KR101580410B1 - Platinum-nikel alloy core-shell nanopaticles and making method thereof - Google Patents

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박경원
황의탁
이영우
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숭실대학교산학협력단
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Abstract

The method of the present invention comprises: a first step for mixing a capping agent, oleic acid, 1-octadecene, and oleylamine under a nitrogen atmosphere to make a capping solution; a second step for mixing platinum acetylacetonate, nickel acetylacetonate 1-octadecene, and oleylamine to manufacture a metallic salt solution; a third step for mixing the capping solution and the metallic salt solution to manufacture a mixed solution; and, a fourth step for performing a pyrolytic reaction to form a nanoparticle with a core-shell structure, to rapidly cool it down, and to obtain a nanoparticle. The specific surface area of a resin phase nanocatalyst is increased more greatly than that of a conventional nanoparticle of the same size, and the activated area of the catalyst is increased. As well, an electrode having higher oxygen reduction ability than when only platinum is used can be manufactured.

Description

백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자 및 이의 제조방법{Platinum-nikel alloy core-shell nanopaticles and making method thereof}Platinum-nickel alloy core-shell nanoparticles and method for manufacturing the same

본 발명은 연료전지 등의 촉매에 응용되는 나노입자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노 형상이 조절된 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a nanoparticle for use in a catalyst such as a fuel cell, and more particularly, to a platinum-nickel alloy core-shell nanoparticle having a controlled nanostructure and a method for manufacturing the same.

나노입자는 특이적인 전기화학적, 광화학적, 생화학적 센서 및 촉매적 특성 때문에 광범위한 관심을 받고 있다. 형상 제어된 귀금속 나노입자는 0차원적 나노구조 (cube, octahedron, truncated cube, and tetrahedron, etc.), 1-차원적 나노구조 (nanowire, nanorod, and nanotube, etc.), 2-차원적 나노구조 (nanoplate and nanosheet, etc.), 및 3-차원적 나노구조 (nanostar, and nanoflower, etc.)가 연구되고 있다. Nanoparticles have received widespread attention because of their specific electrochemical, photochemical, biochemical sensors and catalytic properties. Shape controlled noble metal nanoparticles can be classified into two types: nano-structures (cube, octahedron, truncated cube, and tetrahedron, etc.), 1-dimensional nanostructures (nanowire, nanorod, Structures (nanoplate and nanosheet, etc.), and three-dimensional nanostructures (nanostar, nanoflower, etc.) have been studied.

한편 연료전지에 산화환원전극으로 사용되는 나노입자 촉매는 산화반응속도가 성능에 가장 큰 영향을 미치며, 공기극에서 일어나는 산화환원반응의 경우 메카니즘 자체가 복잡하며 반응이 일어나는 속도가 상당히 느려 연료전지의 성능을 감소시키는 주된 원인으로 작용한다. 산화환원반응의 효율을 증가시키기 위해 Pt 촉매와 Co 또는 Pd를 함께 사용한 Pt-Co, Pt-Cu, Pt-Co-Cu, Pt-Pd 등과 같은 합금 촉매나 Pd@Pt, Au@Pt, PdNi@Pt, Ni@Pt 등과 같은 코어-쉘(core-shell) 구조의 합금 촉매, 그리고 중공형(hollow) 촉매들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.On the other hand, the nanoparticle catalyst used as the redox electrode in the fuel cell has the greatest influence on the performance of the oxidation reaction, and the redox reaction occurring in the air electrode has a complicated mechanism and the reaction rate is considerably slow, Which is the main cause of the decrease. In order to increase the efficiency of the redox reaction, an alloy catalyst such as Pt-Co, Pt-Cu, Pt-Co-Cu and Pt-Pd using Pt or Co or Pd together or Pd @ Pt, Au @ Pt, PdNi @ Studies have been actively made on alloy catalysts of core-shell structures such as Pt and Ni @ Pt, and hollow catalysts.

대한민국공개특허공보 제2009-0049613호에서는 코어-쉘형 촉매입자로 촉매 입자의 중간 직경(코어+쉘)이 20 내지 100㎚, 바람직하게는 20 내지 50㎚의 범위인 촉매 입자를 개시한다. 특히 Pt계 쉘을 포함하는 촉매 입자는 높은 비활성을 나타내는 것을 개시하였다. 상기 발명은 내부 입자 코어에 귀금속 Pt가 포함될 수 있고, 외부 입자 쉘의 두께를 조절하여 Pt계 쉘을 포함하는 촉매 입자를 제조할 수 있는 방법을 개시하나, 코어 및 쉘을 나노형상으로 조절하여 코어 및 쉘의 조성비가 상이한 백금-니켈이 함유된 코어쉘 구조의 나노입자의 제조방법에 대해서는 전혀 개시된바 없다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 2009-0049613 discloses a catalyst particle having a core particle diameter of core particles (core + shell) ranging from 20 to 100 nm, preferably 20 to 50 nm, as core-shell type catalyst particles. In particular, catalyst particles containing Pt-based shells exhibit high specific activity. The present invention discloses a method for manufacturing a catalyst particle containing a Pt-based shell by adjusting a thickness of an outer particle shell, wherein a noble metal Pt can be contained in an inner particle core. And a method for producing nanoparticles of a core shell structure containing platinum-nickel differing in the composition ratio of the shell have not been disclosed at all.

본 발명은 연료전지용 촉매로 다수 사용하는 백금 촉매에 있어서, 백금만 사용하는 경우 낮은 산소 환원력을 나타내므로 나노입자의 구조의 변화를 통해 산소환원반응의 활성을 증가시키며, 코어와 쉘의 조성비가 상이한 수지상 코어쉘 구조의 나노입자를 원-팟 공정을 통하여 제조하는데 그 목적이 있다. The present invention relates to a platinum catalyst which is mainly used as a catalyst for a fuel cell, and exhibits a low oxygen reducing power when only platinum is used, thereby increasing the activity of the oxygen reduction reaction by changing the structure of the nanoparticles, The core-shell nanoparticles are produced through a one-pot process.

본 발명은 담지체와 상기 담지체에 담지된 코어쉘 구조 나노입자를 포함하는 백금-니켈 합금 코어쉘 촉매에 있어서, 상기 코어쉘 구조 나노입자는 81 ~ 84 중량%의 백금과 16 ~ 19 중량%의 니켈을 포함하는 코어와, 66 ~ 72 중량% 백금과 28 ~ 34 중량%의 니켈을 포함하는 쉘로 이루어진 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 제공한다.The present invention provides a platinum-nickel alloy core shell catalyst comprising a support and core-shell nanoparticles supported on the support, wherein the core-shell nanoparticle comprises 81 to 84 wt% platinum and 16 to 19 wt% Nickel core shell nanoparticles consisting of a core comprising nickel of 66 to 72 weight percent platinum and a nickel shell of 28 to 34 weight percent nickel.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 질소 분위기 하에서 캡핑제(capping agent), 올레익산(oleic acid), 1-옥타데센(1-octadecene) 및 올레일아민(oleylamine)을 혼합하여 캡핑용액을 제조하는 단계(제1단계); 백금 아세틸 아세토네이트, 니켈 아세틸 아세토네이트, 1-옥타데센(1-octadecene) 및 올레일아민(oleylamine)을 혼합하여 금속염용액을 제조하는 단계(제2단계); 상기 캡핑용액 65 부피%에 대해 금속염용액 35 부피%를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계(제3단계); 및 상기 혼합용액을 열분해 반응하여 코어쉘 구조의 나노입자를 형성하고, 다시 급랭하여 나노입자를 수득하는 단계(제4단계)를 포함하는 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자 제조방법을 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a process for preparing a capping solution by mixing a capping agent, oleic acid, 1-octadecene and oleylamine under a nitrogen atmosphere, (First step); Preparing a metal salt solution by mixing platinum acetylacetonate, nickel acetylacetonate, 1-octadecene and oleylamine (second step); Mixing 35 vol% of the metal salt solution with 65 vol% of the capping solution to prepare a mixed solution (third step); And a step of subjecting the mixed solution to thermal decomposition to form core-shell nanoparticles and then quenching again to obtain nanoparticles (step 4).

또한 상기 캡핑제는 세틸트리메틸-암모늄 클로라이드(cetyltrimethyl-ammonium chloride)이고, 상기 캡핑용액에 5 내지 24 부피%로 첨가될 수 있다. The capping agent is cetyltrimethyl-ammonium chloride, and may be added to the capping solution at 5 to 24% by volume.

상기 금속염용액은 백금 아세틸아세토네이트의 농도가 4.3 내지 4.5 mM이고, 니켈 아세토네이트의 농도가 5.0 내지 5.2 mM일 수 있다. The metal salt solution may have a platinum acetylacetonate concentration of 4.3 to 4.5 mM and a nickel acetonate concentration of 5.0 to 5.2 mM.

상기 제4단계는 250 ℃에서 10 내지 180 분 동안 열분해할 수 있다. The fourth step may pyrolyse at 250 DEG C for 10 to 180 minutes.

또한 상기 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자는 81 ~ 84 중량%의 백금과 16 ~ 19 중량%의 니켈을 포함하는 코어와, 66 ~ 72 중량% 백금과 28 ~ 34 중량%의 니켈을 포함한 쉘을 형성할 수 있다.The platinum-nickel alloy core shell nanoparticles may also comprise a shell comprising 81-84 wt% platinum and 16-19 wt% nickel, 66-72 wt% platinum and 28-34 wt% nickel, .

본 발명에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자 제조방법에 의하면 코어에 풍부한 백금을 포함하고 쉘에 백금-니켈 합금을 포함하는 나노입자의 형상이 조절된 수지상의 코어쉘 나노입자를 제조할 수 있다. 수지상 나노촉매는 기존의 같은 크기의 나노입자에 비해 비표면적이 크게 증가하기 때문에 촉매의 활성 사이트가 증가되어, 백금만 사용하였을 경우보다 높은 산소환원능력을 가지는 전극을 제조할 수 있다. 또한 금속염용액과 혼합용액을 분리하여 제조하고 고온상태에서 주입하는 열분해 공정은 종래의 최소 두 단계 이상의 공정에서 제조되는 코어쉘 구조의 나노입자를 원-팟 공정으로 제조할 수 있어서 제조효율이 크게 증가된다. According to the method for producing a platinum-nickel alloy core-shell nanoparticle according to the present invention, it is possible to prepare dendritic core-shell nanoparticles having platinum rich in the core and controlled in the shape of nanoparticles containing platinum-nickel alloy in the shell . Since the dendritic nanocatalyst has a larger specific surface area than conventional nanoparticles of the same size, the active site of the catalyst is increased, and an electrode having an oxygen reduction ability higher than that of platinum alone can be produced. In addition, the pyrolysis process in which the metal salt solution and the mixed solution are separately prepared and injected at a high temperature can produce the core-shell nanoparticles produced by the conventional processes of at least two steps, do.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 FE-TEM 및 HR-TEM 이미지이다.
도 3은 본발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 EDX분석을 나나타낸 것이다.
도 4는 본발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 120 mM CTAC를 첨가한 경우의 EDX분석을 나타낸 것이다.
도 5는 본발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 포함하는 촉매의 순환전압접류법(Cyclic voltammetry; CV)으로 측정한 CV 곡선이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 포함하는 촉매의 일정전위주사곡선이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 포함하는 촉매의 산소환원 활성을 비교한 그래프이다.
1 shows an XRD pattern of a platinum-nickel alloy core shell nanoparticle according to an embodiment of the present invention.
2 is an FE-TEM and HR-TEM image of a platinum-nickel alloy core shell nanoparticle according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 illustrates EDX analysis of platinum-nickel alloy core shell nanoparticles according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows an EDX analysis of platinum-nickel alloy core shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention with addition of 120 mM CTAC.
Figure 5 shows the XRD pattern of platinum-nickel alloy core shell nanoparticles according to one embodiment of the present invention.
6 is a CV curve measured by cyclic voltammetry (CV) of a catalyst comprising platinum-nickel alloy core-shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a constant potential scan curve of a catalyst comprising platinum-nickel alloy core shell nanoparticles according to one embodiment of the present invention.
8 is a graph comparing the oxygen reduction activity of a catalyst comprising platinum-nickel alloy core-shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명은 담지체와 상기 담지체에 담지된 코어쉘 구조 나노입자를 포함하는 백금-니켈 합금 코어쉘 촉매에 있어서, 상기 코어쉘 구조 나노입자는 81 ~ 84 중량%의 백금과 16 ~ 19 중량%의 니켈을 포함하는 코어와, 66 ~ 72 중량% 백금과 28 ~ 34 중량%의 니켈을 포함하는 쉘로 이루어진 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 제공한다. The present invention provides a platinum-nickel alloy core shell catalyst comprising a support and core-shell nanoparticles supported on the support, wherein the core-shell nanoparticle comprises 81 to 84 wt% platinum and 16 to 19 wt% Nickel core shell nanoparticles consisting of a core comprising nickel of 66 to 72 weight percent platinum and a nickel shell of 28 to 34 weight percent nickel.

상기 코어 및 쉘을 형성하기 위한 전구체로 백금은 백금 아세틸 아세토네이트(Pt(acac)2 )를 선택할 수 있으며, 니켈은 아세틸 아세토네이트((Ni(acac)2)를 선택할 수 있다.As the precursor for forming the core and the shell, platinum may be selected from platinum acetylacetonate (Pt (acac) 2 ), and nickel may be selected from acetylacetonate ((Ni (acac) 2 ).

상기 코어는 81 내지 84 중량%의 백금을 풍부하게 포함할 수 있으며, 상기 쉘은 66 ~ 72 중량% 백금과 28 ~ 34 중량%의 니켈을 합금 형태로 포함할 수 있다. The core may contain platinum in an amount of 81 to 84 wt%, and the shell may contain 66 to 72 wt% of platinum and 28 to 34 wt% of nickel in an alloy form.

상기 조건을 벗어나는 경우 코어 및 쉘에 있어서 원소의 조성비를 달리하는 코어쉘 구조의 나노입자를 형성할 수 없으며, 제조된 코어쉘 구조의 나노입자의 산소환원활성이 증가되지 않는다. When the above conditions are exceeded, core shell structure nanoparticles having different composition ratios of the core and shell can not be formed, and the oxygen reduction activity of the prepared core shell structure nanoparticles is not increased.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 본 발명은 질소 분위기 하에서 캡핑제(capping agent), 올레익산(oleic acid), 1-옥타데센(1-octadecene) 및 올레일아민(oleylamine)을 혼합하여 캡핑용액을 제조하는 단계(제1단계); 백금 아세틸 아세토네이트, 니켈 아세틸 아세토네이트, 1-옥타데센(1-octadecene) 및 올레일아민(oleylamine)을 혼합하여 금속염용액을 제조하는 단계(제2단계); 상기 캡핑용액에 금속염용액을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계(제3단계); 및 상기 혼합용액을 열분해 반응하여 코어쉘 구조의 나노입자를 형성하고, 다시 급랭하여 나노입자를 수득하는 단계(제4단계)를 포함하는 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a capping composition comprising a capping agent, oleic acid, 1-octadecene and oleylamine in a nitrogen atmosphere, A manufacturing step (first step); Preparing a metal salt solution by mixing platinum acetylacetonate, nickel acetylacetonate, 1-octadecene and oleylamine (second step); Mixing the metal salt solution with the capping solution to prepare a mixed solution (step 3); And a step of subjecting the mixed solution to thermal decomposition to form core-shell nanoparticles and then quenching again to obtain nanoparticles (step 4).

상기 제1단계에서 첨가되는 성분을 달리하는 경우에는 백금 아세틸 아세토네이트, 니켈 아세틸 아세토네이트가 첨가되어도 금속염용액을 제조할 수 없다. When the components added in the first step are different, the metal salt solution can not be prepared even when platinum acetylacetonate or nickel acetylacetonate is added.

상기 캡핑제는 세틸트리메틸-암모늄 클로라이드(cetyltrimethyl-ammonium chloride; 이하 'CATC')이고, 상기 캡캡핑용액에 5 내지 24 부피%로 첨가될 수 있다. The capping agent is cetyltrimethyl-ammonium chloride (CATC) and may be added to the capping solution at 5 to 24 vol%.

상기 캡핑제는 할로겐 작용제로써 염소원자를 공급할 수 있으며, 상기 염소원자가 공급되지 못하는 경우에는 코어 및 쉘에 포함되는 백금 및 니켈의 조성비가 상이한 코어쉘 나노입자를 제조할 수 없고, 상기 조건을 벗어나는 경우 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 제조하기 위한 CTAC의 임계농도를 맞출 수 없다.The capping agent can supply chlorine atoms as a halogen agonist. When the chlorine atoms can not be supplied, the core shell nanoparticles having different composition ratios of platinum and nickel contained in the core and the shell can not be prepared. The critical concentration of CTAC for preparing platinum-nickel alloy core shell nanoparticles can not be met.

상기 CTAC의 염소원자는 백금과의 결합으로 환원포텐셜이 다른 두 개의 백금 복합체(Pt2 + = 1.18V PtClxy- = 0.68 V)가 형성될 수 있으며 서로 다른 두 개의 백금의 환원반응속도를 인하여 안쪽과 바깥쪽의 조성이 다르고 단일의 입자가 합금이며 코어쉘 구조를 가지는 나노입자를 제조할 수 있다. The chlorine atoms of the CTAC can form two platinum complexes ( P t 2 + = 1.18 V PtCl x y- = 0.68 V) having different reduction potentials due to the bonding with platinum, and due to the reduction rate of two different platinum It is possible to produce nanoparticles having an inner and outer composition different from each other, a single particle of an alloy, and a core shell structure.

상기 백금 아세틸 아세토네이트 및 니켈 아세틸 아세토네이트는 금속염을 생성하기 위한 전구체이고, 1-옥타데센(1-octadecene) 및 올레일아민(oleylamine)을 혼합하여 금속염용액을 제조할 수 있으며, 금속염용액은 백금 아세틸아세토네이트의 농도가 4.0 내지 4.5 mM이고, 니켈 아세토네이트의 농도가 1.0 내지 1.5 mM일 수 있다. The platinum acetylacetonate and nickel acetylacetonate are precursors for producing a metal salt, and a metal salt solution can be prepared by mixing 1-octadecene and oleylamine, The concentration of acetylacetonate may be 4.0 to 4.5 mM and the concentration of nickel acetonate may be 1.0 to 1.5 mM.

상기 혼합용액을 제조하는 단계는 캡핑용액 65 부피%에 대해 금속염용액 35 부피%를 혼합할 수 있으며, 상기 범위를 벗어나는 경우 캡핑용액에 포함된 CTAC가 농도가 너무 낮아져 코어 및 쉘의 조성비가 상이한 나노입자를 제조할 수 없다. In the step of preparing the mixed solution, it is possible to mix 35 vol% of the metal salt solution with respect to 65 vol% of the capping solution. When the concentration exceeds the above range, the concentration of the CTAC contained in the capping solution becomes too low, Particles can not be produced.

또한 상기 조건을 벗어나는 경우 금속염용액이 형성되지 않아서 하기의 열분해 반응시 코어쉘 나노입자가 수지상으로 형성되지 않는다.In addition, when the above conditions are exceeded, the metal salt solution is not formed, and the core shell nanoparticles are not formed in a dendritic state during the following pyrolysis reaction.

한편 상기 캡핑용액을 제조하는 단계와 금속염용액을 제조하는 단계를 분리하여 실시하지 않는 경우에는 백금과 니켈의 빠른 핵성장을 유도할 수 없고 열분해 반응시 전체 반응시간을 단축할 수 없다. On the other hand, if the step of preparing the capping solution and the step of preparing the metal salt solution are not separately performed, rapid nucleation of platinum and nickel can not be induced and the entire reaction time can not be shortened in a pyrolysis reaction.

상기 제4단계에서 혼합용액을 250 ℃에서 100 내지 180 분 동안 열분해(thermal decomposotion) 반응을 할 수 있다. 상기 반응조건을 벗어나는 경우 원-팟 공정으로 핵성장을 유도할 수 없으며, 쉘이 백금-니켈 합금 구조를 가질 수 없다. In the fourth step, the mixed solution may be subjected to a thermal decomposition reaction at 250 ° C for 100 to 180 minutes. When the reaction conditions are out of the above range, it is impossible to induce nucleation by the one-pot process, and the shell can not have a platinum-nickel alloy structure.

상기 열분해 반응 이후에 나노입자가 생성된 혼합용액을 급냉할 수 있으며, 급냉하는 경우에 열역학적으로 불안정한 구조를 유지할 수 있다.  The mixed solution in which the nanoparticles are formed after the pyrolysis reaction can be quenched, and the thermodynamically unstable structure can be maintained when quenching is performed.

또한 상기 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자는 81 ~ 84 중량%의 백금과 16 ~ 19 중량%의 니켈을 포함하는 코어와, 66 ~ 72 중량% 백금과 28 ~ 34 중량%의 니켈을 포함할 수 있다. The platinum-nickel alloy core shell nanoparticles may also comprise a core comprising 81-84 wt.% Platinum and 16-19 wt.% Nickel, 66-72 wt.% Platinum and 28-34 wt.% Nickel have.

제조된 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자는 코어는 풍부한 백금을 포함하며, 쉘은 백금-니켈 합금을 포함하여 코어와 쉘의 조성비가 상이한 나노입자를 제조할 수 있다. The prepared platinum-nickel alloy core-shell nanoparticles can produce nanoparticles in which the core contains abundant platinum and the shell contains platinum-nickel alloy and the composition ratio of the core and the shell is different.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples.

<< 실시예Example 1> 백금-니켈 합금  1> Platinum-nickel alloy 코어쉘Core shell 나노입자 제조 Nanoparticle manufacturing

질소 분위기 하에서 1-옥타데센(1-octadecene, 90%, Aldrich) 10 ㎖, 올레익산 (oleic acid) 2 ㎖, 캡핑제(capping agent)로써 60 mM 세틸트리메틸-암모늄 클로라이드(cetyltrimethyl-ammonium chloride; 이하'CTAC') 2 ㎖을 혼합하여 캡핑용액을 제조하였다(제1단계).  10 ml of 1-octadecene (90%, Aldrich), 2 ml of oleic acid, and 60 mM cetyltrimethyl-ammonium chloride (hereinafter referred to as &quot; 'CTAC') were mixed to prepare a capping solution (Step 1).

백금 아세틸아세톤네이트 (Platinum acetylacetonate, 97%, Aldrich) 0.0442 g, 니켈 아세틸아세톤네이트(Nikel acetylacetonate, 95%, Aldrich) 0.035 g을 금속전구체로 하여, 1-옥타데센(1-octadecene) 5 ㎖, 올레일아민(oleylamine) 4 ㎖을 투입하여 금속염용액을 제조하였다(제2단계). 0.044 g of platinum acetylacetonate (97%, Aldrich) and 0.035 g of nickel acetylacetonate (95%, Aldrich) were mixed with 5 ml of 1-octadecene as a metal precursor, 4 ml of oleylamine was added thereto to prepare a metal salt solution (second step).

상기 금속염용액을 캡핑용액에 첨가하고 250 ℃에서 180 분간 열분해(thermal decomposition) 반응시켜 콜로이드성 용액(colloidal solutions) 혼합용액을 제조하였다(제3단계). The metal salt solution was added to the capping solution and subjected to a thermal decomposition reaction at 250 ° C for 180 minutes to prepare a colloidal solution mixture solution (Step 3).

상기 혼합용액을 n-헥산(n-hexane, 95%, SAMCHUN) 100 ㎖에 부어서 급냉하였고, 원심분리기에서 에탄올(95%, SAMCHUN)을 사용하여 수 회 세척하여 생성물질인 나노입자를 획득하였다(제4단계).The mixed solution was poured into 100 mL of n-hexane (95%, SAMCHUN), quenched, and washed several times with ethanol (95%, SAMCHUN) in a centrifuge to obtain nanoparticles as a resultant product Step 4).

상기 나노입자에서 계면활성제와 같은 잔류물을 제거하기 위해 30 ㎖ 아세트산(99.7%, SAMCHUN)에 투입하고 80 ℃에서 12 시간 동안 담지하고 에탄올을 사용하여 수 회 세척하고 건조하여 최종생성물인 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 획득하였다.
In order to remove residues such as surfactants from the nanoparticles, the suspension was added to 30 mL of acetic acid (99.7%, SAMCHUN) and carried at 80 DEG C for 12 hours, washed several times with ethanol and dried to obtain a final product, platinum- Alloy core shell nanoparticles.

<< 실시예Example 2>  2> 캡핑제Capping agent 농도 변화  Concentration change

실시예 1의 열분해 과정에 첨가되는 캡핑제 CTAC를 90에서 120 mM로 변화시켜 시료를 제조하였다. 반응조건은 250 ℃에서 180분간 수행하였다.
A sample was prepared by changing the capping agent CTAC added to the pyrolysis process of Example 1 from 90 to 120 mM. The reaction conditions were carried out at 250 DEG C for 180 minutes.

<< 실시예Example 3> 반응시간 변화  3> reaction time change

실시예 1의 열분해 시간을 변경하여 시료를 제조하였다. 캡핑제 CTAC를 60 mM로 하고 250 ℃에서 10 내지 60 분 동안 수행하였다.
A sample was prepared by changing the thermal decomposition time of Example 1. The capping agent CTAC was adjusted to 60 mM at 250 &lt; 0 &gt; C for 10 to 60 minutes.

<< 실시예Example 4> 나노입자 형성에 있어서 염소 추가 4> Adding chlorine to form nanoparticles

나노입자의 형성에 있어서, 할로겐 작용제인 염소(chlorine)의 효과를 확인하기 위해 캡핑제 CTAC 대신 0.5 M HCl을 할로겐 소스로 하고, 반응조건은 250 ℃에서 180분간 수행하였다.
In the formation of nanoparticles, 0.5 M HCl was used as a halogen source instead of the capping agent CTAC in order to confirm the effect of chlorine, which is a halogen agent, and the reaction conditions were carried out at 250 ° C. for 180 minutes.

<< 실시예Example 5>  5> 코어쉘Core shell 나노입자의 생성에서 금속염 추가 Addition of metal salts in the generation of nanoparticles

실시예 1의 방법과 동일한 열분해(thermal decomposition) 반응과정에서 니켈 염이 제외된 CTAC 존재 하에서 순수한 백금 나노입자를 제조하였다. 여기서 금속염용액은 백금 아세틸아세톤네이트(Platinum acetylacetonate, 97%, Aldrich) 0.0442 g 및 니켈 아세틸아세톤네이트(Nickel acetylacetonate, 97%, alfrich) 0.035 g을 금속전구체로 하고, 1-옥타데센(1-octadecene) 5 ㎖, 올레일아민(oleylamine) 4 ㎖을 투입하여 제조하였다.
Pure platinum nanoparticles were prepared in the same thermal decomposition reaction procedure as in Example 1 in the presence of CTAC except for the nickel salt. The metal salt solution contained 0.0442 g of platinum acetylacetonate (97%, Aldrich) and 0.035 g of nickel acetylacetonate (97%, alfrich) as metal precursors and 1-octadecene 5 ml of oleylamine and 4 ml of oleylamine.

<< 실시예Example 6> 산소환원 전극용 촉매의 제조  6> Preparation of catalyst for oxygen reduction electrode

제조된 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 산소의 환원반응에 대한 효과를 확인하기 위해 실시예1에서 제조된 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 촉매로 하고, 바인더(Nafion perfluorinated resin solition, Aldrich), 분산제(2-propanol, Aldrich)가 포함된 잉크를 제조하여 작업전극으로서 글래시 카본 전극에 코팅하여 사용하고, 상대전극으로서 백금 봉 전극 그리고 기준전극으로서 은/염화은 전극을 선택하였다. 구성된 하프셀 시스템을 통하여 50 mV/s 속도의 주사율(scan rate)로 아르곤 포화상태 하에서, 과염소산의 조건에서순환 전압 전류(CV, Cyclic voltametry)를 측정하여 촉매의 전기화학적 활성 면적(EASA, Electrochemically active surface area)을 측정하였다.Nickel alloy core-shell nanoparticles prepared in Example 1 were used as a catalyst and a binder (Nafion perfluorinated resin solition, Aldrich) was used as a catalyst to confirm the effect of the prepared platinum-nickel alloy core- , And a dispersant (2-propanol, Aldrich) were coated on a glacier carbon electrode as a working electrode. A platinum rod electrode was selected as a counter electrode and a silver / silver chloride electrode was selected as a reference electrode. The electrochemical active area (EASA, electrochemically active area) of the catalyst was determined by measuring the cyclic voltametry (CV) under the condition of perchloric acid under the argon saturation with a scan rate of 50 mV / s through a configured half cell system. surface area) were measured.

또한 5 mV/s 속도의 주사율(scan rate), 1600 rpm, 산소포화상태, 과염소산의 조건에서 선형 전위 훑음법(LSV, Linear sweep voltametry)을 통하여 산소의 환원반응을 확인하였다.
Oxygen reduction was also confirmed by linear sweep voltametry (LSV) at 5 mV / s scan rate, 1600 rpm, oxygen saturation and perchloric acid.

<< 실험예Experimental Example 1> 백금-니켈 합금  1> Platinum-nickel alloy 코어쉘Core shell 나노입자의 물성 Properties of nanoparticles

시료의 형태를 분석하기 위해 전계방사형 투과전자현미경(Field-emission transmission electron microscopy; FE-TEM) 및 300kV에서 Tecnai G2 F30 시스템이 구비된 HAADF(high-angle annular dark field)-주사투과전자현미경(scanning transmission electron microscopy)을 사용하였다. 에너지 분산형 X-선 분광분석(energy dispersive X-ray, EDX)은 FE-TEM 상에서 수행되었으며, TEM 샘플용 시료는 탄소 코팅된 구리 격자판 (carbon-coated copper grid)에 에탄올에 분산된 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 촉매 현탁액을 넣어서 TEM 샘플을 준비하였다. In order to analyze the shape of the sample, a field-emission transmission electron microscope (FE-TEM) and a high-angle annular dark field (HAADF) equipped with a Tecnai G2 F30 system at 300 kV transmission electron microscopy). Energy dispersive X-ray (EDX) was performed on the FE-TEM, and the sample for the TEM sample was platinum-nickel dispersed in ethanol on a carbon-coated copper grid A TEM sample was prepared by adding a catalyst suspension to the alloy core shell nanoparticles.

X-선 회절 분석(X-ray diffraction; XRD)은 Bruker D2 PHASE 시스템을 사용하였으며, 30 kV 및 10 mA에서 Cu Kα(λ=0.15406 nm)로 진행하였다.
X-ray diffraction (XRD) was performed with a Bruker D2 PHASE system and proceeded with Cu Kα (λ = 0.15406 nm) at 30 kV and 10 mA.

1. One. 캡핑제Capping agent 농도에 따른 백금-니켈 합금  Platinum-nickel alloy according to concentration 코어쉘Core shell 나노입자의 조성 변화  Changes in composition of nanoparticles

시료는 실시예 1에서 제조된 방법으로, CTAC의 농도를 변화하여 250 ℃에서 180 분간 열분해하여 제조하였다. The sample was prepared by pyrolysis at 250 DEG C for 180 minutes by varying the concentration of CTAC by the method prepared in Example 1.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 XRD 패턴을 나타낸 것이다. 1 shows an XRD pattern of a platinum-nickel alloy core shell nanoparticle according to an embodiment of the present invention.

도 1(a)는 광각의 XRD 패턴을 나타내고, 도 2(b)는 협각 XRD의 패턴을 나타내며, 빨간색 및 파란색의 막대는 백금 및 니켈의 기준 피크에 대응하는 것이다. Fig. 1 (a) shows a wide-angle XRD pattern, Fig. 2 (b) shows a pattern of narrow-angle XRD, and the bars of red and blue correspond to the reference peaks of platinum and nickel.

도면을 참조하면 측정된 데이타를 백금의 기준 데이타(JCPDS No.04-0802) 및 니켈의 기준 데이타(JCDPDS No.04-0850)와 비교하였다. 순수한 백금에 있어서, XRD 피크는 39.67, 46.15 및 67.48에서 (111), (200) 및 (220)에 각각 대응하였으며, 체심입방결정구조(face-centered cubic; fcc)임을 나타내었다. Referring to the drawings, the measured data were compared with the reference data of platinum (JCPDS No. 04-0802) and the reference data of nickel (JCDPDS No. 04-0850). In pure platinum, the XRD peaks corresponded to (111), (200) and (220) at 39.67, 46.15 and 67.48, respectively, indicating a face-centered cubic (fcc).

CTAC를 첨가하지 않은 시료 및 30 mM의 CTAC를 첨가하는 경우 전형적인 백금의 비결정질구조와 비교하면 2θ 값에서 더 높은 XRD 피크의 이동을 보였다. 백금과 니켈 사이의 치환형고용체(substitutional solid solution)라고 생각할 때, 회절 피크 위치의 더 높은 각 이동은 금속상 사이에서 풍부한 단일의 백금 상을 나타내었다. 그리고 60 내지 120 mM의 범위에서 CTAC의 농도가 증가될수록 생성물은 전체 회절 범위에서 백금 기반의 합금상과 관련된 겹쳐진 XRD 피크를 가지는 것으로 확인되었다. 특히 생성물의 (200)에서의 피크는 두 개의 피크로 명확하게 구분되었으며, 낮은 CTAC 함량 또는 CTAC가 첨가되지 않은 경우에 비해서 상대적으로 높은 CTAC 함량에서 제조된 경우에 두 개의 백금-니켈 합금 상을 포함하는 것을 나타내었다.The addition of CTAC-free samples and 30 mM CTAC showed a higher XRD peak shift at 2θ values compared to typical platinum amorphous structures. When considered as a substitutional solid solution between platinum and nickel, the higher angular movements of the diffraction peak position represented a single platinum phase rich between the metal phases. And as the concentration of CTAC increased from 60 to 120 mM, the product was found to have overlapping XRD peaks associated with platinum-based alloy phases in the entire diffraction range. In particular, the peak at (200) of the product was clearly separated into two peaks and included two platinum-nickel alloy phases when produced at a relatively low CTAC content or at a relatively high CTAC content compared to no CTAC added .

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 FE-TEM 및 HR-TEM 이미지이다. 2 is an FE-TEM and HR-TEM image of a platinum-nickel alloy core shell nanoparticle according to an embodiment of the present invention.

60 mM의 CTAC를 첨가하고, 250℃에서 180 분 동안 열분해 합성하여 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 제조하였다. 60 mM of CTAC was added and pyrolyzed and synthesized at 250 DEG C for 180 minutes to prepare platinum-nickel alloy core shell nanoparticles.

도 2(a)는 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 FE-TEM 이미지이고, 도 2(b)는 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 HR-TEM 이미지이며, 도 2(c)는 60 mM의 CTAC를 첨가하고 250 ℃에서 180 분간 열분해 반응하여 생성된 백금이 풍부한 코어 및 백금과 니켈을 포함하는 쉘을 가지는 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자XRD 패턴이고, 도 2(d) 내지 도 2(g)는 단일의 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자 원소의 맵핑 프로파일 및 HAADF-STEM 이미지이며, 도 2(h) 및 도 2(i)는 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 코어 및 쉘의 EDX 스펙트럼을 나타낸 것이다. FIG. 2 (a) is an FE-TEM image of a platinum-nickel alloy core shell nanoparticle, FIG. 2 (b) is an HR-TEM image of a platinum-nickel alloy core shell nanoparticle, Of a platinum-nickel alloy core shell nanoparticle XRD pattern having a platinum-rich core and a shell comprising platinum and nickel produced by adding CTAC at 250 &lt; 0 &gt; C for 180 minutes and FIG. 2 2 (h) and 2 (i) show the mapping profile and HAADF-STEM image of a single platinum-nickel alloy core shell nanoparticle element, Lt; / RTI &gt;

도면을 참조하면, 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자는 수지상(nanodendrites)의 중심에 매우 어두운 대조부를 가지고 있으며, 이것은 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자가 3차원 구조임을 나타낸다. 도 2(c)에 나타낸 바와 같이 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 XRD 피크는 두 개의 피크에 의해 분명하게 맞았다. Referring to the figures, the platinum-nickel alloy core shell nanoparticles have a very dark contrast at the center of the nanodendrites, indicating that the platinum-nickel alloy core shell nanoparticles are three-dimensional in structure. As shown in FIG. 2 (c), the XRD peak of the platinum-nickel alloy core shell nanoparticles was clearly fit by the two peaks.

[식 1][Formula 1]

dPt - Ni = x ㆍdPt + (1-x)ㆍdNi d Pt - Ni = xd Pt + (1-x) d Ni

상기 식 1로 나타나는 배가드 법칙의 기준에 따르면 백금 : 니켈 원자비는 각각 A와 B의 회절피크가 94:6 및 74:26으로 관측되었다. XRD 분석은 백금-니켈 나노입자는 백금과 니켈의 구별되는 조성을 가지는 두 개의 상을 나타내었다. 단일 나노입자의 HAADF-STEM 이미지와 원소 맵핑 이미지를 관찰하였으며, 도 2(d) 내지 도 2(g)까지 나타내었다. HAADF-STEM-EDX 의해 얻어진 백금과 원소 맵핑은 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자가 각각 안쪽과 바깥쪽 구역에 두 개의 다른 백금:니켈 비율을 가지는 것을 나타내었다. 또한 도 2(h) 및 도 2(i)에서 단일 나노입자의 포인트 EDX분석에서 백금 : 니켈은 각각 안쪽과 바깥쪽 구역에 (96 : 4) 및 (71 : 29)으로 나타난 것을 확인하였다. According to the criteria of the Baeguard rule shown in the above formula 1, the diffraction peaks of A and B of platinum: nickel atomic ratios were observed at 94: 6 and 74:26, respectively. XRD analysis showed that the platinum-nickel nanoparticles had two phases with distinct compositions of platinum and nickel. The HAADF-STEM image and the element mapping image of the single nanoparticles were observed and shown in FIGS. 2 (d) to 2 (g). The platinum and element mapping obtained by HAADF-STEM-EDX indicated that the platinum-nickel alloy core shell nanoparticles had two different platinum: nickel ratios on the inner and outer regions, respectively. 2 (h) and 2 (i), the point EDX analysis of single nanoparticles revealed that platinum: nickel was present in the inner and outer regions, respectively, as (96: 4) and (71: 29).

EDX 데이타는 백금-니켈 나노입자가 백금과 니켈 원소 조성이 다른 두 개의 구별되는 상으로 나타났으며, 이것은 XRD분석 결과와 잘 일치하였다. The EDX data showed that the platinum-nickel nanoparticles were in two distinct phases with different platinum and nickel elemental compositions, which agreed well with the XRD analysis.

250 oC에서 180분 동안 90 및 120 mM CTAC 존재 하에서 제조된 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 XRD, HAADF-STEM 및 EDX 분석하였다. 90 mM CTAC를 첨가하는 경우 A와 B의 XRD 회절 피크가 각각 88:12 및 64:36으로 측정되어, 백금 : 니켈의 원자비를 확인하였다. HAADF-STEM and EDX analysis of platinum-nickel alloy core-shell nanoparticles prepared in the presence of 90 and 120 mM CTAC for 180 min at 250 ° C. When 90 mM CTAC was added, the XRD diffraction peaks of A and B were measured at 88:12 and 64:36, respectively, to confirm the atomic ratio of platinum: nickel.

도 3은 본발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 EDX분석을 나나타낸 것이다. 도 3(a)는 90 mM CTAC를 첨가하고 250℃에서 180 분간 반응시킨 백금이 풍부한 코어와 백금-니켈 합금 쉘 구조의 나노입자의 XRD 패턴을 나타낸 것이고, 도 3(b) 내지 도 3(e)는 단일의 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 HAADF-STEM 이미지 및 원소 맵핑 프로파일을 나타낸 것이며, 도 3(f)와 도 3(g)는 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 코어 및 쉘의 EDX 스펙트럼을 나타낸 것이다. Figure 3 illustrates EDX analysis of platinum-nickel alloy core shell nanoparticles according to one embodiment of the present invention. 3 (a) shows XRD patterns of nanoparticles of a platinum-rich core and a platinum-nickel alloy shell structure obtained by adding 90 mM CTAC and reacting at 250 ° C for 180 minutes, and FIGS. 3 (b) 3 (f) and 3 (g) show the HAADF-STEM image and element mapping profile of a single platinum-nickel alloy core shell nanoparticle, EDX spectrum.

EDX 측정 결과 쉘의 안쪽과 바깥쪽에 각각 대응하는 백금 : 니켈의 원자조성은 안쪽과 바깥쪽 구역에서(84:16) 및 (66:34)으로 나타났다. 도 4는 본발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 EDX분석을 나타낸 것이다. 도 4(a)는 120 mM CTAC를 첨가하고 250℃에서 180 분간 반응시킨 백금이 풍부한 코어와 백금-니켈 쉘 구조의 나노입자의 XRD 패턴을 나타낸 것이고, 도 4(b) 내지 도 4(e)는 단일의 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 HAADF-STEM 이미지 및 원소 맵핑 프로파일을 나타낸 것이며, 도 4(f)와 도 4(g)는 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 코어 및 쉘의 EDX 스펙트럼을 나타낸 것이다. As a result of the EDX measurement, the atomic composition of platinum: nickel corresponding to the inside and outside of the shell was (84:16) and (66:34) in the inside and outside areas, respectively. Figure 4 shows an EDX analysis of platinum-nickel alloy core shell nanoparticles according to one embodiment of the present invention. 4 (a) shows XRD patterns of nanoparticles of a platinum-rich core and a platinum-nickel shell structure added with 120 mM CTAC and reacted at 250 ° C for 180 minutes, and FIGS. 4 (b) FIG. 4 (f) and FIG. 4 (g) show the HAADF-STEM image and element mapping profile of a single platinum-nickel alloy core shell nanoparticle and the EDX of the core and shell of the platinum- Lt; / RTI &gt;

도면을 참조하면, 120 mM CTAC를 첨가하여 반응시키는 경우, 백금 : 니켈의 원자비는 각각 87:13 및 73:27으로 확인되었고, EDX 측정결과 안쪽 및 바깥쪽에 대응하는 백금 : 니켈의 원소의 조성은 81 : 19 및 71 : 28로 나타났다. Referring to the figure, when the reaction was carried out by adding 120 mM of CTAC, the atomic ratios of platinum and nickel were found to be 87:13 and 73:27, respectively. As a result of the EDX measurement, the compositions of elements of platinum and nickel corresponding to the inside and outside Were 81: 19 and 71: 28, respectively.

XRD 및 EDX 데이타를 비교하여 보면, 제조된 나노입자는 백금이 풍부한 코어가 백금-니켈 합금의 쉘로 싸여 있다는 것을 확인할 수 있었으며, 높은 CTAC의 농도에서 원-팟 공정으로 제조될 수 있는 것을 확인하였다.  Comparing XRD and EDX data, it was confirmed that the prepared nanoparticles were encapsulated with a platinum-nickel alloy shell with a platinum-rich core and could be produced in a one-pot process at high CTAC concentrations.

상기 수지상의 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자는 같은 크기의 구형 나노입자에 비해서 비표면적이 상대적으로 증가하게 되어 결국 활성 면적을 크게 증가시킬 수 있다.
The dendritic platinum-nickel alloy core-shell nanoparticles may have a relatively increased specific surface area as compared to spherical nanoparticles of the same size, thereby greatly increasing the active area.

2. 반응시간에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 조성 변화 2 . Change of Composition of Platinum-Nickel Alloy Core Shell Nanoparticles by Reaction Time

반응시간에 따른 백금이 풍부한 코어 및 백금과 니켈을 포함하는 쉘을 포함하는 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 성장을 확인하기 위하여, 250 ℃에서 60 mM CTAC를 첨가하고 반응시간을 달리하여 열분해 반응을 실시하였다. 10 내지 60 분 동안 성장시킨 나노입자의 XRD패턴은 체심입방구조를 가지는 다결정질 백금과 비교하면, 회절 피크의 위치가 미세하게 높은 각 이동을 나타내었다. In order to confirm the growth of platinum-nickel alloy core shell nanoparticles including a platinum-rich core and a shell containing platinum and nickel according to the reaction time, 60 mM of CTAC was added at 250 ° C., Respectively. The XRD patterns of the nanoparticles grown for 10 to 60 minutes showed a slightly higher angular shift of the diffraction peaks as compared to the polycrystalline platinum having the body-centered cubic structure.

도 5는 본발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 XRD 패턴을 나타낸 것이다. 도 5(a)는 60 mM CTAC를 첨가하고, 250 ℃에서 열분해 반응시간을 변화하여 제조한 나노입자의 광각에서의 XRD 패턴을 나타낸 것이고, 도 5(b)는 협각에서의 XRD 패턴을 나타낸 것이다. 붉은색과 푸른색의 막대는 백금과 니켈의 기준 피크에 대응하는 것이다. Figure 5 shows the XRD pattern of platinum-nickel alloy core shell nanoparticles according to one embodiment of the present invention. 5 (a) shows the XRD pattern at the wide angle of the nanoparticles prepared by adding 60 mM CTAC and the pyrolysis reaction time at 250 ° C, and FIG. 5 (b) shows the XRD pattern at the narrow angle . The red and blue bars correspond to the reference peaks of platinum and nickel.

도면을 참조하면, 백금 : 니켈의 평균조성이 93 : 7 인 단일의 백금이 풍부한 상의 존재를 나타내었고, 이후에 100분간 성장시키고, 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 XRD분석 결과 백금과 니켈을 포함하는 다른 조성으로 이루어진 두 개의 상과 일치하는 피크를 나타내었다. 회절 피크의 왼쪽과 오른쪽에서 확인한 백금 : 니켈의 원자비는 각각 92 : 8 및 74 : 26으로 확인되었다.  Referring to the drawings, there was shown a single platinum-rich phase having an average composition of platinum: nickel of 93: 7, followed by growth for 100 minutes, and XRD analysis of platinum-nickel alloy core shell nanoparticles revealed platinum and nickel Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 2 &lt; / RTI &gt; The atomic ratios of platinum and nickel identified on the left and right sides of the diffraction peaks were 92: 8 and 74: 26, respectively.

180분간 성장 이후에 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자는 백금 : 니켈이 각각 94 : 6과 72 : 28인 A와 B에 대응되는 두 개의 백금 기반의 상을 나타내었다. 반응시간이 증가될수록 B에 대응하는 XRD 피크는 입자 크기가 증가하는 동안 강화되었고, 도 2의 TEM 이미지를 통하여 확인하였다. 이것은 백금이 풍부한 상이 먼저 성장한 이후에 백금-니켈의 합금 상이 성장하는 것을 나타낸다.
After 180 minutes of growth, the platinum-nickel alloy core-shell nanoparticles exhibited two platinum-based phases corresponding to A and B with platinum: nickel of 94: 6 and 72: 28, respectively. As the reaction time increased, the XRD peak corresponding to B was enhanced during the increase of the particle size and confirmed through the TEM image of FIG. This indicates that the platinum-nickel alloy phase grows after the platinum-rich phase first grows.

3. 염소의 존재에 따른 입자 조성의 변화 3. Change of particle composition with presence of chlorine

백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자에 있어서 할로겐 작용제로써 염소의 효과를 확인하기 위해 CTAC 대신에 0.5 M의 HCl을 할로겐 공급원으로 하여, 250 ℃에서 180분간 열분해하였다. In order to confirm the effect of chlorine as a halogen agonist in platinum-nickel alloy core shell nanoparticles, 0.5 M HCl was used instead of CTAC as a halogen source and pyrolyzed at 250 ° C for 180 minutes.

제조된 나노입자의 XRD패턴 분석결과 A 및 B의 회절 피크에 대응하는 백금 : 니켈의 원자비는 각각 93 : 7 및 84 : 16으로 결정되었다. XRD분석은 백금-니켈 나노입자가 백금과 니켈의 두 개의 구분되는 조성을 가지는 백금-니켈 합금 상을 가지고 있는 것을 나타내었다. As a result of XRD pattern analysis of the prepared nanoparticles, the atomic ratios of platinum: nickel corresponding to the diffraction peaks of A and B were determined to be 93: 7 and 84: 16, respectively. XRD analysis showed that the platinum-nickel nanoparticles had a platinum-nickel alloy phase with two distinct compositions of platinum and nickel.

단일의 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 HAADF-STEM 및 원소 맵핑 이미지를 분석하면, 제조된 나노입자는 코어 및 쉘 부분에 두 개의 다른 백금 : 니켈의 비율을 가지고 있었고, EDX 분석 결과 백금 : 니켈은 92 : 8 및 85 : 15의 두 개의 다른 비율을 가지고 있는 것을 확인하였다. Analysis of the HAADF-STEM and elemental mapping images of a single platinum-nickel alloy core shell nanoparticle showed that the nanoparticles had two different platinum: nickel ratios in the core and shell portions, and the EDX analysis showed that platinum: nickel Were found to have two different ratios of 92: 8 and 85: 15.

XRD 및 EDX를 비교하여 HCl를 첨가하여 제조된 나노입자는 백금이 풍부하게 존재하는 코어와 백금-니켈의 합금으로 이루어진 쉘을 가지는 것으로 확인되었고, 이것은 동일한 조건에서 CTAC 첨가하여 제조된 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자와 일치하였다. 상기 결과는 세틸트리메틸-암모늄 클로라이드(cetyltrimethyl-ammonium chloride) 및 염산이 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 형성에 중요한 역할을 수행하고 있음을 나타내었다. Compared to XRD and EDX, the nanoparticles prepared by adding HCl were found to have a platinum-rich core and a shell of an alloy of platinum-nickel, which is a platinum-nickel alloy prepared by adding CTAC under the same conditions Core shell nanoparticles. The results show that cetyltrimethyl-ammonium chloride and hydrochloric acid play an important role in the formation of platinum-nickel alloy core-shell nanoparticles.

CTAC 분위기 하에서 [PtClx]y-/Pto(~0.7 V vs. SHE)의 환원과정은 Pt2 +/Pto (1.18 V vs. SHE)과 동반될 수 있으며, 낮은 농도 또는 CTAC가 존재하지 않는 경우에 있어서 백금-니켈 나노입자는 비교적 높은 환원 포텐셜을 가진 Pt2 +/Pto의 환원과정으로 형성될 수 있었다. 반면에 비교적 높은 CTAC 농도에서 Pt2 +/Pto 및 [PtClx]y-/Pto의 완전하게 다른 환원과정은 백금-니켈 나노입자에 있어서, 두 개의 백금-니켈 합금 상을 나타내었다. 열분해 과정의 초기단계에서 백금 핵형성은 나노입자의 코어에서 지배적으로 발생하였으며, 결과로써 제조된 백금이 풍부한 나노입자는 촉매반응으로 니켈의 환원을 유도하여 백금 나노입자의 존재 하에서 [PtClx]y-/Pto의 환원과정을 통한 백금-니켈 합금 쉘을 형성하였다. CTAC의 농도 및 반응시간을 고려할 때, 백금이 풍부한 코어 및 백금-니켈 쉘로 이루어진 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자의 제조는 100분 이상의 반응시간과 60 mM 이상의 CTAC 농도가 임계조건인 것으로 확인되었으며, Pt2 + 에서 Pto (1.18 V vs. SHE)인 표준환원전위가 Ni2 + 에서 Nio (-0.257 V vs. SHE)인 표준환원전위보다 매우 높은 것은 백금 핵의 형성이 니켈 핵의 형성보다 더 자발적으로 일어나는 것을 나타냈다. 원-팟 공정을 통하여 제조된 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자는 백금이 풍부한 코어와 백금-니켈 합금의 쉘을 가지고 있으며, 열분해 반응의 초기 단계에서 니켈의 핵형성과 비교하여 나노입자의 코어에서 백금의 핵형성이 지배적으로 일어났으며, 형성된 백금이 풍부한 나노입자는 니켈의 환원을 촉매 작용으로 유도하여 나노입자의 쉘에 있어서 백금-니켈 합금을 형성하였다.
The reduction process of [PtCl x ] y- / Pt o (~ 0.7 V vs. SHE) under CTAC atmosphere may be accompanied by Pt 2 + / Pt o (1.18 V vs. SHE) Pt nanoparticles could be formed by the reduction process of Pt 2 + / Pt 0 with relatively high reduction potential. On the other hand, a completely different reduction process of Pt 2 + / Pt 0 and [PtCl x ] y- / Pt 0 at relatively high CTAC concentrations showed two platinum-nickel alloy phases in platinum-nickel nanoparticles. In the initial stage of the pyrolysis process, platinum nucleation occurred predominantly in the core of the nanoparticles, and as a result, the platinum-rich nanoparticles produced by the catalytic reaction induce the reduction of nickel to produce [PtCl x ] y - / o platinum Pt through the reduction of process-nickel alloy shell to form. Considering the concentration of CTAC and the reaction time, it was confirmed that the reaction time of 100 minutes or more and the CTAC concentration of 60 mM or more were critical conditions in the preparation of platinum-nickel alloy core shell nanoparticles composed of a platinum-rich core and a platinum- Pt in the + 2, the standard reduction potential of Pt o (1.18 V vs. SHE) from the Ni 2 + Ni o is extremely higher than the standard reduction potential (-0.257 V vs. SHE) is formed of platinum than the nucleus formation of nickel nuclei More voluntary. Platinum-nickel alloy core shell nanoparticles prepared through the one-pot process have platinum-rich cores and a shell of platinum-nickel alloy. In the initial stage of the pyrolysis reaction, platinum- And platinum-rich nanoparticles formed catalyzed the reduction of nickel to form a platinum-nickel alloy in the shell of nanoparticles.

4. 4. 코어쉘Core shell 나노입자의 생성에서 금속염 존재 효과 Effect of metal salts on the formation of nanoparticles

백금 나노입자의 존재 하에서 Ni2 +에서 Nio으로 더 용이한 환원방법을 확인하기 위해 60 mM CTAC을 첨가하고 250 oC에서 100 분간 열분해하여 니켈 염을 제외하여 준비된 백금 나노입자(Pt(acac)2)에 1-옥타데센(1-octadecene) 및 올레일아민(oleylamine)이 혼합된 니켈 염 용액을 첨가하여 백금 나노입자 콜로이드 용액을 제조하였다. 비교를 위해 백금 나노입자를 배제하고 동일한 합성 조건에서 니켈 염 용액을 준비하였다. XRD 패턴을 분석하여 백금 나노입자의 존재 없이 어떠한 니켈 금속 상(Nio)도 형성되지 않았으며, 백금-니켈 합금 상에 대응하는 XRD 피크는 Ni2+에서 Nio으로 환원을 가속시키는 백금 나노입자의 존재 하에서 니켈의 환원으로 나타났다.
In order to confirm the easier reduction method of Ni 2 + to Ni 0 in the presence of platinum nanoparticles, 60 mM CTAC was added and pyrolyzed at 250 ° C for 100 min to prepare platinum nanoparticles (Pt (acac) 2 ) was added with a nickel salt solution mixed with 1-octadecene and oleylamine to prepare a platinum nanoparticle colloid solution. For comparison, platinum nanoparticles were excluded and a nickel salt solution was prepared under the same synthesis conditions. The XRD pattern was analyzed to show that no nickel metal phase (Ni 0 ) was formed without the presence of platinum nanoparticles, and the corresponding XRD peak on the platinum-nickel alloy phase was platinum nanoparticles that accelerated the reduction from Ni 2+ to Ni 0 In the presence of nickel.

5. 촉매의 산소 환원반응 효과 5. Oxygen reduction effect of catalyst

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 포함하는 촉매의 순환전압접류법(Cyclic voltammetry; CV)으로 측정한 CV 곡선이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 포함하는 촉매의 일정전위주사곡선이며, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 포함하는 촉매의 산소환원 활성을 비교한 그래프이다.FIG. 6 is a CV curve measured by cyclic voltammetry (CV) of a catalyst containing platinum-nickel alloy core-shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 8 is a graph comparing the oxygen reduction activity of a catalyst comprising platinum-nickel alloy core-shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention. FIG. It is a graph.

산소환원 반응에서는 순수 백금촉매와 비교했을 때 환원개시전압과 하프웨이브포텐셜이 개선된 결과를 보였으며, 백금과 니켈이 합금이 됨으로써 D-밴드 센터가 낮아져 산소환원 반응에 방해되는 물질인 하이드록사이드 계열의 이온이 촉매 표면에 흡착되는 에너지를 낮춰줌으로써 순수 백금촉매보다 산소환원 반응이 매우 용이하게 유도되었다. In the oxygen reduction reaction, the reduction starting voltage and the halfwave potential were improved as compared with the pure platinum catalyst. As the platinum and nickel became alloys, the D-band center was lowered, The oxygen reduction reaction was more easily induced than the pure platinum catalyst by lowering the energy absorbed on the surface of the catalyst.

이상으로 본 발명에 의하면, CTAC 존재 하에서 반응시간을 조절하여 원-팟 열분해 공정으로 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 제조하였으며, 열분해 반응의 초기단계에서 CTAC 농도 및 반응시간의 임계조건을 넘어가는 경우에 백금이 풍부한 코어와 백금-니켈의 합금으로 이루어진 쉘을 가지는 것을 확인하였다. 제조된 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자를 담지하여 제조된 촉매는 순수 백금촉매보다 환원개시전압과 하프웨이브포텐셜이 매우 개선되었으며, 산소환원 반응의 활성이 크게 증가하였다.
As described above, according to the present invention, platinum-nickel alloy core shell nanoparticles were prepared by one-pot pyrolysis process by controlling the reaction time in the presence of CTAC. In the initial stage of pyrolysis reaction, It was confirmed that the shell had a platinum-rich core and a shell made of a platinum-nickel alloy. The catalysts prepared by carrying out the prepared platinum - nickel alloy core shell nanoparticles showed much higher reduction starting voltage and halfwave potential than the pure platinum catalyst, and the activity of the oxygen reduction reaction was greatly increased.

본 발명은 한정된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the invention has been described with reference to a limited number of embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

Claims (6)

삭제delete 질소 분위기 하에서 캡핑제(capping agent), 올레익산(oleic acid), 1-옥타데센(1-octadecene) 및 올레일아민(oleylamine)을 혼합하여 캡핑용액을 제조하는 단계(제1단계);
백금 아세틸 아세토네이트, 니켈 아세틸 아세토네이트, 1-옥타데센(1-octadecene) 및 올레일아민(oleylamine)을 혼합하여 금속염용액을 제조하는 단계(제2단계);
상기 캡핑용액과 금속염용액을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계(제3단계); 및
상기 혼합용액을 250 ℃에서 100 내지 180 분 동안 열분해 반응하여 코어쉘 구조의 나노입자를 형성하고, 다시 급랭하여 나노입자를 수득하는 단계(제4단계)를 포함하며,
상기 캡핑제는 세틸트리메틸-암모늄 클로라이드(cetyltrimethyl-ammonium chloride)이고, 상기 캡핑용액에 5 내지 24 부피%로 첨가되고,
상기 금속염용액은 백금 아세틸아세토네이트의 농도가 4.0 내지 4.5 mM이고, 니켈 아세토네이트의 농도가 1.0 내지 1.5 mM이며,
상기 코어쉘 구조의 나노입자는 81 ~ 84 중량%의 백금과 16 ~ 19 중량%의 니켈을 포함하는 코어와, 66 ~ 72 중량% 백금과 28 ~ 34 중량%의 니켈을 포함하는 백금-니켈 합금 코어쉘 나노입자 제조방법.
Preparing a capping solution by mixing a capping agent, oleic acid, 1-octadecene and oleylamine under a nitrogen atmosphere (first step);
Preparing a metal salt solution by mixing platinum acetylacetonate, nickel acetylacetonate, 1-octadecene and oleylamine (second step);
Mixing the capping solution and the metal salt solution to prepare a mixed solution (Step 3); And
(C) decomposing the mixed solution at 250 ° C for 100 to 180 minutes to form core-shell nanoparticles and quenching again to obtain nanoparticles (Step 4)
The capping agent is cetyltrimethyl-ammonium chloride, added to the capping solution in an amount of 5 to 24% by volume,
Wherein the metal salt solution has a platinum acetylacetonate concentration of 4.0 to 4.5 mM, a nickel acetonate concentration of 1.0 to 1.5 mM,
The nanoparticles of the core shell structure comprise a core comprising 81-84 wt% platinum and 16-19 wt% nickel, a platinum-nickel alloy comprising 66-72 wt% platinum and 28-34 wt% nickel A method for manufacturing core shell nanoparticles.
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