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수소는 온실가스 배출량이 적고 에너지 밀도가 높아 화석 연료의 대체재로 각광받고 있다. 하지만 담수 자원의 가용성이 제한되어 있어 대규모 담수 전기분해에는 어려움이 있다. 잠재적인 해결책은 염화물 부식에 강하고 바닷물 분해를 촉진할 수 있는 비용 효율적인 전기 촉매와 전극을 개발하는 것이다. 본 연구에서는 N-도핑 탄소 코팅 CoFe 인화물을 사용하여 알칼리성 해수 분해를 위한 안정적인 전기 촉매를 합성하였다. N-도핑 탄소는 바닷물 전기분해 시 전극 부식을 방지하는 보호막 역할을 하여 ...

수소는 온실가스 배출량이 적고 에너지 밀도가 높아 화석 연료의 대체재로 각광받고 있다. 하지만 담수 자원의 가용성이 제한되어 있어 대규모 담수 전기분해에는 어려움이 있다. 잠재적인 해결책은 염화물 부식에 강하고 바닷물 분해를 촉진할 수 있는 비용 효율적인 전기 촉매와 전극을 개발하는 것이다. 본 연구에서는 N-도핑 탄소 코팅 CoFe 인화물을 사용하여 알칼리성 해수 분해를 위한 안정적인 전기 촉매를 합성하였다. N-도핑 탄소는 바닷물 전기분해 시 전극 부식을 방지하는 보호막 역할을 하여 활성 부위가 장시간 연속적으로 작동할 수 있도록 한다. CoFe LDH@PNC의 전기 촉매 성능을 최적화하기 위해 N-도핑 탄소의 전구체인 ZIF의 양을 조절하였다. 1M KOH 용액에서 수소 발생 반응(HER)에 대한 과전압이 10mA cm-2에서 44mV, 1000mA cm-2에서 255mV이며, 산소 발생 반응 (OER) 에 대한 과전압이 10mA cm-2에서 234 mV, 1000mA cm-2에서 330 mV에 불과하여 매우 낮은 값을 나타냈다. 또한 1.99 및 2.24V의 매우 낮은 전압에서 산업적으로 요구되는 전류 밀도인 500 및 1000 mA cm-2를 달성하여 알칼리성 바닷물을 효율적으로 분리할 수 있다. 특히 이 촉매는 500mA cm-2 라는 높은 전류 밀도에서 1,000 시간 연속 작동을 견딜 수 있는 뛰어난 장기 안정성을 보여주었다. 고밀도의 활성 부위를 가진 N-도핑 탄소를 통합함으로써 해수 분리 응용 분야에서 전이 금속 LDH의 안정성을 향상시키는 혁신적인 접근 방식을 제공하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to its low greenhouse gas emissions and high energy density, hydrogen is gaining traction as an alternative to fossil fuels. However, limitations on fresh water are a drawback to producing hydrogen from water electrolysis at large scale. The problem can be addressed by employing seawater, the mo...

Due to its low greenhouse gas emissions and high energy density, hydrogen is gaining traction as an alternative to fossil fuels. However, limitations on fresh water are a drawback to producing hydrogen from water electrolysis at large scale. The problem can be addressed by employing seawater, the most abundant water resource on Earth, for electrolysis and developing electrochemical catalysts that are resistant to chlorine corrosion. Herein, P, N co-doped carbons originating from ZIF were successfully synthesized and studied as efficient and stable electrocatalysts for seawater electrolysis. The P, N co-doped carbon acts as a protective layer that prevents the electrode from corrosion during seawater electrolysis and prevents phosphorus from dissolving. To optimize the electrochemical performance of CoFe LDH@PNC, the amount of ZIF, a precursor of P, N co-doped carbon, was finely controlled. It required low overpotentials of 234 and 330 mV for the oxygen evolution reaction (OER) and 44 and 255 mV for the hydrogen evolution reaction (HER) to achieve 10 and 1000 mA cm -2, respectively, in 1 M KOH electrolyte. Furthermore, at exceptionally low voltages of 1.99 and 2.24 V, it achieves the industrially required current densities of 500 and 1000 mA cm -2 for complete alkaline seawater splitting. Most notably, this catalyst exhibits outstanding long-term stability, withstanding 1,000 hours of constant operation at a high current density of 500 mA cm-2. By incorporating N-doped carbon with a high density of active sites, our work provides an innovative approach to enhance the stability of transition metal LDHs for seawater splitting applications.

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