마이크로파 폴리올법을 이용한 PtCo/C 공기극 촉매 개발

Abstract

Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) has some problems that are reduction of total efficiency due to slow oxygen reduction reaction (ORR), large loading amount of Pt, and decrease of electrochemical active surface area of Pt caused by the adsorption of OH on Pt. Many studies have been performed in order to reduce the loading amount of Pt and improve the activity of ORR. In this study, Co that is one of transition metals was chosen to enhance the activity of ORR. The PtCo/C alloy catalyst was prepared by microwave polyol method instead of conventional polyol method. The microwave polyol method was suggested to give higher degree of alloying and higher efficiency of preparation than the conventional polyol method. The microwave polyol method made it possible for fast, simple and uniform heating and good energy efficiency. Using the microwave polyol method, four different variables were chosen for the best condition of catalyst preparation. They are pH, heating rate, reaction time, and heat-treatment temperature. The optimum concentration of NaOH in the solution was 6 mM balancing an opposite tendency between electrochemical active surface area (EAS) and OHads desorption potential. The heating rate by 300W which is the maximum power of the employed microwave reactor gave the highest ORR activity due to the increase of the degree of alloying. The best reaction time was two minutes which was the time for complete reduction without significant sintering of metals. The heat-treatment in the H2 atmosphere was performed to increase the degree of alloying of the PC-300W(2) catalyst which showed the best ORR activity. The PC-300W(2)-500 catalyst heat-treated at 500 ℃showed the best activity among the PC-300W(2) catalysts heat-treated at various temperatures. The PC-300W(2)-500 catalyst showed 3.8 times higher activity than a commercial Pt/C catalyst.

고분자전해질막 연료전지는 공기극에서 발생하는 느린 산소환원반응으로 인한 전체효율의 감소, 주 촉매로 사용되는 백금의 높은 담지량, 그리고 백금 표면 위에 흡착된 OH에 의한 활성 표면적 감소 등의 문제점을 가지고 있다. 그리하여 백금의 사용량을 줄이고 산소환원반응의 활성을 증가시키기 위한 연구들이 진행되고 있으며 전이금속들을 백금과 함께 합금으로 이용하여 활성을 증가시키는 연구들이 진행되고 있다.

본 연구에서는 전이금속 중 하나인 Co를 사용하여 PtCo/C 합금촉매를 제조하였다. 또한 기존의 폴리올환원법보다 높은 합금화도와 제조효율의 상승효과를 기대하며 마이크로파를 이용한 폴리올환원법으로 촉매를 제조하였다. 마이크로파를 이용한 폴리올환원법은 기존 폴리올환원법에 비하여 균일하고 빠른 가열이 가능하며 에너지 효율이 좋으며 간편한 제조가 가능하였다. 마이크로파를 이용한 폴리올환원법에선 pH, 승온속도, 반응시간, 열처리 온도등 4가지 조건을 변화시켜가며 촉매를 제조하였다. pH의 경우에는 반응물에서 NaOH의 농도가 6 mM일 때 제조한 촉매가 가장 좋은 활성을 보였다. 이는 활성표면적과 OHads 탈착전압 사이의 반대 성향으로 인해 나타난 최적의 값으로 생각된다. 마이크로파의 출력을 조절하여 승온속도를 변화시킨 경우, 본 실험 장치의 최대 출력인 300 W에서 가장 좋은 활성을 보였으며 이는 빠른 승온속도가 Pt와 Co의 환원력 차이를 줄여 보다 높은 합금화도를 갖게 하였기 때문이었다. 앞서 찾은 두 최적 조건들을 고정시킨 채 반응시간을 조절하여 실험을 진행하였고, 그 중 2분일 때 가장 좋은 활성을 나타내었다. 2분 이하인 경우는 금속의 환원이 충분히 일어나지 않았으며 2분 이상인 경우는 금속들의 뭉침현상이 일어나 활성이 저하되었다. 마지막으로, 가장 좋은 활성을 보였던 PC-300W(2) 촉매의 합금화도를 증가시키기 위해 수소분위기에서 열처리를 수행하였다. 그 결과, 500 ℃에서 열처리된 촉매가 가장 좋은 활성을 보였다. 이렇게 제조된 최종촉매인 PC-300W(2)-500 촉매는 상용 Pt/C 촉매에 비해 3.8배 좋은 활성을 나타내었다.