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과도한 에너지 소비와 갈수록 심각해지는 환경오염문제가 주목되면서 재생 가능하고 안전한 청정의 효율적인 신재생 에너지 개발 연구가 크게 각광받게 되었다. 탄소배출 제로의 고효율 청정 신재생 에너지로 전기화학적 수전해를 통한 그린수소의 생산이 차세대 에너지 개발 전략의 핵심 트렌드로 자리매김하였다. 하지만, 수소 발생 반응 (Hydrogen Evolution Reaction: HER)과 산소 발생 반응 (Oxygen Evolution Reaction: ...

과도한 에너지 소비와 갈수록 심각해지는 환경오염문제가 주목되면서 재생 가능하고 안전한 청정의 효율적인 신재생 에너지 개발 연구가 크게 각광받게 되었다. 탄소배출 제로의 고효율 청정 신재생 에너지로 전기화학적 수전해를 통한 그린수소의 생산이 차세대 에너지 개발 전략의 핵심 트렌드로 자리매김하였다. 하지만, 수소 발생 반응 (Hydrogen Evolution Reaction: HER)과 산소 발생 반응 (Oxygen Evolution Reaction: OER)과 같이 수전해의 반쪽 반응에는 다중 전자 전달이 포함되어 추가적인 에너지를 필요로 하기 때문에 고효율 수전해를 위한 저가의 고내구성의 고효율 촉매의 개발이 필요하기 때문에 본 연구에서는 다양한 전이금속의 복합화 및 구조조정을 통한 고성능 고내구성 수전해용 전기 촉매를 개발하는 연구를 다양한 화학적 합성 방법을 통해 아래와 같은 3가지 전이금속 기반 다차원 수전해 전기 촉매 개발을 위한 연구를 수행하였다.
첫번째로, 수전해용 고효율 촉매로 황이 도핑된 코발트-바나듐-몰리브덴 산화물 (Co@S-VMoOx) 나노층이 쉘링된 2차원 (2-dimensional: 2D) 코발트 나노시트 (Nano sheet: NS)을 합성하였으며, 개발된 촉매는 HER과 OER에 대해 각각 10 mA cm-2에서 73 및 274 mV의 과전위를 필요로 하였다. 또한 개발된 촉매를 적용한 2D Co@S-VMoOx NSs(+, -)의 전해조는 10 mA cm-2에서 1.55 V의 낮은 전지전압을 보여주었다.
두번째로, 니켈 (Nicke: Ni)과 셀레늄 (Selenium: Se) 나노입자가 중착된 질소도핑 니켈 몰리브덴 (Molybdenum: Mo) 나노로드(NiSe2-NPs/NiMoN-NRs) 전기 촉매는 HER반응과 OER반응을 가속화하기 위해서 개발되었다. 우수한 촉매활성에 의한 시너지 효과로 인해 1M KOH 전해질상에서 10 mA cm-2의 전류밀도에 도달하는데 HER 반응에서는 58 mV그리고 OER반응에서는 241 mV의 낮은 과전위를 필요로 하였다. 개발된 촉매를 적용한 전해조는 전체 수전해 반응에서 10 mA cm-2의 전류 밀도에서 1.51 V의 전지 전압을 보여주었다.
세번째로, 계층형 니켈 고정화 탄소나노튜브 (Carbon nanotube: CNTs)가 증착된 인이 도핑된 니켈-몰리브덴 (Ni@CNTs-MoxC/Ni2P)의 새로운 하이브리드 소재는 해수 수전해용 이기능성 촉매로 개발하였다. Ni@CNTs-MoxC/Ni2P의 향상된 HER과 OER 성능은 알칼라인 전해질상에서 10 mA cm-2에서 HER 경우 54 mV와 OER 경우 228 mV의 낮은 과전위로 달성되었다. Ni@CNTs-MoxC/Ni2P(+, -)기반의 전해조는 알칼라인 담수와 천연 해수에서 10 mA cm-2에 도달하기위해 각각1.53 V와 1.56 V의 낮은 작동 전압을 필요로 하였다. 이와 같은 결과는 Ni@CNTs-MoxC/Ni2P 소재가 그린 수소 생산을 위한 고성능 해수 수전해용 유망한 촉매임을 제시하였다.

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