Recently, clean energy sources derived from renewable energy have attracted much attention as an alternative to global climate change and petroleum-based energy source depletion. Therefore, it is essential to secure environmentally friendly clean energy sources for the survival, health and life of human beings in the future. To achieve this, one of the key technologies is the energy conversion, production, and storage using electrocatalysts. Thus, in this dissertation, the development of highly efficient and robust electrocatalysts and its application will be described.
First, in Chapter 2, we will describe multiscale Pt nanoarchitecture as electrocatalysts for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) that converts hydrogen energy into electrical energy. In contrast with conventional commercial catalysts such as Pt/C, multiscale Pt nanoarchitecture catalyst have no carbon corrosion phenomenon and dramatically reduce the thickness of the electrodes resulting in superior durability and mass transfer enhancement. In addition, it is possible to control the crystal plane of the catalyst surface to achieve excellent specific activity via oblique angled deposition process.
Secondly, in Chapter 3, we will describe the development of high-performance 3D Au nanoarchitectural electrocatalysts for $CO_2$ reduction systems which convert $CO_2$ to electro-fuels. Herein, we controlled the microstructure of Au nanowires to form high index plane and high density of grain boundaries. Simultaneously, by fabricating 3D Au nanoarchitectures to induce local pH gradient effect, high faradaic efficiency at low overpotential could be obtained.
Lastly, the aforementioned 3D nanoarchitecture electrocatalysts were fabricated by nanotransfer printing process. Because this process is very simple and can be mass-produced, thus, it can be applied to real industry. Furthermore, if we extend these processes to a variety of materials, it will be able to provide a new pathway for the development of highly efficient and robust electrocatalysts to various energy application fields.
최근 들어 재생 가능한 에너지로부터 얻어지는 청정 에너지원은 전 세계의 기후 변화나 에너지원의 고갈 문제를 해결할 수 있는 대안으로 많은 각광받고 있다. 따라서 미래에 인류의 생존과 건강, 풍요로운 생활을 위해서는 이러한 청정에너지 자원의 확보가 필수적인데, 이를 달성하기 위한 핵심기술 중에 하나는 전기화학촉매를 이용한 에너지 변환, 생산, 저장이라고 할 수 있다. 이에 본 학위 논문에서는 우수한 촉매 활성을 가지며 내구성이 우수한 전기화학촉매를 개발하고 에너지 전환 분야에 응용 하고자 한다.
먼저 2장에서는 수소 에너지를 전기에너지로 전환하는 연료전지에 적용되는 삼차원 백금 아키텍처 촉매연구에 관한 내용으로, 촉매 표면의 결정면을 제어하고 촉매층 내의 물질의 이동거리를 감소시켜 우수한 활성 및 물질전달특성을 구현하였다. 더불어 탄소지지체가 없기에 기존 상용 촉매의 탄소부식에 의한 촉매 열화 문제를 해결하였다.
3장에서는 이산화탄소 환원촉매로 활용될 수 있는 삼차원 금 아키텍처 촉매연구에 관한 연구로, 표면의 미세조직을 제어하고, 동시에 삼차원 아키텍처 구조를 통해 국부적 pH 농도변화를 통해 유도함으로써 높은 일산화탄소 패러데이 효율을 달성하였다.
이러한 삼차원 아키텍처 기반의 촉매들의 경우 진공 증착 기반의 나노전사 프린팅 공정을 통해 구현되는데, 간단하고 저렴하며 대량생산이 가능한 공정적인 장점으로 인해 향후 에너지분야의 필요한 전기화학촉매 연구에 새로운 방향을 제시할 수 있으리라 예상된다.
