Hydrogen, produced by water electrolysis, is one of the most promising systems which is to store electricity coming from renewables and to solve its intermittency. Due to the increase of global electricity generation from renewable energy sources, large-scale storage systems are required. Alkaline electrolysis is suitable for the large-scale energy storage system. However, high overpotential and slow kinetics, particularly in the oxygen evolution reaction (OER), still limit the efficiency of the system. To enhance the efficiency of alkaline electrolysis cell, catalysts with high electrocatalytic activity for OER should be developed.
One promising method to enhance the catalytic activity of a catalyst is to make bimetallic interface composed of a host material and metal layer. Here, we synthesized nickel/tungsten carbide (Ni/WC) composite with large bimetallic interface area to increase the OER catalytic activity. Tungsten carbide was used as a support, and nickel was chosen for a surface metal layer. The Ni/WC composite showed drastic increase of electrocatalytic activity relatively to Ni nanoparticles and WC. Its OER activity was recorded with overpotential of 330 mV in 1 M KOH at 10 mA/cm2, which is lower than that of Ir/C (η @ 10 mA/cm2: 341 mV). In addition, the Ni/WC composite also exhibited excellent stability in alkaline electrolyte compared with Ir/C. The outstanding performance of the Ni/WC composite as an OER catalyst could be attributed to the chemical nature change of the surface due to the formation of bimetallic interface, and various techniques were employed to probe the surface modifications. A surface modification by introducing bimetallic interface can be suggested to develop a high performance electrocatalyst for oxygen evolution.
신재생 에너지를 이용한 발전량이 전 세계적으로 증가함에 따라 잉여 전력의 저장을 위한 에너지 저장 기술의 수요와 중요성이 증대하고 있다. 수전해 시스템을 이용한 수소 생산은 대용량 전력 저장을 목적으로 하는 기술로써 주목받고 있다. 그러나 알칼라인 수전해에서 산소 발생 반응을 위한 높은 과전압과 느린 반응 속도는 수전해의 효율을 낮출 뿐만 아니라 수소 생산 단가를 높이는 원인이다. 따라서 산소 발생 반응을 위한 고효율 저가격 촉매의 개발이 필요하다.
서로 다른 두 물질 간의 이종 금속 계면의 형성은 촉매의 활성을 높이는 방법의 하나이다. 본 연구에서는 고활성 산소 발생 반응 촉매 개발을 위해 텅스텐 카바이드를 지지체로 사용하고 니켈을 산소 발생 반응을 위한 표면 금속층으로 선택하여, 넓은 이종 금속 계면을 갖는 니켈/텅스텐 카바이드 복합 물질을 합성하였다. 니켈/텅스텐 카바이드의 경우 니켈이나 텅스텐 카바이드에 비해 산소 발생 반응에 대하여 높은 촉매 활성을 보였다. 또한 귀금속 촉매인 이리듐보다 낮은 과전압을 보이며, 염기성 전해질에서의 안정성 또한 훨씬 우수한 것을 확인하였다. 니켈/텅스텐 카바이드의 우수한 촉매 활성은 이종 금속 계면의 형성으로 인한 표면의 물리적, 화학적 변화에 기인한 것이라고 할 수 있으며, 본 연구에서는 이를 입증하기 위한 실험들을 진행되었다.
