KR102045106B1 - Graphene-carbone nano tube complex, catalyst comprising the same, membrane electrode assembly comprising the catalyst, fuel cell including the membrane electrode assembly and method for manufacturing the graphene-carbone nano tube complex - Google Patents

Graphene-carbone nano tube complex, catalyst comprising the same, membrane electrode assembly comprising the catalyst, fuel cell including the membrane electrode assembly and method for manufacturing the graphene-carbone nano tube complex Download PDF

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Abstract

본 명세서는 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체, 이를 포함하는 촉매, 상기 촉매를 포함하는 막 전극 접합체, 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지 및 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 제조방법에 관한 것이다.The present specification relates to a graphene-carbon nanotube composite, a catalyst comprising the same, a membrane electrode assembly including the catalyst, a fuel cell including the membrane electrode assembly, and a method for preparing the graphene-carbon nanotube composite.

Description

그래핀-탄소 나노 튜브 복합체, 이를 포함하는 촉매, 상기 촉매를 포함하는 막 전극 접합체, 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지 및 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 제조방법{GRAPHENE-CARBONE NANO TUBE COMPLEX, CATALYST COMPRISING THE SAME, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY COMPRISING THE CATALYST, FUEL CELL INCLUDING THE MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE GRAPHENE-CARBONE NANO TUBE COMPLEX}Graphene-carbon nanotube composite, a catalyst comprising the same, a membrane electrode assembly comprising the catalyst, a fuel cell comprising the membrane electrode assembly and a method for producing a graphene-carbon nanotube composite {GRAPHENE-CARBONE NANO TUBE COMPLEX, CATALYST COMPRISING THE SAME, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY COMPRISING THE CATALYST, FUEL CELL INCLUDING THE MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE GRAPHENE-CARBONE NANO TUBE COMPLEX}

본 명세서는 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체, 이를 포함하는 촉매, 상기 촉매를 포함하는 막 전극 접합체, 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지 및 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 제조방법에 관한 것이다.The present specification relates to a graphene-carbon nanotube composite, a catalyst comprising the same, a membrane electrode assembly including the catalyst, a fuel cell including the membrane electrode assembly, and a method for preparing the graphene-carbon nanotube composite.

연료전지 촉매의 담지체로 카본 블랙(Carbon Black)이 일반적으로 사용되고 있다. 하지만 카본 블랙을 담지체로 사용한 경우에는 탄소의 부식으로 인한 내구성의 문제가 발생한다.Carbon black is generally used as a support for a fuel cell catalyst. However, when carbon black is used as a support, problems of durability due to corrosion of carbon occur.

이러한 문제점을 개선하기 위해 부식 저항성이 강한 결정성 탄소인 카본나노튜브(Carbonnanotube, CNT), 카본나노파이버(Carbonnanofiber, CNF), 카본나노케이지(Carbonnanocage, CNC) 등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 이러한 결정성 탄소는 표면 발수성이 강하여 극성 용매에서 분산이 잘되지 않는 문제점이 있다. 이러한 이유로 백금을 탄소 담지체에 로딩하는 과정에서 백금이 고르게 분산되지 않고 뭉치게 되는 문제점이 있었다.In order to improve these problems, research on carbon nanotubes (Carbonnanotube, CNT), carbon nanofibers (CNF), carbon nanocages (CNC), which are highly resistant to corrosion, is being actively conducted. However, such crystalline carbon has a problem in that it is difficult to disperse in a polar solvent due to the strong surface water repellency. For this reason, there is a problem in that platinum is agglomerated without being evenly dispersed in the process of loading platinum on the carbon carrier.

대한민국 특허공개공보 제10-2005-0098818호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2005-0098818

본 명세서는 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체, 이를 포함하는 촉매, 상기 촉매를 포함하는 막 전극 접합체, 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지 및 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 제조방법에 관한 것이다.The present specification relates to a graphene-carbon nanotube composite, a catalyst comprising the same, a membrane electrode assembly including the catalyst, a fuel cell including the membrane electrode assembly, and a method for preparing the graphene-carbon nanotube composite.

본 명세서는 탄소 나노 튜브; 상기 탄소 나노 튜브 상에 구비된 아민기를 갖는 고분자층; 및 상기 고분자층 상에 구비된 그래핀을 포함하는 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체를 제공한다. Herein is a carbon nanotube; A polymer layer having an amine group provided on the carbon nanotubes; And it provides a graphene-carbon nanotube composite comprising a graphene provided on the polymer layer.

또한, 본 명세서는 상기 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체를 포함하는 촉매를 제공한다. In addition, the present specification provides a catalyst comprising the graphene-carbon nanotube composite.

또한, 본 명세서는 상기 촉매를 포함하는 전기화학 전지를 제공한다.In addition, the present disclosure provides an electrochemical cell including the catalyst.

또한, 본 명세서는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드 및 캐소드 사이에 구비된 고분자 전해질막을 포함하며, 상기 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나는 상기 촉매를 포함하는 것인 막 전극 접합체를 제공한다. In addition, the present specification includes an anode, a cathode and a polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode, and at least one of the anode and the cathode provides the membrane electrode assembly.

또한, 본 명세서는 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공한다. In addition, the present disclosure provides a fuel cell including the membrane electrode assembly.

또한, 본 명세서는 탄소 나노 튜브 상에 구비된 아민기를 갖는 고분자층을 형성하는 단계; 및 상기 고분자층이 형성된 탄소 나노 튜브와 그래핀을 반응시켜 상기 고분자층 상에 그래핀이 구비되는 단계를 포함하는 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present specification is to form a polymer layer having an amine group provided on the carbon nanotubes; And it provides a method for producing a graphene-carbon nanotube composite comprising the step of providing a graphene on the polymer layer by reacting the graphene with carbon nanotubes on which the polymer layer is formed.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체는 나노입자의 분산성이 우수한 장점이 있다.Graphene-carbon nanotube composite according to one embodiment of the present specification has the advantage of excellent dispersibility of nanoparticles.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체는 복합체 내에서 그래핀과 탄소 나노 튜브의 응집이 억제되어 그래핀과 탄소 나노 튜브의 활용률이 높다.Graphene-carbon nanotube composite according to an exemplary embodiment of the present specification is suppressed aggregation of graphene and carbon nanotubes in the composite is high utilization of graphene and carbon nanotubes.

도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 연료전지용 막 전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 연료전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 1의 산화그래핀-탄소 나노 튜브 복합체에 대한 주사전자현미경 이미지이다.
도 5는 실시예 1의 촉매에 대한 투과전자현미경 이미지이다.
도 6은 비교예 1의 산화그래핀-탄소 나노 튜브 복합체에 대한 주사전자현미경 이미지이다.
도 7은 비교예 1의 촉매에 대한 투과전자현미경 이미지이다.
1 is a schematic diagram illustrating a principle of electricity generation of a fuel cell.
2 is a view schematically showing the structure of a membrane electrode assembly for a fuel cell.
3 is a view schematically showing an embodiment of a fuel cell.
4 is a scanning electron microscope image of the graphene oxide-carbon nanotube composite of Example 1. FIG.
5 is a transmission electron microscope image of the catalyst of Example 1.
6 is a scanning electron microscope image of the graphene oxide-carbon nanotube composite of Comparative Example 1.
7 is a transmission electron microscope image of the catalyst of Comparative Example 1.

이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in detail.

본 명세서는 탄소 나노 튜브; 상기 탄소 나노 튜브 상에 구비된 아민기를 갖는 고분자층; 및 상기 고분자층 상에 구비된 그래핀을 포함하는 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체를 제공한다. Herein is a carbon nanotube; A polymer layer having an amine group provided on the carbon nanotubes; And it provides a graphene-carbon nanotube composite comprising a graphene provided on the polymer layer.

상기 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 평균 크기는 100nm 이상 10㎛ 이하일 수 있다. The average size of the graphene-carbon nanotube composite may be 100 nm or more and 10 μm or less.

본 명세서에서, 상기 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 평균 크기는 담체-나노입자 복합체의 표면의 두 점을 잇는 선들 중 가장 긴 선의 길이의 평균을 의미한다.In the present specification, the average size of the graphene-carbon nanotube composite refers to an average of the length of the longest line among the lines connecting two points of the surface of the carrier-nanoparticle composite.

탄소 나노 튜브 또는 (산화)그래핀은 서로 응집되는 현상이 있어서 사용하는데 어려움이 있으나, 본 명세서와 같이 복합체를 형성함으로 인해 각각의 응집이 억제되고 두 물질의 특성을 제약없이 이용할 수 있는 새로운 구조체의 적용이 가능하다.Carbon nanotubes or (oxidized) graphene are difficult to use because of the phenomenon of coagulation with each other, but by forming a composite as described herein, the aggregation of each structure is suppressed and the characteristics of the new structure can be used without restriction. Application is possible.

이와 같은 구조체는 촉매의 담지체로 효율적으로 사용될 수 있다.Such a structure can be efficiently used as a support for the catalyst.

상기 탄소 나노 튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 것이며, 상기 탄소 나노 튜브의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 탄소층이 1층으로 구성 단일벽 탄소 나노튜브(SW-CNT, Single-Walled Carbon Nanotube) 및 다수의 탄소층이 적층해서 이루어지는 다중벽 탄소 나노 튜브(MW-CNT, Multi-Walled Carbon Nanotube) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The carbon nanotubes are six hexagonal carbons connected to each other to form a tubular shape, and the type of the carbon nanotubes is not particularly limited, but the carbon layer consists of one layer single-walled carbon nanotubes (SW-CNT, It may include at least one of a single-walled carbon nanotube) and a multi-walled carbon nanotube (MW-CNT) formed by stacking a plurality of carbon layers.

상기 탄소 나노 튜브의 표면의 일부 또는 전체는 고분자층이 구비될 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브 표면의 50% 이상 100% 이하는 고분자층이 구비될 수 있으며, 구체적으로, 75% 이상 100% 이하는 고분자층이 구비될 수 있다.Some or all of the surface of the carbon nanotubes may be provided with a polymer layer. 50% or more and 100% or less of the surface of the carbon nanotube surface may be provided with a polymer layer, and specifically, 75% or more and 100% or less may be provided with a polymer layer.

상기 고분자층은 아민기를 갖는 고분자를 포함한다면 특별히 한정하지 않는다. 여기서, 아민기는 암모니아의 수소원자를 탄화수소기로 치환한 형태의 치환기로서, 수소원자를 치환한 개수에 따라 1차 아민기, 2차 아민기, 3차 아민기 및 4차 아민기로 분류된다. The polymer layer is not particularly limited as long as it includes a polymer having an amine group. Herein, the amine group is a substituent in which a hydrogen atom of ammonia is substituted with a hydrocarbon group, and is classified into a primary amine group, a secondary amine group, a tertiary amine group and a quaternary amine group according to the number of hydrogen atoms substituted.

상기 고분자층은 1차 아민기, 2차 아민기, 3차 아민기 및 4차 아민기 중 적어도 하나를 포함하는 고분자를 포함할 수 있다. The polymer layer may include a polymer including at least one of a primary amine group, a secondary amine group, a tertiary amine group, and a quaternary amine group.

상기 고분자층은 폴리알킬렌이민을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자층은 선형 폴리알킬렌이민, 가지형 폴리알킬렌이민 및 덴드리머형 폴리알킬렌이민 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The polymer layer may include polyalkyleneimine. Specifically, the polymer layer may include at least one of linear polyalkyleneimine, branched polyalkyleneimine, and dendrimer type polyalkyleneimine.

상기 폴리알킬렌이민은 지방족 탄화수소 주쇄를 가지며, 주쇄 및 측쇄에 아민기를 적어도 10개 이상 포함하는 고분자일 수 있다. 이때의 아민기는 1차 아민기, 2차 아민기, 3차 아민기 및 4차 아민기를 포함하며, 상기 폴리알킬렌이민의 주쇄 및 측쇄에 포함된 아민기는 1차 아민기, 2차 아민기, 3차 아민기 및 4차 아민기 중 적어도 하나가 10개 이상일 수 있다.The polyalkyleneimine may be a polymer having an aliphatic hydrocarbon main chain and including at least 10 or more amine groups in the main chain and the side chain. In this case, the amine group includes a primary amine group, a secondary amine group, a tertiary amine group, and a quaternary amine group, and the amine groups included in the main chain and the side chain of the polyalkyleneimine are a primary amine group, a secondary amine group, At least one of the tertiary amine group and the quaternary amine group may be ten or more.

상기 폴리알킬렌이민은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The polyalkyleneimine may include at least one of a repeating unit represented by the following Formula 1 and a repeating unit represented by the following Formula 2.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112016021944719-pat00001
Figure 112016021944719-pat00001

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112016021944719-pat00002
Figure 112016021944719-pat00002

상기 화학식 1 및 2에서, E1 및 E2는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이며, R은 하기 화학식 3 내지 5 중 어느 하나로 표시되는 치환기이고, o 및 p는 각각 1 내지 1000의 정수이며,In Formulas 1 and 2, E1 and E2 are each independently an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms, R is a substituent represented by any one of the following Formulas 3 to 5, o and p are each an integer of 1 to 1000,

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112016021944719-pat00003
Figure 112016021944719-pat00003

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112016021944719-pat00004
Figure 112016021944719-pat00004

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112016021944719-pat00005
Figure 112016021944719-pat00005

상기 화학식 3 내지 5에서, A1 내지 A3은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이며, R1 내지 R3은 각각 독립적으로 하기 화학식 6 내지 8 중 어느 하나로 표시되는 치환기이고,In Formulas 3 to 5, A1 to A3 are each independently an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms, and R1 to R3 are each independently a substituent represented by any one of Formulas 6 to 8,

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112016021944719-pat00006
Figure 112016021944719-pat00006

[화학식 7][Formula 7]

Figure 112016021944719-pat00007
Figure 112016021944719-pat00007

[화학식 8][Formula 8]

Figure 112016021944719-pat00008
Figure 112016021944719-pat00008

상기 화학식 6 내지 8에서, A4 내지 A6은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이며, R4 내지 R6은 각각 독립적으로 하기 화학식 9로 표시되는 치환기이고,In Formulas 6 to 8, A4 to A6 are each independently an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms, R4 to R6 are each independently a substituent represented by Formula 9,

[화학식 9][Formula 9]

Figure 112016021944719-pat00009
Figure 112016021944719-pat00009

상기 화학식 9에서, A7은 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이다.In Formula 9, A7 is an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms.

상기 폴리알킬렌이민은 하기 화학식 10으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 11로 표시되는 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The polyalkyleneimine may include at least one of a compound represented by Formula 10 and a compound represented by Formula 11 below.

[화학식 10][Formula 10]

Figure 112016021944719-pat00010
Figure 112016021944719-pat00010

[화학식 11][Formula 11]

Figure 112016021944719-pat00011
Figure 112016021944719-pat00011

상기 화학식 10 및 11에서, X1, X2, Y1, Y2 및 Y3는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이며, R은 하기 화학식 3 내지 5 중 어느 하나로 표시되는 치환기이고, q는 1 내지 1000의 정수이며, n 및 m은 각각 1 내지 5의 정수이고, l은 1 내지 200의 정수이며,In Formulas 10 and 11, X1, X2, Y1, Y2 and Y3 are each independently an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms, R is a substituent represented by any one of the following Formulas 3 to 5, q is 1 to 1000 Is an integer, n and m are each an integer of 1 to 5, l is an integer of 1 to 200,

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112016021944719-pat00012
Figure 112016021944719-pat00012

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112016021944719-pat00013
Figure 112016021944719-pat00013

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112016021944719-pat00014
Figure 112016021944719-pat00014

상기 화학식 3 내지 5에서, A1 내지 A3은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이며, R1 내지 R3은 각각 독립적으로 하기 화학식 6 내지 8 중 어느 하나로 표시되는 치환기이고,In Formulas 3 to 5, A1 to A3 are each independently an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms, and R1 to R3 are each independently a substituent represented by any one of Formulas 6 to 8,

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112016021944719-pat00015
Figure 112016021944719-pat00015

[화학식 7][Formula 7]

Figure 112016021944719-pat00016
Figure 112016021944719-pat00016

[화학식 8][Formula 8]

Figure 112016021944719-pat00017
Figure 112016021944719-pat00017

상기 화학식 6 내지 8에서, A4 내지 A6은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이며, R4 내지 R6은 각각 독립적으로 하기 화학식 9로 표시되는 치환기이고,In Formulas 6 to 8, A4 to A6 are each independently an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms, R4 to R6 are each independently a substituent represented by Formula 9,

[화학식 9][Formula 9]

Figure 112016021944719-pat00018
Figure 112016021944719-pat00018

상기 화학식 9에서, A7은 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이다.In Formula 9, A7 is an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms.

본 명세서에서,

Figure 112016021944719-pat00019
는 치환기의 치환위치를 의미한다.In this specification,
Figure 112016021944719-pat00019
Means a substitution position of a substituent.

본 명세서에 있어서, 상기 알킬렌기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 2 내지 10인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 에틸렌기, 프로필렌기, 이소프로필렌기, 부틸렌기, t-부틸렌기, 펜틸렌기, 헥실렌기, 헵틸렌기 등이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.In the present specification, the alkylene group may be linear or branched chain, carbon number is not particularly limited, but is preferably 2 to 10. Specific examples include, but are not limited to, ethylene group, propylene group, isopropylene group, butylene group, t-butylene group, pentylene group, hexylene group, heptylene group and the like.

상기 아민기를 갖는 고분자의 중량평균분자량은 500 이상 1,000,000 이하일 수 있다. The weight average molecular weight of the polymer having an amine group may be 500 or more and 1,000,000 or less.

상기 고분자층의 두께는 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면 1nm 이상 1㎛ 이하일 수 있다. The thickness of the polymer layer is not particularly limited, but may be, for example, 1 nm or more and 1 μm or less.

흑연은 탄소들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 층으로 쌓여 있는 구조를 가지며, 이러한 흑연의 한 층을 그래핀이라 부른다.Graphite has a structure in which planes are arranged in layers in which carbons are arranged like honeycomb hexagonal nets, and one layer of graphite is called graphene.

상기 그래핀은 산화 그래핀 및 환원된 그래핀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 산화된 그래핀은 관능기의 존재로 수계에서 좋은 분산성을 가지므로, 고분자층 상에 고르게 분포시켜 구비하는 것이 가능하며, 고분자층에 부착된 산화 그래핀을 그래로 사용하거나 상기 산화 그래핀을 환원시켜 사용할 수 있다.The graphene may include at least one of graphene oxide and reduced graphene. Since the oxidized graphene has good dispersibility in the aqueous system due to the presence of functional groups, it is possible to distribute it evenly on the polymer layer, and use graphene oxide attached to the polymer layer as graphene or reduce the graphene oxide. Can be used.

상기 그래핀은 단층 또는 다층의 그래핀일 수 있다. The graphene may be a single layer or multiple layers of graphene.

상기 그래핀의 평균 직경은 특별히 한정하지 않으나, 300nm 이상 700nm 이하일 수 있으며, 구체적으로 500nm 내외일 수 있다. The average diameter of the graphene is not particularly limited, but may be 300 nm or more and 700 nm or less, and specifically, about 500 nm.

상기 그래핀은 고분자층의 아민기와 결합할 수 있다. 구체적으로, 상기 그래핀이 산화 그래핀인 경우, 상기 산화 그래핀은 카르복실기 및 히드록시기 중 적어도 하나를 포함하고, 고분자층의 아민기는 산화 그래핀의 카르복실기 및 히드록시기 중 적어도 하나와 정전기적 인력으로 결합될 수 있다. The graphene may be bonded to the amine group of the polymer layer. Specifically, when the graphene is graphene oxide, the graphene oxide includes at least one of a carboxyl group and a hydroxyl group, the amine group of the polymer layer is to be coupled with at least one of the carboxyl group and the hydroxyl group of the graphene oxide by electrostatic attraction. Can be.

상기 그래핀, 탄소 나노 튜브 및 고분자층의 중량의 합에 대하여, 상기 그래핀의 함량은 20 중량% 이상 80 중량% 이하일 수 있다. With respect to the sum of the weights of the graphene, the carbon nanotubes, and the polymer layer, the graphene content may be 20 wt% or more and 80 wt% or less.

상기 그래핀 상에 구비된 금속 나노 입자를 더 포함할 수 있다. It may further include a metal nanoparticle provided on the graphene.

상기 금속 나노 입자는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe), 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 비스무트(Bi), 주석(Sn), 크롬(Cr), 타이타늄(Ti), 금(Au), 세륨(Ce), 은(Ag) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 2 이상의 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 나노 입자는 백금(Pt), 및 철(Fe), 코발트(Co) 또는 니켈(Ni)과 백금(Pt)이 합금된 백금합금을 포함할 수 있다.The metal nanoparticles are platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), molybdenum (Mo), osmium (Os), iridium (Ir), rhenium (Re), palladium (Pd), vanadium (V), Tungsten (W), Cobalt (Co), Iron (Fe), Selenium (Se), Nickel (Ni), Bismuth (Bi), Tin (Sn), Chromium (Cr), Titanium (Ti), Gold (Au), It may include one or two or more metals selected from the group consisting of cerium (Ce), silver (Ag), and copper (Cu). Specifically, the metal nanoparticles may include platinum (Pt), and a platinum alloy in which iron (Fe), cobalt (Co) or nickel (Ni) and platinum (Pt) are alloyed.

상기 금속 나노 입자의 평균 입경은 2nm 이상 10nm 이하일 수 있으며, 구체적으로 2nm 이상 7nm 이하일 수 있다. 이 경우 복합체 상에 금속 나노 입자가 서로 응집되지 않고 잘 분산되어 촉매효율이 높은 장점이 있다. The average particle diameter of the metal nanoparticles may be 2 nm or more and 10 nm or less, and specifically 2 nm or more and 7 nm or less. In this case, the metal nanoparticles do not aggregate with each other on the composite and are well dispersed, which has the advantage of high catalytic efficiency.

본 출원의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 나노 입자의 평균 입경은 그래픽 소프트웨어(MAC-View)를 사용하여 200개 이상의 금속 나노 입자에 대해 측정하고, 얻어진 통계 분포를 통해 평균 입경을 측정한 값을 의미한다.According to an exemplary embodiment of the present application, the average particle diameter of the metal nanoparticles is measured for 200 or more metal nanoparticles using graphic software (MAC-View), and the average particle diameter is measured through the obtained statistical distribution. it means.

상기 금속 나노 입자의 평균 입경은 간접적으로 광학 현미경으로 관찰된 금속 나노 입자의 평균입경을 측정할 수 있다.The average particle diameter of the metal nanoparticles may indirectly measure the average particle diameter of the metal nanoparticles observed by an optical microscope.

상기 금속 나노 입자는 구 형상일 수 있다. 본 명세서에서, 구 형상이란, 완전한 구형만을 의미하는 것은 아니고, 대략적으로 구 형태의 모양인 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 나노 입자는 구 형상의 외표면이 평탄하지 않을 수 있으며, 하나의 금속 나노 입자에서 곡률반경이 일정하지 않을 수도 있다.The metal nanoparticles may have a spherical shape. In the present specification, the spherical shape does not mean only a perfect spherical shape, but may include an approximately spherical shape. For example, the metal nanoparticle may not have a spherical outer surface, and a radius of curvature may not be constant in one metal nanoparticle.

상기 탄소 나노 튜브, 고분자층, 그래핀 및 금속 나노 입자의 중량의 합에 대하여 상기 금속 나노 입자의 함량은 1 중량% 이상 50 중량% 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 담체-나노입자 복합체의 총 중량에 대하여 상기 금속 나노 입자의 함량은 10 중량% 이상 40 중량% 이하일 수 있다.The content of the metal nanoparticles may be 1 wt% or more and 50 wt% or less with respect to the sum of the weights of the carbon nanotubes, the polymer layer, the graphene, and the metal nanoparticles. Specifically, the content of the metal nanoparticles may be 10 wt% or more and 40 wt% or less with respect to the total weight of the carrier-nanoparticle composite.

본 명세서는 상기 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체를 포함하는 촉매를 제공한다. The present specification provides a catalyst including the graphene-carbon nanotube composite.

본 명세서는 상기 촉매를 포함하는 전기화학 전지를 제공한다.The present specification provides an electrochemical cell including the catalyst.

상기 전기화학 전지는 화학반응을 이용한 전지를 의미하며 고분자 전해질막이 구비된다면 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 상기 전기화학 전지는 연료전지, 금속 이차 전지 또는 흐름전지일 수 있다.The electrochemical cell means a battery using a chemical reaction, and if the polymer electrolyte membrane is provided, the type thereof is not particularly limited. For example, the electrochemical cell may be a fuel cell, a metal secondary battery, or a flow battery.

본 명세서는 전기화학 전지를 단위전지로 포함하는 것인 전기화학 전지모듈을 제공한다.The present specification provides an electrochemical cell module that includes an electrochemical cell as a unit cell.

상기 전기화학 전지 모듈은 본 출원의 하나의 실시 상태에 따른 흐름 전지 사이에 바이폴라(bipolar) 플레이트를 삽입하여 스택킹(stacking)하여 형성될 수 있다.The electrochemical cell module may be formed by inserting and stacking bipolar plates between flow cells according to one embodiment of the present application.

상기 전지 모듈은 구체적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용될 수 있다.Specifically, the battery module may be used as a power source for an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, or a power storage device.

본 명세서는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드 및 캐소드 사이에 구비된 고분자 전해질막을 포함하며, 상기 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나는 상기 촉매를 포함하는 것인 막 전극 접합체를 제공한다. The present specification includes an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode, and at least one of the anode and the cathode provides the membrane electrode assembly.

본 명세서는 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공한다. The present specification provides a fuel cell including the membrane electrode assembly.

도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막 전극 접합체(MEA)인데, 이는 전해질막(M)과 이 전해질막(M)의 양면에 형성되는 애노드(A) 및 캐소드(C)로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 애노드(A)에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료(F)의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 수소 이온은 전해질막(M)을 통해 캐소드(C)으로 이동한다. 캐소드(C)에서는 전해질막(M)을 통해 전달된 수소 이온과, 산소와 같은 산화제(O) 및 전자가 반응하여 물(W)이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.FIG. 1 schematically illustrates the principle of electricity generation of a fuel cell. In the fuel cell, the most basic unit for generating electricity is a membrane electrode assembly (MEA), which is an electrolyte membrane (M) and the electrolyte membrane (M). It consists of an anode (A) and a cathode (C) formed on both sides of the. Referring to FIG. 1, which illustrates the electricity generation principle of a fuel cell, in the anode A, an oxidation reaction of a fuel F such as hydrogen or a hydrocarbon such as methanol and butane occurs to generate hydrogen ions (H + ) and electrons (e ). And hydrogen ions move to the cathode C through the electrolyte membrane M. The cathode C reacts with hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane M, an oxidizing agent O such as oxygen, and electrons to generate water W. This reaction causes the movement of electrons in the external circuit.

도 2는 연료전지용 막 전극 접합체의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지용 막 전극 접합체는 전해질막(10)과, 이 전해질막(10)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 캐소드(50) 및 애노드(51)를 구비할 수 있다. 상기 캐소드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 캐소드 촉매층(20)과 캐소드 기체확산층(40)이 구비되고, 상기 애노드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 애노드 촉매층(21) 및 애노드 기체확산층(41)이 구비될 수 있다.2 schematically shows the structure of a fuel cell membrane electrode assembly, wherein the fuel cell membrane electrode assembly includes an electrolyte membrane 10 and a cathode 50 positioned to face each other with the electrolyte membrane 10 therebetween; An anode 51 may be provided. The cathode is provided with a cathode catalyst layer 20 and a cathode gas diffusion layer 40 sequentially from the electrolyte membrane 10, and the anode is provided with an anode catalyst layer 21 and an anode gas diffusion layer 41 sequentially from the electrolyte membrane 10. It may be provided.

본 명세서에 따른 촉매는 막 전극 접합체에서, 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층 중 적어도 하나에 포함될 수 있다. The catalyst according to the present specification may be included in at least one of a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer in a membrane electrode assembly.

도 3은 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지는 스택(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.3 schematically illustrates the structure of a fuel cell, in which the fuel cell includes a stack 60, an oxidant supply unit 70, and a fuel supply unit 80.

스택(60)은 상술한 막 전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막 전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 막 전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.The stack 60 includes one or two or more membrane electrode assemblies as described above, and includes two or more separators interposed therebetween when two or more membrane electrode assemblies are included. The separator serves to prevent the membrane electrode assemblies from being electrically connected and to transfer fuel and oxidant supplied from the outside to the membrane electrode assembly.

산화제 공급부(70)는 산화제를 스택(60)으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 산화제 공급부(70)로 주입하여 사용할 수 있다.The oxidant supply unit 70 serves to supply the oxidant to the stack 60. Oxygen is typically used as the oxidant, and may be used by injecting oxygen or air into the oxidant supply unit 70.

연료 공급부(80)는 연료를 스택(60)으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료 탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.The fuel supply unit 80 serves to supply fuel to the stack 60, and to the fuel tank 81 storing fuel and the pump 82 supplying fuel stored in the fuel tank 81 to the stack 60. Can be configured. As fuel, hydrogen or hydrocarbon fuel in gas or liquid state may be used. Examples of hydrocarbon fuels include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 명세서는 탄소 나노 튜브 상에 구비된 아민기를 갖는 고분자층을 형성하는 단계; 및 상기 고분자층이 형성된 탄소 나노 튜브와 그래핀을 반응시켜 상기 고분자층 상에 그래핀이 구비되는 단계를 포함하는 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 제조방법을 제공한다.Herein is to form a polymer layer having an amine group provided on the carbon nanotubes; And it provides a method for producing a graphene-carbon nanotube composite comprising the step of providing a graphene on the polymer layer by reacting the graphene with carbon nanotubes on which the polymer layer is formed.

상기 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 제조방법은 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체에 대하여 상술한 바를 인용할 수 있다.The method for producing the graphene-carbon nanotube composite may be cited as described above for the graphene-carbon nanotube composite.

상기 고분자층을 형성하는 단계는 아민기를 갖는 고분자를 용매에 첨가하여 제1 용액을 제조하는 단계; 상기 제1 용액에 탄소 나노 튜브를 첨가하는 단계; 및 상기 제1 용액을 교반하는 단계를 포함할 수 있다. The forming of the polymer layer may include adding a polymer having an amine group to a solvent to prepare a first solution; Adding carbon nanotubes to the first solution; And it may include the step of stirring the first solution.

상기 제1 용액은 염을 더 포함할 수 있다. 상기 염은 NO3 -, ClO4 -, SCN-, I-, Br-, Cl-, CH3COO-, HCOO-, F-, OH-, HPO4 - 또는 SO4 2-와 이온결합되어 상기 음이온을 해리시킬 수 있는 염일 수 있다. The first solution may further include a salt. The salt is NO 3 -, ClO 4 -, SCN -, I -, Br -, Cl -, CH 3 COO -, HCOO -, F -, OH -, HPO 4 - or SO 4 2- in combination with the ions It may be a salt capable of dissociating anions.

상기 염은 질산염일 수 있으며, 예를 들면 KNO3일 수 있다. The salt may be nitrate, for example KNO 3 .

상기 제1 용액의 용매는 특별히 한정하지 않으나, 물일 수 있다. The solvent of the first solution is not particularly limited, but may be water.

상기 제1 용액의 총 중량을 기준으로, 상기 탄소 나노 튜브의 함량은 0.01 중량% 이상 1중량% 이하일 수 있다. Based on the total weight of the first solution, the content of the carbon nanotubes may be 0.01 wt% or more and 1 wt% or less.

상기 제1 용액의 총 중량을 기준으로, 상기 아민기를 갖는 고분자의 함량은 0.01 중량% 이상 1중량% 이하일 수 있다.Based on the total weight of the first solution, the content of the polymer having an amine group may be 0.01 wt% or more and 1 wt% or less.

상기 제1 용액의 총 중량을 기준으로, 상기 염의 함량은 0.01 중량% 이상 1중량% 이하일 수 있다.Based on the total weight of the first solution, the salt content may be 0.01 wt% or more and 1 wt% or less.

상기 제1 용액의 총 중량을 기준으로, 상기 용매의 함량은 97중량% 이상 99.97중량% 이하일 수 있다.Based on the total weight of the first solution, the content of the solvent may be 97% by weight or more and 99.97% by weight or less.

상기 제1 용액을 교반하는 시간은 1시간 이상 3일 이하일 수 있다. The stirring time of the first solution may be 1 hour or more and 3 days or less.

상기 고분자층 상에 그래핀이 구비되는 단계는 상기 그래핀을 준비하는 단계; 및 상기 고분자층이 형성된 탄소 나노 튜브와 그래핀을 반응시키는 단계를 포함할 수 있다. Graphene is provided on the polymer layer comprises the steps of preparing the graphene; And reacting the graphene with the carbon nanotubes on which the polymer layer is formed.

상기 고분자층 상에 그래핀이 구비되는 단계는 상기 그래핀을 용매에 첨가하여 제2 용액을 준비하는 단계; 및 상기 제1 용액에 제2 용액을 추가하여 상기 고분자층이 형성된 탄소 나노 튜브와 그래핀을 반응시키는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자층 상에 그래핀이 구비되는 단계는 산화 그래핀을 용매에 첨가하여 제2 용액을 준비하는 단계; 및 상기 제1 용액에 제2 용액을 추가하여 상기 고분자층이 형성된 탄소 나노 튜브와 산화그래핀을 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.The step of providing graphene on the polymer layer may include preparing a second solution by adding the graphene to a solvent; And adding the second solution to the first solution to react the graphene with the carbon nanotubes on which the polymer layer is formed. Specifically, the step of providing graphene on the polymer layer is prepared by adding a graphene oxide to the solvent to prepare a second solution; And adding the second solution to the first solution to react the carbon nanotubes with graphene oxide on which the polymer layer is formed.

상기 제2 용매의 pH는 7 이상일 수 있다. 구체적으로 상기 제2 용매의 pH는 7 이상 11 이하일 수 있다. 이 경우 고분자층이 형성된 탄소 나노 튜브와 그래핀이 자발적인 정전기적 인력으로 구조체를 형성하는 장점이 있다. The pH of the second solvent may be 7 or more. Specifically, the pH of the second solvent may be 7 or more and 11 or less. In this case, carbon nanotubes and graphene having a polymer layer formed thereon have an advantage of forming a structure by spontaneous electrostatic attraction.

상기 제1 용액에 제2 용액을 추가하여 상기 고분자층이 형성된 탄소 나노 튜브와 산화그래핀을 반응시키는 단계는 상기 제1 용액에 제2 용액이 추가된 용액을 교반하는 단계일 수 있다. 이때, 교반하는 시간은 1분 이상 1일 이하일 수 있다. The adding of the second solution to the first solution to react the carbon nanotubes with graphene oxide on which the polymer layer is formed may be a step of stirring the solution to which the second solution is added to the first solution. In this case, the stirring time may be 1 minute or more and 1 day or less.

상기 제2 용액의 총 중량을 기준으로, 상기 그래핀의 함량은 0.01중량% 이상 1중량% 이하일 수 있다.Based on the total weight of the second solution, the graphene content may be 0.01 wt% or more and 1 wt% or less.

상기 제2 용액의 총 중량을 기준으로, 상기 용매의 함량은 99중량% 이상 99.99중량% 이하일 수 있다. Based on the total weight of the second solution, the content of the solvent may be 99% by weight or more and 99.99% by weight or less.

상기 제2 용액은 제2 용매의 pH를 7이상으로 조절하는 pH조절제를 더 포함할 수 있다. 상기 pH조절제는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 NaOH를 사용할 수 있으며, 이때, NaOH를 물에 녹인 NaOH수용액을 사용할 수 있다. The second solution may further include a pH adjusting agent for adjusting the pH of the second solvent to 7 or more. The pH adjusting agent is not particularly limited, but for example, NaOH may be used. At this time, NaOH aqueous solution in which NaOH is dissolved in water may be used.

상기 고분자층 상에 그래핀이 구비되는 단계에서, 산화 그래핀을 사용하는 경우, 고분자층이 형성된 탄소 나노 튜브와 그래핀을 반응시킨 후, 산화 그래핀을 환원시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In the step of providing graphene on the polymer layer, in the case of using graphene oxide, after reacting the graphene with carbon nanotubes and the graphene polymer layer is formed, it may further comprise a step of reducing the graphene oxide.

상기 산화 그래핀을 환원시키는 단계는 열적환원, 화학적환원, 전기화학적환원 또는 광촉매환원으로 환원시킬 수 있다. Reducing the graphene oxide may be reduced to thermal reduction, chemical reduction, electrochemical reduction or photocatalyst reduction.

상기 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 제조방법은 상기 고분자층 상에 그래핀이 구비되는 단계 이후에, 상기 그래핀이 구비된 탄소 나노 튜브 및 금속 전구체를 용매에 첨가하여 상기 그래핀이 구비된 탄소 나노 튜브 상에 금속 나노 입자를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. In the graphene-carbon nanotube composite manufacturing method, after the graphene is provided on the polymer layer, the graphene-coated carbon nanotubes and a metal precursor are added to a solvent to provide carbon with the graphene. The method may further include forming metal nanoparticles on the nanotubes.

상기 그래핀이 구비된 탄소 나노 튜브 상에 금속 나노 입자를 형성하는 단계는 상기 그래핀이 구비된 탄소 나노 튜브 및 금속 전구체를 용매에 첨가하여 제3 용액을 제조하는 단계; 및 상기 제3 용액을 교반하는 단계를 포함할 수 있다.Forming the metal nanoparticles on the graphene-coated carbon nanotubes may include adding a graphene-coated carbon nanotube and a metal precursor to a solvent to prepare a third solution; And it may include the step of stirring the third solution.

상기 그래핀이 구비된 탄소 나노 튜브 상에 금속 나노 입자를 형성하는 단계는 상기 제3 용액의 pH를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. Forming the metal nanoparticles on the graphene-coated carbon nanotubes may further include adjusting the pH of the third solution.

상기 그래핀이 구비된 탄소 나노 튜브 상에 금속 나노 입자를 형성하는 단계는 교반 후 금속 전구체를 환원시키는 단계를 더 포함할 수 있다. Forming the metal nanoparticles on the graphene-coated carbon nanotubes may further include reducing the metal precursor after stirring.

상기 금속 전구체는 금속 나노 입자로 환원되기 전의 물질이며, 상기 금속 전구체는 금속 나노 입자의 종류에 따라 선택될 수 있다.The metal precursor is a material before reduction to the metal nanoparticles, and the metal precursor may be selected according to the type of the metal nanoparticles.

상기 제3 용액의 총 중량을 기준으로, 상기 그래핀이 구비된 탄소 나노 튜브 의 함량은 0.01중량% 이상 1중량% 이하일 수 있다. Based on the total weight of the third solution, the content of the carbon nanotubes with graphene may be 0.01 wt% or more and 1 wt% or less.

상기 제3 용액의 총 중량을 기준으로, 상기 금속 전구체의 함량은 0.005중량% 이상 0.5중량% 이하일 수 있다.Based on the total weight of the third solution, the content of the metal precursor may be 0.005% by weight or more and 0.5% by weight or less.

상기 제3 용액의 총 중량을 기준으로, 상기 용매의 함량은 98.5중량% 이상 99.985중량% 이하일 수 있다.Based on the total weight of the third solution, the content of the solvent may be 98.5% by weight or more and 99.985% by weight or less.

상기 제3 용액의 pH를 조절하는 단계에서, 제3 용액의 pH는 10-11로 조절될 수 있으며, 제3 용액의 pH를 조절할 수 있다면 pH 조절방법을 특별히 한정하지 않으나 pH조절제를 첨가하여 제3 용액의 pH를 조절할 수 있다. In the step of adjusting the pH of the third solution, the pH of the third solution may be adjusted to 10-11, and if the pH of the third solution can be adjusted, the pH adjusting method is not particularly limited, but by adding a pH adjusting agent 3 pH of the solution can be adjusted.

상기 pH조절제는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 NaOH를 사용할 수 있으며, 이때, NaOH를 물에 녹인 NaOH수용액을 사용할 수 있다.The pH adjusting agent is not particularly limited, but for example, NaOH may be used, and in this case, NaOH aqueous solution in which NaOH is dissolved in water may be used.

이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are merely to illustrate the present specification, but not to limit the present specification.

[실시예]EXAMPLE

[실시예 1]Example 1

Polyethyleneimine(PEI, Mw. 1800) 0.157g 와 KNO3 0.314g을 물 100g에 용해시킨 뒤, CNT 0.12g을 넣어주어서 분산액을 제조했다. 이러한 분산액을 고압균질기를 통과시켜주어 PEI를 CNT표면에 고르게 분산시켰으며, 물 200g에 산화그래핀분산액(산화그래핀함량 2%)을 10g 넣어준 후 NaOH 수용액으로 pH를 9로 조절한 용액을 넣고 24시간 교반했다. 교반 후 세척 및 건조를 통해 산화 그래핀 - 탄소나노튜브 복합체를 얻었다. 0.157 g of Polyethyleneimine (PEI, Mw. 1800) and 0.314 g of KNO 3 were dissolved in 100 g of water, and 0.12 g of CNT was added thereto to prepare a dispersion. The dispersion was passed through a high pressure homogenizer to evenly disperse PEI on the surface of CNT. 10 g of graphene oxide dispersion (2% graphene oxide content) was added to 200 g of water, and the solution was adjusted to 9 with aqueous NaOH solution. Put and stirred for 24 hours. After stirring and washing and drying to obtain a graphene oxide-carbon nanotube composite.

Pt 전구체인 K2PtCl4 0.05 mmol, sodium citrate 0.5mmol 및 산화그래핀 - 탄소나노튜브 복합체 40 mg을 물 40g에 초음파처리를 통해 분산시킨 후, NaOH 수용액을 이용하여 pH를 10으로 조절한 후 70℃로 승온시켰다. 반응액상에 NaBH4 20mg을 물 15mL에 녹인 용액을 적가시켜 산화그래핀 - 탄소나노튜브 복합체의 표면에 구비된 Pt 전구체를 Pt나노입자로 환원했다. 이 후, 증류수 세척 및 건조 과정을 통해 Pt 나노입자가 담지된 산화 그래핀 - 탄소나노튜브 복합체를 얻었다.0.05 mmol of Pt precursor K 2 PtCl 4 , 0.5 mmol of sodium citrate and 40 mg of graphene oxide-carbon nanotube composite were sonicated in 40 g of water, and then adjusted to pH 10 using aqueous NaOH solution and then 70 It heated up at ° C. A solution of 20 mg NaBH 4 dissolved in 15 mL of water was added dropwise to the reaction solution to reduce the Pt precursor provided on the surface of the graphene oxide-carbon nanotube composite to Pt nanoparticles. Thereafter, distilled water was washed and dried to obtain a graphene oxide-carbon nanotube composite having Pt nanoparticles thereon.

[비교예 1]Comparative Example 1

PEI를 CNT 표면에 코팅하는 방법 대신 Octyl amine을 나노튜브와 반응시켰다. 이후, 실시예 1에서의 방법대로 산화그래핀과 복합체를 형성하고, 상기 복합체에 Pt 나노입자를 담지하였다.Instead of coating PEI on the CNT surface, Octyl amine was reacted with nanotubes. Thereafter, a composite was formed with graphene oxide as described in Example 1, and Pt nanoparticles were supported on the composite.

[실험예 1]Experimental Example 1

주사전자현미경(SEM) 및 투과전자현미경(TEM) 측정Scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM) measurements

실시예 1 및 비교예 1의 산화 그래핀 - 탄소나노튜브 복합체에 대한 주사전자현미경을 측정하고, 상기 복합체에 Pt 나노입자가 담지된 촉매에 대한 투과전자현미경을 측정했으며, 그 결과를 도 4 및 도 5에 실시예 1의 이미지를 도 6 및 도 7에 비교예 1의 이미지를 각각 도시했다. Scanning electron microscope for the graphene oxide-carbon nanotube composites of Example 1 and Comparative Example 1 was measured, and the transmission electron microscope for the catalyst on which the Pt nanoparticles are loaded in the composite was measured, and the results are shown in FIGS. An image of Example 1 is shown in FIG. 5, and an image of Comparative Example 1 is shown in FIGS. 6 and 7, respectively.

도 6 및 도 7을 통해, 실시예 1의 산화 그래핀 - 탄소나노튜브 복합체보다 균일한 복합체가 형성되지 않고, 균일하게 Pt나노입자가 형성되지 않는 것을 확인할 수 있었다.6 and 7, it was confirmed that the uniform composite than the graphene oxide-carbon nanotube composite of Example 1 was not formed and the Pt nanoparticles were not uniformly formed.

10: 전해질막
20, 21: 촉매층
40, 41: 기체확산층
50: 캐소드
51: 애노드
60: 스택
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료 탱크
82: 펌프
10: electrolyte membrane
20, 21: catalyst layer
40, 41: gas diffusion layer
50: cathode
51: anode
60: stack
70: oxidant supply
80: fuel supply
81: fuel tank
82: pump

Claims (19)

탄소 나노 튜브;
상기 탄소 나노 튜브 상에 구비된 아민기를 갖는 고분자층; 및
상기 고분자층 상에 구비된 그래핀을 포함하며,
상기 그래핀은 고분자층의 아민기와 결합된 것인 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체.
Carbon nanotubes;
A polymer layer having an amine group provided on the carbon nanotubes; And
It includes a graphene provided on the polymer layer,
The graphene is graphene-carbon nanotube composite that is coupled to the amine group of the polymer layer.
청구항 1에 있어서, 상기 고분자층은 폴리알킬렌이민을 포함하는 것인 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체.The graphene-carbon nanotube composite of claim 1, wherein the polymer layer comprises polyalkyleneimine. 청구항 2에 있어서, 상기 폴리알킬렌이민은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위 중 적어도 하나를 포함하는 것인 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체:
[화학식 1]
Figure 112016021944719-pat00020

[화학식 2]
Figure 112016021944719-pat00021

상기 화학식 1 및 2에서,
E1 및 E2는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이며,
R은 하기 화학식 3 내지 5 중 어느 하나로 표시되는 치환기이고,
o 및 p는 각각 1 내지 1000의 정수이며,
[화학식 3]
Figure 112016021944719-pat00022

[화학식 4]
Figure 112016021944719-pat00023

[화학식 5]
Figure 112016021944719-pat00024

상기 화학식 3 내지 5에서,
A1 내지 A3은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이며,
R1 내지 R3은 각각 독립적으로 하기 화학식 6 내지 8 중 어느 하나로 표시되는 치환기이고,
[화학식 6]
Figure 112016021944719-pat00025

[화학식 7]
Figure 112016021944719-pat00026

[화학식 8]
Figure 112016021944719-pat00027

상기 화학식 6 내지 8에서,
A4 내지 A6은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이며,
R4 내지 R6은 각각 독립적으로 하기 화학식 9로 표시되는 치환기이고,
[화학식 9]
Figure 112016021944719-pat00028

상기 화학식 9에서,
A7은 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이다.
The graphene-carbon nanotube composite of claim 2, wherein the polyalkyleneimine comprises at least one of a repeating unit represented by Formula 1 and a repeating unit represented by Formula 2 below:
[Formula 1]
Figure 112016021944719-pat00020

[Formula 2]
Figure 112016021944719-pat00021

In Chemical Formulas 1 and 2,
E1 and E2 are each independently an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms,
R is a substituent represented by any one of the following formulas 3 to 5,
o and p are each an integer from 1 to 1000,
[Formula 3]
Figure 112016021944719-pat00022

[Formula 4]
Figure 112016021944719-pat00023

[Formula 5]
Figure 112016021944719-pat00024

In Chemical Formulas 3 to 5,
A1 to A3 are each independently an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms,
R1 to R3 are each independently a substituent represented by any one of formulas 6 to 8,
[Formula 6]
Figure 112016021944719-pat00025

[Formula 7]
Figure 112016021944719-pat00026

[Formula 8]
Figure 112016021944719-pat00027

In Chemical Formulas 6 to 8,
A4 to A6 are each independently an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms,
R4 to R6 are each independently a substituent represented by the following formula (9),
[Formula 9]
Figure 112016021944719-pat00028

In Chemical Formula 9,
A7 is an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms.
청구항 2에 있어서, 상기 폴리알킬렌이민은 하기 화학식 10으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 11로 표시되는 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 것인 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체:
[화학식 10]
Figure 112016021944719-pat00029

[화학식 11]
Figure 112016021944719-pat00030

상기 화학식 10 및 11에서,
X1, X2, Y1, Y2 및 Y3는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이며,
R은 하기 화학식 3 내지 5 중 어느 하나로 표시되는 치환기이고,
q는 1 내지 1000의 정수이며,
n 및 m은 각각 1 내지 5의 정수이고,
l은 1 내지 200의 정수이며,
[화학식 3]
Figure 112016021944719-pat00031

[화학식 4]
Figure 112016021944719-pat00032

[화학식 5]
Figure 112016021944719-pat00033

상기 화학식 3 내지 5에서,
A1 내지 A3은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이며,
R1 내지 R3은 각각 독립적으로 하기 화학식 6 내지 8 중 어느 하나로 표시되는 치환기이고,
[화학식 6]
Figure 112016021944719-pat00034

[화학식 7]
Figure 112016021944719-pat00035

[화학식 8]
Figure 112016021944719-pat00036

상기 화학식 6 내지 8에서,
A4 내지 A6은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이며,
R4 내지 R6은 각각 독립적으로 하기 화학식 9로 표시되는 치환기이고,
[화학식 9]
Figure 112016021944719-pat00037

상기 화학식 9에서,
A7은 탄소수 2 내지 10인 알킬렌기이다.
The graphene-carbon nanotube composite of claim 2, wherein the polyalkyleneimine comprises at least one of a compound represented by Formula 10 and a compound represented by Formula 11 below:
[Formula 10]
Figure 112016021944719-pat00029

[Formula 11]
Figure 112016021944719-pat00030

In Chemical Formulas 10 and 11,
X1, X2, Y1, Y2 and Y3 are each independently an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms,
R is a substituent represented by any one of the following formulas 3 to 5,
q is an integer from 1 to 1000,
n and m are each an integer of 1 to 5,
l is an integer from 1 to 200,
[Formula 3]
Figure 112016021944719-pat00031

[Formula 4]
Figure 112016021944719-pat00032

[Formula 5]
Figure 112016021944719-pat00033

In Chemical Formulas 3 to 5,
A1 to A3 are each independently an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms,
R1 to R3 are each independently a substituent represented by any one of formulas 6 to 8,
[Formula 6]
Figure 112016021944719-pat00034

[Formula 7]
Figure 112016021944719-pat00035

[Formula 8]
Figure 112016021944719-pat00036

In Chemical Formulas 6 to 8,
A4 to A6 are each independently an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms,
R4 to R6 are each independently a substituent represented by the following formula (9),
[Formula 9]
Figure 112016021944719-pat00037

In Chemical Formula 9,
A7 is an alkylene group having 2 to 10 carbon atoms.
삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 총 중량에 대하여 상기 그래핀의 함량은 20 중량% 이상 80 중량% 이하인 것인 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체.The graphene-carbon nanotube composite according to claim 1, wherein the graphene content is 20 wt% to 80 wt% with respect to the total weight of the graphene-carbon nanotube composite. 청구항 1에 있어서, 상기 그래핀은 산화 그래핀인 것인 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체.The graphene-carbon nanotube composite of claim 1, wherein the graphene is graphene oxide. 청구항 1에 있어서, 상기 그래핀 상에 구비된 금속 나노 입자를 더 포함하는 것인 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체.The graphene-carbon nanotube composite of claim 1, further comprising metal nanoparticles provided on the graphene. 청구항 8에 있어서, 상기 금속 나노 입자는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe), 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 비스무트(Bi), 주석(Sn), 크롬(Cr), 타이타늄(Ti), 금(Au), 세륨(Ce), 은(Ag) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 2 이상의 금속을 포함하는 것인 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체.The method of claim 8, wherein the metal nanoparticles are platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), molybdenum (Mo), osmium (Os), iridium (Ir), rhenium (Re), palladium (Pd), Vanadium (V), tungsten (W), cobalt (Co), iron (Fe), selenium (Se), nickel (Ni), bismuth (Bi), tin (Sn), chromium (Cr), titanium (Ti), Graphene-carbon nanotube composites comprising one or two or more metals selected from the group consisting of gold (Au), cerium (Ce), silver (Ag) and copper (Cu). 청구항 1 내지 4 및 6 내지 9 중 어느 한 항에 따른 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체를 포함하는 촉매.Catalyst comprising a graphene-carbon nanotube composite according to any one of claims 1 to 4 and 6 to 9. 청구항 10의 촉매를 포함하는 전기화학 전지.An electrochemical cell comprising the catalyst of claim 10. 애노드, 캐소드 및 상기 애노드 및 캐소드 사이에 구비된 고분자 전해질막을 포함하며, 상기 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나는 청구항 10의 촉매를 포함하는 것인 막 전극 접합체.A membrane electrode assembly comprising an anode, a cathode and a polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode, wherein at least one of the anode and the cathode comprises the catalyst of claim 10. 청구항 12의 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지.A fuel cell comprising the membrane electrode assembly of claim 12. 아민기를 갖는 고분자 및 염을 용매에 첨가하여 제1 용액을 제조하는 단계;
상기 제1 용액에 탄소 나노 튜브를 첨가하는 단계;
상기 제1 용액을 교반하여 탄소 나노 튜브 상에 구비된 아민기를 갖는 고분자층을 형성하는 단계; 및
상기 고분자층이 형성된 탄소 나노 튜브와 그래핀을 반응시켜 상기 고분자층 상에 그래핀이 구비되는 단계를 포함하는 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 제조방법.
Adding a polymer having an amine group and a salt to a solvent to prepare a first solution;
Adding carbon nanotubes to the first solution;
Stirring the first solution to form a polymer layer having an amine group provided on a carbon nanotube; And
The method of producing a graphene-carbon nanotube composite comprising the step of providing graphene on the polymer layer by reacting the carbon nanotubes and graphene on which the polymer layer is formed.
삭제delete 청구항 14에 있어서, 상기 고분자층 상에 그래핀이 구비되는 단계는 상기 그래핀을 준비하는 단계; 및 상기 고분자층이 형성된 탄소 나노 튜브와 그래핀을 반응시키는 단계를 포함하는 것인 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 제조방법.The method of claim 14, wherein the step of providing graphene on the polymer layer comprises the steps of preparing the graphene; And reacting the graphene with the carbon nanotubes having the polymer layer formed thereon. 청구항 14에 있어서, 상기 고분자층 상에 그래핀이 구비되는 단계는 산화 그래핀을 용매에 첨가하여 제2 용액을 준비하는 단계; 및 상기 제1 용액에 제2 용액을 추가하여 상기 고분자층이 형성된 탄소 나노 튜브와 산화 그래핀을 반응시키는 단계를 포함하는 것인 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 제조방법.The method of claim 14, wherein the preparing of graphene on the polymer layer comprises: preparing a second solution by adding graphene oxide to a solvent; And adding a second solution to the first solution to react the carbon nanotubes on which the polymer layer is formed with graphene oxide. 청구항 17에 있어서, 상기 고분자층 상에 그래핀이 구비되는 단계는 상기 산화 그래핀을 환원시키는 단계를 더 포함하는 것인 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 제조방법.The method of claim 17, wherein the providing of graphene on the polymer layer further comprises reducing the graphene oxide. 청구항 14에 있어서, 상기 고분자층 상에 그래핀이 구비되는 단계 이후에, 상기 그래핀이 구비된 탄소 나노 튜브 및 금속 전구체를 용매에 첨가하여 상기 상기 그래핀이 구비된 탄소 나노 튜브 상에 금속 나노 입자를 형성하는 단계를 포함하는 그래핀-탄소 나노 튜브 복합체의 제조방법.The method according to claim 14, After the graphene is provided on the polymer layer, by adding a carbon nanotube and a metal precursor with the graphene to the solvent to the metal nano on the carbon nanotube with the graphene Graphene-carbon nanotube composite manufacturing method comprising the step of forming a particle.
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