대안, 낮은

Oct 27, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9368(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

전기화학적 수소 발생 반응(HER)은 일반적으로 3전극 시스템에서 연구됩니다. 이 시스템에서는 Pt, 금 및 유리질 탄소를 포함하여 빠른 동역학을 보장하기 위해 여러 개의 상대 전극이 일반적으로 사용됩니다. 그러나 이러한 전극을 광범위하게 적용하면 산화환원 활성 종이 이러한 전극에서 용해되어 작업 전극 표면에 재침전되어 측정된 과전위에 기여한다는 경고가 제기되었습니다. 결과적으로, 이는 작업 전극 촉매의 실제 전기화학적 특성과 자주 혼동되어 기록된 과전위가 기만적으로 향상되는 결과를 가져왔습니다. 이 문제는 전기분해 측정에 활성화 단계가 포함될 때 더욱 중요해지며, 특히 HER 연구에서 전해질로 일반적으로 사용되는 산성 매질에서 안정적인 대체 상대 전극이 필요합니다. 여기서는 이러한 문제를 체계적으로 밝히면서 이러한 문제를 극복할 수 있는 대체 상대전극을 제시합니다. 구체적으로, 작동 전극 면적과 상대 전극의 면적, 상대 전극의 용해 속도, 용해 속도를 가속화할 때 표면의 활성화/세정에 사용되는 전위 범위 사이의 상관 관계를 탐구하고 자세히 논의합니다. 마지막으로, 상업용 Ti 메시는 산성 매질에서 HER를 연구하는 데 매우 안정적이고 편리한 것으로 입증된 대체 신흥 상대 전극으로 시연됩니다.

지난 수십 년 동안 수소는 전통적인 화석 연료에 대한 유망한 대안으로 소개되었습니다. 이런 점에서 전기분해는 대량의 수소를 생산하기 위해 일반적으로 사용되는 공정이다. 이 시스템에서 Pt는 효율적인 전기 전도성, 높은 기계적 강도 및 우수한 촉매 활성으로 인해 물 환원 반쪽 반응에 가장 널리 사용되는 전기촉매입니다. 그러나 높은 비용으로 인해 대규모 생산에 사용이 크게 제한되었습니다. 따라서, 저렴하면서도 Pt와 유사한 촉매 활성을 갖는 지구에 풍부한 수소 발생 반응 전기촉매를 개발할 필요성이 커지고 있습니다. 예를 들어, 이전 연구에서는 rGO와 결합된 몰리브덴 카바이드를 도입하여 Pt/C2의 수소 발생 반응(HER)에 대해 거의 동일한 활성을 나타냈습니다. 또한, Ni-C 기반 촉매는 HER3에서 Pt와 비슷한 성능을 보였다. 그럼에도 불구하고, HER와 관련된 발표된 연구의 거의 절반은 이온 교환막을 사용하지 않고 Pt를 상대 전극으로 사용했습니다4,5. 그러나 Pt는 안정적이지 않으며 잠재적 사이클링 동안 화학적/전기화학적 용해를 겪습니다. 그런 다음, 용해된 Pt 이온이 작업 전극의 표면에 재증착되어 측정된 과전위가 기만적으로 향상됩니다. 또한, 이온 교환막(Nafion)을 사용하는 경우에도 작업 전극에 Pt 용해 및 증착이 계속 발생합니다8. 이러한 우려로 인해 대체 상대 전극을 찾아야 했습니다. 결과적으로 유리 탄소나 흑연 막대와 같은 탄소 기반 재료가 대신 사용되었습니다. 그러나 문제는 여전히 남아 있습니다. 그 전극은 안정적인가요? 그렇지 않다면 탈출구가 있습니까?

이 문제를 해결하기 위해 여기에서는 산성 매질에서 HER 동안 가장 일반적으로 사용되는 상대 전극(Pt, Au 및 유리질 탄소)의 안정성을 조사했습니다. 상대 전극에 대한 작업 전극의 상대 면적과 상대 전극 용해 속도에 대한 표면 활성화/세정에 사용되는 전위 범위의 영향과 기록된 과전위와의 상관 관계가 완전히 설명되고 논의됩니다. 마지막으로, 우리는 산성 매질에서 HER에 대한 안정적이고 기능적인 상대 전극으로서 상업용 티타늄 메쉬의 잠재력을 보여줍니다.