[논문 리뷰] Synthesis of metallic nanoparticles for heterogeneous catalysis: Application to the Direct Borohydride Fuel Cell

Fabrice Asonkeng, Gaël Maranzana외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 25.

Electrocatalysts for Energy Conversion참고 문헌 50인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 PGMEA 용매와 PMMA 고분자를 사용하여 탄소 섬유 기반 다孔질 전도성 층(PTL)에 금(Au), 팔라듐(Pd), platina(Pt) 나노입자를 직접 한 번의 공정으로 도금하는 단일 단계, 일괄 합성 방법을 제시한다. 최적화된 Pt를 함유한 PTL(≤0.16 mg/cm²)은 직접 휘발성 수소화물 연료전지(DBFC)에서 높은 출력 밀도와 패러데이 효율을 달성하여 극소수의 귀금속 소비로도 완전한 수소가치화를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Until now, the fabrication of electrocatalysts to guarantee long life of fuel cells and low consumption of noble metals remains a major challenge. The electrocatalysts based on metals or metal oxides which are used today are limited by the complexity of their synthesis processes and require several steps before depositing the catalysts on the substrate. Herein is described a chemical synthesis process that consists of a single-step synthesis and direct deposition of catalysts nanoparticles such as gold (Au), palladium (Pd) and platinum (Pt) in the thickness of a carbon-fibers-based porous transport layer (PTL). The synthesis process essentially consists of dissolving in the same PGMEA (Propylene glycol methyl ether acetate) solvent a metal precursor (HAuCl4 or PdNO2 or PtCl4) and a homopolymer PMMA (Polymethylmetacrylate), then the metal solution is deposited on the surface of the PTL after cleaning. Special emphasis is made on Pt-based materials. The obtained PTL-supported nanoparticles were firstly characterized by scanning electron microscopy (SEM) to evaluate their morphology, and then X-Ray diffraction (XRD) to observe the crystal phases. To validate the methodology, Pt-coated PTL materials have been used as anode for the borohydride oxidation reaction (BOR) in a direct borohydride fuel cell (DBFC) and compared to a state-of-the-art nickel electrode. There is an optimum loading of platinum (below 0.16 mg Pt/cm2) which constitutes the best compromise between power density and faradic efficiency for the borohydride oxidation reaction (BOR). Thanks to this low Pt loading, hydrogen evolved during the anodic reaction is completely valorized. These electrodes combine the advantages of high-performance with a very low metal loading, hence lowering materials cost.

연구 동기 및 목표

• 다공성 전도성 층(PTL)에 이종 촉매를 단순화된 단일 공정으로 합성하여 제조 복잡성을 감소시키는 것.
• 직접 휘발성 수소화물 연료전지(DBFC)에서 높은 촉매 성능을 유지하면서도 귀금속, 특히 팔라듐의 사용을 최소화하는 것.
• 다중 공정 또는 추가 촉매 지지체 없이도 금속 나노입자를 PTL에 직접 도금하는 것.
• Pt 도금 PTL의 수소화물 산화 반응(BOR)에서의 전기화학적 성능을 평가하고 최신 기술 수준의 Ni 양극과 비교하는 것.
• DBFC에서 출력 밀도와 패러데이 효율을 균형 잡는 데 최적의 Pt 도금 농도를 규명하는 것.

제안 방법

• PGMEA를 용매로 사용하여 금속 전구체(HAuCl₄, PdNO₂, PtCl₄)와 PMMA 고분자를 모두 용해시키는 단일 공정 합성 방법을 개발하였다.
• 금속-PMMA 용액을 세척된 탄소 섬유 기반 PTL에 직접 도포함으로써 현장 내 나노입자 형성과 고착이 가능해졌다.
• 현미경적 형태 및 분포 분석을 위해 스캐닝 전자현미경(SEM)을 사용하였다.
• 침착된 나노입자의 결정상태를 확인하기 위해 X선 회절(XRD)을 활용하였다.
• 다양한 도금 농도로 Pt 도금 PTL을 제작하고 직접 휘발성 수소화물 연료전지(DBFC)의 양극으로 시험하였다.
• 전기화학적 성능은 수소화물 산화 반응(BOR) 활성도, 출력 밀도, 패러데이 효율을 통해 평가되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추가 촉매 지지체 없이도 단일 공정 합성 방법이 PTL에 직접 귀금속 나노입자를 효과적으로 생성하고 도금할 수 있는가?
• RQ2 DBFC에서 출력 밀도와 패러데이 효율을 균형 잡는 데 최적의 Pt 도금 농도는 무엇인가?
• RQ3 촉매 활성도 및 수소 활용 측면에서 Pt 도금 PTL 양극은 최신 기술 수준의 Ni 양극과 비교해 어떤가?
• RQ4 제안된 방법은 고전기화학적 효율을 유지하면서 귀금속 소비를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 PMMA를 보조로 사용한 PGMEA 용액을 통한 직접 나노입자 도금이 촉매의 구조적 및 전기화학적 안정성을 유지하는가?

주요 결과

• 단일 공정 합성 방법은 추가 촉매 지지체 없이도 PTL 표면에 잘 분산된 Au, Pd, Pt 나노입자를 성공적으로 생성하고 도금하였다.
• XRD 분석을 통해 면심립정(Pt) 나노입자가 면심립정 구조를 가진 결정상으로 형성되었음을 확인하였다.
• SEM 영상 분석을 통해 PTL 표면 전역에 균일하게 분포된 나노입자를 관찰하였으며, 입자 크기는 5–15 nm 범위였다.
• 수소화물 산화 반응에서 출력 밀도와 패러데이 효율을 균형 잡는 데 최적의 Pt 도금 농도로 0.16 mg/cm²를 규명하였다.
• 이 농도에서 Pt 도금 PTL 양극은 높은 출력 밀도를 달성했고, BOR 동안 발생하는 수소를 완전히 가공함으로써 Ni 양극을 능가하는 효율성을 보였다.
• 이 방법은 귀금속 소비를 크게 줄이며도 높은 촉매 성능을 유지하여 DBFC 양극 제작에 비용 효율적인 길을 제시한다.