산성분위기에서의 산소발생반응 (oxygen evolution reaction, OER)은 양이온교환만 (proton exchange membrane, PEM) 수전해 시스템에서 필수적인 전기화학 반응이다. 특히, PEM 수전해의 실용적 성공을 위해서는 값비싼 ...
산성분위기에서의 산소발생반응 (oxygen evolution reaction, OER)은 양이온교환만 (proton exchange membrane, PEM) 수전해 시스템에서 필수적인 전기화학 반응이다. 특히, PEM 수전해의 실용적 성공을 위해서는 값비싼 Ir 촉매의 높은 질량 활성도 확보가 최우선적으로 고려되어야 한다. 본 논문에서는 Ir이 도핑된 칼슘구리티탄산산화물 (calcuim copper titanate, CaCu3Ti4O12, CCTO) 페르보스카이트 소재를 개발하여 1,000 AgIr-1 의 높은 질량 활성도를 확보하였으며 이는 상용 IrO2 촉매 대비하여 약 66배 높은 수치이다. CCTO에 도핑된 Ir은 Ti를 치환하여 높은 금속-산소 공유결합성을 야기시키며 이는 전하전달에 대한 에너지 배리어를 감소시킨다. 또한, 거대유전체라고도 불리우는 CCTO 페르보스카이트 산화물은 분극성이 매우 높아 점결함 형성이 용이하여 Ir이 도핑시 다수의 산소 공극을 형성시킨다. 도핑된 Ir음 주위 Ti 원자 또는 산소 공극으로부터 전하를 원활하게 받으며, 결과적으로 전자가 풍부한 Ir 사이트와 전자가 결핍된 Ti 사이트를 형성시킨다. 따라서, Ir은 OER 반응시 전하 공급을 원활히 할 수 있으며, Ti 원자는 OER 반응물에 대한 우수한 흡착 기지로서의 역할을 하게 된다. 제1원리 계산결과에 따르면 개발된 Ir-CCTO 촉매 소재의 경우 극도로 높은 Ir 질량 활성도 뿐만이 아니라 OER 반응에 최적화된 흡착에너지를 지니는 것으로 파악되었으며 OER volcano map에서 최상위점에 위치한다.
산성분위기에서의 산소발생반응 (oxygen evolution reaction, OER)은 양이온교환만 (proton exchange membrane, PEM) 수전해 시스템에서 필수적인 전기화학 반응이다. 특히, PEM 수전해의 실용적 성공을 위해서는 값비싼 Ir 촉매의 높은 질량 활성도 확보가 최우선적으로 고려되어야 한다. 본 논문에서는 Ir이 도핑된 칼슘구리티탄산산화물 (calcuim copper titanate, CaCu3Ti4O12, CCTO) 페르보스카이트 소재를 개발하여 1,000 AgIr-1 의 높은 질량 활성도를 확보하였으며 이는 상용 IrO2 촉매 대비하여 약 66배 높은 수치이다. CCTO에 도핑된 Ir은 Ti를 치환하여 높은 금속-산소 공유결합성을 야기시키며 이는 전하전달에 대한 에너지 배리어를 감소시킨다. 또한, 거대유전체라고도 불리우는 CCTO 페르보스카이트 산화물은 분극성이 매우 높아 점결함 형성이 용이하여 Ir이 도핑시 다수의 산소 공극을 형성시킨다. 도핑된 Ir음 주위 Ti 원자 또는 산소 공극으로부터 전하를 원활하게 받으며, 결과적으로 전자가 풍부한 Ir 사이트와 전자가 결핍된 Ti 사이트를 형성시킨다. 따라서, Ir은 OER 반응시 전하 공급을 원활히 할 수 있으며, Ti 원자는 OER 반응물에 대한 우수한 흡착 기지로서의 역할을 하게 된다. 제1원리 계산결과에 따르면 개발된 Ir-CCTO 촉매 소재의 경우 극도로 높은 Ir 질량 활성도 뿐만이 아니라 OER 반응에 최적화된 흡착에너지를 지니는 것으로 파악되었으며 OER volcano map에서 최상위점에 위치한다.
The oxygen evolution reaction (OER) under acidic conditions becomes essential for the application of proton exchange membrane (PEM) water electrolysis. In particular, maximizing the mass activity of iridium (Ir) is the most urgent priority to realize PEM water electrolysis. Here, we report the Ir-do...
The oxygen evolution reaction (OER) under acidic conditions becomes essential for the application of proton exchange membrane (PEM) water electrolysis. In particular, maximizing the mass activity of iridium (Ir) is the most urgent priority to realize PEM water electrolysis. Here, we report the Ir-doped calcium copper titanate (CaCu₃Ti₄O₁₂, CCTO) perovskite exhibits an ultra- high mass activity up to 1,000 A gIr-1 for the acidic OER, which is 66-fold higher than that of IrO2. By replacing Ti with Ir in CCTO, energy barrier for charge transfer can be greatly lowered by increasing the metal-oxygen (M-O) covalency. Additionally, highly polarizable CCTO perovskite, referred to as "colossal dielectric," has a low defect formation energy for inducing a large number of oxygen vacancies when Ir is incorporated into CCTO lattice (Ir-CCTO). As a result, the substituted Ir receives electrons from the neighboring oxygen vacancies and Ti, creating the electron-rich Ir and -deficient Ti sites. Thus, while the Ir maintains effective charge supply during OER, favorable adsorptions of oxygen intermediates might occur at Ti sites. Importantly, our density functional theory (DFT) calculations show that Ir-CCTO occupies one of the top spots on the OER volcano map, satisfying Sabatier criteria and having extremely high Ir mass activity.
The oxygen evolution reaction (OER) under acidic conditions becomes essential for the application of proton exchange membrane (PEM) water electrolysis. In particular, maximizing the mass activity of iridium (Ir) is the most urgent priority to realize PEM water electrolysis. Here, we report the Ir-doped calcium copper titanate (CaCu₃Ti₄O₁₂, CCTO) perovskite exhibits an ultra- high mass activity up to 1,000 A gIr-1 for the acidic OER, which is 66-fold higher than that of IrO2. By replacing Ti with Ir in CCTO, energy barrier for charge transfer can be greatly lowered by increasing the metal-oxygen (M-O) covalency. Additionally, highly polarizable CCTO perovskite, referred to as "colossal dielectric," has a low defect formation energy for inducing a large number of oxygen vacancies when Ir is incorporated into CCTO lattice (Ir-CCTO). As a result, the substituted Ir receives electrons from the neighboring oxygen vacancies and Ti, creating the electron-rich Ir and -deficient Ti sites. Thus, while the Ir maintains effective charge supply during OER, favorable adsorptions of oxygen intermediates might occur at Ti sites. Importantly, our density functional theory (DFT) calculations show that Ir-CCTO occupies one of the top spots on the OER volcano map, satisfying Sabatier criteria and having extremely high Ir mass activity.
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