환경문제를 초래하는 무분별한 화석연료의 사용을 통제하기 위해서는 친환경 에너지 변환 시스템 구축이 필수적이다. 막전극 접합체 기반의 전해 시스템은 전극과 분리막 사이의 거리가 최소화된 유망한 에너지 변환 시스템 중 하나로써, 에너지 효율 향상에 크게 기여할 수 있다. 또한, 막전극 접합체의 면적을 키우거나 ...
환경문제를 초래하는 무분별한 화석연료의 사용을 통제하기 위해서는 친환경 에너지 변환 시스템 구축이 필수적이다. 막전극 접합체 기반의 전해 시스템은 전극과 분리막 사이의 거리가 최소화된 유망한 에너지 변환 시스템 중 하나로써, 에너지 효율 향상에 크게 기여할 수 있다. 또한, 막전극 접합체의 면적을 키우거나 적층을 통하여 전해 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서, 막전극 접합체 기반의 전해 시스템은 고전류 영역에서 작동하는 거대한 상업 분야에 적합하며, 전해 시스템의 지속적인 연구 개발이 요구된다. 한편, 전해 시스템에 사용되는 전극촉매의 특성뿐만 아니라 전해조 성능에 큰 영향을 미치는 전극 구조에 대한 이해도 중요하다. 최근, 촉매와 지지체 사이의 접촉이 최소화되어 있는 자체 지지 전극이 막전극 접합체 기반의 에너지 변환 시스템에서 큰 주목을 받고 있다. 다양한 전극 제조 방법 중에서, 전기도금은 다공성 수송 지지체 위에 전극 촉매를 직접적으로 제조할 수 있는 가장 효과적인 방법으로 인식되고 있다. 또한, 전기도금을 통해 제작된 자체 지지 전극은 막전극 접합체 기반의 전해 시스템에 적용하기에 많은 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는, 전극촉매가 다공성 수송 지지체 위에 로딩되어 있는 다공성 수송 전극을 전기도금 방법으로 제작하고, 이를 수전해나 이산화탄소 전해와 같은 에너지 변환 시스템의 음극으로 활용한다. 전기도금은 다양한 도금 변수를 조절함으로써 전극촉매의 형태, 조성 그리고 결정성 등을 조절할 수 있다. 또한, 전기도금으로 제작된 전극의 경우, 고분자 접합재가 필요하지 않기 때문에 전자의 활성 부위로의 이동을 촉진시켜주고 결과적으로 전극촉매의 활성을 향상시켜준다. 최적화된 다공성 수송 전극은 일반적인 시스템 뿐만 아니라 막전극 접합체 기반의 에너지 변환 시스템에서도 우수한 성능을 보인다. 결과적으로, 본 연구에서는, 전기도금으로 제작된 다공성 수송 전극의 막전극 접합체 기반의 전해 시스템에 적합함을 증명하였다.
환경문제를 초래하는 무분별한 화석연료의 사용을 통제하기 위해서는 친환경 에너지 변환 시스템 구축이 필수적이다. 막전극 접합체 기반의 전해 시스템은 전극과 분리막 사이의 거리가 최소화된 유망한 에너지 변환 시스템 중 하나로써, 에너지 효율 향상에 크게 기여할 수 있다. 또한, 막전극 접합체의 면적을 키우거나 적층을 통하여 전해 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서, 막전극 접합체 기반의 전해 시스템은 고전류 영역에서 작동하는 거대한 상업 분야에 적합하며, 전해 시스템의 지속적인 연구 개발이 요구된다. 한편, 전해 시스템에 사용되는 전극촉매의 특성뿐만 아니라 전해조 성능에 큰 영향을 미치는 전극 구조에 대한 이해도 중요하다. 최근, 촉매와 지지체 사이의 접촉이 최소화되어 있는 자체 지지 전극이 막전극 접합체 기반의 에너지 변환 시스템에서 큰 주목을 받고 있다. 다양한 전극 제조 방법 중에서, 전기도금은 다공성 수송 지지체 위에 전극 촉매를 직접적으로 제조할 수 있는 가장 효과적인 방법으로 인식되고 있다. 또한, 전기도금을 통해 제작된 자체 지지 전극은 막전극 접합체 기반의 전해 시스템에 적용하기에 많은 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는, 전극촉매가 다공성 수송 지지체 위에 로딩되어 있는 다공성 수송 전극을 전기도금 방법으로 제작하고, 이를 수전해나 이산화탄소 전해와 같은 에너지 변환 시스템의 음극으로 활용한다. 전기도금은 다양한 도금 변수를 조절함으로써 전극촉매의 형태, 조성 그리고 결정성 등을 조절할 수 있다. 또한, 전기도금으로 제작된 전극의 경우, 고분자 접합재가 필요하지 않기 때문에 전자의 활성 부위로의 이동을 촉진시켜주고 결과적으로 전극촉매의 활성을 향상시켜준다. 최적화된 다공성 수송 전극은 일반적인 시스템 뿐만 아니라 막전극 접합체 기반의 에너지 변환 시스템에서도 우수한 성능을 보인다. 결과적으로, 본 연구에서는, 전기도금으로 제작된 다공성 수송 전극의 막전극 접합체 기반의 전해 시스템에 적합함을 증명하였다.
Establishing the eco-friendly energy conversion systems is essential to control the indiscriminate use of fossil fuels leading to environmental issues. The membrane electrode assembly (MEA)-based electrolysis system is one of the promising energy conversion systems which has a zero-gap configuration...
Establishing the eco-friendly energy conversion systems is essential to control the indiscriminate use of fossil fuels leading to environmental issues. The membrane electrode assembly (MEA)-based electrolysis system is one of the promising energy conversion systems which has a zero-gap configuration between electrode and membrane contributing to improvement of energy efficiency. In addition, it is possible to enhance the performance by easily scale up the MEA-based electrolysis system through enlarging the MEA area or stacking the MEA structures. Thus, the MEA-based electrolysis system is adequate for commercial applications which operate in high current range, and continuous development of the system is required. On the other hand, understanding not only catalytic properties but also electrode structures which significantly influences on the electrolyzer performance is also important. Recently, the self-supported electrode with seamless contact between catalyst/substrate has a huge attraction in energy conversion systems. Among the electrode fabrication strategies, the electrodeposition has been recognized as the most effective method for electrode fabrication that is possible to fabricate the electrocatalyst directly onto porous transport layer (PTL). In addition, the self-supported electrode fabricated via electrodeposition has lots of advantages to be employed to MEA-based electrolysis systems. In this study, the porous transport electrode (PTE) with a structure in which electrocatalyst is loaded on a PTL is fabricated by the electrodeposition method, and directly employed as a cathode of energy conversion systems such as water electrolysis and CO2 electrolysis. The electrodeposition is possible to modulate the catalytic properties such as morphology, composition, crystallinity by controlling various deposition parameters. In addition, binder-free electrode structure fabricated via electrodeposition facilitates the electron transfer to active sites contributing to improve the catalytic performance. The optimized PTE exhibits the reasonable performance not only in the conventional system but also in MEA-based electrolysis system. Thus, it is demonstrated that the PTE fabricated via electrodeposition is adequate for applications of MEA-based electrolysis systems.
Establishing the eco-friendly energy conversion systems is essential to control the indiscriminate use of fossil fuels leading to environmental issues. The membrane electrode assembly (MEA)-based electrolysis system is one of the promising energy conversion systems which has a zero-gap configuration between electrode and membrane contributing to improvement of energy efficiency. In addition, it is possible to enhance the performance by easily scale up the MEA-based electrolysis system through enlarging the MEA area or stacking the MEA structures. Thus, the MEA-based electrolysis system is adequate for commercial applications which operate in high current range, and continuous development of the system is required. On the other hand, understanding not only catalytic properties but also electrode structures which significantly influences on the electrolyzer performance is also important. Recently, the self-supported electrode with seamless contact between catalyst/substrate has a huge attraction in energy conversion systems. Among the electrode fabrication strategies, the electrodeposition has been recognized as the most effective method for electrode fabrication that is possible to fabricate the electrocatalyst directly onto porous transport layer (PTL). In addition, the self-supported electrode fabricated via electrodeposition has lots of advantages to be employed to MEA-based electrolysis systems. In this study, the porous transport electrode (PTE) with a structure in which electrocatalyst is loaded on a PTL is fabricated by the electrodeposition method, and directly employed as a cathode of energy conversion systems such as water electrolysis and CO2 electrolysis. The electrodeposition is possible to modulate the catalytic properties such as morphology, composition, crystallinity by controlling various deposition parameters. In addition, binder-free electrode structure fabricated via electrodeposition facilitates the electron transfer to active sites contributing to improve the catalytic performance. The optimized PTE exhibits the reasonable performance not only in the conventional system but also in MEA-based electrolysis system. Thus, it is demonstrated that the PTE fabricated via electrodeposition is adequate for applications of MEA-based electrolysis systems.
주제어
#Energy conversion system Water electrolysis CO2 electrolysis Membrane electrode assembly Porous transport electrode Electrocatalyst Electrodeposition
학위논문 정보
저자
김준형
학위수여기관
중앙대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
화학신소재공학과 화학신소재공학전공
지도교수
안상현
발행연도
2023
총페이지
x, 155 p.
키워드
Energy conversion system Water electrolysis CO2 electrolysis Membrane electrode assembly Porous transport electrode Electrocatalyst Electrodeposition
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