KR101682382B1 - Core-shell composite nanoparticle and preparing method thereof - Google Patents

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Abstract

코어-쉘 복합 나노입자, 상기 코어-쉘 복합 나노입자의 제조 방법, 및 상기 코어-쉘 복합 나노입자를 포함하는 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매에 관한 것이다.Core composite nanoparticles, core-shell composite nanoparticles, a process for producing the core-shell composite nanoparticles, and an electrode catalyst for energy conversion or storage devices comprising the core-shell composite nanoparticles.

Figure R1020150033757
Figure R1020150033757

Description

코어-쉘 복합 나노입자 및 이의 제조 방법 {CORE-SHELL COMPOSITE NANOPARTICLE AND PREPARING METHOD THEREOF}CORE-SHELL COMPOSITE NANOPARTICLE AND PREPARING METHOD THEREOF BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본원은 코어-쉘 복합 나노입자, 상기 코어-쉘 복합 나노입자의 제조 방법, 및 상기 코어-쉘 복합 나노입자를 포함하는 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to core-shell composite nanoparticles, a method for producing the core-shell composite nanoparticles, and an electrode catalyst for energy conversion or storage devices comprising the core-shell composite nanoparticles.

다기능성 코어-쉘 구조의 설계 및 제조는 여러 가지 방법들로 개진되고 있으며, 이러한 구조는 광센싱, 바이오센싱 광촉매, 전기화학촉매, 발광소재 등에 광범위하게 이용 가능하다. 귀금속인 금 나노입자는 특이적인 표면 플라즈몬 공명 (surface plasmon resonance) 현상을 나타내는데, 상기 표면 플라즈몬 공명 현상은 나노 크기 귀금속 표면 전자의 집단적인 진동 운동이 가지는 고유의 파수벡터와 외부에서 입사하는 빛의 파수벡터가 일치하는 조건에서 공명이 일어남으로써 증폭된 장(field)이 유도되는 현상이며, 이를 이용해 다기능성 코어-쉘 구조로 활용 가능하며 향상된 성능은 물론 다양한 분야에 응용 가능하다. The design and manufacture of multifunctional core-shell structures have been proposed in various ways, and these structures are widely available for optical sensing, biosensing photocatalysts, electrochemical catalysts, and luminescent materials. Gold nanoparticles, which are noble metals, exhibit a specific surface plasmon resonance phenomenon. The surface plasmon resonance phenomenon is caused by the inherent wavevector of the collective oscillation motion of nano-sized noble metal surface electrons and the wave number of the incident light The amplified field is induced by resonance under the condition of vector matching. It can be utilized as a multi-functional core-shell structure by using it, and it can be applied to various fields as well as improved performance.

연료전지 및 배터리는 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 전환하는 전기화학적 에너지 변환 및 저장 장치이다. 종래의 내연기관에 비해 에너지 전환효율이 높고, 오염물질이 없어 대체 전력으로 주목을 받고 있다. 상기 장점에도 불구하고 높은 제작 단가로 인하여 상용화가 지연되고 있으며, 스택을 대량 생산할 경우 전극 촉매에 대한 비용은 다른 재료들에 비해 높은 비중을 차지하며, 다량의 백금 촉매나 이를 탄소에 담지 시킨 백금 담지 촉매가 사용된다. Fuel cells and batteries are electrochemical energy conversion and storage devices that directly convert chemical energy into electrical energy. The energy conversion efficiency is higher than that of the conventional internal combustion engine, and there is no pollutant, and it is attracting attention as an alternative power. Despite the above advantages, commercialization has been delayed due to high manufacturing cost. In the case of mass production of the stack, the cost of the electrode catalyst is higher than that of other materials, and a large amount of platinum catalyst or platinum supported on carbon A catalyst is used.

대한민국 공개특허 제10-2010-0119833호는 열처리를 통해 (i) 전이금속 산화물과 (ii) 전이금속 질화물에서 선택된 물질로 구성된 선구물질을 탄화한 선구물질코어/쉘이 촉매의 지지체로 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 촉매전극에 대해서 개시하고 있다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2010-0119833 discloses that, by heat treatment, a precursor core / shell carbonized as a precursor composed of a material selected from (i) a transition metal oxide and (ii) a transition metal nitride is used as a catalyst support And a catalyst electrode for a fuel cell.

본원은 코어-쉘 복합 나노입자, 상기 코어-쉘 복합 나노입자의 제조 방법, 및 상기 코어-쉘 복합 나노입자를 포함하는 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매를 제공하고자 한다.The present invention provides a core-shell composite nanoparticle, a method for producing the core-shell composite nanoparticle, and an electrode catalyst for an energy conversion or storage device comprising the core-shell composite nanoparticle.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 제 1 측면은, 금 전구체 및 환원제를 반응시켜 금 나노입자-함유 용액을 제조하는 단계; 상기 금 나노입자-함유 용액에 전도성 고분자의 단량체를 첨가하여 중합시켜 금 나노입자 코어에 전도성 고분자 쉘을 형성하는 단계; 및 상기 전도성 고분자 쉘에 제 1 전이금속 전구체 및 제 2 전이금속 전구체를 도입하여 제 1 전이금속 입자 및 제 2 전이금속 입자를 형성하는 단계를 포함하는 코어-쉘 복합 나노입자의 제조 방법을 제공한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a gold nanoparticle-containing solution, comprising: reacting a gold precursor and a reducing agent to prepare a gold nanoparticle-containing solution; Adding a monomer of a conductive polymer to the gold nanoparticle-containing solution and polymerizing the resultant to form a conductive polymer shell on the gold nanoparticle core; And introducing a first transition metal precursor and a second transition metal precursor into the conductive polymer shell to form first transition metal particles and second transition metal particles, .

본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 방법에 의해 제조되며, 금 나노입자 코어 상에 형성된 전도성 고분자 쉘, 및 상기 전도성 고분자 쉘에 형성된 제 1 전이금속 입자 및 제 2 전이금속 입자를 포함하는, 코어-쉘 복합 나노입자를 제공한다.A second aspect of the present invention is a method of manufacturing a conductive nanoparticle comprising a conductive polymer shell formed on a gold nanoparticle core and a first transition metal particle and a second transition metal particle formed on the conductive polymer shell, , Core-shell composite nanoparticles.

본원의 제 3 측면은, 제 2 측면에 따른 코어-쉘 복합 나노입자를 포함하는, 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매를 제공한다.A third aspect of the invention provides an electrode catalyst for energy conversion or storage devices comprising core-shell composite nanoparticles according to the second aspect.

전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 금 나노입자 코어 상에 형성된 전도성 고분자 쉘, 상기 전도성 고분자 쉘에 형성된 제 1 전이금속 입자 및 제 2 전이금속 입자를 포함하는, 코어-쉘 복합 나노입자를 이용하는 전기화학적 촉매의 고활성 유도 기법을 제시할 수 있다.According to any one of the above-mentioned means for solving the above-mentioned problems, there is provided a core-shell composite nanoparticle comprising a conductive polymer shell formed on a gold nanoparticle core, first transition metal particles formed on the conductive polymer shell and second transition metal particles, A high activity inducing technique of an electrochemical catalyst to be used can be suggested.

전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 종래의 백금을 사용하는 코어-쉘 나노입자와 비교하여 백금의 사용량을 줄이고, 백금의 일부를 저렴한 전이금속 성분으로 대체하여 합금 나노입자 기반의 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매를 합성할 수 있고, 합성된 에너지 디바이스용 전극 촉매의 산화환원반응에 대한 활성은 종래의 전극 촉매와 유사한 수준 또는 그 이상을 나타내는 효과를 달성할 수 있다.According to any one of the above-mentioned means for solving the problems, it is possible to reduce the amount of platinum used compared with the conventional core-shell nanoparticles using platinum, and to replace part of platinum with an inexpensive transition metal component, The electrode catalyst for the storage device can be synthesized and the activity for the oxidation-reduction reaction of the electrode catalyst for the synthesized energy device can attain an effect showing a level similar to or higher than that of the conventional electrode catalyst.

도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 코어-쉘 복합 나노입자의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도 2a는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 2b는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI의 자외선/가시광선 흡수 스펙트럼이다.
도 2c는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 2d 는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI의 순환 전류전압(cyclic voltammetry) 곡선 그래프이다.
도 2e는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI의 산소 환원 반응에서 선형주사전위법(linear sweep voltammetry) 그래프이다.
도 3a는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI@Pt의 자외선/가시광선 흡수 스펙트럼이다.
도 3b는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI@Pt의 몰 농도 비율에 따른 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 3c는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI@Pt의 몰 농도 비율에 따른 산소 환원 반응에서 선형주사전위법 그래프이다.
도 4a및 4b는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI@Fe의 순환 전류전압 곡선 그래프 및 선형주사전위법이고, 도 4c 및 4d는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI@Co의 순환 전류전압 곡선 그래프 및 선형주사전위법이다.
도 4e 및 4f는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI@Fe 및 AuNP@PANI@Co의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 5의 a는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI@PtxFex-1의 TEM 이미지이고, 도 5의 b 및 c는 AuNP@PANI@PtxFex-1의 순환 전류전압 곡선 그래프이며 도 5의 d는 선형주사전위법 그래프이다.
도 6의 a는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI@PtxCox-1의 TEM 이미지이고, 도 6의 b 및 c는 AuNP@PANI@PtxCox-1의 순환 전류전압 곡선 그래프이며 도 6의 d는 선형주사전위법 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI@Pt 및 AuNP@PANI@PtM의 TEM-EDS 맵핑 (mapping) 이미지이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI@Pt 및 AuNP@PANI@PtM의 X-선 회절 패턴 스펙트럼이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 있어서, AuNP@PANI@Pt 및 AuNP@PANI@PtM의 순환 전류전압 곡선 그래프이다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, 산소 환원 반응에서 다양한 코어-쉘 복합 나노입자의 선형주사전위법 그래프이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, Koutecky-Levich 식에 대한 그래프이다.
도 12는, 본원의 일 실시예에 있어서, 안정성 테스트의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13 은, 본원의 일 실시예에 있어서, 메탄올 산화 반응에서 다양한 코어-쉘 복합 나노입자의 순환 전류전압 곡선 그래프이다.
도 14는, 본원의 일 실시예에 있어서, 메탄올 산화 반응에서 코어-쉘 나노입자 및 Pt/C 의 순환 전류전압 곡선 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a method for producing core-shell composite nanoparticles in one embodiment of the present invention. FIG.
2A is a scanning electron microscope (SEM) image of AuNP @ PANI, in one embodiment of the invention.
FIG. 2B is an ultraviolet / visible light absorption spectrum of AuNP @ PANI in one embodiment of the present invention. FIG.
2C is an FT-IR spectrum of AuNP @ PANI in one embodiment of the present invention.
FIG. 2D is a cyclic voltammetry curve graph of AuNP @ PANI in one embodiment of the present invention.
Figure 2e is a graph of linear sweep voltammetry in an oxygen reduction reaction of AuNP @ PANI in one embodiment of the present invention.
FIG. 3A is an ultraviolet / visible ray absorption spectrum of AuNP @ PANI @ Pt in one embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 3B is a transmission electron microscope (TEM) image according to the molar concentration ratio of AuNP @ PANI @ Pt in one embodiment of the present invention.
FIG. 3C is a graph of the linear principle pre-erosion in the oxygen reduction reaction according to the molar concentration ratio of AuNP @ PANI @ Pt in one embodiment of the present invention.
FIGS. 4A and 4B are a cyclic current and voltage curve graph of AuNP @ PANI @ Fe and a linear main prior art method in one embodiment of the present invention, and FIGS. 4C and 4D show, in one embodiment, AuNP @ PANI @ Co is a cyclic current-voltage curve graph and a linear-state predistortion.
4E and 4F are transmission electron microscope (TEM) images of AuNP @ PANI @ Fe and AuNP @ PANI @ Co in one embodiment of the invention.
FIG. 5A is a TEM image of AuNP @ PANI @ Pt x Fe x-1 in one embodiment of the present invention, and FIGS. 5B and 5C are TEM images of AuNP @ PANI @ Pt x Fe x- And a curve d in FIG.
FIG. 6A is a TEM image of AuNP @ PANI @ Pt x Co x-1 in one embodiment of the present invention, and FIGS. 6B and 6C are TEM images of AuNP @ PANI @ Pt x Co x- And a curve d in FIG.
FIG. 7 is a TEM-EDS mapping image of AuNP @ PANI @ Pt and AuNP @ PANI @ PtM in one embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an X-ray diffraction pattern spectrum of AuNP @ PANI @ Pt and AuNP @ PANI @ PtM in one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cyclic current-voltage curve graph of AuNP @ PANI @ Pt and AuNP @ PANI @ PtM in one embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a linear principal anticorrosion graph of various core-shell composite nanoparticles in an oxygen reduction reaction, in one embodiment of the present invention. FIG.
11 is a graph for the Koutecky-Levich equation in one embodiment of the present application.
12 is a graph showing the results of the stability test in the embodiment of the present invention.
13 is a cyclic current-voltage curve graph of various core-shell composite nanoparticles in the methanol oxidation reaction in one embodiment of the present invention.
14 is a cyclic current-voltage curve graph of core-shell nanoparticles and Pt / C in a methanol oxidation reaction in one embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, the same reference numbers are used throughout the specification to refer to the same or like parts.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is not limited to a case where it is "directly connected" but also includes the case where it is "electrically connected" do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is "on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout this specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. The terms "about "," substantially ", etc. used to the extent that they are used throughout the specification are intended to be taken to mean the approximation of the manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to help prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.The word " step (or step) "or" step "used to the extent that it is used throughout the specification does not mean" step for.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination (s) thereof " included in the expression of the machine form means a mixture or combination of one or more elements selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the form of a marker, Quot; means at least one selected from the group consisting of the above-mentioned elements.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다. Throughout this specification, the description of "A and / or B" means "A or B, or A and B".

본원 명세서 전체에서, "A@B"의 기재는, "A 코어-B 쉘 나노입자"를 의미하며, "A@B@C"의 기재는, "A 코어-B@C 쉘 나노입자"를 의미한다. 상기 A 코어-B@C 쉘 나노입자는 A를 코어로서 사용하고, C를 포함하는 B, 즉, B@C를 쉘으로서 사용하는 코어-쉘 나노입자를 의미하는 것이다.
In the entire specification of the present application, the description of "A @ B" means "A core-B shell nanoparticle" and the description of "A @ B @ C" it means. The A core-B @ C shell nanoparticle means a core-shell nanoparticle using A as a core and B containing C, that is, B @ C as a shell.

이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
Hereinafter, embodiments of the present invention are described in detail, but the present invention is not limited thereto.

본원의 제 1 측면은, 금 전구체 및 환원제를 반응시켜 금 나노입자-함유 용액을 제조하는 단계; 상기 금 나노입자-함유 용액에 전도성 고분자의 단량체를 첨가하여 중합시켜 금 나노입자 코어에 전도성 고분자 쉘을 형성하는 단계; 및 상기 전도성 고분자 쉘에 제 1 전이금속 전구체 및 제 2 전이금속 전구체를 도입하여 제 1 전이금속 입자 및 제 2 전이금속 입자를 형성하는 단계를 포함하는, 코어-쉘 복합 나노입자의 제조 방법을 제공한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a gold nanoparticle-containing solution, comprising: reacting a gold precursor and a reducing agent to prepare a gold nanoparticle-containing solution; Adding a monomer of a conductive polymer to the gold nanoparticle-containing solution and polymerizing the resultant to form a conductive polymer shell on the gold nanoparticle core; And introducing a first transition metal precursor and a second transition metal precursor into the conductive polymer shell to form first transition metal particles and second transition metal particles. do.

본원의 코어-쉘 복합 나노입자 금 나노입자@전도성 고분자@제 1 전이금속/제 2 전이금속 구조는 전도성 고분자를 이용하며 종래의 금 나노입자@비전도성 고분자@Pt 구조, 예를 들어, AuNP@PVP-Pt와 비교하여 전기 전도성 가진 고분자를 이용하며 일반 고분자에 비해 우수한 촉매 활성도를 보이며, 금 나노입자@전도성 고분자@Pt 구조와 비교하여 Pt의 일부를 전이금속으로 대체함으로써 상대적으로 저렴한 비용으로 제조할 수 있다.The core-shell composite nanoparticle gold nanoparticles of the present invention, the conductive polymer, the first transition metal / the second transition metal structure, use a conductive polymer, and the conventional gold nanoparticles, the nonconductive polymer, the Pt structure, for example, AuNP Compared to PVP-Pt, it has electric conductivity and has superior catalytic activity compared to general polymer. It can be manufactured at relatively low cost by replacing part of Pt with transition metal compared to gold nanoparticle (conductive polymer) Pt structure. can do.

도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 코어-쉘 복합 나노입자의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a method for producing core-shell composite nanoparticles in one embodiment of the present invention. FIG.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코어-쉘 복합 나노입자는 금 나노입자의 코어층, 및 제 1 전이금속, 및 제 2 전이금속이 도입된 전도성 고분자의 쉘 층을 포함한다. 상기 전도성 고분자 쉘은, 예를 들어, 상기 코어의 표면에 형성되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the core-shell composite nanoparticle includes a core layer of gold nanoparticles, and a shell layer of a first transition metal and a conductive polymer into which the second transition metal is introduced. The conductive polymer shell may include, for example, those formed on the surface of the core, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 전이금속 전구체 및 상기 제 2 전이금속 전구체는 서로 상이하다.In one embodiment of the invention, the first transition metal precursor and the second transition metal precursor are different from each other.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코어-쉘 복합 나노입자의 제조 방법에 의하여 금 나노입자 코어 상에 형성된 전도성 고분자 쉘, 상기 전도성 고분자 쉘에 형성된 제 1 전이금속 입자 및 제 2 전이금속 입자를 포함하는, 코어-쉘 형태의 나노입자를 제조함으로써 코어-쉘 복합 나노입자를 이용하는 연료전지의 양극의 연료 산화반응 및 음극의 산소환원반응 뿐만 아니라 금속-공기 전지의 음극의 산소환원반응에 이용되는 전기화학적 전극 촉매로써 활용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the conductive polymer shell formed on the gold nanoparticle core, the first transition metal particle and the second transition metal particle formed on the conductive polymer shell are formed by the method of manufacturing the core-shell composite nanoparticle The present invention relates to a method for producing a core-shell composite nanoparticle comprising the steps of: preparing a core-shell nanoparticle of core-shell type; May be used as a chemical electrode catalyst, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리(3,4-알킬렌디옥시티오펜), 폴리(3,4-디알킬티오펜), 폴리(3,4-디알콕시티오펜), 폴리(3,4-시클로알킬티오펜), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the conductive polymer is selected from the group consisting of polyaniline, polythiophene, polypyrrole, poly (3,4-alkylenedioxythiophene), poly (3,4-dialkylthiophene) (Dialkoxythiophene), poly (3,4-cycloalkylthiophene), and combinations thereof. The term "

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 고분자를 이용하여 제 1 전이금속 전구체 및 제 2 전이금속 전구체를 고분자 쉘로 용이하게 도입하여 제 1 전이금속 전구체 및 제 2 전이금속 전구체를 형성할 수 있으며, 상대적으로 저렴한 비용으로 백금과 부가 전이금속을 포함한 에너지 변환 또는 저장 디바이스 전극 촉매를 제조할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first transition metal precursor and the second transition metal precursor can be easily introduced into the polymer shell using the conductive polymer to form the first transition metal precursor and the second transition metal precursor, An electrode catalyst for energy conversion or storage devices containing platinum and an additional transition metal can be produced at low cost.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 전이금속 전구체는 Pt, Pd, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment herein, the first transition metal precursor may comprise, but is not limited to, a metal selected from the group consisting of Pt, Pd, and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 전이금속 전구체는 Fe, Co, Ni, Cu, Ru, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment herein, the second transition metal precursor may comprise, but is not limited to, a metal selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Ru, and combinations thereof .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 전이금속 전구체 및 제 2 전이금속 전구체를 함께 사용하는 것은 Pt에 비해 상대적으로 저렴한 제 2 전이금속 전구체를 첨가하여 Pt와 같은 제 1 전이금속 전구체의 사용량을 감소시켜 제조 비용을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 우수한 촉매 활성도를 나타낼 수 있다.In one embodiment of the present invention, the use of the first transition metal precursor and the second transition metal precursor together is accomplished by adding a second transition metal precursor, which is relatively inexpensive to Pt, so that the amount of the first transition metal precursor, such as Pt, Thereby reducing the production cost and exhibiting excellent catalytic activity.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 고분자 쉘의 단량체 대 상기 제 1 전이금속 전구체 및 제 2 전이금속 전구체의 합의 몰비는 약 1:0.2 내지 약 1:1인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 고분자 쉘의 단량체 대 상기 제 1 전이금속 전구체 및 제 2 전이금속 전구체의 합의 몰비는 약 1:0.2 내지 약 1:1, 약 1:0.3 내지 약 1:1, 약 1:0.4 내지 약 1:1, 약 1:0.5 내지 약 1:1, 약 1:0.6 내지 약 1:1, 약 1:0.7 내지 약 1:1, 약 1:0.8 내지 약 1:1, 또는 약 1:0.9 내지 약 1:1인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the molar ratio of the monomer of the conductive polymer shell to the sum of the first transition metal precursor and the second transition metal precursor may be from about 1: 0.2 to about 1: 1, have. For example, the molar ratio of the monomer of the conductive polymer shell to the sum of the first transition metal precursor and the second transition metal precursor may be from about 1: 0.2 to about 1: 1, from about 1: 0.3 to about 1: 1, 1 to about 1: 1, from about 1: 0.5 to about 1: 1, from about 1: 0.6 to about 1: 1, from about 1: 0.7 to about 1: : 0.9 to about 1: 1, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 전이금속 전구체 대 제 2 전이금속 전구체의 몰비는 약 1:0.3 내지 약 1:1, 약 1:0.4 내지 약 1:1, 약 1:0.5 내지 약 1:1, 약 1:0.6 내지 약 1:1, 약 1:0.7 내지 약 1:1, 약 1:0.8 내지 약 1:1, 또는 약 1:0.9 내지 약 1:1인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment, the molar ratio of the first transition metal precursor to the second transition metal precursor ranges from about 1: 0.3 to about 1: 1, from about 1: 0.4 to about 1: 1, from about 1: 0.5 to about 1: 1: about 1: 0.6 to about 1: 1, about 1: 0.7 to about 1: 1, about 1: 0.8 to about 1: 1, or about 1: 0.9 to about 1: .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금 나노입자의 크기는 약 1 nm 내지 약 100 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 금 나노입자는 약 1 nm 내지 약 100 nm, 약 5 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 20 nm 내지 약 100 nm, 약 30 nm 내지 약 100 nm, 약 40 nm 내지 약 100 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 60 nm 내지 약 100 nm, 약 70 nm 내지 약 100 nm, 약 80 nm 내지 약 100 nm, 약 90 nm 내지 약 100 nm, 약 1 nm 내지 약 90 nm, 약 1 nm 내지 약 80 nm, 약 1 nm 내지 약 70 nm, 약 1 nm 내지 약 60 nm, 약 1 nm 내지 약 50 nm, 약 1 nm 내지 약 40 nm, 약 1 nm 내지 약 30 nm, 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 또는 약 1 nm 내지 약 5 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the size of the gold nanoparticles may be from about 1 nm to about 100 nm, but is not limited thereto. For example, the gold nanoparticles may have a thickness of from about 1 nm to about 100 nm, from about 5 nm to about 100 nm, from about 10 nm to about 100 nm, from about 20 nm to about 100 nm, from about 30 nm to about 100 nm, From about 40 nm to about 100 nm, from about 50 nm to about 100 nm, from about 60 nm to about 100 nm, from about 70 nm to about 100 nm, from about 80 nm to about 100 nm, from about 90 nm to about 100 nm, From about 1 nm to about 40 nm, from about 1 nm to about 50 nm, from about 1 nm to about 40 nm, from about 1 nm to about 80 nm, from about 1 nm to about 70 nm, from about 1 nm to about 60 nm, 30 nm, about 1 nm to about 20 nm, about 1 nm to about 10 nm, or about 1 nm to about 5 nm.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금 나노입자는 표면 개질된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 표면 개질은 당업계에서 금 나노입자의 표면 개질에 사용되는 물질 및 방법을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다.
In one embodiment of the present invention, the gold nanoparticles may be surface-modified, but are not limited thereto. Such a surface modification can be used in the art without any particular limitation in the materials and methods used for surface modification of gold nanoparticles.

본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 방법에 의해 제조되며, 금 나노입자 코어 상에 형성된 전도성 고분자 쉘, 및 상기 전도성 고분자 쉘에 형성된 제 1 전이금속 입자 및 제 2 전이금속 입자를 포함하는, 코어-쉘 복합 나노입자를 제공한다. 즉, 본원의 제 2 측면에 따른 코어-쉘 복합 나노입자는, 금 전구체 및 환원제를 반응시켜 금 나노입자-함유 용액을 제조하는 단계; 상기 금 나노입자-함유 용액에 전도성 고분자의 단량체를 첨가하여 중합시켜 금 나노입자 코어에 전도성 고분자 쉘을 형성하는 단계; 및 상기 전도성 고분자 쉘에 제 1 전이금속 전구체 및 제 2 전이금속 전구체를 도입하여 제 1 전이금속 입자 및 제 2 전이금속 입자를 형성하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조된다.A second aspect of the present invention is a method of manufacturing a conductive nanoparticle comprising a conductive polymer shell formed on a gold nanoparticle core and a first transition metal particle and a second transition metal particle formed on the conductive polymer shell, , Core-shell composite nanoparticles. That is, the core-shell composite nanoparticle according to the second aspect of the present invention comprises reacting a gold precursor and a reducing agent to prepare a gold nanoparticle-containing solution; Adding a monomer of a conductive polymer to the gold nanoparticle-containing solution and polymerizing the resultant to form a conductive polymer shell on the gold nanoparticle core; And introducing a first transition metal precursor and a second transition metal precursor to the conductive polymer shell to form first transition metal particles and second transition metal particles.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리(3,4-알킬렌디옥시티오펜), 폴리(3,4-디알킬티오펜), 폴리(3,4-디알콕시티오펜), 폴리(3,4-시클로알킬티오펜), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the invention, the conductive polymer is selected from the group consisting of polyaniline, polythiophene, polypyrrole, poly (3,4-alkylenedioxythiophene), poly (3,4-dialkylthiophene) (Dialkoxythiophene), poly (3,4-cycloalkylthiophene), and combinations thereof. The term "

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 전이금속 입자는 Pt, Pd, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the first transition metal particles may include, but are not limited to, a metal selected from the group consisting of Pt, Pd, and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 전이금속 입자는 Fe, Co, Ni, Cu, Ru, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the second transition metal particles may comprise, but are not limited to, metals selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Ru, and combinations thereof .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코어-쉘 복합 나노입자 제조 시 사용되는 상기 제 1 전이금속 전구체는 Pt, Pd, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first transition metal precursor used in preparing the core-shell composite nanoparticles may comprise a metal selected from the group consisting of Pt, Pd, and combinations thereof. But may not be limited.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코어-쉘 복합 나노입자 제조 시 사용되는 상기 제 2 전이금속 전구체는 Fe, Co, Ni, Cu, Ru, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment, the second transition metal precursor used in preparing the core-shell composite nanoparticles comprises a metal selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Ru, and combinations thereof. , But may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코어-쉘 복합 나노입자 제조 시 사용되는 상기 전도성 고분자 쉘의 단량체 대 상기 제 1 전이금속 전구체 및 제 2 전이금속 전구체의 합의 몰비는 약 1:0.2 내지 약 1:1인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 고분자 쉘의 단량체 대 상기 제 1 전이금속 전구체 및 제 2 전이금속 전구체의 합의 몰비는 약 1:0.2 내지 약 1:1, 약 1:0.3 내지 약 1:1, 약 1:0.4 내지 약 1:1, 약 1:0.5 내지 약 1:1, 약 1:0.6 내지 약 1:1, 약 1:0.7 내지 약 1:1, 약 1:0.8 내지 약 1:1, 또는 약 1:0.9 내지 약 1:1인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the molar ratio of the monomer of the conductive polymer shell to the sum of the first transition metal precursor and the second transition metal precursor used in preparing the core-shell composite nanoparticles is about 1: 0.2 to about 1: 1, but may not be limited thereto. For example, the molar ratio of the monomer of the conductive polymer shell to the sum of the first transition metal precursor and the second transition metal precursor may be from about 1: 0.2 to about 1: 1, from about 1: 0.3 to about 1: 1, 1 to about 1: 1, from about 1: 0.5 to about 1: 1, from about 1: 0.6 to about 1: 1, from about 1: 0.7 to about 1: : 0.9 to about 1: 1, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코어-쉘 복합 나노입자 제조 시 사용되는 상기 제 1 전이금속 전구체 대 제 2 전이금속 전구체의 몰비는 약 1:0.3 내지 약 1:1, 약 1:0.4 내지 약 1:1, 약 1:0.5 내지 약 1:1, 약 1:0.6 내지 약 1:1, 약 1:0.7 내지 약 1:1, 약 1:0.8 내지 약 1:1, 또는 약 1:0.9 내지 약 1:1인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the molar ratio of the first transition metal precursor to the second transition metal precursor used in preparing the core-shell composite nanoparticles is about 1: 0.3 to about 1: 1, about 1: 0.4 to about From about 1: 0.5 to about 1: 1, from about 1: 0.6 to about 1: 1, from about 1: 0.7 to about 1: 1, from about 1: 0.8 to about 1: But it may be, but not limited to, about 1: 1.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금 나노입자의 크기는 약 1 nm 내지 약 100 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 금 나노입자는 약 1 nm 내지 약 100 nm, 약 5 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 20 nm 내지 약 100 nm, 약 30 nm 내지 약 100 nm, 약 40 nm 내지 약 100 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 60 nm 내지 약 100 nm, 약 70 nm 내지 약 100 nm, 약 80 nm 내지 약 100 nm, 약 90 nm 내지 약 100 nm, 약 1 nm 내지 약 90 nm, 약 1 nm 내지 약 80 nm, 약 1 nm 내지 약 70 nm, 약 1 nm 내지 약 60 nm, 약 1 nm 내지 약 50 nm, 약 1 nm 내지 약 40 nm, 약 1 nm 내지 약 30 nm, 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 또는 약 1 nm 내지 약 5 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the size of the gold nanoparticles may be from about 1 nm to about 100 nm, but is not limited thereto. For example, the gold nanoparticles may have a thickness of from about 1 nm to about 100 nm, from about 5 nm to about 100 nm, from about 10 nm to about 100 nm, from about 20 nm to about 100 nm, from about 30 nm to about 100 nm, From about 40 nm to about 100 nm, from about 50 nm to about 100 nm, from about 60 nm to about 100 nm, from about 70 nm to about 100 nm, from about 80 nm to about 100 nm, from about 90 nm to about 100 nm, From about 1 nm to about 40 nm, from about 1 nm to about 50 nm, from about 1 nm to about 40 nm, from about 1 nm to about 80 nm, from about 1 nm to about 70 nm, from about 1 nm to about 60 nm, 30 nm, about 1 nm to about 20 nm, about 1 nm to about 10 nm, or about 1 nm to about 5 nm.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코어-쉘 복합 나노입자는, 예를 들어, 둥근 입자 형상인 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
In one embodiment of the present invention, the core-shell composite nanoparticles may include, for example, those having a round particle shape, but are not limited thereto.

본원의 제 3 측면은, 상기 본원의 제 2 측면에 따른 코어-쉘 복합 나노입자를 포함하는, 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매를 제공한다.A third aspect of the invention provides an electrode catalyst for energy conversion or storage devices comprising core-shell composite nanoparticles according to the second aspect of the present invention.

본원의 제 3 측면은 코어-쉘 복합 나노입자를 포함하는 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매에 관한 것으로서, 본원의 제 1 측면 또는 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 또는 제 2 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.The third aspect of the present invention relates to an electrode catalyst for an energy conversion or storage device comprising core-shell composite nanoparticles, and a detailed description of parts overlapping with the first aspect or the second aspect of the present invention is omitted, The description of the first aspect or the second aspect of the present invention can be similarly applied even if the description thereof is omitted in the third aspect of the present application.

본원의 일 구현예에 있어서, 종래의 백금을 사용하는 코어-쉘 복합 나노입자와 비교하여 백금의 사용량을 줄이고, 백금의 일부를 저렴한 전이금속 성분으로 대체하여 합금 나노입자 기반의 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매를 합성할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the use of platinum is reduced compared to conventional core-shell composite nanoparticles using platinum, and a portion of the platinum is replaced by an inexpensive transition metal component to provide an alloy nanoparticle-based energy conversion or storage device But the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매는 연료전지용 전극 촉매일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the electrode catalyst for the energy conversion or storage device may be, but not limited to, an electrode catalyst for a fuel cell.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에너지 디바이스용 전극 촉매는 캐소드 (cathode)용 촉매인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrode catalyst for the energy device may be a catalyst for a cathode, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에너지 디바이스용 전극 촉매는 애노드 (anode)용 촉매인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
In one embodiment of the present invention, the electrode catalyst for the energy device may be, but not limited to, an anode catalyst.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples are given for the purpose of helping understanding of the present invention, but the present invention is not limited to the following Examples.

[[ 실시예Example ] ]

<금 나노입자 제조><Preparation of gold nanoparticles>

금 나노입자-함유 용액을 제조하기 위하여, 증류수 148.5 mL에 0.025 M 금 전구체 (HAuCl4, Sigma Aldrich) 1.5 mL를 첨가하고 강하게 교반하면서 130℃까지 가열하였다. 그 후, 0.17 M 시트르산 나트륨 (sodium citrate, Sigma Aldrich) 0.9 mL를 추가로 첨가한 후 교반하면서 20 분간 더 가열하여 최종적으로 약 15 nm 크기의 금 나노입자를 제조하였다.
To prepare the gold nanoparticle-containing solution, add 1.5 mL of 0.025 M gold precursor (HAuCl 4 , Sigma Aldrich) to 148.5 mL of distilled water and heat to 130 C with vigorous stirring. After that, 0.9 mL of 0.17 M sodium citrate (Sigma Aldrich) was further added, and the mixture was further heated for 20 minutes with stirring to finally prepare gold nanoparticles having a size of about 15 nm.

<금 나노입자 코어에 전도성 고분자 쉘 합성><Conductive polymer shell synthesis for gold nanoparticle core>

상기 제조된 금 나노입자에 40 mM 도데실황산나트륨 (sodium dodecyl sulfate) 및 전도성 고분자의 단량체인 2 mM 아닐린(aniline) 용액을 첨가하고 산성 용매 [10 mM 염화수소 (HCl)] 중에 2 mM 과황산암모늄 (ammonium peroxodisulfate)를 이용하여 계면활성 산화중합법 (surfactant-assisted chemical oxidative polymerization)을 이용하여 폴리아닐린 전도성 고분자 쉘을 합성하였다.
To the prepared gold nanoparticles, 40 mM sodium dodecyl sulfate and 2 mM aniline solution as a monomer of the conductive polymer were added, and 2 mM ammonium sulfate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in an acidic solvent [10 mM HCl] polyaniline conductive polymer shells were synthesized by surfactant-assisted chemical oxidative polymerization using ammonium peroxodisulfate.

<AuNP@PANI의 전도성 고분자 <Conductive Polymer of AuNP @ PANI 쉘에In the shell 금속 나노입자 도입> Introduction of metal nanoparticles>

상기 제조된 나노입자를 증류수에 분산시킨 후 폴리아닐린 전도성 고분자 쉘에 제 1 전이금속 입자(Pt) 및 제 2 전이금속 입자 (Fe 및 Co)를 도입하기 위해 우선 전도성 고분자 단량체인 2 mM 아닐린 용액과 제 1 전이금속 전구체 (2 mM 농도 H2PtCl6 수용액 사용)의 몰비 (1:0.25, 1: 0.5, 및 1:1)를 조절해 첨가하고 1 시간 초음파 처리 후 24 시간 동안 교반시켰다. 그 후, 0.1 M 수소화붕소나트륨 (sodium borohydride)을 첨가하고 30 분 동안 교반시킨 후 원심분리기를 이용해 원심분리 후 상층액을 버리고 나머지 나노입자들을 증류수에 분산시켜 전도성 고분자 쉘에 제 1 전이금속 입자를 포함한 나노입자를 수득하였다. 각각의 제 1 전이금속 전구체의 몰비에 따른 전기촉매 활성도 및 TEM 이미지를 통해 확인할 수 있었으며, 가장 뛰어났던 전도성 고분자 단량체와 제 1 전이금속 전구체의 몰비 (1:1)를 토대로, 제 1 전이금속 일부를 제 2 전이금속으로 대체하기 위해 제 1 전이금속 전구체 (2 mM 농도 H2PtCl6 수용액 사용)와 제 2 전이금속 전구체 (3.6 mM 농도 FeCl2·4H2O 수용액 및 4 mM 농도 CoCl2·6H2O 수용액 각각 사용)를 몰비 (제 1 전이금속 전구체: 제 2 전이금속 전구체의 몰비 = 0.7:0.3)에 따라 넣고 상기와 같은 방법으로 제 1 전이금속 입자 및 제 2 전이금속 입자를 포함한 나노입자를 수득하였다.
To prepare the first transition metal particles (Pt) and second transition metal particles (Fe and Co) into the polyaniline conductive polymer shell after dispersing the prepared nanoparticles in distilled water, 2 mM aniline solution, which is a conductive polymer monomer, (1: 0.25, 1: 0.5, and 1: 1) of a transition metal precursor (using a 2 mM aqueous solution of H 2 PtCl 6 ) was added and stirred for 1 hour after ultrasonic treatment for 24 hours. Thereafter, 0.1 M sodium borohydride was added and stirred for 30 minutes. After centrifugation using a centrifuge, the supernatant was discarded and the remaining nanoparticles were dispersed in distilled water to form first transition metal particles in the conductive polymer shell Containing nanoparticles were obtained. The electrocatalytic activity and the TEM image of each of the first transition metal precursors were confirmed. The molar ratio of the first transition metal precursor to the first transition metal precursor was 1: 1, (Using a 2 mM aqueous solution of H 2 PtCl 6 ) and a second transition metal precursor (a 3.6 mM aqueous solution of FeCl 2 .4H 2 O and a 4 mM aqueous solution of CoCl 2 .6H 2 O aqueous solutions were respectively used according to the molar ratio (molar ratio of the first transition metal precursor: second transition metal precursor = 0.7: 0.3) to the nanoparticles containing the first transition metal particles and the second transition metal particles &Lt; / RTI &gt;

도 2a 내지 도 2d는 상기 실시예에 따라 제조된 금 나노입자 코어에 전도성 고분자 쉘을 합성한 코어-쉘 복합 나노입자의 결과이며, 도 2a는 실시예에 있어서 합성한 AuNP@PANI의 주사전자현미경 (SEM) 이미지이다. 도 2b는 금 나노입자와 전도성 고분자 쉘이 합성되었을 때의 자외선/가시광선 흡수 스펙트럼이며, 금 나노입자의 특유의 흡수 피크를 500 nm 내지 550 nm 사이에서 관찰할 수 있었다. 또한, 전도성 고분자 쉘이 합성됨에 따라 800 nm에서 전도성 고분자의 흡수 피크를 확인할 수 있었다. 또한 FT-IR 스펙트럼을 통해서 PANI의 고유의 피크를 확인할 수 있었으며, 도 2d 및 도 2e는 AuNP@PANI의 전기촉매 활성도를 확인할 수 있었다. 이후 제 1 전이금속 전구체인 백금을 고분자 쉘에 도입하였으며, 그 결과는 도 3a의 흡광도 피크를 통해서 확인할 수 있었다. 백금의 도입됨에 따라, 흡광도를 측정한 결과를 도 3a에 나타내었다. 백금 전구체와 전도성 고분자의 몰비를 조절해 고분자 쉘에 백금이 도입된 함량에 따라 도 3b의 TEM 이미지를 통해서 확인하였다. FIGS. 2A to 2D are the results of core-shell composite nanoparticles synthesized from gold nanoparticle cores prepared according to the above examples. FIG. 2A is a scanning electron microscope (SEM) image of AuNP @ (SEM) image. FIG. 2B shows ultraviolet / visible light absorption spectra when gold nanoparticles and a conductive polymer shell were synthesized, and a specific absorption peak of gold nanoparticles was observed between 500 nm and 550 nm. Also, as the conductive polymer shell was synthesized, the absorption peak of the conductive polymer was confirmed at 800 nm. In addition, the intrinsic peak of PANI was confirmed by the FT-IR spectrum, and FIGS. 2d and 2e were able to confirm the electrocatalytic activity of AuNP @ PANI. Then, the first transition metal precursor, platinum, was introduced into the polymer shell, and the result was confirmed by the absorbance peak of FIG. 3A. The absorbance was measured according to the introduction of platinum, and the result is shown in Fig. The molar ratio of the platinum precursor and the conductive polymer was controlled to confirm the amount of the platinum introduced into the polymer shell through the TEM image of FIG. 3b.

상기 제조된 코어-쉘 복합 나노입자의 산소 환원 반응을 알아보기 위해 선형주사전위법(linear sweep voltammetry)을 이용하였다. 선형주사전위법을 이용하기 위해, 3 M KCl(potassium chloride)로 채워진 Ag/AgCl 전극을 기준전극(reference electrode)으로 사용하였고, 백금 호일(Pt foil)을 상대전극(counter electrode)으로 사용하였고, 각각 상이한 백금의 몰비를 가진 나노입자를 3 mm의 직경을 가진 GCE (glassy carbon electrode)에 코팅하여 작업전극(working electrode)으로 이용하는 3 계 전극 셀(three-electrode cell)을 일정전위기(potentiostat, EcoChmie, Autolab)와 연결하여 사용하였다. 작업전극으로서 회전원판전극 (rotating disk electrode, RDE)을 사용하여 회전 속도에 따른 전류 및 전압을 측정하였다. 전해질은 산소 기체로 포화시킨 0.1 M 과염소산 수용액을 사용하였고, LSV 측정 속도(scan rate)는 20 mV/s 이었다.A linear sweep voltammetry was used to investigate the oxygen reduction reaction of the prepared core-shell composite nanoparticles. The Ag / AgCl electrode filled with 3 M KCl (potassium chloride) was used as a reference electrode, the Pt foil was used as a counter electrode, A three-electrode cell was prepared by coating nanoparticles having different molar ratios of platinum on a glassy carbon electrode (GCE) having a diameter of 3 mm and using the same as a working electrode, using a potentiostat, EcoChmie, Autolab). A rotating disk electrode (RDE) was used as the working electrode to measure the current and voltage according to the rotation speed. The electrolyte used was a 0.1 M perchloric acid aqueous solution saturated with oxygen gas, and the LSV measurement rate (scan rate) was 20 mV / s.

도 3c는 상기 제조된 코어-쉘 복합 나노입자를 선형주사전위법을 통해 산소 환원 반응을 이용하여 확인할 수 있었다. 가장 우수한 반응 활성도를 가진 몰비를 결정하여 일부 백금을 제 2 전이금속으로 대체하여 전기촉매활성도를 확인하기 위해 우선 제 2 전이금속만을 이용하여 순환 전압 전류 곡선법(cyclic voltammetry) 및 선형주사전위법을 측정하였다(도 4a 내지 도 4d). 촉매 활성도 정도를 확인한 실험 방법은 상기와 모두 동일하였고, 백금 없이 제 2 전이금속만 있을 경우의 순환 전압 전류 곡선법과 선형주사전위법을 측정한 결과 산소 환원 반응이 나타나지 않았다(도 4a 내지 도 4d). 도 4e 및 도 4f의 TEM 이미지를 통해 각각의 나노입자가 관찰되었다. FIG. 3 (c) shows the core-shell composite nanoparticles prepared by the above-described method using an oxygen reduction reaction. In order to determine the electrocatalytic activity by substituting some of the platinum with the second transition metal by determining the molar ratio with the most excellent reaction activity, the cyclic voltammetry and the linear predistortion method using only the second transition metal (Figs. 4A to 4D). The experimental method for confirming the degree of catalytic activity was the same as above, and the cyclic voltammetric curve method and the linear principle preliminary method in the case of only the second transition metal without platinum showed no oxygen reduction reaction (FIGS. 4A to 4D) . Each nanoparticle was observed through the TEM image of FIGS. 4E and 4F.

도 5의 a는 AuNP@PANI@PtxFex-1의 TEM 이미지이고, 도 5b 및 도 5c는 AuNP@PANI@PtxFex-1의 순환 전류전압 곡선 그래프이다. 도 6의 a는 AuNP@PANI@PtxCox-1의 TEM 이미지이고, 도 6b 및 도 6c는 AuNP@PANI@PtxCox-1의 순환 전류전압 곡선 그래프이다. 도 5d 및 도 6d는 각각 백금과 제 2 전이금속을 도입시킨 나노입자의 선형주사전위법을 나타내고 있으며, 백금에 제 2 전이금속(Fe, 또는 Co)을 도입시킨 후에도 전기 촉매 활성도와 산소 환원 반응이 일어나고 있음을 나타내고 있다.FIG. 5A is a TEM image of AuNP @ PANI @ Pt x Fe x-1 , and FIGS. 5B and 5C are cyclic current and voltage curves of AuNP @ PANI @ Pt x Fe x-1 . FIG. 6A is a TEM image of AuNP @ PANI @ Pt x Co x-1 , and FIGS. 6B and 6C are cyclic current and voltage curves of AuNP @ PANI @ Pt x Co x-1 . FIGS. 5D and 6D show the linear principle of the nanoparticles in which platinum and a second transition metal are introduced, respectively. Even after introducing a second transition metal (Fe or Co) into platinum, the electrocatalytic activity and the oxygen reduction reaction Is happening.

도 7은 본 실시예에 있어서 제 2 전이금속(Fe, 또는 Co)을 도입시킨 AuNP@PANI@PtM의 TEM-EDS 맵핑 (mapping) 이미지로서, 나노입자에 각각의 원소들이 함유되어 있음을 나타내고 있으며, 전도성 고분자 쉘에 도입된 나노입자들의 분포가 잘 되어 있음을 나타내고 있다. 도 8은 본원의 일 실시예에 있어서 AuNP@PANI@PtM의 X-선 회절 패턴 그래프로써, 각각의 원소들의 고유의 회절 패턴을 분석하고 결정성 변화를 관찰하였다. FIG. 7 is a TEM-EDS mapping image of AuNP @ PANI @ PtM into which a second transition metal (Fe or Co) is introduced in this embodiment, showing that each element is contained in the nanoparticles , And that the distribution of the nanoparticles introduced into the conductive polymer shell is good. FIG. 8 is an X-ray diffraction pattern graph of AuNP @ PANI @ PtM in one embodiment of the present invention, and the inherent diffraction pattern of each element was analyzed and the change in crystallinity was observed.

도 9는 AuNP@PANI@Pt 및 AuNP@PANI@PtM의 순환 전류전압 곡선 그래프를 나타내며, 각각의 나노입자에서 수소의 흡착 및 탈착, 및 산소의 흡착 및 탈착 활성이 나타나고 있음을 알 수 있다. 도 10은 산소 환원 반응에서 다양한 코어-쉘 복합 나노입자의 선형주사전위법을 측정하였고, 제 2 전이금속 (Co)이 함유되어 있는 코어-쉘 복합 나노입자의 산소 환원 반응활성도가 백금만 함유되어 있는 나노입자의 촉매활성도와 비교할 때, 다른 비교 샘플들보다 우수하게 측정되었다. 도 11은 RDE 실험에서 측정된 전기화학적 산소환원 반응의 전류 밀도의 역수 (1/j)를 회전수 제곱근의 역수 (ω-1/2)에 대해 Koutecky-Levich 식으로 계산하여 도식화한 그래프를 나타내고 있다. 기준 전압에서의 전자의 수가 코어-쉘 복합 나노입자의 경우 4로 계산됨으로써, 산소가 과산화수소로 환원 및 산소의 환원과 함께 부산물로 생성되는 과산화수소의 환원에 해당하는 반응이 동시에 진행되는 전자 전달반응이 일어난 것을 의미한다. 도 12는 본 실시예에 따른 코어-쉘 복합 나노입자의 안정성 테스트의 결과를 나타내고 있으며, 특정 전압에서 시간에 따른 전류값을 나타내었다. 본 실시예에 따른 코어-쉘 복합 나노입자 모두 비교 샘플인 Pt/C보다 우수한 안정성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 9 is a cyclic current-voltage curve graph of AuNP @ PANI @ Pt and AuNP @ PANI @ PtM, showing adsorption and desorption of hydrogen and adsorption and desorption of oxygen in each nanoparticle. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the oxygen content of the core-shell composite nanoparticles and the specific surface area of the core-shell composite nanoparticles containing the second transition metal (Co) Compared to the catalytic activity of the nanoparticles, it was better than the other comparative samples. 11 is a graph showing the inverse number (1 / j) of the current density of the electrochemical oxygen reduction reaction measured in the RDE experiment by calculating the Koutecky-Levich equation for the inverse number (ω -1/2 ) of the square root of the number of rotations have. The number of electrons in the reference voltage is calculated as 4 in the case of core-shell composite nanoparticles, so that the electron transfer reaction in which oxygen is reduced to hydrogen peroxide and the reaction corresponding to the reduction of hydrogen peroxide generated as a by- It means something happened. 12 shows the results of the stability test of the core-shell composite nanoparticles according to the present embodiment, and shows the current value with time at a specific voltage. It was confirmed that the core-shell composite nanoparticles according to this example had better stability than the comparative sample Pt / C.

도 13 은 본 실시예에 따른 코어-쉘 복합 나노입자가 연료전지의 음극의 촉매뿐만 아니라 양극의 촉매로도 활용 가능함을 나타내기 위하여 메탄올 산화 반응을 실험하였다. 본 실시예에 따른 코어-쉘 복합 나노입자의 순환 전류전압을 측정하였다. 전해질로는 비활성 기체로 포화시킨 0.1 M 과염소산 수용액에 1 M 메탄올을 이용하였으며, 순환 전류전압 측정 속도 (scan rate)는 50 mV/s로 측정되었다. 상기 결과에 의하여, 백금과 제 2 전이금속을 함유한 코어-쉘 복합 나노입자가 메탄올 산화 반응에서 뛰어난 활성도를 가짐을 확인할 수 있었고, 종래의 AuNP@P4VP의 나노입자(도 14)에 비해 뛰어난 메탄올 산화 반응이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 상기 실시예에 따라 제조된 백금 나노입자 및 제 2 전이금속 나노입자가 포함된 코어-쉘 플라즈몬 복합 나노입자는 연료전지의 음극 및 양극의 촉매 뿐만 아니라, 금속-공기 전지의 음극 촉매로 충분히 이용될 수 있음을 나타내고 있다.
FIG. 13 shows the methanol oxidation reaction in order to show that the core-shell composite nanoparticles according to this embodiment can be used not only as a catalyst for a cathode of a fuel cell but also as a catalyst for an anode. The cyclic current voltage of the core-shell composite nanoparticles according to this example was measured. As the electrolyte, 1 M methanol was used in 0.1 M perchloric acid aqueous solution saturated with an inert gas, and the scan rate of the circulation current voltage was measured at 50 mV / s. According to the above results, it was confirmed that the core-shell composite nanoparticles containing platinum and the second transition metal had excellent activity in the methanol oxidation reaction, and the methanol / Oxidation reaction was observed. The core-shell plasmon nanoparticles comprising the platinum nanoparticles and the second transition metal nanoparticles prepared according to the above embodiments are fully utilized as a cathode catalyst for a metal-air battery as well as a catalyst for a cathode and an anode of a fuel cell Respectively.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
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 (12)

금 전구체 및 환원제를 반응시켜 금 나노입자-함유 용액을 제조하는 단계;
상기 금 나노입자-함유 용액에 전도성 고분자의 단량체를 첨가하여 중합시켜 금 나노입자 코어에 전도성 고분자 쉘을 형성하는 단계;
상기 전도성 고분자 쉘에 제 1 전이금속 전구체를 도입하여 제 1 전이금속 입자를 형성하는 단계; 및
상기 제 1 전이금속 전구체 및 제 2 전이금속 전구체를 도입하여 상기 제 1 전이금속 입자의 일부를 제 2 전이금속 입자로 대체하는 단계
를 포함하며,
상기 전도성 고분자 쉘의 단량체 대 상기 제 1 전이금속 전구체와 제 2 전이금속 전구체의 합의 몰비는 1:0.2 내지 1:1 인 것인,
코어-쉘 복합 나노입자의 제조 방법.
Reacting the gold precursor and the reducing agent to prepare a gold nanoparticle-containing solution;
Adding a monomer of a conductive polymer to the gold nanoparticle-containing solution and polymerizing the resultant to form a conductive polymer shell on the gold nanoparticle core;
Introducing a first transition metal precursor into the conductive polymer shell to form first transition metal particles; And
Introducing the first transition metal precursor and a second transition metal precursor to replace a portion of the first transition metal particles with second transition metal particles
/ RTI &gt;
Wherein the molar ratio of the monomer of the conductive polymer shell to the sum of the first transition metal precursor and the second transition metal precursor is 1: 0.2 to 1:
(Method for producing core - shell composite nanoparticles).
제 1 항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리(3,4-알킬렌디옥시티오펜), 폴리(3,4-디알킬티오펜), 폴리(3,4-디알콕시티오펜), 폴리(3,4-시클로알킬티오펜), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 코어-쉘 복합 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The conductive polymer may be at least one selected from the group consisting of polyaniline, polythiophene, polypyrrole, poly (3,4-alkylenedioxythiophene), poly (3,4-dialkylthiophene) (3,4-cycloalkylthiophene), and combinations thereof. &Lt; Desc / Clms Page number 20 &gt;
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전이금속 전구체는 Pt, Pd, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것인, 코어-쉘 복합 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first transition metal precursor comprises a metal selected from the group consisting of Pt, Pd, and combinations thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전이금속 전구체는 Fe, Co, Ni, Cu, Ru, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것인, 코어-쉘 복합 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second transition metal precursor comprises a metal selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Ru, and combinations thereof.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 금 나노입자의 크기는 1 nm 내지 100 nm인 것인, 코어-쉘 복합 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the size of the gold nanoparticles is 1 nm to 100 nm.
제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되며, 금 나노입자 코어 상에 형성된 전도성 고분자 쉘, 및 상기 전도성 고분자 쉘에 형성된 제 1 전이금속 입자 및 제 2 전이금속 입자를 포함하는, 코어-쉘 복합 나노입자.
6. A method for manufacturing a conductive polymer membrane, comprising the steps of: preparing a conductive polymer shell formed on a gold nanoparticle core by a method according to any one of claims 1 to 4, and a first transition metal particle formed on the conductive polymer shell and a second transition A core-shell composite nanoparticle comprising metal particles.
제 7 항에 있어서,
상기 제 1 전이금속 입자는 Pt, Pd, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것인, 코어-쉘 복합 나노입자.
8. The method of claim 7,
Wherein the first transition metal particles comprise a metal selected from the group consisting of Pt, Pd, and combinations thereof.
제 7 항에 있어서,
상기 제 2 전이금속 입자는 Fe, Co, Ni, Cu, Ru, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것인, 코어-쉘 복합 나노입자.
8. The method of claim 7,
Wherein the second transition metal particles comprise a metal selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Ru, and combinations thereof.
제 7 항에 따른 코어-쉘 복합 나노입자를 포함하는, 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매.
An electrode catalyst for an energy conversion or storage device comprising core-shell composite nanoparticles according to claim 7.
제 10 항에 있어서,
상기 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매는 캐소드(cathode)용 촉매인 것인, 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매.
11. The method of claim 10,
Wherein the electrode catalyst for the energy conversion or storage device is a catalyst for a cathode.
제 10 항에 있어서,
상기 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매는 애노드(anode)용 촉매인 것인, 에너지 변환 또는 저장 디바이스용 전극 촉매.
11. The method of claim 10,
Wherein the electrode catalyst for the energy conversion or storage device is a catalyst for an anode.
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