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PEMFC용 캐소드를 위한 Pt/C, PtCo/C 촉매제조 및 전기화학평가
Electrochemical Evaluation and Synthesis of Pt/C and PtCo/C Catalysts for the Cathode of PEMFC 원문보기

반도체및디스플레이장비학회지 = Journal of the semiconductor & display equipment technology, v.7 no.4, 2008년, pp.45 - 49  

김진환 (한국화학연구원 에너지소재센터) ,  류호진 (한국화학연구원 에너지소재센터)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

For the commercialization of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), some serious problems such as the decrease of platinum use as catalysts and a larger overpotential of oxygen reduction reaction (ORR) at cathode must be solved. In this study, 20%Pt/C and 20%PtCo/C catalysts for the cathode...

주제어

#Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)   #Cathode Catalyst   #Oxygen Reduction reaction (ORR)   #Pt/C   #PtCo/C  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

  • 97%)를 첨가하였다. Pt(+Co)를 20 wt% 담지시키기 위해 Vulcan XC 72:Pt(+Co)의 비율을 0.4:0.1(wt%)로 하여 금속전구체를 첨가, 30분간 교반시켰다. 금속전구체 Pt와 Co의 비율(Pt에 대하여 Co의 원자비)은 각각 100:0, 95:5, 90:10, 80:20, 60:40으로 하였다(이후, 각각의 촉매를 20%Pt/C, 20%PtCo(95:5)/C, 20%PtCo(90:10)/C, 20%PtCo(80:20)/C, 20%PtCo(60:40)/C로 한다.
  • 고분자연료전지용 20%Pt/C 촉매를 제작하여 ETEK사의 20%Pt/C촉매와 1M의 황산수용액에서 질소 및 산소분위기에서 전기화학평가를 실시하여 질소분위기에서의 전기화학거동을 검토하고 산소분위기에서 산소환원반응 활성을 비교하였다. 또한 TEM분석을 이용해서 담지된 백금의 사이즈 및 분산도를 검토하였다.
  • 고분자전해질 연료전지용 캐소드촉매를 제작하기 위하여 여러 가지 방법이 있으나 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 과정의 화학환원법을 이용하여 백금 촉매를 제작 하였다.
  • SHE의 전위범위, 조사속도는 30 mV/sec, 실온에서 측정하였다. 그리고 Reference electrode는 Ag/ AgCl전극, counter electrode으로 백금선을 이용하여 1M의 황산수용액에서 질소, 산소분위기에 CV를 측정 하였다. 질소분위기에서 20cycles CV측정 후, 산소분위기에서 CV를 측정하여, 질소와 산소분위기의 차이를 캐소드반응인 산소환원반응전류로 판단하여 각각의 조건에서 제작된 촉매의 산소환원반응을 평가하였다.
  • 그리고 질소분위기 CV의 20cycle시, 0.3-0.05 V vs. SHE(cathodic sweep)의 전위영역에서 백금표면에 수소가 흡착하는 전하량(210 µC/cm2Pt)을 이용하여 백금의 실제표면적을 계산하여 비활성을 측정, 각각의 촉매를 평가하였다.
  • 이를 위해서 본 연구에서는 화학환원법을 이용하여20%Pt/C 및 20%PtCo/C제조하였다. 그리고 캐소드촉매로서 적용 가능성을 평가하기 위하여 전기화학측정을 실시하여 산소환원반응을 평가하고 시판 중 20%Pt/C(E-TEK사)의 촉매와 비교 검토하였다.
  • 1(wt%)로 하여 금속전구체를 첨가, 30분간 교반시켰다. 금속전구체 Pt와 Co의 비율(Pt에 대하여 Co의 원자비)은 각각 100:0, 95:5, 90:10, 80:20, 60:40으로 하였다(이후, 각각의 촉매를 20%Pt/C, 20%PtCo(95:5)/C, 20%PtCo(90:10)/C, 20%PtCo(80:20)/C, 20%PtCo(60:40)/C로 한다.).
  • 고분자연료전지용 20%Pt/C 촉매를 제작하여 ETEK사의 20%Pt/C촉매와 1M의 황산수용액에서 질소 및 산소분위기에서 전기화학평가를 실시하여 질소분위기에서의 전기화학거동을 검토하고 산소분위기에서 산소환원반응 활성을 비교하였다. 또한 TEM분석을 이용해서 담지된 백금의 사이즈 및 분산도를 검토하였다.
  • 고분자연료전지의 실용화를 위해서는 캐소드로서 사용되는 백금촉매의 산소환원반응의 활성을 극대화시키고 백금저감 기술을 개발하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 이를 위하여 20%Pt/C 및 20% PtCo/C를 제조하여 전기화학측정를 이용하여 촉매의 전기화학거동 및 산소환원반응을 평가하였다. 그 결과, 시판되는 ETEK사의 20%Pt/C에 비하여 약 1.
  • 3은 실온, 1M의 황산수용액분위기에서 제조된 20%Pt/C와 E-TEK 20%Pt/C의 산소환원반응전류를 나타낸다. 산소환원반응전류는 산소, 질소분위기에서 전류의 차(iO2-iN2)를 이용하여 평가하였다. 제조된 20%Pt/ C와 E-TEK 20%Pt/C의 산소환원반응개시전위는 0.
  • Co의 양이 5-20%까지 증가할수록 20%PtCo/C의 산소환원반응전류가 증가하였고 Co의 양이 40%에 이르러서 급격하게 산소환원반응전류가 감소하였다. 이러한 결과를 정량적으로 평가하기 위하여 0.025 mA/cm-2에서의 전위를 산소환원반응 개시 전위(EORR), 그리고 0.85V에서의 산소환원반응전류(iORR)를 분석하였다.
  • 고분자연료전지용 캐소드 촉매로서 적용하기위해서는 고활성을 가지는 촉매와 더불어 Pt저감기술에 관한 연구 또한 필요하다. 이러한 연구의 대표적인 방법으로서 Ptalloy촉매에 관한 많은 연구가 진행되고 있으며 E-TEK 20%Pt/C촉매보다 높은 산소환원반응을 나타낸 20%Pt/C에서 Pt양을 5%-40%까지 감소시키는 대신 Co를 첨가하여 촉매를 제조하였다.
  • 현재 캐소드촉매는 50-60%Pt/C촉매가 사용되고 있고 50-60% 이르는 백금의 담지량을 감소시키면서 활성을 극대화한 촉매개발이 필요하다. 이를 위해서 본 연구에서는 화학환원법을 이용하여20%Pt/C 및 20%PtCo/C제조하였다. 그리고 캐소드촉매로서 적용 가능성을 평가하기 위하여 전기화학측정을 실시하여 산소환원반응을 평가하고 시판 중 20%Pt/C(E-TEK사)의 촉매와 비교 검토하였다.
  • 전기화학측정으로서 cyclic votammetry(CV)를 0.05-1.5V vs. SHE의 전위범위, 조사속도는 30 mV/sec, 실온에서 측정하였다. 그리고 Reference electrode는 Ag/ AgCl전극, counter electrode으로 백금선을 이용하여 1M의 황산수용액에서 질소, 산소분위기에 CV를 측정 하였다.
  • 전처리 된 Vulcan XC 72 0.4 g을 100 ml증류수에서 초음파를 이용하여 30분간 분산시킨 후, 금속촉매 전구체 K2PtCl4(Kojima Co., 99%) 및 CoCI2·6H2O(Samchum Co. 97%)를 첨가하였다.
  • 그리고 Reference electrode는 Ag/ AgCl전극, counter electrode으로 백금선을 이용하여 1M의 황산수용액에서 질소, 산소분위기에 CV를 측정 하였다. 질소분위기에서 20cycles CV측정 후, 산소분위기에서 CV를 측정하여, 질소와 산소분위기의 차이를 캐소드반응인 산소환원반응전류로 판단하여 각각의 조건에서 제작된 촉매의 산소환원반응을 평가하였다. 그리고 질소분위기 CV의 20cycle시, 0.

대상 데이터

  • Vulcan XC 72(Cabot Co.)를 70℃의 질산용액에 전처리 한 후, 탄소지지체로서 사용하였다. 전처리 된 Vulcan XC 72 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
분자전해질 연료전지의 장점은? 최근에 대두되고 있는 환경, 에너지 문제를 해결하기 위한 수단의 하나로서 연료전지가 관심의 대상이 되고 있다. 특히, 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 는 아노드에서의 수소의 산화반응, 그리고 캐소드에서의 산소의 환원반응으로서 반응물로서 수소와 산소, 생성물로서 물이 생성되므로 공해물질을 배출하지 않고 타 연료전지에 비하여 고전류밀도, 그리고 저온(100°C이하)에서 운전이 가능하다는 장점을 가지고 있어 자동차, 모바일, 그리고 정지용 전원으로서 많은 연구가 되고 있다[1,2].
Pt alloy촉매가 Pt촉매에 비해 일반적으로 높은 활성을 나타내는 이유는 무엇인가? 이러한 문제점을 해결하고 고분자연료전지를 실용화 시키기 위해서 Pt alloy, non-Pt 촉매개발 그리고 Pt의 단결정구조을 제어하여 촉매의 활성을 극대화 시키는 방법 등이 제안되고 있다. 특히, Pt alloy에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이러한 Pt alloy(Co, Fe, Cr, V 등) 촉매가 Pt촉매에 비해 일반적으로 높은 활성을 나타내고, 이러한 높은 활성을 나타내는 이유는 Pt-Pt 원자간 거리, 지지체표면 위에 담지된 Pt상태, Pt 5d 밴드 공공 등의 여러 지 인자에 의한 것으로 알려져 있다[3-8].
PEMFC의 상용화에 있어서 가장 큰 문제점은? 이러한 고분자전해질연료전지를 상용화시키기위해서 여러가지 문제점이 있으나 그 중에서 가장 큰 문제점은 아노드 그리고 캐소드 촉매로서 귀금속인 백금 (Pt) 전극촉매가 사용되고 있다는 점이다. 그리고 산소환원반응과 Pt 표면에 산소의 흡착에 의한 Pt 산화물 생성에 의한 에너지 손실(과전압)은 약 0.2-0.3V에 이른다. 이러한 문제점을 해결하고 고분자연료전지를 실용화 시키기 위해서 Pt alloy, non-Pt 촉매개발 그리고 Pt의 단결정구조을 제어하여 촉매의 활성을 극대화 시키는 방법 등이 제안되고 있다.
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