Combinatorial high-throughput optical screening method was developed to find the optimum composition of highly active Pd-based catalysts at the cathode of the hybrid Li-air battery. Pd alone, which is one-third the cost of Pt, has difficulty in replacing Pt; therefore, the integration of other metals was investigated to improve its performance towards oxygen reduction reaction (ORR). Among the binary Pd-based catalysts, the composition of Pd-Ir derived catalysts had higher performance towards ORR compared to other Pd-based binary combinations. The composition at 88 : 12 at. % (Pd : Ir) showed the highest activity towards ORR at the cathode of the hybrid Li-air battery. The prepared $Pd_{88}Ir_{12}/C$ catalyst showed a current density of -2.58 mA $cm^{-2}$ at 0.8 V (vs. RHE), which was around 30 % higher compared to that of Pd/C (-1.97 mA $cm^{-2}$). When the prepared $Pd_{88}Ir_{12}/C$ catalyst was applied to the hybrid Li-air battery, the polarization of the cell was reduced and the energy efficiency of the cell was about 30 % higher than that of the cell with Pd/C.
본 연구에서는 조합화학기법을 이용하여 하이브리드 리튬공기전지에 적용할 고활성의 팔라듐 기반의 합금 촉매를 연구하였다. 팔라듐은 백금촉매보다 가격 면에서 경쟁력을 가지고 있으나, 팔라듐 단일촉매로는 백금촉매의 활성에 못 미치기 때문에 다른 전이금속과의 합금을 통한 접근이 필요하다. 따라서, 다른 전이금속과의 합금을 통해서 리튬공기전지의 충, 방전에 해당하는 산소환원반응과 산소생성반응의 활성도를 향상시킬 수 있는 최적의 조성을 갖는 합금촉매를 찾는데에 주안점을 두었다.
팔라듐을 기반으로 한 이성분계의 합금촉매 중에서 팔라듐과 이리듐의 조합에서 높은 산소환원 활성도를 보이는 것을 옵티컬 스크리닝과 멀티-일렉트로드 하프 셀 테스트라는 두 가지 조합화학기법을 통해서 확인하였다. 그 중 팔라듐과 이리듐의 원자비율이 88 : 12 인 조합 ($Pd_{88}Ir_{12}/C$)에서 가장 높은 산소환원 활성도를 보임을 확인하였고, 이를 실험군으로 선정하였으며, 대조군으로는 팔라듐 단일 촉매 (Pd/C)를 선정하였다.
이들의 직접적인 비교를 위하여 하프 셀 테스트를 진행하였고, 이를 통해 산소환원반응과 산소생성반응의 활성도를 평가하였다. 수소전극기준 0.8 V에서 전류밀도를 측정하였을 때, $Pd_{88}Ir_{12}/C$ 촉매는 -2.58 mA $cm^{-2}$의 값을 보였으며, 이를 통해 Pd/C 촉매 (-1.97 mA $cm^{-2}$)보다 약 30% 가량 높은 산소환원 활성도를 보임을 확인하였다. 또한, 수소전극기준 1.6 V에서 전류밀도를 측정하였을 때, $Pd_{88}Ir_{12}/C$ 촉매는 3.60 mA $cm^{-2}$의 값을 보였으며, 이를 통해 Pd/C 촉매 (0.61 mA $cm^{-2}$)보다 6배 가량 높은 산소생성 활성도를 보임을 확인하였다.
이어 진행된 하이브리드 리튬공기전지의 싱글 셀 테스트에서는 Pd/C 촉매보다 $Pd_{88}Ir_{12}/C$ 촉매를 사용했을 때, 셀 작동 시 과전압이 작게 발생함을 확인하였고, 충전과 방전 시의 전압차이가 줄어듬으로써 셀의 에너지 효율이 약 30% 가량 향상됨을 확인하였다. 또한, 0.5 mA $cm^{-2}$의 전류밀도로 셀을 구동시켰을 때 0.35 V의 충, 방전 전압차이가 나타났는데, 이는 기존에 보고된 논문들과 비교해보아도 두 배 가량 낮은 값을 보임을 확인하였다.
끝으로, 이 실험은 조합화학기법을 통하여 하이브리드 리튬공기전지에 적용 가능한 고활성의 촉매를 개발하는데 성공한 결과뿐만 아니라, 리튬공기전지에 처음으로 조합화학기법을 적용한 데에 의의가 있으며, 이 방법은 리튬공기전지의 촉매개발에 더욱 적용이 가능할 것으로 보인다.