3D 다공성 N-도핑 탄소 위 단원자 Ni (Ni-SA-NC)

3D 다공성 질소 도핑 탄소에 고정된 단원자 Ni으로, paper_127의 고전류밀도 CO₂→CO 전기촉매이다 (see Jeong et al., J. Mater. Chem. A (2019)).

합성 및 구조

• EMIM-DCA 이온성 액체 + NiCl₂를 소결된 150 nm 실리카 구체에 침투시킨 후, Ar 분위기 800–1000 °C에서 탄화하고 HF 식각으로 실리카 템플릿을 제거하였다.
• HAADF-STEM에서 고립된 Ni 원자(1.4–1.8 Å 밝은 점)가 관찰된다 (see Jeong et al., J. Mater. Chem. A (2019), Fig. 2d).
• EXAFS 배위수는 1000 °C에서 3.9에 근접하며 (NiN₄ 기하구조에 가까움) (see Jeong et al., J. Mater. Chem. A (2019), Figs. 5c–d, Table S₁).
• BET 비표면적은 1000 °C에서 814.3 m² g⁻¹ (see Jeong et al., J. Mater. Chem. A (2019), Fig. S₁).

전기촉매 (CO₂→CO)

• H-셀: FE(CO) −0.8 V vs RHE에서 > 99%; j_total −1.0 V vs RHE에서 > 50 mA cm⁻² (0.2 mg cm⁻², 0.5 M KHCO₃) (see Jeong et al., J. Mater. Chem. A (2019), Fig. 6b–c).
• MEA 셀: FE(CO) 99%, j > 300 mA cm⁻² (3.0 V / 2.77 V iR-보정 시 최대 380 mA cm⁻²); 2.6 V / 2.51 V iR-보정 조건에서 9시간 동안 > 140 mA cm⁻² 안정 유지 (0.3 mg cm⁻², 기체상 CO₂ 공급) (see Jeong et al., J. Mater. Chem. A (2019), Figs. 8c–d).

이 결과들은 faradaic-efficiency-CO에 반영된다.

연관 관계

1000 °C에서의 NiN₄ 배위 (CN 3.9)는 M-N₄-limiting-potential-CO₂-selectivity의 DFT 예측 선택성 최적점에 해당한다. 높은 CO 전류밀도는 MEA-CO₂-mass-transport-enhancement에 의해 구현되며, 그 삼상 계면이 3D 다공성 구조와 시너지를 이룬다.

Ni-N-RGO (paper_113, NTB 리간드 경로를 통한 2D RGO 지지체)와의 차별점: Ni-SA-NC는 Ni@N₄ 단원자 개념을 실리카 템플릿을 통한 3D 다공성 탄소 지지체로 확장하여, 더 높은 BET 비표면적과 MEA 셀 운전(H-셀 한계인 ~50 mA cm⁻² 대비 > 300 mA cm⁻²)을 달성하였다. Ni@N₄ 활성 사이트 모티프와 110 mV dec⁻¹ Tafel 기울기는 공통적으로 나타난다.