JP5624207B2 - 金属酸化物ナノ線を含有する混合触媒の製造方法、これによって製造された混合触媒を含む電極及び燃料電池 - Google Patents

金属酸化物ナノ線を含有する混合触媒の製造方法、これによって製造された混合触媒を含む電極及び燃料電池 Download PDF

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Description

本発明は、触媒の製造方法及びその製造された触媒の応用に関するものであり、より詳しくは、金属酸化物ナノ線を含有する混合触媒の製造方法及びその製造された混合触媒の燃料電池用電極及び燃料電池システムへの応用に関する。
燃料電池(fuel cell)とは、電気化学反応により燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換させる電気化学装置であり、高いエネルギー密度を有し、環境にやさしいという長所を基に、未来のエネルギー生産装置として注目されている。
現在、燃料電池の触媒層に使用されている触媒は、活性面積を増加させるために活性金属を多孔性炭素系支持体表面に担持させた形態の担持触媒を主に使用している。しかし、従来の担持触媒は、粒子形態を有し、点接触によって連結されるため、電極抵抗を高める要因になるだけでなく、電極に載せる触媒量を増加させる場合は触媒層の厚さが厚くなり抵抗が増加するという問題があった。
本発明が解決しようとする技術的課題は、触媒の電荷輸送性、活性及び安定性を向上させ得る混合触媒の製造方法を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、優れた物性を有する混合触媒を含む燃料電池用電極及び燃料電池を提供することにある。
前記の技術的課題を解決するために、本発明の一点は金属酸化物ナノ線を含有する、燃料電池の電極に用いられる混合触媒の製造方法を提供することである。前記混合触媒の製造方法は、第1の金属前駆体と第2の金属前駆体が含有された高分子溶液の準備、前記高分子溶液を電気放射して金属−高分子混合ナノ線の形成、前記金属−高分子混合ナノ線を熱処理して金属酸化物ナノ線の形成、及び前記金属酸化物ナノ線と活性金属ナノ粒子の混合を含む。ここで、前記の第2の金属前駆体の金属は、前記金属酸化物ナノ線のドーパントとして使用される。
前記の第1の金属前駆体は、Sn、Ti、Zn、Ni、Co、Mn、Nb、Mo、V、Cr、Fe、Ru、In、Al、Sb、Ta及びEuから選ばれる少なくとも一つの金属を含み得る。
前記の第2の金属前駆体は、Pt、Pd、Au、Ag、Rh、Os、Ir、Sn、Ti、Zn、Ni、Co、Mn、Nb、Mo、V、Cr、Fe、Ru、In、Al、Sb、Ta及びEuから選ばれる少なくとも一つの金属を含み得る。
前記活性金属ナノ粒子は、Pt、Au、Ag、Fe、Co、Ni、Ru、Os、Rh、Pd、Ir、W、Sn、Pd、Bi及びこれらの合金から選ばれるいずれかの成分を含み得、活性金属がナノ大の多孔性炭素粒子に担持されたものであり得る。
前記高分子溶液の高分子は、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール、ポリビニルアセテート、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート及びこれらの混合物から選ばれるいずれかであり得る。
好ましくは、前記の第1の金属前駆体はスズ(Sn)塩で、前記の第2の金属前駆体はアンチモン(Sb)塩であり得る。
前記の技術的課題を解決するために、本発明の他の点は燃料電池用電極を提供することである。前記燃料電池用電極は、電極基材及び前記電極基材上に位置する触媒層を含み、前記触媒層は活性金属ナノ粒子層と前記活性金属ナノ粒子層に挿入された金属酸化物ナノ線を含む。ここで、前記金属酸化物ナノ線は、異種金属によってドーピングされたものである。
前記電極基材は、炭素紙、炭素布及び炭素フェルトから選ばれるいずれかであり得る。
前記金属酸化物ナノ線は、Sn、Ti、Zn、Ni、Co、Mn、Nb、Mo、V、Cr、Fe、Ru、In、Al、Sb、Ta及びEuから選ばれる少なくとも一つの金属を含み得る。
前記異種金属は、Pt、Pd、Au、Ag、Rh、Os、Ir、Sn、Ti、Zn、Ni、Co、Mn、Nb、Mo、V、Cr、Fe、Ru、In、Al、Sb、Ta及びEuから選ばれる少なくとも一つの金属であり得る。
前記活性金属ナノ粒子は、Pt、Au、Ag、Fe、Co、Ni、Ru、Os、Rh、Pd、Ir、W、Sn、Pd、Bi及びこれらの合金から選ばれるいずれかの成分を含み得、活性金属がナノ大の多孔性炭素粒子に担持されたものであり得る。
好ましくは、前記金属酸化物ナノ線はスズ酸化物ナノ線で、前記異種金属はアンチモンであり得る。
前記の技術的課題を解決するために、本発明のまた別の点は、燃料電池を提供することである。前記燃料電池は、対向配置されるアノードとカソード、及び前記アノードと前記カソード間に介在する電解質を含み、前記アノード及び前記カソードの少なくとも一つは上述の燃料電池用電極で構成される。
上述の通り、本発明によると、電気放射による簡単な方法でドーピングされた金属酸化物ナノ線を製造することができ、金属酸化物ナノ線と活性金属ナノ粒子を単純に混合して優れた物性を有する混合触媒を製造することができる。つまり、混合触媒の金属酸化物ナノ線は高い電荷輸送性を有し、これの導入によって触媒活性を増加させることができるだけでなく、触媒の安定性を向上させることができる。よって、混合触媒を使用して燃料電池の電極触媒層を構成する場合、燃料電池の性能を大きく向上させることができ、発電単価を下げることができるという長所がある。
但し、本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されるのではなく、言及していない別の効果は以下の記載から当業者が明確に理解できるものである。
本発明の一実施例にかかる混合触媒の製造方法を示したフローチャートである。 電気放射法を利用した金属−高分子混合ナノ線の製造方法を示した模式図である。 本発明の他の実施例にかかる燃料電池用電極を示した概略図である。 本発明のさらに他の実施例にかかる燃料電池を示した概略図である。 製造例1で製造されたナノ線のSEMイメージである。 比較例1で製造されたナノ線のSEMイメージである。 製造例1で製造されたナノ線のTEMイメージである。 比較例1で製造されたナノ線のTEMイメージである。 製造例1及び比較例1でそれぞれ製造されたナノ線のXRDパターンである。 製造例1及び比較例1でそれぞれ製造されたナノ線の電流−電圧曲線である。 ATOナノ線−Pt/C混合触媒インクで製造された電極触媒層のSEMイメージである。 ATOナノ線−Pt/C混合触媒インクで製造された電極触媒層のSEMイメージである。 アルカリ雰囲気でATOナノ線−Pt/C混合触媒のエタノール酸化によるインピーダンスグラフを示したものである。 アルカリ雰囲気でATOナノ線−Pt/C混合触媒のメタノール酸化によるインピーダンスグラフを示したものである。 酸性雰囲気でATOナノ線−Pt/C混合触媒のエタノール酸化によるインピーダンスグラフを示したものである。 酸性雰囲気でATOナノ線−Pt/C混合触媒のメタノール酸化によるインピーダンスグラフを示したものである。 アルカリ雰囲気でATOナノ線−Pt/C混合触媒のエタノール酸化による循環電圧電流グラフを示したものである。 アルカリ雰囲気でATOナノ線−Pt/C混合触媒のメタノール酸化による循環電圧電流グラフを示したものである。 アルカリ雰囲気でATOナノ線−Pt/C触媒の水素吸脱着能力を測定するための循環電圧電流グラフを示したものである。 アルカリ雰囲気でATOナノ線−Pt/C混合触媒のエタノール酸化による定電位グラフを示したものである。 アルカリ雰囲気でATOナノ線−Pt/C混合触媒のメタノール酸化による定電位グラフを示したものである。
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳しく説明する。しかし、本発明はここで説明する実施例に限定されず、他の形態で具体化することもできる。ここで紹介する実施例は、開示した内容が徹底且つ完全になり得るように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝わるようにするために提供するものである。図面において、層及び領域の厚さは明確性を期するために誇張したものである。明細書全般に亘り同一な参照番号は同一な構成要素を表す。下記で本発明を説明するにおいて、関連する公知機能および構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に濁し得ると判断したものに関する詳細な説明は省略する。
図1は、本発明の一実施例にかかる混合触媒の製造方法を示したフローチャートである。
図1を参照すると、第1の金属前駆体と第2の金属前駆体が含有されている高分子溶液を準備する(S10)。前記の第1の金属前駆体は、Sn、Ti、Zn、Ni、Co、Mn、Nb、Mo、V、Cr、Fe、Ru、In、Al、Sb、Ta及びEuから選ばれる少なくとも一つの金属を含み得る。但し、これに限定されるのではない。前記の第2の金属前駆体は、Pt、Pd、Au、Ag、Rh、Os、Ir、Sn、Ti、Zn、Ni、Co、Mn、Nb、Mo、V、Cr、Fe、Ru、In、Al、Sb、Ta及びEuから選ばれる少なくとも一つの金属を含み得る。但し、これに限定されるのではない。この場合、前記の第2の金属前駆体の金属は、後述する金属酸化物ナノ線のドーパント(dopant)として使用される物質であり、第1の金属前駆体の金属とは異なる異種金属で選ばれる。具体的に、前記の第1の金属前駆体及び前記の第2の金属前駆体は、それぞれ金属塩の形態であり得る。例えば、前記の第1の金属前駆体がスズ(Sn)を含む場合、スズ塩(一例として、SnCl又はSnClの塩化スズ等)であり得、前記の第2の金属前駆体がアンチモン(Sb)を含む場合は、アンチモン塩(一例として、SbClの塩化アンチモン等)であり得る。
前記高分子溶液の高分子は、ポリビニルピロリドン(polyvinylpyrrolidone,PVP)、ポリビニルブチラール(polyvinyl butyral,PVB)、ポリビニルアセテート(polyvinyl acetate,PVA)、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile,PAN)、ポリカーボネート(polycarbonate,PC)及びこれらの混合物から選ばれるいずれかであり得る。但し、これに限定されるのではない。また、前記高分子溶液の溶媒は、水、メタノール、エタノール、アセトン、N,N’−ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N-メチルピロリドン(NMP)、メチレンクロライド(CHCl)、クロロホルム(CHCl)、テトラヒドロフラン(THF)又はこれらの混合物等の極性溶媒であり得る。例えば、前記の第1の金属前駆体と第2の金属前駆体が含有された高分子溶液は、第1の金属前駆体としてスズ塩が、第2の金属前駆体としてアンチモン塩が溶解されたメタノール溶液を、PVPが溶解されたメタノール溶液と混合することにより製造できる。
前記高分子溶液を電気放射して金属−高分子混合ナノ線を形成する(S12)。
図2は、電気放射法を利用した金属−高分子混合ナノ線の製造方法を示した模式図である。図2を参照すると、電気放射装置200は、注射器210、シリンジポンプ220、高電圧発生器230及び捕集器240を備え得る。前記電気放射は、前記高分子溶液(放射溶液)を電気放射装置200の注射器210に入れ、ポンプ220を利用して一定の速度で吐出させると同時に、高電圧発生器230を利用して一定の電圧を印加して行うことができる。これによって、電気放射装置200の捕集器240上に数〜数百nmの直径を有する金属−高分子混合ナノ線を形成することができ、使用される金属前駆体と高分子の種類、放射溶液を構成する各物質の比率、放射溶液の濃度あるいは粘度、放射条件等を様々に組合わせて多様な特性の金属−高分子混合ナノ線を製造することができる。
再度図1を参照すると、前記金属−高分子混合ナノ線を熱処理して金属酸化物ナノ線を形成する(S14)。前記熱処理は、空気雰囲気下で行うことができ、熱処理温度及び時間はナノ線に含有されている金属の溶融点及び高分子の分解点等を考慮して適切な範囲で選択できる。熱処理温度の適正範囲は、例えば、示差熱量走査法(DSC)により測定できる。前記熱処理によって、金属−高分子混合ナノ線に含有されている高分子及び不純物を除去できるため、これにより単一の金属酸化物ナノ線を形成できる。
前記金属酸化物ナノ線と活性金属ナノ粒子を混合する(S16)。前記活性金属ナノ粒子は、Pt、Au、Ag、Fe、Co、Ni、Ru、Os、Rh、Pd、Ir、W、Sn、Pd、Bi及びこれらの合金から選ばれるいずれかの成分を含み得る。また、前記活性金属ナノ粒子は、活性金属がナノ大の多孔性炭素粒子に担持されたものであり得る。一例として、前記活性金属ナノ粒子は、白金が多孔性炭素ナノ粒子に担持されたものであり得る。前記混合は、金属酸化物ナノ線と活性金属ナノ粒子を溶媒に分散させて行うことができ、ボルテックスミキサー(vortex mixer)又は超音波処理(sonication)と攪拌等を利用できる。
図3は、本発明の他の実施例にかかる燃料電池用電極を示した概略図である。
図3を参照すると、燃料電池用電極300は電極基材310及び前記電極基材310上に位置する触媒層320を含み、前記触媒層320は活性金属ナノ粒子層322と前記活性金属ナノ粒子層322に挿入された金属酸化物ナノ線324を含む。ここで、前記金属酸化物ナノ線324は、異種金属によってドーピングされたものである。
前記電極基材310は、前記触媒層320の支持体の役割以外に、電流の集電体の役割及び反応物と生成物の通路の役割を行うことができる。よって、前記電極基材310は多孔性支持体でなければならなく、例えば、炭素紙(carbon paper)、炭素布(carbon cloth)又は炭素フェルト(carbon felt)であり得る。
前記活性金属ナノ粒子層322の活性金属ナノ粒子は、Pt、Au、Ag、Fe、Co、Ni、Ru、Os、Rh、Pd、Ir、W、Sn、Pd、Bi及びこれらの合金から選ばれるいずれかの成分を含み得る。また、前記活性金属ナノ粒子は、活性金属がナノ大の多孔性炭素粒子に担持されたものであり得る。一例として、前記活性金属ナノ粒子は、白金が多孔性炭素ナノ粒子に担持されたものであり得る。
前記金属酸化物ナノ線324は、Sn、Ti、Zn、Ni、Co、Mn、Nb、Mo、V、Cr、Fe、Ru、In、Al、Sb、Ta及びEuから選ばれる少なくとも一つの金属を含み得、前記金属酸化物ナノ線のドーパントとして使用される前記異種金属は、Pt、Pd、Au、Ag、Rh、Os、Ir、Sn、Ti、Zn、Ni、Co、Mn、Nb、Mo、V、Cr、Fe、Ru、In、Al、Sb、Ta及びEuから選ばれる少なくとも一つの金属であり得る。例えば、前記金属酸化物ナノ線はスズ(Sn)酸化物で、前記異種金属はアンチモン(Sb)であり得る。
特に、前記触媒層320は、図1(及び図2)を参照して説明した製造方法によって製造された混合触媒を使用して形成できる。一例として、上述の製造方法によって製造された混合触媒をイオノマーバインダー(ionomer binder)溶液と混合した後、その混合溶液を前記電極基材310上に塗布し乾燥することにより形成できる。
図3に示したように、本実施例にかかる燃料電池用電極300の触媒層320は、異種金属でドーピングされて高い電荷輸送性を有する金属酸化物ナノ線324が活性金属ナノ粒子層322に分散されて挿入された構造を有するため、前記燃料電池用電極300を燃料電池のアノード又はカソードとして使用する場合、燃料の酸化によって生成された電子、又は外部回路を通じて流れ込んだ電子の輸送能力を向上させることができる。
図4は、本発明のさらに他の実施例にかかる燃料電池を示した概略図である。
図4を参照すると、燃料電池400は、対向配置されるアノード410とカソード420、及び前記アノード410と前記カソード420間に介在する電解質430を含み、前記アノード410及び前記カソード420の少なくとも一つは図3を参照して説明した燃料電池用電極300で構成される。
前記電解質430は、酸性またはアルカリ性電解質であり得、前記燃料電池400に使用される燃料は、水素、メタノール又はエタノールであり得る。
例えば、下記式1は、酸性電解質及びエタノール燃料を使用した場合の電気化学反応を示したものであり、下記式2は塩基性電解質及び水素燃料を使用した場合の電気化学反応を示したものである。
<式1>
アノード:CHCHOH+3HO→2CO+12H+12e=0.085V
カソード:3O+12H+12e→6HO E=1.23V
全体:CHCHOH+3O→2CO+3HO E=1.145V
<式2>
アノード:H+2OH→2HO+2e=−0.83V
カソード:1/2O+HO+2e→2OH=0.40V
全体:H+1/2O→HO E=1.23V
前記式から分かるように、燃料電池400のアノード410に燃料を注入すると、アノード410では電気化学的反応によって燃料が酸化されて電子が生成され、前記電子は外部回路440を通じてカソード420に伝達されながら電気エネルギーを発生させるようになる。また、前記カソード420では、酸素の還元反応が起こり、この過程でカソード420に伝達された電子が消耗される。よって、アノード410及びカソード420の少なくともいずれかを、好ましくは少なくともアノード410を図3を参照して説明した燃料電池用電極300で構成すると、電極触媒層300に導入された金属酸化物ナノ線324によって電荷輸送性を向上させることができるため、燃料電池の性能向上を期待できる。
以下、本発明の理解を助けるために好ましい実験例(example)を提示する。但し、下記の実験例は本発明の理解を助けるためのものであるだけで、本発明が下記の実験例によって限定されるのではない。
<製造例1>
ATOナノ線(antimony−doped tin oxide nanowire)の製造
0.15gのSnCl・2HOと0.03gのSbCl・2HOを、それぞれ1mlのメタノールに溶かした後、相互混合した。この混合溶液を、PVP(polyvinylpyrrolidone)0.3gを6mlのメタノールに溶かした溶液と混合して電気放射溶液を製造した。製造された電気放射溶液を図2に示した電気放射装置の注射器に入れ、ポンプを利用して0.7ml/hの流速で噴出させた。このとき、約9.5kVの高電圧を加えて、捕集器にアンチモン、スズ及びPVPが混合された状態の金属−高分子混合ナノ線を捕集した。捕集された約300nmの直径を有する金属−高分子混合ナノ線を空気雰囲気で600℃の温度で5時間熱処理(焼成)して、高分子が除去されたATOナノ線を製造した。
ATOナノ線−Pt/C混合触媒インクの製造
製造されたATOナノ線とPt/C(20wt%)を、それぞれ1mlの脱イオン水(DI water)に適切に分散させた。各分散溶液をATOナノ線:Ptの重量比が0.5:1になるように混ぜ、6時間以上ボルテックスミキサー(vortex mixer)で混合し触媒インクを製造した。
次に、触媒インクに、バインダーであるナフィオン(Nafion)溶液をPt:ナフィオンの重量比が9:1になるように混ぜ、再度3時間以上攪拌及び超音波処理(sonication)して混合した。
<比較例1:TOナノ線(tin oxide nanowire)の製造>
0.15gのSnCl・2HOを2mlのメタノールに溶かした後、この溶液を、PVP0.3gを6mlのメタノールに溶かした溶液と混合して電気放射溶液を製造した。製造された電気放射溶液を図2に示した電気放射装置の注射器に入れ、ポンプを利用して0.7ml/hの流速で噴出させた。このとき、約9.5kVの高電圧を加えて、捕集器にスズ及びPVPが混合された状態の金属−高分子混合ナノ線を捕集した。捕集された金属−高分子混合ナノ線を空気雰囲気で600℃の温度で5時間熱処理(焼成)して、高分子が除去されたTOナノ線を製造した。
図5及び図6は、それぞれ前記製造例1及び前記比較例1で製造されたナノ線のSEMイメージである。
図5及び図6を参照すると、ATOナノ線(製造例1)は約100nmの直径を有し、TOナノ線(比較例1)は約50nmの直径を有することが分かる。また、焼成後のナノ線の直径は、焼成前のナノ線(未図示)の直径より小さくなったが、これは焼成の過程によって高分子(PVP)が除去されたことを意味する。
図7及び図8は、ぞれぞれ前記製造例1及び前記比較例1で製造されたナノ線のTEMイメージである。
図7及び図8を参照すると、TOナノ線(比較例1)は多孔性の良くないモルフォロジー(morphology)を有するのに対し、ATOナノ線(製造例1)はアンチモン(antimony,Sb)のドーピングによってより高い密度及びパッキング(packing)された形態の良いモルフォロジーを有することが分かる。このようなモルフォロジーの改善は、電荷輸送性の向上に寄与し得る。
図9は、前記製造例1及び前記比較例1でそれぞれ製造されたナノ線のXRDパターンである。
図9に示したように、ATOナノ線(製造例1)とTOナノ線(比較例1)は、類似するX線回折パターンを表しており、これにより前記製造例1で製造されたATOナノ線は相分離等を起こさず、スズ酸化物にアンチモンが安定した状態でドーピングされていることが分かる。
図10は、前記製造例1及び前記比較例1でそれぞれ製造されたナノ線の電流−電圧曲線である。
図10を参照すると、ATOナノ線(製造例1)の場合の方がTOナノ線(比較例1)の場合より、同じ電圧でより高い電流を示していることが確認でき、これによりアンチモンのドーピングによって伝導度が大きく向上されたことが分かる。
図11及び図12は、ATOナノ線−Pt/C混合触媒インクで製造された電極触媒層のSEMイメージである。
図11及び図12を参照すると、ATOナノ線とPt/Cが非常に均一に混合されていることが確認できる。この場合、ATOナノ線の長さは触媒インクを製造するための分散過程で折れる場合があるため、最初に製造されたATOナノ線の長さより短くなり得る。
<製造例2>
ATOナノ線とPt/Cの各分散溶液を、ATOナノ線:Ptの重量比が1:1になるように混合したことを除いては、前記製造例1と同様な方法で触媒インクを製造した。
<製造例3>
ATOナノ線とPt/Cの各分散溶液を、ATOナノ線:Ptの重量比が2:1になるように混合したことを除いては、前記製造例1と同様の方法で触媒インクを製造した。
<製造例4>
ATOナノ線とPt/Cの各分散溶液を、ATOナノ線:Ptの重量比が4:1になるように混合したことを除いては、前記製造例1と同様の方法で触媒インクを製造した。
<比較例2:単一Pt/C触媒インクの製造>
Pt/C(20wt%)を2mlの脱イオン水に適切に分散させてPt/C触媒インクを製造した。
次に、触媒インクに、バインダーであるナフィオン(Nafion)溶液を、Pt:ナフィオンの重量比が9:1になるように混ぜ、攪拌及び超音波処理して混合した。
<比較例3:単一ATOナノ線触媒インクの製造>
前記製造例1で製造されたATOナノ線を2mlの脱イオン水に適切に分散させてATOナノ線触媒インクを製造した。
次に、触媒インクに、バインダーであるナフィオン(Nafion)溶液を、ATOナノ線:ナフィオンの重量比が9:1になるように混ぜ、攪拌及び超音波処理して混合した。
<分析例1:インピーダンスの分析_電極触媒の電荷輸送能力評価>
インピーダンスの分析は、3電極セルを利用し、製造例1〜製造例4及び比較例2で製造された触媒インクのいずれかを作業電極上に塗布した後、乾燥して分析した。前記乾燥は、70℃で1時間行った。
電解質は、脱イオン水に水酸化カリウム(アルカリ雰囲気)又は硫酸(酸性雰囲気)とエタノール、或いはメタノールを混合して使用し、−0.3V vs.SCE(アルカリ雰囲気)又は0.4V vs.Ag/AgCl(酸性雰囲気)の一定電位で測定した。
[本分析例及び下記の分析例において、3電極セルは、基準電極(reference electrode)として飽和カロメル電極(saturated calomel electrode,SCE)又は銀/塩化銀電極(Ag/AgCl)を使用し、相対電極(counter electrode)として白金線を使用し、作業電極(working electrode)として0.07cmの面積を有するガラス質炭素を使用した。作業電極には、25μg/cmの白金(Pt)が全て同一に含有されるようにして白金触媒による影響を最小化した。]
図13及び図14は、アルカリ雰囲気でATOナノ線−Pt/C混合触媒のエタノール(図13)及びメタノール(図14)酸化によるインピーダンスグラフ(一定電位=−0.3V vs.SCE)を示したものである。
図15及び図16は、酸性雰囲気でATOナノ線−Pt/C混合触媒のエタノール(図15)及びメタノール(図16)酸化によるインピーダンスグラフ(一定電位=0.4V vs.Ag/AgCl)を示したものである。
図13及び図14と図15及び図16を参照すると、製造例1〜製造例4の場合の方が、比較例2の場合よりも電荷輸送抵抗性を意味する半円の直径が小さく表れていることから、ATOナノ線−Pt/C混合触媒が単一Pt/C触媒に比べて優れた電荷輸送性を有することが分かる。また、製造例1から製造例4の順に半円の直径が段々小さくなっていることから、ATOナノ線の含量が増加するほど電荷輸送性が向上することが分かる。
<分析例2:循環電圧電流法の分析_電極触媒の活性評価>
循環電圧電流法の分析は、3電極セルを利用し、製造例1〜製造例4、比較例2及び比較例3で製造された触媒インクのいずれかを作業電極上に塗布した後、乾燥して分析した。前記乾燥は、70℃で1時間行った。
電解質は、脱イオン水に水酸化カリウム(アルカリ雰囲気)と、エタノール又はメタノールを混合して使用し、−0.8〜0.2V vs.SCE電位範囲で50mV/sの一定の走査速度で行った。
図17及び図18は、アルカリ雰囲気でATOナノ線−Pt/C混合触媒のエタノール(図17)及びメタノール(図18)酸化による循環電圧電流グラフを示したものである。
図17及び図18を参照すると、ATOナノ線−Pt/C混合触媒(製造例1〜製造例4)が単一Pt/C触媒(比較例2)に比べてエタノール酸化で約80%高い最大電流密度を、メタノール酸化で約50%高い最大電流密度を表すことから、優れたアルコール酸化活性を有することが分かる。一方、単一ATOナノ線だけを使用した場合(比較例3)は何ら活性も観察されなかったことから、ATOナノ線−Pt/C混合触媒の活性増加はATOナノ線の高い電荷輸送性に起因したものであることが分かる。また、製造例1から製造例4の順に電流密度が高くなり、これはATOナノ線の含量が増加するほど向上した電荷輸送能力によって電極触媒の活性もやはり増加することを意味する。
また、電解質にアルコール(エタノール又はメタノール)を入れず、前記と同様の方法で循環電圧電流を測定した。
図19は、アルカリ雰囲気でATOナノ線−Pt/C混合触媒の水素吸脱着能力を測定するための循環電圧電流グラフを示したものである。
下記表1は、図11の循環電圧電流グラフから計算された電荷量を示したものである。
Figure 0005624207
図19及び前記表1を参照すると、ATOナノ線−Pt/C混合触媒(製造例1〜製造例4)が単一Pt/C触媒(比較例2)より高い電荷量を見せ、高伝導性のATOナノ線含量が多くなるほど電荷量が大体増加していることが分かる。
<分析例3:定電位の分析_電極触媒の安定性評価>
定電位の分析は、3電極セルを利用し、製造例3、製造例4及び比較例2で製造された触媒インクのいずれかを作業電極上に塗布した後、乾燥して分析した。前記乾燥は、70℃で1時間行った。
電解質は、脱イオン水に水酸化カリウム(アルカリ雰囲気)と、エタノール又はメタノールを混合して使用し、−0.3V vs.SCEの一定電位で3600秒間行った。
図20及び図21は、アルカリ雰囲気でATOナノ線−Pt/C混合触媒のエタノール(図20)及びメタノール(図21)酸化による定電位グラフを示したものである。
図20及び図21を参照すると、ATOナノ線−Pt/C混合触媒(製造例3及び製造例4)の方が単一Pt/C触媒(比較例2)よりも時間の経過による高い水準の電流密度を見せ、これによりATOナノ線の導入で電極触媒の安定性が増加し得ることが分かる。
以上、本発明を好ましい実施例を挙げて詳しく説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の技術的思想及び範囲内で当分野において通常の知識を有する者によって様々な変形及び変更ができる。
200:電気放射装置、210:注射器、220:シリンジポンプ、230:高電圧発生器、240:捕集器、300:燃料電池電極、310:電極基材、320:触媒層、322:活性金属ナノ粒子層、324:金属酸化物ナノ線、400:燃料電池、410:アノード、420:カソード、430:電解質、440:外部回路

Claims (15)

  1. 第1の金属前駆体と第2の金属前駆体が含有された高分子溶液の準備;
    前記高分子溶液を電気放射して金属−高分子混合ナノ線の形成;
    前記金属−高分子混合ナノ線を熱処理して金属酸化物ナノ線の形成;及び
    前記金属酸化物ナノ線と活性金属ナノ粒子の混合を含み、前記の第2の金属前駆体の金属は、前記金属酸化物ナノ線のドーパントとして使用される
    燃料電池の電極に用いられる混合触媒の製造方法。
  2. 前記の第1の金属前駆体は、Sn、Ti、Zn、Ni、Co、Mn、Nb、Mo、V、Cr、Fe、Ru、In、Al、Sb、Ta及びEuから選ばれる少なくとも一つの金属を含む請求項1に記載の混合触媒の製造方法。
  3. 前記の第2の金属前駆体は、Pt、Pd、Au、Ag、Rh、Os、Ir、Sn、Ti、Zn、Ni、Co、Mn、Nb、Mo、V、Cr、Fe、Ru、In、Al、Sb、Ta及びEuから選ばれる少なくとも一つの金属を含む請求項1に記載の混合触媒の製造方法。
  4. 前記活性金属ナノ粒子は、Pt、Au、Ag、Fe、Co、Ni、Ru、Os、Rh、Pd、Ir、W、Sn、Pd、Bi及びこれらの合金から選ばれるいずれかの成分を含む請求項1に記載の混合触媒の製造方法。
  5. 前記活性金属ナノ粒子は、活性金属がナノ大の多孔性炭素粒子に担持されたものである請求項1に記載の混合触媒の製造方法。
  6. 前記高分子溶液の高分子は、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール、ポリビニルアセテート、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート及びこれらの混合物から選ばれるいずれかである請求項1に記載の混合触媒の製造方法。
  7. 前記の第1の金属前駆体はスズ(Sn)塩で、前記の第2の金属前駆体はアンチモン(Sb)塩である請求項1に記載の混合触媒の製造方法。
  8. 電極基材;及び
    前記電極基材上に位置する触媒層を含み、
    前記触媒層は活性金属ナノ粒子層と前記活性金属ナノ粒子層に挿入された金属酸化物ナノ線を含み、
    前記金属酸化物ナノ線は異種金属によってドーピングされたものである燃料電池用電極。
  9. 前記電極基材は、炭素紙、炭素布及び炭素フェルトから選ばれるいずれかである請求項8に記載の燃料電池用電極。
  10. 前記金属酸化物ナノ線は、Sn、Ti、Zn、Ni、Co、Mn、Nb、Mo、V、Cr、Fe、Ru、In、Al、Sb、Ta及びEuから選ばれる少なくとも一つの金属を含む請求項8に記載の燃料電池用電極。
  11. 前記異種金属は、Pt、Pd、Au、Ag、Rh、Os、Ir、Sn、Ti、Zn、Ni、Co、Mn、Nb、Mo、V、Cr、Fe、Ru、In、Al、Sb、Ta及びEuから選ばれる少なくとも一つの金属である請求項8に記載の燃料電池用電極。
  12. 前記活性金属ナノ粒子層の活性金属ナノ粒子は、Pt、Au、Ag、Fe、Co、Ni、Ru、Os、Rh、Pd、Ir、W、Sn、Pd、Bi及びこれらの合金から選ばれるいずれかの成分を含む請求項8に記載の燃料電池用電極。
  13. 前記活性金属ナノ粒子層の活性金属ナノ粒子は、活性金属がナノ大の多孔性炭素粒子に担持されたものである請求項8に記載の燃料電池用電極。
  14. 前記金属酸化物ナノ線はスズ酸化物ナノ線で、
    前記異種金属はアンチモンである請求項8に記載の燃料電池用電極。
  15. 対向配置されるアノードとカソード;及び
    前記アノードと前記カソード間に介在する電解質を含み、前記アノード及び前記カソードの少なくとも一つは請求項8〜14のいずれかに記載の電極である燃料電池。
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