전기화학적으로 활성화된 NiFeOxHy (아크 용융 Ni₇₀Fe₃₀)

1000회 CV 사이클로 전환된 아크 용융 Ni₇₀Fe₃₀ 합금 (Hg/HgO 기준 −1.35 ~ +0.65 V, 100 mV s⁻¹, 1.0 M KOH — HER 및 OER 영역 모두에 걸침)을 통해 결정질 벌크와 비정질 표면을 갖는 다공성 NiFeOxHy OER 촉매로 변환된 물질 (see Im et al., ACS Appl. Energy Mater. (2021), Fig. 1, Fig. 2). 도펀트 또는 화학 욕조 공정 없이 순전히 전기화학적으로 활성화된다.

구조

• ~800 nm 두께의 활성화층에 기공이 밀집되어 있으며, HRTEM에서 벌크 내부의 β-Ni(OH)₂ (001) 격자면 간격(~0.47 nm)과 명확히 비정질인 최외각 표면이 분해됨 (see Im et al., ACS Appl. Energy Mater. (2021), Fig. 2b, 2d).
• XRD: 활성화 후 Ni–Fe 합금 + Ni₀.₅Fe₀.₅O + β-Ni(OH)₂ 공존 (Fig. 3a). 전기증착된 e-NiFeOxHy의 판상 LDH 시트와 달리 (Fig. 2a), 입상의 열린 입자 형태를 나타냄.
• ECSA는 활성화 중 ~200배 증가 (음극 Ni-이온 피크 ~1.35 V vs RHE; §3.1).
• Fe 용출: AES 벌크 Fe/Ni ~0.43 → ~0.18, 표면 XPS Fe/Ni ~0.33 (Fe가 표면으로 재분배); Ni³⁺ 비율 증가와 함께 Ni 2p₃/₂가 +0.2 eV 이동 (Fig. 3c, §3.2).

OER 성능 (1 M KOH)

• η = 250 mV @ 10 mA cm⁻², η = 270 mV @ 20 mA cm⁻², Tafel 기울기 30 mV dec⁻¹ (NiFe 촉매 중 최저 수준에 해당; see Im et al., ACS Appl. Energy Mater. (2021), Fig. 1b, Fig. 4b, Table S₁).
• 1.5 V vs RHE에서의 전류 밀도는 전기증착된 e-NiFeOxHy 기준 시료(Tafel ~40 mV dec⁻¹, η 294 mV)의 ×58이며, 이 향상은 주로 내인적(intrinsic) 기여에 의한 것임 (ECSA 이득만으로는 ×9.3; §3.3).
• 안정성: 20 mA cm⁻²에서 12시간 동안 ~12 mV 수준의 전위 드리프트만 관찰됨 (Fig. 4d).

연관 관계

electrochemical-amorphization-surface-activation을 통해 OER-overpotential-alkaline (250 mV @ 10 mA cm⁻², 1 M KOH)을 달성함. Zn-doped-NiFeOxHy (paper_140, CBD + Zn 경로, Tafel 28.3 mV dec⁻¹)과 구별됨: 동일한 모체 물질 및 거의 동일한 η (250 mV)이나, 제조 경로가 다르고 Tafel 기울기가 소폭 높음 (30 vs 28.3 mV dec⁻¹). 비정질화 경로는 화학적 Lewis-acid-inductive-effect-OER과 구조적으로 유사한 접근법이다.