에탄올 산화 반응의 활성을 높이기 위한 팔라듐-백금 얇은 집합 계층적 꽃송이 촉매

Abstract

화석연료는 현재까지도 사용되는 주요 에너지원으로 40-100년 안에 화석연료가 고갈될 것으로 예상된다. 따라서 화석연료를 대체할 에너지원이 필요하며, 높은 에너지를 내면서 친환경적이고 재생가능한 에너지원이 연구되고 있다. 대체 에너지원으로 전기, 수소, 물 등이 있으며, 이들을 생산하는 반응으로 연료 산화 반응, 수소 생성 반응, 이산화탄소 환원 반응 등이 있다. 이 중 전기에너지를 생산하는 에탄올 산화 반응은 촉매가 필수적이며, 백금이 대표적이다. 하지만 백금의 높은 시장가격과 낮은 매장량으로 백금과 비슷한 성질을 가진 팔라듐이 대체되고 있다. 금속 촉매의 활성을 높이기 위한 방법에는 모양 조절, 조성 조절, 크기조절 등이 있다. 이 연구의 목적은 모양과 조성을 조절하여 알칼리성 용매 중 에탄올 산화반응에서 촉매의 활성을 높이는 것이다. 이 연구는 입자를 중심으로 시트가 자라난 계층적 꽃송이 모양의 팔라듐-백금 합금을 제시하여 활성을 높였다. 주사 전자 현미경과 투과 전자 현미경을 통해 Pd-Pt 집합 나노시트의 계층적 꽃송이 모양을 확인하였다. 또한 HAADF-STEM-EDS을 통해 팔라듐과 백금의 균일성을 확인하였으며, 유도결합 플라즈마-광학적 발광 광도계를 통하여 이들의 조성 (Pd:Pt, 10:1)을 확인하였다. 그리고 X-ray 회절 분석법을 통하여 촉매의 fcc 구조를 확인하였다. KI, CTAC 그리고 AA는 계층적 꽃송이 모양을 형성하는 중요한 요소이다. KI는 [111]방향에서의 팔라듐과 백금의 성장을 억제하여 2차원적인 구조를 형성한다. CTAC는 계면활성제이다. AA는 환원제로 금속 이온의 환원 속도를 조절한다. CTAC와 AA는 과량이 들어갈 경우 아이오다이드 (I-) 이온의 흡착을 방해하여 불규칙한 모양의 3차원적 나노 입자를 형성한다. 시약의 특성을 이용하여 모양에 대한 대조군으로 동일한 조성을 가진 Pd-Pt 나노 크리스탈 (NCs)을 합성하였다. 그리고 조성에 대한 대조군으로 상업적으로 판매하는 Pd/C와 Pt/C를 선택하였다. 총 4가지 촉매의 알칼리성 용액 중 에탄올 산화 반응에 대한 전기화학적 특성을 확인한 결과, Pd-Pt 얇은 집합 나노시트는 0.5 KOH + 1.0 M 에탄올 조건에서 3369 mA mg-1의 높은 질량 활성 (Pd-Pt 나노 크리스탈보다 1.91배, Pd/C보다 2.36배 그리고 Pt/C보다 2.71배)을 나타냈다. 그리고 Pd-Pt 얇은 집합 나노시트는 0.5 KOH + 1.0 M 에탄올 조건에서 순환 전류법 300 바퀴 후에 70% 이상의 활성을 유지하였고, 좋은 안정성을 보여주었다. 이 실험을 통해 촉매의 모양과 조성이 전기화학적 특성에 영향을 주는 큰 요인임을 확인할 수 있었다.