KR101902617B1 - Solid Oxide Electrochemical Device having Triple Layer Perovskite for Air-Electrode Catalyst - Google Patents

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Abstract

전기화학소자를 제공한다. 상기 전기화학소자는 연료전극, 하기 화학식 1로 나타낸 조성을 갖는 삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매를 함유하는 공기극, 및 이들 사이에 배치된 고체 산화물 전해질층을 포함한다.
[화학식 1]
(Ln3-a1-a2X1 a1X2 a2)d(M1 3-b-cM2 bM3 c)eOf
상기 화학식 1에서, Ln는 란탄계 원소일 수 있고, X1 및 X2는 Mg, Ca, Sr, 및 Ba로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 금속일 수 있고, M1, M2, 및 M3는 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 금속일 수 있고, a1과 a2는 각각 a1+a2는 2.5 내지 0.5을 만족하는 조건에서 0 이상의 값이고, b+c는 0 < b+c < 3을 만족하는 조건에서 양의 값들이고, d는 0.9 내지 1 사이의 값이고, e는 0.9 내지 1 사이의 값이며, f는 7.5 내지 9.5 사이의 값이다.
An electrochemical device is provided. The electrochemical device includes a fuel electrode, an air electrode containing a triple layer perovskite cathode catalyst having a composition represented by the following formula (1), and a solid oxide electrolyte layer disposed therebetween.
[Chemical Formula 1]
(Ln 3-a1-a2 X 1 X 2 a1 a2) d (M 3 1-bc M 2 b M 3 c) e O f
In Formula 1, Ln may be a lanthanide element, X 1 and X 2 may be different metals selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, and Ba, and M 1 , M 2 , and M 3 May be different metals selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn, and a1 and a2 may be 0 or more D is a value between 0.9 and 1, e is a value between 0.9 and 1, f is between 7.5 and 9.5, and b + c is a positive value with a condition satisfying 0 & .

Description

삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매를 구비하는 고체 산화물 전기화학소자 {Solid Oxide Electrochemical Device having Triple Layer Perovskite for Air-Electrode Catalyst}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a solid oxide electrochemical device having a triple-layered perovskite cathode catalyst,

본 발명은 전기화학소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기극을 구비하는 전기화학소자에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical device, and more particularly, to an electrochemical device having an air electrode.

전기화학소자는 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 전해질층을 포함한다. 이러한 전기화학소자들 중 공기를 소모하거나 발생시키는 소자들은 연료전지, 금속-공기전지, 물분해장치 등이 있다. 이러한 전기화학소자는 애노드와 캐소드 중 공기를 소모하거나 발생시키는 공기극을 구비하는데, 이 공기극은 촉매로서 백금, 이리듐, 또는 루테늄 등의 귀금속 촉매를 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 귀금속 촉매는 소자의 단가 상승 및 제한된 내구성 때문에, 이를 대체하기 위한 다양한 촉매가 연구되고 있다.The electrochemical device includes an anode, a cathode, and an electrolyte layer between the anode and the cathode. Of these electrochemical devices, the devices that consume or generate air include fuel cells, metal-air cells, and water decomposition devices. Such an electrochemical device has an air electrode that consumes or generates air in the anode and the cathode. The air electrode may use a noble metal catalyst such as platinum, iridium, or ruthenium as a catalyst. However, these noble metal catalysts have been studied for various catalysts to replace them because of the increase in the price of the device and the limited durability.

이러한 대체 촉매 중 하나로 페로브스카이트 물질이 연구되고 있다. 일 예로서, KR 1334902호는 이중층 페로브스카이트 물질을 연료전지의 캐소드에 적용한 것을 개시하고 있다.Perovskite materials are being studied as one of these alternative catalysts. As an example, KR 1334902 discloses the application of a bilayer perovskite material to the cathode of a fuel cell.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 산소발생특성와 산소환원특성이 더욱 향상된 공기극 촉매를 구비하는 고체 산화물 전기화학소자를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a solid oxide electrochemical device having a cathode catalyst having improved oxygen generating characteristics and oxygen reducing characteristics.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical objects of the present invention are not limited to the technical matters mentioned above, and other technical subjects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 전기화학소자를 제공한다. 상기 전기화학소자는 연료전극, 하기 화학식 1로 나타낸 조성을 갖는 삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매를 함유하는 공기극, 및 이들 사이에 배치된 고체 산화물 전해질층을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an electrochemical device. The electrochemical device includes a fuel electrode, an air electrode containing a triple layer perovskite cathode catalyst having a composition represented by the following formula (1), and a solid oxide electrolyte layer disposed therebetween.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

(Ln3-a1-a2X1 a1X2 a2)d(M1 3-b-cM2 bM3 c)eOf (Ln 3-a1-a2 X 1 X 2 a1 a2) d (M 3 1-bc M 2 b M 3 c) e O f

상기 화학식 1에서, Ln는 란탄계 원소일 수 있고, X1 및 X2는 Mg, Ca, Sr, 및 Ba로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 금속일 수 있고, M1, M2, 및 M3는 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 금속일 수 있고, a1과 a2는 각각 a1+a2는 2.5 내지 0.5을 만족하는 조건에서 0 이상의 값이고, b+c는 0 < b+c < 3을 만족하는 조건에서 양의 값들이고, d는 0.9 내지 1 사이의 값이고, e는 0.9 내지 1 사이의 값이며, f는 7.5 내지 9.5 사이의 값이다.In Formula 1, Ln may be a lanthanide element, X 1 and X 2 may be different metals selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, and Ba, and M 1 , M 2 , and M 3 May be different metals selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn, and a1 and a2 may be 0 or more D is a value between 0.9 and 1, e is a value between 0.9 and 1, f is between 7.5 and 9.5, and b + c is a positive value with a condition satisfying 0 & .

상기 삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매는 하기 화학식 2로 나타내어질 수 있다.The triple layer perovskite cathode catalyst may be represented by the following formula (2).

[화학식 2](2)

Ln1.5(X1 a3X2 a4)1.5M1M2M3O9-δ Ln 1.5 (X 1 a3 X 2 a4 ) 1.5 M 1 M 2 M 3 O 9-δ

상기 화학식 2에서, Ln, X1, X2, M1, M2, 및 M3는 화학식 1에서 정의한 바와 같고, a3와 a4는 각각 a3+a4가 1을 만족하는 조건에서 0 내지 1 사이의 값이고, δ는 0 내지 1이다.In the above formula (2), Ln, X 1 , X 2 , M 1 , M 2 and M 3 are as defined in formula (1), a 3 and a 4 are each a hydrogen atom, Value, and [delta] is from 0 to 1.

상기 삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매는 하기 화학식 3으로 나타내어질 수 있다.The triple layer perovskite cathode catalyst may be represented by the following formula (3).

[화학식 3](3)

Ln1.5X1 1.5CoFeM3O9-δ Ln 1.5 X 1 1.5 CoFeM 3 O 9-

상기 화학식 3에서, Ln, X1, 및 M3는 화학식 1에서 정의한 바와 같다.In Formula 3, Ln, X 1 , and M 3 are as defined in Formula (1).

상기 삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매는 Nd1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ, Nd1.5Sr1.5CoFeMnO9-δ, Nd1.5Ca1.5CoFeMnO9-δ, La1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ, Nd1.5Ba1.5CoFeNiO9-δ, 또는 Nd1.5Ba1.5CoFeCuO9-δ일 수 있다. 상기 삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매는 Nd1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ일 수 있다.Wherein the triple layer perovskite cathode catalyst comprises at least one of Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeMnO 9- ? , Nd 1.5 Sr 1.5 CoFeMnO 9- ? , Nd 1.5 Ca 1.5 CoFeMnO 9- ? , La 1.5 Ba 1.5 CoFeMnO 9- ? , Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeNiO 9-delta , or Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeCuO 9-delta . The triple layer perovskite cathode catalyst may be Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeMnO 9- ? .

상기 공기극은 산소 이온 전도체를 더 함유할 수 있다. 상기 전해질층은 산소이온 전도성 금속 산화물, 프로톤 전도성 금속 산화물 또는 이들의 혼합물을 함유할 수 있다. 상기 연료전극은 산소 이온 전도체 또는 프로톤 전도체인 이온 전도체와 촉매 금속을 구비할 수 있다.The air electrode may further contain an oxygen ion conductor. The electrolyte layer may contain an oxygen ion conductive metal oxide, a proton conductive metal oxide, or a mixture thereof. The fuel electrode may comprise an ion conductor and a catalytic metal, which are oxygen ion conductors or proton conductors.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 상기 전기화학소자의 운전방법을 제공한다. 상기 운전방법은 상기 연료전극에 연료를 상기 공기전극에 공기를 공급하여 전기를 생산하는 연료전지 모드로 상기 전기화학소자를 운전하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 운전방법은 상기 연료전극과 상기 공기전극 사이에 전계를 인가하여, 상기 연료전극에서 연료를 생산하는 연료발생 모드로 상기 전기화학소자를 운전하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of operating an electrochemical device. The operation method includes operating the electrochemical device in a fuel cell mode in which fuel is supplied to the fuel electrode and air is supplied to the air electrode to produce electricity. In addition, the operation method includes operating the electrochemical device in a fuel generation mode in which an electric field is applied between the fuel electrode and the air electrode to produce fuel in the fuel electrode.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자의 공기극을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 전기화학소자의 단위 셀을 나타낸 개략도이다.
도 3은 제조예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질의 X-선 회절그래프(X-Ray Diffraction Graph)이다.
도 4는 제조예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질 각각의 a축 길이와 c축 길이를 나타낸 그래프이다.
도 5는 제조예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질 각각의 산소 함량과 B 사이트 산화수를 나타낸 그래프이다.
도 6은 제조예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질에 대한 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy)을 수행한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 7은 제조예들 1 내지 3 및 5 내지 6에 따른 페로브스카이트 물질의 X-선 회절그래프이다.
도 8은 제조예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질에 대한 산소발생특성(a)와 산소환원특성(b)을 나타낸 그래프이다.
도 9a는 제조예들 7 내지 10 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질의 X-선 회절그래프이고, 도 9b는 제조예 1, 제조예들 7 내지 10, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질에 대한 산소발생특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 제조예 11에 따라 제조된 전기화학소자를 연료전지 모드로 운전시키면서 얻은 I-V (a)와 전기화학 임피던스(b) 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 제조예 11에 따라 제조된 전기화학소자를 연료전지 모드와 물분해 모드로 운전시키면서 얻은 I-V 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 제조예 11에 따라 제조된 전기화학소자를 순환 운전 모드로 운전시키면서 얻은 운전 시간에 따른 전압을 나타낸 그래프이다.
도 13은 제조예 12에 따라 제조된 전기화학소자를 연료전지 모드로 운전시키면서 얻은 I-V (a)와 전기화학 임피던스(b) 특성을 나타낸 그래프이다.
1 is a cross-sectional view schematically illustrating an air electrode of an electrochemical device according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic view showing a unit cell of a solid oxide electrochemical device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an X-ray diffraction graph of the perovskite material according to Production Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. FIG.
4 is a graph showing the a-axis length and the c-axis length of perovskite materials according to Production Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively.
5 is a graph showing the oxygen content and B-site oxidation number of the perovskite materials according to Production Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively.
6 is a graph showing the results of X-ray photoelectron spectroscopy performed on the perovskite material according to Production Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2.
FIG. 7 is an X-ray diffraction graph of the perovskite material according to Production Examples 1 to 3 and 5 to 6. FIG.
FIG. 8 is a graph showing oxygen generation characteristics (a) and oxygen reduction characteristics (b) for perovskite materials according to Production Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2;
9A is an X-ray diffraction chart of the perovskite material according to Production Examples 7 to 10 and Comparative Example 2, FIG. 9B is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the perovskite material according to Production Example 1, Production Examples 7 to 10, FIG. 2 is a graph showing oxygen generation characteristics for a perovskite material according to the present invention. FIG.
10 is a graph showing IV (a) and electrochemical impedance (b) characteristics obtained by operating an electrochemical device manufactured according to Production Example 11 in a fuel cell mode.
11 is a graph showing IV characteristics obtained by operating an electrochemical device manufactured according to Production Example 11 in a fuel cell mode and a water decomposition mode.
12 is a graph showing a voltage according to an operation time obtained while the electrochemical device manufactured according to Production Example 11 is operated in a circulating operation mode.
13 is a graph showing IV (a) and electrochemical impedance (b) characteristics obtained by operating an electrochemical device manufactured according to Production Example 12 in a fuel cell mode.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms.

삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매Triple layer perovskite cathode catalyst

전기화학소자에서 공기극은 산소발생 및/또는 산소환원 반응이 일어날 수 있으므로, 공기극 촉매는 산소발생 및/또는 산소환원 촉매로도 불리워질 수 있다.In the electrochemical device, the air electrode may be referred to as an oxygen generation and / or an oxygen reduction catalyst, because oxygen generation and / or an oxygen reduction reaction may occur in the air electrode.

본 발명의 일 실시예에 따른 공기극 촉매는 하기 화학식 1로 나타낸 조성을 가질 수 있다. The cathode catalyst according to an embodiment of the present invention may have a composition represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

(Ln3-a1-a2X1 a1X2 a2)d(M1 3-b-cM2 bM3 c)eOf (Ln 3-a1-a2 X 1 X 2 a1 a2) d (M 3 1-bc M 2 b M 3 c) e O f

상기 화학식 1에서, Ln는 란탄계 원소, 즉, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu일 수 있다. 일 실시예에서, Ln은 La, Nd, Sm, 또는 Gd일 수 있다. 더 구체적으로, Ln은 La 또는 Nd일 수 있다. In the formula 1, Ln may be a lanthanide element, that is, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb or Lu. In one embodiment, Ln may be La, Nd, Sm, or Gd. More specifically, Ln may be La or Nd.

X1 및 X2는 알칼리 토금속 계열 원소로서, 일 예로서 Mg, Ca, Sr, 및 Ba로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 금속일 수 있고, 구체적으로 각각 Ba, Sr, 또는 Ca일 수 있다. X 1 and X 2 are alkaline earth metal elements, and may be, for example, different metals selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, and Ba, and specifically may be Ba, Sr, or Ca, respectively.

M1, M2, 및 M3는 전이금속 계열 원소로서, 일 예로서, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 금속일 수 있다. 일 실시예에서, M1, M2, 및 M3는 각각 Co, Fe, Mn, 또는 Ni일 수 있다.M 1 , M 2 , and M 3 are transition metal elements, and may be, for example, different metals selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn. In one embodiment, M 1 , M 2 , and M 3 may be Co, Fe, Mn, or Ni, respectively.

상기 화학식 1에서, a1과 a2는 0 < a1+a2 < 3을 만족하는 조건에서 0 이상의 값들일 수 있다. 구체적으로, a1과 a2는 a1+a2가 2.5 내지 0.5을 만족하는, 더 구체적으로는 a1+a2가 2 내지 1을 만족하는, 일 예로서 a1+a2가 1.7 내지 1.3을 만족하는 조건에서 0 이상의 값들일 수 있다. In the above formula (1), a1 and a2 may be 0 or more in the condition that 0 < a1 + a2 < 3. Specifically, a1 and a2 each satisfy a1 + a2 of 2.5 to 0.5, more specifically, a1 + a2 satisfies 2 to 1. In one example, a1 + a2 satisfies 0 Lt; / RTI &gt;

상기 화학식 1에서, b와 c는 0 < b+c < 3을 만족하는 양의 값들일 수 있다. 구체적으로, b와 c는 각각 0.5 내지 1.5 사이의 값을 가질 수 있다.In Formula 1, b and c may be positive values satisfying 0 < b + c < 3. Specifically, b and c may each have a value between 0.5 and 1.5.

상기 화학식 1에서, d는 0.9 내지 1 사이의 값일 수 있고, e는 0.9 내지 1 사이의 값일 수 있다. 또한, f는 7.5 내지 9.5 사이의 값일 수 있다.In the above formula (1), d may be a value between 0.9 and 1, and e may be a value between 0.9 and 1. Also, f may be a value between 7.5 and 9.5.

이러한 페로브스카이트 물질은 단위 결정이 란탄계 원소의 존재로 인해 층상 구조를 가질 수 있고 나아가 삼중층을 가질 수 있다. 구체적으로, 이러한 삼중층 페로브스카이트 물질은 단위 결정 내에 세층의 페로브스카이트 층들이 적층된 물질로서, 정방정계 시스템 구체적으로는 이온 반경에 따라 z축(c축) 길이가 x 와 y축(a와 b축) 길이의 3배 정도인 약 9 내지 12Å을 보이는 시스템을 가질 수 있다. 이러한 삼중층 페로브스카이트 물질은 층상구조를 가짐에 따라 산소 분자의 이동이 원활해지고, 격자 내 산소원자 비율이 증가하게 되며, 산소원자 내 전자구조의 차이가 발생함에 따라, 산소환원 또는 산소발생을 위한 특성이 향상될 수 있다. Such perovskite materials can have a layered structure due to the presence of the lanthanum element in the unit crystals and can further have a triple layer. Specifically, such a triple-layered perovskite material is a material in which perovskite layers of three layers are laminated in a unit crystal, and a z-axis (c-axis) length varies depending on the tetragonal system, and about 9 to 12 angstroms, which is about three times the length of the (a and b axes). As the triple layer perovskite material has a layered structure, the movement of oxygen molecules becomes smooth, the ratio of oxygen atoms in the lattice increases, and as a result of the difference in the electronic structure in oxygen atoms, oxygen reduction or oxygen generation Can be improved.

이러한 삼중층 페로브스카이트 물질은 하기 화학식 2로 나타낸 조성을 가질 수 있다. 하기 화학식 2로 나타낸 페로브스카이트 물질은 상기 화학식 1에서 a1+a2가 1.5, d는 1, e는 1, b는 1, 그리고 c는 1인 경우에 해당할 수 있다.Such a triple layer perovskite material may have a composition represented by the following formula (2). The perovskite material represented by the following formula (2) may correspond to a case where a1 + a2 is 1.5, d is 1, e is 1, b is 1, and c is 1 in the above formula (1).

[화학식 2](2)

Ln1.5(X1 a3X2 a4)1.5M1M2M3O9-δ Ln 1.5 (X 1 a3 X 2 a4 ) 1.5 M 1 M 2 M 3 O 9-δ

상기 화학식 2에서, Ln, X1, X2, M1, M2, 및 M3는 화학식 1에서 정의한 바와 같다.In Formula 2, Ln, X 1 , X 2 , M 1 , M 2 , and M 3 are as defined in Formula (1).

상기 화학식 2에서, a3와 a4는 a3+a4가 1을 만족하는 조건에서 각각 0 내지 1 사이의 값일 수 있다. δ는 0 내지 1일 수 있다.In formula (2), a3 and a4 may each be a value between 0 and 1 under the condition that a3 + a4 satisfies 1. may be 0 to 1.

이러한 삼중층 페로브스카이트 물질은 하기 화학식 3으로 나타낼 수 있다.Such a triple layer perovskite material may be represented by the following general formula (3).

[화학식 3](3)

Ln1.5X1 1.5CoFeM3O9-δ Ln 1.5 X 1 1.5 CoFeM 3 O 9-

상기 화학식 3에서, Ln, X1, 및 M3는 화학식 1에서 정의한 바와 같을 수 있고, δ는 1이하의 양수일 수 있다. 구체적으로는 Ln은 Nd 또는 La일 수 있고, X1은 Ba, Sr, 또는 Ca일 수 있고, M3은 Mn, Ni, 또는 Cu일 수 있다. 특히, X1는 상기 란탄계 원소(L)과 원자 반경의 차이가 크지 않아 격자의 변형 정도가 적은 Ba일 수 있다.In the above formula (3), Ln, X 1 , and M 3 may be the same as defined in formula (1), and? May be a positive number of 1 or less. Specifically, the Ln may be a Nd or La, X 1 may be a Ba, Sr, or Ca, M 3 may be Mn, Ni, or Cu. In particular, X 1 may be Ba having a small degree of lattice deformation because the difference in atomic radius between the lanthanide element (L) is not large.

구체적으로, 삼중층 페로브스카이트 물질은 Nd1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ, Nd1.5Sr1.5CoFeMnO9-δ, Nd1.5Ca1.5CoFeMnO9-δ, La1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ, Nd1.5Ba1.5CoFeNiO9-δ, 또는 Nd1.5Ba1.5CoFeCuO9-δ일 수 있다.Specifically, the triple layer perovskite material may be selected from the group consisting of Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeMnO 9- ? , Nd 1.5 Sr 1.5 CoFeMnO 9- ? , Nd 1.5 Ca 1.5 CoFeMnO 9- ? , La 1.5 Ba 1.5 CoFeMnO 9- ? , Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeNiO 9-delta , or Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeCuO 9-delta .

이러한 삼중층 페로브스카이트는 각 금속 성분의 산화물, 탄화물, 할로겐화물, 탄산염, 질산염, 아세트산염 등의 전구체 분말을 금속 원소 비율에 맞게 혼합하여 밀링한 후, 펠렛 등으로 성형, 소성, 그리고 분쇄 과정을 거쳐 얻을 수 있다. 이 외에도 상기 삼중층 페로브스카이트 물질은 공침범, 수열합성법, 용액연소법, 졸-겔법, CVD(chemical vapor deposition) 등의 화학적 합성법; RF-Magnetron Sputter, PVD(physical vapor deposition), APD(Arc Plasma Deposition) 등의 물리적 합성법을 사용하여 제조할 수 있다.This triple layer perovskite is prepared by mixing precursor powders such as oxides, carbides, halides, carbonates, nitrates, and acetates of each metal component in accordance with the metal element ratio, milling the mixture, and then molding, firing and pulverizing . In addition, the triple layer perovskite material may be chemically synthesized by co-precipitation, hydrothermal synthesis, solution combustion, sol-gel or CVD (chemical vapor deposition); RF-Magnetron Sputter, PVD (Physical Vapor Deposition), APD (Arc Plasma Deposition), or the like.

전기화학소자의 공기극Cathode of electrochemical device

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자의 공기극을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 전기화학소자는 공기극 또는 양극(cathode), 음극, 및 이들 사이에 위치하는 전해질층을 포함한다. 이러한 전기화학소자는 연료전지, 금속-공기 전지, 물분해 장치, 가스센서, 또는 커패시터일 수 있다.1 is a cross-sectional view schematically illustrating an air electrode of an electrochemical device according to an embodiment of the present invention. The electrochemical device includes an air electrode or a cathode, a cathode, and an electrolyte layer positioned therebetween. Such an electrochemical device may be a fuel cell, a metal-air cell, a water decomposition device, a gas sensor, or a capacitor.

도 1을 참조하면, 공기극 집전체(150)는 다수의 기공을 함유하는 전도체로서, 금속 메쉬(metal mesh), 금속 폼(metal foam), 또는 다공성 탄소 구조체일 수 있다. 금속 메쉬 또는 금속 폼의 경우, Ni, Co, Mn, 또는 이들 각각의 합금으로 이루어지거, 표면에 Ni, Co, Mn, 또는 이들 각각의 합금으로 코팅된 스테인리스 강일 수 있다.Referring to FIG. 1, the cathode current collector 150 is a conductor containing a plurality of pores, and may be a metal mesh, a metal foam, or a porous carbon structure. In the case of a metal mesh or a metal foam, it may be made of Ni, Co, Mn, or an alloy thereof, or stainless steel coated on the surface with Ni, Co, Mn, or their respective alloys.

상기 공기극 집전체(110) 상에 공기극 촉매층(120)이 위치할 수 있다. 상기 공기극 촉매층(120)은 촉매로서 앞서 설명한 삼중층 페로브스카이트와 바인더를 포함할 수 있다. 일 예로서, 상기 삼중층 페로브스카이트와 바인더를 혼합한 슬러리를 상기 공기극 집전체(110) 상에 코팅한 후 열처리하여 상기 공기극 촉매층(120)을 형성할 수 있다. 상기 바인더는 카본 블랙(Ketjen Black), PVdF, 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 스티렌, 부타디엔 및 고무계 폴리머로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 물질을 포함할 수 있다.The air electrode catalyst layer 120 may be positioned on the air electrode collector 110. The air electrode catalyst layer 120 may include a triple layer perovskite as described above as a catalyst and a binder. As an example, the air electrode catalyst layer 120 may be formed by coating a slurry obtained by mixing the triple-layered perovskite and a binder on the air electrode current collector 110, followed by heat treatment. The binder may be selected from the group consisting of carbon black (Ketjen Black), PVdF, vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene, styrene, And a rubber-based polymer.

상기 공기극에서는 전기화학소자의 종류에 따라 하기 반응식 1로 나타낸 산소환원반응(Oxygen Reduction Reaction; ORR), 하기 반응식 2로 나타낸 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction; OER), 또는 이들 두 반응이 모두 일어날 수 있다.Depending on the type of the electrochemical device, the air electrode may be formed by an oxygen reduction reaction (ORR) represented by the following Reaction Scheme 1, an Oxygen Evolution Reaction (OER) represented by the following Reaction Scheme 2, have.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

ORR : 1/2O2 + H2O + 2e- → 2OH- ORR: 1 / 2O 2 + H 2 O + 2e - → 2OH -

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

OER : 2OH- → 1/2O2 + H2O + 2e- OER: 2OH - ? 1 / 2O 2 + H 2 O + 2e -

고체산화물연료전지 등의 연료전지의 공기극에서는 산소환원반응이 일어날 수 있고, 금속-공기전지의 공기극에서는 충전시 산소발생반응이 방전시 산소환원반응이 일어날 수 있으며, 물분해 장치의 경우 공기극에서는 산소발생반응이 일어날 수 있다. In an air electrode of a fuel cell such as a solid oxide fuel cell, an oxygen reduction reaction may occur. In an air electrode of a metal-air battery, an oxygen reduction reaction may occur when an oxygen generation reaction is discharged during charging. An occurrence reaction may occur.

상기 공기극 촉매층(120)내에 삼중층 페로브스카이트 물질을 사용하는 경우, 삼중층 페로브스카이트 물질은 층상구조를 가짐에 따라 산소 분자의 이동이 원활해지고, 격자 내 산소원자 비율이 증가하게 되며, 산소원자 내 전자구조의 차이가 발생함에 따라, 상기 산소환원반응과 상기 산소발생반응을 촉진시킬 수 있다. When the triple layer perovskite material is used in the air electrode catalyst layer 120, the triple layer perovskite material has a layered structure, so that the movement of oxygen molecules is smooth and the oxygen atom ratio in the lattice is increased , The oxygen reduction reaction and the oxygen generation reaction can be promoted as the difference in the electronic structure in the oxygen atom occurs.

고체 산화물 전기화학소자Solid oxide electrochemical device

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 전기화학소자의 단위 셀을 나타낸 개략도이다. 2 is a schematic view showing a unit cell of a solid oxide electrochemical device according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 단위 셀은 서로 마주보는 연료전극(200)와 공기전극(100), 그리고 연료전극(200)와 공기전극(100) 사이에 배치된 전해질층(300)을 구비할 수 있다. 고체 산화물 전기화학소자는 이러한 단위 셀을 다수 개 구비할 수 있다. 이 때, 상기 단위 셀들은 차례로 적층될 수 있다.2, the unit cell may include a fuel electrode 200 and an air electrode 100 facing each other, and an electrolyte layer 300 disposed between the fuel electrode 200 and the air electrode 100 . The solid oxide electrochemical device may have a plurality of such unit cells. At this time, the unit cells may be sequentially stacked.

공기전극(100)은 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 공기극 집전체(110)와 이의 상부에 배치된 삼중층 페로브스카이트 물질을 구비하는 공기극 촉매층(120)을 구비할 수 있다. 이러한 공기전극(100)은 산소 환원 반응 뿐 아니라 산소 발생 반응을 수행할 수 있다. 공기극 집전체(110)와 공기극 촉매층(120)에 대한 구체적인 설명은 도 1을 참조하여 설명한 부분을 참고하기로 한다. 다만, 공기극 촉매층(120)은 상기 삼중층 페로브스카이트 물질과 더불어서, 산소 이온 전도체를 더 포함할 수 있다. 산소 이온 전도체는 산소이온 전도성 금속산화물로서, 희토류-도핑된 세리아(rare-earth-doped ceria, RDC), 일 예로서, NDC(neodymium-doped ceria), GDC(gadolinium-doped ceria), 및 SDC(samarium-doped ceria); YSZ(yttria stabilized zirconia, ZrO2/Y2O3); ScSZ(scandia stabilized zirconia, ZrO2/Sc2O3); 및 LSGM(strontium- and magnesium-doped lanthanum gallate)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The air electrode 100 may include an air electrode collector 110 and a air electrode catalyst layer 120 having a triple layer perovskite material disposed on the air electrode collector 110, as described with reference to FIG. The air electrode 100 can perform an oxygen reduction reaction as well as an oxygen reduction reaction. The air electrode collector 110 and the air electrode catalyst layer 120 will be described in detail with reference to FIG. However, the air electrode catalyst layer 120 may further include an oxygen ion conductor in addition to the triple layer perovskite material. Oxygen ion conductors are oxygen ion conducting metal oxides, rare-earth-doped ceria (RDC), such as neodymium-doped ceria (NDC), gadolinium-doped ceria (GDC) samarium-doped ceria); YSZ (yttria stabilized zirconia, ZrO 2 / Y 2 O 3); ScSZ (scandia stabilized zirconia, ZrO 2 / Sc 2 O 3); And strontium- and magnesium-doped lanthanum gallate (LSGM).

전해질층(300)은 고체 산화물 전해질층으로서, 상술한 산소이온 전도체, 프로톤 전도체 또는 이들의 혼합물을 함유할 수 있다. 상기 프로톤 전도체는 프로톤 전도성 금속산화물로서, 일 예로서, 3가 원소가 도핑된 바륨 지르코네이트(barium zirconate, BaZrO3), 바륨 세레이트(barium cerate, BaCeO3), 바륨 지르코네이트 세레이트(BaZr(1-x)CexO3, 0.05≤x≤0.95), 스트론튬 세레이트(strontium cerate, SrCeO3), 스트론튬 지르코네이트(strontium zirconate, SrZrO3), 및 스트론튬 지르코네이트 세레이트(SrZr(1-x)CexO3, 0.05≤x≤0.95)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 프로톤 전도체 내에 도핑된 3가 원소는 이트륨(Y), 란타넘족(예를 들어, 이터븀(Yb)), 또는 이들이 조합일 수 있다. 일 예로서, 상기 프로톤 전도체는 저온작동이 가능하고 높은 효율을 나타내는 이트륨(Y) 도핑된 바륨 지르코네이트, 구체적으로 Ba1Zr1-xYxO3-δ(0.1≤x≤0.2 ; δ는 x의 양에 따라 달라지나, 일 예로서 2.95≤δ≤2.975), 또는 상기 프로톤 전도체는 이트륨(Y)과 이터븀(Yb)이 코-도핑된 바륨 지르코네이트 세레이트, 구체적으로 Ba1Zr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O2.95 일 수 있다. The electrolyte layer 300 may be a solid oxide electrolyte layer and may contain the above-described oxygen ion conductor, proton conductor, or a mixture thereof. The proton conductor is a proton conductive metal oxide. Examples of the proton conductive metal oxide include barium zirconate (BaZrO 3 ), barium cerate (BaCeO 3 ), barium zirconate cerate BaZr (1-x) Ce x O 3 , 0.05? X ? 0.95), strontium cerate (SrCeO 3 ), strontium zirconate (SrZrO 3 ), and strontium zirconate cerate (1-x) Ce x O 3 , 0.05? X ? 0.95). The doped trivalent element in the proton conductor may be yttrium (Y), lanthanum (e.g., ytterbium (Yb)), or a combination thereof. As one example, the proton conductor is a yttrium (Y) -doped barium zirconate capable of being operated at a low temperature and exhibiting high efficiency, specifically Ba 1 Zr 1 -x Y x O 3 -δ (0.1 ? X ? 0.2; (For example, 2.95?? 2.975), or the proton conductor is a barium zirconate cerate co-doped with yttrium (Y) and ytterbium (Yb), specifically Ba 1 Zr 0.1 Ce 0.7 Y 0.1 Yb 0.1 O 2.95 .

상기 전해질층(300)이 산소이온 전도체층인 경우 상기 전기화학소자는 산소이온 전도성 전기화학소자로, 상기 전해질층(300)이 프로톤 전도체층인 경우 전기화학소자는 프로톤 전도성 전기화학소자로, 또는 상기 전해질층(300)이 산소이온 전도체와 프로톤 전도체 혼합물층인 경우 혼합 전도성 전기화학소자로 명명될 수 있다.When the electrolyte layer 300 is an oxygen ion conductor layer, the electrochemical device is an oxygen ion conductive electrochemical device. When the electrolyte layer 300 is a proton conductor layer, the electrochemical device is a proton conducting electrochemical device, or When the electrolyte layer 300 is a mixture layer of an oxygen ion conductor and a proton conductor, it may be called a mixed conducting electrochemical device.

연료전극(200)은 그 내부에서 연료의 확산과 전자의 전도가 가능한 전극일 수 있다. 연료는 수소일 수 있다. 이러한 연료전극(200)은 연료전극 집전체(210)와 이의 상부에 배치된 연료전극 촉매층(220)을 구비할 수 있다. 연료전극 집전체(210)는 다수의 기공을 함유하는 전도체로서, 금속 메쉬(metal mesh), 금속 폼(metal foam), 또는 다공성 탄소 구조체일 수 있다. 금속 메쉬 또는 금속 폼의 경우, Ni, Co, Mn, 또는 이들 각각의 합금으로 이루어지거, 표면에 Ni, Co, Mn, 또는 이들 각각의 합금으로 코팅된 스테인리스 강일 수 있다.The fuel electrode 200 may be an electrode capable of diffusion of fuel and conduction of electrons therein. Fuel can be hydrogen. The fuel electrode 200 may include a fuel electrode current collector 210 and a fuel electrode catalyst layer 220 disposed on the fuel electrode current collector 210. The fuel electrode current collector 210 may be a conductor containing a plurality of pores and may be a metal mesh, a metal foam, or a porous carbon structure. In the case of a metal mesh or a metal foam, it may be made of Ni, Co, Mn, or an alloy thereof, or stainless steel coated on the surface with Ni, Co, Mn, or their respective alloys.

연료전극 촉매층(220)은 촉매 금속과 이온 전도체 구체적으로, 산소 이온 전도체 또는 프로톤 전도체를 구비할 수 있으며, 나아가 촉매 금속과 산소 이온 전도체의 서맷(cermet)이거나 촉매 금속과 프로톤 전도체의 서맷(cermet)일 수 있다. 상기 전해질층(300)이 산소이온 전도체층인 경우 상기 연료전극 촉매층(220) 또한 전해질층(300)에 포함된 산소이온 전도체와 같거나 다른 종류의 산소 이온 전도체를 구비할 수 있고, 상기 전해질층(300)이 프로톤 전도체층인 경우 상기 연료전극 촉매층(220) 또한 전해질층(300)에 포함된 프로톤 전도체와 같거나 다른 종류의 프로톤 전도체를 구비할 수 있다. 산소 이온 전도체와 프로톤 전도체의 구체적인 예는 위에서 설명한 바와 같다.The fuel electrode catalyst layer 220 may include a catalyst metal and an ion conductor, specifically, an oxygen ion conductor or a proton conductor. Further, the fuel electrode catalyst layer 220 may be a cermet of a catalyst metal and an oxygen ion conductor, or a cermet of a catalyst metal and a proton conductor. Lt; / RTI &gt; When the electrolyte layer 300 is an oxygen ion conductor layer, the fuel electrode catalyst layer 220 may have the same or different oxygen ion conductors as the oxygen ion conductors included in the electrolyte layer 300, If the proton conductor layer 300 is a proton conductor layer, the fuel electrode catalyst layer 220 may have the same or different type of proton conductor than the proton conductor included in the electrolyte layer 300. Specific examples of the oxygen ion conductor and the proton conductor are as described above.

상기 촉매 금속은 연료전극 촉매층(220)의 전자전도성을 향상시키고 또한 연료로부터 프로톤 및 전자를 발생시키거나 혹은 프로톤 및 전자로부터 연료를 생성하는 것을 촉진하는 역할을 할 수 있다. 이러한 촉매 금속은 전이 금속일 수 있고, 일 예로서, Ni, Cu, Pt, Pd, 또는 이들 중 둘 이상의 조합일 수 있다. The catalytic metal may serve to enhance the electronic conductivity of the fuel electrode catalyst layer 220 and also to generate protons and electrons from the fuel or to promote the generation of fuel from protons and electrons. The catalytic metal may be a transition metal, and may be, for example, Ni, Cu, Pt, Pd, or a combination of two or more thereof.

이에 더하여, 상기 연료전극 촉매층(220)은 탄소 물질을 추가로 함유할 수 있다. 이러한 연료전극 촉매층(220)은 촉매 금속 산화물과 산소 이온 전도체, 추가적으로 탄소 전구체를 혼합한 후, 이를 소결하여 형성할 수 있다. 상기 촉매 금속 산화물은 상기 전기화학소자가 운전하기 전에 공급된 수소를 통해 환원되어 촉매 금속으로 상기 연료전극 촉매층(220) 내에 위치할 수 있다.In addition, the fuel electrode catalyst layer 220 may further contain a carbon material. The fuel electrode catalyst layer 220 may be formed by mixing a catalyst metal oxide with an oxygen ion conductor and further with a carbon precursor, followed by sintering the catalyst precursor. The catalytic metal oxide may be reduced through hydrogen supplied before the electrochemical device is operated, and may be positioned in the fuel electrode catalyst layer 220 as a catalytic metal.

상기 전기화학소자는 상기 연료전극에 연료를 상기 공기전극에 공기를 공급하여 전기를 생산하는 연료전지 모드로 운전할 수 있고, 또한 상기 연료전극과 상기 공기전극 사이에 전계를 인가하여 상기 연료전극에서 연료를 생산하는 연료발생 모드로 운전할 수 있다. 상기 연료발생 모드 구체적으로는 수소발생 모드는 물분해 모드 또는 전기분해 모드로도 불리워질 수 있다. The electrochemical device can operate in a fuel cell mode in which fuel is supplied to the fuel electrode and air is supplied to the air electrode to generate electricity and an electric field is applied between the fuel electrode and the air electrode, The fuel cell can be operated in the fuel generating mode. The fuel generation mode, specifically, the hydrogen generation mode may be referred to as a water decomposition mode or an electrolysis mode.

상기 프로톤 전도성 고체산화물 전기화학소자는 하기와 같은 반응식을 통해 연료전지 모드와 물분해 모드의 듀얼 모드로 운전될 수 있다. The proton conductive solid oxide electrochemical device can be operated in a dual mode of a fuel cell mode and a water decomposition mode through the following reaction formula.

연료전지 모드Fuel cell mode

연료전극 : H2 → 2H+ + 2e- Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e -

공기전극 : 2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O (산소환원반응)Air electrode: 2H + + 1 / 2O 2 + 2e - → H 2 O (oxygen reduction reaction)

물분해 모드Water decomposition mode

연료전극 : 2H+ + 2e- → H2 Fuel electrode: 2H + + 2e - ? H 2

공기전극 : H2O → 2H+ + 1/2O2 + 2e- (산소발생반응)Air electrode: H 2 O → 2H + + 1 / 2O 2 + 2e - (oxygen generation reaction)

상기 산소이온 전도성 고체산화물 전기화학소자는 하기와 같은 반응식을 통해 연료전지 모드와 물분해 모드의 듀얼 모드로 운전될 수 있다.The oxygen ion conductive solid oxide electrochemical device can be operated in a dual mode of a fuel cell mode and a water decomposition mode through the following reaction formula.

연료전지 모드Fuel cell mode

연료전극 : H2 + O2- → H2O + 2e- Fuel electrode: H 2 + O 2- ? H 2 O + 2e -

공기전극 : 1/2O2 + 2e- → O2- (산소환원반응)Air electrode: 1 / 2O 2 + 2e - → O 2- (oxygen reduction reaction)

물분해 모드Water decomposition mode

연료전극 : H2O + 2e- → H2 + O2- Fuel electrode: H 2 O + 2e - → H 2 + O 2-

공기전극 : O2- → 1/2O2 + 2e- (산소발생반응)Air electrode: O 2- → 1 / 2O 2 + 2e - (oxygen generating reaction)

이와 같이 본 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지는 공기전극 내에 삼중층 페로브스카이트를 함유함에 따라 산소 환원 반응이 일어나는 연료전지 모드와 산소 발생 반응이 일어나는 물분해 모드 또는 전기분해 모드를 모두 수행할 수 있다. 다시 말해서, 본 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지는 기존 전기화학소자들과는 달리 하나의 전지로 두 기능을 구현할 수 있는 우수성을 가진다. As described above, the solid oxide fuel cell according to the present embodiment performs both the fuel cell mode in which the oxygen reduction reaction takes place and the water decomposition mode or the electrolysis mode in which the oxygen generation reaction occurs, as the triple layer perovskite is contained in the air electrode . In other words, unlike conventional electrochemical devices, the solid oxide fuel cell according to the present embodiment is excellent in that two functions can be realized by one cell.

예를 들어, 전력소모량이 많은 낮 시간의 경우 상기 연료전지를 연료전지 모드로 운전하여 전기를 생산하고, 전력소모량이 적은 밤 시간의 경우 상기 연료전지를 물분해 모드로 운전하여 연료를 생산할 수 있다. For example, the fuel cell may be operated in the fuel cell mode to produce electricity when the power consumption is high, and the fuel cell may be operated in the water decomposition mode to produce fuel in the nighttime when the power consumption is low .

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다,Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. It should be understood, however, that the following examples are for the purpose of promoting understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

<제조예 1 : Nd1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ>Production Example 1: Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeMnO 9-隆>

용액연소법을 사용하였는데, 구체적으로 Nd(NO3)2·6H2O (0.01몰), Ba(NO3)2 (0.01몰), Co(NO3)2·6H2O (0.0067몰), Fe(NO3)3·9H2O (0.0067몰), 및 Mn(NO3)2·H2O (0.0067몰)의 금속전구체들과 연료인 0.02몰의 글리신(glycine)을 증류수에 넣고 용해한 후, 핫 플레이트 상에서 교반하면서 가열하여 물을 증발시켜 자연발화 (auto-ignition)가 일어나도록 하였다. 결과물로서 얻은 재(ash)를 600도에서 4시간 동안 1차 하소하였다. 그 후, 지르코니아 볼을 사용하여 에탄올과 함께 24시간 볼밀링하고, 건조시킨 후, 900도에서 4시간 2차 하소하여 물질을 합성하였다.(NO 3 ) 2 .6H 2 O (0.01 mol), Ba (NO 3 ) 2 (0.01 mol), Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O (0.0067 mol), Fe (0.0067 mol) of Mn (NO 3 ) 3 .9H 2 O and 0.002 mol of Mn (NO 3 ) 2 .H 2 O and 0.02 mol of glycine as a fuel were dissolved in distilled water, The mixture was heated on a hot plate with stirring to evaporate the water to cause auto-ignition. The resultant ash was first calcined at 600 ° C for 4 hours. Thereafter, the mixture was ball-milled with ethanol using a zirconia ball for 24 hours, dried, and calcined at 900 DEG C for 4 hours to obtain a material.

<제조예 2 : Nd1.5Sr1.5CoFeMnO9-δ>Production Example 2: Nd 1.5 Sr 1.5 CoFeMnO 9-隆>

Nd(NO3)2·6H2O (0.01몰), Sr(NO3)2 (0.01몰), Co(NO3)2·6H2O (0.0067몰), Fe(NO3)3·9H2O (0.0067몰), 및 Mn(NO3)2·H2O (0.0067몰)의 금속전구체들을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 물질을 합성하였다. Nd (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.01 mole), Sr (NO 3) 2 (0.01 mole), Co (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.0067 mol), Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O (0.0067 mol), and Mn (NO 3 ) 2 .H 2 O (0.0067 mol) were used in place of the metal precursors.

<제조예 3 : Nd1.5Ca1.5CoFeMnO9-δ>Production Example 3: Nd 1.5 Ca 1.5 CoFeMnO 9-隆>

Nd(NO3)2·6H2O (0.01몰), Ca(NO3)2·4H2O (0.01몰), Co(NO3)2·6H2O (0.0067몰), Fe(NO3)3·9H2O (0.0067몰), 및 Mn(NO3)2·H2O (0.0067몰)의 금속전구체들을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 물질을 합성하였다. Nd (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.01 mol), Ca (NO 3) 2 · 4H 2 O (0.01 mole), Co (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.0067 mol), Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O (0.0067 mol), and Mn (NO 3) 2 ·, except that metal precursor of H 2 O (0.0067 mol) was synthesized material using the same method as in Production example 1.

<제조예 4 : La1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ>&Lt; Preparation Example 4: La 1.5 Ba 1.5 CoFeMnO 9-隆>

La(NO3)2·6H2O (0.01몰), Ba(NO3)2 (0.01몰), Co(NO3)2·6H2O (0.0067몰), Fe(NO3)3·9H2O (0.0067몰), 및 Mn(NO3)2·H2O (0.0067몰)의 금속전구체들을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 물질을 합성하였다. La (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.01 moles), Ba (NO 3) 2 (0.01 mole), Co (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.0067 mol), Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O (0.0067 mol), and Mn (NO 3 ) 2 .H 2 O (0.0067 mol) were used in place of the metal precursors.

<제조예 5 : Nd1.5Ba1.5CoFeNiO9-δ>Production Example 5: Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeNiO 9-隆>

Nd(NO3)2·6H2O (0.01몰), Ba(NO3)2 (0.01몰), Co(NO3)2·6H2O (0.0067몰), Fe(NO3)3·9H2O (0.0067몰), 및 Ni(NO3)2·6H2O (0.0067몰)의 금속전구체들을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 물질을 합성하였다. Nd (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.01 moles), Ba (NO 3) 2 (0.01 mole), Co (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.0067 mol), Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O (0.0067 mol), and Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O (0.0067 mol) were used in place of the metal precursors.

<제조예 6 : Nd1.5Ba1.5CoFeCuO9-δ>&Lt; Preparation Example 6: Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeCuO 9-隆>

Nd(NO3)2·6H2O (0.01몰), Ba(NO3)2 (0.01몰), Co(NO3)2·6H2O (0.0067몰), Fe(NO3)3·9H2O (0.0067몰), 및 Cu(NO3)2·2.5H2O (0.0067몰)의 금속전구체들을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 물질을 합성하였다. Nd (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.01 moles), Ba (NO 3) 2 (0.01 mole), Co (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.0067 mol), Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O (0.0067 mol), and Cu (NO 3 ) 2揃 2.5H 2 O (0.0067 mol) were used in place of the metal precursors.

<제조예 7 : Nd2BaCo3O9-δ>Production Example 7: Nd 2 BaCo 3 O 9-隆>

Nd(NO3)2·6H2O (0.013몰), Ba(NO3)2 (0.0067몰), 및 Co(NO3)2·6H2O (0.02몰)의 금속전구체들을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 물질을 합성하였다.Except using the metal precursors of Nd (NO 3 ) 2揃 6H 2 O (0.013 mol), Ba (NO 3 ) 2 (0.0067 mol), and Co (NO 3 ) 2揃 6H 2 O The material was synthesized in the same manner as in Production Example 1.

<제조예 8 : Nd2BaCo2FeO9-δ>Production Example 8: Nd 2 BaCo 2 FeO 9-隆>

Nd(NO3)2·6H2O (0.013몰), Ba(NO3)2 (0.0067몰), Co(NO3)2·6H2O (0.013몰), 및 Fe(NO3)3·9H2O (0.0067몰)의 금속전구체들을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 물질을 합성하였다. Nd (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.013 moles), Ba (NO 3) 2 (0.0067 mol), Co (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.013 mol), and Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O (0.0067 moles) of metal precursors were used to synthesize the material.

<제조예 9 : NdBa2Co3O9-δ>Production Example 9: NdBa 2 Co 3 O 9-隆>

Nd(NO3)2·6H2O (0.0067몰), Ba(NO3)2 (0.013몰), 및 Co(NO3)2·6H2O (0.02몰)의 금속전구체들을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 물질을 합성하였다.Except using the metal precursors of Nd (NO 3 ) 2揃 6H 2 O (0.0067 mol), Ba (NO 3 ) 2 (0.013 mol), and Co (NO 3 ) 2揃 6H 2 O The material was synthesized in the same manner as in Production Example 1.

<제조예 10 : NdBa2Co2FeO9-δ>Production Example 10: NdBa 2 Co 2 FeO 9-隆>

Nd(NO3)2·6H2O (0.0067몰), Ba(NO3)2 (0.013몰), Co(NO3)2·6H2O (0.013몰), 및 Fe(NO3)3·9H2O (0.0067몰)의 금속전구체들을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 물질을 합성하였다. Nd (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.0067 moles), Ba (NO 3) 2 (0.013 mole), Co (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.013 mol), and Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O (0.0067 moles) of metal precursors were used to synthesize the material.

<비교예 1 : Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ>&Lt; Comparative Example 1: Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-隆 >

Ba(NO3)2 (0.0125몰), Sr(NO3)2 (0.0125몰), Co(NO3)2·6H2O (0.01몰), 및 Fe(NO3)3·9H2O (0.005몰)의 금속전구체들을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 물질을 합성하였다.Ba (NO 3) 2 (0.0125 mol), Sr (NO 3) 2 (0.0125 mol), Co (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.01 mol), and Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O (0.005 Moles) of the metal precursors were used in place of the metal precursors of Preparation Example 1.

<비교예 2: Nd(Ba0.5Sr0.5)Co1.5Fe0.5O6-δ>Comparative Example 2: Nd (Ba 0.5 Sr 0.5 ) Co 1.5 Fe 0.5 O 6-隆 >

Nd(NO3)2·6H2O (0.0067몰), Ba(NO3)2 (0.0033몰), Sr(NO3)2 (0.0033몰), Co(NO3)2·6H2O (0.02몰), 및 Fe(NO3)3·9H2O (0.0033몰)의 금속전구체들을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 물질을 합성하였다. Nd (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.0067 moles), Ba (NO 3) 2 (0.0033 mol), Sr (NO 3) 2 (0.0033 mol), Co (NO 3) 2 · 6H 2 O (0.02 mol ), And Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O (0.0033 mol) were used in place of the metal precursors of Preparation Example 1.

도 3은 제조예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질의 X-선 회절그래프(X-Ray Diffraction Graph)이다.FIG. 3 is an X-ray diffraction graph of the perovskite material according to Production Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. FIG.

도 3을 참조하면, 비교예 1에 따른 단일층 페로브스카이트 물질은 입방정계(cubic) 구조를 나타내는 반면, 비교예 2에 따른 이중층 페로브스카이트 물질 및 제조예 1에 따른 삼중층 페로브스카이트 물질은 정방정계(tetragonal) 구조를 나타냄을 알 수 있다. 3, the single layer perovskite material according to Comparative Example 1 exhibits a cubic structure, while the double layer perovskite material according to Comparative Example 2 and the triple layer perovskite material according to Production Example 1 It can be seen that the skate material exhibits a tetragonal structure.

도 4는 제조예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질 각각의 a축 길이와 c축 길이를 나타낸 그래프이다. 이 때, a축 길이와 c축 길이는 도 3의 X-선 회절값들을 브래그법칙(Bragg's Law, nλ=2d sinθ)을 사용해서 계산된 값들이다. 4 is a graph showing the a-axis length and the c-axis length of perovskite materials according to Production Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively. In this case, the a-axis length and the c-axis length are values calculated by using the Bragg's law (n? = 2d sin?) Of the X-ray diffraction values in FIG.

도 4를 참조하면, 비교예 1에 따른 페로브스카이트 물질, 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질, 및 제조예 1에 따른 페로브스카이트 물질은 약 3.8 내지 4Å의 a축 길이 또는 a축 격자상수 값을 가짐을 알 수 있다. 한편, c축 길이 또는 c축 격자상수 값의 경우, 비교예 1에 따른 페로브스카이트 물질은 약 3.99Å (a:c≒1:1), 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질은 약 7.36Å (a:c≒1:2), 그리고 제조예 1에 따른 페로브스카이트 물질은 약 11.64Å (a:c≒1:3)인 것을 알 수 있다. 이로부터, 비교예 1에 따른 페로브스카이트 물질은 단일층 페로브스카이트 물질이고, 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질은 이중층 페로브스카이트 물질이고, 그리고 제조예 1에 따른 페로브스카이트 물질은 삼중층 페로브스카이트 물질인 것이 확인되었다고 할 수 있다.Referring to FIG. 4, the perovskite material according to Comparative Example 1, the perovskite material according to Comparative Example 2, and the perovskite material according to Preparation Example 1 have an a-axis length of about 3.8-4 angstroms or a Axis grating constant value. On the other hand, in the case of the c-axis length or the c-axis lattice constant value, the perovskite material according to Comparative Example 1 was about 3.99 Å (a: c≈1: 1), and the perovskite material according to Comparative Example 2 was about And a perovskite material according to Production Example 1 is about 11.64 Å (a: c ≒ 1: 3). From this, it can be seen that the perovskite material according to Comparative Example 1 is a single layer perovskite material, the perovskite material according to Comparative Example 2 is a double layer perovskite material, It can be said that the skate material is confirmed to be a triple layer perovskite material.

도 5는 제조예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질 각각의 산소 함량과 B 사이트 산화수를 나타낸 그래프이다. 이 때, 상기 산소 함량과 B 사이트 산화수는 화학적정 실험을 사용하여 얻었다. 5 is a graph showing the oxygen content and B-site oxidation number of the perovskite materials according to Production Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively. At this time, the oxygen content and the B site oxidation number were obtained using a chemical titration experiment.

도 5를 참조하면, 비교예 1에 따른 페로브스카이트 물질 즉, Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ에서 δ는 약 0.264이고, B 사이트 금속 즉, Co와 Fe의 평균산화수는 약 2.973인 것으로 나타났으며, 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질 즉, Nd(Ba0.5Sr0.5)Co1.5Fe0.5O6-δ에서 δ는 약 0.392이고, B 사이트 즉, Co와 Fe의 평균산화수는 약 3.112인 것으로 나타났으며, 또한 제조예 1에 따른 페로브스카이트 물질 즉, Nd1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ에서 δ는 약 0.444이고, B 사이트 즉, Co, Fe, 및 Mn의 평균산화수는 약 3.277인 것으로 나타났다.Referring to FIG. 5, in the perovskite material according to Comparative Example 1,? Is about 0.264 in Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3- ?, the average oxidation number of B site metal, that is, Co and Fe is about Δ is about 0.392 in the perovskite material of Nd (Ba 0.5 Sr 0.5 ) Co 1.5 Fe 0.5 O 6-δ according to Comparative Example 2, and the average of the B sites, ie, Co and Fe The oxidation number was about 3.112, and in the perovskite material according to Production Example 1, i.e., Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeMnO 9- ?, The delta was about 0.444 and the average of the B sites, i.e., Co, Fe, and Mn The oxidation number was found to be about 3.277.

이와 같이, 제조예 1에 따른 페로브스카이트 물질은 산소 결핍(δ)이 비교예 1 및 2에 따른 페로브스카이트 물질에 비해 높은 것으로 나타났다. Thus, the perovskite material according to Preparation Example 1 showed higher oxygen deficiency (?) Than the perovskite material according to Comparative Examples 1 and 2.

도 6은 제조예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질에 대한 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy)을 수행한 결과를 나타낸 그래프들이다.6 is a graph showing the results of X-ray photoelectron spectroscopy performed on the perovskite material according to Production Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2.

도 6을 참조하면, (a)는 산소 관련 XPS 스펙트럼들로서, O2- 피크는 격자 내 산소를, 그리고 OH- 피크는 전자가 부족한 산소를 나타낸다. 산소 발생 반응에 주도적인 역할을 하는 것은 O2- 이다. 한편, 산소 공공의 함량은 OH- 피크의 면적으로부터 알 수 있는데, 제조예 1에 따른 삼중층 페로브스카이트가 산소 공공 함량이 가장 큰 것을 알 수 있다.Referring to Figure 6, (a) is associated as oxygen XPS spectrum, peaks are 2- O oxygen in the lattice, and OH - is an oxygen peak E is low. It is O 2- that plays a leading role in the oxygen generation reaction. On the other hand, the content of oxygen vacancies can be known from the area of OH - peaks, and it can be seen that the triple-layer perovskite according to Production Example 1 has the largest oxygen vacancy content.

(b), (c), 및 (d)는 각각 Co, Fe 및 Nd관련 XPS 스펙트럼들로서, B 사이트 원소들인 Co와 Fe는 모두 다원자가를 나타냄을 알 수 있다. 이로부터, 상기 도 5를 참조하여 설명한 바와 마찬가지로, 페로브스카이트 물질 내 산소 공공이 형성됨을 알 수 있다.(b), (c) and (d) are XPS spectra related to Co, Fe and Nd, respectively. It can be seen that the B site elements Co and Fe represent polyvalent elements. From this, it can be seen that oxygen vacancies are formed in the perovskite material as described above with reference to FIG.

도 7은 제조예들 1 내지 3 및 5 내지 6에 따른 페로브스카이트 물질의 X-선 회절그래프이다. FIG. 7 is an X-ray diffraction graph of the perovskite material according to Production Examples 1 to 3 and 5 to 6. FIG.

도 7을 참조하면, 제조예들 1 내지 3 및 5 내지 6에 따른 페로브스카이트 물질은 전체적으로 정방정계(tetragonal) 구조를 나타냄을 알 수 있다(a, b).Referring to FIG. 7, it can be seen that the perovskite materials according to Production Examples 1 to 3 and 5 to 6 exhibit a tetragonal structure as a whole (a, b).

화학식 3의 X1 자리의 물질이 Ba, Sr, Ca로 이온반경이 줄어들 때(제조예 1, 제조예 2, 제조예 3), X-선 회절 그래프의 위치가 높은 각으로 이동하는 것을 알 수 있다. 이는 브래그 법칙에서 알 수 있는 바와 같이, 이온반경이 줄어듦에 따라 격자 내 면간 거리 감소에 따른 결과로 보여진다(a).When the material of the X 1 in the formula (3) reducing the ionic radius position as Ba, Sr, Ca (Production Example 1, preparation 2, preparation 3), the position of the X- ray diffraction chart can be seen that movement to its respective have. As can be seen from the Bragg rule, this is seen as a result of the reduction of the interplanar distance in the lattice as the ion radius decreases (a).

한편, 화학식 3의 M3 자리의 물질이 Mn, Ni, Cu로 달라지더라도(제조예 1, 제조예 5, 제조예 6), 큰 차이가 없음을 알 수 있다(a).On the other hand, even if the M 3 -valent material of Formula 3 is changed to Mn, Ni and Cu (Production Example 1, Production Example 5, Production Example 6), there is no significant difference (a).

도 8은 제조예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질에 대한 산소발생특성(a)와 산소환원특성(b)을 나타낸 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing oxygen generation characteristics (a) and oxygen reduction characteristics (b) for perovskite materials according to Production Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2;

산소발생특성과 산소환원특성을 살펴보기 위해, 3 전극 시스템을 준비하였다. 구체적으로, 상기 실험예들에 따른 물질 10mg, 카본블랙 (Vulcan X-72, Cabot) 5mg, 증류수 750uL, 이소프로필알콜 250uL, 및 나파온(Nafion) 용액 (Sigma-Aldrich) 16uL을 바이알에 넣고 30분간 초음파 분산해서 잉크를 만들었다. 이 잉크 3uL를 RDE(Rotating Disk Electrode) 팁(tip) 위에 드롭한 후 건조시켜 반쪽전지 즉, 작동전극을 제작하였다. 이 작동전극, 상대전극인 백금 와이어, 그리고 기준전극인 Hg/HgO를 전해질은 0.1M KOH 용액에 담가 3전극 시스템을 만들었다.In order to investigate oxygen generation characteristics and oxygen reduction characteristics, a three electrode system was prepared. Specifically, 10 mg of the substance according to the above experimental examples, 5 mg of carbon black (Vulcan X-72, Cabot), 750 uL of distilled water, 250 uL of isopropyl alcohol and 16 uL of Nafion solution (Sigma-Aldrich) The ink was dispersed by ultrasonic dispersion for a minute. 3 uL of this ink was dropped on a RDE (Rotating Disk Electrode) tip and dried to prepare a half-cell, that is, a working electrode. The working electrode, the counter electrode, the platinum wire, and the reference electrode, Hg / HgO, were immersed in a 0.1 M KOH solution to form a three-electrode system.

산소발생반응의 경우, 상기 실험예들에 따른 물질의 활성화를 위해 순환전류전압법 (Cyclic Voltammetry)을 이용하여 전처리를 하였다. 이때 범위는 0.05V~1.2V (vs. RHE), 속도는 100mV/s로 진행하였다. 50회 반복하여 전처리를 완료하고, 1.2~1.7V (vs. RHE)의 범위를 5mV/s의 속도로 한번 진행하여 산소발생 특성을 평가하였다.In the case of the oxygen generating reaction, pre-treatment was carried out using a cyclic voltammetry method to activate the materials according to the above experimental examples. The range was 0.05V to 1.2V (vs. RHE) and the speed was 100mV / s. The pretreatment was repeated 50 times and the oxygen generation characteristics were evaluated by proceeding once at a rate of 5 mV / s in the range of 1.2 to 1.7 V (vs. RHE).

산소환원반응은 산소발생반응과 마찬가지로 순환전류전압법 (Cyclic Voltammetry)을 이용하여 촉매 전처리를 하였다. 이 때 범위는 0.05V~1.2V (vs. RHE), 속도는 100mV/s로 진행하였다. 50회 반복하여 전처리를 완료하고, 1.1V~0.2V의 범위를 5mV/s의 속도로 진행하여 산소환원 특성을 분석하였다. 이 때 전해용액에 산소를 계속해서 공급하여 산소가 포화되도록 유지하였으며, 작동전극을 400, 900, 1600, 2500rpm으로 회전시키면서 특성 평가를 진행 하였다.The oxygen reduction reaction was catalyzed by the cyclic voltammetry as in the oxygen generation reaction. The range was from 0.05V to 1.2V (vs. RHE) and the speed was 100mV / s. The pretreatment was repeated 50 times, and the oxygen reduction characteristics were analyzed by advancing the range of 1.1 V to 0.2 V at a rate of 5 mV / s. At this time, oxygen was continuously supplied to the electrolytic solution to keep the oxygen saturation, and the characteristics were evaluated while rotating the working electrode at 400, 900, 1600, and 2500 rpm.

도 8을 참조하면, 비교예 1에 따른 단일층 페로브스카이트 물질과 비교예 2에 따른 이중층 페로브스카이트 물질에 비해 제조예 1에 따른 삼중층 페로브스카이트 물질의 산소발생특성(a)과 산소환원특성(b)이 모두 우수한 것으로 나타났다. 이는 란탄계 원소의 추가에 따른 층상구조와 격자내 산소 원자의 비율 증가 및 산소 원자 내 전자 구조의 차이가 발생하였기 때문인 것으로 추측되었다.Referring to FIG. 8, the oxygen generation characteristics (a) of the triple layer perovskite material according to Production Example 1, as compared to the single layer perovskite material according to Comparative Example 1 and the double layer perovskite material according to Comparative Example 2 ) And oxygen reduction characteristics (b) were both excellent. This is presumably due to the increase in the ratio of the lattice structure to the lattice oxygen atom and the difference in the electron structure in the oxygen atom due to the addition of the lanthanide element.

도 9a는 제조예들 7 내지 10 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질의 X-선 회절그래프이고, 도 9b는 제조예 1, 제조예들 7 내지 10, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 페로브스카이트 물질에 대한 산소발생특성을 나타낸 그래프이다.9A is an X-ray diffraction chart of the perovskite material according to Production Examples 7 to 10 and Comparative Example 2, FIG. 9B is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the perovskite material according to Production Example 1, Production Examples 7 to 10, FIG. 2 is a graph showing oxygen generation characteristics for a perovskite material according to the present invention. FIG.

도 9a를 참조하면, 제조예들 7 내지 10에 따른 페로브스카이트 물질은 조성에 따라 특히 제조예 9와 제조예 10에 따른 물질의 경우 단일상 형성이 잘 이루어지지 않은 것을 알 수 있다Referring to FIG. 9A, it can be seen that the perovskite materials according to Production Examples 7 to 10, especially the materials according to Production Example 9 and Production Example 10, do not form a single phase uniformly depending on the composition

또한, 도 9b를 참조하면, 제조예들 7 내지 10에 따른 페로브스카이트 물질은 비교예 2에 따른 이중층 페로브스카이트 물질과 유사하거나(제조예 8 및 제조에 10) 또는 이보다 낮은(제조예 7 및 제조예 9) 산소발생특성을 나타내었다. 반면, 제조예 1에 따른 페로브스카이트 물질은 삼중층 페로브스카이트가 단일상으로 형성되었으며(도 3), 산소발생특성이 이중층 페로브스카이트 물질보다 매우 우수한 것으로 나타났다(도 5a).9B, the perovskite materials according to Production Examples 7 to 10 are similar to the double layer perovskite materials according to Comparative Example 2 (Production Example 8 and Production Example 10) or lower (Production Example 7 and Production Example 9). On the other hand, the perovskite material according to Preparation Example 1 was formed into a single phase of a triple layer perovskite (FIG. 3), and oxygen generation characteristics were superior to double layer perovskite materials (FIG. 5A).

이러한 결과로부터, 란탄계 금속과 알칼리토금속의 비율이 1.5:1.5인 경우에 삼중층 페로브스카이트 구조를 형성하는 것에 유리하며 또한, 산소발생특성이 우수한 것을 알 수 있다.From these results, it is found that when the ratio of the lanthanide metal and the alkaline earth metal is 1.5: 1.5, it is advantageous to form a triple-layered perovskite structure and excellent oxygen generating property.

<제조예 11 : 프로톤 전도성 고체산화물 전기화학소자>PREPARATION EXAMPLE 11 Proton Conducting Solid Oxide Electrochemical Device [

65 wt% NiO와 프로톤 전도체인 35 wt% Ba1Zr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ, 바인더 및 가소제를 기계적으로 혼합하여 테이프 캐스팅 방법을 사용하여 직경 25mm, 두께 1mm의 원형의 연료전극를 형성하고, 900℃에서 가소결(pre-sintering)을 실시하였다. 미리 준비된 프로톤 전도체인 Ba1Zr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ 슬러리를 상기 연료전극의 한쪽 면에 3회 코팅을 하고, 1450℃에서 4시간 동안 공소결(co-firing)을 통해 직경 20mm, 두께 0.75mm의 반쪽전지를 제조했다. 공기전극은 제조예 1에 따른 삼중층 페로브스카이트 물질인 Nd1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ와 NDC를 1:1 질량비로 계량한 후 알파-터피네올(alpha-terpineol), 다이-n-부틸 프탈레이트(Di-n butyl phthalate), 및 폴리비닐 부티랄(Polyvinyl butyral)의 혼합용매에 혼합한 후 반쪽전지의 전해질위에 도포(반응면적: 0.2827 cm2)하여 형성하였다. 그 이후 950℃에서 2시간 동안 열처리를 통해 버튼 형태의 단위소자를 완성하였다. 65 wt% NiO and a proton conductor, 35 wt% Ba 1 Zr 0.1 Ce 0.7 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ , a binder and a plasticizer were mechanically mixed to prepare a round fuel electrode having a diameter of 25 mm and a thickness of 1 mm And pre-sintering was performed at 900 ° C. A slurry of Ba 1 Zr 0.1 Ce 0.7 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ , which is a prepared proton conductor, was coated on one side of the fuel electrode three times and co-fired at 1450 ° C for 4 hours to form a diameter A half-cell having a thickness of 20 mm and a thickness of 0.75 mm was produced. The air electrode was prepared by weighing Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeMnO 9-δ , which is a triple-layered perovskite material according to Production Example 1, and NDC in a mass ratio of 1: 1, followed by alpha-terpineol, Di-n butyl phthalate, and polyvinyl butyral, and then coated on the electrolyte of the half-cell (reaction area: 0.2827 cm 2 ). Thereafter, a button-shaped unit device was completed through heat treatment at 950 ° C for 2 hours.

<제조예 12 : 산소이온 전도성 고체산화물 전기화학소자>PREPARATION EXAMPLE 12 Oxygen Ion Conducting Solid Oxide Electrochemical Device [

65 wt% NiO와 산소이온 전도체인 35 wt% NDC(neodymium-doped ceria, Nd0.1Ce0.9O2-δ), 바인더 및 가소제를 기계적으로 혼합하여 테이프 캐스팅 방법을 사용하여 직경 25mm, 두께 1mm의 원형의 연료전극를 형성하고, 900℃에서 가소결(pre-sintering)을 실시하였다. 미리 준비된 산소이온 전도성 NDC 전해질 슬러리를 상기 연료전극의 한쪽 면에 3회 코팅을 하고, 1550℃에서 4시간 동안 공소결(co-firing)을 통해 직경 20mm, 두께 0.75mm의 반쪽전지를 제조했다. 공기전극은 제조예 1에 따른 삼중층 페로브스카이트 물질인 Nd1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ와 NDC를 1:1 질량비로 계량한 후 알파-터피네올(alpha-terpineol), 다이-n-부틸 프탈레이트(Di-n butyl phthalate), 및 폴리비닐 부티랄(Polyvinyl butyral)의 혼합용매에 혼합한 후 반쪽전지의 전해질위에 도포(반응면적: 0.2827 cm2)하여 형성하였다. 그 이후 950℃에서 2시간 동안 열처리를 통해 버튼 형태의 단위소자를 완성하였다. A mixture of 65 wt% NiO and 35 wt% NDC (neodymium-doped ceria, Nd 0.1 Ce 0.9 O 2-δ ), a binder and a plasticizer were mechanically mixed to form a circular shape with a diameter of 25 mm and a thickness of 1 mm And pre-sintering was performed at 900 占 폚. A pre-prepared oxygen ion conductive NDC electrolyte slurry was coated on one side of the fuel electrode three times and co-fired at 1550 占 폚 for 4 hours to produce a 20 mm diameter, 0.75 mm thick half-cell. The air electrode was prepared by weighing Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeMnO 9-δ , which is a triple-layered perovskite material according to Production Example 1, and NDC in a mass ratio of 1: 1, followed by alpha-terpineol, Di-n butyl phthalate, and polyvinyl butyral, and then coated on the electrolyte of the half-cell (reaction area: 0.2827 cm 2 ). Thereafter, a button-shaped unit device was completed through heat treatment at 950 ° C for 2 hours.

<운전예 : 고체산화물 전기화학소자의 운전><Operation example: Operation of solid oxide electrochemical device>

제조예 11 또는 12에서 제조된 단위소자를 반응기에 위치시키고, 연료전극과 공기전극 사이의 산소분압차를 유지하기 위해 실링제로 마감하였다. The unit devices prepared in Production Example 11 or 12 were placed in a reactor and closed with a sealing agent to maintain the oxygen partial pressure difference between the fuel electrode and the air electrode.

연료전지 모드 운전은 작동온도 650℃에서 연료전극으로 수소를 200sccm의 유량으로, 또한 공기전극으로 공기를 200sccm의 유량으로 공급하는 조건에서 수행되었다.The fuel cell mode operation was performed under the conditions of supplying hydrogen at a flow rate of 200 sccm to the fuel electrode at an operating temperature of 650 ° C and air at a flow rate of 200 sccm to the air electrode.

또한, 물분해 모드 운전은 작동온도 650℃에서 연료전극으로 수소를 25sccm의 유량으로, 또한 공기전극으로 가습된 공기를 200sccm의 유량으로 공급하는 조건에서 수행되었다.The water decomposition mode operation was performed under the condition that hydrogen was supplied at a flow rate of 25 sccm to the fuel electrode at an operating temperature of 650 ° C, and air humidified to the air electrode was supplied at a flow rate of 200 sccm.

이에 더하여, 순환 운전 모드는 상기 연료전지 모드 운전을 약 20 시간 동안 수행한 뒤, 상기 물분해 모드 운전을 약 2 시간 동안 수행하는 것을 1 사이클로 하여 총 4사이클 진행하였다.In addition, in the circulation operation mode, the fuel cell mode operation was performed for about 20 hours, and then the water decomposition mode operation was performed for about 2 hours.

도 10은 제조예 11에 따라 제조된 전기화학소자를 연료전지 모드로 운전시키면서 얻은 I-V (a)와 전기화학 임피던스(b) 특성을 나타낸 그래프이다. 10 is a graph showing I-V (a) and electrochemical impedance (b) characteristics obtained by operating an electrochemical device manufactured according to Production Example 11 in a fuel cell mode.

도 10을 참조하면, 최대출력밀도는 약 560 mWcm-2으로 기존 프로톤 전도성 연료전지에 비해 높은 성능을 나타내었다. 이는 공기전극에 사용된 삼중층 페로브스카이트가 많은 산소 결핍을 가지기 때문에 산소 분자의 이동이 원활해진 결과, 전기화학적 특성이 향상된 것으로 판단되었다.Referring to FIG. 10, the maximum output density was about 560 mWcm -2 , which is higher than that of the conventional proton conductive fuel cell. This is because the triple layer perovskite used in the air electrode has a large amount of oxygen deficiency, so that the movement of oxygen molecules is smooth and the electrochemical characteristics are improved.

도 11은 제조예 11에 따라 제조된 전기화학소자를 연료전지 모드와 물분해 모드로 운전시키면서 얻은 I-V 특성을 나타낸 그래프이다.11 is a graph showing I-V characteristics obtained by operating an electrochemical device manufactured according to Production Example 11 in a fuel cell mode and a water decomposition mode.

도 11을 참조하면, 본 실험예에 따른 전기화학소자는 공기전극에서 산소 환원 반응이 일어나는 연료전지 모드(fuel cell mode)와 산소 발생 반응이 일어나는 물분해 모드 즉 전기분해 모드(electrolysis mode)를 모두 수행할 수 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 11, the electrochemical device according to the present experimental example includes both a fuel cell mode in which an oxygen reduction reaction occurs in the air electrode and a water decomposition mode, that is, an electrolysis mode in which an oxygen generation reaction occurs Can be performed.

도 12는 제조예 11에 따라 제조된 전기화학소자를 순환 운전 모드로 운전시키면서 얻은 운전 시간에 따른 전압을 나타낸 그래프이다.12 is a graph showing a voltage according to an operation time obtained while the electrochemical device manufactured according to Production Example 11 is operated in a circulating operation mode.

도 12를 참조하면, 제조예 11에 따라 제조된 전기화학소자는 약 0.8V에서 연료전지 모드로 작동하였고 약 1.2V에서 물분해 모드로 작동하였다. 한편, 종래 물분해 장치는 물분자를 공급하기 위해 높은 수증기 분압(PH2O)을 유지해야 하고, 비교적 높은 전위(V)에서 작동하는 등 비교적 가혹한 환경에서 운전되기 때문에, 이같은 조건에서 열화가 쉽게 발생하는 단일 페로브스카이트를 적용하기 힘들었다. 그러나, 삼중 페로브스카이트 물질을 적용한 제조예 11에 따라 제조된 전기화학소자는 약 100 시간동안의 연료전지 모드와 물분해 모드를 반복하는 운전에서도 더 안정된 거동을 보이는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 12, the electrochemical device manufactured according to Production Example 11 operated in a fuel cell mode at about 0.8 V and operated in a water decomposition mode at about 1.2 V. On the other hand, since the conventional water decomposition apparatus is operated in a relatively harsh environment such as to maintain a high water vapor partial pressure (P H2O ) to supply water molecules and to operate at a relatively high potential (V), deterioration easily occurs It was difficult to apply a single perovskite. However, it can be seen that the electrochemical device manufactured according to Production Example 11 to which the triple perovskite material is applied shows a more stable behavior even in the operation of repeating the fuel cell mode and the water decomposition mode for about 100 hours.

도 13은 제조예 12에 따라 제조된 전기화학소자를 연료전지 모드로 운전시키면서 얻은 I-V (a)와 전기화학 임피던스(b) 특성을 나타낸 그래프이다. 13 is a graph showing I-V (a) and electrochemical impedance (b) characteristics obtained by operating an electrochemical device manufactured according to Production Example 12 in a fuel cell mode.

도 13을 참조하면, 최대출력밀도는 약 1200 mWcm-2으로 매우 높은 성능을 나타내었다. 이는 공기전극에 사용된 삼중층 페로브스카이트가 많은 산소 결핍을 가지기 때문에 산소 분자의 이동이 원활해진 결과, 전기화학적 특성이 크게 향상된 것으로 판단되었다.Referring to FIG. 13, the maximum power density was as high as about 1200 mWcm -2 . This is because the triple layer perovskite used in the air electrode has a large amount of oxygen deficiency, so that the movement of the oxygen molecules is smooth and the electrochemical characteristics are greatly improved.

또한, 도 10과 도 12를 동시 참조하면, 삼중층 페로브스카이트를 프로톤 전도성 고체산화물 전기화학소자와 산소이온 전도성 고체산화물 전기화학소자 모두에 적용할 수 있음을 알 수 있다.10 and 12, it can be seen that the triple layer perovskite can be applied to both the proton conductive solid oxide electrochemical device and the oxygen ion conductive solid oxide electrochemical device.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, This is possible.

Claims (9)

연료전극;
하기 화학식 1로 나타낸 조성을 갖는 삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매를 함유하는 공기극; 및
이들 사이에 배치된 고체 산화물 전해질층을 포함하는 전기화학소자:
[화학식 1]
(Ln3-a1-a2X1 a1X2 a2)d(M1 3-b-cM2 bM3 c)eOf
상기 화학식 1에서,
Ln는 란탄계 원소이고,
X1 및 X2는 Mg, Ca, Sr, 및 Ba로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 금속이고,
M1, M2, 및 M3는 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 금속이고,
a1과 a2의 각각은 0.5≤a1+a2≤2.5를 만족하는 조건에서 0 이상의 값이고,
b와 c의 각각은 0<b+c<3을 만족하는 조건에서 양의 값이고,
d는 0.9 내지 1 사이의 값이고,
e는 0.9 내지 1 사이의 값이며,
f는 7.5 내지 9.5 사이의 값이다.
Fuel electrode;
An air electrode containing a triple layer perovskite cathode catalyst having a composition represented by the following formula (1); And
An electrochemical device comprising a solid oxide electrolyte layer disposed therebetween:
[Chemical Formula 1]
(Ln 3-a1-a2 X 1 X 2 a1 a2) d (M 3 1-bc M 2 b M 3 c) e O f
In Formula 1,
Ln is a lanthanide element,
X 1 and X 2 are different metals selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, and Ba,
M 1 , M 2 and M 3 are different metals selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni,
each of a1 and a2 is a value of 0 or more under the condition that 0.5? a1 + a2? 2.5,
Each of b and c is a positive value in a condition satisfying 0 < b + c < 3,
d is a value between 0.9 and 1,
e is a value between 0.9 and 1,
f is a value between 7.5 and 9.5.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1에서 d는 1, a1과 a2의 합은 1.5, e는 1, b는 1, 및 c는 1일 때, 상기 삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매는 하기 화학식 2로 나타내어지는 전기화학소자:
[화학식 2]
Ln1.5(X1 a3X2 a4)1.5M1M2M3O9-δ
상기 화학식 2에서, Ln, X1, X2, M1, M2, 및 M3는 화학식 1에서 정의한 바와 같고,
a3와 a4의 각각은 a3+a4=1을 만족하는 조건에서 0 내지 1 사이의 값이고,
9-δ는 화학식 1의 f와 같고,δ는 0 내지 1이다.
The method according to claim 1,
Wherein d is 1, the sum of a1 and a2 is 1.5, e is 1, b is 1, and c is 1, the triple-layered perovskite cathode catalyst is represented by the following Chemical Formula 2 :
(2)
Ln 1.5 (X 1 a3 X 2 a4 ) 1.5 M 1 M 2 M 3 O 9-δ
In Formula 2, Ln, X 1 , X 2 , M 1 , M 2 , and M 3 are as defined in Formula 1,
each of a3 and a4 is a value between 0 and 1 under the condition satisfying a3 + a4 = 1,
9-delta is the same as f in formula (1), and delta is 0 to 1.
제2항에 있어서,
상기 화학식 2에서 a3는 1이고 a4는 0일 때, 상기 삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매는 하기 화학식 3으로 나타내어지는 전기화학소자:
[화학식 3]
Ln1.5X1 1.5CoFeM3O9-δ
상기 화학식 3에서, Ln, X1, 및 M3는 화학식 1에서 정의한 바와 같다.
3. The method of claim 2,
Wherein a3 is 1 and a4 is 0 in Formula 2, the triple-layered perovskite cathode catalyst is represented by Formula 3:
(3)
Ln 1.5 X 1 1.5 CoFeM 3 O 9-
In Formula 3, Ln, X 1 , and M 3 are as defined in Formula (1).
제3항에 있어서,
상기 삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매는 Nd1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ, Nd1.5Sr1.5CoFeMnO9-δ, Nd1.5Ca1.5CoFeMnO9-δ, La1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ, Nd1.5Ba1.5CoFeNiO9-δ, 또는 Nd1.5Ba1.5CoFeCuO9-δ인 전기화학소자.
The method of claim 3,
Wherein the triple layer perovskite cathode catalyst comprises at least one of Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeMnO 9- ? , Nd 1.5 Sr 1.5 CoFeMnO 9- ? , Nd 1.5 Ca 1.5 CoFeMnO 9- ? , La 1.5 Ba 1.5 CoFeMnO 9- ? , Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeNiO 9-delta , or Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeCuO 9-delta .
제4항에 있어서,
상기 삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매는 Nd1.5Ba1.5CoFeMnO9-δ인 전기화학소자.
5. The method of claim 4,
Wherein the triple layer perovskite cathode catalyst is Nd 1.5 Ba 1.5 CoFeMnO 9 -δ.
제1항에 있어서,
상기 공기극은 산소 이온 전도체를 더 함유하는 전기화학소자.
The method according to claim 1,
Wherein the air electrode further contains an oxygen ion conductor.
제1항에 있어서,
상기 전해질층은 산소이온 전도성 금속 산화물, 프로톤 전도성 금속 산화물 또는 이들의 혼합물을 함유하는 전기화학소자.
The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte layer contains an oxygen ion conductive metal oxide, a proton conductive metal oxide, or a mixture thereof.
제1항에 있어서,
상기 연료전극은 산소 이온 전도체 또는 프로톤 전도체인 이온 전도체와 촉매 금속을 구비하는 전기화학소자.
The method according to claim 1,
Wherein the fuel electrode comprises an ionic conductor, which is an oxygen ion conductor or a proton conductor, and a catalytic metal.
연료전극, 하기 화학식 1로 나타낸 조성을 갖는 삼중층 페로브스카이트 공기극 촉매를 함유하는 공기극, 및 이들 사이에 배치된 고체 산화물 전해질층을 포함하는 전기화학소자를 제공하는 단계;
상기 연료전극에 연료를 상기 공기극에 공기를 공급하여 전기를 생산하는 연료전지 모드로 상기 전기화학소자를 운전하는 단계; 및
상기 연료전극과 상기 공기극 사이에 전계를 인가하여, 상기 연료전극에서 연료를 생산하는 연료발생 모드로 상기 전기화학소자를 운전하는 단계를 포함하는 전기화학소자 운전방법:
[화학식 1]
(Ln3-a1-a2X1 a1X2 a2)d(M1 3-b-cM2 bM3 c)eOf
상기 화학식 1에서,
Ln는 란탄계 원소이고,
X1 및 X2는 Mg, Ca, Sr, 및 Ba로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 금속이고,
M1, M2, 및 M3는 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 서로 다른 금속이고,
a1과 a2의 각각은 0.5≤a1+a2≤2.5를 만족하는 조건에서 0 이상의 값이고,
b와c의 각각은 0<b+c<3을 만족하는 조건에서 양의 값이고,
d는 0.9 내지 1 사이의 값이고,
e는 0.9 내지 1 사이의 값이며,
f는 7.5 내지 9.5 사이의 값이다.
Providing an electrochemical device comprising a fuel electrode, an air electrode containing a triple-layered perovskite cathode catalyst having a composition represented by Formula 1, and a solid oxide electrolyte layer disposed therebetween;
Operating the electrochemical device in a fuel cell mode in which fuel is supplied to the fuel electrode and air is supplied to the air electrode to produce electricity; And
And operating the electrochemical device in a fuel generating mode for producing fuel in the fuel electrode by applying an electric field between the fuel electrode and the air electrode.
[Chemical Formula 1]
(Ln 3-a1-a2 X 1 X 2 a1 a2) d (M 3 1-bc M 2 b M 3 c) e O f
In Formula 1,
Ln is a lanthanide element,
X 1 and X 2 are different metals selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, and Ba,
M 1 , M 2 and M 3 are different metals selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni,
each of a1 and a2 is a value of 0 or more under the condition that 0.5? a1 + a2? 2.5,
Each of b and c is a positive value in a condition satisfying 0 < b + c < 3,
d is a value between 0.9 and 1,
e is a value between 0.9 and 1,
f is a value between 7.5 and 9.5.
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