Despite unique catalytic activity and high surface-to-volume ratio, metal nanoparticles (NPs) have not actively been used for high-temperature applications because they are usually apt to agglomerate into larger crystallites upon annealing, thus leading to degradation in catalytic performance. Among the many research efforts to enhance the thermal stability of NPs, we decorate metal NPs with Al2O3 nanolayers via ALD, thus enabling to obtain thermal durability of particles. Although there have been many studies to stabilize NPs with ALD, there are a few reports about the utilization of ALD on electro-catalysts in high temperature applications such as solid oxide fuel cells (SOFCs) or solid oxide electrolysis cells (SOECs).
In this thesis, to obtain high cell performance of SOFC anode, I have taken the initial tasks such as synthesis of particles and the evaluation of the electrochemical activity of the ALD coated NPs. Not only the successful fabrication of NPs but also the investigation of their growth mechanism have been discussed. Finally, feasibility of enhancing cell performance using stabilized NPs by ALD were confirmed. Morphology and properties of NPs were investigated by transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), UV spectra and zeta potential measurement. Physical attributes of ALD layers are characterized by scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD). Performance investigation of symmetric cells (anode/electrolyte/anode) with and without ALD coatings conducted by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) are presented. These observations provide feasibility of ALD coating for the achievement of physically and chemically stabilization of nanoparticles for electrochemical catalysts
고온에서 작동하는 고체 산화물 연료 전지는 높은 에너지 효율 및 연료 선택에 있어서 수소 이외의 메탄과 같은 탄화 수소를 연료로 사용할 수 있다라는 장점으로 인해 차세대 에너지 생산 기술로 주목을 받고 있다. 하지만 현재 가장 많이 사용되고 있는 니켈/지르코니아 연료극은 니켈의 낮은 열적 안정성으로 인해서 고온에서 장시간 사용할 시 니켈의 소결 현상으로 인해서 물리적 변형 및 성능 저하가 일어나게 된다. 또한 수소 이외의 탄화 수소계의 상용 연료를 주입하여 작동할 경우, 촉매 역할을 하는 니켈의 표면이 탄소 침착으로 인해 성능이 급격히 저하된다는 문제가 있다. 이를 해결하고자, 니켈/지르코니아 물질을 열적으로 안정하며, 탄소 침착에 대해 저항성을 지니는 산화물 물질로 대체하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 산화물을 고체 산화물 연료전지의 전극으로 사용하였을 시 니켈/지르코니아 전극에 비해 촉매 특성 및 전도도가 낮다라는 단점이 있다. 이를 해결하고자, 본 연구는 촉매 특성이 뛰어난 금속 나노입자를 도입하여 고체 산화물 연료전지의 산화물 전극의 촉매 특성을 향상 시키는 것에 목표가 있다. 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지에 열적으로 매우 불안정한 나노입자를 도입한다는 것은 현재 많이 이루어 지지 않은 새롭고 도전적인 시도이다. 이를 이루기 위한 초기 단계로, 백금 나노입자를 균일하고 다양한 크기(7 나노미터 ~ 25 나노미터)로 합성하였으며, 이 과정에 있어서 나노입자의 형성 원리에 대한 연구를 병행하여 나노입자의 크기는 계면활성제의 표면 전하와 관련이 있음을 알 수 있었다. 뿐만 아니라 원자층 증착 기법을 이용하여 나노입자 주위에 얇은 산화물 층을 증착하여 열적 안정성 및 탄소 침착에 대한 저항성을 확보하였다. 그 결과, 원자층 기법으로 증착된 약 1.2 나노미터의 $Al_2O_3$ 박막은 효과적으로 백금 나노입자의 열적 안정성을 향상 시킴을 알 수 있었으며, 2.4 나노미터의 Al2O3 박막은 탄소 침작을 효과적으로 억제함을 알 수 있었다. 결론으로, 이번 연구는 높은 촉매 특성을 지는 산화물 전극의 개발을 위해, 백금 나노입자를 성공적으로 합성하였으며, 나노입자의 도입은 촉매 특성 향상에 효과적인 역할을 함을 확인하였다. 또한 원자층 증착 기법은 나노입자의 열정 안정성 및 탄소 침착에 대한 저항성 향상에 효과적임을 확인하였고, 이렇게 안정화된 나노입자의 산화물 전극의 도입은 전기화학 촉매로써의 가능성을 확인 함으로써 추후 원자층 증착 기법의 고체 산화물 연료전지의 도입에 대한 가능성을 제시하였다는 점에서 의미를 지닌다.
