With the development of science and technology, human beings face various problems such as energy and resource depletion, climate change and natural disasters, food and poverty problems, and these problems are further accelerated and pose a direct threat to humanity's public prosperity. In particular, the use of fossil fuels produced a large amount of carbon dioxide, and the concentration of carbon dioxide in the atmosphere increased to 300 ppm in the 1950s, approaching 410 ppm in 2019. Climate change has increased the global average temperature by nearly 1 $^\circ C$ compared to 100 years ago, and it has aroused many side effects, such as rising global sea levels, decreasing ecosystem diversity, and decreasing the productivity of crops. Countries around the world are stepping up their efforts to enter a sustainable clean energy society through technological cooperation, as well as policy coordination through international cooperation for strategic responses. At present, the world's annual energy consumption is about 600 EJ (6x$10^{20}$ joules), and the demand for energy and resources is increasing rapidly due to the rapid economic growth of China, India and other emerging countries. Therefore, one of the most critical issues we face now is to discover new renewable energy resources and secure stable energy sources through continuous research and development.
Solar energy is an infinite source of energy and has been studied for a long time. Solar energy reaching the Earth is about 4 million EJ, which is about 7,000 times the energy of humans annually. Therefore, the solar cell technology using a semiconductor having a photoelectric effect can be said to be a typical renewable energy technology. However, photovoltaic power generation has the variability that the power generation is available only during the day and is not affected by the weather and environment. Also, the generated electricity has difficulty in storing, supplying, and transporting. Therefore, the method of storing the produced electrical energy as chemical energy, such as converting the produced electrical energy into valuable chemicals or fuels by using a catalyst can solve the problem in the storage and utilization of energy. Photochemical energy conversion, which converts solar energy directly into chemical energy, can be found in nature. Plants on Earth use solar energy to produce chemical energy from carbon dioxide and water in the atmosphere through photosynthesis. Through learning from nature, artificial photosynthesis has been studied for the past decades, which converts solar energy directly into chemical energy using semiconducting materials. Also, electrochemical energy conversion technology that produces electricity through solar cells and converts electrical energy into chemical energy secondarily is actively studied. Electrochemical energy conversion technology can produce hydrogen from water and produce high value-added carbon compounds or fuels using carbon dioxide in the atmosphere as part of carbon dioxide capture and utilization technologies. However, high activation energy is required in order for this electrochemical energy conversion to occur, so that, it is essential to develop an electrochemical catalyst for controlling the thermodynamics and the reaction rate of the reaction.
This dissertation aims to develop a material to reflect and solve the following factors as an electrochemical energy conversion reaction and an electrochemical catalyst required for such a reaction. (1) Development of low-cost materials using the Earth-abundant and environmentally friendly metals that could replace the existing catalysts using expensive rare Earth metals. (2) Development of efficient catalysts with high selectivity on the specific product and high stability in the reaction condition through the fine-tuning of the electrocatalytic surfaces. Therefore, in order to satisfy the above factors, this dissertation introduces multi-metallic hydroxides materials consisting of more than one metals. Also, the electrocatalytic surfaces were precisely processed by applying plasma technology to control the activity on the specific reactions such as (1) oxygen evolution reaction and (2) ammonia production reaction through nitrogen reduction in two different reactions. Through the study on the methodology to finely tune the electrocatalytic surfaces and its application on the electrocatalysis, I believe that this work could contribute to providing a perspective not only for the catalysis but also for the development of various energy researches.
과학기술의 발전과 함께 에너지 및 자원고갈, 기후변화 및 자연재해, 식량 및 빈곤문제 등 인류는 다양한 문제에 직면하고 있으며 이러한 문제들은 더욱 가속화되어 인류의 공영에 직접적인 위협을 가하고 있다. 특히 화석연료의 사용은 다량의 이산화탄소를 발생시켰으며, 대기 중 이산화탄소의 농도는 1950년대에 300 ppm 수준이었던 것에 크게 증가하여 2019년에 들어 410 ppm에 근접하고 있다. 이로부터 촉발된 지구 온난화 현상은 지구의 온도를 100년 전에 비해 1 $^\circ C$ 가까이 증가하게 되었고, 지구 평균 기온뿐만 아니라 해수면의 상승, 그리고 생태계의 다양성 감소 등 많은 부작용들이 발생하게 되었다. 세계 각 국에서는 전략적 대응을 위해 국가간 협력을 통한 정책 공조는 물론이거니와 과학 기술혁신을 통한 지속 가능한 청정 에너지 사회로의 진입을 위해 박차를 가하고 있는 상황이다. 현재 전세계 연간 에너지 소비량은 약 600 EJ (6x$10^{20}$ joules)달하며, 중국과 인도를 비롯한 기타 신흥국가들의 급격한 경제성장으로 인해 에너지 및 자원의 수요는 급격하게 증가하고 있다. 따라서 현재 우리가 직면한 가장 중요한 이슈 가운데 하나는 바로 새로운 신재생에너지 자원을 발굴하고 지속적인 연구 및 개발을 통해 안정적인 에너지원을 확보하는 것이다.
태양 에너지는 무한한 에너지 공급원으로써 오래 전부터 많은 연구가 이루어져 왔으며, 지구에 도달하는 태양에너지는 약 400만 EJ로써 연간 인류가 사용하는 에너지의 약 7,000배에 달하는 에너지가 지표면에 도달하고 있다. 따라서 광전효과를 갖는 반도체를 이용하는 태양전지 기술은 대표적인 신재생에너지 기술이라고 할 수 있다. 하지만 태양광 발전은 낮에만 발전할 수 있다는 공급의 간헐성과 날씨 및 환경에 따라 일정하지 않다는 변동성을 가지고 있으며, 또한 생산된 전기는 에너지의 저장 및 공급, 운송에 있어 어려움이 있다. 따라서 생산된 전기에너지를 촉매를 이용하여 유용한 화합물이나 연료로 변환하는 등 화학에너지로 저장하는 방법은 에너지의 저장 및 활용에 있어서의 문제점을 해결할 수 있다. 태양 에너지를 화학에너지로 변환하는 광화학적 에너지 변환은 자연계로부터 발견할 수 있는데, 지구상에 존재하는 식물은 광합성 과정을 통해 태양 에너지를 이용하여 대기 중의 이산화탄소와 물로부터 화학에너지를 만들어낸다. 이를 모티프로 하여 태양광 에너지를 직접적으로 화학에너지로 변환하는 인공 광합성 연구를 비롯하여 태양전지를 통해 전기를 생산하고, 전기에너지를 화학에너지로 2차적으로 변환하는 전기화학적 에너지 변환 기술이 활발하게 연구되고 있다. 전기화학적 에너지 변환 기술은 물을 분해하여 연료전지에 연료로 사용될 수 있는 수소에너지를 생산할 수 있으며, 이산화탄소 저감 기술의 일환으로써 대기 중의 이산화탄소를 통해 고부가가치 탄소화합물 혹은 연료를 생산하는데 적용할 수 있다. 하지만, 이러한 전기화학적 에너지 변환이 일어나기 위해서는 높은 활성화 에너지가 요구되는데 이를 위해서는 반응의 열역학과 반응속도를 제어하기 위한 전기화학적 촉매에 대한 연구가 필수적이다.
본 연구는 전기화학적 에너지 변환 반응과 이러한 반응에 필요한 전기화학적 촉매에 대한 것으로써 아래의 요소들을 반영하고 이를 해결하기 위한 소재를 개발하는 것을 목표로 하였다. (1) 고가의 희귀 금속으로 구성된 기존의 촉매 소재를 대체할 수 있으며, 환경에 무해하며 지구상에 풍부한 금속 재료를 이용하여 저가의 촉매 소재를 개발한다. (2) 촉매 반응이 일어나는 표면을 가공 및 처리함으로써 높은 에너지 변환 효율을 가지며, 특정 반응에 대한 높은 선택성을 가지며, 장시간 안정성을 갖는 새로운 촉매 소재 및 기술을 개발한다. 따라서 위 요소를 만족하기 위해 본 연구에서는 하나 이상의 전이금속을 조합하고 이로 구성된 다중 금속 수산화물 소재를 합성하였다. 또한, 기체 플라즈마 기술을 통해 표면을 정밀하게 가공함으로써 반응성을 제어하고, 서로 다른 두 가지 반응으로 (1) 산소 발생 반응 및 (2) 질소 환원을 통한 암모니아 생산 반응에 적용하도록 하였다. 본 전기화학적 촉매 표면의 가공 및 개질 방법론과 전기화학적 촉매 반응에의 응용에 대한 연구는 촉매 연구뿐만이 아니라 다양한 에너지 소재 개발 연구에 있어 새로운 방향을 제시하는데 기여할 것으로 기대된다.
