pH-universal Electrocatalyst based on Ultralow Amount of Ruthenium through Selective Deposition for Hydrogen Evolution Reaction

Abstract

수소 생성 반응에 대해 효율적이고 경제적인 전기 촉매의 개발은 전기화학적 방법에서 가장 현실적이고 중요한 과제이다. 본 연구에서는 템플릿 역할을 할 수 있는 멤브레인을 제작해 다른 기질을 추가적으로 사용하지 않는 freestanding monolith를 제작했다. 이후 코발트를 도입하여 단일 원자 상태의 Co-N-C 결합을 형성하고, 최종적으로 루테늄 나노입자를 탄소 매트릭스 표면에 증착하여 pH-universal 수소 생성 반응 전기촉매를 개발한다. 전이금속 (Fe, Co, Ni, Mo)은 전기촉매 분야에서 활발하게 연구되고 있는 재료로서, 공정을 통해 Co-N-C를 형성하게 되며 이는 촉매의 활성점으로 작용하여 성능을 향상하는데 도움을 준다. 또한 루테늄을 모노리스 촉매 표면에 선택적으로 증착하여 극소량의 루테늄만으로도 촉매 성능을 극대화시켜 벤치마크 전극인 상용 Pt/C에 견줄만한 결과를 나타낼 수 있다. 제작된 CoSA-N-C@Ru 전기촉매는 염기성 전해질에서 10 mA cm–2의 전류밀도를 달성하기 위해 오직 14 mV만의 과전압을 필요로 하며 산성 전해질에서는 11 mV의 과전압을 필요로 해 수소 생성 반응에 대해 우수한 촉매활동을 보여준다. 또한 내구성 시험을 통해 100시간 이상의 시험에도 성능이 그대로 유지되어 우수한 내구성을 보인다. 컨트롤 샘플을 이용하여 진행한 실험 결과와 비교해 보았을 때 두 가지 중요한 주목할 만 한 점을 발견했다. 우선 코발트가 응집되지 않고 단일 원자 상태로 존재할 때 수소 생성 반응에 대한 성능이 가장 좋다는 것을 확인할 수 있다. 다음으로, 반응하는 루테늄의 양에 비례하여 수소 생성 반응에 대한 성능이 확연하게 증가하지 않는다는 점이다. 이 결과와 함께 최종적으로 본 연구에서는 전이금속 단일 원자와 귀금속 나노입자의 조합과 함께 HER 촉매의 가능성을 제안한다.