초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
• 본 연구에서는 에너지 변환 및 저장 기술을 위한 효율적인 다기능 촉매 개발에 중점을 두고 비용효율적인 전이 금속을 사용하여 깨끗하고 지속 가능한 에너지 생산 효율을 높이기 위해 간단하고 친환경적이며 비용 효율적인 합성법을 사용하고자 함.
[개발 목표]
• 수전해 전극 성능: 전극전압 (<1.55 V@10 mA cm²); 사이클 안정성: 2000 CV 사이클 후 85% 과전위 유지; 안정성: 30시간의 안정성 테스트 후 전류 밀도를 80-90% 선으

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
• 본 연구에서는 에너지 변환 및 저장 기술을 위한 효율적인 다기능 촉매 개발에 중점을 두고 비용효율적인 전이 금속을 사용하여 깨끗하고 지속 가능한 에너지 생산 효율을 높이기 위해 간단하고 친환경적이며 비용 효율적인 합성법을 사용하고자 함.
[개발 목표]
• 수전해 전극 성능: 전극전압 (<1.55 V@10 mA cm²); 사이클 안정성: 2000 CV 사이클 후 85% 과전위 유지; 안정성: 30시간의 안정성 테스트 후 전류 밀도를 80-90% 선으로 유지.
• Zn-Air 성능: 1.35~1.5 V 높은 개방 회로 전위; 대형 전력 밀도: > 120 mW cm^-2; 내구성: 200시간 작동 후 90-95% 충전/배출 전류 밀도 유지.

◼ 전체 내용
• [1차년도] 고효율 수전해 전극 소재 개발
- CoPx-MOF/ 3D TiN NRs 소재 합성
- 합성 공정 최적화를 통한 촉매활성 극대화
- 제작 전극 소재의 특성 및 구조 분석
• [2차년도] HER, OER, ORR 성능 향상 및 자립형 전극 개발
- 전체 수전해 반응 및 Zn-air 전지의 HER, OER, ORR 반응의 촉매 활성 조사
- HER 반응 과전위 (≤200 mV@10 mA cm^-2), OER 반응 과전위 (≤ 300mV@10 mA cm^-2), ORR 시작전압 (≤ 0.95V) 및 내구성 (85-90%, 30시간 구동 후) 달성을 위한 소재 개질
- Os NPs/3D-NiP_x, NTs 기반 자립형 3차원 전극 개발
• [3차년도] 개발전극 성능 최적화 및 수전해전지와 Zn-air 전지 응용
- 3차원 NiPx NTs 표면 Os 나노로드/나노입자 성장 및 이를 활용한 자립형 3차원 수전해 촉매 전극 개발
- HER 반응 과전위 (≤200 mV@10 mA cm^-2), OER 반응 과전위 (≤ 300mV@10 mA cm^-2), ORR 시작전압 (≤ 0.95V) 및 내구성 (85-90%, 30시간 구동 후) 달성을 위한 소재 개질
- 수전해조 및 Zn-air 전지 적용 및 성능 조사

□ 연구개발성과
• 수전해와 연료전지용 고효율 전기촉매를 개발하기 위해 간편한 수열합성공정을 통해 COP_x-MOF/3D TiN NRs 기반 자립형 전극을 개발함.
• 탄소직물 표면 전면에 균일하게 TiO₂를 성장시키는 합성 공정 조건 확립 및 COP_x-MOF 하이브리브화 공정을 통해 다차원의 계층형 구조를 갖는 이종구조 복합 수전해 촉매를 개발함.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
• 이종금속 복합화를 통해 전이금속 기반 하이브리드 소재 고유한 촉매 활성도를 향상시킴으로써 수소전환 촉매반응 효율을 향상시켜 수소 에너지 생산 효율을 향상시킬 것으로 고려됨. 또한 동일한 반응에 기반을 둔 에너지 변환 및 저장 기술을 위한 효율적인 다기능 촉매로 적용이 가능할 것으로 기대됨.
• 간단한 합성법, 저가의 전이금속 사용, 우수한 촉매 활성 및 내구성을 고려할 때 제안된 다차원 이종구조 수전해 촉매는 기존의 수전해 산업의 경제적, 기술적 애로사항을 동시에 해결할 수 있는 유망한 수전해 촉매 소재 후보로 크게 주목 받을것으로 기대됨.

(출처 : 요약문 2p)

Abstract ▼

1. 연구개발과제의 개요
• Wide examinations for the development of clean and sustainable energy in future energy conversion and storage technologies have been promoted by the increasing environmental problems and gradual scarcity of fossil fuels. To enhance energy utilization rate, as well as output power,

1. 연구개발과제의 개요
• Wide examinations for the development of clean and sustainable energy in future energy conversion and storage technologies have been promoted by the increasing environmental problems and gradual scarcity of fossil fuels. To enhance energy utilization rate, as well as output power, of these green technologies, reducing input voltage supplied to their key electrochemical reactions, such as oxygen reduction reaction (ORR), oxygen evolution reaction (OER), and hydrogen evolution reaction (HER) is strictly necessary. Zinc (Zn)-air battery has the advantages of high theoretical energy density, eco-friendliness, and quite safely; however, its commercialization is still inhibited by the slow rate of ORR and OER. While water splitting, as effective method of green hydrogen fuel production, is also hampered by the sluggish speed of HER and OER.
• In this context, transition metal-based materials, as a new group of cost-effective alternatives, have emerged and drawn considerable research attention in recent years. Among promising candidates, transition metal phosphides (TMPs) are recognized as efficient multi-functional electrocatalysts for both overall water splitting and Zn-air battery because of their various crystalline phase, tunable electronic structure, desirable catalytic properties, earth abundance, and sufficient stability.
• In particular, some of TMPs including cobalt phosphide (CoPx) and nickel phosphide (NiPx) have been recently found to be promising catalysts for these key electrochemical reaction and widely examined in energy conversion and storage technologies. It has been recognized that the theoretical design of the catalyst first before manufacturing the catalyst is necessary. Thus, numerous theoretical studies are performed for TMPs, and demonstrate that TMPs have a high density state near the Fermi level, meaning their high conductivity for the catalytic applications of electron transfer. TMPs also possess favorable hydrogen adsorption energy, which is close to the optimal value (0 eV). Furthermore, theoretical calculations show that during the OER process, TMPs give a low overpotential, boding well tuning water to oxygen. Theoretical studies prove that the ORR behaviors of TMPs are mainly driven by the energetics of the ORR intermediates on their surface as well.
• The challenge is that the catalytic performance of CoPx and NiPx need the more improvement to met the demands for rivalling the high performance of noble metal-based catalysts. The key to overcome this challenge bases on hybridization of these metal phosphides with other catalytic materials, such as titanium nitride (TiN) nanorods and osmium(Os) nanoparticles/nanodots, through synergistic effects to generate expected nanostructures and desired catalytic efficiencies. It is expected that the proposed catalysts have both respective advantages of their components and also coupling chemical effect between two metal components, which will optimize their electronic structure and thus adjusting their capability for intermediate adsorption and/or desorption during the process of ORR, OER, and HER toward remarkably improving performance of water splitting and Zn-air battery.

(source : 본문 5p)

목차 Contents

• COVER ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 8
• 1) 연구수행 결과 ... 8
• 2) 목표 달성 수준 ... 8
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 8
• 5. 연구개발성과 및 활용 계획 ... 9
• 1) 연구성과 ... 9
• 2) 연구성과 활용계획 ... 9
• 6. 참고문헌 ... 9
• End of Page ... 9