KR101253771B1 - hybrid elecrode for nonenzymatic biofuel cell and manufacturing method for the same - Google Patents

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Abstract

무효소 바이오연료 전지용 전극 및 이러한 전극의 제조방법이 제공된다. 본 발명의 일 양상에 따른 전극의 제조방법은 수백 나노미터 크기의 세공이 형성된 전극에 수십 나노미터 크기의 파티클을 융합하여 제 1 및 제 2 융합전극을 형성하는 단계 및 나피온 필름(Nafion file)을 제 1 및 제 2 융합전극 사이에 두고 나피온 필름과 제 1 및 제 2 융합전극을 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 이렇게 만들어진 전극은 매크로포러스 금 및 나노파티클 백금의 융합구조로 인해 표면 거칠기가 극대화된 전극 표면을 갖기 때문에 촉매 또는 효소 없이도 전극에서 산화/환원 반응이 효과적으로 이루어질 수 있다. 그리고 매크로포러스 금 파우더를 이용하여 전극을 만들기 때문에 2차원 또는 3차원의 다양한 형상의 전극이 제공될 수 있다.An electrode for a reactive biofuel cell and a method of manufacturing the electrode are provided. Method of manufacturing an electrode according to an aspect of the present invention comprises the steps of fusing particles of several tens of nanometers size to the electrode formed pores of several hundred nanometers in size to form the first and second fusion electrode and Nafion film (Nafion file) And coupling the Nafion film and the first and second fusion electrodes to each other between the first and second fusion electrodes. The electrode thus made has an electrode surface with maximized surface roughness due to the fusion structure of macroporous gold and nanoparticle platinum, so that the oxidation / reduction reaction can be effectively performed at the electrode without a catalyst or an enzyme. And since the electrode is made using the macroporous gold powder, the electrode of various shapes of two or three dimensions can be provided.

Description

무효소 바이오연료 전지용 하이브리드 전극 및 이 전극의 제조방법{hybrid elecrode for nonenzymatic biofuel cell and manufacturing method for the same}Hybrid electrode for reactive biofuel cell and manufacturing method of the electrode {hybrid elecrode for nonenzymatic biofuel cell and manufacturing method for the same}

바이오연료 전지용 전극 및 연료 전지용 전극의 제조방법과 관련된다It relates to a method for producing an electrode for a biofuel cell and an electrode for a fuel cell.

연료 전지(Fuel Cell)란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치를 말한다. 이 반응은 전해질 내에서 이루어지며 일반적으로 전해질이 남아있는 한 지속적으로 발전이 가능하다. A fuel cell refers to a device that generates electrical energy by electrochemically reacting fuel and an oxidant. This reaction takes place in the electrolyte and generally can continue to develop as long as the electrolyte remains.

연료와 산화제는 여러 가지가 이용될 수 있다. 수소 연료 전지는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용한다. 그 밖에도 탄화수소, 알코올 등을 연료로 쓰고, 공기, 염소, 이산화 염소 등을 산화제로 이용할 수도 있다. 한편, 최근에는 바이오매스를 연료로 이용하는 바이오연료 전지에 대한 관심도 급증하고 있다.Fuels and oxidants can be used in various ways. Hydrogen fuel cells use hydrogen as fuel and oxygen as oxidant. In addition, hydrocarbons, alcohols, and the like may be used as fuels, and air, chlorine, chlorine dioxide, and the like may be used as oxidants. On the other hand, interest in biofuel cells using biomass as fuel has recently increased.

바이오연료 전지는 안전하고 환경 부하가 적은 특징이 있다. 바이오연료 전지로는 글루코오스-공기 반응을 이용한 글루코오스 바이오연료 전지가 대표적이다. 바이오연료 전지에 있어서, 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하기 위해서는 산화반응과 환원반응이 공간적으로 별도의 장소, 즉 다른 전극에서 일어나야 한다. 이를 위해 바이오연료 전지의 전극은 촉매작용을 위한 다양한 효소를 포함하는 것이 일반적이다.Biofuel cells are characterized by safe and low environmental loads. As a biofuel cell, a glucose biofuel cell using a glucose-air reaction is typical. In biofuel cells, in order to convert chemical energy into electrical energy, oxidation and reduction reactions must occur spatially in separate places, that is, at different electrodes. To this end, the electrode of the biofuel cell generally includes various enzymes for catalysis.

전극의 표면적을 증가시켜서 효소 없이도 산화/환원 반응이 가능한 바이오연료 전지용 하이브리드 전극 및 이러한 전극의 제조방법이 제공된다.There is provided a hybrid electrode for a biofuel cell capable of oxidizing / reducing a reaction without an enzyme by increasing the surface area of the electrode, and a method of manufacturing the electrode.

본 발명의 일 양상에 따른 전극은, 매크로포러스 금과 나노파티클 백금이 융합되어 형성된 상/하부 전극층 및 상/하부 전극층 사이에 결합되는 나피온층을 포함한다. 본 발명의 일 양상에 따라, 매크로포러스 금은 수백 나노미터 크기의 세공을 가질 수 있고, 나노파티클 백금은 수십 나노미터 크기를 가질 수 있다. Electrode according to an aspect of the present invention, the macroporous gold and the nanoparticle platinum comprises a Nafion layer bonded between the upper and lower electrode layer and the upper and lower electrode layer formed by fusion. According to one aspect of the invention, macroporous gold may have pores of several hundred nanometers in size, and nanoparticle platinum may have several tens of nanometers in size.

본 발명의 일 양상에 따른 전극의 제조방법은, 수백 나노미터 크기의 세공이 형성된 전극에 수십 나노미터 크기의 파티클을 융합하여 제 1 및 제 2 융합전극을 형성하는 단계 및 나피온 필름(Nafion file)을 제 1 및 제 2 융합전극 사이에 두고 나피온 필름과 상기 제 1 및 제 2 융합전극을 결합하는 단계를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an electrode, comprising: forming a first and a second fusion electrode by fusing particles of several tens of nanometers to an electrode having pores of several hundred nanometers in size, and a Nafion film. ) And combining the first Nafion film and the first and second fusion electrode between the first and second fusion electrode.

또한, 본 발명의 일 양상에 따라, 융합전극을 형성하는 단계는, 수백 나노미터 크기의 세공을 갖는 매크로포러스 금 파우더를 형성하고, 형성된 매크로포러스 금 파우더를 2차원 구조체 또는 3차원 구조체에 코팅(coating) 또는 임프린팅(imprinting)하여 매크로포러스 금(macroporous Au) 전극을 형성하는 과정 및 형성된 매크로포러스 금 전극의 표면에 수십 나노미터 크기의 나노파티클 백금(nanoparticle Pt)을 도금하는 과정을 포함할 수 있다.In addition, according to one aspect of the invention, the step of forming the fusion electrode, to form a macroporous gold powder having pores of several hundred nanometers size, coating the formed macroporous gold powder on a two-dimensional structure or three-dimensional structure ( coating or imprinting to form a macroporous Au electrode and plating a nanoparticle Pt of tens of nanometers on the surface of the formed macroporous gold electrode. have.

또한, 본 발명의 다른 양상에 따라, 융합전극을 형성하는 단계는, 수백 나노미터 크기의 세공을 갖는 매크로포러스 금 파우더를 형성하고, 형성된 매크로포러스 금 파우더를 주형(mold)에 넣고 압력을 가하여 매크로포러스 금(macroporous Au) 전극을 형성하는 과정 및 형성된 매크로포러스 금 전극의 표면에 수십 나노미터 크기의 나노파티클 백금(nanoparticle Pt)을 도금하는 과정을 포함할 수 있다.In addition, according to another aspect of the present invention, the step of forming a fusion electrode, forming a macroporous gold powder having pores of several hundred nanometers size, and put the formed macroporous gold powder in a mold (pressure) to apply a macro A process of forming a macroporous Au electrode and plating a nanoparticle Pt of tens of nanometers on the surface of the formed macroporous gold electrode may be included.

또한, 본 발명의 일 양상에 따라, 나피온 필름과 융합전극을 결합하는 단계는, 액상 나피온을 각각의 융합전극의 대향면에 각각 도포하는 과정 및 나피온 필름을 제 1 융합전극 및 제 2 융합전극 사이에 두고 양 방향에서 압착하는 과정을 포함할 수 있다.In addition, according to one aspect of the present invention, the step of combining the Nafion film and the fusion electrode, the process of applying a liquid Nafion to the opposite surface of each of the fusion electrode and the Nafion film and the first fusion electrode and the second It may include a process of pressing in both directions between the fusion electrode.

개시된 내용에 의하면, 본 발명에 따른 전극은 매크로포러스 금 및 나노파티클 백금의 융합구조로 인해 표면 거칠기가 극대화된 전극 표면을 갖기 때문에 촉매 또는 효소 없이도 전극에서 산화/환원 반응이 효과적으로 이루어질 수 있다. 그리고 매크로포러스 금 파우더를 이용하여 전극을 만들기 때문에 2차원 또는 3차원의 다양한 형상의 전극을 만들 수가 있다.According to the disclosed contents, since the electrode according to the present invention has an electrode surface with the maximum surface roughness due to the fusion structure of macroporous gold and nanoparticle platinum, the oxidation / reduction reaction may be effectively performed at the electrode without a catalyst or an enzyme. In addition, since electrodes are made of macroporous gold powder, electrodes of various shapes in two or three dimensions can be made.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극층의 단면을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 제조방법을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합전극의 제조방법을 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 매크로포러스 금 전극의 제조방법을 도시한다
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매크로포러스 금과 나노파티클 백금의 융합방법을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 융합전극의 전류 응답 특성을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 융합전극의 민감도 특성을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 전극의 표면을 도시한다.1 illustrates an electrode according to an embodiment of the present invention.
2 shows a cross section of an electrode layer according to an embodiment of the invention.
3 shows a method of manufacturing an electrode according to an embodiment of the present invention.
4 shows a method of manufacturing a fusion electrode according to an embodiment of the present invention.
5A to 5C illustrate a method of manufacturing a macroporous gold electrode according to an embodiment of the present invention.
6 illustrates a method for fusion of macroporous gold and nanoparticle platinum according to an embodiment of the present invention.
7 illustrates a current response characteristic of a fusion electrode according to an embodiment of the present invention.
8 illustrates sensitivity characteristics of a fusion electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.
9 illustrates a surface of a fusion electrode according to one embodiment of the invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 예를 상세히 설명한다. 나아가 후술할 실시 예들은 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 특정 실시 예에 한정되지 아니할 것이다.Hereinafter, specific examples for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Furthermore, the embodiments to be described below are provided to illustrate the present invention by way of example, and the scope of the present invention is not limited to the specific embodiments.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극을 도시한다.1 illustrates an electrode according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전극(100)은 연료 전지에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전극(100)은 무효소 또는 무촉매 환경의 바이오연료 전지에 응용될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 전극(100)은 상부전극층(101), 하부전극층(102), 및 나피온층(Nafion layer)(103)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the electrode 100 according to the present embodiment may be used in a fuel cell. For example, the electrode 100 according to the present embodiment may be applied to a biofuel cell in a reactive or noncatalytic environment. In addition, the electrode 100 according to the present exemplary embodiment may include an upper electrode layer 101, a lower electrode layer 102, and a nafion layer 103.

상부전극층(101)은 애노드(anode) 또는 연료극이 될 수 있다. 상부전극층(101)으로 공급되는 연료로는 글루코오스, 에탄올, 메탄올 등이 사용될 수 있다. The upper electrode layer 101 may be an anode or a fuel electrode. As the fuel supplied to the upper electrode layer 101, glucose, ethanol, methanol, or the like may be used.

하부전극층(102)은 캐소드(cathode) 또는 공기극이 될 수 있다. 하부전극층(102)으로 공급되는 산화제로는 산소가 사용될 수 있다.The lower electrode layer 102 may be a cathode or an air electrode. Oxygen may be used as the oxidant supplied to the lower electrode layer 102.

각각의 상부전극층(101)과 하부전극층(102)은 매크로포러스 금(macroporous Au)과 나노파티클 백금(nanoparticle Pt)이 융합되어 형성될 수 있다. 매크로포러스 금은 약 100nm ~ 300nm의 구멍을 다수 개 갖는 금이 될 수 있다. 또한, 나노파티클 백금은 약 10nm ~ 20nm의 백금 입자가 될 수 있다. 본 실시예에 따라, 나노파티클(nanoparticle)이란 수십 나노미터 크기의 입자를 의미하고, 매크로포러스(macroporous)란 수백 나노미터 크기의 직경을 갖는 구멍을 의미할 수 있다. 따라서 매크로포러스 금과 나노파티클 백금이 융합되어 형성된 상부전극층(101) 및 하부전극층(102)의 표면을 살펴보면, 표면에 약 100nm ~ 300nm의 구멍들이 존재하고, 또 각 구멍들안에 약 10nm ~ 20nm의 파티클들이 존재할 수 있다. Each of the upper electrode layer 101 and the lower electrode layer 102 may be formed by fusing macroporous Au and nanoparticle Pt. Macroporous gold may be gold having a plurality of holes of about 100 nm to 300 nm. In addition, the nanoparticle platinum may be platinum particles of about 10nm to 20nm. According to the present exemplary embodiment, nanoparticles may refer to particles of several tens of nanometers, and macroporous may refer to holes having a diameter of several hundred nanometers. Therefore, when looking at the surface of the upper electrode layer 101 and the lower electrode layer 102 formed by fusion of macroporous gold and nanoparticle platinum, there are about 100 nm to 300 nm of holes on the surface, and about 10 nm to 20 nm of holes in each hole. There may be particles.

나피온층(103)은 상부전극층(101)과 하부전극층(102) 사이의 전해질층이 될 수 있다. 나피온층(103)은 상부전극층(101)과 하부전극층(102) 사이에 결합되는 액상 나피온 및 나피온 필름을 포함할 수 있다. The Nafion layer 103 may be an electrolyte layer between the upper electrode layer 101 and the lower electrode layer 102. The Nafion layer 103 may include liquid Nafion and Nafion films bonded between the upper electrode layer 101 and the lower electrode layer 102.

상부전극층(101)으로 연료가 공급되고, 하부전극층(102)으로 산화제가 공급되면, 각각의 전극층(101)(102)에서 산화/환원 반응이 일어나고 나피온층(103)을 통해 이온이 전달된다. 각각의 전극층(101)(102)은 매크로포러스 금 및 나노파티클 백금의 융합구조로 인해 도 9와 같이 그 표면적이 극대화된 구조를 갖는다. 따라서 효소 없이도 각각의 전극층(101)(102)에서 산화/환원 반응이 효과적으로 일어날 수 있다.When fuel is supplied to the upper electrode layer 101 and an oxidant is supplied to the lower electrode layer 102, an oxidation / reduction reaction occurs in each of the electrode layers 101 and 102, and ions are transferred through the Nafion layer 103. . Each of the electrode layers 101 and 102 has a maximal surface area as shown in FIG. 9 due to the fusion structure of macroporous gold and nanoparticle platinum. Therefore, the oxidation / reduction reaction can be effectively performed in each of the electrode layers 101 and 102 without the enzyme.

또한, 구체적으로 도시하지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상부전극층(101)과 나피온층(103) 및 하부전극층(102)과 나피온층(103) 각각에 격벽층(미도시)이 형성될 수도 있다. 격벽층(미도시)은 반응으로 인한 부산물의 혼재를 미연에 방지하며, 연속적인 반응으로 인한 연료전지의 성능저하를 방지하는 역할을 수행할 수 있다. In addition, although not shown in detail, a barrier layer (not shown) in each of the upper electrode layer 101 and the Nafion layer 103, and the lower electrode layer 102 and the Nafion layer 103 according to an embodiment of the present invention. This may be formed. The barrier layer (not shown) may prevent the mixing of by-products due to the reaction in advance, and may play a role of preventing the performance degradation of the fuel cell due to the continuous reaction.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극층의 단면을 도시한다. 이것은 도 1의 상부전극층(101) 및 하부전극층(102)의 단면에 관한 개략도가 될 수 있다.2 shows a cross section of an electrode layer according to an embodiment of the invention. This may be a schematic view of the cross section of the upper electrode layer 101 and the lower electrode layer 102 of FIG.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전극층(200)은 다수의 세공(201)과 다수의 파티클(202)을 포함한다. 각각의 세공(201)은 수백 나노미터 크기의 직경을 갖는다. 각각의 파티클(202)은 수십 나노미터 크기를 갖는다. 따라서 전극층(200)의 표면을 살펴보면, 수백 나노미터 크기의 제 1 세공(201)과 수십 나노미터 크기의 제 2 세공(203)을 갖는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 따른 전극층(200)은 서로 다른 크기의 세공들(201)(202)이 표면에 분포하기 때문에 그 표면적이 극대화되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 2, the electrode layer 200 according to the present embodiment includes a plurality of pores 201 and a plurality of particles 202. Each pore 201 has a diameter of several hundred nanometers. Each particle 202 is several tens of nanometers in size. Therefore, looking at the surface of the electrode layer 200, it can be seen that it has a first pore 201 of several hundred nanometers size and the second pore 203 of several tens of nanometers. As such, it can be seen that the electrode layer 200 according to the present exemplary embodiment maximizes its surface area because pores 201 and 202 having different sizes are distributed on the surface.

또한, 도 2에서는, 세공(201) 및 파티클(202)이 일정하게 분포하는 것으로 도시하였으나, 이것은 설명의 편의를 위한 것으로, 실제로는 도 9와 같이 산호초와 유사한 구조로 세공(201) 및 파티클(202)이 형성될 수도 있음은 물론이다.In FIG. 2, the pores 201 and the particles 202 are uniformly distributed, but for convenience of description, the pores 201 and the particles (20) have a structure similar to a coral reef as shown in FIG. 9. Of course, 202 may be formed.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 제조방법을 도시한다. 이것은 도 1의 전극(100)을 제조하는 방법에 관한 일 예가 될 수 있다.3 shows a method of manufacturing an electrode according to an embodiment of the present invention. This may be an example of a method of manufacturing the electrode 100 of FIG.

도 3을 참조하면, 먼저 융합전극을 형성한다(301). 예를 들어, 매크로 크기의 세공(예컨대, 수백 나노미터 크기의 세공)이 형성된 전극에 매크로 크기의 세공보다 크기가 작은 나노 크기의 파티클(예컨대, 수십 나노미터 크기의 파티클)을 융합하여 제 1 및 제 2 융합전극을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 3, first, a fusion electrode is formed (301). For example, nano-sized particles (eg, tens of nanometers in size) that are smaller than macro-sized pores are fused to electrodes formed with macro-sized pores (eg, hundreds of nanometers in size) to form first and A second fusion electrode can be formed.

그리고 나피온(Nafion)을 결합한다(302). 예를 들어, 나피온 필름(Nafion file)을 제 1 및 제 2 융합전극 사이에 두고 양 방향에서 압력을 가하여 나피온 필름과 제 1 및 제 2 융합전극을 결합하는 것이 가능하다. 또한, 제 1 및 제 2 융합전극의 각 대향면에 액상 나피온을 도포한 후에 나피온 필름을 결합하는 것도 가능하다. And combine Nafion (302). For example, it is possible to couple the Nafion film and the first and second fusion electrodes by placing a Nafion file between the first and second fusion electrodes and applying pressure in both directions. In addition, it is also possible to bond the Nafion film after applying the liquid Nafion to each opposite surface of the first and second fusion electrodes.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따라, 나피온을 결합하기 전에 격벽층을 형성하고 형성된 격벽층을 융합전극들과 나피온 사이에 결합할 수도 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, before the Nafion is bonded, a barrier layer may be formed and the barrier layer formed may be coupled between the fusion electrodes and the Nafion.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합전극의 제조방법을 도시한다. 이것은 도 3의 제 1 및 제 2 융합전극을 제조하는 방법에 관한 일 예가 될 수 있다.4 shows a method of manufacturing a fusion electrode according to an embodiment of the present invention. This may be an example of a method of manufacturing the first and second fusion electrodes of FIG.

도 4를 참조하면, 먼저 매크로포러스 금 전극을 형성한다(401). 예를 들어, 매크로 크기의 세공을 갖는 매크로포러스 금 파우더(Au-powder)를 형성하고, 형성된 매크로포러스 금 파우더를 2차원 구조체 또는 3차원 구조체에 코팅(coating) 또는 임프린팅(imprinting)하여 매크로포러스 금(macroporous Au) 전극을 형성하는 것이 가능하다. 또 다른 예로, 매크로 크기의 세공을 갖는 매크로포러스 금 파우더(Au-powder)를 형성하고, 형성된 매크로포러스 금 파우더를 주형(mold)에 넣고 압력을 가하여 매크로포러스 금(macroporous Au) 전극을 형성하는 것도 가능하다.Referring to FIG. 4, first, a macroporous gold electrode is formed (401). For example, a macroporous gold powder (Au-powder) having a macropore is formed, and the formed macroporous gold powder is coated or imprinted on a two-dimensional structure or a three-dimensional structure to form a macroporous. It is possible to form a macroporous Au electrode. As another example, forming a macroporous gold powder (Au-powder) having a macro-sized pores, and put the formed macroporous gold powder in a mold and applying a pressure to form a macroporous Au electrode It is possible.

그리고 형성된 매크로포러스 금과 나노파티클 백금을 융합한다(402). 예를 들어, 매크로포러스 금 전극의 표면에 매크로포러스 금 전극이 갖는 세공보다 크기가 작은 나노파티클 백금(nanoparticle Pt)을 도금하여 매크로포러스 금과 나노파티클 백금을 융합시키는 것이 가능하다.The formed macroporous gold and nanoparticle platinum are fused (402). For example, it is possible to fuse the macroporous gold and the nanoparticle platinum by plating nanoparticle Pt having a smaller size than the pores of the macroporous gold electrode on the surface of the macroporous gold electrode.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 매크로포러스 금 전극의 제조방법을 도시한다. 이것은 도 4의 401과정에 관한 구체적인 예가 될 수 있다.5A to 5C illustrate a method of manufacturing a macroporous gold electrode according to an embodiment of the present invention. This may be a specific example of step 401 of FIG. 4.

도 5a는 매크로 크기의 세공을 갖는 매크로포러스 금 파우더(501)를 나타낸다. 매크로포러스 금 파우더(501)를 만드는 방법을 설명하면 다음과 같다. 5A shows macroporous gold powder 501 with macrosized pores. Referring to the method of making the macroporous gold powder 501 is as follows.

일반적인 금 파우더를 준비한다. 그리고 졸-겔 타입의 알루미늄 전구체와 계면활성제(stearic acid magnesium state)를 혼합하여 혼합액을 만든다. 혼합액 내에서 알루미늄 전구체는 계면활성제를 둘러싸게 된다. 이어서 준비된 금 파우더를 혼합액에 녹인다. 그리고 소성과정을 거친 후 알루미늄 전구체를 인산 용액을 이용하여 선택적으로 에칭(etching)한다. 이때, 알루미늄 전구체를 에칭하는 과정에서 계면활성제를 제거하지 않고 추가적으로 첨가하면, 금 입자들끼리 뭉쳐 덩어리가 되는 현상을 감소시킬 수 있으므로 잘게 분말화된 매크로포러스 금 파우더(501)를 얻을 수 있다.Prepare a regular gold powder. In addition, a sol-gel type aluminum precursor and a surfactant (stearic acid magnesium state) are mixed to form a mixed solution. In the mixed solution, the aluminum precursor surrounds the surfactant. Then, the prepared gold powder is dissolved in the mixed solution. After the firing process, the aluminum precursor is selectively etched using a phosphoric acid solution. In this case, when the aluminum precursor is additionally added without removing the surfactant in the process of etching, fine pulverized macroporous gold powder 501 may be obtained since gold particles may be agglomerated and reduced.

매크로포러스 금 파우더(501)가 준비되면, 일 예로써, 도 5b와 같이 매크로포러스 금 파우더(501)를 구조체(502) 표면에 코팅 또는 임프린팅해서 매크로포러스 금 전극을 형성할 수 있다. 코팅을 하는 경우, 구조체(502) 표면에 매크로포러스 금 파우더(501)를 얇게 입히고 일정한 압력 또는 열을 가하는 것이 가능하다. 또한 임프린팅을 하는 경우, PDMS 또는 PMMA 등의 고분자 폴리머를 이용하여 일정한 패턴을 갖는 주형을 제작하고 이 주형을 이용하여 매크로포러스 금 파우더를 구조체(502) 표면에 압착하는 것이 가능하다. 도 5b에서 구조체(502)는 원판 등과 같은 2차원 구조 또는 바늘과 같은 3차원 구조를 가질 수 있다.When the macroporous gold powder 501 is prepared, as an example, as shown in FIG. 5B, the macroporous gold powder 501 may be coated or imprinted on the surface of the structure 502 to form a macroporous gold electrode. When coating, it is possible to apply a thin layer of macroporous gold powder 501 to the surface of the structure 502 and apply a constant pressure or heat. In addition, when imprinting, it is possible to fabricate a mold having a predetermined pattern using a polymer polymer such as PDMS or PMMA, and press the macroporous gold powder onto the surface of the structure 502 using the mold. In FIG. 5B, the structure 502 may have a two-dimensional structure such as a disc or a three-dimensional structure such as a needle.

매크로포러스 금 파우더(501)가 준비되면, 다른 예로써, 도 5c와 같이 매크로포러스 금 파우더(501)를 주형(mold)(503)에 넣고 압력을 가하여 매크로포러스 금 전극을 형성할 수도 있다. 이때, 형성되는 매크로포러스 금 전극이 디스크(disk) 형태를 갖도록 주형(503) 역시 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있다.When the macroporous gold powder 501 is prepared, as another example, as shown in FIG. 5C, the macroporous gold powder 501 may be placed in a mold 503 to apply a pressure to form a macroporous gold electrode. In this case, the mold 503 may also be formed in a circular or elliptical shape so that the formed macroporous gold electrode has a disk shape.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매크로포러스 금과 나노파티클 백금의 융합방법을 도시한다. 이것은 도 4의 402과정에 관한 구체적인 예가 될 수 있다.6 illustrates a method for fusion of macroporous gold and nanoparticle platinum according to an embodiment of the present invention. This may be a specific example of the process 402 of FIG.

도 6을 참조하면, 만들어진 매크로포러스 금 전극(601)을 준비된 mixture에 넣고 가열한다. Mixture는 계면활성제 C16EO8(Octaethylene glycol monohexadecyl ether), HCPA(Hexachloroplatinic acid hybrate), 초순수(DI water) 등으로 구성될 수 있다. 가열 온도는 약 85도가 될 수 있다. 그리고 상온으로 온도를 낮추어주면 계면활성제의 자기조립 특성으로 인해 매크로포러스 금 전극(601) 표면에 몰드(602)가 형성된다. 그 후 적정 전압을 인가하면 mixture내에 있는 백금 이온들이 매크로포러스 금 전극(601) 및 몰드(602) 주변에 전해석출 되어 달라붙는다. 마지막으로 초순수(DI water)로 몰드(602)를 없애주면 매크로포러스 금 전극(601) 표면에 나노파티클 백금이 도금된다.Referring to FIG. 6, the prepared macroporous gold electrode 601 is placed in a prepared mixture and heated. Mixture may be composed of surfactant C 16 EO 8 (Octaethylene glycol monohexadecyl ether), HCPA (Hexachloroplatinic acid hybrate), ultra pure water (DI water) and the like. The heating temperature can be about 85 degrees. When the temperature is lowered to room temperature, the mold 602 is formed on the surface of the macroporous gold electrode 601 due to the self-assembly of the surfactant. Then, when the appropriate voltage is applied, platinum ions in the mixture are electrolytically precipitated around the macroporous gold electrode 601 and the mold 602 and stick together. Finally, when the mold 602 is removed with ultrapure water (DI water), nanoparticle platinum is plated on the surface of the macroporous gold electrode 601.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 융합전극의 전류 응답 특성을 도시한다.7 illustrates a current response characteristic of a fusion electrode according to an embodiment of the present invention.

도 7에서, (a)는 일반적인 다공성 구조만을 갖는 전극의 전류 응답 특성을 나타내며, (b)는 본 실시 예에 따른 매크로/나노 다공성 구조를 갖는 전극의 전류 응답 특성을 나타낸다. 이러한 전류 응답 특성은 황산용액에서의 순환전압에 따른 전극 표면에서의 산화/환원 반응 특성을 통해 얻을 수 있다.In FIG. 7, (a) shows current response characteristics of an electrode having only a general porous structure, and (b) shows current response characteristics of an electrode having a macro / nano porous structure according to the present embodiment. Such current response characteristics can be obtained through oxidation / reduction reaction characteristics on the electrode surface according to the circulation voltage in sulfuric acid solution.

그리고 도 7에서, 빗금친 영역은 전극 표면에서 어떠한 물질이 환원되는 영역을 나타낸다. 이 영역에서 누적 전하 량을 추출하고 추출된 전하 량과 전극의 겉보기 면적 간의 비를 roughness factor로 추출하는 것이 가능하다.And in Fig. 7, the hatched areas represent areas where any material is reduced on the electrode surface. In this region, it is possible to extract the accumulated charge amount and to extract the ratio between the extracted charge amount and the apparent area of the electrode as a roughness factor.

계산된 (a) 및 (b)의 roughness factor는 각각 46.07 및 2024.7인 것으로 확인되었다. 즉 본 실시 예에 따른 융합 전극에 의하면 전극의 전체적인 사이즈를 최소화 하면서도 큰 전류 응답 특성을 얻는 것이 가능하다.The calculated roughness factors of (a) and (b) were found to be 46.07 and 2024.7, respectively. That is, according to the fusion electrode according to the present embodiment it is possible to obtain a large current response characteristics while minimizing the overall size of the electrode.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 융합전극의 민감도 특성을 도시한다.8 illustrates sensitivity characteristics of a fusion electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 8에서, (a)는 일반적인 다공성 구조만을 갖는 전극의 민감도 특성을 나타내며, (b)는 본 실시 예에 따른 매크로/나노 다공성 구조를 갖는 전극의 민감도 특성을 나타낸다. 이러한 민감도 특성은 전극 표면에서 과산화수소의 산화반응을 통해 생성된 전자의 전류변화를 측정하여 얻을 수 있다.In FIG. 8, (a) shows sensitivity characteristics of an electrode having only a general porous structure, and (b) shows sensitivity characteristics of an electrode having a macro / nano porous structure according to the present embodiment. This sensitivity characteristic can be obtained by measuring the current change of electrons generated through the oxidation reaction of hydrogen peroxide on the electrode surface.

각각 측정된 과산화수소의 민감도는 (a)의 경우 0.105 mA/mM·cm2이고 (b)의 경우 0.437 mA/mM·cm2이다. 이것은 본 실시 예에 따른 융합 전극이 매우 높은 민감도를 가지고 있음을 나타낸다.The sensitivity of each measured hydrogen peroxide was 0.105 mA / mM · cm 2 for (a) and 0.437 mA / mM · cm 2 for (b). This indicates that the fusion electrode according to the present embodiment has a very high sensitivity.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합전극의 표면을 도시한다.9 illustrates a surface of a fusion electrode according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 산호초와 유사하게 수백 나노미터 크기의 세공을 갖는 매크로포러스 금이 얼길설기 엮여 있고 그 사이사이에 수십 나노미터 크기의 나노파티클 백금이 융합되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서 전극의 표면 거칠기가 극대화되기 때문에 전극에 부가되는 촉매 또는 효소 없이도 산화/환원 반응이 효과적으로 이루어질 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 9, it can be seen that macroporous gold having pores of several hundred nanometers in size is similar to coral reefs, and nanoparticle platinum of several tens of nanometers is fused therebetween. Therefore, since the surface roughness of the electrode is maximized, it can be seen that the oxidation / reduction reaction can be effectively performed without a catalyst or an enzyme added to the electrode.

Claims (8)

삭제delete 매크로 크기의 세공이 형성된 매크로포러스 전극에 상기 세공보다 크기가 작은 나노 크기의 파티클을 융합하여 제 1 및 제 2 융합전극을 형성하는 단계; 및
나피온 필름(Nafion file)을 상기 제 1 및 제 2 융합전극 사이에 두고 상기 나피온 필름과 상기 제 1 및 제 2 융합전극을 결합하는 단계를 포함하되,
상기 제 1 및 제 2 융합전극을 형성하는 단계는
매크로 크기의 세공을 갖는 매크로포러스 금 파우더(Au-powder)를 형성하고, 형성된 매크로포러스 금 파우더를 2차원 구조체 또는 3차원 구조체에 코팅(coating) 또는 임프린팅(imprinting)하여 매크로포러스 금(macroporous Au) 전극을 형성하는 과정; 및
상기 매크로포러스 금 전극의 표면에 상기 세공보다 크기가 작은 나노파티클 백금(nanoparticle Pt)을 도금하는 과정; 을 포함하는 전극의 제조방법.Forming first and second fusion electrodes by fusing nano-sized particles smaller in size than the pores to a macroporous electrode in which macro pores are formed; And
Coupling a Nafion film and the first and second fusion electrodes with a Nafion film disposed between the first and second fusion electrodes,
Forming the first and second fusion electrodes
To form a macroporous gold powder (Au-powder) having a macro-sized pores, coating or imprinting the formed macroporous gold powder on a two-dimensional structure or three-dimensional structure (macroporous Au ) Forming an electrode; And
Plating nanoparticle platinum (Pt) having a smaller size than the pores on the surface of the macroporous gold electrode; Method for producing an electrode comprising a. 매크로 크기의 세공이 형성된 매크로포러스 전극에 상기 세공보다 크기가 작은 나노 크기의 파티클을 융합하여 제 1 및 제 2 융합전극을 형성하는 단계; 및
나피온 필름(Nafion file)을 상기 제 1 및 제 2 융합전극 사이에 두고 상기 나피온 필름과 상기 제 1 및 제 2 융합전극을 결합하는 단계를 포함하되,
상기 제 1 및 제 2 융합전극을 형성하는 단계는
매크로 크기의 세공을 갖는 매크로포러스 금 파우더(Au-powder)를 형성하고, 형성된 매크로포러스 금 파우더를 주형(mold)에 넣고 압력을 가하여 매크로포러스 금(macroporous Au) 전극을 형성하는 과정; 및
상기 매크로포러스 금 전극의 표면에 상기 세공보다 크기가 작은 나노파티클 백금(nanoparticle Pt)을 도금하는 과정; 을 포함하는 전극의 제조방법.Forming first and second fusion electrodes by fusing nano-sized particles smaller in size than the pores to a macroporous electrode in which macro pores are formed; And
Coupling a Nafion film and the first and second fusion electrodes with a Nafion film disposed between the first and second fusion electrodes,
Forming the first and second fusion electrodes
Forming a macroporous gold powder (Au-powder) having macro-sized pores, placing the formed macroporous gold powder in a mold and applying pressure to form a macroporous Au electrode; And
Plating nanoparticle platinum (Pt) having a smaller size than the pores on the surface of the macroporous gold electrode; Method for producing an electrode comprising a. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 나피온 필름과 상기 제 1 및 제 2 융합전극을 결합하는 단계는
액상 나피온을 상기 제 1 융합전극과 상기 제 2 융합전극의 대향면에 각각 도포하는 과정; 및
나피온 필름을 상기 제 1 융합전극 및 상기 제 2 융합전극 사이에 두고 양 방향에서 압착하는 과정; 을 포함하는 전극의 제조방법.The method according to claim 2 or 3,
Joining the Nafion film and the first and second fusion electrodes
Applying liquid Nafion to opposite surfaces of the first fusion electrode and the second fusion electrode; And
Pressing a Nafion film between the first fusion electrode and the second fusion electrode in both directions; Method for producing an electrode comprising a. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 나피온 필름과 상기 제 1 및 제 2 융합 전극을 결합하기 전에,
상기 나피온 필름과 상기 제 1 융합전극 사이와, 상기 나피온 필름과 상기 제 2 융합전극 사이에 각각 격벽층을 형성하는 단계; 를 더 포함하는 전극의 제조방법.The method according to claim 2 or 3,
Before joining the Nafion film and the first and second fusion electrodes,
Forming a partition layer between the Nafion film and the first fusion electrode and between the Nafion film and the second fusion electrode; Method for producing an electrode further comprising. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 세공은 100 내지 300 나노미터의 직경을 갖는 전극의 제조방법.The method according to claim 2 or 3,
The pore is a method of manufacturing an electrode having a diameter of 100 to 300 nanometers. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 파티클은 10 내지 20 나노미터의 크기를 갖는 전극의 제조방법.The method according to claim 2 or 3,
The particle is a method of manufacturing an electrode having a size of 10 to 20 nanometers. 제 2 항 또는 제 3 항에 의한 방법으로 제조된 전극.An electrode produced by the method according to claim 2.
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