본교 화공생명공학과 백서인 교수 연구팀의 문성진, 목동현 연구원은 서울대학교 현택환, 성영은 교수 연구팀과 공동연구를 수행하여, 코발트-철-바나듐 (CoFeV) 스피넬 산화물에서 바나듐이 탈리 (leaching) 됨에 따라 표면 재구축 (Surface Construction) 이 일어나 산소 생성 반응 (Oxygen Evolution Reaction, OER) 성능이 증가함을 확인하고 그 원인을 규명하였다.

본 연구팀은 밀도범 함수 이론 (DFT)를 통해 OER 환경 (1.5 V vs RHE, pH 14) 하에서 CoFeV 스피넬의 바나듐 용출 전위 (dissolution potential)가 낮아 바나듐이 자연스럽게 탈리되며, 바나듐의 탈리로 인한 산소공 (oxygen vacancy)의 형성이 산화물 표면에서 코발트-철 oxyhydroxide (CoFeOOH)로의 재구축을 유도함을 이론적으로 보였다. 이후 Bader Charge 분석을 통해 재구축된 CoFeOOH 표면의 코발트 원자가 스피넬에서의 코발트 원자보다 덜 산화되어 OER 반응 중간체와의 강한 상호작용을 유도하고 OER 활성을 증가시킴을 규명하였다. 해당 연구 성과는 저명한 국제 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ (인용 지수 19.0)에 게재되었다.

그림 1. (a) 상대적으로 낮은 바나듐의 용출 전위. (b) 산소의 p-band center 비교. 값이 fermi level에 가까울수록 산소공 형성에 유리하다. (c) 산소공 형성 에너지 비교. (d) OER 활성에 대한 Volcano Plot. CoFeOOH가 가장 낮은 과전압을 보인다. (e) OER Gibbs Free energy 다이어그램. OER 반응 중간체들이 CoFeOOH에서 전체적으로 강한 흡착을 보인다. (f) Co의 d-band center 비교. 값이 0에 가까울수록 anti-bonding orbital에 포함된 spin의 비율이 줄어 흡착이 강해진다. (g) CoFe 스피넬, (h) CoFeV 스피넬 그리고 (i) CoFeOOH 표면에서의 Co 원자의 bader charge 비교. 값이 높을수록 많이 산화되었음을 의미하며 CoFeOOH의 Co 원자가 가장 낮은 charge 값을 가진다.        

본 연구는 탄소중립산업핵심기술개발 사업과 KISTI 컴퓨팅 자원의 지원으로 수행되었다

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논문 링크 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202401095