다공성 중공 탄소구체에 전이금속을 침전시켜 아연-공기 전지에 적용가능한 고성능 산소 발생 및 산소 환원용 이기능성 촉매 합성 및 분석

초록

연료전지는 고효율성 및 우수한 에너지 저장 성능을 제공하는 에너지 변환 및 저장 장치로 높게 평가된다. 특히 아연-공기 전지는 높은 에너지 밀도와 환경 친화적인 특성으로 인해 지속 가능 가능한 차세대 에너지 저장 및 변환 장치로 주목받고 있다. 한편, 아연-공기 전지의 성능은 공기극에서 발생하는 산소 환원 반응(ORR) 및 산소 발생 반응(OER)에 의해 결정된다. 이는 4개의 전자가 관여하는 반응으로 느린 반응속도와 높은 과전압이 문제로 작용한다. 전통적으로, 루테늄 및 백금과 같은 귀금속 기반 촉매가 고효율 상용 전기 촉매로 사용되어 왔으나 희소성과, 안정성으로 인한 문제가 있다. 이에 따라, 전이 금속 칼코겐화물(Transition Metal Chalcogenides), 특히 전이 금속 셀렌화물이 대체 후보로 떠오르고 있다. 전이 금속 셀렌화물은 우수한 전기 전도도, 뛰어난 안정성, 낮은 비용, 우수한 산화/환원 특성을 갖고 있기 때문이다. 나아가, 결함 구조를 조성하여 전자 구조를 조정함으로써 촉매 성능을 더욱 향상시킬 수 있고, 본 연구에서는 Se 결함을 도입하여 OER 및 ORR 성능을 향상시켰다. 본 연구에서 레조르시놀-폼알데하이트 합성과 이산화 규소 합성을 동시에 진행한뒤, Ar 분위기에서 탄화 과정을 거친 후 에칭 공정을 통해 다공성 중공 탄소구체를 합성하였다. 이를 담지체로 활용하였으며, schlenk flask를 이용하여 진공 상태에서 함침 방법을 통해 코발트와 바나듐 입자 담지를 진행하였다. 함침 과정에서 바나듐 전구체의 양을 코발트 전구체의 10%로 하여 바나듐 도핑을 유도하였고, Ar 분위기에서 열처리를 통해 V-CoO@MHCS를 합성하였다. 이후, 셀레늄 파우더를 활용하여 Ar 분위기에서 열처리를 진행하여 셀레늄이 코발트와 결합하고 바나듐이 도핑된 전이금속 셀렌화물인 V-CoSe2@MHCS를 XRD분석을 통해 확인할 수 있었다. 마지막으로, 수소 분위기에서 셀레늄 결함을 유도하여 최종적으로 V-CoSe2-Vse@MHCS를 합성하였다. XRD 분석을 통해 peak shift를 확인하여 바나듐 도핑과 셀레늄 결함을 검증하였다. SEM, TEM, EDX mapping을 통해 다공성 중공 구조 내에 Co, V, Se가 균일하게 분포되어 있는 것을 확인하였다. 최종 합성된 촉매의 OER 및 ORR 활성 분석을 위해 LSV, CV 분석을 진행ㄴㄴㄴ하였고 기존의 귀금속 촉매와 비교한 결과, 더 우수한 성능과 함께 높은 안정성 또한 확보했음을 확인하였다.