나노기술 및 정책 정보

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현재 99%를 초월하는 H2O2은 모두 높은 에너지 소모, 오염 특성을 보유하고 있는 안트라퀴논 산화(Anthraquinone oxidation) 루트를 통해 생산되는데 최근 년 간 2전자 루트를 통한 환원 산소(2e-ORR)를 이용하여 H2O2를 생산하는 방법은 큰 관심을 받고 있는 상황이지만 동 루트의 기존 촉매는 원가가 비교적 높거나(귀금속 촉매) 알칼리성 조건에만 적용(H2O2는 알칼리성 조건 하에서 불안정함)이 될 수 있기 때문에 산성 조건 하에서 높은 활성과 높은 선택성을 보유하고 있는 2e-ORR 비(非) 귀금속 촉매 개발이 매우 필요한 상황임.

최근 중국 수저우(蘇州) 대학교 리옌광(李彦光) 교수 연구팀은 중국과학원 대학교 저우우(周武) 교수 연구팀, 난징(南京) 사범(師帆) 대학교 리야페이(李亞飛) 교수 연구팀과 공동 연구를 실행하고 액체 위상 박리의 텔루르화 몰리브덴(MoTe2) 나노플레이크(nanoflake)를 산성 전해질 속의 효율적인 2e-ORR 촉매로 사용하고 동 촉매는 높은 활성, 높은 선택성을 실현하는데 있어서의 관건이 되며, MoTe2 나노플레이크의 톱니 형태(zigzag) 모서리(edge)가 반응 중간체인 HOO*에 대해 흡착이 비교적 강하며, O*에 대해 흡착이 비교적 취약하다는 연구 결론을 도출하였음.

MoTe2 나노플레이크는 액체 위상 박리 방법을 통해 톱다운 형식으로 제조되는데 연구팀은 XRD와 Raman 분석을 통해 박리는 MoTe2 나노플레이크가 6방 2H 위상에 속한다는 점을 발견하였으며, SEM, TEM 사진을 통해 MoTe2 나노플레이크가 성공적으로 박리되었다는 점을 입증하였으며, TEM 데이터 통계를 통해 나노플레이크 크기는 50-350nm 사이이고 평균 사이즈는 143nm에 달한다는 점을 발견하였으며, 고 해상도 구면 차 보정 전자 현미경을 이용하여 2H 위상의 MoTe2 나노플레이크 특유의 벌집 형태 원자 배열 패턴과 노출된 톱니 형태의 모서리를 관찰해 내는데 성공하였음.

산소 포화의 0.5 M H2SO4 전해질 속에서 MoTe2 나노플레이크와 그래핀 나노플레이크가 복합된 후 비교적 정전기 편향을 띤 퍼텐셜(0.56 V vs. RHE)과 뚜렷한 H2O2 선택성(최고 93% 수준에 도달함)을 나타냈으며, 품질 활성(27 A g-1at 0.4 V)도 기존 문헌 중에서 제일 이상적인 Pt-Hg와 Pd-Hg 합금 다음으로 가는 수준에 도달한 것으로 나타났으며, Au 베이스 합금과 N 도핑의 탄소 소재보다 높은 수준에 도달하는 것으로 나타났음.

가속 노화 테스트 실험 결과, 5,000회 순환을 거친 후 MoTe2 나노플레이크의 활성과 선택성은 뚜렷한 감소가 발생하지 않은 상황이며, 밤을 새운 노화 후에도 경미한 활성 감쇠가 발생할 뿐 뚜렷한 선택성 감쇠를 나타내지 않는 것으로 나타났는데 이런 상황은 모두 MoTe2 나노플레이크가 양호한 촉매 안정성을 보유하고 있다는 점을 입증하고 있음.

이론 계산을 통해 MoTe2 나노플레이크의 톱니 형태 모서리가 반응 중간체인 HOO*에 대한 적합한 흡착 특징은 우수한 2e-ORR 촉매 활성을 확보할 수 있도록 한다는 점을 입증하였으며, O*에 대한 비교적 약한 흡착은 O*의 심층적인 환원에 불리하고, H2O2에 대해서는 높은 선택성을 확보할 수 있도록 한다는 점을 입증하였음.

각종 소재가 관건적인 반응 중간체에 대한 흡착 에너지 관련 데이터를 통해 작성된 2차원 열량 정도 이미지를 보면, PtHg4는 제일 이상적인 활성과 선택성을 보유하고 있는 것으로 나타났으며, 그 다음으로 MoTe2 나노플레이크가 이상적인 활성과 선택성을 보유하고 있는 것으로 나타났으며, MoS2, MoSe2 나노플레이크와 Pt/C 등은 2e-ORR의 높은 활성 및 높은 선택성 구역과 멀리 떨어져 있는 것으로 나타났음.

관련 분석 결과를 통해 톱니 형태 모서리를 보유하고 있는 MoTe2 나노플레이크는 2e-ORR 속에서 높은 활성, 높은 선택성과 안정성을 보유하고 있는 것으로 나타났으며, 이런 특징 때문에 톱니 형태 모서리를 보유하고 있는 MoTe2 나노플레이크는 산성 전해질 속에서의 2e-ORR 비(非) 귀금속 촉매 개발 및 산업화를 위해 새로운 방법과 새로운 선택을 제공하게 되었으며, 중국은 MoTe2 나노플레이크 전기 환원 산소로 과산화수소 생산을 적극 추진하고 있는 상황임.