Appl. Chem. Eng., Vol. 22, No. 5, October 2011, 479-485 479 환원법에 의한 직접 메탄올 연료전지 (DMFC)용 Pt-Bi/Carbon 전극제조 김관성⋅김민경⋅노동균⋅탁용석⋅백성현 † 인하대학교 화학공학과 (2011년 6월 17일 접수, 2011년 7월 21일 심사, 2011년 8월 9일 채택) - Synthesis of Pt ‐Bi/Carbon Electrodes by Reduction Method for Direct Methanol Fuel Cell Kwan Sung Kim, Min Kyung Kim, Dong Kyun Noh, Yongsug Tak, and Sung-Hyeon Baeck † Department of Chemical Engineering, Inha University, Incheon 402-751, Korea (Received June 17, 2011; Revised July 21, 2011; Accepted August 9, 2011) 다양한 비율의 Pt와 Bi를 carbon black (Vulcan XC-72R)에 담지시킨 Pt-Bi/C 촉매를 환원법을 이용하여 합성하였다. Pt 와 Bi의 전구체로는 염화백금산(H2PtCl6⋅xH2O)과 비스무스트리질산(Bi(NO3)3⋅5H2O) 수용액을 각각 사용하였으며, 금속을 carbon에 담지하기 전, 금속물질의 분산도를 높여주기 위해 열처리와 산처리를 수행한 carbon black을 사용하였다. XRD (X-ray Diffraction) 분석과 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 통하여 Pt-Bi/C 촉매 내에 Pt와 Bi가 소성 시키기 전에는 BiPt 혹은 Bi2Pt로 존재하지만 500 ℃에서 소성을 한 후에는 Pt 격자구조 안으로 Bi가 침투하여 alloy을 형성하는 것을 확인하였다. 합성한 전극의 메탄올 산화반응은 전기화학분석장치(Potentiostat; Princeton applied research, VSP)를 사용하여 0.5 M CH3OH와 0.5 M H2SO4의 혼합수용액에서 순환전압법(cyclic voltammetry, CV)을 이용해 측정 하였다. 메탄올 산화에 대한 전기화학적 촉매 활성을 평가한 결과 적절한 양의 Bi를 첨가한 경우, 메탄올 산화반응에 대한 높은 촉매활성을 나타냄을 확인하였다. 메탄올 산화에 대한 활성은 전극과 전해질 사이의 안정성과 밀접한 관련 이 있다. 정전압법(Chronoamperometry, CA)을 이용하여 전극의 안정성을 평가한 결과 메탄올 산화반응에 높은 활성을 나타내는 촉매일수록 전극의 안정성도 높은 것을 확인하였다. Pt-Bi/C catalysts supported on carbon black with various Pt/Bi ratios were synthesized by a reduction method. Chloroplatinic acid hydrate (H2PtCl6⋅xH2O) and bismuth (III) nitrate pentahydrate (Bi(NO3)3⋅5H2O) were used as precursors for Pt and Bi, respectively. Before loading metal on carbon, heat treatment and pretreatment of carbon black in an acidic solution was conducted to enhance the degree of dispersion. The physical property of the synthesized catalysts was investigated by X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy. The XRD pattern of untreated Pt-Bi/C catalyst showed BiPt and Bi2Pt peaks in addition to Pt peaks. These results imply that Bi atoms were incorporated into the Pt crystal lattice by Pt-Bi alloy formation. The catalytic activity for methanol oxidation was measured using cyclic voltammetry in a mixture of 0.5 M H2SO4 and 0.5 M CH3OH aqueous solution. The addition of proper amount of Bi was found to significantly improve catalytic activity for methanol oxidation. The catalytic activity for methanol oxidation was closely related to the stability between electrode and electrolyte. In order to investigate the stability of catalysts, chronoamperometry analysis was carried out in the same sol- ution at 0.6 V. Keywords: reduction method, Pt-Bi/C, methanol oxidation 1. 서 론 1) 화석 연료의 고갈로 인한 대체에너지 자원에 대한 관심의 증가와 환경오염 문제가 대두 되면서 환경 친화적이며 높은 에너지 효율을 지닌 연료전지(Fuel Cell)가 에너지 전환장치로 많은 관심을 받고 있 다. 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 연료전지는 수 소 경제의 최종 단계로써 제안되고 있다. 수소를 연료로 사용하는 고 분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 높은 에너지 전환효율, 낮은 작동 온도, 그리고 오염물질 † 교신저자 (e-mail: [email protected]) 배출이 없어 특히 관심을 받고 있다. 그러나 연료로 사용되는 수소의 생산 및 저장, 수송 등의 기술적 어려움으로 인해 최근 연구가 활발히 진행 중에 있다[1]. 수소와 산소를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지와 비교할 때, 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)는 액체 인 메탄올을 사용하기 때문에 부피가 큰 연료 재공급 장치가 필요가 없어 가까운 미래에 휴대폰과 같은 휴대용 전력 수단으로써 각광 받 고 있다[2-7]. 현재 휴대용 전자기기에 주로 사용되는 리튬이온 이차 전지는 전기용량이 적어서 사용 시간이 짧고, 재충전을 하는데 상당 한 시간이 필요하며 전지의 수명은 2년 이하로 짧다. 특히, 갈수록 휴 대용 전자기기의 기능이 향상되면서 전기소모량의 증가로 전지의 필
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환원법에 의한 직접 메탄올 연료전지 (DMFC)용 Pt-Bi/Carbon 전극제조 · 2011-10-11 · 시키기 위해 열처리(500 ℃, 4 h) 및 왕수(염산/질산, v/v = 3/1)에서
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Appl. Chem. Eng., Vol. 22, No. 5, October 2011, 479-485
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환원법에 의한 직접 메탄올 연료전지(DMFC)용 Pt-Bi/Carbon 전극제조
김관성⋅김민경⋅노동균⋅탁용석⋅백성현†
인하대학교 화학공학과
(2011년 6월 17일 접수, 2011년 7월 21일 심사, 2011년 8월 9일 채택)
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Synthesis of Pt‐Bi/Carbon Electrodes by Reduction Method for Direct Methanol Fuel Cell
Kwan Sung Kim, Min Kyung Kim, Dong Kyun Noh, Yongsug Tak, and Sung-Hyeon Baeck†
Department of Chemical Engineering, Inha University, Incheon 402-751, Korea
(Received June 17, 2011; Revised July 21, 2011; Accepted August 9, 2011)
다양한 비율의 Pt와 Bi를 carbon black (Vulcan XC-72R)에 담지시킨 Pt-Bi/C 촉매를 환원법을 이용하여 합성하였다. Pt
와 Bi의 전구체로는 염화백금산(H2PtCl6⋅xH2O)과 비스무스트리질산(Bi(NO3)3⋅5H2O) 수용액을 각각 사용하였으며,
금속을 carbon에 담지하기 전, 금속물질의 분산도를 높여주기 위해 열처리와 산처리를 수행한 carbon black을 사용하였다.
XRD (X-ray Diffraction) 분석과 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 통하여 Pt-Bi/C 촉매 내에 Pt와 Bi가 소성
시키기 전에는 BiPt 혹은 Bi2Pt로 존재하지만 500 ℃에서 소성을 한 후에는 Pt 격자구조 안으로 Bi가 침투하여 alloy을
형성하는 것을 확인하였다. 합성한 전극의 메탄올 산화반응은 전기화학분석장치(Potentiostat; Princeton applied research,
VSP)를 사용하여 0.5 M CH3OH와 0.5 M H2SO4의 혼합수용액에서 순환전압법(cyclic voltammetry, CV)을 이용해 측정
하였다. 메탄올 산화에 대한 전기화학적 촉매 활성을 평가한 결과 적절한 양의 Bi를 첨가한 경우, 메탄올 산화반응에
대한 높은 촉매활성을 나타냄을 확인하였다. 메탄올 산화에 대한 활성은 전극과 전해질 사이의 안정성과 밀접한 관련
이 있다. 정전압법(Chronoamperometry, CA)을 이용하여 전극의 안정성을 평가한 결과 메탄올 산화반응에 높은 활성을
나타내는 촉매일수록 전극의 안정성도 높은 것을 확인하였다.
Pt-Bi/C catalysts supported on carbon black with various Pt/Bi ratios were synthesized by a reduction method. Chloroplatinic
acid hydrate (H2PtCl6⋅xH2O) and bismuth (III) nitrate pentahydrate (Bi(NO3)3⋅5H2O) were used as precursors for Pt and
Bi, respectively. Before loading metal on carbon, heat treatment and pretreatment of carbon black in an acidic solution was
conducted to enhance the degree of dispersion. The physical property of the synthesized catalysts was investigated by X-ray
diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy. The XRD pattern of untreated Pt-Bi/C catalyst showed BiPt and Bi2Pt peaks
in addition to Pt peaks. These results imply that Bi atoms were incorporated into the Pt crystal lattice by Pt-Bi alloy
formation. The catalytic activity for methanol oxidation was measured using cyclic voltammetry in a mixture of 0.5 M H2SO4
and 0.5 M CH3OH aqueous solution. The addition of proper amount of Bi was found to significantly improve catalytic activity
for methanol oxidation. The catalytic activity for methanol oxidation was closely related to the stability between electrode
and electrolyte. In order to investigate the stability of catalysts, chronoamperometry analysis was carried out in the same sol-