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[국내논문] 열처리된 친수성 카본 페이퍼 전극의 전기 물 분해 특성
Electrode Properties for Water Electrolysis of Hydrophilic Carbon Paper with Thermal Anneal 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.26 no.5, 2016년, pp.241 - 245  

유일한 (아주대학교 신소재 공학과 & 에너지 시스템학과) ,  서형탁 (아주대학교 신소재 공학과 & 에너지 시스템학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Hydrogen is considered a potential future energy source. Among other applications of hydrogen, hydrogen-rich water is emerging as a new health care product in industrial areas. Water electrolysis is typically used to generate a hydrogen rich water system. We annealed 10AA carbon paper in air to use ...

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문제 정의

  • 8,9) 전기 물 분해에서 수소 생성 반응 전극은 가장 인기 있는 연구 주제로 다양한 재료들이 연구되고 있지만10) 수소를 음극에서 얻으려면 쌍이 되는 반응인 산소 생성 반응의 양극 전극이 필요하고 이에 대한 연구 또한 중요하게 여겨지고 탄소 기반의 전극을 이에 적용할 수 있다.8,11) 본 연구에서는, 수소수 생성기에 사용 가능한 탄소 기반의 전극을 사용하여 전기 물 분해 특성을 평가하였다. 이에 따라 현재 PEM 연료전지에 사용되고 있는 SGL사의 10AA 카본 페이퍼를 기본 전극으로 사용하고 이를 열처리를 하여 특성을 평가하였다.
  • 10AA 카본페이퍼는 카본 섬유들이 접착제인 페놀 수지를 이용하여 붙어있는 얇은 종이 형태로 형성되어 있다. 본 연구에서는 FE-SEM을 이용하여 카본페이퍼의 구조와 열처리에 따른 구조 변화를 살펴보았다. Fig.
  • 본 연구에서는 10AA 카본페이퍼의 열처리를 통한 전기 물 분해 효율을 높이고자 하였다. Mini Furnace를 이용하여 100 ℃, 200 ℃, 300 ℃, 400 ℃, 500 ℃ 온도에서 6시간의 동일시간에서 열처리를 진행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수소 에너지의 특징은? 최근 환경오염과 에너지 문제를 해결하기 위해 다양한 청정 에너지 연구들이 진행되고 있다. 그 중 수소 에너지는 사용 후 배출 물질이 H2O 이므로 기존의 화석연료와 비교했을 때 친환경적인 에너지이고, 수소는 142 kJ/g의 높은 연소 열을 내며 0.017 mJ의 낮은 점화에너지를 가져서 가까운 미래의 대체 에너지 자원으로 각광받으며 수소연료, 수소자동차, 수소수 등 다양한 분야에서 연구되고 필요로 하고 있다.1,2) 하지만 현재 세계적으로 가장 많은 수소를 생산하는 방법은 화석연료나 천연가스의 개질을 통한 생산 법으로 이는 지속 가능한 생산도 친환경적인 생산도 가능하지 않은 생산방법이다.
현재 수소수 생성기는 어떤 방식으로 수소를 발생시키는가? 4,5) 특히 수소의 활용 분야 중 하나인 수소수는 일본의 오타 시게오 교수가 제시한 최고의 황산화 물질로, 최근 일본에서 새롭게 떠오르고 있는 건강분야로써 전기 물 분해는 수소수의 생성기에 사용되고 있다.6,7) 현재의 수소수 생성기는 티타늄 전극 판에 백금을 도금하여 전기분해 방식으로 수소를 발생시키는 방식이지만 백금과 같은 귀금속 기반의 전극은 가격이 비싸므로 다양한 대체 물질들이 연구되고 있고 그 중 탄소 기반의 전극은 비용을 절감하면서 인체에 무해하고 전기분해 전극으로써 가능성 있는 전극으로 생각된다.8,9) 전기 물 분해에서 수소 생성 반응 전극은 가장 인기 있는 연구 주제로 다양한 재료들이 연구되고 있지만10) 수소를 음극에서 얻으려면 쌍이 되는 반응인 산소 생성 반응의 양극 전극이 필요하고 이에 대한 연구 또한 중요하게 여겨지고 탄소 기반의 전극을 이에 적용할 수 있다.
전기 물 분해 전극은 물과 전극 사이 표면적이 클수록 효율이 증가하는데 카본페이퍼는 어떤 성질이 증가하면 표면적을 증가시킬 수 있는가? 전기 물 분해 전극은 물과 전극 사이의 표면적이 클수록 효율이 증가하는 것은 많은 연구가 되어 있다.14) 카본페이퍼의 친수성이 증가하면 카본페이퍼 사이로 물 분자의 접근성이 개선되어 물과 전극 사이의 표면적을 증가시킬 수 있다. 카본페이퍼는 열처리를 통해 카본을 산화 시켜서 표면에 화학적 작용기가 생성되어 이를 통해 친수성이 증가한다는 연구는 다른 에너지 분야에서 연구가 되어있다.
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참고문헌 (16)

  1. X. Chen, S. Shen, L. Guo and S. S. Mao, Chem. Rev., 110, 6503 (2010). 

  2. H. Gu, Z. Wang and Y. Hu, Sensors, 12, 5517 (2012). 

  3. B. Rausch, M. D. Symes and L. Cronin, J. Am. Chem. Soc., 135, 13656 (2013). 

  4. M. Gong, W. Zhou, M.-C. Tsai, J. Zhou, M. Guan, M.-C. Lin, B. Zhang, Y. Hu, D.-Y. Wang, J. Yang, S. J. Pennycook, B.-J. Hwang and H. Dai, Nat. Commun., 5 4695 (2014). 

  5. G. W. Crabtree, M. S. Dresselhaus and M. V. Buchanan, Phys. Today, 57, 39 (2004). 

  6. I. Ohsawa, M. Ishikawa, K. Takahashi, M. Watanabe, K. Nishimaki, K. Yamagata, K.-i. Katsura, Y. Katayama, S. Asoh and S. Ohta, Nat. Med., 13, 688 (2007). 

  7. S. Ohta, Pharmacol. Therapeut., 144, 1-11 (2014). 

  8. Z. D. Wei, M. B. Ji, S. G. Chen, Y. Liu, C. X. Sun, G. Z. Yin, P. K. Shen and S. H. Chan, Electrochim. Acta, 52, 3323 (2007). 

  9. P. K. Dubey, A. S. K. Sinha, S. Talapatra, N. Koratkar, P. M. Ajayan and O. N. Srivastava, Int. J. Hydrogen Energy, 35, 3945 (2010). 

  10. P. P. Prosini, A. Pozio, S. Botti and R. Ciardi, J. Power Sourc., 118, 265 (2003). 

  11. H. Fei, R. Ye, G. Ye, Y. Gong, Z. Peng, X. Fan, E. L. G. Samuel, P. M. Ajayan and J. M. Tour, ACS Nano, 8, 10837 (2014). 

  12. S. C. Barton, Y. Sun, B. Chandra, S. White and J. Hone, Electrochem. Solid-State Lett., 10, B96 (2007). 

  13. A. Tamayol, F. McGregor and M. Bahrami, J. Power Sourc., 204, 94 (2012). 

  14. D. Reyter, D. Belanger and L. Roue, Water Res., 44, 1918 (2010). 

  15. K. J. Kim, Y.-J. Kim, J.-H. Kim and M.-S. Park, Mater. Chem. Phys., 131, 547 (2011). 

  16. L. Dobiasova, V. Stary, P. Glogar and V. Valvoda, Carbon, 37, 421 (1999). 

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