Since carbon neutral policy gradually forbids fossil fuel utilization, hydrogen become arose as green energy source. Commercialized proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), which also adopted in motor vehicles, shows high efficiency and power density. However, catalyst used in PEMFC requires platinum as main component which significantly increase overall price of the system, and also for the Nafion membrane.
In contrast to the acid condition, alkaline condition is known to be affordable in adopting non-platinum group metal (non-PGM) catalyst. This work has developed the non-PGM catalyst which consisted of Ni and MoO2 with high HOR activity and durability. Interaction between Ni and MoO2 could reduce the hydrogen binding energy (HBE) and higher metallic Ni ratio could enhance HOR activity through increasing active site. Based on this result, Ni-Mo nanoparticle (Ni-Mo NP) was synthesized and applied into full cell, which show possibility of Ni-Mo as possible candidate for anion exchange membrane fuel cell (AEMFC). For further enhancement in Ni-Mo NP, NrGO was adopted as support material, which could derive higher HOR activity with lower loading. Not only surface area increase, but also interaction between Ni-Mo and N-rGO could further decrease HBE of the catalyst and increase oxidation resistance which could enhance HOR activity. Finally, to apply NiMo catalyst into broader application of AEMFC, effect of organic component in anode fabrication was investigated. As the result, organic solvents such as NMP or ionomers deactivates Ni-Mo catalyst. To solve the problem, carbon support and carbon shell protection were adopted which showed protective effect to NMP and ionomers. Moreover, NiMo catalyst deactivation through ionomer activation was depressed through modified activation method, which suggested new direction to fabricating NiMo anode.
탄소중립 정책의 확대에 따라 화석 연료 사용이 제한되고 있으며 이에 따라 친환경 에너지원인
수소에 대한 관심 또한 높아지고 있는 추세이다. 현재 가장 널리 알려진 양성자 교환 막
연료전지의 경우 고효율, 고출력 연료전지로서 최근 연료전지 자동차의 형태로도 상용화가
되어있다. 그러나 사용되는 촉매인 백금은 희소성으로 인하여 높은 가격을 형성하고 있으며
동시에 사용되는 전해질인 나피온 또한 불소의 사용으로 인한 인체위해성 및 고가격을 형성하는
것이 주 걸림돌이 되고 있다.
산성 조건과 달리 염기성 조건 하에서는 비교적 원활하게 비귀금속 촉매의 도입이 가능하다고
알려져 있다. 본 연구에서는 니켈 기반의 비귀금속 촉매를 산화 몰리브데넘과 결합하여 고활성,
고내구성 촉매를 개발하였다. 니켈과 산화 몰리브데넘 간의 상호작용에 의하여 니켈의
수소결합에너지가 낮아짐에 따라 높은 수소산화활성을 지니게 된다는 것을 알 수 있었으며 또한
금속성 니켈의 함량이 높아질수록 수소결합위치가 늘어남에 따라 활성이 증대된다는 것을
확인하였다. 이를 기반으로 하여 니켈-몰리브데넘 나노입자 촉매(Ni-Mo NP)를 합성한 후 실제
단전지를 제작함에 따라 향후 알칼리 막 연료전지의 수소극 촉매로서의 가능성을 제시하였다.
이후 니켈-몰리브데넘 나노입자가 지니는 문제점인 입자 집적 및 담체 도입을 통한 추가적인 성능
향상을 이끌어내고자 질소가 도핑된 환원된 산화 그래핀(N-rGO)을 도입하였다. 이를 통하여
기존의 Ni-Mo NP에 비하여 더 낮은 촉매 사용량 대비 높은 활성을 이끌어낼 수 있었다. 이러한
성능향상의 요인으로서 표면적 증가 효과 뿐만 아니라 NiMo 나노입자와 N-rGO 간의 상호작용을
통해 NiMo 촉매의 수소결합에너지가 더 낮아지는 효과와 함께 산화저항성이 증대된 것을
확인하였다. 최종적으로 NiMo 촉매의 알칼리 막 연료전지의 범용적인 적용을 위하여 실제
연료전지 제조시 사용되는 다양한 유기물질에 대한 영향을 조사하였다. 그 결과 NMP와 같은
유기용제 및 사용되는 이오노머에 의해 촉매가 비활성화 된다는 사실을 확인하였다. 이를
해결하고자 탄소 담체 및 탄소 쉘을 도입하였으며 탄소 담지체 도입에 의하여 촉매 피독이
상당부분 억제되는 효과를 확인하였다. 또한 연료전지 내의 이오노머 활성화 과정중 발생하는
NiMo 촉매의 비활성화를 억제하기 위하여 개선된 전극 활성화법을 도입하여 NiMo 전극 제조법에
대한 새로운 방향을 제시하였다.
