[최종목표]

 o 고결정 Graphitic 구조기반 비귀금속계 고효율 고성능 수전해 촉매 개발 및 개발 전극 을 적용한 단일전지/스택 알칼라인 수전해조 시제품 상용화 기술 확보 (TRL 7단계) 

     - [최종 개발목표]: 2,000시간을 구동하는 동안 90%이상의 초기성능을 유지하는 내구성과 스택기준 수소생산효율을 유지하는 4.8 kWh/Nm3 이하를 구현하는 고 성능 알칼라인 수전해조 시제품 개발 (TRL7단계) 

  o 고전도성 고활성 전극 지지체 및 고결정 Graphitic 나노소재 기반 저가의 고성능 비귀금속계 이종금속 촉매 복합 대면적 수전해 전극 개발 

    - [개발목표] 전극 전압: <1.52 V @ 10 mA/cm2 , 내구성: >95% @ 2,000시간 구동 후, 제조 전극 크기: >30×30 cm 

  o 고전도성 고활성 전극 지지체 표면 바인더 프리 촉매 고정화를 통한 고성능 고내구성 전극 개발 및 이를 적용한 알칼라인 수전해조 시제품 상용화 기술개발 (TRL7단계) 

    - [개발목표, 스택] 내구성: >90% (2,000시간 구동 후), 수소생산효율 (스택): <4.8 kWh/Nm3

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[1단계 1차년도 개발내용]

 [주관연구개발기관((주)크린앤사이언스정읍지점)]

  o 탄소섬유 기반 고전도성 전극 지지체 개발 

   - 고전도성 전극 지지체를 개발하기 위해 본 연구에서는 기계적 물성, 열안정성과 우수한 내화학성을 가질 뿐만 아니라 높은 전기전도성을 갖는 탄소섬유를 기반 으로 한 시트(sheet)/부직포 형태의 전극 지지체를 개발하기 위한 연구를 수행 하고자 함. 

   - 상기 연구개발에 있어서 차후 양산화 및 대면적화 공정으로의 기술전환이 용이 하도록 Wet-laid 공정기술을 접목하여 탄소섬유 전극 지지체를 제작하기 위한 연구를 수행하고자 하며, 탄소섬유가 제작된 시트/부직포 전반에 걸쳐 균일한 분산성과 두께분포를 가질 수 있도록 섬유 이온 전하 분산성 향상기술 및 반응성 바이닐기를 갖는 양친성 고분자 전구체를 분산제로 적용하여 적층된 탄소섬 유간에 계면 접합 특성 및 분산성을 향상시키기 위한 연구를 수행하고자 함. 

   - Wet-laid 공정을 통해 제작된 탄소섬유 전극 지지체는 평량에 따라 인장강도, 두께, 전기전도도 등의 성능을 조사하여 제작된 전극지지체 전반에서 균일한 물 성과 두께를 구현할 수 있는 제작공정 조건을 확립하기 위한 최적화 연구를 진 행하고자 함. 

  o 대면적 탄소섬유 기반 전극 지지체 연속 제작 공정기술 개발

   - 개발된 탄소섬유 적극 지지체의 상용화 기술을 확보하기 위한 탄소섬유 전극지 지체의 대면적화 및 양산화할 수 있는 roll-to-roll 연속제작 공정을 개발하기 위 해 본사에 기 구축된 Pilot 설비를 활용한 탄소섬유 시트/부직포 제작공정 기술 개발 및 최적화하기 위한 공정변수 조정 연구를 수행하여 고균질화된 탄소섬유 전극 지지체를 개발하기 위한 연구를 수행하고자 함 

  o 탄소섬유 전극 지지체 전도성 및 반응활성 향상을 위한 니켈 코팅 공정기술 개발 

    - 전극 지지체 표면 전도도 향상을 통한 전극반응 활성 및 낮은 인가전압에서도 반응효율을 향상시킬수 있는 전극 성능 향상을 위해 개발된 탄소섬유 전극 지 지체 표면에 알칼라인 수용액 하에서 높은 내식성을 갖는 니켈 (Nickel, Ni)을 균일하게 증착/코팅한 전이금속 복합화 탄소섬유 전극 지지체를 개발하고자 함. 

   - 본 연구에서는 그림 20에서 보이는 바와 같이 무전해 내지 전해 연속코팅 공정 을 통해 탄소섬유 전극 지지체를 구성하는 탄소섬유 표면에 Ni이 코팅된 하이브 리드 소재를 제작할 수 있는 연속제작 공정기술을 개발하는 연구를 수행하고자 함. 이를 위해 Ni의 전착 공정조건을 변화시켜 가며 Ni 코팅층의 두께가 전극 지지체의 전기전도성과 내화학성 및 반응물 흡착에 미치는 영향을 조사하여 탄 소섬유 전극 지지체 표면 니켈 코팅 조건을 최적화하는 연구를 수행하고자 함. 

   - 또한 전극의 HER, OER 특성 향상을 위해 화학적 표면 식각 공정을 통해 탄소 섬유 표면에 코팅된 Ni층을 전기전도성이 우수한 니켈보라이드 (Nickelboride: Ni2B)와 반응물 흡착에 유리한 니켈하이드록사이드 (Nickelhydroxide: Ni(OH)X) 를 동시에 형성할 수 있는 후가공 기술을 개발하고자 함. 

  o 연구 개발 목표→ 평량: >20 g/cm2 , 두께: > 0.1 mm, 인장강도: >0.4 kg/cm2 

  [공동연구개발기관1(전북대학교)] 

 o 용액공정을 통한 고결정, 고활성 그래핀 촉매 지지체 합성기술 개발

    - 본 연구에서는 양산화 측면에서 이점을 갖는 용액공정을 통해 고결정 고전도성 그래핀 촉매 지지체를 합성하기 위한 연구를 수행하고자 함. 이를 위해 In-plan 부분의 결정결함형성을 억제할 수 있는 하이드록실 산화 반응을 통해 엣지 부분에 산화기능기를 형성시킨 산화그래핀을 합성한 후 탄소원자 주입원과 함께 마이크로웨이브 하에서 수행되는 열처리 공정을 통해 화학적 산화 과정에서 생성된 결정 결함의 복원을 통해 In-plan 표면의 결정성을 향상시킨 고결정 그래핀을 합성하기 위한 연구를 수행하고자 함

    - 안정된 탄소-탄소 결함구조를 갖는 그래핀은 전도성은 우수하지만 이종소재와의 낮은 Compatibility를 갖기 때문에 금속촉매 입자의 증착 및 결합이 어렵다는 문제점을 가짐. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 레이저빔/전자빔 가공공정을 통해 합성된 고결정 그래핀 표면에 결함 패턴 및 밀도를 조정하여 개발된 이종금속촉매의 로딩량과 분산성을 조정할 수 있는 미세결함 가공공정 기술을 개발하는 연구를 수행하여 개발될 Graphitic 나노소재 기반 비귀금속계 이종금속 촉매의 성능을 향상시키기 위한 연구를 수행하고자 함

    - 상기 공정을 통해 인위적으로 고결정 그래핀 표면에 형성시킨 결정 결함은 소재의 전자구조 및 배위 환경을 변경하여 공석과 불포화 배위 사이트를 형성함. 또한 금속입자를 고정화하거나 잡아 둘 수 있는 트랩 역할을 하여 이종금속 촉매의 고정화 및 안정화에 이점을 제공하고 밴드갭을 조정하여 촉매 성능을 향상시킬 수 있는 이점을 제공할 것으로 고려됨.

    - 이 과정에서 개발된 고결정 그래핀 표면의 결함구조의 크기, 유형 및 패턴을 DFT이론 해석을 통해 기능화 구조의 전기 음성도 및 결함 유형이 이종금속촉매의 안정화에 미치는 영향을 분석해 그래핀-이종금속 촉매간 최적 구조를 설계하여 고 수전해 촉매 활성을 갖는 고성능 촉매를 개발하기 위한 연구를 수행하고자 함.

    - 또한 DFT계산 연구를 연계하여 해당 결함구조에 적합한 이종금속 촉매 선정 및 반응공정 동한 생성된 표면 결함이 제거되거나 변형되는 것을 방지할 수 있는 안정화 기술을 개발하는 연구를 진행하고자 함.

 o 이론적 해석기술 (DFT)을 통한 Graphitic 나노소재 기반 고활성 비귀금속계 이종금속촉매 촉매 최적 조성 및 구조설계

    - DFT계산을 통해 반응에너지 장벽 레벨을 감소시킬 수 있는 이종촉매의 구성성분, 조성비 및 촉매와 지지체간의 계면 접합 특성조사를 통해 우수한 HER 및 OER 성능과 고함량의 개발 촉매를 고결정 그래핀 촉매 지지체 표면에 균일하게 결합/고정할 수 있는 최적 구조를 설계하는 연구를 진행하고자 함

    - 전극의 제작비용 증가의 주요 요인이 되는 귀금속계 촉매를 대체하기 위해 본 연구에서는 알칼리 수용액 상에서 우수한 내화학성을 갖는 전이금속 중에서 백금촉매와 유사한 수소흡착 자유에너지를 갖는 구리 (Copper, Cu), 니켈 (Nickel: Ni), 코발트 (Cobalt: Co), 철 (Iron: Fe), 몰리브덴 (Molybdenum: Mo), 텅스텐 (Tungsten: W)을 전구체로 사용하여 용매열법, 열수법, 함침-소성, 전착 공정과 같은 상용화 공정에 용이한 비용 효율적인 다양한 합성 방법을 사용하여 DFT계산을 통해 설계된 최적 구조 및 조성의 이종금속 촉매를 제작하고 이를 고결정 Graphitic 지지체 표면에 고정화하는 연구를 수행하고자 함  

o 촉매 지지체 표면 고함량의 촉매 균일 고정화 및 안정화 기술 개발

- 고결정 Graphitic 구조를 갖는 지지체 소재의 안정된 탄소-탄소 (C-C) 결정구조에 의한 낮은 결합특성에 의한 촉매 증착 과정에서의 문제점 및 촉매 입자 증착 후 배위결합을 통한 안정화를 위해서 개발된 고결정 그래핀 지지체 표면에 규칙적인 결함구조 및 전기음성도가 높은 질소 (N), 황 (S), 인 (P)원자 도핑을 통한 불포화 배위결합 결함 사이트를 생성할 수 있는 공정기술을 개발하여 이종금속 촉매와 지지체간의 계면 결합력 및 상호작용을 향상시켜 개발된 이종금속 촉매를 graphitic 결정구조 내에서 안정적으로 고정화하기 위한 연구를 수행하고자 함