산소 환원 반응의 비귀금속 촉매로서 다공성의 탄소 구조체는 높은 비표면적과 전이금속이나 헤테로 원자와 같은 비금속 원소들의 도핑에 의해 형성된 활성점 때문에 향상된 활성을 나타내는 촉매로 널리 알려졌다. 따라서 본 논문에서는 철과 질소를 동시에 도핑할 수 있는 전구체를 이용하여 Fe-N3, Fe-N4 등의 활성점을 형성하고 이를 효과적으로 드러나게 하기 위하여 ...
산소 환원 반응의 비귀금속 촉매로서 다공성의 탄소 구조체는 높은 비표면적과 전이금속이나 헤테로 원자와 같은 비금속 원소들의 도핑에 의해 형성된 활성점 때문에 향상된 활성을 나타내는 촉매로 널리 알려졌다. 따라서 본 논문에서는 철과 질소를 동시에 도핑할 수 있는 전구체를 이용하여 Fe-N3, Fe-N4 등의 활성점을 형성하고 이를 효과적으로 드러나게 하기 위하여 3차원의 다공성 구조로 비귀금속 촉매를 합성하였다. 이때 폴리비닐피롤리돈을 질소와 탄소의 전구체로써 사용하였고, 철-프탈로사이아닌을 철과 질소의 전구체로써 사용하였다. 위의 전구체를 500 nm 크기의 실리카비드와 함께 혼합하여 템플릿 방법으로 철과 질소가 도핑된 다공성 탄소 구조체를 합성하였고, 이를 연료전지의 환원극의 촉매로서 적용하였다. 합성된 촉매는 약 361.3 m2 g-1로 비교적 높은 비표면적을 가지며 3차원의 다공성 구조를 나타낸다. 특히 다공성의 H-Fe/N/C 촉매가 염기 전해질 조건에서 가장 높은 산소 환원 반응의 활성을 보이며 반응하는 전자 수는 거의 4 전자에 가깝게 측정되었다. 더불어 상용 촉매인 Pt/C와 비교하였을 때, 0.85 V의 반 파장 전위와 0.96 V의 형성 시작 전위 값을 가지는데 이는 Pt/C와 비교해서 각각 30 mV, 21 mV 향상된 성능이다. 또한, Pt/C보다 우수한 전기화학적 안정성을 보인다. 이는 표면에 드러난 질소 및 철이 전기화학적 활성점 역할을 하여 활성이 증대되고 3차원의 다공성 구조를 통해 활성점이 효과적으로 드러나며 물질 전달 특성이 향상되었기 때문으로 사료된다. 따라서 본 촉매는 알칼리형 연료전지의 환원극에 사용되는 비귀금속 촉매로서 적용이 가능할 것으로 예상한다.
산소 환원 반응의 비귀금속 촉매로서 다공성의 탄소 구조체는 높은 비표면적과 전이금속이나 헤테로 원자와 같은 비금속 원소들의 도핑에 의해 형성된 활성점 때문에 향상된 활성을 나타내는 촉매로 널리 알려졌다. 따라서 본 논문에서는 철과 질소를 동시에 도핑할 수 있는 전구체를 이용하여 Fe-N3, Fe-N4 등의 활성점을 형성하고 이를 효과적으로 드러나게 하기 위하여 3차원의 다공성 구조로 비귀금속 촉매를 합성하였다. 이때 폴리비닐피롤리돈을 질소와 탄소의 전구체로써 사용하였고, 철-프탈로사이아닌을 철과 질소의 전구체로써 사용하였다. 위의 전구체를 500 nm 크기의 실리카비드와 함께 혼합하여 템플릿 방법으로 철과 질소가 도핑된 다공성 탄소 구조체를 합성하였고, 이를 연료전지의 환원극의 촉매로서 적용하였다. 합성된 촉매는 약 361.3 m2 g-1로 비교적 높은 비표면적을 가지며 3차원의 다공성 구조를 나타낸다. 특히 다공성의 H-Fe/N/C 촉매가 염기 전해질 조건에서 가장 높은 산소 환원 반응의 활성을 보이며 반응하는 전자 수는 거의 4 전자에 가깝게 측정되었다. 더불어 상용 촉매인 Pt/C와 비교하였을 때, 0.85 V의 반 파장 전위와 0.96 V의 형성 시작 전위 값을 가지는데 이는 Pt/C와 비교해서 각각 30 mV, 21 mV 향상된 성능이다. 또한, Pt/C보다 우수한 전기화학적 안정성을 보인다. 이는 표면에 드러난 질소 및 철이 전기화학적 활성점 역할을 하여 활성이 증대되고 3차원의 다공성 구조를 통해 활성점이 효과적으로 드러나며 물질 전달 특성이 향상되었기 때문으로 사료된다. 따라서 본 촉매는 알칼리형 연료전지의 환원극에 사용되는 비귀금속 촉매로서 적용이 가능할 것으로 예상한다.
Porous non-precious carbon nanostructures as an electrocatalyst have been known to exhibit improved electrocatalytic activities due to their high specific surface area and favorable active sites supported by the doped transition metals such as Co and Fe, and non-metallic elements such as nitrogen, p...
Porous non-precious carbon nanostructures as an electrocatalyst have been known to exhibit improved electrocatalytic activities due to their high specific surface area and favorable active sites supported by the doped transition metals such as Co and Fe, and non-metallic elements such as nitrogen, phosphorus, and boron for oxygen reduction reaction (ORR). In this study, the porous metal-nitrogen doped carbon nanostructures were prepared using a well-stacked arrangement of template materials in the presence of polyvinylpyrrolidone as nitrogen and carbon sources and iron phthalocyanine as iron and nitrogen sources. The as-prepared nanostructures show a high specific surface area (∼361.3 m2 g-1), porous structure, and doped metal and nitrogen species into carbon structures. In particular, the porous Fe-N-doped carbon nanostructure exhibits excellent ORR electrocatalytic properties in alkaline electrolyte; i.e., electron transfer number close to 4, high half-wave potential (0.85 V), improved electrochemical stability. Thus, H-Fe/N/C electrocatalyst can be expected to be utilized as a cathode for the ORR in alkaline solution.
Porous non-precious carbon nanostructures as an electrocatalyst have been known to exhibit improved electrocatalytic activities due to their high specific surface area and favorable active sites supported by the doped transition metals such as Co and Fe, and non-metallic elements such as nitrogen, phosphorus, and boron for oxygen reduction reaction (ORR). In this study, the porous metal-nitrogen doped carbon nanostructures were prepared using a well-stacked arrangement of template materials in the presence of polyvinylpyrrolidone as nitrogen and carbon sources and iron phthalocyanine as iron and nitrogen sources. The as-prepared nanostructures show a high specific surface area (∼361.3 m2 g-1), porous structure, and doped metal and nitrogen species into carbon structures. In particular, the porous Fe-N-doped carbon nanostructure exhibits excellent ORR electrocatalytic properties in alkaline electrolyte; i.e., electron transfer number close to 4, high half-wave potential (0.85 V), improved electrochemical stability. Thus, H-Fe/N/C electrocatalyst can be expected to be utilized as a cathode for the ORR in alkaline solution.
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