The development of highly-efficient noble metal oxides and cost-effective transition metal oxides composite catalysts with superior stability could promote the practical applications of hydrogen energy from water electrolysis by improving the sluggish kinetics for oxygen evolution reaction (OER). Here, we report a unique three-dimensional (3D) hierarchical structures consisting of well-dispersed $IrO_x$ nanoparticles (NPs) with a sub-2 nm size encapsulated in numerous $Co_3O_4$ nanosheets (NSs) with a sub-15 nm thickness denoted as ICO NSs. The formation of ICO NSs was readily achieved by utilizing the metal encapsulation and morphology evolution capabilities of zeolitic imidazolate framework-67 (ZIF-67), which is a kind of metal-organic frameworks (MOFs), via ion-assistant solvothermal treatment with subsequent low-temperature calcination at 300 °C. The ICO NSs possesses high OER activity and excellent durability as compared with the commercial Ir/C even with the lower weight percentage of Ir content. The experimental results are contributed to the (i) formation of numerous exposed active sites and mesopores derived from morphology evolution and decomposition of organic linkers enabling faster charge transfers and intimate contact with electrolytes, (ii) phase transformation to $Co_3O_4$ including numerous active oxidation phase of $Co^{2+}$ induced by low-temperature calcination, and (iii) prevention of dissolution and detachment of $IrO_x$ NPs due to the surrounding passive $Co_3O_4$ NSs matrix.
안정성이 뛰어난 이리듐 산화물과 저렴한 전이 금속 산화물의 복합 촉매를 개발하는 것은 산소 발생 반응의 반응 속도를 개선해, 수전해로부터 수소 가스를 얻어 응용 분야의 상용화를 가능하게 할 수 있다. 본 연구에서는, 15 나노미터 이하의 두께를 가진 수많은 코발트 산화물 나노 시트에 2 나노 이하의 크기로 잘 분산된 이리듐 산화물 나노 입자가 결착되어 형성된 3차원 계층 구조를 합성하였으며, 이를 ICO NSs라 명명하였다.
ICO NSs의 합성은 용매열 반응을 통해 금속 유기 구조체의 일종인 Zeolitic imidazolate framework 67 (ZIF-67)의 금속 결착 및 형태 변화 특성을 이용함으로써 300 °C에서 이루어졌다. ICO NSs는 더 적은 이리듐 함량을 보임에도, 상용적으로 사용하는 Ir/C와 산소 발생 반응에 대해 더 우수한 촉매 활성 및 안정성을 보였다. 이러한 실험 결과는 첫째로, 유기 구조체의 분해 및 형태 변화로부터 생성된 다수의 노출된 활성 사이트와 수많은 메조 사이즈의 기공으로 인한 빠른 전하 이동 및 전해질과의 밀접한 접촉, 둘째, 저온 열처리로 인한 활성이 큰 수많은 $Co^{2+}$ 상의 형성, 마지막으로, 이리듐 산화물 주위를 감싸고 있는 안정한 코발트 산화물 구조체로 인한 이리듐 산화물의 용해 및 탈착 방지로 인해 달성 가능하였다.
