KR101905256B1 - Preparation method of electrocatalyst using reduced graphene oxide and prussian blue - Google Patents

Preparation method of electrocatalyst using reduced graphene oxide and prussian blue Download PDF

Info

Publication number
KR101905256B1
KR101905256B1 KR1020160089079A KR20160089079A KR101905256B1 KR 101905256 B1 KR101905256 B1 KR 101905256B1 KR 1020160089079 A KR1020160089079 A KR 1020160089079A KR 20160089079 A KR20160089079 A KR 20160089079A KR 101905256 B1 KR101905256 B1 KR 101905256B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tpdt
rgo
electrocatalyst
mor
electrode
Prior art date
Application number
KR1020160089079A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20180008942A (en
Inventor
김규원
강인학
Original Assignee
인천대학교 산학협력단
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 인천대학교 산학협력단 filed Critical 인천대학교 산학협력단
Priority to KR1020160089079A priority Critical patent/KR101905256B1/en
Publication of KR20180008942A publication Critical patent/KR20180008942A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101905256B1 publication Critical patent/KR101905256B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/06Silicon, titanium, zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
    • B01J21/08Silica
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/18Carbon
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/42Platinum
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/9041Metals or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/92Metals of platinum group
    • H01M4/921Alloys or mixtures with metallic elements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • Y02E60/523
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

본 발명은 환원된 산화그래핀과 프루시안 블루를 이용한 전기 촉매의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극(ITO)에 형성된 아민으로 기능화된 실리케이트 졸-겔 매트릭스 및 환원된 산화그래핀의 복합체(TPDT-RGO composite) 상에, 프루시안 블루(PB) 나노구조를 정전기적 상호작용에 의해 인시츄(In situ) 성장시키고, 그 위에 백금(Pt) 나노구조를 전착시켜 RGO-PB/Pt 구조의 전기 촉매를 제조함으로써, 메탄올 연료 전지 등의 전기 촉매로 사용시 메탄올 산화 반응(MOR)에 대해 상승적인 전기화학적 촉매 활성과 높은 안정성을 구현할 수 있는, 환원된 산화그래핀 상에의 프루시안 블루와 백금의 성장 및 이것의 메탄올 연료 전지 전기 촉매로의 활용에 관한 것이다.The present invention relates to a method of preparing an electrocatalyst using reduced oxidized graphene and prussian blue, and more particularly, to a method for producing an electrocatalyst using a reduced oxide graphene gel and a reduced oxidized graphene complex (PB) nanostructures were deposited in situ on a PtDT-RGO composite by electrostatic interactions and electroplated on the Pt nanostructures to form RGO-PB / Pt structures (MOR) when used as an electrocatalyst such as a methanol fuel cell and the like, which can realize a synergistic electrochemical catalytic activity and high stability when used as an electrocatalyst such as a methanol fuel cell, Platinum growth and its application to methanol fuel cell electrocatalysts.

Description

환원된 산화그래핀과 프루시안 블루를 이용한 전기 촉매의 제조방법{PREPARATION METHOD OF ELECTROCATALYST USING REDUCED GRAPHENE OXIDE AND PRUSSIAN BLUE}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing an electrocatalyst using reduced graphene oxide and prussian blue,

본 발명은 환원된 산화그래핀과 프루시안 블루를 이용한 전기 촉매의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극(ITO)에 형성된 아민으로 기능화된 실리케이트 졸-겔 매트릭스 및 환원된 산화그래핀의 복합체(TPDT-RGO composite) 상에, 프루시안 블루(PB) 나노구조를 정전기적 상호작용에 의해 인시츄(In situ) 성장시키고, 그 위에 백금(Pt) 나노구조를 전착시켜 RGO-PB/Pt 구조의 전기 촉매를 제조함으로써, 메탄올 연료 전지 등의 전기 촉매로 사용시 메탄올 산화 반응(MOR)에 대해 상승적인 전기화학적 촉매 활성과 높은 안정성을 구현할 수 있는, 환원된 산화그래핀 상에의 프루시안 블루와 백금의 성장 및 이것의 메탄올 연료 전지 전기 촉매로의 활용에 관한 것이다.The present invention relates to a method of preparing an electrocatalyst using reduced oxidized graphene and prussian blue, and more particularly, to a method for producing an electrocatalyst using a reduced oxide graphene gel and a reduced oxidized graphene complex (PB) nanostructures were deposited in situ on a PtDT-RGO composite by electrostatic interactions and electroplated on the Pt nanostructures to form RGO-PB / Pt structures (MOR) when used as an electrocatalyst such as a methanol fuel cell and the like, which can realize a synergistic electrochemical catalytic activity and high stability when used as an electrocatalyst such as a methanol fuel cell, Platinum growth and its application to methanol fuel cell electrocatalysts.

프루시안 블루(PB)는 전기화학적 바이오센서에서 매개체로 널리 사용되며, 전기화학적 촉매 활성, 안정성, 다공성 및 낮은 포텐셜에서 분석 물질에 대한 선택성이 높아 생물학적으로 중요한 전기화학적 연구용 인조 페록시다아제로 통상 지칭되고 있다. 또한 최근 다수의 분야, 특히 전기변색 소자, 촉매작용 및 센서 관련 분야에서 PB-기반 나노컴포짓에 대한 광범위한 연구가 착수된 바 있다.Prussian blue (PB) is widely used as an intermediary in electrochemical biosensors, and has high selectivity for analytes in electrochemical catalytic activity, stability, porosity and low potential. It is a biologically important synthetic electrophilic peroxidase . In addition, extensive research into PB-based nanocomposites has recently been undertaken in a number of fields, particularly electrochromic devices, catalysis and sensor related fields.

다수의 적용예 중에서, PB에 기초한 실용 소자의 제작은 특히 매력적인 분야로 여겨지고 있다. 이러한 소자를 위해서는, PB 나노입자(NPs)를 고정화할 수 있는 안정한 활성 지지체가 필요하다.Among many applications, the production of practical devices based on PB is considered to be particularly attractive. For such devices, there is a need for a stable active support capable of immobilizing PB nanoparticles (NPs).

PB는 보통 Fe3 +를 [Fe( II )(CN)6]4-와 혼합하거나 Fe2 +를 [Fe( III )(CN)6]3-(FC)와 혼합하여 합성되며, 그 결과 불용성의 진한 청색 콜로이드가 얻어진다. 또한 과잉의 지지 전해질 존재 하에 음이온 및 양이온을 함유하는 전해질로부터 다양한 기판 위에 PB를 전착(Electrodeposition)하는 방법도 보고되어 있다. 그러나 전술한 반응은 PB의 용해도 곱 상수(K sp = 3.3 × 10-41)가 작아 너무 빨리 진행되고, 그 결과 PB의 모폴로지 및 크기를 쉽게 조절할 수 없다.PB is usually the Fe 3 + [Fe (II) (CN) 6] 4- and mixed, or a Fe 2 + [Fe (III) (CN) 6] is synthesized by mixing the 3- (FC), resulting insoluble Of deep blue colloid is obtained. There has also been reported a method of electrodepositioning PB on various substrates from an electrolyte containing anions and cations in the presence of excess supporting electrolyte. However, the above-mentioned reaction proceeds too quickly due to the small solubility constant ( K sp = 3.3 × 10 -41 ) of PB, and as a result, the morphology and size of PB can not be easily controlled.

그래핀(GR)은 전자전달 반응을 촉진하는 능력이 있고 2D 전기 전도성 및 표면적이 크며 비용이 낮아 전기화학을 위한 이상적인 소재로 부각되고 있다. 또한 GR의 기능성 탐구를 위한 GR 나노컴포짓 제작에 대해 많은 관심이 쏠리고 있다. 구체적으로 백금(Pt) 및 PB 나노구조(NSs)를 GR 표면에 고정하면 촉매 및 센서 분야에 유리하게 적용할 수 있다.Graphene (GR) has been shown to be an ideal material for electrochemistry because of its ability to accelerate electron transfer reactions, its high 2D electrical conductivity and surface area, and low cost. There is also a growing interest in GR nano-composites for exploring the functionality of GR. Specifically, platinum (Pt) and PB nanostructures (NSs) are fixed on the GR surface, which can be advantageously applied to catalysts and sensors.

지금까지, 다수의 GR-PB, GR-Pt 및 GR-PB-Pt 나노컴포짓이 촉매작용 및 센서 연구에 사용되어 왔다. 예를 들어 Wang 등은 메탄올 산화 반응(Methanol oxidation reaction; MOR)용 전기 촉매 소재로서 GR-PB-Pt 나노컴포짓이 GR-Pt 나노컴포짓보다 더욱 우수한 성능을 나타낸다고 밝힌 바 있다.To date, numerous GR-PB, GR-Pt and GR-PB-Pt nanocomposites have been used for catalysis and sensor research. For example, Wang et al. Have reported that GR-PB-Pt nanocomposite, as an electrocatalytic material for methanol oxidation reaction (MOR), performs better than GR-Pt nanocomposite.

한편, 기존 화석 연료가 고갈되고 환경오염이 빠르게 진행되면서 대체 전력원이 필요한 상황이며, 특히 직접 메탄올 연료 전지(Direct methanol fuel cell; DMFC)는 메탄올의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 소자로서 환경 친화적이라는 장점이 있다. 그러나 고-비용 및 CO 피독으로 인해 다결정 Pt 전극을 DMFC에 적용하는 데에는 한계가 있다.In particular, direct methanol fuel cell (DMFC) is a device that converts the chemical energy of methanol into electrical energy. It is environmentally friendly. . However, due to high cost and CO poisoning, application of polycrystalline Pt electrode to DMFC is limited.

따라서, 나노스케일 수준에서 Pt를 이용하여 저-비용, 조절된 조성 및 조직화된 필름 모폴로지로 다양한 소재를 혼성화하는 방법이 큰 관심을 모으고 있으며, 이 경우 얻어지는 나노컴포짓은 기존과 다른 새로운 특성을 갖게 된다.Therefore, a method of hybridizing various materials with low-cost, controlled composition and structured film morphology using Pt at the nanoscale level has attracted great attention, and the resulting nanocomposite has a new characteristic .

요컨대, 특별한 전기 촉매 특성을 갖는 환원된 산화 그래핀(Reduced graphene oxide; RGO) 및 PB의 나노컴포짓을 경제적으로 손쉽게 제조하는 것은 여전히 중요한 이슈가 되고 있다.In short, it is still an important issue to economically and easily manufacture nanocomposites of reduced graphene oxide (RGO) and PB with special electrocatalytic properties.

de Tacconi, N. R.; Rajeshwar, K.; Lezna, R. O. Metal Hexacyanoferrates: Electrosynthesis, in Situ Characterization, and Applications. Chem. Mater. 2003, 15, 3046-3062.de Tacconi, N. R .; Rajeshwar, K .; Lezna, R. O. Metal Hexacyanoferrates: Electrosynthesis, in Situ Characterization, and Applications. Chem. Mater. 2003, 15, 3046-3062.

본 발명은 상기와 같은 종래의 요구를 충족시키기 위한 것으로, 환원된 산화그래핀과 프루시안 블루를 이용한 전기 촉매의 제조방법 및 이를 통해 제조된 전기 촉매의 용도를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and an object of the present invention is to provide a method for producing an electrocatalyst using reduced oxidized graphene and prussian blue, and the use of the electrocatalyst prepared thereby.

구체적으로, 본 발명자들은 예의 연구를 거듭한 결과, 표면 흡수된 FC 및 Fe2+ 이온 간의 정전기적 상호작용을 통해 아민으로 기능화된 실리케이트 졸-겔 매트릭스(TPDT)-RGO 복합체에 PB NSs를 인시츄(In situ) 성장시킨 후, Pt NPs를 전착시켜 RGO-PB/Pt 촉매를 제조할 수 있었다.Specifically, the present inventors have conducted intensive studies and have found that PB NSs can be added to silicate sol-gel matrix (TPDT) -RGO complex functionalized with an amine through electrostatic interactions between surface-absorbed FC and Fe 2+ ions. The Pt / Pt catalyst was prepared by electrodeposition of Pt NPs after in situ growth.

이처럼 제조된 RGO-PB/Pt 촉매는 MOR에 대해 상승적인 전기화학적 촉매 활성을 나타내었으며, RGO 표면에서 PB NSs의 성장 및 안정성과 관련된 이슈들을 상당 부분 해소할 수 있었다.The RGO-PB / Pt catalyst thus produced exhibited synergistic electrochemical catalytic activity against MOR and was able to largely resolve issues related to the growth and stability of PB NSs on the RGO surface.

또한, 전기화학적 침착(Electrochemical deposition) 및 공침(Coprecipitation)에 의해 제조된 PB NSs의 경우 그 구조가 적절히 제어될 수 없는 반면, 정전기적 상호작용을 통한 PB NSs의 성장은 이러한 문제를 해결할 수 있어 고밀도의 균일한 PB NSs 제조가 가능함을 확인하였다.In addition, while the structure of PB NSs prepared by electrochemical deposition and coprecipitation can not be properly controlled, the growth of PB NSs through electrostatic interactions can solve this problem, It is possible to produce uniform PB NSs.

또한, TPDT 및 PB NSs의 다공성 성질과 RGO 및 Pt NPs를 상호연결하는 PB NSs 고유의 촉매 특성으로 인해 상승적인 전기 촉매 효과를 구현할 수 있었다.In addition, a synergistic electrocatalytic effect could be achieved due to the inherent catalytic properties of PB NSs interconnecting the porous nature of TPDT and PB NSs with RGO and Pt NPs.

상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은In order to achieve the above object,

a) 전극 상에, 아민으로 기능화된 실리케이트 졸-겔 매트릭스(TPDT) 및 환원된 산화그래핀(RGO)의 복합체(TPDT-RGO) 층을 형성하는 단계;a) forming a complex (TPDT-RGO) layer of an amine functionalized silicate sol-gel matrix (TPDT) and reduced oxidized graphene (RGO) on the electrode;

b) 상기 TPDT-RGO 층 상에, [Fe(CN)6]3-(FC) 및 Fe2 + 간의 정전기적 상호작용을 통해 프루시안 블루(PB) 나노구조를 인시츄(In situ) 성장시키는 단계; 및b) on the TPDT-RGO layer, [Fe (CN) 6] 3- (FC) and through the electrostatic interaction between Fe 2 + prussian blue (PB) of the nanostructures in situ (In situ) to be grown step; And

c) 상기 PB 나노구조 상에, 백금(Pt) 나노구조를 형성하는 단계;를 포함하는,c) forming a platinum (Pt) nanostructure on the PB nanostructure.

환원된 산화그래핀과 프루시안 블루를 이용한 전기 촉매의 제조방법을 제공한다.A method for producing an electrocatalyst using reduced oxidized graphene and prussian blue is provided.

즉, 본 발명은 TPDT 및 페리시아나이드(FC) 이온 간의 비가역적인 정전기적 인력과 FC 및 Fe2 + 간의 정전기적 상호작용을 통해, 아민-기능화 실리케이트 졸-겔 매트릭스(TPDT)-RGO 복합체에 프루시안 블루 나노구조(PB NSs)를 손쉽게 인시츄(In situ) 성장시키고, 이처럼 형성된 ITO/TPDT-RGO-PB 전극 위에 Pt 나노구조 전착시켜 RGO/PB/Pt 촉매를 제조하는 방법에 관한 것이다.That is, the present invention relates to an amine-functionalized silicate sol-gel matrix (TPDT) -RGO complex through electrostatic interactions between FC and Fe 2 + with irreversible electrostatic attraction between TPDT and ferricyanide (FC) PB / Pt catalyst by easily depositing Lu nanoclusters (PB NSs) in situ and electrodepositing Pt nanostructures onto the thus formed ITO / TPDT-RGO-PB electrodes.

본 발명은 RGO 층 상호연결에 의해 PB NSs가 인시츄(In situ) 성장되고, 그 결과 3D 케이지-형(Cage-like) 다공성 나노구조를 형성하게 되는 점에서 중요성을 지니며, RGO의 존재 하에서 PB는 높은 작동 안정성을 나타내었다.The present invention is of importance in that PB NSs are grown in situ by RGO layer interconnection and as a result form a 3D cage-like porous nanostructure, and in the presence of RGO PB showed high operating stability.

또한, 본 발명에 따라 개질된 전극을 FESEM, EDAX, XRD, XPS 및 전기화학적 기법에 의해 특성화하였으며, 본 발명에 따라 제조된 RGO/PB/Pt 촉매는 메탄올 산화 반응에 대해 상승적인 전기화학적 촉매 활성과 높은 안정성을 나타내었다. 이는 Pt 나노구조와 더불어, TPDT 및 PB의 다공성 성질과 RGO와 상호연결된 PB 특유의 전자전달 매개 거동이 메탄올 산화에 대한 전기화학적 촉매 활성에 대해 시너지 효과를 부여한 것으로 여겨진다.Further, the electrode modified according to the present invention was characterized by FESEM, EDAX, XRD, XPS and electrochemical techniques. The RGO / PB / Pt catalyst prepared according to the present invention had a synergistic electrochemical catalytic activity And high stability. It is believed that, along with the Pt nanostructures, the porous nature of TPDT and PB and the PB-specific electron transfer mediator interaction with RGO give synergistic effects on the electrochemical catalytic activity for methanol oxidation.

본 발명에 따라 제조된 전기 촉매는 메탄올 산화 반응(MOR)에 대해 우수한 촉매 성능과 높은 안정성을 나타낸다.The electrocatalyst prepared according to the present invention shows excellent catalytic performance and high stability against methanol oxidation reaction (MOR).

본 발명에 따른 RGO, 금속 헥사시아노철산염 및 금속 나노구조의 나노컴포짓은 그 특유의 특징으로 인해 메탄올 연료 전지는 물론 각종 센서 및 에너지 관련 분야에도 적용될 수 있다.The nanocomposites of RGO, metal hexacyano iron salts and metal nanostructures according to the present invention can be applied not only to methanol fuel cells but also to various sensors and energy related fields due to their unique characteristics.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO/TPDT-RGO-PB/Pt 전극의 제작 과정을 보여주는 개략도이다.
도 2는 (A,B) ITO/TPDT-PB 전극의 SEM 이미지; (C,D) ITO/TPDT-RGO-PB 전극의 SEM 이미지; (E) ITO/TPDT-RGO-PB 전극의 EDAX 분석 결과;이다.
도 3은 (A,D) ITO/TPDT-PB/Pt 전극의 SEM 이미지; (B,E) ITO/TPDT-RGO-PB/Pt 전극의 SEM 이미지; (C,F) ITO/TPDT-RGO/Pt 전극의 SEM 이미지; (G) ITO/TPDT-RGO-PB/Pt 전극의 EDAX 분석 결과;이다.
도 4는 (a) ITO/TPDT-PB, (b) ITO/TPDT-RGO-PB, (c) ITO/Pt, (d) ITO/TPDT-PB/Pt), (e) ITO/TPDT-RGO-PB/Pt 전극의 XRD 패턴이다.
도 5는 (a) ITO/TPDT-PB, (b) ITO/TPDT-RGO-PB, (c) ITO/TPDT-PB/Pt, (d) ITO/TPDT-RGO-PB/Pt 전극의 XPS 스펙트럼을 비교한 것이다.
도 6은 (A,C,E) ITO/TPDT-PB 전극 및 (B,D,F) ITO/TPDT-RGO-PB 전극의 (A,B) C 1s, (C,D) Fe 2p 및 (E,F) N 1s 스펙트럼을 비교한 것이다.
도 7은 (A,C,E,G) ITO/TPDT-PB/Pt 전극 및 (B,D,F,H) ITO/TPDT-RGO-PB/Pt 전극의 (A,B) C 1s, (C,D) Fe 2p, (E,F) Pt 4f 및 (G,H) N 1s를 비교한 것이다.
도 8은 (A) ITO/TPDT-FC, (B) ITO/TPDT-PB 및 (C) ITO/TPDT-RGO-PB 전극의 연속적 CVs(* 0.1 M KCl, 스캔 속도 100 mV/s); (D) (a) ITO/TPDT-FC, (b) ITO/TPDT-PB 및 (c) ITO/TPDT-RGO-PB 전극의 CVs를 비교한 것(* 0.1 M KCl, 스캔 속도 100 mV/s, 50 포텐셜 사이클 후);이다.
도 9는 (A) 0.5 M H2SO4 + 스캔 속도 50 mV/s 및 (B) 0.5 M H2SO4 내 1 M CH3OH + 스캔 속도 20 mV/s에서, (a) ITO/Pt, (b) ITO/TPDT-Pt, (c) ITO/TPDT-RGO-Pt, (d) ITO/TPDT-PB/Pt 및 (e) ITO/TPDT-RGO-PB/Pt 전극의 CVs; (C) (a) ITO/TPDT-PB, (b) A(b) 및 (c) A(d) 전극의 CVs(* 0.5 M H2SO4 내 1 M CH3OH + 스캔 속도 20 mV/s); (D) (a) ITO/TPDT-RGO-PB, (b) A(c) 및 (c) A(e) 전극의 CVs(* 0.5 M H2SO4 내 1 M CH3OH + 스캔 속도 20 mV/s); (E) (a) CH3OH 부존재시 및 (b) 0.5 M H2SO4 내 1 M CH3OH 존재시 A(e) 전극의 CVs(* 스캔 속도 20 mV/s); (F) 인가 포텐셜 0.7 V에서 0.5 M H2SO4 내 1 M CH3OH에 대해 관찰된 전류계(Amperometric) i-t 곡선;이다.
도 10은 (A) 다양한 스캔 속도(10, 20, 50, 75, 100, 150, 200 및 250 mV/s)에서 ITO/TPDT-RGO-PB/Pt 전극의 CVs(* 0.5 M H2SO4 내 1 M CH3OH); (B) log j 및 log (ν)의 대응관계; (C) 피크 포텐셜 E p vs. log(ν)의 대응관계;이다.
도 11은 ITO/TPDT-RGO-PB/Pt 전극에서의 MOR을 보여주는 개략도이다.
FIG. 1 is a schematic view showing a manufacturing process of an ITO / TPDT-RGO-PB / Pt electrode according to an embodiment of the present invention.
2 is a SEM image of (A, B) ITO / TPDT-PB electrodes; SEM image of (C, D) ITO / TPDT-RGO-PB electrodes; (E) EDAX analysis results of ITO / TPDT-RGO-PB electrodes.
3 is a SEM image of (A, D) ITO / TPDT-PB / Pt electrodes; (B, E) SEM image of ITO / TPDT-RGO-PB / Pt electrode; (C, F) SEM image of ITO / TPDT-RGO / Pt electrode; (G) ITO / TPDT-RGO-PB / Pt electrodes.
(B) ITO / TPDT-RGO-PB, (c) ITO / Pt, (d) ITO / TPDT-PB / Pt, -PB / Pt electrode.
Figure 5 shows the XPS spectra of ITO / TPDT-PB / Pt electrode (a) ITO / TPDT-PB, ITO / TPDT-RGO- .
FIG. 6 is a graph showing the relationship between (A, B) C 1s, (C, D) Fe 2p and (B, D) E, F) N 1s spectra of the samples.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between (A, B) C 1s, ((A, B, C, E, G) ITO / TPDT-PB / Pt electrodes and (B, D, F, H) ITO / TPDT-RGO- C, D) Fe 2p, (E, F) Pt 4f and (G, H) N 1s.
Figure 8 shows continuous CVs (* 0.1 M KCl, scan rate 100 mV / s) of ITO / TPDT-FC, ITO / TPDT-PB and ITO / TPDT-RGO-PB electrodes; (D) A comparison of the CVs of ITO / TPDT-FC, ITO / TPDT-PB and ITO / TPDT-RGO-PB electrodes (* 0.1 M KCl, scan rate of 100 mV / s , After 50 potential cycles).
FIG. 9 is a graph showing the relationship between (a) ITO / Pt, ((A)) at (A) 0.5 MH 2 SO 4 + scan rate of 50 mV / s, and (B) 1 M CH 3 OH in 0.5 MH 2 SO 4 + scan rate of 20 mV / (b) ITO / TPDT-Pt, (c) ITO / TPDT-RGO-Pt, (d) ITO / TPDT-PB / Pt and (e) ITO / TPDT-RGO-PB / Pt electrodes; (C) CVs of electrodes (a) ITO / TPDT-PB, b) A (b) and c) A (d) electrodes 1 M CH 3 OH in 0.5 MH 2 SO 4 + scan rate 20 mV / s ); (D) (a) ITO / TPDT-RGO-PB, (b) A (c) and (c) A (e) electrode of the CVs (* 0.5 MH 2 SO 4 in 1 M CH 3 OH + scan rate 20 mV / s); (E) CVs (* scan rate 20 mV / s) of the electrode (a) in the absence of CH 3 OH and (b) in the presence of 1 M CH 3 OH in 0.5 MH 2 SO 4 ; (F) The amperometric it curve observed for 1 M CH 3 OH in 0.5 MH 2 SO 4 at an applied potential of 0.7 V;
10 shows the results of (A) CVs (* 0.5 MH 2 SO 4 ) of ITO / TPDT-RGO-PB / Pt electrodes at various scan rates (10, 20, 50, 75, 100, 150, 200 and 250 mV / s) 1 M CH 3 OH); (B) the corresponding relationship of log j and log ( v ); (C) Peak potential E p . log ( v ) < / RTI >
11 is a schematic view showing the MOR in the ITO / TPDT-RGO-PB / Pt electrode.

이하, 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples. It should be understood, however, that these examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the invention in any way.

실시예Example : : 개질된Reformed 전극의 제조 Manufacture of electrodes

(1) 재료 및 방법(1) Materials and methods

그래파이트(분말 < 20 μm), 염화백금산 6수화물(H2PtCl6) 및 N1-(3-트리메톡시실릴프로필)디에틸렌트리아민(TPDT 제조에 사용되는 실란 모노머)을 Sigma-Aldrich로부터 입수하고, K3[Fe(CN)6], FeSO4 및 MeOH를 DaeJung chemicals로부터 입수하였다.Graphite (powder <20 μm), chloroplatinic acid hexahydrate (H 2 PtCl 6 ) and N 1 - (3-trimethoxysilylpropyl) diethylenetriamine (silane monomer used to make TPDT) were obtained from Sigma-Aldrich And K 3 [Fe (CN) 6 ], FeSO 4 and MeOH were obtained from DaeJung chemicals.

ITO(크기 2×1 cm) 및 그 개질된 형태를 작업전극으로 사용하고, Pt 와이어를 상대전극으로, Ag/AgCl(포화된 KCl 용액 내)을 기준전극으로 사용하였다.ITO (size 2 x 1 cm) and its modified form were used as the working electrode, Pt wire as the counter electrode, and Ag / AgCl (in the saturated KCl solution) as the reference electrode.

모든 전기화학적 실험은 Ivium Technologies 전기화학 워크스테이션을 이용하여 단일구획 3-전극 셀에서 수행하였다.All electrochemical experiments were performed on a single compartment 3-electrode cell using an Ivium Technologies electrochemical workstation.

각 실험에 앞서 질소 가스(N2)를 30분 동안 버블링시켰다.Prior to each experiment, nitrogen gas (N 2 ) was bubbled through for 30 minutes.

(2) (2) TPDTTPDT 실리케이트Silicate 졸-겔 매트릭스의 합성 Synthesis of sol-gel matrix

격렬한 교반 조건 하에서 1 M TPDT 실란 모노머 5 μL를 수용액 10 mL에 첨가하여 균일한 0.5 mM TPDT 용액을 제조하고, 60분 동안 계속 교반하였다.Under vigorous stirring conditions, 5 μL of 1 M TPDT silane monomer was added to 10 mL of aqueous solution to make a homogeneous 0.5 mM TPDT solution and continued stirring for 60 minutes.

(3) (3) RGORGO 나노시트 및  Nanosheet and TPDTTPDT -- RGORGO 복합체의 합성 Synthesis of complex

수정된 Hummers법에 따라 그래파이트로부터 산화그래핀(GO)을 제조하였다. 예를 들어 RGO는 GO에 N2H4, NaOH 또는 NaBH4 환원제를 가한 뒤, 60 ~ 100℃로 2 ~ 6시간 동안 가열하여 환원시킴으로써 합성할 수 있다.Oxide graphene (GO) was prepared from graphite according to the modified Hummers method. For example, RGO may be added to the GO with N 2 H 4 , NaOH or NaBH 4 Adding a reducing agent, and heating at 60 to 100 ° C for 2 to 6 hours for reduction.

RGO 나노시트의 상세한 합성 절차는 "Lu, D.; Lin, S.; Wang, L.; Shi, X.; Wang, C.; Zhang, Y. Synthesis of Cyclodextrin-Reduced Graphene Oxide Hybrid Nanosheets for Sensitivity Enhanced Electrochemical Determination of Diethylstilbestrol. Electrochim . Acta 2012 , 85, 131-138"에서 확인할 수 있다.Detailed synthesis procedures of RGO nanosheets are described in "Lu, D .; Lin, S .; Wang, L .; Shi, X .; Wang, C .; Zhang, Y. Synthesis of Cyclodextrin-Reduced Graphene Oxide Hybrid Nanosheets for Sensitivity Enhanced Electrochemical Determination of Diethylstilbestrol. Electrochim . Acta 2012 , 85, 131-138. &Quot;

즉, GO(2 mg/mL) 20 mL를 2시간 동안 초음파 처리하여 황갈색 분산액을 얻은 후, 반응 혼합물에 아스코르브산(AA) 80 mg을 첨가한 다음, 혼합물을 실온에서 48시간 동안 교반하였다. 얻어진 검정색 분산액을 원심분리하고, 물로 5회 세척한 후, 오븐에서 건조시켰다.That is, after 20 mL of GO (2 mg / mL) was sonicated for 2 hours to obtain a yellowish brown dispersion, 80 mg of ascorbic acid (AA) was added to the reaction mixture, and the mixture was stirred at room temperature for 48 hours. The resulting black dispersion was centrifuged, washed five times with water, and then dried in an oven.

TPDT-RGO 복합체를 제조하기 위해, 1시간 동안 격렬히 교반하면서 RGO(0.1 mg/mL) 앨리쿼트(Aliquots)를 TPDT 용액에 첨가한 후, 얻어진 균일한 용액을 사용시까지 냉장고에 보관하였다.To prepare the TPDT-RGO complex, RGO (0.1 mg / mL) aliquots were added to the TPDT solution with vigorous stirring for 1 hour and the resulting homogeneous solution was stored in the refrigerator until use.

(4) (4) 개질된Reformed 전극의 제작 Manufacture of electrodes

도 1에 도시된 바에 따라 개질된 전극을 제작하였다.The modified electrode was fabricated as shown in Fig.

소정량(50 μL)의 TPDT 또는 TPDT-RGO 용액(0.5 mM to 0.1 mg/mL)을 세척된 ITO 전극 표면 위에 드롭 캐스팅하고, 37℃ 인큐베이터에서 2시간 동안 건조시켰다. 이때 TPDT 필름의 두께는 1 μm로 계산되었다.A predetermined amount (50 μL) of TPDT or TPDT-RGO solution (0.5 mM to 0.1 mg / mL) was drop cast on the surface of the washed ITO electrode and dried in a 37 ° C. incubator for 2 hours. The thickness of the TPDT film was calculated to be 1 μm.

건조된 ITO/TPDT 또는 ITO/TPDT-RGO 전극을 3 mM K3[Fe(CN)6]의 산성 용액(0.01 M HCl)에 60분 동안 침지하고, 꺼낸 뒤 DDW(Double-distilled water)에서 린스하였다.The dried ITO / TPDT or ITO / TPDT-RGO electrode was immersed in an acidic solution (0.01 M HCl) of 3 mM K 3 [Fe (CN) 6 ] for 60 minutes, taken out and rinsed in double- Respectively.

다음 단계로, 3 mM FeSO4 용액에 30분 동안 추가로 침지하고(PB 성장에 따라 전극 표면에서 특징적인 청색이 관찰됨), 꺼낸 뒤 DDW(Double-distilled water)에서 린스한 다음, 실온(25℃)에서 2시간 동안 건조시켰다.The next step was further immersed in 3 mM FeSO 4 solution for 30 min (characteristic blue color was observed on the electrode surface as PB growth), rinsed out in DDW (double-distilled water) Lt; 0 &gt; C) for 2 hours.

제작된 전극은 각각 ITO/TPDT-PB 또는 ITO/TPDT-RGO-PB 전극으로 명명하였다.The electrodes were named ITO / TPDT-PB or ITO / TPDT-RGO-PB, respectively.

이어서, 0.5 M H2SO4 내 3 mM H2PtCl6 전해액에서 -0.2 V(Ag/AgCl)의 포텐셜을 300초 동안 인가하여 Pt NSs를 전착시켰다.Subsequently, 3 mM H 2 PtCl 6 in 0.5 MH 2 SO 4 A potential of -0.2 V (Ag / AgCl) was applied to the electrolyte for 300 seconds to deposit Pt NSs.

제작된 전극은 각각은 ITO/TPDT-PB/Pt 또는 ITO/TPDT-RGO-PB/Pt 전극으로 명명하였다. The prepared electrodes were named ITO / TPDT-PB / Pt or ITO / TPDT-RGO-PB / Pt electrodes, respectively.

전착 과정 중 전류를 모니터하고, 전하량을 사용하여 Pt의 양을 평가하였다.The current was monitored during the electrodeposition process and the amount of Pt was used to evaluate the amount of Pt.

Pt의 질량은 전기화학적 활성 표면적(ECSA)을 계산하고 전류밀도를 플롯하는데 사용되었다.The mass of Pt was used to calculate the electrochemically active surface area (ECSA) and plot the current density.

Pt의 비질량(Specific mass; M)은 전하량 및 하기 식 1을 이용하여 계산하였다. 질량별(Mass-specific) 피크 전류(mA/mgPt)는 다양한 개질 전극에 대해 피크 전류밀도 및 Pt의 비질량을 이용하여 계산하였다:The specific mass (M) of Pt was calculated using the charge amount and the following equation (1). The mass-specific peak current (mA / mg Pt ) was calculated using the peak current density and the specific mass of Pt for the various modified electrodes:

M = Q × MW / (nFA) (1)M = Q x MW / (nFA) (1)

(상기 식에서, M = 전착 후 비질량, Q = 전착에 소요된 전하량, MW = Pt의 분자량, n = 전착을 위해 전달된 전자의 수, F = 패러데이 상수, A = 전극("O" 링) 의 기하학적 면적(0.44 cm2)).F = Faraday's constant, A = electrode ("O" ring), M = number of electrons transferred for electrodeposition, M = number of electrons transferred for electrodeposition, (0.44 cm &lt; 2 &gt;)).

(5) 전기화학적 연구 방법(5) Electrochemical research method

순환전압전류법(CV)(* 조건: 0.1 M KCl, -0.2 ~ 1.3 V)을 이용하여 PB의 산화환원 거동을 확인하였다.The redox behavior of PB was confirmed by cyclic voltammetry (CV) (condition: 0.1 M KCl, -0.2 ~ 1.3 V).

개질된 전극의 ECSA는 수소 흡착/탈착 곡선으로부터 계산하였다(* 기록 조건: 0.5 M H2SO4 용액(질소로 포화), 스캔 속도 50 mV/s, -0.2 ~ 1.3 V).The ECSA of the reformed electrode was calculated from the hydrogen adsorption / desorption curve. (Recording conditions: 0.5 MH 2 SO 4 solution (saturated with nitrogen), scan rate 50 mV / s, -0.2-1.3 V).

촉매의 MOR에 대한 전기 촉매 성능은 순환전압전류(CV)를 기록하여 연구하였다(* 조건: 1 M CH3OH + 0.5 M H2SO4 용액, 스캔 속도 20 mV/s, 0 ~ 0.9 V)(* Condition: 1 M CH 3 OH + 0.5 MH 2 SO 4 solution, scan rate 20 mV / s, 0 ~ 0.9 V) was investigated by recording the cyclic voltammetric (CV)

촉매의 안정성은 전류계 i-t 곡선 기법을 통해 평가하였다(* 인가 포텐셜 0.7 V, 1500초).The stability of the catalyst was evaluated using an ammeter i-t curve technique (* application potential 0.7 V, 1500 sec).

실험예Experimental Example : : 개질된Reformed 전극의 특성 평가 Evaluation of electrode characteristics

(1) (One) 개질된Reformed 전극의  Electrode 모폴로지Morphology 및 특성화 And characterization

실리케이트 졸-겔 매트릭스에 임베딩된 NPs의 합성 및 안정화는 나노미터-크기 입자의 단일-단계 제조 및 균일한 분포라는 장점을 지닌다. 이러한 매트릭스는 용액 및 고체 상 모두에 있어 NPs용 지지체 및 안정제로서 매우 매력적이다. 따라서 본 발명자들은 PB NSs의 인시츄(In situ) 성장을 위한 고체 지지체로서 TPDT를 선택하였다.Synthesis and stabilization of NPs embedded in a silicate sol-gel matrix has the advantage of single-step production and uniform distribution of nanometer-sized particles. These matrices are very attractive as supports and stabilizers for NPs in both solution and solid phase. Therefore, the present inventors selected TPDT as a solid support for in situ growth of PB NSs.

전계방출 주사전자 현미경(FESEM)을 이용하여 다양한 개질된 전극의 모폴로지를 분석하고, 그 결과를 도 2 및 3에 요약하였다.The morphology of the various modified electrodes was analyzed using field emission scanning electron microscopy (FESEM), and the results are summarized in Figures 2 and 3.

도 2A,B에서 뚜렷하게 분포된 ~100 nm 크기의 PB NPs가 관찰된 반면, TPDT-RGO-PB 나노컴포짓에서는 고도로 상호연결된 다공성 3D 케이지-형(Cage-like) NSs가 관찰되었다(도 2C,D).Highly interconnected porous 3D cage-like NSs were observed in the TPDT-RGO-PB nanocomposite, whereas PB NPs of ~100 nm size were clearly distributed in Figures 2A and B (Figure 2C, D ).

이러한 결과는 PB NSs가 RGO 나노시트 표면에 순수하게 부착되고, 그 결과 RGO 나노시트의 양측에 있는 PB NSs와 상호연결된 RGO 층을 형성함을 의미한다.This result implies that the PB NSs are attached to the surface of the RGO nanosheets in a pure manner and as a result form an interconnected RGO layer with the PB NSs on both sides of the RGO nanosheets.

이러한 근접-접촉 및 3D 케이지-형 다공성 구조는 촉매 성능을 향상시키는데 매우 유리하게 작용한다.Such close-contact and 3D cage-like porous structures are very advantageous for improving catalyst performance.

또한, ITO/TPDT-RGO-PB 전극의 EDAX 분석(도 2E)은 전극의 원소 매핑을 요약하여 보여주는데, 여기서 Fe는 전극 표면에 PB가 존재함을 확인시켜 주는 것이다.In addition, the EDAX analysis of the ITO / TPDT-RGO-PB electrode (FIG. 2E) summarizes the element mapping of the electrode, where Fe confirms the presence of PB on the electrode surface.

ITO/TPDT-RGO-PB 전극에 Pt NSs가 전착된 후, 구형의 Pt NPs는 RGO-PB 표면에서 0.1 ~ 2 μm에 이르는 다양한 크기를 나타내었다(도 3B,E).After Pt NSs was electrodeposited on the ITO / TPDT-RGO-PB electrodes, spherical Pt NPs showed varying sizes ranging from 0.1 to 2 μm on the RGO-PB surface (FIG. 3B, E).

한편, ITO/TPDT-RGO-PB/Pt(도 3B,E) 및 ITO/TPDT-RGO-Pt(도 3C,F) 전극에서 Pt NSs의 구조적 특징을 살펴본 결과, PB가 없는 경우 RGO 표면에서 NPs가 불규칙하게 성장되었다.As a result of examining the structural characteristics of Pt NSs in ITO / TPDT-RGO-PB / Pt (FIG. 3B, E) and ITO / TPDT-RGO-Pt (FIG. 3C, F) .

TPDT-PB 및 TPDT-RGO-PB 복합체의 다공성으로 인해 Pt 전구체(PtCl6 2 -)가 스트레스 없이 확산할 수 있고, 그 결과 균일한 구형의 Pt NPs가 성장될 수 있다.Due to the porosity of the TPDT-PB and TPDT-RGO-PB complexes, the Pt precursor (PtCl 6 2 - ) can diffuse without stress, resulting in the growth of uniform spherical Pt NPs.

ITO/TPDT-RGO-PB/Pt 전극의 EDAX 분석 결과(도 3G)는 전극 표면에 PB 및 Pt NPs가 모두 존재함을 확인시켜 준다.The EDAX analysis of the ITO / TPDT-RGO-PB / Pt electrode (Fig. 3G) confirms the presence of both PB and Pt NPs on the electrode surface.

또한, Fe 농도는 Pt NPs 아래에서 더욱 높았는바, 이 또한 다공성 PB NSs에 Pt 전구체가 확산되었음을 뒷받침해주는 것이다.In addition, the Fe concentration was higher under the Pt NPs, which also supports the diffusion of the Pt precursor into the porous PB NSs.

TPDT 및 PB NSs 간의 상호작용은 (+)로 하전된 TPDT(양성자화된 NH3 +에 기인)와 산성 매질 내에 존재하는 (-)로 하전된 FC 이온 간의 정전기적 상호작용이다. TPDT에 존재하는 NH2 그룹의 양성자화(Protonation)는 전극이 FC 이온을 함유하는 산성 용액에 딥핑될 때 발생하였다.The interaction between TPDT and PB NSs is an electrostatic interaction between (+) charged TPDT (due to protonated NH 3 + ) and (-) charged FC ions present in the acidic medium. The protonation of the NH 2 group present in the TPDT occurred when the electrode was dipped into an acidic solution containing FC ions.

다음 단계로, ITO/TPDT-FC 전극이 Fe2 + 이온을 함유하는 용액에 딥핑됨에 따라, TPDT에 임베딩된 PB NSs가 인시츄(In situ) 형성되었다. 청색 관련 PB NSs의 포화 성장은 30분 경과 후에 관찰되었다.In the next step, as the ITO / TPDT-FC electrode was dipped in a solution containing Fe 2 + ions, PB NSs embedded in the TPDT were formed in situ. Saturation growth of blue-related PB NSs was observed after 30 minutes.

ITO/TPDT-FC (a), ITO/TPDT-PB (b) 및 ITO/TPDT-RGO-PB (c) 전극에 대해 기록된 흡수 스펙트럼 결과, 필름 내 PB의 존재에 관한 흡수 밴드가 699 nm에서 관찰되었는바, 이는 Fe( II )로부터 Fe( III )로의 전하 전달에 기인한 것이다.The recorded absorption spectra for the ITO / TPDT-FC (a), ITO / TPDT-PB (b) and ITO / TPDT-RGO-PB As observed, this is due to the charge transfer from Fe ( II ) to Fe ( III ) .

XRD 분석 결과(도 4), 21.5, 27.1, 30.2, 35.2, 45.6, 50.6 및 60.4°에서 관찰된 피크(도 4a,b)는 면심입방(fcc) PB 결정 구조의 (100), (220), (222), (400), (422), (440) 및 (622) 평면에 속하는 것이다.The peaks observed at 21.5, 27.1, 30.2, 35.2, 45.6, 50.6 and 60.4 ° (FIG. 4a, b) of the XRD analysis results (FIG. 4) (222), (400), (422), (440) and (622) planes.

ITO/Pt 개질 전극의 XRD 프로파일(도 4c)은 더욱 샤프한 Pt (111) 피크를 나타내었는바, 이러한 거동은 Pt 로딩이 높고 40.6, 46.9 및 68.2°에서 관찰된 피크가 각각 (111), (200) 및 (220) Pt 평면에 속함을 명확히 보여주는 것이다.The XRD profile (Fig. 4c) of the ITO / Pt modified electrode showed a sharper Pt (111) peak, which is due to the fact that the Pt loading is high and the peaks observed at 40.6, 46.9 and 68.2 deg. ) And (220) Pt planes.

ITO/TPDT-PB/Pt(도 4d) 및 ITO/TPDT-RGO-PB/Pt(도 4e) 전극의 경우, 피크 이동 없이 PB 및 Pt 피크 모두를 명확히 볼 수 있었다.In the case of ITO / TPDT-PB / Pt (FIG. 4d) and ITO / TPDT-RGO-PB / Pt (FIG. 4e) electrodes, both PB and Pt peaks were clearly visible without peak shift.

이러한 결과는 Pt NSs가 PB 표면에 성공적으로 전착되었고 그들의 배향을 보유하며 PB XRD 패턴을 변경시키지 않음을 의미한다.This result implies that the Pt NSs were successfully electrodeposited on the PB surface, retain their orientation and do not alter the PB XRD pattern.

또한, 31.1, 35.9, 51.5 및 61.5°에서 나타난 피크(도 4, 별표 표시)는 ITO 상(JCPDS card number 89-4599)의 (1 2 1), (1 1 3), (1 4 0) 및 (4 2 1) 평면에 속하는 것이었다.In addition, the peaks at 31.1, 35.9, 51.5, and 61.5 ° (FIG. 4, star symbol) are (1 2 1), (1 1 3), (1 4 0) and (4 2 1) plane.

(2) (2) XPSXPS 분석 analysis

제조된 개질 전극의 화학적 조성에 관한 상세한 정보를 확보하기 위해, XPS 스펙트럼을 기록하여 도 5 내지 7에 요약하였다.In order to obtain detailed information on the chemical composition of the prepared reforming electrode, the XPS spectrum was recorded and summarized in Figures 5-7.

서베이 스펙트럼 비교 결과, C, O, N(TPDT-RGO 복합체), Fe(PB) 및 Pt의 존재가 확인되었다.Survey spectrum comparisons confirmed the presence of C, O, N (TPDT-RGO complex), Fe (PB) and Pt.

도 6은 ITO/TPDT-PB(도 6A,C,E) 및 ITO/TPDT-RGO-PB(B,D,F) 전극의 C 1s(A,B), Fe 2p(C,D) 및 N 1s(E,F) 스펙트럼을 요약한 것이다.FIG. 6 is a graph showing the relationship between C 1s (A, B), Fe 2p (C, D) and N (B) of ITO / TPDT-PB (FIG. 6A, C and E) and ITO / TPDT-RGO- 1s (E, F) spectrum.

즉, C 1s 스펙트럼은 C-Si, C-H 및 평면내(In-plane) sp2 탄소(C=C)에 결합된 탄소 원자에 상응하는 3개의 요소로 피팅되었다.That is, the C 1s spectrum was fitted with three elements corresponding to carbon atoms bonded to C-Si, CH and In-plane sp 2 carbon (C = C).

ITO/TPDT-PB(도 6C)의 PB NSs의 경우, FeII2p3/2, FeIII2p3/2 및 FeII2p1/2의 결합에너지가 각각 709.3, 711.6 및 723.4 eV에서 관찰되었다. ITO/TPDT-RGO-PB(도 6D) 전극에서는 FeII2p3/2, FeIII2p3/2, FeII2p1/2 및 FeIII2p1/2의 결합에너지가 각각 709.9, 706.8, 722.9 및 725.9 eV에서 관찰되었는바, 이는 PB NSs의 Fe2 + 및 FC의 존재에 기인한 것이다.In the case of PB NSs of ITO / TPDT-PB (Fig. 6C), the binding energies of Fe II 2p3 / 2, Fe III 2p3 / 2 and Fe II 2p1 / 2 were observed at 709.3, 711.6 and 723.4 eV, respectively. The binding energies of Fe II 2p3 / 2, Fe III 2p3 / 2, Fe II 2p1 / 2 and Fe III 2p1 / 2 were 709.9, 706.8, 722.9 and 725.9 eV, respectively, in ITO / TPDT-RGO- Observed, which is due to the presence of Fe 2 + and FC of PB NSs.

N 1s의 경우, 피크가 396.1, 398.3 및 400.3 eV에서 3개의 요소로 피팅되었는바, 이는 두 개질 전극 모두에서 C-N([Fe( III )(CN)6]3-) 및 TPDT가 존재함을 의미한다.In the case of N 1s, the peaks were fitted to the three elements at 396.1, 398.3 and 400.3 eV, indicating the presence of CN ([Fe ( III ) (CN) 6 ] 3- and TPDT in both modified electrodes do.

두 전극의 Fe 2p 및 N 1s 스펙트럼 분석으로부터, PB NSs가 전극 표면에서 성공적으로 인시츄(In situ) 성장되었음을 명확히 확인할 수 있었다.Spectral analysis of Fe 2p and N 1s of the two electrodes clearly showed that PB NSs were successfully grown in situ on the electrode surface.

또한, 본 발명자들은 Pt NPs의 전착 이후 PB NSs의 전자적 상태를 분석하는데 큰 관심을 기울였으며, 그 분석 결과를 도 7에 요약하였다.In addition, the present inventors paid great attention to analyzing the electronic state of PB NSs after electrodeposition of Pt NPs, and the analysis results are summarized in FIG.

Pt 전착 후, C 1s 및 N 1s 스펙트럼(각각 도 7A,B 및 G,H)의 경우 별다른 변화가 관찰되지 않은 반면, Fe 2p 스펙트럼의 경우 두 개질 전극(도 7C,D) 모두에서 FeII2p3/2의 결합에너지(709.3 eV)가 사려졌다.No significant changes were observed for the C 1s and N 1s spectra (Figures 7A, B and G, H, respectively), after Pt electrodeposition, whereas for Fe 2p spectra, Fe II 2p3 / 2 &lt; / RTI &gt; (709.3 eV).

이러한 결과는 전착 도중 PtCl6 2 -가 스트레스 없이 확산하고 다공성 PB NSs 및 PtCl6 2 - 간에 활성 상호작용이 일어남을 명확히 확인시켜주는 것으로서, 균일한 구형 Pt NPs(도 3D,E)에 관한 또 다른 증거가 된다.These results PtCl 6 2 during the electro-deposition-diffusion without the stress and porosity PB NSs and PtCl 6 2 - as that to clearly identify the active interaction occurs between, uniform spherical Pt NPs (Fig. 3D, E) further on the It becomes evidence.

도 7E,F는 Pt 4f 프로파일을 나타낸다.7E, F show a Pt 4f profile.

ITO/TPDT-PB/Pt 전극의 경우 Pt 4f7/2 및 Pt 4f5/2 결합에너지가 각각 69.58, 72.8 및 75.2 eV에서 발견되었고, ITO/TPDT-RGO-PB/Pt 전극의 경우는 각각 69.6, 72.7 및 74.9 eV에서 발견되었다.Pt 4f7 / 2 and Pt 4f5 / 2 bond energies were found at 69.58, 72.8 and 75.2 eV for the ITO / TPDT-PB / Pt electrodes and 69.6 and 72.7 for the ITO / TPDT-RGO- And 74.9 eV.

이러한 결과는 Pt0(4f7/2), Pt2 +(4f5/2) 및 Pt4 +(4f5/2) 상태가 존재함을 의미하는바, Pt2 + 및 Pt4 + 상태는 전구체 염 또는 Pt와 TPDT 및 PB NSs의 상호작용에 기인한 것일 수 있다.These results Pt 0 (4f7 / 2), Pt 2 + (4f5 / 2) and Pt 4 + (4f5 / 2) bar which means that the condition exists, Pt 2 + and Pt 4 + state precursor salt or Pt And the interaction of TPDT and PB NSs.

Pt 4f의 표준 데이터(71.1 및 74.5 eV)와 비교했을 때, 두 전극 모두에서 결합에너지의 편차가 관찰되었는바, 이는 Pt 및 PB NSs 간에 전자전달이 일어났음을 시사해준다.Compared to the standard data of Pt 4f (71.1 and 74.5 eV), a deviation of binding energy was observed at both electrodes suggesting electron transfer between Pt and PB NSs.

이러한 Pt 결합에너지의 편차는 RGO-PB/Pt 전기 촉매의 잠재적인 내구성 증가에 기여할 수 있다.This variation in Pt binding energy can contribute to the potential durability increase of the RGO-PB / Pt electrocatalyst.

(3) (3) 개질된Reformed 전극의 성장 및 안정성 분석 Electrode growth and stability analysis

ITO/TPDT-FC, ITO/TPDT-PB 및 ITO/TPDT-RGO-PB 전극의 전기화학적 특성 및 안정성을 이해하기 위해, 0.1 M KCl에서 CVs를 수행하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.To understand the electrochemical properties and stability of ITO / TPDT-FC, ITO / TPDT-PB and ITO / TPDT-RGO-PB electrodes, CVs were performed at 0.1 M KCl and the results are shown in FIG.

TPDT 또는 TPDT-RGO에서의 PB NSs 성장의 첫 번째 단계로, 산성 용액으로부터 FC 이온이 비가역적으로 흡수되었으며, 이는 ITO/TPDT-FC 전극(도 8A,D(a))의 CV 기록 결과 확인되었다.As the first step of PB NSs growth in TPDT or TPDT-RGO, FC ions were irreversibly absorbed from the acid solution, which was confirmed by CV recording of the ITO / TPDT-FC electrode (Figure 8A, D (a) .

즉, 0.385 V에서 특징적인 표면 제한 산화환원 웨이브가 나타났고 [Fe(CN)6]3-/4- 산화환원 커플에 대한 피크 to 피크 분리는 92 mV였다.That is, a characteristic surface-restricted redox wave at 0.385 V was observed, and the peak-to-peak separation for the [Fe (CN) 6 ] 3- / 4 redox couple was 92 mV.

ITO/TPDT-PB(도 8B,D(b)) 및 ITO/TPDT-RGO-PB(도 8C,D(c)) 전극에서 PB NSs가 성장된 후, CVs는 0.265 V, 0.685 V 및 0.271 V, 0.692 V에서 2개의 산화환원 커플(* 피크 to 피크 분리는 각각 117 및 83 mV)을 명확하게 나타내었는바, 이는 기보고된 PB의 특징적인 산화환원 프로세스와 일치하는 것이다.After PB NSs were grown on ITO / TPDT-PB (Figure 8B, D (b)) and ITO / TPDT-RGO-PB (Figure 8C, D (c)) electrodes, CVs were 0.265 V, 0.685 V and 0.271 V , And two redox couples at 0.692 V (* peak to peak separation are 117 and 83 mV, respectively), consistent with the characteristic redox process of the reported PBs.

도 8D(a,b)에서 보듯이, 0.2 V 근방에 위치한 산화환원 쌍은 PB에서 프루시안 화이트(PW)로의 환원에 상응하는 것이며, 0.7 V 근방에서 관찰된 산화환원 쌍은 PB에서 베를린 그린(BG)으로의 가역적 전환에 상응하는 것이다.As shown in FIG. 8D (a, b), the redox pair located at about 0.2 V corresponds to the reduction from PB to Prussian white (PW), and the redox pair observed at around 0.7 V is the Berlin Green BG). &Lt; / RTI &gt;

또한, ITO/TPDT-FC 전극(도 8A,D(a))의 경우 0.385 V에서의 [Fe(CN)6]3-/4- 산화환원 피크와 더불어 0.709 V(BG)에서 또 다른 피크가 관찰되었는바, 이는 하기 식 2로부터 이해될 수 있다. 즉 산성 K3[Fe(CN)6] 용액에서 발생된 Fe3 +가 BG를 형성하여 전극 표면에 흡수된 것이다:In addition, for the ITO / TPDT-FC electrode (Fig. 8A, D (a)), another peak at 0.709 V (BG) along with the [Fe (CN) 6 ] 3- / 4- redox peak at 0.385 V Observed, this can be understood from the following equation (2). That is, Fe 3 + generated from the acidic K 3 [Fe (CN) 6 ] solution forms BG and is absorbed on the electrode surface:

6HCl + K3[Fe(CN)6] → 6HCN + FeCl3 + 3KCl (2)6HCl + K 3 [Fe (CN) 6 ]? 6HCN + FeCl 3 + 3KCl (2)

7이 넘는 pH 값에서 PB는 불안정하고 분해될 수 있다는 점을 잘 알려진 사실이다. 따라서 PB가 결합된 전극의 작동 안정성은 촉매 또는 센서의 설계에 있어 중요한 요소가 된다.It is well known that at pH values above 7 PB is unstable and can be decomposed. Thus, the operational stability of PB coupled electrodes is an important factor in the design of catalysts or sensors.

이에, 0.1 M KCl에서 50회 연속 CV 사이클을 기록하여, TPDT가 비가역적으로 흡수된 FC 이온(도 8A)을 홀딩하는 능력, TPDT(도 8B) 및 TPDT-RGO 복합체(도 8C)가 PB NSs를 보호하는 효과에 대해 평가하였다.8B) and the TPDT-RGO complex (Fig. 8C) were added to the PB NSs (Fig. 8A), and the TPDT-RGO complex Was evaluated.

도 8A에서, 피크 전류는 스캔 사이클로 빠르게 감소하고, 50 사이클 동안 거의 37%까지 점진적으로 감소하였는바, 이는 TPDT에 흡수된 FC 이온이 적당한 안정성을 지님을 의미한다. 반면 도 8B,C에서는 피크 전류가 단지 8.3 및 5.3%만 감소하였는바, 이는 TPDT 및 TPDT-RGO를 통해 안정된 성능과 PB NSs에 우수한 보호 효과가 부여됨을 의미한다.In Figure 8A, the peak current rapidly declines to the scan cycle and gradually decreases to about 37% over 50 cycles, meaning that the FC ions absorbed in the TPDT have moderate stability. In FIG. 8B and C, on the other hand, the peak currents were reduced by only 8.3 and 5.3%, which means that the TPDT and TPDT-RGO provide stable performance and excellent protection for PB NSs.

도 8D의 CVs로부터, 전극 표면에서 FC 및 PB의 농도(Γ)를 하기 식 3에 의거하여 계산하였다:From the CVs in Fig. 8D, the concentration (Γ) of FC and PB on the electrode surface was calculated based on the following formula 3:

Γ = Q / (nFA) (3)Γ = Q / (nFA) (3)

(상기 식에서, Q = PB에서 PW로의 환원 피크(~0.2 V)에 동등한 전하, n = 산화환원 프로세스에 관계된 전자의 수, F = 패러데이 상수, A = 전극 면적).N = number of electrons involved in the redox process, F = Faraday constant, A = electrode area), where Q = PB to PW (~ 0.2 V).

50 사이클 후 결합된 FC 및 PB의 양은 ITO/TPDT-FC, ITO/TPDT-PB 및 ITO/TPDT-RGO-PB 전극에 대해 각각 4.85 × 10-9, 1.03 × 10-8 및 6.52 × 10-9 mol cm-2로 계산되었다.The amounts of FC and PB bound after 50 cycles were 4.85 × 10 -9 , 1.03 × 10 -8 and 6.52 × 10 -9 for ITO / TPDT-FC, ITO / TPDT-PB and ITO / TPDT- mol cm &lt; -2 & gt ; .

이러한 결과는 ITO/TPDT-PB 전극에서 PB 농도가 ITO/TPDT-RGO-PB 전극의 경우보다 1.58배 더 높은 것으로서, TPDT 및 FC 간에 정전기적 상호작용이 전반적으로 잘 일어났음을 의미한다. These results indicate that the PB concentration of the ITO / TPDT-PB electrode is 1.58 times higher than that of the ITO / TPDT-RGO-PB electrode, and that the electrostatic interaction between the TPDT and the FC is generally good.

스캔 속도(ν)가 피크 전류(ipa 및 ipc)에 미치는 영향을 50 ~ 500 mV/s의 범위에서 조사하였다. 구체적으로 ITO/TPDT-FC, ITO/TPDT-PB 및 ITO/TPDT-RGO-PB 전극에 대해 CVs(* 0.1 M KCl, 포텐셜 범위 -0.2 ~ 1.3 V)를 수행하였다.The influence of the scan speed ( ν ) on the peak currents (i pa and i pc ) was investigated in the range of 50 to 500 mV / s. Specifically, CVs (* 0.1 M KCl, potential range -0.2 to 1.3 V) were performed on ITO / TPDT-FC, ITO / TPDT-PB and ITO / TPDT-RGO-PB electrodes.

산화환원 반응에 대한 피크 전류 및 스캔 속도의 제곱근(ν 1/2) 간의 대응 검정선은 선형이었는바, 이는 전극 프로세스가 확산에 의해 제어됨을 의미한다.The corresponding black line between the peak current for the redox reaction and the square root of the scan rate ( v1 / 2 ) was linear, which means that the electrode process is controlled by diffusion.

이상의 결과는 TPDT 및 TPDT-RGO에서 PB NSs가 3D 실리케이트 졸-겔 매트릭스에 걸쳐 핵화되고 RGO 층 사이에서 성장하여 기판 및 용액 계면 사이에서 전하 수송 운반체로 작용함을 제시해 준다.These results suggest that PB NSs in TPDT and TPDT-RGO are nucleated across the 3D silicate sol-gel matrix and grow between the RGO layers to act as a charge transport carrier between the substrate and the solution interface.

(4) 메탄올 산화 반응((4) Methanol oxidation reaction MORMOR ) 분석) analysis

RGO-PB/Pt 촉매의 MOR에 대한 전기화학적 촉매 활성을 평가하였다. 또한 전술한 촉매의 상승적 전기 촉매 능력을 RGO, PB 및 Pt-개질 전극과 비교하여 도 9에 요약하였다.The electrochemical catalytic activity of the RGO-PB / Pt catalyst for MOR was evaluated. The synergistic electrocatalytic capacity of the catalysts described above is also summarized in FIG. 9 in comparison with RGO, PB and Pt-modified electrodes.

ECSA 값은 0.5 M H2SO4에서 CVs(도 9A)를 수행하여 하기 식 4를 통해 계산하였고, 그 결과를 표 1에 요약하였다:The ECSA values were calculated from the following equation 4 by performing CVs (FIG. 9A) at 0.5 MH 2 SO 4 and the results are summarized in Table 1:

ECSA = QH / QH* (4)ECSA = QH / QH * (4)

(상기 식에서, QH = 더블-레이어 보정 후 수소 흡착 영역으로부터 수집한 전하량, QH* = 다결정 Pt 표면에서 수소 단분자층의 흡착과 관련된 표준 값 210 μC cm-2).Where QH = amount of charge collected from the hydrogen adsorption region after double-layer correction, QH * = standard value related to the adsorption of the hydrogen monomolecular layer on the surface of the polycrystalline Pt: 210 μC cm -2 ).

[표 1] 다양한 개질 전극의 MOR 관련 전기화학적 파라미터[Table 1] MOR-related electrochemical parameters of various modified electrodes

Figure 112016068118285-pat00001
Figure 112016068118285-pat00001

PB/Pt 촉매의 ECSA는 0.03 cm2으로, 기하학적 면적(0.44 cm2), RGO/Pt(0.99 cm2) 및 RGO-PB/Pt(0.55 cm2) 촉매의 경우보다 현저하게 낮았다.The ECSA of the PB / Pt catalyst was 0.03 cm 2 , which was significantly lower than that of the RGO / Pt (0.99 cm 2 ) and RGO-PB / Pt (0.55 cm 2 ) catalysts with geometric area (0.44 cm 2 ).

이는 PB 또는 RGO-PB 상에 지지된 Pt NPs가 더욱 크고(~700 nm 크기) 평탄한 구형 NPs(도 3D,F)인 반면, RGO 상에 지지된 Pt NPs는 비교적 작고(~300 nm 크기) 거친 표면(도 3F)을 지녀 ECSA가 더욱 높아졌기 때문이다.This is because Pt NPs supported on PB or RGO-PB are larger (~ 700 nm in size) and flat spherical NPs (Figure 3D, F) whereas Pt NPs supported on RGO are relatively small (~ 300 nm in size) Surface (Fig. 3F), and the ECSA is even higher.

CV(* 0.5 M H2SO4 + 1 M CH3OH)를 통해 개질된 전극의 MOR에 대한 전기화학적 촉매 활성을 평가하였다.The electrochemical catalytic activity for the MOR of the electrode modified by CV (* 0.5 MH 2 SO 4 + 1 M CH 3 OH) was evaluated.

도 9B 내지 9D는 5개의 서로 다른 Pt NS-개질 전극의 비교, PB 및 RGO의 역할을 각각 보여주는 도면이다.Figures 9B-9D are views showing the comparison of five different Pt NS-modified electrodes, the role of PB and RGO, respectively.

도 9E는 (a) CH3OH 부존재시 및 (b) 1 M CH3OH 존재시 MOR에 대한 RGO-PB/Pt 촉매의 거동을 비교한 것이다.Figure 9E compares the behavior of RGO-PB / Pt catalysts with respect to MOR (a) in the absence of CH 3 OH and (b) in the presence of 1 M CH 3 OH.

도 9B 내지 9D 및 표 1에서 보듯이, RGO-PB/Pt(0.5086 mA/cm2 및 88.23 mA/mgPt) 촉매의 ECSA-정규화 포워드 피크 전류밀도(mA/cm2) 및 질량-정규화 포워드 피크 전류(mA/mgPt)는 RGO/Pt(0.1386 mA/cm2 및 69.5 mA/mgPt) 촉매보다 3.68배 및 1.26배, PB/Pt(0.1511 mA/cm2 및 2.29 mA/mgPt) 촉매보다 3.36배 및 38.5배 더욱 높았다. 이는 이들의 ECSA 값과는 합리적으로 일치하지 않는 것인바, 이는 RGO-PB/Pt 촉매가 MOR에 대해 어떠한 상승적 전기 촉매 효과를 가짐을 의미한다.As shown in FIG. 9B to 9D and Table 1, RGO-PB / Pt ( 0.5086 mA / cm 2 and 88.23 mA / mg Pt) ECSA- normalized peak forward current density of the catalyst (mA / cm 2) and the mass-normalized Forward peak than the current (mA / mg Pt) is RGO / Pt (0.1386 mA / cm 2 and 69.5 mA / mg Pt) catalyst than 3.68 times and 1.26 times, PB / Pt (0.1511 mA / cm 2 and 2.29 mA / mg Pt) catalyst 3.36 times, and 38.5 times, respectively. This is reasonably inconsistent with their ECSA values, which means that the RGO-PB / Pt catalyst has some synergistic electrocatalytic effect on MOR.

또한, RGO-PB/Pt 촉매에서 PB의 존재는 그 고유의 전도성으로 인해 전하 수송을 소정 수준까지 증가시킨다.In addition, the presence of PB in the RGO-PB / Pt catalyst increases charge transport to a certain level due to its inherent conductivity.

한편, 순수 ITO, ITO/TPDT 및 ITO/TPDT-RGO 전극의 경우 MOR에 대해 특별한 촉매 활성이 나타나지 않았다.On the other hand, pure ITO, ITO / TPDT and ITO / TPDT-RGO electrodes showed no specific catalytic activity for MOR.

도 9F에서와 같이, 인가 포텐셜 0.7 V(1500초)로 1 M CH3OH 및 0.5 M H2SO4의 혼합물에서 전류계 i-t 곡선을 기록하여, MOR에 대한 촉매(Pt, RGO/Pt 및 RGO-PB/Pt)의 안정성 및 내구성을 분석하였다. 이러한 결과는 MOR에 대해 확보한 CV 데이터와 일치하였다.As shown in FIG. 9F, amperometric curves were recorded in a mixture of 1 M CH 3 OH and 0.5 MH 2 SO 4 at an application potential of 0.7 V (1500 seconds) and the catalysts for Pt, RGO / Pt and RGO-PB / Pt) were analyzed for stability and durability. These results were consistent with the CV data obtained for MOR.

RGO-PB/Pt 촉매(도 9F(c))의 경우 초기 전류가 더욱 높았고, 이후에는 다른 촉매보다 전류가 천천히 감쇠하였다. 초기의 빠른 감쇠는 MOR 도중 COad 및 CHOad 중간체 종이 형성되었기 때문이다.In the case of the RGO-PB / Pt catalyst (FIG. 9F (c)), the initial current was higher and then the current was slower than other catalysts. The initial rapid decay is due to the formation of CO ad and CHO ad intermediate species during MOR.

RGO-PB/Pt 촉매에서 MOR의 반응속도론을 조사하기 위해 양극 피크 전류(j p) 및 피크 포텐셜(E p)의 관계를 포워드 CV 스캔으로부터 확보한 스캔 속도(ν)의 함수로 분석하고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.In order to investigate the kinetics of MOR in the RGO-PB / Pt catalyst, the relationship between the anode peak current ( j p ) and the peak potential ( E p ) was analyzed as a function of the scan speed ( ν ) obtained from the forward CV scan, The results are shown in Fig.

도 10A는 다양한 스캔 속도에서 RGO-PB/Pt 촉매의 CVs(* 1 M CH3OH + 0.5 M H2SO4)를 나타낸다.Figure 10A shows a RGO-PB / CVs of Pt catalyst (* 1 M CH 3 OH + 0.5 MH 2 SO 4) at various scan rates.

도 10B를 볼 때, RGO-PB/Pt 촉매에서 log j p 및 log (ν) 간에 선형관계를 나타내었고 기울기는 약 0.31로 0 ~ 0.5 사이에 위치하였는바, 이는 본 시스템이 확산-제어 프로세스임을 의미한다.Referring to FIG. 10B, the linear relationship between log j p and log ( v ) in the RGO-PB / Pt catalyst was shown and the slope was about 0.31, ranging from 0 to 0.5, indicating that the system is a diffusion- it means.

또한, E p 및 log(ν) 간의 선형관계(도 10C)는 MOR이 비가역적인 전하-전달 프로세스임을 의미한다.In addition, the linear relationship between E p and log ( v ) (Figure 10C) implies that the MOR is an irreversible charge-transfer process.

요컨대, RGO-PB/Pt 촉매는 MOR에 있어 상승적인 전기화학적 촉매 활성을 뚜렷이 나타내었다. 이는 TPDT 및 PB NSs의 다공성, RGO와 상호연결된 PB NSs 고유의 촉매 특성과 더불어 TPDT-RGO-PB 복합체가 Pt NPs를 수용하는 완벽한 플랫폼으로 작용했음을 의미한다. 또한 도 11에서 보듯이 본 발명의 다공성 촉매 시스템은 전자 전달 및 CO의 산화 제거를 촉진한다.In short, RGO-PB / Pt catalysts exhibited synergistic electrochemical catalytic activity in MOR. This implies that the TPDT-RGO-PB complex served as a perfect platform for accommodating Pt NPs, along with the inherent catalytic properties of PB NSs interconnected with the porosity of TPDT and PB NSs, RGO. Also, as shown in FIG. 11, the porous catalyst system of the present invention promotes the electron transfer and the oxidation removal of CO.

결과 검토Review results

본 발명자들은 정전기적 상호작용을 통해 아민-기능화 실리케이트 졸-겔 매트릭스(TPDT)-RGO 복합체에 PB NSs를 결합시키는 손쉬운 성장 방법을 제시하고, 이어서 Pt NSs를 전착시켜 RGO-PB/Pt 촉매를 제조하였다.The present inventors have proposed an easy growth method for binding PB NSs to an amine-functionalized silicate sol-gel matrix (TPDT) -RGO complex through electrostatic interactions and then electroplating Pt NSs to produce an RGO-PB / Pt catalyst Respectively.

이처럼 형성된 PB는 RGO의 존재 하에 높은 작동 안정성을 나타내고, RGO 층 상호연결에 의해 3D 케이지-형(Cage-like) 다공성 NSs를 제공하였다.The PB thus formed exhibited high operational stability in the presence of RGO and provided 3D cage-like porous NSs by RGO layer interconnection.

한편, 이러한 구조는 PB의 전기화학적 침착 또는 공침을 통해서는 달성될 수 없었다.On the other hand, this structure could not be achieved through electrochemical deposition or coprecipitation of PB.

특히, 본 발명에 따라 제조된 RGO-PB/Pt 나노컴포짓은 메탄올 산화 반응용 전기 촉매로 적용시 상승적인 촉매 활성을 나타내었는바, 이는 RGO-PB/Pt 촉매의 다공성 성질과 더불어 RGO 및 Pt NPs와 상호연결된 PB NSs 고유의 촉매 특성이 복합적으로 작용했기 때문으로 여겨진다.In particular, the RGO-PB / Pt nanocomposite prepared according to the present invention exhibited synergistic catalytic activity when applied as an electrocatalyst for methanol oxidation reaction. This is because RGO and Pt NPs And the inherent catalytic properties of interconnected PB NSs.

또한, 본 발명이 제안하는 RGO, 금속 헥사시아노철산염 및 금속 NSs가 결합된 나노컴포짓은 그 특유의 특징으로 인해 센서 및 에너지 분야에 있어서도 유망하게 적용이 가능할 것으로 예상된다.In addition, it is expected that the nanocomposite comprising the RGO, the metal hexacyano iron salt and the metal NSs proposed by the present invention can be promisingly applied to the sensor and energy field due to its unique characteristics.

Claims (13)

a) 전극 상에, 아민으로 기능화된 실리케이트 졸-겔 매트릭스(TPDT) 및 환원된 산화그래핀(RGO)의 복합체(TPDT-RGO) 층을 형성하는 단계;
b) 상기 TPDT-RGO 층이 형성된 전극을 산성 K3[Fe(CN)6] 용액에 침지시켜 (+)로 하전된 TPDT와 (-)로 하전된 [Fe(CN)6]3-(FC) 이온 간의 정전기적 상호작용을 형성하는 단계;
c) 상기 전극을 증류수로 세척한 후, FeSO4 용액에 침지시켜 상기 [Fe(CN)6]3-(FC)와 Fe2+의 정전기적 상호작용을 통하여 프루시안 블루(PB) 나노구조를 인시츄(In situ) 성장시키는 단계;및
d) 상기 PB 나노구조 상에, 백금(Pt) 나노구조를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 전극은 Fe2p3/2의 결합에너지가 관찰되고, 상기 결합에너지는 백금(Pt) 전착 이후에 사라지는 것을 특징으로 하는,
환원된 산화그래핀과 프루시안 블루를 이용한 메탄올 산화 반응(MOR)용 전기 촉매의 제조방법.
a) forming a complex (TPDT-RGO) layer of an amine functionalized silicate sol-gel matrix (TPDT) and reduced oxidized graphene (RGO) on the electrode;
The [Fe (CN) 6] 3- (FC charged with) - b) The TPDT-RGO layer is an electrode formed acid K 3 [Fe (CN) 6 ] and the TPDT (charged and immersed in a solution (+) ) Ions to form electrostatic interactions between ions;
c) The electrode is washed with distilled water and immersed in a FeSO 4 solution to form a Prussian blue (PB) nanostructure through electrostatic interactions of [Fe (CN) 6 ] 3- (FC) with Fe 2+ In situ growth of the substrate; and
d) forming a platinum (Pt) nanostructure on the PB nanostructure,
Wherein the bonding energy of Fe II 2p3 / 2 is observed in the electrode, and the bonding energy disappears after electroplating of Pt.
(METHOD FOR MANUFACTURING ELECTROCHROMIC ACID FOR METHANOL OXIDATION REACTION (MOR) USE WITH REDUCED GRAPHIC GRINDING AND PRUSCIAN BLUE.
제1항에 있어서,
상기 a) 단계의 전극은 ITO(Indium tin oxide) 전극인 것을 특징으로 하는,
메탄올 산화 반응(MOR)용 전기 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the electrode of step a) is an ITO (indium tin oxide) electrode.
Process for the preparation of an electrocatalyst for methanol oxidation reaction (MOR).
제1항에 있어서,
상기 a) 단계의 아민으로 기능화된 실리케이트 졸-겔 매트릭스(TPDT)는 N1-(3-트리메톡시실릴프로필)디에틸렌트리아민을 실란 모노머로 하여 제조된 것임을 특징으로 하는,
메탄올 산화 반응(MOR)용 전기 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
The silicate sol-gel matrix (TPDT) functionalized with an amine of step a) is prepared by using N 1 - (3-trimethoxysilylpropyl) diethylenetriamine as a silane monomer.
Process for the preparation of an electrocatalyst for methanol oxidation reaction (MOR).
제1항에 있어서,
상기 a) 단계는 드롭 캐스팅(Drop casting)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는,
메탄올 산화 반응(MOR)용 전기 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein step a) is performed by drop casting.
Process for the preparation of an electrocatalyst for methanol oxidation reaction (MOR).
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 d) 단계는 전착(Electrodeposition)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는,
메탄올 산화 반응(MOR)용 전기 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step d) is performed by electrodeposition.
Process for the preparation of an electrocatalyst for methanol oxidation reaction (MOR).
제7항에 있어서,
상기 전착은 염화백금산(H2PtCl6) 및 황산(H2SO4)을 함유하는 전해액에서 수행되는 것을 특징으로 하는,
메탄올 산화 반응(MOR)용 전기 촉매의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Characterized in that the electrodeposition is carried out in an electrolytic solution containing chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 ) and sulfuric acid (H 2 SO 4 )
Process for the preparation of an electrocatalyst for methanol oxidation reaction (MOR).
제1항에 있어서,
상기 PB 나노구조는 RGO 층 상호연결에 의해 인시츄(In situ) 성장되어 3차원의 케이지-형(Cage-like) 다공성 나노구조를 이루게 되는 것임을 특징으로 하는,
메탄올 산화 반응(MOR)용 전기 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the PB nanostructures are grown in situ by RGO layer interconnection to form a three-dimensional cage-like porous nanostructure.
Process for the preparation of an electrocatalyst for methanol oxidation reaction (MOR).
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제조방법에 따라 전극 상에 형성된 RGO-PB/Pt 구조의 물질은 메탄올 연료 전지의 메탄올 산화 반응(MOR)용 촉매로 사용되는 것을 특징으로 하는,
메탄올 산화 반응(MOR)용 전기 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the material of the RGO-PB / Pt structure formed on the electrode according to the above production method is used as a catalyst for methanol oxidation reaction (MOR) of a methanol fuel cell.
Process for the preparation of an electrocatalyst for methanol oxidation reaction (MOR).
제11항에 있어서,
상기 메탄올 연료 전지는 직접 메탄올 연료 전지(Direct methanol fuel cell; DMFC)인 것을 특징으로 하는,
메탄올 산화 반응(MOR)용 전기 촉매의 제조방법.
















12. The method of claim 11,
Wherein the methanol fuel cell is a Direct Methanol Fuel Cell (DMFC).
Process for the preparation of an electrocatalyst for methanol oxidation reaction (MOR).
















삭제delete
KR1020160089079A 2016-07-14 2016-07-14 Preparation method of electrocatalyst using reduced graphene oxide and prussian blue KR101905256B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160089079A KR101905256B1 (en) 2016-07-14 2016-07-14 Preparation method of electrocatalyst using reduced graphene oxide and prussian blue

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160089079A KR101905256B1 (en) 2016-07-14 2016-07-14 Preparation method of electrocatalyst using reduced graphene oxide and prussian blue

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180008942A KR20180008942A (en) 2018-01-25
KR101905256B1 true KR101905256B1 (en) 2018-10-08

Family

ID=61094055

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160089079A KR101905256B1 (en) 2016-07-14 2016-07-14 Preparation method of electrocatalyst using reduced graphene oxide and prussian blue

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101905256B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230081239A (en) 2021-11-30 2023-06-07 전남대학교산학협력단 Electrochemical catalyst composite with double layer and method ofr the same

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109326798B (en) * 2018-10-08 2021-03-02 哈尔滨工业大学 Preparation method and application of metal lithium negative electrode protection layer
IT201800010540A1 (en) 2018-11-23 2020-05-23 Torino Politecnico Reduced and doped graphene oxide, and its production method
CN110057892B (en) * 2019-04-24 2021-03-09 山东理工大学 Preparation method and application of mHPBs-Hemin/rGO labeled electrochemical immunosensor
CN110227549B (en) * 2019-06-28 2022-04-29 陕西科技大学 Hollow cubic structure anode catalyst and preparation method thereof
CN110237860B (en) * 2019-06-28 2022-04-29 陕西科技大学 Anode catalyst for electrolyzing water and urea and preparation method thereof
CN110808380B (en) * 2019-10-14 2022-04-26 天津大学 Preparation method of Prussian blue oxygen doped reductive cathode film
CN110624605B (en) * 2019-10-28 2022-04-29 陕西科技大学 Shell-core structured anode catalyst and preparation method thereof
CN113984848B (en) * 2021-10-25 2024-01-26 吉林大学 beta-Fe doped based on Ga 2 O 3 Ethanol gas sensor of nano octahedral sensitive material and preparation method thereof
CN117534089B (en) * 2024-01-09 2024-04-05 太原理工大学 Preparation of high-crystallization Fe [ Fe (CN) ] without additive 6 ]Method for producing electrode material and use thereof

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101379220B1 (en) * 2012-07-02 2014-03-31 이화여자대학교 산학협력단 Metal-graphene layered metal oxide porous nanocomposite, preparing method of the same, and electrocatalyst including the same
KR101675494B1 (en) * 2014-10-16 2016-11-14 울산과학기술원 manufacturing method for nitrogen functionalized graphene/Pt catalyst

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230081239A (en) 2021-11-30 2023-06-07 전남대학교산학협력단 Electrochemical catalyst composite with double layer and method ofr the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180008942A (en) 2018-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101905256B1 (en) Preparation method of electrocatalyst using reduced graphene oxide and prussian blue
Zhai et al. High density and unit activity integrated in amorphous catalysts for electrochemical water splitting
Sohrabi et al. A cobalt porphyrin-based metal organic framework/multi-walled carbon nanotube composite electrocatalyst for oxygen reduction and evolution reactions
Li et al. Multifunctional transition metal‐based phosphides in energy‐related electrocatalysis
Luo et al. Limitations and improvement strategies for early-transition-metal nitrides as competitive catalysts toward the oxygen reduction reaction
Liu et al. Catalyst overcoating engineering towards high-performance electrocatalysis
Ejaz et al. The individual role of pyrrolic, pyridinic and graphitic nitrogen in the growth kinetics of Pd NPs on N-rGO followed by a comprehensive study on ORR
Song et al. Ultrathin cobalt–manganese layered double hydroxide is an efficient oxygen evolution catalyst
Sun et al. Palladium-coated manganese dioxide catalysts for oxygen reduction reaction in alkaline media
Shi et al. Atomic‐level metal electrodeposition: Synthetic strategies, applications, and catalytic mechanism in electrochemical energy conversion
Jukk et al. Oxygen reduction on Pd nanoparticle/multi-walled carbon nanotube composites
Tao et al. Activating three-dimensional networks of Fe@ Ni nanofibers via fast surface modification for efficient overall water splitting
Sapner et al. Heteroatom (N, O, and S)-based biomolecule-functionalized graphene oxide: a bifunctional electrocatalyst for enhancing hydrazine oxidation and oxygen reduction reactions
Li et al. Ni (OH) 2 microspheres in situ self-grown on ultra-thin layered g-C3N4 as a heterojunction electrocatalyst for oxygen evolution reaction
Karfa et al. Shape-dependent electrocatalytic activity of iridium oxide decorated erbium pyrosilicate toward the hydrogen evolution reaction over the entire pH range
Vega-Cartagena et al. Silver–palladium electrodeposition on unsupported Vulcan XC-72R for oxygen reduction reaction in alkaline media
KR101730766B1 (en) Preparation method of electrocatalyst using reduced graphene oxide and gold dendritic nanostructures
Zhang et al. Multipod Pd-cucurbit [6] uril as an efficient bifunctional electrocatalyst for ethanol oxidation and oxygen reduction reactions
Hu et al. Multifunctional graphene‐based nanostructures for efficient electrocatalytic reduction of oxygen
Salmanion et al. Dendrimer-Ni-based material: Toward an efficient Ni–Fe layered double hydroxide for oxygen-evolution reaction
Shan et al. Highly active and durable ultrasmall Pd nanocatalyst encapsulated in ultrathin silica layers by selective deposition for formic acid oxidation
Yan et al. Application of carbon supported Ptcore–Aushell nanoparticles in methanol electrooxidation
Ren et al. Electro-catalytic performance of Pd decorated Cu nanowires catalyst for the methanol oxidation
Wang et al. Compositional engineering of Co (II) MOF/carbon-based overall water splitting electrocatalysts: From synergistic effects to structure–activity relationships
Chandrasekaran et al. Mesoporous ruthenium metal organic framework core shell templated CdS/rGO nanosheets catalyst for efficient bifunctional electro-catalytic oxygen reactions

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