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(A) study on improvement of efficiency and durability of transition metal based alkaline water electrolysis electrodes = 전이금속 기반 알칼라인 수전해 전극의 효율 및 내구성 향상에 관한 연구
서명 / 저자 (A) study on improvement of efficiency and durability of transition metal based alkaline water electrolysis electrodes = 전이금속 기반 알칼라인 수전해 전극의 효율 및 내구성 향상에 관한 연구 / HyoWon Kim.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2021].
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The water electrolysis is a method that can produce hydrogen with eco-friendly energy, and since an overpotential of more than the theoretical potential (1.23 V) is required, it is necessary to improve the efficiency through a highly active electrode catalyst. In this study, the intrinsic activity enhancement and active surface area increase were induced based on the surface-controlled transition metal, and an easy synthesis method was adopted to enable practical industrial application. This study proposes a porous Sn-Co catalyst based on an electrodeposition method and a Cu$_3$P/carbon composite catalyst based on a low pollution gas phase reaction method. In addition, it proposes a Ni-P-N catalyst for seawater electrolysis electrodes, suggesting its applicability to low-grade water electrolysis. In the study of the catalyst for the oxygen evolution reaction of porous Sn-Co, using the property of dissolving tin in an alkaline environment, some of the tin on the surface is dissolved and the rest is oxidized, which leads to high active surface area and structural stability together. In the study of Cu$_3$P/carbon composite catalyst for hydrogen evolution reaction based on low pollution gas phase reaction method, copper phosphide was synthesized without the use of a large amount of phosphorus in the heat treatment process by improving the synthesis process. The surface cyclized carbon structure generated in the heat treatment process maximizes the catalytic activity through synergy with Cu$_3$P and keeps the catalyst material stably present on the electrode surface. The research on the Ni-P-N catalyst for oxygen evolution reaction for seawater electrolysis proposes a nitrogen doping process that reduces the possibility of environmental pollution and high-temperature deformation of the electrode without using toxic ammonia gas or high-temperature nitrogen gas. This catalyst showed high oxygen evolution reaction activity in seawater, and showed superior properties compared to the control group in corrosion evaluation. The surface properties of the catalyst were observed on the surface using the in-situ Raman technique according to the applied potential, and it was found that the length of the nickel-oxygen bond becomes longer. It not only improves the activity of the oxygen evolution reaction in seawater but also increases the corrosion resistance by lowering the possibility of nickel-chlorine bonding.

수전해 시스템은 친환경 에너지로 수소를 생산 할 수 있는 방법으로, 이론 전압 (1.23 V) 이상의 과전압이 요구되기 때문에 고 활성 전극 촉매를 통한 효율 향상이 필요하다. 본 연구에서는 표면이 제어된 전이 금속을 기반으로 고유 활성 향상 및 활성 표면적 증대를 유도하였으며, 쉬운 합성법을 채택하여 실제 산업적 활용이 가능하도록 하였다. 이를 기반으로 전기 도금법 기반의 다공성 Sn-Co 촉매 및 저 오염 기상 반응법 기반의 Cu$_3$P/탄소복합체 촉매를 개발하였다. 또한 바닷물 기반의 Ni-P-N 수전해 시스템 전극을 제시하여 저급수 수전해에 대한 활용 가능성을 제안한다. 다공성 Sn-Co 산소 발생 반응용 촉매 연구에서는 주석이 알칼라인 환경에서 용해되는 특성을 이용하여, 산소 발생 반응 구동 중에 표면의 주석 일부는 용해되고 나머지는 산화되면서 높은 활성 표면적과 구조적 안정성을 동시에 갖는 촉매를 보고한다. 저 오염 기상 반응법 기반의 수소 발생 반응용 Cu$_3$P/탄소복합체 촉매 연구에서는 합성 공정 개선으로 열처리 과정에서 대량의 인(Phosphorus) 사용 없이 구리 인화물을 합성하였다. 열처리 과정에서 생기는 표면 고리 탄소 구조는 Cu$_3$P와의 시너지 효과로 촉매 활성을 극대화 시키며, 촉매 물질이 전극 표면에 안정적으로 존재하도록 유지시킨다. 바닷물 수전해용 Ni-P-N 산소 발생 반응용 촉매 연구는 기존 독성 암모니아 가스 또는 고온 질소 가스를 사용하지 않는 방법을 도입하여 환경 오염과 전극의 고온 변형 가능성을 줄인 질소 도핑 과정을 제안한다. 이 촉매는 바닷물에서 높은 산소 발생 반응 활성을 보여주며, 부식성 평가에서도 대조군 대비 우수한 특성을 보여주었다. 촉매의 표면 특성은 in-situ Raman 기법을 이용하여 인가 전압에 따른 표면 상을 관찰하였으며, 질소 도핑을 했을 때 표면 수산화물 내 길어진 니켈-산소 결합 길이가 관찰되었다. 이는 바닷물 내 산소 발생 반응의 활성 향상뿐만 아니라 니켈-염소 결합의 가능성을 낮추어 내식성을 증대시킨다.

서지기타정보

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청구기호 {DMS 21043
형태사항 vii, 130 p. : 삽화 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김효원
지도교수의 영문표기 : EunAe Cho
지도교수의 한글표기 : 조은애
수록잡지명 : "Cu3P/PAN derived N-doped Carbon Catalyst with Non-toxic Synthesis for Alkaline Hydrogen Evolution Reaction". Sustainable Energy Fuels, v.4.no.10, 5247-5253(2020)
Including Appendix
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
서지주기 References : p. 117-119
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