산소 환원 반응용 구형 중공구조를 갖는 철, 황, 질소가 도핑된 탄소 구조체의 촉매 합성 및 전기화학적 특성

초록

최근 화석연료 고갈 및 환경오염 문제가 심각해짐으로 인해 친환경적이며 경제적인 에너지 변환 및 저장 장치에 대한 관심이 증가하고 있다. 연료전지와 금속 공기 전지는 구동 과정에서 오염물질이 배출되지 않아 친환경적인 고효율 에너지 변환 및 저장 장치로 각광받고 있다. 이러한 전지의 양극에서는 높은 과전압과 느린 반응속도를 갖는 산소 환원 반응이 일어나기 때문에 이 전지들의 활성을 높여 주기 위해서는 산소 환원 반응을 촉진 시켜주는 촉매가 필요하다. 본 연구에서는 구형 중공구조를 갖는 철, 황, 질소가 도핑된 탄소 구조체인 산소 환원 반응용 촉매를 합성하였다. Stober법을 통해 제조한 구형 실리카 위에 수열합성법을 통해 폴리피롤을 코팅한 후 염화철을 회전 증발 농축 및 고온 열처리를 통해 철 도핑 및 탄화를 진행하였다. 이후 불산으로 금속 철과 구형 실리카를 제거하여 중공구조를 만들어 준 후 황을 고온 열처리해 황 도핑을 진행하였다. X선 회절 분석을 통해 금속 철의 제거를 확인하였고 광전자 분광기를 통해 합성된 시료의 Fe-N 결합을 확인하였으며, 주사 전자 현미경과 투과 전자 현미경을 통해 구형의 중공구조를 확인하였다. 또한, 선형주사전류법 및 순환전압전류법을 이용하여 전기화학적 분석을 진행한 결과 산소 환원 반응에 가장 좋은 귀금속 촉매인 Pt/C와 비교하여 우수한 활성과 안정성을 확인하였다.