나노기술 및 정책 정보

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중국 베이징(北京) 화공(化工) 대학교 왕펑(王峰), 장정핑(张正平) 교수 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 원스텝 전기도금 방법(one-step electrodeposition method)으로 효율적인 탄소 로딩 나노 클러스터 산소 방출 촉매를 개발하는데 성공함.

산소 방출 반응(OER)은 자체의 4전자 이전 과정과 높은 양극 반응 포텐셜(potential)의 제한을 받으며, 이런 상황은 알칼리성 전기 물 분해와 가역적인 아연 공기 배터리 등의 기술 발전을 제한하고 있음.

니켈 베이스 화합물은 양극 소재 분야에서 제일 뚜렷한 원가 효율성을 가지고 있는 전기 촉매 소재에 속하는데 귀금속(RuO2 및 IrO2) 상용화 촉매 전극 수준에 접근하는 OER 활성을 제공할 수 있음. OER 활성을 한층 더 높이기 위해 질소 도핑 탄소 등 로드 체 소재를 사용하여 니켈 베이스 화합물 인터페이스의 전자 구조를 조정하고 촉매 성능을 강화시킬 수 있음.

때문에 활성 입자와 로드 체 간의 커플링 역할을 강화시키고, 전자 전이를 가속화 하여, 촉매 인터페이스 반응 활성을 개선하는 면에서 "어떻게 하면 활성 입자와 로드 체 인터페이스의 접촉 면적을 증가시키고 인터페이스 간의 상호 역할을 강화시킬 것인가"는 중요한 의미를 가지는 연구 방향임.

연구팀은 금속 이온(Ni2+，Fe3+)과 질소 도핑 탄소 양자 점에 대한 원스텝 전기도금 방법을 통해 흑연 시트 상에서 고도의 커플링 NiFeOx 나노 클러스터/질소 도핑 탄소 복합 전극(NiFeOxNC)을 개발하였음.

인터페이스 간의 강한 상호 작용 때문에 NiFeOxNC 전극은 1 M KOH 전해액 속에서 산소 방출 반응 과전압(overpotential)은 195 mV 밖에 되지 않고 있어 상용화 RuO2 촉매제보다 안정적인 양극 수준을 나타내고, 복잡하고 변화가 다양한 실제 응용 환경 하에서 우수한 적용 특성을 보이고 있음.

연구팀은 이번 연구를 통해 물 분해 장치에 사용되는 효율적인 양극 개발을 위해 간편한 방법을 제공한 동시에 기타 청정 전기화학 기술에 필요한 신소재 개발에 대한 새로운 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Nano Energy’ ("One-step electrodeposition of carbon quantum dots and transition metal ions for N-doped carbon coupled with NiFe oxide clusters: A high-performance electrocatalyst for oxygen evolution") 지에 게재됨.