대체 청정 발전 에너지 장치용 음극 재료로서 환원된 산화 그래핀 층에 삽입된 Mn3O4 나노입자의 마이크로웨이브 보조 합성

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19043(2022) 이 기사 인용

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나노복합 전기촉매로서 환원그래핀옥사이드에 통합된 Mn3O4 나노입자는 1단계, 용이한 단일 포트 마이크로파 보조 열수 기술을 통해 합성되었습니다. 나노복합체는 산소 환원 반응(ORR)을 위한 연료 전지의 음극 재료로 사용되었습니다. 합성된 제품은 구조 분석을 위한 XRD와 물질의 형태학적 구조를 평가하기 위한 FESEM 및 TEM 분석과 같은 중요한 특성 분석을 사용하여 철저하게 연구되었습니다. GO, rGO 밴드 및 Mn3O4@rGO 나노복합체의 형성을 연구하기 위해 라만 스펙트럼을 사용했습니다. FTIR 및 UV-Vis 분광 분석을 사용하여 원하는 전기촉매의 효과적인 합성을 확인했습니다. 10wt%의 그래핀 산화물을 포함하는 Mn3O4@rGO-10% 나노복합체는 작업 전극의 반짝이는 표면을 변경하는 데 사용되었으며 O2 퍼징된 0.5M KOH 전해질 용액에서 ORR에 적용되었습니다. Mn3O4@rGO-10% 나노복합 전기촉매는 일반적으로 ORR 활동에 사용되는 Pt/C 촉매를 포함하여 다른 제어 전극과 비교할 때 -0.738mA/cm2의 향상된 전류와 -0.345V의 이동된 과전위 값으로 뛰어난 성능을 나타냈습니다. . Mn3O4@rGO-10% 나노복합체의 내성은 더 높은 농도의 메탄올, 즉 0.5M을 주입하여 테스트한 결과 메탄올 교차에 영향을 받지 않는 것으로 나타났습니다. 합성된 전기촉매의 3000초 후 안정성 테스트도 고려한 결과, 시판되는 Pt/C 전기촉매 대비 98%의 우수한 전류유지율을 보였다. 합성된 나노복합체 재료는 저비용, 손쉬운 제조 및 적절한 안정성의 요구 사항을 충족하는 실용적인 ORR을 위한 효과적이고 Pt가 없는 전기촉매로 간주될 수 있습니다.

나날이 증가하는 수요, 세계 경제의 급속한 발전, 기술로 인해 화석 연료 매장량의 감소로 인해 에너지 위기와 지구 온난화 문제가 발생하고 있습니다1. 현재의 에너지 수요는 기존의 화석 연료 매장량으로 충족되고 있지만 이러한 에너지원은 미래 세대를 위해 비축되어야 합니다2. 이러한 다가오는 에너지 위기로 인해 연구자들은 지속 가능하고 비용 효율적이며 환경 친화적이고 효율적인 대체 에너지원을 찾게 되었습니다3. 따라서 대체에너지원을 찾기 위해 재생에너지원을 찾기 위한 많은 노력이 이루어져 왔다. 전기화학적 에너지 저장/변환 장치로서 리튬 이온 배터리, 슈퍼커패시터, 연료 전지 및 태양 전지는 상당한 주목을 받았습니다4,5,6,7,8. 충전식 금속공기전지(MAB)와 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)는 청정 전기를 생산하기 위한 차세대 에너지원입니다9,10. 이러한 장치에서는 O2 환원이 음극 표면에서 발생합니다. 에너지 변환 장치(연료전지)에서 O2 환원 반응은 중요한 과정입니다. 산소 환원 반응(ORR)은 수용액의 두 가지 주요 경로에서 발생합니다. (1) O2를 H2O(물)로 환원시키는 4전자 전이 및 (2) O2가 H2O2(과산화수소)로 환원되는 2전자 전달 메커니즘. 비양성자성 비수용매나 알칼리성 용액의 경우 O2를 초과산화물(O2-)로 환원시켜 1전자 환원 현상이 일어날 수도 있다. 양성자 교환막(PEM) 연료 전지 작동의 경우 O2 분자는 ORR로 인해 전자를 얻어 음극 표면에서 환원됩니다. 489 kJ/mol11의 매우 강한 결합 에너지를 갖는 O=O 결합은 전기화학적으로 깨지기가 매우 어려운 강력한 결합입니다. 이러한 에너지 장벽과 결합 활성화 및 절단을 줄이려면 전기촉매의 도움이 매우 필요합니다.

ORR은 PEMFC 수용액의 수소 산화 과정보다 음극 표면에서 6배 느린 과정입니다. 이러한 느린 O2 환원은 OOH*, O* 및 OH*12와 같은 O 함유 중간 종의 참여로 인한 다양한 반응 경로 및 흡착/탈착 과정으로 인해 발생합니다. 이러한 이유로 인해 음극 촉매 요구 사항은 연료 전지 응용 분야에 대한 양극 촉매 요구 사항보다 10배 더 높은 경우가 많습니다13. 산업 규모에서 ORR을 위해 일반적으로 사용되는 Pt 기반 전기촉매는 연료 전지 총 비용의 36~56%를 차지합니다14,15. 고가의 Pt 기반 전기촉매가 중요한 관심사임에도 불구하고, 기존에 사용되는 전기촉매의 또 다른 단점은 연료 교차에 대한 민감성으로 인해 연료 전지의 안정성이 손상되어 연료 전지의 대량 적용이 엄청나게 제한된다는 것입니다. 결과적으로, 대규모 응용을 위해 Pt 기반 음극 전극을 대체하려면 매우 활성적이고 충분히 안정적이며 경제적인 전기촉매를 만드는 것이 가장 중요합니다.