산성 매질에서 산소 생성을 위해 전해 이산화망간에 Co/Mo 바이메탈 첨가

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 15208(2015) 이 기사 인용

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산소 발생 반응(OER)을 위한 저렴하고 지구에 풍부한 재료로 구성된 효율적인 전기촉매는 물 전기분해의 개발에 매우 ​​중요합니다. 이 연구에서, 전해 이산화망간에 코발트/몰리브덴 이온을 현장 첨가하면 과전위가 상업용 DSA®(341mV)보다 더 우수(305mV) 수행되므로 산성 용액의 OER에 유익한 것으로 나타났습니다. 100mA cm−2에서. OER은 수정된 EMD(MnMoCoO) 전극에서 2M H2SO4 용액의 주변 온도에서 조사되었습니다. MnMoCoO 전극의 에너지 효율은 도금 용액 내 Co의 양에 따라 크게 향상되었습니다. 전착촉매에 대해서는 정적 과전위를 포함하여 물리화학적, 전기화학적 측정을 수행하였다. 수정된 EMD의 더 나은 성능은 향상된 전하 이동 저항(Rct; 0.290 Ω cm2), 평균 거칠기 계수(rf; 429) 및 전착 촉매의 수분 함량 감소에 기인합니다. MnMoCoO 촉매에서 얻은 동역학 매개변수를 코발트 농도에 따라 비교하고 논의했습니다.

수소는 풍부하고 재생 가능하며 깨끗한 에너지원이며 현재 지속 불가능한 화석 연료 경제에서 발생하는 문제에 대한 해결책으로 간주되어 왔습니다. 최근 수소경제는 정부기관과 주요 석유회사1,2,3,4,5,6,7,8의 주목을 받고 있습니다. 수소는 열화학, 전기화학, 생화학 등 다양한 방법을 통해 생성될 수 있습니다9. 사용 가능한 모든 방법 중에서 물 전기분해(전기화학을 통한)는 대규모 수소 생산에 적합합니다. 물의 전기분해는 태양에너지나 원자력에너지와 같이 전기분해를 구동하는 에너지원을 사용할 수 있는 경우 경제적인 가격으로 고순도 수소를 생산하는 간단한 방법입니다.

물 전기분해는 수소 및 산소 발생 반응(HER 및 OER)이라고 불리는 두 가지 전기화학 반응으로 구성됩니다. 물 전기분해의 평형 전위는 표준 조건에서 1.23V이지만 실제 속도로 전기분해를 구동하려면 더 높은 전위가 필요하며 이는 일반적으로 과전위로 측정됩니다9. 평형 전위와 실제 전류 밀도(예: 100mA cm−2)에서의 전위 사이의 차이를 분극 또는 과전위(θ)라고 합니다. Pt 및 Ru와 같은 금속은 HER10의 과전위(θ)를 낮추는 데 탁월한 촉매 표면을 제공합니다. 가장 주목할만한 촉매는 백금족 금속에 속하며 HER에 사용되며, 백금족 산화물11,12,13은 OER에 사용됩니다. 그러나 백금족 금속은 희소성과 높은 가격으로 인해 큰 제한을 받습니다. 예를 들어, 연료전지와 같은 기술은 값비싼 촉매가 필요하기 때문에 규모를 확장할 수 없습니다. OER을 위한 가장 효율적인 전기촉매는 금속 산화물 전극12,13입니다(RuO2가 가장 좋고13, IrO2도 우수한 과전위를 나타냄11). 산화물은 더 안정적이고 더 이상 산화될 수 없기 때문에 금속에 비해 장점이 있습니다. 따라서, 저렴한 귀금속이 없는 OER 촉매를 개발하려는 욕구가 있다.

이를 목적으로, 현재 논문에서는 전착 중 코발트/몰리브덴 이온을 현장에서 첨가하는 전해 이산화망간(EMD, γ형 MnO2)(수정된 EMD라고 함)을 잠재적인 촉매로 조사했습니다. OER. 수정된 EMD는 모재 EMD 재료의 과전위를 크게 낮춥니다. 이 연구의 또 다른 목적은 욕조 용액의 Co 함량을 변화시키면서 이러한 전극에서 발견된 과전압이 감소하는 이유를 조사하는 것입니다. 우리가 아는 한, Co를 첨가제로 사용한 변형된 EMD(MEMD) 재료는 이전에 보고된 적이 없습니다. 전해 이산화망간은 에너지 저장14뿐만 아니라 해수 전기분해에서 염소 발생 반응15,16,17,18,19을 억제하는 촉매에 대해 잘 연구된 분야입니다. 이러한 연구는 전기화학적 응용을 위한 이 재료의 개념을 뒷받침합니다.