다공성 중공 탄소 구체를 이용한 고성능 산소 발생 및 산소 환원용 V-CoSe2@MHCS 이기능성 촉매 합성 및 분석

초록

에너지 수요의 증가로 인한 과도한 화석 연료 사용으로 환경 오염 및 기후 문제가 심화되고 있다. 이에 따라 고효율 및 고내구성을 갖는 차세대 에너지 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 연료 전지나 금속-공기 전지는 높은 에너지 효율을 제공함과 동시에 온실가스를 배출하지 않아 지속 가능한 에너지 변환 및 저장 기술로 높게 평가 된다. 그 중 아연-공기 이차전지는 주목받고 있는 차세대 연료 전지로 이론 에너지 밀도가 높고 전력 밀도 또한 우수하다. 한편, 아연-공기 이차전지의 공기극에서 발생되는 전기화학반응은 산소 환원 반응(ORR) 및 산소 발생 반응(OER)으로, 4개의 전자가 반응에 관여하는 복잡한 메커니즘을 갖는다. 4전자 반응으로 인한 느린 반응속도를 개선하기 위해 고효율 촉매 사용이 필수적이며, 현재는 귀금속을 기반으로 한 촉매들이 이용되고 있다. 하지만 안정성 문제 및 희소성 문제로 인해 전이금속을 활용한 촉매 개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 레조르시놀-폼알데하이드 합성과 이산화 규소 합성을 동시에 진행해 구 형태의 composite을 형성한 뒤, Ar 분위기에서 탄화 과정 및 에칭 공정을 통해 다공성 중공 구조의 탄소 구체 합성을 진행하였다. 탄소 구체의 다공성 구조를 이용해 담지체로써 활용하였고 함침 방법을 통해 코발트와 바나듐 입자들을 담지시켰다. 원활한 금속 담지를 위해 schlenk flask를 활용해 금속입자를 녹인 용액과 다공성 중공 탄소 구체를 함께 넣고 내부에 진공을 형성하여 탄소 구체 내부에 금속 입자가 쉽게 함침되도록 하였다. 금속 용액을 통한 함침 과정 진행 시 바나듐 전구체의 양을 코발트 전구체의 10%로 하여 바나듐 도핑을 유도하였고 이후 셀레늄 파우더를 이용해 Ar 분위기에서 열처리를 진행하였다. 그 결과 셀레늄이 코발트와 결합하고 바나듐이 도핑된 V-CoSe2@MHCS 상을 XRD 분석을 통해 확인할 수 있었다. 바나듐 용액을 넣지 않고 함침 과정을 거친 대조군과 비교했을 때 XRD 분석에서 peak shift가 일어남을 통해 바나듐 도핑을 확인할 수 있었고 SEM, TEM,　EDX mapping을 통해서 다공성 중공 구조에 Co, V, Se가 균일하게 분포되어 있음을 확인하였다. 합성된 촉매의 OER 및 ORR 활성 분석을 위해 LSV, CV 분석을 진행하였고 기존의 귀금속 촉매와 비교했을 때, 더 좋은 성능과 함께 안정성 또한 확보됨을 확인하였다.