KR20220091868A - 물 분해 촉매 - Google Patents

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Abstract

본원은 다공성 탄소층, 상기 다공성 탄소층 상에 분산되고, 이금속성(bimetallic) 금속 합금 코어, 및 상기 금속 합금 코어 상에 분산된 단일 원자 귀금속을 포함하는 물 분해 촉매에 있어서, 상기 이금속성 금속 합금 코어의 표면에 산소가 흡착된 것인, 물 분해 촉매에 관한 것이다.

Description

물 분해 촉매 {WATER SPLITTING CATALYST}
본원은 물 분해 촉매에 관한 것이다.
물을 분해하여 수소 및 산소를 형성하는 반응은 화력 발전과 달리 이산화탄소 등이 발생하지 않고, 원자력 발전과 달리 방사성 폐기물이 발생하지 않아 친환경적인 에너지원 생성 방법으로서 각광받고 있다. 그러나 물 분해 반응에서 산소를 생성하는 반응(OER, Oxygen evolution reaction)은 많은 에너지가 소요되거나 긴 시간이 필요해 물 전기 분해의 상용화에 난관으로서 작용되었다.
물 분해 반응은 Pt 기반의 음극 및 RuO2 또는 IrO2 양극을 통해 수행되었으나, 산소를 생성하는 RuO2 또는 IrO2 양극은 귀금속을 사용하여 고가의 재료가 필요하고, 교차 오염의 가능성이 존재할 수 있다. 고가의 귀금속의 사용을 줄이기 위해 단일 원자 촉매 (SAC, single atomic catalyst)가 주목되었으나, 단일 원자 촉매는 원자와 지지체 사이에서 발생하는 약한 상호작용에 쉽게 박리되거나, 단일 원자들끼리 응집되는 문제가 발생하는 등의 문제가 발생하였다.
본원의 배경이 되는 기술인 논문(Pu, Z., Amiinu, I.S., Cheng, R. et al. Single-Atom Catalysts for Electrochemical Hydrogen Evolution Reaction: Recent Advances and Future Perspectives. Nano-Micro Lett. 12, 21 (2020) 은 전기화학적 수소 생성 반응(Hydrogen evolution reaction)에 사용될 수 있는 단일 원자 촉매에 대한 것으로서, 상기 논문은 OER 반응에 사용될 수 있는 단일 원자 촉매를 인식하지 못하고 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 물 분해 촉매 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본원은 상기 물 분해 촉매를 포함하는, 물 분해 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 다공성 탄소층, 상기 다공성 탄소층 상에 분산되고, 이금속성(bimetallic) 금속 합금 코어, 및 상기 금속 합금 코어 상에 분산된 단일 원자 귀금속을 포함하는 물 분해 촉매에 있어서, 상기 이금속성 금속 합금 코어의 표면에 산소가 흡착된 것인, 물 분해 촉매를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이금속성 금속 합금 코어의 표면 상에 형성된 산소는 물 분해 반응의 중간 물질을 안정화시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 탄소층의 표면 상에 형성된 산소를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 탄소층은 결함을 가지는 그래핀을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이금속성 합금 코어에 포함된 두개의 금속의 원자조성비는 0.25 : 1 내지 4 : 1 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이금속성 합금 코어는 Fe, Co, Cu, Zn, Ni, Mn, Cr, Ti, Y, Zr, Nb, 및 Mo 로 이루어진 군에서 선택된 2개의 금속 원소를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 귀금속은 Ru, Ir, Rh, Pd, Ag, Au, Pt, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2 측면은 제 1 금속의 전구체, 제 2 금속의 전구체 및 폴리머 용액을 혼합하여 다수의 금속-폴리머 미셀(micelle, M1M2-micelle)을 포함하는 혼합 용액을 형성하는 단계, 상기 혼합 용액 상에 귀금속 전구체를 투입하여 상기 금속-폴리머 미셀의 표면 상에 귀금속이 형성된, 다수의 중간체를 형성하는 단계, 및 상기 중간체를 열처리하는 단계를 포함하는, 물 분해 촉매의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 중간체를 열처리하기 전 상기 중간체들을 자기조립(self-assembled)시키는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-폴리머 미셀은, 2 개의 금속 원소를 포함하는 이금속성 금속 합금 코어 및 상기 이금속성 금속 합금 코어 상에 분산된 폴리머를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 중간체를 열처리하는 단계에서 상기 중간체의 폴리머는 다공성 탄소층을 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 폴리머 용액은 PS(polystyrene), PEG(polyethylene glycol), PPG(polypropylene glycol), PLA(polylactic acid) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 폴리머를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 폴리머 용액의 pH 는 8 내지 11 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 3 측면은 상기 제 1 측면에 따른 물 분해 촉매를 포함하는 물 분해 시스템을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매는 산소 생성 반응 또는 수소 생성 반응의 촉매일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 물 분해 촉매는 단일 원자 귀금속을 통해 산소 생성 반응의 속도 결정 단계(O* 가 OOH* 로 되는 단계)의 에너지 장벽을 낮출 수 있고, 표면에 흡착된 산소를 통해 OOH* 중간체를 안정화시킬 수 있다. 따라서, 상기 물 분해 촉매는 종래의 산소 생성 반응용 촉매에 비해 더 적은 에너지를 사용하여 산소를 생성할 수 있다.
또한, 본원에 따른 물 분해 촉매는, 단일 원자 귀금속을 나노 입자 (nanoparticle) 귀금속으로 변경함으로써, 수소 생성 반응에도 사용이 가능할 수 있다.
또한, 본원에 따른 물 분해 촉매는 100 시간 이상 사용하여도 전지의 전압에 변화가 없고, 동일한 전압이 인가될 경우 종래의 물 분해 촉매에 비해 더 많은 산소가 형성될 수 있어 내구성 및 산소 생성 효율이 뛰어날 수 있다.
또한, 본원에 따른 물 분해 촉매의 제조 방법은 종래의 물 분해 촉매의 제조 방법에 비해 귀금속의 사용량이 적어 저렴한 방법으로 물 분해 촉매를 제조할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 촉매의 모식도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 촉매의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 촉매의 제조 방법을 나타낸 모식도이다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 시스템의 모식도이다.
도 5 는 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매의 XRD 그래프이다.
도 6 의 (a) 내지 (c) 는 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매의 TEM 이미지이고, (d) 및 (e) 는 HADDF-STEM 이미지이며, (f) 는 (e)의 site 1 및 2 에 대한 라인 스캔 강도의 프로파일이다.
도 7 은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매의 TEM 이미지이다.
도 8 은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매의STEM-EDX 원소 분석한 이미지이다.
도 9 의 (a) 내지 (c) 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 XPS 스펙트럼이다.
도 10 의 (a) 내지 (e) 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 XPS 스펙트럼이다.
도 11 의 (a) 내지 (c) 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 XANES 스펙트럼이다.
도 12 의 (a) 내지 (c) 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 EXAFS 스펙트럼이다.
도 13 은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매의 WT-EXAFS 이미지이다.
도 14 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 EXAFS 피팅 곡선이다.
도 15 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 산소 발생 반응에 대한 그래프이다.
도 16 의 (a) 및 (b) 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 물 분해능을 나타낸 그래프이다.
도 17 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 시스템의 내구성을 나타낸 그래프이다.
도 18 은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 시스템의 내구성을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하에서는 본원의 물 분해 촉매에 대하여, 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 다공성 탄소층, 상기 다공성 탄소층 상에 분산되고, 이금속성(bimetallic) 금속 합금 코어, 및 상기 금속 합금 코어 상에 분산된 단일 원자 귀금속을 포함하는 물 분해 촉매에 있어서, 상기 이금속성 금속 합금 코어의 표면에 산소가 흡착된 것인, 물 분해 촉매를 제공한다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 촉매의 모식도이다. 구체적으로, 도 1 은 다공성 탄소층 상에 분산된 이금속성 금속 합금 코어에 대한 것으로서, 도 1 에는 표면에 Ru 단일 원자 귀금속이 분산되고, 산소가 흡착되어 존재하는, Fe 및 Co 합금 코어가 개시되어 있으나, Ru 대신 다른 귀금속이 사용될 수 있고, Fe 및 Co 합금이 아닌 다른 금속 합금이 사용될 수 있다.
일반적으로 물 분해 촉매는 물(H2O)이 산소(O2) 및 수소(H2)로 분해되는 반응을 촉진시키기 위한 촉매를 의미한다. 이와 관련하여, 본원에 따른 물 분해 촉매는 물을 분해하여 산소를 형성하기 위한 것으로서, 후술할 물 분해 시스템에서 환원 전극에 사용될 수 있다.
본원에 있어서, 단일 원자 귀금속은 나노 입자 등과 달리 귀금속 원자들끼리 응집되지 않고, 단 하나의 원자의 형태로 존재하는 것을 의미한다. 이러한 단일 원자는 100% 원자 이용률을 제공하고, 금속 나노 입자에 비해 우수한 촉매 활성도를 보이는 등 새로운 촉매로서 연구되고 있다.
본원에 따른 단일 원자 귀금속은 귀금속의 원자 하나가 상기 이금속성 금속 합금 코어에 분산된 것으로서, 산소 생성 반응(Oxygen evolution reaction)의 촉매로서 기능할 수 있다. 이와 관련하여, 상기 귀금속이 나노 입자(nanoparticle)의 형태, 즉 단일 원자들이 응집된 형태로서 존재할 경우, 상기 물 분해 촉매는 수소 생성 반응(Hydrogen evolution reaction)의 촉매로서도 사용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이금속성 금속 합금 코어의 표면 상에 형성된 산소는 물 분해 반응의 중간 물질을 안정화시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로, 물 분해 반응은 산소 생성 반응과 수소 생성 반응으로 나뉠 수 있고, 산소 생성 반응은 하기 반응식에 따른 반응을 포함할 수 있다.
[반응식]
2H2O → HO*+H2O+H++e-→O*+H2O+2H++2e-→HOO*+3H++3e-→O2+4H++4e―
종래의 산소 생성 반응에 사용되는 촉매는 HOO* 중간체를 안정화시킬 수 없었고, O* 가 HOO* 로 되는 반응에 많은 에너지가 필요한 등, 산소를 발생하기 위해서는 많은 에너지가 필요하였다. 그러나, 본원에 따른 물 분해 촉매는 단일 원자 귀금속에 의해 O* 가 HOO* 로 되는 반응의 운동 에너지 장벽을 감소시키면서, 동시에 촉매의 표면에 존재하는 흡착된 산소를 통해 HOO* 중간체를 안정화시킬 수 있어, 종래의 산소 생성 반응용 촉매보다 우수한 성능을 가질 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 탄소층의 표면 상에 형성된 산소를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 물 분해 촉매는, 이금속성 금속 합금 코어의 표면에 흡착된 산소(Olattice)) 및 다공성 탄소층의 표면에 형성된 산소(Osubstrate)를 포함할 수 있다.
상기 다공성 탄소층의 표면에 형성된 산소는, 상기 다공성 탄소층에 헤테로 원자 도핑된 것으로서, 상기 다공성 탄소층의 전도성을 높여 전자의 이동도를 증가시킴으로써 물 분해 반응 속도를 향상시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매 100 원자부(atomic percent)에 대하여, 상기 물 분해 촉매는 0.01 원자부 내지 0.8 원자부의 단일 원자 귀금속, 1 원자부 내지 7 원자부의 이금속성 금속 합금 코어에 흡착된 산소, 및 1 원자부 내지 20 원자부의 다공성 탄소층의 표면 상에 형성된 산소를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
후술하겠지만, 상기 물 분해 촉매를 식각하는 과정에서, 상기 다공성 탄소층의 표면 상에 형성된 산소의 비율이 감소하여 상기 이금속성 합금 코어에 흡착된 산소의 비율이 증가할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 탄소층은 결함을 가지는 그래핀을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 때, 상기 그래핀은 탄소가 2 차원 평면 구조를 이루고 있는 것으로서, 산회된 그래핀(graphene oxide) 또는 환원된 산화 그래핀(reduced-graphene oxide) 를 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 결함은 공공(vacancy), 침입형 원자(interstitial atom), 및 치환형 원자(substitutional atom) 중 어느 하나 이상의 점 결함을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 물 분해 촉매의 이금속성 합금 코어는, 상기 다공성 탄소층 상에 분산된 결함의 위치에 존재할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 이금속성 합금 코어가 상기 다공성 탄소층 상에 분산된 결함의 위치에 존재하지 않을 경우, 물 분해 반응의 반응대상인 전해질과 상기 단일 원자 귀금속의 활성 부위의 접촉 정도가 감소 또는 제거되어 물 분해 반응이 제한적으로 이루어질 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이금속성 합금 코어에 포함된 두개의 금속의 원자조성비는 0.25 : 1 내지 4 : 1 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 이금속성 합금 코어에 포함된 두 개의 금속의 원자 조성비는, 약 0.25 : 1 내지 약 4 : 1, 약 0.5 : 1 내지 약 4 : 1, 약 0.75 : 1 내지 약 4 : 1, 약 1 : 1 내지 약 4 : 1, 약 1.25 : 1 내지 약 4 : 1, 약 1.5 : 1 내지 약 4 : 1, 약 1.75 : 1 내지 약 4 : 1, 약 2 : 1 내지 약 4 : 1, 약 2.25 : 1 내지 약 4 : 1, 약 2.5 : 1 내지 약 4 : 1, 약 2.75 : 1 내지 약 4 : 1, 약 3 : 1 내지 약 4 : 1, 약 3.25 : 1 내지 약 4 : 1, 약 3.5 : 1 내지 약 4 : 1, 약 3.75 : 1 내지 약 4 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 0.5 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 0.75 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 1 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 1.25 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 1.5 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 1.75 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 2 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 2.25 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 2.5 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 2.75 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 3 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 3.25 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 3.5 : 1, 약 0.25 : 1 내지 약 3.75 : 1, 약 0.5 : 1 내지 약 3.75 : 1, 약 0.75 : 1 내지 약 3.5 : 1, 약 1 : 1 내지 약 3.25 : 1, 약 1.25 : 1 내지 약 3 : 1, 약 1.5 : 1 내지 약 2.75 : 1,약 1.75 : 1 내지 약 2.5 : 1, 약 2 : 1 내지 약 2.25 : 1, 또는 약 0.5 : 1 내지 약 2 : 1 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 이금속성 합금 코어는, 상기 단일 원자 귀금속의 지지체로서, 상기 단일 원자 귀금속들이 서로 결합되는 것을 방지하고, 표면에 흡착된 산소를 가질 수 있으며, 물 분해 반응에서 필요한 전자를 공급하거나 또는 발생한 전자를 수집할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이금속성 합금 코어는 Fe, Co, Cu, Zn, Ni, Mn, Cr, Ti, Y, Zr, Nb, 및 Mo 로 이루어진 군에서 선택된 2개의 금속 원소를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 이금속성 합금 코어는 Fe 및 Co 의 합금일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 귀금속은 Ru, Ir, Rh, Pd, Ag, Au, Pt, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매는 10 mA/cm2 의 전류 밀도를 달성하기 위해 100 mV 내지 250 mV 의 과전압(overpotential)이 필요할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 물 분해 촉매는 10 mA/cm2 의 전류 밀도를 달성하기 위해 약 100 mV 내지 약 250 mV, 약 125 mV 내지 약 250 mV, 약 150 mV 내지 약 250 mV, 약 175 mV 내지 약 250 mV, 약 200 mV 내지 약 250 mV, 약 225 mV 내지 약 250 mV, 약 100 mV 내지 약 125 mV, 약 100 mV 내지 약 150 mV, 약 100 mV 내지 약 175 mV, 약 100 mV 내지 약 200 mV, 약 100 mV 내지 약 225 mV, 약 125 mV 내지 약 225 mV, 약 150 mV 내지 약 200 mV, 또는 약 175 mV 의 과전압이 필요할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이 때, 상기 전류 밀도는 물 분해 촉매의 성능을 나타내는 지표일 수 있다.
종래의 물 분해 촉매는 10 mA/cm2 의 전류 밀도를 달성하기 위해서는 최소 298 mV 의 과전압이 필요하였으나, 본원에 따른 물 분해 촉매는 180 mV 의 과전압만이 필요하기 때문에, 본원에 다른 물 분해 촉매를 사용할 경우 산소 생성에 필요한 전력을 줄일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매의 타펠 곡선 기울기(tafel slope)는 40 mV/dec 내지 70 mV/dec 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 2 측면은 제 1 금속의 전구체, 제 2 금속의 전구체 및 폴리머 용액을 혼합하여 다수의 금속-폴리머 미셀(micelle, M1M2-micelle)을 포함하는 혼합 용액을 형성하는 단계, 상기 혼합 용액 상에 귀금속 전구체를 투입하여 상기 금속-폴리머 미셀의 표면 상에 귀금속이 형성된, 다수의 중간체를 형성하는 단계, 및 상기 중간체를 열처리하는 단계를 포함하는, 물 분해 촉매의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면에 따른 물 분해 촉매의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 촉매의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 촉매의 제조 방법을 나타낸 모식도이다. 구체적으로, 도 3 은 제 1 금속 및 제 2 금속이 Fe 및 Co 이고, 귀금속이 Ru 인 경우의 물 분해 촉매의 제조 방법을 의미한다.
이와 관련하여, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속은, 상기 물 분해 촉매의 이금속성 합금 코어를 형성하는 두 금속 원소를 의미한다.
먼저, 제 1 금속의 전구체, 제 2 금속의 전구체 및 폴리머 용액을 혼합하여 다수의 금속-폴리머 미셀(micelle, M1M2-micelle)을 포함하는 혼합 용액을 형성한다 (S100).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 폴리머 용액은 PS(polystyrene), PEG(polyethylene glycol), PLA(polylactic acid), PPG(polypropylene glycol), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 폴리머를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 폴리머 용액은 PEG-PPG-PEG 구조의 F-127 폴리머 및/또는 PS 를 포함할 수 있다.
상기 폴리머 용액은 양친매성 폴리머(amphiphilic polymer)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 양친매성 폴리머는 혼합 용액 내에서 계면활성제의 역할을 수행할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-폴리머 미셀은, 2 개의 금속 원소를 포함하는 이금속성 금속 합금 코어 및 상기 이금속성 금속 합금 코어 상에 분산된 폴리머를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 금속-폴리머 미셀의 이금속성 금속 합금 코어는 상기 제 1 측면에 따른 물 분해 촉매의 이금속성 합금 코어와 달리, 금속 원소의 이온 또는 금속 입자들이 응집된 형태를 가질 수 있다.
도 3 을 참조하면, 상기 폴리머 용액에 첨가된 상기 제 1 금속의 전구체 및 상기 제 2 금속의 전구체의 제 1 금속 이온 및 제 2 금속 이온은, 상기 혼합 용액 내에서 서로 결합하여 이금속성 금속 합금 코어를 형성할 수 있다. 이 때, 상기 이금속성 금속 합금 코어의 표면에 폴리머 용액의 양친매성 폴리머가 결합함으로써, 상기 폴리머의 소수성 영역은 상기 이금속성 금속 합금 코어와 결합하고, 상기 폴리머의 친수성 영역은 상기 혼합 용액의 용매(예를 들어 물)과 접촉하는, 금속-폴리머 미셀이 형성될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 폴리머 용액의 pH 는 8 내지 11 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 폴리머 용액의 pH 는 약 8 내지 약 11, 약 8.5 내지 약 11, 약 9 내지 약 11, 약 9.5 내지 약 11, 약 10 내지 약 11, 약 10.5 내지 약 11, 약 8 내지 약 8.5, 약 8 내지 약 9, 약 8 내지 약 9.5, 약 8 내지 약 10, 약 8 내지 약 10.5, 약 8.5 내지 약 10.5, 약 9 내지 약 10, 또는 약 9.5 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 금속의 전구체 및 상기 제 2 금속의 전구체는, 각각 독립적으로 Fe, Co, Cu, Zn, Ni, Mn, Cr, Ti, Y, Zr, Nb, 및 Mo 로 이루어진 군에서 선택된 금속 원소를 포함하되, 상기 제 1 금속과 상기 제 2 금속은 서로 다른 금속 원소일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 상기 혼합 용액 상에 귀금속 전구체를 투입하여 상기 금속-폴리머 미셀의 표면 상에 귀금속이 형성된, 다수의 중간체를 형성한다 (S200).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 귀금속 전구체는 Ru, Ir, Rh, Pd, Ag, Au, Pt, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 중간체는, 상기 금속-폴리머 미셀의 표면 상에 상기 귀금속이 단일 원자의 형태로 부착된 것을 의미한다. 이 때, 상기 금속-폴리머 미셀은 Ru 원자 각각과 결합하기 때문에, 상기 귀금속은 나노 입자(nanoparticle)의 형태로 응집되지 않고 상기 금속-폴리머 미셀의 이금속성 금속 합금 코어와 결합되어 단일 원자의 형태로 안정화될 수 있다.
이어서, 상기 중간체를 열처리한다(S300).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 중간체를 열처리하기 전 상기 중간체들을 자기조립(self-assembled)시키는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 중간체들은 표면에 귀금속이 부착되고, 폴리머를 포함하는 미셀의 형태를 갖고 있기 때문에, 상기 중간체들은 특정한 온도 조건에서 자기조립될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 중간체를 열처리하는 단계에서 상기 중간체의 폴리머는 다공성 탄소층을 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이와 관련하여, 상기 중간체를 이루는 폴리머에 열을 가하면, 상기 폴리머의 산소가 빠져나가 상기 폴리머가 탄소로만 이루어진 다공성 탄소층으로 환원되고, 이 때 이동하는 전자에 의해 상기 금속-폴리머 미셀의 이금속성 합금 코어의 금속 원소 또는 금속 입자들이 금속 합금으로 환원될 수 있다.
이 때, 상기 폴리머에서 빠져나간 산소는 상기 금속 합금의 표면 상에 흡착될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 탄소층은 결함을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이금속성 금속 합금 코어는, 상기 다공성 탄소층의 결함 위치에 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리하는 단계는 비활성 기체 분위기이고 600℃ 내지 900℃ 인 조건에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 열처리하는 단계는 비활성 기체 분위기이고 약 600℃ 내지 약 900℃, 약 650℃ 내지 약 900℃, 약 700℃ 내지 약 900℃, 약 750℃ 내지 약 900℃, 약 800℃ 내지 약 900℃, 약 850℃ 내지 약 900℃, 약 600℃ 내지 약 650℃, 약 600℃ 내지 약 700℃, 약 600℃ 내지 약 750℃, 약 600℃ 내지 약 800℃, 약 600℃ 내지 약 850℃, 약 650℃ 내지 약 850℃, 약 700℃ 내지 약 800℃, 또는 약 750℃ 인 조건에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리하는 단계는 1시간 내지 7 시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 열처리하는 단계는 약 1 시간 내지 약 7 시간, 약 2 시간 내지 약 7 시간, 약 3 시간 내지 약 7 시간, 약 4 시간 내지 약 7 시간, 약 5 시간 내지 약 7 시간, 약 6 시간 내지 약 7 시간, 약 1 시간 내지 약 2 시간, 약 1 시간 내지 약 3 시간, 약 1 시간 내지 약 4 시간, 약 1 시간 내지 약 5 시간, 약 1 시간 내지 약 6 시간, 약 2 시간 내지 약 6 시간, 약 3 시간 내지 약 5 시간, 또는 약 4 시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 중간체를 비활성 기체 분위기이고 750℃인 조건에서 열처리하는 단계를 4 시간 동안 수행할 경우 물 분해 촉매에 최적화된, 표면 산소의 양을 얻을 수 있고, 상기 열처리하는 단계를 수행하는 시간을 2 시간 이하로 줄이면 표면 산소의 양이 증가하며, 수소 가스와 함께 열처리할 경우 표면 산소의 양을 최소로 줄일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매의 제조 방법은 상기 열처리하는 단계를 수행하기 전 또는 후 비활성 기체로서 식각하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 3 측면은 상기 제 1 측면에 따른 물 분해 촉매를 포함하는 물 분해 시스템을 제공한다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 시스템의 모식도이다. 구체적으로, 도 4 는 Ni4Mo 전극에서 수소가 형성되고, 본원에 따른 물분해 촉매인 RuSACoFe2/G 전극에서 산소가 형성되는, 물 분해 시스템을 나타낸 것이다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매는 산소 생성 반응 또는 수소 생성 반응의 촉매일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 측면에 따른 물 분해 촉매는, 단일 원자 귀금속이 표면에 형성된 이금속성 금속 합금 코어를 포함하는 것으로서, 상기 단일 원자 귀금속에 의해 산소 생성 반응이 촉진될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 이금속성 합금 코어의 표면에 형성된 귀금속이 나노 입자(nanoparticle)의 형태를 가질 경우, 상기 귀금속 나노 입자를 포함하는 물 분해 촉매는 수소 생성 반응의 촉매로서 사용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 시스템은 염기성 물 또는 산성 물을 분해할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예]
100 mg 의 F127 블록 공중합체 및 10 ml 의 PS(polystyrene) 용액(0.5 wt% in ethanol) 을 20 ml 의 THF(tetrahydrofuran)에 용해하였다. 이어서, 상기 용액에 1 M 의 NaOH 를 천천히 적하하여 상기 용액의 pH 를 9 내지 10 으로 조정하였다.
이어서, 상기 용액에 Co 전구체 및 Fe 전구체(in ethanol)를 투입하여 CoFe 금속 졸을 형성하고, 여기에 Ru 전구체를 투입한 다음, 상온에서 천천히 증발시켜 자기조립하면서 THF 용매 및 에탄올 용매를 증발시킨 후, 750℃ 의 Ar 분위기에서 4 시간 동안 열적 탄소 환원법을 수행하여 RuSACoFe2/G, RuSACo2Fe/G, RuNPCoFe2/G, RuNPCo2Fe/G 등을 형성하였다 (실시예 1 내지 5).
이 때, Ru 가 SA(single atom)의 형태가 되는지, 또는 NP(nanoparticle)의 형태가 되는지는 투입된 Ru 전구체의 질량에 따라 결정될 수 있다.
이와 관련하여, 상기 형성된 물질들을 EDX 분석한 결과는 다음 [표 1] 과 같다.
분류 Sample EDX Co:Fe
C
(at.%)		 Co
(at.%)		 Fe
(at.%)		 O
(at.%)		 Ru
(at.%)		 Expt. Obser.
실시예 1 RuSACoFe2/G 68.81 8.63 17.55 3.7 0.41 1:2 1:2
실시예 2 RuSACoFe/G 75.53 9.52 10.29 4.19 0.47 1:1 1:1.1
실시예 3 RuSACo2Fe/G 70.23 16.24 8.88 4.4 0.44 2:1 1.8:1
실시예 4 RuNPCoFe2/G 73.06 6.68 12.88 6.55 0.83 1:2 1:1.9
실시예 5 RuNPCo2Fe/G 69.82 16.82 8.52 3.95 0.89 2:1 1.97:1
상기 표 1 에서, 실시예 1 내지 3 은 Ru 이 단일 원자의 형태로 Co-Fe 금속 합금에 부착된 것이고, 실시예 4 및 5 는 Ru 이 나노 입자의 형태로 Co-Fe 금속 합금에 부착된 것이다.
[비교예 1]
상기 실시예 1 의 과정에서, Ru 전구체를 투입하는 과정을 수행하지 않아 CoFe/G, Co2Fe/G, 또는 CoFe2/G 를 형성하였다.
[비교예 2]
Co(NO3)2·6H2O 및 Fe(NO3)2·9H2O(Co:Fe=1:2) 를 DI water 40 ml 에 용해시켰다. 이어서, Na2CO3 3 mmol 및 NaOH 21 mmol 를 포함하는 수용액 40 ml 와, 상기 Co 및 Fe 를 포함하는 DI water 두 용액 모두 pH 가 8.5 가 될 때 까지 80 ml 의 증류수를 함유하는 비커에서 RuCl3·3H2O 4 mg 전구체에 적하하였다. 하루동안 교반한 후, 고체 암갈색 침전물을 가라앉힌 후, 물과 에탄올로 세척하고, 70℃ 오븐에서 진공건조하여 RuSACoFe2-LDH 나노 시트를 제조하였다.
[비교예 3]
종래의 물 분해 촉매로서, h-NiSx, FeNi/RGO LDH, Ru/CoFe-LDH, Cu@Ni-Fe-LDH 등을 사용하였다.
[실험예 1]
상기 실시예에 따른 물 분해 촉매를 전자 현미경, XRD, EDX 등으로 분석하였다.
도 5 는 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매의 XRD 그래프이고, 도 6 의 (a) 내지 (c) 는 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매의 TEM 이미지이고, (d) 및 (e) 는 HADDF-STEM 이미지이며, (f) 는 (e)의 site 1 및 2 에 대한 라인 스캔 강도의 프로파일이고, 도 7 은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매의 TEM 이미지이며, 도 8 은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매의STEM-EDX 원소 분석한 이미지이다.
도 5 내지 도 8 을 참조하면, RuSACoFe2/G 는 CoFe2/G 와 유사한 XRD 피크를 가지고 있다. 또한, RuNPCoFe2/G 와 달리 Ru 에 의한 피크((100), (002), (101) 등)가 나타나지 않으면서 상기 Ru 는 EDX 분석 이미지 상에서 응집되지 않고 개별적인 점의 형태로 존재하고 있기 때문에, 상기 실시예에 따른 RuSACoFe2/G 는 Ru 이 단일 원자의 형태로 CoFe2/G 의 표면에 부착되었음을 알 수 있다.
또한, 상기 RuSACoFe2/G 에서, 금속 합금(CoFe2)의 표면은 외부에 노출되어 활성화된 면으로서, 상기 RuSACoFe2/G 의 표면에서 산소가 형성될 수 있다.
[실험예 2]
도 9 의 (a) 내지 (c) 및 도 10 의 (a) 내지 (e) 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 XPS 스펙트럼이다. 이와 관련하여, 도 9 및 도 10 에서 수행된 Ar 에칭 과정은 상기 물 분해 촉매의 이금속성 합금 코어(Co-Fe 합금) 의 표면 상에 산소의 존재 여부를 확인하기 위한 것이다.
도 9 및 도 10 을 참조하면, Ar 에칭 과정을 통해 다공성 탄소층 G 에 존재하는 산소(Osubstrate) 는 감소하고, 상기 이금속성 합금 코어(Co-Fe 합금)의 표면에 존재하는 산소(Olattice)는 증가하는 것을 통해, 물 분해 촉매의 표면에 산소가 존재함을 확인할 수 있다.
[실험예 3]
도 11 의 (a) 내지 (c) 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 XANES 스펙트럼이고, 도 12 의 (a) 내지 (c) 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 EXAFS 스펙트럼이고, 도 13 은 상기 실시예에 따른 물 분해 촉매의 WT-EXAFS 이미지이며, 도 14 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 EXAFS 피팅 곡선이다.
도 11 내지 도 14 를 참조하면, 상기 실시예에 따른 물 분해 촉매 RuSACoFe2/G 는 CoFe/G 와 유사한 XANES 스펙트럼 및 Ru-Co/Fe 결합이 보이면서, Ru-Ru 결합이 확인되지 않고 있다. 따라서, 상기 RuSACoFe2/G 의 Ru 입자는 응집되지 않고 단일 원자의 형태로 존재함을 확인할 수 있다.
[실험예 4]
도 15 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 산소 발생 반응에 대한 그래프이다. 구체적으로, 도 15 의 (a) 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 OER 분극 곡선이고, (b) 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매가 10 mA/cm2 에 도달하기 까지 필요한 과전압이고, (c) 는 OER 에 대한 고유 촉매의 활성에 대한 것이고, (d) 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 tafel 플롯이며, (e) 는 전류 밀도가 50 mA/cm2 이고, 1 M 의 KOH 전해질에서 25시간동안 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의시간에 따른 전위차를 나타낸 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 15 의 (e) 에서 왼쪽에 삽입된 그래프는 1 M KOH 에서 상기 실시예에 따른 물 분해 촉매에 의해 얻어진 산소 가스의 양 및 페러데이 효율이고, 오른쪽에 삽입된 그래프는 안정성 테스트 전후의 LSV 곡선이다.
도 15 를 참조하면, 상기 RuSACoFe2/G 는 종래의 다른 촉매(RuO2, CoFe2/G, 5% Ru/C, 또는 Ni foam)에 비해 낮은 전압에도 높은 전류 밀도를 달성할 수 있고, 타펠 곡선의 기울기가 낮으며, 장기간 사용하여도 인가되는 전압이 낮다. 또한, 상기 RuSACoFe2/G 는 페러데이 효율이 약 97.4%이고, 수득되는 산소 가스의 양이 시간에 따라 선형적으로 증가하면서 안정한 등, 종래의 촉매에 비해 안정적이고 산소 발생에 필요한 전기 에너지를 줄일 수 있다.
[실험예 5]
도 16 의 (a) 및 (b) 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매의 물 분해능을 나타낸 그래프이고, 도 17 은 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 시스템의 내구성을 나타낸 그래프이며, 도 18 은 상기 실시예에 따른 물 분해 시스템의 내구성을 나타낸 그래프이다. 이 때, 도 17 및 도 18 의 삽입된 그래프는 안정선테스트 전후의 LSV 곡선이다.
도 16 내지 도 18 을 참조하면, Ni4Mo // RuSACoFe2/G 를 포함하는 물 분해 시스템은 종래의 물 분해 시스템에 비해 더 적은 전기 에너지를 필요로 하면서, 수명이 100 시간으로 종래의 Pt/C // RuO2 물 분해 시스템에 비해 수명이 2 배 이상으로 긴 것을 확인할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 다공성 탄소층;
    상기 다공성 탄소층 상에 분산되고, 이금속성(bimetallic) 금속 합금 코어; 및
    상기 금속 합금 코어 상에 분산된 단일 원자 귀금속
    을 포함하는 물 분해 촉매에 있어서,
    상기 이금속성 금속 합금 코어의 표면에 산소가 흡착된 것인,
    물 분해 촉매.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이금속성 금속 합금 코어의 표면 상에 형성된 산소는 물 분해 반응의 중간 물질을 안정화시키는 것인, 물 분해 촉매.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 탄소층의 표면 상에 형성된 산소를 추가 포함하는 것인, 물 분해 촉매.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 탄소층은 결함을 가지는 그래핀을 포함하는 것인, 물 분해 촉매.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이금속성 합금 코어에 포함된 두개의 금속의 원자조성비는 0.25 : 1 내지 4 : 1 인, 물 분해 촉매.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 이금속성 합금 코어는 Fe, Co, Cu, Zn, Ni, Mn, Cr, Ti, Y, Zr, Nb, 및 Mo 로 이루어진 군에서 선택된 2개의 금속 원소를 포함하는 것인, 물 분해 촉매.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 귀금속은 Ru, Ir, Rh, Pd, Ag, Au, Pt, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 물 분해 촉매.
  8. 제 1 금속의 전구체, 제 2 금속의 전구체 및 폴리머 용액을 혼합하여 다수의 금속-폴리머 미셀(micelle, M1M2-micelle)을 포함하는 혼합 용액을 형성하는 단계;
    상기 혼합 용액 상에 귀금속 전구체를 투입하여 상기 금속-폴리머 미셀의 표면 상에 귀금속이 형성된, 다수의 중간체를 형성하는 단계; 및
    상기 중간체를 열처리하는 단계;
    를 포함하는,
    물 분해 촉매의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 중간체를 열처리하기 전 상기 중간체들을 자기조립(self-assembled)시키는 단계를 추가 포함하는 것인, 물 분해 촉매의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속-폴리머 미셀은, 2 개의 금속 원소를 포함하는 이금속성 금속 합금 코어 및 상기 이금속성 금속 합금 코어 상에 분산된 폴리머를 포함하는 것인, 물 분해 촉매의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 중간체를 열처리하는 단계에서 상기 중간체의 폴리머는 다공성 탄소층을 형성하는 것인, 물 분해 촉매의 제조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 폴리머 용액은 PS(polystyrene), PEG(polyethylene glycol), PPG(polypropylene glycol), PLA(polylactic acid) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 폴리머를 포함하는 것인, 물 분해 촉매의 제조 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 폴리머 용액의 pH 는 8 내지 11 인, 물 분해 촉매의 제조 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 물 분해 촉매를 포함하는, 물 분해 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 물 분해 촉매는 산소 생성 반응 또는 수소 생성 반응의 촉매인, 물 분해 시스템.
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