KR102000974B1 - Hydrogen evolution reaction catalyst electrode comprising vertical graphene nano hills and preparing method of the same - Google Patents

Hydrogen evolution reaction catalyst electrode comprising vertical graphene nano hills and preparing method of the same Download PDF

Info

Publication number
KR102000974B1
KR102000974B1 KR1020170172455A KR20170172455A KR102000974B1 KR 102000974 B1 KR102000974 B1 KR 102000974B1 KR 1020170172455 A KR1020170172455 A KR 1020170172455A KR 20170172455 A KR20170172455 A KR 20170172455A KR 102000974 B1 KR102000974 B1 KR 102000974B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
seed metal
graphene
substrate
electrode
hydrogen
Prior art date
Application number
KR1020170172455A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20190071416A (en
Inventor
천승현
로이 산집
정상균
Original Assignee
세종대학교산학협력단
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 세종대학교산학협력단 filed Critical 세종대학교산학협력단
Priority to KR1020170172455A priority Critical patent/KR102000974B1/en
Publication of KR20190071416A publication Critical patent/KR20190071416A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102000974B1 publication Critical patent/KR102000974B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/0442
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/024Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating
    • C23C14/025Metallic sublayers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0605Carbon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0272Deposition of sub-layers, e.g. to promote the adhesion of the main coating
    • C23C16/0281Deposition of sub-layers, e.g. to promote the adhesion of the main coating of metallic sub-layers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26Deposition of carbon only
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C25B11/0405
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/052Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate
    • C25B11/053Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate characterised by multilayer electrocatalytic coatings
    • 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
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Abstract

본 발명은 기판; 상기 기판의 일면에 산재된 시드 금속 나노 응집체; 상기 시드 금속 나노 응집체 상에 위치한 수직 성장 그래핀;을 포함하는 수소발생반응 촉매 전극 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 시드 금속을 주형으로 하여 수직 성장 그래핀을 성장시켜 이를 수소발생반응의 촉매로 활용하여 물 전기분해 등을 용이하게 할 수 있고, 그래핀이 시드 금속을 캡슐화하여 부식 안정성이 확보될 수 있으며, 내구성과 매우 작은 질량을 가질 수 있다.The present invention relates to a substrate; Seed metal nano-agglomerates scattered on one surface of the substrate; And a vertically grown graphene disposed on the seed metal nano-agglomerate. The present invention also relates to a method of preparing the same. Water electrolysis and the like can be facilitated, and graphene encapsulates the seed metal to ensure corrosion stability, durability and a very small mass.

Figure 112017124881556-pat00002
Figure 112017124881556-pat00002

Description

수직 성장 그래핀을 포함하는 수소발생반응 촉매 전극 및 그 제조 방법{HYDROGEN EVOLUTION REACTION CATALYST ELECTRODE COMPRISING VERTICAL GRAPHENE NANO HILLS AND PREPARING METHOD OF THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a hydrogen generating reaction catalyst electrode containing graphene grown vertically, and a method for producing the same. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 수직 성장 그래핀을 포함하는 수소발생반응 촉매 전극 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen generating reaction catalyst electrode including vertically grown graphene and a method for producing the same.

지구상에서 가장 단순하고 풍부한 원소인 수소는 2차 에너지 운반체로서의 그린 에너지를 생산할 수 있는 잠재력을 가진 물질로 잘 알려져 있고 다음과 같은 장점을 가지고 있다. 첫째, 수소를 연료로 사용할 때 연소되면서 극소량의 NOx의 발생이 있어도 그 외에 대기오염물질이 발생하지 않는다. 둘째, 수소는 가스나 액체상태로의 수송이 가능하며, 다양한 형태로의 저장에도 용이하다. 셋째, 수소는 무한정 자원인 물을 사용하여 물 분해(water splitting) 반응을 통해 생산되기 때문에 고갈 우려가 없다. 넷째, 수소 에너지원은 일반 연료뿐만 아니라 수소 자동차, 수소 비행기 등 다양한 에너지 시스템에 적용이 되고 있다. 이러한 수소 에너지원의 효과적인 발생을 위해서는 수소 촉매 개발이 필수적이다. 현재 수소 촉매로서 상용화되어 있는 백금 촉매는 촉매활성은 뛰어나지만 고비용과 희소성의 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 최근에는 전이 금속(예: Co, Ni, Fe, Mo) 화합물이 우수한 비-귀금속 촉매로서 개발되었다.Hydrogen, the simplest and richest element on the planet, is well known for its potential to produce green energy as a secondary energy carrier and has the following advantages: First, even when there is a very small amount of NOx as it is burned when hydrogen is used as fuel, no other air pollutants are generated. Second, hydrogen can be transported to gas or liquid, and it is easy to store in various forms. Third, hydrogen is not depleted because it is produced through water splitting reaction using water, which is an infinite resource. Fourth, hydrogen energy sources are being applied not only to general fuels but also to various energy systems such as hydrogen cars and hydrogen planes. The development of hydrogen catalysts is essential for effective generation of these hydrogen energy sources. The platinum catalyst, which is now commercially available as a hydrogen catalyst, has excellent catalytic activity but has disadvantages of high cost and scarcity. To overcome these shortcomings, recently transition metal (eg Co, Ni, Fe, Mo) compounds have been developed as excellent non-noble metal catalysts.

물 전기분해는 전기를 가해주었을 때 물이 수소와 산소로 분해되는 반응을 말한다. 즉, 전극물질에 전압을 가해주었을 때 전기화학적으로 산화 환원 반응이 일어난다. 이 때 산화전극에서는 산소가, 환원전극에서는 수소가 발생한다. Water electrolysis is the reaction of water to hydrogen and oxygen when electricity is applied. That is, when a voltage is applied to the electrode material, an oxidation-reduction reaction occurs electrochemically. At this time, oxygen is generated at the oxidizing electrode and hydrogen is generated at the reducing electrode.

물을 분해하여 수소와 산소를 생성시키는 과정은 큰 자유에너지의 증가로 인한 흡열반응이며 비자발적인 반응에 해당한다. 따라서, 물 분해 반응을 진행하기 위해서는 1.23V에 해당하는 전위를 외부적으로 걸어주어야 하는데, 실제로는 전극 촉매에 따라 이상적인 전위보다 더 많은 과전압이 걸린다. The process of decomposing water to produce hydrogen and oxygen is an endothermic reaction due to an increase in large free energy and corresponds to an involuntary reaction. Therefore, in order to proceed the water decomposition reaction, it is necessary to externally apply a potential corresponding to 1.23 V. Actually, depending on the electrode catalyst, more overvoltage is required than the ideal potential.

물 전기분해는 수소를 생산할 수 있는 가장 간단한 방법이기도 하면서 물을 원료로 사용하기 때문에 대량생산의 용이성과 고순도의 수소를 얻을 수 있다. 하지만 물 전기분해에 의해 수소를 생산할 경우 전력소모량이 많아질 수 있기 때문에, 실용화되기 어려운 한계를 가지고 있다. 이를 위해 물 전기분해를 통한 수소생산의 효율성을 높이는 시스템의 개발과 수소발생에 대한 활성이 높은 전극촉매 제조기술 연구가 필요한 실정이다.Water electrolysis is the simplest way to produce hydrogen, and because it uses water as a raw material, mass production and high purity hydrogen can be obtained. However, when hydrogen is produced by water electrolysis, power consumption can be increased, and thus it is difficult to be practically used. For this purpose, it is necessary to develop a system to increase the efficiency of hydrogen production through water electrolysis and to study the technology of manufacturing electrode catalyst with high activity for hydrogen generation.

물 전기분해에서 성능을 결정하는 가장 대표적인 것은 전극촉매이고, 촉매를 통해 수소가 발생되는 현상을 수소발생반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER) 이라 한다. 전극물질과 표면상태에 따라 필요한 전압과 성능이 결정된다. 전극표면에서의 가역적인 전기화학적 반응은 다음과 같다.Hydrogen Evolution Reaction (HER) is a phenomenon in which hydrogen is generated through a catalyst. The required voltage and performance are determined by electrode material and surface conditions. The reversible electrochemical reactions on the electrode surface are as follows.

H+(aq) + e- → 1/2H2(g), E

Figure 112017124881556-pat00001
= 0V vs. SHEH + (aq) + e-? 1 / 2H 2 (g), E
Figure 112017124881556-pat00001
= 0V vs.. SHE

수소환원전극을 기준으로 하였을 때, 전압이 0V 일 때 수소가 발생한다.Based on the hydrogen reduction electrode, hydrogen is generated when the voltage is 0V.

전극 표면에서 수소가 발생할 때 세 가지 메커니즘(mechanism)을 통해 일어난다.It occurs through three mechanisms when hydrogen is generated on the electrode surface.

기본적으로 수소이온이 환원되어 수소원자형태로 전극 표면에 흡착한다(Volmer 반응). 여기서 두 가지 경로로 나눠지게 되는데 흡착된 수소원자와 용액의 수소이온이 결합하거나(Heyrowsky 반응) 흡착된 수소원자들끼리의 결합(Tafel 반응)에 의해 수소가 발생한다. 또한 타펠 기울기(Tafel slope)는 수소발생반응의 메커니즘을 규명하기 위한 값으로 활용된다.Basically, hydrogen ions are reduced and adsorbed on the electrode surface in the form of hydrogen atoms (Volmer reaction). Here, it is divided into two paths. Hydrogen is generated by binding hydrogen atoms adsorbed and hydrogen ions in a solution (Heyrowsky reaction) or by bonding hydrogen atoms (Tafel reaction) between adsorbed hydrogen atoms. Tafel slope is also used as a value to identify the mechanism of hydrogen generation reaction.

수소 촉매 활성에 영향을 주는 인자와 관련된 식은 다음과 같다.The equation related to the factors affecting the hydrogen catalytic activity is as follows.

η = b log(j/j o ) η = b log ( j / j o )

이 식에서 η: 과전압, b: 타펠 기울기, j: 전류밀도(current density), jo: 교환 전류밀도(exchange current density)를 의미한다. 이 식에 근거하여 이상적인 수소 촉매는 낮은 타펠 기울기와 높은 교환 전류밀도를 가진다. In this expression, η: it means the exchange current density (exchange current density): over-voltage, b: tapel slope, j: current density (current density), j o. Based on this equation, an ideal hydrogen catalyst has a low Tappel slope and a high exchange current density.

촉매 활성에 가장 큰 영향을 주는 인자는 과전압이다. 과전압은 전하전달반응이 일어나는데 가장 크게 기여를 하는 인자이며, 촉매 활성화에 있어 에너지 벽(energy barrier)을 극복하는 속도 및 여부에 따라 과전압 값이 좌지우지된다. 촉매 활성화가 좋을수록 과전압 값은 감소한다. 상용화된 백금 전극 같은 경우에는 수소가 발생할 때의 전압이 거의 0V에 가깝다. 하지만 백금 전극의 단점을 보완하면서 과전압을 백금 전극만큼 최소화하려는 수소 촉매 연구가 진행되고 있다.Overvoltage is the most important factor affecting the catalytic activity. Overvoltage is the most significant contributor to the charge transfer reaction and depends on the overvoltage value depending on the speed and overcoming the energy barrier in the catalyst activation. The better the catalyst activation, the lower the overvoltage value. In the case of commercially available platinum electrodes, the voltage at which hydrogen is generated is close to 0V. However, hydrogen catalysts are under study to overcome the disadvantages of platinum electrodes and minimize overvoltages as much as platinum electrodes.

수소촉매개발을 충족시켜주기 위해서는 백금의 단점을 보완할 수 있는 저비용과 풍부함의 장점을 가지고 있는 물질이어야 하고, 백금을 대체할 수 있을 만한 좋은 촉매활성을 가지고 있어야 한다.In order to satisfy the development of the hydrogen catalyst, it should be a material having the advantages of low cost and abundance that can compensate for the disadvantages of the platinum and have a good catalytic activity to replace the platinum.

그래핀은 높은 전기 전도도, 넓은 표면적을 가지면서도 가벼움, 산성 및 알칼리성 전해질에서의 화학적 안정성, 자연적 풍부함 및 기타 고유한 특성으로 인해 다양한 전기 화학적 응용에 유용하다. 그러나 그래핀 자체는 HER에 충분한 활성을 가지지 않는 것으로 알려져 있다. 따라서, 그래핀계 촉매의 HER 성능을 향상시키기 위해 그래핀 상에 HER 활성 물질을 부가적으로 도핑 및/또는 분산시켜 그래핀을 기능화하는 것이 하나의 방법이었다. 헤테로원자(N, S, B 및 P와 같은)로 도핑된 경우 그래핀은 인접한 도판트에 의한 맞춤 스핀 및 전하 분포로 인해 전기 분해에서 우수한 성능을 보였다. 그러나, 도핑 후에도 그래핀의 HER 활성은 최신 전기 촉매보다 훨씬 뒤떨어져 있어, 경쟁력 있는 성능을 보이도록 HER 활성 물질을 가진 하이브리드 구조를 만들 필요가 있었다. 동시에, 전극 설계를 변형시켜 촉매의 중량과 부피를 줄이기 위한 노력이 이루어졌다. 전기분해에서 활성 부위의 더 높은 참여를 위해, 2차원 디칼코게나이드 물질에 대해 수직 배향 나노 시트가 제안되었다. 유사하게, 수직 그래핀 나노 언덕(Vertical Graphene Nano Hills, VGNHs)은 전기 분해에서 활성 부위로서 그래핀의 조밀한 개방 엣지를 생성할 수 있었고 평평한 그래핀의 경우와 달리 수직으로 정렬된 기하학으로부터 초혐기 표면을 제공하였다.Graphene is useful in a variety of electrochemical applications due to its high electrical conductivity, wide surface area and lightness, chemical stability in acidic and alkaline electrolytes, natural abundance and other inherent characteristics. However, graphene itself is known not to have sufficient activity for HER. Therefore, in order to improve the HER performance of the graphene catalyst, graphene was functionalized by additionally doping and / or dispersing the HER active material on the graphene. When doped with heteroatoms (such as N, S, B and P), graphene showed excellent performance in electrolysis due to the customized spin and charge distribution by adjacent dopants. However, even after doping, the HER activity of graphene is far behind that of modern electrocatalysts, so it was necessary to make a hybrid structure with HER active materials to show competitive performance. At the same time, efforts have been made to modify the electrode design to reduce the weight and volume of the catalyst. For higher participation of active sites in electrolysis, vertically oriented nanosheets have been proposed for two-dimensional dicalcogenide materials. Similarly, vertical Graphene Nano Hills (VGNHs) could generate dense open edges of graphene as active sites in electrolysis and, unlike flat graphene, Surface.

한국등록특허 제1389925호Korean Patent No. 1389925

본 발명은 시드 금속 위에 성장된 수십 nm 높이의 수직 방향 그래핀을 수소발생반응 촉매로 활용하여 개시 전위(Onset potential)를 낮추고 전류밀도를 높이는 수소발생반응 촉매 전극의 제공을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a hydrogen generation reaction catalyst electrode which utilizes vertical grains having a height of several tens of nanometers grown on a seed metal as a hydrogen generation reaction catalyst to lower the onset potential and increase the current density.

본 발명은 그래핀이 시드 금속을 캡슐화하여 상기 시드 금속이 부식되지 않는 수소발생반응 촉매 전극의 제공을 목적으로 한다.The present invention aims at providing a hydrogen generating reaction catalyst electrode in which graphene encapsulates a seed metal and the seed metal is not corroded.

본 발명은 내구성과 매우 작은 질량을 가진 수소발생반응 촉매 전극의 제공을 목적으로 한다.The present invention aims at providing a hydrogen generating reaction catalyst electrode having durability and a very small mass.

1. 기판; 상기 기판의 일면에 산재된 시드 금속 나노 응집체; 상기 시드 금속 나노 응집체 상에 위치한 수직 성장 그래핀을 포함하는 수소발생반응 촉매 전극.1. a substrate; Seed metal nano-agglomerates scattered on one surface of the substrate; And a vertically grown graphene positioned on the seed metal nano-agglomerate.

2. 위 1에 있어서, 상기 기판은 유리상 탄소(glassy carbon, GC), Ni, Co, Fe, Pt, Pd, Au, Al, Cr, Cu, Mn, Mo, Rh, Ir, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Si, GaAs, GaN, 실리카(SiO2), 석영(quartz), 유리(glass), 사파이어(Al2O3), 마이카(mica), PI(polyimide), PEEK(polyetheretherketone), PES(polyethersulfone), PEI(polyetherimide), PC(polycarbonate) 및 PEN(polyethylenenaphthalate) 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재의 기판인, 수소발생반응 촉매 전극.2. The method of claim 1, wherein the substrate is selected from the group consisting of glassy carbon (GC), Ni, Co, Fe, Pt, Pd, Au, Al, Cr, Cu, Mn, Mo, Rh, Ir, , U, V, Zr, Si , GaAs, GaN, silica (SiO 2), silica (quartz), glass (glass), sapphire (Al 2 O 3), mica (mica), PI (polyimide) , PEEK (polyetheretherketone ), PES (polyethersulfone), PEI (polyetherimide), PC (polycarbonate) and PEN (polyethylenenaphthalate).

3. 위 1에 있어서, 상기 시드 금속은 Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Pd, Pt, Au, Ag 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택되는 것인, 수소발생반응 촉매 전극.3. The hydrogen storage alloy according to item 1, wherein the seed metal is selected from the group consisting of Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Pd, Pt, Au, Ag, Generated Reaction Catalyst Electrode.

4. 위 3에 있어서, 상기 시드 금속은 Co인, 수소발생반응 촉매 전극.4. The hydrogen generation reaction catalyst electrode according to 3 above, wherein the seed metal is Co.

5. 위 1에 있어서, 상기 시드 금속 나노 응집체는 평균 직경 20nm 이하인, 수소발생반응 촉매 전극.5. The hydrogen generation reaction catalyst electrode according to 1 above, wherein said seed metal nano-agglomerate has an average diameter of 20 nm or less.

6. 위 1에 있어서, 상기 수소발생반응 촉매 전극은 전류 밀도 100 ㎃/㎠를 나타내는 전압이 0.4V 이하인, 수소발생반응 촉매 전극.6. The hydrogen generation catalyst electrode according to 1 above, wherein the hydrogen generating reaction catalyst electrode has a voltage of 0.4 V or less at a current density of 100 mA / cm 2.

7. 위 1에 있어서, 상기 시드 금속 나노 응집체와 수직 성장 그래핀 사이에 완충 그래핀층을 더 포함하는, 수소발생반응 촉매 전극.7. The hydrogen generation reaction catalyst electrode of 1 above, further comprising a buffering graphene layer between the seed metal nano-aggregate and the vertically grown graphene.

8. 기판 상에 시드 금속을 증착시켜, 기판 상에 산재된 시드 금속 나노 응집체를 형성하는 단계; 상기 시드 금속 나노 응집체 상에 그래핀을 수직으로 성장시키는 단계;를 포함하는 수소발생반응 촉매 전극의 제조 방법.8. depositing a seed metal on a substrate to form seed metal nano-agglomerates scattered on the substrate; And growing graphene vertically on the seed metal nano-agglomerate.

9. 위 8에 있어서, 상기 시드 금속은 Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Pd, Pt, Au, Ag 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택되는 것인, 수소발생반응 촉매 전극의 제조 방법.9. The hydrogen storage alloy according to the above 8, wherein the seed metal is selected from the group consisting of Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Pd, Pt, Au, Ag, (EN) METHOD FOR MANUFACTURING GENERATION REACTION.

10. 위 9에 있어서, 상기 시드 금속은 Co인, 수소발생반응 촉매 전극의 제조 방법.10. The method of producing a hydrogen generation reaction catalyst electrode according to the above 9, wherein the seed metal is Co.

11. 위 8에 있어서, 상기 증착은 시드 금속 나노 응집체의 평균 직경이 20nm 이하가 되도록 수행되는 것인, 수소발생반응 촉매 전극의 제조 방법.11. The method of claim 8, wherein the deposition is performed so that the average diameter of the seed metal nano-agglomerates is 20 nm or less.

12. 위 8에 있어서, 상기 시드 금속 나노 응집체 상에 그래핀을 수직으로 성장시키는 단계 이전에 상기 시드 금속 응집체 상에 완충 그래핀층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것인, 수소발생반응 촉매 전극의 제조 방법.12. The method of claim 8, further comprising forming a buffering graphene layer on the seed metal agglomerate prior to the step of vertically growing the graphene on the seed metal nanoaggregate. Gt;

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 수소발생반응 촉매 전극은 시드 금속을 주형으로 하여 수직 성장 그래핀을 성장시켜 이를 수소발생반응의 촉매로 활용하여 물 전기분해 등을 용이하게 할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the hydrogen generation reaction catalyst electrode of the present invention can grow the vertically grown graphene with the seed metal as a template and facilitate water electrolysis or the like by using it as a catalyst for the hydrogen generation reaction .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 수소발생반응 촉매 전극은 그래핀이 시드 금속을 캡슐화하여 부식 안정성이 확보될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hydrogen generating reaction catalyst electrode of the present invention encapsulates the seed metal by graphene to ensure corrosion stability.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 수소발생반응 촉매 전극은 내구성과 매우 작은 질량을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hydrogen generating reaction catalyst electrode of the present invention may have durability and a very small mass.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생반응 촉매 전극의 (a) 개략적인 단면도, (b)~(c) VGNHs 표면의 FESEM 이미지, (d)~(f) Co 시드 VGNHs의 단면 HRTEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 기판의 일면에 산재된 시드 금속 나노 응집체를 나타낸 것이다.
도 3(a)는 0.5M H2SO4에서 Co, Ni 및 Fe - 시드 VGNHs의 LSV 곡선, 도 3(b)는 -0.4V에서의 나이키스트 플롯(Nyquist plot), 도 3(c)는 라만 연구에서 G 피크 위치를 나타낸 것이다.
도 4는 0.55M H2SO4에서 Pt 와이어, Pt 및 Pt - 시드 VGNHs의 LSV 곡선을 나타낸 것이다.
도 5는 수직 성장 그래핀을 나타낸 것이다.
도 6은 GC 전극, VGNHs 전극, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생반응 촉매 전극으로 증착 시간을 달리하여 제조된 VGNHs/Co(250s) 전극, VGNHs/Co(100s) 전극, VGNHs/Co(50s) 전극 및 Pt 전극의 (a) 낮은 개시 전위, (b) 과전압을 나타낸 것이다.
도 7(a)는 EIS 결과를 해석하기 위한 작동 전압 -0.25V에서 Co 시드 VGNHs의 나이키스트 임피던스와 등가 회로 모델(삽입된 그림)을 나타낸 것이고, 도 7(b)는 1000 사이클 전후의 VGNHs/Co(50s)의 LSV 곡선과 전류 밀도(j) 대 시간(h) 곡선으로, -0.160V에서 작동하는 그래프를 나타낸 것이다.
도 8은 (a) 비교예 1의 GC 전극, (b) 실시예 1의 VGNHs/Co(50s) 전극, (c) 실시예 2의 VGNHs/Co(100s) 전극, (d) 실시예 3의 VGNHs/Co(250s) 전극의 AFM 이미지를 나타낸 것이다.
도 9는 (a) Co 시드 VGNHs에 대한 Co 2p (상부 패널) 및 C 1s (하부 패널)의 XPS 프로파일을, (b) 기준 전극으로서 VGNHs/GC, VGNHs/Co(50s, 100s, 250s)/GC 및 아무것도 증착되지 않은 GC 전극의 라만 스펙트럼을, (c) G 피크 (상부 패널), D 피크 (중간 패널) 및 2D 피크 (하부 패널)에 대한 Co 증착 시간의 함수로서의 라만 피크 위치를, (d) ID/IG (상부 패널) 및 I2D/IG (하부 패널)에 대한 Co 증착 시간의 함수로서 라만 피크 강도 비를 나타낸 것이다.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a hydrogen generating reaction catalyst electrode according to an embodiment of the present invention, (b) to (c) an FESEM image of the surface of VGNHs, (d) FIG.
2 shows a seed metal nano-agglomerate scattered on one surface of a substrate.
Fig. 3 (a) is an LSV curve of Co, Ni and Fe-seeded VGNHs at 0.5 MH 2 SO 4 , Fig. 3 (b) is a Nyquist plot at -0.4 V, Fig. 3 The position of the G peak in the study is shown.
Figure 4 shows the LSV curves of Pt wire, Pt and Pt-seeded VGNHs at 0.55 MH 2 SO 4 .
Figure 5 shows vertically grown graphene.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between a VGNHs / Co (250s) electrode, a VGNHs / Co (100s) electrode, a VGNHs / Co (250s) electrode prepared by varying the deposition time to a hydrogen generating reaction catalyst electrode according to an embodiment of the present invention, (A) low starting potential and (b) overvoltage of the Pt electrode and the Pt electrode.
Fig. 7 (a) shows the Nyquist impedance and equivalent circuit model (inserted figure) of the Co seed VGNHs at an operating voltage of -0.25 V for interpreting the EIS results, and Fig. 7 (b) shows the VGNHs / The plot of the LSV curve of Co (50s) and the graph of current density (j) versus time (h) curves at -0.160V.
(C) the VGNHs / Co (100s) electrode of Example 2; (d) the VGNHs / Co (100s) electrode of Example 2; The AFM image of the VGNHs / Co (250s) electrode is shown.
Fig. 9 shows (a) the XPS profile of Co 2p (upper panel) and C 1s (lower panel) for Co seed VGNHs, (b) VGNHs / GC, VGNHs / Co (50s, 100s, (C) Raman peak position as a function of Co deposition time for G peak (top panel), D peak (middle panel) and 2D peak (bottom panel), and d) Raman peak intensity ratio as a function of Co deposition time for ID / IG (top panel) and I2D / IG (bottom panel).

본 발명은 수소발생반응 촉매 전극 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 시드 금속을 주형으로 하여 수직 성장 그래핀을 성장시켜 이를 수소발생반응의 촉매로 활용하여 물 전기분해 등을 용이하게 할 수 있고, 그래핀이 시드 금속을 캡슐화하여 부식 안정성이 확보될 수 있으며, 내구성과 매우 작은 질량을 가질 수 있는 수소발생반응 촉매 전극 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen generating reaction catalyst electrode and a method for producing the same, and is capable of facilitating water electrolysis and the like by using a seed metal as a template to grow vertically grown graphene as a catalyst for hydrogen generation reaction. The present invention relates to a hydrogen generating catalyst electrode capable of ensuring corrosion stability by encapsulating a seed metal and having durability and a very small mass, and a method for producing the same.

이하 도면을 참고하여, 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. And shall not be construed as limited to such matters.

본 명세서에서 '수직'은 각각 수학적으로 수직인 경우뿐만 아니라 통상의 기술자가 실질적으로 수직으로 인정할 수 있는 경우까지 포함하는 의미이다. The term " vertical " in this specification includes not only cases where they are mathematically vertical but also cases where ordinary descriptors can be recognized substantially vertically.

본 명세서에서 '수직 성장 그래핀'은 상기 기판 일면의 상방으로 성장된 그래핀을 의미한다.In this specification, 'vertically grown graphene' means graphene grown on the upper surface of the substrate.

본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면 등의 방향적인 표현은 그 기준에 따라 아래쪽, 하(부), 하면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며 절대적인 방향을 의미하는 것으로 한정 해석되어서는 안 된다.In the present specification, the directional expression of the upper side, the upper side (upper side), the upper side, and the like can be understood as meaning lower, lower (lower), lower, etc. according to the standard. That is, the expression of the spatial direction should be understood in the relative direction and should not be construed as limiting in the absolute direction.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생반응 촉매 전극은 기판; 상기 기판(100)의 일면에 산재된 시드 금속 나노 응집체(200); 상기 시드 금속 나노 응집체 상에 위치한 수직 성장 그래핀(400);을 포함한다.A hydrogen generating reaction catalyst electrode according to an embodiment of the present invention includes a substrate; A seed metal nano-agglomerate 200 scattered on one surface of the substrate 100; And vertically grown graphene (400) located on the seed metal nanoaggregate.

도 1(a)에는 본 발명에 따른 수소발생반응 촉매 전극의 개략적인 단면도가 도시되어 있다.FIG. 1 (a) is a schematic cross-sectional view of a hydrogen generating reaction catalyst electrode according to the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판(100)은 수소발생반응의 전극 역할을 하는 것으로, 당 분야의 공지된 전극 소재가 제한 없이 사용될 수 있으며, 공지된 전도체, 반도체 또는 부도체 등의 소재가 사용될 수 있다. 전도체의 예를 들면 유리상 탄소(glassy carbon, GC) 또는 Ni, Co, Fe, Pt, Pd, Au, Al, Cr, Cu, Mn, Mo, Rh, Ir, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr 중에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으며, 반도체의 예를 들면 Si, GaAs, GaN, 실리카(SiO2), 석영(quartz), 유리(glass), 사파이어(Al2O3) 및 마이카(mica) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있고, 부도체의 예를 들면, PI(polyimide), PEEK(polyetheretherketone), PES(polyethersulfone), PEI(polyetherimide), PC(polycarbonate) 및 PEN(polyethylenenaphthalate) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the substrate 100 serves as an electrode for the hydrogen generation reaction. The electrode material known in the art can be used without limitation, and a material such as a known conductor, semiconductor, . Examples of the conductor include glassy carbon (GC) or a metal such as Ni, Co, Fe, Pt, Pd, Au, Al, Cr, Cu, Mn, Mo, Rh, Ir, Ta, Ti, Zr, and may be at least one selected from the group consisting of Si, GaAs, GaN, silica (SiO 2 ), quartz, glass, sapphire (Al 2 O 3 ) And at least one selected from the group consisting of polyimide, polyetheretherketone (PEEK), polyethersulfone (PES), polyetherimide (PEI), polycarbonate (PC) and polyethylenenaphthalate (PEN) It can be one.

도 2에 예시된 바와 같이, 시드 금속 나노 응집체(200)는 상기 기판(100)의 일면에 산재되어 있다.As illustrated in FIG. 2, the seed metal nano-agglomerates 200 are scattered on one surface of the substrate 100.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 시드 금속은 Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Pd, Pt, Au, Ag 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있고, 바람직하게는 낮은 개시 전위 및 높은 전류밀도를 보인다는 점에서 Co, Ni 또는 Fe에서 선택될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 빠르고 큰 전하 이동을 보인다는 점에서 Co를 사용할 수 있다(도 3 참조).According to an embodiment of the present invention, the seed metal may be selected from the group consisting of Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Pd, Pt, Au, Ag, Co can be used in view of exhibiting a low starting potential and a high current density, preferably Co, Ni or Fe, more preferably Co showing a fast and large charge transfer (see FIG. 3).

시드 금속 나노 응집체(200)는 전자 이동 및/또는 변형을 통해 그래핀의 전기적 특성을 변화시키는 역할을 한다.The seed metal nano-agglomerates 200 serve to change the electrical properties of graphene through electron mobility and / or deformation.

도 6에 예시된 바와 같이, 그래핀 자체는 HER에 충분한 활성을 가지지 않지만, 시드 금속 나노 응집체(200) 상에 위치한 수직 성장 그래핀(400)에서는 상기 시드 금속과의 계면에서의 상호 작용에 의해 그래핀의 전기적 특성이 변화되어, 수소발생반응 촉매 전극이 낮은 개시 전위 및 높은 전류밀도를 나타내고, 이에 HER 활성이 향상되는 것이다.As illustrated in FIG. 6, graphene itself does not have sufficient activity for HER, but in vertically grown graphene 400 located on the seed metal nano-agglomerate 200, by interaction at the interface with the seed metal The electrical characteristics of the graphene are changed so that the hydrogen generation reaction catalyst electrode exhibits a low initiation potential and a high current density, thereby improving the HER activity.

시드 금속은 그래핀의 전기적 특성을 변화시킬 수 있는 것이면 되고, 일반적으로 모든 금속은 그 정도의 차이가 있을 수 있겠으나 전하 이동(charge transfer) 등에 의해 그와 접촉하는 그래핀의 전기적 특성을 변화시킬 수 있는 것인 바, 위와 같이 시드 금속의 종류는 제한을 받지 않는다.The seed metal may be one that can change the electrical characteristics of the graphene. In general, all the metals may have such a difference, but they may change the electrical characteristics of the graphene in contact with it by charge transfer or the like. The kind of seed metal is not limited as above.

Pt의 경우에도, Pt만을 증착시켜 제조한 전극보다 Pt 시드 금속 위에 수직 성장된 VGNHs 전극이 높은 전류밀도를 나타내었다(도 4 참조).In the case of Pt, the VGNHs electrode vertically grown on the Pt seed metal exhibited a higher current density than the electrode prepared by depositing only Pt (see FIG. 4).

시드 금속 나노 응집체(200)는 예를 들면 직경이 1nm 내지 40nm일 수 있고, 평균 직경은 20nm 이하일 수 있으며, 바람직하게는 평균 직경이 5nm 이하일 수 있다. 평균 직경이 5nm 이하인 경우 HER 활성이 현저히 우수하다.The seed metal nano-agglomerates 200 may have a diameter of, for example, 1 nm to 40 nm, an average diameter of 20 nm or less, and preferably an average diameter of 5 nm or less. When the average diameter is 5 nm or less, the HER activity is remarkably excellent.

시드 금속 나노 응집체(200)는 당 분야에 공지된 방법에 따라 제조된 것일 수 있으며, 증착으로 형성하는 경우의 예를 들면 스퍼터링 방법(sputtering), 전자빔 증착 방법(e-beam deposition) 및 화학 기상 증착 방법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 등의 공지된 증착 방법으로 제조된 것일 수 있다.The seed metal nano-agglomerates 200 may be prepared according to methods known in the art and may be formed by sputtering, e-beam deposition, chemical vapor deposition Method (Chemical Vapor Deposition (CVD)), or the like.

증착으로 형성하는 경우 상기 직경의 시드 금속 나노 응집체(200)는 예를 들면 증착 시간을 짧게 조절하여 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the case of forming by deposition, the seed metal nano-agglomerate 200 of the diameter may be formed by adjusting the deposition time to a short time, but is not limited thereto.

수직 성장 그래핀(400)은 시드 금속 나노 응집체(200) 상에 위치한다.The vertically grown graphene 400 is located on the seed metal nano-agglomerate 200.

도 5에는 수직 성장 그래핀(400)이 도시되어 있다. 5, vertically grown graphene 400 is shown.

수직 성장 그래핀(400)의 높이는 5nm 내지 50nm 일 수 있다. 상기 범위 이내일 경우 수직 성장 그래핀(400)은 상호 연결되어 시드 금속 나노 응집체(200) 상에 더욱 견고하게 형성될 수 있다. The height of the vertically grown graphene 400 may be 5 nm to 50 nm. Within the above range, the vertically grown graphene 400 may be connected to each other to be more firmly formed on the seed metal nano-agglomerate 200.

상기의 구성을 포함하는 본 발명의 수소발생반응 촉매 전극은 저전압에서도 높은 전류밀도를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 전압 0.4V 이하에서도 전류 밀도 100 ㎃/㎠를 나타낼 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The hydrogen generating reaction catalyst electrode of the present invention having the above structure can exhibit a high current density even at a low voltage. For example, a current density of 100 mA / cm < 2 > may be exhibited even at a voltage of 0.4 V or lower, but the present invention is not limited thereto.

필요에 따라, 본 발명의 수소발생반응 촉매 전극은 상기 시드 금속 나노 응집체(200)와 수직 성장 그래핀(400) 사이에 완충 그래핀층(300, Buffered Graphene, BG)을 더 포함할 수 있다. If necessary, the hydrogen generating reaction catalyst electrode of the present invention may further include a buffered graphene (BG) layer 300 between the seed metal nano-agglomerate 200 and the vertical growth graphene 400.

완충 그래핀층(300)은 기판(100)의 일면에 산재된 시드 금속 나노 응집체(200) 상에 형성되는 불균일한 층으로, 시드 금속의 전자 이동을 촉진시켜 HER 활성을 향상시키는 역할을 한다.The buffering graphene layer 300 is a non-uniform layer formed on the seed metal nano-agglomerate 200 scattered on one surface of the substrate 100. The buffering graphene layer 300 enhances the HER activity by promoting electron transfer of the seed metal.

또한, 본 발명은 기판 상에 시드 금속을 증착시켜, 기판 상에 산재된 시드 금속 나노 응집체를 형성하는 단계; 및 상기 시드 금속 나노 응집체 상에 그래핀을 수직으로 성장시키는 단계; 를 포함하는 수소발생반응 촉매 전극의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method of forming a seed metal nano-agglutinate, comprising: depositing a seed metal on a substrate to form seed metal nano-agglomerates dispersed on the substrate; And vertically growing graphene on the seed metal nano-agglomerate; The present invention also provides a method for producing a hydrogen generating reaction catalyst electrode.

기판 상에 시드 금속을 증착시켜, 기판 상에 산재된 시드 금속 나노 응집체를 형성하는 단계는, 상기에 기술한 바와 같이 당 분야에 공지된 방법에 따라 제조된 것일 수 있으며, 증착으로 형성하는 경우의 예를 들면 스퍼터링 방법(sputtering), 전자빔 증착 방법(e-beam deposition) 및 화학 기상 증착 방법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 등의 공지된 증착 방법으로 제조된 것일 수 있다.The step of depositing the seed metal on the substrate and forming the seed metal nano-agglomerate on the substrate may be one which has been produced according to a method known in the art as described above, For example, by a known deposition method such as a sputtering method, an e-beam deposition method, and a chemical vapor deposition method (CVD).

증착으로 형성하는 경우 상기 직경의 시드 금속 나노 응집체는 예를 들면 증착 시간을 짧게 조절하여 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.When formed by deposition, the seed metal nano-agglomerate of the diameter may be formed by, for example, controlling the deposition time to be short, but is not limited thereto.

시드 금속 나노 응집체는 예를 들면 직경이 1nm 내지 40nm, 평균 직경은 20nm 이하, 바람직하게는 평균 직경이 5nm 이하가 되도록 형성될 수 있다. 평균 직경이 5nm 이하인 경우 HER 활성이 현저히 우수하다.The seed metal nano-agglomerates may be formed, for example, to have a diameter of 1 nm to 40 nm and an average diameter of 20 nm or less, preferably an average diameter of 5 nm or less. When the average diameter is 5 nm or less, the HER activity is remarkably excellent.

상기 시드 금속 나노 응집체 상에 그래핀을 수직으로 성장시키는 단계는, 당 분야에 공지된 방법에 따라 제조된 것일 수 있으며, 증착으로 형성하는 경우의 예를 들면 스퍼터링 방법(sputtering), 전자빔 증착 방법(e-beam deposition) 및 화학 기상 증착 방법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 등의 공지된 증착 방법으로 제조된 것일 수 있다.The step of vertically growing the graphene on the seed metal nano-agglomerate may be performed according to a method known in the art. Examples of the step of forming the graphene by sputtering, electron beam evaporation e-beam deposition, and chemical vapor deposition (CVD).

필요에 따라, 상기 시드 금속 나노 응집체 상에 그래핀을 수직으로 성장시키는 단계 이전에 상기 시드 금속 응집체 상에 완충 그래핀층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.If necessary, the method may further include forming a buffering graphene layer on the seed metal agglomerate prior to the step of vertically growing the graphene on the seed metal nano agglomerate.

완충 그래핀층을 형성하는 단계는, 당 분야에 공지된 방법에 따라 제조된 것일 수 있으며, 증착으로 형성하는 경우의 예를 들면 스퍼터링 방법(sputtering), 전자빔 증착 방법(e-beam deposition) 및 화학 기상 증착 방법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 등의 공지된 증착 방법으로 제조된 것일 수 있다.The step of forming the buffering graphene layer may be performed according to a method known in the art. Examples of the forming method include sputtering, e-beam deposition and chemical vapor deposition And may be manufactured by a known deposition method such as Chemical Vapor Deposition (CVD).

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

실시예Example 1:  One: VGNHsVGNHs /Co(50s) 전극 제조/ Co (50s) Electrode Fabrication

시드 금속의 증착Deposition of seed metal

50초 동안 전자빔 증착 기술로 유리상 탄소(GC) 기판 상에 코발트를 증착시켰다. 고형의 Co(99.99 %, Alfa Aesar)를 고진공 챔버의 알루미나 도가니에서 승화시켰다. 증착 공정 동안, 챔버 압력을 약 9×10-6 Torr로 유지하였다. 가장 두꺼운 막으로부터 결정된 공칭 증착 속도는 1nm/50s였다. 생성된 막은 증착 시간이 짧을수록 알갱이 모양으로 과립화되기 때문에 명목상 두께 대신에 증착 시간으로 분류하였다.Cobalt was deposited on a glassy carbon (GC) substrate with electron beam deposition technology for 50 seconds. Solid Co (99.99%, Alfa Aesar) was sublimated in an alumina crucible in a high vacuum chamber. During the deposition process, the chamber pressure was maintained at about 9 x 10-6 Torr. The nominal deposition rate determined from the thickest film was 1 nm / 50 s. The resulting film was classified as the deposition time instead of the nominal thickness because the shorter the deposition time, the more granular the granules.

수직 성장 Vertical growth 그래핀(VGNHs)의Of graphene (VGNHs) 성장 growth

수직 성장 그래핀(VGNHs)은 플라즈마-강화 화학기상증착(PECVD) 방법을 사용하여 직접 성장시켰다. 기판의 원치 않은 오염물을 제거하기 위해 50W의 RF(radio frequency) 전력으로 수소(H2, 20sccm)를 주입하여 플라즈마로 처리하였다. 플라즈마 처리 후, 수소(H2, 20 sccm) 및 탄소 전구체로서 메탄(CH4, 10sccm)을 주입하고; 상기 가스 혼합물을 750℃에서 30분 동안 50W의 RF 전력에 의해 방출시켜 VGNHs를 성장시켜 VGNHs/Co(50s) 전극을 제조하였다.Vertically grown graphene (VGNHs) were grown directly using a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method. Hydrogen (H 2 , 20 sccm) was injected at 50 W of radio frequency (RF) power to remove unwanted contaminants from the substrate and treated with plasma. After the plasma treatment, hydrogen (H 2 , 20 sccm) and methane (CH 4 , 10 sccm) were injected as carbon precursors; The VGNHs / Co (50s) electrode was fabricated by growing the VGNHs to release the gas mixture at 50 ° C for 30 minutes at 750 ° C with RF power.

실시예Example 2:  2: VGNHsVGNHs /Co(100s) 전극 제조/ Co (100s) Electrode Fabrication

100초 동안 전자빔 증착 기술로 유리상 탄소(GC) 기판 상에 코발트를 증착시킨 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.Was prepared in the same manner as in Example 1 except that cobalt was deposited on a glassy carbon (GC) substrate with an electron beam deposition technique for 100 seconds.

실시예Example 3:  3: VGNHsVGNHs /Co(250s) 전극 제조/ Co (250s) Electrode Fabrication

250초 동안 전자빔 증착 기술로 유리상 탄소(GC) 기판 상에 코발트를 증착시킨 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.Was prepared in the same manner as in Example 1, except that cobalt was deposited on a glassy carbon (GC) substrate by electron beam deposition technique for 250 seconds.

비교예Comparative Example 1:  One: GCGC 전극 electrode

GC 기판을 작동 전극으로 사용하였다.A GC substrate was used as the working electrode.

비교예Comparative Example 2:  2: VGNHsVGNHs 전극 electrode

실시예 1의 시드 금속의 증착을 제외하고 GC 기판 위에 VGNHs를 직접 성장시켜 VGNHs 전극을 제조하였다.VGNHs electrodes were prepared by directly growing VGNHs on a GC substrate except for the deposition of the seed metal of Example 1.

비교예Comparative Example 3: Pt 전극 3: Pt electrode

Pt 전극을 작동 전극으로 사용하였다.A Pt electrode was used as the working electrode.

실험예Experimental Example 1: 전기 화학적 특성 측정 1: Measurement of electrochemical characteristics

모든 전기 화학적 특성 측정은 실온의 산성 전해질(0.5M H2SO4)에서 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 비교예 1, 비교예 2, 및 비교예 3의 촉매 전극으로 수행되었다; 상기 촉매 전극을 작동 전극으로 하고, Ag/AgCl 전극을 기준 전극으로 하고, 나선형 Pt 와이어를 상대 전극으로 하였다. HER 활성은 워크스테이션(Biologic SP-300, Biologic Science Instruments)을 사용하여 10mV s-1 Scan rate로 선형주사전위법(Linear Sweep Voltammetry, LSV)으로 측정하였다. 측정된 전압(potential)은 0.5M H2SO4에서 E(RHE) = E(Ag/AgCl°+Ag/AgCl) 식에 따라 RHE(Reversible Hydrogen Electrode) 전극을 기준으로 변환하였다. 편극 곡선은 0.5M H2SO4에서 iR 보정 후 수집되었다. 전류 밀도는 GC 전극의 기하학적 작동 영역(~0.30㎠)으로부터 계산하였다. 촉매의 담지량은 전형적인 사용량보다 훨씬 작은 5.6㎍cm-2로 추정되었다. 전압 진폭 10mV, 1Hz ~ 1MHz의 주파수 범위에서 나이키스트 임피던스(Nyquist impedance)를 측정하였다.All electrochemical characterization measurements were performed with the catalyst electrodes of Example 1, Example 2, Example 3, Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3 at room temperature acidic electrolyte (0.5MH 2 SO 4 ); The catalytic electrode was used as the working electrode, the Ag / AgCl electrode was used as the reference electrode, and the spiral Pt wire was used as the counter electrode. HER activity was measured by Linear Sweep Voltammetry (LSV) at 10 mV s -1 scan rate using a workstation (Biologic SP-300, Biologic Science Instruments). The measured potentials were converted based on the RHE (Reversible Hydrogen Electrode) electrode according to the equation E (RHE) = E (Ag / AgCl ° + Ag / AgCl) at 0.5 MH 2 SO 4 . The polarization curves were collected after iR correction at 0.5 MH 2 SO 4 . The current density was calculated from the geometric operating area of the GC electrode (~ 0.30 cm 2). The supported amount of the catalyst was estimated to be 5.6 cm cm -2 , much smaller than the typical usage. Nyquist impedance was measured at a voltage amplitude of 10 mV and a frequency range of 1 Hz to 1 MHz.

도 6에는 비교예 1의 GC 전극, 비교예 2의 VGNHs 전극, 비교예 3의 Pt 전극 및 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생반응 촉매 전극으로 증착 시간을 달리하여 제조된 실시예 1의 VGNHs/Co(50s) 전극, 실시예 2의 VGNHs/Co(100s) 전극, 및 실시예 3의 VGNHs/Co(250s) 전극의 (a) 낮은 개시 전위, (b) 과전압이 도시되어 있다.FIG. 6 shows the VGNHs of Comparative Example 1, the VGNHs electrode of Comparative Example 2, the Pt electrode of Comparative Example 3, and the VGNHs of Example 1, which were prepared by varying the deposition time of the hydrogen generating reaction catalyst electrode according to one embodiment of the present invention. (A) low starting potential and (b) overvoltage of the Co / 50s electrode, the VGNHs / Co (100s) electrode of Example 2, and the VGNHs / Co (250s) electrode of Example 3 are shown.

비교예 1의 GC 전극은 높은 개시 전위(~305mV)로 무시해도 될 정도의 전기 촉매 성능을 보였다. 비교예 2의 GC 표면에서 직접 성장한 VGNHs도 비교예 1과 유사한 HER 성능을 보였으므로 그래핀의 HER 비활성은 단순히 구조적 개질만으로는 개선될 수 없음을 암시한다. 대조적으로, 발명의 일 실시예에 따른 수소발생반응 촉매 전극으로 GC 상에 Co 시드가 증착된 VGNHs는 HER 활성의 향상과 높은 전류 밀도를 나타냈다. 실시예 3의 명목상 두께 5nm Co 시드(증착 250초)는 개시 전위를 ~280mV까지 감소시킬 수 있었다. 그러나 VGNH가 성장하기 전의 Co 두께의 증가는 HER 성능을 향상시키지 못했다. 또한, Co 증착 시간을 줄이면 HER 활성은 꾸준히 증가했다. 특히, 개시 전압은 VGNHs/Co(증착 100초)에서 93mV로, VGNHs/Co (증착 50초)에서 62mV로 개선되었다(도 6(a) 참조). 이는 매우 소량의 에너지 소비가 촉매 공정에서 발생했음을 의미하며 비-귀금속 촉매에 대해 보고된 것보다 우수하다. The GC electrode of Comparative Example 1 exhibited negligible electrocatalytic performance with a high initiation potential (~ 305 mV). The VGNHs directly grown on the GC surface of Comparative Example 2 showed HER performance similar to that of Comparative Example 1, suggesting that HER inactivity of graphene can not be improved simply by structural modification. In contrast, VGNHs deposited with a Co seed on GC as a hydrogen generating reaction catalyst electrode according to an embodiment of the invention exhibited improved HER activity and high current density. A nominal thickness of 5 nm Co seed (250 seconds deposition) of Example 3 was able to reduce the initiation potential to ~ 280 mV. However, the increase in Co thickness before VGNH growth did not improve HER performance. In addition, the HER activity steadily increased when the Co deposition time was reduced. In particular, the starting voltage was improved to 93 mV at VGNHs / Co (100 seconds of deposition) and to 62 mV at VGNHs / Co (50 seconds of deposition) (see FIG. 6 (a)). This means that very little energy consumption has occurred in the catalytic process and is better than reported for non-noble metal catalysts.

또한, 향상된 HER 활성은 도 6(b)에서와 같이, 감소된 Tafel 기울기에 반영된다. 기울기 값은 182mV decade-1(Co가 증착되지 않은 VGNHs)에서 83mV decade-1(명목상 1nm 두께의 Co 시드 VGNHs)로 감소하여 보다 낮은 과전압에서 더 높은 전류 밀도를 나타냈다. 가장 작은 Tafel 기울기 값은 Pt 전극의 값보다 크지만 HER 활성 물질로 도핑된 그래핀으로 구성된 하이브리드 촉매의 값과 유사하다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생반응 촉매 전극의 과전압 최고값은 160mV @ 10mAcm-2이었다.In addition, the enhanced HER activity is reflected in the reduced Tafel slope, as in Figure 6 (b). The slope value is reduced from 182mV decade -1 (VGNHs Co is not deposited) to 83mV decade -1 (nominal thickness 1nm Co VGNHs seed) showed a higher current density at a lower voltage. The smallest Tafel slope value is larger than the value of the Pt electrode but similar to the value of the hybrid catalyst composed of graphene doped with HER active material. In particular, the maximum overvoltage of the hydrogen generating reaction catalyst electrode according to an embodiment of the present invention was 160 mV @ 10 mAcm -2 .

또한, 단면 HRTEM 이미지로부터 추측할 수 있는 바와 같이, Co 나노-클러스터는 BG 및 VGNH에 의해 완전히 캡슐화되었다(도 1(d)~1(f) 참조).In addition, as can be inferred from the cross-sectional HRTEM image, Co nano-clusters were completely encapsulated by BG and VGNH (see Figures 1 (d) to 1 (f)).

도 7(a)에는 EIS 결과를 해석하기 위한 작동 전압 -0.25V에서 Co 시드 VGNHs의 나이키스트 임피던스와 등가 회로 모델(삽입된 그림)이 도시되어 있다. VGNHs/Co(50s)의 반원이 가장 작은 것으로 나타났으며 이는 전기 분해에서 높은 전기 전도도 및 전극에서 전자가 더 빨리 전달됨을 나타낸다. 도 7(b)에는 1000 사이클 전후의 VGNHs/Co(50s)의 LSV 곡선이 도시되어 있고, 전류 밀도(j) 대 시간(h) 곡선으로, -0.160V에서 작동하는 그래프가 삽입된 것으로, 8시간 동안 우수한 안정성이 관찰되었다.Fig. 7 (a) shows the Nyquist impedance of the Co seed VGNHs and the equivalent circuit model (inserted figure) at an operating voltage of -0.25 V for interpreting the EIS results. The semicircle of VGNHs / Co (50s) was found to be the smallest, indicating high electrical conductivity in electrolysis and faster transfer of electrons from the electrode. Fig. 7 (b) shows the LSV curve of VGNHs / Co (50s) around 1000 cycles, and the graph plotting the current density (j) versus time (h) curve, operating at -0.160 V, Excellent stability was observed over time.

실험예Experimental Example 2: 기타 특성 2: Other characteristics

원소 맵핑을 위해 전자분산형분광법(Electron Dispersive Spectroscopy, EDS, Horiba EMAX) 기능을 가진 Hitachi S4700 시스템(15kV에서 작동)을 사용하여 전계방출주사전자현미경(Field Emission-Sanning Electron Microscopy, FESEM) 측정을 수행하였다. Oxford EDS system으로 JEM-2100F(200kV에서 작동)를 사용하여 고해상도투과전자현미경(High-Resolution Transmission Electron Microscopy, HRTEM) 측정을 수행하였다. 표면 형태는 비접촉 모드에서 작동하는 상용 원자력현미경(Atomic Force Microscopy, AFM; n-Tracer system, Nano Focus Inc.)에 의해 얻었다. 탄소 구조 분석은 0.75mW에서 작동되는 514.5nm 여기 레이저를 사용하여 라만 분광기(Raman spectroscopy, Renishaw, in Via system)를 사용하여 수행하였다. 화학 결합은 AlKα(1486.6eV) 선을 가진 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 시스템으로 분석하였다.Field Emission-Sanning Electron Microscopy (FESEM) measurements were performed using a Hitachi S4700 system (operating at 15 kV) with electron scattering spectroscopy (EDS, Horiba EMAX) Respectively. High-Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) measurements were performed with the Oxford EDS system using JEM-2100F (operating at 200 kV). Surface morphology was obtained by Atomic Force Microscopy (AFM; n-Tracer system, Nano Focus Inc.) operating in a non-contact mode. Carbon structure analysis was performed using a Raman spectroscopy (Renishaw, in Via system) using a 514.5 nm excitation laser operating at 0.75 mW. Chemical bonds were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) system with AlKa (1486.6 eV) line.

도 8에는 (a) 비교예 1의 GC 전극, (b) 실시예 1의 VGNHs/Co(50s) 전극, (c) 실시예 2의 VGNHs/Co(100s) 전극, (d) 실시예 3의 VGNHs/Co(250s) 전극의 AFM 이미지가 도시되어 있다. VGNHs의 높이는 Co 두께가 증가함에 따라 비례하여 증가하였다. Co가 매우 얇으면 VGNHs는 작은 언덕과 골짜기로 이루어져 있으나, Co가 두꺼울수록 VGNHs의 형태는 언덕이 상호 연결되어 거대한 응집체로 점차적으로 변화하였다. (C) a VGNHs / Co (100s) electrode of Example 2; (d) a VGNHs / Co (100s) electrode of Example 2; An AFM image of the VGNHs / Co (250s) electrode is shown. The height of VGNHs increased proportionally with increasing Co thickness. When the Co is very thin, the VGNHs are composed of small hills and valleys. However, as the Co is thicker, the shape of the VGNHs is gradually changed into huge aggregates by interconnecting the hills.

도 9(a)에는 Co 시드 VGNHs에 대한 Co 2p (상부 패널) 및 C 1s (하부 패널)의 XPS 프로파일이 도시되어 있다. C 1s 스펙트럼은 sp2 및 sp3 결합에 적합하고 이들 결합의 상대적 분율이 표시된다: sp2 C-C는 빨간색 선, sp3 C-C는 녹색 선, 총 맞춤 선은 점선으로 나타내었다.Figure 9 (a) shows the XPS profile of Co 2p (top panel) and C 1s (bottom panel) for Co seed VGNHs. The C 1s spectrum is fit for sp 2 and sp 3 bonds and the relative fractions of these bonds are shown: sp 2 CC is the red line, sp 3 CC is the green line, and the total fit line is the dotted line.

Co의 존재는 Co 2p3 /2 및 2p1 /2 수준에 각각 해당하는 781.3eV 및 792.63eV의 특정 피크에서 발견되었다 (그림 9(a)의 상단 패널). 이는 Co가 금속 상태이고 CoOx 상이 없다는 것을 나타냈다. VGNHs로부터의 C 1s 스펙트럼 (~284.37eV)은 sp2와 sp3 탄소 결합을 보여 주었고 (그림 9(a)의 하단 패널), 상대 비율은 많은 결함을 가진 직접 성장된 그래핀의 경우 전형적인 것으로 O-C=O (289eV), C=O (288eV), C-O (287eV)와 같은 산화물 관련 결합은 눈에 띄지 않았다. 그러나 Co 시드로 인해 VGNHs가 도핑되었는지 여부는 검출 한계로 인해 현재 XPS 프로파일로부터 결정될 수 없었다. 대신, 그래핀의 경우 라만 스펙트럼은 도핑 및 결함 밀도에 보다 민감하다. The presence of the Co Co 2p 3/2 and 2p 1/2 respectively correspond to the level found in a particular peak of 781.3eV, and 792.63eV (upper panel of Figure 9 (a)). This indicated that Co was in a metallic state and no CoOx phase. The C 1s spectrum (~ 284.37 eV) from VGNHs showed sp2 and sp3 carbon bonds (bottom panel in Figure 9 (a)) and the relative ratio is typical for directly grown graphene with many defects, OC = O (289 eV), C = O (288 eV), and CO (287 eV) were not noticeable. However, whether the VGNHs were doped due to the Co seed could not be determined from the current XPS profile due to the detection limit. Instead, in the case of graphene, Raman spectra are more sensitive to doping and defect density.

도 9(b)에는 기준 전극으로서 VGNHs/GC, VGNHs/Co(50s, 100s, 250s)/GC 및 아무것도 증착되지 않은 GC 전극의 라만 스펙트럼이 도시되어 있다. 모든 샘플은 3개의 현저한 피크, 즉 D, G 및 2D를 나타냈다. 이러한 피크는 흑연 구조의 잘 알려진 특성이다; sp2혼성의 1차 면내 진동(G 피크 ~ 1600cm-1), 결함에 의한 세로 포논의 inter-valley 전이(D 피크 ~ 1350cm-1), 반대 파수 벡터를 가진 두 포논의 운동량 보존에 따른 2차 D 피크(2D 피크 ~ 2700cm-1)의 피크 위치 및 상대 강도는 결함, 변형 또는 내부/외부 도핑과 같은 그래핀 층에 대한 간접 정보를 얻는 데 사용할 수 있다.Figure 9 (b) shows Raman spectra of VGNHs / GC, VGNHs / Co (50s, 100s, 250s) / GC as reference electrodes and a GC electrode with nothing deposited. All samples showed three distinct peaks, D, G and 2D. These peaks are well known characteristics of graphite structures; The primary in-plane vibration of sp 2 hybrid (G peak ~ 1600cm -1), of the longitudinal phonons by defect inter-valley transition (D peak ~ 1350cm -1), 2 car according to the conservation of momentum of the two phonon wave number vector having the opposite The peak position and relative intensity of the D peak (2D peak ~ 2700 cm -1 ) can be used to obtain indirect information on the graphene layer, such as defects, deformation or internal / external doping.

도 9(c)에는 G 피크 (상부 패널), D 피크 (중간 패널) 및 2D 피크 (하부 패널)에 대한 Co 증착 시간의 함수로서의 라만 피크 위치가 도시되어 있다. 모든 Co 시드 VGNHs에 대해 G, D 및 2D 피크의 중요한 청색 이동(blue-shift, 스펙트럼선의 파장이 표준 파장보다 푸른 쪽으로 벗어나는 일)이 관찰되었다 (Co 증착 시간이 0인 샘플은 시드로 채워지지 않은 VGNH이다). 일반적으로 G와 2D 피크의 청색 이동(blue-shift)은 그래핀의 p-형 도핑의 징후로 해석된다. 이러한 의미에서 Co 시드가 전하 이동 및/또는 변형을 통해 의도하지 않은 도핑 효과를 VGNHs로 가져 왔다고 예상할 수 있다. 흥미롭게도, 청색 이동(blue-shift) 또는 도핑 효과의 양은 HER 향상의 경향과 일치하여 Co 시드의 양이 감소함에 따라 증가했다. 그러나 도핑 효과만으로는 여기에 제시된 HER 성능을 얻을 수 없다는 것이 알려졌다. HER 활성에 영향을 미치는 또 다른 요인은 VGNH의 가장자리 밀도가 촉매 활성 부위의 수를 결정할 것이기 때문에 결함 밀도와 관련이 있을 수 있다.Figure 9 (c) shows Raman peak positions as a function of Co deposition time for G peak (top panel), D peak (middle panel) and 2D peak (bottom panel). For all Co-seeded VGNHs, a significant blue shift of the G, D and 2D peaks was observed (wavelengths of the spectral lines were shifted to blue than the standard wavelength) (samples with a Co deposition time of 0 were not seeded VGNH). In general, the blue shift of the G and 2D peaks is interpreted as an indication of p-type doping of the graphene. In this sense, it can be expected that the Co seed brought the unintended doping effect to the VGNHs through charge transfer and / or deformation. Interestingly, the amount of blue-shift or doping effect increased as the amount of Co seed decreased, consistent with the trend of HER enhancement. However, it is known that the doping effect alone can not achieve the HER performance presented here. Another factor affecting HER activity may be related to defect density because the edge density of VGNH will determine the number of catalytically active sites.

도 9(d)에는 ID/IG (상부 패널) 및 I2D/IG (하부 패널)에 대한 Co 증착 시간의 함수로서 라만 피크 강도 비가 도시되어 있다. ID/IG (결함 밀도)의 강도 비율이 증가하는 반면 I2D/IG (그래핀과의 친밀도)의 비율은 Co 시드가 얇을수록 줄어들었다 (더 큰 HER 활성). 이는 Co 시드 VGNHs에서 HER에 대한 높은 활성은 의도하지 않은 도핑과 증가된 활성 촉매 부위의 결합 효과에서 비롯된 것으로 예상할 수 있다.Figure 9 (d) shows the Raman peak intensity ratio as a function of Co deposition times for ID / IG (top panel) and I2D / IG (bottom panel). The intensity ratio of ID / IG (defect density) increased, while the ratio of I2D / IG (affinity to graphene) decreased with thinner Co seeds (greater HER activity). It can be expected that high activity for HER in Co-seeded VGNHs results from the combined effect of unintended doping and increased active catalytic site.

100: 기판
200: 시드 금속 나노 응집체
300: 완충 그래핀층
400: 수직 성장 그래핀
100: substrate
200: seed metal nano-aggregate
300: buffer graphene layer
400: Vertically grown graphene

Claims (12)

기판;
상기 기판의 일면에 산재된 시드 금속 나노 응집체;
상기 시드 금속 나노 응집체 상에 위치한 수직 성장 그래핀;을 포함하는 수소발생반응 촉매 전극.
Board;
Seed metal nano-agglomerates scattered on one surface of the substrate;
And a vertically grown graphene positioned on the seed metal nano-agglomerate.
청구항 1에 있어서, 상기 기판은 유리상 탄소(glassy carbon, GC), Ni, Co, Fe, Pt, Pd, Au, Al, Cr, Cu, Mn, Mo, Rh, Ir, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Si, GaAs, GaN, 실리카(SiO2), 석영(quartz), 유리(glass), 사파이어(Al2O3), 마이카(mica), PI(polyimide), PEEK(polyetheretherketone), PES(polyethersulfone), PEI(polyetherimide), PC(polycarbonate) 및 PEN(polyethylenenaphthalate) 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재의 기판인, 수소발생반응 촉매 전극.The substrate according to claim 1, wherein the substrate is made of glassy carbon (GC), Ni, Co, Fe, Pt, Pd, Au, Al, Cr, Cu, Mn, Mo, Rh, Ir, Ta, , V, Zr, Si, GaAs , GaN, silica (SiO 2), silica (quartz), glass (glass), sapphire (Al 2 O 3), mica (mica), PI (polyimide) , PEEK (polyetheretherketone), Wherein the substrate is a substrate of at least one material selected from the group consisting of PES (polyethersulfone), PEI (polyetherimide), PC (polycarbonate) and PEN (polyethylenenaphthalate). 청구항 1에 있어서, 상기 시드 금속은 Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Pd, Pt, Au, Ag 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택되는 것인, 수소발생반응 촉매 전극.The hydrogen generation reaction according to claim 1, wherein the seed metal is selected from the group consisting of Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Pd, Pt, Au, Ag, Catalytic electrode. 청구항 3에 있어서, 상기 시드 금속은 Co인, 수소발생반응 촉매 전극.4. The hydrogen generation reaction catalyst electrode according to claim 3, wherein the seed metal is Co. 청구항 1에 있어서, 상기 시드 금속 나노 응집체는 평균 직경 20nm 이하인, 수소발생반응 촉매 전극.The hydrogen generation reaction catalyst electrode according to claim 1, wherein the seed metal nano-agglomerate has an average diameter of 20 nm or less. 청구항 1에 있어서, 상기 수소발생반응 촉매 전극은 전류 밀도 100 ㎃/㎠를 나타내는 전압이 0.4V 이하인, 수소발생반응 촉매 전극.The hydrogen generation catalyst electrode according to claim 1, wherein the hydrogen generating reaction catalyst electrode has a voltage of 0.4 V or less at a current density of 100 mA / cm 2. 청구항 1에 있어서, 상기 시드 금속 나노 응집체와 수직 성장 그래핀 사이에 완충 그래핀층을 더 포함하는, 수소발생반응 촉매 전극.The hydrogen generation reaction catalyst electrode according to claim 1, further comprising a buffering graphene layer between the seed metal nano-aggregate and the vertically grown graphene. 기판 상에 시드 금속을 증착시켜, 기판 상에 산재된 시드 금속 나노 응집체를 형성하는 단계;
상기 시드 금속 나노 응집체 상에 그래핀을 수직으로 성장시키는 단계;를 포함하는 수소발생반응 촉매 전극의 제조 방법.
Depositing seed metal on the substrate to form seed metal nano-agglomerates dispersed on the substrate;
And growing graphene vertically on the seed metal nano-agglomerate.
청구항 8에 있어서, 상기 시드 금속은 Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Pd, Pt, Au, Ag 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택되는 것인, 수소발생반응 촉매 전극의 제조 방법.The hydrogen generation reaction according to claim 8, wherein the seed metal is selected from the group consisting of Al, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Pd, Pt, Au, Ag, A method of manufacturing a catalyst electrode. 청구항 9에 있어서, 상기 시드 금속은 Co인, 수소발생반응 촉매 전극의 제조 방법.10. The method according to claim 9, wherein the seed metal is Co. 청구항 8에 있어서, 상기 증착은 시드 금속 나노 응집체의 평균 직경이 20nm 이하가 되도록 수행되는 것인, 수소발생반응 촉매 전극의 제조 방법.9. The method according to claim 8, wherein the deposition is performed so that the average diameter of the seed metal nano-agglomerates is 20 nm or less. 청구항 8에 있어서, 상기 시드 금속 나노 응집체 상에 그래핀을 수직으로 성장시키는 단계 이전에 상기 시드 금속 응집체 상에 완충 그래핀층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것인, 수소발생반응 촉매 전극의 제조 방법.9. The method of claim 8, further comprising forming a buffering graphene layer on the seed metal agglomerate prior to the step of vertically growing the graphene on the seed metal nanoaggregate, .
KR1020170172455A 2017-12-14 2017-12-14 Hydrogen evolution reaction catalyst electrode comprising vertical graphene nano hills and preparing method of the same KR102000974B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170172455A KR102000974B1 (en) 2017-12-14 2017-12-14 Hydrogen evolution reaction catalyst electrode comprising vertical graphene nano hills and preparing method of the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170172455A KR102000974B1 (en) 2017-12-14 2017-12-14 Hydrogen evolution reaction catalyst electrode comprising vertical graphene nano hills and preparing method of the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190071416A KR20190071416A (en) 2019-06-24
KR102000974B1 true KR102000974B1 (en) 2019-07-17

Family

ID=67056300

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170172455A KR102000974B1 (en) 2017-12-14 2017-12-14 Hydrogen evolution reaction catalyst electrode comprising vertical graphene nano hills and preparing method of the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102000974B1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110950329A (en) * 2019-11-26 2020-04-03 北京石墨烯研究院 Vertical graphene and growth method thereof
KR102285319B1 (en) 2019-12-17 2021-08-03 이화여자대학교 산학협력단 Catalysts for hydrogen evolution reaction including rhodium-nickel alloy nanofibers and method of preparing rhodium-nickel alloy nanofibers

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101788917B1 (en) 2015-04-21 2017-10-20 아주대학교산학협력단 Device for producing hydrogen water

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101327432B1 (en) * 2011-05-12 2013-11-08 금오공과대학교 산학협력단 Bipolar plate and fuel cell stack or water electrolysis cell stack having the same
KR101389925B1 (en) 2012-05-02 2014-05-07 중앙대학교 산학협력단 Ni catalyst for hydrogen evolution reaction and method for preparing the same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101788917B1 (en) 2015-04-21 2017-10-20 아주대학교산학협력단 Device for producing hydrogen water

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Yun-Fei등. Nature scientific reports. 2016.11.22.*
Zhenyu zhang등. Advanced energy materials. 2017.07.03, 7, pp.1~20

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190071416A (en) 2019-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yu et al. Bifunctional catalysts for overall water splitting: CoNi oxyhydroxide nanosheets electrodeposited on titanium sheets
Yan et al. Converting CoMoO4 into CoO/MoO x for overall water splitting by hydrogenation
Eftekhari Electrocatalysts for hydrogen evolution reaction
Ding et al. Efficient electrocatalytic and photoelectrochemical hydrogen generation using MoS2 and related compounds
Li et al. A 3D-composite structure of FeP nanorods supported by vertically aligned graphene for the high-performance hydrogen evolution reaction
He et al. Vertically aligned ultrathin 1T-WS 2 nanosheets enhanced the electrocatalytic hydrogen evolution
Zeng et al. 2D WC single crystal embedded in graphene for enhancing hydrogen evolution reaction
Chen et al. Regulation of the electronic structure of Co4N with novel Nb to form hierarchical porous nanosheets for electrocatalytic overall water splitting
Lin et al. Enhanced electrocatalysis for hydrogen evolution reactions from WS2 nanoribbons
Wu et al. Perovskite oxide/carbon nanotube hybrid bifunctional electrocatalysts for overall water splitting
Jian et al. Surface electron state engineering enhanced hydrogen evolution of hierarchical molybdenum disulfide in acidic and alkaline media
Wang et al. A highly efficient Fe-doped Ni 3 S 2 electrocatalyst for overall water splitting
Li et al. Electrochemically activated NiSe-NixSy hybrid nanorods as efficient electrocatalysts for oxygen evolution reaction
Zhang et al. Coaxial Ni–S@ N-doped carbon nanofibers derived hierarchical electrodes for efficient H2 production via urea electrolysis
Li et al. High-performance hydrogen evolution at a MoSe 2–Mo 2 C seamless heterojunction enabled by efficient charge transfer
Li et al. In situ modification of a delafossite-type PdCoO2 bulk single crystal for reversible hydrogen sorption and fast hydrogen evolution
Fu et al. Highly dispersed of Ni0. 85Se nanoparticles on nitrogen-doped graphene oxide as efficient and durable electrocatalyst for hydrogen evolution reaction
Sun et al. Sulfur incorporated CoFe2O4/multiwalled carbon nanotubes toward enhanced oxygen evolution reaction
Zahra et al. Two-dimensional double transition metal carbides as superior bifunctional electrocatalysts for overall water splitting
Li et al. High-performance and durable alcohol-fueled symmetrical solid oxide fuel cell based on ferrite perovskite electrode
Zhou et al. MoTe2 nanodendrites based on Mo doped reduced graphene oxide/polyimide composite film for electrocatalytic hydrogen evolution in neutral solution
Wang et al. Nitrogen-doped carbon coated ZrO2 as a support for Pt nanoparticles in the oxygen reduction reaction
Vikraman et al. Facile synthesis of molybdenum diselenide layers for high-performance hydrogen evolution electrocatalysts
Shen et al. Magnéli phase Ti 8 O 15 nanowires as conductive carbon-free energy materials to enhance the electrochemical activity of palladium nanoparticles for direct ethanol oxidation
Li et al. Direct growth of vertically aligned ReSe2 nanosheets on conductive electrode for electro-catalytic hydrogen production

Legal Events

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