적을수록 좋다: 경제적인 이리듐 촉매가 왜 그렇게 효과적인가

미래에는 기후 중립 에너지 시스템에서 에너지를 저장하고 연료로 사용하고 화학 산업의 원료로 사용하기 위해 수소가 필요할 것입니다. 이상적으로는 물의 전기 분해를 통해 태양이나 바람 에너지를 활용하여 생성된 전기를 사용하여 기후 중립적인 방식으로 생산해야 합니다. 이런 측면에서 양성자 교환 막 물 전기 분해(PEM-WE)는 현재 핵심 기술로 간주됩니다. 두 전극 모두 원하는 반응을 가속화하기 위해 특수 전기 촉매로 코팅되어 있습니다.

이리듐 기반 촉매는 느린 산소 발생 반응이 발생하는 양극에 가장 적합합니다. 그러나 이리듐은 지구상에서 가장 희귀한 원소 중 하나이며 주요 과제 중 하나는 이 귀금속에 대한 수요를 크게 줄이는 것입니다. 대략적인 분석 결과 PEM-WE 기술을 사용하여 운송에 대한 세계의 수소 수요를 충족하려면 이리듐 기반 양극 재료에 0.05mg Ir /cm 2 이하여야 합니다 . 현재 상업적으로 판매되는 이리듐 산화물 촉매 중 성능이 가장 뛰어나며, 이 목표값보다 약 40배 많은 이리듐 산화물을 함유하고 있습니다.

P2X 촉매는 이리듐이 덜 필요하다

하지만 새로운 옵션은 이미 파이프라인에 있습니다. Kopernikus P2X 프로젝트 내에서 Heraeus Group이 나노구조의 이산화티타늄 지지체에 증착된 이리듐 산화물의 얇은 층으로 구성된 새로운 효율적인 이리듐 기반 나노촉매를 개발했습니다. 소위 'P2X 촉매'는 극히 소량의 이리듐만 필요하므로 귀금속 적재량이 상당히 줄어듭니다(현재 최고의 상업용 소재보다 4배 낮음).

Raul Garcia-Diez 박사와 Marcus Bär 교수가 이끄는 HZB의 팀은 바르셀로나의 ALBA 싱크로트론의 동료들과 함께 장기 작동에서도 놀라운 안정성을 보이는 P2X 촉매를 연구하고, 그 촉매적 및 분광적 특징을 벤치마크 상업용 결정질 촉매와 비교했습니다.

BESSY II에서의 작동 측정

HZB 팀은 물 전기분해( operando 측정) 동안 BESSY II에서 상업적 벤치마크 촉매와 P2X 촉매를 철저히 조사했습니다. "우리는 operando Ir L 3 -edge X-선 흡수 분광법(XAS)을 사용하여 전기화학적 산소 발생 반응 동안 두 가지 다른 촉매 물질이 구조적으로, 전자적으로 어떻게 변하는지 관찰하고 싶었습니다." Bär 팀의 연구원인 Marianne van der Merwe가 말했습니다. 그들은 또한 정확히 동일한 산소 생산 속도에서 두 샘플 모두에서 결과가 측정되도록 하는 새로운 실험 프로토콜을 개발했습니다. 이를 통해 동일한 조건에서 두 촉매를 비교할 수 있었습니다.

다양한 화학 환경 탐색

"측정 데이터로부터, 우리는 두 종류의 이리듐 산화물 촉매에서 OER에 대한 메커니즘이 다르다는 결론을 내릴 수 있었고, 이는 두 물질의 화학적 환경이 다르기 때문입니다."라고 반 더 메르베는 말합니다. 측정 데이터는 또한 P2X 촉매가 더 결정질인 벤치마크와 비교했을 때 더 나은 성능을 보이는 이유를 보여줍니다. P2X 샘플에서 이리듐과 산소 사이의 결합 길이는 OER 관련 전위에서 기준 촉매보다 훨씬 더 감소합니다. Ir-O 결합 길이의 이러한 감소는 산소 발생 반응의 매우 활성적인 경로에서 핵심적인 역할을 하는 것으로 제안된 결함 환경의 참여와 연관될 수 있습니다.

"또한 전자 상태 관찰은 또한 국소 기하학적 정보와 상관관계가 있습니다." 반 더 메르웨가 지적합니다. "저희 연구는 산소 발생 반응 동안 이리듐 산화물 기반 전기 촉매의 다양한 메커니즘에 대한 귀중한 핵심 정보를 제공하고 촉매 성능과 안정성에 대한 이해를 심화시키는 반면, 저희가 새롭게 제안한 현장 분광 전기화학 프로토콜 접근 방식은 일반적으로 관련 OER 조건에서 연구된 모든 애노드 재료에 적용 가능합니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241206162122.htm