• Journal of Electrochemical Science and Technology
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• 제12권1호
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• pp.137-145
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• 2021

Among the non-precious metal catalysts, iron-nitrogen doped carbon (Fe-N/C) catalysts have been recognized as the most promising candidates for an alternative to Pt-based catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) under alkaline and acidic conditions. In this study, the nano replication method using mesoporous silica, which features tunable primary particle sizes and shape, is employed to prepare the mesoporous Fe-N/C catalysts with different shapes. Platelet SBA-15, irregular KIT-6, and spherical silica particle (SSP) were selected as a template to generate three different kinds of shapes of the mesoporous Fe-N/C catalyst. Physicochemical properties of mesoporous Fe-N/C catalysts are characterized by using small-angle X-ray diffraction, nitrogen adsorption-desorption isotherms, and scanning electron microscopy images. According to the electrochemical evaluation, there is no morphological preference of mesoporous Fe-N/C catalysts toward the ORR activity with half-cell configuration under alkaline electrolyte. By implementing X-ray photoelectron spectroscopy analysis of Fe and N atoms in the mesoporous Fe-N/C catalysts, it is possible to verify that the activity towards ORR highly depends on the portions of "Fe-N" species in the catalysts regardless of the shape of catalysts. It was suggested that active site distribution in the Fe-N/C is one important factor towards ORR activity.

• 전기화학회지
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• 제26권4호
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• pp.64-70
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• 2023

급격한 온실가스 배출량 증가로 인해 지구 온난화가 심화되고 있다. 이로 인해 탄소중립의 필요성과 이행이 더욱 절실해졌다. 이를 위해 여러 가지 신재생에너지 중 수소에 대한 관심이 부각되고 있다. 수소는 지구 상에 풍부한 자원이며 무탄소 전원으로 친환경적이다. 궁극적으로 물의 전기분해에 의해 친환경 수소를 얻을 수 있다. 하지만 산소 발생 반응에 사용되는 촉매는 고가이며 희귀하고 촉매의 내구성에 문제가 있어 어려움을 겪고 있기 때문에 비귀금속 촉매의 개발이 필요하다. 본 총설에서는 최근 발표된 산소 발생 촉매 중 비귀금속 촉매인 Co와 Mo 기반의 촉매를 정리, 요약하여 소개하고 있다. 이를 통해 비귀금속 촉매의 활성과 내구성을 증가시키기 위한 촉매의 특성 설계를 이해하는 데 도움이 될 것이다.

• Journal of Electrochemical Science and Technology
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• 제14권2호
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• pp.105-119
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• 2023

The electrochemical chlorine evolution reaction (CER) is an important electrochemical reaction and has been widely used in chlor-alkali electrolysis, on-site generation of ClO^-, and Cl₂-mediated electrosynthesis. Although precious metal-based mixed metal oxides (MMOs) have been used as CER catalysts for more than half a century, they intrinsically suffer from a selectivity problem between the CER and parasitic oxygen evolution reaction (OER). Hence, the design of selective CER electrocatalysts is critically important. In this review, we provide an overview of the fundamental issues related to the electrocatalysis of the CER and design strategies for selective CER electrocatalysts. We present experimental and theoretical methods for assessing the active sites of MMO catalysts and the origin of the scaling relationship between the CER and the OER. We discuss kinetic analysis methods to understand the kinetics and mechanisms of CER. Next, we summarize the design strategies for new CER electrocatalysts that can enhance the reactivity of MMO-based catalysts and overcome their scaling relationship, which include the doping of MMO catalysts with foreign metals and the development of non-precious metal-based catalysts and atomically dispersed metal catalysts.

• 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.

• 상하수도학회지
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• 제26권3호
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• pp.355-360
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• 2012

The characteristics of power generation were investigated by changing the electrical conductivity from 10 to 40mS/cm using air-cathode microbial fuel cell, which had graphite fiber fabric(GFF) anode. There were three kinds of cathode used: one was carbon cloth cathode coated with Pt, another was carbon nanotube(CNT) cathode with non-precious catalyst of Fe-Cu-Mn, and the other was carbon nanotube(CNT) cathode without any catalyst. When it was operated in batch mode, power density of 1369.5mW/$m^2$ was achieved at conductivity of 20mS/cm. Power density from MFC with CNT cathode coated with multi-catalyst of Fe-Cu-Mn was shown about 985.55mW/$m^2$, which was 75.1% compared the power density of carbon cloth coated with Pt. This meant that CNT cathode coated with multi-catalyst of Fe-Cu-Mn could be an alternative of carbon cloth cathode.

• Carbon letters
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• 제18권
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• pp.30-36
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• 2016

Well-dispersed Ag₃VO₄ nanoparticles @polyacrylonitrile (PAN) nanofibers were synthesized by an easily controlled, template-free method as a photo-catalyst for the degradation of methylene blue. Their structural, optical, and photocatalytic properties have been studied by X-ray diffraction, transmission electron microscopy, field-emission scanning electron microscopy equipped with rapid energy dispersive analysis of X-ray, photoluminescence, and ultraviolet-visible spectroscopy. The characterization procedures revealed that the obtained material is PAN nanofibers decorated by Ag₃VO₄ nanoparticles. Photocatalytic degradation of methylene blue investigated in an aqueous solution under irradiation showed 99% degradation of the dye within 75 min. Finally, the antibacterial performance of Ag₃VO₄ nanoparticles @PAN composite nanofibers was experimentally verified by the destruction of Escherichia coli. These results suggest that the developed inexpensive and functional nanomaterials can serve as a non-precious catalyst for environmental applications.

• 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.

• 한국표면공학회지
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• 제56권6호
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• pp.427-436
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• 2023

In the industry, it is recognized that human activities significantly lead to a large amount of wastewater, mainly due to the increased use of water and energy. As a result, the growing field of wastewater resource technology is getting more attention. The common technology for hydrogen production, water electrolysis, requires purified water, leading to the need for desalination and reprocessing. However, producing hydrogen directly from wastewater could be a more cost-effective option compared to traditional methods. To achieve this, a series of first-principle computational simulations were conducted to assess how waste nutrient ions affect standard electrolysis catalysts. This study focused on understanding the adsorption mechanisms of byproducts related to the oxygen evolution reaction (OER) in anion exchange membrane (AEM) electrolysis, using Co₃O₄ as a typical non-precious metal catalyst. At the same time, efforts were made to develop a comprehensive free energy prediction model for more accurate predictions of OER results.

• 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.

• 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.