KR100774590B1 - Supported catalyst for fuel cell and method of producing the same - Google Patents

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KR100774590B1 KR1020060041608A KR20060041608A KR100774590B1 KR 100774590 B1 KR100774590 B1 KR 100774590B1 KR 1020060041608 A KR1020060041608 A KR 1020060041608A KR 20060041608 A KR20060041608 A KR 20060041608A KR 100774590 B1 KR100774590 B1 KR 100774590B1
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이정규
이은숙
심원
한선경
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이재승
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Abstract

A supported catalyst for a fuel cell, a method for preparing the supported catalyst, a membrane electrode assembly containing the supported catalyst, and a fuel cell containing the supported catalyst are provided to increase the active surface area with increasing the content of a metal catalyst component. A supported catalyst comprises a carbon-based support; and a transition metal nanoparticle supported on the carbon-based support, wherein the transition metal nanoparticle has an average diameter of 1-5 nm, the weight of the transition metal nanoparticle to the total weight of the carbon-based support and the transition metal nanoparticle is 60 wt% or more, and the supported catalyst has a specific surface area of 10-1,000 m^2/g. Preferably the carbon-based support is carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, activated carbon, acetylene black, graphite or their mixture.

Description

연료전지용 담지 촉매 및 그의 제조 방법{Supported catalyst for fuel cell and method of producing the same}Supported catalyst for fuel cell and method of producing the same

도 1은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조한 담지 촉매에 대하여 수행한 X-선 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) analysis performed on the supported catalyst prepared according to Examples 1 to 3 of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 4에 따라 제조한 담지 촉매를 찍은 투과전자현미경(TEM) 사진이다.2 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a supported catalyst prepared according to Example 4 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 4에 따라 제조한 담지 촉매에 대하여 수행한 X-선 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) analysis performed on the supported catalyst prepared according to Example 4 of the present invention.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예 5에 따라 제조한 담지 촉매를 찍은 투과전자현미경(TEM) 사진이다.4A and 4B are transmission electron microscope (TEM) photographs of a supported catalyst prepared according to Example 5 of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예 5에 따라 제조한 담지 촉매에 대하여 수행한 X-선 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) analysis performed on the supported catalyst prepared according to Example 5 of the present invention.

도 6은 본 발명의 비교예 1 내지 비교예 3에 따라 제조한 담지 촉매에 대하여 수행한 X-선 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) analysis performed on the supported catalyst prepared according to Comparative Examples 1 to 3 of the present invention.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예 1, 실시예 6 및 실시예 7에 따라 제조한 담지 촉매 또는 전이금속 블랙 촉매를 찍은 TEM 사진이다.7A to 7C are TEM photographs of a supported catalyst or a transition metal black catalyst prepared according to Examples 1, 6, and 7 of the present invention.

도 8은 본 발명의 실시예 1, 실시예 6 및 실시예 7에 따라 제조한 담지 촉매 또는 전이금속 블랙 촉매에 대하여 수행한 X-선 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) analysis performed on the supported catalyst or the transition metal black catalyst prepared according to Examples 1, 6 and 7 of the present invention.

본 발명은 연료전지용 담지 촉매 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 금속 촉매 성분의 함량이 높으면서도, 높은 활성 표면적을 가질 수 있도록 입자 크기가 작고 탄소나노튜브에도 용이하게 담지될 수 있는 담지 촉매 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a supported catalyst for a fuel cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a supported catalyst that is small in particle size and easily supported on carbon nanotubes so as to have a high active surface area while having a high content of a metal catalyst component. A catalyst and a method for producing the same.

연료전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.

연료전지에서 수소 또는 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하여, 애노드 전극과 캐소드 전극의 전기화학반응에 의하여 전기를 생성한다. 애노드에서 수소 또는 유기 원료의 산화 반응이 일어나고, 캐소드에서 산소의 환원 반응이 일어나 두 전극 간의 전압차를 발생시키게 된다.In the fuel cell, hydrogen or fuel is supplied to the anode electrode, oxygen is supplied to the cathode electrode, and electricity is generated by an electrochemical reaction between the anode electrode and the cathode electrode. Oxidation reaction of hydrogen or organic raw materials occurs at the anode, and reduction reaction of oxygen occurs at the cathode to generate a voltage difference between the two electrodes.

연료전지는 통상 애노드에서 발생한 양성자를 전달해 주는 전해질막을 중심으로 애노드 전극과 캐소드 전극이 전해질막의 양면에 밀착된 형태를 갖는다. 각 전극은 촉매층과 확산층을 포함하는데, 촉매층은 그 전극에서 수행되는 화학반응을 촉진하는 역할을 하고, 확산층은 상기 화학 반응의 반응물 및 생성물의 확산과 물 질전달을 촉진한다.A fuel cell generally has a form in which an anode electrode and a cathode electrode are in close contact with both surfaces of an electrolyte membrane with respect to an electrolyte membrane that delivers protons generated from the anode. Each electrode includes a catalyst layer and a diffusion layer, the catalyst layer serving to promote the chemical reaction carried out at the electrode, the diffusion layer promotes the diffusion and material transfer of the reactants and products of the chemical reaction.

상기 촉매층은 일반적으로 촉매작용을 하는 금속 입자, 이 금속 입자를 지지하는 담체 및 알갱이 형태의 담체를 서로 연결하여 형태를 유지시켜주는 바인더를 포함한다. 연료전지의 반응 속도를 높이기 위해 상기 금속 입자의 크기를 작게 함으로써 표면적을 극대화하는 것이 바람직하다. 최근에는 이와 같이 금속 입자의 크기를 감소시키는 노력과 함께 많은 양의 금속 촉매를 담체에 담지시키는 방법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.The catalyst layer generally includes a metal particle for catalyzing, a carrier for supporting the metal particle, and a binder for connecting the carrier in the form of particles to maintain the shape. In order to increase the reaction speed of the fuel cell, it is preferable to maximize the surface area by reducing the size of the metal particles. In recent years, with the efforts to reduce the size of the metal particles, studies on a method of supporting a large amount of the metal catalyst on the carrier are actively underway.

고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)의 경우 과거에 20 중량% Pt/C 촉매 혹은 20 중량% Pt-Ru/C 촉매를 많이 사용해 왔으며, 현재는 40 중량%의 촉매를 이용하여 연구를 진행하고 있다(여기서 중량%는 담지촉매 전체의 무게에 대한 금속 성분의 무게의 중량 백분율임). 반면, 직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 PEMFC보다 활성이 떨어지기 때문에 많은 양의 촉매가 요구된다. 그렇기 때문에, 많은 양의 금속 입자가 필요하게 되고, 담체의 부피가 촉매층 부피의 대부분을 차지하기 때문에 많은 양의 금속 입자를 수용하기 위한 촉매층의 부피가 비례적으로 급격하게 증가하는 문제점이 있었다.In the case of the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), 20 wt% Pt / C catalyst or 20 wt% Pt-Ru / C catalyst has been used in the past, and now, 40 wt% catalyst is used for the research. Where weight percent is the weight percentage of the weight of the metal component to the weight of the total supported catalyst). On the other hand, direct methanol fuel cells (DMFCs) are less active than PEMFCs and therefore require a large amount of catalyst. Therefore, a large amount of metal particles is required, and since the volume of the carrier occupies most of the volume of the catalyst layer, there is a problem in that the volume of the catalyst layer for accommodating a large amount of metal particles increases rapidly in proportion.

이와 같이 전극층의 두께가 두꺼워지면 응용에 있어서 소형화가 어려워져 불리하고, 경우에 따라서는 전극의 손상으로 이어지기도 하기 때문에 적은 담체에도 많은 양의 금속 입자를 담지시키는 고담지 촉매에 대한 요구가 높다. 여기서, 고담지 촉매란 촉매에 포함된 담체의 양을 줄이고, 금속 입자의 양을 늘인 촉매를 의미한다. 최근에는 60 중량% 또는 80 중량% Pt/C의 상용 제품이 나와 있지만, 이 이상 의 고담지 촉매를 제조할 수 있는 기술에 관하여는 거의 알려져 있지 않다. 다만, 담체를 사용하지 않은 촉매에 대한 판매 및/또는 연구가 진행되고 있지만 담체가 없는 경우 금속 입자들이 쉽게 뭉쳐져 그 크기가 증가하기 때문에 활성 표면적이 감소하고 전체적으로는 성능이 그리 높지 않은 단점이 있었다.As such, when the thickness of the electrode layer is thick, it is difficult to miniaturize the application, and in some cases, it may lead to damage of the electrode. Therefore, there is a high demand for a high supported catalyst for supporting a large amount of metal particles on a small carrier. Here, the high supported catalyst means a catalyst in which the amount of the carrier contained in the catalyst is reduced and the amount of the metal particles is increased. Recently, commercial products of 60 wt% or 80 wt% Pt / C have been published, but little is known about the techniques for the production of higher supported catalysts. However, the sale and / or research for the catalyst without a carrier is in progress, but in the absence of the carrier, since the metal particles easily aggregate and increase in size, the active surface area is reduced and overall performance is not so high.

그러나, 이러한 상용의 고담지 촉매의 입경도 7 nm를 넘는 등 고표면적을 달성하지 못하고 있는데 이는 주로 촉매제조에 수반되는 열처리 과정에 기인하는 것으로 추정된다. 또한, 종래의 기술에 따를 경우 탄소계 담체의 종류에 따라 전이금속 입자의 담지성이 달라서 최근 각광받고 있는 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버와 같은 우수한 물성의 탄소계 담체를 사용하는 데 있어서 제약을 받는 단점이 있었다.However, the high surface area, such as the particle size of such a commercially available high supported catalyst, has not been achieved, which is presumably due to the heat treatment process accompanying the catalyst production. In addition, according to the prior art, the supporting properties of the transition metal particles vary depending on the type of the carbon-based carrier, and thus are restricted from using a carbon-based carrier having excellent physical properties such as carbon nanotubes or carbon nanofibers, which have recently been spotlighted. There was a downside.

본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는, 탄소나노튜브와 같은 탄소계 담체에도 용이하게 담지되고 고담지되면서도 입자 크기가 작게 유지되어 높은 활성 표면적을 가질 수 있는 연료전지용 담지 촉매를 제공하는 것이다.The first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a supported catalyst for a fuel cell that can be easily supported and supported on a carbon-based carrier such as carbon nanotubes, while maintaining a small active particle size and having a high active surface area.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는, 탄소나노튜브와 같은 탄소계 담체에 용이하게 담지되고 고담지되면서도 입자 크기를 작게 유지할 수 있는 연료전지용 담지 촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다.The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for preparing a supported catalyst for a fuel cell that can be easily supported and supported on a carbon-based carrier such as carbon nanotubes while maintaining a small particle size.

본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 담체 없이 제조되면서 입자 크기를 작게 유지할 수 있는 전이금속 블랙촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다.The third technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for producing a transition metal black catalyst that can be kept without a particle size while being prepared without a carrier.

본 발명이 이루고자 하는 네 번째 기술적 과제는 본 발명의 연료전지용 담지 촉매를 포함하는 막전극 접합체를 제공하는 것이다.The fourth technical problem to be achieved by the present invention is to provide a membrane electrode assembly including the supported catalyst for a fuel cell of the present invention.

본 발명이 이루고자 하는 다섯 번째 기술적 과제는 본 발명의 연료전지용 담지 촉매를 포함하는 연료 전지를 제공하는 것이다.The fifth technical problem to be achieved by the present invention is to provide a fuel cell comprising the supported catalyst for a fuel cell of the present invention.

본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위해, 탄소계 담체와 상기 탄소계 담체에 담지된 전이금속 나노입자를 포함하고, 상기 전이금속 나노입자의 평균입경이 1 내지 5 nm이고, 상기 탄소계 담체와 전이금속 나노입자의 전체 무게에 대한 전이금속 나노입자의 무게가 60 중량% 이상인 담지 촉매를 제공한다.The present invention comprises a carbon-based carrier and the transition metal nanoparticles supported on the carbon-based support, to achieve the first technical problem, the average particle diameter of the transition metal nanoparticles is 1 to 5 nm, the carbon-based support And a supported catalyst having a weight of 60 wt% or more of the transition metal nanoparticles relative to the total weight of the transition metal nanoparticles.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위해, 전이금속 전구체, 탄소계 담체, 계면활성제 및 환원제를 용매 내에 분산시켜 균일한 분산액을 제조하는 단계; 상기 분산액을 반응시키는 단계; 환원성 분위기에서 상기 반응 결과물을 제 1 열처리하는 단계; 산화성 분위기에서 상기 제 1 열처리 결과물을 제 2 열처리하는 단계; 및 환원성 분위기에서 상기 제 2 열처리 결과물을 제 3 열처리하는 단계를 포함하는 담지 촉매의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a uniform dispersion by dispersing a transition metal precursor, a carbon-based carrier, a surfactant and a reducing agent in a solvent to achieve the second technical problem; Reacting the dispersion; First heat treating the reaction product in a reducing atmosphere; Performing a second heat treatment of the first heat treatment product in an oxidizing atmosphere; And a third heat treatment of the second heat treatment product in a reducing atmosphere.

본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 이루기 위해, 전이금속 전구체, 계면활성제 및 환원제를 용매 내에 분산시켜 균일한 분산액을 제조하는 단계; 상기 분산액을 반응시키는 단계; 환원성 분위기에서 상기 반응 결과물을 제 1 열처리하는 단계; 산화성 분위기에서 상기 제 1 열처리 결과물을 제 2 열처리하는 단계; 및 환원성 분위기에서 상기 제 2 열처리 결과물을 제 3 열처리하는 단계를 포함하는 전이금속 블랙촉매의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a uniform dispersion by dispersing a transition metal precursor, a surfactant and a reducing agent in a solvent to achieve the third technical problem; Reacting the dispersion; First heat treating the reaction product in a reducing atmosphere; Performing a second heat treatment of the first heat treatment product in an oxidizing atmosphere; And a third heat treatment of the second heat treatment result in a reducing atmosphere.

본 발명은 상기 네 번째 기술적 과제를 이루기 위해, 촉매층과 확산층을 포함하는 캐소드; 촉매층과 확산층을 포함하는 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체로서, 상기 캐소드의 촉매층 및 상기 애노드의 촉매층 중의 적어도 하나가 상기 본 발명에 따른 담지 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체를 제공한다.The present invention, the cathode comprising a catalyst layer and a diffusion layer to achieve the fourth technical problem; An anode comprising a catalyst layer and a diffusion layer; And an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode, wherein at least one of the catalyst layer of the cathode and the catalyst layer of the anode comprises a supported catalyst according to the present invention. to provide.

본 발명은 상기 다섯 번째 기술적 과제를 이루기 위해, 촉매층과 확산층을 포함하는 캐소드; 촉매층과 확산층을 포함하는 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료전지로서, 상기 캐소드의 촉매층 및 상기 애노드의 촉매층 중의 적어도 하나가 상기 본 발명에 따른 담지 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.The present invention to achieve the fifth technical problem, the cathode comprising a catalyst layer and a diffusion layer; An anode comprising a catalyst layer and a diffusion layer; And an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode, wherein at least one of the catalyst layer of the cathode and the catalyst layer of the anode comprises a supported catalyst according to the present invention. .

이하에서는 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 제 1 태양은 탄소계 담체와 상기 탄소체 담체에 담지된 전이금속 나노입자를 포함하고, 상기 전이금속 나노입자의 평균입경이 1 내지 5 nm이고, 상기 탄소계 담체와 전이금속 나노입자의 전체 무게에 대한 전이금속 나노입자의 무게가 60 중량% 이상인 담지 촉매를 제공한다. 상기 탄소계 담체와 전이금속 나노입자의 전체 무게에 대한 전이금속 나노입자의 무게는 75 중량% 이상인 것이 더욱 바람직하다.A first aspect of the present invention includes a carbon-based carrier and transition metal nanoparticles supported on the carbon-based carrier, wherein the transition metal nanoparticles have an average particle diameter of 1 to 5 nm, and the carbon-based carrier and transition metal nanoparticles. It provides a supported catalyst that the weight of the transition metal nanoparticles relative to the total weight of 60% by weight or more. The weight of the transition metal nanoparticles relative to the total weight of the carbonaceous carrier and the transition metal nanoparticles is more preferably 75% by weight or more.

상기 탄소계 담체는 고표면적을 갖는 다공성 기재(substrate)로서 내부에 수많은 기공을 가지고 있기 때문에 자신의 중량보다도 더 많은 무게의 금속 촉매를 담지하는 것이 가능하다. 다만, 탄소계 담체의 무게에 대한 전이금속 나노입자의 무게의 비가 극단적으로 큰 값을 가질 수도 있지만(예를 들면, 100 이상), 일반적으로는 탄소계 담체와 전이금속 나노입자의 전체 무게에 대한 전이금속 나노입자의 무게는 99 중량% 이내이고 더욱 일반적으로는 95 중량% 이내이다. 비록 전이금속 나노입자의 무게 분율이 이보다 높더라도 고활성을 유지하기 위한 표면적이 확보되는 한 큰 문제는 없다.The carbon-based carrier is a porous substrate having a high surface area and has a large number of pores therein, so that it is possible to carry a metal catalyst having a weight greater than its own weight. However, although the ratio of the weight of the transition metal nanoparticles to the weight of the carbon-based carrier may have an extremely large value (for example, 100 or more), it is generally referred to the total weight of the carbon-based carrier and the transition metal nanoparticles. The weight of the transition metal nanoparticles is within 99% by weight and more generally within 95% by weight. Although the weight fraction of the transition metal nanoparticles is higher than this, there is no big problem as long as the surface area for maintaining high activity is secured.

상기 탄소계 담체로는, 예를 들면, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 탄소나노파이버, 탄소나노혼, 탄소나노링, 활성탄소, 아세틸렌 블랙, 흑연 또는 이들의 혼합물일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.The carbonaceous carrier may be, for example, carbon nanotubes, carbon nanowires, carbon nanofibers, carbon nanohorns, carbon nanorings, activated carbon, acetylene black, graphite, or mixtures thereof, but is not limited thereto. no.

상기 전이 금속은, 예를 들면, 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금이지만 여기에 한정되지 않는다. 이들 전이금속의 합금은 2 종류 또는 그 이상의 금속의 합금일 수 있다.The transition metal is, for example, platinum (Pt), ruthenium (Ru), osmium (Os), cobalt (Co), palladium (Pd), gallium (Ga), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), aluminum (Al) or alloys thereof, but is not limited thereto. The alloy of these transition metals may be an alloy of two or more metals.

연료전지의 전극에 흔히 사용되는 전이금속 성분의 금속 촉매로는 백금이 대표적이고, 이 외에 일산화탄소 내피독성을 향상시키기 위해 루테늄을 합금시키는 것이 일반적이다.Platinum is a representative metal catalyst of a transition metal component commonly used in electrodes of fuel cells, and ruthenium is generally alloyed to improve carbon monoxide endothelial toxicity.

이들 전이 금속은 나노입자의 형태로 상기 탄소계 담체 표면에 존재한다. 상기 전이금속 나노입자의 평균 입경은 1 nm 내지 5 nm인 것이 바람직하다. 상기 입경이 1 nm보다 작으면 크기가 너무 작아 촉매로서의 활성을 상실하게 되고, 상기 입경이 5 nm보다 크면 촉매의 활성 표면적이 감소하여 질량 활성(mass activity: 금속 촉매 단위 질량당 활성)이 급속히 감소하게 되어 바람직하지 않다. 상기 전이금속 나노입자의 평균 입경은 2 nm 내지 4 nm인 것이 더욱 바람직하다.These transition metals are present on the surface of the carbonaceous carrier in the form of nanoparticles. The average particle diameter of the transition metal nanoparticles is preferably 1 nm to 5 nm. If the particle diameter is smaller than 1 nm, the size is too small to lose activity as a catalyst. If the particle diameter is larger than 5 nm, the active surface area of the catalyst decreases, thereby rapidly decreasing the mass activity. It is not desirable to do so. The average particle diameter of the transition metal nanoparticles is more preferably 2 nm to 4 nm.

상기 담지 촉매의 비표면적은 10 m2/g 내지 1000 m2/g일 수 있다. 상기 담지 촉매의 비표면적이 10 m2/g에 미달하면 활성 표면적이 너무 좁아 담지 촉매의 활성이 미흡할 수 있고, 상기 담지 촉매의 비표면적이 1000 m2/g보다 큰 것은 제조가 어렵고 입자가 너무 작아질 수 있어 활성을 잃을 수 있다.The specific surface area of the supported catalyst may be 10 m 2 / g to 1000 m 2 / g. If the specific surface area of the supported catalyst is less than 10 m 2 / g, the active surface area is too narrow, the activity of the supported catalyst may be insufficient, the specific surface area of the supported catalyst is more than 1000 m 2 / g is difficult to manufacture It can become too small and lose activity.

본 발명의 제 2 태양은 전이금속 전구체, 탄소계 담체, 계면활성제 및 환원제를 용매 내에 분산시켜 균일한 분산액을 제조하는 단계; 상기 분산액을 반응시키는 단계; 수소 분위기에서 상기 반응 결과물을 제 1 열처리하는 단계; 산소 분위기에서 상기 제 1 열처리 결과물을 제 2 열처리하는 단계; 및 수소 분위기에서 상기 제 2 열처리 결과물을 제 3 열처리하는 단계를 포함하는 담지 촉매의 제조 방법을 제공한다.A second aspect of the present invention comprises the steps of dispersing the transition metal precursor, the carbon-based carrier, the surfactant and the reducing agent in a solvent to prepare a uniform dispersion; Reacting the dispersion; First heat treating the reaction product in a hydrogen atmosphere; Performing a second heat treatment of the first heat treatment product in an oxygen atmosphere; And a third heat treatment of the second heat treatment product in a hydrogen atmosphere.

상기 분산액은 상기 전이금속 전구체의 전이금속 100 중량부에 대하여 탄소계 담체 1 중량부 내지 70 중량부, 계면활성제 100 중량부 내지 400 중량부, 환원제 100 중량부 내지 400 중량부, 및 용매 100 중량부 내지 5000 중량부를 균일하게 혼합하여 제조될 수 있다. 상기 탄소계 담체의 함량은 담지 촉매의 원하는 담지도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 상기 계면활성제의 함량이 100 중량부에 미달하면 전이금속 나노입자의 분산이 미흡하게 이루어질 우려가 있고, 상기 계면활성제의 함량이 400 중량부를 초과하면 계면활성제 첨가에 따른 효과가 포화되어 비경제적 이다. 또, 상기 환원제의 함량이 100 중량부에 미달하면 전이금속 나노입자가 충분히 환원되지 않을 수 있어서 전이금속 전구체의 손실 우려가 있고, 상기 환원제의 함량이 400 중량부를 초과하면 환원제 첨가에 따른 효과가 포화되어 비경제적이다. 상기 용매의 양은 상기 반응물의 양에 따라 적절히 선택할 수 있다.The dispersion is 1 part by weight to 70 parts by weight of a carbon-based carrier, 100 parts by weight to 400 parts by weight, 100 parts by weight to 400 parts by weight of reducing agent, and 100 parts by weight of a solvent based on 100 parts by weight of the transition metal precursor of the transition metal precursor. To 5000 parts by weight may be prepared by mixing uniformly. The content of the carbonaceous carrier may be appropriately selected depending on the desired loading of the supported catalyst. When the content of the surfactant is less than 100 parts by weight, there is a fear that the dispersion of the transition metal nanoparticles is insufficient, and when the content of the surfactant exceeds 400 parts by weight, the effect of adding the surfactant is saturated, which is uneconomical. In addition, if the content of the reducing agent is less than 100 parts by weight, the transition metal nanoparticles may not be sufficiently reduced, there is a risk of loss of the transition metal precursor, and if the content of the reducing agent exceeds 400 parts by weight, the effect of the addition of the reducing agent is saturated. It is uneconomical. The amount of the solvent may be appropriately selected depending on the amount of the reactants.

이들 반응 혼합물은 한 번에 혼합하여 균일한 분산액으로 제조될 수도 있고, 선택적으로는 먼저 전이금속 전구체 및 탄소계 담체를 용매에 충분히 분산시킨 후 환원제 및 계면활성제를 첨가하여 분산액으로 제조할 수도 있다.These reaction mixtures may be mixed at a time to produce a uniform dispersion, or alternatively, the transition metal precursor and the carbonaceous carrier may be first dispersed sufficiently in a solvent, followed by addition of a reducing agent and a surfactant to prepare the dispersion.

상기 전이금속 전구체는 전이금속의 염으로서, 상기 전이금속은, 예를 들면, 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 또는 알루미늄(Al)이지만 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 전이금속 전구체는 이러한 전이금속의 초산염, 질산염, 황산염, 염화물, 질화물, 산화물, 황화물, 수화물, 탄화물(carbide) 등일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.The transition metal precursor is a salt of a transition metal, and the transition metal is, for example, platinum (Pt), ruthenium (Ru), osmium (Os), cobalt (Co), palladium (Pd), gallium (Ga), Titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), or aluminum (Al), but are not limited thereto It is not. The transition metal precursor may be, but is not limited to, acetates, nitrates, sulfates, chlorides, nitrides, oxides, sulfides, hydrates, carbides, and the like of such transition metals.

상기 탄소계 담체는 앞서 설명한 탄소계 담체일 수 있다.The carbonaceous carrier may be the carbonaceous carrier described above.

상기 계면활성제로는 소르비탄 모노올레이트(sorbitan monooleate), POE 소르비탄 모노올레이트, N,N'-디메틸포름아미드 디시클로헥실 아세탈, 폴리옥시에틸렌알킬아민, 글리세롤, 지방산 에스테르 등의 비이온 계면활성제; 아민염, 제4급 암모늄염 등의 양이온 계면활성제; 디알킬 설포숙시네이트(di-alkyl sulfosuccinate), 알킬-알파설포카보네이트, 페트롤륨 설포네이트(petroleum sulfonate), 알킬나프탈렌술폰산염, 인산에스테르염, 알킬포스페이트 등의 음이온 계면활성제; N-라우릴-베타아세트산(N-lauryl-β-acetic acid), N-라우릴-베타아미노프로피온산(N-lauryl-β-aminopropionic acid), N-라우릴-베타아미노부티르산(N-lauryl-β-aminobutyric acid), 아미노카르복실산, 베타인염 등의 양쪽성 계면활성제 등이 이용될 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.As the surfactant, nonionic interfaces such as sorbitan monooleate, POE sorbitan monooleate, N, N'-dimethylformamide dicyclohexyl acetal, polyoxyethylene alkylamine, glycerol, fatty acid ester, and the like Active agent; Cationic surfactants such as amine salts and quaternary ammonium salts; Anionic surfactants such as di-alkyl sulfosuccinate, alkyl-alphasulfocarbonate, petroleum sulfonate, alkylnaphthalenesulfonate salts, phosphate ester salts and alkyl phosphates; N-lauryl-beta-acetic acid, N-lauryl-beta-aminopropionic acid, N-lauryl-betaaminobutyric acid (N-lauryl-beta-acetic acid) Amphoteric surfactants, such as (beta) -aminobutyric acid), an aminocarboxylic acid, and a betaine salt, etc. can be used, but it is not limited to this.

상기 전이금속 전구체에 대한 환원제로는 소디움 보로하이드라이드(NaBH4) 등을 이용할 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.As the reducing agent for the transition metal precursor, sodium borohydride (NaBH 4 ) may be used, but the present invention is not limited thereto.

특히, 계면활성제로서의 역할과 함께 환원제로서도 기능할 수 있는 테트라옥틸암모늄 하이드로트리에틸보레이트(tetraoctylammonium hydrotriethylborate)인 것이 바람직하다.In particular, it is preferable that it is tetraoctylammonium hydrotriethylborate which can also function as a reducing agent as well as a surfactant.

상기 용매는 반응 혼합물을 균일하게 분산시킬 수 있는 단일 성분 또는 다성분계 용매라면 특히 한정되지 않지만, 할로겐계, 알콜계, 케톤계, 에스테르계, 지방족 탄화수소계, 방향족 탄화수소계, 에테르계 용매, 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 이의 구체적이고 비한정적인 예를 들면 물, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸이미다졸린(DMI), 디메틸포름아미드, 테트라클로로에탄, 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 테트라하이드로퓨란(THF), 테트라부틸아세테이트, n-부틸아세테이트, m-크레졸, 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 에틸렌글리콜(EG), γ-부티롤락톤, 또는 헥사플루오로이소프로판올(HFIP) 등이 있고, 이들은 단독 또는 조합으로 사용될 수 있다. 특히, 테트라하이드로퓨란을 이용하는 것이 바람직하다.The solvent is not particularly limited as long as it is a single component or a multi component solvent capable of uniformly dispersing the reaction mixture, but is not limited to halogen, alcohol, ketone, ester, aliphatic hydrocarbon, aromatic hydrocarbon, ether solvent, or these solvents. Mixtures of may be used. Specific and non-limiting examples thereof include water, acetone, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, dimethylacetamide (DMAc), dimethylimidazoline (DMI), dimethylformamide, tetrachloro Ethane, dimethylsulfoxide (DMSO), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), tetrahydrofuran (THF), tetrabutyl acetate, n-butyl acetate, m-cresol, toluene, xylene ( xylene), ethylene glycol (EG), γ-butyrolactone, or hexafluoroisopropanol (HFIP), and the like, which may be used alone or in combination. In particular, it is preferable to use tetrahydrofuran.

상기와 같이 혼합된 반응 혼합물을, 바람직하게는 교반시키면서, 20 ℃ 내지 70℃의 온도에서 2 시간 내지 36 시간 동안 반응시킨다. 상기 반응 시간은 반응물의 양과 기타 실험조건에 따라 더 길어지거나 짧아질 수도 있다.The reaction mixture mixed as above is reacted for 2 to 36 hours at a temperature of 20 ° C to 70 ° C, preferably with stirring. The reaction time may be longer or shorter depending on the amount of reactants and other experimental conditions.

상기 반응을 거치면, 전이금속 나노입자의 표면을 계면활성제가 둘러싸게 된다. 이들 계면활성제는 앞서 살펴본 바와 같이 유기물질로서 산화성 분위기에서 열처리할 경우 계면활성제의 연소 반응이 일어나 전이금속 나노입자의 표면에서 국지적으로 매우 높은 온도가 형성된다. 이러한 높은 온도는 전이금속 나노입자의 응집을 통한 입자 성장으로 이어져 전이금속 나노입자의 크기가 지나치게 성장하게 된다. 따라서, 전이금속 나노입자의 표면을 둘러싸고 있는 유기 물질의 급격한 연소가 일어나지 않도록 서서히 제거해 주는 방법이 필요하다.After the reaction, the surfactant surrounds the surface of the transition metal nanoparticles. As described above, these surfactants are organic materials, and when thermally treated in an oxidizing atmosphere, a combustion reaction of the surfactant occurs, and a very high temperature is locally formed on the surface of the transition metal nanoparticles. This high temperature leads to particle growth through aggregation of the transition metal nanoparticles resulting in excessive growth of the size of the transition metal nanoparticles. Therefore, there is a need for a method of gradually removing the organic material surrounding the surface of the transition metal nanoparticles so as not to cause rapid combustion.

이와 같이 유기 물질의 점진적 제거를 위해, 먼저 상기 반응 결과물을 제 1 열처리한다. 상기 제 1 열처리는 상기 유기 물질의 열분해(thermolysis)를 위해 환원성 분위기에서 수행되고, 약 200 ℃ 내지 약 500 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 제 1 열처리 온도가 200 ℃에 미달하면 전이금속 나노입자를 둘러싸고 있는 유기 물질의 열분해가 불충분할 수 있고, 상기 제 1 열처리 온도가 500 ℃를 넘으면 입자 크기가 성장할 우려가 있어 바람직하지 않다.As such, the reaction product is first subjected to a first heat treatment in order to gradually remove the organic material. The first heat treatment may be performed in a reducing atmosphere for thermal decomposition of the organic material, and may be performed at a temperature of about 200 ° C. to about 500 ° C. If the first heat treatment temperature is less than 200 ℃ thermal decomposition of the organic material surrounding the transition metal nanoparticles may be insufficient, if the first heat treatment temperature exceeds 500 ℃ there is a fear that the particle size may grow, which is not preferable.

상기 제 1 열처리는 1 분 내지 60 분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 제 1 열처리의 수행 시간이 1 분보다 짧으면 전이금속 나노입자를 둘러싸고 있는 유기 물질의 열분해가 불충분할 수 있고, 상기 제 1 열처리의 수행 시간이 60 분보 다 길면 열처리에 따른 효과가 포화되어 비경제적이다.The first heat treatment is preferably performed for 1 to 60 minutes. If the execution time of the first heat treatment is shorter than 1 minute, thermal decomposition of the organic material surrounding the transition metal nanoparticles may be insufficient. If the execution time of the first heat treatment is longer than 60 minutes, the effect of the heat treatment may be saturated and uneconomical. to be.

상기 제 1 열처리에 이어서 제 2 열처리를 수행한다. 상기 제 2 열처리는 상기 유기 물질을 연소시키기 위해 산화성 분위기에서 수행되고, 약 200 ℃ 내지 약 500 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 열분해될 수 있는 유기 물질의 분해가 이미 상기 제 1 열처리에서 이루어졌기 때문에 제 2 열처리에서 연소 반응이 일어나더라도 이로 인한 금속 나노입자의 성장은 상당 부분 방지할 수 있다. 상기 제 2 열처리 온도가 200 ℃에 미달하면 계면 활성제 등의 유기물질의 제거가 충분하지 않을 수 있고, 상기 제 2 열처리 온도가 500 ℃를 넘으면 입자 크기가 과도하게 성장할 우려가 있어 바람직하지 않다.The second heat treatment is performed following the first heat treatment. The second heat treatment may be performed in an oxidizing atmosphere to burn the organic material, and may be performed at a temperature of about 200 ° C. to about 500 ° C. Since decomposition of the organic material which can be thermally decomposed has already been performed in the first heat treatment, even if a combustion reaction occurs in the second heat treatment, the growth of metal nanoparticles due to this can be prevented to a large extent. If the second heat treatment temperature is less than 200 ° C, it may not be sufficient to remove organic substances such as surfactant, and if the second heat treatment temperature exceeds 500 ° C, the particle size may grow excessively, which is not preferable.

상기 제 2 열처리는 1 분 내지 60 분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 제 2 열처리의 수행 시간이 1 분보다 짧으면 계면 활성제 등의 유기물질의 제거가 충분하지 않을 수 있고, 상기 제 2 열처리의 수행 시간이 60 분보다 길면 열처리에 따른 효과가 포화되어 비경제적이다.The second heat treatment is preferably performed for 1 to 60 minutes. If the execution time of the second heat treatment is shorter than 1 minute, it may not be sufficient to remove organic substances such as a surfactant. If the execution time of the second heat treatment is longer than 60 minutes, the effect of the heat treatment is saturated, which is uneconomical.

상기 제 2 열처리에 이어서 제 3 열처리를 수행한다. 상기 제 3 열처리는 상기 연소 반응에서 산화되었을 수 있는 전이금속 나노입자를 환원시키기 위해 다시 환원성 분위기에서 수행되고, 약 200 ℃ 내지 약 500 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 제 3 열처리 온도가 200 ℃에 미달하면 전이금속 나노입자의 환원이 미흡하여 촉매 활성이 떨어질 수 있고, 상기 제 3 열처리 온도가 500 ℃를 넘으면 입자 크기가 과도하게 성장할 우려가 있어 바람직하지 않다.The third heat treatment is performed following the second heat treatment. The third heat treatment may be performed in a reducing atmosphere again to reduce transition metal nanoparticles that may have been oxidized in the combustion reaction, and may be performed at a temperature of about 200 ° C. to about 500 ° C. If the third heat treatment temperature is less than 200 ℃, the reduction of the transition metal nanoparticles may be insufficient to reduce the catalytic activity, and if the third heat treatment temperature exceeds 500 ℃ there is a possibility that the particle size may grow excessively is not preferable.

상기 제 3 열처리는 1 분 내지 60 분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 제 3 열처리의 수행 시간이 1 분보다 짧으면 전이금속 나노입자의 환원이 미흡하여 촉매 활성이 떨어질 수 있고, 상기 제 3 열처리의 수행 시간이 60 분보다 길면 열처리에 따른 효과가 포화되어 비경제적이다.The third heat treatment is preferably performed for 1 to 60 minutes. If the execution time of the third heat treatment is shorter than 1 minute, the reduction of transition metal nanoparticles may be insufficient, and the catalytic activity may be reduced. If the execution time of the third heat treatment is longer than 60 minutes, the effect of the heat treatment is saturated, which is uneconomical. .

상기 제 1 열처리 내지 제 3 열처리의 온도는 각각 250 ℃ 내지 350 ℃의 온도에서 수행되는 것이 더욱 바람직하다.The temperature of the first to third heat treatment is more preferably carried out at a temperature of 250 ℃ to 350 ℃, respectively.

상기 제 1 열처리 및/또는 제 3 열처리의 환원성 분위기는 환원성 기체를 5 부피% 내지 30 부피% 포함하도록, 예를 들면 불활성 기체에 환원성 기체를 첨가함으로써 조성될 수 있다. 상기 환원성 기체는, 예를 들면, 수소일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.The reducing atmosphere of the first heat treatment and / or the third heat treatment may be formed by, for example, adding a reducing gas to the inert gas so as to include 5% by volume to 30% by volume of the reducing gas. The reducing gas may be, for example, hydrogen, but is not limited thereto.

상기 제 2 열처리의 산화성 분위기는 산화성 기체를 5 부피% 내지 30 부피% 포함하도록, 예를 들면 불활성 기체에 산화성 기체를 첨가함으로써 조성될 수 있다. 상기 산화성 기체는, 예를 들면, 산소일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.The oxidative atmosphere of the second heat treatment may be formed by, for example, adding an oxidizing gas to the inert gas so as to include 5% by volume to 30% by volume of the oxidizing gas. The oxidizing gas may be, for example, oxygen, but is not limited thereto.

상기 불활성 기체는, 예를 들면, 질소(N2), 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar)등의 기체일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.The inert gas may be, for example, a gas such as nitrogen (N 2 ), helium (He), neon (Ne), argon (Ar), but is not limited thereto.

상기 제 1 열처리 내지 제 3 열처리는, 예를 들면, 오븐과 같이 밀폐된 가열공간을 가진 기기를 이용하여 수행될 수 있고 특별히 한정되지 않는다. 바람직하게는, 환원성 분위기 또는 산화성 분위기가 일정하게 유지될 수 있도록 환원성 기체 또는 산화성 기체를 각각 연속적으로 공급하고 열처리 공간 내부의 기체를 연속적 으로 배출하여 주는 것이 바람직하다.The first to third heat treatments may be performed using an apparatus having a closed heating space, such as an oven, for example, and is not particularly limited. Preferably, it is preferable to continuously supply the reducing gas or the oxidizing gas and to continuously discharge the gas in the heat treatment space so that the reducing atmosphere or the oxidizing atmosphere can be kept constant.

담지 촉매를 제조하기 위한 일반적인 방법에 따르면 여러 가지 탄소계 담체에 금속 촉매를 잘 담지시키기가 어렵다. 즉, 어느 특정 탄소계 담체에 잘 적용될 수 있는 방법이라도 탄소계 담체를 변경시키기 위해서는 일반적으로 새로운 탄소계 담체를 전처리하는 단계가 필요하다. 본 발명의 담지 촉매의 제조 방법에 따르면 이러한 탄소계 담체의 종류에 따른 영향을 거의 받지 않고 용이하게 담지 촉매를 제조할 수 있다.According to a general method for preparing a supported catalyst, it is difficult to support a metal catalyst well on various carbon-based carriers. That is, in order to change the carbon-based support, any method that can be applied to any particular carbon-based support generally requires a pretreatment of a new carbon-based support. According to the production method of the supported catalyst of the present invention, the supported catalyst can be easily produced without being influenced by the kind of the carbon-based carrier.

본 발명의 제 3 태양은 전이금속 전구체, 계면활성제 및 환원제를 용매 내에 분산시켜 균일한 분산액을 제조하는 단계; 상기 분산액을 반응시키는 단계; 환원성 분위기에서 상기 반응 결과물을 제 1 열처리하는 단계; 산화성 분위기에서 상기 제 1 열처리 결과물을 제 2 열처리하는 단계; 및 환원성 분위기에서 상기 제 2 열처리 결과물을 제 3 열처리하는 단계를 포함하는 전이금속 블랙촉매의 제조 방법을 제공한다.A third aspect of the invention provides a method for preparing a uniform dispersion comprising dispersing a transition metal precursor, a surfactant and a reducing agent in a solvent; Reacting the dispersion; First heat treating the reaction product in a reducing atmosphere; Performing a second heat treatment of the first heat treatment product in an oxidizing atmosphere; And a third heat treatment of the second heat treatment result in a reducing atmosphere.

상기 전이금속 블랙촉매의 제조 방법은 탄소계 담체에 담지되지 않은 전이금속 블랙촉매의 제조 방법에 관한 것으로서, 전이금속 입자로만 이루어져 있는 촉매이다.The method for preparing a transition metal black catalyst relates to a method for preparing a transition metal black catalyst not supported on a carbon-based carrier, and is a catalyst composed only of transition metal particles.

상기 분산액은 상기 전이금속 전구체의 전이금속 100 중량부에 대하여 계면활성제 100 중량부 내지 400 중량부, 환원제 100 중량부 내지 400 중량부, 및 용매 100 중량부 내지 5000 중량부를 균일하게 혼합하여 제조될 수 있다. 상기 계면활성제의 함량이 100 중량부에 미달하면 전이금속 나노입자의 분산이 미흡하게 이루어 질 우려가 있고, 상기 계면활성제의 함량이 400 중량부를 초과하면 계면활성제 첨가에 따른 효과가 포화되어 비경제적이다. 또, 상기 환원제의 함량이 100 중량부에 미달하면 전이금속 나노입자가 충분히 환원되지 않을 수 있어서 제조되는 담지 촉매의 활성이 미흡할 우려가 있고, 상기 환원제의 함량이 400 중량부를 초과하면 환원제 첨가에 따른 효과가 포화되어 비경제적이다. 상기 용매의 양은 상기 반응물의 양에 따라 적절히 선택할 수 있다.The dispersion may be prepared by uniformly mixing 100 parts by weight to 400 parts by weight of surfactant, 100 parts by weight to 400 parts by weight, and 100 parts by weight to 5000 parts by weight of a solvent based on 100 parts by weight of the transition metal precursor of the transition metal precursor. have. If the content of the surfactant is less than 100 parts by weight, there is a fear that the dispersion of the transition metal nanoparticles is insufficient. If the content of the surfactant exceeds 400 parts by weight, the effect of adding the surfactant is saturated and uneconomical. . In addition, when the content of the reducing agent is less than 100 parts by weight, the transition metal nanoparticles may not be sufficiently reduced, there is a fear that the activity of the supported catalyst prepared is insufficient, if the content of the reducing agent exceeds 400 parts by weight to the addition of the reducing agent The effect is saturated and uneconomical. The amount of the solvent may be appropriately selected depending on the amount of the reactants.

이들 반응 혼합물은 한 번에 혼합하여 균일한 분산액으로 제조될 수도 있고, 선택적으로는 먼저 전이금속 전구체 및 탄소계 담체를 용매에 충분히 분산시킨 후 환원제 및 계면활성제를 첨가하여 분산액으로 제조할 수도 있다.These reaction mixtures may be mixed at a time to produce a uniform dispersion, or alternatively, the transition metal precursor and the carbonaceous carrier may be first dispersed sufficiently in a solvent, followed by addition of a reducing agent and a surfactant to prepare the dispersion.

상기 전이금속 전구체는 전이금속의 염으로서, 본 발명의 제 2 태양에 관한 설명에서와 동일하다.The transition metal precursor is a salt of the transition metal, which is the same as in the description of the second aspect of the present invention.

상기 계면활성제 및 환원제는 본 발명의 제 2 태양에 관한 설명에서와 동일하다. 특히, 계면활성제로서의 역할과 함께 환원제로서도 기능할 수 있는 테트라옥틸암모늄 하이드로트리에틸보레이트(tetraoctylammonium hydrotriethylborate)인 것이 바람직하다.The said surfactant and a reducing agent are the same as the description regarding the 2nd aspect of this invention. In particular, it is preferable that it is tetraoctylammonium hydrotriethylborate which can also function as a reducing agent as well as a surfactant.

상기 용매는 본 발명의 제 2 태양에 관한 설명에서와 동일하다.The solvent is the same as in the description of the second aspect of the present invention.

상기와 같이 혼합된 반응 혼합물을, 바람직하게는 교반시키면서, 20 ℃ 내지 70℃의 온도에서 2 시간 내지 36 시간 동안 반응시킨다. 상기 반응 시간은 반응물의 양과 기타 실험조건에 따라 더 길어지거나 짧아질 수도 있다.The reaction mixture mixed as above is reacted for 2 to 36 hours at a temperature of 20 ° C to 70 ° C, preferably with stirring. The reaction time may be longer or shorter depending on the amount of reactants and other experimental conditions.

상기 반응을 거치면, 전이금속 나노입자의 표면을 계면활성제가 둘러싸게 된 다. 이들 계면활성제는 앞서 살펴본 바와 같이 유기물질로서 산화성 분위기에서 열처리할 경우 계면활성제의 연소 반응이 일어나 전이금속 나노입자의 표면에서 국지적으로 매우 높은 온도가 형성된다. 이러한 높은 온도는 전이금속 나노입자의 응집을 통한 입자 성장으로 이어져 전이금속 나노입자의 크기가 지나치게 성장하게 된다. 따라서, 전이금속 나노입자의 표면을 둘러싸고 있는 유기 물질의 급격한 연소가 일어나지 않도록 서서히 제거해 주는 방법이 필요하다.After the reaction, the surface of the transition metal nanoparticles are surrounded by a surfactant. As described above, these surfactants are organic materials, and when thermally treated in an oxidizing atmosphere, a combustion reaction of the surfactant occurs, and a very high temperature is locally formed on the surface of the transition metal nanoparticles. This high temperature leads to particle growth through aggregation of the transition metal nanoparticles resulting in excessive growth of the size of the transition metal nanoparticles. Therefore, there is a need for a method of gradually removing the organic material surrounding the surface of the transition metal nanoparticles so as not to cause rapid combustion.

이와 같이 유기 물질의 점진적 제거를 위해, 먼저 상기 반응 결과물을 제 1 열처리한다. 상기 제 1 열처리는 상기 유기 물질의 열분해를 위해 환원성 분위기에서 수행되고, 약 200 ℃ 내지 약 500 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 제 1 열처리 온도가 200 ℃에 미달하면 전이금속 나노입자를 둘러싸고 있는 유기 물질의 열분해가 불충분할 수 있고, 상기 제 1 열처리 온도가 500 ℃를 넘으면 입자 크기가 성장할 우려가 있어 바람직하지 않다.As such, the reaction product is first subjected to a first heat treatment in order to gradually remove the organic material. The first heat treatment may be performed in a reducing atmosphere for pyrolysis of the organic material, and may be performed at a temperature of about 200 ° C. to about 500 ° C. If the first heat treatment temperature is less than 200 ℃ thermal decomposition of the organic material surrounding the transition metal nanoparticles may be insufficient, if the first heat treatment temperature exceeds 500 ℃ there is a fear that the particle size may grow, which is not preferable.

상기 제 1 열처리는 1 분 내지 60 분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 제 1 열처리의 수행 시간이 1 분보다 짧으면 전이금속 나노입자를 둘러싸고 있는 유기 물질의 열분해가 불충분할 수 있고, 상기 제 1 열처리의 수행 시간이 60 분보다 길면 열처리에 따른 효과가 포화되어 비경제적이다.The first heat treatment is preferably performed for 1 to 60 minutes. If the execution time of the first heat treatment is shorter than 1 minute, thermal decomposition of the organic material surrounding the transition metal nanoparticles may be insufficient. If the execution time of the first heat treatment is longer than 60 minutes, the effect of the heat treatment is saturated, which is uneconomical. to be.

상기 제 1 열처리에 이어서 제 2 열처리를 수행한다. 상기 제 2 열처리는 상기 유기 물질을 연소시키기 위해 산화성 분위기에서 수행되고, 약 200 ℃ 내지 약 500 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 열분해될 수 있는 유기 물질의 분해가 이미 상기 제 1 열처리에서 이루어졌기 때문에 제 2 열처리에서 연소 반응이 일어나더라도 이로 인한 금속 나노입자의 성장은 상당 부분 방지할 수 있다. 상기 제 2 열처리 온도가 200 ℃에 미달하면 계면 활성제 등의 유기물질의 제거가 충분하지 않을 수 있고, 상기 제 2 열처리 온도가 500 ℃를 넘으면 입자 크기가 과도하게 성장할 우려가 있어 바람직하지 않다.The second heat treatment is performed following the first heat treatment. The second heat treatment may be performed in an oxidizing atmosphere to burn the organic material, and may be performed at a temperature of about 200 ° C. to about 500 ° C. Since decomposition of the organic material which can be thermally decomposed has already been performed in the first heat treatment, even if a combustion reaction occurs in the second heat treatment, the growth of metal nanoparticles due to this can be prevented to a large extent. If the second heat treatment temperature is less than 200 ° C, it may not be sufficient to remove organic substances such as surfactant, and if the second heat treatment temperature exceeds 500 ° C, the particle size may grow excessively, which is not preferable.

상기 제 2 열처리는 1 분 내지 60 분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 제 2 열처리의 수행 시간이 1 분보다 짧으면 계면 활성제 등의 유기물질의 제거가 충분하지 않을 수 있고, 상기 제 2 열처리의 수행 시간이 60 분보다 길면 열처리에 따른 효과가 포화되어 비경제적이다.The second heat treatment is preferably performed for 1 to 60 minutes. If the execution time of the second heat treatment is shorter than 1 minute, it may not be sufficient to remove organic substances such as a surfactant. If the execution time of the second heat treatment is longer than 60 minutes, the effect of the heat treatment is saturated, which is uneconomical.

상기 제 2 열처리에 이어서 제 3 열처리를 수행한다. 상기 제 3 열처리는 상기 연소 반응에서 산화되었을 수 있는 전이금속 나노입자를 환원시키기 위해 다시 환원성 분위기에서 수행되고, 약 200 ℃ 내지 약 500 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 제 3 열처리 온도가 200 ℃에 미달하면 전이금속 나노입자의 환원이 미흡하여 촉매 활성이 떨어질 수 있고, 상기 제 3 열처리 온도가 500 ℃를 넘으면 입자 크기가 과도하게 성장할 우려가 있어 바람직하지 않다.The third heat treatment is performed following the second heat treatment. The third heat treatment may be performed in a reducing atmosphere again to reduce transition metal nanoparticles that may have been oxidized in the combustion reaction, and may be performed at a temperature of about 200 ° C. to about 500 ° C. If the third heat treatment temperature is less than 200 ℃, the reduction of the transition metal nanoparticles may be insufficient to reduce the catalytic activity, and if the third heat treatment temperature exceeds 500 ℃ there is a possibility that the particle size may grow excessively is not preferable.

상기 제 3 열처리는 1 분 내지 60 분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 제 3 열처리의 수행 시간이 1 분보다 짧으면 전이금속 나노입자의 환원이 미흡하여 촉매 활성이 떨어질 수 있고, 상기 제 3 열처리의 수행 시간이 60 분보다 길면 열처리에 따른 효과가 포화되어 비경제적이다.The third heat treatment is preferably performed for 1 to 60 minutes. If the execution time of the third heat treatment is shorter than 1 minute, the reduction of transition metal nanoparticles may be insufficient, and the catalytic activity may be reduced. If the execution time of the third heat treatment is longer than 60 minutes, the effect of the heat treatment is saturated, which is uneconomical. .

상기 제 1 열처리 내지 제 3 열처리의 온도는 각각 250 ℃ 내지 350 ℃의 온도에서 수행되는 것이 더욱 바람직하다.The temperature of the first to third heat treatment is more preferably carried out at a temperature of 250 ℃ to 350 ℃, respectively.

상기 제 1 열처리 및/또는 제 3 열처리의 환원성 분위기는 환원성 기체를 5 부피% 내지 30 부피% 포함하도록, 예를 들면 불활성 기체에 환원성 기체를 첨가함으로써 조성될 수 있다. 상기 환원성 기체는, 예를 들면, 수소일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.The reducing atmosphere of the first heat treatment and / or the third heat treatment may be formed by, for example, adding a reducing gas to the inert gas so as to include 5% by volume to 30% by volume of the reducing gas. The reducing gas may be, for example, hydrogen, but is not limited thereto.

상기 제 2 열처리의 산화성 분위기는 산화성 기체를 5 부피% 내지 30 부피% 포함하도록, 예를 들면 불활성 기체에 산화성 기체를 첨가함으로써 조성될 수 있다. 상기 산화성 기체는, 예를 들면, 산소일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.The oxidative atmosphere of the second heat treatment may be formed by, for example, adding an oxidizing gas to the inert gas so as to include 5% by volume to 30% by volume of the oxidizing gas. The oxidizing gas may be, for example, oxygen, but is not limited thereto.

상기 불활성 기체는, 예를 들면, 질소(N2), 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar)등의 기체일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.The inert gas may be, for example, a gas such as nitrogen (N 2 ), helium (He), neon (Ne), argon (Ar), but is not limited thereto.

상기 제 1 열처리 내지 제 3 열처리는, 예를 들면, 오븐과 같이 밀폐된 가열공간을 가진 기기를 이용하여 수행될 수 있고 특별히 한정되지 않는다. 바람직하게는, 환원성 분위기 또는 산화성 분위기가 일정하게 유지될 수 있도록 환원성 기체 또는 산화성 기체를 각각 연속적으로 공급하고 열처리 공간 내부의 기체를 연속적으로 배출하여 주는 것이 바람직하다.The first to third heat treatments may be performed using an apparatus having a closed heating space, such as an oven, for example, and is not particularly limited. Preferably, it is preferable to continuously supply the reducing gas or the oxidizing gas and to continuously discharge the gas in the heat treatment space so that the reducing atmosphere or the oxidizing atmosphere can be kept constant.

선택적으로, 상기 제 1 열처리 내지 제 3 열처리를 거치기 전에 과량의 환원제와 계면활성제를 제거하는 공정을 더 거칠 수 있다. 상기 환원제를 제거하기 위해, 예를 들면, 아세톤을 이용하여 세척할 수 있고, 상기 계면활성제를 제거하기 위해, 예를 들면, 에탄올과 같은 알코올계 용매를 이용하여 세척할 수 있다. 그러 나, 상기 환원제 및/또는 계면활성제를 제거하는 방법이 이들 방법에만 한정되는 것은 아니다.Optionally, the step of removing excess reducing agent and surfactant prior to the first to third heat treatment may be further performed. To remove the reducing agent, for example, it may be washed with acetone, and to remove the surfactant, for example, it may be washed with an alcoholic solvent such as ethanol. However, the method of removing the reducing agent and / or the surfactant is not limited only to these methods.

본 발명의 제 4 태양은 촉매층과 확산층을 포함하는 캐소드; 촉매층과 확산층을 포함하는 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체에 있어서, 상기 캐소드의 촉매층 및 상기 애노드의 촉매층 중의 적어도 하나가 본 발명의 담지 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체를 개시한다. 상기 본 발명의 담지촉매로부터 촉매층을 형성하고 확산층을 부가하여 막전극 접합체를 형성하는 방법은 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의할 수 있으며, 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.A fourth aspect of the invention provides a cathode comprising a catalyst layer and a diffusion layer; An anode comprising a catalyst layer and a diffusion layer; And an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode, wherein at least one of the catalyst layer of the cathode and the catalyst layer of the anode comprises a supported catalyst of the present invention. do. The method of forming the catalyst layer from the supported catalyst of the present invention and the addition of the diffusion layer to form the membrane electrode assembly may be by conventional methods known in various documents, and detailed description thereof will be omitted herein.

본 발명의 제 5 태양은 촉매층과 확산층을 포함하는 캐소드; 촉매층과 확산층을 포함하는 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료전지에 있어서, 상기 캐소드의 촉매층 및 상기 애노드의 촉매층 중의 적어도 하나가 본 발명에 따른 담지 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다. 이러한 연료전지의 제조는, 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.A fifth aspect of the invention provides a cathode comprising a catalyst layer and a diffusion layer; An anode comprising a catalyst layer and a diffusion layer; And an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode, wherein at least one of the catalyst layer of the cathode and the catalyst layer of the anode comprises a supported catalyst according to the present invention. . In the production of such a fuel cell, since a conventional method known in various documents can be used, detailed description thereof is omitted here.

이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. Hereinafter, the structure and effects of the present invention will be described in more detail with specific examples and comparative examples, but these examples are only intended to more clearly understand the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

<실시예 1><Example 1>

질소 분위기의 글러브 박스에서 PtCl2 359.2 mg, RuCl3 280.1 mg, 및 활성탄소(벌칸 XC-72, Cabot) 100 mg을 THF 100 ml와 함께 플라스크에 넣고 2시간 동안 교반하여 충분히 분산시킴으로써 짙은 갈색의 혼합물을 얻었다. 여기에 환원제와 계면활성제의 역할을 겸할 수 있는 테트라옥틸암모늄하이드로트리에틸보레이트(tetraoctylammonium hydrotriethylborate) 4.0 g을 천천히 적가하여 검은색 분산액를 얻었다.Dark brown mixture by adding 359.2 mg of PtCl 2 , 280.1 mg of RuCl 3 , and 100 mg of activated carbon (Vulcan XC-72, Cabot) to a flask with 100 ml of THF in a nitrogen-glove box and stirring for 2 hours to fully disperse Got. To this was slowly added dropwise 4.0 g of tetraoctylammonium hydrotriethylborate, which can also serve as a reducing agent and a surfactant, to obtain a black dispersion.

상기 분산액을 30 ℃ 내지 50 ℃ 사이에서 온도가 유지되도록 하여 12시간 동안 반응시켰다.The dispersion was reacted for 12 hours while maintaining the temperature between 30 ° C and 50 ° C.

상기 플라스크에 충분한 양의 아세톤을 첨가하여 과량의 환원제를 제거하고, 1시간 동안 교반시켰다. 플라스크에 있는 THF를 제거하고, 에탄올을 넣어 2시간 동안 교반시켰다. 그런 후, 여과장치를 이용하여 상기 결과물을 여과하면서 충분한 양의 에탄올을 이용하여 남아 있는 유기물을 제거하였다.Sufficient acetone was added to the flask to remove excess reducing agent and stirred for 1 hour. THF in the flask was removed and ethanol was added and stirred for 2 hours. Then, the resultant was filtered using a filtration device to remove the remaining organics using a sufficient amount of ethanol.

여과물을 튜브 가열로(tube furnace)에 넣고 300 ℃ 수소 분위기에서 10 분간 제 1 열처리하고, 이어서 300 ℃ 산소 분위기에서 10분간 제 2 열처리하였다. 그런 후, 상기 결과물을 다시 300 ℃ 수소 분위기에서 10 분간 제 3 열처리하였다.The filtrate was placed in a tube furnace and subjected to a first heat treatment for 10 minutes in a 300 ° C. hydrogen atmosphere, followed by a second heat treatment for 10 minutes in a 300 ° C. oxygen atmosphere. Thereafter, the resultant was further subjected to third heat treatment for 10 minutes in a 300 ° C. hydrogen atmosphere.

그 결과 80 중량% PtRu/C 전이금속 나노입자가 담체에 담지된 담지 촉매를 얻었다.As a result, a supported catalyst having 80 wt% PtRu / C transition metal nanoparticles supported on a carrier was obtained.

<실시예 2><Example 2>

상기 제 1 열처리 내지 제 3 열처리를 각각 200 ℃에서 수행한 것을 제외하 고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 담지 촉매를 얻었다.The supported catalyst was obtained in the same manner as in Example 1, except that the first to third heat treatments were performed at 200 ° C., respectively.

<실시예 3><Example 3>

상기 제 1 열처리 내지 제 3 열처리를 각각 100 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 담지 촉매를 얻었다.The supported catalyst was obtained in the same manner as in Example 1, except that the first to third heat treatments were performed at 100 ° C., respectively.

상기 실시예 1 내지 3에서 제조한 담지 촉매에 대하여 수행한 XRD 분석 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1의 결과와 쉐러(Scherrer)식을 이용하여 제조된 각 담지 촉매의 입경을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.XRD analysis results of the supported catalysts prepared in Examples 1 to 3 are shown in FIG. 1. Particle diameters of the supported catalysts prepared by using the results of FIG. 1 and the Scherrer equation were measured. The results are summarized in Table 1 below.

[표 1]TABLE 1

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 열처리 온도Heat treatment temperature 300 ℃300 ℃ 200 ℃200 ℃ 100 ℃100 ℃ 격자 상수값Lattice constant 3.872 Å3.872 Å 3.873 Å3.873 Å 3.874 Å3.874 Å 입자 지름(nm)Particle diameter (nm) 2.92.9 2.72.7 2.52.5

상기 표 1에서 보는 바와 같이 전이금속 나노입자의 크기가 2 nm 내지 3 nm 사이의 크기를 갖는 것을 알 수 있다. 이는 촉매로서의 활성을 유지하면서 활성 표면적을 극대화할 수 있는 바람직한 입경 분포이다.As shown in Table 1, it can be seen that the size of the transition metal nanoparticles has a size between 2 nm and 3 nm. This is a desirable particle size distribution that can maximize the active surface area while maintaining the activity as a catalyst.

<실시예 4><Example 4>

질소 분위기의 글러브 박스에서 PtCl2 359.2 mg, RuCl3 280.1 mg, 및 다중벽 탄소나노튜브(MWNT) 100 mg을 THF 100 ml와 함께 플라스크에 넣고 2시간 동안 교반하여 충분히 분산시킴으로써 짙은 갈색의 혼합물을 얻었다. 여기에 환원제와 계면활성제의 역할을 겸할 수 있는 테트라옥틸암모늄하이드로트리에틸보레이트(tetraoctylammonium hydrotriethylborate) 4.0 g을 천천히 적가하여 검은색 분산액를 얻었다.A dark brown mixture was obtained by adding 359.2 mg of PtCl 2 , 280.1 mg of RuCl 3 , and 100 mg of multiwalled carbon nanotubes (MWNT) to a flask with 100 ml of THF in a nitrogen-glove box and stirring for 2 hours to disperse sufficiently. . To this was slowly added dropwise 4.0 g of tetraoctylammonium hydrotriethylborate, which can also serve as a reducing agent and a surfactant, to obtain a black dispersion.

그 이후의 과정은 실시예 1에서와 동일한 방법으로 수행하여 80 중량% PtRu/C 담지 촉매를 얻었다.Subsequent processes were carried out in the same manner as in Example 1 to obtain an 80 wt% PtRu / C supported catalyst.

상기 PtRu/C 담지 촉매의 모습을 투과전자현미경을 이용하여 촬영하고 이를 도 2에 나타내었다. 또한, 상기 PtRu/C 담지 촉매에 대하여 XRD 분석을 수행하고 그 결과를 도 3에 나타내었다. 상기 XRD 결과와 쉐러식을 이용하여 입경을 계산한 결과 약 3 nm의 입경을 갖는 것을 알 수 있었다.The PtRu / C supported catalyst was photographed using a transmission electron microscope and shown in FIG. 2. In addition, XRD analysis was performed on the PtRu / C supported catalyst and the results are shown in FIG. 3. The particle size was calculated using the XRD results and the Scherler equation. The particle size was found to be about 3 nm.

<실시예 5>Example 5

질소 분위기의 글러브 박스에서 PtCl2 504.5 mg, CoCl2·6H2O 74.3 mg, CrCl3·6H2O 83.2 mg, 및 다층벽 탄소나노튜브(MWNT) 100 mg을 THF 100 ml와 함께 플라스크에 넣고 2시간 동안 교반하여 충분히 분산시킴으로써 짙은 갈색의 혼합물을 얻었다. 여기에 환원제와 계면활성제의 역할을 겸할 수 있는 테트라옥틸암모늄하이드로트리에틸보레이트(tetraoctylammonium hydrotriethylborate) 3.2 g을 천천히 적가하여 검은색 분산액를 얻었다.In a nitrogen-glove box, 504.5 mg of PtCl 2 , 74.3 mg of CoCl 2 · 6H 2 O, 83.2 mg of CrCl 3 · 6H 2 O, and 100 mg of multilayer wall carbon nanotubes (MWNT) were placed in a flask with 100 ml of THF. A dark brown mixture was obtained by stirring for hours to disperse sufficiently. To this was slowly added dropwise 3.2 g of tetraoctylammonium hydrotriethylborate, which can serve as a reducing agent and a surfactant, to obtain a black dispersion.

그 이후의 과정은 실시예 1에서와 동일한 방법으로 수행하여 80 중량% PtCoCr/C 담지 촉매를 얻었다.Subsequent processes were carried out in the same manner as in Example 1 to obtain an 80 wt% PtCoCr / C supported catalyst.

상기 PtCoCr/C 담지 촉매의 모습을 투과전자현미경을 이용하여 촬영하고 이를 도 4a 및 도 4b에 나타내었다. 또한, 상기 PtCoCr/C 담지 촉매에 대하여 XRD 분석을 수행하고 그 결과를 도 5에 나타내었다. 상기 XRD 결과와 쉐러식을 이용하여 입경을 계산한 결과 약 3.4 nm의 입경을 갖는 것을 알 수 있었다.The PtCoCr / C supported catalyst was photographed using a transmission electron microscope and shown in FIGS. 4A and 4B. In addition, XRD analysis was performed on the PtCoCr / C supported catalyst and the results are shown in FIG. 5. The particle size was calculated using the XRD results and the Scherler equation. The particle size was found to be about 3.4 nm.

<비교예 1>Comparative Example 1

제 1 열처리를 수행하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 80 중량% PtRu/C를 제조하였다.80 wt% PtRu / C was prepared in the same manner as in Example 1, except that the first heat treatment was not performed.

<비교예 2>Comparative Example 2

제 2 열처리 및 제 3 열처리를 200 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 80 중량% PtRu/C를 제조하였다.80 wt% PtRu / C was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that the second and third heat treatments were performed at 200 ° C.

<비교예 3>Comparative Example 3

제 2 열처리 및 제 3 열처리를 100 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 80 중량% PtRu/C를 제조하였다.80 wt% PtRu / C was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that the second and third heat treatments were performed at 100 ° C.

상기 비교예 1 내지 3에서 제조한 담지 촉매에 대하여 수행한 XRD 분석 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6의 결과와 쉐러식을 이용하여 제조된 각 담지 촉매의 입경을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다.XRD analysis results of the supported catalysts prepared in Comparative Examples 1 to 3 are shown in FIG. 6. The particle diameters of the supported catalysts prepared using the results of FIG. The results are summarized in Table 2 below.

[표 2]TABLE 2

비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 비교예 3Comparative Example 3 열처리 온도Heat treatment temperature 300 ℃300 ℃ 200 ℃200 ℃ 100 ℃100 ℃ 격자 상수값Lattice constant 3.861 Å3.861 Å 3.861 Å3.861 Å 3.860 Å3.860 Å 입자 지름(nm)Particle diameter (nm) 11.411.4 9.59.5 4.84.8

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 열처리 온도가 낮은 경우에는 입자 지름이 4.8 nm로서 비교적 양호한 편이나 열처리 온도를 300 ℃로 하는 경우 입자 지름이 11.4 nm로서 과도하게 커지는 것을 알 수 있다. 계면활성제 등과 같은 유기물질의 제거와 전이금속 입자의 충분한 환원을 위해 열처리 온도가 300 ℃ 정도가 바람직함을 고려해 볼 때 표 1의 실시예 1 내지 3에 비하여 활성 표면적이 현저히 감소하 게 되는 것을 알 수 있다.As shown in Table 2 above, when the heat treatment temperature is low, the particle diameter is relatively good as 4.8 nm, but when the heat treatment temperature is 300 ° C., the particle diameter becomes excessively large as 11.4 nm. Considering that the heat treatment temperature is preferably about 300 ° C. for the removal of organic substances such as surfactants and the sufficient reduction of the transition metal particles, the active surface area is significantly reduced compared to Examples 1 to 3 in Table 1. Can be.

<실시예 6><Example 6>

PtCl2 269.4 mg, RuCl3 210.1 mg 사용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법을 이용하여 60 중량% PtRu/C 촉매를 제조하였다.A 60 wt% PtRu / C catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that 269.4 mg of PtCl 2 and 210.1 mg of RuCl 3 were used.

<실시예 7><Example 7>

상기 실시예 1에서 탄소계 담체로서 사용하였던 탄소나노튜브를 배제한 점을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 비담지 전이금속 블랙 촉매를 제조하였다.An unsupported transition metal black catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that the carbon nanotubes used as the carbon-based carrier were removed in Example 1.

실시예 1, 실시예 6 및 실시예 7에서 제조한 각 촉매의 모습을 투과전자현미경을 이용하여 촬영하고 도 7a 내지 도 7c에 각각 나타내었다. 도 7a 및 7b에서 보는 바와 같이 전이금속 나노입자가 다층벽 탄소나노튜브 위에 골고루 잘 분포되어 있는 것을 알 수 있다. 또, 도 7c에서 보는 바와 같이 비담지된 전이금속 블랙촉매 입자가 적절한 크기로 형성되어 있는 것을 관찰할 수 있다.Each catalyst prepared in Examples 1, 6 and 7 was photographed using a transmission electron microscope and shown in FIGS. 7A to 7C, respectively. As shown in Figure 7a and 7b it can be seen that the transition metal nanoparticles are evenly distributed on the multi-walled carbon nanotubes. In addition, as shown in FIG. 7C, it can be observed that the unsupported transition metal black catalyst particles are formed to an appropriate size.

또, 이들에 대하여 XRD 분석을 수행하고 그 결과를 도 8에 나타내었다. 상기 XRD 결과와 쉐러식을 이용하여 계산한 결과를 하기 표 3에 정리하였다.In addition, XRD analysis was performed on these and the results are shown in FIG. 8. The results calculated using the XRD results and the Scherrer equation are summarized in Table 3 below.

[표 3]TABLE 3

실시예 1Example 1 실시예 6Example 6 실시예 7Example 7 담지 상태Support State 80 중량% PtRu/C80 wt% PtRu / C 60 중량% PtRu/C60 wt% PtRu / C PtRu 블랙PtRu black 열처리 온도Heat treatment temperature 300 ℃300 ℃ 300 ℃300 ℃ 300 ℃300 ℃ 격자 상수값Lattice constant 3.872 Å3.872 Å 3.863 Å3.863 Å 3.867 Å3.867 Å 입자 지름(nm)Particle diameter (nm) 2.92.9 2.52.5 2.72.7

상기 표 3에서 보는 바와 같이 실시예 1, 6 및 7의 입자 지름이 과도하게 성 장하는 경우 없이 적절한 크기로 알맞게 형성된 것을 확인하였다.As shown in Table 3, it was confirmed that the particle diameters of Examples 1, 6, and 7 were appropriately formed in appropriate sizes without excessive growth.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.Although described in detail with respect to preferred embodiments of the present invention as described above, those of ordinary skill in the art, without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims Various modifications may be made to the invention. Therefore, changes in the future embodiments of the present invention will not be able to escape the technology of the present invention.

본 발명의 연료전지용 담지 촉매의 제조 방법에 따르면, 금속 촉매 성분의 함량이 높으면서도, 높은 활성 표면적을 가질 수 있도록 입자 크기가 작고 탄소나노튜브에도 용이하게 담지될 수 있는 담지 촉매 및 전이금속 블랙 촉매를 용이하게 제조할 수 있다.According to the method for preparing a supported catalyst for a fuel cell of the present invention, a supported catalyst and a transition metal black catalyst having a high content of a metal catalyst component and a small particle size and easily supported on carbon nanotubes to have a high active surface area It can be manufactured easily.

Claims (22)

탄소계 담체와 상기 탄소계 담체에 담지된 전이금속 나노입자를 포함하고, 상기 전이금속 나노입자의 평균입경이 1 내지 5 nm이고, 상기 탄소계 담체와 전이금속 나노입자의 전체 무게에 대한 전이금속 나노입자의 무게가 60 중량% 이상이고, 비표면적이 10 m2/g 내지 1000 m2/g인 담지 촉매.A transition metal nanoparticle comprising a carbon carrier and a transition metal nanoparticle supported on the carbon carrier, the average particle diameter of the transition metal nanoparticle being 1 to 5 nm, and the transition metal to the total weight of the carbon carrier and the transition metal nanoparticle. A supported catalyst having a nanoparticle weight of 60% by weight or more and a specific surface area of 10 m 2 / g to 1000 m 2 / g. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소계 담체와 전이금속 나노입자의 전체 무게에 대한 전이금속 나노입자의 무게가 75 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 담지 촉매.The supported catalyst according to claim 1, wherein the weight of the transition metal nanoparticles to the total weight of the carbonaceous carrier and the transition metal nanoparticles is 75% by weight or more. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소계 담체가 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 탄소나노파이버, 탄소나노혼, 탄소나노링, 활성탄소, 아세틸렌 블랙, 흑연 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 담지 촉매.The supported catalyst according to claim 1, wherein the carbonaceous carrier is carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, activated carbon, acetylene black, graphite or a mixture thereof. 제 1 항에 있어서, 상기 전이금속 나노입자의 평균입경이 2 내지 4 nm인 것을 특징으로 하는 담지 촉매.The supported catalyst according to claim 1, wherein the average particle diameter of the transition metal nanoparticles is 2 to 4 nm. 제 1 항에 있어서, 상기 전이금속 나노입자가 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 담지 촉매.The method of claim 1, wherein the transition metal nanoparticles are platinum (Pt), ruthenium (Ru), osmium (Os), cobalt (Co), palladium (Pd), gallium (Ga), titanium (Ti), vanadium (V). ), Chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), aluminum (Al) or an alloy thereof. 전이금속 전구체, 탄소계 담체, 계면활성제 및 환원제를 용매 내에 분산시켜 균일한 분산액을 제조하는 단계;Dispersing the transition metal precursor, the carbonaceous carrier, the surfactant, and the reducing agent in a solvent to prepare a uniform dispersion; 상기 분산액을 반응시키는 단계;Reacting the dispersion; 환원성 분위기에서 상기 반응 결과물을 제 1 열처리하는 단계;First heat treating the reaction product in a reducing atmosphere; 산화성 분위기에서 상기 제 1 열처리 결과물을 제 2 열처리하는 단계; 및Performing a second heat treatment of the first heat treatment product in an oxidizing atmosphere; And 환원성 분위기에서 상기 제 2 열처리 결과물을 제 3 열처리하는 단계를 포함하는 담지 촉매의 제조 방법.And a third heat treatment of the second heat treatment product in a reducing atmosphere. 제 6 항에 있어서, 상기 분산액이 상기 전이금속 전구체의 전이금속 100 중량부에 대하여 탄소계 담체 1 중량부 내지 70 중량부, 계면활성제 100 중량부 내지 400 중량부, 환원제 100 중량부 내지 400 중량부, 및 용매 100 중량부 내지 5000 중량부를 균일하게 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 담지 촉매의 제조 방법.According to claim 6, wherein the dispersion is 1 part by weight to 70 parts by weight of carbon-based carrier, 100 parts by weight to 400 parts by weight of surfactant, 100 parts by weight to 400 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the transition metal precursor of the transition metal precursor And 100 parts by weight to 5000 parts by weight of a solvent, which is prepared by mixing uniformly. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 열처리, 제 2 열처리, 또는 제 3 열처리가 200 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 담지 촉매의 제조 방법.The method of claim 6, wherein the first heat treatment, the second heat treatment, or the third heat treatment is performed at a temperature of 200 ° C to 500 ° C. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 열처리, 제 2 열처리, 또는 제 3 열처리가 250 ℃ 내지 350 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 담지 촉매의 제조 방법.The method of claim 6, wherein the first heat treatment, the second heat treatment, or the third heat treatment is performed at a temperature of 250 ° C to 350 ° C. 제 6 항에 있어서, 상기 탄소계 담체가 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 탄소나노파이버, 탄소나노혼, 탄소나노링, 활성탄소, 아세틸렌 블랙, 흑연 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 담지 촉매의 제조 방법.The supported catalyst according to claim 6, wherein the carbonaceous carrier is carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, activated carbon, acetylene black, graphite, or a mixture thereof. Manufacturing method. 제 6 항에 있어서, 상기 전이금속 전구체가 전이금속의 탄화물(carbide), 산화물, 염화물, 질화물, 황화물, 황산염, 또는 질산염이고, 상기 전이금속이 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 담지 촉매의 제조 방법.The method of claim 6, wherein the transition metal precursor is a carbide, oxide, chloride, nitride, sulfide, sulfate, or nitrate of the transition metal, the transition metal is platinum (Pt), ruthenium (Ru), osmium (Os) ), Cobalt (Co), palladium (Pd), gallium (Ga), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu) ), Zinc (Zn), aluminum (Al) or an alloy thereof. 제 6 항에 있어서, 상기 계면활성제가 테트라옥틸암모늄하이드로트리에틸보레이트(tetraoctylammonium hydrotriethylborate)인 것을 특징으로 하는 담지 촉매의 제조 방법.7. The process for producing a supported catalyst according to claim 6, wherein the surfactant is tetraoctylammonium hydrotriethylborate. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 열처리 내지 제 3 열처리가 각각 1 분 내지 60 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 담지 촉매의 제조 방법.7. The method of claim 6, wherein the first to third heat treatments are performed for 1 to 60 minutes, respectively. 전이금속 전구체, 계면활성제 및 환원제를 용매 내에 분산시켜 균일한 분산액을 제조하는 단계;Dispersing the transition metal precursor, the surfactant and the reducing agent in a solvent to produce a uniform dispersion; 상기 분산액을 반응시키는 단계;Reacting the dispersion; 환원성 분위기에서 상기 반응 결과물을 제 1 열처리하는 단계;First heat treating the reaction product in a reducing atmosphere; 산화성 분위기에서 상기 제 1 열처리 결과물을 제 2 열처리하는 단계; 및Performing a second heat treatment of the first heat treatment product in an oxidizing atmosphere; And 환원성 분위기에서 상기 제 2 열처리 결과물을 제 3 열처리하는 단계를 포함하는 전이금속 블랙촉매의 제조 방법.And a third heat treatment of the second heat treatment product in a reducing atmosphere. 제 14 항에 있어서, 상기 분산액이 상기 전이금속 전구체의 전이금속 100 중량부에 대하여 계면활성제 100 중량부 내지 400 중량부, 환원제 100 중량부 내지 400 중량부, 및 용매 100 중량부 내지 5000 중량부를 균일하게 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 전이금속 블랙촉매의 제조 방법.15. The method according to claim 14, wherein the dispersion is 100 parts by weight to 400 parts by weight of surfactant, 100 parts by weight to 400 parts by weight of reducing agent and 100 parts by weight to 5000 parts by weight of solvent with respect to 100 parts by weight of transition metal of the transition metal precursor. Method for producing a transition metal black catalyst, characterized in that to be prepared by mixing. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 열처리, 제 2 열처리, 또는 제 3 열처리가 200 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전이금속 블랙촉매의 제조 방법.15. The method of claim 14, wherein the first heat treatment, the second heat treatment, or the third heat treatment is performed at a temperature of 200 ° C to 500 ° C. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 열처리, 제 2 열처리, 또는 제 3 열처리가 250 ℃ 내지 350 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전이금속 블랙촉매의 제조 방법.The method of claim 14, wherein the first heat treatment, the second heat treatment, or the third heat treatment is performed at a temperature of 250 ° C. to 350 ° C. 15. 제 14 항에 있어서, 상기 전이금속 전구체가 전이금속의 탄화물(carbide), 산화물, 염화물, 질화물, 황화물, 황산염, 또는 질산염이고, 상기 전이금속이 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 전이금속 블랙촉매의 제조 방법.The method of claim 14, wherein the transition metal precursor is a carbide, oxide, chloride, nitride, sulfide, sulfate, or nitrate of the transition metal, the transition metal is platinum (Pt), ruthenium (Ru), osmium (Os) ), Cobalt (Co), palladium (Pd), gallium (Ga), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu) ), Zinc (Zn), aluminum (Al) or an alloy thereof. 제 14 항에 있어서, 상기 계면활성제가 테트라옥틸암모늄하이드로트리에틸보레이트(tetraoctylammonium hydrotriethylborate)인 것을 특징으로 하는 전이금속 블랙촉매의 제조 방법.15. The method of claim 14, wherein the surfactant is tetraoctylammonium hydrotriethylborate. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 열처리 내지 제 3 열처리가 각각 1 분 내지 60 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 전이금속 블랙촉매의 제조 방법.15. The method of claim 14, wherein the first to third heat treatments are performed for 1 to 60 minutes, respectively. 촉매층과 확산층을 포함하는 캐소드; 촉매층과 확산층을 포함하는 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체에 있어서, 상기 캐소드의 촉매층 및 상기 애노드의 촉매층 중의 적어도 하나가 제 1 항 내지 제 5 항에 따른 담지 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.A cathode comprising a catalyst layer and a diffusion layer; An anode comprising a catalyst layer and a diffusion layer; And an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode, wherein at least one of the catalyst layer of the cathode and the catalyst layer of the anode comprises a supported catalyst according to claims 1 to 5. Membrane electrode assembly. 촉매층과 확산층을 포함하는 캐소드; 촉매층과 확산층을 포함하는 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료전지에 있어서, 상기 캐소드의 촉매층 및 상기 애노드의 촉매층 중의 적어도 하나가 제 1 항 내지 제 5 항에 따른 담지 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.A cathode comprising a catalyst layer and a diffusion layer; An anode comprising a catalyst layer and a diffusion layer; And an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode, wherein at least one of the catalyst layer of the cathode and the catalyst layer of the anode comprises a supported catalyst according to claims 1 to 5. Fuel cell.
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