• 전기화학회지
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• 제16권1호
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• pp.52-58
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• 2013

고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 상용화를 위해 해결해야 할 과제 중의 하나인 가격 저감을 이루기 위한 방법으로 백금 촉매를 대신할 비귀금속(non-precious metal) 촉매 제조에 관한 연구를 수행하였다. 비귀금속 촉매의 합성은 산소환원반응(oxygen reduction reaction, ORR)의 활성점으로 알려져 있는 코발트-질소(Co-N) 결합을 형성하기 위해 질소를 포함하는 폴리아닐린(PANI)과 코발트염(Co precursor), 그리고 카본 블랙(C)을 일정한 비율대로 혼합한 후 특별한 열처리 과정 없이 단순한 화학적 환원법에 제조되었다. 제조된 Co-PANI-C 복합 촉매의 구조 분석을 위해 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD)과 열중량분석(thermogravimetric analysis, TGA)을 실시하였고, ORR에 대한 활성을 평가하기 위해 rotating disk electrode(RDE) 및 rotating ring disk electrode(RRDE) 측정을 수행하였다. 그 결과 Co-PANI-C 복합 촉매는 ORR반응에 대한 개시 전압은 백금 촉매보다 60 mV 밖에 낮지 않은 값을 보였지만, 반응에 의해 발생되는 환원 전류는 여전히 백금 촉매보다 낮은 값을 보였다. 이 밖에도 전극 회전 속도에 따른 ORR 특성 변화, 전압 사이클 회수에 따른 내구성 변화, 연료전지 적용 시 성능 변화에 대해 논의할 것이다.

• 한국태양에너지학회:학술대회논문집
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• 한국태양에너지학회 2012년도 춘계학술발표대회 논문집
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• pp.406-409
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• 2012

Recently, enormous research efforts have been focused on the development of non-precious catalysts to replace Pt for electrocatalytic oxygen reduction reaction (ORR), and to reduce the cost of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). In recent years, heteroatom (N, B, and P) doped carbon nanostructures have been received enormous importance as a non-precious electrode materials for oxygen reduction. Doping of foreign atom into carbon is able to modify electronic properties of carbon materials. In this study, nitrogen and boron doped carbon nanostructures were synthesized by using a facile and cost-effective thermal annealing route and prepared nanostructures were used as a non-precious electrocatalysts for the ORR in alkaline electrolyte. The nitrogen doped carbon nanocapsules (NCNCs) exhibited higher activity than that of a commercial Pt/C catalyst, excellent stability and resistance to methanol oxidation. The boron-doped carbon nanostructure (BC) prepared at $900^{\circ}C$ showed higher ORR activity than BCs prepared lower temperature (800, $700^{\circ}C$). The heteroatom doped carbon nanomaterials could be promising candidates as a metal-free catalysts for ORR in the PEMFCs.

• Journal of Ceramic Processing Research
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• 제19권6호
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• pp.499-503
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• 2018

In this paper, cobalt embedded in nitrogen and sulfur co-doped carbon nanotubes (CoNSTs) were synthesized for oxygen reduction reaction (ORR) catalysts. The CoNSTs were prepared through a facile heat treatment method without any templates. Different amounts of the metal salt were employed to examine the physicochemical and electrochemical properties of the CoNSTs. The CoNSTs showed the bamboo-like tube morphology with the encased Co nanoparticles in the tubes. Through the x-ray photoelectron spectroscopy analysis, the catalysts exhibited different chemical states of the nitrogen and sulfur species. As a result, the CoNST performed high activity toward the ORR in an acidic condition with the onset potential of 0.863 V (vs. reversible hydrogen electrode). It was clearly demonstrated from the electrochemical characterizations that the quality of the nitrogen and sulfur species significantly influences the ORR activity rather than the total amount of the dopants.

• 유기물자원화
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• 제23권1호
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• pp.45-51
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• 2015

본 연구에서는 비귀금속 촉매인 iron(II) phthalocyanine (FePc)와 cobalt tetramethoxyphenylporphyrin(CoTMPP)를 환원전극촉매로 이용하여 미생물연료전지의 연속운전을 진행하였다. 연속운전은 유기물 부하 (0.5~3 g COD/L/d)와 HRT (0.25~1 day)의 조건을 달리 운전하여 미생물연료전지의 성능을 평가하였다. 미생물연료전지의 전력밀도는 환원전극의 성능에 크게 영향을 받았으며, 최대전력밀도는 $3.3W/m^3$로 백금을 사용한 미생물연료전지에서 나타났다. 하지만, HRT의 조건을 달리 한 실험에서 FePc를 사용한 미생물연료전지가 백금을 사용한 미생물연료전지와 유사한 성능을 나타냈으며, 연속운전에서 백금 촉매를 대체할 수 있는 적합한 물질로 나타났다. 반면에 CoTMPP를 사용한 미생물연료전지는 연속운전에서 내부 저항의 급격한 증가로 전력밀도가 급격히 감소하였다.

• Journal of Electrochemical Science and Technology
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• 제7권4호
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• pp.298-305
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• 2016

The development of non-precious metal based electrocatalysts is highly desired for the oxygen reduction reaction (ORR) as alternates to noble metal based ORR electrocatalysts. Herein, we report mononulcear copper(II) complex $[CuLbpy]ClO_4$ (L=4-[(2-hydroxyphenylimino)methyl]benzoic acid) containing poly(allylamine.HCl) polymer (PAlACuLbpy) as an electrocatalyst for oxygen reduction reaction (ORR). PAlACuLbpy was mixed with poly(acrylic acid) and tetraethylortho silicate to prepare a composite and then deposited on the screen printed electrode surface. The modified electrode (PAlACuLbpy/PCE) is highly stable and showed a quasi-reversible redox behavior with $E_{1/2}=-0.2V$ vs. Ag/AgCl(3 M KCl) in 0.1 M phosphate buffer at pH 7 under argon atmosphere. PAlACuLbpy/PCE exhibited a remarkable ORR activity with an onset potential of -0.1 V vs Ag/AgCl in 0.1 M PB (pH 7) in the presence of oxygen. The kinetics for ORR was studied by rotating disk voltammetry in neutral aqueous medium and the results indicated that the number of electrons involving in the ORR is four and the conversion products are water and hydrogen peroxide.

• 한국표면공학회지
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• 제55권3호
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• pp.180-186
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• 2022

The production of hydrogen via water electrolysis (i.e., green hydrogen) using renewable energy is key to the development of a sustainable society. However, most current electrocatalysts are based on expensive precious metals and require the use of highly purified water in the electrolyte. We demonstrated the preparation of a non-precious metal catalyst based on CuCo₂O₄ (CCO) via simple electrodeposition. Further, an optimization process for electrodeposition potential, solution concentration and electrodeposition method was develop for a catalyst-substrate integrated electrode, which indicated the highly electrocatalytic performance of the material in electrochemical tests and when applied to an anion exchange membrane water electrolyzer.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2005년도 춘계학술대회
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• pp.299-302
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• 2005

Direct Borohydride Fuel Cell은 알칼리 붕소 수소화물의 수용액을 이용하는 연료전지로 연료의 직접 산화반응을 통해 기존의 DMFC(직접 메탄을 연료전지)보다 높은 전류밀도와 OUV(Open Circuit Voltage)를 나타낸다. 또한 액체 연료를 사용하므로 장치 구성이 간단하며, 사용하는 연료가 반응성이 높은 알칼리 붕소 수소화물로 이루어져 있기 때문에 탄화수소 계열의 액체 연료와 달리 전기화학 반응이 비귀금속 전극에서도 쉽게 이루어질 수 있다는 장점을 가지고 있다 하지만 강알칼리 조건에서 전기화학 반응이 진행되므로 이에 적합한 재료로 장치를 구성해야 하며, 액체 상태의 연료가 전해질을 투과하는 현상인 크로스오버 문제를 해결해야 하고, 생성물인 $BO_2$-가 침적되어 전지효율을 떨어뜨리는 것을 방지해야 하는 문제점이 있다. 또한 알칼리 붕소 수소화물이 물과 반응하여 수소를 발생시키는 hydrolysis 반응을 억제하여야 하고 직접 산화반응만이 진행될 수 있도록 전지를 구성해야 연료효율을 높일 수 있다. 따라서 본 연구에서는 수소 생성반응일 hydrolysis 반응은 억제하고 연료의 직접 산화반응만을 진행시키기 위한 전극촉매에 대하여 연구하였다. 일반적인 저온형 연료전지의 전극촉매로 사용하는 Pt등의 귀금속 촉매와, 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 Ni등의 비귀금속 촉매를 그 연구 대상으로 하였으며, 평가 방법으로는 unit cell station을 이용한 단위전지 성능측정 실험과 Potentiostat/Galvanostat을 이용한 half cell 실험을 병행하여 수행하였다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제27권6호
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• pp.636-641
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• 2016

Alkaline water electrolysis is commercial hydrogen production technology. It is possible to operate MW scale plant. Because It used non-precious metal for electrode. But It has relatively low current density and low efficiency. In this study, research objective is development of anode for alkaline water electrolysis with low cost, high corrosion resistance and high efficiency. Stainless steel 316L (SUS 316L) was selected for a substrate of electrode. To improve corrosion resistance of substrate, Nickel (Ni) layer was electrodeposited on SUS 316L. Ni-Fe alloy was electrodeposited on the passivated Ni layer as active catalyst for oxygen evolution reaction(OER). We optimized preparation condition of Ni-Fe alloy electrodeposition by changing current density, electrodeposition time and composition ratio of Ni-Fe electrodeposition bath. This electrodes were electrochemically evaluated by using Linear sweep voltammetry (LSV) and Cyclic voltammetry (CV). The Ni-Fe alloy (Ni : Fe = 1 : 1) showed best activity of OER. The optimized electrode decreased overpotential about 40% at $100mA/cm^2$ compared with Ni anode.

• 전기화학회지
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• 제25권2호
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• pp.69-80
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• 2022

고순도 수소생산을 위한 음이온 교환막 수전해는 양성자 교환막 수전해 시스템에서 사용되는 기존 귀금속 촉매 대신 저렴한 비귀금속 기반 촉매를 사용하여 차세대 녹색 수소 생산 기술로 많은 관심을 받고 있다. 하지만 음이온 교환막 수전해 기술은 개발 초기 단계이기 때문에 음이온 교환막 수전해의 핵심 요소인 음이온 교환막, 이오노머, 전극지지체 및 촉매에 관한 연구 수행이 필요하다. 그 중, 현재 촉매 분야에서 진행되고 있는 연구들은 기개발된 알칼리용 반쪽전지 촉매를 음이온 교환막 시스템에 적용하는 방향의 연구가 진행되고 있으며 적용된 촉매는 낮은 활성도와 내구성의 문제점을 가진다. 이에 본 총설은 알칼리성 매질에서 비귀금속 기반 촉매를 사용하여 산소발생반응 및 수소발생반응을 촉진시킨 촉매 합성 기술을 제시하였다.