초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지의 상용화를 위해 낮은 제조단가, 고활성 고안정성의 촉매 합성, 그리고 기반기술의 확보를 연구목적으로 한다. 이를 위해 고효율의 코어/쉘 구조의 촉매를 합성을 하는 것으로, 백금 합금 및 팔라듐 합금 촉매 제조 및 후처리를 통한 표면 석출 현상을 이용해 코어/쉘 구조를 구현한다. 금속의 표면 석출 경향은 합금촉매의 표면에너지 및 원소-기체 분자간의 결합력에 따라 차이가 생기게 되고 이는 열처리 조건으로 제어할 수 있다. 얻어진 여러 가지 합금 촉매의 결정학적 구조 및 전

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지의 상용화를 위해 낮은 제조단가, 고활성 고안정성의 촉매 합성, 그리고 기반기술의 확보를 연구목적으로 한다. 이를 위해 고효율의 코어/쉘 구조의 촉매를 합성을 하는 것으로, 백금 합금 및 팔라듐 합금 촉매 제조 및 후처리를 통한 표면 석출 현상을 이용해 코어/쉘 구조를 구현한다. 금속의 표면 석출 경향은 합금촉매의 표면에너지 및 원소-기체 분자간의 결합력에 따라 차이가 생기게 되고 이는 열처리 조건으로 제어할 수 있다. 얻어진 여러 가지 합금 촉매의 결정학적 구조 및 전자구조의 분석을 수행 한 후, 이런 촉매 특성과 산소환원반응 활성 및 안정성과의 상관관계를 분석한다. 결론적으로 고효율 코어/쉘 촉매 구조의 구현과, 산소환원반응과의 상관관계 분석이 연구의 주된 내용이라고 할 수 있다.

연구결과
용액합성법을 이용하여 백금을 포함한 이원계 합금 촉매를 합성하였고 알루미늄 호일을 이용하여 낮은 제조 단가를 가지고 효과적인 합성법을 도입하였다. 이 방법을 이용하여 백금-금, 백금-팔라듐 이원계 백금 합금 촉매를 합성하였고, 이 촉매들을 수소 열처리 또는 일산화탄소 분위기에서의 열처리를 통해 정렬된 구조의 합금 촉매 및 표면의 백금 석출을 통한 촉매 활성 증대를 유도하였다. 또한 팔라듐-철 촉매의 경우, 2단계 환원법을 통해 촉매 조성을 조절하여 합성하였고 수소 분위기에서의 열처리를 진행하였다. 실험 시작 단계에서, 이런 열처리가 표면 석출 및 원소의 정렬현상을 높이고 성능을 향상시키는 우선적인 원인이 될 것으로 예상하였다. 포항가속기 고분해능 분말 회절에서 촉매들의 구조 분석을 진행하였고 그 결과 수소와 일산화탄소 열처리 시, 백금-금, 백금-팔라듐의 촉매 크기 변화, 팔라듐-철 촉매의 합성 조성에 따른 구조차이와 열처리 시 촉매의 정렬현상을 또한 관찰하였다. 일산화탄소 흡착 및 산화 실험과 엑스선 광전자 분광법 등을 이용하여 백금 또는 팔라듐의 표면 석출로 코어/쉘 구조의 형태가 구현되는 것을 확인하였다. 전기화학 분석에서는 열처리를 통해 백금 기반 촉매들이 공통적으로 흡착 특성과 촉매반응성이 향상되는 것을 관찰하였다. 정렬 현상이 없는 이러한 백금 합금 촉매의 경우, 주로 표면 석출과 입자 성장이 촉매에 영향을 주는 것으로 판단되었다. 또한 팔라듐-철촉매에서는, 실험군 중 팔라듐의 함량이 가장 적은 촉매에서 산소환원반응 특성이 우수한 것을 예외적으로 확인하였고 이것은 앞서 말한 표면 석출과 입자성장 등의 원인과 더불어 촉매의 정렬현상이 그 활성 증가에 영향을 더하는 것으로 결론지었다.

연구결과의 활용계획
-. 연료전지 핵심 기술의 자립화로 인한 독립적 기술 확보 및 국산화 달성
-. 최근 순수 전기차 개발이 갈수록 요원해짐에 따라 대두되는 연료전지차 개발을 위한 연료전지 상용화 조기 달성
-. 전자기기 산업의 활성화에 기여
-. 연료전지 촉매의 경우 현재 전량 외국에 수입의존하고 있기 때문에 우수한 기술력 및 제품 생산 기술을 보유한다면 연료전지 상용화 시 연간 수천억 원의 수입 대체 효과 예상
-. 촉매 기술은 소재산업의 기반 기술이기 때문에 타산업의 발전에도 핵심적인 역할을 할 것으로 기대

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose&contents
In order to to solve the problems of the cost and long-term stability of polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs), low cost, high performance and stable catalysts will be developed in this research. Core/shell structure catalyst will be synthesized using surface segregation of Pt

Purpose&contents
In order to to solve the problems of the cost and long-term stability of polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs), low cost, high performance and stable catalysts will be developed in this research. Core/shell structure catalyst will be synthesized using surface segregation of Pt or Pd applying various materials and heat-treatment conditions. Subsequently, structural and electronic properties of the synthesized catalysts will be analyzed and activity and stability for oxygen reduction will be linked to this properties. Thereby, this research will contribute to the commercialization of PEMFCs which are the promising energy device and have various applications.

Result
Firstly, We easily and effectively synthesized Pt and Pt based alloy catalysts with relatively cheap process using solution-state-based synthesis and Al foil as an reducing agent. It was synthesized that Pt-Au, Pt-Pd catalysts and heat treatments using hydrogen or carbon monoxide were employed subsequently in order to segregate Pt to the surface and increase activities of catalysts. In the case of Pd-Fe catalysts, we synthesized them using 2-step reduction and controlled composition of the catalysts. After this synthesis step, we also carried out heat treatment for catalysts to make Pd-rich surface. Analyses on crystal structures of catalysts were performed in 9B High Resolution Powder Diffraction (PAL) and we recognized changes on the sizes of catalysts when heat treatments were employed in CO or H2 atmosphere. In addition, structural difference of Pd-Fe catalysts which had different compositions was also analyzed. From electrochemical measurement, we could conclude that heat treatment induced enhanced adsorption characteristic and oxygen reduction activity on the surface of catalysts. Exceptionally, we observed that Pd-Fe catalyst which had least amount of Pd showed best activity. Additional analyses of surfaces were carried out using CO adsorption-desorption and X-ray photoelectron spectroscopy. Consequently, it was recognized that segregation of Pt or Pd and induced core/shell-like structures of catalysts facilitated kinetics of oxygen reduction reaction.

Expected Contribution
-.Localization of key technologies for domestic fuel cell production
-.Commercialization of fuel cells to meet the increasing demand on fuel cell electric vehicles.
-.Vitalization of electronic industry
-.Considering that majority of fuel cell catalysts are being imported, advanced technology for catalyst production would economize significant amount of expenditure in international trade in the future when fuel cells are commercialized.
-.Since catalyst technologies belong to foundation technologies, contribution to the industrial field other than fuel cell area is expected.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 8
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 24
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 24
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 24
• 7. 참고문헌 ... 25
• 8. 연구성과 ... 26
• 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 28
• 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 28
• 11. 기타사항 ... 28
• 끝페이지 ... 28