The effect of the co-insertion of boron and nitrogen into carbon atoms on oxygen reduction reactions was investigated employing commercially available activated carbons. With the inexpensive B and N doping precursors of boric acid and urea, heteroatom-doped carbon materials were synthesized under varying pyrol-ysis temperatures and mixing ratios of the precursor to activated carbon (AC). According to electrochemical and structural analyses, the heteroatom was doped into the carbon lattices at 1,000 oC, whereas annealing temperatures below 850 oC could not achieve the doping. It is striking that the BN co-doped AC show much higher doping contents than the B or N single-doped AC despite the use of the same amounts of doping pre-cursors as in the single doping case. The electrochemical analysis indicates that higher B or N doping contents enhance the level of ORR activity with the four-electron pathway, especially for BN co-doping case due to the formation of B-N-C bonds. The results of this study demonstrate the potential of heteroatom-doped AC as a cost-effective alternative for oxygen reduction reactions in fuel cells.
연료 전지는 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 전환하여, 효율적인 대체 에너지 기술로 현재 연구되고 있다. 연료 전지의 작동에 있어 환원 전극에서 일어나는 산소 환원 반응이 속도 결정 반응으로 작용하며, 결과적으로 전체적인 전지의 성능을 좌우한다. 따라서 산소 환원 반응을 향상시키기 위한 전극 촉매 재료에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 일반적으로 효율적인 성능을 보인다고 알려진 백금 금속 촉매의 경우 그 가격과 희소성 때문에 상업적 이용에는 한계가 있는 현실이다. 따라서 비교적 값싼 금속 촉매나 혹은 더욱 저렴한 탄소 재료를 활용하기 위한 방안이 많이 연구되고 있다. 본 연구는 그 중 탄소 재료, 그 중에서도 저렴하고 구하기 쉬운 활성탄을 산소 환원 반응을 위한 전극 촉매로 활용하고, 붕소와 질소 동시 도핑을 통해 그 활성을 향상시키기 위한 방안을 제시한다.
원소 분석 결과에 따르면 활성탄을 붕소 및 질소 전구체와 함께 1000도에서 열처리하는 것만으로 붕소 및 질소가 다량 도핑 되었다. 전기화학적 분석에 의해 도핑된 붕소와 질소가 산소 환원 반응 활성에 긍정적 영향을 미침을 확인하였고, 특히 두 원소가 동시 도핑될 때 뛰어난 활성을 보였다. 동시 도핑 과정에서 B-N-C 결합이 생성된다는 사실이 구조 분석을 통해 유추 가능하며, 결과적으로 이 결합이 산소 환원 반응 활성을 향상시키는 주된 요인으로 분석되었다.
이 결과는 활성탄에 붕소와 질소를 동시에 도핑하는 간단한 공정을 통해 산소 환원 반응에 대한 활성을 향상시킬 수 있음을 보였으며, 동시에 활성탄이 저렴하고 구하기 쉬운 연료 전지 환원 전극 재료로 활용될 수 있는 가능성을 시사한다.
