그래핀 산화물(GO)과 결합된 g-C₃N₄ 하이브리드에 백금-니켈(PtNi) 합금 촉매를 탑재하고 유기 염료 에오신 Y로 감응시킨 결과, 가시광 조사 하에서 전례 없는 수소 발생 속도 5.89mmol·g⁻¹·h⁻¹을 달성하였다. 간단한 화학적 환원 및 초음파 화학적 접근법으로 합성된 PtNi 합금은 촉매 활성을 유지하면서 백금 로딩을 줄인다. 비교 연구에 따르면 PtNi 시스템은 순수 Pt보다 1.54배, 순수 Ni보다 1,178배 더 활성이 높으며, 전자 전달을 촉진하고 반응성 부위를 증가시키는 시너지 상호작용을 강조한다. 광발광 소멸과 과도 광전류 측정은 합금이 전하 캐리어 분리를 향상시켜 수소 발생 반응(HER)을 효율적으로 구동함을 확인한다.
태양광 구동 수소 생성은 화석 연료의 청정 대안을 제공한다. 이 기술을 실용화하려면 가시광 반응성 광촉매와 효율적이고 저렴한 촉매가 필수적이다. 귀금속 Pt가 매우 효과적이지만, 희소성과 비용 때문에 Ni와 같은 저렴한 전이 금속으로 Pt의 일부를 대체하는 비금속 합금 개발이 동기 부여된다. 반도체 호스트 상의 PtNi 또는 PtCo 합금에 대한 이전 연구들은 비교 가능하거나 우수한 HER 활성을 입증하였다. 여기서는 에오신 Y 감응 g-C₃N₄/GO 하이브리드를 PtNi 합금으로 장식하여 모의 태양광 하에서 물로부터 기록적인 수소 발생을 달성한 최초의 사례를 보고한다.
중합성 g-C₃N₄는 600°C에서 요소의 열축합으로 2시간 동안 얻었다. GO는 변형된 휴머스(Hummers) 법으로 합성하고 동결 건조하였다. g-C₃N₄/GO 복합체(질량비 2:1)를 물에 초음파 분산시켜 밀접한 접촉을 촉진하였다.
Pt와 Ni 염을 g-C₃N₄의 무수 에탄올 분산액에 함께 첨가한 후 NaBH₄로 환원하였다. Pt와 Ni의 동시 로딩(몰비 1:1)으로 g-C₃N₄/GO 매트릭스 상에 균일하게 분포된 PtNi 나노입자(평균 직경 <5nm)가 생성되었다. 결과 복합체(PtNi/GO-0.5%)를 수집, 세척, 60°C에서 건조하였다.
수소 발생은 100mL의 20%(v/v) 트리에탄올아민(TEOA) 수용액(pH=7)에 50mg 광촉매와 50mg 에오신 Y를 담은 파이렉스 반응기에서 측정하였다. 300W 제논 램프(λ>420nm)가 현탁액을 조사하였고, H₂는 가스 크로마토그래피로 정량화하였다.
X선 회절은 g-C₃N₄의 흑연 유사 구조(2θ=13.8° 및 27.4°)를 확인하였다. TEM 이미지는 얇은 층상 형태와 잘 분산된 작은 PtNi 나노입자의 존재를 보여주었다. XPS 분석은 Pt가 준영 산화 상태임을, Ni는 합금 형성을 나타내는 낮은 결합 에너지로의 약간의 이동을 보였다. XPS로 결정된 Pt:Ni 비율은 9:11로 목표 1:1 몰비에 가까웠다.
PtNi/GO-0.5% 복합체는 5.89mmol·g⁻¹·h⁻¹을 달성하여 Pt/GO(3.82mmol·g⁻¹·h⁻¹)와 Ni/GO(0.005mmol·g⁻¹·h⁻¹)를 능가하였다. Pt/Ni 비율 최적화 결과 1:1에서 최댓값을 보였으며, 이 비율을 넘어 Ni를 증가시키면 Pt 활성 부위 손실로 HER 활성이 감소하였다. 최적 PtNi 로딩은 g-C₃N₄/GO 매트릭스 대비 0.5wt%였으며, 더 높은 로딩은 빛 흡수를 방해하고 성능을 약간 저하시켰다.
연속 4시간 조사 4사이클에서 H₂ 생산량이 5% 미만으로 감소하여, 견고한 g-C₃N₄ 프레임워크와 공유 결합된 에오신 Y에 기인한 우수한 광안정성을 입증하였다.
확산 반사 UV-Vis 스펙트라는 PtNi 합금이 빛 흡수보다는 전하 분리를 향상시킴을 보여주었다. 광발광 소멸과 과도 광전류 측정은 PtNi/GO 시스템에서 가장 효율적인 전자-정공 분리를 확인하였으며, 이는 최고의 HER 속도와 상관관계가 있다. 제안된 광촉매 사이클은 들뜬 에오신 Y에서 g-C₃N₄/GO로, 다시 PtNi 합금으로 전자가 이동하여 양성자가 H₂로 환원되는 과정을 포함한다. 정공은 희생제 TEOA를 산화시킨다.
본 연구는 간단한 환원/초음파 경로로 합성된 PtNi 합금 촉매가 에오신 Y 감응 g-C₃N₄/GO 하이브리드에서 가시광 광촉매 수소 발생을 극적으로 향상시킴을 입증하였다. 5.89mmol·g⁻¹·h⁻¹의 속도로 이 시스템은 순수 Pt에 대한 비용 효율적인 대안을 제공하며, 확장 가능하고 지속 가능한 수소 생산의 길을 연다.
나노물질
요약MoSe₂를 다른 전이금속 칼코게나이드와 결합해 하이브리드 나노구조를 형성하는 것은 수소 발생 반응(HER) 전기촉매 활성을 높이는 효과적인 경로입니다. 본 연구에서는 종자 유도 용액법으로 꽃 모양 형태의 MoSe₂-Ni₃Se₄ 하이브리드 나노전기촉매를 합성했습니다. 독립적으로 핵생성해 별도 나노결정을 형성하는 대신, Ni₃Se₄ 성분이 초박막 MoSe₂ 나노플레이크 표면에서 핵생성·성장해 하이브리드 나노구조를 만듭니다. 다양한 Mo:Ni 비율의 MoSe₂-Ni₃Se₄ 하이브리드 나노전기촉매를 제조해 HER 활성 비교. 결과적으
초록 수전해는 수소 발생 반응(HER)을 통해 수소 연료를 생산하는 지속 가능하고 깨끗한 방법이다. 비싼 귀금속을 대체하기 위해 안정적이고 효과적이며 저비용인 HER 전기촉매 사용이 강력히 요구된다. 본 논문에서는 제1원리 계산을 사용하여 결함과 N-, S-, P-도핑된 펜타-그래핀(PG)을 HER용 2차원(2D) 전기촉매로 설계하고, 그 안정성, 전자적 특성, 촉매 성능을 조사했다. HER에 대한 최적 기술자인 깁스 자유 에너지(ΔGH)를 계산하고 최적화한 결과, C2 공공과 C1 활성 부위에서의 P 도핑으로 ΔGH가 0eV가 될
