산소 환원 및 산소 발생 반응용 결함이 유도된 케첸블랙에 지지된 코발트 철 합금 나노입자 함유 및 질소 도핑 탄소 전극촉매의 합성 및 분석

초록

에너지 수요의 증가 및 환경오염 문제의 심각성으로 인해 금속-공기 전지, 연료전지 등 다양한 에너지 변환 및 저장장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 전지들의 전극에서 발생하는 산소 환원 및 발생 반응은 4전자가 관여되는 복잡한 메커니즘으로 인해 반응속도가 매우 느려 전체적인 셀의 성능과 상용화에 지대한 영향을 미친다. 따라서 산소 환원 및 발생 반응에 향상된 활성을 가지는 전극촉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 케첸블랙을 일정량의 과산화수소와 함께 수열합성하여 케첸블랙에 결함을 유도하고 이를 지지체로 사용한다. 결함이 유도된 케첸블랙, 2-시아노구아니딘, 그리고 코발트, 철 전구체를 함께 증류수에 넣고 120℃에서 교반시켜 물이 전부 증발할 때까지 혼합시켜 준다. 그 후 Ar 분위기에서 연속적인 열처리 과정을 진행하는데 첫 번째 열처리 단계는 550℃에서 진행하며 2-시아노구아니딘의 중합과정을 통해 지지체 위에 g-C3N4를 형성한다. 두번째 열처리 단계는 750℃에서 진행하며 탄화과정에서 g-C3N4가 분해되면서 질소가 도핑되고, 코발트 철 합금 나노입자가 탄소 격자에 함유된다. 케첸블랙의 Raman, XPS 분석을 통해 최적화된 결함의 양을 확인하였으며 XRD, EDS, FT-IR 등의 물성 분석을 통해 코발트 철 합금 나노입자 함유 및 질소 도핑 탄소 전극촉매가 성공적으로 합성된 것을 확인하였다. 그리고 LSV, Tafel, K-L plot 등의 전기화학적 분석을 통해 산소환원 및 발생 반응에 향상된 활성을 가지는 우수한 촉매임을 확인하였다.