KR101611407B1 - Cathod catalyst for ait battery and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

공기 전지용 양극 촉매가 개시된다. 본 발명의 일 구현례에 따른 공기 전지용 양극 촉매는, 하기 [화학식 1]로 표현되는 페로브스카이트 구조 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식1]
(XpX'(1-p))α(YqY'(1-q))(1-α)(ZrZ'(1-r))O(3-δ)
(여기서 X는 란타넘족 원소 중 하나 이상의 원소를, Y는 알칼리 토금속 원소 중 하나 이상의 원소를, Z는 철족원소 중 하나 이상의 원소를, O는 산소를 의미한다)
An anode catalyst for air cells is disclosed. The anode catalyst for an air cell according to an embodiment of the present invention may include a perovskite structure compound represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
(X p X '(1- p)) α (Y q Y' (1-q)) (1-α) (Z r Z '(1-r)) O (3-δ)
(Where X is at least one element of the lanthanum element, Y is at least one element of the alkaline earth metal element, Z is at least one element of the iron family element, and O is oxygen)

Description

공기 금속 전지용 양극 촉매 및 제조방법{CATHOD CATALYST FOR AIT BATTERY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a cathode catalyst for an air metal battery,

공기 전지용 양극 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것이다.A cathode catalyst for air cells, and a process for producing the same.

금속 공기 전지는 공기중의 산소를 에너지원으로 이용하여, 산소의 환원에 의해 전기적 에너지를 발생하는 전지이다. 기존의 일차 전지나 대표적인 이차 전지인 리튬 이온 전지에 비해 높은 에너지 밀도와 고출력을 가지고 있는 장점이 있다. A metal air cell is a cell that uses oxygen in the air as an energy source and generates electrical energy by reducing oxygen. Compared to conventional primary batteries and lithium secondary batteries, which are typical secondary batteries, they have a high energy density and high output power.

금속 공기 전지의 경우 산소가 환원되는 공기극인 양극과 금속이 산화되는 음극으로 나뉘고 이를 분리해주는 분리막과 이온들의 이동을 도와주는 전해액으로 나뉜다. 금속 공기 전지의 전체적인 효율을 높이기 위해서는 방전시에는 양극에서 산소를 효율적으로 환원 시켜야 하며 충전 시에는 양극에서 효율적으로 산화 반응을 통하여 산소를 발생 시켜야한다.In the case of metal air cells, the cathode is divided into an anode, which is a cathode for oxygen reduction, and a cathode, which oxidizes the metal, and a separator for separating the electrolyte and an electrolyte for supporting the movement of ions. In order to improve the overall efficiency of the metal air cell, oxygen must be efficiently reduced at the anode when discharging and oxygen must be efficiently generated at the anode when charging.

이때, 양극인 공기극 위에 촉매를 흡착시켜 두 층의 극을 만들어 산소의 환원 및 산화 활성화 시키는 방법을 사용한다. 방전 시 산소의 환원 반응에서는 음극에서 금속이 산화되면서 전자가 발생하고 이 전자는 외부 도선을 통해 이동하여 산소와 만나면서 반응하여 산소의 환원 반응이 일어나게 된다.
At this time, a method of adsorbing a catalyst on a cathode, which is an anode, to make two layers of poles to reduce and oxidize oxygen is used. In the reduction of oxygen during discharging, electrons are generated as the metal is oxidized at the cathode, and the electrons move through the external conductor and react with each other while meeting the oxygen, so that the reduction reaction of oxygen occurs.

반응식 1 (산소의 환원 반응: 방전)Scheme 1 (reduction of oxygen: discharge)

양극반응 : O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- Anode reaction: O 2 + 2H 2 O + 4e - → 4OH -

반응식 2 (산소의 산화 반응: 충전)Scheme 2 (oxidation of oxygen: charge)

양극반응 : 4OH- → O2 + 2H2O + 4e- Anode reaction: 4OH - ? O 2 + 2H 2 O + 4e -

촉매를 사용하지 않고 탄소 공기극만 이용할 경우 상기 양극 반응이 효율적으로 이루어 지지 않아 산호 환원 반응 특성이 좋지 않다. 따라서 양극 촉매의 개발이 필수적이고 상용화된 촉매로 백금 촉매가 있으나 가격적인 측면에서 불리하고 전해액이 알칼리 용액이 아닌 메탄올과 같은 용액에서 좋지 않은 특성을 보이므로 새로운 촉매의 개발이 필요하다.
When only a carbon cathode is used without using a catalyst, the anodic reaction is not efficiently performed and the characteristics of the coral reduction reaction are not good. Therefore, it is necessary to develop a new catalyst because it is disadvantageous in terms of cost and electrolyte is not an alkaline solution but shows poor characteristics in a solution such as methanol.

공기 금속 전지용 양극 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode catalyst for air metal batteries and a method for producing the same.

본 발명의 일 구현례에 따른 공기 전지용 양극 촉매는, 하기 [화학식 1]로 표현되는 페로브스카이트 구조 화합물을 포함할 수 있다.
The anode catalyst for an air cell according to an embodiment of the present invention may include a perovskite structure compound represented by the following formula (1).

[화학식1][Chemical Formula 1]

(XpX'(1-p))α(YqY'(1-q))(1-α)(ZrZ'(1-r))O(3-δ) (X p X '(1- p)) α (Y q Y' (1-q)) (1-α) (Z r Z '(1-r)) O (3-δ)

(여기서 X 및 X'은 서로 독립적으로 란타넘족 원소 중 하나 이상의 원소를, Y 및 Y'은 서로 독립적으로 알칼리 토금속 원소 중 하나 이상의 원소를, Z 및 Z'은 서로 독립적으로 철족원소 중 하나 이상의 원소를, O는 산소를 의미한다.)(Wherein X and X 'independently represent at least one element of the lanthanum element, Y and Y' independently represent at least one element of the alkaline earth metal element, and Z and Z 'represent at least one element , And O means oxygen.)

상기 α는 0.1 내지 0.5 일 수 있다. 또는 상기 α는 0.2 내지 0.4 일 수 있다.The alpha value may be 0.1 to 0.5. Or may be 0.2 to 0.4.

상기 p, q, 또는 r 은 0초과 1이하일 수 있다.The p, q, or r may be greater than 0 and less than or equal to 1.

상기 X는 란탄(La)일 수 있다(이 경우 p의 값은 1).X may be lanthanum (La) (in which case the value of p is 1).

상기 YqY'(1-q) 는 하기 [화학식2]로 표현될 수 있다.
The Y q Y ' (1-q) may be represented by the following formula (2).

[화학식 2](2)

BaqSr(1-q)
Ba q Sr (1-q)

상기 q는 0.3 내지 0.7일 수 있다. 또는, 상기 q는 0.4 내지 0.6 일 수 있다.The q may be 0.3 to 0.7. Alternatively, q may be 0.4 to 0.6.

상기 ZrZ'(1-r)는 하기 [화학식 3]으로 표현될 수 있다.
The Z r Z ' (1-r) can be represented by the following formula (3).

[화학식 3](3)

CoγFe(1-γ)
Co y Fe (1-y)

상기 γ는 0.6 내지 1.0 일 수 있다. 또는, 상기 γ는 0.7 내지 0.9일 수 있다.The? Value may be 0.6 to 1.0. Alternatively, the value of? May be 0.7 to 0.9.

상기 δ는 0 내지 1 일 수 있다. 또는, 상기 δ 는 0.2 내지 0.8 일 수 있다.The? May be 0 to 1. Alternatively, the delta may be 0.2 to 0.8.

상기 페로브스카이트 구조 화합물의 입경은 0.2㎛ 내지 3.2㎛일 수 있다.
The particle size of the perovskite structure compound may be 0.2 탆 to 3.2 탆.

상기 페로브스카이트 구조 화합물의 표면에는 하기 [화학식 4 ]로 표현되는 능면체 구조의 화합물이 형성되어 있을 수 있다.
The surface of the perovskite structure compound may have a rhombohedral structure compound represented by the following formula (4).

[화학식4][Chemical Formula 4]

XZO(3-ε) XZO (3-epsilon)

(여기서 X는 란타넘족 원소 중 하나 이상의 원소를, Z는 철족원소 중 하나 이상의 원소를, O는 산소를 의미한다.)(Where X is at least one element of the lanthanum element, Z is at least one element of the iron family element, and O is oxygen).

상기ε 은 0 내지 0.4 일 수 있다. The epsilon may be 0 to 0.4.

상기 [화학식4]는 LaCoO(3-ε) 일 수 있다.[Formula 4] may be LaCoO (3-epsilon) .

상기 능면체 구조의 화합물의 입경은 0.8㎚ 내지 1.2㎚일 수 있다.
The particle size of the compound of the rhombohedral structure may be 0.8 nm to 1.2 nm.

상기 공기 전지용 양극 촉매를 제조하기 위하여, 하기와 같은 촉매 제조방법을 제공할 수 있다.
In order to produce the positive electrode catalyst for air cells, the following catalyst preparation method may be provided.

일 구현례에 의한 공기 전지용 양극 촉매 제조방법은, 암모니아를 포함하는 완충용액에 란타넘족 원소의 질산화합물, 알칼리 토금속 원소의 질산화합물, 철족원소의 질산화합물 및 카복실산을 첨가하여 전구체 용액을 제조하는 단계; 상기 전구체 용액을 교반한 후 1차 열처리하여 전구체를 제조하는 단계; 및 상기 전구체를 분쇄한 후 2차 열처리 하는 단계를 포함한다.In one embodiment, a method for producing a cathode catalyst for an air cell comprises the steps of adding a nitrate compound of a lanthanum element, a nitric acid compound of an alkaline earth metal element, a nitric acid compound of an iron family element, and a carboxylic acid to a buffer solution containing ammonia to prepare a precursor solution ; Stirring the precursor solution and subjecting it to a first heat treatment to produce a precursor; And a second heat treatment after pulverizing the precursor.

상기 란타넘족 원소의 질산화합물은 질산 란타늄이고, 상기 알칼리 토금속 원소의 질산화합물은 질산 바륨, 질산 스트론튬, 또는 이들의 조합이며, 상기 철족원소의 질산화합물은 질산 코발트, 질산 철, 또는 이들의 조합일 수 있다.Wherein the nitrate compound of the lanthanum element is lanthanum nitrate, the nitrate compound of the alkaline earth metal element is barium nitrate, strontium nitrate, or a combination thereof, and the nitrate compound of the iron family element is cobalt nitrate, iron nitrate, .

상기 질산 란타늄 : 질산 바륨 : 질산 스트론튬 : 질산 코발트 : 질산 철의 몰비율은, 0.4 내지 0.8 : 0.5 내지 0.9 : 0.5 내지 0.9 : 1.4 내지 1.8 : 0.2 내지 0.6 일 수 있다.The molar ratio of the lanthanum nitrate: barium nitrate: strontium nitrate: cobalt nitrate: iron nitrate may be 0.4 to 0.8: 0.5 to 0.9: 0.5 to 0.9: 1.4 to 1.8: 0.2 to 0.6.

상기 첨가되는 질산 란타늄의 양은, 첨가되는 질산 란타늄, 질산 바륨, 질산 스트론튬, 질산 코발트 및 질산 철의 중량 대비 19 내지 23 wt% 일 수 있다.The amount of the added lanthanum nitrate may be 19 to 23 wt% based on the weight of the added lanthanum nitrate, barium nitrate, strontium nitrate, cobalt nitrate, and iron nitrate.

상기 암모니아를 포함하는 완충용액은, 수산화 암모늄 용액 및 상기 수산화 암모늄의 몰(mol)량 대비 0.9 내지 1.1몰(mol)량의 에틸렌디아민테트라에세틱산을 혼합하여 제조한 것 일 수 있다.The buffer solution containing ammonia may be prepared by mixing an ammonium hydroxide solution and ethylenediaminetetraacetic acid in an amount of 0.9 to 1.1 mol based on the molar amount of the ammonium hydroxide.

상기 카복실산은 구연산일 수 있다.The carboxylic acid may be citric acid.

상기 구연산은 수산화 암모늄의 몰(mol)량 대비 1.3 내지 1.7 몰(mol)량 첨가되는 것 일 수 있다.The citric acid may be added in an amount of 1.3 to 1.7 mol based on the molar amount of ammonium hydroxide.

상기 전구체 용액의 pH는 7 내지 8 일 수 있다.The pH of the precursor solution may be from 7 to 8.

상기 교반은 80℃ 내지 120℃에서, 20시간 내지 28시간 교반하는 것 일 수 있다.The stirring may be carried out at 80 to 120 캜 for 20 to 28 hours.

상기 1 차 열처리 하는 단계는, 180℃ 내지 240℃ 에서, 4시간 내지 8시간 행하는 것일 수 있다.The primary heat treatment may be performed at 180 캜 to 240 캜 for 4 hours to 8 hours.

상기 2 차 열처리 하는 단계는, 1050℃ 내지 1150℃ 에서 3시간 내지 7시간 행하는 것 일 수 있다.The second heat treatment may be performed at 1050 캜 to 1150 캜 for 3 hours to 7 hours.

상기 2차 열처리 하는 단계 이후 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.And a step of grinding after the secondary heat treatment step.

본 발명의 일 실시예에 의하면 산소 환원과 산소 발생이 모두 가능한 이기능성(Bi-functional) 공기 금속 전지용 양극 촉매를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a positive electrode catalyst for bi-functional air metal cells capable of both oxygen reduction and oxygen generation.

또한 공기극에 산소의 환원 반응 및 생성 반응이 일어날 수 있는 표면적을 증가 시킴으로써 보다 더 효율적으로 산소 환원 반응 및 생성 반응이 일어날 수 있도록 해준다.Also, by increasing the surface area at which oxygen reduction reaction and formation reaction can occur in the air electrode, oxygen reduction reaction and production reaction can be performed more efficiently.

도 1 은, 실시예에 따라 제조된 공기 전지용 양극 촉매의 SEM 사진이다.
도 2 는 종래 양극촉매로 사용되는 Ba0 .5Sr0 .5Co0 .8Fe0 .2O 의 SEM 사진(a)과 실시예에 의한 양극촉매의 SEM 사진(b)이다.
도 3 는 실시예 및 비교예에 대한 양극촉매의 ORR 성능을 측정한 선형 주사 볼타모그램 그래프이다.
도 4 는 실시예 및 비교예에 대한 양극촉매의 OER 성능을 측정한 선형 주사 볼타모그램 그래프이다.
1 is an SEM photograph of a cathode catalyst for an air cell manufactured according to an embodiment.
FIG. 2 is a SEM photograph (a) of Ba 0 .5 Sr 0 .5 Co 0 .8 Fe 0 .2 O used as a conventional positive electrode catalyst and an SEM photograph (b) of a positive electrode catalyst according to an embodiment.
FIG. 3 is a linear scanning voltammogram graph measuring the ORR performance of the anode catalysts according to Examples and Comparative Examples. FIG.
FIG. 4 is a graph of a linear injection voltammetry measuring the OER performance of a cathode catalyst for Examples and Comparative Examples. FIG.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. However, it is to be understood that the present invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. It is intended that the disclosure of the present invention be limited only by the terms of the appended claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
Thus, in some embodiments, well-known techniques are not specifically described to avoid an undesirable interpretation of the present invention. Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Whenever a component is referred to as "including" an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements, not the exclusion of any other element, unless the context clearly dictates otherwise. Also, singular forms include plural forms unless the context clearly dictates otherwise.

본 발명의 일 실시예에 따른 공기 전지용 양극 촉매는, 하기 [화학식 1]로 표현되는 페로브스카이트 구조 화합물을 포함할 수 있다.
The anode catalyst for an air cell according to an embodiment of the present invention may include a perovskite structure compound expressed by the following formula (1).

[화학식1][Chemical Formula 1]

(XpX'(1-p))α(YqY'(1-q))(1-α)(ZrZ'(1-r))O(3-δ) (X p X '(1- p)) α (Y q Y' (1-q)) (1-α) (Z r Z '(1-r)) O (3-δ)

(여기서 X 및 X'은 서로 독립적으로 란타넘족 원소 중 하나 이상의 원소를, Y 및 Y'은 서로 독립적으로 알칼리 토금속 원소 중 하나 이상의 원소를, Z 및 Z'은 서로 독립적으로 철족원소 중 하나 이상의 원소를, O는 산소를 의미한다)(Wherein X and X 'independently represent at least one element of the lanthanum element, Y and Y' independently represent at least one element of the alkaline earth metal element, and Z and Z 'represent at least one element , And O means oxygen)

상기 δ는 0 내지 1 일 수 있다. 또는, 상기 δ 는 0.2 내지 0.8 일 수 있다.The? May be 0 to 1. Alternatively, the delta may be 0.2 to 0.8.

즉, X, X', Y 또는 Y'이 단순 입방격자를 형성하고 상기 단순 입방격자의 중심에 산소(O)가 존재하며, X, X', Y 또는 Y'으로 만들어지는 평면의 중심에 Z 또는 Z'이 존재하는 페로브스카이트형 구조이다.That is, when X, X ', Y or Y' form a simple cubic lattice, oxygen (O) exists in the center of the simple cubic lattice, and Z Or Z ' is present.

상기 α는 0.1 내지 0.5 일 수 있다. 또는 상기 α는 0.2 내지 0.4 일 수 있다.The alpha value may be 0.1 to 0.5. Or may be 0.2 to 0.4.

상기 p, q, 또는 r 은 0초과 1이하일 수 있다. 여기서, p, q, 또는 r의 값이 1인 경우는 이종의 원소가 아닌 단일의 원소로 이루어짐을 의미한다.The p, q, or r may be greater than 0 and less than or equal to 1. Here, when the value of p, q, or r is 1, it means that a single element is not a heterogeneous element.

상기 X는 란탄(La)일 수 있다.X may be lanthanum (La).

상기 YqY'(1-q) 는 하기 [화학식2]로 표현될 수 있다.
The Y q Y ' (1-q) may be represented by the following formula (2).

[화학식 2](2)

BaqSr(1-q)
Ba q Sr (1-q)

상기 q는 0.3 내지 0.7일 수 있다. 또는, 상기 q는 0.4 내지 0.6 일 수 있다.The q may be 0.3 to 0.7. Alternatively, q may be 0.4 to 0.6.

상기 Z는 하기 [화학식 3]으로 표현될 수 있다.
The Z may be represented by the following formula (3).

[화학식 3](3)

CorFe(1-r)
Co r Fe (1-r)

상기 r는 0.6 내지 1.0 일 수 있다. 또는, 상기 γ는 0.7 내지 0.9일 수 있다.
The r may be 0.6 to 1.0. Alternatively, the value of? May be 0.7 to 0.9.

상기 페로브스카이트 구조 화합물의 입경은 0.2㎛ 내지 3.2㎛일 수 있다.
The particle size of the perovskite structure compound may be 0.2 탆 to 3.2 탆.

상기 페로브스카이트 구조 화합물의 표면에는 하기 [화학식 4 ]로 표현되는 능면체 구조의 화합물이 형성되어 있을 수 있다.
The surface of the perovskite structure compound may have a rhombohedral structure compound represented by the following formula (4).

[화학식4][Chemical Formula 4]

XZO(3-ε) XZO (3-epsilon)

(여기서 X는 란타넘족 원소 중 하나 이상의 원소를, Z는 철족원소 중 하나 이상의 원소를, O는 산소를 의미한다.)(Where X is at least one element of the lanthanum element, Z is at least one element of the iron family element, and O is oxygen).

상기ε 은 0 내지 0.4 일 수 있다.The epsilon may be 0 to 0.4.

상기 [화학식4]는 LaCoO(3-ε) 일 수 있다.[Formula 4] may be LaCoO (3-epsilon) .

상기 능면체 구조의 화합물의 입경은 0.8㎚ 내지 1.2㎚일 수 있다.
The particle size of the compound of the rhombohedral structure may be 0.8 nm to 1.2 nm.

상기 공기 전지용 양극 촉매를 제조하기 위하여, 하기와 같은 실시예에 따른 촉매 제조방법을 제공할 수 있다.
In order to produce the positive electrode catalyst for air cells, a catalyst preparation method according to the following embodiments can be provided.

[실시예1] [Example 1]

1M 수산화 암모늄(NH4OH)에 수산화 암모늄과 동일한 mol량의 에틸렌디아민테트라에세틱산(ethylenediamine tetraacetic acid)을 혼합하여 완충용액을 만들었다. 1 M ammonium hydroxide (NH 4 OH) was mixed with ethylenediamine tetraacetic acid in the same molar amount as ammonium hydroxide to make a buffer solution.

이후, 란탄늄 질산 육수염 (La(NO3)6H2O) : 질산 바륨 (Ba(NO3)2) : 질산 스트론튬 (Sr(NO3)2) : 코발트 질산 육수염 (Co(NO3)6H2O) : 질산 철(Fe(NO3)9H2O)을 0.6mol : 0.7mol : 0.7mol : 1.6mol : 0.4mol 비율로 완충용액에 첨가하였다.Thereafter, lanthanum nitrate hexahydrate (La (NO 3 ) 3 .6H 2 O): barium nitrate (Ba (NO 3 ) 2 ): strontium nitrate (Sr (NO 3 ) 2 ): cobalt nitrate hexahydrate 3 ) 2 .6H 2 O): Iron nitrate (Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O) was added to the buffer solution at a ratio of 0.6 mol: 0.7 mol: 0.7 mol: 1.6 mol: 0.4 mol.

상기 란탄늄 질산 육수염 (La(NO3)3·H2O)양은 첨가되는 질산 란타늄, 질산 바륨, 질산 스트론튬, 질산 코발트 및 질산 철의 중량 대비 21.31wt% 첨가하였다.The amount of lanthanum nitrate hexahydrate (La (NO 3 ) 3 .H 2 O) was 21.31 wt% based on the weight of the added lanthanum nitrate, barium nitrate, strontium nitrate, cobalt nitrate and iron nitrate.

또한, 수산화 암모늄 mol량의 1.5배에 해당하는 구연산을 완충용액에 첨가하였다.In addition, citric acid corresponding to 1.5 times the molar amount of ammonium hydroxide was added to the buffer solution.

이 후, 용액의 pH를 8로 조절하고, 100℃에서 24시간 동안 교반하면서 젤(gel)화 시켰다. Thereafter, the pH of the solution was adjusted to 8, and the solution was gelated with stirring at 100 DEG C for 24 hours.

젤화된 용액을 오븐에서 200℃ 에서 6 시간 동안 열처리하여 전구체를 제조하였다.The gelated solution was heat treated in an oven at 200 < 0 > C for 6 hours to produce a precursor.

열처리가 완료된 전구체를 30분간 막자 사발에서 분쇄한 후, 분쇄된 전구체를 1100℃에서 5시간 동안 열처리하였다. 열처리가 완료된 후 30분간 막자 사발에서 분쇄하였다.
After the heat-treated precursor was pulverized in a mortar for 30 minutes, the pulverized precursor was heat-treated at 1100 ° C for 5 hours. After the heat treatment was completed, the mixture was pulverized in a mortar for 30 minutes.

[실험례1][Experimental Example 1]

도 1 은, 실시예에 따라 제조된 공기 전지용 양극 촉매의 SEM 사진이다.1 is an SEM photograph of a cathode catalyst for an air cell manufactured according to an embodiment.

도 1 을 참고하면 제조된 양극 촉매는 페로브스카이트 구조 화합물의 표면에 능면체 구조의 화합물이 석출되어 분포되어 있다. Referring to FIG. 1, the prepared positive electrode catalyst has a compound of rhombohedral structure deposited on the surface of the perovskite structure compound.

상기 페로브스카이트 구조 화합물의 화학식은 하기와 같이 표현된다.
The formula of the perovskite structure compound is expressed as follows.

La0 .3(Ba0 .5Sr0 .5)0.7Co0 .8Fe0 .2 O(2.7)
La 0 .3 (Ba 0 .5 Sr 0 .5) 0.7 Co 0 .8 Fe 0 .2 O (2.7)

또한 상기 능면체 구조의 화합물의 화학식은 하기와 같이 표현된다.
The chemical formula of the compound of the rhombohedral structure is expressed as follows.

LaCoO3
LaCoO 3

도 2 는 종래 양극촉매로 사용되는 Ba0 .5Sr0 .5Co0 .8Fe0 .2O 의 SEM 사진(a)과 실시예에 의한 양극촉매의 SEM 사진(b)이다. FIG. 2 is a SEM photograph (a) of Ba 0 .5 Sr 0 .5 Co 0 .8 Fe 0 .2 O used as a conventional positive electrode catalyst and an SEM photograph (b) of a positive electrode catalyst according to an embodiment.

도 2 를 참고하면, 상기 페로브스카이트 구조 화합물의 입경은 0.2㎛ 내지 3.2㎛ 으로 나타났으며, 상기 능면체 구조의 화합물의 입경은 0.8㎚ 내지 1.2㎚ 였다. Referring to FIG. 2, the perovskite structure compound has a particle size of 0.2 to 3.2 μm, and the compound of the rhombohedral structure has a particle diameter of 0.8 to 1.2 nm.

종래 양극촉매로 사용되는 Ba0 .5Sr0 .5Co0 .8Fe0 .2O(이하, BSCF5582라고 한다)의 경우 평균입경은 4.1㎛ 내지 16.7㎛ 이다. 즉, 종래 양극촉매에 비하여 평균입경이 작아서, 산소의 환원 및 생성 반응이 일어날 수 있는 표면적을 증가시켜 보다 더 효율적으로 산소 환원 반응 및 생성 반응이 일어 날 수 있다.In the case of Ba 0 .5 Sr 0 .5 Co 0 .8 Fe 0 .2 O (hereinafter referred to as BSCF 5582) conventionally used as an anode catalyst, the average particle diameter is from 4.1 탆 to 16.7 탆. That is, since the average particle diameter is smaller than that of the conventional anode catalyst, the surface area where the reduction and formation reaction of oxygen can occur increases more effectively and oxygen reduction reaction and production reaction can occur more efficiently.

또한, 페로브스카이트 구조 화합물의 표면에 화합물에 석출 분포된 능면체 구조의 화합물에 의하여 표면적은 더욱 증가된다.
Further, the surface area is further increased by the compound of the rhombohedral structure precipitated and distributed in the compound on the surface of the perovskite structure compound.

[실험례2][Experimental Example 2]

실시예1에 의한 양극촉매 80 wt%에 케첸블랙(ketjenblack) 20wt%를 혼합하여 촉매의 ORR(oxygen reduction reaction) 성능을 측정하였다.The oxygen reduction reaction (ORR) performance of the catalyst was measured by mixing 20 wt% of ketjenblack with 80 wt% of the anode catalyst according to Example 1.

또한 비교예1로써 BSCF5582 80 wt%과 케첸블랙(ketjenblack) 20wt% 혼합물을, 비교예2로써 RuO2 80 wt%과 케첸블랙(ketjenblack) 20wt% 혼합물을, 비교예3 으로써 20wt% 의 Pt와 Vulcan XC-72 carbon black(VCB) 혼합물(이하, Pt/C 20% 라 한다)을 사용하였다.In Comparative Example 1, 80 wt% of BSCF5582 and 20 wt% of ketjenblack were used as Comparative Example 2, and RuO 2 A mixture of 80 wt% and ketjenblack 20 wt% was used as Comparative Example 3, and a mixture of 20 wt% of Pt and Vulcan XC-72 carbon black (VCB) (hereinafter referred to as Pt / C 20%) was used.

도 3 는 실시예 및 비교예에 대한 양극촉매의 ORR 성능을 측정한 선형 주사 볼타모그램 그래프이다.FIG. 3 is a linear scanning voltammogram graph measuring the ORR performance of the anode catalysts according to Examples and Comparative Examples. FIG.

(0.1M KOH 전해액, 주사속도: 10mVs-1). 선형 주사 전압법의 측정 방법은 rotating ring disk electrode (RRDE) 에서 1600rpm 으로 전극을 회전시키고 potentiostat으로 주사속도를 10mVs-1로 가해주었다.(0.1 M KOH electrolyte, scanning speed: 10 mVs < -1 >). In the linear scanning voltage method, the electrode was rotated at 1600 rpm on a rotating ring disk electrode (RRDE) and the scanning speed was increased to 10 mVs -1 with a potentiostat.

도3(a)는 디스크 전류(id)를, 도3(b)는 하이드로과산화물 생성량을, 도3(c)는 링 전류(ir)를, 도3(d)는 전자전달계수(electron transfer number)를 나타낸다.3 (a) is a disk current (i d), 3 (b) is a hydroperoxide production, Fig. 3 (c) is a ring current (i r), FIG. 3 (d) is an electron transfer coefficient (electron transfer number.

도3 을 참고하면, 실시예에 의한 촉매를 사용하였을때, 비교예 1 및 비교예 4 보다 디스크 전류(id)는 약 20% 정도 향상되었고, 비교예 3 및 비교예 4 보다 링 전류(ir) 특성이 좋은 것을 알 수 있다. 3, the disc current i d was improved by about 20% when compared with the comparative example 1 and the comparative example 4, and the ring current i r ) characteristics are good.

또한, 하이드로과산화물 생성량(HO2 -%)은 비교예1 보다 현저이 낮았으며, 전자전달계수는 비교예 1보다 우수하게 나타났다.
In addition, the amount of hydroperoxide formation (HO 2 - %) was significantly lower than that of Comparative Example 1, and the electron transfer coefficient was superior to that of Comparative Example 1.

[실험례3][Experimental Example 3]

실시예1에 의한 양극촉매 80 wt%에 케첸블랙(ketjenblack) 20wt%를 혼합하여 촉매의 OER(oxygen evolution reaction) 성능을 측정하였다.The oxygen evolution reaction (OER) performance of the catalyst was measured by mixing 20 wt% ketjenblack with 80 wt% of the anode catalyst according to Example 1.

또한 비교예1로써 BSCF5582 80 wt%과 케첸블랙(ketjenblack) 20wt% 혼합물을, 비교예2로써 IrO2 80 wt%과 케첸블랙(ketjenblack) 20wt% 혼합물을 사용하였다.As Comparative Example 1, a mixture of 80 wt% of BSCF5582 and 20 wt% of ketjenblack was used, and a mixture of IrO 2 A mixture of 80 wt% and ketjenblack 20 wt% was used.

도 4 는 실시예 및 비교예에 대한 양극촉매의 OER 성능을 측정한 선형 주사 볼타모그램 그래프이다.FIG. 4 is a graph of a linear injection voltammetry measuring the OER performance of a cathode catalyst for Examples and Comparative Examples. FIG.

도 4 를 참고하면, 실시예에 의한 촉매의 OER 성능이 우수한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the OER performance of the catalyst according to the embodiment is excellent.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 단 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. The following examples are illustrative of the present invention only and are not intended to limit the scope of the present invention.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, You will understand.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention .

Claims (20)

하기 [화학식 1]로 표현되는 페로브스카이트 구조 화합물을 포함하고,
상기 페로브스카이트 구조 화합물의 표면에는 하기 [화학식 4]로 표현되는 능면체 구조의 화합물이 형성되어 있는 공기 전지용 양극 촉매.
[화학식1]
(XpX'(1-p))α(YqY'(1-q))(1-α)(ZrZ'(1-r))O(3-δ)
(여기서 X 및 X'은 서로 독립적으로 란타넘족 원소 중 하나 이상의 원소를, Y 및 Y'은 서로 독립적으로 알칼리 토금속 원소 중 하나 이상의 원소를, Z 및 Z'은 서로 독립적으로 철족원소 중 하나 이상의 원소를, O는 산소를 의미한다. 또한, 여기서 α는 0.1 내지 0.5 이고, p, q, 또는 r 은 0 초과 1 이하이고, δ는 0 내지 1 이다.)
[화학식4]
XZO(3-ε)
(여기서 X는 란타넘족 원소 중 하나 이상의 원소를, Z는 철족원소 중 하나 이상의 원소를, O는 산소를 의미하고, ε 은 0 내지 0.4 이다.)
And a perovskite structure compound expressed by the following formula (1)
Wherein the surface of the perovskite structure compound has a rhombohedral structure compound represented by Formula 4 below.
[Chemical Formula 1]
(X p X '(1- p)) α (Y q Y' (1-q)) (1-α) (Z r Z '(1-r)) O (3-δ)
(Wherein X and X 'independently represent at least one element of the lanthanum element, Y and Y' independently represent at least one element of the alkaline earth metal element, and Z and Z 'represent at least one element , Wherein 0 means oxygen. Here, alpha is 0.1 to 0.5, p, q, or r is more than 0 and not more than 1, and? Is 0 to 1.)
[Chemical Formula 4]
XZO (3-epsilon)
(Where X is at least one element of the lanthanum element, Z is at least one element of the iron family element, O is oxygen, and? Is 0 to 0.4).
제 1 항에 있어서,
상기 X는 란탄(La)인 공기 전지용 양극 촉매.
The method according to claim 1,
And X is lanthanum (La).
제 2 항에 있어서,
상기 Y는 하기 [화학식2]로 표현되고, 상기 Z는 하기 [화학식 3]으로 표현되는 공기 전지용 양극 촉매.

[화학식 2]
BaβSr(1-β)

[화학식 3]
CoγFe(1-γ)

(여기서, β는 0.3 내지 0.7이고, γ는 0.6 내지 1.0 이다)
3. The method of claim 2,
Y is represented by the following formula (2), and Z is represented by the following formula (3).

(2)
Ba ? Sr (1-?)

(3)
Co y Fe (1-y)

(Where beta is from 0.3 to 0.7 and y is from 0.6 to 1.0)
제 3 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 구조 화합물의 입경은 0.2㎛ 내지 3.2㎛ 인 공기 전지용 양극 촉매.
The method of claim 3,
Wherein the perovskite structure compound has a particle diameter of 0.2 to 3.2 占 퐉.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 [화학식4]는 LaCoO(3-ε) 인 공기 전지용 양극 촉매.
The method according to claim 1,
(4) is LaCoO (3-epsilon) .
제 1 항에 있어서,
상기 능면체 구조의 화합물의 입경은 0.8㎚ 내지 1.2㎚ 인 공기 전지용 양극 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the compound of the rhombohedral structure has a particle diameter of 0.8 nm to 1.2 nm.
암모니아를 포함하는 완충용액에 란타넘족 원소의 질산화합물, 알칼리 토금속 원소의 질산화합물, 철족원소의 질산화합물 및 카복실산을 첨가하여 전구체 용액을 제조하는 단계;
상기 전구체 용액을 교반한 후 1차 열처리하여 전구체를 제조하는 단계; 및
상기 전구체를 분쇄한 후 2차 열처리 하여, 공기 전지용 양극 촉매를 수득하는 단계;를 포함하는 공기 전지용 양극 촉매 제조방법이되,
상기 공기 전지용 양극 촉매는,
하기 [화학식 1]로 표현되는 페로브스카이트 구조 화합물을 포함하고,
상기 페로브스카이트 구조 화합물의 표면에는 하기 [화학식 4]로 표현되는 능면체 구조의 화합물이 형성되어 있는 공기 전지용 양극 촉매인 것인 공기 전지용 양극 촉매 제조방법.
[화학식1]
(XpX'(1-p))α(YqY'(1-q))(1-α)(ZrZ'(1-r))O(3-δ)
(여기서 X 및 X'은 서로 독립적으로 란타넘족 원소 중 하나 이상의 원소를, Y 및 Y'은 서로 독립적으로 알칼리 토금속 원소 중 하나 이상의 원소를, Z 및 Z'은 서로 독립적으로 철족원소 중 하나 이상의 원소를, O는 산소를 의미한다. 또한, 여기서 α는 0.1 내지 0.5 이고, p, q, 또는 r 은 0 초과 1 이하이고, δ는 0 내지 1 이다.)
[화학식4]
XZO(3-ε)
(여기서 X는 란타넘족 원소 중 하나 이상의 원소를, Z는 철족원소 중 하나 이상의 원소를, O는 산소를 의미하고, ε 은 0 내지 0.4 이다.)
Adding a nitrate compound of a lanthanum element, a nitrate compound of an alkaline earth metal element, a nitrate compound of an iron family element, and a carboxylic acid to a buffer solution containing ammonia to prepare a precursor solution;
Stirring the precursor solution and subjecting it to a first heat treatment to produce a precursor; And
And calcining the precursor and then subjecting the precursor to a secondary heat treatment to obtain a cathode catalyst for an air cell,
The positive electrode catalyst for an air cell comprises:
And a perovskite structure compound expressed by the following formula (1)
Wherein the surface of the perovskite structure compound is a cathode catalyst for an air cell having a rhombohedral structure compound represented by the following formula (4).
[Chemical Formula 1]
(X p X '(1- p)) α (Y q Y' (1-q)) (1-α) (Z r Z '(1-r)) O (3-δ)
(Wherein X and X 'independently represent at least one element of the lanthanum element, Y and Y' independently represent at least one element of the alkaline earth metal element, and Z and Z 'represent at least one element , Wherein 0 means oxygen. Here, alpha is 0.1 to 0.5, p, q, or r is more than 0 and not more than 1, and? Is 0 to 1.)
[Chemical Formula 4]
XZO (3-epsilon)
(Where X is at least one element of the lanthanum element, Z is at least one element of the iron family element, O is oxygen, and? Is 0 to 0.4).
제 8 항에 있어서,
상기 란타넘족 원소의 질산화합물은 질산 란타늄인 공기 전지용 양극 촉매 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the nitrate compound of the lanthanum element is lanthanum nitrate.
제 8 항에 있어서,
상기 알칼리 토금속 원소의 질산화합물은 질산 바륨, 질산 스트론튬, 또는 이들의 조합인 공기 전지용 양극 촉매 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the nitric acid compound of the alkaline earth metal element is barium nitrate, strontium nitrate, or a combination thereof.
제 9 항에 있어서,
상기 철족원소의 질산화합물은 질산 코발트, 질산 철, 또는 이들의 조합인 공기 전지용 양극 촉매 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the nitric acid compound of the iron family element is cobalt nitrate, iron nitrate, or a combination thereof.
제 10 항에 있어서,
상기 질산 란타늄 : 질산 바륨 : 질산 스트론튬 : 질산 코발트 : 질산 철의 몰비율은,
0.4 내지 0.8 : 0.5 내지 0.9 : 0.5 내지 0.9 : 1.4 내지 1.8 : 0.2 내지 0.6 인 공기 전지용 양극 촉매 제조방법.
11. The method of claim 10,
The molar ratio of the lanthanum nitrate: barium nitrate: strontium nitrate: cobalt nitrate:
0.4 to 0.8: 0.5 to 0.9: 0.5 to 0.9: 1.4 to 1.8: 0.2 to 0.6.
제 10 항에 있어서,
상기 첨가되는 질산 란타늄의 양은,
첨가되는 질산 란타늄, 질산 바륨, 질산 스트론튬, 질산 코발트 및 질산 철의 중량 대비 19 내지 23 wt%인 공기 전지용 양극 촉매 제조방법.
11. The method of claim 10,
The amount of the lanthanum nitrate to be added is,
Wherein the weight ratio of lanthanum nitrate, barium nitrate, strontium nitrate, cobalt nitrate, and iron nitrate is 19 to 23 wt% based on the weight of the lanthanum nitrate, barium nitrate, strontium nitrate, cobalt nitrate and iron nitrate.
제 10 항에 있어서,
상기 암모니아를 포함하는 완충용액은,
수산화 암모늄 용액 및 상기 수산화 암모늄의 몰(mol)량 대비 0.9 내지 1.1몰(mol)량의 에틸렌디아민테트라에세틱산을 혼합하여 제조한 것인 공기 전지용 양극 촉매 제조방법.
11. The method of claim 10,
The buffer solution containing ammonia,
Ammonium hydroxide solution and ethylenediaminetetraacetic acid in an amount of 0.9 to 1.1 mol based on the molar amount of the ammonium hydroxide.
제 11 항에 있어서,
상기 카복실산은 구연산인 공기 전지용 양극 촉매 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the carboxylic acid is citric acid.
제 12 항에 있어서,
상기 구연산은 수산화 암모늄의 몰(mol)량 대비 1.3 내지 1.7 몰(mol)량 첨가되는 공기 전지용 양극 촉매 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the citric acid is added in an amount of 1.3 to 1.7 mol based on the molar amount of ammonium hydroxide.
제 13 항에 있어서,
상기 전구체 용액의 pH는 7 내지 8 인 공기 전지용 양극 촉매 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the precursor solution has a pH of from 7 to 8.
제 14 항에 있어서,
상기 교반은 80℃ 내지 120℃에서, 20시간 내지 28시간 교반하는 것인 공기 전지용 양극 촉매 제조방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the stirring is performed at 80 to 120 DEG C for 20 to 28 hours.
제 18 항에 있어서,
상기 1 차 열처리 하는 단계는,
180℃ 내지 240℃ 에서, 4시간 내지 8시간 행하는 것인 공기 전지용 양극 촉매 제조방법.
19. The method of claim 18,
Wherein the first heat treatment step comprises:
At 180 占 폚 to 240 占 폚 for 4 hours to 8 hours.
제 19 항에 있어서,
상기 2 차 열처리 하는 단계는,
1050℃ 내지 1150℃ 에서 3시간 내지 5시간 행하는 것인 공기 전지용 양극 촉매 제조방법.
20. The method of claim 19,
Wherein the second heat treatment step comprises:
Wherein said step (c) is carried out at 1050 캜 to 1150 캜 for 3 hours to 5 hours.
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