[논문]이트륨 함량에 따른 Pd-Ir-Y 3원계 합금 촉매 입자의 특성과 산소 환원 반응의 활성 비교

김도형; 이은애; 박찬호

doi:10.7316/khnes.2018.29.3.260

이트륨 함량에 따른 Pd-Ir-Y 3원계 합금 촉매 입자의 특성과 산소 환원 반응의 활성 비교
Comparison of the Characteristics of Pd-Ir-Y Ternary Alloy Catalyst Particles and Oxygen Reduction Activity According to Yttrium Contents 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.29 no.3, 2018년, pp.260 - 266

김도형 (광주과학기술원 융합기술원 융합기술학제학부 에너지프로그램) , 이은애 (광주과학기술원 융합기술원 융합기술학제학부 에너지프로그램) , 박찬호 (광주과학기술원 융합기술원 융합기술학제학부 에너지프로그램)

Abstract ▼ AI-Helper

To enhance catalyst activity of the palladium (Pd) towards oxygen reduction reaction (ORR), iridium (Ir) and yttrium (Y) were alloyed by polyol method. Due to the low reduction potential of Y, it is hard to reduce Y ion completely by polyol method. In XPS spectra, the binding energy of the Pd is shifted to a lower value, which indicates the d-electron of Pd is filled by the electron from the Y. And other phases of Y are observed by the XPS. Among the catalysts, the $Pd_4IrY_{0.1}/C$ showed the best activity towards ORR, which indicates the metallic Y is effective for improving the catalytic activity. Thus, for further enhancing ORR activity, the novel method for complete reduction of Y is needed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

연구는 팔라듐에 내구성을 향상시킬 수 있는 이리듐이 포함된 팔라듐-이리듐 기반의 합금 촉매^14-16) 에 이트륨을 첨가한 3원계 합금 촉매를 폴리올(polyol) 방법으로 합성하여 이트륨 함량에 따라 산소환원활성을 비교하고자 한다. 이트륨은 앞서 말하였듯이 일반적인 방법으로는 환원이 어렵기 때문에 촉매 내에 이트륨 산화물이 생성될 것으로 예상되어, 폴리올 방법으로 촉매를 합성하였을 때 산소환원활성에 도움을 줄 수 있는 이트륨의 양을 최적화하고자 한다.
에 이트륨을 첨가한 3원계 합금 촉매를 폴리올(polyol) 방법으로 합성하여 이트륨 함량에 따라 산소환원활성을 비교하고자 한다. 이트륨은 앞서 말하였듯이 일반적인 방법으로는 환원이 어렵기 때문에 촉매 내에 이트륨 산화물이 생성될 것으로 예상되어, 폴리올 방법으로 촉매를 합성하였을 때 산소환원활성에 도움을 줄 수 있는 이트륨의 양을 최적화하고자 한다.

제안 방법

상대 전극으로 Pt wire를 사용하였고 참조 전극으로 Ag/AgCl을 사용하였으며 상온에서 측정하였다. Cyclic Voltammetry (CV)는 질소로 채워진 0.1 M HClO₄ 용액에서 0.005-1.2 V (vs. RHE)의 범위에서 50 mV/s의 속도로 측정하였다. 그 이후 Linear Sweep Voltammetry (LSV)로 산소 환원 반응의 활성을 측정하였다.
이는 환원되지 않은 금속이온을 환원시키고 금속 촉매 입자의 결정화를 위한 과정이다. Pd-Ir-Y 합금 촉매의 특성 분석을 위해 비교 물질로 Pd/C와 Pd₄Ir/C를 위에서 언급한 선구 물질들을 이용하여 같은 폴리올 방법으로 제조하였다.
RHE)의 범위에서 50 mV/s의 속도로 측정하였다. 그 이후 Linear Sweep Voltammetry (LSV)로 산소 환원 반응의 활성을 측정하였다. 산소가 채워진 0.
2θ는 10-90°의 범위 내에서 2º/min의 스캔 속도로 측정하였다. 촉매의 분산 정도와 입자 크기 분석을 위하여 투과전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM)으로 이미지를 촬영하였다. 촉매 내의 금속 원자의 산화 상태를 파악하기 위하여 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS, MultiLab 2000, VG, UK)을 이용하여 각 원자의 결합에너지를 측정하였다.
촉매의 산소 환원 활성을 측정하기 위하여 회전원반 전극(rotating disk electrode, RDE)을 이용하여 3 전극 테스트를 진행하였다. 상대 전극으로 Pt wire를 사용하였고 참조 전극으로 Ag/AgCl을 사용하였으며 상온에서 측정하였다.
촉매의 산소환원 활성을 확인하기 위하여 RDE를 이용하여 전기화학적 테스트를 진행하였다. Fig.
폴리올 방법으로 삼원계 Pd-Ir-Y 합금 담지 촉매를 위하여 (NH4)2PdCl4(Strem chemicals), H2IrCl6·6H2O (Alfa Aesar), YCl3·6H2O (Sigma Aldrich)를 Ethylene glycol (EG, Dajung)에 8 wt%로 각각 녹인다.

대상 데이터

본 연구에서 Pd-Ir-Y 3원계 합금 촉매를 폴리올 방법으로 제조하였다. 이트륨은 환원전위가 매우 낮아 합금으로 만들기가 어려우며 팔라듐, 이리듐에 비해 원자의 크기도 커서 합금이 되는데 한계가 있다는 것을 알 수 있었다.
촉매의 산소 환원 활성을 측정하기 위하여 회전원반 전극(rotating disk electrode, RDE)을 이용하여 3 전극 테스트를 진행하였다. 상대 전극으로 Pt wire를 사용하였고 참조 전극으로 Ag/AgCl을 사용하였으며 상온에서 측정하였다. Cyclic Voltammetry (CV)는 질소로 채워진 0.
전기화학적 촉매의 산소 환원 반응의 활성을 측정하기 위해 촉매 잉크를 제조하였다. 합성한 촉매 3mg을 증류수 2.

이론/모형

Cu Kα 방사선을 이용한 X-선 회절 방법(X-ray Diffraction; XRD, D/MAX Ultima III, Rigaku, Japan) 을 사용하여 합성된 촉매의 구조 분석을 진행하였다.
촉매의 분산 정도와 입자 크기 분석을 위하여 투과전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM)으로 이미지를 촬영하였다. 촉매 내의 금속 원자의 산화 상태를 파악하기 위하여 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS, MultiLab 2000, VG, UK)을 이용하여 각 원자의 결합에너지를 측정하였다.

성능/효과

이트륨의 함량이 많아짐에 따라 합금이 되지 못한 이트륨이 결정립계에 모이면서 촉매 입자를 분리시킨 것으로 추정되며 금속 형태가 아닌 다른 형태로 존재한다. 그렇지만 이트륨이 금속으로 환원되는 경우에 촉매 입자의 산소환원활성을 향상시킬 수 있다는 것은 이트륨의 함량이 적은 Pd₄IrY_0.1/C의 경우에 확인할 수 있었고 이때에는 팔라듐-이리듐 합금 촉매보다 거의 2배가 되는 활성 향상을 보여주었다. 향후 이트륨을 금속으로 완전히 환원시킬 수 있는 제조 방법이 적용된다면 Pd-Ir-Y 3원계 촉매는 산소환원활성 촉매로서 활용이 기대된다.
본 연구에서 Pd-Ir-Y 3원계 합금 촉매를 폴리올 방법으로 제조하였다. 이트륨은 환원전위가 매우 낮아 합금으로 만들기가 어려우며 팔라듐, 이리듐에 비해 원자의 크기도 커서 합금이 되는데 한계가 있다는 것을 알 수 있었다. Pd-Ir-Y 합금 촉매는 대부분 7-10 nm 정도의 입자의 크기를 가졌으나 Pd₄IrY₂/C 만 4 nm 정도로 입자의 크기가 작았다.

후속연구

1/C의 경우에 확인할 수 있었고 이때에는 팔라듐-이리듐 합금 촉매보다 거의 2배가 되는 활성 향상을 보여주었다. 향후 이트륨을 금속으로 완전히 환원시킬 수 있는 제조 방법이 적용된다면 Pd-Ir-Y 3원계 촉매는 산소환원활성 촉매로서 활용이 기대된다.
1/C에서 알 수 있지만 양이 많아질 경우에는 폴리올 방법으로는 충분히 환원시키지 못하여 그 효과가 미비하다. 향후에 많은 양의 이트륨 금속을 팔라듐 합금 내에 형성할 수 있는 새로운 합성 방법을 적용할 필요가 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소를 이용한 연료전지 발전의 특징 및 장점은?	이로 가장 적합한 것이 수소를 이용한 연료전지 발전이다. 수소는 저장, 운송 과정에서 에너지 손실이 없어 장기간 동안 에너지를 효율적으로 보관할 수 있다. 게다가 연료전지 발전은 40-80%의 발전효율을 가지고 있어 다른 신재생 에너지 발전보다 효율적인 발전이 가능하다. 그중에서도 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 가정용, 운송용 등 다양한 용도로 상용화가 진행되고 있다. 하지만 PEMFC는 보통 백금 촉매를 사용하는데 백금 촉매의 높은 가격으로 인하여 보급이 지연되고 있다. 이를 개선하기 위하여 많은 연구진들이 백금을 대체할 수 있는 팔라듐 촉매에 대한 연구를 진행하고 있다.
	이트륨의 단점은?	Rongjing Cui 연구팀 또한 Pt-Y alloy가 높은 산소환 원활성과 내구성을 가짐을 보였다5) . 이트륨의 환원 전위(-2.37 V)가 매우 낮기 때문에 금속 상태의 합금으로 만들기가 매우 어렵다. Wagberg 연구팀의 최근 연구에 따르면, 이트륨이 metallic Y와 Y2O3가 섞여 있는 형태로 Pt와 결합되어 있는 촉매가 형성되며, Pt와 Y의 비율에 따라 금속 이트륨이 검출되지 않았지만 이트륨 산화물에 의하여 촉매의 안정성이 확보되어 적절한 비율의 PtxYOy를 형성하면 Pt와 비슷한 활성을 가진 촉매를 만들 수 있다고 보고되었다12)
	PEMFC의 단점은?	그중에서도 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 가정용, 운송용 등 다양한 용도로 상용화가 진행되고 있다. 하지만 PEMFC는 보통 백금 촉매를 사용하는데 백금 촉매의 높은 가격으로 인하여 보급이 지연되고 있다. 이를 개선하기 위하여 많은 연구진들이 백금을 대체할 수 있는 팔라듐 촉매에 대한 연구를 진행하고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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