초록 ▼

본 연구에서는 카본나노파이버(CNF)를 직접 메탄올 연료전지의 연료극 촉매 담지체로 사용하기 위한 KOH의 최적 열처리 조건을 연구하였고, 촉매의 성능을 향상시키기 위해 촉매 합성 방법인 impregnation 방법을 수정하여 촉매를 합성하는 기술을 개발하였다. KOH 활성화를 통한 CNF의 표면 구조변화는 질소 흡착법 및 SEM을 통하여 분석되었다. BET와 BJH식으로 계산된 결과로부터 KOH 활성법이 CNF의 표면적 증가와 함께 CNF 표면에 기공을 생성하는데 효과적이라는 것을 확인하였다. CNF를 1시간동안 활성 시켰을 때,

본 연구에서는 카본나노파이버(CNF)를 직접 메탄올 연료전지의 연료극 촉매 담지체로 사용하기 위한 KOH의 최적 열처리 조건을 연구하였고, 촉매의 성능을 향상시키기 위해 촉매 합성 방법인 impregnation 방법을 수정하여 촉매를 합성하는 기술을 개발하였다. KOH 활성화를 통한 CNF의 표면 구조변화는 질소 흡착법 및 SEM을 통하여 분석되었다. BET와 BJH식으로 계산된 결과로부터 KOH 활성법이 CNF의 표면적 증가와 함께 CNF 표면에 기공을 생성하는데 효과적이라는 것을 확인하였다. CNF를 1시간동안 활성 시켰을 때, 활성 온도 $900^{\circ}C$이하에서는 온도가 높을수록 비표면적은 증가하였지만, $950^{\circ}C$에서는 비표면적이 감소하였다. $900^{\circ}C$에서 활성 시간에 따른 비표면적 및 기공의 변화를 확인한 결과, 활성 시간이 $2{\sim}3$시간으로 길어질수록 비표면적은 감소하였고, 마이크로 기공보다. 메조 및 마크로 기공이 더 생성되었음을 확인하였다. 활성화된 CNF는 DMFC용 연료극 촉매 담지체로 사용되었고, 촉매는 함침법을 수정하여 공정 A, B의 방법으로 합성되었다. 공정 A 로 제조한 촉매의 담지체의 활성화 온도와 시간에 따른 촉매의 메탄올 산화 반응 특성 및 촉매 성능을 알아보기 위하여 순환 전압 전류 측정법과 단위전지 측정법을 실행하였다. 그 결과, $900^{\circ}C$에서 2시간 동안 활성화 시킨 CNF(5H)를 담지체로 하여 공정 A로 제조한 촉매가 가장 높은 전류밀도를 나타내었다. 또한, 공정 B로 제조한 촉매 B/(900-2h)의 메탄올 산화 특성은 일정 전압 0.4V에서 $148.9mA/cm^2$의 전류밀도 값을 나타내었고, $80^{\circ}C$ 산소에서 운전한 단위전지의 성능이 $151.4mW/cm^2$의 전력밀도를 나타내었다. 이는 공정 A로 제조한 촉매 A/(900-2h) 보다. 각각 $18mA/cm^2,\;30.1mW/cm^2$ 증가한 값이며 이러한 결과로부터 공정 B로 제조한 촉매가 직접 메탄올 연료전지 연료극 촉매로서의 성능이 더 우수함을 확인할 수 있었다. 합성된 촉매를 TEM 및 XRD 분석한 결과, 촉매 입자 크기는 $3{\sim}4nm$임을 알 수 있었고, 촉매 입자들이 고르게 분산되어 있는 것을 확인 할 수 있었다.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...32
• 제 1 절 연구개발의 목적 및 필요성...32
• 제 2 절 연구개발의 목표 및 내용...33
• 제 2 장 직접메탄올 연료전지의 이론적 배경...36
• 제 1 절 직접메탄올 연료전지의 원리 및 특성...36
• 1. 직접메탄올 연료전지 의 발전 원리...36
• 2. 전위 및 전류밀도 특성 곡선...39
• 3. 연료전지의 전극반응 특성...41
• (1) 전극의 구조...41
• (2) 연료극 반응 특성...43
• (3) 공기극 반응 특성...45
• (4) 전극 및 전극/전해질 계면과 CNT & CNF 촉매 담지체...48
• 제 2 절 카본나노파이버(Carbon NanoFiber : CNF)...52
• 1. 서론...52
• 2. 합성...57
• (1) 촉매의 제조...57
• 가. 담지체를 사용한 촉매 제조 방법...57
• 나 담지체를 사용하지 않은 촉매 제조 방법...59
• (2) CNF의 합성...60
• (3) 합성방법의 분류...61
• 가. 전기 방전법...61
• 나. 레이저 증착법...64
• 다. 플라즈마 화학기상 증착법...66
• 라. 열화학 기상 증착법...68
• 3. CNF의 종류...70
• 4. CNF의 형성 기구...74
• (1) 촉매/가스 경계...77
• (2) 금속 촉매의 화학적 상태...78
• (3) 금속/카본나노파이버 경계...79
• 5. CNF의 특성...79
• 제 3 절 카본나노파이버 의 활성화...82
• 1. 서론...82
• 2. 활성화법의 종류...82
• (1) 물리적 활성화(gas 활성화법)...82
• (2) 화학적 활성화...86
• 3. 화학적 활성화법(KOH 활성화)의 반응 메카니즘...87
• 제 3 장 직접메탄올 연료전지 촉매 담지체용 카본나노파이버의 최적 열처리(활성화) 기술 개발...88
• 제 1 절 CNF의 물성 분석...88
• 제 2 절 CNF의 전처리 및 활성화...90
• 1. CNF의 전처리...90
• 2. CNF의 KOH 활성화...90
• 3. 전처리한 CNF의 Raman 분석...95
• 제 3 절 활성화 CNF의 특성 분석...98
• 1. 4종류 CNFs의 KOH 활성화 특성...98
• 2. 활성 조건에 따른 CNF(5H)의 특성 분석...102
• (1) CNF(5H)의 표면 특성...102
• 가. 활성화 온도에 따른 표면 특성...102
• 나. 활성화 시간에 따른 표면 특성...106
• (2) 활성화 조건에 따른 조직 특성 분석...109
• (3) CNF(5H)의 표면 작용기 분석...111
• 제 4 장 직접메탄올 연료전지용 고성능 촉매 제조 공정 기술 개발...114
• 제 1 절 연료전지의 전극 제조...114
• 1. 연료극 촉매 합성 방법...114
• 2. 활성화 CNF를 촉매 담지체로 한 DMFC용 촉매 제조...119
• 3. 복합 고분자 막의 전처리...122
• 4. 전극 지지체 제조...124
• 5. 전극 촉매층 제조...125
• 6. 전극 및 고분자막 전극 접합체(MEA) 제조...125
• 제 2 절 제조 촉매의 특성 분석...128
• 1. 4종류의 활성화 CNFs를 촉매 담지체로 한 60wt% Pt-RU/CNFs 촉매 특성 분석...128
• (1) 순환 전압.전류 측정법(Cyclic Voltammetry : CV)...128
• (2) 4종류 60wt% Pt-RU/CNFs 촉매의 CV 특성 분석...130
• 2. 활성화 CNF(5H)를 촉매 담지체로 한 60wt% Pt-RU/CNF촉매 특성 분석...136
• (1) 담지체의 종류에 따른 특성...136
• 가. X-Ray diffraction 회절 분석...136
• 나. 전기화학적 특성...142
• (2) 제조 공정에 따른 특성...151
• 가. X-Rav diffraction 회절 분석...151
• 나. TEM 분석...154
• 다. 전기화학적 특성...157
• (1) Cyclic Voltammetry 측정 및 분석...157
• (2) 단위전지 측정 및 분석...160
• 제 5 장 종합 결론...169
• 제 6 장 기대 성과 및 활용 계획...171
• 1. 기대 성과...171
• 가. 기술적 측면...171
• 나. 경제.산업적 측면...171
• 2. 활용방안...172
• 참고문헌...174