전기 촉매 (OER)

배경
전 세계 에너지 수요가 급격히 증가함에 따라 화석 연료의 연소는 일련의 환경 문제를 야기했습니다.국내외 연구자들은 청정 에너지와 친환경적이고 효율적인 에너지 저장 및 변환 장치를 탐구하기 위해 최선을 다하고 있습니다.풍부한 자원, 깨끗하고 효율적, 높은 에너지 밀도 및 환경 친화적 인 장점으로 수소 에너지는 이상적인 재생 에너지 원입니다.수소의 공급과 저장은 개발을 제한하는 주요 요인 중 하나입니다.현재 수소 생산 방법에는 화석 연료 수소 생산, 원료로 바이오매스 수소 생산 및 물 분해가 포함됩니다.수분 분해로 수소 생산은 친환경 환경 보호의 장점으로 인해 사람들의 관심을 점점 더 끌고 있습니다.물분열은 산소 진화 반응 (OER) 과 수소 진화 반응 (HER) 을 포함합니다.특히 OER, 느린 운동 속도를 가지고 있으며, 높은 과용량과 낮은 효율을 초래하여 에너지 변환 장치의 개발과 실제 응용을 심각하게 제한합니다.전기 촉매의 사용은 효과적으로 전기 촉매 반응의 에너지 장벽을 줄일 수 있습니다., 반응 속도를 가속화하고 OER가 효과적으로 완료 될 수 있도록 과잉 잠재력을 줄여 변환 장치의 작동 효율을 향상시킵니다. 따라서,높은 성능의 OER 전기 촉매를 탐구하는 것은 에너지 변환 장치의 성능을 향상시키는 핵심 요소 중 하나가되었습니다..

이론
OER는 물분열 및 금속-공기 배터리와 같은 전기 화학 에너지 변환 장치의 중요한 반 반응입니다. 산성 및 알칼리 조건 하에서OER는 느린 운동율의 4전자 과정입니다., 전기 화학 에너지 변환 장치의 성능을 제한합니다. 전체 성능. 밀도 기능 이론 계산에 따르면,산성 상태와 알칼리 상태에서 OER는 모두 OOH*의 흡수를 포함합니다.그 차이점은 산성 조건에서 OER의 첫 번째 단계는 물의 분리이며 최종 제품은 H입니다.⁺그리고 O₂, 알칼리 상태에서 OER의 첫 번째 단계는 OH의 흡수입니다.^-, 그리고 최종 제품은 H₂O와 O₂, 다음 공식을 통해 나타납니다.
산성 환경:

전체 반응:2H₂O → 4H⁺+ O₂+ 4e^-
*+ H₂오 ∙ 오^*+ H⁺+ e^-
오^*오^*+ H⁺+ e^-
오^*+ H₂O ?? OOH^*+ H⁺+ e^-
OOH^*∙^*+ O₂+ H⁺+ e^-
알칼리성 환경:
전체 반응:4OH^-→ 2H₂오 + 오₂+ 4e^-
*+ OH^-오하이^*+ e^-
오^*+ OH^-오^*+ H₂O + e^-
오^*+ OH^-OOH^*+ e^-
OOH^*+ OH^-∙^*+ O₂+ H₂O + e^-

여기서, *는 촉매 표면의 활성 부위를 의미하며, OOH*, O*와 OH*는 흡수 중간 물질을 나타냅니다.
OER의 네 단계 전자 반응 메커니즘에 따르면 OER의 촉매 성능을 향상시키는 중요한 요소는 이론적 관점에서 분석 될 수 있습니다.
(1) 좋은 전도성. OER 반응 과정은 4개의 전자 전송 반응이기 때문에 좋은 전도성은 빠른 전자 전송을 결정합니다.각 원소 반응의 진행을 도와주는.
(2) 촉매는 OH에 대한 강한 흡수를 가지고 있습니다.^-OH의 양이 클수록^-흡수되면 다음 세 단계의 전자 반응이 진행되기 쉽습니다.
(3) 강한 산소 화학적 소흡 능력과 약한 산소 물리적 소흡 능력. 산소 화학적 소흡 능력이 강하다면, O₂촉매 과정에서 생성된 분자는 촉매의 활성 부위에서 더 쉽게 흡수됩니다.₂분자가 전극 표면에서 침착될 가능성이 높고 OER 반응 속도가 촉진될 수 있습니다.이것은 OER 촉매의 합성 및 준비에 중요한 지침적 의미를 가지고 있습니다..

OER 촉매의 성능 평가
초기 잠재력과 과잉 잠재력
초기 잠재력은 전기 촉매의 촉매 활동의 중요한 지표입니다. 그러나 OER 프로세스에서는 초기 잠재력을 관찰하기가 어렵습니다.많은 OER 전기 촉매는 Fe와 같은 전환 금속 요소를 포함합니다.그들은 OER 과정 중에 산화 반응에 시달리고 산화 피크를 생성하며 이는 초기 잠재력을 관찰하는 데 큰 장애물입니다. 따라서OER 프로세스에서, 전류 밀도가 10 mA cm이면 대응 과잉 전력을 관찰하는 것이 더 과학적이고 신뢰할 수 있습니다.^-2또는 더 높습니다.
과잉전력은 선형 스웨이프 볼트메트리 (LSV) 로 얻는다. 과잉전력은 전극전력 (vs.RHE) 는 특정 전류 밀도 (일반적으로 10 mA cm-2) 와 1의 전극 반응의 평형 잠재력에서.23 V, 일반적으로 mV로 표시된다. 그림 1에서 나타낸 바와 같이, 10 mA cm-2의 전류 밀도에서 OER 전기 촉매의 과잉전력의 차이에 따라,또한 촉매 효과에 대한 평가 기준도 다릅니다.초능력이 작을수록 반응에 필요한 에너지가 적고 촉매 활동이 더 좋습니다.이상적 촉매 작용을 가진 OER 촉매의 과잉 잠재력은 일반적으로 200 ~ 300 mV 사이입니다..

타벨 경사
타펠 그래프는 전극 잠재력과 양극화 전류 사이의 관계 곡선이다.그것은 OER 프로세스의 반응 운동학을 반영하고 OER 프로세스의 메커니즘 반응을 추측 할 수 있습니다.방정식 공식은:
η = a + b·log 로그
여기서 η는 초능력, b는 타벨 기울기, j는 전류 밀도, a는 상수이다.방정식에 따라 얻은 타펠 기울기는 반응 과정의 운동 및 속도 결정 단계를 명확히하기 위해 사용될 수 있습니다.일반적으로 타펠 기울기가 작을수록, 촉매 과정에서 촉매의 전자 전송 장벽이 작고, 촉매 활동이 더 좋습니다.

안정성
The stability of the catalyst in the catalysis process directly determines whether it can be applied on a large scale in actual production and is one of the important indicators of catalyst performanceOER의 경우, OER 전기 촉매의 활동에 영향을 미치는 많은 요소가 있습니다. 예를 들어, 용액의 산성 및 기초성은 촉매의 안정성에 영향을 줄 것입니다.많은 OER 전기 촉매제는 알칼리 조건 하에서 안정적입니다., 그러나 산성 조건에서는 좋지 않습니다. 또한 전기 촉매와 작업 전극의 접촉 경로는 안정성에 큰 영향을 미칩니다. 일반적으로,작업 전극에 있는 촉매의 직접 성장은 작업 전극에 있는 유기적 접착 물질보다 더 안정적입니다..
현재 촉매의 안정성을 판단하기 위해 두 가지 전기 화학 테스트가 있습니다. 하나는 크로노 포텐티오메트리 (즉, 갤바노스타틱) 입니다. 전극에 일정한 전류가 가해집니다.그리고 그 다음 전기 촉매의 안정성은 시간이 지남에 따라 잠재력의 변화를 관찰함으로써 판단됩니다.마찬가지로, i-t 곡선 (즉, 잠재역적) 은 또한 촉매를 테스트하는 데 적용됩니다. 전극에 일정한 잠재력을 적용하여, 시간에 따라 전류의 변화를 관찰함으로써,우리는 촉매의 안정성을 결정할 수 있습니다다른 하나는 특정 잠재적 스파이프 범위에서 전기 촉매에 수천 또는 심지어 수만 회전 전압 측정 (CV) 테스트를 수행하는 것입니다.그리고 전기 촉매의 양극화 곡선을 비교하여 전기 촉매의 안정성을 판단합니다..
전기 화학 테스트 외에도 XRD, XPS, SEM, TEM 등 일부 단계 특성화 테스트의 사용전기 촉매의 단계 변화를 비교하기 위해 촉매 이전과 후 또한 전기 촉매의 안정성을 판단하는 데 사용될 수 있습니다.

실험 설정
기기: 정정된 역량계
WE: 표면에 균일하게 적용 된 촉매와 함께 유리 탄소 작업 전극
RE: Ag/AgCl 참조 전극
CE: 그래피트 막대
용액: 0.1 M KOH

전기 화학 시험
전기 촉매 활동
기법: 주기적 볼트 미트리 (CV)
전력 범위: 0~1V (Ag/AgCl 대비)
스캔 속도: 50mVs^-1
기법 ∙ 선형 스웨이프 볼타메트리 (LSV): 전력 범위: 0~1V (Ag/AgCl 대), 스캔 속도 5mVs^-1

전기 화학적 임피던스 분광 (EIS) 은 촉매의 전기 촉매 산소 진화 운동학을 연구하는 데 사용됩니다.그리고 임피던스 스펙트럼은 동등한 회로를 설정하여 장착됩니다.회로에는 Rs (해결 저항), Rct (전하 전송 저항) 및 CPE (동속 단계 각 요소) 가 포함되어 있습니다.
전기 화학적 임피던스 (EIS) 시험 조건은 0.5V (Ag/AgCl 대비), 주파수 시험 범위는 1 Hz ~ 100 kHz이며 장애 전압은 5 mV입니다.

전기 촉매 안정성
촉매의 안정성을 평가하기 위해 잠재정적, 갈바노 정적 및 순환 전압 측정 테스트 기술을 사용합니다.galvanostatic 테스트는 일정한 전류 밀도 (일반적으로 10mA cm-2) 하에 대응 전류를 일정한 전류 출력으로 사용하는 것입니다., 시험 시간 (10 h) 동안 전압 변화를 관찰하고 안정성을 평가합니다.잠재정적 방법은 일정한 전류 밀도 (일반적으로 10 mA cm-2) 아래 대응 잠재력을 일정한 전압 출력으로 사용하는 것입니다., 테스트 시간 동안 전류 변화를 관찰하고 (10 h), 그 다음 안정성을 평가합니다. 주기 전압 측정 테스트에서 전압 범위는 0 ~ 1V (vs.Ag/AgCl) 를 검사하고 CV는 1000회 주기적으로 스캔됩니다.촉매의 안정성은 안정성 테스트 전과 후의 곡선을 비교하고 변화를 분석함으로써 설명됩니다.

알림:

1. RE: Ag/AgCl 전극은 빛 없이 어두운 곳에 보관해야 하며, 알칼리 용액에서 오랫동안 사용하지 마십시오.포화 된 칼로멜 전극은 알칼리 용액에서 오랫동안 사용해서는 안됩니다.Hg/HgO 전극은 알칼리 용액에 적합합니다.

2. CE- 장기 CV 및 LSV 테스트에서 Pt 와이어 또는 Pt 플레이트는 카토드 재료의 표면에 퇴적됩니다.일체 전해질 세포에서 귀금속이 아닌 물질의 테스트에서 사용하지 않는 것이 좋습니다..

3. 유리 전해질 전지에는 두 가지 문제가 있습니다: 알칼리 용액에서 유리의 부식과 유리의 Fe 불순물이 OER 활동에 미치는 영향.실험이 정확하지 않다면, 유리 전해질 전지는 괜찮지만 Fe 함량의 영향을 연구하려면 폴리테트라플루로 에틸렌을 사용하는 것이 좋습니다.