인간 활동에 기인한 이산화탄소(CO2) 배출을 감소시키고 재생 가능 연료로 전환해야 할 필요성이 증가함에 따라, 혁신적인 탄소 전환(carbon-conversion) 방법의 중요성이 부각되며, 최근에는 광전극 보조 CO2 환원(photoanode-assisted CO2RR, photoanode-CO2RR)이 유망한 전략으로 등장하고 있다. 본 연구는 새로운 계면 공학 방식의 촉매를 제시한다. 즉, 분리된 Ag 단일원자(SA)들을 인산아연(zinc phosphate, Zn3(PO4)2) 나노큐브에 균일하게 도핑한 Ag SA @Zn3(PO4)2 촉매로, 효율적인 전하 전달을 촉진하고 CO2 RR에서 고도로 선택적인 일산화탄소(CO) 생산을 가능하게 한다. 밀도범함수이론(DFT) 계산은 Ag SA의 도핑이 Zn3(PO4)2의 전자 구조를 변화시켜 반응 중간체의 흡착을 최적화함을 추가로 보여준다. 또한 GaAs/Pt SA @NiOOH 광전극과 Ag SA @Zn3(PO4)2 음극을 통합한 광전기화학(PEC) 플로우 셀은 태양광-연료 효율(소라 투 퓨얼, STF) 4.7% 및 패러데이 효율(FE) 94%로 일산화탄소(CO) 생산을 달성하여 CO2 환원 반응 속도가 유의미하게 향상되었음을 입증한다. 더 나아가, PV 모듈로 구동되는 통합형 Ag SA @Zn3(PO4)2 ||Pt SA @NiOOH 단독 광보조 시스템은 외부 바이어스 0 조건에서 연속적으로 작동하며 평균 CO FEco 90%를 달성한다. 이러한 뛰어난 성능은 AM 1.5G 조명 하에서 태양광-CO 전환 효율(ηSTF co) 8.8%에 해당하며, CO2 환원을 위한 효과적이고 내구성 있는 용액으로서의 잠재력을 보여준다.

기둥의 면(facets)은 OOH 흡착 강도를 감소시켜 촉매 활성을 향상시키며, 그 결과 과전위를 낮춘다. 본 연구는 촉매 성능을 최적화하는 데 있어 면 공학(facet engineering)의 중요성을 강조하고, 에너지 및 환경 응용을 위한 고도화된 TMP 기반 물질을 설계하는 경로를 제시한다.

아연(Zn) 금속 음극에서 나타나는 열악한 사이클링 안정성 및 낮은 쿨롱 효율의 전통적 문제는 이들의 실용적 적용을 제한해 왔다. 이러한 문제를 극복하기 위해 본 연구에서는 3차원 질소(N) 및 산소(O) 공-도핑 다공성 탄소(3D nitrogen (N) and oxygen (O) co-doped porous carbon) 위에 원자적으로 분산된 단일 구리(Cu) 원자 단일 금속-원자 설계를 도입하여, 고도로 가역적인 Zn 호스트를 제시한다. CuNOC 구조는 초기 Zn 핵생성에 대해 매우 활성적인 반응 자리를 제공하며, 나아가 균일한 Zn 석출을 촉진한다. 또한 3D 다공성 구조는 사이클 동안의 부피 변화를 더욱 완화하여, 균일한 Zn2+ 플럭스를 가능하게 한다. 그 결과 CuNOC는 고정 용량 1 mAh cm−2에서 전류 밀도 2 및 5 mA cm−2 조건으로 1000 사이클 이상 Zn 도금/박리 공정에서 탁월한 가역성을 보였으며, 5 mA cm−2 및 5 mAh cm−2 조건에서 700 h 이상 안정적인 작동과 낮은 전압 히스테리시스를 달성하였다. 더불어 밀도범함수이론 계산 결과, 원자적으로 분산된 단일 Cu 원자를 갖춘 다공성 탄소에 N과 O를 공-도핑하면 안정적인 Zn 핵생성에 효율적인 아연친화적(zincophilic) 자리가 형성됨이 나타났다. CuNOC 호스트 음극과 높은 로딩의 V2O5 양극을 사용하는 전지(full cell)는 5 A g−1까지 우수한 레이트 특성을 보였고, 0.5 A g−1에서 400 사이클 이상 안정적인 사이클 수명을 나타냈다.

니켈-철 층상 이중수산화물(Ni-Fe LDH)은 층 사이에 전하 균형을 이루는 음이온과 물 분자가 포함된, 양전하를 띤 Fe3+가 도핑된 Ni-수산화물 층들이 적층된 구조로 이루어진다. Ni-Fe LDH는 알칼리 조건에서 산소발생반응(OER)에 대해 매우 높은 촉매 활성을 보이지만, 열악한 운전 안정성은 여전히 해결해야 할 문제로 남아 있다. 본 연구에서는 밀도 범함수 이론 계산에 기초하여, Ni-Fe LDH가 허용하는 이론적 Fe3+ 한계(≈25%)보다 높은 Fe 함량(>40%)을 도입하면 구조적 안정성이 향상될 수 있음을 제안한다. 따라서 Fe 기판의 조절된 산소 부식에 기반한 성장 전략을 통해, Ni2+-Fe3+ LDH 구조에 추가적인 Fe2+를 편입시키도록 하여 Fe-풍부 Ni-Fe LDH 전극을 제조한다. 실제로 미세구조 및 원소 분석은 추가적인 Fe2+의 존재를 확인한다. 이 Fe-풍부 Ni-Fe LDH 전극은 낮은 OER 과전압(200 mA cm−2에서 ≈270 mV)을 제공할 뿐 아니라, 유의미한 성능 저하나 금속 이온 용출 없이 동적 운전 환경에서도 우수한 운전 안정성을 나타낸다. 마지막으로 Fe-풍부 Ni-Fe LDH 전극의 실용적 타당성은 단일 셀(34.56 cm2) 운전에서 입증된다. 이러한 결과는 상업용 물 전해조에 적용 가능한 신뢰성 있는 OER 전극 개발에 기여할 것으로 기대된다.

인간 활동에 기인한 이산화탄소(CO2) 배출을 감소시키고 재생 가능 연료로 전환해야 할 필요성이 증가함에 따라, 혁신적인 탄소 전환(carbon-conversion) 방법의 중요성이 부각되며, 최근에는 광전극 보조 CO2 환원(photoanode-assisted CO2RR, photoanode-CO2RR)이 유망한 전략으로 등장하고 있다. 본 연구는 새로운 계면 공학 방식의 촉매를 제시한다. 즉, 분리된 Ag 단일원자(SA)들을 인산아연(zinc phosphate, Zn3(PO4)2) 나노큐브에 균일하게 도핑한 Ag SA @Zn3(PO4)2 촉매로, 효율적인 전하 전달을 촉진하고 CO2 RR에서 고도로 선택적인 일산화탄소(CO) 생산을 가능하게 한다. 밀도범함수이론(DFT) 계산은 Ag SA의 도핑이 Zn3(PO4)2의 전자 구조를 변화시켜 반응 중간체의 흡착을 최적화함을 추가로 보여준다. 또한 GaAs/Pt SA @NiOOH 광전극과 Ag SA @Zn3(PO4)2 음극을 통합한 광전기화학(PEC) 플로우 셀은 태양광-연료 효율(소라 투 퓨얼, STF) 4.7% 및 패러데이 효율(FE) 94%로 일산화탄소(CO) 생산을 달성하여 CO2 환원 반응 속도가 유의미하게 향상되었음을 입증한다. 더 나아가, PV 모듈로 구동되는 통합형 Ag SA @Zn3(PO4)2 ||Pt SA @NiOOH 단독 광보조 시스템은 외부 바이어스 0 조건에서 연속적으로 작동하며 평균 CO FEco 90%를 달성한다. 이러한 뛰어난 성능은 AM 1.5G 조명 하에서 태양광-CO 전환 효율(ηSTF co) 8.8%에 해당하며, CO2 환원을 위한 효과적이고 내구성 있는 용액으로서의 잠재력을 보여준다.

기둥의 면(facets)은 OOH 흡착 강도를 감소시켜 촉매 활성을 향상시키며, 그 결과 과전위를 낮춘다. 본 연구는 촉매 성능을 최적화하는 데 있어 면 공학(facet engineering)의 중요성을 강조하고, 에너지 및 환경 응용을 위한 고도화된 TMP 기반 물질을 설계하는 경로를 제시한다.

아연(Zn) 금속 음극에서 나타나는 열악한 사이클링 안정성 및 낮은 쿨롱 효율의 전통적 문제는 이들의 실용적 적용을 제한해 왔다. 이러한 문제를 극복하기 위해 본 연구에서는 3차원 질소(N) 및 산소(O) 공-도핑 다공성 탄소(3D nitrogen (N) and oxygen (O) co-doped porous carbon) 위에 원자적으로 분산된 단일 구리(Cu) 원자 단일 금속-원자 설계를 도입하여, 고도로 가역적인 Zn 호스트를 제시한다. CuNOC 구조는 초기 Zn 핵생성에 대해 매우 활성적인 반응 자리를 제공하며, 나아가 균일한 Zn 석출을 촉진한다. 또한 3D 다공성 구조는 사이클 동안의 부피 변화를 더욱 완화하여, 균일한 Zn2+ 플럭스를 가능하게 한다. 그 결과 CuNOC는 고정 용량 1 mAh cm−2에서 전류 밀도 2 및 5 mA cm−2 조건으로 1000 사이클 이상 Zn 도금/박리 공정에서 탁월한 가역성을 보였으며, 5 mA cm−2 및 5 mAh cm−2 조건에서 700 h 이상 안정적인 작동과 낮은 전압 히스테리시스를 달성하였다. 더불어 밀도범함수이론 계산 결과, 원자적으로 분산된 단일 Cu 원자를 갖춘 다공성 탄소에 N과 O를 공-도핑하면 안정적인 Zn 핵생성에 효율적인 아연친화적(zincophilic) 자리가 형성됨이 나타났다. CuNOC 호스트 음극과 높은 로딩의 V2O5 양극을 사용하는 전지(full cell)는 5 A g−1까지 우수한 레이트 특성을 보였고, 0.5 A g−1에서 400 사이클 이상 안정적인 사이클 수명을 나타냈다.

니켈-철 층상 이중수산화물(Ni-Fe LDH)은 층 사이에 전하 균형을 이루는 음이온과 물 분자가 포함된, 양전하를 띤 Fe3+가 도핑된 Ni-수산화물 층들이 적층된 구조로 이루어진다. Ni-Fe LDH는 알칼리 조건에서 산소발생반응(OER)에 대해 매우 높은 촉매 활성을 보이지만, 열악한 운전 안정성은 여전히 해결해야 할 문제로 남아 있다. 본 연구에서는 밀도 범함수 이론 계산에 기초하여, Ni-Fe LDH가 허용하는 이론적 Fe3+ 한계(≈25%)보다 높은 Fe 함량(>40%)을 도입하면 구조적 안정성이 향상될 수 있음을 제안한다. 따라서 Fe 기판의 조절된 산소 부식에 기반한 성장 전략을 통해, Ni2+-Fe3+ LDH 구조에 추가적인 Fe2+를 편입시키도록 하여 Fe-풍부 Ni-Fe LDH 전극을 제조한다. 실제로 미세구조 및 원소 분석은 추가적인 Fe2+의 존재를 확인한다. 이 Fe-풍부 Ni-Fe LDH 전극은 낮은 OER 과전압(200 mA cm−2에서 ≈270 mV)을 제공할 뿐 아니라, 유의미한 성능 저하나 금속 이온 용출 없이 동적 운전 환경에서도 우수한 운전 안정성을 나타낸다. 마지막으로 Fe-풍부 Ni-Fe LDH 전극의 실용적 타당성은 단일 셀(34.56 cm2) 운전에서 입증된다. 이러한 결과는 상업용 물 전해조에 적용 가능한 신뢰성 있는 OER 전극 개발에 기여할 것으로 기대된다.

100 사이클 이후에도 무양극 SMB의 작동을 입증하였다.

), 저농도에서 향상된 침투(percolation) 거동에 기인한다고 설명된다. 밀도범함수이론 계산 결과, 양자 크기 효과가 질소 2p 전자 상태를 상승시켜 가수분해 공격 메커니즘에 대한 운동 장벽을 증가시키는 것으로 나타났다. 가속 노화 조건(85 °C, 85% 습도) 하에서 2D AlN 복합체는 200 h 동안 열적 특성이 거의 저하되지 않으며 유지된다. 이러한 형태학적 공학 접근은 요구가 큰 전자 환경에서 견고한 열 인터페이스 응용 분야를 위한 새로운 가능성을 열어준다.

AEM으로 함침된 Al 2 O 3 촉매들 중에서 Ba–Al 2 O 3는 Al 3+의 전자 밀도 증가 및 재흡착 에너지 감소를 통해 이성질화(isomerization)를 억제함으로써 1-옥텐의 최고 순도를 달성하였다.

면 제어를 통한 인화몰리브덴(MoP) 단결정의 성장 표지 이미지는 액체 금속 보조 화학기상증착(liquid-metal-assisted chemical vapor deposition)으로 합성된 인화몰리브덴(molybdenum phosphide, MoP) 단결정을 보여준다. 서로 다른 성장 온도에서 정밀한 면(facet) 제어를 통해 독특한 MoP 나노플레이트와 기둥(pillar)과 같은 구조가 형성된다. 이 전략은 형태를 맞춤 설계한 MoP 결정을 제작할 수 있게 하여, 효율적인 과산화수소(hydrogen peroxide) 합성을 위한 촉매 성능을 최적화한다. 자세한 내용은 Byung-Hyun Kim, Min-Jae Choi, Hyeuk Jin Han 및 동료 연구진의 논문 번호 2500250에서 확인할 수 있다.