나노기술 및 정책 정보

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금속 접점과 유기 리간드(organic ligand)의 엄격한 조립을 통해 형성된 금속-유기 프레임워크(framework)(MOFs) 소재는 각종 나노촉매 제조에서 이상적인 전구체가 된다는 점은 이미 입증됨. 그러나 MOFs는 템플릿 방법(template method)으로부터 파생된 탄소 프레임워크(framework)에서 일반적으로 전구체의 미세 포러스(porous) 구조 특징을 계승하기 때문에 내부 금속 활성 위치 점의 이용 가능성을 제한하고 있을 뿐만 아니라 촉매 과정에서의 물질 전달 역할에 영향을 끼치고 있기 때문에 높은 분산성, 높은 활성을 보유하고 있는 금속 위치 점과 등급 포러스(porous) 구조의 전기 촉매를 개발하여 다른 촉매 반응에 응용하는 연구는 중요한 의미가 있음.

중국과학원 푸졘(福建, 복건) 물질구조 연구소 산하 ‘구조 화학 국가 중점 실험실’ 주치룽(朱起龍, 주기룡) 연구팀은 일본 산업 기술 종합 연구소 쉬창(徐强, 서강) 교수 연구팀과 공동 연구를 수행함. 이중 용매 유도의 비(非) 균일 위상 핵(核) 형성 방법을 이용하여 고 분산 Ru(Ⅲ) 이온 보정을 받은 순서적 대형 포러스(porous) ZIF-8 단결정(Ru(Ⅲ)/MSC-ZIF-8)을 얻고, 이를 전구체로 사용 및 고온 열분해를 통해 순서 등급 포러스(porous) 슈퍼 구조를 보유한 Ru/N 도핑 나노포러스(porous) 탄소(Ru/OMSNNC) 마이크로-나노 반응기(reactor)를 개발함.

연구팀은 평균 입자 지름이 1.8nm밖에 되지 않는 Ru 클러스터(clusters)가 균일하게 고도로 순서적인 슈퍼 구조 탄소 벽에 닻을 내려 뚜렷한 사이즈 효과를 나타내는 동시에 풍부한 활성 위치 점을 노출시킨다는 점을 발견함. 3차원 순서적인 대형 포러스(porous)-중간 포러스(porous)-마이크로 포러스(porous) 슈퍼 구조를 위해 효과적인 전기 전도와 물질 전달 루트를 제공한다는 점을 발견함.

연구팀은 이런 독특한 구조 우세에 기반하여 Ru/OMSNNC 마이크로-나노 반응기는 다른 pH 전해질 속에서 초고(超高) 수소 방출(Hydrogen evolution) 반응(HER) 성능을 나타내며, 관련 품질 활성은 상용화 Pt/C보다 한 개 수량 등급이나 더 높다는 점을 입증함.

연구팀이 개발한 마이크로-나노 반응기는 1 M KOH 전해질 속에서 13 mV@10 mA cm-2 수준밖에 되지 않는 HER 과전압(Overpotential)을 나타냄. Tafel 경사 비율은 40.41 mV dec-1 수준까지 낮아지고, 25 mV 시 1.6 H2 s-1의 초고(超高) TOF 수치를 보유하고 있기 때문에 Pt/C와 대부분의 새롭게 보도된 HER 촉매 수준을 대폭 초월하는 것으로 나타났음.

실제 전체 물 분해 시스템 속에서 Ru/OMSNNC는 파생된 OMS-RuO2 양극을 이중 전극 전체 분해 풀로 조립하고, 동일한 그루브(groove) 홈 압력 하에서 Ru/OMSNNC의 수소 생성 속도는 Pt/C 수준을 대폭 초월하는 것으로 나타났음. 동 시스템은 직접 상용화 태양광 전지와 결합할 수 있기 때문에 비교적 큰 응용 잠재력을 보유하고 있음.

연구팀은 이번 연구를 통해 미래 에너지 분야에서 사용할 수 있는 고 성능 HER 촉매 및 기타 선진 촉매 소재 개발을 위한 새로운 아이디어를 제공함.

또한, HER 과정에 대해 한층 더 심층적으로 이해하고, HER 전체 성능을 향상시키는데 필요한 실험 및 이론 지원을 제공함.

본 연구 성과는 ‘Advanced Materials’ ("Ordered Macroporous Superstructure of Nitrogen‐Doped Nanoporous Carbon Implanted with Ultrafine Ru Nanoclusters for Efficient pH‐Universal Hydrogen Evolution Reaction")에 게재됨.