KR101842964B1 - 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 수소 생산용 전극 - Google Patents

텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 수소 생산용 전극 Download PDF

Info

Publication number
KR101842964B1
KR101842964B1 KR1020160100552A KR20160100552A KR101842964B1 KR 101842964 B1 KR101842964 B1 KR 101842964B1 KR 1020160100552 A KR1020160100552 A KR 1020160100552A KR 20160100552 A KR20160100552 A KR 20160100552A KR 101842964 B1 KR101842964 B1 KR 101842964B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tungsten carbide
hydrogen
tungsten
electrode
flake
Prior art date
Application number
KR1020160100552A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180016786A (ko
Inventor
이욱성
고영진
백영준
박종극
이경석
김인호
정두석
Original Assignee
한국과학기술연구원
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 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020160100552A priority Critical patent/KR101842964B1/ko
Priority to US15/608,082 priority patent/US10697073B2/en
Publication of KR20180016786A publication Critical patent/KR20180016786A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101842964B1 publication Critical patent/KR101842964B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/503—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using dc or ac discharges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • C25B11/057—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of a single element or compound
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/32—Carbides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G41/00—Compounds of tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/505—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using radio frequency discharges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/52—Controlling or regulating the coating process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/56—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/0447—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/20—Particle morphology extending in two dimensions, e.g. plate-like
    • C01P2004/24—Nanoplates, i.e. plate-like particles with a thickness from 1-100 nanometer
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y02E60/366—

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

텅스텐 카바이드 나노플레이크(nanoflake)를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법은, 수소 플라즈마가 인가되는 화학기상증착 공정을 이용하여, 나노결정다이아몬드 박막 상에 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 제조하는 단계; 및 상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 표면으로부터 산화물층 또는 그래핀층을 제거함으로써 상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 수소 발생 반응에 대한 활성을 증가시키는 단계를 포함한다. 텅스텐 카바이드 형성 후 사이클릭 세정(cyclic cleaning)을 통하여 텅스텐 카바이드 표면의 산화물층 및/또는 그래핀층을 제거함으로써, 텅스텐 카바이드의 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction) 활성을 증가시켜 촉매 전극으로서의 활용도를 높일 수 있다.

Description

텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 수소 생산용 전극{METHOD FOR MANUFACTURING ELECTRODE FOR HYDROGEN PRODUCTION USING TUNGSTEN CARBIDE NANOFLAKE AND ELECTRODE FOR HYDROGEN PRODUCTION FABRICATING THE SAME}
실시예들은 텅스텐 카바이드 나노플레이크(nanoflake)를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 수소 생산용 전극에 대한 것이다.
분자 수소(H2)는 에너지 운반체로 주목 받고 있다. 연료로서의 수소는 단위 질량당 가장 큰 에너지 밀도를 가지고 있으며, 부산물로 물만이 생성되는 장점이 있다. 반면, 탄소 기반 연료의 경우 부산물로 이산화탄소가 생성되는 단점이 있다. 또한, 수소는 지구상에 무한한 원소이기 때문에 탄소 기반 연료처럼 잔량을 신경 쓰지 않아도 되는 이점이 있다. 하지만 수소는 단독으로 존재하지 않고 화합물을 이루고 있기 때문에, 화합물로부터 수소를 생산하는 기술이 매우 중요하다.
오늘날, 대부분의 수소는 화석연료를 이용한 증기 재형성 공정(steam reforming process)으로 생산된다. 하지만, 증기가 탄화수소와 반응하여 생성되는 이산화탄소는 여전히 문제가 되고 있으며, 그래서 이산화탄소를 생성하지 않는 수소 생성 기술에 연구들이 이루어져 왔다. 그 중 환경적으로 깨끗하며 재생 가능한 수소 생성 기술이 물의 전기분해이다. 전기화학적으로 물을 분리하는 것은 두 개의 반쪽반응(half-cell reaction)으로 구성되어 있는데, 이는 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction; HER) 및 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction; OER)이다.
HER에 있어서 가장 촉매 활성(catalytic activity)이 큰 물질은 백금이다. 하지만 백금은 매장량이 적은 물질 중 하나로, 이를 이용해서는 범세계적인 에너지 수요를 만족시키기 힘들다. 따라서, 백금을 대체할 수 있으면서 지구상에 풍부한 원소를 이용한 촉매 전극의 개발이 필요하다. 특히, 백금을 대체하기 위한 불균일계 촉매(heterogenous catalyst)의 조건으로는 (1) 낮은 전기화학적 과전위(overpotential) 및 (2) 동작 조건의 안정도를 들 수 있다.
후보 물질 중 전이 금속 카바이드의 일종인 텅스텐 카바이드(Tungsten carbide)가 많은 주목을 받아왔는데, 텅스텐 카바이드는 열 및 전기화학적 안정도가 매우 우수한 것으로 알려져 있다. 특히, 텅스텐 카바이드는 백금과 비슷한 D밴드의 상태밀도(Density Of State; DOS)를 가지고 있어, HER 등의 다양한 전기촉매 반응(electrocatalytic reaction)에서 백금을 대체할 후보로 여겨지고 있다.
하지만 종래의 텅스텐 카바이드 합성 방법은 소결(sintering)을 유발하는 방식이 대부분이며, 제조된 텅스텐 카바이드에 용액상에서 절연체인 부동 산화막을 표면에 형성하는 경우가 많다. 특히, 산성 매질에서 텅스텐 카바이드 표면에 부동 산화막이 쉽게 형성된다. 이러한 단점으로 인해, 최근에는 부동 산화막이 많이 형성되지 않는 나노입자 또는 전처리를 통한 표면 개질이 연구되고 있으나, 대부분의 연구가 나노입자에 집중되어 있어 장기 안정도에 문제가 있다.
공개특허공보 제10-2012-0130184호
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 몸체로서 텅스텐 카바이드 나노플레이크(nanoflake) 형성 후 사이클릭 세정(cyclic cleaning)을 통하여 텅스텐 카바이드 표면의 산화물층 및/또는 그래핀층을 제거함으로써 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction) 활성을 증가시킨 수소 생산용 전극의 제조 방법 및 수소 생산용 전극을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 텅스텐 카바이드의 성장시 과포화(supersaturation) 수준의 조절을 통해 텅스텐 카바이드의 나노구조의 정렬 형태를 제어함으로써 여러 형태의 나노구조, 특히, 나노월(nanowall) 또는 나노결정(nanocrystalline) 구조의 텅스텐 카바이드를 합성할 수 있다.
일 실시예에 따른, 텅스텐 카바이드 나노플레이크(nanoflake)를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법은, 수소 플라즈마가 인가되는 화학기상증착 공정을 이용하여, 나노결정다이아몬드 박막 상에 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 제조하는 단계; 및 상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 표면으로부터 산화물층 또는 그래핀층을 제거함으로써 상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 수소 발생 반응에 대한 활성을 증가시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 수소 플라즈마가 인가되는 화학기상증착 공정은, 챔버 내의 양극 상에 나노결정다이아몬드 박막이 형성된 기판을 구비시키고, 기판의 상부 이격된 위치에 표면이 탄화된 텅스텐 음극을 구비시킨 상태에서, 챔버 내에 수소 플라즈마가 인가되는 것이다.
일 실시예에서, 상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 제조하는 단계는, 텅스텐 카바이드가 나노월(nanowall) 구조로 성장되도록 텅스텐 카바이드의 성장면에서의 과포화 정도를 조절하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 텅스텐 카바이드의 성장면에서의 과포화 정도를 조절하는 단계는, 수소 플라즈마가 인가되는 화학기상증착 공정의 공정 온도 조절을 통하여 성장족의 유입량을 조절하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 텅스텐 카바이드의 성장면에서의 과포화 정도를 조절하는 단계는, 수소 플라즈마가 인가되는 화학기상증착 공정에서 수소 플라즈마 발생을 위해 인가되는 방전전압과 전류의 조절을 통하여 성장족의 유입량을 조절하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 표면이 탄화된 텅스텐 음극은, 텅스텐 음극을 일정 온도의 탄소 분위기 하에 노출시켜 표면으로부터 일정 깊이만큼 탄화층이 형성된 것이며, 상기 탄화층은 WCx 구조를 이룬다.
일 실시예에 따른, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법은, 상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 표면을 부분적으로 덮는 보호막을 형성하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 따른, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극은, 기판 상에 위치하는 나노결정다이아몬드 박막, 및 상기 나노결정다이아몬드 박막 상에 위치하는 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 포함하는 전극 몸체; 및 상기 전극 몸체를 부분적으로 덮는 보호막을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크는 상기 나노결정다이아몬드 박막 상에 배열된 2차원 나노구조(예컨대, 나노월(nanowall) 또는 나노결정(nanocrystalline) 구조)를 갖는다.
본 발명의 일 측면에 따른 텅스텐 카바이드 나노플레이크(nanoflake)를 이용한 수소 생산용 전극 제조 방법에 의하면, 텅스텐 카바이드 형성 후 사이클릭 세정(cyclic cleaning)을 통하여 텅스텐 카바이드 표면의 산화물층 및/또는 그래핀층을 제거함으로써, 텅스텐 카바이드의 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction) 활성을 증가시켜 촉매 전극으로서의 활용도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 수소 생산용 전극 제조 방법에 의하면, 수소 플라즈마 인가와 화학기상증착 공정이 결합된 방법을 통해 2차원 나노구조의 텅스텐 카바이드를 제조할 수 있으며, 성장면 상에서의 과포화 정도를 조절함으로써 텅스텐 카바이드의 기하학적 형태를 선택적으로 변화시킬 수 있어, 다양한 기술분야에 응용 가능한 나노월(nanowall) 또는 나노결정(nanocrystalline) 구조의 텅스텐 카바이드를 제조할 수 있다.
도 1은, 일 실시예에 따른, 텅스텐 카바이드 나노플레이크(nanoflake)를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법의 순서도이다.
도 2는, 일 실시예에 따른, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 개략도이다.
도 3은 실시예들에 따라 합성된 텅스텐 카바이드 나노플레이크 및 대조를 위한 백금(Pt) 전극의 선형주사전위법(Linear　Sweep Voltammetry;　LSV) 곡선이다.
도 4는 실시예들에 따라 합성된 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy; XPS) 스펙트럼을 나타낸다.
도 5는 또 다른 실시예들에 따라 합성된 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 XPS 스펙트럼을 나타낸다.
도 6은 일 실시예에 따라 제조된 텅스텐 카바이드 나노월 박막의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 이미지이다.
도 7은 또 다른 실시예들에 따라 합성된 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 XPS 스펙트럼을 나타낸다.
도 8은 도 7의 실시예들에 의한 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 내구성 시험 전후의 분극 곡선(polarization curve)을 나타낸다.
도 9는 일 실시예에 따라 합성된 텅스텐 카바이드 나노월의 세정 후의 고해상도 투과 전자 현미경(High Resolution Transmission Electron Microscope; HR-TEM) 이미지이다.
도 10은 실시예들에 따라 합성된 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 타펠 플롯(Tafel plot) 및 턴오버 주파수(turnover frequency; TOF)를 나타낸다.
이하, 본 발명의 구성 및 특성을 실시예를 이용하여 설명하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 한정하는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 수소 플라즈마가 인가되는 화학기상증착(Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition; PACVD) 공정을 통해 나노결정다이아몬드(nanocrystalline diamond; NCD) 박막 상에 텅스텐 카바이드(tungsten carbide; WC)의 나노플레이크(nanoflake)를 제조할 수 있다(S1). 일 실시예에서는, 직류(direct current) 전류를 이용한 DC-PACVD) 방법이 사용된다.
구체적으로, 화학기상증착 챔버 내에 기판이 안착되는 양극(anode)이 구비되고, 기판으로부터 상부로 이격된 위치에 텅스텐 음극(tungsten cathode)이 구비된다. NCD는 수소 원소의 존재나 산성 및 알칼리 환경 등의 조건에서 매우 안정하기 때문에, NCD를 텅스텐 카바이드 성장을 위한 기판으로 이용하였다. 챔버 내에 수소를 공급함과 함께 양극과 음극에 전원을 인가하게 되면 수소 플라즈마가 발생되며,이때 텅스텐 음극과 NCD는 성장족(growth species) 공급원으로서 각각 텅스텐 원자와 탄소 원자의 공급원 역할을 한다. 그 결과, NCD 박막 상에 텅스텐 카바이드의 나노플레이크가 형성된다.
즉, 본 발명의 실시예들에 따라 2차원 나노구조의 텅스텐 카바이드를 형성하기 위해서는 1) 화학기상증착 공정과, 2) 화학기상증착 공정시 수소 플라즈마의 인가가 요구된다.
화학기상증착 공정은, 전술한 바와 같이 텅스텐 음극과 NCD로부터 성장족(텅스텐 원자, 탄소 원자)이 공급되어 NCD 상에 나노월 구조의 텅스텐 카바이드가 형성되는 방식으로 진행된다.
일 실시예에서는, 2차원 나노구조를 가진 텅스텐 카바이드 나노플레이크가 형성된다. 2차원 나노구조는 기판의 평면 기준으로 수직 방향으로 배열된 구조, 예컨대, 나노월(nanowall) 구조나, 나노결정(nanocrystalline) 구조일 수 있다.
텅스텐 카바이드의 형성시 NCD 박막이 탄소 원자의 공급원 역할을 일정 부분 수행하기는 하나, 수직 구조의 나노월 구조 또는 나노결정 구조로 성장하기 위해서는 NCD 박막 상부에서 탄소가 공급되어야 한다. 이를 위해서, 텅스텐 음극은 표면이 탄화된 텅스텐 음극(carburized tungsten cathode)을 사용할 필요가 있다. 표면이 탄화된 텅스텐 음극은 텅스텐 음극을 탄화시킨 것으로서, 표면으로부터 일정 깊이만큼 탄화층을 갖는다. 탄화층은 WCx 재질로 이루어지며, 상기 탄화층은 텅스텐 음극을 일정 온도 하의 메탄가스 분위기에 노출시킴으로써 형성할 수 있다. 표면이 탄화된 텅스텐 음극 정확히는, 탄화층은 나노월 또는 나노결정 구조의 텅스텐 카바이드 형성시 텅스텐 원자와 탄소 원자의 공급원 역할을 한다.
한편, 본 발명에 있어서 화학기상증착 공정시 수소 플라즈마가 인가됨이 전제된다. 100Torr 이상의 높은 압력에서 소스 플라즈마가 발생되면, 수소 플라즈마는 표면이 탄화된 텅스텐 음극과 물리화학적 작용(physicochemical interaction)을 하여 텅스텐 음극의 탄화층에서 텅스텐 원자와 탄소 원자가 NCD 박막 상으로 이동되도록 하는 구동력의 역할을 한다.
수소 플라즈마가 텅스텐 음극과 물리적으로 접촉하는 형태임에 따라, 통상의 물리적 증착방식인 스퍼터링(sputtering)과 그 공정 형태가 유사한 면이 있으나, 스퍼터링의 경우 챔버 내의 압력이 매우 낮아야 되고, 수소보다 무거운 아르곤(Ar)이 스퍼터링 공정에 사용됨에 반해, 본 발명의 수소 플라즈마는 질량이 가벼워 스퍼터링 효율이 매우 낮고, 수소 플라즈마가 인가되는 챔버 내의 압력 또한 스퍼터링 공정시보다 높게 설정됨에 따라, 본 발명에서 수소 플라즈마가 텅스텐 음극과 접촉하는 형태는 스퍼터링으로 한정할 수 없다.
전술한 설명에서, 수소 플라즈마와 텅스텐 음극의 물리화학적 작용(physicochemical interaction)이라 표현한 것은 이와 같은 면을 반영한 것이다. 본 발명에 있어서 수소 플라즈마는 텅스텐 음극 정확히는, 탄화층(WCx)의 화학적 결합을 완화, 해체시키는 역할을 하고, 이에 따라 탄화층의 텅스텐 원자와 탄소 원자가 NCD 박막 상으로 기상 확산되는 것으로 해석된다. 참고로, 탄화층(WCx)의 화학적 결합이 완화, 해체되는 것은 챔버 내의 온도(600 내지 800)에 의해서도 영향을 받는 것은 당연하다.
이에 더해, 본 발명에 적용되는 플라즈마가 순수한 수소로만 이루어진다는 점도 탄화층의 텅스텐 원자와 탄소 원자의 공급을 가능케 하는 주요 요인으로 작용한다. 본 발명자의 다른 연구(H. J. Lee, H. Jeon and W. S. Lee, J. Appl. Phys., 2011, 109, 023303)에 따르면, 메탄과 수소의 혼합가스 분위기 하에서는 텅스텐의 불활성 특성 때문에 2원계 합금이 합성되지 않음이 밝혀진 바 있고, 이러한 점을 고려할 때 본 발명에서 탄소(메탄)가 배제된 순수한 수소 플라즈마를 사용함에 따라, 탄화층에서 텅스텐 원자 뿐만 아니라 탄소 원자가 이탈, 이동되는 것으로 판단된다.
한편, NCD 박막 상에 형성되는 텅스텐 카바이드의 기하학적 형태는, 텅스텐 카바이드의 성장시 성장면(growth front) 상의 과포화(supersaturation) 정도에 따라 결정된다. 과포화 정도가 상대적으로 낮으면 텅스텐 카바이드는 나노월 구조를 이루며, 과포화 정도가 상대적으로 높으면 텅스텐 카바이드는 NCD 상에서 박막(film) 형태를 이룬다.
상기 과포화 정도는 텅스텐 음극의 탄화층에서 NCD 박막 상에 공급되는 성장족의 유입량(growth species flux)에 따라 결정된다. 따라서, 성장족의 유입량이 상대적으로 많으면 높은 과포화로 인해 박막 형태의 텅스텐 카바이드가 형성되고, 성장족의 유입량이 상대적으로 적으면 낮은 과포화로 인해 나노월 구조의 텅스텐 카바이드가 형성된다.
성장족의 유입량을 결정하는 인자로는 1) 탄화층에서의 성장족 발생속도(generation rate)와 2) 발생된 성장족의 확산속도가 있다. 1)의 인자는, 양극과 텅스텐 음극에 인가하는 방전전압과 전류를 조절함으로써 제어가 가능하며, 2)의 인자는 챔버 내의 공정온도 조절을 통해 제어가 가능하다. 방전전압과 전류가 높거나 공정온도가 높으면 성장족의 유입량이 증가하고 궁극적으로, 성장면은 높은 과포화 상태를 이루어 박막 형태의 텅스텐 카바이드가 성장되고 반면, 방전전압과 전류가 낮거나 공정온도가 낮으면 성장족의 유입량이 감소하고 궁극적으로, 성장면은 낮은 과포화 상태를 이루어 나노월 형태의 텅스텐 카바이드가 성장된다고 할 수 있다.
상대적으로 낮은 과포화 상태인 경우 나노월 구조가 형성되고, 상대적으로 높은 과포화 상태인 경우 박막 구조가 형성되는 이유는 다음과 같다.
상대적으로 낮은 과포화 상태인 경우, 성장족의 유입량이 작기 때문에 성장 과정에서 성장면 상에서의 2차 핵형성이 최소화되어 단결정 형태로 수직 성장되어 나노월 구조를 갖는 반면, 상대적으로 높은 과포화 상태인 경우, 성장족의 유입량이 크기 때문에 성장면 상에서 2차 핵형성이 반복적으로 진행됨으로 인해 수직 성장이 방해되어 최종적으로 다결정의 박막이 형성될 수 밖에 없다.
일 실시예에서는, 이상과 같은 원리에 기초하여, 양극과 텅스텐 음극에 인가하는 방전 전압과 방전 전류 및/또는 챔버 내의 공정 온도를 조절함으로써, 텅스텐 카바이드 나노플레이크가 나노월 구조와 같은 2차원 나노구조를 갖도록 성장족의 유입량을 조절하였다.
다음으로, 복수 회의 사이클(cycle)을 통한 세정 과정(cleaning process)에 의하여 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 표면으로부터 산화물층 또는 그래핀층을 제거하였다(S2). 세정에 의해 산화물층 또는 그래핀층을 제거하는 것은 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction; HER)에 있어서 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 촉매 활성(catalytic activity)을 증가시키는 역할을 하며, 이에 대해서는 본 발명자들에 의한 실험 결과를 참조하여 상세히 후술한다.
또한, 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 표면을 보호막에 의해 부분적으로 덮음으로써 전극으로 사용하기 위한 구조를 완성할 수 있다(S3).
도 2는, 일 실시예에 따른, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전극 몸체(20)는 기판(200)상에 배치된다. 기판(200)은 실리콘(Si) 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전극 몸체(20)는 외부 전원 또는 부하와의 연결을 위하여 도전 물질로 이루어진 접촉부(21)에 전기적으로 연결된다. 또한, 전극 몸체(20)의 표면은 부분적으로 보호막(22)에 의하여 덮일 수 있다. 전극 몸체(20)는 도 1을 참조하여 전술한 과정에 의하여 생성된 것으로서, NCD 박막 및 상기 NCD 박막으로부터 성장된 2차원 나노구조의 텅스텐 카바이드를 포함한다. 또한, 보호막(22)에 의해 덮이지 않은 전극 몸체(20)의 표면은, 도 1의 단계(S2)를 참조하여 전술한 세정 공정에 의하여 텅스텐 카바이드의 표면으로부터 산화물층 및/또는 그래핀층이 제거된 것이다.
이하에서는, 본 발명자들에 의한 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법의 실험예 및 실험 결과를 설명한다.
< 실리콘 기판 상에 NCD 박막 형성>
핫 필라멘트 화학기상증착(Hot Filament Chemical Vapor Deposition; HFCVD) 방법을 이용하여 실리콘 기판 상에 NCD 박막을 합성하였다. HFCVD 공정 진행 전에, 평균 입경 3nm의 NCD 입자가 분산된 메탄올 용액 내에 실리콘 기판을 넣고 초음파 파종(ultrasonic treatment)을 진행하여 기판 상에 NCD 입자를 분산시켰다. HFCVD 공정시 전구체는 CH4 5%, H2 95%의 혼합가스를 이용하였고, 기판 온도는 750, 챔버 내 압력은 7.5Torr로 유지하여 30분간 진행하였다. HFCVD 공정을 통해 10 내지 15nm의 입자크기를 갖는 440nm 두께의 NCD 박막이 형성되었다.
<텅스텐 카바이드 나노플레이크의 합성>
제조된 NCD 박막 상에 DC-PACVD 장치를 이용하여 나노월 구조의 텅스텐 카바이드를 합성하였다.
DC-PACVD 장치의 챔버 내에 양극이 배치되고, 양극 상에는 기판 홀더인 텅스텐 디스크가 구비되며, 텅스텐 디스크 상에는 NCD 박막이 형성된 기판이 구비되며, 기판 상부로 5mm 이격된 위치에는 표면이 탄화된 텅스텐 음극(carburized tungsten cathode)이 배치되는 구조를 갖는다. 표면이 탄화된 텅스텐 음극은 텅스텐 음극을 CVD를 이용한 다이아몬드 합성조건(H2-CH4 전구체)에 장시간 노출시켜 미리 형성하였으며, 표면이 탄화된 텅스텐 음극의 표면으로부터 일정 깊이는 WCx 구조를 이룬다.
제 1 공정조건과 제 2 공정조건을 적용하여 텅스텐 카바이드를 합성하였으며, 제 1 공정조건은 방전전압, 전류, 음극온도, 기판온도가 각각 480V, 50A, 600, 600이며, 제 2 공정조건은 방전전압, 전류, 음극온도, 기판온도가 각각 473V, 50A, 800, 800이었다. 제 1 공정조건과 제 2 공정조건시 모두 챔버 압력은 100Torr, 공정시간은 6시간으로 유지되었고, 150SCCM의 수소를 챔버 내에 공급하여 수소 플라즈마를 발생시켰다. 수소 플라즈마는 표면이 탄화된 텅스텐 음극과 NCD의 텅스텐 원자와 탄소 원자를 텅스텐 카바이드의 성장면으로 이동시키는 구동력의 역할을 한다.
<세정에 의한 산화물층 및/또는 그래핀층 제거>
이상과 같이 NCD 박막상에 합성된 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 표면을, 수천 사이클의 세정 공정에 의하여 처리함으로써 텅스텐 카바이드 나노플레이크상의 산화물층 및/또는 그래핀층을 제거하고, HER 활성을 증가시켜 수소 발생용 전극으로서의 사용도를 높였다. 세정에는 0.5M 황산 수용액이 사용되었으며, 황산 수용액 내에 담지된 텅스텐 카바이드 나노플레이크에 전압을 인가하고, 인가되는 전압을 -0.3V 로부터 0V 까지, 그리고 다시 0V 로부터 -0.3V 까지 변화시키는 것을 한 사이클로 하여, 총 4000 사이클의 세정을 수행하였다. 각 사이클에서 전압의 변화 속도는 10mV/s로 하였다. 그러나, 세정은 다른 상이한 형태로 이루어질 수도 있으며, 세정 용액, 전압 범위 또는 전압의 이동 속도는 전술한 것에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 실시예들에 따라 합성된 텅스텐 카바이드 나노플레이크 및 대조를 위한 백금(Pt) 전극의 선형주사전위법(Linear　Sweep Voltammetry;　LSV) 곡선으로서, 전극 전위(E)와 RHE(Real Hydrogen Electrode) 전위의 차이 대비 오믹 전위 강하(ohmic potential drop)를 나타낸 것으로, 4000 사이클의 사이클릭 세정 후 HER 활성의 증가를 보여준다. 나노월과 나노결정 구조에서 모두 세정에 의해 활성이 증가하였으나, 나노월의 경우 특히 활성이 큰 폭으로 증가하는 것으로 나타났다. 이 결과를 표로 정리하면 하기 표 1과 같다.
물질 온셋(Onset) 전위
(V)		 과전위
@ 10mA/cm2 (mV)		 전류 밀도
@ 0.25V (mA/cm2)
WC 나노결정 -0.102 248 -10.31
WC 나노월 -0.052 160 -40.10
백금(Pt) -0.005 95 -83.85
나노월 시료의 경우가 온셋 전위 및 전류 밀도가 우수하였는데, 이와 같이 초기 세정에 따른 HER 반응의 차이는 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy)을 통하여 확인할 수 있는데, 도 4는 실시예들에 따라 합성된 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 XPS 스펙트럼을 나타낸다. 도 4의 (a)는 나노월 구조의 텅스텐 카바이드의 세정 전을 나타내고, 도 4의 (b)는 나노월 구조의 텅스텐 카바이드의 세정 후를 나타내며, 도 4의 (c)는 나노결정 구조의 텅스텐 카바이드의 세정 전을 나타내고, 도 4의 (d)는 나노결정 구조의 텅스텐 카바이드의 세정 후를 나타낸다.
도 4의 (a) 및 (b)에 도시되는 것과 같이, 초기 합성된 텅스텐 카바이드 나노플레이크 표면에는 산화물(oxide) 피크(peak)가 카바이드(carbide) 피크보다 높은 강도로 존재하지만, 세정 후에는 산화물 피크가 큰 폭으로 줄어들고 카바이드 피크는 그대로 남아 있는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 세정에 의하여 산화물뿐만 아니라 텅스텐 카바이드 표면에 존재하는 그래핀층(graphitic carbon layer)의 양을 감소시킨다. 텅스텐 카바이드의 표면에 존재하는 그래핀층은 전기화학적 활성에 좋지 않은 영향을 주는 것으로 알려져 있다.
도 5은 또 다른 실시예들에 따라 합성된 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 XPS 스펙트럼을 나타내는 것으로서, 도 5의 (a)는 나노월 구조의 텅스텐 카바이드의 세정 전을 나타내고, 도 5의 (b)는 나노월 구조의 텅스텐 카바이드의 세정 후를 나타내며, 도 5의 (c)는 나노결정 구조의 텅스텐 카바이드의 세정 전을 나타내고, 도 5의 (d)는 나노결정 구조의 텅스텐 카바이드의 세정 후를 나타낸다.
도 5에 도시되는 것과 같이, 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 세정 후 그래핀층(Graphitic)에 해당하는 피크의 강도가 크게 줄어든 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 있어서 세정 공정의 역할은 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 표면으로부터 산화물 및 그래핀 층을 제거하는 것이며, 이를 통해 카바이드가 드러남으로써 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 활성이 증가하였음을 알 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따라 제조된 텅스텐 카바이드 나노월 박막의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 이미지로서, 도 6의 (a)는 사이클릭 세정 전, 도 6의 (b)는 사이클릭 세정 후를 나타내는 평면 이미지이며, 도 6의 (c) 및 (d)는 각각 도 6의 (a) 및 (b)에 대응되는 단면 이미지이다.
텅스텐 카바이드 나노플레이크에서 HER 활성의 증가는 산화물 및 탄소 층이 제거됨에 따른 것인데, 이는 초기 사이클릭 세정에 있어서 황산(sulfuric acid)의 용해 작용에 따른 것으로 볼 수 있다. 도 6은 이와 같은 변화를 나타낸 것으로서, 도 6의 (a) 및 (b)에서는 사이클릭 세정 공정에 의하여 텅스텐 카바이드 나노플레이크 표면에서 산화물층 및 그래핀층이 제거됨으로써 각각의 플레이크가 줄어드는 것을 확인할 수 있고, 각 단면에 해당하는 도 6의 (c) 및 (d)에서는 표면 두께가 감소한 것을 확인할 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예들에 따라 합성된 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 XPS 스펙트럼을 나타내며, 도 8은 도 7의 실시예들에 의한 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 분극 곡선(polarization curve)을 나타낸다. 특히, 도 8은 초기 사이클릭 세정 후에 얻어진 분극 곡선과, 안정도 시험을 위하여 사이클릭 세정을 10,000 사이클로 증가시킨 후 얻어진 분극 곡선을 각각 도시한다. 도 7의 (a) 및 (b)는 나노월 구조의 결과를 나타내며, 도 7의 (c) 및 (d)는 나노결정 구조의 결과를 나타낸다. 또한, 도 8의 (a)는 나노월 구조의 결과를 나타내며, 도 8의 (b)는 나노결정 구조의 결과를 나타낸다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 나노결정 구조에서는 도 8의 (b)에 도시된 것과 같이 전류 밀도 10 mA/cm2에서 과전위가 14 mV 변화하는 등 열화가 심하였으나, 나노월 구조에서는 세정 사이클을 극단적으로 증가시킨 안정도 시험에서도 활성에 큰 변화가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 나노월 구조가 높은 안정도를 갖는 것은, 초기 사이클릭 세정 후 상태에서 나노월 구조는 산화물 피크 강도의 변화가 미미하였으나(도 7의 (a) 및 도 4의 (b), 반면 나노결정 구조에서는 산화물 피크의 차이가 큰 점에 기인한다(도 7의 (c) 및 도 4의 (d)). 양 구조에 있어서 그래핀 피크는 유사하였으므로(도 5의 (b), 도 7의 (b) 대비 도 5의 (d), 도 7의 (d)), 나노월 구조의 높은 내구성은 HER 환경에서 산화에 대한 우수한 저항성에 기인하는 것으로 볼 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따라 합성된 텅스텐 카바이드 나노월의 세정 후의 고해상도 투과 전자 현미경(High Resolution Transmission Electron Microscope; HR-TEM) 이미지이다.
텅스텐 카바이드의 높은 산화 저항성은 완전 결정(crystalline perfection)에 의하여 향상되는 것으로 알려져 있으며, 도 9의 HR-TEM 이미지는 이 점을 보여준다. 도 9를 참조하면, 세정 후 나노월 구조의 텅스텐 카바이드의 표면에서 비정돈된 입자 경계(grain boundary)가 없을 뿐만 아니라, {001} 결정면이 나노월 표면과 거의 평행하게 정렬되어 높은 결정도를 가지고 나노월 표면이 내부로부터 연장되는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 나노결정 구조에서는 입자 경계가 상대적으로 정돈되어 있지 않아 세정 사이클이 길어질 경우 나노월 구조에 비해 상다적으로 산화되기 쉬운 것으로 나타난다.
도 10은 실시예들에 따라 합성된 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 타펠 플롯(Tafel plot) 및 턴오버 주파수(turnover frequency; TOF)를 나타낸다.
도 10에 도시된 결과는 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 HER 활성을 보다 정량적으로 분석한 것으로서, 도 10의 (a)는 타펠 플롯 및 이로부터 산출된 타펠 기울기(Tafel slope)(b)를 나타내며, 도 10의 (b)는 도 10의 (a)의 결과로부터 산출된 TOF를 나타낸다. 타펠 기울기는 단위 전류 밀도 발생을 위해 필요한 과전압량을 나타내며, 전류 밀도는 반응량을 의미한다. 타펠 기울기가 크다는 것은, 동일한 반응량을 만들기 위해 전압을 더 인가해야 한다는 것을 의미하므로, 결국 HER 활성이 좋지 않다는 의미이다. 또한, TOF는 초당 수소분자 생산량을 의미하므로 TOF가 클수록 HER 활성이 우수한 것을 의미한다.
도시된 것과 같이, 실시예들에 따라 합성된 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 타펠 기울기(b) 및 TOF 주파수로 나타나는 촉매 활성은 종래에 알려져 있는 다른 전극 물질과 비교하여 상당히 우수한 것을 확인할 수 있다. 특히, 나노월 구조의 텅스텐 카바이드의 경우 온셋 전위가 가장 우수하였고, 긴 세정 사이클 후에도 과전위의 열화가 없었다.
실시예들에 따른 텅스텐 카바이드 나노플레이크와 다른 다양한 물질의 촉매 활성을 비교한 결과를 정리하면 하기 표 2와 같다.
물질 타펠
기울기
(mV/dec)		 온셋 전위
(V)		 안정도
용액 전위 범위 사이클 과전위 변화
Fe-WCN 나노입자 47.1 -0.1 pH 1
H2SO4 		-0.3~0.5V 3000 없음
WC 나노입자/
카본 블랙		 - - 0.5M
H2SO4 		-0.3~0.6V 3000 10mV 증가
WC 나노입자/
탄소나노튜브(CNT)		 122 - pH 1
H2SO4 		- 1000 없음
WCN
나노파티클
(nanocrystal)		 65 - 0.1M
HClO4 		-0.5~0.3V 10000 19mV 증가
WC 나노파티클 84 -0.1 0.5M
H2SO4 		-0.3~0.1V 800 없음
W2C 미세구 118 -0.05 - - - -
상용 WC 분말 73 -0.1 - - - -
WC 나노결정 83 -0.102 0.5M
H2SO4 		-0.5~0.2V 10000 14mV 증가
WC 나노월 67 -0.052 0.5M
H2SO4 		-0.5~0.2V 10000 없음
본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경 및 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

Claims (10)

  1. 수소 플라즈마가 인가되는 화학기상증착 공정을 이용하여, 나노결정다이아몬드 박막 상에 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 제조하는 단계; 및
    상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 수소 발생 반응에 대한 활성을 증가시키도록 상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 세정 용액에 담지하여 소정의 전압을 인가함으로써 상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 표면으로부터 산화물층 또는 그래핀층을 제거하는 단계를 포함하는, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 플라즈마가 인가되는 화학기상증착 공정은, 챔버 내의 양극 상에 나노결정다이아몬드 박막이 형성된 기판을 구비시키고, 기판의 상부 이격된 위치에 표면이 탄화된 텅스텐 음극을 구비시킨 상태에서, 챔버 내에 수소 플라즈마가 인가되는 것인, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 제조하는 단계는, 텅스텐 카바이드가 나노월(nanowall) 구조로 성장되도록 텅스텐 카바이드의 성장면에서의 과포화 정도를 조절하는 단계를 포함하는, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 텅스텐 카바이드의 성장면에서의 과포화 정도를 조절하는 단계는, 수소 플라즈마가 인가되는 화학기상증착 공정의 공정 온도 조절을 통하여 성장족의 유입량을 조절하는 단계를 포함하는, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 텅스텐 카바이드의 성장면에서의 과포화 정도를 조절하는 단계는, 수소 플라즈마가 인가되는 화학기상증착 공정에서 수소 플라즈마 발생을 위해 인가되는 방전전압과 전류의 조절을 통하여 성장족의 유입량을 조절하는 단계를 포함하는, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 표면이 탄화된 텅스텐 음극은, 텅스텐 음극을 일정 온도의 탄소 분위기 하에 노출시켜 표면으로부터 일정 깊이만큼 탄화층이 형성된 것이며, 상기 탄화층은 WCx 구조를 이루는, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 발생 반응에 대한 활성을 증가시키는 단계 후에, 상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 표면을 부분적으로 덮는 보호막을 형성하는 단계를 포함하는, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법.
  8. 기판 상에 위치하는 나노결정다이아몬드 박막, 및 상기 나노결정다이아몬드 박막 상에 위치하는 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 포함하는 전극 몸체; 및
    상기 전극 몸체를 부분적으로 덮는 보호막을 포함하되,
    상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크의 표면의 산화물층 또는 그래핀층은, 수소 발생 반응에 대한 활성을 증가시키기 위해 제거된 것을 특징으로 하는, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크는 상기 나노결정다이아몬드 박막 상에 배열된 2차원 나노구조를 갖는, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 텅스텐 카바이드 나노플레이크는 나노월(nanowall) 구조를 갖는, 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극.
KR1020160100552A 2016-08-08 2016-08-08 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 수소 생산용 전극 KR101842964B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160100552A KR101842964B1 (ko) 2016-08-08 2016-08-08 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 수소 생산용 전극
US15/608,082 US10697073B2 (en) 2016-08-08 2017-05-30 Method for manufacturing electrode for hydrogen production using tungsten carbide nanoflake and electrode for hydrogen production manufactured thereby

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160100552A KR101842964B1 (ko) 2016-08-08 2016-08-08 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 수소 생산용 전극

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180016786A KR20180016786A (ko) 2018-02-20
KR101842964B1 true KR101842964B1 (ko) 2018-03-29

Family

ID=61071558

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160100552A KR101842964B1 (ko) 2016-08-08 2016-08-08 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 수소 생산용 전극

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10697073B2 (ko)
KR (1) KR101842964B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110512233A (zh) * 2019-09-25 2019-11-29 武汉大学 一种具有蜂窝状微观结构的多孔碳化物析氢电极及其一步制备法
KR102467797B1 (ko) * 2020-10-22 2022-11-16 에쓰대시오일 주식회사 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체, 이의 제조방법 및 상기 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체를 포함하는 수소발생반응용 촉매
CN113122866A (zh) * 2021-04-13 2021-07-16 西北大学 一种氮掺杂钼、钨碳化物纳米材料电催化剂的制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101313753B1 (ko) 2012-05-09 2013-10-14 한국과학기술연구원 탄소나노플레이크의 성장 방법 및 이에 의해 형성된 탄소나노플레이크 구조물

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3508320A (en) * 1968-04-17 1970-04-28 Mallory & Co Inc P R Electrical contact materials and method of making same
DE2027482A1 (de) * 1970-06-04 1971-12-16 Battelle Institut E V Verfahren zur Erhöhung der Aktivität von porösen Brennstoffzellenelektroden
FR2516914B1 (fr) * 1981-11-26 1986-03-14 Commissariat Energie Atomique Procede de densification d'une structure poreuse
JPS6022072B2 (ja) * 1982-06-30 1985-05-30 ペルメレツク電極株式会社 酸性溶液電解用陰極及びその製造方法
US20060180464A1 (en) * 2003-08-19 2006-08-17 Linnard Griffin Apparatus and method for the controllable production of hydrogen at an accelerated rate
KR100687729B1 (ko) 2005-07-07 2007-03-02 학교법인 포항공과대학교 고표면적 텅스텐 카바이드 촉매 및 그의 제조방법
WO2011089522A2 (en) 2010-01-25 2011-07-28 Ramot At Tel Aviv University Ltd. Catalysts and electrodes for fuel cells
WO2013137827A1 (en) 2012-03-13 2013-09-19 Nanyang Technological University A method of synthesizing tungsten carbide nanorods and catalysts formed therewith
KR101369285B1 (ko) 2012-04-13 2014-03-06 한국과학기술연구원 2차원 나노구조의 텅스텐 카바이드 및 그 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101313753B1 (ko) 2012-05-09 2013-10-14 한국과학기술연구원 탄소나노플레이크의 성장 방법 및 이에 의해 형성된 탄소나노플레이크 구조물

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
D. V. Sokolsky. Electrochimica Acta. 1973, Vol. 20, pp. 71-77.*
Falk Harnisch et al. Applied Catalysis B: Environmental. 2009, Vol. 89, pp. 455-458.*

Also Published As

Publication number Publication date
US10697073B2 (en) 2020-06-30
US20180038003A1 (en) 2018-02-08
KR20180016786A (ko) 2018-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Recent progress of transition metal carbides/nitrides for electrocatalytic water splitting
Riyajuddin et al. Super-hydrophilic hierarchical Ni-foam-graphene-carbon nanotubes-Ni2P–CuP2 nano-architecture as efficient electrocatalyst for overall water splitting
Wu et al. Radially aligned hierarchical nickel/nickel–iron (oxy) hydroxide nanotubes for efficient electrocatalytic water splitting
EP2836460B1 (en) Method of producing graphene
US9177745B2 (en) Organic/inorganic composite comprising three-dimensional carbon nanotube networks, method for preparing the organic/inorganic composite and electronic device using the organic/inorganic composite
CN109518222A (zh) 用于电催化co2还原至甲酸的铋基催化剂及其制备方法和应用
US9748581B2 (en) Functionalized graphene-Pt composites for fuel cells and photoelectrochemical cells
US20090200912A1 (en) Methods for Growing Carbon Nanotubes on Single Crystal Substrates
KR101842964B1 (ko) 텅스텐 카바이드 나노플레이크를 이용한 수소 생산용 전극의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 수소 생산용 전극
JP2008239369A (ja) カーボンナノウォール（ｃｎｗ）の精製方法、精製されたカーボンナノウォール、燃料電池用触媒層の製造方法、燃料電池用触媒層、及び固体高分子型燃料電池
CN103259023B (zh) 一种氢燃料电池电极材料制备方法
Chaitoglou et al. Hybrid nanostructured compounds of Mo2C on vertical graphene nanoflakes for a highly efficient hydrogen evolution reaction
KR20150113164A (ko) 카본 나노월 및 그 제조 방법, 산소 환원 촉매, 산소 환원 전극 및 연료 전지
US11584649B2 (en) Carbon nanotube composite catalytic film and method for making the same
Li et al. Low-platinum-content electrocatalysts for methanol and ethanol electrooxidation
CN113731459A (zh) 一种氮掺杂的氢终端金刚石及其制备方法
KR102000974B1 (ko) 수직 성장 그래핀을 포함하는 수소발생반응 촉매 전극 및 그 제조 방법
JP2006222020A (ja) 燃料電池用触媒層の製造方法及び製造装置
KR100459060B1 (ko) 탄소나노튜브를 이용한 연료전지의 전극용 백금촉매제조방법
CN109248684A (zh) 一种MWCNT@Cu复合催化剂及其制备方法和应用
US20240068115A1 (en) An electrolyzer comprising a catalyst supported on a nanostructure
KR102675536B1 (ko) 개질 zif계 화합물을 포함하는 이산화탄소 환원용 촉매 및 이를 포함하는 이산화탄소 환원용 전극
KR101369285B1 (ko) 2차원 나노구조의 텅스텐 카바이드 및 그 제조방법
WO2009154379A2 (en) Organic/inorganic composite comprising three- dimensional carbon nanotube networks, method for preparing the organic/inorganic composite and electronic device using the organic/inorganic composite
Frites et al. A single chip standalone water splitting photoelectrochemical cell

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant