KR102076979B1 - A water-soluble catalyst for hydrogen evolution reaction and a method for manufacturing thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 하기 화학식 1로 표시되는 복합체를 포함하는 수소기체 발생 수용성 촉매를 제공한다:
[화학식 1]
MxAu25-x(L)18
상기 화학식 1에서,
M은 Pt 또는 Ag이고,
L은 친수성 작용기를 가지는 싸이올계 리간드이고,
x는 0 내지 13의 정수 중 하나이다.
One embodiment of the present invention provides a hydrogen gas generating water-soluble catalyst comprising a complex represented by the formula (1):
[Formula 1]
M x Au 25-x (L) 18
In Chemical Formula 1,
M is Pt or Ag,
L is a thiol ligand having a hydrophilic functional group,
x is one of integers from 0 to 13.

Figure 112018063084688-pat00012
Figure 112018063084688-pat00012

Description

수소기체 발생 수용성 촉매 및 그 제조방법{A WATER-SOLUBLE CATALYST FOR HYDROGEN EVOLUTION REACTION AND A METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}Hydrogen gas generation water-soluble catalyst and its manufacturing method {A WATER-SOLUBLE CATALYST FOR HYDROGEN EVOLUTION REACTION AND A METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 수소기체 발생 수용성 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen gas generating water-soluble catalyst and a method for producing the same.

경제성장이 지속됨에 따라 화석연료는 빠른 속도로 고갈되고 있고, 이에 대한 대책으로 신재생에너지 및 그의 효과적인 사용을 위한 고성능 촉매 개발에 관한 관심이 급증하고 있다. 그중에서도 고갈될 염려가 없는 물을 분해하여 수소에너지를 얻는 수소기체 발생 반응(hydrogen evolution reaction, HER)용 전기화학 촉매의 개발이 특히 주목받고 있다.As economic growth continues, fossil fuels are rapidly depleted, and as a countermeasure, there is an increasing interest in developing new renewable energy and high performance catalysts for their effective use. Among them, the development of an electrochemical catalyst for a hydrogen evolution reaction (HER), which decomposes water that is not depleted and obtains hydrogen energy, is drawing particular attention.

촉매 개발의 주안점은 촉매 반응의 과전위를 낮추고 반응성과 선택성을 향상시키는 것으로, 금속 및 금속산화물 기반의 불균일계 고체촉매와 유기금속 화합물계의 균일계 분자촉매 분야에서 많은 연구가 진행되고 있다. 고체촉매 분야는 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 등의 계산화학 방법론을 이용하여 기질의 흡착에너지를 최적화하는 이론적인 촉매 설계에 있어 주목할만한 성과가 있었으나, 고체표면 고유의 불균일성으로 인해 실제 촉매에의 활용에는 많은 문제가 있다. 분자촉매 분야는 촉매의 균일성과 중심 금속이온 및 리간드의 제어를 바탕으로 HER 맞춤형 촉매를 설계 및 제조하기 위한 연구가 진행되고 있다. 최근에는 술폰산(sulfonic acid), 카르복실산(carboxylic acid) 또는 아민(amine)과 같은 작용기로 기능화된 리간드가 배위된 금속 착물을 분자촉매로 활용함으로써, 과량의 수소이온을 촉매 주변으로 모이게 함과 동시에 수소이온을 효과적으로 반응점으로 이동시키는 수소이온 중계 반응을 유도하여 촉매 반응을 촉진하는 기술이 개발되고 있다.The main focus of the catalyst development is to lower the overpotential of the catalytic reaction and to improve the reactivity and selectivity. Much research is being conducted in the field of heterogeneous solid catalysts based on metals and metal oxides and homogeneous molecular catalysts based on organometallic compounds. The field of solid catalysts has been remarkable in the design of theoretical catalysts that optimize the adsorption energy of substrates using computational chemical methodologies such as density functional theory (DFT), but due to the inherent nonuniformity of solid surfaces, There are many problems with the use of the catalyst. In the field of molecular catalysts, research is being conducted to design and manufacture HER customized catalysts based on the uniformity of catalysts and the control of central metal ions and ligands. Recently, by utilizing a metal complex coordinated with a ligand functionalized with a functional group such as sulfonic acid, carboxylic acid or amine as a molecular catalyst, the excess hydrogen ions are collected around the catalyst. At the same time, a technology for promoting a catalytic reaction by inducing a hydrogen ion relay reaction that effectively moves hydrogen ions to a reaction point has been developed.

이러한 기술은 수용성 리간드를 사용한 균일상 촉매를 통해 구현되므로 소자화 단계가 필요하지 않고, 환경 친화적인 방법으로 물로부터 수소 에너지를 획득할 수 있다. 그러나, 분자촉매 특성상 화학적 구조와 합성 과정이 복잡하고, 수용액 상에서 불안정하다는 한계가 있다. 이러한 기존 촉매의 한계점을 근본적으로 해결하기 위한 방법 중 하나가 균일하고, 설계가 용이하며 수용액상에서 안정한 금속 클러스터를 기반으로 HER에 최적 설계된 반응 맞춤형 촉매를 제조하는 것이다.Since this technique is implemented through a homogeneous catalyst using a water soluble ligand, no elementization step is required, and hydrogen energy can be obtained from water in an environmentally friendly manner. However, due to the nature of the molecular catalyst, the chemical structure and the synthesis process are complicated, and there is a limit that is unstable in aqueous solution. One of the methods to fundamentally solve the limitations of the existing catalyst is to prepare a reaction tailored catalyst optimally designed for HER based on metal clusters that are uniform, easy to design, and stable in aqueous solution.

금속 클러스터는 200개 이하의 금속 원자로 구성된 매우 작은 크기(<2 nm)의 중심금속(core)과 이를 안정화시키는 금속-리간드 막(shell)으로 구성된 입자이다. 분자촉매와 유사하게 구성 원자의 개수 및 조성에 따라 발현되는 물성이 매우 크게 변화하는 특징이 있다. 즉, 금속 클러스터의 크기, 조성, 구조 및 리간드를 원자 수준에서 조절할 수 있다면 목적에 맞는 구조와 물성의 촉매를 제조할 수 있다.Metal clusters are particles composed of a very small core (<2 nm) core composed of up to 200 metal atoms and a metal-ligand shell that stabilizes them. Similar to the molecular catalyst, there is a characteristic that the physical properties expressed according to the number and composition of constituent atoms change significantly. That is, if the size, composition, structure and ligand of the metal cluster can be controlled at the atomic level, it is possible to prepare a catalyst of the structure and physical properties according to the purpose.

특히, 13개의 금 원자로 구성된 정이십면체(icosahedral)의 중심금속(Au13)과 이들을 둘러싸는 여섯 쌍의 리간드-금-리간드-금-리간드 막(Au2(L)3)으로 구성된 Au25(L)18 복합체는 각각 13개와 18개에 불과한 중심금속 원자 및 리간드로 독특한 물리화학적 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 전기촉매(electrocatalyst)로 유용하게 사용될 수 있다.Specifically, Au 25 (is composed of a cosahedral core metal (Au 13 ) consisting of 13 gold atoms and six pairs of ligand-gold-ligand-gold-ligand films (Au 2 (L) 3 ) surrounding them). L) 18 complexes can be used as electrocatalysts with precise control of unique physicochemical properties, with only 13 and 18 central metal atoms and ligands, respectively.

기존의 리간드를 포함한 금속 나노입자와 달리 Au25(L)18 복합체는 금속-리간드 막이 개방된 구조와 유연성을 부여하여 수소이온이 중심금속으로 용이하게 접근할 수 있고, 이는 리간드-중심금속 간의 원활한 수소이온 전달 및 복합적 촉매 효과를 나타낸다. Au25(L)18의 제조 과정에서 함께 획득할 수 있는 Au38(L)24 복합체는 두 개의 정이십면체가 금 원자 3개를 공유하며 연결된 중심금속(Au23), 이들을 둘러싸는 세 쌍의 리간드-금-리간드 막(Au(L)2) 및 여섯 쌍의 리간드-금-리간드-금-리간드 막(Au2(L)3)으로 구성되어 반응점의 숫자가 2배이고, 더 뚜렷한 리간드 제어 효과를 갖는다.Unlike conventional metal nanoparticles containing ligands, Au 25 (L) 18 complex provides open structure and flexibility of metal-ligand membranes, allowing hydrogen ions to easily access the core metals, which can be used to facilitate Hydrogen ion transport and multiple catalytic effects. The Au 38 (L) 24 complex, which can be obtained together during the preparation of Au 25 (L) 18 , consists of a central metal (Au 23 ) connected by two icosahedrons sharing three gold atoms, and a pair of three surrounding them Consists of a ligand-gold-ligand membrane (Au (L) 2 ) and six pairs of ligand-gold-ligand-gold-ligand membranes (Au 2 (L) 3 ) with twice the number of reaction points and more pronounced ligand control effects Has

특허문헌 1은 금 기반 나노클러스터 촉매 중 Pd2Au36(C6S)24 등과 같이 리간드로 헥산싸이올(hexanethiol, C6S) 리간드를 사용하고, 디클로로메테인, 아세토나이트릴, 아세톤 등을 용매로 사용한 수소기체 발생 비수용성 촉매, 팔라듐 또는 구리를 합금하여 PdAu24(MPS)18, CuxAu25-x(MPS)18의 구조를 갖는 수소기체 발생 수용성 촉매를 개시한다. 본 발명은 특허문헌 1을 개량, 발전시킨 것으로, 종래 기술과 상이한 리간드 또는 금속을 도핑하여 현저히 우수한 효과를 갖는 수소기체 발생 수용성 촉매를 제조하였다.Patent Literature 1 uses hexanethiol (C 6 S) ligand as a ligand such as Pd 2 Au 36 (C 6 S) 24 in a gold-based nanocluster catalyst, and dichloromethane, acetonitrile, acetone, and the like. A hydrogen gas generating water-soluble catalyst having a structure of PdAu 24 (MPS) 18 and Cu x Au 25-x (MPS) 18 is disclosed by alloying a hydrogen gas generating non-aqueous catalyst used as a solvent, palladium or copper. The present invention improves and develops Patent Document 1, and has produced a hydrogen gas generating water-soluble catalyst having a remarkably excellent effect by doping a ligand or metal different from the prior art.

한국등록특허 제10-1759433호Korea Patent Registration No. 10-1759433

Huifeng Qian 외 6, Monoplatinum Doping of Gold Nanoclusters and Catalytic Application, J. Am. Chem. Soc., Vol.134, Issue.39, pp.16159-16162(2012.09.19.) Huifeng Qian et al. 6, Monoplatinum Doping of Gold Nanoclusters and Catalytic Application, J. Am. Chem. Soc., Vol. 134, Issue. 39, pp. 16159-16162 (2012.09.19.) Peili Zhang 외 4, A Molecular Copper Catalyst for Electrochemical Water Reduction with a Large Hydrogen-Generation Rate Constant in Aqueous Solution, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, pp.13803-13807(2014.10.14.) Peili Zhang et al. 4, A Molecular Copper Catalyst for Electrochemical Water Reduction with a Large Hydrogen-Generation Rate Constant in Aqueous Solution, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, pp. 13803-13807 (2014.10.14.)

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 반응속도가 우수하고, 수용성인 수소기체 발생 촉매를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a hydrogen gas generation catalyst that is excellent in the reaction rate, water-soluble.

본 발명의 일 측면은 하기 화학식 1로 표시되는 복합체를 포함하는 수소기체 발생 수용성 촉매를 제공한다:One aspect of the present invention provides a hydrogen gas generating water-soluble catalyst comprising a complex represented by the following formula (1):

[화학식 1][Formula 1]

MxAu25-x(L)18 M x Au 25-x (L) 18

상기 화학식 1에서, M은 Pt 또는 Ag이고, L은 친수성 작용기를 가지는 싸이올계 리간드이고, x는 0 내지 13의 정수 중 하나이다.In Formula 1, M is Pt or Ag, L is a thiol ligand having a hydrophilic functional group, and x is one of integers from 0 to 13.

일 실시예에 있어서, 상기 x는 0이고, 상기 L은 머캅토프로피오닉산 또는 머캅토프로판술폰산일 수 있다.In one embodiment, x is 0, and L may be mercaptopropionic acid or mercaptopropanesulfonic acid.

일 실시예에 있어서, 상기 x는 1이고, 상기 M은 Pt이고, 상기 L은 글루타싸이온 또는 머캅토프로판술폰산일 수 있다.In one embodiment, x is 1, M is Pt, and L may be glutathione or mercaptopropanesulfonic acid.

일 실시예에 있어서, 상기 M은 Ag이고, L은 머캅토프로판술폰산일 수 있다.In one embodiment, M is Ag and L may be mercaptopropanesulfonic acid.

본 발명의 다른 일 측면은, 하기 화학식 2로 표시되는 복합체를 포함하는 수소기체 수용성 발생 촉매를 제공한다:Another aspect of the invention provides a hydrogen gas water-soluble generating catalyst comprising a complex represented by the following formula (2):

[화학식 2][Formula 2]

Au38(L)24 또는 M2Au36(L)24 Au 38 (L) 24 or M 2 Au 36 (L) 24

상기 화학식 2에서, M은 Ag이고, L은 친수성 작용기를 가지는 싸이올계 리간드이다.In Formula 2, M is Ag and L is a thiol ligand having a hydrophilic functional group.

일 실시예에 있어서, 상기 L은 머캅토프로판술폰산 또는 글루타싸이온일 수 있다.In one embodiment, L may be mercaptopropanesulfonic acid or glutathione.

또한, 본 발명의 또 다른 일 측면은, (a) M 및 Au를 포함하는 용액에 L을 포함하는 수용액을 첨가하는 단계; (b) 상기 (a) 단계의 생성물에 소듐보로하이드라이드를 포함하는 수용액을 반응시키는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계의 생성물에서 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 복합체를 수득하는 단계;를 포함하는, 수소기체 수용성 발생 촉매의 제조방법을 제공한다:In addition, another aspect of the invention, (a) adding an aqueous solution containing L to a solution containing M and Au; (b) reacting an aqueous solution comprising sodium borohydride with the product of step (a); And (c) obtaining a complex represented by the following Chemical Formula 1 or 2 from the product of step (b); providing a method for producing a hydrogen gas water-soluble generating catalyst comprising:

[화학식 1][Formula 1]

MxAu25-x(L)18 M x Au 25-x (L) 18

[화학식 2][Formula 2]

Au38(L)24 또는 M2Au36(L)24 Au 38 (L) 24 or M 2 Au 36 (L) 24

상기 화학식 1 또는 2에서, M은 Pt 또는 Ag이고, L은 친수성 작용기를 가지는 싸이올계 리간드이고, x는 0 내지 13의 정수 중 하나이다.In Formula 1 or 2, M is Pt or Ag, L is a thiol-based ligand having a hydrophilic functional group, x is one of integers from 0 to 13.

일 실시예에 있어서, 상기 M 및 Au의 몰수비는 각각 0:50 내지 10:40일 수 있다.In one embodiment, the molar ratio of M and Au may be 0:50 to 10:40, respectively.

일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계의 용액은 아세토나이트릴을 더 포함하고, 상기 L은 머캅토프로판술폰산일 수 있다.In one embodiment, the solution of step (a) further comprises acetonitrile, wherein L may be mercaptopropanesulfonic acid.

일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계의 용액은 메탄올을 더 포함하고, 상기 L은 글루타싸이온일 수 있다.In one embodiment, the solution of step (a) further comprises methanol, wherein L may be glutathione.

일 실시예에 있어서, 상기 M은 Pt이고, 상기 (c) 단계는, (i) 상기 (b) 단계의 생성물에 테트라옥틸암모늄 양이온을 첨가하여 상기 복합체를 유기용매로 상이동시키는 단계; (ii) 상기 유기용매에 과산화수소수를 첨가하여 불순물을 제거하는 단계; 및 (iii) 상기 (ii) 단계의 생성물에 테트라메틸암모늄데카노에이트를 첨가하여 상기 복합체를 수용액으로 상이동시키는 단계;를 포함할 수 있다.In one embodiment, the M is Pt, wherein step (c) comprises the steps of (i) phase shifting the complex to an organic solvent by adding tetraoctylammonium cation to the product of step (b); (ii) removing impurities by adding hydrogen peroxide solution to the organic solvent; And (iii) adding tetramethylammonium decanoate to the product of step (ii) to phase transfer the complex to an aqueous solution.

일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계에서 상기 (b) 단계의 생성물을 탈염처리 후 원심분리하여 상기 복합체를 수득할 수 있다.In one embodiment, in step (c) the product of step (b) may be centrifuged after desalting to obtain the complex.

본 발명의 일 측면에 따르면, 반응속도가 우수한 수소기체 수용성 발생 촉매를 제조할 수 있다.According to one aspect of the present invention, it is possible to prepare a hydrogen gas water-soluble generating catalyst with excellent reaction rate.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 금속을 합금하여 상기 촉매의 수소기체 발생 반응에 대한 활성도를 제어할 수 있다.According to another aspect of the present invention, by alloying the metal it is possible to control the activity of the hydrogen gas generation reaction of the catalyst.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that the effects of the present invention are not limited to the above effects, and include all effects deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예 또는 비교예에 따른 복합체의 일부를 구성할 수 있는 리간드의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 Au25(MPA)18 (빨강) 또는 Au25(MPS)18 (파랑)의 구조를 갖는 복합체의 음전하 검출 모드에서의 전기분무 질량분석 분광도(negative-mode electrospray ionization mass spectra)를 도시한 것으로, x, y, z는 각각 수소이온(H+), 소듐이온(Na+), 복합체의 하전량(charge state)을 나타낸 것이다.
도 3은 종래 기술(특허문헌 1, Au25(C6S)18) 및 본 발명에서 제조된 촉매(Au25(MPA)18, Au25(MPS)18)를 비교한 것으로, (A) 디클로로메탄(dichloromethane) 용액에 용해된 Au25(C6S)18 (검정), 물에 용해된 Au25(MPA)18 (빨강) 또는 Au25(MPS)18 (파랑)의 자외선-가시광선-근적외선 흡수 분광도(UV-vis NIR absorption spectra)를 도시한 것이고, (B) 1mM의 Au25(C6S)18, 0.1M의 테트라부틸암모늄헥사플루오로포스페이트(tetrabutylammonium hexafluorophosphate, Bu4NPF6) 디클로로메탄 용액 (검정), 10mM의 Au25(MPA)18 (빨강) 또는 10mM의 Au25(MPS)18 (파랑)이 포함된 0.1M 포타슘클로라이드 수용액의 구형파 전압-전류도(square-wave voltammograms, SWVs)를 도시한 것이다.
도 4는 1mM의 Au25(MPA)18 (빨강) 또는 1mM의 Au25(MPS)18 (파랑)가 포함되거나 포함되지 않은(회색) 180mM의 아세트산과 0.1M 포타슘클로라이드(KCl) 혼합액에서의 선형 전압-전류도(linear-sweep voltammograms, LSVs)로, Ag/AgCl 기준전극으로 전위를 측정하고 아세트산(10-4.76)의 산해리상수를 사용한 RHE(reversible hydrogen electrode) 기준으로 표기하였다.
도 5는 1mM의 Au25(MPA)18 (빨강) 또는 1mM의 Au25(MPS)18 (파랑)이 포함된 180mM의 아세트산과 0.1M KCl 혼합액에서의 주사속도(v) 대비 -0.7V (RHE 기준)에서의 Ic/Ip를 도시한 것이다.
도 6은 (A) 1mM의 Au25(MPA)18 또는 (B) 1mM의 Au25(MPS)18이 포함된 0.1M KCl 혼합액에서 아세트산을 0mM에서 180mM까지 적가하며 측정한 LSVs이고, C는 도 6의 A (빨강) 및 6의 B (파랑)를 기반으로 -0.7V(RHE 기준)에서의 촉매전류를 수소이온 농도에 따라 도시한 것이다.
도 7은 종래 기술(특허문헌 1, Au25(C6S)18) 및 본 발명에서 제조된 촉매(Au25(MPA)18, Au25(MPS)18)를 비교한 것으로, 1mM의 Au25(MPA)18 (빨강) 또는 1mM의 Au25(MPS)18 (파랑)이 포함된 180mM 아세트산과 0.1M KCl 수용액과 1mM의 Au25(C6S)18이 포함된 0.1M의 Bu4NPF6와 1M의 트리플루오로아세트산(trifluoroacetic acid, TFA) 디클로로메탄 용액 (검정)에서 측정한 가전압 대비 촉매 반응속도상수(kobs)를 도시한 것이다. Ag/AgCl 또는 Ag/AgNO3 기준전극으로 전위를 측정하고 아세트산(10-4.76) 또는 트리플루오로아세트산(10-12.7)의 산해리상수를 사용한 RHE 기준으로 표기하였다.
도 8은 종래 기술(특허문헌 1, Au25(GS)18) 및 본 발명에서 제조된 촉매(Au25(MPA)18, Au25(MPS)18)를 비교한 것으로, 1mM의 Au25(MPA)18 (빨강), 1mM의 Au25(MPS)18 (파랑) 또는 1mM의 Au25(GS)18 (초록)이 포함된 0.1M KCl 혼합액에서의 pH 및 수소이온 농도에 의존하는 -0.7V (RHE 기준)에서의 촉매전류도를 도시한 것이다.
도 9는 (A) PtAu24(MPS)18의 음전하 검출 모드에서의 전기분무 질량분석 분광도를 도시한 것으로 x, z는 각각 소듐이온(Na+), 복합체의 하전량을 나타낸 것이고, (B) 물에 용해된 Au25(MPS)18 (파랑) 또는 PtAu24(MPS)18 (초록)의 자외선-가시광선-근적외선 흡수 분광도이고, (C) 10mM의 Au25(MPS)18 (파랑) 또는 10mM의 PtAu24(MPS)18 (초록)이 포함된 0.1M의 KCl 수용액의 SWVs를 도시한 것이다.
도 10은 1mM의 Au25(MPS)18 (파랑) 또는 1mM의 PtAu24(MPS)18 (초록)이 포함된 180mM의 아세트산과 0.1M의 KCl 혼합액에서의 (A) LSVs 및 (B) 가전압 대비 촉매 반응속도상수(kobs)를 도시한 것으로, Ag/AgCl 기준전극으로 전위를 측정하고 아세트산(10-4.76)의 산해리상수를 사용한 RHE 기준으로 표기하였다.
도 11은 5μM의 Au25(MPA)18 (빨강), Au25(MPS)18 (파랑) 또는 PtAu24(MPS)18 (초록)을 유리질 탄소전극(glassy carbon plate)에 얹어 0.1M KCl이 포함된 180mM의 아세트산 수용액에서 정전압 반응(constant potential electrolysis, CPE)시켜 얻은 수소기체의 몰 수를 사용된 복합체의 몰 수로 나눈 값인 전환 빈도(turnover frequency, TOF)를 도시한 것으로, Ag/AgCl 기준전극으로 전위를 측정하고 아세트산(10-4.76)의 산해리상수를 사용한 RHE 기준으로 표기하였다.
도 12는 (A) 디클로로메탄 용액에 용해된 PdAu24(C6S)18 (검정), 물에 용해된 PdAu24(GS)18 (빨강) 또는 PdAu24(MPS)18 (파랑)의 자외선-가시광선-근적외선 흡수 분광도를 도시한 것이고, (B) Au25(GS)18 (검정), PdAu24(GS)18 (빨강) (C) Au25(MPS)18 (검정) 또는 PdAu24(MPS)18 (파랑)의 음전하 검출 모드에서의 전기분무 질량분석 분광도를 도시한 것이다.
도 13은 (A) 디클로로메탄 용액에 용해된 Au25(C6S)18 (회색), CuxAu25-x(C6S)18 (검정), 물에 용해된 CuxAu25-x(GS)18 (빨강) 또는 CuxAu25-x(MPS)18 (파랑)의 자외선-가시광선-근적외선 흡수 분광도를 도시한 것이고, (B) Au25(GS)18, CuxAu25-x(GS)18 (빨강), (C) Au25(MPS)18 또는 CuxAu25-x(MPS)18 (파랑)의 음전하 검출 모드에서의 전기분무 질량분석 분광도를 도시한 것이다.
도 14는 은염 및 금염의 몰수비가 각각 0:50 (검정), 3:47 (빨강), 6:44 (파랑), 10:40 (초록)일 때 제조된 AgxAu25-x(MPS)18 합금 복합체의 (A) 자외선-가시광선-근적외선 흡수 분광도 및 (B) 음전하 검출 모드에서의 전기분무 질량분석 분광도를 도시한 것이다.
1 illustrates the structure of a ligand that may form part of a complex according to an embodiment or comparative example of the present invention.
FIG. 2 shows negative-mode electrospray ionization mass spectra in the negative charge detection mode of a complex having a structure of Au 25 (MPA) 18 (red) or Au 25 (MPS) 18 (blue). In one embodiment, x, y, and z represent hydrogen ions (H + ), sodium ions (Na + ), and the charge state of the composite, respectively.
Figure 3 compares the prior art (Patent Document 1, Au 25 (C 6 S) 18 ) and the catalyst (Au 25 (MPA) 18 , Au 25 (MPS) 18 ) prepared in the present invention, (A) dichloro Ultraviolet-visible-near infrared rays of Au 25 (C 6 S) 18 (black) dissolved in dichloromethane solution, Au 25 (MPA) 18 (red) or Au 25 (MPS) 18 (blue) dissolved in water UV-vis NIR absorption spectra, (B) 1 mM Au 25 (C 6 S) 18 , 0.1 M tetrabutylammonium hexafluorophosphate (Bu 4 NPF 6 ) dichloro Square-wave voltammograms (SWVs) of 0.1 M aqueous potassium chloride solution containing methane solution (black), 10 mM Au 25 (MPA) 18 (red) or 10 mM Au 25 (MPS) 18 (blue) ) Is shown.
4 is linear in 180 mM acetic acid and 0.1 M potassium chloride (KCl) mixture with or without 1 mM Au 25 (MPA) 18 (red) or 1 mM Au 25 (MPS) 18 (blue). Linear-sweep voltammograms (LSVs) were used to measure the potential with Ag / AgCl reference electrodes and were expressed on the basis of reversible hydrogen electrodes (RHEs) using acid dissociation constants of acetic acid (10 -4.76 ).
FIG. 5 shows -0.7 V (RHE) versus scan rate (v) in 180 mM acetic acid and 0.1 M KCl solution containing 1 mM Au 25 (MPA) 18 (red) or 1 mM Au 25 (MPS) 18 (blue). I c / I p in reference).
6 is LSVs measured by dropwise adding acetic acid from 0 mM to 180 mM in 0.1 M KCl mixture containing (A) 1 mM Au 25 (MPA) 18 or (B) 1 mM Au 25 (MPS) 18. FIG. Based on A (red) of 6 and B (blue) of 6, the catalytic current at -0.7 V (RHE basis) is shown according to the hydrogen ion concentration.
7 is a comparison of the prior art (Patent Document 1, Au 25 (C 6 S) 18 ) and the catalyst (Au 25 (MPA) 18 , Au 25 (MPS) 18 ) prepared in the present invention, 1mM Au 25 (MPA), 18 (red) or 1mM of Au 25 (MPS) of 18 (blue) with a 180mM acetic acid and 0.1M KCl and 1mM aqueous solution containing the Au 25 (C 6 S) 18 of 0.1M Bu 4 NPF 6 contains the Shows the catalytic reaction rate constant (k obs ) versus the applied voltage measured in 1M trifluoroacetic acid (TFA) dichloromethane solution (black). Ag / AgCl or RHE were expressed in reference with the acid dissociation constant of acetic acid (10 -12.7) with Ag / AgNO 3 reference electrode and measured acid (10 -4.76), or trifluoromethyl with the potential.
8 is a comparison of the prior art (Patent Document 1, Au 25 (GS) 18 ) and the catalyst (Au 25 (MPA) 18 , Au 25 (MPS) 18 ) prepared in the present invention, 1mM Au 25 (MPA ) -0.7 V (depending on pH and hydrogen ion concentration in 0.1M KCl mixture containing 18 (red), 1 mM Au 25 (MPS) 18 (blue) or 1 mM Au 25 (GS) 18 (green) The catalytic current diagram in RHE reference) is shown.
FIG. 9 shows (A) electrospray mass spectrometry in the negative charge detection mode of PtAu 24 (MPS) 18 , where x and z represent sodium ions (Na + ) and the charged amounts of the complexes, respectively (B ) Ultraviolet-visible-near infrared absorption spectroscopy of Au 25 (MPS) 18 (blue) or PtAu 24 (MPS) 18 (green) dissolved in water, (C) 10 mM Au 25 (MPS) 18 (blue) Or SWVs of 0.1 M aqueous KCl solution containing 10 mM PtAu 24 (MPS) 18 (green).
10 shows (A) LSVs and (B) applied voltage in 180 mM acetic acid and 0.1 M KCl mixture with 1 mM Au 25 (MPS) 18 (blue) or 1 mM PtAu 24 (MPS) 18 (green) The relative catalytic reaction rate constant (k obs ) is shown, and the potential is measured using an Ag / AgCl reference electrode and is expressed based on RHE using an acid dissociation constant of acetic acid (10 -4.76 ).
11 shows 0.1 M KCl with 5 μM of Au 25 (MPA) 18 (red), Au 25 (MPS) 18 (blue) or PtAu 24 (MPS) 18 (green) on a glassy carbon plate Shows the turnover frequency (TOF), which is the number of moles of hydrogen gas obtained by constant potential electrolysis (CPE) in 180 mM acetic acid solution, divided by the number of moles of the composite used. The potential was measured and expressed on a RHE basis using an acid dissociation constant of acetic acid (10 -4.76 ).
FIG. 12 shows (A) ultraviolet-rays of PdAu 24 (C 6 S) 18 (black), PdAu 24 (GS) 18 (red) or PdAu 24 (MPS) 18 (blue) dissolved in dichloromethane solution. Visible-near infrared absorption spectroscopy is shown (B) Au 25 (GS) 18 (black), PdAu 24 (GS) 18 (red) (C) Au 25 (MPS) 18 (black) or PdAu 24 ( MPS) Electrospray mass spectrometry spectroscopy in negative charge detection mode of 18 (blue).
FIG. 13 shows (A) Au 25 (C 6 S) 18 (grey) dissolved in dichloromethane solution, Cu x Au 25-x (C 6 S) 18 (black), Cu x Au 25-x dissolved in water Ultraviolet-visible-near infrared absorption spectroscopy of (GS) 18 (red) or Cu x Au 25-x (MPS) 18 (blue), (B) Au 25 (GS) 18 , Cu x Au 25 Electrospray mass spectrometry spectroscopy in negative charge detection mode of -x (GS) 18 (red), (C) Au 25 (MPS) 18 or Cu x Au 25-x (MPS) 18 (blue).
14 shows Ag x Au 25-x (MPS) prepared when the molar ratios of silver and gold salts were 0:50 (black), 3:47 (red), 6:44 (blue), and 10:40 (green), respectively. (A) UV-Visible-Near Absorption Spectroscopy and (B) Electrospray Mass Spectrometry in the negative charge detection mode of the 18 alloy composite.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member in between. . In addition, when a part is said to "include" a certain component, it means that it may further include other components, without excluding the other components unless otherwise stated.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 측면에 따른 수소기체 발생 수용성 촉매는, 하기 화학식 1로 표시되는 복합체를 포함할 수 있다.Hydrogen gas generation water-soluble catalyst according to an aspect of the present invention may include a complex represented by the formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

MxAu25-x(L)18 M x Au 25-x (L) 18

상기 화학식 1에서, M은 Pt 또는 Ag이고, L은 친수성 작용기를 가지는 싸이올계 리간드이고, x는 0 내지 13의 정수 중 하나일 수 있다.In Formula 1, M is Pt or Ag, L is a thiol-based ligand having a hydrophilic functional group, x may be one of integers from 0 to 13.

상기 촉매는 하기 반응식 1로 표시되는 수소기체 발생 반응에 이용될 수 있다.The catalyst may be used in the hydrogen gas generation reaction represented by the following Scheme 1.

[반응식 1]Scheme 1

(1) MxAu25-x(L)18 + xH+ → MxAu25-x(L-H+)n(L)18-n (1) M x Au 25-x (L) 18 + xH + → M x Au 25-x (LH + ) n (L) 18-n

(2) MxAu25-x(L-H+)n(L)18-n ↔ (H+-M)Mx-1Au25-x(L-H+)n-1(L)18-n (2) M x Au 25-x (LH + ) n (L) 18-n ↔ (H + -M) M x-1 Au 25-x (LH + ) n-1 (L) 18-n

(3) (H+-M)Mx-1Au25-x(L-H+)n-1(L)18-n + H+ → MxAu25-x(L-H+)n-1(L)18-n + H2 (g)(3) (H + -M) M x-1 Au 25-x (LH + ) n-1 (L) 18-n + H + → M x Au 25-x (LH + ) n-1 (L) 18-n + H 2 (g)

(4) MxAu25-x(L-H+)n-1(L)18-n + H+ → MxAu25-x(L-H+)n(L)18-n (4) M x Au 25-x (LH + ) n-1 (L) 18-n + H + → M x Au 25-x (LH + ) n (L) 18-n

(상기 반응식에서, n은 1 내지 18의 정수일 수 있다.)(In the above scheme, n may be an integer of 1 to 18.)

상기 싸이올계 리간드는 친수성 작용기를 가질 수 있고, 상기 리간드의 산성도가 높으면 상기 촉매의 활성이 향상될 수 있다.The thiol-based ligand may have a hydrophilic functional group, and when the acidity of the ligand is high, the activity of the catalyst may be improved.

도 1은 특허문헌 1에서 리간드로 사용된 헥산싸이올(hexanethiol, C6S)과 본 발명에서 리간드로 사용된 머캅토프로피오닉산(3-mercaptopropionic acid, MPA) 및 머캅토프로판술폰산(3-mercapto-1-propanesulfonic acid, MPS)를 순서대로 도시한 것이다.1 is hexanethiol (C 6 S) used as a ligand in Patent Document 1, mercaptopropionic acid (MPA) and mercaptopropanesulfonic acid (3-mercaptopropionic acid, used as a ligand in the present invention (3- mercapto-1-propanesulfonic acid (MPS) is shown in order.

도 1을 참고하면, 상기 x가 0이고, 상기 L이 MPA 또는 MPS이면 상기 복합체는 Au25(MPA)18 또는 Au25(MPS)18일 수 있다. 상기 복합체가 Au25(MPA)18이면, 종래의 Au25(C6S)18 복합체보다 반응속도가 8배 이상 우수할 수 있고, 상기 복합체가 Au25(MPS)18이면, 종래의 Au25(C6S)18 복합체보다 반응속도가 23배 이상 우수할 수 있다. 이는 상기 리간드의 술폰산기 또는 카르복실기가 수소이온 중계 반응을 촉진한 결과일 수 있다. 또한, Au25(C6S)18 복합체는 비수용성이나, Au25(MPA)18 또는 Au25(MPS)18 복합체는 수용액에 용해될 수 있다.Referring to FIG. 1, when x is 0 and L is MPA or MPS, the complex may be Au 25 (MPA) 18 or Au 25 (MPS) 18 . When the complex is Au 25 (MPA) 18 , the reaction rate may be 8 times higher than that of the conventional Au 25 (C 6 S) 18 complex, and when the complex is Au 25 (MPS) 18 , the conventional Au 25 ( C 6 S) 18 The reaction rate may be 23 times better than the complex. This may be a result of the sulfonic acid group or carboxyl group of the ligand promoting hydrogen ion relay reaction. In addition, while the Au 25 (C 6 S) 18 complex is water-insoluble, Au 25 (MPA) 18 or Au 25 (MPS) 18 complex may be dissolved in an aqueous solution.

상기 복합체는 Pt 원자를 포함하는 합금 형태일 수 있고, 예를 들어 PtAu24(GS)18 또는 PtAu24(MPS)18일 수 있다. 상기 복합체가 Pt 합금 형태이면 Au만으로 구성된 촉매보다 반응속도가 5배 이상 빠를 수 있다. 실시예 2 또는 3에 따라 제조된 상기 PtAu24(GS)18 또는 PtAu24(MPS)18 복합체는 비수용성인 종래의 PtAu24(C6S)18 복합체와 달리 수용액에 용해될 수 있고, 반응속도 또한 더 향상될 수 있다.The composite may be in the form of an alloy comprising Pt atoms, for example PtAu 24 (GS) 18 or PtAu 24 (MPS) 18 . If the composite is in the form of a Pt alloy, the reaction rate may be five times faster than the catalyst composed of Au alone. The PtAu 24 (GS) 18 or PtAu 24 (MPS) 18 complex prepared according to Example 2 or 3 can be dissolved in an aqueous solution, unlike the conventional PtAu 24 (C6S) 18 complex, which is not water-soluble, and further improves the reaction rate. Can be.

상기 복합체는 AgxAu25-x(MPS)18일 수 있다. 상기 x는 1 내지 12일 수 있다.The complex may be Ag x Au 25-x (MPS) 18 . X may be 1 to 12.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 수소기체 발생 촉매는, 하기 화학식 2로 표시되는 복합체를 포함할 수 있다.Hydrogen gas generation catalyst according to another aspect of the present invention may include a complex represented by the formula (2).

[화학식 2][Formula 2]

Au38(L)24 또는 M2Au36(L)24 Au 38 (L) 24 or M 2 Au 36 (L) 24

상기 화학식 2에서, M은 Ag이고, L은 친수성 작용기를 가지는 싸이올계 리간드일 수 있다. 상기 L은 머캅토프로판술폰산 또는 글루타싸이온일 수 있다.In Formula 2, M may be Ag, and L may be a thiol ligand having a hydrophilic functional group. L may be mercaptopropanesulfonic acid or glutathione.

상기 촉매는 하기 반응식 2로 표시되는 수소기체 발생 반응에 이용될 수 있다.The catalyst may be used for the hydrogen gas generation reaction represented by the following Scheme 2.

[반응식 2]Scheme 2

(1) M2Au36(L)24 + xH+ → M2Au36(L-H+)k(L)24-k (1) M 2 Au 36 (L) 24 + xH + → M 2 Au 36 (LH + ) k (L) 24-k

(2) M2Au36(L-H+)k(L)24-k ↔ (H+-M)MAu36(L-H+)k-1(L)24-k (2) M 2 Au 36 (LH + ) k (L) 24-k ↔ (H + -M) MAu 36 (LH + ) k-1 (L) 24-k

(3) (H+-M)MAu36(L-H+)k-1(L)24-k + H+ → M2Au36(L-H+)k-1(L)24-k + H2 (g)(3) (H + -M) MAu 36 (LH + ) k-1 (L) 24-k + H + → M 2 Au 36 (LH + ) k-1 (L) 24-k + H 2 (g )

(4) M2Au36(L-H+)k-1(L)24-k + H+ → M2Au36(L-H+)k(L)24-k (4) M 2 Au 36 (LH + ) k-1 (L) 24-k + H + → M 2 Au 36 (LH + ) k (L) 24-k

(상기 반응식에서, k는 1 내지 24의 정수일 수 있다.)(In the above scheme, k may be an integer of 1 to 24.)

상기 화학식 2로 표시되는 복합체는 상기 화학식 1로 표시되는 복합체보다 활성점이 증가하여 리간드의 효과가 4/3배로 향상될 수 있다.The complex represented by Chemical Formula 2 may have an increased active point than the complex represented by Chemical Formula 1, thereby improving the effect of the ligand by 4/3 times.

상기 화학식 2로 표시되는 복합체는, 예를 들면, Au38(MPS)24, Au38(GS)24, Ag2Au36(MPS)24, Ag2Au36(GS)24일 수 있다.The complex represented by Formula 2 may be, for example, Au 38 (MPS) 24 , Au 38 (GS) 24 , Ag 2 Au 36 (MPS) 24 , Ag 2 Au 36 (GS) 24 .

본 발명의 수소기체 발생 촉매에서 상기 M 및 L은 상호 종속적인 구성요소로, L에 따라 적용 가능한 M이 상이하며, 그 제조방법 또한 각각의 구성에 종속적일 수 있다. 이에 대한 구체적인 제조방법은 하기와 같다.In the hydrogen gas generating catalyst of the present invention, M and L are mutually dependent components, and M is applicable to L, and the preparation method thereof may also be dependent on each configuration. Specific manufacturing method for this is as follows.

또한, 본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 수소기체 발생 촉매의 제조방법은, (a) M 및 Au를 포함하는 용액에 L을 포함하는 수용액을 첨가하는 단계; (b) 상기 (a) 단계의 생성물에 소듐보로하이드라이드를 포함하는 수용액을 반응시키는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계의 생성물에서 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 복합체를 수득하는 단계;를 포함할 수 있다.In addition, the method for producing a hydrogen gas generating catalyst according to another aspect of the present invention, (a) adding an aqueous solution containing L to a solution containing M and Au; (b) reacting an aqueous solution comprising sodium borohydride with the product of step (a); And (c) obtaining a complex represented by the following Chemical Formula 1 or 2 from the product of step (b).

[화학식 1][Formula 1]

MxAu25-x(L)18 M x Au 25-x (L) 18

[화학식 2][Formula 2]

Au38(L)24 또는 M2Au36(L)24 Au 38 (L) 24 or M 2 Au 36 (L) 24

상기 화학식 1 또는 2에서, M은 Pt 또는 Ag이고, L은 친수성 작용기를 가지는 싸이올계 리간드이고, x는 0 내지 13의 정수 중 하나일 수 있다.In Formula 1 or 2, M is Pt or Ag, L is a thiol-based ligand having a hydrophilic functional group, x may be one of integers from 0 to 13.

상기 M 및 Au의 몰수비는 각각 0:50 내지 10:40일 수 있다. 바람직하게는, 상기 몰수비가 0:50, 3:47, 6:44 또는 10:40일 수 있다. 상기 몰수비가 0:50이면 상기 x가 0이거나 상기 복합체가 Au38(L)24인 경우를 의미한다. 상기 몰수비를 조절하면 생성된 복합체의 합금 비율을 제어할 수 있다.The molar ratio of M and Au may be 0:50 to 10:40, respectively. Preferably, the molar ratio may be 0:50, 3:47, 6:44 or 10:40. If the molar ratio is 0:50, it means that x is 0 or the complex is Au 38 (L) 24 . By adjusting the molar ratio, it is possible to control the alloy ratio of the resulting composite.

상기 (a) 단계의 생성물은 상기 리간드의 종류에 따라 소듐하이드록사이드, 아세토나이트릴 또는 메탄올을 더 포함할 수 있다.The product of step (a) may further include sodium hydroxide, acetonitrile or methanol according to the type of the ligand.

예를 들면, 상기 L이 MPA이면, 상기 (a) 단계의 수용액 및 상기 (b) 단계의 수용액이 소듐하이드록사이드를 더 포함할 수 있고, 상기 Au, MPA 및 소듐보로하이드라이드의 농도비는 각각 2:1:2일 수 있고, 상기 (b) 단계의 수용액은 소듐하이드록사이드 및 소듐보로하이드라이드의 몰수비가 각각 1:2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, when L is MPA, the aqueous solution of step (a) and the aqueous solution of step (b) may further include sodium hydroxide, and the concentration ratio of Au, MPA and sodium borohydride is Each may be 2: 1: 2, and the aqueous solution of step (b) may have a molar ratio of sodium hydroxide and sodium borohydride of 1: 2, but is not limited thereto.

상기 L이 MPS이면, 상기 (a) 단계의 용액은 아세토나이트릴을 더 포함하고, 상기 (b) 단계는 2회 반복될 수 있고, 상기 (c) 단계는 물 및 메탄올의 혼합용액을 이용한 용액 분획 분리법으로 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 (a) 단계의 용액 및 수용액의 비율은 1:2일 수 있고, 상기 (b) 단계는 상기 소듐보로하이드를 1시간 간격으로 M 및 Au의 총합을 기준으로 각각 3당량, 2당량을 반응시키는 것일 수 있고, 상기 (c) 단계의 물 및 메탄올의 몰수비는 상기 화학식 1로 표시되는 복합체를 수득하는 경우 각각 3:8~10, 상기 화학식 2로 표시되는 복합체를 수득하는 경우 각각 3:4~6일 수 있다.If L is MPS, the solution of step (a) further comprises acetonitrile, step (b) may be repeated twice, step (c) is a solution using a mixed solution of water and methanol It may be carried out by fractionation. In this case, the ratio of the solution and the aqueous solution of the step (a) may be 1: 2, the step (b) is the sodium borohydride each 3 equivalents based on the total of M and Au at 1 hour intervals, It may be to react two equivalents, the molar ratio of water and methanol in the step (c) is 3: 8 to 10, respectively, when obtaining the complex represented by the formula (1) to obtain a complex represented by the formula (2) Cases may be 3: 4 to 6, respectively.

상기 L이 GS이면, 상기 (a) 단계의 용액은 메탄올을 더 포함하고, 상기 (c) 단계는 물 및 메탄올의 혼합 용액을 이용한 용액 분획 분리법으로 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 (a) 단계의 용액 및 수용액의 비율은 1:1일 수 있고, 상기 (b) 단계는 상기 소듐보로하이드라이드를 M 및 Au의 총합을 기준으로 10당량을 반응시키는 것일 수 있고, 상기 (c) 단계의 물 및 메탄올의 몰수비는 상기 화학식 1로 표시되는 복합체를 수득하는 경우 각각 3:10~14, 상기 화학식 2로 표시되는 복합체를 수득하는 경우 각각 3:6~8일 수 있다.When L is GS, the solution of step (a) further includes methanol, and step (c) may be performed by a solution fraction separation method using a mixed solution of water and methanol. In this case, the ratio of the solution and the aqueous solution of step (a) may be 1: 1, the step (b) may be to react the sodium borohydride 10 equivalents based on the total of M and Au The molar ratio of water and methanol in step (c) is 3:10 to 14 when obtaining the complex represented by Formula 1, and 3: 6 to 8 when obtaining the complex represented by Formula 2, respectively. Can be.

상기 (c) 단계에서 상기 (b) 단계의 생성물을 탈염처리 후 원심분리하거나, 상이동법으로 상기 복합체를 수득할 수 있다.In step (c), the product of step (b) may be centrifuged after desalting, or the complex may be obtained by a phase transfer method.

상기 탈염처리 후 원심분리하는 경우는, 예를 들면, Au25(L)18 복합체를 제조한 후 탈염컬럼(desalting column)으로 탈염처리하고, 원심분리기에서 정제하여 고순도의 상기 복합체를 수득하는 방법일 수 있다.In the case of centrifugation after the desalination treatment, for example, Au 25 (L) 18 complexes are prepared and then desalted with a desalting column, and purified in a centrifuge to obtain the high purity complex. Can be.

상기 상이동법으로 복합체를 수득하는 경우는, 예를 들면, PtAu24(L)18 또는 PdAu24(L)18 복합체를 제조한 후 (i) 테트라옥틸암모늄(tetraoctylammonium) 양이온을 첨가하여 상기 복합체를 유기용매로 상이동시키고, (ii) 과산화수소수(H2O2)를 첨가 후 교반하여 불순물을 제거하고, (iii) 테트라옥틸암모늄데카노에이트(tetraoctylammonium decanoate)를 첨가하여 상기 복합체를 수용액으로 상이동시켜 수득하는 방법일 수 있다. 상기 (iii) 단계를 포함하면, 종래기술과 상이한 수용성 촉매를 제조할 수 있다.In the case of obtaining the complex by the phase transfer method, for example, a PtAu 24 (L) 18 or a PdAu 24 (L) 18 complex is prepared, and then (i) tetraoctylammonium cation is added to the organic compound. Phase shift with a solvent, (ii) hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is added and stirred to remove impurities, and (iii) tetraoctylammonium decanoate is added to phase transfer the complex to an aqueous solution. It may be a method obtained by. Including the step (iii), it is possible to prepare a water-soluble catalyst different from the prior art.

이하, 본 발명의 실시예에 관하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이하의 실험 결과는 상기 실시예 중 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail. However, the following experimental results are only representative of the experimental results of the above examples, and the scope and contents of the present invention may be reduced or limited by the examples and the like and thus cannot be interpreted. The effects of each of the various embodiments of the invention, which are not explicitly set forth below, will be described in detail in that section.

실시예 1Example 1

20mM의 금(III)클로라이드트리하이드레이트 수용액 0.25mL, 5mM의 3-머캅토프로피오닉산 수용액 2mL 및 물 2.4mL를 혼합하고, 이를 교반하며 1M의 소듐하이드록사이드 수용액 0.25mL를 첨가하였다. 상기 용액이 불투명한 노란색에서 투명한 노란색이 되면 20mM의 소듐보로하이드라이드 0.1mL를 천천히 첨가하여 갈색 용액으로 변화시켰다. 상기 용액을 3시간 동안 강하게 교반한 후 3kDa 단위의 탈염컬럼 처리하고, 원심분리기에서 4,000rpm으로 10분 이상 정제하여 고순도의 Au25(MPA)18 복합체를 수득하였다. 상기 복합체를 흡광도 및 질량분석하여 순도를 확인하였다.0.25 mL of 20 mM gold (III) chloride trihydrate aqueous solution, 2 mL of 5 mM 3-mercaptopropionic acid aqueous solution and 2.4 mL of water were mixed and stirred, and 0.25 mL of 1M sodium hydroxide aqueous solution was added. When the solution turned from opaque yellow to transparent yellow, 20 mL of sodium borohydride 0.1 mL was added slowly to change into a brown solution. The solution was stirred vigorously for 3 hours and then treated with 3 kDa desalting column, and purified at 4,000 rpm for 10 minutes or more in a centrifuge to obtain a high purity Au 25 (MPA) 18 complex. Purity was confirmed by absorbance and mass spectrometry of the complex.

실시예 2Example 2

0.20mmol의 금속(M)염 및 0.80mmol의 금(III)클로라이드트리하이드레이트를 메탄올 50mL에 용해시킨 후, 3.0mmol의 글루타싸이온이 용해된 물 50mL와 천천히 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 60분동안 교반하고, 0℃로 냉각하였다. 상기 냉각된 혼합물에 5.0mmol의 소듐보로하이드라이드가 용해된 수용액 10mL를 첨가하고 90분 동안 교반하였다. 반응이 종료된 후 회전 증발기에서 용매를 완전히 제거하고, 물 9mL에 용해시킨 후 비용매인 메탄올 2mL를 첨가하였다. 원심분리기를 이용하여 생성된 고체를 침전시키고, 고체가 분리된 탈리액에 메탄올 2mL를 첨가한 후 원심분리기로 고체를 침전시키는 과정을 반복하였다. 침전된 고체를 과량의 메탄올에 투입하여 불순물을 제거하고, 흡광도 및 질량분석하여 수득한 복합체가 MxAu25-x(GS)18 또는 M2Au36(GS)18임을 확인하였다.A mixture was prepared by dissolving 0.20 mmol of metal (M) salt and 0.80 mmol of gold (III) chloride trihydrate in 50 mL of methanol, and then slowly mixing with 50 mL of water in which 3.0 mmol of glutathione was dissolved. The mixture was stirred for 60 minutes and cooled to 0 ° C. To the cooled mixture was added 10 mL of an aqueous solution of 5.0 mmol of sodium borohydride and stirred for 90 minutes. After the reaction was completed, the solvent was completely removed from the rotary evaporator, dissolved in 9 mL of water, and 2 mL of nonsolvent methanol was added thereto. The resulting solids were precipitated using a centrifuge, and 2 mL of methanol was added to the detachment solution from which the solids were separated, followed by repeated precipitation of the solids using a centrifuge. The precipitated solid was added to excess methanol to remove impurities, and the obtained complex was confirmed to be M x Au 25-x (GS) 18 or M 2 Au 36 (GS) 18 .

실시예 3Example 3

0.20mmol의 금속(M)염 및 0.80mmol의 금(III)클로라이드트리하이드레이트를 아세토나이트릴 40mL에 용해시킨 후, 3.0mmol의 소듐3-머캅토-1-프로판설퍼네이트가 용해된 물 50mL와 천천히 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 30분동안 교반하고, 0℃로 냉각하였다. 상기 냉각된 혼합물에 3.0mmol의 소듐보로하이드라이드가 용해된 수용액 6mL를 첨가하고 0℃에서 60분 동안 강하게 교반하고, 2.0mmol의 소듐보로하이드라이드가 용해된 수용액 4mL를 더 첨가하고 30분 동안 교반하였다. 반응이 종료된 후 회전 증발기에서 용매를 완전히 제거하고, 물 9mL에 용해시킨 후 비용매인 메탄올 2mL를 첨가하였다. 원심분리기를 이용하여 생성된 고체를 침전시키고, 고체가 분리된 탈리액에 메탄올 2mL를 첨가한 후 원심분리기로 고체를 침전시키는 과정을 반복하였다. 침전된 고체를 과량의 메탄올에 투입하여 불순물을 제거하고, 흡광도 및 질량분석하여 수득한 복합체가 MxAu25-x(MPS)18 또는 M2Au36(MPS)18임을 확인하였다.0.20 mmol of metal (M) salt and 0.80 mmol of gold (III) chloride trihydrate are dissolved in 40 mL of acetonitrile, and then slowly with 50 mL of water in which 3.0 mmol of sodium 3-mercapto-1-propanesulfonate is dissolved. Mixing gave a mixture. The mixture was stirred for 30 minutes and cooled to 0 ° C. To the cooled mixture, 6 mL of an aqueous solution containing 3.0 mmol of sodium borohydride was added and stirred vigorously at 0 ° C. for 60 minutes, and an additional 4 mL of an aqueous solution of 2.0 mmol of sodium borohydride was added thereto for 30 minutes. Was stirred. After the reaction was completed, the solvent was completely removed from the rotary evaporator, dissolved in 9 mL of water, and 2 mL of nonsolvent methanol was added thereto. The resulting solids were precipitated using a centrifuge, and 2 mL of methanol was added to the detachment solution from which the solids were separated, followed by repeated precipitation of the solids using a centrifuge. The precipitated solid was added to excess methanol to remove impurities, and the obtained complex was confirmed to be M x Au 25-x (MPS) 18 or M 2 Au 36 (MPS) 18 obtained by absorbance and mass spectrometry.

상기 금속(M)염은 디하이드로겐헥사클로로플라티네이트(IV) 하이드레이트(H2PtCl6·xH2O, >99%) 및 실버(I)아세테이트(CH3COOAg, >99%)로 이루어진 군에서 선택된 하나이고, 용매의 조성, 금속염 및 금염의 몰수비, 총 금속염 및 리간드의 몰수비는 최종 생성물의 순도 및 수율에 따라 조절될 수 있다.The metal (M) salt consists of dihydrogen hexachloroplatinate (IV) hydrate (H 2 PtCl 6 .xH 2 O,> 99%) and silver (I) acetate (CH 3 COOAg,> 99%). It is one selected from the group, the composition of the solvent, the mole ratio of the metal salt and gold salt, the mole ratio of the total metal salt and ligand can be adjusted according to the purity and yield of the final product.

비교예 1Comparative Example 1

0.10mmol의 디하이드로겐헥사클로로플라티네이트(IV) 하이드레이트, 소듐테트라클로로팔라데이트(II) 수화물, 카드뮴염화물수화물 또는 수은(II)클로라이드와, 0.40mmol의 금(III) 클로라이드 트리하이드레이트, 그리고 0.58mmol의 테트라옥틸암모늄 브로마이드를 15mL의 테트라하이드로푸란에 녹인 후 60분간 교반한다.0.10 mmol dihydrogenhexachloroplatinate (IV) hydrate, sodium tetrachloropalladate (II) hydrate, cadmium chloride hydrate or mercury (II) chloride, 0.40 mmol gold (III) chloride trihydrate, and 0.58 A mmol of tetraoctylammonium bromide is dissolved in 15 mL of tetrahydrofuran and stirred for 60 minutes.

검붉은색을 띄는 상기 혼합 용액에 2.5mmol의 헥산싸이올을 1분간 첨가 후 용액의 색이 주황색이 되도록 5분 동안 교반한다. 이 용액에 5.0mmol의 소듐보로하이드라이드가 녹아있는 5mL의 수용액을 넣어주며 이때 강하게 교반해준다.2.5 mmol of hexane thiol was added to the dark red mixed solution for 1 minute, followed by stirring for 5 minutes so that the color of the solution became orange. Into this solution, add 5 mL of an aqueous solution of 5.0 mmol of sodium borohydride, and stir vigorously.

추가로 상온에서 상기 교반한 용액을 회전 증발기를 이용해 용매를 증발시키면 슬러리 형태의 검은색 복합체를 얻는다. 얻어진 복합체를 메탄올과 에탄올로 각각 10회씩 세척하여 불순물을 제거한 후 회전 증발기를 이용해 여분의 용매를 제거한다.Further, the stirred solution at room temperature was evaporated using a rotary evaporator to obtain a black complex in the form of a slurry. The obtained complex is washed 10 times with methanol and ethanol each to remove impurities, and then the excess solvent is removed using a rotary evaporator.

세척된 복합체 중에서 PtAu24(C6S)18, PdAu24(C6S)18, CdAu24(C6S)18 또는 HgAu24(C6S)18를 분리하여 수득하였다.PtAu 24 (C 6 S) 18 , PdAu 24 (C 6 S) 18 , CdAu 24 (C 6 S) 18 or HgAu 24 (C 6 S) 18 were obtained separately in the washed complex.

비교예 2Comparative Example 2

제조를 위해서 0.20mmol의 소듐테트라클로로팔라데이트(II) 수화물과 0.80mmol의 금(III)클로라이드트리하이드레이트를 40mL의 아세토나이트릴에 녹인 후 80mL의 물에 용해된 3.0mmol의 소듐 3-머캅토-1-프로판설퍼네이트와 천천히 천천히 혼합한 후, 30분 동안 교반하고 냉각한다.For the preparation, 0.20 mmol of sodium tetrachloropalladate (II) hydrate and 0.80 mmol of gold (III) chloride trihydrate were dissolved in 40 mL of acetonitrile and 3.0 mmol of sodium 3-mercapto- dissolved in 80 mL of water. Slowly and slowly mix with 1-propanesulfonate, then stir and cool for 30 minutes.

냉각된 혼합액에 3.0mmol의 소듐보로하이드라이드가 녹아있는 6mL의 수용액을 넣어주며 0℃에서 60분 동안 강하게 교반한 후, 2.0mmol의 소듐보로하이드라이드가 녹아있는 4mL의 수용액을 첨가하고 30 분 동안 교반한다. 혹은 5.0mmol의 소듐보로하이드라이드가 녹아있는 10mL의 수용액을 넣어주며 0℃에서 90분 동안 강하게 교반할 수 있다.6mL aqueous solution of 3.0mmol sodium borohydride dissolved in the cooled mixture was stirred vigorously at 0 ° C for 60 minutes, and then 4mL aqueous solution of 2.0mmol sodium borohydride dissolved was added. Stir for minutes. Alternatively, 10 mL of an aqueous solution of 5.0 mmol of sodium borohydride is added thereto, followed by vigorous stirring at 0 ° C. for 90 minutes.

반응이 완결되면 회전 증발하여 용매를 완전히 제거한 후 9mL의 물에 용해시키고 2mL의 비용매인 메탄올을 넣어 생기는 고체를 원심분리기를 이용하여 침전시키며, 다시 가라앉지 않은 용액에 추가로 2mL의 메탄올을 넣어주어 원심분리를 하여 침전시키는 과정을 반복한다.After completion of the reaction, the solvent was completely evaporated by rotary evaporation, dissolved in 9 mL of water, and 2 mL of nonsolvent methanol was added to precipitate a solid produced by centrifugation. In addition, 2 mL of methanol was added to the solution which was not settled again. Repeat the centrifugation and settling.

이 과정을 통해 입자크기가 작은 리간드로 보호된 복합체를 분리하고, 침전된 고체를 과량의 메탄올을 넣어 불순물을 제거하고 흡광도 분석 및 질량 분석을 통해 PdAu24(MPS)18 복합체를 얻는다.Through this process, the ligand-protected complex is separated, and the precipitated solid is added with excess methanol to remove impurities, and the PdAu 24 (MPS) 18 complex is obtained by absorbance analysis and mass spectrometry.

비교예 3Comparative Example 3

(1) Cu1~8Au24~17(C6S)18 (1) Cu 1 ~ 8 Au 24 ~ 17 (C 6 S) 18

0.10mmol의 구리(II)클로라이드디하이드레이트와 0.40mmol의 금(III)클로라이드트리하이드레이트, 그리고 0.58mmol의 테트라옥틸암모늄브로마이드를 15mL의 테트라하이드로푸란에 녹인 후 60분간 교반한다.0.10 mmol of copper (II) chloride dihydrate, 0.40 mmol of gold (III) chloride trihydrate, and 0.58 mmol of tetraoctyl ammonium bromide are dissolved in 15 mL of tetrahydrofuran and stirred for 60 minutes.

적갈색을 띄는 상기 혼합 용액에 2.5mmol의 헥산싸이올을 1분간 첨가 후 용액의 색이 초록색이 되도록 60분 동안 교반한다. 이 용액에 5.0mmol의 소듐보로하이드라이드가 녹아있는 5mL의 수용액을 넣어주며 이때 강하게 교반해준다.2.5 mmol hexane thiol was added to the reddish brown mixed solution for 1 minute, followed by stirring for 60 minutes so that the color of the solution became green. Into this solution, add 5 mL of an aqueous solution of 5.0 mmol of sodium borohydride, and stir vigorously.

추가로 상온에서 상기 교반한 용액을 회전 증발기를 이용해 용매를 증발시키면 슬러리 형태의 검은색 복합체를 얻는다. 얻어진 복합체를 메탄올과 에탄올로 각각 10회씩 세척하여 불순물을 제거한 후 회전 증발기를 이용해 여분의 용매를 제거한다.Further, the stirred solution at room temperature was evaporated using a rotary evaporator to obtain a black complex in the form of a slurry. The obtained complex is washed 10 times with methanol and ethanol each to remove impurities, and then the excess solvent is removed using a rotary evaporator.

다음으로, 세척된 복합체에 과량의 아세토나이트릴과 아세톤 혼합액(부피비=1:1)을 넣어 CuxAu25-x(C6S)18 (x = 1~8) 복합체를 추출한다.Next, put excess acetonitrile and acetone mixture (volume ratio = 1: 1) to the washed complex to extract the Cu x Au 25-x (C 6 S) 18 (x = 1 ~ 8) complex.

(2) Cu16Au9(GS)18 (2) Cu 16 Au 9 (GS) 18

0.20mmol의 구리(II)클로라이드디하이드레이트와 0.80mmol의 금(III) 클로라이드 트리하이드레이트를 50mL의 메탄올에 녹인 후 50mL의 물에 용해된 3.0mmol의 글루타싸이온과 천천히 천천히 혼합한 후, 60분 동안 교반하고 0℃로 냉각한다. 냉각된 혼합액에 5.0mmol의 소듐보로하이드라이드가 녹아있는 10mL의 수용액을 첨가하고 90분 동안 교반한다.After dissolving 0.20 mmol of copper (II) chloride dihydrate and 0.80 mmol of gold (III) chloride trihydrate in 50 mL of methanol, slowly and slowly mixing with 3.0 mmol of glutathione dissolved in 50 mL of water, followed by 60 minutes Stir and cool to 0 ° C. To the cooled mixture is added 10 mL of an aqueous solution of 5.0 mmol of sodium borohydride and stirred for 90 minutes.

반응이 완결되면 회전 증발하여 용매를 완전히 제거한 후 9mL의 물에 용해시키고 2mL의 비용매인 메탄올을 넣어 생기는 고체를 원심분리기를 이용하여 침전시키고, 다시 가라앉지 않은 용액에 추가로 2mL의 메탄올을 넣어주어 원심분리를 하여 침전시키는 과정을 반복한다.After completion of the reaction, the solvent was completely evaporated by rotary evaporation, dissolved in 9 mL of water, and 2 mL of nonsolvent methanol was added to precipitate a solid formed by centrifugation. The process of centrifugation and precipitation is repeated.

이 과정을 통해 입자크기가 작은 글루타싸이온으로 보호된 복합체를 분리하고, 침전된 고체를 과량의 메탄올을 넣어 불순물을 제거하고 흡광도 분석 및 질량 분석을 통해 Cu16Au9(GS)18 복합체를 얻는다.This process separates the complex protected with small particle glutathione, removes the precipitated solids by adding excess methanol and removes the Cu 16 Au 9 (GS) 18 complex by absorbance analysis and mass spectrometry. Get

(3) Cu11~12Au14~13(MPS)18 (3) Cu 11 ~ 12 Au 14 ~ 13 (MPS) 18

0.20mmol의 구리(II)클로라이드디하이드레이트와 0.80mmol의 금(III)클로라이드트리하이드레이트를 40mL의 아세토나이트릴에 녹인 후 80mL의 물에 용해된 3.0mmol의 소듐 3-머캅토-1-프로판설퍼네이트와 천천히 천천히 혼합한 후, 30분 동안 교반하고 0℃로 냉각한다.0.20 mmol of copper (II) chloride dihydrate and 0.80 mmol of gold (III) chloride trihydrate were dissolved in 40 mL of acetonitrile and 3.0 mmol of sodium 3-mercapto-1-propanesulfonate dissolved in 80 mL of water. After slowly and slowly mixing with, stirred for 30 minutes and cooled to 0 ℃.

냉각된 혼합액에 3.0mmol의 소듐보로하이드라이드가 녹아있는 6mL의 수용액을 넣어주며 0℃에서 60분 동안 강하게 교반한 후, 2.0mmol의 소듐보로하이드라이드가 녹아있는 4mL의 수용액을 첨가하고 30분 동안 교반한다.6mL aqueous solution of 3.0mmol sodium borohydride dissolved in the cooled mixture was stirred vigorously at 0 ° C for 60 minutes, and then 4mL aqueous solution of 2.0mmol sodium borohydride dissolved was added. Stir for minutes.

반응이 완결되면 회전 증발하여 용매를 완전히 제거한 후 9mL의 물에 용해시키고 2mL의 비용매인 메탄올을 넣어 생기는 고체를 원심분리기를 이용하여 침전시키고, 다시 가라앉지 않은 용액에 추가로 2mL의 메탄올을 넣어주어 원심분리를 하여 침전시키는 과정을 반복한다.After completion of the reaction, the solvent was completely evaporated by rotary evaporation, dissolved in 9 mL of water, and 2 mL of nonsolvent methanol was added to precipitate a solid formed by centrifugation. Repeat the centrifugation and settling.

이 과정을 통해 입자크기가 작은 리간드로 보호된 복합체를 분리하고, 침전된 고체를 과량의 메탄올을 넣어 불순물을 제거하고 흡광도 분석 및 질량 분석을 통해 Cu11Au14(MPS)18과 Cu12Au13(MPS)18 복합체를 얻는다.Through this process, the complex protected with small particle ligand was separated, and the precipitated solid was added with excess methanol to remove impurities, and absorbance and mass spectrometry were used to detect Cu 11 Au 14 (MPS) 18 and Cu 12 Au 13. (MPS) 18 complex is obtained.

실험예Experimental Example

Au25(L)18을 제조하기 위하여 리간드(L)로 수용성 MPA와 MPS를 사용하였으며, HER 촉매 반응에 있어 리간드의 효과를 이해하고자 특허문헌 1에 기재된 종래의 유기용매에 용해된 헥산싸이올(1-hexanethiol, C6S)을 이용한 Au25(C6S)18 복합체를 제조하여 비교하였다. 리간드 각각의 구조를 도 1에 도시하였다. 도 1을 참고하면, MPA와 MPS 리간드는 각각 카르복시산(carboxylic acid)와 술폰산(sulfonic acid)로 기능화된 반면, C6S는 아무런 작용기를 갖지 않는다.Water soluble MPA and MPS were used as ligand (L) to prepare Au 25 (L) 18 , and hexane thiol dissolved in the conventional organic solvent described in Patent Document 1 to understand the effect of ligand in HER catalysis. Au 25 (C 6 S) 18 complex using 1-hexanethiol, C 6 S) was prepared and compared. The structure of each of the ligands is shown in FIG. Referring to FIG. 1, MPA and MPS ligands are functionalized with carboxylic acid and sulfonic acid, respectively, while C 6 S has no functional group.

제조된 Au25(MPA)18 및 Au25(MPS)18의 순도는 음전하 모드의 전기분무 질량분석법(electrospray ionization mass spectrometry)으로 확인하였으며, 각각의 조성은 수소이온(H+)을 포함하는 Au25(SC3H4O2)18과 소듐이온(Na+)을 포함하는 Au25(S2C3H6O3)18로 확인되었다. 자세한 분석 결과는 하기 표 1 및 표 2에 각각 기재하였다.Purity of the prepared Au 25 (MPA) 18 and Au 25 (MPS) 18 was confirmed by electrospray ionization mass spectrometry of negative charge mode, each composition Au 25 containing hydrogen ions (H + ) It was confirmed that Au 25 (S 2 C 3 H 6 O 3 ) 18 containing (SC 3 H 4 O 2 ) 18 and sodium ion (Na + ). Detailed analysis results are shown in Tables 1 and 2, respectively.

Au 개수Au count MPA- 개수MPA - Count H+ 개수H + count 전하량Charge 계산값
m/z (Da)
Calculated Value
m / z (Da)
측정값
m/z (Da)
Measures
m / z (Da)
상대오차
(%)
Relative error
(%)
2525 1818 1515 -4-4 1707.921707.92 1702.791702.79 -0.30-0.30 2525 1818 1515 -4-4 1681.381681.38 1676.541676.54 -0.29-0.29 2525 1818 1515 -4-4 1605.601605.60 1601.051601.05 -0.28-0.28 2525 1818 1515 -4-4 1556.361556.36 1551.811551.81 -0.29-0.29 2525 1818 1515 -4-4 1529.831529.83 1525.561525.56 -0.28-0.28 2525 1818 1515 -4-4 1366.131366.13 1362.031362.03 -0.30-0.30 2525 1818 1515 -4-4 1344.901344.90 1341.031341.03 -0.29-0.29 2525 1818 1515 -4-4 1284.281284.28 1280.641280.64 -0.28-0.28 2525 1818 1515 -4-4 1244.891244.89 1241.241241.24 -0.29-0.29 2525 1818 1515 -4-4 1223.661223.66 1220.241220.24 -0.28-0.28 2525 1818 1515 -4-4 1138.271138.27 1134.861134.86 -0.30-0.30 2525 1818 1515 -4-4 1120.581120.58 1117.361117.36 -0.29-0.29 2525 1818 1515 -4-4 1070.071070.07 1067.031067.03 -0.28-0.28 2525 1818 1515 -4-4 1037.241037.24 1034.201034.20 -0.29-0.29 2525 1818 1515 -4-4 1019.551019.55 1016.701016.70 -0.28-0.28 2525 1818 1515 -4-4 975.52975.52 972.59972.59 -0.30-0.30 2525 1818 1515 -4-4 960.36960.36 957.59957.59 -0.29-0.29

Au 개수Au count MPS- 개수MPS - Count Na+ 개수Na + count 전하량Charge 계산값
m/z (Da)
Calculated Value
m / z (Da)
측정값
m/z (Da)
Measures
m / z (Da)
상대오차
(%)
Relative error
(%)
2525 1818 1212 -7-7 1139.411139.41 1139.091139.09 -0.028-0.028 2525 1717 1111 -7-7 1114.101114.10 1113.811113.81 -0.026-0.026 2424 1616 1010 -7-7 1060.641060.64 1060.391060.39 -0.024-0.024 2525 1818 1111 -8-8 994.11994.11 993.83993.83 -0.029-0.029 2525 1717 1010 -8-8 971.96971.96 971.71971.71 -0.026-0.026 2424 1616 99 -8-8 925.19925.19 924.96924.96 -0.024-0.024 2323 1616 99 -8-8 900.57900.57 900.34900.34 -0.025-0.025 2323 1515 88 -8-8 878.42878.42 878.22878.22 -0.022-0.022 2525 1818 1010 -9-9 881.10881.10 880.85880.85 -0.029-0.029 2525 1717 99 -9-9 861.41861.41 861.18861.18 -0.026-0.026 2424 1616 88 -9-9 819.84819.84 819.64819.64 -0.024-0.024 2323 1616 88 -9-9 797.95797.95 797.75797.75 -0.025-0.025 2323 1515 77 -9-9 778.26778.26 778.09778.09 -0.022-0.022 2525 1818 99 -10-10 790.69790.69 790.46790.46 -0.029-0.029 2525 1717 88 -10-10 772.97772.97 772.77772.77 -0.026-0.026 2424 1616 77 -10-10 735.55735.55 735.37735.37 -0.024-0.024 2323 1616 77 -10-10 715.86715.86 715.68715.68 -0.025-0.025 2323 1515 66 -10-10 698.14698.14 697.98697.98 -0.022-0.022 2525 1818 88 -11-11 716.72716.72 716.51716.51 -0.029-0.029 2525 1717 77 -11-11 700.61700.61 700.43700.43 -0.026-0.026 2424 1616 66 -11-11 666.59666.59 666.43666.43 -0.025-0.025

상기 표 1 또는 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 복합체는 상대오차가 낮은 고순도의 나노 클러스터임을 확인할 수 있다.도 2의 A를 참고하면, Au25(MPA)18의 질량분석 스펙트럼은 900에서 1,800 Da의 범위에서 관찰되었으며, 수소이온으로 하전상이 결정된 -7, -6, -5, 및 -4의 Au25(MPA)18 피크 세트가 나타났다.Referring to Table 1 or 2, it can be confirmed that the composite prepared according to the embodiment of the present invention is a high purity nano cluster having a low relative error. Referring to A of FIG. 2, mass analysis of Au 25 (MPA) 18 was performed. Spectra were observed in the range from 900 to 1,800 Da, revealing a set of Au 25 (MPA) 18 peaks of -7, -6, -5, and -4 whose charge phase was determined by hydrogen ions.

도 2의 B를 참고하면, Au25(MPS)18의 질량분석 스펙트럼은 600에서 1,200 Da의 범위에서 관찰되었고, 소듐이온으로 하전상이 결정된 -11, -10, -9, -8, 및 -7의 피크 세트가 나타났다.Referring to B of FIG. 2, the mass spectrometry spectra of Au 25 (MPS) 18 were observed in the range of 600 to 1,200 Da, -11, -10, -9, -8, and -7 in which the charged phase was determined by sodium ions. A peak set of appeared.

Au25(L)18의 중심금속 하전상은 -1이므로, 하전상에 리간드가 기여하는 전하는 Au25(MPA)18의 경우 -3 내지 -6이며, Au25(MPS)18는 -6 내지 -10이다. Au25(MPA)18의 리간드에 있는 18개의 카르복시산에 12 내지 15개의 수소이온이, Au25(MPS)18의 리간드에 있는 18개의 술폰산에 8 내지 12개의 소듐이온이 결합되어 이와 같은 하전상을 가질 수 있다.Since the central metal charge phase of Au 25 (L) 18 is -1, the charge contributed by the ligand to the charge phase is -3 to -6 for Au 25 (MPA) 18 , and Au 25 (MPS) 18 is -6 to -10 to be. 12 to 15 hydrogen ions are bound to 18 carboxylic acids in the ligand of Au 25 (MPA) 18 and 8 to 12 sodium ions are bound to 18 sulfonic acids in the ligand of Au 25 (MPS) 18 to form this charged phase. Can have.

이는, MPA 리간드는 주어진 시간에 수소이온이 결합하여 해리되지 않을 가능성이 크지만, MPS 리간드는 수소이온을 용이하게 해리시켜 더 자주 음이온으로 존재함을 의미하며, 이는 술폰산의 산성도(pKa <1)가 카르복시산의 산성도(pKa = 3.8)보다 높다는 점에서 두 리간드의 차이로 인한 것이라 판단된다. 이 결과는 리간드의 산성도 차이가 수용액에서 양성자를 유지하는 리간드의 능력을 변화시킨다는 사실을 시사하며, 전기화학적 촉매 HER에 영향을 미칠 수 있다.This means that MPA ligands are unlikely to dissociate and dissociate hydrogen ions at a given time, but MPS ligands easily dissociate hydrogen ions and more often exist as anions, which means that the acidity of sulfonic acid (pKa <1) Is due to the difference between the two ligands in that the acidity of the carboxylic acid (pKa = 3.8). This result suggests that the acidity difference of the ligands alters the ligand's ability to retain protons in aqueous solution and may affect the electrochemical catalyst HER.

도 3의 A는 종래 기술(특허문헌 1)에 따라 제조된 비교예인 Au25(C6S)18, 본 발명에서 제조된 Au25(MPA)18 및 Au25(MPS)18의 자외선-가시광선-근적외선(UV-vis-NIR) 흡수 스펙트럼을 도시한 것이다. 근적외선 범위에서 스펙트럼의 경향을 보다 분명하게 관찰하기 위하여 광전 에너지(photon energy) 축으로 도시하였다. Au25(C6S)18, Au25(MPA)18 및 Au25(MPS)18은 모두 1.8, 2.8 및 3.1eV에서 관찰되는 Au25(L)18 복합체의 전형적인 에너지 밴드를 나타냈다. 이로부터 제조된 복합체가 모두 전형적인 Au25(L)18의 구조를 이루고 있음을 확인할 수 있고, 리간드의 변화에 의한 전자구조(electronic structure)는 흡수 스펙트럼으로는 관찰하기 어렵다는 것을 알 수 있다.3A shows ultraviolet-visible rays of Au 25 (C 6 S) 18 , Au 25 (MPA) 18 and Au 25 (MPS) 18 which are comparative examples prepared according to the prior art (Patent Document 1). Near-infrared (UV-vis-NIR) absorption spectra are shown. In order to more clearly observe the trend of the spectrum in the near infrared range, it is shown by the photon energy axis. Au 25 (C 6 S) 18 , Au 25 (MPA) 18 and Au 25 (MPS) 18 all exhibited typical energy bands of Au 25 (L) 18 complexes observed at 1.8, 2.8 and 3.1 eV. It can be seen that all of the prepared composites have a typical Au 25 (L) 18 structure, and the electronic structure due to the change of the ligand is difficult to observe in the absorption spectrum.

리간드의 변화에 의한 효과를 확인하기 위해, 미세하게 변화하는 복합체의 전자구조를 실험적으로 규명하는 가장 효과적인 방법 중 하나인 구형파 전압-전류법(square-wave voltammetry, SWV)으로 각 복합체의 볼타모그람(voltammograms)을 얻고, 이를 도 3의 B에 도시하였다. 도 3의 B를 참고하면, 검정선은 비교예인 Au25(C6S)18의 볼타모그람이며, 0.31(O1), -0.04(O2) 및 -1.7V (R1) (Ag/AgCl 기준)에서 관찰되는 피크는 Au25 +/0, Au25 0/- 및 Au25 -/2-를 의미한다. Au25(C6S)18의 에너지 밴드갭(HOMO-LUMO energy gap)은 첫번째 산화피크(O1)와 환원피크(R1)의 차이에서 충전 에너지(charging energy, O2-O1)을 빼서 결정할 수 있으며, 1.3V임을 확인하였다.Voltamograms of each complex can be determined by square-wave voltammetry (SWV), which is one of the most effective methods for experimentally identifying the electronic structure of microscopically changing complexes. (voltammograms) were obtained and shown in B of FIG. 3. Referring to B of FIG. 3, the calibration line is a voltamogram of Au 25 (C 6 S) 18 as a comparative example, and 0.31 (O 1), -0.04 (O 2), and -1.7 V (R 1) (based on Ag / AgCl). The peaks observed at are Au 25 + / 0 , Au 25 0 / -and Au 25- / 2- . The HOMO-LUMO energy gap of Au 25 (C 6 S) 18 can be determined by subtracting the charging energy (O2-O1) from the difference between the first oxide peak (O1) and the reducing peak (R1). , 1.3V.

도 3의 B를 참고하면, 복합체가 환원되는 전위는 리간드에 따라 변화하였다. Au25(MPA)18의 환원전위(R1)는 Au25(C6S)18의 환원전위에 대해 더 양의 위치로 이동(-1.6V)하고, 그 결과 에너지 밴드갭은 1.2V로 다소 감소하였다. Au25(MPS)18의 환원전위는 더 양의 위치로 이동하여 -1.2V에서 관찰되며, 에너지 밴드갭은 0.8V로 훨씬 더 감소하였다.Referring to B of FIG. 3, the potential at which the complex is reduced is changed depending on the ligand. The reduction potential (R1) of Au 25 (MPA) 18 moves to a more positive position (-1.6 V) relative to the reduction potential of Au 25 (C 6 S) 18 , with the result that the energy bandgap decreases slightly to 1.2 V. It was. The reduction potential of Au 25 (MPS) 18 shifted to a more positive position and was observed at -1.2V, and the energy bandgap was further reduced to 0.8V.

이러한 환원전위의 이동은 MPA 리간드에 기능화된 카르복시산과 MPS 리간드에 기능화된 술폰산의 정전기 장 효과(electrostatic field effect)로 설명될 수 있다. MPA나 MPS와 같은 산성 리간드는 전자 밀도가 높아 금속-리간드 막에서 전자 밀도가 불균일하며, 이에 따라 복합체의 환원반응이 용이해져 환원전위가 양의 방향으로 이동하였다. 또한, 술폰산의 산성도가 카르복시산의 산성도보다 높기 때문에, 술폰산에서의 정전기 장 효과가 카르복시산에서보다 더 강하게 작용하였다. 이러한 결과는 산성 리간드를 사용하여 복합체의 전자구조를 변화시킬 수 있다는 사실을 의미한다.This shift in reduction potential can be explained by the electrostatic field effect of carboxylic acid functionalized on MPA ligand and sulfonic acid functionalized on MPS ligand. Acidic ligands such as MPA and MPS have high electron densities, resulting in non-uniform electron densities in the metal-ligand films, thereby facilitating the reduction reaction of the complex, thereby shifting the reduction potential in the positive direction. In addition, since the acidity of sulfonic acid is higher than that of carboxylic acid, the electrostatic field effect in sulfonic acid acted more strongly than in carboxylic acid. These results indicate that acidic ligands can be used to change the electronic structure of the complex.

리간드의 변화가 Au25(L)18의 HER 촉매 반응에 어떠한 역할을 하는 지 확인하기 위하여, 1mM의 Au25(MPA)18 (빨강) 또는 1mM의 Au25(MPS)18 (파랑)이 포함되거나 포함되지 않은(회색) 180mM의 아세트산과 0.1M 포타슘클로라이드(KCl) 혼합액에서의 선형 전압-전류도(linear-sweep voltammograms, LSVs)를 도 4에 도시하였고, Ag/AgCl 기준전극으로 전위를 측정하여 아세트산(10-4.76)의 산해리상수를 사용한 RHE(reversible hydrogen electrode) 기준으로 표기하였다.To determine what role the ligand changes play in the HER catalysis of Au 25 (L) 18 , 1 mM Au 25 (MPA) 18 (red) or 1 mM Au 25 (MPS) 18 (blue) Linear-sweep voltammograms (LSVs) in a 180 mM acetic acid and 0.1 M potassium chloride (KCl) mixture not included (grey) are shown in FIG. 4, and the potentials were measured using an Ag / AgCl reference electrode. The acid dissociation constant of acetic acid (10 -4.76 ) is expressed on the basis of reversible hydrogen electrode (RHE).

도 4를 참고하면, 촉매가 없을 때의 전류는 -1.3V(RHE 기준)에서 0.35mA이며, 촉매로서 Au25(C6S)18가 도입되면 전류는 1.6mA로 증가하였다. 촉매전류는 Au25(MPA)18와 Au25(MPS)18가 각각 촉매로서 투입되었을 때 1.9와 4.1mA으로 더 증가하였다. Au25(C6S)18가 도입되며 관찰된 촉매전류는 Au25(L)18 복합체가 HER에 대하여 충분히 촉매로서 작용하고 있음을 확인하였다. 리간드로 MPA나 MPS를 가지는 복합체에서 관찰된 촉매전류의 증가는 리간드의 변화가 HER 촉매 반응에 대하여 효과적으로 작용하고 있음을 시사한다.Referring to FIG. 4, the current in the absence of a catalyst was 0.35 mA at −1.3 V (RHE reference), and when Au 25 (C 6 S) 18 was introduced as a catalyst, the current increased to 1.6 mA. The catalytic current increased further to 1.9 and 4.1 mA when Au 25 (MPA) 18 and Au 25 (MPS) 18 were added as catalysts, respectively. Au 25 (C 6 S) 18 was introduced and the observed catalytic current confirmed that the Au 25 (L) 18 complex was fully catalyzed by HER. The increase in catalytic current observed in complexes with MPA or MPS as a ligand suggests that the change of ligand is effective for HER catalysis.

Au25(L)18 복합체의 HER에 대한 리간드 효과를 정량적으로 평가하기 위해 반응속도상수를 도출하였다. 하기 수학식은 용액 내에서 자유롭게 확산되어 접근한 촉매에 의해 수소기체가 발생하는 일차 반응에 대한 근사치 모델이 적용된 것으로, HER에 대한 전기화학적 촉매 반응속도상수(the apparent rate constant, kobs)를 예측하는데 사용되었다.Kinetic constants were derived to quantitatively evaluate the ligand effect on HER of Au 25 (L) 18 complex. The following equation is applied as an approximation model for the first-order reaction in which hydrogen gas is generated by a freely diffused catalyst in a solution, and predicts the apparent rate constant (k obs ) for HER. Was used.

[수학식][Equation]

Figure 112018063084688-pat00001
Figure 112018063084688-pat00001

상기 수학식에서, Ic는 촉매 반응의 결과 발생한 전류, Ip는 촉매 반응이 일어나지 않았을 때 발생하는 전류(본 발명에서는 수소이온이 없을 때 흐르는 Au25 0/-의 환원 전류), R은 기체상수, T는 켈빈 단위로 나타낸 온도, F는 패러데이상수, ν는 주사속도 및 kobs는 관찰된 일차 반응속도상수를 의미한다. 수소이온의 환원에 대한 촉매 반응속도상수(kobs)는 특정 전위에서 촉매 반응이 일어나지 않았을 때의 전류 대비 촉매 반응 시 흐르는 전류의 비(Ic/Ip)를 ν의 제곱근에 대해 도시한 그래프의 기울기로부터 결정할 수 있다. ν와 Ic/Ip의 그래프를 도 5에 도시하였다.In the above equation, I c is the current generated as a result of the catalytic reaction, I p is the current generated when the catalytic reaction does not occur (reduction current of Au 25 0 / -flowing in the absence of hydrogen ions in the present invention), R is the gas constant Where T is the temperature in Kelvin, F is the Faraday constant, ν is the scan rate, and k obs is the observed first reaction rate constant. The catalytic reaction rate constant (k obs ) for the reduction of hydrogen ions is a graph plotting the ratio of the current flowing in the catalytic reaction (I c / I p ) to the square root of ν versus the current when no catalytic reaction occurs at a specific potential. It can be determined from the slope of. The graph of ν and I c / I p is shown in FIG. 5.

Au25(MPA)18와 Au25(MPS)18 수용액에 HOAc를 적가하며 LSV를 확인한 결과를 도 6에 도시하였고, 도 6을 참고하면, Ic는 용액 내 산의 농도가 증가하며 점차 증가하다가 그 값이 일정해지는 180mM 근처에서 충분한 수소이온이 촉매에 공급되는 환경이 조성됨을 알 수 있다. 이때, Au25(MPA)18와 Au25(MPS)18의 -1.3V에서의 kobs는 각각 200,000과 559,000s-1로 산출되며, 이 수치는 이전에 밝혀진 바 있는 Au25(C6S)18 복합체 촉매의 유기상에서 kobs(24,000s-1)에 대하여 각각 8배와 23배 높다.6 shows the results of LSV dropwise adding HOAc to Au 25 (MPA) 18 and Au 25 (MPS) 18 aqueous solution. Referring to FIG. 6, I c gradually increases with increasing concentration of acid in the solution. It can be seen that an environment is provided in which sufficient hydrogen ions are supplied to the catalyst near 180 mM where the value becomes constant. At this time, the k obs at -1.3V of Au 25 (MPA) 18 and Au 25 (MPS) 18 are calculated to be 200,000 and 559,000 s -1 , respectively, and this value is known as Au 25 (C 6 S). 18 times higher for k obs (24,000 s −1 ) in the organic phase of the 18 complex catalyst.

리간드에 따라서 달라지는 반응속도의 근원이 무엇인지 규명하고자 종래 기술(특허문헌 1)로 제조된 Au25(C6S)18과 본 발명에서 제조된 Au25(MPA)18 및 Au25(MPS)18의 kobs를 전위별로 도 7에 도시하여 비교하였고, 유기용매에 용해된 Au25(C6S)18의 빠른 전자 전달 속도를 배제하고 순수한 촉매 반응속도만을 비교하였다. Au 25 (C 6 S) 18 prepared in the prior art (Patent Document 1) and Au 25 (MPA) 18 and Au 25 (MPS) 18 prepared in the present invention to determine what the source of the reaction rate varies depending on the ligand K obs of each of the potentials were compared as shown in FIG. 7, and the pure catalyst reaction rates were compared except for the fast electron transfer rate of Au 25 (C 6 S) 18 dissolved in the organic solvent.

우선, 본 발명의 Au25(MPA)18와 종래 기술인 Au25(C6S)18의 촉매 반응속도를 비교하였다. Au25(MPA)18의 촉매 반응에 대한 kobs는 Au25(C6S)18에서의 kobs에 비해 항상 크고, -1.3 V에서 Au25(MPA)18의 kobs가 8배임을 확인하였다. 카르복시산을 작용기로 가지는 Au25(MPA)18에서의 반응이 아무런 작용기를 가지지 않는 Au25(C6S)18의 반응보다 현저하게 빠르다는 사실로부터 카르복시산이 HER을 촉진시키는 역할을 함을 알 수 있다.First, the catalytic reaction rates of Au 25 (MPA) 18 of the present invention and Au 25 (C 6 S) 18 of the prior art were compared. Au 25 (MPA) k obs for the catalytic reaction of 18 is always greater than the k obs of the Au 25 (C 6 S) 18 , was from -1.3 V a k obs of Au 25 (MPA) 18 check 8 misappropriation . The fact that the reaction in Au 25 (MPA) 18 with a carboxylic acid group is significantly faster than the reaction in Au 25 (C 6 S) 18 without any functional group indicates that carboxylic acid plays a role in promoting HER. .

이는 분자촉매의 리간드에서 발생하는 수소이온 중계 반응에 의한 결과이다. HER이 진행되기 위해서는 용액 내 수소이온이 중심금속으로 접근해야 하므로 그 과정에서 큰 활성화에너지가 필요한데, 이때 수소이온을 중심금속으로 원활하게 중계할 수 있는 산성 리간드가 도입되면 수소이온은 촉매 표면의 리간드로만 접근해도 HER이 진행되므로 활성화에너지가 현저히 낮아지고, 그 결과 촉매 반응의 효과가 향상될 수 있다.This is a result of the hydrogen ion relay reaction occurring in the ligand of the molecular catalyst. In order for HER to proceed, hydrogen ions in the solution must approach the central metal, so a large activation energy is required in this process. Even when approaching only HER proceeds, the activation energy is significantly lowered, and as a result, the effect of the catalytic reaction can be improved.

다음으로, 본 발명의 Au25(MPA)18와 Au25(MPS)18 각각의 촉매 반응속도를 비교하였다. 도 7을 참고하면, Au25(MPS)18의 kobs는 Au25(MPA)18의 촉매 반응에 의한 것보다 현저히 크며, -1.3V에서의 kobs(559,000s-1)는 Au25(MPA)18의 kobs(200,000s-1)보다 2.8배나 크게 관찰된다. 이러한 kobs는 현재까지 가장 빠른 kobs(170,000s-1)을 기록한 니켈 복합체 분자촉매보다도 3배 이상 크며, 일반적으로 많이 사용하는 니켈(1,850s-1)이나 코발트(10,673s-1) 복합체 기반의 분자촉매보다 300 또는 50배 더 크다. Au25(MPS)18의 우수한 촉매 반응속도는 MPA보다 산성도가 더 큰 MPS 리간드에 기인하였다.Next, the catalytic reaction rates of Au 25 (MPA) 18 and Au 25 (MPS) 18 of the present invention were compared. Referring to FIG. 7, the k obs of Au 25 (MPS) 18 is significantly larger than that due to the catalytic reaction of Au 25 (MPA) 18 , and the k obs (559,000s −1 ) at −1.3 V represents Au 25 (MPA). 2.8 times larger than 18 k obs (200,000s -1 ). These k obs are more than three times larger than the nickel composite molecular catalyst that has recorded the fastest k obs (170,000 s -1 ) to date and are based on commonly used nickel (1,850 s -1 ) or cobalt (10,673 s -1 ) composites. Is 300 or 50 times larger than the molecular catalyst of. The good catalytic reaction rate of Au 25 (MPS) 18 was due to the MPS ligand, which is more acidic than MPA.

이를 증명하기 위해, 본 발명의 Au25(MPA)18와 Au25(MPS)18의 농도를 1mM로 고정하고 미량의 HOAc를 넣어가며 촉매전류를 관찰한 결과를 pH 및 수소이온 농도의 변화에 대하여 종래 기술(특허문헌 1)의 Au25(GS)18과 비교하여 도 8에 도시하였다. Au25(MPS)18를 촉매로 사용한 경우(파란색) HOAc가 첨가되어 수소이온의 농도가 증가함에 따라 촉매전류는 일정하게 증가하는 경향을 확인하였다. Au25(MPA)18의 촉매 반응(빨간색)의 경우 MPA의 pKa와 같은 pH를 조성하는 수소이온의 농도보다 더 작은 농도에서는 Au25(MPS)18의 촉매전류와 유사하지만, 보다 높은 수소이온의 농도에서는 촉매전류의 증가폭이 49%나 감소하는 제한된 촉매 반응이 관찰되었다.In order to prove this, the concentration of Au 25 (MPA) 18 and Au 25 (MPS) 18 of the present invention was fixed at 1 mM, and a small amount of HOAc was added to observe the catalytic current. It shows in FIG. 8 compared with Au 25 (GS) 18 of a prior art (patent document 1). When Au 25 (MPS) 18 was used as a catalyst (blue), it was confirmed that as the concentration of hydrogen ions was increased due to the addition of HOAc, the catalytic current increased constantly. Catalytic reaction of Au 25 (MPA) 18 (red) is similar to the catalytic current of Au 25 (MPS) 18 at concentrations lower than the concentration of hydrogen ions that form the same pH as pKa of MPA, but with higher hydrogen ions. At the concentration, a limited catalytic reaction was observed with a 49% decrease in the increase in catalytic current.

Au25(MPS)18의 경우, 술폰산은 pKa가 매우 작아 pH에 상관없이 수소이온이 쉽게 해리되므로 수소이온이 빠르게 중심금속으로 이동하여 지속적인 HER에 의한 전류의 증가가 관찰되는 것이라 판단된다. 그러나 Au25(MPA)18의 경우에는, pH가 MPA의 pKa보다 커지는 수소이온의 농도를 가지는 용액 내에서는 카르복시산이 술폰산처럼 수소이온을 쉽게 해리하여 Au25(MPS)18와 유사한 수준의 촉매전류가 관찰되나, 수소이온의 농도가 증가하여 용액의 pH가 MPA의 pKa보다 작아지면 카르복시산의 수소이온 해리반응이 저하되어 제한된 HER에 의한 작은 촉매전류가 관찰되었다. 즉, kobs를 관찰한 조건에서 MPS는 MPA보다 수소이온을 중심금속으로 더욱 원활하게 중계할 수 있는 리간드 환경이 조성되어 전례없이 빠른 HER을 촉진하는 리간드의 효과가 나타난 것으로 확인되었다.In the case of Au 25 (MPS) 18 , sulfonic acid is very small in pKa, so hydrogen ions are easily dissociated regardless of pH, so it is believed that hydrogen ions quickly move to the central metal and a continuous increase in current by HER is observed. However, in the case of Au 25 (MPA) 18 , in a solution with a concentration of hydrogen ions whose pH is greater than the pKa of MPA, carboxylic acids readily dissociate hydrogen ions like sulfonic acids, resulting in a catalytic current similar to Au 25 (MPS) 18 . However, when the pH of the solution is lower than the pKa of MPA due to the increase in the concentration of hydrogen ions, the hydrogen ion dissociation reaction of carboxylic acid is lowered and a small catalytic current by limited HER is observed. In other words, the conditions of observing k obs MPS is a ligand environment capable of more smoothly relaying hydrogen ions to the core metal than MPA was found to have the effect of a ligand that promotes unprecedented rapid HER.

상기 기술한 리간드의 효과는 리간드로써 다중 기능기를 가지는 글루타싸이온(GS)을 채택한 종래 기술의 경우(Au25(GS)18)에도 관찰되었다. Au25(GS)18의 농도를 1mM로 고정하고 미량의 HOAc를 넣어가며 촉매전류를 관찰하였고, pH 변화에 대한 촉매전류를 도 8에 초록색으로 도시하였다. 2개의 카르복실산과 1개의 아미노산을 기능기로 가지는 글루타싸이온의 기능기별 pKa는 차례대로 2.1, 3.5, 8.7이고, pH가 두 카르복실산의 pKa보다 커지거나 작아지는 경계에서 Au25(MPA)18의 HER 반응과 매우 흡사한 경향을 나타내었다. 즉, 상기 결과들은 수소이온이 해리되기 쉬운 리간드 또는 리간드의 환경이 용액으로부터 활성점으로 수소이온 전달이 용이해져 효과적인 HER 반응을 촉진시킬 수 있는 중요한 요인이라는 사실을 보여준다.The effect of the ligands described above was also observed in the case of the prior art employing glutathione (GS) having multiple functional groups as ligands (Au 25 (GS) 18 ). The concentration of Au 25 (GS) 18 was fixed at 1 mM, and a small amount of HOAc was added to observe the catalytic current. The catalyst current with respect to the pH change was shown in green in FIG. 8. The functional pKa of glutathione having two carboxylic acids and one amino acid as a functional group is 2.1, 3.5, and 8.7 in turn, and Au 25 (MPA) at the boundary at which pH becomes larger or smaller than pKa of two carboxylic acids. The tendency was very similar to the HER reaction of 18 . In other words, the results show that the ligand or ligand's environment in which hydrogen ions are easily dissociated is an important factor that can facilitate the transfer of hydrogen ions from solution to the active site, thereby promoting an effective HER reaction.

또한, 도 8을 참고하면, 본 발명의 Au25(MPA)18은 종래 기술과 유사한 수준의 수소이온 중계 효과를 갖고, Au25(MPS)18는 종래 기술 대비 현저히 우수한 수소이온 중계 효과를 나타냄을 확인할 수 있다.In addition, referring to Figure 8, Au 25 (MPA) 18 of the present invention has a hydrogen ion relaying effect of a similar level to the prior art, Au 25 (MPS) 18 shows a significantly superior hydrogen ion relaying effect compared to the prior art You can check it.

HER에 대한 리간드의 영향은 수소이온의 중계 효과를 촉진시키는 것 외에도 복합체의 전자구조를 변화시켜 과전위를 감소시키는 효과가 있다. 도 6을 참고하면, Au25(MPA)18와 Au25(MPS)18에 HOAc의 적가 시에 두 복합체 촉매 모두 R1에서 촉매전류의 증가가 관찰되는데, 이는 복합체 촉매가 수소이온을 환원시키는 반응에 대하여 매개체의 역할을 한다는 것을 의미한다. 이는 다음의 반응식으로 설명할 수 있다.Ligand's effect on HER, in addition to promoting the relaying effect of hydrogen ions has the effect of reducing the overpotential by changing the electronic structure of the complex. Referring to FIG. 6, upon addition of HOAc to Au 25 (MPA) 18 and Au 25 (MPS) 18 , an increase in the catalytic current at R1 was observed for both complex catalysts, which is a reaction in which the complex catalyst reduces hydrogen ions. It means to act as a medium for. This can be explained by the following scheme.

[Au25(L)18]- + e- → [Au25(L)18]2- [Au 25 (L) 18] - + e - → [Au 25 (L) 18] 2-

[Au25(L)18]2- + H+ → [Au25(L)18-H]- [Au 25 (L) 18 ] 2- + H + → [Au 25 (L) 18 -H] -

[Au25(L)18-H]- + H+ → [Au25(L)18]0 + H2 [Au 25 (L) 18 -H] - + H + → [Au 25 (L) 18 ] 0 + H 2

[Au25(L)18]0 + [Au25(L)18]2- → 2[Au25(L)18]- [Au 25 (L) 18 ] 0 + [Au 25 (L) 18 ] 2- → 2 [Au 25 (L) 18 ] -

상기 촉매 반응의 결과 생성된 [Au25(L)18]-은 다시 전자를 받아 환원되므로 R1의 전류가 증가하였다. 이때, 리간드의 정전기 장 효과로 Au25(MPA)18의 R1은 Au25(C6S)18의 것보다 0.1V 더 양의 전위에서 발생하며, 높은 산성도를 가지는 Au25(MPS)18는 Au25(MPA)18의 것 보다도 0.4V 더 양의 전위에서 관찰되었다. R1에서 전류가 증가함에 따라 촉매전류의 시작점은 R1의 전위에 의해 결정되므로, 촉매 반응이 시작되는 지점의 과전위는 가장 양의 전위에 R1이 위치한 Au25(MPS)18의 것이 가장 작은 0.43V로 결정되었다. 즉, 복합체 촉매의 리간드는 수소이온 중계 반응으로 빠른 HER의 반응을 유도할 뿐만 아니라, 기존의 분자촉매에서는 관찰되지 않았던 정밀한 전자구조의 변화를 야기하여 적은 양의 에너지 투입으로도 빠른 HER을 진행할 수 있다.The result of the catalytic reaction product [Au 25 (L) 18] - has increased the back of the R1 current, so reducing accept electrons. At this time, due to the electrostatic field effect of the ligand, R 1 of Au 25 (MPA) 18 is generated at a potential of 0.1 V more than that of Au 25 (C 6 S) 18 , and Au 25 (MPS) 18 having high acidity is Au It was observed at a potential of 0.4 V more than that of 25 (MPA) 18 . As the current at R1 increases, the starting point of the catalytic current is determined by the potential of R1, so the overpotential at the starting point of the catalytic reaction is 0.43V, which is the smallest of Au 25 (MPS) 18 where R1 is at the most positive potential. Was decided. That is, the ligand of the complex catalyst not only induces rapid HER reaction by hydrogen ion relay reaction, but also causes rapid change of electronic structure that was not observed in the conventional molecular catalyst, and thus can proceed fast HER with a small amount of energy input. .

리간드의 효과가 뛰어난 Au25(MPS)18의 중심금속을 백금 원자로 치환하여 PtAu24(MPS)18 복합체를 제조함으로써, 리간드와 중심금속을 동시에 제어하는 방법으로 성능이 우수한 HER 촉매를 제조하였다.The PtAu 24 (MPS) 18 complex was prepared by substituting a platinum atom with a central metal of Au 25 (MPS) 18 having excellent ligand effect, thereby preparing a HER catalyst having excellent performance by controlling the ligand and the central metal simultaneously.

상기 실시예 3에 따라 MPS 리간드로 백금 원자가 하나 도입된 PtAu24(MPS)18 복합체를 제조하였다. 제조된 PtAu24(MPS)18의 순도는 음전하 모드의 전기분무 질량분석법으로 확인하였으며, 그 조성은 소듐이온을 포함하는 PtAu24(S2C3H6O3)18로 확인되었다.According to Example 3, a PtAu 24 (MPS) 18 complex having one platinum atom introduced into the MPS ligand was prepared. Purity of the prepared PtAu 24 (MPS) 18 was confirmed by electrospray mass spectrometry of the negative charge mode, the composition was confirmed as PtAu 24 (S 2 C 3 H 6 O 3 ) 18 containing sodium ions.

도 9를 참고하면, 질량분석 스펙트럼은 700에서 1,400 Da의 범위에서 관찰되었으며, 소듐이온으로 하전상이 결정된 -10, -9, -8, -7 및 -6의 PtAu24(MPS)18 피크 세트를 확인하였다. 따라서 도 9의 A에 (12,6), (11,7), (10,8), (9,9) 및 (8,10)으로 표시된 피크는 [PtAu24(MPS)18Na+ y]z에서 각각 y개의 소듐이온과 z의 하전상을 가지는 복합체입자를 의미한다. 또한, 각각의 피크에서 리간드(L)-금(Au)-L, L-Au-L-Au 및 L-Au-L-Au-L이 떨어진 조각들이 관찰되었다. 자세한 분석 결과는 하기 표 3에 나타내었다.Referring to FIG. 9, mass spectrometry spectra were observed in the range of 700 to 1,400 Da, and PtAu 24 (MPS) 18 peak sets of -10, -9, -8, -7 and -6, each of which had been charged with sodium ions, were determined. Confirmed. Thus, the peaks represented by (12,6), (11,7), (10,8), (9,9) and (8,10) in FIG. 9A are [PtAu 24 (MPS) 18 Na + y ]. Z means a composite particle having y sodium ions and a z-charged phase, respectively. In addition, fragments of ligand (L) -gold (Au) -L, L-Au-L-Au and L-Au-L-Au-L were observed at each peak. Detailed analysis results are shown in Table 3 below.

991Da에서 관찰된 피크는 [PtAu24(MPS)18Na+ 10]8-의 동위원소 패턴과 정확하게 일치하며, 이는 Au25(MPS)18 스펙트럼의 994Da에서 관찰되는 [Au25(MPS)18Na+ 11]8-과 상이하였다. 이는 Au25(MPS)18의 중심금속에서 금 원자 하나가 성공적으로 백금 원자로 변경되었다는 것을 의미한다. PtAu24(MPS)18는 수용성 리간드를 이용하여 처음으로 제조에 성공한 합금 복합체라는 데 그 의의가 있다.The peak observed at 991 Da matches the isotope pattern of [PtAu 24 (MPS) 18 Na + 10 ] 8- exactly, which is observed in [Au 25 (MPS) 18 Na + observed at 994 Da in the Au 25 (MPS) 18 spectrum. 11 ] and 8- . This means that one gold atom in the central metal of Au 25 (MPS) 18 was successfully converted to a platinum atom. PtAu 24 (MPS) 18 is significant for the first time successfully manufactured alloy composites using water-soluble ligands.

Pt 개수Pt Count Au 개수Au count MPS- 개수MPS - Count Na+ 개수Na + count 전하량Charge 계산값
m/z (Da)
Calculated Value
m / z (Da)
측정값
m/z (Da)
Measures
m / z (Da)
상대오차
(%)
Relative error
(%)
1One 2424 1818 1212 -6-6 1329.001329.00 1328.601328.60 -0.030-0.030 1One 2424 1717 1111 -6-6 1299.461299.46 1299.111299.11 -0.028-0.028 1One 2323 1616 1010 -6-6 1237.101237.10 1236.781236.78 -0.026-0.026 1One 2222 1616 1010 -6-6 1204.281204.28 1203.961203.96 -0.027-0.027 1One 2222 1515 99 -6-6 1174.741174.74 1174.461174.46 -0.024-0.024 1One 2424 1818 1111 -7-7 1135.861135.86 1135.661135.66 -0.018-0.018 1One 2424 1717 1010 -7-7 1110.541110.54 1110.241110.24 -0.028-0.028 1One 2323 1616 99 -7-7 1057.091057.09 1056.821056.82 -0.026-0.026 1One 2222 1616 99 -7-7 1028.951028.95 1028.681028.68 -0.027-0.027 1One 2222 1515 88 -7-7 1003.641003.64 1003.401003.40 -0.024-0.024 1One 2424 1818 1010 -8-8 991.00991.00 990.70990.70 -0.030-0.030 1One 2424 1717 99 -8-8 968.85968.85 968.58968.58 -0.028-0.028 1One 2323 1616 88 -8-8 922.08922.08 921.84921.84 -0.026-0.026 1One 2222 1616 88 -8-8 897.46897.46 897.22897.22 -0.027-0.027 1One 2222 1515 77 -8-8 875.31875.31 875.10875.10 -0.024-0.024 1One 2424 1818 99 -9-9 878.34878.34 878.07878.07 -0.030-0.030 1One 2424 1717 88 -9-9 858.65858.65 858.52858.52 -0.015-0.015 1One 2323 1616 77 -9-9 817.07817.07 816.86816.86 -0.026-0.026 1One 2222 1616 77 -9-9 795.19795.19 794.97794.97 -0.027-0.027 1One 2222 1515 66 -9-9 775.50775.50 775.31775.31 -0.024-0.024 1One 2424 1818 88 -10-10 788.20788.20 787.96787.96 -0.030-0.030 1One 2424 1717 77 -10-10 770.48770.48 770.27770.27 -0.028-0.028 1One 2323 1616 66 -10-10 733.07733.07 732.87732.87 -0.026-0.026

상기 표 3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 PtAu24(MPS)18 복합체는 상대오차의 크기가 0.03% 이하로, 순도가 99.97% 이상인 고순도의 나노 클러스터임을 확인할 수 있다. Au25(L)18 복합체의 리간드를 변경하였을 때는 광학적인 성질의 변화가 관찰되지 않았던 반면, 이종의 금속 원자를 치환하는 것은 복합체의 전기적 특성뿐만 아니라 광학적인 특성도 크게 변화시켰다. 도 9의 B를 참고하면, 백금이 도입됨으로써 2.1eV에 새로운 밴드가 생성되고, 근적외선 영역인 1.1eV에서도 새로운 흡수 밴드가 나타났다. 이러한 흡수 스펙트럼의 변화는 백금 원자가 Au25(L)18의 중심금속 중 가운데 금 원자의 위치에 치환되었을 경우에 나타나는 변화이며, 1.8eV에서 나타나던 흡수 밴드가 사라지고 새롭게 두 개의 밴드가 출현하는 것은 복합체의 전자구조가 바뀌었다는 것을 의미한다.Referring to Table 3, the PtAu 24 (MPS) 18 complex prepared according to the embodiment of the present invention can be confirmed that the relative error of the nano clusters of high purity with a magnitude of 0.03% or less, purity of 99.97% or more. When the ligands of the Au 25 (L) 18 complex were not changed, the optical properties were not observed, whereas the substitution of heterogeneous metal atoms significantly changed the electrical and optical properties of the complex. Referring to B of FIG. 9, the introduction of platinum creates a new band at 2.1 eV and a new absorption band at 1.1 eV, which is a near infrared region. This change in absorption spectrum occurs when the platinum atom is substituted at the position of the gold atom in the center metal of Au 25 (L) 18. The absorption band disappeared at 1.8 eV and two new bands appear in the complex. It means that the electronic structure has changed.

상기 복합체의 전자구조를 자세하게 밝히기 위해 구형파 전압-전류법을 실시하여 그 결과를 도 9에 도시하였다. 그 결과, Ag/AgCl 기준전극을 기준으로 두 개의 산화 피크인 PtAu24 +/0과 PtAu24 2+/+가 0.33(O1)과 0.64V(O2)에서, 두 개의 환원피크인 PtAu24 0/-와 PtAu24 -/2-가 -0.31(R1)과 -0.55V(R2)에서 관찰되었다. 본 결과로부터 계산한 HOMO-LUMO 에너지 차이는 0.32V이다.In order to clarify the electronic structure of the composite in detail, a square wave voltage-current method was performed and the results are shown in FIG. 9. As a result, the two oxidation peaks, PtAu 24 + / 0 and PtAu 24 2 + / + , based on the Ag / AgCl reference electrode were 0.33 (O1) and 0.64V (O2), and two reduction peaks, PtAu 24 0 / - with PtAu 24 - / 2- it was observed at -0.31 (R1) and -0.55V (R2). The HOMO-LUMO energy difference calculated from this result is 0.32V.

상기 결과를 통해 Au 원자 하나에 Pt 원자 하나만 치환되었음에도 불구하고 전자구조가 실질적으로 변화한다는 사실을 확인할 수 있고, 더 나아가 금속 복합체의 환원피크가 0.65V만큼 양으로 이동함으로써 보다 작은 과전위에서도 환원반응에 대한 촉매 반응이 효과적으로 진행될 수 있음을 확인하였다.The above results confirm that the electronic structure is substantially changed even though only one Pt atom is substituted for one Au atom. Furthermore, the reduction peak of the metal complex is shifted by an amount of 0.65V to reduce the reaction even at a smaller overpotential. It was confirmed that the catalytic reaction can proceed effectively.

PtAu24(MPS)18의 우수한 촉매 활성을 증명하기위해 1mM의 PtAu24(MPS)18가 포함된 용액에 180mM의 아세트산이 첨가되었을 때의 LSV를 도 10에 도시하였다. RHE 기준으로 -0.7V에서 PtAu24(MPS)18의 촉매전류는 4.1mA으로 합금을 형성하기 전인 Au25(MPS)18의 촉매전류보다 4배 증가하였으며, 촉매 반응이 시작되기 위한 과전위는 360mV 감소하여 40mV임을 확인하였다. 촉매 반응속도 역시 동일한 방법으로 계산한 결과, 합금을 형성하기 전 보다 5배 빠른 628,000s-1을 기록하였다. 상기 반응속도는 현존하는 가장 효과적인 분자촉매(170,000s-1)나 전형적인 수소화효소(21,000s-1) 보다도 현저히 빠름을 확인하였다.The PtAu LSV of when the 24 (MPS) for containing the PtAu 24 (MPS) 18 of a 1mM solution in 180mM acetic acid is added to demonstrate the superior catalytic activity of the 18 is shown in Fig. At -0.7V, the catalytic current of PtAu 24 (MPS) 18 was 4.1 times higher than that of Au 25 (MPS) 18 before the alloy was formed at -0.7V, and the overpotential for the catalytic reaction to start was 360 mV. The decrease was confirmed to be 40mV. The catalytic reaction rate was also calculated in the same way, recording 628,000 s −1, which is five times faster than before the alloy was formed. The reaction rate was found to be significantly faster than the most effective molecular catalyst (170,000 s −1 ) or a typical hydrogenase (21,000 s −1 ).

정전압 반응(constant potential electrolysis, CPE)을 하여 발생하는 수소기체의 양을 가스 크로마토그래피로 정량함으로써 실질적인 수소에너지를 얻을 수 있는 응용 환경에서 복합체의 촉매 성능을 평가하였다. 유리질 탄소전극(glassy carbon plate) 상의 2.5μM의 Au25(MPA)18 (빨강), Au25(MPS)18 (파랑) 또는 PtAu24(MPS)18 (초록)이 0.1M KCl이 포함된 180mM의 아세트산 수용액에서 정전압 반응하여 발생한 수소기체의 몰 수를 사용된 상기 복합체의 몰 수로 나누어 측정한 전환 빈도(turnover frequency, TOF) 값을 도 11에 반응 전압별로 도시하였다.The catalytic performance of the composite was evaluated in an application environment where substantial hydrogen energy was obtained by quantifying the amount of hydrogen gas generated by constant potential electrolysis (CPE) by gas chromatography. Au 25 (MPA) 18 (red), Au 25 (MPS) 18 (blue) or PtAu 24 (MPS) 18 (green) at 2.5 μM on a glassy carbon plate was 180 mM with 0.1 M KCl. A turnover frequency (TOF) value measured by dividing the number of moles of hydrogen gas generated by constant voltage reaction in an acetic acid aqueous solution by the number of moles of the complex used is shown for each reaction voltage in FIG. 11.

도 11을 참고하면, Au25(MPA)18, Au25(MPS)18, PtAu24(MPS)18의 촉매 반응 결과 -0.5, -0.4, -0.1V (RHE 기준)의 정전압 반응에서 처음으로 수소기체가 검출되었고, 높은 전위를 가할수록 수소기체 발생량이 증가하여 도 4, 도 7 및 도 10의 LSV 및 kobs와 일치하였다. 본 결과는 HER에 대한 촉매 반응속도가 실제 수소기체 발생과 직접적인 영향을 주고 있다는 사실을 보여준다.Referring to FIG. 11, catalytic results of Au 25 (MPA) 18 , Au 25 (MPS) 18 , and PtAu 24 (MPS) 18 resulted in hydrogen for the first time in a constant voltage reaction of −0.5, −0.4, and −0.1 V (based on RHE). The gas was detected, and the higher the potential, the higher the amount of hydrogen gas generated, which coincided with LSV and k obs of FIGS. 4, 7, and 10. The results show that the catalytic reaction rate for HER has a direct effect on the actual hydrogen gas generation.

특히, PtAu24(MPS)18 복합체는 -0.7V 가전위에서 TOF는 127mol H2(mol cat)-1s-1으로, 비특허문헌 2에 개시된 대조군으로 사용할 수 있는 최고 성능의 구리 기반 분자촉매의 TOF (4.1mol H2(mol cat)-1s-1)보다 현저히 우수한 수소에너지를 발생 효과를 가짐을 확인하였다.Particularly, the PtAu 24 (MPS) 18 composite has a TOF of 127 mol H 2 (mol cat) −1 s −1 at -0.7 V, which is the highest performance copper-based molecular catalyst that can be used as a control disclosed in Non-Patent Document 2. It was confirmed that it has an effect of generating hydrogen energy significantly superior to TOF (4.1 mol H 2 (mol cat) -1 s -1 ).

PtAu24(MPS)18 복합체의 구조를 확인하기 위한 상기 도 9 내지 11의 분석 결과는 하기 PdAu24(L)18 합금 복합체의 데이터를 바탕으로 분석하였다.9 to 11 to confirm the structure of the PtAu 24 (MPS) 18 composite was analyzed based on the data of the following PdAu 24 (L) 18 alloy composite.

종래 기술(특허문헌 1)과 동일한 비교예 2의 방법으로 PdAu24(L)18 합금 복합체를 제조하고, 포함하는 리간드에 따라 각각 PdAu24(MPS)18 또는 PdAu24(GS)18라 명명하였다. 흡수 분광법 결과를 도시한 도 12의 A를 참고하면, PdAu24(C6S)18과 유사한 경향을 보이는바, Pd 원자가 중심금속의 중심에 하나만 도입되었음을 확인하였다. 물질의 순도는 전기분무 질량분석법으로 확인하였다.The PdAu 24 (L) 18 alloy composite was manufactured by the method of the comparative example 2 similar to the prior art (patent document 1), and was named PdAu 24 (MPS) 18 or PdAu 24 (GS) 18 , respectively, according to the ligand contained. Referring to A of FIG. 12, which shows the results of absorption spectroscopy, it showed a similar tendency to PdAu 24 (C 6 S) 18, and it was confirmed that only one Pd atom was introduced into the center of the central metal. Purity of the material was confirmed by electrospray mass spectrometry.

도 12의 B와 도 12의 C는 정제된 Au25(GS)18 (검정)과 PdAu24(GS)18 (빨강) 또는 Au25(MPS)18 (검정)과 PdAu24(MPS)18 (파랑)의 질량 스펙트럼이다. 도 12를 참고하면, Au25(GS)18 대비 PdAu24(GS)18의 피크와 Au25(MPS)18 대비 PdAu24(MPS)18의 피크 간의 차이는 금(Au)과 팔라듐(Pd) 원자의 질량 차이와 동일하였으며, 이는 제조된 합금 복합체가 단분산 되어있고 PdAu24(GS)18 또는 PdAu24(MPS)18으로 구성됨을 의미한다.12B and 12C show purified Au 25 (GS) 18 (black) and PdAu 24 (GS) 18 (red) or Au 25 (MPS) 18 (black) and PdAu 24 (MPS) 18 (blue) ) Is the mass spectrum. Referring to Figure 12, Au 25 (GS) 18 compared PdAu 24 (GS) 18 peak and Au 25 of (MPS) 18 compared PdAu 24 (MPS) The difference between the 18 peak is gold (Au) and palladium (Pd) atom Equal to the mass difference of, which means that the prepared alloy composite is monodisperse and consists of PdAu 24 (GS) 18 or PdAu 24 (MPS) 18 .

다음으로, 하나의 금속 원자만이 치환되는 것이 아닌 x가 2 이상의 정수로써 과량의 반응점으로 작용할 수 있는 합금 복합체를 제조하였다. 은염과 금염의 혼합용액에 상기 수용성 리간드를 넣어 복합체를 형성한 후 환원시켰으며, 도입된 원자의 개수(x)는 은염 : 금염의 몰수비를 조정하여 제어하였다.Next, an alloy composite was prepared in which x was able to act as an excess reaction point as an integer of 2 or more, instead of only one metal atom being substituted. The water-soluble ligand was added to the mixed solution of silver salt and gold salt to form a complex and then reduced. The number of atoms introduced (x) was controlled by adjusting the molar ratio of silver salt to gold salt.

대조군으로 비교예 3에 따라 구리염 : 금염의 몰수비를 1 : 24로 고정하여 제조한 CuxAu25-x(C6S)18, CuxAu25-x(GS)18, CuxAu25-x(MPS)18의 흡수 분광도를 도 13의 A에 도시하였다. 도 13의 B와 도 13의 C에는 각각 CuxAu25-x(GS)18과 CuxAu25-x(MPS)18의 전기분무 질량분석 분광도를 구리가 도입되기 전의 것과 비교하여 도시함으로써 x를 정량한 결과, 평균적으로 Cu16Au9(GS)18 또는 Cu12Au13(MPS)18로 구성됨을 확인하였다.Cu x Au 25-x (C 6 S) 18 , Cu x Au 25-x (GS) 18 , Cu x Au prepared by fixing the molar ratio of copper salt: gold salt to 1: 24 as a control group Absorption spectroscopy of 25-x (MPS) 18 is shown in FIG. 13A. In FIG. 13B and FIG. 13C, electrospray mass spectroscopy spectra of Cu x Au 25-x (GS) 18 and Cu x Au 25-x (MPS) 18 are shown by comparison with those before the introduction of copper, respectively. As a result of quantification of x, it was confirmed that Cu 16 Au 9 (GS) 18 or Cu 12 Au 13 (MPS) 18 was formed on average.

실시예 2에 따라 은염 : 금염의 몰수비를 0 : 50 내지 10 : 40으로 변화시키며 제조한 AgxAu25-x(MPS)18의 흡수 분광도를 도 14의 A에 도시하였다. 도 14의 B에는 AgxAu25-x(MPS)18의 전기분무 질량분석 분광도를 은염 : 금염의 몰수비를 변화시키며 제조한 합금 나노복합체와 비교하여 도시함으로써 x를 정량하였다. 그 결과, 평균적으로 은염 : 금염의 몰수비가 0 : 50, 3 : 47, 6 : 44, 10 : 40일 경우 각각 Ag0Au25(MPS)18, Ag0~5Au25~20(MPS)18, Ag5~9Au20~16(MPS)18, Ag7~12Au18~13(MPS)18로 구성됨을 확인하였다. 즉, 제조 시 은 염의 함량을 증가시킴으로써 AgxAu25-x(MPS)18에 합금된 Ag의 조성을 순차적으로 증가하도록 제어할 수 있으며, 이때 은 원자는 1 내지 12개까지 조절할 수 있다. 종래 기술(특허문헌 1)에 기재된 비교예 3의 흡광 그래프와 일치한다는 점에서, 합금된 은 원자는 MxAu25-x(MPS)18의 정이십면체 중심금속에 위치함을 유추할 수 있다.Absorption spectral diagram of Ag x Au 25-x (MPS) 18 prepared by changing the molar ratio of silver salt to gold salt according to Example 2 from 0:50 to 10:40 is shown in FIG. In FIG. 14B, x was quantified by showing the electrospray mass spectrometry of Ag x Au 25-x (MPS) 18 compared with the alloy nanocomposite prepared by changing the molar ratio of silver salt to gold salt. As a result, when the molar ratio of silver salt: gold salt is 0: 50, 3: 47, 6: 44, 10: 40 on average, Ag 0 Au 25 (MPS) 18 and Ag 0 ~ 5 Au 25 ~ 20 (MPS) 18 It was confirmed that Ag, 5 ~ 9 Au 20 ~ 16 (MPS) 18 , Ag 7 ~ 12 Au 18 ~ 13 (MPS) 18 . That is, by increasing the content of the silver salt in preparation can be controlled to sequentially increase the composition of Ag alloyed in Ag x Au 25-x (MPS) 18 , wherein the silver atoms can be controlled to 1 to 12. In agreement with the absorption graph of Comparative Example 3 described in the prior art (Patent Document 1), it can be inferred that the alloyed silver atom is located in the icosahedral center metal of M x Au 25-x (MPS) 18 . .

또 다른 방법으로 x가 1의 정수인 합금 복합체 시스템을 확장하여 M2Au36(L)24 구조의 수소기체 발생용 촉매를 제조하였다. 상기 구조의 합금 복합체는 M1Au24(L)18보다 2배 많은 활성점을 가질 수 있으며 리간드의 효과를 24/18배 향상시킬 수 있다.In another method, a catalyst for generating hydrogen gas having an M 2 Au 36 (L) 24 structure was prepared by expanding an alloy composite system in which x was an integer of 1. The alloy composite of the structure may have two times more active sites than M 1 Au 24 (L) 18 and may improve the effect of the ligand 24/18 times.

상기와 같은 방법으로 제조한 합금 복합체들에서 도입된 M과 수소 간의 흡착에너지에 따라 HER의 활성도를 제어할 수 있으며, 본 내용은 통상적으로 이해할 수 있는 사실이다. 모든 합금 복합체의 HER 성능은 앞서 기술한 바와 같이 기능성 리간드에 의해 향상될 것으로 사료되는바, 제시한 MxAu25-x(L)18 구조의 수용성 합금 복합체의 수소기체 발생용 촉매로써의 역할은 의심할 여지가 없는 사실이다.It is possible to control the activity of the HER according to the adsorption energy between M and hydrogen introduced in the alloy composites prepared by the above method, the present content is generally understood. The HER performance of all alloy composites is expected to be improved by functional ligands as described above, and the role of the catalyst for hydrogen gas generation in the water-soluble alloy composite of M x Au 25-x (L) 18 structure is There is no doubt about it.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the invention is indicated by the following claims, and it should be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are included in the scope of the invention.

Claims (12)

하기 화학식 1로 표시되는 복합체를 포함하는 수소기체 발생 수용성 촉매:
[화학식 1]
MxAu25-x(L)18
상기 화학식 1에서,
M은 Pt 또는 Ag이고,
L은 글루타싸이온, 머캅토프로피오닉산, 머캅토프로판술폰산 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 하나이고,
x는 0 내지 13의 정수 중 하나이다.
Hydrogen gas generation water-soluble catalyst comprising a complex represented by the formula (1):
[Formula 1]
M x Au 25-x (L) 18
In Chemical Formula 1,
M is Pt or Ag,
L is one selected from the group consisting of glutathione, mercaptopropionic acid, mercaptopropanesulfonic acid, and combinations thereof,
x is one of integers from 0 to 13.
제1항에 있어서,
상기 x는 0이고,
상기 L은 머캅토프로피오닉산 또는 머캅토프로판술폰산인, 수소기체 발생 수용성 촉매.
The method of claim 1,
X is 0,
Wherein L is mercaptopropionic acid or mercaptopropanesulfonic acid, hydrogen gas generation water-soluble catalyst.
제1항에 있어서,
상기 x는 1이고,
상기 M은 Pt이고,
상기 L은 글루타싸이온 또는 머캅토프로판술폰산인, 수소기체 발생 수용성 촉매.
The method of claim 1,
X is 1,
M is Pt,
Wherein L is glutathione or mercaptopropanesulfonic acid, hydrogen gas generation water-soluble catalyst.
제1항에 있어서,
상기 M은 Ag이고,
L은 머캅토프로판술폰산인, 수소기체 발생 수용성 촉매.
The method of claim 1,
M is Ag,
L is a hydrogen gas generating water-soluble catalyst, which is mercaptopropanesulfonic acid.
하기 화학식 2로 표시되는 복합체를 포함하는 수소기체 수용성 발생 촉매:
[화학식 2]
Au38(L)24 또는 M2Au36(L)24
상기 화학식 2에서,
M은 Ag이고,
L은 글루타싸이온, 머캅토프로판술폰산 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 하나이다.
Hydrogen gas water-soluble generating catalyst comprising a complex represented by the formula (2):
[Formula 2]
Au 38 (L) 24 or M 2 Au 36 (L) 24
In Chemical Formula 2,
M is Ag,
L is one selected from the group consisting of glutathione, mercaptopropanesulfonic acid and combinations thereof.
삭제delete (a) M 및 Au를 포함하는 용액에 L을 포함하는 수용액을 첨가하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계의 생성물에 소듐보로하이드라이드를 포함하는 수용액을 반응시키는 단계; 및
(c) 상기 (b) 단계의 생성물에서 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 복합체를 수득하는 단계;를 포함하는, 수소기체 발생 수용성 촉매의 제조방법:
[화학식 1]
MxAu25-x(L)18
상기 화학식 1에서,
M은 Pt 또는 Ag이고,
L은 글루타싸이온, 머캅토프로피오닉산, 머캅토프로판술폰산 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 하나이고,
[화학식 2]
Au38(L)24 또는 M2Au36(L)24
상기 화학식 2에서,
M은 Ag이고,
L은 글루타싸이온, 머캅토프로판술폰산 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 하나이고,
x는 0 내지 13의 정수 중 하나이다.
(a) adding an aqueous solution comprising L to a solution comprising M and Au;
(b) reacting an aqueous solution comprising sodium borohydride with the product of step (a); And
(c) obtaining a complex represented by the following Chemical Formula 1 or 2 from the product of step (b);
[Formula 1]
M x Au 25-x (L) 18
In Chemical Formula 1,
M is Pt or Ag,
L is one selected from the group consisting of glutathione, mercaptopropionic acid, mercaptopropanesulfonic acid, and combinations thereof,
[Formula 2]
Au 38 (L) 24 or M 2 Au 36 (L) 24
In Chemical Formula 2,
M is Ag,
L is one selected from the group consisting of glutathione, mercaptopropanesulfonic acid, and combinations thereof,
x is one of integers from 0 to 13.
제7항에 있어서,
상기 M 및 Au의 몰수비는 각각 0:50 내지 10:40인, 수소기체 발생 수용성 촉매의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The molar ratio of M and Au is 0:50 to 10:40, respectively.
제7항에 있어서,
상기 (a) 단계의 용액은 아세토나이트릴을 더 포함하고,
상기 L은 머캅토프로판술폰산인, 수소기체 발생 수용성 촉매의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The solution of step (a) further comprises acetonitrile,
Wherein L is mercaptopropanesulfonic acid, the method of producing a hydrogen gas generating water-soluble catalyst.
제7항에 있어서,
상기 (a) 단계의 용액은 메탄올을 더 포함하고,
상기 L은 글루타싸이온인, 수소기체 발생 수용성 촉매의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The solution of step (a) further comprises methanol,
Wherein L is glutathione, the method of producing a hydrogen gas generating water-soluble catalyst.
제7항에 있어서,
상기 M은 Pt이고,
상기 (c) 단계는,
(i) 상기 (b) 단계의 생성물에 테트라옥틸암모늄 양이온을 첨가하여 상기 복합체를 유기용매로 상이동시키는 단계;
(ii) 상기 유기용매에 과산화수소수를 첨가하여 불순물을 제거하는 단계; 및
(iii) 상기 (ii) 단계의 생성물에 테트라메틸암모늄데카노에이트를 첨가하여 상기 복합체를 수용액으로 상이동시키는 단계;를 포함하는, 수소기체 발생 수용성 촉매의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
M is Pt,
In step (c),
(i) phase shifting the complex to an organic solvent by adding tetraoctylammonium cation to the product of step (b);
(ii) removing impurities by adding hydrogen peroxide solution to the organic solvent; And
(iii) adding tetramethylammonium decanoate to the product of step (ii) to transfer the complex to an aqueous solution.
제7항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 상기 (b) 단계의 생성물을 탈염처리 후 원심분리하여 상기 복합체를 수득하는, 수소기체 발생 수용성 촉매의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
Process for producing a hydrogen gas generating water-soluble catalyst in the step (c) to obtain the complex by centrifugation after desalting the product of step (b).
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J. Am. Chem. Soc., Vol.136, pp.6075-6082(2014.03.26.)
Nanoscale, Vol.9, pp.19183~19190(2017.)

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