수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction)에 관한 논문에서, 논문 번호 2305035의 Jin Young Kim, Mu-Hyun Baik, Kwangyeol Lee 및 동료 연구진은 중성 조건에서 수소 발생 반응을 위한 CrOx 도핑 Co9S8/CuCrS2 모자이크 이종 나노촉매를 제시한다. CrOx 도펀트는 물의 흡착/해리를 향상시키고 Co 자리에 전자 전달을 촉진하여 수소 생성을 최적화한다. 혁신적인 설계는 친산소(oxophilic) 및 HER 활성 도메인을 통합함으로써 뛰어난 성능과 안정성을 보여주며, 지속 가능한 수소 생산을 위한 차세대 촉매 개발의 길을 연다.

Pt 기반 금속간 촉매에서의 경직된 원자 배열은 구조적 안정성을 향상시키지만, 본질적으로 국소 전자 조절성과 조성 유연성을 제한한다. 이러한 한계는 양성자 교환 막 연료전지(PEMFCs)에서의 동적 전기화학 조건 하에서 촉매 최적화를 저해한다. 이를 극복하기 위해, 원자 수준의 조성 무질서를 구조적으로 정렬된 Pt–M(M = Co, Ni) 골격에 통합하는 상간(inter-sublattice) 무작위(ISR) 합금 전략을 보고한다. 2단계 이종에피택셜 성장 접근법을 사용하여, PtCo 금속간 시드의 M-아(亞)격자에 Ni 원자를 도입함으로써 결정학적 질서를 유지하면서 Co/Ni 분포를 무작위화한 촉매를 형성한다. 이러한 이중 질서–무질서 모티프는 구조적 대칭성과 화학적 복잡성을 분리시켜, 정밀한 전자 조절과 반응 적응형 유연성을 제공한다. ISR 촉매는 최적화된 d-밴드 충전과 중간 결합을 나타내며, 에너지부(Department of Energy, DOE) 2025 PEMFC 목표를 초과하는 ORR 활성과 내구성을 달성한다. 현장(in situ) 미시적 관찰, 방사광 분광 및 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산을 결합한 기구 분석은 격자 무질서와 Pt-스킨 형성이 표면 구조를 상호 시너지로 안정화하고 흡착 에너지를 조절함을 보여준다. 본 연구는 금속간 구조 내에서의 아(亞)격자 수준 무질서 공학을, 견고하고 조절 가능한 전기촉매를 개발하기 위한 유망한 합성 전략으로 정립한다. 또한 고체상 합성은 널리 확산된 PEMFC 보급을 위한 대량 생산을 가능하게 한다.

산소 환원 반응 서브라티스(random alloy, 무작위 합금) 개념은 정렬된 Pt─Co 골격에 원자 수준의 제어된 무질서를 도입함으로써 구조와 조성을 분리한다. 결정학적 질서와 화학적 이질성의 이러한 시너지는 Pt의 전자 상태 및 배위 환경을 정밀하게 최적화한다. 그 결과 생성된 촉매는 양성자 교환막 연료전지에서 탁월한 산소 환원 활성과 내구성을 제공하며, 까다로운 DOE 2025 성능 벤치마크를 능가한다. 2503362호의 해당 논문에서 더 자세한 내용은 확인할 수 있으며, Sang Uck Lee, Sung Jong Yoo, Kwangyeol Lee 및 공동연구자들이다.

감소 기술.

수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction)에 관한 논문에서, 논문 번호 2305035의 Jin Young Kim, Mu-Hyun Baik, Kwangyeol Lee 및 동료 연구진은 중성 조건에서 수소 발생 반응을 위한 CrOx 도핑 Co9S8/CuCrS2 모자이크 이종 나노촉매를 제시한다. CrOx 도펀트는 물의 흡착/해리를 향상시키고 Co 자리에 전자 전달을 촉진하여 수소 생성을 최적화한다. 혁신적인 설계는 친산소(oxophilic) 및 HER 활성 도메인을 통합함으로써 뛰어난 성능과 안정성을 보여주며, 지속 가능한 수소 생산을 위한 차세대 촉매 개발의 길을 연다.

Pt 기반 금속간 촉매에서의 경직된 원자 배열은 구조적 안정성을 향상시키지만, 본질적으로 국소 전자 조절성과 조성 유연성을 제한한다. 이러한 한계는 양성자 교환 막 연료전지(PEMFCs)에서의 동적 전기화학 조건 하에서 촉매 최적화를 저해한다. 이를 극복하기 위해, 원자 수준의 조성 무질서를 구조적으로 정렬된 Pt–M(M = Co, Ni) 골격에 통합하는 상간(inter-sublattice) 무작위(ISR) 합금 전략을 보고한다. 2단계 이종에피택셜 성장 접근법을 사용하여, PtCo 금속간 시드의 M-아(亞)격자에 Ni 원자를 도입함으로써 결정학적 질서를 유지하면서 Co/Ni 분포를 무작위화한 촉매를 형성한다. 이러한 이중 질서–무질서 모티프는 구조적 대칭성과 화학적 복잡성을 분리시켜, 정밀한 전자 조절과 반응 적응형 유연성을 제공한다. ISR 촉매는 최적화된 d-밴드 충전과 중간 결합을 나타내며, 에너지부(Department of Energy, DOE) 2025 PEMFC 목표를 초과하는 ORR 활성과 내구성을 달성한다. 현장(in situ) 미시적 관찰, 방사광 분광 및 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산을 결합한 기구 분석은 격자 무질서와 Pt-스킨 형성이 표면 구조를 상호 시너지로 안정화하고 흡착 에너지를 조절함을 보여준다. 본 연구는 금속간 구조 내에서의 아(亞)격자 수준 무질서 공학을, 견고하고 조절 가능한 전기촉매를 개발하기 위한 유망한 합성 전략으로 정립한다. 또한 고체상 합성은 널리 확산된 PEMFC 보급을 위한 대량 생산을 가능하게 한다.

산소 환원 반응 서브라티스(random alloy, 무작위 합금) 개념은 정렬된 Pt─Co 골격에 원자 수준의 제어된 무질서를 도입함으로써 구조와 조성을 분리한다. 결정학적 질서와 화학적 이질성의 이러한 시너지는 Pt의 전자 상태 및 배위 환경을 정밀하게 최적화한다. 그 결과 생성된 촉매는 양성자 교환막 연료전지에서 탁월한 산소 환원 활성과 내구성을 제공하며, 까다로운 DOE 2025 성능 벤치마크를 능가한다. 2503362호의 해당 논문에서 더 자세한 내용은 확인할 수 있으며, Sang Uck Lee, Sung Jong Yoo, Kwangyeol Lee 및 공동연구자들이다.

감소 기술.

알칼리 수소 발생 반응(HER)을 위한 효율적이고 내구성 있는 전기촉매는 애노드 교환막 수전해 장치(AEMWE)의 광범위한 적용에 매우 중요하다. Ru2P와 같은 다수의 단일상 촉매가 효율적인 HER 촉매로 탐색되어 왔으나, 알칼리 HER에 관여하는 두 가지 분리된 단계—물 분해와 수소 생성—가 내재적으로 가지는 느린 반응 동역학을 극복하지 못한 경우가 많았다. 본 연구에서는 밀도범함수이론(DFT) 계산을 수행하여 Ru2P 표면에서 인접한 Ir2P로의 운동학적으로 유리한 수소 스필오버(hydrogen spillover)를 통해 빠른 연쇄(캐스케이드) 물 분해와 H2 생성을 촉진하는 Ir2P와 Ru2P 재료의 유망한 조합을 규명하고자 하였다. 상호 협동적인 이종구조 시너지를 특징으로 하는, Ir2P 클러스터로 장식된 Ru2P 중공 나노튜브(c ‐RP/IP HNTs)의 전례 없는 구성법이 개발되었다. 이 구성은 상용 Pt/C보다 더 우수한 성능을 보이며, 10 mA cm−2에서 과전압 23.2 mV를 달성하고 반쪽전지 시험에서 55 h 동안 장기 안정성을 유지하였다. 또한 c ‐RP/IP HNTs를 포함한 실제 AEMWE 시험에서는 2.0 V에서 12.23 A cm−2의 현저한 단일 셀 성능을 보였고, 1.0 A cm−2 조건에서 250 h 이상 안정적으로 구동되었다. 이는 최신 양성자 교환막 WE의 성능을 능가한다.

도펀트 엔지니어링은 Ru계 촉매의 전자 구조를 조절하고 표면 구성의 안정화를 유도하여, Ru 용출을 효과적으로 억제하고 PEM 수전해에서 산성 산소발생을 위한 내구성을 향상시킨다.

약 ≈200 h 동안), 기존 최고 수준의 촉매를 능가하였다. 본 연구의 결과는 AEMWE 시스템에서 효율적인 수소 생산을 위한 촉매 안정성과 성능을 향상시키는 데 있어 음이온 개질(anion modification)의 핵심적 역할을 강조한다.

공유 결합형 유기 골격체(covalent organic frameworks, COFs)는 잘 정렬된 결정 구조, 다양한 골격 토폴로지, 큰 표면적을 특징으로 하여 다양한 응용 분야에서 활발히 연구되어 왔다. 이들의 고유한 특성은 주로 결정성 골격에 기인하므로, 정확한 구조 정보를 확보하는 것이 중요하다. 분말 X선 회절(powder X-ray diffraction)과 Pawley 또는 Rietveld 정련을 이용한 COFs의 구조 분석에서 상당한 진전이 이루어졌지만, 이러한 방법은 때때로 한계에 부딪힌다. 단결정 X선 회절(single-crystal X-ray diffraction, SCXRD)은 COFs에 대한 정확한 구조 정보를 얻기 위한 대안 기법으로 제안되어 왔다. 그러나 SCXRD 분석에 충분한 크기의 결정과 함께, 충분히 높은 순도와 품질을 갖춘 COFs를 확보하는 것은 어렵다. 최근에는 가역적 결합 제어를 위한 모듈레이터(modulator)를 사용하여 큰 결정을 갖는 단일결정형 COFs(single-crystalline COFs, SC-COFs)를 성장시키는 연구가 상당히 진전되었고, 이를 통해 SCXRD 연구가 가능해졌다. 본 총설에서는 분자 설계 및 합성 방법을 포함하여 SC-COFs를 성장시키기 위한 다양한 전략을 소개하고, 특정 응용을 위해 정밀한 구조 정보를 활용하는 주목할 만한 사례들을 여러 가지로 조명한다.