산소 발생 반응을 위한 Neutral Mineral Clay기반 NiFe-LDH@Halloysite nanotube （NiFe-LDH@HNT） = Neutral Mineral Clay Based NiFe-LDH@Halloysite Nanotube （NiFe-LDH@HNT） for the Oxygen Evolution Reaction

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The development of efficient and durable oxygen evolution reaction （OER） electrocatalysts is essential for improving the performance of alkaline water electrolysis. NiFe layered double hydroxide （NiFe-LDH） has been widely studied as a promising non-noble-metal OER catalyst because of its high activity in alkaline media. However, its long-term durability and active phase utilization can be limited by structural aggregation, restricted electrolyte accessibility, and instability during prolonged OER operation.
In this study, a neutral mineral clay-based NiFe-LDH@halloysite nanotube （NiFe-LDH@HNT） composite catalyst was designed by introducing halloysite nanotube （HNT） as an inorganic support for NiFe-LDH. The HNT support was employed to provide a one-dimensional tubular framework and surface oxygen-containing functional groups that could assist the dispersion, interfacial interaction, and structural stabilization of NiFe-LDH nanosheets.
Structural and surface analyses confirmed that NiFe-LDH nanosheets were successfully formed on and around the HNT structure, resulting in a heterostructured composite. The introduction of HNT affected the local chemical environment of Ni and Fe centers and induced interfacial oxygen-related bonding features between NiFe-LDH and HNT. In addition, the NiFe-LDH@HNT composite exhibited improved pore characteristics and enhanced surface wettability compared with NiFe-LDH, which can provide a more favorable catalyst–electrolyte interface for OER.
Electrochemical measurements in 1 M KOH showed that NiFe-LDH@HNT exhibited improved OER performance compared with NiFe-LDH, including lower overpotential, smaller Tafel slope, reduced apparent charge-transfer resistance, and higher activity based on active phase utilization. These results indicate that the HNT support enhanced the accessibility and utilization efficiency of the NiFe-LDH active phase rather than acting as an OER-active component itself.
The long-term stability of NiFe-LDH@HNT was evaluated under alkaline OER conditions. NiFe-LDH@HNT maintained a stable current response for 90 h and retained its OER activity after the durability test. Post-OER structural and surface analyses confirmed that the morphology, elemental distribution, metal–oxygen bonding features, and Ni/Fe-related surface chemical states were largely preserved after prolonged OER operation. Operando Raman analysis further indicated that HNT influenced the local metal–oxygen bonding environment of NiFe-LDH under OER conditions without inducing severe structural degradation.
The practical applicability of NiFe-LDH@HNT was also evaluated under anion exchange membrane water electrolysis （AEMWE） single-cell conditions. Both NiFe-LDH and NiFe-LDH@HNT operated stably at a high current density of 1.2 A cm-2 for 90 h, demonstrating their feasibility as anode catalysts under practical cell operation conditions.
Overall, this study demonstrates that HNT serves as a neutral mineral clay-based inorganic support that improves the dispersion, interfacial characteristics, active phase utilization, and long-term structural stability of NiFe-LDH. The NiFe-LDH@HNT heterostructure provides an effective design strategy for developing non-noble-metal OER electrocatalysts with improved activity and durability for alkaline water electrolysis.

국문 초록 (Abstract)

산업혁명 이후 에너지 수요는 지속적으로 증가해 왔으며, 이에 따른 화석연료의 과도한 사용은 온실가스 배출 증가, 지구온난화 및 이상기후와 같은 전 지구적 환경 문제를 야기하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 탄소중립 정책이 시행되고 있으며, 태양광 및 풍력과 같은 재생에너지를 활용한 친환경 에너지 생산 및 저장 기술의 중요성이 증가하고 있다. 그중 수소는 사용 과정에서 이산화탄소를 직접 배출하지 않고, 재생에너지의 간헐성을 보완할 수 있는 에너지 저장 매체로 활용될 수 있어 차세대 청정 에너지원으로 주목받고 있다 [1].
수전해 기술은 전기화학적으로 물을 분해하여 수소를 생산하는 방법으로, 재생에너지 기반 전력과 연계할 경우 친환경 수소 생산이 가능하다는 장점을 가진다. 수전해 반응은 cathode에서 발생하는 hydrogen evolution reaction （HER）과 anode에서 발생하는 oxygen evolution reaction （OER）으로 구성된다. 이 중 OER은 4전자 전달 과정과 다단계 반응 중간체 형성을 포함하기 때문에 반응 속도가 느리며, 전체 수전해 효율을 제한하는 주요 병목 반응으로 작용한다 [2]. 따라서 고효율 수전해 시스템을 구현하기 위해서는 OER의 과전압을 낮추고 반응 속도를 향상시킬 수 있는 고성능 전기촉매 개발이 필수적이다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구의 목적 1
• 제2절 연구의 범위 및 방법 2
• 1. 연구의 범위 2
• 2. 연구의 방법 3
• 제2장 연구에 관한 이론적 배경 5
• 제1절 수전해 및 산소 발생 반응 5
• 1. 수전해 기술의 개요 5
• 2. 산소 발생 반응의 특성 7
• 제2절 산소 발생 반응용 촉매 8
• 1. 귀금속 기반 OER 촉매의 한계 8
• 2. 전이금속 기반 OER 촉매 9
• 제3절 Layered Double Hydroxide （LDH） 11
• 1. LDH의 구조적 특성 11
• 2. NiFe-LDH의 OER 촉매 특성 12
• 제4절 Halloysite nanotube （HNT） 13
• 1. HNT의 구조 및 표면 특성 13
• 2. HNT 지지체의 활용 14
• 제5절 NiFe-LDH@HNT 복합 촉매 설계 16
• 1. HNT 기반 NiFe-LDH 복합화 전략 16
• 2. 계면 특성과 OER 성능의 상관관계 17
• 제3장 실험 방법 18
• 제1절 NiFe-LDH 및 NiFe-LDH@HNT 제조 18
• 1. NiFe-LDH 제작 18
• 2. NiFe-LDH@HNT 제작 18
• 제2절 소재 분석 19
• 제3절 전기화학 특성 분석 20
• 제4장 결과 및 고찰 23
• 제1절 NiFe-LDH 조성 최적화 23
• 1. Ni:Fe 몰비에 따른 결정구조 분석 23
• 2. 몰비에 따른 OER 활성 비교 24
• 제2절 NiFe-LDH@HNT 복합체의 소재 특성분석 26
• 1. 구조 및 형태 분석 26
• 2. 표면 화학 상태 및 계면 특성 분석 31
• 3. 비표면적 및 젖음성 분석 36
• 4. 결합 구조 분석 39
• 제3절 NiFe-LDH@HNT 복합체의 전기화학 특성평가 42
• 1. OER 활성 및 반응 속도 분석 42
• 2. 계면 전하 전달 특성 분석 44
• 3. 활성 표면적 및 활성 물질 기준 성능 비교 44
• 4. 장기 안정성 평가 47
• 5. Post-OER 구조 안정성 분석 50
• 6. Operando Raman을 통한 OER 조건 내 결합 환경 분석 54
• 7. AEMWE single-cell 조건에서의 전기화학적 성능 평가 57
• 제5장 결 론 60
• 참 고 문 헌 65
• ABSTRACT 68