KR100963152B1 - Pt-Ru-Co-W Quaternary Alloy Catalysts For Direct Methanol Fuel Cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직접 메탄올 연료 전지용 사성분 합금 촉매에 관한 것으로, 본 발명에 따른 사성분 합금 촉매는 플래티늄(Pt), 루테듐(Ru), 코발트(Co) 및 텅스텐(W)을 포함한다. 본 발명에 따른 사성분 합금 촉매는 기존의 PtRu 이성분 합금 촉매 보다 낮은 개시 전위, 우수한 안정성 및 메탄올 산화에 대한 보다 높은 성능을 보여준다. 본 발명에 따른 사성분 합금 촉매에서 성능의 향상은 Pt에 부가된 다른 금속의 이작용성 메카니즘, 전자적 효과, 산화환원 특성 및 협력적 상승 효과에 의해 설명되어진다.The present invention relates to a four-component alloy catalyst for direct methanol fuel cells, wherein the four-component alloy catalyst according to the present invention comprises platinum (Pt), ruthedium (Ru), cobalt (Co) and tungsten (W). The four-component alloy catalysts according to the present invention show lower starting potential, better stability and higher performance against methanol oxidation than conventional PtRu two-component alloy catalysts. The improvement in performance in the tetracomponent alloy catalyst according to the present invention is explained by the bifunctional mechanism, electronic effect, redox properties and cooperative synergistic effects of other metals added to Pt.

사성분 합금 촉매, 연료 전지 Quad component alloy catalyst, fuel cell

Description

직접 메탄올 연료 전지용 Pt-Ru-Co-W 사성분 합금 촉매{Pt-Ru-Co-W Quaternary Alloy Catalysts For Direct Methanol Fuel Cell}Pt-Ru-Co-W Quaternary Alloy Catalysts For Direct Methanol Fuel Cell}

본 발명은 직접 메탄올 연료 전지용 사성분 합금 촉매에 관한 것이다. 보다 상세하게는 연료의 산화반응에 대해 우수한 촉매 활성을 가져 전지특성을 향상시킬 수 있으며, CO에 의한 촉매 피독을 억제하여 촉매 수명 감소를 방지할 수 있는 직접 메탄올 연료 전지에 사용되는 Pt-Ru-Co-W 사성분 합금으로 된 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a four component alloy catalyst for direct methanol fuel cells. More specifically, Pt-Ru- which is used in direct methanol fuel cells can have excellent catalytic activity against fuel oxidation, thereby improving cell characteristics, and inhibiting catalyst poisoning caused by CO, thereby preventing a decrease in catalyst life. A catalyst is made of a Co-W tetracomponent alloy.

직접 메탄올 연료 전지(DMFC)는 연료, CH3OH 및 O2의 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 전환하는 에너지 발생을 위한 가장 유망한 기술 중 하나이다. Direct methanol fuel cells (DMFCs) are one of the most promising technologies for energy generation that converts chemical energy of fuels, CH 3 OH and O 2 directly into electrical energy.

전극 촉매는 연료전지 성능을 좌우하기 때문에, 메탄올 산화에 대한 우수한 산화전극 촉매는 향상된 DMFC 성능을 위해 매우 필요하다. DMFC에 대한 주된 연구는 전형적으로 Pt를 다른 금속, 예를 들면, Ru, Rh, Co, Ni, Mo, Pd 등과 합금을 통해 보다 우수한 산화전극 촉매를 얻고자 하는 것에 초점 맞추고 있다. Because electrode catalysts dominate fuel cell performance, good anode catalysts for methanol oxidation are very necessary for improved DMFC performance. The main research on DMFCs focuses on trying to obtain better anode catalysts typically through alloying Pt with other metals such as Ru, Rh, Co, Ni, Mo, Pd and the like.

지금까지 Pt50-Ru50(Pt과 Ru가 각각 50 몰% 동일한 몰수로 구성) 합금 촉매는 DMFC에서 메탄올의 산화를 위한 산화전극 촉매로서 가장 일반적으로 사용되어 오고 있다. 그러나, Pt50-Ru50 합금 촉매는 DMFC에서 높은 성능 및 안정성을 보여주고 있지만, 그 촉매적 활성은 연료 전지 기술을 실용화 수준까지 끌어당기기에 충분히 높지 않다는 문제점을 가지고 있다. 이에 대한 주된 이유는 큰 속도론적 (또는 활성화) 과전압 및 산화전극 촉매 표면에서의 CO 피독에 기인될 수 있다.To date, alloy catalysts Pt 50 -Ru 50 (where Pt and Ru each comprise the same molar number of 50 mol% each) have been most commonly used as anode catalysts for the oxidation of methanol in DMFCs. However, while Pt 50 -Ru 50 alloy catalysts show high performance and stability in DMFC, their catalytic activity is not high enough to bring fuel cell technology to practical use. The main reason for this can be attributed to the large kinetics (or activation) overvoltage and CO poisoning at the anode catalyst surface.

통상적인 “한번에 한번(one at a time)" 방법을 통해 우수한 활성 촉매 조성을 밝히는 것은 그의 광범위한 조성 범위 때문에 매우 어렵고 많은 시간, 노력 및 비용을 요한다. Identifying a good active catalyst composition through the conventional “one at a time” method is very difficult and time consuming and expensive due to its wide composition range.

현재, 다중 시료처리법에 기초된 조합방법은 새로운 물질을 발견하기 위한 통상적 방법에 대한 대체 방법으로서 매우 중요한 기술로 인식되고 있다. 이미 생화학 및 제약 분야에서 매우 널리 사용되고 있는 조합 화학은 수년 동안 복잡한 조성을 확인하고 최적화하는데 사용되어 왔다. 조합방법에 기초한 방법은 관심 있는 특정 특성을 가진 시료를 개발하기 위하여 매우 많은 수의 다양한 화학적 조성물을 빠르고 동시적으로 합성하고 분석하는 것을 포함하며, 이에 따라 요구된 공정 시간, 노력 및 비용이 통상적인 "한번에 한번" 방법과 비교하여 최소화된다. At present, a combination method based on multiple sample processing is recognized as a very important technique as an alternative to the conventional method for discovering new materials. Combination chemistry, already widely used in biochemistry and pharmaceuticals, has been used for many years to identify and optimize complex compositions. Combination-based methods involve the rapid and simultaneous synthesis and analysis of a very large number of different chemical compositions to develop samples with specific properties of interest, thereby requiring typical processing time, effort and cost. Minimized compared to the "once at a time" method.

최근, 이런 접근은 촉매 라이브러리의 빠른 스크리닝을 위한 신규하고 정교한 방법을 사용하여 새로운 촉매의 발견에 성공적으로 사용되고 있다. 조합적인 분석의 성공적인 적용을 위한 중요한 이슈는 샘플 어레이에 대한 합성 및 합리적이고 총괄적인 분석 방법을 설정하는 것이다. Recently, this approach has been used successfully for the discovery of new catalysts using novel and sophisticated methods for rapid screening of catalyst libraries. An important issue for the successful application of combinatorial analysis is to establish a synthetic and rational and comprehensive analysis method for the sample array.

Reddington 등의 Science 1998, 280, 1735에서는 잉크젯 프린터와 형광 산-염기 지시약를 사용한 조합방법에 기초한 전기화학 분석을 최초로 보고하였다. 이 방법은 전기화학 반-전지 반응에서 발생된 수소이온에 의해 야기된 형광 신호를 모니터링하는 것으로, Pt, Ru, Os, Ir 및 Rh에 기초된 사성분 어레이의 수백의 샘플로부터 활성 전극 촉매 영역을 성공적으로 확인하였으며, 상기 방법은 산소 환원 및 물 산화를 위한 고효율 전극촉매 발견에도 적용되었다. Science 1998, 280, 1735 by Reddington et al. Reported for the first time an electrochemical analysis based on a combination method using an inkjet printer and a fluorescent acid-base indicator. This method monitors the fluorescence signal caused by the hydrogen ions generated in the electrochemical half-cell reaction, which allows the active electrode catalyst region to be removed from hundreds of samples of a tetracomponent array based on Pt, Ru, Os, Ir and Rh. It has been successfully confirmed and the method has also been applied to the discovery of high efficiency electrocatalysts for oxygen reduction and water oxidation.

Sullivan 등의 Anal. Chem . 1999, 71, 4369에서는 64 전극 어레이 각각의 전극에서 프로톤 농도 및 전기화학적 전류를 측정하기 위하여, 조합법에 기초한 전극 어레이로 자동화된 전기화학적 분석 시스템을 보고하였다. Sullivan et al. Anal. Chem . In 1999, 71, 4369, an automated electrochemical analysis system was reported with an electrode array based on a combination method to measure proton concentration and electrochemical current at each electrode of a 64 electrode array.

Jiang 등의 J. Eelectroanal . Chem . 2002. 537, 137에서는 이동 가능한 전해질 프로브 시스템을 사용하여 중성, 산성 및 염기성 용액 중에서 다양한 전극의 전기화학적 특성을 측정할 수 있는 다른 분석 방법을 제안했다. Jiang et al. J. Eelectroanal . Chem . 2002, 537 and 137 proposed another analytical method for measuring the electrochemical properties of various electrodes in neutral, acidic and basic solutions using a movable electrolyte probe system.

Gorer 및 그의 동료들은 Proc . Electrochem . Soc .(Direct Methanol Fuel Cell), 2001, 2001-4, 191 에서 다중전극 어레이 중의 메탄올 산화 촉매로서 Pt-Ru-Pd 삼성분을 연구했다. Gorer and his colleagues reported Proc . Electrochem . Soc . (Direct Methanol Fuel Cell), 2001, 2001-4, 191, studied Pt-Ru-Pd powders as methanol oxidation catalysts in multi-electrode arrays.

Strasser 및 그의 동료들은 'International Symposium on Fuel Cells for Vehicles' O. Yamamoto (Ed), Electrochemical Society of Japan, Nagoya, 2000, 153에서 3d 원소들과 Pt와의 합금의 효과를 연구하는데 어레이 전극 방법을 사용하였다. 이들은 고표면적 촉매 상에 초기 연구로부터 예기된 바와 같이, 활성이 큰 Pt/Fe 이성분 및 Pt/Co/Cr 삼성분 조성물을 밝혔다. Strasser and his colleagues used the array electrode method to study the effect of alloying 3d elements and Pt in 'International Symposium on Fuel Cells for Vehicles' O. Yamamoto (Ed), Electrochemical Society of Japan , Nagoya, 2000, 153. . They identified a high activity Pt / Fe binary component and Pt / Co / Cr ternary composition, as expected from initial studies on high surface area catalysts.

Lin 등의 J. Electroanal. Chem., 2002, 535, 49에서는 연료 전지 전극촉매용 고효율 스크리닝 장비를 개발했음을 보고했으며, 이것은 실제 연료 전지 사용 조건에 보다 근접하게 부합한다. Lin et al. J. Electroanal. Chem., 2002, 535, 49 reported the development of high-efficiency screening equipment for fuel cell electrocatalysts, which more closely matches the actual fuel cell usage conditions.

Woo 등의 Catalysis Today 2002, 74, 235에서는 반복된 Voltammetry 실험을 통해 고효율 스크리닝에 의한 활성 Pt/Ru/Mo/W 사성분 전극촉매를 보고하였다. Catalysis Today 2002, 74, 235 by Woo et al. Reported active Pt / Ru / Mo / W tetracomponent electrode catalysts by high-efficiency screening through repeated voltammetry experiments.

Pt 촉매 상에서 메탄올의 산화는 중간체로서 CO를 발생시키고, 이것은 Pt 활성 표면에서의 독성화를 초래한다고 알려져 있다. 따라서, Pt 촉매의 촉매적 활성을 회복시키기 위해 Pt 상에 흡착된 CO를 용이하게 CO2로 산화시키는 보조적 촉매가 매우 중요하다. Pt50-Ru50에서 Ru가 이러한 CO 산화를 돕는 보조적 역할을 한다,Oxidation of methanol on Pt catalysts is known to produce CO as an intermediate, which leads to toxicity on the Pt active surface. Therefore, an auxiliary catalyst which easily oxidizes CO adsorbed on Pt to CO 2 is very important in order to restore the catalytic activity of the Pt catalyst. Ru in Pt 50 -Ru 50 plays a role in assisting this CO oxidation.

CO 피독에 대해 영향을 적게 받는 향상된 산화전극 촉매를 밝히기 위한 많은 노력이 있어왔으며, 본 발명자들도 개선된 DMFC용 촉매, 특히 산화전극 촉매에 대한 연구를 하면서, Ru에 덧붙혀, 세 번째 및 네 번째 금속으로써, 예를 들면, Os, Mo, Ir, Co 및 W가 Pt에 더해지는 경우, 산소화된 종의 형성을 이롭게 하고, 이것은 보다 낮은 전위에서 Pt 표면상에 흡착된 CO를 산화시킬 수 있음을 밝혔고, 특히, Co 및 W는 촉매활성 성능의 증가뿐만 아니라, 귀금속 함량의 감소를 위해 PtRu 이성분 시스템에 추가할 수 있는 우수한 부가물이 됨을 밝혔다. 따라서 본 발명에서 개발된 새로운 Pt-Ru-Co-W 사성분 산화전극 촉매는 상용의 이 성분 Pt50-Ru50 합금 촉매 보다 활성이 우수하고, 보다 안정하며, CO 피독에 대해 영향을 적게 받음을 확인할 수 있었다.Much effort has been made to identify improved anode catalysts that are less susceptible to CO poisoning, and the inventors have also studied the improved catalysts for DMFCs, particularly anode catalysts, in addition to Ru, third and fourth. As the second metal, for example, when Os, Mo, Ir, Co and W are added to Pt, it helps to form oxygenated species, which can oxidize CO adsorbed on Pt surface at lower potential In particular, Co and W were found to be excellent additions to the PtRu binary system for increasing the catalytic activity performance as well as for reducing the precious metal content. Therefore, the new Pt-Ru-Co-W quadruple anode catalyst developed in the present invention is more active, more stable, and less affected by CO poisoning than the commercially available bicomponent Pt 50 -Ru 50 alloy catalyst. I could confirm it.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 우수한 촉매적 활성과 안정성 및 CO 표면 피독성에 대한 보다 우수한 내성을 갖는 메탄올 연료 전지용 다성분 촉매를 제공하는 것이다. Accordingly, the technical problem of the present invention is to provide a multicomponent catalyst for methanol fuel cells having excellent catalytic activity and stability and better resistance to CO surface toxicity.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 촉매를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리(MEA)를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a fuel cell membrane-electrode assembly (MEA) comprising the catalyst.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 플래티늄(Pt), 루테듐(Ru), 코발트(Co) 및 텅스텐(W)을 포함하는 사성분 합금으로 된 직접 메탄올 연료 전지용 촉매를 제공한다.In order to solve the above technical problem, the present invention provides a catalyst for a direct methanol fuel cell of a tetracomponent alloy containing platinum (Pt), ruthedium (Ru), cobalt (Co) and tungsten (W).

본 발명에 따른 메탄올 연료 전지용 촉매에서, 상기 사성분 합금은 Pt 10 내지 50몰% 미만; Ru 20 내지 40 몰%; Co 10 내지 25몰%; 및 W 10 내지 25몰%를 포함하는 것이 바람직하다.In the catalyst for methanol fuel cell according to the present invention, the tetracomponent alloy is Pt 10 to less than 50 mol%; Ru 20-40 mol%; Co 10-25 mole%; And W 10-25 mol%.

상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 In order to solve the above another technical problem, the present invention

서로 대향하여 위치하는 산화 전극 및 환원 전극, 및 An oxidation electrode and a reduction electrode positioned opposite each other, and

상기 산화 전극과 환원 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 산화 전극과 환원 전극 중 적어도 하나는 플래티늄(Pt), 루테듐(Ru), 코발트(Co) 및 텅스텐(W)을 포함하는 사성분 합금 촉매를 포함하는 직접 메탄올 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.A polymer electrolyte membrane positioned between the oxidation electrode and the reduction electrode, wherein at least one of the oxidation electrode and the reduction electrode includes platinum (Pt), ruthedium (Ru), cobalt (Co), and tungsten (W); Provided is a membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell comprising a component alloy catalyst.

상기 사성분 합금에서 Pt에 부가적으로 사용된 Ru, Co와 W는 성능면에서 산소화된 종의 형성을 이롭게 하여 보다 낮은 전위에서 Pt 표면상에 흡착된 CO를 산화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 사용되는 귀금속 함량을 감소시켜 촉매 제조 가격을 낮출 수 있는 방법이다.In addition to Pt in the tetracomponent alloys, Ru, Co and W can be used in addition to oxidizing CO adsorbed on the surface of Pt at lower potentials, thereby facilitating the formation of oxygenated species in terms of performance. By reducing the precious metal content it is possible to lower the cost of catalyst production.

구체적으로 본 발명에 따른 사성분 합금 촉매에서 성능의 향상은 Pt에 부가된 다른 금속의 이작용성 메카니즘, 전자적 효과, 산화환원 특성 및 협력적 상승 효과로 설명될 수 있다.Specifically, the improvement in performance in the four-component alloy catalyst according to the present invention can be explained by the bifunctional mechanism, electronic effect, redox characteristic and cooperative synergistic effect of other metals added to Pt.

상기 이작용성 메카니즘은 메탄올 산화 동안 활성 Pt 표면 상에 흡착된 CO가 Ru, Co 및 W 금속의 첨가에 의해 보다 효과적으로 제거되는 것이다. 즉, Pt 활성 사이트에 흡착된 CO가 사성분 합금 촉매에서 Ru, Co 및 W 금속에 형성된 활성화된 산소화된 종에 의해 CO2로 용이하게 산화되는 것이다. The bifunctional mechanism is that CO adsorbed on the active Pt surface during methanol oxidation is more effectively removed by the addition of Ru, Co and W metals. That is, CO adsorbed at the Pt active site is easily oxidized to CO 2 by activated oxygenated species formed on the Ru, Co and W metals in the tetracomponent alloy catalyst.

상기 전자적 효과는 다른 금속의 첨가에 의해 Pt의 전자적 구조에서 변화가 향상된 활성 결과를 초래할 수 있다는 것이다. 즉, 합금 금속(Ru, Co 및 W)의 역할은 Pt 사이트의 전자적 구조 및 화학적 특성을 변경하여, Pt에 CO가 보다 약하게 화학흡착을 초래하며, 이것에 의해 보다 낮은 포텐셜에서 PtRuCoW 합금에서 CO 전기적 산화를 촉진한다.The electronic effect is that a change in the electronic structure of Pt may result in enhanced activity by the addition of other metals. That is, the role of the alloying metals (Ru, Co and W) alters the electronic structure and chemical properties of the Pt site, resulting in a weaker chemisorption of CO to Pt, thereby reducing the CO electrical conductivity of the PtRuCoW alloy at lower potentials. Promotes oxidation

상기 산화환원 특성은 한편 W 산화상태의 빠른 변화에 기인한다. W 산화상태의 빠른 변화는 결과적으로 Pt-CO의 결합 에너지를 감소시키는 효과를 갖는다.The redox property is due to the rapid change of the W oxidation state. The rapid change of the W oxidation state has the effect of reducing the binding energy of Pt-CO.

상기 협력적 상승 작용이라는 것은 상기 W의 산화환원 특성과 Co의 d-전자밀 도가 Pt의 전기적 특성을 개질하여 결과적으로 Pt 상에서 CO의 보다 약한 화학 흡착을 초래하는 것이다. The cooperative synergy is that the redox properties of W and the d-electron density of Co modify the electrical properties of Pt, resulting in weaker chemisorption of CO on Pt.

따라서, 본 발명에 따른 사성분 합금 촉매에서 Pt에 부가되는 Ru, Co 및 W는 Ru 20 내지 40몰%; Co 10 내지 25몰%; 및 W 10 내지 25몰%가 바람직하며, 상기에서 제안된 범위 미만으로 사용되는 경우 귀금속인 Pt의 사용을 증가시키기 때문에 바람직하지 않으며, 또한 상기 범위를 초과하여 사용되는 경우 상기와 같은 효과를 나타낼 수 없다. Therefore, Ru, Co and W added to Pt in the four-component alloy catalyst according to the present invention is Ru 20 to 40 mol%; Co 10-25 mole%; And W 10 to 25 mol% is preferable, and when used below the suggested range, it is not preferable because it increases the use of precious metal Pt, and when used in excess of the above range, it may have the same effect as above. none.

보다 바람직하게는 본 발명에 따른 사성분 합금 중에서 Pt가 10몰% 이상 50몰% 미만 사용되는 것이다. 이는 또한 귀금속인 Pt 함량을 줄여 촉매제조 가격을 낮출 수 있 다는 면에서 바람직할 수 있다.More preferably, Pt is used in the tetracomponent alloy according to the present invention 10 mol% or more and less than 50 mol%. This may also be desirable in terms of reducing the Pt content, which is a precious metal, to lower the cost of catalyst production.

또한, 본 발명에 따른 메탄올 연료 전지용 촉매는 산화전극 촉매인 것이 바람직하다.In addition, the catalyst for methanol fuel cell according to the present invention is preferably an anode catalyst.

또한 상기 촉매는 2 내지 10nm의 평균 입자직경을 가지며, 보다 바람직하게는 2 내지 6nm의 평균 입자 직경을 갖는 것이 좋다. 평균 입자 직경이 2nm 미만일 경우 합금촉매가 불안정하여 쉽게 뭉쳐져서 촉매의 표면적을 줄이기 때문에 바람직하지 않고, 10nm를 초과할 경우에는 입자가 너무 커져서 촉매의 이용효율이 떨어져서 바람직하지 않다. In addition, the catalyst has an average particle diameter of 2 to 10nm, more preferably 2 to 6nm average particle diameter. If the average particle diameter is less than 2 nm, the alloy catalyst is unstable and easily aggregated to reduce the surface area of the catalyst, which is not preferable. If the average particle diameter is larger than 10 nm, the particles become too large and the utilization efficiency of the catalyst is not preferable.

또한 상기 촉매는 블랙(black) 상태인 촉매자체로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 담체에 담지시켜 사용할 경우 촉매 입자의 크기를 작게 할 수 있고, 이에 따라 촉매의 반응 표면적을 증가시킬 수 있기 때문에 보다 바 람직하다. In addition, the catalyst may be used as the catalyst itself in a black state, or may be supported on a carrier. When supported on a carrier, the size of the catalyst particles can be made small, and thus the reaction surface area of the catalyst can be increased, which is more preferable.

본 명세서에서 상기 “블랙(black)"이란 용어는 촉매 금속이 담체에 담지되지 않는 상태를 의미한다. 이때 담체로는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 카본나노튜브, 카본나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본나노볼, 카본 나노혼, 메조세공을 가지고 있는 다공성 탄소, 또는 활성탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, Zr, Ti, Sn, Zn, Al, Si, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소의 산화물인 무기물 미립자를 사용할 수도 있다. 상기 무기물 미립자의 보다 구체적인 예로는 지르코니아, 또는 티타니아, 산화주석, 징크옥사이드, 알루미나, 실리카 등을 들 수 있다. As used herein, the term “black” refers to a state in which a catalyst metal is not supported on a carrier. The carrier may be graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon. Carbon-based materials such as nanowires, carbon nanoballs, carbon nanohorns, porous carbons having mesopores, or activated carbons may be used, and Zr, Ti, Sn, Zn, Al, Si, W, and combinations thereof It is also possible to use inorganic fine particles which are oxides of an element selected from the group consisting of zirconia or titania, tin oxide, zinc oxide, alumina, silica and the like.

상기와 같이 촉매가 담체에 담지될 경우 담지량은 총 중량에 대하여 20 내지 90중량%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 40 내지 80중량%이다. When the catalyst is supported on the carrier as described above, the supported amount is preferably 20 to 90% by weight, more preferably 40 to 80% by weight based on the total weight.

본 발명에 따른 Pt-Ru-Co-W 사성분 합금 촉매는 로봇 분배 시스템을 이용한 개조된 조합 광학 스크리닝 방법에 의해 DMFC에서 메탄올 산화 전극촉매용으로 개발된 것이다.The Pt-Ru-Co-W tetracomponent alloy catalyst according to the present invention has been developed for methanol oxidation electrocatalyst in DMFC by an adapted combined optical screening method using a robotic distribution system.

본 발명에 따른 Pt-Ru-Co-W 사성분 합금 촉매는 DMFC에서 일반적으로 사용되고 있는 E-TEK 이성분 Pt-Ru 촉매보다 낮은 개시 전위 및 메탄올 산화에 대한 보다 우수한 촉매활성 특성을 보여주었다. 또한, 본 발명에 따른 사성분 합금 촉매는 PtRu 이성분 합금보다 메탄올 산화에 대해 보다 우수한 안정성, 촉매적 활성 및 CO 독성화에 대한 우수한 내성을 보여주었다.The Pt-Ru-Co-W tetracomponent alloy catalyst according to the present invention showed a lower onset potential and better catalytic activity against methanol oxidation than the E-TEK bicomponent Pt-Ru catalyst generally used in DMFC. In addition, the four-component alloy catalysts according to the present invention showed better stability, catalytic activity and better resistance to CO toxicity to methanol oxidation than PtRu binary alloys.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예들로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

본 발명에 따른 Pt계 사성분 PtRuCoW 합금 전극 촉매는 “광학 다중시료 분석 방법" 을 토대로 개발을 수행하였다. The Pt-based four-component PtRuCoW alloy electrode catalyst according to the present invention was developed based on the "optical multisample analysis method".

상기 "광학 다중시료 분석 방법"에 대한 상세한 내용은 문헌, E. Reddington, A. Sapienza, B. Gurau, R. Viswanathan, S. Sarangapani, E. S. Smotkin, T. E. Mallouk, T.E. Science 1998, 280, 1735; E. Reddington, J.-S. Yu, A. Sapienza, B. C. Chan, B. Gurau, R. Viswanathan, R. Liu, E. S. Smokin, S. Sarangapani and T. E. Mallouk MRS Symp . Proc . 1999, 549, 231.; B. C. Chan, E. Reddington, A. Sapienza, J.-S. Yu, T. E. Mallouk, B. Gurau, R. Viswanathan, R. Liu, K. Ley, T. J. Lafrenz, E. S. Smokin and S. Sarangapani "Combinatorial Discovery and Optimization of Anode Electrocatalysts for Direct Methanol Fuel Cells"◎ Fuel Cells - Clean Energy for Today's World, 1998, 1.; N. D. Morris, T. E. Mallouk, J. Am. Chem . Soc. 2002, 124, 1114. b); 및 E. Reddington, J.-S. Yu, A. Sapienza, B. C. Chan, B. Gurau, R. Viswanathan, R. Liu, E. S. Smokin, S. Sarangapani and T. E. Mallouk Combinatorial Chemistry: A Practical Approach, H. Fenniri, Ed., Oxford University Press, Oxford, UK, 2000, pp 401-420.에 개시되어 있다. For details on the "optical multisample analysis method", see E. Reddington, A. Sapienza, B. Gurau, R. Viswanathan, S. Sarangapani, ES Smotkin, TE Mallouk, TE Science 1998 , 280 , 1735; E. Reddington, J.-S. Yu, A. Sapienza, BC Chan, B. Gurau, R. Viswanathan, R. Liu, ES Smokin, S. Sarangapani and TE Mallouk MRS Symp . Proc . 1999 , 549 , 231 .; BC Chan, E. Reddington, A. Sapienza, J.-S. Yu, TE Mallouk, B. Gurau, R. Viswanathan, R. Liu, K. Ley, TJ Lafrenz, ES Smokin and S. Sarangapani "Combinatorial Discovery and Optimization of Anode Electrocatalysts for Direct Methanol Fuel Cells" ◎ Fuel Cells-Clean Energy for Today's World , 1998 , 1 .; ND Morris, TE Mallouk, J. Am. Chem . Soc . 2002 , 124 , 1114. b); And in E. Reddington, J.-S. Yu, A. Sapienza, BC Chan, B. Gurau, R. Viswanathan, R. Liu, ES Smokin, S. Sarangapani and TE Mallouk Combinatorial Chemistry: A Practical Approach , H. Fenniri, Ed., Oxford University Press, Oxford, UK, 2000 , pp 401-420.

상기 방법에서 로봇 분배 시스템은 전도성 기질 상에 다수의 다양한 화학적 조성물을 갖는 균질한 전극 어레이를 제조하기 위해 이용되며, 여기서 금속 용액은 토레이 탄소 종이 상에 88nL/spot 정밀성의 해상도를 갖는 96웰 대 96 트랜스퍼 프로그램을 사용하여 프린트된다.In this method a robotic distribution system is used to fabricate a homogeneous electrode array with a number of different chemical compositions on a conductive substrate, where the metal solution is 96 wells to 96 with a resolution of 88 nL / spot precision on toray carbon paper. Printed using the transfer program.

실시예Example 1 One

사성분Four components 촉매 조성의 스크리닝 Screening of Catalyst Composition

0.5M 수성 금속염 용액을 H2PtCl6·xH2O, RuCl3·xH2O, CoCl2·6H2O 및 Na2WO4·2H2O (Aldrich)로부터 각각 제조하고, 제조된 각각의 금속용액을 이용해 얻고자 하는 사성분 전극 어레이를 테플론-코팅된 토레이 탄소 종이 상에서 개조된 분배 소프트웨어를 사용하여 로봇 분배 시스템에 의해 제작하였다. 상기 방법에 대한 구체적인 내용은 문헌 [E. Reddington, J.-S. Yu, A. Sapienza, B. C. Chan, B. Gurau, R. Viswanathan, R. Liu, E. S. Smokin, S. Sarangapani and T. E. Mallouk Combinatorial Chemistry: A Practical Approach, H. Fenniri, Ed., Oxford University Press, Oxford, UK, 2000, pp 401-420.]에 개시되어 있다.0.5 M aqueous metal salt solution was prepared from H 2 PtCl 6 .xH 2 O, RuCl 3 .xH 2 O, CoCl 2 .6H 2 O and Na 2 WO 4 2H 2 O (Aldrich), respectively. The four-component electrode arrays desired to be obtained with the solution were fabricated by a robotic dispensing system using dispensing software adapted on Teflon-coated Toray carbon paper. Details of the method can be found in E. Reddington, J.-S. Yu, A. Sapienza, BC Chan, B. Gurau, R. Viswanathan, R. Liu, ES Smokin, S. Sarangapani and TE Mallouk Combinatorial Chemistry: A Practical Approach , H. Fenniri, Ed., Oxford University Press, Oxford, UK, 2000 , pp 401-420.

탄소 종이 상의 사성분 전극 어레이 내 각 조성 스폿은 다양한 양의 각각의 금속 용액을 포함한다. 11% 분해능(resolution)에서 제조된 사성분 어레이는 220개의 다른 촉매 조성을 포함하고, 금속 전체 몰수는 이들 각각 조성 스폿에 대해 동일하며, 이는 스폿당 1.5μ몰이다. 상기 어레이를 진공 건조 오븐에서 2시간 동안 80 ℃에서 건조시키고, 각각의 스폿에 5 중량% NaBH4 용액(10배 몰 초과)을 첨가 하여 환원시켰다. 이들 어레이에서 스폿의 직경은 대략 2 ㎜였다. 각각의 스폿 사이의 거리는 두 개의 인접 스폿이 혼합되는 것을 막기 위해 7 ㎜가 되도록 조절하였다.Each composition spot in the four-component electrode array on carbon paper contains varying amounts of each metal solution. Four-component arrays prepared at 11% resolution contain 220 different catalyst compositions, and the total moles of metal are the same for each of these composition spots, which is 1.5 μmol per spot. The array was dried at 80 ° C. for 2 hours in a vacuum drying oven and reduced by adding 5 wt% NaBH 4 solution (> 10 fold molar) to each spot. The diameter of the spots in these arrays was approximately 2 mm. The distance between each spot was adjusted to 7 mm to prevent mixing of two adjacent spots.

물중에 용해된 6.0M CH3OH, 0.5M NaClO4, 30mM Ni(ClO4)2 및 100μM PTP로 이루어진 지시약 용액을 함유하는 홈-메이드(home-made) 셀로 상기 제조한 촉매 어레이를 고정시켜 광학 스크리닝을 수행하였다. 용액의 pH는 HClO4를 사용하여 3 내지 4로 조절하였다. 상기 셀을 Pt 상대 전극 및 Ag/AgCl(포화된 KCl중) 기준 전극을 가지고 일정전위기(potentiostat (EG&G362))에 연결하였다. 어레이에서는 각각의 스폿을 작업 전극으로서 사용하였다. UV 램프(366㎚)를 전극 어레이 표면 위에 고정시키고, 임의의 관찰된 형광을 기록하였다. UV 선하 가장 낮은 오버포텐셜에서 우선적으로 형광을 발하는 촉매 조성 스폿이 메탄올 산화 반응 동안 수소이온을 활발히 발생하여 가장 큰 로컬 pH 변화를 가져오는 가장 활성이 좋은 촉매 조성 스폿이다. 상기 작업 전극 전위는 초기 +200mV (Ag/AgCl 기준)로 세팅하고, 이어서 50mV 씩 산화전극 전위를 단계적으로 증가시켰다. 상기 전극을 약 5분 동안 각각의 전위에서 유지시켰다. 이 공정을 가시적인 형광이 관찰될 때까지 반복하여, 활성이 우수한 사성분 촉매 조성 영역을 밝혔다.The prepared array of catalysts was immobilized with a home-made cell containing an indicator solution consisting of 6.0 M CH 3 OH, 0.5 M NaClO 4 , 30 mM Ni (ClO 4 ) 2 and 100 μM PTP dissolved in water. Screening was performed. The pH of the solution was adjusted to 3-4 using HClO 4 . The cell was connected to a potentiostat (EG & G362) with a Pt counter electrode and an Ag / AgCl (in saturated KCl) reference electrode. Each spot was used as a working electrode in the array. A UV lamp (366 nm) was fixed on the electrode array surface and any observed fluorescence was recorded. The catalyst composition spot that fluoresces preferentially at the lowest overpotential under UV radiation is the most active catalyst composition spot which actively generates hydrogen ions during the methanol oxidation reaction resulting in the largest local pH change. The working electrode potential was set at an initial +200 mV (Ag / AgCl basis), and then the anode potential was increased in steps of 50 mV. The electrode was held at each potential for about 5 minutes. This process was repeated until visible fluorescence was observed, revealing a four-component catalyst composition region with excellent activity.

사성분Four components 합금 촉매 제조 Alloy catalyst manufacturers

이어서, 상기 결과에 기초하여 발견된 4 성분 촉매 조성을 이용해 탄소 지지 된 세 개의 사성분 촉매 ①(Pt(43)Ru(33)Co(14))W(10)), ②(Pt(45)Ru(24)Co(10)W(21)), ③(Pt(45)Ru(23)Co(22)W(10))를 각각의 금속염 용액 및 벌칸(Vulcan) XC 72 카본 블랙을 사용하여 NaBH4 환원 방법에 의해 제조하였다. Subsequently, three quadruple catalysts (Pt (43) Ru (33) Co (14)) W (10) supported by carbon using the four-component catalyst composition found based on the above results) and (Pt (45) Ru (24) Co (10) W (21)), ③ (Pt (45) Ru (23) Co (22) W (10)), respectively, using NaBH using respective metal salt solutions and Vulcan XC 72 carbon black. Prepared by the 4 reduction method.

즉, H2PtCl6·xH2O, RuCl3·xH2O, CoCl2·6H2O 및 Na2WO4·2H2O을 상기 나타낸 상기 세 가지 사성분 합금 조성에 맞게 준비하여 이를 탈이온수 100 ㎖에 각각 용해시키고 주변 온도에서 교반하면서 세 가지 종류의 금속염 용액을 제조하였다. That is, H 2 PtCl 6 · xH 2 O, RuCl 3 · xH 2 O, CoCl 2 · 6H 2 O and Na 2 WO 4 · 2H 2 O prepared according to the three-component alloy composition shown above and deionized water Three kinds of metal salt solutions were prepared, each dissolved in 100 ml and stirred at ambient temperature.

이어서, 벌칸 XC 카본 블랙을 전체 촉매의 양에서 금속의 질량 백분율이 60%가 되도록 벌칸 XC 카본 블랙의 양을 알맞게 준비하여 탈이온수 200 ㎖에 현탁시켜 균질한 용액을 교반에 의하여 얻었다. Subsequently, the Vulcan XC carbon black was prepared by appropriately preparing the amount of Vulcan XC carbon black so that the mass percentage of the metal was 60% of the total catalyst amount, and suspended in 200 ml of deionized water to obtain a homogeneous solution by stirring.

이어서, 위에서 제조된 금속염 용액과 벌칸 XC 카본 블랙용액, 그리고, 탈이온수 1500 ㎖와 섞은 후 교반하여 균질한 금속염과 벌칸 XC 카본 블랙의 혼합용액을 만든다. 세 가지 사성분 합금 용액 모두 위와 같은 방법으로 금속염과 벌칸 XC 카본 블랙의 혼합용액을 만든다. 앞서 만들어진 세 가지 혼합물에 NaOH를 적가하여 혼합용액을 pH 7-8로 조정하였다. 각각의 혼합물에 금속 전체 몰수의 10 배가 되는 양의 NaBH4 용액(이것은 탈이온수에 적절한 양의 NaBH4를 용해시켜 제조됨)을 빠르게 투입하여 금속을 완전한 환원을 위해 4시간 이상 충분히 교반하였다. 환원된 PtRuCoW/지지체 촉매 슬러리는 반응용기의 바닥에 침강되었으며, 이 촉매 슬러리를 여과하고, 과량의 에탄올-물(50:50 = v/v) 용액, 탈이온수로 철저하게 세정하고, 70 ℃의 진공 오븐에서 건조하였다, 이에 따라 촉매 전제중량을 기준으로 60중량% 금속 로딩의 ①(Pt(43)Ru(33)Co(14))W(10)), ②(Pt(45)Ru(24)Co(10)W(21)), ③(Pt(45)Ru(23)Co(22)W(10)) 촉매를 각각 제조하였다.Subsequently, the metal salt solution prepared above and the Vulcan XC carbon black solution are mixed with 1500 ml of deionized water and then stirred to form a mixed solution of the homogeneous metal salt and Vulcan XC carbon black. All three tetracomponent alloy solutions are prepared in the same way as a mixed solution of metal salts and Vulcan XC carbon black. NaOH was added dropwise to the three mixtures prepared above to adjust the mixed solution to pH 7-8. Each mixture was rapidly charged with NaBH 4 solution in an amount of 10 times the total moles of metal (which is prepared by dissolving the appropriate amount of NaBH 4 in deionized water) and the metal was stirred well for at least 4 hours for complete reduction. The reduced PtRuCoW / support catalyst slurry was settled at the bottom of the reaction vessel, the catalyst slurry was filtered, washed thoroughly with excess ethanol-water (50:50 = v / v) solution, deionized water, and dried at 70 ° C. Dried in a vacuum oven, whereby (Pt (43) Ru (33) Co (14)) W (10)) of 60% by weight metal loading, based on the catalyst total weight, ② (Pt (45) Ru (24) ) Co (10) W (21)) and ③ (Pt (45) Ru (23) Co (22) W (10)) catalysts were prepared, respectively.

상기 금속 로딩은 시판되는 E-TEK Pt-Ru 촉매와 마찬가지로 60중량%였다. Vulcan XC-72 탄소 지지된 Pt50-Ru50 합금 촉매와 비교를 위해 동일한 60중량% 금속 로딩으로 또한 제조하였다.The metal loading was 60% by weight as with commercially available E-TEK Pt-Ru catalyst. Also prepared with the same 60% by weight metal loading for comparison with the Vulcan XC-72 carbon supported Pt 50 -Ru 50 alloy catalyst.

실시예Example 2 2

단위 셀 제작Unit cell production

상기 실시예 1에서 밝힌 사성분 합금 촉매의 전극 촉매 활성을 평가하기 위하여, 2㎠ 단면 촉매 영역을 갖는 DMFC(직접 메탄올 연료 전지) 단위 셀을 사용하고, 포텐티오미터 워크 스테이션(WMPG-1000)을 사용하여 30℃ 및 70℃에서 활성을 측정하였다. In order to evaluate the electrode catalyst activity of the four-component alloy catalyst disclosed in Example 1, a DMFC (direct methanol fuel cell) unit cell having a 2 cm 2 cross-sectional catalyst area was used, and a potentiometer workstation (WMPG-1000) was used. Activity was measured at 30 ° C and 70 ° C.

멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 만들기 위해, 산화전극용 촉매 잉크를, 촉매 100 mg과 촉매가 충분히 적셔질 양의 증류수, 이소프로필 알콜에 녹아있는 나피온 이오노머 용액(Aldrich, 5중량%) 0.763㎖를 혼합하여 만들고, 환원전극용 촉매 잉크를 촉매 100mg과 촉매가 충분히 적셔질 양의 증류수, 이소프로필 알콜에 녹아있는 나피온 이오노머 용액(Aldrich, 5중량%) 0.275㎖를 혼합하여 만들었다. 여기서 나피온은 전극 물질의 결합 및 전해질 멤브레인에 대한 양성자 전달을 위해 요구된 다. 상기 잉크들을 균질한 슬러리가 되도록 24시간 동안 교반하였다.To make the membrane electrode assembly (MEA), a catalyst ink for the anode was prepared with 0.763 ml of Nafion ionomer solution (Aldrich, 5% by weight) dissolved in isopropyl alcohol and 100 mg of catalyst and the amount of distilled water to be sufficiently wetted with the catalyst. The catalyst ink for the cathode was made by mixing 100 mg of the catalyst, distilled water of sufficient amount to sufficiently wet the catalyst, and 0.275 ml of Nafion ionomer solution (Aldrich, 5% by weight) dissolved in isopropyl alcohol. Here Nafion is required for binding of the electrode material and proton transfer to the electrolyte membrane. The inks were stirred for 24 hours to make a homogeneous slurry.

이어서, 적절한 양의 산화전극 또는 환원전극 잉크를 테플론화된 탄소 페이퍼(TGPH-090)상에 도포하고 110 ℃ 오븐에서 30분 동안 건조시켰다. 금속에만 기초한 산화전극 및 환원 전극에 촉매 로딩은 각각 2.5 및 5.0 mg/㎠ (환원전극은Johnson Matthey로부터 구입한 비지지된 Pt 촉매)이다. An appropriate amount of anode or cathode ink was then applied onto teflonized carbon paper (TGPH-090) and dried in an 110 ° C. oven for 30 minutes. The catalyst loadings on the metal-based anode and reduction electrode are 2.5 and 5.0 mg / cm 2 (the reduced electrode is an unsupported Pt catalyst purchased from Johnson Matthey).

이어서, 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 산화전극 촉매(PtRuCoW (2.5㎎/㎠)) 와 환원전극 촉매(Johnson-Matthey Pt Black(5.0㎎/㎠)) 사이에 삽입된 고분자 전해질 막인 전처리된 Nafion 115(듀퐁) 멤브레인을 핫-프레싱(2000psi의 압력하 135℃에서 5분 동안)하여 만들었다. Nafion 115 멤브레인은 1시간 동안 3 중량% H2O2에서 우선 끓이고, 이어서 0.5M H2SO4에서 1시간 동안 끓여서 전처리하였다. The membrane electrode assembly (MEA) was then pretreated with Nafion 115, a polymer electrolyte membrane inserted between an anode catalyst (PtRuCoW (2.5 mg / cm 2)) and a cathode catalyst (Johnson-Matthey Pt Black (5.0 mg / cm 2)). DuPont) membranes were made by hot-pressing (5 min at 135 ° C. under 2000 psi pressure). 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.

단위셀은 두 개의 구리 엔드 플레이트와 산화전극에 메탄올 통로를 허용하고 환원전극에 산소 가스의 통로를 허용하는 립-채널 패턴을 갖는 두개의 그라파이트 플레이트로 구성된다. 2.0M 메탄올 용액을 마스터플렉스 액체 마이크로-펌프에 의해 1.5mL/분의 유속으로 산화전극에 공급되고, 반면 건조된 O2는 플로우미터를 통해 100cc/분의 속도로 환원전극에 공급하였다.The unit cell is composed of two copper end plates and two graphite plates having a lip-channel pattern allowing a passage of methanol to the anode and a passage of oxygen gas to the cathode. A 2.0 M methanol solution was fed to the anode by a masterplex liquid micro-pump at a flow rate of 1.5 mL / min, while dried O 2 was fed to the cathode at a rate of 100 cc / min via a flow meter.

상기 실시예에서 제조한 세 개의 사성분 합금 촉매 ① 내지 ③ 및 비교를 위한 Pt50-Ru50 합금 촉매에 대하여 TEM, XRD, CV, CA, CO 스트립핑 볼타모그램, XPS 및 편광곡선을 조사하여 그 결과를 하기 도 1 내지 도 8에 나타내었다.TEM, XRD, CV, CA, CO stripping voltammogram, XPS and polarization curves of three tetracomponent alloy catalysts ① to ③ and Pt 50 -Ru 50 alloy catalysts prepared in Example The results are shown in FIGS. 1 to 8.

투과 전자 현미경(TEM) 이미지는 시료의 미세 구조 특징을 확인하기 위한 것 이며, 2000kV에서 작동하는 고해상 투과 전자 현미경(HR-TEM, JEM-2100F, JEOL, Japan, FRG-TEM)으로 관찰하였다. 구체적으로, 초음파하에서 에탄올 중에 분산된 시료를 수 ml 취해 탄소 코팅된 TEM 그리드에 떨어뜨리고 건조시킨 후, 전자 현미경으로 관찰한다.Transmission electron microscopy (TEM) images are intended to confirm the microstructural characteristics of the samples and were observed with high resolution transmission electron microscopes (HR-TEM, JEM-2100F, JEOL, Japan, FRG-TEM) operating at 2000 kV. Specifically, several ml of the sample dispersed in ethanol under ultrasonic wave is dropped on a carbon coated TEM grid, dried, and observed with an electron microscope.

X-레이 회절 패턴(XRD)은 4°/분 (2θ)의 스캔 속도에서 Cu Kα 방사를 갖는 Rigaku diffractomer를 사용하여 분석하였다. 여기서, X-레이 건은 40kV 및 20mA에서 작동하며, 분말 샘플을 유리 슬라이드에 배치하였다. X-ray diffraction patterns (XRD) were analyzed using a Rigaku diffractomer with Cu Kα radiation at a scan rate of 4 ° / min (2θ). Here, the X-ray gun was operated at 40 kV and 20 mA and the powder sample was placed on a glass slide.

볼타모그램(voltammogram) 측정은 WMPG-1000 포텐티오미터(WonA-Tech)을 사용하여 수행하였고, 사이클릭 볼타모그램(CV)은 동일한 2 ㎠ 활성 면적 단일 셀 배열을 사용하여 작업 전극으로서 작용하는 산화전극에 공급된 H2O 와 2.0M CH3OH로 30℃에서 수행하였다. 가습된 H2 가스를 50㎖ min-1(제로 백 압력(zero back pressure))에서 Pt 환원전극에 공급하여, 이것을 상대 및 유사-기준 전극(동적 수소 전극, DHE)으로 행동할 수 있게 하였다. 모든 사이클릭 볼타모그램은 0.0V 내지 +1.2V의 범위 내에서 1㎖ min-1의 속도로 마스터플랙스 액체 마이크로-펌프(Masterflex liquid micro-pump)을 사용하여 산화전극에 공급된 2.0M CH3OH로부터 얻었다. 베이스 라인 커브는 CH3OH 대신 산화전극에 공급된 H2O를 이용한 동일한 조건하에서 얻었다. 0.1V (DHE 기준) 에서 산화전극 전위를 유지시키면서 20% CO 를 포함한 N2 가스를 20분 동안 50 ㎖ min-1에서 산화전극에 통과시켜 흐르게 하여 CO를 PtRu 촉매에 흡착시켰다. 이어서, 전위를 여전히 0.1V에서 유지시키면서 상기 가스를 2분 동안 50㎖ min-1의 유속에서 아르곤으로 바꾸어 흘려 보내주어. 비흡착된 CO를 가스 상으로부터 제거하였다. Voltammogram measurements were performed using WMPG-1000 potentiometer (WonA-Tech), and cyclic voltammograms (CV) acted as working electrodes using the same 2 cm 2 active area single cell array. H 2 O and 2.0 M CH 3 OH supplied to the anode were performed at 30 ° C. Humidified H 2 gas was supplied to the Pt cathode at 50 ml min −1 (zero back pressure), allowing it to act as a counter and quasi-reference electrode (dynamic hydrogen electrode, DHE). All cyclic voltamograms were fed 2.0 M CH 3 supplied to the anode using a Masterflex liquid micro-pump at a rate of 1 ml min −1 in the range of 0.0 V to +1.2 V. Obtained from OH. Baseline curves were obtained under the same conditions using H 2 O supplied to the anode instead of CH 3 OH. N 2 containing 20% CO while maintaining anode potential at 0.1V (DHE) The gas was flowed through an anode at 50 ml min −1 for 20 minutes to adsorb CO to the PtRu catalyst. The gas was then diverted to argon at a flow rate of 50 ml min −1 for 2 minutes while still maintaining the potential at 0.1V. Non-adsorbed CO was removed from the gas phase.

CO 스트립핑 볼타모그램은 20 mVs-1에서 0.0V 내지 1.2V로 전위를 스캐닝하여, 기록하였다.CO stripping voltamograms were recorded by scanning potentials from 0.0V to 1.2V at 20 mVs −1 .

크로로암퍼그램(CA)은 고정된 포텐셜 세팅에서 시간의 함수로써 메탄올 산화 반응 과정의 전류 프로파일을 보여준다. 전극을 먼저 수차례 볼타메트릭 사이클(20mV/s, -0.2V 내지 +1.0V (Ag/AgCl 기준), 0.5M H2SO4중에서 WMPG-1000 포텐티오미터 사용)을 적용시켜 재현성 있는 반응에 도달할 때까지 세정하고, 이어서 산화 및 환원 사이클을 실온 0.5M H2SO4 및 1.0M CH3OH의 N2 탈가스된 혼합 용액중에서 스캔 속도 20mV/s에서 -0.2V 내지 +1.0V 사이에서 기록하였다. 최종적으로, 주변 온도 그리고 0.45V (Ag/AgCl 기준) 기준 전극 전위에 대한 1시간 동안 전류 프로파일을 기록하는 것으로 크로로암퍼그램을 얻는다. 작업 전극의 효과적인 기하학적 면적은 1.0㎠이고, 전극은 2.0㎎/㎠(금속 베이스)의 촉매 로딩을 갖는다.The chromogramgram (CA) shows the current profile of the methanol oxidation process as a function of time at a fixed potential setting. The electrode is first subjected to a number of voltametric cycles (20 mV / s, -0.2 V to +1.0 V based on Ag / AgCl, using a WMPG-1000 potentiometer in 0.5 MH 2 SO 4 ) to achieve a reproducible reaction. Wash and oxidization and reduction cycles were then recorded between −0.2 V and +1.0 V at a scan rate of 20 mV / s in an N 2 degassed mixed solution of room temperature 0.5 MH 2 SO 4 and 1.0 M CH 3 OH. Finally, the chromatogram is obtained by recording the current profile for 1 hour against ambient temperature and 0.45V (Ag / AgCl reference) reference electrode potential. The effective geometric area of the working electrode is 1.0 cm 2, and the electrode has a catalyst loading of 2.0 mg / cm 2 (metal base).

도 1은 시판되는 E-TEK Pt50-Ru50 촉매(a)와 본 발명에 따른 사성분 합금 촉매 ① 내지 ③ (b ~ d)의 TEM 이미지를 도시한 것이다. 1 shows a TEM image of a commercially available E-TEK Pt 50 -Ru 50 catalyst (a) and the four-component alloy catalysts ① to ③ (b to d) according to the present invention.

상기 도 1을 통해 확인될 수 있는 바와 같이, Pt계 합금 나노입자에 대응하는 작은 검은 점의 균질한 분산이 무정형 벌칸 탄소 지지체 상에서 보여진다. 입자 크기 분포는 균일하며, E-TEK 촉매에서 관찰되는 것과 비교하여 본 발명에 따른사성분 합금 촉매에서 금속 입자의 응집이 적음을 알 수 있다.As can be seen from FIG. 1 above, a homogeneous dispersion of small black spots corresponding to Pt-based alloy nanoparticles is seen on the amorphous Vulcan carbon support. The particle size distribution is uniform and it can be seen that there is less aggregation of metal particles in the tetracomponent alloy catalyst according to the present invention as compared to that observed in the E-TEK catalyst.

임의로 선택된 영역에서 TEM 사진으로부터 직접 측정된 입자 크기는 직경 2.0 내지 3.5nm의 범위이다. 흥미롭게, 본 발명에 따른 사성분 합금 촉매는 E-TEK 촉매보다 약간 적은 입자 크기 분포를 보여주었다. Pt계 합금 촉매의 평균 입자크기는 대략적으로 Pt(43)Ru(33)Co(14)W(10)에 대해 2.4nm이고, E-TEK 촉매에 대해 3.3nm였다.The particle size measured directly from the TEM photograph in the randomly selected region ranges from 2.0 to 3.5 nm in diameter. Interestingly, the tetracomponent alloy catalyst according to the present invention showed a slightly smaller particle size distribution than the E-TEK catalyst. The average particle size of the Pt-based alloy catalyst was approximately 2.4 nm for Pt (43) Ru (33) Co (14) W (10) and 3.3 nm for E-TEK catalyst.

도 2는 본 발명에 다른 사성분 합금 촉매와 E-TEK Pt50-Ru50 촉매에 대한 분말 X-레이 회절(XRD) 패턴을 보여준다. 모든 Pt 합금 촉매의 XRD 패턴은 Pt 촉매의 XRD 패턴인 fcc 구조를 나타낸다. 모든 XRD 패턴에서 관찰된 2θ25°에서의 회절 피크는 벌칸 XC-72 탄소의 헥사고날 구조의 (002) 평면에 기인된다. 균일한 Pt 합금 형성을 보여주는 XRD 패턴에서 원소 Ru, Co 와 체심입방 W가 관찰되지 않았다. Scherrer equation에 의한 Pt fcc 격자의 (220) X-레이 회절 피크로부터 계산된 평균 금속 입자 크기는 TEM에 의해 직접 측정에 의한 것과 잘 일치하였다.Figure 2 shows the powder X-ray diffraction (XRD) pattern for the tetracomponent alloy catalyst and the E-TEK Pt 50 -Ru 50 catalyst according to the present invention. The XRD patterns of all Pt alloy catalysts show the fcc structure, which is the XRD pattern of Pt catalysts. The diffraction peak at 2θ = 25 ° observed in all XRD patterns is due to the (002) plane of the hexagonal structure of the Vulcan XC-72 carbon. The elements Ru, Co and centroid cubic W were not observed in the XRD pattern showing uniform Pt alloy formation. The average metal particle size calculated from the (220) X-ray diffraction peak of the Pt fcc grating by the Scherrer equation is in good agreement with that measured directly by TEM.

금속 입자의 균일한 분산이 탄소 지지체 상에서 가정되는 경우, 촉매 입자의 크기가 작을수록 사용된 탄소 지지체의 동일한 양에 대해서 보다 높은 고표면적을 가질 것이다. 따라서, 상기 TEM 및 XRD로부터 얻어진 결과에 기초하여, 본 발명에 따른 사성분 합금 촉매는 E-TEK 촉매와 비교하여 보다 작은 평균 입자 크기를 가지기 때문에 활성 촉매 나노입자의 표면적이 크며, E-TEK 촉매보다 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)에서 메탄올 산화에 대한 보다 높은 활성 표면적을 갖게된다.If a uniform dispersion of the metal particles is assumed on the carbon support, the smaller the catalyst particles will have a higher surface area for the same amount of carbon support used. Therefore, based on the results obtained from the above TEM and XRD, the four-component alloy catalyst according to the present invention has a smaller average particle size compared to the E-TEK catalyst and therefore has a large surface area of the active catalyst nanoparticles, and an E-TEK catalyst. More direct methanol fuel cells (DMFCs) have higher active surface areas for methanol oxidation.

도 3은 30℃하 2.0M CH3OH에서 산화전극 촉매의 사이클릭 볼타모그램(CV)을 나타내었다. 도 3에 따르면, 본 발명에 따른 사성분 합금 산화전극 촉매가 E-TEK 촉매(265mV)보다 낮은 개시 전위(onset potential)(약 210 내지 215mV (DHE 기준))에서 메탄올 산화 활성을 시작함을 보여주고 있다. 보다 낮은 개시 전위는 메탄올 산화에 대한 촉매적 활성이 우수한 증거를 나타내는 것이다.Figure 3 shows the cyclic voltammogram (CV) of the anode catalyst in 2.0M CH 3 OH at 30 ℃. According to FIG. 3, it is shown that the four-component alloy anode catalyst according to the present invention starts methanol oxidation activity at an onset potential (about 210 to 215 mV (DHE basis)) lower than the E-TEK catalyst (265 mV). Giving. Lower onset potentials indicate good evidence of catalytic activity for methanol oxidation.

또한, 본 발명에 따른 사성분 산화전극 촉매 (Pt(43)Ru(33)Co(14)W(10), Pt(45)Ru(24)Co(10)W(21) 및 Pt(45)Ru(23)Co(22)W(10)) 모두 0.6V(versus DHE)에서 각각, E-TEK 촉매에 대한 164mA와 비교하여 보다 높은 247, 207 및 203mA의 메탄올 산화 활성을 보여주었다. 이것은 본 발명의 사성분 산화전극 촉매가 E-TEK 보다 약 24 내지 50% 향상된 활성을 나타냄을 보여준다.In addition, the four-component anode catalyst according to the present invention (Pt (43) Ru (33) Co (14) W (10), Pt (45) Ru (24) Co (10) W (21) and Pt (45) Both Ru (23) Co (22) W (10)) showed higher methanol oxidation activity of 247, 207 and 203 mA compared to 164 mA for the E-TEK catalyst, respectively, at 0.6 V (versus DHE). This shows that the four-component anode catalyst of the present invention exhibits about 24-50% improved activity over E-TEK.

본 실험실에서 합성된 Pt50-Ru50/벌칸 XC-72는, 동일 벌간 XC-72를 담지체로 이용해 제조 시판되는 E-TEK 촉매와 비교하여 약간 낮은 메탄올 산화 활성을 보여주었다(활성 데이터는 투명성을 위해 나타내지 않음). 이것은 본 발명에 따른 새로운 사성분 조성물이 동일한 조건에서 합성된 이성분 Pt-Ru/벌칸 XC-72 촉매와 비교하여 메탄올 산화반응의 촉매활성을 증가시킴을 보이는 것이다.Pt 50 -Ru 50 / Vulcan XC-72 synthesized in this laboratory showed slightly lower methanol oxidation activity compared to commercially available E-TEK catalysts prepared using the same bee XC-72 as carrier (activity data shows transparency Not shown). This shows that the new four-component composition according to the invention increases the catalytic activity of methanol oxidation compared to the two-component Pt-Ru / Vulcan XC-72 catalyst synthesized under the same conditions.

도 4는 0.5M H2SO4 와 1.0M CH3OH의 혼합 용액에서 산화전극 촉매의 크로로암 퍼로그램(CA)를 나타낸다. 크로로암퍼로메트릭(CA) 결과는 이들이 고정된 포텐셜 세팅에서 시간의 함수로써 메탄올 산화반응 과정의 전류 프로파일을 보여주기 때문에 촉매 나노입자 및 시약의 분산 역학 및 전극 안정성에 관한 중요한 정보를 제공할 수 있다. Figure 4 shows the chromoam perogram (CA) of the anode catalyst in a mixed solution of 0.5MH 2 SO 4 and 1.0M CH 3 OH. Chroamperometric (CA) results can provide important information about the electrode dynamics and electrode dispersion stability of catalyst nanoparticles and reagents because they show the current profile of the methanol oxidation process as a function of time at a fixed potential setting. have.

도 4에 따르면, 본 발명에 따른 Pt(43)Ru(33)Co(14)W(10) 촉매는 E-TEK 이성분 촉매와 비교하여 메탄올 산화의 보다 높은 최초 및 최후 전류 밀도를 보여주었고, 이것은 도 3의 CV 결과와 일치하였으며, 또한, 측정 동안 전류 밀도가 느리게 감소함은 이 사성분 촉매의 우수한 안정성을 보여준다. 1시간 후, Pt(43)Ru(33)Co(14)W(10) 촉매는 초기 산화 전류 밀도의 87% 유지하였으며, E-TEK 촉매는 초기 전류 밀도의 오로지 75%만 유지하였다. According to FIG. 4, the Pt (43) Ru (33) Co (14) W (10) catalyst according to the present invention showed a higher initial and final current density of methanol oxidation compared to the E-TEK binary catalyst, This is consistent with the CV results of FIG. 3, and also, the slow decrease in current density during the measurement shows the excellent stability of this four component catalyst. After 1 hour, the Pt (43) Ru (33) Co (14) W (10) catalyst maintained 87% of the initial oxidation current density and the E-TEK catalyst maintained only 75% of the initial current density.

이 결과는 PtRuCoW가 E-TEK 촉매에 비해 CO에 의해 덜 피독 되었음을 보여주고 있으며, 이것은 PtRuCoW에서 이성분 Pt-Ru에 더하여 추가로 Co 와 W 금속의 존재에 기인한 것으로 여겨진다.This result shows that PtRuCoW is less poisoned by CO than E-TEK catalyst, which is believed to be due to the presence of Co and W metals in addition to the bicomponent Pt-Ru in PtRuCoW.

Pt와 다른 제 2 및 제 3 금속과의 합금은 낮은 전위에서 산소화된(예를 들면, -OH) 종의 양을 증가시킬 수 있고, 이것은 CO에서 CO2로의 산화를 손쉽게 할 수 있고, 촉매 상에서 독성화를 줄일 수 있을 것이다. 촉매의 CO 산화 활성은 CO 스트립핑 볼타메트리를 사용하여 조사하였다. Alloying Pt with other second and third metals can increase the amount of oxygenated (eg, -OH) species at low potentials, which can facilitate oxidation of CO to CO 2 and on the catalyst Toxicity will be reduced. CO oxidation activity of the catalyst was investigated using CO stripping voltammetry.

도 5는 PtRu(E-TEK)과 Pt(43)Ru(33)Co(14)W(10) 촉매의 CO 스트립핑 볼타모그램을 나타낸 것이다. 도 5에 따르면, 본 발명에 따른 사성분 합금 촉매는 E-TEK 촉매에 대한 640mV와 비교하여 낮은 전위인 564mV였고, 이것은 Pt 표면상에서 COads의 산화가 PtRuCOW에서 보다 용이하게 일어남을 나타낸다. 따라서, 소량의 Co 및 W의 첨가는 CO 피독된 Pt 표면을 보다 용이하게 깨끗하게 하는 것을 도울 수 있으며, 메탄올 산화에 대한 활성 Pt 반응 사이트를 유지하는 것을 도울 수 있다.FIG. 5 shows CO stripping voltammograms of PtRu (E-TEK) and Pt (43) Ru (33) Co (14) W (10) catalysts. According to FIG. 5, the four-component alloy catalyst according to the present invention had a low potential of 564 mV compared to 640 mV for the E-TEK catalyst, indicating that oxidation of CO ads on the Pt surface occurs more readily in PtRuCOW. Thus, the addition of small amounts of Co and W may help to clean the CO poisoned Pt surface more easily and may help maintain an active Pt reaction site for methanol oxidation.

본 발명에 따른 PtRuCoW 촉매의 보다 우수한 성능은 이작용성 메카니즘으로 설명되어진다. 이 메카니즘에 따르면, 메탄올 산화 동안 활성 Pt 표면에 흡착된 CO는 제 3 및 제 4 금속의 첨가에 의해 보다 효과적으로 제거된다. 즉, Pt 활성 사이트 상의 COads가 사성분 합금 촉매에서 Ru, Co 및 W 금속상에 활성화된 산소화된 종에 의해 CO2로 보다 용이하게 산화된다. 이런 이작용성 메카니즘에 덧붙혀, 다른 금속의 첨가에 의해 Pt의 전기적 구조에서 변화와 관련된 전기적 효과도 관찰된 향상된 활성 결과를 가져올 수 있다. 합금 금속(Ru, Co 및 W)의 역할은 Pt 사이트의 전기적 구조 및 화학적 특성을 변경하는 것이고, Pt 표면에 CO가 보다 약한 화학흡착을 초래하며, 이것은 보다 낮은 포텐셜에서 PtRuCoW 합금에서 CO 전기적 산화를 촉진하다. The better performance of the PtRuCoW catalyst according to the invention is explained by the bifunctional mechanism. According to this mechanism, CO adsorbed on the active Pt surface during methanol oxidation is more effectively removed by the addition of the third and fourth metals. That is, CO ads on the Pt active site are more easily oxidized to CO 2 by the oxygenated species activated on the Ru, Co and W metals in the tetracomponent alloy catalyst. In addition to this bifunctional mechanism, the electrical effects associated with changes in the electrical structure of Pt by the addition of other metals can also lead to the observed enhanced activity results. The role of the alloy metals (Ru, Co and W) is to alter the electrical structure and chemical properties of the Pt site, resulting in weaker chemisorption of CO on the Pt surface, which leads to CO electrooxidation in the PtRuCoW alloy at lower potentials. Promote

도 6은 탄소 지지된 E-TEK PtRu 및 PtRuCoW 촉매의 4f X-레이 포토일렉트론 스펙트라를 보여준다. 도 6에 따르면, 상기 Pt 4f 7 /2 및 4f 5 /2 선은 각각 ~71.2 및 ~74.3eV에서 나타나며, 4 대 3의 이론적 피크 면적비를 보인다. 73.8 및 74.6 eV에서 Pt2 + 및 Pt4 +에 대한 피크는 각각 발견되지 않았으며, 이것은 Pt가 PtRuCoW 사 성분 및 E-TEK Pt-Ru 이성분 촉매 모두에서 0가 금속 상태로 존재함을 나타낸다. PtRuCoW 촉매의 Pt 4f 7 /2는 PtRu 촉매와 비교하여 낮은 결합 에너지로 약간 이동됨을 확인되었다. 예를 들면, PtRuCoW 및 PtRu 촉매의 Pt4f 7 /2 피크는 각각 70.85eV 및 71.1eV에서 있다. Co는 Pt에 대한 전기적 양성 원소이며, 따라서 Pt 원자는 이웃하는 Co 원자로부터 전자를 끌려는 경향을 가질 것이다. 이 효과는 Pt-Co 합금에서 결합내에 편극화를 초래하여 Pt 4f 7 /2 시그널의 결합 에너지가 네가티브 이동(shift)를 일으킨 것으로 판단된다.6 shows the 4 f X-ray photoelectron spectra of carbon supported E-TEK PtRu and PtRuCoW catalysts. Referring to Figure 6, the Pt 4 f 7/2 and 4 f 5/2 line exhibits a peak area ratio of the theoretical appear, 4 to 3 in each of ~ 71.2 and ~ 74.3eV. It had a peak for Pt 2 + and Pt 4 + at 73.8 and 74.6 eV is not found, respectively, indicating that the Pt is 0 is present in the form of metal on both PtRuCoW yarn component and the E-TEK Pt-Ru two-component catalyst. PtRuCoW the catalyst Pt 4 f 7/2 It was confirmed that as compared with the PtRu catalyst slightly shifted to a low bonding energy. For example, Pt4 f 7/2 peak of PtRuCoW and PtRu catalyst may in each 70.85eV and 71.1eV. Co is an electrically positive element for Pt, so Pt atoms will tend to attract electrons from neighboring Co atoms. This effect is likely caused the movement resulting in polarization in the combination in Pt-Co alloy and the binding energy of the Pt 4 f 7/2 signal is negative (shift).

Park 등의 Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 907. 및 Gotz 등의 Electrochem. Acta 1998 , 43, 3637.에서는 삼성분 PtRuW 촉매에서 W의 증진 효과를 보고하였다. 상기 삼성분 촉매는 메탄올 산화에 대하여 촉매적 활성을 개선시켰다. 이것은 W 산화 상태의 빠른 변화와 관련된 W의 산화환원 반응과정에 기여된다. 이러한 산화환원 특성은 활성 W가 물의 해리성 흡착 및 메탄올의 탈수소화에 의해 발생된 흡착된 CO의 산화반응을 보다 수월하게 만든다. 따라서, 보다 낮은 결합 에너지로의 이동은 Co 및 W가 Pt의 전기적 특성을 개질하고, 따라서, Co의 d-전자 밀도 및 W의 산화환원 특성의 기여에 의한 Pt-CO 결합 에너지를 감소시킴을 나타낸다. Co와 W가 합쳐지는 효과는 활성 Pt촉매에 CO의 형성을 어렵게 만들지만, 반응성 산소화된 중간체의 형성은 보다 더 잘 일어나게 한다. Park et al ., Appl . Phys . Lett . 2002 , 81 , 907. and Gochem et al., Electrochem . Acta 1998 , 43 , 3637. reported the enhancement effect of W on Samsung PtRuW catalyst. The ternary catalyst has improved catalytic activity against methanol oxidation. This contributes to the redox reaction of W, which involves a rapid change in W oxidation state. This redox property makes active W easier to oxidize the adsorbed CO generated by dissociative adsorption of water and dehydrogenation of methanol. Thus, the shift to lower binding energy indicates that Co and W modify the electrical properties of Pt, thus reducing the Pt-CO binding energy due to the contribution of the d-electron density of Co and the redox properties of W. . The combined effect of Co and W makes the formation of CO in the active Pt catalyst difficult, but the formation of reactive oxygenated intermediates is much better.

도 7 내지 8은 산화전극으로 본 발명에 따른 Pt(43)Ru(33)Co(14)W(10) 사성분 합금 촉매 와 E-TEK 촉매의 30 및 70℃에서 결정된 DMFC의 전압 및 동력밀도 곡선이다. 도 7에 따르면, Pt(43)Ru(33)Co(14)W(10) 사성분 합금 촉매 와 E-TEK 촉매에 대한 오픈-회로 전압(OCV)은 각각 0.635V 및 0.654V였다. Pt(43)Ru(33)Co(14)W(10) 사성분 합금 촉매에 대한 0.4V에서 전류 밀도는 92mA/㎠였다. 이 영역에서 전압 및 동력밀도는 촉매의 활성에 의해 주로 영향을 받는다. 이것은 동일한 실험 조건하에서 E-TEK 촉매에 대한 58mA/㎠의 값과 비교하여 58% 증가한 것에 해당한다. Pt(43)Ru(33)Co(14)W(10) 사성분 합금 촉매 및 E-TEK 촉매에 대한 최대 동력 밀도는 각각 64mW/㎠ 및 38mW/㎠였다. 이것은 또한 Pt(43)Ru(33)Co(14)W(10) 촉매가 E-TEK 촉매 보다 68% 더 높은 동력 밀도를 보여주는 것이다. 유사한 경향이 도 8에서 보여지는 바와 같이 70℃에서 관찰되었다. 최대 동력 밀도는 Pt(43)Ru(33)Co(14)W(10) 사성분 합금 촉매 및 E-TEK 촉매 각각에 대하여 179mW/㎠ 및 130mW/㎠였다. 이것은 E-TEK 촉매와 비교하여 Pt(43)Ru(33)Co(14)W(10) 촉매의 성능이 약 37% 정도 우수함을 나타내는 것이다. 7 to 8 show the voltage and power density of DMFC determined at 30 and 70 ° C. of a Pt (43) Ru (33) Co (14) W (10) tetracomponent alloy catalyst and an E-TEK catalyst according to the present invention. It is a curve. According to FIG. 7, open-circuit voltages (OCV) for Pt (43) Ru (33) Co (14) W (10) tetracomponent alloy catalysts and E-TEK catalysts were 0.635V and 0.654V, respectively. The current density at 92 V for the Pt (43) Ru (33) Co (14) W (10) tetracomponent alloy catalyst was 92 mA / cm 2. Voltage and power density in this region are mainly affected by the activity of the catalyst. This corresponds to a 58% increase compared to the value of 58 mA / cm 2 for the E-TEK catalyst under the same experimental conditions. The maximum power densities for the Pt (43) Ru (33) Co (14) W (10) tetracomponent alloy catalyst and the E-TEK catalyst were 64 mW / cm 2 and 38 mW / cm 2, respectively. This also shows that the Pt (43) Ru (33) Co (14) W (10) catalyst shows 68% higher power density than the E-TEK catalyst. Similar trends were observed at 70 ° C. as shown in FIG. 8. Maximum power densities were 179 mW / cm 2 and 130 mW / cm 2 for the Pt (43) Ru (33) Co (14) W (10) tetracomponent alloy catalyst and the E-TEK catalyst, respectively. This indicates that the Pt (43) Ru (33) Co (14) W (10) catalyst is about 37% better than the E-TEK catalyst.

상기 결과에 기초하여, 본 발명에 따른 사성분 PtRuCoW 합금 촉매는 DMFC 산화전극 촉매로서 유용함을 확인할 수 있다.Based on the above results, it can be seen that the four-component PtRuCoW alloy catalyst according to the present invention is useful as a DMFC anode catalyst.

도 1은 본 발명에 따른 촉매들과 시판되는 E-TEK Pt50-Ru50 촉매의 TEM 이미지를 도시한 것이다.Figure 1 shows a TEM image of the catalysts according to the invention and commercially available E-TEK Pt 50 -Ru 50 catalysts.

도 2는 본 발명에 따른 촉매들과 시판되는 E-TEK Pt50-Ru50 촉매의 X-레이 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the catalysts according to the present invention and commercially available E-TEK Pt 50 -Ru 50 catalyst.

도 3은 본 발명에 따른 촉매들과 시판되는 E-TEK Pt50-Ru50 촉매의 사이클릭 볼타모그램이다.3 is a cyclic voltamogram of catalysts according to the invention and commercially available E-TEK Pt 50 -Ru 50 catalysts.

도 4는 본 발명에 따른 촉매와 시판되는 E-TEK Pt50-Ru50 촉매의 크로로암퍼그램이다.4 is a chromopergram of a catalyst according to the present invention and a commercially available E-TEK Pt 50 -Ru 50 catalyst.

도 5는 본 발명에 따른 촉매와 시판되는 E-TEK Pt50-Ru50 촉매의 CO 스트리핑 볼타모그램이다.5 is a CO stripping voltammogram of the catalyst according to the present invention and commercially available E-TEK Pt 50 -Ru 50 catalyst.

도 6은 본 발명에 따른 촉매와 시판되는 E-TEK Pt50-Ru50 촉매의 X-레이 포토일렉트론 스펙트라이다.Figure 6 is an X-ray photoelectron spectra of the catalyst according to the invention and commercially available E-TEK Pt 50 -Ru 50 catalyst.

도 7은 본 발명에 따른 촉매와 시판되는 E-TEK Pt50-Ru50 촉매를 산화전극으로 사용한 30℃ 직접 메탄올 연료 전지의 전압 및 동력 밀도 곡선이다.7 is a voltage and power density curve of a 30 ° C. direct methanol fuel cell using a catalyst according to the present invention and a commercially available E-TEK Pt 50 -Ru 50 catalyst as an anode.

도 8은 본 발명에 따른 촉매와 시판되는 E-TEK Pt50-Ru50 촉매를 산화전극으로 사용한 70℃ 직접 메탄올 연료 전지의 전압 및 동력 밀도 곡선이다.8 is a voltage and power density curve of a 70 ° C. direct methanol fuel cell using a catalyst according to the present invention and a commercially available E-TEK Pt 50 -Ru 50 catalyst as an anode.

Claims (8)

플래티늄(Pt) 10 내지 50몰% 미만;Platinum (Pt) of less than 10-50 mol%; 루테늄(Ru) 20 내지 40몰%;Ruthenium (Ru) 20 to 40 mol%; 코발트(Co) 10 내지 25몰%; 및10 to 25 mole percent cobalt (Co); And 텅스텐(W) 10 내지 25몰%;을 포함하는 사성분 합금으로 된 직접 메탄올 연료 전지용 촉매.A catalyst for a direct methanol fuel cell of a tetracomponent alloy comprising 10 to 25 mol% of tungsten (W). 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 촉매는 산화전극 촉매인 직접 메탄올 연료 전지용 촉매.The catalyst of claim 1, wherein the catalyst is an anode catalyst. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매는 2 내지 10nm의 평균 입자직경을 갖는 것인 직접 메탄올 연료전지용 촉매.The catalyst is a direct methanol fuel cell catalyst having an average particle diameter of 2 to 10nm. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매는 탄소계 물질, 무기물 미립자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에 서 선택되는 담체에 의해 담지된 것인 직접 메탄올 연료전지용 촉매.The catalyst is a direct methanol fuel cell catalyst which is supported by a carrier selected from the group consisting of carbonaceous materials, inorganic fine particles and mixtures thereof. 제 5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 무기물 미립자는 Zr, Ti, Sn, Zn, Al, Si, W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소의 산화물인 것인 직접 메탄올 연료전지용 촉매.The inorganic fine particles are Zr, Ti, Sn, Zn, Al, Si, W and a catalyst for a direct methanol fuel cell that is an oxide of an element selected from the group consisting of a combination thereof. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매는 총 중량에 대하여 20 내지 90중량%로 담체에 담지된 것인 직접 메탄올 연료전지용 촉매.The catalyst is a direct methanol fuel cell catalyst that is supported on 20 to 90% by weight based on the total weight. 서로 대향하여 위치하는 산화전극 및 환원전극, 및 An anode and a cathode positioned opposite to each other, and 상기 산화전극 및 환원전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, It includes a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode, 상기 산화전극과 환원전극 중 어느 하나 또는 둘 모두는 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 촉매를 포함하는 것인 직접 메탄올 연료전지용 막-전극 어셈블리.Any one or both of the anode and the cathode comprises a catalyst according to any one of claims 1 to 7, wherein the membrane-electrode assembly for direct methanol fuel cell.
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