새로운 안정적인 물

연구자들은 양성자 교환막(PEM) 물 전기분해를 위한 니켈 안정화 이산화루테늄(Ni-RuO2) 양극 촉매를 개발했습니다. 더 풍부한 귀금속인 루테늄은 현재 전기분해에 실용적인 양극 촉매인 더 희귀하고 값비싼 이리듐에 대한 유망한 대안 역할을 합니다.

Ni-RuO2 촉매는 PEM 수전해용 산성 OER에서 높은 활성과 내구성을 나타냅니다. 순수한 RuO2는 산성 OER 안정성이 낮고 연속 작동의 단기간 내에 분해되지만 Ni을 첨가하면 RuO2 격자가 크게 안정화되고 내구성이 10배 이상 확장됩니다.

개략도는 니켈이 첨가된 루테늄 촉매를 사용하기 위해 Rice에서 개발된 실험적인 물 전해기를 보여줍니다. 일러스트: Zhen-Yu Wu

Rice 대학의 George R. Brown 공과대학의 화학 및 생체분자 공학자 Haotian Wang과 피츠버그 대학 및 버지니아 대학의 동료 연구실의 연구에 관한 논문이 Nature Materials에 게재되었습니다.

PEM 물 전해조의 양극에 적용했을 때 Ni-RuO2 촉매는 200mA cm−2의 물 분해 전류에서 1,000시간 이상의 안정성을 보여 실제 응용 가능성을 제시했습니다. 밀도 범함수 이론 연구와 Operando 차동 전기화학적 질량 분광학 분석을 통해 Ni-RuO2의 흡착질 생성 메커니즘과 OER 내구성 향상을 위한 표면 Ru 및 표면 아래 산소의 안정화에 있어서 Ni 도펀트의 중요한 역할을 확인했습니다.

Wang은 이리듐의 가격이 루테늄보다 대략 8배 더 높으며, 특히 향후 대규모 배포에서는 상업용 장치 제조 비용의 20~40%를 차지할 수 있다고 말했습니다.

물 분해에는 극성 촉매가 물 분자를 재배열하여 산소와 수소를 방출하는 산소와 수소 발생 반응이 포함됩니다.

양극은 매우 안정적이어서 큰 문제는 아니지만, 산성 전해질을 사용할 경우 양극이 부식되기 쉽습니다. 망간, 철, 니켈, 코발트 등 일반적으로 사용되는 전이 금속은 산화되어 전해질에 용해됩니다. 이것이 바로 상업용 양성자 교환막 물 전해조에 사용되는 유일한 실용적인 재료가 이리듐인 이유입니다. 수만 시간 동안 안정적이지만 매우 비쌉니다.

연구실에서는 현재 산업 공정에 적용할 수 있도록 루테늄 촉매를 개선하기 위해 노력하고 있습니다.

이제 우리는 이러한 안정성 이정표에 도달했으므로 이러한 종류의 안정성을 유지하면서 전류 밀도를 최소 5~10배 높이는 것이 과제입니다. 이는 매우 어려운 일이지만 여전히 가능합니다.

이리듐의 연간 생산량은 오늘날 우리가 필요로 하는 양의 수소를 생산하는 데 도움이 되지 않습니다. 전 세계적으로 생산되는 이리듐을 모두 사용해도 물 전기분해를 통해 생산하려는 경우 필요한 양의 수소를 생성하지 못할 것입니다. 이는 우리가 이리듐에 완전히 의존할 수 없다는 것을 의미합니다. 우리는 촉매의 사용을 줄이거나 공정에서 완전히 제거하기 위해 새로운 촉매를 개발해야 합니다.

피츠버그 대학교의 Boyang Li가 논문의 공동 저자입니다. 공동 저자는 Rice 대학원생 Peng Zhu입니다. 버지니아 대학원생 Shen-Wei Yu; Argonne National Laboratory의 물리학자 Zou Finfrock; Argonne 및 Canadian Light Source의 과학자 Debora Motta Meira; 버지니아 동문 Zhouyang Yin; 중국 허페이 과학기술대학교의 Qiang-Qiang Yan, Ming-Xi Chen, Tian-Wei Song 및 Hai-Wei Liang. 공동 교신 저자는 버지니아 대학교 화학과 부교수인 Sen Zhang과 피츠버그 대학교 기계 및 재료 과학 교수인 Guofeng Wang입니다. Haotian Wang은 Rice 대학의 William Marsh 이사이자 화학 및 생체분자 공학 조교수입니다.

이 연구는 Welch Foundation(C-2051-20200401), David and Lucile Packard Foundation(2020-71371), Roy E. Campbell Faculty Development Award, National Science Foundation(1905572, 2004808), University of University의 지원을 받았습니다. 연구 컴퓨팅을 위한 피츠버그 센터 및 아르곤 국립 연구소의 고급 광자 소스.