초록 ▼

□ 연구개요
본 연구는, 기존 습식 제조방법 대비 균일한 크기의 촉매입자를 대용량으로 제조가 용이한 Fluidized Bed Reactor Atomic Layer Deposition (유동층 반응기 원자층증착법; FBR-ALD)을 이용하여, 원자단위의 선택적 증착과 선택적 식각을 통해 촉매 특성을 극대화할 수 있는 나노 구조화된 촉매를 구현하고, 고내구성 구현을 위한 in-situ 표면 보호층 기술이 적용된 새로운 고효율 촉매 제조 핵심 기술을 개발하기 위한 것임.

□ 연구 목표대비 연구결과
- 세부목표1(F

□ 연구개요
본 연구는, 기존 습식 제조방법 대비 균일한 크기의 촉매입자를 대용량으로 제조가 용이한 Fluidized Bed Reactor Atomic Layer Deposition (유동층 반응기 원자층증착법; FBR-ALD)을 이용하여, 원자단위의 선택적 증착과 선택적 식각을 통해 촉매 특성을 극대화할 수 있는 나노 구조화된 촉매를 구현하고, 고내구성 구현을 위한 in-situ 표면 보호층 기술이 적용된 새로운 고효율 촉매 제조 핵심 기술을 개발하기 위한 것임.

□ 연구 목표대비 연구결과
- 세부목표1(FBR-ALD의 Carbon 분산조건 최적화 및 Carbon 표면상 Pt ALD 기본조건 확립) : 저밀도의 Carbon 촉매 담지체에 대한, Carbon 분산도 향상을 위하여, 균일 유동이 가능하도록, 전처리 공정 개발을 통해, Micro-agglomerated Carbon을 이용한 방법론을 확보하였으며, 이를 통한 FBR-ALD를 진행한 결과, Carbon 유실이 최소화된 상태에서 균일한 Pt 촉매 합성이 가능한 기본조건을 확보 완료.
- 세부목표2(Pt촉매입자 밀도/크기/분포 제어기술 확립을 통한 촉매특성 최적화 및 A-few layer FBR-ALD in-situ Protective Layer 소재 공정 확립): 고밀도의 Pt 촉매 합성을 위하여, 최적화된 Carbon 담지체 선정 및 최적화를 진행하였으며, 다양한 전처리 방법들을 비교 평가하여, 동일한 Pt Loading 상태에서 더 우수한 촉매특성을 나타낼 수 있는 최적 조건을 확보하였음. 이를 통해, Commercial 촉매 대비 동일 QH 확보를 위한 Pt 사용량을 약 46% 저감할 수 있는 기술을 개발함. 또한, in-situ 공정이 가능한 ALD protective layer 공정을 적용하여, 1000cycle 진행후에도 성능을 유지할 수 있는 보호층 공정을 개발 완료함.
- 세부목표3(FBR-ALD를 활용한 Pt-based Bimetallic Alloy 촉매 제조 기술 및 M metal Selective ALE 기술의 확립): FBR-ALD를 통한 PtRu 및 PtNi계 Bimetallic Alloy 촉매 합성기술을 개발하였으며, Pt의 사용량을 저감하면서도, HOR 및 ORR Activity를 향상시킬 수 있는 Bimetallic Alloy 조성을 확보완료하였음. 또한, 4차년도 개발을 위한 선행기술로서, selectiveetching이 가능한 공정의 기초탐색을 진행하였으며, Ru 및 ZnO의 selective etching 방법을 확보함.
- 세부목표4(Atomic Crafting (Supercycle Design/Selective Atomic Layer Etching)을 통한 Pt-based Bimetal Alloy 촉매의 Nanostructuring 기술 확립 및 MEA 최적화): Supercycle design 및 selective ALE를 통한, 촉매의 나노구조화를 진행하고 촉매의 특성을 개선하고자하였음. 먼저, 3차년도의 PtNi계 Alloy 촉매의 조성을 Pt:Ni의 비율을 3:1 이상으로 조절하여, Pt-rich 조성을 제작하고 열처리를 통해, Pt-Skin/Pt3Ni 촉매를 합성할 수 있는 공정을 개발함. 본 촉매를 활용하여 MEA 제작 평가를 진행한 결과, 0.6V에서 1.81A/cm2의 Current density를 확보하고, 우수한 내구성을 확보할 수 있었음. 또한, Pt-ZnO 계층구조의 촉매를 합성후, ZnO의 selective etching을 통해, 동일 Pt양에서도 우수한 ECSA 특성을 얻을 수 있는 surface roughened 구조 촉매(Pt skeleton) 촉매를 합성할 수 있는 조건을 확보함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
- 본 연구는 PEMFC 연료전지에 성공적인 상용화를 위해 필수적인 백금 촉매의 문제점(높은 Pt Loading에 따른 고비용, 오랜 생산 기간 및 불균일성 등)을 해결하기 위한 것으로, 균일하고 고표면적을 가지는 촉매 층 형성이 가능한 FBR-ALD 공정기술 적용을 통해, 기존 Pt/C 촉매에서의 Pt 함량 저감 및 Atomic Crafting을 통한 촉매의 Nanostructuring을 적용하여, Pt 사용량을 저감하면서도 우수한 촉매특성의 구현이 가능하며, 제조시간을 크게 줄일 수 있으므로 미래 연료전지의 상용화를 위한 핵심기술로서의 활용 가능함.
- 또한, 본 연구에서 진행된 촉매 제조 방법을 보다 확대하여, Single Atom Catalyst, High Entropy Alloy Catalyst 등으로 활용분야를 확대하여 진행할 예정이며, 촉매 분야에서 나아가 타분야(기능성 나노소재 제작 및 자성 입자 성능개선) 등으로 응용분야를 확대해 나가고자 함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 연구개발의 최종 목표, 필요성 및 범위 ... 4
• 2) 연차별 연구개발 목표 및 내용 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• ① 1차년도 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• ② 2차년도 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
• ③ 3차년도 수행 과정 및 수행 내용 ... 10
• ④ 4차년도 수행 과정 및 수행 내용 ... 13
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 16
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 16
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• 3) 목표 달성 수준 ... 17
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 18
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 18
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 6. 자체점검표 ... 19
• 7. 참고문헌 ... 19
• 끝페이지 ... 33