산소환원반응을 위한 비귀금속 촉매로써 몰리브덴과 황이 도핑된 포르피리닉 탄소 나노 구조 = Molybdenum, sulfur co-doped porphyrinic carbon nanostructures for oxygen reduction reaction in an acid medium

국문 초록 (Abstract)

1964년 처음으로 유망한 비백금 촉매에 대해 논문이 발표되었는데 인간의 피에서 산소를 흡착하는 부분인 헤모글로빈의 heme이 그 예이다. heme의 포르피리닉(Fe, N, C로 구성된 거대분자)한 구조가 산소가 흡착되는 활성점으로 작용하는 것을 확인한 뒤 포르피린을 전구체로 열처리를 통해 합성한 물질이 높은 성능의 촉매라고 발표했다. 현재까지 발표된 비백금 촉매 중 포르피리닉 촉매가 가장 높은 활성을 나타내고 있지만 아직까지는 그 성능이 백금촉매에 미치지 못하여 세계적으로 연구가 활발히 진행되고 있다.
그리하여 본 논문은 비백금 촉매의 활성증가를 위해 포르피린 구조의 탄소계 물질에 비정형 MoS2를 첨가하여 산소환원반응 성능이 향상된 촉매를 합성하였다. 소량의 비정형 MoS2를 첨가하면 Mo와 S가 분해되어 Mo는 MoC를 형성하고, S는 S가 도핑된 포르피리닉 탄소계 촉매를 형성하게 된다. 최종적으로 합성한 촉매는 MoC가 형성됨과 동시에 그 위에 자라난 탄소로 인해 비표면적이 증가하여 기존에 포르피리닉 탄소계 촉매가 나타낸 946 m2/g의 비표면적보다 약 200 m2/g이 증가한 1107 m2/g 의 높은 비표면적을 나타냈다. 또한 S가 도핑되어 전기화학적 활성면적이 증가하는 결과를 나타내 기존의 포르피리닉 탄소계 촉매가 나타내던 184 F/g의 전기화학적 활성면적에서 비정형 MoS2가 첨가된 포르피리닉 탄소계 촉매는 약 40 F/g 정도 증가한 225 F/g을 나타냈다. 이러한 결과로 인해 비정형 MoS2가 첨가된 포르피리닉 탄소계 촉매는 포르피리닉 탄소계 촉매보다는 14 mV의 향상된 반파전위 결과와 48 mA/g의 비활성 향상을 나타냈다. 이는 전기화학적인 산소환원반응 촉매로서 상용화된 백금 촉매보다 반파전위가 34 mV 높은 값이며 0.9 V에서의 비활성도 90 mA/cm2 증가된 값이다. 합성한 촉매로 단위전지를 제작해 평가를 진행해본 결과 314 mW/cm2의 높은 최대전력밀도를 나타냈다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Polymer electrolyte membrane fuel cells are regarded as a major solution to environmental problems due to their higher energy conversion efficiencies than those of fossil fuels and zero-emission of pollution during the operation. However, although the Pt catalyst exhibited superior activity for oxygen reduction reaction (ORR), due to the scarcity of Pt and its lack of durability caused by poisoning effect, much effort has been made to reduce the utilization of Pt by alloying with second transition metal elements and developing novel non-precious metal (NPM) structures as an alternative for cathode catalysts.
In this thesis, to develop doped carbon nanostructures as NPM cathode catalysts, the nanocomposites were synthesized using SBA-15 and 5,10,15,20 - tetrakis (4 - methoxyphenyl) - porphyrin - Fe(III) chloride with different ratios of amorphous MoS2 precursor. From various analyses, it was found that during the pyrolysis at 900 oC under an N2 atmosphere, the amorphous MoS2 precursor was decomposed into Mo and S, facilitating the formation of graphene sheet-like carbon with MoC and doping of sulfur in the carbon. Especially, in the case of Mo/S/PC-10, most of the 10 wt% MoS2 precursor was decomposed, thus forming S-doped carbon which was grown on MoC phase without crystalline MoS2 phase. Furthermore, Mo/S/PC-10 exhibited enhanced ORR performance(specific activity of 1.23 mAcm-2 at 0.9 V and half-wave potential of 0.864 V), compared to a commercial Pt catalyst, due to heteroatom-doped carbon nanostructure with a fairly high specific surface area. In the polarization curve of the unit cell measured at 80 oC under an ambient pressure, Mo/S/PC-10 as a cathode catalyst exhibited a maximal power density of 314 mWcm-2 and current density of 280 mAcm-2 at 0.6 V

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 ⅵ
• 영문초록 ⅷ
• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 고분자 전해질 연료전지 4
• 1.2 비귀금속 촉매 9
• 제 2 장 실험방법 10
• 2.1 MoS2를 이용한 다원자 도핑된 다공성 탄소 나노 물질의 합성 10
• 2.2 구조 분석 11
• 2.3 전기화학 특성 분석 14
• 2.4 단위전지 평가 15
• 제 3 장 결과 및 고찰 16
• 3.1 구조적 특성 16
• 3.2 전기화학적 특성 33
• 3.3 단위전지 평가 분석 40
• 제 4 장 결론 44
• 참고문헌 45