초록 ▼

□ 연구개요
본 기본 연구에서는 친환경 수소생산이 가능한 알칼라인 수전해 시스템의 대표 애노드 물질인 니켈-철 촉매 연구를 수행함. 최근 10여년간 이 분야에 대한 관심이 증가하기 시작하였고 촉매와 관련된 다양한 연구들이 많이 진행되었음. 그 결과, 고활성·고안정성의 니켈 기반 촉매들이 많이 보고 되었으며 특히, 니켈-철이 함께 사용되는 촉매의 경우, 알칼라인 산소 발생 반응에 대한 매우 높은 활성이 관찰됨. 그러나 이는 매우 제한적인 실험조건에서의 결과이고, 막 전극 집합체가 도입된 실제 수전해 시스템에서는 이리듐보다 낮은

□ 연구개요
본 기본 연구에서는 친환경 수소생산이 가능한 알칼라인 수전해 시스템의 대표 애노드 물질인 니켈-철 촉매 연구를 수행함. 최근 10여년간 이 분야에 대한 관심이 증가하기 시작하였고 촉매와 관련된 다양한 연구들이 많이 진행되었음. 그 결과, 고활성·고안정성의 니켈 기반 촉매들이 많이 보고 되었으며 특히, 니켈-철이 함께 사용되는 촉매의 경우, 알칼라인 산소 발생 반응에 대한 매우 높은 활성이 관찰됨. 그러나 이는 매우 제한적인 실험조건에서의 결과이고, 막 전극 집합체가 도입된 실제 수전해 시스템에서는 이리듐보다 낮은 성능과 안정성을 보여주는 상태임. 따라서 니켈-철 전극의 성능을 더욱 향상하기 위한 새로운 촉매 설계 방향 정립이 필요하며, 이를 위해서는 반응 활성 사이트 및 메커니즘 이해가 필요함. 본 연구에서는 실시간 분광학 장비를 이용하여 니켈-철 전극의 반응 활성 사이트 및 메커니즘 연구를 수행하고, 깊은 이해를 바탕으로 성능 향상을 위한 올바른 촉매 설계 방향 정립을 목표로 함.

□ 연구 목표대비 연구결과
- 실시간 분광학 분석 결과를 바탕으로 고성능/고안정성을 보여주는 표면 철 분순물의 화학종 파악
: in-situ/operando 방식으로 실험을 진행하기 위해 커스터마이징된 전기화학 셀을 제작하였고, 미량의 철 불순물들을 관측하기 위해 신호 세기를 강화시킬 필요가 있었기 때문에, 표면 증강 라만 산란법을 활용하여 철 불순물이 어떤 화학종으로 니켈 표면 위에 증착되는지 관찰함.

- 해당 철 화학종이 기존의 상용 니켈-철 옥사이드의 철 사이트보다 뛰어난 성능을 보여주는 원인 분석
: 전기화학 분석법을 활용하여 산소 발생 반응에 대한 전기화학적 특성을 분석하여 철 불순물로 구성된 본 촉매 표면 사이트의 높은 활성과 반응 메커니즘을 규명.

- 해당 철 화학종을 불순물의 흡착을 통해 무작위로 합성하는 방식이 아닌 충분히 제어 가능한 방식으로 합성할 수 있는 촉매 합성법 개발
: 전기화학적 방식으로 철 불순물 용액의 주입을 통해 표면 철 활성 사이트를 합성하는 방식은 철 활성 사이트를 제어하지 못하고, 내부(bulk) 침입에 의한 성능저하가 발생할 가능성이 있음. 이러한 문제점을 극복하고 표면 철 활성 사이트의 밀도를 높이기 위해 2-step 전기화학적 증착 방법을 이용한 새로운 니켈-철 전극 촉매 합성법을 개발함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구를 통해 밝혀진 니켈-철 전극 촉매의 반응 활성 사이트 및 반응 메커니즘은 알칼라인 산소 발생 반응 및 수전해 시스템의 비귀금속 촉매 설계에 있어서 새로운 방향을 제시할 수 있는 기초연구 결과라고 생각됨. 또한 본 연구진이 제시한 실시간 분광학 분석과 전기화학적 반응속도론을 도입하여 반응 활성 사이트와 메커니즘을 이해하는 접근법은, 단지 산소 발생 반응뿐만 아니라 타 전기화학 촉매 반응 연구에 충분히 활용 가능함. 산소 발생 반응은 수전해 시스템 외에 금속-공기 전지, 금속 전해 채취, 클로로-알칼리 공정 등 다양한 전기화학 공정에서 발생하는 반응이며, 이에 본 기본 연구결과는 국내외 여러 기업과 연구진들의 관심을 불러일으킬 수 있을 것으로 기대함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 연구개발의 목적 및 필요성 ... 4
• 1.2 연구 가설 및 최종목표 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 2.1 연구 방법 ... 5
• 2.2 연구 수행 과정 및 내용 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 10
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 10
• 2) 목표 달성 수준 ... 11
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 12
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 12
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 12
• 6. 자체점검표 ... 13
• 7. 참고문헌 ... 14
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 18
• 끝페이지 ... 21