Carbon-based catalysts for the fuel cell application have long been established as the most practical supporting materials due to their cost and conductivity. The commercially available Platinum on carbon (Pt/C) uses simple smooth-surface carbon with platinum nanoparticles (NPs) deposited on the surface. While Pt/C is cost-effective and has been shown to exhibit high power performance, its biggest limitation lies in the poor durability and high Pt usage. Our group synthesized graphitized polystyrene-based carbon (gPS) by carbonization at various temperature with an iron precursor as an alternative to the conventional smooth-surface carbon with comparable cell performance capabilities and superior durability. The MEA mass activity of the catalyst was 0.74 A/mgPt, which easily surpasses the commercial Pt/C by twofold. When comparing their durability, at 0.6V, gPS catalyst retained 72% of its performance while the Pt/C retained 60%. Interestingly, through the Raman analysis, with increasing carbonization temperature of polystyrene, defective carbon feature of the catalyst increased relative to the graphitic features. The MEA performance seemed to increase consistently with increasing carbonization temperature due to the higher distribution mesopores, and the higher kinetic activity compared to commercial Pt/C is likely attributed to the effects of improved dispersion from 3-5 nm carbon meso/micropores allowing strong anchoring between the carbon and the Pt alloy NP.
탄소 기반 전기촉매는 뛰어난 전도성과 저렴함을 가진 연료전지용 촉매 지지체 물질로 자주 사용되는 것으로 알려져 있다. 상용 백금/탄소 (Pt/C) 촉매는 매끈한 표면의 탄소 지지체위 백금 나노 입자가 담지 되어 있다. 상당히 저렴하고 높은 전력 성능을 보이는 상용 Pt/C이지만 이 촉매의 가장 큰 단점은 낮은 내구성과 높은 백금 사용량이다. 본 연구에서 탄화 온도를 조절해 폴리스타이렌 기반 흑연화 탄소를 얻어 상용 Pt/C를 대체할 촉매를 재작하였다. 해당 촉매는 0.74 A/mgPt으로 상용 Pt/C 보다 2배 이상의 MEA 성능을 달성한 바 있다. 추가로 gPS는 내구성 실험 후 0.6V에서 72%의 성능을 유지하는 반면, 상용 Pt/C는 더 낮은 60%의 성능을 유지해 뛰어난 내구성을 보인 바 있다. 흥미롭게도, 라만분석을 통해 탄화온도가 증가하면서 D-band 탄소의 비율이 G-band 비율보다 증가하는 경향을 관찰하였다. 탄화 온도가 증가 할수록 메소기공의 양이 증가해 MEA 성능도 증가하는 결과를 보고하였다. 상용 Pt/C보다 높은 고유성능의 원인은 3-5 nm 마이크로/메소 기공을 통해 탄소와 백금-전이금속 나노입자의 강력한 정착 효과와 그로 인해 균일한 나노입자 분산으로 추산하였다.
