아연-공기 전지용 고효율 산소 발생 및 환원 반응용 이기능성 Co9S8/CoS@NSC 전극촉매 합성 및 분석

초록

전 세계적으로 급속한 산업화로 인해 화석연료의 과도한 소비가 지속되면서 천연자원 고갈 및 온실가스 배출 증가로 인한 환경 문제가 대두되고 있다. 이를 해결하기 위해 탄소 배출이 없는 효율적인 에너지 저장 및 변환 장치 개발이 필수적이며 아연-공기 전지는 차세대 이차전지로 각광받고 있다. 아연-공기 전지는 높은 이론적 에너지 밀도, 친환경적인 에너지 변환, 낮은 생산비용, 높은 안정성 등 다양한 장점을 가지고 있다. 하지만 아연-공기 전지는 충·방전 반응 시 양극에서 발생하는 산소 발생반응(OER)과 산소환원반응(ORR)은 느린 반응 속도를 가지고 있어서 아연-공기 전지의 성능을 제한한다. 현재 아연-공기 전지의 에너지 효율을 증진하기 위해 양극에 귀금속 기반 상용 촉매를 사용하고 있지만 이들의 높은 비용과 낮은 내구성 등의 문제점을 가지고 있어 상용화를 어렵게 하고 있다. 따라서 이러한 문제점을 극복하기 위해, 전이금속 기반 산소 발생 반응과 산소 환원 반응의 적용할 수 있는 이기능성 전기화학 촉매를 개발하여 가격 경쟁력을 확보하고 양극의 느린 반응속도를 개선하여 고효율에 아연-공기 전지 연구가 진행되고 있다. 본 연구는 고온에서 분해되는 멜라민-폼알데하이트(MF)를 제작하여 촉매의 구조체를 구형으로 성장하였으며, 이후 고분자 중합 수열 반응을 통해서 멜라민-폼알데하이드 표면에 폴리피롤 고분자를 균일하게 성장시켰다(PPy@MF). 이후 액상 침전법을 진행하여 코발트 이온을 PPy@MF 위에 흡착시켰다(Co-PPy@MF). 폴리피롤에는 홀전자를 가지는 N 원자를 포함하여 음이온의 경향을 보인다. 이때 양이온의 코발트 이온을 넣어 전하 평형을 이루며 코발트 전구체를 균일하게 분포할 수 있다. 이후 관 소성로를 사용하여 고온 탄화 및 황화 과정을 진행하였다. 코발트는 이종접합을 가지는 코발트 설파이드로 상변화를 진행하였으며 고온 희생 템플릿으로 제작된 멜라민-폼알데하이드를 제거하면서 중공 구조를 유도하였다. 결론적으로 중공 구조를 가지는 N,S-doped carbon 구체에 이종접합 코발트 설파이드를 고르게 분산시킨 Co9S8/CoS@NSC 촉매를 합성하였다. 합성된 Co9S8/CoS@NSC는 전기화학적 활성평가를 진행하였을때 알킬리 조건에서 우수한 OER 및 ORR 성능을 보였다. OER에서는 1.0 M KOH 전해질에서 10 mA cm-2 전류밀도에서 294 mV 과전압을 가졌으며 ORR에서는 0.1 M KOH 전해질