KR100866311B1 - Method for preparing n-rich nanoporous graphitic carbon nitride structure - Google Patents

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Abstract

A method of manufacturing nanoporous carbon nitride having nitrogen-rich structure is provided to arrange regularly spherical pores having macro size and to improve electrocatalyst activity which can be used as a supporter to the electrocatalyst of a fuel battery because nitrogen atoms are included in the structure. A method of manufacturing nanoporous carbon nitride having nitrogen-rich structure comprises steps of: preparing a colloidal silica mold in which spherical silica having macro size is laminated; heating the colloidal silica mold at 500 - 700 °C for 1 - 3 hours; injecting molecules precursors for the carbon nitride in the colloidal silica mold; stabilizing the colloidal silica mold infused by the molecules precursors at 60-80°C for 1-3 hours; carbonizing a mixture; and removing the silica colloidal mold. The colloidal silica mold is manufactured by laminating the spherical silica having macro size of 100 - 600 nm using a sedimentation method, a centrifugation method, a filtration method or a pressing method.

Description

질소 풍부한 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물 구조체의 제조방법{Method for Preparing N-Rich Nanoporous Graphitic Carbon Nitride Structure}Method for preparing nitrogen-rich nanoporous graphite carbon nitride structure {Method for Preparing N-Rich Nanoporous Graphitic Carbon Nitride Structure}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노다공성 그라파이트 탄소질화물 구조체 단면의 SEM 사진이다.1 is a SEM photograph of a cross section of a nanoporous graphite carbon nitride structure according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 나노다공성 그라파이트 탄소질화물 구조체의 XRD 패턴을 나타낸 도면이다.2 is a view showing an XRD pattern of the nanoporous graphite carbon nitride structure according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 나노다공성 그라파이트 탄소질화물 구조체의 XPS 스펙트럼이다.3 is an XPS spectrum of a nanoporous graphite carbon nitride structure according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 나노다공성 그라파이트 탄소질화물 구조체의 FT-IR 스펙트럼이다.4 is an FT-IR spectrum of a nanoporous graphite carbon nitride structure according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 나노다공성 그라파이트 탄소질화물 구조체의 질소 흡탁-탈착 등온선이다.5 is a nitrogen adsorption-desorption isotherm of a nanoporous graphite carbon nitride structure according to an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 Pt-Ru/C3N4 촉매의 TEM 사진이다.6 is a TEM photograph of a Pt-Ru / C 3 N 4 catalyst according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일실시예로부터 얻은 Pt-Ru/C3N4 촉매와 시판되는 E-TEK 촉매를 산화전극으로 사용하고 O2-공급 환원전극을 사용하여 직접 메탄올 연료 전지의 30℃ 및 60℃에서의 성능을 비교한 그래프이다.FIG. 7 illustrates the use of a Pt-Ru / C 3 N 4 catalyst obtained from an embodiment of the present invention and a commercially available E-TEK catalyst as an anode, and an O 2 -supplied cathode, and 30 ° C. of a direct methanol fuel cell. It is a graph comparing the performance in 60 degreeC.

도 8은 본 발명의 일실시예로부터 얻은 Pt-Ru/C3N4 촉매와 시판되는 E-TEK 촉매를 산화전극으로 사용하고 공기-호흡 모드 환원전극을 사용하여 직접 메탄올 연료 전지의 30℃ 및 60℃에서의 성능을 비교한 그래프이다.8 is a 30-degree C of a direct methanol fuel cell using a Pt-Ru / C 3 N 4 catalyst obtained from one embodiment of the present invention and a commercially available E-TEK catalyst as an anode and an air-breathing mode cathode; It is a graph comparing the performance in 60 degreeC.

도 9는 본 발명의 일실시예로부터 얻은 Pt-Ru/C3N4 촉매, 비교예로부터 얻은 Pt-Ru/OMC 촉매 및 E-TEK 촉매를 산화전극으로 사용하여 O2-공급 환원전극을 사용하여 직접 메탄올 연료 전지의 60℃에서의 성능을 비교한 그래프이다.9 is a Pt-Ru / C 3 N 4 catalyst obtained from one embodiment of the present invention, Pt-Ru / OMC catalyst and E-TEK catalyst obtained from a comparative example using an O 2 -feeding cathode This is a graph comparing the performance at 60 ℃ of direct methanol fuel cell.

본 발명은 질소 풍부한 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 연료 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는 매크로크기의 구형 포어가 규칙적으로 배열되고, 이들이 연결 포어에 의해 연결되어 삼차원적으로 상호 연결된 구조를 갖는 질소 풍부한 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 연료 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a nitrogen-rich nanoporous graphite carbon nitride, a method for preparing the same, and a fuel cell using the same. More specifically, the present invention relates to a nitrogen-rich nanoporous graphite carbon nitride having a structure in which macroscopic spherical pores are regularly arranged and connected by connecting pores to have a three-dimensional interconnected structure, a method for preparing the same, and a fuel cell using the same.

고표면적 및 잘-발달된 완전히 상호 연결된 포어는 촉매 지지체에 필수적이다. 탄소 물질은 이들의 산성 및 염기성 매질 모두에서 이들의 높은 안정성, 우수한 전기적 전도성 및 높은 비표면적 때문에 촉매 지지체로서 주로 사용되고 있다.High surface area and well-developed fully interconnected pores are essential to the catalyst support. Carbon materials are mainly used as catalyst supports because of their high stability, good electrical conductivity and high specific surface area in both their acidic and basic media.

고표면적 카본 블랙, 일면 Vulcan XC-72는 지지된 촉매를 제조하는데 가장 광범위하게 사용되고 있다. 사실상, 시판되는 E-TEK 촉매는 Vulcan XC-72에 지지된 Pt-Ru 합금 촉매이다.High surface area carbon black, one side Vulcan XC-72, is the most widely used to prepare supported catalysts. In fact, a commercially available E-TEK catalyst is a Pt-Ru alloy catalyst supported on Vulcan XC-72.

최근 10년간, 여러 가지 다른 탄소 물질, 예를 들면, 탄소 나노튜브, 그라파이트성 탄소 나노파이버, 나노다공성 탄소 및 메조탄소 마이크로비드가 새로운 지지체로 보고되고 있다.In recent decades, several other carbon materials such as carbon nanotubes, graphite carbon nanofibers, nanoporous carbon and mesocarbon microbeads have been reported as new supports.

새로운 구조의 탄소 지지체는 메조다공성 분자체 및 자가-조립된 콜로이달 실리카를 주형(template)으로 사용하여 합성하게 됨에 따라 현저한 진전이 있어 왔다. The new structure of carbon support has made significant progress as it is synthesized using mesoporous molecular sieves and self-assembled colloidal silica as a template.

이러한 탄소 지지체를 제조하기 위한 탄소 전구체로써는 디비닐벤젠, 수크로스, 페놀성 수지, 퍼퓨릴 알콜 및 폴리아크릴로니트릴이 일반적으로 사용되고 있지만, 비교적 낮은 온도 범위 700 내지 1000℃에서 열분해에 의해 얻어진 탄소는 그라파이트화가 미비하여 대부분 무정형이다. Divinylbenzene, sucrose, phenolic resin, perfuryl alcohol, and polyacrylonitrile are generally used as carbon precursors for preparing such carbon supports, but carbon obtained by pyrolysis in a relatively low temperature range of 700 to 1000 ° C Graphite is inadequate and mostly amorphous.

규칙적으로 배열된 다공성 그라파이트화 탄소에 대한 몇몇 기록이 있지만, 이것은 2000℃를 초과하는 고온에서 가열에 의해 일반적으로 합성될 수 있다. There are several records of regularly arranged porous graphitized carbon, but this can generally be synthesized by heating at high temperatures in excess of 2000 ° C.

고도로 규칙 배열된 나노포어를 갖는 피치-계 그라파이트화된 탄소는 콜로이달 결정형 주형을 가지고 고도로 규칙 배열된 다공성 탄소를 먼저 제조하고, 이어 서 주형 없는 다공성 탄소를 2500℃에서 가열하는 것으로 합성된다. 그라파이트화는 육각 방향족 고리에 형성된 sp2 하이브리드 탄소의 비편재된 π-오비탈로 인해 전자 전도성을 증가시킨다.Pitch-based graphitized carbon with highly ordered nanopores is synthesized by first preparing highly ordered porous carbon with a colloidal crystalline template, followed by heating the template-free porous carbon at 2500 ° C. Graphitization increases electron conductivity due to the unlocalized π-orbital of sp 2 hybrid carbons formed on hexagonal aromatic rings.

최근에는 향상된 경도, 내산화성 및 내화학성과 같은 새로운 특성의 기대에 기인하여 N, B 또는 Si와 같은 헤테로원자를 함유하는 탄소 물질에 대한 매우 큰 흥미가 있어왔다. 이들 중 가장 놀라운 물질은 탄소 질화물 상이다. 특히, 그라파이트성-C3N4는 촉매 및 하드 코팅 분야에서 특별한 기대를 갖는 새로운 물질이다.Recently, there has been a great interest in carbon materials containing heteroatoms such as N, B or Si due to the expectation of new properties such as improved hardness, oxidation resistance and chemical resistance. The most surprising of these is the carbon nitride phase. In particular, graphite-C 3 N 4 is a new material with particular expectations in the field of catalysts and hard coatings.

최근, 멜라민(2,4,6-트리아미노-s-트리아진), C3N3(NH2)3 및 기타 s-트리아진(시아누릭; -C3N4) 고리 화합물, 예를 들면 C3N3X3(X=Cl, F, OH, NHCl, N 또는 NCNH)은 C3N4의 그라파이트성 형태의 합성을 위한 분자 전구체로서 사용되고 있다.Recently, melamine (2,4,6-triamino-s-triazine), C 3 N 3 (NH 2 ) 3 and other s-triazine (cyanuric; -C 3 N 4 ) ring compounds, for example C 3 N 3 X 3 (X = Cl, F, OH, NHCl, N or NCNH) is being used as molecular precursor for the synthesis of the graphite form of C 3 N 4 .

C3N4 구조식을 갖는 탄소 질화물 필름, 중공 탄소 질화물 구 및 탄소 질화물 나노튜브는 다양한 분자 전구체 및 합성 방법을 사용하여 성공적으로 합성되었다. 최근에, 헥사고날적으로 규칙 배열된 메조다공성 탄소 질화물은 Vinu 등의 논문[A. Vinu, K. Ariga, T. Mori, T.Nakanishi, S. Hishita and D. Golberg, Adv . Mater., 2005, 17, 1648]에 의해 무기 주형을 사용하여 합성되는 것이 보고되었다. 그러나, Vinu의 방법으로 얻어지는 탄소 질화물은 대략 0.2의 N/C 원자 비율, 즉 상대적으로 매우 낮은 질소 함량을 갖고 있으며, 고도로 규칙 배열된 메조포어 배열에도 불구하고 그라파이트성이 매우 적은 것으로 밝혀졌다.Carbon nitride films, hollow carbon nitride spheres and carbon nitride nanotubes with a C 3 N 4 structure have been successfully synthesized using various molecular precursors and synthetic methods. Recently, hexagonally ordered mesoporous carbon nitrides have been described in Vinu et al. [A. Vinu, K. Ariga, T. Mori, T. Nakanishi, S. Hishita and D. Golberg, Adv . Mater ., 2005, 17, 1648 have been reported to synthesize using an inorganic template. However, the carbon nitrides obtained by Vinu's method have an N / C atomic ratio of approximately 0.2, i.e. a relatively very low nitrogen content, and have been found to be very low graphite despite the highly ordered mesopore arrangement.

지금까지, 질소 함량이 높은 균일한 포어 배열을 갖는 고도로 규칙 배열된 C3N4 나노구조의 합성을 주장하는 보고는 없었다. 높은 표면적 탄소 질화물에 대한 높은 흥미에도 불구하고, 고도로 규칙 배열된 나노다공성 구조를 갖는 질소 풍부한 탄소 질화물을 제조하는 것은 일반적으로 어렵다고 여겨져 왔다. To date, there have been no reports claiming the synthesis of highly ordered C 3 N 4 nanostructures with uniform pore arrangements with high nitrogen content. Despite the high interest in high surface area carbon nitrides, it has generally been considered difficult to produce nitrogen rich carbon nitrides having highly ordered nanoporous structures.

이에 본 발명자들은 고도로 규칙 배열된 매크로포어를 갖고 있으면서, 동시에 질소 함량이 풍부한 그라파이트성 탄소 질화물을 제조하기 위한 방법을 연구하면서, 주형으로써 콜로이달 실리카를 사용하고, 시안아미드와 같은 분자 전구체를 사용하여 이를 축합하여 제조하는 경우, 고도로 규칙 배열된 포어 배열을 가지면서 동시에 질소가 풍부한 그라파이트성 탄소 질화물을 얻을 수 있고, 이것이 또한 연료 전지의 촉매 지지 물질로 사용될 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.The present inventors have studied using a colloidal silica as a template, using a molecular precursor such as cyanamide, while studying a method for producing a graphite carbon nitride rich in nitrogen while having a highly ordered macropore. When produced by condensation, it has been found that graphite carbon nitrides rich in nitrogen while having a highly ordered pore arrangement can be obtained, which has also been found to be used as a catalyst support material for fuel cells and has completed the present invention.

따라서, 본 발명의 첫 번째 기술적 과제는 고도로 규칙 배열된 매크로포어를 가지면서, 동시에 질소 함량이 풍부한 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물 구조체를 제공하는 것이다.Accordingly, the first technical problem of the present invention is to provide a nanoporous graphite carbon nitride structure having a highly ordered macropore and at the same time rich in nitrogen.

또한, 본 발명의 두 번째 기술적 과제는 고도로 규칙 배열된 매크로포어를 가지면서, 동시에 질소 함량이 풍부한 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.In addition, a second technical problem of the present invention is to provide a method for producing a nanoporous graphite carbon nitride structure having a highly ordered macropore and at the same time rich in nitrogen.

또한, 본 발명의 세 번째 기술적 과제는 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물 구조체를 이용한 연료 전지용 촉매를 제공하는 것이다.In addition, a third technical problem of the present invention is to provide a fuel cell catalyst using a nanoporous graphite carbon nitride structure.

상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 매크로크기의 구형 포어가 규칙적으로 배열되고, 상기 매크로크기 구형 포어는 메조크기의 연결 포어로 3차원적으로 상호 연결된 형태를 갖는 질소 풍부한 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물 구조체를 제공한다.In order to achieve the first technical problem, the present invention is a nitrogen-rich nanoporous graphite having a macro-sized spherical pore is arranged regularly, the macro-sized spherical pore has a three-dimensional interconnected form with a meso-sized connection pore It provides a carbon nitride structure.

상기 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물 구조체의 매크로크기의 구형 포어는 사용되는 용도에 따라 그 크기가 결정될 수 있으며, 예를 들어 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물 구조체의 제조시 사용되는 콜로이달 실리카 주형의 실리카 구의 직경을 적절하게 선택하여 결정할 수 있다. 바람직하게는 매크로크기의 구형 포어는 40 내지 600㎚의 직경을 가지며, 메조크기의 포어는 10 내지 100nm의 크기를 갖는 것이고, 보다 바람직하게는 매크로크기의 구형 포어가 200 내지 300㎚의 직경을 가지며, 메조크기의 포어가 60 내지 80㎚의 크기를 갖는 것이다.The macro-sized spherical pore of the nanoporous graphite carbon nitride structure may be sized according to the intended use, for example, suitable diameter of the silica sphere of the colloidal silica template used in the manufacture of the nanoporous graphite carbon nitride structure Can be chosen. Preferably, the macro-sized spherical pore has a diameter of 40 to 600 nm, the meso-sized pore has a size of 10 to 100 nm, and more preferably the macro-sized spherical pore has a diameter of 200 to 300 nm. The meso-sized pores have a size of 60 to 80 nm.

또한, 상기 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물 구조체는 C3N4 구조식을 가지면서, N/C 원자 비율이 1.34 내지 1.38인 것이 바람직하다.In addition, the nanoporous graphite carbon nitride structure has a C 3 N 4 structural formula, it is preferable that the N / C atomic ratio is 1.34 to 1.38.

본 발명의 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the second technical problem of the present invention, the present invention

a) 매크로크기의 구형 실리카가 적층된 실리카 콜로이달 주형을 준비하는 단계;a) preparing a silica colloidal mold in which macro-sized spherical silica is laminated;

b) 탄소 질화물용 분자 전구체를 콜로이달 실리카 주형에 주입시키는 단계;b) injecting molecular precursors for carbon nitride into a colloidal silica template;

c) 분자 전구체 주입된 콜로이달 실리카 주형을 60 내지 80℃에서 1시간 내지 3시간 동안 안정화시키는 단계; c) stabilizing the molecular precursor injected colloidal silica template at 60-80 ° C. for 1 hour to 3 hours;

d) 혼합물을 탄소화시키는 단계; 및d) carbonizing the mixture; And

e) 실리카 콜로이달 주형을 제거하는 단계를 포함하는 질소 풍부한 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물 구조체의 제조방법을 제공한다.e) providing a method for preparing a nitrogen-rich nanoporous graphite carbon nitride structure comprising the step of removing the silica colloidal template.

상기 본 발명에 따른 제조방법중 a) 단계에서, 상기 실리카 콜로이달 주형은 문헌[G.S. Chai, S.B. Yoon, J.S. Yu, J.H. Choi and Y.E. Sung, J.Phys. Chem. B, 2004, 108, 7074]에서 제시하는 방법에 따라 제조될 수 있으며, 예를 들면, 매크로크기의 직경을 가진 구형 실리카를 침강법(sedimentation), 원심분리법(centrifugation), 여과법(filtration), 또는 압축법(pressing)을 사용하여 정렬 및 적층시켜 제조되는 것이 바람직하다. 실리카 구의 크기에 따라서, 최종적으로 얻어지는 나노다공성 그라파이트 질화물 구조체의 매크로포어의 크기가 작게 또는 크게 얻어질 수 있다.In step a) of the production method according to the present invention, the silica colloidal template is described in GS Chai, SB Yoon, JS Yu, JH Choi and YE Sung, J. Phys. Chem . B, 2004, 108, 7074 can be prepared according to the method, for example, sedimentation, centrifugation, filtration, or the like of spherical silica having a macrosize diameter, or It is preferably produced by aligning and laminating using pressing. Depending on the size of the silica sphere, the size of the macropores of the finally obtained nanoporous graphite nitride structure can be obtained small or large.

상기 본 발명에 따른 제조방법중 b) 단계에서는 a) 단계에서 형성된 상기 실리카 콜로이달 주형의 공극으로 탄소 질화물용 분자 전구체를 주입한다.In step b) of the manufacturing method according to the present invention, a molecular precursor for carbon nitride is injected into the pores of the silica colloidal template formed in step a).

상기 분자 전구체로는 시안아미드(CN-NH2), 멜라민(2,4,6-트리아미노-s-트리아진), C3N3(NH2) 및 s-트리아진 고리 화합물(C3N3X3(X=Cl, F, OH, NHCl, N 또는 NCNH)), 에틸렌디아민(NH2CH2CH2NH2) 또는 염화암모늄(NH4Cl)-사염화탄소(CCl4) 화합 물, 헥사클로로벤젠(C6Cl6)-아지트화나트륨(NaN3) 화합물, C3N3Cl3-NaN3(또는 NaNH2) 및 멜렘(Melem : 2,5,8-트리아미노-트리스-s-트리아진) 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하며, 이들은 액체 형태로써 주입될 수 있다. 가장 바람직한 것은 비교적 저온에서 나노캐스팅을 수행할 수 있는 낮은 용융점(45℃)을 갖는 시안아미드이다.The molecular precursors include cyanamide (CN-NH 2 ), melamine (2,4,6-triamino-s-triazine), C 3 N 3 (NH 2 ) and s-triazine ring compounds (C 3 N 3 X 3 (X = Cl, F, OH, NHCl, N or NCNH)), ethylenediamine (NH 2 CH 2 CH 2 NH 2 ) or ammonium chloride (NH 4 Cl) -carbon tetrachloride (CCl 4 ) compound, hexa Chlorobenzene (C 6 Cl 6 ) -sodium azide (NaN 3 ) compound, C 3 N 3 Cl 3 -NaN 3 (or NaNH 2 ) and melem (2,5,8-triamino-tris-s- Triazine) compounds, which may be injected in liquid form. Most preferred is cyanamide with a low melting point (45 ° C.) capable of carrying out nanocasting at relatively low temperatures.

분자 전구체를 실리카 콜로이달 주형의 공극으로 주입시키는 방법은 이 분야에서 일반적으로 사용되는 여러 방법이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 액체 상의 분자 전구체 용액중에 실리카 콜로이달 주형을 침지시켜 주형의 공극으로 분자 전구체 용액을 채우는 함침법 등이 이용될 수 있다.The method of injecting the molecular precursor into the pores of the silica colloidal template may be used a variety of methods commonly used in the art, for example, by immersing the silica colloidal template in the liquid precursor solution of the molecule into the pores of the mold An impregnation method for filling the precursor solution may be used.

상기 본 발명에 따른 제조방법중 c) 단계는 분자 전구체가 주입된 실리카 콜로이달 주형을 안정화시키는 것이다. 상기 안정화는 60 내지 80℃의 온도에서 1시간 내지 3시간 동안 유지하는 것을 통해 수행될 수 있으며, 이런 충분한 안정화 단계를 거침에 따라서 최종 생성물에서 질소 함량을 풍부하게 할 수 있다.Step c) of the manufacturing method according to the present invention is to stabilize the silica colloidal template injected with the molecular precursor. The stabilization can be carried out by maintaining for 1 hour to 3 hours at a temperature of 60 to 80 ℃, and through this sufficient stabilization step can enrich the nitrogen content in the final product.

상기 본 발명에 따른 제조방법중 d) 단계는 분자 전구체가 주입된 실리카 콜로이달 주형을 탄화시키는 것이다. 고온 열처리를 통해 분자 전구체의 축합이 일어나며, 온도가 600℃를 초과하거나 불활성 기체를 사용하지 않을 경우에는 분자 전구체가 축합이 일어나지 않고 전부 화소되기 때문에 불활성 가스 존재하 500 내지 600℃에서 3 내지 5시간 동안 수행되는 것이 바람직하며, 여기서 불활성 가스로는 아르곤 또는 질소 가스가 사용될 수 있고, 승온 속도는 1℃/분 내지 10℃/분의 범위 내로 한다.Step d) of the manufacturing method according to the present invention is to carbonize the silica colloidal template into which the molecular precursor is injected. Condensation of molecular precursors occurs through high temperature heat treatment, and when the temperature exceeds 600 ° C. or when no inert gas is used, the molecular precursors are completely pixelated without condensation, and thus 3 to 5 hours at 500 to 600 ° C. in the presence of inert gas. It is preferably carried out, in which argon or nitrogen gas may be used as the inert gas, and the temperature increase rate is in the range of 1 ° C / min to 10 ° C / min.

상기 탄화반응을 통해, 분자 전구체의 반응/축합에 의해 복제가 일어나며 그라파이트성 탄소 질화물이 형성된다. 예를 들면, 시안아미드의 경우, 하기의 같은 반응식을 통해 C3N4 네트워크 구조를 얻는다.Through the carbonization reaction, replication occurs by reaction / condensation of molecular precursors and graphite carbon nitride is formed. For example, in the case of cyanamide, the C 3 N 4 network structure is obtained through the following reaction scheme.

Figure 112007028678439-pat00001
Figure 112007028678439-pat00001

상기 반응을 통해 얻어진 C3N4 네트워크 구조체는 바깥 쪽 미응축된 아민기(NH2 또는 =NH기)로 대부분 조밀하게 종결되기 때문에, 또한 질소 함량이 증가된다고 여겨진다.The C 3 N 4 network structure obtained through this reaction is also considered to have an increased nitrogen content since it is mostly terminated densely with the outer uncondensed amine group (NH 2 or = NH group).

본 발명에 따른 제조방법중 실리카 주형의 제거단계(e)에서는 메조포어를 변형시키지 않으면서 구형의 실리카를 제거할 수 있는 방법을 이용한다. 이와 같은 방법으로 에칭법 또는 소성법이 있으며, 예를 들어, 에칭법은 수성 HF 또는 NaOH 용액으로 에칭한다. In the step (e) of removing the silica mold in the manufacturing method according to the present invention, a method of removing spherical silica without modifying mesopores is used. There is an etching method or a firing method in this manner, for example, the etching method is etched with aqueous HF or NaOH solution.

한편, 분자 전구체를 실리카 콜로이달 주형에 주입시키는 단계 이전에 포어 연결성을 제공하기 위해 실리카 콜로이달 주형을 500 내지 700℃에서 1시간 내지 3시간 동안 가열을 통해 약하게 소결시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable to further include the step of slightly sintering the silica colloidal mold by heating for 1 to 3 hours at 500 to 700 ℃ to provide pore connectivity prior to the step of injecting the molecular precursor into the silica colloidal mold Do.

결국, 상기와 같은 방법을 통해, 매크로크기의 구형 포어가 규칙적으로 배열되고, 상기 매크로크기 구형 포어는 메조크기의 연결 포어로 3차원적으로 상호 연결된 형태를 갖는 질소 풍부한 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물 구조체가 얻어진다.Finally, through the above method, the macro-sized spherical pores are regularly arranged, and the macro-sized spherical pores are nitrogen-rich nanoporous graphite carbon nitride structures having three-dimensionally interconnected forms with meso-sized connecting pores. Obtained.

본 발명에 따른 질소 풍부한 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물 구조체는 표면적이 크고 잘-발달된 3차원적으로 완전히 상호 연결된 포어를 가지고 있기 때문에, 연료전지의 촉매 지지체로서 적합하게 사용될 수 있다.Since the nitrogen-rich nanoporous graphite carbon nitride structure according to the present invention has a large surface area and a well-developed three-dimensionally interconnected pores, it can be suitably used as a catalyst support for fuel cells.

또한, 본 발명의 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 매크로크기의 구형 포어가 규칙적으로 배열되고, 상기 매크로크기 구형 포어는 메조크기의 포어으로 3차원적으로 상호 연결된 형태를 갖는 질소 풍부한 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물 구조체를 지지체로 포함하는 연료 전지용 전극 촉매를 제공한다.In addition, in order to achieve the third technical problem of the present invention, the present invention is a macro-sized spherical pore is arranged regularly, the macro-sized spherical pore is a nitrogen rich rich having a three-dimensional interconnected form as a meso-sized pore Provided is an electrode catalyst for a fuel cell comprising a nanoporous graphite carbon nitride structure as a support.

본 발명에 따른 연료 전지용 전극 촉매는 저온 연료전지, 구체적으로 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 직접 에탄올 연료전지(DEFC)와 같은 액상의 알코올을 직접 연료로 사용하는 연료 전지는 물론 고분자 전해질막 연료전지 또는 수소 연료 전지의 산화(연료극) 및 환원(공기극) 전극에도 응용될 수 있다.The electrode catalyst for a fuel cell according to the present invention is a low temperature fuel cell, specifically a fuel cell using a liquid alcohol such as a direct methanol fuel cell (DMFC) or a direct ethanol fuel cell (DEFC) as a direct fuel, as well as a polymer electrolyte membrane fuel cell. Alternatively, the present invention may also be applied to oxidation (fuel electrodes) and reduction (air electrodes) electrodes of hydrogen fuel cells.

본 발명에 따른 연료 전지용 전극 촉매에 사용되는 활성 금속으로는 연료 전지의 연료의 산화반응에 활성을 가진 임의의 금속일 수 있으며, 예를 들면 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 코발트(Co) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상의 금속을 포함한다. 예를 들어, 백금(Pt)과 같은 단일성분계 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 합금과 같은 2성분계 등 공지의 촉매 금속은 물론, 3성분계, 예를 들어, Pt-Ru-Rh, Pt-Ru-Co, Pt-Ru-Mo 합금, 4성분계, 예를 들어, Pt-Ru-Co-W 합금 또는 Pt-Ru-Mo-W 합금, 기타 다성분계 촉매 금속을 포함할 수 있다. 이들 금속들은 적게는 촉매 전체 중량의 10%에서, 많게는 90중량% 이상, 바람직하게는 20 내지 80중량%의 양으로 담지될 수 있다.The active metal used in the electrode catalyst for fuel cell according to the present invention may be any metal having an activity in the oxidation reaction of the fuel of the fuel cell, for example platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh) , At least one metal selected from the group consisting of molybdenum (Mo), osmium (Os), iridium (Ir), rhenium (Re), palladium (Pd), vanadium (V), cobalt (Co) and tungsten (W) do. For example, well-known catalytic metals such as monocomponent systems such as platinum (Pt) or bicomponent systems such as platinum-ruthenium (Pt-Ru) alloys, as well as three-component systems such as Pt-Ru-Rh, Pt-Ru -Co, Pt-Ru-Mo alloys, four-component systems, such as Pt-Ru-Co-W alloys or Pt-Ru-Mo-W alloys, and other multicomponent catalyst metals. These metals may be supported in an amount of at least 10% of the total weight of the catalyst, and at least 90% by weight, preferably 20 to 80% by weight.

이하, 본 발명은 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

실시예Example 1 One

나노다공성 Nanoporosity 그라파이트Graphite 탄소 질화물( Carbon nitride ( CC 33 NN 44 ) 구조체 제조) Structure manufacturing

1L 둥근바닥 플라스크에 에탄올(absolute) 1000 ml, 28wt% 암모니아수 40 ml, 증류수 40 ml를 투입한 후 충분히 교반하여 균일하게 혼합한 다음, TEOS(테트라에틸오르소실리케이트) 60 ml를 넣고 용액 내의 실리콘 알콕사이드 이온들이 충분히 가수 분해되어 균일한 크기로 성장할 수 있도록 약 6 내지 7시간 동안 교반시켰다. 1000 ml of ethanol (absolute), 40 ml of 28wt% ammonia and 40 ml of distilled water were added to a 1L round bottom flask, and the mixture was thoroughly stirred and mixed uniformly. Then, 60 ml of TEOS (tetraethylorthosilicate) was added to the silicon alkoxide in the solution. Stir for about 6-7 hours to allow the ions to sufficiently hydrolyze and grow to uniform size.

실리카 에탄올 현탁액을 약 3000rpm으로 20 내지 30분간 원심분리시켜 콜로이달 실리카에서 에탄올 용액을 제거한 후, 콜로이달 실리카를 증류수로 세척하고 원심분리하는 과정을 2 내지 3회 반복한 후 오븐에서 70 내지 80℃로 건조하여 평균 직경 250nm 정도의 구형 실리카를 얻었다.After centrifuging the silica ethanol suspension at about 3000 rpm for 20 to 30 minutes to remove the ethanol solution from the colloidal silica, the colloidal silica was washed with distilled water and centrifuged two to three times, and then 70 to 80 ℃ in the oven. Dried to obtain spherical silica having an average diameter of about 250 nm.

이어서 상기에서 얻은 구형 실리카 1 g을 침강법을 사용하여 잘 적층시켜 실리카 콜로이달 주형을 만들었다.Subsequently, 1 g of the spherical silica obtained above was laminated well using a sedimentation method to form a silica colloidal mold.

건조된 실리카 콜로이달 주형을 포어 연결성을 제공하기 위하여 이들의 접촉점에서 600℃의 온도에서 2시간 동안 가열하는 것으로 약하게 소결시켰다.The dried silica colloidal molds were lightly sintered by heating at 600 ° C. for 2 hours at their contact points to provide pore connectivity.

분자 전구체로써 시안아미드를 콜로이달 실리카 주형의 공극 내로 침투시키기 위해, 액체 시안아미드 0.74㎖ 중에 콜로이달 실리카 주형 0.8g을 진공하 70℃에서 투입하고, 상기 시안아미드 용액 중에 투입된 콜로이달 실리카 주형을 60분 동안 그 상태로 유지하였다. 이어서, 상기 실리카 주형을 공기중에서 건조시킨 후, 에탄올 용액으로 세척하여 과량의 시안아미드를 제거하였다. 이어서, 상기 실리카 주형을 아르곤 가스를 흐르게 하면서 분당 3℃의 가열 속도로 550℃에서 4시간 동안 탄화시켰다. 얻어진 복합체에서 실리카 주형을 제거시키기 위해 수성 HF에 침지시키고, 얻어진 잔사물을 여과하고 증류수로 여러 번 세척하고 70℃ 오븐에서 건조시켜 나노다공성 그라파이트 C3N4 구조체 0.4g를 얻었다.In order to infiltrate the cyanamide into the pores of the colloidal silica template as the molecular precursor, 0.8 g of the colloidal silica template was added in 0.74 ml of liquid cyanamide at 70 ° C. under vacuum, and the colloidal silica template added in the cyanamide solution was 60 It stayed there for minutes. The silica template was then dried in air and then washed with ethanol solution to remove excess cyanamide. The silica template was then carbonized at 550 ° C. for 4 hours with argon gas flowing at a heating rate of 3 ° C. per minute. The obtained composite was immersed in aqueous HF to remove the silica template, and the obtained residue was filtered, washed several times with distilled water and dried in an oven at 70 ° C. to obtain 0.4 g of nanoporous graphite C 3 N 4 structure.

상기 실시예 1에서 얻은 나노다공성 그라파이트 C3N4 구조체의 단면을 주사 전자 현미경(SEM)으로 촬영하여 이를 도 1에 나타내었고, 또한 실시예 1에서 얻은 나노다공성 그라파이트 C3N4 구조체의 XRD 패턴을 분석하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.A cross section of the nanoporous graphite C 3 N 4 structure obtained in Example 1 was photographed by scanning electron microscopy (SEM) and is shown in FIG. 1, and the XRD pattern of the nanoporous graphite C 3 N 4 structure obtained in Example 1 was also obtained. Was analyzed and the results are shown in FIG. 2.

여기서, 주사 전자 현미경(SEM)은 10kV의 엑샐레이션 전압에서 작동하는 Hitachi S-4700을 사용하였고, X-레이 회절(XRD) 패턴은 40kV 및 20mA에서 4°/분의 스캔 속도에서 Cu Ka 방사를 갖는 Rigaku diffractomer를 사용하여 분석하였다.Here, Scanning Electron Microscopy (SEM) used Hitachi S-4700 operating at 10kV excitation voltage, and X-ray diffraction (XRD) pattern showed Cu Ka radiation at 4k / min scan rate at 40kV and 20mA. Were analyzed using Rigaku diffractomer.

비교예Comparative example 1 One

규칙 배열된 매크로다공성 탄소(Ruled macroporous carbon ( OMCOMC ) 구조체의 제조Manufacture of Structure

상기 실시예 1과 동일하게 구형 실리카를 제조한 후, 직경이 약 250nm의 균일한 크기를 가진 구형 실리카 1 g을 침강법을 사용하여 잘 적층시켜 실리카 주형을 만든 후 디비닐벤젠(divinylbenzene) 단량체 4ml에 AIBN(개시제) 0.1845g의 비율로 혼합한 용액에 상기 주형을 침지하여 공극에 DVB 와 AIBN 을 주입한 후 약 70℃에서 12시간 동안 라디칼 중합시킨 후, 튜브 퍼니스(Tube furnace)에서 아르곤 가스를 흘려보내면서 약 1000℃에서 8시간 동안 탄소화 반응을 시킨 다음 불화수소 용액을 사용하여 실리카 주형을 제거함으로써 규칙 배열되 매크로다공성 탄소 구조체(OMC)를 합성하였다.After preparing the spherical silica in the same manner as in Example 1, 1 g of spherical silica having a uniform size of about 250 nm in diameter was laminated well using a sedimentation method to form a silica mold, and then 4 ml of divinylbenzene monomer. The mold was immersed in a solution mixed at a ratio of 0.1845 g of AIBN (initiator), and then injected into the pores with DVB and AIBN, followed by radical polymerization at about 70 ° C. for 12 hours, followed by argon gas in a tube furnace. A carbonaceous reaction was performed at about 1000 ° C. for 8 hours while flowing, followed by removal of the silica template using a hydrogen fluoride solution to synthesize a regularly arranged macroporous carbon structure (OMC).

상기 비교예 1에서 얻은 매크로다공성 탄소(OMC) 구조체의 XRD 패턴을 분석하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.The XRD pattern of the macroporous carbon (OMC) structure obtained in Comparative Example 1 was analyzed and the results are shown in FIG. 2.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 C3N4 구조체는 매크로크기의 구형 포어(1) 가 규칙적으로 배열되고, 상기 매크로크기 구형 포어는 메조크기의 포어(2)으로 3차원적으로 상호 연결된 형태를 가짐을 확인할 수 있다. 즉, 큰 원으로 나타낸 매크로포어(1)에 양쪽의 검은색 점으로 나타낸 것이 메조크기의 연결 포어(2)이다. 여기서, 매크로포어(1)은 대략 240㎚의 직경을 갖고 있으며, 메조크기의 연결포어(2)는 약 60㎚의 크기를 갖는다. Referring to FIG. 1, in the C 3 N 4 structure according to the present invention, macro-sized spherical pores 1 are regularly arranged, and the macro-sized spherical pores are three-dimensionally interconnected with meso-sized pores 2. It can be confirmed that it has a form. That is, the meso-sized connecting pores 2 are shown by the black dots on both sides of the macropores 1 represented by the large circles. Here, the macropores 1 have a diameter of approximately 240 nm, and the meso-sized connecting pores 2 have a size of about 60 nm.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 C3N4 구조체는 (002)에서 강하고 날카로운 피크가 관찰되었으며, (100), (101) 및 (004)에서 약한 피크가 관찰되었다. 반면, 비교예 1에 따른 탄소 구조체는 (002), (100), (101) 및 (004)에서 유사한 패턴을 보여주고 있지만, (002) 피크의 강도에서 현저한 차이를 보여주었다. (002) 피크는 그라파이트화의 정도를 나타내는 척도이다. 본 발명에 따른 C3N4 구조체가 보통의 폴리머계 탄소보다 더 많이 그라파이트화 되었다는 것을 보여준다.Referring to FIG. 2, strong and sharp peaks were observed at (002), and weak peaks were observed at (100), (101), and (004) of the C 3 N 4 structure according to the present invention. On the other hand, the carbon structure according to Comparative Example 1 shows a similar pattern in (002), (100), (101) and (004), but showed a significant difference in the intensity of the (002) peak. (002) The peak is a measure of the degree of graphitization. It is shown that the C 3 N 4 structure according to the invention is more graphite than the usual polymeric carbon.

C3N4 구조체의 (002) 피크는 그라파이트에 대한 0.335nm의 d-spacing과 일치하고 있으며, 0.328nm의 층간 d-spacing에 해당한다. 비교예 1의 OMC 구조체의 넓은 (002) 피크는 0.352nm의 d-spacing을 보여주고 있다.The (002) peak of the C 3 N 4 structure is consistent with 0.335 nm d-spacing for graphite and corresponds to 0.328 nm interlayer d-spacing. The broad (002) peak of the OMC structure of Comparative Example 1 shows d-spacing of 0.352 nm.

시험예Test Example 1 One

특성 평가Property evaluation

실시예 1에서 얻은 C3N4 구조체의 특성을 하기와 같은 방법을 이용하여 평가하였다.The properties of the C 3 N 4 structure obtained in Example 1 were evaluated using the following method.

· 서베이 (Survey) 스캔 XPS 스펙트로스코피 : 여기원으로써 Al Kα x-레이를 사용하고 ESCALAB 250 x-레이 포토일렉트론 스펙트로미터로 측정하여 그 결과를 도 3에 나타냄.· Survey (Survey) scan XPS Spectroscopy: using Al Kα x- rays as an excitation source, and x- ray ESCALAB 250 as measured by photo electron spectrometer indicates that the results in Fig.

· 푸리에- 트랜스폼 적외선(FT-IR) 스펙트로스코피 : Perkin-Elmer Fourier Transform infrared 스펙트로미터로 측정하여 그 결과를 도 4에 나타냄. Fourier- Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy : measured with a Perkin-Elmer Fourier Transform infrared spectrometer and the results are shown in FIG. 4.

· 원소 분석 : EA 1110 원소 분석기를 사용하여 분석함. Elemental analysis : analyzed using EA 1110 elemental analyzer.

· EDX 분석 : Energy Dispersive X-ray Spectrometer를 사용하여 분석함. EDX analysis : analyzed using Energy Dispersive X-ray Spectrometer.

· 질소 흡착 및 탈착 등온선 : -196℃에서 가스 흡착 분석기 KICT-SPA 3000S를 사용하여 측정하여 그 결과를 도 5에 나타냄. Nitrogen adsorption and desorption isotherms : measured using a gas adsorption analyzer KICT-SPA 3000S at -196 ° C and the results are shown in FIG.

· 비표면적 : BET(Brunauer-Emmett-Teller) 식을 사용하여 0.05 내지 0.15 범위의 상대 압력 범위에서 질소 흡착으로부터 결정함. Specific surface area : determined from nitrogen adsorption in the relative pressure range in the range of 0.05 to 0.15 using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) equation.

서베이(Survey) 스캔 XPS 스펙트럼을 보여주는 도 3을 통해 실시예 1로부터 얻은 C3N4 구조체가 탄소, 질소 및 소량의 산소를 포함함을 확인할 수 있다. C1s 스펙트럼은 두 개의 피크로 탈회선(deconvoluted) 되었고, 주된 288.1eV에서의 피크는 sp2-결합된 탄소(C=N)을 나타내고, 284.7ev에서 약한 피크는 문헌과 우수하게 일치하는 그라파이트성 탄소를 나타낸다. N1s 스펙트럼은 sp2 혼성화된 질소의 두 가지 유형, Nα(398.6 eV: 두 개의 이웃하는 원자에 결합) 및 Nβ(400.4eV : 세 개의 이웃하는 원자에 결합)를 나타낸다. Nα에 대응하는 피크 영역은 Nβ에 대응하 는 피크의 전체 영역의 약 3배이다. Figure 3 showing the Survey Scan XPS spectrum shows that the C 3 N 4 structure obtained from Example 1 contains carbon, nitrogen and a small amount of oxygen. The C1s spectra were deconvoluted into two peaks, the peak at the main 288.1 eV showing sp 2 -bonded carbon (C = N), and the weak peak at 284.7ev is a graphite carbon which is in good agreement with the literature. Indicates. The N1s spectrum shows two types of sp 2 hybridized nitrogen, Nα (398.6 eV: bound to two neighboring atoms) and Nβ (400.4eV: bound to three neighboring atoms). The peak region corresponding to Nα is about three times the total region of the peak corresponding to Nβ.

본 발명에 따른 C3N4 구조체를 원소 분석 및 EDX 분석한 결과, 각각 1.38 및 1.35의 N/C 원자 비율을 보여주고 있다. 이를 통해 C3N4에 대한 1.33의 이론값으로 기대될 수 있는 것보다 약간 더 높은 질소 함량을 갖는 것으로 확인되었다. 본 발명에 따른 C3N4 구조체가 보다 높은 N 함량을 갖는 것은 얻어진 나노다공성 네트워크의 외부 표면 구조에서 질소 함량을 증가시키는 미응축된 아민기(NH2 또는 =NH기)로 대부분 조밀하게 종결되기 때문인 것으로 여겨진다.Elemental analysis and EDX analysis of the C 3 N 4 structure according to the present invention showed N / C atomic ratios of 1.38 and 1.35, respectively. This was confirmed to have a slightly higher nitrogen content than would be expected with a theoretical value of 1.33 for C 3 N 4 . The higher N content of the C 3 N 4 structure according to the present invention is mostly terminated densely with uncondensed amine groups (NH 2 or = NH groups) which increase the nitrogen content in the outer surface structure of the resulting nanoporous network. It seems to be because.

FT-IR 스펙트럼을 보여주는 도 4를 통해서는 축합된 방향족 CN 헤테로사이클의 존재를 확인할 수 있다. 스펙트럼의 전체 특징은 기타 그라파이트성 C3N4 시스템의 그것과 유사하였다.4 showing the FT-IR spectrum confirms the presence of the condensed aromatic CN heterocycle. The overall characteristics of the spectrum were similar to that of other graphite C 3 N 4 systems.

도 5의 질소 흡착 및 탈착 등온선은 H1 히스테리시스 루프를 갖는 타입-II를 보여주고 있으며, 이는 매크로다공성 물질에서의 흡착에 기인한다. 비교적 고압 범위에서 날카로운 모세관 응축은 프레임워크 중에 비교적 균일한 매크로포어의 존재를 보여주는 것이다. 마이크로포어 부피는 저압 범위에서 매우 적은 질소 흡착(uptake)에 따라 거의 관찰되지 않으며, 이는 그라파이트성 물질의 전형적 특징이다. 또한, 흡착된 질소기체 분자의 부피를 이용하여 본 발명에 따른 C3N4 구조체의 비표면적 및 전체 포어 부피를 측정한 결과, 비표면적은 108㎡/g이 되고 전체 포어 부피는 0.41㎤/g이 됨이 밝혀졌다. 이는 고도로 그라파이트된 매크로다공성 탄소의 비표면적 115㎡/g과 전체 포어 부피 1.12㎤/g와 유사하였다.The nitrogen adsorption and desorption isotherms of FIG. 5 show Type-II with H1 hysteresis loop, due to adsorption on the macroporous material. Sharp capillary condensation in the relatively high pressure range shows the presence of relatively uniform macropores in the framework. Micropore volumes are rarely observed with very low nitrogen uptake in the low pressure range, which is a typical feature of graphite materials. In addition, the specific surface area and total pore volume of the C 3 N 4 structure according to the present invention were measured using the volume of the adsorbed nitrogen gas molecules, and the specific surface area was 108 m 2 / g and the total pore volume was 0.41 cm 3 / g. It turned out. This was similar to the specific surface area 115 m 2 / g of the highly graphite macroporous carbon and the total pore volume 1.12 cm 3 / g.

상기 XPS, FT-IR 등의 결과로부터 본 발명에 따른 C3N4 구조체는 다음 화학식과 같은 삼각의 N원자에 의해 가교된 새로운 트리-s-트리아진 고리(C6N7)임을 확인할 수 있고, Nα는 s-트리아진 고리중 2개의 이웃하는 탄소원자에 연결된 N 원자를 나타내고, Nβ는 3개의 이웃하는 원자에 3배 배위치를 만드는 트리고날 N 원자를 나타낸다. Nσ/Nβ의 원자비는 3이며, 이는 XPS 측정으로 확인된다.From the results of XPS, FT-IR and the like, it can be confirmed that the C 3 N 4 structure according to the present invention is a new tri-s-triazine ring (C 6 N 7 ) crosslinked by a triangular N atom as shown in the following formula. , Nα represents an N atom linked to two neighboring carbon atoms of the s-triazine ring, and Nβ represents a trigonal N atom that makes three-fold assignment to three neighboring atoms. The atomic ratio of Nσ / Nβ is 3, which is confirmed by XPS measurement.

Figure 112007028678439-pat00002
Figure 112007028678439-pat00002

실시예Example 2 2

나노다공성 Nanoporosity CC 33 NN 44 구조체  Structure 지지된Supported Pt- Pt- RuRu 합금 촉매의 제조 Preparation of Alloy Catalyst

실시예 1에서 얻은 나노다공성 C3N4 구조체 1.0g를 100㎖ HNO3(10% v/v) 용액 에 첨가하였다. 현탁물을 48시간 동안 실온에서 교반하고, 이어서 활성화된 지지체를 얻기 위해 여과하였다.1.0 g of the nanoporous C 3 N 4 construct obtained in Example 1 was added to 100 mL HNO 3 (10% v / v) solution. The suspension was stirred for 48 hours at room temperature and then filtered to obtain an activated support.

지지된 Pt50-Ru50 촉매는 촉매 전구체로써 클로로플라틴산과 루테늄 클로라이드, 계면활성제로써 플루오닉 L64(EO13PO30EO13), 및 환원제로써 NaBH4를 사용하여 계면활성제-안정화 방법에 의해 제조하였다. Supported Pt 50 -Ru 50 catalysts were prepared by the surfactant-stabilization method using chloroplatinic acid and ruthenium chloride as catalyst precursor, fluoric L64 (EO 13 PO 30 EO 13 ) as surfactant, and NaBH 4 as reducing agent. It was.

즉, 동몰 H2PtCl2·6H2O 및 RuCl3·xH2O 0.58g을 탈이온수 100㎖에 용해시키고, L64 6.7㎖을 주변 온도에서 교반하면서 첨가하여 금속염 용액을 제조하였다. That is, 0.58 g of equimolar H 2 PtCl 2 · 6H 2 O and RuCl 3 · xH 2 O were dissolved in 100 mL of deionized water, and 6.7 mL of L64 was added with stirring at ambient temperature to prepare a metal salt solution.

실시예 1에서 얻은 활성 탄소 질화물 0.388g을 탈이온수 200㎖에 현탁시켜 균질한 용액을 교반에 의하여 얻었다. 0.388 g of the activated carbon nitride obtained in Example 1 was suspended in 200 mL of deionized water to obtain a homogeneous solution by stirring.

이어서, 이 용액 200㎖을 금속염 용액 100㎖과 혼합하였다. 혼합물을 NaOH를 적가하는 것으로 pH 8로 조정하였다. Pt-Ru/지지체 반응 혼합물에 NaBH4 용액(이것은 탈이온수에 적절한 양의 NaBH4를 용해시키는 것에 의해 제조됨) 50㎖를 빠르게 투입하여 Pt 및 Ru 이온의 완전한 환원을 위해 4시간 이상 충분히 교반하였다. Pt-Ru/지지체 촉매 슬러리를 반응용기의 바닥에 침강시켜 수집하였다. 촉매 슬러리를 이어서 여과하고, 과량의 에탄올-물(50:50 = v/v) 용액, 탈이온수로 철저하게 세정하고, 70℃의 진공 오븐에서 건조하여 촉매 전제중량을 기준으로 60중량% 금속 로딩의 Pt50-Ru50 촉매를 제조하였다.Next, 200 ml of this solution was mixed with 100 ml of the metal salt solution. The mixture was adjusted to pH 8 by the dropwise addition of NaOH. 50 ml of a NaBH 4 solution (which is prepared by dissolving an appropriate amount of NaBH 4 in deionized water) was quickly added to the Pt-Ru / support reaction mixture and stirred well for at least 4 hours for complete reduction of Pt and Ru ions. . Pt-Ru / support catalyst slurry was collected by sedimentation at the bottom of the reaction vessel. The catalyst slurry was then filtered, thoroughly washed with excess ethanol-water (50:50 = v / v) solution, deionized water and dried in a vacuum oven at 70 ° C. to 60% by weight metal loading based on the catalyst total weight. Pt 50 -Ru 50 catalyst was prepared.

또한, 상기 촉매의 TEM 사진을 도 6에 나타내었다. 도 6에서 보여지는 바와 같이, Pt-Ru 합금 나노입자는 비록 금속 입자의 작은 응집이 시료 중에서 단발적으로 발견되고 있지만 C3N4의 표면상에 작은 구형의 균일한 크기로 균질하게 분산되고 있다. 상기 시료로부터 랜덤하게 선택된 영역에서 TEM 포토그래프로부터 직접적으로 측정된 입자 크기는 약 3.0nm의 크기 범위로 확인되었다. 이것은 Scherrer equation에 의한 Pt Fcc lattice의 (220) X-레이 회절 피크로부터 평균 입자 크기 분석을 통해 추가로 확인하였다.In addition, a TEM photograph of the catalyst is shown in FIG. 6. As shown in FIG. 6, the Pt-Ru alloy nanoparticles are homogeneously dispersed in a small spherical uniform size on the surface of C 3 N 4 , although small aggregations of metal particles are found in the sample only once. . The particle size measured directly from the TEM photograph in the region randomly selected from the sample was found to be a size range of about 3.0 nm. This was further confirmed by the mean particle size analysis from the (220) X-ray diffraction peak of Pt Fcc lattice by the Scherrer equation.

여기서, 상기 TEM은 200kV에서 EM 912 오메가로 촬영하고, 고해상 TEM 이미지는 200kV에서 작동하는 투과 전자 현미경(JEOL FE-2010)을 사용하였다.Here, the TEM was taken with an EM 912 omega at 200 kV, and a high resolution TEM image was used with a transmission electron microscope (JEOL FE-2010) operating at 200 kV.

비교예Comparative example 2 2

비교예 1에서 얻은 규칙 배열된 매크로다공성 탄소(OMC) 구조체 0.388g을 탄소 지지체로 사용하여 실시예 2에서와 동일한 방법을 반복하여 60% 금속 로딩의 Pt50-Ru50 촉매를 제조하였다.Using the same ordered macroporous carbon (OMC) structure obtained in Comparative Example 1 0.388g as a carbon support, the same method as in Example 2 was repeated to prepare a Pt 50 -Ru 50 catalyst with 60% metal loading.

비교예Comparative example 3 3

시판되는 60% 금속 로딩의 E-TEK 촉매(제조사 : E-TEK)를 사용하였다.A commercially available 60% metal loading of E-TEK catalyst (manufactured by E-TEK) was used.

시험예Test Example 2 2

상기 실시예 2, 비교예 2 및 3의 전극 촉매의 전극 촉매 활성을 평가하기 위 하여, 2㎠ 단면 촉매 영역을 갖는 DMFC(직접 메탄올 연료 전지) 단위 전지를 사용하고, 포텐티오미터 워크 스테이션(WMPG-1000)을 사용하여 30℃ 및 60℃에서 활성을 측정하여 그 결과를 도 7 내지 도 9에 나타내었다. In order to evaluate the electrode catalyst activity of the electrode catalysts of Examples 2, Comparative Examples 2 and 3, a potentiometer workstation (WMPG) using a DMFC (direct methanol fuel cell) unit cell having a 2 cm 2 cross-sectional catalyst area was used. -1000) was used to measure the activity at 30 ° C and 60 ° C and the results are shown in FIGS. 7 to 9.

멤브레인 전극 어셈블리(MEA)는 산화전극(실시예 2, 비교예 2 또는 3) 및 환원전극(Johnson Matthey Pt Black(5.0㎎/㎠)) 사이에 삽입된 예비처리된 Nafion-115(듀폰) 멤브레인을 핫-프레싱(200psi의 압력하 135℃에서 5분동안)하여 만들었고, 먼저 요구된 양의 지지된 촉매 잉크를 테플론화된 탄소 페이퍼(TGPH-090)상에 도포하고 70℃ 오븐에서 1시간 동안 건조시켰다. The membrane electrode assembly (MEA) comprises a pretreated Nafion-115 (DuPont) membrane inserted between an anode (Example 2, Comparative Example 2 or 3) and a cathode (Johnson Matthey Pt Black (5.0 mg / cm 2)). Made by hot-pressing (for 5 minutes at 135 ° C. under 200 psi pressure), the required amount of supported catalyst ink was first applied onto teflonized carbon paper (TGPH-090) and dried in an 70 ° C. oven for 1 hour. I was.

촉매 잉크는 촉매 100mg과 5중량% Nafion 용액 0.763㎖와 혼합하여 만들고, 사용전에 교반하였다. 산화 및 환원 전극은 탄소 페이퍼와 탄소-지지된 촉매 층으로 구성된다. 산화 및 환원 전극에서 촉매 로딩은 각각 3.0(Pt-Ru 금속만) 및 5.0 mg/㎠(Johnson Matthey로부터 비지지된 Pt 촉매층)이다. Nafion-115 멤브레인은 1시간 동안 3중량% H2O2에서 우선 끓이고, 이어서 0.5M H2SO4에서 1시간 동안 끓여서 예비 처리하였다. 단위전지 테스트 단위전지는 두 개의 강철 엔드 플레이트 및 산화전극에는 메탄올 통로를 허용하고 환원전극에는 산소 가스의 통로를 허용하는 립-채널 패턴을 갖는 두개의 그라파이트 플레이트로 구성된다. 2.0M 메탄올 용액을 Masterflex liquid micropump에 의한 1.5mL/분의 유속으로 산화전극에 공급되고, 반면 건조된 O2는 플로우미터를 통해 100cc/분의 속도로 환원전극에 공급된다. 또 다른 일련의 실험은 DMFC와 동일한 조건을 유지하면서 O2 가스 공급 모드 대신 환원 전극 측에 공기-호흡 모드로 수행하였다. The catalyst ink was made by mixing with 100 mg of catalyst and 0.763 ml of a 5 wt% Nafion solution and stirred before use. The oxidation and reduction electrodes consist of carbon paper and a carbon-supported catalyst layer. Catalyst loading at the oxidation and reduction electrodes is 3.0 (Pt-Ru metal only) and 5.0 mg / cm 2 (Pt catalyst layer unsupported from Johnson Matthey), respectively. The Nafion-115 membrane was pretreated by first boiling in 3% by weight H 2 O 2 for 1 hour and then by boiling in 0.5MH 2 SO 4 for 1 hour. Unit cell test The unit cell consists of two steel end plates and two graphite plates with a lip-channel pattern allowing the passage of methanol to the anode and the passage of oxygen gas to the cathode. 2.0 M methanol solution is fed to the anode at a flow rate of 1.5 mL / min by Masterflex liquid micropump, while dried O 2 is fed to the cathode at a rate of 100 cc / min via a flow meter. Another series of experiments was conducted in air-breathing mode on the reduction electrode side instead of O 2 gas supply mode while maintaining the same conditions as DMFC.

도 7은 60중량% Pt-Ru/C3N4 및 60중량% Pt-Ru/E-TEK 촉매를 산화전극으로 사용하고 O2-공급 환원전극을 사용하여 30℃ 및 60℃에서 결정된 DMFC의 극성 곡선이다. 400mV에서 측정된 전류 밀도는 Pt-Ru/C3N4 및 Pt-Ru/E-TEK 촉매에 대해서 30℃에서 각각 130mA/㎠ 및 55mA/㎠이며, 60℃에서 각각 330mA/㎠ 및 140mA/㎠이며, 이는 Pt-Ru/E-TEK와 비교하여 Pt-Ru/C3N4가 2배 이상 증가함을 보여주고 있다. 최대 동력 밀도는 Pt-Ru/C3N4 및 Pt-Ru/E-TEK 촉매에 대해서 30℃에서 각각 77mW/㎠ 및 42mW/㎠이며, 60℃에서 각각 180mW/㎠ 및 103mW/㎠이며, 이는 Pt-Ru/C3N4 촉매가 동일한 테스트 조건하에서 Pt-Ru/E-TEK 보다 약 73 내지 83% 우수한 성능을 보여주었다. FIG. 7 shows DMFC determined at 30 ° C. and 60 ° C. using 60 wt% Pt-Ru / C 3 N 4 and 60 wt% Pt-Ru / E-TEK catalysts as anodes and O 2 -supplied cathodes. Polarity curve. Current densities measured at 400 mV are 130 mA / cm 2 and 55 mA / cm 2 at 30 ° C. for Pt-Ru / C 3 N 4 and Pt-Ru / E-TEK catalysts, respectively, and 330 mA / cm 2 and 140 mA / cm 2 at 60 ° C., respectively. This shows that Pt-Ru / C 3 N 4 is more than doubled compared to Pt-Ru / E-TEK. Maximum power densities are 77 mW / cm 2 and 42 mW / cm 2 at 30 ° C. for Pt-Ru / C 3 N 4 and Pt-Ru / E-TEK catalysts, respectively, 180 mW / cm 2 and 103 mW / cm 2 at 60 ° C., respectively. The Pt-Ru / C 3 N 4 catalyst showed about 73-83% better performance than Pt-Ru / E-TEK under the same test conditions.

도 8은 60중량% Pt-Ru/C3N4 및 60중량% Pt-Ru/E-TEK 촉매를 산화전극으로 사용하고 공기-호흡 모드 환원전극을 사용하여 30℃ 및 60℃에서 결정된 DMFC의 극성 곡선이다. 공기 호흡 모드에서, Pt-Ru/C3N4의 최대 동력 밀도는 30℃ 및 60℃ 모두에서 Pt-Ru/E-TEK의 최대 동력 밀도보다 2배 이상이었다. 8 shows DMFC determined at 30 ° C. and 60 ° C. using 60 wt% Pt-Ru / C 3 N 4 and 60 wt% Pt-Ru / E-TEK catalysts as anodes and air-breathing mode cathodes. Polarity curve. In the air breathing mode, the maximum power density of Pt-Ru / C 3 N 4 was more than twice the maximum power density of Pt-Ru / E-TEK at both 30 ° C and 60 ° C.

도 9는 60중량% Pt-Ru/C3N4, 60중량% Pt-Ru/OMC 및 60중량% Pt-Ru/E-TEK 촉매를 산화전극으로 사용하고 O2-공급 환원전극을 사용하여 60℃에서 결정된 DMFC의 극성 곡선이다. Pt-Ru/OMC의 최대 동력 밀도는 137mW/㎠이고, 이것은 Pt-Ru/C3N4과 Pt-Ru/E-TEK의 중간이다.FIG. 9 shows 60 wt% Pt-Ru / C 3 N 4 , 60 wt% Pt-Ru / OMC, and 60 wt% Pt-Ru / E-TEK catalyst as anode and O 2 -feed cathode Polar curve of DMFC determined at 60 ° C. The maximum power density of Pt-Ru / OMC is 137mW / cm 2, which is halfway between Pt-Ru / C 3 N 4 and Pt-Ru / E-TEK.

모든 보여지는 성능 데이터는 다수의 측정과 실험적 오차 내에서 재현성에 기초하였다. 특히, Pt-Ru/C3N4 촉매는 단위전지에서 150시간 동안 안정하고 일정한 촉매적 활성을 유지하였다. 상업적 Pt-Ru/E-TEK에 대해서 관찰된 산화 활성에 기초하여, Pt-Ru/C3N4의 우수한 성능은 다공성 C3N4 구조의 우수한 지지 효과 때문으로 판단된다. 이것은 DMFC에서 현저한 진전이고 그라파이트성 나노다공성 C3N4 프레임워크의 독특한 구조적 특성과 관련될 수 있다. 이것은 3차원적으로 상호 연결된 잘-발달된 다공성에 일부 기인하다고 여겨지며, 이것은 촉매를 향하여 또는 촉매로부터 떨어져 나가는 연료 및 생성물의 용이한 확산을 위하여 활성 촉매 둘레에 형성된 연결된 매크로 및 메조세공으로 이루어진 오픈 하이웨이 네트워크를 제공하기 때문이다. All shown performance data was based on reproducibility within a number of measurements and experimental errors. In particular, the Pt-Ru / C 3 N 4 catalyst maintained stable and constant catalytic activity for 150 hours in a unit cell. Based on the oxidative activity observed for commercial Pt-Ru / E-TEK, the good performance of Pt-Ru / C 3 N 4 is judged to be due to the good supporting effect of porous C 3 N 4 structure. This is a significant advance in DMFC and may be related to the unique structural properties of the graphite nanoporous C 3 N 4 framework. This is believed to be due in part to the three-dimensional interconnected well-developed porosity, which is an open highway consisting of connected macros and mesopores formed around the active catalyst for easy diffusion of fuel and products towards or away from the catalyst. This is because it provides a network.

상기 실시예 2, 비교예 2 및 3에서 얻은 전극 촉매에 사용된 각각의 지지체, C3N4, OMC, Vulcan XC-72 카본의 구조적 및 전도성 파라미터를 분석하여 하기 표 1에 정리하였다.The structural and conductivity parameters of the respective supports, C 3 N 4 , OMC, Vulcan XC-72 carbon used in the electrode catalysts obtained in Examples 2, Comparative Examples 2 and 3 are summarized in Table 1 below.

샘플Sample S BET (㎡/g) S BET (㎡ / g) S micro (㎡/g) S micro (㎡ / g) S meso /macro (㎡/g) S meso / macro (㎡ / g) V totoal (cc/g) V totoal (cc / g) V micro (cc/g) V micro (cc / g) σ (S/cm)σ (S / cm) C3N4 C 3 N 4 108108 1010 9898 0.410.41 0.010.01 2.52.5 VCVC 230230 9090 140140 0.310.31 0.060.06 1.11.1 OMCOMC 605605 410410 195195 0.800.80 0.170.17 1.21.2

상기 표 1에서, VC는 Vulcan XC-72 카본임. SBET : BET 표면적, Smicro : 마이크로포어 면적, Smeso /macro : 메조 및 매크로포어 면적, Vtotoal : 전체 포어부피, Vmicro : 마이크로포어 부피, σ는 전기적 전도성.In Table 1 above, VC is Vulcan XC-72 carbon. S BET : BET surface area, S micro : Micropore area, S meso / macro : Meso and macropore area, V totoal : Total pore volume, V micro : Micropore volume, σ is electrical conductivity.

상기 표 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 순서화된 매크로다공성 C3N4가 유사한 순서화된 lattice 구조를 갖는 OMC 보다 낮은 표면적을 갖고 있지만, g-C3N4는 OMC와 비교하여 약 25 내지 35% 높은 촉매 활성을 보여준다. 이는 전자 공여체로써 알려진 질소 원자가 전기적 전도성을 증가시키거나 반도체 또는 산화물 세라믹에서 저항성을 감소시키기 때문인 것으로 여겨진다. 보다 높은 성능의 Pt-Ru/C3N4는 그라파이트성과 같은 C3N4 네트워크 및 프레임워크 N 원자의 표면 특성에 기여될 수 있고, 이는 전도층을 통한 전자 이동을 촉진할 수 있기 때문이다.As can be seen from Table 1 above, while ordered macroporous C 3 N 4 has a lower surface area than OMC with a similar ordered lattice structure, gC 3 N 4 is about 25-35% higher than OMC Shows catalytic activity. This is believed to be because nitrogen atoms, known as electron donors, increase electrical conductivity or reduce resistance in semiconductors or oxide ceramics. Higher performance Pt-Ru / C 3 N 4 can contribute to the surface properties of C 3 N 4 networks and framework N atoms, such as graphite, since it can promote electron transfer through the conductive layer.

본 발명에 따른 질소 풍부한 나노다공성 탄소 질화물 구조체는 매크로크기 구형 포어가 규칙적으로 배열되고, 이들이 연결 포어에 의해 연결되어 3차원적으로 상호 연결되어 있는 구조로써, 이러한 구조적 특징과 함께, 질소 원자가 구조체에 포함되어 연료 전지의 전극 촉매에 대한 지지체로 사용됨에 따라 전극 촉매의 활성을 개선시킨다.The nitrogen-rich nanoporous carbon nitride structure according to the present invention is a structure in which macro-sized spherical pores are regularly arranged, and they are connected by connecting pores and interconnected three-dimensionally. It is included and used as a support for the electrode catalyst of the fuel cell to improve the activity of the electrode catalyst.

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 매크로크기의 구형 실리카가 적층된 콜로이달 실리카 주형을 준비하는 단계;Preparing a colloidal silica template in which macro-sized spherical silica is laminated; 상기 콜로이달 실리카 주형을 500 내지 700℃에서 1시간 내지 3시간 동안 가열하는 단계; Heating the colloidal silica template at 500 to 700 ° C. for 1 hour to 3 hours; 탄소 질화물용 분자 전구체를 콜로이달 실리카 주형에 주입시키는 단계; Injecting molecular precursors for carbon nitride into a colloidal silica template; 분자 전구체 주입된 콜로이달 실리카 주형을 60 내지 80℃에서 1 내지 3시간 동안 안정화시키는 단계;Stabilizing the molecular precursor injected colloidal silica template at 60 to 80 ° C. for 1 to 3 hours; 혼합물을 탄화시키는 단계; 및Carbonizing the mixture; And 실리카 콜로이달 주형을 제거하는 단계를 포함하는 C3N4의 구조를 가지며, N/C 원자 비율이 1.34 내지 1.38인 질소 풍부한 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물의 제조방법.A method for preparing nitrogen-rich nanoporous graphite carbon nitride having a structure of C 3 N 4 , comprising removing the silica colloidal template, wherein the N / C atomic ratio is 1.34 to 1.38. 제 4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 실리카 콜로이달 주형은 100 내지 600㎚의 매크로크기의 직경을 가진 구형 실리카를 침강법(sedimentation), 원심분리법(centrifugation), 여과법(filtration), 또는 압축법(pressing)을 사용하여 적층시켜 제조되는 질소 풍부한 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물의 제조방법.The silica colloidal mold is prepared by laminating spherical silica having a macro size of 100 to 600 nm using sedimentation, centrifugation, filtration, or compression. Process for preparing nitrogen rich nanoporous graphite carbon nitride. 제 4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 탄소 질화물용 분자 전구체로는 시안아미드(CN-NH2), 멜라민(2,4,6-트리아미노-s-트리아진), C3N3(NH2) 및 s-트리아진 고리 화합물(C3N3X3(X=Cl, F, OH, NHCl, N 또는 NCNH)), 에틸렌디아민(NH2CH2CH2NH2) 또는 염화암모늄(NH4Cl)-사염화탄소(CCl4) 화합물, 헥사클로로벤젠(C6Cl6)-아지트화나트륨(NaN3) 화합물, C3N3Cl3-NaN3(또는 NaNH2), 멜렘(Melem : 2,5,8-트리아미노-트리스-s-트리아진) 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 질소 풍부한 나노다공성 그라파이트 탄소 질화물의 제조방법.Molecular precursors for carbon nitrides include cyanamide (CN-NH 2 ), melamine (2,4,6-triamino-s-triazine), C 3 N 3 (NH 2 ) and s-triazine ring compounds ( C 3 N 3 X 3 (X = Cl, F, OH, NHCl, N or NCNH)), ethylenediamine (NH 2 CH 2 CH 2 NH 2 ) or ammonium chloride (NH 4 Cl) -carbon tetrachloride (CCl 4 ) compounds , Hexachlorobenzene (C 6 Cl 6 ) -sodium azide (NaN 3 ) compound, C 3 N 3 Cl 3 -NaN 3 (or NaNH 2 ), melem (Melem: 2,5,8-triamino-tris- s-triazine) compound is selected from the group consisting of nitrogen-rich nanoporous graphite carbon nitride manufacturing method. 제 4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 탄소화는 불활성 가스 존재하 500 내지 600℃에서 3 내지 5시간 동안 수행되는 것인 질소 풍부한 나노다공성 탄소 질화물의 제조방법.Wherein the carbonization is carried out at 500 to 600 ° C. for 3 to 5 hours in the presence of an inert gas. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 실라카 주형은 에칭법 또는 소성법을 통해 제거되는 것인 질소 풍부한 나노다공성 탄소 질화물의 제조방법.The method of producing a nitrogen-rich nanoporous carbon nitride that the silica gel template is removed by etching or calcining. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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