Ordered porous nanostructures are attractive for various electrochemical applications because of their structural advantages: relatively large surface areas, interconnected pores, and high diffusion rates of reactants. First, the three dimensional carbon supports, decorated with platinum nanoparticles, were made by the supported alumina shell carbonization process of the SU8 photoresist. The differences between the shrinkages of the alumina and the photoresist made the large porosity on its surface, and the platinum nanoparticles decorated the carbon supports successfully by the confined activation process. Second, hierarchically porous platinum nanostructures were derived from the dealloying process of nickel-rich $Ni_{80}Pt_{20}$ alloys. The nickel and platinum atoms moved during the dealloying process, and there were tiny nanopores because of the slow surface diffusion rate of platinum. The hierarchically porous platinum nanostructures were free from the degradation of the carbon supports and reduced the amount of platinum per unit area. Herein, we fabricated these two nanostructured electrocatalysts and saw the possibility of the usage for fuel cell electrodes by the oxygen reduction reaction test. We expected that compared with the conventional electrocatalysts, these ordered porous nanostructures improve the effective porosity, the mass transfer, and the water management owing to their structural advantages. Moreover, the pores on the hierarchically porous nanostructures are totally interconnected; therefore, they were expected to enhance the electrical conductivity, electrochemical surface area, and platinum utilization.
본 연구에서는, 근접장 나노패터닝 기술을 이용하여 정렬된 3차원 다공성 전극소재 개발을 통한 고분자 전해질 연료전지의 효율 극대화를 목표로 하였다. 이는 비교적 넓은 반응 표면적, 반응물과 부산물의 원활한 흐름을 가능케 하여 다양한 전기화학적 응용이 가능하다. 첫 번째로 감광물질인 SU8을 이용한 정렬된 3차원 나노구조체를 제작한 후, 알루미나의 원자층 증착을 통해 고온에서도 구조를 유지한 채 탄화시키는 방식으로 전극의 탄소 지지체를 제작하였다. 증착 된 알루미나를 제거한 탄소 지지체는 약 20 S/cm의 전도도를 가지고. 여기에 고립계 활성화 방법을 통해 백금 나노파티클을 부착 시켰다. 두 번째로 SU8 3차원 나노구조체를 주형으로 백금-니켈 합금을 도금하여 역상의 구조체를 얻었다. 여기서 산의 반응성을 이용한 탈성분 부식을 통해 니켈을 지워 냄으로써, 구조체 내에 수 나노미터 크기의 기공들을 형성시켜 반응 표면적을 극대화 시켰다. 탈성분 부식 이후, 결정성이 크게 감소하였으나 열처리를 통해 결정성 향상 가능성을 확인하였으며 열처리에 의한 기공의 막힘 현상과 더불어 전극의 효율 향상을 위한 최적화 공정이 추가로 필요하다. 제작된 두 가지 전극 소재를 이용하여 산소환원반응을 진행하고, 상용 Pt/C (TKK)와 비교하였다. 기존의 회전 원반 전극을 통한 성능 측정과 달리 전극을 고정시킨 채 진행되는 측정 방식에 따라 정량적 성능 평가는 어려웠으나, 상용 물질과 비교하여 근접한 결과를 얻어 연료전지 전극 제작의 가능성을 보았으며, 추후 전극막접합체 제작을 통한 실제 연료전지 성능 평가를 진행하고자 한다.
