Amorphous Ir atomic clusters anchored on crystalline IrO2 nanoneedles for proton exchange membrane water oxidation

Abstract

양이온교환막 수전해 기술(PEMWE)은 간헐적으로 얻어지는 재생 에너지를 활용하여 친환경 수소를 생산할 수 있는 유망한 기술 중 하나이다. 이러한 수전해를 일으키기 위한 촉매로 이리듐은 큰 활성과 내구성을 가지지만 지구상에서 매우 희귀하다. 따라서 촉매 설계에 있어서 이리듐 사용의 최소화는 PEMWE의 상용화에 반드시 필요하다. 본 연구진은 초박형 산화 이리듐 나노니들(Ir NN)을 보고한 바 있으며 Ir NN은 우수한 전기전도성을 지녔지만 활성이 일반 이리듐 촉매에 비해 큰 차이가 없었으므로 개선이 필요했다. 따라서 본 연구진은 산화 이리듐 나노니들에 비정질 이리듐 원자 클러스터(AC)를 증착하여 결정질 산화 이리듐과 비정질 이리듐 원지 클러스터가 함께 존재하는 Ir AC/NN 촉매를 개발하였다. AC를 사용함으로써 산소 생성 반응이 더욱 활성화되며 Ir NN구조는 표면에 존재하는 AC로의 전자 전달을 가속화한다. 따라서 일반적으로 산소 생성 반응에서 관찰되는 활성도와 내구성의 상충관계를 깨고 높은 활성도와 내구성을 지닐 수 있었다. 이러한 Ir AC/NN는 PEMWE에서 안정적으로 높은 활성을 보이며 1.82 V에서 3 A/cm2의 전류밀도를 달성하였다.