직접 에탄올 연료전지는 연료의 저장과 수송이 편리하며 독성이 없고 높은 에너지 밀도를 가지는 장점으로 인하여 친환경적 에너지 전환장치로 주목받고 있다. 하지만 직접 에탄올 연료전지는 에탄올의 산화반응과 산소의 ...
직접 에탄올 연료전지는 연료의 저장과 수송이 편리하며 독성이 없고 높은 에너지 밀도를 가지는 장점으로 인하여 친환경적 에너지 전환장치로 주목받고 있다. 하지만 직접 에탄올 연료전지는 에탄올의 산화반응과 산소의 환원반응(Oxygen Reduction Reaction) 촉매로써 값비싼 백금을 사용한다. 또한 에탄올 연료가 나피온 멤브레인을 투과하여 애노드(Anode)에서 캐소드(Cathode)로 넘어가는 크로스오버(Crossover) 현상에 의해 연료전지 시스템의 성능이 저하되는 문제점들로 인하여 상용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 논문은 직접 에탄올 연료전지의 산소 환원극 촉매로써 비귀금속 탄소촉매를 합성 및 적용하여 안정적인 에탄올 연료전지 시스템을 구축하였다. 비귀금속 탄소 촉매를 합성하기 위해 두 종류의 전구체를 이용하며, 철-포르피린(Fe-TMPP,Fe-TetraMethoxyPhenylPorphyrin)와 철-프탈로사이아닌(Fe-Pc,Fe-phthalocyanine)를 사용하고 다공성 실리카 템플릿인 SBA-15를 이용하여 템플릿 방법을 통해 높은 ORR 성능과 강한 에탄올 내성을 가지는 촉매를 합성하였다. 합성한 탄소계 촉매(Fe-TMPP, Fe-Pc)중 산소환원반응에 영향을 주는 Pyridinic N, Pyrrolic N의 높은 비율을 통해 Fe-TMPP가 Fe-Pc보다 높은 반파전위(0.83, 0.80 V)와 0.90 V의 비활성도(0.92, 0.78 mA/cm2)을 보였으며, 상용백금 촉매와 유사한 성능(0.86 V, 0.67 mA/cm2)을 보였다. 뿐만 아니라 상용 백금 촉매는 에탄올의 존재함에 따라 반파전위가 0.356 mV 감소하였으며, 이를 통해 에탄올에 대해 약한 내성을 보였다. 하지만 합성한 비 귀금속 탄소계 촉매들은 에탄올의 존재 유무에 상관없이 일정한 반파전위를 보임으로써 강한 에탄올 내성을 확인하였다. 합성한 촉매로 단위전지를 제작 및 평가 결과, 0.7 V의 높은 OCV(Open Circuit Voltage)와 8.6 mW/cm2의 최대전력밀도를 나타냈다. 또한 상용백금 촉매는 에탄올 농도에 따라 OCV가 각각 0.59, 0.55 0.52 V로 감소하지만, C/Fe-TMPP 촉매의 경우 0.71, 0.7, 0.69 V의 일정한 OCV를 확인하였다. OCV 차이로 인하여 5 M의 에탄올 농도에서의 전력밀도는 C/Fe-TMPP(7 mW/cm2) 백금 촉매(6 mW/cm2)에 비해 높은 성능을 보였다. 이는 비귀금속 촉매인 C/Fe-TMPP가 에탄올과 반응하지 않고 강한 내성을 지니기 때문이다. 따라서 직접 에탄올 연료전지의 산소환원극 촉매로써 C/Fe-TMPP가 상용백금촉매 보다 적합한 물질이라 사료된다.
직접 에탄올 연료전지는 연료의 저장과 수송이 편리하며 독성이 없고 높은 에너지 밀도를 가지는 장점으로 인하여 친환경적 에너지 전환장치로 주목받고 있다. 하지만 직접 에탄올 연료전지는 에탄올의 산화반응과 산소의 환원반응(Oxygen Reduction Reaction) 촉매로써 값비싼 백금을 사용한다. 또한 에탄올 연료가 나피온 멤브레인을 투과하여 애노드(Anode)에서 캐소드(Cathode)로 넘어가는 크로스오버(Crossover) 현상에 의해 연료전지 시스템의 성능이 저하되는 문제점들로 인하여 상용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 논문은 직접 에탄올 연료전지의 산소 환원극 촉매로써 비귀금속 탄소촉매를 합성 및 적용하여 안정적인 에탄올 연료전지 시스템을 구축하였다. 비귀금속 탄소 촉매를 합성하기 위해 두 종류의 전구체를 이용하며, 철-포르피린(Fe-TMPP,Fe-TetraMethoxyPhenylPorphyrin)와 철-프탈로사이아닌(Fe-Pc,Fe-phthalocyanine)를 사용하고 다공성 실리카 템플릿인 SBA-15를 이용하여 템플릿 방법을 통해 높은 ORR 성능과 강한 에탄올 내성을 가지는 촉매를 합성하였다. 합성한 탄소계 촉매(Fe-TMPP, Fe-Pc)중 산소환원반응에 영향을 주는 Pyridinic N, Pyrrolic N의 높은 비율을 통해 Fe-TMPP가 Fe-Pc보다 높은 반파전위(0.83, 0.80 V)와 0.90 V의 비활성도(0.92, 0.78 mA/cm2)을 보였으며, 상용백금 촉매와 유사한 성능(0.86 V, 0.67 mA/cm2)을 보였다. 뿐만 아니라 상용 백금 촉매는 에탄올의 존재함에 따라 반파전위가 0.356 mV 감소하였으며, 이를 통해 에탄올에 대해 약한 내성을 보였다. 하지만 합성한 비 귀금속 탄소계 촉매들은 에탄올의 존재 유무에 상관없이 일정한 반파전위를 보임으로써 강한 에탄올 내성을 확인하였다. 합성한 촉매로 단위전지를 제작 및 평가 결과, 0.7 V의 높은 OCV(Open Circuit Voltage)와 8.6 mW/cm2의 최대전력밀도를 나타냈다. 또한 상용백금 촉매는 에탄올 농도에 따라 OCV가 각각 0.59, 0.55 0.52 V로 감소하지만, C/Fe-TMPP 촉매의 경우 0.71, 0.7, 0.69 V의 일정한 OCV를 확인하였다. OCV 차이로 인하여 5 M의 에탄올 농도에서의 전력밀도는 C/Fe-TMPP(7 mW/cm2) 백금 촉매(6 mW/cm2)에 비해 높은 성능을 보였다. 이는 비귀금속 촉매인 C/Fe-TMPP가 에탄올과 반응하지 않고 강한 내성을 지니기 때문이다. 따라서 직접 에탄올 연료전지의 산소환원극 촉매로써 C/Fe-TMPP가 상용백금촉매 보다 적합한 물질이라 사료된다.
Direct ethanol fuel cells (DEFCs), which use ethanol as a fuel, have attracted considerable attention due to their relatively high energy density, the non-toxicity of ethanol, and the abundance of ethanol sources. However, since the cross-over of ethanol as a fuel in DEFCs can deteriorate the cell p...
Direct ethanol fuel cells (DEFCs), which use ethanol as a fuel, have attracted considerable attention due to their relatively high energy density, the non-toxicity of ethanol, and the abundance of ethanol sources. However, since the cross-over of ethanol as a fuel in DEFCs can deteriorate the cell performance due to the oxidation of ethanol (EtOH) at the cathode during oxygen reduction reaction (ORR), non-precious metal (NPM) cathode catalysts for ORR have been studied using carbon-based nanostructures as promising alternatives to Pt-based catalysts. In this thesis, the doped carbon nanostructures (C/Fe-TMPP and C/Fe-Pc) as cathode catalysts were synthesized using a template method with iron(III) 5, 10, 15, 20-(tetra-4-methoxyphenyl) porphyrin chloride (Fe-TMPP) and iron(II) phthalocyanine (Fe-Pc). In the half-cell test, C/Fe-TMPP exhibited an enhanced ORR activity in 0.5 M H2SO4(i.e.high half-wave potential and specifi ccurrent density)and maintained ORR performance in the presence of ethanol, compared to a commercial Pt/C. Moreover, compared to the Comm.Pt/C catalyst, C/Fe-TMPP used as a NPM cathode catalyst exhibited the high performance in the DEFC supplied with high concentrated EtOH as a fuel at the cathode, i.e. the relatively high OCV and power/current densities. The excellent ORR activity of C/Fe-TMPP for the DEFC can be due to the ethanol tolerance in the ORR and a low adsorption energy of ethanol. Thus, C/Fe-TMPP as a NPM catalyst structure can be applied as an alcohol-tolerant cathode catalyst for high-performance direct alcohol fuel cells used as an alcohol supplied at the anode.
Direct ethanol fuel cells (DEFCs), which use ethanol as a fuel, have attracted considerable attention due to their relatively high energy density, the non-toxicity of ethanol, and the abundance of ethanol sources. However, since the cross-over of ethanol as a fuel in DEFCs can deteriorate the cell performance due to the oxidation of ethanol (EtOH) at the cathode during oxygen reduction reaction (ORR), non-precious metal (NPM) cathode catalysts for ORR have been studied using carbon-based nanostructures as promising alternatives to Pt-based catalysts. In this thesis, the doped carbon nanostructures (C/Fe-TMPP and C/Fe-Pc) as cathode catalysts were synthesized using a template method with iron(III) 5, 10, 15, 20-(tetra-4-methoxyphenyl) porphyrin chloride (Fe-TMPP) and iron(II) phthalocyanine (Fe-Pc). In the half-cell test, C/Fe-TMPP exhibited an enhanced ORR activity in 0.5 M H2SO4(i.e.high half-wave potential and specifi ccurrent density)and maintained ORR performance in the presence of ethanol, compared to a commercial Pt/C. Moreover, compared to the Comm.Pt/C catalyst, C/Fe-TMPP used as a NPM cathode catalyst exhibited the high performance in the DEFC supplied with high concentrated EtOH as a fuel at the cathode, i.e. the relatively high OCV and power/current densities. The excellent ORR activity of C/Fe-TMPP for the DEFC can be due to the ethanol tolerance in the ORR and a low adsorption energy of ethanol. Thus, C/Fe-TMPP as a NPM catalyst structure can be applied as an alcohol-tolerant cathode catalyst for high-performance direct alcohol fuel cells used as an alcohol supplied at the anode.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.