Single atom catalysts (SACs) maximize utilization of noble metal whereas nanoparticle catalysts leave behind inner noble metal molecules intact. In this study, palladium and platinum are supported on $C@C_3N_4$ to synthesize $C@C_3N_4$ – $Pd_1$ and $C@C_3N_4$ - $Pt_1$ catalysts. Single atomic structure is confirmed by high angle annular dark field scanning tunneling electron microscopy (HAADF-STEM) image, and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) analysis. Electrochemical tests including cyclic voltammetry (CV) in the range of 0.05 – 1.1 V (vs. RHE) and oxygen reduction reaction (ORR) are conducted. Lack of ensemble sites in SACs results in two-electron pathway for ORR and shows high $H_2O_2$ selectivity of up to 93% for $C@C_3N_4$ – 0.5%Pd. DFT calculation is adopted to verify the source for high $H_2O_2$ selectivity. Herein, electrochemical performance and contribution of SACs in hydrogen evolution reaction (HER), hydrogen oxidation reaction (HOR), formic acid oxidation reaction (FAOR) and methanol oxidation reaction (MOR) are also reported. This comprehensive study is expected to give insight into single atomic nature and foster development of single atom electrocatalysts.
나노 입자 촉매의 경우 내부의 귀금속 분자들이 반응에 참여하지 못한 채로 남겨지나, 단일 원자 촉매는 귀금속을 최대한으로 활용할 수 있다. 본 학위논문에서는 $C@C_3N_4$ 담지체를 이용하여 만든 각각의 팔라듐과 백금 단일 원자 촉매에 대해 다루고자 한다. 단일 원자 구조는 주사투과전자현미경과 엑샆스 분석을 통해 확인되었다. 순환전압전류법과 산소 환원 반응과 같은 전기화학 반응이 0.05-1.1 V 에서 시행되었다. 단일 원자 촉매의 경우 앙상블 자리가 없어 산소 환원 반응이 이전자 반응으로 우세하게 진행하여 팔라듐 단일 원자 촉매의 경우 최대 93%의 과산화수소 선택도를 보였다. 밀도범함수이론 계산을 통해서는 단일 원자 촉매에서 높은 과산화수소 선택도가 나타나는 메커니즘을 확인하였다. 또한 수소 발생 반응, 수소 산화 반응, 개미산 산화 반응, 메탄올 산화 반응과 같은 다양한 전기화학 반응에서 단일 원자 촉매의 효과를 보고하였다. 본 학위논문의 종합적 연구는 단일 원자의 특성에 대한 통찰력을 제공하고 단일 원자 전기화학 촉매 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.
