Thin-film based, low-temperature solid oxide fuel cells (LT-SOFCs), manufactured using micro-fabrication techniques, have gained much attention due to their capability to reduce the operating temperature (< $450 ^\circ C$) and the ensuing extended life and reduced cost, compared to conventional SOFCs. While highly porous and continuously connected Pt thin films are viewed as an attractive cathode, they are readily apt to sinter and grow into larger, isolated crystallites upon annealing, leading to severe degradation of the cathode performance over time. Here, we address this issue by fabricating a post-encapsulated composite structure, in which gas-permeable and catalytically active solid electrolytes surround porous Pt electrodes. Nanoporous Pt thin films deposited onto a yttria-stabilized $ZrO_2$ (YSZ) single-crystal substrate are uniformly coated with Sm-doped $CeO_2$ (SDC) via a simple, cost-effective and scalable coating method known as cathodic electrochemical deposition (CELD). Physical characterization of the nanostructured Pt/SDC composite thin films is done using a range of tools, in this case SEM, TEM, XRD and ICP-MS. AC impedance spectroscopy (ACIS) of symmetric cells (cathode|electrolyte|cathode) with SDC coatings reveals that the enhanced Pt-SDC interactions led to exceptionally high ORR activity and outstanding thermal stability. These observations provide new directions for the achievement of a robust and catalytically active LT-SOFC cathode through modification of the metal surface.
박막 기반의 저온형 고체산화물연료전지(low-temperature solid oxide fuel cells, LT-SOFCs)는 일반적인 고체산화물연료전지와 비교하였을 때 작동온도를 450도 이하로 낮출 수 있으며 그에 따른 작동 수명의 증가 및 시스템 비용 절감의 이유로 많은 관심을 받고 있다. 하지만, 고온에서 일반적으로 사용되는 페로브스카이트 산화물 공기극의 경우, 450도 이하에서 느린 산소환원반응(oxygen reduction reaction, ORR) 때문에 높은 연료전지 성능을 얻기 어렵다. 이런 이유로, 450도 이하의 온도에서 산소환원반응에 대한 뛰어난 전기화학적 촉매특성 및 높은 전자전도도를 갖는 백금(platinum, Pt)이 전극 물질로 널리 사용되고 있다. 하지만, 이런 장점에도 불구하고, 백금 전극은 고온에서 쉽게 응집되어 큰 입자 또는 고립된 입자 형태로 변형되어 고온 노출 시간에 따라 급격하게 성능이 저하되는 문제를 가진다. 따라서, 비교적 높은 작동온도에서 열적으로 안정한 공기극을 개발하는 것이 핵심 목표이다. 이번 연구에서는 기존에 많이 사용되었던 값 비싸고 고온공정인 세라믹 증착 방법과는 달리 저렴하면서도 간단하고 저온공정으로 가격경쟁력을 갖춘 세라믹 코팅 방법인 전기화학도금법(cathodic electrochemical deposition, CELD)을 이용하여 이온 전도성의 세륨산화물($CeO_2$, 세리아)이 코팅된 백금/세리아 복합구조체를 제조하여 전기화학반응성과 열적 안정성을 기존 백금 전극과 비교 분석하였다. 먼저, 전기화학도금을 통해 나노구조체의 세리아 석출물이 다공성의 백금 박막 위에 균일하게 코팅되었음을 확인하였다. 세리아 코팅된 백금 전극은 산소환원반응이 일어날 수 있는 장소를 기존의 백금|전해질|공기 계면에서 백금|세리아|공기 계면으로 확장하면서 반응 장소를 극대화 시켰으며, 그 결과 전극 성능이 세리아 코팅하지 않은 백금과 비교하였을 때 약 100배 이상 향상되었다. 또한 600도 고온의 산소분위기에서 약 100시간의 장시간 안정성 실험결과, 세리아가 코팅된 백금 전극은 전극 성능의 열화 없이 안정적으로 전극 성능이 유지되었음을 확인하였다. 결론으로, 이번 연구는 전기화학도금 방법이 전극 성능과 장기안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 박막 기반의 전극 구조체를 얻을 수 있는 한 가지 해결책이 될 수 있다는 가능성을 검증 및 제시하였다는 점에서 의미를 갖는다.
