KR101926354B1 - Single atomic platinum catalysts for direct formic acid fuel cell and a method for preparing thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 단일원자 Pt 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지용 단일원자 Pt 촉매는 Pt 원자들이 서로 떨어져 있기 때문에 앙상블 사이트 (ensemble site, 원자들이 붙어서 모여있는 곳)가 없기 때문에 기존의 나노입자 촉매들과는 다른 선택도를 갖는다. 본 발명에서는 incipient wetness impregnation 방법을 이용하여 Sb가 도핑된 SnO2 (antimony-doped tin oxide, ATO)위에 백금을 단일원자 형태로 합성하였고, DFT 계산을 통해 백금 원자가 SnSb 또는 ATO (bulk or surface)의 안티모니 원자 자리에 치환된 형태가 열역학적으로 안정하다는 것을 확인하였다. 본 발명의 Pt1/ATO 촉매를 양극으로 사용한 DFAFC완전전지에서 Pt의 양은 기존 촉매의 1/10이지만 상용 Pt/C와 동등한 성능을 나타낸다. 본 발명의 백금 단일원자 촉매는 직접 포름산 연료전지의 에너지 효율을 높여, 직접 포름산 연료전지용 제조 촉매의 생산 단가 또는 직접 포름산 연료전지의 제조 단가를 낮출 수 있다.The present invention relates to a single atom Pt catalyst for fuel cells and a method of manufacturing the same. The single atom Pt catalyst for fuel cells of the present invention has different selectivity from existing nanoparticle catalysts because there are no ensemble sites (because the atoms are gathered together) because Pt atoms are separated from each other. In the present invention, platinum is synthesized in a single atom form on Sb-doped SnO 2 (antimony-doped tin oxide (ATO)) using incipient wetness impregnation method. DFT calculation shows that the platinum atom is SnSb or ATO It was confirmed that the substituted form of the antimony atom was thermodynamically stable. In the DFAFC complete cell using the Pt1 / ATO catalyst of the present invention as a positive electrode, the amount of Pt is 1/10 of that of the conventional catalyst, but it is equivalent to that of commercial Pt / C. The platinum single atom catalyst of the present invention can increase the energy efficiency of the direct formic acid fuel cell and lower the production cost of the direct formic acid fuel cell production catalyst or the direct formic acid fuel cell production cost.

Description

직접 포름산 연료전지용 단일원자 백금 촉매 및 이의 제조방법 {Single atomic platinum catalysts for direct formic acid fuel cell and a method for preparing thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a single atomic platinum catalyst for direct formic acid fuel cells and a method for preparing the same,

본 발명은 직접 포름산 연료전지용 단일원자 백금 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 전기 촉매 포름산 산화를 위한 안정성 및 활성이 향상된 단일 원자 백금 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a single atomic platinum catalyst for direct formic acid fuel cells and a method of making the same. More particularly, the present invention relates to a single atom platinum catalyst having improved stability and activity for the electrocatalytic formic acid oxidation and a method for producing the same.

단일 원자 촉매 (Single-atom catalysts, SACs)는 고가의 귀금속의 이용을 극대화할 수 있고 앙상블(ensemble) 사이트가 없어 독특한 선택성(selectivity)을 나타낼 수 있기 때문에 활발히 연구되고 있다. 예컨대, FeOx에 고정된 단일 원자 Pt는 CO의 선택적 산화(preferential oxidation)에 대해 높은 활성을 나타내었고, 니트로아렌 수소첨가(nitroarene hydrogenation)에 대하여 높은 화학적 선택성(chemoselectivity)을 나타내었다(H. S. Wei et al., Nat. Commun., 2014, 5; B. T. Qiao et al., Nat. Chem., 2011, 3, 634-641). θ-Al2O3 상의 단일 백금 Pt 원자는 CO 산화에 대하여 높은 활성을 나타내고, TiN과 TiC에 담지된 단일 원자 Pt는 전기화학촉매 산화환원 반응에서 H2O2의 생성에 대해 높은 선택성을 나타낸다. 그러나 단일 원자 촉매(SACs)는 다양한 이종 반응에 대한 적용가능성을 보여 주었지만 여전히 해결해야 할 문제가 있다. SACs는 대개 1wt % 미만의 매우 낮은 부하량으로 사용되었으며, 단일 원자 구조의 본질적으로 불안정한 특성으로 인해 안정성이 빈약한 경우가 많다.Single-atom catalysts (SACs) are being actively studied because they can maximize the use of expensive precious metals and exhibit unique selectivity due to lack of an ensemble site. For example, the single atom Pt immobilized on FeOx showed high activity for the preferential oxidation of CO and exhibited high chemoselectivity for nitroarene hydrogenation (HS Wei et al , Nat. Commun., 2014, 5; BT Qiao et al., Nat. Chem., 2011, 3, 634-641). A single platinum Pt atom on θ-Al 2 O 3 shows high activity for CO oxidation and a single atom Pt supported on TiN and TiC shows a high selectivity for the production of H 2 O 2 in an electrochemical catalytic oxidation-reduction reaction . However, single atom catalysts (SACs) have demonstrated applicability to a variety of heterogeneous reactions, but there are still issues to be addressed. SACs have been used with very low loading, usually less than 1 wt%, and are often poorly stable due to inherently unstable nature of the single atomic structure.

단일 금속 원자는 열역학적으로 매우 불안정하고 응집되기 쉽다. 이러한 이유로 단일 금속 원자는 금속 산화물 / 탄화물 / 질화물, 그래핀(graphene), 제올라이트(zeolites) 또는 단결정 금속 등의 지지체에서 안정화 되어야 한다. 전기 화학적 응용을 위해서는 지지체가 전도성을 가져야 한다. SACs는 일반적으로 비금속 지지체에 고정화된 귀금속 원자로 구성되지만, 귀금속 원자가 다른 금속 표면에 위치하는 경우도 있다. 예를 들어, Pt 또는 Pd 단일 원자가 Cu, Au, 및 Ag와 같은 다른 금속 상에 고정되는 것이다. 그러나, 이러한 구조는 종종 표면 분리 또는 반응액으로의 용해현상이 나타난다. 고부하 및 높은 안정성을 갖는 전도성 지지체상의 귀금속 단일 원자 구조는 전기 화학 반응의 활성 및 선택성을 최대화하는데 적합할 것이다.Single metal atoms are thermodynamically very unstable and prone to aggregation. For this reason, single metal atoms must be stabilized in supports such as metal oxide / carbide / nitride, graphene, zeolites or single crystal metals. For electrochemical applications, the support must have conductivity. SACs are generally composed of noble metal atoms immobilized on a non-metallic support, but noble metal atoms may be located on different metal surfaces. For example, a single atom of Pt or Pd is fixed on another metal such as Cu, Au, and Ag. However, such a structure often exhibits dissolution into the surface separation or reaction solution. A noble metal single atom structure on a conductive support with high load and high stability will be suitable for maximizing the activity and selectivity of the electrochemical reaction.

직접 포름산 연료 전지(Direct formic acid fuel cells, DFAFC)는 간편한 시스템 통합과 연료의 높은 에너지 밀도로 인해 휴대용 기기의 차세대 전원 공급원으로 기대된다. 포름산은 저장 및 운송에 편리한 액체 연료이며 고압축된 수소보다 안전하다. 메탄올은 액체 연료로서 광범위하게 연구되어 왔지만, 독성, Pt 촉매를 독성화하는 CO 생성 및 메탄올의 크로스 오버(crossover) 문제로 인해 사용이 제한적이다. 포름산은 이러한 문제가 훨씬 적다(X. W. Yu and P. G. Pickup, J. Power Sources, 2008, 182, 124-132). DFAFC의 양극에서 포름산 산화반응(formic acid oxidation reaction, FAOR)이 발생하는데, 이 반응에는 두 가지 다른 반응 메커니즘이 있는 것으로 알려져 있다; 직접적인 탈수소 경로 (HCOOH → HCOOads + H + + e- → CO2 + 2H + + 2e-) 및 간접적인 탈수 경로 (HCOOH → COads + H2O → CO2 + 2H + + 2e-). 중간체 COads에 의한 촉매 중독으로 인하여, Pt-Au 합금, Pt-around-Au, Sb 도핑된 Pt, 및 PtBi 금속 간 화합물과 같은 CO 중간체가 없는 직접 경로에 대한 높은 선택성을 갖는 촉매가 개발되었다. 직접 경로에 대한 높은 활성 및 선택성은 Pt 전자 또는 기하 구조의 제어에 의한 것이다. 다양한 전략 중 단일 원자 Pt 구조는 포름산 산화반응(FAOR)에서 높은 활성과 선택성을 가지는데, 이는 1-2개 Pt 원자가 직접 경로에 필요하고, 반면 간접 경로에서는 Pt ensemble 사이트가 필요하기 때문이다.Direct formic acid fuel cells (DFAFC) are expected to be a next generation power source for portable devices due to easy system integration and high energy density of fuel. Formic acid is a liquid fuel that is convenient for storage and transportation and is safer than highly compressed hydrogen. Methanol has been extensively studied as a liquid fuel, but its use is limited due to toxicity, CO generation to poison the Pt catalyst, and crossover problems of methanol. Formic acid is much less of a problem (XW Yu and PG Pickup, J. Power Sources, 2008, 182, 124-132). Formic acid oxidation reaction (FAOR) occurs at the anode of DFAFC, which is known to have two different reaction mechanisms; The direct dehydrogenation route (HCOOH → HCOO ads + H + + e- → CO 2 + 2H + + 2e-) and indirect dehydration pathway (HCOOH → CO ads + H 2 O → CO 2 + 2H + + 2e-). Due to catalyst poisoning by intermediate CO ads , catalysts with high selectivity for direct pathways without a CO intermediate such as Pt-Au alloys, Pt-around-Au, Sb-doped Pt, and PtBi intermetallic compounds have been developed. The high activity and selectivity for the direct path is due to the control of Pt electrons or geometry. Among the various strategies, the single atom Pt structure has high activity and selectivity in the formic acid oxidation reaction (FAOR) because 1-2 Pt atoms are required for the direct path while the indirect pathway requires the Pt ensemble site.

본 발명에서는 단일 원자 Pt 전기 촉매에 대한 지지체로서 안티모니(antimony)-도핑된 산화 주석(antimony-doped tin oxide, ATO)를 선정했는데, Pt와의 강한 상호 작용, 높은 전기 전도성 및 산성 환경에서의 높은 부식 저항성 때문이다. ATO (Pt1/ATO) 상의 단일 원자 Pt 는 Sb 를 Pt 원자로 치환함으로써 제조되었다. Pt1 / ATO 촉매는 상업적 Pt/C와 비교하여 FAOR의 직접 경로에 대해 전기 촉매 활성, 선택성 및 안정성이 우수하다. 메탄올 산화 반응 (methanol oxidation reaction, MOR), 산소 환원 반응 (oxygen reduction reaction, ORR) 및 산소 발생 반응 (and oxygen evolution reaction, OER)을 포함한 다른 전기 화학적 반응도 시험하였다. 또한, 양극 촉매로 Pt1/ATO를 사용하여 DFAFC인 완전전지를 제조하였으며, 그 성능을 Pt/C 촉매와 비교하였다.In the present invention, antimony-doped tin oxide (ATO) was selected as a support for a single-atom Pt electrocatalyst. The strong interaction with Pt, high electrical conductivity, and high It is due to corrosion resistance. The single atom Pt on ATO (Pt1 / ATO) was prepared by substituting Pt atoms for Sb. The Pt1 / ATO catalyst is superior in electrocatalytic activity, selectivity and stability to the direct path of FAOR compared to commercial Pt / C. Other electrochemical reactions including the methanol oxidation reaction (MOR), the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER) were also tested. In addition, a complete battery, DFAFC, was prepared using Pt1 / ATO as the anode catalyst, and its performance was compared with the Pt / C catalyst.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.Numerous papers and patent documents are referenced and cited throughout this specification. The disclosures of the cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety to better understand the state of the art to which the present invention pertains and the content of the present invention.

본 발명자들은 연료전지 제작 시 귀금속의 사용량을 최소화할 수 있는 단일원자 촉매를 개발하기 위하여 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 안티모니(antimony)-도핑된 산화 주석(antimony-doped tin oxide, ATO)을 지지체로 이용하여 단일 원자 형태의 Pt를 포함하는 Pt1/ATO를 제작하였다. Pt1/ATO는 상용 Pt/C 촉매에 비해 포름산 산화 반응 (FAOR)에 대해 우수한 활성 및 안정성을 보였으며, 단일원자 Pt 구조는 가혹 안정성 시험 후에도 유지되었다. 본 발명자들은 Pt1/ATO를 양극 촉매로 사용하여 직접 포름산 연료 전지 (DFAFC)를 위한 완전 전지를 제조하였으며, 상기 연료전지 촉매는 사용된 Pt의 양을 최소화하면서도 우수한 성능을 나타냄을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have made extensive efforts to develop a single-atom catalyst capable of minimizing the amount of noble metal used in manufacturing a fuel cell. As a result, the present inventors made Pt1 / ATO containing single atom type Pt by using antimony-doped tin oxide (ATO) as a support. Pt1 / ATO showed better activity and stability for formic acid oxidation (FAOR) than commercial Pt / C catalysts, and the single atom Pt structure was retained after the severe stability test. The present inventors have made a complete battery for a direct formic acid fuel cell (DFAFC) using Pt1 / ATO as a positive electrode catalyst, confirming that the fuel cell catalyst exhibits excellent performance while minimizing the amount of Pt used, It was completed.

따라서, 본 발명의 목적은 연료전지용 단일원자 백금 촉매의 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a single atomic platinum catalyst for a fuel cell.

본 발명의 다른 목적은 연료전지용 전극을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide an electrode for a fuel cell.

본 발명의 또 다른 목적은 연료전지를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a fuel cell.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음 단계를 포함하는 연료전지용 단일원자 백금 촉매의 제조방법을 제공한다:According to one aspect of the present invention, the present invention provides a process for preparing a single atomic platinum catalyst for a fuel cell comprising the steps of:

(a) 백금 전구체 및 안티모니-도핑된 산화주석(antimony-doped tin oxide, ATO) 담지체(support)를 유기용매 하에서 혼합하는 단계; 및(a) mixing a platinum precursor and an antimony-doped tin oxide (ATO) support in an organic solvent; And

(b) 상기 단계 (a)의 결과물을 400℃ 이상으로 가열하여 백금 전구체를 환원시킴으로써, 담지체 표면 상에 백금 단일원자를 증착시키는 단계.(b) depositing a platinum single atom on the surface of the support by heating the result of step (a) to a temperature of 400 ° C or higher to reduce the platinum precursor.

본 발명자들은 연료전지 제작 시 귀금속의 사용량을 최소화할 수 있는 단일원자 촉매를 개발하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 안티모니(antimony)-도핑된 산화 주석(antimony-doped tin oxide, ATO)을 지지체로 이용하여 단일 원자 형태의 Pt를 포함하는 Pt1/ATO를 제작하였다. Pt1/ATO는 상용 Pt/C 촉매에 비해 포름산 산화 반응 (FAOR)에 대해 우수한 활성 및 안정성을 보였으며, 단일원자 Pt 구조는 가혹 안정성 시험 후에도 유지되었다. 본 발명자들은 Pt1/ATO를 양극 촉매로 사용하여 직접 포름산 연료 전지 (DFAFC)를 위한 완전 전지를 제조하였으며, 상기 연료전지 촉매는 사용된 Pt의 양을 최소화하면서도 우수한 성능을 나타냄을 확인하였다.The present inventors have made extensive efforts to develop a single-atom catalyst capable of minimizing the amount of noble metal used in the production of a fuel cell, and as a result, they have found that antimony-doped tin oxide (ATO) PtO / ATO containing single atomic Pt was prepared. Pt1 / ATO showed better activity and stability for formic acid oxidation (FAOR) than commercial Pt / C catalysts, and the single atom Pt structure was retained after the severe stability test. The present inventors have made a complete battery for a direct formic acid fuel cell (DFAFC) using Pt1 / ATO as a positive electrode catalyst, and confirmed that the fuel cell catalyst exhibits excellent performance while minimizing the amount of Pt used.

전형적인 나노 입자 촉매와는 달리, 단일 원자 촉매 (Single-atom catalysts, SACs)는 귀금속 원자를 가장 효율적으로 활용하며 금속 앙상블 사이트(ensemble site, 원자들이 붙어서 모여 있는 곳)가 없기 때문에 독특한 선택성을 나타낸다. 그러나 금속 로딩 및 안정성을 해결하여 SAC를 설계하는 것은 여전히 어렵다. 본 발명에서는 안티모니-도핑된 산화 주석(antimony-doped tin oxide, Pt1/ATO)에 담지된 Pt SACs는 기존의 초기 습윤 함침법(incipient wetness impregnation)으로 8 중량 % 이하의 Pt로 합성되었다. 단일 원자 Pt 구조는 HAADF-STEM (high angle annular dark field scanning tunneling electron microscopy) 및 EXAFS (extended X-ray absorption fine structure) 분석으로 확인하였다. 밀도 함수 이론 (Density functional theory, DFT) 계산결과는, 벌크 상(bulk phase), 또는 PtSn 또는 ATO 표면에서 Sb 사이트를 Pt 원자로 대체하는 것이 에너지적으로 유리하다는 것을 보여 주었다. Pt1/ATO 촉매는 다양한 전기 화학 반응에 사용되었다. 특히, Pt1/ATO는 상용 Pt/C 촉매에 비해 포름산 산화 반응 (FAOR)에 대해 우수한 활성 및 안정성을 보였다. 단일원자 Pt 구조는 가혹 안정성 시험 후에도 유지되었는데, 1800사이클 동안 0.05 - 1.4 V (vs RHE) 범위의 순환 전압 전류 그래프가 반복적으로 나타났다. 단일 원자 Pt 구조에 대해 예상했던 바와 같이, Pt1 / ATO는 FA 나노 입자 촉매와 달리 FAOR의 직접 경로와 산소 환원 반응 (ORR)의 2 개의 전자 경로를 따랐다. Pt1 / ATO를 양극 촉매로 사용하여 직접 포름산 연료 전지 (DFAFC)를 위한 완전 전지를 제조하였으며, 사용된 Pt의 양을 최소화하면서도 우수한 성능을 나타내었다.Unlike typical nanoparticle catalysts, single-atom catalysts (SACs) exhibit unique selectivity because they utilize noble metal atoms most efficiently and lack an ensemble site (where the atoms are gathered together). However, designing a SAC by solving metal loading and stability is still difficult. In the present invention, Pt SACs supported on antimony-doped tin oxide (Pt1 / ATO) were synthesized with less than 8 wt% of Pt by conventional incipient wetness impregnation. The single atom Pt structure was confirmed by HAADF-STEM (high angle annular dark field scanning tunneling electron microscopy) and EXAFS (extended X-ray absorption fine structure) analysis. Density functional theory (DFT) calculation results show that it is energetically advantageous to replace the Sb site with a Pt atom in the bulk phase, or PtSn or ATO surface. Pt1 / ATO catalysts were used for various electrochemical reactions. In particular, Pt1 / ATO showed superior activity and stability to formic acid oxidation (FAOR) compared to commercial Pt / C catalysts. The single atom Pt structure was retained after the harsh stability test, and cyclic voltammograms ranging from 0.05 to 1.4 V (vs RHE) over the 1800 cycles were repeated. As expected for the single atom Pt structure, Pt1 / ATO, unlike the FA nanoparticle catalyst, followed the two pathways of FAOR direct path and oxygen reduction reaction (ORR). The complete battery for direct formic acid fuel cell (DFAFC) was fabricated using Pt1 / ATO as the anode catalyst, and showed excellent performance while minimizing the amount of Pt used.

많은 전기 화학 장치는 귀금속 촉매를 필요로 하고, 이들 귀금속의 사용을 최소화하는 것은 전기화학장치의 광범위한 사용에 필수적이다. 귀금속는 원자 수준에서 지지체 상에 분산되며 단일 원자 촉매 (SAC)는 귀금속의 양을 줄이기 위한 획기적인 전략이 될 수 있다. 그러나, 전도성 지지체 상에 금속 단일 원자를 고정시키는 것이 어렵고, SAC는 통상적으로 1 중량 % 미만의 매우 낮은 금속 부하를 가지며 일반적으로 안정성이 낮으므로, SAC는 전극 촉매로서 거의 연구되지 않았다. 본 연구에서 안티몬-도핑된 산화 주석 지지체 (Pt1/ATO) 위에 백금이 분산된 단일 원자 촉매가 8 중량 % 이하의 Pt를 함유하도록 제조되었다. Pt1/ATO 촉매는 표면 산소흡착(surface poisoning)이 일어나지 않는 직접 경로를 따라 포름산 산화 반응에 대한 높은 활성을 나타내었다. Pt 나노입자 촉매는 일반적으로 훨씬 적은 활성으로 간접적인 경로를 따른다. 특히, Pt1/ATO 촉매는 매우 혹독한 조건 하에서 안정성 시험을 한 후에도 단일 원자 성을 유지하면서 현저한 안정성을 보였다. 제작된 Pt SAC를 양극 촉매로 사용하여 직접 포름산 연료 전지의 완전지(full cell)를 제조하였으며, 연료 전지는 Pt의 사용량을 최소화하면서도 우수한 성능을 나타내었다. 이로써 본 발명은 전기 화학적 응용을 위한 다양한 SAC의 개발을 촉진할 것이다.Many electrochemical devices require noble metal catalysts, and minimizing the use of these noble metals is essential for a wide range of applications of electrochemical devices. Precious metals are dispersed on a support at the atomic level and single atom catalyst (SAC) can be a revolutionary strategy to reduce the amount of precious metal. However, SAC has hardly been studied as an electrode catalyst since it is difficult to immobilize a metal single atom on a conductive support, SAC has a very low metal load, typically less than 1 wt%, and is generally low in stability. In this study, a single atomic catalyst in which platinum is dispersed on an antimony-doped tin oxide support (Pt1 / ATO) was prepared to contain up to 8 wt% Pt. The Pt1 / ATO catalyst showed high activity for the oxidation of formic acid along the direct path without surface poisoning. Pt nanoparticle catalysts generally follow an indirect pathway with much less activity. In particular, the Pt1 / ATO catalyst showed remarkable stability while maintaining single atomicity even after the stability test under very severe conditions. The full cell of the formic acid fuel cell was fabricated directly using the prepared Pt SAC as the anode catalyst. The fuel cell showed excellent performance while minimizing the amount of Pt. The present invention will thus facilitate the development of various SACs for electrochemical applications.

이하, 본 발명의 연료전지용 단일원자 백금 촉매의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for producing a single atomic platinum catalyst for a fuel cell of the present invention will be described in detail.

단계 (a) : 백금 전구체 및 Step (a): Platinum precursor and 담지체의Carrier 혼합 mix

우선, 백금 전구체 및 안티모니-도핑된 산화주석(antimony-doped tin oxide, ATO) 담지체(support)를 유기용매 하에서 혼합한다. 예컨대, 상온 (약 25도)에서 상기 혼합물을 교반하여 혼합할 수 있으며, 본 발명에서는 상온에서 15분동안 유리막대로 섞어 혼합하였다.First, a platinum precursor and an antimony-doped tin oxide (ATO) support are mixed in an organic solvent. For example, the mixture can be mixed by stirring at room temperature (about 25 degrees). In the present invention, the mixture is mixed at room temperature for 15 minutes as a glass film.

본 발명에서 상기 백금 전구체는 백금 염 (salts) 이다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 백금 전구체는 염화 백금산 헥사 하이드레이트 (H2PtCl6 · 6H2O), H2PtCl6, 백금(Ⅱ) 아세틸아세토네이트(Pt(acac)2), 포타슘 테트라클로로플라티네이트(K2PtCl4), 하이드로젠 헥사클로로플라티네이트(H2PtCl4), 백금(Ⅱ) 시아나이드(Pt(CN)2), 백금(Ⅱ) 클로라이드(PtCl2), 백금(Ⅱ) 브로마이드(PtBr2), K2PtCl6, Na2PtCl4·6H2O, 및 Na2PtCl6·6H2O 및 이의 혼합물을 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 특정 구현예에 따르면, 상기 백금 염은 염화 백금산 헥사 하이드레이트 이다.In the present invention, the platinum precursor is platinum salts. According to one embodiment, the platinum precursor is chloroplatinic acid hexahydrate (H 2 PtCl 6 · 6H 2 O), H 2 PtCl 6, platinum (Ⅱ) acetylacetonate (Pt (acac) 2), potassium-tetra chloro platinum carbonate (K 2 PtCl 4), hydrogen hexachloro-platinum carbonate (H 2 PtCl 4), platinum (ⅱ) cyanide (Pt (CN) 2), platinum (ⅱ) chloride (PtCl 2), platinum (II) bromide (PtBr 2 ), K 2 PtCl 6 , Na 2 PtCl 4 .6H 2 O, and Na 2 PtCl 6 .6H 2 O and mixtures thereof. According to a particular embodiment of the invention, the platinum salt is chloroplatinic acid hexahydrate.

본 발명에서 상기 담지체(support)는 금속 입자를 수용할 수 있는 고상 기질(solid substrate)로서, 상기 담지체는 안티모니-도핑된 산화주석(antimony-doped tin oxide, ATO)이다.In the present invention, the support is a solid substrate capable of accommodating metal particles, and the support is antimony-doped tin oxide (ATO).

본 발명에 따르면, 단계 (a)에서 담지체와 혼합되는 백금 전구체는 전체 혼합 조성물에 대하여 1 중량% 이상으로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 백금 전구체는 전체 혼합 조성물에 대하여 1 중량% 내지 20 중량%로 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 백금 전구체는 전체 혼합 조성물에 대하여 2 중량% 내지 20 중량%, 4 중량% 내지 20 중량%, 8 중량% 내지 20 중량% 또는 10 중량% 내지 20 중량%으로 사용될 수 있다. 본 발명의 특정 구현예에 따르면, 상기 백금 전구체는 전체 혼합 조성물에 대하여 2.6 중량% ~ 18.8 중량%로 사용될 수 있다. 백금 전구체 2.6 중량% 또는 18.8 중량%의 경우, 각각 Pt 1 중량% 또는 Pt 8 중량% Pt1/ATO가 생성된다.According to the present invention, the platinum precursor to be mixed with the support in step (a) can be used in an amount of 1% by weight or more based on the total mixed composition. According to an embodiment of the present invention, the platinum precursor may be used in an amount of 1 wt% to 20 wt% with respect to the total mixed composition. According to another embodiment of the present invention, the platinum precursor is used in an amount of 2 to 20% by weight, 4 to 20% by weight, 8 to 20% by weight or 10 to 20% by weight, Can be used. According to certain embodiments of the present invention, the platinum precursor may be used in an amount of 2.6 wt% to 18.8 wt% with respect to the total mixed composition. For the 2.6 wt% or 18.8 wt% platinum precursor, Pt 1 wt% or Pt 8 wt% Pt 1 / ATO, respectively, is produced.

현재까지 개발된 단일원자 촉매들은 귀금속 함량이 1 중량% 이하로 매우 낮고 장기안정성도 낮다. 그러나 본 발명에서는 전체 혼합 조성물에 대하여 1 중량% 내지 20 중량%의 백금 전구체를 사용하여 결과적으로 Pt 1 중량%, Pt 4 중량% 또는 Pt 8 중량%를 포함하는 Pt1/ATO를 개발하였고, Pt 8 중량%의 고함량에도 불구하고 백금이 단일원자의 특징을 나타냄을 확인하였다.Single-atom catalysts developed so far have a very low noble metal content of less than 1% by weight and a low long-term stability. However, in the present invention, Pt 1 / ATO containing 1% by weight of Pt, 4% by weight of Pt or 8% by weight of Pt was developed using 1 to 20% by weight of platinum precursor based on the total mixed composition, It was confirmed that, despite the high content of wt%, platinum exhibited the characteristics of a single atom.

본 발명에서 상기 유기용매는 메탄올, 에탄올, 부탄올, 이소프로필알콜, 펜탄, 헥산, 헵탄, 사이클로헥산, 톨루엔, 아세톤, 에틸 아세테이트, 메틸렌클로라이드, 클로로포름, 에테르, 석유에테르, 아세토니트릴, 벤젠, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부틸렌글리콜 및 이의 혼합물을 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 유기용매는 저가 알코올이며, 본 발명의 특정 구현예에 따르면 상기 유기용매는 메탄올이다. In the present invention, the organic solvent is selected from the group consisting of methanol, ethanol, butanol, isopropyl alcohol, pentane, hexane, heptane, cyclohexane, toluene, acetone, ethyl acetate, methylene chloride, chloroform, ether, petroleum ether, acetonitrile, benzene, , Propylene glycol, butylene glycol, and mixtures thereof. According to an embodiment of the present invention, the organic solvent is a lower alcohol, and in an embodiment of the present invention, the organic solvent is methanol.

한편, 상기 단계 (a) 이후 단계 (a)의 결과물을 진공 건조하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 혼합한 상기 단계 (a)의 결과물을 진공 오븐에서 50 ℃로 밤새 건조시킨다.Meanwhile, the step (a) may further include a step of vacuum-drying the resultant of step (a). According to one embodiment of the present invention, the result of mixing (a) is dried in a vacuum oven at 50 DEG C overnight.

단계 (b) : 단일원자 백금 촉매의 제조Step (b): Preparation of a single atomic platinum catalyst

이어, 상기 단계 (a)의 결과물을 400℃ 이상으로 로 가열하여 백금 전구체를 환원시킴으로써, 담지체 표면 상에 백금 단일원자를 증착시킨다. Next, the result of step (a) is heated to 400 ° C. or higher to reduce the platinum precursor, thereby depositing a platinum single atom on the surface of the support.

본 발명에 따르면, 상기 단계 (b)는 400℃ 이상으로 가열하여 실시하여야 하며, 400℃ 이하의 온도범위에서 백금이 단일 원자로 증착되지 않는다. 본 발명자들은 100℃ 내지 300℃의 온도에서는 백금 단일원자 촉매가 형성되지 않음을 실험적으로 확인하였다(데이터 미기재).According to the present invention, the step (b) is performed by heating to 400 ° C or higher, and platinum is not deposited as a single atom in a temperature range of 400 ° C or lower. The present inventors have experimentally confirmed that a platinum single atom catalyst is not formed at a temperature of 100 ° C to 300 ° C (data not shown).

상기 단계 (b)에서는 산화 환원 반응을 통해, SnSb및 SnO2 표면에서 격자 배열 상에 위치한 Sn 또는Sb원자가 백금 원자로 치환된다. 즉, Pt는 환원 과정 이후 ATO 지지체 상의 Sn 또는 Sb 를 대체할 수 있는 것이다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, Sb 사이트를 Pt로 대체하는 것이 열역학적으로 가장 안정하다.In the step (b), Sn or Sb atoms located in the lattice arrangement on the surfaces of SnSb and SnO 2 are substituted with platinum atoms through an oxidation-reduction reaction. That is, Pt can replace Sn or Sb on the ATO support after the reduction process. According to one embodiment of the present invention, it is thermodynamically most stable to replace the Sb site with Pt.

한편, 단계 (b)에서는 환원제를 추가적으로 사용할 수 있다. 이때 환원제로는 공지된 다양한 환원제를 사용할 수 있으며, 예컨대, 수소 10 vol% (질소 90 vol%), NaBH4, 포름산(formic acid), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 올레일아민(oleyl amine), 올레산(oleic acid), 테트라에틸렌글리콜(tetraethylene glycol) 등의 환원제를 사용함으로써 반응 효율을 향상시킬 수 있다.On the other hand, in step (b), a reducing agent may be additionally used. The reducing agent may be used a variety of known reducing agents, e.g., hydrogen 10 vol% (nitrogen 90 vol%), NaBH 4, formic acid (formic acid), ethylene glycol (ethylene glycol), oleyl amine (oleyl amine), The reaction efficiency can be improved by using a reducing agent such as oleic acid or tetraethylene glycol.

본 발명의 단일원자 백금 촉매는 기존의 백금 촉매와는 다른 전기화학적 특성을 나타내었는데, 특히 포름산 산화반응에 있어 Pt1/ATO는 direct path로의 선택도가 높았고, 산소 환원반응에서는 2-electron path에 대한 선택도가 높았다. 이는 기존의 백금 나노입자 촉매에서 나타나는 특성인 포름산의 indirect path로의 높은 선택도와 산소의 4-electron path로의 높은 선택도와는 반대의 선택도를 보인 것이다The single atom platinum catalyst of the present invention exhibited different electrochemical properties from the conventional platinum catalyst. In particular, Pt1 / ATO had a high direct path selectivity in the formic acid oxidation reaction, and in the oxygen reduction reaction, The selectivity was high. This is in contrast to the high selectivity of formic acid to the indirect path and the high selectivity to the oxygen 4-electron path, which are characteristic of conventional platinum nanoparticle catalysts

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 본 발명의 방법에 의해 제조된 연료전지용 단일원자 백금 촉매를 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an electrode for a fuel cell comprising a single atomic platinum catalyst for a fuel cell manufactured by the method of the present invention.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전극은 전극촉매를 포함하는 연료전지용 캐소드 또는 애노드이다. According to an embodiment of the present invention, the electrode is a cathode or an anode for a fuel cell including an electrode catalyst.

본 발명의 연료전지용 전극은 상술한 본 발명의 방법에 의한 단일원자 백금 촉매를 이용하는 것으로서, 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.The electrode for a fuel cell of the present invention uses a single atom platinum catalyst according to the method of the present invention described above, and the description common to both of them is omitted in order to avoid the excessive complexity of the present specification.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 본 발명의 방법에 의해 제조된 연료전지용 단일원자 백금 촉매를 포함하는 연료전지를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising a single atomic platinum catalyst for a fuel cell manufactured by the method of the present invention.

본 발명의 연료전지는 상술한 본 발명의 방법에 의한 단일원자 백금 촉매 또는 연료전지용 전극을 이용하는 것으로서, 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.The fuel cell of the present invention uses a single atomic platinum catalyst or an electrode for a fuel cell according to the method of the present invention described above, and the description common to both of them is omitted in order to avoid the excessive complexity of the present specification.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 연료전지는 직접 포름산 연료 전지(Direct formic acid fuel cells, DFAFC)이다. 이외에도 다양한 연료전지가 있지만, 직접 메탄올 연료전지는 연료인 메탄올이 anode(산화전극)에서 멤브레인을 거쳐 cathode(환원전극)으로 확산하여 환원전극의 촉매활성을 떨어트리는 'cross over' 현상이 크게 일어난다. 또한, 메탄올 산화반응에서 반응 부산물인 CO는 촉매표면에 강하게 흡착하여 활성을 저하시키며, 메탄올 자체도 인체에 매우 해롭다. 수소 연료전지의 경우 연료인 수소를 운반 및 보관하기 어렵고 안전상의 문제가 있다.According to an embodiment of the present invention, the fuel cell is a direct formic acid fuel cell (DFAFC). In addition, various methanol fuel cells have a 'cross over' phenomenon in which methanol, which is a fuel, diffuses from the anode (anode) through the membrane to the cathode (cathode), thereby reducing the catalytic activity of the cathode. Also, in the methanol oxidation reaction, CO, which is a byproduct of the reaction, strongly adsorbs on the surface of the catalyst to lower its activity, and methanol itself is very harmful to the human body. In the case of a hydrogen fuel cell, it is difficult to transport and store hydrogen, which is a fuel, and there is a safety problem.

하지만, 직접 포름산 연료전지의 연료인 포름산은 cross over 현상이 적고, 환경친화적이며 액체상태이기 때문에 저장 및 운반이 용이하기 때문에 portable device로 적용하기에 유리하다.However, formic acid, which is a fuel for direct formic acid fuel cells, is advantageous to be applied as a portable device because it has a low cross-over phenomenon, is environmentally friendly, and is in a liquid state.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 안티모니-도핑된 산화주석(antimony-doped tin oxide, ATO) 담지체(support) 상에 단일원자 백금이 증착된 연료전지용 단일원자 백금 촉매를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a single atomic platinum catalyst for a fuel cell, wherein a single atomic platinum is deposited on an antimony-doped tin oxide (ATO) support .

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 안티모니-도핑된 산화주석(antimony-doped tin oxide, ATO) 담지체(support) 상에 단일원자 백금이 증착된 연료전지용 단일원자 백금 촉매를 포함하는 직접 포름산 연료전지를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a single atomic platinum catalyst for a fuel cell on which a single atomic platinum is deposited on the above-mentioned antimony-doped tin oxide (ATO) support. The present invention provides a direct formic acid fuel cell comprising

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:The features and advantages of the present invention are summarized as follows:

(a) 본 발명은 연료전지용 단일원자 Pt 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.(a) The present invention relates to a single atom Pt catalyst for fuel cells and a method of manufacturing the same.

(b) 본 발명의 연료전지용 단일원자 Pt 촉매는 Pt 원자들이 서로 떨어져 있기 때문에 앙상블 사이트 (ensemble site, 원자들이 붙어서 모여있는 곳)가 없기 때문에 기존의 나노입자 촉매들과는 다른 선택도를 갖는다.(b) The single atom Pt catalyst for fuel cell of the present invention has different selectivity from existing nanoparticle catalysts because there are no ensemble sites (because the atoms are gathered together) because Pt atoms are separated from each other.

(c) 본 발명에서는 incipient wetness impregnation 방법을 이용하여 Sb가 도핑된 SnO2 (antimony-doped tin oxide, ATO)위에 백금을 단일원자 형태로 합성하였고, DFT 계산을 통해 백금 원자가 SnSb 또는 ATO (bulk or surface)의 안티모니 원자 자리에 치환된 형태가 열역학적으로 안정하다는 것을 확인하였다.(c) In the present invention, platinum is synthesized in a single atom form on Sb-doped SnO 2 (antimony-doped tin oxide (ATO)) using incipient wetness impregnation method. DFT calculation shows that the platinum atom is SnSb or ATO surface was found to be thermodynamically stable.

(d) 본 발명의 Pt1/ATO 촉매를 양극(산화전극)으로 사용한 DFAFC완전전지에서 Pt의 함량은 기존 촉매의 1/10로 매우 낮음에도 불구하고 상용 Pt/C와 동등한 성능을 나타낸다.(d) In the DFAFC complete cell using the Pt1 / ATO catalyst of the present invention as a positive electrode (oxidation electrode), the Pt content is comparable to that of commercial Pt / C despite being very low at 1/10 of the existing catalyst.

(e) 본 발명의 백금 단일원자 촉매는 직접 포름산 연료전지의 에너지 효율을 높여, 직접 포름산 연료전지용 제조 촉매의 생산 단가 또는 직접 포름산 연료전지의 제조 단가를 낮출 수 있다.(e) The platinum single atom catalyst of the present invention can directly increase the energy efficiency of the formic acid fuel cell, and can lower the production cost of the direct formic acid fuel cell production catalyst or the direct formic acid fuel cell production cost.

도 1a. (a) 4 wt % Pt NP / ATO 및 (b) 4 wt % Pt1/ATO의 HR-TEM 이미지. Pt NP/ATO는 백금 전구체를 100℃에서 환원시키고 Pt1/ATO는 400℃에서 다른 합성 조건으로 환원시킴으로써 제조하였다. (c) 동일한 위치에서 Pt1/ATO의 EDS elemental mapping 및 (d) HAADF-STEM 이미지. 도 1b-1c. (e), (g) Pt1/ ATO의 HAADF-STEM 이미지, (f), (h)는 (e), (g) 일부의 확대 이미지. 도 1d는 Pt1/ATO의 HAADF-STEM 확대이미지와 Pt1/ATO, Pt NP/ATO, 및 Pt/C의 포름산 산화반응 장기안정성 테스트 중 질량당 반응성 변화 그래프.
도 2a-2d. Pt foil, 환원된 20 wt% Pt/C, 4 wt% Pt NP/ATO 및 4 wt% Pt1/ATO 샘플에 대한 (2a) EXAFS (line: measured, symbol: fitted), (2b) XANES Pt L3 edge, (2c) XPS Pt 4f, 및 (2d) XPS Sb 3d 및 O 1s 데이터. 상업용 20wt % Pt/C는 측정 전에 100℃에서 1 시간 동안 환원되었다.
도 3a-3d. (3a) 20 wt % Pt/C, 4 wt % Pt NP/ATO 및 4 wt % Pt1/ATO에 대해 촉매를 활성화시킨 후 Ar- 퍼지된 0.1 M HClO4 용액에서 CVs 측정 결과. CV는 50mV/s의 스캔 속도로 측정되었다. (3b) FAOR 포워드 스캔. (3c) MOR 포워드 스캔. FAOR 또는 MOR은 1600 rpm에서 50 mV / s의 스캔 속도로 0.5 M HCOOH 또는 0.5 M 메탄올 용액을 포함하는 Ar- 포화된 0.1 M HClO4에서 CV를 수행함으로써 수행되었다. (3d) ORR 전류 밀도 및 H2O2 선택성. ORR은 1600rpm에서 10mV / s의 스캔 속도로 O2 포화된 0.1M HClO4 용액에서 LSV를 수행하였다.
도 4a-4d. (4a) Ar-포화된 0.1M HClO4와 0.5M 포름산 용액에서 1800사이클 동안 0.05-1.4V 범위의 CV를 1600 rpm에서 50 mV / s 스캔 속도로 반복하여 안정성 시험 중 직접 경로의 질량활성 변화. FAOR 안정성 시험 후 (4b) 20 wt% Pt/C, (4c) 4 wt% Pt NP/ATO 및 (4d) 4 wt% Pt1/ATO의 HR-TEM 이미지.
도 5a-5b. (5a) FAOR는 Pt1/ATO 시료에서 다양한 Pt 함량에 따른 포워드 스캔을 수행하였다. FAOR은 1600 rpm에서 50 mV / s의 스캔 속도로 0.5 M HCOOH 용액으로 Ar-포화된 0.1 M HClO4에서 CV를 수행하였다. (5b) 1600 rpm에서 50 mV / s의 스캔 속도를 나타내는 아르곤 포화된 0.1M HClO4와 0.5M 포름산 용액하에서, 0.05 - 1.4V 범위에서 CV를 1800 회까지 반복하여 수행한 안정성 시험 동안, 직접 경로의 질량 활성의 변화.
도 6a-6b. (a) 양극 촉매로서 20 wt% Pt/C 및 4 wt % Pt1/ATO를 사용하는 DFAFC 단일 전지에 대한 전류 밀도 함수로서 전압 곡선 및 (6b) 전력 밀도 곡선. 양극에서의 Pt 부하는 Pt/C에 대해 0.4 mgPt / cm2 및 Pt1/ATO에 대해 0.04 mgPt / cm2였다. 음극은 두 경우 모두 40 wt% Pt/C를 사용하여 2 mgPt / cm2의 Pt 부하로 제조되었다.
도 7. 수퍼셀(Supercell) (a) 벌크(Bulk) Sn: 1×1×1 슈퍼셀 (a = b = 5.96 ÅA, c = 3.18ÅA) 은 4 개 Sn 원자를 포함한다. k-points used 8×8××8. (b) 벌크 SnSb: 1×1 ×1 슈퍼셀 (a = b = c = 6.18ÅA)은 16 개 원자를 포함한다(Sn-8, Sb-8). k-points used 8×8××8. (c) 벌크 ATO: 2×2×2 슈퍼셀 (a = b = 9.62 ÅA, c = 6.47ÅA)은 48 개 원자를 포함한다 (Sn-15, Sb-1, O-32). (d) Sn (100) surface: surface은 4 layer slab으로 모델링되었다, k-points = 5×5××1. 바닥 1개층은 고정되었다. 슈퍼셀 (a = 5.96ÅA, b = 6.36ÅA)은 48 개 원자를 포함한다. (e) SnSb (100): surface 는 4 layer slab으로 모델링되었다. k-points = 5×5××1. 바닥 1개 층은 고정되었다. 슈퍼셀 (a = b = 8.74 ÅA)은 40개 원자를 포함한다 (Sn-20, Sb-20). ATO surface slab 은 SnO2 벌크 크리스탈 구조에서 층층이(layer by layer) 원자 층을 분리하여 얻었다. 본 발명의 표면 모델에서는, 적어도 5개 Sn층을 유지하도록 하였고, 3개 바닥층은 고정되도록 하였다. 본 발명에서는 모든 표면 계산을 위하여 c-direction을 따라15 ÅA vacuum slab을 사용하였다. 그리고 Sb 원자를 표면(surface) 및 표면 아래층(subsurface)에 도핑하였다. k-points used 5×5××1. (f) ATO (100)r: 화학량론적 표면(stoichiometric surface)에서 가장 높고 가장 낮은 산소 층이 제거될 때, (100) surface은 비화학량론적 Sn-terminated되었다. 이는 표면 환원으로서, 모든 표면 Sn 원자는 3배위를 형성하였다. 슈퍼셀 (a = 9.60 ÅA, b = 6.46 ÅA)은 52개 원자를 포함한다 (Sn-19, Sb-1, O-32) (g) ATO (110)r: 이는 비화학량론적 Sn terminated 환원 표면을 의미한다. 슈퍼셀 (a = 6.46ÅA, b = 6.78ÅA)은 56 개 원자를 포함한다 (Sn-19, Sb-1, O-36). (h) ATO (101)r: 모든 브리지 산소가 제거된 환원표면은 Sn terminated되었다. 슈퍼셀 (a = 5.78 A, b = 9.60ÅA)은 52개 원자를 포함한다 (Sn-19, Sb-1, O-30). (i) ATO (211)r: 슈퍼셀 (a = 7.41ÅA, b = 11.41ÅA)은 80개 원자를 포함한다 (Sn-27, Sb-1, O-52).
도 8a-8d. Pt NP/ATO 의 (8a) STEM 이미지 및 (8b) Pt 나노입자 크기 히스토그램. 400℃ 환원 전(8c), 후(8d)의 ATO 담지체의 TEM 이미지.
도 9. 다양한 크리스탈 상의 XRD 패턴
도 10a-10d. 20 wt% Pt/C, 4 wt% Pt NP/ATO, 4 wt% Pt1/ATO, ATO 100, ATO 400, and 4 wt% Pt/SnO2에서 (10a) FAOR 및 (10b) MOR의 포워드 스캔. 스캔 속도 50 mV/s, 1600 rpm. ATO는 각각 100℃ (ATO 100) 및 400℃ (ATO 400)에서 환원되었다. 담지체로 Sb 가 없는 SnO2를 사용한 것을 제외하고, 4 wt% Pt1/ATO 를 제조한 방법과 동일하게 4 wt% Pt/SnO2를 제조하였다. Pt/SnO2 의 (10c) HR-TEM 이미지 및 (10d) 확대된 HR-TEM 이미지.
도 11a-11b. 20 wt% Pt/C, 4 wt% Pt NP/ATO, 및 4 wt% Pt1/ATO에서 (11a) Pt 중량 및 (11b) 전극 면적으로 정규화된 OER LSV 곡선. 반응은 Ar-퍼지 0.1 M HClO4 용액에서 스캔속도5 mV/s, 1600 rpm으로 수행하였다.
도 12a-12d. (12a) 1 wt% Pt1/ATO 및 (12b) 8 wt% Pt1/ATO 샘플의 TEM 이미지. Pt1/ATO 에서 다양한 Pt 함량에 따른 (12c) XANES 및 (12d) EXAFS 데이터.
도 13a-13b. 1 wt% Pt1/ATO 에서 (13a) STEM 및 (13b) 해당 EDS 매핑 이미지.
도 14. 1800 사이클 안정성 시험이후 20 wt% Pt/C 및 다양한 Pt 함량의 Pt1/ATO 의 FAOR 포워드 스캔. 안정성 시험은 Ar-포화 0.1 M HClO4 및 0.5 M 포름산용액 하에서 스캔속도 50 mV/s, 1600 rpm로, 0.05 V - 1.4 V 범위에서 CVs를 반복함으로써 수행하였다.
1a. HR-TEM image of (a) 4 wt% Pt NP / ATO and (b) 4 wt% Pt1 / ATO. Pt NP / ATO was prepared by reducing the platinum precursor at 100 ℃ and reducing Pt1 / ATO at 400 ℃ to other synthesis conditions. (c) EDS elemental mapping of Pt1 / ATO at the same position and (d) HAADF-STEM image. 1B-1C. (e), (g) HAADF-STEM images of Pt1 / ATO, and (f) and (h) are magnified images of some of (e) and (g). FIG. 1D is a graph showing the HAADF-STEM magnification image of Pt1 / ATO and the change in reactivity per mass during the long-term stability test of Pt / ATO, Pt NP / ATO, and Pt / C in formic acid oxidation.
2a-2d. EXAFS (line: measured, symbol: fitted) and (2b) XANES Pt L3 edge for Pt foil, reduced 20 wt% Pt / C, 4 wt% Pt NP / ATO and 4 wt% , (2c) XPS Pt 4f, and (2d) XPS Sb 3d and O1s data. Commercial 20 wt% Pt / C was reduced for 1 h at 100 ° C before measurement.
3a-3d. (3a) Results of CV measurements in Ar-purged 0.1 M HClO 4 solution after catalyst activation for 20 wt% Pt / C, 4 wt% Pt NP / ATO and 4 wt% Pt1 / ATO. CV was measured at a scan rate of 50 mV / s. (3b) FAOR Forward scan. (3c) MOR forward scan. FAOR or MOR was performed by performing the CV on Ar-saturated 0.1 M HClO 4 containing 0.5 M HCOOH or 0.5 M methanol solution at 1600 rpm and a scan rate of 50 mV / s. (3d) ORR current density and H 2 O 2 selectivity. The ORR was performed in a 0.1 M HClO 4 solution saturated with O 2 at a scan rate of 10 mV / s at 1600 rpm.
Figures 4a-4d. (4a) Changes in the mass activity of the direct pathway during the stability test by repeating CVs ranging from 0.05-1.4 V for 1800 cycles in 0.1 M HClO 4 and 0.5 M formic acid solution at 1600 rpm at 50 mV / s scan rate. HR-TEM image of 20 wt% Pt / C, (4c) 4 wt% Pt NP / ATO and (4d) 4 wt% Pt1 / ATO after FAOR stability test.
Figures 5a-5b. (5a) FAOR performed forward scans according to various Pt contents in Pt1 / ATO samples. FAOR performed CVs in 0.1 M HClO 4 Ar-saturated with 0.5 M HCOOH solution at a scan rate of 50 mV / s at 1600 rpm. (5b) During the stability test, in which the CV was repeated up to 1800 times in the range of 0.05 - 1.4 V under a solution of 0.1 M HClO 4 and 0.5 M formic acid, which showed a scan rate of 50 mV / s at 1600 rpm, .
6a-6b. (a) Voltage curves and (6b) power density curves as a function of current density for a DFAFC single cell using 20 wt% Pt / C and 4 wt% Pt1 / ATO as an anode catalyst. Pt loading on the anode was 0.04 mgPt / cm 2 for 0.4 mgPt / cm 2 and Pt1 / ATO for the Pt / C. The cathodes were fabricated with Pt loading of 2 mgPt / cm 2 using 40 wt% Pt / C in both cases.
Figure 7. Supercell (a) Bulk Sn: 1 x 1 x 1 supercell (a = b = 5.96 A, c = 3.18 A) contains four Sn atoms. k-points used 8 x 8 x 8. (b) Bulk SnSb: 1 x 1 x 1 supercell (a = b = c = 6.18A) contains 16 atoms (Sn-8, Sb-8). k-points used 8 x 8 x 8. (c) Bulk ATO: 2 × 2 × 2 supercells (a = b = 9.62 ÅA, c = 6.47 Å) contain 48 atoms (Sn-15, Sb-1, O-32). (d) Sn (100) surface: The surface is modeled as a 4-layer slab, with k-points = 5 × 5 ×× 1. One floor of the floor was fixed. The supercell (a = 5.96 A, b = 6.36 A) contains 48 atoms. (e) SnSb (100): The surface was modeled as a 4 layer slab. k-points = 5 x 5 x 1. One floor was fixed. The supercell (a = b = 8.74 ÅA) contains 40 atoms (Sn-20, Sb-20). ATO surface slab is SnO 2 A layer-by-layer atomic layer was isolated from the bulk crystal structure. In the surface model of the present invention, at least five Sn layers were kept and three bottom layers were fixed. In the present invention, a 15 ÅA vacuum slab was used along the c-direction for all surface calculations. And the Sb atoms were doped to the surface and subsurface. k-points used 5 × 5 ×× 1. (f) ATO (100) r : (100) surface was non-stoichiometric Sn-terminated when the highest and lowest oxygen layer was removed from the stoichiometric surface. As surface reduction, all surface Sn atoms formed three coordinates. (G) ATO (110) r : This is a non-stoichiometric Sn-terminated reducing surface (a), which contains 52 atoms . The supercell (a = 6.46A, b = 6.78A) contains 56 atoms (Sn-19, Sb-1, O-36). (h) ATO (101) r : All bridging oxygenated surfaces were Sn terminated. The supercell (a = 5.78 A, b = 9.60 A) contains 52 atoms (Sn-19, Sb-1, O-30). (i) ATO (211) r : The supercell (a = 7.41 Å, b = 11.41 Å) contains 80 atoms (Sn-27, Sb-1, O-52).
8A-8D. (8a) STEM image of Pt NP / ATO and (8b) Pt nanoparticle size histogram. TEM image of ATO support before and after reduction at 400 ° C (8c) and after (8d).
Figure 9. XRD patterns on various crystals
Figures 10a-10d. (10a) FAOR and (10b) MOR in 20 wt% Pt / C, 4 wt% Pt NP / ATO, 4 wt% Pt1 / ATO, ATO 100, ATO 400, and 4 wt% Pt / SnO 2 . Scan speed 50 mV / s at 1600 rpm. ATO was reduced at 100 ° C (ATO 100) and 400 ° C (ATO 400), respectively. 4 wt% Pt / SnO 2 was prepared in the same manner as 4 wt% Pt 1 / ATO except that SnO 2 without Sb was used as the support. (10c) HR-TEM images, and (10d) the HR-TEM image of close-up of Pt / SnO 2.
11a-11b. OER LSV curves normalized to (11a) Pt weight and (11b) electrode area at 20 wt% Pt / C, 4 wt% Pt NP / ATO and 4 wt% Pt1 / ATO. The reaction was carried out in Ar-purged 0.1 M HClO 4 solution at a scan rate of 5 mV / s, 1600 rpm.
12A-12D. (12a) TEM image of 1 wt% Pt1 / ATO and (12b) 8 wt% Pt1 / ATO sample. (12c) XANES and (12d) EXAFS data with various Pt contents in Pt1 / ATO.
13a-13b. 1 wt% Pt1 / ATO (13a) STEM and (13b) corresponding EDS mapping image.
Figure 14. FAOR forward scan of 20 wt% Pt / C and various Pt contents of Pt1 / ATO after 1800 cycle stability test. The stability test was carried out by repeating the CVs in the Ar-saturated 0.1 M HClO 4 and 0.5 M formic acid solution at a scan rate of 50 mV / s at 1600 rpm, ranging from 0.05 V to 1.4 V.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for describing the present invention in more detail and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments in accordance with the gist of the present invention .

실시예Example

실험재료 및 방법Materials and Methods

1.One. 촉매 합성Catalyst synthesis

15μl의 무수 에탄올 (≤0.005 %의 물, 시그마 (Sigma-Aldrich)) 하의 염화 백금산 헥사 하이드레이트 (H2PtCl6 · 6H2O, Sigma-Aldrich; 1 중량%에 1.3 mg, 4 중량%에 5.5 mg 및 8 중량%에 11.5 mg)를 50 mg ATO (99.5 %, Alfa Aesar)와 혼합하고 진공 오븐에서 50 ℃로 밤새 건조시켰다. 200 sccm 의 유속으로 1 시간 동안 10 vol% H2 (N2 balance)하의 튜브로(tube furnace)에서, Pt 전구체는 100 ℃ ATO (Pt NP / ATO) 상에서 또는 400 ℃ Pt1/ATO 상에서Pt 나노입자를 생성하기 위해 환원되었다. (H 2 PtCl 6 .6H 2 O, Sigma-Aldrich; 1.3 mg in 1% by weight, 5.5 mg in 4% by weight) in 15 μl of anhydrous ethanol (≤0.005% water, Sigma-Aldrich) And 11.5 mg at 8 wt%) were mixed with 50 mg ATO (99.5%, Alfa Aesar) and dried overnight in a vacuum oven at 50 < 0 > C. In a tube furnace under a 10 vol% H 2 (N 2 balance) for 1 hour at a flow rate of 200 sccm, the Pt precursor was supported on PtO ATO (Pt NP / ATO) at 100 ° C. or Pt nanoparticles Lt; / RTI >

2.2. 전기화학적 측정Electrochemical measurement

반전지 테스트를 위한 모든 전기 화학적 측정은 bi-potentiostat (CHI 730E, CH Instruments, Inc.)가 있는 3 전극 전기 화학 전지를 사용하여 298 K에서 수행하였다. 3M NaCl Ag/AgCl (RE-5B, BASi) 및 코일 형 Pt 와이어를 기준 전극 및 카운터 전극으로 각각 사용 하였다. 각 측정에 앞서 회전 백금 전극을 사용하여 (70 %, 시그마 알드리치) H2-퍼지 0.1 M HClO4용액에서 수소 방출 및 산화에 의한 가역 수소 전극 (RHE) 전위를 측정하여 전위를 보정 하였다. 모든 전위는 RHE 대비 전위를 나타낸다. 모든 촉매 잉크는 5 ml의 무수 에탄올에 분산된 5 ㎎의 촉매를 15 분 동안 초음파 처리하여 제조하였다. 15 μg 촉매를 회전 링 디스크 전극 (rotating ring disk electrode, RRDE) 상에 증착시키고, 무수 에탄올 1 ml에 내피온 10 μL (5 중량%, 알드리치)을 분산시켜 제조한 내피온 용액 10 μl을 증착시켰다. 활성화는 전기촉매 반응 시험 전에 100mV / s의 스캔 속도로 50 사이클 동안 0.05V에서 1.1V까지 순환 전압 전류법 (CV)을 실시함으로써 수행하였다. FAOR 또는 MOR은 1600rpm에서 50 mV/s의 스캔 속도로 0.5M HCOOH 또는 0.5M 메탄올 용액으로 Ar-포화된 0.1M HClO4에서 CV를 실시함으로써 수행하였다. 아르곤 퍼지 1600 rpm, 0.1 M HClO4 + 0.5 M HCOOH 용액에서 50 mV / s의 스캔 속도로 0.05-1.4 V범위에서 1800 사이클동안 CV를 반복함으로써 단일 원자 백금 촉매의 안정성을 시험하였다. ORR은 1600 rpm에서 10 mV / s의 스캔 속도로 O2-포화된 0.1 M HClO4 용액에서 0.05 V- 1.1 V까지 선형 스캔 전압법 (LSV)으로써 수행하였다. IR 보정은 CHI 소프트웨어를 사용하여 ORR 측정 전에 수행하였다. OER는 1600 rpm에서 5 mV/s의 스캔 속도로 Ar-포화된 0.1 M HClO4 용액에서 LSV를 수행하여 측정되었다.All electrochemical measurements for the half-cell test were performed at 298 K using a three-electrode electrochemical cell with bi-potentiostat (CHI 730E, CH Instruments, Inc.). 3M NaCl Ag / AgCl (RE-5B, BASi) and coiled Pt wires were used as the reference electrode and the counter electrode, respectively. Prior to each measurement, reversible hydrogen electrode (RHE) potentials were measured by hydrogen release and oxidation in a H 2 -purified 0.1 M HClO 4 solution using a rotating platinum electrode (70%, Sigma Aldrich) to correct potentials. All potentials represent potentials relative to RHE. All catalyst inks were prepared by sonication of 5 mg of catalyst dispersed in 5 ml of absolute ethanol for 15 minutes. 15 μg of the catalyst was deposited on a rotating ring disk electrode (RRDE), and 10 μl of the nepheline solution prepared by dispersing 10 μL of lysozyme (5 wt%, Aldrich) in 1 ml of anhydrous ethanol was deposited . Activation was performed by cyclic voltammetry (CV) from 0.05 V to 1.1 V for 50 cycles at a scan rate of 100 mV / s prior to the electrocatalytic reaction test. FAOR or MOR was performed by performing CV in 0.1 M HClO 4 Ar-saturated with 0.5 M HCOOH or 0.5 M methanol solution at 1600 rpm at a scan rate of 50 mV / s. The stability of a single atom platinum catalyst was tested by repeating CV for 1800 cycles in the range of 0.05-1.4 V at a scan rate of 50 mV / s in argon purge 1600 rpm, 0.1 M HClO 4 + 0.5 M HCOOH solution. The ORR was performed with a linear scan voltage method (LSV) from O 2 -saturated 0.1 M HClO 4 solution to 0.05 V-1.1 V at a scan rate of 10 mV / s at 1600 rpm. IR correction was performed prior to ORR measurement using CHI software. The OER was measured by performing LSV in Ar-saturated 0.1 M HClO 4 solution at a scan rate of 5 mV / s at 1600 rpm.

3.3. CharacterizationsCharacterizations

촉매의 이미지는 Cs 보정기가 장착된 투과 전자 현미경 (TEM, Tecnai TF30 ST, FEI) 및 고각 환형 암시야 스캐닝 투과 전자 현미경 (HAADF-STEM, Titan cubed G2 60-300, FEI)을 이용하여 수득하였다(200 kV). 결정 구조는 2°/분의 스캔 속도로 X- 선 회절 (XRD) 패턴 (Rigaku, Cu Kα 방사선)으로 측정하였다. 전자 구조는 X 선 광전자 분광기(XPS, Kα, Thermo VG Scientific)로 관찰하였다. 결합 에너지는 284.8eV의 C 1s 피크의 최대 강도를 기준으로 하여 위치시킴으로써 측정하였다. 포항 광원 (Pohang Light Source, PLS) 8C 나노 XAFS 빔라인에서 XANES (X-ray absorption near edge) 구조 및 X 선 흡수 미세 구조 (EXAFS)를 측정하였다. 촉매의 실제 Pt 함량은 촉매를 왕수에 용해시킨 후 유도 결합 플라스마-발광 분광법 (ICP-OES 720, Agilent)으로 측정 하였다. 안정성 테스트이후의 용액으로 침출된 Pt 함량은 ICP-질량 분석기 (ICP-MS, Perkin-Elmer)로 측정하였다.The image of the catalyst was obtained using a transmission electron microscope (TEM, Tecnai TF30 ST, FEI) equipped with a Cs compensator and a high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM, Titan cubed G2 60-300, FEI) 200 kV). The crystal structure was measured with an X-ray diffraction (XRD) pattern (Rigaku, Cu Kα radiation) at a scan rate of 2 ° / min. Electronic structures were observed with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, Kα, Thermo VG Scientific). The binding energy was measured by placing the peak intensity of C 1s peak at 284.8 eV as a reference. X-ray absorption near edge (XANES) structure and X-ray absorption microstructure (EXAFS) were measured in a Pohang Light Source (PLS) 8C nano XAFS beamline. The actual Pt content of the catalyst was determined by inductively coupled plasma-emission spectroscopy (ICP-OES 720, Agilent) after the catalyst was dissolved in aqua regia. The Pt content leached into the solution after the stability test was measured with an ICP-mass spectrometer (ICP-MS, Perkin-Elmer).

4. MEA 가공 및 단일 전지 테스트4. MEA machining and single cell test

DFAFC를 위한 막전극 접합체(Membrane electrode assemblies, MEAs)는 5 cm2의 기하학적 영역을 갖는 촉매 코팅 확산층 (catalyst coated diffusion-layer, CCD) 방법을 사용하여 제작되었다. 양극에 대해, 준비된 촉매를 스프레이에 의해 가스 확산층 (CNL 에너지) 상에 증착시켰다. 촉매 잉크는 용매 (탈이온수 : 이소프로필 알콜 = 1 : 3)에 분산된 촉매를 내피온 용액 (5 중량 %, Aldrich)과 혼합하여 제조하였다. 양극에서의 Pt 함량은 Pt1 / ATO에 대해 0.04 mgPt / cm2 및 Pt/C에 대해 0.4 mgPt/cm2이었다. 음극은 Pt / C 40 중량 %로 제조되었고, 환원 반응으로부터의 영향을 피하기 위해 Pt 함량은 2 mgPt/cm2보다 훨씬 더 많았다. 양극 및 음극 모두에서 내피온 이오노머의 함량은 촉매층에서 10 중량 %로 조절되었다. Membrane electrode assemblies (MEAs) for DFAFC were fabricated using a catalyst coated diffusion-layer (CCD) method with a geometric area of 5 cm 2 . For the anode, the prepared catalyst was deposited on the gas diffusion layer (CNL energy) by spraying. The catalyst ink was prepared by mixing a catalyst dispersed in a solvent (deionized water: isopropyl alcohol = 1: 3) with Nion's solution (5 wt%, Aldrich). Pt content was 0.4 mgPt / cm 2 for 0.04 mgPt / cm2 and Pt / C for Pt1 / ATO in the positive electrode. The negative electrode was made of 40 wt% Pt / C and the Pt content was much higher than 2 mgPt / cm 2 to avoid the effect from the reduction reaction. The content of the endion ionomer in both the anode and the cathode was adjusted to 10 wt% in the catalyst layer.

그 후, 전극을 Nafion 212 막으로 135 ℃ 및 430 psi에서 135 초 동안 고온 압축시켰다. 준비된 MEA는 흑연 흐름 채널, 개스킷 및 전류 컬렉터로 구성된 단일 전지 설정하에서 실험하였다. 활성화는 두 단계로 수행하였다. 우선, 전지 온도를 60 ℃로 설정하고, 7 M HCOOH 용액을 2 sccm의 유량으로 양극에 공급하고, 가습 전 H2 (100 % RH) 가스를 유량 100 sccm으로 투입하였다. 그리고 전류 밀도가 포화될 때까지 0.05 V - 1.1 V의 전압 범위에서 사이클릭 볼타 메트리를 수행하였다. 둘째, 음극으로의 유입은 유속 200 sccm 인 가습 전 O2 (100 % RH) 가스로 변경되었고, 전류 밀도가 포화될 때까지 0.1 V - 0.7 V의 전압 범위에서 사이클릭 볼타메트리를 수행하였다. 활성화 후, 1 초당 2 mA / cm2만큼 전류 밀도를 증가시킴으로써 I-V 편광 곡선을 측정하였다.The electrode was then hot pressed with a Nafion 212 membrane at 135 DEG C and 430 psi for 135 seconds. The prepared MEA was tested under a single cell configuration consisting of a graphite flow channel, a gasket and a current collector. Activation was performed in two steps. First, the battery temperature was set at 60 占 폚, a 7 M HCOOH solution was supplied to the positive electrode at a flow rate of 2 sccm, and H 2 (100% RH) gas was introduced at a flow rate of 100 sccm before humidification. Cyclic voltammetry was performed in a voltage range of 0.05 V - 1.1 V until the current density saturates. Second, the inlet to the cathode was changed to a humidified O 2 (100% RH) gas with a flow rate of 200 sccm, and cyclic voltammetry was performed in a voltage range of 0.1 V to 0.7 V until the current density saturates. After activation, the IV polarization curves were measured by increasing the current density by 2 mA / cm 2 per second.

5. Computational Details5. Computational Details

ATO에서 단일 원자핵 Pt의 성질을 조사하기 위해 VASP (Vienna ab initio simulations) 패키지를 사용하여 밀도 함수 이론 (DFT) 계산을 수행하였다. 교환 상관 효과(Exchange-correlation effects)는 GGA (generalized gradient approximation) 기능 기반Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) 에 의해 실험하였다. 파동 함수는 450 eV의 에너지 컷오프를 가진 평면 파동의 확장으로 구성되었다. 기하학적 완화(geometry relaxation)는 각 원자에 대한 잔류 힘이 0.02eV / ÅA 미만이 될 때까지 접합 구배 방법을 사용하여 수행하였다. 실험 관찰에 기초하여, Sn, SnSb, SnO2 및 ATO를 계산에 고려하였다. 벌크 안티몬 주석 산화물 (antimony tin oxide, ATO)을 모델링하기 위해, 먼저 루틸(rutile) SnO2 (Sn16O32)의 48 원자 2 × 2 × 2 슈퍼셀(supercell)을 고려하였다. 16 개의 Sn 원자 중 하나가 하나의 Sb 원자로 대체되었다. Monkhorst-Pack 방법에 의한 Brillouin 구역 샘플링을 위해 4 × 4 × 6 k-포인트 메쉬를 생성하였다. 모든 ATO 계산에 대해, 격자 파라미터를 도핑되지 않은 SnO2 벌크의 이론 값에 고정 시켰다. 벌크 Sn 및 SnSb는 각각 정방 정계 (β) 및 NaCl 상으로 모델링되었다. 표면을 시뮬레이션하기 위해 주기 슬라브(slab) 모델을 사용하였다. 쌍극자 보정(dipole correction)은 표면에 수직 방향으로 추가되다. 환원 과정을 거친 ATO 나노 입자를 모델링하기 위해, 우리는 완전히 환원된 (110), (100), (101) 및 (211) 표면을 고려하였다. 표면 산소가 분해되고 3 배 배위를 갖는 Sn2 +의 표층이 생성되었다. 본 발명자들은 β Sn과 SnSb의 표면에 대해 (100)면을 고려하였다. 계산에 사용된 모든 슈퍼셀은 도 7 에 나타내었다. 치환 에너지는 Esub = (Edoped + Eatom) - (Epure + EPt) 로 계산하였다. 상기 식에서 Esub는 치환 에너지, Edoped는 Pt 치환기가 있는 벌크/표면의 에너지, Eatom은 Pt 원자로 치환된 벌크/표면에서 모원자(parent atom)의 에너지, Epure는 순수 벌크/표면의 에너지이다.Density function theory (DFT) calculations were performed using the Vienna ab initio simulations (VASP) package to investigate the properties of single nuclei Pt in ATO. Exchange-correlation effects were tested by Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) based on GGA (generalized gradient approximation) function. The wave function consisted of an extension of the plane wave with an energy cutoff of 450 eV. Geometry relaxation was performed using the junction gradient method until the residual force for each atom was less than 0.02 eV / A. Based on experimental observations, and considering the Sn, SnSb, SnO 2, and ATO in the calculation. To model bulk antimony tin oxide (ATO), we first considered a 48 atom 2 × 2 × 2 supercell of rutile SnO 2 (Sn 16 O 32 ). One of the 16 Sn atoms was replaced by one Sb atom. A 4 × 4 × 6 k-point mesh was generated for the Brillouin zone sampling by the Monkhorst-Pack method. For all ATO calculations, the lattice parameter was fixed to the theoretical value of undoped SnO2 bulk. Bulk Sn and SnSb were modeled as tetragonal (?) And NaCl phases, respectively. A periodic slab model was used to simulate the surface. The dipole correction is added perpendicular to the surface. In order to model the ATO nanoparticles after reduction, we considered the fully reduced (110), (100), (101) and (211) surfaces. Surface oxygen was decomposed and a surface layer of Sn 2 + having a threefold coordination was generated. The present inventors considered (100) planes for the surfaces of? Sn and SnSb. All super cells used in the calculation are shown in Fig. The substitution energy was calculated as E sub = (E doped + E atom ) - (E pure + E Pt ). Wherein E sub substituted energy, E doped Pt and with a substituent bulk / surface energy, E atom is Pt atoms bulk / Mo atom (parent atom) in the surface energy, E pure energy of the pure bulk / surface to be.

실혐결과 및 논의Actual results and discussion

초기 습식 함침(incipient wetness impregnation), 공동-침전(co-precipitation), 및 금속의 진공 증착 등을 포함하는 SAC 제조를 위한 다양한 합성 방법이 보고되었다. 불균일(heterogeneous) 촉매의 제조에는 초기 습식 함침(incipient wetness impregnation) 및 공동-침전 방법이 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 방법이고, 진공 증착방법은 설비비용이 높고 촉매 생산량이 낮기 때문에 적절하지 않다. 기존 방법을 이용하여 SAC를 제조하는 것이 바람직하다.Various synthetic methods have been reported for the manufacture of SACs, including incipient wetness impregnation, co-precipitation, and metal vacuum deposition. Incipient wetness impregnation and co-precipitation are the most widely used methods in the world for the production of heterogeneous catalysts, and the vacuum deposition method is not suitable because of high facility cost and low catalyst production. It is desirable to produce SAC using existing methods.

본 발명자들은 안티몬-도핑된 산화 주석 (antimony-doped tin oxide, ATO) 지지체 상의 단일 원자 Pt를 제작하기 위해 전형적인 초기 습윤 함침 방법을 사용하였다. 다양한 Pt 중량 퍼센트 (1,4 및 8 중량 %)를 갖는 Pt 전구체를 ATO 지지체와 혼합하고, 100℃ 및 400℃의 상이한 온도에서 환원시켰다. 4 wt % Pt가 ATO 지지체 상에 증착될 때, 증착된 Pt의 특징은 환원 온도에 따라 매우 상이 하였다. 도 1a의 (a)는 100 ℃에서 환원되었을 때 별개의 Pt 나노입자가 형성되었음을 보여준다. Pt 나노입자의 크기는 2.5 ± 0.7 nm로 추정되었다 (도 8). Pt 전구체가 400 ℃에서 환원되었을 때, Pt 나노입자는 관찰되지 않았다. 대신 도 1a의 (b)와 같이 ATO 도메인만 관찰되었다. 400 ℃에서의 환원 전후 ATO 지지체의 TEM 이미지는 Figure S2 (c)와 (d)에 나타내었으며, 도 1a (b)와의 차이는 발견되지 않았다. 도 1a (d)의 HAADF-STEM 이미지에서도 Pt 나노입자가 나타나지 않았다. 그러나 도 1a (c)의 QMap net counts 모드를 갖는 EDS 이미지는 Pt 도메인의 존재를 분명히 보여주었다.The present inventors used a typical initial wet impregnation method to make a single atom Pt on an antimony-doped tin oxide (ATO) support. Pt precursors with various Pt weight percentages (1, 4, and 8 wt%) were mixed with an ATO support and reduced at different temperatures of 100 캜 and 400 캜. When 4 wt% Pt was deposited on the ATO support, the characteristics of the deposited Pt were very different depending on the reduction temperature. 1a shows the formation of separate Pt nanoparticles when reduced at 100 < 0 > C. The size of the Pt nanoparticles was estimated to be 2.5 +/- 0.7 nm (Figure 8). When the Pt precursor was reduced at 400 ° C, no Pt nanoparticles were observed. Instead, only the ATO domain was observed as in Figure 1a (b). TEM images of the ATO support before and after reduction at 400 ° C are shown in Figures S2 (c) and (d), and no differences from Figure 1a (b) were found. In the HAADF-STEM image of Fig. 1A (d), Pt nanoparticles did not appear. However, the EDS image with the QMap net counts mode of FIG. 1A (c) clearly showed the existence of the Pt domain.

촉매의 기하학적 구조는 X-선 흡수 분광기로 확인하였다. 도 2a의 EXAFS 결과는 100°C와 400℃에서 환원된 샘플 간의 차이를 명확하게 보여준다. 100℃에서 환원된 샘플 ( "Pt NP / ATO"로 표시)은 시판중인 Pt/C 촉매와 유사한 데이터를 나타내었다. Pt-Pt 배위수는 표 1에서와 같이 Pt/C에 대해 7.15 및 Pt NP/ATO에 대해 7.29로 평가되었다. 그러나 400 ℃에서 환원된 샘플은 Pt NP/ATO또는 Pt/C 와 달리 2.6ÅA에서 피크를 보이지 않았고 대신 2.4ÅA에서 새로운 피크가 나타났다. 이 피크는 Pt-Sn 상호작용에 의한 것이다. Pt-Sn 배위 수는 2.61로 추정되었다. Pt-Pt 상호 작용은 400 ℃에서 환원된 샘플에서 관찰되지 않았기 때문에, 이 샘플은 Pt가 단일 원자로 분산되었다는 것을 나타내는 "Pt1 / ATO"로 표시하였다. 약 0.38의 배위 수를 갖는 Pt NP / ATO에 대해 약한 Pt-Cl 상호 작용이 관찰되었지만, Pt1 / ATO에서는 관찰되지 않았는데, 이는 아마도 고온 환원 과정 중에 모든 Cl 리간드가 분리 되었기 때문일 것이다. 백금 단일 원자 구조는 확대된 HAADF-STEM 이미지로 확인하였다. 도 1b 및 1c에서의 (f)와 (h)는, (e)와 (g)에서 확대된 HAADF-STEM 이미지로서, Pt 단일 원자(빨간색 원으로 표시)가 SnSb와 SnO2 표면에 있음을 보여준다. 모든 Pt 단일 원자가 격자 배열 상에 위치하기 때문에, Pt 원자가 격자상의 원자를 치환하는 것으로 추정된다. 도 1b (f) 및 1 (h)와 같이 SnSb (202) (d = 0.159 nm), SnO2 (101) (d = 0.271 nm), SnO2 (200) (d = 0.219 nm)의 격자 무늬가 명확히 관찰되었다. 격자 간격은 이전에 보고된 값과 유사하였다(D. F. Zhang et al., Adv. Mater., 2003, 15, 1022-+; H. G. Yang and H. C. Zeng, Angew. Chem. Int. Edit., 2004, 43, 5930-5933).The geometry of the catalyst was confirmed by X-ray absorption spectroscopy. The EXAFS results in Figure 2a clearly show the difference between the reduced sample at 100 ° C and 400 ° C. The sample reduced at 100 ° C (denoted "Pt NP / ATO") showed similar data to commercially available Pt / C catalyst. The number of Pt-Pt coordination was estimated to be 7.15 for Pt / C and 7.29 for Pt NP / ATO as shown in Table 1. However, the sample reduced at 400 ℃ did not show a peak at 2.6A, unlike Pt NP / ATO or Pt / C, but a new peak at 2.4A. This peak is due to the Pt-Sn interaction. The number of Pt-Sn coordination was estimated to be 2.61. Since the Pt-Pt interaction was not observed in the reduced sample at 400 ° C, this sample was labeled "Pt1 / ATO" indicating that Pt was dispersed as a single atom. A weak Pt-Cl interaction was observed for Pt NP / ATO with a coordination number of about 0.38, but not for Pt1 / ATO, presumably because all of the Cl ligands were removed during the high temperature reduction process. The platinum single atom structure was confirmed by an expanded HAADF-STEM image. (F) and (h) in FIGS. 1B and 1C show the HAADF-STEM image enlarged in (e) and (g), showing that the Pt single atom (represented by a red circle) is on the SnSb and SnO 2 surfaces . Since all Pt single atoms are located on the lattice constellation, it is assumed that the Pt atoms displace atoms on the lattice. A lattice pattern of SnSb 202 (d = 0.159 nm), SnO 2 (101) (d = 0.271 nm) and SnO 2 (200) (d = 0.219 nm) Clearly observed. The lattice spacing was similar to the previously reported values (DF Zhang et al., Adv. Mater., 2003, 15, 1022-; HG Yang and HC Zeng, Angew. 5930-5933).

Pt 호일, 20 wt% Pt/C, 4 wt% Pt NP/ATO 및 4 중량 % Pt1/ATO의 EXAFS 분석을 위한 피팅 값.Fitting values for EXAFS analysis of Pt foil, 20 wt% Pt / C, 4 wt% Pt NP / ATO and 4 wt% Pt1 / ATO. 샘플Sample PathPath NN R (ÅA)R (A) Debye-Waller factor
2/ÅA2)
Debye-Waller factor
2 / ÅA 2 )
R-factorR-factor
Pt foilPt foil Pt-PtPt-Pt 1212 2.762.76 0.0050.005 0.0050.005 Pt-PtPt-Pt 66 3.913.91 0.0070.007 Pt/CPt / C Pt-PtPt-Pt 7.157.15 2.762.76 0.0070.007 0.0160.016 Pt-OPt-O 0.750.75 2.022.02 0.0000.000 Pt NP/ATOPt NP / ATO Pt-PtPt-Pt 7.297.29 2.762.76 0.0060.006 0.0200.020 Pt-OPt-O 0.130.13 2.072.07 0.003*0.003 * Pt-ClPt-Cl 0.380.38 2.262.26 0.0030.003 Pt1/ATOPt1 / ATO Pt-PtPt-Pt -- -- -- 0.0180.018 Pt-SnPt-Sn 2.612.61 2.652.65 0.0030.003 Pt-OPt-O 0.770.77 2.052.05 0.003*0.003 *

*This factor was fixed during the fitting* This factor was fixed during the fitting

Pt의 전자구조는 도 2b와 같이 XANES로 측정하였다. Pt/C는 산화물 특성인 높은 백색선 강도를 나타내지만, Pt NP/ATO는 Pt 호일(foil)과 매우 유사한 백색선 강도를 보였다. ATO 지지체로부터 Pt 나노입자로의 전자 전달은 Pt 나노입자가 고도의 금속성을 갖게 한다. Pt1/ATO는 뚜렷한 XANES 데이터를 나타내었다. Pt 합금에서 흔히 볼 수 있는 것처럼, 흰 선 피크의 위치가 다른 Pt 촉매와 비교하여 더 높은 에너지로 이동하였다. 표면 특성은 도 2c와 2d에 나타난 XPS에 의해 추가로 특성화하였다. 일반적으로 Pt 4f XPS 피크는 Pt/C에서 회색 점선으로 표시된 것처럼 Pt0, Pt2+ 및 Pt4 +로 디콘볼루션(deconvolution) 될 수 있다. Pt NP/ATO는 Pt0 피크에 대해 약간 낮은 결합 에너지를 나타내었으며, ATO에서 Pt 로의 전자 전달 또한 확인되었다. 그러나, Pt1/ATO는 Pt0 또는 Pt4 + 피크없이 Pt2 + 피크만을 나타내었다. Pt1 / ATO 표면에서, 모든 Pt는 금속 Pt 원자가 아닌 Pt2 +로서 존재한다. 흥미롭게도, 표면 Sb 피크는 Pt1/ATO에서 거의 관찰되지 않았고, Pt NP / ATO에서 명확하게 관찰되었다. The electronic structure of Pt was measured by XANES as shown in FIG. 2B. Pt / C exhibited high white line strength as an oxide characteristic, but Pt NP / ATO exhibited very similar white line strength to Pt foil. Electron transfer from the ATO support to the Pt nanoparticles results in a high degree of metallicity of the Pt nanoparticles. Pt1 / ATO showed clear XANES data. As is common in Pt alloys, the position of the white line peak shifted to higher energy compared to other Pt catalysts. The surface properties were further characterized by the XPS shown in Figures 2c and 2d. Generally Pt 4f XPS peak may be as indicated by the gray dotted line in the Pt / C Pt 0, convolution (deconvolution) to see Deacon as Pt 2+, and Pt + 4. Pt NP / ATO showed slightly lower binding energy for Pt 0 peak, and electron transfer from ATO to Pt was also confirmed. However, Pt1 / ATO showed only Pt 2 + peak without Pt 0 or Pt 4 + peak. In Pt1 / ATO surface, all Pt is present in the form of Pt + 2, not metal Pt atom. Interestingly, surface Sb peaks were hardly observed in Pt1 / ATO and clearly observed in Pt NP / ATO.

도 9의 XRD 데이터는 ATO와 Pt NP / ATO가 SnO2 결정상만을 보유하고있는 반면, Pt1/ATO는 추가적으로 SnSb 및 금속 Sn 상이 있음을 보여준다. Pt는 환원 과정 이후 ATO 지지체 상의 Sn 또는 Sb 를 대체할 수 있다. 표 2는 밀도 함수 이론 (DFT)에 의해 계산된 다양한 벌크 또는 표면 구조에서의 Pt 치환 에너지를 나타낸다. 치환 에너지는 Pt가 금속 Sn 또는 SnSb 상의 Sn 또는 Sb, 또는 ATO 벌크 또는 ATO 표면의 Sb 자리를 대체 할 때 음의 값을 나타내었다. SnSb 상에서 Sb 사이트를 Pt로 대체하는 것이 열역학적으로 가장 안정했다. 또한 표 2의 괄호 안의 값에 의해 알 수 있듯이 ATO 표면에서 Sb 사이트를 Pt로 대체하는 것이 모든 ATO 면(facets) 에서 에너지적으로 더 안정적이었다.The XRD data of Figure 9 show that ATO and Pt NP / ATO only have SnO2 crystalline phase, while Pt1 / ATO additionally has SnSb and metal Sn phases. Pt can replace Sn or Sb on the ATO support after the reduction process. Table 2 shows the Pt displacement energy in various bulk or surface structures calculated by density function theory (DFT). The substitution energy is negative when Pt replaces Sn or Sb on metal Sn or SnSb, or Sb on ATO bulk or ATO surface. It was the most thermodynamically stable to replace the Sb site with Pt on SnSb. Also, as can be seen from the values in parentheses in Table 2, replacing the Sb site with Pt on the ATO surface was more energetically stable on all ATO facets.

DFT 계산에 의해 추정된 벌크 및 표면 Pt 원자의 치환 에너지 (eV). 아래 첨자 'r'은 환원된 표면을 나타냄. Sn 또는 Sb가 표면 아래에 존재하는 경우의 대체 에너지는 괄호안에 표시함.Substitution energy (eV) of bulk and surface Pt atoms estimated by DFT calculation. The subscript 'r' indicates the reduced surface. Alternative energies in the presence of Sn or Sb below the surface are indicated in parentheses. SiteSite Bulk (eV)Bulk (eV) Surface (eV)Surface (eV) SnSn SnSbSnSb ATOATO Sn
(100)
Sn
(100)
SnSb
(100)
SnSb
(100)
ATO
(100)r
ATO
(100) r
ATO
(110)r
ATO
(110) r
ATO
(101)r
ATO
(101) r
ATO
(211)r
ATO
(211) r
SnSn -1.84-1.84 -1.80-1.80 1.451.45 -2.31-2.31 -2.47-2.47 1.67
(1.29)
1.67
(1.29)
0.14
(1.39)
0.14
(1.39)
0.81
(1.12)
0.81
(1.12)
1.69
(0.97)
1.69
(0.97)
SbSb -- -2.11-2.11 -0.07-0.07 -- -2.89-2.89 0.57
(-0.62)
0.57
(-0.62)
0.69
(-0.48)
0.69
(-0.48)
-0.35
(-0.63)
-0.35
(-0.63)
1.22
(-1.50)
1.22
(-1.50)
OO -- -- 5.165.16 -- -- 1.411.41 1.211.21 1.211.21 1.571.57

제조된 촉매의 전기 촉매 활성을 다양한 전기 화학 반응에서 시험하였다. 도 3a는 Pt/C, Pt NP/ATO 및 Pt1/ATO에 대한 Ar-퍼지 0.1M HClO4 수용액에서의 순환 전압 전류 (CV)를 나타낸다. Pt 나노 입자는 전형적으로 0.02-0.3 V의 전위 범위에서 Hupd (under-potential deposition of hydrogen) 피크를 나타낸다. 이러한 피크는 Pt/C에서 명확하게 관찰되었으며, 또한 Pt NP/ATO에서 광범위한 피크가 관찰되었다. 그러나 Pt1/ATO는 동일한 범위에서 Hupd 피크를 나타내지 않았다. Hupd는 단계, 결함 및 테라스 사이트에서의 Pt 앙상블 사이트 상에 형성되는 것으로 알려져 있다. Pt1/ATO에 Hupd 피크가 없으면 Pt 나노입자가 없다는 보다 강력한 증거이다.The electrocatalytic activity of the prepared catalysts was tested in various electrochemical reactions. Figure 3a shows a cyclic voltammetry in Ar- purge 0.1M HClO 4 aqueous solution for Pt / C, Pt NP / ATO and Pt1 / ATO (CV). Pt nanoparticles typically exhibit an under-potential deposition of hydrogen (Hupd) peak at a potential range of 0.02-0.3 V. These peaks were clearly observed in Pt / C and also broad peaks were observed in Pt NP / ATO. However, Pt1 / ATO did not show Hupd peaks in the same range. Hupd is known to form on steps, defects and Pt ensemble sites at terrace sites. Without the Hupd peak in Pt1 / ATO, there is stronger evidence that Pt nanoparticles are absent.

도 3b는 전기 촉매성 포름산 산화 반응 (electrocatatytic formic acid oxidation reaction, FAOR)에서 얻은 CV의 포워드 스캔을 나타낸다. FAOR는 직접 또는 간접 경로를 따른다. 직접 경로는 포름산의 OH 결합을 활성화시키기 위해 1 또는 2 개의 Pt 원자가 필요하지만 간접 경로는 CO 결합을 활성화하기 위해 Pt 앙상블 사이트를 필요로 한다. 산화 피크는 전형적으로 직접 경로의 경우 ~ 0.6V, 간접 경로에서 ~ 1.0 V이다. Pt1/ATO는 간접 경로에 대한 피크없이 0.6V에서 큰 피크를 보였다. Pt/C는 간접 경로를 따랐으며 직접 경로에 대해 무시할 수 있는 피크가 있었다. Pt NP/ATO는 직접 경로와 간접 경로 모두에서 피크를 보였다. 백금 질량 활성을 0.6V에서 비교하였을 때, Pt/ATO의 경우 3.35A / mgPt, Pt NP/ATO의 경우 1.30 A / mgPt, Pt/C의 경우 0.18A / mgPt였다. 전극 면적에 의해 표준화 된 전류 밀도는 도 10 에서도 확인할 수 있다. 동일한 합성 방법으로 제조된 ATO 지지체 및 Pt/SnO2는 FAOR에 대해 어떠한 활성도 나타내지 않았다. 이것은 ATO상의 Pt가 활성 사이트이고, 지지체의 전도도가 전극 촉매로 사용될 때 중요하다는 것을 나타낸다. 전극 촉매 메탄올 산화 반응 (MOR)에는 Pt 앙상블 사이트가 필요하다는 것이 알려져 있다. 도 3c에서 볼 수 있듯이, Pt 앙상블 사이트가 없는 Pt1/ATO는 MOR에 대한 활성을 나타내지 않는다.Figure 3b shows a forward scan of the CV obtained from an electrocatatitive formic acid oxidation reaction (FAOR). FAOR follows a direct or indirect path. The direct path requires one or two Pt atoms to activate the OH bond of formic acid, but the indirect path requires a Pt ensemble site to activate the CO bond. The oxidation peak is typically ~ 0.6V for the direct path and ~ 1.0V for the indirect path. Pt1 / ATO showed a large peak at 0.6 V without a peak for the indirect path. Pt / C followed the indirect path and there was a negligible peak for the direct path. Pt NP / ATO showed a peak in both direct and indirect pathways. When the platinum mass activity was compared at 0.6 V, it was 3.35 A / mgPt for Pt / ATO, 1.30 A / mgPt for Pt NP / ATO and 0.18 A / mgPt for Pt / C. The current density normalized by the electrode area can also be seen in FIG. The ATO support and Pt / SnO 2 prepared by the same synthetic method showed no activity against FAOR. This indicates that Pt on the ATO is the active site and the conductivity of the support is important when used as an electrode catalyst. It is known that a Pt ensemble site is required for electrode catalyst methanol oxidation (MOR). As can be seen in FIG. 3c, Pt1 / ATO without Pt ensemble sites does not exhibit activity against MOR.

대신, Pt/C는 가장 높은 Pt 질량 활성을 보였다. Pt1/ATO는 FAOR에 대하여 예외적으로 높은 활성을 나타내지만 MOR에 대해서는 활성을 나타내지 않았다; 이로써 Pt 나노입자 없이 단일 원자 Pt 사이트가 존재한다는 것을 확인하였다.Instead, Pt / C showed the highest Pt mass activity. Pt1 / ATO exhibited exceptionally high activity for FAOR but no activity for MOR; This confirmed that there is a single atom Pt site without Pt nanoparticles.

전기 촉매적 산소 환원 반응 (oxygen reduction reaction, ORR)은 2 개 전자 경로 (O2 + 2H + + 2e- → H2O2)와 4 개 전자 경로 (O2 + 4H + + 4e- → 2H2O)의 두 가지가 있다. 전자(2개 전자 경로)는 단일 원자 Pt에서 일어날 수 있지만, 후자(4개 전자 경로)는 O-O 결합을 끊는 Pt 앙상블 사이트를 필요로 한다. Pt/C가 대부분 3% 미만의 H2O2 선택성을 갖는 4 개 전자 경로를 따르는 반면,도 3 d에 도시 된 바와 같이, Pt1/ATO는 훨씬 더 높은 H2O2 선택성을 나타냈다. 전극 촉매 산소 발생 반응 (oxygen evolution reaction, OER)도 도 11과 같이 시험하였다. Pt NP/ATO 및 Pt1/ATO는 OER에 대해 거의 활성이 없었다.The electrocatalytic oxygen reduction reaction (ORR) has two electron paths (O 2 + 2H + + 2e- → H 2 O 2 ) and four electron paths (O 2 + 4H + + 4e- → 2H 2 O). Electrons (two electron paths) can occur on a single atom Pt, while the latter (four electron paths) require a Pt ensemble site that breaks the OO bond. Pt / C followed 4 electron paths with H 2 O 2 selectivity mostly less than 3%, whereas Pt 1 / ATO showed much higher H 2 O 2 selectivity, as shown in FIG. 3 d. The electrode catalyst oxygen evolution reaction (OER) was also tested as in FIG. Pt NP / ATO and Pt1 / ATO were almost inactive for OER.

0.1M HClO4 + 0.5M 포름산 용액, 0.05-1.4V의 범위에서 1800 사이클 동안 CV를 반복함으로써 단일 원자 백금 촉매의 안정성을 시험하였다. 도4a는 반복된 사이클 후에 CV의 정방향 스캔에서 Pt 질량 활동의 변화를 보여준다. 1800주기 후의 FAOR의 직접 경로에 대한 Pt 질량 활성은 Pt1/ATO의 경우 0.59A / mgPt, Pt NP/ATO의 경우 0.35A / mgPt 및 Pt/C의 경우 0.003A / mgPt였다. Pt/C가 활성의 대부분을 상실한 반면, Pt1/ATO는 여전히 FAOR에 대해 높은 활성을 유지하였다. 탄소 지지체가 높은 전위에서 심각하게 분해되었지만, ATO 지지체는 훨씬 더 안정적이었다. 용액에 침출된 Pt의 양은 안정성 시험 후에 ICP-MS로 측정 하였다. 원래의 Pt 양과 비교하면 Pt/C, Pt NP/ATO 및 Pt1/ATO에서 각각 82.3 %, 20.3 % 및 12.3 %의 Pt가 용해되었다. 도 4b-4d는 안정성 시험 후 각 촉매의 TEM 이미지를 보여준다. 많은 Pt 응집체가 Pt / C에서 관찰되었지만, Pt NP / ATO에서는 Pt 응집체가 나타나지 않았다. Pt1/ATO는 안정성 테스트 후에 단지 몇 개의 Pt 나노 입자만을 보유하였다.The stability of the single atom platinum catalyst was tested by repeating the CV for 1800 cycles in the range 0.1 M HClO 4 + 0.5 M formic acid solution, 0.05-1.4 V. Figure 4a shows the change in Pt mass activity in a forward scan of the CV after repeated cycles. The Pt mass activity for the direct pathway of FAOR after 1800 cycles was 0.59 A / mg Pt for Pt1 / ATO, 0.35 A / mg Pt for Pt NP / ATO and 0.003 A / mg Pt for Pt / C. While Pt / C lost most of the activity, Pt1 / ATO still maintained high activity against FAOR. Although the carbon support was severely degraded at high potentials, the ATO support was much more stable. The amount of Pt leached into the solution was measured by ICP-MS after the stability test. Compared with the original amount of Pt, Pt, C, Pt NP / ATO and Pt1 / ATO dissolve 82.3%, 20.3% and 12.3% Pt, respectively. Figures 4b-4d show TEM images of each catalyst after stability testing. Although many Pt aggregates were observed in Pt / C, Pt aggregates did not appear in Pt NP / ATO. Pt1 / ATO retained only a few Pt nanoparticles after the stability test.

상이한 중량의 Pt가 ATO 지지체에 증착되었다. 도 6은 1 중량% Pt1/ATO 및 8 중량% Pt1/ATO의 TEM 이미지를 나타낸다. 두 샘플 모두 Pt 나노 입자는 눈에 띄지 않고 ATO 지지체와 매우 유사한 이미지만 얻어졌다. 1, 4 및 8 wt% Pt1/ATO 샘플에 대한 XANES 데이터는 도 12c 에 표시된 것과 매우 유사하다. 8 중량 % Pt1/ATO의 EXAFS 데이터도 Pt-Pt 상호 작용을 나타내지 않았고, 이는 높은 Pt 함량에서의 Pt 나노 입자 부재를 의미한다. Different weights of Pt were deposited on the ATO support. Figure 6 shows a TEM image of 1 wt% Pt1 / ATO and 8 wt% Pt1 / ATO. In both samples, the Pt nanoparticles were not noticeable and only images very similar to the ATO support were obtained. The XANES data for the 1, 4 and 8 wt% Pt1 / ATO samples are very similar to those shown in Figure 12C. The EXAFS data of 8 wt% Pt1 / ATO also did not show the Pt-Pt interaction, indicating the absence of Pt nanoparticles at high Pt content.

낮은 Pt 함량으로 인해 1 wt % Pt1/ATO에서도 신뢰할 만한EXAFS 데이터를 얻을 수 없었다. 단일 원자 Pt 구조는 8 wt% Pt 함량까지 얻을 수 있다. Pt1/ATO 샘플에서 다양한 Pt 함량에 따른 활성 및 안정성을 도 5 와 같이 시험하였다. 모든 시료는 ~ 0.6V에서 단일 피크를 나타내는 FAOR 직접 경로를 따랐다. Pt 질량-정규화된 활성을 비교할 때 1 wt% Pt1/ATO 가 9.16A / mgPt의 가장 높은 값을 보인 반면, 8 wt % Pt1/ATO가 0.89 A / mgPt의 훨씬 낮은 값을 보였다. 이러한 차이는 Pt 함량이 높은 샘플에서 단일 원자 Pt의 상당 부분이 표면에 노출되지 않고 지지체 내부에 위치하기 때문에 발생한다. 도 13 의 1 wt % Pt/ATO 샘플의 EDS 이미지는 4 wt % Pt1/ATO 샘플과 달리 별개의 Pt 도메인없이 ATO 지지체 상에서 균일한 Pt 분포를 보여준다. 다양한 Pt 함량을 갖는 Pt1/ATO 샘플 모두는 0.05-1.4V에서 FAOR반복 사이클에 대해 높은 안정성을 나타내었다. 1800 사이클 후, 1 및 8 중량 % Pt1 / ATO 샘플에서 원래 Pt 양의 48.7 % 및 8.8 %가 용액으로 침출되었다. 도 14 는 안정성 테스트 후에 Pt/C 및 Pt1/ATO 촉매에 대한 FAOR의 정방향 스캔을 보여준다. Pt/C는 FAOR에 대해 거의 활성을 보이지 않았다. 상이한 Pt 함량을 갖는 모든 Pt1/ATO 샘플은 직접 경로에 대한 피크만을 나타내었고 간접 경로에 대한 피크는 구별할 수 없었다. 이는 Pt1/ATO 샘플이 가혹한 안정성 테스트 후에도 단일 원자로 Pt 구조를 유지함을 나타낸다.Due to the low Pt content, reliable EXAFS data could not be obtained even at 1 wt% Pt1 / ATO. Single atom Pt structure can be obtained up to 8 wt% Pt content. The activity and stability according to various Pt contents in the Pt1 / ATO sample were tested as in FIG. All samples followed the FAOR direct path, indicating a single peak at ~ 0.6V. In comparison of Pt mass - normalized activity, 1 wt% Pt1 / ATO showed the highest value of 9.16A / mgPt, while 8 wt% Pt1 / ATO showed a much lower value of 0.89 A / mgPt. This difference arises because in a sample with a high Pt content, a significant portion of the single atom Pt is located inside the support without being exposed to the surface. The EDS image of the 1 wt% Pt / ATO sample of FIG. 13 shows a uniform Pt distribution on the ATO support without a separate Pt domain, unlike the 4 wt% Pt1 / ATO sample. Both Pt1 / ATO samples with various Pt contents showed high stability over FAOR repeat cycles at 0.05-1.4V. After 1800 cycles, 48.7% and 8.8% of the original Pt amount was leached into the solution in the 1 and 8 wt% Pt1 / ATO samples. Figure 14 shows a forward scan of FAOR for Pt / C and Pt1 / ATO catalysts after a stability test. Pt / C showed little activity against FAOR. All Pt1 / ATO samples with different Pt contents showed only the peak for the direct path and the peak for the indirect path was indistinguishable. This indicates that the Pt1 / ATO sample retains the Pt structure as a single atom even after severe stability testing.

4 wt% Pt1/ATO 샘플을 양극 촉매로 하여 DFAFC용 완전전지를 제조하였다. 양극의 Pt 함유량은 Pt1/ATO에서 0.04 mgPt / cm2 및 Pt/C에서 0.4 mgPt / cm2였다. 도 6a의 분극 곡선은 실제 Pt 함량이 Pt/C 촉매의 10 분의 1에 불과하지만 Pt1 / ATO 촉매는 촉매 활성이 우수하여 저 전류 밀도 영역에서 더 높은 전압을 가짐을 보여준다. 최대 출력 밀도는 Pt1/ATO의 경우 35.3mW / cm2이고 Pt/C 촉매의 경우 38.1mW / cm2였다. 전력밀도를 Pt 질량으로 정규화한 값은 Pt1/ATO에서 0.882W / mgPt이고, Pt/C에서 0.095W / mgPt이다. Pt1/ATO 촉매는 사용된 Pt의 양을 최소화하면서 DFAFC에서 우수한 성능을 나타냈다.A 4% wt Pt1 / ATO sample was used as a cathode catalyst to prepare a full battery for DFAFC. Pt content was 0.04 mgPt / cm 2 and Pt / C in 0.4 mgPt / cm 2 in Pt1 / ATO of the positive electrode. The polarization curve of FIG. 6A shows that Pt1 / ATO catalysts have higher catalytic activity and higher voltages in the low current density region, while the actual Pt content is only one tenth of the Pt / C catalyst. Maximum power density is Pt1 / ATO For the case of 35.3mW / cm 2 and the Pt / C catalyst was 38.1mW / cm 2. The power density normalized to Pt mass is 0.882W / mgPt in Pt1 / ATO and 0.095W / mgPt in Pt / C. The Pt1 / ATO catalyst showed excellent performance in DFAFC while minimizing the amount of Pt used.

결론conclusion

단일 원자 Pt 촉매는 초기 습윤 함침법에 의해 ATO 지지체 (Pt1/ATO)상에서 성공적으로 제조되었다. ATO 지지체와 혼합된 Pt 전구체가 400 ℃에서 환원될 때, Pt는 벌크 상 또는 SbSn 또는 ATO의 표면에서 Sb 위치를 대체하였다. 이 치환은 에너지적 선호를 나타내는 DFT 계산에 의해 확인되었다. HAADF-STEM 이미지와 EXAFS 분석 결과는 Pt가 Pt 나노입자 없이 단일 원자로서 존재함을 보여주었다. 단일 원자 Pt 구조는 8 wt%까지 다양한 Pt 함량에 대해 얻어졌다. Pt1/ATO 촉매는 FAOR, MOR, ORR 및 OER의 다양한 전기 화학 반응에 사용되었다. 단일 원자 Pt는 FAOR에 대한 직접 경로와 ORR에 대한 2 전자 경로를 따르는 반면, Pt 나노 입자는 FAOR에 대한 간접 경로와 ORR에 대한 4 전자 경로를 따랐다.Single atom Pt catalysts were successfully prepared on an ATO support (Pt1 / ATO) by an initial wet impregnation method. When the Pt precursor mixed with the ATO support was reduced at 400 ° C, Pt replaced the Sb position on the surface of the bulk phase or SbSn or ATO. This substitution was confirmed by DFT calculation showing energy preference. HAADF-STEM images and EXAFS analysis showed that Pt was present as a single atom without Pt nanoparticles. Single atom Pt structures were obtained for various Pt contents up to 8 wt%. Pt1 / ATO catalysts were used for various electrochemical reactions of FAOR, MOR, ORR and OER. Single atom Pt follows a direct path to FAOR and two electron paths to ORR, while Pt nanoparticles follow an indirect path to FAOR and four electron paths to ORR.

특히, Pt1/ATO는 FAOR에 대해 우수한 활성 및 안정성을 보였다. 0.5-1.4V의 범위에서 CV 반복하여 Pt1/ATO의 안정성을 시험할 때, Pt1/ATO는 1800주기 후에도 직접 경로를 따르는 FAOR에 대해 여전히 높은 활성을 유지했다. 상용 Pt/C 촉매는 동일한 안정성 시험 후에 활성을 상실하였다. ATO의 내부식성과 Pt1/ATO의 에너지적으로 안정한 구조로서 이러한 놀라운 안정성이 나타난다. 양극으로 Pt1/ATO 촉매를 사용하여 DFAFC완전전지를 제작하였다. Pt의 양은 겨우 1/10이지만, 전지는 상용 Pt/C와 동등한 성능을 나타냈다. Pt1/ATO 촉매는 전기 촉매로서 높은 활성, 선택성 및 안정성을 나타내었다. 본 발명은 다른 많은 불균일 촉매 반응에 서 단일 원자 촉매를 실제 적용할 수 있는 가능성을 제시한다.In particular, Pt1 / ATO showed excellent activity and stability against FAOR. When the stability of Pt1 / ATO was tested by CV repetition in the range of 0.5-1.4V, Pt1 / ATO still maintained high activity for FAOR following direct pathway after 1800 cycles. Commercial Pt / C catalysts lost activity after the same stability test. This remarkable stability appears as an energy-stable structure of ATO's corrosion resistance and Pt1 / ATO. A DFAFC complete battery was fabricated using Pt1 / ATO catalyst as an anode. The amount of Pt was only 1/10, but the performance of the battery was equivalent to that of commercial Pt / C. The Pt1 / ATO catalyst showed high activity, selectivity and stability as an electrocatalyst. The present invention suggests the possibility of practical application of single atom catalysts in many other heterogeneous catalytic reactions.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (11)

다음 단계를 포함하는 직접 포름산 연료전지(direct formic acid fuel cell, DFAFCs)용 단일원자 백금 촉매의 제조방법:
(a) 전체 혼합 조성물에 대하여 2 중량% 내지 20 중량%의 백금 전구체, 및 안티모니-도핑된 산화주석(antimony-doped tin oxide, ATO) 담지체(support)를 유기용매 하에서 혼합하는 단계; 및
(b) 상기 단계 (a)의 결과물을 400℃ 이상으로 가열하여 백금 전구체를 환원시킴으로써 담지체 표면 상의 Sn 및 Sb원자를 백금 단일원자로 치환시켜, 상기 담지체 표면 상에 백금 단일원자를 증착시키는 단계:
상기 단계 (b)의 결과물인 단일원자 백금 촉매는 담지체 및 단일원자 백금의 전체 중량에 대하여 1 중량% 내지 8 중량%의 백금을 포함한다.
A method for preparing a single atomic platinum catalyst for direct formic acid fuel cells (DFAFCs) comprising the steps of:
(a) mixing 2 wt% to 20 wt% of a platinum precursor, and antimony-doped tin oxide (ATO) support on an entire mixed composition in an organic solvent; And
(b) depositing a platinum single atom on the surface of the support by replacing the Sn and Sb atoms on the surface of the support by a platinum single atom by heating the result of the step (a) to 400 ° C or higher to reduce the platinum precursor :
The resultant single atom platinum catalyst of step (b) comprises 1 wt% to 8 wt% of platinum based on the total weight of the support and the single atom platinum.
제 1 항에 있어서, 상기 백금 전구체는 백금 염인 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method of claim 1, wherein the platinum precursor is a platinum salt.
제 1 항에 있어서, 상기 백금 전구체는 염화 백금산 헥사 하이드레이트 (H2PtCl6 · 6H2O), H2PtCl6, 백금(Ⅱ) 아세틸아세토네이트(Pt(acac)2), 포타슘 테트라클로로플라티네이트(K2PtCl4), 하이드로젠 헥사클로로플라티네이트(H2PtCl4), 백금(Ⅱ) 시아나이드(Pt(CN)2), 백금(Ⅱ) 클로라이드(PtCl2), 백금(Ⅱ) 브로마이드(PtBr2), K2PtCl6, Na2PtCl4·6H2O, 및 Na2PtCl6·6H2O 및 이의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method of claim 1, wherein the platinum precursor is selected from the group consisting of chloroplatinic acid hexahydrate (H 2 PtCl 6 .6H 2 O), H 2 PtCl 6 , platinum (II) acetylacetonate (Pt (acac) 2 ), potassium tetrachloroplatinate carbonate (K 2 PtCl 4), hydrogen hexachloro-platinum carbonate (H 2 PtCl 4), platinum (ⅱ) cyanide (Pt (CN) 2), platinum (ⅱ) chloride (PtCl 2), platinum (ⅱ) Wherein the catalyst is selected from the group consisting of bromide (PtBr 2 ), K 2 PtCl 6 , Na 2 PtCl 4 .6H 2 O, and Na 2 PtCl 6 .6H 2 O and mixtures thereof.
제 1 항에 있어서, 상기 유기용매는 메탄올, 에탄올, 부탄올, 이소프로필알콜, 펜탄, 헥산, 헵탄, 사이클로헥산, 톨루엔, 아세톤, 에틸 아세테이트, 메틸렌클로라이드, 클로로포름, 에테르, 석유에테르, 아세토니트릴, 벤젠, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부틸렌글리콜 및 이의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method of claim 1, wherein the organic solvent is selected from the group consisting of methanol, ethanol, butanol, isopropyl alcohol, pentane, hexane, heptane, cyclohexane, toluene, acetone, ethyl acetate, methylene chloride, chloroform, ether, petroleum ether, acetonitrile, , Ethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, and mixtures thereof.
제 1 항에 있어서, 상기 단계 (a) 이후 단계 (a)의 결과물을 진공 건조하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method of claim 1, further comprising vacuum drying the resultant of step (a) after step (a).
삭제delete 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 연료전지용 단일원자 백금 촉매를 포함하는 직접 포름산 연료전지(direct formic acid fuel cell, DFAFCs)용 전극.
6. An electrode for a direct formic acid fuel cell (DFAFCs) comprising a single atomic platinum catalyst for a fuel cell produced by the method of any one of claims 1 to 5.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 단일원자 백금 촉매를 포함하는 직접 포름산 연료전지(direct formic acid fuel cell, DFAFCs).A direct formic acid fuel cell (DFAFCs) comprising a single atomic platinum catalyst prepared by the process of any one of claims 1 to 5. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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