KR101634077B1 - Pt-Au alloy catalyst having resistance to phosphoric acid poisoning, MEA and High temperature PEMFC including the same and method for preparing the same - Google Patents

Pt-Au alloy catalyst having resistance to phosphoric acid poisoning, MEA and High temperature PEMFC including the same and method for preparing the same Download PDF

Info

Publication number
KR101634077B1
KR101634077B1 KR1020130133432A KR20130133432A KR101634077B1 KR 101634077 B1 KR101634077 B1 KR 101634077B1 KR 1020130133432 A KR1020130133432 A KR 1020130133432A KR 20130133432 A KR20130133432 A KR 20130133432A KR 101634077 B1 KR101634077 B1 KR 101634077B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
platinum
catalyst
phosphoric acid
gold
membrane
Prior art date
Application number
KR1020130133432A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20150052432A (en
Inventor
임지은
김수길
조은애
유성종
김형준
디억 헨켄스마이어
장종현
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020130133432A priority Critical patent/KR101634077B1/en
Publication of KR20150052432A publication Critical patent/KR20150052432A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101634077B1 publication Critical patent/KR101634077B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/48Silver or gold
    • B01J23/52Gold
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

인산 내피독성 백금 및 금 합금 촉매, 이를 포함하는 막전극접합체, 고온 고분자 연료전지 및 그 제조 방법이 제공된다. 상기 백금 및 금의 합금 촉매는 인산 피독에 저항성이 강하면서도 산소환원반응(Oxygen reduction reaction, ORR)에 대한 촉매 활성이 높기 때문에 인산 함침 막의 사용으로 인한 인산 피독의 문제점이 있는 고온 고분자 전해질 막 연료전지에 특히 유용하게 사용될 수 있다.A phosphoric acid endotoxic toxic platinum and gold alloy catalyst, a membrane electrode assembly comprising the same, a high temperature polymer fuel cell, and a method of manufacturing the same. The platinum and gold alloy catalysts are resistant to poisoning with phosphoric acid and have a high catalytic activity against oxygen reduction reaction (ORR). Therefore, the use of a phosphoric acid-impregnated membrane in a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell . ≪ / RTI >

Description

인산 내피독성 백금 및 금 합금 촉매, 이를 포함하는 막전극접합체, 고온 고분자 연료전지 및 그 제조 방법{Pt-Au alloy catalyst having resistance to phosphoric acid poisoning, MEA and High temperature PEMFC including the same and method for preparing the same}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a phosphorous-endotoxic toxic platinum and gold alloy catalyst, a membrane electrode assembly comprising the same, a high-temperature polymer fuel cell, and a method of preparing the same. same}

본 명세서는 인산 내피독성 백금 및 금 합금 촉매, 이를 포함하는 막전극접합체, 고온 고분자 연료전지 및 그 제조 방법에 관하여 기술한다. The present specification describes a phosphorous endotoxic platinum and gold alloy catalyst, a membrane electrode assembly comprising the same, a high temperature polymer fuel cell, and a manufacturing method thereof.

고분자 전해질 막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 음극의 수소산화반응과 양극의 산소환원반응을 통하여 생성되는 전자의 흐름을 통하여 전기를 생산하는 시스템이다.A polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is a system that produces electricity through the flow of electrons generated through the hydrogen oxidation reaction of the anode and the oxygen reduction reaction of the anode.

고분자 전해질 막 연료전지의 문제점은 양극의 느린 산소환원반응과 재료 물질(Pt 촉매, 분리판등)의 높은 비용, 물 운용(water management)의 복잡성 등이 있다.The problems of the polymer electrolyte membrane fuel cell are the slow oxygen reduction reaction of the anode, the high cost of materials (Pt catalyst, separator, etc.), and the complexity of water management.

한편, 고온 고분자 전해질 막 연료전지(high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, HT-PEMFC)는 일반적인 고분자 전해질 막 연료전지 즉, 저온(60℃~80℃) 고분자 전해질 막 연료전지에 비하여 고온(120℃~180℃)에서 작동하는 고분자 전해질 막 연료전지이다.In contrast, a high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (HT-PEMFC) has a higher temperature (120 ° C ~ 80 ° C) than a general polymer electrolyte fuel cell, that is, a low temperature (60 ° C to 80 ° C) 180 < 0 > C).

이러한 고온 고분자 전해질 막 연료전지는 인산(phosphoric acid, PA)이 함침된 폴리벤지이미다졸(polybenzimidazole, PBI)을 막으로 사용하기 때문에 물이 함침된 나피온 막을 사용하는 일반적인 저온 고분자 전해질 막 연료전지와 달리 고온에서(100℃ 이상)도 작동이 가능하여 연료전지 운동 에너지(kinetic energy)를 향상시킬 수 있으며, 복잡한 물 운용(water management)이 필요하지 않다. Since such a high-temperature polyelectrolyte membrane fuel cell uses polybenzimidazole (PBI) impregnated with phosphoric acid (PA) as a membrane, a general low-temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using a Nafion membrane impregnated with water It is possible to operate at high temperature (above 100 ℃) to improve fuel cell kinetic energy, and does not require complicated water management.

그런데, 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 가장 큰 문제점은 촉매의 인산 피독이다. 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 각 전극 촉매는 일반적인 저온 고분자 전해질 막 연료전지와 마찬가지로 백금 촉매를 사용하고 있다. 그러나, 막에 함침된 인산이 촉매에 강하게 흡착하는 인산 피독으로 인하여, 전극에서 일어나는 수소 산화와 산소 환원반응 사이트(site)를 막게 되어 촉매 활성을 급격히 감소하게 된다. However, the biggest problem of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell is phosphoric acid poisoning of the catalyst. Each of the electrode catalysts of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell uses a platinum catalyst as in a general low temperature polyelectrolyte membrane fuel cell. However, due to the poisoning of phosphoric acid impregnated into the membrane by the phosphoric acid impregnated strongly in the membrane, the hydrogen oxidation and the oxygen reduction reaction site occurring at the electrode are blocked and the catalytic activity is drastically reduced.

종래 촉매의 활성을 높이기 위하여 백금 촉매의 결정 구조(crystal structure)에 따른 촉매 활성 연구나 백금을 주 촉매로 하고 다른 금속과 혼합하여 합금(alloy)이나 코어-쉘(core-shell) 형태의 촉매를 제조하여 전기적 구조(electronic structure)를 변화시켜 활성을 향상시키는 방법 등이 보고되고 있다. In order to increase the activity of the conventional catalyst, it is necessary to study the catalytic activity depending on the crystal structure of the platinum catalyst or to use a catalyst of an alloy or a core-shell type by mixing platinum with another metal as a main catalyst And a method of improving the activity by changing the electronic structure is reported.

: K-S Lee et al. Electrochimica Acta 56, 8802 (2011) : K-S Lee et al. Electrochimica Acta 56, 8802 (2011) : J.Zhang et al. Science 315, 200 (2007): J. Zhang et al. Science 315, 200 (2007)

본 발명의 구현예들에서는, 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 인산 피독에 저항성이 강하면서도 산소환원반응(Oxygen reduction reaction)에 대한 촉매 활성이 높은 인산 내피독성 백금 및 금 합금 촉매, 이를 포함하는 막전극접합체, 고온 고분자 연료전지 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.In embodiments of the present invention, a phosphoric endotoxic platinum and gold alloy catalyst having high resistance to poisoning with phosphoric acid in a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell and high catalytic activity against an oxygen reduction reaction, A high temperature polymer fuel cell, and a manufacturing method thereof.

본 발명의 구현예에서는, 인산의 존재하에 사용되고, 백금 및 금의 합금으로 이루어진 촉매이며, 산소환원반응 활성 및 인산 내피독성을 가지는 백금 및 금 합금 촉매를 제공한다.In an embodiment of the present invention, there is provided a platinum and gold alloy catalyst used in the presence of phosphoric acid and made of an alloy of platinum and gold, having oxygen reduction activity and phosphoric endotoxicity.

여기서, 상기 백금 및 금의 합금 중 금의 조성은 원자 조성으로서 바람직하게는 10% 이상 50% 이하, 특히 바람직하게는 11% 이상 31% 이하, 가장 바람직하게는 31%이다. The composition of the gold in the alloy of platinum and gold is preferably 10% or more and 50% or less, particularly preferably 11% or more and 31% or less, and most preferably 31% or less.

상기 백금 및 금 합금 촉매는 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 전극 촉매로 유용하다.The platinum and gold alloy catalysts are useful as electrode catalysts for high temperature polyelectrolyte membrane fuel cells.

본 발명의 다른 구현예에서는 또한, 막전극접합체로서, 막전극접합체의 전극 촉매가 상기 백금 및 금 합금 촉매를 포함하고, 막전극접합체의 막은 인산 함침된 막인 막전극접합체를 제공한다.In another embodiment of the present invention, there is also provided a membrane electrode assembly, wherein as the membrane electrode assembly, the electrode catalyst of the membrane electrode assembly includes the platinum and gold alloy catalysts, and the membrane of the membrane electrode assembly is a membrane impregnated with phosphoric acid.

상기 막전극접합체는 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 막전극접합체로 유용하다.The membrane electrode assembly is useful as a membrane electrode assembly of a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell.

본 발명의 다른 구현예에서는 또한, 고온 고분자 전해질 막 연료전지로서, 상기 막전극접합체를 포함하는 고온 고분자 전해질 막 연료전지를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell comprising the membrane electrode assembly.

본 발명의 다른 구현예에서는 또한, 백금과 금을 합금화하는 단계를 포함하는 산소환원반응 활성 및 인산 내피독성을 가지는 상기 백금 및 금 합금 촉매의 제조 방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a method for producing the platinum and gold alloy catalyst having oxygen reduction activity and phosphoric endotoxicity, comprising the step of alloying platinum with gold.

여기서, 상기 합금화 단계의 예는 코스퍼터 합금화 방법, 콜로이드(colloidal) 합금화 방법, 함침(impregnation) 합금화 방법, 전해 도금 합금화 방법 등을 포함할 수 있다.Here, examples of the alloying step may include a course putter alloying method, a colloidal alloying method, an impregnation alloying method, an electrolytic plating alloying method, and the like.

본 발명의 구현예들에 따른 인산 내피독성 백금 및 금의 합금 촉매는 인산 피독에 저항성이 강하면서도 산소환원반응(Oxygen reduction reaction, ORR)에 대한 촉매 활성이 높기 때문에 인산 함침 막의 사용으로 인한 인산 피독의 문제점이 상존하는 고온 고분자 전해질 막 연료전지에 특히 유용하게 사용될 수 있다.The phosphorus-endotoxic toxic platinum and gold alloy catalysts according to the embodiments of the present invention are resistant to phosphoric acid poisoning and have a high catalytic activity against the oxygen reduction reaction (ORR). Therefore, phosphoric acid poisoning due to use of phosphoric acid- The present invention can be particularly useful for a high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell in which the problems of the present invention are present.

도 1은 본 발명의 비교예 및 실시예의 각 촉매의 몰폴로지 확인을 위한 FE-SEM 사진 결과이다. 도 1a는 백금나노입자 단일 촉매(Pt Nps), 도 1b는 Pt89Au11(실시예 1), 도 1c는 Pt69Au31(실시예 2), 도 1d는 Pt63Au37(실시예 3), 도 1e는 Pt55Au45(실시예 4), 도 1f는 Pt52Au48(실시예 5), 도 1g는 Au 나노입자 단일 촉매(Au Nps) 경우이다.
도 2a는 본 발명의 실험예에 있어서, 인산이 없을 경우(0.1M HClO4) 제조된 촉매[Pt 단일 촉매(Pt nanoparticles) 및 다양한 composition으로 제조된 PtAu alloy]의 산소환원반응 활성을 알아보기 위한 LSV(Linear Sweep Voltammetry)이다(Scan rate : 5mV/s, RDE velocity: 1500rpm). X축은 전극 전위(E/V vs. RHE)를 나타내고, Y 축은 전류 밀도[mAcm-2(geo)], 즉 활성을 나타낸다.
도 2b는 본 발명의 실험예에 있어서, 인산이 있을 경우(0.1M HClO4 + 0.1M H3PO4)의 제조된 촉매 [Pt 단일 촉매(Pt nanoparticles) 및 다양한 composition으로 제조된 PtAu alloy]의 산소환원반응 활성을 알아보기 위한 LSV(Linear Sweep Voltammetry)이다(Scan rate : 5mV/s, RDE velocity: 1500rpm). X축은 전극 전위(E/V vs. RHE)를 나타내고, Y 축은 전류 밀도[mAcm-2(geo)], 즉 활성을 나타낸다.
도 2c는 도 2a와 도 2b를 바탕으로 0.8V vs. RHE에서 기하학적 전극 면적 (geometrical surface area)에 따른 제조된 촉매의 산소환원반응 활성을 비교한 그래프이다. X축은 각 촉매 조성이고, Y축은 전류 밀도[mAcm-2(geo)], 즉 활성을 나타낸다.
도 3은 도 2a와 도 2c를 바탕으로 한 촉매의 Half wave potential을 비교한 그래프이다. X축은 각 촉매 조성이고, Y축은 Half wave potential[V vs. RHE]을 나타낸다.
도 4a는 도 2a와 도 2c를 바탕으로 한 촉매의 0.8V vs. RHE에서 mass activity를 비교하여 나타낸 것 그래프이다. X축은 각 촉매 조성이고, Y축은 단위 밀리 그램 당 전류 밀도(mA/mg)을 나타낸다.
도 4b는 도 2a와 도 2c를 바탕으로 한 촉매의 0.8V vs RHE에서 촉매 물질의 가격 ($, 2013.07.09의 Pt, Au 시세) 당 산소환원 촉매활성을 비교하여 나타낸 그래프이다. X축은 각 촉매 조성이고, Y축은 단위 달러 당 전류 밀도(mA/$)을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예들 및 비교예의 XRD 결과 그래프이다. 도 5a는 각 촉매의 XRD 피크를 나타내고, 도 5b는 X축에 각 촉매들을 표시하고 Y축에 각 촉매들의 Pt(111) 피크의 2 θ(도) 값을 표시한 것이다.
1 is a FE-SEM photograph showing the morphology of each catalyst of Comparative Examples and Examples of the present invention. Figure 1a shows platinum nanoparticles single catalyst (Pt Nps), Figure 1b is Pt 89 Au 11 (Example 1), Figure 1c Pt 69 Au 31 (Example 2), Fig. 1d is Pt 63 Au 37 (Example 3 1E shows Pt 55 Au 45 (Example 4), FIG. 1F shows Pt 52 Au 48 (Example 5), and FIG. 1G shows a case of Au nanoparticle single catalyst (Au Nps).
2A is a graph showing the oxygen reduction activity of a catalyst (Pt monocatalyst (Pt nanoparticles and PtAu alloy prepared by various compositions) prepared in the absence of phosphoric acid (0.1 M HClO 4 ) in Experimental Example of the present invention LSV (Linear Sweep Voltammetry) (Scan rate: 5mV / s, RDE velocity: 1500rpm). The X axis represents the electrode potential (E / V vs. RHE) and the Y axis represents the current density [mAcm -2 (geo)], or activity.
Figure 2b is the oxygen in the experimental example of the present invention, if the phosphoric acid (0.1M HClO 4 + 0.1MH 3 PO 4) a catalyst [Pt single catalyst (Pt nanoparticles) and the PtAu alloy produced in a variety of composition] Preparation of (Scan Rate: 5mV / s, RDE Velocity: 1500rpm) to investigate the reduction reaction activity. The X axis represents the electrode potential (E / V vs. RHE) and the Y axis represents the current density [mAcm -2 (geo)], or activity.
FIG. 2C is a graph illustrating the relationship between 0.8V vs. vs. FIG. FIG. 3 is a graph comparing the oxygen reduction activity of the prepared catalyst according to the geometrical surface area in RHE. FIG. The X-axis represents the respective catalyst composition and the Y-axis represents the current density [mAcm -2 (geo)], or activity.
FIG. 3 is a graph comparing Half wave potentials of the catalysts based on FIG. 2A and FIG. 2C. The X-axis is the respective catalyst composition and the Y-axis is the Half wave potential [V vs.. RHE].
FIG. 4A is a graph showing the relationship between 0.8V vs. the catalyst based on FIGS. 2A and 2C. FIG. RHE is a graph showing the comparison of mass activity. The X axis represents the respective catalyst composition and the Y axis represents the current density per unit milligram (mA / mg).
FIG. 4B is a graph showing the comparison of the oxygen reduction catalyst activity per the catalyst material price ($, 2013.07.09 Pt, Au rate) at 0.8V vs. RHE of the catalyst based on FIGS. 2A and 2C. The X axis represents the respective catalyst composition and the Y axis represents the current density per unit dollar (mA / $).
FIG. 5 is a graph of XRD results of Examples and Comparative Examples of the present invention. FIG. FIG. 5A shows the XRD peak of each catalyst, FIG. 5B shows each catalyst on the X-axis and 2θ (degrees) of the Pt (111) peak of each catalyst on the Y axis.

본 발명자들은 라만분광법을 이용하여 전위에 관계없이 금(Au) 표면에서 인산 흡착이 일어나지 않음을 확인하고, 이를 바탕으로 예의 연구를 거듭하여 본 발명에 이르렀다. The present inventors have confirmed that phosphoric acid adsorption does not occur on the surface of gold (Au) irrespective of dislocations by using Raman spectroscopy. Based on this investigation, they have accomplished the present invention.

본 발명의 구현예들에서는, 인산의 존재하에 사용되고, 백금 및 금의 합금으로 이루어진 촉매이며, 산소환원반응 활성 및 인산 내피독성을 가지는 백금 및 금 합금 촉매를 제공한다.Embodiments of the present invention provide platinum and gold alloy catalysts which are used in the presence of phosphoric acid and are made of an alloy of platinum and gold and have oxygen reduction activity and phosphoric endotoxicity.

여기서, 상기 백금 및 금의 합금 중 금의 조성은 원자 조성으로서 바람직하게는 10% 이상 50% 이하, 더 바람직하게는 11% 이상 31% 이하, 가장 바람직하게는 31%이다. The composition of gold in the platinum and gold alloy is preferably 10% or more and 50% or less, more preferably 11% or more and 31% or less, and most preferably 31% or less.

또한, 상기 촉매는 인산의 pH 범위가 7 이하인 것이 바람직하다. The pH of the catalyst is preferably 7 or less.

본 발명의 구현예들에 의한 촉매는 백금 및 금의 합금(alloy)으로서, 예컨대 금이 코어이고 표면에 백금이 형성되는 코어 쉘 형태(비특허문헌 1)와 구별되며 또한 금 클러스터 형태(비특허문헌 2)와도 구별된다. The catalyst according to the embodiments of the present invention is distinguished from a core shell type (Non-Patent Document 1) in which platinum and gold are alloyed, for example, a gold core and a platinum surface is formed, Document 2).

본 발명의 구현예들에 의한 백금 및 금의 합금은 전체적으로 균일한 균일 합금(homogeneous alloy)일 수 있다. The alloys of platinum and gold according to embodiments of the present invention may be entirely homogeneous homogeneous alloys.

상기 백금 및 금 합금 촉매는 높은 산소환원활성과 우수한 인산 내피독성 뿐만 아니라 촉매 안정성에서도 우수하다.The platinum and gold alloy catalysts are excellent in catalyst stability as well as high oxygen reduction activity and excellent phosphoric endotoxicity.

이러한 백금 및 금 합금 촉매는 인산 함침 막의 사용으로 인한 인산 피독이 우려되는 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 전극 촉매로 유용하게 사용될 수 있다.These platinum and gold alloy catalysts can be usefully used as electrode catalysts for high temperature polyelectrolyte membrane fuel cells in which phosphorus poisoning is a concern due to the use of phosphoric acid impregnated membranes.

참고로, 예컨대 백금- 금의 코어- 쉘 형태의 촉매의 경우 백금함량만으로 계산한 질량당 활성 (mass activity)에 있어서, 인산이 피독되지 않는 백금 촉매의 절반 정도의 촉매 활성도를 나타내지만(비특허 문헌 1 참조), 본 발명의 구현예들에서와 같이 백금과 금의 합금 촉매를 형성한 경우 인산 내피독성이 상당히 우수하게 되고 인산의 존재 하에서 백금 단일 금속보다 촉매 활성이 우수하다. 예컨대, 본 발명의 구현예들에 따른 백금 및 금의 합금 촉매는 인산 존재 시 백금 촉매 대비 최고 2배 이상의 성능 증가를 나타낼 수 있다. 또한, 백금 및 금의 합금 중 금의 조성이 원자 조성으로서 10% 이상 50% 이하인 경우 인산의 존재 하에서 측정한 촉매 활성이 인산 피독되지 않은 백금 촉매의 활성 수준 또는 그 이상의 수준을 나타내며, 특히 백금 및 금의 합금 중 금의 조성이 원자 조성으로서 31%인 경우에는 인산의 존재하에서 측정한 촉매 활성이 인산이 피독되지 않는 백금 촉매의 활성보다 오히려 더 높아짐을 알 수 있다. For reference, for example, a platinum-gold core-shell type catalyst exhibits about half the catalytic activity of a platinum catalyst in which phosphoric acid is not poisoned, in terms of mass activity calculated by the platinum content alone As in the embodiments of the present invention, when the platinum-gold alloy catalyst is formed, the endotoxicity of phosphoric acid is remarkably improved and the catalytic activity is superior to that of the platinum single metal in the presence of phosphoric acid. For example, the platinum and gold alloy catalysts according to embodiments of the present invention may exhibit up to two-fold performance improvement over platinum catalysts in the presence of phosphoric acid. When the composition of gold in the platinum and gold alloy is 10% or more and 50% or less in atomic composition, the catalytic activity measured in the presence of phosphoric acid indicates the activity level or more of the platinum catalyst not poisoned with phosphorus, When the composition of gold in the gold alloy is 31% as the atomic composition, it is found that the catalytic activity measured in the presence of phosphoric acid is higher than that of the platinum catalyst in which phosphoric acid is not poisoned.

한편, 본 발명의 다른 구현예에서는, 막전극접합체로서, 상기 막전극접합체의 전극 촉매가 상기 인산 백금 및 금 합금 촉매를 포함하고, 상기 막전극접합체의 막은 인산 함침된 막인 막전극접합체를 제공한다.On the other hand, in another embodiment of the present invention, as the membrane electrode assembly, there is provided a membrane electrode assembly in which the electrode catalyst of the membrane electrode assembly includes the phosphoric acid platinum and gold alloy catalyst, and the membrane of the membrane electrode assembly is a membrane impregnated with phosphoric acid .

상기 막전극접합체는 인산 함침 막의 사용하는 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 막전극접합체로 유용하다. 예컨대, 상기 막전극접합체는 인산 함침된 폴리벤지이미다졸 전해질 막과 전극이 결합된 막전극접합체일 수 있다.The membrane electrode assembly is useful as a membrane electrode assembly of a high-temperature polyelectrolyte membrane fuel cell in which a phosphoric acid-impregnated membrane is used. For example, the membrane electrode assembly may be a membrane electrode assembly in which a phosphate-impregnated polybenzimidazole electrolyte membrane and an electrode are combined.

본 발명의 다른 구현예에서는 또한, 고온 고분자 전해질 막 연료전지로서, 상기 막전극접합체를 포함하는 고온 고분자 전해질 막 연료전지를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell comprising the membrane electrode assembly.

본 발명의 다른 구현예에서는 또한, 백금과 금을 합금화하는 단계를 포함하는 산소환원반응 활성 및 인산 내피독성을 가지는 상기 백금 및 금 합금 촉매의 제조 방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a method for producing the platinum and gold alloy catalyst having oxygen reduction activity and phosphoric endotoxicity, comprising the step of alloying platinum with gold.

여기서, 상기 백금 및 금 합금 촉매의 합금화 방법으로는 공지의 방법을 사용할 수 있으며, 예컨대 코스퍼터 합금화 방법, 콜로이드(colloidal) 합금화 방법, 함침(impregnation) 합금화 방법, 전해 도금 합금화 방법 등을 포함할 수 있다.The alloying of the platinum and gold alloy catalysts may be carried out by known methods such as a course putter alloying method, a colloidal alloying method, an impregnation alloying method, an electrolytic plating alloying method, or the like. have.

참고로, 상기 콜로이드 합금화법이나 함침 합금화법을 이용해 백금 및 금 합금 촉매를 나노 입자로 만들 수 있다. For reference, platinum and gold alloy catalysts can be made into nanoparticles using the above-mentioned colloidal alloying method or impregnation alloying method.

상기 코스퍼터 합금화 방법은 전기 화학적 증착에 의한 방법과는 달리 둘 이상의 스퍼터 건의 파워를 조절함으로써 전극을 다양하게 조절할 수 있다. 즉, 백금 타겟을 제 1 스퍼터 건에 장착하고 금을 제 2 스퍼터 건에 장착한 후, 두 개의 건을 동시에 작동시키는 코스퍼터 방식을 이용하되, 둘 이상의 스퍼터 건의 파워를 조절하게 되면 스퍼터링되는 비율이 조절되고 이에 따라 형성되는 전극 내의 물질의 함량이 달라지게 됨에 따라 다양한 조성을 나타내는 백금 및 금 합금 전극을 제조할 수 있다. Unlike the electrochemical deposition method, the course putter alloying method can control the electrode in various ways by adjusting the power of two or more sputter guns. That is, a coarse putter method is used in which a platinum target is mounted on a first sputter gun, gold is mounted on a second sputter gun, and then two guns are simultaneously operated. If the power of two or more sputter guns is adjusted, The content of the substance in the electrode is changed and the platinum and gold alloy electrodes exhibiting various compositions can be manufactured.

상기 콜로이드(colloidal) 합금화법은 백금 전구체와 금 전구체를 포함하는 용액 상에서 안정제 및 환원제를 투입하여 화학적으로 환원시켜 제조하는 방법이다. 백금 및 금의 각 전구체는 염화물, 질화물, 황화물 등을 사용할 수 있으며, 안정제로는 올레일 아민, 올레인산, 폴리비닐피롤리돈 및 다양한 종류의 계면 활성제가 사용될 수 있다. 환원제는 일반적으로 NaBH4, HCHO 계열의 환원제 및 알코올 또는 에스테르 계열의 물질이 사용된다. 합금의 조성은 전구체의 양, 안정제 및 환원제의 종류 및 양, 반응 시간 및 온도 등을 조절함으로써 조절할 수 있다. The colloidal alloying method is a method of chemically reducing by adding a stabilizer and a reducing agent in a solution containing a platinum precursor and a gold precursor. As precursors of platinum and gold, chlorides, nitrides, sulfides and the like can be used. As the stabilizer, oleylamine, oleic acid, polyvinylpyrrolidone and various kinds of surfactants can be used. As the reducing agent, NaBH 4 , HCHO-based reducing agent and alcohol or ester-based material are generally used. The composition of the alloy can be controlled by adjusting the amount of the precursor, the kind and amount of the stabilizer and the reducing agent, the reaction time, and the temperature.

상기 함침(impregnation) 합금화법은 제조된 탄소 담지 백금 촉매 상에 상기의 금 전구체를 투입하고, 약 100oC에서 3시간 가량 건조시킨 후, 그라인딩(grinding)을 거쳐 고온 (200~500℃)의 환원 분위기 (수소 분위기)에서 열처리를 함으로써 얻을 수 있다. 합금의 조성은 백금 전구체의 양 및 고온 환원 온도 및 시간을 조절함으로써 조절할 수 있다. In the impregnation alloying method, the above-described gold precursor is put on a prepared carbon-supported platinum catalyst, dried at a temperature of about 100 ° C for about 3 hours, and then subjected to grinding at a high temperature (200 to 500 ° C) Followed by heat treatment in a reducing atmosphere (hydrogen atmosphere). The composition of the alloy can be controlled by controlling the amount of platinum precursor and the temperature and time of the high temperature reduction.

상기 전해 도금 합금화법은 상기 백금 및 금의 전구체를 포함하고 있는 전해액에 일정 전위 또는 전압을 인가하여 합금 촉매를 환원 석출 시키는 방법이다. 합금 촉매의 조성은 각 전구체의 양 및 환원 전위를 조절함으로써 조절할 수 있다. 이와 같은 전해 도금 방법을 사용하는 경우 대용량 전극을 제조하기 용이하고 제조 비용이 감소하므로 바람직하다.The electrolytic plating alloying method is a method in which a certain potential or voltage is applied to an electrolytic solution containing the platinum and gold precursors to reduce and precipitate an alloy catalyst. The composition of the alloy catalyst can be controlled by adjusting the amount of each precursor and the reduction potential. The use of such an electrolytic plating method is preferable because it is easy to manufacture a large-capacity electrode and the manufacturing cost is reduced.

이하, 실시예 및 실험을 통하여 더욱 상세히 설명하지만, 이하에 기재된 내용에 본 발명이 한정되지 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples and Experiments, but the present invention is not limited to the following description.

실시예Example 백금 및 금 합금 촉매 제조 Manufacture of platinum and gold alloy catalysts

백금과 금의 합금 촉매를 제조하기 위하여 전해 도금 합금화법(electrodeposition)을 이용하였다. Electrodeposition was used to produce platinum and gold alloy catalysts.

합금 촉매 조성은 각각 Pt89Au11(실시예1), Pt69Au31(실시예2), Pt63Au37(실시예3), Pt55Au45(실시예4), Pt52Au48(실시예5)이었다. The alloy catalyst compositions were Pt 89 Au 11 (Example 1), Pt 69 Au 31 (Example 2), Pt 63 Au 37 (Example 3), Pt 55 Au 45 (Example 4), Pt 52 Au 48 Example 5).

전해 도금 합금화법(electrodeposition)은 삼전극 셀에서 수행하였다. 작동 전극(Working electrode)은 glassy carbon electrode(혹은 glassy carbon film)을 사용하였으며, 대 전극(Counter electrode)은 Pt sheet, 기준 전극(Reference electrode)은 Ag/AgCl을 사용하였다. Electrodeposition was performed in a three electrode cell. The working electrode was a glassy carbon electrode (or glassy carbon film), the counter electrode was a Pt sheet, and the reference electrode was Ag / AgCl.

도금 용액은 백금(Pt)의 전구체로 H2PtCl6·xH2O(10mM)가 사용되었으며, 금(Au) 전구체로는 gold(III) chloride hydrate (HAuCl4·xH2O, 1,3,5,6,7mM), 전해질로는 sodium chloride (NaCl, 500mM)가 사용하였다. 40분간 아르곤 퍼징(Ar purging)하고, 도금 전위(Deposition potential)는 -0.3V vs. Ag/AgCl 이며, 20분 동안 전기 도금하였다. 그 후 도금된 전극을 DI-water를 이용하여 표면의 남아있는 전해질을 깨끗이 제거한 후 N2가스로 건조시켰다.
H 2 PtCl 6 · xH 2 O (10 mM) was used as a precursor of platinum (Pt), and gold (III) chloride hydrate (HAuCl 4 · xH 2 O, 5, 6, 7mM) and sodium chloride (NaCl, 500mM) were used as the electrolyte. Argon purging for 40 minutes, deposition potential is -0.3 V vs. < RTI ID = 0.0 > Ag / AgCl, and electroplated for 20 minutes. Then, the plated electrode was cleaned with DI-water to remove the remaining electrolyte on the surface and dried with N 2 gas.

비교예Comparative Example 촉매 제조 Catalyst preparation

상기 제조한 백금 및 금 합금과 백금을 비교하기 위하여, 위와 같은 방법을 통하여 백금 나노파티클(Pt Nps)을 glassy carbon위에 도금하였다(비교예 1). In order to compare the prepared platinum and gold alloy with platinum, platinum nanoparticles (Pt Nps) were plated on glassy carbon through the above method (Comparative Example 1).

또한, 금 단독(Au Nps)을 glassy carbon위에 도금하였다(비교예 2)
In addition, Au gold (Au Nps) was plated on glassy carbon (Comparative Example 2)

실시예Example  And 비교예Comparative Example 촉매 특성 평가 실험 Experimental evaluation of catalyst properties

모든 실험은 298K에서 진행하였다. All experiments were conducted at 298K.

제조된 백금 및 금 합금의 몰폴로지(morphology)와 합금 조성(composition)은 Field Emission Scanning Electrode Microscopy (FE-SEM)과 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)를 이용하였다. 촉매의 결정구조 변화에 대해서 X-ray diffraction (XRD)로 5°/min의 속도로 측정하였다. The morphology and composition of the prepared platinum and gold alloys were measured by Field Emission Scanning Electrode Microscopy (FE-SEM) and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). The crystal structure change of the catalyst was measured by X-ray diffraction (XRD) at a rate of 5 ° / min.

도 1은 본 발명의 비교예 및 실시예의 각 촉매의 몰폴로지 확인을 위한 FE-SEM 사진 결과이다. 1 is a FE-SEM photograph showing the morphology of each catalyst of Comparative Examples and Examples of the present invention.

도 1a는 백금나노입자 단일 촉매(Pt Nps), 도 1b는 Pt89Au11(실시예 1), 도 1c는 Pt69Au31(실시예 2), 도 1d는 Pt63Au37(실시예 3), 도 1e는 Pt55Au45(실시예 4), 도 1f는 Pt52Au48(실시예 5), 도 1g는 Au 나노입자 단일 촉매(Au Nps) 경우이다. Figure 1a shows platinum nanoparticles single catalyst (Pt Nps), Figure 1b is Pt 89 Au 11 (Example 1), Figure 1c Pt 69 Au 31 (Example 2), Fig. 1d is Pt 63 Au 37 (Example 3 1E shows Pt 55 Au 45 (Example 4), FIG. 1F shows Pt 52 Au 48 (Example 5), and FIG. 1G shows a case of Au nanoparticle single catalyst (Au Nps).

한편, 도 5는 본 발명의 실시예들 및 비교예의 XRD 결과 그래프이다. 도 5a는 각 촉매의 XRD 피크를 나타내고, 도 5b는 X축에 각 촉매들을 표시하고 Y축에 각 촉매들의 Pt(111) 피크의 2 θ(도) 값을 표시한 것이다.Meanwhile, FIG. 5 is a graph of XRD results of Examples and Comparative Examples of the present invention. FIG. 5A shows the XRD peak of each catalyst, FIG. 5B shows each catalyst on the X-axis and 2θ (degrees) of the Pt (111) peak of each catalyst on the Y axis.

도 1b 내지 도 1f 및 5 측정 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 구현예들에 따른 백금 및 금의 합금 촉매는 균일(homogeneous) 합금 촉매이다. 특히 도 5a 및 도 5b의 XRD로부터 알 수 있듯이, Pt에서 PtAu로 Au 양이 증가함에 따라 Pt(111) 피크가 Au에 가까워짐을 알 수 있다. 따라서, 제조된 PtAu는 heterogeneous mixture가 아니라 homogeneous alloy임을 알 수 있다.As can be seen from the measurement results of Figures 1B-1F and 5, the platinum and gold alloy catalysts according to embodiments of the present invention are homogeneous alloy catalysts. In particular, as can be seen from the XRD of FIGS. 5A and 5B, it can be seen that as the amount of Au increases from Pt to PtAu, the Pt (111) peak approaches Au. Therefore, it can be seen that the PtAu prepared is not a heterogeneous mixture but a homogeneous alloy.

제조된 촉매의 전기화학적 성능 평가는 lineer sweep voltammety(LSV)와 cyclic voltammetry (CV) 를 수행하여 얻을 수 있었다. The electrochemical performance of the prepared catalysts was evaluated by lineer sweep voltammetry (LSV) and cyclic voltammetry (CV).

산소환원반응(ORR) 성능을 알아보기 위하여 측정한 LSV는 potentiostat/galbanostat(Autolab, PGSTAT302F)과 rotating-disk electrode (RDE)와 연결된 삼전극 셀에서 진행하였다. 작동 전극(working electrode)은 상기 제조한 다양한 composition을 가진 PtAu alloy/GC와 PtNps/GC가 사용되었으며, 대 전극(counter electrode)은 Pt sheet, 기준 전극(Reference electrode)는 Ag/AgCl을 사용하여 Reversible Hydrogen Electrode (RHE) scale로 표시하였다. To investigate the oxygen reduction (ORR) performance, the measured LSVs were run on three electrode cells connected with potentiostat / galbanostat (Autolab, PGSTAT302F) and rotating-disk electrode (RDE). The working electrode was made of PtAu alloy / GC and PtNps / GC having various compositions as described above. The counter electrode was made of Pt sheet and the reference electrode was made of Ag / AgCl. Hydrogen Electrode (RHE) scale.

인산 유무에 따른 산소환원반응 활성(ORR activity)를 전기화학적 방법을 통하여 측정하기 위하여 전해질로 perchloric acid(HClO4)와 phosphoric acid (H3PO4)가 사용되었다[HClO4 (0.1M), H3PO4 (0M, 0.1M)].Perchloric acid (HClO 4 ) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) were used as the electrolytes to measure the ORR activity depending on the presence or absence of phosphoric acid [HClO 4 (0.1M), H 3 PO 4 (0M, 0.1M) ].

초기에 O2로 60분 퍼징(pursing) 후 계속 퍼징(pursing)한 채로 실험을 수행하였다. Scan 구간은 1.05V~0.05V로 Scan rate 5mV/s로 측정하였다. RDE의 회전속도는 1500rpm이었으며, 298K에서 진행하였다. The experiment was carried out initially with 60 minutes of O 2 followed by continued pursuit. The scan interval was 1.05V ~ 0.05V and the scan rate was 5mV / s. The rotation speed of the RDE was 1500 rpm and proceeded at 298K.

도 2a는 본 발명의 실험예에 있어서, 인산이 없을 경우(0.1M HClO4) 제조된 촉매 [Pt 단일 촉매(Pt nanoparticles) 및 다양한 composition으로 제조된 PtAu alloy]의 산소환원반응 활성을 알아보기 위한 LSV(Linear Sweep Voltammetry)이다(Scan rate : 5mV/s, RDE velocity: 1500rpm). X축은 전극 전위(E/V vs. RHE)를 나타내고, Y 축은 전류 밀도[mAcm-2(geo)], 즉 활성을 나타낸다.2A is a graph showing the oxygen reduction activity of a catalyst (Pt monocatalyst (Pt nanoparticles and PtAu alloy prepared by various compositions) prepared in the absence of phosphoric acid (0.1 M HClO 4 ) in Experimental Example of the present invention LSV (Linear Sweep Voltammetry) (Scan rate: 5mV / s, RDE velocity: 1500rpm). The X axis represents the electrode potential (E / V vs. RHE) and the Y axis represents the current density [mAcm -2 (geo)], or activity.

도 2b는 본 발명의 실험예에 있어서, 인산이 있을 경우(0.1M HClO4 + 0.1M H3PO4)의 제조된 촉매 [Pt 단일 촉매(Pt nanoparticles) 및 다양한 composition으로 제조된 PtAu alloy]의 산소환원반응 활성을 알아보기 위한 LSV(Linear Sweep Voltammetry)이다(Scan rate : 5mV/s, RDE velocity: 1500rpm). X축은 전극 전위(E/V vs. RHE)를 나타내고, Y 축은 전류 밀도[mAcm-2(geo)], 즉 활성을 나타낸다.Figure 2b is the oxygen in the experimental example of the present invention, if the phosphoric acid (0.1M HClO 4 + 0.1MH 3 PO 4) a catalyst [Pt single catalyst (Pt nanoparticles) and the PtAu alloy produced in a variety of composition] Preparation of (Scan Rate: 5mV / s, RDE Velocity: 1500rpm) to investigate the reduction reaction activity. The X axis represents the electrode potential (E / V vs. RHE) and the Y axis represents the current density [mAcm -2 (geo)], or activity.

도 2c는 도 2a와 도 2b를 바탕으로 0.8V vs. RHE에서 기하학적 전극 면적 (geometrical surface area)에 따른 제조된 촉매의 산소환원반응 활성을 비교한 그래프이다. X축은 각 촉매 조성이고, Y축은 전류 밀도[mAcm-2(geo)], 즉 활성을 나타낸다.FIG. 2C is a graph illustrating the relationship between 0.8V vs. vs. FIG. FIG. 3 is a graph comparing the oxygen reduction activity of the prepared catalyst according to the geometrical surface area in RHE. FIG. The X-axis represents the respective catalyst composition and the Y-axis represents the current density [mAcm -2 (geo)], or activity.

도 2c를 참조하면, 백금 단일 촉매의 경우 기하학적 전극 면적에 따른 산소환원반응 활성을 비교해보았을 때 인산 존재시 피독에 의하여 활성이 약 절반 이상으로 감소함을 알 수 있다. Referring to FIG. 2C, when the platinum single catalyst is compared with the oxygen reduction activity according to the geometric electrode area, the activity is reduced to about half or more by poisoning in the presence of phosphoric acid.

인산이 없는 경우, 0.8V vs. RHE 에서 기하학적 전극 면적에 따른 산소환원반응 활성을 비교해 보면 Pt69Au31의 경우 가장 우수한 활성을 나타냈으며, 비교예1의 백금 단일 촉매에 비하여 약 두 배 정도 높은 활성을 보였다. 그러나 그 후에는 금의 원자 조성(atomic composition)이 증가할수록 비교예 1의 백금 단일 촉매보다도 낮은 활성을 보였다.0.8 V vs. Comparing the oxygen reduction activity according to the geometric electrode area in RHE, Pt 69 Au 31 showed the best activity and showed about twice as high activity as the Pt single catalyst of Comparative Example 1. However, thereafter, as the atomic composition of gold increased, the activity was lower than that of the platinum single catalyst of Comparative Example 1.

한편, 인산이 있는 경우, 0.8V vs. RHE 에서 기하학적 전극 면적에 따른 산소환원반응 활성을 비교해 보면, Pt69Au31이 가장 높은 활성을 나타내며, 심지어 인산이 없는 경우의 백금 단일 촉매보다도 오히려 높은 성능을 나타내고 있다. On the other hand, when phosphoric acid is present, 0.8 V vs. Comparing the oxygen reduction activity according to the geometric electrode area in RHE, Pt 69 Au 31 shows the highest activity, and even higher performance than the platinum single catalyst in the case of no phosphoric acid.

Pt63Au37 이후부터도 역시 인산이 있는 경우의 백금보다는 매우 높은 성능을 나타내며, 인산이 없는 경우의 백금과 유사한 정도의 성능을 구현하고 있음을 알 수 있다. Pt 63 Au 37 From this point on, it can be seen that the performance is much higher than that of platinum in the presence of phosphoric acid, and the performance similar to that of platinum in the absence of phosphoric acid is realized.

도 3은 도 2a와 도 2c를 바탕으로 한 촉매의 Half wave potential을 비교한 그래프이다. X축은 각 촉매 조성이고, Y축은 Half wave potential[V vs. RHE]을 나타낸다.FIG. 3 is a graph comparing Half wave potentials of the catalysts based on FIG. 2A and FIG. 2C. The X-axis is the respective catalyst composition and the Y-axis is the Half wave potential [V vs.. RHE].

인산이 없는 경우, Half wave potential을 비교해 보면, Pt69Au31이 가장 활성이 좋으며 그 후부터는 금의 원자 조성(atomic composition)이 증가할수록 촉매활성이 감소 되는 것을 알 수 있다. In the absence of phosphoric acid, the half-wave potential of Pt 69 Au 31 is the most active, and thereafter, the activity of the catalyst decreases as the atomic composition of gold increases.

한편, 인산이 있는 경우, Half wave potential을 비교해 보면, Pt69Au31이 가장 활성이 좋으며 그 후부터는 금의 원자 조성(atomic composition)이 증가할수록 촉매 활성이 감소 되지만, 인산이 있을 경우의 백금 단일 금속보다는 촉매활성이 우수하다.In the presence of phosphoric acid, the half-wave potential of Pt 69 Au 31 is the most active. After that, the activity of the catalyst decreases as the atomic composition of gold increases. However, The catalytic activity is superior.

도 4a는 도 2a와 도 2c를 바탕으로 한 촉매의 0.8V vs. RHE에서 mass activity를 비교하여 나타낸 것 그래프이다. X축은 각 촉매 조성이고, Y축은 단위 밀리 그램 당 전류 밀도(mA/mg)을 나타낸다. FIG. 4A is a graph showing the relationship between 0.8V vs. the catalyst based on FIGS. 2A and 2C. FIG. RHE is a graph showing the comparison of mass activity. The X axis represents the respective catalyst composition and the Y axis represents the current density per unit milligram (mA / mg).

도 4b는 도 2a와 도 2c를 바탕으로 한 촉매의 0.8V vs RHE에서 촉매 물질의 가격 ($, 2013.07.09의 Pt, Au 시세) 당 산소환원반응 촉매활성을 비교하여 나타낸 그래프이다. X축은 각 촉매 조성이고, Y축은 단위 달러 당 전류 밀도(mA/$)을 나타낸다.FIG. 4B is a graph showing the oxygen reduction reaction catalytic activity per catalyst (0.8, Pt / Au at 2013.07.09) at 0.8 V vs. RHE based on FIGS. 2A and 2C. The X axis represents the respective catalyst composition and the Y axis represents the current density per unit dollar (mA / $).

도 4a를 참조하면, 인산이 없는 경우, mg당 활성이 가장 좋은 촉매는 Pt69Au31이며, 이후 금 원자 조성이 증가할수록 mg당 활성이 급격히 감소하여, 백금 단일 금속보다 질량 활성이 낮아짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 4A, it is found that Pt 69 Au 31 is the most active catalyst per mg in the absence of phosphoric acid. Then, as the gold atom composition increases, the activity per mg decreases sharply and the mass activity becomes lower than that of the platinum single metal .

인산이 있는 경우, mg당 활성이 가장 좋은 촉매는 Pt69Au31이며 그 후 금 원자 조성이 증가할수록 mg당 활성이 감소하지만, 이 경우 비교예 1의 백금 단일 금속 촉매보다는 모두 mg당 활성이 높게 나타난다.In the presence of phosphoric acid, Pt 69 Au 31 is the most active catalyst per mg, and then activity decreases per mg as the gold atom composition increases. However, in this case, the activity per mg is higher than that of the platinum single metal catalyst of Comparative Example 1 appear.

한편, 도 4b를 참조하면, 백금과 금의 촉매 가격을 바탕으로 한 단위 달러 당 산소환원반응 촉매 활성 역시 도 4a와 같은 경향을 나타내었다.Meanwhile, referring to FIG. 4B, the oxygen reduction reaction catalyst activity per unit dollar based on the catalyst price of platinum and gold also showed a trend as shown in FIG. 4A.

이상의 결과로부터 본 발명의 구현예들에 따른 백금 및 금의 합금 촉매는 인산 피독에 저항성이 강하면서도 산소환원반응(Oxygen reduction reaction, ORR)에 대한 촉매 활성이 높은 것을 알 수 있다. 특히, 인산이 있는 경우 백금 단일 금속 촉매와 대비하여 오히려 촉매 활성이 증가한 것을 알 수 있고, 특히 금 원자 조성이 11% 내지 31%에서 크게 활성이 증가하는 것을 알 수 있었다. From the above results, it can be seen that the platinum and gold alloy catalysts according to the embodiments of the present invention are highly resistant to poisoning with phosphoric acid and have a high catalytic activity for the oxygen reduction reaction (ORR). In particular, it was found that the catalytic activity was increased in the presence of phosphoric acid as compared with the platinum single metal catalyst. In particular, it was found that the activity increased markedly from 11% to 31%.

이상에서 본 발명의 비제한적이고 예시적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 기술 사상은 첨부 도면이나 상기 설명 내용에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함이 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하며, 또한, 이러한 형태의 변형은 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.

Claims (10)

고온 고분자 전해질 막 연료전지로서,
인산 내피독성이 향상된 막전극접합체를 포함하는 것이고,
상기 인산 내피독성이 향상된 막전극접합체는 백금 및 금 합금 촉매를 포함하고, 막전극접합체의 막은 인산 함침된 막이며,
상기 백금 및 금 합금 촉매는 인산의 존재하에 사용되고, 산소 반응 활성 및 인산 내피독성을 가지는 것이고, 상기 백금 및 금의 합금 중 금의 조성은 원자 조성으로서 31%인 것을 특징으로 하는 고온 고분자 전해질 막 연료전지.
As a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell,
A membrane electrode assembly having improved phosphoric endotoxicity,
Wherein the membrane electrode assembly having improved phosphoric endotoxicity includes a platinum and gold alloy catalyst, the membrane of the membrane electrode assembly is a membrane impregnated with phosphoric acid,
Wherein the platinum and gold alloy catalyst is used in the presence of phosphoric acid and has an oxygen reaction activity and a phosphorus endotoxicity, and the composition of gold in the alloy of platinum and gold is 31% in terms of atomic composition. battery.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 인산 내피독성을 향상하는 방법으로서,
백금과 금의 합금으로 막전극접합체의 전극 촉매를 형성하고, 상기 막전극 접합체는 인산 함침된 것이며,
상기 백금 및 금의 합금 중 금의 조성은 원자 조성으로서 31%인 것을 특징으로 하는 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 인산 내피독성 향상 방법.
As a method for improving the endotoxicity of phosphoric acid in a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell,
The electrode catalyst of the membrane electrode assembly is formed of an alloy of platinum and gold, the membrane electrode assembly is impregnated with phosphoric acid,
Wherein the composition of the gold in the platinum and gold alloy is 31% in terms of atomic composition. The method for improving the endotoxicity of phosphoric acid endothelium in a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell.
삭제delete
KR1020130133432A 2013-11-05 2013-11-05 Pt-Au alloy catalyst having resistance to phosphoric acid poisoning, MEA and High temperature PEMFC including the same and method for preparing the same KR101634077B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130133432A KR101634077B1 (en) 2013-11-05 2013-11-05 Pt-Au alloy catalyst having resistance to phosphoric acid poisoning, MEA and High temperature PEMFC including the same and method for preparing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130133432A KR101634077B1 (en) 2013-11-05 2013-11-05 Pt-Au alloy catalyst having resistance to phosphoric acid poisoning, MEA and High temperature PEMFC including the same and method for preparing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150052432A KR20150052432A (en) 2015-05-14
KR101634077B1 true KR101634077B1 (en) 2016-06-30

Family

ID=53389338

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130133432A KR101634077B1 (en) 2013-11-05 2013-11-05 Pt-Au alloy catalyst having resistance to phosphoric acid poisoning, MEA and High temperature PEMFC including the same and method for preparing the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101634077B1 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101914672B1 (en) * 2016-11-14 2019-01-07 한국과학기술연구원 A process of predicting resistance to phosphoric acid poisoning of platinum alloy electrocatalyst
KR101963500B1 (en) * 2017-05-23 2019-03-28 중앙대학교 산학협력단 ELECTODE FOR HIGH TEMPERATURE POLYMER ELECTOLYTE MEMBRANE FUEL CELL COMPRISING Pt-Cu ALLOY CATALYST, METHOD FOR FABRICATING THE SAME AND HIGH TEMPERATURE POLYMER ELECTOLYTE MEMBRANE FUEL CELL COMPRISING THE SAME
KR102134767B1 (en) * 2018-06-01 2020-08-26 한국과학기술연구원 Catalyst comprising au-pt alloy, method for preparing thereof and methods for synthesizing of hydrogen peroxide using the same

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009170380A (en) 2008-01-21 2009-07-30 Hitachi Maxell Ltd Oxygen reduction catalyst for fuel cell, its manufacturing method, membrane electrode assembly, and fuel cell
US8038763B2 (en) 2005-12-14 2011-10-18 University Of Maryland Au-Pt heteroaggregate dendritic nanostructures and Au-Pt alloy nanoparticles and their use as catalysts

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8038763B2 (en) 2005-12-14 2011-10-18 University Of Maryland Au-Pt heteroaggregate dendritic nanostructures and Au-Pt alloy nanoparticles and their use as catalysts
JP2009170380A (en) 2008-01-21 2009-07-30 Hitachi Maxell Ltd Oxygen reduction catalyst for fuel cell, its manufacturing method, membrane electrode assembly, and fuel cell

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Chen-Wei Liu, et al., "Romotion and Characterization of PTAu/C Cathode Catalysts For Oxygen Reduction Reaction", 17th World Hydrogen Energy Conference, 15-19 June 2008*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150052432A (en) 2015-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tian et al. Rational design and synthesis of low-temperature fuel cell electrocatalysts
Antolini Iridium as catalyst and cocatalyst for oxygen evolution/reduction in acidic polymer electrolyte membrane electrolyzers and fuel cells
Esfahani et al. Highly active platinum supported on Mo-doped titanium nanotubes suboxide (Pt/TNTS-Mo) electrocatalyst for oxygen reduction reaction in PEMFC
Wang et al. Noncarbon support materials for polymer electrolyte membrane fuel cell electrocatalysts
KR101797782B1 (en) Catalyst with metal oxide doping for fuel cells
Wang et al. Exploring the composition–activity relation of Ni–Cu binary alloy electrocatalysts for hydrogen oxidation reaction in alkaline media
KR101857338B1 (en) Production method for catalyst microparticles, and fuel cell containing catalyst microparticles produced by said production method
Sinniah et al. Perspectives on carbon-alternative materials as Pt catalyst supports for a durable oxygen reduction reaction in proton exchange membrane fuel cells
Godínez-Salomón et al. Metallic two-dimensional nanoframes: unsupported hierarchical nickel–platinum alloy nanoarchitectures with enhanced electrochemical oxygen reduction activity and stability
Franceschini et al. Mesoporous Pt electrocatalyst for methanol tolerant cathodes of DMFC
KR20010112639A (en) Polymer electrolyte fuel cell and method for its production
Calderón et al. Palladium–nickel catalysts supported on different chemically-treated carbon blacks for methanol oxidation in alkaline media
WO2012064768A2 (en) Extended two dimensional metal nanotubes and nanowires useful as fuel cell catalysts and fuel cells containing the same
Bak et al. Boosting the role of Ir in mitigating corrosion of carbon support by alloying with Pt
US11682772B2 (en) Electrocatalysts, the preparation thereof, and using the same for fuel cells
EP2575202A2 (en) Electrode catalyst for fuel cell and method of preparation, membrane electrode assembly (mea) including the catalyst, and fuel cell including the mea
Shroti et al. The Pt–Co alloying effect on the performance and stability of high temperature PEMFC cathodes
Perego et al. Hierarchical TiN nanostructured thin film electrode for highly stable PEM fuel cells
Zhao et al. Synthesis of highly active and dual-functional electrocatalysts for methanol oxidation and oxygen reduction reactions
Yousaf et al. Enhanced and durable electrocatalytic performance of thin layer PtRu bimetallic alloys on Pd-nanocubes for methanol oxidation reactions
JP2010280974A (en) Gas diffusion electrode and method of manufacturing the same
KR101634077B1 (en) Pt-Au alloy catalyst having resistance to phosphoric acid poisoning, MEA and High temperature PEMFC including the same and method for preparing the same
An et al. Layered Transition Metal Oxynitride Co3Mo2O x N6–x/C Catalyst for Oxygen Reduction Reaction
Yeo et al. Enhanced alkaline hydrogen oxidation reaction using electrodeposited Ni-Ir alloy catalysts
US9502716B2 (en) Robust platinum-copper catalysts

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
E90F Notification of reason for final refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant