KR101609947B1 - Preparing method of electrodes using a potential shock - Google Patents

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최진섭
김연미
이동은
유현석
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a producing method of an electrode using an electric shock, comprising: a first step of forming a titanium oxide layer on a titanium substrate by anodizing the titanium substrate; and a second step of supporting the titanium substrate, in which the titanium oxide layer is formed, in an electrolyte, and penetrating an anion on the titanium oxide layer through the electric shock. Therefore, the producing method does not need a separate process coating a catalyst using a metal precursor in order to increase electrode activity, and can dope a metal anion on the titanium substrate by a one-pot process. An electrode, in which a metal anion is uniformly doped, has low onset potential, and shows very high efficiency in the oxygen reduction reaction.

Description

전기충격을 통한 전극 제조방법{Preparing method of electrodes using a potential shock}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은 물분해 전극의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기충격을 통한 전극 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a water-decomposable electrode, and more particularly, to a method for manufacturing an electrode through an electric shock.

친환경 에너지원인 수소를 얻기 방법으로 공업적으로 가장 많이 사용되는 것은 천연가스인 메탄을 고온, 고압에서 스팀으로 분해하는 방법(CH4 + H2O → H2 + CO2)이다. 이 방법에 의하여 전 세계 수소 생산량의 절반 가량이 생산되나 동시에 이산화탄소가 생성되기 때문에 지구온난화에 악영향을 미친다. 물의 전기분해 방식에 의한 수소 생산 방법이 이상적이나, 물을 전기적으로 분해하여 수소와 산소가스를 생성하기 위해서는 이론적으로 1.23 V(vs. NHE)의 전기적 에너지가 필요하며 실질적으로는 이론값 이상의 에너지가 필요하고, 전기분해 방식으로 수소를 생산하는 경우 양극에서 일어나는 산소발생 반응은 과전압이 상당히 높기 때문에 막대한 에너지 소모의 주원인이 되고 있으며, 이를 최소화하기 위하여 다양한 방법의 전극 개발연구가 진행되고 있다. The most widely used method for obtaining hydrogen which is an environmentally friendly energy source is to decompose methane, a natural gas, into steam at high temperature and high pressure (CH 4 + H 2 O → H 2 + CO 2 ). In this way, half of the global hydrogen production is produced, but at the same time, carbon dioxide is generated, which has a negative impact on global warming. Hydrogen production by electrolysis of water is ideal, but in order to generate hydrogen and oxygen gas by electrically decomposing water, theoretically an electrical energy of 1.23 V (vs. NHE) is needed and practically more energy than the theoretical value In the case of producing hydrogen by an electrolysis method, the oxygen generation reaction occurring in the anode is a major source of energy consumption because the overvoltage is considerably high. Various methods of electrode development studies are being conducted to minimize the energy consumption.

한편 TiO2는 RuO2, IrO2, Au, 및 WO3와 같은 다양한 촉매가 도핑(doping) 또는 코팅되는 경우에 전극의 효율이 증가될 수 있으며, WO3, Ni, 및 Co와 같은 비귀금속 촉매라도 비용 대비 우수한 효과를 보이나, 부식이 쉬운 경향을 보이고 비교적 낮은 효율을 나타낸다. 따라서 귀금속이 여전히 주요한 도펀트(dopant)로 사용된다. TiO2는 안정성이 뛰어나기 때문에 DSA(dimensionally stable anode) 전극의 모재로 사용되나 순수한 금속 전극만으로는 높은 과전압을 나타내기 때문에 추가적으로 촉매를 코팅하는 공정이 필요하다. On the other hand, TiO 2 can increase the efficiency of the electrode when various catalysts such as RuO 2 , IrO 2 , Au, and WO 3 are doped or coated, and the non-noble metal catalyst such as WO 3 , Ni, Even though it shows excellent effect on cost, it exhibits a tendency to be easy to corrode and exhibits relatively low efficiency. Thus, precious metals are still used as major dopants. TiO 2 is used as a base material for DSA (dimensionally stable anode) electrode because of its excellent stability. However, since it shows high overvoltage by pure metal electrode, additional catalyst coating process is needed.

RuO2 또는 IrO2를 코팅하거나 도핑한 TiO2 전극은 물분해 시스템과 염소-알칼리 공정에서 DSA전극으로 사용될 수 있으며, IrO2는 내구성을 증가시키고, RuO2는 산소환원반응(oxygen reduction reaction)에 있어서, 전기촉매 성능을 향상시킨다. DSA 제조를 위해 전기화학적증착, 열분해, 양극산화, 졸-겔 및 고분자 전구체 등의 다양한 방법이 연구되고 있으나, 비귀금속인 루테늄산화물을 반도체인 TiO2 나노튜브에 원-팟 공정으로 단시간 내에 효과적으로 도핑하여 전극의 과전압을 낮추려는 시도는 없다.The TiO 2 electrode coated or doped with RuO 2 or IrO 2 can be used as a DSA electrode in the water decomposition system and chlorine-alkali process. IrO 2 increases the durability and RuO 2 reduces the oxygen reduction reaction Thereby improving the electrocatalytic performance. Various methods such as electrochemical deposition, pyrolysis, anodic oxidation, sol-gel and polymer precursors have been studied for the DSA production, but the ruthenium oxide, which is a noble metal, is effectively doped into a semiconductor TiO 2 nanotube by a one- There is no attempt to lower the overvoltage of the electrode.

대한민국공개특허공보 제2011-0059114호Korean Patent Publication No. 2011-0059114

본 발명은 물 분해용 전극의 제조시 산화타이타늄 기재의 원-팟 공정으로 금속산화물의 음이온을 첨가하여 산화타이타늄층에 균일하게 도핑하고, 전극의 물분해 효율을 증가시킴으로써 산소극에서 발생하는 과전압을 낮출 수 있는 전극의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다. The present invention relates to a process for producing water for decomposing electrodes by adding an anion of a metal oxide to a titanium dioxide layer by uniformly doping an anion of a metal oxide in a one-pot process of a titanium oxide base material and by increasing the water decomposition efficiency of the electrode, And a method of manufacturing an electrode capable of lowering the temperature of the electrode.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 타이타늄 기판을 양극산화하여 상기 타이타늄 기판 상에 산화타이타늄층을 형성하는 단계(제1단계); 및 상기 산화 타이타늄층이 형성된 타이타늄 기판을 전해액에 담지하고 전기충격을 통하여 산화타이타늄층에 음이온을 침투시키는 단계(제2단계)를 포함하는 전기충격을 통한 전극 제조방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) forming a titanium oxide layer on the titanium substrate by anodizing the titanium substrate (first step); And a step of supporting the titanium substrate having the titanium oxide layer formed thereon in an electrolytic solution and penetrating the titanium oxide layer through an electric shock (second step).

상기 양극산화는, 0.9 M 내지 1 M 인산(H3PO4), 3.6 내지 4 g 수산화나트륨(NaOH), 및 0.5 wt% 불화수소(HF)를 탈이온수에 첨가하여 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액에 타이타늄 기판을 담지하여 20 V에서 3 내지 4시간 동안 수행할 수 있다.The anodic oxidation is performed by adding a 0.9 M to 1 M phosphoric acid (H 3 PO 4 ), 3.6 to 4 g sodium hydroxide (NaOH), and 0.5 wt% hydrogen fluoride (HF) to deionized water to prepare a mixed solution, The titanium substrate is supported on the mixed solution and can be carried out at 20 V for 3 to 4 hours.

상기 산화타이타늄층의 길이는 900 nm 내지 1 ㎛인 나노튜브로 형성될 수 있다.The length of the titanium oxide layer may be 900 nanometers to 1 micron.

상기 전해액은 0.02 M 내지 0.002 M의 금속산화물 용액을 포함할 수 있다.The electrolytic solution may include a metal oxide solution of 0.02 M to 0.002 M.

상기 금속산화물은 용액은 KRuO4, NaRuO4, 및 LiRuO4로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 금속산화물이 용해된 것일 수 있다. The solution of the metal oxide may be one in which a metal oxide selected from the group consisting of KRuO 4 , NaRuO 4 , and LiRuO 4 is dissolved.

상기 전기충격은 20 내지 200 V의 전압으로 5초 내지 10초간 수행될 수 있다.The electric shock may be performed at a voltage of 20 to 200 V for 5 seconds to 10 seconds.

상기 전기충격은 산화타이타늄층 하단부에 산화 타이타늄 배리어 층이 형성된 산화타이타늄층 전체에 음이온을 도핑할 수 있다. The electric shock may dope the entirety of the titanium oxide layer formed with the titanium oxide barrier layer at the lower end of the titanium oxide layer.

본 발명에 따른 전기충격을 통한 전극 제조방법에 따르면, 전극의 활성을 증가시키기 위해 금속전구체를 사용하여 촉매를 코팅하는 별도의 공정이 필요하지 않으며, 원-팟 공정으로 금속 음이온을 타이타늄 기재에 도핑할 수 있다. 금속 음이온이 균일하게 도핑된 전극은 산소발생 전극으로 사용되는 경우 낮은 개시전위(onset potential)를 가지며, 산소 환원 반응에 있어서 매우 높은 효율을 나타낸다.According to the method for manufacturing an electrode through an electric shock according to the present invention, there is no need for a separate step of coating a catalyst using a metal precursor to increase the activity of the electrode, and a metal anion is doped into a titanium substrate by a one- can do. Electrodes uniformly doped with metal anions have a low onset potential when used as an oxygen generating electrode and exhibit very high efficiency in an oxygen reduction reaction.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기충격을 통한 전극 제조방법의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 기판을 양극산화 이후에 산화 타이타늄층의 SEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기충격을 통한 전극 제조방법에 따른 산화 타이타늄층의 FE-SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기충격을 통한 전극 제조방법에 의한 산화 타이타늄층의 EDS분석 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기충격을 통한 전극 제조방법에 의한 산화 타이타늄층의 XPS분석 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 다른 전기충격을 통한 전극 제조방법에 의해 제조된 전극의 물분해 전극으로써 효율을 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기충격을 통한 전극 제조방법에 의해 제조된 전극의 전기충격에 따른 원자 함량을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic view of a method for manufacturing an electrode by electric shock according to an embodiment of the present invention.
2 is an SEM image of a titanium oxide layer after anodization of a titanium substrate according to an embodiment of the present invention.
3 is an FE-SEM image of a titanium oxide layer according to the method of manufacturing an electrode through an electric shock according to an embodiment of the present invention.
4 is an EDS analysis image of a titanium oxide layer by an electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an XPS analysis graph of a titanium oxide layer by an electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph illustrating efficiency as a water-decomposing electrode of an electrode manufactured by the method of manufacturing an electrode through an electric shock according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the atomic content of an electrode manufactured by the method for manufacturing an electrode through an electric shock according to an embodiment of the present invention. FIG.

본 발명자는 물분해 전극으로 사용되는 산화 타이타늄의 물분해 효율의 증가 방법을 연구하던 중에 타이타늄 기판을 양극산화하여 산화타이타늄층을 형성하고, 뛰어난 물분해 효율을 보이는 루테늄 산화물(KRuO4, NaRuO4, LiRuO4)을 산화타이타늄층에 균일하게 침투시키는 방법으로 제조된 전극이 낮은 과전압과 높은 촉매 효율을 나타내는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.The present inventors investigated a method of increasing the water decomposition efficiency of titanium oxide used as a water decomposition electrode. An anodic oxidation of a titanium substrate was performed to form a titanium oxide layer, and ruthenium oxide (KRuO 4 , NaRuO 4 , LiRuO 4 ) was uniformly penetrated into the titanium oxide layer, and thus the electrode was found to exhibit low overvoltage and high catalytic efficiency, thereby completing the present invention.

본 발명은 타이타늄 기판을 양극산화하여 상기 타이타늄 기판 상에 산화 타이타늄층을 형성하는 단계(제1단계); 및 상기 산화 타이타늄층이 형성된 타이타늄 기판을 전해액에 담지하고 전기충격을 통하여 산화 타이타늄층에 음이온을 침투시키는 단계(제2단계)를 포함하는 전기충격을 통한 전극 제조방법을 제공한다. The present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) forming a titanium oxide layer on the titanium substrate by anodizing the titanium substrate; And a step of supporting the titanium substrate having the titanium oxide layer formed thereon in an electrolytic solution and penetrating the titanium oxide layer through an electric shock (second step).

상기 타이타늄 기판은 DSA 전극을 제조하는데 좋은 모재가 될 수 있다. The titanium substrate may be a good base material for manufacturing the DSA electrode.

상기 양극산화는, 0.9 M 내지 1 M 인산(H3PO4), 3.6 g 내지 4 g 수산화나트륨(NaOH), 및 0.5 wt% 불화수소(HF)를 탈이온수에 첨가하여 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액에 타이타늄 기판을 담지하여 20 V에서 3 내지 4 시간 동안 수행할 수 있다. The anodic oxidation is performed by adding a 0.9 M to 1 M phosphoric acid (H 3 PO 4 ), 3.6 g to 4 g sodium hydroxide (NaOH), and 0.5 wt% hydrogen fluoride (HF) to deionized water to prepare a mixed solution, The titanium substrate is supported on the mixed solution and can be performed at 20 V for 3 to 4 hours.

상기 조건을 벗어나는 경우 타이타늄 기판 상에 나노튜브인 산화 타이타늄층이 균일하게 형성되기 어렵다.When the above conditions are exceeded, it is difficult to uniformly form the titanium oxide layer, which is a nanotube, on the titanium substrate.

또한 상기 조건을 벗어나는 경우 타이타늄 기판 상에 나노튜브의 길이가 900nm 내지 1 ㎛을 벗어날 수 있으며, 나노튜브의 직경이 상기 조건보다 감소하는 경우에는 후술하는 금속 음이온이 균일하게 침투되지 못할 수 있다. Also, when the above conditions are exceeded, the length of the nanotubes on the titanium substrate may be out of the range of 900 nm to 1 占 퐉. If the diameter of the nanotubes is smaller than the above-mentioned condition, metal anions described later may not uniformly penetrate.

상기 전해액은 0.02 M 내지 0.002 M의 금속산화물 용액을 포함할 수 있다. The electrolytic solution may include a metal oxide solution of 0.02 M to 0.002 M.

여기서 상기 금속산화물은 용액은 KRuO4, NaRuO4, 및 LiRuO4로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 금속산화물이 용해된 것을 특징으로 할 수 있다.The metal oxide may be characterized in that the metal oxide is dissolved in any one selected from the group consisting of KRuO 4 , NaRuO 4 , and LiRuO 4 .

상기 금속산화물 용액은 해리되어 금속음이온을 전달할 수 있으며, 금속음이온은 RuO4 -인 것이 바람직하다.The metal oxide solution is dissociated to transfer metal anions, and the metal anion is preferably RuO 4 - .

상기 금속음이온이 전기충격에 의해 타이티늄 기판 상에 단시간에 효과적으로 도핑될 수 있으며, 그 외의 금속음이온은 효율적으로 도핑할 수 없다. The metal anion can be effectively doped in a short time on the titanium substrate by electric shock, and other metal anions can not be efficiently doped.

상기 전기충격은 20 내지 200 V의 전압으로 5 내지 10초간 수행될 수 있다. The electric shock may be performed at a voltage of 20 to 200 V for 5 to 10 seconds.

또한 상기 전기충격은 하단부에 산화 타이타늄 배리어층이 형성된 산화 타이타늄층 전체에 음이온을 침투시킬 수 있고, 전기충격은 다량의 금속음이온의 흐름을 생성할 수 있다. Also, the electric shock can penetrate the entirety of the titanium oxide layer formed with the titanium dioxide barrier layer at the lower end portion, and the electric shock can generate a large amount of the metal anion flow.

100 V 초과의 전압에서 산화타이타늄층 하단부에 산화타이타늄 배리어 층이 형성될 수 있으며, 80 V 미만의 전압에서는 양극산화된 타이타늄 기판에서 추가적인 산화타이타늄 배리어층이 생성되지 않는다.A titanium oxide barrier layer may be formed at the lower end of the titanium oxide layer at a voltage greater than 100 V and no additional titanium oxide barrier layer is formed in the anodized titanium substrate at a voltage less than 80 V.

이하, 본 발명에 따른 공정 조건을 다양하게 하여 전기충격을 통한 전극 제조방법에 따라 제조한 실시예들을 도면을 참조하여 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited by these examples.

<실시예 1> 전극 제조 &Lt; Example 1 > Electrode Fabrication

산화 타이타늄층를 형성하기 위하여 우선 타이타늄 기판(두께 0.127 mm, 순도 99.7%, 15 mm × 15 mm, Sigma-Aldrich)을 에탄올, 아세톤, 및 증류수를 사용하여 15 분간 초음파로 세척하고 60 ℃에서 15분간 건조하였다. 양극산화는 직류전원장치(DC power supply, Source meter 2400, Keithley)를 사용하여 20 V에서 4 시간 동안 수행되었으며, 두 개의 전극 중에서 타이타늄을 포함하는 전기화학 셀은 작업전극으로 사용하였으며, 플래티늄 메쉬를 카운터 전극으로 사용하였다. 전해질은 1 M 인산(Aldrich), 1 M 수산화나트륨(Daejung, South Korea) 및 0.5 wt.% 불산(Aldrich)을 포함하였다. Titanium substrate (thickness 0.127 mm, purity 99.7%, 15 mm x 15 mm, Sigma-Aldrich) was ultrasonically washed with ethanol, acetone, and distilled water for 15 minutes and dried at 60 ° C for 15 minutes Respectively. The anodic oxidation was performed at 20 V for 4 hours using a DC power supply (source meter 2400, Keithley). Among the two electrodes, an electrochemical cell containing titanium was used as a working electrode, and a platinum mesh And used as a counter electrode. The electrolyte contained 1 M phosphoric acid (Aldrich), 1 M sodium hydroxide (Daejung, South Korea) and 0.5 wt.% Hydrofluoric acid (Aldrich).

과루테늄산 칼륨(Potassium perruthenate, KRuO4, Sigma Aldrich)은 금속산화물 용액으로써 루테늄이 도핑된 산화타이타늄 나노튜브의 제조에 사용되는 루테늄의 공급원으로 사용되었다. And potassium perruthenate (KRuO 4 , Sigma Aldrich) were used as a source of ruthenium used for the preparation of ruthenium-doped titanium oxide nanotubes as metal oxide solutions.

타이타늄 기판 상에 형성된 산화타이타늄(TiO2) 나노튜브는 산화 타이타늄층을 형성하였다.Titanium oxide (TiO 2 ) nanotubes formed on a titanium substrate formed a titanium oxide layer.

상온에서 산화 타이타늄층이 형성된 타이나늄 기판을 0.002 M 과루테늄산 칼륨 용액을 전해액으로 하여 고전압의 전기충격을 인가하고, 산화 타이타늄층을 경화하기 위하여 450 ℃에서 1시간 동안 공기가열로에서 고온풀림(thermal-annealing) 처리하였다.
A high-voltage electric shock was applied with a 0.002 M potassium ruthenate solution as an electrolytic solution on a tin oxide substrate formed with a titanium oxide layer at room temperature, and a high temperature annealing was performed in an air heating furnace at 450 ° C. for 1 hour to cure the titanium oxide layer (thermal-annealing).

<실험예 1> 전극의 물성 &Lt; Experimental Example 1 > Properties of electrodes

1. 전극의 형태 1. Shape of electrode

제조된 전극의 형태를 전계방사주사전자현미경(FE-SEM, 4300S, Hitachi, Japan) 을 사용하여 확인하였다. 산화 타이타늄 층에 루테늄 이온이 도핑된 것은 에너지 분산형 X-선 분석기(EDX, 4300S, Hitachi, Japan)를 사용하여 확인하였다. Al-Kα를 X-선 광원으로 하는 X-선 광전자 분광기(XPS, VGESCALAB220i-XL spectrometer, Fisons)를 사용하여 기판 표면의 화학 조성 및 나노튜브에서 깊이의 프로파일을 작성하였으며, 산소환원반응을 측정하기 위해 3개의 전극을 가지는 정전류기(galvanostatic system, Autolab, PGSTAT302N, Netherlands)을 사용하여 선형 훑음 전압-전류법(Linear sweep voltammetry; 이하 LSV)을 1 M의 수산화 칼륨(KOH)용액에서 -0.5 V에서 2.0 V 까지 범위에서 20 mV/s 주사율로 측정하였다. The shape of the prepared electrode was confirmed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, 4300S, Hitachi, Japan). The ruthenium ions were doped in the titanium oxide layer using an energy dispersive X-ray analyzer (EDX, 4300S, Hitachi, Japan). The chemical composition of the substrate surface and the depth profile of the nanotubes were prepared using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, VGESCALAB220i-XL spectrometer, Fisons) using Al-Kα as an X-ray source. Linear sweep voltammetry (LSV) was performed in a 1 M potassium hydroxide (KOH) solution at -0.5 V using a galvanostatic system (Autolab, PGSTAT302N, Netherlands) 0.0 &gt; mV / s. &Lt; / RTI &gt;

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기충격을 통한 전극 제조방법의 모식도이다. 1 is a schematic view of a method for manufacturing an electrode by electric shock according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 기판을 양극산화 한 이후에 산화 타이타늄층의 SEM 이미지이다. 2 is an SEM image of a titanium oxide layer after anodizing a titanium substrate according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면 양극산화후 산화타이타늄 나노튜브가 균일하게 형성된 것을 확인하였다. Referring to the drawings, it was confirmed that the titanium oxide nanotubes were uniformly formed after the anodic oxidation.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기충격을 통한 전극 제조방법에 따른 산화 타이타늄층의 FE-SEM 이미지이다.3 is an FE-SEM image of a titanium oxide layer according to the method of manufacturing an electrode through an electric shock according to an embodiment of the present invention.

고전압의 전기충격 이후에도 산화타이타늄층의 형상은 변화가 없었으며, 도 3(d)를 참조하면, 100 V 이상을 인가한 경우에 산화타이타늄층 하단부에서 산화타이타늄 배리어층이 추가적으로 형성되었다. 200 V의 전기충격에서 정공의 형성으로 인하여 배리어층의 두께가 크게 증가된 것이 확인되었고, 낮은 전압영역(20 V ~ 80 V)에서는 양극산화에서 생성된 산화 타이타늄 나노튜브의 하단부에 새로운 산화물층이 생성되지 않았다. The shape of the titanium oxide layer did not change even after a high-voltage electric shock. Referring to FIG. 3 (d), when a voltage of 100 V or higher was applied, a titanium oxide barrier layer was further formed at the lower end of the titanium oxide layer. It was confirmed that the thickness of the barrier layer was greatly increased due to the formation of holes in the electric shock of 200 V. In the low voltage region (20 V to 80 V), a new oxide layer was formed at the lower portion of the titanium oxide nanotubes generated in the anodic oxidation It was not created.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기충격을 통한 전극 제조방법에 의한 산화 타이타늄층의 EDS분석 이미지이다. 4 is an EDS analysis image of a titanium oxide layer by an electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

금속산화물 용액에서 공급된 금속음이온이 타이타늄 기판 상에 침투되어 루테늄이 산화 타이타늄층에 균일하게 도핑되었는지 확인하였다. The metal anions supplied from the metal oxide solution were permeated onto the titanium substrate to confirm that the ruthenium was uniformly doped into the titanium oxide layer.

금속산화물 용액 중에 포함된 KRuO4는 K+ 양이온과 RuO4 - 음이온으로 쉽게 해리되며, 금속음이온인 RuO4 - 가 다량으로 전기충격을 통하여 양극으로 대전된 산화 티타늄층으로 침투되었다. KRuO 4 contained in the metal oxide solution was easily dissociated into K + cation and RuO 4 - anion, and a large amount of metal anion RuO 4 - penetrated into the positively charged titanium oxide layer through electric shock.

산화 타이타늄 배리어층이 형성된 것은 중성의 전해액에서 양극산화에 의해 유도된 비다공성 산화물로 설명될 수 있다. 0.002 M KRuO4 용액의 PH는 8.2 ~ 8.4이 였으며, 고전압의 전기충격은 더 많은 양의 RuO4- 가 산화 타이타늄층으로 침투하게 하여 고농도의 루테늄이 도핑된 산화 타이타늄층을 형성하였다. The formation of the titanium oxide barrier layer can be explained as a non-porous oxide induced by anodic oxidation in a neutral electrolyte. The pH of the 0.002 M KRuO 4 solution ranged from 8.2 to 8.4, and the high - voltage electric shock caused a larger amount of RuO 4 - to penetrate into the titanium dioxide layer, forming a highly concentrated ruthenium - doped titanium oxide layer.

도 4(d)는 산화 타이타늄층의 원자 맵핑 결과를 나타낸 것이고, 루테늄이 나노튜브 전체에 고르게 도핑된 것을 확인하였다. 4 (d) shows the result of atomic mapping of the titanium oxide layer, and it was confirmed that ruthenium was uniformly doped into the entire nanotube.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기충격을 통한 전극 제조방법에 의한 산화 타이타늄층의 XPS분석 그래프이다. FIG. 5 is an XPS analysis graph of a titanium oxide layer by an electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 어떤 결합에너지 피크도 루테늄 또는 루테늄복합체와 관련되지 않았으며, 또한 루테늄이 산화 타이타늄층의 나노튜브 상단부 뿐만 아니라 하단부까지 도핑된 것을 확인하였다. 전기충격 이후에 XPS분석에서 Ru, RuO2, 및 RuO3의 결합에너지에 기인한 피크가 관찰되었다. Referring to the drawings, it was confirmed that no binding energy peak was associated with the ruthenium or ruthenium complex, and that ruthenium was doped not only at the top of the nanotubes but also at the bottom of the titanium oxide layer. After the electric shock, a peak due to the binding energy of Ru, RuO 2 , and RuO 3 was observed in the XPS analysis.

도 5(b)는 전압의 크기를 다르게 하는 전기충격 이후에 깊이에 따른 원자 농도를 나타낸 것이다. FIG. 5 (b) shows the atomic concentration according to the depth after the electric shock which makes the magnitude of the voltage different.

전기충격을 통하여 산화 타이타늄층 전체에 루테늄이 높은 농도로 침투된 것을 확인하였으며, 최대농도는 5% 미만이였다. 상기 결과는 EDX분석과 일치하는 것이다.
It was confirmed that the ruthenium penetrated into the titanium oxide layer through the electric shock at a high concentration, and the maximum concentration was less than 5%. The results are consistent with the EDX analysis.

2. 촉매의 성능2. Performance of the catalyst

물분해 전극으로 성능을 확인하기 위해 루테늄이 도핑된 산화 타이타늄층을 포함한 전극의 전기화학적 촉매 성능을 측정하였다. The electrochemical catalytic performance of the electrode including the ruthenium - doped titanium oxide layer was measured to confirm its performance as a water - splitting electrode.

도 6은 본 발명의 실시예에 다른 전기충격을 통한 전극 제조방법에 의해 제조된 전극의 물분해 전극으로서 효율을 측정한 그래프이다. FIG. 6 is a graph illustrating efficiency as a water-decomposing electrode of an electrode manufactured by the method of manufacturing an electrode through an electric shock according to an embodiment of the present invention.

1 M KOH 용액에서 20 mV/s 주사속도로 LSV를 측정하였다.LSV was measured at a scanning rate of 20 mV / s in 1 M KOH solution.

140 V의 전기충격을 수행한 전극이 전압을 다르게 하여 제조된 복수의 전극 중에서 가장 낮은 개시 전위를 나타내었으며, 고정 전위에서 가장 높은 전류 밀도를 나타내었다. 따라서 물분해 전극에 사용되기 위한 최적의 전기충격 조건을 확인하였다. The electrode subjected to the electric shock of 140 V exhibited the lowest starting potential among the plurality of electrodes manufactured with different voltages and exhibited the highest current density at the fixed potential. Therefore, the optimal electric shock condition to be used for the water decomposition electrode was confirmed.

200 V의 전기충격을 수행한 전극은 산화 타이타늄층에 가장 많은 양의 루테늄이 포함되어 있으나, 몇 가지 이유로 가장 놓은 촉매 성능을 나타내지 못하였다. The electrode subjected to an electric shock of 200 V contained the largest amount of ruthenium in the titanium oxide layer but failed to exhibit the catalyst performance which was the most for some reason.

첫째, 전기충격의 전압이 증가될수록 산화 타이타늄 배리어층의 두께가 증가하였으며, 200 V의 전기충격에 정공(voids)들이 형성되었다. 나노튜브 하단부에서 생성되는 산화타이타늄 배리어층의 증가는 산소환원반응의 전위를 증가시키는 경향을 보였다. 따라서 최적의 전기충격 전압은 인가되는 전압에 따라 결정되는 도핑된 루테늄의 함량과 산화 타이타늄 배리어층의 두께의 상반관계에 따라 결정되었다.First, as the voltage of the electric shock increases, the thickness of the titanium oxide barrier layer increases, and voids are formed in the electric shock of 200 V. The increase of the titanium oxide barrier layer at the bottom of the nanotubes tended to increase the potential of the oxygen reduction reaction. Therefore, the optimum electric impulse voltage was determined according to the discrepancy between the content of doped ruthenium determined by the applied voltage and the thickness of the titanium oxide barrier layer.

둘째, 루테늄은 Ru, RuO2, 및 RuO3 세가지의 결합상태로 산화 타이타늄층에 침투되었다. Secondly, ruthenium penetrated into the titanium oxide layer in the bonding state of Ru, RuO 2 , and RuO 3 .

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기충격을 통한 전극 제조방법에 의해 제조된 전극의 전기충격에 따른 원자 함량을 나타낸 그래프이다. FIG. 7 is a graph showing the atomic content of an electrode manufactured by the method for manufacturing an electrode through an electric shock according to an embodiment of the present invention. FIG.

도면을 참조하면, 산소환원반응의 전기화학적 촉매의 효능은 침투된 루테늄이 RuO2로 지배적으로 존재하는 경우에 증가되는 경향을 보였다. 140 V의 전기충격 이후에 산화 타아타늄층에서 상대적으로 더 많은 양의 RuO2을 발견하였다. 금속음이온인 RuO4 -는 낮은 전압의 전기충격이 가해지는 경우에 금속음이온의 크기 때문에 산화 타이타늄층으로 침투되지 못하는 경향을 보였으나, 전기장이 충분하게 강한 고전압의 전기충격을 수행하는 경우는 RuO3가 매우 잘 형성되었다. 중간 위치의 전위인 140 V에서 다량의 RuO2가 형성되었다.
Referring to the drawings, the effect of the electrochemical catalyst of the oxygen reduction reaction tends to increase when the permeated ruthenium predominates with RuO 2 . A relatively higher amount of RuO 2 was found in the taoatanium oxide layer after an electrical shock of 140 V. RuO 4 -, which is a metal anion, tends not to penetrate into the titanium oxide layer due to the size of the metal anion when a low voltage electric shock is applied. However, when a high voltage electric shock having a sufficient electric field is performed, RuO 3 Was very well formed. A large amount of RuO 2 was formed at the intermediate potential of 140 V.

상기 제1단계의 양극산화 공정으로 나노튜브를 포함하는 산화타이타늄층이 타이타늄 기판 상에 형성되었다. 상기 산화타이타늄층은 나노튜브로 형성되었다. 양극산화하여 산화타이타늄층이 형성된 타이타늄 기판을 KRuO4 금속산화물을 포함하는 전해액에 담지하고, 140 V로 10초간 전기충격을 수행하는 공정으로 Ru, RuO2, 및 RuO3 세가지의 결합상태로 산화타이타늄층에 루테늄을 도핑시켰다. 전기충격의 전압이 증가함에 따라, Ru, RuO2, 및 RuO3 함량의 총량도 증가하였으며, 나노튜브 하단부에 생성된 산화타이타늄 배리어층의 두께도 증가하였다. LSV분석에 따라 140 V의 전기충격을 수행하는 경우에 전극의 효율이 가장 높은 것을 확인하였다. In the anodizing process of the first step, a titanium oxide layer containing nanotubes was formed on the titanium substrate. The titanium dioxide layer was formed of nanotubes. A titanium substrate on which a titanium oxide layer is formed by anodic oxidation is deposited on an electrolyte containing KRuO 4 metal oxide and subjected to electric shock at 140 V for 10 seconds to form a titanium oxide layer in a state of Ru, RuO 2 , and RuO 3 , The layer was doped with ruthenium. As the voltage of the electric shock increases, the total amount of Ru, RuO 2 , and RuO 3 also increases, and the thickness of the titanium oxide barrier layer formed at the lower end of the nanotube increases. According to the LSV analysis, it was confirmed that the electrode efficiency was the highest when the electric shock of 140 V was performed.

또한 산화타이타늄층에 포함되어 있는 RuO2 상태가 물분해 전극의 효율을 증가시키는 가장 적합한 상태인 것을 확인하였다.
It is also confirmed that the RuO 2 state contained in the titanium oxide layer is the most suitable for increasing the efficiency of the water decomposition electrode.

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

Claims (7)

타이타늄 기판을 양극산화하여 상기 타이타늄 기판 상에 산화타이타늄층을 형성하는 단계(제1단계); 및
상기 산화타이타늄층이 형성된 타이타늄 기판을 전해액에 담지하고 전기충격을 통하여 산화타이타늄층에 음이온을 침투시키는 단계(제2단계)를 포함하고,
상기 양극산화는, 0.9 내지 1 M 인산(H3PO4), 3.6 내지 4 g 수산화나트륨(NaOH), 및 0.5 wt% 불화수소(HF)를 탈이온수에 첨가하여 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액에 타이타늄 기판을 담지하여 20 V에서 3 내지 4시간 동안 수행하고,
상기 전해액은 0.002 내지 0.02 M의 KRuO4, NaRuO4, 및 LiRuO4로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 금속산화물이 용해된 금속산화물 용액을 포함하는 전기충격을 통한 전극 제조방법.
Anodizing the titanium substrate to form a titanium oxide layer on the titanium substrate (first step); And
(A second step) of supporting the titanium substrate on which the titanium oxide layer is formed with an electrolyte and impregnating the titanium oxide layer with an anion through electric shock (second step)
The anodic oxidation is performed by adding a 0.9 to 1 M phosphoric acid (H 3 PO 4 ), 3.6 to 4 g sodium hydroxide (NaOH), and 0.5 wt% hydrogen fluoride (HF) to deionized water to prepare a mixed solution, A titanium substrate was supported on the solution and was performed at 20 V for 3 to 4 hours,
Wherein the electrolytic solution comprises a metal oxide solution dissolved in a metal oxide selected from the group consisting of KRuO 4 , NaRuO 4 , and LiRuO 4 of 0.002 to 0.02 M.
삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 산화타이타늄층은 길이가 900 nm 내지 1 ㎛인 나노튜브로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기충격을 통한 전극 제조방법.The method of claim 1, wherein the titanium oxide layer is formed of nanotubes having a length of 900 nm to 1 占 퐉. 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 전기충격은 20 내지 200 V의 전압으로 5 내지 10초간 수행되는 것을 특징으로 하는 전기충격을 통한 전극 제조방법.The method according to claim 1, wherein the electric shock is performed at a voltage of 20 to 200 V for 5 to 10 seconds. 청구항 1에 있어서, 상기 전기충격은 산화타이타늄층 하단부에 산화타이타늄 배리어층이 형성된 산화타이타늄층 전체에 음이온을 도핑하는 것을 특징으로 하는 전기충격을 통한 전극 제조방법.The method of claim 1, wherein the electric shock comprises doping an anion on the entirety of the titanium oxide layer having the titanium dioxide barrier layer formed on the lower end of the titanium oxide layer.
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