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일산화탄소 산화를 위한 PtRu/C 시리즈 촉매의 합성 및 특성 연구
Synthesis and Characterization of a Series of PtRu/C Catalysts for the Electrooxidation of CO 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.18 no.4, 2012년, pp.432 - 439  

이선화 (광주과학기술원 광공학응용물리학과) ,  최승목 (광주과학기술원 신소재공학부) ,  김원배 (광주과학기술원 신소재공학부)

초록
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백금(Pt)루테늄(Ru)의 조성비가 일산화탄소(CO) 산화반응에 미치는 영향을 조사하고자 탄소를 지지체(support)로 사용한 20 wt% 백금과 백금-루테늄 시리즈 촉매(Pt : Ru = 7 : 3, 5 : 5, 3 : 7)를 콜로이드 방법(colloidal method)으로 합성하였다. 다양한 물리 화학적 분석장비인 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM)과 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD), 에너지 분산형 X-선 분석기(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS)를 이용하여 구조 화학적 특성을 분석하고, X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 통해 전자적 특성 변화를 확인하였다. 더불어 일산화탄소 벗김 전압전류실험(CO stripping voltammetry)을 이용하여 전기화학적 거동을 분석하였다. 합성된 촉매들 중 $Pt_5Ru_5/C$가 가장 낮은 개시 전위(vs. Ag/AgCl)와 가장 큰 일산화탄소의 전기화학적 활성화 표면적(CO EAS) 값을 나타냈으며 이를 통해 $Pt_5Ru_5/C$이 일산화탄소의 전기화학적 산화반응에 있어 가장 효과적인 촉매임을 확인하였다. $Pt_5Ru_5/C$의 격자상수 변화를 통한 구조적 특성변화 및 백금 d-밴드의 페르미 레벨 변화를 통한 전자적 특성변화 그리고 이작용기(bifunctional)의 효과가 일산화탄소의 전기화학적 산화반응에 대한 활성을 증진시켰다고 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The electrocatalytic oxidation of CO was studied using carbon-supported 20 wt% PtRu (PtRu/C) catalysts, which were prepared with different Pt : Ru atomic ratios from 7 : 3 to 3 : 7 using a colloidal method combined with a freeze-drying procedure. The bimetallic PtRu/C catalysts were characterized by...

주제어

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문제 정의

  • 20 wt% Pt/C과 서로 다른 백금 : 루테늄 원자비로 합성된 20 wt% PtRu/C 시리즈 촉매의 일산화탄소의 전기화학적 산화반응에 대해 연구하였다. 루테늄 원소를 백금 촉매에 첨가 함으로써 일산화탄소의 전기화학적 산화반응이 상당히 향상되었으며, 특히 일산화탄소 산화반응에 대해 가장 낮은 개시 전위(vs.
  • 이는 전극으로 사용되는 백금 촉매가 수소연료에 포함되어 있는 일산화탄소에 의해서 활성점이 피독 되기 때문이다. 따라서 백금에 제 2의 원소를 첨가해 피독효과를 최소화하고 방지함으로써 전극촉매의 활성을 증가시키고자 하였다. 연구결과, 기존의 순수한 백금 금속 촉매보다 구조․전자적 특성이 변화된 백금-루테늄 촉매가 일산화탄소 산화반응에 대해 더 높은 활성을 보였다.
  • 본 연구에서는 백금(Pt)과 루테늄(Ru)의 조성비가 일산화탄소 산화반응에 미치는 영향을 조사하고자 서로 다른 백금 :루테늄 원자비로 합성된 20 wt% PtRu/C 시리즈 촉매를 제조하고, 이의 구조․전자적 특성을 분석하였다. 탄소 지지체에 담지된 20 wt% Pt/C, Pt7Ru3/C, Pt5Ru5/C, Pt3Ru7/C 촉매들을 콜로이드 방법(colloidal method)으로 합성하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고분자 전해질 연료전지는 무엇인가? 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 화학에너지를 전기에너지로 바꿔주는 매우 효율적인 에너지 변환 장치이며, 다른 연료전지에 비해 저온에서의 원활한 작동, 긴 수명, 상대적으로 가벼운 무게, 빠른 시동 등의 많은 이점들이 있다[1-3]. 그러나 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 촉매는 주로 탄소에 담지된 백금(Pt)으로 가격적인 측면에서 불리하고, 일산화탄소(CO)와 강하게 결합해 표면이 쉽게 피독되는 성질을 가지고 있어 촉매의 활성이 떨어진다는 단점이 있다.
천연가스 개 질을 통해 수소를 제작할 경우 일산화탄소를 포함하게 되는데, 이는 어떤 문제를 일으키는가? 현재까지는 수소생산이 천연가스 개 질을 통해 이루어지므로 고순도 공정을 거쳐서 수소를 제조하더라도 수에서 수십 ppm의 일산화탄소를 포함하게 된다[4-6]. 따라서 극히 소량의 일산화탄소가 포함된 수소라 할지라도 이것을 연료로 사용하게 되면 전극촉매들의 활성점들이 피독돼 전체적인 연료전지 성능이 크게 감소된다[7,8]. 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 생산단계에서 완전히 일산화탄소를 제거할 수 있는 개질기의 개발, 백금계열의 2원계 혹은 3원계 촉매 개발 및 비백금 전극촉매의 개발에 초점을 맞추어서 연구가 진행되고 있다[9-12].
고분자 전해질 연료전지의 장점은 무엇인가? 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 화학에너지를 전기에너지로 바꿔주는 매우 효율적인 에너지 변환 장치이며, 다른 연료전지에 비해 저온에서의 원활한 작동, 긴 수명, 상대적으로 가벼운 무게, 빠른 시동 등의 많은 이점들이 있다[1-3]. 그러나 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 촉매는 주로 탄소에 담지된 백금(Pt)으로 가격적인 측면에서 불리하고, 일산화탄소(CO)와 강하게 결합해 표면이 쉽게 피독되는 성질을 가지고 있어 촉매의 활성이 떨어진다는 단점이 있다.
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참고문헌 (30)

  1. Winter, M., and Brodd, R. J., "What are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors?," Chem. Rev., 104, 4245-4269 (2004). 

  2. Almeida, T. S., Kokoh, K. B., and De Andrade, A. R., "Effect of Ni on Pt/C and PtSn/C Prepared by the Pechini Method," Int. J. Hydrogen Energy, 36, 3803-3810 (2011). 

  3. Kordesch, K. V., and Simader, G. R., "Environmental Impact of Fuel Cell Technology," Chem. Rev., 95, 191-207 (1995). 

  4. Brown, L. F., "A Comparative Study of Fuels for On-board Hydrogen Production for Fuel-Cell-Powered Automobiles," Int. J. Hydrogen Energy, 26, 381-397 (2001). 

  5. Wootsch, A., Descorme, C., and Duprez, D., "Preferential Oxidation of Carbon Monoxide in the Presence of Hydrogen (PROX) over Ceriae-zirconia and Alumina-Supported Pt Catalysts," J. Catal., 225, 259-266 (2004). 

  6. Lindstrom, B., and Pettersson, L. J., "Development of a Methanol Fuelled Reformer for Fuel Cell Applications," J. Power Sources, 118, 71-78 (2003). 

  7. Kim, W. B., Voitl, T., Rodriguez-Rivera, G. J., and Dumesic, J. A., "Powering Fuel Cells with CO via Aqueous Polyoxometalates and Gold Catalysts," Science, 305, 1280-1283 (2004). 

  8. Galvita, V., and Sundmacher, K., "Cyclic Water Gas Shift Reactor (CWGS) for Carbon Monoxide Removal from Hydrogen Feed Gas for PEM Fuel Cells," Chem. Eng. J., 134, 168-174 (2007). 

  9. Papageorgopoulos, D. C., Keijzer, M., and De Bruijn, F. A., "The Inclusion of Mo, Nb and Ta in Pt and PtRu Carbon Supported Electrocatalysts in the Quest for Improved CO Tolerant PEMFC Anodes," Electrochim. Acta, 48, 197-204 (2002). 

  10. Liang, Y., Zhang, H., Zhong, H., Zhu, X., Tian, Z., Xu, D., and Yi, B., "Preparation and Characterization of Carbon-Supported PtRuIr Catalyst with Excellent CO-Tolerant Performance for Proton-Exchange Membrane Fuel Cells," J. Catal., 238, 468-476 (2006). 

  11. Choi, S. M., Seo, M. H., Kim, H. J., Lim, E. J., and Kim, W. B., "Effect of Polyoxometalate Amount Deposited on Pt/C Electrocatalysts for CO Tolerant Electrooxidation of H2 in Polymer Electrolyte Fuel Cells," Int. J. Hydrogen Energy, 35, 6853-6862 (2010). 

  12. Pereira, L. G. S., Santos, F. R., Pereira, M. E., Paganin, V. A., and Ticianelli, E. A., "CO Tolerance Effects of Tungsten- Based PEMFC Anodes," Electrochim. Acta, 51, 4061-4066 (2006). 

  13. Kim, J. H., Choi, S. M., Nam, S. H., Seo, M. H., Choi, S. H., and Kim, W. B., "Influence of Sn Content on PtSn/C Catalysts for Electrooxidation of C1-C3 Alcohols: Synthesis, Characterization, and Electrocatalytic Activity," Appl. Catal. B: Environ., 82, 89-102 (2008). 

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  16. Watanabe, M., and Motoo, S., "Electrocatalysis by Ad-atoms part III. Enhancement of the Oxidation of Carbon Monoxide on Platinum by Ruthenium Ad-atoms," J. Electroanal. Chem., 60, 275-283 (1975). 

  17. Mongeot, F. B., Scherer, M., Gleich, B., Kopatzki, E., and Behm, R. J., "CO Adsorption and Oxidation on Bimetallic Pt/ Ru(0001) Surfaces-a Combined STM and TPD/TPR Study," Surf. Sci., 411, 249-262 (1998). 

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  20. Yang, B., Lu, Q., Wang, Y., Zhaung, L., Lu, J., Liu, P., Wang, J., and Wang, R., "Simple and Low-Cost Preparation Method for Highly Dispersed PtRu/C Catalysts," Chem. Mater., 15, 3552-3557 (2003). 

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  30. Markovic, N. M., and Ross, P. N., "Surface Science Studies of Model Fuel Cell Electrocatalysts," Surf. Sci. Rep., 45, 117- 229 (2002). 

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