KR101117066B1 - Synthesis method of Pt alloy/supporter catalysts, catalysts and fuel cell using the same - Google Patents

Synthesis method of Pt alloy/supporter catalysts, catalysts and fuel cell using the same Download PDF

Info

Publication number
KR101117066B1
KR101117066B1 KR1020090101074A KR20090101074A KR101117066B1 KR 101117066 B1 KR101117066 B1 KR 101117066B1 KR 1020090101074 A KR1020090101074 A KR 1020090101074A KR 20090101074 A KR20090101074 A KR 20090101074A KR 101117066 B1 KR101117066 B1 KR 101117066B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carrier
catalyst
metal
platinum
solution
Prior art date
Application number
KR1020090101074A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20110044421A (en
Inventor
유종성
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020090101074A priority Critical patent/KR101117066B1/en
Priority to US12/894,897 priority patent/US8993198B2/en
Publication of KR20110044421A publication Critical patent/KR20110044421A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101117066B1 publication Critical patent/KR101117066B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/03Precipitation; Co-precipitation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/42Platinum
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/16Reducing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/92Metals of platinum group
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

본 발명은 백금합금/담체 촉매의 제조방법에 관한 것으로, (a) 촉매활성을 가지는 금속의 수용성 염 및 유레아를 물에 용해시키고, 담체를 분산시켜 분산용액을 제조하는 단계와, (b) 상기 (a) 단계를 거친 분산용액을 고온에서 교반하여 담체의 표면에 수산화금속 입자를 침강시키는 단계와, (c) 상기 수산화금속 입자가 침강된 담체를 환원하는 단계를 포함하며, 합금 촉매 입자의 입도 및 입도의 분포가 유레아의 사용에 의해 크게 개선되는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a method for preparing a platinum alloy / carrier catalyst, comprising the steps of (a) dissolving a water-soluble salt and urea of a metal having catalytic activity in water, dispersing a carrier to prepare a dispersion solution, and (b) the (a) stirring the dispersion solution at a high temperature to precipitate the metal hydroxide particles on the surface of the carrier, and (c) reducing the carrier on which the metal hydroxide particles are precipitated, and the particle size of the alloy catalyst particles And particle size distribution is greatly improved by the use of urea.

본 발명의 백금합금/담체 촉매의 제조방법은 수산화이온의 생성이 유레아의 가수분해에 의하여 분산용액 내에서 일어나고, 균질상으로 공급되는 수산화이온과 금속염이 반응하여 담체에 촉매물질이 침강되므로, 입자크기가 작고 크기의 분포가 균일한 백금합금을 담체에 도입할 수 있다. 이러한 특징에 의하여 본 발명의 백금합금/담체 촉매가 연료전지의 전극촉매로 사용되면 메탄올 및 수소 등 연료의 산화작용(fuel oxidation reaction)과 연료전지의 성극작용성능(fuel cell polarization performance)에 대한 촉매활성도를 크게 증가시킬 수 있다. 또한 기존의 NaBH4같은 고가의 환원제나 촉매입자의 고른 분산을 위해 사용되는 별도의 계면활성제 및 복잡한 과정을 사용하지 않고, 저가의 유레아를 침강시약으로 사용함으로써 값싸게 연료전지의 전극 촉매를 손쉽고 간단하게 합성하므로, 환경 친화적이고 가격 경쟁력이 높다.In the method for preparing the platinum alloy / carrier catalyst of the present invention, the production of hydroxide ions occurs in a dispersion solution by hydrolysis of urea, and the hydroxide ions and metal salts supplied in a homogeneous phase react with the metal salt to precipitate the catalyst material on the carrier. Platinum alloys of small size and uniform in size distribution can be introduced into the carrier. Due to these features, when the platinum alloy / carrier catalyst of the present invention is used as an electrode catalyst of a fuel cell, it is a catalyst for fuel oxidation reaction of fuels such as methanol and hydrogen and fuel cell polarization performance of the fuel cell. The activity can be greatly increased. In addition, low-cost urea is used as a sedimentation reagent without using expensive surfactants or complex surfactants for the uniform dispersion of catalyst particles such as NaBH 4. It is environmentally friendly and competitive in price.

Description

백금합금/담체 촉매의 제조방법, 이를 이용하여 제조된 촉매 및 연료전지{Synthesis method of Pt alloy/supporter catalysts, catalysts and fuel cell using the same}Synthesis method of Pt alloy / supporter catalysts, catalysts and fuel cell using the same}

본 발명은 백금합금/담체 촉매의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 백금합금의 입도와 분산도를 개선하여 촉매활성이 향상된 백금합금/담체 촉매를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a platinum alloy / carrier catalyst, and more particularly, to a method for preparing a platinum alloy / carrier catalyst having improved catalytic activity by improving the particle size and dispersion of the platinum alloy.

금속 나노입자들이 담지된 탄소 및 산화금속들은 에폭시반응, Heck반응, 연료전지 산화, 환원반응, 리튬이온배터리 및 수소저장 등의 여러 가지 유기 및 전기 화학반응들의 촉매 및 흡착제로 많은 연구가 되어왔다. 특히, 연료전지(Fuel Cell)의 경우, 차세대 친환경 에너지원으로써, 보통 전지와는 달리 전지의 교환이나 충전이 불필요하고 대신, 수소나 메탄올 등의 연료를 공급하여 전기화학반응을 통해 화학에너지를 전기에너지를 변환시켜주는 장치이다. 연료전지는 최근 친환경 자동차의 대안으로 주목받고 있으며, 그 외에도 주택이나 휴대기기 등에 사용되는 전원 공급원으로 상용화될 가능성이 커지며 연구가 활발히 진행되고 있다. 연료전지의 전극 성능은 전극에서 산화 및 환원 반응을 담당하는 전극 촉매 나노입자의 화학조 성, 크기, 분포, 안정성 등에 의해 크게 영향을 받으며, 또한 반응물의 촉매층으로의 확산과 반응 생성물의 배출 등과 같은 물질 전달의 용이성에 의해서도 크게 영향을 받게 되는데, 이는 촉매층의 반응표면적, 세공 구조, 분포 및 연결성과 관련된다.Carbon and metal oxides carrying metal nanoparticles have been studied as catalysts and adsorbents for various organic and electrochemical reactions such as epoxy reaction, Heck reaction, fuel cell oxidation, reduction reaction, lithium ion battery and hydrogen storage. In particular, in the case of fuel cells, fuel cells are the next-generation environmentally friendly energy sources. Unlike ordinary batteries, they do not require battery replacement or charging. Instead, fuel cells, such as hydrogen or methanol, are used to supply chemical energy through electrochemical reactions. It is a device that converts energy. Fuel cells have recently been attracting attention as an alternative to eco-friendly vehicles, and in addition, research is being actively conducted as it is likely to be commercialized as a power supply source used in houses or portable devices. The electrode performance of the fuel cell is greatly influenced by the chemical composition, size, distribution, and stability of the electrode catalyst nanoparticles responsible for the oxidation and reduction reactions at the electrode, and also the diffusion of the reactants into the catalyst layer and the discharge of reaction products. It is also greatly influenced by the ease of mass transfer, which is related to the reaction surface area, pore structure, distribution and connectivity of the catalyst layer.

특히 양성자 교환막(proton exchange membrane, PEM) 또는 고분자 전해질막 (polymer electrolyte membrane, PEM) 연료전지는 보다 큰 파워(power)를 필요로 하는 자동차용 및 운송용 등의 에너지원으로 주목받고 있다. PEM 연료전지의 원리는 다음과 같다. 연료전지는 연료극, 산소극 및 이들을 물리적으로 분리하고 있는 고분자 전해질막을 포함한다. 연료극에는 수소 또는 에탄올, 메탄올 등의 알코올이 공급되고, 산소극에는 산소가 공급된다. 상기 연료극 및 산소극에 각각 전선을 연결하고 (예를 들면, 외부의 전력소비 회로를 연결함으로써) 회로를 구성하면, 연료전지의 작동이 개시된다. 최근 PEM 연료전지의 한 종류인 직접메탄올연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)에 관련된 기술개발이 활발히 이루어지고 있으며 상용화를 앞두고 있다. 그러나, 직접메탄올연료전지가 상용화되기 위해서는 해결되어야 할 몇 가지 문제점이 있는데, 백금에 기초한 촉매의 사용으로 인한 연료전지의 높은 제조비용도 그 중 하나이다. 이러한 문제점의 해결을 위하여 촉매의 활성도를 향상시킴으로써 백금의 소모량을 줄이는 방법에 대한 개발 노력이 이루어지고 있다. In particular, proton exchange membranes (PEMs) or polymer electrolyte membranes (PEMs) fuel cells are attracting attention as energy sources for automobiles and transportation that require greater power. The principle of the PEM fuel cell is as follows. The fuel cell includes a fuel electrode, an oxygen electrode, and a polymer electrolyte membrane that physically separates them. Hydrogen or alcohols such as ethanol and methanol are supplied to the fuel electrode, and oxygen is supplied to the oxygen electrode. When the electric wires are respectively connected to the fuel electrode and the oxygen electrode (for example, by connecting an external power consumption circuit), the operation of the fuel cell is started. Recently, technology development related to direct methanol fuel cell (DMFC), a kind of PEM fuel cell, has been actively conducted and is expected to be commercialized. However, there are some problems to be solved in order to commercialize the direct methanol fuel cell, and one of them is the high production cost of the fuel cell due to the use of a catalyst based on platinum. In order to solve this problem, efforts have been made to reduce the consumption of platinum by improving the activity of the catalyst.

일반적으로 담체에 담지된 촉매의 활성은 금속입자의 크기와 분산도에 크게 의존하는 것으로 알려져 있다. 담지된 백금이나 백금-루테늄 합금의 입자 크기를 작게 유지하고 분산도를 향상시키기 위하여 함침 환원법(impregnation reduction), 콜로이드법(colloidal method), 마이크로에멀젼(microemulsion), 이온교환법(ion exchange) 등과 같은 다양한 촉매의 합성방법이 개발되었다. 그러나 이들의 대부분은 입자 크기와 분포를 적절하게 조절하는데 실패하였고, 복잡하고 시간이 오래 걸리는 공정이라는 단점을 가지며, 심지어 잔류 보호물질을 제거하는데 비효율적이라는 문제점도 가지고 있다. 양성자 교환막 연료전지에 사용되는 촉매의 대표적인 제조 방법에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.In general, it is known that the activity of a catalyst supported on a carrier depends largely on the size and dispersion of the metal particles. In order to keep the particle size of the supported platinum or platinum-ruthenium alloy small and improve the degree of dispersion, various methods such as impregnation reduction, colloidal method, microemulsion, ion exchange method, etc. Methods of synthesis of catalysts have been developed. However, most of them fail to properly control the particle size and distribution, have the disadvantage of being a complicated and time-consuming process, and even have the problem of being inefficient in removing residual protective materials. Looking at the representative method for producing a catalyst used in the proton exchange membrane fuel cell in more detail as follows.

함침-환원법은 백금 또는 다른 금속의 전구체 수용액과 탄소 담체의 혼합물에서 금속 전구체를 환원하여 각 금속을 탄소 담체 상에 침적시키거나, 또는 탄소 담체 상에 함침시키기 전에 활성 금속 전구체를 먼저 환원시키고 상기 환원된 금속을 탄소 담체 위에 침적시키는 방법이다. 이때, 환원제로는 NaBH4, HCHO, HCOOH, HCOONa, N2H4 등이 사용된다. 이와 관련된 선행기술은 Na2S2O3를 환원제로 이용하여 PtRuPd/C 촉매를 제조하는 방법을 개시하고 있다. The impregnation-reduction method reduces metal precursors in a mixture of a precursor solution of platinum or other metals with a carbon carrier to deposit each metal on the carbon carrier, or first reduce the active metal precursor and impregnate the metal prior to impregnation on the carbon carrier. Deposited metal is deposited on a carbon carrier. At this time, NaBH 4 , HCHO, HCOOH, HCOONa, N 2 H 4 and the like are used as the reducing agent. The related art discloses a method for preparing a PtRuPd / C catalyst using Na 2 S 2 O 3 as a reducing agent.

콜로이드법은 콜로이드상의 금속 산화물을 제조한 후, 탄소 담체에 침적시키고, 여러 다른 환원처리를 통해 촉매를 수득하는 방법이다. 관련된 선행문헌은 염화백금산(chloroplatinic acid)을 Na6[Pt(SO3)4]로 전환한 후 Na6[Pt(SO3)4]의 Na+를 이온교환을 통해 H+로 전환하고, H6[Pt(SO3)4]를 가열하여 SO3 2-를 분리시킨 후 이를 건조시켜 마침내 콜로이드 상의 산화 백금을 얻는 방법에 대하여 개시하고 있다. 검은색의 이 콜로이드는 물 또는 다른 용매에 분산시켜 담체 위에 쉽게 침적될 수 있다. 또 다른 선행문헌은 콜로이드법을 이용하여 PtRu/C 촉매를 제조하였는데, 염화백금산을 Na6[Pt(SO3)4]로 전환한 후 과량의 H2O2를 첨가함으로써 Na6[Pt(SO3)4]를 분해하여 안정한 콜로이드상의 산화 백금으로 전환시키고, RuCl3 등과 같은 루테늄 화합물을 산화 백금 콜로이드에 첨가한 뒤 루테늄을 산화 루테늄으로 산화시키고, 산화 백금과 상호작용시킴과 동시에 금속 클러스터가 형성된 후 클러스터를 담체 상에 침적시키고 이 금속을 수소로 환원시키는 방법에 대하여 개시하고 있다.The colloidal method is a method of preparing a colloidal metal oxide, depositing it on a carbon carrier, and obtaining a catalyst through various other reduction treatments. A related prior art document converts chloroplatinic acid to Na 6 [Pt (SO 3 ) 4 ] and then converts Na + of Na 6 [Pt (SO 3 ) 4 ] to H + via ion exchange, A method is disclosed in which 6 [Pt (SO 3 ) 4 ] is heated to separate SO 3 2- and then dried to finally obtain platinum oxide on the colloid. This black colloid can be easily deposited on the carrier by dispersing in water or other solvents. Another prior document has prepared a PtRu / C catalyst using the colloidal method, by converting chloroplatinic acid to Na 6 [Pt (SO 3 ) 4 ] and adding excess H 2 O 2 to Na 6 [Pt (SO 3 ) 4 ] is decomposed to a stable colloidal platinum oxide, and a ruthenium compound such as RuCl 3 is added to the platinum oxide colloid, followed by oxidation of ruthenium with ruthenium oxide, interaction with platinum oxide and the formation of metal clusters. A method is then disclosed for depositing clusters on a carrier and reducing this metal to hydrogen.

또 다른 방법은 본네만(Bonnemann) 방법인데, 이와 관련된 선행문헌은 양성자 교환막 연료전지 전극촉매의 제조방법을 개시하며, 포화된 C5-C10 탄화수소, 방향족 탄화수소, 에테르류, 에스테르류 및 케톤류, 더욱 구체적으로는 n-펜탄, 헥산, 벤젠, 톨루엔, THF, 디에틸 에테르 아세톤, 에틸 아세테이트 또는 이들의 혼합물 내에서 PtRh/C 촉매를 제조하는 방법을 개시하고 있다.Another method is the Bonnemann method, the related literature discloses a method for producing a proton exchange membrane fuel cell electrode catalyst, saturated C 5 -C 10 hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, ethers, esters and ketones, More specifically, a process for preparing a PtRh / C catalyst in n-pentane, hexane, benzene, toluene, THF, diethyl ether acetone, ethyl acetate or mixtures thereof is disclosed.

상기의 방법들은 20 내지 30중량% 이하의 낮은 담지율 조건에서는 비교적 작고 균일한 촉매 나노입자 분포를 보여 줄 수 있으나, 담지율이 증가하면, 크기 및 분포도에서 만족스러운 결과를 보여 주지 못하는 문제점을 가지고 있다. 또한 주로 높은 온도에서 합성이 이루어지고 사용되는 용매가 고가이므로 제조비용의 상승과 환경오염에 대한 문제점이 있고, 제조 공정이 복잡하여 시간 소비가 많으며, 특히 높은 금속 담지량을 가질 경우 크기의 조절과 균일함의 제어가 힘들다는 문제점을 가진다. 따라서, 촉매의 물성을 향상시키기 위하여, 균일한 분산이 가능하고, 화학 량적으로 균일하게 담지되는 백금 또는 백금-루테늄 합금 나노입자를 제조할 수 있는 안정적이고 용이하며 효율적인 촉매의 합성방법에 대한 개발 필요성이 커지고 있다.The above methods can show a relatively small and uniform distribution of catalyst nanoparticles under low loading conditions of 20 to 30% by weight, but when the loading rate is increased, there is a problem in that satisfactory results are not shown in size and distribution. have. In addition, since the synthesis is mainly performed at a high temperature and the solvent used is expensive, there is a problem of an increase in manufacturing cost and environmental pollution, and a complicated manufacturing process consumes a lot of time, and especially in the case of having a high metal loading, control and uniformity of size It is difficult to control the ship. Therefore, in order to improve the physical properties of the catalyst, it is necessary to develop a stable, easy and efficient method for synthesizing a catalyst capable of producing uniformly dispersed platinum or platinum-ruthenium alloy nanoparticles that can be uniformly dispersed and supported in a stoichiometric manner. Is growing.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 담체에 담지되는 백금합금의 입자 크기가 작고 균일한 분산도를 가져 촉매 활성도가 높으며, 친환경적이고 공정이 단순한 백금합금/담체 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the first problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a platinum alloy / carrier catalyst having a small catalyst size and uniform dispersion degree of catalyst activity, high environmental activity and simple process. will be.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기의 제조방법으로 제조된 백금합금/담체 촉매를 제공하는 것이다.The second problem to be solved by the present invention is to provide a platinum alloy / carrier catalyst prepared by the above production method.

본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기의 백금합금/담체 촉매를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.The third problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell comprising the platinum alloy / carrier catalyst.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 촉매활성을 가지는 금속의 수용성 염 및 유레아를 물에 용해시키고, 담체를 분산시켜 분산용액을 제조하는 단계와, (b) 상기 (a) 단계를 거친 분산용액을 고온에서 교반하여 담체의 표면에 수산화금속 입자를 침강시키는 단계와, (c) 상기 수산화금속 입자가 침강된 담체를 환원하는 단계를 포함하는 백금합금/담체 촉매의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the first object, the present invention comprises the steps of dissolving a water-soluble salt and urea of a metal having catalytic activity in water, dispersing a carrier to prepare a dispersion solution, and (b) the step (a) It provides a method of producing a platinum alloy / carrier catalyst comprising the step of stirring the dispersion solution at a high temperature to precipitate the metal hydroxide particles on the surface of the carrier, and (c) reducing the carrier on which the metal hydroxide particles are precipitated.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (a) 단계는 촉매활성을 가지는 금속의 수용성 염 및 유레아를 물에 용해시켜 금속-유레아 용액을 제조하는 단계, 담체를 분산액에 분산시키는 담체 분산액을 제조하는 단계 및 상기 금속-유레아 용액 및 담체 분산액을 혼합하는 단계를 포함하며, 상기 담체 분산액은 수산화나트륨을 첨가하여 소정의 산도로 pH를 조절할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step (a) is a step of preparing a metal-urea solution by dissolving a water-soluble salt and urea of the metal having catalytic activity in water, preparing a carrier dispersion in which the carrier is dispersed in a dispersion. And mixing the metal-urea solution and the carrier dispersion, wherein the carrier dispersion can be adjusted to pH with a predetermined acidity by adding sodium hydroxide.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 (a) 단계에서 제조되는 분산용액의 산도는 pH 5 내지 pH 12의 범위에 있는 것이 바람직하다.According to another embodiment of the present invention, the acidity of the dispersion solution prepared in step (a) is preferably in the range of pH 5 to pH 12.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (a) 단계에서, 유레아는 금속의 수용성 염 몰수 대비 5 내지 200배의 양으로 첨가되는 것이 바람직하다.According to another embodiment of the present invention, in the step (a), urea is preferably added in an amount of 5 to 200 times the number of moles of the water-soluble salt of the metal.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (a) 단계는, 촉매활성을 가지는 금속의 수용성 염을 물에 용해시켜 금속염 수용액을 제조하는 단계와, 유레아를 물에 용해시켜 유레아 수용액을 제조하는 단계와, 금속염 수용액과 유레아 수용액을 혼합하는 단계와, 금속염 수용액과 유레아 수용액의 혼합용액에 담체를 분산시키는 단계로 이루어질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step (a) comprises the steps of preparing a metal salt aqueous solution by dissolving a water-soluble salt of a metal having catalytic activity in water, and preparing a urea aqueous solution by dissolving urea in water. And, mixing the aqueous metal salt solution and the urea solution, and dispersing the carrier in the mixed solution of the aqueous metal salt solution and the urea solution.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 금속의 수용성 염은 백금과, 루테늄, 로듐, 몰리브덴, 오스뮴, 이리듐, 레늄, 팔라듐, 바나듐, 텅스텐, 코발트, 철, 셀레늄, 니클, 비스므트, 주석, 크롬, 구리, 티타늄, 금 및 세륨으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the water-soluble salt of the metal is platinum, ruthenium, rhodium, molybdenum, osmium, iridium, rhenium, palladium, vanadium, tungsten, cobalt, iron, selenium, nickel, bismuth, tin, It may include at least one metal selected from the group consisting of chromium, copper, titanium, gold and cerium.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 백금합금은 촉매 전체 중량의 5 내지 95중량%로 담지될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the platinum alloy may be supported by 5 to 95% by weight of the total weight of the catalyst.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (b) 단계는 60 내지 120℃의 온도에서 진행되는 것이 바람직하다.According to another embodiment of the present invention, the step (b) is preferably carried out at a temperature of 60 to 120 ℃.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (b) 단계에서 담체의 표면에 수산화금속 입자를 침강시키기 위한 수산화 이온은 유레아의 가수분해에 의하여 생성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, hydroxide ions for sedimenting the metal hydroxide particles on the surface of the carrier in the step (b) may be generated by hydrolysis of urea.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (b) 단계에서 담체의 표면에 수산화금속 입자를 침강시키기 위한 수산화 이온은 상기 담체 분산액에 첨가된 수산화나트륨과, 유레아의 가수분해에 의하여 생성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the hydroxide ions for sedimenting the metal hydroxide particles on the surface of the carrier in step (b) may be generated by hydrolysis of sodium hydroxide and urea added to the carrier dispersion. .

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 담체는 불칸탄소, 카본나노튜브, 카본 나노선, 이중세공구조탄소 및 탄소캡슐로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 카본담체일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the carrier may be a carbon carrier comprising at least one selected from the group consisting of vulcanized carbon, carbon nanotubes, carbon nanowires, double pore structure carbon and carbon capsules.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 담체는 이산화티타늄, 실리카, 산화 알루미늄 및 이산화망간으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나로 이루어지거나, 이산화티타늄, 실리카, 산화 알루미늄 및 이산화망간으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나가 탄소와 결합된 복합체로 이루어질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the carrier is at least one selected from the group consisting of titanium dioxide, silica, aluminum oxide and manganese dioxide, or at least one selected from the group consisting of titanium dioxide, silica, aluminum oxide and manganese dioxide is carbon It may be made of a complex combined with.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (c) 단계에 사용되는 환원제는 NaBH4, LiBH4, HCHO, HCOOH, CH3OH, CH3CH2OH, HCOONa, N2H4, AlBH4 수용액 및 에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the reducing agent used in step (c) is NaBH 4 , LiBH 4 , HCHO, HCOOH, CH 3 OH, CH 3 CH 2 OH, HCOONa, N 2 H 4 , AlBH 4 aqueous solution And it may be at least one selected from the group consisting of ethylene glycol.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (c) 단계는 150 내지 400℃의 수소분위기에서 환원을 수행되는 것이 바람직하다. According to another embodiment of the present invention, the step (c) is preferably carried out in a hydrogen atmosphere of 150 to 400 ℃.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 (c) 단계 전에 분산용액에서 수산 화금속 입자가 침강된 담체를 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, before the step (c) may further comprise the step of separating the carrier precipitated metal hydroxide particles in the dispersion solution.

본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여, 카본담체 및 상기 카본담체에 담지된 백금합금을 포함하고, 상기 담지된 백금합금 입자의 크기는 X선회절 패턴의 백금(220) 피크로부터 쉐러식에 의하여 2.0 내지 3.0㎚로 계산되는 것을 특징으로 하는 백금합금/담체 촉매를 제공한다.The present invention includes a carbon carrier and a platinum alloy supported on the carbon carrier, in order to achieve the second object, the size of the supported platinum alloy particles are in the Schiller formula from the platinum 220 peak of the X-ray diffraction pattern It provides a platinum alloy / carrier catalyst, characterized in that calculated by 2.0 to 3.0nm.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 백금합금/담체 촉매는 상기의 제조방법에 의하여 제조될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the platinum alloy / carrier catalyst can be prepared by the above production method.

본 발명은 상기 세 번째 과제를 달성하기 위하여, 상기의 제조방법에 의하여 제조된 백금합금/담체 촉매를 포함하는 연료전지를 제공한다.The present invention provides a fuel cell comprising a platinum alloy / carrier catalyst prepared by the above production method in order to achieve the third object.

본 발명의 백금합금/담체 촉매의 제조방법은 수산화이온의 생성이 경우에 따라 NaOH 수용액을 이용해 적당한 pH로 먼저 조절하는 과정과 유레아의 가수분해에 의하여 분산용액 내에서 일어나고, 균질상으로 공급되는 수산화이온과 금속염이 반응하여 담체에 촉매물질이 침강되므로 입자크기가 작고 크기의 분포가 균일한 백금합금을 담체에 도입할 수 있다. 이러한 특징에 의하여 본 발명의 백금합금/담체 촉매가 연료전지의 전극촉매로 사용되는 경우에 메탄올 및 수소 등 연료의 산화작용(fuel oxidation reaction)과 연료전지 성극작용성능(fuel cell polarization performance)에 대한 촉매활성도를 크게 증가시킬 수 있다. 또한 본 발명에 따른 다원계 합금 촉매는 아주 작은 크기 (2~3nm)의 금속 입자가 균일하게 담체에 분산되어 촉매 반응이 일어날 수 있는 면적을 증가시켜 에폭시반응, Heck반응, 리튬이 온배터리 및 수소저장 등의 여러 가지 유기 및 전기 화학반응들의 특성을 향상시킬 수 있다. 아울러 본 발명에 따르면, 비교적 낮은 온도의 수용액상에서 온화한 합성조건으로 촉매를 합성할 수 있으므로, 환경 친화적이고 가격효율 면에서 유리한 백금 담지 촉매의 합성방법을 제공할 수 있다.In the method for preparing a platinum alloy / carrier catalyst of the present invention, the production of hydroxide ions occurs in a dispersion solution by first adjusting the pH to an appropriate pH using an aqueous NaOH solution and hydrolysis of urea and supplying a homogeneous phase. Since ions and metal salts react to precipitate the catalyst material on the carrier, a platinum alloy having a small particle size and a uniform distribution can be introduced into the carrier. Due to these characteristics, when the platinum alloy / carrier catalyst of the present invention is used as an electrode catalyst of a fuel cell, the fuel oxidation reaction and fuel cell polarization performance of fuels such as methanol and hydrogen It can greatly increase the catalytic activity. In addition, the multi-alloy catalyst according to the present invention increases the area in which the metal particles of a very small size (2-3 nm) are uniformly dispersed in the carrier to increase the catalytic reaction, such as epoxy reaction, Heck reaction, lithium ion battery and hydrogen. It can improve the properties of various organic and electrochemical reactions such as storage. In addition, according to the present invention, since the catalyst can be synthesized under mild synthetic conditions in a relatively low temperature aqueous solution, it is possible to provide a method for synthesizing a supported platinum catalyst, which is environmentally friendly and advantageous in terms of cost efficiency.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명은 (a) 촉매활성을 가지는 금속의 수용성 염 및 유레아를 물에 용해시키고, 담체를 분산시켜 분산용액을 제조하는 단계와, (b) 상기 (a) 단계를 거친 분산용액을 고온에서 교반하여 담체의 표면에 수산화금속 입자를 침강시키는 단계와, (c) 상기 수산화금속 입자가 침강된 담체를 환원하는 단계를 포함하는 백금합금/담체 촉매의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of (a) dissolving a water-soluble salt and urea of the metal having a catalytic activity in water, dispersing the carrier to prepare a dispersion solution, and (b) stirring the dispersion solution passed through the step (a) at high temperature It provides a method for producing a platinum alloy / carrier catalyst comprising the steps of: sedimenting the metal hydroxide particles on the surface of the carrier, and (c) reducing the carrier on which the metal hydroxide particles are precipitated.

본 발명은 유레아(urea)의 가수분해에 의하여 생성된 수산화이온(OH-)와 활성금속이온의 반응을 통해 수산화금속 입자를 담체에 균일하게 침강(homogeneous deposition)시키고, 효율적인 환원방법에 의하여 수산화금속 입자를 완전히 환원시킴으로써, 백금합금/담체 촉매의 백금합금 담지량을 높일 수 있고, 백금합금의 입자 크기를 작게 유지하고 크기의 분포를 균일하게 유지하여 촉매의 활성을 향상시킬 수 있다. The present invention uniformly precipitates the metal hydroxide particles on the carrier through the reaction of the hydroxide ions (OH ) produced by the hydrolysis of urea and the active metal ions, and the metal hydroxides by an efficient reduction method. By completely reducing the particles, the platinum alloy loading of the platinum alloy / carrier catalyst can be increased, the particle size of the platinum alloy can be kept small, and the distribution of the size can be kept uniform, thereby improving the activity of the catalyst.

(a) 단계는 금속의 수용성 염과 유레아의 가수분해에 의하여 생성된 수산화이온을 반응시켜 담체에 수산화금속 입자를 침강하기 위한 분산용액을 준비하는 단 계이다. 상기 (a)단계에 사용되는 금속의 수용성 염은 백금(Pt)과, 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe), 셀레늄(Se), 니클(Ni), 비스므트(Bi), 주석(Sn), Cr(크롬), 타이타늄(Ti), 금(Au), 세륨(Ce) 및 구리(Cu) 등으로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상의 금속을 포함한다. 금속염의 몰농도, 예를 들면 약 0.5 내지 2mM 범위, 바람직하게는 약 1mM은 금속염 용액에 포함된 물과 담체 슬러리에 포함된 물 및 기타 쏘스(source)에 의해 도입된 물 총량에 대한 금속염의 농도로써 계산한다. 금속염의 수용액을 희석하는 것은 이하의 단계에서 침강 및 환원 반응에 의해 촉매 금속이 석출되는 경우 각각의 입자들이 서로 응집되어 뭉침으로써 금속 입자가 커지는 현상을 막고 보다 완벽한 환원을 위함이다. 또한 침강반응 전 수용액의 산도는 본래 pH 3 내지 pH 4 정도의 산성이나, 경우에 따라 NaOH 또는 NH4OH등의 염기 용액을 첨가함으로써 산도를 조절할 수 있다. 이들 금속들은 적게는 촉매 전체 중량의 5%에서, 많게는 95중량%, 바람직하게는 20% 내지 80중량%의 양으로 담지(loading) 될 수 있다. 본 발명의 방법은 담체의 표면에 비교적 작은 입자 크기(2 ~ 3 nm)를 갖는 금속이 균일하게 분산된 촉매를 제조할 수 있어서, 고가의 귀금속을 효율적으로 이용할 수 있어 경제적으로도 유리하다. 또한 사용하고자 하는 용도에 따라 금속의 상대적 무게를 광범위하게 선택할 수 있다. 상기 본 발명에 따른 응용성의 한 예인 연료 전지의 전극 촉매 제조 방법은 복잡한 공정을 거치지 않고 비교적 간단한 방법으로 금속촉매입자의 크기 및 분산을 제어하며, 계면활성제 같은 고가의 시약을 사용하지 않고 값싼 침강시약인 유레아를 첨가하여 수산화 금속을 탄소담체의 표면 위에 균일하게 분산시킨 후 수소를 포함한 다양한 환원제를 사용하여 완벽하게 금속 촉매 입자를 환원시켰다. 이것은 기존의 연료전지 전극 촉매 제조과정과 비교하여, 값싸고 간단하게 제조할 수 있다는 장점이 있다. 침강시약인 유레아는 금속염의 몰수 대비 5배 내지 200배의 과량의 몰수를 사용하고, 바람직하게는 10 내지 100배정도가 사용될 수 있다.Step (a) is a step of preparing a dispersion solution for settling metal hydroxide particles on a carrier by reacting a water-soluble salt of a metal with hydroxide ions produced by hydrolysis of urea. The water-soluble salt of the metal used in the step (a) is platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), molybdenum (Mo), osmium (Os), iridium (Ir), rhenium (Re), palladium (Pd), vanadium (V), tungsten (W), cobalt (Co), iron (Fe), selenium (Se), nickel (Ni), bismuth (Bi), tin (Sn), Cr (chromium), Titanium (Ti), gold (Au), cerium (Ce), copper (Cu), and the like. The molarity of the metal salt, for example in the range of about 0.5 to 2 mM, preferably about 1 mM, is the concentration of the metal salt relative to the total water introduced by the water contained in the metal salt solution and the water contained in the carrier slurry and other sources. Calculate as The dilution of the aqueous solution of the metal salt is to prevent the phenomenon that the metal particles grow by agglomeration and agglomeration of the respective particles when the catalyst metal is precipitated by sedimentation and reduction reactions in the following steps, and for more complete reduction. In addition, the acidity of the aqueous solution before the sedimentation reaction is originally acidity of about pH 3 to pH 4, but in some cases can be adjusted by adding a base solution such as NaOH or NH 4 OH. These metals can be loaded in an amount of at least 5% of the total weight of the catalyst, as much as 95% by weight, preferably 20% to 80% by weight. The method of the present invention can produce a catalyst in which a metal having a relatively small particle size (2 to 3 nm) is uniformly dispersed on the surface of the carrier, so that expensive precious metals can be efficiently used, which is economically advantageous. In addition, the relative weight of the metal can be widely selected depending on the intended use. The electrode catalyst manufacturing method of the fuel cell, which is an example of the applicability according to the present invention, controls the size and dispersion of the metal catalyst particles in a relatively simple method without undergoing a complicated process, and is a cheap sedimentation reagent without using expensive reagents such as surfactants. Phosphorus urea was added to uniformly disperse the metal hydroxide on the surface of the carbon carrier, and then metal catalyst particles were completely reduced using various reducing agents including hydrogen. This has the advantage of being inexpensive and simple to manufacture, compared to the conventional fuel cell electrode catalyst manufacturing process. The sedimentation reagent urea uses an excess number of moles of 5 times to 200 times the number of moles of the metal salt, preferably about 10 to 100 times.

또한 본 발명에서는 금속의 수용성 염, 우레아 및 담체를 물에 첨가하는 순서를 다양하게 변화시키는 것이 가능하다. In the present invention, it is also possible to vary the order in which the water-soluble salts of the metal, urea and carrier are added to water.

가능한 하나의 방법은 금속의 수용성 염의 용해, 우레아의 용해 및 담체의 분산 순서로 이루어지는 것인데, 먼저 촉매활성을 가지는 금속의 수용성 염을 물에 용해시켜 금속염 수용액을 제조하고, 이어서 우레아를 물에 용해시켜 우레아 수용액을 제조하고, 이어서 금속염 수용액과 우레아 수용액을 혼합하고, 마지막으로 금속염 수용액과 우레아 수용액의 혼합용액에 담체를 분산시키는 순서로 진행할 수 있다. 또 다른 방법은 금속의 수용성 염의 용해, 담체의 분산 및 우레아의 용해 순서로 이루어지는 것인데, 먼저 촉매활성을 가지는 금속의 수용성 염을 물에 용해시켜 금속염 수용액을 제조하고, 이어서 담체를 물에 분산시켜 담체 분산액을 제조하고, 이어서 담체 분산액에 우레아를 용해시키고, 마지막으로 우레아가 용해된 담체 분산액과 금속염 수용액을 혼합하는 순서로 진행할 수 있다. 상기의 과정에서는 균일한 용해 또는 분산을 위하여 교반이 수반될 수 있고, 교반을 통하여 금속의 수용성 염이 담체의 기공(pore) 속으로 고르게 침투하게 된다. 또한 경우에 따라 촉매 활성을 가지는 금속의 수용성 염을 첨가하기 전에 수산화나트륨 수용액을 이용해 적당한 pH로 산도를 먼저 조절할 수도 있다. 이와 같이 수산화나트륨 수용액을 이용하여 pH를 조절하면, 유레아만을 이용한 경우에 비하여 보다 넓은 pH 범위에서 분산용액의 산도를 조절할 수 있다는 장점을 가지고, 이로써 촉매의 크기 분포를 보다 균일하게 조절할 수 있다.One possible method consists of dissolving the water-soluble salts of the metals, dissolving the urea and dispersing the carrier, firstly dissolving the water-soluble salts of the catalytically active metal in water to prepare a metal salt aqueous solution, and then dissolving the urea in water. The aqueous urea solution may be prepared, followed by mixing the aqueous metal salt solution and the aqueous urea solution, and finally dispersing the carrier in the mixed solution of the aqueous metal salt solution and the urea solution. Another method consists of dissolving a water-soluble salt of a metal, dispersing a carrier and dissolving a urea. First, a water-soluble salt of a metal having catalytic activity is dissolved in water to prepare an aqueous metal salt solution, and then the carrier is dispersed in water to support the carrier. The dispersion can be prepared, followed by dissolving urea in the carrier dispersion, and finally mixing the carrier dispersion in which the urea is dissolved with the aqueous metal salt solution. In the above process, stirring may be accompanied for uniform dissolution or dispersion, and through stirring, the water-soluble salt of the metal is evenly penetrated into the pores of the carrier. In some cases, the acidity may be first adjusted to an appropriate pH using an aqueous sodium hydroxide solution before adding a water-soluble salt of a metal having catalytic activity. Thus, by adjusting the pH using an aqueous sodium hydroxide solution, it has the advantage that the acidity of the dispersion solution can be adjusted in a wider pH range than when using only urea, thereby controlling the size distribution of the catalyst more uniformly.

본 발명에 사용되는 금속의 수용성 염은 서로 다른 2종 이상의 것을 사용할 수 있다. 서로 다른 금속원자를 포함하는 금속의 수용성 염을 사용하면 합금형태의 입자를 담체에 침강할 수 있다. 이때 금속의 수용성 염의 사용량은 담체에 담지될 금속의 상대적 양에 따라 화학양론적으로 결정되며, 물에 용해시키는 농도는 그 염의 종류에 따른 물에 대한 용해도에 따라 결정될 수 있다. 본 발명에 사용되는 금속의 수용성 염은 헥사클로로백금(Ⅳ)산 수소 및 루테늄 클로라이드일 수 있다. 헥사클로로백금(Ⅳ)산 수소는 수산화백금의 생성을 유도하고, 루테늄 클로라이드는 수산화루테늄의 생성을 유도하여 결과적으로 백금-루테늄 합금의 입자가 담체에 담지될 수 있게 한다. 담체는 표면 및 내부에 많은 기공을 포함하고 있다. 담체에 형성된 기공은 담체의 표면적을 크게 유지하여 많은 양의 금속촉매 입자가 담지될 수 있도록 한다. 본 발명에 사용되는 담체는 불칸탄소, 카본나노튜브, 카본 나노선, 이중세공구조탄소 및 탄소캡슐로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나로 이루어지거나, 이산화티타늄, 실리카, 산화 알루미늄 및 이산화망간으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나로 이루어지거나, 이산화티타늄, 실리카, 산화 알루미늄 및 이산화망간탄소로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나가 탄소와 결합된 복합체로 이루어질 수 있다.The water-soluble salt of the metal used for this invention can use 2 or more types different from each other. By using a water-soluble salt of a metal containing different metal atoms, it is possible to settle the alloy particles in the carrier. In this case, the amount of the water-soluble salt of the metal is determined stoichiometrically according to the relative amount of the metal to be supported on the carrier, and the concentration dissolved in water may be determined according to the solubility in water according to the type of salt. The water soluble salts of the metals used in the present invention may be hexachloroplatinum (IV) acid and ruthenium chloride. Hydrogen hexachloroplatinum (IV) acid induces the production of platinum hydroxide, ruthenium chloride induces the production of ruthenium hydroxide, and consequently allows the particles of the platinum-ruthenium alloy to be supported on the carrier. The carrier contains many pores on the surface and inside. The pores formed in the carrier maintain a large surface area of the carrier so that a large amount of metal catalyst particles can be supported. The carrier used in the present invention is at least one selected from the group consisting of vulcanized carbon, carbon nanotubes, carbon nanowires, double-porous carbon, and carbon capsules, or at least one selected from the group consisting of titanium dioxide, silica, aluminum oxide and manganese dioxide. It may be made of one, or at least one selected from the group consisting of titanium dioxide, silica, aluminum oxide and manganese dioxide carbon may be composed of a composite combined with carbon.

(b) 단계는 금속의 수용성 염, 유레아 및 담체의 분산용액을 가열하여 금속의 수용성 염과 유레아를 가수분해로 생성된 수산화이온을 반응시켜 담체의 표면에 수산화금속 입자를 침강시키는 단계이다. 분산용액에 포함된 유레아는 가수분해에 의하여 수산화이온을 생성시켜 용액 내의 pH가 균일하게 유지되도록 한다. 또한 경우에 따라 수산화나트륨 수용액을 이용해 적당한 산도로 pH를 먼저 조절하는 과정을 포함할 수도 있다. 본 발명에서는 분산용액 내에서 생성된 수산화이온과 금속의 수용성 염의 농도가 분산용액 전체에서 일정하게 유지될 수 있으므로 균질상 침강법에 의한 촉매의 제조가 가능하다. Step (b) is a step of allowing the metal hydroxide particles to precipitate on the surface of the carrier by heating the dispersion solution of the water-soluble salts, urea and carrier of the metal to react the hydroxide ions produced by hydrolysis of the water-soluble salt of the urea with the metal. Urea contained in the dispersion solution generates hydroxide ions by hydrolysis to maintain a uniform pH in the solution. In some cases, it may also include the step of first adjusting the pH to an appropriate acidity using an aqueous sodium hydroxide solution. In the present invention, since the concentrations of the hydroxide ions and the water-soluble salts of the metals produced in the dispersion solution can be kept constant throughout the dispersion solution, it is possible to prepare the catalyst by the homogeneous sedimentation method.

이러한 촉매의 제조과정은 촉매의 물성과 관련된다. 분산용액의 pH가 어느 영역에서 높거나 낮다면 금속의 수용성 염과 수산화이온의 반응 또한 어느 영역에서는 빠르게 또는 어느 영역에서는 느리게 일어날 수 있다. 이와 같이 분산용액에서 일어나는 반응조건이 일정하지 않으면 생성되는 수산화금속 입자의 크기가 균일하지 못하고, 입자의 크기도 작게 유지할 수 없다. 또한 환원 후의 금속입자는 환원 전 수산화금속 입자의 형태를 어느 정도 유지하게 되므로 본 발명의 균일상 침강법에 의하여 제조된 금속합금/담체 촉매는 금속입자의 크기나 균일도를 향상시킬 수 있고, 결과적으로 촉매의 활성을 우수하게 만들 수 있다. (b) 단계는 60 내지 120℃의 온도에서 진행되는 것이 바람직한데, 60℃ 미만의 온도에서는 반응이 잘 일어나지 않고, 120℃를 초과한 온도에서는 부반응이 일어날 수 있기 때문이다.The preparation of such a catalyst is related to the physical properties of the catalyst. If the pH of the dispersion is high or low in any region, the reaction of the water-soluble salts of the metal with the hydroxide ions can also occur quickly in some regions or slowly in some regions. As such, if the reaction conditions occurring in the dispersion solution are not constant, the size of the metal hydroxide particles produced is not uniform, and the size of the particles cannot be kept small. In addition, since the metal particles after reduction maintain the form of the metal hydroxide particles before reduction to some extent, the metal alloy / carrier catalyst prepared by the homogeneous sedimentation method of the present invention can improve the size and uniformity of the metal particles. The activity of the catalyst can be made excellent. Step (b) is preferably carried out at a temperature of 60 to 120 ℃, because the reaction does not occur well at a temperature below 60 ℃, side reactions may occur at a temperature above 120 ℃.

본 발명에 사용되는 금속의 수용성 염 중 하나인 헥사클로로백금(Ⅳ)산 수소 를 예로 들어 (b) 단계에서 일어나는 화학반응을 설명하면 다음과 같다.Taking the hexachloro platinum (IV) acid hydrogen, which is one of the water-soluble salts of the metal used in the present invention, the chemical reaction occurring in step (b) is described as follows.

유레아를 이용한 균질상 침강법에서 수산화이온의 공급은 하기의 반응식 1에 의하여 일어난다. 유레아의 가수분해에 의하여 수산화이온이 생성되는데, 이러한 수산화이온의 공급은 용액 내에서(in-situ) 일어나므로 용액 내에서 수산화이온의 농도를 균일하게 유지할 수 있고, 국부적인 영역에서 pH의 변화가 급격하게 일어나는 것을 방지할 수 있다.The supply of hydroxide ions in a homogeneous sedimentation method using urea takes place according to Scheme 1 below. Hydroxide ions are produced by the hydrolysis of urea, and the supply of hydroxide ions occurs in-situ, so that the concentration of hydroxide ions can be maintained uniformly in the solution, and the pH change in the local region You can prevent it from happening suddenly.

반응식 1Scheme 1

CO(NH2)2 + 3H2O → 2NH4 + + CO2 + 2OH- CO (NH 2) 2 + 3H 2 O → 2NH 4 + + CO 2 + 2OH -

유레아가 용해된 용액 속에 함께 용해되어 있는 헥사클로로백금(Ⅳ)산 수소는, 수화되어 이온상태로 용액 내에 존재하며 수산화이온과 반응하여 수산화금속 입자를 생성하며 담체에 균일하게 침강된다. 이때, 수산화이온은 용액 내에 균일한 농도로 존재하므로 생성되는 수산화 입자의 크기도 균일하게 유지될 수 있다. 하기의 반응식 2는 헥사클로로백금(Ⅳ)산 수소가 수화되는 반응을 나타낸 것이고, 반응식 3은 수화된 백금 이온이 수산화이온과 반응하여 수산화금속이 생성되는 반응을 나타낸 것이다.Hydrogen hexachloroplatinum (IV) acid, which is dissolved together in a solution in which urea is dissolved, is hydrated and is present in the solution in an ionic state and reacts with the hydroxide ions to produce metal hydroxide particles and settles uniformly on the carrier. At this time, since hydroxide ions are present in a uniform concentration in the solution, the size of the generated hydroxide particles can also be maintained uniformly. Scheme 2 below shows a reaction in which hexachloroplatinum (IV) acid is hydrated, and Scheme 3 shows a reaction in which hydrated platinum ions react with hydroxide ions to generate metal hydroxides.

반응식 2Scheme 2

[PtCl6]-2 + xH2O ↔[PtCl 6 -x (H2O) x ] -2+x + xCl- (x = 0, 1, 2)[PtCl 6 ] -2 + x H 2 O ↔ [PtCl 6 -x (H 2 O) x ] -2 + x + X Cl - (x = 0 , 1, 2)

반응식 3Scheme 3

[PtCl 6 -x (H2O) x ] -2+x + yOH - ↔[PtCl 6 -x (OH)y(H2O) x-y ] -2+x-y + yH2O (x > y) [PtCl 6 -x (H 2 O ) x] -2 + x + y OH - ↔ [PtCl 6 -x (OH) y (H 2 O) xy ] -2 + xy + y H 2 O (x > y)

또는or

[PtCl 6 -x (H2O) x ] -2+x + zOH - ↔[PtCl6 -x-z (OH) z (H2O) x ] - 2+ x + zCl - [PtCl 6 -x (H 2 O ) x] -2 + x + z OH - ↔ [PtCl 6 -xz (OH) z (H 2 O) x] - 2+ x Z + Cl -

(c) 단계는 담체에 침강된 수산화금속 입자를 금속으로 환원시키는 과정이다. 이 단계는 수산화금속 입자를 완전히 금속으로 환원시키기 위하여 적절한 세기의 환원조건에서 환원을 진행하여야 하는데, 다양한 방법으로 환원이 진행될 수 있다. NaBH4, LiBH4, HCHO, HCOOH, CH3OH, CH3CH2OH, HCOONa, N2H4, AlBH4 수용액 또는 에틸렌 글리콜과 같은 액상의 환원제를 이용하여 수산화금속 입자를 환원시키는 것이 가능하다. Step (c) is a process of reducing the metal hydroxide particles precipitated on the carrier to the metal. In this step, in order to reduce the metal hydroxide particles to the metal completely, the reduction should be carried out under the appropriate reducing conditions, and the reduction may be performed in various ways. It is possible to reduce metal hydroxide particles using liquid reducing agents such as NaBH 4 , LiBH 4 , HCHO, HCOOH, CH 3 OH, CH 3 CH 2 OH, HCOONa, N 2 H 4 , AlBH 4 aqueous solution or ethylene glycol. .

또한 고온의 수소분위기에서 수산화금속 입자가 침강된 담체를 처리하여 환원시키는 것도 가능한데, 본 발명과 같이 담체에 담지된 수산화금속 입자의 양이 많은 경우에 효과적으로 수산화금속 입자를 환원시킬 수 있다. 이 경우 분산용액에서 수산화금속 입자가 침강된 담체를 분리하는 과정이 필요하며, (b) 단계의 반응 이 완결되면 분산용액을 상온으로 냉각하고 슬러리 형태의 고형물을 분리하여 증류수로 세척하여 남아있는 염화물을 제거하고 필터링한 후 고온에서 건조한다. 이때 열처리 온도는 150 내지 400℃인 것이 바람직하다. 열처리 온도가 150℃ 미만이면 환원속도가 느려 환원이 잘 일어나지 않고, 400℃를 초과하면 금속입자들이 뭉쳐 입자 크기가 커지는 경향이 발생할 수 있다. In addition, it is also possible to reduce by treating the carrier precipitated metal hydroxide particles in a high-temperature hydrogen atmosphere, the metal hydroxide particles can be effectively reduced when the amount of the metal hydroxide particles supported on the carrier is large as in the present invention. In this case, it is necessary to separate the carrier precipitated metal hydroxide particles from the dispersion solution, and when the reaction of step (b) is completed, the dispersion solution is cooled to room temperature and the solids in the form of slurry are separated and washed with distilled water to retain the remaining chloride. Remove, filter and dry at high temperature. At this time, the heat treatment temperature is preferably 150 to 400 ℃. If the heat treatment temperature is less than 150 ℃ is a reduction rate is not good because the reduction rate, if it exceeds 400 ℃ metal particles can be agglomerated tends to increase the particle size.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 백금합금/담체 촉매 제조방법은 종래의 제조방법에 비하여 낮은 온도의 수용액 상에서 온화한 합성조건으로 촉매를 합성할 수 있으므로, 환경 친화적이고 가격효율 면에서 유리한 백금 담지 촉매의 합성방법을 제공한다. 또한 백금합금/담체 촉매에서 금속촉매의 담지량을 전체중량 대비 5 내지 95중량%로 넓은 범위에서 조절할 수 있고, 특히 금속촉매의 담지량이 높은 경우에도 금속입자의 크기를 작게 유지하고 크기의 분포를 균일하게 유지할 수 있다. 이러한 특징에 의하여 본 발명의 백금합금/담체 촉매를 연료전지의 전극촉매로 사용하면 메탄올, 수소 등 연료의 산화작용(fuel oxidation reaction)과 연료전지 성극작용성능(fuel cell polarization performance)에 대한 촉매활성도를 크게 증가시킬 수 있다. As described so far, the platinum alloy / carrier catalyst production method of the present invention can synthesize the catalyst under mild synthesis conditions in an aqueous solution at a lower temperature than the conventional production method, and thus is an environmentally friendly and cost effective catalyst. Provide a synthesis method. In addition, the amount of metal catalyst supported on the platinum alloy / carrier catalyst can be controlled in a wide range of 5 to 95% by weight based on the total weight. In particular, even when the amount of the metal catalyst is high, the size of the metal particles is kept small and the size distribution is uniform. I can keep it. Due to these characteristics, when the platinum alloy / carrier catalyst of the present invention is used as an electrode catalyst of a fuel cell, catalytic activity against fuel oxidation reaction and fuel cell polarization performance of fuel such as methanol and hydrogen is used. Can be greatly increased.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred examples. However, these examples are intended to illustrate the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereby.

실시예 1-1(pH7~8조건에서 백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매(HD-H2)의 제조) Example 1-1 ( Preparation of platinum-ruthenium (60 wt.%) / VC catalyst (HD-H 2 ) at pH 7-8 conditions)

동일 몰(mole)의 헥사클로로백금(Ⅳ)산 수소(Kojima사 제조)와 루테늄 클로라이드(Aldrich사 제조)를 증류수에 용해시켜 금속염 용액을 제조하였다. 불칸 카본(Vulcan Carbon, 이하에서 VC라 한다)을 별도로 증류수에 분산시키고 상온에서 30분간 교반하여 VC 분산액을 제조하였다. 유레아(Aldrich사 제조)를 VC 분산액에 첨가하고 균질상의 카본-유레아 용액이 얻어질 때까지 교반하였다. 이어서, 금속염 용액을 카본-유레아 용액에 혼합하고 교반한 후, 전체 용액의 산도가 pH7~8이 되도록 실온에서 약간의 NaOH를 첨가해 pH를 조절하고 한 시간 동안 교반한 후, 혼합액을 90℃로 가열하고 1시간 동안 교반하며 방치하였다. 여기서 유레아 대 백금-루테늄 금속의 몰비는 20:1로 조절하였다. 이어서, 혼합액을 상온으로 냉각하고 혼합 슬러리를 증류수로 반복하여 세척하고 필터링하여 여분의 염화물을 제거한 후, 80℃의 온도에서 밤새도록 건조하였다. 이어서, 건조된 슬러리를 튜브로에 놓고 수소를 공급하며 300℃의 온도에서 1시간 동안 열처리하여 백금-루테늄/VC 촉매를 제조하였다. 제조된 백금-루테늄/VC 촉매의 백금-루테늄 담지량은 60중량%였다.A mole of hexachloroplatinum (IV) acid (manufactured by Kojima) and ruthenium chloride (manufactured by Aldrich) were dissolved in distilled water to prepare a metal salt solution. Vulcan Carbon (hereinafter referred to as VC) was separately dispersed in distilled water and stirred at room temperature for 30 minutes to prepare a VC dispersion. Urea (made by Aldrich) was added to the VC dispersion and stirred until a homogeneous carbon-urea solution was obtained. Subsequently, the metal salt solution was mixed with the carbon-urea solution and stirred, and then the pH was adjusted by adding a little NaOH at room temperature so that the acidity of the entire solution was pH 7-8, and the mixture was stirred for one hour, and then the mixture was brought to 90 ° C. Heated and left to stir for 1 hour. The molar ratio of urea to platinum-ruthenium metal was adjusted to 20: 1. Subsequently, the mixture was cooled to room temperature, the mixed slurry was washed repeatedly with distilled water, filtered to remove excess chloride, and then dried overnight at a temperature of 80 ° C. Subsequently, the dried slurry was placed in a tube furnace and heat-treated at a temperature of 300 ° C. for 1 hour while supplying hydrogen to prepare a platinum-ruthenium / VC catalyst. The platinum-ruthenium loading of the prepared platinum-ruthenium / VC catalyst was 60% by weight.

실시예 1-2 (pH3~4조건에서 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)의 제조) Example 1-2 ( Preparation of platinum-ruthenium (40 wt.%) / VC catalyst (HD-H 2 ) at pH 3-4 conditions)

금속염 용액과 VC 분산액의 혼합용액에 유레아 대 백금-루테늄의 몰비가 20:1이 되도록 유레아를 첨가한 후 NaOH 용액을 추가하지 않았고(분산용액의 산도는 pH3~4였다), 백금-루테늄의 담지량을 40중량%로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 제조하였다.Urea was added to the mixed solution of the metal salt solution and the VC dispersion so that the molar ratio of urea to platinum-ruthenium was 20: 1, and no NaOH solution was added (the acidity of the dispersion solution was pH 3-4), and the amount of platinum-ruthenium supported. A platinum-ruthenium (40 wt%) / VC catalyst (HD-H 2 ) was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that was adjusted to 40 wt%.

실시예 1-3(pH5~6조건에서 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)의 제조) Example 1-3 ( Preparation of platinum-ruthenium (40% by weight) / VC catalyst (HD-H 2 ) at pH ~ 6 conditions)

금속염 용액과 VC 분산액의 혼합용액에 유레아 대 백금-루테늄의 몰비가 20:1이 되도록 유레아를 첨가한 후, 분산액의 혼합용액의 산도가 pH5~6이 되도록 NaOH를 첨가하였으며, 백금-루테늄의 담지량을 40중량%로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 제조하였다.Urea was added to the mixed solution of the metal salt solution and the VC dispersion so that the molar ratio of urea to platinum-ruthenium was 20: 1, and then NaOH was added so that the acidity of the mixed solution of the dispersion was pH 5-6, and the amount of platinum-ruthenium supported A platinum-ruthenium (40 wt%) / VC catalyst (HD-H 2 ) was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that was adjusted to 40 wt%.

실시예 1-4(pH7~8조건에서 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)의 제조) Example 1-4 ( Preparation of platinum-ruthenium (40 wt.%) / VC catalyst (HD-H 2 ) at pH 7-8 conditions)

금속염 용액과 VC 분산액의 혼합용액에 유레아 대 백금-루테늄의 몰비가 20:1이 되도록 유레아를 첨가한 후, 분산액의 혼합용액의 산도가 pH7~8이 되도록 NaOH를 첨가하였으며, 백금-루테늄의 담지량을 40중량%로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 제조하였다.Urea was added to the mixed solution of the metal salt solution and the VC dispersion so that the molar ratio of urea to platinum-ruthenium was 20: 1, and then NaOH was added so that the acidity of the mixed solution of the dispersion was pH 7-8, and the amount of platinum-ruthenium supported A platinum-ruthenium (40 wt%) / VC catalyst (HD-H 2 ) was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that was adjusted to 40 wt%.

실시예 1-5(pH9~10조건에서 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)의 제조) Example 1-5 ( Preparation of platinum-ruthenium (40% by weight) / VC catalyst (HD-H 2 ) at pH 9 ~ 10 conditions)

금속염 용액과 VC 분산액의 혼합용액에 유레아 대 백금-루테늄의 몰비가 20:1이 되도록 유레아를 첨가한 후, 분산액의 혼합용액의 산도가 pH9~10이 되도록 NaOH를 첨가하였으며, 백금-루테늄의 담지량을 40중량%로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 제조하였다.Urea was added to the mixed solution of the metal salt solution and the VC dispersion so that the molar ratio of urea to platinum-ruthenium was 20: 1, and then NaOH was added so that the acidity of the mixed solution of the dispersion was pH9-10, and the amount of platinum-ruthenium supported A platinum-ruthenium (40 wt%) / VC catalyst (HD-H 2 ) was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that was adjusted to 40 wt%.

실시예 2(실시예 1-1의 백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 사용한 반쪽 전지의 제조) Example 2 Preparation of Half Battery Using Platinum-Ruthenium (60 wt.%) / VC Catalyst (HD-H 2 ) of Example 1-1

백금에 기초한 촉매의 메탄올 산화에 대한 촉매활성과 백금의 전기화학적 표면적을 측정하기 위하여 실시예 1-1의 백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매가 적용된 반쪽 전지(half cell, 3-전극 전기화학 전지)를 제조하였다. 백금 거즈(gauze)를 대응전극(counter electrode)으로 사용하였고, Ag/AgCl를 기준전극(reference electrode)로 사용하였다. 동작전극(working electrode)은 3㎜ 직경의 유리질 탄소 디스크 위에 형성된 나피온-임프레그네이티드 촉매(nafion-impregnated catalyst) 박막으로, 백금 거즈 및 대응전극과 함께 테플론 실린더 전해질 안에 담가 전기화학 반응을 시킨다. 동작전극은 Appl. Catal. B: Environ. 84 (2008) 100-105의 내용에 따라 제조되었다. 동작전극의 촉매 담지량은 0.2mg 백금/cm2였다.Half cell, 3-electrode electrolysis with platinum-ruthenium (60 wt.%) / VC catalyst of Example 1-1 to measure the catalytic activity against methanol oxidation of platinum-based catalyst and the electrochemical surface area of platinum Chemical cells). Platinum gauze was used as the counter electrode and Ag / AgCl was used as the reference electrode. The working electrode is a thin film of a Nafion-impregnated catalyst formed on a 3 mm diameter glassy carbon disk, which is immersed in a Teflon cylinder electrolyte with platinum gauze and a counter electrode to undergo an electrochemical reaction. . The working electrode is Appl. Catal. B: Environ. 84 (2008) prepared according to the contents of 100-105. The catalyst loading of the working electrode was 0.2 mg platinum / cm 2 .

실시예 3-1(실시예 1-1의 백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 사용한 단전지의 제조) Example 3-1 (Preparation of single cell using the platinum-ruthenium (60% by weight) / VC catalyst (HD-H 2 ) of Example 1-1)

연료전지의 성극성능(polarization performance)을 측정하기 위하여 실시예 1-1의 백금-루테늄 (60중량%)/VC 촉매가 적용된 2cm2의 촉매 단면적(cross- sectional catalyst area)을 가지는 단전지(single cell)를 제조하였다. 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)는 예비 처리된 나피온-115(듀폰사 제조) 막을 양극과 음극으로 양쪽에서 핫프레싱(135 ℃, 2000 psi, 5분)하여 제조하였다. 양극과 음극은 적당량의 담지된 촉매 잉크를 테플론 탄소 페이퍼(TGPH-090)에 인쇄하고 70℃의 오븐에서 1시간 동안 건조하여 제조하였다. 촉매 잉크는 100㎎의 촉매를 5 중량%의 나피온 용액 0.763ml와 혼합하고 사용에 앞서 교반을 유지하였다. 촉매의 담지량은 양전극에서 3.0㎎ 백금-루테늄/㎠였고, 음전극에서 5.0㎎ 백금/㎠(Johnson Matthey법으로 제조된 백금 촉매)였다. 마스터플렉스 액체 마이크로-펌프(masterflex liquid micro-pump)에 의하여 2.0M의 메탄올 용액이 1.5㎖/min의 속도로 양극에 공급되고, 프로우미터에 의하여 100cc/min의 속도로 제어된 건조된 산소가 음극으로 공급되었다.Single cell having a catalyst cross-sectional catalyst area of 2 cm 2 with the platinum-ruthenium (60 wt.%) / VC catalyst of Example 1-1 to measure the polarization performance of the fuel cell. cell) was prepared. The membrane electrode assembly (MEA) was prepared by hot-pressing (135 ° C., 2000 psi, 5 minutes) both sides of a pre-treated Nafion-115 (manufactured by DuPont) membrane as an anode and a cathode. The positive electrode and the negative electrode were prepared by printing an appropriate amount of supported catalyst ink on Teflon carbon paper (TGPH-090) and drying in an oven at 70 ° C. for 1 hour. The catalyst ink mixed 100 mg of catalyst with 0.763 ml of 5 wt.% Nafion solution and maintained stirring prior to use. The loading of the catalyst was 3.0 mg platinum-ruthenium / cm 2 at the positive electrode and 5.0 mg platinum / cm 2 at the negative electrode (platinum catalyst prepared by Johnson Matthey method). A masterflex liquid micro-pump provides 2.0 M of methanol solution to the anode at a rate of 1.5 ml / min and dried oxygen controlled at a rate of 100 cc / min by a prometer. Supplied to the cathode.

실시예 3-2(실시예 1-2의 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 사용한 단전지의 제조) Example 3-2 (Preparation of single cell using platinum-ruthenium (40 wt%) / VC catalyst (HD-H 2 ) of Example 1-2)

실시예 1-2의 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3-1과 동일한 방법으로 단전지를 제조하였다.A single cell was manufactured in the same manner as in Example 3-1, except that the platinum-ruthenium (40 wt%) / VC catalyst (HD-H 2 ) of Example 1-2 was used.

실시예 3-3(실시예 1-3의 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 사용한 단전지의 제조) Example 3-3 (Preparation of single cell using platinum-ruthenium (40% by weight) / VC catalyst (HD-H 2 ) of Example 1-3)

실시예 1-3의 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3-1과 동일한 방법으로 단전지를 제조하였다.A single cell was prepared in the same manner as in Example 3-1 except for using the platinum-ruthenium (40 wt%) / VC catalyst (HD-H 2 ) of Example 1-3.

실시예 3-4(실시예 1-4의 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 사용한 단전지의 제조) Example 3-4 (Preparation of single cell using the platinum-ruthenium (40% by weight) / VC catalyst (HD-H 2 ) of Example 1-4)

실시예 1-4의 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3-1과 동일한 방법으로 단전지를 제조하였다.A single cell was manufactured in the same manner as in Example 3-1, except that the platinum-ruthenium (40 wt%) / VC catalyst (HD-H 2 ) of Example 1-4 was used.

실시예 3-5(실시예 1-5의 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 사용한 단전지의 제조) Example 3-5 (Preparation of single cell using the platinum-ruthenium (40% by weight) / VC catalyst (HD-H 2 ) of Example 1-5)

실시예 1-5의 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(HD-H2)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3-1과 동일한 방법으로 단전지를 제조하였다.A single cell was manufactured in the same manner as in Example 3-1, except that the platinum-ruthenium (40 wt%) / VC catalyst (HD-H 2 ) of Example 1-5 was used.

비교예 1-1(백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매(NaBH4)의 제조) Comparative Example 1-1 ( Preparation of platinum-ruthenium (60 wt.%) / VC catalyst (NaBH 4 ))

NaBH4를 환원제로 이용하여 실시예 1-1과 동일한 촉매 담지량을 가지는 백금-루테늄/VC 촉매를 제조하였다. 구체적인 제조방법은 Appl. Catal. B: Environ. 84 (2008) 100-105에 기재된 바를 따랐다.A platinum-ruthenium / VC catalyst having the same catalyst loading as in Example 1-1 was prepared using NaBH 4 as the reducing agent. Specific manufacturing method is Appl. Catal. B: Environ. 84 (2008) 100-105 as described.

비교예 1-2(백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(NaBH4)의 제조) Comparative Example 1-2 ( Preparation of Platinum-Ruthenium (40 wt.%) / VC Catalyst (NaBH 4 ))

촉매 담지량이 40중량%인 것을 제외하고는 비교예 1-1과 동일한 방법으로 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(NaBH4)를 제조하였다.A platinum-ruthenium (40 wt%) / VC catalyst (NaBH 4 ) was prepared in the same manner as in Comparative Example 1-1 except that the catalyst loading was 40 wt%.

비교예 2(백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매(NaBH4)을 이용한 반쪽 전지의 제조) Comparative Example 2 (Preparation of half cell using platinum-ruthenium (60 wt.%) / VC catalyst (NaBH 4 ))

동작전극에 비교예 1-1의 백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매(NaBH4)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 반쪽 전지를 제조하였다.A half cell was manufactured in the same manner as in Example 2, except that platinum-ruthenium (60 wt%) / VC catalyst (NaBH 4 ) of Comparative Example 1-1 was used as the operating electrode.

비교예 3-1(백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매(NaBH4)을 이용한 단전지의 제조) Comparative Example 3-1 (Preparation of single cell using platinum-ruthenium (60 wt%) / VC catalyst (NaBH 4 ))

산화전극에 비교예 1-1의 백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매(NaBH4)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3-1과 동일한 방법으로 단전지를 제조하였다.A single cell was manufactured in the same manner as in Example 3-1, except that platinum-ruthenium (60 wt%) / VC catalyst (NaBH 4 ) of Comparative Example 1-1 was used for the anode.

비교예 3-2(백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(NaBH4)을 이용한 단전지의 제조) Comparative Example 3-2 (Preparation of single cell using platinum-ruthenium (40 wt%) / VC catalyst (NaBH 4 ))

산화전극에 비교예 1-2의 백금-루테늄(40중량%)/VC 촉매(NaBH4)를 사용한 것을 제외하고는 비교예 3-1과 동일한 방법으로 단전지를 제조하였다.A single cell was manufactured in the same manner as in Comparative Example 3-1, except that platinum-ruthenium (40 wt%) / VC catalyst (NaBH 4 ) of Comparative Example 1-2 was used for the anode.

실험예 1(투과전자현미경을 이용한 표면관찰) Experimental Example 1 (Surface Observation Using Transmission Electron Microscopy)

투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM)을 이용하여 백금- 루테늄(60중량%)/VC 촉매의 표면을 관찰하였다. TEM은 제올(JEOL)사에서 제조한 모델명 FE-2010을 사용하였고, 200kV의 전압에서 작동하여 이미지를 얻었다. The surface of the platinum-ruthenium (60 wt.%) / VC catalyst was observed using transmission electron microscopy (TEM). TEM used a model name FE-2010 manufactured by JEOL, and operated at a voltage of 200 kV to obtain an image.

도 1은 실시예 1-1 및 비교예 1-1의 HR-TEM 이미지와 실시예 1-1의 나노입자 크기의 분포를 나타낸 것이다. 도 1의 (a)를 참조하면, 실시예 1-1의 백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매(HD-H2)는 작고, 구형이며 균일한 검은 점들이 VC 담체에 균일하게 분산되어 있는 것으로 관찰된다. 도 1의 (c)를 참조하면, 실시예 1-1의 백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매(HD-H2)에서 담지된 백금-루테늄 나노입자의 크기는 1.7 내지 3.3㎚의 분포를 가지는 것으로 관찰되었고, 입자의 평균 크기는 2.6㎚였다. 도 1의 (b)를 참조하면, 비교예 1-1의 백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매(NaBH4)는 담지된 백금-루테늄 입자의 크기가 실시예 1-1의 경우보다 크고 분포도 나빴다. 백금-루테늄 입자의 크기 분포는 2.3 내지 5.7㎚였고, 평균크기는 3.8㎚였다.FIG. 1 shows the distribution of HR-TEM images of Example 1-1 and Comparative Example 1-1 and nanoparticle size of Example 1-1. Referring to (a) of FIG. 1, the platinum-ruthenium (60 wt%) / VC catalyst (HD-H 2 ) of Example 1-1 has small, spherical and uniform black dots uniformly dispersed in the VC carrier. Is observed. Referring to (c) of FIG. 1, the size of the platinum-ruthenium nanoparticles supported in the platinum-ruthenium (60 wt%) / VC catalyst (HD-H 2 ) of Example 1-1 has a distribution of 1.7 to 3.3 nm. Was observed, the average size of the particles was 2.6nm. Referring to FIG. 1B, the platinum-ruthenium (60 wt%) / VC catalyst (NaBH 4 ) of Comparative Example 1-1 has a larger size of the supported platinum-ruthenium particles than that of Example 1-1. The distribution was also bad. The size distribution of the platinum-ruthenium particles was 2.3 to 5.7 nm and the average size was 3.8 nm.

실험예 2(X선회절패턴 분석) Experimental Example 2 (X-ray diffraction pattern analysis)

Rigaku diffractometer의 Cu Kα 방사를 이용하여 스캔속도 4°/min, 40kV, 20mA의 조건에서 X선회절패턴(X-ray diffraction patterns, XRD) 분석을 수행하였다. 도 2는 실시예 1-1과 비교예 1-1의 백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매에 대한 XRD 패턴이다. 도 2를 참조하면, 24.5°에서 관찰되는 피크는 카본담체에 관련된 피크이고, 2θ 값이 39.8, 67.8 및 81.2°인 위치에서 각각 면심입방격자(face-centered cubic, fcc) 결정 백금의 (111), (220) 및 (311) 피크가 관찰된다. 이러 한 결과는 합금촉매가 단일상 무질서 구조를 가지고 있다는 사실을 알려준다. 벌크 백금에 비하여 백금-루테늄 합금 촉매는 2θ 값이 조금 높은 곳으로 이동하는데, 백금의 구조에 루테늄 원자가 삽입되어 합금을 이루고 있음을 알 수 있다. 이동한 피크는 각각 41.0, 68.9 및 83.6ㅀ에 관찰되어 백금과 루테늄이 공존하는 합금이 형성되어 있음을 알 수 있다. 또한 XRD 데이터에서 쉐레어식(scherrer formular)을 통하여 계산된 금속합금의 입자크기는 실시예 1-1과 비교예 1-1에서 각각 2.7㎚와 3.7㎚로 도 1의 HR-TEM 결과와 잘 일치한다.The X-ray diffraction patterns (XRD) were analyzed using Cu Kα radiation of Rigaku diffractometer at the scanning speed of 4 ° / min, 40kV, and 20mA. FIG. 2 is an XRD pattern for the platinum-ruthenium (60 wt.%) / VC catalyst of Example 1-1 and Comparative Example 1-1. FIG. Referring to FIG. 2, the peak observed at 24.5 ° is a peak related to the carbon carrier, and (111) of face-centered cubic (fcc) crystalline platinum at positions 2θ values of 39.8, 67.8 and 81.2 °, respectively. , (220) and (311) peaks are observed. These results indicate that the alloy catalyst has a single-phase disordered structure. Compared with bulk platinum, the platinum-ruthenium alloy catalyst moves to a slightly higher 2θ value, and it can be seen that ruthenium atoms are inserted into the platinum to form an alloy. The shifted peaks were observed at 41.0, 68.9, and 83.6 각각, respectively, indicating that an alloy in which platinum and ruthenium coexisted was formed. In addition, the particle size of the metal alloys calculated through the Scherrer formular in the XRD data is 2.7 nm and 3.7 nm in Example 1-1 and Comparative Example 1-1, which is in good agreement with the HR-TEM result of FIG. 1. do.

실험예 3(열중량 분석) Experimental Example 3 (thermogravimetric analysis)

실시예 1-1과 비교예 1-1의 백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매에 대하여 열중량분석(themogravimetric analysis, TGA)을 수행하였다. 도 3은 실시예 1-1과 비교예 1-1의 촉매들에 대한 온도에 따른 열분해 그래프이다. 실시예 1-1과 비교예 1-1에서 모두 합금의 함량은 60중량%로 측정되었고, 백금과 루테늄 이온이 완전히 백금과 루테늄으로 환원되었다는 것을 알 수 있다.Thermogravimetric analysis (TGA) was performed on the platinum-ruthenium (60 wt%) / VC catalysts of Example 1-1 and Comparative Example 1-1. 3 is a thermal decomposition graph with temperature for the catalysts of Example 1-1 and Comparative Example 1-1. In Example 1-1 and Comparative Example 1-1, the alloy content was measured at 60% by weight, and it can be seen that platinum and ruthenium ions were completely reduced to platinum and ruthenium.

실험예 4(사이클릭 볼타메트릭 측정) Experimental Example 4 (cyclic voltametric measurement)

실시예 2과 비교예 2의 반쪽 전지를 이용하여 사이클릭 볼타메트릭 측정(cyclic voltammetric measurement)을 수행하였다. 사이클릭 볼타메트릭 측정은 상온의 0.5M 황산으로 스캔 속도 25 mV/s로 진행하였고, 전해질 용액은 매 측정에 앞서 고순도 질소를 1시간 동안 흘려 기포를 제거하였다. 안정된 볼타모그램은 10 번의 사이클로 기록되었다. 전기화학적 표면적(ESA)은 백금에 기초한 촉매의 고유 전기화학적 활성을 측정하는데 중요한 인자인데, 백금 다결정 위에 단일층으로 흡착된 수소의 흡착 전하(0.21 mC/cm2)를 토대로, 담지 전해질(예를 들어, 0.5 M H2SO4)에서 평형 사이클릭 볼타모그램의 수소 흡착 영역의 총전하량으로부터 계산될 수 있다.Cyclic voltammetric measurement was performed using the half cells of Example 2 and Comparative Example 2. The cyclic voltametric measurement was performed at a scan rate of 25 mV / s with 0.5 M sulfuric acid at room temperature, and the electrolyte solution was bubbled by flowing high purity nitrogen for 1 hour prior to each measurement. The stable voltammogram was recorded in 10 cycles. Electrochemical surface area (ESA) is an important factor in determining the intrinsic electrochemical activity of platinum-based catalysts, based on the adsorption charge (0.21 mC / cm 2 ) of hydrogen adsorbed as a single layer on platinum polycrystals. For example, it can be calculated from the total charge of the hydrogen adsorption region of the equilibrium cyclic voltamogram at 0.5 MH 2 SO 4 ).

도 4는 실시예 2 및 비교예 2의 반쪽 전지를 이용하여 측정된 수소 전기 흡착(hydrogen electrosorption voltametric) 곡선이다. 도 4를 참조하면, 실시예 2의 반쪽 전지는 네거티브 방향 포텐샬 스캔에서 포텐샬 범위 +0.05 내지 -0.1V의 약한 흡착 피크가 관찰되고, -0.1 내지 -0.2V의 강한 흡착 피크가 관찰되며, 각각의 피크는 약하게 결합된 흡착수소와 강하게 결합된 수소를 나타낸다. 실시예 2의 전기화학적 표면적은 백금에 대하여 59m2/g으로 측정되었고, 비교예 2의 전기화학적 표면적은 백금에 대하여 36m2/g으로 측정되어 실시예 2의 경우가 보다 높은 전기화학적 표면적을 나타내었다. 이는 실시예 2의 경우가 비교예 2보다 작은 백금-루테늄 나노입자 크기를 가지고, 균일한 분산도를 가지므로 효율이 높음을 나타내는 것이다.4 is a hydrogen electrosorption voltametric curve measured using the half cells of Example 2 and Comparative Example 2. FIG. Referring to FIG. 4, the half cell of Example 2 observed a weak adsorption peak in the potential range of +0.05 to -0.1 V and a strong adsorption peak of -0.1 to -0.2 V in the negative direction potential scan. The peaks represent weakly bound adsorbed hydrogen and strongly bound hydrogen. The electrochemical surface area of Example 2 was measured at 59 m 2 / g for platinum, and the electrochemical surface area of Comparative Example 2 was measured at 36 m 2 / g for platinum, resulting in a higher electrochemical surface area for Example 2. It was. This indicates that Example 2 has a smaller platinum-ruthenium nanoparticle size than Comparative Example 2 and has a uniform dispersion so that the efficiency is high.

실험예 5(사이클릭 볼타메트릭 측정) Experimental Example 5 (cyclic voltametric measurement)

실시예 2, 비교예 2 및 VC를 적용한 반쪽 전지를 이용하여 사이클릭 볼타메 트릭 측정을 수행하였다. 도 5는 1.0M 메탄올 - 0.5M 황산조건에서 측정한 메탄올 산화반응에 대한 촉매활성을 나타내는 사이클릭 볼타모그램 결과를 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 메탄올 산화반응이 시작되는 점에 해당하는 포텐샬은 실시예 2의 경우에 Ag/AgCl를 기준으로 0.5V로, 비교예 2의 0.1V보다 더 낮은 값을 가진다. 게다가 전자의 촉매는 정방향 스캔에서 훨씬 큰 피크 전류를 가지며 낮은 산화피크 포텐샬을 보인다. 정방향(I f ) 및 역방향(I b) 스캔의 양극 피크와 관계된 전류 밀도의 비는, 촉매의 일산화탄소(CO) 내성을 평가하는데 이용되는 촉매성능을 평가할 수 있는 주요한 인자가 된다. I f/I b 값이 작으면 양극 스캔 시에 메탄올이 일산화탄소로 잘 산화되지 않고 촉매 표면에 탄소계 물질이 과도하게 축적된다는 것을 암시하고, 이는 많은 양의 일산화탄소 오염을 유발한다. 하기의 표 1을 참조하면, 실시예 2의 경우가 비교예 2에 비하여 훨씬 큰 I f/I b 값을 가지고 있으며, 이는 일산화탄소 내성이 높음을 나타낸다. 실시예 2의 경우는 0.4V에서 측정된 비질량활성도(specific mass activity)가 335mA/mgpt였고, 비교예 2의 경우는 165mA/mgpt였다. 이러한 특성을 종합하면, 실시예 2가 비교예 2에 비하여 메탄올 산화의 촉매활성이 우수함을 알 수 있고, 이는 실시예 2에 적용된 전극촉매의 나노금속 입자의 크기가 작고 균일한 분산도를 가지는 것에 기인한 것으로 생각된다.Cyclic voltametric measurements were performed using half cells to which Example 2, Comparative Example 2 and VC were applied. FIG. 5 shows cyclic voltammograms showing catalytic activity for methanol oxidation, measured at 1.0 M methanol-0.5 M sulfuric acid. Referring to FIG. 5, the potential corresponding to the point at which the methanol oxidation is initiated is 0.5V based on Ag / AgCl in Example 2, which is lower than 0.1V of Comparative Example 2. In addition, the former catalyst has a much larger peak current in the forward scan and shows a lower peak oxide potential. The ratio of the current density relative to the anode peak of the forward ( I f ) and reverse ( I b ) scans is a major factor in evaluating the catalytic performance used to evaluate the carbon monoxide (CO) resistance of the catalyst. A small I f / I b value suggests that methanol is not oxidized well to carbon monoxide during the anodic scan and excessive accumulation of carbonaceous material on the catalyst surface leads to large amounts of carbon monoxide contamination. Referring to Table 1 below, Example 2 has a much larger I f / I b value than Comparative Example 2, indicating that carbon monoxide resistance is high. For Example 2 the ratio by mass activity measured at 0.4V (mass specific activity) was 335mA / mg pt, the case of Comparative Example 2 was 165mA / mg pt. Taken together, it can be seen from Example 2 that the catalytic activity of methanol oxidation is superior to that of Comparative Example 2, which is due to the small size and uniform dispersion of the nanometal particles of the electrode catalyst applied in Example 2. It is thought to be due.

표 1TABLE 1

촉매catalyst ESA
(m2/g)
ESA
(m 2 / g)
Onset potential (V)Onset potential (V) Specific mass activity
(mA/mgpt)
Specific mass activity
(mA / mg pt )
II f f /I/ I bb
Pt-Ru/VC (NaBH4)Pt-Ru / VC (NaBH 4 ) 3636 0.100.10 165165 2.672.67 Pt-Ru/VC (HD-H2)Pt-Ru / VC (HD-H 2 ) 5959 0.050.05 335335 17.1117.11

실험예 6(성극성능 측정) Experimental Example 6 (Polarity Measurement)

실시예 3-1, 비교예 3-1 및 백금-루테늄(60중량%)/VC(E-TEK)을 적용한 단전지에 대하여 성극성능을 비교 측정하였다. 정전류 성극 측정은 포텐셔미터(WMPG-1000)를 이용하였다. 도 6은 실시예 3-1, 비교예 3-1 및 백금-루테늄(60중량%)/VC(E-TEK)의 단전지에 대하여 60℃의 산소조건 하에서 성극성능 테스트를 한 결과이다. 낮은 전류밀도 영역에서 연료전지의 성극은 전극표면에서의 느린 전하 이동에 기인한다. 0.5V에서의 활성 성극은 주로 촉매의 활성에 의하여 영향을 받는다. 60℃, 0.5V, 산소주입 모드에서 실시예 3-1의 단전지는 63mA/cm2의 전류밀도를 보여, 백금-루테늄(60중량%)/VC(E-TEK)을 적용한 단전지(35mA/cm2)에 비하여 80% 높은 수치를 보이고, 비교예 3-1(33mA/cm2) 보다는 91% 높은 수치를 보인다. 실시예 3-1의 경우는 비교예 3-1보다 작은 활성 성극이 관찰되는데, 이는 전자의 경우에 메탄올 산화 속도가 빠르다는 것을 의미한다. 실시예 3-1은 최대파워밀도 154mW/cm2를 나타내는데, 이는 비교예 3-1의 104 mW/cm2보다 높고, 백금-루테늄(60중량%)/VC(E-TEK)을 적용한 단전지의 112 mW/cm2보다 높은 수치이다.The polar performances of Comparative Examples 3-1, Comparative Example 3-1, and platinum-ruthenium (60% by weight) / VC (E-TEK) were measured. The constant current polarity measurement used the potentiometer (WMPG-1000). FIG. 6 shows the results of a polar performance test under the oxygen condition of Example 3-1, Comparative Example 3-1, and platinum-ruthenium (60 wt%) / VC (E-TEK) unit cell. The fuel cell polarity in the low current density region is due to the slow charge transfer on the electrode surface. The active polarity at 0.5 V is mainly affected by the activity of the catalyst. The unit cell of Example 3-1 showed a current density of 63 mA / cm 2 at 60 ° C., 0.5 V, and an oxygen injection mode, and thus, a cell (35 mA /) applied with platinum-ruthenium (60 wt%) / VC (E-TEK) 80% higher than cm 2 ), and 91% higher than Comparative Example 3-1 (33 mA / cm 2 ). In the case of Example 3-1, an active polarity smaller than that of Comparative Example 3-1 is observed, which means that the methanol oxidation rate is faster in the case of the former. Examples 3-1 represent the maximum power density of 154mW / cm 2, which is higher than in Comparative Example 3-1 104 mW / cm 2 of platinum-ruthenium (60 wt%) / VC cell stage applying (E-TEK) Is higher than 112 mW / cm 2 .

실험예 7(크로로암퍼그램 측정) Experimental Example 7 (Chroampogram)

실시예 3-1과 비교예 3-1에 대하여 크로로암퍼그램(chronoamperogram)을 측정하였다. 도 7은 실시예 3-1과 비교예 3-1에 대하여 0.5V, 30oC에서 환원전극에 산소를 공급하고 측정한 크로로암퍼그램 결과이다. 실시예 3-1의 경우는 측정된 전 범위에서 초기와 말기의 전류 반응이 모두 높게 측정되었고, 이는 실시예 3-1의 경우가 비교예 3-1의 경우보다 메탄올 산화에 대한 활성이 현저히 큰 것을 나타낸다. 실시예 3-1은 약 6시간 후에 평형상태에 도달하였고, 비교예 3은 지속적으로 전류 반응이 감소하였는데, 이는 전자의 경우가 동일한 양극 동작 조건에서 보다 안정적임을 나타낸다. 실시예 3-1은 8시간 후에 반응전류가 260mA가 되어 비교예 3-1의 150mA에 비하여 80% 정도 향상된 결과를 나타내었는데, 이는 실시예 3-1의 경우가 비교예 3-1보다 훨씬 빠른 메탄올 산화 속도를 가지고 있음을 보여주는 것이다. 이러한 결과는 실시예 3-1의 경우가 비교예 3-1의 경우보다 백금-루테늄 합금 나노입자의 크기가 작고 균일한 분산도를 가지는 것에 기인하는 것이다.Chronoamperograms were measured for Example 3-1 and Comparative Example 3-1. FIG. 7 is a chromatogram result obtained by supplying and measuring oxygen to a cathode at 0.5 V and 30 ° C. for Example 3-1 and Comparative Example 3-1. In the case of Example 3-1, both the initial and late current responses were high in the entire measured range, which is significantly higher in the case of Example 3-1 than in Comparative Example 3-1. Indicates. Example 3-1 reached equilibrium after about 6 hours, and Comparative Example 3 continuously decreased the current response, indicating that the former was more stable under the same anode operating conditions. In Example 3-1, the reaction current became 260 mA after 8 hours, resulting in an 80% improvement over 150 mA of Comparative Example 3-1, which is much faster than Comparative Example 3-1. It shows that it has a rate of methanol oxidation. This result is due to the fact that Example 3-1 has smaller size and uniform dispersion of platinum-ruthenium alloy nanoparticles than Comparative Example 3-1.

실험예 8(투과전자현미경을 이용한 표면관찰) Experimental Example 8 (Surface Observation Using Transmission Electron Microscopy)

실시예 1-2 내지 실시예 1-5 및 비교예 1-2의 촉매에 대하여 실험예 1과 동일한 방법으로 투과전자현미경 관찰을 수행하였다. 도 8은 실시예 1-2 내지 실시예 1-5 및 비교예 1-2의 촉매에 대한 HR-TEM 이미지이다. 도 8을 참조하면, 실시예 1- 2(a, f), 실시예 1-3(b, g), 실시예 1-4(c, h), 실시예 1-5(d, i)는 구형의 금속 입자가 담체에 담지되어 있고, 비교예 1-2(e, j)는 금속 입자의 형태가 구형이 아닌 무질서한 형태를 가지고 있는 것으로 관찰된다. 또한 실시예의 경우 pH가 높은 조건에서 합성될수록 금속 입자의 크기가 작고, 크기의 분산도 균일한 것으로 관찰된다. The transmission electron microscope observation was performed with respect to the catalysts of Examples 1-2 to Example 1-5 and Comparative Example 1-2 in the same manner as in Experimental Example 1. 8 is an HR-TEM image of the catalyst of Examples 1-2 to Example 1-5 and Comparative Example 1-2. 8, Examples 1-2 (a, f), Examples 1-3 (b, g), Examples 1-4 (c, h), Examples 1-5 (d, i), It is observed that spherical metal particles are supported on a carrier, and Comparative Examples 1-2 (e, j) have a disordered form in which the shape of the metal particles is not spherical. In addition, in the case of Examples, the synthesis of the metal at a high pH resulted in a smaller size of the metal particles, and uniform dispersion of the size was observed.

실험예 9(성극성능 측정) Experimental Example 9 (Polarity Measurement)

실시예 3-2 내지 실시예 3-5 및 비교예 3-2의 단전지를 이용하여 실험예 6과 동일한 방법으로 단전지의 성능을 측정하였다. 다양한 pH에서 제조한 40중량% Pt-Ru합금 촉매의 수소 산화 반응 성능을 단전지 성능실험을 통하여 일반적인 촉매제조방법인 비교예 3-2에서 제조한 40 중량% Pt-Ru합금촉매와 비교하였다. 도 9는 실시예 3-2 내지 실시예 3-5 및 비교예 3-2의 단전지에 대한 60℃, 산소조건 하에서 측정된 단전지의 성능 곡선이다. 도 9를 참조하면, 실시예 3-3 내지 실시예 3-5는 비교예 3-2보다 높은 전류밀도와 최대파워를 보이고 있다. 즉 pH 3~4, 5~6, 7~8, 9~10에서 제조한 촉매의 전류 밀도의 변화에 따른 최대 동력은 각각 2.43, 2.58, 2.64, 2.81W의 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이 결과를 바탕으로 pH가 증가함에 따라 촉매입자의 크기가 줄어들고, 수소연료전지 촉매활성은 증가하는 것을 확인하였다. 이것은 촉매입자의 크기가 작을수록 촉매의 활성면적이 증가하는 것과 일치하는 결과이다. 또한, pH 9~10에서 제조한 촉매가 최대 동력을 보이는 것을 알 수 있고, 일반적인 촉매 제조방법인 비교예 3-2에서 제조된 촉매의 최대동력(2.43W)에 비해 16%정도 향상된 것을 확인하였다. 도 10 촉매입자의 크2 내지 실시예 3-5에 대하여 금속 입자의 크기와 단전지 성능의 관계를 도시한 것이다. 도 10을 참조하면, 촉매의 합성조건 중 pH가 높을수록 금속입자의 크기가 작아지고, 단전지의 파워가 높아짐을 보여준다. 특히 pH5~6의 영역에서 금속 입자의 크기가 급격히 작아지고 그에 따라 단전지의 파워도 급격히 향상됨을 알 수 있다.Using the unit cells of Examples 3-2 to 3-5 and Comparative Example 3-2, the performance of the unit cells was measured in the same manner as in Experimental Example 6. The hydrogen oxidation reaction performance of the 40 wt% Pt-Ru alloy catalyst prepared at various pHs was compared with the 40 wt% Pt-Ru alloy catalyst prepared in Comparative Example 3-2, which is a general catalyst manufacturing method, through a single cell performance test. 9 is a performance curve of the unit cells measured under the oxygen conditions of 60 ℃ for the unit cells of Examples 3-2 to 3-5 and Comparative Example 3-2. 9, Examples 3-3 to 3-5 show higher current density and maximum power than Comparative Example 3-2. In other words, it can be seen that the maximum power according to the change in the current density of the catalyst prepared at pH 3-4, 5-6, 7-8, 9-10 has a value of 2.43, 2.58, 2.64, 2.81W, respectively. Based on these results, it was confirmed that as the pH was increased, the size of the catalyst particles decreased and the catalytic activity of the hydrogen fuel cell increased. This is consistent with the smaller catalyst particles, which increases the active area of the catalyst. In addition, it can be seen that the catalyst prepared at pH 9 to 10 shows the maximum power, and it is confirmed to be improved by about 16% compared to the maximum power (2.43W) of the catalyst prepared in Comparative Example 3-2, which is a general catalyst preparation method. . Fig. 10 shows the relationship between the size of the metal particles and the unit cell performance for sizes 2 to 3-5 of the catalyst particles. Referring to FIG. 10, the higher the pH in the synthesis conditions of the catalyst, the smaller the size of the metal particles and the higher the power of the unit cell. In particular, it can be seen that the size of the metal particles is sharply reduced in the region of pH 5 ~ 6, and accordingly the power of the unit cell is also sharply improved.

도 1은 실시예1-1 및 비교예 1의 HRTEM 이미지와 실시예 1-1의 나노입자 크기의 분포를 나타낸 것이다.Figure 1 shows the distribution of HRTEM images of Example 1-1 and Comparative Example 1 and the nanoparticle size of Example 1-1.

도 2는 실시예 1-1과 비교예 1의 백금-루테늄(60중량%)/VC 촉매에 대한 XRD 패턴이다.FIG. 2 is an XRD pattern for the platinum-ruthenium (60 wt.%) / VC catalyst of Examples 1-1 and Comparative Example 1. FIG.

도 3은 실시예 1-1과 비교예 1의 촉매들에 대한 온도에 따른 열분해 그래프이다. 3 is a thermal decomposition graph with temperature for the catalysts of Example 1-1 and Comparative Example 1. FIG.

도 4는 실시예 2 및 비교예 2의 반쪽 전지를 이용하여 측정된 수소 전기 흡착(hydrogen electrosorption voltametric) 곡선이다.4 is a hydrogen electrosorption voltametric curve measured using the half cells of Example 2 and Comparative Example 2. FIG.

도 5는 1.0M 메탄올 - 0.5M 황산조건에서 측정한 메탄올 산화반응에 대한 촉매활성을 나타내는 사이클릭 볼타모그램 결과를 나타낸 것이다. FIG. 5 shows cyclic voltammograms showing catalytic activity for methanol oxidation, measured at 1.0 M methanol-0.5 M sulfuric acid.

도 6은 실시예 3-1, 비교예 3-1 및 백금-루테늄(60중량%)/VC(E-TEK)의 단전지에 대하여 60℃의 산소조건 하에서 성극성능 테스트를 한 결과이다. FIG. 6 shows the results of a polar performance test under the oxygen condition of Example 3-1, Comparative Example 3-1, and platinum-ruthenium (60 wt%) / VC (E-TEK) unit cell.

도 7은 실시예 3-1과 비교예 3-1에 대하여 0.5V, 30oC에서 음극에 산소를 공급하고 측정한 크로로암퍼그램 결과이다. 7 is a chromatogram result obtained by measuring oxygen and supplying oxygen to a cathode at 0.5 V and 30 ° C. in Example 3-1 and Comparative Example 3-1.

도 8은 실시예 1-2 내지 실시예 1-5 및 비교예 1-2의 촉매에 대한 HR_TEM 이미지이다. 8 is an HR_TEM image of the catalyst of Examples 1-2 to Example 1-5 and Comparative Example 1-2.

도 9는 실시예 3-2 내지 실시예 3-5 및 비교예 3-2의 단전지에 대한 60℃, 산소조건 하에서 측정된 단전지의 성능 곡선이다. 9 is a performance curve of the unit cells measured under the oxygen conditions of 60 ℃ for the unit cells of Examples 3-2 to 3-5 and Comparative Example 3-2.

도 10은 실시예 3-2 내지 실시예 3-5에 대하여 금속 입자의 크기와 단전지 성능의 관계를 도시한 것이다. FIG. 10 shows the relationship between the size of metal particles and unit cell performance for Examples 3-2 to 3-5.

Claims (18)

(a) 촉매활성을 가지는 금속의 수용성 염 및 유레아를 물에 용해시키고, 담체를 분산시켜 분산용액을 제조하는 단계;(a) dissolving a water-soluble salt and urea of a metal having catalytic activity in water and dispersing a carrier to prepare a dispersion solution; (a') 상기 유레아를 상기 금속의 수용성 염 몰수 대비 5-200배로 물에 용해시켜 가수분해되어 생성된 하이드록시 이온에 의해서 분산용액의 pH가 5-12의 범위에서 일정하게 유지되도록 분산 용액의 pH를 조절하는 단계;(a ') by dissolving the urea in water at a rate of 5-200 times the number of moles of the water-soluble salt of the metal, the hydroxy ions produced by the hydrolysis result in constant dispersion of the dispersion solution in the range of 5-12. adjusting pH; (b) 상기 분산용액 내에서 유레아가 60-120 ℃에서 가수분해되어 생성된 하이드록시 이온과, 상기 금속의 수용성 염이 수화되어 생성된 금속 이온이 반응하여 수산화금속입자가 형성되고, 상기 분산용액을 교반하여 상기 분산용액에서 형성된 일정한 크기의 수산화금속입자를 상기 담체의 표면에 침강시키는 단계; 및(b) hydroxy ions produced by hydrolysis at 60-120 ° C. in the dispersion solution and metal ions produced by hydration of a water-soluble salt of the metal react to form metal hydroxide particles, wherein the dispersion solution is formed. Stirring to precipitate the metal hydroxide particles of a predetermined size formed in the dispersion solution on the surface of the carrier; And (c) 상기 분산용액에 환원제를 주입하거나 또는 상기 분산용액에서 침강된 수산화금속입자를 포함하는 담체를 분리하여 수소분위기에서 150-400 ℃로 열처리하여 상기 수산화금속입자가 침강된 담체를 환원시키는 단계;를 포함하는 백금합금/담체 촉매의 제조방법.(c) reducing the carrier having the metal hydroxide particles precipitated by injecting a reducing agent into the dispersion solution or by separating the carrier containing the precipitated metal hydroxide particles from the dispersion solution and heat-processing at 150-400 ° C. in a hydrogen atmosphere. Platinum alloy / carrier catalyst manufacturing method comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (a) 단계는 촉매활성을 가지는 금속의 수용성 염 및 유레아를 물에 용해시켜 금속-유레아 용액을 제조하는 단계; 담체를 분산액에 분산시키는 담체 분산액을 제조하는 단계; 및 상기 금속-유레아 용액 및 담체 분산액을 혼합하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백금합금/담체 촉매의 제조방법.Step (a) is a step of dissolving a water-soluble salt and urea of the metal having a catalytic activity in water to prepare a metal-urea solution; Preparing a carrier dispersion in which the carrier is dispersed in the dispersion; And mixing the metal-urea solution and the carrier dispersion. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 (a) 단계는, 촉매활성을 가지는 금속의 수용성 염을 물에 용해시켜 금속염 수용액을 제조하는 단계; 유레아를 물에 용해시켜 유레아 수용액을 제조하는 단계; 금속염 수용액과 유레아 수용액을 혼합하는 단계; 및 금속염 수용액과 유레아 수용액의 혼합용액에 담체를 분산시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백금합금/담체 촉매의 제조방법.Step (a) comprises the steps of dissolving a water-soluble salt of a metal having a catalytic activity in water to prepare a metal salt aqueous solution; Dissolving urea in water to prepare an aqueous urea solution; Mixing the aqueous metal salt solution and the aqueous urea solution; And dispersing a carrier in a mixed solution of an aqueous metal salt solution and an aqueous urea solution. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속의 수용성 염은 백금과, 루테늄, 로듐, 몰리브덴, 오스뮴, 이리듐, 레늄, 팔라듐, 바나듐, 텅스텐, 코발트, 철, 셀레늄, 니클, 비스므트, 주석, 크롬, 구리, 티타늄, 금 및 세륨으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 백금합금/담체 촉매의 제조방법.The water-soluble salts of the metals are platinum, ruthenium, rhodium, molybdenum, osmium, iridium, rhenium, palladium, vanadium, tungsten, cobalt, iron, selenium, nickel, bismuth, tin, chromium, copper, titanium, gold and cerium. Method for producing a platinum alloy / carrier catalyst characterized in that it comprises at least one metal selected from the group consisting of. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 백금합금은 촉매 전체 중량의 5 내지 95중량%로 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 백금합금/담체 촉매의 제조방법.Platinum alloy is a method of producing a platinum alloy / carrier catalyst, characterized in that supported by 5 to 95% by weight of the total weight of the catalyst. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (a') 단계는 상기 분산 용액에 수산화나트륨을 첨가하는 단계를 더 포함하여 분산용액의 pH가 5-12 범위에서 일정하게 유지되도록 분산용액의 pH를 조절하고,The step (a ') further comprises the step of adding sodium hydroxide to the dispersion solution to adjust the pH of the dispersion solution to maintain a constant pH in the range of 5-12, 상기 (b) 단계에서 담체의 표면에 수산화금속입자를 침강시키기 위한 수산화 이온은 상기 분산 용액내 유레아의 가수분해와 상기 첨가된 수산화나트륨에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 백금합금/담체 촉매의 제조방법.Hydroxide ions for the precipitation of metal hydroxide particles on the surface of the carrier in the step (b) is produced by the hydrolysis of urea in the dispersion solution and the added sodium hydroxide, the method of producing a platinum alloy / carrier catalyst . 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 담체는 불칸탄소, 카본나노튜브, 탄소나노선, 이중세공구조탄소 및 탄소캡슐로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 카본담체인 것을 특징으로 하는 백금합금/담체 촉매의 제조방법.Said carrier is a carbon carrier comprising at least one selected from the group consisting of vulcanized carbon, carbon nanotubes, carbon nanowires, double-porous structure carbon and carbon capsules. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 담체는 이산화티타늄, 실리카, 산화 알루미늄 및 이산화망간으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나로 이루어지거나, 이산화티타늄, 실리카, 산화 알루미늄 및 이산화망간으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나가 탄소와 결합된 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 백금합금/담체 촉매의 제조방법.The carrier is made of at least one selected from the group consisting of titanium dioxide, silica, aluminum oxide and manganese dioxide, or at least one selected from the group consisting of titanium dioxide, silica, aluminum oxide and manganese dioxide is characterized in that consisting of a complex bonded with carbon Process for preparing platinum alloy / carrier catalyst. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (c) 단계에 사용되는 환원제는 NaBH4, LiBH4, HCHO, HCOOH, CH3OH, CH3CH2OH, HCOONa, N2H4, AlBH4 수용액 및 에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 백금합금/담체 촉매의 제조방법.The reducing agent used in step (c) is at least one selected from the group consisting of NaBH 4 , LiBH 4 , HCHO, HCOOH, CH 3 OH, CH 3 CH 2 OH, HCOONa, N 2 H 4 , AlBH 4 aqueous solution and ethylene glycol Method for producing a platinum alloy / carrier catalyst, characterized in that. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (c) 단계 전에 분산용액에서 수산화금속 입자가 침강된 담체를 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백금합금/담체 촉매의 제조방법.Method for producing a platinum alloy / carrier catalyst characterized in that it further comprises the step of separating the carrier precipitated metal hydroxide particles in the dispersion solution before step (c). 삭제delete 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 백금합금/담체 촉매.A platinum alloy / carrier catalyst prepared by the process according to any one of claims 1 to 15. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 백금합금/담체 촉매를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising a platinum alloy / carrier catalyst prepared by the method of any one of claims 1 to 15.
KR1020090101074A 2009-08-10 2009-10-23 Synthesis method of Pt alloy/supporter catalysts, catalysts and fuel cell using the same KR101117066B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090101074A KR101117066B1 (en) 2009-10-23 2009-10-23 Synthesis method of Pt alloy/supporter catalysts, catalysts and fuel cell using the same
US12/894,897 US8993198B2 (en) 2009-08-10 2010-09-30 Process of preparing PT/support or PT alloy/support catalyst, thus-prepared catalyst and fuel cell comprising the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090101074A KR101117066B1 (en) 2009-10-23 2009-10-23 Synthesis method of Pt alloy/supporter catalysts, catalysts and fuel cell using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110044421A KR20110044421A (en) 2011-04-29
KR101117066B1 true KR101117066B1 (en) 2012-02-22

Family

ID=44049153

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090101074A KR101117066B1 (en) 2009-08-10 2009-10-23 Synthesis method of Pt alloy/supporter catalysts, catalysts and fuel cell using the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101117066B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150076057A (en) 2013-12-26 2015-07-06 고려대학교 산학협력단 Heteroatoms-containing Porous Carbon using Seaweed and Fabrication Method thereof
KR20160005521A (en) 2014-07-07 2016-01-15 고려대학교 산학협력단 Iodine-treated porous carbon and fabrication Method thereof
KR20190115749A (en) 2018-04-03 2019-10-14 재단법인대구경북과학기술원 Porous Carbon, Catalyst Thereof and the Fabrication Method of the Porous Carbon

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101877262B1 (en) * 2016-10-26 2018-07-11 한림대학교 산학협력단 Assemblies of Au and core-shell Au/Pt Nanoparticles within Silica Nanotubes and synthetic methods thereof
KR101963255B1 (en) * 2017-09-15 2019-07-31 한국과학기술연구원 Process of preparing electrocatalyst for fuel cell
KR102294549B1 (en) * 2019-02-08 2021-08-30 건국대학교 산학협력단 Composite comprising post-transition metal and porous carbon, Preparation method thereof and Redox flow cell comprising the same
CN112823880B (en) * 2019-11-21 2022-05-06 中国科学院大连化学物理研究所 Catalyst with high metal loading capacity and preparation and application thereof
CN113224331B (en) * 2021-05-08 2022-05-13 中北大学 Alkaline system direct urea fuel cell anode catalyst and preparation method thereof
CN114899422B (en) * 2022-04-26 2024-04-05 湘潭大学 Supported bimetallic catalyst and preparation method and application thereof
CN115044927B (en) * 2022-06-18 2024-04-05 福州大学 Preparation method and application of carbide supported metal catalyst

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
논문1 : Res.Chem.Intermed.*
논문3 : 대한화학회 포스터발표

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150076057A (en) 2013-12-26 2015-07-06 고려대학교 산학협력단 Heteroatoms-containing Porous Carbon using Seaweed and Fabrication Method thereof
KR20160005521A (en) 2014-07-07 2016-01-15 고려대학교 산학협력단 Iodine-treated porous carbon and fabrication Method thereof
KR20190115749A (en) 2018-04-03 2019-10-14 재단법인대구경북과학기술원 Porous Carbon, Catalyst Thereof and the Fabrication Method of the Porous Carbon

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110044421A (en) 2011-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101117066B1 (en) Synthesis method of Pt alloy/supporter catalysts, catalysts and fuel cell using the same
US8993198B2 (en) Process of preparing PT/support or PT alloy/support catalyst, thus-prepared catalyst and fuel cell comprising the same
Wu et al. Synthesis and electrocatalytic oxygen reduction properties of truncated octahedral Pt 3 Ni nanoparticles
Antolini et al. Tungsten-based materials for fuel cell applications
KR100670267B1 (en) Pt/Ru alloy catalyst for fuel cell
KR100837396B1 (en) Supported catalyst, method for preparing the same, cathode electrode comprising the same, and fuel cell comprising the electrode
KR101340984B1 (en) Method of producing metal alloy catalyst for fuel cell, electrode adopting the catalyst, and fuel cell comprising the electrode
US8541146B2 (en) Photocatalytic methods for preparation of electrocatalyst materials
EP2133943B1 (en) Process for producing electrode catalyst for fuel cell
US9186653B2 (en) Highly stable platinum alloy catalyst for methanol electrooxidation
KR101679809B1 (en) Preparation method of N-doped carbon-supported Pt catalyst and N-doped carbon-supported Pt catalyst using the same
EP3379626A1 (en) Carrier-nanoparticle composite, catalyst containing same, and method for producing same
KR100868756B1 (en) Pt/Ru alloy supported catalyst, manufacturing method thereof, and fuel cell using the same
Yang et al. Microwave-assisted microemulsion synthesis of carbon supported Pt-WO3 nanoparticles as an electrocatalyst for methanol oxidation
US20220126275A1 (en) Low-cost and low-platinum composite catalyst for low-temperature proton exchange membrane fuel cells
US6506228B2 (en) Method of preparing platinum alloy electrode catalyst for direct methanol fuel cell using anhydrous metal chloride
US8178462B2 (en) Method for production of electrode catalyst for fuel cell
KR101484188B1 (en) Method for preparing Pt catalyst, the Pt catalyst for oxygen reduction reaction prepared therefrom, and PEMFC including the Pt catalyst
KR100561169B1 (en) Oxygen adsorbing cocatalyst containg catalyst for fuel cell, electrode for fuel cell using the same, and fuel cell containing the electrode
KR20070058435A (en) Metal alloy for electrochemical oxidation reactions and method of production thereof
KR102425951B1 (en) Method of preparing transition metal nanoparticle-decorated manganese oxide nanorod electrocatalysts and nanorod electrocatalysts prepared thereby
Mukherjee et al. Methodical designing of Pt3− xCo0. 5+ yNi0. 5+ y/C (x= 0, 1, 2; y= 0, 0.5, 1) particles using a single-step solid state chemistry method as efficient cathode catalyst in H2-O2 fuel cells
CN113097516B (en) Noble metal @ Pd epitaxial heterostructure electrocatalyst and preparation method and application thereof
CN113241451B (en) Low-platinum alloy catalyst prepared by crystal face, preparation method thereof and application thereof in fuel cell
KR101569079B1 (en) Preparing method of platinum nanoparticle, and platinum nano catalyst including the same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150108

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160201

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170109

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180118

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200106

Year of fee payment: 9