Oxygen evolution reaction plays a key role in applying to environment friendly energy generation and conversion devices such as water electrolysis and metal-air battery. There are numerous studies about a surface amorphization resulted from lattice collapse during oxygen evolution reaction when applied to high overpotential and long time, however, to our knowledge, systematically elucidating the phenomena has yet to be demonstrated. In this work, we systematically observe the surface amorphization phenomena under potential-dependent and time-dependent conditions with atomic scales using LaCoO3 epitaxial thin films and scanning transmission electron microscopy (STEM). We confirm that Co cation dissolution occurs first during the initial oxygen evolution reaction, and finally, thick amorphous layers, in a different phase from the bulk, are observed. This result has highlighted the importance of elucidating surface amorphization mechanisms for modeling and suggesting more stable electrocatalysts.
산소발생반응은 수전해, 금속-공기 전지 등 친환경적인 에너지 생산 및 저장 소자를 구동 시키기 위한 핵심적인 반응이다. 촉매에 높은 과전압으로 오랜 시간동안 산소발생반응이 진행되면 표면의 격자가 붕괴되어 비정질화가 되면서 촉매의 안정도가 떨어진다는 사실이 보고되고 있지만, 이러한 과정을 직접적으로 관찰하여 체계적으로 밝혀낸 연구는 아직까지 존재하지 않는다. 본 연구에서는 대표적인 페로브스카이트 산화물 촉매인 LaCoO3 박막과 투과전자현미경을 이용하여 원자단위로 산소발생반응에 의한 표면 변화를 전위와 시간에 따라 체계적으로 관찰하였다. 그 결과 산소발생반응이 발생하자 마자 표면의 코발트 양이온이 전해질에 용출되는 현상과 특정 전위와 시간에서 두꺼운 비정질층이 형성되는 것을 관찰하였고, 이 비정질층의 상이 박막 내부의 격자구조와 다르다는 것을 관찰하였다. 본 연구를 통해 산화물 촉매에서 산소발생반응 시 표면 비정질화 메커니즘을 구체적으로 제안하고, 이를 통해 안정성을 개선한 전기화학촉매의 설계가 가능할 것으로 보인다.
