With the increasing demand and interest in large-capacity energy storage and eco-friendly energy materials, energy technologies such as metal-air cells, fuel cells, and water electrolyzers are continuously developing. However, low energy efficiency and short lifespan characteristics due to high overpotential are considered as major problems. Electrochemical catalyst technology to increase such efficiency is a very important factor, and among them, oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR) are the key reactions, and it is necessary to apply a catalyst having high catalytic properties and good sustainability. In this dissertation, as a method to develop a catalyst with improved performance, a one-dimensional (1D) nanostructure is applied to the catalyst design, and its electrochemical properties are evaluated to confirm the catalytic effect. Besides, finally, by introducing a one-dimensional carbon nanofiber-based membrane that can play the role of a current collector while having catalytic properties, we propose an electrode material development technology using a catalyst-current collector, and intended to be applied to an energy storage system (zinc-air battery) and assess the feasibility in the practical energy storage system.
대용량 에너지 저장 및 친환경 에너지 소재에 대한 수요와 관심이 증가함에 따라, 금속-공기전지, 연료전지, 수전해조와 같은 기술에 대한 지속적인 발전이 이루어지고 있다. 하지만 높은 과전압으로 인한 낮은 에너지 효율과 짧은 수명특성이 주된 문제점으로 여겨지고 있다. 이러한 효율을 높이기 위한 전기화학 촉매 기술은 매우 중요한 요소이며, 그 중에서도 산소발생 반응과 산소환원 반응은 핵심적인 반응 중 하나로 촉매 특성이 높고 지속성이 좋은 촉매의 적용이 필요하다. 본 학위논문에서는 향상된 성능을 가진 촉매를 개발하기 위한 방법으로, 1차원 나노구조를 촉매 디자인에 적용하고, 그 특성을 평가하여 효과를 확인하고자 한다. 또한 최종적으로, 촉매 특성을 가짐과 동시에 전류집전체의 역할을 수행할 수 있는 1차원 탄소나노섬유 기반 멤브레인을 도입하여, 촉매-전류집전체를 활용한 전극 소재 개발 기술을 제안하고, 이를 활용한 에너지 저장 시스템 (아연-공기전지)에 적용하여 차세대 에너지 저장시스템으로의 가능성을 확인하고자 한다.
