Fuel Cells
연료 전지


Hydrogen development as an energy resource has emerged as a critical area of interest. Specifically, fuel cells are energy conversion devices that electrochemically combine fuel gases and oxidant gases through electrodes, separated by an ion-conducting electrolyte, to generate electricity and heat. 

Hydrogen fuel cells efficiently produce electricity by utilizing the chemical energy of hydrogen. In this field, our research laboratory focuses on developing new catalysts with enhanced catalytic efficiency, high Faradaic efficiency, and low overpotential for improved scalability.  In particular, we have designed a rationally structured system to address the slow oxygen reduction reaction (ORR) while ensuring the long-term stability of hybrid structures. This is achieved by understanding the interactions between integrated metals (such as platinum, Pt) and support materials.



에너지 자원으로써 수소 개발은 중요한 관심 분야로 부상했습니다. 구체적으로 연료 전지는 이온전도성 전해질을 사이에 두고 전극을 통해 가스연료와 산화제 가스를 전기화학적으로 결합시켜 전기와 열을 발생시키는 에너지 변환 장치입니다.
 
수소 연료 전지는 수소의 화학 에너지를 사용하여 효율적으로 전기를 생산합니다. 이 분야에서 본 연구실의 초점은 향상된 촉매 효율, 높은 페러데이(faradaic) 효율 및 확장성에 대한 낮은 과전위를 가진 새로운 촉매를 개발하는 것입니다. 특히, 느린 산소 환원 반응(Oxygen reduction reaction, ORR)을 처리하고 통합 금속(백금, Pt)과 지지체 사이의 상호 작용을 이해함으로써 이러한 하이브리드 구조의 장기 안정성을 보장하는 합리적으로 설계된 시스템을 개발했습니다.

PtFe Catalyst Study Using Core-Shell Composite Nanoparticles
코어-쉘 복합 나노입자를 이용한 PtFe 촉매 연구

In this study, the incorporation of platinum was reduced by designing core-shell particles based on gold nanoparticles and conductive polymers. The electrocatalytic activity of the developed material was investigated for both the oxygen reduction reaction (ORR) and the fuel oxidation reaction at both the cathode and anode of a fuel cell.

Compared to conventional platinum/carbon-based catalysts, the proposed system demonstrated enhanced ORR and fuel oxidation performance while significantly reducing platinum content. Furthermore, stability tests confirmed its excellent durability as an electrocatalyst.



본 연구에서는 금 나노입자와 전도성고분자를 코어-쉘 입자 형태 기반으로 백금의 함유량을 감소시켰으며 이를 연료전지의 양극의 산소환원반응 및 산화반응에 대해 고찰하였습니다. 

이는 기존의 연료전지 백금/탄소기반의 촉매제 보다 백금의 함유량을 줄이면서 향상된 산소환원반응과 연료 산화반응을 확인하였으며 안정성 측정을 통해서 내구성이 뛰어난 전기촉매임을 제시하였습니다.

High-Efficiency Oxygen Reduction Reaction Using Porous Hollow Capsule Hybrid Materials
다공성 Hollow Capsule 형태의 하이브리드 소재를 이용한 고효율 산소환원반응 연구

This study demonstrates the potential of a non-metallic TiO₂/rGO hybrid material without platinum nanoparticles—traditionally used as fuel cell catalysts—which achieve high electrocatalytic activity, making it a promising next-generation electrocatalyst. In the hybrid mesoporous TiO₂/rGO nanoparticles, the presence of Ti³⁺ doping was confirmed.

Cyclic voltammetry (CV) and linear sweep voltammetry (LSV) experiments revealed an enhanced oxygen reduction reaction (ORR), while stability tests confirmed its exceptional durability as a novel catalyst material. The concepts derived from this study are expected to be applicable in next-generation energy storage and conversion systems, photocatalysis, and sensor technologies.



본 연구에서는 기존 연료전지의 촉매인 백금 입자가 배제된 비금속 TiO₂/rGO 하이브리드 소재를 이용하여 고효율의 전기촉매 활성을 유도하여 차세대 전기촉매로 이용 가능함을 제시하였습니다. 하이브리드 메조세공성 TiO₂/rGO 나노입자의 경우 Ti³⁺ 형태로 원소가 도핑되어 있는 것을 확인하였습니다. 

Cyclic voltammetry (CV) 및 linear sweep voltammetry (LSV) 실험으로부터 향상된 산소환원반응을 확인하였으며 촉매의 안정성 측정을 통해 내구성이 뛰어난 신소재임을 입증하였습니다. 본 연구에서 도출한 개념은 차세대 에너지 저장 및 변환, 광촉매 및 센서 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다.


  • Representative works in PNML:
  • K. Chung et al., Nanoscale 2019, 11, 23234-23240
    C.H. Sung et al., Adv. Mater. Interfaces 2017, 4, 1700564
    J.-E. Lee et al., J. Mater. Chem. A 2017, 5, 13692–13699
    R. Boppella et al., J. Mater. Chem. A 2017, 5, 7072 –7080
    J. Park et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 103-109
    T. Ming et al., J. Phys. Chem. 2013, 117, 15532