Due to their sluggish nature, electrocatalysts for oxygen reduction and evolution reactions (ORR/OER) are vital innovations that enable clean energy storage and production. Metal-organic frameworks present themselves as promising candidates due to their crystalline, porous, and customizable nature. The advent of data-based materials science has led to the establishment of an expansive and detailed database that collects data of more than 20,000 MOFs that has been synthesized over decades, the QMOF database. Consequently, an effective approach to screen and select promising ORR/OER electrocatalysts from this database has been designed, and the results from the screening process were synthesized and characterized. The resulting MOFs consistently exhibited relatively competent ORR/OER electrocatalytic activity, including reaching 95.1% of the peak power density of noble metal benchmark electrocatalysts in a zinc-air battery cell. However, further improvements to the descriptor of catalytic activity are necessary to yield MOFs that can surpass noble metal benchmarks.
환경 친화적인 에너지 저장 및 생산 기술의 실현을 위해서는 느린 반응속도를 갖는 산소환원반응 (Oxygen Reduction Reaction, ORR)과 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction, OER)을 원활하게 해주는 이상적인 전기화학촉매를 구현하는 것이 필수적이다. 금속유기골격체(Metal-Organic Frameworks, MOF)는 높은 결정성, 다공성, 그리고 원하는 대로 물성을 조절할 수 있다는 장점을 가지고 있어 좋은 촉매로써의 가능성을 가지고 있다. 데이터 기반 소재과학이 대두되며 종합된 데이터베이스 중 QMOF 데이터베이스는 최근 10여년 간 합성된 2만여종 이상의 MOF에 대한 광범위하고 세밀한 데이터를 보유하고 있다. 본 연구에서는 QMOF 데이터베이스에 기반하여 ORR/OER을 위한 전기화학촉매 후보군을 효율적으로 선별(스크리닝), 선택하기 위한 방법론을 제시하고, 이러한 방법으로 선택된 MOF들을 합성하고 특성들을 확인하였다. 선택된 MOF들의 ORR/OER촉매 특성은 일반적으로 준수하였으며, 아연-공기전지에서 촉매로 사용되었을 경우 귀금속 기반 촉매의 95.1% 전력밀도까지 달성하였다. 후속 연구로 귀금속의 촉매 성능을 능가하는 MOF를 선별하기 위해 촉매적 특성과 더 긴밀한 상관관계를 가지는 설명자(descriptor)를 선별하는 개선이 가능할 것이다.
