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중국과학기술대학교 과학연구 인원들은 밀도 범함수 이론(DFT) 계산을 통해 그래핀 결정격자 6원자 고리(six-membered ring) 내에서 이중 흑연 질소 도핑을 실행하면 재료 중의 카본 원자(두 개의 질소원자와 결합한 카본 원자)의 전기구조를 뚜렷하게 변화시킬 수 있으며 카본 활성 위치의 ΔGH*수치를 0eV 수준까지 감소시킬 수 있다는 점을 입증하였으며, 카본 기반 재료의 수소 방출 촉매 활성을 더욱 향상시킬 수 있는 가능성을 보유하고 있다는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 금속 유기 프레임워크(Metal-Organic Frameworks) Cu-BTC를 전구물질로 사용하고, 하소(calcination)와 용매에 대한 열처리를 통해 그래핀 유사 입자 집합체(aggregation)를 개발하였음. 연구팀은 이번 연구를 통해 CV 순환을 거친 후 관련 산성 전기 촉매 수소 방출 성능이 점차적으로 향상되고, 최고 수치에 도달할 때 10 mA/cm²전류밀도 하에서 과전압은 57mV, 타펠 기울기(Tafel slope)는 44.6 mV/dec 수준에 도달한다는 점을 입증하였음. 연구팀의 관련 연구 결과는 이미 보도된 높은 활성을 보유한 금속 기반 촉매제와 Pt/C 촉매제와 비교할 수 있을 정도의 전기 촉매 수소 방출 성능을 나타내고 있다는 점을 의미하고 있음. 적외선 분광법(infrared spectroscopy), X-레이 광전자 에너지 스펙트럼(energy spectrum), X-레이 모서리 근처(near-edge) 미세 구조와 고체 상태 자기공명영상(MRI)의 표면 특징 분석 결과, 연구팀이 개발한 카본 기반의 재료는 이중 흑연 질소를 한 개의 그래핀 결정격자 6원자 고리에 도핑 한 새로운 구조를 형성하고, 두 개의 근접 흑연 질소 결합의 카본 원자는 촉매 활성 위치에 있으며, 동 결합 방식은 H가 C활성 위치에서의 흡착을 강화하는데 유리하고, 이로 인해 촉매 활성을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났음.

본 연구 성과는 'Angewante chemi international edition'지에 게재됨.