PEM 연료전지용 ORR 촉매의 고정화 구조 설계 및 내구성 확보

Design of catalyst immobilization structures and durability enhancement for ORR in PEM fuel cells

연구 내용

PEM 연료전지의 산소환원반응(ORR)에서 백금계 촉매의 입자 성장과 지지체 열화를 억제하기 위해 지지체-촉매 결합 및 전극 미세구조를 제어하는 연구

PEMFC에서 ORR 촉매의 내구성은 촉매 입자 성숙과 탄소 지지체 부식에 의해 제한됩니다. 연구실은 탄소 기반 지지체의 도핑과 결합 에너지 설계를 통해 Pt계 나노입자가 전기화학적으로 안정한 상태를 유지하도록 유도합니다. 구체적으로 Zn 및 질소가 도핑된 탄소 지지체를 전구체 소스로 활용하여 ordered PtZn 나노구조를 합성하고, 전기화학적 활성면적 유지와 분해 저항을 함께 평가합니다. 또한 블록 공중합체로 자가조립된 hollow gyroid 형태를 이용해 촉매를 균일하게 고정화하고 표면 접근성을 확보함으로써 탄소 부식에 따른 촉매 탈착을 완화하는 구조 전략을 수행합니다. 이를 통해 ORR 성능과 운전 안정성을 동시 목표로 설정합니다.

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연구 흐름

연구는 PEMFC의 ORR에서 촉매-지지체 계면이 내구성을 좌우한다는 문제의식에서 출발합니다. 먼저 질소·금속 도핑된 탄소 지지체를 기반으로 Pt계 나노구조를 안정화하는 합성 경로를 정립하고, ordered PtZn 기반 촉매에서 결합 특성과 전기화학적 열화 거동을 함께 확인하는 방향으로 연구를 수행했습니다. 이후 2024년에는 촉매 고정화의 구조적 해법으로 hollow gyroid 탄소-촉매 나노구조를 설계하여 표면 접근성과 촉매 매립 안정성을 강화하는 연구로 확장했습니다. 두 접근은 촉매 활성 유지와 열화 억제를 같은 방향의 설계 변수로 연결하며, 최근에는 전극 미세구조 설계가 ORR 내구성에 미치는 영향을 체계적으로 해석하는 단계로 발전하고 있습니다.

활용 가능성

활용 가능성은 알앤디써클 특화 AI 에이전트가 생성한 내용으로, 실제 연구 가능 여부는 연구실과의 논의가 필요합니다.

PEMFC용 ORR 촉매 지지체 설계
Pt계 촉매의 고정화 구조 최적화
탄소 지지체 열화 억제형 전극
ordered 나노구조 기반 ORR 활성 안정화
전극 미세구조를 활용한 촉매 탈착 저감
고내구 PEMFC 운전 조건 적용
저백금계 촉매 대체 후보 발굴
계면 결합 기반 수명 예측 입력변수 구축
전기화학 활성면적 유지형 전극 공정
연료전지 시동·정지 내구성 개선