[논문 리뷰] Recent Advances in Design of Electrocatalysts for High-Current-Density Water Splitting

Yuting Luo, Zhiyuan Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 15.

Electrocatalysts for Energy Conversion인용 수 22

한 줄 요약

본 논문은 물 분해를 위한 산업적으로 관련된 전류 밀도(>200 mA cm-2)에서 작동하는 전기촉매 설계의 최근 진행 상황을 조사하고, 다중 스케일 설계 고려사항 및 촉매-환경 상호작용을 강조한다.

ABSTRACT

Electrochemical water splitting technology for producing "green hydrogen" is important for the global mission of carbon neutrality. Electrocatalysts with decent performance at high current densities play a central role in the industrial implementation of this technology. The field has advanced immensely in recent years, as witnessed by many types of catalysts have been designed and synthesized which work at industrially-relevant current densities (> 200 mA cm-2). Note that the activity and stability of catalysts can be influenced by their local reaction environment, which are closely related to the current density. By discussing recent advances in this field, we summarize several key aspects that affect the catalytic performance for high-current-density electrocatalysis, including dimensionality of catalysts, surface chemistry, electron transport path, morphology, and catalyst-electrolyte interplay. We highlight the multiscale design strategy that considers these aspects comprehensively for developing high-current-density catalysts. We also put forward out perspectives on the future directions in this emerging field.

연구 동기 및 목표

• 전기화학적 물 분해를 통한 녹색 수소 생산의 중요성과 고전류 밀도에서 효율적으로 작동하는 촉매의 필요성을 강조한다.
• 산업적으로 관련된 전류 밀도에서 촉매 활력도와 안정성에 영향을 미치는 핵심 요인을 식별한다.
• 성능 최적화를 위한 촉매 구조, 표면 화학 및 전해질 상호작용을 통합하는 다중 스케일 설계 프레임워크를 제안한다.
• 고전류 밀도 전기촉매 개발을 위한 향후 방향과 전망을 논의한다.

제안 방법

• 고전류 밀도 물 분해에 관련된 최신 문헌 및 촉매 설계 전략에 대한 고찰.
• 국부 반응 환경, 전류 밀도, 촉매 차원성이 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• 표면 화학, 전자 수송 경로, 형태학, 촉매–전해질 결합을 포함한 설계 고려사항의 종합.
• 향후 촉매 개발을 위한 다중 스케일의 통합 설계 관점 제안.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 200 mA cm-2를 초과하는 전류 밀도에서 전기촉매의 활성도와 안정성에 가장 강하게 영향을 미치는 설계 요인은 무엇인가?
• RQ2 촉매 차원성, 표면 화학, 전자 수송, 형태, 전해질 상호작용이 고전류 밀도 성능을 결정하기 위해 어떻게 상호 작용하는가?
• RQ3 산업 규모의 물 분해를 위한 견고한 전기촉매 개발을 안내할 수 있는 다중 스케일 설계 프레임워크는 무엇인가?

주요 결과

• 분리된 또는 바람직한 표면 화학 및 효율적인 전자 수송을 갖춘 촉매는 고전류 밀도에서 향상된 성능을 보인다.
• 국부 반응 환경과 전류 밀도가 전기촉매의 활성도와 안정성에 상당한 영향을 미친다.
• 구조적, 계면적 및 전해질 요인을 고려한 다중 스케일 설계 접근법은 고전류 밀도 촉매 효율의 발전에 필수적이다.
• 이 분야는 산업적으로 관련된 전류 밀도(>200 mA cm-2)에서 작동할 수 있는 촉매로 발전해 왔다.
• 본 논문은 고전류 밀도 전기촉매를 더욱 향상시키기 위한 향후 방향에 대한 시각을 제시한다.