KR101586147B1 - Fuel cell catalyst structure, method of manufacturing the same, fuel cell including the same, and metal nano tube - Google Patents

Fuel cell catalyst structure, method of manufacturing the same, fuel cell including the same, and metal nano tube Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지용 촉매 구조체는 도전성 기재 및 도전성 기재 상에 배치된 다수의 금속 나노 튜브들을 포함하고, 금속 나노 튜브들 각각은 제1 중공부가 형성된 관(tube) 형태의 외부 측벽, 제1 중공부 내부에 배치되고, 제2 중공부가 형성된 관(tube) 형태의 내부 측벽 및 외부 측벽의 상측 단부와 내부 측벽의 상측 단부를 연결하는 상부벽을 포함한다.The catalyst structure for a fuel cell according to the present invention comprises a conductive base material and a plurality of metal nanotubes arranged on the conductive base material, wherein each of the metal nanotubes has an outer side wall in the form of a tube having a first hollow portion, And an upper wall connecting an upper end of the outer sidewall and an upper end of the inner sidewall, the inner sidewall being in the form of a tube having a second hollow portion formed therein.

Description

연료 전지용 촉매 구조체, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지 및 금속 나노 튜브{FUEL CELL CATALYST STRUCTURE, METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, FUEL CELL INCLUDING THE SAME, AND METAL NANO TUBE}Technical Field [0001] The present invention relates to a catalyst structure for a fuel cell, a method for manufacturing the same, a fuel cell including the fuel cell and a metal nanotube,

본 발명은 연료 전지용 촉매 구조체, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지 및 금속 나노 튜브에 관한 것으로, 특히 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 촉매 구조체, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지 및 금속 나노 튜브에 관한 발명이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a catalyst structure for a fuel cell, a method for manufacturing the same, a fuel cell and a metal nanotube including the same, and more particularly to a catalyst structure for a fuel cell capable of improving the performance of the fuel cell, This invention relates to metal nanotubes.

일반적으로, 연료 전지용 촉매는 파우더 형태의 나노입자들을 이용하고 있고, 나노 입자들끼리 서로 연결시키기 위해서 탄소 지지체를 이용하고 있다. 탄소 지지체 자체의 전도성은 좋지만, 탄소 지지체를 이용함으로써 전자 전달 통로가 복잡하여 전자 이동이 비효율적이고 나노입자의 활성 표면적을 감소시키는 단점이 있다. 또한, 탄소 지지체의 사용이 연료 전지용 촉매의 안정성을 저하시키기도 한다.Generally, a catalyst for a fuel cell uses powder-like nanoparticles and uses a carbon support to connect the nanoparticles to each other. The conductivity of the carbon support itself is good, but the use of a carbon support has the disadvantage of complicating the electron transport path, resulting in ineffective electron transport and reducing the active surface area of the nanoparticles. In addition, the use of a carbon support also lowers the stability of the catalyst for a fuel cell.

연료 전지용 촉매에 탄소 지지체를 사용하지 않기 위해서는, 나노입자의 구조를 안정적으로 형성하고 파우더 형태보다 더 넓은 활성 표면적을 가질 것이 요구된다. 이를 위해, 나노입자의 활성 표면적을 증가시키기 위해서 백금 기반 플레이트, 덴트라이트(dentrite), 나노 와이어 또는 튜브형의 나노 구조체들이 계속적으로 연구되고 있다.
In order not to use a carbon support for a catalyst for a fuel cell, it is required to stably form the structure of the nanoparticles and have an active surface area wider than that of the powder form. To this end, platinum-based plates, dentrites, nanowires or tubular nanostructures have been continuously studied to increase the active surface area of nanoparticles.

본 발명은 위에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 발명으로서, 본 발명의 일 목적은 신규한 안정된 구조를 갖고 활성 표면적을 향상시킬 수 있는 금속 나노 튜브 및 이를 포함하는 연료 전지용 촉매 구조체를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a metal nanotube having a novel stable structure and capable of improving an active surface area and a catalyst structure for a fuel cell including the same.

본 발명의 다른 목적은 상기 연료 전지용 촉매 구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the catalyst structure for a fuel cell.

본 발명의 또 다른 목적은 연료 전지용 촉매 구조체를 포함하는 연료 전지를 제공하는 것이다.
It is still another object of the present invention to provide a fuel cell including a catalyst structure for a fuel cell.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 촉매 구조체는 도전성 기재 및 상기 도전성 기재 상에 배치된 다수의 금속 나노 튜브들을 포함한다. 이때, 상기 금속 나노 튜브들 각각은 제1 중공부가 형성된 관(tube) 형태의 외부 측벽, 상기 제1 중공부 내부에 배치되고, 제2 중공부가 형성된 관(tube) 형태의 내부 측벽 및 상기 외부 측벽의 상측 단부와 상기 내부 측벽의 상측 단부를 연결하는 상부벽을 포함한다.The catalyst structure for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a conductive substrate and a plurality of metal nanotubes disposed on the conductive substrate. Each of the metal nanotubes includes an outer side wall in the form of a tube having a first hollow portion, an inner side wall in the form of a tube disposed inside the first hollow portion and formed with a second hollow portion, And an upper wall connecting the upper end of the inner side wall and the upper end of the inner side wall.

일 실시예에서, 상기 금속 나노 튜브들은 백금으로 형성될 수 있다.In one embodiment, the metal nanotubes may be formed of platinum.

일 실시예에서, 상기 도전성 기재는 금, 백금, 은, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 오스뮴 및/또는 이리듐으로 형성될 수 있다.In one embodiment, the conductive substrate may be formed of gold, platinum, silver, palladium, ruthenium, rhodium, osmium, and / or iridium.

일 실시예에서, 상기 금속 나노 튜브들은 상기 도전성 기재의 표면으로부터 수직 또는 경사진 방향으로 연장되고, 상기 도전성 기재 표면 상에 서로 이격되어 배열될 수 있다.In one embodiment, the metal nanotubes may extend in a perpendicular or inclined direction from the surface of the conductive substrate, and may be spaced apart from each other on the conductive substrate surface.

일 실시예에서, 상기 내부 측벽의 표면 거칠기는 상기 외부 측벽의 표면 거칠기보다 클 수 있다.In one embodiment, the surface roughness of the inner sidewall may be greater than the surface roughness of the outer sidewall.

일 실시예에서, 상기 내부 측벽은 기체 분자들이 통과하는 미세 기공들을 포함하고, 상기 내부 측벽의 밀도는 상기 외부 측벽의 밀도보다 작을 수 있다.In one embodiment, the inner sidewalls include micropores through which gas molecules pass, and the density of the inner sidewalls may be less than the density of the outer sidewalls.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 촉매 구조체의 제조 장법에서, 관통홀을 구비하는 제1 템플릿의 하부면 상에 도전성 기재를 형성하고, 상기 도전성 기재를 이용한 전기화학적 증착 방법을 이용하여 상기 관통홀의 내부면 상에 귀금속을 증착하여 관(tube)형 제2 템플릿을 형성한다. 이어서, 상기 제1 템플릿을 제거하고, 상기 제2 템플릿을 이용한 전기화학적 증착 방법을 이용하여 상기 제2 템플릿의 노출된 표면상에 귀금속을 증착하여 이중벽 귀금속 나노 튜브를 형성하는 단계 한후, 상기 제2 템플릿을 제거함으로써 연료 전지용 촉매 구조체를 제조한다.In the manufacturing method of a catalyst structure for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, an electrically conductive substrate is formed on a lower surface of a first template having a through hole, and the electro- A noble metal is deposited on the inner surface of the hole to form a second tube-shaped template. After removing the first template and depositing a noble metal on the exposed surface of the second template using an electrochemical deposition method using the second template to form a double walled noble metal nanotube, The catalyst structure for a fuel cell is produced by removing the template.

일 실시예에서, 상기 제1 템플릿은 알루미늄 기판의 표면을 양극 산화시켜 다공질 구조를 갖는 산화 알루미늄층을 형성한 후 상기 알루미늄 기판을 제거함으로써 형성할 수 있다.In one embodiment, the first template may be formed by anodizing the surface of an aluminum substrate to form an aluminum oxide layer having a porous structure, and then removing the aluminum substrate.

일 실시예에서, 상기 도전성 기재는 상기 제1 템플릿의 하부면 상에 귀금속을 증착함으로써 형성될 수 있다.In one embodiment, the conductive substrate may be formed by depositing a noble metal on the lower surface of the first template.

일 실시예에서, 상기 제2 템플릿을 형성하는 단계는, 상기 도전성 기재 및 상기 제1 템플릿을 팔라듐 이온을 포함하는 제1 전해용액 내에 침지시키는 단계 및 상기 도전성 기재 및 상기 제1 전해용액 내에 침지된 작업 전극에 서로 다른 전압을 인가하여 상기 관통홀의 내부면 상에 팔라듐을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 템플릿의 내부면에는 다수의 돌출 미세섬유들이 형성될 수 있다.In one embodiment, the step of forming the second template includes the steps of immersing the conductive base and the first template in a first electrolytic solution containing palladium ions, and immersing the conductive base and the first template in a solution And applying a different voltage to the working electrode to deposit palladium on the inner surface of the through hole. At this time, a plurality of protruding minute fibers may be formed on the inner surface of the second template.

일 실시예에서, 상기 이중벽 귀금속 나노 튜브를 형성하는 단계는, 상기 도전성 기재 및 상기 제2 템플릿을 백금 이온을 포함하는 제2 전해용액 내에 침지시키는 단계 및 상기 제2 템플릿 및 상기 제2 전해용액 내에 침지된 작업 전극에 서로 다른 전압을 인가하여 상기 제2 템플릿의 노출 표면 전체 상에 백금을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 템플릿의 돌출 미세섬유들은 상기 제2 템플릿의 내부면에 증착된 백금층을 관통할 수 있다.In one embodiment, the step of forming the double walled noble metal nanotubes includes the steps of immersing the conductive base and the second template in a second electrolytic solution containing platinum ions, and a step of immersing the conductive base and the second template in the second template and the second electrolytic solution And applying a different voltage to the immersed working electrode to deposit platinum on the entire exposed surface of the second template. At this time, the protruding fine fibers of the second template may penetrate the platinum layer deposited on the inner surface of the second template.

일 실시예에서, 상기 제2 템플릿은 강산 수용액을 이용하여 제거할 수 있다.In one embodiment, the second template may be removed using a strong acid aqueous solution.

일 실시예에서, 상기 제2 템플릿을 제거하는 단계는, 상기 강산 수용액을 이용하여 상기 제2 템플릿의 돌출 미세섬유들을 제거하는 단계 및 상기 제거된 돌출 미세섬유들에 의해 형성된 상기 백금층의 기공을 통하여 상기 강산 수용액이 상기 이중벽 귀금속 나노 튜브 내부로 침투하여 상기 제2 템플릿을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of removing the second template comprises the steps of removing the protruding microfibers of the second template using the strong acid aqueous solution and removing the pores of the platinum layer formed by the removed protruding microfibers And passing the aqueous strong acid solution through the interior of the double walled noble metal nanotube to remove the second template.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지는 서로 이격된 2개의 전극들과 그들 사이에 개재된 전해질을 포함하되, 상기 전극들 중 일 전극은 도전성 기재 및 상기 도전성 기재 상에 배치된 다수의 귀금속 나노 튜브들을 포함하고, 상기 금속 나노 튜브들 각각은, 제1 중공부가 형성된 관(tube) 형태의 외부 측벽, 상기 제1 중공부 내부에 배치되고, 제2 중공부가 형성된 관(tube) 형태의 내부 측벽 및 상기 외부 측벽의 상측 단부와 상기 내부 측벽의 상측 단부를 연결하는 상부벽을 포함한다.A fuel cell according to an embodiment of the present invention includes two electrodes spaced apart from each other and an electrolyte interposed therebetween, and one electrode of the electrode includes a conductive base material and a plurality of noble metal nano- Wherein each of the metal nanotubes comprises an outer sidewall in the form of a tube having a first hollow portion, an inner sidewall in the form of a tube disposed in the first hollow portion and formed with a second hollow portion, And an upper wall connecting the upper end of the outer sidewall and the upper end of the inner sidewall.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노 튜브는 제1 중공부를 갖는 관(tube) 형태의 외부 측벽, 상기 제1 중공부의 내부에 배치되고, 제2 중공부를 갖는 관(tube) 형태의 내부 측벽 및 상기 외부 측벽의 상측 단부와 상기 내부 측벽의 상측 단부를 연결하는 상부벽을 포함한다.The metal nanotube according to an embodiment of the present invention includes an outer side wall in the form of a tube having a first hollow portion, an inner side wall in the form of a tube disposed inside the first hollow portion and having a second hollow portion, And an upper wall connecting the upper end of the outer side wall and the upper end of the inner side wall.

일 실시예에서, 상기 외부 측벽, 상기 내부 측벽 및 상기 상부벽은 백금(Pt)으로 형성될 수 있다.In one embodiment, the outer sidewall, the inner sidewall, and the top wall may be formed of platinum (Pt).

일 실시예에서, 상기 외부 측벽, 상기 내부 측벽 및 상기 상부벽은 일체로 형성되고, 상기 백금은 다결정 구조를 가질 수 있다.In one embodiment, the outer sidewall, the inner sidewall, and the top wall are integrally formed, and the platinum may have a polycrystalline structure.

일 실시예에서, 상기 내부 측벽의 표면 거칠기는 상기 외부 측벽의 표면 거칠기보다 클 수 있다.In one embodiment, the surface roughness of the inner sidewall may be greater than the surface roughness of the outer sidewall.

일 실시예에서, 상기 내부 측벽은 기체 분자들이 통과하는 미세 기공들을 포함하고, 상기 내부 측벽의 밀도는 상기 외부 측벽의 밀도보다 작을 수 있다.
In one embodiment, the inner sidewalls include micropores through which gas molecules pass, and the density of the inner sidewalls may be less than the density of the outer sidewalls.

본 발명에 따르면, 탄소 지지체 없이 도전성 기재 상에 직접적으로 형성된 금속 나노 튜브를 포함하는 연료 전지용 촉매 구조체에서 전자 이동 경로는, 탄소 지지체를 포함하는 촉매제의 전자 이동 경로보다 단축될 수 있다. 또한, 연료 전지용 촉매 구조체를 구성하는 금속 나노 튜브가 이중벽 구조를 가짐으로써 활성 표면적을 최대화시킬 수 있다. 또한, 금속 나노 튜브가 표면 거칠기를 가짐으로써 계면 면적이 증가함에 따라 활성 표면적이 더욱 더 증가할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 연료 전지용 촉매 구조체를 연료 전지에 이용함으로써 단위 면적당 연료 전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 다수의 금속 나노 튜브들은 도전성 기재 상에 규칙적으로 배열될 수 있으므로, 연료 전지용 촉매 구조체의 물질 이동 효율은 비규칙적인 배열에 비해서 더욱 향상될 수 있다.According to the present invention, in the catalyst structure for a fuel cell comprising metal nanotubes formed directly on a conductive substrate without a carbon support, the electron transport path can be shortened to the electron transport path of the catalyst containing the carbon support. In addition, the metal nanotubes constituting the catalyst structure for a fuel cell have a double wall structure, thereby maximizing the active surface area. In addition, since the metal nanotubes have surface roughness, the active surface area can be further increased as the interfacial area is increased. Therefore, the efficiency of the fuel cell per unit area can be improved by using the catalyst structure for a fuel cell according to the present invention in a fuel cell. Since the plurality of metal nanotubes can be regularly arranged on the conductive substrate, the mass transfer efficiency of the catalyst structure for a fuel cell can be further improved as compared with the non-regular arrangement.

또한, 연료 전지용 촉매 구조체는 탄소 지지체를 포함하지 않으므로 카본 부식 문제를 원천적으로 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 금속 나노 튜브가 마이크로 스케일의 길이를 가지고 있기 때문에 파우더 형태의 나노 입자로 이루어진 촉매제에 비해 용해성이나 응집성이 낮다. 따라서 내구성이 향상된 연료 전지용 촉매 구조체를 제공할 수 있다.In addition, since the catalyst structure for a fuel cell does not include a carbon support, the problem of carbon corrosion can be prevented originally. In addition, since the metal nanotubes have a micro-scale length, they are less soluble or cohesive than a catalyst made of powder nanoparticles. Therefore, it is possible to provide a catalyst structure for a fuel cell having improved durability.

연료 전지용 촉매 구조체는 전기 화학적으로 합성하기 때문에 제조 공정 중에서 금속 나노 튜브의 손실률이 거의 없으므로, 연료 전지용 촉매 구조체의 생산성을 향상시킬 수 있다.
Since the catalyst structure for a fuel cell is synthesized electrochemically, the productivity of the catalyst structure for a fuel cell can be improved because the loss ratio of the metal nanotubes in the manufacturing process is almost zero.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 촉매 구조체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 도 1에 도시된 금속 나노 튜브를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3 내지 도 9는 도 1에 도시된 연료 전지용 촉매 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도들이다.
1 is a perspective view illustrating a catalyst structure for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A, 2B and 2C are views for explaining the metal nanotube shown in FIG.
FIGS. 3 to 9 are process diagrams for explaining the method of manufacturing the catalyst structure for a fuel cell shown in FIG.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들에 대해서만 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 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 similarities. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다. The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the term "comprises" or "having" is intended to designate the presence of stated features, elements, etc., and not one or more other features, It does not mean that there is none.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 촉매 구조체를 설명하기 위한 사시도이다.1 is a perspective view illustrating a catalyst structure for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 연료 전지용 촉매 구조체(500)는 다수의 금속 나노 튜브들(100)과 도전성 기재(200)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a catalyst structure 500 for a fuel cell includes a plurality of metal nanotubes 100 and a conductive substrate 200.

도전성 기재(200)는 금속 나노 튜브들(100)을 지지하는 베이스 기재로서, 도전성을 갖는다. 도전성 기재(200)는 금속 나노 튜브들(100)을 형성하는 공정에서 전기화학적 도금을 위한 일 전극으로 이용될 수 있다. 도전성 기재(200)는 금, 백금, 은, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 오스뮴 및 이리듐으로 형성될 수 있다. 금속 나노 튜브들(100)은 도전성을 갖는 도전성 기재(200) 상에 직접 형성되므로, 도전성 기재(200)와 금속 나노 튜브들(100) 사이의 전자 이동 경로가 단축될 수 있다.The conductive base material 200 is a base material for supporting the metal nanotubes 100, and has conductivity. The conductive substrate 200 may be used as one electrode for electrochemical plating in the process of forming the metal nanotubes 100. The conductive substrate 200 may be formed of gold, platinum, silver, palladium, ruthenium, rhodium, osmium, and iridium. Since the metal nanotubes 100 are formed directly on the conductive base material 200 having conductivity, the electron transfer path between the conductive base material 200 and the metal nanotubes 100 can be shortened.

금속 나노 튜브들(100)은 도전성 기재(200)의 표면으로부터 수직 또는 경사진 방향으로 길이 방향을 갖고, 도전성 기재(200) 상에 서로 이격하여 배치된다. 일례로, 금속 나노 튜브들(100) 각각의 길이는 약 1 내지 10 일 수 있고, 지름은 약 200 nm 내지 300 nm 일 수 있다. 금속 나노 튜브들(100)은 백금으로 형성될 수 있다. 이때, 백금은 다결정 구조를 가질 수 있다. 금속 나노 튜브(100)의 구체적인 구조에 대해서는 도 2a, 도 2b 및 도 2c를 도 1과 함께 참조하여 이하에서 상술하기로 한다.The metal nanotubes 100 have a lengthwise direction perpendicular or inclined from the surface of the conductive base material 200 and are disposed on the conductive base material 200 so as to be spaced apart from each other. In one example, the length of each of the metal nanotubes 100 may be about 1 to 10, and the diameter may be about 200 nm to 300 nm. The metal nanotubes 100 may be formed of platinum. At this time, platinum may have a polycrystalline structure. The specific structure of the metal nanotube 100 will be described in detail below with reference to FIG. 2A, FIG. 2B, and FIG. 2C together with FIG.

도 2a, 도 2b 및 도 2c는 도 1에 도시된 금속 나노 튜브를 설명하기 위한 도면들이다.FIGS. 2A, 2B and 2C are views for explaining the metal nanotube shown in FIG.

도 2a는 도전성 기재(200) 상에 배치된 방향인 정방향으로 금속 나노 튜브(100)를 본 사시도이고, 도 2b는 도 2a의 I-I 라인을 따라 절단한 단면도이며, 도 2c는 상기 정방향의 역방향으로 금속 나노 튜브(100)를 본 사시도이다.2A is a perspective view showing the metal nanotube 100 in a normal direction, which is a direction disposed on the conductive base 200, FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line II of FIG. 2A, and FIG. 2C is a cross- 1 is a perspective view showing a metal nanotube 100 according to an embodiment of the present invention.

도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 금속 나노 튜브(100)는 외부 측벽(OP), 내부 측벽(IP) 및 상부벽(110)을 포함한다.2A, 2B and 2C, the metal nanotube 100 includes an outer sidewall OP, an inner sidewall IP, and a top wall 110. [

외부 측벽(OP)은 제1 중공부(A)가 형성된 관(tube) 형태를 갖고, 내부 측벽(IP)은 제2 중공부(B)가 형성된 관(tube) 형태를 가진다. 평면에서 볼 때, 외부 측벽(OP) 및 상기 제1 중공부(A) 각각은 원형을 가질 수 있고, 내부 측벽(IP) 및 상기 제2 중공부(B) 각각도 원형을 가질 수 있다. 원형은 모든 지점에서 곡률이 동일한 원뿐만 아니라, 타원이나 곡선으로 이루어진 형상 등을 모두 포함하는 의미이다.The outer side wall OP has a tube shape in which the first hollow portion A is formed and the inner side wall IP has a tube shape in which the second hollow portion B is formed. Each of the outer side wall OP and the first hollow portion A may have a circular shape and the inner side wall IP and the second hollow portion B may each have a circular shape in plan view. A circle means not only a circle having the same curvature at all points but also an ellipse or a curved shape.

내부 측벽(IP)은 상기 제1 중공부(A)의 내부에 배치되고, 외부 측벽(OP)의 상측 단부와 내부 측벽(IP)의 상측 단부는 상부벽(110)으로 연결된다. 내부 측벽(IP)은 외부 측벽(OP)에 의해 둘러싸이도록 배치된다. 외부 측벽(OP), 내부 측벽(IP) 및 상부벽(110)에 의해, 금속 나노 튜브(100)의 상측에는 제1 개구부(112)가 정의된다. 상기 제1 중공부(A)의 깊이는 금속 나노 튜브(100)의 길이와 실질적으로 동일하거나 그보다 작을 수 있다.The inner side wall IP is disposed inside the first hollow portion A and the upper end of the outer side wall OP and the upper end of the inner side wall IP are connected to the upper wall 110. [ The inner side wall IP is disposed so as to be surrounded by the outer side wall OP. The first opening 112 is defined on the upper side of the metal nanotube 100 by the outer side wall OP, the inner side wall IP and the upper wall 110. The depth of the first hollow portion A may be substantially equal to or less than the length of the metal nanotubes 100.

외부 측벽(OP)의 하측 단부는 도전성 기재(200)와 직접적으로 연결될 수 있다. 내부 측벽(IP)의 하측 단부는 하부벽(120)에 의해서 연결되어 단면이 U-자형을 가질 수 있다. 이때, 하부벽(120)은 도전성 기재(200)와 이격되어 배치된다. 외부 측벽(OP), 내부 측벽(IP) 및 상부벽(110)에 의해, 금속 나노 튜브(100)의 하측에는 제2 개구부(122)가 정의된다. 상기 제2 중공부(B)의 깊이는 금속 나노 튜브(100)의 길이보다 작을 수 있다. The lower end of the outer side wall OP may be directly connected to the conductive base 200. The lower end of the inner side wall IP may be connected by the lower wall 120 to have a U-shaped cross section. At this time, the lower wall 120 is disposed apart from the conductive base material 200. A second opening 122 is defined below the metal nanotubes 100 by the outer sidewall OP, the inner sidewall IP, and the top wall 110. The depth of the second hollow portion (B) may be smaller than the length of the metal nanotube (100).

이와 달리, 내부 측벽(IP)의 하측 단부는 도전성 기재(200)와 직접적으로 연결될 수 있다. 즉, 하부벽(120)이 제거되어, 내부 측벽(IP)의 하측 단부가 도전성 기재(200)와 접촉하거나 이격되어 배치되고, 상기 제1 중공부(A)는 금속 나노 튜브(100)를 관통하는 구조를 가질 수 있다. 내부 측벽(IP)의 상측 단부가 상부벽(110)과 연결되기 때문에 하부벽(120) 없이도 내부 측벽(IP)과 외부 측벽(OP)은 일체형일 수 있다.Alternatively, the lower end of the inner sidewall IP may be directly connected to the conductive substrate 200. That is, the lower wall 120 is removed, and the lower end of the inner side wall IP is disposed in contact with or spaced from the conductive base material 200. The first hollow portion A penetrates the metal nanotube 100 . ≪ / RTI > The inner side wall IP and the outer side wall OP may be integrated without the lower wall 120 because the upper end of the inner side wall IP is connected to the upper wall 110. [

외부 측벽(OP) 및 내부 측벽(IP) 각각은 소정의 표면 거칠기를 가지되, 내부 측벽(IP)의 표면 거칠기는 외부 측벽(OP)의 표면 거칠기보다 클 수 있다. 동시에, 내부 측벽(IP)은 기체 분자들이 통과하는 미세 기공들을 포함하고, 이에 따라 내부 측벽(IP)의 밀도가 외부 측벽(OP)의 밀도보다 작을 수 있다.Each of the outer side wall OP and the inner side wall IP has a predetermined surface roughness and the surface roughness of the inner side wall IP can be larger than the surface roughness of the outer side wall OP. At the same time, the inner sidewall IP comprises micropores through which the gas molecules pass, so that the density of the inner sidewall IP may be less than the density of the outer sidewall OP.

외부 측벽(OP), 내부 측벽(IP), 상부벽(110) 및 하부벽(120) 각각은 백금으로 형성될 수 있고, 이들은 일체로 연결되어 형성될 수 있다. 외부 측벽(OP), 내부 측벽(IP), 상부벽(110) 및 하부벽(120)이 일체로 연결된 경우, 단면 형상은 M-자형을 가질 수 있다.Each of the outer side wall OP, the inner side wall IP, the top wall 110 and the bottom wall 120 may be formed of platinum, and they may be integrally connected. When the outer sidewall OP, the inner sidewall IP, the top wall 110 and the bottom wall 120 are integrally connected, the cross-sectional shape may have an M-shape.

상기에서 설명한 금속 나노 튜브(100)는 외부 측벽(OP) 및 내부 측벽(IP)을 포함하는 이중벽 구조를 갖는다. 이에 따라, 금속 나노 튜브(100)의 활성 표면적을 최대화시킬 수 있다. 또한, 외부 측벽(OP) 및 내부 측벽(IP)에 형성된 미세 기공들에 의해서 금속 나노 튜브(100)가 표면 거칠기를 가짐으로서 계면 면적이 증가될 수 있다.
The metal nanotubes 100 described above have a double wall structure including an outer side wall OP and an inner side wall IP. Thus, the active surface area of the metal nanotube 100 can be maximized. In addition, the surface area of the metal nanotubes 100 can be increased by the surface roughness of the metal nanotubes 100 due to the minute pores formed in the outer side wall OP and the inner side wall IP.

이하에서는 도 3 내지 도 9를 참조하여, 도 1, 도 2a 내지 도 2c에서 설명한 연료 전지용 촉매 구조체(500)를 제조하는 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the catalyst structure 500 for a fuel cell as described with reference to FIGS. 1, 2A to 2C will be described with reference to FIGS. 3 to 9. FIG.

도 3 내지 도 9는 도 1에 도시된 연료 전지용 촉매 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도들이다.FIGS. 3 to 9 are process diagrams for explaining the method of manufacturing the catalyst structure for a fuel cell shown in FIG.

도 3 및 도 4는 제1 템플릿(322)에 도전성 기재(200)를 형성하는 공정을 설명하기 위한 단면도들이다.3 and 4 are cross-sectional views for explaining the process of forming the conductive base material 200 on the first template 322. FIG.

도 3을 참조하면, 알루미늄 기판(310)을 준비하고, 알루미늄 기판(310)의 표면에 다공질 구조(330)를 갖는 산화 알루미늄층(320)을 형성한다.Referring to FIG. 3, an aluminum substrate 310 is prepared, and an aluminum oxide layer 320 having a porous structure 330 is formed on the surface of the aluminum substrate 310.

산화 알루미늄층(320)은 양극 산화 공정을 통해서 알루미늄 기판(310)의 표면에 형성할 수 있다. 양극 산화 공정에서 전해액으로서 황산, 인산, 옥살산 등을 이용할 수 있고, 상기 전해액이 알루미늄 기판(310)의 표면으로 침투하면서 다공질 구조의 산화 알루미늄층(320)을 형성할 수 있다. 다공질 구조를 형성하는 다수의 기공들(330)은 소정 깊이 함입되어 형성되고, 단면은 U-자형을 가지고 원형의 평면 형상을 가질 수 있다.The aluminum oxide layer 320 may be formed on the surface of the aluminum substrate 310 through an anodizing process. In the anodic oxidation process, sulfuric acid, phosphoric acid, oxalic acid, or the like can be used as an electrolyte, and the porous aluminum oxide layer 320 can be formed while the electrolyte penetrates the surface of the aluminum substrate 310. The plurality of pores 330 forming the porous structure may be formed to have a predetermined depth, and the cross-section may have a U-shape and a circular planar shape.

도 4를 참조하면, 산화 알루미늄층(320)을 이용하여 제1 템플릿(322)을 형성하고, 제1 템플릿(322)의 하부면 상에 도전성 기재(200)를 형성한다.Referring to FIG. 4, a first template 322 is formed using an aluminum oxide layer 320, and a conductive base material 200 is formed on a lower surface of the first template 322.

산화 알루미늄층(320)이 형성된 알루미늄 기판(310)에, 산화 알루미늄층(320) 상에 도전성 기재(200)를 형성하고, 알루미늄 기판(310)과 산화 알루미늄층(320)을 부분적으로 제거함으로써, 도전성 기재(200)를 제1 템플릿(322)의 하부면에 형성할 수 있다. 이때, 도전성 기재(200)는 귀금속을 스퍼터링하여 형성할 수 있다.The conductive substrate 200 is formed on the aluminum oxide layer 320 and the aluminum substrate 310 and the aluminum oxide layer 320 are partially removed on the aluminum substrate 310 on which the aluminum oxide layer 320 is formed, The conductive base material 200 can be formed on the lower surface of the first template 322. At this time, the conductive base material 200 can be formed by sputtering a noble metal.

산화 알루미늄층(320)이 부분적으로 도전성 기재(200)에 잔류함으로써 제1 템플릿(322)은 다수의 관통홀들(332)을 포함한다. 관통홀들(332) 각각은 다공성 구조의 기공들(330) 각각과 대응할 수 있다.The first template 322 includes a plurality of through holes 332 as the aluminum oxide layer 320 partially remains on the conductive base material 200. [ Each of the through holes 332 may correspond to each of the pores 330 of the porous structure.

도 5, 도 6 및 도 7은 제1 템플릿(322)을 이용하여 제2 템플릿(410)을 형성하는 공정을 설명하기 위한 단면도들이고, 이중 도 6은 도 5의 A 부분을 확대한 확대 단면도이다.5, 6, and 7 are sectional views for explaining a process of forming the second template 410 using the first template 322, and FIG. 6 is an enlarged sectional view of the portion A of FIG. 5 .

도 5 내지 도 7을 참조하면, 제1 템플릿(322)이 형성된 도전성 기재(200)에 귀금속층을 형성한다. 상기 귀금속층을 형성함으로써 제1 템플릿(322)의 관통홀들(332)의 중앙 영역과 대응하여 오목하게 함입된 제2 템플릿(410)이 형성된다. 이때, 상기 귀금속층은 팔라듐을 포함한다. 5 to 7, a noble metal layer is formed on the conductive base material 200 on which the first template 322 is formed. By forming the noble metal layer, a second template 410 which is recessed corresponding to the central region of the through holes 332 of the first template 322 is formed. At this time, the noble metal layer includes palladium.

상기 귀금속층은 전기화학적 증착 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 제1 템플릿(322)이 형성된 도전성 기재(200)를 팔라듐 이온을 포함하는 제1 전해 용액 내에 침지시킨다. 상기 제1 전해 용액 내에는 작업 전극이 침지되어 있고, 상기 작업 전극과 상기 도전성 기재(200) 각각에 전압을 인가하여 관통홀들(332)의 내부면 상에 상기 귀금속층을 증착할 수 있다. 이때, 제2 템플릿(410)의 내부면에는 도 6에 도시된 것과 같은 다수의 돌출 미세섬유들이 형성된다. 상기 미세 섬유들에 의해서 제2 템플릿(410)의 표면은 소정의 거칠기를 가질 수 있다.The noble metal layer may be formed using an electrochemical deposition method. The conductive base material 200 on which the first template 322 is formed is immersed in the first electrolytic solution containing palladium ions. A working electrode is immersed in the first electrolytic solution and a voltage is applied to each of the working electrode and the conductive base material 200 to deposit the noble metal layer on the inner surface of the through holes 332. At this time, a plurality of protruding minute fibers as shown in FIG. 6 are formed on the inner surface of the second template 410. The surface of the second template 410 may have a predetermined roughness due to the fine fibers.

상기 귀금속층을 형성한 후, 제1 템플릿(322)을 제거함으로서 도전성 기재(200) 상에는 관(tube)형을 갖는 제2 템플릿(410)만이 잔류한다. 이때, 제1 템플릿(322)은 강염기성 용액으로 제거될 수 있다. 예를 들어, 제1 템플릿(322)은 수산화 나트륨 용액을 이용하여 제거할 수 있다.After the noble metal layer is formed, only the second template 410 having a tube shape remains on the conductive base 200 by removing the first template 322. At this time, the first template 322 may be removed with a strongly basic solution. For example, the first template 322 may be removed using a sodium hydroxide solution.

도 8 및 도 9는 상기 제2 템플릿(410)을 이용하여 금속 나노 튜브(100)를 형성하는 공정을 설명하기 위한 공정도들이다.FIGS. 8 and 9 are process diagrams illustrating a process of forming the metal nanotubes 100 using the second template 410.

도 8을 참조하면, 상기 제2 템플릿(410)이 형성된 도전성 기재(200)에 귀금속층을 형성함으로써 금속 성형물들(410)이 코어를 이루고 상기 코어를 커버하는 쉘층(SH)을 포함하는 이중벽 귀금속 나노 튜브를 형성한다. 상기 귀금속층은 상기 제2 템플릿(410) 및 상기 도전성 기재(200)에 부분적으로 형성될 수 있다. 제2 템플릿(410)의 바닥면에 형성되는 귀금속층의 두께는 수 nm로서, 제2 템플릿(410)의 측벽면에 형성되는 귀금속층의 두께보다 얇게 형성될 수 있다.8, a noble metal layer is formed on the conductive base material 200 on which the second template 410 is formed, whereby the metal moldings 410 form a core and a shell layer SH covering the core. Thereby forming a nanotube. The noble metal layer may be partially formed on the second template 410 and the conductive base 200. The thickness of the noble metal layer formed on the bottom surface of the second template 410 is several nm and may be formed thinner than the thickness of the noble metal layer formed on the sidewall of the second template 410. [

상기 제2 템플릿(410)이 다수의 돌출 미세섬유를 포함하고 있기 때문에 상기 귀금속층이 형성되면서 쉘층(SH)에는 다수의 기공들이 형성된다. 즉, 제2 템플릿(410)의 돌출 미세섬유들이, 제2 템플릿(410)의 내부면에 증착된 쉘층(SH)을 관통할 수 있다. 상기 귀금속층은 백금을 포함할 수 있다.Since the second template 410 includes a plurality of protruding microfibers, the noble metal layer is formed and a plurality of pores are formed in the shell layer SH. That is, the protruding fine fibers of the second template 410 may penetrate the shell layer SH deposited on the inner surface of the second template 410. The noble metal layer may include platinum.

일례로, 도전성 기재(200)와 제2 템플릿(410)을 백금 이온을 포함하는 제2 전해용액에 침지시키고, 도전성 기재(200)와 작업 전극 각각에 전압을 인가하여 제2 템플릿(410)의 노출 표면에 전체적으로 백금을 증착할 수 있다. 상기 작업 전극은 상기 제2 전해용액에 침지된다.For example, when the conductive base material 200 and the second template 410 are immersed in a second electrolytic solution containing platinum ions and a voltage is applied to the conductive base material 200 and the working electrode, respectively, Platinum can be deposited entirely on the exposed surface. The working electrode is immersed in the second electrolytic solution.

도 9를 참조하면, 상기 제2 템플릿(410)을 제거하여 상기 제2 템플릿(410)과 실질적으로 동일한 형상의 개구가 형성된 금속 나노 튜브들(101)을 도전성 기재(200) 상에 형성할 수 있다.9, the second template 410 may be removed to form the metal nanotubes 101 having openings having substantially the same shape as the second template 410 on the conductive base 200 have.

상기 제2 템플릿(410)은 강산 수용액을 포함하는 식각액을 이용하여 제거할 수 있다. 예를 들어, 상기 식각액은 질산 수용액일 수 있다. 상기 식각액은, 상기 돌출 미세섬유들에 의해 쉘층(SH)에 형성된 기공들을 통해서 제2 템플릿(410)에 도달하여 상기 제2 템플릿(410)을 제거할 수 있다.The second template 410 may be removed using an etching solution containing a strong acid aqueous solution. For example, the etchant may be an aqueous nitric acid solution. The etchant may reach the second template 410 through pores formed in the shell layer SH by the protruding microfibers to remove the second template 410.

예를 들어, 상기 이중벽 귀금속 나노 튜브가 형성된 도전성 기재(200)에 상기 식각액을 가하여 1차적으로 제2 템플릿(410)의 돌출 미세섬유들을 제거하면, 제거된 돌출 미세섬유들에 의해 형성된 쉘층(SH)의 기공을 통해서 상기 식각액이 제2 템플릿(410)까지 침투하여 제2 템플릿(410)을 제거할 수 있다. 이때, 제2 템플릿(410)의 바닥면에 형성되는 귀금속층이, 제2 템플릿(410)과 함께 제거될 수 있다. 제2 템플릿(410)의 바닥면에 형성되는 귀금속층이 제거되는 경우, 도 2a 내지 도 2b에 도시된 하부벽(120)이 제거되고 내부 측벽(IP)은 도전성 기재(200)와 미세하게 이격되어 배치됨으로써 도 8에 도시한 것과 같이 외부 측벽(IP)의 제1 중공부는 금속 나노 튜브(101)를 관통하는 구조를 갖는다.For example, when the etching solution is applied to the conductive base material 200 on which the double-walled noble metal nanotubes are formed to remove the protruding minute fibers of the second template 410, the shell layer SH formed by the removed protruding minute fibers The etchant penetrates into the second template 410 to remove the second template 410. At this time, the noble metal layer formed on the bottom surface of the second template 410 may be removed together with the second template 410. When the noble metal layer formed on the bottom surface of the second template 410 is removed, the lower wall 120 shown in Figs. 2A and 2B is removed and the inner sidewall IP is slightly spaced from the conductive base 200 So that the first hollow portion of the outer side wall IP passes through the metal nanotube 101 as shown in Fig.

이와 달리, 제2 템플릿(410)을 제거하는 공정에서, 제2 템플릿(410)의 바닥면에 형성되는 귀금속층이 잔류하는 경우에는 내부 측벽(IP)이 도 2a 내지 도 2b에 도시된 하부벽(120)에 의해 연결된 구조의 금속 나노 튜브(100)를 형성할 수 있다.Alternatively, in the step of removing the second template 410, when the noble metal layer formed on the bottom surface of the second template 410 remains, the inner side wall IP is separated from the lower wall 410 shown in Figs. The metal nanotubes 100 having a structure connected to each other by the first electrode 120 can be formed.

이에 따라, 도 1, 도 2a, 도 2b 및 도 2c에서 설명한 연료 전지용 촉매 구조체(500)를 형성할 수 있다.Accordingly, the catalyst structural body 500 for a fuel cell described with reference to FIGS. 1, 2A, 2B and 2C can be formed.

본 발명에 따른 연료 전지용 촉매 구조체(500)는 다수의 금속 나노 튜브들(100)을 포함하고 금속 나노 튜브들(100) 각각은 이중벽 구조로 활성 표면적이 넓기 때문에 다양한 종류의 연료 전지에 이용되어 연료 전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 연료 전지는 서로 마주하는 2개의 전극들과, 그들 사이에 개재된 전해질 용액을 포함하며, 연료 전지용 촉매 구조체(500)는 상기 연료 전지의 일 전극으로 이용될 수 있다. 상기 전해질 용액은 메탄올을 포함할 수 있다.Since the catalyst structure 500 for a fuel cell according to the present invention includes a plurality of metal nanotubes 100 and each of the metal nanotubes 100 has a double wall structure and has a wide active surface area, The efficiency of the battery can be improved. The fuel cell includes two electrodes facing each other and an electrolyte solution interposed therebetween, and the catalyst structure 500 for a fuel cell can be used as one electrode of the fuel cell. The electrolyte solution may include methanol.

메탄올 연료 전지에서 최종 산물인 이산화탄소가 메탄올이 산화하는 동안 용이하게 금속 나노 튜브(100)의 내부에 축적될 수 있다. 촉매 반응은, 촉매의 표면 면적에 의존하므로 촉매에 이산화탄소가 축적되는 경우 촉매의 활성화 면적이 감소하므로 산화 활성이 급격하게 감소될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 금속 나노 튜브(100)는 이중벽 구조로서 속이 비어 있는 구조를 가지기 때문에 이산화탄소를 배출할 수 있는 충분한 기공을 가지게 된다.Carbon dioxide, which is the final product in the methanol fuel cell, can be easily accumulated in the metal nanotubes 100 during methanol oxidation. Since the catalytic reaction depends on the surface area of the catalyst, when the carbon dioxide is accumulated in the catalyst, the catalytic active area is reduced, so that the oxidation activity can be drastically reduced. However, the metal nanotube 100 according to the present invention has a double-walled structure and has a hollow structure, so that it has sufficient pores for discharging carbon dioxide.

상기에서 설명한 바에 따르면, 금속 나노 튜브(100)는 도전성 기재(200) 상에 직접적으로 형성하기 때문에 연료 전지용 촉매 구조체(500)에서 전자 이동 경로를 단축시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 연료 전지용 촉매 구조체(500)를 연료 전지에 이용함으로써 단위 면적당 연료 전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 다수의 금속 나노 튜브들(100)은 도전성 기재(200) 상에 규칙적으로 배열될 수 있으므로, 연료 전지용 촉매 구조체(500)의 물질 이동 효율은 비규칙적인 배열에 비해서 더욱 향상될 수 있다.
As described above, since the metal nanotubes 100 are directly formed on the conductive base material 200, the electron transport path can be shortened in the catalyst structure 500 for a fuel cell. Accordingly, the efficiency of the fuel cell per unit area can be improved by using the catalyst structure 500 for a fuel cell according to the present invention in a fuel cell. Since the plurality of metal nanotubes 100 can be regularly arranged on the conductive base material 200, the mass transfer efficiency of the catalyst structure 500 for a fuel cell can be further improved as compared with the non-regular arrangement.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
The description of the disclosed embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features presented herein.

500: 연료 전지용 촉매 구조체 100: 금속 나노 튜브
200: 도전성 기재 112: 제1 개구부
122: 제2 개구부 IP: 내측부
OP: 외측부 130: 상부벽
310: 알루미늄 기판 320: 산화 알루미늄층
322: 제1 템플릿
500: catalyst structure for fuel cell 100: metal nanotube
200: conductive base material 112: first opening
122: second opening IP: inner side
OP: outer side 130: upper wall
310 aluminum substrate 320 aluminum oxide layer
322: First Template

Claims (19)

도전성 기재; 및
상기 도전성 기재 상에 서로 이격되어 배치된 다수의 금속 나노 튜브들을 포함하고,
상기 금속 나노 튜브들 각각은
제1 중공부가 형성된 관(tube) 형태의 외부 측벽;
상기 제1 중공부 내부에 배치되고, 제2 중공부가 형성된 관(tube) 형태의 내부 측벽; 및
상기 외부 측벽의 상측 단부와 상기 내부 측벽의 상측 단부를 연결하는 상부벽을 포함하되, 상기 외부 측벽, 상기 내부 측벽 및 상기 상부벽은 모두 동일한 금속으로 형성되어 상기 외부 측벽과 상기 내부 측벽이 서로 이격되고,
상기 도전성 기재의 표면에 대하여, 상기 금속 나노 튜브들 각각의 상부벽이 상기 도전성 기재의 표면과 마주하도록 금속 나노 튜브들이 수직 배열된 것을 특징으로 하는,
연료 전지용 촉매 구조체.
Conductive substrates; And
And a plurality of metal nanotubes spaced apart from each other on the conductive substrate,
Each of the metal nanotubes
An outer sidewall in the form of a tube having a first hollow portion;
An inner side wall in the form of a tube disposed inside the first hollow portion and having a second hollow portion; And
Wherein the outer sidewall, the inner sidewall, and the upper wall are all formed of the same metal so that the outer sidewall and the inner sidewall are spaced apart from each other And,
Wherein the metal nanotubes are arranged vertically with respect to the surface of the conductive base so that the upper wall of each of the metal nanotubes faces the surface of the conductive base.
Catalyst structure for fuel cells.
제1항에 있어서,
상기 금속 나노 튜브들은 백금으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the metal nanotubes are formed of platinum.
제2항에 있어서,
상기 도전성 기재는 금, 백금, 은, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 오스뮴 및 이리듐으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매 구조체.
3. The method of claim 2,
Wherein the conductive substrate is formed of one material selected from the group consisting of gold, platinum, silver, palladium, ruthenium, rhodium, osmium, and iridium.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 내부 측벽의 표면 거칠기는 상기 외부 측벽의 표면 거칠기보다 큰 것을 특징으로 연료 전지용 촉매 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the surface roughness of the inner sidewall is larger than the surface roughness of the outer sidewall.
제1항에 있어서,
상기 내부 측벽은 기체 분자들이 통과하는 미세 기공들을 포함하고,
상기 내부 측벽의 밀도는 상기 외부 측벽의 밀도보다 작은 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매 구조체.

The method according to claim 1,
Wherein the inner sidewalls comprise micropores through which gas molecules pass,
Wherein the density of the inner sidewalls is less than the density of the outer sidewalls.

관통홀을 구비하는 제1 템플릿의 하부면 상에 도전성 기재를 형성하는 단계;
상기 도전성 기재를 이용한 전기화학적 증착 방법을 이용하여 상기 관통홀의 내부면 상에 귀금속을 증착하여 관(tube)형 제2 템플릿을 형성하는 단계;
상기 제1 템플릿을 제거하는 단계;
상기 제2 템플릿을 이용한 전기화학적 증착 방법을 이용하여 상기 제2 템플릿의 노출된 표면 상에 귀금속을 증착하여 이중벽 귀금속 나노 튜브를 형성하는 단계; 및
상기 제2 템플릿을 제거하는 단계를 포함하는 연료 전지용 촉매 구조체의 제조 방법.
Forming a conductive base on the lower surface of the first template having the through-hole;
Depositing a noble metal on the inner surface of the through hole using an electrochemical deposition method using the conductive base to form a tube-type second template;
Removing the first template;
Depositing a noble metal on the exposed surface of the second template using an electrochemical deposition method using the second template to form a double walled noble metal nanotube; And
And removing the second template. ≪ Desc / Clms Page number 19 >
제7항에 있어서,
상기 제1 템플릿은 알루미늄 기판의 표면을 양극 산화시켜 다공질 구조를 갖는 산화 알루미늄층을 형성한 후 상기 알루미늄 기판을 제거함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매 구조체의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the first template is formed by anodizing the surface of the aluminum substrate to form an aluminum oxide layer having a porous structure, and then removing the aluminum substrate.
제8항에 있어서,
상기 도전성 기재는 상기 제1 템플릿의 하부면 상에 귀금속을 증착함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매 구조체의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the conductive substrate is formed by depositing a noble metal on the lower surface of the first template.
제8항에 있어서,
상기 제2 템플릿을 형성하는 단계는,
상기 도전성 기재 및 상기 제1 템플릿을 팔라듐 이온을 포함하는 제1 전해용액 내에 침지시키는 단계; 및
상기 도전성 기재 및 상기 제1 전해용액 내에 침지된 작업 전극에 서로 다른 전압을 인가하여 상기 관통홀의 내부면 상에 팔라듐을 증착하는 단계를 포함하고,
상기 제2 템플릿의 내부면에는 다수의 돌출 미세섬유들이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매 구조체의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the forming of the second template comprises:
Immersing the conductive base and the first template in a first electrolytic solution containing palladium ions; And
Depositing palladium on the inner surface of the through hole by applying different voltages to the conductive base and the working electrode immersed in the first electrolytic solution,
And a plurality of protruding microfibers are formed on the inner surface of the second template.
제10항에 있어서,
상기 이중벽 귀금속 나노 튜브를 형성하는 단계는,
상기 도전성 기재 및 상기 제2 템플릿을 백금 이온을 포함하는 제2 전해용액 내에 침지시키는 단계; 및
상기 제2 템플릿 및 상기 제2 전해용액 내에 침지된 작업 전극에 서로 다른 전압을 인가하여 상기 제2 템플릿의 노출 표면 전체 상에 백금을 증착하는 단계를 포함하고,
상기 제2 템플릿의 돌출 미세섬유들은 상기 제2 템플릿의 내부면에 증착된 백금층을 관통하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매 구조체의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The step of forming the double walled noble metal nanotubes comprises:
Immersing the conductive base and the second template in a second electrolytic solution containing platinum ions; And
And applying a different voltage to the second template and the working electrode immersed in the second electrolytic solution to deposit platinum on the entire exposed surface of the second template,
Wherein protruding fine fibers of the second template pass through a platinum layer deposited on the inner surface of the second template.
제11항에 있어서,
상기 제2 템플릿은 강산 수용액을 이용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매 구조체의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the second template is removed using a strong acid aqueous solution.
제12항에 있어서,
상기 제2 템플릿을 제거하는 단계는,
상기 강산 수용액을 이용하여 상기 제2 템플릿의 돌출 미세섬유들을 제거하는 단계; 및
상기 제거된 돌출 미세섬유들에 의해 형성된 상기 백금층의 기공을 통하여 상기 강산 수용액이 상기 이중벽 귀금속 나노 튜브 내부로 침투하여 상기 제2 템플릿을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매 구조체의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the removing the second template comprises:
Removing the protruding minute fibers of the second template using the strong acid aqueous solution; And
And removing the second template by penetrating the strong acid aqueous solution into the double walled noble metal nanotube through pores of the platinum layer formed by the removed protruding microfibers. Gt;
서로 이격된 2개의 전극들과 그들 사이에 개재된 전해질을 포함하되,
상기 전극들 중 일 전극은 도전성 기재 및 상기 도전성 기재 상에 배치된 다수의 귀금속 나노 튜브들을 포함하고,
상기 금속 나노 튜브들 각각은,
제1 중공부가 형성된 관(tube) 형태의 외부 측벽;
상기 제1 중공부 내부에 배치되고, 제2 중공부가 형성된 관(tube) 형태의 내부 측벽; 및
상기 외부 측벽의 상부 단부와 상기 내부 측벽의 상측 단부를 연결하는 상부벽을 포함하되, 상기 외부 측벽, 상기 내부 측벽 및 상기 상부벽은 모두 동일한 금속으로 형성되어 상기 외부 측벽과 상기 내부 측벽이 서로 이격되고,
상기 도전성 기재의 표면에 대하여, 상기 금속 나노 튜브들 각각의 상부벽이 상기 도전성 기재의 표면과 마주하도록 금속 나노 튜브들이 수직 배열된 것을 특징으로 하는,
연료 전지.
And two electrodes spaced apart from each other and an electrolyte interposed therebetween,
Wherein one of the electrodes comprises a conductive substrate and a plurality of noble metal nanotubes disposed on the conductive substrate,
Each of the metal nanotubes may include a metal,
An outer sidewall in the form of a tube having a first hollow portion;
An inner side wall in the form of a tube disposed inside the first hollow portion and having a second hollow portion; And
And an upper wall connecting the upper end of the outer side wall and the upper end of the inner side wall, wherein the outer side wall, the inner side wall, and the upper wall are all formed of the same metal, And,
Wherein the metal nanotubes are arranged vertically with respect to the surface of the conductive base so that the upper wall of each of the metal nanotubes faces the surface of the conductive base.
Fuel cell.
제1 중공부를 갖는 관(tube) 형태의 외부 측벽;
상기 제1 중공부의 내부에 배치되고, 제2 중공부를 갖는 관(tube) 형태의 내부 측벽; 및
상기 외부 측벽의 상측 단부와 상기 내부 측벽의 상측 단부를 연결하는 상부벽을 포함하되, 상기 외부 측벽, 상기 내부 측벽 및 상기 상부벽은 모두 동일한 금속으로 형성되어 상기 외부 측벽과 상기 내부 측벽이 서로 이격되고,
상기 내부 측벽은 기체 분자들이 통과하는 미세 기공들을 포함하고, 상기 내부 측벽의 밀도는 상기 외부 측벽의 밀도보다 작은 것을 특징으로 하는,
금속 나노 튜브.
An outer sidewall in the form of a tube having a first hollow portion;
An inner sidewall disposed in the interior of the first hollow and in the form of a tube having a second hollow; And
Wherein the outer sidewall, the inner sidewall, and the upper wall are all formed of the same metal so that the outer sidewall and the inner sidewall are spaced apart from each other And,
Wherein the inner sidewalls comprise micropores through which gas molecules pass and the density of the inner sidewalls is less than the density of the outer sidewalls.
Metal nanotubes.
제15항에 있어서,
상기 외부 측벽, 상기 내부 측벽 및 상기 상부벽은 백금(Pt)으로 형성된 것을 특징으로 하는 금속 나노 튜브.
16. The method of claim 15,
Wherein the outer sidewall, the inner sidewall, and the top wall are formed of platinum (Pt).
제16항에 있어서,
상기 외부 측벽, 상기 내부 측벽 및 상기 상부벽은 일체로 형성되고, 상기 백금은 다결정 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 나노 튜브.
17. The method of claim 16,
Wherein the outer sidewall, the inner sidewall, and the upper wall are integrally formed, and the platinum has a polycrystalline structure.
제15항에 있어서,
상기 내부 측벽의 표면 거칠기는 상기 외부 측벽의 표면 거칠기보다 큰 것을 특징으로 하는 금속 나노 튜브.
16. The method of claim 15,
Wherein the surface roughness of the inner sidewall is larger than the surface roughness of the outer sidewall.
제15항에 있어서,
상기 내부 측벽은 기체 분자들이 통과하는 미세 기공들을 포함하고,
상기 내부 측벽의 밀도는 상기 외부 측벽의 밀도보다 작은 것을 특징으로 하는 금속 나노 튜브.
16. The method of claim 15,
Wherein the inner sidewalls comprise micropores through which gas molecules pass,
Wherein the density of the inner sidewalls is less than the density of the outer sidewalls.
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