전기화학 촉매 반응 활성 향상을 위한 형상이 조절된 나노 입자 연구

Abstract

화석연료로 인한 환경오염 문제가 심각해지고, 자원 고갈 위기에 맞아 새로운 에너지에 대한 연구 필요성은 이전보다 대두되고 있다. 새로운 에너지는 지속 가능한 미래를 위한 형태를 띄고 있어야 하기에 풍부한 자원을 활용하고, 환경 오염을 최소화할 필요가 있다. 이러한 관점에서 전기화학을 통한 에너지 전환은 물, 산소, 수소, 이산화탄소 등 풍부한 자원을 이용해 이루어지기에 이는 재생가능한 에너지원으로 유망하다. 전기화학을 통한 에너지 전환의 종류에는 수소 생산, 산소 환원, 알코올 산화와 같은 연료전지 반응과 이산화탄소의 환원에 의한 탄화수소 생산을 포함하여 다양한 반응들이 있다. 이러한 전기화학 반응에 필요한 활성화 에너지를 낮추고 전체 반응의 효율을 향상시키기 위해서는 전극에 사용되는 촉매가 중요하다. 촉매의 표면에서 전기화학 반응이 빠르게 일어나기 위해서는 반응물과 촉매 사이의 흡착 세기가 조절되어야 한다. 반응물이 촉매 표면에 원활하게 흡착하여 반응하고 난 뒤에 생성물로 전환되어 쉽게 떨어져야하기 때문이다. 따라서 촉매와 반응물 사이의 흡착 특성을 조절하는 것은 촉매 연구에서 중요한 부분이며 이를 달성하기 위해 다양한 형태의 합금과 형상 조절이 필요하다. 합금을 통해서는 구성 성분간 전기음성도 차이, 격자상수 차이 등에 의해 전자구조의 변화를 유도할 수 있으며 변화된 전자구조에 의해 흡착물과의 흡착 특성이 변화할 수 있다. 또한 형상 조절을 통해 표면 원자 구조에 변화가 생기면 표면 원자의 배위수가 줄어듦에 따라 반응물과의 흡착특성 변화가 가능하다. 촉매의 활성은 위와 같이 반응물과 촉매 사이 흡착 특성 조절을 통해 이룰 수 있으며 또 다른 방법은 활성 부위를 증가시키는 것이다. 촉매의 활성 부위를 증가시키기 위해서 촉매 자체의 형상 조절을 통해 부피 대 표면적을 극대화할 수 있다. 나노시트와 같은 이차원 구조나 다공성 구조로 촉매를 디자인함으로써 원자의 활용성을 극대화하고 반응물과 생성물의 빠른 이동을 유도함으로써 촉매의 활성을 증가시킬 수 있는 것이다. 이 논문에서는 형상 및 합금의 조성 조절을 통해서 촉매를 합성하고 전기화학 반응에 활용하였다. 이를 통해서 촉매의 형상 및 조성이 전기화학적 활성에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.|The increasing environmental pollution resulting from fossil fuel usage and the looming threat of resource depletion have heightened the need for research into alternative energy sources. From this perspective, electrochemical energy conversion, using abundant resources such as water, oxygen, hydrogen, and carbon dioxide, emerges as a promising avenue for sustainable energy production. Various electrochemical reactions fall under this category, including hydrogen production, oxygen reduction, alcohol oxidation in fuel cells, and carbon dioxide reduction for hydrocarbon generation. To enhance the efficiency and reduce the activation energy required for these electrochemical reactions, the choice of catalysts used at the electrodes becomes crucial. For efficient electrochemical reactions, it is essential that reactants are adequately adsorbed on the catalyst's surface, facilitating rapid reactions, followed by the easy release of the products. Therefore, controlling the adsorption characteristics between catalyst and reactants is a pivotal aspect of catalyst research. Achieving this necessitates the utilization of different forms of catalysts, including alloys and shape manipulation. Alloys can induce changes in electronic structure due to differences in electronegativity between their components and lattice constants, thereby altering the adsorption characteristics of the catalyst surface. Furthermore, by manipulating the catalyst's shape, changes in the surface atomic structure can be achieved, allowing for adjustments in adsorption properties as the coordination number of surface atoms is reduced. Modulating the adsorption characteristics between reactants and catalysts, as described above, contributes to enhancing catalyst activity. Another approach involves increasing the active sites of the catalyst by controlling its shape. By controlling the morphology of catalyst, it is possible to maximize the surface area relative to its volume, thus augmenting its catalytic activity. Designing catalysts with two-dimensional structures like nanosheets or porous structures maximizes the utilization of atoms and enhances the catalytic activity by facilitating rapid movement of reactants and products. In this paper, we synthesized catalysts by controlling both shape and alloy composition and applied them to electrochemical reactions. Through these experiments, we confirmed that the shape and composition of the catalyst significantly impact its electrochemical activity. In summary, electrochemical energy conversion, driven by catalyst research involving adsorption control and the augmentation of active sites through shape manipulation and alloy composition, offers great promise as a sustainable energy source, particularly in the context of mitigating environmental pollution and addressing resource scarcity.