NiFe alloy is one of the high efficient bifunctional electrocatalysts for water splitting in an alkaline solution. Unlike the noble metal such as Ir and Ru oxide, NiFe is earth abundance, low-cost, high-stability in an alkaline solution. Thanks to these advantages, nanostructured NiFe electrocatalysts for highly enhanced oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER) performance have been developed constantly. However, few studies about the correlation between surface area of nanostructures and OER enhancement have been carried out.
In this research, we fabricated nano porous NiFe catalysts using inverse opal structures for further enhanced OER performance and to find out the correlation between increased surface area of nanostructures and enhanced OER activity. Overpotential for OER of NiFe inverse opal structures is reduced at ~77 mV compared to NiFe planar structures. And strangely OER enhancement of 10 layers is rather decreasing compared to its 5 layers. We think that it is a problem from bubble overpotential and the distance mismatch between diffusion length of ions in water and size of nanostructures. Also, we optimized thickness layers of NiFe inverse opal structures by comparing OER and HER performance. Optimized NiFe inverse opal electrolyzer showed the dramatic enhancement that it reduces ~200 mV overpotential for overall water splitting. Furthermore, for application to solar water splitting, we fabricated the unassisted water splitting device consisted of NiFe inverse opal electrolyzer and series-connected heterojunction with intrinsic thin-layer (HIT) Si cells which exhibits the 9.54 % solar-to-hydrogen (STH) efficiency. In addition, this device is maintained at ~9.54 % without any degradation for 24 hours. NiFe inverse opal electrolyzer and series connected HIT Si solar cells are suitable configuration for ideal water splitting system because it is composed of only earth-abundant and low-cost materials with high efficiency.
니켈-철 (NiFe) 합금은 물 분해에 있어 물의 산화 반응과 환원 반응의 두 가지 기능을 모두 갖고 있는 효율 좋은 촉매로 알려져 있다. 특히 물의 산화 반응에서 니켈-철 촉매는 가장 좋은 효율을 갖는다고 알려진 귀금속인 이리듐 (Ir), 루테늄 (Ru)과 비교 가능할 정도로 높은 효율을 보였다. 뿐만 아니라 니켈-철 합금은 지구상에 풍부하여 가격이 저렴하고 염기성 용액에서도 높은 안정성을 가지고 있어서 차세대 물 분해 촉매로 각광 받고 있다. 이러한 장점들 덕분에 나노구조화된 니켈-철 합금 촉매는 꾸준히 발전되어 왔고, 고효율의 물 분해를 할 수 가능케 하였다. 하지만 나노구조화된 촉매의 면적 증가와 그로 인해 향상된 산소 발생 반응의 상관관계에 관한 연구는 상대적으로 적게 진행되었다.
이에 본 논문에서는, 효율 좋은 산소 발생 반응 촉매 제작뿐만 아니라 증가된 표면적과 향상된 산소 발생 효율간의 상관관계를 알기 위하여 니켈-철 역오팔 구조를 제작하였다. 니켈-철 역오팔 구조에 의해 증가된 표면적은 대조군인 니켈-철 평판 구조에 비해 약 77 밀리볼트의 산소 발생 반응의 과전압을 줄여주었다. 그리고 증가된 표면적과 향상된 산소 발생 반응에 대해서는 오히려 10 층의 역오팔 구조가 5 층의 역오팔 구조에 비해 산소 발생 반응 향상이 감소되는 것을 볼 수 있었다. 이에 대해서 우리는 발생되는 산소 거품에 의한 과전압발생과 역오팔 구조의 다공성 크기와 물의 확산거리에서 오는 불일치에서 오는 역오팔 구조내부의 수산화 이온 부족 등으로 간주하고 있다. 또한 니켈-철 역오팔 촉매를 태양에너지에 의한 물 분해 반응에 응용하기 위하여 니켈-철 역오팔 구조의 전해조를 제작하였다. 역오팔 구조의 전해조는 평판 구조의 전해조에 비하여 약 200 밀리볼트 과전압을 감소 시켰다. 태양 에너지는 실리콘 이종접합 태양전지 (heterojunction with intrinsic thin layer, HIT)를 직렬로 연결하여 공급받았다. 우리는 니켈-철 역오팔 구조의 전해조와 4 개의 직렬 연결된 실리콘 이종접합 태양전지를 이용하여 9.54 %의 수소 변환 효율을 달성하였다. 우리가 제작한 니켈-철 역오팔 구조 촉매를 이용한 물 분해 전해조와 실리콘 이종접합 태양전지는 모두 지구상에 풍부하고 가격이 저렴한 재료를 이용했음에도 불구하고 높은 수소 변환 효율을 가졌다는 점에서 이상적인 물 분해를 위한 전해조라고 볼 수 있고, 앞으로도 많은 연구가 진행될 것으로 예상한다.
