Ni의 메탄올 전기 산화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4870(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구에서는 준비된 백금 비율(3%)을 갖는 Ni1-xCrx의 나노입자 샘플을 합성하고 전기방사 기술로 생산된 탄소 나노섬유에 로딩하고 아르곤 분위기에서 900°C에서 7시간 동안 탄화시켰습니다. 화학양론, 구조, 표면 형태 및 전기화학적 활성을 조사하기 위해 다양한 분석 기술이 적용되었습니다. 탄화 공정을 통해 금속 나노입자로 장식된 탄소나노섬유가 생성됩니다. 일반적인 섬유 직경은 250~520nm입니다. 처리된 샘플의 섬유 형태는 어떠한 명백한 변화도 나타내지 않습니다. 샘플의 메탄올 전기촉매 능력에 대한 연구가 수행되었습니다. 순환 전압전류법, 시간전류법 및 전기화학적 임피던스 측정을 사용하여 전해질 농도, 스캔 속도 및 반응 시간의 함수로서 촉매 성능과 전극 안정성을 조사했습니다. Ni에 Cr을 첨가하면 전기산화 반응의 활성화 에너지가 증가하고 전극의 안정성이 증가한다. 샘플 C3에서 최대 전류 밀도(JPE)는 0.8V에서 170.3mA/cm2였으며 개시 전위는 0.352V였습니다. 당사의 전기촉매를 활용하여 메탄올의 전기 산화에는 반응 속도 제한 반응과 확산 제어 제한 반응이 혼합되어 있습니다. 본 연구는 새로운 접근법을 사용하여 강력한 Ni-Pt-Cr 기반 메탄올 전기산화 촉매를 제조하는 방법을 보여주었습니다.

지속 가능하고 재생 가능한 에너지 분야의 현재 연구는 화석 자원 고갈 문제를 해결하기 위해 연료 전지의 향상에 집중하고 있습니다. 연료전지는 높은 효율과 거의 낮은 배출가스 등의 장점으로 인해 많은 주목을 받아왔습니다. 반면, 연료전지는 에너지를 변환하는 효과적이고 건강한 방법을 제공합니다. 또한 지속 가능한 개발과 에너지 안보를 위해 수소 및 재생 에너지원과 같은 현대 에너지원과 잘 작동합니다. 결과적으로 이는 미래의 에너지 변환 기술로 간주됩니다. 연료전지는 정적 특성으로 인해 소음과 진동이 없으며, 본질적인 유연성 덕분에 조립이 간단하고 이동형, 고정형, 운송형 발전 분야에서 폭넓게 사용할 수 있습니다. 본질적으로 연료전지는 높은 전력 밀도, 간단한 스케일링 및 낮은 작동 온도를 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 가장 깨끗하고 유연하며 효과적인 방법을 제공합니다1.

그러나 Pt 촉매의 높은 비용과 제한된 공급으로 인해 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC)2에 사용하기 위한 유리 또는 저백금족 금속 촉매 개발에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 고유한 품질로 인해 귀금속 나노입자(NP)와 탄소로 만들어진 재료는 촉매 산업에서 자주 활용됩니다. 예를 들어, Pt는 탄화수소, NOx, CO를 포함한 유독성 배기가스를 CO2, N2, H2O3로 변환하기 위해 자동차에 사용됩니다. 또한, Pt는 연료전지의 촉매로 자주 사용됩니다. 연료전지의 기능은 느린 산소 환원(OR)과 Pt의 느린 동역학으로 인해 제한된다고 합니다. 음극에서 Pt 촉매의 활성과 안정성을 향상시키기 위해 여러 팀에서 여러 연구를 수행했습니다4,5. 조촉매로서 주석은 메탄올 산화에 대한 Pt의 전기화학적 산화 활성을 개선하기 위해 광범위하게 사용됩니다. Pt/Fe, Pt/Co, Pt/Ni 및 Pt/Cr은 다음과 같은 다양한 Pt 합금 기반 촉매 중 일부입니다. PEMFC6,7,8,9에서는 낮은 과전압과 높은 촉매 활성으로 인해 생성되었습니다. Ni, Cr, Co 등을 포함한 다양한 전이 금속으로 구성된 Pt 합금은 순수 Pt10,11에 비해 PEMFC에서 더 높은 ORR 전기촉매 활성을 보여주었습니다. 이러한 개발은 가능하며 Pt의 산화 상태 감소, 더 높은 에너지를 갖는 새로운 전자 구조의 생성, Pt 산화물 생성 억제 등 여러 가지 요인에 기인할 수 있습니다. 기술적 장벽을 극복하기 위해 저귀금속 및 비귀금속 촉매 개발에 많은 노력이 집중되어 왔다. 니켈 기반 재료는 우수한 화학적 안정성, 전기적 특성 및 알칼리 매체에서 중간 COad를 제거하는 능력으로 인해 가장 유망한 후보 중 하나입니다[16,17]. Ni는 조사된 전이 금속 중 메탄올과 요소 모두에 대해 고무적인 전기화학적 산화 활성을 보여주었습니다. 표면적을 늘리고 비귀금속 원소, 복합체 및 산화물을 통합하는 등 Ni의 촉매 활성과 내구성을 높이기 위해 Ni의 활성을 높이는 여러 방법이 사용되었습니다. 메탄올 산화 반응은 Ni-Co 나노입자20, Ni/TiO2 나노튜브21, Ni-Cd 코팅 흑연22, Ni-Cu 합금23 및 Ni-Cr 나노산화물24을 사용하여 조사되었습니다. 이들 물질은 향상된 전기촉매 활성 및 안정성(MOR)을 나타냈습니다.