바나듐 레독스 흐름전지의 양극반응 활성화를 위한 다공성 탄소 촉매의 적용 Application of Porous Carbon Catalyst Activating Reaction of Positive Electrode in Vanadium Redox Flow Battery원문보기
본 연구는 바나듐 레독스 흐름전지에서 속도 결정단계인 양극 반응($[VO]^{2+}/[VO_2]^+$)을 개선하여 바나듐 반응의 속도를 증가시켜 흐름전지 성능을 향상시키고자 하는 목적으로 진행하엿다. 이를 위해, 다공성 촉매인 CMK3를 사용하여 일반적으로 사용되는 탄소 (Vulcan(XC-72)) 및 상용 Pt/C 촉매 (Johnson-Matthey사 Pt 20wt.%)와 그 성능을 비교하였다. 반응성은 순환주사전류법으로, 구조적 특성은 TEM과 BET&BJH을 이용하여 분석하였다. 또한, 완전지 실험을 통하여 전기화학적으로 나타난 결과가 어떻게 충방전에 적용되는지 확인하였다. 결과, CMK3는 Vulcan(XC-72)보다 6배 향상된 촉매 활성과 2배 이상 향상된 반응가역성이 나타남을 확인하였고, CMK3의 다공성 구조로 인해 Vulcan(XC-72) 보다 큰 표면적을 가지고 있음을 확인하였다. 아울러, CMK3는 백금 촉매가 없음에도, 상용 Pt/C 촉매의 85% 이상의 반응성과 가역성을 나타내었다. 완전지 실험에서 충방전 곡선은 CMK3를 적용한 흐름전지가 오히려 상용 Pt/C 촉매를 적용한 흐름전지보다 좋은 모습을 나타내었다.
본 연구는 바나듐 레독스 흐름전지에서 속도 결정단계인 양극 반응($[VO]^{2+}/[VO_2]^+$)을 개선하여 바나듐 반응의 속도를 증가시켜 흐름전지 성능을 향상시키고자 하는 목적으로 진행하엿다. 이를 위해, 다공성 촉매인 CMK3를 사용하여 일반적으로 사용되는 탄소 (Vulcan(XC-72)) 및 상용 Pt/C 촉매 (Johnson-Matthey사 Pt 20wt.%)와 그 성능을 비교하였다. 반응성은 순환주사전류법으로, 구조적 특성은 TEM과 BET&BJH을 이용하여 분석하였다. 또한, 완전지 실험을 통하여 전기화학적으로 나타난 결과가 어떻게 충방전에 적용되는지 확인하였다. 결과, CMK3는 Vulcan(XC-72)보다 6배 향상된 촉매 활성과 2배 이상 향상된 반응가역성이 나타남을 확인하였고, CMK3의 다공성 구조로 인해 Vulcan(XC-72) 보다 큰 표면적을 가지고 있음을 확인하였다. 아울러, CMK3는 백금 촉매가 없음에도, 상용 Pt/C 촉매의 85% 이상의 반응성과 가역성을 나타내었다. 완전지 실험에서 충방전 곡선은 CMK3를 적용한 흐름전지가 오히려 상용 Pt/C 촉매를 적용한 흐름전지보다 좋은 모습을 나타내었다.
In this study, we implemented a research for improving performance of redox flow battery (RFB) via enhancing reaction rate of vanadium reaction ($[VO]^{2+}/[VO_2]^+$) that was a rate determining step. For doing that, porous catalyst, CMK3 was employed and its perfoamance was compared with...
In this study, we implemented a research for improving performance of redox flow battery (RFB) via enhancing reaction rate of vanadium reaction ($[VO]^{2+}/[VO_2]^+$) that was a rate determining step. For doing that, porous catalyst, CMK3 was employed and its perfoamance was compared with that of Vulcan(XC-72) and commercial Pt/C (Johnson-Matthey Pt 20wt.%). Cyclic voltammetry (CV) was used for inspecting reactivity, while its structural feature was measured by TEM and BET&BJH. Also, Charge-discharge trend was evaluated by single cell tests. As result, CMK3 showed 6 times better catalytic activity and twice better reversibility than Vulcan(XC-72), while it showed larger surface area than Vulcan XR due to its porous structure. Furthermore, CMK3 indicated 85% of reactivity and reversibility of commercial Pt/C despite its Pt-less situation. In single cell tests, when RFB adopted CMK3 as catalyst for positive electrode, its charge-discharge curve result was better than that adopted commercial Pt/C.
In this study, we implemented a research for improving performance of redox flow battery (RFB) via enhancing reaction rate of vanadium reaction ($[VO]^{2+}/[VO_2]^+$) that was a rate determining step. For doing that, porous catalyst, CMK3 was employed and its perfoamance was compared with that of Vulcan(XC-72) and commercial Pt/C (Johnson-Matthey Pt 20wt.%). Cyclic voltammetry (CV) was used for inspecting reactivity, while its structural feature was measured by TEM and BET&BJH. Also, Charge-discharge trend was evaluated by single cell tests. As result, CMK3 showed 6 times better catalytic activity and twice better reversibility than Vulcan(XC-72), while it showed larger surface area than Vulcan XR due to its porous structure. Furthermore, CMK3 indicated 85% of reactivity and reversibility of commercial Pt/C despite its Pt-less situation. In single cell tests, when RFB adopted CMK3 as catalyst for positive electrode, its charge-discharge curve result was better than that adopted commercial Pt/C.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구는 반응속도가 느린 [VO]2+/[VO2]+의 산화 환원 반응을 활성화 시키면서 그라파이트 펠트의 바나듐 산화, 환원 가역성을 늘리는 방법으로 다공성 탄소인 CMK3 라는 물질을 이용하여 [VO]2+/[VO2]+ 반응이 일어나는 쪽에 펠트 위에 스프레이를 방식으로 기존에 사용되는 촉매보다 효과적인 촉매를 찾는 것을 목표로 한다.
제안 방법
TEM(Philips,CM30,at200kV)사용하여 포어와 구조가 균일하게 배열되어 있음을 확인하고 Brunauer Emmett Teller(BET) and Barrett Joyner Halenda(BJH) (TristarII3020, Micromeritics)을 이용 하여 질소 가스의 흡, 탈착 정도를 통해 CMK3의 포어 크기 표면적의 크기를 가장 일반적인 탄소인 Vulcan(XC-72)와 비교하여 판단했다.
대상 데이터
상대전극은 Pt wire를 사용하고, 기준전극으로는 염화은전극(Ag/AgCl/KCl)을 사용한다. 삼전극 반전지 실험에 사용된 용액은 0.1M VOSO4와 0.1M H2SO4 의 혼합 용액이며 위의 3개의 전극을 이용하여 상온에서 실험을 진행한다.
여기서 촉매 혼합액은 촉매 10mg, IPA 900µL, 증류수 100µL와 나피온 5wt% 용액 100µL을 혼합하여 3분간 봉타입의 초음파처리를 진행하여 만든다. 상대전극은 Pt wire를 사용하고, 기준전극으로는 염화은전극(Ag/AgCl/KCl)을 사용한다. 삼전극 반전지 실험에 사용된 용액은 0.
이렇게 제조된 촉매슬러리를 이용하여 Gunpiece (SP-2) 을 이용하여 전량 스프레이 한다. 이온교환막은 나피온 212막을 사용했으며, 양극에 전해질 농도는 1M VOSO4+1M H2SO4이다.
이론/모형
전기화학적인 분석 방법은 보편적으로 사용하는 순환주사전류법 (CHI 720D, CH Instrument, USA)을 이용하여 촉매의 반응성과 VO2+/VO2+가역성을 측정했다. 작동전극은 Glass Carbon Electrode위에 촉매 혼합액을 7µL 올린 후 건조해서 사용한다.
성능/효과
는 마지막 충, 방전의 시간에 따른 전압 곡선으로 촉매를 사용하지 않은(a)를 기준으로 vulcan을 사용한 (d) 의 경우는 오히려 촉매가 펠트에 스프레이 됨으로써 전자의 전달 혹은 용액의 확산을 방해하여 제대로 된 충, 방전이 이루어지지 않은 것이고, (b)와 (c)의 경우는 촉매를 사용함으로써 원활한 충, 방전이 이루어짐에 따라 용액의 화학적인 에너지를 전기에너지로 보다 많이 전환할 수 있게 된 것으로 판단 할 수 있다. 더욱이 (c)는 Pt 를 사용하지 않은 CMK3로 (b)인 JM20보다 더 많은 충, 방전량을 갖는 것을 확인 할 수 있다. 반전지 결과와 다르게 반응적인 면이 중요시 되는 충, 방전량이 오히려 Pt가 있는 JM20의 결과가 작게 나오는 것을 볼 수 있는데, 이는 Pt가 미약하게 Negative electrode에서 수소를 발생하게 되는 문제가 셀의 저항을 크게 만들어 전체적인 충, 방전량이 줄어드는 것으로 보인다.
더욱이 (c)는 Pt 를 사용하지 않은 CMK3로 (b)인 JM20보다 더 많은 충, 방전량을 갖는 것을 확인 할 수 있다. 반전지 결과와 다르게 반응적인 면이 중요시 되는 충, 방전량이 오히려 Pt가 있는 JM20의 결과가 작게 나오는 것을 볼 수 있는데, 이는 Pt가 미약하게 Negative electrode에서 수소를 발생하게 되는 문제가 셀의 저항을 크게 만들어 전체적인 충, 방전량이 줄어드는 것으로 보인다. 이는 그림 6.
에 나타나 있다. 표 1에는 그림 3.의 결과를 정리한 표로 반응성의 경우 JM20이 좋고 피크 전압의 차이가 작아 가역성이 좋게 측정되지만 CMK3는 Pt가 전혀 없음에도 불구하고 피크 크기가 JM20의 피크 크기에 85% 이상인 결과가 나타나고 있으며, 피크 전류의 비는 거의 같을 정도로 산화와 환원이 동일한 비율로 일어나는 매우 효과적인 촉매라는 것은 확인 할 수 있다.
후속연구
CMK3 라는 다공성 촉매를 제조하여 대용량 전력저장장치인 VRFB에 적용시켜 본 결과 단순한 vulcan 보다 넓은 표면적을 바탕으로 전기화학적 특성이나 VRFB에 적용 시 월등한 결과를 나타냈으며, 널리 사용되는 귀금속으로 잘 알려진 백금이 20wt% 포함된 JM20 이라는 촉매와 반응적인 측면에서 85% 정도의 성능을 보이고 VRFB에 적용 했을 때에는 거의 비슷한 성능까지도 나타나고 있어서 추후에 다공성 촉매의 효과를 다른 분석법을 통하여 원리를 규명하고 귀금속 혹은 귀금속을 대체할 수 있는 다른 금속들을 적용시켜 보거나 새로운 다공성 탄소 구조체를 적용하고 최적화 함으로써 기존의 VRFB 의 문제점인 높은 단가 부분을 다소 해소 할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레독스 흐름전지란?
레독스 흐름전지는 기존의 2차 전지와 다르게 전해액 중 활물질이 산화 환원되어 충 방전 되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다. 다른 이차전지에 비해 수명이 길고 비용이 적으며 설계의 활용을 유연하게 할 수 있기 때문에 대용량 에너지 저장장치로 최근에 많이 연구되고 있다.
바나듐 레독스 흐름전지의 장점은?
여러 종류의 레독스 흐름전지 중 현재 많이 연구되고 있는 것은 바나듐 이온의 커플 (couple) 반응을 이용하고 있는 바나듐 레독스 흐름전지 (Vanadium Redox Flow Battery; VRFB)이다4-6). VRFB는 전지의 활물질로 사용되는 양극액과 음극액의 성분이 같은 바나듐 이온을 이용하고 있기 때문에 이온교환막을 통과하는 금속이온의 오염으로부터 다른 레독스 흐름전지 시스템에 비해 자유롭고 전해액을 조절하여 다시 처음의 상태로 만들어 재사용이 가능하므로 영구적으로 사용이 가능하고 버리는 물질이 없어 친환경적이다.7)
대규모의 신재생에너지의 단점은?
화석연료의 고갈과 CO2 감축의무에 따라 신재생에너지 연구가 활발하게 진행 중에 있으며, 대규모 풍력발전이나 태양광 발전의 설치가 점점 늘어나고 있는 추세이다. 그러나 대규모의 신재생에너지의 경우 환경에 따라 출력의 변동이 심하기 때문에 일정하지 않은 출력으로 인해 여러 가지 문제점들이 나타 날 수 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 대용량의 이차전지 개발이 진행되고 있다.
참고문헌 (14)
G. Radford J. Cox, R. Wills, and E. Walsh, "Electrochemical characterisation of activated carbon particles used in redox flow battery electrode" J. Power Sources, 2008, 185, 1499-1504.
P. Qian, H. Zhang, J. Chen, Y. Wen, Q. Luo, Z. Liu, D. You, and B. Yi, "A novel electrode-bipolar plate for vanadium redox flow battery applications" J. Power Sources, 2008, 175, 613-620.
K. Huang, X. Li, S. Liu, N. Tan, and L. Chen, "Research progress of vanadium redox flow battery for energy storage in China" Renewable Energy, 2008, 33, 186-192.
Y. Shao, X. Wang, M. Engelhard, C. Wang, S. Dai, J. Liu, Z. Yang, Y. Lin, "Nitrogen-doped mesoporous carbon for energy storage in vanadium redox flow batteries", Journal of Power Sources, 2010, 195, 4375-4379.
W.H. Wang, X.D. Wang, "Investigation of Ir-modified carbon felt as the positive electrode of an all-vanadium redox flow battery", Electrochimica Acta, 2007, 52, 6755-6762.
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