금속-유기 골격체(MOF) 유래 다상 니켈-지르코늄 셀레나이드 전기촉매의 합성 및 특성 분석을 통한 효율적인 물 전기분해 연구 = Synthesis and Characterization of Metal-Organic Frameworks (MOF’s) derived Multiphase Nickle-Zirconium Selenide Electrocatalysts for Efficient water electrolysis

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 층상 이중 수산화물(layered-double-hydroxide(LDH) 템플릿으로부터 질소 도핑된 탄소 상에 자기 지지형 다상 니켈 셀레나이드 및 지르코늄 셀레나이드(NiZrSe) 나노입자를 합성하였다. 셀레나이제이션 과정 동안 NiZr–금속–유기 골격체 (MOF)로부터 NiZr 나노입자가 촉매적으로 방출되며, 니켈 셀레나이드(NiSe2, Ni3Se4)와 지르코늄 셀레나이드(ZrSe3) 나노입자가 니켈 폼 표면의 질소 도핑된 탄소 프레임워크 내에 캡슐화된다. 다상 NiZrSe 나노입자의 시너지 효과, 향상된 전기전도도, 수직 정렬된 시트형 3차원 구조, 그리고 큰 전기화학적 표면적의 이점을 바탕으로, 제조된 촉매는 우수한 수소 발생 반응(HER) 및 산소 발생 반응(OER) 성능을 나타내었다.최적화된 전기촉매는 1 M KOH 전해질에서 HER의 경우 10 mA cm-2의 전류밀도에서 108 mV, OER의 경우 20 mA cm-2에서 210 mV라는 낮은 과전압을 요구하며, 100시간 동안의 견고한 안정성을 보여주었다. 또한 양극과 음극으로 적용하여 2-전극 전해 셀에서 구동한 결과, Pt/C–IrO₂가 장착된 장치와 비교 가능한 수준으로 20 mA cm-2에서 1.68 V의 셀 전압을 구현하였다. 이러한 결과는 에너지 저장 및 변환을 위한 이금속 셀레나이드 기반 촉매 개발에 새로운 방향을 제시한다.
제1장은 재생 에너지 수요의 증가와 화석 연료 의존의 한계를 개괄한다. 또한 전 세계 탈탄소화를 위한 지속 가능한 해결책으로서 그린 수소의 중요성을 강조하고, 물 분해의 기본 작동 원리를 설명한다. LDH 및 MOF를 포함한 다양한 전기촉매 시스템과 현재의 개발 전략을 소개한다. 마지막으로 전기분해의 HER, OER 및 전체 물 분해에서의 실제 응용을 제시하며 장을 마무리한다
2장은 본 연구에서 사용된 실험 방법을 종합적으로 기술하고 있다. 이 장에서는 사용된 재료, 화학 시약, 그리고 합성 절차를 상세히 설명하며, 전극 재료의 제조와 구조적 특성 분석에 적용된 기술들을 제시한다. 또한, 소재 평가에 활용된 분석 장비와 실험 프로토콜을 다루고 있다. 마지막으로, 촉매 성능을 평가하기 위해 사용된 전기화학 분석 기법을 소개한다. 이어지는 부분에서는 본 연구에서 합성된 전기촉매의 물리· 화학적 특성 분석 결과와 이에 대한 논의를 제시한다. 다양한 분석 기법을 통해 얻어진 구조적, 형태학적, 조성적 특성을 체계적으로 분석하였으며, HER 및 OER 측정을 통해 전기촉매의 전기화학적 성능을 평가하였다. 끝으로, 본 촉매가 전체 물 분해 시스템에 적용될 수 있음을 보여준다.
제3장은 본 연구의 종합적인 결론을 제시하며, HER, OER 및 전체 물 분해를 위한 전기촉매의 합성 전략과 전기화학적 성능을 요약한다. 연구를 통해 도출된 핵심 결과와 과학적 기여를 강조한다. 또한 개발된 촉매의 기술적 의의와 여전히 남아 있는 과제를 고찰한다. 마지막으로 고효율 물 분해 시스템을 발전시키기 위한 향후 연구 범위와 잠재적 연구 방향을 제시하며 장을 마무리한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Literature Review 1
• 1.1 Introduction 1
• 1.2 Transition metal layered double hydroxide 4
• 1.3 Metal organic framework 5
• 1.4 Strategies for the development of electrocatalyst 8
• 1.4.1 Designing binder free electrode 8
• 1.4.2 Hetero-atom dopin. 9
• 1.4.3 Heterostructure formation 10
• 1.4.4 Carbon-encapsulated metal nanoparticles 11
• 1.5 Methods for the synthesis of electrocatalyst 13
• 1.5.1 Hydrothermal and solvothermal method. 13
• 1.5.2 Pyrolysis 13
• 1.5.3 Chemical vapor deposition 13
• 1.5.4 Electrodeposition method 14
• 1.5.5 Chemical precipitation 15
• 1.6 Applications of electrolysis 15
• 1.6.1 Hydrogen evolution reaction 17
• 1.6.1.1 Catalytic mechanism of hydrogen evolution reaction 17
• 1.6.2 Oxygen evolution reaction 18
• 1.6.2.1 Catalytic mechanism of oxygen evolution reaction 19
• 1.6.3 Overall water splitting. 20
• 1.7 Research objectives 21
• 1.8 Motivation of Thesis. 22
• References. 24
• 2. Synthesis of Metal-Organic Frameworks (MOF's) derived Multiphase Nickle-Zirconium Selenides for Efficient water electrolysis 35
• 2.1 Introduction 35
• 2.2 Experimental . 39
• 2.2.1 Synthesis of NiZr-LDH/NF. 39
• 2.2.2 Synthesis of NiZr-Se@NC/NF 40
• 2.2.3 Preparation of Pt/C and IrO2 on Nickel foam 40
• 2.3 Characterization. 41
• 2.3.1 Material characterization. 41
• 2.4 Electrochemical measurements 42
• 2.5 Result and discussion. 45
• 2.5.1 Physiochemical characterization of NiZr-Se@NC/NF. 45
• 2.6 Electrochemical performance of NiZr-Se@NC/NF. 57
• 2.6.1 Electrochemical test of NiZr-Se@NC/NF electrode as HER catalysts 57
• 2.6.1.1 Post HER studies 61
• 2.6.2 Electrochemical test of NiZr-Se@NC/NF electrode as OER catalysts 66
• 2.6.2.1 Post OER studies 71
• 2.6.3 Electrochemical test of NiZr-Se@NC/NF electrode as HER/OER catalysts for H2 and O2 generation 75
• 2.7 Conclusion 76
• References 84
• 3. Overall conclusion and forthcoming work. 84
• 3.1 Overview 84
• 3.2 Future scope of the work 85