KR101342888B1 - Magneli Phase Titanium Oxide with High Specific Surface Area and the Fabrication Method Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 매그넬리상 타이타늄 산화물에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 3~50 m2/g의 비표면적을 가지며, 나노기공을 함유하는 특징이 있으며, 35 wt% 이상의 금속이 로딩되는 매그넬리상 타이타늄 산화물인 특징이 있다.The present invention relates to magellitic titanium oxide, and in detail, the magellitic titanium oxide according to the present invention has a specific surface area of 3 to 50 m 2 / g, is characterized by containing nanopores, 35 wt% The above metal is characterized in that it is a magnetite phase titanium oxide to be loaded.

Description

대면적 매그넬리상 타이타늄 산화물 및 그 제조방법{Magneli Phase Titanium Oxide with High Specific Surface Area and the Fabrication Method Thereof}Magnetic Phase Titanium Oxide with High Specific Surface Area and the Fabrication Method Thereof}

본 발명은 대면적 매그넬리상 타이타늄 산화물에 관한 것으로, 상세하게, 매우 큰 비표면적을 가져 대량의 촉매 금속의 담지가 용이하여 연료전지의 촉매 금속 지지체로 적합한 매그넬리상 타이타늄 산화물에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to large-area magenta-titanium oxide, and more particularly, to a magelli- tanite oxide which has a very large specific surface area and is easy to support a large amount of catalyst metal, and thus is suitable as a catalyst metal support of a fuel cell.

산업발전 및 인구증가에 따라 전 세계적으로 에너지 수요가 급증하고 있는 추세이나, 주 에너지원인 석유/천연가스등은 약 2020년을 기점으로 그 생산량이 점차 감소할 것으로 예측되고 있다. 이러한 화석연료의 고갈과 함께 환경을 오염시키지 않는 대체 청정 에너지원에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.The demand for energy is increasing worldwide due to industrial development and population growth, but the production of oil and natural gas, the main energy sources, is expected to decrease gradually from about 2020. With the depletion of fossil fuels, there is an urgent need for research and development on alternative clean energy sources that do not pollute the environment.

또한, 1997년 온실가스 감축을 위한 교토의정서가 채택되어 우리나라를 비롯한 119 개국이 비준하였고, 온실가스 배출량 감축의 의무화 및 온실가스 감축 의무 부담이 진행되고 있다. In addition, the Kyoto Protocol was adopted in 1997 to ratify GHG emissions, which has been ratified by 119 countries, including Korea.

태양열, 풍력, 수소에너지등의 다양한 천연 자원을 에너지원으로 사용하는 기술이 연구 개발되고 있으나, 기존 화력발전과는 달리 연소과정이나 기계적 일이 필요 없는 직접 발전 방식으로 열역학적인 제한(Carnot 효율)을 받지 않으며 발전효율이 높고, 대기오염 물질인 녹스(NOx), 황화합물(SOx) 등을 배출하지 않고, CO2 배출량을 감소시킬 수 있으며, 작동 소음/진동 또한 극히 미미한 환경 친화적인 에너지 기술이며, 분산형 전력생산 방식이 가능하고, 100 ㎾~수십 ㎿급 규모의 중대형 발전 시스템 분야, 1 ㎾~10 ㎾급 규모의 가정용 소형발전 시스템 및 자동차 보조동력원용, 수 W∼수 ㎾급 규모의 이동전원용등 발전 용량을 용이하게 조절 가능한 점 등에 의해 연료전지(Fuel Cell) 기술이 대체 청정 에너지로 각광받고 있다.The technology that uses various natural resources such as solar heat, wind power and hydrogen energy as the energy source is being researched and developed, but unlike the existing thermal power generation, the thermodynamic limitation (Carnot efficiency) is not limited to the direct power generation without the combustion process or mechanical work. It does not receive power, has high power generation efficiency, does not emit air pollutants (NOx), sulfur compounds (SOx), etc., and can reduce CO 2 emissions. Type power generation method is possible, and the field of medium and large power generation system of 100 ㎾ ~ 10 ㎿ class, small household power system of 1 ㎾ ~ 10 ㎾ class, automotive auxiliary power source, mobile power of several W ~ ㎾ class Fuel cell technology has been spotlighted as an alternative clean energy due to its ability to easily adjust power generation capacity.

연료전지는 수소(H2) 등의 연료가스와 산소(O2)를 반응시켜 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 장치로, 일반적으로 연료극과 공기극이 형성되어 있다.A fuel cell is a device for directly converting chemical energy into electrical energy by reacting fuel gas such as hydrogen (H 2 ) with oxygen (O 2 ), and a fuel electrode and an air electrode are generally formed.

상기 연료극에서는 촉매반응으로 수소 양이온과 전자가 생성되며 여기서 생성된 수소 양이온은 전해질을 통과하여 공기극으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 따라 연료극에서 공기극으로 이동하게 된다. 또한, 공기극에서는 전해질을 통과하여 이동해 온 수소 양이온과 외부회로를 따라 이동해 온 전자가 산소와 반응하여 물이 생성된다. 이 때 연료극과 공기극 사이에는 소정의 전위차가 발생한다.In the anode, hydrogen cations and electrons are generated by a catalytic reaction, and the hydrogen cations generated therein move through the electrolyte to the cathode, and electrons move from the anode to the cathode along an external circuit. In addition, in the cathode, water is generated by the reaction of hydrogen cations that have passed through the electrolyte and electrons that have moved along the external circuit with oxygen. At this time, a predetermined potential difference occurs between the fuel electrode and the air electrode.

이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류와 작동 온도에 따라 여러 가지로 분류할 수 있지만, 특히 100 ℃ 이하의 비교적 저온에서 높은 전류밀도를 얻을 수 있으며, 다른 연료전지에 비해 에너지 변환 효율이 우수하고, 수소를 직접 연료로 사용하는 고분자전해질연료전지(PEMFC; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 자동차용, 가정 발전용, 이동용 전원으로 주목 받고 있다.Such fuel cells can be classified into various types according to the type of electrolyte used and operating temperature, but can obtain a high current density at a relatively low temperature of 100 ° C. or lower, and has an excellent energy conversion efficiency compared to other fuel cells. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), which uses hydrogen directly as a fuel, is attracting attention as a power source for automobiles, household power generation, and mobile devices.

그러나, 이와 같은 고분자 전해질 연료전지를 상용화하는 데 있어서 가장 큰 문제점은 장시간 운전이나 시동/정지 반복에 따라 촉매의 성능이 점차 감소되고, 그로 인해 고분자 전해질 연료전지의 성능 또한 저하된다는 점에 있다. 이와 같은 성능 감소 현상은 백금 촉매의 표면적이 연료전지 운전에 따라 감소하기 때문인 것으로 보고되고 있다.However, the biggest problem in commercializing such a polymer electrolyte fuel cell is that the performance of the catalyst gradually decreases with a long time operation or start / stop repetition, thereby degrading the performance of the polymer electrolyte fuel cell. Such a decrease in performance is reported to be due to the decrease in the surface area of the platinum catalyst with the operation of the fuel cell.

통상, 고분자 전해질 연료전지 촉매는 높은 활성 면적을 가지고 있는 탄소 지지체에 나노 크기로 만들어진 백금을 담지한 Pt/C의 형태로 사용된다.In general, a polymer electrolyte fuel cell catalyst is used in the form of Pt / C on which a nano-sized platinum is supported on a carbon support having a high active area.

그러나, 고분자 전해질 연료전지는 높은 양극 전위, 낮은 pH, 높은 산소 농도 등 탄소의 부식이 일어나기 용이한 조건에서 작동되고 있다. 이에 따라, 탄소 계열 지지체의 경우 고분자 전해질 연료전지가 운전되는 동안 탄소는 CO나 CO2의 형태로 산화되면서 촉매를 지지하고 있는 탄소의 부식이 발생하여, 백금의 활성 면적의 감소에 의한 연료전지의 성능 저하 및 내구성 감소에 의한 연료전지 수명 저하의 문제가 발생한다. However, the polymer electrolyte fuel cell operates under conditions where carbon corrosion is likely to occur, such as high anode potential, low pH, and high oxygen concentration. Accordingly, in the case of the carbon-based support, while the polymer electrolyte fuel cell is operated, carbon is oxidized in the form of CO or CO 2 to cause corrosion of the carbon supporting the catalyst, thereby reducing the active area of platinum. The problem of deterioration of fuel cell life due to deterioration of performance and reduction of durability occurs.

이를 개선하기 위해, 탄소를 대체할 새로운 지지체로, 흑연화 탄소, 금속 산화물 계열의 지지체에 대한 연구가 시도되고 있으며, 그 중에서도 탄소보다 전기전도도가 우수하며 고전압 운전시에도 높은 내구성을 갖는 매그넬리상 타이타늄 산화물(MPTO; Magneli Phase Titanium Oxide)을 촉매 지지체로 사용하고자 하는 연구(T. Ioroi, Z. Siroma, N. Fujiwara, S. Yamazaki, K. Yasuda, Electrochem. commun. 7 (2005) 183.; T. Ioroi, H. Senoh, S. Yamazaki, Z. Siroma, N. Fujiwara, K. Yasuda, J. Electrochem. Soc. 155 (2008) B321.)가 시도되고 있다.In order to improve this, as a new support to replace the carbon, a study on the support of the graphitized carbon, metal oxide-based support, and among them, the Magelli phase has better electrical conductivity than carbon and high durability even at high voltage operation A study to use Titanium Oxide (MPTO) Magneli Phase Titanium Oxide (MPTO) as a catalyst support (T. Ioroi, Z. Siroma, N. Fujiwara, S. Yamazaki, K. Yasuda, Electrochem. Commun. 7 (2005) 183 .; T. Ioroi, H. Senoh, S. Yamazaki, Z. Siroma, N. Fujiwara, K. Yasuda, J. Electrochem. Soc. 155 (2008) B321.).

그러나, 매그넬리상 타이타늄 산화물 지지체의 경우, 0.1~1.5 m2/g의 극히 작은 비표면적을 가져 지지체에 대량의 촉매를 담지하기 어려운 난점이 있다. 현재까지 보고된 최대 촉매 금속 담지량은 10 wt%이하에 불과하며, 낮은 담지량의 촉매를 이용할 경우 촉매층이 상대적으로 두꺼워지게 되고 가스 유입 확산거리가 길어지게 되어 기체 확산 저항 증가에 따른 성능 및 내구성 감소가 발생하며, 연료전지에 적용되기에는 아직도 적지 않은 기술적 한계를 지니고 있는 문제가 있다.However, in the case of the magnetellitic titanium oxide support, it has a very small specific surface area of 0.1 to 1.5 m 2 / g, which makes it difficult to support a large amount of catalyst on the support. The maximum catalyst metal loading reported so far is less than 10 wt%, and the catalyst layer becomes relatively thick and the gas inlet diffusion distance becomes longer when the catalyst is supported with a lower loading, which decreases the performance and durability by increasing the gas diffusion resistance. There is a problem that occurs, and still have a technical limit to be applied to a fuel cell.

T. Ioroi, Z. Siroma, N. Fujiwara, S. Yamazaki, K. Yasuda, Electrochem. commun. 7 (2005) 183.T. Ioroi, Z. Siroma, N. Fujiwara, S. Yamazaki, K. Yasuda, Electrochem. commun. 7 (2005) 183. T. Ioroi, H. Senoh, S. Yamazaki, Z. Siroma, N. Fujiwara, K. Yasuda, J. Electrochem. Soc. 155 (2008) B321.T. Ioroi, H. Senoh, S. Yamazaki, Z. Siroma, N. Fujiwara, K. Yasuda, J. Electrochem. Soc. 155 (2008) B321.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 상세하게, 본 발명의 목적은 매우 큰 비표면적을 갖는 매그넬리상 타이타늄 산화물(Magneli Phase Titanium Oxide) 및 그 제조방법을 제공하는 것이며, 연료전지의 촉매 금속 담지를 위한 지지체로 적합한 매그넬리상 타이타늄 산화물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above-described problems, and in detail, an object of the present invention is to provide a magnetic phase titanium oxide (Magneli Phase Titanium Oxide) having a very large specific surface area and a manufacturing method thereof, and a fuel cell It is to provide a magnetite-like titanium oxide and a method for producing the same as a support for supporting a catalytic metal of.

본 발명은 매그넬리상 타이타늄 산화물(Magneli Phase Titanium Oxide)을 제공하며, 특징적으로, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 3~50 m2/g, 보다 특징적으로 10~20 m2/g의 매우 큰 비표면적을 갖는 특징이 있다.The present invention provides a magnetic phase titanium oxide (Magneli Phase Titanium Oxide), characterized in that, the magnetic phase titanium oxide according to the invention is 3 to 50 m 2 / g, more specifically 10 to 20 m 2 / g of It is characterized by a very large specific surface area.

본 발명에 따른 타이타늄 산화물은 Ti4O7 및 Ti5O9를 함유하며, 보다 특징적으로, 상기 타이타늄 산화물은 80 wt% 이상, 보다 더 특징적으로 90 wt% 내지 98 wt%의 Ti4O7 및 Ti5O9을 함유한다.The titanium oxide according to the present invention contains Ti 4 O 7 and Ti 5 O 9 , more particularly, the titanium oxide is 80 wt% or more, and more particularly 90 wt% to 98 wt% of Ti 4 O 7 and Ti 5 O 9 is contained.

본 발명에 따른 타이타늄 산화물은 Ti4O7 및 Ti5O9와 함께, TikO2k-(1+2l)(4≤k≤10인 자연수, 1≤l≤(k-1)인 자연수)의 비양론 타이타늄 산화물을 더 함유하는 특징이 있다.Titanium oxide according to the present invention, together with Ti 4 O 7 and Ti 5 O 9 , Ti k O 2k- (1 + 2l) (natural number of 4≤k≤10, natural number of 1≤l≤ (k-1)) It is characterized by further containing the stoichiometric titanium oxide.

본 발명에 따른 타이타늄 산화물은 나노 기공이 형성된 특징이 있으며, 상기 나노 기공의 평균 직경은 10 내지 20 nm인 특징이 있다.Titanium oxide according to the present invention is characterized in that the nano pores are formed, the average diameter of the nano pores is characterized in that 10 to 20 nm.

보다 상세하게, 본 발명에 따른 타이타늄 산화물은 기공이 다수 분포하는 표면 영역을 갖는 특징이 있으며, 상기 타이타늄 산화물 입자의 반경(R)을 기준으로, 상기 표면 영역의 두께는 10 내지 40 %인 특징이 있다.More specifically, the titanium oxide according to the present invention is characterized by having a surface area with a large number of pores, and based on the radius (R) of the titanium oxide particles, the thickness of the surface area is characterized in that 10 to 40%. have.

본 발명에 따른 상기 타이타늄 산화물은 금속 로딩량이 35 wt% 이상인 특징이 있으며, 상기 금속은 연료전지에 사용되는 촉매금속을 포함한다.The titanium oxide according to the present invention is characterized in that the metal loading is more than 35 wt%, the metal includes a catalytic metal used in the fuel cell.

본 발명은 상술한 매그넬리상 타이타늄 산화물을 함유하는 연료전지용 촉매를 제공하며, 상기 연료전지용 촉매가 구비된 연료전지를 제공한다.The present invention provides a catalyst for a fuel cell containing the above-mentioned magneto-type titanium oxide, and provides a fuel cell equipped with the catalyst for the fuel cell.

본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 극히 높은 비표면적을 갖는 장점이 있으며, 35 wt% 이상의 금속이 로딩되는 장점이 있으며, 우수한 전기전도도를 가지며, 고전압에서 내구성이 매우 뛰어나고, 산소조건에서 높은 부식 저항을 가지며, 종래의 탄소계를 대체하여 연료전지에 촉매 금속 지지체로 사용 가능하며, 얇은 두께의 촉매층의 제조가 가능하여 기체 확산 저항 증가를 방지할 수 있는 장점이 있다.Magnetic phase titanium oxide according to the present invention has the advantage of having an extremely high specific surface area, has the advantage of loading more than 35 wt% metal, has excellent electrical conductivity, very durable at high voltage, high corrosion under oxygen conditions It has resistance, can be used as a catalyst metal support in fuel cells by replacing the conventional carbon-based, it is possible to manufacture a thin catalyst layer has the advantage of preventing the increase in gas diffusion resistance.

도 1은 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물의 X-선 회절결과를 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물의 질소 흡탈착 결과 및 기공 분포를 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물의 투과전자현미경 사진이며,
도 4는 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물의 다른 투과전자현미경 사진이며,
도 5는 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물의 주사전자현미경 사진이며,
도 6은 상용 매그넬리상 타이타늄 산화물의 주사전자현미경 사진이다.
1 is a diagram showing the X-ray diffraction results of the magneto phase titanium oxide according to the present invention,
2 is a view showing the nitrogen adsorption and desorption results and pore distribution of magellitic titanium oxide according to the present invention,
3 is a transmission electron micrograph of the magneto-type titanium oxide according to the present invention,
4 is another transmission electron micrograph of the magneto-type titanium oxide according to the present invention,
5 is a scanning electron micrograph of the magellitic titanium oxide according to the present invention,
6 is a scanning electron micrograph of a commercially available magenta-type titanium oxide.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 매그넬리상 타이타늄 산화물을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. Hereinafter, the magellitic titanium oxide of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following drawings are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms, and the following drawings may be exaggerated in order to clarify the spirit of the present invention. Also, throughout the specification, like reference numerals designate like elements.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the technical and scientific terms used herein will be understood by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.

본 출원인은 매그넬리상 타이타늄 산화물(Magneli Phase Titanium Oxide)이 우수한 전기전도도 및 높은 고전압 내구성을 가짐에도 작은 비표면적에 의해 연료전지 촉매로의 활용이 어려운 문제점을 해결하고자 수많은 실험과 각고의 노력을 기울인 결과, 3~50 m2/g, 보다 특징적으로 10~20 m2/g의 매우 큰 비표면적을 갖는 매그넬리상 타이타늄 산화물을 개발하여 이를 출원하기에 이르렀다.Applicant has made numerous experiments and efforts to solve the problem that Magneti Phase Titanium Oxide is difficult to be used as a fuel cell catalyst due to its small specific surface area even though it has excellent electrical conductivity and high high voltage durability. As a result, it has been possible to develop and file a magnetellitic titanium oxide having a very large specific surface area of 3 to 50 m 2 / g, more particularly 10 to 20 m 2 / g.

본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 3~50 m2/g, 보다 특징적으로 10~20 m2/g의 매우 큰 비표면적을 갖는 특징이 있다.Magellitic titanium oxide according to the present invention is characterized by having a very large specific surface area of 3 ~ 50 m 2 / g, more specifically 10 ~ 20 m 2 / g.

종래의 매그넬리상 타이타늄 산화물은 불규칙한 형상과 매끈한 표면을 가지며 0.1~1.5 m2/g의 극히 작은 비표면적을 가지나, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 극히 큰 비표면적을 가짐과 동시에, 나노 기공을 하는 특징이 있다.Conventional magellitic titanium oxide has an irregular shape and a smooth surface and has a very small specific surface area of 0.1 to 1.5 m 2 / g, but the magellitic titanium oxide according to the present invention has an extremely large specific surface area, There is a characteristic to be pore.

본 발명에 있어, 상기 매그넬리상 타이타늄 산화물은 타이타늄 서브 옥사이드(titanium sub oxide)로, 상기 매그넬리상 타이타늄 산화물은 TinO2n-1(4≤n≤10인 자연수)을 포함하며, Ti4O7 기반에 Ti5O9, Ti6O11, Ti7O13 및 Ti8O15가 공존하는 상용 에보넥스(ebonex)를 포함한다.In the present invention, the magnetic phase titanium oxide is a titanium sub oxide (titanium sub oxide), the magnetic phase titanium oxide includes TinO 2n-1 (a natural number of 4≤n≤10), Ti 4 O 7 Commercially available ebonex in which Ti 5 O 9 , Ti 6 O 11 , Ti 7 O 13 and Ti 8 O 15 coexist in the base.

특징적으로, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 Ti4O7 및 Ti5O9를 함유하며, 보다 특징적으로, 상기 타이타늄 산화물은 80 wt% 이상의 Ti4O7 및 Ti5O9을, 보다 더 특징적으로 90wt% 내지 98 wt%의 Ti4O7 및 Ti5O9을 함유한다. Characteristically, the magellitic titanium oxide according to the present invention contains Ti 4 O 7 and Ti 5 O 9 , and more particularly, the titanium oxide contains 80 wt% or more of Ti 4 O 7 and Ti 5 O 9 . More specifically from 90 wt% to 98 wt% Ti 4 O 7 and Ti 5 O 9 .

상세하게, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 Ti4O7 100 중량부에 대해, 140 내지 200 중량부의 Ti5O9을 함유한다. Specifically, the magellitic titanium oxide according to the present invention contains 140 to 200 parts by weight of Ti 5 O 9 based on 100 parts by weight of Ti 4 O 7 .

상기 매그넬리상 타이타늄 산화물은 Ti4O7 및 Ti5O9 이외에, TimO2m-1(6≤m≤10인 자연수) 및 비양론 타이타늄 산화물에서 하나 이상 선택된 타이타늄 산화물을 더 함유할 수 있으며, 보다 특징적으로, Ti4O7 및 Ti5O9와 함께 상기 비양론 타이타늄 산화물을 더 함유하는 특징이 있다. 이때, 상기 비양론 타이타늄 산화물은 TikO2k-(1+2l)(4≤k≤10인 자연수, 1≤l≤(k-1)인 자연수)을 포함한다.The magellitic titanium oxide may further contain at least one titanium oxide selected from Ti m O 2m −1 (natural water having 6 ≦ m ≦ 10) and non-protonous titanium oxide, in addition to Ti 4 O 7 and Ti 5 O 9 . In addition, more specifically, Ti 4 O 7 And Ti 5 O 9 It is characterized by further containing the above non-protonous titanium oxide. In this case, the non-protonous titanium oxide includes Ti k O 2k− (1 + 2l) (a natural number of 4 ≦ k ≦ 10 and a natural number of 1 ≦ l ≦ (k-1)).

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 나노 기공을 함유하는 특징이 있다. 상세하게, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 평균 직경이 10 내지 20 nm인 나노 기공을 함유하는 특징이 있으며, 상기 나노 기공이 유니모달(uni-modal) 분포를 갖는 특징이 있다. As described above, the magnetellitic titanium oxide according to the present invention is characterized by containing nanopores. Specifically, the magellitic titanium oxide according to the present invention is characterized by containing nanopores having an average diameter of 10 to 20 nm, the nanopores are characterized by having a uni-modal distribution.

상술한 바와 같이, 종래의 매그넬리상 타이타늄 산화물이 불규칙한 형상을 갖는 반면, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 각진(faceted) 투영(projection) 형상을 갖는 입자인 특징이 있다. 상기 각진 투영 형상은 적어도 그 형상의 일 변이 편평한 선으로 이루어진 형상을 포함하며, 투영 형상의 적어도 서로 다른 두 변이 편평한 선으로 이루어진 형상을 포함하며, 편평한 선으로 이루어진 두 변의 모서리가 곡률 진 형상 또는 편평한 선으로 이루어진 두 변의 모서리가 불연속적으로 꺾인 형상을 포함한다. 보다 특징적으로, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 사각 또는 육각을 포함하는 다각 형상의 투영 형상을 갖는다.As described above, while the conventional magneto-type titanium oxide has an irregular shape, the magneto-type titanium oxide according to the present invention is characterized by being a particle having a faceted projection shape. The angular projection shape includes a shape consisting of flat lines on at least one side of the shape, and includes a shape consisting of flat lines on at least two different sides of the projection shape, wherein the two sides of the flat line are curved or flat. The edges of the two sides of the line include a shape that is discontinuously bent. More particularly, the magellitic titanium oxide according to the present invention has a polygonal projection shape including a square or a hexagon.

특징적으로, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 치밀한 내부를 다공성 표면 영역이 감싸는 구조를 갖는 특징이 있다. 보다 상세하게, 본 발명에 따른 타이타늄 산화물은 기공이 다수 분포하는 표면 영역을 갖는 특징이 있으며, 상기 타이타늄 산화물 입자의 반경(R)을 기준으로, 상기 표면 영역의 두께는 10 내지 40%인 특징이 있다.Characteristically, the magnetic phase titanium oxide according to the present invention is characterized by having a structure in which a porous surface region surrounds a dense interior. More specifically, the titanium oxide according to the present invention is characterized by having a surface area in which the pores are distributed in a large number, and based on the radius R of the titanium oxide particles, the thickness of the surface area is 10 to 40%. have.

본 발명에 따른 상기 매그넬리상 타이타늄 산화물은 금속 로딩량이 35 wt% 이상인 특징이 있으며, 상기 금속은 연료전지에 사용되는 촉매금속을 포함한다. 상기 촉매금속의 일 예로, 백금(Pt), 루테늄(Ru)), 팔라듐(Pd) 및 이리듐(Ir)을 포함하는 귀금속; 및 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 철(Fe), 세슘(Ce) 및 란타늄(La)을 포함하는 전이금속;에서 선택된 금속의 단독 혹은 이들의 둘 또는 그 이상의 합금을 들 수 잇으며, 우수한 촉매 활성 측면에서 상기 촉매금속은 백금을 포함하는 것이 바람직하다. The magnesium phase titanium oxide according to the present invention has a metal loading of 35 wt% or more, and the metal includes a catalytic metal used in a fuel cell. Examples of the catalyst metal include noble metals including platinum (Pt), ruthenium (Ru), palladium (Pd), and iridium (Ir); And transition metals including cobalt (Co), molybdenum (Mo), iron (Fe), cesium (Ce), and lanthanum (La); or a single metal or two or more alloys thereof. In view of good catalytic activity, the catalytic metal preferably comprises platinum.

본 발명은 상술한 매그넬리상 타이타늄 산화물을 함유하는 연료전지용 촉매를 제공하며, 상기 연료전지용 촉매가 구비된 연료전지를 제공한다. 이때, 상기 연료전지는 고분자 전해질 연료전지를 포함한다.The present invention provides a catalyst for a fuel cell containing the above-mentioned magneto-type titanium oxide, and provides a fuel cell equipped with the catalyst for the fuel cell. In this case, the fuel cell includes a polymer electrolyte fuel cell.

본 발명에 따른 연료전지용 촉매는 3~50 m2/g, 보다 특징적으로 10~20 m2/g의 매우 큰 비표면적을 갖는 매그넬리상 타이타늄 산화물이 지지체로 구비됨에 따라, 금속 로딩량이 35 wt% 이상인 특징이 있으며, 3S/cm 이상의 전기전도도, 실질적으로, 3~5 S/cm의 매우 우수한 전기전도도를 가지며, 고전압에서 내구성이 매우 뛰어나고, 산소조건에서 높은 부식 저항을 가지는 특징이 있다. 또한, 35 wt% 이상의 금속이 나노입자 형태로 고르게 분산 담지될 수 있어, 얇은 두께의 촉매층의 제조가 가능하여 기체 확산 저항 증가를 방지할 수 있는 특징이 있다.The fuel cell catalyst according to the present invention has a metal loading amount of 35 wt.% As the support has magnetite-type titanium oxide having a very large specific surface area of 3 to 50 m 2 / g, more specifically 10 to 20 m 2 / g. It has a characteristic of more than%, has an electrical conductivity of 3 S / cm or more, substantially, has a very good electrical conductivity of 3 ~ 5 S / cm, very durable at high voltage, and has a feature of having a high corrosion resistance under oxygen conditions. In addition, 35 wt% or more of the metal may be uniformly dispersed and supported in the form of nanoparticles, and thus, a thin catalyst layer may be manufactured to prevent an increase in gas diffusion resistance.

본 발명에 따른 연료전지용 촉매가 구비된 연료전지는 대량의 금속이 로딩되는 상술한 매그넬리상 타이타늄 산화물이 지지체로 구비됨에 따라, 박형의 촉매층이 구비될 수 있으며, 얇은 촉매층의 구성에 의해 가스 유입 확산거리가 짧아지게 되어 기체 확산 저항 증가에 따른 성능 및 내구성 감소를 방지할 수 있다.The fuel cell equipped with a catalyst for a fuel cell according to the present invention may be provided with a thin catalyst layer as a support of the above-described magneto-type titanium oxide loaded with a large amount of metal, and may be provided with a thin catalyst layer, and the gas may be introduced by a thin catalyst layer. As the diffusion distance is shortened, it is possible to prevent a decrease in performance and durability due to an increase in gas diffusion resistance.

이하, 상술한 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물의 바람직한 제조방법을 제공한다. Hereinafter, it provides a preferred method for producing the magnetellitic titanium oxide according to the present invention described above.

상기 매그넬리상 타이타늄 산화물은 아나타제 상의 타이타늄 산화물, 루타일 상의 타이타늄 산화물 또는 이들의 혼합물을 전구물질로 하고, 상기 전구물질과 탄소분말을 혼합한 후, 상기 전구물질을 매그넬리상으로 상전환(phase transition)하는 제1열처리 및 탄소분말을 제거하는 제2열처리를 수행하는 단계를 포함하여, 3~50 m2/g의 비표면적을 갖는 매그넬리상 타이타늄 산화물이 제조되는 특징이 있다.The magnesium phase titanium oxide is a titanium oxide on anatase, titanium oxide on rutile or a mixture thereof as a precursor, and after mixing the precursor and the carbon powder, the precursor is phase-converted to the magnetic phase (phase Including the first heat treatment to transition and the second heat treatment to remove the carbon powder, characterized in that the magneto phase titanium oxide having a specific surface area of 3 ~ 50 m 2 / g is produced.

상세하게, 상기 매그넬리상 타이타늄 산화물은 a) 타이타늄 산화물인 전구물질 및 탄소 분말을 함유하는 혼합물을 불활성 또는 환원 분위기에서 열처리하는 제1열처리 단계; 및 b) 제1열처리 후, 산화 분위기에서 열처리하는 제2열처리 단계;를 포함하여 제조된다. Specifically, the magnetic phase titanium oxide is a) a first heat treatment step of heat-treating a mixture containing a precursor and carbon powder which is a titanium oxide in an inert or reducing atmosphere; And b) a second heat treatment step of heat treatment in an oxidizing atmosphere after the first heat treatment.

이때, 상기 전구물질은 아나타제상 타이타늄 산화물, 루타일상 타이타늄 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함하며, 상기 탄소분말은 카본 블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 흑연 분말 또는 이들의 혼합물을 포함한다. In this case, the precursor includes anatase titanium oxide, rutile titanium oxide or a mixture thereof, and the carbon powder includes carbon black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphite powder or mixtures thereof.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물의 제조방법은 매그넬리상 타이타늄 산화물의 전구물질로 아나타제상 타이타늄 산화물, 루타일상 타이타늄 산화물 또는 이들의 혼합물을 사용하며, 상기 전구물질과 탄소분말의 혼합물을 함유하는 원료를 사용하는 특징이 있으며, 상기 원료를 먼저 타이타늄 산화물의 상변태 처리(1차 열처리) 한 후, 산화 분위기에서 열처리(2차 열처리)하여 탄소를 제거하는 특징이 있다.As described above, the method for producing magellitic titanium oxide according to the present invention uses anatase titanium oxide, rutile titanium oxide, or a mixture thereof as a precursor of magellitic titanium oxide, and the precursor and carbon powder A raw material containing a mixture of is characterized in that the raw material is first subjected to phase transformation (primary heat treatment) of titanium oxide, and then heat-treated in an oxidizing atmosphere (secondary heat treatment) to remove carbon.

이에 의해, 3~50 m2/g, 보다 특징적으로 10~20 m2/g의 매우 큰 비표면적을 갖는 매그넬리상 타이타늄 산화물이 수득된다.This gives a magnetellitic titanium oxide having a very large specific surface area of 3 to 50 m 2 / g, more particularly 10 to 20 m 2 / g.

바람직하게, 상기 원료는 상기 매그넬리상 타이타늄 산화물의 전구물질 100 중량부에 대해 탄소 분말 100 내지 300 중량부를 함유하며, 상기 전구물질의 평균 입자크기는 2 내지 100 nm, 상기 탄소 분말의 평균 입자크기는 10 내지 100 nm인 것이 바람직하다.Preferably, the raw material contains 100 to 300 parts by weight of carbon powder with respect to 100 parts by weight of the precursor of the magnetellitic titanium oxide, the average particle size of the precursor is 2 to 100 nm, the average particle size of the carbon powder Is preferably from 10 to 100 nm.

상기 제1열처리는 불활성 분위기 또는 환원 분위기에서 수행되며, 상기 불활성 분위기는 질소, 아르곤, 헬륨 또는 이들이 혼합된 분위기를 포함하며, 상기 환원 분위기는 수소 또는 수소와 불활성 기체의 혼합가스 분위기를 포함한다. 상기 제1열처리가 수소와 불활성 기체의 혼합가스 분위기에서 수행되는 경우, 상기 혼합가스는 5 내지 95 vol%의 수소를 함유하는 것이 바람직하다.The first heat treatment is performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere, wherein the inert atmosphere includes nitrogen, argon, helium or an atmosphere in which these are mixed, and the reducing atmosphere includes hydrogen or a mixed gas atmosphere of hydrogen and an inert gas. When the first heat treatment is performed in a mixed gas atmosphere of hydrogen and an inert gas, the mixed gas preferably contains 5 to 95 vol% of hydrogen.

상기 전구물질의 상변태를 위한 제1열처리는 상술한 불활성 분위기 또는 환원 분위기 하에서 1050~1100 ℃에서 수행되는 특징이 있으며, 상기 제1열처리는 3 내지 24 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.The first heat treatment for the phase transformation of the precursor is characterized in that it is carried out at 1050 ~ 1100 ℃ under inert atmosphere or reducing atmosphere described above, the first heat treatment is preferably performed for 3 to 24 hours.

상기 제2열처리는 산화 분위기에서 수행되며, 상기 산화 분위기는 산소, 공기 또는 산소와 불활성 기체의 혼합가스 분위기를 포함한다. 상기 탄소분말의 제거를 위한 제2열처리는 상술한 산화 분위기 하에서 600~950 ℃에서 수행되는 특징이 있으며, 상기 제2열처리는 1 내지 6 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.The second heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere, and the oxidizing atmosphere includes oxygen, air, or a mixed gas atmosphere of oxygen and an inert gas. The second heat treatment for removing the carbon powder is characterized in that it is carried out at 600 ~ 950 ℃ under the oxidizing atmosphere, the second heat treatment is preferably carried out for 1 to 6 hours.

도 1은 카본블랙(Vulcan XC72) 10 g 및 아나타제상 타이타늄산화물(Aldrich 사) 20 g을 혼합한 후, 5 vol% 수소 및 95 vol% 질소가 혼합된 환원성 분위기에서 1050 ℃ 15 시간 동안 열처리 한 후, 공기 분위기에서 800 ℃ 3 시간 동안 열처리하여 수득된 매그넬리상 타이타늄산화물의 X-선 회절 결과이다.1 is a mixture of 10 g of carbon black (Vulcan XC72) and 20 g of anatase titanium oxide (Aldrich), followed by heat treatment at 1050 ° C. for 15 hours in a reducing atmosphere mixed with 5 vol% hydrogen and 95 vol% nitrogen. And X-ray diffraction results of the magnetellitic titanium oxide obtained by heat treatment at 800 ° C. for 3 hours in an air atmosphere.

상기 X-선 회절은 수득된 분말상의 회절 결과이며, 상기 X-선 회절은 Cu-Kα선을 이용하고, 샘플링 폭 : 0.002°, 스캔 속도 2°/분의 조건에서 얻은 결과이다.The X-ray diffraction is a diffraction result of the obtained powder phase, and the X-ray diffraction is a result obtained under the conditions of a sampling width of 0.002 ° and a scanning speed of 2 ° / min using Cu-Kα rays.

상기 도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 매그넬리상 타이타늄 산화물은 Ti4O7 및 Ti5O9와 함께, 비양론 타이타늄 산화물인 Ti4O5을 함유함을 알 수 있으며, 60.1 wt%의 Ti5O9, 34.1 wt%의 Ti4O7, 5.8 wt%의 Ti4O5을 함유함을 알 수 있다. 도 1의 비교예로, 상용 매그넬리상 타이타늄 산화물(Atraverda 사, Ebonex)의 X-선 회절 결과를 함께 도시하였다. As can be seen in FIG. 1, the magellitic titanium oxide of the present invention, together with Ti 4 O 7 and Ti 5 O 9 , contains a non-protonous titanium oxide, Ti 4 O 5 , of 60.1 wt%. Ti 5 O 9 , 34.1 wt% Ti 4 O 7 , 5.8 wt% Ti 4 O 5 . As a comparative example of FIG. 1, shown with the X- ray diffraction results of the commercial magneto Marinelli the titanium oxide (Atraverda four, Ebonex ⓡ).

도 2는 질소 흡탈착법으로 측정한 압력 대비 흡착 부피(도 2(a)) 및 이를 이용하여 측정된 기공 분포(도 2(b))를 도시한 것으로, 도 1과 유사하게 상용 매그넬리상 타이타늄 산화물(Atraverda 사, Ebonex)의 질소 흡탈착 결과 및 기공분포를 함께 도시하였다. Figure 2 shows the adsorption volume (Fig. 2 (a)) and the pore distribution (Fig. 2 (b)) measured using the pressure measured by the nitrogen adsorption and desorption method, similar to Figure 1 commercial Magelli phase of titanium oxide (Atraverda four, Ebonex ⓡ) it is shown with a nitrogen adsorption-desorption and the resulting pore distribution.

도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 종래의 상용 매그넬리상 타이타늄 산화물에 비해 매우 큰 질소 흡/탈착능을 보이며, 평균 13 nm의 크기를 갖는 나노 기공이 존재함을 알 수 있다.As can be seen in Figure 2, the magnetic phase titanium oxide according to the present invention shows a very large nitrogen adsorption / desorption capacity compared to conventional commercial magnetic phase titanium oxide, there is a nano-pores having an average size of 13 nm Able to know.

상용 매그넬리상 타이타늄 산화물과 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물의 비표면적을 측정한 결과, 상용 매그넬리상 타이타늄 산화물은 0.8 m2/g의 비표면적을 가지나, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 15 m2/g의 비표면적을 가지며 상용 매그넬리상 타이타늄 산화물 대비 18배 이상의 비표면적을 가짐을 알 수 있다.As a result of measuring the specific surface area of the commercially available magenta-type titanium oxide and the magenta-titanium oxide according to the present invention, the commercially available magenta-titanium oxide has a specific surface area of 0.8 m 2 / g. It can be seen that the oxide has a specific surface area of 15 m 2 / g and has a specific surface area of 18 times or more that of commercially available magnesium phase titanium oxide.

도 3 내지 도 4는 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물의 투과전자현미경 사진이며, 도 5는 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물의 주사전자현미경 사진이며, 도 6은 상용 매그넬리상 타이타늄 산화물의 주사전자현미경 사진이다. 3 to 4 are transmission electron micrographs of the magneto-type titanium oxide according to the present invention, FIG. 5 is a scanning electron micrograph of the magneto-type titanium oxide according to the present invention, and FIG. 6 is a commercial magneto-type titanium oxide. Scanning electron micrograph of.

도 3 내지 도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 치밀한 내부 영역과 다공성의 표면 영역을 가짐을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 그 내부는 밀도가 높고, 외부는 기공율이 증가하는 구조를 가짐을 알 수 있다. 투과전자현미경으로 다수개의 매그넬리상 타이타늄 산화물 입자를 분석한 결과, 제조된 매그넬리상 타이타늄 산화물 분말의 외부 다공성 부분이 약 10 nm 수준으로 형성되어 있음 확인하였다.As can be seen in Figures 3 to 4, it can be seen that the magnetellitic titanium oxide according to the present invention has a dense internal region and a porous surface region. That is, the magellitic titanium oxide according to the present invention can be seen that the inside has a high density, the outside has a structure of increasing porosity. As a result of analyzing a plurality of magellinium-titanium oxide particles by transmission electron microscope, it was confirmed that the outer porous portion of the prepared magellinium-titanium oxide powder was formed at about 10 nm level.

도 3 내지 도 5에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 매그넬리상 타이타늄 산화물은 2차원 투영 형상이 사각 또는 육각의 각진 입자 형상임을 알 수 있으며, 도 5에서 관찰한 바와 같이, 매우 거친(rough) 표면을 가짐을 알 수 있었다.As can be seen in Figures 3 to 5, the magellitic titanium oxide according to the present invention can be seen that the two-dimensional projection shape of the square or hexagon angled particle shape, as observed in Figure 5, very rough It can be seen that it has a surface.

반면, 도 6에서 알 수 있듯이, 상용 매그넬리상 타이타늄 산화물은 불규칙한(irregular) 형상을 가지며, 극히 매끈한 표면을 가짐을 알 수 있다.On the other hand, as can be seen in Figure 6, commercial magenta-type titanium oxide has an irregular (irregular) shape, it can be seen that it has an extremely smooth surface.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible in light of the above teachings.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .

Claims (11)

10~20 m2/g의 비표면적을 가지고, 치밀한 내부 영역 및 상기 내부 영역을 감싸고 나노 기공이 분포하는 다공성 표면영역을 갖는 입자상이며, 상기 다공성 표면영역이 입자 반경(R)을 기준으로 10 내지 40 %의 두께를 갖는 매그넬리상 타이타늄 산화물 입자.It has a specific surface area of 10 to 20 m 2 / g, has a dense internal region and a porous surface region surrounding the inner region and the nano pores are distributed, the porous surface region is 10 to 10 based on the particle radius (R) Magellitic titanium oxide particles with a thickness of 40%. 제 1항에 있어서,
상기 타이타늄 산화물은 Ti4O7 및 Ti5O9을 함유하는 것을 특징으로 하는 매그넬리상 타이타늄 산화물 입자.
The method of claim 1,
The titanium oxide particles are magnesium phase titanium oxide particles, characterized in that containing Ti 4 O 7 and Ti 5 O 9 .
제 2항에 있어서,
상기 타이타늄 산화물은 80 wt% 이상의 Ti4O7 및 Ti5O9을 함유하는 것을 특징으로 하는 매그넬리상 타이타늄 산화물 입자.
3. The method of claim 2,
The titanium oxide particles are magnesium phase titanium oxide particles, characterized in that containing at least 80 wt% Ti 4 O 7 and Ti 5 O 9 .
제 2항에 있어서,
상기 타이타늄 산화물은 TikO2k-(1+2l)(4≤k≤10인 자연수, 1≤l≤(k-1)인 자연수)의 비양론 타이타늄 산화물을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 매그넬리상 타이타늄 산화물 입자.
3. The method of claim 2,
The titanium oxide further comprises aprotic titanium oxide having Ti k O 2k-(1 + 2l) (a natural number of 4≤k≤10, a natural number of 1≤l≤ (k-1)). Phase Titanium Oxide Particles.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 나노 기공의 평균 직경은 10 내지 20nm 인 것을 특징으로 하는 매그넬리상 타이타늄 산화물 입자.
The method of claim 1,
Magellinium-titanium oxide particles, characterized in that the average diameter of the nano-pores is 10 to 20nm.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 타이타늄 산화물의 금속 로딩량이 35wt% 이상인 것을 특징으로 하는 매그넬리상 타이타늄 산화물 입자.
The method of claim 1,
Magnetic phase titanium oxide particles, characterized in that the metal loading of the titanium oxide is 35wt% or more.
제 1항 내지 제 4항, 제 6항 및 제 9항에서 선택된 어느 한 항의 매그넬리상 타이타늄 산화물 입자를 함유하는 연료전지용 촉매.A catalyst for a fuel cell containing the magnetellitic titanium oxide particles of any one of claims 1 to 4, 6 and 9. 제 10항의 촉매가 구비된 연료전지.A fuel cell equipped with the catalyst of claim 10.
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JP2010024135A (en) * 2008-06-20 2010-02-04 Osaka Gas Co Ltd Porous titanium oxide composition
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