우리대학 공과대학 디스플레이신소재 강봉균 교수 및 성균관대학교 신소재공학과 윤대호 교수 연구팀은 금속-유기 구조체 (metal organic frameworks, MOFs)를 기반으로 Ni3FeN@N-doped carbon shell 구조 형성을 통해 전이금속 화합물의 전자분포 확률 증가 및 질소 도핑을 통한 촉매 특성에 기여함을 DFT(밀도함수이론) 계산을 통하여 입증하였으며 물분해용 전기 촉매 반응 메커니즘을 설명했다.

연구팀은 Ni 및 Fe 전이금속 기반의 질화물 형성을 통하여 전자 분포 증가 및 질소가 도핑된 탄소 쉘 내의 pyridinic-N 형성이 촉매 성능 향상에 기여함을 확인하였다. 또한, 밀도함수이론(DFT) 계산은 Ni3FeN@NC의 모델을 특정하여 전기적 성능을 입증하였으며 촉매 반응(OER 및 HER) 메커니즘을 설명할 수 있었다. Ni3FeN@NC 나노 촉매는 수소 및 산소 형성을 위한 낮은 과전압을 형성하였으며, 24시간 동안 진행된 물분해 안정성 테스트에서도 98%의 성능이 유지됨을 확인하였다.

연구결과는 최근 ‘Ni3FeN@NC의 전자구조변경 및 N-도핑 탄소쉘 나노 구조체를 통한 고효율 물분해 촉매 성능 평가(Electronic structure modification and N-doped carbon shell nanoarchitectonics of Ni3FeN@NC for overall water splitting performance evaluation)’라는 제목으로 국제학술지 Journal of Materials Chemistry A(IF: 14.511, ENERGY & FUELS 분야 상위 6%, 2021 JCR 기준) 8월호에 게재됐다.

교신저자인 강봉균 교수는 “MOFs와 polydophamine core-shell 구조를 통하여 질소가 도핑된 탄소 껍질 안에 전이금속 질화물 균일하게 존재하는 나노 구조체 형성 기술을 개발함과 동시에 DFT(밀도함수이론) 계산 적용 및 나노 하이브리드 구조체 형성을 통한 고효율 및 고안정성 물분해용 촉매를 위한 핵심기술을 개발 하였다”이라고 전했다.

한편, 본 연구는 한국연구재단 중견연구자사업, 우리대학 연구기금의 지원을 받아 수행되었다.