- Dual-atom catalyst design for efficient hydrazine oxidation reaction: A density functional theory study

- Hyeonwoo Kim⁺, Hanna Jeon⁺, and Hyeyoung Shin^*

- Bull. Korean Chem. Soc. 2025, 46(5), 554. (IF: 2.2)

- https://doi.org/10.1002/bkcs.70026

 지속적인 화석 연료의 사용으로 인한 기후변화 대응과 수소 경제 전환을 위해, 높은 효율과 친환경성을 동시에 갖춘 수소 생산 기술이 요구되고 있습니다. 기존의 수전해 기반 수소 생산은 산소 발생 반응 (oxygen evolution reaction, OER)의 느린 반응 속도와 높은 과전압 때문에 효율성이 크게 저하됩니다. 이를 대체할 수 있는 방법으로, 낮은 과전압과 빠른 반응 속도를 가지는 하이드라진 산화 반응 (hydrazine oxidation reaction, HzOR)이 주목받고 있습니다. 하지만 현재까지의 HzOR 촉매는 주로 귀금속 (Pt, Pd 등)에 의존하고 있어 비용과 자원 부족이 실용화의 한계로 작용합니다. 이에 본 연구에서는 비용 효율성과 촉매 성능을 모두 고려한 이종 원자 촉매 (dual-atom catalyst, DAC) 설계 전략을 제안하였으며, 귀금속 (Ir, Pt)과 비귀금속 (Ni, Co)을 조합한 DAC (NiCo, CoPt, NiIr)에 대해 밀도범함수이론 (density functional theory, DFT) 계산을 수행하였습니다. 계산 결과, 이종 금속의 DAC는 흡착 에너지 최적화와 활성화 에너지 장벽을 낮춤으로써 HzOR 활성을 향상시킬 수 있음을 확인했습니다. 특히 NiCo Type-Ⅰ구조는 가장 낮은 활성화 에너지 장벽 (0.23 eV)과 우수한 전자전도성을 동시에 보였으며, 기존 문헌의 대표적 HzOR 촉매보다 뛰어난 촉매 효율을 나타냈습니다. 본 연구는 이종 원자 촉매의 조성과 구조적 특징이 HzOR의 반응 메커니즘과 활성화 에너지에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였으며, 실질적으로 구현이 가능한 NiCo Type-Ⅰ 촉매가 실용적인 HzOR 촉매로서의 높은 가능성을 지님을 DFT 기반으로 입증하였습니다. 이러한 결과는 귀금속 사용량을 줄이면서도 고성능을 달성할 수 있는 차세대 수소 생산 촉매 설계에 중요한 설계 지침을 제공할 것으로 기대됩니다.