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ว๊™์ˆ ยท์—ฐ๊ตฌ

๋™๊ตญ๋Œ€ ๊ถŒ์ˆœ์ฒ  ๊ต์ˆ˜ ์—ฐ๊ตฌํŒ€, ์ดˆ๊ณ ์„ฑ๋Šฅ ๊ธˆ์†-๊ณต๊ธฐ 2์ฐจ ์ „์ง€ ๊ฐœ๋ฐœ ์œ„ํ•œ ์–‘๊ทน์ œ ์ด‰๋งค์˜ ์ผํ•จ์ˆ˜์™€ ์ „๊ธฐ์ „๋„๋„ ํŠน์„ฑ ์ตœ์ ํ™” ์„ฑ๊ณต

๋“ฑ๋ก์ผ 2023.03.29. ์กฐํšŒ 2820

๋‹ค์ค‘๊ธˆ์†ํ•ฉ๊ธˆ์ด‰๋งค์˜ ์ƒ๋Œ€ ์œตํ•ฉ๋น„์— ๋”ฐ๋ฅธ ์ „๊ธฐ์ „๋„๋„ ๋ฐ ์—๋„ˆ์ง€ ๋ ˆ๋ฒจ ์˜ˆ์ธก ์„ฑ๊ณต
3์ฐจ์› ์ฝ”๋ฐœํŠธ ๋‚˜์ด์˜ค๋ธ€ ์˜ฅ์‚ฌ์ด๋“œ (CoNb2O6) ๋‚˜๋…ธํ๋ธŒ ๊ตฌ์กฐ์ฒด ์œ„์— 6:4 ๋น„์œจ์˜ ๋‹ˆ์ผˆ์€ (Ag0.6Ni0.4)์„ ์ ์ธตํ•œ ๊ณ ์„ฑ๋Šฅ 2์ƒ (dual-phase) ์ „๊ธฐํ™”ํ•™์ด‰๋งค ์†Œ์žฌ ํ•ฉ์„ฑ
๊ธฐ์กด Zn-Air (๊ธˆ์†-๊ณต๊ธฐ) 2์ฐจ ์ „์ง€ ์ถฉ์ „ ์šฉ๋Ÿ‰์˜ 1.4๋ฐฐ, ์•ˆ์ •์„ฑ 3.8๋ฐฐ ์ด์ƒ์œผ๋กœ ํš๊ธฐ์ ์œผ๋กœ ๋†’์—ฌ 
์—๋„ˆ์ง€·ํ™˜๊ฒฝ ๋ถ„์•ผ ์ตœ์ƒ์œ„ ๊ตญ์ œ ํ•™์ˆ ์ง€์ธ ‘Applied Catalysis B: Environmental’ ์ตœ์‹ ํ˜ธ ๊ฒŒ์žฌ

 

๋™๊ตญ๋Œ€ ๊ถŒ์ˆœ์ฒ  ๊ต์ˆ˜

 

๋ชจ๋ฐ”์ผ ์ „์ž๊ธฐ๊ธฐ, ์ „๊ธฐ ์ž๋™์ฐจ ๋“ฑ 2์ฐจ ์ „์ง€์˜ ์‘์šฉ ๋ถ„์•ผ๊ฐ€ ๋„“์–ด์ง์— ๋”ฐ๋ผ ์ˆ˜์š”๋Š” ๊ณ„์†ํ•ด์„œ ์ฆ๊ฐ€ํ•˜๊ณ  ์žˆ๋‹ค. ๊ธฐ์กด ๋ฆฌํŠฌ์ด์˜จ ๊ธฐ๋ฐ˜์˜ 2์ฐจ ์ „์ง€๋Š” ํญ๋ฐœ ์œ„ํ—˜์„ฑ๊ณผ ์ถฉ์ „์šฉ๋Ÿ‰ ํ•œ๊ณ„ ๋“ฑ์˜ ๋ฌธ์ œ๊ฐ€ ์žˆ๋Š” ๋ฐ˜๋ฉด, Zn-Air (๊ธˆ์†-๊ณต๊ธฐ) ์ „์ง€๋Š” ์ƒ๋Œ€์ ์œผ๋กœ ๋†’์€ ์—๋„ˆ์ง€ ๋ฐ€๋„, ๋‚ฎ์€ ๊ฐ€๊ฒฉ, ๋†’์€ ์•ˆ์ •์„ฑ ๋“ฑ ์—ฌ๋Ÿฌ ์žฅ์ ์„ ๊ฐ€์ง€๊ณ  ์žˆ์–ด ๊ธฐ์กด ๋ฆฌํŠฌ์ด์˜จ ์ „์ง€์— ๋น„ํ•ด ์šฐ์ˆ˜ํ•œ 2์ฐจ ์ „์ง€๋กœ ํ‰๊ฐ€๋ฐ›๊ณ  ์žˆ๋‹ค.


ํ•˜์ง€๋งŒ Air ์ ‘์ด‰๋ฉด์— ์‚ฌ์šฉ๋˜๋Š” ํƒ„์†Œ ์–‘๊ทน์€ ํšจ์œจ์ ์ธ ์ „๊ธฐํ™”ํ•™์  OER-ORR (์‚ฐ์†Œ ๋ฐœ์ƒ-์‚ฐ์†Œ ํ™˜์› ๋ฐ˜์‘)์ด ์ผ์–ด๋‚˜์ง€ ์•Š๊ธฐ ๋•Œ๋ฌธ์— ์ด๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ•œ ์ƒˆ๋กœ์šด ๊ณ ํ™œ์„ฑ ์ด‰๋งค์˜ ๊ฐœ๋ฐœ์ด ์š”๊ตฌ๋˜์–ด ์™”๋‹ค. ์ด์—, ์€๊ณผ ๋‹ˆ์ผˆ ๊ธˆ์†์€ ๋›ฐ์–ด๋‚œ ์ „๊ธฐํ™”ํ•™ ์ด‰๋งค ํŠน์„ฑ์„ ๊ฐ€์ง€๋ฏ€๋กœ, ์ด๋ฅผ ๋‹ค์ค‘ ๊ธˆ์† ํ•ฉ๊ธˆ์œผ๋กœ ์ œ์กฐํ•˜์—ฌ ๊ทธ ๋ฌผ์„ฑ์„ ๊ทน๋Œ€ํ™”์‹œ์ผœ ์ „์ง€์˜ ์„ฑ๋Šฅ๊ณผ ์•ˆ์ •์„ฑ์„ ๋™์‹œ์— ๋†’์ผ ์ˆ˜ ์žˆ๋Š” ์—ฐ๊ตฌ์˜ ํ•„์š”์„ฑ์ด ๋Œ€๋‘๋˜๊ณ  ์žˆ๋‹ค.

 

๋™๊ตญ๋Œ€ ๋ฐœ๋ฆฌ ์—ฐ๊ตฌ ๊ต์ˆ˜

 

๋™๊ตญ๋Œ€ ์œตํ•ฉ์—๋„ˆ์ง€์‹ ์†Œ์žฌ๊ณตํ•™๊ณผ ๋ฐœ๋ผ ์—ฐ๊ตฌ ๊ต์ˆ˜ (์ œ1์ €์ž), ๊ถŒ์ˆœ์ฒ  ๊ต์ˆ˜ (๊ต์‹ ์ €์ž) ์—ฐ๊ตฌํŒ€์€ ์ˆœ์ฐจ์  ์ˆ˜์—ด ํ•ฉ์„ฑ๋ฒ•์„ ์ ์šฉํ•˜์—ฌ ์‹ ๊ทœ 3์ฐจ์› ๊ธˆ์†์‚ฐํ™”๋ฌผ ๋‚˜๋…ธํ๋ธŒ ๊ตฌ์กฐ์ฒด (CoNb2O6, ์ฝ”๋ฐœํŠธ ๋‚˜์ด์˜ค๋ธ€ ์˜ฅ์‚ฌ์ด๋“œ)์œ„์— ํŠน์ • ๋น„์œจ๋กœ ํ•ฉ๊ธˆ๋œ ๋‹ค์ค‘๊ธˆ์†ํ•ฉ๊ธˆ ๋‚˜๋…ธ์ž…์ž (AgNi, ๋‹ˆ์ผˆ์€)๋ฅผ ์ ์ธตํ•˜์—ฌ ์ƒˆ๋กœ์šด 2์ƒ (Dual-phase) ์–‘๊ทน์žฌ ์ด‰๋งค์†Œ์žฌ๋ฅผ ๊ฐœ๋ฐœํ•˜๋Š”๋ฐ ์„ฑ๊ณตํ–ˆ๋‹ค.


๊ถŒ ๊ต์ˆ˜ ์—ฐ๊ตฌํŒ€์€ AgNi ๋‹ค์ค‘๊ธˆ์†ํ•ฉ๊ธˆ ์ด‰๋งค์˜ ์ƒ๋Œ€ ์œตํ•ฉ๋น„๊ฐ€ ์ „๊ธฐ์ „๋„๋„ ๋ฐ ์—๋„ˆ์ง€ ๋ ˆ๋ฒจ ์กฐ์ ˆ์— ํฐ ๊ธฐ์—ฌ๋ฅผ ํ•  ์ˆ˜ ์žˆ๋‹ค๋Š” ์ ์— ์ฐฉ์•ˆํ•˜์—ฌ, ๋ฐ€๋„ ๋ฒ”ํ•จ์ˆ˜ ์ด๋ก ์„ ๊ธฐ๋ฐ˜์œผ๋กœ ํ•œ “๊ฐ€์ƒ ๊ฒฐ์ • ๊ทผ์‚ฌ” (Virtual Crystal Approximation, VCA)๋ฅผ ์ˆ˜ํ–‰ํ–ˆ๋‹ค. ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ ์€๊ณผ ๋‹ˆ์ผˆ์˜ ์ƒ๋Œ€ ์œตํ•ฉ๋น„๊ฐ€ 6:4 ๊ฐ€ ๋  ๊ฒฝ์šฐ ์ตœ๋Œ€ ์ „๊ธฐ ์ „๋„๋„ (σ)๋Š” ~ 2 × 107 S•cm-1 , ์ผํ•จ์ˆ˜ (work function)์€ -5.4 eV ์— ๋„๋‹ฌํ•  ์ˆ˜ ์žˆ๋Š” ๊ฒƒ์œผ๋กœ ์˜ˆ์ธก๋๋‹ค.
 

์ด ์ •๋ณด๋ฅผ ๋ฐ”ํƒ•์œผ๋กœ OER ์—ญํ•  ๋‹ด๋‹นํ•  ์ˆ˜ ์žˆ๋Š” 3์ฐจ์› ๋‚˜๋…ธํ๋ธŒ ๊ตฌ์กฐ์ฒด (์ฝ”๋ฐœํŠธ ๋‚˜์ด์˜ค๋ธ€ ์˜ฅ์‚ฌ์ด๋“œ, CoNb2O6)๋ฅผ ์ˆ˜์—ด ํ•ฉ์„ฑํ–ˆ๊ณ , ์ด 3์ฐจ์› ๊ตฌ์กฐ์ฒด ์œ„์— ๋‹ค์‹œ ํ•œ ๋ฒˆ ์ˆœ์ฐจ์  ์ˆ˜์—ดํ•ฉ์„ฑ์„ ํ†ตํ•ด ORR ์—ญํ• ์„ ๋‹ด๋‹นํ•  ์ˆ˜ ์žˆ๋Š” 6:4 ๋น„์œจ์˜ ๋‹ˆ์ผˆ์€ ๊ธˆ์†๋‹ค์ค‘ํ•ฉ๊ธˆ ๋‚˜๋…ธ ์ž…์ž๋ฅผ ๊ท ์ผํ•˜๊ฒŒ ์ ์ธตํ•˜์—ฌ ์‹ ๊ทœ ๊ณ ์„ฑ๋Šฅ 2์ƒ ์ด‰๋งค ์†Œ์žฌ๋ฅผ ๊ฐœ๋ฐœํ•˜๋Š”๋ฐ ์„ฑ๊ณตํ–ˆ๋‹ค.
 

ํŠนํžˆ, ์ด๋ ‡๊ฒŒ ๊ฐœ๋ฐœ๋œ 2์ƒ ์ด‰๋งค ์†Œ์žฌ๋Š” ๊ธฐ์กด ํƒ„์†Œ ์–‘๊ทน์žฌ์˜ ๊ธฐ๊ณต์— ํก์ฐฉ๋˜์–ด ๋ฐ˜์‘ ํ‘œ๋ฉด์ ์„ ๋„“ํžˆ๊ณ , ์ „์ž, ์ด์˜จ, ๋ฌผ์งˆ ์ „๋‹ฌ์„ ์›ํ™œํ•˜๊ฒŒ ํ•˜์—ฌ ๊ธฐ์กด ํƒ„์†Œ ์ „๊ทน ๋Œ€๋น„ ๋†’์€ ์ด‰๋งค ํ™œ์„ฑ ๋ฐ Zn-Air (๊ธˆ์†-๊ณต๊ธฐ)์ „์ง€์˜ ์„ฑ๋Šฅ์„ ๋ณด์˜€๋‹ค. ํŠนํžˆ, 2์ƒ ์ด‰๋งค์†Œ์žฌ๋ฅผ ์‚ฌ์šฉํ•œ Zn-Air ์ „์ง€๋Š” ์ถฉ์ „์šฉ๋Ÿ‰ 806.8 mAhg-1์„ ๋‹ฌ์„ฑํ–ˆ์œผ๋ฉฐ, ์ด๋Š” ๋‹จ์ผ ๊ธˆ์†์‚ฐํ™”๋ฌผ ์ด‰๋งค๋ฅผ ์‚ฌ์šฉํ•œ Zn-Air ์ „์ง€ 576.6 mAhg-1 ๋Œ€๋น„ 1.4๋ฐฐ ์ด์ƒ ์ฆ๊ฐ€๋œ ์ˆ˜์น˜์ด๋‹ค. ๋˜ํ•œ, ํšจ์œจ์ ์ด๊ณ  ๊ท ํ˜•์ ์ธ OER-ORR ๋ฐ˜์‘์„ ํ†ตํ•ด, 2์ƒ ์ด‰๋งค Zn-Air ์ „์ง€์˜ ์ถฉ๋ฐฉ์ „ ์„ฑ๋Šฅ์€ 587์‹œ๊ฐ„์œผ๋กœ์„œ, ๋‹จ์ผ ์ด‰๋งค๋ฅผ ์‚ฌ์šฉํ•œ ์ „์ง€ (156์‹œ๊ฐ„)์— ๋น„ํ•ด 3.8๋ฐฐ ์ด์ƒ ํš๊ธฐ์ ์œผ๋กœ ์ฆ๊ฐ€ํ–ˆ๋‹ค.

 

๊ถŒ์ˆœ์ฒ  ๊ต์ˆ˜๋Š” “์ด๋ฒˆ ์—ฐ๊ตฌ๋ฅผ ํ†ตํ•ด ๊ธˆ์†๋‹ค์ค‘ํ•ฉ๊ธˆ ์ „๊ธฐํ™”ํ•™ ์ด‰๋งค์˜ ์ƒ๋Œ€ ์œตํ•ฉ๋น„์— ๋”ฐ๋ฅธ ์ „๊ธฐ์ , ๋ฌผ๋ฆฌ์  ํŠน์„ฑ์„ ๊ทน๋Œ€ํ™” ๋ฐ ์•ˆ์ •ํ™” ํ•  ์ˆ˜ ์žˆ๋Š” ๊ธฐ์ˆ ์„ ์™„์„ฑํ–ˆ๋‹ค. ์ด ๊ธฐ์ˆ ์„ ํ†ตํ•ด ์ƒˆ๋กœ์šด ๊ณ ์„ฑ๋Šฅ 2์ƒ ์ „๊ธฐํ™”ํ•™์  ์ด‰๋งค์†Œ์žฌ๋ฅผ ๊ฐœ๋ฐœํ•˜๋Š”๋ฐ ์„ฑ๊ณตํ–ˆ๊ณ , ์ด๋Š” ๊ธฐ์กด ํƒ„์†Œ ์ „๊ทน์— ํก์ฐฉํ•˜์—ฌ ๋ณด๋‹ค ๋„“์€ ํ‘œ๋ฉด์ ๊ณผ ํ•จ๊ป˜ ํšจ์œจ์ /๊ท ํ˜•์ ์ธ OER-ORR (์‚ฐ์†Œ๋ฐœ์ƒ-์‚ฐ์†Œํ™˜์› ๋ฐ˜์‘)์„ ๊ฐ€๋Šฅํ•˜๊ฒŒ ํ•˜์—ฌ, ์ดˆ๊ณ ์„ฑ๋Šฅ/์•ˆ์ •์„ฑ์˜ ์ฐจ์„ธ๋Œ€ Zn-Air 2์ฐจ ์ „์ง€๋ฅผ ๊ตฌํ˜„ํ•œ ๊ฒƒ์— ์˜๋ฏธ๊ฐ€ ์žˆ๋‹ค”๋ฉฐ “๊ฐœ๋ฐœ๋œ 2์ƒ ์ด‰๋งค๋ฅผ ํฌํ•จํ•œ ํƒ„์†Œ ์ „๊ทน์€ ํŒŒ์šฐ์น˜ ์…€ ํƒ€์ž…์—์„œ๋„ 160์‹œ๊ฐ„๋™์•ˆ ์•ˆ์ •์ ์œผ๋กœ ์šด์šฉ์ด ๋˜๊ธฐ ๋•Œ๋ฌธ์—, ์ฐจ์„ธ๋Œ€ ๋ฐ•๋ง‰ํ˜• ๋˜๋Š” ํ”Œ๋ ‰์„œ๋ธ” 2์ฐจ ์ „์ง€ ์ƒ์šฉํ™”์— ํ•œ๊ฑธ์Œ ๋” ๋‹ค๊ฐ€๊ฐˆ ์ˆ˜ ์žˆ์„ ๊ฒƒ”์ด๋ผ๊ณ  ๊ธฐ๋Œ€๊ฐ์„ ๋‚˜ํƒ€๋ƒˆ๋‹ค.


์ด๋ฒˆ ์—ฐ๊ตฌ๊ฒฐ๊ณผ๋Š” ํ•œ๊ตญ์—ฐ๊ตฌ์žฌ๋‹จ ์ค‘๊ฒฌ์—ฐ๊ตฌ์ž์ง€์›์‚ฌ์—…, ์ฐฝ์˜๋„์ „์—ฐ๊ตฌ์ง€์›์‚ฌ์—… ์ง€์› ๋“ฑ์œผ๋กœ ์ˆ˜ํ–‰๋์œผ๋ฉฐ, <High-performance rechargeable metal–air batteries enabled by efficient charge transport in multielement random alloy electrocatalyst>๋ผ๋Š” ์ œ๋ชฉ์œผ๋กœ ์—๋„ˆ์ง€·ํ™˜๊ฒฝ ๋ถ„์•ผ ์ตœ์ƒ์œ„ ๊ตญ์ œ ํ•™์ˆ ์ง€ ใ€ŒApplied Catalysis B : Environmentalใ€(IF=24.319) ใ€ 2023๋…„ 3์›” 14์ผ ์˜จ๋ผ์ธ์— ๊ฒŒ์žฌ๋๋‹ค.  

 

 

๊ทธ๋ฆผ ๋ฐ ์‚ฌ์ง„ ์„ค๋ช…

 

< “๊ฐ€์ƒ ๊ฒฐ์ • ๊ทผ์‚ฌ (VCA)” ๋ฐฉ๋ฒ•์„ ์ด์šฉํ•œ AgNi (๋‹ˆ์ผˆ์€) ๋‹ค์ค‘๊ธˆ์†ํ•ฉ๊ธˆ ์ด‰๋งค์˜ ์œตํ•ฉ๋น„์— ๋”ฐ๋ฅธ ์—๋„ˆ์ง€ ๋ ˆ๋ฒจ๊ณผ ์ „๊ธฐ์ „๋„๋„ ํŠน์„ฑ ์˜ˆ์ธก>
(a) Ag ์™€ Ni์˜ ์ƒ๋Œ€ ์œตํ•ฉ๋น„์— ๋”ฐ๋ฅธ ๊ฒฐ์ •๊ตฌ์กฐ ๋ณ€ํ™” ์˜ˆ์ธก, (b), (c), (d) Ag์™€ Ni์˜ ์ƒ๋Œ€ ์œตํ•ฉ๋น„์—  ๋”ฐ๋ฅธ ๊ฐ๊ฐ ์ผํ•จ์ˆ˜, ์ „๊ธฐ์ „๋„๋„, ์ž๊ธฐ๋ชจ๋ฉ˜ํŠธ ๋ณ€ํ™” ์˜ˆ์ธก.


* ๋ณธ ์ž๋ฃŒ์™€ ๊ด€๋ จ๋œ ๋ฌธ์˜๋Š” ๋™๊ตญ๋Œถฤว๊™๊ต ๊ถŒ์ˆœ์ฒ  ๊ต์ˆ˜ (02-2260-3678, kwansc12@dongguk.edu)์—๊ฒŒ ํ•ด์ฃผ์‹œ๊ธฐ ๋ฐ”๋ž๋‹ˆ๋‹ค.