Transition metal based free-standing membrane as a multi-functional electrode for Zinc-air batteries and water splitting

Abstract

전이금속 (Co, Ni, Fe, Mo)은 대표적으로 비-귀금속 촉매로 활용되는 물질이며 이는 직접적으로 활성점, 기판으로 이용된다. 이를 이용하여 직접적으로 사용이 가능한 코발트-질소-탄소 기반 계층적 구조를 가지는 촉매를 개발한다. 코발트는 간단한 공정과정을 통하여 표면의 개질(Co-N-C)이 이루어지며 이를 통해 산소 생산, 산소 환원, 수소 생산을 위한 낮은 과전압을 가진다. 간단한 공정을 통해 형성된 구조는 Scanning electron microscope (SEM), Transmission electron microscope (TEM)을 이용하여 구조분석을 진행한다. 탄소는 다양한 분야에서 이용되며 특히 높은 표면적은 촉매의 골격이 되기 위한 가장 적합한 물질로 활용된다. 질소와 탄소로 이루어진 멜라민과 함께 어닐링 과정을 거쳐 높은 효율성을 가지는 촉매적 성질을 가지게 되는 이 촉매는 수소생산반응 (10 mA cm-2) 에서 36 mV, 산소생산반응 (10 mA cm-2) 에서 229 mV의 매우 효율적인 과전압을 가지며, 알칼라인 전해질에서 1.51 V의 전압을 나타낸다. 또한, 산소환원반응에서 0.858 V의 하프-웨이브 포텐셜을 가진다. 각 반응에 대한 안정성 시험은 각각 40시간 이상 진행되었으며 적은 과전압의 차이를 가지며 훌륭한 내구성을 나타낸다. 수소 및 산소 생산에 적은 과전압을 요구하는 우수한 멤브레인 촉매는 직접적으로 아연-공기 배터리에 적용하여 사용이 가능하다. 액체 상태의 전해질에서 충·방전 전압의 차이는 0.92 V (2.10 V - 1.18 V)를 나타내며 고체 상태의 전해질에서 충·방전 전압의 차이가 0.5 V 이하로 매우 낮은 전압 차이를 보인다. 이는 코발트-질소-탄소 기반의 촉매가 활성점으로 직접 수소 및 산소 생산에 적극적으로 작용하며 충분한 에너지 장벽을 낮추는 다기능성 전기촉매 임을 알 수 있다.