아연 공기 이차전지를 위한 산화물/황화물 이종 접합 구조를 가진 전극 촉매 합성 및 분석

초록

지구온난화가 가속화됨에 따라 지속 가능하고 오염물을 배출하지 않는 효율적인 에너지 시스템의 개발이 필수적이다. 이러한 상황 속에서 에너지 밀도가 높고 가격이 저렴할 뿐만 아니라 안정성이 우수한 아연-공기 이차전지가 많은 관심을 받고 있다. 하지만 아연-공기 전지의 공기극에서 일어나는 산소 환원 반응(ORR)과 산소 발생 반응(OER)이 4개의 전자를 수반해 반응속도가 매우 느리다는 문제점이 있다. 그리고 현재 공기극에 사용할 수 있는 촉매는 Pt/C, RuO2과 같은 귀금속 촉매이기 때문에 가격이 비싸 아연-공기 전지 상용화를 저해하고 있다. 이러한 상황 속에서 가격이 싸고 우수한 촉매 활성을 가진 전이금속 기반 아연-공기 전지용 촉매의 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 구형의 폴리스티렌을 희생 템플릿으로 사용하였고, 수열합성법과 고온 열처리를 이용해, anion vacancy가 풍부하고 중공 구조를 갖는 산화물/황화물 이종 접합 구조의 촉매를 만들었다. 먼저 폴리스티렌 입자의 외부를 ZIF-67로 코팅해서 전이금속 활성종이 촉매 표면에 고르게 분산되게 하였다. 이 과정에서 폴리스티렌 위에 ZIF-67를 성장시키기 위해 12시간 동안 PVP functionalizing을 진행하였다(ZIF@PS). 그리고 ZIF-67@PS와 Ni(NO3)2·6H2O을 사용한 수열 합성 방법을 통해 NiCo-LDH를 성장시켰다(NiCo-LDH@PS). 이후 NiCo-LDH@PS를 thiourea와 함께 고온 열처리 하여 산화물과 황화물의 이종 접합 구조를 만들었다. 내부의 폴리스티렌 구체가 고온에서 열분해됨에 따라 중공 구조를 만들어 전하/물질 전달 저항을 줄이고 넓은 표면적을 제공할 수 있었다. 그리고 thiourea는 높은 온도에서 CN2H2와 H2S를 발생시키고, H2S 가스가 산화물을 부분황화하여 산화물/황화물 이종구조를 만든다(NiCoO/NiCoS). 이 과정에서 온도가 충분히 높지 않으면 황화과정이 잘 진행되지 않았으며, 반대로 가혹한 온도 조건에서는 황 성분이 기화되며 crystal reconstruction이 발생해 황화 정도가 낮아지기 때문에 세밀한 온도조절이 필요하였다. 최종적으로 H2/Ar 분위기에서 1시간 동안 열처리하여 sulfur vacancy와 oxygen vacancy가 도입된 촉매(V-NiCoO/NiCoS)를 형성한다. vacancy는 합성된 촉매에 풍부한 활성점을 제공하기 때문에 촉매 활성을 더욱 향상시킬 수 있다.