[학위논문]촉매 담지체 구조와 활성점 조절을 통한 고활성 및 고내구성을 갖는 산소환원반응용 단원자 촉매 연구 Study on the highly active and stable single-atom catalysts via controlling support structure and active sites원문보기
백금 촉매의 높은 가격과 희귀성, 낮은 내구성은 연료전지의 상용화에 걸림돌로 작용하기에 백금 촉매를 대체할 비 백금 촉매의 중요성이 대두 되고 있다. 비 백금 촉매 중에서 Fe-N-C 촉매는 단원자 촉매 중 가장 높 은 산소 환원반응 활성을 가지며 차세대 연료전지 촉매로 주목받고 있다. 특히, Fe-N-C 촉매는 염기 환경에서 더 높은 성능을 보여주며 염기 환경 연료전지에서의 가능성을 보여주었다. 하지만 염기 환경 연료전지의 낮은 성능과 낮은 내구성은 그 상용화를 어렵게 한다. 따라서 매우 높은 산소 ...
백금 촉매의 높은 가격과 희귀성, 낮은 내구성은 연료전지의 상용화에 걸림돌로 작용하기에 백금 촉매를 대체할 비 백금 촉매의 중요성이 대두 되고 있다. 비 백금 촉매 중에서 Fe-N-C 촉매는 단원자 촉매 중 가장 높 은 산소 환원반응 활성을 가지며 차세대 연료전지 촉매로 주목받고 있다. 특히, Fe-N-C 촉매는 염기 환경에서 더 높은 성능을 보여주며 염기 환경 연료전지에서의 가능성을 보여주었다. 하지만 염기 환경 연료전지의 낮은 성능과 낮은 내구성은 그 상용화를 어렵게 한다. 따라서 매우 높은 산소 환원반응 성능과 고내구성의 Fe-N-C를 개발하고, 염기 환경 연료전지에 서 촉매의 적합성을 확인하는 것은 필수적이다. 본 연구에서는 금속-유기 골격체 (MOF)와 질소 도핑된 탄소 양자점, 그리고 철 전구체의 조절을 통해 Fe-N-C 촉매의 형태와 성질을 조절하 는데 성공했고, 이를 바탕으로 두 가지 연구를 진행하였다. 첫 번째로 철 함량에 따른 Fe-N-C 촉매의 지지체와 활성점 변화를 확인하고 그에 따 른 암모니아 노출 환경에서의 전기화학적 특성의 변화를 분석하였다. 철 함량에 따라 촉매의 활성점 구조와 지지체 구조가 달라졌으며, 가장 높은 Fe-Nx 단원자 활성점을 가지는 FeNC-0.35 촉매는 암모니아 유무에 상관 없이 가장 높은 ORR 성능을 보여주었다. 두 번째로는 첫 번째 연구에서 viii 확인한 특이한 벌집 구조의 Fe-N-C 촉매의 구조 형성 메커니즘을 분석 하고 발전시켰다. 합성과정에서 MOF가 스스로 template로 작용하며 일정 한 기공 구조를 형성하였고, MOF 크기 조절을 통해 기공 크기의 조절이 가능하였다. 기공 크기에 따른 Fe-N-C 촉매의 물질적 특징과 전기화학적 특징을 분석하여 물질 전달 특성에 적합한 macroporous한 촉매 지지체의 구조와 활성점 특성을 확인하였다. 특히, 200nm의 기공 크기를 가지는 FeNC-20 촉매는 효과적인 기공의 형성을 통해 가장 높은 비표면적을 가 지고 훌륭한 물질 전달 특성을 보여주며, 염기 환경에서 상용 백금 촉매 를 뛰어넘는 ORR 성능과 높은 내구성을 보여주었다.
백금 촉매의 높은 가격과 희귀성, 낮은 내구성은 연료전지의 상용화에 걸림돌로 작용하기에 백금 촉매를 대체할 비 백금 촉매의 중요성이 대두 되고 있다. 비 백금 촉매 중에서 Fe-N-C 촉매는 단원자 촉매 중 가장 높 은 산소 환원반응 활성을 가지며 차세대 연료전지 촉매로 주목받고 있다. 특히, Fe-N-C 촉매는 염기 환경에서 더 높은 성능을 보여주며 염기 환경 연료전지에서의 가능성을 보여주었다. 하지만 염기 환경 연료전지의 낮은 성능과 낮은 내구성은 그 상용화를 어렵게 한다. 따라서 매우 높은 산소 환원반응 성능과 고내구성의 Fe-N-C를 개발하고, 염기 환경 연료전지에 서 촉매의 적합성을 확인하는 것은 필수적이다. 본 연구에서는 금속-유기 골격체 (MOF)와 질소 도핑된 탄소 양자점, 그리고 철 전구체의 조절을 통해 Fe-N-C 촉매의 형태와 성질을 조절하 는데 성공했고, 이를 바탕으로 두 가지 연구를 진행하였다. 첫 번째로 철 함량에 따른 Fe-N-C 촉매의 지지체와 활성점 변화를 확인하고 그에 따 른 암모니아 노출 환경에서의 전기화학적 특성의 변화를 분석하였다. 철 함량에 따라 촉매의 활성점 구조와 지지체 구조가 달라졌으며, 가장 높은 Fe-Nx 단원자 활성점을 가지는 FeNC-0.35 촉매는 암모니아 유무에 상관 없이 가장 높은 ORR 성능을 보여주었다. 두 번째로는 첫 번째 연구에서 viii 확인한 특이한 벌집 구조의 Fe-N-C 촉매의 구조 형성 메커니즘을 분석 하고 발전시켰다. 합성과정에서 MOF가 스스로 template로 작용하며 일정 한 기공 구조를 형성하였고, MOF 크기 조절을 통해 기공 크기의 조절이 가능하였다. 기공 크기에 따른 Fe-N-C 촉매의 물질적 특징과 전기화학적 특징을 분석하여 물질 전달 특성에 적합한 macroporous한 촉매 지지체의 구조와 활성점 특성을 확인하였다. 특히, 200nm의 기공 크기를 가지는 FeNC-20 촉매는 효과적인 기공의 형성을 통해 가장 높은 비표면적을 가 지고 훌륭한 물질 전달 특성을 보여주며, 염기 환경에서 상용 백금 촉매 를 뛰어넘는 ORR 성능과 높은 내구성을 보여주었다.
Oxygen reduction reaction (ORR), which appears in the cathode of the hydrogen fuel cells, requires platinum group metal catalysts because of its sluggish reaction rate. However, as the high price, scarcity, and low durability of platinum catalysts hinder the commercialization of hydrogen fuel cells,...
Oxygen reduction reaction (ORR), which appears in the cathode of the hydrogen fuel cells, requires platinum group metal catalysts because of its sluggish reaction rate. However, as the high price, scarcity, and low durability of platinum catalysts hinder the commercialization of hydrogen fuel cells, single-atom catalysts (SACs) have attracted attention due to their excellent performance, low price, and high price durability. In particular, the Fe-N-C catalyst showed high ORR performance in a base environment and attracted attention as a next-generation fuel cell catalyst. However, the base environment fuel cell does not exhibit sufficient performance compared to acidic medium fuel cell, such as PEMFC. Therefore, it is essential to develop Fe-N-C with high oxygen reduction reaction performance and high durability, and to check the compatibility of the catalyst in the base environment fuel cell. Through the control of three parameters such as metal-organic frameworks (MOF), nitrogen-doped carbon quantum dots, and iron precursors, we were successful in controlling the morphology and characteristics of Fe-N-C catalysts. Based on this, two studies were conducted. Firstly, to confirm the optimal active site conditions in an ammonia environment, the catalyst was synthesized by varying the Fe content. The single-atom structure changed into Fe nanoparticles or carbides as Fe content increased. Regardless of the ammonia concentration, FeNC-0.35 with a Fe loading amount of 0.35 wt. % containing single-atomic active sites rather than particles demonstrated the best ORR activity among our Fe-N-C catalysts. After 1,000 cycles, the FeNC-0.35 catalyst demonstrated remarkable high stability. Therefore, we believe that single-atom dispersion plays a significant role in the creation of stable non-precious catalysts with high activity for the ORR and inactivity for the AOR. Secondly, we synthesized an Inversed ZIF-8-structured Fe-N-C catalyst with aligned meso- and macropores without heterogeneous templates by coating ZIF-8 with iron-doped carbon dot dispersants (Fe-pNC). With appropriate carbon dot and Fe contents, connected ZIF-8 particles acted as a self-template, and Zn vaporized during the pyrolysis process, resulting in the formation of ordered pores. The pore size in the inversed structure could be differentiated depending on various sizes of ZIF-8 particles (98, 254, 444, 1203 nm) synthesized with solvent amount adjustment. The FeNC-20 with an average pore size of 206 nm showed high ORR activity (half-wave potential 0.88 V) and durability, which exceeds those of commercial 20 wt% Pt/C (0.86 V) in an alkaline electrolyte.
Oxygen reduction reaction (ORR), which appears in the cathode of the hydrogen fuel cells, requires platinum group metal catalysts because of its sluggish reaction rate. However, as the high price, scarcity, and low durability of platinum catalysts hinder the commercialization of hydrogen fuel cells, single-atom catalysts (SACs) have attracted attention due to their excellent performance, low price, and high price durability. In particular, the Fe-N-C catalyst showed high ORR performance in a base environment and attracted attention as a next-generation fuel cell catalyst. However, the base environment fuel cell does not exhibit sufficient performance compared to acidic medium fuel cell, such as PEMFC. Therefore, it is essential to develop Fe-N-C with high oxygen reduction reaction performance and high durability, and to check the compatibility of the catalyst in the base environment fuel cell. Through the control of three parameters such as metal-organic frameworks (MOF), nitrogen-doped carbon quantum dots, and iron precursors, we were successful in controlling the morphology and characteristics of Fe-N-C catalysts. Based on this, two studies were conducted. Firstly, to confirm the optimal active site conditions in an ammonia environment, the catalyst was synthesized by varying the Fe content. The single-atom structure changed into Fe nanoparticles or carbides as Fe content increased. Regardless of the ammonia concentration, FeNC-0.35 with a Fe loading amount of 0.35 wt. % containing single-atomic active sites rather than particles demonstrated the best ORR activity among our Fe-N-C catalysts. After 1,000 cycles, the FeNC-0.35 catalyst demonstrated remarkable high stability. Therefore, we believe that single-atom dispersion plays a significant role in the creation of stable non-precious catalysts with high activity for the ORR and inactivity for the AOR. Secondly, we synthesized an Inversed ZIF-8-structured Fe-N-C catalyst with aligned meso- and macropores without heterogeneous templates by coating ZIF-8 with iron-doped carbon dot dispersants (Fe-pNC). With appropriate carbon dot and Fe contents, connected ZIF-8 particles acted as a self-template, and Zn vaporized during the pyrolysis process, resulting in the formation of ordered pores. The pore size in the inversed structure could be differentiated depending on various sizes of ZIF-8 particles (98, 254, 444, 1203 nm) synthesized with solvent amount adjustment. The FeNC-20 with an average pore size of 206 nm showed high ORR activity (half-wave potential 0.88 V) and durability, which exceeds those of commercial 20 wt% Pt/C (0.86 V) in an alkaline electrolyte.
주제어
#Fe-N-C 산소 환원반응 금속-유기 골격체 음이온 교환막 연료전지 직접 암모니아 연료전지
학위논문 정보
저자
장한울
학위수여기관
건국대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
미래에너지공학과
지도교수
조한익
발행연도
2023
총페이지
83
키워드
Fe-N-C 산소 환원반응 금속-유기 골격체 음이온 교환막 연료전지 직접 암모니아 연료전지
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.