루테늄 전기증착 기반 니켈-인 자가지지형 촉매전극의 제조 및 수전해 성능 연구 = Fabrication of Ruthenium-Electrodeposited Ni-P Self-supported Catalytic Electrodes for pH-Universal Hydrogen Production

국문 초록 (Abstract)

분말 촉매를 바인더 및 도전재가 포함된 촉매 잉크 형태로 전극에 코팅하는 방식은 높은 HER 활성을 구현하기 위해 널리 사용되어 왔다. 그러나 바인더는 활성점을 차단하고 기공 네트워크를 막아 전해질 침투와 H₂ 기포 방출을 저해할 수 있으며, 동시에 입자 간 및 촉매–집전체 사이의 접촉 저항 증가로 인해 전하 전달이 비효율적으로 이루어져 실제 성능과 내구성이 저하되는 경우가 많다. 또한, 루테늄 및 백금과 같은 귀금속은 우수한 고유 촉매 활성에도 불구하고 높은 비용과 자원적 제약으로 인해 실용적 적용에 한계가 있으며, 전극 내에서 불균일하게 분포하거나 응집될 경우 동일 로딩량 대비 활성점 활용도가 더욱 낮아져 비용 대비 성능 효율이 급격히 떨어진다. 따라서 바인더 의존성을 최소화하는 동시에 극소량의 귀금속으로도 최대 효과를 끌어낼 수 있는 합리적인 전극 설계 전략이 필요하다. 본 연구에서는 카본 페이퍼 위에 직접 성장시킨 Ni-BDC 나노시트를 인화（phosphidation）하여 NiP2 나노시트로 전환한 뒤, 전기증착을 통해 루테늄을 담지함으로써 자가지지형 전극을 제작하였다. 핵심 목표는 바인더가 없는 구조를 유지하면서도 수소 발생 반응（HER） 성능을 극대화할 수 있도록 루테늄 로딩량과 증착 거동을 정밀하게 제어하는 데 있었다. 증착 시간과 전류밀도를 체계적으로 조절함으로써 루테늄 로딩량을 정량적으로 조절할 수 있었고, NiP2 나노시트 표면에서의 루테늄 분산 상태 역시 조절할 수 있었다. 최적화된 Ru–NiP2 /CP 전극은 산성 및 알칼라인 전해질 모두에서 더 낮은 과전압과 우수한 Tafel 기울기를 나타냈다. 전기화학 임피던스 분석 결과 또한 최적 조건에서 전하 전달 특성이 향상되었음을 뒷받침하였다. 더불어 장시간 내구성 평가에서도 성능 저하가 매우 작게 나타나, 자가지지형 나노시트 구조의 기계적 견고성과 작동 안정성을 입증하였다. 본 연구는 나노시트 기반 전이금속 인화물과 정밀 제어 가능한 귀금속 전기증착을 결합하여 고효율 HER 전극을 설계할 수 있는 실용적인 전략을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Although coating powder catalysts onto electrodes using catalyst inks with binders and conductive additives is widely adopted to achieve high HER activity, binders can block active sites and clog pore networks, thereby hindering electrolyte infiltration and H₂ bubble release; meanwhile, increased interparticle and catalyst–current-collector contact resistance can lead to inefficient charge transport, so the practical performance and durability are often compromised. In addition, noble metals such as Ru and Pt, despite their excellent intrinsic activity, face limited implementation due to high cost and resource constraints, and their uneven distribution or aggregation within the electrode further lowers active-site utilization per loading, sharply reducing cost-to-performance efficiency. Therefore, a rational electrode design strategy is required to minimize binder dependence while maximizing the effect of ultralow noble-metal loadings. In this work, a self-supported electrode was fabricated by converting carbon-paper–direct grown Ni-BDC nanosheets into NiP2 nanosheets via phosphidation, followed by ruthenium loading through electrodeposition. The key objective was to precisely tune the Ru loading - 99 -amount and deposition kinetics to maximize hydrogen evolution reaction （HER） performance while maintaining a binder-free architecture. By systematically controlling deposition time and current density, the Ru loading could be quantitatively adjusted and its dispersion on NiP2 nanosheets could be modulated. The optimized Ru–NiP2 /CP electrode exhibited reduced overpotentials and favorable Tafel slopes in both acidic and alkaline electrolytes. Electrochemical impedance analysis further supported improved charge-transfer characteristics at the optimized condition. In addition, long-term durability tests demonstrated minimal performance decay, underscoring the mechanical robustness and operational stability of the self-supported nanosheet architecture. This work provides a practical strategy for designing high-efficiency HER electrodes by coupling nanosheet-derived transition metal phosphides with precisely controllable noble-metal electrodeposition.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 1. 수전해를 통한 수소생산 기술 3
• 2. 수소발생반응(HER)의 메커니즘 5
• 3. 전기증착(Electrodeposition)을 이용한 촉매 전극제작 10
• 4. 자가지지 촉매전극 14
• Ⅲ. 실험방법 16
• 1. Materials 16
• 2. Ni-BDC MOF 자가지지형 촉매전극 제작 17
• 3. 인화 공정 (Phophidation) 19
• 4. 전기증착 (Electrodeposition) 20
• 5. 3 전극 수전해 특성 평가 21
• 6. 단위셀 평가 23
• Ⅳ. 실험 결과 24
• 1. 루테늄 전기도금 NiP2 나노시트 자가지지형 전극 특성 분석 24
• 2. 루테늄 전기도금 거동 및 특성 분석 40
• 3. Ru-NiP2/CP 촉매 전극의 전기화학적 HER 특성 평가 49
• 3.1 Acidic(0.5 M H2SO4) 에서의 HER 특성 평가 49
• 3.2 Alkaline(1.0 M KOH) 에서의 HER 특성 평가 61
• 4. Single-cell 에서의 전기화학적 특성 평가 75
• 4.1 AEMWE 특성 평가 75
• Ⅴ. 결론 86
• Ⅵ. 참고 문헌 89