Enhancing FeCo-Based Anode Catalysts with Phosphorus via Single-Step Electrodeposition for Oxygen Evolution Reaction = 단일단계 동시 인(P) 도핑을 통한 FeCo 기반 양극 촉매의 산소 발생 반응 성능 개선

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Developing durable and efficient electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER) remains a pivotal challenge in advancing anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE) for affordable green hydrogen production. In this work, we report a single-step electrodeposition approach to synthesize P-doped bimetallic FeCo catalysts. The optimized catalyst, FeCoP50, demonstrated a low overpotential of 193 mV at a current density of 10 mA cm⁻² under half-cell testing and achieved a high current density of 5.48 A cm⁻² at 2.0 V in an AEMWE cell. Phosphorus incorporation was found to significantly improve both the electrochemical surface area and the intrinsic catalytic properties of the FeCo system. These findings highlight the utility of a one-pot synthesis strategy for enhancing OER performance and underscore the critical role of phosphorus in modulating catalyst structure and activity.

국문 초록 (Abstract)

산소 발생 반응(OER)에 대해 내구성과 효율을 동시에 갖춘 전기촉매를 개발하는 것은 저비용 그린 수소 생산을 위한 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 기술의 상용화를 위해 해결해야 할 핵심 과제이다. 본 연구에서는 인(P)이 도핑된 FeCo 이원 금속계 전기촉매를 단일 단계 전기화학적 전착법을 통해 합성하였다. 최적화된 FeCoP50 촉매는 반쪽 전지 조건에서 10 mA cm⁻²의 전류 밀도에서 193 mV의 낮은 과전압을 나타냈으며, AEMWE 단일전지 조건에서는 2.0 V에서 5.48 A cm⁻²의 높은 전류 밀도를 기록하였다. 인 도핑은 FeCo 시스템의 전기화학적 활성 면적(ECSA)과 고유 촉매 특성을 동시에 크게 향상시키는 것으로 나타났다. 본 연구는 간단한 일체형 합성(one-pot synthesis) 전략이 OER 성능 향상에 효과적임을 입증하며, 전기촉매의 구조 및 활성을 조율하는 데 있어 인 도핑의 중요성을 강조한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Literature Review 3
• 2.1 Electrochemical water electrolysis methods 3
• 2.2 Phosphorus doping 4
• Chapter 3. Materials and Methods 6
• 3.1 Materials 6
• 3.2 Electrode Fabrication 6
• 3.2.1 Anode 6
• 3.2.2 Cathode 7
• 3.3 Electrochemical measurements 7
• 3.3.1 Half-cell preparation and measurements 7
• 3.2.2 AEMWE Single-cell preparation and measurements 8
• 3.4 Material Characterization 9
• Chapter 4. Results and Discussion 11
• 4.1 Material characterizations of the FeCoPx catalysts. 11
• 4.2 Electrochemical measurements of the FeCoPx catalysts 14
• 4.2.1 Results of half-cell measurements 14
• 4.2.2 Results of single-cell measurements 18
• 4.3 Material characterization of the FeCoPx catalysts 20
• 4.3.1 Electronic properties of the Metals in the FeCoPx catalysts 20
• 4.3.2 Effects of P-doping in the FeCoPx catalysts 20
• Chapter 5. Conclusion 28
• References 29
• Abstract in Korean 39