그래핀을 이용한 TiO2 나노튜브의 변형

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22577(2022) 이 기사 인용

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여기서 우리는 그래핀-스트론튬과 코발트 몰리브덴산염 페로브스카이트로 TiO2 나노튜브를 변형하면 수소 발생 반응(HER)을 위한 활성 전기촉매로 전환될 수 있음을 보여줍니다. 이를 위해 페로브스카이트의 열수 합성의 간단한 방법이 TiO2 나노튜브 기판에서 직접 개발되었습니다. 또한, 얻은 하이브리드는 1단계 열수 합성 과정에서 산화 그래핀(GO)으로 장식되기도 했습니다. 얻은 물질은 에너지 분산형 X선 분석, 라만 분광법 및 X선 회절 분석을 갖춘 주사 전자 현미경으로 특성화되었습니다. 촉매 특성은 전기화학적 방법(선형 전압전류법, 대시간전위차법)으로 검증되었습니다. 얻은 하이브리드는 TiO2와 비교하여 수소 발생 반응에 대한 훨씬 더 나은 촉매 특성을 특징으로 하고 백금보다 약간 더 나빴습니다. 최적화된 하이브리드 촉매(GO로 표시)는 0.2M H2SO4에서 90mV dec−1의 작은 Tafel 기울기를 사용하여 HER에 대해 121mV의 과전위에서 10mA cm−2의 음극 전류 밀도를 구동할 수 있습니다.

수소 발생 반응(HER)은 물 분해에서 중요한 반응입니다. 효과적이고 간단하며 생태학적으로 온화한 방식으로 저렴한 HER 전기촉매를 합성하는 것이 여전히 필요합니다. 촉매의 적절한 코어-쉘 구조 설계 및 형상 제어는 촉매의 활성과 내구성에 영향을 미칩니다1. 촉매의 3차원 구조는 표면적 노출 및 활성 부위 제공에 유리할 뿐만 아니라 수소 분자의 확산 및 흡착에 유리하여 HER 과정을 촉진합니다2, 3. 또한 3차원 구조 촉매의 산소 발생 반응 성능에 영향을 미칩니다4. 많은 전도성 상호 연결된 네트워크로 구성된 촉매의 코어-쉘 계층적 나노구조는 이온 또는 전자 전달을 위한 다중 채널을 제공합니다5. 플라즈마 처리된 스펀지형 나노합금은 보다 활성이 있는 엣지 사이트6의 노출로 인해 높은 HER 성능을 나타냅니다. 촉매의 구조 외에도 촉매의 특성에 영향을 미치는 또 다른 요인은 예를 들어 질소 헤테로원자7를 사용한 도핑입니다. 잘 알려져 있고 값비싼 백금 촉매와 비교하여 TiO2는 대체 촉매로 널리 연구되고 있습니다. 그러나 TiO2의 전기촉매 활성을 향상시키기 위해서는 다양한 변형이 필요합니다. 일부 논문에서는 TiO2가 니켈8, 루테늄9,10, 금11, 코발트12와 같은 금속, Co3O413, BiVO414와 같은 금속 산화물 또는 금속-유기 골격과 결합되었습니다15. HER를 촉매하기 위해 TiO2로 설계된 매우 유망한 재료는 MoS216,17,18,19, CoS220 또는 WS221과 같은 금속 황화물입니다. 또한, 트룩센 기반 다공성 유기 폴리머22 또는 폴리(아닐린)23, 폴리(o-페닐렌디아민), 폴리(티오펜) 또는 폴리(피롤)24과 같은 폴리머를 사용한 하이브리드 복합체는 TiO2의 광촉매 활성을 향상시키는 바람직한 후보임이 입증되었습니다. . 전기촉매의 특성을 수정하는 또 다른 방법은 비금속을 도핑하는 것입니다. 많은 논문에서 설명한 것처럼 황 도핑, 질소 도핑 또는 탄소 도핑은 TiO225,26,27의 밴드갭을 줄입니다. 특성을 개선하는 또 다른 방법은 Pandey et al.에 의해 설명되었습니다. 이론적 예측에서 효과적인 HER28을 위한 새로운 촉매 물질을 추구하면서 이온성 액체 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄설포네이트와 (TiO2)n 나노클러스터(n = 2-12)의 하이브리드 구조가 조사되었습니다. 또한, TiO2와 그래핀 산화물13, 29 및 다중벽 탄소 나노튜브30와 같은 탄소 재료의 하이브리드. 문헌에 기술된 금속-유기 골격을 갖는 그래핀 산화물의 나노복합체는 또한 Volmer 및 Heyrovsky 메커니즘을 통한 수소 생산을 위한 효율적인 전기촉매였습니다. 많은 솔루션의 단점은 여전히 ​​은, 백금과 같은 고가의 금속을 도핑한다는 것입니다29. 따라서 값비싼 금속을 사용하지 않고 준비가 쉬운 새로운 솔루션을 찾는 것이 중요합니다.