KR101809595B1 - 탄화티타늄에 담지된 과산화수소 생산용 백금 단일 원자 촉매, 이를 포함하는 막전극 접합체 및 상기 촉매의 제조방법 - Google Patents

탄화티타늄에 담지된 과산화수소 생산용 백금 단일 원자 촉매, 이를 포함하는 막전극 접합체 및 상기 촉매의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 백금이 탄화티타늄 담체 상에 단일 원자 형태로 분산되어 담지된 과산화수소 생산용 촉매, 이를 포함하는 과산화수소 생산용 막-전극 접합체 및 상기 과산화수소 생산용 촉매의 제조방법을 제공한다. 본 발명에서는 원자 단위로 분산된 백금 촉매를 탄화티타늄을 담체로 하여 합성하였다. 이를 통해 값비싼 귀금속의 사용량을 줄임과 동시에 과산화수소에 대한 선택성을 80% 이상으로 향상시켰다.

Description

탄화티타늄에 담지된 과산화수소 생산용 백금 단일 원자 촉매, 이를 포함하는 막전극 접합체 및 상기 촉매의 제조방법{Titanium carbide supported Pt single-atom catalyst for production of hydrogen peroxide, MEA including the same and Method for preparing the catalyst}
본 발명은 백금이 탄화티타늄 담체 상에 단일 원자 형태로 분산되어 담지된 과산화수소 생산용 촉매, 이를 포함하는 과산화수소 생산용 막-전극 접합체 및 상기 과산화수소 생산용 촉매의 제조방법에 관한 것이다.
과산화수소는 매 해 200만톤 이상 생산되며, 3조원의 이윤이 생기는 큰 시장이다. 과산화수소는 강한 산화력을 가지고 있으며 분해물이 무해하여, 분석시약의 산화제, 소독제, 화학적 분해, 펄프 및 제지 공정, 직물의 표백제, 비닐중합의 촉매 및 수처리 등 다양한 분야에서 이용되고 있다. 다양한 산화 반응에 사용될 수 있는 과산화수소는 부산물로 물 밖에 생성되지 않는 친환경적 산화제이므로, 추후 더 큰 시장성을 가지게 될 것으로 예상된다.
현재 대부분의 과산화수소는 안트라퀴논 공정(Anthraquinone process)을 통해 생성된다. 안트라퀴논 공정은 효율은 좋으나, 후처리에 많은 비용이 든다. 안트라퀴논 공정과 달리, 수소와 산소를 직접 이용하여 과산화산소를 제조하는 방법은 간편하면서 친환경적인 방법이나, 수소와 산소가 섞이게 되면 폭발의 위험성이 크기 때문에 위험하다.
고분자 전해질막 연료전지를 응용하여 전기화학적으로 과산화수소를 제조할 경우 수소와 산소를 이용해 과산화수소를 합성하지만, 수소와 산소가 전해질막을 사이에 두고 떨어져 있기 때문에 폭발의 위험이 없다. 전기화학적 과산화수소 제조법은 폭발의 위험성이 없다는 장점이 있지만, 가격이 비싼 귀금속 촉매를 필요로 하는 비용적 문제가 있다. 따라서, 귀금속 촉매의 사용량을 줄이고, 선택도를 높이는 것이 매우 중요하다.
본 발명자들은 단일 원자 백금을 질화티타늄 위에 담지하여 65%의 과산화수소 선택도를 지니는 촉매를 개발한 바 있다(출원번호 제10-2015-0170751호). 담체로 사용된 질화티타늄은 단일 원자 백금의 담지체로 좋은 물질이지만, 그 자체로도 산소환원반응에 활성을 가지고 있어 전반적인 선택도를 낮추게 된다.
본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0019640호 (2013.02.27 공개)
본 발명의 목적은 과산화수소 생산용 촉매를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 과산화수소 생산용 막-전극 접합체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 과산화수소 생산용 촉매의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 탄화티타늄을 포함하는 촉매 담체; 및 상기 촉매 담체 상에 단일 원자 형태로 분산되어 담지된 백금(Pt)을 포함하는 과산화수소 생산용 촉매를 제공한다.
본 발명의 특징 중 하나는 산소의 환원 반응에 촉매 역할을 하는 귀금속 백금이 탄화티타늄 담체 상에 단일 원자 형태로 담지 되었다는 점이다. 이러한 기술적 특징은 본 발명의 촉매가 과산화수소 생성에 대하여 높은 선택성을 나타내도록 한다(도 3 참조).
본 명세서에서 사용된 용어, "단일 원자 형태의 담지"는 촉매 역할을 하는 백금이 담체 상에 원자 단위로 서로 분산되어 담지되었다는 의미로서, 여러 백금 원자가 서로 뭉쳐 형성한 백금 나노입자가 촉매 담체 상에 담지된 것과 구별되는 의미이다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 백금의 담지량은 촉매 담체의 중량과 백금의 중량의 합을 기준으로 0.1 중량% 내지 1.0 중량%이다. 촉매 내 백금의 함량을 상기와 같은 중량%로 조절하면, 백금을 촉매 담체 상에 단일 원자 형태로 담지시킬 수 있다(도 1 및 2 참조).
하나의 특정예에서, 상기 백금의 담지량은 촉매 담체의 중량과 백금의 중량의 합을 기준으로 0.1 내지 0.9 중량%, 0.1 내지 0.8 중량%, 0.1 내지 0.7 중량%, 0.1 내지 0.6 중량%, 0.1 내지 0.5 중량% 또는 0.1 내지 0.4 중량%이고; 다른 특정예에서는 0.2 내지 0.9 중량%, 0.2 내지 0.8 중량%, 0.2 내지 0.7 중량%, 0.2 내지 0.6 중량%, 0.2 내지 0.5 중량% 또는 0.2 내지 0.4 중량%이며; 또 다른 특정예에서는 0.3 내지 0.9 중량%, 0.3 내지 0.8 중량%, 0.3 내지 0.7 중량%, 0.3 내지 0.6 중량%, 0.3 내지 0.5 중량% 또는 0.3 내지 0.4 중량%이다.
연료전지에서 산소가 환원되면 물이 생성되거나, 그렇지 않으면 과산화수소가 생성되므로, 촉매의 과산화수소 생성에 대한 선택성을 증가시킴으로써 과산화수소를 생산 효율을 증가시킬 수 있다. 하기 실시예에서 확인한 바와 같이, 백금이 단일 원자 형태로 탄화티타늄 담체 상에 담지된 본 발명의 촉매는, 백금이 단일 원자 형태로 질화티타늄 담체 상에 담지된 촉매와 비교하여 더 높은 과산화수소 생성에 대한 선택성을 나타낸다(도 3 참조). 상기 백금이 단일 원자 형태로 질화티타늄 담체 상에 담지된 촉매는, 본 발명자들의 이전 연구에서 백금 나노입자가 담지된 촉매와 비교하여 월등히 높은 과산화수소 생성에 대한 선택성을 나타낸 것으로 확인된바 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 본 발명의 과산화수소 생산용 촉매는 화학전지의 캐소드 전극에 적용 시, 0.05 V (vs. RHE)의 전압 조건에서 75-85%의 선택도로 과산화수소를 생성한다. 상기 용어, "선택도"는 캐소드 전극에 공급된 산소 대비 과산화수소로 전환된 산소의 비율을 나타낸다.
하나의 특정예에서, 본 발명의 촉매는 상기 조건에서 78-82%의 선택도로 과산화수소를 생성한다. 하기 실시예에 기재된 바와 같이, 질화티타늄 상에 단일 원자 형태로 백금이 담지된 촉매는 상기 조건에서 약 65%의 선택도로 과산화수소를 생성하며, 본 발명의 촉매는 이보다 높은 약 80%의 선택도로 과산화수소를 생성할 수 있다(도 3 참조).
본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음을 포함하는 과산화수소 생산용 막-전극 접합체를 제공한다:
본 발명의 과산화수소 생산용 촉매를 포함하는 캐소드;
상기 캐소드에 대향하여 배치되는 애노드; 및
상기 캐소드와 애노드 사이에 배치되는 전해질막.
도 5는 본 발명의 일구현예에 따른 막-전극 접합체를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이하에서는, 도 5를 참조로 본 발명의 일구현예에 따른 막-전극 접합체를 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 막-전극 접합체(10)는 서로 대향하는 애노드 전극(200) 및 캐소드 전극(200')을 포함하며, 이 애노드 전극(200)과 캐소드 전극(200') 사이에 위치하는 고분자 전해질 막(100)을 포함한다.
상기 애노드 전극(200) 및 캐소드 전극(200')은 각각 전극 기재(210, 210')와 촉매층(220, 220')을 포함한다. 상기 전극 기재(210, 210')는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층(220, 220')으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다.
이러한 전극 기재(210, 210')로는 도전성 기재를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천 등을 사용할 수 있다.
상기 전극 기재(210, 210')에는 촉매층(220, 220')이 위치하며, 촉매층(220, 220')은 관련 반응(연료의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 것으로, 상기 캐소드 전극(200')의 촉매층(220')에는 본 발명에 따른 촉매가 구비된다. 상기 촉매층(220, 220')은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 애노드 전극(200) 및 캐소드 전극(200') 사이에는 고분자 전해질 막(100)이 위치한다. 상기 고분자 전해질 막(100)은 애노드 전극(200)의 촉매층(220)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(200')의 촉매층(220')으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하며, 고분자 전해질 막(100)을 통하여 이동해온 수소 이온이 산소와 반응하여(산소의 환원) 물 또는 과산화수소가 생성된다. 이때, 캐소드 전극(200')에 구비된, 본 발명의 촉매가 포함된 촉매층(220')은 과산화수소 생성에 대한 선택성을 향상시키는 방향으로 반응을 촉매한다.
상기 고분자 전해질 막(100)으로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 예를 들어, 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 구성된 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 백금이 촉매 담체 상에 단일 원자 형태로 분산되어 담지된 과산화수소 생산용 촉매의 제조방법을 제공한다:
(a) 산 처리된 탄화티타늄 나노입자를 얻는 단계;
(b) 단계 (a)에서 얻은 산 처리된 탄화티타늄 나노입자에 백금 원료물질이 포함된 용액을 첨가하여 탄화티타늄 나노입자와 백금 원료물질의 혼합 분말을 얻는 단계; 및
(c) 단계 (b)의 혼합 분말을 건조한 후 건조물을 환원 처리하여 탄화티타늄 상에 백금이 단일 원자 형태로 분산되어 담지된 촉매를 생성시키는 단계, 상기 생성된 촉매 내 백금의 중량은 탄화티타늄의 중량과 백금의 중량의 합을 기준으로 0.1 중량% 내지 1.0 중량%임.
상기와 같은 본 발명의 제조방법에 따르면, 백금이 탄화티타늄 담체 상에 단일 원자 형태로 분산되어 담지된 촉매가 생성되므로, 본 발명의 방법을 탄화티타늄 담체 상에 백금을 단일 원자 형태로 담지하는 방법으로 이용할 수도 있다.
상기 단계 (a)에서는 탄화티타늄을 산성 용액(예컨대, 염산 용액)에 분산시킨 후 가열처리한 다음, 물로 세척 후 건조시켜 산 처리된 탄화티타늄 나노입자를 얻을 수 있다. 상기 탄화티타늄의 분산은 초음파 처리와 같은 통상적인 분산방법을 이용하여 실시할 수 있다.
상기 단계 (b)에서의 백금 원료물질로는, 예를 들어, H2PtCl6 수화물, PtCl2, PtBr2, (NH3)2Pt(NO2)2, K2PtCl6, K2PtCl4, K2[Pt(CN)4]3H2O, K2Pt(NO2)4, Na2PtCl6, Na2[Pt(OH)6], 플라티늄 아세틸아세토네이트(platinum acetylacetonate), 암모늄 테트라클로로플라티네이트(Ammonium tetrachloroplatinate) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 백금 원료물질로 H2PtCl6 수화물(H2PtCl6ㅇ6H2O)을 사용한다.
단계 (b)에서는 백금 원료물질이 포함된 용액의 용매로 알코올(예컨대, 에탄올), 물 또는 이들 두 용매의 조합을 사용할 수 있다.
단계 (b)에서는 단계 (a)에서 얻은 산 처리된 탄화티타늄 나노입자(분말 형태)에 백금 원료물질이 포함된 용액을 첨가하여 탄화티타늄 나노입자와 백금 원료물질의 혼합 분말을 얻는다. 이때, 첨가되는 용액의 양은 탄화티타늄 나노입자 분말의 공극 부피(pore volume)와 같거나 그보다 더 적은 양이다.
단계 (b)에서 각 원료 물질(백금 원료물질과 탄화티타늄 나노입자)의 혼합비는 제조하려는 과산화수소 생산용 촉매에서의 각 구성원소의 함량비를 고려하여 결정한다. 본 발명의 방법에 따라 제조되는 과산화수소 생산용 촉매는, 촉매 내 백금의 중량이 탄화티타늄의 중량과 백금의 중량의 합을 기준으로 0.1 내지 1.0 중량%이다.
하나의 특정예에서, 상기 백금은 탄화티타늄의 중량과 백금의 중량의 합을 기준으로 0.1 내지 0.9 중량%, 0.1 내지 0.8 중량%, 0.1 내지 0.7 중량%, 0.1 내지 0.6 중량%, 0.1 내지 0.5 중량% 또는 0.1 내지 0.4 중량%이고; 다른 특정예에서는 0.2 내지 0.9 중량%, 0.2 내지 0.8 중량%, 0.2 내지 0.7 중량%, 0.2 내지 0.6 중량%, 0.2 내지 0.5 중량% 또는 0.2 내지 0.4 중량%이며; 또 다른 특정예에서는 0.3 내지 0.9 중량%, 0.3 내지 0.8 중량%, 0.3 내지 0.7 중량%, 0.3 내지 0.6 중량%, 0.3 내지 0.5 중량% 또는 0.3 내지 0.4 중량%이다.
상기 단계 (c)에서의 백금의 환원 처리는, 단계 (b)의 혼합 용액을 건조시켜 얻은 건조물에 고온(예컨대, 80℃-150℃)에서 수소를 일정 시간 동안 흘려줌으로써 달성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 백금이 촉매 담체 상에 단일 원자 형태로 분산되어 담지된 과산화수소 생산용 촉매의 제조방법을 제공한다:
(a) 산 처리된 탄화티타늄 나노입자를 얻는 단계;
(b) 백금 원료물질이 포함된 용액에 단계 (a)에서 얻은 산 처리된 탄화티타늄 나노입자를 첨가하여 혼합 용액을 얻는 단계; 및
(c) 단계 (b)의 혼합 용액을 건조한 후 건조물을 환원 처리하여 탄화티타늄 상에 백금이 단일 원자 형태로 분사되어 담지된 촉매를 생성시키는 단계, 상기 생성된 촉매 내 백금의 중량은 탄화티타늄의 중량과 백금의 중량의 합을 기준으로 0.1 중량% 내지 1.0 중량%임.
상기와 같은 본 발명의 제조방법에 따르면, 백금이 탄화티타늄 담체 상에 단일 원자 형태로 분산되어 담지된 촉매가 생성되므로, 본 발명의 방법을 탄화티타늄 담체 상에 백금을 단일 원자 형태로 담지하는 방법으로 이용할 수도 있다.
상기와 같은 본 발명의 제조방법은, 단계 (b)에서 백금 원료물질 및 산 처리된 탄화티타늄 나노입자를 포함하는 혼합 용액을 얻는다는 점에서, 이들의 혼합 분말을 얻는 상술한 첫 번째 양태에 따른 제조방법과 차이가 있다.
상기 단계 (a)에서의 산 처리된 탄화티타늄 나노입자를 얻는 방법, 단계 (b)에서의 백금 원료물질 및 이를 포함하는 용액, 각 원료 물질(백금 원료물질과 탄화티타늄 나노입자)의 혼합비, 및 단계 (c)에서의 백금의 환원 처리에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:
(ⅰ) 본 발명은 백금이 탄화티타늄 담체 상에 단일 원자 형태로 분산되어 담지된 과산화수소 생산용 촉매, 이를 포함하는 과산화수소 생산용 막-전극 접합체 및 상기 과산화수소 생산용 촉매의 제조방법을 제공한다.
(ⅱ) 본 발명에서는 원자 단위로 분산된 백금 촉매를 탄화티타늄을 담체로 하여 합성하였다. 이를 통해 값비싼 귀금속의 사용량을 줄임과 동시에 과산화수소에 대한 선택성을 80% 이상으로 향상시켰다.
도 1은 0.35% Pt/TiC 촉매에 대한 HAADF-STEM 이미지를 보여준다.
도 2는 Pt/TiC 및 Pt/TiN 촉매에 대한 EXAFS 분석 결과를 보여준다.
도 3은 Pt/TiC 및 Pt/TiN 촉매의 산소환원 반응을 통한 과산화수소 생성반응 및 이의 선택도를 보여준다.
도 4는 Pt/TiC 촉매의 시간대 전류법(chronoamperometry)을 이용하여 측정한 1시간 동안의 과산화수소 생산 반응을 보여준다.
도 5는 본 발명의 일구현예에 따른 막-전극 접합체를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
1. 실험방법
탄화티타늄(NanoAmor) 나노입자에 산처리를 하여 깨끗한 탄화티타늄 표면을 얻었다. 600 mg의 탄화티타늄 나노입자를 20 ml의 35% 염산에 넣고 10분 동안 초음파 처리 후, 질소 분위기에서 1시간 동안 50℃로 처리하였다. 상온으로 온도가 낮아진 후 용액이 중성이 될 때까지 증류수로 세척하였고, 50℃ 진공오븐에서 4시간 이상 건조하였다.
백금 담지는 초기 적심 함침법(incipient wetness impregnation)을 이용해 실시하였다. 32 μl의 탈수 에탄올에 전구체를 필요량만큼 녹인 후 산처리한 탄화티타늄 나노입자 80 mg과 잘 섞어주었다. 잘 섞어준 분말을 50℃ 진공오븐에서 건조한 후 200 sccm의 10% 수소 흐름(90% 질소)에서 100℃의 온도로 1 시간 동안 환원처리 하였다. 환원처리 후 분말을 탈수 에탄올로 2회 세척하고, 50℃ 진공오븐에서 건조하였다. 비교를 위해 질화티타늄을 유사한 방법으로 합성하였다.
전기화학 분석을 3 전극법을 통해 실시하였다. 상대전극으로 백금선, 기준전극으로 3M NaCl Ag/AgCl 전극을 이용하였다. 전기화학셀의 온도는 25℃로 유지시켜주었다. 보고된 전압은 RHE를 기준으로 표시하였다. 5 mg의 Pt/TiC 촉매와 2.5 mg의 카본블랙을 17 μl의 5% 나피온 용액이 섞인 5 ml 탈수 에탄올에 울트라소니케이션을 통해 분산시켰다. 만들어진 분산액을 회전 환 원반 전극(rotating ring disc electrode, RRDE)의 유리 탄소 디스크 전극(glassy carbon disc electrode)에 담지하였고, 이것을 작업전극으로 이용하였다.
2. 실험결과
상기 기술된 합성방법을 통해 합성된 0.35% Pt/TiC 촉매를 HAADF-STEM 분석법을 이용하여 분석한 결과를 도 1에 나타내었다. HAADF-STEM 분석에서는 원자번호가 높은 원자가 밝게 관찰된다. 백금은 티타늄과 탄소에 비해 원자번호가 훨씬 높기 때문에 본 분석에서 밝은 점으로 관찰된다. 도 1에 나타난 바와 같이, 백금 원자는 탄화티타늄 위에 단일 원자단위로 잘 담지되어 있었다.
EXAFS 분석을 통해 백금이 어떻게 담지되어 있는지 구조적 특성을 확인하였다. 도 2에서 2 Å 부근에 관찰되는 피크는 Pt-Cl에서 나오는 피크로, 0.35% Pt/TiC와 Pt/TiN 모두 이 피크가 크게 관찰되었다. 백금이 단일 원자 형태가 아닌 나노입자로 뭉치게 되었을 때는 2.7 Å 부근의 Pt-Pt 피크가 두드러지게 나타나게 된다. 도 2에서는 Pt-Pt 피크가 관찰되지 않았고, Pt-Cl 피크만 관찰되었다. 이를 통하여 백금이 단일 원자단위로 잘 담지되어 있음을 확인하였다.
전기화학적 산소환원반응을 통해 과산화수소 생성을 확인하였다(도 3). 산소는 환원되어 물 혹은 과산화수소를 생성할 수 있다. RRDE 분석법을 통해 산소환원 반응을 실시할 경우 Ring current와 disk current와의 비율을 통해 과산화수소 생성의 선택성을 확인할 수 있다(도 3의 오른쪽 그래프). 그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이, 0.35% Pt/TiC 촉매가 0.35% Pt/TiN 촉매보다 약 15% 증가한 80%의 선택도를 보여주었다. 과산화수소에 대한 선택도를 높이기 위해서는 활성이 좋은 백금 반응점이 단일 원자단위로 분산되어 있어야 한다. 0.35% Pt/TiC와 Pt/TiN 모두 단일 원자 백금 촉매였기 때문에 높은 선택도를 나타냈다. Pt/TiC 촉매가 더 높은 선택도를 나타낸 이유는, 담체로 사용된 탄화티타늄이 질화티타늄에 비해 산소와의 흡착이 약하고, 산소 분자의 이중결합을 끊는 역할을 하지 않기 때문이다.
0.35% Pt/TiC 촉매에 0.3 V(vs. RHE)의 전압을 걸어주고 얻어지는 산소환원 전류 및 과산화수소 산화 전류를 측정하였고(도 4의 검정색 선, 하단의 그래프는 산소환원 전류를, 상단의 그래프는 과산화수소 산화 전류를 나타냄), 두 전류의 비를 통하여 과산화수소 선택도를 계산하였다(도 4의 상단 그래프의 붉은색 선). 1시간의 연속된 과산화수소 생성 반응에서 0.35% Pt/TiC 촉매는 좋은 안정성을 나타내었다. 특히, 과산화수소에 대한 선택도는 90% 이상으로 꾸준하게 높게 유지되었다.
이상의 결과들을 통하여, 탄화티타늄에 백금 단일 원자가 성공적으로 담지되었음을 확인하였다(도 1 및 2). 또한, 탄화티타늄에 담지된 백금 단일 원자 촉매가 전기화학적 과산화수소 생성에 높은 선택도와 안정성을 지니는 좋은 촉매임을 확인하였다(도 3 및 4).
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 탄화티타늄을 포함하는 촉매 담체; 및 상기 촉매 담체 상에 단일 원자 형태로 분산되어 담지된 백금(Pt)을 포함하는 과산화수소 생산용 촉매로서, 상기 과산화수소 생산용 촉매는 화학전지의 캐소드 전극에 적용 시, 0.05 V (vs. RHE)의 전압 조건에서 75-85%의 선택도로 과산화수소를 생성하며, 상기 선택도는 공급된 산소 대비 과산화수소로 전환된 산소의 비율이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 백금의 담지량은 촉매 담체의 중량과 백금의 중량의 합을 기준으로 0.1 중량% 내지 1.0 중량%인 것을 특징으로 하는 촉매.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 백금의 담지량은 촉매 담체의 중량과 백금의 중량의 합을 기준으로 0.2 중량% 내지 0.5 중량%인 것을 특징으로 하는 촉매.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 과산화수소 생산용 촉매를 포함하는 캐소드;
    상기 캐소드에 대향하여 배치되는 애노드; 및
    상기 캐소드와 애노드 사이에 배치되는 전해질막을 포함하는 과산화수소 생산용 막-전극 접합체.
  6. 다음의 단계를 포함하는 백금이 촉매 담체 상에 단일 원자 형태로 분산되어 담지된 과산화수소 생산용 촉매의 제조방법:
    (a) 산 처리된 탄화티타늄 나노입자를 얻는 단계;
    (b) 단계 (a)에서 얻은 산 처리된 탄화티타늄 나노입자에 백금 원료물질이 포함된 용액을 첨가하여 탄화티타늄 나노입자와 백금 원료물질의 혼합 분말을 얻는 단계; 및
    (c) 단계 (b)의 혼합 분말을 건조한 후 건조물을 환원 처리하여 탄화티타늄 상에 백금이 단일 원자 형태로 분산되어 담지된 촉매를 생성시키는 단계, 상기 생성된 촉매 내 백금의 중량은 탄화티타늄의 중량과 백금의 중량의 합을 기준으로 0.1 중량% 내지 1.0 중량%임.
  7. 다음의 단계를 포함하는 백금이 촉매 담체 상에 단일 원자 형태로 분산되어 담지된 과산화수소 생산용 촉매의 제조방법:
    (a) 산 처리된 탄화티타늄 나노입자를 얻는 단계;
    (b) 백금 원료물질이 포함된 용액에 단계 (a)에서 얻은 산 처리된 탄화티타늄 나노입자를 첨가하여 혼합 용액을 얻는 단계; 및
    (c) 단계 (b)의 혼합 용액을 건조한 후 건조물을 환원 처리하여 탄화티타늄 상에 백금이 단일 원자 형태로 분사되어 담지된 촉매를 생성시키는 단계, 상기 생성된 촉매 내 백금의 중량은 탄화티타늄의 중량과 백금의 중량의 합을 기준으로 0.1 중량% 내지 1.0 중량%임.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 백금 원료물질은 H2PtCl6 수화물, PtCl2, PtBr2, (NH3)2Pt(NO2)2, K2PtCl6, K2PtCl4, K2[Pt(CN)4]3H2O, K2Pt(NO2)4, Na2PtCl6, Na2[Pt(OH)6], 플라티늄 아세틸아세토네이트(platinum acetylacetonate), 암모늄 테트라클로로플라티네이트(Ammonium tetrachloroplatinate) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 단계 (c)에서는 80℃-150℃의 온도에서 상기 건조물에 수소를 흘려주어 환원 처리하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
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