[논문 리뷰] Cobalt-based Co$_3$Mo3N/Co$_4$N/Co Metallic Heterostructure as a Highly Active Electrocatalyst for Alkaline Overall Water Splitting

Yuanwu Liu, Lirong Wang외 7명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 17.

Ammonia Synthesis and Nitrogen Reduction인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 Co$_3$Mo$_3$N/Co$_4$N/Co/Co 계 금속 이종구조를 알칼리성 물 분해를 위한 효율적이고 내구성이 뛰어난 촉매로 보고하며, 낮은 전지 전압과 장기 안정성을 달성한다.

ABSTRACT

Alkaline water electrolysis is considered a commercially viable option for large-scale hydrogen production. However, this process still faces challenges due to the high voltage (>1.65 V at 10 mA cm$^{-2}$) and its limited stability at higher current densities due to the inefficient electron transport kinetics. Herein, a novel cobalt based metallic heterostructure (Co$_3$Mo3N/Co$_4$N/Co/Co) is designed for application for water electrolysis. Operando Raman experiments reveal that the formation of Co$_3$Mo3N/Co$_4$N/Co heterointerface boosts the free water adsorption and dissociation, resulting in a surplus of protons available for subsequent hydrogen production. Furthermore, the altered electronic structure of Co$_3$Mo3N/Co$_4$N/Co heterointerface optimizes the ΔGH of nitrogen atoms at the interface. This synergistic effect between interfacial nitrogen atoms and metal phase cobalt creates highly efficient hydrogen evolution reaction (HER) active sites, thereby enhancing the overall performance. Additionally, the heterostructure exhibits a rapid OH- adsorption rate, coupled with a strong adsorption strength, leading to improved oxygen evolution reaction (OER) performance. Crucially, the metallic heterojunction facilitates fast electron transport, expediting the aforementioned reaction steps and ultimately improving the overall efficiency of water splitting. The water electrolyzer with Co$_3$Mo3N/Co$_4$N/Co/Co as a catalyst exhibits outstanding performance, requiring an impressively low cell voltage of 1.58 V at 10 mA cm$^{-2}$ and maintaining approximately 100% retention over a remarkable 100 h duration at 200 mA cm$^{-2}$. This performance significantly exceeds that of the commercial Pt/C || RuO2 electrolyzer.

연구 동기 및 목표

• 알칼리성 물 전기분해를 위한 고성능이고 확장 가능한 촉매를 촉진한다.
• HER 및 OER 동역학을 향상시키기 위해 코발트 기반 금속 이종구조를 설계하고 평가한다.
• 계면 효과를 설명하고 이해하여 물 흡착, 질소 관련 전자구조 및 전자수송을 향상시킨다.
• 산업 관련 조건에서 물 전해조에서 실용적 전기촉매 성능을 입증한다.]
• method
• [
• Synthesis of a Co$_3$Mo$_3$N/Co$_4$N/Co/Co 금속 이종구조의 합성.
• Operando Raman spectroscopy to monitor interfacial formation and water adsorption/dissociation.
• Analysis of electronic structure at the heterointerface and its effect on nitrogen atom ΔGH.
• Assessment of OH$^-$ adsorption dynamics and overall catalytic kinetics for HER and OER.
• Electrical transport studies to connect heterojunctions with rapid electron transfer during water splitting.

제안 방법

• Co$_3$Mo$_3$N/Co$_4$N/Co/Co 금속 이종구조의 합성.
• 계면 형성과 물 흡착/해리의 실시간 모니터링을 위한 작동 중 라만 분광학.
• 이종 계면의 전자구조 분석과 질소 원자 ΔGH에 대한 효과.
• OH$^-$ 흡착 동역학 및 HER 및 OER 전반의 촉매 동역학 평가.
• 물 분해 중 이종 접합과 빠른 전자 전달을 연결하는 전자 전도 연구.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Co$_3$Mo$_3$N/Co$_4$N/Co/Co 이종구조가 알칼리성 전체 물 분해를 위한 전지 전압을 낮출 수 있는가?
• RQ2 계면 Co–N 환경이 수소 발생 및 산소 발생 활성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 금속 이종접합에서의 빠른 전자 전달이 전체 전기분해 성능에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 고전류 밀도에서 장기간 작동 시 촉매의 안정성은 어떠한가?]
• RQ5 key_findings:[
• RQ6 The electrolyzer with the Co$_3$Mo$_3$N/Co$_4$N/Co/Co catalyst requires 1.58 V at 10 mA cm$^{-2}$.
• RQ7 The catalyst maintains ~100% retention over 100 h at 200 mA cm$^{-2}$.
• RQ8 Operando Raman shows interfacial Co$_3$Mo$_3$N/Co$_4$N/Co formation boosts water adsorption and dissociation.
• RQ9 Interfacial nitrogen atom–metal interactions optimize ΔGH and enhance HER activity.
• RQ10 The heterostructure exhibits rapid OH$^-$ adsorption with strong adsorption strength, improving OER performance.
• RQ11 Fast electron transport across the metallic junction accelerates the overall water-splitting process.

주요 결과

• 전해조는 Co$_3$Mo$_3$N/Co$_4$N/Co/Co 촉매를 사용할 때 10 mA cm$^{-2}$에서 1.58 V가 필요하다.
• 촉매는 200 mA cm$^{-2}$에서 100 h 동안 약 100% 유지율을 나타낸다.
• 작동 중 라만(Raman) 분석은 계면 Co$_3$Mo$_3$N/Co$_4$N/Co 형성으로 물 흡착 및 해리 증가를 시사한다.
• 계면 질소 원자-금속 상호작용이 ΔGH를 최적화하고 HER 활성을 강화한다.
• 이종구조는 강한 흡착 강도로 빠른 OH$^-$ 흡착을 나타내며 OER 성능을 향상시킨다.
• 금속 접합을 가로지르는 빠른 전자 전달이 전체 물 분해 공정을 가속화한다.