3차원 니켈 폼 소재에 나노구조 소재를 활용한 물 분해용 전기 촉매

화석 연료의 고갈과 에너지 및 환경 문제에 대한 우려가 커지면서 대체 에너지원을 개발하기 위한 광범위한 연구 노력이 이루어졌습니다.전기화학 전기분해물 분해는 수소 연료 생산에 유망한 전략으로 여겨집니다. 그러나 효율적인 물 분해를 위해서는 산소 추출 반응(OER)과 수소 추출 반응(HER)의 반응 속도를 가속화할 수 있는 효율적이고 내구성 있는 전기 촉매가 필요합니다. Noble금속Pt 및 그 합금, RuO₂, IrO₂와 같은 귀금속 함유 촉매는 현재 OER 및 HER 촉매에 가장 효율적인 촉매입니다. 그러나 귀금속의 높은 가격과 희소성은 대규모 적용 및 재생 에너지 기술 개발을 저해해 왔습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해, OER 및 OERHER의 경제적인 대안으로 지구상에 풍부한 재료를 사용하여 비귀금속 전기 촉매를 설계하고 합성하기 위한 상당한 노력이 진행되어 왔습니다. 전이 금속 산화물, 황화물, 인화물, 탄소 재료, 셀렌화물 및 혼합 금속 착물은 광범위하게 연구되어 OER 및 HER에 대해 유망한 성능을 보였습니다. 그러나 이러한 전기 촉매의 대부분은 귀금속 기반 촉매보다 높은 과전압을 필요로 하며, 안정성 향상이 여전히 중요합니다. 따라서 효율적인 물 분해를 위해 높은 활성과 장기 안정성을 갖춘 저비용의 효율적인 대체 전극 구조 개발이 시급히 필요합니다.

전기화학 응용 분야전극 제조에는 두 가지 주요 전략이 사용되었습니다. 첫 번째이자 가장 널리 사용되는 기술은 분말 형태의 촉매를 사용하는 것입니다. 일반적으로 전극은 전도성 기판 위에 전기 활성 물질, 전도도 향상제, 접착제를 슬러리 형태로 사용하여 제조됩니다. 그러나 이러한 접근 방식에도 단점이 있습니다. 가장 큰 단점은 전기 절연성 바인더가 필요하다는 점인데, 이는 전해질과 촉매 사이의 접촉 면적을 감소시킵니다. 이로 인해 촉매 활성 부위가 막혀 높은 저항과 전기 촉매 성능 저하를 초래할 수 있습니다. 또한, 높은 전류 밀도에서 부착된 촉매가 전도성 기판에서 벗겨지는 경향이 있어 전극이 비교적 불안정합니다. 전극 제조를 위한 두 번째 주요 전략은 니켈과 같은 귀금속 기반 재료를 전도성 기판에 직접 전착시키는 것입니다.거품, 구리 호일, 탄소 천 또는 종이, FTO, 스테인리스 스틸, 니켈 호일 등이 있습니다. 그러나 이 접근법에는 한계가 있습니다. 증착된 활물질 사이의 접근 가능한 공간을 정밀하게 제어하기 어렵고, 따라서 기판이 내부 촉매 활성 부위에 접근하기 어려워 박막 두께가 두꺼워질수록 전극 성능이 저하됩니다. 또한, 이 방법의 복잡성과 높은 비용은 실제 적용을 크게 저해합니다. 따라서 비용 효율적인 제조 기술의 개발이 필요합니다.3차원(3D) 전극성공적인 전기화학적 응용 분야에 필요합니다.

다공성 구조와 높은 비표면적을 가진 새로운 3차원 금속 재료의 개발은 이온 확산 거리를 줄이고 이온 및 전자 전도도를 증가시킬 수 있는 잠재력으로 인해 상당한 주목을 받고 있습니다. 따라서 전기촉매 설계에 있어 유망한 방향은 다양한 구조적 차원을 결합하여 높은 전도도, 넓은 표면적, 그리고 높은 안정성을 제공하는 촉매 담체의 나노구조 복합체를 만드는 것입니다.니켈 폼(NF)는 상업적으로 이용 가능하고 저렴한 물질로, 바람직한 3차원 개방 기공 구조, 높은 전기 전도도, 그리고 넓은 비표면적 덕분에 전극 재료의 기판 및 캐리어로 널리 사용되어 왔습니다. NF 내부의 미세 기공과 들쭉날쭉한 흐름 채널은 또한 우수한 물질 전달과 단위 면적당 넓은 표면적을 제공합니다. 다양한 금속 폼, 메시, 포일, 직물 등 다양한 기판이 리튬 이온 배터리, 슈퍼커패시터, 태양 전지, 물 분해와 같은 전기화학적 응용 분야의 집전체로 연구되어 왔습니다. 특히, 다공성 NF는 저렴한 가격, 높은 전기 전도도, 그리고 넓은 전기 활성 표면적을 자랑하여 촉매 담지 및 전기화학적 활성점 증가에 이상적이라는 점에서 주목을 받고 있습니다. 또한, 다공성 NF는 전해질의 물질 전달을 향상시키는 장점이 있어 에너지 응용 분야에서 고표면적 전류 집전체로 적합한 후보 물질입니다. 니켈 폼 위에 활물질을 직접 성장시키면 물 분해 반응에서 효율적인 전자 전달을 위한 촉매-기판 접촉이 향상됩니다. 슈퍼커패시터와 배터리 전극이 NF의 주요 응용 분야이지만, 최근 연구에 따르면 이 소재에 증착된 전극 재료가 니켈 포일이나 네트보다 산소 발생 반응(OER) 활성이 우수한 것으로 나타났습니다. 이러한 소재는 자연 그대로 사용하거나 활성 물질로 장식하여 사용할 수 있으며, 폼은 집전체와 지지체 기판 모두로 사용할 수 있습니다. 따라서 NF 기판에 나노구조의 토양 기반 촉매 재료를 성장시키는 것은 에너지 저장/변환 장치용 첨단 전극 재료 개발에 유망합니다. 니켈 폼에 직접 성장된 토양 기반 전기 촉매는 흔히 사용 가능하지만, 산소 발생 반응(OER)과 수소 발생 반응(HER)을 위한 니켈 폼의 3차원 전극은 다공성 계층 구조로 제작이 용이하고 비용이 저렴함에도 불구하고 광범위하게 연구되지 않았습니다.