60 공업화학 전망, 제20권 제3호, 2017
박 세 규(Sehkyu Park) 광운대학교 화학공학과 부교수
서울특별시 노원구 광운로 20 비마관 707호 E-mail: [email protected]
[약력]
1994–2000 광운대학교 화학공학과(공학사) 2000–2002 연세대학교 화학공학과(공학석사) 2002–2003 KIST 위촉연구원
2004–2008 University of South Carolina 화학공학과(공학박사) 2009–2012 Pacific Northwest National Laboratory (박사후연구원) 2013–현재 광운대학교 화학공학과(부교수)
[연구분야]
• 수전해/연료전지용 확산전극
• 산소환원 및 산소발생반응용 전기화학촉매 • 리튬전지용 전극소재
[관심 연구분야 소개] 에너지 디바이스용 산소촉매/전극개발
최근, 화석연료의 의존성을 낮추기 위해 재생에너지를 사용하여 물을 전해하고, 생산된 수소와 산소의 전기화학반응을 이용하여 전기를 발생시키는 수소-물 사이클 기술이 주목받고 있다. 일반적으로, 수소의 전기화학반응에 비해, 산소의 환원 및 발생반응속도가 현저하게 느려 연료전지 및 수전해 성능은 산소촉매 및 전극설계에 크게 영향을 받는다. 연료전지반응과 수전해에서는 산소반응을 향상시키기 위해 백금, 이리 듐 등과 같은 귀금속 나노촉매를 주로 사용한다. 따라서, 나노촉매의 로딩량과 전기화학적 활성면적을 증 가시키기 위해 비표면적이 넓은 탄소를 사용해왔으나, 연료전지구동 및 정지시 발생하는 반복적인 산화전 위노출 및 수전해시의 높은 작동전압으로 인하여 탄소부식이 심각하게 발생하는 사례들이 보고되어왔다.
탄소부식이 발생하게 되면, 나노입자 간 뭉침현상이 발생하고, 나노입자의 탈리현상이 발생하여, 산소반응 에 대한 안정성이 현저하게 감소하게 된다. 이러한, 탄소부식현상을 완화시키기 위하여 흑연화도가 높은 탄소나노튜브나 그래핀과 같은 물질이 지지체로 연구되어왔고, 최근에는 이러한 물질들의 분자구조상 결 함을 메워 산화전위에 대한 저항성을 높이면서, 동시에 나노촉매와 지지체 간의 상호작용을 향상시키는 금 속산화물-그래핀 또는 금속산화물-탄소나노튜브 복합지지체가 개발되기도 하였다[1-3]. 또한, 그래핀산 화물과 백금 및 이리듐 전구체가 섞인 용액을 분무열분해 기법을 사용함으로 구겨진 그래핀상에 백금-이
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KIC News, Volume 20, No. 3, 2017
KIC News, Volume 20, No. 3, 2017 61 리듐 합금입자를 형성하여 산소환원 및 산소발생반응에서 우수한 활성 및 내구성을 가진 가역연료전지용 산소촉매를 합성하기도 하였다. 한편, 기상의 산소가 전해질-전극계면으로 이동되거나, 혹은 전극으로부 터 배출되는 산소의 확산속도는 전극의 구조와 밀접한 관계를 가지고 있다. 연료전지의 경우 산소환원반응 에 의해 발생한 물이 전극 내에서 효과적으로 제거되어야 산소의 물질전달속도가 향상될 수 있고, 수전해 의 경우 산소기포가 잘 제거되어야 반응물인 물분자가 반응점에 도달할 수 있다. 이러한 산소의 물질전달 을 향상시키기 위해서 전기화학촉매의 설계뿐만이 아니라 촉매잉크조성 및 전극형성기술이 연구되었으며, 나아가 물의 이동을 촉진시키는 탄소종이 위에 미세기공층이 도포된 이중 확산층에 대한 실험 및 이론적 연구가 활발하게 진행되어 왔다[4,5]. 최근에는, 탄소종이 없이 미세기공층을 금속폼이나 메쉬와 같은 다 공성구조체에 직접 로딩하는 기술이 개발되어, 성능향상과 더불어 스택제작비가 절감될 것으로 예상된다.
따라서, 앞으로 예상되는 수소-물 사이클 시대를 대비하여, 산소촉매 및 산소전극설계 기술은 에너지 전환 및 저장기술에 중요한 연구분야가 될 것으로 기대된다.
(a)
(b)
(c)
(d)
출처 : [1] Journal of The American Chemical Society, 133, 2541-2547 (2011).
[2] Energy & Environmental Science, 5, 9331-9344 (2012).
[3]Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 42, 81-86 (2016).
[4]Electrochimica Acta, 54, 3473-3479 (2009).
Figure 1. (a) Schematic of a reversible fuel cell run in normal and reverse mode (water electrolysis ↔ fuel cell reaction)[2], (b) Pt catalyst supported on ITO-graphene composite[1], (c) Stability of Pt/ITO-CNT under accelerated stress test[3], and (d) Theoretical prediction of polarization characteristics that depends on average pore diameter of MPL loaded on carbon substrate[4].
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참고문헌
1. R. Kou, Y. Shao, D. Mei, Z. Nie, D. Wang, C. Wang, V. V. Viswanathan, S. Park, I. A. Aksay, Y. Lin, Y. Wang, and J. Liu, Stabilization of electrocatalytic metal nanoparticles at metal-metal oxide-graphene triple junction points, Journal of The American Chemical Society, 133, 2541-2547 (2011).
2. S. Park, Y. Shao, J. Liu, and Y. Wang, Oxygen electrocatalyst for water electrolyzers and reversible fuel cells: status and perspective, Energy & Environmental Science, 5, 9331-9344 (2012).
3. S. Park, Y. Shao, V. V. Viswanathan, J. Liu, and Y. Wang, Electrochemical study of highly durable cathode with Pt supported on ITO-CNT composite for proton exchange membrane fuel cells, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 42, 81-86 (2016).
4. S. Park and B. N. Popov, Effect of hydrophobicity and pore geometry in cathode GDL on PEM fuel cell performance, Electrochimica Acta, 54, 3473-3479 (2009).
5. S. Park, J.-W. Lee, and B. N. Popov, A review of gas diffusion layer in PEM fuel cells:
materials and designs, International Journal of Hydrogen Energy, 37, 5850-5865 (2012).
