수소연료전지 내구성 향상을 위한 산소환원반응용 나노촉매의 표면 개질

[카리]

PEMFC에는 단일 촉매 중 백금이 적절한 산소 바인딩 에너지를 가지고 있어, 상용 촉매로 사용되지만, 다른 단일 촉매들에 비해 귀금속이여서 가격이 비싸다는 문제점이 있다. 그래서 백금의 양을 줄이고, strain effect 와, electronic effect를 통해 ORR 성능을 더 높이기 위해 백금에 3d 전이금속을 합금시키는 연구가 진행되고 있다. 그러나 합금 촉매는 오랜 시간 높은 구동 전압에 노출되면 산성 용매에 3d 전이금속이 녹아 내구성이 떨어지는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해, 고온 탄화공정을 통해 합금촉매에 카본 쉘을 코팅 시키는 연구를 하였다. 먼저, 열분해법 공정 시, 합금촉매 내부로 카본 소스가 녹아들어가는 현상을 이용해 소량의 탄소가 흡수된 합금 촉매를 만든다. 이후, 고온 열처리 공정을 거치면 카본이 표면으로 segregation되어, 고온탄화공정을 통해 카본 쉘이 코팅된 Pt3Fe1 합금 촉매가 제조된다. 700, 900 ℃와 같이 다양한 열처리 온도와 열처리를 할 때 주입되는 Ar 혹은 H2 가스를 이용하여, 카본 쉘의 결정성 및 기공구조를 제어 할 수 있었다. 결과적으로, Ar 가스에서는 밀집된 카본 쉘이, H2 가스에서는 기공을 가진 카본 쉘이 코팅 된다는 것을 알 수 있었다. 특히 H2 분위기에서 700 ℃에 열처리된 Pt3Fe1 7_H2 촉매는 Half-wave Potential 이 0.92 VRHE 로 높은 ORR 성능을 보일 뿐만 아니라, 오랜 시간 높은 구동 전압에 노출 되어도, 카본 쉘이 코팅되어 3d 전이금속이 녹아내리지 않고, 뭉쳐지지 않아 백금 대 철이 3 : 1 비율로 거의 유지되는 것을 확인 할 수 있다. 그리고, ADT 실험을 통해 20K 사이클을 돌렸을 때는, 0.88 VRHE 이라는 높은 전압을 나타내 뛰어난 내구성을 보인다는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 카본 쉘이 코팅 되지 않은 합금은 철이 녹아 뭉쳐져 합금 비율이 3 : 1 유지를 못하게 된 것을 확인 할 수 있다. 위의 결과로 인해 ORR 성능이 20k 사이클 돌렸을 때, 0.91 VRHE 에서 0.84 VRHE 로 대폭 감소한 것을 확인 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는, 수소연료전지 내구성 향상을 위해 고온 탄화 공정으로 쉽게 다공성 카본 쉘을 합금 나노 입자 표면에 코팅시켜 고성능 고내구성 합금촉매를 만드는 합성법을 제안 하였고, 다양한 전기화학적 분석과 물리분석을 통해 카본 쉘의 효과를 확인 하였다.

수소연료전지 내구성 향상을 위한 산소환원반응용 나노촉매의 표면 개질.pdf

1.69MB