환경오염과 화석연료의 문제로 인한 2차 에너지 변환 및 저장 장치의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 에너지 변환장치들은 전기화학적 시스템을 기본으로 운영되고 있으며 이온교환막은 각 공정의 성능을 결정짓는 중요한 요소이다. 따라서 에너지 시스템의 효율 증대 및 성능 향상을 위해서는 적합한 물성을 갖는 이온교환막 개발이 필요하다. 이러한 이온교환막은 크게 양이온교환막, 음이온교환막, 바이폴라막으로 분류되고 있으며, 이들 막들은 화학적, 물리적, 형태학적 특성에 따라 다양한 용도을 갖고 있다. 본 총설에서는 이온교환막의 주요한 특징과 함께 이들의 제조 방법에 대해 기술했다. 이어서 이온교환막을 이용하여 최근 개발되고 있는 전기화학 시스템에 기반을 둔 역전기 투석, 레독스 흐름 전지, 수전해 공정에 대해서 소개하고, 각 에너지 공정에서 이온교환막이 갖는 역할과 조건에 대해서 설명하였다.

본 연구에서는 전 바나듐 레독스 흐름전지(VRFB)에 적용하기 위한 세공충진 음이온교환막의 최적 설계 조건을 도출하고자 하였다. 실험결과를 통해 VRFB 충방전 성능에 가장 지대한 영향을 미치는 막 설계인자는 이온교환용량, 지지체의 기공율 및 가교도임을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 인자들에 의해 VRFB의 ohmic loss와 활물질의 crossover가 결정되었다. 또 한 세공충진 음이온교환막의 제조 시 낮은 가교도에서 이온교환용량을 감소시키는 것과 높은 이온교환용량에서 가교도를 증 가시키는 두 가지 방안을 검토하였다. 그 결과 충분히 높은 이온교환용량에서 가교도를 최적화 하는 것이 VRFB 충방전 성능 관점에서 바람직한 것으로 판단되었다.

폴리에테르설폰(PES)과 폴리페닐렌설파이드설폰(PPSS)을 블렌딩한 고분자를 이용하여 음이온교환막을 제작하였다. EDXS와 FT-IR 분석으로부터 제작한 음이온교환막이 음이온교환기인 -N-을 갖는다는 것을 확인하였다. 1 mol/L의 황산 용액에서 이온전도도를 측정하였다. 제작한 음이온교환막은 0.015~0.083 S/cm의 이온전도도를 가졌으며, 시판의 음이온교환막인 AFN과 APS의 값과 비교하여 동등 이상의 값을 가졌다. 제작한 음이온교환막의 바나듐 레독스 흐름 전지용 격막으로 사용한지를 평가하기 위해 각 바나듐 이온의 투과를 측정하였다. 제작한 음이온교환막의 각 바나듐 이온의 투과도는 시판의 양이온교환막인 Nafion 117과 시판의 음이온교환막인 AFN과 비교하여 낮은 값을 가졌다.

In anion exchange membrane fuel cells, Pd nanoparticles are extensively studied as promising non-Pt catalysts due to their electronic structure similar to Pt. In this study, to fabricate Pd nanoparticles well dispersed on carbon support materials, we propose a synthetic strategy using mixed organic ligands with different chemical structures and functions. Simultaneously to control the Pd particle size and dispersion, a ligand mixture composed of oleylamine(OA) and trioctylphosphine(TOP) is utilized during thermal decomposition of Pd precursors. In the ligand mixture, OA serves mainly as a reducing agent rather than a stabilizer since TOP, which has a bulky structure, more strongly interacts with the Pd metal surface as a stabilizer compared to OA. The specific roles of OA and TOP in the Pd nanoparticle synthesis are studied according to the mixture composition, and the oxygen reduction reaction(ORR) activity and durability of highly-dispersed Pd nanocatalysts with different particles sizes are investigated. The results of this study confirm that the Pd nanocatalyst with large particles has high durability compared to the nanocatalyst with small Pd nanoparticles during the accelerated degradation tests although they initially indicated similar ORR performance.

본 연구는 막 결합형 축전식 탈염공정에서의 이온교환막의 두께와 탈착간의 관계를 규명하기 위하여 진행하였다. APSf/SPEEK 양, 음이온교환고분자를 합성하여 시판되는 탄소전극에 직접 캐스팅하여 이온교환막이 결합된 탄소전극을 제조하였다. 양, 음이온교환고분자를 캐스팅 하지 않은 것, 1회 캐스팅, 2회 캐스팅한 것으로 탈착시험을 하였다. 탈착 조건은 –0.1, -0.3, -0.5, -1.0 V로 하였으며 100 mg/L의 NaCl 수용액을 공급액으로 하여 완전 흡착을 한 다음 증류수로 공급액을 변경하여 완전탈착이 될 때 까지 관찰 하였다. 이온교환막의 두께가 두꺼워질수록 완전탈착까지 걸리는 시간이 증가하였고 높은 전위의 탈착 전압에서는 막의 두께가 탈착에 그다지 큰 영향을 끼치지 않는 것을 확인하였다.

Anion exchange membrane (AEM) with fixed charged cationic groups can selectively transport anionic molecules such as hydroxide anions. The AEM materials have been widely used in the wide range of applications such as polymer electrolyte fuel cells, water electrolysis, and reverse electrodialysis and electrodialysis. Commercially available AEM materials show high electrochemical resistance owing to their chemical architectural features leading to less separated hydrocarbon morphologies. Very low solubility to casting solvents and weak chemical durability to alkaline atmosphere of the AEM materials also makes it difficult to make thin and tough AEM membranes. In this study, AEM materials composed of perfluorinated architectures with improved chemical durability and intrinsically well separated morphologies were developed and evaluated.