전기화학적 5-Hydroxymethylfurfural 산화반응을 위한 니켈 몰리브데늄 질소화물 기반 촉매 개발

국문 초록 (Abstract)

최근, 바이오매스 기반 5-hydroxymethylfurfural (HMF)의 전기화학적 산화 반응은 수전해의 산소 발생 반응 (OER)에 비해 낮은 평형 전위에서 진행되며 동시에 부가가치 화합물을 생산할 수 있다는 점에서 주목받고 있다. HMF 산화반응의 주요 생성물인 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA)는 polyethylene furanoate (PEF)의 원료로
사용되며, PEF 는 우수한 내열성과 기계적 강도를 지니고, 식물성 물질을 기반으로 하였기 때문에 재활용이 가능하다는 장점을 갖고 있다. 이러한 장점을 통해, PEF 는 페트병의 원료인 polyethylene terephthalate (PET)를 대체할 수 있는 친환경 소재로 평가된다.
본 연구에서는 HMF 산화반응의 전기화학적 활성을 향상시키기 위한 이중전이금속 Ni2Mo3N 촉매를 Ni foam 기판 위에 one-step annealing 공정을 통해 합성하였다(Ni2Mo3N/NF). Ni2Mo3N/NF 촉매는 HMF 산화반응에서 100%에 근접하는 HMF 전환율, 98.47%의 FDCA 수율, 그리고 97.20%의 Faradaic efficiency 의 높은
활성을 보였다. 또한, 반복적인 사이클링 테스트를 통해 우수한 안정성을 검증하였으며, 추가적인 분석을 통해 촉매의 구조적 재구성에 대해 연구를 진행하였다. 초기 전기화학테스트에서 Mo 의 선택적 용해로 인한 defect 형성은 촉매의 활발한 구조적 재구성을 유도하였다. 이러한 구조적 재구성은 NiOOH 와 같은 HMF 산화반응의 활성종 생성을 촉진하여 촉매의 활성을 향상시키는 주요 요인으로 작용하였다. 본 연구를 통해 Ni2Mo3N/NF 촉매가 HMF 의 전기화학적 고부가가치화 반응에 우수한 촉매임을 입증했으며, 구조 재구성을 활용한 이원 금속 질화물 촉매의 설계는 향후
바이오매스 및 에너지 전환 분야의 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract in Korean i
• Contents iii
• List of Figures ⅵ
• Ⅰ. Introduction
• 1.1. HMF oxidation reaction 1
• 1.2. Electrochemical HMF oxidation reaction 4
• 1.3. HMF oxidation reaction mechanism 7
• Ⅱ. Literature survey 10
• 2.1. Nickel based nitride catalysts 10
• 2.2. Bimetallic nitride catalysts 14
• Ⅲ. Experimental 16
• 3.1. Catalyst Synthesis 16
• 3.2. Catalyst characterization 17
• 3.2.1 X-ray diffraction (XRD) 17
• 3.2.2. Scanning electron microscopy (SEM) 17
• 3.2.3. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) 17
• 3.2.4. Transmission electron microscopy (TEM) 18
• 3.2.5. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 18
• 3.2.6. Raman spectroscopy 18
• 3.2.7. Inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) 18
• 3.2.8. Zeta potential measurement 19
• 3.3. Electrochemical measurements 19
• 3.4. Quantitative analysis 21
• Ⅳ. Results & Discussion 22
• 4.1. Physiochemical characterization of catalysts 22
• 4.1.1. X-ray Diffraction (XRD) patterns 23
• 4.1.2. Scanning Electron Microscope (SEM) image & Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) mapping 24
• 4.1.3. Transmission Electron Microscope (TEM) image 25
• 4.1.4. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 27
• 4.2. Electrochemical HMFOR performance 28
• 4.2.1. Linear sweep voltammetry (LSV) 28
• 4.2.2. Open-circuit potential (OCP) 30
• 4.2.3. Quantitative analysis 31
• 4.2.4. Stability test 33
• 4.2.5. Reaction mechanism 35
• 4.2.6. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 36
• 4.2.7. Bode-phase plot 38
• 4.2.8. In situ Raman spectroscopy 40
• 4.3. Investigation of structure reconstruction 42
• 4.3.1. Cyclic Voltammetry (CV) 42
• 4.3.2. XRD 43
• 4.3.3. ICP-OES 44
• 4.3.4. TEM-EDS 45
• 4.3.5. High-resolution TEM 46
• 4.3.6. Raman spectroscopy 47
• 4.3.7. XPS 48
• 4.3.8. Zeta potential 49
• 4.4. Full-cell tests 52
• Ⅴ. Conclusion 54
• Ⅵ. References 55
• Abstract 63