고성능 물분해 촉매용 전이금속 기반 수산화물 나노 복합 구조체 연구

국문 초록 (Abstract)

화석 연료 사용으로 인해 증가하는 환경 문제로 인해 효율적이고 재생 가능한 에너지원 개발의 필요성은 증가하고 있으며, 대체할 자원으로 에너지 밀도가 높고 지구상에서 가장 많은 수소에너지가 주목받는 후보이다. 수소 생산 공정 중 가장 친환경적이고 지속 가능한 공정인 녹색 수소 생산은 주목 받고 있으며 이중 태양 에너지와 전기 에너지로 지구상에 풍부한 물을 분해해 수소를 생산하는 방법은 가장 이상적인 공정이며 이를 위해 촉매는 필수적이다. 하지만 기존의 귀금속계 촉매는 높은 성능을 나타내지만 상용화에는 한계가 있다. 반면 전이금속 촉매는 이러한 한계를 해결할 수 있는 잠재적인 솔루션을 제공하며 귀금속 촉매에 비해 높은 원가 경쟁력을 보인다. 그럼에도 불구하고 산업용으로 사용하기 위해서는 촉매 활성을 크게 높여야 하는 단점이 있다.
본 연구는 이종 구조를 통해 광촉매와 산소 발생 반응(OER) 촉매 성능을 개선을 목표로 하였다. 단일 촉매의 효율 저하 문제를 해결하기 위해, 이종 구조 나노복합체를 합성하는 새로운 방법을 개발하였다. 첫째로, 반응 시간을 세밀하게 조절하여 α-Co(OH)2위에 Co3O4를 형성하는 이종 구조의 촉매를 합성하였고, α-Co(OH)2와 Co3O4의 몰비를 조절하였다. 더 나아가 sacrificient reagent와 photosensitizer로 사용되는 TEOA와 EY의 비율을 조절하였다. 따라서, 상업용 Co(OH)2보다 11배 높은 성능을 가진 CNS-52 광반응 수소 발생용 촉매를 개발하였으며, 시간당 H2 생산량이 42.03 mmol/g으로, 향상된 광촉매 시스템을 가능하게 하였다.
둘째로, 수열 합성법을 사용하여 NiAl-LDH를 다공성 NiFe foam위에 성장시켜 이종 구조 촉매를 개발하였고, 이를 통해 OER 성능을 향상시켰다. 합성된 NiAl-LDH/NFF은 전류 밀도 10mA cm-2에서 214 mV의 낮은 OER 과전압과 낮은 Tafel slope (18.84 mV·dec-1) 를 나타내며 OER 촉매로서 높은 성능의 촉매를 합성하였다.
본 연구의 결과를 통해, 이종 구조를 통한 광촉매와 OER 촉매 성능의 상당한 개선이 이루어짐을 확인하였다. 이를 바탕으로 이종 구조 촉매의 중요성을 다시 한 번 강조하며, 촉매 기술 개발의 새로운 가능성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Due to the increasing environmental problems caused by the use of fossil fuels, the need to develop efficient and renewable energy sources is increasing, and hydrogen energy, which has high energy density and is the most abundant on earth, is a candidate that is attracting attention as an alternative resource. Among the hydrogen production processes, green hydrogen production, which is the most environmentally friendly and sustainable process, is attracting attention, and the method of producing hydrogen by decomposing abundant water on earth with solar energy and electric energy is the most ideal process, and catalysts are essential for this. However, conventional noble metal-based catalysts exhibit high performance, but have limitations in commercialization. On the other hand, transition metal catalysts provide a potential solution to address these limitations and show high cost competitiveness compared to noble metal catalysts. Nevertheless, in order to use it for industrial purposes, there is a disadvantage in that the catalytic activity must be greatly increased.
This study aims to improve photocatalyst and OER catalytic performance through heterogeneous structures. In order to solve the problem of low efficiency of a single catalyst, a new method for synthesizing heterostructured nanocomposites has been developed. First, a catalyst with a heterogeneous structure that forms Co3O4 on α-Co(OH)2 was synthesized by finely controlling the reaction time, and the molar ratio of α-Co(OH)2 and Co3O4 was controlled. Furthermore, the ratio of TEOA and EY used as a sacrificient reagent and photosensitizer was adjusted. Therefore, CNS-52 photoreactive hydrogen generation catalyst with 11 times higher performance than commercial Co(OH)2 was developed, and H2 production per hour was 42.03 mmol/g, enabling an improved photocatalytic system.
Second, a heterostructure catalyst was developed by growing NiAl-LDH on porous NiFe foam using hydrothermal synthesis, which improved OER performance. The synthesized NiAl-LDH/NFF exhibited a low OER overvoltage of 214 mV and a low Tafel slope (18.84 mV·dec-1) at a current density of 10 mA cm-2, and a high performance catalyst was synthesized as an OER catalyst.
Through the results of this study, it was confirmed that the photocatalyst and OER catalyst performance were significantly improved through the heterostructure. Based on this, the importance of heterogeneous catalysts is emphasized once again, and new possibilities for catalyst technology development are presented.

목차 (Table of Contents)

• 국문 초록 --------------------------------------------------------------------- ix
• Chapter 1. Introduction -------------------------------------------------- 1
• 1.1 Green hydrogen --------------------------------------------------------- 1
• 1.1.1 Photocatalytic hydrogen evolution --------------------------------------------------- 2
• 1.1.2 Electrochemical Water splitting ------------------------------------------------------ 5
• 1.1.2.1 Oxygen Evolution reaction (OER) ---------------------------------------------- 7
• 1.2 Transition metal hydroxide ------------------------------------------- 11
• 1.3 Heterostructure catalysts --------------------------------------------- 14
• 1.4 Research motivation -------------------------------------------------- 16
• Chapter 2. A facile aqueous-phase synthesis of Co-based nanostructures composed of cobalt hydroxide and cobalt oxide for enhanced photocatalytic activity of dye-sensitized H2 production. --------- 17
• 2.1 Background ------------------------------------------------------------ 17
• 2.2 Experimental section ------------------------------------------------ 19
• 2.3 Result and discussion ----------------------------------------------- 21
• 2.4 Conclusion ----------------------------------------------------------- 32
• Chapter 3. Growth of NiAl-LDH (layered double hydroxide) nanoplates on NiFe foam and their enhanced properties for electrochemical water splitting (OER) --------------------------------------------------------- 33
• 3.1 Background --------------------------------------------------------- 33
• 3.2 Experimental section ---------------------------------------------- 35
• 3.3 Result and discussion -------------------------------------------- 37
• 3.4 Conclusion --------------------------------------------------------- 46
• Reference --------------------------------------------------------------- 47
• Abstract ----------------------------------------------------------------- 55