Iridium (Ir) is the most widely used material for oxygen evolution reaction (OER) catalyst due to its great catalytic performance. However, Iridium is a very expensive element because it is one of the rarest elements on earth. Therefore, it is necessary to minimize Iridium consumption whilst maintaining the highest possible catalytic performance. One of common strategies to achieve a high catalytic performance is enlarging surface area by forming nanostructures; however, such nanostructures often limit mass transport of both reactants (liquid electrolyte) and products (oxygen gas), nullifying the benefit gained from the large surface area. Here, we developed a porous nanotube catalyst structure which can maximize its performance with a very small amount of Iridium and allow facile mass transport via pores formed on the sidewall of the nanotubes. ZnO nanowire is synthesized on Au/Cr/Si substrate and Ni is electrodeposited on ZnO nanowire. Careful control of wet etching conditions results in the complete removal of ZnO and partial removal of Ni shells forming pores on the Ni NWs. Finally, Ir is electrodeposited on Ni PNTs with different deposition time (0.5 h, 2 h, 5 h, 10 h). The Ej=10 potential of Ir/Ni PNT catalyst is 1.504 V and the tafel slope is 49 mV/decade. Furthermore, ultrahigh Ir mass activity of 2314 A/g is achieved with our Ir/Ni PNT catalyst. Calculated STH conversion efficiency is also increased from 9.92 % to 10.86 % with same Cu(In,Ga)Se2 - perovskite tandem system, by changing Ir/Ni film catalyst to Ir/Ni PNT catalyst and the calculation is verified by stability test in 1 sun illumination for 8 hours.
이리듐은 뛰어난 촉매 성능으로 산소 발생 반응(OER) 촉매로 가장 많이 이용되는 물질이다. 하지만, 이리듐은 지구상에서 가장 희귀한 원소 중 하나로서 그 가격이 아주 비싸다. 그러므로, 가능한 최대의 촉매 효율을 유지하면서 이리듐의 사용량을 줄이는 것이 아주 중요하다. 이를 위해 가장 많이 이용되는 전략 중 하나가 촉매 표면에 나노구조를 형성하여 표면적을 넓혀 촉매 특성을 극대화하는 방법이다. 하지만 이런 나노구조들은, 종종 생성물(산소 기체)과 반응물(액체 전해질)의 물질 수송에 의해 반응에 제한이 걸리고, 넓은 표면적을 통해 얻은 이점을 무효화시킨다. 이에, 우리는 매우 적은 양의 이리듐으로 성능을 극대화하며 나노튜브의 벽에 형성된 구멍을 통해 물질 수송이 용이한 다공성 나노 튜브 촉매 구조를 개발했다. 산화아연 나노와이어는 골드/크롬/실리콘이 차례로 증착된 기판 위에 합성되었으며 니켈이 그 위에 전기도금되었다. 습식 식각법을 조심스럽게 조절해 산화아연 나노와이어를 제거하고 니켈층의 표면에 구멍을 형성하여 다공성 니켈 나노튜브 형태의 템플릿을 제작하였다. 마지막으로, 그 위에 이리듐을 0.5시간, 2시간, 5시간, 10시간동안 전기도금하여 촉매를 제작하였다. 1.504 볼트에서 10 mA/cm2의 전류밀도를 도달하였고, 타펠 슬로프는 49mV/decade를 달성하였다. 또한, 제작한 촉매를 통해 이리듐의 질량에 따른 활성도는 2314 A/g이라는 아주 높은 수치를 달성하였다. CIGS와 페로브스카이트로 구성된 텐덤 시스템을 이용하여 Solar-to-Hydrogen 변환 효율을 계산하였을 때, 기존의 촉매 형태를 사용했을 때에는 9.92 %의 효율을 보였으나 제작한 촉매를 이용하여 10.86%라는 높은 수치를 달성하였고 1 sun의 조건 하에서 해당 계산결과를 확인하였으며 8시간동안의 안정성 테스트도 진행되었다.
