KR101781442B1 - Carbon catalyst comprising surfur and nitrogen with doped iron and preparing method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an iron-doped nitrogen/sulfur-containing carbon catalyst, and a production method thereof. More specifically, provided is an iron-doped nitrogen/sulfur-containing carbon catalyst consisting of: an iron precursor; a spherical organic ligand framework surrounding the iron precursor; a graphene sheet coupled to the outside of the organic ligand framework; and a carbon nanofiber coupled to the outside of the organic ligand framework. According to the present invention, the iron-doped nitrogen/sulfur-containing carbon catalyst produced thereby can be used in an oxygen reduction reaction. Particularly, the iron-doped nitrogen/sulfur-containing carbon catalyst produced in the present invention exhibits outstanding oxygen reduction activities, long-term circulation stability, and methanol durability under alkali condition.

Description

철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 및 이의 제조방법{Carbon catalyst comprising surfur and nitrogen with doped iron and preparing method thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a carbon catalyst containing iron-doped nitrogen and sulfur and to a process for preparing the same.

본 발명은 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 백금, 금, 팔라듐, 및 이들 합금 나노 입자들에 비해 우수한 산소환원활성 및 제한전류밀도를 가질 수 있는 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon catalyst comprising iron-doped nitrogen and sulfur and a process for preparing the same, and more particularly to a carbon catalyst comprising iron-doped nitrogen and sulfur, To a carbon catalyst comprising iron-doped nitrogen and sulfur and to a process for their preparation.

산소환원반응(oxygen reduction reaction; 이하 'ORR')은 연료전지 및 금속-공기 전지와 같은 재생에너지 기술에서 결정적이고, 핵심 공정이다. ORR에서 공통적으로 쓰이는 촉매는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 이들의 합금 나노입자들이다. 그러나, 상기 촉매들은 제한된 자원, 고비용, 낮은 안정성, 및 높은 과전압(overpotential)의 특성 때문에 실제 적용에 장애가 되고 있다.An oxygen reduction reaction (ORR) is a critical and critical process in renewable energy technologies such as fuel cells and metal-air cells. Commonly used catalysts in ORR are platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd) and their alloy nanoparticles. However, these catalysts are hampering practical applications due to limited resources, high cost, low stability, and high overpotential characteristics.

따라서, 산화물, 질화물, 및 칼코게나이드와 같은 전이금속계 물질은 저비용일 뿐만 아니라, Pt 촉매와 비교하였을 때 ORR 성능이 우수하기 때문에 상당한 관심을 받고 있으나, 전이금속계 물질의 실제 적용을 위해서는 이들의 안정성 및 촉매특성을 고려하였을 때 여전히 적절하지 않다고 보고되고 있다.Therefore, transition metal-based materials such as oxides, nitrides, and chalcogenides are not only inexpensive, but also have a great interest because of their excellent ORR performance when compared to Pt catalysts. However, for practical application of transition metal- And catalyst properties, it is still not appropriate.

다양한 분야에 적용하기 위해 중요하고 바람직한 요소인 높은 표면적, 높은 결정도, 및 우수한 전도성을 가지고 있는 탄소나노튜브(carbon nanotube; 이하 'CNT') 및 그래핀과 같은 탄소 물질이 고려되고 있다.Carbon materials such as carbon nanotubes (CNTs) and graphene, which have high surface area, high crystallinity, and good conductivity, which are important and desirable factors for various applications, are considered.

특히 화학기상증착법(chemical vapor deposition; 이하 'CVD') 및 다양한 외부 자원의 혼합물의 열분해에 의해 헤테로 원자(예를 들어, N, S, P, 및 B)을 CNT 및 그래핀과 같은 탄소 물질에 도핑하였을 때, 이러한 물질들은 우수한 촉매활성을 나타내었고, 특히, 질소가 도핑된 탄소 물질은 그래핀과 질소 고립전자쌍 사이에 컨쥬게이션에서 기원된 고유하고, 우수한 ORR 특성을 나타내었다.(E.g., N, S, P, and B) to a carbon material such as CNTs and graphene by thermal decomposition of a mixture of various external sources, especially chemical vapor deposition When doped, these materials exhibited excellent catalytic activity, and in particular, the nitrogen-doped carbon material exhibited unique and excellent ORR characteristics originating in conjugation between graphene and a nitrogen lone electron pair.

이러한 물질들의 도핑은 외부 질소 전구체에 의존한다. 그러나, 외부 질소 전구체는 여전히 효율적인 도핑을 위해 불안정적이다. 따라서, 다공성 탄소 촉매를 위한 템플릿으로서 적합한 전구체를 이용한 방법의 개발이 필요하다.The doping of these materials depends on the external nitrogen precursor. However, the external nitrogen precursor is still unstable for efficient doping. Therefore, there is a need to develop a method using precursors suitable as templates for porous carbon catalysts.

다공성 탄소 촉매를 위한 템플릿으로서 적합한 전구체로 금속-유기 구조체(Metal-organic frameworks; 이하 'MOFs') 또는 배위 고분자(coordination polymers)가 제안되었다. 이는 가스저장, 분리, 센싱, 약물 전달, 및 촉매 작용과 같은 다양한 분야에서 잠재적인 적용이 가능하기 때문에 MOFs와 배위 고분자는 산업 및 학계에서 상당한 관심을 받고 있다.Metal-organic frameworks (MOFs) or coordination polymers have been proposed as suitable precursors for the template for porous carbon catalysts. MOFs and coordination polymers have received considerable interest in industry and academia because of their potential applications in a variety of fields such as gas storage, separation, sensing, drug delivery, and catalysis.

MOFs는 유기 리간드(N, O, 및 S을 갖는 원자)와 금속 이온을 이용함으로써 준비할 수 있다. MOFs의 다양한 금속 이온과 유기 빌딩블록(organic building blocks), 및 다양한 표면 형상의 가능성에 기인하여, 탄소 촉매의 준비를 위한 적합한 전구체로 이용되고 있으며, 또한 에너지 변환 및 다른 적용을 위한 다공성 탄소 및 금속 산화물을 준비하기 위해 전구체/템플레이트로서 이용되고 있다.MOFs can be prepared by using an organic ligand (an atom having N, O, and S) and a metal ion. Due to the various metal ions and organic building blocks of MOFs, and the possibility of various surface morphologies, they are being used as suitable precursors for the preparation of carbon catalysts, and also for the production of porous carbon and metals for energy conversion and other applications Are used as precursors / templates to prepare oxides.

예를 들어, ORR에 대한 전기촉매 활성이 증명된 질소가 도핑된 탄소로부터 유래된 제올리틱 이미다졸레이트 구조체(zeolitic imidazolate framework; 이하 'ZIF') 및 철계 금속-유기 구조체(iron-based metal-organic frameworks)는 흑연을 준비하기 위해 이용하였고, 우수한 산소의 감소와 높은 용량을 위해 다공성 탄소의 크기를 통제하였다.For example, zeolitic imidazolate framework (ZIF) and iron-based metal-organic structures derived from nitrogen-doped carbon, which have demonstrated electrocatalytic activity against ORR, organic frameworks were used to prepare graphite and controlled the size of the porous carbon for good oxygen reduction and high capacity.

또한, 용량 연구를 위해 ZIF-8 및 ZIF-67의 씨드-매개 성장을 통해 코어-쉘 구조화된 탄소를 준비하였다. 그러나, 바람직한 형상을 갖는 해테로원자-부유한 MOFs의 부족으로 인하여 MOFs를 포함하는 이원화 해테로원자에 대한 연구에 대해서는 보고된 바 없다.Core-shell structured carbons were also prepared through seed-mediated growth of ZIF-8 and ZIF-67 for capacity studies. However, due to the lack of Heteroatom-rich MOFs with the desired shape, no studies have been reported on heterodimerized heteroatoms containing MOFs.

주로 질소가 도핑된 촉매로 이루어진 MOFs 탄소 재료는 MOFs를 이용한 이원화 헤테로원자가 도핑된 촉매에 대해서는 몇몇 연구에서 보고된 바 있으나, MOFs 및 2차 외부 전구체의 조합으로부터 이원화 헤테로원자가 도핑된 탄소를 준비한 예는 없다.MOFs consisting mainly of nitrogen doped catalysts have been reported in several studies for binary heteroatom-doped catalysts using MOFs, but an example of preparing a carbon doped with a heteroatom from a combination of MOFs and a second external precursor none.

또한, 최근 연구에서는 질소를 포함하는 탄소에 철 또는 코발트를 도핑하였을 때 개선된 ORR 활성에 대해 보고된 바 있으나, 비록 질소 및 철/코발트가 도핑된 탄소 촉매가 광범위하게 연구되었다 할지라도 저비용 및 고효율성을 갖는 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 활성을 평가한 예는 없다.In addition, recent studies have reported improved ORR activity when doping carbon containing nitrogen with iron or cobalt, but even though nitrogen and iron / cobalt doped carbon catalysts have been extensively studied, low cost and high efficiency There is no example of evaluating the carbon catalyst activity including iron-doped nitrogen and sulfur with iron-doped nitrogen.

따라서, 산화환원 촉매, 배터리, 초고용량 커패시터, 전극 촉매 물질 등으로 매우 광범위하게 응용할 수 있도록 고유의 전구체를 이용한 고성능의 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매를 연구 개발하는 것이 시급한 실정이다.Therefore, it is urgent to research and develop a high-performance iron-doped carbon catalyst including nitrogen and sulfur using a unique precursor so as to be widely applicable to an oxidation-reduction catalyst, a battery, a super high capacity capacitor, and an electrode catalyst material.

대한민국 공개특허 제2011-0138255호Korean Patent Publication No. 2011-0138255

본 발명의 목적은 자원의 제한, 고비용, 저 안정성 및 높은 과전압으로 인해 실질적인 응용이 제한되는 백금, 금, 팔라듐, 및 이들 합금 나노 입자 등의 기존의 촉매물질을 대체할 수 있는 저비용의 고효율성을 가지는 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 있다.It is an object of the present invention to provide a process for the production of a catalyst having a low cost and high efficiency capable of replacing existing catalyst materials such as platinum, gold, palladium, and their alloy nanoparticles whose practical application is limited due to resource limitation, high cost, low stability, A carbon catalyst containing iron-doped nitrogen and sulfur, and a process for producing the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 철 전구체; 상기 철 전구체를 둘러싸도록 형성된 구 형태의 유기리간드 골격체; 상기 유기리간드 골격체의 외부에 결합된 그래핀 시트; 및 상기 유기리간드 골격체의 외부에 결합된 카본나노섬유를 포함하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매를 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides an iron precursor; A spherical organic ligand skeleton formed to surround the iron precursor; A graphene sheet bonded to the outside of the organic ligand skeleton; And carbon nanofibers bonded to the outside of the organic ligand skeleton. The present invention also provides a carbon catalyst comprising iron-doped nitrogen and sulfur.

또한 본 발명은 상기 탄소 촉매를 포함하는, 센서를 제공한다.The present invention also provides a sensor comprising the carbon catalyst.

또한 본 발명은 용매에 아연 전구체, 질소(nitrogen)와 황(sulfur)을 함유한 유기리간드, 및 폴리비닐피롤리돈을 혼합한 후 반응시켜 복합체로 이루어진 고분자인 구 형태의 아연-유기리간드 골격체를 준비하는 단계; 상기 아연-유기리간드 골격체와 철 전구체를 증류수에 혼합하고 교반시켜 철이 도핑된 골격체를 합성하는 단계; 상기 철이 도핑된 골격체를 질소 분위기 하에서 탄화시켜 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매를 합성하는 단계; 및 상기 탄소 촉매 내에 아연을 제거하여 탄소촉매를 활성화시키는 단계를 포함하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a process for preparing a zinc-organic ligand skeleton (hereinafter referred to as " zinc-organic ligand skeleton ") which is a polymer composed of a zinc precursor, an organic ligand containing nitrogen and sulfur and a polyvinylpyrrolidone, ; Mixing the zinc-organic ligand skeleton and the iron precursor with distilled water and stirring to synthesize an iron-doped skeleton; Carbonizing the iron-doped skeleton in a nitrogen atmosphere to synthesize a carbon catalyst containing iron-doped nitrogen and sulfur; And removing the zinc in the carbon catalyst to activate the carbon catalyst. The present invention also provides a method for preparing a carbon catalyst comprising iron-doped nitrogen and sulfur.

본 발명에 따른 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매를 산소환원반응에 이용할 수 있다.The iron-doped carbon and the sulfur-containing carbon catalyst according to the present invention can be used for the oxygen reduction reaction.

특히 본 발명에 따른 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매는 개시 전위 및 반파전위는 각각 0.026 V 및 -0.131 V을 나타내어 현저한 산소환원활성을 나타낼 수 있다.In particular, the iron-doped carbon and the sulfur-containing carbon catalysts according to the present invention exhibit a significant oxygen reduction activity with an initial potential and a half-wave potential of 0.026 V and -0.131 V, respectively.

또한 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매는 상업용 촉매인 Pt/C(5.91 mA/cm2) 보다 높은 제한 전류 밀도(7.20 mA/cm2)를 나타내며, 장기간 순환안정성 및 알칼리 조건 하에서 메탄올 내구성을 나타내는 장점이 있다.Also, the carbon catalysts containing iron-doped nitrogen and sulfur exhibited a higher limiting current density (7.20 mA / cm 2 ) than the commercial catalyst Pt / C (5.91 mA / cm 2 ) .

도 1은 산소환원반응용 Fe-NSC의 합성을 위한 모식도(a), ZnDTO의 작은입자(b) 및 큰입자(c)의 FESEM 이미지를 나타낸 도면이고,
도 2는 37% HCl 수용액으로 세정 전 Fe-NSC의 SEM 이미지(A-a) 및 세정 후 SEM 이미지(A-b), 900℃(B-a), (B-b) 700℃, (B-c) 800℃, 및 (B-d) 1000℃에서 합성된 Fe-NSC의 FESEM 이미지를 나타낸 도면이며,
도 3은 Fe-NSC의 N 1s에 대해 디콘볼루션된 XPS 스펙트럼(a), 다양한 Fe-NSC 촉매에 대한 라만 스펙트럼(b), NSC 및 Fe-NSC에 대한 XRD 패턴(c), 및 Fe-NSC에 대한 BET 표면적 측정(d)을 나타낸 도면이고,
도 4는 0.1 M KOH에서 질소로 포화된 전해질 용액 내에서 Fe-NSC에 대한 산소 환원 CV 곡선, 및 산소로 포화된 전해질 용액 내에서 Fe-NSC, NSC, 및 Pt/C에 대한 산소 환원 CV 곡선(a), 700℃, 800℃, 900℃, 및 1000℃에서 준비된 Fe-NSC 촉매에 대해 10 mV/s의 스캔 속도에서 선형주사전위법(Linear sweep voltammetry; 이하 'LSV') 곡선(b), Fe-NSC, NSC, 및 Pt/C 촉매에 대해 10 mV/s의 스캔 속도에서 LSV 곡선(c), 다양한 회전 속도를 갖는 Fe-NSC에 대한 LSV 곡선(d)과 K-L 선도(e), 및 Fe-NSC, NSC, 및 Pt/C 촉매에 대한 동력학적 전류 밀도 그래프(f)를 나타낸 도면이며,
도 5는 Fe-NSC, NSC, 및 Pt/C 촉매에 대한 타펠 선도(a), 5000회 순환 전 후 Fe-NSC의 RDE 편광 곡선(b), -0.2 V에서 30000초 동안 Fe-NSC 및 Pt/C 촉매의 시간전류 반응(c), -0.2 V에서 3 M 메탄올 첨가 전 후 Fe-NSC 및 Pt/C 촉매의 시간전류 반응(d)을 나타낸 도면이다.
Brief Description of the Drawings Fig. 1 is a schematic view showing a FESEM image of a small particle (b) and a large particle (c) of ZnDTO for synthesis of Fe-NSC for oxygen reduction reaction,
2 shows the SEM image (Aa) of Fe-NSC and the SEM image (Ab) after cleaning, 900 ° C (Ba), (Bb) 700 ° C, (Bc) 800 ° C, and (Bd) 5 is a view showing an FESEM image of Fe-NSC synthesized at 1000 ° C,
Figure 3 shows the XPS spectrum (a) deconvoluted for N1s of Fe-NSC, the Raman spectrum (b) for various Fe-NSC catalysts, the XRD pattern (c) for NSC and Fe- (D) for BSC surface area measurements for NSC,
Figure 4 shows the oxygen reduction CV curve for Fe-NSC in an electrolyte solution saturated with nitrogen at 0.1 M KOH and the oxygen reduction CV curve for Fe-NSC, NSC, and Pt / C in an electrolyte solution saturated with oxygen (b) a linear sweep voltammetry (LSV) curve (b) at a scan rate of 10 mV / s for Fe-NSC catalyst prepared at 700 ° C., 800 ° C., 900 ° C., (C), LSV curve (d) and KL diagram (e) for Fe-NSC with various rotational speeds at a scan rate of 10 mV / s for Fe-NSC, NSC and Pt / And graphs of kinetic current density (f) for Fe-NSC, NSC, and Pt / C catalysts,
Figure 5 shows the Tappel's diagram (a) for Fe-NSC, NSC and Pt / C catalysts, the RDE polarization curve (b) of Fe-NSC before and after 5000 cycles, Fe-NSC and Pt / C catalyst (c), and the time-current response (d) of Fe-NSC and Pt / C catalyst after addition of 3 M methanol at -0.2 V. FIG.

이하, 본 발명인 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 및 이의 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the iron-doped carbon catalyst including nitrogen and sulfur according to the present invention and a method for producing the same will be described in more detail.

본 발명의 발명자들은 질소와 황을 포함하는 유기리간드와 철 전구체를 혼합하여 탄화공정을 수행함으로써 얻어진 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매는 철이 도핑되지 않은 탄소 촉매보다 우수한 산소 환원 활성을 나타낼 수 있으며, 또한 백금, 금, 팔라듐, 및 이들 합금 나노 입자 등의 기존의 촉매물질 보다 경제적이며, 효율성이 높은 촉매를 제조할 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have found that iron-doped carbon and nitrogen-containing carbon catalysts obtained by mixing an iron-based precursor with an organic ligand containing nitrogen and sulfur and performing a carbonization process exhibit an oxygen reduction activity superior to that of an iron- And it is also possible to produce catalysts which are more economical and more efficient than conventional catalyst materials such as platinum, gold, palladium and their alloy nanoparticles. Thus, the present invention has been completed.

본 발명은 철 전구체; 상기 철 전구체를 둘러싸도록 형성된 구 형태의 유기리간드 골격체; 상기 유기리간드 골격체의 외부에 결합된 그래핀 시트; 및 상기 유기리간드 골격체의 외부에 결합된 카본나노섬유를 포함하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매를 제공한다.The present invention relates to an iron precursor; A spherical organic ligand skeleton formed to surround the iron precursor; A graphene sheet bonded to the outside of the organic ligand skeleton; And carbon nanofibers bonded to the outside of the organic ligand skeleton. The present invention also provides a carbon catalyst comprising iron-doped nitrogen and sulfur.

상기 철 전구체는 헤모글로빈, 황산제일철(FeSO4), 황산제이철(Fe2(SO4)3), 질산철(Fe(NO3)), 및 염화철(FeCl3)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.Said iron precursors may be hemoglobin, ferrous sulfate (FeSO 4), ferric sulfate (Fe 2 (SO 4) 3 ), iron nitrate (Fe (NO 3)), and ferric chloride at least one selected from the group consisting of (FeCl 3) But is not limited thereto.

상기 유기리간드 골격체는 아연-디티오옥사미드(dithiooxamide) 복합체로 이루어진 고분자, 아연-티오아세트아미드(thioacetamide) 복합체로 이루어진 고분자, 및 아연-티오카르바미드(thiocarbamide) 복합체로 이루어진 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The organic ligand skeleton is composed of a polymer composed of a zinc-dithiooxamide complex, a polymer composed of a zinc-thioacetamide complex, and a polymer composed of a zinc-thiocarbamide complex , But the present invention is not limited thereto.

상기 구 형태의 유기리간드 골격체는 850 내지 950 nm의 평균직경을 갖는 구 형태의 유기리간드와 2900 내지 3100 nm의 평균직경을 갖는 구 형태의 유기리간드로 이루어질 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The spherical organic ligand skeleton may be composed of spherical organic ligands having an average diameter of 850 to 950 nm and spherical organic ligands having an average diameter of 2900 to 3100 nm, but is not limited thereto.

또한 본 발명은 상기 탄소 촉매를 포함하는, 센서를 제공한다.The present invention also provides a sensor comprising the carbon catalyst.

상기 센서는 도파민 검출 센서, 아스코르브산 검출 센서, 페놀 검출 센서, 유해물질 검출 센서, 중금속 검출 센서, 과산화수소 검출 센서, 글루코스 검출 센서, 면역 센서, 또는 효소 센서 중 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The sensor may be any one of a dopamine detection sensor, an ascorbic acid detection sensor, a phenol detection sensor, a toxic substance detection sensor, a heavy metal detection sensor, a hydrogen peroxide detection sensor, a glucose detection sensor, an immune sensor, or an enzyme sensor no.

또한 본 발명은 용매에 아연 전구체, 질소(nitrogen)와 황(sulfur)을 함유한 유기리간드, 및 폴리비닐피롤리돈을 혼합한 후 반응시켜 복합체로 이루어진 고분자인 구 형태의 아연-유기리간드 골격체를 준비하는 단계; 상기 아연-유기리간드 골격체와 철 전구체를 증류수에 혼합하고 교반시켜 철이 도핑된 골격체를 합성하는 단계; 상기 철이 도핑된 골격체를 질소 분위기 하에서 탄화시켜 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매를 합성하는 단계; 및 상기 탄소 촉매 내에 아연을 제거하여 탄소촉매를 활성화시키는 단계를 포함하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a process for preparing a zinc-organic ligand skeleton (hereinafter referred to as " zinc-organic ligand skeleton ") which is a polymer composed of a zinc precursor, an organic ligand containing nitrogen and sulfur and a polyvinylpyrrolidone, ; Mixing the zinc-organic ligand skeleton and the iron precursor with distilled water and stirring to synthesize an iron-doped skeleton; Carbonizing the iron-doped skeleton in a nitrogen atmosphere to synthesize a carbon catalyst containing iron-doped nitrogen and sulfur; And removing the zinc in the carbon catalyst to activate the carbon catalyst. The present invention also provides a method for preparing a carbon catalyst comprising iron-doped nitrogen and sulfur.

상기 아연-유기리간드 골격체를 준비하는 단계는 용매에 아연 전구체, 질소(nitrogen)와 황(sulfur)을 함유한 유기리간드, 및 폴리비닐피롤리돈을 혼합하여 혼합용액을 준비하는 단계와, 상기 준비된 혼합용액을 1시간 동안 80℃에서 유지한 제1용액과 7 내지 8시간 동안 80℃에서 유지한 제2용액을 각각 준비하는 단계와, 상기 제1용액을 제2용액에 붓고 반응시켜 얻어진 반응물을 원심분리하여 수득하고, 40 내지 50℃에서 건조시켜 아연-유기리간드 골격체를 준비하는 단계를 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The preparation of the zinc-organic ligand skeleton comprises: preparing a mixed solution by mixing a zinc precursor, an organic ligand containing nitrogen and sulfur, and polyvinyl pyrrolidone in a solvent; Preparing a first solution prepared by maintaining the prepared mixed solution at 80 캜 for 1 hour and a second solution maintained at 80 캜 for 7 to 8 hours, and a step of pouring the first solution into the second solution, And then drying at 40 to 50 < 0 > C to prepare the zinc-organic ligand skeleton, but the present invention is not limited thereto.

상기 아연-유기리간드 골격체를 준비하는 단계는 아연 전구체, 질소와 황을 함유한 유기리간드를 1 : (0.5 ~ 1.5)의 몰비로 혼합할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.In preparing the zinc-organic ligand skeleton, the zinc precursor and the organic ligand containing nitrogen and sulfur may be mixed in a molar ratio of 1: (0.5 to 1.5), but the present invention is not limited thereto.

상기 아연 전구체는 아연아세테이트·2수화물(Zn(CH3CO2)2·2H2O), 아연 사이트레이트(Zn3[O2CCH2C(OH)(CO2)CH2CO2]2), 염화아연(ZnCl2), 황산아연(ZnSO4), 질산아연(Zn(NO3)2), 아연 퍼클로레이트(Zn(ClO4)2), 및 아연 테트라플루오로보레이트(Zn(BF4)2)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The zinc precursor may be zinc acetate · dihydrate (Zn (CH 3 CO 2 ) 2 · 2H 2 O), zinc sitate (Zn 3 [O 2 CCH 2 C (OH) (CO 2 ) CH 2 CO 2 ] 2 ) , zinc chloride (ZnCl 2), zinc sulfate (ZnSO 4), zinc nitrate (Zn (NO 3) 2) , zinc perchlorate (Zn (ClO 4) 2) , and borate (Zn (BF 4) as the zinc-tetrafluoro-2 ) , But the present invention is not limited thereto.

상기 질소(nitrogen)와 황(sulfur)을 함유하는 유기리간드는 디티오옥사미드(dithiooxamide), 티오아세트아미드(thioacetamide), 및 티오카르바미드(thiocarbamide)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The organic ligand containing nitrogen and sulfur may be any one selected from the group consisting of dithiooxamide, thioacetamide, and thiocarbamide, But is not limited thereto.

상기 철이 도핑된 골격체를 합성하는 단계는 아연-유기리간드 골격체와 철 전구체를 1 : (0.2 ~ 0.6)의 중량비로 증류수에 혼합할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. In the step of synthesizing the iron-doped skeleton, the zinc-organic ligand skeleton and the iron precursor may be mixed with distilled water at a weight ratio of 1: (0.2-0.6), but the present invention is not limited thereto.

상기 철 전구체는 헤모글로빈, 황산제일철(FeSO4), 황산제이철(Fe2(SO4)3), 질산철(Fe(NO3)), 및 염화철(FeCl3)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.Said iron precursors may be hemoglobin, ferrous sulfate (FeSO 4), ferric sulfate (Fe 2 (SO 4) 3 ), iron nitrate (Fe (NO 3)), and ferric chloride at least one selected from the group consisting of (FeCl 3) But is not limited thereto.

상기 탄화시키는 단계는 철이 도핑된 골격체를 질소 분위기 하에서 700 내지 1000℃로 탄화시킬 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The carbonizing step may carbonize the iron-doped skeleton at 700 to 1000 ° C under a nitrogen atmosphere, but is not limited thereto.

상기 탄소촉매를 활성화시키는 단계는 탄소 촉매를 염산 수용액으로 세정하여 탄소 촉매 내의 아연 입자를 제거할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The step of activating the carbon catalyst may include washing the carbon catalyst with an aqueous hydrochloric acid solution to remove the zinc particles in the carbon catalyst, but the present invention is not limited thereto.

이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited by these examples.

<실시예 1> 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매의 합성Example 1 Synthesis of Iron-doped Carbon Catalyst Containing Nitrogen and Sulfur

1. 아연-디티오옥사미드(ZnDTO) 골격체 합성1. Synthesis of zinc-dithiooxamide (ZnDTO) skeleton

디메틸 포름아마이드(dimethyl formamide; 이하 'DMF') 50 ㎖에 폴리비닐피롤리돈(Poly Vinyl Pirrolidone; 이하 'PVP') 0.5 g을 용해시킨 후 디티오옥사미드(dithiooxamide; 이하 'DTO') 0.250 g(0.00207 mol) 및 아연아세테이트·2수화물(Zn(CH3CO2)2·2H20) 0.456 g(0.00207 mol)를 용해시켜 혼합용액을 준비하였다.After dissolving 0.5 g of polyvinyl pyrrolidone (PVP) in 50 ml of dimethyl formamide (DMF), 0.250 g of dithiooxamide (hereinafter referred to as DTO) (0.00207 mol) and 0.456 g (0.00207 mol) of zinc acetate · dihydrate (Zn (CH 3 CO 2 ) 2 · 2H 2 O) were dissolved to prepare a mixed solution.

상기 준비된 혼합용액을 이용하여, 1시간 동안 80℃에서 유지한 제1용액과, 7 내지 8시간 동안 80℃에서 유지한 제2용액을 각각 준비하였다.Using the prepared mixed solution, a first solution held at 80 DEG C for 1 hour and a second solution held at 80 DEG C for 7 to 8 hours were prepared.

상기 제1용액을 제2용액에 붓고 반응시켜 반응물을 세정하여 반응을 종료하였다. 상기 반응물을 원심분리하여 수득하였고, 에탄올로 수차례 세정한 후에 40 내지 50℃에서 진공 하에서 밤새도록 건조하여 아연-디티오옥사미드(ZnDTO) 복합체로 이루어진 고분자인 아연-디티오옥사미드 골격체를 합성하였다.The first solution was poured into the second solution and reacted to wash the reaction product to complete the reaction. The reaction product was obtained by centrifugation, washed several times with ethanol and then dried overnight at 40 to 50 ° C under vacuum to prepare a zinc-dithiooxamide skeleton, which is a polymer composed of a zinc-dithiooxamide (ZnDTO) complex Were synthesized.

2. 철이 도핑된 ZnDTO 골격체의 합성2. Synthesis of iron-doped ZnDTO skeleton

증류수에 ZnDTO 골격체와 헤모글로빈(이하 'Hgb')를 1 : 0.25의 중량비로 혼합하였고, ZnDTO 골격체 내부에 Hgb를 합체하기 위해 밤새도록 교반하여 철이 도핑된 ZnDTO 골격체 분말을 합성하였다.ZnDTO skeleton and hemoglobin (hereinafter referred to as 'Hgb') were mixed in distilled water at a weight ratio of 1: 0.25 and stirred overnight to incorporate Hgb in the ZnDTO skeleton to synthesize iron-doped ZnDTO skeleton powders.

3. 탄화 공정3. Carbonization Process

철이 도핑된 ZnDTO 골격체 분말을 석영보트에 옮긴 후 투뷰 노에 두었다. 질소 분위기 하에서 3 ℃/min의 가열속도로 900℃까지 가열한 후 3시간 동안 900℃를 유지하였고, 이후 상온까지 냉각시켜 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매(이하 'Fe-NSC')를 합성하였다.Iron-doped ZnDTO skeletal body powders were transferred to a quartz boat and then placed in a Tuuvuno. The catalyst was heated to 900 ° C. at a heating rate of 3 ° C./min in a nitrogen atmosphere, maintained at 900 ° C. for 3 hours, and then cooled to room temperature to obtain iron-doped carbon catalysts containing nitrogen and sulfur (hereinafter referred to as Fe-NSC) Were synthesized.

4. Fe-NSC의 활성화4. Activation of Fe-NSC

상기 Fe-NSC를 활성화시키기 위해, 상온조건에서 37% HCl 수용액에서 세정하였고, 증류수로 한번 더 세정하여 불안정하고, 불활성인 Zn 나노입자들을 제거함으로써 활성 Fe-NSC 촉매를 얻었다.In order to activate the Fe-NSC, the Fe-NSC catalyst was obtained by washing in 37% HCl aqueous solution at room temperature and further washing with distilled water to remove unstable and inert Zn nanoparticles.

마지막으로, 준비된 활성 Fe-NSC 촉매를 사용하기 전에 100℃에서 밤새도록 진공 하에서 건조시켰다. 구조체에서 아연을 증발시키거나, 제거시킴으로써 다공성의 Fe-NSC 촉매를 얻을 수 있었다. 상기 합성된 Fe-NSC를 'Fe-NSC@900'으로 명명하였다.Finally, the prepared active Fe-NSC catalyst was dried under vacuum at 100 &lt; 0 &gt; C overnight before use. The porous Fe-NSC catalyst could be obtained by evaporating or removing zinc from the structure. The synthesized Fe-NSC was named 'Fe-NSC @ 900'.

<실시예 2> 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매의 합성Example 2 Synthesis of Carbon Catalyst Containing Nitrogen and Sulfur

철 전구체인 헤모글로빈을 이용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매(이하 'NSC')를 합성하였고, 이에 합성된 NSC를 'NSC@900'으로 명명하였다.Nitrogen and sulfur-containing carbon catalysts (hereinafter, referred to as 'NSC') were synthesized under the same conditions as in Example 1 except that hemoglobin, which is an iron precursor, was not used. Respectively.

<비교예 1> 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매의 합성Comparative Example 1 Synthesis of Iron-doped Carbon Catalyst Containing Nitrogen and Sulfur

탄화공정에서 3 ℃/min의 가열속도로 700℃까지 가열한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건이었으며, 이에 합성된 Fe-NSC를 'Fe-NSC@700'으로 명명하였다.The Fe-NSC synthesized therefrom was named 'Fe-NSC @ 700' except that the carbonization step was heated to 700 ° C. at a heating rate of 3 ° C./min.

<비교예 2> 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매의 합성Comparative Example 2 Synthesis of Iron-doped Carbon Catalyst Containing Nitrogen and Sulfur

탄화공정에서 3 ℃/min의 가열속도로 800℃까지 가열한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건이었으며, 이에 합성된 Fe-NSC를 'Fe-NSC@800'으로 명명하였다.The Fe-NSC synthesized therefrom was named 'Fe-NSC @ 800', except that it was heated up to 800 ° C. at a heating rate of 3 ° C./min in the carbonization process.

<비교예 3> 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매의 합성&Lt; Comparative Example 3 > Synthesis of Iron-doped Carbon Catalyst Containing Nitrogen and Sulfur

탄화공정에서 3 ℃/min의 가열속도로 1000℃까지 가열한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건이었으며, 이에 합성된 Fe-NSC를 'Fe-NSC@1000'으로 명명하였다.The Fe-NSC synthesized in this Example was named 'Fe-NSC @ 1000', except that it was heated to 1000 ° C. at a heating rate of 3 ° C./min in the carbonization process.

<비교예 4> 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매의 합성&Lt; Comparative Example 4 > Synthesis of Iron-doped Carbon Catalyst Containing Nitrogen and Sulfur

ZnDTO와 헤모글로빈(Hgb)을 1 : 0.1의 중량비로 증류수에 혼합한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건이었다.Except that ZnDTO and hemoglobin (Hgb) were mixed in distilled water at a weight ratio of 1: 0.1.

<비교예 5> 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매의 합성Comparative Example 5 Synthesis of Iron-doped Carbon Catalyst Containing Nitrogen and Sulfur

ZnDTO와 헤모글로빈(Hgb)을 1 : 0.7의 중량비로 증류수에 혼합한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건이었다.Except that ZnDTO and hemoglobin (Hgb) were mixed in distilled water at a weight ratio of 1: 0.7.

<실험예 1><Experimental Example 1>

1. ZnDTO 골격체의 특성 분석1. Characterization of ZnDTO skeleton

도 1을 참조하면, ZnDTO 골격체는 균일한 크기를 가지며, 완벽히 구형상을 갖는 ZnDTO 입자들로 이루어져 있음을 확인하였다.Referring to FIG. 1, it is confirmed that the ZnDTO skeleton is composed of ZnDTO particles having a uniform size and perfectly spherical shape.

보다 구체적으로, 도 1(c)를 참조하면, 1시간 동안 80℃에서 유지한 제1용액에 의해 합성된 작은 입자의 ZnDTO 평균직경은 900 ± 50 nm 이였고, 7 내지 8시간 동안 80℃에서 유지한 제2용액에 의해 합성된 큰 입자의 ZnDTO 평균직경은 3000 ± 100 nm 이었다.More specifically, referring to FIG. 1 (c), the average diameter of the ZnDTO fine particles synthesized by the first solution maintained at 80 ° C. for 1 hour was 900 ± 50 nm, and the temperature was maintained at 80 ° C. for 7 to 8 hours The mean diameter of ZnDTO of the large particles synthesized by the maintained second solution was 3000 ± 100 nm.

이를 통해 ZnDTO 골격체는 상기 작은입자와 큰입자의 ZnDTO 입자들에 의해 이루어져 있음을 확인하였다.It was confirmed that the ZnDTO skeleton was composed of the small particles and the large particles of ZnDTO particles.

2. Fe-NSC@900 및 NSC@900의 특성 분석2. Characterization of Fe-NSC @ 900 and NSC @ 900

상기 실시예 1 및 실시예 2에 의해 합성된 Fe-NSC@900 및 NSC@900의 형상을 확인하기 위해, 전계 방사형 주사전자현미경(FESEM; Carl Zeiss, IBRA 200Cs)을 이용하여 전계 방사형 주사전자현미경 분석(field emission scanning electron microscopy analysis; 이하 'FESEM 분석')을 수행하였다.In order to confirm the shapes of Fe-NSC @ 900 and NSC @ 900 synthesized according to Examples 1 and 2, a field emission scanning electron microscope (SEM) using a field emission scanning electron microscope (FESEM; Carl Zeiss, IBRA 200Cs) Field emission scanning electron microscopy (FESEM).

Fe-NSC@900 및 NSC@900에서는 본래의 ZnDTO의 구형상을 유지하였음을 확인하였다.Fe-NSC @ 900 and NSC @ 900 confirmed that the original ZnDTO spheres were retained.

구체적으로, 도 2(A-a) 및 도 2(A-b)를 참조하면, Fe-NSC@900의 세정 전 후의 FESEM 이미지를 나타낸 것으로서, 산 수용액으로 세정 후에 이미 탄화된 시료로부터 Zn 입자들이 완벽히 용해되었음을 확인하였다.2 (A) and FIG. 2 (A) show FESEM images of Fe-NSC @ 900 before and after cleaning. It is confirmed that Zn particles are completely dissolved from the already carbonized sample after cleaning with an aqueous acid solution Respectively.

또한, 도 2(B-a)를 참조하면, NSC@900에 대해서도 Fe-NSC@900와 마찬가지로 유사한 형상을 관찰하였다. 도 2(B-b) 및 도 2(B-c)를 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2에 의해 합성된 Fe-NSC@700 및 Fe-NSC@800에서 준비된 형상은 거의 동일하게 나타내었으나, 비교예 3에 의해 합성된 Fe-NSC@1000에서 탄화된 시료는 구 형상 간의 일부 응집된 입자들을 나타내었다. 일반적으로, 고온에서 유기 구조체의 구조는 수축하며, 이러한 현상은 ZnDTO 표면 구조(surface texture)의 붕괴로 인한 것임을 알 수 있다.Referring to FIG. 2 (B-a), similar shapes were observed for NSC @ 900 as for Fe-NSC @ 900. 2 (Bb) and 2 (Bc), the shapes prepared from Fe-NSC @ 700 and Fe-NSC @ 800 synthesized by Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were almost the same, The carbonized sample of Fe-NSC @ 1000 synthesized by the method of the present invention showed some agglomerated particles in the spherical shape. In general, the structure of the organic structure at high temperature shrinks, and this phenomenon is attributable to the collapse of the ZnDTO surface texture.

도 3(a)를 참조하면, Fe-NSC의 N 1s에 대해 디콘볼루션된 XPS 스펙트럼을 나타낸 것으로서, N 1s 고분해능 스팩트럼은 4개의 피크로 디콘볼루션(deconvolute) 할 수 있었고, 구체적으로, ZnDTO 내의 질소의 아미노 타입은 피리디닉(pyridinic) N(N1, 398.2 eV), 피롤릭(pyrrolic) N(N3, 399.6 eV), 및 흑연(graphitic) N(N2, 400.7 eV)과, 작은 피크를 갖는 산화된 질소(N4, 405.0 eV)로 완벽히 변환되었음을 나타내었다. 피리디닉, 피롤릭, 및 흑연의 N은 ORR에서 중요한 역할을 수행하는 것으로 널리 알려져 있고, ORR 성능의 증가시킬 수 있는 요소이다.3 (a) shows an XPS spectrum deconvoluted with respect to N 1s of Fe-NSC. The N 1s high resolution spectrum was able to deconvolute at four peaks, and specifically ZnDTO (N1, 397.2 eV), pyrrolic N (N3, 399.6 eV), and graphitic N (N2, 400.7 eV) with small peaks It was completely converted to oxidized nitrogen (N4, 405.0 eV). N of pyridinium, pyrrolic, and graphite is well known to play an important role in ORR and is an increasing factor in ORR performance.

또한, 도 3(b)를 참조하면, 다양한 Fe-NSC 촉매에 대한 라만 스펙트럼을 나타낸 것으로서, Fe-NSC에 대한 흑연화 정도를 확인하기 위해, 라만분광기(Horiba Jobin-Yvon, France)을 이용하여 라만분광법(Raman spectroscopy)을 수행하였다. D 밴드(1345 cm-1) 및 G 밴드(1592 cm-1)는 결점과 결정도에 대한 정보를 제공하였다. 도 3(b)를 참조하면, 탄화공정시 온도를 증가할 경우 피크 강도비(ID/IG)는 점진적으로 감소하였는 바, 이는 흑연화 정도가 높음을 암시하였다.3 (b), Raman spectra for various Fe-NSC catalysts are shown. To confirm the degree of graphitization for Fe-NSC, a Raman spectroscope (Horiba Jobin-Yvon, France) Raman spectroscopy was performed. D band (1345 cm -1 ) and G band (1592 cm -1 ) provided information on defect and crystallinity. Referring to FIG. 3 (b), when the temperature was increased during the carbonization process, the peak intensity ratio (I D / I G ) gradually decreased, suggesting that the degree of graphitization was high.

또한, 도 3(c)를 참조하면, NSC 및 Fe-NSC에 대한 XRD 패턴을 나타낸 것으로서, NSC 및 Fe-NSC의 XRD 패턴은 24˚ 및 44˚에서 각각 (002) 및 (101) 회절피크를 나타내었고, NSC 및 Fe-NSC 시료는 흑연 구조를 포함하고 있음을 나타내었다. 게다가, Fe-NSC는 HRTEM 데이터에 부합되게 Fe3C (JCPDS:34-001)에 대한 회절 피크를 분명히 나타내었다.Referring to FIG. 3 (c), XRD patterns of NSC and Fe-NSC are shown. The XRD patterns of NSC and Fe-NSC show diffraction peaks at (002) and (101) , And NSC and Fe-NSC samples showed graphite structure. In addition, Fe-NSC clearly indicated diffraction peaks for Fe 3 C (JCPDS: 34-001) in accordance with HRTEM data.

또한, Fe-NSC 촉매의 비표면적 및 다공성을 확인하기 위해, 비표면적 측정기(BELsorp-mini II instrument)을 이용하여 질소 흡착/탈착을 측정하였다.In addition, nitrogen adsorption / desorption was measured using a BELsorp-mini II instrument to confirm the specific surface area and porosity of the Fe-NSC catalyst.

구체적으로, 도 3(d)를 참조하면, Fe-NSC에 대한 BET 표면적 측정 분석을 나타낸 것으로서, NSC 촉매는 446 m2/g의 브루나우어-에메트-텔러(Brunauer-Emmett-Teller; 이하 'BET') 표면적을 나타낸 반면, Fe-NSC 촉매는 1497 m2/g의 높은 BET 표면적을 나타내었다. 3 (d), a BET surface area measurement assay for Fe-NSC is shown, wherein the NSC catalyst is a mixture of 446 m 2 / g of Brunauer-Emmett-Teller 'BET') surface area, while the Fe-NSC catalyst showed a high BET surface area of 1497 m 2 / g.

3. NSC 및 Fe-NSC의 전기촉매 특성 분석3. Electrocatalytic characterization of NSC and Fe-NSC

NSC 및 Pt/C 촉매와 Fe-NSC의 ORR 활성을 분석하기 위해, 순환전압전류법(cyclic voltammetry; 이하 'CV')을 이용하였다.To analyze the ORR activity of NSC, Pt / C catalyst and Fe-NSC, cyclic voltammetry (CV) was used.

도 4(a)를 참조하면, 질소가 포화된 용액에서는 Fe-NSC에 대해 어떠한 환원 피크가 나타나지 않은 반면, 산소가 포화된 0.1 M 수산화칼륨 용액, - 0.161 V 전압 하에서 Fe-NSC에 대한 날카로운 환원 피크가 나타났다.Referring to FIG. 4 (a), a solution of 0.1 M potassium hydroxide saturated with oxygen, while showing no reduction peak for Fe-NSC in the solution saturated with nitrogen, shows sharp reduction of Fe-NSC under 0.161 V voltage The peak appeared.

Fe-NSC의 ORR 피크 전위는 Pt/C 촉매(-0.158 V)의 피크 전위와 거의 동일하게 나타났고, NSC의 ORR 피크 전위(-0.228 V) 보다 높은 개시전위를 나타내었는 바, 이를 통해 Fe-NSC 촉매는 우수한 촉매 활성을 나타냄을 알 수 있었다.The ORR peak potential of Fe-NSC was almost the same as the peak potential of Pt / C catalyst (-0.158 V) and the initiation potential was higher than the ORR peak potential of NSC (-0.228 V) NSC catalyst showed excellent catalytic activity.

우수한 촉매활성은 흡수된 산소와 Fe-N/C의 강한 역 결합(back bonding)에 의해 기인된 것이며, 이를 통해 증가된 O-O 결합 거리를 야기하며, 산소 분자의 환원이 용이하게 할 수 있다. 적합한 ORR 촉매를 가짐으로써 탄화공정 온도 및 전구체의 조성이 최적화 되었다.Good catalytic activity is due to the strong back bonding of the absorbed oxygen and Fe-N / C, resulting in increased O-O bond distances and facilitation of the reduction of oxygen molecules. By having a suitable ORR catalyst, the carbonization process temperature and the composition of the precursor were optimized.

도 4(b)를 참조하면, Fe-NSC에 대한 CV 및 회전 디스크 전극(rotating disk electrode; 이하 'RDE')결과를 통해 Fe-NSC@900 촉매는 Fe-NSC@700, Fe-NSC@800, 및 Fe-NSC@1000의 촉매보다 높은 활성을 가짐을 증명하였다. Fe-NSC@900 촉매는 일련의 다른 촉매와 비교하였을 때 우수한 ORR 촉매임을 확인하였다.Referring to FIG. 4 (b), Fe-NSC @ 900 catalysts were obtained from Fe-NSC @ 700, Fe-NSC @ 800 through a CV for Fe-NSC and a rotating disk electrode , And Fe-NSC @ 1000 catalysts. The Fe-NSC @ 900 catalyst was found to be a good ORR catalyst when compared to a range of other catalysts.

반면에, Fe-NSC@1000 촉매는 ORR 성능이 저하되었다. 이는, 높은 탄화 온도에서 Fe-NSC 촉매의 표면 구조 중 일부의 붕괴에 기인하여 활성 사이트가 감소하기 때문인 것으로 보여진다.On the other hand, the Fe-NSC @ 1000 catalyst exhibited poor ORR performance. This is believed to be due to the decrease in active sites due to the collapse of some of the surface structure of the Fe-NSC catalyst at high carbonization temperatures.

상기 실험결과를 통해 Fe가 도핑된 NSC 촉매는 Fe가 도핑되지 않은 NSC 촉매와 비교하였을 때 우수한 ORR 활성을 가짐을 확인하였다. 따라서, ORR 촉매용으로 이용하기 위해서는 적절한 Fe 도핑 단계는 필수적임을 증명하였다.The experimental results show that the Fe-doped NSC catalyst has excellent ORR activity when compared with Fe-doped NSC catalyst. Therefore, it has been proved that a suitable Fe doping step is necessary for use for ORR catalysts.

도 4(c)는 Fe-NSC, NSC, 및 Pt/C 촉매에 대한 ORR 편광곡선을 나타낸 것으로서, Fe-NSC 촉매가 가장 높은 개시전위(E onset = 0.026 V) 및 반파 전위(E 1/2 = - 0.131 V)를 나타내었고, 또한 가장 높은 확산한계전류밀도(J lim = 7.20 mA/cm2)를 나타내었다.Figure 4 (c) is a Fe-NSC, NSC, and Pt / C as shown the ORR polarization curves for the catalyst, Fe-NSC catalyst with the highest potential initiation (onset E = 0.026 V) and the half-wave potential (E 1/2 = - 0.131 V) and the highest diffusion limit current density ( J lim = 7.20 mA / cm 2 ).

NSC 촉매에 대한 ORR 특성(E onset = - 0.087 V, E 1/2 = - 0.179 V, J lim = 4.53 mA/cm2)은 Pt/C 촉매에 대한 ORR 특성(E onset = 0.028 V, E 1/2 = - 0.128 V, J lim = 5.91 mA/cm2)에 근접하였다.ORR characteristic for NSC catalyst (E onset = - 0.087 V, E 1/2 = - 0.179 V, J lim = 4.53 mA / cm 2) is characteristic for the ORR Pt / C catalyst (E onset = 0.028 V, E 1 / 2 = - 0.128 V, J lim = 5.91 mA / cm 2 ).

Fe 도핑은 탄소 물질 내의 활성 헤테로원자 배위 공간을 제공하며, 상기 제공된 배위공간은 ORR을 수행하는 동안 촉매 변환 및 물질 수송을 하기 위한 이점이 있다.Fe doping provides an active heteroatom coordination space within the carbon material, and the provided coordination space has the advantage of performing catalytic conversion and material transport while performing the ORR.

작은 입자 크기를 갖는 Fe-NSC와 비교하여 큰 입자 크기를 갖는 Fe-NSC 촉매는 형상 및 표면 구조의 붕괴에 기인하여 ORR에 대해 낮은 O2 확산 및 낮은 활성 공간을 초래하였다.Fe-NSC catalysts with larger particle sizes compared to Fe-NSCs with smaller particle sizes resulted in lower O 2 diffusion and lower activity space for ORRs due to the collapse of shape and surface structure.

ORR에 대한 동력학적 계수를 결정하기 위해 다양한 회전 속도에서의 RDE 측정과 다양한 시료에 대한 Koutecky-Levich (K-L) 선도를 이용하였다.RDE measurements at various rotational speeds and the Koutecky-Levich (K-L) plot for various samples were used to determine the kinetic coefficients for ORR.

도 4(d)를 참조하면, 회전 속도를 증가함에 따라 확산 전류밀도가 증가하였고, 전위가 음으로 이동하였을 때, 전류는 미미하게 증가하였다.Referring to FIG. 4 (d), the diffusion current density increases as the rotation speed increases, and the current increases slightly when the potential shifts to negative.

또한, 도 4(e)를 참조하면, Fe-NSC에 대한 평행 선도 및 선형 선도는 1차 반응임을 알 수 있으며, Fe-NSC 및 NSC 촉매로 개질된 전극 상에 이동된 전자의 수는 - 0.3 V에서 4.0으로 평가되었고, 이는 Pt/C 촉매와 유사한 값을 나타내었다. Referring to FIG. 4 (e), it can be seen that the parallel line and linear line for Fe-NSC is the first-order reaction, and the number of electrons transferred on the Fe-NSC and NSC catalyst- V, which was similar to that of the Pt / C catalyst.

도 4(f)를 참조하면, NSC로 개질된 전극의 동력학적 전류밀도(kinetic current density)는 Pt/C 촉매로 개질된 전극의 동력학적 전류밀도 값(13.09 mA/cm2)에 근접한 9.66 mA/cm2 인 반면, Fe-NSC 촉매로 개질된 전극의 동력학적 전류밀도는 45.89 mA/cm2 이었다. 이는, 우수한 Fe-NSC 촉매 성능을 암시한다.Referring to FIG. 4 (f), the kinetic current density of the NSC modified electrode was found to be 9.66 mA close to the kinetic current density value (13.09 mA / cm 2 ) of the Pt / C catalyst modified electrode / cm 2 , while the kinetic current density of the electrode modified with Fe-NSC catalyst was 45.89 mA / cm 2 . This suggests excellent Fe-NSC catalyst performance.

비록 NSC로 개질된 전극의 ORR 활성이 Fe-NSC 및 Pt/C로 개질된 전극보다 낮더라도, 최근 보고된 질소가 도핑된 탄소 촉매로 개질된 전극의 ORR 활성보다 우수함을 알 수 있다.Although the ORR activity of the NSC modified electrode is lower than that of the Fe-NSC and Pt / C modified electrode, it can be seen that the recently reported nitrogen is superior to the ORR activity of the electrode modified with the doped carbon catalyst.

도 5(a)를 참조하면, NSC, Fe-NSC, 및 Pt/C에 대해 ORR의 동력학적 특성을 추가적으로 분석하기 위해, 타펠 슬로프(Tafel slope) 분석법을 이용하였고, 일반적인 2개의 직선영역을 나타내었다. Referring to Figure 5 (a), Tafel slope analysis was used to further analyze the kinetic properties of ORR for NSC, Fe-NSC, and Pt / C, .

더 낮고(-58 mV/dec), 더 높은(-117 mV/dec) 영역에서 Fe-NSC에 대한 타펠 슬로프는 NSC(-63 mV/dec, -125 mV/dec) 및 Pt/C(-60 mV/dec, -120 mV/dec) 촉매보다 낮은 값을 나타내었고, Fe-NSC 촉매가 Pt/C 촉매보다 우수한 동력학적 프로세스를 가짐을 확인하였다.(-63 mV / dec, -125 mV / dec) and Pt / C (-60 mV / dec) for the Fe-NSC in the lower (-58 mV / dec) mV / dec, -120 mV / dec), and confirmed that the Fe-NSC catalyst had better dynamical processes than the Pt / C catalyst.

또한, Fe-NSC 촉매는 현저한 장기간 안정성 및 메탄올 내성을 나타내었다. 예를 들어, 도 5(b)를 참조하면, 5000회 이후 Fe-NSC의 RDE 측정 결과를 나타낸 것으로서, Fe-NSC의 반파 전위는 0.002 V의 음으로 이동하였다. 또한, 장기간 안정성은 시간전류법 분석(- 0.2 V, 30000초)을 이용하여 확인하였다.In addition, the Fe-NSC catalyst exhibited remarkable long-term stability and methanol tolerance. For example, referring to FIG. 5 (b), the RDE measurement result of Fe-NSC after 5,000 times shows that the half-wave potential of Fe-NSC has moved to 0.002 V negative. The long-term stability was confirmed by time-current analysis (-0.2 V, 30000 sec).

구체적으로, 도 5(c)를 참조하면, Pt/C는 전류밀도가 오직 46.9% 유지되어 빠른 전류 손실을 나타낸 반면, Fe-NSC는 전류밀도가 87.1% 유지되는 우수한 내구성을 나타내었다. Specifically, referring to FIG. 5 (c), Pt / C exhibited a high current durability with only a current density of 46.9% and a fast current loss, while Fe-NSC exhibited excellent durability with a current density of 87.1%.

또한, 도 5(d)를 참조하면, 전해질 용액으로 3 M 메탄올을 주입하였을 때, Fe-NSC촉매에 대한 현저한 전류 변화가 일어나지 않았으나, 대조적으로, 전해질 용액으로 3 M 메탄올을 주입하였을 때, Pt/C 촉매에 대해 급격한 전류 변화를 나타내었고, 이는 전극 표면 상에서 메탄올의 산화에 기인한 것임을 알 수 있다.Referring to FIG. 5 (d), when 3 M methanol was injected into the electrolyte solution, no significant current change was observed with respect to the Fe-NSC catalyst. In contrast, when 3 M methanol was injected into the electrolyte solution, / C catalyst, which is attributed to the oxidation of methanol on the electrode surface.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It is to be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the appended claims.

Claims (15)

철 전구체;
상기 철 전구체를 둘러싸도록 형성된 구 형태의 유기리간드 골격체;
상기 유기리간드 골격체의 외부에 결합된 그래핀 시트; 및
상기 유기리간드 골격체의 외부에 결합된 카본나노섬유를 포함하고,
상기 유기리간드 골격체는,
아연-디티오옥사미드(dithiooxamide) 복합체로 이루어진 고분자, 아연-티오아세트아미드(thioacetamide) 복합체로 이루어진 고분자, 및 아연-티오카르바미드(thiocarbamide) 복합체로 이루어진 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매.
Iron precursor;
A spherical organic ligand skeleton formed to surround the iron precursor;
A graphene sheet bonded to the outside of the organic ligand skeleton; And
And carbon nanofibers bonded to the outside of the organic ligand skeleton,
The organic ligand skeleton may include,
A polymer composed of a zinc-dithiooxamide complex, a polymer composed of a zinc-thioacetamide complex, and a polymer composed of a zinc-thiocarbamide complex &Lt; / RTI &gt; carbon catalyst comprising iron-doped nitrogen and sulfur.
청구항 1에 있어서,
상기 철 전구체는,
헤모글로빈, 황산제일철(FeSO4), 황산제이철(Fe2(SO4)3), 질산철(Fe(NO3)), 및 염화철(FeCl3)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매.
The method according to claim 1,
The iron precursor,
Hemoglobin, ferrous sulfate (FeSO 4), ferric sulfate (Fe 2 (SO 4) 3 ), iron nitrate (Fe (NO 3)), and iron chloride (FeCl 3) in, characterized in that any selected one from the group consisting of, A carbon catalyst comprising iron-doped nitrogen and sulfur.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 구 형태의 유기리간드 골격체는,
850 내지 950 nm의 평균직경을 갖는 구 형태의 유기리간드와 2900 내지 3100 nm의 평균직경을 갖는 구 형태의 유기리간드로 이루어진 것을 특징으로 하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매.
The method according to claim 1,
The organic ligand skeleton of the spherical shape may be,
Wherein the carbon catalyst comprises iron-doped nitrogen and sulfur, characterized in that it consists of spherical organic ligands having an average diameter of 850 to 950 nm and spherical organic ligands having an average diameter of 2900 to 3100 nm.
청구항 1, 청구항 2, 및 청구항 4 중 어느 한 항의 탄소 촉매를 포함하는, 센서.A sensor comprising the carbon catalyst of any one of claims 1, 2 and 4. 청구항 5에 있어서,
상기 센서는,
도파민 검출 센서, 아스코르브산 검출 센서, 페놀 검출 센서, 유해물질 검출 센서, 중금속 검출 센서, 과산화수소 검출 센서, 글루코스 검출 센서, 면역 센서, 또는 효소 센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 센서.
The method of claim 5,
The sensor includes:
Wherein the sensor is any one of a dopamine detection sensor, an ascorbic acid detection sensor, a phenol detection sensor, a toxic substance detection sensor, a heavy metal detection sensor, a hydrogen peroxide detection sensor, a glucose detection sensor, an immunity sensor or an enzyme sensor.
용매에 아연 전구체, 질소(nitrogen)와 황(sulfur)을 함유한 유기리간드, 및 폴리비닐피롤리돈을 혼합한 후 반응시켜 복합체로 이루어진 고분자인 구 형태의 아연-유기리간드 골격체를 준비하는 단계;
상기 아연-유기리간드 골격체와 철 전구체를 증류수에 혼합하고 교반시켜 철이 도핑된 골격체를 합성하는 단계;
상기 철이 도핑된 골격체를 질소 분위기 하에서 탄화시켜 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매를 합성하는 단계; 및
상기 탄소 촉매 내에 아연을 제거하여 탄소촉매를 활성화시키는 단계를 포함하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 제조방법.
Preparing a spherical zinc-organic ligand skeleton, which is a polymer composed of a complex by mixing a zinc precursor, an organic ligand containing nitrogen and sulfur, and polyvinylpyrrolidone in a solvent, ;
Mixing the zinc-organic ligand skeleton and the iron precursor with distilled water and stirring to synthesize an iron-doped skeleton;
Carbonizing the iron-doped skeleton in a nitrogen atmosphere to synthesize a carbon catalyst containing iron-doped nitrogen and sulfur; And
And removing the zinc in the carbon catalyst to activate the carbon catalyst.
청구항 7에 있어서,
상기 아연-유기리간드 골격체를 준비하는 단계는,
용매에 아연 전구체, 질소(nitrogen)와 황(sulfur)을 함유한 유기리간드, 및 폴리비닐피롤리돈을 혼합하여 혼합용액을 준비하는 단계와,
상기 준비된 혼합용액을 1시간 동안 80℃에서 유지한 제1용액과 7 내지 8시간 동안 80℃에서 유지한 제2용액을 각각 준비하는 단계와,
상기 제1용액을 제2용액에 붓고 반응시켜 얻어진 반응물을 원심분리하여 수득하고, 40 내지 50℃에서 건조시켜 아연-유기리간드 골격체를 준비하는 단계를 포함하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 제조방법.
The method of claim 7,
The step of preparing the zinc-organic ligand skeleton comprises:
Preparing a mixed solution by mixing a zinc precursor, an organic ligand containing nitrogen and sulfur, and polyvinyl pyrrolidone in a solvent,
Preparing a first solution in which the prepared mixed solution is maintained at 80 캜 for 1 hour and a second solution maintained at 80 캜 for 7 to 8 hours,
Pouring the first solution into the second solution and reacting the resulting reaction product by centrifugation to obtain a zinc-organic ligand skeleton by drying at 40 to 50 ° C. Lt; / RTI &gt;
청구항 7에 있어서,
상기 아연-유기리간드 골격체를 준비하는 단계는,
아연 전구체, 질소와 황을 함유한 유기리간드를 1 : (0.5 ~ 1.5)의 몰비로 혼합하는 것을 특징으로 하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 제조방법.
The method of claim 7,
The step of preparing the zinc-organic ligand skeleton comprises:
Doped nitrogen and sulfur, characterized in that a zinc precursor and an organic ligand containing nitrogen and sulfur are mixed in a molar ratio of 1: (0.5-1.5).
청구항 7에 있어서,
상기 아연 전구체는,
아연아세테이트·2수화물(Zn(CH3CO2)2·2H2O), 아연 사이트레이트(Zn3[O2CCH2C(OH)(CO2)CH2CO2]2), 염화아연(ZnCl2), 황산아연(ZnSO4), 질산아연(Zn(NO3)2), 아연 퍼클로레이트(Zn(ClO4)2), 및 아연 테트라플루오로보레이트(Zn(BF4)2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 제조방법.
The method of claim 7,
Wherein the zinc precursor
Zinc acetate · dihydrate (Zn (CH 3 CO 2 ) 2 · 2H 2 O), zinc citrate (Zn 3 [O 2 CCH 2 C (OH) (CO 2 ) CH 2 CO 2 ] 2 ) ZnCl 2), zinc sulfate (ZnSO 4), zinc nitrate (Zn (NO 3) 2) , zinc perchlorate (Zn (ClO 4) 2) , and zinc tetrafluoroborate (Zn (BF 4) from the group consisting of 2 &Lt; / RTI &gt; wherein the catalyst is one selected from the group consisting of iron-doped nitrogen and sulfur.
청구항 7에 있어서,
상기 질소(nitrogen)와 황(sulfur)을 함유하는 유기리간드는,
디티오옥사미드(dithiooxamide), 티오아세트아미드(thioacetamide), 및 티오카르바미드(thiocarbamide)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 제조방법.
The method of claim 7,
The organic ligand, which contains nitrogen and sulfur,
Wherein the catalyst is any one selected from the group consisting of dithiooxamide, thioacetamide, and thiocarbamide. 5. The method of claim 1, wherein the catalyst is selected from the group consisting of dithiooxamide, thioacetamide, and thiocarbamide.
청구항 7에 있어서,
상기 철이 도핑된 골격체를 합성하는 단계는,
아연-유기리간드 골격체와 철 전구체를 1 : (0.2 ~ 0.6)의 중량비로 증류수에 혼합하는 것을 특징으로 하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 제조방법.
The method of claim 7,
The step of synthesizing the iron-doped skeleton comprises:
A process for preparing a carbon catalyst comprising iron-doped nitrogen and sulfur, characterized in that the zinc-organic ligand skeleton and the iron precursor are mixed in distilled water at a weight ratio of 1: (0.2-0.6).
청구항 7에 있어서,
상기 철 전구체는,
헤모글로빈, 황산제일철(FeSO4), 황산제이철(Fe2(SO4)3), 질산철(Fe(NO3)), 및 염화철(FeCl3)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 제조방법.
The method of claim 7,
The iron precursor,
Hemoglobin, ferrous sulfate (FeSO 4), ferric sulfate (Fe 2 (SO 4) 3 ), iron nitrate (Fe (NO 3)), and iron chloride (FeCl 3) in, characterized in that any selected one from the group consisting of, Lt; / RTI &gt; A process for preparing a carbon catalyst comprising iron-doped nitrogen and sulfur.
청구항 7에 있어서,
상기 탄화시키는 단계는,
철이 도핑된 골격체를 질소 분위기 하에서 700 내지 1000℃로 탄화시키는 것을 특징으로 하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 제조방법.
The method of claim 7,
The carbonizing step may include:
A process for producing a carbon catalyst comprising iron-doped nitrogen and sulfur, characterized in that the skeleton doped with iron is carbonized at 700 to 1000 占 폚 under a nitrogen atmosphere.
청구항 7에 있어서,
상기 탄소촉매를 활성화시키는 단계는,
탄소 촉매를 염산 수용액으로 세정하여 탄소 촉매 내의 아연 입자를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 철이 도핑된 질소 및 황을 포함하는 탄소 촉매 제조방법.

The method of claim 7,
Wherein the activating the carbon catalyst comprises:
And removing the zinc particles in the carbon catalyst by washing the carbon catalyst with an aqueous hydrochloric acid solution.

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