• 한국재료학회지
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• 제30권5호
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• pp.217-222
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• 2020

The design and fabrication of catalysts with low-cost and high electrocatalytic activity for the oxygen evolution reaction (OER) have remained challenging because of the sluggish kinetics of this reaction. The key to the pursuit of efficient electrocatalysts is to design them with high surface area and more active sites. In this work, we have successfully synthesized a highly stable and active NiCo₂S₄ nanowire array on a Ni-foam substrate (NiCo₂S₄ NW/NF) via a two-step hydrothermal synthesis approach. This NiCo₂S₄ NW/NF exhibits overpotential as low as 275 mV, delivering a current density of 20 mA cm^-2 (versus reversible hydrogen electrode) with a low Tafel slope of 89 mV dec^-1 and superior long-term stability for 20 h in 1 M KOH electrolyte. The outstanding performance is ascribed to the inherent activity of the binder-free deposited, vertically aligned nanowire structure, which provides a large number of electrochemically active surface sites, accelerating electron transfer, and simultaneously enhancing the diffusion of electrolyte.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제20권3호
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• pp.224-231
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• 2009

The improvement of cold start capability is one of the most challenging tasks to be solved for commercialization of fuel cell vehicle. In this study, cold start test and ice blocking test(IBT) of fuel cell stack were carried out under various operating conditions. This fuel cell stack can be thawed from -20$^{\circ}$C within 25s and the voltage change was found to be comprised of 4 steps; the first step is the voltage decrease by overpotential, the second step is the voltage increase by the cell temperature increase, the third step is the voltage decrease by ice blocking, and the last step is the voltage increase by thawing. Bootstrap startup was failed after shutdown at temperature under 40$^{\circ}$C because of much condensed water in the fuel cell. Quantitative estimation of cold start capability have been demonstrated by ice blocking test(IBT). In the results, it was found that cold start capability was improved double every 10$^{\circ}$C from 30$^{\circ}$C to 65$^{\circ}$C and enhanced by 30% at the condition of SR 3/4 compared to SR 1.5/2.0 and enhanced by 20% with dry purge condition compared to with RH 50% purge condition.

• Journal of Electrochemical Science and Technology
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• 제14권2호
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• pp.162-173
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• 2023

Aqueous zinc-ion batteries are considered as promising alternatives to lithium-ion batteries for energy storage owing to their safety and cost efficiency. However, their lifespan is limited by the irreversibility of Zn anodes because of Zn dendrite growth and side reactions such as the hydrogen evolution reaction and corrosion during cycling. Herein, we present a strategy to restrict direct contact between the Zn anode and aqueous electrolyte by fabricating a protective layer on the surface of Zn foil via phosphidation method. The Zn₃(PO₄)₂ protective layer effectively suppresses Zn dendrite growth and side reactions in aqueous electrolytes. The electrochemical properties of the Zn₃(PO₄)₂@Zn anode, such as the overpotential, linear polarization resistance, and hydrogen generation reaction, indicate that the protective layer can suppress interfacial corrosion and improve the electrochemical stability compared to that of bare Zn by preventing direct contact between the electrolyte and the active sites of Zn. Remarkably, MnO₂ Zn₃(PO₄)₂@Zn exhibited enhanced reversibility owing to the formation a stable porous layer, which effectively inhibited vertical dendrite growth by inducing the uniform plating of Zn²⁺ ions underneath the formed layer.

• 에너지공학
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• 제29권2호
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• pp.1-9
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• 2020

최근 탄화수소를 에너지원으로 사용하는 엔진을 대체할 동력원으로 연료 전지가 주목을 받게 되면서 수소 생산 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 수소를 생산하는 다양한 방법 중에 고체 산화물 수전해 시스템(SOEC)은 수소를 생산하기 위한 기초적이고, 친환경적인 방법이다. 고체 산화물 수전해 시스템은 고온, 고압 조건에서 운전이 가능하여 낮은 에너지 수요와 높은 열효율을 지니기 때문에 실험적인 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 실험적인 연구 성과에 비해 수치모델 연구는 비교적 부진하다. 이에 대한 원인으로 기존의 수치모델이 온도와 압력의 변화에 따른 성능 예측의 유효성이 상당히 낮기 때문으로 판단하였다. 이에 본 연구에서는 고체 산화물 수전해 시스템의 셀 성능 예측의 유효성을 높일 수 있는 방안을 제시하기 위해서 Patterened Ni-YSZ cermet electrode(40 wt%, Ni-60 wt% YSZ)/8-YSZ (TOSOH, TZ8Y)/LSM (La_0.9Sr_0.1MnO₃)로 구성된 상용 막-극 접합체의 기존의 연구 데이터를 활용하였다. 온도에 따른 전기화학적 특성의 영향을 수치적으로 분석한 결과, 유효성에 가장 큰 편차를 가져오는 변수들은 charge transfer coefficient(CTC), exchange current density, diffusion coefficient, electrical conductivity인 것으로 나타났다. 온도와 압력에 따른 해당 변수들의 영향 및 경향성을 분석하여 과전압 모델을 제시하였다. 다양한 모델의 적용과 타당성을 확보하기 위해서 교차-검증이 도입되었다. 그 결과, 체계화된 유효성 검증 과정에 기초한 고체 산화물 수전해 시스템의 수치 모델은 뛰어난 성능의 예측 결과를 보여주었다.

• 한국결정성장학회지
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• 제30권1호
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• pp.17-20
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• 2020

고성능의 산소생성반응(OER)과 수소생성반응(HER) 전기촉매 개발은 수전해 시스템의 상용화에 있어서 매우 중요하게 여겨진다. 특히 HER에 비하여 OER이 상대적으로 높은 과전압을 가지기 때문에, OER의 과전압을 효과적으로 낮추는 촉매를 개발하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는, 매우 간단한 공정을 통하여 triple perovskite 구조의 Nd_1.5Ba_1.5CoFeMnO_x 전기촉매를 합성하였으며 그 특성을 분석하였다. 합성된 Nd_1.5Ba_1.5CoFeMnO_x는 OER 뿐만 아니라 HER에서도 우수한 특성을 나타내었다. 이러한 결과를 통하여 높은 결정성을 가지는 triple perovskite 구조가 간단한 연소 합성법(combustion synthetic method)을 통하여 합성될 수 있으며 알칼리 전해질 하에서 매우 우수한 촉매특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 높은 OER, HER 특성을 보이는 Nd_1.5Ba_1.5CoFeMnO_x triple perovskite 촉매는 수전해 시스템의 상용화에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.

• Composites Research
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• 제32권6호
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• pp.355-359
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• 2019

고효율의 물 분해 시스템은 수소 발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER) 각각에서의 촉매로 인한 전기화학적 반응에서의 효율로 인해 향상되는 높은 과전압의 감소가 수반되어야 한다. 그 중에서도 전이 금속 기반의 화합물(산화물, 황화물, 인화물, 그리고 질화물)은 현재 상용되고 있는 귀금속을 대체할 촉매 재료로써 주목받고 있다. 본 연구에서, 우리는 FESEM 분석을 통해 최적의 단분산된 Co₃[Co(CN)₆]₂ PBAs를 합성하고 XRD, FT-IR 분석을 통하여 결정성을 확인하고 TG-DTA를 통해 PBAs의 열적 거동을 확인하였다. 그리고 합성된 최적의 Co₃[Co(CN)₆]₂ PBAs를 열처리해서 단분산된 Co₃O₄나노 큐브를 합성하였고 XRD를 통해 이의 결정성을 확인하고 OER 측정을 진행하였다. 최종적으로 합성된 Co₃O₄ 나노 큐브는 10 mA·cm^-2의 전류 밀도에서 312 mV의 낮은 과전압과 96.6 mV·dec^-1의 낮은 Tafel slope을 보인다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제54권6호
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• pp.854-862
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• 2016

최근 화석연료를 대체할 친환경 신재생에너지에 대한 요구가 증가하면서 수소에너지가 미래 대체에너지원으로서 주목받고 있다. 수소를 생산하는 방법 중 수전해 기술은 에너지효율과 안정성이 뛰어난 장점이 있지만, 산소발생반응시 발생하는 높은 과전압은 여전히 단점으로 지적되고 있다. 본 연구에서는 분무열분해 공정을 통하여 Co 전구체로부터 $Co_3O_4$를 제조하였다. 또한, urea, sucrose, citric acid의 유기물첨가제를 사용하여 다양한 입자 크기와 표면형상을 가지는 $Co_3O_4$를 제조하였고, 필요에 따라 추가로 열처리를 실시하였다. 합성한 $Co_3O_4$의 물리적 특성을 분석하기 위해 X-선 회절 분석(XRD)으로 결정성을 조사하였고, 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)으로 입자형상 및 표면을 분석하였다. 질소 흡 탈착 시험을 통해 촉매의 비표면적 및 기공부피를 측정하였고, 질소도핑을 확인하기 위해 X-선 광전자 분광법(XPS)을 사용하였다. 촉매의 산소발생반응 활성을 알아보기 위해 3전극 셀에서 선형주사전위법(LSV)으로 전기화학적 거동을 분석하였다. 첨가제를 사용하지 않은 $Co_3O_4$가 가장 우수한 활성을 보였고, 이는 분무열분해법을 통하여 상대적으로 작은 입자형성과 높은 비표면적의 영향인 것으로 판단된다.

• 대한금속재료학회지
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• 제56권12호
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• pp.885-892
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• 2018

Molybdenum disulfide ($MoS_2$) based electrocatalysts have been proposed as substitutes for platinum group metal (PGM) based electrocatalyst to hydrogen evolution reaction (HER) in water electrolysis. Here, we studied $MoS_2/CNFs$ hybrid catalyst prepared by electrospinning method with heat treatment for polymer electrolyte membrane(PEM) water electrolysis to improve the HER activity. The physicochemical and electrochemical properties such as average diameter, crystalline properties, electrocatalitic activity for HER of synthesized $MoS_2/CNFs$ were investigated by the Scanning Electron Microscope (SEM), X-ray Diffraction (XRD), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Transmission Electron Microscopy (TEM), Raman Spectroscopy (Raman) and Linear Sweep Voltammetry (LSV). The as spun ATTM/PVP nanofibers were prepared by sol-gel and electrospinning method. Subsequently, the $MoS_2/CNFs$ was dereived from reduction heat treatment of ATTM at the ATTM/PVP nanofibers and carbonization heat treatment. Synthesized $MoS_2/CNFs$ electrocatalyst had an average diameter of $179{\pm}30nm$. We confirmed that the $MoS_2$ layers in $MoS_2/CNF$ electrocatalyst consist of 3~4 layers from the Raman results. In addition, We confirmed that the $MoS_2$ layers in $MoS_2/CNF$ catalyst consist of 7.47% octahedral 1T phase $MoS_2$, 63.77% trigonal prismatic 2H phase $MoS_2$ with 28.75% $MoO_3$ through the XRD, Raman and XPS results. It was shown that $MoS_2/CNFs$ had the overpotential of 0.278 V at $10mA/cm^2$ and tafel slope of 74.8 mV/dec in 0.5 M sulfuric acid ($H_2SO_4$) electrolyte.

• 공업화학
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• 제5권1호
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• pp.44-53
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• 1994

고성능 니켈-철 축전지를 개발하기 위하여 알칼리 축전지로 이론적 용량밀도가 높고 저공해성, 저렴한 가격, 자원의 풍부성 등의 우수한 장점을 가지고 있는 철전극에 대한 연구를 수행하였다. 충방전반응의 특성을 전위주사법, SEM, XRD 분석으로 조사하였으며, 또한 전극용량을 정전류 충방전시험법으로 조사하였다. 철의 순도와 입자크기가 전극용량에 크게 영향을 미쳤으며, 첨가제 $Na_2S$는 전극의 부동태화를 방지하고 수소과전압을 높여 전극용량을 20% 정도 증대시켰다. 전극의 안정성과 용량은 Ni-fibrex와 foamed Ni집전체를 사용하여 증대시켰으며, 또한 소결온도에 영향을 받았다. 전극용량은 350 mAh/g(0.2 C)으로 나타났는데, 이는 이용률 36%에 해당한다.

• 공업화학
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• 제31권5호
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• pp.581-584
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• 2020

The effect of a chemical pretreatment on the surface carbon was investigated using a scanning electron microscope (SEM) and electrochemical methods. Primitive carbon has a reducing power likely due to incompletely oxidized functional groups on the surface. We aim to control this reducing power by chemical treatment and apply for the spontaneous deposition of nanoparticles (NPs). Highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) was initially treated with a reducing agent, NaBH4 or an oxidizing agent, KMnO₄, for 5 min. Subsequently, the pretreated carbon was immersed in a platinum (Pt) precursor. Unexpectedly, SEM images showed that the reducing agent increased spontaneous PtNPs deposition while the oxidizing agent decreased Pt loading more as compared to that of using bare carbon. However, the amount of Pt on the carbon obviously decreased by NaBH₄ treatment for 50 min. Secondly, spontaneous reduction on pretreated glassy carbon (GC) was investigated using the catalytic hydrogen evolution reaction (HER). GC electrode treated with NaBH4 for a short and long time showed small (onset potential: -640 mV vs. MSE) and large overpotential for the HER, respectively. Although the mechanism is unclear, the electrochemistry results correspond to the optical data. As a proof-of-concept, these results demonstrate that chemical treatments can be used to design the shapes and amounts of deposited catalytic metal on carbon by controlling the surface state.