수소 생성을 위한 향상된 전기촉매 활성을 위한 스피넬 MnCo2O4의 바나듐 이온 치환의 역할

Aug 12, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2120(2023) 이 기사 인용

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물 분해를 통해 수소 생성을 위한 효율적인 전기촉매(EC)를 개선하는 것은 다가오는 에너지 위기를 해결하는 데 중요한 관심사입니다. 지속가능한 수소생산은 미래 수소경제 실현을 위한 일차적인 전제조건입니다. 이 연구는 HER(수소 발생 반응) 공정에서 열수적으로 제조된 바나듐 도핑된 MnCo 스피넬 산화물 미세구(MC), MnVxCo2−xO4(Vx-MnCo MC, 여기서 x ≤ 0.4)의 전기촉매 활성을 조사합니다. 자화 측정을 통해 모든 샘플에서 퀴리 온도(Tc) 미만에서 상자성(고온)에서 강자성(저온)으로 전이되는 것으로 나타났습니다. MC의 바나듐 함량이 증가함에 따라 자화가 강화되는 것으로 나타났습니다. 최적화된 촉매 Vx-MnCo MC(x = 0.3)는 84mV/dec의 Tafel 기울기, 78.9mV의 낮은 개시 전위, 10mA/cm2의 전류 밀도에서 85.9mV의 낮은 과전위로 준비된 다른 EC보다 성능이 뛰어났습니다. , 각각. 열수적으로 합성된 Vx-MnCo MC(x = 0.3)의 크게 향상된 HER 성능은 주로 노출된 많은 활성 부위, EC/전해질 인터페이스에서 전자 전달 가속화 및 화학 분석(ECSA) 값에 대한 놀라운 전자 분광법에 기인합니다. 11.4cm2. 더욱이, Vx-MnCo MCs(x = 0.3) 전극은 1000회 순환 전압전류 사이클과 36시간의 시간전류 측정 테스트에 노출된 후 뛰어난 전기촉매 안정성을 나타냈습니다. 우리의 결과는 미래의 물 전기분해 응용을 위한 우수한 전극으로서 지구에 풍부한 전이금속 산화물 기반 EC를 개발하기 위한 실행 가능한 경로를 제시합니다.

수소는 글로벌 에너지 문제를 해결하기 위한 대규모 청정 에너지 생산을 위한 가장 지속 가능하고 저렴한 기술 중 하나입니다1. 화석 연료는 상당한 양의 천연 자원을 소비하고 CO2와 같은 바람직하지 않은 생성물을 생성하며, 이는 온실 효과로 인해 우려되는 상황을 야기합니다2. 수소와 산소를 연료로 사용하는 것은 증가하는 에너지 수요, 기후 변화 등을 충족시키기 위한 탁월한 청정 에너지원으로 간주됩니다3. 전기촉매를 이용한 물 분해는 고순도, 고효율 및 오염물질 제로로 인해 대규모로 수소/산소를 생성하기 위한 지속적인 에너지원을 보여줍니다4,5. 여러 합금 및 재료 산화물은 수소/산소 전극 개발을 위한 잘 알려진 후보입니다. 결과적으로 스피넬 구조와 같은 전이금속을 갖는 특정 산화물은 뛰어난 화학적, 물리적 특성으로 인해 높은 전자 전도도를 가지며 수소/산소 발생 반응(HER/OER)에서 상당한 전기화학적 활성을 나타냅니다. 온도, 제조 방법, 치환 이온 및 전구체 용액의 pH와 같은 매개변수의 선택은 스피넬의 촉매 활성을 실질적으로 향상시켰습니다6,7,8. 따라서 스피넬 산화물 샘플의 위상을 조정하면 샘플9,10,11,12의 수소 발생 기능을 최적화할 수 있습니다.

MnCo2O4는 Mn2+ 이온과 Co2+ 이온이 팔면체(Oh, B) 사이트를 점유하고 Oh 및 사면체(Td, A) 사이트에 고르게 분포되어 있는 역스피넬 구조를 가지고 있습니다. MnCo2O4 스피넬로의 양이온 치환은 B와 B 사이의 전자 전달 거리가 짧아 전자 전달과 전기 전도성을 향상시키기 때문에 전기적 및 자기적 특성을 크게 변경할 수 있습니다13,14. Co2−xBixMnO4(0.0 ≤ x ≤ 0.3) 혼합 입방정 스피넬 시스템의 자성 특성에 대한 양이온 조성의 영향은 Rajeevan et al15에 의해 조사되었습니다. MnCo2O4의 자기 특성에 대한 Ni2+ 치환도 Wang et al16에 의해 연구되었습니다. 문헌 조사에 따르면 MnCo2O4의 자기 특성에 대한 양이온 치환의 영향은 여전히 ​​낮으며 더 많은 조사가 필요합니다.