KR101813405B1 - Bipolar plate based on iridium oxide coated titanium for vanadium redox flow battery and preparing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래 흑연 바이폴라 플레이트를 대체 함으로써 바이폴라 플레이트 용적을 감소시켜 멀티-스택이 용이하며 바나듐 레독스 플로우 배터리 성능을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a titanium-based bipolar plate coated with iridium oxide for a vanadium redox flow battery and a method of manufacturing the same, and more particularly to a bipolar plate coated with iridium oxide for a vanadium redox flow battery by replacing a conventional graphite bipolar plate, Redox flow can improve battery performance.
바나듐 레독스 배터리(all-vanadium redox battery; 이하 'VRB')는 음 전해질 탱크 내의 바나듐 이온인 V3 +를 V2 +로 환원시킴으로써 양 전해질 탱크 내의 바나듐 이온의 V5 +를 V4 +로 산화시키는 재충전가능한 플로우 배터리이다.An all-vanadium redox battery (hereinafter referred to as 'VRB') oxidizes V 5 + of vanadium ions in both electrolytic tanks to V 4 + by reducing V 3 + , a vanadium ion in a negative electrolyte tank, to V 2 + Rechargeable flow battery.
하기 화학식을 통해 바나듐 레독스 플로우 배터리(all-vanadium redox flow battery; 이하 'VRFB')를 설명한다.An all-vanadium redox flow battery (hereinafter referred to as 'VRFB') is described by the following formula.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
VO2 + + 2H+ + e- ↔ VO2 + + H2O (E = 0.991 V) : 양극VO 2 + + 2H + + e - VO 2 + + H 2 O (E = 0.991 V)
[화학식 2](2)
V2 + ↔ V3 + + e- (E = -0.255 V) : 음극V 2 + ↔ V 3 + + e - (E = -0.255 V): cathode
[화학식 3](3)
VO2 + + V2 + + 2H+ ↔ VO2 + + V3 + + H2O(E0 = 1.2 V) : 전체 반응VO 2 + + V 2 + + 2H + + VO 2 + + V 3 + + H 2 O (E 0 = 1.2 V)
탱크 저장 용량을 증가시킴으로써 VRFB의 에너지 저장 용량을 확대할 수 있기 때문에, 대부분의 바나듐 베터리들이 발전소 또는 전기 그리드에서 그리드 에너지 용량에 대해 고려되고 있다.Most vanadium batteries are being considered for grid energy capacity in power plants or electric grids because the energy storage capacity of VRFB can be increased by increasing tank storage capacity.
일반적으로, VRFB는 셀 프레임(cell frame), 전류 집전체(current collector), 바이폴라 플레이트(bipolar plate), 카본 펠트 전극(carbon felt electrode), 플로우 프레임(flow frame) 및 멤브레인(membrane)의 6개의 구성부로 이루어져 있다.In general, the VRFB is composed of six cells: a cell frame, a current collector, a bipolar plate, a carbon felt electrode, a flow frame, and a membrane. And a constituent part.
상기 6개의 구성부는 VRFB의 에너지 효율을 결정하는 데에 중요한 요소이며, 특히 바이폴라 플레이트는 높은 전기전도성 및 낮은 밀도를 갖는 흑연, 카본, 또는 카본 플라스틱으로 이루어져 있고, 바이폴라 플레이트는 부식 방지재 및 셀 스택의 내부 저항을 감소하기 위한 전자 경로로서 중요한 역할을 한다.In particular, the bipolar plate is made of graphite, carbon, or carbon plastic having high electrical conductivity and low density, and the bipolar plate is made of a corrosion inhibitor and a cell stack And thus plays an important role as an electron path for reducing the internal resistance of the transistor.
특히 강한 부식성 전해질(corrosive electrolytes)을 주로 사용하기 때문에 바이폴라 플레이트는 내부식 특성을 가지고 있다. 이러한 이유 때문에 구리 재료보다 카본 재료를 바이폴라 플레이트에 주로 이용하고 있다. 그러나, 박막 형성 시, 카본계 재료는 상대적으로 부족한 전기화학특성 및 취약한 기계적 강도를 가지고 있다. 이렇기 때문에 가공 비용이 증가하며, 또한 두꺼운 바이폴라 플레이트를 이용할 수 밖에 없다.Especially since strong corrosive electrolytes are mainly used, the bipolar plate has an internal characteristic. For this reason, carbon materials are mainly used for bipolar plates rather than copper materials. However, when forming the thin film, the carbon-based material has a relatively poor electrochemical characteristic and a weak mechanical strength. As a result, the processing cost is increased and a thick bipolar plate can not be used.
다만, 바이폴라 플레이트 용적을 감소시킴으로써 밀집된 멀티-스택 VRFB의 설계가 가능하게 한다. 이와 관련하여, 금속 산화물/금속 기판에 기반한 바이폴라 플레이트를 VRFB에 적용한 최근 보고가 있었다.However, the design of dense multi-stack VRFB is possible by reducing the bipolar plate volume. In this regard, there has been a recent report on the application of bipolar plates based on metal oxide / metal substrates to VRFB.
특히, Ti/IrOX:Ta2O5 기판은 바이폴라 플레이트의 양면에 이용되었고, 이러한 재료는 V2 + 형성보다는 전극에서 수소 방출이 발생되기 때문에 증가된 전압 효율을 나타내었으나, 쿨롱 및 에너지 효율이 감소되는 문제점이 보고되었다.In particular, a Ti / IrO x : Ta 2 O 5 substrate was used on both sides of the bipolar plate and this material exhibited increased voltage efficiency due to hydrogen evolution at the electrode rather than V 2 + formation, but Coulomb and energy efficiency A problem has been reported.
최근에 카본 복합체 바이폴라 플레이트가 제안되었고, 이는 전기적 안정성 및 강산에 대한 강한 화학적 안정성을 나타내었다.Recently, a carbon composite bipolar plate has been proposed, which exhibits electrical stability and strong chemical stability to strong acids.
치수 안정성 양극(Dimensionally stable anodes; 이하 'DSA')은 염소 알칼리 산업에 이용하기 위해 1960년 중반 개발되었고, 이후 전기화학공정에서 광범위하게 사용되었다.Dimensionally stable anodes (DSA) were developed in the mid-1960s for use in the chlor-alkali industry and have since been extensively used in electrochemical processes.
일반적으로, DSA는 TiO2/Ti 기판 상에 증착된 귀금속 전극촉매로 구성되어 있다. 구체적으로, TiO2/Ti 기판은 염소 발생 환경에서 신뢰할 수 있는 부식 저항을 제공하며, 치수 공차(dimensional tolerance)를 유지하는 것을 가능하게 한다.Generally, DSA is composed of a noble metal electrode catalyst deposited on a TiO 2 / Ti substrate. Specifically, the TiO 2 / Ti substrate provides reliable corrosion resistance in a chlorine generating environment and makes it possible to maintain dimensional tolerance.
따라서, 내부식 Ti 금속 기판 및 전기화학 활성 촉매를 이용함으로써 장기간 안정성을 얻을 수 있으며, 전기화학 반응에서 과전압이 감소될 수 있는 바이폴라 플레이트의 신규한 재료에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.Therefore, it is urgent to research and develop new materials for a bipolar plate which can obtain long-term stability by using an inner Ti metal substrate and an electrochemically active catalyst and can reduce an overvoltage in an electrochemical reaction.
본 발명의 목적은 타이타늄 기판 표면에 다공성의 이산화 타이타늄 나노튜브 구조체를 형성시킨 후 이리듐 산화물을 코팅 처리하였을 때 이리듐 산화물 코팅층과 다공성의 이산화타이타늄 나노튜브 구조체간의 접착력을 향상시켜 장기간 충전-방전 테스트를 수행하더라도 이리듐 산화물 코팅층이 분리되지 않고 유지됨으로써 바나듐 레독스 플로우 배터리의 전기화학 성능을 개선시키는 데에 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a method for forming a porous titanium dioxide nanotube structure by forming a porous titanium dioxide nanotube structure on a surface of a titanium substrate and then coating the iridium oxide to improve the adhesion between the iridium oxide coating layer and the porous titanium dioxide nanotube structure, The iridium oxide coating layer is maintained without being separated, thereby improving the electrochemical performance of the vanadium redox flow battery.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 타이타늄 기판; 상기 타이타늄 기판 상에 나노튜브 형상으로 이루어진 다공성의 이산화 타이타늄(TiO2) 나노튜브 층을 포함하며, 상기 다공성의 TiO2 나노튜브 층은 외면 및 내면에 이리듐 산화물로 코팅된 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a titanium substrate; (TiO 2 ) nanotube layer having a nanotube shape on the titanium substrate, and the porous TiO 2 nanotube layer is coated on the outer and inner surfaces with iridium oxide. Provides a titanium-based bipolar plate coated with iridium oxide for a toxic flow battery.
또한 본 발명은 타이타늄 기판을 세척하는 단계; 수산화나트륨, 인산, 및 불산을 포함한 전해질 용액으로 상기 세척된 타이타늄 기판을 양극산화하여 타이타늄 기판 표면 상에 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체를 형성하는 단계; 상기 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체가 형성된 타이타늄 기판을 열처리하는 단계; 유기용매에 이리듐 전구체를 투입한 후 교반하여 혼합용액을 준비하는 단계; 및 상기 열처리된 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체가 형성된 타이타늄 기판 표면 상에 혼합용액을 분사한 후 전기로에 투입하여 열처리하는 단계를 포함하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: washing a titanium substrate; Anodizing the washed titanium substrate with an electrolyte solution containing sodium hydroxide, phosphoric acid, and hydrofluoric acid to form a porous TiO 2 nanotube structure on the surface of the titanium substrate; Heat treating the titanium substrate on which the porous TiO 2 nanotube structure is formed; Adding an iridium precursor to an organic solvent and stirring the mixed solution to prepare a mixed solution; And a step of injecting a mixed solution onto the surface of the titanium substrate on which the heat-treated porous TiO 2 nanotube structure is formed, and then injecting the mixed solution into an electric furnace and performing heat treatment. The barium oxide- And a manufacturing method thereof.
본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트는 기존 바이폴라 플레이트로 이용되는 소재인 카본 재료보다 전기저항 및 전자전달 능력을 향상시킬 수 있으며, 얇은 두께의 타이타늄 재료를 통해 멀티-스택의 바나듐 레독스 플로우 배터리를 제조할 수 있어, 바나듐 레독스 플로우 배터리의 충전-방전 효율을 개선시킬 수 있고, 또한 공간적 이점을 확보할 수 있는 효과가 있다.The titanium-based bipolar plate coated with iridium oxide for the vanadium redox flow battery according to the present invention can improve the electric resistance and electron transfer ability as compared with the carbon material used as the conventional bipolar plate, It is possible to manufacture a multi-stack vanadium redox flow battery, thereby improving the charging-discharging efficiency of the vanadium redox flow battery and also securing a spatial advantage.
도 1은 바나듐 레독스 플로우 배터리(all-vanadium redox flow battery; 이하 'VRFBs')의 분해도이고,
도 2는 IrOX로 코팅된 바이폴라 플레이트의 표면 형상을 나타낸 것으로서, 구체적으로, IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트(a), IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트(b)의 주사 전자 현미경(scanning electron microscope; 이하 'SEM') 이미지 상면도(Top view), 및 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트(c), IrOX로 코팅된 베리어 타입의 TiO2 바이폴라 플레이트(d)의 SEM 이미지 횡단면도(Cross-sectional view)를 나타낸 도면이며,
도 3은 1 M NaOH, 1 M H3PO4, 및 0.5 중량% HF를 혼합한 전해질 용액으로 20 V 전압 인가하여 3시간 동안 양극산화하여 준비한 TiO2 나노튜브 구조체의 상면도 SEM 이미지(a), 및 횡단면도 SEM 이미지(b)를 나타낸 도면이고,
도 4는 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트(a), IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트(b)의 집속 이온 빔 주사 전자 현미경(Focussed Ion Beam Scanning Electron Microscope; 이하 'FIB-SEM') 횡단면도 및 에너지 분산 X선 분석(Energy Dispersive X-ray; 이하 'EDX 분석')을 나타낸 것으로서, EDX 분석의 파랑, 노랑, 및 녹색은 각각 Ti, Ir, 및 O 원소를 나타낸 도면이며,
도 5는 타이타늄(Ti), 이리듐(Ir), 및 산소(O)의 고분해능 투과 전자 현미경(high-resolution transmission electron microscope; 이하 'HR-TEM') 이미지, 및 원소 맵핑 분석(a), 및 (a)에 대응하는 개별적인 다공성의 TiO2 나노튜브 층 내부 기공에 대한 HR-TEM 이미지(b)를 나타낸 도면이고,
도 6은 흑연 바이폴라 플레이트(왼쪽) 및 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트(오른쪽)의 두께 비교를 위해 횡단면도 디지털 사진을 나타낸 도면이며,
도 7은 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트, IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트, 및 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트의 X선 회절 분석(X-ray diffractiometry; 'XRD 분석') 패턴을 나타낸 것으로서, JCPDS#15-0870, JCPDS#21-1272, 및 JCPDS#44-1294를 기반으로 IrOX, TiO2 아나타제 및 Ti를 확인한 도면이고,
도 8은 다양한 바이폴라 플레이트의 타펠 선도(Tafel plots)를 나타낸 것으로서, -0.3 V에서 0 V의 전압 범위에서 타펠 선도는 0.3M VOSO4/0.6M H2SO4 수용액 내에서 타펠 선도를 측정한 도면이며,
도 9는 다양한 타입의 다양한 바이폴라 플레이트에 대한 전기화학 특성을 나타낸 것으로서, 1 mA/cm2·s의 스캔 속도에서 측정한 편광 곡선(a), 0.85 V ± 30 mV 진폭에서 10-3 Hz 내지 105 Hz 하에서 전기화학 임피던스 분광학 분석(electrochemical impedance spectroscopy analysis; 이하 'EIS 분석')(b)을 나타낸 도면이고,
도 10은 포텐시오다이나믹(potentiodynamic) 편광 테스트 이후 Ti 기판 상에 반사된 IrOX로 코팅된 TiO2 바이폴라 플레이트의 디지털 사진을 나타낸 것으로서, IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트(a), 및 IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트(b)을 나타낸 도면이며,
도 11은 VRB에 대한 충전 방전 풀셀(full cell) 테스트를 나타낸 것으로서, 흑연 또는 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트의 1차 충전-방전 곡선 및 100회 충전-방전 성능의 비교(a), 쿨롱효율(b), 전압효율(c), 에너지 효율(d)을 나타낸 도면이고,
도 12는 흑연 바이폴라 플레이트(a), 및 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트(b)에 기반한 VRFB 단일 셀에 대한 순환 특성을 나타낸 도면이며,
도 13은 충전-방전 전류밀도(오른쪽 Y축) 및 쿨롱효율(왼쪽 Y축)의 함수로서 측정된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트 용량(a), 및 100회 충전-방전 테스트 이후 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브의 고분해능 주사 전자 현미경(high-resolution scanning electron microscopy; 이하 'HR-SEM') 이미지(b, c)를 나타낸 도면이다.1 is an exploded view of an all-vanadium redox flow battery (hereinafter referred to as 'VRFBs'),
2 is as shown the surface shape of the bipolar plate coated with the IrO X, specifically, of the TiO 2 nanotubes bipolar plate for (a), the barrier-type TiO 2, the bipolar plate (b) coated with an IrO X coated with IrO X SEM (scanning electron microscope; hereinafter 'SEM') images a top view (Top view), and nano the TiO 2 coated with IrO X tube bipolar plate (c), of a barrier-type coatings as IrO X TiO 2 bipolar plate ( d) is a SEM image cross-sectional view,
FIG. 3 is a top view of a TiO 2 nanotube structure prepared by anodizing for 3 hours by applying a voltage of 20 V to an electrolyte solution containing 1 M NaOH, 1 MH 3 PO 4 , and 0.5 wt% HF. And a cross-sectional SEM image (b), wherein
Figure 4 is a focused ion beam scanning electron microscopy of the TiO 2 nanotubes bipolar plate for (a), the barrier-type TiO 2 the bipolar plate (b) coated with an IrO X coated with IrO X (Focussed Ion Beam Scanning Electron Microscope; hereinafter 'FIB -SEM '), and blue, yellow, and green of the EDX analysis are Ti, Ir, and O elements, respectively, in the EDX analysis. ,
5 shows a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image of titanium (Ti), iridium (Ir) and oxygen (O) TEM image (b) of the individual porous TiO 2 nanotube layer inner pores corresponding to a)
6 is a cross-sectional digital photograph of a graphite bipolar plate (left) and a TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x (right) for comparison of thickness,
7 is a TiO 2 nanotubes bipolar plate, IrO the barrier-type TiO 2 the bipolar plate coated with X, and X-ray diffraction analysis of the TiO 2 nanotubes bipolar plate coated with the IrO X (X-ray diffractiometry; "XRD Analysis) shown as a pattern, a diagram confirming the JCPDS # 15-0870, JCPDS # 21-1272, and the JCPDS # 44-1294, based on IrO X, anatase TiO 2 and Ti,
FIG. 8 shows Tafel plots of various bipolar plates, where the Tappel line in the voltage range of -0.3 V to 0 V is a plot of Tappel's line in an aqueous solution of 0.3 M VOSO 4 /0.6 MH 2 SO 4 ,
Figure 9 shows the electrochemical properties for various types of bipolar plates with a polarization curve (a) measured at a scan rate of 1 mA / cm 2 ,, 10 -3 Hz to 10 < RTI ID = 0.0 > Electrochemical impedance spectroscopy analysis (EIS analysis) (b) at 5 Hz, and FIG.
10 shows a digital photograph of a TiO 2 bipolar plate coated with IrO x reflected on a Ti substrate after a potentiodynamic polarization test, wherein the TiO 2 nanotube bipolar plate (a) coated with IrO x , and (B) a barrier type TiO 2 bipolar plate coated with IrO x ,
Figure 11 shows a full-charge test of a charged-discharge (VRB) test for a TiO 2 nanotube bipolar plate coated with graphite or IrO x , comparing a first charge-discharge curve and a 100 charge- , Coulomb efficiency (b), voltage efficiency (c), and energy efficiency (d)
Figure 12 shows the circulation characteristics for a VRFB single cell based on a graphite bipolar plate (a) and a TiO 2 nanotube bipolar plate (b) coated with IrO x ,
13 shows the TiO 2 nanotube bipolar plate capacity (a) coated with IrO x measured as a function of charge-discharge current density (right Y axis) and coulomb efficiency (left Y axis), and after 100 charge- (HR, SEM) images (b, c) of TiO 2 nanotubes coated with IrO x on a high-resolution scanning electron microscope.
이하, 본 발명인 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 및 이의 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, a titanium-based bipolar plate coated with iridium oxide for a vanadium redox flow battery of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail.
본 발명의 발명자들은 바나듐 레독스 플로우 배터리(all-vanadium redox flow battery; 이하 'VRFB')를 연구하던 중에 종래의 VRFB의 전지 내 부품인 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)는 주로 카본 재료이기 때문에 특성상 얇게 만들 수 없어 전지 부피를 증가시키며, 효율 또한 금속 재료보다 좋지 않음을 인지하여, 효율 및 공간적 이점을 확보하기 위해 바이폴라 플레이트 소재를 금속 재료로 대체함으로써 기존 소재인 카본 재료보다 전기저항 및 전자전달 능력을 향상시킴은 물론 얇은 두께의 금속재료를 VRFB의 효율 상승 및 공간적 이점을 확보할 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have been studying an all-vanadium redox flow battery (hereinafter, referred to as 'VRFB'), while the conventional bipolar plate, which is a component in the battery of VRFB, is mainly made of carbon, In order to increase the cell volume and improve the efficiency and the spatial efficiency, the bipolar plate material is replaced with the metal material, thereby improving the electric resistance and electron transferring ability compared to the carbon material. It is possible to increase the efficiency of the VRFB and to obtain the spatial advantage of the thin metal material as a matter of course, thereby completing the present invention.
본 발명은 타이타늄 기판; 상기 타이타늄 기판 상에 나노튜브 형상으로 이루어진 다공성의 이산화 타이타늄(TiO2) 나노튜브 층을 포함하며, 상기 다공성의 TiO2 나노튜브 층은 외면 및 내면에 이리듐 산화물로 코팅된 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트를 제공한다.The present invention relates to a titanium substrate; (TiO 2 ) nanotube layer having a nanotube shape on the titanium substrate, and the porous TiO 2 nanotube layer is coated on the outer and inner surfaces with iridium oxide. Provides a titanium-based bipolar plate coated with iridium oxide for a toxic flow battery.
상기 다공성의 TiO2 나노튜브 층은 평균 직경이 50 nm 내지 100 nm인 기공을 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The porous TiO 2 nanotube layer may include pores having an average diameter of 50 nm to 100 nm, but is not limited thereto.
상기 다공성의 TiO2 나노튜브 층은 외면에 평균 두께가 100 nm 내지 500 nm 인 이리듐 산화물 코팅층 및 내면에 평균 두께가 700 nm 내지 1.5 μm인 이리듐 산화물 코팅층을 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The porous TiO 2 nanotube layer may include an iridium oxide coating layer having an average thickness of 100 nm to 500 nm on the outer surface and an iridium oxide coating layer having an average thickness of 700 nm to 1.5 μm on the inner surface.
상기 이리듐 산화물은 IrOx로 표시할 수 있으며, x는 1 내지 2의 정수이며, 특히 이리듐 산화물을 IrO2로 표시할 수 있다.The iridium oxide may be represented by IrO x , x is an integer of 1 to 2, and iridium oxide may be represented by IrO 2 .
또한 본 발명은 타이타늄 기판을 세척하는 단계; 수산화나트륨, 인산, 및 불산을 포함한 전해질 용액으로 상기 세척된 타이타늄 기판을 양극산화하여 타이타늄 기판 표면 상에 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체를 형성하는 단계; 상기 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체가 형성된 타이타늄 기판을 열처리하는 단계; 유기용매에 이리듐 전구체를 투입한 후 교반하여 혼합용액을 준비하는 단계; 및 상기 열처리된 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체가 형성된 타이타늄 기판 표면 상에 혼합용액을 분사한 후 전기로에 투입하여 열처리하는 단계를 포함하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: washing a titanium substrate; Anodizing the washed titanium substrate with an electrolyte solution containing sodium hydroxide, phosphoric acid, and hydrofluoric acid to form a porous TiO 2 nanotube structure on the surface of the titanium substrate; Heat treating the titanium substrate on which the porous TiO 2 nanotube structure is formed; Adding an iridium precursor to an organic solvent and stirring the mixed solution to prepare a mixed solution; And a step of injecting a mixed solution onto the surface of the titanium substrate on which the heat-treated porous TiO 2 nanotube structure is formed, and then injecting the mixed solution into an electric furnace and performing heat treatment. The barium oxide- And a manufacturing method thereof.
상기 타이타늄 기판을 세척하는 단계는 타이타늄 기판을 아세톤, 에탄올, 및 증류수에 담구어 각각 15분, 10분, 및 5분 동안 초음파 세척할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The cleaning of the titanium substrate may be performed by immersing the titanium substrate in acetone, ethanol, and distilled water for 15 minutes, 10 minutes, and 5 minutes, respectively, but is not limited thereto.
상기 전해질 용액은 1.0 내지 1.5 M의 수산화나트륨, 1.0 내지 1.5 M의 인산, 및 0.5 중량%의 불산을 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The electrolyte solution may include, but is not limited to, 1.0 to 1.5 M sodium hydroxide, 1.0 to 1.5 M phosphoric acid, and 0.5 wt% hydrofluoric acid.
특히, 1.0 M의 수산화나트륨, 1.0 M의 인산, 및 0.5 중량%의 불산을 포함한 전해질 용액을 이용하여 타이타늄 기판을 양극산화 수행할 경우, 비교적 균일한 기공과 길이를 가진 나노튜브를 낮은 전압에서 얻을수 있는 이점이 있다.Particularly, when anodic oxidation of a titanium substrate is carried out using an electrolyte solution containing 1.0 M sodium hydroxide, 1.0 M phosphoric acid, and 0.5 weight% hydrofluoric acid, nanotubes having relatively uniform pores and lengths are obtained at a low voltage There is an advantage.
상기 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체를 형성하는 단계는 수산화나트륨, 인산, 및 불산을 포함한 전해질 용액으로 상기 세척된 타이타늄 기판을 10 내지 20 V에서 3 내지 6시간 동안 양극산화하여 형성할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The step of forming the porous TiO 2 nanotube structure may be performed by anodizing the washed titanium substrate at an electrolyte solution containing sodium hydroxide, phosphoric acid, and hydrofluoric acid at 10 to 20 V for 3 to 6 hours, But is not limited to.
특히, 상기 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체를 형성하는 단계는 수산화나트륨, 인산, 및 불산을 포함한 전해질 용액으로 상기 세척된 타이타늄 기판을 20 V에서 3시간 동안 양극산화할 경우, 평균두께가 700 nm 내지 1.5μm이고 평균 직경이 50 내지 100 nm인 기공을 갖는 나노튜브를 얻을 수 있는 이점이 있다.Particularly, in the step of forming the porous TiO 2 nanotube structure, when the washed titanium substrate is anodized at 20 V for 3 hours with an electrolyte solution containing sodium hydroxide, phosphoric acid, and hydrofluoric acid, It is advantageous to obtain nanotubes having pores having an average diameter of 50 to 100 nm.
상기 타이타늄 기판 표면 상에 형성된 다공성의 TiO2 나노튜브 구조는 이리듐 산화물의 코팅 처리 전에 코팅층과 다공성의 TiO2 나노튜브 간의 접착력 향상을 위한 앵커 역할을 수행한다.The porous TiO 2 nanotube structure formed on the surface of the titanium substrate serves as an anchor for improving adhesion between the coating layer and the porous TiO 2 nanotubes before coating the iridium oxide.
상기 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체는 평균 직경이 50 nm 내지 100 nm인 기공을 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The porous TiO 2 nanotube structure may include pores having an average diameter of 50 nm to 100 nm, but the present invention is not limited thereto.
상기 타이타늄 기판을 열처리하는 단계는 상기 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체가 형성된 타이타늄 기판을 100 내지 120℃로 열처리할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.In the step of heat-treating the titanium substrate, the titanium substrate on which the porous TiO 2 nanotube structure is formed may be heat-treated at a temperature of 100 to 120 ° C, but is not limited thereto.
구체적으로, 상기 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체가 형성된 타이타늄 기판을 열처리할 경우, Cl을 기화시키고, 코팅층 내에서 Ir, Ti, 및 O가 열에 의해 고르게 확산되게 하는 이점이 있다.Specifically, when the titanium substrate on which the porous TiO 2 nanotube structure is formed is heat-treated, there is an advantage that Cl is vaporized and Ir, Ti, and O are uniformly diffused in the coating layer.
상기 이리듐 전구체는 IrCl2, IrCl3, IrCl4 및 H2IrCl6로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The iridium precursor may be any one selected from the group consisting of IrCl 2 , IrCl 3 , IrCl 4, and H 2 IrCl 6 , but is not limited thereto.
상기 혼합용액을 준비하는 단계는 유기용매에 0.01 내지 0.05 M의 이리듐 전구체를 투입한 후 6 내지 12시간 동안 교반하여 준비할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The preparation of the mixed solution may be performed by adding 0.01 to 0.05 M of an iridium precursor to the organic solvent, followed by stirring for 6 to 12 hours, but the present invention is not limited thereto.
특히, 유기용매에 0.05 M의 이리듐 전구체를 투입할 경우, 열처리 시 유기용매가 휘발하여 이리듐만 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체에 코팅 가능한 이점이 있다.Particularly, when an 0.05 M iridium precursor is added to the organic solvent, the organic solvent is volatilized during the heat treatment and the iridium can be coated on the
상기 열처리하는 단계는 상기 열처리된 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체가 형성된 타이타늄 기판 표면 상에 혼합용액을 분사한 후 300 내지 350℃로 유지되는 전기로에 투입하여 5 내지 10분 동안 열처리할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The heat treatment may be performed by injecting a mixed solution onto the surface of the titanium substrate on which the heat-treated porous TiO 2 nanotube structure is formed, charging the mixture into an electric furnace maintained at 300 to 350 ° C, and performing heat treatment for 5 to 10 minutes. But is not limited to.
상기 열처리하는 단계에서, 300 내지 350℃ 범위를 벗어날 경우, 300℃ 미만에서는 Cl이 제대로 기화되지 않는 문제점이 있으며, 또한 350℃를 초과할 경우 Ti 기판이 산화되어 베리어 타입의 TiO2 구조체를 두껍게 형성하며, 결정성이 바뀌는 문제점이 있다.If the temperature is outside the range of 300 to 350 ° C, the Cl may not vaporize properly at a temperature lower than 300 ° C. When the temperature exceeds 350 ° C, the Ti substrate is oxidized to thicken the barrier type TiO 2 structure And there is a problem that crystallinity is changed.
상기 열처리하는 단계는 5 내지 8회 반복수행 할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The heat treatment may be repeated 5 to 8 times, but is not limited thereto.
특히, 적게 열처리 할수록 베리어 타입 TiO2 구조체의 생성이 적게 되는점을 고려하였을 때, 상기 열처리하는 단계를 6회 반복수행하는 것이 보다 바람직하다.Particularly, considering that less heat treatment is performed, the generation of the barrier type TiO 2 structure becomes less, and it is more preferable to perform the heat treatment step six times.
상기 열처리하는 단계 이후 5 내지 8회 반복수행하여 열처리된 타이타늄 기판을 300 내지 350℃로 유지되는 전기로에 투입한 후 혼합용액을 분사하고 1 내지 2시간 동안 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The method may further include repeating the heat treatment for 5 to 8 times to inject the heat-treated titanium substrate into an electric furnace maintained at 300 to 350 ° C., spraying the mixed solution, and heat-treating the mixed solution for 1 to 2 hours. But is not limited to.
상기 열처리하는 단계 이후 추가적인 열처리 단계를 더 포함할 경우, Cl을 완전히 기화시키고, 코팅층의 Ti, Ir, 및 O가 골고루 확산되어 복합되는 이점이 있다.If the additional heat treatment step is further included after the heat treatment step, there is an advantage that Cl is fully vaporized and Ti, Ir, and O of the coating layer are uniformly diffused and mixed.
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> IrO≪ Example 1 > IrO XX 로 코팅된 TiOCoated TiO 2 2 나노튜브Nanotubes 바이폴라 플레이트Bipolar plate 제조Produce
Ti 호일(순도 99.7%, 두께 0.127 mm, Sigma-Aldrich)을 4 × 4 cm2로 잘라내어 표면의 이물질을 제거하기 위해 아세톤, 에탄올, 및 증류수(Deionized water, DI water)에 담궈 각각 15분, 10분, 및 5분 동안 초음파세척기로 세척하였다. To remove foreign substances from the surface, Ti foil (purity 99.7%, thickness 0.127 mm, Sigma-Aldrich) was dipped in 4 x 4 cm 2 and immersed in acetone, ethanol and distilled water (DI water) Min, and 5 minutes, respectively.
상기 세척된 Ti 호일을 비커에 1 M의 NaOH, 및 1 M의 H3PO4를 혼합한 용액 500 ㎖를 넣고 0.5 중량%의 HF를 첨가한 전해질 용액으로 20 V에서 3시간 동안 양극산화하여 Ti 호일 표면에 평균직경이 100 nm인 다공성 TiO2 나노튜브 구조체를 형성하였다.The washed Ti foil was immersed in 500 ml of a solution containing 1 M NaOH and 1 M H 3 PO 4 in a beaker and anodic oxidation at 20 V for 3 hours in an electrolyte solution containing 0.5 wt% A porous TiO 2 nanotube structure having an average diameter of 100 nm was formed on the surface of the foil.
에탄올(EtOH) 20 ㎖에 0.05 M의 IrCl3(Sigma-aldrich)를 투입한 후 6시간 동안 교반하여 IrCl3/EtOH 용액을 준비하였다. An IrCl 3 / EtOH solution was prepared by adding 0.05 M of IrCl 3 (Sigma-aldrich) to 20 ml of ethanol (EtOH) and stirring for 6 hours.
다공성 TiO2 나노튜브 구조체를 포함하는 Ti 호일을 100℃ 내지 120℃로 가열해둔 핫플레이트에 비스듬히 올려둔 후 상기 IrCl3/EtOH 용액을 2 ㎖ 씩 건스프레이에 넣어 균일하게 분사한 후, 상기 Ti 호일을 300℃ 내지 350℃로 유지되는 전기로로 5분 동안 열처리하였다.The Ti foil containing the porous TiO 2 nanotube structure was raised obliquely on a hot plate heated at 100 ° C to 120 ° C, and the IrCl 3 / EtOH solution was sprayed uniformly in 2-ml dry spray, Lt; RTI ID = 0.0 > 300 C < / RTI > to < RTI ID = 0.0 > 350 C. < / RTI >
상기 IrCl3/EtOH 용액의 분사 및 Ti 호일의 전기로에서 열처리 과정을 6회 반복하며 열처리 직후의 무게를 측정하였고, 이후 마지막으로 300℃ 내지 350℃로 유지되는 전기로에서 IrCl3/EtOH 용액을 분사한 이후 1시간 동안 열처리하여 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트를 제조하였다.The injection of IrCl 3 / EtOH solution and the heat treatment in the electric furnace of Ti foil were repeated six times, and the weight immediately after the heat treatment was measured. Finally, IrCl 3 / EtOH solution was sprayed in an electric furnace maintained at 300 ° C. to 350 ° C. Thereafter, the TiO 2 nanotubes were heat-treated for 1 hour to form IrO x coated TiO 2 nanotubes Bipolar plates were prepared.
<비교예 1> IrO≪ Comparative Example 1 > IrO XX 로 코팅된 베리어 타입 TiOCoated type TiO 2 2 바이폴라 플레이트Bipolar plate 제조Produce
Ti 호일(순도 99.7%, 두께 0.127 mm, Sigma-Aldrich)을 4 × 4 cm2로 잘라내어 표면의 이물질을 제거하기 위해 아세톤, 에탄올, 및 증류수(Deionized water, DI water)에 담궈 각각 15분, 10분, 및 5분 동안 초음파세척기로 세척하였다. To remove foreign substances from the surface, Ti foil (purity 99.7%, thickness 0.127 mm, Sigma-Aldrich) was dipped in 4 x 4 cm 2 and immersed in acetone, ethanol and distilled water (DI water) Min, and 5 minutes, respectively.
상기 세척한 Ti 호일을 100℃ 내지 120℃로 가열해둔 핫플레이트에 비스듬히 올려둔 후 상기 IrCl3/EtOH 용액을 2 ㎖씩 건스프레이에 넣어 균일하게 분사한 후, 상기 Ti 호일을 300℃ 내지 350℃로 유지되는 전기로로 5분 동안 열처리하였다.The washed Ti foil was placed at an angle on a hot plate heated to 100 ° C to 120 ° C, and the IrCl 3 / EtOH solution was uniformly sprayed in a 2-ml dry spray, and then the Ti foil was heated at 300 ° C to 350 ° C Lt; / RTI > for 5 minutes.
상기 IrCl3/EtOH 용액의 분사 및 Ti 호일의 전기로에서 열처리 과정을 6회 반복하며 열처리 직후의 무게를 측정하였고, 이후 마지막으로 300℃ 내지 350℃로 유지되는 전기로에서 IrCl3/EtOH 용액을 분사한 이후 1시간 동안 열처리하여 IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트를 제조하였다.The injection of IrCl 3 / EtOH solution and the heat treatment in the electric furnace of Ti foil were repeated six times, and the weight immediately after the heat treatment was measured. Finally, IrCl 3 / EtOH solution was sprayed in an electric furnace maintained at 300 ° C. to 350 ° C. And then heat-treated for 1 hour to prepare a barrier type TiO 2 bipolar plate coated with IrO x .
<비교예 2> 순수한 TiO≪ Comparative Example 2 > 22 나노튜브 바이폴라 플레이트 제조 Nanotube bipolar plate manufacturing
Ti 호일(순도 99.7%, 두께 0.127 mm, Sigma-Aldrich)을 4 × 4 cm2로 잘라내어 표면의 이물질을 제거하기 위해 아세톤, 에탄올, 및 증류수(Deionized water, DI water)에 담궈 각각 15분, 10분, 및 5분 동안 초음파세척기로 세척하였다. To remove foreign substances from the surface, Ti foil (purity 99.7%, thickness 0.127 mm, Sigma-Aldrich) was dipped in 4 x 4 cm 2 and immersed in acetone, ethanol and distilled water (DI water) Min, and 5 minutes, respectively.
상기 세척된 Ti 호일을 비커에 1 M의 NaOH, 및 1 M의 H3PO4를 혼합한 용액 500 ㎖를 넣고 0.5 중량%의 HF를 첨가한 전해질 용액으로 20 V에서 3시간 동안 양극산화하여 Ti 호일 표면에 100 nm인 다공성의 순수한 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트를 제조하였다.The washed Ti foil was immersed in 500 ml of a solution containing 1 M NaOH and 1 M H 3 PO 4 in a beaker and anodic oxidation at 20 V for 3 hours in an electrolyte solution containing 0.5 wt% Porous TiO 2 nanotube bipolar plates with a porosity of 100 nm were prepared on the surface of the foil.
<실험예 1> SEM 이미지 분석<Experimental Example 1> SEM image analysis
도 2는 주사 전자 현미경(Hitachi HR-SEM SU8010)을 이용하여 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트, 및 비교예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트의 형상을 SEM 이미지로 나타낸 것이다.Figure 2 shows a TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x prepared according to Example 1 using a scanning electron microscope (Hitachi HR-SEM SU8010) and a barrier type coated with IrO x prepared according to Comparative Example 1 The shape of the TiO 2 bipolar plate is shown by SEM image.
구체적으로, 도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하면, TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트, 및 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트 상에 형성된 모든 IrOX 코팅층은 별갑(turtle-shell) 형상을 나타내었다.2 (a) and 2 (b), a TiO 2 nanotube bipolar plate and a barrier type TiO 2 bipolar plate All X IrO coating layer formed on the exhibited the tortoise-shell (turtle-shell) form.
반면에, TiO2 나노튜브 구조체, 및 베리어 타입 TiO2 구조체 상에 형성된 모든 IrOX 코팅층의 횡단면도는 다른 형상을 나타내었다.On the other hand, the cross-sectional views of all the IrO x coating layers formed on the TiO 2 nanotube structure and the barrier type TiO 2 structure showed different shapes.
구체적으로, 도 2(c)를 참조하면, IrOX와 TiO2 나노튜브 구조체 사이의 앵커링에 기인하여 IrCl3/EtOH 용액을 반복적으로 분사하여 형성한 IrOX 코팅층은 열처리하는 동안 TiO2 나노튜브 구조체 내부로 깊숙이 침투하였다. 즉, 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체 내부에 IrOX가 균일하게 분포해 있음을 확인 하였다.2 (c), an IrO x coating layer formed by repetitively spraying an IrCl 3 / EtOH solution due to anchoring between IrO x and a TiO 2 nanotube structure is formed on the surface of the TiO 2 nanotube structure It penetrated deeply into the inside. That is, it was confirmed that IrO x was uniformly distributed in the porous TiO 2 nanotube structure.
반면에, 도 2(d)를 참조하면, 비교예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트는 IrOX 코팅층과 Ti 기판 사이에 구분되는 계면을 갖는 밀집된 산화층을 나타내었다. 이는 몇몇의 나노미터의 두께를 갖는 TiO2 배리어 층이 형성되었기 때문에 IrOX 코팅층과 Ti 사이에 구분되는 계면 구조가 나타났다.On the other hand, referring to FIG. 2D, the barrier type TiO 2 bipolar plate coated with IrO x prepared according to Comparative Example 1 exhibited a dense oxide layer having an interface separating between the IrO x coating layer and the Ti substrate. This resulted in the formation of a separate interface between the IrO x coating layer and Ti due to the formation of a TiO 2 barrier layer having a thickness of several nanometers.
또한, 도 3은 실시예 1에 따라 1 M NaOH, 1 M H3PO4, 및 0.5 중량% HF를 혼합한 전해질 용액으로 20 V 전압 인가하여 3시간 동안 Ti 호일을 양극산화하여 준비한 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체의 상면도 SEM 이미지(a), 및 횡단면도 SEM 이미지(b)를 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a graph showing the results of a comparison between a porous TiO 2 film prepared by anodizing a Ti foil for 3 hours by applying a voltage of 20 V to an electrolyte solution prepared by mixing 1 M NaOH, 1 MH 3 PO 4 , and 0.5 wt% (A), and a cross-sectional SEM image (b) of a nanotube structure.
구체적으로, 상면도 이미지인 도 3(a)를 참조하면, 20 V 전압조건에서 평균 100nm 직경의 TiO2 나노튜브 구조체를 얻었음을 확인하였고, 횡단면도 이미지인 도 3(b)를 참조하면, 3시간 동안 양극산화를 수행하였을 때 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체는 평균두께가 1.5 μm 로 성장했음을 확인하였다. 3 (a), which is an image of a top view, it was confirmed that a TiO 2 nanotube structure having an average diameter of 100 nm was obtained at a voltage of 20 V, and with reference to FIG. 3 (b) It was confirmed that the porous TiO 2 nanotube structure had an average thickness of 1.5 μm.
<실험예 2> SEM & EDX 분석≪ Experimental Example 2 > SEM & EDX analysis
실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트의 형상을 관찰하기 위해 에너지분산형 분광분석법(energy-dispersive X-ray spectroscopy; 이하 'EDS') 맵핑을 포함한 집속 이온 빔 주사 전자 현미경(Focussed Ion Beam Scanning Electron Microscope; 이하 'FIB-SEM', XVISON 200DB, Hitachi)으로 원소 분포를 관찰하였다.In order to observe the shape of the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x prepared according to Example 1, a focused ion beam scanning including energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping (FIB-SEM, XVISON 200DB, Hitachi). The distribution of the elements was observed with an electron microscope (Focussed Ion Beam Scanning Electron Microscope;
도 4(a)를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트의 Ti, Ir, 및 O 원소에 대한 맵핑을 나타내는 횡단면도 HR-SEM 이미지를 나타내고 있다.Referring to FIG. 4 (a), a cross-sectional HR-SEM image showing the mapping of the TiO 2 nanotube bipolar plate to the Ti, Ir, and O elements of IrO x coated according to Example 1 is shown.
구체적으로, IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트의 원소 맵핑은 Ti 기판 상에 타이타늄, 이리듐, 및 산화물로 균일하게 구성되어 있음을 명확히 나타났다.Specifically, it has been clearly shown that the element mapping of the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x is uniformly composed of titanium, iridium, and oxide on the Ti substrate.
그에 반하여, 도 4(b)을 참조하면, 비교예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트의 원소 맵핑을 통해 두꺼운 IrOX 코팅층 및 TiO2/Ti 기판이 명확히 나뉘어져 있음을 확인하였다.On the other hand, referring to FIG. 4 (b), the elemental mapping of the barrier type TiO 2 bipolar plate coated with IrO x prepared according to Comparative Example 1 clearly shows that the thick IrO x coating layer and the TiO 2 / Ti substrate are clearly divided Respectively.
즉, 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트는 IrOX가 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체 내부로 골고루 침투하여 IrOX 코팅층과 TiO2 나노튜브 구조체와 결합하고 있음을 확인할 수 있었다. 반면에, 비교예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트는 IrOX가 베리어 타입 TiO2 구조체 표면에만 코팅되어 있으며, 내부로 침투하지 않음을 확인할 수 있었다.That is, Example 1 TiO 2 nano-tubes coated with the prepared IrO X according to the bipolar plate is IrO X is that evenly penetrates into the porosity of the TiO 2 nanotube structure in combination with the IrO X coating with TiO 2 nanotube structure and I could confirm. On the other hand, Comparative Example 1 in accordance with the coating in the manufactured IrO X barrier type TiO 2 the bipolar plate is the X IrO barrier type TiO 2 structure It was confirmed that it was coated only on the surface and did not penetrate into the inside.
또한, 도 5를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트의 상세한 형상학적 특징을 관찰하기 위해, 원소 맵핑 분석을 포함한 고분해능 투과 전자 현미경(high-resolution transmission electron microscope; 이하 'HR-TEM', JEM-2100F, JEOL)을 이용하였다.5, in order to observe the detailed geometrical characteristics of the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x prepared according to Example 1, a high-resolution transmission electron microscope electron microscope (HR-TEM, JEM-2100F, JEOL).
구체적으로, 타이타늄, 이리듐, 및 산화물 구성은 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트에서 균일하게 관찰되었다.Specifically, the titanium, iridium, and oxide configurations were uniformly observed in a TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x prepared according to Example 1.
따라서, IrOX는 TiO2 나노튜브 구조체의 외면 및 내면 모두에 각각 200 nm 및 1 μm의 평균두께로 코팅되었고, 이는 이리듐 산화물 층 및 TiO2 나노튜브 구조체 사이에 강한 앵커링을 가능하게 하였다.Thus, IrO x was coated on both the outer and inner surfaces of the TiO 2 nanotube structure with an average thickness of 200 nm and 1 μm, respectively, which enabled strong anchoring between the iridium oxide layer and the TiO 2 nanotube structure.
<실험예 3> 흑연 바이폴라 플레이트 및 실시예 1에 따라 제조된 IrO≪ Experimental Example 3 > A graphite bipolar plate and IrO2 prepared according to Example 1 XX 로 코팅된 TiOCoated TiO 22 나노튜브 바이폴라 플레이트의 두께 비교 Comparison of thickness of nanotube bipolar plate
도 6은 흑연 바이폴라 플레이트(왼쪽) 및 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트(오른쪽)의 두께 비교를 위해 횡단면도 디지털 사진을 나타낸 도면이다.Figure 6 is a cross-sectional digital photograph of a graphite bipolar plate (left) and a TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x prepared according to Example 1 (right) for comparison of thickness.
도 6을 참조하면, 기존 흑연 바이폴라 플레이트 대비 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트를 VRFB에 사용하였을 때 두께 차이를 현격히 나타내었는 바, 기존 VRFB의 전체 부피 감소 효과를 얻을 수 있었다.Referring to FIG. 6, when the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x according to Example 1 was used for VRFB, the difference in thickness was remarkably exhibited, and the total volume reduction effect of the existing VRFB .
구체적으로, 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트는 0.127 mm의 평균 두께를 나타낸 반면, 흑연 바이폴라 플레이트는 대략 3 mm의 평균 두께를 나타내었는 바, 이는 바이폴라 플레이트 용적의 감소를 통해 밀집된 멀티-스택 VRFBs의 설계가 가능한 이점을 확인하였다.Specifically, the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x prepared according to Example 1 exhibited an average thickness of 0.127 mm, while the graphite bipolar plate exhibited an average thickness of approximately 3 mm, indicating that the bipolar plate volume Of the VRFBs can be designed through the reduction of the VRFBs.
<실험예 4> XRD 패턴 분석<Experimental Example 4> XRD pattern analysis
도 7을 참조하면, IrOX 코팅층의 구조적 특성을 분석하기 위해, X선 회절 분석기(Rigaku D/MAX 2500 diffractometer, Rigaku)를 이용하여 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트의 X선 회절 분석(X-ray diffractiometry; 'XRD 분석') 패턴을 비교예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트의 XRD 패턴과 비교하였다.Referring to FIG. 7, in order to analyze the structural characteristics of the IrO x coating layer, a TiO 2 nanotube coated with IrO x prepared according to Example 1 using an X-ray diffractometer (Rigaku D / MAX 2500 diffractometer, Rigaku) The X-ray diffractiometry ('XRD analysis') pattern of the bipolar plate was compared to the XRD pattern of the barrier type TiO 2 bipolar plate coated with IrO x prepared according to Comparative Example 1.
구체적으로, 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트에서는 이리듐 산화물(110), (101), 및 (211)의 결정 구조, 아나타제 TiO2 (101) (JCPDS No. 21-1272) 및 Ti-금속(JCPDS No. 44-1294)과 관련된 회절 피크가 관찰되었다.Specifically, in the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x prepared according to Example 1, the crystal structure of the iridium oxide (110), (101), and (211), the anatase TiO 2 101 (JCPDS No. 21-1272) and a Ti-metal (JCPDS No. 44-1294).
반면에, 비교예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트에서는 아나타제 TiO2의 회절 피크가 관찰되지 않았다. 이것은 표면 상에 두꺼운 산화물 층이 TiO2 층을 포함하지 않음을 의미하며, FIB-SEM 관찰 결과(도 4(b) 참조)와 일치하였다.On the other hand, in the barrier type TiO 2 bipolar plate coated with IrO x prepared according to Comparative Example 1, no diffraction peak of anatase TiO 2 was observed. This means that the thick oxide layer on the surface does not contain a TiO 2 layer, which is consistent with the FIB-SEM observation (see Fig. 4 (b)).
<실험예 5> 전기화학성능 분석<Experimental Example 5> Electrochemical performance analysis
도 8은 다양한 바이폴라 플레이트의 포텐시오다이나믹(potentiodynamic) 편광 곡선을 나타내고 있다.Figure 8 shows the potentiodynamic polarization curves of the various bipolar plates.
상기 측정은 부식 거동(corrosion behavior)을 평가하는 데에 이용할 수 있고, 바이폴라 플레이트로서 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 구조체의 이용 가능성을 나타내었다.The measurements can be used to evaluate corrosion behavior and indicate the availability of TiO 2 nanotube structures coated with IrO x as bipolar plates.
상온에서 0.3 M VOSO4와 0.6 M H2SO4 수용액을 이용하였으며, 백금 메쉬 및 Ag/AgCl를 각각 상대전극, 및 기준전극으로 이용하였고, 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트, 비교예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트, 비교예 2에 따라 제조된 순수한 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트, 구리 호일 플레이트(전류 집전체), 및 흑연 바이폴라 플레이트를 각각 작업전극으로 이용하여 갈바니 부식 테스트(Galvanic corrosion test)를 수행하였다.We used a 0.3 M VOSO 4 with 0.6 MH 2 SO 4 aqueous solution at room temperature, a platinum mesh and an Ag / the AgCl each of the counter electrode, and a reference were used as electrodes, the embodiment of TiO 2 nano-coated with an IrO X prepared according to the 1 A tube bipolar plate, a barrier type TiO 2 bipolar plate coated with IrO x prepared according to Comparative Example 1, a pure TiO 2 nanotube bipolar plate manufactured according to Comparative Example 2, a copper foil plate (current collector), and a graphite bipolar Galvanic corrosion test was performed using the plate as a working electrode, respectively.
실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트, 비교예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트, 비교예 2에 따라 제조된 순수한 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트, 구리 호일 플레이트(전류 집전체), 및 흑연 바이폴라 플레이트의 개별적인 부식 전위(Ecorr)는 표준 수소 전극(standard hydrogen electrode; 이하 'SHE') 대비 각각 -0.107 V, -0.117 V, -0.216 V, -0.164 V, 및 -0.123 V로 나타났다.Example coated with the prepared IrO X TiO according to 12 nanotubes bipolar plate, coated with the IrO X prepared according to Comparative Example 1, a barrier-type TiO 2, the bipolar plate, Comparative Example 2, a pure TiO 2 nanotubes prepared according to The individual corrosion potentials (E corr ) of the bipolar plate, the copper foil plate (current collector), and the graphite bipolar plate are -0.107 V, -0.117 V, -0.216 V, -0.164 V, and -0.123 V, respectively.
상기 결과를 참조하면, 비교예 2에 따라 제조된 순수한 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트는 다른 바이폴라 플레이트에 비해 훨씬 낮은 Ecorr 거동을 나타내었다.Referring to the above results, the pure TiO 2 nanotube bipolar plate prepared according to Comparative Example 2 exhibited much lower E corr behavior than the other bipolar plates.
대조적으로, 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트 및 비교예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트는 흑연 바이폴라 플레이트 보다 열역학적으로 내부식 특성이 우수하게 나타났고, 이는 강산성 전해질에 대한 부식에 있어서 동등 이상의 성능을 나타낼 수 있음을 확인하였다.In contrast, in Example 1 was coated with the IrO X prepared according to the TiO 2 nanotubes bipolar plates and Comparative Example 1 was coated with the IrO X prepared according to the barrier-type TiO 2 the bipolar plate is thermodynamically corrosion properties than graphite bipolar plate , And it was confirmed that it can exhibit the same or better performance in corrosion to strongly acidic electrolyte.
상기 결과를 통해 IrOX 코팅을 수행함으로써 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트의 Ecorr 및 전기화학 안정성을 개선시킬 수 있음을 확인하였다.From the above results, it was confirmed that E corr and electrochemical stability of TiO 2 nanotube bipolar plate can be improved by performing IrO x coating.
따라서, 강산성 전해액으로부터 구리(Cu) 전류 집전체를 보호하기 위한 바이폴라 플레이트로서 흑연 바이폴라 플레이트 및 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 두가지 타입의 IrOX로 코팅된 TiO2 바이폴라 플레이트의 전기화학 특성을 추가적으로 수행하였다.Therefore, the electrochemical characteristics of TiO 2 bipolar plates coated with graphite bipolar plates and two types of IrO x coated according to Example 1 and Comparative Example 1 as bipolar plates for protecting copper (Cu) current collectors from strong acid electrolytes .
도 9(a)를 참조하면, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 두가지 타입의 IrOX로 코팅된 TiO2 바이폴라 플레이트의 전기화학 특성을 분석하기 위해 동일한 전해액에서 -20 내지 20 mA/cm2의 전류밀도 하에서 충전/방전을 통해 V4 +/V5 + 산화환원반응의 과전위를 측정하였다.Referring to FIG. 9 (a), in order to analyze electrochemical characteristics of TiO 2 bipolar plates coated with two types of IrO x prepared according to Example 1 and Comparative Example 1, it was found that -20 to 20 mA / cm 2 of The overvoltage of V 4 + / V 5 + redox reaction was measured through charge / discharge under current density.
비교예 2에 따라 제조된 금속촉매 없는 순수한 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트(파란 선)는 갑작스럽게 과전위가 증가하였고, 적용된 전류밀도가 증가함에 따라 최대 한계치에 도달하였다.The pure TiO 2 nanotube bipolar plate (blue line) without metal catalyst prepared according to Comparative Example 2 abruptly increased in potential and reached the maximum limit as the applied current density increased.
종래 흑연 바이폴라 플레이트(검정 선)는 ± 20 mA/cm2의 전류밀도에서 1.90 V 및 -1.12 V의 가장 높은 과전위를 나타내었다.Conventional graphite bipolar plates (black lines) exhibited the highest overvoltages of 1.90 V and -1.12 V at current densities of ± 20 mA / cm 2 .
대조적으로, 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트(붉은 선)은 ± 20 mA/cm2의 전류밀도에서 0.93 V 및 -0.36 V의 가장 낮은 과전위를 나타내었다.In contrast, the TiO 2 nanotube bipolar plate (red line) coated with IrO x prepared according to Example 1 exhibited the lowest overvoltage of 0.93 V and -0.36 V at a current density of ± 20 mA / cm 2 .
또한, 비교예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 베리어 타입의 TiO2 바이폴라 플레이트(녹색 선)은 적절하게 낮은 과전위를 나타내었다.In addition, the barrier type TiO 2 bipolar plate (green line) coated with IrO x prepared according to Comparative Example 1 exhibited suitably low overvoltage.
전체적으로, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 두가지 타입의 IrOX로 코팅된 TiO2 바이폴라 플레이트는 흑연 바이폴라 플레이트에 비해 상대적으로 낮은 셀 과전위를 나타내었고, 이는 두가지 타입의 IrOX로 코팅된 TiO2 바이폴라 플레이트는 VRFB의 전기화학 성능을 개선할 수 있음을 암시한다. Overall, the TiO 2 bipolar plates coated with two types of IrO x prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 exhibited relatively low cell overcharges compared to graphite bipolar plates, which were coated with two types of IrO x Suggesting that the TiO 2 bipolar plate can improve the electrochemical performance of VRFB.
다만, 현저한 차이를 나타내는 과전위 테스트를 통해 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트는 VRFB에 적용 시 저항에 대한 성능 감소를 확연하게 낮출 수 있음을 확인하였다.However, it was confirmed that the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x prepared according to Example 1 through the overvoltage test showing remarkable difference can significantly lower the resistance performance when applied to VRFB.
도 9(b)를 참조하면, 흑연 바이폴라 플레이트 및 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 두가지 타입의 IrOX로 코팅된 TiO2 바이폴라 플레이트의 전기화학 특성을 분석하기 위해, 전기화학 임피던스 분광학(electrochemical impedance spectroscopy analysis; 이하 'EIS') 측정을 수행하였다.Referring to FIG. 9 (b), in order to analyze electrochemical characteristics of graphite bipolar plates and TiO 2 bipolar plates coated with two types of IrO x prepared according to Example 1 and Comparative Example 1, electrochemical impedance spectroscopy electrochemical impedance spectroscopy analysis (EIS).
흑연 바이폴라 플레이트 및 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 두가지 타입의 IrOX로 코팅된 TiO2 바이폴라 플레이트는 유사한 벌크용액 저항(similar bulk solution resistance)을 포함하는 것을 나이퀴스트 임피던스 선도를 통해 증명하였다.Graphite bipolar plates and TiO 2 bipolar plates coated with two types of IrO x prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 were proved to have similar bulk solution resistance through Nyquist impedance lines Respectively.
그러나, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 두가지 타입의 IrOX로 코팅된 TiO2 바이폴라 플레이트는 흑연 바이폴라 플레이트의 반원에 비해 현저하게 작은 반원을 나타내었는 바, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 두가지 타입의 IrOX로 코팅된 TiO2 바이폴라 플레이트의 고주파수 영역에서 전하 전달 저항(charge transfer resistance)이 흑연 바이폴라 플레이트에 비해 현저히 작은 적으로 판단된다.However, the TiO 2 bipolar plates coated with the two types of IrO x prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 exhibited remarkably small semicircles compared to the semicircle of the graphite bipolar plate. In Example 1 and Comparative Example 1 The charge transfer resistance in the high frequency region of the TiO 2 bipolar plate coated with the two types of IrO x prepared according to the present invention is considerably smaller than that of the graphite bipolar plate.
이는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 두가지 타입의 IrOX로 코팅된 TiO2는 바이폴라 플레이트를 VRFB에 적용하는 것이 적절하다는 이전의 결과와 일치하였으며, VRFB 셀 성능이 상당히 개선되었다.This is consistent with the previous results that TiO 2 coated with two types of IrO x prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 is suitable to apply a bipolar plate to VRFB and VRFB cell performance is significantly improved.
VRFB 단일 셀에 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 두가지 타입의 IrOX로 코팅된 TiO2 바이폴라 플레이트를 적용한 후 전기화학 성능을 평가하기 위해, 0.3 M VOSO4 및 0.6 M H2SO4의 혼합 용액에서 멤브레인으로 Nafion 117을 이용한 충전-방전 순환을 수행하였다.VRFB To evaluate the electrochemical performance after applying a TiO 2 bipolar plate coated with two types of IrO x prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 in a single cell, a mixture of 0.3 M VOSO 4 and 0.6 MH 2 SO 4 The charge-discharge cycle was performed using Nafion 117 from the solution to the membrane.
비교예 2에 따라 제조된 순수한 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트는 높은 셀 과전위를 포함하기 때문에 순수한 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트에 기반한 VRFB는 5 mA/cm2 보다 높은 전류밀도에서 충전되지 않았다.Comparative Example 2 A pure TiO 2 nano-tubes made according to the bipolar plate is VRFB based on pure TiO 2 nanotubes bipolar plate because it contains a high cell overcurrent above has not been charged at a high
도 10을 참조하면, 전기화학 성능 테스트 이후 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트의 경우, 도 10의 왼쪽과 같이 모두 검정색으로 나타났는 바, IrOX가 아직 잔존함을 확인할 수 있었다. 10, the case of the TiO 2 nanotubes bipolar plate coated with the IrO X prepared according to Example 1 after the electrochemical performance test, also all as shown on the left of the 10 Shone appear as a black bar, IrO X yet remaining .
반면에, 도 10의 오른쪽과 같이 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체가 형성되지 않은 비교예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트의 경우, 전기화학 성능 테스트만을 수행하였음에도 불구하고 테스트 수행한 부분에서 IrOX가 쉽게 분리되기 때문에 IrOX로 코팅된 베리어 타입 TiO2 바이폴라 플레이트를 적용한 VRFB 단일 셀 테스트는 더 이상 수행할 수 없었다.On the other hand, in the case of the barrier type TiO 2 bipolar plate coated with IrO x prepared according to Comparative Example 1 in which a porous TiO 2 nanotube structure is not formed as shown in the right side of FIG. 10, The VRFB single cell test with a barrier type TiO 2 bipolar plate coated with IrO x could no longer be performed because the IrO x was easily separated from the test run.
즉, TiO2 나노튜브 구조체가 IrOX 코팅층과 Ti 기판의 접착성을 향상시켜 VRFB에 적용하였을 때에도 장시간 동안 IrOX 코팅층이 분리되지 않도록 조력하는 것을 확인할 수 있었다.That is, it was confirmed that the TiO 2 nanotube structure improves the adhesion between the IrO x coating layer and the Ti substrate to assist the separation of the IrO x coating layer for a long time even when applied to VRFB.
흑연 바이폴라 플레이트와 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트를 비교하기 위해 VRFB 단일 셀 테스트를 수행하였다.A VRFB single cell test was performed to compare graphite bipolar plates with TiO 2 nanotube bipolar plates coated with IrO x .
도 11(a)를 참조하면, 1회 충전/방전하는 동안 40 mA/cm2의 전류밀도에서 흑연 바이폴라 플레이트와 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트에 기반한 VRFB 셀의 충전/방전 전압 및 용량 프로파일의 비교를 나타내었다.Referring to FIG. 11 (a), the charge / discharge voltage of a VRFB cell based on a TiO 2 nanotube bipolar plate coated with a graphite bipolar plate and an IrO x at a current density of 40 mA / cm 2 during one charge / A comparison of the capacity profiles is shown.
흑연 바이폴라 플레이트와 비교하여, IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트는 27 mV의 낮은 충전 전압 및 47 mV의 높은 방전 전압을 나타내었다.Compared to the graphite bipolar plate, the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x exhibited a low charging voltage of 27 mV and a high discharge voltage of 47 mV.
이러한 결과를 통해 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체에 코팅되는 IrOX는 활성 촉매이며, 전하 전달 저항을 감소할 수 있음을 암시한다.These results suggest that IrO x coated on a porous TiO 2 nanotube structure is an active catalyst and can reduce the charge transfer resistance.
또한, 도 12를 참조하면, 고정된 전압 창(voltage window)에서 100회 이상 충전/방전 테스트를 수행할 경우, 흑연 바이폴라 플레이트에 비해 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트는 우수한 순환성 및 용량을 나타내었다.Referring to FIG. 12, when the charge / discharge test is performed more than 100 times in a fixed voltage window, the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x as compared with the graphite bipolar plate has excellent cycleability and Respectively.
이러한 결과를 통해 셀 성능에 영향을 주는 바이폴라 플레이트의 낮은 저항성 및 내부식 특성을 증명하였다. 즉, 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트를 VRFB에 적용함으로써 셀 성능을 향상시킬 수 있음을 증명하였다.These results demonstrate the low resistivity and corrosion resistance of bipolar plates that affect cell performance. That is, it has been proved that the cell performance can be improved by applying the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x prepared according to Example 1 to VRFB.
또한, 도 11(b) 내지 도 11(d)를 참조하면, 다양한 바이폴라 플레이트를 VRFB 셀에 적용하였을 때의 쿨롱 효율, 전압 효율, 및 에너지 효율을 나타내었다.11 (b) to 11 (d), coulomb efficiency, voltage efficiency, and energy efficiency when various bipolar plates were applied to a VRFB cell were shown.
구체적으로, 흑연 바이폴라 플레이트 및 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트를 VRFB에 적용하였을 때의 쿨롱 효율은 유사하게 나타났으나, 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트의 낮은 전하 이동 전하에 기인하여 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트를 적용한 VRFB의 전압 효율은 흑연 바이폴라 플레이트를 적용한 VRFB에 비해 3 내지 4% 높게 나타났다. Specifically, when the graphite bipolar plate and the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x prepared according to Example 1 were applied to VRFB, the coulombic efficiency was similar, but the IrO x the TiO 2 nanotubes bipolar voltage efficiency of VRFB due to the low charge transfer charge applied to the TiO 2 nanotubes bipolar plate coated with the IrO X of the plate is higher for 3 to 4% compared to VRFB applying graphite bipolar plates coated with.
전체적으로, IrOX 코팅의 활성 촉매 효과 및 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체의 높은 부식 저항에 기인하여 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트를 적용한 VRFB 셀에 대한 에너지 효율은 에너지 손실 없이 3 내지 4% 개선되어 우수한 순환 안정성을 나타내었고, IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트를 VRFB 셀에 적용함으로써 용적을 감소시킬 수 있고, 우수한 전기화학 성능을 제공할 수 있음을 확인하였다.Overall, the energy efficiency of a VRFB cell employing a TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x due to the active catalytic effect of the IrO x coating and the high corrosion resistance of the porous TiO 2 nanotube structure was found to be between 3 and 4 %, Indicating excellent cyclic stability. It was confirmed that the volume can be reduced by applying the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x to the VRFB cell, and excellent electrochemical performance can be provided.
또한, 전류 안정성을 확인하기 위해, VRFB 셀에 다양한 전류밀도를 적용하였다.In addition, various current densities were applied to the VRFB cells to verify the current stability.
구체적으로, 도 13(a)를 참조하면, IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트의 순환 성능 및 속도 특성을 나타내었고, 60 mA/cm2 까지 전류밀도를 높였을 때 충전-방전 용량이 급격하게 감소되지 않았다.13 (a), circulation performance and speed characteristics of the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x were shown. When the current density was increased up to 60 mA / cm 2 , the charge- It was not abruptly decreased.
반면에, 전류밀도를 20 mA/cm2 까지 감소시켰을 때, 쿨롱 효율 및 충전-방전 용량이 복원되었다.On the other hand, when the current density was reduced to 20 mA / cm 2 , the coulombic efficiency and charge-discharge capacity were restored.
즉, 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트에서 전류 회복력은 상당히 감소된 과전위, 낮은 전하 전달 저항, 및 내부식 특성에 의해 기인함을 알 수 있다.That is, in the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x prepared according to Example 1, the current restoring force is attributed to significantly reduced over-potential, low charge transport resistance, and anti-corrosion property.
이러한 결과는 100회 순환 후 실시예 1에 따라 제조된 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트의 표면 형상(도 13(b) 참조)을 나타난 SEM 이미지와 일치한다.This result agrees with the SEM image showing the surface shape (see Fig. 13 (b)) of the TiO 2 nanotube bipolar plate coated with IrO x prepared according to Example 1 after 100 cycles.
구체적으로, 순환 전 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브(도 2(a) 참조) 바이폴라 플레이트의 SEM 이미지 상면도와 비교하여, 100회 순환 후 IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 바이폴라 플레이트는 어떠한 크랙 없이 별갑(turtle-shell) 형상이 여전히 유지되었음을 확인하였다.Specifically, rotation around the IrO (see Fig. 2 (a)) the TiO 2 nano-tubes coated with X as compared to help the upper surface SEM image of a bipolar plate, after rotation of 100 times the TiO 2 nanotubes bipolar plate coated with the IrO X is any crack The turtle-shell shape was still maintained.
또한, 도 13(c)를 참조하면, 상당한 양의 IrOX가 TiO2 나노튜브 구조체 상에 여전히 유지되었고, 격렬한 VRFB 가동 후 TiO2 나노튜브 구조체는 파괴 또는 손상 없이 Ti 기판에 여전히 연결되어 있었으며, IrOX 및 TiO2 나노튜브 구조체 복합 층은 더욱 밀집되어 있고, 순환 테스트 이후 더욱 견고해져 있음을 확인하였다.In addition, FIG. 13 (c) Referring to, it has been a great deal of IrO X still held on the TiO 2 nanotube structure, after vigorous VRFB movable TiO 2 nanotube structure was still connected to the Ti substrate without destruction or damage, It was confirmed that the IrO x and TiO 2 nanotube structure composite layers were more dense and became more solid after the circulation test.
상기 관찰된 결과는 TiO2 나노튜브 구조체의 형상학적 특성에 의해 기인함을 알 수 있으며, IrOX로 코팅된 TiO2 나노튜브 구조체는 구조적으로 견고하며, 높은 전기전도성 및 부식 저항을 유지할 수 있으며, VRFB 가동을 위한 산성 조건에서 높은 안정성을 나타내었다.The observed result is TiO 2 nano-tubes, and found to be caused by the shape characteristics of the structure, the TiO 2 nanotube structure coated with IrO X is and structurally robust, and can maintain a high electric conductivity and corrosion resistance, Showed high stability under acidic conditions for VRFB operation.
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 (14)
상기 타이타늄 기판 상에 나노튜브 형상으로 이루어진 다공성의 이산화 타이타늄(TiO2) 나노튜브 층을 포함하며,
상기 다공성의 TiO2 나노튜브 층은 외면 및 내면에 이리듐 산화물로 코팅된 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트.A titanium substrate;
And a porous titanium dioxide (TiO 2 ) nanotube layer in the form of a nanotube on the titanium substrate,
Wherein the porous TiO 2 nanotube layer is coated with an iridium oxide on the outer and inner surfaces, the iridium oxide-coated titanium-based bipolar plate for a vanadium redox flow battery.
상기 다공성의 TiO2 나노튜브 층은,
평균 직경이 50 nm 내지 100 nm인 기공을 포함하는 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트.The method according to claim 1,
The porous TiO 2 nanotube layer may be formed,
A barium titanate-based bipolar plate coated with iridium oxide for a vanadium redox flow battery, characterized in that it comprises pores having an average diameter of 50 nm to 100 nm.
상기 다공성의 TiO2 나노튜브 층은,
외면에 평균 두께가 100 nm 내지 500 nm인 이리듐 산화물 코팅층 및 내면에 평균 두께가 700 nm 내지 1.5 μm인 이리듐 산화물 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트.The method according to claim 1,
The porous TiO 2 nanotube layer may be formed,
An iridium oxide coating layer having an average thickness of 100 nm to 500 nm on the outer surface and an iridium oxide coating layer having an average thickness of 700 nm to 1.5 μm on the inner surface. Bipolar plates.
수산화나트륨, 인산, 및 불산을 포함한 전해질 용액으로 상기 세척된 타이타늄 기판을 양극산화하여 타이타늄 기판 표면 상에 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체를 형성하는 단계;
상기 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체가 형성된 타이타늄 기판을 열처리하는 단계;
유기용매에 이리듐 전구체를 투입한 후 교반하여 혼합용액을 준비하는 단계; 및
상기 열처리된 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체가 형성된 타이타늄 기판 표면 상에 혼합용액을 분사한 후 전기로에 투입하여 열처리하는 단계를 포함하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 제조방법.Cleaning the titanium substrate;
Anodizing the washed titanium substrate with an electrolyte solution containing sodium hydroxide, phosphoric acid, and hydrofluoric acid to form a porous TiO 2 nanotube structure on the surface of the titanium substrate;
Heat treating the titanium substrate on which the porous TiO 2 nanotube structure is formed;
Adding an iridium precursor to an organic solvent and stirring the mixed solution to prepare a mixed solution; And
A titanium-based bipolar plate coated with iridium oxide for a vanadium redox flow battery, comprising the steps of injecting a mixture solution onto the surface of a titanium substrate on which the heat-treated porous TiO 2 nanotube structure is formed, Way.
상기 타이타늄 기판을 세척하는 단계는,
타이타늄 기판을 아세톤, 에탄올, 및 증류수에 담구어 각각 15분, 10분, 및 5분 동안 초음파 세척하는 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 제조방법.The method of claim 4,
Wherein the cleaning of the titanium substrate comprises:
Wherein the titanium substrate is immersed in acetone, ethanol, and distilled water, and ultrasonically cleaned for 15 minutes, 10 minutes, and 5 minutes, respectively, for the iridium oxide-coated titanium-based bipolar plate for a vanadium redox flow battery.
상기 전해질 용액은,
1.0 내지 1.5 M의 수산화나트륨, 1.0 내지 1.5 M의 인산, 및 0.5 중량%의 불산을 포함하는 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 제조방법.The method of claim 4,
The electrolyte solution may contain,
Characterized in that it comprises 1.0 to 1.5 M sodium hydroxide, 1.0 to 1.5 M phosphoric acid, and 0.5 weight% hydrofluoric acid.
상기 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체를 형성하는 단계는,
수산화나트륨, 인산, 및 불산을 포함한 전해질 용액으로 상기 세척된 타이타늄 기판을 10 내지 20 V에서 3 내지 6시간 동안 양극산화하여 형성하는 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 제조방법.The method of claim 4,
The forming of the porous TiO 2 nanotube structure may include:
Characterized in that the washed titanium substrate is formed by anodic oxidation at 10 to 20 V for 3 to 6 hours with an electrolytic solution containing sodium hydroxide, phosphoric acid, and hydrofluoric acid. The iridium oxide-coated titanium substrate for a vanadium redox flow battery Based bipolar plate.
상기 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체는,
평균 직경이 50 nm 내지 100 nm인 기공을 포함하는 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 제조방법.The method of claim 4,
In the porous TiO 2 nanotube structure,
Characterized in that it comprises pores having an average diameter of from 50 nm to 100 nm. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 타이타늄 기판을 열처리하는 단계는,
상기 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체가 형성된 타이타늄 기판을 100 내지 120℃로 열처리하는 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 제조방법.The method of claim 4,
Wherein the heat treatment of the titanium substrate comprises:
Wherein the titanium substrate on which the porous TiO 2 nanotube structure is formed is subjected to a heat treatment at a temperature of 100 to 120 ° C. 11. A method of manufacturing a titanium-based bipolar plate coated with iridium oxide for a vanadium redox flow battery,
상기 이리듐 전구체는,
IrCl2, IrCl3, IrCl4 및 H2IrCl6로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 제조방법.The method of claim 4,
The iridium precursor,
Wherein the iridium oxide-coated titanium-based bipolar plate is one selected from the group consisting of IrCl 2 , IrCl 3 , IrCl 4, and H 2 IrCl 6 .
상기 혼합용액을 준비하는 단계는,
유기용매에 0.01 내지 0.05 M의 이리듐 전구체를 투입한 후 6 내지 12시간 동안 교반하여 준비하는 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 제조방법.The method of claim 4,
The step of preparing the mixed solution includes:
A process for producing a titanium-based bipolar plate coated with iridium oxide for a vanadium redox flow battery, which comprises adding 0.01 to 0.05 M of an iridium precursor to an organic solvent, followed by stirring for 6 to 12 hours.
상기 열처리하는 단계는,
상기 열처리된 다공성의 TiO2 나노튜브 구조체가 형성된 타이타늄 기판 표면 상에 혼합용액을 분사한 후 300 내지 350℃로 유지되는 전기로에 투입하여 5 내지 10분 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 제조방법.The method of claim 4,
The step of heat-
Wherein the mixed solution is injected onto the surface of the titanium substrate on which the heat-treated porous TiO 2 nanotube structure is formed, and then the mixture is injected into an electric furnace maintained at 300 to 350 ° C. and heat-treated for 5 to 10 minutes. A method of manufacturing a titanium-based bipolar plate coated with an iridium oxide for a battery.
상기 열처리하는 단계는,
5 내지 8회 반복수행 하는 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 제조방법.The method of claim 4,
The step of heat-
Wherein the bipolar plate is repeated five to eight times. 6. The method of claim < RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI >
상기 열처리하는 단계 이후
5 내지 8회 반복수행하여 열처리된 타이타늄 기판을 300 내지 350℃로 유지되는 전기로에 투입한 후 혼합용액을 분사하고 1 내지 2시간 동안 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 바나듐 레독스 플로우 배터리용 이리듐 산화물이 코팅된 타이타늄 기반 바이폴라 플레이트 제조방법.The method of claim 4,
After the heat treatment step
Further comprising the step of injecting the mixed solution into the electric furnace maintained at a temperature of 300 to 350 DEG C for 1 to 2 hours after the heat treatment of the vanadium redox flow A method of manufacturing a titanium-based bipolar plate coated with an iridium oxide for a battery.
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GRNT | Written decision to grant |