수소 에너지는 환경 친화적 특성과 높은 에너지 밀도 때문에 화석 연료를 대체할 유망한 미래 에너지원으로 간주된다. 청정 수소 생산을 추구함에 있어 물 분해 공정용 효과적인 전기촉매의 발전에 상당한 관심이 집중되어 왔다. Pt, Ru, Pd 및 Ir과 같은 귀금속은 수소 발생 반응(HER)에 대해 우수한 전기촉매이지만, 주로 높은 비용과 낮은 매장량으로 인해 대규모 적용에는 한계가 있다. 이에 따라 비귀금속 전이금속은 다양한 응용 분야에서 더 비싼 기존 물질을 대체할 유망한 후보로 부상하였다. 본 리뷰는 인과 전이금속 간의 협동 효과로 인해 알칼리 매질에서 HER을 위한 최근 개발된 전이금속 인화물(TMPs) 전기촉매에 초점을 맞춘다. 마지막으로 HER에서의 TMPs에 대한 과제들을 논의한다.

수소 에너지는 친환경적 특성과 높은 에너지 밀도 때문에 화석 연료를 대체할 유망한 미래 에너지원으로 간주된다. 청정 수소 생산을 위한 노력의 일환으로, 물 분해(water splitting) 과정에서의 전기촉매 효율을 향상시키기 위한 연구에 상당한 초점이 맞추어져 왔다. 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir)과 같은 귀금속은 수소 발생 반응(HER)에 대해 우수한 전기촉매이지만, 주로 높은 비용과 낮은 자원 풍부도 등으로 인해 대규모 적용에는 한계가 있다. 그 결과, 비귀금속 전이금속은 다양한 응용 분야에서 보다 비싼 대체재를 대신할 유망한 후보로 부상하였다. 본 리뷰는 인과 전이금속 사이의 상호협동 효과(cooperative effect)로 인해 알칼리성 매질에서 HER에 적용되는 최근 개발된 전이금속 포스파이드(TMPs) 전기촉매에 초점을 맞춘다. 마지막으로 TMPs의 HER 적용에 있어 존재하는 과제들을 논의한다.

물 분해를 통한 청정하고 지속가능한 수소 생성에 관해 전기촉매를 탐색하는 연구는 화석 연료의 고갈과 환경 오염으로 인해 막대한 관심을 받아왔다.

수소는 간헐적인 태양광/풍력 전력의 에너지 저장을 개선함으로써 에너지 및 환경 문제를 해결할 수 있는 미래의 에너지 운반체로 간주된다. 이러한 요구에 기반하여 수소 생성용 전기촉매의 개발이 활발히 추진되어 왔다. Pt는 수소발생반응(HER)에 대해 가장 효율적인 촉매이기는 하나, 주로 낮은 매장량과 높은 비용으로 인해 광범위한 적용에는 한계가 있다. 따라서 풍부하고 저렴한 비귀금속으로부터 효율적인 촉매를 개발하여 Pt를 대체하는 일은 여전히 중요한 과제이다. 전이금속은 Pt 기반 촉매를 대체할 수 있는 유망한 후보로 간주되어 왔다. 본 리뷰에서는 전이금속 가운데, HER용 전기촉매로서 최근 개발된 몰리브덴-탄소(Mo-C) 하이브리드 물질에 초점을 맞춘다. 특히 Mo-C 하이브리드 전기촉매의 합성 전략과 Mo-C 하이브리드 시스템에서 다양한 탄소 나노복합체가 수행하는 역할을 강조한다.

유기 분자의 고상 반응은 제조 산업에서 액상 공정에 비해 상당한 이점을 가진다. 그러나 이러한 이점을 탐색하는 연구의 진전은 대체로 미미하여, 적용 가능한 액상 시스템이 많지 않다. 본 연구에서는 유기 단일결정의 고상 폭발을 통해 3차원 다공성 유기 네트워크를 형성하는 합성 프로토콜을 제시한다. 폭발 반응은 2,3,6,7,14,15-hexaethynyl-9,10-dihydro-9,10-[1,2]benzenoanthracene에 포함된 세 개의 enediyne 기의 Bergman 반응(고리화(aromatization))으로 구현된다. 폭발의 기원은 단일결정 X선 회절 및 시차 주사 열량측정과 더불어 고속 카메라 및 밀도 범함수 이론 계산을 통해 체계적으로 연구하였다. 그 결과, 고상 폭발은 2,3,6,7,14,15-hexaethynyl-9,10-dihydro-9,10-[1,2]benzenoanthracene 결정 격자 내에서 프라이머 분자의 방출에 의해 유발되는 격자 에너지의 급격한 변화로 인해 촉발되는 것으로 시사된다.

전이금속이 없는 전기촉매 개발을 위해 흑연(graphitic) 구조에 헤테로원(heteroatom)을 도핑하는 연구가 활발히 진행되어 왔다. 그러나 헤테로원 선택은 비금속 원소로 제한되어 있으며, 헤테로원 도핑 흑연 재료는 비용과 안정성 측면에서 상업적 요구를 충족하지 못한다. 본 연구에서는 순수 흑연과 고체 안티몬(Sb)의 단순 기계화학적(mechanochemical) 반응을 통해 그래핀 나노플레이트렛(graphene nanoplatelets, GnPs)의 가장자리(edge)에 준금속(semi-metal) 안티몬(antimony, Sb)을 도핑한다. 안티몬(Sb)이 흑연 탄소와 형성하는 공유 결합은 원자 분해능 투과전자현미경(atomic-resolution transmission electron microscopy)으로 시각화하였다. Sb-도핑 GnPs는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction)에서 전기촉매 활성의 손실이 100,000 사이클 이후에도 나타나지 않는다. 밀도범함수이론(density functional theory) 계산 결과, Sb의 다양한 산화 상태(Sb(3+) 및 Sb(5+))가 이례적인 전기화학적 안정성을 담당하는 것으로 나타났다. Sb-도핑 GnPs는 안정한 탄소 기반 전기촉매를 설계하기 위한 새로운 통찰과 실용적인 방법을 제공할 수 있다.

그래핀을 제조하는 방법은 다양하지만, 각 방법이 고유한 장단점을 지니고 있어 상용화는 여전히 어려운 실정이다. 여러 응용 분야에서 차세대 소재로서 그래핀을 널리 사용하기 위해서는, 탄소 나노튜브 제품의 상용화 과정에서 겪었던 것과 같이 상용화의 장벽을 극복할 만큼 견고해야 하는 제조 공정이 요구된다. 여기에서는 메커노케미컬 볼 밀링을 통해 흑연을 그래핀 나노플레이트(gnPs)로 효율적으로 박리(delamination)하는 새로운 제조 공정에 대한 최근의 발견을 요약한다. 이 공정에서는 흑연화된 골격에 충분한 운동 에너지를 전달하여 그래파이트의 C–C 결합을 파괴하고, 활성 탄소 종(대부분의 경우 탄소 자유라디칼)을 생성하며, 가장자리 기능기(edge-functional groups)를 도입하고, 가장자리 기능화 그래핀 나노플레이트(EFGnPs)로 그래파이트 층을 박리한다. 이는 대량 생산을 위한 방법이지만, 그래핀 옥사이드(GO) 및 환원 그래핀 옥사이드(rGO)를 제조할 때 사용되는 부식성 산 및 독성 환원제와 같은 유해 화학물질을 포함하지 않는다. 가장자리 선택적 기능화에 기인하여, EFGnPs는 가장자리 C–X 결합(X = 비금속 또는 준금속)을 형성함으로써 조절 가능한 다양한 가장자리 작용기의 선택성을 확보하면서 기저 면 결함(basal area defects)이 최소화된다.