KR101816800B1 - Method of preparing metal nano wire and 3D metal nano catalyst - Google Patents

Method of preparing metal nano wire and 3D metal nano catalyst Download PDF

Info

Publication number
KR101816800B1
KR101816800B1 KR1020150128862A KR20150128862A KR101816800B1 KR 101816800 B1 KR101816800 B1 KR 101816800B1 KR 1020150128862 A KR1020150128862 A KR 1020150128862A KR 20150128862 A KR20150128862 A KR 20150128862A KR 101816800 B1 KR101816800 B1 KR 101816800B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal
acrylic resin
hydroxy
block copolymer
silicon oxide
Prior art date
Application number
KR1020150128862A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20170031401A (en
Inventor
김진영
정연식
김종민
정재원
정연훈
유성종
디억 헨켄스마이어
장종현
김형준
Original Assignee
한국과학기술연구원
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원, 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020150128862A priority Critical patent/KR101816800B1/en
Publication of KR20170031401A publication Critical patent/KR20170031401A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101816800B1 publication Critical patent/KR101816800B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/92Metals of platinum group
    • H01M4/928Unsupported catalytic particles; loose particulate catalytic materials, e.g. in fluidised state
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/02Solids
    • B01J35/023Catalysts characterised by dimensions, e.g. grain size
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009Forming specific nanostructures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/92Metals of platinum group
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

본 발명은 지지체가 필요 없는 금속 나노선 및 3차원 금속 나노 촉매의 제조방법에 관한 것으로 (A) 요철이 형성된 트렌치 기판에 하이드록시가 치환된 제1 고분자를 코팅 후 오븐에서 처리하는 단계; (B) 오븐 처리된 트렌치 기판 상면에 실리콘이 적어도 한쪽 블록에 포함된 블록 공중합체를 코팅하는 단계; (C) 블록 공중합체가 코팅된 트렌치 기판을 어닐링하는 단계; (D) 어닐링된 트렌치 기판을 이온에칭(RIE)하여 패턴을 형성하며 블록 공중합체를 산화실리콘(SiOx)로 전환하는 단계; (E) 산화실리콘 패턴을 하이드록시가 치환된 제2 고분자로 코팅 후 오븐에서 처리하는 단계; (F) 오븐 처리된 산화실리콘 패턴 상면에 아크릴 수지를 코팅하는 단계; (G) 산화실리콘 패턴과 코팅된 아크릴 수지를 분리하여 아크릴 수지의 일면에 패턴과 동일한 형상으로 다수개의 음각이 형성되는 단계; (H) 다수개의 음각 사이에 위치한 아크릴 수지의 직선기둥을 따라 금속 나노선을 증착시키는 단계; 및 (I) 금속 나노선이 증착된 아크릴 수지의 금속 나노선이 기판에 위치하도록 부착한 후 아크릴 수지를 제거하여 지지체가 없는 금속 나노선을 제조하는 단계;를 포함함으로써, 3차원 나노 촉매를 제조할 수 있으며 카본 지지체가 없어 열화 현상을 최소화하고 얇은 두께로 인해 물질의 이동거리 감소와 물배출이 원활하다.The present invention relates to a method of manufacturing a metal nanowire and a three-dimensional metal nanocatalyst that does not require a support, comprising the steps of: (A) coating a first polymer substituted with hydroxy on a trench substrate having unevenness formed thereon and then treating it in an oven; (B) coating a block copolymer containing silicon in at least one block on the top surface of the oven treated trench substrate; (C) annealing the trench substrate coated with the block copolymer; (D) ion etching (RIE) the annealed trench substrate to form a pattern and converting the block copolymer to silicon oxide (SiOx); (E) coating the silicon oxide pattern with a second polymer substituted with hydroxy and treating in an oven; (F) coating an acrylic resin on the top surface of the oven-treated silicon oxide pattern; (G) separating the silicon oxide pattern from the coated acrylic resin to form a plurality of engraved patterns in the same shape as the pattern on one side of the acrylic resin; (H) depositing a metal nanowire along a straight column of acrylic resin located between a plurality of intaglio angles; And (I) attaching the metal nanowires of the acrylic resin on which the metal nanowires have been deposited so that the metal nanowires are positioned on the substrate, and then removing the acrylic resin to prepare metal nanowires without a support, It does not have carbon support and minimizes deterioration. Thin thickness reduces the travel distance of material and smooth water discharge.

Description

지지체가 필요 없는 금속 나노선 및 3차원 금속 나노 촉매의 제조방법{Method of preparing metal nano wire and 3D metal nano catalyst}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a metal nano-

본 발명은 지지체가 없어 열화 현상을 최소화하고 얇은 두께로 인해 물질의 이동거리 감소와 물배출이 원활한, 지지체가 필요 없는 금속 나노선 및 3차원 금속 나노 촉매의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a metal nanowire and a three-dimensional metal nanocatalyst which minimizes deterioration due to the absence of a support and which does not require a support, which facilitates reduction of travel distance of the material and discharge of water due to its thin thickness.

고분자 전해질 막 연료전지의 상용화를 위한 주된 관심사 중 하나는 상용화된 Pt/C 촉매보다 산소환원반응 활성 및 내구성이 우수한 Pt 촉매를 개발하는 것이다. One of the major concerns for the commercialization of polymer electrolyte membrane fuel cells is to develop Pt catalysts with better oxygen reduction activity and durability than commercially available Pt / C catalysts.

현재 상용되는 Pt/C 촉매는 Pt 나노입자를 지지하는 탄소층이 연료전지 구동 과정에서 전기 화학적 산화반응으로 인해 열화현상이 발생하는 문제가 있으며, 두꺼운 탄소 지지층으로 인해 반응물질의 원활한 공급과 생성물인 물의 배출에 필요한 확산 거리가 길어 셀 성능이 저하되는 문제가 있다. 또한, 탄소 지지층의 전기 화학적인 산화/부식 현상은 셀 성능의 내구성 저하를 가져오는 주된 원인으로 문제되고 있다. The present Pt / C catalyst has a problem that the carbon layer supporting the Pt nanoparticles is deteriorated due to the electrochemical oxidation reaction during the operation of the fuel cell, and because of the thick carbon support layer, There is a problem that the cell performance is deteriorated because the diffusion distance required for discharging water is long. In addition, the electrochemical oxidation / corrosion phenomenon of the carbon support layer is a main cause of deterioration of durability of the cell performance.

최근에, Pt/C 촉매의 내재적인 문제점을 근본적으로 해결하고자 탄소 지지체를 사용하지 않는 3차원 나노구조를 갖는 박막촉매 전극에 대한 여러 연구들이 보고되었다. 미국의 3M 사에서는 열적 및 전기화학적 내구성을 갖는 수염구조의 유기물 지지체를 고안하고 이 위에 Pt를 스퍼터링 법으로 증착하여 박막전극을 제작하였다. 이러한 수염구조의 유기물 지지체는 전도성을 띠지 않기에 부식에 대한 우려가 없어 열화문제를 해결할 수 있었으나, 제조 방식이 복잡하고 Pt 자체의 유효 표면적이 매우 적다는 한계를 가지고 있다. Recently, several researches on thin film catalyst electrodes having a three-dimensional nanostructure without using a carbon support have been reported in order to fundamentally solve the intrinsic problem of Pt / C catalysts. 3M Company, USA, designed an organic support with a whisker structure with thermal and electrochemical durability, and deposited a thin film electrode on the Pt by sputtering. Since the organic support of the whisker structure does not have conductivity, there is no concern about corrosion, which can solve the degradation problem. However, the manufacturing method is complicated and the effective surface area of Pt itself is very small.

또한, 중국의 허페이 마이크로스케일 물리학 국립연구소에서는 Pt 나노선이 코어부분에 위치한 Pt, 탄소 코어쉘 구조의 나노선을 보고하였다. 결정성이 좋은 Pt, 탄소 코어쉘 나노선을 제작해 열화특성이 개선되고 반응성이 우수한 촉매를 제작하였으나, 복잡한 합성방식이 필요하며 합성과정에서의 낮은 수율과 Pt의 손실 등의 문제로 인해 최종 촉매 제작 단가가 높다는 문제가 있다. In addition, in the National Institute of Microscale Physics, Hefei, China, nanowires of Pt, carbon core shell structures with Pt nanowires located in the core region were reported. Although a catalyst having excellent deterioration and improved reactivity was produced by producing Pt and carbon core shell nanowires with good crystallinity, a complicated synthesis method was required. Due to problems such as a low yield in the synthesis process and loss of Pt, There is a problem that the manufacturing cost is high.

또한, 서울대에서는 잘 정렬된 폴리스티렌(polystyrene, PS) 구체를 템플릿으로 사용하여 Pt를 전기도금한 후 템플릿을 제거하여 역 오팔(Inverse opal) 구조의 삼차원 Pt 구조체를 제작하였다. 이러한 구조체는 상용 Pt/C 촉매 대비 훨씬 얇은 1~2 마이크로미터 수준의 두께를 가지며 탄소 지지체가 없는 순수한 Pt 나노 구조체이기에 촉매층과 고분자 분리막 사이의 이오노머(Ionomer)가 필요 없으며 더불어 성능, 내구성 측면에서 훨씬 우수한 결과를 보였다. 하지만 이 경우 역시 촉매 제작을 위해서는 PS 구체 템플릿의 제작과정의 재현성이 떨어지는 문제가 있으며, 전기도금법을 통해 얻은 Pt 막의 낮은 품질(결정성, 전기전도도, 불순물)의 문제가 있다. In addition, at Seoul National University, a polystyrene (PS) sphere was used as a template, electroplating Pt, and then the template was removed to fabricate a three-dimensional Pt structure with an inverse opal structure. This structure is a pure Pt nanostructure with a thickness of 1 to 2 micrometers, which is much thinner than commercial Pt / C catalysts and is free of carbon support. It does not require an ionomer between the catalyst layer and the polymer separator, and is superior in terms of performance and durability Showed excellent results. In this case, however, there is a problem in that the reproducibility of the production process of the PS spherical template is poor for the catalyst production, and there is a problem of the low quality (crystallinity, electrical conductivity, impurities) of the Pt film obtained by the electroplating method.

따라서, 지지체가 없으며 성능 및 내구성이 우수하고 재현성이 우수한 3차원 금속 나노 촉매에 대하여 요구되고 있다.Accordingly, there is a need for a three-dimensional metal nanocatalyst having no support, excellent in performance and durability, and excellent in reproducibility.

대한민국 등록특허 제1144109호Korean Patent No. 1144109 미국 등록특허 제8637193호U.S. Patent No. 8637193 미국 등록특허 제8557484호U.S. Patent No. 8557484

본 발명의 목적은 지지체가 필요 없는 금속 나노선을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a method for producing a metal nanowire that does not require a support.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법에 따라 제조된 지지체가 필요 없는 금속 나노선을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a metal nanowire that does not require a support manufactured according to the above-described manufacturing method.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 지지체가 필요 없는 금속 나노선을 이용하여 3차원 금속 나노 촉매를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing a three-dimensional metal nanocatalyst using a metal nanowire that does not require a support.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법에 따라 제조된 지지체가 필요 없는 3차원 금속 나노 촉매를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a three-dimensional metal nanocatalyst that does not require a support prepared according to the above-described method.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지지체가 필요 없는 금속 나노선을 제조하는 방법은,According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a metal nanowire,

(A) 포토리소그래피 처리되고 요철이 형성된 트렌치 기판을 하이드록시가 치환된 제1 고분자로 코팅하는 단계; (A) coating a photolithography-treated trench substrate on which unevenness is formed with a first polymer substituted with a hydroxy;

(B) 상기 코팅된 트렌치 기판 상면에 실리콘이 적어도 한쪽 블록에 포함된 블록 공중합체를 코팅하는 단계;(B) coating a block copolymer containing silicon in at least one block on the surface of the coated trench substrate;

(C) 상기 블록 공중합체가 코팅된 트렌치 기판을 어닐링하는 단계;(C) annealing the trench substrate coated with the block copolymer;

(D) 상기 어닐링된 트렌치 기판을 이온에칭(RIE)하여 블록 공중합체 패턴을 형성하며 상기 패턴으로 존재하는 블록 공중합체를 산화실리콘(SiOx)으로 전환하는 단계;(D) ion etching (RIE) the annealed trench substrate to form a block copolymer pattern and converting the block copolymer present in the pattern into silicon oxide (SiOx);

(E) 상기 산화실리콘 패턴의 상면을 하이드록시가 치환된 제2 고분자로 코팅 후 오븐에서 처리하는 단계;(E) coating the upper surface of the silicon oxide pattern with a second polymer substituted with hydroxy and treating in an oven;

(F) 상기 하이드록시가 치환된 제2 고분자로 코팅된 산화실리콘 패턴의 상면을 아크릴 수지로 코팅하는 단계;(F) coating an upper surface of the silicon oxide pattern coated with the hydroxy-substituted second polymer with an acrylic resin;

(G) 상기 산화실리콘 패턴과 코팅된 아크릴 수지를 분리하여 상기 아크릴 수지의 일면에 상기 산화실리콘 패턴과 동일한 형상으로 다수개의 음각을 형성하는 단계;(G) separating the silicon oxide pattern and the coated acrylic resin to form a plurality of intaglio angles on one surface of the acrylic resin in the same shape as the silicon oxide pattern;

(H) 상기 아크릴 수지에 형성된 다수개의 음각 사이에 위치한 직선기둥을 따라 금속 나노선을 증착시키는 단계; 및(H) depositing a metal nanowire along a straight column located between a plurality of intaglio angles formed in the acrylic resin; And

(I) 상기 아크릴 수지에 증착된 금속 나노선을 기판에 부착한 후 아크릴 수지를 제거하여 지지체가 없는 금속 나노선을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.(I) attaching a metal nanowire deposited on the acrylic resin to the substrate, and then removing the acrylic resin to produce a metal nanowire having no support.

상기 (A)단계에서 하이드록시가 치환된 제1 고분자는 하이드록시가 치환된 PS(polystyrene) 브러쉬 또는 하이드록시가 치환된 PDMS(polydimethylsiloxane)브러쉬일 수 있다.The hydroxy-substituted first polymer in step (A) may be a PS (polystyrene) brush substituted with hydroxy or a PDMS (polydimethylsiloxane) brush substituted with hydroxy.

상기 (B)단계에서 블록 공중합체는 PS-b-PDMS(polystyrene-b-polydimethylsiloxane) 또는 P4VP-b-PDMS(poly-4-vinylpyridine-b-polydimethylsiloxane)일 수 있다.In the step (B), the block copolymer may be PS-b-PDMS (polystyrene-b-polydimethylsiloxane) or P4VP-b-PDMS (poly-4-vinylpyridine-b-polydimethylsiloxane).

상기 (C)단계에서 어닐링은 톨루엔을 이용한 용매 증기 어닐링일 수 있다.In the step (C), the annealing may be solvent vapor annealing using toluene.

상기 (C)단계에서 어닐링은 블록 공중합체의 팽윤도가 2 내지 2.3을 유지하는 조건으로 수행할 수 있다.In the step (C), the annealing may be performed under the condition that the swelling degree of the block copolymer is maintained at 2 to 2.3.

상기 (D)단계에서 이온에칭은 CF4 플라즈마 처리한 후 이어서 O2 플라즈마 처리할 수 있다.In the step (D), the ion etching may be followed by a CF 4 plasma process followed by an O 2 plasma process.

상기 (E)단계에서 하이드록시가 치환된 제2 고분자는 하이드록시가 치환된 PDMS(polydimethylsiloxane) 브러쉬일 수 있다. In the step (E), the hydroxy-substituted second polymer may be a PDMS (polydimethylsiloxane) brush substituted with hydroxy.

상기 (F)단계에서 아크릴 수지는 PMMA(polymethylmethacrylate), 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트 및 t-부틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In the step (F), the acrylic resin may be at least one selected from the group consisting of polymethylmethacrylate (PMMA), methyl acrylate, ethyl acrylate, n-butyl acrylate and t-butyl acrylate.

상기 (H)단계에서 금속 나노선의 금속은 백금, 금, 은 및 로듐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In step (H), the metal of the metal nanowire may be at least one selected from the group consisting of platinum, gold, silver and rhodium.

또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지지체가 필요 없는 금속 나노선은 상기의 제조방법에 따라 제조된 것일 수 있다.In order to achieve the above-mentioned other objects, the metal nanowire of the present invention which does not require a support may be manufactured according to the above-described manufacturing method.

상기 금속 나노선은 선폭이 20 nm이하일 수 있다.The metal nanowire may have a line width of 20 nm or less.

또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지지체가 필요 없는 3차원 금속 나노 촉매를 제조하는 방법은,According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a three-dimensional metal nano catalyst,

(가) 제11항의 금속 나노선을 금속 호일에 여러번 전사하여 금속 나노 구조체를 제조하는 단계;(A) preparing a metal nanostructure by transferring the metal nanowire of claim 11 to a metal foil several times;

(나) 상기 금속 나노 구조체 상면에 아크릴 수지를 코팅한 후, 금속 호일을 제거하는 금속에천트 수용액에 상기 금속 호일만 침지되도록 구비하여 상기 금속 호일을 제거하는 단계;(B) coating the acrylic resin on the upper surface of the metal nanostructure, and then removing the metal foil by removing the metal foil;

(다) 상기 금속 호일이 제거되면, 상기 금속에천트 수용액으로부터 아크릴 수지로 코팅된 금속 나노 구조체를 분리하는 단계; 및(C) separating the metal nanostructure coated with the acrylic resin from the metal etchant solution when the metal foil is removed; And

(라) 상기 분리된 아크릴 수지로 코팅된 금속 나노 구조체의 아크릴 수지를 제거하여 금속 나노 촉매를 수득하는 단계;를 포함할 수 있다.(D) removing the acrylic resin of the metal nanostructure coated with the separated acrylic resin to obtain a metal nanocatalyst.

상기 (가)단계에서 금속 호일의 금속은 구리, 황동, 백동 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In the step (a), the metal of the metal foil may be at least one selected from the group consisting of copper, brass, white copper and aluminum.

상기 (나)단계에서 금속에천트는 암모늄 퍼설페이트, 페릭 클로라이드 및 큐프릭 클로라이드로 이루어진 군에선 선택된 1종 이상을 들 수 있다.In the step (b), the metal etchant may be at least one selected from the group consisting of ammonium persulfate, peric chloride and cupric chloride.

상기 (나)단계에서 아크릴 수지는 PMMA(polymethylmethacrylate), 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트 및 t-부틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In the step (b), the acrylic resin may be at least one selected from the group consisting of polymethylmethacrylate (PMMA), methyl acrylate, ethyl acrylate, n-butyl acrylate and t-butyl acrylate.

또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지지체가 필요 없는 3차원 금속 나노 촉매는 상기 제조방법에 따라 제조된 것일 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a three-dimensional metal nanocatalyst according to the present invention.

본 발명의 3차원 금속 나노 촉매는 금속 나노선으로 형성된 3차원 금속 구체로서, 카본 등의 지지체가 없어 열화현상을 최소화 하며 20 nm 이하의 얇은 두께로 인해 물질의 이동거리가 감소될 뿐만 아니라 물배출이 원활한 장점을 가질 수 있다.The three-dimensional metal nanocatalyst of the present invention is a three-dimensional metal sphere formed of a metal nanowire. Since it does not have a support such as carbon, it minimizes deterioration and a thin thickness of 20 nm or less reduces the moving distance of the material. This can have a smooth advantage.

또한, 본 발명의 3차원 금속 나노 촉매는 이오노머(Ionomer)가 없더라도 ORR 활성 및 전압-전류 특성이 우수하고 재현성이 뛰어나다. In addition, the three-dimensional metal nanocatalyst of the present invention has excellent ORR activity and voltage-current characteristics and excellent reproducibility even without an ionomer.

이러한 3차원 금속 나노 촉매는 연료전지의 전기화학 반응용 촉매전극으로 이용될 수 있다. Such a three-dimensional metal nanocatalyst can be used as a catalyst electrode for an electrochemical reaction of a fuel cell.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 금속 나노선을 제조하는 과정을 나열한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 따라 3차원 금속 나노 촉매를 제조하는 과정을 나열한 도면이다.
도 3a 및 3c는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 Pt 나노선을 여러층으로 적층한 Pt 나노 촉매를 45 °로 기울여 촬영한 SEM 사진이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 3차원 Pt 나노 촉매의 단면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 3차원 Pt 나노 촉매를 확대하여 촬영한 SEM 사진이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 Pt 나노선의 적층수에 따른 3차원 Pt 나노 촉매 및 비교예의 Pt/C 촉매의 ORR 특성 분석을 나타낸 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 Pt 나노선의 적층수에 따른 3차원 Pt 나노 촉매 및 비교예 1의 Pt/C 촉매의 CV 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5는 (a) 비교예의 Pt/C 촉매 및 (b) 일 실시예에 따라 제조된 3차원 Pt 나노 촉매의 열화 특성 분석을 위한 CV 커브 그래프이다.
도 6은 (a) 비교예의 Pt/C 촉매 및 (b) 일 실시예에 따라 제조된 3차원 Pt 나노 촉매의 사이클 횟수에 따른 ORR 커브 그래프이다.
1 is a diagram illustrating a process of fabricating a metal nanowire according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a process of fabricating a three-dimensional metal nano-catalyst according to an embodiment of the present invention.
3A and 3C are SEM micrographs of Pt nanocatalysts prepared by stacking Pt nanowires of various layers according to an embodiment of the present invention at an angle of 45 °.
FIG. 3B is a SEM photograph of a section of a three-dimensional Pt nanocatalyst prepared according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3D is an SEM photograph of a three-dimensional Pt nano catalyst prepared according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4A is a graph showing an ORR characteristic analysis of a three-dimensional Pt nano catalyst according to the number of Pt nanowires laminated according to an embodiment of the present invention and a Pt / C catalyst according to a comparative example.
FIG. 4B is a graph showing the CV curves of the three-dimensional Pt nanocatalyst according to the number of stacked Pt nanowires prepared according to an embodiment of the present invention and the Pt / C catalyst of Comparative Example 1. FIG.
5 is a CV curve graph for analyzing deterioration characteristics of Pt / C catalyst of (a) comparative example and (b) three-dimensional Pt nanocatalyst prepared according to one embodiment.
6 is an ORR curve graph of the number of cycles of (a) the Pt / C catalyst of the comparative example and (b) the three-dimensional Pt nanocatalyst prepared according to one embodiment.

본 발명은 카본 지지체가 없어 열화 현상을 최소화하고 얇은 두께로 인해 물질의 이동거리 감소와 물배출이 원활한, 지지체가 필요 없는 금속 나노선 및 3차원 금속 나노 촉매의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a metal nanowire and a three-dimensional metal nanocatalyst that minimizes deterioration due to the absence of a carbon support, smooths the movement distance of the material due to its thin thickness,

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 지지체가 없는 금속 나노선을 제조한 후 상기 금속 나노선을 이용하여 3차원 금속 나노 구조체인 금속 나노 촉매를 제조한다.The present invention relates to a metal nanowire having no support, and a metal nanowire, which is a three-dimensional metal nanostructure, is manufactured using the metal nanowire.

본 발명의 금속 나노선을 제조하는 방법은 (A) 요철이 형성된 트렌치 기판을 하이드록시가 치환된 제1 고분자로 코팅하는 단계; (B) 상기 코팅된 트렌치 기판 상면에 실리콘이 적어도 한쪽 블록에 포함된 블록 공중합체를 코팅하는 단계; (C) 상기 블록 공중합체가 코팅된 트렌치 기판을 어닐링하는 단계; (D) 상기 어닐링된 트렌치 기판을 이온에칭(RIE)하여 블록 공중합체 패턴을 형성하며 상기 패턴으로 존재하는 블록 공중합체를 산화실리콘(SiOx)으로 전환하는 단계; (E) 상기 산화실리콘 패턴의 상면을 하이드록시가 치환된 제2 고분자로 코팅하는 단계; (F) 상기 하이드록시가 치환된 제2 고분자로 코팅된 산화실리콘 패턴의 상면을 아크릴 수지로 코팅하는 단계; (G) 상기 산화실리콘 패턴과 코팅된 아크릴 수지를 분리하여 상기 아크릴 수지의 일면에 상기 산화실리콘 패턴과 동일한 형상으로 다수개의 음각을 형성하는 단계; (H) 상기 아크릴 수지에 형성된 다수개의 음각 사이에 위치한 아크릴 수지의 직선기둥을 따라 금속 나노선을 증착시키는 단계; 및 (I) 상기 아크릴 수지에 증착된 금속 나노선을 기판에 부착한 후 아크릴 수지를 제거하여 지지체가 없는 금속 나노선을 제조하는 단계;를 포함한다.The method of manufacturing a metal nanowire according to the present invention includes the steps of (A) coating a trench substrate having unevenness with a first polymer substituted with hydroxy; (B) coating a block copolymer containing silicon in at least one block on the surface of the coated trench substrate; (C) annealing the trench substrate coated with the block copolymer; (D) ion etching (RIE) the annealed trench substrate to form a block copolymer pattern and converting the block copolymer present in the pattern into silicon oxide (SiOx); (E) coating the upper surface of the silicon oxide pattern with a second polymer substituted with hydroxy; (F) coating an upper surface of the silicon oxide pattern coated with the hydroxy-substituted second polymer with an acrylic resin; (G) separating the silicon oxide pattern and the coated acrylic resin to form a plurality of intaglio angles on one surface of the acrylic resin in the same shape as the silicon oxide pattern; (H) depositing a metal nanowire along a straight column of acrylic resin located between a plurality of intaglio angles formed in the acrylic resin; And (I) attaching the metal nanowires deposited on the acrylic resin to the substrate, and then removing the acrylic resin to prepare a metal nanowire free of supports.

먼저, 상기 (A)단계에서는 자기조립의 속도론적 향상을 통해 결함없는 패턴을 얻기 위해 요철이 형성된 트렌치 기판에 하이드록시가 치환된 제1 고분자를 스핀코팅 후 100 내지 160 ℃의 오븐에서 1 내지 3시간 동안 처리한다.First, in step (A), a hydroxy-substituted first polymer is spin-coated on a trench substrate having irregularities to obtain a defect-free pattern through kinetic improvement of self-assembly, and then the first polymer is spin-coated in an oven at 100 to 160 ° C for 1 to 3 Lt; / RTI >

상기 트렌치 기판은 포토리소그래피 처리되어 회로가 형성되며, 0.8 내지 2 ㎛ 폭의 요철이 형성된 기판으로서, 상기 요철은 블록 공중합체로 형성되는 패턴의 배향성을 조절하기 위하여 한쪽 방향으로 진행된 것이 바람직하다.The trench substrate is preferably a photolithography process to form a circuit, and the irregularities are formed in a width of 0.8 to 2 탆. The irregularities are preferably formed in one direction to control the orientation of the pattern formed of the block copolymer.

상기 하이드록시가 치환된 제1 고분자는 하이드록시가 치환된 PS(polystyrene) 브러쉬 또는 PDMS(polydimethylsiloxane)로서, 유기용매에 0.5 내지 5 중량%, 바람직하게는 1 내지 2 중량%로 함유된다. 상기 제1 고분자의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 (C) 단계에서 블록 공중합체의 자기조립시 결함 농도를 높일 수 있다.The hydroxy-substituted first polymer is a hydroxy-substituted polystyrene (PS) brush or PDMS (polydimethylsiloxane), and is contained in an organic solvent in an amount of 0.5 to 5 wt%, preferably 1 to 2 wt%. When the content of the first polymer is less than the lower limit, the defect concentration can be increased during self-assembly of the block copolymer in the step (C).

다음으로, 상기 (B)단계에서는 상기 오븐 처리된 트렌치 기판에 붙지 않은 제1 고분자를 유기용매로 세척한 후 상기 트렌치 기판 상면에 실리콘이 적어도 한쪽 블록에 포함된 블록 공중합체를 스핀코팅한다.Next, in step (B), the first polymer not attached to the oven-treated trench substrate is washed with an organic solvent, and then a block copolymer containing silicon in at least one block is spin-coated on the trench substrate.

상기 실리콘이 적어도 한쪽 블록에 포함된 블록 공중합체는 PS-b-PDMS(polystyrene-b-polydimethylsiloxane) 또는 P4VP-b-PDMS(poly-4-vinylpyridine-b-polydimethylsiloxane)로서, 자기조립된 패턴의 사이즈를 줄이며 높은 내구성을 갖기 위해서는 PS-b-PDMS를 사용하는 것이 바람직하다. 크기를 줄이면 더욱 얇은 금속 나노선을 더욱 많이 제조할 수 있으며, 높은 내구성을 가지면 블록 공중합체의 자기조립으로 제작된 패턴을 마스터몰드로 사용시 영구적으로 사용할 수 있다. The block copolymer in which the silicon is contained in at least one block is a polystyrene-b-polydimethylsiloxane (PS-b-PDMS) or a poly-4-vinylpyridine-b- And it is preferable to use PS-b-PDMS in order to have high durability. Reduced size allows for the production of more thinner metal nanowires, and for high durability, self-assembled patterns of block copolymers can be used permanently when used as a master mold.

상기 블록 공중합체는 유기용매에 0.5 내지 5 중량%, 바람직하게는 1 내지 2 중량%로 함유되며, 블록 공중합체의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 블록 공중합체 자기조립시 많은 결함이 발생할 수 있다. 또한, 상기 상한치 초과인 경우에는 단층의 자기조립 패턴이 아닌 복층의 자기조립 패턴을 얻게 되어 마스터몰드로 활용할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.The block copolymer is contained in an organic solvent in an amount of 0.5 to 5% by weight, preferably 1 to 2% by weight. When the content of the block copolymer is less than the lower limit, many defects may occur during self-assembly of the block copolymer. If the upper limit value is exceeded, a self-assembly pattern of a multi-layer is obtained instead of a self-assembly pattern of a single layer, which can not be utilized as a master mold.

다음으로, 상기 (C)단계에서는 상기 블록 공중합체가 코팅된 트렌치 기판을 20 내지 25 ℃에서 8 내지 12시간 동안 어닐링한다.Next, in the step (C), the trench substrate coated with the block copolymer is annealed at 20 to 25 ° C for 8 to 12 hours.

상기 어닐링은 열적 어닐링 또는 용매 증기 어닐링을 이용할 수 있는데, 블록 공중합체의 블록간 불친성 정도, 분자량 등을 고려하여 용매의 증기를 이용하여 어닐링되는 용매 증기 어닐링이 바람직하다. 상기 용매 증기 어닐링은 용매가 들어있는 챔버에 블록 공중합체가 용매에 침지되지 않도록 용매 상측에 위치시킨 후 용매의 증기로 블록 공중합체를 자기조립시키는 것으로서, 상기 용매로는 톨루엔이 바람직하다. The annealing may be thermal annealing or solvent vapor annealing. Preferably, the solvent vapor annealing is performed using the vapor of the solvent in consideration of the degree of interblock affinities of the block copolymer, the molecular weight, and the like. In the solvent vapor annealing, the block copolymer is self-assembled into the chamber containing the solvent by the vapor of the solvent after being positioned on the solvent so that the block copolymer is not immersed in the solvent, and toluene is preferable as the solvent.

상기 용매 증기 어닐링을 수행 시 챔버 내 증기압은 블록 공중합체의 팽윤도가 2 내지 2.3을 유지하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 블록 공중합체의 팽윤도가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 자기조립된 블록 공중합체를 제조하기 어려울 수 있다. When performing the solvent vapor annealing, it is preferable that the vapor pressure in the chamber keeps the swelling degree of the block copolymer to 2 to 2.3. When the degree of swelling of the block copolymer is out of the above range, it may be difficult to prepare a self-assembled block copolymer.

다음으로, 상기 (D)단계에서는 상기 어닐링된 트렌치 기판을 이온에칭(RIE)하여 블록 공중합체 패턴을 형성할 뿐만 아니라 상기 패턴으로 존재하는 블록 공중합체를 산화실리콘(SiOx)으로 전환시킨다.Next, in the step (D), the annealed trench substrate is subjected to ion etching (RIE) to form a block copolymer pattern, and the block copolymer existing in the pattern is converted into silicon oxide (SiOx).

상기 이온에칭은 두 단계에 걸쳐 진행되는데, 첫 단계로 상기 어닐링된 트렌치 기판을 CF4 플라즈마로 처리한 후 이어서 O2 플라즈마로 처리하여 블록 공중합체 패턴을 산화실리콘(SiOx) 패턴으로 전환시킨다. 일예로, 블록 공중합체로 PS-b-PDMS를 사용한 경우에는 자기조립된 PS-b-PDMS가 구비된 트렌치 기판을 CF4 플라즈마로 처리하여 PDMS를 제거(박막의 상단부에 존재하는 PDMS제거)한 후 O2 플라즈마로 처리하여 PS제거 및 패턴 형태로 남은 PDMS를 산화실리콘(SiOx)으로 전환시킨다. The ion etching is performed in two steps. In the first step, the annealed trench substrate is treated with CF 4 plasma and then treated with O 2 plasma to convert the block copolymer pattern into a silicon oxide (SiO x) pattern. For example, when PS-b-PDMS is used as the block copolymer, the trench substrate with the self-assembled PS-b-PDMS is treated with CF 4 plasma to remove the PDMS (removing the PDMS present in the upper portion of the thin film) And then treated with a post-O 2 plasma to remove the PS and convert the remaining PDMS to silicon oxide (SiO x) in the form of a pattern.

다음으로, 상기 (E)단계에서는 상기 산화실리콘 패턴의 상면을 하이드록시가 치환된 제2 고분자로 스핀코팅 후 100 내지 160 ℃의 오븐에서 1 내지 3시간 동안 처리한다.Next, in step (E), the upper surface of the silicon oxide pattern is spin-coated with a second polymer substituted with hydroxy and treated in an oven at 100 to 160 ° C for 1 to 3 hours.

상기 하이드록시가 치환된 제2 고분자는 자기조립된 블록 공중합체의 표면에너지를 낮추어 아크릴 수지 코팅 후 (G)단계에서 폴리이미드 테이프를 이용하여 아크릴 수지를 산화실리콘 패턴으로부터 분리시 상기 폴리이미드 테이프에 아크릴 수지가 옮겨져 완벽하게 상기 산화실리콘 패턴과 분리되도록 하기 위하여 사용된다.The hydroxy-substituted second polymer has a surface energy lower than that of the self-assembled block copolymer. When the acrylic resin is coated on the polyimide tape after the acrylic resin is separated from the silicon oxide pattern using the polyimide tape in step (G) So that the acrylic resin is transferred and completely separated from the silicon oxide pattern.

상기 하이드록시가 치환된 제2 고분자로는 하이드록시가 치환된 PDMS(polydimethylsiloxane) 브러쉬를 들 수 있으며, 유기용매에 0.5 내지 5 중량%, 바람직하게는 1 내지 2 중량%로 함유된 고분자 용액이다. 상기 제2 고분자의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 산화실리콘 패턴과 아크릴 수지가 완벽하게 분리될 수 없습니다. The hydroxy-substituted second polymer is a PDMS (polydimethylsiloxane) brush substituted with hydroxy, and is a polymer solution containing 0.5 to 5% by weight, preferably 1 to 2% by weight, in an organic solvent. When the content of the second polymer is less than the lower limit, the silicon oxide pattern and the acrylic resin can not be completely separated.

다음으로, 상기 (F)단계에서는 상기 하이드록시가 치환된 제2 고분자로 스핀코팅된 산화실리콘 패턴 상면에 아크릴 수지를 스핀코팅한다.  Next, in step (F), an acrylic resin is spin-coated on the upper surface of the silicon oxide pattern spin-coated with the hydroxy-substituted second polymer.

상기 아크릴 수지로 스핀코팅하기 전에 트렌치 기판과 반응하지 않은 제2 고분자를 헵테인 용매로 제거하는 과정을 수행할 수 있다.The second polymer that has not reacted with the trench substrate may be removed with a heptane solvent before spin coating with the acrylic resin.

상기 아크릴 수지로는 PMMA(polymethylmethacrylate), 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트 및 t-부틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있으며, 상기 패턴의 완벽한 복제를 위해서는 PMMA를 사용하는 것이 바람직하다.The acrylic resin may be at least one selected from the group consisting of polymethylmethacrylate (PMMA), methyl acrylate, ethyl acrylate, n-butyl acrylate, and t-butyl acrylate. Is preferably used.

상기 아크릴 수지는 아세톤, 톨루엔 및 헵탄이 3.0-4.5: 3.0-4.5: 1.0-4.0의 중량비로 이루어진 용매에 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 1 내지 3 중량%로 함유된다. 아크릴 수지가 용해된 용매가 상기 3 종류의 용매 중 하나라도 없거나 다른 용매인 경우에는 아크릴수지의 스핀코팅이 제대로 이뤄지지 않을 수 있다. 또한, 상기 아크릴 수지의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 (G)단계에서 패턴의 형상대로 모양을 형성하기 어려울 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 (I)단계에서 아크릴수지의 제거 시 제거가 어려울 수 있다. The acrylic resin is contained in a solvent composed of acetone, toluene and heptane in a weight ratio of 3.0-4.5: 3.0-4.5: 1.0-4.0 in an amount of 1 to 10% by weight, preferably 1 to 3% by weight. If the solvent in which the acrylic resin is dissolved does not have any one of the above three solvents or another solvent, spin coating of the acrylic resin may not be performed properly. When the content of the acrylic resin is less than the lower limit, it may be difficult to form a pattern in the shape of the pattern in the step (G). If the content exceeds the upper limit, it may be difficult to remove the acrylic resin in the step (I) have.

다음으로, 상기 (G)단계에서는 상기 산화실리콘 패턴과 산화실리콘 패턴 상면에 코팅된 아크릴 수지를 분리하여 상기 아크릴 수지의 일면에 상기 산화실리콘 패턴과 동일한 형상으로 다수개의 음각을 형성한다. Next, in step (G), the silicon oxide pattern and the acrylic resin coated on the upper surface of the silicon oxide pattern are separated to form a plurality of recesses in the same shape as the silicon oxide pattern on one side of the acrylic resin.

구체적으로, 상기 산화실리콘 패턴을 코팅한 아크릴 수지의 상면에 폴리이미드 테이프를 부착 후 테이프를 떼어내듯 폴리이미드 테이프를 당기면 폴리이미드 테이프측에 아크릴 수지가 옮겨져 산화실리콘 패턴과 이에 코팅된 아크릴 수지가 분리된다. 이렇게 분리된 아크릴 수지는 산화실리콘 패턴측에 위치했던 면에 상기 산화실리콘 패턴과 동일한 형상의 패턴이 음각으로 형성된다. Specifically, when the polyimide tape is attached to the upper surface of the acrylic resin coated with the silicon oxide pattern and then the tape is pulled as if the tape is peeled off, the acrylic resin is transferred to the polyimide tape side so that the silicon oxide pattern and the acrylic resin coated therewith are separated do. The thus-separated acrylic resin has a pattern having the same shape as that of the silicon oxide pattern formed on the side of the silicon oxide pattern side.

다음으로, 상기 (H)단계에서는 상기 아크릴 수지에 형성된 다수개의 음각 사이에 위치한 직선기둥을 따라 금속 나노선을 증착시킨다.Next, in step (H), a metal nanowire is deposited along a straight line located between a plurality of embossing angles formed on the acrylic resin.

상기 아크릴 수지의 음각 패턴이 형성된 면을 금속이 증착되는 방향에 대해 30 내지 45° 경사가 지도록 위치시킨 후 다수개의 음각 사이에 위치한 직선기둥을 따라 금속을 증착시킨다. 이렇게 직선기둥을 따라 증착된 금속을 금속 나노선이라 한다.The surface of the acrylic resin on which the engraved pattern is formed is positioned so as to be inclined at 30 to 45 degrees with respect to the direction in which the metal is deposited, and the metal is deposited along a straight line between the plurality of engraved angles. The metal deposited along the straight line is called a metal nanowire.

상기 금속이 증착되는 속도는 0.1 내지 0.5 Å/S, 바람직하게는 0.2 내지 0.3 Å/S이다. 증착속도가 상기 상한치 초과인 경우에는 금속 나노선의 두께가 일정하지 못할 수 있다.The rate at which the metal is deposited is 0.1 to 0.5 A / S, preferably 0.2 to 0.3 A / S. When the deposition rate exceeds the upper limit value, the thickness of the metal nanowires may not be constant.

또한, 금속이 증착되는 두께는 아크릴 수지의 요철을 덮지 않을 정도의 두께로 증착되는 것이 바람직하다. 금속이 아크릴 수지의 요철을 덮는 경우에는 최종 전사시 단순히 금속 박막으로 전사될 뿐 금속 나노선으로 전사되지 않는다.In addition, it is preferable that the thickness to which the metal is deposited is a thickness that does not cover the concavity and convexity of the acrylic resin. When the metal covers the concavities and convexities of the acrylic resin, it is simply transferred to the metal thin film at the time of final transfer, and is not transferred to the metal nanowire.

또한, 상기 증착되는 금속은 백금, 금, 은 및 로듐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The deposited metal may be at least one selected from the group consisting of platinum, gold, silver and rhodium.

다음으로, 상기 (I)단계에서는 상기 아크릴 수지에 증착된 금속 나노선을 기판에 부착한 후 아크릴 수지를 제거하여 지지체가 없는 금속 나노선을 제조한다.Next, in the step (I), the metal nanowires deposited on the acrylic resin are attached to the substrate, and then the acrylic resin is removed to prepare metal nanowires free of supports.

구체적으로, 폴리아미드 테이프와 아크릴 수지의 접착력을 약화시키기 위하여, 유기용매에 8 내지 10시간 동안 침지시킨 PDMS에 금속 나노선이 증착된 아크릴 수지를 8 내지 15초 동안 부착시킨 후(금속 나노선이 PDMS에 접촉되도록 함) 떼어낸 다음, 상기 아크릴 수지에 증착된 금속 나노선을 기판에 부착하고 상기 폴리이미드 필름을 제거하면 기판에 금속 나노선 및 이에 증착된 아크릴 수지만 전사하게 된다. 그 후 상기 아크릴 수지만 제거하면 금속 나노선만 수득할 수 있다.Specifically, in order to weaken the adhesion between the polyamide tape and the acrylic resin, an acrylic resin on which metal nanowires have been deposited is attached to PDMS immersed in an organic solvent for 8 to 10 hours for 8 to 15 seconds The metal nanowires deposited on the acrylic resin are adhered to the substrate and the polyimide film is removed to transfer only the metal nanowire and the acrylic resin deposited on the substrate. Thereafter, only the acrylic resin is removed to obtain only metallic nanowires.

상기 기판은 금속 나노선과 쉽게 분리될 수 있는 기판이라면 특별히 한정되지 않으며, 상기 금속 나노선을 제조시 사용되는 유기용매는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 톨루엔을 들 수 있다. The substrate is not particularly limited as long as it is a substrate that can be easily separated from metal nanowires. The organic solvent used in the production of the metal nanowires is not particularly limited, but toluene is preferably used.

이와 같은 방법에 따라 제조된 금속 나노선은 선폭이 20 nm이하, 바람직하게는 1 내지 20 nm로 매우 얇게 제조할 수 있다.The metal nanowires produced according to this method can be manufactured to be very thin, with a line width of 20 nm or less, preferably 1 to 20 nm.

또한, 본 발명은 상기 금속 나노선을 이용하여 3차원 금속 나노 촉매를 제조할 수 있다.In addition, the present invention can produce a three-dimensional metal nanocatalyst using the metal nanowire.

본 발명의 3차원 금속 나노 촉매를 제조하는 방법은 (가) 상기 금속 나노선을 금속 호일에 여러번 전사하여 금속 나노 구조체를 제조하는 단계; (나) 상기 금속 나노 구조체 상면에 아크릴 수지를 코팅한 후 상기 금속 호일을 제거하는 금속에천트 수용액에 금속 호일만 침치되도록 구비하는 단계; (다) 상기 금속 호일이 제거되면, 상기 금속에천트 수용액으로부터 아크릴 수지로 코팅된 금속 나노 구조체를 분리하는 단계; 및 (라) 상기 분리된 아크릴 수지로 코팅된 금속 나노 구조체의 아크릴 수지를 제거하여 금속 나노 촉매를 수득하는 단계;를 포함할 수 있다.The method for producing the three-dimensional metal nanocatalyst according to the present invention comprises the steps of: (a) preparing a metal nanostructure by transferring the metal nanowire to a metal foil several times; (B) coating an upper surface of the metal nanostructure with an acrylic resin and then removing the metal foil; (C) separating the metal nanostructure coated with the acrylic resin from the metal etchant solution when the metal foil is removed; And (d) removing the acrylic resin of the metal nanostructure coated with the separated acrylic resin to obtain a metal nanocatalyst.

먼저, 상기 (가)단계에서는 앞에서 제조된 금속 나노선을 금속 호일에 여러번 전사하여 3차원 금속 나노 구조체를 제조한다.First, in the step (a), the metal nanowires prepared above are transferred several times to a metal foil to produce a three-dimensional metal nanostructure.

상기 금속 나노선은 원하는 층수만큼 적층하여 3차원의 금속 나노 구조체를 제공할 수 있다.The metal nanowire may be stacked by a desired number of layers to provide a three-dimensional metal nanostructure.

상기 3차원 금속 나노 구조체를 제조한 후 RTA에서 Ar분위기 하 500 내지 700 ℃에서 5 내지 20분 동안 열처리하여 금속 나노선 과정에서 제거되지 못한 고분자를 제거한다.After the 3-dimensional metal nanostructure is prepared, RTA is annealed at 500 to 700 ° C for 5 to 20 minutes under an Ar atmosphere to remove the polymer that has not been removed in the metal nanowire process.

상기 금속 호일에서 금속은 쉽게 제거될 수 있는 금속이라면 특별히 한정되징 않지만, 바람직하게는 구리, 황동, 백동 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. The metal is not particularly limited as long as the metal can be easily removed from the metal foil. Preferably, the metal foil is at least one selected from the group consisting of copper, brass, white copper and aluminum.

다음으로, 상기 (나)단계에서는 상기 3차원 금속 나노 구조체 상면에 아크릴 수지를 코팅한 후 상기 금속 호일을 제거하는 금속에천트 수용액에 금속 호일만 침치되도록 구비하여 금속 호일을 제거한다.Next, in step (b), an acrylic resin is coated on the upper surface of the three-dimensional metal nanostructure, and then the metal foil is removed by removing the metal foil.

상기 아크릴 수지는 금속 호일을 제거시 외부 환경으로부터 3차원 금속 나노 구조체를 보호하기 위한 것으로서, 구체적으로 PMMA(polymethylmethacrylate), 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트 및 t-부틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.The acrylic resin is used for protecting the three-dimensional metal nanostructure from the external environment when the metal foil is removed. Specifically, the acrylic resin is preferably a copolymer of PMMA (polymethylmethacrylate), methyl acrylate, ethyl acrylate, n-butyl acrylate and t- And at least one selected from the group consisting of

상기 아크릴 수지는 아세톤, 톨루엔 및 헵탄이 3.0-4.5: 3.0-4.5: 1.0-4.0의 중량비로 이루어진 용매에 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 1 내지 3 중량%로 함유될 수 있다.The acrylic resin may be contained in a solvent composed of acetone, toluene and heptane in a weight ratio of 3.0-4.5: 3.0-4.5: 1.0-4.0 in an amount of 1 to 10% by weight, preferably 1 to 3% by weight.

상기 금속에천트는 금속 호일을 제거할 수 있는 습식 에천트라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 암모늄 퍼설페이트, 페릭 클로라이드 및 큐프릭 클로라이드로 이루어진 군에선 선택된 1종 이상을 들 수 있다.The metal etchant is not particularly limited as long as it is a wet etchant capable of removing the metal foil, and preferably at least one selected from the group consisting of ammonium persulfate, peric chloride and cupric chloride.

다음으로, 상기 (다)단계에서는 상기 금속 호일이 제거되면, 상기 금속에천트 수용액으로부터 아크릴 수지로 코팅된 3차원 금속 나노 구조체를 분리한다.Next, in the step (c), when the metal foil is removed, the three-dimensional metal nanostructure coated with the acrylic resin is separated from the metal etchant aqueous solution.

이때 상기 아크릴 수지로 코팅된 3차원 금속 나노 구조체를 분리하기 용이하게 위하여 기판을 사용할 수 있다. At this time, a substrate can be used to facilitate separation of the three-dimensional metal nanostructure coated with the acrylic resin.

상기 기판의 종류는 금속에천트 수용액에 안정한 기판이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 RDE, 멤브레인 및 기체 확산층으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.The type of the substrate is not particularly limited as long as it is a substrate stable to a metal etchant solution. Preferably, the substrate is at least one selected from the group consisting of RDE, a membrane, and a gas diffusion layer.

다음으로, 상기 (라)단계에서는 상기 분리된 아크릴 수지로 코팅된 금속 나노 구조체의 아크릴 수지를 제거하여 금속 나노 구조체인 3차원 금속 나노 촉매를 수득한다.Next, in step (d), the acrylic resin of the metal nanostructure coated with the separated acrylic resin is removed to obtain a three-dimensional metal nanocatalyst, which is a metal nanostructure.

이와 같은 방법에 따라 제조된 3차원 금속 나노 촉매는 카본 지지체가 없어 열화 현상을 최소화하고 얇은 두께로 인해 물질의 이동거리 감소와 물배출이 원활하다.The three-dimensional metal nanocatalyst prepared according to the above method has no carbon support, minimizes deterioration, and has a thin thickness to reduce the moving distance of the material and smooth the discharge of water.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.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 or scope of the present invention. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.

물질matter

블록 공중합체(PS-b-PDMS 48 kg/mol, PS=31 kg/mol PDMS=17 kg/mol)와 브러쉬로 사용될 하이드록시 처리된 PS (38 kg/mol), 하이드록시 처리된 PDMS (5 kg/mol)는 모두 캐나다 Polymer source 사에서 구입하였다. Hydroxy-treated PS (38 kg / mol) to be used as a brush, hydroxy-treated PDMS (5 kg / mol) as a block copolymer (PS-b-PDMS 48 kg / mol, PS = 31 kg / mol PDMS = kg / mol) were purchased from Polymer source, Canada.

또한, PMMA (100 kg/mol), 암모늄 퍼설페이트는 sigma aldrich에서 구입하였다.
PMMA (100 kg / mol) and ammonium persulfate were also purchased from Sigma Aldrich.

실시예 1. 3차원 Pt 나노 촉매_지지체 없음Example 1. Three-dimensional Pt nanocatalyst - no support

Pt 나노선의 제조Manufacture of Pt Nanowires

1 ㎛ 의 폭과 40 nm의 깊이를 갖는 트렌치 기판을 포토리소그래피 공정으로 처리한 후 하이드록시 처리된 PS 브러쉬 (38 kg/mol)가 1.5 중량%로 함유된 톨루엔 용액으로 스핀코팅한 다음 150 ℃의 진공오븐에 2시간 동안 넣어 트렌치 기판에 PS 브러쉬 처리를 수행한다. 그 후에 트렌치 기판에 붙지 않은 PS 고분자를 제거하기 위하여 톨루엔 용액으로 씻어낸 후 상기 트렌치 기판에 PS-b-PDMS 48 kg/mol가 1 중량%로 함유된 톨루엔 용액을 스핀코팅하고, 상기 PS-b-PDMS가 도포된 트렌치 기판을 상온에서 톨루엔 용액으로 용매 증기 어닐링 (solvent vapor annealing)을 10시간 정도 수행한다. 어닐링을 진행할 때의 챔버 내 증기압 정도는 PS-b-PDMS의 팽윤도(swelling ratio=swollen thickness/initial thickness)가 2~2.3 정도를 유지할 수 있도록 한다. A trench substrate having a width of 1 μm and a depth of 40 nm was treated by a photolithography process, spin-coated with a toluene solution containing 1.5% by weight of hydroxy-treated PS brush (38 kg / mol) Put in a vacuum oven for 2 hours to perform PS brushing on the trench substrate. Thereafter, the PS polymer was rinsed with a toluene solution to remove PS polymer not attached to the trench substrate, and then a toluene solution containing 1 wt% of PS-b-PDMS of 48 kg / mol was spin-coated on the trench substrate. -Provide the trench substrate coated with PDMS at room temperature with solvent solution annealing (solvent vapor annealing) for about 10 hours. The degree of vapor pressure in the chamber during annealing allows the swelling ratio (swollen ratio / initial thickness) of PS-b-PDMS to be maintained around 2 to 2.3.

어닐링이 충분히 진행된 기판에 구비된 박막의 PDMS를 제거하기 위해 CF4 플라즈마 (50w/10w 20 sec)로 처리하고 두 번째로 매트릭스 PS 제거와 남은 PDMS를 SiOx로 전환하기 위한 O2 플라즈마(60w/10w 30 sec)로 처리한다. (50w / 10w 20 sec) in order to remove the thin film PDMS provided on the annealed substrate. Secondly, O 2 plasma (60w / 10w 30 sec.

그 후 산화실리콘 패턴의 표면에너지를 낮추도록 하이드록시 처리된 PDMS 브러쉬로 산화실리콘 패턴 상면을 스핀코팅하고 150 ℃에서 2시간 동안 진공오븐으로 열처리를 진행하여 화학적 표면 처리를 수행한다. Thereafter, the upper surface of the silicon oxide pattern was spin-coated with a hydroxy-treated PDMS brush to lower the surface energy of the silicon oxide pattern, and a chemical treatment was carried out by heating at 150 ° C for 2 hours in a vacuum oven.

열처리 후 트렌치 기판에 반응하지 않은 잔여 PDMS 고분자를 헵테인 용매로 제거한 다음 PDMS 브러쉬로 코팅된 산화실리콘 위에 PMMA (100 kg/mol, 2 wt%, solution 용매비 acetone : toluene : heptane = 4.5 : 4.5 : 1) 용액을 스핀코팅한다. 상기 PMMA 상면에 접착력을 지닌 폴리이미드 테이프를 부착한 후 떼어내면 상기 패턴과 동일한 형상이 역상 구조로 PMMA에 형성된다. After the heat treatment, the remaining PDMS polymer that did not react with the trench substrate was removed with a heptane solvent. Then, PMMA (100 kg / mol, 2 wt%, solvent acetone: toluene: heptane = 4.5: 4.5: 1) Spin coat the solution. When a polyimide tape having an adhesive force is attached to the upper surface of the PMMA and then peeled off, the same shape as the pattern is formed on the PMMA in a reverse phase structure.

상기 PMMA를 Pt 증착 방향에 대해 적정 경사(30°~45°)를 두고 증착하면 (증착 속도 = 0.2 /S) PMMA 박막의 요철(역상 구조 사이에 형성된 직선 형태의 기둥)을 따라 Pt 나노선으로 형성되며 증착된다. 그 후 폴리이미드 테이프와 PMMA간의 접착력을 약화시키기 위해 톨루엔 용액에 10시간정도 침지시킨 PDMS에 10초 동안 부착시킨 후 떼어내고 임의의 기판에 다시 부착한 후 폴리이미드 테이프를 떼어내면 PMMA와 Pt 나노선은 기판에 전사되고 폴리이미드 테이프만 손쉽게 떼어낼 수 있다. 그 후 PMMA만 아세톤으로 워싱하여 제거함으로써 최종적으로 선폭이 20 nm인 Pt 나노선을 수득하였다.
When the PMMA was deposited at an appropriate slope (30 ° to 45 °) relative to the Pt deposition direction (deposition rate = 0.2 / S), the PMMA thin film was subjected to a Pt nanowire along the concavities and the convexities And is deposited. Then, in order to weaken the adhesion between the polyimide tape and the PMMA, it was adhered to the PDMS immersed in the toluene solution for about 10 hours for 10 seconds, then peeled off, reattached to the substrate, and the polyimide tape was peeled off, Is transferred to the substrate and only the polyimide tape can be easily peeled off. Thereafter, only PMMA was washed away with acetone to finally obtain a Pt nanowire having a line width of 20 nm.

3차원 Pt 나노 촉매의 제조Manufacture of three-dimensional Pt nanocatalyst

위의 방식으로 수득된 Pt 나노선을 구리호일에 여러 번 전사하여 3차원 Pt 나노 구조체를 제작한 후 Pt 나노선 제작 공정과정에서 완벽히 제거되지 않은 잔여 고분자를 제거하기 위해 RTA에서 Ar분위기 600 ℃로 10분간 열처리를 진행한다. The Pt nanowire obtained by the above method was transferred to copper foil several times to produce a three-dimensional Pt nanostructure. In order to remove the residual polymer that was not completely removed during the Pt nanowire fabrication process, Heat treatment is carried out for 10 minutes.

열처리가 끝난 뒤 마지막 전사 공정을 위해 PMMA (앞서 사용한 PMMA와 동일 조건)를 Pt 나노 구조체 위에 스핀코팅한 후 암모늄 퍼설페이트(0.1M)와 같은 구리에천트 용액에 띄워 구리호일 부분만 선택적으로 제거한 다음 멤브레인 기판으로 PMMA로 코팅된 3차원 Pt 나노 구조체를 분리하고 DI water로 충분히 잔여 에천트를 씻어낸다. 그 후 PMMA를 아세톤으로 제거하여 최종적으로 3차원 Pt 나노 촉매를 수득하였다.
After the heat treatment, PMMA (same as PMMA) was spin-coated on the Pt nanostructure for the final transfer process, and then the copper foil was selectively removed by floating in a copper etchant solution such as ammonium persulfate (0.1M) Separate the 3-dimensional Pt nanostructure coated with PMMA with a membrane substrate and rinse the remaining enough with DI water. Thereafter, PMMA was removed with acetone to finally obtain a three-dimensional Pt nanocatalyst.

비교예 1. Pt/C 촉매(Pt 20 중량%) Comparative Example 1. Pt / C catalyst (Pt 20% by weight)

0.05 g의 카본 블랙(탄소 지지체)을 100 mL 에틸렌글리콜 용매와 혼합하고 20분간 초음파를 이용하여 분산하였다. 한편, 0.0332 g의 H2PtCl6·6H2O를 10 mL의 에틸렌글리콜에 용해하고 5분간 초음파를 이용하여 분산하였다. 0.05 g of carbon black (carbon support) was mixed with 100 mL of ethylene glycol solvent and dispersed using ultrasonic wave for 20 minutes. On the other hand, 0.0332 g of H 2 PtCl 6 .6H 2 O was dissolved in 10 mL of ethylene glycol and dispersed using ultrasonic waves for 5 minutes.

상기 탄소 지지체 용액 및 Pt 전구체 용액을 혼합하여 30분간 교반한 후 현탁액의 pH를 12로 조정하고 160 ℃에서 3시간 동안 가열하여 환원시킨 다음 상온에서 12시간 동안 교반하였다. 반응이 완료된 후 얻어진 침전물의 pH를 3으로 조정하고 상기 침전물을 탈이온수로 세척하여 불순물을 모두 제거 한 다음 40 ℃ 진공 오븐에서 24시간 동안 건조 후에 160 ℃ 이상에서 최종 열처리하여 Pt/C 촉매를 제조하였다.
The carbon support solution and the Pt precursor solution were mixed and stirred for 30 minutes, the pH of the suspension was adjusted to 12, and the mixture was heated at 160 ° C for 3 hours for reduction, followed by stirring at room temperature for 12 hours. After completion of the reaction, the pH of the obtained precipitate was adjusted to 3, the precipitate was washed with deionized water to remove all impurities, dried at 40 ° C in a vacuum oven for 24 hours, and finally heat treated at 160 ° C or higher to prepare a Pt / C catalyst Respectively.

<시험예><Test Example>

시험예 1. SEM 측정Test Example 1. SEM measurement

도 3a 및 3c는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 Pt 나노선을 여러층으로 적층한 Pt 나노 촉매를 45°로 기울여 촬영한 SEM 사진이며, 상기 도 3b는 상기 Pt 나노 촉매의 단면을 촬영한 SEM 사진이고, 상기 도 3d는 상기 Pt 나노 촉매를 확대하여 촬영한 SEM 사진이다.3A and 3C are SEM photographs of Pt nano catalysts prepared by stacking Pt nanowires prepared according to Example 1 of the present invention at an angle of 45 DEG. FIG. 3B is a cross-sectional view of the Pt nanocatalyst And FIG. 3D is a SEM photograph of the Pt nanocatalyst taken on an enlarged scale.

상기 SEM으로 촬영된 Pt 나노 촉매는 Pt 나노선을 한 층씩 전사할 때 방향을 45° 씩 회전해가며 40층으로 적층한 촉매이다.The Pt nanocatalyst photographed by the SEM is a catalyst in which 40 layers of Pt nanowires are rotated by 45 ° when the Pt nanowires are transferred one layer at a time.

도 3a 내지 3d에 도시된 바와 같이, Pt 나노 촉매는 Pt 나노선으로만 이루어져 3차원 구조를 형성하는 것을 확인하였으며, Pt 나노선을 40층으로 적층 시 Pt 나노 촉매의 두께가 400 nm인 것을 확인하였다. As shown in FIGS. 3A to 3D, it was confirmed that the Pt nanocatalyst was composed of only Pt nanowire to form a three-dimensional structure, and when the Pt nanowire was laminated to 40 layers, it was confirmed that the thickness of the Pt nanocatalyst was 400 nm Respectively.

본 발명의 Pt 나노 촉매는 Pt 나노선의 적층수를 조절하여 원하는 두께의 촉매로 제조될 수 있다.
The Pt nanocatalyst of the present invention can be prepared as a catalyst having a desired thickness by controlling the number of stacked Pt nanowires.

Pt 나노 촉매의 Pt nano-catalyst CVCV  And ORRORR 측정 방법How to measure

Pt 나노 촉매의 전기화학적 특성을 살펴보기 위해 순환전위법(Cyclic Voltammetry, CV)과 산소환원반응(Oxygen reduction reaction, ORR) 곡선을 측정하였다.Cyclic voltammetry (CV) and Oxygen reduction reaction (ORR) curves were measured to investigate the electrochemical properties of Pt nanocatalysts.

상기 실험을 진행하기 위해 전위 가변기(Potentiostat) 장비를 사용하였으며 전해질 용액으로는 0.1M 농도의 HClO4 100 mL를 직접 제조하여 적용하였다. 기준이 되는 기준전극(Reference electrode)은 Ag/AgCl전극이며, 대전극(Counter electrode)은 Pt wire를 사용하였고, 이에 대응하여 실시예 1에 따라 제조된 Pt 나노 촉매를 0.196 cm2 면적의 유리상 탄소위에 적층하여 RDE전극(Rotating disk electrode)을 전기화학 특성을 확인하기 위한 반쪽전지반응 실험(half cell test)의 작용전극(Working electrode)으로 제작하여 3차원 Pt 나노 구조체의 특성을 확인하였다.Potentiostat equipment was used to carry out the experiment and 100 mL of 0.1M HClO 4 was directly applied to the electrolyte solution. A reference electrode used as a reference electrode was an Ag / AgCl electrode, and a counter electrode was a Pt wire. In correspondence thereto, the Pt nano catalyst prepared according to Example 1 was used as a glassy carbon (0.196 cm 2) The Pt electrode was fabricated as a working electrode of a half cell test to confirm the electrochemical characteristics of the RDE electrode. The characteristics of the Pt nanostructure were confirmed.

Cyclic Voltammetry(CV) 실험을 진행하기 위해 반쪽 전지반응 실험(half cell test)을 상기된 내용과 같이 준비하였으며, 준비된 실험 장치에 Ar 400 ml/min 유량으로 작용전극(WE)의 전압이 안정되도록 30분 동안 가스퍼징을 진행한다. 퍼징된 실험 장치에 0.05 V에서 1.1 V까지 20 mV/s의 속도로 순환전압을 가하여 CV 실험을 총 10회 진행한다. In order to carry out the cyclic voltammetry (CV) experiment, a half cell test was prepared as described above, and the voltage of the working electrode (WE) was stabilized at a flow rate of 400 ml / min Gas purging is carried out for 1 minute. The circulation voltage is applied from 0.05 V to 1.1 V at a speed of 20 mV / s to the purged experimental apparatus, and the CV experiment is conducted 10 times in total.

Oxygen Reduction Reaction(ORR) 측정은 CV 실험 진행한 후, 작용전극(WE)이 전해질 내의 산소와 반응할 수 있는 환경을 만들어주기 위해 400 ml/mim의 유량으로 산소를 퍼징한다. 상기된 CV 실험과 동일하게 작용전극(WE)의 전압이 안정화된 이후 실험을 진행하며 이때 퍼징시간은 30분 이상이다. 가스퍼징이 종료된 이후에는 0.05 V에서 1.1 V까지 5 mV/s의 속도로 ORR을 2회 측정한다.
Oxygen Reduction Reaction (ORR) measurement is performed at a flow rate of 400 ml / min to make an environment in which the working electrode (WE) reacts with oxygen in the electrolyte. The experiment is performed after the voltage of the working electrode WE is stabilized in the same manner as in the CV experiment described above, and the purging time is 30 minutes or more. After gas purging is complete, measure ORR twice at a rate of 5 mV / s from 0.05 V to 1.1 V.

시험예Test Example 2. 2. CVCV  And ORRORR 측정 Measure

도 4a는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 Pt 나노선의 적층수에 따른 3차원 Pt 나노 촉매 및 비교예 1의 Pt/C 촉매의 ORR 특성 분석을 나타낸 그래프이며, 도 4b는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 Pt 나노선의 적층수에 따른 3차원 Pt 나노 촉매 및 비교예 1의 Pt/C 촉매의 CV 곡선을 나타낸 그래프이다.FIG. 4A is a graph showing the ORR characteristics of the three-dimensional Pt nanocatalyst according to the number of Pt nanowires laminated according to Example 1 of the present invention and the Pt / C catalyst of Comparative Example 1. FIG. 3 is a graph showing the CV curves of the three-dimensional Pt nanocatalyst according to the number of stacked Pt nanowires prepared according to Example 1 and the Pt / C catalyst of Comparative Example 1. FIG.

상기 도 4a는 상기 기재된 ORR 측정 시 2번째 측정에서 얻어진 값이며, 도 4b는 상기 기재된 CV 측정 시 10번째 측정에서 얻어진 값이다. FIG. 4A is a value obtained in the second measurement in the ORR measurement described above, and FIG. 4B is a value obtained in the 10th measurement in the CV measurement described above.

도 4a에 도시된 바와 같이, Pt 나노선을 40층으로 적층한 3차원 Pt 나노 촉매의 ORR 특성이 비교예 1의 Pt/C 촉매에 근접한 제한 전류와 반파전위(half wave potential) 값을 갖는 것을 확인하였다.As shown in FIG. 4A, the ORN characteristics of the three-dimensional Pt nanocatalyst in which Pt nanowires were laminated in 40 layers had a limiting current and a half wave potential value close to that of the Pt / C catalyst of Comparative Example 1 Respectively.

또한 CV 커브로 수소의 흡착과 탈착량을 통해 촉매의 활성 면적을 계산할 수 있는데, 도 4b에 도시된 바와 같이, Pt 나노선을 20층, 30층, 40층으로 적층한 3차원 Pt 나노 촉매 모두 활성 면적이 비교예 1의 Pt/C와 유사한 값을 갖는 것을 확인하였다.
Also, the active area of the catalyst can be calculated through the adsorption and desorption amount of hydrogen by the CV curve. As shown in FIG. 4B, the Pt nanowire having 20 layers, 30 layers and 40 layers It was confirmed that the active area had a value similar to that of Pt / C in Comparative Example 1.

도 5는 (a) 비교예 1의 Pt/C 촉매 및 (b) 실시예 1에 따라 제조된 Pt 나노선을 40층으로 적층한 3차원 Pt 나노 촉매의 열화 특성 분석을 위한 CV 커브 그래프이다.5 is a CV curve graph for analyzing deterioration characteristics of a Pt / C catalyst of (a) Comparative Example 1 and (b) a three-dimensional Pt nanocatalyst prepared by stacking 40 layers of Pt nanowires prepared according to Example 1. FIG.

도 5에 도시된 바와 같이, 비교예 1의 Pt/C 촉매와 달리, 실시예 1의 3차원 Pt 나노 촉매는 탄소 지지체가 없으므로 6000번 사이클 후에도 훨씬 우수한 내구성을 보이는 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 5, unlike the Pt / C catalyst of Comparative Example 1, the three-dimensional Pt nanocatalyst of Example 1 had no carbon support and thus showed much better durability after 6000 cycles.

도 6은 (a) 비교예 1의 Pt/C 촉매 및 (b) 실시예 1에 따라 제조된 Pt 나노선을 40층으로 적층한 3차원 Pt 나노 촉매의 사이클 횟수에 따른 ORR 커브 그래프이다.6 is an ORR curve graph of the number of cycles of (a) Pt / C catalyst of Comparative Example 1 and (b) three-dimensional Pt nanocatalyst prepared by stacking 40 layers of Pt nanowires prepared according to Example 1. FIG.

도 6에 도시된 바와 같이, 비교예 1의 Pt/C 촉매는 사이클 횟수가 증가함에 따라 점점 촉매의 활성 특성이 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 반면에 탄소 지지체가 없는 3차원 Pt 나노 촉매는 사이클 횟수가 증가함에도 불구하고 고유의 활성도가 상대적으로 훨씬 적게 감소함을 확인하였다. As shown in FIG. 6, it was confirmed that the Pt / C catalyst of Comparative Example 1 gradually decreased in activity characteristics of the catalyst as the cycle number increased, whereas the three-dimensional Pt nano catalyst without the carbon support had a cycle number But the activity of the enzyme was decreased by a relatively small amount.

Claims (17)

(A) 포토리소그래피 처리되고 요철이 형성된 트렌치 기판을 하이드록시가 치환된 제1 고분자로 코팅하는 단계;
(B) 상기 코팅된 트렌치 기판 상면에 실리콘이 적어도 한쪽 블록에 포함된 블록 공중합체를 코팅하는 단계;
(C) 상기 블록 공중합체가 코팅된 트렌치 기판을 어닐링하는 단계;
(D) 상기 어닐링된 트렌치 기판을 이온에칭(RIE)하여 블록 공중합체 패턴을 형성하며 상기 패턴으로 존재하는 블록 공중합체를 산화실리콘(SiOx)으로 전환하는 단계;
(E) 상기 산화실리콘 패턴의 상면을 하이드록시가 치환된 제2 고분자로 코팅 후 오븐에서 처리하는 단계;
(F) 상기 하이드록시가 치환된 제2 고분자로 코팅된 산화실리콘 패턴의 상면을 아크릴 수지로 코팅하는 단계;
(G) 상기 산화실리콘 패턴과 코팅된 아크릴 수지를 분리하여 상기 아크릴 수지의 일면에 상기 산화실리콘 패턴과 동일한 형상으로 다수개의 음각을 형성하는 단계;
(H) 상기 아크릴 수지에 형성된 다수개의 음각 사이에 위치한 직선기둥을 따라 금속 나노선을 증착시키는 단계; 및
(I) 상기 아크릴 수지에 증착된 금속 나노선을 기판에 부착한 후 아크릴 수지를 제거하여 지지체가 없는 금속 나노선을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 금속 나노선의 제조방법.
(A) coating a photolithography-treated trench substrate on which unevenness is formed with a first polymer substituted with a hydroxy;
(B) coating a block copolymer containing silicon in at least one block on the surface of the coated trench substrate;
(C) annealing the trench substrate coated with the block copolymer;
(D) ion etching (RIE) the annealed trench substrate to form a block copolymer pattern and converting the block copolymer present in the pattern into silicon oxide (SiOx);
(E) coating the upper surface of the silicon oxide pattern with a second polymer substituted with hydroxy and treating in an oven;
(F) coating an upper surface of the silicon oxide pattern coated with the hydroxy-substituted second polymer with an acrylic resin;
(G) separating the silicon oxide pattern and the coated acrylic resin to form a plurality of intaglio angles on one surface of the acrylic resin in the same shape as the silicon oxide pattern;
(H) depositing a metal nanowire along a straight column located between a plurality of intaglio angles formed in the acrylic resin; And
(I) attaching a metal nanowire deposited on the acrylic resin to a substrate, and then removing the acrylic resin to prepare a metal nanowire without a support. .
제1항에 있어서, 상기 (A)단계에서 하이드록시가 치환된 제1 고분자는 하이드록시가 치환된 PS(polystyrene) 또는 하이드록시가 치환된 PDMS(polydimethylsiloxane) 인 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 금속 나노선의 제조방법.The method of claim 1, wherein the hydroxy-substituted first polymer in step (A) is hydroxy-substituted polystyrene (PS) or hydroxy-substituted polydimethylsiloxane (PDMS) Method of manufacturing nanowire. 제1항에 있어서, 상기 (B)단계에서 블록 공중합체는 PS-b-PDMS(polystyrene-b-polydimethylsiloxane) 또는 P4VP-b-PDMS(poly-4-vinylpyridine-b-polydimethylsiloxane)인 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 금속 나노선의 제조방법.The method of claim 1, wherein the block copolymer in step (B) is poly-4-vinylpyridine-b-polydimethylsiloxane (PS-b-PDMS) or P4VP-b- A method for producing a metal nanowire that does not require a support. 제1항에 있어서, 상기 (C)단계에서 어닐링은 톨루엔을 이용한 용매 증기 어닐링인 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 금속 나노선의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the annealing in the step (C) is solvent vapor annealing using toluene. 제1항에 있어서, 상기 (C)단계에서 어닐링 시 블록 공중합체의 팽윤도가 2 내지 2.3을 유지하는 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 금속 나노선의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the degree of swelling of the block copolymer during annealing in the step (C) is maintained at 2 to 2.3. 제1항에 있어서, 상기 (D)단계에서 이온에칭은 CF4 플라즈마 처리한 후 이어서 O2 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 금속 나노선의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the ion etching in the step (D) is a CF 4 plasma treatment followed by an O 2 plasma treatment. 제1항에 있어서, 상기 (E)단계에서 하이드록시가 치환된 제2 고분자는 하이드록시가 치환된 PDMS(polydimethylsiloxane) 브러쉬인 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 금속 나노선의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the second polymer substituted with hydroxy in step (E) is a PDMS (polydimethylsiloxane) brush substituted with hydroxy. 제1항에 있어서, 상기 (F)단계에서 아크릴 수지는 PMMA(polymethylmethacrylate), 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트 및 t-부틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 금속 나노선의 제조방법. The method of claim 1, wherein the acrylic resin in step (F) is at least one selected from the group consisting of polymethylmethacrylate (PMMA), methyl acrylate, ethyl acrylate, n-butyl acrylate, and t- Wherein a support is not required. 제1항에 있어서, 상기 (F)단계에서 아크릴 수지는 아세톤, 톨루엔 및 헵탄으로 이루어진 용매에 1 내지 10 중량%로 함유된 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 금속 나노선의 제조방법. The method according to claim 1, wherein the acrylic resin is contained in a solvent composed of acetone, toluene and heptane in an amount of 1 to 10% by weight in the step (F). 제1항에 있어서, 상기 (H)단계에서 금속 나노선의 금속은 백금, 금, 은 및 로듐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 금속 나노선의 제조방법. The method according to claim 1, wherein the metal of the metal nanowire in step (H) is at least one selected from the group consisting of platinum, gold, silver and rhodium. 삭제delete 삭제delete (가) 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 금속 나노선을 금속 호일에 여러번 전사하여 금속 나노 구조체를 제조하는 단계;
(나) 상기 금속 나노 구조체 상면에 아크릴 수지를 코팅한 후 상기 금속 호일을 제거하는 금속에천트 수용액에 상기 금속 호일만 침지되도록 구비하여 상기 금속 호일을 제거하는 단계;
(다) 상기 금속 호일이 제거되면, 상기 금속에천트 수용액으로부터 아크릴 수지로 코팅된 금속 나노 구조체를 분리하는 단계; 및
(라) 상기 분리된 아크릴 수지로 코팅된 금속 나노 구조체의 아크릴 수지를 제거하여 금속 나노 촉매를 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 3차원 금속 나노 촉매의 제조방법.
(A) preparing a metal nanostructure by transferring the metal nanowire produced according to the manufacturing method of any one of claims 1 to 10 several times to a metal foil;
(B) coating the acrylic resin on the upper surface of the metal nanostructure and removing the metal foil; and removing the metal foil by immersing only the metal foil in the metal etchant solution to remove the metal foil;
(C) separating the metal nanostructure coated with the acrylic resin from the metal etchant solution when the metal foil is removed; And
(D) removing the acrylic resin of the metal nanostructure coated with the separated acrylic resin to obtain a metal nanocatalyst.
제13항에 있어서, 상기 (가)단계에서 금속 호일의 금속은 구리, 황동, 백동 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 3차원 금속 나노 촉매의 제조방법.14. The method of claim 13, wherein the metal of the metal foil in step (a) is at least one selected from the group consisting of copper, brass, white copper, and aluminum. 제13항에 있어서, 상기 (나)단계에서 금속에천트는 암모늄 퍼설페이트, 페릭 클로라이드 및 큐프릭 클로라이드로 이루어진 군에선 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 3차원 금속 나노 촉매의 제조방법.14. The method according to claim 13, wherein the metal etchant in step (b) is at least one selected from the group consisting of ammonium persulfate, peric chloride, and cupric chloride. . 제13항에 있어서, 상기 (나)단계에서 아크릴 수지는 PMMA(polymethylmethacrylate), 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트 및 t-부틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 지지체가 필요 없는 3차원 금속 나노 촉매의 제조방법.[14] The method of claim 13, wherein the acrylic resin is at least one selected from the group consisting of polymethylmethacrylate (PMMA), methyl acrylate, ethyl acrylate, n-butyl acrylate, and t- Wherein the support is not required. 삭제delete
KR1020150128862A 2015-09-11 2015-09-11 Method of preparing metal nano wire and 3D metal nano catalyst KR101816800B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150128862A KR101816800B1 (en) 2015-09-11 2015-09-11 Method of preparing metal nano wire and 3D metal nano catalyst

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150128862A KR101816800B1 (en) 2015-09-11 2015-09-11 Method of preparing metal nano wire and 3D metal nano catalyst

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170031401A KR20170031401A (en) 2017-03-21
KR101816800B1 true KR101816800B1 (en) 2018-01-10

Family

ID=58502440

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150128862A KR101816800B1 (en) 2015-09-11 2015-09-11 Method of preparing metal nano wire and 3D metal nano catalyst

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101816800B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11069594B2 (en) 2019-11-26 2021-07-20 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Methods of forming electronic assemblies with inverse opal structures using variable current density electroplating
US11936052B2 (en) 2019-04-19 2024-03-19 Korea Institute Of Science And Technology Fluorine-doped tin oxide support and Pt catalyst for fuel cell comprising the same

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102203640B1 (en) * 2018-08-28 2021-01-15 한국과학기술원 Three-Dimensional Nanostructure Metal Catalyst for Carbon Dioxide Reduction and manufacturing method thereof
KR102162761B1 (en) * 2018-10-24 2020-10-07 한국과학기술연구원 Method for manufacturing ordered metal nanowire and method for manufacturing three-dimensional nano-structured metal catalyst for water electrolysis using the same
KR102268811B1 (en) * 2019-05-07 2021-06-25 한국과학기술연구원 A catalyst for fuel-cell comprising carbon carrier surface functionalized with a polymer brush, and the method for producing same
KR102359808B1 (en) * 2020-05-07 2022-02-09 한국과학기술연구원 Membrane electrode assembly for unitized regenerative fuel cell, manufacturing method thereof and unitized regenerative fuel cell comprising the same
CN113264499A (en) * 2021-04-09 2021-08-17 东南大学 Micro-nano substrate transfer printing method based on water-soluble polyacrylic acid

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101144109B1 (en) 2009-11-30 2012-05-24 서울대학교산학협력단 Synthesis methods of Core-Shell Nanoparticles on a Carbon support
CN102947990B (en) 2010-04-26 2016-09-14 3M创新有限公司 Platinum Raney nickel alloy

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11936052B2 (en) 2019-04-19 2024-03-19 Korea Institute Of Science And Technology Fluorine-doped tin oxide support and Pt catalyst for fuel cell comprising the same
US11069594B2 (en) 2019-11-26 2021-07-20 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Methods of forming electronic assemblies with inverse opal structures using variable current density electroplating

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170031401A (en) 2017-03-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101816800B1 (en) Method of preparing metal nano wire and 3D metal nano catalyst
US11827992B2 (en) Transforming a valve metal layer into a template comprising a plurality of spaced (nano)channels and forming spaced structures therein
JP5665082B2 (en) Lithium ion battery
CN107710473B (en) Apparatus and method for fabricating high aspect ratio structures
CN105734606B (en) A kind of SPE water electrolysis structure of ultra-thin membrane electrode and its preparation and application
JP2016540118A (en) Electrochemical cell with graphene-covered electrode
US20150183189A1 (en) Graphene Hydrogel, Graphene Hydrogel Nanocomposite Materials, and Preparation Method Thereof
US8349547B1 (en) Lithographically defined microporous carbon structures
CN104195518B (en) A kind of black light-absorbing film and preparation method thereof
KR20200128408A (en) Catalysis apparatus and method
CN113013421B (en) Preparation method and application of PDMS-based silver nanowire/nano gold/nano nickel composite electrode
US20130220821A1 (en) Article comprising silicon nanowires on a metal substrate
CN110364429A (en) Metal nanowire thin-films and preparation method thereof and thin film transistor (TFT) array
CN111593347A (en) Flexible composite film material and preparation method thereof
JP5513833B2 (en) Method for forming pores in a polymer matrix
Laberty-Robert et al. Sol–gel route to advanced nanoelectrode arrays (NEA) based on titania gold nanocomposites
KR102162761B1 (en) Method for manufacturing ordered metal nanowire and method for manufacturing three-dimensional nano-structured metal catalyst for water electrolysis using the same
Zhou et al. Electrocatalytic Oxidation of Formic Acid at Pt Modified Electrodes: Substrate Effect of Unsintered Au Nano‐Structure
US10852267B2 (en) Biosensor electrode and biosensor using the same
KR101646020B1 (en) Organic complex ultrathin film having patterned metal nanoparticles, preparation method thereof, and electroactive device comprising the same
CN104752701B (en) Silicon nanoscale wire structures in the insertion nickle silicide nano wire of battery cathode based on lithium
CN108417847B (en) Titanium-based lanthanum nickelate electrode and preparation method thereof
CN104649258A (en) Graphene-symmetrical ruthenium complex composite film and graphene self-assembly method by use of spin-coating method
CAO et al. Development and Evaluation of Gold 3D Cylindrical Nanoelectrode Ensembles
Dar Morphology controlled synthesis of 1-D-nanomaterials for electrocatalysis and energy storage applications

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant