니켈 철 PBA의 인화 및 수소 처리를 통한 풍부한 결함이 도입된 수전해 촉매 개발 및 적용

초록

환경 오염이 가속화되면서 화석연료를 대체 할 지속 가능한 에너지 자원에 대한 관심이 급격하게 증가하고 있다. 그중에서도 수소는 사용 과정에서 공해 물질을 배출하지 않으며, 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 이상적인 에너지원으로 각광 받고 있다. 수전해는 물을 전기화학적으로 수소와 산소로 분해하여 매우 순수한 수소를 생산할 수 있는 효과적인 방법이지만, 여러 전자를 전달해야 하는 비자발적인 반응이므로 이론값인 1.23V보다 큰 과전압이 필요하다. 따라서 큰 과전압을 줄이기 위해 양극과 음극에서 각각 발생하는 산소 발생 반응(OER)과 수소 발생 반응(HER)에 대해 효과적인 촉매의 개발이 필수적이다. 현재 OER 및 HER에 사용 중인 촉매는 귀금속 기반의 촉매로 높은 비용과 희소성을 가지고 있어 산업적으로 운용하기에는 큰 제약이 있기에 전이 금속 및 황화물과 탄화물, 인화물 등이 물 분해에 대한 이기능성 촉매로써 활발히 연구되고 있다. 그중에서도 인화물은 낮은 제조 비용, 높은 전기화학적 활성, 내구성 등으로 유망한 촉매로 여겨지고 있다. 본 연구에서는 간단한 침전법을 이용하여 금속이 균일하게 분산된 전구체인 니켈 철 프러시안 블루 유사체(NiFe-PBA)를 제작하였고, 상대적으로 열 안정성이 약한 프러시안 블루 유사체가 열처리 이후에도 모폴로지를 유지할 수 있도록 표면에 레조르시놀-폼알데하이드 폴리머(RF resin)를 코팅하였다. 이후 NaH2PO2와 함께 소성로에서 열처리하여 Fe-Ni2P@NPC를 합성하였다. 최종적으로 H2/Ar 분위기에서 추가적인 열처리를 진행하여 phosphorous vacancy가 도입된 Vp/Fe-Ni2P@NPC를 형성하였다. SEM, TEM, XRD, XPS 등의 물성 분석을 통해 질소와 인이 공동 도핑된 탄소와 니켈 인화물 격자에 도핑된 철 화합물이 성공적으로 합성된 것을 확인하였다. 또한 LSV, Tafel, CP, CA 등의 전기화학적 분석을 진행하여 OER 및 HER에 대해 모두 우수한 성능을 가지는 이기능성 촉매임을 확인하였다. 이는 철 도핑 및 phsphorus vacancy를 통해 Ni2P host 구조에 풍부한 결함을 유발하여, 전자구조를 변화시키고 전기화학 촉매 반응물 및 반응 중간체와의 상호작용을 촉진하였기 때문이다. 따라서, 본 연구는 효율적인 전이금속 기반 전기화학 촉매 합성법을 제시하여, 수전해의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 사료된다.