Applied Chemistry,

Vol. 15, No. 1, May 2011, 81-84

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비백금 연료전지 촉매로서의 Co/PANi/CNT 합성 및 특성

이효준*,**ㆍ안지은*,**ㆍ김현종*,†ㆍ한명근*ㆍ김한성**ㆍ이헌우***

*한국생산기술연구원, **연세대학교, ***오에스씨

Synthesis of Co/PANi/CNT for PEMFC Non-precious Metal Catalyst

Hyo June Lee*,**ㆍJi Eun Ahn*,**ㆍ Hun-Jong Kim*,†ㆍM. K. Han*ㆍHansung Kim**ㆍH.W. Lee***

*Korea Institute of Industrial Technology, **Yonsei University, ***OSC

(hjkim23@kitech.re.kr)

Abstract

Platinum catalyst activity and stability is excellent in terms of fuel cells as a catalyst here.

Although it is widely used, to compensate for the high price issue non-precious fuel cell

catalysts are being developed. In this study, Co/PANi/CNT composite and non-precious as

a catalyst for oxygen reduction was applied. Polyaniline on the interaction between cobalt

and the oxygen reduction reaction and the structural characteristics observed in the impact

and heat treatment was carried out according to the improved catalytic performance.

Potential range is oxygen reduction reaction 0.55 V to 0.78 V(vs. NHE) after pyrolysis.

Through this study, Co /PANi/CNT composites as a potential catalyst for fuel cells were

non-precious.

1. 서 론

고분자 전해질형 연료전지는 강한 산성(pH < 2)분위기에서 작동되기 때문에 내산성이 높고 값비싼

백금 촉매가 사용되고 있다. 이러한 백금 촉매의 희소성과 높은 단가를 개선하기 위해 새로운 환원 전

극 촉매들을 개발하려는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 특히, 비백금계 촉매는 수소 및 산소와의 반응

성, 산성상태에서의 안정성이 백금 촉매만큼 뛰어난 것은 아니지만, 상대적으로 낮은 가격을 이용하여

고가의 백금 촉매를 대체할 수 있기 때문에 새로운 연구 분야로 각광받고 있다. 이러한 비백금 촉매들

은 열처리 단계를 거치면서 촉매 활성과 내구성이 강화되는 경향성을 보인다. 그 중 Co/PPy/CNT 촉매

의 경우, 열처리를 통해 전도성 고분자의 질소 리간드에 결합된 코발트의 분산이 강화되고 탄소의 형성

으로 인해 촉매 반응이 증가되면서 내구성이 향상된다.

이에 본 연구에서는 전도성 탄소지지체로서 CNT를, 환경적인 안전성, 간단한 합성방법 등의 장점을

가진 폴리아닐린을 사용하여 표면을 코팅하였다. 그리고 비백금계 코발트 전이금속을 분산시킨 후 열처

리 과정을 통해 산소환원촉매로 응용하고자 하였다. XRD를 통해 열처리 전후의 코발트의 결정성 변화

를 확인하였고, 전기화학적 산소 환원 반응(Oxygen-reduction reaction; ORR)을 통하여 Co/PANi/

CNT 촉매의 산소 환원 활성을 평가하였다.

2. 실 험

산처리를 통해 표면개질된 CNT를 사용하여 다양한 질량비의 PANi/CNT 복합체를 합성하였다. 얻어

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진 분말을 증류수에 분산시킨 후 코발트 질산염을 첨가하여 Co/PANi/CNT 촉매를 합성하였다. 이때,

반응하는 코발트 잘산염의 양은 PANi과의 몰비에 따라 변화시켰다. 형성된 Co/PANi/CNT는 아르곤

분위기에서 열처리 하였다. XRD 분석을 통해 PANi/CNT와 Co/PANi/CNT 복합체의 합성을 확인하였

다. 또한 제조된 Co/PANi/CNT 촉매를 전극 슬러리로 제조하여 열처리 과정이 산소 환원 활성도에 미

치는 영향을 알아보았다. 산소환원반응은 산소기체가 충분히 포화된 0.5M H2SO4에서 수행되었으며,

반응 전압 범위는 0.8 V에서 0.2 V까지 살펴보았다. 전극 구성은 Ag/AgCl을 기준전극으로, Pt wire를

보조전극으로 사용하였다.

3. 결과 및 토론

Fig. 1은 Co/PANi/CNT 촉매의 열처리 전․후의 XRD 분석결과이다. CNT의 피크인 2θ=24.75

(100)가 나타나는 것으로 보아 합성 과정 중에 그라파이트 구조에는 영향을 주지 않는 것을 확인할 수

있었다. 또한 탄소 피크 외에 (18.98), (44.80), (59.38) 위체에서 결정성 코발트산화물(Co3O4) 피크

가 열처리 후에 눈에 띄게 결정성이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 1. Co/PANi/CNT 복합체의 XRD 그래프.

Fig. 2는 PANi/CNT의 열처리에 따른 전기화학적 촉매 활성을 비교한 그래프이다. 열처리 과정 전

촉매의 산소 환원 개시 전위는 0.55 V이며 이 때 전류밀도는 -0.5 mA/cm2

였다. 열처리 후 촉매의

산소 환원 개시 전위는 0.75 V이며, 이때 전류밀도는 -0.1 mA/cm2

였다. 열처리 전과 비교하여 열처

리 후의 촉매의 산소 환원 개시 전위가 0.2 V 이상 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 열처리를

통해 탄소 종의 형성으로 인하여 촉매 반응이 촉진되었기 때문인 것으로 판단된다.

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Fig. 2. PANi/CNT 복합체의 열처리에 따른 산소환원 반응.

Fig. 3은 Co/PANi/CNT 복합체의 열처리의 따른 산소환원 반응 그래프이다. 열처리 전 촉매의 산소

환원 개시 전위는 0.55 V, 전류밀도는 - 0.7 mA/cm2였으나,

열처리 후 산소 환원 개시 전위는 0.8 V,

전류밀도는 -0.1 V로 전위가 0.25V 증가하였다. 이는 열처리를 통해 중심금속과의 킬레이트 구조와

탄소 사이에서의 반응 강화로 인해 촉매활성에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Fig. 3. Co/PANi/CNT 복합체의 열처리에 따른 산소환원 반응.

4. 결 론

본 연구는 열처리를 통한 Co/PANi/CNT 의 촉매 활성을 높이고 연료전지의 산소극 촉매로 응용하고

자 하였다. 다양한 폴리아닐린과 코발트 이온의 몰 비 중 촉매 활성이 우수한 것을 이용하여 열처리에

따른 촉매의 활성을 실험하였다. ORR 분석을 통해 열처리 후의 활성이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이

는 촉매의 분산 및 탄소층의 형성으로 인해 촉매 활성이 증가되는 것으로 판단된다.

84 이효준ㆍ안지은ㆍ김현종ㆍ한명근ㆍ김한성ㆍ이헌우

참고문헌

1. Fan Huang, Estelle Vanhaeche, ELSEVIER, 150 (2010).

2. Xuetong Zhang, Jin Zhang, ELSEVIER, 42 (2004).