나노기술 및 정책 정보

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중국 후난(湖南) 대학교 탄융원(譚勇文) 교수 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 나노 다공성 소재 연구에서 혁신성과를 취득하여 이슈가 되고 있는데, 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 나노 다공성 금속 인화물(Phosphide)이 산소 방출(Oxygen evolution) 반응 중의 표면 자체 재건 현상을 이용하여 높은 촉매 활성과 전기화학 안정성을 동시에 보유한 산소 방출 단일 원자 이리듐 촉매제를 개발하는데 성공하였음.

연구팀은 나노 다공성 금속 인화물(Phosphide)이 산소 방출(Oxygen evolution) 반응 중의 표면 자체 재건 현상을 이용하여 높은 촉매 활성과 전기화학 안정성을 동시에 보유한 산소 방출 단일 원자 이리듐 촉매제를 개발하는 과정에서 나노 다공성 금속 인화물의 표면은 활성화 과정에서 자체 재건을 통해 수소 산화물 혹은 히드록실기(hydroxyl基) 산화물을 형성하는데 풍부한 산소 리간드(Oxygen ligand)는 한층 더 고립된 이리듐 원자를 안정화 시킨다는 점을 발견하였음.

산소 방출 반응 과정에서 촉매 표면의 자체 재건 현상은 매우 일반적이며, 이런 자체 재건 현상은 단일 원자 촉매 디자인과 제조를 위해 새로운 아이디어를 제공해 주고 있으며, 극단적인 촉매 조건 하에서 촉매의 전자 국지 원자 구조에 대해 직접적인 검출은 매우 어려운 과제에 속하지만 촉매의 높은 활성과 안정성 원천에 대한 탐색은 매우 중요한 과제에 속하고 있음.

연구팀은 원 위치 싱크로트론 방사 등 표면 특징 분석 수단을 이용하여 원자 사이즈에서 단일 원자 이리듐 촉매의 높은 촉매 활성과 전기화학 안정성 원천을 해석하였으며, 진실한 전기 촉매 산소 방출 조건 하에서 고립된 이리듐 원자가 연결하는 히드록실기 리간드는 탈 양성자를 추진하여 산소 리간드를 형성한다는 점을 입증하였으며, 원 위치에서 형성된 산소 리간드는 이리듐 원자를 감소시키고 산소 방출 반응 과정에서의 O-O 커플링 에너지 장벽을 감소시켜 이리듐 원자의 반응 동력학 과정을 추진한다는 점을 발견하였음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 금속 인화물 표면의 히드록실기 산화물은 극단적인 산소 방출 조건 하에서 구조 수축이 발생하여 더욱 안정적인 표면 구조를 형성하고 단일 원자 이리듐을 안정시킨다는 점을 발견하였으며, 단일 원자 이리듐은 기판 간의 전하 이전을 통해 히드록실기 산화물 형성을 추진하며 산소 방출 반응의 과 전위(over potential)를 한층 더 감소시킨다는 점을 발견하였음.

연구팀이 이번 연구를 통해 취득한 연구 성과는 높은 활성을 보유한 촉매제의 구성 효과 관계를 심층적으로 분석하고 원자 사이즈의 촉매제 디자인을 실행하는 면에서 혁신적인 아이디어를 제공하고 있음.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("Dynamic active-site generation of atomic iridium stabilized on nanoporous metal phosphides for water oxidation") 지에 게재됨.