변형된 그래핀 지지체와 이에 따른 금속 촉매의 전기화학적 특성 평가 Effect of Carbon Surface Modification on Electrochemical Behaviors of Catalysts deposited on Reduced Graphene Oxide원문보기
본 연구에서는 변형된 그래핀 지지체를 이용한 복합소재 제조 및 연료전지용 전극재료로의 전기화학적 특성을 평가하였다. 우수한 전기전도도와 기계적 물성을 지니는 그래핀의 경우, 작동과정에서 자연응집반응으로 인해 이론적인 성능을 나타내지 못하는 단점이 있다. 또한, 순수한 백금 촉매의 경우, 촉매의 응집, 높은 가격, 부반응에 의해 형성되는 CO와 같은 중간체로 인해 이른적 활성을 나내지 못하는 단점이 있다. 이러한 점을 개선하기 위해 그래핀을 지지체로 사용하여 표면 코팅 및 개질을 통해 그래핀의 자연응집 반응 억제 및 백금 촉매의 균일한 분산을 목표로 하였다. 그래핀 표면 코팅을 위해 생체 접착성 고분자(...
본 연구에서는 변형된 그래핀 지지체를 이용한 복합소재 제조 및 연료전지용 전극재료로의 전기화학적 특성을 평가하였다. 우수한 전기전도도와 기계적 물성을 지니는 그래핀의 경우, 작동과정에서 자연응집반응으로 인해 이론적인 성능을 나타내지 못하는 단점이 있다. 또한, 순수한 백금 촉매의 경우, 촉매의 응집, 높은 가격, 부반응에 의해 형성되는 CO와 같은 중간체로 인해 이른적 활성을 나내지 못하는 단점이 있다. 이러한 점을 개선하기 위해 그래핀을 지지체로 사용하여 표면 코팅 및 개질을 통해 그래핀의 자연응집 반응 억제 및 백금 촉매의 균일한 분산을 목표로 하였다. 그래핀 표면 코팅을 위해 생체 접착성 고분자(dopamine)을 약염기 분위기에서 그래핀과 자가 중합 시켜 표면이 개질된 그래핀을 합성하였다. 그 후 백금 촉매를 담지시켜 전기화학적, 형태학적 분석을 진행하였다. 또한, 싸이오요소를 통해 그래핀 표면에 질소, 황 헤테로 원소를 도핑시킨 후 백금 촉매를 담지시켜 그래핀 표면에 도핑된 원소에 따른 전기화학적, 형태학적 상관관계에 대하여 조사하였다. 전기화학적 특성은 순환전압 전류법, 정전압법으로 분석하였다. 순수한 그래핀 복합재료 52 m2/g 보다 그래핀 대비 도파민의 양이 30% 비율로 코팅된 그래핀이 72 m2/g, 질소, 황 도핑된 그래핀이 80 m2/g 으로 우수한 촉매활성면적(ECSA) 뿐만 아니라 메탄올산화반응에 대한 높은 활성을 나타냄을 확인하였다. 또한, SEM, TEM 표면 분석을 통해 변형된 그래핀 지지체에서 백금 금속 촉매의 분산이 향상된 것을 확인하였고, 금속 촉매의 평균적인 입자 크기 또한 작게 담지 된 것을 확인하였다. 이에 본 연구에서 얻은 향산된 전기화학적 특성은 1) 변형된 그래핀 지지체의 백금 촉매가 작은 입자 크기와 넓은 분산으로 메탄올 산화 반응이 넓은 표면에서 일어나고, 2) 그래핀 지지체와 도파민과 질소, 황 헤테로 원소는 긍정적인 상호작용을 일으키며, 3) 변형된 그래핀에 남아있는 도파민과 질소, 황 헤테로 원소는 메탄올의 산화반응을 지원함에 따른 결과로 보인다. 위와 같이 소개된 변형된 그래핀 지지체를 기반으로 한 복합재료의 합성은 전지 전극 재료로서 널리 사용할 수 있으며, 차세대 연료전지용 전극재료로서 가치 있는 연구 주제로 적용할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 변형된 그래핀 지지체를 이용한 복합소재 제조 및 연료전지용 전극재료로의 전기화학적 특성을 평가하였다. 우수한 전기전도도와 기계적 물성을 지니는 그래핀의 경우, 작동과정에서 자연응집반응으로 인해 이론적인 성능을 나타내지 못하는 단점이 있다. 또한, 순수한 백금 촉매의 경우, 촉매의 응집, 높은 가격, 부반응에 의해 형성되는 CO와 같은 중간체로 인해 이른적 활성을 나내지 못하는 단점이 있다. 이러한 점을 개선하기 위해 그래핀을 지지체로 사용하여 표면 코팅 및 개질을 통해 그래핀의 자연응집 반응 억제 및 백금 촉매의 균일한 분산을 목표로 하였다. 그래핀 표면 코팅을 위해 생체 접착성 고분자(dopamine)을 약염기 분위기에서 그래핀과 자가 중합 시켜 표면이 개질된 그래핀을 합성하였다. 그 후 백금 촉매를 담지시켜 전기화학적, 형태학적 분석을 진행하였다. 또한, 싸이오요소를 통해 그래핀 표면에 질소, 황 헤테로 원소를 도핑시킨 후 백금 촉매를 담지시켜 그래핀 표면에 도핑된 원소에 따른 전기화학적, 형태학적 상관관계에 대하여 조사하였다. 전기화학적 특성은 순환전압 전류법, 정전압법으로 분석하였다. 순수한 그래핀 복합재료 52 m2/g 보다 그래핀 대비 도파민의 양이 30% 비율로 코팅된 그래핀이 72 m2/g, 질소, 황 도핑된 그래핀이 80 m2/g 으로 우수한 촉매활성면적(ECSA) 뿐만 아니라 메탄올 산화반응에 대한 높은 활성을 나타냄을 확인하였다. 또한, SEM, TEM 표면 분석을 통해 변형된 그래핀 지지체에서 백금 금속 촉매의 분산이 향상된 것을 확인하였고, 금속 촉매의 평균적인 입자 크기 또한 작게 담지 된 것을 확인하였다. 이에 본 연구에서 얻은 향산된 전기화학적 특성은 1) 변형된 그래핀 지지체의 백금 촉매가 작은 입자 크기와 넓은 분산으로 메탄올 산화 반응이 넓은 표면에서 일어나고, 2) 그래핀 지지체와 도파민과 질소, 황 헤테로 원소는 긍정적인 상호작용을 일으키며, 3) 변형된 그래핀에 남아있는 도파민과 질소, 황 헤테로 원소는 메탄올의 산화반응을 지원함에 따른 결과로 보인다. 위와 같이 소개된 변형된 그래핀 지지체를 기반으로 한 복합재료의 합성은 전지 전극 재료로서 널리 사용할 수 있으며, 차세대 연료전지용 전극재료로서 가치 있는 연구 주제로 적용할 수 있을 것이다.
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