As the demand for commercialization of green hydrogen energy increases, the efficiency of the oxygen evolution reaction at the anode becomes a topic of discussion. In the case of green hydrogen produced through water electrolysis, the overall cell efficiency is determined by the efficiency of the oxygen evolution reaction at the anode with high overpotential. Among commercially available water electrolysis cells, the most efficient proton exchange membrane (PEM) cell has a stability issue due to electrode corrosion caused by a locally strong acidic environment on the anode surface. To address this issue, this thesis proposes a design strategy for catalysts that behave stably in an acidic environment. Based on previous research results that highly integrated crystal structures show stable performance, we focused on hexagonal perovskite structure catalysts with strong connection between MO6 through various metal doping based on iridium oxide catalyst. We explain the correlation between the crystal structure of the catalyst for the oxygen evolution reaction in an acidic environment, the thermodynamic properties of the constituent elements, and stability issues based on the results of oxygen evolution reaction tests for various catalyst structures and compositions. In addition, we observe the structural changes of the catalyst due to changes in performance using atomic-scale scanning transmission electron microscopy as the oxidation reaction progresses, and aim to elucidate the catalyst conditions suitable for an acidic environment.
그린수소에너지 상용화에 대한 니즈가 증가될수록 화두가 되는 것이 양극에서의 산소발생반응 효율이다. 수전해를 통해 생산되는 그린수소의 경우 과전압이 높은 양극의 산소발생반응의 효율에 따라 전체 셀 효율이 정해지게 된다. 상용화된 수전해셀 중 가장 고 효율의 보이는 PEM셀의 경우 양극표면이 국부적으로 강한 산성환경을 띄게 되면서 전극의 부식에 따른 안정성문제 해결이 필요한 상황이다. 이러한 문제 해결을 위하여 본 학위논문에서는 산성환경에서 안정적으로 거동하는 촉매를 디자인 전략 제시한다. 결합성이 높은 결정구조는 안정된 성능을 보인다는 기존의 연구결과에 기반하여, 이리듐을 기반으로 다양한 금속 도핑을 통해 강한 결합성을 띄는 결정구조인 육각 페로브스카이트 구조 촉매에 대해 중점적으로 연구하였다. 다양한 구조, 그리고 다양한 조성의 촉매의 산소발생반응 테스트 결과들을 바탕으로 산성환경에서의 산소발생반응을 위한 촉매의 결정구조, 구성 원소의 열역학적 특성, 그리고 안정성관의 상관관계에 대해 설명한다. 추가적으로 산화반응이 진행됨에 따라 촉매 표면의 국부적 변화를 원자단위의 주사투과전자현미경 관찰을 활용해 성능 변화에 따른 촉매의 구조 변화를 보고하며 산성환경에 적합한 촉매 조건에 대해 규명하고자 한다.
