KR101933937B1 - 산소 및 수소 발생 반응을 위한 효율적이고 내구성 있는 양기능성 전기화학촉매로서 니켈 폼 상에 지지된 계층적 ＮｉＣｏ2Ｓ4 나노와이어 어레이 - Google Patents

산소 및 수소 발생 반응을 위한 효율적이고 내구성 있는 양기능성 전기화학촉매로서 니켈 폼 상에 지지된 계층적 ＮｉＣｏ2Ｓ4 나노와이어 어레이 Download PDF

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Abstract

태양광-수소 전기발생에 대한 최근 접근방법은 강 전해질 내에서 효율적이고 안정하고 저렴한 양기능성 전기화학촉매를 이용한 물 분해이다. 본 발명은 3차원 니켈 폼 (NF) 상에 NiCo2S4 나노와이어 (NW) 어레이를 직접 성장시킨 촉매에 관한 것이다. 상기 NiCo2S4 NW/NF 어레이는 전체 물 분해 반응에서 우수한 활성과 안정성을 나타내며 효율적인 양기능성 전기화학촉매로서 기능한다. 3차원 니켈 폼은 전기화학반응에서 전극과 전해질 인터페이스에서 많은 촉매 활성점을 노출시킴으로써 직접 성장을 촉진한다. 바인더 없이 자가 성장으로 형성된 NiCo2S4 NW/NF 전극은 1M KOH에서 산소발생반응에 대해 260 mV의 과전압에서 그리고 수소발생반응에 대해서는 210 mV의 과전압에서 10 mA cm-2의 수소 생산 전류 밀도를 나타낸다. 본 발명의 양기능성 전기화학촉매는 높은 활성과 안정성을 가짐으로써 1.63V의 전지 전압에서 10 mA cm- 2를 전달할 수 있는 알칼리수 전해조의 제조를 가능하게 한다. 또한, 비귀금속인 NiCo2S4 NW/NF 폼 기반의 전극은 태양전지 패널을 이용하여 1.68V에서 격렬하고 연속적인 수소 및 산소 발생을 가능하게 하므로, 대규모의 태양광-수소 전기발생을 위한 물 분해 장치에 이용될 수 있다.

Description

산소 및 수소 발생 반응을 위한 효율적이고 내구성 있는 양기능성 전기화학촉매로서 니켈 폼 상에 지지된 계층적 ＮｉＣｏ2Ｓ4 나노와이어 어레이 {Hierarchical NiCo2S4 Nanowire Arrays Supported on Ni Foam: An Efficient and Durable Bifunctional Electrocatalyst for Oxygen and Hydrogen Evolution Reactions}
본 발명의 다양한 실시예는 물 전기 분해를 위한 전극 및 및 이를 포함하는 솔라-투-수소 모듈에 관한 것이다.
수소가 연료전지 등 미래 에너지원으로 각광받으면서, 수소 생산 기술도 주목 받고 있다. 현재 수소 생산을 주도하는 기술로는 천연 가스의 수증기 개질, 석탄 및 석유 코크스(petroleum coke)의 가스화, 중유의 가스화 및 개질 등이 알려져 있다.
수소 생산 기술 중 물 전기 분해는 약 200 년 동안 알려져 왔지만 전세계 수소 생산량의 4 % 만을 기여하고 있다. 또한, 물 전기 분해에 많은 전기가 필요하거나 백금과 같은 귀금속 촉매를 사용해 비용이 많이 든다는 단점으로 수소의 대량 생산에 어려움을 겪어 오고 있다. 물 전기 분해는 재생 가능 에너지원에서 파생되는 전기를 이용하는 경우 잘 작동하며 완전히 지속 가능하다.
지금까지 촉매 제조 방법은 코팅의 불안정성, 막전극집합체(membrane electrode assembly, MEA)에서 효율적인 전극 - 전기 인터페이스를 만들 수 없기 때문에 실제 응용을 위해서는 고비용을 초래한다.
한편, 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 발생을 위한 태양 전지와 결합된 전해조는 물 전기 분해를 위한 비용을 줄일 수 있는 적절한 방법 중 하나이다. 또한, 전극 재료를 개선하고 단순화된 다양한 공정 및 장비로 수소 생산 비용을 낮추기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서는, 상기 문제점을 보완하기 위해, 저가이면서 고효율의 양 기능성 전극을 제공하고자 한다. 또한, 이러한 전극으로 구성된 물 전해조와 태양 전지가 결합된 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈을 제공하고자 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 물 전기 분해를 위한 전극은, 지지체; 및 상기 지지체 상에 형성된 스피넬(spinel) 구조의 니켈 코발트 황화물(NiCo2S4)을 포함하는 나노와이어 어레이(nanowire array)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈은, 캐소드 및 애노드를 포함하는 물 전해조; 상기 캐소드 및 애노드에 직접 연결된 양극 단자 및 음극 단자를 포함하는 태양 전지를 포함하고, 상기 캐소드 및 애노드는, 지지체; 및 상기 지지체 상에 형성된 스피넬(spinel) 구조의 니켈 코발트 황화물(NiCo2S4)을 포함하는 나노와이어 어레이(nanowire array)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 전극은 알칼리 전해질에서 산소를 발생시키는 애노드 및 수소를 발생시키는 캐소드로 모두 적용 가능한 양기능성이고, 낮은 과전압 및 우수한 안정성을 지닌다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 지지체인 니켈 발포체(nickel foam)의 표면 상에 직접 성장된 각각의 나노와이어 어레이가 강하게 부착된다. 따라서, 촉매 전극은 보다 낮은 전하 이동 저항을 가진다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 물 분자와 촉매 접촉할 수 있는 많은 친수성 영역을 포함하고, 표면적이 넓은 잘 분리된 나노와이어 어레이를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 태양 전지와 결합된 전해조를 통해 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 발생을 위한 모듈을 제공함으로써, 물 전기 분해를 위한 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 NCS NW/NF의 XRD 그래프이다.
도 2는 NCS NW/NF의 SEM 사진이다.
도 3은 NCS NW/NF의FE-TEM 사진이다.
도 4는NCS NW/NF의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 그래프이다.
도 5는 NCS NW / NF 샘플에 대한 3 전극 시스템에서, 산소 발생 반응 (OER) LSV 결과 (iR 보정 포함) 및 해당 Tafel 기울기 값을 도시한다.
도 6은 NCS NW / NF 샘플에 대한 3 전극 시스템에서, 수소 발생 반응 (HER) LSV 결과 (iR 보정 포함) 및 해당 Tafel 기울기 값을 도시한다.
도 7은 NCS NW/NF 전극의 내구성 테스트 결과이다.
도 8은 NCS NW/NF 전극을 물 전기 분해의 캐소드 및 애노드 모두에 적용했을 때의 모식도, 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction, OER) 분극 곡선(polarization curve) 및 안정성 테스트에 대한 그래프이다.
도 9는 물 전해조와 태양 전지가 결합된 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈에 대한 도면이다.
도 10은 ELS 스펙트라로써, 200kHz 내지 10mHz의 주파수 범위에서 0.5V AC 진폭의 인가된 전위에서 기록된 NCS NW/NF 전극의 나이퀴스트(Nyquist) 플롯이다.
도 11은 ECSA(electrochemically active surface aera)분석에 대한 그래프이다.
도 12는 물방울 실험에서 NCS NW/NF 전극의 접촉각을 나타내는 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 3D 다공성 집전 장치 및 스피넬 구조의 NiCo2S4 나노와이어 어레이(NCS NW/NF)를 포함하는 전극을 제공한다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전극은 알칼리 전해질에서 산소를 발생시키는 애노드 및 수소를 발생시키는 캐소드로 모두 적용 가능한 양기능성이고, 낮은 과전압 및 우수한 안정성을 지닌다. 따라서, 2 전극 알칼리 물 전해조는 태양 전지 셀 전류 밀도에 도달하기 위해 비싼 전기 촉매와 비교하여 더 낮은 셀 전압을 필요로 한다. 여기서, 나노와이어 어레이의 직경은 50 nm 내지 100 nm이고, 길이는 0.7 ㎛ 내지 1.5 ㎛ 일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 지지체인 니켈 발포체(nickel foam)의 표면 상에 직접 성장된 각각의 나노와이어 어레이가 강하게 부착된다. 따라서, 촉매 전극은 보다 낮은 전하 이동 저항을 가진다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 물 분자와 촉매 접촉할 수 있는 많은 친수성 영역을 포함하고, 표면적이 넓은 잘 분리된 나노와이어 어레이를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 수성 알칼리성 전해질에서 산소 발생 반응을 개시하기 위한 개시 전위가 보다 작다. 300 mV 미만의 과전압으로 태양 전지 대 연료 변환 전류 밀도에 도달할 수 있다. 또한, 전극은 15 % 미만의 작은 손실로 2 일 이상의 내구성을 보인다.
또한, 수성 알칼리성 전해질에서 수소 발생 반응을 개시하기 위한 개시 전위가 보다 작다. 250 mV 미만의 과전압으로 태양 전지 대 연료 변환 전류 밀도에 도달할 수 있다. 또한, 전극은 10 % 미만의 작은 손실로 2 일 이상의 내구성을 보인다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 물 전해조와 태양 전지가 연결된 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈을 제공할 수 있다. 이때, 솔라-투-수소 모듈은, 상기 전극이 물 전해조의 캐소드 및 애노드 모두에 적용되고, 상기 캐소드 및 애노드에 직접 연결된 양극 단자 및 음극 단자를 포함하는 태양 전지를 포함할 수 있다.
본 발명은 캐소드 및 애노드는 각각 수소 및 산소 발생을 제공한다.
이 전극 전기 분해 장치는 태양 전지 대 연료 변환 전류 밀도인 10 mA/cm2 를 얻기 위해 필요한 셀 전압이 1.65V 이하이며 2일 이상 구동 시에도 10% 미만의 작은 손실을 보였다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 활성 산소 및 수소 가스 발생은 1.68 V 이하의 셀 전압에서 발생된다.
이하, 실시예를 참조하여, 본 발명의 물 전기 분해를 위한 전극을 보다 상세히 설명한다.
제1 실시예- 니켈 발포체(nickel form, NF) 집전 장치(current collector) 표면 세척 단계
면적 2 cm2 및 두께 0.08 mm(MTI Korea) 의 니켈 발포체(NF)를 기판으로 사용하기 전에 3M 염산, 에탄올 및 탈이온수(각각 19분)에서 연속적으로 초음파 처리를 통해 세척하였다.
제2 실시예- NF 집전 장치 상에 간단한 수열합성법(hydrothermal approach)을 이용하여 니켈 코발트 황화물(NiCo 2 S 4 ) 나노와이어 어레이(nanowire array)를 형성하는 단계
질산 니켈 수화물(Ni(NO3)2.6H2O) 용액 및 질산 코발트 수화물 (Co(NO3)2.6H2O)을 1:2의 몰비(molar ratio)로 탈이온수에 준비하여 교반한다. 환원제로서 우레아 당량(equi-malar)을 상기 용액에 첨가하고, 혼합물을 특정 시간 동안 교반하여 균질한 전구체 용액을 얻는다. 혼합된 용액은 50 ml의 테플론 라이닝된 스테인레스 스틸 오토클레이브(Teflon-lined stainless-steel autoclave)로 이동되었다. 촉매의 인-시츄(in situ) 성장을 위해, 표면 세정된 NF를 전구체 용액에 침지시켰다. 오토클레이브를 단단히 잠그고 8시간 동안 120 ℃를 유지하였다. 일정 시간이 지난 후, NF 기판 상에 균질하게 성장한 Ni-Co-카보네이트 수산화물(Ni-Co-carbonates hydroxide) 나노와이어 어레이가 얻어졌고, 탈이온수에 수회 세척하였다.
제3 실시예- 나노와이어 어레이의 전환: Ni-Co-카보네이트 수산화물을 니켈 코발트 황화물로 전환
상기 제2 실시예에서 얻은 생성물을 8 시간 동안 160 ℃에서 황화(sulfurization)를 실시하였다. 구체적으로, 0.2 M의 황화 나트륨 (N2S.xH2O) 용액(황 전구체 용액)을 탈이온수에서 30분 동안 교반하여 준비하였다. 다음으로 상기 제2 실시예에서 얻은 NF 기판 상에 성장된 Ni-Co-카보네이트 수산화물 나노와이어 어레이 및 황 전구체 용액을 오토클레이브로 옮기고, 8 시간 동안 160 ℃로 유지하였다. 8 시간의 열처리 후, NF 상에 NiCo2S4로 변환된 나노와이어 어레이를 에탄올 및 탈이온수로 수회 세척하였다. 이후, 진공 상태에서 하루동안 60 ℃의 온도로 건조하였다. 이렇게 하여 준비된 NF 상에 형성된 NiCo2S4 나노와이어 어레이를 NCS NW/NF라고 칭한다.
제4실시예
상기 제3실시예에서 준비된 NCS NW/NF 전극 재료는 1M KOH 전해질에서 3 전극 시스템을 사용하여 예비 전기 화학적 성능을 나타낸다. 전형적인 셋업에서, 백금 와이어와 포화 칼로멜 전극 (satell calomel electrode, SCE)은 각각 집전 장치 및 기준 전극(reference electrode)으로 사용되었다.
도 1은 NCS NW/NF의 XRD 그래프이다. NCS NW/NF의 상(phase) 및 결정 구조를 확인하기 위해 XRD를 측정하였다.
도 1을 참고하면, NiCo2S4의 (220), (113), (004), (224), (115), 및 (044) 면에 대한 2 θ 회절 피크 값은 각각 26.7 °, 31.4°, 31.8°, 47.2°, 50.2°, 및 55°였다. 또한 스피넬 결정 구조를 가지는 큐빅 상(phase)이었다. NF 집전 장치로부터 44.2 °및 52 °의 두 개의 강한 피크를 관찰하였다. *로 표시한 21.7 °의 피크는 제3실시예에서 생성된 소량의 Ni3S2에 기인한 것으로 보인다.
도 2는 NCS NW/NF의 SEM 사진이다. NCS NW/NF의 FE-SEM을 분석하였다. 도 2a를 참고하면, NF 기판 상에 전체적으로 균일하게 NiCo2S4가 생성된 것을 알 수 있다. 도 2b를 참고하면, NiCo2S4가 3D 계층적 다공성 구조를 형성함을 알 수 있다. 도 2c 및 도 2d를 참고하면, NiCo2S4 나노와이어 어레이가 기판으로부터 거의 수직적으로 성장하였고, 뾰족한 끝을 가짐을 알 수 있다. 게다가, NiCo2S4 나노와이어 어레이가 잘 분리되었고, 평균 직경이 50 nm 내지 100 nm 이고, 수직적 성장 방향을 따른 평균 길이가 0.7 ㎛ 내지 1.5 ㎛ 이었다. 각 나노와이어 어레이는 NF 집전 장치의 표면에 직접적으로 접촉함을 알 수 있다.
도 3은 NCS NW/NF의FE-TEM 사진이다. 도 3을 참고하면, NCS NW/NF의 모폴로지를 보다 조사하기 위해 FE-TEM을 분석하였다. 도 3a를 참고하면, 나노와이어 어레이의 고해상도 TEM(HRTEM) 사진은 격자면이, 다결정(polycrystalline) 성질과 일치하는 무작위한 방위를 가짐을 보여준다. 도 3에서 두 줄무늬 사이에서 측정된 격자 간격은 0.28 nm 및 0.16 nm이고 이는 XRD 결과에 따라 NiCo2S4의 (113) 및 (044) 격자면의 회절과 각각 일치했다. 도 3b를 참고하면, 대응하는 선택된 영역 전자 회절 (SAED) 패턴은 NiCo2S4 나노와이어 어레이의 다결정 성질을 확인 하였다. 도 3c 내지 3f를 참고하면, TEM과 EDX 원소 맵핑은 NiCo2S4 나노와이어 어레이의 표면에서 검출 범위에 대해 Ni, Co 및 S 원자의 균일한 공간 분포의 중첩을 나타낸다.
도 4는 NCS NW/NF의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 그래프이다. NCS NW/NF의 니켈, 코발트 및 황 원소의 다양한 화학적 상태를 이해하기 위해 XPS 분석을 수행하였다. 도 4a 내지 도 4c는 Gaussian fitting 방법을 사용하여 얻은 NCS NW / NF의 일반적인 Co 2p, Ni 2p 및 S 2p XPS 스펙트럼을 표시한다.
도 4a에서, Co 2p XPS 스펙트럼은 두 개의 스핀 - 궤도 분할을 나타냈고, 하나는 778.8 eV 및 793.7eV에서, 다른 하나는 781.6 eV 및 797.3eV에서 였다. Co2p1/2 및 Co2p3/2의 스핀 - 궤도 분할 값은 15.1eV 및 16.3eV로, Co3+ 및 Co2+로 각각 분류 될 수 있다. 약한 피크는 Co 원자의 대부분이 Co3+ 상태에 있음을 나타낸다.
도 4b를 참고하면, Ni 2p XPS 스펙트럼에서, Ni 2p3/2에서 853.2 eV의 결합 에너지 및 Ni 2p1/2에서 872.6 eV 의 결합 에너지는 Ni2+의 스핀 - 궤도 특성을 나타낸다. 반면에, Ni 2p3/2에서 856.2 eV의 결합 에너지 및 Ni 2p1/2에서 874.4 eV 의 결합 에너지는 Ni3+의 스핀 - 궤도 특성을 나타낸다. 강한 피크는 Ni2+ 상태가 Ni 2p 스펙트럼에서 우세하다는 것을 알 수 있다.
도 4c를 참고하면, S 2p XPS 스펙트럼에서, 4개의 피크 및 한 개의 미세한 피크를 관찰하였다. 163.1 eV 및 161.8 eV에서의 피크는 각각 S 2p3/2 및 S 2p1/2 결합 에너지에 해당한다. 163.8 eV에서의 성분 피크는 NCS NW / NF 물질에서 금속 - 황 (M-S) 결합을 보여주고, 162.6 eV에서의 다른 성분 피크 는 표면에서 낮은 배위 상태의 황 이온의 존재를 암시한다.
상기 제3실시예에서 얻어진 NCS NW / NF의 전기 화학적 성능은 제4실시예에서 설명한 바와 같이 3 전극 시스템 설정에 의한 예비 시험에서 처음으로 이해할 수 있었다. linear sweep voltammogram(LSV)은 NCS NW / NF의 과전압을 측정하기 위해 수행되었다.
도 5는 NCS NW / NF 샘플에 대한 3 전극 시스템에서, 산소 발생 반응 (oxygen evolution reaction, OER) LSV 결과 (iR 보정 포함) 및 해당 Tafel 기울기 값을 도시한다. 도 5a를 참고하면, 1M KOH에서 10 mV s-1의 스캔 속도의 NCS NW / NF 샘플은 10 mA cm-2 의 전류 밀도에서 260 mV의 낮은 과전압을 나타내고, 도 5b를 참고하면, 40.1 mV dec-1의 Tafel 기울기를 나타냄을 알 수 있다. 또한 NCS NW / NF는 가장 높은 전류 밀도와 초기 OER 발현을 나타낸다.
도 6은 NCS NW / NF 샘플에 대한 3 전극 시스템에서, 수소 발생 반응 (HER) LSV 결과 (iR 보정 포함) 및 해당 Tafel 기울기 값을 도시한다. 도 6a를 참고하면, 1M KOH에서 10 mV s-1의 스캔 속도의 NCS NW / NF 샘플은 10 mA cm-2 의 전류 밀도에서 210mV의 낮은 과전압을 나타내고, 도 6b를 참고하면, 58.9 mV dec-1의 Tafel 기울기를 나타냄을 알 수 있다. 또한 NCS NW / NF는 가장 높은 전류 밀도와 초기 HER 발현을 나타낸다.
도 7은 NCS NW/NF 전극의 내구성 테스트 결과이다. 제4실시예에서 얻어진 NCS NW/NF 샘플에 대한 장기간의 전극 안정성 시험은 1M KOH 전해질에서 수행되었다.
도 7a에 도시한 바와 같이, NCS NW/NF의 안정성 시험은 10 mA cm-2의 전류 밀도에서, RHE 대비 1.527 V의 정적 포텐셜에서 수행되었다. NCS NW/NF 전극은, 연속 OER 동작의 50 시간 후 초기 활성 유지의 85 %를 나타냈다.
또한, 도 7b에 도시한 바와 같이, NCS NW / NF의 HER 안정성 시험은 18 mA cm-2 의 초기 전류 밀도에서, RHE 대비 -0.323 V의 정적 포텐셜에서 수행되었다. NCS NW/NF 전극은 연속 OER 동작의 50 시간 후 초기 활성 유지의 90 %를 나타냈다.
도 8은 NCS NW/NF 전극을 물 전기 분해의 캐소드 및 애노드 모두에 적용했을 때의 모식도, 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction, OER) 분극 곡선(polarization curve) 및 안정성 테스트에 대한 그래프이다.
도 8a를 참고하면, 상기 제3실시예에서 준비된 NCS NW/NF 전극(1 cm X 1 cm)은 물 전기 분해의 캐소드 및 애노드에 모두에 적용되었다. 예비 전기 화학 시험의 이해로부터 물 전기 분해의 양기능성 활성으로써 전극 재료의 평가를 실제적으로 이해하기 위해 2 전극 시스템에 적용하였다.
도 8b에서, NCS NW/NF 전극을 캐소드 및 애노드에 모두 적용한 물 전해조에 대한 LSV 곡선은 1M KOH 전해질에서 10 mA cm-2 전류 밀도를 제공하기 위해 1.63 V의 전지 전압을 나타낸다.
도 8c를 참고하면, NCS NW/NF 전극을 물 전기 분해의 캐소드 및 애노드 모두에 적용했을 때의 장기간의 전극 안정성 시험은 1M KOH 전해질에서 수행되었다. NCS NW/NF의 안정성 시험은 10 mA cm-2의 전류 밀도에서, 1.63 V의 정적 포텐셜에서 수행되었다. NCS NW/NF 전해조는, 연속 동작의 50 시간 후 초기 활성 유지의 90 %를 나타냈다.
도 9는 물 전해조와 태양 전지가 결합된 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈에 대한 도면이다.
도 9a를 참고하면, 2 전극(캐소드 및 애노드)의 물 전해조는 태양 전지(GaAs 박막)의 양극 및 음극 단자에 직접적으로 연결된다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 발생을 위해, 1.68 V의 안정한 전위가 태양 전지에 연결된 2 전극의 물 전해조에 인가되었다. 이러한 전위에서, 산소 및 수소 가스가 캐소드 및 애노드에 각각 연속적으로 발생함을 알 수 있다.
도 10은 ELS 스펙트라로써, 200kHz 내지 10mHz의 주파수 범위에서 0.5V AC 진폭의 인가된 전위에서 기록된 NCS NW/NF 전극의 나이퀴스트(Nyquist) 플롯이다. EIS 측정은 상기 제3실시예에서 얻어진 NF 집전 장치에 대한 NCS NW의 직접 성장 효과를 이해하기 위해 수행되어 전기 화학적 성능 특성을 더 이해한다. EIS는 0.5 V AC 진폭의 섭동 전위(perturbation potential)로 수행되었으며, 100 kHz에서 10 mHz까지 주파수를 스위핑(sweeping) 하였다.
도 10을 참고하면, NCS NW/NF가 18 Ohm 의 작은 RCT 값을 나타냄을 알 수 있다. NCS NW/NF에서 이러한 낮은 RCT 값은 전극과 전해질 계면에서의 빠른 전자 확산에 기여 할 수 있다.
도 11은 ECSA(electrochemically active surface aera)분석에 대한 그래프이다. 전해질 이온 이용에서 제3실시예에서 얻어진 NCS NW/NF의 모폴로지 효과를 이해하기 위해, 1M KOH 전해질의 전기 이중층 커패시턴스 (electrical double-layer capacitance, EDLC)를 통해 ECSA를 측정하였다.
도 11a는 10, 30, 50 및 70 mVs-1의 주사 속도(scan rate)인 NCS NW/NF전극의 순환 전압 전류 그래프(cyclic voltammogram)이다. 도 11b는 RHE 대비 0.875 V에서의 전류 밀도에 관한 그래프이다.
선형 플롯에서 이중층 커패시턴스(double-layer capacitance)의 계산된 값은 40 mF cm-2였다. NCS NW/NF의 커패시턴스가 상당히 높다는 것은 전기 화학적 표면적이 높고 표면 거칠기가 높음을 나타낸다.
도 12는 물방울 실험에서 NCS NW/NF 전극의 접촉각을 나타내는 도면이다. 표면 친수성을 이해하기 위해 NCS NW/NF 전극의 젖음성을 물방울 (100 μL)과 정적 접촉각법을 사용하여 분석 하였다. 도 12를 참고하면, NCS NW/NF 전극의 평균 접촉각은 ~ 15 °였으며, 이는 매우 친수성인 표면을 가짐을 의미한다. 물방울의 접촉각은 표면 거칠기의 영향을 받아 촉매의 습윤성 특성을 증폭시킬 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 다공성 니켈 발포체(nickel foam)인 지지체; 및
    상기 지지체 상에 성장된 Ni-Co-carbonates hydroxide 나노와이어 어레이로부터 변환되고, 스피넬(spinel) 구조를 갖는 니켈 코발트 황화물(NiCo2S4)을 포함하는 나노와이어 어레이(nanowire array)를 포함하는 물 전기 분해를 위한 전극.



  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 집전 장치(current collector)로써 작용하고, 상기 나노와이어 어레이는 촉매로써 작용하는 물 전기 분해를 위한 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노와이어 어레이의 직경은 50 nm 내지 100 nm 인 물 전기 분해를 위한 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노와이어 어레이의 길이는 0.7 ㎛ 내지 1.5 ㎛ 인 물 전기 분해를 위한 전극.
  6. 캐소드 및 애노드를 포함하는 물 전해조;
    상기 캐소드 및 애노드에 직접 연결된 양극 단자 및 음극 단자를 포함하는 태양 전지를 포함하고,
    상기 캐소드 및 애노드는,
    다공성 니켈 발포체(nickel foam)인 지지체; 및
    상기 지지체 상에 성장된 Ni-Co-carbonates hydroxide 나노와이어 어레이로부터 변환되고, 스피넬(spinel) 구조를 갖는 니켈 코발트 황화물(NiCo2S4)을 포함하는 나노와이어 어레이(nanowire array)를 포함하는 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈.



  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 지지체는 집전 장치(current collector)로써 작용하고, 상기 나노와이어 어레이는 촉매로써 작용하는 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 나노와이어 어레이의 직경은 50 nm 내지 100 nm 인 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 나노와이어 어레이의 길이는 0.7 ㎛ 내지 1.5 ㎛ 인 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈.
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