KR101735650B1 - Metal air battery having dual perovskite structure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 높은 전기 전도도를 가지고, 활성이 높고, 안정성이 높은 듀얼 페로브스카이트 구조체를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체는, 제1 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제1 구조체; 및 상기 제1 구조체의 적어도 일부를 덮도록 상기 제1 구조체의 외측에 위치하고, 상기 제1 페로브스카이트 화합물과는 다른 제2 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제2 구조체;를 포함하는;를 포함한다.The present invention provides a dual perovskite structure having high electrical conductivity, high activity, and high stability. A dual perovskite structure according to an embodiment of the present invention includes a first structure including a first perovskite compound; And a second structure located outside the first structure to cover at least a portion of the first structure, the second structure comprising a second perovskite compound different from the first perovskite compound; .
Description
본 발명의 기술적 사상은 전극 소재에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 두 가지 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성된 듀얼 페로브스카이트 구조체, 이를 포함하는 금속공기전지, 이를 포함하는 고체 산화물 연료전지, 이를 포함하는 고체 산화물 수전해 셀, 및 듀얼 페로브스카이트 구조체의 제조 방법에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to an electrode material. More particularly, the present invention relates to a dual perovskite structure composed of two perovskite crystal structure materials, a metal air cell comprising the same, a solid oxide fuel cell comprising the same, a solid oxide water- To a method of manufacturing a robust structure.
최근에는 기존을 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 이차 전치로서, 고체 산화물 연료전지 및 금속공기전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In recent years, solid oxide fuel cells and metal air cells have been actively studied as secondary replacements that can replace conventional lithium ion batteries.
고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell: SOFC)는 연료 가스의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 고효율의 환경친화적인 전기화학적 발전 기술이다. SOFC는 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 소재가 상대적으로 저렴하며, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 금속공기전지는 현재 쓰이는 이차전지 중 에너지 밀도가 가장 높은 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 훨씬 높은 이차전지 기술로, 전기 자동차 등의 차세대 에너지원으로서 활발하게 연구되는 전지이다. A solid oxide fuel cell (SOFC) is a highly efficient, environmentally friendly electrochemical power generation technology that directly converts the chemical energy of a fuel gas into electrical energy. Since all components are solid, SOFC has a simple structure, relatively low cost, and is free from electrolyte loss and replacement and corrosion problems compared to other fuel cells. The metal air cell is a secondary battery technology which is much higher in energy density than the lithium ion battery having the highest energy density among currently used secondary batteries and is actively studied as a next generation energy source for electric vehicles and the like.
고체 산화물 연료전지와 금속공기전지는, 느린 산소환원반응으로 백금과 같은 귀금속 촉매가 요구되므로, 제조 단가가 높은 한계가 있다. 또한, 캐소드의 부반응으로 형성되는 Li2CO3 화합물 등은 전지 성능을 약화시키고, 전지 수명을 단축시킬 우려가 있다. 그러므로, 탄소체 등으로 구성된 집전체가 리튬 이온 등과 반응하지 않는 안정성이 요구된다.The solid oxide fuel cell and the metal air cell are required to have a noble metal catalyst such as platinum due to the slow oxygen reduction reaction, so that the manufacturing cost is high. In addition, Li 2 CO 3 compounds formed by side reactions of the cathode may deteriorate battery performance and shorten battery life. Therefore, it is required that the current collector composed of a carbon body or the like does not react with lithium ions or the like.
또한, 촉매로서 사용되는 니켈이 탄소 증착(carbon deposition)에 의하여 애노드 전극이 급격히 파괴되는 문제점이 있다. 또한, 애노드 전극이 수소 환경에서 구조 상이 안정해야 되며, 동시에 일정 값 이상의 전기 전도도를 유지하는 것이 매우 중요하다. 이러한 수소 환경에서 장기간 사용시 애노드의 성능 저하가 발생할 우려가 있다.Further, the anode used as the catalyst has a problem that the anode electrode is rapidly destroyed by carbon deposition. Also, it is very important that the anode electrode should have a stable structure in a hydrogen environment, and at the same time maintain an electric conductivity higher than a certain value. There is a possibility that the performance of the anode may deteriorate during long-term use in such a hydrogen environment.
따라서, 상온에서 높은 전기 전도도를 가지고, 산소환원반응이나 산소발생반응 등의 활성이 높고, 안정성이 높은 전극소재의 개발이 요구된다.Therefore, development of an electrode material having high electrical conductivity at room temperature, high activity such as oxygen reduction reaction and oxygen generation reaction, and high stability is required.
본 발명의 기술적 과제는 높은 전기 전도도를 가지고, 활성이 높고, 안정성이 높은 전극 소재를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an electrode material having high electrical conductivity, high activity, and high stability.
본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 금속공기전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a metal air battery including the dual perovskite structure.
본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 고체 산화물 연료전지를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell including the dual perovskite structure.
본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 고체 산화물 수전해 셀을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a solid oxide water-receiving cell including the dual perovskite structure.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체는, 제1 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제1 구조체; 및 상기 제1 구조체의 적어도 일부를 덮도록 상기 제1 구조체의 외측에 위치하고, 상기 제1 페로브스카이트 화합물과는 다른 제2 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제2 구조체;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a dual perovskite structure comprising: a first structure including a first perovskite compound; And a second structure located outside the first structure to cover at least a part of the first structure and including a second perovskite compound different from the first perovskite compound.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 페로브스카이트 화합물은 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 가지고, 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 단일 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first perovskite compound may have a double layered perovskite crystal structure, and the second perovskite compound may have a single perovskite crystal structure.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 페로브스카이트 화합물은 단일 페로브스카이트 결정 구조를 가지고, 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first perovskite compound may have a single perovskite crystal structure, and the second perovskite compound may have a double layer perovskite crystal structure.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 하기의 화학식 1의 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first perovskite compound or the second perovskite compound may include a compound represented by the following formula (1).
<화학식 1>≪ Formula 1 >
LnTO3-δ LnTO 3-隆
상기 Ln은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, O는 산소이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Wherein Ln is one or more elements selected from lanthanides, E is one or more elements selected from the group of alkaline earth metals, T is one or more elements selected from transition metals, O is oxygen, is a positive number of 1 or less, and is a value that makes the compound of the formula (1) electrically neutral.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 하기의 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first perovskite compound or the second perovskite compound may include a compound represented by the following general formula (2).
<화학식 2>(2)
LnxE1-xTyO3-δ Ln x E 1-x T y O 3-隆
상기 Ln은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 y는 0 초과 2.0 이하의 수이고, O는 산소이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Wherein Ln is one or more elements selected from lanthanides, E is one or more elements selected from the group of alkaline earth metals, T is one or more elements selected from transition metals, , Y is a number of more than 0 and not more than 2.0, O is oxygen, and? Is a positive number of 1 or less, and the value of the compound of the formula (2) is an electrical neutrality.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 하기의 화학식 3의 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first perovskite compound or the second perovskite compound may include a compound represented by the following general formula (3).
<화학식 3>(3)
Ln0.5E0.5TyO3-δ Ln 0.5 E 0.5 T y O 3 -?
상기 Ln은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 y는 0 초과 2.0 이하의 수이고, O는 산소이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Wherein Ln is one or more elements selected from lanthanides, E is one or more elements selected from the group of alkaline earth metals, T is one or more elements selected from transition metals, , O is oxygen, and the delta is a positive number of 1 or less, and the compound of formula (3) is a value that is electrically neutral.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 하기의 화학식 4의 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first perovskite compound or the second perovskite compound may include a compound of the following formula (4).
<화학식 4>≪ Formula 4 >
Ln0.5E0.5T1.1O3-δ Ln 0.5 E 0.5 T 1.1 O 3 -?
상기 Ln은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, O는 산소이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Wherein Ln is one or more elements selected from lanthanides, E is one or more elements selected from the group of alkaline earth metals, T is one or more elements selected from transition metals, O is oxygen, ? is a positive number of 1 or less, and the compound of the above formula (3) has a value of electrical neutrality.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 NdCoO3 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first perovskite compound or the second perovskite compound may include an NdCoO 3 compound.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 NdxSr1-xCoyO3-δ 화합물을 포함할 수 있다. 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 y는 0 초과 2.0 이하의 수이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In one embodiment of the present invention, the first perovskite compound or the second perovskite compound may include an Nd x Sr 1-x Co y O 3 -δ compound. X is a number of more than 0 and less than 1.0, y is a number of not less than 0 and not more than 2.0, and? Is a positive number of not more than 1,
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 Nd0.5Sr0.5CoyO3-δ 화합물을 포함할 수 있다. 상기 y는 0 초과 2.0 이하의 수이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In one embodiment of the present invention, the first perovskite compound or the second perovskite compound may include an Nd 0.5 Sr 0.5 Co y O 3 -δ compound. Y is a number of more than 0 and less than 2.0, and? Is a positive number of 1 or less, and the value of the compound of the formula (3) is an electrical neutrality.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 Nd0.5Sr0.5Co1.1O3-δ 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first perovskite compound or the second perovskite compound may include an Nd 0.5 Sr 0.5 Co 1.1 O 3 -δ compound.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 페로브스카이트 화합물은 Nd0.5Sr0.5Co1.1O3-δ 화합물을 포함할 수 있다. 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 NdCoO3 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first perovskite compound may include Nd 0.5 Sr 0.5 Co 1.1 O 3 -δ compound. The second perovskite compound may include an NdCoO 3 compound.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 구조체는 일방향으로 연장된 기둥 형상을 가지고, 상기 제2 구조체는 상기 기둥 형상의 외측에 코팅된 형상을 가질 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first structure may have a column shape extending in one direction, and the second structure may have a shape coated on the outside of the column shape.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 구조체는 구형 형상을 가지고, 상기 제2 구조체는 상기 구형 형상의 외측에 코팅된 형상을 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first structure may have a spherical shape, and the second structure may have a shape coated on the outer side of the spherical shape.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체의 제조 방법은, 금속 산화물 전구체들을 용매에 용해하여 방사 용액을 형성하는 단계; 상기 방사 용액을 전기방사 방법을 이용하여 방사하여 그물망 구조체를 형성하는 단계; 및 듀얼 페로브스카이트 구조체를 형성하도록, 상기 그물망 구조체를 열처리하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a dual perovskite structure, comprising: dissolving metal oxide precursors in a solvent to form a spinning solution; Spinning the spinning solution using an electrospinning method to form a mesh structure; And heat treating the mesh structure to form a dual perovskite structure.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 듀얼 페로브스카이트 구조체를 형성하도록, 상기 그물망 구조체를 열처리하는 단계는, 상기 금속 산화물 전구체들로부터 제1 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제1 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 금속 산화물 전구체들로부터 상기 제1 페로브스카이트 화합물과는 다른 제2 페로브스카이트 화합물을 포함하고, 상기 제1 구조체의 적어도 일부를 덮는 제2 구조체를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of heat treating the mesh structure to form the dual perovskite structure comprises forming a first structure comprising the first perovskite compound from the metal oxide precursors ; And forming a second structure comprising a second perovskite compound different from the first perovskite compound from the metal oxide precursors and covering at least a portion of the first structure have.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 산화물 전구체들은, Nd(NO3)3 6H2O 및 Co(NO3)2 6H2O 을 포함하고, 상기 용매는, N,N'-디메틸포름아미드를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal oxide precursors include Nd (NO 3 ) 3 6H 2 O and Co (NO 3 ) 2 6H 2 O, and the solvent is N, N'-dimethylformamide . ≪ / RTI >
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 금속공기전지는, 제1 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제1 구조체; 및 상기 제1 구조체의 적어도 일부를 덮도록 상기 제1 구조체의 외측에 위치하고, 상기 제1 페로브스카이트 화합물과는 다른 제2 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제2 구조체;를 포함하는 듀얼 페로브스카이트 구조체로 구성된 전극 소재;를 포함하는 캐소드; 상기 캐소드를 마주보고 배치되는 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치되는 전해질을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a metal air cell comprising: a first structure including a first perovskite compound; And a second structure located outside the first structure to cover at least a portion of the first structure and including a second perovskite compound different from the first perovskite compound, A cathode comprising an electrode material composed of a robustate structure; An anode facing the cathode; And an electrolyte disposed between the cathode and the anode.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 연료전지는, 제1 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제1 구조체; 및 상기 제1 구조체의 적어도 일부를 덮도록 상기 제1 구조체의 외측에 위치하고, 상기 제1 페로브스카이트 화합물과는 다른 제2 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제2 구조체;를 포함하는 듀얼 페로브스카이트 구조체로 구성된 전극 소재;를 포함하는 캐소드; 상기 캐소드를 마주보고 배치되는 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치되는 전해질을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell comprising: a first structure including a first perovskite compound; And a second structure located outside the first structure to cover at least a portion of the first structure and including a second perovskite compound different from the first perovskite compound, A cathode comprising an electrode material composed of a robustate structure; An anode facing the cathode; And an electrolyte disposed between the cathode and the anode.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 수전해 셀은, 물이 분해되어 형성된 수소 가스를 배출하는 캐소드; 상기 캐소드를 마주보고 배치되고 상기 물이 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는, 수소 및 산소를 생성한다. 상기 캐소드는, 제1 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제1 구조체; 및 상기 제1 구조체의 적어도 일부를 덮도록 상기 제1 구조체의 외측에 위치하고, 상기 제1 페로브스카이트 화합물과는 다른 제2 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제2 구조체;를 포함하는 듀얼 페로브스카이트 구조체로 구성된 전극 소재;를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a solid oxide water receiving cell including a cathode for discharging hydrogen gas formed by decomposition of water; An anode disposed facing the cathode and discharging the oxygen gas formed by decomposition of the water; And an electrolyte disposed between the anode and the cathode to produce hydrogen and oxygen. The cathode comprising: a first structure comprising a first perovskite compound; And a second structure located outside the first structure to cover at least a portion of the first structure and including a second perovskite compound different from the first perovskite compound, And an electrode material composed of a lobstite structure.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 서로 다른 페로브스카이트 물질을 포함하는 듀얼 페로브스카이트 구조체를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a dual perovskite structure including different perovskite materials.
상기 듀얼 페로브스카이트 구조체는, 페로브스카이트 구조를 유지하면서 원하지 않는 부반응을 방지하므로 장기 안정성을 제공할 수 있으며, 또한, 우수한 성능의 산소환원반응 및 산소발생반응을 나타내므로, 전지의 활성을 증가시킬 수 있고, 안정성을 증가시킬 수 있고, 가격을 절감시킬 수 있다.Since the dual perovskite structure is capable of providing long-term stability by preventing unwanted side reactions while maintaining a perovskite structure and exhibiting excellent performance of oxygen reduction reaction and oxygen generation reaction, Can be increased, the stability can be increased, and the price can be reduced.
상기 듀얼 페로브스카이트 구조체는 금속공기전지, 고체 산화물 연료전지, 및 고체 산화물 수전해 셀의 전극 소재로 이용될 수 있다.The dual perovskite structure can be used as an electrode material for a metal air cell, a solid oxide fuel cell, and a solid oxide electrolytic cell.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체를 도시하는 단면도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체를 설명하기 위한 단일 페로브스카이트 결정 구조를 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체를 설명하기 위한 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 도시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 듀얼 페로브스카이트 구조체의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전극 소재의 제조 방법의 전기방사 방법을 수행하는 전기방사 장치를 도시하는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 3의 전기방사 장치에서 방사 용액이 방사되는 형태를 나타내는 도시하는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 전극 소재로 형성된 전극을 포함하는 금속공기전지를 설명하는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 전극 소재로 형성된 전극을 포함하는 고체산화물 연료전지를 설명하는 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 전극 소재로 형성된 전극을 포함하는 고체 산화물 수전해 셀을 설명하는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일시예에 따라 제조된 듀얼 페로브스카이트 구조체를 나타내는 투과전자 현미경 사진이다.
도 12는 본 발명의 일시예에 따라 제조된 듀얼 페로브스카이트 구조체를 나타내는 투과전자 현미경 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 듀얼 페로브스카이트 구조체의 산소환원반응을 측정한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 듀얼 페로브스카이트 구조체의 산소발생반응을 측정한 그래프이다
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 듀얼 페로브스카이트 구조체의 전자 전달 능력을 측정한 그래프이다. 1 is a cross-sectional view illustrating a dual perovskite structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view illustrating a dual perovskite structure according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic view showing a single perovskite crystal structure for illustrating a dual perovskite structure according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic view illustrating a dual layer perovskite crystal structure for illustrating a dual perovskite structure according to an embodiment of the present invention.
5 is a flow chart illustrating a method of fabricating a dual perovskite structure, according to one embodiment of the present invention.
Fig. 6 is a schematic view showing an electrospinning device for performing an electrospinning method of a method of manufacturing an electrode material, in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic view showing a state in which a spinning solution is radiated in the electrospinning device of FIG. 3 according to an embodiment of the present invention. FIG.
8 is a schematic diagram illustrating a metal air cell including an electrode formed of an electrode material including a dual perovskite structure, according to an embodiment of the present invention.
9 is a schematic diagram illustrating a solid oxide fuel cell including an electrode formed of an electrode material including a dual perovskite structure, according to an embodiment of the present invention.
10 is a schematic diagram illustrating a solid oxide charge-transfer cell including an electrode formed of an electrode material including a dual perovskite structure, according to an embodiment of the present invention.
11 is a transmission electron microscope photograph showing a dual perovskite structure manufactured according to a temporal example of the present invention.
12 is a transmission electron microscope photograph showing a dual perovskite structure manufactured according to a temporal example of the present invention.
13 is a graph illustrating an oxygen reduction reaction of a dual perovskite structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
14 is a graph showing the oxygen production reaction of a dual perovskite structure manufactured according to an embodiment of the present invention
FIG. 15 is a graph illustrating electron transport capability of a dual perovskite structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명에 대하여 더 상세하게 설명한다. 이하 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어를 해석하는 데 있어서는, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 반드시 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석할 것이 아니며, 본 명세서에서 기재하는 바에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석하여야 한다는 것을 밝혀 둔다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. In interpreting the terms or words used in the present specification and claims, it is to be understood that the interpretation of terms or words used herein is necessarily conventional, based on the principle that the inventor can properly define the concept of the term to describe its invention in the best way It is to be understood that the invention is not to be interpreted as being limited only by the precautionary sense, but should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention as described in the present specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체(1)를 도시하는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a
도 1을 참조하면, 듀얼 페로브스카이트 구조체(1)는 제1 구조체(2) 및 제2 구조체(3)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a
제1 구조체(2)는, 제1 페로브스카이트 화합물을 포함하고 듀얼 페로브스카이트 구조체(1)의 내부에 위치할 수 있다.The
제2 구조체(3)는, 제1 구조체(2)의 적어도 일부를 덮도록 상기 제1 구조체의 외측에 위치할 수 있다. 제2 구조체(3)는, 상기 제1 페로브스카이트 화합물과는 다른 제2 페로브스카이트 화합물을 포함할 수 있다.The
제1 구조체(2)는 일방향으로 연장된 기둥 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 구조체(2)는 원기둥 또는, 삼각기둥, 사각기둥 등과 같은 각기둥의 형상을 가질 수 있다. 그러나, 이러한 제1 구조체(2)의 기둥 형상은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 구조체(2)는 평판 형상 등의 다양한 형상을 가질 수 있다. 이러한 제1 구조체(2)는 전기 방사 방법 등을 이용하여 형성할 수 있다.The
제2 구조체(3)는 제1 구조체(2)의 외측에 코팅된 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 구조체(3)는 제1 구조체(2)의 상기 기둥 형상의 외측에 코팅된 형상을 가질 수 있다. 제2 구조체(3)는 제1 구조체(2)의 외측 전체를 덮는 형상을 가지거나 일부를 덮는 형상을 가질 수 있다. 또한, 제2 구조체(3)의 두께는 전체적으로 균일하거나 또는 균일하지 않을 수 있다.The
제1 구조체(2)와 제2 구조체(3)를 실제로 구현한 형상이 하기의 도 11 및 도 12에 나타나 있다.The actual structures of the
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체(4)를 도시하는 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a
도 2의 도시된 듀얼 페로브스카이트 구조체(4)는, 도 1의 듀얼 페로브스카이트 구조체(1)와 비교하면, 형상의 상이점이 있으며, 하기에서는 이러한 상이점에 대하여만 간명하게 설명하기로 한다.The
도 2를 참조하면, 듀얼 페로브스카이트 구조체(4)는 제1 구조체(5) 및 제2 구조체(6)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the
제1 구조체(5)는, 구형 형상을 가질 수 있다. 제2 구조체(6)는 제1 구조체(5)의 상기 구형 형상의 외측에 코팅된 형상을 가질 수 있다. 그러나, 이러한 제1 구조체(5)의 구형 형상은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 구조체(5)는 타원형 형상 등의 다양한 형상을 가질 수 있다. 이러한 제1 구조체(5)는 스프레이 분사 방법 등을 이용하여 형성할 수 있다.The
이하에서는, 도 1의 듀얼 페로브스카이트 구조체(1)의 제1 구조체(2)와 제2 구조체(3)를 각각 구성하는 물질에 대하여 설명하기로 한다. 하기의 설명은 도 2의 듀얼 페로브스카이트 구조체(4)의 제1 구조체(5)와 제2 구조체(6)에도 동일한 방식으로 적용될 수 있다.Hereinafter, the materials constituting the
제1 구조체(2)와 제2 구조체(3)는 서로 다른 페로브스카이트 결정 구조 물질을 가질 수 있다. 즉, 제1 구조체(2)를 구성하는 제1 페로브스카이트 화합물과 제2 구조체(3)를 구성하는 제2 페로브스카이트 화합물은 서로 다른 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 페로브스카이트 화합물은 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 가지고, 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 단일 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다. 또는, 상기 제1 페로브스카이트 화합물은 단일 페로브스카이트 결정 구조를 가지고, 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다. 또는 상기 제1 페로브스카이트 화합물과 상기 제2 페로브스카이트 화합물이 모두 단일 페로브스카이트 결정 구조를 가지지만, 구성하는 물질이 서로 다를 수 있다. 또는 상기 제1 페로브스카이트 화합물과 상기 제2 페로브스카이트 화합물이 모두 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 가지지만, 구성하는 물질이 서로 다를 수 있다.
The
이하에서는, 페로브스카이트 결정 구조 물질에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the perovskite crystal structure material will be described.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체(1)를 설명하기 위한 단일 페로브스카이트 결정 구조를 도시하는 개략도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체(1)를 설명하기 위한 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 도시하는 개략도이다.3 is a schematic view showing a single perovskite crystal structure for explaining a
도 3은 참조하면, 단일 페로브스카이트(simple perovskite) 결정 구조는 ABO3로 표현될 수 있다. 큐빅 격자(cubic lattice)의 코너 위치인 A-자리(A-site)에 희토류 원소, 알카라인 희토류, 알카라인 등의 이온반경이 큰 원소들이 위치하고 있으며, 산소이온에 의해 12 배위수(CN, Coordination number)를 가진다. 큐빅 격자의 체심 위치인 B-자리(B-site)에는 Co 및 Fe과 같은 원자반경이 작은 전이금속이 위치하고 있으며, 산소이온에 의해서 8면체(6배위수)를 이루고 있다. 마지막으로 큐빅 격자의 각 면심에는 산소이온이 위치하고 있다. Referring to FIG. 3, a single perovskite crystal structure can be expressed as ABO 3 . Elements with large ionic radii such as rare earth elements, alkaline rare earths, and alkalines are located in the A-site at the corner of the cubic lattice, and the coordination number (CN) . A transition metal with a small atomic radius, such as Co and Fe, is located in the B-site, which is the body center of the cubic lattice, and an octahedron (6-coordinate system) is formed by oxygen ions. Finally, oxygen ions are located at each face of the cubic lattice.
이러한 단일 페로브스카이트 결정 구조는 일반적으로 A-자리(site)에 다른 물질이 치환될 경우 구조적인 변위가 발생하며, 주로 B-자리(site)에 위치한 원소를 중심으로 이의 최인접 산소이온(6개)으로 이루어지는 BO6의 8면체에서 구조적인 변이가 발생한다. These single perovskite crystal structures are generally structurally displaced when other materials are substituted on the A-site, and are mainly composed of elements located at the B-site, in the octahedron of BO 6 consisting of six) there occurs a structural mutation.
도 4를 참조하면, 이중층 페로브스카이트 결정 구조(double perovskite)는 A-자리(site)에 두 원소 이상이 규칙적으로 배열된 결정 격자 구조로서, AA'B2O5+δ의 화학식을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조는 [AO]-[BO2]-[A'O]-[BO2]의 적층 순열이 c축을 따라 반복되는 결정 구조를 가질 수 있다. 여기에서, A'는 A에 위치하는 원소를 다른 원소가 치환된 것을 의미하며, A'를 차지하는 원소는 상기 A와는 다른 희토류 원소, 알카라인 희토류, 알카라인 등의 이온반경이 큰 원소들을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, a double-layered perovskite structure is a crystal lattice structure in which two or more elements are regularly arranged on an A-site, and has a formula of AA'B 2 O 5 + . Specifically, the bilayer perovskite crystal structure may have a crystal structure in which the lamination permutation of [AO] - [BO 2 ] - [A'O] - [BO 2 ] is repeated along the c axis. Here, A 'means that an element located at A is replaced with another element, and an element occupying A' may include elements having a large ion radius such as rare earth element, alkaline rare earth element, or alkaline, .
수소 분위기에서 환원을 시키면 상기 단일 페로브스카이트 결정 구조 물질은 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로 변할 수 있다. 이러한 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질은 산소 공공 군집이 존재하여 산소 이온의 움직임을 보다 용이하게 함으로써, 향상된 이온 전도성을 부여할 수 있고 열적 및 화학적 안정성이 향상될 수 있다.When the reduction is performed in a hydrogen atmosphere, the single perovskite crystal structure material can be changed into a double layer perovskite crystal structure material. Such a double layer perovskite crystal structure material may have an oxygen vacancy cluster to facilitate the movement of oxygen ions, thereby imparting improved ionic conductivity and improving thermal and chemical stability.
상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조는 상기 A를 차지하는 원소와 상기 A'를 차지하는 원소에 따라, 정렬 이중 페로브스카이트 결정 구조 및 비정렬 페로브스카이트 결정 구조로 분리될 수 있다. 상기 A를 차지하는 원소와 상기 A'를 차지하는 원소의 크기의 차이가 큰 경우에는 상기 A와 상기 A'가 명확하게 구분되는 층을 형성하여 배열될 수 있고, 이를 정렬 이중 페로브스카이트 결정 구조라고 지칭한다. 반면, 상기 크기의 차이가 크지 않은 경우에는, 상기 A와 상기 A'가 명확하게 구분되지 못하여 규칙성이 저하되어 배열되고, 이를 비정렬 페로브스카이트 결정 구조라고 지칭한다. 그러나, 이러한 비정렬 페로브스카이트 결정 구조도 합성 방법에 따라서 정렬 이중 페로브스카이트 결정 구조로서 형성될 수 있고, 정렬 이중 페로브스카이트 결정 구조도 합성 방법에 따라서 비정렬 페로브스카이트 결정 구조로서 형성될 수 있다.
The double layer perovskite crystal structure may be separated into an aligned double perovskite crystal structure and an unoriented perovskite crystal structure depending on the element occupying the A and the element occupying the A '. When the difference between the size of the element occupying the A and the size of the element occupying the A 'is large, the layer A and the layer A' can be clearly separated from each other. Quot; On the other hand, when the difference in size is not large, A and A 'are not clearly distinguished from each other, and the regularity is degraded and arranged, which is referred to as an unaligned perovskite crystal structure. However, such an unoriented perovskite crystal structure can also be formed as an aligned double perovskite crystal structure according to a synthesis method, and an aligned double perovskite crystal structure can be formed as an unoriented perovskite crystal structure Structure.
본 발명의 일 구현예에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체는 상술한 단일 페로브스카이트형 결정 구조 또는 이중층 페로브스카이트형 결정 구조를 갖는 것이다. The dual perovskite structure according to one embodiment of the present invention has the single perovskite type crystal structure or the double layer perovskite type crystal structure described above.
본 발명의 일 구현예에 따른, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 하기의 화학식 1의 화합물을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the first perovskite compound or the second perovskite compound may include a compound represented by the following formula (1).
<화학식 1>≪
LnTO3-δ LnTO 3-隆
상기 Ln은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, O는 산소이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Wherein Ln is one or more elements selected from lanthanides, E is one or more elements selected from the group of alkaline earth metals, T is one or more elements selected from transition metals, O is oxygen, is a positive number of 1 or less, and is a value that makes the compound of the formula (1) electrically neutral.
상기 Ln은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 예를 들어 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 E는 알카리토 금속일 수 있고, 예를 들어, 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr), 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 T는 전이 금속일 수 있고, 예를 들어 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 또는 이들의 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
The Ln may include one or more elements selected from lanthanides and may include any one of neodymium (Nd), praseodymium (Pr), samarium (Sm), gadolinium (Gd) can do. The E may be an alkaline earth metal and may include, for example, any one of calcium (Ca), barium (Ba), strontium (Sr), or mixtures thereof. The T may be a transition metal and may include any one of, for example, cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), nickel .
본 발명의 일 구현예에 따른, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 하기의 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다. 상기 화학식 2의 화합물은 상기 화학식 1의 화합물에서 상기 란탄족 원소(Ln으로 표시됨)의 일부를 알카리토 금속족 원소(E로 표시됨)가 치환한 경우를 나타낸다.According to an embodiment of the present invention, the first perovskite compound or the second perovskite compound may include a compound represented by the following general formula (2). The compound of formula (2) represents a case where a part of the lanthanide element (represented by Ln) is substituted with an alkaline earth metal element (represented by E) in the compound of formula (1).
<화학식 2>(2)
LnxE1-xTyO3-δ Ln x E 1-x T y O 3-隆
상기 Ln은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 y는 0 초과 2.0 이하의 수이고, O는 산소이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
Wherein Ln is one or more elements selected from lanthanides, E is one or more elements selected from the group of alkaline earth metals, T is one or more elements selected from transition metals, , Y is a number of more than 0 and not more than 2.0, O is oxygen, and? Is a positive number of 1 or less, and the value of the compound of the formula (2) is an electrical neutrality.
본 발명의 일 구현예에 따른, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 하기의 화학식 3의 화합물을 포함할 수 있다. 상기 화학식 3의 화합물은 상기 화학식 2의 화합물에서 상기 란탄족 원소와 상기 알카리토 금속족 원소의 원자 분율이 동일한 화합물을 나타낸다.
According to an embodiment of the present invention, the first perovskite compound or the second perovskite compound may include a compound of the following formula (3). The compound of formula (3) represents a compound having the same atomic fraction of the lanthanide element and the alkaline earth metal element in the compound of formula (2).
<화학식 3>(3)
Ln0.5E0.5TyO3-δ Ln 0.5 E 0.5 T y O 3 -?
상기 Ln은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 y는 0 초과 2.0 이하의 수이고, O는 산소이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
Wherein Ln is one or more elements selected from lanthanides, E is one or more elements selected from the group of alkaline earth metals, T is one or more elements selected from transition metals, , O is oxygen, and the delta is a positive number of 1 or less, and the compound of formula (3) is a value that is electrically neutral.
본 발명의 일 구현예에 따른, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 하기의 화학식 4의 화합물을 포함할 수 있다. 상기 화학식 4의 화합물은 상기 화학식 2의 화합물에서 상기 란탄족 원소와 상기 알카리토 금속족 원소의 원자 분율이 동일하고, 상기 전이금속 원소(T로 표시됨)가 상기 란탄족 원소와 상기 알카리토 금속족 원소의 합보다 1.1 배 많은 화합물을 나타낸다.
According to an embodiment of the present invention, the first perovskite compound or the second perovskite compound may include a compound of the following formula (4). Wherein the atomic fraction of the lanthanide group element and the alkaline earth metal group element in the compound of
<화학식 4>≪
Ln0.5E0.5T1.1O3-δ Ln 0.5 E 0.5 T 1.1 O 3 -?
상기 Ln은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, O는 산소이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
Wherein Ln is one or more elements selected from lanthanides, E is one or more elements selected from the group of alkaline earth metals, T is one or more elements selected from transition metals, O is oxygen, ? is a positive number of 1 or less, and the compound of the above formula (3) has a value of electrical neutrality.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은, 상기 화학식 1 내지 4의 화합물에서, 상기 Ln이 네오디뮴(Nd)이고, 상기 E가 스트론튬(Sr)이고, 상기 T가 코발트(Co)일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물은, NdCoO3 화합물을 포함하거나, NdxSr1-xCoyO3-δ 화합물을 포함하거나(여기에서 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 y는 0 초과 2.0 이하의 수임), Nd0.5Sr0.5CoyO3-δ 화합물을 포함하거나(여기에서, 상기 y는 0 초과 2.0 이하의 수임), Nd0.5Sr0.5Co1.1O3-δ 화합물을 포함할 수 있다.The first perovskite compound or the second perovskite compound according to an embodiment of the present invention is a compound of the
예를 들어, 상기 제1 페로브스카이트 화합물은 Nd0.5Sr0.5Co1.1O3-δ 화합물을 포함하고, 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 NdCoO3 화합물을 포함할 수 있다. 또는, 상기 제1 페로브스카이트 화합물은 NdCoO3 화합물을 포함하고, 상기 제2 페로브스카이트 화합물은 Nd0.5Sr0.5Co1.1O3-δ 화합물을 포함할 수 있다.For example, the first perovskite compound may include an Nd 0.5 Sr 0.5 Co 1.1 O 3 -δ compound, and the second perovskite compound may include an NdCoO 3 compound. Alternatively, the first perovskite compound may include an NdCoO 3 compound, and the second perovskite compound may include an Nd 0.5 Sr 0.5 Co 1.1 O 3 -δ compound.
그러나, 상술한 물질은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 페로브스카이트 화합물 또는 상기 제2 페로브스카이트 화합물이 다양한 결정 구조의 페로브스카이트 물질을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
However, the above-mentioned materials are illustrative, and the technical idea of the present invention is not limited thereto, and the first perovskite compound or the second perovskite compound may be a perovskite compound having various crystal structures Is also included in the technical idea of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 듀얼 페로브스카이트 구조체의 제조 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a dual perovskite structure (S100) according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 듀얼 페로브스카이트 구조체의 제조 방법(S100)은, 금속 산화물 전구체들을 용매에 용해하여 방사 용액을 형성하는 단계(S110); 상기 방사 용액을 전기방사 방법을 이용하여 방사하여 그물망 구조체를 형성하는 단계(S120); 및 듀얼 페로브스카이트 구조체를 형성하도록, 상기 그물망 구조체를 열처리하는 단계(S130);를 포함한다.Referring to FIG. 5, a method (S100) for manufacturing a dual perovskite structure comprises: (S110) forming a spinning solution by dissolving metal oxide precursors in a solvent; (S120) spinning the spinning solution using an electrospinning method to form a mesh structure; And heat treating the mesh structure to form a dual perovskite structure (S130).
상기 방사 용액을 형성하는 단계(S110)는, 최종 듀얼 페로브스카이트 구조체의 구성 물질을 포함하는 금속 산화물 전구체들을 용매에 용해하여 수행될 수 있다. The step of forming the spinning solution (S110) may be performed by dissolving the metal oxide precursors containing the constituent material of the final dual perovskite structure in a solvent.
상기 용매는 다양한 용매 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 벤젠, 톨루엔, 헥산, 아세토니트릴, N,N'-디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈(NMP), 메틸렌클로라이드(CH2Cl2), 클로로포름(CH3Cl), 테트라하이드로퓨란(THF), 폴리비닐피롤리돈(PVP) 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 용매는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.The solvent may comprise a variety of solvent materials. For example, the solvent may be water, methanol, ethanol, acetone, benzene, toluene, hexane, acetonitrile, N, N'- dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO) NMP), methylene chloride (CH 2 Cl 2 ), chloroform (CH 3 Cl), tetrahydrofuran (THF), polyvinylpyrrolidone (PVP) and mixtures thereof. However, such a solvent is illustrative, and the technical idea of the present invention is not limited thereto.
상기 방사 용액을 형성하는 단계(S110)는, 적절한 온도 하에서 적절한 혼합 시간 동안 이루어질 수 있고, 예를 들어 상온에서 수행되거나, 또는 예를 들어 0℃ 내지 100℃ 범위의 온도에서 이루어질 수 있고, 1분 내지 24 시간의 범위의 혼합 시간에서 이루어질 수 있다.The step of forming the spinning solution (S110) may be carried out at an appropriate temperature for a suitable mixing time, for example at ambient temperature, or at a temperature in the range, for example, from 0 ° C to 100 ° C, RTI ID = 0.0 > 24 hours. ≪ / RTI >
상기 그물망 구조체를 형성하는 단계(S120)는 전기방사 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 전기방사 방법은 방사 용액을 컬렉터 기판 또는 컬럭터 기판 상에 배치된 별개의 기판 등과 같은 타겟 기판 상에 방사하여 그물망 구조체를 형성할 수 있다. 상기 타겟 기판은, 상기 그물망 구조체를 형성한 후, 상기 열처리 하는 단계(S130)를 수행하기 전에 제거되거나 상기 열처리하는 단계(S130)를 수행한 후에 제거될 수 있다. 상기 타겟 기판은 다양한 형상과 재질을 가질 수 있고, 예를 들어 판형, 드럼형, 평행한 로드들, 교차된 복수의 로드들, 또는 그리드형 등과 같은 형상을 가질 수 있고, 금속과 같은 도전성 물질을 포함하거나, 또는 유리 또는 폴리머 물질과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다.The step of forming the mesh structure (S120) may be performed using an electrospinning method. The electrospinning method may spin the spinning solution onto a target substrate such as a collector substrate or a separate substrate disposed on the collector substrate to form a mesh structure. The target substrate may be removed after performing the step of performing the heat treatment (S130) after the formation of the mesh structure, or before the performing of the heat treatment (S130). The target substrate may have various shapes and materials and may have a shape such as, for example, a plate shape, a drum shape, parallel rods, a plurality of intersecting rods, or a grid shape, Or may comprise an insulating material such as a glass or polymer material.
이러한 전기방사 방법은 전기방사 장치에 의하여 수행될 수 있고, 이러한 전기방사 장치 및 방법에 대하여는 도 6을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Such an electrospinning method can be performed by an electrospinning apparatus, and such electrospinning apparatus and method will be described in detail with reference to FIG.
상기 듀얼 페로브스카이트 구조체를 형성하도록, 상기 그물망 구조체를 열처리하는 단계(S130)는, 상기 그물망 구조체로부터 듀얼 페로브스카이트 구조체가 형성될 수 있는 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기 열처리하는 단계(S130)는, 예를 들어 700℃ 내지 1000℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 800℃ 내지 850℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 열처리하는 단계(S130)는 다양한 분위기 하에서 수행될 수 있고, 예를 들어 공기 분위기, 산소 가스 등을 포함하는 산화성 분위기, 수소 가스 등을 포함하는 환원성 분위기, 또는 아르곤 가스나 질소 가스를 포함하는 불활성 분위기에서 수행될 수 있다. 상기 열처리하는 단계(S130)는, 예를 들어 1분 내지 24 시간 범위의 시간 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리하는 단계(S130)는, 약 800℃ 내지 약 900℃의 온도에서, 약 1 분 내지 약 24 시간 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리하는 단계(S130)는, 공기 분위기에서, 약 850℃의 온도에서 약 3 시간 동안 수행될 수 있다.The step (S130) of heat treating the mesh structure to form the dual perovskite structure may be performed in a temperature range in which the dual perovskite structure can be formed from the mesh structure. The heat treatment step (S130) may be performed at a temperature in the range of, for example, 700 ° C to 1000 ° C, for example, at a temperature in the range of 800 ° C to 850 ° C. The heat treatment step (S130) may be performed under various atmospheres and may include, for example, an oxidizing atmosphere including an air atmosphere, an oxygen gas, a reducing atmosphere containing hydrogen gas or the like, or an argon gas or a nitrogen gas Lt; / RTI > The heat treatment step (S130) may be performed for a time ranging from 1 minute to 24 hours, for example. For example, the heat-treating step (S130) may be performed at a temperature of from about 800 [deg.] C to about 900 [deg.] C for about 1 minute to about 24 hours. For example, the heat treatment step (S130) may be performed in an air atmosphere at a temperature of about 850 DEG C for about 3 hours.
상기 듀얼 페로브스카이트 구조체를 형성하도록, 상기 그물망 구조체를 열처리하는 단계(S130)는, 상기 금속 산화물 전구체들로부터 제1 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제1 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 금속 산화물 전구체들로부터 상기 제1 페로브스카이트 화합물과는 다른 제2 페로브스카이트 화합물을 포함하고, 상기 제1 구조체의 적어도 일부를 덮는 제2 구조체를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.The step (S130) of heat treating the mesh structure to form the dual perovskite structure comprises: forming a first structure comprising the first perovskite compound from the metal oxide precursors; And forming a second structure comprising a second perovskite compound different from the first perovskite compound from the metal oxide precursors and covering at least a portion of the first structure have.
도 5의 듀얼 페로브스카이트 구조체의 제조 방법(S100)에 의하여 형성된 상기 듀얼 페로브스카이트 구조체는, 금속공기전지, 고체 산화물 연료전지, 및 고체 산화물 수전해 셀 등의 캐소드 또는 애노드의 전극 소재로서 사용될 수 있다.
The dual perovskite structure formed by the manufacturing method (S100) of the dual perovskite structure of FIG. 5 may be a cathode or an anode electrode material such as a metal air cell, a solid oxide fuel cell, and a solid oxide water- Lt; / RTI >
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전극 소재의 제조 방법의 전기방사 방법을 수행하는 전기방사 장치(1000)를 도시하는 개략도이다.6 is a schematic diagram showing an
도 6을 참조하면, 전기방사 장치(1000)은 방사 용액 탱크(10), 방사 노즐(20), 방사 노즐팁(30), 외부 전원(40), 및 컬렉터 기판(50)을 포함한다.6, an
방사 용액 탱크(10)는 방사 용액(60)을 저장할 수 있다. 방사 용액(60)은 방사(Spinning)를 원하는 물질에 따라 변화할 수 있다. 방사 용액(60), 상술한 제조 방법(S100)에서 형성한 방사 용액과 같이 금속 산화물 전구체들이 용매에 용해된 용액을 포함할 수 있다. 방사 용액 탱크(10)는 내장된 펌프(미도시)를 이용하여 방사 용액(60)을 가압하여 방사 노즐(20)에 방사 용액(60)을 제공할 수 있다.The
방사 노즐(20)은 방사 용액 탱크(10)로부터 방사 용액(60)을 제공받아 일단부에 위치한 방사 노즐팁(30)을 통하여 방사 용액(60)을 방사할 수 있다.The spinning
방사 노즐팁(30)은 상기 펌프에 의하여 방사 용액(60)이 가압되어 내부의 노즐관을 채운 후에, 외부 전원(40)에 의하여 인가된 전압에 의하여 방사 용액(60)을 방사할 수 있다.The
외부 전원(40)은 방사 노즐(20)에 방사 용액(60)이 방사되도록 전압을 제공할 수 있다. 상기 전압은 방사 용액(60)의 종류, 방사 양, 컬렉터 기판(50)의 종류 및 공정 환경 등에 따라 변화될 수 있고, 예를 들어 약 100 V 내지 약 30000 V 의 범위일 수 있고, 직류이거나 교류일 수 있다. 상술한 바와 같이, 외부 전원(40)에 의하여 인가된 전압은 방사 노즐팁(30)에 채워진 방사 용액(60)을 방사시킬 수 있다.The
컬렉터 기판(50)은 방사 노즐(20)의 하측에 위치하고, 방사되는 방사 용액(60)을 수용한다. 컬렉터 기판(50)은 접지될 수 있고, 이에 따라 접지 전압, 예를 들어 0V의 전압을 가질 수 있다. 또는, 컬렉터 기판(50)은 방사 노즐(20)과는 반대의 전압을 가질 수 있다. 컬렉터 기판(50)과 방사 노즐(20)의 위치 관계는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 컬렉터 기판(50)이 방사 노즐(20)의 상측에 위치하고 방사 노즐(20)에서 방사되는 방사 용액(60)이 상측 방향으로 방사되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 예를 들어, 컬렉터 기판(50)이 방사 노즐(20)에 대하여 수평하게 위치하고 방사 노즐(20)에서 방사되는 방사 용액(60)이 수평 방향으로 방사되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 컬렉터 기판(50)은 방사 노즐(20)과 수평하거나 같은 공간 축 상에 있을 수 있다.The
외부 전원(40)에 의하여 방사 노즐(20) 및 방사 노즐팁(30)이 양의 전압 또는 음의 전압으로 하전되고, 이에 따라 방사 용액(60)도 하전되므로, 접지되거나 반대의 전압을 가지는 컬렉터 기판(50)과 전압 차이가 발생된다. 외부 전원(40)에 의하여 방사 노즐(20) 및 방사 노즐팁(30)에 전압이 인가되면, 방사 노즐팁(30)의 단부에서 방사 용액(60)은 테일러 콘과 같은 원뿔형 형상을 가질 수 있다. 이때, 방사 노즐팁(30)과 방사 용액(60) 사이에는 약 50000 V/m 내지 약 150000 V/m 범위의 전기장이 형성될 수 있다. 상기 전압 차이에 의하여 방사 용액(60)은 컬렉터 기판(50)으로 방사되어 수용될 수 있다. 이러한 방사 원리를 전기수력학적 잉크 방사(electro-hydro dynamic inkjet) 또는 전기방사(electro-spinning)으로 지칭할 수 있다.The
방사 용액(60)의 유량과 방사 노즐팁(30)과 컬렉터 기판(50)의 전압 차이를 제어함에 따라, 방사 용액(60)의 방사에 의하여 컬렉터 기판(50)에 수용되는 화이버의 직경과 길이를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 화이버는 약 50 nm 내지 1 ㎛ 범위의 두께 및 약 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 범위의 길이를 가질 수 있다.By controlling the flow rate of the
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 3의 전기방사 장치(1000)에서 방사 용액이 방사되는 형태를 나타내는 도시하는 개략도이다.FIG. 7 is a schematic view showing a state in which a spinning solution is radiated in the
도 7을 참조하면, 방사 노즐팁(30)은 방사 용액(60)을 선형 형태로, 예를 들어 와이어 형태 또는 로드 형태로 방사시킬 수 있다. 이러한 방사를 스피닝 모드(Spinning mode)로 지칭할 수 있다. 방사 용액(60)은 용액의 점성, 용액 내의 용질의 무게 비, 용질과 용액의 종류, 및 용질과 용매의 분자량 등과 같은 자신의 물성에 따라 다른 형태로 방사될 수 있다. 또한, 인가되는 전압의 크기에 따라 다른 형태로 방사될 수 있다. 예를 들어, 방사 노즐팁(30)은 방사 용액(60)을 스프레이 형태로 방사시킬 수 있다. 이러한 방사를 스프레이 모드(Spray mode)로 지칭할 수 있다.Referring to Figure 7, the
도 7에 도시된 바와 같이, 방사 용액(60)이 선형 형태로 방사되는 경우에는, 상술한 그물망 구조체를 형성할 수 있다. 이러한 그물망 구조체는 1차원, 2차원 또는 3차원 네트워크 구조체를 구성하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 그물망 구조체는 복수의 선형 형상의 구조들이 평행하게 서로 겹쳐져 연결되어 하나의 선형 형상으로 연결된 1차원 네트워크 구조체로 이루어 질 수 있다. 예를 들어, 상기 그물망 구조체는 복수의 선형 형상의 구조들이 소정의 각도를 가지도록 서로 겹쳐져 연결되어 하나의 평면 형상으로 연결된 2차원 네트워크 구조체로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 그물망 구조체는 복수의 선형 형상의 구조들이 소정의 각도를 가지도록 서로 겹쳐져 연결되어 하나의 입체 형상으로 연결된 3차원 네트워크 구조체로 이루어 질 수 있다. 상기 그물망 구조체는, 다양한 형상을 포함할 수 있고, 예를 들어 메쉬(mesh) 형상 또는 웹(web) 형상을 가질 수 있다.
As shown in Fig. 7, when the
도 5의 듀얼 페로브스카이트 구조체의 제조 방법(S100)에 의하여 형성된 상기 듀얼 페로브스카이트 구조체는, 금속공기전지, 고체 산화물 연료전지, 및 고체 산화물 수전해 셀 등의 캐소드 또는 애노드의 전극 소재로서 사용될 수 있다. The dual perovskite structure formed by the manufacturing method (S100) of the dual perovskite structure of FIG. 5 may be a cathode or an anode electrode material such as a metal air cell, a solid oxide fuel cell, and a solid oxide water- Lt; / RTI >
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 전극 소재로 형성된 전극을 포함하는 금속공기전지(100)를 설명하는 개략도이다.8 is a schematic diagram illustrating a
도 8을 참조하면, 금속공기전지(100)는, 음극인 애노드(110), 애노드(110)를 마주보고 배치되는 양극인 캐소드(120) 및 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 위치하는 전해질(130)을 포함한다. 캐소드(120)는 집전체(140)와 촉매체(150)를 더 포함할 수 있다. 애노드(110)와 캐소드(120)는 서로 마주보고 배치된다.8, the
금속공기전지(100)는 금속과 산소의 반응을 이용하여 전력을 생성한다. 금속공기전지(100)의 최대 장점은 자연계에 무한히 존재하는 산소를 활물질로 이용하며, 다른 이차전지에 비하여 매우 높은 이론 에너지 밀도를 가지고, 또한 친화경적인 특성을 보유하는 것이다. 또한, 금속공기전지(100)는 내부에 화학 산화제를 포함하지 않으므로 폭발이나 화재의 우려가 없으며 무게를 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 수소나 알코올을 사용하는 연료 전지에 비하여 매우 경제적이고 안정성이 우수하고 낮은 온도에서의 작동능력도 우수하다.The
애노드(110)는, 방전 시에 전자를 잃어 양이온이 되는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 리튬, 아연, 마그네슘, 알루미늄, 칼슘을 포함할 수 있다. 특히, 리튬은 이론적인 에너지 밀도가 11,140 Wh/kg으로서 13,000 Wh/kg의 가솔린에 거의 유사한 수준을 나타낸다. 참고로, 알루미늄은 8130 Wh/kg, 칼슘은 4180 Wh/kg, 아연은 1350 Wh/kg의 이론적인 에너지 밀도를 가진다. 또한, 애노드(110)는 본 발명의 기술적 사상에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 전극 소재를 이용하여 구성될 수 있다.The
캐소드(120)는 공기 중의 산소를 이용하도록 구성되며, 상기 산소를 집전할 수 있다. 금속공기전지(100)는 캐소드(120)가 공기 중의 산소를 이용할 수 있으므로, 이론적으로는 캐소드(120)의 무게를 0으로 또는 비약적으로 감소시킬 수 있다. 그러므로, 캐소드(120)의 무게를 감소시킴에 따라 애노드(110)의 무게를 증가시킬 수 있으므로, 금속공기전지(100)의 전체 무게에 대한 애노드(110)의 무게 비율이 증가되어, 결과적으로 전지 단위 무게 당 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다.The
캐소드(120)는 본 발명의 기술적 사상에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 전극 소재를 이용하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 집전체(140)와 촉매체(150) 중 적어도 어느 하나는 본 발명의 기술적 사상에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 전극 소재를 이용하여 구성될 수 있다.The
예를 들어, 캐소드(120)는 제1 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제1 구조체; 및 상기 제1 구조체의 적어도 일부를 덮도록 상기 제1 구조체의 외측에 위치하고, 상기 제1 페로브스카이트 화합물과는 다른 제2 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제2 구조체;를 포함하는 듀얼 페로브스카이트 구조체로 구성된 전극 소재를 포함할 수 있다.For example, the
전해질(130)은 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 위치하고, 전해 물질을 포함할 수 있다. 전해질(130)은, 예를 들어 수산화나트륨(NaOH) 용액이나 수산화칼슘(KOH) 용액을 포함할 수 있다. 또한, 전해질(130)은 고상의 매체로 구성될 수 있다.The
이하에서는, 금속공기전지(100)에서의 전력 생성에 대하여 설명하기로 한다. 애노드(110)와 캐소드(120)에서는 방전 반응과 충전 반응이 이루어질 수 있다. 애노드(110)와 캐소드(120)에서의 방전 반응은 다음과 같다. 충전 반응은 하기의 반응들이 반대 반향으로 향하게 된다. 아래의 반응식에서 "M"은 애노드(110)를 구성하는 물질로서 금속일 수 있다.Hereinafter, power generation in the
<애노드 반응><Anode Reaction>
M -> M+ + e- M -> M + + e -
<캐소드 반응><Cathode reaction>
2( M+ + e-) + O2 -> M2O2
2 (M + + e - ) + O 2 - > M 2 O 2
이러한 방전 반응에 의하여 애노드(110)에서 형성된 양이온(170)은 전해질(130)을 통과하여 캐소드(120)로 향하게 된다. 이때, 상이 양이온이 잃어버린 전자는 별도의 도선을 거쳐 부하(190)를 통과함으로써, 결과적으로 부하(190)에 전력을 공급하게 된다.The
외부로부터 산소(180)가 캐소드(120)에 제공되고, 양이온(170)은 산소(180)와 캐소드(120)에서 반응하여 산화물을 형성한다. 이때에, 부하(190)를 통과한 전자가 캐소드(120)에 제공되어 상기 산화물을 함께 형성한다.
반면, 충전 시에는 상기 산화물이 분해되어 상기 양이온은 전자를 획득하여 캐소드(120)로부터 전해질(130)을 거쳐서 애노드(110)로 다시 돌아가게 된다.
On the other hand, at the time of charging, the oxide is decomposed, and the cation acquires electrons and returns from the
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 전극 소재로 형성된 전극을 포함하는 고체산화물 연료전지(200)를 설명하는 개략도이다.Figure 9 is a schematic diagram illustrating a solid
도 9를 참조하면, 고체산화물 연료전지(200)는 애노드(210), 애노드(210)를 마주보고 배치되는 캐소드(220), 및 애노드(210)와 캐소드(220) 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질(electrolyte)(230)을 포함한다. 선택적으로(optionally), 애노드(210)와 전해질(230) 사이에 배치되는 버퍼층(240)을 더 포함할 수 있다.9, the solid
고체산화물 연료전지(200)의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이, 캐소드(220)의 산소가스 O2가 산소이온 O2-으로 변하는 양극반응과 애노드(210)의 연료(H2 또는 탄화수소)와 전해질을 통해 이동해 온 산소이온이 반응하는 음극반응으로 이루어진다.Solid oxide fuel cells of the
<반응식><Reaction Scheme>
양극반응: 1/2 O2 + 2e- -> O2- Anode reaction: 1/2 O 2 + 2e - -> O 2-
음극반응: H2 + O2- -> H2O + 2e- Cathode reaction: H 2 + O 2- -> H 2 O + 2e -
고체산화물 연료전지(200)의 캐소드(220)에서는 전극표면에 흡착된 산소가 해리 및 표면 확산을 거쳐 전해질(230), 캐소드(220), 기공(미도시)이 만나는 삼상계면(triple phase boundary)으로 이동하여 전자를 얻어 산소이온으로 되고 생성된 산소이온은 전해질(230)을 통해 연료극인 애노드(210)로 이동하게 된다.In the
고체산화물 연료전지(200)의 애노드(210)에서는 이동한 산소이온이 연료 내에 포함된 수소와 결합하여 물을 생성한다. 이때 수소는 전자를 배출하여 수소 이온(H+)으로 변화하여 상기 산소이온과 결합한다. 배출된 전자는 배선(미도시)를 통하여 캐소드(220)로 이동하여 산소를 산소 이온으로 변화시킨다. 이러한 전자 이동을 통하여, 고체산화물 연료전지(200)는 전지 기능을 수행할 수 있다. In the
고체산화물 연료전지(200)는 해당 기술 분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 고체산화물 연료전지(200)는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다.The solid
고체산화물 연료전지(200)는 단위 전지의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어, 애노드(210), 캐소드(220), 및 전해질(230)로 구성되는 단위 전지(MEA, Membrane and Electrode Assembly)가 직렬로 적층되고 상기 단위 전지들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(separator)가 개재되어 단위 전지의 스택(stack)이 얻어질 수 있다. The solid
애노드(210) 및 캐소드(220) 중 적어도 어느 하나는 본 발명의 기술적 사상에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 전극 소재를 이용하여 형성될 수 있다.At least one of the
예를 들어, 캐소드(220)는 제1 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제1 구조체; 및 상기 제1 구조체의 적어도 일부를 덮도록 상기 제1 구조체의 외측에 위치하고, 상기 제1 페로브스카이트 화합물과는 다른 제2 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제2 구조체;를 포함하는 듀얼 페로브스카이트 구조체로 구성된 전극 소재를 포함할 수 있다.For example, the
전해질(230)은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 전해질(230)은, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ) 등의 안정화 지르코니아계; 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 등과 같은 희토류 원소가 첨가된 세리리아계; 기타 LSGM ((La, Sr)(Ga, Mg)O3)계; 등을 포함할 수 있다. 또한, 전해질(230)은, 스트론튬 또는 마그네슘이 도핑된 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate) 등을 포함할 수 있다.The
버퍼층(240)은 애노드(210)와 전해질(230) 사이에 위치하여 원활한 접촉을 제공하는 기능을 수행할 수 있다. 버퍼층(240)은, 예를 들어 애노드(210)와 전해질(230) 사이의 결정 격자 뒤틀림을 완화하는 기능을 수행할 수 있다. 버퍼층(240)은, 예를 들어 LDC(La0.4Ce0.6O2-δ) 를 포함할 수 있다. 버퍼층(240)은 선택적인 구성요소로서 생략될 수 있다.
The
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 전극 소재로 형성된 전극을 포함하는 고체 산화물 수전해 셀(300)을 설명하는 개략도이다.10 is a schematic diagram illustrating a solid oxide water-dissipating
도 10을 참조하면, 고체 산화물 수전해 셀(300)은 애노드(310), 애노드(310)를 마주보고 배치되는 캐소드(320), 및 애노드(310)와 캐소드(320) 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질(electrolyte)(330)을 포함한다. 캐소드(320)는 수소 가스와 접촉하므로 수소 전극으로 지칭될 수 있고, 애노드(310)는 산소 가스와 접촉하므로 산소 전극으로 지칭될 수 있다.10, the solid
고체 산화물 수전해 셀(300)의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이, 캐소드(320)의 물(H2O)이 수소 가스(H2)와 산소 이온(O2-)으로 변하는 음극반응과 전해질(330)을 통해 이동해 온 상기 산소 이온이 산소 가스(O2)로 변하는 양극반응으로 이루어진다. 이러한 반응은 통상적인 연료 전지의 반응 원리와는 반대이다.The electrochemical reaction of the solid oxide water
<반응식><Reaction Scheme>
음극반응: H2O + 2e- -> O2- + H2 Cathode reaction: H 2 O + 2e - -> O 2- + H 2
양극반응: O2- -> 1/2 O2 + 2e- Anode reaction: O 2- -> 1/2 O 2 + 2e -
고체 산화물 수전해 셀(300)에 외부 전원(340)으로부터 전력이 인가되면, 외부 전원(340)으로부터 고체 산화물 수전해 셀(300)에 전자가 제공된다. 상기 전자는 캐소드(320)에 제공되는 물과 반응하여 수소 가스와 산소 이온을 생성한다. 상기 수소 가스는 외부로 배출되고, 상기 산소 이온은 전해질(330)을 통과하여 애노드(310)로 이동된다. 애노드(310)로 이동된 상기 산소 이온은 전자를 잃고 산소 가스로 변환하여 외부로 배출된다. 상기 전자는 외부 전원(340)으로 흐르게 된다. 이러한 전자 이동을 통하여, 고체 산화물 수전해 셀(300)는 물을 전기 분해하여, 캐소드(320)에서 수소 가스를 형성하고, 애노드(310)에서 산소 가스를 형성할 수 있다.When power is applied to the solid oxide
애노드(310) 및 캐소드(320) 중 적어도 어느 하나는 본 발명의 기술적 사상에 따른 듀얼 페로브스카이트 구조체를 포함하는 전극 소재를 이용하여 형성될 수 있다.At least one of the
예를 들어, 캐소드(320)는 제1 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제1 구조체; 및 상기 제1 구조체의 적어도 일부를 덮도록 상기 제1 구조체의 외측에 위치하고, 상기 제1 페로브스카이트 화합물과는 다른 제2 페로브스카이트 화합물을 포함하는 제2 구조체;를 포함하는 듀얼 페로브스카이트 구조체로 구성된 전극 소재를 포함할 수 있다.For example, the
전해질(330)은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 전해질(330)은 도 9를 참조하여 상술한 고체 산화물 연료전지(200)의 전해질(230)과 동일한 물질을 포함하거나 동일한 구조를 가질 수 있다.
The
[실시예][Example]
이하에서는, 본 발명을 예시로써 상세하게 설명하기 위하여 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 상기 실시예는 본 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The above embodiments are not intended to limit the scope of the present invention.
듀얼 페로브스카이트 구조체를 형성하기 위하여, 상기 제1 페로브스카이트 화합물로서 Nd0.5Sr0.5Co1.1O3-δ 화합물을 선택하였고, 상기 제2 페로브스카이트 화합물로서 NdCoO3 화합물을 선택하였다.In order to form a dual perovskite structure, Nd 0.5 Sr 0.5 Co 1.1 O 3-隆 compound was selected as the first perovskite compound and NdCoO 3 compound was selected as the second perovskite compound .
해당 금속 전구체들로서, Nd(NO3)3 6H2O (Aldrich, 99.9%, metal basis), Sr(NO3)2 (Aldrich, 99+%), 및 Co(NO3)2 6H2O (Aldrich, 98+%)을 N,N'-디메틸포름아미드(N,N-Dimethylformamide, DMF)(99.5%, Aldrich Chemical Co.)에 0.01 M 농도로 용해하였다. 이때, 해당 금속 전구체들의 비율은 Nd0.5Sr0.5Co1.1O3-δ 화합물이 형성되도록 A 자리와 B 자리의 비율이 약 1: 1.1 이 되도록 조정하였다. 이어서, 상기 용액을 15 wt% PVP (Polyvinylpyrrolidone, Mw = 1,300,000, Aldrich Chemical Co.) 와 혼합하여 방사 용액을 형성하였다.As the metal precursor, Nd (NO 3) 3 6H 2 O (Aldrich, 99.9%, metal basis), Sr (NO 3) 2 (Aldrich, 99 +%), and Co (NO 3) 2 6H 2 O (Aldrich , 98 +%) was dissolved in N, N-dimethylformamide (DMF) (99.5%, Aldrich Chemical Co.) at a concentration of 0.01 M. At this time, the proportions of the metal precursors were adjusted so that the ratio of A to B was about 1: 1.1 so that Nd 0.5 Sr 0.5 Co 1.1 O 3-δ compound was formed. The solution was then mixed with 15 wt% PVP (Polyvinylpyrrolidone, Mw = 1,300,000, Aldrich Chemical Co.) to form a spinning solution.
상기 방사 용액을 상술한 전기방사 장치를 이용하여 전기방사하여 그물망 구조체를 형성하였다.The spinning solution was electrospun by using the electrospinning apparatus described above to form a mesh structure.
이어서, 상기 그물망 구조체를 약 850℃에서 약 4시간 동안 열처리하여 듀얼 페로브스카이트 구조체를 형성하였다.
Then, the mesh structure was heat-treated at about 850 ° C for about 4 hours to form a dual perovskite structure.
상술한 바와 같이 제조된, 상기 제1 페로브스카이트 화합물로서 Nd0.5Sr0.5Co1.1O3-δ 화합물을 가지고, 상기 제2 페로브스카이트 화합물로서 NdCoO3 화합물을 가지는 듀얼 페로브스카이트 구조체의 다양한 특성들에 대하여 하기의 도 11 내지 도 15을 참조하여 설명하기로 한다. Nd 0.5 Sr 0.5 Co 1.1 O 3 -δ has a compound, dual page lobe having a NdCoO 3 compound as the second perovskite compound Sky tree structure as a, the first perovskite compound prepared as described above Will be described with reference to Figs. 11 to 15 below.
도 11은 본 발명의 일시예에 따라 제조된 듀얼 페로브스카이트 구조체를 나타내는 투과전자 현미경 사진이다. 도 11은 명시야상 투과전자현미경(bright field transmission electron microscopy, BFTEM) 및 고해상도 투과전자현미경(high resolution transmission electron microscopy, HRTEM)을 이용하였다.11 is a transmission electron microscope photograph showing a dual perovskite structure manufactured according to a temporal example of the present invention. FIG. 11 illustrates a bright field transmission electron microscopy (BFTEM) and a high resolution transmission electron microscopy (HRTEM).
도 11을 참조하면, 기둥 형상의 제1 구조체를 내부에 가지고, 표면에는 작은 결정 크기를 가지는 입자들인 제2 구조체가 배치되어 있다. 표면은 상기 입자들에 의하여 거친 표면 모폴로지를 나타내었다.Referring to FIG. 11, a second structural body having a columnar first structural body and particles having a small crystal size is disposed on a surface thereof. The surface showed rough surface morphology by the particles.
도 12는 본 발명의 일시예에 따라 제조된 듀얼 페로브스카이트 구조체를 나타내는 투과전자 현미경 사진이다. 도 12는 주사 투과 전자 현미경 (scanning transmission electron microscope high-angle annular dark field, STEM HAADF) 및 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)을 이용하였다.12 is a transmission electron microscope photograph showing a dual perovskite structure manufactured according to a temporal example of the present invention. FIG. 12 shows a scanning transmission electron microscope (STEM HAADF) and a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM).
도 12를 참조하면, 도 11의 듀얼 페로브스카이트 구조체의 표면에 위치하는 입자는 5.33, 7.54, 5.34의 사방정계(orthorhombic) NdCoO3 구조를 나타내었다.
Referring to FIG. 12, the particles positioned on the surface of the dual perovskite structure of FIG. 11 exhibited orthorhombic NdCoO 3 structures of 5.33, 7.54, and 5.34.
예를 들어, 아연 금속 공기전지 개발에 있어 느린 산소환원반응이 가장 큰 문제점으로 대두되고 있다. 즉, 전지 방전 반응 시에 아연 음극에서 OH- 이온 소모속도가 공기극에서의 OH- 이온 생성속도보다 훨씬 크기 때문에, 전해질 내의 OH- 이온 농도가 급격히 낮아지게 되고, 이에 따라 전지 성능이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 이차전지 분야에서는 산소환원반응이 빠른 물질 개발이 요구된다.For example, in the development of zinc metal air cells, the slow oxygen reduction reaction is becoming the biggest problem. That is, in the battery discharge reaction, the OH - ion consumption rate at the zinc cathode is much larger than the OH - ion production rate at the cathode, so that the OH - ion concentration in the electrolyte is rapidly lowered, have. Therefore, in the field of secondary batteries, it is required to develop a material having a rapid oxygen reduction reaction.
이하에서는, 본 발명의 듀얼 페로브스카이트 구조체의 산소환원반응 및 산소발생반응에 대하여 설명하기로 한다. 하기의 도 13 내지 도 15의 그래프들은 0.1M KOH 전해질에서 회전 고리 원판 전극 (Rotating Ring Disk Electrode; RRDE) 측정 방법으로 측정하였다. 또한, 본 발명의 실시예는 Nd0.5Sr0.5Co1.1O3-δ 화합물과 NdCoO3 화합물로 구성된 듀얼 페로브스카이트 구조체이고, 비교예는 Nd0.5Sr0.5Co1.1O3-δ 화합물로 구성된 구조체에 대하여 테스트를 진행하였다. 전극은 카본을 이용하여 측정을 수행하였다.
Hereinafter, the oxygen reduction reaction and the oxygen generation reaction of the dual perovskite structure of the present invention will be described. The graphs of FIGS. 13 to 15 below were measured by a Rotating Ring Disk Electrode (RRDE) measurement method in a 0.1 M KOH electrolyte. In addition, the embodiment of the present invention is a dual perovskite structure composed of Nd 0.5 Sr 0.5 Co 1.1 O 3-δ compound and NdCoO 3 compound, and a comparative example is a structure composed of Nd 0.5 Sr 0.5 Co 1.1 O 3-δ compound The test was carried out. The electrode was made using carbon.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 듀얼 페로브스카이트 구조체의 산소환원반응을 측정한 그래프이다. 13 is a graph illustrating an oxygen reduction reaction of a dual perovskite structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예와 비교예는 그래프의 형태로는 거의 유사한 경향을 나타내었다. 또한, 본 발명의 실시예와 비교예는 디스크 전류(id)값에서 유사한 경향을 나타내고 있다. 그러나, 비교예에 비하여 실시예의 그래프가 전체적으로 하측에 위치하고 있다. 이는, 실시예가 더 낮은 과전압에서 산소환원 반응이 시작됨을 의미하고, 또한 동일한 전압에서 더 많은 전류를 발생시킬 수 있다. 실시예는 전압의 절대값이 커짐에 따라 약 -5의 전류(id)값을 나타내었다. 이러한 실시예의 산소환원반응 특성은, 실시예가 빠른 산소환원반응을 제공하고 많은 전류를 생성할 수 있음을 의미한다. 이러한 산소환원반응 특성은 본 발명의 듀얼 페로브스카이트 구조체가 서로 다른 두 가지 페로브스카이트 물질을 포함하는 것과 도 11에 나타난 바와 같은 형태적인 특성이 영향을 미치는 것으로 예상된다. 산소환원반응에 대한 우수한 촉매가 갖추어야 할 조건은 산소환원 반응이 좀 더 낮은 전압에서 시작되고, 또한 동일한 전압 하에서 많은 전류를 발생해야 한다. 그러므로, 본 발명의 듀얼 페로브스카이트 구조체는 산소환원반응에 대한 우수한 촉매가 될 수 있다. Referring to FIG. 13, the embodiment and the comparative example of the present invention show almost similar tendency in the graph form. Further, the embodiment and the comparative example of the present invention show similar tendency in the disk current (i d ) value. However, as compared with the comparative example, the graph of the embodiment is entirely located on the lower side. This means that the embodiment starts the oxygen reduction reaction at the lower overvoltage and can also generate more current at the same voltage. The embodiment showed a current (i d ) value of about -5 as the absolute value of the voltage increased. The oxygen reduction reaction characteristics of this embodiment means that the embodiment provides a fast oxygen reduction reaction and can generate a large amount of current. Such oxygen reduction reaction characteristics are expected to affect the dual perovskite structure of the present invention including two different perovskite materials and morphological characteristics as shown in FIG. A good catalyst for an oxygen reduction reaction must have an oxygen reduction reaction that starts at a lower voltage and generates a lot of current under the same voltage. Therefore, the dual perovskite structure of the present invention can be an excellent catalyst for the oxygen reduction reaction.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 듀얼 페로브스카이트 구조체의 산소발생반응을 측정한 그래프이다.FIG. 14 is a graph showing the oxygen generation reaction of a dual perovskite structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예와 비교예는 그래프의 형태로는 거의 유사한 경향을 나타내었다. 그러나, 본 발명의 실시예는 비교예에 비하여 개시 전위(Onset potential)기 감소되었고, 동일한 전압에서 발생하는 전류량이 약 2배 증가하는 것을 나타내었다. 본 발명의 실시예는 산소발생반응에 특히 뛰어난 촉매효과를 가지는 것을 알 수 있다. 도 13과 연계하여, 본 발명의 실시예는 산소환원반응은 물론 산소발생반응에도 뛰어난 촉매로서, 이러한 두 가지 반응을 가역적으로 일어나게 하는 양극 촉매로 매우 적합하다. 대부분의 산화물 촉매를 사용하는 경우 산소환원반응에 대한 약한 촉매 효과로 낮은 충방전 효율이 야기되어, 금속 공기전지가 가진 에너지 밀도 측면에서의 장점을 퇴색되는 한계가 있다. 또한, 종래에는 전극 소재의 전기 전도성이 낮아 부반응을 일으킬 수 있는 탄소 지지체와 함께 사용하는 한계가 있었다. 그러나, 본 발명의 듀얼 페로브스카이트 구조체는 전기전도도 또한 높으므로 하나의 종류의 물질을 사용하여 전극을 구성할 수 있으므로, 원하지 않는 부반응을 최소화할 수 있다.Referring to FIG. 14, the embodiment and the comparative example of the present invention show almost similar tendency in the graph form. However, the embodiment of the present invention showed that the onset potential was decreased and the amount of current generated at the same voltage increased about twice as compared with the comparative example. It can be seen that the embodiment of the present invention has a catalytic effect which is particularly excellent for the oxygen generating reaction. In conjunction with FIG. 13, the embodiment of the present invention is an excellent catalyst for an oxygen reduction reaction as well as an oxygen reduction reaction, and is very suitable as a cathode catalyst for reversibly effecting these two reactions. In the case of using most of the oxide catalysts, a weak catalytic effect on the oxygen reduction reaction causes a low charge / discharge efficiency, and there is a limit in that the advantage in terms of the energy density of the metal air cell is discolored. In addition, conventionally, there is a limit to use the electrode material together with a carbon support which can cause side reactions because the electric conductivity of the electrode material is low. However, since the dual perovskite structure of the present invention has a high electrical conductivity, it is possible to form an electrode using one kind of material, so that undesired side reactions can be minimized.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 듀얼 페로브스카이트 구조체의 전자 전달 능력을 측정한 그래프이다.FIG. 15 is a graph illustrating electron transport capability of a dual perovskite structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예와 비교예는 그래프의 형태로는 거의 유사한 경향을 나타내었다. 그러나, 본 발명의 실시예는 비교예에 비하여 전체 영역에 걸쳐서 전자 전달 능력이 높게 나타났다. 전자 전달 능력은 4에 가까울수록 빠른 반응이며, 2에 가까울수록 반응 중간체가 많이 발생하는 느린 반응이다. 본 발명의 실시예는 페로브스카이트 물질을 기반으로 하기 때문에 우수한 전자 전달 능력을 나타낸다.
Referring to FIG. 15, the embodiment and the comparative example of the present invention show almost similar tendency in the graph form. However, the embodiment of the present invention shows that the electron transfer ability is high over the entire area as compared with the comparative example. The electron transporting ability is a faster reaction nearer to 4, and the closer to 2, the slower the reaction intermediate occurs. Embodiments of the present invention are based on perovskite materials and thus exhibit excellent electron transfer capability.
상기 듀얼 페로브스카이트 구조체는, 페로브스카이트 구조를 유지하면서 원하지 않는 부반응을 방지하므로 장기 안정성을 제공할 수 있으며, 또한, 우수한 성능의 산소환원반응 및 산소발생반응을 나타내므로, 전지의 활성을 증가시킬 수 있고, 안정성을 증가시킬 수 있고, 가격을 절감시킬 수 있다.Since the dual perovskite structure is capable of providing long-term stability by preventing unwanted side reactions while maintaining a perovskite structure and exhibiting excellent performance of oxygen reduction reaction and oxygen generation reaction, Can be increased, the stability can be increased, and the price can be reduced.
상기 듀얼 페로브스카이트 구조체는 금속공기전지, 고체 산화물 연료전지, 및 고체 산화물 수전해 셀의 전극 소재로 이용될 수 있다.The dual perovskite structure can be used as an electrode material for a metal air cell, a solid oxide fuel cell, and a solid oxide electrolytic cell.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. Will be apparent to those of ordinary skill in the art.
1, 4: 듀얼 페로브스카이트 구조체
2, 5: 제1 구조체, 3, 6: 제2 구조체
1000: 전기방사 장치, 10: 방사 용액 탱크, 20: 방사 노즐,
30: 방사 노즐팁, 40: 외부 전원, 50: 컬렉터 기판, 60: 방사 용액,
100: 금속공기전지, 110: 애노드, 120: 캐소드, 130: 전해질,
140: 집전체, 142: 탄소체, 144: 전도성 고분자 물질,
150: 촉매체, 170: 양이온, 180: 산소, 190: 부하,
200: 고체산화물 연료전지, 210: 애노드,
220: 캐소드, 230: 전해질, 240: 버퍼층,
300: 고체 산화물 수전해 셀, 310: 애노드, 320: 캐소드,
330: 전해질, 340: 외부 전원,1, 4: Dual Perovskite structure
2, 5: first structure, 3, 6: second structure
1000: electrospinning device, 10: spinning solution tank, 20: spinning nozzle,
30: spinning nozzle tip, 40: external power source, 50: collector substrate, 60: spinning solution,
100: metal air cell, 110: anode, 120: cathode, 130: electrolyte,
140: current collector, 142: carbon body, 144: conductive polymer material,
150: catalyst, 170: cation, 180: oxygen, 190: load,
200: solid oxide fuel cell, 210: anode,
220: cathode, 230: electrolyte, 240: buffer layer,
300: solid oxide electrolytic cell, 310: anode, 320: cathode,
330: electrolyte, 340: external power supply,
Claims (20)
상기 캐소드를 마주보고 배치되는 애노드; 및
상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치되는 전해질을 포함하고,
상기 제1 페로브스카이트 화합물은, NdxSr1-xCoyO3-δ 화합물(상기 x는 0.5이고, 상기 y는 1.1이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, NdxSr1-xCoyO3-δ 화합물을 전기적 중성으로 하는 값임)을 포함하고,
상기 제2 페로브스카이트 화합물은 NdCoO3 화합물을 포함하는, 금속공기전지.A first structure including a first perovskite compound and having a cylindrical shape; And a second structure having a shape of particles formed to cover the entire surface of the first structure so that the first structure has a rough surface morphology, the second structure including a second perovskite compound, A cathode having an electrode material including a skate structure;
An anode facing the cathode; And
And an electrolyte disposed between the cathode and the anode,
Wherein the first perovskite compound is an Nd x Sr 1-x Co y O 3 -δ compound wherein x is 0.5, y is 1.1, 隆 is a positive number of 1 or less, Nd x Sr 1- x Co y O 3 -? compound to an electrical neutrality)
The second perovskite compound is a metal air battery, comprising a compound NdCoO 3.
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