고효율 음이온 교환막 수전해용 하이브리드 삼원계 NiCoFe 전기촉매 = Hybrid Ternary NiCoFe Electrocatalysts for High-Efficiency Anion Exchange Membrane Water Electrolysis

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 음이온교환막 수전해(AEMWE) 시스템에서 산소 발생 반응(OER) 전극의 성능과 장기 안정성을 동시에 향상시키기 위해 Ni-Co-Fe 삼원계 층상 수산화물(NiCoFe-LDH) 촉매의 조성 최적화와 상(phase) 설계 전략을 제시한다.
NiCoFe-LDH 촉매는 재현성이 높고 대량 생산에 적합한 공침법(co-precipitation)으로 합성하였으며, Ni 전구체(Ni(NO3)2·6H2O)와 Co 전구체(Co(NO3)2·6H2O)의 화학량론비를 체계적으로 변화시켜 Ni/Co 비율을 최적화하였다. 이후 Fe 전구체(Fe(NO3)3·9H2O)를 도입하여 Ni/Co/Fe 조성을 조절함으로써 최적 조성인 Ni2Co1Fe0.4(몰비 4:4:2)를 도출하였다.
상 설계는 합성된 촉매를 Ni 기판에 도포한 후 120 °C에서 hot-press를 통한 부분 산화(partial oxidation)를 적용하여, LDH와 Spinel이 공존하는 하이브리드 구조(NCF-HY)를 형성함으로써 구현하였다. 해당 구조는 전자 및 이온 전도도와 구조적 안정성을 동시에 향상시켰으며, 그 결과 기존 Co-기반 촉매 대비 Co 사용량을 60 % 감소시키면서도 OER 활성과 내구성 모두에서 우수한 성능을 달성하였다. NCF-HY를 AEMWE 단일 전지의 양극(anode)으로 적용한 결과, 50 °C, 1 M KOH 조건에서 2.0 Vcell 기준 5.07 A/cm2의 전류밀도를 나타냈고, 1 A/cm2에서 1,300 시간 연속 운전 후 전압 감소율은 2.37 mV/kh로 우수한 장기 내구성을 입증하였다.
이러한 결과는 NiCoFe LDH의 정밀 조성 제어와 상 설계가 비귀금속 기반 AEMWE 기술의 상업화와 지속 가능한 수소 생산을 위한 핵심 전략임을 실증한다. 또, 제시된 공침 기반 합성 공정은 생산 단가 절감과 공정 스케일업에 유리함을 제공하여 차세대 친환경 수소 제조 기술의 실현 가능성을 확대할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, I propose a stoichiometric ratio optimization and phase-engineering strategy for Ni-Co-Fe ternary layered double hydroxide (NiCoFe-LDH) catalysts to enhance both OER activity and long-term durability for anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE).
NiCoFe-LDH catalysts were synthesized via a scalable co-precipitation method, and the Ni/Co/Fe ratio was systematically optimized, yielding an optimal composition of Ni2Co1Fe0.4 (actual ratio 4:4:2). Phase engineering was achieved by partial oxidation at 120 °C via hot-pressing on a Ni substrate, forming a hybrid LDH/spinel structure (NCF-HY) that improves electronic/ionic conductivity and structural stability, while reducing Co content by 60%. When applied as the anode in an AEMWE single cell, the NCF-HY electrode delivered 5.07 A/cm2 at 2.0 Vcell under 1 M KOH at 50 °C, and exhibited excellent durability with a degradation rate of 2.37 mV/kh over 1,300 h at 1 A/cm2
These results demonstrate that precise compositional control and phase engineering of NiCoFe-LDH catalysts provide an effective strategy for developing high-performance, non-precious-metal AEMWE anodes with strong potential for scalable and sustainable hydrogen production.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장. 서론 1
• 제 2 장. 이론적 배경 4
• 2.1 수전해(Water electrolysis) 이론 4
• 2.2 수전해조 4
• 2.2.1 알칼라인 수전해(AWE) 5
• 2.2.2 양이온 교환막 수전해(PEMWE) 5
• 2.2.3 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 6
• 2.3 수전해 장치의 과전압 9
• 2.4 수소 발생 반응(HER) 매커니즘 13
• 2.5 산소 발생 반응(OER) 매커니즘 15
• 2.5.1 전이금속 기반 산화물 촉매 17
• 2.5.1.1 Co 기반 촉매 20
• 2.5.1.2 NiCo 기반 촉매 20
• 2.5.1.3 NiCoFe 기반 촉매 20
• 2.6 공침법 (Co-precipitation) 21
• 2.7 핫프레스 공정 (Hot-pressing process) 21
• 제 3 장. 실험 방법 23
• 3.1 NiCo-LDH 촉매 합성 23
• 3.2 NiCoFe-LDH 촉매 합성 23
• 3.3 NiCo-LDH 및 NiCoFe-LDH 기반 양극 제조 24
• 3.4 Pt/C 기반 음극 전극 제조 27
• 3.5 물리화학적 특성 분석 27
• 3.6 전기화학적 특성 분석 27
• 3.7 음이온교환막 수전해조 구성 및 성능 분석 29
• 제 4 장. 결과 및 고찰 30
• 4.1 NiCo 및 NiCoFe LDH 촉매의 조성 제어 연구 30
• 4.1.1 NiCo 이원계 촉매의 조성 제어 30
• 4.1.2 NiCoFe 삼원계 촉매의 조성 제어 33
• 4.1.3 물리화학적 특성 분석 36
• 4.1.4 전기화학적 특성 분석 40
• 4.1.4.1 3-전극 시스템 실험 40
• 4.1.4.2 AEMWE single-cell 실험 44
• 4.2 NiCoFe 삼원계 촉매의 구조 제어 연구 46
• 4.2.1 표면 형상 및 구조 분석 46
• 4.2.2 화학 상태 분석 51
• 4.2.3 전기화학적 특성 분석 55
• 4.2.3.1 3-전극 시스템 실험 55
• 4.2.3.2 AEMWE single-cell 실험 58
• 제 5 장. 결론 65
• 참고문헌 66
• Abstract 72