Ni/Mn Layered Double Hydroxide-CNT Nanocomposites as Oxygen Evolution Reaction Catalyst

Abstract

The oxygen evolution reaction (OER) and the oxygen reduction reaction (ORR) are essential electrochemical reactions in the energy related fields such as secondary battery, solar cell, fuel cell, etc. Due to the slow kinetic property of OER, it is very required to develop novel OER catalyst with high activity as well as ORR catalyst. In this study, we developed the Ni-based LDH/CNT nanocomposites with improved OER catalysts including Ni3Mn-LDH/CNT and Ni3Al-LDH/CNT nanocomposites, where LDHs (layered double hydroxides) were formed nanocomposites with CNT (carbon nanotube) in order to improve the conductivity of LDHs. The nanocomposites were synthesized by coprecipitating metal ions such as Ni2+, Al3+ and Mn2+ in softly oxidized CNT suspension through electrostatic attraction between negatively charged CNT and positively charged LDHs. According to the XRD and TEM analyses, all the LDH particles were well formed on the surface of CNT. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray absorption near edge structure (XANES) analyses showed that nickel ions were stabilized with divalent charge and manganese ions were stabilized with trivalent charge in LDH. The OER activity was evaluated in alkaline solution (6M KOH) by using potentiometric method. The OER onset potential of Ni3Mn-LDH/CNT and pristine Ni3Mn-LDH is almost same value of 130 mV, which value was lower than that of a commercial catalyst (Ir/C; 200 mV/ RHE). But, the required a current density of nanocomposite at a fixed overpotential 0.35V were higher than pristine LDH due to the improved surface area and electrical conductivity, and the charge transfer. And also, the overpotential of Ni3Mn-LDH/CNT at a current density of 10mA/cm2 was 290 mA, which was better than that of Ir/C (350 mA). According to the chronopotentiometry analysis, the potential of Ni3Mn-LDH/CNT (1.52 V) required to reaching the current density of 10 mA/cm2 was almost maintained without any change for 5000 sec, indicating that this nanocomposite was stable in this condition. From these results, Ni3Mn-LDH/CNT nanocomposite has a promising potential as OER catalyst with high activity compared to the commercial noble metal OER catalyst such as Ir/C. Keywords : Oxygen evolution reaction (OER), Layered double hydroxide (LDH), Carbon nanotube (CNT), Nanocomposite, Electrocatalysts, Overpotential;산소 발생 반응 (OER)과 산소 환원 반응 (ORR)은 이차 전지, 태양 전지, 연료 전지 등의 에너지 관련 분야에서 필수적인 전기 화학 반응이다. OER의 느린 반응 활동성 때문에 높은 활성을 갖는 새로운 OER 촉매뿐만 아니라 ORR 촉매를 개발할 필요가 있다. 본 연구에서는 카본 나노 튜브 위에 니켈 기반 이중 층상 수산화물 복합체 (니켈-망간 이중 층상 수산화물/탄소나노튜브 및 니켈-알류미늄 이중 층상 수산화물/탄소나노튜브)를 합성하였다. 탄소 나노 튜브를 도입하여 이중 층상 수산화물의 전도성을 향상시킬 수 있었다. 음전하를 띤 산화된 탄소나노튜브와 양성 전하를 띠는 이중 층상 수산화물 사이에 정전기적 인력을 통해 나노 복합체를 형성할 수 있었다. X선 회절 분석법 및 투과 전자 현미경 분석을 통해, 이중 층상 수산화물의 모든 입자는 카본 나노 튜브의 표면에 잘 형성된 것을 확인하였다. X 선 광전자 분광법 및 L껍질 방사광 분석은 니켈 이온 2가의 전하와 망간 이온 3가의 전하가 이중 층상 수산화물에 안정화된 것으로 나타났다. 전기화학적 활성 평가를 위하여 알칼리성 전해질에서 3전극 실험을 하였다. 상용 촉매 이리듐 탄소의 과전압이 350mV인 것에 비하면, 니켈-망간 층상 수산화물/카본 나노 튜브는 290mV로 더 우수한 값을 가진 것을 확인할 수 있었다. 또한 전극 전위에 시간적 변화 분석에 따르면, 5000 초 동안 10mA / cm2의 전류 밀도에 도달하는 데 필요한 전압이 1.52 V로 변화하지 않고 유지되었다. 이것은 니켈-망간 층상 수산화물/카본 나노 튜브 복합체가 이러한 조건에서 안정되었음을 나타내는 것이다. 이러한 결과로부터, 니켈-망간 층상 수산화물/카본 나노 튜브 복합체는 상업적 귀금속 촉매에 비해 비등하거나 나은 활성을 보임으로써 잠재력 있는 촉매임이 확인되었다. 주요어 : 산소 발생 반응 (OER), 이중 층상 수산화물(LDH), 탄소 나노 튜브 (CNT), 나노 복합체, 전극 촉매, 과전압