Ru 도핑 Co₃O₄ 나노입자 (Ru₀.₀₉Co₂.₉₁O₄ CER 촉매)

Ru₀.₀₉Co₂.₉₁O₄ 스피넬 나노입자 (8–12 nm)는 수열합성 Co₃O₄ + Ru(acac)₃ 열처리 (300–500 °C)로 합성되며, 중성 pH 염소 발생 반응 (CER) 전기촉매로 활용된다 (see Choi et al., ACS Omega (2023)).

도핑 및 구조

• 3.13 atom% Ru가 팔면체 Co³⁺ 자리에 치환됨 (이온 반지름 0.062 nm vs 0.0545 nm); XRD 격자 팽창, SAED 링 반지름 감소, HAADF-STEM 원소 매핑으로 확인됨 (see Choi et al., ACS Omega (2023), Figs. 4, S₇).
• Co³⁺/Co²⁺ 비율 2.12 → 1.40으로 감소; O_sur/O_latt 증가; Co 평균 산화 상태 2.68 → 2.58 (see Choi et al., ACS Omega (2023), Fig. 4).

성능

• CER 활성이 중성 0.6 M NaCl 조건에서 훨씬 낮은 Ru 함량임에도 불구하고 RuO₂ 및 상용 DSA를 초과함.
• C_dl = 11.43 mF cm⁻² (HT-Co₃O₄의 237배) (see Choi et al., ACS Omega (2023), Fig. 5).
• 0.6 M NaCl에서 5–500 mA cm⁻² 범위에 걸쳐 >85% 활성 염소 전류 효율로, HT-Co₃O₄ 및 RuO₂보다 소폭 높음 (see Choi et al., ACS Omega (2023), Fig. S₄) → CER-active-chlorine-current-efficiency.
• 500 mA cm⁻²에서 수명 175 h (RuO₂ 기준 17 h의 10배) (see Choi et al., ACS Omega (2023), Fig. 5) → CER-lifetime-at-500mA.

비활성화

양극성 Ru 용출 (테스트 전후 3.69 → 2.52 atom%; Co 구조적 열화 아님)이 원인으로, 사후 분석 XPS + STEM-EDX에 의해 규명됨 (see Choi et al., ACS Omega (2023), Fig. S₁₃).

연관 항목

Co₃O₄-nanoparticles-CER의 개선된 변형체로, 동일한 반응 메커니즘을 유지하면서 활성과 안정성 측면에서 HT-Co₃O₄를 supersedes함. 전기반응속도론적 분석은 Krishtalik-mechanism-neutral-CER (율속 단계 = 2번째 전자 방출; 동일한 속도 법칙)을 뒷받침함. 도핑을 통해 기판 전도도에 기인한 Tafel 인공 오차를 극복함: Ti 및 FTO 모두에서 41 mV dec⁻¹.