백금(Pt)과 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.
백금(Pt)과 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.
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...
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 various physicochemical analyses, including X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). CO stripping voltammetry measurements indicated that the addition of Ru with a Pt catalyst significantly improved the electrocatalytic activity for CO electrooxidation. Among the tested catalysts, the $Pt_5Ru_5/C$ catalyst had the lowest onset potential (vs.Ag/AgCl) and the largest CO EAS. Structural modification via lattice parameter change and electronic modification in the unfilled d band states for Pt atoms may facilitate the electrooxidation of CO.
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 various physicochemical analyses, including X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). CO stripping voltammetry measurements indicated that the addition of Ru with a Pt catalyst significantly improved the electrocatalytic activity for CO electrooxidation. Among the tested catalysts, the $Pt_5Ru_5/C$ catalyst had the lowest onset potential (vs.Ag/AgCl) and the largest CO EAS. Structural modification via lattice parameter change and electronic modification in the unfilled d band states for Pt atoms may facilitate the electrooxidation of CO.
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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.
제안 방법
또한 합성된 촉매 입자의 크기와 격자상수를 백금(111) 피크로부터 Scherrer 식을 적용하여 계산하였다. PtRu/C 촉매들의 형상 (morphology), 입자 크기 분포도(particle size distribution) 등을 알아보기 위해 JEOL사의 JEM-2010를 사용하여 TEM 분석을 하였다. 평균적인 입자크기 분포도의 정보를 얻기 위해 150개 이상의 입자들을 계산에 이용하였다.
평균적인 입자크기 분포도의 정보를 얻기 위해 150개 이상의 입자들을 계산에 이용하였다. TEM 장비에 부착된 EDS를 이용하여 합성된 백금-루테늄 나노입자의 실제 화학적 조성비를 분석하였다. XPS (ESCALAB 250, Al Kα X-ray source) 분석을 통하여 백금과 루테늄 표면의 산화 상태및 PtxRuy/C의 원자비에 따른 백금 합금의 결합에너지(binding energy) 변화를 확인하였다.
XPS (ESCALAB 250, Al Kα X-ray source) 분석을 통하여 백금과 루테늄 표면의 산화 상태및 PtxRuy/C의 원자비에 따른 백금 합금의 결합에너지(binding energy) 변화를 확인하였다.
탄소 지지체에 담지된 20 wt% Pt/C, Pt7Ru3/C, Pt5Ru5/C, Pt3Ru7/C 촉매들을 콜로이드 방법(colloidal method)으로 합성하였다. 다양한 물리․화학적 분석장비인 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM)과 X선 회절(X-ray diffraction, XRD), 에너지 분산형 X-선 분석기(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS)를 이용하여 구조․화학적 특성을 확인하고, X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 통해 전자적 특성 변화를 확인하였다. 더불어 일산화탄소 벗김 전압 전류실험(CO stripping voltammetry)을 이용하여 전기화학적 거동을 분석하였다.
다양한 물리․화학적 분석장비인 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM)과 X선 회절(X-ray diffraction, XRD), 에너지 분산형 X-선 분석기(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS)를 이용하여 구조․화학적 특성을 확인하고, X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 통해 전자적 특성 변화를 확인하였다. 더불어 일산화탄소 벗김 전압 전류실험(CO stripping voltammetry)을 이용하여 전기화학적 거동을 분석하였다.
먼저 0.025°/3 s 주사 속도로 2 θ = 10~80°의 범위에서 XRD를 측정하고, 백금(111) 피크의 상세한 확인을 위해 0.008°/3 s 주사 속도로2 θ = 33~37°의 범위에서 XRD를 한번 더 분석하였다.
8 m2/g)탄소를 지지체로, 백금염(H2PtCl6 xH2O, Aldrich)과 루테늄염 (RuCl3 6H2O, Aldrich)을 전구체(precursor)로 사용하였으며 촉매합성 방법은 다음과 같다. 먼저 금속입자의 균일한 분산 및 고담지를 목적으로 탄소 지지체의 표면처리 및 세척을 진행하였다. Vulcan XC-72R 탄소를 6 M 염산(HCl, 37%) 용액에 넣고 12시간 동안 교반한다.
일산화탄소 산화를 위한 전극촉매의 활성도는 Solartron Analytical Instrument (AMETEK model 1400) 장비를 이용하여 순환 전압 전류법(cyclic voltammetry, CV)으로 측정하였다. 모든 전기화학 실험은 Ag/AgCl (3 M KCl sat.)을 기준전극(reference electrode)으로 백금봉(Pt)과 유리상 탄소(glassy carbon)를 각각 상대전극(counter electrode)과 작업전극(working electrode)으로 이용한 3-전극 시스템을 사용하였다. 본 연구에서는 합성된 촉매를 증류수에 넣어 잘 분산시킨 후, 5 wt%나피온용액(Dupont)을 넣어 고분산의 용액상태인 촉매잉크를 제조하였다.
)을 기준전극(reference electrode)으로 백금봉(Pt)과 유리상 탄소(glassy carbon)를 각각 상대전극(counter electrode)과 작업전극(working electrode)으로 이용한 3-전극 시스템을 사용하였다. 본 연구에서는 합성된 촉매를 증류수에 넣어 잘 분산시킨 후, 5 wt%나피온용액(Dupont)을 넣어 고분산의 용액상태인 촉매잉크를 제조하였다. 유리상 탄소(glassy carbon) 전극표면을 1 μm, 0.
유리상 탄소(glassy carbon) 전극표면을 1 μm, 0.3μm, 0.05 μm Al2O3 페이스트(ALLIED high tech products Inc.) 에 차례로 연마한 뒤, 2.5 μL 촉매잉크(금속 양 6.42 μg)를 전극에 박막형태(thin porous film)로 담지하여 건조 후 사용하였다.
일산화탄소 흡착에 관한 Pt/C 및 PtRu/C 촉매의 전기화학적 활성화 표면적(electrochemical active surface, EAS)을 각각 420, 484 μC/cm2 전하 값을 이용하여 계산하였으며, Table 3에 나타내었다.
Ag/AgCl)를 걸어주면서 20분 동안 일산화탄소(순도: 99%) 가스를 넣어 촉매표면에 일산화탄소 분자가 흡착되도록 한다. 전극표면에 흡착된 일산화탄소를 유지시키기 위해 동일한 전압을 걸어주면서 질소 가스를 20분 동안 불어넣어 전해질 용액 내의 일산화탄소 가스를 제거하고 순환 전압전류법을 측정하였다.
탄소 지지체에 담지된 백금-루테늄 촉매들의 결정구조를 분석하기 위해 Rigaku Rotalflex (RU-200B) XRD 기기를 사용 하였다. 발생원으로 Cu Kα (λ = 1.
XPS (ESCALAB 250, Al Kα X-ray source) 분석을 통하여 백금과 루테늄 표면의 산화 상태및 PtxRuy/C의 원자비에 따른 백금 합금의 결합에너지(binding energy) 변화를 확인하였다. 탄소의 1s 피크(284.5 eV)를 기준으로 결합에너지를 산정하였으며, XPSPEAK 소프트웨어 프로그램을 사용하여 분석결과를 도시하였다.
합성한 촉매들의 일산화탄소 산화반응에 대한 활성을 조사 하기 위해 촉매표면에 일산화탄소를 흡착한 후 0.5 M 황산 (H2SO4) 수용액, 50 mV/s 스캔 속력 조건에서 일산화탄소 벗김 전압전류(CO stripping voltammetry) 실험을 수행하였다[28]. Figure 4는 Pt/C, Pt7Ru3/C, Pt5Ru5/C, Pt3Ru7/C 촉매들의 일산화탄소 벗김 전압전류 곡선이다.
대상 데이터
)을 환원제이자 안정제로 사용하여 콜로이드 방법으로 합성하였다. PtRu/C 촉매를 합성하기 위해 Vulcan XC-72R (Cabot Corp., SBET = 236.8 m2/g)탄소를 지지체로, 백금염(H2PtCl6 xH2O, Aldrich)과 루테늄염 (RuCl3 6H2O, Aldrich)을 전구체(precursor)로 사용하였으며 촉매합성 방법은 다음과 같다. 먼저 금속입자의 균일한 분산 및 고담지를 목적으로 탄소 지지체의 표면처리 및 세척을 진행하였다.
발생원으로 Cu Kα (λ = 1.5401 Å)를 사용하였으며, 이 때 사용한 전압과 전류는 40 kV, 100 mA이다.
본 연구에서 탄소를 지지체(support)로 사용한 20 wt% 백금, 백금-루테늄 시리즈 촉매(Pt : Ru = 7 : 3, 5 : 5, 3 : 7)는 에틸렌 글리콜(C2H6O2, Junsei Chemical Co.)을 환원제이자 안정제로 사용하여 콜로이드 방법으로 합성하였다. PtRu/C 촉매를 합성하기 위해 Vulcan XC-72R (Cabot Corp.
PtRu/C 촉매들의 형상 (morphology), 입자 크기 분포도(particle size distribution) 등을 알아보기 위해 JEOL사의 JEM-2010를 사용하여 TEM 분석을 하였다. 평균적인 입자크기 분포도의 정보를 얻기 위해 150개 이상의 입자들을 계산에 이용하였다. TEM 장비에 부착된 EDS를 이용하여 합성된 백금-루테늄 나노입자의 실제 화학적 조성비를 분석하였다.
이론/모형
008°/3 s 주사 속도로2 θ = 33~37°의 범위에서 XRD를 한번 더 분석하였다. 또한 합성된 촉매 입자의 크기와 격자상수를 백금(111) 피크로부터 Scherrer 식을 적용하여 계산하였다. PtRu/C 촉매들의 형상 (morphology), 입자 크기 분포도(particle size distribution) 등을 알아보기 위해 JEOL사의 JEM-2010를 사용하여 TEM 분석을 하였다.
일산화탄소 산화를 위한 전극촉매의 활성도는 Solartron Analytical Instrument (AMETEK model 1400) 장비를 이용하여 순환 전압 전류법(cyclic voltammetry, CV)으로 측정하였다. 모든 전기화학 실험은 Ag/AgCl (3 M KCl sat.
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. 다양한 물리․화학적 분석장비인 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM)과 X선 회절(X-ray diffraction, XRD), 에너지 분산형 X-선 분석기(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS)를 이용하여 구조․화학적 특성을 확인하고, X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 통해 전자적 특성 변화를 확인하였다.
성능/효과
두 촉매 모두 일산화탄소 흡착 시간을 0초에서 120초로 증가시키자, 시간에 비례하여 θCO가 증가하는 경향을 보였다. 반면에 동일한 시간 60초 동안 동일한 양의 20 sccm 일산화탄소를 불어넣어 주었을 때, (a) Pt/C, (b) Pt5Ru5/C 촉매 활성 표면에 실제로 흡착된 일산화탄소의 양은 각각 0.44, 0.25로 Pt/C이 Pt5Ru5/C 촉매보다 약 2배 정도 더컸다. 이로써 Pt5Ru5/C이 Pt/C보다 더 강한 일산화탄소 내피 독성을 가지는 촉매라고 말할 수 있다.
피크의 상대적인 면적을 이용하여 촉매 표면에서의 백금의 산화상태를 계산한 결과, Pt/C 촉매의 경우에 순수한 백금이 60%, 산화된 백금이 약 40%로 공기 중의 산소와 반응하여 촉매 표면에 부동화가 일어났났음을 예측할 수 있었다[25]. Pt/C과 PtRu/C 시리즈 촉매의 Pt 4f7/2 코어 레벨의 결합에너지 값을 비교해보면, Pt/C에 비해서 모든 PtRu/C 촉매의 결합에너지가 더 큰 쪽으로 이동하는 경향을 보였다. 이러한 현상은 백금에서 루테늄으로 전자가 이동하여 백금 5d 밴드의 페르미 레벨이 감소했다는 것을 의미하며, 이는 백금과 일산화탄소 흡착물 사이의 결합을 약하게만드는 원인이라고 설명할 수 있다[13,23,26].
모든 PtRu/C 촉매의 Ru 3p3/2 경우에는 Ru0와 Ru4+에 해당하는 서로 다른 크기의 두 개의 피크를 포함하고 있고, 약 73%의 순수한 루테늄 금속과 27%의 루테늄 산화물로 존재한다[27]. XPS 분석 결과를 통해서 합성한 모든 촉매의 표면에는 백금 금속과 루테늄 금속이 백금 산화물과 루테늄 산화물보다 더 많이 존재함을 확인하였다.
XRD 분석(Figure 1, Table 1)을 통해서 루테늄의 함량이 증가함에 따라 백금의 격자 상수가 감소하는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 3.
XRD, TEM, EDS와 같은 물리․화학적 분석 결과를 통해 백금과 백금-루테늄 입자가 성공적으로 합성되었으며, 지지체로 사용한 탄소위에 균일한 크기로 잘 분산되었음을 확인하였다. 이로부터 에틸렌글리콜을 용매 및 환원제로 이용한 콜로이드 방법이 균일한 모양 및 크기를 갖는 촉매를 합성하는데 적합한 방법임을 알 수 있다[23,24].
이 결과는 앞서 XRD 분석으로부터 계산된 입자크기와 유사하다. XRD와 TEM 결과를 통해 볼 때, 루테늄 함량이 증가 하더라도 합금의 입자 크기는 크게 달라지지 않아 이것으로 구조적인 관점에서 입자크기가 촉매의 활성 정도를 결정짓는 요소가 아니라는 것을 알 수 있다. 즉, 나노사이즈 효과가 각 촉매의 활성 차이에 영향을 주지 않았다고 볼 수 있다.
두 촉매 모두 일산화탄소 흡착 시간을 0초에서 120초로 증가시키자, 시간에 비례하여 θCO가 증가하는 경향을 보였다.
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. Ag/AgCl)와 가장 큰 EAS 값을 보이는 Pt5Ru5/C 촉매가 일산화탄소를 제거하는데 가장 높은 활성을 보이는 촉매임을 확인하였다. 또한, Pt5Ru5/C는 Pt/C 촉매에 비해서 낮은 일산화탄소 흡착(θCO)을 보이고 있어 강한 일산화탄소 내피독성을 가지는 촉매라고 말할 수 있다.
일산화탄소 흡착에 관한 Pt/C 및 PtRu/C 촉매의 전기화학적 활성화 표면적(electrochemical active surface, EAS)을 각각 420, 484 μC/cm2 전하 값을 이용하여 계산하였으며, Table 3에 나타내었다. 루테늄 함량이 증가할수록 EAS 값이 증가하여 Pt5Ru5/C 촉매에서 가장 큰 EAS 값을 보였다. Pt/C에 비해서 모든 PtRu/C 촉매의 EAS 면적이 더 컸으며, 특히, Pt5Ru5/C은 13.
)로 빠르게 산화된다[17,23]. 본 연구에서 합성된 촉매들 중 Pt5Ru5/C가 가장 낮은 개시 전위(vs. Ag/AgCl)와 가장 큰 CO EAS 값을 나타냈으며 이로써 Pt5Ru5/C가 일산화탄소의 전기화학적 산화반응에 있어 가장 효과적인 촉매임을 확인하였다.
본 연구에서는 3.930 Å의 격자상수 값을 가지는 Pt5Ru5/C 촉매가 가장 높은 성능을 보였으며, 이는 합금화로 인한 백금의 구조적 특성 변화가 일산화탄소의 전기화학적 산화반응에 영향을 미쳤다고 설명할 수 있다[23].
Figure 2(c)에 삽입된 EDS 스펙트럼은 나노입자의 순도와 화학적 성분 조성을 보여준다. 스펙트럼에서 보여지는 것과 같이 백금과 루테늄을 제외하고 불순물로 보여지는 물질은 존재하지 않으며, 합성단계에서 계산된 값인 원자비와 실제 합성된 금속입자의 원자비가 백금 : 루테늄(5 : 5)로 거의 동일함을 확인하였다.
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.
이로써 Pt/C과 PtRu/C 시리즈 촉매들 중, Pt5Ru5/C 촉매가 일산화탄소의 전기화학적 산화반응에 있어 가장 효과적인 촉매로 작용함을 확인하였다.
Ag/AgCl) 근처에서 뾰족한 일산화탄소 산화반응 피크가 나타나고, 두 번째 사이클(점선)에서 일산화탄소가 흡착되지 않은 깨끗한 백금 표면의 피크와 유사한 그래프가 나타났다. 이를 통해 첫 번째 사이클에서 촉매 표면에 흡착된 일산화탄소 분자가 완전히 산화된다는 것을 유추할 수 있으며, 이러한 형상의 피크는 Pt/C 뿐만 아니라 PtRu/C 시리즈 촉매에서도 유사하게 나타나고 있음을 확인할수 있다. Figure 4에 보이는 바와 같이 촉매 표면에 흡착된 일산화탄소가 산화되는 시작하는 개시 전위(vs.
이로써 Pt5Ru5/C이 Pt/C보다 더 강한 일산화탄소 내피 독성을 가지는 촉매라고 말할 수 있다. 이와 같은 결과로부터, 순수한 백금 촉매보다 루테늄과 같은 제 2 원소가 첨가된 2원계 촉매가 일산화탄소 산화반응에 탁월한 역할을 보였으며, 특히, 그 중에서도 Pt5Ru5/C 촉매가 가장 효과적이고 활성이 좋은 촉매임을 확인할 수 있었다.
후속연구
교반이 끝난 후, 촉매를 진공필터 시스템을 이용하여 걸러내어 증류수로 수회 세척하고 여과한 뒤 동결건조기(freeze-dryer)를 이용하여 건조시킨다. 동결건조기를 이용함으로써 합성된 촉매 입자들이 응집되지 않고 탄소 지지체 위에 골고루 분산되어 있을 것으로 기대한다. 최종적으로 합성된 Pt/C과 PtRu/C 촉매를 질소 분위기 100 ℃에서 2시간 동안 완전히 건조한다.
이러한 현상은 백금에서 루테늄으로 전자가 이동하여 백금 5d 밴드의 페르미 레벨이 감소했다는 것을 의미하며, 이는 백금과 일산화탄소 흡착물 사이의 결합을 약하게만드는 원인이라고 설명할 수 있다[13,23,26]. 따라서 본 연구에서 합성한 PtRu/C 촉매가 일산화탄소 산화반응에 있어 Pt/C 보다 효과적인 촉매로 작용할 것이라 기대할 수 있다. 모든 PtRu/C 촉매의 Ru 3p3/2 경우에는 Ru0와 Ru4+에 해당하는 서로 다른 크기의 두 개의 피크를 포함하고 있고, 약 73%의 순수한 루테늄 금속과 27%의 루테늄 산화물로 존재한다[27].
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.
참고문헌 (30)
Winter, M., and Brodd, R. J., "What are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors?," Chem. Rev., 104, 4245-4269 (2004).
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