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니켈(Ni)은 수소 생성 반응(HER, Hydrogen Evolution Reaction)에 대해 복합적인 역할을 할 수 있으며, 이는 사용 조건과 형태에 따라 달라집니다. 기본적으로 니켈은 HER 촉매로 많이 사용되며, 특히 니켈 폼 전극이나 카본 펠트에 니켈을 코팅하는 경우, 전극 표면적이 증가하여 HER이 촉진될 가능성이 큽니다 [5]. 니켈을 전해질에 첨가하는 경우에도 HER 촉진 효과를 기대할 수 있습니다 [2][6]. 또한, 니켈 합금이나 니켈-구리(NiCu) 합금도 HER 촉진제로 조사되어 높은 성능을 보입니다 [2]. 그러나 특정 조건에서는 니켈이 HER을 억제할 수도 있습니다. 예를 들어, 니켈 표면에 형성되는 산화층이나 불순물이 HER의 진행을 방해할 수 있습니다 [5]. 니켈-포스파이드(Ni2P)와 같은 니켈 기반 화합물은 HER에서 높은 활성을 보이며, 특히 산성 매질에서 우수한 내식성과 촉매 효율을 보입니다 [1][3][4][7]. 따라서 니켈을 활용한 HER 연구에서는 실험 조건에 따라 결과가 달라질 수 있으므로, 다양한 조건을 테스트하여 최적의 촉매 및 전극 개질 방법을 찾는 것이 중요합니다.

출처

[1] Popczun, E., McKone, J. R., Read, C. G., Biacchi, A., Wiltrout, A. M., Lewis, N., & Schaak, R. (2013). Nanostructured nickel phosphide as an electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction.. Journal of the American Chemical Society, 135 25, 9267-70 .

[2] Hu, X., Tian, X., Lin, Y., & Wang, Z. (2019). Nickel foam and stainless steel mesh as electrocatalysts for hydrogen evolution reaction, oxygen evolution reaction and overall water splitting in alkaline media. RSC Advances, 9, 31563 - 31571.

[3] Hu, C., Lv, C., Liu, S., Shi, Y., Song, J., Zhang, Z., Cai, J., & Watanabe, A. (2020). Nickel Phosphide Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction. Catalysts, 10, 188.

[4] Shahroudi, A., Esfandiari, M., & Habibzadeh, S. (2022). Nickel sulfide and phosphide electrocatalysts for hydrogen evolution reaction: challenges and future perspectives. RSC Advances, 12, 29440 - 29468.

[5] Zhou, H., Yu, F., Liu, Y., Sun, J., Zhu, Z., He, R., Bao, J., Goddard, W., Chen, S., & Ren, Z. (2017). Outstanding hydrogen evolution reaction catalyzed by porous nickel diselenide electrocatalysts. Energy and Environmental Science, 10, 1487-1492.

[6] Shen, Y., Zhou, Y., Wang, D., Wu, X., Li, J., & Xi, J. (2018). Nickel？Copper Alloy Encapsulated in Graphitic Carbon Shells as Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction. Advanced Energy Materials, 8.

[7] Zhang, X., & Liang, Y. (2017). Nickel Hydr(oxy)oxide Nanoparticles on Metallic MoS2 Nanosheets: A Synergistic Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction. Advanced Science, 5.

본 답변은 틀루토(tlooto.com)에서 어느정도 참조하였습니다~!

제가 현직에서 알칼리 수전해 전극 연구를 실시한적이 있으므로, 아는 선에서 답변 드립니다.

먼저, 수전해에서의 수소생성반응(HER)의 반응에 영향을 미치는 인자(표면금속의 전자상태, 표면활성점에 산소공극 여부, 온도, 압력, 전해질 농도 등)는 많이 있습니다.

해당 질문에 있어서 솔직히 답변드리자면, 니켈 금속 뿐만 아니라 모든 금속은 조건에 따라 수소 생성반응을 억제 시킨다/ 촉진시킨다. 두 내용 다 적용이 가능하다고 생각됩니다.

금속 자체가 전해액에서 전기를 흘려주었을때, 표면의 산화환원조건이 달라지는데, 니켈의 경우 산화되어 2가 혹은 3가의 조건, 환원의 0가 조건에서도 HER 활성이 달라지므로, 질문자께서 직접 설계한 음극에 전류를 흘려 확인하는 방법으로 결론을 낼 수 있을거라 봅니다. 

니켈 처리 유무에 따른 음극전류 변화를 포텐셜스타트로 직접 RHE기준 -0.4V에서 +0.2V의 CV혹은 LSV측정을 통해 확인해보시는것이 어떠신가요?