나노기술 및 정책 정보

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전기화학을 이용한 물 분해는 대규모 수소 생성에 응용할 수 있는 제일 밝은 전망을 보유하고 있는 기술에 속하지만 효율적인 전기 촉매 연구개발을 통해 음극 수소 방출 반응(HER)과 양극 산소 방출 반응(OER)의 완만한 동력학으로 인해 발생되는 높은 과전압(high overpotential)에 대응해야 하는 과제에 직면하여 있는 상황임.

최근 전이금속 베이스 촉매제, 특히 합성이 쉬운 동시에 구성과 구조를 쉽게 조절할 수 있는 전이금속 산화물(TMOs)은 이미 폭넓게 연구되고 있는 동시에 효율적인 물 분해에 응용되고 있으며, 가격이 높은 Pt 베이스 HER과 Ir 베이스 OER 촉매제를 대체하는 것을 목표로 하고 있는 상황이지만 고성능 TMOs 베이스 이중 기능을 보유하고 있는 물에 대한 완전 전기 분해 촉매 개발은 여전히 큰 도전에 직면하여 있는 상황임.

중국 베이징(北京) 대학교 치리민(齊利民) 교수 연구팀은 최근 관련 연구를 실행하는 과정에서 금속 유기 프레임(MOF) 나노 배열을 템플릿으로 사용하고 원 위치 전환 제조를 통해 독특한 구조를 보유하고 있는 루테늄-코발트 산화물((Ru-Co)Ox) 중공 나노 시트 배열을 취득한 동시에 이런 루테늄-코발트 산화물((Ru-Co)Ox) 중공 나노 시트 배열을 이중 기능 촉매제로 사용하여 효율적인 알칼리성 전체 전기 물 분해에 응용하는데 성공하여 이슈가 되고 있음.

연구팀은 온화한 이온 교환과 저온 공기 속 어널링(annealing) 방법을 결합시키는 방법을 통해 카본 클로스(carbon cloth) 상에서 성장된 Co MOF 나노 시트 배열을 이질 구조(heterogeneous structure)를 보유한 동시에 상호 도핑 된 (Ru-Co)Ox 중공 나노 시트 배열로 전환시켰음.

연구팀이 합성을 통해 취득한 (Ru-Co)Ox 촉매는 우수한 HER 활성을 보유하고 있는 것으로 나타났으며, 10 mA cm–2 전류 밀도 하에서의 과 전위(overpotential)는 44.1 mV 수준 밖에 되지 않는 동시에 비교적 작은 Tafel 경사 비율(23.5 mV dec–1)을 보유하고 우수한 OER 활성을 보유하고 있는 것으로 나타났으며, 10 mA cm–2 전류 밀도 하에서의 과 전위는 171.2 mV 수준 밖에 되지 않는 것으로 나타났음.

효율적인 알칼리성 전체 전기 물 분해에 응용할 경우, 중공 (Ru-Co)Ox 나노 시트 배열은 10 mA cm–2 전류 밀도 하에서 1.488 V 슬롯 전압(slot voltage)만 필요한 것으로 나타났음.

(Ru-Co)Ox 중공 나노 시트 배열의 우수한 전기 촉매 활성은 우수한 화학 구성과 구조 특징에 의한 것인데 예를 들면 독특한 중공 나노 배열 구조, 불순물 원자 도핑과 이질 나노 인터페이스는 (Ru-Co)Ox 중공 나노 시트 배열의 화학 구성과 구조 특징에 의한 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구에서 관련 디자인과 합성을 성공적으로 실행함으로써 효율적인 전기화학 에너지로 전환된 이상적인 구성과 구조를 보유한 나노 배열 형성을 위해 새로운 루트를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Angew. Chem. Int. Ed.’ ("Heterostructured Inter-Doped Ruthenium-Cobalt Oxide Hollow Nanosheet Arrays for Highly Efficient Overall Water Splitting") 지에 게재됨.