Ca4IrO6와 Sr4IrO6 산소발생반응 촉매의 이온 치환을 통한 안정성 향상

Abstract

화석 연료의 고갈과 기존 연료 체계가 야기하는 여러 환경 문제로 인해 새로운 에너지원의 사용은 필수적이게 되었다. 그에 따라 수전해조, 연료전지 등과 같이 기존의 방식을 대체할 수 있는 여러 종류의 에너지 변환 및 저장장치들이 개발되고 있다. 하지만 이런 장치들은 공통적으로 산소발생반응이 병목으로 작용하고 있다. 해당 병목 현상을 해결하기 위해 다양한 산소발생반응 촉매들이 연구되고 있으며, 특히 A$_x$Ir$_y$O$_z$(A = 알칼리 토금속 이온) 형태의 이리듐 기반 복합 산화물이 귀금속인 이리듐의 함량은 줄이면서도 높은 활성도를 보여 주목받고 있다. 그러나 이러한 촉매들은 A-site에 존재하는 이온이 산소발생반응 진행 중 용해가 발생하고 특히 결합력이 약한 결정구조의 물질은 안정성의 문제가 두드러진다. 본 연구에서는 약한 결정구조를 가진 물질의 안정성 문제를 해결하기 위한 방안으로 알칼리 토금속이 포함된 전해질을 이용하였다. A$_x$Ir$_y$O$_z$의 이리듐 복합 산화물 중 이리듐의 함량이 가장 낮으면서도 안정성의 문제가 두드러지는 Ca$_4$IrO$_6$와 Sr$_4$IrO$_6$를 이용하여 실험을 진행하였고 월등한 안정성의 향상을 이루었다. 이는 알칼리 토금속 이온이 존재하는 전해질을 이용할 경우 기존 A-site에 존재하는 이온과 전해질의 이온이 치환을 이루며 월등한 안정성의 향상을 이루었기 때문이며 여러 전기화학 실험과 STEM/EDS를 통한 직접 관찰을 통해 해당 현상을 이해하고자 했다.