KR101434652B1 - 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 담지체와 용매를 혼합하는 혼합단계, 상기 혼합단계를 통해 혼합된 혼합물의 입자크기를 균질화하는 균질화단계, 상기 균질화단계를 통해 균질화된 혼합물을 분산시키는 분산단계 및 상기 분산단계를 통해 분산된 혼합물의 입도를 분석하는 분석단계로 이루어진다.

Description

전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법{PRE-TREATMENT METHOD OF SYNTHESIS FOR ELECTRODE CATALYST}

본 발명은 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극촉매의 대량생산을 위한 개선된 전처리공정으로 혼합단계, 균질화단계, 분산단계 및 분석단계로 이루어진다.

본 발명은 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극촉매의 대량생산을 위한 개선된 전처리공정으로 혼합단계, 균질화단계, 분산단계 및 분석단계로 이루어진다.

연료전지는 전해질, 작동온도 및 연료의 종류에 따라 MCFC(용융탄산염 연료전지), SOFC(고체산화물형 연료전지), AFC(알칼리 연료전지), PAFC(인산형 연료전지), PEMFC(고분자 전해질 연료전지) 및 DMFC(직접 메탄올 연료전지) 등으로 구분되며, 이들 여러 가지 연료전지 중에서 PEMFC는 에너지 변환 효율이 우수하고 저온에서도 높은 전류밀도를 얻을 수 있는 장점을 지니므로 전기자동차의 전력 공급용, 이동용, 군사용 및 가정용 등 다양한 분야에 적용이 가능한 PEMFC의 개발이 활발히 진행되고 있다. 일반적으로, PEMFC의 성능은 MEA내 전극촉매의 성능에 의해 크게 좌우되고 또한 귀금속의 가격이 매우 비싸기 때문에 촉매는 연료전지 원가에도 많은 영향을 미치고 있다. 이에 연료전지 성능과 원가절감을 만족시키기 위한 촉매개발 연구가 많이 이루어지고 있으며 특히 촉매합성이 대량화 되어감에 따라 백금입자의 분산성 향상과 더불어 촉매 합성 공정 개선에 대한 개발이 중요시되고 있다.

전극촉매에 쓰이는 담지체의 경우 전기전도도와 표면적을 고려하기 위하여 탄소계열 담지체를 이용하지만 탄소담지체의 경우 탄소 자체의 가볍고 전기적인 성질을 포함하고 있기 때문에 서로 간의 결합력으로 뭉쳐있으려는 경향이 강하다. 더욱이 대용량의 합성의 경우 탄소의 양이 많기 때문에 탄소의 전기적인 성질에 대한 영향을 더 크게 받는다. 따라서 물리적으로 에너지를 가하여 서로 뭉쳐 있는 탄소담지체들을 용매 상에 고르게 분포시켜야 합성 진행시 귀금속입자가 탄소 표면에 분산될 수 있는 범위가 증가하며 귀금속 입자를 균일하게 분산시킬 수 있다. 따라서 전처리 과정을 통한 탄소 담지체의 분산은 촉매를 합성하는데 매우 중요한 조건 중 하나이다.

종래의 전극촉매 합성을 위한 전처리 과정의 경우 전처리를 하는데 시간이 오래 소요되며 Homogenizer와 Ultra sonic을 사용하기 때문에 batch 형태의 분산만이 가능하여 용량제한의 한계가 있었다. 또한 원하는 탄소담지체의 분산도를 만족하기 위해서는 4시간 이상 장시간의 전처리 시간이 소요되어 전체 합성 소요시간을 증가시킨다. 또한 batch 형태의 전처리 과정으로 인하여 카본 용액의 부분별로 입자사이즈가 고르지 않은 문제점이 발생한다.

본 발명의 목적은 초고압분산기를 이용하여 전처리 공정에 걸리는 시간을 현저히 단축하고 담지체의 분산 정도를 향상시키는데 탁월한 효과를 나타내는 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 담지체와 용매를 혼합하는 혼합단계, 상기 혼합단계를 통해 혼합된 혼합물의 입자크기를 균질화하는 균질화단계, 상기 균질화단계를 통해 균질화된 혼합물을 분산시키는 분산단계 및 상기 분산단계를 통해 분산된 혼합물의 입도를 분석하는 분석단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법을 제공함에 의해서 달성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 담지체는 Carbon black, Carbon nano tube 및 Carbon nano fiber로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 용매는 에틸렌글리콜로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 담지체와 상기 용매는 1:15 내지 25 중량부 비율로 혼합하는 것을 특징으로 이루어진다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 균질화단계는 상기 혼합단계를 통해 혼합된 혼합물의 입자 크기를 70 내지 100㎛로 균질화하는 것을 특징으로 이루어진다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 분산단계는 상기 균질화단계를 통해 균질화된 혼합물을 초고압분산기를 이용하여 1 내지 30분 동안 1 내지 5회에 걸쳐서 분산시키는 것을 특징으로 이루어진다.

본 발명에 따른 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법은 초고압분산기를 이용하여 전처리 공정에 걸리는 시간을 현저히 단축하고 담지체의 분산 정도를 향상시키는데 탁월한 효과를 나타낸다.

또한, 초고압분산기를 이용함으로써, 분산하고자 하는 담지체의 용량에 제한을 받지 않으므로 촉매의 대량생산을 위한 합성공정에도 적용할 수 있는 장점을 나타낸다.

도 1은 전술한 실시예2를 통해 제조된 전극촉매와 전술한 비교예2를 통해 제조된 전극촉매를 비교 관찰하여 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법을 나타낸 순서도이다.

이하에는 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상이나 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 따른 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법은 담지체와 용매를 혼합하는 혼합단계(S101), 전술한 혼합단계(S101)를 통해 혼합된 혼합물의 입자크기를 균질화하는 균질화단계(S103), 전술한 균질화단계(S103)를 통해 균질화된 혼합물을 분산시키는 분산단계(S105) 및 전술한 분산단계(S105)를 통해 분산된 혼합물의 입도를 분석하는 분석단계(S107)로 이루어진다.

전술한 혼합단계(S101)는 전술한 담지체와 용매는 1:15 내지 25 중량부 비율로 혼합하여 이루어지며, 전술한 담지체는 Carbon black, Carbon nanotube 및 Carbon nanofiber로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 전술한 Carbon black은 미세한 탄소분말로, 더욱 상세하게는 입자의 크기가 1 내지 500㎕으로 흑연과 비슷하며 공업적으로는 천연가스 및 타르 등을 불완전연소시켜 생긴 그을음을 모으거나 열 분해하여 제조하고 있다. 전술한 Carbon nanotube는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재로, 더욱 상세하게는 1개의 탄소 원자가 3개의 다른 탄소 원자와 결합한 육각형 벌집 모양의 속이 비어있는 튜브형 구조로서 1 내지 30㎚크기의 탄소 원자로만 이루어진 소재이며, 열전도율, 전기전도 및 강도가 우수한 성질을 나타낸다. 전술한 Carbon nanofiber는 탄소 섬유의 그을음 또는 탄소 나노섬유의 그을음으로 흑연 층이 원통형의 나노구조로 50 내지 200㎚크기의 탄소 원자로만 이루어져 있으며, 탄소나노튜브와 매우 비슷한 성질과 특성을 나타낸다.

전술한 용매는 에틸렌글리콜로 이루어지는 것이 바람직하며, 전술한 에틸렌글리콜(ethylene glycol)은 모노에틸렌글리콜 또는 에테인-1,2-다이올이라고도 하며, 더욱 상세하게는, 무색 액체로 습기를 잘 흡수하고 산화하면 글리콜산, 글리옥살 및 옥살산 등이 된다.

전술한 균질화단계(S103)는 전술한 혼합단계(S101)를 통해 혼합된 혼합물의 입자 크기를 70 내지 100㎛로 균질화하여 이루어지는 것이 바람직하며, 전술한 혼합물의 입자 크기를 Homogenizer 및 초음파 분산 장비를 이용하여 균질화함으로써 분산단계(S105)에서 이용되는 초고압분산기의 오리피스 사이즈에 적합하여 분산단계(S105)가 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 역할을 한다.

전술한 분산단계(S105)는 전술한 균질화단계(S103)를 통해 균질화된 혼합물을 분산시키는 단계로, 전술한 균질화단계를 통해 균질화된 혼합물을 초고압분산기를 이용하여 1 내지 30분 동안 1 내지 5회에 걸쳐서 분산시키는 것이 바람직하다.

전술한 분석단계(S107)는 전술한 분산단계(S105)를 통해 분산된 혼합물의 입도를 분석하는 단계로, 분산된 혼합물의 입도를 입도분석기를 이용하여 분석함으로써, 별도의 후처리 공정을 거치지 않고 전처리 공정에 이어서 전극촉매를 합성하는 공정으로 바로 이어질 수 있도록 하는 역할을 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법을 실시예를 들어 설명하기로 한다.

<실시예1>

Carbon nanofiber 5중량부와 에틸렌글리콜 95중량부를 혼합하고, Homogenizer를 이용하여 혼합물의 입자 크기를 70 내지 100㎛로 균질화하여, 균질화된 혼합물을 초고압분산기를 이용하여 3분 동안 1회에 걸쳐 분산시킨 후, 분산된 혼합물을 입도분석기를 통과시켜 입도를 확인하는 전처리 공정을 실시하였다.

<실시예2>

전술한 실시예1의 전처리 공정을 거친 탄소담지체에 백금-팔라듐 전구체를 투입하여 금속입자가 1차적으로 표면에 물리적 흡착을 하고난 후 가열하여 백금 전구체를 환원반응시키고 2차 고착반응이 일어나도록 한다. 2차 고착반응이 끝난 후, 온도를 낮추어 세척, 여과 및 건조의 후처리 공정을 통하여 전극촉매를 제조하였다.

<비교예1>

Carbon nanofiber 5중량부와 에틸렌글리콜 95중량부를 혼합하고, Homogenizer와 Sonic bath를 혼합하여 30분간 전처리 공정을 실시하였다.

<비교예2>

전술한 비교예1의 전처리 공정을 거친 탄소담지체에 백금-팔라듐 전구체를 투입하여 금속입자가 1차적으로 표면에 물리적 흡착을 하고난 후 가열하여 백금 전구체를 환원반응시키고 2차 고착반응이 일어나도록 한다. 2차 고착반응이 끝난 후, 온도를 낮추어 세척, 여과 및 건조의 후처리 공정을 통하여 전극촉매를 제조하였다.

<시험예1>

전술한 실시예1의 전처리 공정을 거친 탄소담지체 및 전술한 비교예1의 전처리 공정을 거친 탄소담지체의 입자크기와 전처리 공정에 소요된 시간을 비교하여 그 결과를 아래 그림 1 내지 표 1에 나타내었다.

<그림1>

<표1>

전술한 그림 1 내지 표 1을 살펴보면, 비교예1의 전처리 공정을 거친 탄소담지체 입자에 비해 실시예1의 전처리 공정을 거친 탄소담지체의 입자가 11.35㎛로 현저히 작은 입자 사이즈를 나타내며, 전처리 공정에 소요되는 시간 역시 3분으로 비교예1의 전처리 공정에 비하여 20배나 감소한 것을 알 수 있다.

<시험예2>

전술한 실시예2를 통해 제조된 전극촉매와 전술한 비교예2를 통해 제조된 전극촉매를 비교 관찰하여 그 결과를 도 1에 나타내었다.

전술한 도 1을 살펴보면, 전술한 비교예2를 통해 제조된 촉매의 경우 귀금속 입자가 분포되지 못한 Dead space가 존재하며, Dead space가 발생하면서 담지 되지 못한 귀금속 입자들이 겹겹이 쌓여있거나 응집되어 있는 현상을 확인할 수 있다. 이는 전처리 공정이 충분히 이루어지지 않은 탄소담지체로 인하여 탄소입자와 탄소입자가 서로 뭉치는 현상으로 인하여 표면 일부를 가리고, 이로 인하여 귀금속 입자가 결합할 수 있는 표면이 충분히 확대되지 못하기 때문이다. 반면에, 실시예2를 통해 제조된 촉매의 경우에는 탄소담지체의 표면이 충분히 도출되어 귀금속의 담지가 용이하게 이루어지며 고르게 분산된 것을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법은 초고압분산기를 이용하여 전처리 공정에 걸리는 시간을 현저히 단축하고 담지체의 분산 정도를 향상시키는데 탁월한 효과를 나타낸다.

또한, 초고압분산기를 이용함으로써, 분산하고자 하는 담지체의 용량에 제한을 받지 않으므로 촉매의 대량생산을 위한 합성공정에도 적용할 수 있는 장점을 나타낸다.

S101; 혼합단계
S103; 균질화단계
S105; 분산단계
S107; 분석단계

Claims (6)

1. 담지체와 용매를 혼합하는 혼합단계;
   상기 혼합단계를 통해 혼합된 혼합물의 입자크기를 균질화하는 균질화단계;
   상기 균질화단계를 통해 균질화된 혼합물을 분산시키는 분산단계; 및
   상기 분산단계를 통해 분산된 혼합물의 입도를 분석하는 분석단계;로 이루어지며,
   상기 담지체와 상기 용매는 1:15 내지 25 중량부 비율로 혼합되고,
   상기 균질화단계는 상기 혼합단계를 통해 혼합된 혼합물의 입자 크기를 70 내지 100㎛로 균질화하며,
   상기 분산단계는 상기 균질화단계를 통해 균질화된 혼합물을 초고압분산기를 이용하여 1 내지 15분 동안 1 내지 5회에 걸쳐서 분산시키는 것을 특징으로 하는 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 담지체는 Carbon black, Carbon nanotube 및 Carbon nanofiber로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 용매는 에틸렌글리콜로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극촉매 합성을 위한 전처리 공정법.
   
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