연료전지 (Fuel Cells)는 연료를 직접 산화시켜 전기를 발생시키는 에너지 변환 장치로써 친환경적일 뿐만 아니라 에너지 변환 효율이 높아 최근 많은 관심을 받고 있다. 연료전지의 한 종류인 직접 메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cells, DMFCs)는 메탄올을 연료로 사용하는 연료전지로써 메탄올을 산화극에 직접 공급하여 사용한다. 따라서 연료의 공급 체계가 간단하여 소형화가 가능할 뿐만 아니라 소음 발생량이 적어 휴대용 전자기기에 응용 될 수 있다. 이러한 직접 메탄올 연료전지는 크게 음극, 양극, 전해질 및 전해질 분리막으로 구성된다. 특히 메탄올의 산화가 일어나는 음극은 백금 촉매가 사용됨에 따라 값비싼 비용뿐만 아니라 촉매의 피독 현상 및 메탄올 연료의 cross over 등 치명적인 문제점으로 인해 상용화에 어려움이 있다. 따라서 백금 촉매의 사용량을 감소시키고 촉매의 피독현상을 방지하기 위해서 세라믹, 백금 촉매 지지체들이 연구되고 있다. 이러한 백금 촉매 지지체로는 탄소계 재료 (흑연, 그래핀, 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유), 금속 산화물계 재료 (TiO2, SnO2, Co3O4, indium tin oixde (ITO) 및 WO) 및 전도성 고분자 재료 (poly(diallyldimethylammonium) chloride (PDDA), poly(3, 4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 및 poly(N-acteylaniline)) 등이 있다. 이중 탄소계 지지체는 낮은 가격, 높은 전도도, 높은 비표면적 및 물리적/화학적 안정성 등 다양한 장점을 가지고 있어 많은 연구기 이루어지고 있다. 특히 탄소나노섬유는 1차원 구조로 높은 전기전도도뿐만 아니라 높은 비표면적을 가지고 있어 백금 촉매 지지체로 적용되고 있다. 하지만 아직까지 충분한 백금 촉매 사용량의 감소 및 백금 촉매의 CO 피독현상 등의 문제로 상용화에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 우선적으로 백금 촉매의 사용량을 감소시키기 위하여 기공형성용 고분자를 이용하여 다공성 탄소나노섬유를 제조하였고, 이를 백금 촉매 지지체로 도입하였다. 결과적으로 백금 촉매의 사용량은 40 wt%로 감소하였고 상용 백금 촉매 (405.1 mA/mgPt) 보다 제조한 백금 촉매가 담지된 다공성 탄소나노섬유가 1.3배 (524.1 mA/mgPt) 증가한 current density 값을 나타내었다. 이러한 결과는 다공성 탄소나노섬유의 높은 비표면적으로 인해 백금 촉매의 분산성을 향상 시켜 적은 양의 백금 촉매를 사용했음에도 불구하고 메탄올과 백금 촉매 사이의 반응 면적이 증가하여 나타난 결과이다. 하지만 아직까지 백금 촉매의 사용량이 많고 촉매의 CO 피독으로 인한 촉매 활성 저하 문제를 개선해야 한다. 따라서 백금 촉매의 사용량을 감소시키고 CO 피독 현상을 감소시키기 위하여 백금 촉매가 담지된 다공성 탄소나노섬유-루테늄 코어-쉘 구조의 지지체를 제조하였다. 이때 백금 촉매의 사용량은 20%로 감소시켰고 CO 피독 현상을 제어하기 위하여 루테늄 쉘의 함량을 조절하였다. 결과적으로 루테늄 쉘의 함량이 20 wt% 일 때 current density는 741.1 mA/mgPt로 나타났으며 우수한 촉매 안정성을 나타냈다. 이는 다공성 탄소나노섬유에 형성된 최적량의 루테늄 쉘의 존재로 인해 백금 촉매의 분산성이 향상 되어 백금 촉매와 메탄올 사이의 반응면적이 증가하였으며, 루테늄의 bifunctional effect로 인해 촉매 피독 현상을 최소화 한 결과이다. 따라서 제조한 백금 촉매가 담지된 다공성 탄소나노섬유-루테늄 코어-쉘 구조는 고성능 직접 메탄올 연료전지를 위한 음극 재료로써 사용이 유망할 전망이다.

Fuel cells, energy conversion devices that convert chenical energy of fuel into electrical energy, have received considerable interest due to advantages of eco?friendly and high energy conversion efficiency. A type of fuel cells, direct methanol fuel cells (DMFCs) uses a methanol as fuel and supplies a fuel directly to the anode. Thus, DMFCs are enabling a reduction in the size and can be applied at portable devices, because DMFC have simple supply system of fuel and low noise. DMFCs are composed of an anode, a cathode, an electrolyte, and a membrane. And DMFCs have attractive advantages such as high energy density, high energy conversion efficiency, low operating temperature. However, DMFCs possess critical disadvantages, including the need for expensive Pt electrocatalysts, poor durability by poisoning, and methanol crossover. Among the above-mentioned disadvantages, the need for expensive Pt electrocatalysts is one of main barriers to the industrial use of DMFCs. To solve the disadvantages, effective catalyst supports such as carbon?based materials (graphite, graphene, carbon nanotube, and carbon nanofibers (CNFs)), metal oxide?based materials (TiO2, SnO2, Co3O4, indium tin oixde (ITO), and WO), and conducting polymers (poly(diallyldimethylammonium) chloride (PDDA), poly(3, 4?ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 및 poly(N-acteylaniline)). In particular, carbon?based materials have attracted intense interest on the part of researchers because of low?cost, high electrical conductivity, high specific surface area, and physical/chemical stability. CNFs are of considerable interest because of their advantages such as high specific surface area (448 m2/g), low electrical resistivity (1.7 × 103), as well as their one?dimensional nanostructure that gives rise to an efficient electron transport. However, CNFs have one barriers to the industrial use of DMFCs owing to expensive Pt catalysts and CO poisoning.
In this study, to decrease the amount of Pt catalysts, porous carbon nanofibers (PCNFs) were synthesized using a combination of electrospinning for pore?forming polymer. As a result, an amount of Pt catalysts is decreased to 40 wt%. And methanol electrooxidation properties of Pt catalysts decorated on PCNFs were 1.3 times larger, when compared to commercial Pt/C owing to high dispersion of Pt catalysts on PCNFs, containing high specific surface area. And high dispersion of Pt catalysts increases the reaction area between electrolyte and catalysts. However, the amount of Pt catalysts should be reduced and CO poisoning did not resolved, until now. Thus, to improve the methanol electrooxidation properties, 20 wt% Pt catalysts decorated on PCNF?ruthenium (Ru) core?shell supports were synthesized. The amount of the Pt catalysts was reduced to 20 wt%. Also, for controlling the CO poisoning, Ru shell is introduced with three different types of 10 wt%, 20 wt%, and 30 wt%, respectively. Of the three, PCNFs?20 wt% Ru core?shell supports exhibited the highest methanol electrooxidation (741.1 mA/mgPt), excellent poison tolerance, and superb electrocatalytic stability. the enhanced electrochemical performance can be explained by the combined effects of increased reaction area between Pt catalysts and electrolyte by high dispersion of Pt catalysts, bifunctional effect of optimum amount of Ru shell layer, and high specific surface area of PCNFs. Thus, 20 wt% Pt catalysts decorated on PCNF?Ru core?shell supports as anode materials could be used as promising supports for highly efficient DMFCs.