스위스에 있는 과학자들이 수소를 방출할 수 있는 니켈 촉매가 또한 알칼리성 용액에서 낮은 과전압에서 안정적으로 산소를 생성할 수 있다는 것을 보였다. 이 놀라운 이중기능성은 미래 에너지 필요를 위한 값싼 지속가능한 연료 생성을 가능하게 할 것이다.
전기화학적인 물 분리는 물로부터 수소와 산소를 만들어내고 효율적인 재생가능한 에너지 공급 방법이 될 수 있을 것이다. 전형적으로 한 촉매가 수소를 발생시키는 반면에 다른 촉매가 산소기체를 발생시킨다. 이런 식으로 두 가지 촉매를 필요로 하는 것은 그 두 가지 모두가 별도의 최적화와 장비 통합을 필요로 할지도 모르기 때문에 그 과정의 간단성과 용이성을 제한한다. 그러나 스위스 로젠(Lausanne)에 있는 스위스연방기술연구소(Swiss Federal Institute of Technology)의 Xile Hu와 그의 그룹은 인화 니켈(nickel phosphide)이 수소를 발생시키면서 또한 효과적인 산소 발생 촉매가 될 수 있다는 것을 보였다.
인화 니켈 나노입자들을 탄소 전극 위에 실음으로써 그들은 많은 최신 물질들과 상업적으로 사용되는 산화 이리듐(iridium oxide) 보다 더 좋은, 수산화칼슘(potassium hydroxide)에서 단지 0.29V의 과전압에서, 10mA/cm2의 전류 밀도를 만들어내는 강력한 산소 발생을 목격했다. 이 조건 아래서, 이 물질은 인화 니켈 핵이 활성 산화 니켈 종들 안에 싸여있는 핵-껍질 구조를 취했다. Hu는 인화 니켈이 전도 보조로서 기능해서, 그 껍질을 위한 전자 경로를 제공하고 촉매 활성을 촉진한다는 가설을 세웠다.
이 촉매의 이중기능성을 증명하기 위해서, 연구팀은 산소와 수소 발생 반응 둘 다를 위해서 인화 니켈을 이용하여 알칼리성 전해조를 만들었다; 그들은 10mA/cm2 의 전류 밀도와1.63V의 낮은 물 분리 전압에서 성공적으로 물을 그것의 구성 원소들로 분리했다.
Hu는 이들 발견이 물-분리 공동체의 주의를 끌 것으로 기대하고 있다. "이제 사람들이 이 아이디어를 완전히 개발하기 위해서 모든 종류의 금속 인화물 조성들을 시도할 것을 상상할 수 있다. 그래서 나는 확실히 다른 그룹들로부터 후속 활동들이 있을 것이라고 생각한다."고 Hu는 말했다.
미국에 있는 럿거스대(Rutgers University)에 있는 물 분리의 전문가인 Charles Dismukes도 잠재성을 보고 있다: "이중 기능성 촉매 성질들과 쉬운 합성은 이 기술의 미래 응용을 위해서 전망이 밝다." 럿거스대에 있는 그의 연구 동료인 Anders Laursen은 동의했다: "전이 금속 인화물들은 그것들의 특이하게 높은 전기화학적 수소 발생 활성 때문에 지난 2년 동안 상당한 관심을 끌어왔다. 적절하게 선택된 반도체와 통합된 그러한 촉매는 미래에 값싼 지속가능한 연료 생성을 가능하게 해줄지도 모른다."
그림. 그 촉매의 활성은 그것이 적용한 핵-껍질 구조로부터 기인한다.
REFERENCES: L-A Stern et al, Energy Environ. Sci., 2015, DOI: 10.1039/c5ee01155h
Single catalyst simplifies water splitting
Scientists in Switzerland have shown that a nickel catalyst, capable of hydrogen evolution, can also stably generate oxygen at low overpotentials in alkaline solution. This surprising bifunctionality could allow for cheap sustainable fuel generation for future energy needs.
Electrochemical water splitting generates hydrogen and oxygen from water and could be an efficient renewable energy supply method. Typically, one catalyst evolves hydrogen while a different catalyst evolves oxygen. Requiring two catalysts in this way limits the simplicity and ease of the process since both may require separate optimisation and device integration. Catalysts that can perform both reactions exist but such Janus catalysts are uncommon. However, Xile Hu and his group at the Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne have shown that nickel phosphide, as well as evolving hydrogen, can also be an effective oxygen evolution catalyst.
By loading nickel phosphide nanoparticles onto a carbon electrode they observed powerful oxygen evolution, generating a current density of 10mA/cm2, at an overpotential of only 0.29V, in potassium hydroxide, better than many state-of-the-art materials and the commercially used iridium oxide. Under these conditions the material adopts a core–shell structure where the nickel phosphide core is encased in an active nickel oxide species. Hu hypothesised that the nickel phosphide acts as conducting support, providing an electron pathway for the shell and boosting the catalytic activity.
To demonstrate the catalyst’s bifunctionality the team constructed an alkaline electrolyser using nickel phosphide for both hydrogen and oxygen evolution reactions; they successfully split water into its constituent elements with a current density of 10mA/cm2 and at a low water splitting potential of 1.63V.
Hu expects these findings to draw attention from the water-splitting community. ‘You can imagine that people will now try all kinds of metal phosphide compositions to fully develop this idea, so I think there are certainly going to be follow-up activities from other groups.’
Charles Dismukes, an expert in water splitting at Rutgers University in the US, also sees potential: ‘The ease of synthesis and bifunctional catalytic properties are promising for a future application of this technology.’ His research colleague at Rutgers Anders Laursen agrees: ‘Transition metal phosphides have garnered considerable attention in the last two years due to their unusually high electrochemical hydrogen evolution activity. Such catalysts combined with a suitably chosen semiconductor may allow for cheap sustainable fuel generation in the future.’
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