기초과학

중국과기대, 고효율 산소발생반응 촉매 개발

발행일 : 2019 / 07 / 04

최근 중국과학기술대학 위수훙(俞書宏)/가오민루이(高敏銳) 연구팀은 전통프러시안블루(PBA) 재료에 대한 질소가스 플라스마 충격(Plasma bombardment)을 통해 시안기 공석을 풍부히 함유한 고효율 산소발생반응 촉매를 성공적으로 개발했다. 해당 시안기 공석은 PBA 재료의 국지 전자구조 및 금속 배위환경을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 전기순환 과정에서 철 활성종의 유실을 고효율적으로 억제할 수 있다. 해당 연구성과는 “Nature Communications”에 게재되었다.

산소발생반응(OER)은 광/전기 가수분해, 금속공기전지 등 신에너지 저장 및 전환장치의 핵심 반쪽반응(half reaction)이다. 저렴하고 고효율적인 산소발생반응 전기촉매의 개발은 전극 과전위를 더한층 낮추고 장치 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 주요 경로이다. 재료결함공학은 촉매의 전기음성도, 전하분포 및 배위환경 등 조절이 가능해 촉매 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 전략으로 여겨지고 있다. 신형의 결함구조 설계 및 새 활성배위 형식 도출을 통해 기존 촉매재료의 촉매성능을 더한층 최적화할 수 있다.

연구팀은 몰리브덴산니켈 나노막대를 템플릿으로 하여 다공성 니켈-철 기반 PBA재료를 제조했다. 그 다음 해당 재료에 대한 질소가스 플라스마 충격을 통해 시안기 공석을 풍부히 함유한 PBA 촉매를 획득했다. 연구팀은 고해상도 투과전자현미경, 양전자 소멸기술, 원소 함량분석, 배기가스 흡수검사 등 다양한 특성화 수단을 통해 해당 신형 시안기 공석의 형성을 확인했다.

전기화학적 테스트 결과, 60분 동안 질소가스 플라스마 충격을 거친 PBA 샘플은 최상의 산소발생반응 활성을 나타냈는데 이는 기타 고효율 산소발생반응 촉매에 비해 훨씬 우수했다. 구조 분석 결과, 높은 산소발생반응 활성은 시안기 공석이 유도 발생한 불포화 니켈-철 부위에서 비롯되었다. 심층 연구를 통해 시안기 공석을 함유하지 않는 PBA 재료의 철 활성종은 점차 전해액에 용해되며 반대로 시안기 공석을 함유한 PBA 재료는 철 활성종의 유실을 대폭 억제함으로써 산소발생반응 순환과정에서 높은 활성의 표면 활성층을 자가 재구성적으로 형성해 우수한 OER 활성 및 안정성을 보유함을 발견했다.

해당 성과는 높은 활성의 니켈-철 수산화물 제조에 새 전략, 새 결함유형 개발에 새 참고정보, 보다 고효율적인 산소발생반응 촉매 설계에 참신한 아이디어를 제공했다.