Solid oxide fuel cells (SOFCs) have been highlighted as next-generation energy conversion devices due to their high conversion efficiency. However, their high operation temperatures cause several issues including high system costs and limited material selection. In this manner, surface modification techniques have been explored to improve the surface activity of air electrodes, aiming to reduce the operation temperatures of SOFCs. Previous methods, such as nanocatalyst decoration, surface coating, and acid etching, have been associated with limitations in terms of cost and time efficiency. In this thesis, alkaline leaching was proposed as a more straightforward strategy compared to the methods reported earlier. Under the application of an anodic bias within an alkaline solution, alkaline earth metal cations on the A-site in perovskite oxides selectively dissolve into the alkaline medium, the so-called leaching phenomenon. As a result, the surface of the perovskite oxide becomes enriched with transition metals, providing benefits for oxygen reduction reaction at the air electrodes. For the initial case study of alkaline leaching, PrBa$_{0.8}$Ca$_{0.2}$Co$_2$O$_{5+δ}$ (PBCC) was selected as the air electrode material as it has attracted considerable attention due to its outstanding electrode performance. Following alkaline leaching, an area-specific resistance of 0.018 Ω·cm2, representing a 5-fold enhancement in activity compared to that of the pristine PBCC electrode, was obtained. Various surface analyses confirmed the cobalt-rich and amorphous surface, which is known to be advantageous for reactivity.
고체산화물 연료전지는 뛰어난 변환 효율로 인해 수소 경제 사회에서의 에너지 변환 장치로 주목받고 있다. 상대적 저온에서의 느린 공기극 반응 속도는 고체산화물 연료전지의 높은 구동온도를 낮춤에 있어 해결해야 할 문제이다. 공기극의 반응성을 개선하기 위해 나노입자 도포, 표면 코팅 등 다양한 표면 개질 방법이 보고된 바 있으나, 각각 여러 단계의 열처리 과정과 복잡한 진공 장비가 필요하다는 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 기존 보고된 방법 대비 빠르고 상온 및 상압에서 진행 가능한 알칼라인 리칭을 새로운 표면 개질 전략으로 제시하고자 한다. 알칼라인 수전해 환경 하에서 페로브스카이트계 산화물에 산화 전위를 인가하면 알칼리 토금속 양이온이 선택적으로 녹아나오는 현상을 이용하여 공기극 표면에 전이금속을 풍부하게 노출시킬 수 있다. 본 연구에서는 알칼라인 리칭을 적용할 공기극 물질로 최근 높은 공기극 성능으로 주목받고 있는 PrBa$_{0.8}$Ca$_{0.2}$Co$_2$O$_{5+δ}$ (PBCC)를 선정하였다. 10분 간의 알칼라인 리칭 표면 처리 후 650 ⁰C에서 표면 처리 전에 비해 전극 반응성이 5배 향상되었음을 확인하였다. 또한, X-선 광전자 분광법, 주사 전자 현미경, 투과 전자 현미경 등 다양한 분석을 통해 공기극의 반응성 향상 원인을 조사하였다.
