Carbon-based materials, especially N-doped carbon, have been highlighted as non-precious metal catalysts for oxygen reduction reactions (ORRs) due to their high methanol？CO tolerance and good durability compared to commercially available noble metal catalysts. In alkaline media, various carbon-based catalysts have been developed and they show comparable ORR activities to that of Pt. However, despite their rapid advance, carbon-based catalysts have exhibited much lower ORR activities than that of Pt in acidic media. Therefore, an enhancement of the ORR activity of the carbon-based catalysts is one of the most important topics in the research on polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), which are operated in the acidic environment. Among the various carbon materials, graphene has enabled significant advances in energy conversion and storage technologies due to its unique properties derived from the two-dimensional layered structure of $sp^2$ -hybridized carbon. In this study, various methods including doping of heteroatoms, hybridizing graphene with other carbon materials, and size controlling were applied to enhance the ORR performance of graphene-based catalysts. Additionally, synthesized graphene-based catalysts were applied into high-temperature PEMFC for the first time.
질소가 도핑된 탄소기반 산소환원 촉매는 높은 내구성과 메탄올 또는 일산화탄소에 대한 뛰어난 저항력을 가지므로 귀금속을 대체할 물질로서 각광받아왔다. 알칼리성 분위기에서는 현재 상용 촉매인 백금촉매와 비교할만한 높은 산소환원 활성을 갖는 탄소기반 물질들이 개발되었으나 산성 분위기에서는 아직까지 백금에 비하면 그 성능이 낮은 것이 사실이다. 그러므로 산성 분위기에서 높은 산소환원 활성을 보이는 탄소기반 촉매를 개발하는 것이 고분자 전해질 막 연료전지 양극 촉매 개발분야의 중요한 점이라 할 수 있다. 다양한 탄소기반 촉매 중에서 그래핀은 높은 전기 전도성, 넓은 표면적 등과 같은 고유의 특성으로 인해 특히 주목을 받았다. 본 연구에서는 이러한 그래핀의 성능을 증가시키기 위하여 이종원소의 도핑, 다른 탄소물질과의 결합, 그리고 그래핀의 크기 조절과 같은 다양한 방법을 사용하여 높은 산소환원 활성을 갖는 그래핀 촉매를 개발하였다. 추가적으로 개발된 그래핀 촉매들을 고온형 고분자 전해질 막 연료전지에 적용하였다.
