Surface Modification of Porous Carbon for Electrochemical Energy Conversion and Storage System
- 주제(키워드) porous carbon , supercapacitor , MEA
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 강윤찬
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 2
- 학위구분 박사
- 학과 대학원 신소재공학과
- 세부전공 신소재공학전공
- 원문페이지 136 p
- UCI I804:11009-000000257513
- DOI 10.23186/korea.000000257513.11009.0001233
- 본문언어 영어
초록/요약
As the environmental pollution problem caused by the use of fossil fuels has emerged, research on renewable energy is increasing. Therefore, extensive research investigated on finding renewable energy conversion and storage system. In this thesis, a strategy for modifying the carbon surface based on porous carbon and the corresponding analysis results were introduced. And the importance of the synthesized porous carbon-based material for energy conversion and energy storage was confirmed based on the improved electrochemical properties. Especially, the carbon material in which the composite of porous carbon and metal oxide with improved electrical conductivity are expected to be useful for applications. In chapter 4, the development of supercapacitors with high volumetric capacitance and rate performance has garnered significant attention. Research on manufacturing an electrode without using a conducting agent having conductivity is being conducted. Activated carbon, which is a widely used material for supercapacitor electrodes, has different surface structures, porosities, and electrochemical properties. However, the low conductivity of the electrode material can significantly reduce the capacitance without conducting carbon which is to help improve electrode performance. As increased its high electrical conductivity, it can be used as an electrode material without using a conductive material. This approach can be extended to develop new strategies for fabricating conductivity-additive-free electrodes for various devices, including supercapacitor, batteries, and fuel cells. In chapter 5, the durability of catalysts in fuel cells is a longstanding issue that needs to be resolved. Although carbon black is widely used as a catalyst support, corrosion of the carbon support and loss of the catalyst greatly affect the performance of the fuel cell, so the need for the development of a new support that does not cause corrosion is increasing. To improve the durability of catalyst support, a hybrid structure consisting of carbon and TiO2 for use as a support can be prepared by controlling the surface characteristic of the carbon surface. In both cases, porous carbon-based materials enable the achievement of electrode materials for high-performance supercapacitor and highly active catalytic for PEMFC. The results suggest that these materials also have tremendous potential for applications in other field including energy storage and conversion system.
more초록/요약
화석연료의 사용으로 인한 환경오염 문제가 대두되면서 재생에너지에 대한 연구가 증가하고 있다. 따라서, 재생 에너지 변환 및 저장 시스템을 찾기 위한 연구가 많이 수행되고 있다. 본 논문에서는 다공성 카본을 기반으로 카본 표면을 개질하는 전략과 그에 맞는 분석결과를 도입하였다. 그리고 향상된 전기화학적 특성을 바탕으로, 에너지 변환 및 에너지 저장장치를 위한 합성된 다공성 탄소 기반 재료의 중요성을 확인하였다. 특히, 전기전도성이 향상된 다공성 카본 및 금속 산화물과의 복합체를 형성한 카본 물질은 다양한 응용분야에 적용 될 수 있을 것으로 기대된다. 4장에서는 슈퍼커패시터의 성능개선을 위한 카본소재를 다루었다. 부피당 높은 커패시턴스와 전류밀도에 따른 높은 용량유지율을 가진 슈퍼커패시터의 개발이 상당한 주목을 받고 있다. 이를 해결하기 위하여, 전도성을 가지는 도전재를 사용하지 않고 전극을 제조하는 연구가 진행되고 있다. 슈퍼커패시터 전극 소재로 널리 사용되는 활성탄은 다양한 표면구조, 기공도, 및 전기화학적 특성을 가지고 있다. 그러나, 낮은 전기 전도도 특성은 슈퍼커패시터 성능을 저하시키기 때문에, 도전재를 사용하지 않는 전극을 제조하기 위해서는 활성탄의 전기전도도를 높여야 한다. 이 접근법은 슈퍼커패시터, 배터리 및 연료 전지를 포함한 다양한 장치의 도전재 프리형 전극을 제조하기 위한 새로운 전략이 될 수 있다. 5장에서는 연료전재의 촉매 내구성을 향상시키기 위하여 카본을 개질하였다. 카본블랙은 촉매 지지체로 널리 사용되고 있지만, 탄소 지지체의 부식 및 촉매의 손실은 연료전지의 성능에 큰 영향을 미치므로 부식을 일으키지 않는 새로운 지지체의 개발에 대한 필요성이 높아지고 있다. 촉매 지지체의 내구성을 향상시키기 위해 탄소 표면을 개질하여 지지체로 사용할 탄소와 TiO2로 구성된 하이브리드 구조를 제조할 수 있다. 두 경우 모두 다공성 탄소 기반 재료는 고성능 슈퍼커패시터용 전극 재료와 PEMFC용 고활성 촉매의 제조가 가능하게 한다. 이러한 결과는 표면이 개질된 카본 재료가 에너지 저장 및 변환 시스템을 비롯한 다른 분야에서도 응용할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있음을 시사한다.
more목차
ABSTRACT I
국문요약 III
TABLE OF CONTENTS V
LIST OF FIGURES VII
LIST OF TABLE X
CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
CHAPTER 2. THEORETICAL BACKGROUND 6
2-1. Porous carbon 6
2-1-1. Activated carbon 7
2-1-2. Carbon black 8
2-2. Surface modification 9
2-3. Supercapacitor 11
2-4. Fuel cell 15
CHAPTER 3. EXPERIMENTAL SECTION 18
3-1. Preparation of carbon structure 18
3-1-1. Preparation of activated carbon 18
3-1-2. Preparation of carbon coated and nitrogen doped carbon 18
3-1-3. Synthesis of TiO2-SP carbon composite 19
3-2. Characterization 21
3-3. Electrochemical performance 23
3-3-1. Supercapacitor 23
3-3-2. Oxygen reduction reaction 25
3-3-3. MEA 27
CHAPTER 4. SURFACE MODIFICATION OF POROUS CARBON FOR ENERGY STORAGE SYSTEM 28
4-1. Objective 28
4-2. Preparation of activated carbon decorated with carbon dots and its electrochemical performance 33
4-2-1. Materials characterization 33
4-2-2. Electrochemical characterization 45
4-3. Nitrogen-doped and carbon-coated activated carbon as a conductive additive-free electrode for supercapacitors 51
4-3-1. Materials characterization 51
4-3-2. Electrochemical characterization 61
CHAPTER 5. SURFACE MODIFICATION OF POROUS CARBON FOR ENERGY CONVERSION SYSTEM 68
5-1. Objective 68
5-2. Hybrid structure of TiO2-graphitic carbon as a support of Pt nanoparticles for catalyzing oxygen reduction reaction 74
5-2-1. Materials characterization of hybrid structure 74
5-2-2. Electrochemical characterization 86
5-3. Oxygen vacancies on the activity and durability of supported carbon-TiO2 for the proton exchange membrane fuel cells 96
5-3-1. Materials characterization 96
5-3-2. Electrochemical characterization 105
CHAPTER 6. CONCLUSION 111
REFERENCE 114
