니켈 코발트 PBA 기반 인 도핑 니켈-코발트 황화물의 합성 및 고효율 수전해 전기화학 촉매로의 적용

초록

수전해를 통해 생산되는 그린수소는 탄소 배출이 없는 청정에너지원으로서, 높은 에너지 밀도와 저장성으로 인해 지속 가능한 에너지 공급원으로 주목받고 있다. 수전해는 음극에서 일어나는 수소 발생 반응(HER)과 양극에서 일어나는 산소 발생 반응(OER)으로 구성된 두 가지 반쪽 반응으로 이루어진다. 수전해 시스템의 상업적 성공을 위해서는 이들 반응의 과전압을 낮추고 반응 효율을 극대화할 수 있는 전기화학 촉매가 필요하다. 현재 상업적으로 널리 사용되는 귀금속 기반의 촉매들(Pt, IrO2, RuO2 등)은 우수한 촉매 활성을 보이지만, 고비용과 희소성으로 인해 대규모 상용화에 한계가 있다. 이에 따라, 저비용이면서도 높은 촉매 활성을 제공할 수 있는 니켈, 코발트와 같은 전이금속을 활용한 다양한 합금 및 화합물이 수전해 촉매로서 큰 잠재력을 보이고 있다. 본 연구에서는 다공성 구조를 갖는 니켈 폼을 전극촉매 지지체로 사용하여 촉매 합성을 진행하였다. 1차 수열합성과정을 통해 Ni(OH)2/NF를 형성한 후, 2차 수열합성과정에서 소량의 HCl을 첨가하여 앞서 형성한 Ni(OH)2의 Ni2+ 용출을 용이하게 하여 NiCo PBA의 균일한 성장을 촉진하였다. 이 과정을 통해 2D 구조를 갖는 nickel hydroxide의 모양을 따라 3D 구조를 갖는 니켈-코발트 PBA가 형성됨으로써 cube-on-plate 구조를 형성할 수 있었다 (NiCo PBA/NF). 이러한 2D/3D 구조는 반응 표면적이 증가하고 균일한 금속 분포를 가능하게 하여 전해질과 반응물의 활성 표면에 대한 접근성을 향상시켜 전기화학 촉매 반응을 촉진할 수 있다. 이후 소성로에서 NiCo PBA/NF와 NaH2PO2, sulfur powder를 함께 고온 열처리하여 인이 도핑된 니켈-코발트 황화물 합성을 진행하였다. 고온 조건에서 NiCo PBA의 사이아노(CN-) 리간드가 분해되면서 금속 이온이 노출되어 승화된 황과 만나 금속 황화물을 형성한다. NaH2PO2는 sulfur powder에 비해 높은 온도에서 PH3 가스로 열분해되기 때문에 phosphide를 형성하지 않고 니켈-코발트 황화물의 구조에서 인이 황을 부분치환한다. 다양한 합성 조건에서 제조된 샘플의 결정학적, 전자적 구조를 XRD, XPS로 비교하였으며, SEM과 TEM 분석을 통해 촉매의 형태 및 원소 분포를 확인하였다. 또한 LSV를 통해 전기화학적 활성이 가장 우수한 최종 촉매를 확인하였다.