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The non-noble 1D nanofibers(NFs) prepared by electrospinning and calcination method were used as oxygen evolution reaction (OER) electrocatalyst for water electrolysis. The electrospinning process and rate of solution composition was optimized to prepare uniform and non-beaded PVP polymer electrospu...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 인가된 전압은 약 7kV로 전기방사 하였다. 1D Co3O4, NiCo2O4, CuCo2O4 NF를 전기방사 및 산화열처리를 통해 합성하였다. 먼저 Co3O4 NF를 만들기 위해서 precursor인 Cobalt(II) acetate (Co(C2H3O2)2·4H2O) 0.
  • Co3O4, NiCo2O4, CuCo2O4 NF와 C-NP (Commercial nanoparticls)의 XRD 패턴을 통해 구조적인 특성을 2θ에서 회절피크로 분석하였다.
  • 합성된 촉매의 전기화학적 특성 분석을 위해 halfcell 을 이용하여 선형주사법(Linear Sweep Voltammetry, LSV) test를 수행하였다. Half-cell 실험은 작업전극(working electrode)인 glassy carbon전극(Rotating Disk Electrode, RDE)과 상대전극(counter electrode)인 Pt mesh, 기준전극(reference electrode)인 Ag/AgCl(1M KCl)로 구성하였다. 촉매 ink는 27 mg 촉매를 2 ml EtOH에 넣은 후 초음파분산기를 이용하여 10분 이상 분산시킨 후 micro pipet을 이용하여 glassy carbon전극 위에 5 μl를 올린 후 건조하였다(0.
  • 금속 산화물 NF의 OER특성을 확인하기 위하여 LSV half-cell 테스트를 진행하였는데, 이때 전기화학 특성을 알아보기 위한 실험 조건은 1M KOH에서 Ag/AgCl전극을 기준전극으로 사용하여 촉매 잉크를 glassy carbon위에 담지한 후 진행하였다. LSV 250회를 진행한 후 전류밀도의 변화를 통해 내구성을 확인 하였다. Fig.
  • 이때 전극의 RPM은 2000이다. LSV를 통하여 Tafel-plot과 5 mA/cm2에서의 과전압, onset-potential 등을 확인 하였으며, 250번 째 LSV 그래프를 이용하여 stability를 확인하였다.
  • NF의 형상은 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM, JEOL-7001F) 이미지를 이용하여 확인하였다. 합성된 NF의 상 분석을 위해 X-선 회절 분석(X-ray diffractometer, XRD, D/max 2500, Rigaku)으로 Cu 타겟을 사용하여 40 kV, 250 mA에서 측정하였다.
  • 금속 산화물 NF의 OER특성을 확인하기 위하여 LSV half-cell 테스트를 진행하였는데, 이때 전기화학 특성을 알아보기 위한 실험 조건은 1M KOH에서 Ag/AgCl전극을 기준전극으로 사용하여 촉매 잉크를 glassy carbon위에 담지한 후 진행하였다. LSV 250회를 진행한 후 전류밀도의 변화를 통해 내구성을 확인 하였다.
  • 본 연구에서는 1D NF 촉매를 전기방사를 통하여 합성하였다. 이때, 전기방사 공정에서 용액의 점도에 따라 비드의 유무 및 직경의 변화가 가장 큰 것으로 보아 용액의 점도가 가장 큰 공정변수임을 확인하였으며, 이를 통해 평균직경이 약 300 nm에서 1 um정도의 직경을 가진 NF를 합성할 수 있었다.
  • 본 연구에서는 PVP를 이용하여 전기방사용 용액을 만들어 전기방사 시 공정변수에 따른 직경과 morphology를 관찰하여 최적화 하였고, 수전해 산소발생촉매로 이용할 수 있는 비귀금속산화물 NF 촉매를 최적화된 전기방사법 및 산화열처리법으로 합성하여 구조적, 물리화학적 특성을 분석하고 산소발생반응에 대한 전기화학적 활성 및 내구성을 평가하였다.
  • 촉매의 산소발생반응 kinetics 를 알아보기 위해 Tafel plot를 확인하였다. 아래의 식은 Tofel 식은 Maxwell-Boltzman law에 의해 얻어 진 식으로[54-57], Symmetry factor인 α가 증가하면 활성화 에너지가 감소하여 산소 발생반응이 빠르게 일어나고, 반응 과전압이 감소하는 것을 알 수 있다.
  • NF의 형상은 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM, JEOL-7001F) 이미지를 이용하여 확인하였다. 합성된 NF의 상 분석을 위해 X-선 회절 분석(X-ray diffractometer, XRD, D/max 2500, Rigaku)으로 Cu 타겟을 사용하여 40 kV, 250 mA에서 측정하였다.

대상 데이터

  • 고분자 NF를 합성하기 위하여 고분자는 PVP(Polyvinylpyrrolidone, Mw ~ 1,300,000)를, 용매는 DI water, 에탄올(EtOH), 메탄올(MeOH)을 사용하였다. EtOH 또는 MeOH 10 ml에 PVP를 0.

이론/모형

  • bCrystallite sizes of the prepared samples calculated by line broadening of powder XRD peak of [511] using the Debye-Scherrer formula.
  • 용액의 이온전도도를 확인하기 위해 Multiparemeter(SevenExcellence, METTLER TOLEDO)를 사용하였으며, 용액의 점도는 Viscometer (DV2T, BROOKFIELD)를 이용하여 측정하였다.
  • 합성된 촉매의 전기화학적 특성 분석을 위해 halfcell 을 이용하여 선형주사법(Linear Sweep Voltammetry, LSV) test를 수행하였다. Half-cell 실험은 작업전극(working electrode)인 glassy carbon전극(Rotating Disk Electrode, RDE)과 상대전극(counter electrode)인 Pt mesh, 기준전극(reference electrode)인 Ag/AgCl(1M KCl)로 구성하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Alkaline법의 장점은? 전기를 이용하여 물로부터 부산물인 산소와 고순도의 수소를 대량 생산할 수 있는 장점이 있다. 다양한 수전해 방법 중 상업화 된 Alkaline법은 비귀금속을 사용하며, 장시간 사용에 유리하고 가격이 저렴한 장점을 가지고 있지만 낮은 전류밀도를 보여주며 alkaline용액에서 사용하기 때문에 부식성으로 인해 내식성이 큰 전극이 필요한 단점이 있다[9,10]. Proton exchange membrane (PEM) 수전해 방법은 고체고분자 전해질막을 사용하여 양극에서 음극으로 수소이온이 이동하는 이온교환방법으로 셀 구조가 간단하고 alkaline법과 비교하여 높은 전류밀도로 높은 효율을 보여주지만, 높은 설치비용과 낮은 용량을 가지며 값비싼 귀금속 촉매를 사용하고 수명이 짧은 단점이 있다[11,12].
수소를 에너지원으로 사용하는 것의 장점은? 그 중 하나가 수소를 에너지원으로 사용하는 것이다[3-8]. 수소의 가장 큰 장점은 쉽게 수소에서 전기에너지로 다시 수소로 전환 가능하다는 점으로 수소를 사용하는 과정에서 발생되는 부산물은 단지물 이고, 또 물을 이용해서 수소를 재생산할 수 있다. 수소는 천연가스 개질, 태양열, 바이오매스, 전기분해 등을 이용하여 생산할 수 있다.
수소는 무엇을 통해 생산가능한가? 수소의 가장 큰 장점은 쉽게 수소에서 전기에너지로 다시 수소로 전환 가능하다는 점으로 수소를 사용하는 과정에서 발생되는 부산물은 단지물 이고, 또 물을 이용해서 수소를 재생산할 수 있다. 수소는 천연가스 개질, 태양열, 바이오매스, 전기분해 등을 이용하여 생산할 수 있다. 현재는 천연가스 개질을 통해 전체 수소의 95% 이상을 생산하며, 이 때 수소는 화석연료로부터 얻어지기 때문에 완전한 의미의 신재생에너지원이라 하기는 어렵다.
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