고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 연료극의 수소와 공기극의 산소가 전기화학 반응을 통해 화학 에너지를 자발적으로 전기 에너지로 변환하는 연료 장치이다. 연료전지의 공기극에서 산소 환원 반응 속도가 느리므로 촉매를 통해 반응 속도를 향상시킬 수 있다. 가장 많이 사용하는 촉매는 백금 촉매이지만 백금은 가격과 희소성이 높기 때문에 연료전지의 상용화에 걸림돌로 작용하여 백금 촉매를 대체할 수 있는 촉매의 연구가 필요하다.
촉매의 상용화를 위해 대량생산에 적용할 수 있는 적절한 합성 방식에 대한 연구 또한 활발히 이루어지고 있다. 다양한 합성 공정 중 전자빔 조사는 금속 전구체 용액에 반응성이 높은 라디칼을 형성하고, 라디칼로 인한 금속 이온의 합성으로 나노 입자가 생성되는 원리로 촉매를 합성할 수 있다. 레일을 통한 연속적인 조사가 이루어지기 때문에 촉매 합성 시 대량생산에 효과적으로 적용할 수 있다.
본 연구에서는 백금을 대체한 비백금계 Fe-N/C 촉매와 백금 저감 Fe@Pt/C 촉매를 전자빔 조사로 제조하여 구조적 특성과 전기화학적 활성을 평가하였다. 기존의 연구에서 전자빔 조사를 합성 과정의 중간 단계에 적용하여 촉매의 활성을 향상시키는 데에 사용한다면, 본 연구에서는 전자빔 조사를 통해 촉매를 합성하였다. 첫 번째로 Fe-N/C 촉매의 경우 1 번의 전자빔 조사와 800℃에서 열처리를 통해 Fe-Nx 구조를 형성하였고 탄소 지지체에 담지하였다. 나노 입자의 분포와 Fe-Nx 구조의 형성, 활성점을 XRD, XPS, TEM 등의 분석법을 사용하여 확인하였으며, 회전 디스크 전극 측정으로 Fe 촉매의 활성이 초음파 조사로 제조한 Fe-N/C 촉매에 비해 전기화학적으로 우수한 활성을 나타내는 것을 확인하였다. 두 번째로 Fe@Pt/C 촉매의 경우 2 번의 전자빔 조사를 통해 단계적으로 Fe 코어와 Pt 쉘을 형성하였으며 500℃에서 열처리를 통해 공기 중에 안정되도록 하였다. 촉매의 코어-쉘은 효과적으로 형성되었고, 촉매의 활성 평가를 통해 Fe@Pt/C 촉매의 산소 분극 곡선에서 상용 Pt/C 에 가까운 값의 개시 전위와 반파 전위를 나타낸 것을 확인하였다. 감마선의 공명현상을 바탕으로 한 뫼스바우어 분광법을 통해 Fe-N/C, Fe@Pt/C 촉매의 구성 성분을 분석했고, 촉매의 반응에 관여하는 활성점의 형성을 확인하였다.