Nanosheets of 2D Ni-based Metal-Organic Framework for Oxygen Evolution Reaction

Abstract

Two-dimensional (2D) metal-organic framework (MOF) nanosheets Ni-NDC MOF (NDC= naphthalene-2,6-dicarboxylic acid) are prepared by a facile surfactant-assisted one-pot hydrothermal synthesis. The obtained ultrathin 2D Ni-MOF nanosheets are extremely thin, which contributes to their excellent electrical properties. These unique nanostructures make them good candidates as electrode materials for high-performance water splitting catalysts to enlarge the active sites and enhance stability. In a three-electrode system, 2D Ni-MOF@NF had an overpotential of 160 mV at 10 mA cm-2 and a Tafel slope of 19 mV dec-1. To utilize this outstanding characteristic, NiMo was deposited on MOF@NF to fabricate a bifunctional catalyst. NiMo proved not to disturb the OER performance of MOF and improve the HER catalytic performances, resulting in 1.56 V overpotential at 20 mA cm-2 at a two-electrode system. This remarkable value is comparable to conventional catalysts such as Pt/C and IrO2. More importantly, the NiMo/MOF@NF exhibits almost no degradation after 1000 cycles of linear sweep voltammetry and long term stability test under constant voltages. The 2D Ni-MOF nanosheets, combined with NiMo alloy, offers superior performance in alkaline condition with outstanding electrochemical activity and high durability.

기존의 화석연료 기반 에너지원을 대체할 수 있는 지속가능한 친환경 에너지원에 대한 연구의 중요성이 커지고 있다. 태양, 풍력, 조력 등을 이용한 에너지원이 초기에 주목받았지만 에너지를 생산하는 조건이 한정적이며 저장할 수 없는 한계를 가지고 있다. 반면, 수소 에너지는 외부 환경과는 무관하게 물을 전기 분해하여 쉽게 생산할 수 있고, 수소를 다양한 형태로 저장함으로써 에너지를 비축할 수 있기 때문에 최근 연구가 활발히 이루어지고 있다. 물 분자는 전기 에너지를 가하여 수소와 산소로 분리되며 각각의 반은은 수소발생반은 (HER) 과 산소발생반응 (OER)로 나뉜다. 전체 반응은 열역학적으로 1.23 V 의 전위에서 발생해야한다. 하지만 실제 반응은 반응속도가 느리기 떄문에 1.23 V 이상의 과전압 (overpotential)이 필요하며, 과전압은 전극 재료와 특성에 따라서 달라진다. 전극 물질의 전기 전도도와 이온 이동성 등의 요소를 고려하여 반응 효율이 높은 전기화학촉매 연구가 요구되어 지고있다. 금속유기구조체 (MOF)는 기본적으로 부도체이기 때문에 촉매로서의 역할이 제한된다고 여겨졌지만, 특히, 금속유기구조체는 유기리간드의 구조에 따라서 다양한 형태를 만들 수 있으며 이차원 다공성 구조를 통해 표면적이 넓고 촉매 반응이 일어나는 금속 이온들이 표면에 많이 노출될 수 있어서 전도성 금속유기구조체의 발전으로 뛰어난 촉매효율을 드러내고 있다. 본 논문에서는 니켈과 2,6-나프탈렌다이카르복시산을 이용한 이차원 .금속유기구조체 나노시트를 니켈폼 위에 합성하여 산소발생반응 촉매로서 향상된 효과를 입증하였으며, 더 나아가 니켈몰리브데늄을 금속유기구조체 나노시트 사이에 박막을 형성함으로써 수소발생반응 촉매로서의 효과또한 보여주었다.