산소 발생 반응을 위한 니켈 코발트 산화물/황화물 이종접합 구조 촉매 합성

초록

지구온난화가 심화됨에 따라 지속 가능한 에너지 시스템이 중요해졌고, 높은 에너지 밀도를 가지고 오염물을 배출하지 않는 수소 에너지가 많은 관심을 받게 되었다. 수전해는 환경 오염물질을 배출하지 않고 고순도의 수소를 얻을 수 있는 방법이다. 하지만 수전해 반응에서 일어나는 산소 발생 반응(OER)이 4개의 전자를 수반하는 반응이기 때문에 반응 속도가 매우 느리다는 단점이 있다. 그리고 현재 산소 발생 반응에 사용할 수 있는 RuO2, IrO2과 같은 귀금속 촉매는 가격이 비싸고 안정성이 좋지 않기 때문에 수전해에 상용화를 막고 있다. 이러한 상황 속에서 우수한 촉매 활성을 가지고 안정성이 좋고 가격이 싼 비귀금속 촉매의 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 폴리스티렌 입자를 희생 템플릿으로 사용했고, 수열합성법과 고온 열처리를 이용해 니켈 코발트 산화물/황화물 이종 접합 구조를 만들었다. 유화 중합 방법을 이용해 만든 구형의 폴리스티렌 입자를 12시간 동안 polyvinylpyrrolidone(PVP) functionalizing 진행하여 PVP-PS 입자를 얻었다. 그 후 PVP-PS 입자를 Co(NO3)2·6H2O와 2-methylimidazole 과 혼합해 ZIF-67 입자로 코팅된 PS 입자를 얻었다.(ZIF-67@PS) 그리고 ZIF-67@PS 입자를 Ni(NO3)2·6H2O를 혼합한 후 90°C에서 6시간 동안 수열 합성 방법을 진행해 NiCo-LDH를 성장시켰다(NiCo-LDH@PS). 이 과정에서 ZIF-67 입자가 에칭되면서 Co2+ 이온을 방출하게 되고, 방출된 Co2+ 이온이 Ni2+ 이온과 만나 공침되어 NiCo-LDH를 형성하게 된다. 이후 NiCo-LDH@PS 입자를 450°C에서 3시간 동안 열처리를 진행하여 니켈 코발트 산화물을 만들었다(NiCo oxide). 이 과정에서 내부의 폴리스티렌 입자가 열분해 되면서 중공 구조를 만들고 전하 전달과 물질 전달 저항을 줄여 넓은 표면적을 제공한다. 마지막으로, sulfur powder를 사용해 500°C에서 3시간 동안 열처리를 진행해 니켈 코발트 산화물/황화물을 합성하였다. 이종 접합 구조는 촉매의 전자적 성질을 바꾸고 전하 재분배를 유도해 OER 활성을 향상시킬 수 있다. SEM, TEM, XRD, XPS 등을 통해 중공 구조의 산화물/황화물 촉매가 성공적으로 합성된 것을 확인했고, LSV, Tafel, CV 등의 전기화학적 분석을 진행하여 산소 발생 반응(OER)에 귀금속보다 좋은 활성을 가진 촉매임을 확인할 수 있었다.