대기압 RF Plasma 방법을 이용한 고분자막의 귀금속 촉매코팅과 전기화학적 특성 연구

Abstract

연료전지는 기존의 기계적 엔진보다 높은 에너지 효율과 친환경적이라는 장점에 의하여 많은 연구가 진행 중이다. 그러나 상용화를 위해서는 낮은 가격과 성능의 향상이 더욱 요구되고 있다. 특히 연료전지에 사용되는 고가의 귀금속 촉매의 사용량을 줄이면서도 높은 성능을 가지는 촉매 제조법 및 처리방법 개발이 매우 필요하다. 최근 본 연구실에서는 대기압 수소 플라즈마 방법으로 PdCl₂ 가 Pd로 환원됨을 확인하였고 본 연구에서는 이를 바탕으로 PtCl₄ , PtCl₄ / RuCl₃ 와 PtO₂/RuO₂ 으로 선구물질을 변화시켜 가며 기존의 촉매 제조 및 처리법의 복잡한 공정을 대체하는 연구를 하였다. 이 방법을 이용하여 Pd 또는 Pt 촉매가 코팅된 전해질막(catalysts coated membrane)을 제조 할 수 있었으며, 또한 Pt의 경우 촉매의 활용률을 증가시키기 위하여 Nafion 과 촉매가 혼합된 잉크(Nafion carbon isopropyl alcohol, NCI)를 사용하였고 Pt와 NCI를 다층으로 적층하였다. 그러나 PtCl₄ /RuCl₃ 혼합 염화물용액, PtO₂/RuO₂혼합산화물용액을 사용하였을 경우에는 선구체가 잘 환원되지 않음을 확인하였다. 또한 촉매가 코팅된 전해질막을 제조함에 있어 전해질막(Nafion) 표면에 촉매가 고르게 입혀지도록 전해질막의 표면을 수소 플라즈마 처리 하여 표면을 친수성으로 만들 수 있었다. 그러나 고분자 전해질 연료전지(Proton exchange membrane fuel cell)테스트 결과 성능이 감소하여 본 연구에서는 수소 플라즈마를 먼저 처리한 전해질막을 사용하지 않았으며 수소 플라즈마에 의한 전해질막의 표면변화만을 알아보았다. 대기압 수소 플라즈마에 의해 제조된 촉매의 물리적 특성을 XRD(X-ray diffraction), EDX (Energy Dispersive X-ray spectrum), SEM(Scanning electron microscope)그리고 AFM(Atomic force microscope) 이용하여 분석하였으며 촉매가 코팅된 전해질막(catalysts coated membrane)의 전기화학적 특성은 고분자 전해질 연료전지(Proton exchange membrane fuel cell) 와 직접 메탄올 연료전지(Direct methanol fuel cell) 를 이용하여 알아보았다. 결과적으로 대기압 수소 플라즈마를 환원방법 이용하여 만든 Pt를 사용한 고분자 전해질 연료전지는(PEMFC) 높은 성능을 나타내었으나 PtRu 를 사용한 직접 메탄올 연료전지(DMFC)의 경우에는 낮은 성능이 측정 되었다.