선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 也U)PtAu 합금촉매는 third body effect라고 하여 제 3원소의 첨가에 의해 촉매표면에 일산화탄소 흡착을 막。} 촉매의 활성을 증가시킨다고 알려져 있다.此 따라서 본 연구는 직접 에탄올 연료전지의 성능을 향상시키기 위하여 Pt, Sn, Au 금속물질을 이용하여 여러 조성의 합금 촉매를 합성하여 각 촉매의 특성과 활성 및 장기 안정성을 연구하였다.
가설 설정
- 4) 이러한 두드러진 장점들 때문에 에탄올을 이용한 연료전지를 개발하려는 노력이 시작되었으며 점차 많은 연구자들이 이에 관심을 나타내고 있다.W)이러한 장점에도 불구하고 실제 직접 에탄올 연료전지의 성능은 매우 낮다. 그 이유는 에탄올 이산화되어 최종 생성물인 이산화탄소까지 진행되는 12 전자 생성반응이 아닌 2개나 4개의 전자가 생성되는 반응에서 끝나게 되기 때문이다.
제안 방법
- CV 실험에서 우수한 성능을 나타낸 PtSn/C(3 :2) 촉매와 PtSnAu(5 : 2 : 3)/C 촉매를 스프레이법을 이용해 MEA를 제조하여 단위전지실험을 수행하였다. 연료극에는 합성된 촉매를 금속 담지 량 1.
- 합성한 촉매 30 mg을물, IPA(isopropyl alcohol), 5 wt% nafion 용액과 혼합하여 만든 촉매용액에서 12/再를 glassy carbon에 도포하여 60℃ 오븐에서 1 시간동안 건조시킨 후 전기화학적 분석실험을 시행하였다. CV 실험을 통해 0.5 M 황산용액에서 촉매 표면의 수소 흡탈착 면적을 측정하였고, 0.5 M 황산용액과 1 M의 에탄올의 혼합용액 하에 촉매의 산화전류밀도를 측정하였다. 이때 전위변화는 -0.
- Pt 계열의 합금촉매에 대한 특성은 XRD(X-ray Di母action), TEM(Transmission Electron Microcope)을 통해 분석하였다. Fig.
- Sn, Au를 첨가시켜 Pt 계열의 촉매를 modified polyol 방법을 이용하여 제조하였다. TEM 분석을 통하여 분산이 잘 된 나노입자 크기의 촉매가 합성된 것을 확인할 수 있었다.
- 0 V까지 주었고, 스캔속도는 10mV/s로 하였다. 모든 실험은 시작하기 전에 질소를 흘려주어 용액 속의 산소가 충분히 제거된 상태에서 실험하였다.
- 6)따라서 고성능 직접 에탄올 연료전지 (Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC)를 위해 에탄올 산화에 활성이 좋은 촉매의 개발이 필요하다. 본 연구는 에탄올의 산화반응을 촉진시키기 위해 Pt와 다른 금속물질을 이원계, 삼원계로 합성하여 PtSn/C 촉매와 PtSnAu/C 촉매를 제조하였다.
- 2과 같이 셀을 조립하여 연료극에 에탄올, 공기극에 산소, 셀온도 90℃, 무 가습 조건에서 단위전지를 구동하였다. 셀 성능평가는 수소 전처리과정을 통해 촉매의 활성이 충분히 높아진 뒤에 수행하였다.
- 6 cm인 잉assy carbon을 이용하였고 상대전극은 Pt wire를 사용하였다. 합성한 촉매 30 mg을물, IPA(isopropyl alcohol), 5 wt% nafion 용액과 혼합하여 만든 촉매용액에서 12/再를 glassy carbon에 도포하여 60℃ 오븐에서 1 시간동안 건조시킨 후 전기화학적 분석실험을 시행하였다. CV 실험을 통해 0.
대상 데이터
- 삼전극 장치에 포화 칼로멜 전극을 기준전극으로 하여 potentiostat/gal.,anotat(solartron 1287A)을 사용하여 수행하였다. 작업전극은 지름 0.
- ,anotat(solartron 1287A)을 사용하여 수행하였다. 작업전극은 지름 0.6 cm인 잉assy carbon을 이용하였고 상대전극은 Pt wire를 사용하였다. 합성한 촉매 30 mg을물, IPA(isopropyl alcohol), 5 wt% nafion 용액과 혼합하여 만든 촉매용액에서 12/再를 glassy carbon에 도포하여 60℃ 오븐에서 1 시간동안 건조시킨 후 전기화학적 분석실험을 시행하였다.
- 환원극을 black 촉매로 사용한 이유는 산소의 횐원반응이충분히 되어 속도결정단계가 에탄올의 산화반응이 되도록 하기 위해서이다. 전해질은 Nafiond® 115를 사용하였으며 Fig. 2과 같이 셀을 조립하여 연료극에 에탄올, 공기극에 산소, 셀온도 90℃, 무 가습 조건에서 단위전지를 구동하였다. 셀 성능평가는 수소 전처리과정을 통해 촉매의 활성이 충분히 높아진 뒤에 수행하였다.
이론/모형
- Sn의 함량이 높아질수록 Pt 피크의 세기는 감소하고 Pt 의주변에 있는 Sn 산화물의 피크 (SnO2(101)-34。, SnO2(211)-52°) 의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있는데 이것은 열처리 과정을 통해 Sn이 산화물로 존재하는 비율이 높아지기 때문이다. Fig. 3에 나타낸 격자상수는 Bragg 법칙을 이용하여 구하였다.的
- 합성된 촉매의 전기화학적 성능평가는 순환전압전류법을 통해 산출하였다. 삼전극 장치에 포화 칼로멜 전극을 기준전극으로 하여 potentiostat/gal.
성능/효과
- Fig. 9에 나타난 PtSnAu/C 합성촉매의 CV 데이터를 보면, 가장 우수한 성능을 나타내는 것은 Pt:Sn:Au의 비율이 5:2:3 이었으며, onset potential을 측정한 결과 Pt:Sn:Au의 비율이 5:2:3>5:3:2>5:4:1>5:5;0 의 순서로 낮게 나타났다. 이것은 Au의 첨기가 onset potential을 낮추는 효과를 가져온다고 추측할 수 있다.
- PtSnRu/C 촉매를 합성하여 가스 크로마토그래피를 이용하여 반응생성물을 분석한 결과 순수 Pt/C 촉매보다 Sn 이나 Ru를 이용해 합금한 촉매가 아세트산의 생성을 촉진한다는 것을 발견하였다. 연료극에 순수 Pt/C 촉매만 사용할 경우 에탄올을 아세트알데히드끼지 생성되는 2 전자 반응까지만 진행시킨다면, Sn 이나 Ru 의 첨가는 에탄올을 아세트산이 생성되는 4 전자 반응까지 촉진한다는 것을 알 수 있다.
- 7의 그래프는 PtSn/C 합성촉매의 전기화학적 활성을 나타내었다. Sn의 비율이 높아질수록 onset potential이 높아지는 경향을 발견할 수 있었다. Fig.
- 이용하여 제조하였다. TEM 분석을 통하여 분산이 잘 된 나노입자 크기의 촉매가 합성된 것을 확인할 수 있었다. Pt Sn/C를원자비율로 합성한 결과 Pt(220)면의 피크가 좌측으로 이동한 것으로 미루어 Pt 의 입방구조에 Sn이 첨가되어 격자상수가 증가했다고 판단된다.
- 5 : 1)/C 합성촉매였으며, 이는 단위전지실험에서도 똑같은 경향을 보였다. 그러나 장기성능실험을 통해 PtSn(1.5 : 1)/C 합성촉매와 PtSnAu(5 : 2 : 3)/C 합성촉매를 비교해본 결과 Au의 첨가가 촉매의 안정성을 촉진시키는 것을 확인할 수 있었다. 또한 순환전압전류법을 통해 Au의 첨가는 onset potential의 값을 낮추는 효과를 나타내었다.
- 19 mA/cn」으로 합성촉매가 더 높은 수치를 나타내었다. 따라서 modified polyol 합성 법이나 노크기의 촉매입자를 생성하는 동시에 담지체에 고 분산되어 촉매의 활성을 높여준다는 것을 확인하였다. 전후방산화전류의 비율은 Pt/C 상용촉매가 1.
- 5 : 1)/C > 합성 PtSnAu(5 : 2 : 3)/C > 합성 PtSn(l : 1)/0 상용 Pt/C 순이었다. 또한 Fig. 11에서 PtSn(1.5 : 1)/C의 상용촉매와 합성촉매 성능 비교 그래프에서 합성된 촉매가 우수한 성능을 나타내는 것으로 보아 CV 결과와 동일한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
- 5 : 1)/C 합성촉매와 PtSnAu(5 : 2 : 3)/C 합성촉매를 비교해본 결과 Au의 첨가가 촉매의 안정성을 촉진시키는 것을 확인할 수 있었다. 또한 순환전압전류법을 통해 Au의 첨가는 onset potential의 값을 낮추는 효과를 나타내었다.
- 순환전압전류법을 통해 가장 우수한 성능을 나타내는 촉매는 PtSn(1.5 : 1)/C 합성촉매였으며, 이는 단위전지실험에서도 똑같은 경향을 보였다. 그러나 장기성능실험을 통해 PtSn(1.
- 따라서 modified polyol 합성 법이나 노크기의 촉매입자를 생성하는 동시에 담지체에 고 분산되어 촉매의 활성을 높여준다는 것을 확인하였다. 전후방산화전류의 비율은 Pt/C 상용촉매가 1.24로 Pt/C 합성촉매의 1.11에 비해 다소 높은 값을 나타내는 것으로 확인되었다.
- 막대자의 크기는 10nm를 나타낸다. 탄소담지체에 합금 촉매가 고르게 분산된 것을 확인할 수 있었으며, 합성비율에 상관없이 1.9-2.4 nm 범위의 입자크기를 확인할 수 있었다. PtSnAu/C 촉매의 경우 PtSn/C의 담지량보다 다소 밀도가 떨어진 분포를 나타내었다.
후속연구
- 단위전지로 만들어 구동시킨 결과 가장 높은 성능을 나타낸 것은 PtSn(1.5 :1)/C, PtSnAu(5 : 2 : 3)/C, PtSn(l : 1)/C 합성 촉매 순이었이를 토대로 Au요 첨가가 촉매의 안정성을 높이는 것을 확인하였으나 PtSn(1.5 : 1)/C 합금촉매보다 낮은 성능을 내므로, 직접 에탄올 연료전지의 성능과 장기 안정성 면을 동시에 고려한 합금 원소간의 비율 최적화가 중요할 것으로 판단된다.
- 5 : 1)/C 합성 촉매이므로 Au의 첨가에 의한 활성증가가 모든 PtSn 비율에 대해 성립하는 것은 아니다. 따라서 Au의 효과를 알아보기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 5 V로 내 림훑기 (negative scan) 했을 때 다시 한번 전류가 증가하게 되는데 이것을 후방산화전류(backward anodic peak current density, k)라고 부른다. 촉매의 활성을 보기 위해선 전방산화전류의 onset potential과 최고전류 밀도까지의 기울기 정도, 최대전류밀도의 값을 확인해야한다. Liu 등2D 은 전방 산화전류와 후방산화전류 값의 비율(*bI) 로 촉매의 내성 (tolerance) 정도를 추론할 수 있다고 하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.