고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer electrolyte membrane fuel cell)가 상용화되기 위해서 해결되어야 할 문제점 중 하나는 환원극(cathode)에서 사용되는 백금 촉매이다. 촉매는 PEMFC의 양쪽 전극에서 발생하는 반응을 돕는 것으로, 주로 백금 촉매를 사용한다. 산화극(anode)에서의 수소산화반응(HOR, hydrogen oxidation reaction)에 비해느리게 발생하는 cathode에서의 ...
고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer electrolyte membrane fuel cell)가 상용화되기 위해서 해결되어야 할 문제점 중 하나는 환원극(cathode)에서 사용되는 백금 촉매이다. 촉매는 PEMFC의 양쪽 전극에서 발생하는 반응을 돕는 것으로, 주로 백금 촉매를 사용한다. 산화극(anode)에서의 수소산화반응(HOR, hydrogen oxidation reaction)에 비해느리게 발생하는 cathode에서의 산소환원반응(ORR, oxygen reduction reaction)으로 인해 cathode에서 더 많은 백금 촉매가 사용된다. 백금 촉매는 높은 성능을 나타내기 때문에 가장 많이 사용되고 있지만, 한정된 매장량으로 인한 140,000원/g에 달하는 높은 가격 등의 문제점으로 PEMFC 상용화에 한계점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 산소환원반응에서 전기화학적 활성을 가지고 있는 철과 질소가 도핑된 다공성 구조의 탄소(FeNC)를 백금촉매에 대한 지지체로 사용하여 백금촉매의 사용량을 줄이고, 두 촉매의 시너지 효과를 확인하고자 하였다. 철과 질소의 전구체로써 철-프탈로시아닌을 사용하였고, 500, 50 nm 두가지 크기의 실리카비드를 탄소촉매의 템플릿으로 사용하여 이중 기공의 다공성 탄소 구조체를 합성하였다. 합성 후에는 전자빔공법을 이용하여 합성한 탄소촉매 위에 균일한 크기의 백금 나노입자를 담지하였고, 이를 연료전지 공기극의 촉매로 적용하였다. 특히 FeNC위에 백금을 5wt%로 담지한 촉매(Pt5/FeNC)는 산, 염기성 전해질에서 각각 2.19, 2.58 A mgPt-2의 mass activity를 나타내며 상용화된 백금촉매(20wt% Pt/C) 의 결과값인 0.39, 0.71 58 A mgPt-2과 비교하여 약 6배, 4배 높은 mass activity를 나타냈다. 또한, 실제 연료전지의 기본단위인 단위전지 환원극에 합성된 촉매를 사용했을 때 상용 백금촉매의 mass activity(15.61 A mgPt-2)와 비교하여 약 1.2배 높은 mass activity(18.76 A mgPt-2)를 나타냈다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer electrolyte membrane fuel cell)가 상용화되기 위해서 해결되어야 할 문제점 중 하나는 환원극(cathode)에서 사용되는 백금 촉매이다. 촉매는 PEMFC의 양쪽 전극에서 발생하는 반응을 돕는 것으로, 주로 백금 촉매를 사용한다. 산화극(anode)에서의 수소산화반응(HOR, hydrogen oxidation reaction)에 비해느리게 발생하는 cathode에서의 산소환원반응(ORR, oxygen reduction reaction)으로 인해 cathode에서 더 많은 백금 촉매가 사용된다. 백금 촉매는 높은 성능을 나타내기 때문에 가장 많이 사용되고 있지만, 한정된 매장량으로 인한 140,000원/g에 달하는 높은 가격 등의 문제점으로 PEMFC 상용화에 한계점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 산소환원반응에서 전기화학적 활성을 가지고 있는 철과 질소가 도핑된 다공성 구조의 탄소(FeNC)를 백금촉매에 대한 지지체로 사용하여 백금촉매의 사용량을 줄이고, 두 촉매의 시너지 효과를 확인하고자 하였다. 철과 질소의 전구체로써 철-프탈로시아닌을 사용하였고, 500, 50 nm 두가지 크기의 실리카비드를 탄소촉매의 템플릿으로 사용하여 이중 기공의 다공성 탄소 구조체를 합성하였다. 합성 후에는 전자빔공법을 이용하여 합성한 탄소촉매 위에 균일한 크기의 백금 나노입자를 담지하였고, 이를 연료전지 공기극의 촉매로 적용하였다. 특히 FeNC위에 백금을 5wt%로 담지한 촉매(Pt5/FeNC)는 산, 염기성 전해질에서 각각 2.19, 2.58 A mgPt-2의 mass activity를 나타내며 상용화된 백금촉매(20wt% Pt/C) 의 결과값인 0.39, 0.71 58 A mgPt-2과 비교하여 약 6배, 4배 높은 mass activity를 나타냈다. 또한, 실제 연료전지의 기본단위인 단위전지 환원극에 합성된 촉매를 사용했을 때 상용 백금촉매의 mass activity(15.61 A mgPt-2)와 비교하여 약 1.2배 높은 mass activity(18.76 A mgPt-2)를 나타냈다.
For commercialization of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), the loading amount of Pt-based cathode catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) needs be significantly reduced. In this study, we propose Pt catalysts supported by an iron/nitrogen-doped porous carbon (FeNC) nanostructure ha...
For commercialization of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), the loading amount of Pt-based cathode catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) needs be significantly reduced. In this study, we propose Pt catalysts supported by an iron/nitrogen-doped porous carbon (FeNC) nanostructure having a catalytic activity for ORR in order to significantly reduce the utilization of Pt. The FeNC nanostructure was prepared using a template method with 50 and 500 nm SiO2 beads and phthalocyanine as a dopant and carbon source. The nanosized Pt catalysts with different loading weights (5, 10, 20, 30 wt%) were uniformly deposited on the FeNC with a bimodal porous crystalline doped carbon nanostructure using an electron beam radiation method. In particular, the cathode catalyst having 5 wt% Pt on FeNC (Pt5/FeNC) exhibited enhanced ORR mass activities of 2.19 and 2.58 A mgPt−1 at 0.9 V measured by electrochemical half cells in acidic and alkaline media, respectively, compared to a commercial Pt(20 wt%)/C (Pt20/C). Furthermore, Pt5/FeNC showed a higher mass activity of 18.76 A mgPt−1 at 0.6 V as a unit cell performance than that of the commercial catalyst. The improved ORR activity of Pt/FeNC might be synergistically attributed to the homogeneous dispersion of Pt nanoparticles on the bimodal porous doped carbon nanostructure, the interaction (electronic effect) between the metallic catalyst and the doped support, and the dual catalytic effect of both Pt and the doped carbon nanostructure.
For commercialization of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), the loading amount of Pt-based cathode catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) needs be significantly reduced. In this study, we propose Pt catalysts supported by an iron/nitrogen-doped porous carbon (FeNC) nanostructure having a catalytic activity for ORR in order to significantly reduce the utilization of Pt. The FeNC nanostructure was prepared using a template method with 50 and 500 nm SiO2 beads and phthalocyanine as a dopant and carbon source. The nanosized Pt catalysts with different loading weights (5, 10, 20, 30 wt%) were uniformly deposited on the FeNC with a bimodal porous crystalline doped carbon nanostructure using an electron beam radiation method. In particular, the cathode catalyst having 5 wt% Pt on FeNC (Pt5/FeNC) exhibited enhanced ORR mass activities of 2.19 and 2.58 A mgPt−1 at 0.9 V measured by electrochemical half cells in acidic and alkaline media, respectively, compared to a commercial Pt(20 wt%)/C (Pt20/C). Furthermore, Pt5/FeNC showed a higher mass activity of 18.76 A mgPt−1 at 0.6 V as a unit cell performance than that of the commercial catalyst. The improved ORR activity of Pt/FeNC might be synergistically attributed to the homogeneous dispersion of Pt nanoparticles on the bimodal porous doped carbon nanostructure, the interaction (electronic effect) between the metallic catalyst and the doped support, and the dual catalytic effect of both Pt and the doped carbon nanostructure.
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