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원자층 증착법 공정 온도에 따른 연료전지용 백금 촉매 특성 최적화 연구
이우재 ( Woo-jae Lee ),홍웅표 ( Woong-pyo Hong ),권세훈 ( Se-hunkwon ) 한국화상학회 2023 한국화상학회지 Vol.29 No.2
본 연구에서는 공정 간소화, 균일한 나노 입자 형성, 백금 저감 및 활용도를 높이기 위하여 원자층 증착법 (Atomic Layer Deposition, ALD)을 통하여 양이온 교환막 연료전지용 촉매를 제조하고 증착 온도에 따른 백금 입자 형성 거동을 확인하였다. 증착 온도는 250 ℃, 300 ℃, 350 ℃로 조절하여 백금 촉매를 형성하였으며 각 각의 촉매의 증착 양상을 확인하기 위하여 Thermogravimetric analysis, X-ray diffraction 및 Transmission electron microscopy를 도입하여 담지량, 백금 입자 분포, 크기 및 결정구조 등을 확인하였다. 합성된 백금 촉매를 연료전지에 적용하기 위해서 Cyclic Voltammetry 기법을 통해서 전기화학적 활성 표면적를 구하고, Membrane Electrode Assembly 셀을 제작하여 전지특성을 확보하였다. 최종적으로, 백금 촉매 제조 시 ALD 증착 온도는 300 ℃ 이하에서 합성해야 됨을 밝혀냈으며, ALD으로 제작된 백금 촉매가 기존 습식 촉매보다 더 우수한 특성을 보임을 확인하였다. 해당 연구는 ALD을 통하여 다양한 접근법으로 촉매를 제조할 시, 기본적인 ALD 공정 정보 및 ALD 촉매 합성 방향성을 제공할 수 있다. In this study, platinum (Pt) catalysts for proton exchange membrane fuel cells were manufactured using atomic layer deposition (ALD) to simplify the synthesis process, achieve the formation of uniform nanoparticle, and reduce and enhance the utilization of precious metals. The deposition behavior of Pt nanoparticles was investigated depending on the ALD deposition temperatures. Pt catalysts were synthesized by ALD at 250 ℃, 300 ℃, and 350 ℃, and thermogravimetric analysis, X-ray diffraction, and transmission electron microscopy were employed to investigate the deposition characteristics, Pt nanoparticle distribution, size, and crystal structure of each catalyst. To apply them in fuel cells, the electro-chemical active surface area was determined using cyclic voltammetry, and membrane electrode assembly cells were fabricated to study fuel cell performance. Ultimately, it was revealed that the ALD synthesis of Pt catalyst should be conducted at deposition temperatures below 300 ℃, and these Pt catalysts exhibited superior characteristics compared to wet-based Pt catalysts. This study provides fundamental information and direction on the ALD process for synthesizing catalysts when the advanced Pt based catalyst is synthesized by ALD through various approaches.
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