본교 화공생명공학과 백서인 교수 연구팀의 이우석 연구원 (공동 제 1저자)은 중앙대학교 하돈형 교수 연구팀과 공동연구를 수행하여, 니켈-코발트 스피넬 황화물에서 산소 생성 반응 (Oxygen Evolution Reaction, OER) 환경 (1.5V vs RHE) 하에서 니켈-코발트 oxyhydroxide로의 상 변형 (phase transformation)이 일어나는 현상을 규명하고 해당 구조의 OER 활성이 코발트 oxyhydroxide 보다 우수한 것을 확인하고 그 원인을 규명하였다.

본 연구팀은 밀도범함수이론 (Density Functional Theory, DFT) 계산을 통해 OER 환경에서 니켈-코발트 oxyhydroxide의 깁스 자유 에너지가 니켈-코발트 스피넬 황화물 구조 보다 낮아, 열역학적 더 안정하여 상 변형을 유도할 수 있음을 이론적으로 보였다. 이후 변형된 구조 표면에서의 OER 활성을 반응 중간체 (OH*, O*, OOH*)의 흡착에너지 계산을 통해 분석한 결과, 코발트 oxyhydroxide와 비교하여 니켈-코발트 oxydydroxide 시스템에서의 강한 O* 흡착이 활성 향상에 기인한다는 것을 규명하였다. 이후 Density of States 분석 및 Bader Charge 분석을 통해 전자 구조의 변형이 반응 중간체의 강한 흡착을 유도함을 확인하였다. 해당 연구 성과는 저명한 국제 학술지인 'Chemical Engineering Journal' (인용 지수 15.1)에 게재되었다.

그림 1. (a) (Ni_1.2Co_1.8)S₄를 기준으로 전위에 따른 Ni_0.39Co_0.61(OH)₂ 및 Ni_0.39Co_0.61OOH의 상대적인 깁스 자유 에너지 다이어그램. 값이 작을수록 열역학적으로 안정하다는 것을 의미하며 OER 조건 (1.5V vs RHE)에서 Ni_0.4Co_0.6OOH가 가장 낮은 값을 가진다. (b) OER Gibbs Free energy 다이어그램. OER 반응 중간체들이 Ni_0.4Co_0.6OOH에서 전체적으로 강한 흡착을 보인다. (c) Co의 density of states 비교. 값이 0에 가까울수록 anti-bonding orbital에 포함된 spin의 비율이 줄어 흡착이 강해진다. (d) CoOOH와 Ni_0.4Co_0.6OOH 표면에서의 Co 원자의 bader charge 비교. 값이 높을수록 많이 산화되었음을 의미하며 Ni의 도입으로 인해 Co의 산화수가 증가하였다.

본 연구는 IITP 사업과 KISTI 슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 통해 수행되었다.

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논문링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724043900