알칼리 수전해를 위한 blue TiO2 나노튜브 전극의 제조 및 전기화학적 활성 분석

국문 초록 (Abstract)

알칼리 수전해는 고순도의 수소를 친환경적으로 생산해 낼 수 있는 효율적인 방법중의 하나이다. 현재 알칼리 수전해 시스템의 산화전극으로는 DSA(Dimensionally Stable Anode)전극이 널리 사용되고 있다. 하지만 DSA전극은 복잡한 제조공정을 통해 만들어지고, RuO2와 IrO2 등의 귀금속 촉매를 사용하기 때문에 가격이 비싼 단점이 있다. 최근 이러한 DSA전극을 대체하기 위한 방안으로 전기변색을 이용하여 제조한 파란색 혹은 검정색을 띠는 티타늄 산화물이 전극물질로써 연구되고 있다. 이러한 티타늄 산화물은 귀금속 촉매 없이 그 자체로도 전기촉매적 활성을 나타낸다. 또한 티타늄은 양극산화법을 이용하여 나노튜브 구조를 만듦으로써 전극 활성면적을 넓힐 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 알칼리 수전해 시스템의 산화전극으로써 blue TiO2 nanotube array(NTA)의 전기촉매적 활성과 안정성을 조사하였다. Blue TiO2 NTA는 짙은 파란색을 띠는 티타늄 산화물로, anatase TiO2 NTA의 비가역적인 전기변색 반응을 통하여 만들어진다. 나노튜브의 길이와 튜브 기공의 크기변화에 따른 oxygen evolution reaction(OER) 활성을 측정하였다. DSA전극과
ii
비교해서는 OER반응에 대한 과전압이 높게 나타났지만 나노튜브의 길이가 증가할수록, 튜브 기공의 직경이 커질수록 OER 활성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 전기분해가 진행될수록 OER 활성이 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 이 때 전극의 파란색이 점점 옅어지는 전극으로써의 내구성 문제가 존재하였다. 이를 해결하기 위해 성능 회복 실험을 진행하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction…………………………………………… 1
• 2. Theoretical background ………………………………… 3
• 2.1. Alkaline water electrolysis ………………………… 3
• 2.2. TiO2 nanotube array (NTA) ……………………… 4
• 2.3. Electrochromism of TiO2 ………………………… 6
• 3. Experimental ……………………………………………7
• 3.1. Fabrication of blue TiO2 nanotube array (NTA)………7
• 3.2. Characterization ……………………………… 8
• 3.3. Measurement of electrochemical activity ……… 9
• 4. Results and discussions …………… 10
• 4.1. Blue TiO2 NTA ………………………………… 10
• 4.2. The effect of anodization time and applied voltage … 17
• 4.3. Regeneration of blue TiO2 ...................... 26
• 5. Conclusions …………………………………… 29
• 6. References …………………………………… 31