KR101584170B1 - Three dimensional structured carbon supported catalyst using carbon nantotubes and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

고분자 섬유를 일부 탈할로겐화한 후에, 열처리를 통하여 다공성 탄소나노튜브를 제조한 후, 얻어진 탄소나노튜브를 이용하여 비귀금속 촉매나 비금속 촉매를 제조한다. 이에 따라 기공이 고르게 발달된 다공성의 전기화학반응용 비귀금속 및/또는 비금속 촉매를 제조할 수 있다. 해당 촉매는 전기화학반응 전극에서 반응물의 물질전달 속도를 향상시켜서 전기화학반응 전극의 성능 증가를 가져올 수 있다.After partially dehydrohalogenating the polymer fibers, porous carbon nanotubes are prepared through heat treatment, and then the obtained carbon nanotubes are used to produce a non-noble metal catalyst or a non-metal catalyst. As a result, a non-noble metal and / or a non-metal catalyst for electrochemical reaction of pores having uniform porosity can be produced. The catalyst improves the mass transfer rate of the reactant in the electrochemical reaction electrode, thereby increasing the performance of the electrochemical reaction electrode.

Description

탄소나노튜브를 이용한 3차원 구조의 탄소 담지 촉매 및 그 제조 방법 {Three dimensional structured carbon supported catalyst using carbon nantotubes and method for preparing the same} TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a three-dimensional carbon-supported catalyst using carbon nanotubes and a method for preparing the same,

본 명세서는 고분자 섬유를 탈할로겐화 후 탄화시켜 다공성의 탄소나노튜브를 제조하고, 이를 이용하여 새로운 3차원 구조의 탄소 담지 촉매를 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 전기화학반응용 탄소 담지 비귀금속 촉매 및/또는 비금속 촉매에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a carbon-supported catalyst having a novel three-dimensional structure by preparing carbon nanotubes by dehydrohalogenating the polymer fibers to prepare porous carbon nanotubes, a carbon-supported non-noble metal catalyst for electrochemical reactions, / Or a non-metal catalyst.

철과 질소가 고리형태로 존재하는 화합물 등을 합성하여 연료전지의 촉매에 사용한 방법들이 있다(특허문헌 1 내지 3). There is a method of synthesizing a compound in which iron and nitrogen exist in the form of a ring and the like to use the catalyst as a catalyst for fuel cells (Patent Documents 1 to 3).

예컨대 특허문헌 1은 탄소 지지 물질을 이용하여 철-코발트 하이브리드 촉매를 제조하는 것이고, 특허문헌 2는 비귀금속 염과 카본 블랙 등의 혼합물을 가열하여 처리하는 등의 방법으로 촉매를 제조하는 것이고, 특허문헌 3은 전이 금속과 칼코겐을 이용하여 전극 촉매를 제조하는 것이다.For example, Patent Document 1 is for producing an iron-cobalt hybrid catalyst using a carbon supporting material, and Patent Document 2 is for preparing a catalyst by heating and treating a mixture of a noble metal salt and carbon black, Document 3 is to prepare an electrode catalyst using a transition metal and chalcogen.

그러나, 본 발명자들의 연구에 따르면, 이러한 종래의 방법들을 사용하여 제조된 촉매들은 연료전지의 공기극에 두꺼운 촉매층을 형성하여, 물질 전달저항을 증가시킴으로써 고 출력전류에서 연료전지의 과전압을 급격하게 상승시키는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 활성이 뛰어나고 기공이 잘 발달될 수 있는 구조를 갖는 촉매를 제조하는 것이 중요하다.
However, according to the studies of the present inventors, catalysts produced using these conventional methods have been found to form a thick catalyst layer on the cathode of a fuel cell, thereby increasing the mass transfer resistance, thereby rapidly raising the overvoltage of the fuel cell at high output current There are disadvantages. In order to solve such a problem, it is important to prepare a catalyst having a structure which is excellent in activity and can be well-developed in pores.

미국 특허출원공개 제2014-0024521호U.S. Patent Application Publication No. 2014-0024521 미국 특허출원공개 제2014-0045098호U.S. Patent Application Publication No. 2014-0045098 미국 특허 제7,851,399호U.S. Patent No. 7,851,399

본 발명의 구현예들에서는, 일측면에서, 제조비용이 비싼 종래의 방법을 대체하여, 귀금속을 사용하지 않고도 활성도와 안정성이 높은 비귀금속 촉매 및/또는 비금속 촉매를 제공하는 것이다.Embodiments of the present invention, in one aspect, provide a non-noble metal catalyst and / or a non-metal catalyst having high activity and stability, without using a noble metal, in place of conventional methods that are expensive to manufacture.

본 발명의 구현예들에서는, 다른 일측면에서, 고분자 섬유를 탈할로겐화 후 탄화하여 얻어진 기공 구조가 잘(고르게) 발달된 다공성 탄소나노튜브를 이용하고 최종 촉매에서 기공 구조가 잘(고르게) 발달될 수 있도록 함으로써 전기화학반응 전극에서 반응물의 물질전달 속도를 향상시켜서 전기화학반응 전극의 성능 증가를 가져올 수 있는 비귀금속 촉매 및/또는 비금속 촉매를 제공하는 것이다.
In embodiments of the present invention, in another aspect, porous carbon nanotubes having a well-developed pore structure obtained by de-halogenating and then carbonizing polymer fibers are used and the pore structure is well developed in the final catalyst A non-noble metal catalyst and / or a non-metal catalyst capable of enhancing the mass transfer rate of the reactant in the electrochemical reaction electrode, thereby increasing the performance of the electrochemical reaction electrode.

본 발명의 일 구현예들에서는, 할로겐화 고분자를 이용하여 고분자 섬유를 형성하는 제 1 단계; 상기 고분자 섬유를 일부 탈할로겐화 처리하고 열처리하여 탄소나노튜브를 제조하는 제 2 단계; 상기 얻어진 탄소나노튜브를 제 1 화합물 및/또는 제 2 화합물과 혼합하는 제 3 단계; 및 상기 혼합물을 열처리하는 제 4 단계;를 포함하고, 상기 제 1 화합물은 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물 및 탄소 화합물을 포함하고, 상기 제 2 화합물은 탄소 외의 비금속 물질을 포함하는 탄소화합물을 포함하는 전기화학반응용 탄소 담지 촉매 제조 방법이 제공된다.According to one embodiment of the present invention, there is provided a method for fabricating a polymer fiber, comprising: a first step of forming a polymer fiber using a halogenated polymer; A second step of preparing a carbon nanotube by partially dehydrogenating and heat-treating the polymer fiber; A third step of mixing the obtained carbon nanotube with a first compound and / or a second compound; And a fourth step of heat-treating the mixture, wherein the first compound includes a heterocyclic compound including a non-noble metal and a carbon compound, and the second compound includes a carbon compound including a non-metallic substance other than carbon A carbon-supported catalyst for electrochemical reaction.

본 발명의 일 구현예들에서는, 상기 방법에 의하여 제조되는 전기화학반응용 탄소 담지 촉매로서, 탄소나노튜브 표면에 탄소 외의 비금속 물질이 결합하여 존재하거나, 및/또는 탄소나노튜브 표면에 비귀금속, 비금속 및 탄소를 포함하는 3차원 형태의 기공 구조물이 형성된 전기화학반응용 탄소 담지 촉매가 제공된다.According to one embodiment of the present invention, there is provided a carbon-supported catalyst for an electrochemical reaction produced by the above method, wherein a non-metallic substance other than carbon is present on the surface of the carbon nanotube and / or a non-noble metal, There is provided a carbon-supported catalyst for electrochemical reaction in which a three-dimensional pore structure including a non-metal and carbon is formed.

예시적인 구현예들에서, 상기 탄소나노튜브는 내부에 탄소 구조물을 가지는 것이 바람직하다.
In exemplary embodiments, the carbon nanotubes preferably have a carbon structure therein.

본 발명의 구현예들에 따르면, 일측면에서, 귀금속을 사용하지 않고 가격이 낮은 비귀금속 및/또는 비금속 재료들을 이용하여 촉매를 제조할 수 있으므로 촉매의 제조 비용을 크게 낮출 수 있다.According to embodiments of the present invention, in one aspect, the catalyst can be manufactured using noble metal and / or non-metal materials, which are low in price without using a noble metal, thereby greatly reducing the manufacturing cost of the catalyst.

또한, 다른 일측면에서 본 발명의 구현예들에 따른 탄소나노튜브를 이용하는 제조 방법으로 얻어진 비귀금속 및/또는 비금속 촉매는 전기화학반응 전극의 촉매로 사용될 수 있는 것으로, 3차원 구조의 탄소나노튜브에 의한 기공 외에 3차원 기공 구조물에 의해 형성된 잘(고르게) 발달된 기공 구조를 가지기 때문에 전기화학반응 전극에서 반응물의 물질전달 속도를 향상시켜서 전기화학반응 전극의 성능 증가를 가져올 수 있다.Further, in another aspect, the noble metal and / or non-metal catalyst obtained by the production method using carbon nanotubes according to the embodiments of the present invention can be used as a catalyst of an electrochemical reaction electrode, The pore structure of the electrochemical reaction electrode has a well-developed pore structure formed by the three-dimensional pore structure, thereby improving the mass transfer rate of the reactant in the electrochemical reaction electrode, thereby increasing the performance of the electrochemical reaction electrode.

따라서 상기 비귀금속 및/또는 비금속 촉매는 이산화탄소 전환 반응이나 연료전지 등과 같은 전기화학반응에 매우 유용하게 사용될 수 있다. 
Therefore, the non-noble metal and / or the non-metal catalyst can be very usefully used for an electrochemical reaction such as a carbon dioxide conversion reaction or a fuel cell.

도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 전기화학반응용 촉매를 제조하는 순서를 보여주는 흐름도이다.
도 2a, 2b, 2c는 본 발명의 실시예에서 주사 전자 현미경으로 내부에 거미줄 형태의 탄소 구조체가 있는 탄소나노튜브의 횡단면을 관찰한 이미지들이다. 도 2d는 투과전자현미경으로 상기의 탄소나노튜브를 관찰한 이미지이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에서 주사 전자 현미경으로 내부가 비어있는 탄소나노튜브의 횡단면을 관찰한 이미지이다. 도 3b는 이를 고배율에서 관찰한 이미지이다.
도 4a, 4b는 본 발명의 비교예에서 주사 전자 현미경으로 탄소나노튜브를 넣지 않고 헤테로고리화합물과 탄소화합물을 만을 사용하여 제조한 비귀금속 촉매를 관찰한 이미지이다. 반면 도 4c, 4d는 본 발명의 실시예에서 주사 전자 현미경으로 탄소나노튜브와 헤테로고리화합물과 탄소화합물을 혼합하여 제조한 다공성의 비귀금속 촉매를 관찰한 이미지이다.
도 5a는 본 발명의 실시예에서 투과전자현미경으로 저배율에서 비귀금속 촉매를 관찰한 이미지이다. 도 5b는 본 발명의 실시예에서 투과전자현미경으로 탄소나노튜브의 표면에 형성된 기둥 형태의 구조물을 고배율에서 관찰한 이미지이다. 도 5c는 본 발명의 실시예에서 투과전자현미경으로 시트 형태의 탄소 구조물을 고배율에서 관찰한 이미지이다.
도 6a는 투과전자현미경으로 본 발명의 실시예에서 비귀금속 촉매에 형성된 시트 형태의 구조물을  관찰한 이미지이다. 도 6b는 도 6a에서 주황색 사각형 영역을 고각도 산란 암시야 주사투과전자현미경법으로 관찰한 것이다. 도 6c 및 d, e는 도 6b에서 형광 X선 분석 장치로 관측된 탄소, 질소, 철 원소의 분포를 보여준다. 도 6f는 도 6b에서 측정된 탄소, 질소, 철 원소들을 겹쳐서 보여준다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 주사형 투과전자현미경으로 비귀금속 촉매의 탄소나노튜브 부분을 관찰한 이미지와 형광 X선 분석 장치로 이미지에서 주황색 선상의 원소를 라인 프로파일 분석한 결과이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 X선 회절 분석법(X-ray diffraction, XRD)으로 탄소나노튜브와 이를 통해 제조된 비귀금속 촉매의 결정성을 분석한 결과이다.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 실시예에서 X선 광전자 분광법으로 비귀금속 촉매의 표면에 존재하는 원소를 분석한 결과이다.
도 10은 본 발명의 실시예에서 반쪽전지실험을 통해 비귀금속 촉매 및 상용 촉매의 산소 환원 반응에 대한 성능을 평가한 결과이다. 도 10a는 0.1M의 수산화칼륨 용액에서, 도 10b는 0.5M의 황산용액에서 반쪽전지 실험을 진행한 결과이다.
도 11a는 본 발명의 실시예에서 주사 전자 현미경으로 관찰한 탄소나노튜브 위에 형성된 비금속 촉매의 이미지이다. 도 11b는 본 발명의 실시예에서 투과전자현미경으로 관찰한 비금속 촉매의 이미지이다.
도 12a는 본 발명의 실시예에서 투과전자현미경으로 고배율에서 관찰한 비금속 촉매의 이미지이다. 도 12b는 도 12a의 흰색 선을 기준으로 명암의 차이를 관찰한 것이다.
도 13a는 본 발명의 실시예에서 투과전자현미경으로 비금속 촉매를 관찰한 이미지이다. 도 13b는 도 13a에서 주황색 사각형 영역을 고각도 산란 암시야 주사투과전자현미경법으로 관찰한 것이다. 도 13c 및 d, e는 도 13b에서 형광 X선 분석 장치로 관측된 탄소, 질소, 산소 원소의 분포를 보여준다. 도 13f는 도 13b에서 측정된 탄소, 질소, 산소 원소들을 겹쳐서 보여준다.
도 14는 본 발명의 실시예에서 반쪽전지실험을 통해 0.1M의 수산화칼륨 용액에서 비금속 촉매 및 상용 촉매의 산소 환원 반응에 대한 성능을 평가한 결과이다.
1 is a flow chart showing a procedure for manufacturing a catalyst for electrochemical reaction according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIGS. 2A, 2B, and 2C are cross-sectional images of carbon nanotubes having a web structure in the form of a web in a scanning electron microscope in the embodiment of the present invention. 2D is an image of the carbon nanotube observed by a transmission electron microscope.
3A is an image obtained by observing a cross section of a carbon nanotube whose interior is hollowed by a scanning electron microscope in the embodiment of the present invention. 3B is an image observed at a high magnification.
4A and 4B are images showing a non-noble metal catalyst prepared by using only a heterocyclic compound and a carbon compound without using carbon nanotubes by a scanning electron microscope in the comparative example of the present invention. 4c and 4d are images of a porous non-noble metal catalyst prepared by mixing a carbon nanotube, a heterocyclic compound, and a carbon compound by a scanning electron microscope in an embodiment of the present invention.
5A is an image of a non-precious metal catalyst observed at a low magnification by a transmission electron microscope in the embodiment of the present invention. 5B is an image obtained by observing a columnar structure formed on the surface of a carbon nanotube by a transmission electron microscope at a high magnification in the embodiment of the present invention. FIG. 5C is an image obtained by observing a sheet-like carbon structure at a high magnification by a transmission electron microscope in an embodiment of the present invention.
6A is an image of a sheet-like structure formed on a noble metal catalyst in an embodiment of the present invention by a transmission electron microscope. FIG. 6B is a view of an orange square region in FIG. 6A observed by a high-angle scattering dark field scanning transmission electron microscope. 6C and 6D show the distribution of carbon, nitrogen, and iron elements observed with a fluorescent X-ray analyzer in FIG. 6B. FIG. 6F shows the carbon, nitrogen, and iron elements stacked in FIG. 6B.
FIG. 7 is a graph showing an image obtained by observing a carbon nanotube portion of a non-precious metal catalyst using a scanning transmission electron microscope and line profile analysis of an element on an orange line in an image with a fluorescent X-ray analyzer in an embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows the results of analysis of crystallinity of carbon nanotubes and noble metal catalysts prepared therefrom by X-ray diffraction (XRD) in the examples of the present invention.
9A to 9C are results of analysis of elements existing on the surface of a noble metal catalyst by X-ray photoelectron spectroscopy in the embodiment of the present invention.
10 is a graph illustrating the results of evaluating the performance of oxygen reduction reaction of non-noble metal catalysts and commercial catalysts through experiments of semiconductors in the examples of the present invention. FIG. 10A is a result of 0.1 M potassium hydroxide solution, and FIG. 10B is a half cell test result of 0.5 M sulfuric acid solution.
11A is an image of a non-metal catalyst formed on a carbon nanotube observed by a scanning electron microscope in an embodiment of the present invention. 11B is an image of a non-metallic catalyst observed with a transmission electron microscope in an embodiment of the present invention.
12A is an image of a non-metal catalyst observed at a high magnification by a transmission electron microscope in an embodiment of the present invention. 12B is a graph showing the difference in light and darkness with respect to the white line in FIG. 12A.
13A is an image of a non-metal catalyst observed by a transmission electron microscope in an embodiment of the present invention. FIG. 13B is a view of the orange square region in FIG. 13A observed by a high-angle scattering dark-field scanning transmission electron microscope. 13C and 13D show the distribution of carbon, nitrogen and oxygen elements observed with a fluorescent X-ray analyzer in FIG. 13B. FIG. 13f shows the carbon, nitrogen, and oxygen elements stacked in FIG. 13b.
FIG. 14 is a graph showing the results of evaluating the performance of a non-metal catalyst and a commercial catalyst in an oxygen reduction reaction in a 0.1 M potassium hydroxide solution through an experiment of a half cell in an embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.

본 명세서에서 탄소화합물이란 탄소를 포함하는 유기 또는 무기 화합물을 의미한다. 즉, 탄소를 포함하여 탄소의 공급원이 될 수 있는 화합물이다. 참고로, 탄소화합물은 탄소 외의 비금속 물질을 더 포함할 수도 있고 더 포함하지 않을 수도 있다. As used herein, a carbon compound means an organic or inorganic compound containing carbon. That is, it is a compound that can be a source of carbon including carbon. For reference, the carbon compound may or may not further include a non-metallic substance other than carbon.

본 명세서에서 탄소 외의 비금속 물질을 포함하는 탄소화합물이란 탄소에 또는 탄소를 기본 골격으로 수소, 산소, 질소 등의 비금속 물질이 결합하여 이루어진 화합물을 의미한다. 참고로, 예컨대 시안화물 또는 시안화 수소 등의 경우 탄소 외의 비금속 물질을 포함하는 탄소 화합물일 수 있다. In the present specification, a carbon compound including a non-metallic substance other than carbon means a compound formed by bonding a non-metallic substance such as hydrogen, oxygen, or nitrogen to carbon or carbon as a basic skeleton. For example, in the case of cyanide or hydrogen cyanide, it may be a carbon compound including a non-metallic substance other than carbon.

본 명세서에서 3차원 형태의 기공 형성 구조물(또는 3차원 구조물)이란 탄소나노튜브 표면에 형성된 3차원 형태(예컨대 줄기 상 또는 가지 상 또는 망(network) 상 등)의 구조물로서 해당 3차원 형태의 구조물들이 기공을 형성하는 것을 의미한다. 여기서, 3차원 형태의 구조물들이 기공을 형성한다는 것은 해당 구조물들이 서로 연결 및 결합되어 3차원 형태의 기공(예컨대 매크로 기공 등)을 형성하는 것이다. 물론 해당 구조물 자체에도 기공(예컨대 마이크로 기공 등)을 포함할 수 있다. 상기 3차원 형태의 기공 형성 구조물은 주로 탄소로 이루어지는 탄소 체이며, 기타 비귀금속이나 비금속을 더 포함할 수 있다.In the present specification, a three-dimensional pore-forming structure (or a three-dimensional structure) is a three-dimensional structure formed on the surface of a carbon nanotube (e.g., a stem-like or branched or network- Which form pores. Here, the three-dimensional structures form pores because the structures are connected to each other to form three-dimensional pores (e.g., macroscopic holes). Of course, the structure itself may also include pores (e.g., micropores, etc.). The three-dimensional pore-forming structure is mainly composed of carbon, and may further include other non-precious metals or non-metals.

본 명세서에서 두 단계에 걸쳐서 열처리 한다는 의미는 첫 번째 온도 까지 승온하여 해당 온도에서 일정 시간 유지 후 다음 두 번째 온도까지 승온하고, 해당 온도에서 일정 시간 유지하는 것을 의미한다. 반면, 하나의 단계로 열처리한다는 의미는 이와 같이 두 단계로 하지 않고 바로 목표 온도로 승온한 후, 해당 온도에서 일정 시간 유지하는 것을 의미한다. In this specification, the term "heat treatment" means that the temperature is raised to the first temperature, the temperature is maintained at the corresponding temperature for a predetermined time, and then the temperature is raised to the second temperature and maintained for a predetermined time at the temperature. On the other hand, the heat treatment in one step means that the temperature is directly raised to the target temperature without performing the two steps, and then maintained for a predetermined time at the temperature.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 할로겐화 고분자를 이용하여 고분자 섬유를 형성하고(제 1 단계), 상기 고분자 섬유를 일부 탈할로겐화 처리하고 열처리하여 탄소나노튜브를 제조하며(제 2 단계), 상기 얻어진 탄소나노튜브를 제 1 화합물 및/또는 제 2 화합물과 혼합하고(제 3 단계), 상기 혼합물을 열처리한다(제 4 단계). 상기 제 1 화합물은 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물 및 탄소 화합물을 포함하고, 상기 제 2 화합물은 탄소 외의 비금속 물질을 포함하는 탄소화합물을 포함한다. 이에 따라 기공이 잘 발달된 다공성의 전기화학반응용 탄소 담지 비귀금속 및/또는 비금속 촉매를 제조할 수 있다. 상술한다.In the exemplary embodiments of the present invention, a polymer fiber is formed using a halogenated polymer (step 1), a part of the polymer fiber is dehydrohalogenated and heat treated to produce carbon nanotubes (step 2) The obtained carbon nanotubes are mixed with the first compound and / or the second compound (third step), and the mixture is heat-treated (step 4). The first compound includes a heterocyclic compound including a non-noble metal and a carbon compound, and the second compound includes a carbon compound including a non-metallic material other than carbon. As a result, it is possible to produce carbon-supported non-noble metal and / or non-metal catalyst for electrochemical reaction of porous catalysts with well-developed pores. Described above.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는 우선 할로겐화 고분자를 이용하여 예컨대 전기방사법으로 고분자 섬유를 제조한다(제 1 단계). 예시적인 구현예에서, 할로겐화 고분자를 이용하여 고분자 섬유를 제조하는 방법을 설명하면 예를 들어 다음과 같다. In exemplary embodiments of the present invention, first, a polymer fiber is prepared using a halogenated polymer by, for example, electrospinning (first step). In an exemplary embodiment, a method for producing a polymer fiber using a halogenated polymer will be described as follows.

먼저, 할로겐화 고분자 원료를 용매와 혼합하여 할로겐화 고분자 용액을 제조한다. 할로겐화 고분자를 사용하여 고분자 섬유를 제조하는 이유는, 상기 할로겐화 고분자 섬유가 탈할로겐화 과정을 거치면서 탈할로겐화 되지 않고 남은 할로겐화 고분자가 이후 고온에서의 탄화과정에서 분해되어 제거됨에 따라 섬유의 내부에 공동(hollow)을 형성하여 탄소나노튜브를 만들수 있으며, 나아가 상기 탈할로겐화 되지 않고 남은 할로겐화 고분자가 분해되어 생성된 기체가 새로운 구조물을 형성함에 따라 공동의 내부에 거미줄 구조를 갖는 탄소나노튜브를 제조하는데 용이한 원료로 사용될 수 있기 때문이다. First, a halogenated polymer solution is prepared by mixing a halogenated polymer raw material with a solvent. The reason for producing the polymer fiber using the halogenated polymer is that the halogenated polymer is not de-halogenated through the dehalogenation process, and the remaining halogenated polymer is decomposed and removed in the subsequent carbonization process at a high temperature, hollow to form a carbon nanotube. Further, since the dehydrogenated halogenated polymer is decomposed to form a new structure, a carbon nanotube having a web structure in a cavity can be easily produced It can be used as a raw material.

이와 같이 할로겐화 고분자를 이용하여 고분자 섬유를 예컨대 전기 방사법이나 기타 정전 블로운(electroblown), 멜트 블로운(meltblown) 법 등으로 형성할 수 있다. 전기 방사법의 경우 직경이 작은 나노 사이즈의 고분자 섬유를 제조하는데 적합하다. As described above, the halogenated polymer can be used to form the polymer fiber by, for example, electrospinning, electroblown, meltblown, or the like. Electrospinning is suitable for producing nano-sized polymer fibers with small diameters.

다음으로 상기 제조된 고분자 섬유의 고분자 일부를 탈할로겐화 처리한 후 고온에서 열처리하여, 고분자 섬유 내부에 남아 있는 할로겐 고분자를 분해 또는 기화시키고, 외벽의 탈할로겐화 고분자를 탄화시킴으로서 탄소나노튜브를 제조할 수 있다. 한편, 탈할로겐화 과정에서 탈할로겐화 처리되지 않은 고분자는, 고분자 섬유의 내부에 남아 있을 수 있으며, 이후의 열처리 과정에서 분해 또는 기화되어 제거되고, 이 자리에 공동을 형성하게 된다.Next, a part of the polymer of the polymer fiber is dehydrohalogenated and then heat-treated at a high temperature to decompose or vaporize the halogen polymer remaining in the polymer fiber, and carbon nanotubes can be produced by carbonizing the dehydrohalogenated polymer on the outer wall have. On the other hand, the polymer not subjected to the dehalogenation treatment in the dehalogenation process may remain in the polymer fiber, and may be decomposed or vaporized in the subsequent heat treatment process to form a cavity there.

할로겐화 고분자의 비제한적인 예시로서, 폴리폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-트리플루오로에틸렌), 퍼풀루오로폴리머를 포함하는 불소계 고분자 단독중합체 또는 공중합체, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리(비닐리덴클로라이드-코-비닐클로라이드), 사란고분자를 포함하는 염소계 고분자 단량체의 단독중합체 또는 공중합체, 또는 이들 고분자들의 하나 이상을 이용한 혼합물을 사용할 수 있다.Non-limiting examples of halogenated polymers include polyvinylidene fluoride, poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), poly (vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene), perfluoropolymers A homopolymer or a copolymer of a chlorinated polymer monomer including a fluoropolymer homopolymer or copolymer, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, poly (vinylidene chloride-co-vinyl chloride), and a saran polymer; May be used.

예시적인 구현예에서, 바람직하게는 할로겐화 고분자 용액의 분산도 및 점도를 조절하도록 한다. In an exemplary embodiment, it is preferable to control the dispersion and viscosity of the halogenated polymer solution.

즉, 제 1 단계에서는 할로겐화 고분자 용액의 점도가 어느 정도 유지되면서, 분산도가 높은 할로겐화 고분자 용액을 제조하는 것이 바람직하다. 그 이유는 할로겐화 고분자 용액의 분산도/점도에 따라 최종 열처리과정에서 서로 다른 형태의 탄소나노튜브를 제조할 수 있기 때문이다. That is, in the first step, it is preferable to prepare a halogenated polymer solution having a high degree of dispersion while maintaining a certain degree of viscosity of the halogenated polymer solution. This is because different types of carbon nanotubes can be manufactured in the final heat treatment process depending on the dispersion degree / viscosity of the halogenated polymer solution.

특히, 분산도가 높은 할로겐화 고분자 용액을 사용하면 직경이 작고 균일한 고분자 섬유를 제조할 수 있다. 직경이 작고 균일한 고분자 섬유일수록 최종적으로 기공 구조가 잘 발달된 비귀금속 촉매 및/또는 비금속 촉매 물질을 제조할 수 있다. 비제한적인 예시에서, 고분자 섬유의 직경은 예컨대 20 내지 1000nm이고, 직경의 편차 범위는 ±10 내지 300nm이다. Particularly, when a halogenated polymer solution having a high degree of dispersion is used, a polymer fiber having a small diameter can be produced. As the polymer fibers having a small diameter and a uniform diameter are formed, a non-noble metal catalyst and / or a non-metal catalyst material having a well-developed pore structure can be manufactured. In a non-limiting example, the diameter of the polymer fibers is, for example, 20 to 1000 nm, and the range of the deviation of the diameter is 10 to 300 nm.

한편, 상기 제조된 고분자 섬유를 후술하는 제 2단계에서 탈할로겐화 처리를 하고 열처리를 하면 탄소나노튜브가 만들어지는데, 비제한적 예시에서, 특히 분산도가 높은 할로겐화 고분자 용액을 사용하는 경우에는 내부에 탄소 구조물[예컨대 거미줄(web) 형태의 탄소 구조물]이 존재하는 탄소나노튜브를 제조할 수 있다. 이러한 탄소 구조물이 내부에 형성된 탄소나노튜브를 이용하여 비귀금속 촉매 및/또는 비금속 촉매를 제조하는 것이 기공 구조 발달의 측면에서 더욱 바람직하다. On the other hand, when the polymer fibers are dehydrohalogenated in a second step to be described later and subjected to heat treatment, carbon nanotubes are produced. In a non-limiting example, when a halogenated polymer solution having a high degree of dispersion is used, A carbon nanotube in which a structure (for example, a carbon structure in the form of a web) is present can be produced. It is more preferable to prepare a non-noble metal catalyst and / or a non-metal catalyst by using the carbon nanotubes in which the carbon structure is formed in view of the development of the pore structure.

한편, 본 발명의 예시적인 구현예에서는, 상기 제 1 단계를 거친 고분자 섬유의 적어도 일부를 탈할로겐화 처리 후 열처리를 통해 탄소나노튜브를 제조한다(제 2 단계).Meanwhile, in an exemplary embodiment of the present invention, carbon nanotubes are prepared by dehydrohalogenating at least a part of the polymer fibers obtained through the first step, followed by heat treatment (second step).

할로겐화 고분자는 200℃ 부근의 비교적 낮은 온도에서 용융되어 액상으로 변하기 때문에, 가열로에서 고온 열처리를 통하여 탄화시키면 기화되거나 분해되어 섬유의 형상을 잃어버릴 수 있다. 따라서, 본 발명의 예시적인 구현에 따른 제 2 단계에서는, 고분자 섬유를 탄화시키기 전에, 상기 고분자 섬유의 적어도 일부를 탈할로겐화 처리한다.Since the halogenated polymer melts at a relatively low temperature near 200 ° C and changes into a liquid phase, if carbonized through a high-temperature heat treatment in a heating furnace, it may be vaporized or decomposed to lose the shape of the fiber. Therefore, in the second step according to the exemplary embodiment of the present invention, at least a part of the polymer fibers is dehydrohalogenated before carbonization of the polymer fibers.

비제한적인 예시에서, 탈할로겐화를 위하여, 할로겐화 고분자 섬유를 강알칼리 수용액 또는 강알칼리성 유기 용액을 사용하여 처리한다. 이에 따라 할로겐 원소가 제거되는 화학적 탈할로겐화 반응을 유도할 수 있다.In a non-limiting example, for dehalogenation, the halogenated polymeric fibers are treated with a strong alkaline aqueous solution or a strongly alkaline organic solution. Whereby the chemical dehalogenation reaction in which the halogen element is removed can be induced.

이후, 상기의 탈할로겐화된 고분자 섬유를 가열로에서 고온으로 열처리하여 탄화시킴으로서 탄소나노튜브를 제조할 수 있다.Thereafter, the carbon nanotubes can be produced by carbonizing the dehydrogenated polymer fibers by heat treatment at a high temperature in a heating furnace.

이러한 열처리 과정은 예를 들어, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 등이 하나 이상 포함된 혼합 가스 또는 진공 분위기 하의 100 내지 2000℃ 온도 범위 내에서 수행될 수 있다. 이러한 열처리 과정을 통하여, 탈할로겐화 처리된 고분자 섬유는 탄화(흑연화) 반응이 수반되며 탄화될 수 있다.The heat treatment may be performed in a mixed gas containing, for example, at least one of nitrogen, argon, helium, hydrogen, etc., or a temperature range of 100 to 2000 占 폚 under a vacuum atmosphere. Through such a heat treatment process, the dehydrohalogenated polymer fibers can be carbonized accompanied by a carbonization (graphitization) reaction.

한편, 본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 얻어진 탄소나노튜브를 이용하여 비귀금속 촉매 및/또는 비금속 촉매를 제조할 수 있다.Meanwhile, in an exemplary embodiment of the present invention, a non-noble metal catalyst and / or a non-metal catalyst can be prepared using the obtained carbon nanotubes.

일 구현예에서, 비귀금속 촉매 제조 방법은, 제 1 화합물과 상기 얻어진 탄소나노튜브를 혼합하고(제 3 단계), 상기 혼합물을 열처리한다(제 4 단계). In one embodiment, the method for preparing a non-noble metal catalyst comprises mixing the first compound and the carbon nanotubes (step 3), and heat-treating the mixture (step 4).

구체적으로, 예컨대, 제 1 화합물 즉, 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물과 탄소 화합물을 용매에 혼합하여 교반하고, 상기 용액에 상기 얻어진 탄소나노튜브를 혼합하여 교반을 진행한다. 이어서 상기 제조된 혼합물을 조 후, 고온에서 열처리를 통해, 다공성 탄소나노튜브 및 다공성 3차원 기공 구조물(탄소체)에 담지된 비귀금속 촉매를 제조할 수 있다. 이에 따라 기공구조가 고르게 잘 발달되어 있는 다공성의 비귀금속 촉매를 제조할 수 있다. Specifically, for example, a first compound, that is, a heterocyclic compound containing a non-noble metal, and a carbon compound are mixed and stirred in a solvent, and the obtained carbon nanotube is mixed with the solution and stirred. Then, after the mixture is prepared, a non-noble metal catalyst supported on the porous carbon nanotube and the porous three-dimensional pore structure (carbon body) can be produced through heat treatment at a high temperature. As a result, a porous non-noble metal catalyst having well-developed pore structure can be produced.

비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물과 탄소 화합물을 용매에서 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 과정(제 3 단계)을 설명하면 비제한적인 예를 들어 다음과 같다.A process for preparing a mixed solution by mixing a heterocyclic compound containing a non-noble metal and a carbon compound in a solvent (third step) is described below as a non-limiting example.

먼저, 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물과 탄소 화합물을 용매에 혼합하고 예컨대 초음파 또는 자석교반기 등을 사용한 교반을 통해 두 화합물을 용매에서 1 내지 50시간 동안 충분히 혼합시킨다. First, a heterocyclic compound containing a noble metal and a carbon compound are mixed in a solvent, and the two compounds are sufficiently mixed in a solvent for 1 to 50 hours, for example, by stirring using an ultrasonic wave or a magnetic stirrer.

상기 혼합 용액에 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물을 첨가하는 이유는 이러한 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물이 전기화학적 산소환원반응의 촉매로 작용할 수 있기 때문이다. 또한,  열처리과정에서 상기 혼합물에 포함된  비귀금속 헤테로고리화합물이 서로 결합하여 금속 입자로 변화하면서, 이 금속 입자들이 3차원의 구조물(예컨대 줄기 또는 가지 형태를 가지거나 망상(network)의 구조물)을 형성하는 역할을 하며, 이러한 3차원의 구조물은 주위의 또 다른 구조물들과 연결되어 기공을 형성(주로 매크로 기공을 형성할 수 있다)함에 따라 기공이 잘 발달된 구조의 비귀금속 촉매를 형성할 수 있다. The reason why the heterocyclic compound containing a noble metal is added to the mixed solution is that the heterocyclic compound containing such a noble metal can act as a catalyst for the electrochemical oxygen reduction reaction. Also, in the heat treatment process, the non-noble metal heterocyclic compounds contained in the mixture are bonded to each other to change into metal particles, and these metal particles are converted into three-dimensional structures (for example, structures having a stem or branch shape or a network structure) The three-dimensional structure can form pores (mainly macropores) by being connected with other structures in the surrounding, and thus can form a noble metal catalyst having a well-developed pore structure have.

상기 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물은 구성 원자의 종류가 탄소 이외에 질소, 산소, 황, 규소, 붕소, 인 등을 포함할 수 있고, 고리와 고리가 서로 겹친 입체구조를 갖는 것부터, 벤젠이나 나프탈렌 등 공유이중결합 고리의 원자 결합을 이루고 있는 방향족 화합물을 포함할 수 있다.The heterocyclic compound containing the non-noble metal may contain nitrogen, oxygen, sulfur, silicon, boron, phosphorus, etc. in addition to carbon, and may have a three-dimensional structure in which rings and rings are overlapped with each other. Or an aromatic compound which forms an atomic bond of a covalent double bond ring.

상기 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물의 비제한적인 예시로서, Fe, Co, Cu, Ni, Zn, Mg 등의 전이금속을 포함하는 헤테로고리화합물을 사용할 수 있다.As the non-limiting examples of the heterocyclic compound including the above-mentioned noble metal, a heterocyclic compound including a transition metal such as Fe, Co, Cu, Ni, Zn, and Mg can be used.

보다 구체적으로, 비제한적인 예시에서, 비귀금속류의 전이금속을 포함하는 헤테로고리화합물은 프탈로시아닌 또는 나프탈로시아닌을 포함할 수 있다. 예컨대, 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물은 Iron(II) phthalocyanine, Iron(III) phthalocyanine chloride, Iron(III) phthalocyanine-4,4',4'',4'''-tetrasulfonic acid, compound with oxygen monosodium salt hydrate, Cobalt(II) phthalocyanine, Cobalt(II) 2,3-naphthalocyanine, Copper(II) phthalocyanine, Copper(II) 1,4,8,11,15,18,22,25-octabutoxy-29H,31H-phthalocyanine, Nickel(II) phthalocyanine, Zinc phthalocyanine,  Zinc 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro-29H,31H-phthalocyanine, Mg phthalocyanine, Mg tetracarboxyl phthalocyanine, Ge(IV) phthalocyanine, Silicon phthalocyanine dichloride, Tin(II) phthalocyanine,  Aluminum phthalocyanine hydroxide, Disodium phthalocyanine, Gallium(III)-phthalocyanine chloride, Indium(III) phthalocyanine chloride, Silver phthalocyanine 및 Vanadyl 2,3-naphthalocyanine 등과 같은 헤테로고리화합물을 단독 또는 하나 이상 사용할 수 있다.More specifically, in a non-limiting example, a heterocyclic compound comprising a transition metal of a non-noble metal may comprise a phthalocyanine or a naphthalocyanine. For example, the heterocyclic compounds containing non-noble metals are iron (II) phthalocyanine, iron (III) phthalocyanine chloride, iron (III) phthalocyanine-4,4 ' monosodium salt hydrate, Cobalt (II) phthalocyanine, Cobalt (II) 2,3-naphthalocyanine, Copper (II) phthalocyanine, Copper (II) 1,4,8,11,15,18,22,25-octabutoxy- 31H-phthalocyanine, Nickel (II) phthalocyanine, Zinc phthalocyanine, Zinc 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro- (III) phthalocyanine chloride, Silver (III) -phthalocyanine, Mg phthalocyanine, Mg tetracarboxylic phthalocyanine, Ge (IV) phthalocyanine, Silicon phthalocyanine dichloride, Tin (II) phthalocyanine, Aluminum phthalocyanine hydroxide, Disodium phthalocyanine, Gallium phthalocyanine, and Vanadyl 2,3-naphthalocyanine. These compounds may be used singly or in combination of two or more thereof.

한편, 탄소화합물을 상기의 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물과 함께 혼합하는데, 열처리과정에서 생성되는 비귀금속 입자가 탄소체를 중심으로 한 구조물(3차원 기공 형성 구조물)을 형성할 때, 상기 탄소 화합물이 이러한 구조물(3차원 기공 형성 구조물)을 형성하기 위한 탄소공급원이 될 수 있다. 나아가 해당 탄소화합물이 탄소 외의 비금속 물질을 더 포함하는 경우에는, 탄소 및 비금속 물질들의 공급원(carbon and non-metal materials source)이나 상기 기공형성 구조물 성장의 촉매로 작용할 수 있다. 이러한 방법에 의하면 예컨대 줄기 또는 가지 형태 또는 망상(network) 형태의 3차원 기공 형성 구조물을 외부의 탄소 및/또는 비금속 물질 소스의 주입 없이도 성장시킬 수 있다. On the other hand, the carbon compound is mixed with the heterocyclic compound including the above-mentioned noble metal. When the non-noble metal particles generated in the heat treatment form a structure (three-dimensional pore structure) around the carbon body, The compound can be a carbon source for forming such a structure (three-dimensional pore-forming structure). Further, when the carbon compound further includes a non-metallic material other than carbon, it can act as a source of carbon and non-metallic materials or as a catalyst for growth of the pore-forming structure. According to this method, for example, a three-dimensional pore-forming structure in the shape of a stem, a branch or a network can be grown without injecting an external carbon and / or nonmetallic material source.

상기 탄소 화합물은 탄소 공급원이라면 특별히 제한되지 않는다. 또한, 예컨대 탄소를 기본 골격으로 하는 것으로서, 수소뿐만 아니라, 산소, 질소, 황, 인, 붕소, 황, 할로겐 원소 등의 비금속 물질이 더 결합하여 만들어진 화합물일 수 있다. 결합은 1중, 2중 및 3중 결합 등으로 이루어질 수 있다. The carbon compound is not particularly limited as long as it is a carbon source. In addition, for example, carbon may be a compound having a basic skeleton and formed by combining not only hydrogen but also nonmetal materials such as oxygen, nitrogen, sulfur, phosphorus, boron, sulfur and halogen elements. The bond may be composed of a single bond, a double bond, a triple bond, or the like.

탄소화합물의 비제한적인 예시로서, 사이아나이드(Cyanide), 사이아네이트(Cyanates), 사이아노젠(Cyanogen)이나, 기타 유기질소화합물(Organonitrogen compounds) 등을 단독 또는 하나 이상 사용할 수 있다. As a non-limiting example of the carbon compound, cyanide, cyanates, cyanogen, or other organic nitrogen compounds may be used alone or in combination.

구체적으로, 탄소화합물은 N,N′-Dimethylethylenediamine, Cyanide, Lithium cyanide, Chloroacetonitrile, Cyanomethanesulfonyl chloride, Cyanamide, Diethylcyanamide, Fumaronitrile,  Acetylmalonontrile, cis-Mucononitrile, 2-Amino-1,1,3-propenetricarbonitrile, trans-3-Hexenedinitrile,    Cyanogen, Cyanogen bromide, Propiolamide, 2-Bromo-2-fluoroacetamide, 3-amino-propionitrile, 및 Diethyl phosphoramidate 로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.Specifically, the carbon compound is selected from the group consisting of N, N'-Dimethylethylenediamine, Cyanide, Lithium cyanide, Chloroacetonitrile, Cyanomethanesulfonyl chloride, Cyanamide, Diethylcyanamide, Fumaronitrile, Acetylmalononitrile, cis-Mucononitrile, 2-Amino-1,1,3-propenetricarbonitrile, And may be at least one selected from the group consisting of -Hexenedinitrile, Cyanogen, Cyanogen bromide, Propiolamide, 2-Bromo-2-fluoroacetamide, 3-amino-propionitrile and Diethyl phosphoramidate.

상기 3차원 기공 구조물은 상기의 혼합용액에 같이 혼합되는 탄소나노튜브의 표면에 형성되며, 탄소나노튜브가 가지는 방향성에 의하여 상기 3차원 기공 형성 구조물들이 성장되는 방향이 결정되면서, 3 차원 형태의 기공이 고르게 잘 발달된 구조를 가질 수 있다. The three-dimensional pore structure is formed on the surface of the carbon nanotubes to be mixed in the mixed solution. The direction in which the three-dimensional pore structure is grown is determined by the directionality of the carbon nanotubes, Can have a well-developed structure.

상기 3차원 기공 형성 구조물은 주로 탄소로 이루어지는 탄소체로서, 합성된 비귀금속 입자를 포함하며, 또한 비금속을 더 포함할 수 있다. 즉, 에컨대 탄소화합물(탄소화합물이 탄소 외의 비금속을 더 포함하는 경우) 또는 헤테로고리화합물로부터 유래되는 산소(O), 질소(N), 붕소(B), 황(S), 인(P), 불소(F), 아이오다인(I), 및 염소(Cl) 등의 원소들이 포르핀 형태 또는 화합물의 형태로 존재할 수 있다. The three-dimensional pore-forming structure is mainly composed of carbon, and includes synthesized noble metal particles, and may further include a base metal. (O), nitrogen (N), boron (B), sulfur (S), phosphorus (P) or the like derived from a heterocyclic compound or a carbon compound (when the carbon compound further contains a non- , Fluorine (F), iodine (I), and chlorine (Cl) may exist in the form of a porphine or a compound.

이러한 3차원 기공 형성 구조물은 촉매 활성을 지니게 된다. These three-dimensional pore-forming structures have catalytic activity.

비제한적 예시에서, 합성된 비귀금속류 금속 입자의 크기는 1nm 내지 100nm 일 수 있다. 참고로, 본 발명의 구현예들에서와 같이 탄소나노튜브를 사용하지 않는 경우에는 헤테로고리화합물의 분산이 잘 안된 상태에서 열처리가 되므로 금속 입자의 크기가 100nm 이상이 될 수 있고, 촉매의 활성이 낮아질 수 있다.In a non-limiting example, the size of the synthesized non-precious metal particles may be between 1 nm and 100 nm. For reference, in the case where carbon nanotubes are not used as in the embodiments of the present invention, the size of the metal particles may be 100 nm or more since heat treatment is performed in a state in which the heterocyclic compound is not easily dispersed, Can be lowered.

다음으로, 상기의 제조된 혼합용액을 건조 후 고온에서 열처리하여 다공성의 비귀금속 촉매를 제조한다(제 4 단계).Next, the prepared mixed solution is dried and then heat-treated at a high temperature to prepare a porous noble metal catalyst (Step 4).

이러한 열처리 과정은 예를 들어, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 등이 하나 이상 포함된 혼합 가스 또는 진공 분위기 하의 100 내지 2000℃ 온도 범위에서 수행될 수 있다. 이러한 열처리 과정을 통하여 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물과 탄소화합물이 탄소나노튜브의 표면 또는 그 주위에서 서로 결합이 되고 탄화되면서, 새로운 구조 즉, 탄소나노튜브 표면 상에 3차원 기공 형성 구조물을 가지는 비귀금속 촉매를 형성한다. 비제한적인 예시에서, 앞서 살펴본 바와 같이, 3차원 기공 형성 구조물에는 비귀금속들이 탄소 및 비금속들과 함께 고르게 분포하여 존재할 수 있다. The heat treatment may be performed at a temperature ranging from 100 to 2000 ° C under a vacuum or a mixed gas containing, for example, nitrogen, argon, helium, hydrogen, or the like. Through such a heat treatment process, the heterocyclic compound including the noble metal and the carbon compound are bonded to each other at the surface of or around the carbon nanotube and carbonized, and a new structure, that is, a carbon nanotube having a three- To form a noble metal catalyst. In a non-limiting example, as noted above, in the three-dimensional pore-forming structure, non-precious metals may be present evenly distributed with carbon and nonmetals.

상기 온도가 100℃ 미만인 경우 상기의 반응이 일어나지 않을 수 있고, 온도가 2000℃를 초과하는 경우 탄소나 질소 등의 비금속 물질의 대부분이 연소되어 사라져 버릴 수 있다. 상기 온도 범위 내에서의 구체적인 열처리 온도는 형성되는 기공의 형태와 촉매의 활성도를 고려하여 조절할 수 있다. 일반적으로 열처리 온도가 너무 낮으면 기공구조가 형성되지 않고, 너무 높으면 형성된 기공구조가 분해되고 촉매 활성도가 감소하기 때문에 적절한 온도를 설정해주는 것이 중요하다. 이러한 측면에서 바람직한 온도 범위는 600~1000℃이다. If the temperature is less than 100 ° C, the above reaction may not occur. If the temperature exceeds 2000 ° C, most of non-metallic substances such as carbon and nitrogen may be burned and disappear. The specific heat treatment temperature within the above-mentioned temperature range can be controlled in consideration of the type of pores to be formed and the activity of the catalyst. Generally, if the heat treatment temperature is too low, the pore structure will not be formed, whereas if it is too high, the formed pore structure will be decomposed and the catalyst activity will decrease. In this respect, a preferable temperature range is 600 to 1000 占 폚.

한편, 본 발명의 다른 예시적인 구현예에서, 비금속 촉매 제조 방법은, 제 2 화합물과 상기 얻어진 탄소나노튜브를 혼합하고(제 3 단계), 상기 혼합물을 열처리한다(제 4 단계).Meanwhile, in another exemplary embodiment of the present invention, the method for producing a non-metal catalyst comprises mixing the second compound and the carbon nanotubes (step 3), and heat-treating the mixture (step 4).

구체적으로, 예컨대, 제 2 화합물 즉, 탄소 외의 비금속 촉매 활성 물질이 포함된 탄소 화합물과 상기 얻어진 탄소나노튜브를 용매에 혼합하여 교반하고(제 3 단계), 상기 제조된 혼합물을 건조 후 고온에서 열처리를 통해 다공성의 비금속 촉매를 제조할 수 있다(제 4 단계). 이에 따라 탄소 외의 비금속 물질이 다공성 탄소나노튜브 표면에 덮여 있는 형태의 구조를 갖는 비금속 촉매(즉, 탄소 담지 비금속 촉매)가 제조될 수 있다.Specifically, for example, a carbon compound containing a second compound, i.e., a non-metal catalytic active substance other than carbon, and the carbon nanotube obtained above are mixed and stirred in a solvent (third step), and the resulting mixture is dried, A porous non-metal catalyst can be prepared (Step 4). Accordingly, a non-metal catalyst (i.e., a carbon-supported nonmetal catalyst) having a structure in which a non-metallic material other than carbon is covered on the surface of the porous carbon nanotube can be produced.

비제한적인 예시에서, 상기 비금속 물질은 탄소 외의 물질로서 예컨대 질소(N), 붕소(B), 황(S), 인(P), 불소(F), 아이오다인(I), 염소(Cl) 중에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.In a non-limiting example, the non-metallic material comprises at least one of nitrogen (N), boron (B), sulfur (S), phosphorus (P), fluorine (F), iodine ). ≪ / RTI >

상기 열처리 과정은 예를 들어, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 등이 하나 이상 포함된 혼합가스 또는 진공 분위기 하의 100 내지 2000℃ 온도에서 수행될 수 있다. The heat treatment may be performed at a temperature of 100 to 2000 ° C under a mixed gas or a mixed gas containing, for example, nitrogen, argon, helium, hydrogen, or the like.

또한, 상기 열처리 과정은 탄소 또는 질소가 포함된 수소화합물 예를 들어, 메탄 (CH4), 에탄(C2H6), 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8), 프로필렌(C3H6), 부탄(C4H10), 헥산(C5H10), 헵탄(C6H14), 암모니아(NH3) 등의 기체 또는 증기가 하나 이상 포함된 혼합가스를 추가로 반응기(탄화 반응기) 내로 흘려 보내면서 수행할 수 있다. 이러한 가스들은 탄소 소스 또는 질소(탄소 외의 비금속 물질) 소스가 되는 것이다. 물론 본 발명의 구현예들의 경우에는 해당 가스들의 주입이 없더라도 무방하지만, 해당 가스들을 추가로 주입하는 것도 가능하다는 것이다. In addition, the heat treatment process may be carried out by using hydrogen containing compounds such as carbon or nitrogen, for example, methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), acetylene (C 2 H 2 ), propane (C 3 H 8 ) a C 3 H 6), butane (C 4 H 10), hexane (C 5 H 10), heptane (C 6 H 14), ammonia (NH 3) adding a gas or a mixture gas containing steam is at least one, such as (Carbonization reactor). ≪ / RTI > These gases are either carbon sources or nitrogen (non-metallic materials other than carbon) sources. Of course, in the case of the embodiments of the present invention, there is no need to inject the corresponding gases, but it is also possible to inject additional gases.

예시적인 구현예에서, 비금속 촉매 제조 시 열처리는 두 단계로 나누어서 진행되며, 첫 번째 단계는 100-600℃ 범위에서, 두 번째 단계는 600-2000℃ 범위에서 진행되는 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the heat treatment during the production of the non-metal catalyst is divided into two stages. The first stage is preferably carried out at 100-600 ° C, and the second stage is preferably carried out at 600-2000 ° C.

두 단계에 걸쳐 열처리를 하는 이유는, 1차적으로 용매를 제거하고 또한, 탄소 화합물들 간의 결합을 형성시키기 위함이다. 탄소 화합물들 간의 이러한 결합은 느린 속도로 오랜 시간 동안 진행된다. 이러한 단계를 거치지 않고 바로 높은 온도에서 열처리를 하는 경우에는 탄소 화합물들 간의 결합이 충분히 이루어지지 않은 상태이기 때문에, 탄소 화합물들이 고온에서 증발하거나 분해되어 기체 상태로 반응기 외부로 배출될 수 있다.The reason for performing the heat treatment in two steps is to primarily remove the solvent and also to form a bond between the carbon compounds. This bond between the carbon compounds proceeds at a slow rate for a long time. When the heat treatment is performed at a high temperature immediately without such a step, the carbon compounds are evaporated or decomposed at a high temperature and may be discharged to the outside of the reactor in a gaseous state because the bonding between the carbon compounds is not sufficiently performed.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 탄소나노튜브의 표면에서 형성되는 이러한 탄소 화합물들의 결합이 촉매의 활성점으로 작용하기 때문에, 열처리 과정을 두 단계로 나누어서 진행하는 것이 비금속 촉매를 제조하는데 유리하다. In the exemplary embodiments of the present invention, since the bonding of the carbon compounds formed on the surface of the carbon nanotube serves as an active point of the catalyst, it is advantageous to prepare the non-metal catalyst by dividing the heat treatment step into two stages .

한편, 본 발명의 다른 예시적인 구현예에서, 상기 비금속 촉매 제조 시 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물을 함께 혼합할 수 있다[이 경우 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물, 탄소 화합물(탄소 외의 비금속 물질이 포함된 탄소화합물)을 탄소나노튜브와 혼합하는 과정과 같게 된다]. 이 경우에는 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물이 있으므로 열처리를 두 단계로 하지 않고 한 단계로 진행할 수 있다.
Meanwhile, in another exemplary embodiment of the present invention, the heterocyclic compound including a noble metal may be mixed together in the production of the non-metal catalyst. [In this case, the heterocyclic compound including a noble metal, the carbon compound (non- Is mixed with the carbon nanotubes]. In this case, since there is a heterocyclic compound including a noble metal, heat treatment can be performed in one step without performing two steps.

이하, 비제한적이고 예시적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of non-limiting and illustrative examples.

[실시예 1][Example 1]

제 1 단계Step 1

할로겐화 고분자인 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidene fluoride) 1.5g을 아세톤(acetone) 7.5g 및 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide) 2.5g과 혼합한 후, 약 5분 동안 교반하였다.1.5 g of polyvinylidene fluoride as a halogenated polymer was mixed with 7.5 g of acetone and 2.5 g of dimethylacetamide, followed by stirring for about 5 minutes.

이후 균일하게 탈할로겐화 반응을 진행하기 위하여 1,8-diazabicyclo[5,4,0]undec-7ene(DBU) 2.5㎕를 주입한 후 약 70℃ 에서 30분간 교반하였다.Then, 2.5 μl of 1,8-diazabicyclo [5,4,0] undec-7-ene (DBU) was added to the reaction mixture and stirred at about 70 ° C. for 30 minutes.

이와 같이 제조된 고분자 용액을 다시 40℃에서 2시간 또는 8시간 동안 교반 하였다. 교반시간을 서로 다르게 한 이유는 서로 다른 직경과 내부 형태를 가지는 탄소나노튜브를 제조하기 위함이다. The polymer solution thus prepared was stirred again at 40 DEG C for 2 hours or 8 hours. The reason why the agitation time is different is that carbon nanotubes having different diameters and internal shapes are manufactured.

이와 같이 제조한 고분자 용액을 전기방사법을 이용하여 고분자 섬유로 제조하였다. 8시간 교반한 고분자용액으로 제조한 고분자 섬유는 직경이 작고 균일하며, 2시간동안 교반한 고분자용액으로 제조한 고분자 섬유는 직경이 크고 불균일하였다.The polymer solution thus prepared was made into polymer fibers by electrospinning. The polymer fibers prepared from the polymer solution with stirring for 8 hours were small in diameter and uniform, and the polymer fibers prepared from the polymer solution stirred for 2 hours had large diameters and nonuniformities.

전기방사조건으로서, 고분자 용액의 토출 속도는 약 30㎕/min로 하였으며, 용액 방사용 주사기 바늘과 분사된 고분자 섬유가 떨어지는 바닥면 사이의 전위차는 약 18kV 내지 20kV로 하였다.
As the electrospinning condition, the discharge rate of the polymer solution was set to about 30 μl / min, and the potential difference between the needle of the solution inserting needle and the bottom surface where the injected polymer fibers fell was about 18 kV to 20 kV.

제 2 단계Step 2

상기 제 1 단계에서 제조된 고분자 섬유의 탈할로겐화 처리를 수행하였다.The dehydrohalogenation treatment of the polymer fibers prepared in the first step was performed.

탈할로겐화 처리는 강알칼리 수용액을 이용하였다. 구체적인 탈할로겐화 처리 조건은 다음과 같이 하였다.A strong alkaline aqueous solution was used for the dehalogenation treatment. The specific dehalogenation treatment conditions were as follows.

즉, 418g 증류수에 수산화나튜륨 80g을 넣고 상전이 촉매인 TBAB(tetra-n-butylammonium bromide) 2g을 넣은 후 약 20분 동안 교반하였다. 이때, 용액의 온도는 70℃로 가열하였고, 용액의 온도가 70℃가 된 후 전기 방사된 고분자 섬유를 넣고 10분 동안 교반하였다.Namely, 80 g of natrium hydroxide was added to 418 g of distilled water and 2 g of tetra-n-butylammonium bromide (TBAB) as a phase transfer catalyst was added thereto, followed by stirring for about 20 minutes. At this time, the temperature of the solution was heated to 70 占 폚, the temperature of the solution became 70 占 폚, and the electrospun polymer fibers were added and stirred for 10 minutes.

이후, 가열로를 사용하여 질소분위기에서 열처리를 수행하였다. 가열로의 승온 속도는 10℃/min으로 하였으며, 상온에서부터 800℃까지 가열한 후 해당 온도에서 1시간 동안 유지하였다.Thereafter, heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere using a heating furnace. The heating rate of the heating furnace was 10 ° C / min. After heating from room temperature to 800 ° C, it was maintained at the temperature for 1 hour.

도 2a, 2b, 및 2c는 본 발명의 실시예에서 제조된 탄소나노튜브의 주사 전자 현미경 이미지이다. 도 2a, 2b 및 2c를 참조하면 고분자 용액을 40℃에서 8시간 교반하여 제조한 탄소나노튜브는 직경이 작고(300nm 미만), 균일하며 튜브 내부에 거미줄 모양의 탄소 구조체가 존재한다. 도 2d는 이렇게 제조된 탄소나노튜브의 투과전자현미경 이미지를 나타낸다. 탄소나노튜브 내에 탄소 구조물들이 거미줄처럼 얽힌 형태로 존재하는 것을 관찰할 수 있다. FIGS. 2A, 2B, and 2C are SEM images of the carbon nanotubes produced in an embodiment of the present invention. FIG. Referring to FIGS. 2A, 2B, and 2C, the carbon nanotubes prepared by stirring the polymer solution at 40 ° C for 8 hours have a small diameter (less than 300 nm), uniformity, and a carbon-like carbon structure inside the tube. FIG. 2 (d) shows a transmission electron microscope image of the carbon nanotube thus prepared. It can be observed that the carbon structures in the carbon nanotubes exist in the form of a spider web.

도 3a와 3b는 고분자 용액을 40℃에서 2시간 동안 교반 후 제조한 탄소나노튜브의 주사 전자 현미경 이미지이다. 이러한 탄소나노튜브는 직경이 크고, 불균일하며 내부에 탄소 구조체가 없다. 2시간 교반 후 전기방사법으로 제조된 고분자 섬유는 8시간 교반으로 제조된 고분자 섬유에 비해, 직경이 크고 불균일하다. 고분자 섬유의 탈할로겐화는 표면에서 빠르게 진행되고, 섬유 내부로 갈수록 점점 느려진다. 3A and 3B are SEM images of carbon nanotubes prepared by stirring the polymer solution at 40 DEG C for 2 hours. These carbon nanotubes are large in diameter, non-uniform, and have no carbon structure inside. The polymer fibers prepared by electrospinning after stirring for 2 hours are larger in diameter than the polymer fibers produced by stirring for 8 hours and are uneven. Dehalogenation of polymer fibers progresses rapidly on the surface, and gradually becomes slower toward the inside of the fibers.

더 상술하면, 고분자 섬유의 직경이 두꺼울수록 탈할로겐화는 주로 섬유의 표면에서 일어나고, 섬유의 내부는 탈할로겐화가 이루어지지 않는다. 이 섬유 내부의 할로겐 고분자는 고온의 열처리 과정을 거치면서, 탄화되지 않고 분해 또는 기화되어 반응기 외부로 배출되므로서 섬유의 내부에 공동(hollow)을 형성하게 된다. 한편, 탈할로겐화된 부분의 고분자 섬유는 탄화됨으로써, 내부에 공동이 형성된 탄소섬유 (carbon hollow fiber) 즉, 탄소나노튜브를 만들게 된다. More specifically, as the diameter of the polymer fiber becomes larger, dehalogenation occurs mainly on the surface of the fiber, and the inside of the fiber is not dehalogenated. The halogen polymer in the fiber is decomposed or vaporized without being carbonized while being subjected to a heat treatment at a high temperature, and is discharged to the outside of the reactor, thereby forming a hollow in the fiber. On the other hand, the polymer fibers of the dehalogenated portion are carbonized to form carbon hollow fibers, that is, carbon nanotubes having cavities therein.

8시간의 교반 후 전기방사법으로 제조된 고분자 섬유는 직경이 작고 균일하다. 고분자 섬유의 직경이 작으면, 섬유의 표면뿐만 아니라 내부까지도 탈할로겐화가 부분적으로 진행된다. 고분자 섬유 내부에서 부분적으로 탈할로겐화된 고분자는 열처리의 고온 과정을 거치면서 탄소나노튜브를 형성함과 동시에 상기 탄소나노튜브의 내부에 거미줄 형태의 탄소 구조물을 추가적으로 형성할 수 있다. Polymer fibers prepared by electrospinning after stirring for 8 hours are small in diameter and uniform. If the diameter of the polymer fiber is small, dehalogenation progresses partly as well as on the surface of the fiber. The partially de-halogenated polymer inside the polymer fiber may form carbon nanotubes through the high-temperature process of heat treatment and may additionally form a carbon fiber structure in the carbon nanotubes.

이러한 방법으로 제조된 탄소나노튜브는 1358m2/g의 넓은 비표면적을 가지면서도, 미세(2nm 미만) 및/또는 메조 세공(2nm에서 50nm 사이)이 고루 발달된 특징을 가지고 있다. 또한, 50nm 이상의 매크로 기공도 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브를 이용하면 높은 촉매 활성을 갖는 비귀금속 및/또는 비금속 전기화학반응용 촉매를 제조할 수 있다.
Carbon nanotubes produced by this method have characteristics that the fine (less than 2 nm) and / or mesopores (between 2 nm and 50 nm) are well developed, while having a wide specific surface area of 1358 m 2 / g. Macro pores of 50 nm or more can also be included. When the carbon nanotubes are used, a catalyst for non-noble metal and / or non-metal electrochemical reaction having high catalytic activity can be produced.

제 3 단계Step 3

사이아나마이드(cyanamide) 0.8g과 철 프탈로사이아닌(Iron(II) phthalocyanine) 0.2g을 에탄올 용액에 넣고 혼합한 후, 약 1시간 동안 교반하였다. 0.8 g of cyanamide and 0.2 g of iron phthalocyanine (Iron (II) phthalocyanine) were mixed in an ethanol solution, and the mixture was stirred for about 1 hour.

곱게 갈아서 만든 가루 형태의 상기 탄소나노튜브(2시간 교반한 것 및 8시간 교반한 것 모두 사용 가능) 0.2g을 상기 철 프탈로사이아닌 혼합물에 넣고 60℃에서 12시간 이상 교반하였다.
0.2 g of the finely ground powdered carbon nanotubes (both of which was stirred for 2 hours and stirred for 8 hours) were added to the iron phthalocyanine mixture and stirred at 60 ° C for 12 hours or more.

제 4 단계Step 4

상기 제 3 단계에서 제조된 혼합물을 50℃의 오븐에서 24시간 이상 건조 후, 가열로에 넣고 질소분위기에서 탄화하였다.The mixture prepared in the third step was dried in an oven at 50 DEG C for 24 hours or more, put into a heating furnace, and carbonized in a nitrogen atmosphere.

가열로의 승온 속도는 20℃/min으로, 상온으로부터 800℃까지 가열한 후 해당 온도에서 1시간 동안 유지시켰다.
The heating rate of the furnace was heated from room temperature to 800 ° C at a rate of 20 ° C / min, and then maintained at that temperature for 1 hour.

도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 비귀금속/비금속 전기화학반응용 촉매의 주사 전자 현미경 이미지이다. 도 4a 및 4b는 철 프탈로사이아닌 혼합물에 탄소나노튜브를 넣지 않고 탄화시켜 제조한 비귀금속 촉매이다(비교예: 탄소나노튜브를 넣지 않은 것을 제외하고는 나머지 과정은 동일). 반면, 도 4c 및 d는 철 프탈로사이아닌 혼합물에 탄소나노튜브를 넣고 탄화하였다(실시예). 4 is a scanning electron microscope image of a catalyst for noble metal / nonmetal electrochemical reaction produced in Examples and Comparative Examples of the present invention. 4A and 4B are non-noble metal catalysts prepared by carbonizing carbon phthalocyanine mixtures without carbon nanotubes (Comparative Example: the rest of the procedure is the same except that carbon nanotubes are not added). 4c and 4d, carbon nanotubes were placed in an iron phthalocyanine mixture and carbonized (Example).

도 4를 참조하면, 탄소나노튜브와 철-프탈로사이아닌 혼합물을 혼합하여 제조한 비귀금속 촉매(도 4c, 4d)에서는, 거미줄처럼 얽혀있는(web 형상) 3차원 구조물과 크기가 크고(50nm 내지 크게는 1mm) 고르게 형성된 기공들을 관찰할 수 있다. 이러한 구조는 전기화학반응의 반응물과 생성물의 물질 전달을 원활하게 하여, 전기화학반응의 성능을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기의 구조물은 탄소나노튜브의 넓은 면적에 고르게 분포하고 있다. 따라서, 상기의 촉매는 비교적 넓은 비표면적(463m2/g)을 가진다. 반면 탄소나노튜브를 첨가하지 않고 제조한 촉매(도 4a, 4b)는 3차원 구조물 및 기공들을 관찰하기 어렵다. 또한, 탄소나노튜브를 넣지 않고 탄화에 의해 제조된 촉매의 비표면적은 약 208m2/g로 비교적 작은 값을 갖는다. Referring to FIG. 4, in a non-noble metal catalyst (FIGS. 4c and 4d) prepared by mixing a carbon nanotube and an iron-phthalocyanine mixture, a three-dimensional structure web- To 1 mm) can be observed. This structure facilitates the mass transfer of the reactants and products of the electrochemical reaction, thereby increasing the performance of the electrochemical reaction. In addition, the above structure is evenly distributed over a large area of the carbon nanotubes. Therefore, the above catalyst has a relatively large specific surface area (463 m 2 / g). On the other hand, it is difficult to observe the three-dimensional structures and pores of the catalysts prepared without adding carbon nanotubes (FIGS. 4A and 4B). The specific surface area of the catalyst prepared by carbonization without carbon nanotubes is about 208 m 2 / g, which is relatively small.

참고로, 전술한 바와 같이, 상기의 3차원 구조물은 예컨대 600℃ 이상에서 사이아나마이드와 철-프탈로사이아닌이 서로 결합하면서 생성된다고 할 수 있다. For reference, as described above, the above-described three-dimensional structure can be said to be produced by bonding cyanamide and iron-phthalocyanine to each other at a temperature of 600 ° C or higher, for example.

도 5는 본 발명의 실시예에서 탄소나노튜브를 혼합하여 제조한 비귀금속 촉매의 투과전자현미경의 이미지를 나타내는 것이다. 5 is an image of a transmission electron microscope of a noble metal catalyst prepared by mixing carbon nanotubes in an embodiment of the present invention.

도 5a를 참조하면, 탄소나노튜브 주위에 3차원 구조물들이 형성되어 있는 것을 관찰할 수 있다. 구조물은 크게 가지 형태와 시트 형태로 구분할 수 있다. Referring to FIG. 5A, it can be seen that three-dimensional structures are formed around the carbon nanotubes. The structure can be broadly classified into a branch form and a sheet form.

도 5b는 투과전자현미경으로 관찰한 가지 형태의 구조물 이미지를 나타내는 것이다. 이 가지 구조물에는 철 입자가 존재한다. 철 입자는 철-프탈로사이아닌이 결합하면서 형성된다. 이때 철 입자 주위에는 사이아나마이드가 존재한다. 이 사이아나마이드가 3차원 구조물을 형성하는 탄소 및 질소 공급원(carbon and nitrogen source)으로 작용한다. 따라서, 철 입자 주위로 3차원 구조물(주로 탄소로 이루어진 탄소 구조물이다)이 성장하게 되는데, 이때 구조물의 성장 방향은 탄소나노튜브에 의해 영향을 받는다. 탄소나노튜브의 방향성에 따라서, 해당 구조물이 성장하는 방향이 결정된다. 이러한 구조물들은 예컨대 600℃ 이상에서 탄소나노튜브의 표면 또는 내부로부터 결합이 이루어지면서, 탄소나노튜브의 구조적 방향성에 의해 3차원의 형태로 성장하는 것이다.FIG. 5B shows an image of a structure of a type observed by a transmission electron microscope. Iron particles are present in this structure. Iron particles are formed while iron-phthalocyanine bonds. Cyanamide is present around the iron particles. This cyanamide acts as a carbon and nitrogen source to form a three-dimensional structure. Therefore, a three-dimensional structure (mainly a carbon structure made of carbon) grows around the iron particles, wherein the growth direction of the structure is affected by the carbon nanotubes. Depending on the orientation of the carbon nanotubes, the direction in which the structure grows is determined. These structures are grown in a three-dimensional form due to the structural orientation of the carbon nanotubes, for example, when the carbon nanotubes are bonded from the surface or inside of the carbon nanotubes at a temperature of 600 ° C or higher.

도 5c는 투과전자현미경으로 관찰한 탄소나노튜브 주위의 시트 구조물을 나타내는 것이다. 도 5c는 탄소들의 결합으로 형성된 격자구조들을 나타내는 것이다. 상기의 3차원 구조물들은 탄소와 철, 질소 및 산소원자들로 구성되어 있다.5C shows a sheet structure around carbon nanotubes observed with a transmission electron microscope. Figure 5c shows lattice structures formed by bonding of carbons. These three-dimensional structures are composed of carbon, iron, nitrogen and oxygen atoms.

도 6은 본 발명의 실시예에서 주사형 투과전자현미경(scanning transmission electron microscope, STEM)에서 형광 X선 분석 장치(energy dispersive X-ray analysis, EDX)를 통해 3차원 구조물의 원소를 분석한 결과이다. 도 6a는 시트 형태의 3차원 구조물을 주사형 투과전자현미경으로 관찰한 것이다. 도 6b는 도 6a에서 주황색 사각형 영역을 고각도 산란 암시야 주사투과전자현미경법(high angle annular dark field, HAADF)으로 약 1Å까지 전자선을 세분화시켜 원자구조를 상세하게 관찰한 것이다. 관찰 결과, 구조물이 시트형태로 여러 겹씩 겹쳐있음을 관찰할 수 있다. 도 6c 및 d, e는 도 6b에서 형광 X선 분석 장치로 관측한 탄소, 질소, 철 원소의 분포를 보여준다. 도 6f는 도 6b에서 측정된 탄소, 질소, 철 원소들을 겹쳐서 보여준다. FIG. 6 is a result of analysis of elements of a three-dimensional structure through an energy dispersive X-ray analysis (EDX) in a scanning transmission electron microscope (STEM) according to an embodiment of the present invention . 6A is a view of a three-dimensional structure in the form of a sheet with a scanning transmission electron microscope. FIG. 6B is a detailed view of the atomic structure of the orange square region in FIG. 6A by refining the electron beam to about 1 angstrom with a high angle annular dark field (HAADF). As a result of observation, it can be observed that the structure overlaps several layers in a sheet form. 6C and 6D show the distribution of carbon, nitrogen, and iron elements observed with a fluorescent X-ray analyzer in FIG. 6B. FIG. 6F shows the carbon, nitrogen, and iron elements stacked in FIG. 6B.

탄소나노튜브 주위에 형성된 상기의 3차원 구조물들은 질소와 산소가 탄소 구조물과의 결합으로 생성된 질소-산소-탄소 물질, 또는 철-질소-탄소로 이루어진 철-포르피린 형태의 물질들로 존재할 수 있다. 철-포르피린은 철 원자가 질소와 고리구조 형태로 결합된 구조를 가진다. 이러한 결합 구조는 철 원자가 제 1철 이온(Fe2 +)으로 존재할 수 있게 해준다. 제 1철 이온의 자리는 물과 쉽게 결합할 수 있는 장소로 작용한다. 물과 제 1철 이온 자리의 결합 에너지는 상대적으로 낮은 값(0.10 eV)을 가진다. 이후, 제 1철 이온자리에 결합된 물은 쉽게 산소로 교체될 수 있으며, 이러한 과정은 철-포르피린 구조가 산소 환원 반응에 기여하는 원리로 작용한다.The three-dimensional structures formed around the carbon nanotubes may be in the form of iron-porphyrin-like materials composed of nitrogen-oxygen-carbon material, or iron-nitrogen-carbon, produced by bonding nitrogen and oxygen with carbon structures . Iron-porphyrin has a structure in which an iron atom is bonded to nitrogen in the form of a ring structure. This bonding structure allows the iron atom to be present as a ferrous ion (Fe 2 + ). The site of the ferrous ion acts as a place where it can easily bind to water. The binding energy of water and ferrous ion sites has a relatively low value (0.10 eV). Then, the water bound to the primary iron ion site can be easily replaced with oxygen, and this process serves as a principle in which the iron-porphyrin structure contributes to the oxygen reduction reaction.

도 7은 본 발명의 실시예에서 주사형 전자현미경으로 비귀금속 촉매의 탄소나노튜브 표면을 관찰한 이미지(도 7a)와 형광 X선 분석 장치로 도 7a의 사선(주황색 선) 영역에 존재하는 원소를 분석한 라인 프로파일 결과이다(도 7b 및 7c). 탄소나노튜브의 표면에 철 입자(명암이 밝은 영역)들이 존재하는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 철 입자들은 탄소나노튜브의 표면으로부터 가지 형태의 3차원 구조물을 형성하는 역할을 한다. 주황색 선 영역에서 관찰된 원소들 중에는 탄소와 질소 및 철이 관찰된 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 철-질소-탄소로 이루어진 물질들이 탄소나노튜브의 표면에 고르게 분포하고 있음을 확인할 수 있다.FIG. 7 is a graph showing an image (FIG. 7A) of a surface of a carbon nano tube of a noble metal catalyst by a scanning electron microscope in an embodiment of the present invention and an image (FIG. (Fig. 7B and 7C). It can be observed that iron particles (bright areas) exist on the surface of the carbon nanotubes. These iron particles play a role in forming a three-dimensional structure of a branch from the surface of carbon nanotubes. Among the elements observed in the orange line region, carbon, nitrogen and iron were observed. As a result, it can be seen that materials composed of iron-nitrogen-carbon are uniformly distributed on the surface of the carbon nanotubes.

도 7b 및 7c는 라인 프로파일 결과로서, 7c는 7b를 보다 확대하여 나타내는 것으로서, 도 7a의 사선(주황색 선; 탄소나노튜브 표면)에 분포하고 있는 원소들의 존재 정도를 보여준다. 탄소가 가장 많이 존재하고 질소와 철도 존재함을 알 수 있으며, 탄소나노튜브의 표면에 질소 및 철 입자가 고르게 분포하고 있다는 것을 알 수 있다. 특히 철 입자들은 밝은 색 부분(큰 철입자) 뿐만 아니라 아주 작은 크기의 입자들도 탄소 및 질소와 함께 고르게 분포하고 있다.Figs. 7B and 7C are line profile results, and 7C is an enlarged view of 7b, showing the presence of elements distributed on the oblique line (orange line; carbon nanotube surface) of Fig. 7A. It can be seen that most of the carbon is present and nitrogen and iron are present, and nitrogen and iron particles are evenly distributed on the surface of the carbon nanotubes. Particularly, iron particles are distributed evenly with carbon and nitrogen as well as light colored portions (large iron particles) as well as particles of very small size.

도 8은 본 발명의 실시예에서 X선 회절 분석법(X-ray diffraction, XRD)을 통해 탄소나노튜브(CNT)와 비귀금속 촉매(Fe-N-CNT)의 결정구조를 분석한 결과를 보여준다. 탄소나노튜브는 비정질의 구조를 가지는 반면, 비귀금속 촉매는 결정성의 구조를 가진다. 비귀금속 촉매의 분석 결과에서 결정성의 탄소와 철이 있는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 고온의 열처리 과정에서 사이아나마이드와 철-프탈로사이아닌이 결합하면서, 탄소나노튜브 주위로 결정성의 촉매 물질을 형성하는 것을 확인할 수 있다.8 shows the results of analyzing the crystal structure of carbon nanotube (CNT) and non-noble metal catalyst (Fe-N-CNT) by X-ray diffraction (XRD) in the embodiment of the present invention. Carbon nanotubes have an amorphous structure, while non-noble metal catalysts have a crystalline structure. As a result of the analysis of the noble metal catalyst, it can be confirmed that there is crystalline carbon and iron, and through this, cyanamide and iron-phthalocyanine are bonded in a high-temperature heat treatment process to form a crystalline catalyst material around the carbon nanotubes .

도 9는 본 발명의 실시예에서 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)으로 비귀금속 촉매 표면의 원소를 분석한 결과이다. 도 9a는 탄소의 결합 형태에 따른 스펙트럼을 나타낸 것이다. 탄소의 대부분이 탄소끼리 결합된 형태로 존재하지만, 탄소가 산소 또는 질소와 결합한 형태로도 존재하고 있음을 확인할 수 있다. 도 9b는 질소의 결합 형태에 따른 스펙트럼을 나타낸 것이다. 피리디닉(pyridinic)과 피롤릭(pyrolic) 형태의 질소가 주로 존재하며, 이때 질소의 원자 농도(atomic percentage)는 7.7%이다. 도 9c는 철의 결합 형태에 따른 스펙트럼을 나타낸다. 철이 제 1철 이온(Fe2 +)과 2철 이온(Fe3 +)의 형태로 존재하는 것을 확인할 수 있다.FIG. 9 is a graph showing the results of analysis of elements on the surface of a noble metal catalyst by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) in the embodiment of the present invention. FIG. 9A shows a spectrum according to the bonding form of carbon. FIG. Most of the carbon exists in the form of bonded carbon bonds, but it can be confirmed that carbon exists in the form of bonding with oxygen or nitrogen. FIG. 9B shows a spectrum according to the bonding form of nitrogen. There are predominantly pyridinic and pyrolic forms of nitrogen, with an atomic percentage of 7.7%. FIG. 9C shows a spectrum according to the bonding form of iron. It can be confirmed that iron exists in the form of ferrous ion (Fe 2 + ) and ferric ion (Fe 3 + ).

도 10은 본 발명의 실시예에서 제조된 비귀금속 촉매(Fe-N-CNT)의 회전원판전극 반응장치(rotating disc electrode, 이하 RDE)를 사용한 반쪽전지 실험의 결과를 나타낸 것이다. 10 shows the results of a half-cell experiment using a rotating disc electrode (hereinafter referred to as RDE) of a non-noble metal catalyst (Fe-N-CNT) prepared in an embodiment of the present invention.

반쪽전지 실험은 0.196cm2 면적의 유리상 탄소(glassy carbon) 표면에 1mg/cm2의 비귀금속 촉매 또는 0.01mg/cm2의 Pt/C 상용촉매(40 wt.% E-TEK)를 도포하여 진행하였다. Half-cell experiments are conducted by applying a glassy carbon (glassy carbon) on the surface of 1mg / cm 2 non-noble metal catalyst or a Pt / C catalyst commercially available of 0.01mg / cm 2 (40 wt. % E-TEK) in the area of 0.196cm 2 Respectively.

도 10a는 0.1M 농도의 수산화칼륨(KOH) 알칼리 전해질 용액에서의 산소환원반응에 대한 촉매의 성능을 측정한 결과이다. 전압 주사율(voltage scan rate)은 5mV/sec, RDE 반쪽전지의 회전속도는 1600rpm으로 설정하였다. 실험 결과, 비귀금속 촉매(파란색 선)가 상용 Pt/C 촉매(검은색 선)보다 산소 환원 반응에 대해 성능이 뛰어난 것을 확인할 수 있다. 10A is a graph showing the results of measuring the performance of a catalyst for an oxygen reduction reaction in a 0.1 M potassium hydroxide (KOH) alkali electrolyte solution. The voltage scan rate was set at 5 mV / sec, and the rotational speed of the RDE half cell was set at 1600 rpm. As a result of the experiment, it can be confirmed that the non-noble metal catalyst (blue line) has superior performance to the oxygen reduction reaction than the commercial Pt / C catalyst (black line).

도 10b는 0.5M의 황산(H2SO4) 용액에서 산소환원 반응에 대한 촉매 성능을 측정한 결과이다. 실험 결과, 비귀금속 촉매가 상용 Pt/C 촉매보다 산소환원 반응에 대해 낮은 개시 전위(onset potential)를 갖지만, 반 전위(half potential) 및 한계 전류(limiting current)가 상대적으로 더욱 큰 것을 확인할 수 있다.
FIG. 10B shows the results of measurement of catalyst performance for an oxygen reduction reaction in a 0.5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution. Experimental results show that the non-noble metal catalyst has a lower onset potential for the oxygen reduction reaction than the commercial Pt / C catalyst but has a relatively higher half potential and limiting current .

[실시예 2][Example 2]

제 1 단계 및 제 2 단계는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
The first and second steps were carried out in the same manner as in Example 1.

제 3 단계Step 3

사이아나마이드(cyanamide) 0.8g과 곱게 갈아서 만든 가루 형태의 상기 탄소 나노튜브(2시간 교반한 것 및 8시간 교반한 것 모두 사용 가능) 0.2g을 에탄올 용액에 넣고 혼합한 후, 약 1시간 동안 교반하였다. 이후 60℃에서 다시 12시간 이상 교반하였다.
0.8 g of cyanamide and 0.2 g of finely ground carbon nanotubes (both of which were agitated for 2 hours and agitated for 8 hours) were mixed in an ethanol solution and mixed for about 1 hour Lt; / RTI > Thereafter, the mixture was further stirred at 60 DEG C for 12 hours or longer.

제 4 단계Step 4

상기 제 3 단계에서 제조된 혼합물을 50℃의 오븐에서 24시간 이상 건조 후, 가열로에 넣고 질소분위기에서 탄화하였다.The mixture prepared in the third step was dried in an oven at 50 DEG C for 24 hours or more, put into a heating furnace, and carbonized in a nitrogen atmosphere.

가열로에서의 열처리는 두 단계로 수행하였다. 즉, 승온 속도는 3℃/min으로, 상온으로부터 550℃까지 가열한 후 이 온도에서 4시간 동안 유지한 후 바로 900℃까지 증가시킨 다음 1시간 동안 유지시켰다.
The heat treatment in the furnace was carried out in two stages. That is, the temperature was raised from room temperature to 550 ° C at a heating rate of 3 ° C / min, maintained at this temperature for 4 hours, immediately increased to 900 ° C, and then maintained for 1 hour.

도 11은 본 발명의 실시예에서 제조된 비금속 촉매의 주사 전자현미경 및 투과전자현미경의 이미지이다. 도 11a은 주사 전자현미경으로 관찰한 비금속 촉매의 이미지이다. 도 11b는 투과전자현미경으로 관찰한 비금속 촉매의 이미지이다. 도 11b를 통해 촉매 내부에 탄소 구조물이 존재하고 있는 것을 확인할 수 있다.11 is an image of a scanning electron microscope and a transmission electron microscope of a nonmetal catalyst prepared in an embodiment of the present invention. 11A is an image of a non-metallic catalyst observed with a scanning electron microscope. 11B is an image of a nonmetal catalyst observed with a transmission electron microscope. FIG. 11B shows that the carbon structure is present in the catalyst.

도 12a는 본 발명의 실시예에서 투과전자현미경으로 고배율에서 비금속 촉매를 관찰한 이미지이다. 도 12a를 참조하면, 비금속 촉매가 비정질의 상을 가지는 것으로 보일 수 있다. 하지만, 비금속 촉매의 탄소나노튜브 표면 부분은 결정구조의 질소-탄소 구조물들로 둘러싸여 있다. 도 12b는 도 12a의 흰색 선을 기준으로 명암의 차이를 관찰한 것이다(contrast line profile). 탄소나노튜브 표면에 형성된 질소-탄소 구조물의 격자에 의해, 명암의 차이가 일정한 간격을 두고 반복되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 결정상을 가짐을 확인할 수 있다. 이때 측정된 격자 사이의 거리는 0.33nm이다.12A is an image obtained by observing a non-metal catalyst at a high magnification by a transmission electron microscope in an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 12A, it can be seen that the non-metal catalyst has an amorphous phase. However, the carbon nanotube surface portion of the non-metal catalyst is surrounded by the nitrogen-carbon structures of the crystal structure. 12B shows a contrast line profile based on the white line in FIG. 12A. It can be seen that the difference in contrast is repeated at regular intervals by the lattice of the nitrogen-carbon structure formed on the surface of the carbon nanotube. That is, it can be confirmed that it has a crystalline phase. The measured distance between the gratings is 0.33 nm.

도 13은 본 발명의 실시예에서 주사형 투과전자현미경의 형광 X선 분석 장치로 비금속 촉매의 원소를 분석한 결과이다. 도 13a는 주사형 투과전자현미경으로 관찰한 비금속 촉매의 이미지이다. 도 13b는 도 13a에서 주황색 사각형 영역을 고각도 산란 암시야 주사투과전자현미경법으로 약 1Å까지 전자선을 세분화시켜 원자구조를 상세하게 관찰한 것이다. 도 13c 및 13d, 13e는 도 13b에서 형광 X선 분석 장치로 관측된 탄소, 질소, 산소 원소의 분포를 보여준다. 도 13f는 도 13b에서 측정된 탄소, 질소, 산소 원소들을 겹쳐서 보여준다.13 is a result of analyzing elements of a non-metal catalyst with a fluorescent X-ray analyzer of a scanning transmission electron microscope in an embodiment of the present invention. 13A is an image of a non-metal catalyst observed with a scanning transmission electron microscope. 13B is a detailed view of the atomic structure of the orange square region in FIG. 13A by subdividing the electron beam to about 1 ANGSTROM using a high-angle scattering dark field night scanning transmission electron microscope. 13C and 13D and 13E show the distribution of carbon, nitrogen, and oxygen elements observed with the fluorescent X-ray analyzer in FIG. 13B. FIG. 13f shows the carbon, nitrogen, and oxygen elements stacked in FIG. 13b.

도 14는 본 발명의 실시예에서 제조된 비금속 촉매(N-CNT)의 반쪽전지 실험 결과를 나타낸 것이다. 반쪽전지 실험은 0.196cm2 면적의 유리상 탄소(glassy carbon)표면에 1mg/cm2의 비금속 촉매와 0.01mg/cm2의 Pt/C 상용촉매(40 wt.% E-TEK)를 도포하여 진행하였다. 전압 주사율(voltage scan rate)은 5mV/sec, 반쪽전지의 회전속도는 1600rpm으로 설정하였다. FIG. 14 shows experimental results of a half-cell of a non-metal catalyst (N-CNT) produced in an embodiment of the present invention. Half-cell tests were conducted by coating a glassy carbon (glassy carbon) of 1mg / cm 2 on the surface of the base metal catalyst and 0.01mg / cm 2 Pt / C catalyst commercially available (40 wt.% E-TEK ) in the area of 0.196cm 2 . The voltage scan rate was set to 5 mV / sec, and the rotational speed of the half-cell was set to 1600 rpm.

도 14를 참조하면, 0.1M 농도의 수산화칼륨(KOH) 알칼린 전해질 용액에서  비금속 촉매(빨간색 선)가 상용 Pt/C 촉매(검은색 선)보다 산소환원반응에 대한 성능이 상대적으로 낮은 것을 확인할 수 있다. 하지만, 성능 차이가 크지 않으며, 비금속 촉매의 양을 늘릴 경우, 상용 Pt/C 촉매보다 높은 성능을 보일 것으로 예상된다.14, it can be seen that the performance of the non-metal catalyst (red line) is lower than that of the commercial Pt / C catalyst (black line) in the potassium hydroxide (KOH) alkaline electrolyte solution of 0.1 M concentration . However, the performance difference is not large, and it is expected that when the amount of the non-metal catalyst is increased, the performance is higher than that of the commercial Pt / C catalyst.

Claims (24)

할로겐화 고분자를 이용하여 고분자 섬유를 형성하는 제 1 단계;
상기 고분자 섬유를 일부 탈할로겐화 처리하고 열처리하여 탄소나노튜브를 제조하는 제 2 단계;
상기 얻어진 탄소나노튜브; 제 1 화합물 또는 제 2 화합물 중 어느 하나 이상;을 포함하는 혼합물을 제공하는 제 3 단계; 및
상기 혼합물을 열처리하는 제 4 단계;를 포함하고,
제 1 화합물은 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물 및 탄소 화합물을 포함하고,
제 2 화합물은 탄소 외의 비금속 물질을 포함하는 탄소화합물을 포함하는 것이고,
상기 탄소 담지 촉매의 탄소나노튜브는 표면에 3차원 형태의 기공 형성 구조물이 형성된 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
A first step of forming a polymer fiber by using a halogenated polymer;
A second step of preparing a carbon nanotube by partially dehydrogenating and heat-treating the polymer fiber;
The obtained carbon nanotubes; A third step of providing a mixture comprising at least one of the first compound and the second compound; And
And a fourth step of heat-treating the mixture,
The first compound includes a heterocyclic compound including a non-noble metal and a carbon compound,
The second compound includes a carbon compound including a non-metallic substance other than carbon,
Wherein the carbon nanotubes of the carbon-supported catalyst have a three-dimensional pore-forming structure on the surface thereof.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 3차원 형태의 기공 형성 구조물은 탄소 및 비귀금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the three-dimensional pore-forming structure comprises carbon and a non-noble metal.
제 3 항에 있어서,
상기 3차원 형태의 기공 형성 구조물은 탄소 외의 비금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
The method of claim 3,
Wherein the three-dimensional pore-forming structure further comprises a non-metal other than carbon.
제 1 항에 있어서,
제 1 화합물의 탄소화합물은 상기 3차원 형태의 기공 형성 구조물을 형성하기 위한 탄소 공급원(carbon source)인 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon compound of the first compound is a carbon source for forming the three-dimensional pore structure.
제 5 항에 있어서,
제 1 화합물의 탄소 화합물은 탄소 외의 비금속을 더 포함하는 것이고, 상기 3차원 형태의 기공 형성 구조물을 형성하기 위한 탄소; 및 탄소 외 비금속 물질;의 공급원(carbon and non-metal materials source)인 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The carbon compound of the first compound further comprises a non-metal other than carbon, and the carbon for forming the three-dimensional pore-forming structure; And a carbon and non-metal materials source of a non-metallic material other than carbon.
제 1 항에 있어서,
비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물의 비귀금속은 철(Fe), 코발트(Co), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 인듐(In), 나트륨(Na), 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 망간(Mn) 실리콘(Si), 바나듐(V), 주석(Sn), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se) 및 텔루르(Te)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
The method according to claim 1,
The non-noble metal of the heterocyclic compound including the noble metal includes iron (Fe), cobalt (Co), silver (Ag), aluminum (Al), copper (Cu), nickel (Ni) ), Indium (In), sodium (Na), lithium (Li), magnesium (Mg), manganese (Mn), silicon (Si), vanadium (V), tin (Sn), germanium (Ge) And tellurium (Te). ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제 7 항에 있어서,
헤테로고리화합물은 탄소 외에 산소(O), 질소(N), 붕소(B), 황(S), 인(P), 불소(F), 아이오다인(I) 및 염소(Cl)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The heterocyclic compound may be a group consisting of oxygen (O), nitrogen (N), boron (B), sulfur (S), phosphorus (P), fluorine (F), iodine Wherein the carbon-containing catalyst comprises at least one selected from the group consisting of carbon,
제 8 항에 있어서,
헤테로고리화합물은 프탈로시아닌 또는 나프탈로시아닌을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the heterocyclic compound comprises phthalocyanine or naphthalocyanine.
제 9 항에 있어서,
비귀금속을 포함하는 헤테로 고리화합물은 Iron(II) phthalocyanine, Iron(III) phthalocyanine chloride, Cobalt(II) phthalocyanine, Cobalt(II) 2,3-naphthalocyanine, Copper(II) phthalocyanine, Copper(II) 1,4,8,11,15,18,22,25-octabutoxy-29H,31H-phthalocyanine, Nickel(II) phthalocyanine, Zinc phthalocyanine,  Zinc 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro-29H,31H-phthalocyanine, Manganese(II) phthalocyanine, Ge(IV) phthalocyanine, Silicon phthalocyanine dichloride, Tin(II) phthalocyanine,  Aluminum phthalocyanine hydroxide, Disodium phthalocyanine, Gallium(III)-phthalocyanine chloride, Indium(III) phthalocyanine chloride, Silver phthalocyanine 및 Vanadyl 2,3-naphthalocyanine에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
10. The method of claim 9,
(II) phthalocyanine, Copper (II) phthalocyanine, Cobalt (II) phthalocyanine, Cobalt (II) 2,3-naphthalocyanine, Copper 4,8,11,15,18,22,25-octabutoxy-29H, 31H-phthalocyanine, Nickel (II) phthalocyanine, Zinc phthalocyanine, Zinc 1,2,3,4,8,9,10,11,15, (II) phthalocyanine, Ge (IV) phthalocyanine, Silicon phthalocyanine dichloride, Tin (II) phthalocyanine, Aluminum phthalocyanine hydroxide, Disodium phthalocyanine , Gallium (III) -phthalocyanine chloride, Indium (III) phthalocyanine chloride, Silver phthalocyanine and Vanadyl 2,3-naphthalocyanine.
제 1 항에 있어서,
제 4 단계 후 얻어지는 비귀금속 입자의 크기는 1nm 내지 100nm 인 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
The method according to claim 1,
And the size of the noble metal particles obtained after the fourth step is 1 nm to 100 nm.
할로겐화 고분자를 이용하여 고분자 섬유를 형성하는 제 1 단계;
상기 고분자 섬유를 일부 탈할로겐화 처리하고 열처리하여 탄소나노튜브를 제조하는 제 2 단계;
상기 얻어진 탄소나노튜브; 제 1 화합물 또는 제 2 화합물 중 어느 하나 이상;을 포함하는 혼합물을 제공하는 제 3 단계; 및
상기 혼합물을 열처리하는 제 4 단계;를 포함하고,
제 1 화합물은 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물 및 탄소 화합물을 포함하고,
제 2 화합물은 탄소 외의 비금속 물질을 포함하는 탄소화합물을 포함하는 것이고,
상기 탄소 담지 촉매의 탄소나노튜브는 표면에 비금속 물질이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
A first step of forming a polymer fiber by using a halogenated polymer;
A second step of preparing a carbon nanotube by partially dehydrogenating and heat-treating the polymer fiber;
The obtained carbon nanotubes; A third step of providing a mixture comprising at least one of the first compound and the second compound; And
And a fourth step of heat-treating the mixture,
The first compound includes a heterocyclic compound including a non-noble metal and a carbon compound,
The second compound includes a carbon compound including a non-metallic substance other than carbon,
Wherein the carbon nanotubes of the carbon-supported catalyst have a non-metallic substance bonded to the surface thereof.
할로겐화 고분자를 이용하여 고분자 섬유를 형성하는 제 1 단계;
상기 고분자 섬유를 일부 탈할로겐화 처리하고 열처리하여 탄소나노튜브를 제조하는 제 2 단계;
상기 얻어진 탄소나노튜브; 제 1 화합물 또는 제 2 화합물 중 어느 하나 이상;을 포함하는 혼합물을 제공하는 제 3 단계; 및
상기 혼합물을 열처리하는 제 4 단계;를 포함하고,
제 1 화합물은 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물 및 탄소 화합물을 포함하고,
제 2 화합물은 탄소 외의 비금속 물질을 포함하는 탄소화합물을 포함하는 것이고,
제 2 화합물의 탄소 외의 비금속 물질을 포함하는 탄소 화합물은 탄소 외의 비금속 물질로서 산소(O), 질소(N), 황(S), 인(P) 및 할로겐 원소로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
A first step of forming a polymer fiber by using a halogenated polymer;
A second step of preparing a carbon nanotube by partially dehydrogenating and heat-treating the polymer fiber;
The obtained carbon nanotubes; A third step of providing a mixture comprising at least one of the first compound and the second compound; And
And a fourth step of heat-treating the mixture,
The first compound includes a heterocyclic compound including a non-noble metal and a carbon compound,
The second compound includes a carbon compound including a non-metallic substance other than carbon,
The carbon compound including the non-metallic substance other than carbon of the second compound is at least one selected from the group consisting of oxygen (O), nitrogen (N), sulfur (S), phosphorus (P) By weight based on the weight of the carbon supported catalyst.
제 13 항에 있어서,
상기 탄소 외의 비금속 물질을 포함하는 탄소 화합물은 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the carbon compound including the non-metallic substance other than carbon comprises nitrogen.
제 14 항에 있어서,
상기 탄소 외의 비금속 물질을 포함하는 탄소화합물은 N,N′-Dimethylethylenediamine, Cyanide, Lithium cyanide, Chloroacetonitrile, Cyanomethanesulfonyl chloride, Cyanamide, Diethylcyanamide, Fumaronitrile,  Acetylmalonontrile, cis-Mucononitrile, 2-Amino-1,1,3-propenetricarbonitrile, trans-3-Hexenedinitrile,    Cyanogen, Cyanogen bromide, Propiolamide, 2-Bromo-2-fluoroacetamide, 3-amino-propionitrile, 및 Diethyl phosphoramidate 로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
15. The method of claim 14,
The carbon compound including the non-metallic substance other than carbon may be selected from the group consisting of N, N'-Dimethylethylenediamine, Cyanide, Lithium cyanide, Chloroacetonitrile, Cyanomethanesulfonyl chloride, Cyanamide, Diethylcyanamide, Fumaronitrile, Acetylmalononitrile, wherein the catalyst is at least one selected from the group consisting of propenetricarbonitrile, trans-3-hexenedinitrile, cyanogen, cyanogen bromide, propiolamide, 2-bromo-2-fluoroacetamide, 3-amino-propionitrile and diethyl phosphoramidate.
제 1 항에 있어서,
제 4 단계의 열처리 온도가 100℃ 이상 2000℃ 이하인 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment temperature in the fourth step is 100 占 폚 to 2000 占 폚.
제 1 항에 있어서,
제 3 단계에서 탄소나노튜브와 제 1 화합물을 혼합하는 것이고,
제 4 단계에서 제조된 혼합물을 건조 후 하나의 단계로 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
The method according to claim 1,
In the third step, the carbon nanotubes and the first compound are mixed,
Wherein the mixture prepared in the fourth step is dried and then heat-treated in one step.
할로겐화 고분자를 이용하여 고분자 섬유를 형성하는 제 1 단계;
상기 고분자 섬유를 일부 탈할로겐화 처리하고 열처리하여 탄소나노튜브를 제조하는 제 2 단계;
상기 얻어진 탄소나노튜브; 제 1 화합물 또는 제 2 화합물 중 어느 하나 이상;을 포함하는 혼합물을 제공하는 제 3 단계; 및
상기 혼합물을 열처리하는 제 4 단계;를 포함하고,
제 1 화합물은 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물 및 탄소 화합물을 포함하고,
제 2 화합물은 탄소 외의 비금속 물질을 포함하는 탄소화합물을 포함하는 것이고,
제 3 단계에서 탄소나노튜브와 제 2 화합물을 혼합하는 것이고,
제 4 단계에서 제조된 혼합물을 건조 후 두 단계에 걸쳐서 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
A first step of forming a polymer fiber by using a halogenated polymer;
A second step of preparing a carbon nanotube by partially dehydrogenating and heat-treating the polymer fiber;
The obtained carbon nanotubes; A third step of providing a mixture comprising at least one of the first compound and the second compound; And
And a fourth step of heat-treating the mixture,
The first compound includes a heterocyclic compound including a non-noble metal and a carbon compound,
The second compound includes a carbon compound including a non-metallic substance other than carbon,
In the third step, the carbon nanotubes and the second compound are mixed,
The method for producing a carbon-supported catalyst according to claim 1, wherein the mixture prepared in the fourth step is dried and then heat-treated in two steps.
제 18 항에 있어서,
첫 번째 열처리 단계는 100-600℃ 범위에서 수행하고, 두 번째 열처리 단계는 600-2000℃ 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
19. The method of claim 18,
Wherein the first heat treatment step is performed in the range of 100-600 占 폚, and the second heat treatment step is performed in the range of 600-2000 占 폚.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 단계에서 얻어진 탄소나노튜브는 튜브 내부에 탄소 구조물을 가지는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon nanotube obtained in the second step has a carbon structure inside the tube.
할로겐화 고분자를 이용하여 고분자 섬유를 형성하는 제 1 단계;
상기 고분자 섬유를 일부 탈할로겐화 처리하고 열처리하여 탄소나노튜브를 제조하는 제 2 단계;
상기 얻어진 탄소나노튜브; 제 1 화합물 또는 제 2 화합물 중 어느 하나 이상;을 포함하는 혼합물을 제공하는 제 3 단계; 및
상기 혼합물을 열처리하는 제 4 단계;를 포함하고,
제 1 화합물은 비귀금속을 포함하는 헤테로고리화합물 및 탄소 화합물을 포함하고,
제 2 화합물은 탄소 외의 비금속 물질을 포함하는 탄소화합물을 포함하는 것이고,
제 2 단계에서 얻어지는 탄소나노튜브는 2nm 미만의 미세 기공, 2nm 내지 50nm의 메조 기공 또는 50nm 이상의 매크로 기공 중 하나 이상을 가지는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매 제조 방법.
A first step of forming a polymer fiber by using a halogenated polymer;
A second step of preparing a carbon nanotube by partially dehydrogenating and heat-treating the polymer fiber;
The obtained carbon nanotubes; A third step of providing a mixture comprising at least one of the first compound and the second compound; And
And a fourth step of heat-treating the mixture,
The first compound includes a heterocyclic compound including a non-noble metal and a carbon compound,
The second compound includes a carbon compound including a non-metallic substance other than carbon,
Wherein the carbon nanotubes obtained in the second step have at least one of micropores of less than 2 nm, mesopores of 2 nm to 50 nm, and macropores of 50 nm or more.
전기화학반응용 촉매로서,
탄소나노튜브 표면에 비금속 물질이 결합하여 있거나;
탄소나노튜브 표면에 3차원 기공 형성 구조물이 형성되어 있거나; 또는
탄소나노튜브 표면에 비금속 물질이 결합하여 있고 또한 3차원 기공 형성 구조물이 형성되어 있는 것;을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매.
As a catalyst for an electrochemical reaction,
A non-metallic substance is bonded to the surface of the carbon nanotube;
A three-dimensional pore-forming structure is formed on the surface of the carbon nanotube; or
A carbon-supported catalyst characterized in that a non-metallic material is bonded to a surface of a carbon nanotube and a three-dimensional pore-forming structure is formed.
제 22 항에 있어서,
탄소나노튜브는 튜브 내부에 탄소 구조물을 가지는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매.
23. The method of claim 22,
Wherein the carbon nanotube has a carbon structure inside the tube.
제 22 항에 있어서,
상기 탄소 담지 촉매는 2nm 미만의 미세 기공, 2nm 내지 50nm의 메조 기공, 및 50nm 이상의 매크로 기공으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상을 가지는 것으로서,
탄소나노튜브는 2nm 미만의 미세 기공, 2nm 내지 50nm의 메조 기공, 및 50nm 이상의 매크로 기공으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상을 가지는 것이고,
탄소나노튜브 표면에 형성된 3차원 기공 형성 구조물이 50nm 이상의 매크로 기공을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 담지 촉매.
23. The method of claim 22,
Wherein the carbon-supported catalyst has at least one selected from the group consisting of micropores of less than 2 nm, mesopores of 2 nm to 50 nm, and macropores of 50 nm or more,
The carbon nanotube has at least one selected from the group consisting of micropores of less than 2 nm, mesopores of 2 nm to 50 nm, and macropores of 50 nm or more,
Wherein the three-dimensional pore-forming structure formed on the surface of the carbon nanotube comprises macropores of 50 nm or more.
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