KR101952585B1 - Extensive water oxidation to reduction of ultra-durable non-precious electrocatalysts for alkaline water electrolysis - Google Patents

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Abstract

전기화학촉매-집전체의 제자리(in-situ) 혼성은 물 전기분해에서 낮은 반응 장벽을 가지면서 활성이 있고 매우 안정적인 전극으로서 기능한다. 다량으로 존재하며 값싼 비귀금속의 자가형성된 Ni3Se2/NF 전극은 1 M KOH에서 315 mV(가역 수소전극 대비)의 과전압에서 100 mA cm- 2 의 산소발생 애노드 전류밀도를 나타낸다. 100 mA cm-2의 정전류 밀도에서, Ni3Se2/NF 전극은 강알칼리 전해액에서 5.5%의 미미한 포텐셜 손실을 보이면서 285시간 동안 양호한 OER 안정성을 나타낸다. 따라서, Ni3Se2/NF 및 NiCo2S4/NF로 구축된 알칼리수 전해조는 1 M KOH에서 500시간 연속 가동시 10 mA cm-2의 전류 밀도를 생산하는데 1.58V를 필요로 한다. 알칼리수 전해조에서, 태양전지 패널을 이용한 광유도 수분해는 수소 연비향상의 측면에서 전기로부터 독립을 촉진할 수 있는 유망한 접근방법일 수 있다. 전반적으로, 이 방법은 다양한 공정과 기기를 간소화할 수 있기 때문에 물 분해장치의 가격을 낮출 수 있는 에너지 효율적인 방법들 중 하나이다.The in-situ hybridization of the electrochemical catalyst-current collector is active with a low reaction barrier in water electrolysis and functions as a very stable electrode. It exists in a large amount and Ni 3 Se 2 / NF electrodes formed characters of cheap non-noble metal is from 1 100 mA cm voltage of 315 mV (against a reversible hydrogen electrode) at M KOH - an oxygen generating an anode current density of 2. At a constant current density of 100 mA cm -2 , the Ni 3 Se 2 / NF electrode shows good OER stability for 285 hours with a slight potential loss of 5.5% in the strongly alkaline electrolyte. Thus, alkaline water electrolysis cells constructed with Ni 3 Se 2 / NF and NiCo 2 S 4 / NF require 1.58 V to produce a current density of 10 mA cm -2 at 500 Mh of continuous operation at 1 M KOH. In alkaline water electrolysis systems, mineral oil water degradation using solar panels can be a promising approach to promote independence from electricity in terms of improving hydrogen fuel economy. Overall, this method is one of the energy-efficient methods to lower the cost of the water separator because it can simplify various processes and equipment.

Description

알칼리성 물 전기 분해를 위한 고내구성 비귀금속 전기화학 촉매의 감소를 위한 광범위한 물의 산화{Extensive water oxidation to reduction of ultra-durable non-precious electrocatalysts for alkaline water electrolysis}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to the oxidation of a wide range of water for the reduction of high durability noble metal electrochemical catalysts for alkaline water electrolysis,

본 발명의 다양한 실시예는 물 전기 분해를 위한 전극, 이를 포함하는 물 전해조 및 및 이를 포함하는 솔라-투-수소 모듈에 관한 것이다. Various embodiments of the present invention are directed to an electrode for water electrolysis, a water electrolyzer comprising the same, and a solar-to-hydrogen module comprising the same.

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. Hydrogen is attracting attention as a future energy source, such as fuel cells, and hydrogen production technology is also attracting attention. Currently, technologies for leading hydrogen production include steam reforming of natural gas, gasification of coal and petroleum coke, and gasification and reforming of heavy oil.

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. Water electrolysis, one of the hydrogen production technologies, has been known for nearly 200 years but contributes only 4% of the world's hydrogen production. In addition, it has been difficult to mass-produce hydrogen due to the disadvantage of requiring a lot of electricity for water electrolysis or using a noble metal catalyst such as platinum. Water electrolysis works well when using electricity derived from renewable energy sources and is fully sustainable.

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. Until now, the catalyst preparation process has resulted in high cost for practical applications because of the instability of the coating and the inability to make an efficient electrode-electrical interface at the membrane electrode assembly (MEA).

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.On the other hand, an electrolyzer combined with a solar cell for solar to hydrogen generation is one of the suitable ways to reduce the cost for water electrolysis. Further, studies are being actively carried out to improve the electrode material and to lower the hydrogen production cost by various simplified processes and equipments.

본 발명의 다양한 실시예에서는, 상기 문제점을 보완하기 위해, 저가이면서 고효율의 전극을 제공하고자 한다. 또한, 이러한 전극으로 구성된 물 전해조와 태양 전지가 결합된 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈을 제공하고자 한다. In various embodiments of the present invention, in order to solve the problem, it is desired to provide a low-cost and high-efficiency electrode. Also, a solar-to-hydrogen module in which a water electrolytic cell composed of such an electrode and a solar cell are combined is provided.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 물 전기 분해를 위한 전극은, 지지체; 및 상기 지지체 상에 형성된 니켈 셀레늄(Ni3Se2)을 포함할 수 있다. An electrode for water electrolysis according to various embodiments of the present invention comprises: a support; And nickel selenide (Ni 3 Se 2 ) formed on the support.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 물 전해조는, 지지체 및 상기 지지체 상에 형성된 니켈 코발트 황화물(NiCo2S4)을 포함하는 캐소드; 및 지지체 및 상기 지지체 상에 형성된 니켈 셀레늄(Ni3Se2)을 포함하는 애노드를 포함할 수 있다.A water electrolyzer according to various embodiments of the present invention includes a cathode comprising a support and a nickel cobalt sulfide (NiCo 2 S 4 ) formed on the support; And an anode comprising a support and nickel selenium (Ni 3 Se 2 ) formed on the support.

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 캐소드는, 지지체; 및 상기 지지체 상에 형성된 니켈 코발트 황화물(NiCo2S4)을 포함하고, 상기 애노드는, 지지체; 및 상기 지지체 상에 형성된 니켈 셀레늄(Ni3Se2)을 포함할 수 있다.A solar-to-hydrogen module according to various embodiments of the present invention includes a water electrolytic cell including a cathode and an anode; And a solar cell including a cathode terminal and a cathode terminal directly connected to the cathode and the anode, wherein the cathode comprises: a support; And a nickel cobalt sulfide (NiCo 2 S 4 ) formed on the support, wherein the anode comprises: a support; And nickel selenide (Ni 3 Se 2 ) formed on the support.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 전극은 알칼리 전해질에서 산소를 발생시키는 애노드에 적용가능하고, 낮은 과전압 및 우수한 안정성을 지닌다. The electrode according to various embodiments of the present invention is applicable to an anode that generates oxygen in an alkali electrolyte, has low overvoltage and excellent stability.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 지지체인 니켈 발포체(nickel foam)의 표면 상에 Ni3Se2 이 직접 형성된다. 따라서, 촉매 전극은 보다 낮은 전하 이동 저항을 가진다.According to various embodiments of the present invention, Ni 3 Se 2 is directly formed on the surface of the nickel foam as a support. Thus, the catalyst electrode has a lower charge transfer resistance.

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.According to various embodiments of the present invention, the cost for water electrolysis can be reduced by providing a module for solar to hydrogen generation through an electrolytic cell coupled with a solar cell.

도 1은 수열합성법(hydrothermal method)에 의한 Ni3Se2/NF 전기 촉매의 인 시츄 (in-situ) 형성의 개략도이다.
도 2a는 Ni3Se2/NF 의 XRD 그래프이다.
도 2b는 니켈 원자 및 셀레늄 원자 사이의 결정 구조를 도시한다.
도 2c는 Ni3Se2 전극의 SEM사진이다.
도 3은 니켈 발포체 및 이 위에 형성된 Ni3Se2 의 표면 모폴로지를 보여준다.
도 4는 Ni3Se2/NF의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 그래프이다.
도 5a는 산소 포화 1M KOH에서 Ni3Se2/NF, NiSe/NF, NF 및 RuO2/GC 전극의 OER LSV를 보여준다.
도 5b는 Ni3Se2/NF, NiSe/NF, NF 및 RuO2/GC 전극의 Tafel 기울기를 보여준다.
도 5c는 Ni3Se2/NF 전극의 285 시간 연속 내구성을 측정한 그래프이다.
도 5d는 Ni3Se2/NF 전극의 전위 시프트, 전위 손실 및 보유율에 대한 그래프이다.
도 5e는 Ni3Se2/NF 전극의 과전압 시프트 측정 그래프이다.
도 6은 285 시간 연속 내구성 시험 후 Ni3Se2/NF 전극의 XRD 그래프이다.
도 7은 285 시간 연속 내구성 시험 후 Ni3Se2/NF 전극의 SEM 사진들이다.
도 8은 285 시간 연속 내구성 시험 후 Ni3Se2/NF 전극의 XPS 스펙트라이다.
도 9는 285 시간 연속 내구성 시험 후 Ni3Se2/NF 전극의 EIS 스펙트라이다.
도 10은 285 시간 연속 내구성 시험 후 Ni3Se2/NF 전극의 ECSA 분석 결과이다.
도 11은 ELS 스펙트라로써, 개방 회로 전압 (open circuit voltage, OCV) 및 1.597 V (vs RHE) 에서 기록된 Ni3Se2/NF 전극의 나이퀴스트(Nyquist) 플롯이다.
도 12a는 알칼라인 물 전해조의 2 전극 시스템에 적용한 사진이다.
도 12b는 애노드 물질로 RuO2/NF를 적용하고, 캐소드 물질로Pt/C(40%)/NF를 적용(이하, RuO2/NF//Pt/C(40%)/NF로 칭한다.)한 2 전극 시스템 및 상기 Ni3Se2/NF//NiCo2S4/NF의 2 전극 시스템의 셀 전압(iR 보상)을 보여준다.
도 12c는 장기 내구성 시험에 대한 그래프이다.
도 13은 물 전해조와 태양 전지가 결합된 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈에 대한 도면이다.
Figure 1 is a schematic diagram of in situ formation of a Ni 3 Se 2 / NF electrocatalyst by hydrothermal method.
2A is an XRD graph of Ni 3 Se 2 / NF.
Figure 2b shows the crystal structure between nickel and selenium atoms.
2C is a SEM photograph of the Ni 3 Se 2 electrode.
Figure 3 shows the surface morphology of a nickel foam and Ni 3 Se 2 formed thereon.
4 is an XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) graph of Ni 3 Se 2 / NF.
Figure 5a shows the OER LSV of Ni 3 Se 2 / NF, NiSe / NF, NF and RuO 2 / GC electrodes in oxygen saturated 1 M KOH.
5B shows the Tafel slope of Ni 3 Se 2 / NF, NiSe / NF, NF and RuO 2 / GC electrodes.
FIG. 5C is a graph showing the continuous durability of the Ni 3 Se 2 / NF electrode for 285 hours.
5D is a graph showing the potential shift, the potential loss, and the retention ratio of the Ni 3 Se 2 / NF electrode.
5E is a graph of overvoltage shift measurement of a Ni 3 Se 2 / NF electrode.
6 is an XRD graph of a Ni 3 Se 2 / NF electrode after a 285 hour continuous durability test.
FIG. 7 is a SEM photograph of a Ni 3 Se 2 / NF electrode after 285 hours of continuous durability test.
8 is the XPS spectrum of the Ni 3 Se 2 / NF electrode after a 285 hour continuous durability test.
Figure 9 is the EIS spectra of a Ni 3 Se 2 / NF electrode after a 285 hour continuous durability test.
10 shows the result of ECSA analysis of the Ni 3 Se 2 / NF electrode after the 285-hour continuous durability test.
Figure 11 is a Nyquist plot of Ni 3 Se 2 / NF electrodes recorded at an open circuit voltage (OCV) and 1.597 V (vs RHE) as ELS spectra.
12A is a photograph of a two-electrode system of an alkaline water electrolyzer.
FIG. 12B shows a case where RuO 2 / NF is applied as an anode material and Pt / C (40%) / NF is applied as a cathode material (hereinafter referred to as RuO 2 / NF // Pt / C (40% Cell voltage (iR compensation) of the two-electrode system and the Ni 3 Se 2 / NF // NiCo 2 S 4 / NF two-electrode system.
12C is a graph for a long term durability test.
13 is a diagram of a solar-to-hydrogen module in which a water electrolyzer and a solar cell are combined.

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. Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings. It is to be understood that the embodiments and terminologies used herein are not intended to limit the invention to the particular embodiments described, but to include various modifications, equivalents, and / or alternatives of the embodiments.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 3D 다공성 집전 장치 및 니켈 셀레늄(Ni3Se2)을 포함하는 전극을 제공한다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전극은 낮은 과전압 및 우수한 안정성을 지닌다. The present invention provides an electrode comprising a 3D porous current collector and nickel selenium (Ni 3 Se 2 ). The electrodes according to various embodiments of the present invention have low overvoltage and excellent stability.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 지지체인 니켈 발포체(nickel foam)의 표면 상에 니켈 셀레늄(Ni3Se2)이 직접 성장한다. 따라서, 촉매 전극은 보다 낮은 전하 이동 저항을 가진다.According to various embodiments of the present invention, nickel selenium (Ni 3 Se 2 ) is directly grown on the surface of the support nickel foam. Thus, the catalyst electrode has a lower charge transfer resistance.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 캐소드 및 애노드를 포함하는 물 전해조를 제공할 수 있다. 이 때, 캐소드는, 지지체 및 상기 지지체 상에 형성된 니켈 코발트 황화물(NiCo2S4)을 포함할 수 있다. 애노드는, 지지체 및 상기 지지체 상에 형성된 니켈 셀레늄(Ni3Se2)을 포함할 수 있다. 지지체는 집전 장치(current collector)로써 작용하고, 상기 니켈 코발트 황화물(NiCo2S4) 또는 니켈 셀레늄(Ni3Se2)은 촉매로써 작용할 수 있다.According to various embodiments of the present invention, it is possible to provide a water electrolyzer comprising a cathode and an anode. At this time, the cathode may include a support and a nickel cobalt sulfide (NiCo 2 S 4 ) formed on the support. The anode may comprise a support and nickel selenium (Ni 3 Se 2 ) formed on the support. The support acts as a current collector and the nickel cobalt sulphide (NiCo 2 S 4 ) or nickel selenium (Ni 3 Se 2 ) can act as a catalyst.

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 물 전해조의 캐소드 및 애노드에 직접 연결된 양극 단자 및 음극 단자를 포함하는 태양 전지를 포함할 수 있다. According to various embodiments of the present invention, a solar-to-hydrogen module with a water electrolyzer and a solar cell connected thereto can be provided. In this case, the solar-to-hydrogen module may include a solar cell including a cathode and a cathode terminal directly connected to the cathode and the anode of the water electrolyzer.

이하, 실시예를 참조하여, 본 발명의 물 전기 분해를 위한 전극을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the electrode for water electrolysis of the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

실시예Example - 니켈 - Nickel 발포체Foam (nickel form, (nickel form, NFNF ) 상에 형성된 니켈 셀레늄(Lt; RTI ID = 0.0 > selenium < / RTI & NiNi 33 SeSe 22 )의 제조)

셀레늄 (Se) 분말 및 에틸렌 디아민 (99 %, C2H8N2)은 Alfa Aesar 사 제품을 사용하였다. 니켈 발포체(> 99.99 %, 80 μm)는 MTI Korea에서 구입하여 지지체 및 니켈 원료로 사용하였다.Selenium (Se) powder and ethylenediamine (99%, C 2 H 8 N 2 ) were manufactured by Alfa Aesar. Nickel foam (> 99.99%, 80 μm) was purchased from MTI Korea and used as a support and nickel material.

표면이 산화된 니켈을 용해시켜 니켈 금속을 노출시키기 위해 니켈 발포체 (1 cm x 1 cm) 조각을 3 M 염산, 에탄올 및 탈 이온수로 각각 세척했다. 셀레늄 분말 (0.022 g)을 30 분 초음파 처리에 의해 에틸렌 디아민 (25 mL)과 탈 이온수 (15 mL)의 혼합물에 분산시켰다. 그 다음, 셀레늄 용액을 테플론 용기에 옮기고, 세척된 니켈 발포체(0.0441g)를 용액에 담그었다. 그 다음, 테프론 용기를 밀봉하고 파르 (Parr) 오토 클레이브에서 160 ℃에서 25 시간 동안 유지 하였다. 25 시간 후, Ni3Se2가 형성된 니켈 발포체(이하, Ni3Se2/NF라고 칭한다) 샘플을 꺼내어 몇 차례 탈 이온수로 세척하여 용매 및 미 반응 셀레늄을 제거 하였다. 수분을 제거하기 위해, Ni3Se2/NF를 진공하에 60 ℃에서 밤새 건조시켰다. The nickel foams (1 cm x 1 cm) pieces were washed with 3 M hydrochloric acid, ethanol and deionized water, respectively, in order to dissolve the surface oxidized nickel and expose the nickel metal. Selenium powder (0.022 g) was dispersed in a mixture of ethylenediamine (25 mL) and deionized water (15 mL) by sonication for 30 min. The selenium solution was then transferred to a Teflon container and the washed nickel foam (0.0441 g) was immersed in the solution. The Teflon vessel was then sealed and maintained in a Parr autoclave at 160 DEG C for 25 hours. After 25 hours, a sample of nickel foam (hereinafter referred to as Ni 3 Se 2 / NF) with Ni 3 Se 2 formed was taken out and washed several times with deionized water to remove the solvent and unreacted selenium. To remove moisture, Ni 3 Se 2 / NF was dried under vacuum at 60 ° C overnight.

비교예Comparative Example

셀레늄 양을 변화시켜 니켈 발포체 상에 형성된 NiSe(이하, NiSe/NF라고 칭한다)를 제조하였다는 점을 제외하고는 실시예와 동일한 조건에서 제조하였다.Except that NiSe (hereinafter referred to as NiSe / NF) formed on a nickel foam was produced by changing the amount of selenium.

도 1은 수열합성법(hydrothermal method)에 의한 Ni3Se2/NF 전기 촉매의 인 시츄 (in-situ) 형성의 개략도이다. 표면 세척된 다공성 3D 니켈 발포체(NF)는 Ni 공급원뿐만 아니라 지지체로 사용되었다. 도 1a를 참고하면, 결정 구조는 밀집된 니켈 원자를 표시하고, 금속 니켈 내에서의 Ni-Ni 결합은 그림에서와 같이 매우 짧다. 반응을 향상시키기 위해 셀레늄 분말을 탈 이온수와 에틸렌 디아민 (3 : 5)의 혼합물에 분산시키고 Teflon-lined Parr 오토 클레이브로 옮겼다. Figure 1 is a schematic diagram of in situ formation of a Ni 3 Se 2 / NF electrocatalyst by hydrothermal method. Surface cleaned porous 3D nickel foam (NF) was used as a support as well as a Ni source. Referring to FIG. 1A, the crystal structure indicates dense nickel atoms, and the Ni-Ni bonds in metallic nickel are very short as shown in the figure. To improve the reaction, the selenium powder was dispersed in a mixture of deionized water and ethylenediamine (3: 5) and transferred to a Teflon-lined Parr autoclave.

도 1b를 참고하면, 니켈 발포체를 용액에 담근 후, Se 원소에 의해 둘러 싸였다. 도 1c를 참고하면, 160 ℃에서 NF 표면의 Ni 이온은 셀레늄 이온과 반응하여 Ni-Se 결합을 형성하며, 특히 각 Ni 원자는 결정 구조에서 4 개의 Se 원자와 결합한다. 25 시간 연속 반응을 하는 동안 모든 Se 이온은 Ni 이온과 반응하고 NF 표면은 Ni3Se2로 완전히 전환된다. Referring to FIG. 1B, the nickel foam was immersed in the solution and surrounded by Se element. Referring to FIG. 1C, at 160 DEG C, Ni ions on the NF surface react with selenium ions to form Ni-Se bonds. Specifically, each Ni atom bonds with four Se atoms in the crystal structure. During the 25 hour continuous reaction, all Se ions react with Ni ions and the NF surface is completely converted to Ni 3 Se 2 .

도 1d에 도시된 바와 같이, 표면 Ni는 Se와 반응하여 미반응 Ni 원자와 강하게 결합된 Ni3Se2로 완전히 전환된다. Ni3Se2 결정 구조는 Ni와 Se 원자의 사면체 배열을 보여준다.As shown in Fig. 1d, the surface Ni reacts with Se and is completely converted to Ni 3 Se 2 , which is strongly bound to unreacted Ni atoms. The Ni 3 Se 2 crystal structure shows the tetrahedral arrangement of Ni and Se atoms.

도 2a는 Ni3Se2/NF 의 XRD 그래프이다. 2A is an XRD graph of Ni 3 Se 2 / NF.

도 2a를 참고하면, Rhombohedral 결정 구조 (JCPS : 01-085-0754)로 Ni3Se2상이 형성됨을 보여준다. 44.3 o, 51.6 o 및 76.2 o의 2θ 값에서 3 개의 강한 특성 피크는 니켈 발포체 지지체(JCPDS : 98-004-3397)와 관련되어있다. XRD 상 분석을 통해 불순물이 없는 니켈 발포체에서 순수한 Ni3Se2 전기 촉매의 형성에 대한 셀레늄과 니켈 이온 간의 반응을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 2A, it is shown that a Ni 3 Se 2 phase is formed with Rhombohedral crystal structure (JCPS: 01-085-0754). Three strong characteristic peaks at 2θ values of 44.3 ° , 51.6 ° and 76.2 ° are associated with the nickel foam support (JCPDS: 98-004-3397). XRD phase analysis confirms the reaction between selenium and nickel ions on the formation of pure Ni 3 Se 2 electrocatalyst in impurity-free nickel foams.

도 2b는 니켈 원자 및 셀레늄 원자 사이의 결정 구조를 도시한다. 도 2b를 참고하면, 니켈 원자 위치 및 니켈 (파란색)과 셀레늄 (금색) 원자 사이의 잠재적인 이온 결합을 도시한다. 결정 구조에서 각 니켈 원자는 사면체 환경에서 4 개의 셀레늄 원자와 결합되어있다. 도 2c는 Ni3Se2 전극의 SEM사진이다. 도 2c를 참고하면, 니켈 발포체 표면이 Ni3Se2 로 성공적으로 전환 한 것을 보여준다. Figure 2b shows the crystal structure between nickel and selenium atoms. Referring to FIG. 2B, there is shown a potential ionic bond between a nickel atomic position and a nickel (blue) and selenium (gold) atom. In the crystal structure, each nickel atom is bonded to four selenium atoms in a tetrahedral environment. 2C is a SEM photograph of the Ni 3 Se 2 electrode. Referring to FIG. 2C, it is shown that the nickel foam surface successfully converted to Ni 3 Se 2 .

도 3은 니켈 발포체 및 이 위에 형성된 Ni3Se2 의 표면 모폴로지를 보여준다. Figure 3 shows the surface morphology of a nickel foam and Ni 3 Se 2 formed thereon.

도 3a는 다공성 3D 니켈 발포체의 매끄러운 표면을 나타낸다. 도 3b 및 도 3c는 전극 표면의 저배율 이미지이며 다중 공극을 갖는 다공성 Ni3Se2 전기 촉매의 균일한 형성을 보여준다. 도 3d는 고배율 이미지로서, 울퉁불퉁한 표면을 가진 전기 촉매의 콜리 플라워 모양의 형태를 보여준다. 각 모양의 크기는 ~ 1.5μm이며 기공의 크기는 ~ 300 nm이다. 표면이 거친이 다공성 전극은 보다 많은 활성 부위의 노출 및 전해질 접근성으로 인해 촉매의 전기 화학적 성능을 증가시킬 수 있다. 게다가, 이는 전극 표면상의 전극 촉매 물질의 물리적 손상 없이 전극 표면으로부터 형성된 가스 버블을 배배출하는 양호한 경로를 만들 수 있다. 또한 Ni3Se2/NF는, 지지체 표면에 Ni 및 Se 이온이 모두 증착되는 것보다 지지체와 보다 강하게 연결된다. 보다 명확하게, Se 이온은 지지체의 Ni 이온과 상호 작용하여 Ni3Se2/NF 전극 촉매를 형성 할 수 있다. 나노 막대, 나노 와이어, 나노 튜브와 같은 전기 촉매의 다른 형태와 비교할 때, 이런 형태는 화학적 및 물리적 교란으로부터 더 안정적이다.Figure 3a shows a smooth surface of a porous 3D nickel foam. Figures 3b and 3c show a uniform formation of a porous Ni 3 Se 2 electrocatalyst having multiple voids and a low magnification image of the electrode surface. FIG. 3D shows a cauliflower shape of an electrocatalyst having a rough surface, as a high magnification image. The size of each shape is ~ 1.5μm and the pore size is ~ 300nm. The rough porous electrode can increase the electrochemical performance of the catalyst due to more active site exposure and electrolyte accessibility. In addition, this can create a good path for draining gas bubbles formed from the electrode surface without physical damage to the electrode catalyst material on the electrode surface. Also, Ni 3 Se 2 / NF is more strongly bonded to the support than to Ni and Se ions deposited on the support surface. More specifically, the Se ions can interact with the Ni ions of the support to form a Ni 3 Se 2 / NF electrode catalyst. Compared to other forms of electrocatalysts such as nanorods, nanowires, and nanotubes, this form is more stable from chemical and physical disturbances.

도 4는 Ni3Se2/NF의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 그래프이다. 합성된 Ni3Se2/NF 전기 촉매의 표면 근처의 Ni 및 Se 원소의 다양한 전자 상태가 X 선 광전자 분광법을 사용하여 추가로 조사되었다. 4 is an XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) graph of Ni 3 Se 2 / NF. Various electronic states of Ni and Se elements near the surface of the synthesized Ni 3 Se 2 / NF electrocatalyst were further investigated using X-ray photoelectron spectroscopy.

도 4a를 참고하면, Ni3Se2 전기 촉매의 Ni 2p 스펙트럼은 두 개의 shakeup 피크와의 스핀 - 궤도 결합으로 인해 2p3 /2 및 2p1 /2 이중선으로 뒤얽혀있을 수 있다. 피크 피팅 분석에서, Ni2p3 /2 및 872.1eV Ni2p1 /3에 대한 854.7 eV에서의 결합 에너지는 Ni2 +의 스핀 궤도 특성이다. Ni 2p 스펙트럼은 또한 Ni3 +의 존재 가능성을 배제한다. 그것은 Ni의 대부분이 Ni2 + 상태의 형태로 존재한다는 것을 분명히 보여준다. Ni 2p 스펙트럼에서 강렬한 피크의 출현은 Ni3Se2 전극 촉매에서 Ni2 +의 주된 존재에 대한 또 다른 증거이다. Referring to FIG. 4a, Ni 3 Ni 2p spectrum of the Se 2 electrocatalyst is a spin of the two peak shakeup - may be entangled with 2p 3/2 and 2p 1/2 doublets due to orbital coupling. In the peak fit analysis, the binding energy at 854.7 eV for Ni2p 3/2 and 872.1eV Ni2p 1/3 is the spin-orbit characteristics of Ni + 2. Ni 2p spectrum is also the elimination of the possible presence of Ni 3 +. It clearly shows that most of Ni exists in the form of Ni 2 + states. The appearance of intense peaks in the Ni 2p spectrum is another evidence for the predominant presence of Ni 2 + in Ni 3 Se 2 electrode catalysts.

도 4b는 Se 3d 고분해능 XPS 스펙트럼의 상세한 분석을 도시한다. 특히, Ni3Se2의 Se 3d 스펙트럼에는 3d5 /2 및 3d3 /2 이중 피크가 잘 맞을 수 있다. 구체적으로, 이중 에너지 분리는 ~ 0.8 V이며 표준 관찰과 완벽하게 일치한다. 그래서 Se (Se2-)의 2 가의 상태를 확인하고 가능한 한 한 종류의 금속 - 셀레 나이드 결합 (Ni-Se)을 만든다. 이로부터 Ni3Se2 형태로 Ni-Se 화합물이 성공적으로 형성됨을 알 수 있다. Figure 4b shows a detailed analysis of the Se 3d high resolution XPS spectrum. In particular, the Ni 3 Se 2 Se 3d spectrum may have better fit 3d 5/2 and 3d 3/2 doublet. Specifically, the dual energy separation is ~0.8 V and is perfectly consistent with standard observations. So we check the bivalent state of Se (Se 2- ) and make one kind of metal-selenide bond (Ni-Se) as possible. From this, it can be seen that the Ni-Se compound was successfully formed in the form of Ni 3 Se 2 .

도 5a는 산소 포화 1M KOH에서 Ni3Se2/NF, NiSe/NF, NF 및 RuO2/GC 전극의 OER LSV를 보여준다. 실시예에 따라 준비된 전극의 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction, OER) 활성은 백금 및 포화 칼로멜 전극(saturated calomel electrode)을 각각 상대 전극 및 기준 전극으로서 갖는 3 전극 시스템을 사용하여 평가하였다. Figure 5a shows the OER LSV of Ni 3 Se 2 / NF, NiSe / NF, NF and RuO 2 / GC electrodes in oxygen saturated 1 M KOH. The oxygen evolution reaction (OER) activity of the electrodes prepared according to the examples was evaluated using a three-electrode system having platinum and saturated calomel electrodes as counter electrodes and reference electrodes, respectively.

도 5a를 참고하면, 강한 산화 피크는 전기 화학적 성능 동안 Ni(II)-Ni(III) 전환으로 인해 ~ 1.38 V에서 발견되었다. 표면 Ni 원자는 Ni3Se2/NF 전극의 표면에서 NiOOH로 부분적으로 산화되었다는 것이 증명되었다. 흥미롭게도, 산화 피크는 다른 전극 촉매보다 높으며 Ni3Se2/NF 표면에 많은 활성 사이트(NiOOH)가 형성됨을 의미한다. ~ 1.38V (vs RHE)에서 강렬한 Ni 산화[Ni(II)-Ni(III)] 피크로 인해, 10 mA cm-2 전류 밀도에서의 산소 발생 과전압 측정은 어렵거나 정확하지 않았다. 따라서 본 실험에서는 100 mA cm-2의 높은 전류 밀도에서 과전압을 측정했다. 그 결과는 하기 표 1과 같다.Referring to Figure 5a, strong oxidation peaks were found at ~ 1.38 V due to Ni (II) -Ni (III) conversion during electrochemical performance. Surface Ni atoms were partially oxidized to NiOOH on the surface of the Ni 3 Se 2 / NF electrode. Interestingly, the oxidation peak is higher than other electrode catalysts and means that many active sites (NiOOH) are formed on the Ni 3 Se 2 / NF surface. Oxygen overvoltage measurements at 10 mA cm -2 current density were not difficult or precise due to intense Ni oxide [Ni (II) -Ni (III)] peaks at ~ 1.38 V (vs RHE). Therefore, in this experiment, the overvoltage was measured at a high current density of 100 mA cm -2 . The results are shown in Table 1 below.

CatalystCatalyst OER Overpotential
(mV)
@ 100mVcm-2
OER Overpotential
(mV)
@ 100mVcm -2
Tafel Slope
(mV dec-1)
Tafel Slope
(mV dec -1 )
Specific Activity
(mV cm( geo ) -2)
@1.60V vs RHE
Specific Activity
(mV cm ( geo ) -2 )
@ 1.60V vs RHE
Ni3Se2/NFNi 3 Se 2 / NF 315315 32.332.3 241.1241.1 NiSe/NF NiSe / NF 411411 40.340.3 49.849.8 RuO2 RuO 2 420420 63.263.2 29.729.7 NFNF -- 116.9116.9 6.26.2

표 1을 참고하면, Ni3Se2/NF 전극은 315 mV 과전압에서 100 mA cm-2의 산소 방출 전류 밀도를 제공한다. NiSe/NF 및 RuO2/GC 전극의 경우 각각 100 mA cm-2의 전류 밀도를 얻기 위해 411 mV 및 420 mV의 과전압이 필요하며 또한 NF는 1 M KOH에서의 1.7 V vs RHE 에서조차 매우 적은 전류 밀도 (~ 50 mA cm- 2)를 보였다. 모든 전극 촉매의 특정 활동(specific activity)은 1.60 V vs RHE 에서 OER 곡선으로부터 계산하였다. 표 1을 참고하면, Ni3Se2/NF 전기 촉매는 RuO2/GC 및 NiSe/NF 전극 촉매보다 각각 8 배 및 5 배 높은 241.1 mA cm(geo)-2의 최대 값을 나타냈다. Ni3Se2/NF 전극 촉매의 촉매 활성이 크게 향상된 것은 표면적의 증가로 인한 것일 수 있다. 또한, Ni3Se2/NF 전극은 수소 발생 반응에 대해 활성화되어 있으며 동일한 알칼리 환경 (1M KOH)에서 150 mV의 개시 과전압을 나타낸다. 즉, Ni3Se2/NF 전기 촉매가 전체 물 분해에 유리한 활성을 갖는다는 것을 의미한다.Referring to Table 1, the Ni 3 Se 2 / NF electrode provides an oxygen emission current density of 100 mA cm -2 at 315 mV overvoltage. Overvoltages of 411 mV and 420 mV are required to obtain a current density of 100 mA cm -2 for NiSe / NF and RuO 2 / GC electrodes, respectively, and NF is very low even at 1.7 V vs RHE at 1 M KOH (~ 50 mA cm - 2 ). The specific activity of all electrocatalysts was calculated from the OER curve at 1.60 V vs RHE. Referring to Table 1, the Ni 3 Se 2 / NF electrocatalyst exhibited a maximum of 241.1 mA cm (geo) -2 , 8 times and 5 times higher than the RuO 2 / GC and NiSe / NF electrode catalyst, respectively. A significant improvement in the catalytic activity of the Ni 3 Se 2 / NF electrode catalyst may be due to an increase in surface area. In addition, the Ni 3 Se 2 / NF electrode is activated for the hydrogen evolution reaction and exhibits an initial overvoltage of 150 mV in the same alkaline environment (1 M KOH). That is, it means that the Ni 3 Se 2 / NF electrocatalyst has an activity favorable to the total water decomposition.

이 비교는 Ni3Se2/NF 전극 촉매가 값비싼 전극 촉매 RuO2/GC보다 매우 낮은 과전압을 나타내며, ~ 100 mc-2에서 과전압의 차이가 ~ 105 mV 로써 차이가 크다는 것을 알 수 있다. 또한, NiS/NF, Ni-B/NF, Co0 . 13Ni0 . 87Se2/Ti 메쉬 등 최근 보고된 전극 촉매는 100 mA cm-2의 전류 밀도에 도달하기 위해서는 매우 높은 과전압이 필요하다. 따라서, Ni3Se2 / NF 전극은 보다 높은 양극 전류 밀도에 대해 매우 낮은 과전압을 필요로 한다.This comparison shows that the Ni 3 Se 2 / NF electrocatalyst exhibits a much lower overvoltage than the more expensive electrode catalyst RuO 2 / GC, with a difference of ~105 mV at ~100 mc -2 at ~ 100 mc -2 . Also, NiS / NF, Ni-B / NF, Co 0. 13 Ni 0 . Recently reported electrode catalysts such as 87 Se 2 / Ti mesh require very high overvoltage to reach a current density of 100 mA cm -2 . Thus, Ni3Se2 / NF electrodes require very low overvoltage for higher cathode current density.

도 5b는 Ni3Se2/NF, NiSe/NF, NF 및 RuO2/GC 전극의 Tafel 기울기를 보여준다. 5B shows the Tafel slope of Ni 3 Se 2 / NF, NiSe / NF, NF and RuO 2 / GC electrodes.

도 5b를 참고하면, Ni3Se2/NF 전극은 32.3 mVdel-1의 Tafel 기울기를 나타낸다. 그러나, NiSe/NF 및 RuO2/GC에 대한 Tafel 기울기 값은 각각 40.3 mVdec-1 및 63.2 mVdec-1임을 알 수 있다. NF는 116.9 mVdel-1의 매우 높은 Tafel 기울기를 나타냈다. 따라서, Ni3Se2/NF 전극은 다른 전극 촉매에 비해 매우 낮은 Tafel 기울기를 나타내며, 그 결과 Ni3Se2/NF 전극이 쉽게 OER 동역학을 갖는다는 것을 알 수 있다. 또한 Tafel 기울기에 따라 OER 메커니즘에서 속도 결정 단계를 결정할 수 있다. Referring to FIG. 5B, the Ni 3 Se 2 / NF electrode exhibits a Tafel slope of 32.3 mVdel -1 . However, the Tafel slope values for NiSe / NF and RuO 2 / GC are 40.3 mVdec -1 and 63.2 mVdec -1 , respectively. NF showed a very high Tafel slope of 116.9 mVdel-1. Therefore, the Ni 3 Se 2 / NF electrode exhibits a very low Tafel gradient compared to other electrode catalysts, and as a result, the Ni 3 Se 2 / NF electrode easily has OER dynamics. The Tafel slope can also determine the rate determining step in the OER mechanism.

도 5c는 Ni3Se2/NF 전극의 285 시간 연속 내구성을 측정한 그래프이다. 도 5d는 Ni3Se2/NF 전극의 전위 시프트, 전위 손실 및 보유율에 대한 그래프이다.FIG. 5C is a graph showing the continuous durability of the Ni 3 Se 2 / NF electrode for 285 hours. 5D is a graph showing the potential shift, the potential loss, and the retention ratio of the Ni 3 Se 2 / NF electrode.

전위, 상 및 표면 모폴로지의 변화를 이해하기 위해 Ni3Se2/NF 전극의 시간 내구성을 100 mA cm-2의 전류 밀도에서 크로노 전위 측정법(chronopotentiometry)을 통해 평가했다. 초기에 Ni3Se2/NF 전극은 ~1.61 V vs RHE 의 전극 전위에서 100 mA cm-2의 OER 전류 밀도를 제공한다. 구체적으로 최대 ~ 10 시간까지 급격한 증가는 ~ 1.61V ~ 1.66V의 전위에서 나타났으며, 이는 전극 표면의 부분 젖음성 및 새로운 전극 환경 때문일 수 있다. 그러나 일정 시간이 지난 후에는 100 mA cm-2에서 285 h 연속 내구성 시험 후에도 매우 작은 손실로 거의 안정된 전위를 나타내었다. 검정색 그래프는 ~ 45 mV (50 시간)에서 ~ 90 mV (285 시간) 로의 전위 변화를 나타낸다. 50 내지 100 시간이 지나면 전위는 시간에 따라 ~ 45 mV에서 ~ 57 mV로 빠르게 증가한다. 그러나 100 시간이 지난 후에는 이전 단계와 비교할 때 전위 변화가 무시할 정도로 작아졌다. 250 시간 이상 동안 전위는 ~ 77 mV 에서 ~ 90mV로 35 시간 이내에 급격히 증가했다. 또한 파란색 그래프를 참고하면, 50 시간에서 전위 손실은 1 %로 매우 작았다. 100 시간이 지난 후에도 전위 손실은 285 시간까지 점차적으로 증가하였다. 결국 최대 잠재 손실은 5.5 %이고, 즉 보유율은 94.5 %였다. 따라서, 100 mA cm-2의 높은 전류 밀도에서 285 시간의 장기 내구성 후에 단지 5.5 %의 전위 손실을 보여, 실제의 대규모 적용이 가능함을 확인하였다. To understand the changes in dislocation, phase and surface morphology, the time durability of Ni 3 Se 2 / NF electrodes was evaluated by chronopotentiometry at a current density of 100 mA cm -2 . Initially, the Ni 3 Se 2 / NF electrode provides an OER current density of 100 mA cm -2 at an electrode potential of ~ 1.61 V vs RHE. Specifically, a sharp increase up to ~10 hours occurred at a potential of ~ 1.61V ~ 1.66V, possibly due to the partial wettability of the electrode surface and the new electrode environment. After a certain period of time, however, even after 285 h continuous durability test at 100 mA cm -2 , it showed almost stable potential with very small loss. The black graph shows a potential change from ~ 45 mV (50 hours) to ~ 90 mV (285 hours). After 50 to 100 hours, the potential rapidly increases from ~ 45 mV to ~ 57 mV with time. However, after 100 hours, the potential change was negligibly small as compared with the previous step. Over 250 hours, the potential increased sharply within ~ 35 hours from ~ 77 mV to ~ 90 mV. Also, referring to the blue graph, the potential loss was very small at 1% at 50 hours. After 100 hours, the dislocation loss gradually increased to 285 hours. Ultimately, the maximum potential loss was 5.5%, that is, the retention rate was 94.5%. Thus, it showed a potential loss of only 5.5% after a long term durability of 285 hours at a high current density of 100 mA cm < 2 >

도 5e는 Ni3Se2/NF 전극의 과전압 시프트 측정 그래프이다.5E is a graph of overvoltage shift measurement of a Ni 3 Se 2 / NF electrode.

285 시간 내구성 시험 후 Ni3Se2/NF 전극 촉매의 안정성에 대한 추가 확인을 위해 LSV 추적을 오버레이하여 285 시간 시험 전, 후에 대한 과전압 시프트를 측정했다. 시험 후의 전극은, 시험 전의 전극의 과전압 (315 mV)에 비해, 100 mA cm-2의 전류 밀도를 제공하기 위해서는 54 mV (369 mV)의 추가 과전압이 필요하였다. 따라서, LSV 측정의 낮은 과전압 시프트를 통해 Ni3Se2/NF 전극 촉매 전극의 안정성을 확인하였다.Over-voltage shifts were measured before and after the 285-hour test by overlaying the LSV trace to further confirm the stability of the Ni 3 Se 2 / NF electrocatalyst after the 285-hour endurance test. The electrode after the test required an additional overvoltage of 54 mV (369 mV) to provide a current density of 100 mA cm -2 compared to the overvoltage (315 mV) of the electrode before the test. Therefore, the stability of the Ni 3 Se 2 / NF electrode catalyst electrode was confirmed by low overvoltage shift of the LSV measurement.

도 6은 285 시간 연속 내구성 시험 후 Ni3Se2/NF 전극의 XRD 그래프이다. 도 6을 참고하면, 285 시간 연속 내구성 시험 후에도 rombhohedral의 Ni3Se2상은 여전히 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. 니켈 발포체의 니켈 상에 의한 강도는 전극 형태의 작은 변화에 의해 약간 증가했다. 6 is an XRD graph of a Ni 3 Se 2 / NF electrode after a 285 hour continuous durability test. Referring to FIG. 6, it was confirmed that the Ni 3 Se 2 phase of the rombhohedral was still maintained even after the 285-hour continuous durability test. The strength of the nickel foam by the nickel phase increased slightly due to small changes in electrode shape.

도 7은 285 시간 연속 내구성 시험 후 Ni3Se2/NF 전극의 SEM 사진들이다. 도 7의 a 및 b는 저배율 사진이고, c 및 d는 고배율 사진이다. FIG. 7 is a SEM photograph of a Ni 3 Se 2 / NF electrode after 285 hours of continuous durability test. 7A and 7B are low magnification photographs, and c and d are high magnification photographs.

도 7을 참고하면, 콜리 플라워 모양에서 작은 입자 클러스터까지 전극 표면에서 벗겨지지 않고 전극 촉매의 두드러진 형태 변화를 명확하게 보여준다.Referring to FIG. 7, it clearly shows the prominent morphological change of the electrode catalyst without peeling off the electrode surface from the cauliflower shape to the small particle clusters.

도 8은 285 시간 연속 내구성 시험 후 Ni3Se2/NF 전극의 XPS 스펙트라이다. 도 8a을 참고하면, 피크 피팅 분석 후 856.3과 873.9 eV의 결합 에너지에서 새로운 피크가 나타나는데 이는 전극 표면에 NiOOH가 형성되기 때문이다. 유사하게, 도 8b를 참고하면, Se 3d post-XPS 스펙트럼 은 셀레늄이 셀레늄 산화물로 주요 변환되는 것을 나타낸다. 8 is the XPS spectrum of the Ni 3 Se 2 / NF electrode after a 285 hour continuous durability test. Referring to FIG. 8A, a new peak appears at a binding energy of 856.3 and 873.9 eV after the peak fitting analysis because NiOOH is formed on the electrode surface. Similarly, referring to Figure 8b, the Se 3d post-XPS spectrum shows that selenium is the major conversion to selenium oxide.

도 9는 285 시간 연속 내구성 시험 후 Ni3Se2/NF 전극의 EIS 스펙트라이다. 도 9를 참고하면, 내구성 시험 이후의 EIS 결과는 Rct 값이 2.6 Ω으로 내구성 시험 전의 샘플 Rct 값 (3.7 Ω)보다 약간 높다. Figure 9 is the EIS spectra of a Ni 3 Se 2 / NF electrode after a 285 hour continuous durability test. Referring to FIG. 9, the EIS result after the durability test is slightly higher than the sample Rct value (3.7?) Before the durability test, with the Rct value of 2.6?.

도 10은 285 시간 연속 내구성 시험 후 Ni3Se2/NF 전극의 ECSA 분석 결과이다. 도 10을 참고하면, ECSA 측정 후 (3.3 mF cm-2) 계산 된 전기 화학 활성 표면적은 전극 표면적에 큰 변화가 없음을 알 수 있다.10 shows the result of ECSA analysis of the Ni 3 Se 2 / NF electrode after the 285-hour continuous durability test. Referring to Fig. 10, it can be seen that the electrochemically active surface area calculated after ECSA measurement (3.3 mF cm < 2 & gt ; ) does not greatly change the electrode surface area.

도 11은 ELS 스펙트라로써, 개방 회로 전압 (open circuit voltage, OCV) 및 1.597 V (vs RHE) 에서 기록된 Ni3Se2/NF 전극의 나이퀴스트(Nyquist) 플롯이다.Figure 11 is a Nyquist plot of Ni 3 Se 2 / NF electrodes recorded at an open circuit voltage (OCV) and 1.597 V (vs RHE) as ELS spectra.

도 11a를 참고하면, Randles 등가 회로(Randles equivalent circuit)는 EIS 스펙트럼을 맞추고, 더 높은 주파수 영역에서 전해질 저항 (Rs), 낮은 주파수에서 전하 이동 저항 (Rct) 및 전극의 이중층 커패시턴스(Cdl)의 정확한 값을 평가하는 데 사용되었다. Z-fitted 곡선에서 Rs 값과 Rct 값은 각각 ~ 2 Ω 및 ~ 1.75 Ω으로 비교적 낮은 값을 나타내었다. 따라서, Ni3Se2/NF의 형성은 전자 이동에 더 유리하며 1M KOH에서 OER 동안 반응 장벽을 극복하는 것을 현저하게 도울 수 있음을 분명히 보여준다. 또한 전해질 저항은 모든 OER linear sweep voltammogram(LSV)의 iR 보정에 사용된다.Referring to FIG. 11A, a Randles equivalent circuit matches the EIS spectrum and is designed to match the electrolyte resistance Rs in the higher frequency range, the charge transfer resistance Rct in the lower frequency range, and the exact double layer capacitance Cdl of the electrode Was used to evaluate the value. In the Z-fitted curves, Rs and Rct values were relatively low, ~ 2 Ω and ~ 1.75 Ω, respectively. Thus, it is evident that the formation of Ni 3 Se 2 / NF is more advantageous for electron transfer and can significantly help overcome reaction barriers during OER at 1 M KOH. The electrolyte resistance is also used for iR calibration of all OER linear sweep voltammograms (LSV).

도 11b는 RHE 대비 0.63 V 내지 0.73 V에서 100, 200, 300, 400 및 500 mVs-1의 주사 속도(scan rate)인 Ni3Se2/NF전극의 순환 전압 전류 그래프(cyclic voltammogram)이다. 도 11c는 RHE 대비 0.68 V에서의 ia 및 ic 의 전류 밀도에 관한 그래프이다. 도 11b 및 11c는 ECSA(electrochemically active surface aera)분석에 대한 그래프이다. ECSA는 1M KOH에서 Ni3Se2/NF전극의 전기 이중층 커패시턴스 (electrical double-layer capacitance, EDLC)를 측정하여 계산된 값으로써, Ni3Se2/NF전극의 우수한 OER 활성에 대한 또 다른 중요한 증거이다. 11B is a cyclic voltammogram of a Ni 3 Se 2 / NF electrode with a scan rate of 100, 200, 300, 400 and 500 mVs -1 at 0.63 V to 0.73 V versus RHE. 11C is a graph of the current density of i a and i c at 0.68 V versus RHE. Figures 11B and 11C are graphs for electrochemically active surface aera (ECSA) analysis. ECSA was calculated by measuring the electrical double-layer capacitance (EDLC) of the Ni 3 Se 2 / NF electrode at 1 M KOH and is another important evidence of the superior OER activity of the Ni 3 Se 2 / NF electrode to be.

도 11b를 참고하면, 각 주사율에서 CV 곡선은 완벽한 직사각형 거동을 보여 주며 전극의 높은 전기 화학 활성 표면적(ECSA)으로 인해 이중층 커패시턴스(EDLC)의 존재를 확인할 수 있다. 낮은 스캔 속도 (100 mV s-1)에서 높은 스캔 속도 (500 mV s-1)까지 애노드(ia) 및 캐소드(ic)의 전류 밀도(CV 영역)는 2 mA cm-2까지 선형으로 증가하였다. Referring to FIG. 11B, the CV curves show perfect rectangular behavior at each scan rate and the existence of double layer capacitance (EDLC) can be confirmed by the high electrochemically active surface area (ECSA) of the electrode. The current density (CV area) of the anode (i a ) and the cathode (i c ) linearly increases to 2 mA cm -2 from a low scan rate (100 mV s-1) to a high scan rate (500 mV s- Respectively.

도 11c를 참고하면, 3.6 mF cm-2의 커패시턴스 값을 나타내며, SEM 사진에서 보인 표면 형태와 잘 일치하는 전기 화학적 표면적 및 거칠기 계수는 각각 16.2 cm2 및 90이었다. 이러한 높은 거칠기는 전기 촉매와 전해질 상호 작용을 증가시킬 수 있다. 따라서 3D 니켈 발포체 상에 성장한 전극 촉매는 Ni3Se2/NF전극의 OER 동역학을 향상시켜 저전압으로 우수한 활성을 제공함을 알 수 있다.Referring to FIG. 11C, the electrochemical surface area and roughness coefficients of 16.2 cm 2 and 90 were in good agreement with the surface morphology shown in the SEM photograph, showing a capacitance value of 3.6 mF cm -2 . This high roughness can increase the electrocatalyst and electrolyte interactions. Therefore, it can be seen that the electrode catalyst grown on the 3D nickel foam improves the OER dynamics of the Ni 3 Se 2 / NF electrode to provide excellent activity at low voltage.

도 12a는 알칼라인 물 전해조의 2 전극 시스템에 적용한 사진이다. 전해질에서 노출된 전극의 활성 영역은 1.8 cm2였다. 도 12a를 참고하면, 순수한 수소의 대규모 생산을 위한 실제 규모에 가깝도록, 두 개의 전극을 구성하는 1M KOH 환경에서 성능을 시험하였다. 애노드 물질로 Ni3Se2/NF를 적용하고, 캐소드 물질로 NiCo2S4/NF 를 적용(이하, Ni3Se2/NF//NiCo2S4/NF 로 칭한다.)하였다. 12A is a photograph of a two-electrode system of an alkaline water electrolyzer. The active area of the exposed electrode in the electrolyte was 1.8 cm 2 . Referring to Figure 12a, performance was tested in a 1M KOH environment comprising two electrodes, close to the actual scale for large scale production of pure hydrogen. Ni 3 Se 2 / NF is applied as an anode material and NiCo 2 S 4 / NF is applied as a cathode material (hereinafter referred to as Ni 3 Se 2 / NF // NiCo 2 S 4 / NF).

도 12b는 애노드 물질로 RuO2/NF를 적용하고, 캐소드 물질로Pt/C(40%)/NF를 적용(이하, RuO2/NF//Pt/C(40%)/NF로 칭한다.)한 2 전극 시스템 및 상기 Ni3Se2/NF//NiCo2S4/NF의 2 전극 시스템의 셀 전압(iR 보상)을 보여준다. Ni3Se2/NF//NiCo2S4/NF의 2 전극 시스템에서는 10 mAcm-2의 전류 밀도를 얻기 위해서 1.58 V의 전압을 필요로 하지만, RuO2/NF//Pt/C(40%)/NF 전극의 경우 동일한 전류 밀도를 얻기 위해서 1.53 V의 전압이 필요한 것을 확인하였다. 즉, Ni3Se2/NF//NiCo2S4/NF전극의 경우, 훨씬 값비싼 RuO2/NF//Pt/C(40%)/NF 전극과 유사한 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. FIG. 12B shows a case where RuO 2 / NF is applied as an anode material and Pt / C (40%) / NF is applied as a cathode material (hereinafter referred to as RuO 2 / NF // Pt / C (40% Cell voltage (iR compensation) of the two-electrode system and the Ni 3 Se 2 / NF // NiCo 2 S 4 / NF two-electrode system. Ni 3 Se 2 / NF // The two-electrode system of NiCo 2 S 4 / NF requires a voltage of 1.58 V to achieve a current density of 10 mAcm -2 , but RuO 2 / NF // Pt / C (40% ) / NF electrode, a voltage of 1.53 V was required to obtain the same current density. In other words, the Ni 3 S 2 / NF // NiCo 2 S 4 / NF electrode exhibits similar performance to the much more expensive RuO 2 / NF // Pt / C (40%) / NF electrode.

도 12c는 장기 내구성 시험에 대한 그래프이다. 도 12c를 참고하면, 초기에는 1.76 V의 전압에서 10mA cm-2의 전류 밀도를 얻었고, 10 시간 이내에서는 1.8 V까지 점진적으로 증가 되었다. 10 시간 이후 365 시간까지는 전압의 큰 증가 없이 유지되었고, 500 시간 연속 내구성 시험에서는 1.82 V까지 점진적으로 증가했다. 마지막으로, 500 시간 내구성 시험 후, 10 mA cm-2의 전류 밀도를 제공하기 위해 단지 1.82 V만이 필요하였다. 12C is a graph for a long term durability test. Referring to FIG. 12C, a current density of 10 mA cm -2 was initially obtained at a voltage of 1.76 V, and gradually increased to 1.8 V within 10 hours. It was maintained without significant increase in voltage from 10 hours to 365 hours, and gradually increased to 1.82 V in the 500 hour continuous durability test. Finally, after a 500 hour durability test, only 1.82 V was needed to provide a current density of 10 mA cm -2 .

도 13은 물 전해조와 태양 전지가 결합된 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈에 대한 도면이다. 태양 에너지로부터의 전압을 이용한 물 전기 분해는 수소 생성을 증가시키는 에너지 효율적인 방법 중 하나이다. 도 9를 참고하면, Ni3Se2/NF//NiCo2S4/NF의 2 전극 시스템의 물 전해조는 태양 전지(GaAs 박막)의 양극 및 음극 단자에 직접적으로 연결된다. 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 발생을 위해, 3.65 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. 13 is a diagram of a solar-to-hydrogen module in which a water electrolyzer and a solar cell are combined. Water electrolysis using voltage from solar energy is one of the energy-efficient ways to increase hydrogen production. Referring to FIG. 9, the water electrolyzer of the two-electrode system of Ni 3 Se 2 / NF // NiCo 2 S 4 / NF is directly connected to the anode and cathode terminals of the solar cell (GaAs thin film). For solar to hydrogen generation, a stable potential of 3.65 V was applied to the two-electrode water bath connected to the solar cell. At this potential, it can be seen that oxygen and hydrogen gas are generated continuously in the cathode and the anode, respectively.

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. The features, structures, effects and the like described in the foregoing embodiments are included in at least one embodiment of the present invention and are not necessarily limited to one embodiment. Further, the features, structures, effects, and the like illustrated in the embodiments may be combined or modified in other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.

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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. It can be seen that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments may be modified and implemented. It is to be understood that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof.

삭제delete

Claims (9)

다공성 니켈 발포체(nickel foam)인 지지체; 및
상기 지지체 표면의 Ni 이온이 셀레늄 이온과 반응하여 Ni-Se 결합을 형성함으로써, 변환된 니켈 셀레늄(Ni3Se2)을 포함하는 물 전기 분해를 위한 전극.


A support that is a porous nickel foam; And
Wherein Ni ions on the surface of the support react with selenium ions to form Ni-Se bonds, thereby converting the nickel selenide (Ni 3 Se 2 ).


삭제delete 제1항에 있어서,
상기 지지체는 집전 장치(current collector)로써 작용하고, 상기 니켈 셀레늄(Ni3Se2)은 촉매로써 작용하는 물 전기 분해를 위한 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the support acts as a current collector and the nickel selenide (Ni 3 Se 2 ) acts as a catalyst.
캐소드 지지체 및 상기 캐소드 지지체 상에 형성된 니켈 코발트 황화물(NiCo2S4)을 포함하는 캐소드; 및
다공성 니켈 발포체(nickel foam)인 애노드 지지체 및 상기 애노드 지지체 표면의 Ni 이온이 셀레늄 이온과 반응하여 Ni-Se 결합을 형성함으로써, 변환된 니켈 셀레늄(Ni3Se2)을 포함하는 애노드;를 포함하는 물 전해조.
A cathode comprising a cathode support and a nickel cobalt sulfide (NiCo 2 S 4 ) formed on the cathode support; And
An anode comprising a nickel selenium (Ni 3 Se 2 ) modified by the reaction of selenium ions to form an Ni-Se bond, the anode support being a porous nickel foil and the Ni ion on the anode support surface Water electrolyzer.
제4항에 있어서,
상기 캐소드 지지체는 다공성 니켈 발포체(nickel foam) 인 것을 특징으로 하는 물 전해조.
5. The method of claim 4,
Wherein the cathode support is a porous nickel foam.
제4항에 있어서,
상기 캐소드 지지체 또는 상기 애노드 지지체는 집전 장치(current collector)로써 작용하고, 상기 니켈 코발트 황화물(NiCo2S4) 또는 니켈 셀레늄(Ni3Se2)은 촉매로써 작용하는 물 전해조.
5. The method of claim 4,
Wherein the cathode support or the anode support acts as a current collector and the nickel cobalt sulfide (NiCo 2 S 4 ) or nickel selenium (Ni 3 Se 2 ) acts as a catalyst.
캐소드 및 애노드에 직접 연결된 양극 단자 및 음극 단자를 포함하는 태양 전지를 포함하고,
상기 캐소드는,
캐소드 지지체; 및
상기 캐소드 지지체 상에 형성된 니켈 코발트 황화물(NiCo2S4)을 포함하고,
상기 애노드는,
다공성 니켈 발포체(nickel foam)인 애노드 지지체; 및
상기 애노드 지지체 표면의 Ni 이온이 셀레늄 이온과 반응하여 Ni-Se 결합을 형성함으로써, 변환된 니켈 셀레늄(Ni3Se2)을 포함하는 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈.
And a solar cell including a cathode and a cathode terminal directly connected to the anode,
The cathode may further comprise:
A cathode support; And
And nickel cobalt sulfide (NiCo 2 S 4 ) formed on the cathode support,
The anode,
An anode support that is a porous nickel foam; And
A solar-to-hydrogen module comprising transformed nickel selenium (Ni 3 Se 2 ), whereby Ni ions on the anode support surface react with selenium ions to form Ni-Se bonds.
제7항에 있어서,
상기 캐소드 지지체는 다공성 니켈 발포체(nickel foam) 인 것을 특징으로 하는 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈.
8. The method of claim 7,
Wherein the cathode support is a porous nickel foam. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI >
제7항에 있어서,
상기 캐소드 지지체 또는 상기 애노드 지지체는 집전 장치(current collector)로써 작용하고, 상기 니켈 코발트 황화물(NiCo2S4) 또는 니켈 셀레늄(Ni3Se2)은 촉매로써 작용하는 솔라-투-수소(solar to hydrogen) 모듈.
8. The method of claim 7,
Wherein the cathode support or the anode support acts as a current collector and the nickel cobalt sulphide (NiCo 2 S 4 ) or nickel selenium (Ni 3 Se 2 ) acts as a solar- hydrogen module.
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