고효율 산소 발생 반응을 위한 인 공석이 도입된 철 도핑 니켈 인화물 촉매의 개발 및 음이온 교환막 수전해 적용

초록

환경 오염이 심화됨에 따라 화석연료를 대체할 에너지 생산 방식에 대한 관심이 급증하고 있다. 수소는 운반과 저장이 용이하고, 에너지 밀도가 높아 유망한 에너지원으로 각광받고 있다. 산소 발생 반응과 수소 발생 반응으로 이루어진 전기화학적 물 분해는 공해 물질의 배출 없이 고순도 수소를 생산할 수 있는 유망한 방식이다. 물 분해 반응이 진행되기 위해서는 이론적으로 음극과 양극 사이의 1.23V의 전압이 필요하지만, 전기화학 반응 중에 일어나는 부반응 및 내부 저항 등에 의해 실제 전압은 이보다 큰 과전압이 필요하다. 양극에서 발생하는 산소 발생 반응은 4전자 반응으로 근본적으로 매우 느린 반응 속도를 갖기에 물분해 전체의 효율을 높이기 위해선 산소 발생 반응에 대한 고효율 촉매의 개발이 필수적이다. 현재 산소 발생 반응용 촉매로는 IrO2, RuO2 등 귀금속 기반의 촉매가 사용되고 있으나, 높은 비용 및 낮은 안정성 등의 문제로 산업적으로 운용하기에는 큰 제약이 있기에 이를 대체할 다양한 전이 금속 화합물이 연구되고 있다. 그중에서도 전이금속 인화물은 높은 전기화학적 활성 및 전자구조 변경의 용이성 등으로 유망한 대안으로 여겨지고 있다. 본 연구에서는 풍부한 인 공석을 갖는 니켈 인화물을 간단한 방법으로 제작하였다. 먼저, 니켈 철 프러시안 블루 유사체를 간단한 침전 방법을 통해 제작하여 금속 프리커서들을 균일하게 분포시켰다(NiFe PBA). 고분자 중합을 통해 니켈 철 프러시안 블루 유사체 위에 레조르시놀-폼알데하이드(RF, Resorcinol-Formaldehyde)를 코팅하여 열처리 이후에도 모폴로지를 유지할 수 있도록 하였다(NiFe PBA@RF). 이후 NaH2PO2와 함께 소성로에서 열처리하여 질소와 인이 도입된 탄소와 결합한 철이 도입된 니켈 인화물을 합성하였다(Fe-Ni2P@NPC). H2/Ar 분위기에서 추가적인 열처리를 진행하여 인 공석이 도입된 최종 시료를 제작하였다(Vp/Fe-Ni2P@NPC). Vp/Fe-Ni2P@NPC는 SEM, TEM, XRD, XPS 등의 물성 분석을 통해 성공적으로 합성된 것을 증명하였다. 또한, 알칼리성 환경에서 전기 화학적 활성 평가를 진행하였을 때, 산소 발생 반응에 대해 우수한 성능을 보였다. 1.0 M KOH 전해질에서 측정한 결과 10 mA cm-2 전류밀도에서 269 mV의 과전압을, 900 mA cm-2의 고전류밀도에서 490 mV의 과전압을 가졌다. 더불어 음이온 교환막 수전해에 적용한 결과, 높은