기하학적 설계를 통해 직접 메탄올 연료전지의 음극반응을 위한 백금나노입자의 메탄올 내성 향상

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 16219(2015) 이 기사 인용

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나노입자의 구조를 숙지하는 것은 주어진 응용 분야에 대한 성능을 향상시키는 효과적인 방법일 수 있습니다. 여기에서는 산소 환원 반응에 대한 촉매 활성을 유지하면서 백금(Pt) 나노입자의 메탄올 내성을 향상시키는 케이지 벨 나노구조의 설계를 보여줍니다. 이 전략은 코어와 내부 쉘 영역에 각각 존재하는 Pt와 은(Ag)을 갖는 코어-쉘-쉘 나노입자의 합성으로 시작되며, 포화 염화나트륨(NaCl) 용액으로 교반하여 내부에서 Ag 성분을 제거합니다. 쉘 영역은 케이지 벨 구조를 갖는 바이메탈 나노입자의 형성으로 이어지며, 나노 채널이 있는 금속 쉘로 둘러싸인 이동 가능한 Pt 코어로 정의되며, 이는 다른 확산으로 인해 산소 환원 반응을 촉매하는 데 우수한 메탄올 내성 특성을 나타냅니다. 케이지 벨 구조의 나노입자의 다공성 금속 껍질에서 메탄올과 산소의 거동. 특히, 매우 저렴한 화학제(NaCl)를 사용하여 광범위한 금속 껍질을 포함하는 케이지 벨 구조 입자의 형성을 촉진함으로써 직접 메탄올의 음극 반응을 위한 선택성이 높은 전기촉매를 대규모로 생산할 수 있는 공학적 장점이 부각됩니다. 연료 전지들.

다양한 종류의 연료전지 중에서 직접메탄올 연료전지(DMFC)는 낮은 출력밀도, 높은 에너지 밀도를 요구하는 휴대용 및 모바일 제품의 전원으로 가장 유망하다. 상대적으로 낮은 온도에서 작동할 수 있는 능력과 빠른 시동 특성(연료 개질 없이 메탄올이 직접 사용되기 때문에)은 수소 산화 기반의 고분자 전해질 막 연료 전지(PEMFC)와 비교하여 유리합니다1,2,3. 간략하게 요약하자면, 20년에 가까운 연구 노력 끝에 DMFC의 주요 문제점 중 하나는 고분자 전해질막(PEM)을 통해 양극에서 음극으로 메탄올이 교차하는 것인데, 이는 연료 전지의 상당한 감소로 이어질 수 있습니다. 음극에서 일반적으로 사용되는 백금(Pt) 전기촉매는 산소 환원 반응(ORR)에 선택적이지 않고 메탄올 산화 반응(MOR)4,5,6,7,8에도 촉매 활성을 갖기 때문에 효율성이 높습니다. DMFC 상용화에 대한 이러한 주요 장애물을 극복하기 위해 PEM 수정을 위해 많은 노력이 기울여졌지만 일반적으로 일반적으로 사용되는 Nafion 막은 수용할 수 없을 정도로 높은 메탄올 교차율을 가지고 있다고 생각됩니다9,10,11,12, 13,14,15. 이러한 의미에서 ORR에 대한 선택성이 높은 전기촉매의 합성은 DMFC의 메탄올 교차 문제를 해결하기 위한 대안을 나타냅니다. 불행하게도 전이 금속 거대고리 복합체16,17,18,19, 전이 금속 황화물 및 셀렌화물20,21,22과 같은 ORR 선택성이 높은 전기촉매는 DFMC의 산성 환경에서 화학적으로 안정하지 않으며 메탄올이 없는 경우 고유 ORR 활성이 낮습니다. 알려진 결함입니다. 따라서 Pt에 필적하는 ORR 활성을 갖는 메탄올 내성 음극 촉매를 개발하려는 관심은 수년 동안 줄어들지 않았습니다.

전이 금속과의 합금화를 통해 Pt 촉매 성능을 높이기 위한 고전적인 전략 대신, 우리는 초기 연구에서 Pt 촉매의 우수한 ORR 선택성이 기하학적 설계를 통해 실현될 수 있다는 개념을 발전시켰습니다. 촉매 금속의 본질적인 특성을 이용합니다. 이 전략에서는 나노 채널이 있는 쉘로 둘러싸인 이동 가능한 코어를 의미하는 케이지 벨 구조(CBS)를 갖는 바이메탈 Pt-Ru 나노입자가 Ag 함유 내부에서 Ag의 내부 확산을 기반으로 생성되었습니다. ORR 선택성을 달성하기 위한 코어-쉘 금속 나노입자. CBS Pt-Ru 나노입자에서 촉매 활성 금속인 Pt는 메탄올 산화에 비활성인 다공성 Ru 껍질로 보호된 코어 영역에 위치합니다. MOR 및 ORR이 발생하려면 메탄올과 산소가 다공성 Ru 껍질을 통해 나노입자의 CBS 내부로 확산되어야 합니다. 그러나 메탄올 분자는 산소 분자보다 큽니다(메탄올과 산소 분자의 직경은 각각 0.44nm와 0.34nm입니다). 따라서 O2의 확산은 CBS Pt-Ru 나노입자에서 메탄올의 확산보다 빠르며, 이는 CBS Pt-Ru에서 메탄올의 산화를 비경쟁적인 이벤트로 만듭니다.