초록 ▼

□ 연구개요
본 연구과제의 목표는 고성능 고내구성 음이온 교환 막 수전해를 위한 일체형 전극을 디자인하고 개발하는 것이다. 일체형 전극이란, 촉매층과 기체확산층을 하나의 전극으로 적용하는 개념이다. 현재 사용하는 종래의 전극은 촉매 입자가 빽빽이 적층된 구조로, 촉매의 이용률이 떨어지며, 전도성이 없는 고분자 바인더 사용으로 전자전달이 방해될 뿐만 아니라, 매우 작은 기공 구조가 물질전달을 어렵게 한다. 이러한, 종래 전극의 단점을 해결하고자 개발한 일체형 전극은 종래의 전극에 비해 높은 표면적을 제공하고, 일체화된 형태로 전

□ 연구개요
본 연구과제의 목표는 고성능 고내구성 음이온 교환 막 수전해를 위한 일체형 전극을 디자인하고 개발하는 것이다. 일체형 전극이란, 촉매층과 기체확산층을 하나의 전극으로 적용하는 개념이다. 현재 사용하는 종래의 전극은 촉매 입자가 빽빽이 적층된 구조로, 촉매의 이용률이 떨어지며, 전도성이 없는 고분자 바인더 사용으로 전자전달이 방해될 뿐만 아니라, 매우 작은 기공 구조가 물질전달을 어렵게 한다. 이러한, 종래 전극의 단점을 해결하고자 개발한 일체형 전극은 종래의 전극에 비해 높은 표면적을 제공하고, 일체화된 형태로 전자전달이 원활할 뿐만 아니라 큰 기공 크기로 인해 물질 전달이 개선되어 성능 및 내구성을 증대시키고자 하였다. 또한, 성능 및 내구성 증대의 원인을 분석하기 위해 수전해 구동 전/후의 물리적/화학적 특성을 분석하여 수전해 구동 메커니즘에 필요한 인자를 제시하고자 한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구과제의 연구 목표는 일체형 전극을 디자인하고 개발하여 성능 및 내구성 증대를 하는 것이었다. 최종적인 목표를 달성하기 위해 세 가지의 세부 목표를 세워 연구를 진행하였다. 먼저, 일체형 전극의 실제 장치 성능을 극대화시키기 위해 다른 구성요소인, 막, 촉매, 기체확산층 등에 대한 최적화 연구를 진행하였다. 최적화 연구를 통해 일체형 전극을 제외하고 다른 구성요소들의 최적의 인자를 수립하였다. 그 이후, 일체형 전극의 제조 과정 및 전극 내 필요한 인자들을 개발하였다. 일체형 전극을 제조하기 위한 one-step 전기전착법을 사용하여 일체형 전극의 제조 방법을 수립하였고, 전기전착법 구동 조건에 따라 다양한 인자를 포함하는 일체형 전극을 제조 및 성능 평가를 통해 고성능 고내구성 일체형 전극을 개발하였다. 해당 전극 적용시 종래 전극 대비 2배 이상의 성능 증대를 확인하였고, 현재 보고되지 않은 고전류밀도인 4000 mA cm^-2에서도 성능이 안정적으로 구동됨을 확인하였다. 전기화학적 평가에 그치지 않고, 수전해 구동 전/후 물리적 화학적 변화를 확인하여 수전해 구동 메커니즘에 있어 중요한 인자들을 확인하였다. 먼저, 일체형 전극은 뭉침 현상없이 균일하고 크랙이 없는 촉매층이 기판에 접합한 형태여야 하며, NiFeOOH 형태로 비정질 형태가 높은 성능을 나타냄을 확인하였다. 이를 통해 고성능 고내구성 수전해를 제작하기 위해 필요한 전극 구조를 보고하였고, 이 밖에 다양한 형태의 전극 구조 또한 개발하여 학계에 보고하여 총 6편의 SCI 논문 및 2개의 국내 특허를 출원하였다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구과제에서 개발한 일체형 전극을 기반으로 다양한 전극 구조를 개발할 예정이다. 먼저, 수전해 전극에 있어 촉매 나노입자가 아닌 균일한 촉매층이 기체확산층에 직접적으로 접합되어 있는 형태의 우수성을 확인하였기 때문에 전극 구조를 기초로 하여 다양한 후속 연구를 진행할 예정이다. 예를 들어, 니켈-철에 다양한 전이금속을 추가한 Ternary 합금을 일체형 전극에 적용하거나, 결정성/비정질 여부에 따른 성능 및 내구성 평가를 통해 음이온 교환 막 수전해에 필요한 촉매 특성을 분석할 예정이다. 이러한 후속 연구를 통하여 전극 구조만의 특성이 아닌 산소발생반응의 활성에 기여하는 촉매의 합금 효과나 결정성 효과를 도입한다면 현재 보고한 수치를 뛰어넘 는 전극을 개발할 수 있을 것으로 기대한다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1-1. 연구개발의 목적 ... 4
• 1-2. 연구의 필요성 ... 4
• 1-3. 연구가설 ... 5
• 1-4. 연구개발 범위 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 2-1. 1차 년도 ... 6
• 2-2. 2차 년도 ... 8
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 13
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 13
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• 3) 목표 달성 수준 ... 15
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• 4-1. 연구결과의 의미 및 중요성 ... 16
• 4-2. 연구과제의 기대효과 ... 16
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
• 5-1. 성과 관리 추진 체계 ... 17
• 5-2. 연구개발성과의 활용 분야 및 방안 ... 17
• 5-3. 추가연구의 필요성 ... 17
• 6. 자체점검표 ... 18
• 7. 참고문헌 ... 18
• 끝페이지 ... 39