수전해 응용을 위한 효율적인 전기촉매로서의 Ru-기능화된 MBene 소재에 대한 연구 = A Study on Ru-functionalized MBene as an Efficient Electrocatalyst for Water Splitting Application

국문 초록 (Abstract)

수소는 유망한 재생에너지 운반체로 간주되지만, 경제적·기술적 장벽으로 인해 대량 생산이 제한된다. 특히 백금(Pt)과 같은 귀금속 촉매는 희소성과 다양한 촉매 공정에서의 높은 수요로 인해 비용을 크게 증가시키며, 이는 수소 생산의 경제성을 저해한다. 따라서 귀금속 의존성을 완화하고 촉매 비용을 절감하기 위한 대체 촉매 개발은 수소 기술의 확장성을 확보하기 위한 핵심 과제로 대두되고 있다.
전이금속 붕소화물(MBene)은 우수한 전기전도도, 풍부한 활성 사이트, 그리고 조절 가능한 표면 화학 특성으로 인해 차세대 2차원 소재군으로 부상하고 있으며, 에너지 변환·저장 분야에서 높은 응용 잠재력을 보인다. 한편, 백금족 금속 중 비교적 저렴한 루테늄(Ru)은 수소 결합 강도와 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction, HER) 활성이 백금과 유사하여 백금 기반 전기촉매를 대체할 유력 후보군으로 활발히 연구되고 있다. 더불어, 이종원자 도핑 지지체는 전도성, 합성 용이성, 그리고 비용 효율성 측면에서 유리하다. 높은 전기음성도를 가진 이종원자는 금속–지지체 계면에서 전자 상호작용을 강화해 지지체에 고정된 금속 종을 보다 견고하게 안정화함으로써 촉매의 부식 및 이동에 대한 내구성을 향상시키는 것으로 알려져 있다.
본 연구에서는 MoAl₁₋ₓB MBene와 Ru³⁺ 이온 간의 정전기적 상호작용을 선행한 후 인산화(phosphidation) 공정을 도입하여 MBene 기반 촉매의 전자 구조와 내구성을 정교하게 조절하였다. 최적화된 P-10Ru@ Ru@MoAl1-xB 촉매는 우수한 HER 활성을 보이며 10 mA cm-2의 전류 밀도를 달성하는 데 38 mV의 과전압을 나타내었다. 또한 2전극 구성에서 P-10Ru@MoAl1-xB (+) ∥ RuO₂(–) 셀은 1.64 V의 전압에서 10 mA cm-2의 전류 밀도를 달성하였다. 이러한 결과는 MBene–Ru 기반 촉매 구조 설계가 수전해 응용을 위한 차세대 고성능 전기촉매 개발에 유효한 촉매 공학적 전략임을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• CONTENTS ii
• LIST OF FIGURES iv
• LIST OF TABLES ix
• ABSTRACT x
• CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
• 1.1. The Necessity of Sustainable Energy 1
• 1.2. Green Hydrogen by Electrochemical Water Splitting 2
• 1.2.1. Hydrogen Evolution Reaction 3
• 1.2.2. Oxygen Evolution Reaction 7
• 1.3. Advanced Materials for Electrocatalysts 12
• 1.3.1. Transition Metal Borides: Properties and Electrocatalytic Applications 12
• 1.3.2. Noble Metals-Based Catalysts: Properties and Electrocatalytic Applications 17
• 1.3.3. Phosphide-Based Materials: Properties and Electrocatalytic Applications 21
• 1.4. Dissertation Objectives 23
• CHAPTER 2. SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION 26
• 2.1. Chemical and Materials 26
• 2.2. Synthesis of MoAl1-xB materials 27
• 2.3. Synthesis of Ru@MoAl1-xB Materials 29
• 2.4. Synthesis of PRu@MoAl1-xB Materials 29
• 2.5. Material Characterizations 29
• 2.6. Electrochemical Measurements 30
• 2.7. Anion Exchange Membrane Water Electrolyzer 31
• CHAPTER 3. RESULTS AND DISCUSSION 32
• 3.1. Morphological Characterizations 32
• 3.2. Structural Characterizations 38
• 3.3. Electrochemical Performance Tests 46
• 3.4. Two-electrode configuration water splitting 62
• 3.5. AEMWE Single Cell 64
• CHAPTER 4. CONCLUSIONS 69
• REFERENCES 70
• LIST OF PUBLICATION 83
• 국문초록 84
• ACKNOWLEDGEMENTS 86