금 Pt18Ni26Fe15Co14Cu27 나노 입자를 개발하였으며, Cu 원소의 비율을 조정하면 형태와 사이즈는 모두 비교적 이상적으로 유지됨.

연구팀은 Pt18Ni26Fe15Co14Cu27/C 소재가 환원(HER)과 산화(MOR) 반응의 우수한 이중 기능을 발휘하는 촉매에 속한다는 점을 입증하였으며, 1 M KOH 매개체 속에서 동 촉매는 우수한 HER 성능(11mV의 초소형 과전위(Overpotential)(10 mA cm-2)), 우수한 활성(10.96 A mg-1Pt, -0.07 V vs. RHE)과 안정성을 보유하고 있음을 입증함.

알칼리성 용액에서의 MOR 촉매는 활성이 높은 나노 촉매(15.04 A mg-1Pt)에 속하며, 밀도 범함수 계산을 통한 DFT 분석 결과, Pt18Ni26Fe15Co14Cu27/C는 HER와 MOR 속에서 우수한 전기 활성과 내구성을 보이며, 이런 특성은 독특한 멀티 활성 site와 빠른 지점 간 전자 이송 메커니즘에 의해 발생됨. HER와 MOR 속에서 HEA 표면상의 멀티 활성 점은 양성자와 중간체 전환의 핵심적인 요소임.

HEA의 표면 구조는 환원과 산화 과정을 위해 빠른 지점 간 전자 이송을 제공하는 것으로 나타났음.

연구팀이 제출한 합성 전략 및 멀티 활성 점과 빠른 지점 간 전자 이송 메커니즘은 기타 고 엔트로피 합금 제조 및 관련 전기 촉매 응용에 필요한 기반을 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("Fast site-to-site electron transfer of high-entropy alloy nanocatalyst driving redox electrocatalysis") 지에 게재됨.