KR101808304B1 - Complex catalyst for oxygen reduction reaction comprising metal catalyst coated with zwiterionic molecules, and its preparation method - Google Patents

Complex catalyst for oxygen reduction reaction comprising metal catalyst coated with zwiterionic molecules, and its preparation method Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 전하를 띠는 금속 나노입자와 반대 전하를 갖는 방관자 이온들간의 직접적인 정전기적 상호작용을 긍정적으로 이용해 인산과 KOH 용액에서 Pt 전극의 산소 환원 반응 활성을 높이는 발명에 대해 제공하고자 한다. 특히, 양쪽성 이온의 성질을 갖는 L-시스틴을 Pt 표면에 흡착시켜 알칼리 및 인산 용액에서 모두 향상된 산소 환원 반응 활성을 가질 수 있는 촉매를 제공한다.The present invention provides an invention for enhancing the oxygen reduction activity of a Pt electrode in a phosphoric acid and a KOH solution by positively utilizing a direct electrostatic interaction between a metal nanoparticle having a charge and a counter ion having opposite charges. In particular, the present invention provides a catalyst capable of adsorbing L-cystine having an amphoteric property on the surface of Pt to improve oxygen reduction activity in both alkali and phosphoric acid solutions.

Description

양쪽성 이온 화합물에 의해 코팅된 금속 촉매를 포함하는 산소 환원 반응용 복합 촉매 및 그 제조방법{Complex catalyst for oxygen reduction reaction comprising metal catalyst coated with zwiterionic molecules, and its preparation method}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composite catalyst for an oxygen reduction reaction comprising a metal catalyst coated with an amphoteric ionic compound,

본 발명은 양쪽성 이온 화합물에 의해 코팅된 금속 촉매를 포함하는 산소 환원 반응용 복합 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composite catalyst for an oxygen reduction reaction comprising a metal catalyst coated with an amphoteric ionic compound and a method for producing the same.

나노 테크놀로지의 발전은 분자공학의 발전과 함께 이뤄져 왔다. 특히, 다양한 종류의 유기 분자들은 퀀텀닷, 연료전지, 리튬이온 배터리 등의 에너지 응용 분야에 필요로 하는 나노 입자의 합성에 주로 적용되어 왔다. 예를 들면 올레일아민, PVP, CTAB 등은 나노 입자 크기 및 구조를 조절하기 위해 광범위하게 쓰이고 있다. 따라서 용액 기반의 합성법에서 유기 분자는 나노 입자 제조에 있어 매우 중요한 역할을 한다. 최근, 작은 유기 분자는 연료전지 촉매 디자인에 있어 입자 크기 및 구조 조절뿐만 아니라 전기화학적 표면 개질에 직접적으로 응용되고 있다. 촉매의 전자 구조 관점에서는, 유기 리간드에 의한 금속 표면 개질이 산소 환원 반응 및 개미산 산화 반응에서 촉매 활성에 미치는 영향들이 보고 되고 있다. 금속 나노 입자의 합성 시, 기능화된 유기 리간드의 electron-withdrawing 또는 electron-donating power에 따라 금속 표면의 전자 구조가 달라졌다. 또한 calix arene 분자에 의한 Pt(111) 표면 개질은 산소 환원 반응과 수소 산화 반응에 있어 선택성을 가질 수 있다는 보고가 있었다. 이러한 특이한 분자 패턴은 Pt 표면에서 분자체(molecular sieve)로서 역할을 하면서 중요한 물리적 특징을 가진다고 할 수 있다.The development of nanotechnology has been accompanied by the development of molecular engineering. In particular, various types of organic molecules have been mainly applied to the synthesis of nanoparticles required for energy applications such as quantum dot, fuel cell, and lithium ion battery. For example, oleylamine, PVP, and CTAB are widely used to control nanoparticle size and structure. Thus, in solution-based synthesis, organic molecules play an important role in nanoparticle production. In recent years, small organic molecules have been applied directly to electrochemical surface modification as well as particle size and structure control in fuel cell catalyst designs. From the viewpoint of the electronic structure of the catalyst, the effects of the metal surface modification by the organic ligand on the catalytic activity in the oxygen reduction reaction and the formic acid oxidation reaction have been reported. During the synthesis of metal nanoparticles, the electronic structure of the metal surface has been altered by the electron-withdrawing or electron-donating power of functionalized organic ligands. In addition, it has been reported that Pt (111) surface modification by calix arene molecules can have selectivity in oxygen reduction reaction and hydrogen oxidation reaction. These unusual molecular patterns act as molecular sieves on the Pt surface and have important physical properties.

반면에 전기화학적 관점으로 보면, 전해질 내에 존재하는 방관자 이온(spectator ion) 촉매 표면 및 반응물과의 상호 작용을 하기 때문에 방관자 이온들의 거동이 반드시 고려되어야 한다. 특히 KOH 용액을 사용하는 알칼리 연료전지와 인산 용액을 사용하는 인산 연료전지에서는 피독성 방관자 이온들로서의 수산화 이온 및 인산 이온들이 Pt 표면에 강하게 달라붙기 때문에 산소 분자의 흡착을 방해하는 등 Pt 촉매의 산소 환원 반응 활성에 치명적인 영향을 준다. KOH 용액에서는 수화된 K+ 이온 역시 Pt 표면에 달라 붙게 되어 산소의 흡착을 방해한다. 따라서 알칼리 연료전지에서는 산성도가 낮은 알칼리 용액을 쓰기 때문에 촉매의 degradation이 느리고, 또한 인산 연료전지에서는 인산 용액이 함침 된 고분자 막을 사용하기 때문에 100 ℃ 이상의 고온에서 작동이 가능하여 높은 성능을 보여 줄 수 있는 장점을 가졌음에도 불구하고, 방관자 이온들에 의한 전기화학적 피독 현상을 고려하지 않고는 효율적인 촉매를 만들어 내기 어렵다.On the other hand, from the electrochemical point of view, the behavior of the bystander ions must be considered because of the interaction with the surface of the catalyst and the reactant present in the electrolyte. Particularly, in a phosphoric acid fuel cell using an alkaline fuel cell and a phosphoric acid solution using a KOH solution, hydroxyl ions and phosphate ions as toxic bumper ions cling strongly to the Pt surface, It has a fatal effect on the reduction reaction activity. In the KOH solution, the hydrated K + ions also stick to the Pt surface and interfere with the adsorption of oxygen. Therefore, degradation of the catalyst is slow due to the use of an alkali solution having a low acidity in an alkali fuel cell, and since a polymer membrane impregnated with a phosphoric acid solution is used in a phosphoric acid fuel cell, operation at a high temperature of 100 ° C or higher can be performed, Despite its advantages, it is difficult to produce an efficient catalyst without considering the electrochemical poisoning by the bystander ions.

이러한 관점에서, Markovic 그룹은 인산과 KOH 용액에서 방관자 이온들이 그 계면에서 촉매의 전기화학적 성질에 어떤 영향을 미치는지에 관해 연구를 하였고, Pt(111) 면에 흡착된 CN 분자가 각각의 용액 내에서 산소 환원 반응에 이치는 영향이 다르다는 연구 결과를 보고하였다. 인산 용액에서는 Pt 표면에 규칙적으로 패턴화된 CN 분자가 third-body effect에 의해 물리적으로 벌키한 인산 이온의 강한 흡착을 방해하여 산소 환원 반응을 위한 Pt 사이트를 많이 만들어 낼 수 있었다. 그러나 그러한 CN 분자의 기능은 알칼리 용액 내에서 매우 부정적인 영향을 미쳤다. 수화된 K+ 이온이 전기음성도가 큰 CN 분자와 강한 상호 작용을 하면서 Pt의 활성 사이트를 막아버리는 결과를 보여 주었다. 이러한 결과는 작은 분자를 이용한 표면 개질 방법을 통해 전해질 내 방관자 이온들의 거동을 제어할 수 있다는 가능성을 보여주었다. 그러나 이러한 연구는 촉매의 전기화학적 활성을 증대시키기 위해 직접적인 정전기적 상호작용을 회피하는 방어적인 접근법이었다고 할 수 있다. Pt 표면에 패턴화된 CN 분자는 인산 이온을 물리적으로 막을 수 있었던 반면에 수화된 K+ 이온에 의한 정전기적 방해를 막기에는 불충분했기 때문이다. In this regard, the Markovic group studied the effect of the bidentate ions on the electrochemical properties of the catalyst at the interface between phosphoric acid and KOH solution. The CN molecules adsorbed on the Pt (111) The results of this study are as follows. In the phosphoric acid solution, the CN molecules regularly patterned on the surface of the Pt interfere with the strong adsorption of the physically bulky phosphorus ions by the third-body effect, so that the Pt site for the oxygen reduction reaction can be produced. However, the function of such CN molecules has had a very negative effect on the alkali solution. The hydrated K + ions strongly interfere with the CN molecules with high electronegativity and blocked the active site of Pt. These results show that it is possible to control the behavior of the bystander ions in the electrolyte through the surface modification method using small molecules. However, this study was a defensive approach to avoid direct electrostatic interactions to increase the electrochemical activity of the catalyst. The CN molecules patterned on the Pt surface were physically able to block the phosphate ions, but were insufficient to prevent electrostatic interception by hydrated K + ions.

K. J. J. Mayrhofer, G. K. H. Wiberg, M. Arenz, J. Electrochem. Soc. 2008, 155, P1-P5.K. J. J. Mayrhofer, G. K. H. Wiberg, M. Arenz, J. Electrochem. Soc. 2008, 155, P1-P5. [3] S. L. Mayo, B. D. Olafson, W. A. Goddard, J. Phys. Chem. 1990, 94, 8897-8909.[3] S. L. Mayo, B. D. Olafson, and W. A. Goddard, J. Phys. Chem. 1990, 94, 8897-8909. A. D. Becke, J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648-5652.A. D. Becke, J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648-5652. C. Lee, W. Yang, R. G. Parr, Phys. Rev. B 1988, 37, 785-789.C. Lee, W. Yang, R. G. Parr, Phys. Rev. B 1988, 37, 785-789. P. J. Hay, W. R. Wadt, J. Chem. Phys. 1985, 82, 299-310.P. J. Hay, W. R. Wadt, J. Chem. Phys. 1985, 82, 299-310. Suite 2012: Jaguar version 7.9, S., LLC, New York, NY, 2012.Suite 2012: Jaguar version 7.9, S., LLC, New York, NY, 2012. H. Kim, J.-M. Choi, W. A. Goddard, J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 360-363.H. Kim, J.-M. Choi, W. A. Goddard, J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 360-363. G. Kresse, Phys. Rev. B 1996, 54, 11169-11186.G. Kresse, Phys. Rev. B 1996, 54, 11169-11186. M. Levitt, M. Hirshberg, R. Sharon, K. E. Laidig, V. Daggett, J. Phys. Chem. B 1997, 101, 5051-5061.M. Levitt, M. Hirshberg, R. Sharon, K. E. Laidig, V. Daggett, J. Phys. Chem. B 1997,101, 5051-5061. P. C. Hariharan, J. A. Pople, Theoret. Chim. Acta 1973, 28, 213-222.P. C. Hariharan, J. A. Pople, Theoret. Chim. Acta 1973,28, 213-222. J. Chandrasekhar, J. G. Andrade, R. v. R. Schleyer, J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 5609-5612.J. Chandrasekhar, J. G. Andrade, R. v. R. Schleyer, J. Am. Chem. Soc. 1981, 103,5609-5612. T. Clark, J. Chandraaekhar, G. W. Spitznagel, P. v. R. Schleyer, J. Comput. Chem. 1983, 4, 294-301.T. Clark, J. Chandraaekhar, G. W. Spitznagel, P. v. R. Schleyer, J. Comput. Chem. 1983, 4, 294-301. D. Beblov, B. Roux, J. Chem. Phys. 1994, 100, 9050-9063.D. Beblov, B. Roux, J. Chem. Phys. 1994, 100, 9050-9063. A. K. Rappe, W. A. Goddard, J. Phys. Chem. 1991, 95, 3358-3363.A. K. Rappe, W. A. Goddard, J. Phys. Chem. 1991,95, 3358-3363. S. Plimpton, J. Comput. Phys. 1995, 117, 1-19.S. Plimpton, J. Comput. Phys. 1995, 117, 1-19.

본 발명에서는 전하를 띠는 금속 나노입자와 반대 전하를 갖는 방관자 이온들간의 직접적인 정전기적 상호작용을 긍정적으로 이용해 인산과 KOH 용액에서 Pt 전극의 산소 환원 반응 활성을 높이는 발명에 대해 제공하고자 한다. 특히, 양쪽성 이온의 성질을 갖는 L-시스틴을 Pt 표면에 흡착시켜 알칼리 및 인산 용액에서 모두 향상된 산소 환원 반응 활성을 가질 수 있는 촉매를 제공한다.The present invention provides an invention for enhancing the oxygen reduction activity of a Pt electrode in a phosphoric acid and a KOH solution by positively utilizing a direct electrostatic interaction between a metal nanoparticle having a charge and a counter ion having opposite charges. In particular, the present invention provides a catalyst capable of adsorbing L-cystine having an amphoteric property on the surface of Pt to improve oxygen reduction activity in both alkali and phosphoric acid solutions.

본 발명의 일 측면은 (a) 탄소 지지체, (b) 상기 탄소 지지체 위에 담지된 금속 촉매, 및 (c) 상기 금속 촉매 표면에 코팅되어 있는 양쪽성 이온 화합물층을 포함하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매에 관한 것이다.One aspect of the present invention relates to a carbon support-supported composite catalyst comprising (a) a carbon support, (b) a metal catalyst supported on the carbon support, and (c) an amphoteric ion compound layer coated on the surface of the metal catalyst will be.

본 발명의 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 촉매를 포함하는 알칼리 또는 인산 연료전지에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to an alkali or phosphoric acid fuel cell comprising a catalyst according to various embodiments of the present invention.

본 발명의 또 다른 측면은 (A) 양쪽성 이온 화합물 용액에 탄소 지지체에 담지된 금속 촉매를 침지시켜 혼합한 후 세척하고 건조시키는 단계를 포함하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매 제조방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to (A) a method for manufacturing a carbon-supported supported catalyst, which comprises immersing a metal catalyst supported on a carbon support in an amphoteric ionic compound solution, mixing, washing and drying.

L-시스틴의 -SH group과 Au의 강한 상호작용 때문에 L-시스틴은 바이오 응용을 위한 Au 표면 위 self-assembled monolayer (SAM) 제조를 위해 알려진 기능성 분자이다. 전기화학적인 응용에서는, -COOH group을 갖는 3-mercaptopropionic acid, pyridine N atoms을 갖는 4-mercaptopyridine, (4-(4-pyridyl)phenyl)methanethiol 등과 같은 SAM들을 사용하여 용액의 pH에 따라 functional group의 deprotonation과 protonation에 의해 (-) 또는 (+) 전하를 띠어 전기화학적 성질의 변화가 일어남이 관찰되었다. L-시스틴으로 만들어진 SAM의 경우에도 -COOH와 -NH2와 같은 functional group에 의해서 전해질 종류 (알칼리 또는 산성 용액)에 따라 양쪽성 이온 성질이 나타남이 확인 되기도 하였다. 따라서 Pt 표면에 흡착된 L-시스틴은 이 두 가지 functional group을 갖기 때문에 deprotonation과 protonation에 의해 KOH와 인산 용액에서 (-) 또는 (+) 전하를 띨 수 있다.L-cystine is a functional molecule known for the production of self-assembled monolayer (SAM) on Au surfaces for bio-applications because of the strong interaction between -SH group and Au. In electrochemical applications, SAMs such as 3-mercaptopropionic acid with -COOH group, 4-mercaptopyridine with pyridine N atoms, and 4- (4-pyridyl) phenyl) methanethiol were used to determine the functional group (-) or (+) charge due to deprotonation and protonation. In the case of SAM made with L-cystine, it has also been confirmed that amphoteric ionic properties are exhibited by functional groups such as -COOH and -NH 2 depending on the type of electrolyte (alkali or acidic solution). Therefore, L-cystine adsorbed on the Pt surface has two functional groups, which can be (-) or (+) charged in KOH and phosphate solution due to deprotonation and protonation.

KOH 용액 내에서 Pt 표면 위에서 (-) 전하를 띠는 L-시스틴이 산소 환원 반응 중에 산소 분자의 흡착을 방해하는 OH- 이온을 Pt 표면으로부터 밀어낼 수 있다. 또한 5 Å 정도의 길이를 갖는 L-시스틴의 말단에서 수화된 K+ 이온을 잡아내어 Pt 표면으로부터 멀리 떨어져 있을 수 있도록 해준다. 인산 용액에서는 인산 이온이 L-시스틴의 (+) 전하와 인산 분자와 L-시스틴이 갖고 있는 -NH3 사이의 강한 수소 결합에 의해 Pt 표면으로까지 침투하기 어렵다. 인산 이온 역시 L-시스틴의 길이만큼 멀리 떨어져 있을 수 있어 Pt의 산소 환원 반응 활성의 향상에 도움이 된다.In the KOH solution, L-cystine with (-) charge on the Pt surface can push off OH - ions that interfere with adsorption of oxygen molecules during the oxygen reduction reaction from the Pt surface. It also captures hydrated K + ions at the end of L-cystine with a length of about 5 Å and allows it to stay away from the Pt surface. In phosphate solution, it is difficult for phosphate ions to penetrate to the Pt surface by strong hydrogen bonding between (+) charge of L-cystine and -NH 3 of phosphoric acid molecule and L-cystine. Phosphate ions can also be located as far as the length of L-cystine, which is helpful for improving the oxygen reduction activity of Pt.

도 1은 0.1 M KOH과 0.05 M H3PO4 용액 내에 담지된 무처리된 Pt 폴리크리스탈린 및 L-시스틴-decorated Pt 폴리크리스탈린의 표면에 대한 (a, b) CVs 및 (c, d) ORR polarization 커브이다. 130 μM L-시스틴 용액을 L-시스틴 흡착을 위해 사용하였다.
도 2a는 L-시스틴-decorated Pt/C 촉매에 대한 STEM 및 EDX 매핑 이미지이다. EDX 매핑 이미지에서 빨강, 녹색, 파랑 점은 각각 Pt, 황 및 탄소를 나타낸다. 도 2b의 윗 부분은 L-시스틴-decorated 및 무처리 Pt/C 촉매의 Pt4f core-level XPS 스펙트럼이고, 아랫 부분은 L-시스틴-decorated Pt 나노입자의 S2p core-level XPS 스펙트럼이다. 도 2는 0.1 M KOH과 0.05 M H3PO4 용액 내에 담지된 무처리된 Pt/C 및 L-시스틴-decorated Pt/C에 대한 (a, b) CVs 및 (c, d) ORR polarization 커브이다. 130 μM L-시스틴 용액을 L-시스틴-decorated Pt/C 촉매 제조를 위해 사용하였다.
도 3은 (a) 0.1 M HClO4, (b) 0.1 M KOH, (c) 0.05 M H3PO4 용액 내에 담지된 무처리 Pt/C 촉매 및 L-시스틴 용액 농도에 따른 L-시스틴-decorated Pt/C 촉매에 대한 ORR polarization 커브이다.
1 is 0.1 M KOH and 0.05 MH 3 PO 4 in treated non-supported Pt in the solution and on the surface of the polycrystalline L- cystine -decorated Pt polycrystalline (a, b) CVs and (c, d) ORR The polarization curve. A 130 μM L-cystine solution was used for L-cystine adsorption.
2A is a STEM and EDX mapping image for an L-cystine-decored Pt / C catalyst. In the EDX mapping image, the red, green, and blue dots represent Pt, sulfur, and carbon, respectively. The upper part of FIG. 2B is the Pt 4f core-level XPS spectrum of the L-cystine-decomposed and untreated Pt / C catalyst and the lower part is the S 2p core-level XPS spectrum of the L-cystine-deconated Pt nanoparticles. Figure 2 is a 0.1 M KOH and 0.05 MH 3 PO 4 in treated non-impregnated in the solution of the Pt / C and L- cysteine -decorated Pt / C (a, b) CVs and (c, d) ORR polarization curves. A 130 μM L-cysteine solution was used for the preparation of L-cystine-deconated Pt / C catalyst.
Figure 3 is a graph showing the results of a comparison between the untreated Pt / C catalyst supported on (a) 0.1 M HClO 4 , (b) 0.1 M KOH, (c) 0.05 MH 3 PO 4 solution, and L-cystine- / C is the ORR polarization curve for the catalyst.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면은 (a) 탄소 지지체, (b) 상기 탄소 지지체 위에 담지된 금속 촉매, 및 (c) 상기 금속 촉매 표면에 코팅되어 있는 양쪽성 이온 화합물층을 포함하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매에 관한 것이다.One aspect of the present invention relates to a carbon support-supported composite catalyst comprising (a) a carbon support, (b) a metal catalyst supported on the carbon support, and (c) an amphoteric ion compound layer coated on the surface of the metal catalyst will be.

이때, 상기 양쪽성 이온 화합물은 양성자 받개 관능기(proton-withdrawing group), 양성자 주개(donating) 관능기, 및 금속 촉매 결합 관능기를 포함하는 화합물이다.At this time, the amphoteric ionic compound is a compound containing a proton-withdrawing group, a donating functional group, and a metal catalytic functional group.

또한, 상기 탄소 지지체 담지 복합 촉매는 염기성 또는 산성 용액 내 산소 환원 반응용이다.Also, the carbon support-supported composite catalyst is used for an oxygen reduction reaction in a basic or acidic solution.

일 구현예에 따르면, 상기 양성자 받개 관능기는 1차 아민기, 2차 아민기, 3차 아민기, 알데하이드기, 케톤기 중에서 선택된다. 또한, 상기 양성자 주개 관능기는 카르복시기, 하이드록실기 중에서 선택된다. 또한, 상기 금속 촉매 결합 관능기는 티올기, 카벤기(carbene) 중에서 선택된다. 상기 금속 촉매 결합 관능기는 상기 금속 촉매와 강한 상호작용을 통해서 상기 양쪽성 이온 화합물과 상기 금속 촉매와 결합할 수 있도록 한다.According to one embodiment, the proton acceptor functional group is selected from a primary amine group, a secondary amine group, a tertiary amine group, an aldehyde group, and a ketone group. Also, the proton donating functional group is selected from a carboxyl group and a hydroxyl group. Also, the metal-catalyzed functional group is selected from a thiol group and a carbene group. The metal-catalyzed functional groups allow the amphoteric ionic compound to bind to the metal catalyst through strong interaction with the metal catalyst.

다른 구현예에 따르면, 상기 양성자 받개 관능기는 아민기이고, 상기 양성자 주개 관능기는 카르복시기이며, 상기 금속 촉매 결합 관능기는 티올기이다.According to another embodiment, the proton acceptor functional group is an amine group, the proton donating functional group is a carboxyl group, and the metal catalyst bonding functional group is a thiol group.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 금속 촉매는 Pt, Pd, PtM 합금 (M = Ni, Co, Fe, Cu, Pd 등 전이금속 원소), PdM 합금 (M = Ni, Co, Fe, Cu 등 전이금속 원소) 중에서 선택된 1종이다. 또한, 양쪽성 이온 화합물은 L-시스틴, 호모시스틴(homocysteine), L-메티오닌(methionine) 중에서 선택된 1종이다.According to another embodiment, the metal catalyst may be at least one selected from the group consisting of Pt, Pd, PtM alloys (M = transition metal elements such as Ni, Co, Fe, Cu, Pd), PdM alloys (M = Element). Further, the amphoteric ionic compound is one selected from L-cystine, homocysteine, and L-methionine.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 금속 촉매는 Pt이고 상기 양쪽성 이온 화합물은 L-시스틴이다.According to another embodiment, the metal catalyst is Pt and the amphoteric ionic compound is L-cystine.

또 다른 구현예에 따르면, Cs-STEM을 이용한 EDX 매핑 분석 및 STEM의 S 원자 라인 스캐닝 분석 결과, 상기 양쪽성 이온 화합물은 탄소 지지체에는 흡착되어 있지 않고 상기 금속 촉매에만 흡착되어 있는 탄소 지지체 담지 복합 촉매가 제공된다.According to another embodiment, the EDX mapping analysis using Cs-STEM and the S atom line scanning analysis of the STEM show that the amphoteric ion compound is not adsorbed on the carbon support but adsorbed only on the metal catalyst, Is provided.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 양쪽성 이온 화합물은 상기 금속 촉매 표면에서 자기 조립형 단일층(self assembled monolayer, SAM)을 형성하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매가 제공된다.According to another embodiment, the amphoteric ionic compound forms a self assembled monolayer (SAM) on the surface of the metal catalyst.

또 다른 구현예에 따르면, XPS 분석 결과, 양쪽성 이온 화합물층으로 코팅되지 않은 금속 촉매의 XPS 피크에 비하여, 상기 양쪽성 이온 화합물이 코팅된 금속 촉매의 XPS 피크가 높은 에너지 방향으로 이동되어 관측되는 탄소 지지체 담지 복합 촉매가 제공된다. 상기 이동은 상기 금속 이온이 Pt일 때 Pt4f 피크가 0.2 내지 0.5 eV, 바람직하게는 0.3 내지 0.4 eV, 가장 바람직하게는 약 0.35 eV 정도 높은 에너지 방향으로 이동된다.According to another embodiment, the XPS analysis shows that the XPS peak of the metal catalyst coated with the amphoteric ion compound is shifted in the direction of high energy compared with the XPS peak of the metal catalyst not coated with the amphoteric ion compound layer, A support-supported composite catalyst is provided. The migration is carried out when the metal ion is Pt, the Pt 4f peak is moved in an energy direction of 0.2 to 0.5 eV, preferably 0.3 to 0.4 eV, most preferably about 0.35 eV.

또 다른 구현예에 따르면, S2p XPS 스펙트럼 분석 결과 163.5 eV에서 피크가 관측되는 탄소 지지체 담지 복합 촉매가 제공된다.According to another embodiment, a S 2p XPS spectrum analysis provides a carbon support-supported composite catalyst wherein a peak is observed at 163.5 eV.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 양쪽성 이온 화합물에 의해 상기 금속 촉매의 전기화학적 표면적(electrochemical surface area, ESA)은 0.1 내지 20% 감소된 탄소 지지체 담지 복합 촉매가 제공된다. 상기 양쪽성 이온 화합물이 코팅된 복합 촉매는 도 2c와 2d에서 보듯이 양쪽성 이온 화합물이 코팅되지 않은 촉매에 비하여 산소 환원 반응에서 더욱 높은 활성을 보였으나, 다만 상기 금속 촉매의 전기화학적 표면적 감소가 0.1% 미만인 경우에는 그 효과가 전혀 나타나지 않았으며, 20%를 초과하는 경우에는 도 3에서 보듯이 오히려 양쪽성 이온 화합물이 코팅되지 않은 촉매에 비하여 산소 환원 반응에 대한 활성이 크게 낮아지는 것을 확인하였다.According to another embodiment, the electrochemical surface area (ESA) of the metal catalyst is reduced by 0.1 to 20% by the amphoteric ionic compound. As shown in FIGS. 2C and 2D, the composite catalyst coated with the amphoteric ion compound exhibited higher activity in the oxygen reduction reaction than the catalyst without the amphoteric ion compound coating, but the electrochemical surface area reduction of the metal catalyst As shown in FIG. 3, when the amount of the catalyst is less than 0.1%, the effect is not exhibited at all. When the amount of the catalyst is more than 20%, the activity of the reduction reaction is significantly lower than that of the catalyst without the amphoteric compound .

본 발명의 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 촉매를 포함하는 연료전지에 관한 것이다. 상기 연료전지는 알칼리 연료전지 또는 인산 연료전지이다.Another aspect of the present invention relates to a fuel cell comprising a catalyst according to various embodiments of the present invention. The fuel cell is an alkaline fuel cell or a phosphoric acid fuel cell.

본 발명의 또 다른 측면은 (A) 양쪽성 이온 화합물 용액에 탄소 지지체에 담지된 금속 촉매를 침지시켜 혼합한 후 세척하고 건조시키는 단계를 포함하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매 제조방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to (A) a method for manufacturing a carbon-supported supported catalyst, which comprises immersing a metal catalyst supported on a carbon support in an amphoteric ionic compound solution, mixing, washing and drying.

일 측면에 따르면, 상기 금속 촉매는 Pt이고 상기 양쪽성 이온 화합물은 L-시스틴이다.According to one aspect, the metal catalyst is Pt and the amphoteric ionic compound is L-cystine.

다른 측면에 따르면, 상기 양쪽성 이온 화합물 용액은 농도가 1 내지 130 μM이다. 양쪽성 이온 화합물 용액의 농도가 1 μM 미만인 경우에는 금속 촉매의 전기화학적 표면적 감소가 0.1% 미만이어서 산소 환원 반응 활성이 향상되는 효과가 전혀 나타나지 않으며, 130 μM을 초과하는 경우에는 금속 촉매의 전기화학적 표면적 감소가 20%를 초과하게 되어 산소 환원 반응에 대한 활성이 크게 낮아지는 것을 확인하였다.
According to another aspect, the amphoteric ionic compound solution has a concentration of 1 to 130 [mu] M. When the concentration of the amphoteric ionic compound solution is less than 1 μM, the reduction of the electrochemical surface area of the metal catalyst is less than 0.1%, so that the effect of improving the oxygen reduction activity is not exhibited at all. When the concentration exceeds 130 μM, The surface area reduction exceeded 20% and the activity for the oxygen reduction reaction was significantly lowered.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the scope and content of the present invention can not be construed to be limited or limited by the following Examples. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It is natural that it belongs to the claims.

실시예Example

스퍼터를 이용한 Pt 폴리크리스탈린 RDE의 제조Preparation of Pt polycrystalline RDE by sputtering

수직으로 정렬된 4인치 폴리크리스탈린 Pt 타겟을 갖는 RF magnetron sputter 시스템을 이용하여 Ar 분위기에서 Pt 폴리크리스탈린 필름을 RDE tip (지름 1 cm)위에 직접 올렸다. RDE tip의 GC (면적 = 0.283 cm2)를 제외한 나머지 부분은 모두 마스킹하였다. RDE 홀더는 Pt를 증착할 때 밑으로 떨어지지 않고 RDE가 수직으로 서있을 수 있도록 제작을 하였고, 그 홀더는 6개의 RDE를 한꺼번에 고정시킬 수 있는 6개의 구멍 (지름 = 1 cm)이 있는 사각형 모양 (5 x 5 x 1 cm)이다. Base and working pressure는 각각 4 x 10-6와 5 mTorr 이하로 맞추었다. 스퍼터 타겟과 substrate 사이의 Working distance는 20 cm이고, 20 W 파워로 60 분 동안 Pt 증착이 이뤄졌다.A Pt polycrystalline film was directly deposited on the RDE tip (1 cm in diameter) in an Ar atmosphere using an RF magnetron sputter system with a vertically aligned 4-inch polycrystalline Pt target. Except for the RDE tip GC (area = 0.283 cm < 2 >). The RDE holder was made so that the RDE could stand vertically without falling down when depositing the Pt, and the holder had a rectangular shape with six holes (diameter = 1 cm) to hold six RDEs together x 5 x 1 cm). Base and working pressures were adjusted to 4 x 10 -6 and 5 mTorr, respectively. The working distance between the sputter target and the substrate was 20 cm, and Pt deposition was performed for 60 minutes at 20 W power.

L-시스틴-decorated Pt 촉매의 제조Preparation of L-cystine-deconated Pt catalyst

130 μM의 L-시스틴 용액을 만들기 위해 3.25 mg의 L-시스틴을 200 mL의 탈이온수에 30 분 동안 녹여서 잘 섞었다. RDE tip 위 GC에 올려진 Pt 폴리크리스탈린 표면에 L-시스틴을 데코레이션하기 위해 Pt 폴리크리스탈린 표면을 갖는 RDE tip을 130 μM의 L-시스틴 용액에 1 분 동안 담근 후, 탈이온수로 반복적으로 세척한 뒤, 5 분 동안 60 ℃의 오븐에서 건조시켰다.To make a 130 μM L-cystine solution, 3.25 mg of L-cystine was dissolved in 200 mL of deionized water for 30 minutes and mixed well. RDE tip To decorate L-cystine on a Pt polycrystalline surface on a GC mounted on a GC, RDE tips with a Pt polycrystalline surface were immersed in 130 μM L-cystine solution for 1 minute and then washed repeatedly with deionized water And then dried in an oven at 60 DEG C for 5 minutes.

L-시스틴을 Pt 나노 입자 시스템에 도입하기 위해, 20 중량% Pt/C 상용 촉매를 standard Pt로 정하였다. 50 mg의 Pt/C를 130 μM의 L-시스틴 용액에 넣고 울트라소닉과 스터링을 통해 20 분 동안 잘 섞어 준 뒤, 과량의 탈이온수로 필터를 시키고 60 ℃의 오븐에서 12시간 건조시켜 L-시스틴-decorated Pt/C 촉매를 제조하였다. L-시스틴 커버리지가 산소 환원 반응 활성에 미치는 영향을 살펴보기 위해, Pt/C 촉매를 250, 500 μM의 농도가 진한 L-시스틴 용액에 넣고 같은 방법으로 촉매를 제조하였다.To introduce L-cystine into the Pt nanoparticle system, a 20 wt% Pt / C commercial catalyst was set as the standard Pt. 50 mg of Pt / C was added to 130 μM L-cystine solution, mixed thoroughly with ultrasonics for 20 minutes, filtered with excess deionized water, and dried in an oven at 60 ° C. for 12 hours to obtain L-cystine -decorated Pt / C catalyst. In order to investigate the effect of L-cystine coverage on oxygen reduction activity, Pt / C catalyst was added to a concentrated L-cystine solution at a concentration of 250, 500 μM and the catalyst was prepared in the same manner.

물리적 성질 관찰Physical property observation

L-시스틴-decorated Pt/C 촉매의 표면 구조와 원소 분석을 위해 Cs-corrected STEM을 사용하였다. STEM 이미지, EDX mapping 이미지, line profile (도면에는 없는데 표기되었습니다) 역시 Cs-corrected STEM을 이용하여 측정 되었다. L-시스틴을 갖는 Pt/C와 갖지 않는 Pt/C의 Pt와 S의 전자 구조 변화를 살펴보기 위해 synchrotron-based XPD를 포항가속기 연구소의 8A1 빔라인에서 측정하였다. 얻어진 XPS 데이터는 XPSPEAK 4.1 소프트웨어를 사용하여 커브 피팅되었다. Pt/C 촉매들의 제타 포텐셜 (도면에는 없는데 표기되었습니다)은 pH를 맞춰 놓은 전해질 내에서 Zeta Plus zeta potential analyzer를 통해 측정되었다. 전해질의 pH는 KOH와 H3PO4 용액의 농도를 조절하여 맞춰 졌고, 제타 포텐셜은 매 샘플마다 15 번씩 측정되어 그 평균값을 취하였다.Cs-corrected STEM was used for the surface structure and elemental analysis of L-cystine-decomposed Pt / C catalyst. STEM images, EDX mapping images, and line profiles (not shown) were also measured using Cs-corrected STEM. Synchrotron-based XPD was measured on the 8A1 beamline of the Pohang Accelerator Laboratory to investigate the electronic structure changes of Pt / C with and without L-cystine. The obtained XPS data was curve fitted using XPSPEAK 4.1 software. The zeta potential of Pt / C catalysts (not shown) was measured in a pH-adjusted electrolyte via a Zeta Plus zeta potential analyzer. The pH of the electrolyte was adjusted by adjusting the concentration of KOH and H 3 PO 4 solution, and the zeta potential was measured 15 times for each sample and the average value was taken.

전기화학적 성질 관찰Electrochemical property observation

L-시스틴 흡착이 모델 시스템으로서의 Pt 폴리크리스탈린 표면에 미치는 영향을 보기 위해, Ar-포화된 0.1 M HClO4, 0.1 M KOH, 0.05 M H3PO4 용액에서 0.05 V에서 0.7 V까지 5 mVs-1의 스캔속도를 가지고 무처리(untreated) Pt 폴리크리스탈린과 L-시스틴-decorated Pt 폴리크리스탈린 표면의 CV를 측정하였다. 촉매의 ESA는 0.1 M HClO4 용액에서 측정된 CV의 Hupd 영역의 수소 탈착 전하 밀도를 이용하여 계산되었다. OH와 인산 음이온의 흡착 전류 밀도 (도면에는 없는데 표기되었습니다)는 각각 0.1 M KOH와 0.05 M H3PO4 용액에서 측정된 전기 이중층 전류 밀도를 CV의 전류밀도에서 뺌으로써 구해졌다. 전극의 산소 환원 반응 활성은 O2-포화된 0.1 M HClO4, 0.1 M KOH, 0.05 M H3PO4 용액에서 0.05 V와 1.05 V 사이의 전압을 1600 rpm으로 RDE를 돌리면서 5 mVs-1의 스캔 속도로 측정되었다. 산소 가스는 산소 환원 반응 활성 테스트를 하는 동안 계속해서 불어넣어 주었다. 실제 시스템으로서 L-시스틴이 흡착이 Pt/C 촉매에 미치는 영향을 살펴보기 위해, L-시스틴-decorated Pt/C 촉매와 나피온 이오노머, IPA를 잘 섞어 촉매 잉크를 제조하였다. 0.196 cm2의 면적을 갖는 GC위에 5 μL의 Pt/C 촉매 잉크를 한 방울 올리고 촉매 표면에 있는 용매가 모두 제거될 수 있도록 60 ℃의 오븐에서 건조시켰다. Untreated Pt/C 촉매 역시 모든 용액 내에서 L-시스틴-decorated Pt/C 촉매와 비교되었다. 탄소에 담지된 Pt의 loading양은 약 48 μg이다. 촉매의 ESA는 0.1 M HClO4 용액 내에서 측정된 CV의 Hupd 영역의 전하 밀도를 가지고 계산되었다. Pt 나노 입자 위에 흡착된 L-시스틴의 안정성을 확인하기 위해 0.1 M KOH와 0.05 M H3PO4 용액 내에서 0.05 V에서 1.05 V 사이의 전압에서 20 mVs-1의 스캔 속도로 100번의 전압 싸이클을 돌렸다. Pt/C 촉매들의 산소 환원 반응 활성 테스트는 Pt 폴리크리스탈린 표면의 실험 조건과 같은 조건에서 수행하였다. 알칼리 용액 내에서 glass leaching으로 인한 불순물로부터 Pt 표면의 오염을 최소화하기 위해 각각의 전기화학 측정 마다 fresh KOH 용액을 새로 만들어 사용하였고, 대부분의 전기화학 데이터는 20 분 안에 얻을 수 있도록 하였다. Pt 나노 입자 위에 흡착된 L-시스틴의 안정성을 보기 위한 0.05 V에서 1.05 V 사이의 100번의 전압 싸이클 테스트만 예외적으로 약 2.78 시간 동안 수행되었다. 그러나 positive potential limit이 0.5 V보다 매우 높은 1.05 V였기 때문에 안정성 테스트를 하는 동안에도 Pt 표면의 오염은 거의 일어나지 않았을 것으로 보인다.To investigate the effect of L-cysteine adsorption on the Pt polycrystalline surface as a model system, a solution of 5 mVs -1 from 0.05 V to 0.7 V in Ar-saturated 0.1 M HClO 4 , 0.1 M KOH, 0.05 MH 3 PO 4 solution The CV of untreated Pt polycrystalline and L-cystine-decon- plated Pt polycrystalline surface was measured with a scanning speed of. The catalyst of the ESA was calculated using a charge density of hydrogen desorbed H upd region of the measured CV at 0.1 M HClO 4 solution. The adsorption current density of OH and phosphate anions (not shown) was obtained by subtracting the electric double layer current density measured from the 0.1 M KOH and 0.05 MH 3 PO 4 solutions from the CV current density. The oxygen reduction activity of the electrode was measured by scanning a 5 mVs -1 electrode while rotating the RDE between O 2 -saturated 0.1 M HClO 4 , 0.1 M KOH and 0.05 MH 3 PO 4 at a voltage between 0.05 V and 1.05 V at 1600 rpm Speed. The oxygen gas was continuously blown during the oxygen reduction reaction activity test. In order to investigate the effect of L-cystine adsorption on the Pt / C catalyst as an actual system, a catalyst ink was prepared by mixing L-cystine-decolated Pt / C catalyst, Nafion ionomer and IPA. 5 [mu] L of Pt / C catalyst ink was dropped on GC with an area of 0.196 cm < 2 > and dried in an oven at 60 [deg.] C to remove all of the solvent on the catalyst surface. Untreated Pt / C catalysts were also compared with L-cystine-deconated Pt / C catalysts in all solutions. The loading amount of Pt loaded on carbon is about 48 μg. The catalyst of the ESA was calculated to have a charge density in the region of the upd H measured in CV 0.1 M HClO 4 solution. To verify the stability of L-cystine adsorbed on the Pt nanoparticles, 100 voltage cycles were run at a scan rate of 20 mVs -1 at a voltage between 0.05 V and 1.05 V in 0.1 M KOH and 0.05 MH 3 PO 4 solution . The oxygen reduction reaction activity test of Pt / C catalysts was performed under the same conditions as the experimental conditions of the Pt polycrystalline surface. In order to minimize contamination of the Pt surface from impurities due to glass leaching in alkali solution, a fresh KOH solution was newly prepared for each electrochemical measurement, and most electrochemical data were obtained in 20 minutes. Only 100 voltage cycle tests between 0.05 V and 1.05 V to see the stability of L-cystine adsorbed on Pt nanoparticles were carried out for about 2.78 hours. However, since the positive potential limit was 1.05 V, which is much higher than 0.5 V, it seems that the contamination of the Pt surface hardly occurred during the stability test.

L-시스틴 흡착이 Pt 폴리크리스탈린 표면에 미치는 영향Effect of L-cystine adsorption on Pt polycrystalline surface

먼저 산소 환원 반응 시 L-시스틴 흡착이 단순한 구조를 갖는 Pt 폴리크리스탈린 표면에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 도 1a와 b에서 보이듯이, L-시스틴의 Pt 표면 위 흡착 정도는 무처리 샘플과 L-시스틴-decorated 샘플의 Hupd를 비교함으로써 측정되었다. L-시스틴-decorated 샘플의 Hupd 면적이 무처리 샘플보다는 감소하여 L-시스틴 분자의 Pt 표면 흡착이 이뤄짐을 알 수 있지만, KOH 또는 인산 용액에서는 OH-와 인산 이온의 흡착이 Hupd 영역에서 애매모호한 전기 이중층을 형성하기 때문에 실질적으로 Pt의 전기화학적 활성 면적을 정확하게 구하기 어렵다. 따라서, 우리는 ClO4 - 이온의 흡착이 거의 없는 HClO4 용액에서 CV를 측정하여 Hupd 면적을 구하고 그로부터 L-시스틴의 흡착 정도를 정확하게 구하였다. 결론적으로 L-시스틴 흡착이 L-시스틴-decorated Pt의 전기화학적 활성 면적의 약 20% (무처리 샘플 대비)를 감소시킨다는 것을 알게 되었다.First, the effect of L-cystine adsorption on the Pt polycrystalline surface with simple structure was investigated during the oxygen reduction reaction. Fig. As shown in 1a and b, above the surface of the Pt L- cystine absorption degree was measured by comparing the H upd of the non-treated sample and L- cysteine -decorated sample. H upd area of L- cystine -decorated sample is reduced than the untreated samples, but the Pt surface adsorption of L- cystine molecules to find out yirwojim, in the KOH or phosphoric acid solution, the adsorption of OH- and phosphate ions in the ambiguous region H upd It is difficult to accurately obtain the electrochemically active area of Pt substantially because it forms an ambiguous electric double layer. Therefore, we measured the CV area in the HClO 4 solution with little adsorption of ClO 4 - ions and found the H upd area, from which the adsorption of L-cystine was accurately determined. In conclusion, it was found that L-cystine adsorption reduced about 20% of the electrochemically active area of L-cystine-deconded Pt (compared to untreated samples).

한편, KOH와 인산 용액에서 L-시스틴-decorated 샘플의 전기화학적 성질은 무처리 샘플과 확연히 다른 모습을 보였다. KOH 용액에서, 0.45 V와 0.6 V 사이의 전압에서 나타나는 OH 흡착 피크 면적이 무처리 샘플 대비 약 48% 감소되었다. 이러한 결과는 IHP 내에서 OH- 이온들의 Pt 표면과의 직접적인 정전기적 상호 작용이 매우 감소되었다는 것을 보여준다. 인산 용액에서는, 약 0.55 V 정도에서 인산 이온 흡착 피크가 나타나는데 무처리 샘플과 L-시스틴-decorated 샘플에서 모두 그 피크가 나타났다. 하지만 인산 이온 흡착 전하를 계산해보면 무처리 샘플보다 약 42% 감소되었음이 확인되었다. 이것은 IHP 내에서 인산 이온 역시 (+) 전하를 띠는 L-시스틴 분자의 -NH3 +에 의해 끌어당겨져 Pt 표면과의 직접적인 상호작용이 상당히 감소되었음을 보여 주는 결과이다.On the other hand, the electrochemical properties of L-cysteine-decored samples in KOH and phosphoric acid solutions were significantly different from untreated samples. In the KOH solution, the OH adsorption peak area at a voltage between 0.45 V and 0.6 V was reduced by about 48% compared to the untreated sample. These results show that the direct electrostatic interaction of the OH - ions with the Pt surface in IHP is greatly reduced. Phosphoric acid ion adsorption peaks were observed at about 0.55 V in the phosphoric acid solution, and both peaks appeared in the untreated sample and the L-cystine-decored sample. However, calculation of the phosphate ion adsorption charge was found to be about 42% less than the untreated sample. This is a result of the fact that the direct interaction of the phosphate ion with the Pt surface was also reduced by the -NH 3 + of the L-cystine molecule bearing the (+) charge in the IHP.

결국, 전해질 용액 종류에 따라 L-시스틴 분자의 전하가 Pt 표면 전하를 바꿈으로 인해 L-시스틴-decorated 샘플은 무처리 샘플에 비해 매우 높은 산소 환원 반응 활성을 보여 주었다. L-시스틴-decorated 샘플의 KOH와 인상 용액 내에서 향상된 산소 환원 반응 활성은 CV 데이터의 결과에서 예측됐듯이 양쪽성 이온 성질을 갖는 L-시스틴과 방관자 이온들 사이의 직접적인 정전기적 상호 작용에 의한 것이라 생각된다. 이렇게 간단한 모델 시스템으로서의 Pt 폴리크리스탈린을 사용했을 때 얻은 결과들은 양쪽성 이온 성질을 갖는 L-시스틴의 역할에 대한 우리의 가설이 신빙성을 갖는 다는 것을 잘 보여준다. 그러나 이러한 모델 시스템이 아닌 실제 시스템에서도 같은 결과를 얻을 수 있을지를 확인하기 위해 Pt 나노 입자 표면으로 그 범위를 확장 시켰다. 또한 나노 입자의 사용은 여러 측정을 위한 샘플의 핸들링이 폴리크리스탈린을 사용할 때보다 훨씬 쉽기 때문에 추가적인 물리적 의미를 찾는데 도움이 되었다.As a result, the L-cystine-decreated sample showed a much higher oxygen reduction activity than the untreated sample due to the charge of the L-cystine molecule changing the Pt surface charge depending on the type of the electrolyte solution. Enhanced oxygen reduction activity in KOH and impregnation solution of L-cysteine-decored samples is due to direct electrostatic interactions between L-cystine and bidentate ions with zwitterionic properties, as predicted from the CV data. I think. The results obtained using Pt polycrystalline as such a simple model system demonstrate that our hypothesis of the role of L-cystine with amphoteric properties is credible. However, we extended the range to Pt nanoparticle surfaces to ensure that the same results could be obtained in real systems rather than in these model systems. The use of nanoparticles also helped to find additional physical significance because the handling of samples for multiple measurements is much easier than when using polycrystalline.

L-시스틴 흡착이 탄소 위에 담지된 Pt 나노 입자 (Pt/C) 표면에 미치는 영향Effect of L-cystine adsorption on Pt nanoparticles (Pt / C) supported on carbon

연료전지 촉매로서 실질적으로 사용되고 있는 Pt/C 촉매에 L-시스틴을 흡착시켰다. 상용화된 Pt/C 촉매는 2.6 nm 정도의 입자 크기를 갖는데, L-시스틴 흡착을 위해 이 촉매를 130 μM L-시스틴 용액에 담갔다. 하지만 L-시스틴이 Pt 나노 입자 표면에 붙어 있기는 하나 매우 작은 유기 분자가 흡착된 나노 입자의 표면을 TEM만으로는 직접적으로 관찰하기 어려웠고 무처리 Pt/C의 표면 구조와 구별하기 어려웠다. 따라서 먼저 L-시스틴이 탄소 지지체가 아닌 Pt 표면 위에만 선택으로 흡착이 되었는지를 밝히는 물리적 증거를 찾는데 주력하였다. Cs-STEM을 이용하여 EDX mapping을 한 결과, L-시스틴이 갖고 있는 S 원소가 탄소 표면이 아닌 Pt 나노 입자 표면에서만 관찰 되는 것을 확인하였다. 이것은 L-시스틴이 어떤 종류의 physisorption이 아닌 특정한 chemisorption에 의해 Pt 입자 표면에만 흡착된다는 것을 말해준다. Pt 표면 위의 L-시스틴의 존재는 STEM의 S 원자 line scanning을 통해서도 알 수 있다. 결정적으로 XPS 측정을 통해 L-시스틴의 -SH와 Pt 사이의 강한 상호 작용으로 인해 chemisorption이 일어 났다는 것을 확인했다. Pt-decorated Pt/C의 Pt XPS 피크가 무처리 Pt/C 보다 약 0.35 eV 정도 높은 에너지 방향으로 shift되었고 S XPS spectra에서 163.5 eV 근처에서 피크가 나타남을 보았을 때 Pt에서 S로 전자 이동이 일어 났고 안정된 SAM을 형성 했음을 증명할 수 있었다.L-cystine was adsorbed on a Pt / C catalyst substantially used as a fuel cell catalyst. The commercialized Pt / C catalyst had a particle size of about 2.6 nm, and the catalyst was immersed in a 130 μM L-cysteine solution for L-cystine adsorption. However, although L-cystine is attached to the surface of Pt nanoparticles, it is difficult to directly observe the surface of nanoparticles adsorbed on very small organic molecules by TEM, and it is difficult to discriminate them from the surface structure of untreated Pt / C. Therefore, we first focused on finding physical evidence that L-cystine selectively adsorbed onto the Pt surface rather than the carbon support. As a result of EDX mapping using Cs-STEM, it was confirmed that the S element possessed by L-cystine was observed only on the surface of Pt nanoparticles, not on the carbon surface. This suggests that L-cystine is adsorbed only on the surface of Pt particles by specific chemisorption rather than by any kind of physisorption. The presence of L-cystine on the Pt surface can also be seen by S-atom line scanning of STEM. Crucially, XPS measurements confirmed that chemisorption occurred due to the strong interaction between -SH and Pt of L-cystine. When Pt XPS peak of Pt-decorated Pt / C shifted to energy direction about 0.35 eV higher than untreated Pt / C and peak appeared near 163.5 eV in S XPS spectra, electron transfer from Pt to S occurred It was proved that stable SAM was formed.

Pt 폴리크리스탈린 표면에서와 마찬가지 이유로, Pt/C 샘플들의 전기화학적 활성 면적의 측정은 HClO4 용액에서 진행되었고, 130 μM L-시스틴 용액을 사용하였을 때 약 20% 정도 면적이 감소되었음을 알 수 있다. 그러나 250 μM 및 500 μM L-시스틴 용액을 사용하게 되면 50% 또는 80%까지 면적의 감소가 점차적으로 크게 일어났다. 또한 KOH와 인산 용액 내에서도 CV에서 Hupd 면적이 사용된 L-시스틴 용액의 농도가 진해질수록 감소됨을 확인 할 수 있었다. Pt 나노 입자 위에 흡착된 L-시스틴의 전기화학적 안정성도 살펴보았는데, 0.05 V에서 1.05 V까지 100번의 CV 싸이클을 돌렸을 때 CV 모양이 크게 변화가 없을 통해 안정하다는 결론을 내렸다.For the same reason as on the Pt polycrystalline surface, the electrochemically active areas of the Pt / C samples were measured in the HClO 4 solution and the area was reduced by about 20% when the 130 μM L-cystine solution was used . However, the use of 250 μM and 500 μM L-cystine solution resulted in a gradual increase in area reduction to 50% or 80%. The binary also be the concentration of the KOH with the phosphoric acid solution H upd area from within CV using L- cystine solution could be confirmed reduced. We also looked at the electrochemical stability of L-cystine adsorbed on Pt nanoparticles. We concluded that the CV shape is stable through no change when 100 CV cycles from 0.05 V to 1.05 V are run.

도 2c와 d에서 보이듯, Pt 폴리크리스탈린 실험에서와 마찬가지로 OH 및 인산 이온의 흡착 피크가 현저히 감소된 것을 볼 수 있다. 또한 L-시스틴-decorated Pt/C 촉매가 산소 환원 반응 활성 역시 무처리 샘플에 비해 매우 높다는 것을 확인하였다. 한편, L-시스틴의 흡착 정도가 20% 이상 높아지면 HClO4에서 뿐만 아니라 KOH 및 인산 전해질 내에서도 산소 환원 반응 활성이 낮아짐을 알 수 있다. 이것은 너무 많은 L-시스틴 흡착은 Pt 표면의 활성 사이트를 너무 많이 가리게 되었기 때문이라고 생각되는데, 이로 인해 유기 분자를 이용하여 촉매 표면을 개질하는데 있어서 그 흡착량 역시 매우 중요한 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.As can be seen from FIGS. 2c and d, the adsorption peaks of OH and phosphate ions are significantly reduced as in the Pt polycrystalline experiment. The catalytic activity of L-cysteine-decomposed Pt / C catalysts was also significantly higher than that of untreated samples. On the other hand, if the adsorption degree of L-cystine is increased by 20% or more, the oxygen reduction activity is lowered not only in HClO 4 but also in KOH and phosphoric acid electrolyte. This is because too much L-cystine adsorption is thought to be due to too much of the active site on the Pt surface, and thus the amount of adsorption of the organic molecules on the surface of the catalyst is also very important .

하지만 L-시스틴 흡착에 의해 Pt 나노 입자의 전하가 변하는 현상을 명확하게 증명하기 위해서는 추가적인 실험데이터가 필요했다. 그래서 Pt 나노 입자의 전하 변화를 직접적으로 확인하기 위해 Pt/C 촉매들의 제타 포텐셜을 측정하게 되었다. Stern layer와 slipping layer 사이의 제타 포텐셜은 전해질 용액의 pH와 관련이 있는 H+나 OH-와 같은 이온들에 의해 영향을 받는다. 그러나 수화된 K+, 인산 이온 등의 방관자 이온들 역시 이온성 전하를 띠고 있고 흡착할 수 있는 성질을 갖고 있기 때문에 제타 포텐셜에 큰 영향을 미친다. 흥미롭게도, L-시스틴-decorated Pt/C는 KOH에서는 무처리 샘플보다 좀더 (+) 전하를 띠고 인산에서는 보다 (-) 전하를 띠는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 L-시스틴의 흡착이 전해질 종류에 따라 Pt 표면 전하 변화에 영향을 미치고 있음을 보여주는 결정적인 증거가 될 수 있다. KOH에서는, -COO-에 의해 (-) 전하를 띠는 L-시스틴-decorated Pt 나노 입자가 slipping layer에서 OH- 이온을 밀어낼 수 있어서 상대적으로 감소된 (-) 전하를 가진다고 보여진다. 반대로, 인산에서는 -NH3+에 의해 (+) 전하를 띠게 되어 H+ 이온 보다는 인산 이온을 잡아 당겨 slipping plane에서 감소된 (+) 전하를 띨 수 있다고 생각된다. 이러한 제타 포텐셜 변화의 결과는 KOH와 인산 용액의 농도가 진해질수록 더욱 뚜렷해졌다. 따라서, bifunctional Pt 나노 입자의 표면 전하가 변하는 성질은 확실히 확인되었고, CV 및 산소 환원 반응 활성의 변화는 KOH 및 인산 용액 내에서 방관자 이온들의 거동을 잘 제어했기 때문이라는 것이 증명되었다.However, further experimental data were needed to clearly demonstrate the change in the charge of Pt nanoparticles due to L-cystine adsorption. Thus, the zeta potential of Pt / C catalysts was measured to directly identify changes in the charge of the Pt nanoparticles. The zeta potential between the stern layer and the slipping layer is influenced by ions such as H + and OH - which are related to the pH of the electrolyte solution. However, the bystander ions such as hydrated K + ions and phosphate ions also have ionic charge and adsorbed property, which has a great influence on the zeta potential. Interestingly, it was confirmed that L-cysteine-deconated Pt / C had more (+) charge than KOH and no (-) charge in phosphoric acid. This can be the conclusive evidence that the adsorption of L-cystine influences the Pt surface charge change depending on the type of electrolyte. The KOH, -COO-L- cysteine -decorated the Pt nanoparticles band charges OH in slipping layer - (), - by the shown said to have a charge-to the relatively reduced to be able to push the ion (). Conversely, in phosphoric acid, it is assumed that (+) electric charge is generated by -NH 3+ , so that phosphate ion may be pulled rather than H + ion to have a (+) electric charge reduced on the slipping plane. The results of this zeta potential change became more evident as the concentration of KOH and phosphoric acid solution increased. Therefore, the properties of surface charge change of bifunctional Pt nanoparticles were confirmed, and it was proved that the change of CV and oxygen reduction reaction activity controlled the behavior of the bystander ions in KOH and phosphoric acid solution well.

Claims (14)

(a) 탄소 지지체, (b) 상기 탄소 지지체 위에 담지된 금속 촉매, 및 (c) 상기 금속 촉매 표면에 코팅되어 있는 양쪽성 이온 화합물층을 포함하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매로서,
상기 양쪽성 이온 화합물은 양성자 받개 관능기(proton-withdrawing group), 양성자 주개(donating) 관능기, 및 금속 촉매 결합 관능기를 포함하는 화합물이며,
상기 탄소 지지체 담지 복합 촉매는 염기성 또는 산성 용액 내 산소 환원 반응용이고,
Cs-STEM을 이용한 EDX 매핑 분석 및 STEM의 S 원자 라인 스캐닝 분석 결과, 상기 양쪽성 이온 화합물은 상기 탄소 지지체에는 흡착되어 있지 않고 상기 금속 촉매에만 흡착되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매.
1. A carbon support-supported composite catalyst comprising (a) a carbon support, (b) a metal catalyst supported on the carbon support, and (c) an amphoteric ion compound layer coated on the surface of the metal catalyst,
The amphoteric ionic compound is a compound comprising a proton-withdrawing group, a donating functional group, and a metal catalytic functional group,
The carbon support-supported composite catalyst is for an oxygen reduction reaction in a basic or acidic solution,
As a result of the EDX mapping analysis using Cs-STEM and the S atom line scanning analysis of the STEM, the amphoteric ion compound is not adsorbed on the carbon support but adsorbed only on the metal catalyst.
제1항에 있어서, 상기 양성자 받개 관능기는 아민기, 1차 아민기, 2차 아민기, 3차 아민기, 알데하이드기, 케톤기 중에서 선택되고;
상기 양성자 주개 관능기는 카르복시기, 하이드록실기 중에서 선택되며;
상기 금속 촉매 결합 관능기는 티올기, 카벤기(carbene) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매.
The method of claim 1, wherein the proton acceptor functional group is selected from an amine group, a primary amine group, a secondary amine group, a tertiary amine group, an aldehyde group, and a ketone group;
Wherein the proton donating functional group is selected from a carboxyl group and a hydroxyl group;
Wherein the metal catalyst-bonding functional group is selected from a thiol group and a carbene group.
제2항에 있어서, 상기 양성자 받개 관능기는 아민기이고, 상기 양성자 주개 관능기는 카르복시기이며, 상기 금속 촉매 결합 관능기는 티올기인 것을 특징으로 하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매.3. The composite catalyst for supporting a carbon support according to claim 2, wherein the proton acceptor functional group is an amine group, the proton donor functional group is a carboxyl group, and the metal catalytic functional group is a thiol group. 제1항에 있어서, 상기 금속 촉매는 Pt, Pd, PtM 합금 (M = Ni, Co, Fe, Cu, Pd 중에서 선택된 1종), PdM' 합금 (M' = Ni, Co, Fe, Cu 중에서 선택된 1종) 중에서 선택된 1종이고;
양쪽성 이온 화합물은 L-시스틴, 호모시스틴, L-메티오닌 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매.
The method of claim 1, wherein the metal catalyst is selected from the group consisting of Pt, Pd, PtM alloy (M = Ni, Co, Fe, Cu, Pd) 1 species);
Wherein the amphoteric ionic compound is one selected from L-cystine, homocysteine and L-methionine.
제4항에 있어서, 상기 금속 촉매는 Pt이고 상기 양쪽성 이온 화합물은 L-시스틴인 것을 특징으로 하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매.5. The carbon support-carrying composite catalyst according to claim 4, wherein the metal catalyst is Pt and the amphoteric ion compound is L-cysteine. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 양쪽성 이온 화합물은 상기 금속 촉매 표면에서 자기 조립형 단일층(self assembled monolayer, SAM)을 형성한 것을 특징으로 하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매.The carbon support-supported composite catalyst according to claim 1, wherein the amphoteric ion compound forms a self assembled monolayer (SAM) on the surface of the metal catalyst. 제7항에 있어서, XPS 분석 결과, 양쪽성 이온 화합물층으로 코팅되지 않은 금속 촉매의 XPS 피크에 비하여, 상기 양쪽성 이온 화합물이 코팅된 금속 촉매의 XPS 피크가 높은 에너지 방향으로 이동되어 관측되는 것을 특징으로 하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매.The XPS analysis according to claim 7, characterized in that the XPS peak of the metal catalyst coated with the amphoteric ion compound is observed in a higher energy direction as compared with the XPS peak of the metal catalyst not coated with the amphoteric ion compound layer By weight based on the total weight of the catalyst. 제8항에 있어서, S2p XPS 스펙트럼 분석 결과 163.5 eV에서 피크가 관측되는 것을 특징으로 하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매.9. The carbon support-supported composite catalyst according to claim 8, wherein a peak is observed at 163.5 eV as a result of S 2p XPS spectrum analysis. 제1항에 있어서, 상기 양쪽성 이온 화합물에 의해 상기 금속 촉매의 전기화학적 표면적(electrochemical surface area, ESA)은 0.1 내지 20% 감소한 것을 특징으로 하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매.The carbon support-supported composite catalyst according to claim 1, wherein the electrochemical surface area (ESA) of the metal catalyst is reduced by 0.1 to 20% by the zwitterionic compound. 제1항 내지 제5항 및 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 촉매를 포함하는 연료전지로서, 상기 연료전지는 알칼리 연료전지 또는 인산 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지.11. A fuel cell comprising a catalyst according to any one of claims 1 to 5 and 7 to 10, wherein the fuel cell is an alkali fuel cell or a phosphoric acid fuel cell. (A) 양쪽성 이온 화합물 용액에 탄소 지지체에 담지된 금속 촉매를 침지시켜 혼합한 후 세척하고 건조시키는 단계를 포함하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매 제조방법으로서,
상기 탄소 지지체 담지 복합 촉매는 (a) 탄소 지지체, (b) 상기 탄소 지지체 위에 담지된 금속 촉매, 및 (c) 상기 금속 촉매 표면에 코팅되어 있는 양쪽성 이온 화합물층을 포함하고,
상기 양쪽성 이온 화합물은 양성자 받개 관능기(proton-withdrawing group), 양성자 주개(donating) 관능기, 및 금속 촉매 결합 관능기를 포함하는 화합물이며,
상기 탄소 지지체 담지 복합 촉매는 염기성 또는 산성 용액 내 산소 환원 반응용이고,
Cs-STEM을 이용한 EDX 매핑 분석 및 STEM의 S 원자 라인 스캐닝 분석 결과, 상기 양쪽성 이온 화합물은 상기 탄소 지지체에는 흡착되어 있지 않고 상기 금속 촉매에만 흡착되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매 제조방법.
(A) immersing a metal catalyst supported on a carbon support in an amphoteric ionic compound solution, mixing, washing and drying the carbon supported catalyst composite catalyst,
The carbon support-supported composite catalyst comprises (a) a carbon support, (b) a metal catalyst supported on the carbon support, and (c) an amphoteric ion compound layer coated on the surface of the metal catalyst,
The amphoteric ionic compound is a compound comprising a proton-withdrawing group, a donating functional group, and a metal catalytic functional group,
The carbon support-supported composite catalyst is for an oxygen reduction reaction in a basic or acidic solution,
As a result of the EDX mapping analysis using Cs-STEM and the S atom line scanning analysis of the STEM, the amphoteric ion compound is not adsorbed on the carbon support but adsorbed only on the metal catalyst. .
제12항에 있어서, 상기 금속 촉매는 Pt이고 상기 양쪽성 이온 화합물은 L-시스틴인 것을 특징으로 하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매 제조방법.13. The method of claim 12, wherein the metal catalyst is Pt and the zwitterionic compound is L-cystine. 제13항에 있어서, 상기 양쪽성 이온 화합물 용액은 농도가 1 내지 130 μM인 것을 특징으로 하는 탄소 지지체 담지 복합 촉매 제조방법.14. The method of claim 13, wherein the amphoteric ionic compound solution has a concentration of 1 to 130 [mu] M.
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