연료전지의 산소환원반응을 위한 질소 도핑된 탄소나노섬유 기반 촉매 연구

국문 초록 (Abstract)

산소환원반응은 차세대 에너지 저장 및 변환 소자의 중요한 양극 반응이며, 특히 높은 에너지 밀도를 갖는 연료전지와 같은 소자에서 이용되고 있다. 산소환원반응은 연료전지의 음극에서 일어나는 반응과 비교하여 상대적으로 느리고 복잡한 반응이기 때문에 산소환원반응을 효과적으로 발생시킬 수 있는 합리적인 전기화학 촉매 설계가 필요한 실정이다. 일반적으로 느리고 복잡한 산소환원반응을 향상시킬 수 있는 촉매로는 백금 기반의 귀금속 촉매가 가장 많이 사용되고 있다. 하지만, 백금 기반의 귀금속 촉매의 경우 매장량의 한계, 비싼 비용 및 높은 과전압 손실등과 같은 치명적인 문제점들을 갖고 있다. 따라서, 백금 기반의 촉매를 대체하기 위하여 비백금 기반의 촉매로써 질소 도핑된 탄소 소재가 많은 관심을 받고 있다. 탄소 소재로는 그래핀, 흑연, 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유가 산소환원반응용 촉매의 후보로 각광받고 있으며, 이 중 탄소나노섬유는 1차원 구조의 나노섬유가 네트워크로 연결되어 있어 전자 이동 효율을 향상 시킬 수 있다. 탄소나노섬유는 물리적/화학적 안정성이 우수하며 넓은 비표면적 (> 300 m2 g-1) 및 높은 전기전도도 (102 S cm-1)를 보유하고 있다. 질소 도핑은 탄소 원자의 극성을 양전하를 갖도록 도우며, 이에 따라 산소 흡착력을 향상시켜 산소환원반응을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 연료전지 및 금속공기전지의 산소환원반응을 향상시킬 수 있는 비백금계 촉매로써 질소 도핑된 탄소나노섬유 기반의 전기화학적 촉매를 제조하였다.
첫 번째로 산소 흡착력을 향상시키는 탄화철을 질소 도핑된 탄소나노섬유 내부에 도입하기 위하여 전구체 담지법을 진행하였다. 전구체 담지법은 탄소나노섬유 내부에 최적의 탄화철 담지량을 조절하기 위하여 철 전구체의 양을 0.5 wt%, 1 wt% 및 2 wt%로 진행하였다. 준비된 샘플 중 철 전구체를 1 wt% 사용한 샘플이 -0.19 V의 반응시작 전위, -0.30 V의 반파 전위 및 3.77의 전자 이동 수로 향상된 산소환원반응 활성도를 보였다. 이러한 향상된 전기화학적 특성은 산소 흡착력을 증가시키는 탄화철이 탄소나노섬유 내부에 고르게 분산되었고, 높은 비율의 pyridinic-N은 전기화학적 촉매 활성을 위한 탄소의 전자 공여 특성을 증가시켰기 때문이다. 또한, 전기화학적 안정성을 평가하였을 때, ~8 mV의 가장 적은 반파전위 감소 값을 보이는데, 이는 질소 도핑된 탄소나노섬유가 산소 흡착력을 향상시키는 탄화철의 부식을 보호하였기 때문이다.
두 번째로 질소 도핑된 탄소나노섬유에 산소환원반응 활성 면적을 증가시키기 위하여 다공성 구조를 도입하였고, 산소 흡착력을 향상시키기 위하여 불소 및 철원자를 추가적으로 도입하였다. 질소, 불소 및 철 도핑된 다공성 탄소나노섬유는 ~0.89 V의 반응시작전위, ~0.81 V의 반파전위, 0.6 V에서 -4.76 mA cm-1의 전류밀도 및 4-전자 환원반응으로 우수한 산소환원반응이 관찰되었다. 특히, 상용백금촉매와 비교하여 ~11 mV의 반응시작전위, ~10 mV의 반파전위 및 ~0.06 mA cm-2의 전류밀도 차이가 관찰되었다. 이러한 향상된 산소환원반응 활성도는 다공성 구조를 통한 산소환원반응 활성 면적의 증가, 철 원자와 결합된 질소의 거대고리, 불소 원자의 도입으로 인한 pyrridinic-N과 pyrrolic-N의 높은 비율 및 불소 도핑 중 산소환원반응이 가장 활발한 이온성 C-F 결합의 높은 비율에 기인한다. 또한 질소, 불소 및 철 도핑된 다공성 탄소나노섬유는 ~9 mV의 반파전위 감소 값으로 높은 장기 안정성을 보이며, 메탄올-크로스오버 내구성 또한 매우 우수하다. 이는 철 원자와 결합된 질소 거대고리가 전기화학 안정성에 향상을 도움을 주었고, 질소 도핑된 탄소 기반의 전기화학 촉매는 메탄올과 반응하지 않기 때문이다.
따라서, 본 논문에서 소개한 비백금계 촉매의 연구는 앞으로 사용할 연료전지 양극 촉매 적용에 도움이 될 것이라고 믿는다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론
• II. 이론적 고찰
• 1. 연료전지
• 1) 연료전지의 원리 및 종류
• 2) 고분자전해질 막 연료전지
• 3) 직접 메탄올 연료전지
• 2. 산소환원반응
• 1) 산소환원반응의 원리
• 2) 백금 촉매
• 3) 비백금 촉매
• 4) 질소 도핑된 탄소
• 3. 전기방사법
• 1) 전기 방사법의 원리
• III. 실험 장치 및 실험 방법
• 1. 전극 소재의 합성
• 2. 전극 소재의 구조 분석
• 3. 전극 소재의 전기화학적 특성 분석
• IV. 실험 결과 및 고찰
• 1. 탄화철 담지 및 질소 도핑된 탄소나노섬유
• 2. 질소, 불소 및 철 도핑된 다공성 탄소나노섬유
• V. 결 론
• 참고문헌
• 영문초록(Abstract)
• 감사의 글