KR20220034361A - 수소발생반응 활성을 갖는 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소발생반응 활성을 갖는 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 수소발생반응 활성을 갖는 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
화석 연료의 급격히 증가하는 소모로 인해 발생되는 자원 고갈 및 지구온난화, 대기 오염 등의 심각한 환경 파괴를 극복하기 위해서 차세대 대체 에너지원을 찾아야 하며, 이는 현시대의 인류가 반드시 해결해야 할 가장 큰 과제이다. 수소 에너지는 공기중에서 깨끗하게 연소되어 환경 친화적이다. 또한 지역 편재적이지도 않아 앞서 언급된 차세대 에너지로 적합한 에너지이다. 지구상에서 가장 풍부하고 공해가 전혀 발생하지 않는 태양에너지로 물을 분해하는 방법은 가장 친환경적이고 경제적인 수소 생산법으로 평가되고 있다. 현재 주로 수소 생산에 사용되고 있는 개질 반응은 천연가스나 석유 등을 이용하므로 한계가 있지만 물은 풍부한 자원이다. 따라서 물분해를 통한 수소 생산이 장기적으로 보았을 때 가장 적합한 방법이라 할 수 있다.
물 전기분해는 전기를 가해주었을 때 물이 수소와 산소로 분해되는 반응을 말한다. 즉, 전극물질에 전압을 가해주었을 때 전기화학적으로 산화 환원 반응이 일어난다. 이 때 산화전극에서는 산소가, 환원전극에서는 수소가 발생한다. 물을 분해하여 수소와 산소를 생성시키는 과정은 큰 자유에너지의 증가로 인한 흡열반응이며 비자발적인 반응에 해당한다. 따라서, 물 분해 반응을 진행하기 위해서는 1.23V에 해당하는 전위를 외부적으로 걸어주어야 하는데, 실제로는 전극 촉매에 따라 이상적인 전위보다 더 많은 과전압이 걸린다. 물 전기분해는 수소를 생산할 수 있는 가장 간단한 방법이기도 하면서 물을 원료로 사용하기 때문에 대량생산의 용이성과 고순도의 수소를 얻을 수 있다. 하지만 물 전기분해에 의해 수소를 생산할 경우 전력소모량이 많아질 수 있기 때문에, 실용화되기 어려운 한계를 가지고 있다. 이를 위해 물 전기분해를 통한 수소생산의 효율성을 높이는 시스템의 개발과 수소발생에 대한 활성이 높은 전극촉매 제조기술 연구가 필요한 실정이다. 물 전기분해에서 성능을 결정하는 가장 대표적인 것은 전극촉매이고, 촉매를 통해 수소가 발생되는 현상을 수소발생반응 (Hydrogen Evolution Reaction, HER) 이라 한다. 전극물질과 표면상태에 따라 필요한 전압과 성능이 결정된다. 전극표면에서의 가역적인 전기화학적 반응은 다음과 같다.
H+(aq) + e- → 1/2H2(g), E° = 0V vs. SHE
수소환원전극을 기준으로 하였을 때, 전압이 0V일 때 수소가 발생한다. 전극 표면에서 수소가 발생할 때 세 가지 메커니즘(mechanism)을 통해 일어난다. 기본적으로 수소이온이 환원되어 수소원자형태로 전극 표면에 흡착한다 (Volmer 반응). 여기서 두 가지 경로로 나눠지게 되는데 흡착된 수소원자와 용액의 수소이온이 결합하거나 (Heyrowsky 반응) 흡착된 수소원자들끼리의 결합 (Tafel 반응)에 의해 수소가 발생한다. 또한 타펠 기울기(Tafel slope)는 수소발생반응의 메커니즘을 규명하기 위한 값으로 활용된다. 수소 촉매 활성에 영향을 주는 인자와 관련된 식은 다음과 같다.
η = b log(j/j o)
상기 식에서 η: 과전압, b: 타펠 기울기, j: 전류밀도 (current density), jo: 교환 전류밀도 (exchange current density)를 의미하며, 이에 근거하여 이상적인 수소 촉매는 낮은 타펠 기울기와 높은 교환 전류밀도를 가진다.
촉매 활성에 가장 큰 영향을 주는 인자는 과전압이다. 과전압은 전하전달반응이 일어나는데 가장 크게 기여를 하는 인자이며, 촉매 활성화에 있어 에너지 벽 (energy barrier)을 극복하는 속도 및 여부에 따라 과전압 값이 좌지우지된다. 촉매 활성화가 좋을수록 과전압 값은 감소한다.
한편, 종래 수소 발생 촉매에서 가장 우수한 성능을 보이는 것은 백금 촉매이나, 비싼 가격으로 인해 많은 용량의 수소를 발생시키고 다양한 분야에 널리 적용하기에는 한계가 있다. 종래 백금 촉매의 문제를 해결함과 동시에 최근 증가하고 있는 수요를 충족시키기 위해, 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenides, 이하 'TMDs')가 상당한 관심을 받고 있으며, TMDC 중에서 이황화몰리브덴(MoS2)은 전극 재료로서 높은 이온 전도도(10-100 S/cm)를 지녀 종래의 금속 산화물, 그래파이트 및 탄소나노튜브와 비견될 정도로 우수한 성능을 나타내는 것으로 보고되어 있다. 또한, MoS2 전극의 높은 용량적 거동은 큰 음이온 분극성과 연관된 고유의 높은 이온 확산성을 지녀 전극 재료로서 유리하며, 이는 S2-의 큰 크기에 기인한 것이다. 즉, MoS2는 전극 재료로서 적용가능성이 크며, 그 우수한 성능은 주로 높은 전도도를 지닌 금속형 1T’ 상(Metallic 1T’ phase)에서 유래한 것이다. 그러나, 벌크 MoS2 재료에는 2개의 상 (반도체형인 2H 상 및 금속형인 1T‘)이 존재하기 때문에, 1T’ 상 MoS2층만을 분리하여 제조하는 것을 결코 쉬운 일이 아니다.
본 발명자들은 이황화몰리브덴의 촉매 활성을 증가시키기 위하여 예의 노력한 결과, 원-스텝 용매열합성법 (solvothermal method)를 이용하여 이황화몰리브덴(MoS2)-멜라민(Me) 하이브리드 나노구조체를 제조하는 경우, 이황화몰리브덴 내의 금속형 1T‘ 상이 증가할 뿐만 아니라, 우수한 수소발생반응 활성을 나타냄으로써, 종래 백금 촉매와 비교하였을 때, 성능면에서 뒤처지지 않으면서 가격적인 측면에서 경쟁력을 가질 수 있는 촉매로서 사용될 수 있음을 확인한 후, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 수소발생반응 활성을 갖는 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 (A) 이황화몰리브덴 전구체와 멜라민을 용매에 첨가하여 교반하는 단계; 및 (B) 상기 교반된 용액을 용매열합성법 (solvothermal process)을 진행하여 금속형 1T’ 상 (Metallic 1T‘ phase) 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체를 수득하는 단계를 포함하는 수소발생반응 활성을 갖는 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서에서 사용된 용어 “멜라민 (melamine, Me)”은 하기의 화학식 1의 분자구조를 가지는 유기염기로서 분자식은 C3H6N6이고, IUPAC 이름은 1,3,5-트리아진-2,4,6-트리아민(1,3,5-triazine-2,4,6-triamine)이다.
[화학식 1]
본 발명의 원-스텝 용매열합성법를 이용하여 이황화몰리브덴(MoS2)-멜라민(Me) 하이브리드 나노구조체는 이황화몰리브덴 내의 금속형 1T‘ 상이 증가할 뿐만 아니라, 우수한 수소발생반응 활성을 나타냄으로써, 종래 백금 촉매와 비교하였을 때, 성능면에서 뒤처지지 않으면서 가격적인 측면에서 경쟁력을 가질 수 있는 촉매로서 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명에 따른 MoS2-Me의 형태 분석 결과를 나타낸다. 도 1(a)는 HRTEM 및 SEM 이미지을 나타내고, 도 1(b)는 Lattice-resolved TEM 이미지를 나타내고, 도 1(c)는 AFM 이미지를 나타내고, 도 1(d)는 HAADF-STEM 및 EDX 원소 맵핑 결과를 나타내고, 도 1(e)는 HRTEM 이미지를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 MoS2-Me의 결정성 및 표면 분석 결과를 나타낸다. 도 2(a)는 X-ray 회절 분석 결과이며, 도 2(b)는 Mo K-edge 상의 푸리에 변환된 확장 X선 흡수 미세 구조를 나타내고, 도 2c 및 도 2d는 각각 Mo 3d 및 N 1s와 Mo 3p에 대한 Fine-scan XPS 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 MoS2-Me의 전기화학적 특성을 분석한 결과를 나타낸다. 도 3(a)는 0.02 V에서 -0.4V (vs. RHE)까지 선형 주사 전압-전류법을 이용하여 테스트한 결과이며, 도 3(b)는 도 3(a)의 결과로부터 타펠 기울기 (tafel slope)를 계산한 결과이다.
도 2는 본 발명에 따른 MoS2-Me의 결정성 및 표면 분석 결과를 나타낸다. 도 2(a)는 X-ray 회절 분석 결과이며, 도 2(b)는 Mo K-edge 상의 푸리에 변환된 확장 X선 흡수 미세 구조를 나타내고, 도 2c 및 도 2d는 각각 Mo 3d 및 N 1s와 Mo 3p에 대한 Fine-scan XPS 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 MoS2-Me의 전기화학적 특성을 분석한 결과를 나타낸다. 도 3(a)는 0.02 V에서 -0.4V (vs. RHE)까지 선형 주사 전압-전류법을 이용하여 테스트한 결과이며, 도 3(b)는 도 3(a)의 결과로부터 타펠 기울기 (tafel slope)를 계산한 결과이다.
이하, 발명의 구체적인 구현예에 따른 수소발생반응 활성을 갖는 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체 및 이의 제조방법에 대하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 하나의 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 발명의 권리범위 내에서 구현예에 대한 다양한 변형이 가능함은 당업자에게 자명하다.
본 명세서 전체에서 특별한 언급이 없는 한 "포함" 또는 "함유"라 함은 어떤 구성 요소(또는 구성 성분)를 별다른 제한 없이 포함함을 지칭하며, 다른 구성 요소(또는 구성 성분)의 부가를 제외하는 것으로 해석될 수 없다.
제1구현예에 따르면,
본 발명은 수소발생반응 활성을 갖는 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 전체를 기준으로 멜라민의 농도는 5 내지 15%, 바람직하기는 10%인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체에 있어서, 상기 이황화몰리브덴은 금속형 1T’ 상(Metallic 1T‘ phase)을 70% 이상, 바람직하기는 80% 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체 내의 이황화몰리브덴 플레이크의 평균 직경은 1 내지 30 nm, 바람직하기는 20 nm인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체 내의 이황화몰리브덴 플레이크 간의 층간 거리는 7 내지 15 Å, 바람직하기는 11 Å인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체는 2D 평판형 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민의 (002), (200), (221) 및 (202)면 피크는 각각 8.5°, 11.4°, 21.8° 및 27.9인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민의 Mo-Mo 및 Mo-S의 결합 거리는 각각 2.77 Å 및 2.39 Å인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 Tafel 기울기 값은 35 내지 60 mV/decade인 것을 특징으로 한다.
제2구현예에 따르면,
본 발명은 수소발생반응 활성을 갖는 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 제조 방법을 제공하고자 하는 것으로, 상기 방법은
(A) 이황화몰리브덴 전구체와 멜라민을 용매에 첨가하여 교반하는 단계; 및
(B) 상기 교반된 용액을 용매열합성법 (solvothermal process)을 진행하여 금속형 1T’ 상 (Metallic 1T‘ phase) 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체를 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 이황화몰리브덴 전구체와 멜라민의 몰비는 3:1 내지 1:2, 바람직하기는 1:1인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 용매열합성법은 10 내지 15시간 동안 160 내지 200℃에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 전체를 기준으로 멜라민의 농도는 5 내지 15%, 바람직하기는 10%인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체에 있어서, 상기 이황화몰리브덴은 금속형 1T’ 상 (Metallic 1T‘ phase)을 70% 이상, 바람직하기는 80% 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체 내의 이황화몰리브덴 플레이크의 평균 직경은 1 내지 30 nm, 바람직하기는 20 nm인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체 내의 이황화몰리브덴 플레이크 간의 층간 거리는 7 내지 15 Å, 바람직하기는 11 Å인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체는 2D 평판형 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민의 (002), (200), (221) 및 (202)면 피크는 각각 8.5°, 11.4°, 21.8° 및 27.9인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민의 Mo-Mo 및 Mo-S의 결합 거리는 각각 2.77 Å 및 2.39 Å인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 Tafel 기울기 값은 35 내지 60 mV/decade인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
<실시예>
실시예 1. 멜라민(Me)의 합성
4.28 g 요소 (CH4N2O, 분자량 = 60.06 g mol-1)를 50 mL 탈이온수에 용해시키고, 멜라민 (Sigma-Aldrich)을 첨가하여 생성된 현탁액을 30 분 동안 교반하였다. 그 다음, 현탁액을 autoclave reactor를 사용하여 180 ℃에서 24 시간 동안 가열하였다. 급속 냉각시킨 후, 생성물을 진공 여과로 수집하고 탈이온수로 세척 한 다음 60 ℃에서 10 시간 동안 건조시켰다.
실시예 2. MoS
2
-Me 하이브리드의 제조
상기 실시예 1에서 합성된 멜라민 (1,3,5-triazine-2,4,6-triamine, C3H6N6, 분자량 = 126.12 g mol-1) 분말 및 30 μL HCl (농도 37 %)을 탈이온수 (20 mL)에 넣고 bath sonicator를 사용하여 용해시켰다. 66mg (0.254mmol) 암모늄 테트라티오몰리브데이트 ((NH4)2MoS4, 분자량 = 260.28g mol-1)를 상기 멜라민-함유 용액에 첨가하였다. 이때, 멜라민에 대한 MoS2 전구체의 몰비는 3 : 1, 2 : 1, 1 : 1 및 1 : 2로 하였다. 반응 혼합물을 Teflon-lined stainless-steel autoclave reactor로 옮긴 후, 12 시간 동안 180 ℃에서 용매열합성반응을 수행하였다. 그 다음, 생성물을 원심 분리하여 수집하고 탈이온수와 아세톤으로 세척한 후, 실온에서 진공 건조시켰다.
<실험예>
실험예 1. 본 발명에 따른 MoS
2
-Me의 형태 및 결정구조 확인
1-1. MoS2-Me의 형태 확인
도 1(a)는 MoS2-Me-10%에 대한 HRTEM (High-resolution transmission electron microscopy) 및 SEM (scanning electron microscopy) 결과를 나타낸다. MoS2-Me-10% 나노구조체는 20 nm의 평균 직경과 2-5 nm의 직경 (3-6 원자층)을 갖는 MoS2 나노 플레이크로 이루어지는 것으로 확인되었다.
도 1(b)는 MoS2 나노 플레이크에 대한 Lattice-resolved TEM를 나타낸다. MoS2-Me-10% 나노구조체에서 MoS2 나노 플레이크의 층간 거리는 1T’ MoS2의 층간거리 (6.14 Å) 보다 큰 11 Å로 나타남으로써 Me의 삽입에 의해 층간 거리가 확장되었음을 확인하였다.
도 1(c)는 SiOx 기판 상에 증착된 MoS2-Me-10% 나노구조체의 AFM (Atomic force microscopy)를 나타낸다. MoS2-Me-10% 나노구조체는 약 40nm의 두께와 1mm의 크기로서 평판 형상을 가지는 것으로 확인되었다.
도 1(d)는 MoS2-Me의 HAADF-STEM (High-angle annular dark-field scanning TEM) 및 EDX (energy-dispersive X-ray spectroscopy) 원소 맵핑 결과를 나타낸다. MoS2-Me 나노구조체에 C, N, Mo 및 S가 균일하게 분포되어 있는 것으로 나타났다.
도 1(e)는 MoS2-Me 나노구조체의 HRTEM를 나타낸다. 모든 MoS2-Me는 Me가 삽입된 MoS2가 응집하여 나노구조체를 형성하는 2D 평판형 형태를 갖는 것으로 확인되었다.
1-2. MoS
2
-Me의 결정성 확인
도 2(a)는 본 발명에 따른 MoS2-Me의 X-ray 회절 분석(X-ray diffractometer, XRD) 결과를 나타낸다. MoS2 및 MoS2-Me는 각각 2H 상 (JCPDS 번호 87-2416; a = 3.160 Å 및 c = 12.290 Å) 및 1T’ 상 (a = 3.27 Å, b = 3.17 Å, c = 20.8 Å 및 υ = 119°)으로 구성되는 것으로 나타났으며, MoS2-Me의 회절 피크는 1T‘ MoS2와 일치하였다. MoS2-Me의 (002)면 피크는 확장된 층간 거리로 인해 8.5°에서 나타났으며, (200), (221) 및 (202)면 피크가 각각 11.4°, 21.8° 및 27.9°에서 나타나는 것으로 관찰되었다.
도 2(b)는 Mo K-edge 상의 푸리에 변환된 확장 X선 흡수 미세 구조 (Fourier-transform extended X-ray absorption fine structure, FT EXAFS)를 나타낸다. 2H 상 MoS2의 경우, Mo-S와 Mo-Mo 결합의 거리는 각각 2.40 Å 및 3.16 Å인 반면, MoS2-Me-10%의 경우, 1T’ 상 MoS2와 마찬가지로 Mo-Mo 결합의 거리는 2.77 Å으로 상당히 감소하였으며, Mo-S 결합 거리는 2.39 Å인 것으로 확인되었다.
1-3. MoS
2
-Me 표면의 정성 및 정량적 분석
본 발명에 따른 MoS2-Me에 대한 촉매 표면의 정성 및 정량적 분석을 위해 Fine-scan XPS (Fine-scan X-ray photoelectron spectroscopy)을 실시하였다.
도 2c는 MoS2 및 MoS2-Me-10%의 Mo 3d 스펙트럼이다. 2H 상 MoS2는 229.4eV에서 피크를 나타낸 반면, MoS2-Me-10%는 1T’ 상 밴드인 228.8와 2H 상 밴드인 229.4 eV에서 피크를 확인하였으며, 2H 상 MoS2 피크 및 1T’ 상 MoS2 피크의 면적비를 이용하여 MoS2-Me-10%를 구성하는 2H 상 MoS2 및 1T’ 상 MoS2를 계산하였을 때, 1T’ 상 MoS2는 약 80%로 확인되었다.
도 2d는 MoS2 및 MoS2-Me에 대한 N 1s 및 Mo 3p 스펙트럼이다. o-Me 분말은 399.5eV에서 피크를 나타내었으며, MoS2-Me의 경우 N 1s 피크는 N1 대역인 401.7 eV 및 N2 대역인 399.5 eV에서 나타나는 것으로 확인되었다.
실험예 2. 본 발명에 따른 MoS
2
-Me의 전기화학적 특성 확인
본 발명에 따른 MoS2-Me의 전기화학적 특성을 분석하기 위하여 2전극 셀을 구성하여 electrochemical analyzer (CompactStat, Ivium Technologies)에서 선형 주사 전압전류법(linear sweep voltammetry, LSV)을 수행하여 Pt/C와 비교하였다. 4 mg의 MoS 2 -Me 샘플을 Nafion (20 μL) 및이소프로필 알코올 (0.98 mL)에 분산된 1 mg의 카본 블랙과 혼합하여 촉매를 제조하였다. 기준 전극은 Ag/AgCl 전극 (saturated KCl), 상대 전극은 graphite rod를 사용하였고 작업 전극은 glassy caron 전극(Rotating Disk Electrode, RDE)위에 단위 면적당 0.39 mg/cm2의 촉매를 담지하여 사용하였으며 회전 속도를 1600 rpm으로 H2 퍼지하여 용존 산소를 제거한 0.5 M H2SO4 용액에서 측정하였다.
도 3(a)는 0.02 V에서 -0.4V (vs. RHE)까지 선형 주사 전압-전류법을 이용하여 테스트한 결과이다. 전류 밀도가 10 mA/cm2일 때 과전압은 [Me] = 0 %, 5 %, 7 %, 10 % 및 14 %에 대해 각각 0.266, 0.205, 0.195, 0.136 및 0.168V이었으며, Pt/C 촉매는 0.0266 V를 나타내었다. 따라서, 본 발명에 따른 MoS2-Me 촉매 중 MoS2-Me-10%의 HER 성능이 가장 우수함을 확인하였다.
도 3(b)는 도 3(a)의 결과로부터 타펠 기울기 (tafel slope)를 계산한 결과이다. 타펠 기울기는 아래의 식을 이용하여 계산하였으며 R은 8.314 J/K·mol, α는 0.5, F는 96485 C/mol로 계산하였다. 타펠 기울기는 수소 발생 반응 메커니즘과 연관되어 타펠 기울기 (b)가 작을수록, 교환 전류 밀도(iO)가 작을수록 수소 발생 반응에 관한 과전압 (η)이 작아져 더 좋은 촉매 성능을 가진다고 평가할 수 있다. MoS2-Me 촉매 중 [Me] = 0 %, 5 %, 7 %, 10 % 및 14 %의 타펠 기울기는 각각 70 mV dec-1, 60 mV dec-1, 47 mV dec-1, 37 mV dec-1 및 44 mV dec-1이며, Pt/C의 타펠 기울기는 30 mV이므로 Pt/C를 제외한 본 발명에 따른 수소발생반응 촉매 중 MoS2-Me-10%가 가장 높은 활성을 나타내었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (20)
- 수소발생반응 활성을 갖는 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 전체를 기준으로 멜라민의 농도는 5 내지 15%인 것을 특징으로 하는 나노구조체. - 제1항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴은 금속형 1T′ 상(Metallic 1T′ phase)을 70% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조체. - 제1항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체 내의 이황화몰리브덴 플레이크의 평균 직경은 1 내지 30 nm인 것을 특징으로 하는 나노구조체. - 제1항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체 내의 이황화몰리브덴 플레이크 간의 층간 거리는 7 내지 15 Å인 것을 특징으로 하는 나노구조체. - 제1항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체는 2D 평판형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 나노구조체. - 제1항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민의 (002), (200), (221) 및 (202)면 피크는 각각 8.5°, 11.4°, 21.8° 및 27.9°인 것을 특징으로 하는 나노구조체. - 제1항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민의 Mo-Mo 및 Mo-S의 결합 거리는 각각 2.77 Å 및 2.39 Å인 것을 특징으로 하는 나노구조체. - 제1항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 Tafel 기울기 값은 35 내지 60 mV/decade인 것을 특징으로 하는 나노구조체. - (A) 이황화몰리브덴 전구체와 멜라민을 용매에 첨가하여 교반하는 단계; 및
(B) 상기 교반된 용액을 용매열합성법 (solvothermal process)을 진행하여 금속형 1T′ 상 (Metallic 1T′ phase) 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체를 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
수소발생반응 활성을 갖는 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴 전구체와 멜라민의 몰비는 3:1 내지 1:2인 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 용매열합성법은 10 내지 15시간 동안 160 내지 200℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 전체를 기준으로 멜라민의 농도는 5 내지 15%인 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴은 금속형 1T′ 상 (Metallic 1T′ phase)을 70% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체 내의 이황화몰리브덴 플레이크의 평균 직경은 1 내지 30 nm인 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체 내의 이황화몰리브덴 플레이크 간의 층간 거리는 7 내지 15 Å인 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체는 2D 평판형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민의 (002), (200), (221) 및 (202)면 피크는 각각 8.5°, 11.4°, 21.8° 및 27.9°인 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민의 Mo-Mo 및 Mo-S의 결합 거리는 각각 2.77 Å 및 2.39 Å인 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체의 Tafel 기울기 값은 35 내지 60 mV/decade인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200116640A KR102661131B1 (ko) | 2020-09-11 | 2020-09-11 | 수소발생반응 활성을 갖는 이황화몰리브덴-멜라민 하이브리드 나노구조체 및 이의 제조방법 |
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| KR101495755B1 (ko) | 2013-12-18 | 2015-03-02 | 코닝정밀소재 주식회사 | 수소 발생 촉매, 수소 발생 장치 및 그 제조방법 |
| KR20200039192A (ko) * | 2018-10-05 | 2020-04-16 | 중앙대학교 산학협력단 | 전이금속 디칼코게나이드 나노입자 및 전이금속 디칼코게나이드 나노시트를 포함하는 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수소 발생 반응용 촉매 |
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2020
- 2020-09-11 KR KR1020200116640A patent/KR102661131B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
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| MoS2 in-situ growth on melamine foam for hydrogen evolution, Functional Materials Letters, 2019. 1. 26. 발행* * |
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| KR102661131B1 (ko) | 2024-04-25 |
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