Nickel and Iron based Electrodeposited Porous Transport Electrodes for Anion Exchange Membrane Water Electrolyzer = 음이온 교환막 수전해 장치를 위한 니켈 및 철 기반 전기도금 다공성 수송 전극 설계

국문 초록 (Abstract)

지구 온난화는 국제적 기후 대응 노력을 가속화시켰으며, 파리협정과 RE100 같은 기업 주도 활동으로 구체화되고 있다. 이 흐름 속에서 수소는 높은 에너지 밀도와 탄소 배출 없는 생산 가능성으로 에너지 전환의 핵심 수단으로 주목받고 있다. 그러나 현재 수소 생산의 95% 이상이 화석 연료 기반 공정에 의존하고 있어, 청정하고 확장 가능한 대체 수단이 절실하다. 재생에너지 기반 수전해를 통한 그린 수소는 유망한 해결책으로 부상하며, 수전해 기술을 탈탄소화 전략의 중심에 놓고 있다.
수전해 기술 중에서도 음이온 교환막 수전해(AEMWE)는 알칼리 조건에서 구동되며 비귀금속 촉매를 사용할 수 있어 비용 절감과 확장성 측면에서 강점을 가진다. 그러나 AEMWE의 기술적 성숙도는 아직 낮고, 양극에서의 느린 산소 발생 반응(OER)과 음극에서의 낮은 수소 발생 반응(HER) 활성은 여전히 주요 과제로 남아 있다. 본 연구는 이러한 한계를 극복하기 위해, OER 및 HER 촉매를 다공성 기체 수송층(PTL)에 직접 전기도금하여 비귀금속 기반 통합 전극을 개발하고 체계적으로 분석하였다.
제2장에서는 스테인리스강 펠트로 제작된 PTL에 니켈-철 기반 촉매를 전기도금하여 삼차원 통합 양극을 제작하는 과정을 다룬다. 이 구조는 촉매 이용률 향상과 기계적·전기적 통합성을 동시에 확보하여, 단일 셀 AEMWE 실험에서 기존 전극 대비 뛰어난 성능과 내구성을 입증하였다.
제3장에서는 니켈-철 기반 통합 양극의 상 구성과 형태를 최적화하여 전기화학적 활성 및 장기 안정성을 향상시키는 전략을 제시한다. 전기도금 및 후처리 조건을 조절하여 촉매 구조와 성능 간의 상관관계를 규명하였으며, 제작된 전극은 AEMWE 스택에 적용되어 실제 운전 조건에서도 높은 성능을 안정적으로 유지함을 확인하였다.
제4장에서는 AEMWE 시스템용 HER 촉매로 니켈-철-인 기반 음극 개발을 다룬다. 전기도금 및 인화 과정을 통한 대면적 제조 공정을 적용하여, 스테인리스강 펠트에 직접 통합된 음극을 구현하였다. 개발된 전극은 귀금속을 사용하지 않고도 높은 전류 밀도를 달성하였으며, AEMWE 스택 단위로 구성된 셀에서도 우수한 성능과 안정적인 작동을 동시에 구현함으로써, 고성능과 저비용을 만족하는 AEMWE 시스템의 가능성을 입증하였다.
본 연구는 AEMWE 시스템에 최적화된 고성능 비귀금속 기반 전극을 개발하기 위한 통합적 전략을 제시하였으며, 경제성과 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 방향성을 제시함으로써 그린 수소 상업화에 기여할 수 있는 중요한 기반을 마련하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The urgent threat of global warming has accelerated international climate efforts, including the Paris Agreement and corporate initiatives like RE100. Hydrogen has gained significant attention as a key enabler of the energy transition, offering high gravimetric energy density and the potential for carbon-free production. However, over 95% of hydrogen is still produced through fossil fuel-based processes, underscoring the need for clean, scalable alternatives. Green hydrogen, generated via water electrolysis powered by renewable energy, offers a promising solution and positions electrolyzer technologies at the forefront of decarbonization strategies.
Among emerging electrolyzer technologies, anion-exchange membrane water electrolyzers (AEMWEs) offer advantages such as alkaline operation and the use of non-precious metal catalysts, enhancing prospects for cost reduction. Nevertheless, challenges remain, including sluggish oxygen evolution reaction (OER) kinetics at the anode and insufficient hydrogen evolution reaction (HER) activity at the cathode. This thesis addresses these issues by developing noble-metal-free unified electrodes through direct electrodeposition of OER and HER catalysts onto porous transport layers (PTLs).
In Chapter 2, the fabrication of a three-dimensional unified anode is explored. A nickel-iron-based catalyst was directly electrodeposited onto stainless steel felt to enhance OER activity and structural integration. This approach demonstrated improved current density and durability compared to conventional electrodes, highlighting the benefits of a unified electrode design for AEMWE applications.
Chapter 3 investigates the optimization of phase composition and morphology in NiFe-based anodes to further enhance catalytic performance. By tuning electrodeposition and post-treatment conditions, the study identifies critical structure–activity relationships. The optimized anode was applied to an AEMWE stack and exhibited stable, high performance under practical operating conditions.
Chapter 4 focuses on developing a bamboo-like NiFeP cathode for HER applications in AEMWEs. A scalable electrodeposition and phosphidation process was used to integrate the catalyst onto stainless steel felt. The resulting cathode achieved high current densities without the use of noble metals and exhibited both excellent performance and stable operation in AEMWE stack-level cells, thereby validating the potential of a high-performance and low-cost AEMWE system.
Collectively, this work demonstrates a comprehensive strategy for developing high-performance, noble-metal-free electrodes tailored for AEMWE systems. By addressing both anode and cathode challenges, the study provides valuable insights for advancing cost-effective green hydrogen production technologies toward large-scale commercialization.

목차 (Table of Contents)

• Table of Contents
• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Tables v
• List of Figures vi
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Global warming and hydrogen 1
• 1.2. Water electrolysis 7
• 1.3. AEMWE 14
• 1.4. Objective of this study 18
• 1.5. References 21
• Chapter 2. Three-dimensional NiFeOOH-based unified electrode design for enhanced performance and long-term stability in anion-exchange membrane water electrolyzers 27
• 2.1. Introduction 27
• 2.2. Experimental 31
• 2.3. Results and discussion 36
• 2.4. Conclusion 70
• 2.5. References 71
• Chapter 3. Engineering Bamboo-Shaped Electrodes via Heat Treatment to Achieve Superior Performance and Durability in Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers with Stack-Level Validation 75
• 3.1. Introduction 75
• 3.2. Experimental 79
• 3.3. Results and discussion 84
• 3.4. Conclusion 110
• 3.5. References 111
• Chapter 4. Realizing exceptional performance in alkaline water electrolysis using an economical bamboo-structured integrated electrode for hydrogen evolution 116
• 4.1. Introduction 116
• 4.2. Experimental 120
• 4.3. Results and discussion 125
• 4.4. Conclusion 151
• 4.5. References 153
• 국문 초록 (Abstract in Korean) 160
• List of Publications (SCI) 163