초록 ▼

현재 널리 사용되고 있는 내연 기관은 화석 연료의 연소 반응을 이용하여 발전하기 때문에 NOx, SOx 와 같은 공해물질을 배출하여 환경을 오염시킴. 또한 연료의 폭발에 의한 연소 과정과 터빈을 사용한 동력 전달 과정에서 많은 에너지가 소실되어 에너지 변환 효율이 낮음. 이러한 내연 기관과는 달리 산소를 전기화학적으로 직접 산화 혹은 환원시켜 연료의 화학에너지를 전기에너지를 변환시키는 장치들은 이론적인 에너지 변환 효율이 높고 공해 물질을 배출하지 않는 장점이 있음. 그러나 현재기술 수준으로는 산소극에서의 전기화학반응의 속도가 느려

현재 널리 사용되고 있는 내연 기관은 화석 연료의 연소 반응을 이용하여 발전하기 때문에 NOx, SOx 와 같은 공해물질을 배출하여 환경을 오염시킴. 또한 연료의 폭발에 의한 연소 과정과 터빈을 사용한 동력 전달 과정에서 많은 에너지가 소실되어 에너지 변환 효율이 낮음. 이러한 내연 기관과는 달리 산소를 전기화학적으로 직접 산화 혹은 환원시켜 연료의 화학에너지를 전기에너지를 변환시키는 장치들은 이론적인 에너지 변환 효율이 높고 공해 물질을 배출하지 않는 장점이 있음. 그러나 현재기술 수준으로는 산소극에서의 전기화학반응의 속도가 느려 내연 기관을 대체하기에는 어려움이 있음. 이에 연료전지, 수전해, 리튬-공기 전지의 산소극에서 발생할 수 있는 전기화학반응을 모두 촉진할 수 있는 다기능성 촉매를 개발하고자 함.

본 연구에서는 카바이드계 물질과, 전이금속, 그리고 탄소 구조체들을 화학적으로 커플링하여 다양한 삼상 계면을 형성함으로써 다기능성 촉매를 합성하고자 하였음. 이를 위해 g-C₃N₄, 코발트 및 몰리브데늄 전구체, r-GO를 혼합하고 열처리하여 코발트와 몰리브데튬 카바이드 나노입자가 그래핀 위에 고루 담지된 Mo₂C-Co/graphene 촉매를 합성하였음. 삼전극 셀을 이용하여 0.1 M KOH 용액에서 전기화학적 활성을 평가한 결과, Mo₂C-Co/graphene 촉매는 산소 발생 반응 및 환원 반응에 대해 모두 높은 활성을 가지고 있음을 확인하였음. 이는 코발트 나노입자와 몰리브데늄 카바이드 나노입자간의 상호 작용으로 산소 발생 반응 활성이 증가함과 동시에, 열처리 과정에서 코발트 원소와 질소 원자가 그래핀 구조 내에 도핑 됨으로써 산소 환원 반응 활성 역시 증가함에 따른 결과로 사료됨. 이렇게 합성 된 촉매의 리튬-공기 전지로의 적용 가능성을 평가하기 위해 우선 Mo₂C-Co 촉매와 다양한 탄소물질 (CNT, graphene, Ketjen black) 들이 혼합하여 높은 활성을 낼 수 있는 전극을 만들기 위한 최적화 과정을 진행하였음. Ketjen black과 혼합 된 전극은 리튬-공기 전지의 충전-방전 싸이클에서 발생하는 산소 발생 반응 및 산소 환원 반응에 대해 모두 낮은 과전압을 나타냈으며, 300 싸이클까지 안정적인 충방전 싸이클이 가능하였음. 따라서 본 연구에서 개발한 촉매는 산소극을 사용하는 전기화학에너지 장치에 범용적으로 적용될 수 있을 것으로 기대 됨.

(출처 : 보고서 초록)

Abstract ▼

Ⅳ. Results
A mixture of cobalt acetate (Co(II) acetate tetrahydrate), ammonium molybdate, graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) and graphene oxide (GO) was heat-treated at high temperature to synthesize Mo₂C-Co/graphene catalyst. It was possible to confirm that Co and

Ⅳ. Results
A mixture of cobalt acetate (Co(II) acetate tetrahydrate), ammonium molybdate, graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) and graphene oxide (GO) was heat-treated at high temperature to synthesize Mo₂C-Co/graphene catalyst. It was possible to confirm that Co and Mo₂C images were succefully synthesized using the results of X-ray diffraction (XRD) patterns. It was also confirmed that Co and Mo₂C nanoparticles are unifomly supported on graphene using transmission electron microscopy (TEM) analysis.
OER and ORR activities of the synthesized Mo₂C-Co/graphene catalyst were evaluated using a three electrode cell containing 0.1 M potassium hydroxide (KOH) solution. As a result, it was confirmed that the Mo₂C-Co/graphene catalyst exhibited higher ORR activity than Mo₂C-Co and Co catalyst but also high OER activity (ORR activity; Half-wave potential = 0.81 V_RHE, OER activity; overvoltage (η) @ 10 mA cm^-2 = 347 mV). In addition, lithium-air battery cell test showed that as a result of evaluating the reaction activity of lithium and oxygen by constructing a the OER overpotential was measured to be 0.82 V and the ORR overpotential was measured to be 0.28 V, respectively. It was able to operate normally up to about 300 cycles. These results indicate that the synthesized catalyst in this study has high OER and ORR activity in both aqueous and nonaqueous environments. These results impliy that three-phase interface formed from carbides, transition metals, and carbon can have multifunctional active sites for the oxygen electrode reactions

(출처 : SUMMARY)

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 2보고서 초록 ... 3요 약 문 ... 4SUMMARY ... 7CONTENTS ... 10목차 ... 11제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 12제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 15 1절. 국내 기술개발 현황 ... 15 2절. 국외 기술개발 현황 ... 15제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 18 1절. 실험 방법 ... 18 1. 촉매 합성 ... 18 2. 형상 및 특성 분석 ... 18 3. 전기 화학적 활성 측정 ... 18 4. 리튬-공기 전지 운전 ... 19 2절. 실험 결과 및 고찰 ... 21 1. XRD 패턴 분석 결과 및 형상 ... 21 2. 전기화학적 활성 측정 결과 ... 24 3. 리튬-공기 전지 운전 결과 ... 27 4. 전기화학적 활성 향상 메커니즘 분석 ... 27제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 30 1절. 과제 목표 및 목표 달성도 ... 30 2절. 관련 분야에의 기여도 ... 30제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 31 1절. 추가 연구의 필요성 ... 31 2절. 다양한 구조의 삼상 복합 촉매 합성 ... 31제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 33제 7 장 참고문헌 ... 34끝페이지 ... 35