지속 가능한 에너지 경제의 급속한 성장으로 재생 가능 에너지를 보다 효율적이고 안정적으로 활용하는 것이 점점 더 중요해지고 있다. 재생 가능 에너지의 효율적, 안정적 활용은 기후 조건에 큰 영향을 받는 친환경 에너지(수력, 풍력, 태양력 등)의 변환 및 저장 기술개발에 의존한다. 전기화학적 물 분해는 전기 화학 에너지 장치를 이용하여 간단하고 합리적인 ...
지속 가능한 에너지 경제의 급속한 성장으로 재생 가능 에너지를 보다 효율적이고 안정적으로 활용하는 것이 점점 더 중요해지고 있다. 재생 가능 에너지의 효율적, 안정적 활용은 기후 조건에 큰 영향을 받는 친환경 에너지(수력, 풍력, 태양력 등)의 변환 및 저장 기술개발에 의존한다. 전기화학적 물 분해는 전기 화학 에너지 장치를 이용하여 간단하고 합리적인 에너지 전환 효율을 통해 친환경적으로 발생된 전기에너지를 저장 및 이용이 용이한 수소에너지로 변환시킬 수 있다. 과전압을 감소시켜 결과적으로 반응 속도 및 전체 효율을 향상시키는 것이다. 이를 위해, 현재까지는 값 비싼 귀금속(Pt, RuO2 등) 기반의 촉매 소재가 사용되고 있으나, 귀금속 소재의 희소성, 가격 때문에 경제성이 저하되는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 귀금속 기반의 촉매와 동등한 성능을 구현할 수 있는 비귀금속 기반의 촉매소재를 개발하며, 특히 전이금속 기반 촉매소재의 나노구조화 및 계면제어를 통하여 물 분해 효율을 증가시키고자 했다. PART Ⅰ에서는 전기화학적 활성화(ECA)를 이용하여 Ni-Co 황화물 입자의 부분적인 비정질화를 진행하여, 최종적으로 고밀도의 결정질비정질 계면을 갖는 ECA-CNS 를 합성함으로써 OER 활성을 향상시켰다. 비정질의 경우 결정질과 대비하여 상대적으로 많은 dangling bond 및 불안정한 전자구조를 지니고 있어, 표면에서 H2O, OH- 분자에 대한 효율적 흡착 및 촉매 반응기지로 작용이 가능하다. PART Ⅱ에서는 고비표면적, 다공성 구조를 갖는 Co-Ni-B(CNB)를 합성한 후 원자층 증착기를 활용한 vanadium 의 표면 처리를 통하여 VCNB 를 합성하였고, 이는 이종원소도핑, 계면 특성 제어를 활용하여 촉매 소재 표면에서의 흡착 및 전하이동도를 향상시켰다. 후 열처리 공정의 분위기, 온도, 시간에 따른 촉매 소재의 전기화학적 특성 최적화를 진행하여 최종적으로 전기화학적 물 분해 셀 양극에서의 과전압을 낮추어 높은 효율 및 내구성을 지니는 수소에서니 생성용 촉매 소재를 개발하였다. 결론적으로 전기화학적 모델에 기반하여 촉매 소재의 특성 평가에 대한 전반적인 내용을 연구하며, 촉매 소재 표면에서의 물 분자 흡착 및 전하이동에 대한 메커니즘을 규명하였다.
지속 가능한 에너지 경제의 급속한 성장으로 재생 가능 에너지를 보다 효율적이고 안정적으로 활용하는 것이 점점 더 중요해지고 있다. 재생 가능 에너지의 효율적, 안정적 활용은 기후 조건에 큰 영향을 받는 친환경 에너지(수력, 풍력, 태양력 등)의 변환 및 저장 기술개발에 의존한다. 전기화학적 물 분해는 전기 화학 에너지 장치를 이용하여 간단하고 합리적인 에너지 전환 효율을 통해 친환경적으로 발생된 전기에너지를 저장 및 이용이 용이한 수소에너지로 변환시킬 수 있다. 과전압을 감소시켜 결과적으로 반응 속도 및 전체 효율을 향상시키는 것이다. 이를 위해, 현재까지는 값 비싼 귀금속(Pt, RuO2 등) 기반의 촉매 소재가 사용되고 있으나, 귀금속 소재의 희소성, 가격 때문에 경제성이 저하되는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 귀금속 기반의 촉매와 동등한 성능을 구현할 수 있는 비귀금속 기반의 촉매소재를 개발하며, 특히 전이금속 기반 촉매소재의 나노구조화 및 계면제어를 통하여 물 분해 효율을 증가시키고자 했다. PART Ⅰ에서는 전기화학적 활성화(ECA)를 이용하여 Ni-Co 황화물 입자의 부분적인 비정질화를 진행하여, 최종적으로 고밀도의 결정질비정질 계면을 갖는 ECA-CNS 를 합성함으로써 OER 활성을 향상시켰다. 비정질의 경우 결정질과 대비하여 상대적으로 많은 dangling bond 및 불안정한 전자구조를 지니고 있어, 표면에서 H2O, OH- 분자에 대한 효율적 흡착 및 촉매 반응기지로 작용이 가능하다. PART Ⅱ에서는 고비표면적, 다공성 구조를 갖는 Co-Ni-B(CNB)를 합성한 후 원자층 증착기를 활용한 vanadium 의 표면 처리를 통하여 VCNB 를 합성하였고, 이는 이종원소도핑, 계면 특성 제어를 활용하여 촉매 소재 표면에서의 흡착 및 전하이동도를 향상시켰다. 후 열처리 공정의 분위기, 온도, 시간에 따른 촉매 소재의 전기화학적 특성 최적화를 진행하여 최종적으로 전기화학적 물 분해 셀 양극에서의 과전압을 낮추어 높은 효율 및 내구성을 지니는 수소에서니 생성용 촉매 소재를 개발하였다. 결론적으로 전기화학적 모델에 기반하여 촉매 소재의 특성 평가에 대한 전반적인 내용을 연구하며, 촉매 소재 표면에서의 물 분자 흡착 및 전하이동에 대한 메커니즘을 규명하였다.
It is important to utilize renewable energy more efficiently and stably for accelerating the sustainable energy economy. Efficient and stable utilization of renewable energy strongly depends on the development of energy conversion and storage technologies in environmentally friendly way such as hydr...
It is important to utilize renewable energy more efficiently and stably for accelerating the sustainable energy economy. Efficient and stable utilization of renewable energy strongly depends on the development of energy conversion and storage technologies in environmentally friendly way such as hydro, wind, solar power, etc. Electrochemical water splitting is one of the most promising way to convert electric energy into hydrogen energy, which can be easily stored and used, thanks to its high efficiency and simplicity. In order to further enhance energy conversion efficiency, noble metal based catalysts (Pt, RuO2, etc.) are often used to lower an overpotential and thus increase the reaction rate. However, the rareness and high price of noble metals limits rapid growth of renewable energy economy. Hence, it is urgently necessary to develop alternatives for the costly noble metal based catalysts. In this dissertation, I have developed non-noble metal-based catalyst materials that can achieve performance equivalent to that of a noble metal-based catalyst via nanostructuring and nanocompositing strategies to control catalytic activity of transition metal-based catalysts.
In PART Ⅰ, transition metal sulfides with partially amorphized surface structure was synthesized and their electrochemical catalytic property was studied. Partial amorphization was carried out using electrochemical activation (ECA) process. Oxygen evolution reaction (OER) activity was significantly improved by inducing high numbers of crystalline-amorphous interface on the surface.
In PART Ⅱ, transition metal borides were synthesized with high surface area and porous structure via templated ion exchange method. Extrinsic dopant was deposited onto the surface of as-synthesized catalyst using atomic layer deposition (ALD). The deposition of extrinsic element improved the adsorption and charge mobility on the surface by incorporating extrinsic elements and the control of physicochemical properties at the interface. The electrochemical characteristics of the catalyst was optimized by controlling deposition conditions such as atmosphere, temperature, and time of the post-heat treatment process. Finally, an overpotential at the anode of electrochemical water splitting cell was substantially lowered resulting in high efficiency for hydrogen production.
In conclusion, the general characteristics of the catalytic material for hydrogen production have been studied, based on the electrochemical model, the theory of molecular adsorption, and the charge transfer mechanism on the materials’ surface.
It is important to utilize renewable energy more efficiently and stably for accelerating the sustainable energy economy. Efficient and stable utilization of renewable energy strongly depends on the development of energy conversion and storage technologies in environmentally friendly way such as hydro, wind, solar power, etc. Electrochemical water splitting is one of the most promising way to convert electric energy into hydrogen energy, which can be easily stored and used, thanks to its high efficiency and simplicity. In order to further enhance energy conversion efficiency, noble metal based catalysts (Pt, RuO2, etc.) are often used to lower an overpotential and thus increase the reaction rate. However, the rareness and high price of noble metals limits rapid growth of renewable energy economy. Hence, it is urgently necessary to develop alternatives for the costly noble metal based catalysts. In this dissertation, I have developed non-noble metal-based catalyst materials that can achieve performance equivalent to that of a noble metal-based catalyst via nanostructuring and nanocompositing strategies to control catalytic activity of transition metal-based catalysts.
In PART Ⅰ, transition metal sulfides with partially amorphized surface structure was synthesized and their electrochemical catalytic property was studied. Partial amorphization was carried out using electrochemical activation (ECA) process. Oxygen evolution reaction (OER) activity was significantly improved by inducing high numbers of crystalline-amorphous interface on the surface.
In PART Ⅱ, transition metal borides were synthesized with high surface area and porous structure via templated ion exchange method. Extrinsic dopant was deposited onto the surface of as-synthesized catalyst using atomic layer deposition (ALD). The deposition of extrinsic element improved the adsorption and charge mobility on the surface by incorporating extrinsic elements and the control of physicochemical properties at the interface. The electrochemical characteristics of the catalyst was optimized by controlling deposition conditions such as atmosphere, temperature, and time of the post-heat treatment process. Finally, an overpotential at the anode of electrochemical water splitting cell was substantially lowered resulting in high efficiency for hydrogen production.
In conclusion, the general characteristics of the catalytic material for hydrogen production have been studied, based on the electrochemical model, the theory of molecular adsorption, and the charge transfer mechanism on the materials’ surface.
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