[논문]알칼라인 수전해용 Ni-Fe 합금 전착 전극의 특성

안다솔; 배기광; 박주식; 김창희; 강경수; 조원철; 조현석; 김영호; 정성욱

doi:10.7316/khnes.2016.27.6.636

알칼라인 수전해용 Ni-Fe 합금 전착 전극의 특성
Characterization of Ni-Fe Alloy Electrodeposited Electrode for Alkaline Water Electrolysis 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.6, 2016년, pp.636 - 641

안다솔 (한국에너지기술연구원) , 배기광 (한국에너지기술연구원) , 박주식 (한국에너지기술연구원) , 김창희 (한국에너지기술연구원) , 강경수 (한국에너지기술연구원) , 조원철 (한국에너지기술연구원) , 조현석 (한국에너지기술연구원) , 김영호 (충남대학교) , 정성욱 (한국에너지기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Alkaline water electrolysis is commercial hydrogen production technology. It is possible to operate MW scale plant. Because It used non-precious metal for electrode. But It has relatively low current density and low efficiency. In this study, research objective is development of anode for alkaline water electrolysis with low cost, high corrosion resistance and high efficiency. Stainless steel 316L (SUS 316L) was selected for a substrate of electrode. To improve corrosion resistance of substrate, Nickel (Ni) layer was electrodeposited on SUS 316L. Ni-Fe alloy was electrodeposited on the passivated Ni layer as active catalyst for oxygen evolution reaction(OER). We optimized preparation condition of Ni-Fe alloy electrodeposition by changing current density, electrodeposition time and composition ratio of Ni-Fe electrodeposition bath. This electrodes were electrochemically evaluated by using Linear sweep voltammetry (LSV) and Cyclic voltammetry (CV). The Ni-Fe alloy (Ni : Fe = 1 : 1) showed best activity of OER. The optimized electrode decreased overpotential about 40% at $100mA/cm^2$ compared with Ni anode.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 저비용, 고내식성, 고효율의 알칼라인 수전해용 anode 개발을 목표로 연구를 진행하였다. Ni에 비해 가격이 저렴한 STS를 모재로 선택하여 내식성을 향상시키기 위해 모재 표면에 Ni 전기도금을 하여 부식 방지층을 형성하였다.

제안 방법

본 연구에서는 저비용, 고내식성, 고효율 알칼라인 수전해용 Anode 개발을 목표로 저렴한 SUS 316L모재에 Ni 전기 도금으로 부식 방지층을 형성해 내식성을 향상시키고 Ni-Fe 합금 도금으로 산소 발생 반응 활성을 향상시켰다.
Ni에 비해 가격이 저렴한 STS를 모재로 선택하여 내식성을 향상시키기 위해 모재 표면에 Ni 전기도금을 하여 부식 방지층을 형성하였다. 형성된 Ni 부식 방지층 위에 Ni-Fe 합금 전착을 통해 산소 발생 반응 활성을 개선하였다. Ni-Fe 전착 조건을 바꾸어가며 실험을 진행하여 도금 조건을 최적화하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 저비용, 고내식성, 고효율의 알칼라인 수전해용 anode 개발을 목표로 연구를 진행하였다. Ni에 비해 가격이 저렴한 STS를 모재로 선택하여 내식성을 향상시키기 위해 모재 표면에 Ni 전기도금을 하여 부식 방지층을 형성하였다. 형성된 Ni 부식 방지층 위에 Ni-Fe 합금 전착을 통해 산소 발생 반응 활성을 개선하였다.

데이터처리

완성된 전극의 전기화학적 분석을 진행하여 산소 발생 반응 성능을 평가하였다. 분석법으로 일정 속도로 전위에 변화를 주며 발생하는 전류의 값을 측정하는 LSV와 전위 방향을 반대로 바꾸어가며 반복실험을 진행하는 CV 분석을 이용하였다. 25°C, 1 MKOH의 전해질에서 상대 전극으로 Nickel plate를, 기준 전극으로 Hg/HgO (0.

이론/모형

Ni-Fe 전착 조건을 바꾸어가며 실험을 진행하여 도금 조건을 최적화하였다. 제조한 전극을 SEM, EDS 분석을 통해 표면 형상, 도금층 두께, 도금 조성을 파악하고 선형주사전위법(Linear sweep voltammetry, LSV) 및 순환전압전류법(Cyclic voltammetry, CV)을 통해 산소 발생 반응 활성을 확인하였다.

성능/효과

1) Ni-Fe 전기 도금은 전류 밀도가 커질수록 도금 입자 크기가 작아지며 150 mA/cm² 이상의 전류밀도에서는 도금 입자 크기가 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 입자 크기는 산소 발생 반응 활성과 무관한 것으로 확인되었다.
2) Ni-Fe 전기 도금시 도금 시간이 길어질수록 표면의 평탄화 현상이 발생하며 270초에서 가장 높은 성능을 보이는 것으로 확인되었다.
3) 전극은 조성비에 따라 산소 발생 반응 활성의 차이가 크게 달라지며 Ni1 : Fe1 조성비일 때 가장 높은 성능을 가지는 것으로 확인되었으며 이 전극의 과전압의 Ni의 과전압의 약 58% 수준이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알칼라인 수전해 기술의 구성은 어떻게 되어있는가?	전기에너지를 이용해 물로부터 수소를 직접 제조하는 알칼라인 수전해 기술은 cathode, anode, 전해액, 분리막, 직류 전원으로 간단하게 구성되어있으며 오랜 시간 연구되어 시스템이 안정적이고 환경 오염 물질의 배출 없이 고순도의 수소를 얻을 수 있는 상업화된 기술이다1-2).
	Ni-Fe 합금은 Fe(OH)2관련해 조절해야되는 것은 무엇인가?	Ni은 알칼리 환경에서 높은 내식성을 가지지만 그 자체로의 활성은 낮아 세계적으로 전극 대체 물질로 Ni 합금을 이용하는 방안이 연구되고 있으며 산소 발생 반응 활성은 Fe, Ce, Co, Cu, La와의 합금이 비교적 높은 것으로 알려져 있다3-4). Ni-Fe 합금의 경우 Fe(OH)2가 Ni(OH)2의 활성을 높여주지만 Fe(OH)2의 전기 전도도가 낮아 적절한 조성비를 맞추는 것이 필요하다5). 조성에 따른 성능은 보고된 논문마다 다르지만 최근 문헌에 의하면 Fe 비율이 25~55 % 일 때 가장 높은 성능을 가진다고 보고되어 있다6-7).
	해외에서는 Stainless steel의 전극 물질로 무엇을 사용하고 있는가?	국내에서는 전극으로 Stainless steel(STS)을 전극으로 많이 쓰고 있는데 알칼리 전해질에서 부식이 심하고 효율이 낮아 수소 제조 가격 상승의 원인이 된다. 내식성과 효율이 높은 Ir, Pt 등의 귀금속은 가격이 너무 비싸 전극 물질로 쓰기 어려워 해외에서는 보통 Ni을 사용하고 있다. Ni은 알칼리 환경에서 높은 내식성을 가지지만 그 자체로의 활성은 낮아 세계적으로 전극 대체 물질로 Ni 합금을 이용하는 방안이 연구되고 있으며 산소 발생 반응 활성은 Fe, Ce, Co, Cu, La와의 합금이 비교적 높은 것으로 알려져 있다3-4).

참고문헌 (12)

D. M. F. Santos and C. A. C. Sequeira, "Hydrogen production by alkaline water electrolysis", Quim. Nova, Vol. 36, No. 8, 2013, 1176-1193.

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M. M. Rashid, M. K. Al Mesfer, H. Naseem, M. Danish, "Hydrogen production by water electrolysis: A review of alklaine water electrolysis, PEM water electrolysis and high temperature water electrolysis", IJEAT, Vol. 4, 3, 2015, pp. 2249-8958.
J. Kubisztal, A. Budniok, "Study of the oxygen evolution reaction on nickel-based composite coatings in alkaline media", International journal of hydrogen energy, Vol. 33, 2008, 4488-4494.

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D. A. Corrigan and R. M. Bendert, "Effect of coprecipitated metal ions on the electrochemistry of nickel hydroxide thin films: cyclic voltammetry in 1M KOH", J. Electrochem. Soc., Vol. 136, No. 3, 1989, pp. 723-728.

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M. S. Burke, L. J. Enman, A. S. Batchellor, S. Zou, and S. W. Boettcher, "Oxygen evolution reaction electrocatalysis on transition metal oxides and (Oxy)hydroxides: activity trends and design principles", Chem. Mater, Vol. 27, 2015, 7549-7558.

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D. Friebel et al. "Identification of highly active Fe sites in (Ni,Fe)OOH for electrocatalytic water splitting", J. Am. Chem. Soc, Vol. 137, 2015 1305-1313.

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M. Gong and H. Dai, "A mini review of NiFebased materials as highly active oxygen evolution reaction electrocatalysts", Nano Research, Vol. 8, 1, 2015, pp. 23-29.

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J. W. DINI and H. R. JOHNSON, "Preparation of metals for plating: Ring shear tests", Surface technology, 5, 1977, 407-417.
I. Herraiz-Cardona, E. Ortega, J. G. Anton, V. Perez-Herranz, "Assessment of the roughness factor effect and the intrinsic catalytic activity for hydrogen evolution reaction on Ni-based electrodeposits", International journal of hydrogen energy, Vol. 36, 2011, 9428-9438.

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X. Li, F. C. Walsh and D. Pletcher, "Nickel based electrocatalysts for oxygen evolution in high current density, alkaline water electrolysers", Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 2011, 1162-1167.

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M. Moniruzzaman and M. A. Islam, "Effects of bath composition and current density on the elctrodeposition of Fe-Ni alloy on copper substrate and the property of deposited alloy", Bangladesh J. Sci, Ind. Res, 47(4), 2012, pp 379-386.
A. M. Rashi and A. Amadeh, "The effect of current density on the grain size of electrodeposited nanocrystalline nickel coatings", Surface & coatings technology, Vol. 202, 2008, 3772-3776.

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