탄소나노튜브 기능화로 만들어진 효율적인 연료전지 전극촉매

 

탄소나노튜브는 높은 표면적과 뛰어난 전기 전도성 그리고 높은 화학적 안정성 때문

에 연료전지에서 전극촉매(electrocatalyst)로 쓰이는 백금이나 백금 합금을 지탱하

는 물질로 넓게 연구되고 있다. 그러나 탄소나노튜브 위에 생성된 백금 나노입자의 

증착, 분포 그리고 크기는 탄소나노튜브의 표면 기능성(surface functionalization)

에 매우 의존한다. 또한 백금의 전기촉매 활동은 탄소나노튜브와 백금사이의 상호작

용 성질과 탄소나노튜브의 고유 성질에 큰 영향을 받는다. 

 

원래 탄소나노튜브는 화학적으로 비활성이기 때문에 탄소나노튜브의 흑연 표면을 

활성화시키는 것이 필요하다. 일반적으로 탄소나노튜브 위에 기능기(functional 

group)를 만들기 위해서는 질산과 황산으로 구성된 혼합산 속에 환류(reflux)시키는 

위험한 산화과정을 거쳐야 한다. 그러나 이 방법은 많은 결점이 존재하고 탄소나노

튜브의 전도성과 내부식성을 감소시킨다. 

 

싱가포르의 난양기술대학(Nanyang Technological University)의 연구진은 연료전

지 전극 촉매로 사용하기 위해서 탄소나노튜브 표면을 기능화시킬 수 있는 더 온순

한 방법을 개발하고 있다. Nanotechnology에 게재된 최근 연구에서 양전하로 대전

된 고분자전해질(polyelectrolyte), PDDA(poly(diallyldimethylammonium 

chloride))을 사용해서 탄소나노튜브 표면을 기능화시키는 새롭고 매우 효율적인 방

법을 개발하였다. 이 방법을 사용하면 액체 속에서 탄소나노튜브 표면을 균일하게 

감싸거나 기능화시킬 수 있다. 

 

PDDA와 탄소나노튜브의 흑연판 사이의 π-π 결합 때문에 탄소나노튜브 위에서 양전

하로 대전된 PDDA은 강한 흡착을 하게 된다. 이 비공유결합(non-covalent) 고분자 

전해질 기능화는 고밀도이고 균일한 표면 기능기를 만들 뿐 아니라 탄소나노튜브의 

완벽한 표면 구조를 손상시키지 않으면서 탄소나노튜브의 고유 성질을 보존한다. 결

과적으로 양전하로 대전된 PDDA는 음전하로 대전된 Pt 선구물질(precursor)물질

과 나노입자와 정전기적으로 상호작용할 수 있어서 그림에서 보는 것처럼 탄소나노

튜브 위에 백금 나노입자들이 잘 분산된 분포를 만들어내었다. 

 

균일하게 분포된 백금 나노입자를 가지고 있고 PDDA로 기능화 된 탄소나노튜브는 

산처리로 만들어진 탄소나노튜브 백금 전극 촉매와 상업화 된 E-TEK Pt/C 전극 촉

매보다 메탄올 산화를 위한 전기화학적으로 훨씬 더 높은 활성 표면적과 전극촉매 

활동을 보인다. 

 

이 연구결과는 Nanotechnology에 “Controlled synthesis of dendritic Au@Pt 

core?shell nanomaterials for use as an effective fuel cell electrocatalyst” 이라

는 제목(Shuangyin Wang et al 2009 Nanotechnology 20 025605 (9pp) doi: 

10.1088/0957-4484/20/2/025605)과 “Polyelectrolyte functionalized carbon 

nanotubes as a support for noble metal electrocatalysts and their activity for 

methanol oxidation” 이라는 제목으로 게재되었다(Shuangyin Wang et al 2008 

Nanotechnology 19 265601 (6pp) doi: 10.1088/0957-4484/19/26/265601). 

 

그림. PDDA-다중벽 탄소나노튜브 위에 증착된 Pt 나노입자들.

 

 

http://nanotechweb.org/

출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-01-20