KR102058931B1 - 코어-쉘 촉매를 가공하는 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

한 실시양태에 따르면, 촉매용 물질을 가공하는 방법은 다공성 전극 상에 전위를 수립하는 것을 포함한다. 코어 입자는 다공성 전극을 통과한다. 입자가 다공성 전극을 통과함에 따라 금속의 층이 코어 입자 상에 침착된다. 한 실시양태에 따르면, 촉매용 물질을 가공하기 위한 예시적인 어셈블리는 입자가 하우징을 통해 이동하기 위한 경로를 수립하는 하우징을 포함한다. 다공성 전극은 하우징 내에 위치하여 코어 입자가 다공성 전극을 통해 이동하는 것을 허용한다. 금속의 층은 입자가 다공성 전극을 통과함에 따라 코어 입자 상에 침착될 수 있다.

Description

코어-쉘 촉매를 가공하는 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR CORE-SHELL CATALYST PROCESSING}

연료 전지는 전기화학 반응을 기반으로 하여 전기 에너지를 생성하는데 유용하다. 대규모로 구현되는 연료 전지와 연관된 문제 중 하나는 전형적으로 연료 전지 구성요소와 연관된 지출이었다. 예를 들어, 촉매 층은 전형적으로 백금과 같은 고가의 재료를 포함한다. 연료 전지와 연관된 비용을 감소시키기 위해, 요구되는 백금의 양을 감소시키려는 다양한 제안이 존재하였다.

하나의 제안은 코어 상에 침착된 백금의 쉘을 갖는 귀금속 코어를 포함하는 코어-쉘 촉매를 사용하는 것이었다. 이러한 코어-쉘 촉매는, 예를 들어 저온 연료 전지로 유망한 것으로 고려된다. 일부 제안에 따른 코어-쉘 촉매의 합성은 팔라듐 (또는 다른 귀금속) 코어 상에 구리 단층을 형성하고, 후속적으로 구리를 백금의 단층으로 치환하는 것을 포함한다. 이와 관련하여 제안된 기술과 연관된 문제 중 일부는 침착 과정 동안 백금 클러스터 형성을 피하면서 원하는 특징을 갖는 백금 단층을 달성하는 것을 포함한다. 백금 침착 과정을 제어하는데 요구되는 제약의 유형은 배치 크기를 제한하는 경향이 있고, 이는 코어-쉘 촉매를 이용하는 것과 연관된 임의의 경제적 이익을 손상시킬 수 있다.

개요

한 실시양태에 따르면, 촉매용 물질을 가공하는 방법은 다공성 전극 상에 전위를 수립하는 것을 포함한다. 코어 입자를 다공성 전극을 통과하게 한다. 입자가 다공성 전극을 통과함에 따라 금속의 층이 코어 입자 상에 침착된다.

한 실시양태에 따르면, 촉매용 물질을 가공하기 위한 예시적인 어셈블리는 입자가 하우징을 통해 이동하는 경로를 수립하는 하우징을 포함한다. 다공성 전극은 하우징 내에 위치되어 코어 입자의 분산체가 다공성 전극을 통해 이동하도록 허용한다. 입자가 다공성 전극을 통과함에 따라 금속의 층이 코어 입자 상에 침착될 수 있다.

적어도 하나의 개시된 실시양태의 다양한 특징 및 이점은 하기 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 드러날 것이다. 상세한 설명을 수반하는 도면은 다음과 같이 간략하게 설명될 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시양태에 따른 촉매용 물질을 가공하는 방법을 수행하기 위해 구성된 시스템을 개략적으로 예시한다.
도 2는 본 발명의 한 실시양태에 따른 다공성 전극을 포함하는 예시적인 반응기를 개략적으로 예시한다.

도 1은 촉매용 물질을 가공하는 방법을 수행하기 위해 구성된 것인 시스템(20)을 개략적으로 예시한다. 시스템(20)은 귀금속, 예컨대 팔라듐의 쉘 상의 백금 단층을 포함하는 코어-쉘 촉매를 실현하는데 유용하다. 시스템(20)은 코어 입자, 황산구리 및 수소 황산염 (CuS0₄ + H₂S0₄)의 용액을 포함하는 저장부(22)를 포함한다. 저장부(22) 내의 용액은 또한 선택된 귀금속, 예컨대 팔라듐의 코어 입자를 포함한다. 한 예에서, 저장부(22) 내의 용액은 0.05 M 황산구리 및 0.05 M 수소 황산염 농도를 포함한다.

일부 예에서, 코어 입자는 팔라듐 또는 선택된 귀금속을 포함한다. 한 실시양태에서, 코어 입자는 탄소 입자 상에 지지된 팔라듐 나노입자를 포함한다.

펌프(24)는 용액을 저장부(22)로부터 반응기(26)로 보내며, 여기서 구리 단층이 코어 입자 상에 침착한다. 구리 단층이 코어 입자 상에 침착되면, 이들은 대체 챔버(28)로 보내지며, 여기서 구리 단층이 백금 단층으로 대체된다.

예시된 예에서 구리 단층을 백금 단층으로 대체하는 반응은 일반적으로 공지된 방식으로 발생한다. 예를 들어, (30)에서 제공되는 용액은 K₂PtCl₄ + H₂S0₄와 첨가제, 예컨대 시트르산 및 시트레이트를 포함한다. 한 예에서, K₂PtCl₄는 0.001 M의 농도를 갖고, H₂S0₄는 0.05 M의 농도를 갖고, 첨가제 농도는 K₂PtCl₄의 농도보다 10배 초과만큼 더 높다. 대체 챔버(28) 내의 반응은 Cu + Pt^{2 +} = Cu^{2 +} + Pt로 요약될 수 있다.

반응기(26)는 코어-쉘 촉매 상에 백금 단층을 달성하는 대규모 방법을 용이하게 하기 위해 구성된다. 도 2에 나타난 바와 같이, 반응기(26)는 하우징(40), 예컨대 유리 튜브를 포함한다. 다공성 작업 전극(42)은 전기적으로 대전되고, 전기 전도성 리드(44)와 연관된다. 다공성 전극(42)은 하우징(40) 내에 위치된다. 다공성 전극(42)은 상기 예에서 탄소 매트릭스 또는 격자 구조를 포함한다. 상기 설명을 이용하는 통상의 기술자는 코어 입자를 포함하는 용액이 반응기(26)를 통해 이동함에 따라 용액이 다공성 작업 전극(42)을 통과하도록 허용하는 다공성 탄소 매트릭스를 구성하는 방법을 이해할 것이다.

또 다른 다공성 튜브(46)는 하우징(40) 내에 위치된다. 다공성 튜브(46)는 전기 전도성 리드(48)와 연관된 상대 전극의 역할을 한다. 본 예에서는 기준 전극(50)이 제공된다. 전극은 구리의 단층이 코어 입자 상에 침착하는 것을 용이하게 한다. 코어 입자를 포함하는 용액이 다공성 작업 전극(42)을 통해 이동함에 따라, 다공성 탄소 매트릭스와 입자 사이의 접촉은 입자 상에 구리가 침착되도록 하는 전위를 제공한다. 한 예에서, 코어 입자는 탄소 상에 지지된 팔라듐을 갖는 탄소를 포함한다. 코어 입자를 포함하는 용액은 (60)에 개략적으로 나타낸 바와 같이 반응기(26)를 통해 흐른다. 다공성 전극(42)은 코어 입자 상에 구리의 균일한 단층을 형성하는 것을 용이하게 하는 반응기(26)를 통한 유동 방향에 따른 길이를 갖는다.

예시된 예는 필요에 따라 반응기(26)로부터 임의의 유체를 제거하는 것을 용이하게 하기 위한 드레인(62)을 포함한다.

다공성 작업 전극(42)의 하나의 특징은 이것이 대량의 배치 양으로 코어 입자 상에 구리 단층을 달성하는 것을 용이하게 한다는 것이다. 촉매 코어 입자에 구리의 단층을 도금하기 위한 이전에 제안된 배열은 그램 단위로 측정된 결과를 달성하였지만, 예시된 반응기(26)는 킬로그램 단위로 측정되는 결과를 달성한다. 즉, 다공성 전극 반응기 구성은 다른 구리 침착 장비 또는 기술을 사용하여 예상될 수 있는 것의 1,000 배만큼 생산량을 증가시키는 것이 가능하게 만든다.

개시된 예시적인 반응기 구성은 코어-쉘 촉매 물질을 이용하는 것에 연관된 경제성을 증진시킨다. 대량 제조를 실현시키는 능력은 코어-쉘 촉매가 연료 전지 또는 다른 전기화학-기반 에너지 생산 장치에서 사용하기 위한 촉매를 제조하기 위한 순수한 백금에 대한 보다 더 유망한 대체재이도록 한다.

상기 설명은 사실 제한이 아니라 설명이다. 개시된 예에 의해 제공된 관련 기술분야에 대한 기여의 본질로부터 벗어나지 않는 개시된 실시예에 대한 변경 및 변형은 통상의 기술자에게 명백할 수 있다. 본 발명에 제공되는 법적 보호의 범위는 오로지 하기 청구범위를 조사함으로써 결정될 수 있다.

Claims (14)

1. 입자를 포함하는 용액이 하우징을 통해 이동하는 경로를 수립하는 하우징 내에 위치한 다공성 전극 상에 전위를 수립하는 단계;
   코어 입자를 포함하는 용액이 다공성 전극을 통과하도록 하는 단계; 및
   입자를 포함하는 용액이 다공성 전극을 통과함에 따라 코어 입자 상에 금속의 층이 침착되는 단계를 포함하며,
   하우징은 튜브의 형태를 갖고;
   다공성 전극은, 코어 입자를 포함하는 용액이 하우징을 통해 이동함에 따라 코어 입자를 포함하는 용액이 이동하는 방향에 따라 연장되고;
   상기 다공성 전극의 길이는 코어 입자 상에 금속의 균일한 단층이 침착되도록 선택되고,
   상기 다공성 전극이 탄소 매트릭스 또는 격자 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는
   촉매용 물질을 가공하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 코어 입자와 다공성 전극 사이의 접촉이 침착되도록 하는 전위를 제공하는, 촉매용 물질을 가공하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   코어 입자는 팔라듐을 포함하고;
   금속의 층은 구리를 포함하는, 촉매용 물질을 가공하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 코어 입자는 탄소 입자 상에 지지된 팔라듐 나노입자를 포함하는, 촉매용 물질을 가공하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 금속의 층은 구리의 단층을 포함하는, 촉매용 물질을 가공하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 다공성 전극은 탄소를 포함하는, 촉매용 물질을 가공하는 방법.
7. 제1항에 있어서,
   침착된 금속의 층을 갖는 코어 입자를 백금을 포함하는 용액과 혼합하고;
   침착된 금속의 층을 백금으로 대체하여 이에 따라 코어 입자 상에 백금 단층이 형성되는 것
   을 포함하는, 촉매용 물질을 가공하는 방법.
8. 입자를 포함하는 용액이 하우징을 통해 이동하는 경로를 수립하는 하우징; 및
   코어 입자를 포함하는 용액이 다공성 전극을 통해 이동하게 하도록 하우징 내에 위치되고, 이로써 입자를 포함하는 용액이 다공성 전극을 통과함에 따라 금속의 층이 코어 입자 상에 침착되어지는 다공성 전극을 포함하는 촉매용 물질을 가공하기 위한 어셈블리이며,
   하우징이 튜브의 형태를 갖고;
   다공성 전극이, 코어 입자를 포함하는 용액이 하우징을 통해 이동함에 따라 코어 입자를 포함하는 용액이 이동하는 방향에 따라 연장되고;
   상기 다공성 전극의 길이는 코어 입자 상에 금속의 균일한 단층을 침착시키도록 선택되고,
   상기 다공성 전극이 탄소 매트릭스 또는 격자 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는
   촉매용 물질을 가공하기 위한 어셈블리.
9. 제8항에 있어서,
   코어 입자가 팔라듐을 포함하고;
   금속의 층이 구리를 포함하는, 어셈블리.
10. 제9항에 있어서, 코어 입자가 탄소 입자 상에 지지된 팔라듐 나노입자를 포함하는, 어셈블리.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 다공성 전극이 탄소를 포함하는, 어셈블리.
12. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 층이 구리의 단층을 포함하는, 어셈블리.
13. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 다공성 전극이 튜브의 형태를 갖는 상대 전극에 의해 둘러싸이는, 어셈블리.
14. 삭제

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