[논문]콜로이드법으로 합성한 RuO2 전극촉매의 연구

박진남

doi:10.7316/khnes.2019.30.3.193

콜로이드법으로 합성한 RuO2 전극촉매의 연구
A Study on the RuO2 Electrode Catalyst Prepared by Colloidal Method 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.30 no.3, 2019년, pp.193 - 200

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$RuO_2$, $PtO_2$, and various $(Ru,Pt)O_2$ colloidal solution were prepared using modified Watanabe method. Electrodes were manufactured by dipping of Ni mesh into the colloidal solution. Manufactured electrodes were characterized by XRD, SEM, and EDS. $(Ru,Pt)O_2$ electrodes showed $RuO_2$ crystal structure and high roughness. The hydrogen evolution reaction (HER) activities were evaluated by Linear Sweep Voltammetry. 1Ru2Pt electrode showed similar activity with commercial electrode, HER potentials are -0.9 V for both.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Typical Chlor-alkali process¹⁾
그림 Fig. 2. Preparation of PtO₂ colloid
그림 Fig. 3. Preparation of (Ru,Pt)O₂ colloid
그림 Fig. 4. Preparation of RuO₂ colloid
표 Table 1. Notation of electrode
그림 Fig. 5. XRD spectra of Ru, 2Ru1Pt, 1Ru1Pt, 1Ru2Pt, and Pt
그림 Fig. 6. SEM images of Ru (a, b), 2Ru1Pt (c, d), 1Ru1Pt (e, f), 1Ru2Pt (g, h), and Pt (I, j) (left: ×350, right: ×2,300)
그림 Fig. 8. Polarization curves of Ru, 2Ru1Pt, 1Ru1Pt, 1Ru2Pt, and Pt
그림 Fig. 7. Polarization curves of Pt mesh, Ni mesh, and commer-cial electrode
표 Table 2. EDS Results of Ru, 2Ru1Pt, 1Ru1Pt, 1Ru2Pt, and Pt

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 콜로이드법을 이용하여 수용액 상에 RuO₂ 나노입자를 직접 합성하고, 이를 Ni mesh에 코팅하여 새로운 전극촉매를 제조하고 이의 성능을 평가하고자 한다. 또한 Pt와 Ru 합금의 산화물 또한 수용액상의 나노입자로 합성하여 Ni mesh에 코팅한 후 전기화학적 성능을 평가하고자 한다.
전극촉매 제조는 Ru 전구체를 담지한 후, 이를 소성하여 제조한다. 본 연구에서는 콜로이드법을 이용하여 수용액 상에 RuO₂ 나노입자를 직접 합성하고, 이를 Ni mesh에 코팅하여 새로운 전극촉매를 제조하고 이의 성능을 평가하고자 한다. 또한 Pt와 Ru 합금의 산화물 또한 수용액상의 나노입자로 합성하여 Ni mesh에 코팅한 후 전기화학적 성능을 평가하고자 한다.

가설 설정

4에 나타내었다. RuO₂ 콜로이드의 합성에서는 별도로 pH를 조절하지 않았다.

제안 방법

물리적인 형상과 화학적 조성은 HR FE-SEM(JEOL, JSM-7401F)과 이에 장착된 energy dispersiveX-ray spectroscopy (EDS)를 이용하여 분석하였다. 시편의 전기 전도성이 우수하므로 시편 상태 그대로 SEM/EDS 분석을 수행하였으며, SEM 분석은 5 kV,EDS 분석은 15 kV 조건에서 측정하였다.
코팅된 부분의 조성을 확인하기 위하여 EDS 분석을 수행하였으며, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. Pt의 경우 4.

대상 데이터

Ni mesh는 Strem사의 Nickel wire cloth 34×34 mesh(wire diameter: 0.13 mm)를 구입하여 사용하였으며, 금속산화물 콜로이드의 코팅은 합성한 금속산화물 콜로이드에 용액에 2×4 cm Ni mesh를 30분간 담갔다가 꺼낸 후 heat gun을 이용하여 건조하였다. 한 번의 코팅으로는 충분한 양의 금속산화물이 담지되지 않으므로, 10초간 담갔다가 꺼낸 후 heat gun으로 건조하는 과정을 30회 반복하여 코팅하였다.
실험에 사용한 백금의 전구체는 0.4 wt%-H₂PtCl₆(0.5 wt%-H₂PtCl₆·6H₂O) 수용액을 준비하여 사용하였다. 루테늄의 전구체는 0.

데이터처리

제조한 전극에 대하여 수소 발생 반응에 대한 활성을 LSV 실험을 통하여 평가하였다. Fig.

이론/모형

전극의 전기화학적 활성평가는 Potentiostat (CHI705E,CH Instruments)를 이용하여 수행하였다. 전극의 수소 발생 반응 성능은 iinear sweep voltammetry (LSV) 방법으로 평가하였으며, 전압 범위는 -2.0~0.0 V,scan rate는 0.1 V/s를 사용하였다.
전극의 전기화학적 활성평가는 Potentiostat (CHI705E,CH Instruments)를 이용하여 수행하였다. 전극의 수소 발생 반응 성능은 iinear sweep voltammetry (LSV) 방법으로 평가하였으며, 전압 범위는 -2.

성능/효과

2) XRD 분석을 통하여, Ru와 Pt가 공존하는 경우에 Ni 표면에 결정성을 가지는 (Ru,Pt)O₂가 생성됨을 확인하였으며, Ru나 Pt 단독의 경우에는 XRD 피크가 나타나지 않았다.
3) SEM 분석을 통해 1Ru1Pt와 1Ru2Pt는 코팅 두께와 표면 거칠기가 우수함을 확인하였다.
4) Ru와 Pt가 공존하는 전극들은 모두 Pt mesh와 동일하게 -0.9 V 정도에서 수소 발생 반응이 일어났으며, 1Ru2Pt는 상업용 전극 촉매와 동일한 거동을 보였다.
5) 액상 콜로이드를 이용하여 (Ru,Pt)O₂/Ni mesh 전극을 제조할 수 있었으며, 이는 열분해법으로 제조한 전극과 동등한 수소 발생 반응에 대한 활성을 가짐을 확인하였다.
또한 전류량이 많았는데, 이로부터 PtO₂와 RuO₂가 공존하는 것이 활성화 반응면적의 확보에 더욱 효과적임을 알 수 있었다. PtO₂와 RuO₂가 공존하는 세 전극의 경우, 과전압 거동 및 전류량은 유사한 특성을 보였으며, 1Ru2Pt의 경우에는 상업용 촉매인 CA 전극과 거의 유사한 곡선을 보임을 알 수 있었다. CA 전극 및 1Ru2Pt 전극에서만 특이하게 -0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열분해법이란 무엇인가?	일반적으로 전극을 제작할 때, 전기화학 도금이 유리할 것으로 생각하지만, 상용 cathode 전극촉매는 전극의 전기화학 반응 면적을 높이기 위해 표면의 roughness가 보다 커지는 열분해법(thermal decomposition)을 이용하여 제조한다. 상세하게는 Ni mesh의 표면에 대해 산 처리 또는 sand blasting을 수행하여 Ni mesh의 표면 roughness를 크게 한 후, 이를 Ru 전구체가 녹아 있는 용액에 담갔다가 꺼낸 후 100℃ 이상에서 건조 후 300℃ 정도에서 열처리를 한다.
	DSA 전극의 장점은 무엇인가?	Anode 전극촉매로는 DSA 전극(Dimensionally Stable Anodes, Metal oxide coated Ti)이 널리 사용되며, 금속산화물로는 Ir, Ru, Pt, Rh, Ta 등의 산화물이 사용된다. DSA 전극은 지난 50년간 염소 발생 전극으로 널리 사용되어 왔으며, 열적, 화학적으로 안정하고 저항이 작으며 산소 및 염소 발생 반응에 대한 과전압이 낮다3,4).
	Cathode 전극촉매의 비활성화 원인은 무엇인가?	Cathode 전극촉매의 비활성화는 두 가지 원인으로나누어진다. 첫 번째는 화학적 열화로서 수소가 발생하는 환원 분위기에 지속적으로 노출됨에 의해 RuO2가 활성이 낮은 Ru metal로 환원되는 것이다. 두 번째는 물리적 열화로서 Ni mesh에 코팅된 Ru 성분이장시간의 사용에 의하여 코팅층 내의 crack 발생 등에 의해 전극촉매 표면층에서 떨어지게 되는 것이다.

참고문헌 (10)

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상세보기
J. Kim, C. Kim, S. Kim, and J. Yoon, "A Review of Chlorine Evolution Mechanism on Dimensionally Stable Anode", Korean. Chem. Eng. Res., Vol. 53, No. 5, 2015, pp. 531-539, doi: https://doi.org/10.9713/kcer.2015.53.5.531.

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M. Watanabe, M. Uchida, and S. Motoo, "Preparation of highly dispersed Pt + Ru alloy clusters and the activity for the electrooxidation of methanol", J. Electroanal. Chem. & Interfacial Chem., Vol. 229, No. 1-2, 1987, pp. 395-406, doi: https://doi.org/10.1002/chin.198744026.
Z. Petrovic, M. Ristic, M. Marcius, B. Sepiol, H. Peterlik, M. Ivanda, and S. Music, "Formation of $RuO_2$ nanoparticles by thermal decomposition of $Ru(NO)(NO_3)_3$ ", Ceramics International, Vol, 41, No. 6, 2015, pp. 7811-7815, doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.02.115.

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A. Shrotri, A. Tanksale, J. N. Beltramini, H. Gurav, and S. V. Chilukuri, "Conversion of cellulose to polyols over promoted nickel catalysts", Catal. Sci. Technol., Vol. 2, 2012, pp. 1852-1858, doi: https://doi.org/10.1039/c2cy20119d.

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