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산화환원반응용 백금 촉매 지지체를 위한 질소 도핑된 단백질계 탄소의 제조
Synthesis of Nitrogen Doped Protein Based Carbon as Pt Catalysts Supports for Oxygen Reduction Reaction 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.28 no.3, 2018년, pp.182 - 188  

이영근 (서울과학기술대학교 신소재공학과) ,  안건형 (서울과학기술대학교 의공학 바이오소재 융합 협동과정 신소재공학 프로그램) ,  안효진 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Nitrogen (N)-doped protein-based carbon as platinum (Pt) catalyst supports from tofu for oxygen reduction reactions are synthesized using a carbonization and reduction method. We successfully prepare 5 wt% Pt@N-doped protein-based carbon, 10 wt% Pt@N-doped protein-based carbon, and 20 wt% Pt@N-doped...

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제안 방법

  • Fig. 4(a)는 5 wt% 백금 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소, 10 wt 백금 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소, 20 wt% 백금 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소 및 상용 백금 촉매의 선형 이동 전압 곡선을 나타낸 것이고, 이는 1600rpm의 전극 회전속도에서 측정하였다. 모든 샘플들의 경우에 전류 값이 낮은 전압으로 측정이 될수록 떨어지는데 이는 산소환원반응이 일어남을 의미한다.
  • 또한, 나노크기의 지지체를 얻기 위해서 볼 밀을 수행하였다. 5 wt%, 10 wt%, 20 wt% 백금 촉매를 단백질계탄소에 담지하기 위해서 다음과 같이 환원법을 이용하였다. 제조된 단백질계 탄소를 1시간동안 300 mL의 증류수에 충분히 분산시킨다.
  • XRD는 Cu kα 선(λ = 1.5406Å)을 이용하여 2θ = 10~90° 회절 범위에서 1°/min의 속도로 측정하였다.
  • Ag/AgCl) 전압 범위에서 50 mV/s의 scan rate으로 2,000회 동안 진행하였다. 그 후에 선형 이동 전압 곡선을 측정하여 초기 대비 촉매 안정성을 평가하였다. 상용 백금촉매(20 wt% Pt on Vulcan carbon, De Nora S.
  • 백금 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소의 형태 및 구조 분석은 전계 방사형 주사전자 현미경(FESEM, Hitachi S-4800)과 투과전자 현미경(MULTI/TEM; Tecnai G2, KBSI Gwangju Center) 이용하였다. 또한, X-선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD, Rigaku Rint 2500)을 이용하여 그들의 결정구조를 확인하였다. XRD는 Cu kα 선(λ = 1.
  • 이러한 산소 작용기들은 단백질계 탄소의 표면에 백금 나노 입자 담지를 도와준다. 또한, 나노크기의 지지체를 얻기 위해서 볼 밀을 수행하였다. 5 wt%, 10 wt%, 20 wt% 백금 촉매를 단백질계탄소에 담지하기 위해서 다음과 같이 환원법을 이용하였다.
  • 또한, 백금 촉매의 산화를 방지하여 순수한 금속성의 백금 촉매를 얻기 위해 −50 °C에서 동결건조를 진행하였다.
  • 먼저, 두부의 수분을 제거하기위해 80 °C에서 건조한 후 공기중에서 안정화를 300 °C에서 진행하였으며, 마지막으로 800 °C 및 고순도 질소 분위기에서 탄화를 진행하였다.
  • 0706 cm2)으로 구성되어 있다. 모든 샘플들을 Nafion(Aldrich)과 8:2비율의 무게비로 촉매잉크를 만들어 3일간 분산시켰다. 모든 잉크들을 조심스럽게 작업전극 위에 코팅 한 후 오븐에서 50 °C로 건조하였다.
  • 따라서 우리는 백금 촉매 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소를 성공적으로 제조하였다. 백금 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소의 형태 및 구조 분석은 전계 방사형 주사전자 현미경(FESEM, Hitachi S-4800)과 투과전자 현미경(MULTI/TEM; Tecnai G2, KBSI Gwangju Center) 이용하였다. 또한, X-선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD, Rigaku Rint 2500)을 이용하여 그들의 결정구조를 확인하였다.
  • 본 연구에서는 두부를 이용하여 산소환원반응용 백금 촉매 지지체를 위한 질소 도핑된 단백질계 탄소를 탄화와 환원법을 통해 성공적으로 제조하였다. 5 wt% 백금 촉매 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소, 20 wt% 백금 촉매 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소 및 상용 백금 촉매와 비교하여, 10 wt% 백금 촉매 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소는 0.
  • 본 연구에서는 탄화 과정과 환원법을 이용하여 백금 나노 입자가 담지 된 질소 도핑된 탄소를 제조하였다. 최적의 백금 담지를 위하여 백금 전구체의 함량을 5 wt%, 10 wt% 및 20 wt%로 체계적으로 조절하였다.
  • 산소환응반응용 백금 촉매 지지체를 위한 단백질계 탄소를 제조하기위해 두부를 이용하여 탄화를 진행하였다. 먼저, 두부의 수분을 제거하기위해 80 °C에서 건조한 후 공기중에서 안정화를 300 °C에서 진행하였으며, 마지막으로 800 °C 및 고순도 질소 분위기에서 탄화를 진행하였다.
  • 그 후에 선형 이동 전압 곡선을 측정하여 초기 대비 촉매 안정성을 평가하였다. 상용 백금촉매(20 wt% Pt on Vulcan carbon, De Nora S.P.A.)를 사용하여 5 wt% 백금 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소(5 wt% Pt-N doped protein based carbon), 10 wt% 백금 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소(10 wt% Pt-N doped protein based carbon) 및 20 wt% 백금 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소(20 wt% Pt-N doped protein based carbon)와 전기화학적 특성을 비교 평가하였다.
  • 질소 도핑된 단백질계 탄소의 산소환원반응 특성은 산소가스가 포화상태인 전해질 내에서 선형 이동 전압 곡선(linear sweep voltammogram, LSV)을 이용하여 측정하였다. 선형 이동 전압 곡선은 5 mV/s의 scan rate으로 0.7 V에서 0.2 V까지의 전압 범위에서 다양한 회전속도(100, 400, 900, 1,600, 2,500 rpm)로 진행하였다. 더 나아가서, 질소 도핑된 단백질계 탄소의 전기화학적 안정성을 분석하기 위하여 산소가스가 포화상태인 전해질 내에서 순환전압-전류측정법(Cyclic Voltammetry, CV)을 이용하여 측정하였다.
  • 더 나아가서, 질소 도핑된 단백질계 탄소의 전기화학적 안정성을 분석하기 위하여 산소가스가 포화상태인 전해질 내에서 순환전압-전류측정법(Cyclic Voltammetry, CV)을 이용하여 측정하였다. 순환전압-전류측정법은 0.4-0.9 V (vs. Ag/AgCl) 전압 범위에서 50 mV/s의 scan rate으로 2,000회 동안 진행하였다. 그 후에 선형 이동 전압 곡선을 측정하여 초기 대비 촉매 안정성을 평가하였다.
  • 이 식에서 λ는 X-선 파장, β는 반치폭, θ는 Bragg angle을 의미한다. 위 공식을 이용하여 백금 촉매의 입자 크기를 각각의 회절 피크들의 (111) 및 (200)면을 이용하여 계산하였다. 5 wt% 백금 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소, 10 wt% 백금 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소 및 20 wt% 백금 담지 및 질소 도핑된 단백질계 탄소의 백금 촉매 입자의 평균 크기는 각각 약 4.
  • 27 nm로 관찰되었다. 제조된 샘플들의 형상과 구조적인 특징을 더 자세히 분석하기 위해 투과 전자 현미경 분석을 수행하였다.
  • 1M 과염소산(perchloric acid, HClO4) 용액을 사용하였다. 질소 도핑된 단백질계 탄소의 산소환원반응 특성은 산소가스가 포화상태인 전해질 내에서 선형 이동 전압 곡선(linear sweep voltammogram, LSV)을 이용하여 측정하였다. 선형 이동 전압 곡선은 5 mV/s의 scan rate으로 0.
  • 모든 샘플들의 화학적 결합 상태 및 조성은 X-선 광전자 주사법(X-ray photo-electron spectroscopy, XPS, ESCALAB 250 equipped with an Al kα X-ray source)을 이용하여 규명하였다. 질소 도핑된 단백질계 탄소의 촉매특성을 평가하기 위하여 삼전극 시스템과 함께 potentiostat/galvanostat(Ecochemie Autolab PGST302N, Netherlands)을 이용하여 전기화학적 분석을 진행하였다. 삼전극 시스템은 기준전극(Ag/AgCl saturated KCl), 상대전극(Pt guaze) 및 작업전극(glassy carbon electrode, area= 0.
  • 본 연구에서는 탄화 과정과 환원법을 이용하여 백금 나노 입자가 담지 된 질소 도핑된 탄소를 제조하였다. 최적의 백금 담지를 위하여 백금 전구체의 함량을 5 wt%, 10 wt% 및 20 wt%로 체계적으로 조절하였다. 제조된 샘플들은 산소환원반응용 촉매로 사용되었고, 촉매의 활성도 및 전기화학적 안정성을 규명하였다.
  • 먼저, 두부의 수분을 제거하기위해 80 °C에서 건조한 후 공기중에서 안정화를 300 °C에서 진행하였으며, 마지막으로 800 °C 및 고순도 질소 분위기에서 탄화를 진행하였다. 탄화된 샘플은 표면의 -OH, -C=O 및 -COOH 산소 작용기를 형성하기위해 불산(52 % hydrofluoric acid, Duck-san)과 질산(nitric acid, Junsei)의 1:1부피비로 혼합하여 산처리를 진행하였다. 이러한 산소 작용기들은 단백질계 탄소의 표면에 백금 나노 입자 담지를 도와준다.

대상 데이터

  • 18-23) 그러나, 연료전지의 연구를 폭넓게 진행하기 위하여 이전에 존재하는 탄소 기반 지지체보다 더 우수한 특성 및 저렴한 가격을 갖는 탄소 기반 지지체에 대한 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구는 새로운 백금 촉매 지지체용 탄소의 도입을 위해 두부로부터 얻은 단백질계 탄소를 사용하였다. 두부는 무게비로 8:2의 수분과 단백질의 비율로 구성되어 있다.

이론/모형

  • 2 V까지의 전압 범위에서 다양한 회전속도(100, 400, 900, 1,600, 2,500 rpm)로 진행하였다. 더 나아가서, 질소 도핑된 단백질계 탄소의 전기화학적 안정성을 분석하기 위하여 산소가스가 포화상태인 전해질 내에서 순환전압-전류측정법(Cyclic Voltammetry, CV)을 이용하여 측정하였다. 순환전압-전류측정법은 0.
  • 모든 샘플들의 화학적 결합 상태 및 조성은 X-선 광전자 주사법(X-ray photo-electron spectroscopy, XPS, ESCALAB 250 equipped with an Al kα X-ray source)을 이용하여 규명하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
에너지 변환 성능 및 가격을 결정짓는 중요 기술 중 하나가 양극에서 발생하는 산소환원반응 기술인 이유는? 1-3) 전해질, 양극, 음극 및 분리막으로 구성되어 있으며, 이중 에너지 변환 성능 및 가격을 결정짓는 중요 기술 중 하나는 양극에서 발생하는 산소환원반응 기술이다. 그 이유는 양극에서 발생하는 산소환원반응은 음극에서 진행되는 연료분해 반응 보다 더 느리고 복잡한 반응이기 때문이다. 4-7) 일반적으로, 백금 촉매는 산소환원반응의 느린 속도를 촉진시키는 것으로 가장 많이 사용되고 있다.
신재생 에너지 기술 개발에 대한 필요성이 대두되는 이유는? 최근 몇 년 동안, 화석 연료의 소비를 줄이고 새로운 청정에너지 기술로 이동하는 전 지구적인 움직임에 의하여 신재생 에너지 기술 개발에 대한 필요성이 크게 상승하고 있다. 특히, 높은 에너지밀도 및 높은 출력밀도를 보유하는 에너지 변환 소자인 연료전지는 친환경적인 특성을 나타냄에 따라 최근에 많은 관심을 받고 있다.
백금 촉매가 가지는 문제점은? 4-7) 일반적으로, 백금 촉매는 산소환원반응의 느린 속도를 촉진시키는 것으로 가장 많이 사용되고 있다. 하지만, 백금 촉매의 경우 희소성, 높은 가격, 높은 과전압 손실 및 낮은 안정성이라는 주요 문제점을 갖고 있다.8-12) 이러한 문제점을 해결하기 위해 이전의 연구에서는 백금 촉매의 형태 제어, 다른 금속과의 합금화 및 백금 담지 용 지지체 재료의 연구가 진행되어 왔다.
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참고문헌 (37)

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