KR20210061958A - Method for manufacturing Metal-Organic Frameworks and Layered Double Hydroxide Composite Using Electrodeposition - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a metal-organic framework catalyst and a layered double hydroxide composite using an electrodeposition method, in which a cobalt-phosphorus framework and a cobalt-iron layered double hydroxide derived from the metal-organic framework through a simple electrodeposition method are manufactured as a hierarchical structure so as to provide a water electrolytic electrode in which both hydrogen and oxygen evolution reactions occur well under basic conditions.

Description

전기증착법을 이용한 금속 유기 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체 제조 방법{Method for manufacturing Metal-Organic Frameworks and Layered Double Hydroxide Composite Using Electrodeposition}Method for manufacturing Metal-Organic Frameworks and Layered Double Hydroxide Composite Using Electrodeposition}

본 발명은 전기증착법을 이용한 금속 유기 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a metal organic skeleton and a layered double hydroxide composite using an electro-deposition method.

수소 에너지 산업이 활발해짐에 따라 오염 물질을 배출시키지 않으면서 물을 이용하여 수소를 얻어내는 전기화학적 수전해가 각광받고 있다. 전기화학적 수전해는 물에 전기에너지를 가해 각각 수소와 산소를 발생시키는 반응으로서, 각각 산소발생반응과 수소발생반응으로 이루어진다. 수소를 얻으면서 최소한의 에너지를 소모하여야 하므로 목표하고자 하는 전류에서 최소한의 과전압을 가지는 물질 개발이 필수적이다. 기존에 알려진 산소발생 촉매로서 루테늄, 이리듐과 같은 귀금속이 높은 활성도 및 안정성을 보이는 것으로 알려져 있으며 수소 발생 촉매로서 백금 촉매가 가장 대표적이다. 그러나 이들 촉매는 높은 가격으로 인해 실제 산업에서의 응용을 위해서는 저렴하면서 이들 귀금속에 버금가는 성능을 지닌 촉매 개발이 필요하다. As the hydrogen energy industry becomes active, electrochemical water electrolysis, which uses water to obtain hydrogen without releasing pollutants, is in the spotlight. Electrochemical water electrolysis is a reaction in which electric energy is applied to water to generate hydrogen and oxygen, respectively, and consists of an oxygen generating reaction and a hydrogen generating reaction, respectively. Since it is necessary to consume a minimum amount of energy while obtaining hydrogen, it is essential to develop a material having a minimum overvoltage at a target current. Precious metals such as ruthenium and iridium are known to exhibit high activity and stability as a catalyst for generating oxygen, and a platinum catalyst is the most representative catalyst for generating hydrogen. However, due to the high price of these catalysts, it is necessary to develop a catalyst having a performance comparable to that of these precious metals while being inexpensive for practical industrial applications.

금속 유기 골격체(Metal-Organic Frameworks)는 금속 이온 클러스터와 유기 물질 리간드가 결합하여 넓은 표면적과 기공을 가지는 물질이다. 제조 특성상 사용되는 금속 이온과 리간드의 종류 및 크기에 따라 기체 흡착, 촉매 특성을 원하는 대로 발현시킬 수 있는 특징이 있다. 또한 만들어진 골격체에 추가적인 열처리 및 기상반응을 통해 유기 물질은 없애면서 강산, 강염기에서도 안정한 촉매를 제조할 수 있다.Metal-Organic Frameworks are materials having a large surface area and pores by combining metal ion clusters and organic material ligands. Due to the manufacturing characteristics, gas adsorption and catalyst characteristics can be expressed as desired depending on the type and size of metal ions and ligands used. In addition, it is possible to prepare a catalyst that is stable even in strong acids and strong bases while removing organic substances through additional heat treatment and gas phase reaction to the resulting skeleton.

층상 이중 수산화물은 [M2+ 1-xM3+x(OH)2](An-)x/n·H2O 식으로 표현되는 층상 구조를 가지는 물질이다. 여기서 M은 금속 물질을 뜻하며 각각 2가, 3가의 이온을 의미한다. An-는 각 층에 삽입되는 음이온을 의미한다. 이 구조에 사용되는 금속 이온의 종류 및 조성에 따라 다양한 촉매적 성질을 발현할 수 있는 것으로 널리 알려져 있다. 특히 니켈, 철, 그리고 코발트와 같은 전이금속 복합체로 제조된 물질은 산소 및 수소 발생 촉매로서 연구되고 있다.Layered double hydroxide is a material having a layered structure represented by the formula [M 2+ 1-x M 3+ x(OH) 2 ](A n- ) x /n·H 2 O. Here, M means a metallic substance, and it means divalent and trivalent ions, respectively. A n- means an anion inserted into each layer. It is widely known that various catalytic properties can be expressed depending on the type and composition of metal ions used in this structure. In particular, materials made of transition metal complexes such as nickel, iron, and cobalt are being studied as catalysts for generating oxygen and hydrogen.

수전해 전극으로서의 중요한 요소 중 하나는 넓은 촉매 활성자리이다. 표면적이 넓은 물질을 사용한다고 하더라도, 그 자리에 실제로 반응에 참여할 수 있는 활성자리가 없으면 반응이 쉽게 일어나지 않는다. 게다가 수소 발생 반응과 달리 산소 발생반응 메커니즘이 굉장히 복잡하고 전자 이동이 많이 관여하기 때문에 활성을 가지면서 넓은 표면적을 가지는 물질 개발이 필수적이다.One of the important factors as a water electrolytic electrode is a large catalytic activity site. Even if a material with a large surface area is used, the reaction does not easily occur if there is no active site that can actually participate in the reaction. In addition, unlike hydrogen evolution, the mechanism of oxygen evolution is very complex and electron transfer is involved a lot. Therefore, it is essential to develop a material having an active and large surface area.

금속 유기 골격체는 상기 기술한 넓은 표면적을 충분히 만족하는 물질이다. 하지만 그 자체로는 실제 반응이 일어나는 강산 및 강염기 조건에서 구조가 망가지고, 수전해 효율 또한 높지 않다. 최근 연구에서, 이 금속 유기 골격체와 층상 이중 수산화물의 복합체를 형성하여 계층적 구조를 가지는 물질 합성이 시도되었다. 하지만 대부분의 제조 방식은 고온과 긴 시간을 요구하는 수열 합성으로서, 전극 위에 바로 증착시키는 것이 아니라 분말 형태의 물질을 합성한 후 접착제 등과 혼합하여 슬러리형태로 만든 후 추가적인 열처리 과정을 통해 전극에 증착하게 된다. 이 과정은 긴 시간을 필요로 할 뿐 아니라 시간이 지나면서 접착된 물질이 떨어져 나오게 되고, 결과적으로 장시간 구동에 취약하게 된다는 단점이 있다. The metal organic framework is a material sufficiently satisfying the above-described large surface area. However, by itself, the structure is broken under the conditions of strong acid and strong base where the actual reaction takes place, and the water electrolysis efficiency is not high. In a recent study, an attempt was made to synthesize a material having a hierarchical structure by forming a complex of this metal-organic framework and a layered double hydroxide. However, most of the manufacturing methods are hydrothermal synthesis that requires high temperature and a long time. Instead of depositing directly on the electrode, it is not deposited directly on the electrode, but synthesizes a powdery material and mixes it with an adhesive to form a slurry. do. This process not only requires a long time, but also has a disadvantage in that the adhered material comes off as time passes, and as a result, it becomes vulnerable to long-time driving.

따라서, 상기와 같은 문제점 등을 해결하기 위하여, 제조 과정이 간단하며 전극에 바로 증착될 수 있으며 계면 저항이 낮은 고성능의 촉매 개발이 필요하다. 본 발명은 간단한 전기증착법을 통해 금속 유기 골격체로부터 유도된 코발트-인 골격체와 코발트-철 층상 이중 수산화물을 계층적 구조로 제조하여 염기성의 조건에서 수소와 산소 발생반응이 모두 잘 일어나는 수전해 전극을 제공하고자 한다.Therefore, in order to solve the above problems, it is necessary to develop a high-performance catalyst having a simple manufacturing process, can be deposited directly on an electrode, and has low interfacial resistance. The present invention is a water electrolytic electrode in which both hydrogen and oxygen generation reactions occur well under basic conditions by preparing a cobalt-phosphorus skeleton and a cobalt-iron layered double hydroxide in a hierarchical structure through a simple electro-deposition method. I want to provide.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소 기판 상에 코발트-인 골격체를 형성하는 단계; 및 상기 코발트-인 골격체 상에 코발트-철 층상 이중 수산화물을 전기증착하는 단계;를 포함하는 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the object of the present invention as described above, the present invention comprises the steps of forming a cobalt-phosphorus skeleton on a carbon substrate; And electro-depositing a cobalt-iron layered double hydroxide on the cobalt-phosphorus skeleton.

상기 복합체는 전기증착법을 통해 제조될 수 있다. The composite may be prepared through an electro-deposition method.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체를 제공한다.In addition, the present invention provides a metal-organic framework-layered double hydroxide composite prepared by the above method.

또한, 상기 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체를 포함하는 수전해 전극을 제공한다.In addition, it provides a water electrolytic electrode comprising the metal-organic framework-layered double hydroxide complex.

금속 유기 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체의 형성은 최근 논문에서 보고되었으나, 대부분의 방법은 기판에 직접 증착시키지 않으며 (1) 금속 유기 골격체를 파우더 형태로 얻고 (2) 얻어진 파우더에 수열합성을 통해 층상 이중 수산화물을 증착 (3) 얻어진 파우더를 바인더를 통해 기판에 증착하는 과정을 거친다. 그러나, 이 과정은 실용화를 위해서는 비효율적이다. 본 발명에서는 바인더 없이 기판에 금속 유기 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체를 바로 (In-situ)로 증착 시켰다는 데 의의가 있다.The formation of the metal-organic framework and the layered double hydroxide complex has been reported in recent papers, but most methods do not deposit directly on the substrate, but (1) obtain the metal-organic framework in the form of powder (2) the obtained powder through hydrothermal synthesis. Evaporation of layered double hydroxide (3) The obtained powder is deposited on a substrate through a binder. However, this process is inefficient for practical use. In the present invention, it is significant that the metal-organic framework and the layered double hydroxide composite were deposited directly (In-situ) on a substrate without a binder.

구체적으로, 본 발명에서는 금속-유기 골격체로부터 유도된 금속-인 구조체와 층상 이중 수산화물 복합체를 전기 증착법을 이용해서 제조한다. Specifically, in the present invention, a metal-phosphorus structure derived from a metal-organic framework and a layered double hydroxide composite are manufactured using an electrodeposition method.

일반적으로 금속-유기 골격체로부터 유도된 물질과 층상 이중 수산화물 복합체의 형성은 수열 합성을 이용하여 제조하나, 이 과정에는 고온, 고압 조건과 긴 반응 시간이 필수적이다. 본 발명에서는 전기 증착법을 이용하여, 탄소 기판에 바로 금속 유기 골격체로부터 유도된 금속-인 구조체와 층상 이중 수산화물 복합체 구조를 합성한다. 이는 코발트-인 뿐만이 아니라, 코발트-황, 니켈-황, 니켈-인 등에도 비슷한 방식으로 합성될 수 있을 것으로 기대된다.In general, the formation of a layered double hydroxide complex with a material derived from a metal-organic framework is prepared by hydrothermal synthesis, but this process requires high temperature and high pressure conditions and a long reaction time. In the present invention, a metal-phosphorus structure derived from a metal organic framework and a layered double hydroxide composite structure are synthesized directly on a carbon substrate by using an electro-deposition method. It is expected that it can be synthesized in a similar manner to not only cobalt-phosphorus, but also cobalt-sulfur, nickel-sulfur, nickel-phosphorus, and the like.

본 발명에 의해 제조된 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체는 단일 코발트-인 구조체, 코발트-철 층상 이중 수산화물보다 더 좋은 촉매 성능을 나타내며, 상기 제조된 복합체는 단일 코발트-철 층상 이중 수산화물보다 낮은 계면저항을 나타낸다. The metal-organic framework-layered double hydroxide composite prepared by the present invention exhibits better catalytic performance than a single cobalt-phosphorus structure and a cobalt-iron layered double hydroxide, and the prepared composite is lower than that of a single cobalt-iron layered double hydroxide. It shows the interface resistance.

도 1은 코발트 기반의 금속 유기 골격체로부터 유도된 코발트-인 골격체-층상 이중 수산화물 제조 과정 모식도이다.
도 2는 탄소 기판에 합성한 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체의 FE-SEM 사진이다((a), (e)는 코발트 기반 금속 유기 골격체, (b), (f)는 금속 유기 골격체로부터 치환된 코발트-인 골격체, (c), (g)는 코발트-철 층상 이중 수산화물, (d), (f)는 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체).
도 3은 코발트-인 골격체의 FE-SEM 사진과 EDS-mapping을 나타낸다((a)는 코발트-인 골격체의 FE-SEM 사진, (b)는 코발트-인 골격체의 코발트 원자 분포, (c)는 코발트-인 골격체의 질소 원자 분포, (d)는 코발트-인 골격체의 인 원자 분포).
도 4는 코발트-철 층상 이중 수산화물의 FE-SEM 사진과 EDS-mapping을 나타낸다((a)는 코발트-철 층상 이중 수산화물의 FE-SEM 사진, (b)는 코발트-철 층상 이중 수산화물의 코발트 원자 분포, (c)는 코발트-철 층상 이중 수산화물의 철 원자 분포, (d)는 코발트-철 층상 이중 수산화물의 산소 원자 분포).
도 5는 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체의 FE-SEM 사진과 EDS-mapping을 나타낸다((a)는 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체의 FE-SEM 사진, (b)는 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체의 코발트 원자 분포, (c)는 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체의 철 원자 분포, (d)는 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체의 산소 원자 분포, (e)는 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체의 질소 원자 분포, (f)는 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체의 인 원자 분포).
도 6은 코발트-인 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 전극의 XPS 스펙트럼을 나타낸다((a)는 코발트-인 골격체-층상 이중 수산화물 복합체 전극의 XPS 스펙트럼, (b)는 코발트-인 골격체-층상 이중 수산화물 복합체 전극의 원소 코발트의 XPS 스펙트럼, (c)는 코발트-인 골격체-층상 이중 수산화물 복합체 전극의 원소 철의 XPS 스펙트럼, (d)는 코발트-인 골격체-층상 이중 수산화물 복합체 전극의 원소 인의 XPS 스펙트럼)
도 7은 코발트 기반 금속 유기 골격체, 코발트-인 골격체, 층상 이중 수산화물, 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체의 푸리에 변환 적외선 분광법 그래프를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 제조된 코발트-인 골격체, 층상 이중 수산화물, 증착 시간이 다른 두 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체 전극, 그리고 탄소 섬유의 전기화학적 산소 발생 실험의 전기화학분석 결과를 나타낸다((a)는 선형 주사 전위법, (b)는 타펠 기울기, (c)는 전류밀도 10 mA cm-2 도달에 필요한 과전압, (d)는 임피던스 분광법, (e)는 각 전류밀도 도달에 필요한 과전압, (f)는 10 mA cm-2 조건에서의 장시간 안정성 테스트).
도 9는 본 발명에 제조된 코발트-인 골격체, 층상 이중 수산화물, 증착 시간이 다른 두 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체 전극, 그리고 탄소 섬유의 전기화학적 수소 발생 실험의 전기화학분석 및 2-전극 실험 결과를 나타낸다((a)는 선형 주사 전위법, (b)는 타펠 기울기, (c)는 전류밀도 10 mA cm-2 도달에 필요한 과전압, (d)는 임피던스 분광법, (e)는 2-전극 실험의 선형 주사 전위법, (f)는 2-전극 실험의 10 mA cm-2 조건에서의 장시간 안정성 테스트).
도 10은 순환전류전압법을 이용한 전기화학적 활성 표면적 분석 그래프를 나타낸다((a)는 코발트-인 골격체의 순환 전압 전류곡선, (b)는 코발트-철 층상 이중 수산화물의 순환 전압 전류곡선, (c)는 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체의 순환 전압 전류곡선, (d)는 코발트-인 골격체, 코발트-철 층상 이중 수산화물, 그리고 코발트-인 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체의 전기화학적 활성 표면적 비교 그래프).
1 is a schematic diagram of a process for preparing a cobalt-phosphorus skeleton-layered double hydroxide derived from a cobalt-based metal organic skeleton.
2 is an FE-SEM photograph of a cobalt-phosphorus skeleton synthesized on a carbon substrate and a layered double hydroxide composite ((a) and (e) are cobalt-based metal organic skeletons, and (b) and (f) are metal organic skeletons. Cobalt-phosphorus skeleton substituted from the skeleton, (c), (g) are cobalt-iron layered double hydroxide, (d), (f) are cobalt-phosphorus skeleton and layered double hydroxide complex).
Figure 3 shows the FE-SEM picture and EDS-mapping of the cobalt-phosphorus skeleton ((a) is the FE-SEM picture of the cobalt-phosphorus skeleton, (b) is the cobalt atom distribution of the cobalt-phosphorus skeleton, ( c) is the distribution of nitrogen atoms in the cobalt-phosphorus skeleton, (d) is the distribution of phosphorus atoms in the cobalt-phosphorus skeleton).
Figure 4 shows the FE-SEM photograph and EDS-mapping of the cobalt-iron layered double hydroxide ((a) is the FE-SEM photograph of the cobalt-iron layered double hydroxide, (b) is the cobalt atom of the cobalt-iron layered double hydroxide Distribution, (c) is the distribution of iron atoms in the cobalt-iron layered double hydroxide, (d) is the distribution of oxygen atoms in the cobalt-iron layered double hydroxide).
5 shows the FE-SEM and EDS-mapping of the cobalt-phosphorus skeleton and the layered double hydroxide complex ((a) is an FE-SEM picture of the cobalt-phosphorus skeleton and the layered double hydroxide complex, and (b) is cobalt -Cobalt atom distribution in the phosphorus skeleton and the layered double hydroxide complex, (c) is the iron atom distribution in the cobalt-phosphorus skeleton and the layered double hydroxide complex, (d) is the oxygen atom of the cobalt-phosphorus skeleton and the layered double hydroxide complex Distribution, (e) is the distribution of nitrogen atoms in the cobalt-phosphorus skeleton and the layered double hydroxide complex, (f) is the distribution of phosphorus atoms in the cobalt-phosphorus skeleton and the layered double hydroxide complex).
6 shows the XPS spectrum of the electrode of the cobalt-phosphorus skeleton-layered double hydroxide composite ((a) is the XPS spectrum of the cobalt-phosphorus skeleton-layered double hydroxide composite electrode, and (b) is the cobalt-phosphorus skeleton- XPS spectrum of elemental cobalt of the layered double hydroxide composite electrode, (c) is the XPS spectrum of elemental iron of the cobalt-phosphorus skeleton-layered double hydroxide composite electrode, and (d) is the XPS spectrum of the cobalt-phosphorus skeleton-layered double hydroxide composite electrode. XPS spectrum of elemental phosphorus)
7 shows a Fourier transform infrared spectroscopy graph of a cobalt-based metal organic skeleton, a cobalt-phosphorus skeleton, a layered double hydroxide, a cobalt-phosphorus skeleton and a layered double hydroxide complex.
8 is an electrochemical analysis result of an electrochemical oxygen generation experiment of a cobalt-phosphorus skeleton prepared in the present invention, a layered double hydroxide, two cobalt-in skeletons and a layered double hydroxide composite electrode with different deposition times, and carbon fiber. ((A) is the linear scanning potential method, (b) is the Tafel slope, (c) is the overvoltage required to reach the current density of 10 mA cm -2 , (d) is the impedance spectroscopy method, and (e) is the current density. Required overvoltage, (f) is a long-term stability test at 10 mA cm -2 condition).
9 is an electrochemical analysis of the cobalt-phosphorus skeleton prepared in the present invention, a layered double hydroxide, two cobalt-phosphorus skeletons with different deposition times and a layered double hydroxide composite electrode, and an electrochemical hydrogen generation experiment of carbon fiber and 2 -The results of the electrode experiment are shown ((a) is the linear scanning potential method, (b) is the Tafel slope, (c) is the overvoltage required to reach a current density of 10 mA cm -2 , (d) is the impedance spectroscopy method, and (e) is Linear scanning potential method of a two-electrode experiment, (f) is a long-term stability test under 10 mA cm -2 condition of a two-electrode experiment).
FIG. 10 shows a graph of electrochemically active surface area analysis using cyclic voltammetry ((a) is a cyclic voltammetric current curve of a cobalt-phosphorus skeleton, (b) is a cyclic voltammetric current curve of a cobalt-iron layered double hydroxide, ( c) is the cyclic voltammetry curve of the cobalt-phosphorus skeleton and the layered double hydroxide complex, (d) is the cobalt-phosphorus skeleton, the cobalt-iron layered double hydroxide, and the electrochemical of the cobalt-phosphorus skeleton and the layered double hydroxide complex. Active surface area comparison graph).

이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은, 탄소 기판 상에 코발트-인 골격체를 형성하는 단계; 및The present invention comprises the steps of forming a cobalt-phosphorus skeleton on a carbon substrate; And

상기 코발트-인 골격체 상에 코발트-철 층상 이중 수산화물을 전기증착하는 단계;를 포함하는 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a metal-organic framework-layered double hydroxide composite comprising; electro-depositing a cobalt-iron layered double hydroxide on the cobalt-phosphorus skeleton.

본 발명에서 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체는 바인더를 사용하지 않고, 탄소 기판에 금속 유기 골격체와 층상 이중 수산화물 복합체를 바로(In-situ) 증착시킬 수 있다.In the present invention, the metal-organic framework-layered double hydroxide composite may be deposited in-situ on a carbon substrate without using a binder.

상기 제조방법의 모식도를 도 1에 나타내었으며, 코발트-인 골격체-층상 이중 수산화물의 FE-SEM 사진을 도 2에 나타내었다.A schematic diagram of the manufacturing method is shown in FIG. 1, and an FE-SEM photograph of a cobalt-phosphorus skeleton-layered double hydroxide is shown in FIG. 2.

탄소기판은 표면이 하이드록시로 개질될 수 있다. 본 발명에서는 탄소기판을 피라냐 용액에 담지한 후 증류수로 세척하여 표면을 하이드록시로 개질하나 이에 제한되는 것은 아니다.The surface of the carbon substrate may be modified with hydroxy. In the present invention, the carbon substrate is supported in a piranha solution and then washed with distilled water to modify the surface with hydroxy, but is not limited thereto.

본 발명에서 "피라냐 용액(Piranha solution)"은 진한 황산:과산화수소를 2:1 내지 7:1 비율로 섞은 액체를 말하며, 본 발명에서는 3:1 비율로 사용하였다.In the present invention, "Piranha solution" refers to a liquid in which concentrated sulfuric acid: hydrogen peroxide is mixed in a ratio of 2:1 to 7:1, and in the present invention, it is used in a ratio of 3:1.

본 발명에서 코발트-인 골격체는 코발트 제올라이트 이미다졸레이트 골격체(CoZIF)를 탄소 기판에 증착, 소성시켜 코발트 산화물을 얻은 후, 코발트-인 골격체로 치환하여 제조할 수 있다.In the present invention, the cobalt-phosphorus skeleton can be prepared by depositing and firing a cobalt zeolite imidazolate skeleton (CoZIF) on a carbon substrate to obtain cobalt oxide, and then replacing it with a cobalt-phosphorus skeleton.

상기 코발트 제올라이트 이미다졸레이트 골격체(CoZIF)는 표면이 개질된 탄소 기판을 질산 코발트 수산화물 (Co(NO3)2·6H2O):2-메틸이미다졸을 1:4 내지 1:20, 바람직하게는 1:5 내지 1:15, 더욱 바람직하게는 1:7 내지 1:9의 몰비로 혼합한 용액에 담지하여 증착시킬 수 있다. 예를 들어, 2 cm x 5 cm의 기판을 기준으로 80mL의 증류수가 사용될 수 있다.In the cobalt zeolite imidazolate skeleton (CoZIF), the surface-modified carbon substrate is used as cobalt nitrate hydroxide (Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O):2-methylimidazole 1:4 to 1:20, Preferably, it can be deposited by supporting the mixed solution in a molar ratio of 1:5 to 1:15, more preferably 1:7 to 1:9. For example, 80 mL of distilled water may be used based on a 2 cm x 5 cm substrate.

본 발명에서, 코발트 제올라이트 이미다졸레이트 골격체(CoZIF)를 탄소 기판에 증착시킬 때 300 내지 450℃, 바람직하게는 300 내지 370℃, 더욱 바람직하게는 300 내지 350℃의 온도에서 소성시킬 수 있다. 소성시에 300℃ 미만의 온도에서 소성하면 전구체가 분해되지 않아 인 화합물이 형성되지 않을 수 있고, 450℃ 초과의 온도에서 소성하면 제올라이트 이미다졸레이트 골격체(ZIF) 구조체가 빠른 반응속도로 인해 크게 수축하여 촉매성능이 떨어질 수 있다.In the present invention, when the cobalt zeolite imidazolate skeleton (CoZIF) is deposited on a carbon substrate, it can be fired at a temperature of 300 to 450°C, preferably 300 to 370°C, more preferably 300 to 350°C. When firing at a temperature of less than 300℃ during firing, the precursor may not be decomposed, so that phosphorus compounds may not be formed. If fired at a temperature higher than 450℃, the zeolite imidazolate skeleton (ZIF) structure is greatly The catalytic performance may decrease due to shrinkage.

상기 소성은 0.1 내지 2시간, 바람직하게는 0.5 내지 1.5시간, 더욱 바람직하게는 0.8 내지 1.2시간 수행될 수 있다. 0.1 미만의 시간동안 소성하면 충분한 인 화합물을 형성하지 못하며, 2시간 초과의 시간동안 소성하면 제올라이트 이미다졸레이트 골격체(ZIF) 구조체가 빠른 반응속도로 인해 크게 수축하여 촉매성능이 떨어질 수 있다.The firing may be performed for 0.1 to 2 hours, preferably 0.5 to 1.5 hours, more preferably 0.8 to 1.2 hours. If it is fired for less than 0.1, sufficient phosphorus compounds cannot be formed, and if it is fired for more than 2 hours, the zeolite imidazolate skeleton (ZIF) structure shrinks greatly due to the rapid reaction rate, and catalytic performance may deteriorate.

해당 과정에서 제올라이트 이미다졸레이트 골격체(ZIF)의 골격은 유지되면서, 코발트는 산화 코발트로 산화된다.During this process, the skeleton of the zeolite imidazolate skeleton (ZIF) is maintained, while cobalt is oxidized to cobalt oxide.

본 발명에서, 상기에서 얻어진 코발트 산화물을 코발트-인 골격체로 치환할 때 인 화합물을 이용한 기상반응으로 치환할 수 있다.In the present invention, when the cobalt oxide obtained above is substituted with a cobalt-phosphorus skeleton, it may be substituted by a gas phase reaction using a phosphorus compound.

상기 인 화합물은 하이포아인산나트륨 또는 적린(red phosphorous), 더욱 바람직하게는 하이포아인산나트륨 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The phosphorus compound may be sodium hypophosphite or red phosphorous, more preferably sodium hypophosphite, but is not limited thereto.

상기 기상반응은 아르곤 분위기 하에서 수행될 수 있다.The gas phase reaction may be carried out under an argon atmosphere.

상기 기상반응은 분당 2도씩 승온하며, 200 내지 400℃, 바람직하게는 250 내지 350℃, 더욱 바람직하게는 280 내지 330℃의 온도에서 수행될 수 있다. 기상반응은 1분 내지 5분당 승온할 수 있으며, 빠르게 승온하면 퍼니스 내부 온도 조절이 쉽지 않을 수 있으며 원하는 온도를 정확히 맞춰 실험하기에 어려울 수 있다. 200℃ 미만의 온도에서는 인화반응을 위한 전구체가 충분히 기화되지 않아 전극과 반응하지 않을 수 있다.The gas phase reaction is heated by 2 degrees per minute, and may be carried out at a temperature of 200 to 400°C, preferably 250 to 350°C, and more preferably 280 to 330°C. The gas phase reaction may increase the temperature every 1 to 5 minutes, and if the temperature is rapidly increased, it may not be easy to control the temperature inside the furnace, and it may be difficult to accurately adjust the desired temperature to experiment. At a temperature of less than 200° C., the precursor for the ignition reaction may not be sufficiently vaporized and thus may not react with the electrode.

상기 기상 반응은 0.1 내지 2시간, 바람직하게는 0.5 내지 1.5시간, 더욱 바람직하게는 0.8 내지 1.2시간 수행될 수 있다. 0.1 시간 미만의 반응시간에서는 충분한 인화가 되지 않을 수 있다.The gas phase reaction may be carried out for 0.1 to 2 hours, preferably 0.5 to 1.5 hours, more preferably 0.8 to 1.2 hours. In a reaction time of less than 0.1 hour, sufficient ignition may not be achieved.

본 발명에서 기상반응은 탄소 섬유 기판 2 cm x 5 cm 기준으로, 아르곤 기체의 유량은 100 내지 300 ccm 에서, 하이포아인산나트륨은 0.1 내지 0.4 g 사용될 수 있다.In the present invention, the gas phase reaction is based on the carbon fiber substrate 2 cm x 5 cm, the flow rate of argon gas is 100 to 300 ccm, sodium hypophosphite may be used 0.1 to 0.4 g.

본 발명에서 전기증착은 코발트-인 골격체가 형성된 탄소 기판을 전해질에 담지하고, 기준 전극 및 상대 전극을 이용하여 수행될 수 있다.In the present invention, the electrodeposition may be performed by supporting a carbon substrate on which a cobalt-phosphorus skeleton is formed in an electrolyte, and using a reference electrode and a counter electrode.

전해질은 코발트 화합물과 철 화합물이 각각 0.1 내지 0.2 mol/L씩 함유된 수용액인 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체 제조방법.The electrolyte is an aqueous solution containing 0.1 to 0.2 mol/L of a cobalt compound and an iron compound, respectively. A method for preparing a metal organic skeleton-layered double hydroxide composite.

상기 코발트 화합물은 질산 코발트 또는 염화 코발트일 수 있으며, 바람직하게는 질산 코발트일 수 있다. 철 화합물은 황산 철 또는 염화 철일 수 있으며, 바람직하게는 황산 철 일 수 있다. 코발트 화합물과 철 화합물은 각각 0.1 내지 0.2, 바람직하게는 0.12 내지 0.18, 더욱 바람직하게는 0.14 내지 0.16 mol/L일 수 있으며, 코발트 화합물과 철 화합물의 합은 0.3mol/L일 수 있다. 원활한 전기증착을 위해서는 2가 이온과 3가 이온이 혼합되어 있어야 한다. 한 가지 이온만 존재하게 되면 전기증착 과정이 잘 진행되지 않으며, 코발트와 철 단일 화합물에 비해 낮은 전기적 성능을 가지게 될 수 있다.The cobalt compound may be cobalt nitrate or cobalt chloride, preferably cobalt nitrate. The iron compound may be iron sulfate or iron chloride, preferably iron sulfate. Each of the cobalt compound and the iron compound may be 0.1 to 0.2, preferably 0.12 to 0.18, more preferably 0.14 to 0.16 mol/L, and the sum of the cobalt compound and the iron compound may be 0.3 mol/L. Divalent ions and trivalent ions must be mixed for smooth electrodeposition. If only one ion is present, the electro-deposition process does not proceed well, and may have lower electrical performance than a single compound of cobalt and iron.

상기 기준 전극은 기준 전극은 Ag/AgCl 전극, Calomel 전극, Hg/HgO 전극 또는 Ag/Ag2SO4 전극, 상대 전극은 백금 전극, 더욱 바람직하게는 기준 전극은 Ag/AgCl 전극, 상대 전극은 백금 전극일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The reference electrode is Ag/AgCl electrode, Calomel electrode, Hg/HgO electrode or Ag/Ag 2 SO 4 electrode, counter electrode is platinum electrode, more preferably reference electrode is Ag/AgCl electrode, counter electrode is platinum It may be an electrode, but is not limited thereto.

상기 전기증착은 -1 내지 -2V, 바람직하게는 -0.9 내지 -1.5V, 더욱 바람직하게는 -0.8 내지 -1.2V의 전압에서 수행될 수 있다. -0.8V 미만의 낮은 전압에서는 한가지 금속만 증착될 수 있으며, -2V 초과의 전압에서는 너무 많은 전류로 인해 주위에서 형성되는 수소 기체가 전기증착을 방해할 수 있다.The electrodeposition may be performed at a voltage of -1 to -2V, preferably -0.9 to -1.5V, more preferably -0.8 to -1.2V. At voltages lower than -0.8V, only one metal can be deposited, and at voltages exceeding -2V, hydrogen gas formed around it due to too much current may interfere with the electric deposition.

전기 증착은 1 내지 300초, 바람직하게는 10 내지 200초, 더욱 바람직하게는 15 내지 100초동안 수행 될 수 있다. 1초 미만의 증착시간에서는 증착량이 적어 촉매 활성 표면적이 부족할 수 있으며, 300초 초과의 증착시간에서는 직렬 저항의 증가와 전해질 침투의 저해를 야기할 수 있다.Electrodeposition may be performed for 1 to 300 seconds, preferably 10 to 200 seconds, more preferably 15 to 100 seconds. At a deposition time of less than 1 second, the amount of deposition may be small and the catalytic active surface area may be insufficient, and a deposition time of more than 300 seconds may cause an increase in series resistance and inhibition of electrolyte penetration.

본 발명에 따른 복합체는 하기 단계를 통해 제조될 수 있다. The composite according to the present invention can be prepared through the following steps.

1. 탄소 기판의 친수성 처리 후 코발트 제올라이트 이미다졸레이트 골격체 (Zeolite Imidazolate Frameworks, ZIF) 증착.1. Deposition of cobalt zeolite imidazolate frameworks (ZIF) after hydrophilic treatment of carbon substrates.

2. 코발트 제올라이트 이미다졸레이트 골격체 소성.2. Cobalt zeolite imidazolate skeleton calcined.

3. 코발트 산화물을 코발트-인으로 치환.3. Substitution of cobalt oxide with cobalt-phosphorus.

4. 코발트-철 층상이중수산화물 증착.4. Cobalt-iron layered double hydroxide deposition.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체를 제공할 수 있다.It is possible to provide a metal-organic framework-layered double hydroxide composite prepared according to the manufacturing method of the present invention.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체는 1 내지 10 mF cm2, 바람직하게는 2 내지 8 mF cm2, 더욱 바람직하게는 4 내지 6 mF cm2의 활성 표면적을 가질 수 있다.The metal-organic framework-layered double hydroxide composite prepared according to the production method of the present invention has an active surface area of 1 to 10 mF cm 2 , preferably 2 to 8 mF cm 2 , more preferably 4 to 6 mF cm 2. I can have it.

상기 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체를 포함하는 전극을 제공할 수 있다.It is possible to provide an electrode including the metal organic skeleton-layered double hydroxide complex.

본 발명에서 제공하는 전극은, 광전기화학에 사용될 수 있다. 바람직하게는 슈퍼캐패시터 전극, 산소 환원 전극, 광전기화학 수전해, 더욱 바람직하게는 광전기화학 수전해 전극으로 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The electrode provided by the present invention can be used in photoelectrochemistry. Preferably, it may be used as a supercapacitor electrode, an oxygen reduction electrode, a photoelectrochemical water electrolysis, and more preferably a photoelectrochemical water electrolysis electrode, but is not limited thereto.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 실험예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예 및 실험예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and experimental examples are presented to aid in understanding the present invention. However, the following Examples and Experimental Examples are provided for easier understanding of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following Examples and Experimental Examples.

실시예Example

<제조예 1> 금속-유기 골격체와 층상 이중 수산화물의 복합체 형성 방법<Production Example 1> Method for forming a composite of a metal-organic skeleton and a layered double hydroxide

단계 1: 탄소 기판의 친수성 처리 및 코발트 제올라이트 이미다졸레이트 골격체 (Zeolite Imidazolate Frameworks, ZIF) 증착Step 1: Hydrophilic treatment of carbon substrate and deposition of cobalt zeolite imidazolate frameworks (ZIF)

탄소 기판을 피라냐 용액으로 처리하여 24시간동안 담지시킨다. 0.582 g의 질산 코발트 수산화물(Co(NO3)2·6H2O)과 1.312g의 2-메틸이미다졸(몰 비로 1:8)을 80 mL의 증류수에 녹인 전해질 수용액에 친수처리된 탄소 기판을 담지하여 기판 상에 코발트 제올라이트 이미다졸레이트 골격체 (Zeolite Imidazolate Frameworks, ZIF)를 증착시킨다. 이때, 전극과 접촉될 부분은 PTFE 테이프를 이용하여 막아준다. 4시간동안 담지시킨 후, 기판은 꺼내어 과량의 증류수에 수 회 세척하여 준다. The carbon substrate was treated with a piranha solution and supported for 24 hours. Carbon substrate hydrophilic treatment in an aqueous electrolyte solution in which 0.582 g of cobalt nitrate hydroxide (Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O) and 1.312 g of 2-methylimidazole (molar ratio 1:8) were dissolved in 80 mL of distilled water Cobalt on the substrate by carrying Zeolite Imidazolate Frameworks (ZIF) are deposited. At this time, the part to be in contact with the electrode is blocked using PTFE tape. After soaking for 4 hours, the substrate is taken out and washed several times with an excess of distilled water.

단계 2:Step 2: 코발트 제올라이트 이미다졸레이트 골격체 소성Calcination of cobalt zeolite imidazolate skeleton

상기 단계 1을 통하여 제조된 코발트 기반 금속 유기 구조체(ZIF)는 350℃에서 1시간 동안 열처리를 통해 소성된다. 이 때 승온 속도는 2℃/min이며 내부 기체는 대기중 공기를 그대로 사용하였다. The cobalt-based metal-organic structure (ZIF) manufactured through step 1 is fired through heat treatment at 350° C. for 1 hour. At this time, the temperature increase rate was 2°C/min, and air in the atmosphere was used as the internal gas.

단계 3:Step 3: 코발트 산화물을 코발트-인으로 치환Substitution of cobalt oxide with cobalt-phosphorus

단계 2를 거친 산화 코발트는 튜브형 노에 넣어 하이포아인산나트륨의 기상반응을 통해 코발트-인 구조체로 치환된다. 이 때 승온 속도는 2℃/min 이며, 내부 기체는 아르곤을 200ccm의 유량으로 흘려준다. 300℃에서 1시간 동안 반응을 시켜주며, 하이포아인산은 튜브형 노 위쪽에 위치시킨다. The cobalt oxide that has passed through step 2 is put into a tubular furnace and replaced with a cobalt-phosphorus structure through a gas phase reaction of sodium hypophosphite. At this time, the heating rate is 2℃/min, and the internal gas flows argon at a flow rate of 200ccm. It is allowed to react at 300° C. for 1 hour, and hypophosphorous acid is placed above the tubular furnace.

단계 4:Step 4: 코발트-철 층상 이중 수산화물 증착Cobalt-iron layered double hydroxide deposition

단계 3을 거친 코발트-인 구조체는 전기증착법을 통해 복합체를 형성하게 된다. 질산 코발트와 황산 철 0.15 M 수용액에 전극을 연결하여 담지시키고, 단계 3의 구조체를 작동전극, Ag/AgCl을 기준 전극, 백금 전극을 상대 전극으로 하여 -1 V에서 25초동안 전기증착한다. 제조된 복합체는 증류수에 수 회 세척한 후 오븐에서 충분히 말려준다. The cobalt-phosphorus structure that has passed through step 3 forms a composite through an electro-deposition method. An electrode was connected and supported in a 0.15 M aqueous solution of cobalt nitrate and iron sulfate, and electro-deposited at -1 V for 25 seconds using the structure of step 3 as a working electrode, Ag/AgCl as a reference electrode, and platinum electrode as a counter electrode. The prepared composite is washed several times in distilled water and then sufficiently dried in an oven.

상기 금속-유기 골격체와 층상 이중 수산화물의 복합체 형성 방법을 도 1에 모식도로 나타내었다.A method of forming a composite of the metal-organic skeleton and the layered double hydroxide is schematically shown in FIG. 1.

본 발명에 있어 탄소 섬유에 증착된 코발트 기반의 금속 유기 골격체의 FE-SEM 사진을 도 2에 나타내었다. 금속 유기 골격체는 잎사귀 모양으로 성장하였고 (도 2(a), 2(e)), 코발트 산화물, 그리고 코발트-인 구조체로 치환되어도 그 구조가 잘 유지됨을 확인하였다(도 2(b), 2(f)). 전기 증착법으로 제조된 층상 이중 수산화물은 탄소 섬유 기판에 시트 형태로 균일하게 증착되었다(도 2(c), 2(g)). 본 발명에서 제조한 코발트-인 구조체와 층상 이중 수산화물 복합체는 잎사귀 모양의 금속 유기 골격체의 구조 위에 얇고 균일하게 증착되었다.In the present invention, an FE-SEM photograph of a cobalt-based metal organic skeleton deposited on a carbon fiber is shown in FIG. 2. The metal organic framework was grown in the shape of a leaf (Fig. 2(a), 2(e)), and it was confirmed that the structure was well maintained even when substituted with cobalt oxide, and cobalt-phosphorus structure (Fig. 2(b), 2 (f)). The layered double hydroxide prepared by the electro-deposition method was uniformly deposited in the form of a sheet on a carbon fiber substrate (Figs. 2(c) and 2(g)). The cobalt-phosphorus structure and the layered double hydroxide composite prepared in the present invention were thinly and uniformly deposited on the structure of the leaf-shaped metal organic framework.

탄소 섬유 기판에 증착된 물질의 원소를 알아보기 위하여 EDS 분석을 사용하였고, 도 3에 나타내었다. 코발트-인 구조체로부터, 코발트(도 3(b)), 질소(도 3(c)), 인(도 3(d))은 전체에 걸쳐 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다. 도 3(a)는 EDS 분석에 사용된 SEM 이미지이다. 여기서 질소는 2-메틸이미다졸에 포함된 것이며, 350℃ 정도의 열처리 이후에도 남아 있음이 확인되었다.EDS analysis was used to determine the element of the material deposited on the carbon fiber substrate, and is shown in FIG. 3. From the cobalt-phosphorus structure, it can be seen that cobalt (FIG. 3(b)), nitrogen (FIG. 3(c)), and phosphorus (FIG. 3(d)) are uniformly distributed throughout. 3(a) is an SEM image used for EDS analysis. Here, it was confirmed that nitrogen was contained in 2-methylimidazole, and remained after heat treatment at about 350°C.

코발트-철 층상 이중 수산화물 역시 EDS를 통하여 분석하여 도 4에 나타내었다. 코발트와 철의 다른 환원 전위에도 불구하고 -1 V 정도의 전압에서 코발트(도 4(b))와 철(도 4(c)), 그리고 산소(도 4(d))가 균일하게 분포됨을 확인하였다. 도 4(a)는 이 EDS 분석에 사용된 SEM 이미지이다.The cobalt-iron layered double hydroxide was also analyzed through EDS and shown in FIG. 4. It was confirmed that cobalt (FIG. 4(b)), iron (FIG. 4(c)), and oxygen (FIG. 4(d)) were uniformly distributed at a voltage of about -1 V despite the different reduction potentials of cobalt and iron. I did. Fig. 4(a) is an SEM image used for this EDS analysis.

상기 제조된 코발트-인 구조체에 코발트-철 층상 이중 수산화물을 증착한 후 EDS 분석을 통하여, 코발트(도 5(b)), 철(도 5(c)), 산소(도 5(d)), 질소(도 5(e)), 인(도 5(f))가 균일하게 증착된 것을 확인하였다. 도 5(a)는 이 EDS 분석에 사용된 SEM 이미지이다. After depositing a cobalt-iron layered double hydroxide on the prepared cobalt-phosphorus structure, through EDS analysis, cobalt (Fig. 5(b)), iron (Fig. 5(c)), oxygen (Fig. 5(d)), It was confirmed that nitrogen (FIG. 5(e)) and phosphorus (FIG. 5(f)) were uniformly deposited. 5(a) is an SEM image used for this EDS analysis.

XPS 실험은 탄소 1s 준위에 맞추어 보정된 데이터를 사용하였고 스펙트럼 그래프를 도 6에 나타내었다. 스펙트럼은 제조된 코발트-인 구조체-층상 이중 수산화물 복합체가 코발트, 철, 산소, 질소, 탄소, 인이 각각 검출되었음을 보여준다(도 6(a)). 코발트는 2가 이온대비 3가 이온의 비는 대략 1.12 정도로 나타났다(도 6(b)). 철 이온의 경우 역시 2가와 3가 이온이 함께 나타났으며 2가 대비 3가 이온의 비는 약 0.69이다. 인의 특징적인 두 2p 스펙트럼인 Pox와 130 eV 부근의 doublet은 기상 반응을 통하여 인이 잘 치환되었음을 나타낸다(도 6(d)).In the XPS experiment, data corrected according to the carbon 1s level was used, and a spectrum graph is shown in FIG. 6. The spectrum shows that the prepared cobalt-phosphorus structure-layered double hydroxide complex detected cobalt, iron, oxygen, nitrogen, carbon, and phosphorus, respectively (FIG. 6(a)). In cobalt, the ratio of trivalent ions to divalent ions was approximately 1.12 (Fig. 6(b)). In the case of iron ions, divalent and trivalent ions also appeared together, and the ratio of trivalent ions to divalent is about 0.69. Two characteristic 2p spectra of phosphorus, Pox and a doublet near 130 eV, indicate that phosphorus was well substituted through a gas phase reaction (Fig. 6(d)).

FT-IR 실험 결과는 도 7에 나타내었다. FT-IR 실험을 통해 제조된 코발트 유기 금속 복합체가 2-메틸이미다졸에 존재하는 질소와 수소의 수소결합으로 인해 넓고 강한 양상을 나타내었고, 메틸 이미다졸의 특징적인 고리가 확인되었다. 층상 이중 수산화물은 수산화기로 인해 넓은 범위의 스트레칭 결합이 나타남과 동시에, 카르복실기의 대칭-비대칭 스트레칭 결합으로 인한 특징을 나타낸다. 코발트 유기 금속 구조체가 인으로 치환된 후에도 어느 정도의 양상은 나타내었으며, 코발트-인 구조체와 층상 이중 수산화물 복합체는 이들의 특징적인 결합을 모두 나타내었다.The results of the FT-IR experiment are shown in FIG. 7. The cobalt organometallic complex prepared through the FT-IR experiment showed a broad and strong pattern due to hydrogen bonding between nitrogen and hydrogen present in 2-methylimidazole, and a characteristic ring of methyl imidazole was confirmed. The layered double hydroxide exhibits a wide range of stretching bonds due to a hydroxyl group, and at the same time exhibits a characteristic due to a symmetric-asymmetric stretching bond of a carboxyl group. Even after the cobalt organometallic structure was substituted with phosphorus, a certain aspect was exhibited, and the cobalt-phosphorus structure and the layered double hydroxide composite showed all of their characteristic bonds.

전기화학적 분석Electrochemical analysis

상기 제조예 1에 의해 제조된 전극의 전기화학적 특성을 확인하였다.Electrochemical properties of the electrode prepared according to Preparation Example 1 were confirmed.

우선 산소 발생 실험을 수행하였으며, 도 8에 나타내었다. 산소 발생 실험에 있어서, 1M의 수산화 칼륨 용액에서 선형 주사 전위법을 통해 각각의 전극을 테스트하였다. 상기 제조예 1로서 만들어진 전극은 순수 층상 이중 수산화물, 코발트-인 구조체보다 낮은 과전압에서 높은 전류밀도를 보였다(도 8(a)). 전기화학 반응의 활성도로서 타펠 기울기를 도시할 수 있는데, 코발트-인 구조체와 층상 이중 수산화물 복합체가 가장 낮은 타펠 기울기로 뛰어난 성능을 나타냈다(도 8(b)). 전류밀도 10 mA cm-2에 도달하기 위한 과전압으로 270 mV가 필요했으며(도 8(c)), 임피던스 분광법을 통해 전자 전달 저항이 가장 낮았을 뿐 아니라 순수 층상 이중 수산화물과 비교할 때 계면 저항이 크게 감소했다(도 8(d)). 전류밀도를 조금씩 올려가며 필요한 과전압은 계단형으로 안정된 모습을 보였으며(도 8(e)), 장시간동안 작동하여도 성능의 저하는 나타나지 않았다(도 8(f)).First, an oxygen generation experiment was performed, and is shown in FIG. 8. In the oxygen evolution experiment, each electrode was tested by a linear scanning potential method in 1M potassium hydroxide solution. The electrode made as Preparation Example 1 showed a higher current density at a lower overvoltage than that of a pure layered double hydroxide and cobalt-phosphorus structure (FIG. 8(a)). The Tafel slope can be shown as the activity of the electrochemical reaction, and the cobalt-phosphorus structure and the layered double hydroxide composite exhibited excellent performance with the lowest Tafel slope (FIG. 8(b)). 270 mV was required as an overvoltage to reach the current density of 10 mA cm -2 (Fig. 8(c)), and the electron transfer resistance was the lowest through impedance spectroscopy, and the interface resistance was large compared to the pure layered double hydroxide. Decreased (Fig. 8(d)). Increasing the current density little by little, the required overvoltage showed a stable appearance in a stepped shape (FIG. 8(e)), and even if it was operated for a long time, there was no deterioration in performance (FIG. 8(f)).

상기 제조예 1에 의해 제조된 전극은 수소 발생 실험의 작동전극으로 역시 사용될 수 있음을 확인하였고, 도 9에 나타내었다. 선형 주사 전위법을 통해 확인한 성능은 코발트-인 이중 층상 수산화물이 뛰어났다(도 9(a)). 타펠 기울기를 통해 살펴본 반응의 활성 정도 역시 다른 순수 코발트-인 구조체나 코발트-철 층상 이중 수산화물보다 낮은 기울기로서 뛰어났다(도 9(b)). 전류밀도 10 mA cm-2에 도달하기 위한 과전압은 172 mV 였으며(도 9(c)), 임피던스 분광법을 통해 살펴본 전자 전달 저항은 마찬가지로 가장 낮은 저항을 보였으며 산소 발생 실험과 유사하게 계면 저항은 순수 층상 이중 수산화물보다 감소했고 코발트-인 구조체와는 큰 차이가 없었다(도 9(d)). 본 발명에서 제조된 전극은 2전극 실험으로서 양 쪽 모두 같은 전극을 두고 수소와 산소를 발생시킬 수 있다. 양쪽을 코발트-인 구조체와 층상 이중 수산화물의 복합체로 사용하여 선형 주사 전위법으로 테스트할 때 전류밀도 10 mA cm-2에 도달하기 위한 전압은 1.66V로 나타났다(도 9(e)). 또한 이 조건에서 장시간 안정성 테스트를 진행하였는데, 50시간의 구동에도 성능의 저하는 관찰되지 않았다(도 9(f)).It was confirmed that the electrode prepared according to Preparation Example 1 can also be used as a working electrode for a hydrogen generation experiment, and is shown in FIG. 9. The performance confirmed by the linear scanning potential method was excellent in cobalt-phosphorus double layered hydroxide (FIG. 9(a)). The degree of activity of the reaction observed through the Tafel slope was also excellent as a slope lower than that of other pure cobalt-phosphorus structures or cobalt-iron layered double hydroxides (FIG. 9(b)). The overvoltage to reach the current density of 10 mA cm -2 was 172 mV (Fig. 9(c)), and the electron transfer resistance observed through impedance spectroscopy also showed the lowest resistance, and similar to the oxygen generation experiment, the interface resistance was pure. It was reduced than that of the layered double hydroxide and there was no significant difference from the cobalt-phosphorus structure (Fig. 9(d)). The electrode prepared in the present invention is a two-electrode experiment, and hydrogen and oxygen can be generated by placing the same electrode on both sides. When tested by the linear scanning potential method using both of the cobalt-phosphorus structure and the layered double hydroxide, the voltage for reaching the current density of 10 mA cm -2 was 1.66V (Fig. 9(e)). In addition, a long-term stability test was conducted under this condition, but no deterioration in performance was observed even when driving for 50 hours (Fig. 9(f)).

본 발명에서 제조된 전극은 넓은 표면적을 가지는 금속 유기 골격에 층상 이중 수산화물을 결합한 복합체이다. 층상 이중 수산화물 역시 넓은 표면적을 가지면서 수전해에서 나오는 기포를 쉽게 빼 낼 수 있는 기공을 가지는 구조이며, 이로서 만들어지는 복합체의 전기화학적 표면적을 순환 전류 전압법을 이용해서 확인하였다. 코발트-인 구조체(도 10(a)), 코발트-철 층상 이중 수산화물(도 10(b)), 코발트-인 구조체와 층상 이중 수산화물 복합체(도 10(c))는 -0.025 V와 0.025V 범위에서 순환 전류 전압법을 다양한 전위 주사 속도로 조사하고, 주사 속도에 따른 전류 값의 차이를 통해 상대적인 전기화학적 활성 표면적을 계산할 수 있다(도 10(d)). 이들 중 코발트-인 구조체와 층상 이중 수산화물 복합체가 5.60 mF cm2로 가장 넓은 활성 표면적을 보였다.The electrode prepared in the present invention is a composite in which a layered double hydroxide is bonded to a metal organic skeleton having a large surface area. The layered double hydroxide also has a large surface area and a structure having pores that can easily remove air bubbles from water electrolysis, and the electrochemical surface area of the resulting composite was confirmed by using a cyclic current voltage method. The cobalt-phosphorus structure (Fig. 10(a)), the cobalt-iron layered double hydroxide (Fig. 10(b)), and the cobalt-phosphorus structure and the layered double hydroxide complex (Fig. 10(c)) are in the range of -0.025 V and 0.025 V. The cyclic current voltammetry is investigated at various potential scan rates, and the relative electrochemically active surface area can be calculated through the difference in current values according to the scan rates (FIG. 10(d)). Among them, the cobalt-phosphorus structure and the layered double hydroxide composite showed the largest active surface area of 5.60 mF cm 2.

Claims (21)

탄소 기판 상에 코발트-인 골격체를 형성하는 단계; 및
상기 코발트-인 골격체 상에 코발트-철 층상 이중 수산화물을 전기증착하는 단계;를 포함하는 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 제조방법.
Forming a cobalt-phosphorus skeleton on a carbon substrate; And
Electrodepositing a cobalt-iron layered double hydroxide on the cobalt-phosphorus skeleton; a method for producing a metal organic skeleton-layered double hydroxide composite comprising.
제 1 항에 있어서,
탄소 기판은 표면이 하이드록시로 개질된 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
The carbon substrate is a metal organic framework whose surface is modified with hydroxy-a method for producing a layered double hydroxide composite.
제 1 항에 있어서,
코발트-인 골격체는 코발트 제올라이트 이미다졸레이트 골격체(CoZIF)를 탄소 기판에 증착, 소성시켜 코발트 산화물을 얻은 후, 코발트-인 골격체로 치환한 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
The cobalt-phosphorus skeleton is a metal organic skeleton-layered double hydroxide composite obtained by depositing and firing a cobalt zeolite imidazolate skeleton (CoZIF) on a carbon substrate to obtain cobalt oxide, and then replacing it with a cobalt-phosphorus skeleton. Way.
제 3 항에 있어서,
코발트 제올라이트 이미다졸레이트 골격체는 탄소 기판을 질산 코발트 수산화물(Co(NO3)2·6H2O):2-메틸이미다졸을 1:4 내지 1:20의 몰비로 혼합한 용액에 담지하여 증착시키는 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 제조방법.
The method of claim 3,
The cobalt zeolite imidazolate skeleton is supported in a solution in which a carbon substrate is mixed with cobalt nitrate hydroxide (Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O):2-methylimidazole in a molar ratio of 1:4 to 1:20. The method of producing a metal-organic framework-layered double hydroxide composite by vapor deposition.
제 3 항에 있어서,
소성은 300 내지 450℃의 온도에서 수행되는 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 제조방법.
The method of claim 3,
The sintering is carried out at a temperature of 300 to 450° C. A method for producing a metal-organic skeleton-layered double hydroxide composite.
제 3 항에 있어서,
소성은 0.1 내지 2시간 동안 수행되는 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 제조방법.
The method of claim 3,
The sintering is carried out for 0.1 to 2 hours. The method for producing a metal organic skeleton-layered double hydroxide composite.
제 3 항에 있어서,
코발트 산화물을 인 화합물의 기상반응을 통해 코발트-인 골격체로 치환한 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 제조방법.
The method of claim 3,
A method for producing a metal organic skeleton-layered double hydroxide complex in which cobalt oxide is substituted with a cobalt-phosphorus skeleton through a gas phase reaction of a phosphorus compound.
제 7 항에 있어서,
인 화합물은 하이포아인산나트륨 또는 적린(red phosphorous)인 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 제조방법.
The method of claim 7,
The phosphorus compound is sodium hypophosphite or red phosphorous, which is a method for producing a metal organic skeleton-layered double hydroxide complex.
제 7 항에 있어서,
기상반응은 아르곤 분위기 하에서 수행되는 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 제조방법.
The method of claim 7,
The gas phase reaction is carried out under an argon atmosphere, a metal organic framework-a method for producing a layered double hydroxide composite.
제 7 항에 있어서,
기상반응은 200 내지 400℃의 온도에서 수행되는 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 제조방법.
The method of claim 7,
The gas phase reaction is carried out at a temperature of 200 to 400 ℃ metal organic framework-a method for producing a layered double hydroxide composite.
제 7 항에 있어서,
기상반응은 0.1 내지 2시간 동안 수행되는 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체의 제조방법.
The method of claim 7,
The gas phase reaction is carried out for 0.1 to 2 hours, the method for producing a metal-organic framework-layered double hydroxide composite.
제 1 항에 있어서,
전기증착은 코발트-인 골격체가 형성된 탄소 기판을 전해질에 담지하고, 기준 전극 및 상대 전극을 이용하여 수행되는 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체 제조방법.
The method of claim 1,
Electrodeposition is carried out by supporting a carbon substrate on which a cobalt-phosphorus skeleton has been formed in an electrolyte, and using a reference electrode and a counter electrode to prepare a metal organic skeleton-layered double hydroxide composite.
제 12 항에 있어서,
전해질은 코발트 화합물과 철 화합물이 각각 0.1 내지 0.2 mol/L씩 함유된 수용액인 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체 제조방법.
The method of claim 12,
The electrolyte is an aqueous solution containing 0.1 to 0.2 mol/L of a cobalt compound and an iron compound, respectively. A method for preparing a metal organic skeleton-layered double hydroxide composite.
제 13 항에 있어서,
코발트 화합물은 질산 코발트 또는 염화 코발트인 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체 제조방법.
The method of claim 13,
The cobalt compound is cobalt nitrate or cobalt chloride. A method for preparing a metal organic skeleton-layered double hydroxide complex.
제 13 항에 있어서,
철 화합물은 황산 철 또는 염화 철인 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체 제조방법.
The method of claim 13,
The iron compound is iron sulfate or iron chloride. A method for preparing a metal-organic framework-layered double hydroxide composite.
제 12 항에 있어서,
기준 전극은 Ag/AgCl 전극, Calomel 전극, Hg/HgO 전극 또는 Ag/Ag2SO4 전극, 상대 전극은 백금 전극인 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체 제조방법.
The method of claim 12,
The reference electrode is an Ag/AgCl electrode, a Calomel electrode, an Hg/HgO electrode or an Ag/Ag 2 SO 4 electrode, and the counter electrode is a platinum electrode.
제 12 항에 있어서,
전기증착은 -0.8 내지 -2V의 전압에서 수행되는 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체 제조방법.
The method of claim 12,
Electrodeposition is carried out at a voltage of -0.8 to -2V metal organic framework-a method for producing a layered double hydroxide composite.
제 12 항에 있어서,
전기증착은 1 내지 300초동안 수행되는 것인 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체 제조방법.
The method of claim 12,
Electrodeposition is carried out for 1 to 300 seconds metal organic framework-a method for producing a layered double hydroxide composite.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체.A metal-organic skeleton prepared according to the manufacturing method of any one of claims 1 to 18-a layered double hydroxide composite. 제 19 항에 있어서,
활성 표면적이 1 내지 10 mF cm2
금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체.
The method of claim 19,
With an active surface area of 1 to 10 mF cm 2
Metal organic framework-layered double hydroxide complex.
제 19항에 따른 금속 유기 골격체-층상 이중 수산화물 복합체를 포함하는 전극.
An electrode comprising the metal-organic framework according to claim 19-layered double hydroxide complex.
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