KR101753662B1 - Oxygen evolution reaction catalyst comprising Ni-doped carbon nitride and preparation methods of the same - Google Patents

Oxygen evolution reaction catalyst comprising Ni-doped carbon nitride and preparation methods of the same Download PDF

Info

Publication number
KR101753662B1
KR101753662B1 KR1020160060099A KR20160060099A KR101753662B1 KR 101753662 B1 KR101753662 B1 KR 101753662B1 KR 1020160060099 A KR1020160060099 A KR 1020160060099A KR 20160060099 A KR20160060099 A KR 20160060099A KR 101753662 B1 KR101753662 B1 KR 101753662B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nickel
carbon nitride
precursor
generating reaction
doped
Prior art date
Application number
KR1020160060099A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
박성진
온새롬
Original Assignee
인하대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인하대학교 산학협력단 filed Critical 인하대학교 산학협력단
Priority to KR1020160060099A priority Critical patent/KR101753662B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101753662B1 publication Critical patent/KR101753662B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/02Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides
    • B01J31/12Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides containing organo-metallic compounds or metal hydrides
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/02Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides
    • B01J31/0234Nitrogen-, phosphorus-, arsenic- or antimony-containing compounds
    • B01J31/0235Nitrogen containing compounds
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/40Regeneration or reactivation
    • B01J31/4015Regeneration or reactivation of catalysts containing metals
    • B01J31/4023Regeneration or reactivation of catalysts containing metals containing iron group metals, noble metals or copper
    • B01J31/403Regeneration or reactivation of catalysts containing metals containing iron group metals, noble metals or copper containing iron group metals or copper
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/02Solids
    • B01J35/04Foraminous structures, sieves, grids, honeycombs
    • B01J35/56
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/0009Use of binding agents; Moulding; Pressing; Powdering; Granulating; Addition of materials ameliorating the mechanical properties of the product catalyst
    • B01J37/0018Addition of a binding agent or of material, later completely removed among others as result of heat treatment, leaching or washing,(e.g. forming of pores; protective layer, desintegrating by heat)
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/9016Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

본 발명은 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 니켈 전구체, 질화탄소(carbon nitride, C3N4) 전구체 및 용매를 혼합한 후 상기 용매를 기화시켜 혼합분말을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1의 혼합분말을 질소 분위기에서 가열하여 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하는 단계(단계 2);를 포함하되, 상기 니켈 전구체가 상기 질화탄소 전구체의 질량 대비 5 내지 20 질량%로 함유되는 것을 특징으로 하는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 제조방법을 제공한다. The present invention relates to an oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) and a production method thereof, and more particularly to a nickel precursor, a carbon nitride (C 3 N 4 ) precursor And mixing the solvent and then vaporizing the solvent to prepare a mixed powder (step 1); And a step (step 2) of heating the mixed powder of step 1 in a nitrogen atmosphere to prepare an oxygen generating reaction catalyst containing nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) (step 2), wherein the nickel precursor (Ni-C 3 N 4 ) doped with nickel is contained in an amount of 5 to 20 mass% based on the mass of the carbon nitride precursor.

Description

니켈이 도핑된 질화탄소를 포함하는 산소발생반응 촉매 및 이의 제조방법{Oxygen evolution reaction catalyst comprising Ni-doped carbon nitride and preparation methods of the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to an oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride and a method for producing the same.

본 발명은 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an oxygen-generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) and a method for producing the same.

지구 온난화에 대처하고 화석연료의 사용을 대체해 지속 가능한 친환경 에너지원을 개발하기 위해 연료전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 종래 연료전지분야에서 산소환원반응을 촉진시키기 위하여 백금(Pt)을 기반으로 하는 촉매들이 사용되었다. 그러나 상기 백금은 매장량에 한계가 있을 뿐만 아니라 값이 매우 비싸고 연료전지에 사용시, 시간이 지나면 불순물에 의해 활성이 저하되는 단점으로 인해 산소환원반응에 대한 촉매로써 상용화시키는 데 어려움이 있다.There is growing interest in fuel cells to address sustainable green energy sources by addressing global warming and replacing the use of fossil fuels. Catalysts based on platinum (Pt) have been used to promote oxygen reduction reactions in the field of fuel cells. However, it is difficult to commercialize the platinum as a catalyst for the oxygen reduction reaction because of the disadvantage that the amount of the platinum is limited and the cost is very high and the activity is deteriorated due to impurities over time when it is used in a fuel cell.

따라서, 상기와 같은 문제들을 해결하기 위하여, 산소환원반응의 촉매로 전극에 사용되는 백금 사용량을 줄이거나 백금을 사용하지 않는 비백금 산소환원반응의 촉매에 대한 연구가 수행되고 있다. 그 중 백금을 전혀 사용하지 않는 산소환원반응의 촉매로는 흑연과 같은 탄소물질 등에 대한 연구가 수행되고 있다. Therefore, in order to solve the above-mentioned problems, researches have been conducted on a catalyst of a non-platinum oxygen reduction reaction in which the amount of platinum used in the electrode is reduced or platinum is not used as a catalyst for the oxygen reduction reaction. Among them, studies on carbon materials such as graphite are being conducted as catalysts for oxygen reduction reaction which does not use platinum at all.

예를 들면, 산소환원반응의 촉매로서 질소를 대량으로 도핑시킨 탄소물질로는 질소가 도핑된 탄소나노튜브와 질소가 도핑된 다공성 흑연이 연구되고 있다. 상기 물질들은 전기화학적 촉매로서 우수한 성능을 나타내며, 내구성이 우수하고, 환경친화적일 뿐 아니라 백금을 기반으로 한 산소환원반응의 촉매보다 값이 매우 저렴하다는 장점이 있다.For example, nitrogen-doped carbon nanotubes and nitrogen-doped porous graphites have been studied as carbon materials doped with a large amount of nitrogen as a catalyst for oxygen reduction reaction. These materials exhibit excellent performance as an electrochemical catalyst, have excellent durability, are environmentally friendly, and have a merit that they are much cheaper than platinum-based oxygen reduction catalysts.

한편, 연료전지의 촉매로서 사용될 수 있는 질소를 포함하는 탄소물질로서, 질화탄소(Carbon Nitride, C3N4)에 대한 관심이 증폭되고 있다. 상기 질화탄소(C3N4)는 탄소와 질소가 교대로 배열되면서 육각형 고리가 2차원으로 펼쳐진 구조를 갖는 물질로서, 이론상 다이아몬드보다 더 큰 강도를 가지는 소재로 알려져 있으며, 다이아몬드를 대체할 물질로서 많은 연구자로부터 연구되어 왔다. 이 과정에서 질소를 많이 함유한 유기 화합물이 좋은 산화력과 더불어 높은 열적 안정성 등의 특성을 나타내는 것이 발견되어, 최근에는 질화탄소(C3N4)가 내마모성이 요구되는 각종 부품류뿐만 아니라 전자방출재료, 변환 밴드갭 반도체재료 등 그 응용범위가 매우 다양할 수 있음이 보고되고 있고 연료전지의 촉매용으로도 검토되고 있다.On the other hand, attention has been paid to carbon nitride (C 3 N 4 ) as a carbon material containing nitrogen which can be used as a catalyst of a fuel cell. The carbon nitride (C 3 N 4 ) is a material having a structure in which hexagonal rings are arranged two-dimensionally with carbon and nitrogen alternately arranged. In theory, it is known as a material having a higher strength than diamond. Has been studied from many researchers. In this process, it has been found that organic compounds containing a large amount of nitrogen exhibit properties such as good oxidative power and high thermal stability. In recent years, carbon nitride (C 3 N 4 ) has been widely used not only in various parts requiring wear resistance, It has been reported that the application range of the conversion bandgap semiconductor material and the like can be very wide and it is also being studied as a catalyst for a fuel cell.

이와 관련된 종래의 기술로, 대한민국공개특허 제10-2009-7000330호에서는 질화탄소(g-C3N4)의 제조방법을 기재하고 있으며, 상세하게는 10-1 내지 10-9 ㎜Hg 압력하에서 최대 850 ℃, 상온간의 온도구배 하에서 비금속성 로다나이드를 열분해하여 탄소와 질소의 몰비가 3:4인 흑연계 질화탄소(g-C3N4)를 제조하는 방법이 개시하고 있다. 그러나 상기 방법은 거의 진공상태에 가까운 환경에서 수행되어야 하며, 촉매 활성이 나타나지만 효율이 낮다는 문제점이 있다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2009-7000330 discloses a method for producing carbon nitride (gC 3 N 4 ). More specifically, it discloses a method for producing carbon nitride (gC 3 N 4 ) at a pressure of 10 -1 to 10 -9 mmHg (GC 3 N 4 ) having a molar ratio of carbon to nitrogen of 3: 4 by pyrolysis of non-metallic rhodium at a temperature gradient between room temperature and normal temperature. However, this method has to be carried out in a state close to a nearly vacuum state, and there is a problem that the catalytic activity is exhibited but the efficiency is low.

이에, 최근에는 질화탄소(carbon nitride, C3N4)와의 복합체를 형성시키는 방법들이 연구되고 있는 실정이다. 그 중 그래피틱 질화탄소(graphitic Carbon Nitride, g-C3N4)는 sp2 C-N 결합이 층층이 쌓인 구조로 매우 안정한 삼차원 구조를 하고 있다. 이러한 그래피틱 질화탄소(g-C3N4)는 낮은 밴드갭 (2.7eV) 과 높은 열적 안정성(약 600 ℃) 및 촉매활성을 가져 획기적인 신소재로 각광받고 있는 물질이다.In recent years, methods for forming a complex with carbon nitride (C 3 N 4 ) have been researched. Among them, graphitic Carbon Nitride (gC 3 N 4 ) has a very stable three-dimensional structure with sp2 CN bond layered structure. This graphitic carbon nitride (gC 3 N 4 ) has a low band gap (2.7 eV), high thermal stability (about 600 ° C)

특히, 그래피틱 질화탄소(g-C3N4)는 높은 비표면적, 우수한 전기전도도 및 물리적 화학적 안정성으로 인해 나노 크기의 금속 산화물이 증착할 수 있는 효율적인 주형으로 작용할 수 있으며, 금속과의 나노 복합화 시 각종 장치의 에너지 저장 소재(리튬 이온 2차 전지, 수소저장 연료전지, 슈퍼커패시터), 가스 센서, 의공학용 미세부품, 고기능 복합체 등에서 무한한 응용 가능성이 있다. 이에 따라 그래피틱 질화탄소(g-C3N4)를 제조하기 위한 연구 및 촉매활성 효율을 높이기 위한 연구가 진행되고 있다. In particular, graphitic carbon nitride (gC 3 N 4 ) can act as an efficient mold for depositing nano-sized metal oxides due to its high specific surface area, excellent electrical conductivity and physical and chemical stability. There is unlimited application possibility in energy storage materials of device (lithium ion secondary battery, hydrogen storage fuel cell, super capacitor), gas sensor, fine parts for medical engineering, and high performance complex. Accordingly, research for producing graphitic nitriding carbon (gC 3 N 4 ) and studies for increasing the catalytic activity efficiency are underway.

이와 관련된 종래의 기술로 대한민국 공개특허 제10-2013-0134797호에서는 질화탄소(C3N4)-그래핀 복합체 제조방법 및 이에 의해 제조되는 질화탄소(C3N4)-그래핀 복합체를 기재하고 있으며, 상세하게는 그라파이트 옥사이드를 용매 하에서 박리하여 그래핀 옥사이드 분산용액을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 분산용액에 시안아마이드(cyanamide)를 첨가하여 100 ~ 150 ℃에서 환류시키는 단계(단계 2)를 포함하는 질화탄소(C3N4)-그래핀 복합체 제조방법을 기재하고 있다. Korean Patent Publication No. 10-2013-0134797 discloses a method for producing a carbon nitride (C 3 N 4 ) -graffin composite and a carbon nitride (C 3 N 4 ) -graffin composite produced thereby Specifically, the step of peeling the graphite oxide under a solvent to prepare a graphene oxide dispersion solution (step 1); It describes a graphene composite manufacturing method - cyan amide and carbon nitride was added to (cyanamide), comprising the step (step 2) to reflux at 100 ~ 150 ℃ (C 3 N 4) in the dispersion solution.

또한, 대한민국 공개특허 제10-2012-0028457호에서는 질화탄소(C3N4)와 전도성 탄소 지지체를 포함하는 고분자 전해질 연료전지용 캐소드 촉매 제조방법, 고분자 연료전지용 촉매, 고분자 연료전지용 전극 및 고분자 연료전지를 기재하고 있으며, 상세하게는 표면에 그래피틱 질화탄소(g-C3N4)를 분산시켜 형성한 전도성 탄소 지지체로 이루어진 촉매의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 촉매를 기재하고 있다.Korean Patent Publication No. 10-2012-0028457 discloses a method for producing a cathode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell comprising carbon nitride (C 3 N 4 ) and a conductive carbon support, a catalyst for a polymer fuel cell, an electrode for a polymer fuel cell, (GC 3 N 4 ) dispersed on the surface thereof, and a catalyst prepared by the method. The present invention also relates to a method for producing a catalyst comprising a conductive carbon support formed by dispersing graphitic nitriding carbon (gC 3 N 4 ) on a surface thereof.

하지만, 상기 그래피틱 질화탄소(g-C3N4)가 종래의 질화탄소(g-C3N4)보다 높은 촉매 효율을 나타내지만 그 정도가 작아, 백금을 대체하고 상용화하기 위해서는 보다 높은 촉매 효율이 필요한 실정이다.However, the Photography tick carbon nitride (gC 3 N 4) is a conventional carbon nitride (gC 3 N 4) than the actual circumstances that require smaller the degree exhibits a high catalytic efficiency, higher catalytic efficiency than to replace platinum and commercialization to be.

한편, 연료전지의 통상의 운전영역에서, 연료전지의 촉매는 용해-재증착에 의한 오스왈트 라이페닝(Ostwald-ripening)과 입자이동(migration)으로 인하여 촉매 유효표면적이 감소하고 그 결과 촉매 성능이 저하되는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 촉매 및 전극의 내구성 향상연구가 활발히 진행되고 있는데, 그 해결방법의 하나가 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction, OER) 활성 물질의 적용이다. 산소발생반응(OER) 촉매는 물을 분해하여 산소를 발생시키는 촉매이며, 연료전지 전극 내에 산소발생반응(OER) 촉매 존재 시, 연료전지의 시동 및 정지에서의 고전위 분위기로 인해 촉매가 부식되기 전 물을 먼저 분해함으로써 촉매 부식을 방지할 수 있다.On the other hand, in the normal operation region of the fuel cell, the catalyst of the fuel cell is reduced in catalyst effective surface area due to Ostwald-ripening and migration due to dissolution-redeposition, . In order to solve such a problem, studies for improving the durability of the catalyst and the electrode have been actively carried out. One of the solutions is the application of the Oxygen Evolution Reaction (OER) active material. Oxygen Generating Reaction (OER) Catalyst is a catalyst that generates oxygen by decomposing water. When an oxygen generating reaction (OER) catalyst is present in a fuel cell electrode, the catalyst is corroded due to the high potential atmosphere in starting and stopping the fuel cell Catalytic corrosion can be prevented by first dissolving all water.

종래의 산소발생반응(OER) 활성 물질은 Ru, RuO2 및 IrO2 등이 있으며, 그 중 가장 널리 알려진 산소발생반응(OER) 물질인 루테늄(Ru)은 연료전지 조건인 산성 분위기에 취약함으로 용출되는 현상을 나타내고 또한, 고가라는 문제점이 있다. Conventional oxygen generating reaction (OER) active materials include Ru, RuO 2, and IrO 2. Of these, ruthenium (Ru), which is the most widely known oxygen generating reaction (OER), is vulnerable to acidic atmosphere And there is a problem of high cost.

따라서, 본 발명자들은 저가로 제조될 수 있으면서 촉매효율이 향상된 산소발생반응(OER) 활성촉매로서 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매 및 이의 제조방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have found that an oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) as an oxygen generating reaction (OER) And completed the present invention.

대한민국공개특허 제10-2009-7000330호Korean Patent Publication No. 10-2009-7000330 대한민국 공개특허 제10-2013-0134797호Korean Patent Publication No. 10-2013-0134797 대한민국 공개특허 제10-2012-0028457호Korean Patent Publication No. 10-2012-0028457

본 발명의 목적은 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide an oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) and a method for producing the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,

니켈 전구체가 질화탄소 전구체의 질량 대비 5 내지 20 질량%로 함유되어 제조되는 것을 특징으로 하는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제공한다.Wherein the nickel precursor is contained in an amount of 5 to 20 mass% based on the mass of the carbon nitride precursor, and the nickel precursor is produced by adding nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ).

또한, 본 발명은In addition,

니켈 전구체, 질화탄소(carbon nitride, C3N4) 전구체 및 용매를 혼합한 후 상기 용매를 기화시켜 혼합분말을 제조하는 단계(단계 1); 및 Mixing a nickel precursor, a carbon nitride (C 3 N 4 ) precursor and a solvent, and then vaporizing the solvent to prepare a mixed powder (Step 1); And

상기 단계 1의 혼합분말을 질소 분위기에서 가열하여 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하는 단계(단계 2);를 포함하되,(Step 2) of preparing an oxygen-generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) by heating the mixed powder of step 1 in a nitrogen atmosphere,

상기 니켈 전구체가 상기 질화탄소 전구체의 질량 대비 5 내지 20 질량%로 함유되는 것을 특징으로 하는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 제조방법을 제공한다.Wherein the nickel precursor is contained in an amount of 5 to 20 mass% based on the mass of the carbon nitride precursor, wherein the nickel precursor is nickel-doped carbonitride (Ni-C 3 N 4 ) .

나아가 본 발명은Further,

상기 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 포함하는 연료 전지용 전극을 제공한다.And an oxygen generating reaction catalyst comprising the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ).

더 나아가 본 발명은Further,

상기 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 포함하는 연료전지를 제공한다.And an oxygen generating reaction catalyst comprising the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ).

본 발명의 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매는 종래의 산소발생반응 촉매보다 저가이면서 효율이 현저히 향상된 산소발생반응 촉매로, 연료전지용 전극 및 연료전지에 적용될 수 있는 장점이 있다. The oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nanotubes (Ni-C 3 N 4 ) of the present invention is an oxygen generating reaction catalyst which is lower in cost and significantly improved in efficiency than the conventional oxygen generating reaction catalyst, There is an advantage that it can be applied to.

또한, 상기 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 제조방법은 빠르고 간단한 방법으로 효율이 현저히 향상된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조할 수 있는 장점이 있다.In addition, a method of producing an oxygen-generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) may be a nickel-doped carbonitride (Ni-C 3 N 4 ) An oxygen-generating reaction catalyst can be produced.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)의 형상을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)의 형상을 나타낸 투과전자현미경(TEM) 사진이고,
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 질화탄소(Ni-C3N4)에 대해 X-선 회절분석기(XRD)를 이용하여 상 분석을 수행한 결과 그래프이고,
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 질화탄소(Ni-C3N4)에 대해 FT-IR 분석기를 이용하여 상 분석을 수행한 결과 그래프이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)에 대해 열중량 분석(Thermogravimetry Analysis, TGA)을 수행한 결과 그래프이고,
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 질화탄소(Ni-C3N4)의 산소발생반응(OER) 활성을 측정한 결과 그래프이다.
1 and 2 are scanning electron microscope (SEM) photographs showing the shape of nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced according to an embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a transmission electron microscope (TEM) photograph showing the shape of nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced according to an embodiment of the present invention,
FIG. 4 is a graph showing phase analysis of carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced by Examples and Comparative Examples of the present invention using an X-ray diffractometer (XRD)
FIG. 5 is a graph showing a result of phase analysis of carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced by Examples and Comparative Examples of the present invention using an FT-IR analyzer,
FIG. 6 is a graph showing a result of thermogravimetry analysis (TGA) performed on nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced according to an embodiment of the present invention,
FIG. 7 is a graph showing the results of measurement of oxygen generating reaction (OER) activity of carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced by Examples and Comparative Examples of the present invention.

본 발명은The present invention

니켈 전구체가 질화탄소 전구체의 질량 대비 5 내지 20 질량%로 함유되어 제조되는 것을 특징으로 하는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제공한다.Wherein the nickel precursor is contained in an amount of 5 to 20 mass% based on the mass of the carbon nitride precursor, and the nickel precursor is produced by adding nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ).

산소발생반응(OER) 촉매는 물을 분해하여 산소를 발생시키는 촉매로서, 연료전지 전극 내에 산소발생반응(OER) 촉매 존재 시, 연료전지의 시동 및 정지에서의 고전위 분위기로 인해 촉매가 부식되기 전 물을 먼저 분해함으로써 촉매 부식을 방지할 수 있다. Oxygen Generating Reaction (OER) Catalyst is a catalyst that generates oxygen by decomposing water. When an oxygen generating reaction (OER) catalyst is present in a fuel cell electrode, the catalyst is corroded due to a high potential atmosphere in starting and stopping the fuel cell Catalytic corrosion can be prevented by first dissolving all water.

종래의 산소발생반응(OER) 활성 물질은 Ru, RuO2 및 IrO2 등이 있으나, 상기 물질이 고가라 제조 단가가 높은 문제점이 있다. 그 중 가장 널리 알려진 산소발생반응(OER) 물질인 루테늄(Ru)은 고가이면서 또한, 연료전지 조건인 산성 분위기에 취약하여 용출되는 현상을 나타나는 문제점이 있다. Conventional oxygen generating reaction (OER) active materials include Ru, RuO 2, and IrO 2 . Among them, ruthenium (Ru), which is the most widely known oxygen generating reaction (OER) material, is expensive and is also vulnerable to acidic atmosphere, which is a fuel cell condition.

반면, 본 발명의 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매는 저가로 제조될 수 있으며 산소발생반응에 활성이 우수한 장점이 있다.On the other hand, the oxygen generating reaction catalyst comprising the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) of the present invention can be produced at a low cost and has an advantage of excellent activity in the oxygen generating reaction.

상기 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)는 니켈 전구체 및 질화탄소(C3N4) 전구체를 함께 가열하는 방법을 통해 제조될 수 있다. 즉, 질화탄소(C3N4)에는 상당히 많은 질소 원자가 존재하는데, 상기 질소에는 최외각 전자가 5개이며, 이중 3개는 결합에 참여하지만, 2개는 결합에 참여하지 않는 고립 전자쌍으로 존재하게 되어 니켈 전구체 및 질화탄소(C3N4) 전구체를 함께 가열했을 때 질소의 고립전자쌍이 니켈원소와 결합해 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)가 형성될 수 있다. The nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) may be prepared by heating a nickel precursor and a carbon nitride (C 3 N 4 ) precursor together. That is, there are a considerable number of nitrogen atoms in carbon nitride (C 3 N 4 ). In the nitrogen, there are five outermost electrons, three of which participate in bonding but two of which are present in a lone pair When the nickel precursor and the carbon nitride (C 3 N 4 ) precursor are heated together, a lone pair of nitrogen bonds with the nickel element to form nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ).

상기 니켈 전구체는 니켈 클로라이드(II) 하이드레이트(NiCl2ㆍ6H2O) 화합물을 포함하는 할로겐화 니켈 화합물이 사용되는 것이 바랍직하며, 상기 질화탄소(Cl3N4) 전구체는 우레아, 멜라민(2-amino-4,6-dichlorotriazine), 염화시아눌(cyanuric chloride), 시안아미드화칼슘(calcium cyanamide), 나트륨아미드(sodium amide), 멜렘(2,5,8-triamino-tri-striazine), 시안아미드(cyanamide), 다이시안다이아마이드(dicyandiamide,DCDA) 및 이들의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 사용되는 것이 바람직하다.Preferably, the nickel precursor is a halogenated nickel compound comprising nickel chloride (II) hydrate (NiCl 2 .6H 2 O), and the carbon nitride (C 3 N 4 ) precursor is urea, melamine (2- amino-4,6-dichlorotriazine, cyanuric chloride, calcium cyanamide, sodium amide, 2,5,8-triamino-tri-striazine, cyanamide cyanamide, dicyandiamide (DCDA), and a compound of these compounds is preferably used.

이때, 상기 니켈 전구체는 상기 질화탄소 전구체의 질량 대비 0.05 내지 0.2 질량%로 함유되는 것이 바람직하다.In this case, the nickel precursor is preferably contained in an amount of 0.05 to 0.2% by mass relative to the mass of the carbon nitride precursor.

이는 상기 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 촉매활성을 높이기 위한 것으로, 만약 상기 니켈 전구체가 상기 질화탄소 전구체의 질량 대비 5 질량% 미만 함유될 경우, 산소발생반응 촉매작용이 미비하여 산소발생반응이 일어나지 않는 문제점이 발생될 수 있고, 상기 니켈 전구체가 상기 질화탄소 전구체의 질량 대비 20 질량%를 초과하여 함유될 경우, 산소발생반응 촉매의 활성이 20 질량%를 함유하는 경우와 비슷한 반면, 제조과정에서 상기 니켈 전구체들의 응집 및 산화가 일어나 촉매에 사용되지 않는 함량이 증가하는 문제점이 있다. 즉, 투입량 대비 촉매로 사용되는 양이 줄어, 경제적으로 효율성이 저하되는 문제점이 있다.This is to increase the catalytic activity of the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ). If the nickel precursor is contained in an amount of less than 5 mass% based on the mass of the carbon nitride precursor If the nickel precursor is contained in an amount of more than 20% by mass based on the mass of the carbon nitride precursor, the activity of the oxygen generating reaction catalyst may be lowered 20 mass%, while the nickel precursors are agglomerated and oxidized during the manufacturing process, thereby increasing the amount of the catalyst that is not used. That is, the amount of the catalyst to be used as the amount of the catalyst is reduced, resulting in an economical efficiency deterioration.

본 발명의 상기 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매는 저가로 제조될 수 있어, 종래의 Ru, RuO2 및 IrO2 등의 값비싼 촉매물질을 대신하여 연료전지용 산소발생반응 촉매로 사용될 수 있는 장점이 있다.The oxygen generating reaction catalyst containing the nickel-doped carbon nanotubes (Ni-C 3 N 4 ) of the present invention can be produced at a low cost, and instead of expensive catalyst materials such as Ru, RuO 2 and IrO 2 And can be used as an oxygen generating reaction catalyst for a fuel cell.

또한, 상기 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매는 다공성 및 층상구조를 가지며, 종래의 그래피틱 질화탄소(g-C3N4)보다 낮은 과전압을 가짐으로써 산소발생반응 촉매로서 더욱 향상된 촉매 활성을 나타내어, 상기 산소발생반응 촉매를 연료전지에 사용시, 안정성 및 성능이 우수한 연료전지를 저가로 제조할 수 있는 장점이 있다.Further, the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) has a porous and layered structure and has an overvoltage lower than that of conventional graphitic nitriding carbon (gC 3 N 4 ) The present invention has the advantage of being able to manufacture a fuel cell having excellent stability and performance at a low cost when the oxygen generating reaction catalyst is used for a fuel cell.

또한, 본 발명은In addition,

니켈 전구체, 질화탄소(carbon nitride, C3N4) 전구체 및 용매를 혼합한 후 상기 용매를 기화시켜 혼합분말을 제조하는 단계(단계 1); 및 Mixing a nickel precursor, a carbon nitride (C 3 N 4 ) precursor and a solvent, and then vaporizing the solvent to prepare a mixed powder (Step 1); And

상기 단계 1의 혼합분말을 질소 분위기에서 가열하여 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하는 단계(단계 2);를 포함하되,(Step 2) of preparing an oxygen-generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) by heating the mixed powder of step 1 in a nitrogen atmosphere,

상기 니켈 전구체가 상기 질화탄소 전구체의 질량 대비 5 내지 20 질량%로 함유되는 것을 특징으로 하는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 제조방법을 제공한다.Wherein the nickel precursor is contained in an amount of 5 to 20 mass% based on the mass of the carbon nitride precursor, wherein the nickel precursor is nickel-doped carbonitride (Ni-C 3 N 4 ) .

이하, 본 발명에 따른 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for producing an oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 제조방법에 있어, 단계 1은 니켈 전구체, 질화탄소(carbon nitride, C3N4) 전구체 및 용매를 혼합한 후 상기 용매를 기화시켜 혼합분말을 제조하는 단계이다.In the method for producing an oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nanotubes (Ni-C 3 N 4 ) according to the present invention, step 1 is a step in which a nickel precursor, a carbon nitride (C 3 N 4 ) Mixing the solvent, and then vaporizing the solvent to prepare a mixed powder.

상기 단계 1은 상기 니켈 전구체, 질화탄소(C3N4) 전구체 및 용매를 충분히 혼합한 후 용매를 기화시킴으로써 상기 니켈 전구체 및 질화탄소 전구체 물질이 혼합된 혼합분말을 제조하기 위한 것이다.The step 1 is for preparing a mixed powder in which the nickel precursor and the carbon nitride precursor material are mixed by thoroughly mixing the nickel precursor, the carbon nitride (C 3 N 4 ) precursor, and the solvent, followed by vaporizing the solvent.

이때, 상기 니켈 전구체가 상기 질화탄소 전구체의 질량 대비 5 내지 20 질량%로 함유되는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the nickel precursor is contained in an amount of 5 to 20 mass% with respect to the mass of the carbon nitride precursor.

이는 상기 제조방법으로 제조되는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 촉매활성을 높이기 위한 것으로, 만약 상기 니켈 전구체가 상기 질화탄소 전구체의 질량 대비 5 질량% 미만 함유될 경우, 산소발생반응 촉매작용이 미비하여 산소발생반응이 일어나지 않는 문제점이 발생될 수 있고, 상기 니켈 전구체가 상기 질화탄소 전구체의 질량 대비 20 질량%를 초과하여 함유될 경우, 산소발생반응 촉매의 활성이 20 질량%를 함유하는 경우와 비슷한 반면, 제조과정에서 상기 니켈 전구체들의 응집 및 산화가 일어나 촉매에 사용되지 않는 함량이 증가하는 문제점이 있다. 즉, 투입량 대비 촉매로 사용되는 양이 줄어, 경제적으로 효율성이 저하되는 문제점이 있다.This is to increase the catalytic activity of the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced by the above production method. If the nickel precursor has a mass of 5 mass %, There may arise a problem that oxygen generating reaction does not occur due to insufficient oxygen generating reaction catalytic action, and when the nickel precursor is contained in an amount exceeding 20 mass% with respect to the mass of the carbon nitride precursor, The activity of the reaction catalyst is similar to that in the case of containing 20 mass% of the catalyst, whereas the nickel precursors are agglomerated and oxidized during the manufacturing process, thereby increasing the unused content of the catalyst. That is, the amount of the catalyst to be used as the amount of the catalyst is reduced, resulting in an economical efficiency deterioration.

이때, 상기 니켈 전구체는 니켈 클로라이드(II) 하이드레이트(NiCl2ㆍ6H2O) 화합물을 포함하는 할로겐화 니켈 화합물이 사용되는 것이 바랍직하며, 상기 질화탄소(C3N4) 전구체는 우레아, 멜라민(2-amino-4,6-dichlorotriazine), 염화시아눌(cyanuric chloride), 시안아미드화칼슘(calcium cyanamide), 나트륨아미드(sodium amide), 멜렘(2,5,8-triamino-tri-striazine), 시안아미드(cyanamide), 다이시안다이아마이드(dicyandiamide,DCDA) 및 이들의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 사용되는 것이 바람직하다.The nickel precursor is preferably a halogenated nickel compound including nickel chloride (II) hydrate (NiCl 2 .6H 2 O), and the carbon nitride (C 3 N 4 ) precursor is urea, melamine 2-amino-4,6-dichlorotriazine, cyanuric chloride, calcium cyanamide, sodium amide, 2,5,8-triamino-tri-striazine, It is preferable to use one species selected from the group consisting of cyanamide, dicyandiamide (DCDA), and compounds thereof.

또한, 상기 용매는 에탄올, 아세톤 및 물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 사용되는 것이 바람직하나 이에 제한된 것은 아니며, 니켈 전구체 및 질화탄소(C3N4) 전구체를 용해할 수 있고 100℃ 이하의 비교적 저온에서 용매를 건조제거할 수 있는 물질이면 어느 것이나 사용될 수 있다.The solvent may be one selected from the group consisting of ethanol, acetone, and water, but is not limited thereto. The solvent may dissolve the nickel precursor and the carbon nitride (C 3 N 4 ) precursor, Any solvent can be used as long as it can dry-remove the solvent.

상기 용매의 기화는 60 내지 150 ℃의 온도로 가열하는 방법을 통해 수행될 수 있으나 이에 제한된 것은 아니며, 상기 니켈 전구체 및 질화탄소(C3N4) 전구체가 산화되지 않으면서 상기 용매가 적절한 속도로 기화될 수 있는 적절한 다른 방법이 사용될 수 있다.The solvent may be vaporized by heating at a temperature of 60 to 150 ° C, but the present invention is not limited thereto. The solvent may be added at a proper rate without oxidizing the nickel precursor and the carbon nitride (C 3 N 4 ) Other suitable methods that can be vaporized may be used.

본 발명에 따른 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 제조방법에 있어, 단계 2는 상기 단계 1의 혼합분말을 질소 분위기에서 가열하여 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하는 단계이다.In the method for producing an oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) according to the present invention, step 2 is a step of heating the mixed powder of step 1 in a nitrogen atmosphere to prepare nickel- Generating catalyst comprising carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ).

상기 단계 2는 상기 혼합분말의 축합반응에 의해 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)분말을 형성하기 위한 것이다.The step 2 is for forming nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) powder by the condensation reaction of the mixed powder.

이를 위해, 상기 단계 2의 가열은 500 내지 600 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 만약 상기 가열이 500 ℃ 미만의 온도에서 수행될 경우, 질화탄소의 기본 단위인 멜렘(melem)이 형성되는 과정이 보여질 뿐 단계적 축합반응에 의한 고도로 규칙 배열된 구조를 가지며 질소가 풍부한 질화탄소가 제조되지 않는 문제점이 발생될 수 있고, 600 ℃를 초과하는 온도에서 수행될 경우, 상기 질화탄소의 구조가 붕괴되어 질소의 비율이 현저하게 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.For this, the heating in step 2 is preferably performed at 500 to 600 ° C. If the heating is carried out at a temperature lower than 500 ° C., a process of forming melamine, which is a basic unit of carbon nitride, is shown, but nitrogen-rich carbon nitride having a highly ordered structure by a stepwise condensation reaction A problem may arise that the carbon nitride structure is collapsed and the ratio of nitrogen is remarkably lowered when it is carried out at a temperature exceeding 600 ° C.

한편, 상기 단계 2의 가열은 질소 분위기에서 수행하는 것이 바람직하며, 이는 예를 들어, 열처리 장비인 튜브 퍼니스(tube furnace)에 혼합분말을 넣고, 질소가 흐르도록 한 후 가열하는 방법을 통해 수행될 수 있다. Meanwhile, it is preferable that the heating in the step 2 is performed in a nitrogen atmosphere. For example, the heating may be performed by a method in which a mixed powder is put into a tube furnace, which is a heat treatment equipment, .

상기 가열을 통해, 질소의 고립전자쌍이 니켈원소와 결합해 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)가 형성된다. 즉, 질화탄소(C3N4)에는 상당히 많은 질소 원자가 존재하는데, 상기 질소에는 최외각 전자가 5개이며, 이중 3개는 결합에 참여하지만, 2개는 결합에 참여하지 않는 고립 전자쌍으로 존재하게 되어 니켈 전구체 및 질화탄소(C3N4) 전구체를 함께 가열했을 때 질소의 고립전자쌍이 니켈원소와 결합해 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)가 형성된다. Through the heating, a lone pair of nitrogen bonds with the nickel element to form nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ). That is, there are a considerable number of nitrogen atoms in carbon nitride (C 3 N 4 ). In the nitrogen, there are five outermost electrons, three of which participate in bonding but two of which are present in a lone pair When the nickel precursor and the carbon nitride (C 3 N 4 ) precursor are heated together, the lone pair of nitrogen bonds with the nickel element to form nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ).

본 발명의 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 제조방법은 상기 단계 2 이후 상기 단계 2에서 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 회수하는 단계가 더 포함될 수 있다. The method for producing an oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) of the present invention is characterized in that the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ). ≪ / RTI >

상기 단계 2 이후 형성된 생성물에는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매 이외의 불순물로서 반응하지 않은 전구체 및 용매가 포함될 수 있으며, 상기 생성물로부터 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매만을 회수하기 위한 것이다.The product formed after step 2 may include an unreacted precursor and a solvent as an impurity other than the oxygen generating reaction catalyst containing nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ), and the nickel- Only the oxygen generating reaction catalyst containing carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) is recovered.

이때, 상기 회수는 상기 단계 2의 생성물을 상온으로 서서히 냉각한 후, 여과, 세척 및 건조하는 방법으로 수행될 수 있다.At this time, the recovery may be performed by slowly cooling the product of step 2 to room temperature, followed by filtration, washing and drying.

예를 들어 상기 회수는 상기 생성물을 당 업계에서 사용되는 통상의 여과방법으로 여과한 후 에탄올(Ethanol)을 사용하여 세척하고 공기 중 예비건조한 후 진공 조건에서 최종 건조시키는 방법을 통해 수행될 수 있다.For example, the recovery may be performed by filtering the product by a conventional filtration method used in the art, washing it with ethanol, preliminarily drying it in the air, and finally drying it under vacuum conditions.

하지만, 상기 회수방법이 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 변성 및 산화되지 않으면서 다른 불순물로부터 분리할 수 있는 다른 적절한 방법을 통해 수행될 수 있다.However, the recovery method is not limited thereto, and it is possible to use other suitable methods capable of separating the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) from other impurities without being denatured and oxidized ≪ / RTI > method.

나아가, 본 발명은Further,

상기 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 포함하는 연료 전지용 전극을 제공한다.And an oxygen generating reaction catalyst comprising the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ).

상기 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 포함하는 연료 전지용 전극은 산소발생반응 활성이 우수한 촉매를 포함함으로써, 연료전지용 전극의 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.The electrode for a fuel cell including the oxygen generating reaction catalyst containing the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) includes a catalyst having excellent oxygen generating reaction activity, so that the durability of the electrode for a fuel cell can be further improved have.

산소발생반응(OER) 촉매는 물을 분해하여 산소를 발생시키는 촉매이며, 연료전지 전극 내에 산소발생반응(OER) 촉매 존재 시, 연료전지의 시동 및 정지에서의 고전위 분위기로 인해 촉매가 부식되기 전 물을 먼저 분해함으로써 산화환원반응 촉매의 부식을 방지할 수 있어, 촉매 성능이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.Oxygen Generating Reaction (OER) Catalyst is a catalyst that generates oxygen by decomposing water. When an oxygen generating reaction (OER) catalyst is present in a fuel cell electrode, the catalyst is corroded due to the high potential atmosphere in starting and stopping the fuel cell It is possible to prevent the corrosion of the redox reaction catalyst by first decomposing all the water, and it is possible to prevent the problem that the catalyst performance is deteriorated.

즉, 종래의 연료전지의 산화환원반응 촉매는 용해-재증착에 의한 오스왈트 라이페닝(Ostwald-ripening)과 입자이동(migration)으로 인하여 촉매 유효표면적이 감소하고 그 결과 촉매 성능이 저하되는 문제점이 발생하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 촉매 및 전극의 내구성 향상연구가 활발히 진행되고 있는데, 그 해결방법의 하나가 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction, OER) 활성 물질의 적용이며, 이를 통해, 연료전지의 산화환원반응 촉매의 성능 저하 문제를 방지하여 연료전지의 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.That is, the redox reaction catalyst of the conventional fuel cell has a problem that the effective surface area of the catalyst is reduced due to the owato-ripening and the migration due to dissolution-redeposition, Respectively. In order to solve such problems, researches on improvement of durability of catalysts and electrodes have been progressing actively. One of the solutions thereof is the application of Oxygen Evolution Reaction (OER) active material, The problem of degradation of the performance of the catalyst can be prevented and the durability of the fuel cell can be further improved.

또한, 종래의 Ru, RuO2 및 IrO2을 산소발생반응 촉매로 포함하는 연료 전지용 전극보다 저가로 제조될 수 있는 장점이 있다. In addition, there is an advantage that the conventional Ru, RuO 2, and IrO 2 can be manufactured at lower cost than an electrode for a fuel cell including an oxygen generating reaction catalyst.

더 나아가, 본 발명은Further,

상기 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 포함하는 연료전지를 제공한다.And an oxygen generating reaction catalyst comprising the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ).

상기 연료전지는 산소발생반응 활성이 우수한 촉매를 포함함으로써, 내구성이 더욱 향상된 연료전지이다.The fuel cell includes a catalyst having excellent oxygen generating reaction activity, thereby being a fuel cell having improved durability.

또한, 종래의 Ru, RuO2 및 IrO2을 산소발생반응 촉매로 포함하는 연료전지보다 저가로 제조할 수 있는 장점이 있다. In addition, there is an advantage that conventional Ru, RuO 2, and IrO 2 can be manufactured at a lower cost than a fuel cell including an oxygen generating reaction catalyst.

이하, 실시예, 비교예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, Comparative Examples and Experimental Examples.

단, 하기 실시예, 비교예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples, Comparative Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following Examples.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

다음과 같은 단계를 통해 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하였다.An oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) was prepared through the following steps.

단계 1: NiCl2 50 mg, 멜라민 1 g 및 에탄올 10 ml를 80 ℃의 온도에서 혼합한 후 에탄올이 기화시켜 멜라민 대비 NiCl2가 5 % 함유된 혼합분말을 제조하였다.Step 1: 50 mg of NiCl 2 , 1 g of melamine and 10 ml of ethanol were mixed at a temperature of 80 ° C, and ethanol was vaporized to prepare a mixed powder containing 5% of NiCl 2 relative to melamine.

단계 2: 상기 단계 1의 혼합분말을 퍼니스(furnace)에 넣고 520 ℃ 온도에서 약 4시간 동안 가열하여 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하였다. 이때, 상기 가열은 10 ℃/min 속도 및 질소 분위기에서 수행하였다.Step 2: The mixed powder of step 1 was placed in a furnace and heated at 520 ° C for about 4 hours to prepare an oxygen generating reaction catalyst containing nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) . At this time, the heating was performed at a rate of 10 ° C / min and a nitrogen atmosphere.

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

상기 실시예 1에서 상기 단계 1의 NiCl2 함량을 70 mg으로 달리하여 멜라민 대비 NiCl2가 7 % 함유된 혼합분말을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하였다. The procedure of Example 1 was repeated except that the NiCl 2 content in Step 1 was changed to 70 mg to prepare a mixed powder containing 7% of NiCl 2 relative to melamine. Thus, a nickel-doped nitrided An oxygen generating reaction catalyst containing carbon (Ni-C 3 N 4 ) was prepared.

<실시예 3>&Lt; Example 3 >

상기 실시예 1에서 상기 단계 1의 NiCl2 함량을 100 mg으로 달리하여 멜라민 대비 NiCl2가 10 % 함유된 혼합분말을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하였다. The procedure of Example 1 was repeated except that the NiCl 2 content in Step 1 was changed to 100 mg to prepare a mixed powder containing 10% of NiCl 2 relative to melamine, thereby obtaining a nickel-doped nitride An oxygen generating reaction catalyst containing carbon (Ni-C 3 N 4 ) was prepared.

<실시예 4><Example 4>

상기 실시예 1에서 상기 단계 1의 NiCl2 함량을 200 mg으로 달리하여 멜라민 대비 NiCl2가 20 % 함유된 혼합분말을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하였다. The procedure of Example 1 was repeated except that 200 mg of NiCl 2 in Step 1 was changed to 20% of NiCl 2 relative to melamine to prepare a nickel-doped nitride An oxygen generating reaction catalyst containing carbon (Ni-C 3 N 4 ) was prepared.

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

상기 실시예 1에서 상기 단계 1에서 NiCl2을 포함하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 그래피틱(graphitic) 질화탄소(g-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하였다. The oxygen generating reaction catalyst comprising graphitic carbon nitride (gC 3 N 4 ) was prepared in the same manner as in Example 1 except that NiCl 2 was not contained in the step 1 in Example 1 Respectively.

<비교예 2>&Lt; Comparative Example 2 &

상기 실시예 1에서 상기 단계 1의 NiCl2 함량을 10 mg으로 달리하여 멜라민 대비 NiCl2가 1 % 함유된 혼합분말을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하였다. The procedure of Example 1 was repeated except that the NiCl 2 content in Step 1 was changed to 10 mg to prepare a mixed powder containing 1% of NiCl 2 relative to melamine. Thus, nickel-doped nitrided An oxygen generating reaction catalyst containing carbon (Ni-C 3 N 4 ) was prepared.

<비교예 3>&Lt; Comparative Example 3 &

상기 실시예 1에서 상기 단계 1의 NiCl2 함량을 30 mg으로 달리하여 멜라민 대비 NiCl2가 3 % 함유된 혼합분말을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하였다. The procedure of Example 1 was repeated to prepare a mixed powder containing 3% of NiCl 2 relative to melamine by changing the content of NiCl 2 in the above step 1 to 30 mg to prepare a nickel-doped nitride An oxygen generating reaction catalyst containing carbon (Ni-C 3 N 4 ) was prepared.

<비교예 4>&Lt; Comparative Example 4 &

상기 실시예 1에서 상기 단계 1의 NiCl2 함량을 300 mg으로 달리하여 멜라민 대비 NiCl2가 30 % 함유된 혼합분말을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that the NiCl 2 content of the step 1 was changed to 300 mg to prepare a mixed powder containing 30% of NiCl 2 relative to melamine. Thus, nickel-doped nitrided An oxygen generating reaction catalyst containing carbon (Ni-C 3 N 4 ) was prepared.

<실험예 1> 주사전자현미경(SEM) 분석<Experimental Example 1> Scanning Electron Microscope (SEM) Analysis

본 발명에 따라 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 형상을 확인하기 위하여 이하와 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was conducted to confirm the shape of the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) prepared according to the present invention.

실시예 1 및 3에 의해 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 미세구조를 관찰하였으며, 그 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다.The microstructure was observed using a scanning electron microscope (SEM) on the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) prepared in Examples 1 and 3, 1 and Fig.

도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 3에 의해 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매 모두 층상구조 즉, 그래피틱(graphitic) 질화탄소(g-C3N4) 구조를 갖는 것을 알 수 있다.As shown in Figs. 1 and 2, all of the oxygen generating reaction catalysts comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced by Examples 1 and 3 have a layered structure, i.e., It can be seen that it has a carbon nitride (gC 3 N 4 ) structure.

이를 통해, 본 발명의 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매는 그래피틱 질화탄소(g-C3N4) 구조로 인해 낮은 밴드갭, 높은 열적 안정성 및 촉매활성을 가질 것으로 예상해 볼 수 있다. Accordingly, the oxygen generating reaction catalyst comprising the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) of the present invention has a low band gap, high thermal stability, and high catalytic activity due to the graphitic carbon nitride (gC 3 N 4 ) It can be expected to have an activity.

<실험예 2> 투과전자현미경(TEM) 분석<Experimental Example 2> Transmission electron microscope (TEM) analysis

본 발명에 따라 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 형상을 확인하기 위하여 이하와 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was conducted to confirm the shape of the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) prepared according to the present invention.

실시예 3에 의해 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 미세구조를 관찰하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.The microstructure of the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) prepared in Example 3 was observed using a transmission electron microscope (TEM) Respectively.

도 3에 나타난 바와 같이, 실시예 3에 의해 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매는 다공성(porous) 구조를 갖는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 3, the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced by Example 3 has a porous structure.

이를 통해, 본 발명의 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매는 다공성(porous) 구조로 인해 촉매 활성이 우수할 것으로 예상해 볼 수 있다.Accordingly, it is expected that the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) according to the present invention has excellent catalytic activity due to the porous structure.

<실험예 3> X-선 광전자 분광기(XPS) 분석Experimental Example 3 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis

본 발명에 따라 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 구성성분들의 비율을 확인하기 위하여 이하와 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was conducted to confirm the proportion of the components of the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) prepared according to the present invention.

실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 의해 제조된 질화탄소(C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매에 대하여 X-선 광전자 분광기(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)를 이용하여 성분 분석을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was applied to the oxygen generating reaction catalyst containing carbon nitride (C 3 N 4 ) prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 The results are shown in Table 1 below.

C
(원자%)
C
(atom%)
N
(원자%)
N
(atom%)
O
(원자%)
O
(atom%)
Ni
(원자%)
Ni
(atom%)
Cl
(원자%)
Cl
(atom%)
C/N
(원자%)
C / N
(atom%)
C/O
(원자%)
C / O
(atom%)
비교예1Comparative Example 1 49.4049.40 45.9945.99 4.614.61 00 00 1.071.07 10.7110.71 비교예2Comparative Example 2 47.7147.71 43.2243.22 7.277.27 0.150.15 00 1.101.10 6.566.56 비교예3Comparative Example 3 48.6648.66 47.4247.42 3.723.72 0.210.21 00 1.031.03 13.0813.08 실시예1Example 1 45.1845.18 49.449.4 4.44.4 0.520.52 00 0.910.91 10.2710.27 실시예2Example 2 47.1547.15 46.5646.56 4.444.44 1.851.85 00 1.101.10 10.6210.62 실시예3Example 3 43.1043.10 48.8848.88 4.694.69 2.302.30 00 0.880.88 9.199.19 실시예4Example 4 45.5645.56 46.1846.18 3.253.25 2.362.36 00 0.990.99 14.0214.02 비교예4Comparative Example 4 48.1448.14 43.4343.43 2.932.93 2.742.74 00 1.111.11 13.0813.08

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 의해 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 경우, 제조시 사용되는 NiCl2의 함량이 증가할수록 질화탄소(Ni-C3N4)에 도핑되는 니켈의 함량이 점차 증가한 것을 알 수 있다.As shown in Table 1, in the case of the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced by Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3, The content of nickel doped in carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) gradually increases as the content of NiCl 2 increases.

이를 통해, 본 발명의 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매는 제조 시 사용되는 니켈 전구체의 함량에 의해 질화탄소(Ni-C3N4)에 도핑되는 니켈의 함량이 조절되는 것을 알 수 있다. Thereby, the oxygen generating reaction catalyst which nickel comprises the doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4) of the present invention is doped with the content of is used in the manufacture of nickel precursor to carbon nitride (Ni-C 3 N 4) It is understood that the content of nickel is controlled.

<실험예 4> X-선 회절분석기(XRD) 상 분석<Experimental Example 4> X-ray diffractometer (XRD) phase analysis

본 발명에 따라 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매와 그래피틱(graphitic) 질화탄소(g-C3N4)의 상을 비교하기 위하여 이하와 같은 실험을 수행하였다.In order to compare the phases of the oxygen generating reaction catalyst and the graphitic carbon nitride (gC 3 N 4 ) containing nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) prepared according to the present invention, Experiments were performed.

실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에 의해 제조된 질화탄소(C3N4)에 대하여, X-선 회절분석기(X-ray diffraction, XRD)를 이용하여 상 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.Phase analysis was performed on the carbon nitride (C 3 N 4 ) produced by Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 using an X-ray diffraction (XRD) Is shown in Fig.

도 4에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3, 비교예 2 및 비교예 3에 의해 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)는 비교예 1의 그래피틱(graphitic) 질화탄소(g-C3N4)와 동일한 상을 갖는 것을 알 수 있다. 즉, 질화탄소(C3N4)에 니켈(Ni)이 포함됨으로 인한 상 변화는 없는 것을 알 수 있으며, 이를 통해, 상기 니켈(Ni)이 질화탄소(C3N4)에 도핑되어 있는 것으로 볼 수 있다.As shown in FIG. 4, the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced by Examples 1 to 3, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 had a graphitic carbon nitride (gC &lt; 3 &gt; N &lt; 4 &gt;). That is, that the phase change of nickel on carbon nitride (C 3 N 4) (Ni) is due to the included may be seen that not, through them, the nickel (Ni) is doped in the carbon nitride (C 3 N 4) can see.

<실험예 5> FT-IR 상 분석<Experimental Example 5> FT-IR analysis

본 발명에 따라 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매와 그래피틱(graphitic) 질화탄소(g-C3N4)의 상을 비교하기 위하여 이하와 같은 실험을 수행하였다.In order to compare the phases of the oxygen generating reaction catalyst and the graphitic carbon nitride (gC 3 N 4 ) containing nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) prepared according to the present invention, Experiments were performed.

실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에 의해 제조된 질화탄소(C3N4)에 대하여, FT-IR 분석기를 이용하여 상 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.Phase analysis was performed on the carbon nitride (C 3 N 4 ) produced by Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 using an FT-IR analyzer, and the results are shown in FIG.

도 5에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3, 비교예 2 및 비교예 3에 의해 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)는 비교예 1의 그래피틱(graphitic) 질화탄소(g-C3N4)와 동일한 상을 갖는 것을 알 수 있다. 즉, 질소(C3N4)에 니켈(Ni)이 포함됨으로 인한 상 변화는 없는 것을 알 수 있으며, 이를 통해, 실험예 4에서의 결과와 같이 상기 니켈(Ni)이 질화탄소(C3N4)에 도핑되어 있는 것으로 볼 수 있다.As shown in FIG. 5, the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced by Examples 1 to 3, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 had a graphitic carbon nitride (gC &lt; 3 &gt; N &lt; 4 &gt;). That is, a nitrogen (C 3 N 4) in the nickel (Ni) is a phase change caused by incorporated can be seen that no, through which, the nickel (Ni) The carbon nitride as the results obtained in Experimental Example 4 (C 3 N 4 ). &Lt; / RTI &gt;

<실험예 6> 열중량(TGA) 분석<Experimental Example 6> Thermogravimetric analysis (TGA) analysis

본 발명에 따라 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 열안정성을 확인하기 위해 이하와 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was conducted to confirm the thermal stability of the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) prepared according to the present invention.

실시예 1 내지 3에 의해 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)에 대하여, 열중량 분석(Thermogravimetry Analysis, TGA) 실험을 수행하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.Thermogravimetry analysis (TGA) experiments were performed on the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) prepared in Examples 1 to 3, and the results are shown in FIG.

도 6에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4) 모두 550 ℃ 이하에서 질량변화가 없으며, 550 ℃ 내지 700 ℃ 사이에서 질량이 급격하게 감소하는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 제조방법으로 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매는 열 안정성이 우수할 것으로 예상해 볼 수 있다.As shown in Fig. 6, all of the nickel-doped carbon niobium carbide (Ni-C 3 N 4 ) produced by Examples 1 to 3 had no mass change at 550 캜 or lower, and the mass rapidly increased between 550 캜 and 700 캜 As shown in FIG. Accordingly, the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced by the production method of the present invention can be expected to have excellent thermal stability.

<실험예 7> 산소발생반응(OER) 촉매 활성 분석<Experimental Example 7> Oxygen generating reaction (OER) catalytic activity analysis

본 발명에 따라 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 산소발생반응(oxygen evolution reaction, OER) 활성을 확인하기 위하여 이하와 같은 실험을 수행하였다.The following experiments were conducted to confirm the oxygen evolution reaction (OER) activity of the oxygen generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) prepared according to the present invention .

촉매전극 제조Catalyst electrode manufacturing

실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 질화탄소(g-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매 각각을 00.99 ml의 에탄올, 0.99 ml의 물, 20 μL의 나피온을 포함한 용매에 약 2 mg씩 넣어 충분히 분산시켜 촉매 용액을 제조하였다.Each of the oxygen generating reaction catalysts containing the carbon nitride (gC 3 N 4 ) prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 was dissolved in a solvent containing 00.99 ml of ethanol, 0.99 ml of water and 20 μl of Nafion To prepare a catalyst solution.

상기 촉매용액을 작업전극에 5 μL씩 2번 로딩하여 79.58 μg/cm2 만큼 올려 건조시켜 각각에 대한 촉매전극을 형성하였다. 상기 작업전극은 3 mm의 유리질 탄소(glassy carbon)의 회전 전극(rotation disk electode, RDE 전극)을 사용하였다.The catalyst solution was loaded twice onto the working electrode in 5 μL increments to yield 79.58 μg / cm 2 And dried to form catalyst electrodes for each of them. The working electrode used was a rotation disk electrode (RDE electrode) of 3 mm glassy carbon.

산소발생반응(oxygen evolution reaction, Oxygen evolution reaction (oxygen evolution reaction, OEROER ) 활성 평가) Evaluation of activity

상기 촉매전극, 황산수은전극(mercury surface electrode, MSE)의 기준 전극 및 백금선(Pt wire)의 상대 전극과 함께 1 몰의 수산화칼륨(KOH) 전해액에 담근 후 전극의 회전속도를 1600 rpm로 고정한 후 1.2 V 에서 1.8 V까지 5m V/s의 속도로 스캔하여 전류-전위값을 측정하여 그 결과를 도 7 및 도 8에 나타내었다. 이때, 도 7의 그래프에서의 개시 전위(on set potential) 값을 하기 표 2에 나타내었다.The electrode was immersed in a 1 molar potassium hydroxide (KOH) electrolyte solution together with the catalyst electrode, a reference electrode of a mercury surface electrode (MSE) and a counter electrode of a platinum wire (Pt wire) The current-potential value was measured by scanning from 1.2 V to 1.8 V at a speed of 5 mV / s and the results are shown in FIG. 7 and FIG. The onset potential values in the graph of FIG. 7 are shown in Table 2 below.

산소발생반응 촉매의 활성은 개시 전위(on set potential)이 작을수록, 전류밀도가 클수록 효율이 좋다고 볼 수 있다. The activity of the oxygen generating reaction catalyst can be considered as the smaller the onset potential and the higher the current density, the better the efficiency.

개시전위값(onset potential)(V vs. RHE) The onset potential (V vs. RHE) 비교예1(g-C3N4)Comparative Example 1 (g-C3N4) 1.681.68 비교예2(NiCl2-10 ml)Comparative Example 2 (NiCl 2 -10 ml) 1.681.68 비교예3(NiCl2-30 ml)Comparative Example 3 (NiCl 2 -30 ml) 1.651.65 실시예1(NiCl2-50 ml)Example 1 (NiCl 2 -50 ml) 1.611.61 실시예2(NiCl2-70 ml)Example 2 (NiCl 2 -70 ml) 1.601.60 실시예3(NiCl2-100 ml)Example 3 (NiCl 2 -100 ml) 1.581.58 실시예4(NiCl2-200 ml)Example 4 (NiCl 2 -200 ml) 1.541.54 비교예4(NiCl2-300 ml)Comparative Example 4 (NiCl 2 -300 ml) 1.541.54

상기 표 2 및 도 7에 나타난 바와 같이, 니켈의 도핑 함량이 많은 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매일수록, 개시 전위(on set potential)값이 낮아지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 8의 타펠 기울기(tafel slope)에서 나타난 바와 같이, 실시예 3 및 4에 의해 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)의 경우, 각각 88 mV/dec 및 60 mV/dec로 비교예 1에 의해 제조된 그래피틱 질화탄소(g-C3N4)보다 낮은 파텔 기울기(tafel slope)를 나타내는 것을 알 수 있으며, 이를 통해, 실시예 3 및 4에 의해 제조된 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)의 경우가 보다 높은 촉매 활성을 나타내는 것을 알 수 있다.As shown in Table 2 and FIG. 7, it can be seen that the oxygen generation reaction catalyst containing carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) having a high nickel doping content has a lower onset potential value have. In addition, as shown in the tafel slope of FIG. 8, the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) produced by Examples 3 and 4 exhibited 88 mV / dec and 60 mV / dec shows a lower tafel slope than the graphitic nitriding carbon (gC 3 N 4 ) produced by Comparative Example 1, whereby the nickel prepared according to Examples 3 and 4 is doped (Ni-C 3 N 4 ) exhibited higher catalytic activity.

Claims (10)

니켈 전구체가 질화탄소(C3N4) 전구체의 질량 대비 5 내지 20 질량%로 함유되어 제조되는 것을 특징으로 하는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매.
(Ni-C 3 N 4 ), wherein the nickel precursor is contained in an amount of 5 to 20 mass% based on the mass of the carbon nitride (C 3 N 4 ) precursor. .
제1항에 있어서, 상기 촉매는 층상구조 및 다공성을 갖는 것을 특징으로 하는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매.
The oxygen-generating reaction catalyst according to claim 1, wherein the catalyst has a layered structure and a porosity, and comprises nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ).
제1항에 있어서, 상기 촉매는 층상구조를 갖는 니켈이 도핑된 그래피틱 질화탄소(Ni-g-C3N4)인 것을 특징으로 하는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매.
The method of claim 1, wherein the catalyst comprises a carbon nitride (Ni-C 3 N 4) of nickel is doped, it characterized in that the nickel has a layer structure of the Photography tick carbon nitride (Ni-gC 3 N 4) doped Oxygen generating reaction catalyst.
니켈 전구체, 질화탄소(carbon nitride, C3N4) 전구체 및 용매를 혼합한 후 상기 용매를 기화시켜 혼합분말을 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1의 혼합분말을 질소 분위기에서 가열하여 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 제조하는 단계(단계 2);를 포함하되,
상기 니켈 전구체가 상기 질화탄소 전구체의 질량 대비 5 내지 20 질량%로 함유되는 것을 특징으로 하는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 제조방법.
Mixing a nickel precursor, a carbon nitride (C 3 N 4 ) precursor and a solvent, and then vaporizing the solvent to prepare a mixed powder (Step 1); And
(Step 2) of preparing an oxygen-generating reaction catalyst comprising nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) by heating the mixed powder of step 1 in a nitrogen atmosphere,
Wherein the nickel precursor is contained in an amount of 5 to 20% by mass based on the mass of the carbon nitride precursor, and the nickel precursor is nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ).
제4항에 있어서, 상기 단계 1의 니켈 전구체는 니켈 클로라이드(II) 하이드레이트(NiCl2ㆍ6H2O) 화합물을 포함하는 할로겐화 니켈 화합물인 것을 특징으로 하는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 제조방법.
The method of claim 4, wherein the nickel precursor of step 1 is nickel chloride (II) hydrate (NiCl 2 and 6H 2 O) halogenated nickel compound, characterized in nickel nitride carbon (Ni-C 3 doping comprises the compound N 4 ). &Lt; / RTI &gt;
제4항에 있어서, 상기 단계 1의 질화탄소(carbon nitride, C3N4) 전구체는 우레아, 멜라민(2-amino-4,6-dichlorotriazine), 염화시아눌(cyanuric chloride), 시안아미드화칼슘(calcium cyanamide), 나트륨아미드(sodium amide), 멜렘(2,5,8-triamino-tri-striazine), 시안아미드(cyanamide), 다이시안다이아마이드(dicyandiamide,DCDA) 및 이들의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 제조방법.
The method of claim 4, wherein the carbon nitride (C 3 N 4 ) precursor of step 1 is selected from the group consisting of urea, 2-amino-4,6-dichlorotriazine, cyanuric chloride, from the group consisting of calcium cyanamide, sodium amide, 2,5,8-triamino-tri-striazine, cyanamide, dicyandiamide (DCDA) (Ni-C 3 N 4 ) doped with nickel, characterized in that the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 )
제4항에 있어서, 상기 단계 1의 용매는 에탄올, 아세톤 및 물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 제조방법.
5. The oxygen-generating reaction catalyst according to claim 4, wherein the solvent of step 1 is one selected from the group consisting of ethanol, acetone, and water, and comprises nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) Gt;
제4항에 있어서, 상기 단계 2의 가열은 500 내지 600 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매의 제조방법.
5. The method according to claim 4, wherein the heating in step 2 is performed at 500 to 600 ° C. The method for producing an oxygen generating reaction catalyst according to claim 4, wherein the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) is nickel.
제1항의 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 포함하는 연료 전지용 전극.
An electrode for a fuel cell comprising an oxygen-generating reaction catalyst comprising the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) of claim 1.
제1항의 니켈이 도핑된 질화탄소(Ni-C3N4)를 포함하는 산소발생반응 촉매를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising an oxygen-generating reaction catalyst comprising the nickel-doped carbon nitride (Ni-C 3 N 4 ) of claim 1.
KR1020160060099A 2016-05-17 2016-05-17 Oxygen evolution reaction catalyst comprising Ni-doped carbon nitride and preparation methods of the same KR101753662B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160060099A KR101753662B1 (en) 2016-05-17 2016-05-17 Oxygen evolution reaction catalyst comprising Ni-doped carbon nitride and preparation methods of the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160060099A KR101753662B1 (en) 2016-05-17 2016-05-17 Oxygen evolution reaction catalyst comprising Ni-doped carbon nitride and preparation methods of the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101753662B1 true KR101753662B1 (en) 2017-07-04

Family

ID=59356744

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160060099A KR101753662B1 (en) 2016-05-17 2016-05-17 Oxygen evolution reaction catalyst comprising Ni-doped carbon nitride and preparation methods of the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101753662B1 (en)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108654665A (en) * 2018-03-30 2018-10-16 广东工业大学 A kind of ultra-thin carbon nitride photocatalyst and its preparation method and application
CN109078649A (en) * 2018-08-01 2018-12-25 陕西师范大学 A kind of transition metal-nitrogen-doped carbon based composites and preparation method thereof
CN109599566A (en) * 2017-09-30 2019-04-09 上海汽车集团股份有限公司 A kind of carbon-based non-noble metal compound elctro-catalyst of Heteroatom doping and preparation method thereof
CN109921040A (en) * 2017-12-12 2019-06-21 中国科学院大连化学物理研究所 The carbon-based elctro-catalyst of a kind of Ni, Fe doping and its preparation and application
KR20200068329A (en) 2018-12-05 2020-06-15 인하대학교 산학협력단 Ni particles encapsulated with carbon nitride shell as excellent electrocatalysts for oxygen evolution reaction
KR20200125498A (en) 2019-04-26 2020-11-04 연세대학교 산학협력단 Platinum atom multiple doped gold nanocluster and method for producing the same, and catalyst for oxygen reduction reaction
KR20200125497A (en) 2019-04-26 2020-11-04 연세대학교 산학협력단 Platinum atom multiple doped silver nanocluster and method for producing the same, and nanocluster catalyst for oxygen reduction reaction
CN114808009A (en) * 2021-11-18 2022-07-29 青岛科技大学 Preparation of N, O CO-regulated Ni/N doped porous carbon tube and CO thereof 2 Application of electroreduction
CN116154200A (en) * 2022-12-30 2023-05-23 郑州大学 Multi-metal atom supported carbon nitride catalyst and application thereof

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Jingqi Tian 외 4, Ultrathin Graphite C3N4 Nanosheets/Graphene Composites: Organic Electrocatalyst for Oxygen Evolution Reaction, ChemSusChem, Vol.7, pp.2125~2130 (2014.08.)
Lingling Bi 외 5, Metal Ni-loaded g-C3N4 for enhanced photocatalytic H2 evolution activity: the change in surface band bending, Phys.Chem.Che,.Phys., Vol.17, pp.29899~29905 (2015)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109599566A (en) * 2017-09-30 2019-04-09 上海汽车集团股份有限公司 A kind of carbon-based non-noble metal compound elctro-catalyst of Heteroatom doping and preparation method thereof
CN109921040A (en) * 2017-12-12 2019-06-21 中国科学院大连化学物理研究所 The carbon-based elctro-catalyst of a kind of Ni, Fe doping and its preparation and application
CN108654665A (en) * 2018-03-30 2018-10-16 广东工业大学 A kind of ultra-thin carbon nitride photocatalyst and its preparation method and application
CN109078649A (en) * 2018-08-01 2018-12-25 陕西师范大学 A kind of transition metal-nitrogen-doped carbon based composites and preparation method thereof
CN109078649B (en) * 2018-08-01 2021-07-16 陕西师范大学 Transition metal-nitrogen doped carbon-based composite material and preparation method thereof
KR20200068329A (en) 2018-12-05 2020-06-15 인하대학교 산학협력단 Ni particles encapsulated with carbon nitride shell as excellent electrocatalysts for oxygen evolution reaction
KR102170302B1 (en) * 2018-12-05 2020-10-26 인하대학교 산학협력단 Ni particles encapsulated with carbon nitride shell as excellent electrocatalysts for oxygen evolution reaction
KR20200125498A (en) 2019-04-26 2020-11-04 연세대학교 산학협력단 Platinum atom multiple doped gold nanocluster and method for producing the same, and catalyst for oxygen reduction reaction
KR20200125497A (en) 2019-04-26 2020-11-04 연세대학교 산학협력단 Platinum atom multiple doped silver nanocluster and method for producing the same, and nanocluster catalyst for oxygen reduction reaction
CN114808009A (en) * 2021-11-18 2022-07-29 青岛科技大学 Preparation of N, O CO-regulated Ni/N doped porous carbon tube and CO thereof 2 Application of electroreduction
CN114808009B (en) * 2021-11-18 2024-04-05 青岛科技大学 Preparation of N, O CO-regulated Ni/N doped porous carbon tube and CO thereof 2 Application of electroreduction
CN116154200A (en) * 2022-12-30 2023-05-23 郑州大学 Multi-metal atom supported carbon nitride catalyst and application thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101753662B1 (en) Oxygen evolution reaction catalyst comprising Ni-doped carbon nitride and preparation methods of the same
Li et al. Nitrogen vacancies enriched Ce-doped Ni3N hierarchical nanosheets triggering highly-efficient urea oxidation reaction in urea-assisted energy-saving electrolysis
Zhang et al. MOF-derived nanohybrids for electrocatalysis and energy storage: current status and perspectives
Fu et al. Defect engineering of chalcogen‐tailored oxygen electrocatalysts for rechargeable quasi‐solid‐state zinc–air batteries
Chen et al. NiSe‐Ni0. 85Se heterostructure nanoflake arrays on carbon paper as efficient electrocatalysts for overall water splitting
Zhong et al. Transition metal carbides and nitrides in energy storage and conversion
Xi et al. (Fe, Co)@ nitrogen-doped graphitic carbon nanocubes derived from polydopamine-encapsulated metal–organic frameworks as a highly stable and selective non-precious oxygen reduction electrocatalyst
Chen et al. Cobalt, nitrogen-doped porous carbon nanosheet-assembled flowers from metal-coordinated covalent organic polymers for efficient oxygen reduction
Wang et al. Porous N, S-codoped carbon architectures with bimetallic sulphide nanoparticles encapsulated in graphitic layers: highly active and robust electrocatalysts for the oxygen reduction reaction in Al-air batteries
KR100612896B1 (en) Mesoporous carbon and method of producing the same
Wan et al. Oxygen-evolution catalysts based on iron-mediated nickel metal–organic frameworks
Zhang et al. Tailoring the morphology of Pt 3 Cu 1 nanocrystals supported on graphene nanoplates for ethanol oxidation
KR102222036B1 (en) Method for Preparing Atomatically Dispersed Metal-doped Carbonaceous Hollow Composites by Spray Pyrolysis and Use Thereof
US20190055657A1 (en) Oxygen evolution electrocatalysts with carbon coated cobalt (ii, iii) oxide layers
Khalid et al. Metallic single-atoms confined in carbon nanomaterials for the electrocatalysis of oxygen reduction, oxygen evolution, and hydrogen evolution reactions
Bähr et al. Nitrogen-doped mesostructured carbon-supported metallic cobalt nanoparticles for oxygen evolution reaction
KR102004036B1 (en) Porous carbon and method of manufacturing thereof
JP4815823B2 (en) Fuel cell catalyst and method for producing the same, fuel cell electrode and fuel cell using the same
WO2015083383A1 (en) Electrode catalyst for water electrolysis, and water electrolysis device using the same
Huang et al. 3D hierarchical CMF/MoSe2 composite foam as highly efficient electrocatalyst for hydrogen evolution
Ganesan et al. Self-humidifying manganese oxide-supported Pt electrocatalysts for highly-durable PEM fuel cells
KR20200086080A (en) Oxygen evolution reaction catalyst comprising Ni and Fe-doped carbon nitride and preparation methods of the same
Xu et al. Selective-leaching method to fabricate an Ir surface-enriched Ir-Ni oxide electrocatalyst for water oxidation
Lv et al. Synthesis and activities of IrO2/Ti1− xWxO2 electrocatalyst for oxygen evolution in solid polymer electrolyte water electrolyzer
Li et al. Rational design of self-supported WC/Co3W3N/Co@ NC yolk/shell nitrogen-doped porous carbon catalyst for highly efficient overall water splitting

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant