KR102123618B1 - Method for fabricating metallic phosphate thin film and electrochemical catalyst electrode using the same - Google Patents
Method for fabricating metallic phosphate thin film and electrochemical catalyst electrode using the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR102123618B1 KR102123618B1 KR1020180045676A KR20180045676A KR102123618B1 KR 102123618 B1 KR102123618 B1 KR 102123618B1 KR 1020180045676 A KR1020180045676 A KR 1020180045676A KR 20180045676 A KR20180045676 A KR 20180045676A KR 102123618 B1 KR102123618 B1 KR 102123618B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- metal
- thin film
- electrode
- phosphate
- phosphate thin
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C22/00—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C22/05—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions
- C23C22/06—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6
- C23C22/07—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6 containing phosphates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C22/00—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C22/05—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions
- C23C22/06—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6
- C23C22/07—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6 containing phosphates
- C23C22/08—Orthophosphates
- C23C22/18—Orthophosphates containing manganese cations
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C25B11/0442—
-
- C25B11/0478—
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
- C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
- C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
- C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
Abstract
본 발명은 금속 인산염 박막의 제조방법 및 이를 이용한 전기화학 촉매 전극에 관한 것으로서, (a) pH가 2 이상, 5 이하인 산성 수용액을 준비하는 단계, (b) 상기 pH 범위 내에서 석출될 수 있는 인산 음이온을 상기 산성 수용액에 첨가하여 코팅 용액을 형성하는 단계, (c) 상기 코팅 용액의 pH 범위 내에서 이온화되는 금속을 포함하는 금속 기판을 상기 코팅 용액에 침지하는 단계, (d) 상기 금속 기판의 금속이 이온화되어 금속이온을 형성하고, 상기 코팅 용액의 pH를 증가시키는 단계 및 (e) 상기 인산 음이온이 상기 금속이온과 결합하고 석출되어 상기 금속 기판의 적어도 일부에 금속 인산염 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for preparing a metal phosphate thin film and an electrochemical catalyst electrode using the same, (a) preparing an acidic aqueous solution having a pH of 2 or more and 5 or less, (b) phosphoric acid that can be precipitated within the pH range Adding anions to the acidic aqueous solution to form a coating solution, (c) immersing a metal substrate containing a metal ionized within the pH range of the coating solution in the coating solution, (d) of the metal substrate The metal is ionized to form a metal ion, increasing the pH of the coating solution, and (e) forming a metal phosphate thin film on at least a portion of the metal substrate by combining and depositing the phosphate anion with the metal ion. It is characterized by including.
Description
본 발명은 금속 인산염 박막의 제조방법 및 이를 이용한 전기화학 촉매 전극에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 용액의 pH를 조절하여 인산염을 석출시키는 금속 인산염 박막의 제조방법 및 이를 이용한 전기화학 촉매 전극에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a metal phosphate thin film and an electrochemical catalyst electrode using the same. More specifically, the present invention relates to a method of manufacturing a metal phosphate thin film that deposits phosphate by adjusting the pH of a solution and an electrochemical catalyst electrode using the same.
최근, 금속 인산염 전극의 경우, 우수한 반응성과 안정성으로 주목을 받고 있다. 이를 전기 촉매 반응에 응용하기 위해 금속 인산염 전극은 대부분 고온의 환경에서 포스핀(Phosphine, PH3)가스를 이용하여 만들어지고 있다. 200℃ 내지 500℃의 고온에서 금속 나노입자 전구체와 포스페이트(Phosphate) 전구체를 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD)을 이용하여 금속 인산염 박막을 제조한다.Recently, the metal phosphate electrode has attracted attention due to its excellent reactivity and stability. In order to apply this to the electrocatalytic reaction, most metal phosphate electrodes are made using phosphine (PH 3 ) gas in a high temperature environment. A metal phosphate thin film is prepared by using chemical vapor deposition (CVD) using a metal nanoparticle precursor and a phosphate precursor at a high temperature of 200°C to 500°C.
그러나, 고온의 환경에서는 포스페이트 전구체가 독성이 높은 포스핀(PH3) 가스로 변하는 문제가 있고, 코팅시간이 길어 생산성이 떨어지는 단점이 있다.However, in a high-temperature environment, the phosphate precursor has a problem of being changed into a highly toxic phosphine (PH 3 ) gas, and has a disadvantage in that productivity is reduced due to a long coating time.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 용액의 pH를 조절하여 저온에서 단시간에 금속 인산염 박막을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve a number of problems, including the problems as described above, it is an object to provide a method of manufacturing a metal phosphate thin film in a short time at a low temperature by adjusting the pH of the solution.
또한, 본 발명은 전이금속 양이온을 첨가한 금속 인산염 박막을 형성하여 높은 반응성과 안정성을 가지며 성능이 우수한 전기화학 촉매 전극을 제조하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to produce an electrochemical catalyst electrode having high reactivity and stability and excellent performance by forming a metal phosphate thin film to which a transition metal cation is added.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, (a) pH가 2 이상, 5 이하인 산성 수용액을 준비하는 단계, (b) 상기 pH 범위 내에서 석출될 수 있는 인산 음이온을 상기 산성 수용액에 첨가하여 코팅 용액을 형성하는 단계, (c) 상기 코팅 용액의 pH 범위 내에서 이온화되는 금속을 포함하는 금속 기판을 상기 코팅 용액에 침지하는 단계, (d) 상기 금속 기판의 금속이 이온화되어 금속이온을 형성하고 상기 코팅 용액의 pH를 증가시키는 단계 및 (e) 상기 인산 음이온이 상기 금속이온과 결합하고 석출되어 상기 금속 기판의 적어도 일부에 금속 인산염 박막을 형성하는 단계를 포함하는, 금속 인산염 박막의 제조방법이 제공된다.According to one aspect of the present invention for solving the above problems, (a) preparing an acidic aqueous solution having a pH of 2 or more and 5 or less, (b) phosphate anions that can be precipitated within the pH range are added to the acidic aqueous solution. Forming a coating solution by adding, (c) immersing a metal substrate containing a metal ionized within a pH range of the coating solution in the coating solution, (d) metal of the metal substrate is ionized to form metal ions Forming and increasing the pH of the coating solution and (e) forming a metal phosphate thin film on at least a portion of the metal substrate by combining and depositing the phosphate anion with the metal ion. A manufacturing method is provided.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (e) 단계에서, 상기 pH가 증가함에 따라 상기 인산 음이온의 석출속도가 상기 금속의 이온화 속도보다 커질 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, in step (e), as the pH increases, the precipitation rate of the phosphate anion may be greater than the ionization rate of the metal.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅 용액은 촉매 활성을 향상시키는 전이금속 양이온을 적어도 하나 더 포함하고, 상기 (e) 단계에서 상기 인산 음이온이 상기 금속이온 및 상기 전이금속 양이온과 결합하고 석출될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the coating solution further includes at least one transition metal cation that improves catalytic activity, and in step (e), the phosphoric acid anion is combined with the metal ion and the transition metal cation. And can be precipitated.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅 용액은 pH의 증가를 가속시키는 아질산 이온(Nitrite ion, [NO2]-)을 더 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the coating solution may further include nitrite ions (Nitrite ion, [NO 2 ] - ) to accelerate the increase in pH.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅 용액은 50 ℃ 내지 90 ℃의 온도범위를 가질 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the coating solution may have a temperature range of 50 ℃ to 90 ℃.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 기판은, 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 구리(Cu) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 그 조합의 금속을 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the metal substrate is iron (Fe), nickel (Ni), zinc (Zn), calcium (Ca), magnesium (Mg), manganese (Mn), copper (Cu) And it may include at least any one or a combination of metals selected from the group consisting of chromium (Cr).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전이금속 양이온은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 철(Fe), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 그 조합의 이온을 포함할 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the transition metal cation is nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), iron (Fe), ruthenium (Ru), copper (Cu), iridium (Ir) ), magnesium (Mg), calcium (Ca), and zinc (Zn).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 인산염 박막은 크기가 1㎛ 내지 3㎛인 다공성의 금속 인산염 입자를 포함할 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, the metal phosphate thin film may include porous metal phosphate particles having a size of 1 μm to 3 μm.
그리고, 상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 금속 인산염 박막을 표면의 적어도 일부에 포함하는 전기화학 촉매 전극이 제공된다.And, according to another embodiment of the present invention for solving the above problems, there is provided an electrochemical catalyst electrode comprising a metal phosphate thin film on at least a portion of the surface.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 용액의 pH를 조절하여 저온에서 단시간에 금속 인산염 박막을 제조할 수 있다.According to one embodiment of the present invention made as described above, it is possible to manufacture a metal phosphate thin film in a short time at a low temperature by adjusting the pH of the solution.
또한, 본 발명은 전이금속 양이온을 첨가한 금속 인산염 박막을 형성하여, 높은 반응성과 안정성을 가지며 성능이 우수한 전기화학 촉매 전극을 제조할 수 있다.In addition, the present invention can form a metal phosphate thin film to which a transition metal cation is added, to produce an electrochemical catalyst electrode having high reactivity and stability and excellent performance.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 인산염 박막의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 인산염 박막의 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 인산염 박막의 표면을 나타내는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진이다.
도 5는 비교예 1, 실시예 1 내지 4의 산소 발생 반응 실험시 전극의 전류밀도(Current density)를 나타낸다.
도 6은 실시예 1의 산소 발생 반응 실험의 수행 횟수에 따른 전류 밀도 변화를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실험예에 따른 망간 인산염 박막에 첨가된 코발트(Co)의 농도에 따른 산소 발생 반응 실험에서 전류밀도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 따른 실시예 6의 전극을 산소 발생 반응 실험 전 후의 표면을 나타내는 주사전자현미경(Scanning electrom microscope, SEM)사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실험예에 따른 전해질의 농도에 따른 전극의 산소 발생 반응 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실험예에 따른 전해질의 pH가 14일 때 실시예 6 전극의 내구성을 실험한 결과를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따른 아연 인산염 박막 형성 온도에 따른 전극의 물 산화 반응 활성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실험예에 따른 아연 인산염 박막 형성 시간에 따른 전극의 물 산화 반응 활성을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실험예에 따른 아연 인산염 박막 형성시 전이금속 양이온이 첨가되는 함량에 따른 전극의 물 산화 반응 활성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실험예에 따른 아연 인산염 박막 형성시 코팅용액에 첨가된 금속기판의 금속 양이온의 함량에 따른 전극의 물 산화 반응 활성을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실험예에 따른 아연 인산염 박막 형성시 제 2 전이금속 양이온의 포함여부에 따른 전극의 물 산화 반응 활성을 나타내는 그래프이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 아연 인산염 박막 전극의 표면 특성을 나타내는 사진 및 그래프이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 아연 인산염 박막 전극 표면의 원자 분포를 나타내는 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 물 산화 실험이 전류밀도를 나타내는 그래프이다.
도 21 및 22는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전극의 물 산화 실험의 순환 전압 전류법(Cyclic Voltammetry, CV) 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 전해질의 pH에 따른 전극의 물 산화 실험시 순환 전압 전류법(Cyclic Voltammetry, CV) 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 인산염 박막이 형성된 전극을 이용하여 물 산화 실험을 수행하는 과정을 나타내는 사진이다.1 is a flow chart showing a method of manufacturing a metal phosphate thin film according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are schematic views showing a method of manufacturing a metal phosphate thin film according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope, SEM) photograph showing the surface of a metal phosphate thin film according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the current density (Current density) of the electrode in the oxygen generation reaction experiment of Comparative Example 1, Examples 1 to 4.
6 shows a change in current density according to the number of times of the oxygen generation reaction experiment of Example 1.
7 is a graph showing the current density in the oxygen generation reaction experiment according to the concentration of cobalt (Co) added to the manganese phosphate thin film according to an experimental example of the present invention.
8 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the surface of the electrode of Example 6 according to an experimental example of the present invention before and after the oxygen generation reaction experiment.
9 is a graph showing the results of an oxygen generating reaction experiment of an electrode according to an electrolyte concentration according to an experimental example of the present invention.
10 shows the results of experiments of durability of the electrode of Example 6 when the pH of the electrolyte according to the experimental example of the present invention is 14.
11 is a graph showing the water oxidation reaction activity of the electrode according to the zinc phosphate thin film formation temperature according to an experimental example of the present invention.
12 is a graph showing the water oxidation reaction activity of the electrode according to the zinc phosphate thin film formation time according to an experimental example of the present invention.
13 is a graph showing the water oxidation reaction activity of the electrode according to the amount of transition metal cation added when forming a zinc phosphate thin film according to an experimental example of the present invention.
14 is a graph showing the water oxidation reaction activity of an electrode according to the content of metal cations of a metal substrate added to a coating solution when forming a zinc phosphate thin film according to an experimental example of the present invention.
15 is a graph showing the water oxidation reaction activity of an electrode according to whether a second transition metal cation is included in forming a zinc phosphate thin film according to an experimental example of the present invention.
16 and 17 are photographs and graphs showing the surface properties of a zinc phosphate thin film electrode according to an embodiment of the present invention.
18 and 19 are graphs showing the atomic distribution on the surface of a zinc phosphate thin film electrode according to an embodiment of the present invention.
20 is a graph showing the current density in the water oxidation experiment of the electrode according to an embodiment of the present invention.
21 and 22 are graphs showing cyclic voltammetry (CV) analysis results of water oxidation experiments of electrodes according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
23 is a graph showing the results of a cyclic voltammetry (CV) analysis during a water oxidation experiment of an electrode according to pH of an electrolyte according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
24 is a photograph showing a process of performing a water oxidation experiment using an electrode on which a metal phosphate thin film is formed according to an embodiment of the present invention.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.For a detailed description of the present invention, which will be described later, reference is made to the accompanying drawings that illustrate, by way of example, specific embodiments in which the present invention may be practiced. These examples are described in detail enough to enable those skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and properties described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in relation to one embodiment. In addition, it should be understood that the location or placement of individual components within each disclosed embodiment can be changed without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the following detailed description is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if appropriately described, is limited only by the appended claims, along with all ranges equivalent to those claimed. In the drawings, similar reference numerals refer to the same or similar functions across various aspects, and length, area, thickness, and the like may be exaggerated for convenience.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to enable those skilled in the art to easily implement the present invention.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 인산염 박막의 제조방법(S100)에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 인산염 박막(100)의 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 인산염 박막(100)의 제조방법을 나타내는 개략도이다.1 to 3, a method of manufacturing a metal phosphate thin film according to an embodiment of the present invention (S100) will be described. 1 is a flow chart showing a method of manufacturing a metal phosphate
도 1에 따르면, 금속 인산염 박막(100)의 제조방법(S100)은, (a) pH가 2 이상, 5 이하인 산성 수용액(210)을 준비하는 단계(S110), (b) 상기 pH 범위 내에서 석출될 수 있는 인산 음이온(220)을 산성 수용액(210)에 첨가하여 코팅 용액(200)을 형성하는 단계(S120), (c) 코팅 용액(200)의 pH 범위 내에서 이온화되는 금속을 포함하는 금속 기판(300)을 코팅 용액(200) 내에 침지하는 단계(S130), (d) 금속 기판(300)의 금속이 이온화되어 금속이온(320)을 형성하고 코팅 용액(200)의 pH를 증가시키는 단계(S140) 및 (e) 인산 음이온(220)이 금속이온(320)과 결합하고 석출되어 금속 기판(300)의 적어도 일부에 금속 인산염 박막(100)을 형성하는 단계(S150)을 포함할 수 있다.According to Figure 1, the manufacturing method of the metal phosphate thin film 100 (S100), (a)
종래의 금속 인산염 박막을 형성하는 방법은, 인산 전구체를 200℃ 내지 500℃의 고온의 환경에서 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD)을 이용하여 제조하였다. 그러나, 이는 고온의 환경에서 인산 전구체가 독성의 포스핀(Phosphine, PH3)이 되는 문제점이 있었다. 이를 방지하기 위해, 본 발명은 저온, 산성의 환경에서 인산 음이온이 석출되는 현상을 이용하는 것을 특징으로 한다. The conventional method for forming a metal phosphate thin film was prepared by using a chemical vapor deposition (CVD) method in which the phosphoric acid precursor is in a high temperature environment of 200°C to 500°C. However, this has a problem that the phosphate precursor becomes toxic phosphine (PH 3 ) in a high temperature environment. To prevent this, the present invention is characterized by using a phenomenon in which a phosphate anion is precipitated in a low temperature, acidic environment.
먼저, (a) 산성 수용액(210)을 준비하는 단계(S110)에서, 산성 수용액(210)은 pH가 2 이상, 5 이하일 수 있다. 인산의 Pourbiax diagram을 참조하면, 인산 음이온(PO4 3-)(220)은 pH 2 이상에서 고체로 석출될 수 있다. First, (a) in the step (S110) of preparing the acidic
다음으로, (b) 상기 pH 범위 내에서 석출될 수 있는 인산 음이온(220)을 산성 수용액(210)에 첨가하여 코팅 용액(200)을 형성(S120)한다. 코팅 용액(200)은 금속 인산염 박막(100)을 형성하는 원료 물질을 포함할 수 있다. 그 중 인산 음이온(220)은 상술한 바와 같이 pH 2 이상에서 고체로 석출 될 수 있다.Next, (b) a
코팅 용액(200)은 인산 음이온(220) 이외의 금속 인산염 박막(100)에 첨가할 수 있는 다른 성분을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 다른 성분은 금속 인산염 박막(100)의 촉매 활성을 향상시키는 제 2 금속원소나, 기타 다른 첨가물일 수 있다. 한편, 코팅용액(200)은 pH를 조절한 산성 수용액(210)을 준비한 뒤 인산 음이온(220)을 순차적으로 첨가하여 형성할 수 있고, 산성 수용액(210)에 인산 음이온(220)의 첨가와 동시에 pH를 조절하여 코팅용액(200)을 형성할 수도 있다. The
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 코팅 용액(200)은 50 ℃ 내지 90 ℃의 온도범위를 가질 수 있다. 종래의 경우, 최소 200℃ 이상의 고온의 환경에서 인산염 전구체를 기체 상태로 만들어 금속 인산염 박막을 형성하였다. 반면에 본 발명의 경우, 코팅 용액(200)의 pH 변화에 따라 인산 음이온(220)과 금속이온(320)이 결합하고 석출되어 금속 인산염 박막(100)을 형성하기 때문에, 저온에서 금속 인산염 박막(100)의 제조가 가능하다. 바람직하게는, 코팅 용액(200)은 60 ℃ 내지 70 ℃의 온도범위를 가질 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, the
그리고, (c) 금속 인산염 박막(100)을 형성하는 원료인 금속을 포함하는 금속 기판(300)을 코팅 용액(200)에 침지(S130)한다. 금속 기판(300)은 코팅 용액(200)의 pH 범위 내에서 이온화되는 금속을 포함할 수 있다. 금속기판(300)은 코팅용액(200)에 준비되기 전에 염기처리 및 산처리를 순차적으로 수행하여 클리닝(Cleaning)할 수도 있다.Then, (c) a
금속 기판(300)의 금속, 예를 들어, 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn) 등은 pH 5 이하에서 금속 이온(320)으로 이온화 될 수 있다. 금속 인산염 박막(100)을 형성하기 위해, 금속이 이온의 형태로 존재할 수 있는 상태와 인산 음이온(220)이 금속이온(320)과 결합하여 고체로 석출될 수 있는 경계면에 해당하는 pH를 선택하여 산성 수용액(210)을 준비한다. 바람직하게는 산성 수용액(210)의 pH는 2.5 일 수 있다.The metal of the
도 2 및 도 3의 (c)를 참조하면, 금속 기판(300)은 코팅 용액(200) 내에서 부식되어 금속이온(M+)(320)과 전자(e-)를 방출한다. 이후, 금속 이온(320)과 인산 음이온(220)이 결합하며 석출되어 금속 기판(300)이 부식된 영역에 금속 인산염 박막(100)을 형성할 수도 있다. 금속기판(300)은 반드시 평평한 형태일 필요는 없으며, 경우에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 금속기판(300)은 원통형의 형태를 가질 수 있고, 다공성의 폼(Foam)형태를 가질 수도 있다. 금속기판(300)이 코팅 용액(200) 내에 침지되는 방법은 통상적으로 사용되는 방법이 채택될 수 있다. 바람직하게는, 금속 인산염 박막(100) 형성 후, 세척 공정이 용이하도록 디핑(deeping)하는 방법을 사용할 수 있다.2 When reference to (c) of Figure 3, the
이때, 금속 기판(300)은, 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 구리(Cu) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 그 조합의 금속을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 금속기판(300)은 철(Fe) 또는 니켈(Ni)을 포함하는 금속 호일(foil)일 수 있다. In this case, the
이후, (d) 코팅용액(200)에 접촉된 금속 기판(300)의 금속이 이온화되어 금속이온(320)을 형성하고, 코팅 용액(200)의 pH를 증가(S140)시킬 수 있다. 도 2 및 도 3의 (c)를 참조하면, 금속 기판(300)의 금속이 이온화되면 금속이온(M+)(320)이 형성됨과 동시에, 전자(e-)를 형성한다. 산성의 코팅 용액(200)에 포함되어 있는 수소이온(H+)은 전자(e-)와 반응하여 수소기체(H2)가 되고, 코팅 용액(200)의 수소이온(H+)의 농도가 낮아져서 pH가 증가한다. 이때, 코팅용액(200)의 온도를 50 ℃ 내지 90 ℃로 가열하여 금속기판(300)의 부식을 유도할 수도 있다.Thereafter, (d) the metal of the
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 코팅 용액(200)은 pH의 증가를 가속시키는 아질산 이온(Nitrite ion, [NO2]-)(280)을 더 포함할 수 있다. 아질산 이온(280)은 수용액 내에서 산-염기 반응에 의해 약산 염기성을 띤다. 즉, 산성 수용액(210)을 포함하는 코팅 용액(200)에 첨가되어 pH를 더 빠르게 증가시킬 수 있다. 따라서, 인산 음이온(220)이 석출될 수 있도록 코팅용액(200)에 아질산 이온(280)을 더 포함시켜 pH의 증가를 가속시킬 수 있다.Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the
다음으로, (e) 인산 음이온(220)이 금속이온(320)과 결합하고 석출되어 금속 기판(300)의 적어도 일부에 금속 인산염 박막(100)을 형성(S150)한다. 인산 음이온(220)과 금속이온(320)은 코팅용액(200)에서 강한 결합력을 형성할 수 있다. 각각 음전하(-) 및 양전하(+)를 띠기 때문에 정전기적 인력으로 서로 결합될 수 있다. 인산 음이온(220)은 pH가 증가함에 따라 고체로 석출되는데, 결합된 금속이온(320)과 함께 금속 기판(300) 상에 금속 인산염 박막(100)을 형성할 수 있다. Next, (e) the
이때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, (e) 금속 인산염 박막(100)을 형성하는 단계(S150)에서, 상기 pH가 증가함에 따라 인산 음이온(220)의 석출속도가 금속의 이온화 속도보다 커질 수 있다.At this time, according to an embodiment of the present invention, (e) in the step (S150) of forming the metal phosphate
도 2, 도 3의 (d) 및 (e)를 참조하면, 코팅용액(200)의 pH가 증가할 때, 초기에는 금속이 부식되어 이온화 되는 속도가 인산 음이온(220)의 석출속도보다 빠르다. 이때는 인산 음이온(220)의 석출 없이, 금속 이온(320)과 결합을 이룬다. 이후, 수소이온(H+)의 환원에 의해 pH가 증가함에 따라 인산 음이온(220)의 석출속도도 증가하게 된다. 금속의 이온화 속도보다 인산 음이온(220)의 석출속도가 더 커지면, 금속기판(300) 상에 금속이온(320)과 인산 음이온(220)이 석출되어 금속 인산염 박막(100)을 형성할 수 있다. 이때, 금속 인산염 박막(100)은 금속 기판(300)의 적어도 일부에 형성될 수 있고, 바람직하게는 금속 기판(300)이 부식된 영역에 형성될 수도 있다. 상기 공정을 통해 금속 인산염 박막(100)이 형성된 금속 기판(300)에 증류수로 세척하는 공정을 더 수행할 수도 있다.Referring to FIGS. 2 and 3 (d) and (e), when the pH of the
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 코팅 용액(200)은 촉매 활성을 향상시키는 전이금속 양이온(280)을 적어도 하나 더 포함하고, (e) 금속 인산염 박막(100)을 형성하는 단계에서 인산 음이온(220)이 금속이온(320) 및 전이금속 양이온(280)과 결합하고 석출될 수 있다.On the other hand, according to one embodiment of the present invention, the
금속 인산염 박막(100)은 금속 기판(300)을 이루고 있는 금속만을 포함할 수 있지만, 코팅 용액(200)에 다른 금속이온을 추가하여 금속 인산염 박막(100)에 포함시킬 수도 있다. 이때, 추가되는 금속이온은 금속 인산염 박막(100)의 촉매 활성을 향상시키는 전이금속 양이온(280)일 수 있다. 금속 인산염 박막(100)을 전이금속을 추가하여 제조할 경우, 전기화학 촉매 반응의 활성이 향상될 수 있다. 또한, 전이금속의 종류 및 조성을 달리하여 원하는 반응에 선택적으로 작용이 가능한 촉매전극을 제조할 수도 있다. 인산염 음이온(220)이 석출될 때, 금속이온(320)과 전이금속 양이온(280)이 함께 석출됨으로써 금속 인산염 박막(100)에 포함될 수 있다.The metal phosphate
이때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전이금속 양이온(280)은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 철(Fe), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 그 조합일 수 있다. 바람직하게는, 전이금속 양이온(280)은 니켈(Ni), 코발트(Co) 또는 그 조합일 수 있다.At this time, according to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 금속 인산염 박막(100)의 제조방법(S100)은 우수한 반응성과 안정성을 가진 금속 인산염 박막(100)을 종래의 방법에 비해 저온에서 공정시간을 단축하여 제조할 수 있다는 이점이 있다. 특히, 저온의 코팅용액(200)을 이용하기 때문에, 고온의 환경에서 포스핀(PH3) 독성물질이 생성되는 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 값이 싼 원료로 박막 코팅방식을 사용하기 때문에, 대량생산에 있어서 경쟁력을 가질 수 있다.The manufacturing method (S100) of the metal phosphate
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기화학 촉매 전극(500)은 금속 인산염 박막(100)을 표면의 적어도 일부에 포함할 수 있다. 금속 인산염 박막(100)은 금속 기판(300)의 적어도 일부에 형성될 수 있다. 도 3을 참조하면, 금속 인산염 박막(100)에 포함되는 금속의 원료를 제공하는 금속 기판(300)은 전기화학 촉매 전극(500)의 기재가 될 수 있다. 상술한 공정에 따라 형성되는 금속 인산염 박막(100)이 금속 기판(300)의 적어도 일부 영역, 바람직하게는 금속 기판(300)이 부식된 영역에 형성되어 전기화학 촉매 전극(500)을 제조할 수 있다. 또한, 금속기판(300) 및 전이금속 양이온(280)의 종류 및 함량을 달리하여 원하는 반응에 적용 가능한 전기화학 촉매 전극(500)의 제조가 가능하다.Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 인산염 박막의 표면을 나타내는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진이다.Figure 4 is a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope, SEM) photograph showing the surface of a metal phosphate thin film according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 금속 기판(300) 상에 인산염 음이온(220), 금속이온(320) 및 전이금속 양이온(280)이 석출되어 금속 인산염 박막(100)을 형성한 것을 확인할 수 있다. 금속 인산염 박막(100)은 크기가 1 ㎛ 내지 3 ㎛인 다공성의 금속 인산염 입자(110)를 포함할 수 있다. 금속 인산염 입자(110)는 격자응력(Lattice strain)이 형성되기 때문에, 종래의 산화물 촉매에 비해 성능이 우수하다. 특히, 수 ㎛ 단위의 다공성 금속 인산염 입자(110)를 형성할 경우 격자응력이 더 커질 수 있다. 또한, 금속 인산염 박막(100)이 형성된 전기화학 촉매 전극(500)은 코팅용액(200)에 첨가되는 전이금속 양이온(280) 및 금속 기판(300)의 종류를 선택하여 제조할 수 있다. 전기화학 반응에 따라 사용되는 촉매가 달라지는데, 이에 맞춰 코팅용액(200)의 조성물을 변화하며 금속 인산염 박막(100)을 제조할 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that a
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예 및 실험예들을 설명한다. 다만, 하기의 실시예 및 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 실시예 및 실험예들이 아래의 실시예 및 실험예들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and experimental examples for helping understanding of the present invention will be described. However, the following Examples and Experimental Examples are only to help understanding of the present invention, and the Examples and Experimental Examples of the present invention are not limited to the following Examples and Experimental Examples.
실시예Example
1. 스테인리스 강(SS) 기판을 이용한 망간 인산염 박막(MnPi) 전극1.Manganese phosphate thin film (MnPi) electrode using stainless steel (SS) substrate
금속기판(300)으로 스테인리스 강(Stainless Steel)을 사용하고, 전이금속 양이온(260)으로 망간(Mn)을 기본으로 코발트(Co), 이리듐(Ir) 및 루테늄(Ru)을 첨가하여 금속 인산염 박막(100)을 형성한 전극을 이용한 실험예에 대하여 설명한다.Metal phosphate thin film by using stainless steel as the
먼저, 본 실시예에 있어서, 망간 인산염 박막(MnPi) 제조방법을 설명하면, 금속기판(300)으로 스테인리스 강(SS)을 준비하고, 금속기판의 전처리 공정을 수행한다. 스테인리스 강 기판을 0.2 M의 NaOH 수용액 40 mL의 탈지제(Degrease soultion)로 60 ℃에서 8분동안 처리한다. 이때, 탈지제를 200 rpm으로 회전시키며 처리한다. 이후, 증류수에서 1분간 세척하고, 세정제로 10 % 농도의 HCl 수용액 40 mL를 이용하여 상온에서 5 분간 처리한 뒤, 증류수로 1분간 2회에 걸쳐서 세척한다. First, in the present embodiment, when the method for manufacturing a manganese phosphate thin film (MnPi) is prepared, stainless steel (SS) is prepared by the
이후, 인산망간계 화합물인 0.12 g의 K-104A와 0.12 g의 K-104B(BCC 社의 인산망간계 표면조정제)를 녹인 수용액 40 mL를 표면조정제(surface activating soulution)로 사용하여 상기 전처리 된 금속기판을 1분간 표면처리한다. 표면처리는 금속기판을 인산망간계 수용액에서 300 rpm으로 회전시키며 수행한다. Thereafter, 40 mL of an aqueous solution in which 0.12 g of K-104A, a manganese phosphate compound, and 0.12 g of K-104B (manganese phosphate-based surface control agent of BCC) was dissolved was used as a surface activating soulution, and the pretreated metal was used. The substrate is surface-treated for 1 minute. The surface treatment is performed by rotating the metal substrate at 300 rpm in a manganese phosphate-based aqueous solution.
이후, 코팅용액인 망간 인산염 용액(Mn Phosphating solution)으로써 3.2 g의 MN100과 제 2의 전이금속 양이온을 포함하는 황산염(MSO4)이 혼합된 수용액 40 mL를 이용하여 인산염 박막을 형성한다. 이때 인산염 박막을 형성하는 과정은 94 ℃에서 10분동안 처리한다.Subsequently, a phosphate thin film is formed using 40 mL of an aqueous solution containing 3.2 g MN100 and a second transition metal cation sulfate (MSO 4 ) as a manganese phosphate solution (Mn Phosphating solution), which is a coating solution. At this time, the process of forming the phosphate thin film is processed at 94°C for 10 minutes.
마지막으로 금속 인산염 박막이 형성된 금속 기판을 증류수로 세척하고, 300 ℃에서 5시간동안 어닐링(Annealing)한다.Finally, the metal substrate on which the metal phosphate thin film is formed is washed with distilled water and annealed at 300° C. for 5 hours.
상기의 방법으로 제조된 망간 인산염 박막(MnPi)은, 스테인리스 강(SS)에서 녹아나온 금속원소, 망간 양이온, 별도로 첨가한 제 2 전이금속 양이온 및 인산염을 포함한다.The manganese phosphate thin film (MnPi) prepared by the above method includes a metal element dissolved in stainless steel (SS), a manganese cation, and a second transition metal cation and phosphate added separately.
이하에서는, 상기의 망간 인산염 박막(MnPi) 제조방법에서 조건을 달리하여 제조된 비교예 및 실시예들에 대하여 설명한다.Hereinafter, comparative examples and examples prepared by varying conditions in the method of manufacturing the manganese phosphate thin film (MnPi) will be described.
비교예 1: 순수한 스테인리스 강(SS) Comparative Example 1: Pure stainless steel (SS) 전극electrode (Bare SS) (Bare SS)
표면처리를 하지 않은 스테인리스 강(SS) 기판을 준비하고, 이를 비교예 1이라 한다.A stainless steel (SS) substrate without surface treatment was prepared, and this is referred to as Comparative Example 1.
실시예 1: 망간 인산염 박막(MnPi) Example 1: Manganese Phosphate Thin Film (MnPi) 전극electrode (SS+MnPi) (SS+MnPi)
상기의 망간 인산염 박막(MnPi) 제조방법에서, 망간 인산염 용액에서 제 2 의 전이금속 양이온을 포함하는 황산염(MSO4)을 넣지 않고 제조한 것을 제외하고는 동일한 방법으로, 망간 금속 인산염 박막이 형성된 스테인리스 강(SS) 전극을 제조하고, 이를 실시예 1이라 한다.In the above method of manufacturing a manganese phosphate thin film (MnPi), a manganese phosphate thin film is formed in the same manner, except that a manganese phosphate solution is prepared without adding a sulfate (MSO 4 ) containing a second transition metal cation. A steel (SS) electrode is prepared, which is referred to as Example 1.
실시예 2: 망간-이리듐 인산염 박막(MnIrPi) Example 2: Manganese-iridium phosphate thin film (MnIrPi) 전극electrode (SS+5MnIrPi) (SS+5MnIrPi)
상기의 실시예 1의 제조방법에서, 망간 인산염 용액의 제 2 의 전이금속 양이온을 이리듐(Ir)을 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 제조한다. 망간 인산염 용액에서 5 mM의 IrSO4를 첨가하고, 상기와 동일한 방법으로, 망간 금속 인산염 박막이 형성된 스테인리스 강(SS) 전극을 제조하고, 이를 실시예 2이라 한다.In the production method of Example 1, the second transition metal cation of the manganese phosphate solution is prepared in the same manner except that iridium (Ir) is used. 5 mM IrSO 4 is added from the manganese phosphate solution, and in the same manner as above, a stainless steel (SS) electrode having a manganese metal phosphate thin film is prepared, which is referred to as Example 2.
실시예 3: 망간-루테듐 인산염 박막(MnRuPi) Example 3: Manganese-ruthenium phosphate thin film (MnRuPi) 전극electrode (SS+5MnRuPi) (SS+5MnRuPi)
상기의 실시예 1의 제조방법에서, 망간 인산염 용액의 제 2 의 전이금속 양이온을 루테늄(Ru)을 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 제조한다. 망간 인산염 용액에서 5 mM의 RuSO4를 첨가하고, 상기와 동일한 방법으로, 망간 금속 인산염 박막이 형성된 스테인리스 강(SS) 전극을 제조하고, 이를 실시예 3이라 한다.In the preparation method of Example 1, the second transition metal cation of the manganese phosphate solution is prepared in the same manner, except that ruthenium (Ru) is used. 5 mM RuSO 4 is added from the manganese phosphate solution, and in the same manner as above, a stainless steel (SS) electrode having a manganese metal phosphate thin film is prepared, which is referred to as Example 3.
실시예 4: 망간-코발트 인산염 박막(MnCoPi) Example 4: Manganese-cobalt phosphate thin film (MnCoPi) 전극electrode (SS+10MnCoPi) (SS+10MnCoPi)
상기의 실시예 1의 제조방법에서, 망간 인산염 용액의 제 2 의 전이금속 양이온을 코발트(Co)를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 제조한다. 망간 인산염 용액에서 10 mM의 CoSO4를 첨가하고, 상기와 동일한 방법으로, 망간 금속 인산염 박막이 형성된 스테인리스 강(SS) 전극을 제조하고, 이를 실시예 4이라 한다.In the production method of Example 1, the second transition metal cation of the manganese phosphate solution is prepared in the same manner except that cobalt (Co) is used. In a manganese phosphate solution, 10 mM CoSO 4 is added, and in the same manner as above, a stainless steel (SS) electrode having a manganese metal phosphate thin film is prepared, which is referred to as Example 4.
실시예 5: 망간-코발트 인산염 박막(MnCoPi) Example 5: Manganese-cobalt phosphate thin film (MnCoPi) 전극electrode (SS+100MnCoPi) (SS+100MnCoPi)
상기의 실시예 4의 제조방법에서, 망간 인산염 용액의 코발트(Co)의 농도를 다르게 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 제조한다. 망간 인산염 용액에서 100 mM의 CoSO4를 첨가하고, 상기와 동일한 방법으로, 망간 금속 인산염 박막이 형성된 스테인리스 강(SS) 전극을 제조하고, 이를 실시예 5이라 한다.In the preparation method of Example 4, it was prepared in the same manner except that the concentration of cobalt (Co) in the manganese phosphate solution was used differently. In the manganese phosphate solution, 100 mM CoSO 4 is added, and in the same manner as above, a stainless steel (SS) electrode having a manganese metal phosphate thin film is prepared, which is referred to as Example 5.
실시예 6: 망간-코발트 인산염 박막(MnCoPi) Example 6: Manganese-cobalt phosphate thin film (MnCoPi) 전극electrode (SS+200MnCoPi) (SS+200MnCoPi)
상기의 실시예 4의 제조방법에서, 망간 인산염 용액의 코발트(Co)의 농도를 다르게 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 제조한다. 망간 인산염 용액에서 200 mM의 CoSO4를 첨가하고, 상기와 동일한 방법으로, 망간 금속 인산염 박막이 형성된 스테인리스 강(SS) 전극을 제조하고, 이를 실시예 6이라 한다.In the preparation method of Example 4, it was prepared in the same manner except that the concentration of cobalt (Co) in the manganese phosphate solution was used differently. In the manganese phosphate solution, 200 mM CoSO 4 is added, and in the same manner as above, a stainless steel (SS) electrode having a manganese metal phosphate thin film is prepared, which is referred to as Example 6.
실시예 7: 망간-코발트 인산염 박막(MnCoPi) Example 7: Manganese-cobalt phosphate thin film (MnCoPi) 전극electrode (SS+500MnCoPi) (SS+500MnCoPi)
상기의 실시예 4의 제조방법에서, 망간 인산염 용액의 코발트(Co)의 농도를 다르게 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 제조한다. 망간 인산염 용액에서 500 mM의 CoSO4를 첨가하고, 상기와 동일한 방법으로, 망간 금속 인산염 박막이 형성된 스테인리스 강(SS) 전극을 제조하고, 이를 실시예 7이라 한다.In the preparation method of Example 4, it was prepared in the same manner except that the concentration of cobalt (Co) in the manganese phosphate solution was used differently. In the manganese phosphate solution, 500 mM CoSO 4 is added, and in the same manner as above, a stainless steel (SS) electrode having a manganese metal phosphate thin film is prepared, which is referred to as Example 7.
실시예 8: 망간-코발트 인산염 박막(MnCoPi) Example 8: Manganese-cobalt phosphate thin film (MnCoPi) 전극electrode (SS+1000MnCoPi) (SS+1000MnCoPi)
상기의 실시예 4의 제조방법에서, 망간 인산염 용액의 코발트(Co)의 농도를 다르게 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 제조한다. 망간 인산염 용액에서 10000 mM의 CoSO4를 첨가하고, 상기와 동일한 방법으로, 망간 금속 인산염 박막이 형성된 스테인리스 강(SS) 전극을 제조하고, 이를 실시예 8이라 한다.In the preparation method of Example 4, it was prepared in the same manner except that the concentration of cobalt (Co) in the manganese phosphate solution was used differently. In the manganese phosphate solution, 10000 mM CoSO 4 is added, and in the same manner as above, a stainless steel (SS) electrode having a manganese metal phosphate thin film is prepared, which is referred to as Example 8.
하기의 [표 1]은 망간 인산염 박막(MnPi) 제조에 있어서 비교예 및 실시예를 정리한 표이다.[Table 1] below is a table summarizing comparative examples and examples in the preparation of a manganese phosphate thin film (MnPi).
MnRuCo
Pi5/200
MnRuCo
MnCoPi10
MnCoPi100
MnCoPi200
MnCoPi500
MnCoPi1000
MnCoPi
양이온
(mM)Transition metal
Cation
(mM)
(5mM)Ir
(5mM)
Co
(200mM)Ru(5mM)
Co
(200mM)
(10mM)Co
(10mM)
(100mM)Co
(100mM)
(200mM)Co
(200mM)
(500mM)Co
(500mM)
(1000mM)Co
(1000mM)
이하에서는, 상기의 비교예 1 및 실시예 1 내지 8의 전극을 이용한 전기화학 촉매전극의 활성 실험에 대하여 설명한다. Hereinafter, an experiment for the activity of the electrochemical catalyst electrode using the electrodes of Comparative Example 1 and Examples 1 to 8 will be described.
실험예 1: 망간 인산염 박막의 산소 발생 반응(OER) 실험Experimental Example 1: Oxygen generation reaction (OER) experiment of manganese phosphate thin film
도 5 및 도 6을 참조하여, 비교예 1 및 실시예 1의 산소 발생 반응(OER) 실험에 대하여 설명한다. 도 5는 비교예 1, 실시예 1 내지 4의 산소 발생 반응 실험시 전극의 전류밀도(Current density)를 나타내고, 도 6은 실시예 1의 산소 발생 반응 실험의 수행 횟수에 따른 전류 밀도 변화를 나타낸다.5 and 6, the oxygen generation reaction (OER) experiment of Comparative Example 1 and Example 1 will be described. Figure 5 shows the current density (Current density) of the electrode in the oxygen generation reaction experiment of Comparative Examples 1 and Examples 1 to 4, Figure 6 shows the current density change according to the number of times of the oxygen generation reaction experiment of Example 1 .
비교예 1, 실시예 1 내지 실시예 4를 작업전극(Working Electrode, WE), 탄소전극(Carbon cloth)를 상대전극(Counter Electrode, CE) 및 Ag/AgCl(3 M NaCl)을 기준전극(Reference electrode)으로 하고, 전해질은 1 M의 KOH 수용액으로 하여 3 전극 셀(Cell)을 형성한다.Comparative Example 1, Examples 1 to 4, the working electrode (Working Electrode, WE), the carbon electrode (Carbon cloth), the counter electrode (Counter Electrode, CE), and Ag/AgCl (3 M NaCl) as the reference electrode (Reference electrode), and the electrolyte is a 1 M aqueous KOH solution to form a three-electrode cell.
도 5를 참조하면, 망간 인산염 박막을 형성한 실시예 1 내지 실시예 4의 전극이 동일한 전압일 때 전류밀도가 더 높은 것을 알 수 있다. 그 중에서도, 전이금속 양이온으로 코발트(Co)를 더 포함하는 실시예 4의 전극이 가장 우수한 전류밀도를 보이는 것을 알 수 있다. 이는, 금속 인산염 박막에 다른 전이금속 양이온을 더 첨가할 경우, 전극의 성능이 향상되는 것을 의미한다. 특히, 코발트(Co) 이온을 더 첨가할 경우, 전극의 성능 향상을 극대화 시킬 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the current densities are higher when the electrodes of Examples 1 to 4 in which the manganese phosphate thin film is formed have the same voltage. Among them, it can be seen that the electrode of Example 4 further comprising cobalt (Co) as a transition metal cation shows the best current density. This means that when another transition metal cation is further added to the metal phosphate thin film, the performance of the electrode is improved. In particular, when more cobalt (Co) ions are added, the performance improvement of the electrode can be maximized.
그리고, 도 6을 참조하면, 실시예 1의 전극은 산소 발생 반응 실험의 수행한 횟수에 따라 전류밀도가 증가하는 것을 알 수 있다. 20회 이상의 반복실험을 수행한 경우, 전류밀도의 변화량이 감소하고 안정화된 것을 알 수 있다. 즉, 금속 인산염 박막이 형성된 전극은 사용횟수가 증가할수록 안정화되어 촉매전극으로 안정적인 성능을 나타낼 수 있음을 의미한다.And, referring to Figure 6, it can be seen that the electrode of Example 1 increases in current density according to the number of times of the oxygen generation reaction experiment. When more than 20 repetition experiments were performed, it can be seen that the amount of change in current density decreased and stabilized. That is, it means that the electrode on which the metal phosphate thin film is formed is stabilized as the number of times of use increases, thereby exhibiting stable performance as a catalyst electrode.
실험예 2: 코발트(Co)의 농도에 따른 산소 발생 반응 (OER) 실험Experimental Example 2: Oxygen generation reaction (OER) experiment according to the concentration of cobalt (Co)
실시예 4 내지 8의 전극을 이용하여, 전이금속 양이온으로 첨가된 코발트(Co)의 농도에 따른 산소 발생 반응(OER) 실험을 수행한다. 도 7은 본 발명의 일 실험예에 따른 망간 인산염 박막에 첨가된 코발트(Co)의 농도에 따른 산소 발생 반응 실험에서 전류밀도를 나타내는 그래프이다.Using the electrodes of Examples 4 to 8, an oxygen generation reaction (OER) experiment according to the concentration of cobalt (Co) added as a transition metal cation is performed. 7 is a graph showing the current density in the oxygen generation reaction experiment according to the concentration of cobalt (Co) added to the manganese phosphate thin film according to an experimental example of the present invention.
실시예 4 내지 8의 전극을 작업전극, 백금 와이어(Pt wire)를 상대전극, Hg/HgO(1M KOH)를 기준전극으로 하고, 전해질은 1 M의 KOH 수용액으로 하여 3 전극 셀(Cell)을 형성한다.The electrode of Examples 4 to 8 is a working electrode, a platinum wire (Pt wire) is a counter electrode, and Hg/HgO (1M KOH) is used as a reference electrode, and the electrolyte is a 1 M KOH aqueous solution to form a 3-electrode cell (Cell). To form.
도 7의 (a) 및 (b)를 참조하면, 망간 인산염 박막(MnPi) 제조시 첨가된 코발트(Co) 이온의 농도가 증가할수록, 전류밀도가 증가하다가 200 mM의 코발트(Co) 이온을 첨가하였을 때 전류밀도가 가장 높은 것을 알 수 있다. 즉, 코발트(Co) 이온을 200 mM 첨가하여 망간 인산염 박막(200MnCoPi)을 제조하였을 때, 전극의 효율을 극대화 시킬 수 있음을 의미한다. 7 (a) and (b), as the concentration of cobalt (Co) ions added during the manufacture of the manganese phosphate thin film (MnPi) increases, the current density increases and then 200 mM of cobalt (Co) ions are added. When you do, you can see that the current density is the highest. That is, when the manganese phosphate thin film (200MnCoPi) is prepared by adding 200 mM of cobalt (Co) ion, it means that the efficiency of the electrode can be maximized.
도 7의 (c) 및 (d)는 코발트(Co) 이온을 200 mM 첨가하여 제조한 실시예 6의 전극을 이용하여 산소 발생 반응 실험을 반복 수행하였을 때 전류밀도 변화를 나타내는 그래프이다. 실험을 반복하여 수행할수록 전류밀도가 증가하다가 170회 이상 반복하였을 때, 안정화되는 것을 알 수 있다. 그리고, 도 7의 (d)는 산소 발생 반응 실험을 170회 반복 수행한 후, 전해질을 교체하고 다시 실험을 수행하였을 때 결과를 나타낸다. 전해질을 교체하더라도 전류밀도의 변화가 없는 것은 170회 이상의 반복 실험에서 전극의 성능이 안정화된 것을 의미한다.7(c) and 7(d) are graphs showing the current density change when the oxygen generation reaction experiment was repeatedly performed using the electrode of Example 6 prepared by adding 200 mM of cobalt (Co) ion. It can be seen that the current density increases as the experiment is repeated and then stabilizes when repeated more than 170 times. And, (d) of FIG. 7 shows the results when the oxygen generation reaction experiment was repeatedly performed 170 times, and then the electrolyte was replaced and the experiment was performed again. Even if the electrolyte is replaced, there is no change in the current density, which means that the performance of the electrode is stabilized in over 170 repeated experiments.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 따른 실시예 6의 전극을 산소 발생 반응 실험 전 후의 표면을 나타내는 주사전자현미경(Scanning electrom microscope, SEM)사진이다. 도 8의 (a) 및 (b)는 실험 전의 모습을 나타내며, 코발트를 포함하는 망간 인산염 박막(200MnCoPi)이 육각기둥 형태의 입자를 형성한 것을 알 수 있다. 그러나, 도 8의 (c) 및 (d)와 같이, 170회 이상의 반복 실험 후, 실시예 6의 전극이 안정화된 이후, 표면이 거칠어지고 다공성의 입자를 형성한 것을 알 수 있다. 이는, 금속 인산염 박막의 표면에 다공성의 입자가 형성되고, 격자응력이 증가하여 촉매효율이 증가함을 의미한다.8 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the surface of the electrode of Example 6 according to an experimental example of the present invention before and after the oxygen generation reaction experiment. 8(a) and 8(b) show the state before the experiment, and it can be seen that the manganese phosphate thin film (200MnCoPi) containing cobalt formed hexagonal columnar particles. However, as shown in FIGS. 8(c) and 8(d), after 170 or more repeated experiments, it can be seen that after the electrode of Example 6 was stabilized, the surface became rough and porous particles were formed. This means that porous particles are formed on the surface of the metal phosphate thin film, and the lattice stress increases to increase the catalyst efficiency.
실험예 3: 전해질의 pH에 따른 산소 발생 반응 (OER) 실험Experimental Example 3: Oxygen generation reaction (OER) experiment according to the pH of the electrolyte
실시예 6의 전극(200MnCoPi)을 사용하여 전해질의 농도에 따른 산소 발생 반응 실험을 수행한다. 상기 실험예 2와 동일한 조건이되, 전해질을 0.5 M의 인산염 칼륨(KPi)를 이용하여 전해질을 농도를 조절하며 산소 발생 반응 실험을 수행한다. 도 9는 본 발명의 일 실험예에 따른 전해질의 농도에 따른 전극의 산소 발생 반응 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 도 9의 (a)는 NHE(Normal hydrogen electrode)를 기준으로 하였을 때, 도 9의 (b)는 RHE(Reversible hydrogen electrode)를 기준으로 하였을 때, 산소 발생 반응 실험시 전극의 전류밀도를 나타낸다.Using the electrode of Example 6 (200MnCoPi), an oxygen generation reaction experiment according to the concentration of the electrolyte is performed. Under the same conditions as in Experimental Example 2, the electrolyte was adjusted using 0.5 M of potassium phosphate potassium (KPi) to control the concentration of the electrolyte and an oxygen evolution reaction experiment was performed. 9 is a graph showing the results of an oxygen generating reaction experiment of an electrode according to an electrolyte concentration according to an experimental example of the present invention. FIG. 9(a) shows the current density of the electrode in the oxygen generation reaction experiment when the NHE (Normal hydrogen electrode) is used, and FIG. 9(b) is based on the RHE (Reversible hydrogen electrode).
도 9를 참조하면, 전해질이 산성인 경우(pH 3.02)보다 중성인 경우(pH 7.00)에서 전류밀도가 더 높은 것을 알 수 있다. 이는 본 발명의 금속 인산염 박막이 형성된 전극이 대부분의 전기화학 반응이 수행되는 pH인 7에서 높은 효율을 가지는 것을 의미한다. Referring to FIG. 9, it can be seen that the current density is higher in the neutral case (pH 7.00) than in the case where the electrolyte is acidic (pH 3.02). This means that the electrode on which the metal phosphate thin film of the present invention is formed has high efficiency at a pH of 7 at which most of the electrochemical reactions are performed.
한편, 도 10은 본 발명의 일 실험예에 따른, 전해질의 pH가 14일 때, 실시예 6 전극의 내구성을 실험한 결과를 나타낸다.On the other hand, Figure 10 shows the results of testing the durability of the electrode of Example 6, when the pH of the electrolyte is 14, according to an experimental example of the present invention.
작업전극으로 실시예 6의 전극(200MnCoPi)을, 상대전극으로 탄소전극(Carbon cloth) 및 기준전극으로 Hg/HgO(1 M KOH)를 사용하고, 1 M KOH 수용액을 전해질로 하여 pH 14에서 산소 발생 반응 실험을 수행한다. 그리고, 실험 시간에 따라 일정한 전류밀도에서의 전압(potential)을 측정하였다. As the working electrode, the electrode of Example 6 (200MnCoPi) was used as a counter electrode, and carbon electrode (Carbon cloth) and a reference electrode were used as Hg/HgO (1 M KOH), and 1 M KOH aqueous solution was used as the electrolyte to obtain oxygen at
도 10을 참조하면, 실험 시간이 지남에 따라 전극의 전압이 변하지만, 일정 시간, 특히, 15시간이 지난 후에는 전압이 안정화 되는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 금속 인산염 박막이 형성된 전극은 전기화학 반응의 시간이 지날수록 안정화되어 일정한 촉매전극 효율을 가지는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 10, it can be seen that the voltage of the electrode changes as the experiment time passes, but the voltage stabilizes after a certain period of time, especially after 15 hours. That is, it can be seen that the electrode on which the metal phosphate thin film of the present invention was formed is stabilized over time in the electrochemical reaction and has a constant catalytic electrode efficiency.
2. 니켈(Ni) 기판을 이용한 망간 인산염 박막(MnPi) 전극2. Manganese Phosphate Thin Film (MnPi) Electrode Using Nickel (Ni) Substrate
이하에서는, 금속기판(300)으로 니켈(Nickel, Ni)을 사용하고, 전이금속 양이온(260)으로 아연(Zn)을 기본으로 철(Fe)을 첨가하여 금속 인산염 박막(100)을 제조한 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, a metal phosphate
먼저, 본 실시예에 있어서 아연 인산염 박막(ZnPi) 제조방법을 설명하면, 금속기판(300)으로 니켈(Ni)을 준비하고, 금속기판의 전처리 과정을 수행한다. 금속기판을 0.2 M의 NaOH 수용액 40 mL의 탈지제(Degrease soultion)로 60 ℃에서 8분동안 처리한다. 이때, 금속기판은 200 rpm으로 회전시키며 처리한다. 이후, 증류수에서 1분간 세척하고, 세정제로 10 % 농도의 HCl 수용액 40 mL를 사용하여 상온에서 5 분간 처리한 뒤, 증류수로 1분간 2회에 걸쳐서 세척한다.First, in the present embodiment, a method of manufacturing a zinc phosphate thin film (ZnPi) is prepared, and nickel (Ni) is prepared as the
이후, 인산아연계 화합물인 0.4 g의 K-107A(BCC 社의 인산망간계 표면조정제)를 녹인 수용액 40 mL를 표면조정제(surface activating soulution)로 사용하여 상기 전처리 된 금속기판을 1분간 표면처리한다. 표면처리는 금속기판을 인산아연계 수용액에서 200 rpm으로 회전시키며 수행한다.Subsequently, the pretreated metal substrate is surface-treated for 1 minute using 40 mL of an aqueous solution in which 0.4 g of a phosphoric acid-based compound K-107A (manganese phosphate-based surface modifier of BCC) is dissolved as a surface activating soulution. . The surface treatment is performed by rotating the metal substrate at 200 rpm in a zinc phosphate-based aqueous solution.
이후, 코팅용액으로써 아연 인산염 용액(Zn Phosphating solution) 50 mL, 황산아연(ZnSO4) 및 제 2 의 전이금속 양이온을 포함하는 황산염(MSO4)인 황산철(FeSO4)을 혼합시킨 수용액을 사용하여 인산염 박막을 형성한다. Thereafter, as a coating solution, an aqueous solution of 50 mL of zinc phosphate solution (Zn Phosphating solution), zinc sulfate (ZnSO 4 ), and iron sulfate (FeSO 4 ), which is a sulfate (MSO 4 ) containing a second transition metal cation, is used. To form a thin film of phosphate.
이때 아연 인산염 용액은, 인산(H3O4) 10 mL, 질산(HNO3) 2 mL, 불화나트륨(NaF) 0.2 g, 삼인산나트륨(Sodium triphosphate, Na5P3O10) 0.02 g, K·Na·tartrate tetrahydrate(C4H6O6·K·Na·4H2O) 0.5 g, 소듐데도실벤젠설포네이트(Soudium dedocyl benzene sulfonate, C18H30-SO3 - +Na)) 0.005 g, 및 아질산칼륨(Potassium nitrite, KNO2) 2 g을 증류수 1000 mL에 혼합하고, 2 M의 NaOH 수용액으로 pH를 2.5로 조절하여 제조한다.In this case, the zinc phosphate solution includes 10 mL of phosphoric acid (H 3 O 4 ), 2 mL of nitric acid (HNO 3 ), 0.2 g of sodium fluoride (NaF), 0.02 g of sodium triphosphate (Na 5 P 3 O 10 ), K··· Na · tartrate tetrahydrate (C 4 H 6
마지막으로 금속 인산염 박막이 형성된 금속 기판을 증류수로 세척한다. 상기의 방법으로 제조된 아연 인산염 박막(ZnPi)은, 니켈(Ni) 기판에서 녹아나온 니켈(Ni)원소, 아연 양이온, 별도로 첨가한 철(Fe) 양이온 및 인산염을 포함한다. 이하에서는, 상기의 아연 인산염 박막(ZnPi) 제조방법에서 조건을 달리하여 금속 인산염 박막이 형성된 전극의 성능에 따른 최적화 실험에 대하여 설명한다.Finally, the metal substrate on which the metal phosphate thin film is formed is washed with distilled water. The zinc phosphate thin film (ZnPi) prepared by the above method includes a nickel (Ni) element dissolved in a nickel (Ni) substrate, a zinc cation, an iron (Fe) cation and a phosphate added separately. Hereinafter, optimization experiments according to the performance of the electrode on which the metal phosphate thin film is formed by varying the conditions in the method for manufacturing the zinc phosphate thin film (ZnPi) will be described.
실험예 4: 아연 인산염 박막 형성의 온도에 따른 물 산화 반응 활성 측정실험Experimental Example 4: Measurement of water oxidation reaction activity according to the temperature of zinc phosphate thin film formation
본 실험예에서는 상기의 제조방법에서 온도에 따라 다르게 제조된 아연 인산염 박막(ZnPi) 전극의 물 산화 반응 활성에 대하여 설명한다. In this experimental example, the water oxidation reaction activity of the zinc phosphate thin film (ZnPi) electrode prepared differently according to the temperature in the above manufacturing method will be described.
상기의 아연 인산염 박막 제조방법에서, 인산염 박막을 형성하는 과정을 온도는 각각 25 ℃, 70 ℃, 80 ℃ 및 90 ℃이고, 8분동안 수행하여 철을 포함하는 인산염 박막을 제조한다.In the zinc phosphate thin film manufacturing method, the temperature of forming the phosphate thin film is 25°C, 70°C, 80°C and 90°C, respectively, and is performed for 8 minutes to prepare a phosphate thin film containing iron.
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따른, 아연 인산염 박막 형성 온도에 따른 전극의 물 산화 반응 활성을 나타내는 그래프이다. 도 11의 (a), (b), (c) 및 (d)를 참조하면, 아연 인산염 박막 형성시 온도가 증가함에 따라 물 산화 반응 활성이 증가하나, 70 ℃ 내지 80 ℃ 사이의 온도에서 가장 높은 전류밀도를 가지는 것을 알 수 있다. 다만, 도 11의 (e)를 참조하면, 70 ℃ 이상의 온도에서 아연 인산염 박막이 형성된 전극의 재현성이 떨어지는 것을 알 수 있다. 즉, 본 실험예는, 아연 인산염 박막 형성시, 70 ℃의 온도에서 수행되는 것이 최적의 조건임을 알 수 있다. 11 is a graph showing water oxidation reaction activity of an electrode according to a zinc phosphate thin film formation temperature according to an experimental example of the present invention. Referring to (a), (b), (c), and (d) of FIG. 11, the water oxidation reaction activity increases as the temperature increases when the zinc phosphate thin film is formed, but the temperature is the highest at temperatures between 70°C and 80°C. It can be seen that it has a high current density. However, referring to FIG. 11(e), it can be seen that the reproducibility of the electrode having the zinc phosphate thin film formed at a temperature of 70° C. or higher is poor. That is, it can be seen that, in the present experimental example, when the zinc phosphate thin film was formed, it was performed at a temperature of 70°C.
실험예 5: 아연 인산염 박막 형성의 시간에 따른 물 산화 반응 활성 측정실험Experimental Example 5: Measurement of water oxidation reaction activity over time of zinc phosphate thin film formation
본 실험예에서는 상기의 제조방법에서 시간에 따라 다르게 제조된 아연 인산염 박막(ZnPi) 전극의 물 산화 반응 활성에 대하여 설명한다. In this experimental example, the water oxidation reaction activity of the zinc phosphate thin film (ZnPi) electrode prepared differently with time in the above manufacturing method will be described.
상기의 아연 인산염 박막 제조방법에서, 인산염 박막을 형성하는 과정에서 온도는 70 ℃이고, 시간은 각각 10분, 20분, 40분 및 80분동안 수행하여 철을 포함하는 인산염 박막을 제조한다. In the zinc phosphate thin film production method, the temperature in the process of forming the phosphate thin film is 70° C., and the time is 10 minutes, 20 minutes, 40 minutes and 80 minutes, respectively, to prepare a phosphate thin film containing iron.
도 12는 본 발명의 일 실험예에 따른, 아연 인산염 박막 형성 시간에 따른 전극의 물 산화 반응 활성을 나타내는 그래프이다. 도 12를 참조하면, 아연 인산염 박막 형성시 시간이 증가함에 따라 물 산화 반응 활성이 증가하나, 40 분동안 수행한 경우에서 가장 높은 전류밀도를 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 본 실험예는, 아연 인산염 박막 형성시, 40 분동안 수행되는 것이 최적의 조건임을 알 수 있다. 12 is a graph showing the water oxidation reaction activity of the electrode according to the zinc phosphate thin film formation time according to an experimental example of the present invention. Referring to FIG. 12, when the zinc phosphate thin film is formed, the water oxidation reaction activity increases as time increases, but it can be seen that it has the highest current density when it is performed for 40 minutes. That is, it can be seen that the present experimental example is an optimal condition that is performed for 40 minutes when forming a zinc phosphate thin film.
실험예 6: 아연 인산염 박막 형성시 전이금속 양이온의 함량에 따른 물 산화 반응 활성 측정실험Experimental Example 6: Measurement of water oxidation reaction activity according to the content of transition metal cations when forming a zinc phosphate thin film
본 실험예에서는 상기의 제조방법에서 전이금속 양이온의 함량이 다르게 제조된 아연 인산염 박막(ZnPi) 전극의 물 산화 반응 활성에 대하여 설명한다. In this experimental example, the water oxidation reaction activity of a zinc phosphate thin film (ZnPi) electrode prepared with a different content of transition metal cations in the above manufacturing method will be described.
상기의 아연 인산염 박막 제조방법에서, 인산염 박막을 형성하는 과정에서 온도는 70 ℃이고, 시간은 40분이며, 아연이온([Zn2+])의 함량, 아연이온 및 철이온의 함량([Zn2+], [Fe2+])을 달리하여 철을 포함하는 인산염 박막을 제조하고, 이를 각각 실시예 13 내지 16이라 지칭한다. 이때, 아연이온과 철이온의 함량 비율은 1:3으로 고정하되([Zn2+]/[Fe2+] = 1/3), 코팅용액에 첨가되는 양을 달리하여 제조한다.In the zinc phosphate thin film production method, the temperature in the process of forming the phosphate thin film is 70° C., the time is 40 minutes, the content of zinc ions ([Zn 2+ ]), the content of zinc ions and iron ions ([Zn 2+ ] and [Fe 2+ ]) to prepare phosphate thin films containing iron, which are referred to as Examples 13 to 16, respectively. At this time, the content ratio of zinc ions and iron ions is fixed at 1:3 ([Zn 2+ ]/[Fe 2+ ] = 1/3), and is prepared by varying the amount added to the coating solution.
도 13은 본 발명의 일 실험예에 따른, 아연 인산염 박막 형성시 전이금속 양이온이 첨가되는 함량에 따른 전극의 물 산화 반응 활성을 나타내는 그래프이다.13 is a graph showing the water oxidation reaction activity of an electrode according to the amount to which a transition metal cation is added when forming a zinc phosphate thin film according to an experimental example of the present invention.
도 13의 (a)를 참조하면, 아연 인산염 박막 형성시 아연이온([Zn2+])이 10 mM일 때, 가장 높은 전류밀도를 가지는 것을 알 수 있다. 그리고, 도 13의 (b) 및 (c)를 참조하면, 아연이온과 철이온의 함량비는 1:3이고, 각각 10 mM 및 30 mM을 첨가할 때, 가장 높은 전류밀도를 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 본 실험예는, 아연 인산염 박막 형성시, 아연이온을 10 mM, 철이온을 30 mM 첨가하여 아연 인산염 박막을 제조하는 것이 최적의 조건임을 알 수 있다. Referring to (a) of FIG. 13, it can be seen that zinc ion ([Zn 2+ ]) when forming a zinc phosphate thin film has the highest current density when 10 mM. And, referring to (b) and (c) of FIG. 13, the content ratio of zinc ions and iron ions is 1:3, and when 10 mM and 30 mM are added, respectively, it can be seen that it has the highest current density. have. That is, in the present experimental example, it can be seen that when forming a zinc phosphate thin film, it is optimal to prepare a zinc phosphate thin film by adding 10 mM of zinc ion and 30 mM of iron ion.
한편, 도 14는 본 발명의 일 실험예에 따른, 아연 인산염 박막 형성시 코팅용액에 첨가된 금속기판의 금속 양이온의 함량에 따른 전극의 물 산화 반응 활성을 나타내는 그래프이다. 도 14를 참조하면, 금속기판으로 사용된 니켈(Ni) 이온을 코팅용액에 더 첨가함에 따라 전류밀도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 이는, 아연 인산염 박막 형성시, 금속기판의 금속양이온은 더 첨가하지 않는 것이 최적의 조건임을 알 수 있다. Meanwhile, FIG. 14 is a graph showing the water oxidation reaction activity of an electrode according to the content of metal cations of a metal substrate added to a coating solution when forming a zinc phosphate thin film, according to an experimental example of the present invention. Referring to FIG. 14, it can be seen that as the nickel (Ni) ion used as a metal substrate was further added to the coating solution, the current density decreased. It can be seen that, when forming the zinc phosphate thin film, it is an optimal condition to not add more metal cations of the metal substrate.
또한, 도 15는 본 발명의 일 실험예에 따른, 아연 인산염 박막 형성시 제 2 전이금속 양이온의 포함여부에 따른 전극의 물 산화 반응 활성을 나타내는 그래프이다. 도 15를 참조하면, 아연 인산염 박막에 금속양이온인 니켈과, 전이금속 양이온인 아연 및 제 2 전이금속 양이온인 철을 포함할 때 전류밀도가 더 높은 것을 알 수 있다. 즉, 전이금속 양이온은 2 종 이상 포함한 경우, 전극의 활성이 더 향상되는 것을 의미한다. In addition, FIG. 15 is a graph showing the water oxidation reaction activity of an electrode according to whether a second transition metal cation is included in forming a zinc phosphate thin film according to an experimental example of the present invention. Referring to FIG. 15, it can be seen that the current density is higher when the zinc phosphate thin film includes nickel as a metal cation, zinc as a transition metal cation, and iron as a second transition metal cation. That is, when two or more kinds of transition metal cations are included, it means that the activity of the electrode is further improved.
상기 실험예들을 참조하면, 아연 인산염 박막을 형성한 전극은 상기의 제조방법에서, 아연이온(ZnSO4) 10 mM, 철이온(FeSO4) 30 mM을 포함하는 코팅용액을 70 ℃에서 40분동안 처리하는 조건일 때, 전극의 성능을 극대화 시킬 수 있음을 알 수 있다. Referring to the above experimental examples, the electrode formed with the zinc phosphate thin film was coated with a coating solution containing 10 mM of zinc ion (ZnSO 4 ) and 30 mM of iron ion (FeSO 4 ) in the above method for 40 minutes at 70°C. It can be seen that under the conditions of processing, the performance of the electrode can be maximized.
3. 니켈(Ni) 기판을 이용한 아연 인산염 박막 전극(ZnPi)의 물성분석3. Physical property analysis of zinc phosphate thin film electrode (ZnPi) using nickel (Ni) substrate
이하에서는, 상기 "2. 니켈 기판을 이용한 아연 인산염 박막 전극"의 실험결과에 따른 망간 인산염 박막 전극의 물성분석에 대하여 설명한다.Hereinafter, physical property analysis of the manganese phosphate thin film electrode according to the experimental results of the "2. Zinc phosphate thin film electrode using a nickel substrate" will be described.
실시예 9: 철(Fe)을 포함하는 아연 인산염 박막(Zn(Ni)FePi) 전극Example 9: Zinc phosphate thin film (Zn(Ni)FePi) electrode containing iron (Fe)
먼저, 상기 "2. 니켈 기판을 이용한 아연 인산염 박막 전극"의 실험결과의 제조방법과 동일한 방법이고, 아연이온(ZnSO4) 10 mM, 철이온(FeSO4) 30 mM을 포함하는 코팅용액을 70 ℃에서 40분동안 처리하는 조건으로 니켈(Ni) 기판에 철을 포함하는 아연 인산염 박막(Mn(Ni)FePi)이 형성된 전극을 제조하고, 이를 "실시예 9"라 지칭한다. First, it is the same method as the manufacturing method of the experimental result of "2. Zinc Phosphate Thin Film Electrode Using Nickel Substrate", and the coating solution containing 10 mM of zinc ion (ZnSO 4 ) and 30 mM of iron ion (FeSO 4 ) 70 An electrode in which a zinc phosphate thin film (Mn(Ni)FePi) containing iron is formed on a nickel (Ni) substrate under conditions of processing at 40° C. for 40 minutes, is referred to as “Example 9”.
실시예 10: 안정화된 아연 인산염 박막 전극(Zn(Ni)FeOx)Example 10: Stabilized zinc phosphate thin film electrode (Zn(Ni)FeOx)
상기 실시예 9의 전극(Zn(Ni)FePi)을 물 산화 실험을 반복 수행하여 안정화된 전극을 제조한다. 상기 실시예 9의 전극을 작업전극으로, 상대전극으로는 탄소전극을, 기준전극으로는 Hg/HgO (1 M KOH)를 사용하고, 전해질로 pH 14의 1 M KOH 수용액으로 3전극 셀을 구성한다. 실시예 9의 전극을 이용한 물 산화 실험을 150회 반복하여 전극의 인산염(Pi)를 수산화기(-OH)로 변환시킨다. 이때 형성된 전극(Zn(Ni)FeOx)를 "실시예 10"이라 지칭한다.The electrode (Zn(Ni)FePi) of Example 9 was repeatedly subjected to a water oxidation experiment to prepare a stabilized electrode. The electrode of Example 9 was used as a working electrode, a carbon electrode as a counter electrode, and Hg/HgO (1 M KOH) as a reference electrode, and a 3-electrode cell was constructed with an aqueous 1 M KOH solution of
비교예 2: 전기도금을 이용한 니켈-철 전극(e-NiFeOx)Comparative Example 2: Nickel-iron electrode (e-NiFeOx) using electroplating
종래의 방법을 이용하여, 니켈기판에 철이온을 전기도금하여 니켈-철 전극(e-NiFeOx)을 제조하고, 이를 비교예 2라 지칭한다.A nickel-iron electrode (e-NiFeOx) is prepared by electroplating iron ions on a nickel substrate using a conventional method, which is referred to as Comparative Example 2.
다음으로, 도 16 내지 도 19를 참조하여 실시예 9 및 10의 물성분석에 대하여 설명한다.Next, physical properties of Examples 9 and 10 will be described with reference to FIGS. 16 to 19.
도 16 및 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 아연 인산염 박막 전극의 표면 특성을 나타내는 사진 및 그래프이다. 도 16의 (a), (b), (c) 및 (d)는 실시예 9 전극의 표면과 단면의 SEM 사진 및 원자현미경(Atomic force microscopy, AFM) 사진이고, 도 17의 (e), (f), (g) 및 (h)는 실시예 10 전극의 표면과 단면의 SEM 및 AFM 사진이다.16 and 17 are photographs and graphs showing the surface properties of a zinc phosphate thin film electrode according to an embodiment of the present invention. (A), (b), (c), and (d) of FIG. 16 are SEM photographs and atomic force microscopy (AFM) photographs of the surface and cross-section of the Example 9 electrode, and FIG. 17(e), (f), (g) and (h) are SEM and AFM photographs of the surface and cross section of the Example 10 electrode.
도 16 및 도 17을 참조하면, 실시예 9 및 실시예 10의 표면은 아연 인산염 박막이 형성되어 거친 표면을 가지는 것을 알 수 있다. 실시예 10의 경우는 비교적 고른 표면을 가지는 것으로 나타난다. 이는 실시예 9 및 실시예 10의 AFM 그래프와 사진을 보면, 아연 인산염 박막의 깊이에 따른 거칠기 또는 원자 분포의 편차가 줄어든 것으로 나타난다. 즉, 최초의 인산염 박막이 형성된 실시예 9의 전극이 150회의 물산화 실험을 반복수행하였기 때문에, 실시예 10의 전극은 실시예 9에 비해 안정화되고 일정한 수준의 성능을 가질수 있음을 의미한다.16 and 17, it can be seen that the surfaces of Examples 9 and 10 have a rough surface by forming a zinc phosphate thin film. The case of Example 10 appears to have a relatively even surface. This shows that the AFM graphs and photographs of Examples 9 and 10 show a decrease in roughness or variation in atomic distribution according to the depth of the zinc phosphate thin film. That is, since the electrode of Example 9 in which the first phosphate thin film was formed repeated 150 water oxidation experiments, it means that the electrode of Example 10 was stabilized and had a certain level of performance compared to Example 9.
도 18 및 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 아연 인산염 박막 전극 표면의 원자 분포를 나타내는 그래프이다. 18 and 19 are graphs showing the atomic distribution on the surface of a zinc phosphate thin film electrode according to an embodiment of the present invention.
도 18을 참조하면, 실시예 9 및 실시예 10 전극 표면의 원자분포를 알 수 있다. 두 전극 모두 니켈, 철 및 아연 원소를 포함하는 것으로 나타난다. 니켈의 경우 금속기판에서 녹아나온 금속 양이온이고, 철과 아연은 코팅용액에 첨가된 전이금속 양이온이다. 한편, 도 18의 (c)를 참조하면, 실시예 10은 인(P) 함량이 거의 없는 것으로 나타나는데, 이는 150회의 물 산화 실험을 반복수행하여 인산염(Pi)이 수산화기(OH)로 치환되었음을 의미한다.Referring to FIG. 18, the atomic distributions of the electrode surfaces of Example 9 and Example 10 can be seen. Both electrodes appear to contain elements of nickel, iron and zinc. In the case of nickel, it is a metal cation melted from the metal substrate, and iron and zinc are transition metal cations added to the coating solution. On the other hand, referring to (c) of FIG. 18, Example 10 appears to have almost no phosphorus (P) content, which means that 150 water oxidation experiments are repeated to replace phosphate (Pi) with hydroxyl groups (OH). do.
도 19의 (a)는 실시예 9 전극 표면, 도 19의 (b)는 실시예 10 전극 표면의 에너지 분산 분광기(Energy dispersive spectroscope, EDS)를 이용한 분석 결과이다. 도 19를 참조하면, 실시예 9 및 실시예 10 전극 표면에 분포한 원자의 종류 및 함량을 알 수 있다.19(a) is an example 9 electrode surface, and FIG. 19(b) is an analysis result using an energy dispersive spectroscope (EDS) of the electrode surface of Example 10. Referring to FIG. 19, the types and contents of atoms distributed on the surface of the electrode of Example 9 and Example 10 can be seen.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 물 산화 실험이 전류밀도를 나타내는 그래프이다. 도 20은 실시예 9의 전극이 물 산화 실험을 반복수행하여 실시예 10을 제조하는 도중에 전류밀도가 증가하는 것을 나타낸다. 이는 실시예 9 전극을 물 산화 실험을 수행하면서 아연 인산염 박막의 표면특성이 변하고, 안정화 됨에 따라 전극으로써 성능이 향상된 것을 의미한다. 20 is a graph showing the current density in the water oxidation experiment of the electrode according to an embodiment of the present invention. FIG. 20 shows that the current density increases during the manufacture of Example 10 by repeatedly performing the water oxidation experiment of the electrode of Example 9. This means that the performance of the electrode as Example 9 was improved as the surface properties of the zinc phosphate thin film changed and stabilized while performing the water oxidation experiment.
다음으로, 도 21 내지 도 24를 참조하여 본 발명의 실시예 및 비교예의 성능에 대하여 설명한다.Next, the performance of Examples and Comparative Examples of the present invention will be described with reference to FIGS. 21 to 24.
도 21 및 22는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전극의 물 산화 실험의 순환 전압 전류법(Cyclic Voltammetry, CV) 분석결과를 나타내는 그래프이다. 실시예 10의 전극과 비교예 2의 전극을 이용하여 1M KOH 수용액에서 물 산화 실험을 수행한다. 도 21 및 도 22를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 인산염 박막이 형성된 실시예 10의 전극이 종래의 전기도금의 방법을 통해 제조된 비교예 2의 전극보다 성능이 더 우수한 것을 알 수 있다. 21 and 22 are graphs showing cyclic voltammetry (CV) analysis results of water oxidation experiments of electrodes according to Examples and Comparative Examples of the present invention. Using the electrode of Example 10 and the electrode of Comparative Example 2, a water oxidation experiment is performed in a 1M KOH aqueous solution. 21 and 22, it can be seen that the electrode of Example 10 in which the phosphate thin film was formed according to an embodiment of the present invention has better performance than the electrode of Comparative Example 2 prepared through a conventional electroplating method. have.
도 23은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 전해질의 pH에 따른 전극의 물 산화 실험시 순환 전압 전류법(Cyclic Voltammetry, CV) 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 도 23의 (a) 및 (b)는 실시예 10의 전극을, 도 23의 (c) 및 (d)는 비교예 2의 전극을 이용하여 실험한 결과이다. 물 산화 실험에서 전해질로써 KOH 수용액을 사용하고, 농도를 달리하여 pH를 조절하였다. 도 23을 참조하면, 두 전극 모두 pH가 증가함에 따라 전류밀도가 증가하는 것을 알 수 있다. 다만, 두 전극을 비교하면, 실시예 10의 전극이 비교예 2의 전극에 비해 전류밀도가 매우 높은 것을 알 수 있다. 이는, 본 발명에 따른 금속 인산염 박막이 종래의 전기도금 방법으로 제조된 경우보다 전극의 성능이 우수한 것을 의미한다. 23 is a graph showing the results of a cyclic voltammetry (CV) analysis in the water oxidation experiment of an electrode according to the pH of an electrolyte according to an embodiment and a comparative example of the present invention. 23A and 23B show the results of experiments using the electrode of Example 10 and FIGS. 23C and 23D using the electrode of Comparative Example 2. In the water oxidation experiment, an aqueous KOH solution was used as the electrolyte, and the pH was adjusted by varying the concentration. Referring to FIG. 23, it can be seen that the current density increases as the pH of both electrodes increases. However, when comparing the two electrodes, it can be seen that the electrode of Example 10 has a very high current density compared to the electrode of Comparative Example 2. This means that the metal phosphate thin film according to the present invention has better electrode performance than the conventional electroplating method.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 인산염 박막이 형성된 전극을 이용하여 물 산화 실험을 수행하는 과정을 나타내는 사진이다.24 is a photograph showing a process of performing a water oxidation experiment using an electrode on which a metal phosphate thin film is formed according to an embodiment of the present invention.
도 24에 따르면, 실시예 10의 전극을 이용하여, 20 mA/cm2의 일정한 전류를 가했을 때, 시간에 따라 산소가 발생하는 양을 측정하였다. 그 결과, 30분마다 산소가 0.4 mL 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 페러데이 효율(Faradaic efficiency, FE)이 약 97 %에 해당하는 수치이다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 인산염 박막이 형성된 전극은 전기화학 촉매로써 효율이 우수한 것을 알 수 있다.According to FIG. 24, when the constant current of 20 mA/cm 2 was applied using the electrode of Example 10, the amount of oxygen generated with time was measured. As a result, it can be seen that 0.4 mL of oxygen is generated every 30 minutes. This is a value corresponding to about 97% of Faraday efficiency (FE). That is, it can be seen that the electrode on which the metal phosphate thin film was formed according to one embodiment of the present invention has excellent efficiency as an electrochemical catalyst.
이상과 같이, 먼저 실시예 1 내지 8과 비교예 1을 비교한 결과, 순수한 스테인리스 강 기판보다 금속 인산염 박막이 형성된 실시예 1 내지 8의 전극이 산소 발생 반응(OER) 실험에서 더 좋은 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 전이금속 양이온을 특정한 함량으로 더 첨가할 경우, 금속 인산염 박막이 형성된 전극의 성능 향상을 극대화시킬 수 있다.As described above, as a result of comparing Examples 1 to 8 with Comparative Example 1, the electrodes of Examples 1 to 8 in which a metal phosphate thin film was formed than a pure stainless steel substrate exhibited better performance in an oxygen evolution reaction (OER) experiment. You can see that In addition, when the transition metal cation is further added in a specific content, performance improvement of the electrode on which the metal phosphate thin film is formed can be maximized.
또한, 실시예 9, 10 및 비교예 2를 비교한 결과, 니켈기판에 철을 포함하는 아연 인산염 박막을 형성할 때, 최적의 공정 조건을 제어하여 전극의 성능을 극대화시킬 수 있다. 상기의 방법을 통해 제조된 전극은 종래의 전기도금법을 통해 제조한 전극에 비해 전류밀도와 내구성 측면에서 성능이 우수한 것을 알 수 있다.In addition, as a result of comparing Examples 9, 10 and Comparative Example 2, when forming a zinc phosphate thin film containing iron on a nickel substrate, it is possible to maximize electrode performance by controlling optimal process conditions. It can be seen that the electrode manufactured through the above method has superior performance in terms of current density and durability compared to the electrode manufactured through the conventional electroplating method.
따라서, 본 발명의 금속 인산염 박막의 제조방법은 용액의 pH를 조절하여 인산 음이온이 고체로 석출되는 현상을 이용하여 저온에서 단시간에 금속 인산염 박막을 제조할 수 있다. 또한, 전이금속과 인산염을 포함하고 다공성의 금속 인산염 입자를 형성하여 높은 반응성과 안정성을 가지며, 성능이 우수한 전기화학 촉매 전극을 제조할 수도 있다.Therefore, the method for producing a metal phosphate thin film of the present invention can be prepared in a short time at a low temperature using a phenomenon in which a phosphate anion is precipitated as a solid by adjusting the pH of the solution. In addition, an electrochemical catalyst electrode containing transition metal and phosphate and forming porous metal phosphate particles has high reactivity and stability, and has excellent performance.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.The present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments, as described above, but is not limited to the above embodiments and is varied by those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from the spirit of the present invention. Modifications and modifications are possible. Such modifications and variations are to be considered as falling within the scope of the invention and appended claims.
100: 금속 인산염 박막
110: 금속 인산염 입자
200: 코팅용액
210: 산성수용액
220: 인산 음이온
260: 전이금속 양이온
280: [NO2]- 음이온
300: 금속기판
320: 금속이온
500: 전기화학 촉매 전극100: metal phosphate thin film
110: metal phosphate particles
200: coating solution
210: acidic aqueous solution
220: phosphate anion
260: transition metal cation
280: [NO 2] - anion
300: metal substrate
320: metal ion
500: electrochemical catalyst electrode
Claims (9)
(b) 상기 pH 범위 내에서 석출될 수 있는 인산 음이온을 상기 산성 수용액에 첨가하여 코팅 용액을 형성하는 단계;
(c) 상기 코팅 용액의 pH 범위 내에서 이온화되는 금속을 포함하는 금속 기판을 상기 코팅 용액에 침지하는 단계;
(d) 상기 금속 기판의 금속이 이온화되어 금속이온을 형성하고, 상기 코팅 용액의 pH를 증가시키는 단계; 및
(e) 상기 인산 음이온이 상기 금속이온과 결합하고 석출되어 상기 금속 기판의 적어도 일부에 금속 인산염 박막을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 (e) 단계에서, 상기 pH가 증가함에 따라 상기 인산 음이온의 석출속도가 상기 금속의 이온화 속도보다 커지며,
상기 금속기판과 동일한 금속을 포함하는 금속 인산염 박막이 형성되고, 상기 (d) 단계에서 부식된 금속 기판의 영역에 금속 인산염 박막이 형성되며,
상기 금속 기판은 니켈(Ni)을 포함하고, 상기 코팅 용액은 촉매 활성을 향상시키는 전이금속 양이온인 아연(Zn) 이온과 철(Fe) 이온을 2종 더 포함하며,
상기 (e) 단계에서 상기 인산 음이온이 상기 금속이온 및 상기 전이금속 양이온과 결합하고 석출되는, 금속 인산염 박막의 제조방법.(a) preparing an acidic aqueous solution having a pH of 2 or more and 5 or less;
(b) adding a phosphate anion that can precipitate within the pH range to the acidic aqueous solution to form a coating solution;
(c) immersing a metal substrate containing a metal ionized within the pH range of the coating solution in the coating solution;
(d) the metal of the metal substrate is ionized to form metal ions, and increasing the pH of the coating solution; And
(e) forming a metal phosphate thin film on at least a portion of the metal substrate by combining and depositing the phosphate anion with the metal ion;
Including,
In step (e), as the pH increases, the precipitation rate of the phosphate anion becomes greater than the ionization rate of the metal,
A metal phosphate thin film comprising the same metal as the metal substrate is formed, and a metal phosphate thin film is formed in the region of the metal substrate corroded in step (d),
The metal substrate includes nickel (Ni), and the coating solution further includes two kinds of zinc (Zn) ions and iron (Fe) ions, which are transition metal cations for improving catalytic activity,
In the step (e), the method of manufacturing a metal phosphate thin film, wherein the phosphate anion binds and precipitates with the metal ion and the transition metal cation.
상기 코팅 용액은 pH의 증가를 가속시키는 아질산 이온(Nitrite ion, [NO2]-)을 더 포함하는, 금속 인산염 박막의 제조방법.According to claim 1,
The coating solution further comprises a nitrite ion (Nitrite ion, [NO 2 ] - ) for accelerating the increase of the pH, the method for producing a metal phosphate thin film.
상기 코팅 용액은 50 ℃ 내지 90 ℃의 온도범위를 가지는, 금속 인산염 박막의 제조방법.According to claim 1,
The coating solution has a temperature range of 50 ℃ to 90 ℃, a method for producing a metal phosphate thin film.
상기 금속 인산염 박막은 크기가 1 ㎛ 내지 3 ㎛인 다공성의 금속 인산염 입자를 포함하는, 금속 인산염 박막의 제조방법.According to claim 1,
The metal phosphate thin film is a method of manufacturing a metal phosphate thin film containing porous metal phosphate particles having a size of 1 μm to 3 μm.
상기 금속 인산염 박막은 상기 제1항, 제4항, 제5항, 제8항 중 어느 한 항의 금속 인산염 박막의 제조방법으로 형성되는, 전기화학 촉매 전극.An electrochemical catalyst electrode comprising a metal phosphate thin film on at least a portion of a surface,
The metal phosphate thin film is formed by the method of manufacturing a metal phosphate thin film of any one of claims 1, 4, 5, and 8, an electrochemical catalyst electrode.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020180045676A KR102123618B1 (en) | 2018-04-19 | 2018-04-19 | Method for fabricating metallic phosphate thin film and electrochemical catalyst electrode using the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020180045676A KR102123618B1 (en) | 2018-04-19 | 2018-04-19 | Method for fabricating metallic phosphate thin film and electrochemical catalyst electrode using the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20190122036A KR20190122036A (en) | 2019-10-29 |
KR102123618B1 true KR102123618B1 (en) | 2020-06-17 |
Family
ID=68423899
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020180045676A KR102123618B1 (en) | 2018-04-19 | 2018-04-19 | Method for fabricating metallic phosphate thin film and electrochemical catalyst electrode using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102123618B1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20230042858A (en) | 2021-09-23 | 2023-03-30 | 성균관대학교산학협력단 | Photoelectrochemical and electrochemical metal catalyst and the method of synthesizing thereof |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63270478A (en) * | 1986-12-09 | 1988-11-08 | Nippon Denso Co Ltd | Phosphating method |
KR20130096527A (en) * | 2012-02-22 | 2013-08-30 | 삼성전자주식회사 | Electrode catalyst for fuel cell, method for preparing the same, and membrane electrode assembly and fuel cell including the same |
-
2018
- 2018-04-19 KR KR1020180045676A patent/KR102123618B1/en active IP Right Grant
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20230042858A (en) | 2021-09-23 | 2023-03-30 | 성균관대학교산학협력단 | Photoelectrochemical and electrochemical metal catalyst and the method of synthesizing thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20190122036A (en) | 2019-10-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69608141T2 (en) | PERMANENT ELECTRODE COATINGS | |
JP5952149B2 (en) | Metal porous body and method for producing the same | |
JP2019157273A (en) | Titanium base material, manufacturing method thereof, electrode for water electrolysis, and water electrolysis device | |
KR102589924B1 (en) | Method of manufacturing electrocatalyst through one step electrodeposition and manufactured electrocatalyst therefrom | |
KR102173226B1 (en) | Catalytic materials and electrodes for oxygen evolution, and systems for electrochemical reaction | |
JP2019206755A (en) | Separation plate integrated with electrode for use in water electrolysis, and water electrolysis stack | |
JP4901864B2 (en) | Separator for solid polymer fuel cell made of pure titanium or titanium alloy and method for producing the same | |
Sagiv et al. | Incorporation of iridium into electrodeposited rhenium–nickel alloys | |
CN105621537B (en) | Producing method of DLC/TI electrode for water treatment having multi-layer interface structure | |
KR102123618B1 (en) | Method for fabricating metallic phosphate thin film and electrochemical catalyst electrode using the same | |
KR101984408B1 (en) | Cathode for Water Electrolysis and Manufacturing Method Thereof | |
KR102710547B1 (en) | Fabrication method of Porous Ni-Fe-Cr catalyst for alkaline water electrolysis and water electrolysis catalyst using thereof | |
US10422044B2 (en) | Electrochemical cell for the electrolysis of liquid water or water vapor, manufacturing process and uses | |
WO2014010663A1 (en) | Fuel cell separator, fuel cell, fuel cell stack, and method for producing fuel cell separator | |
JP3507278B2 (en) | Electroplating method | |
CN114622238B (en) | Preparation and application of transition metal-based hydrogen and oxygen evolution dual-functional electrode | |
JP2016132813A (en) | Insoluble electrode and method for manufacturing the same | |
CN104885273B (en) | The manufacture method of separator for fuel battery, cell of fuel cell, fuel cell pack and separator for fuel battery | |
JP2008138282A (en) | Anode for alkaline electrolysis | |
JP7151673B2 (en) | Method for forming metal plating film | |
CN114481220A (en) | Method for refining electrodeposited copper grains by using cerium trichloride | |
JP6189485B2 (en) | Metal porous body and method for producing the same | |
WO2014199727A1 (en) | Palladium plate coated material and production method therefor | |
US20230175153A1 (en) | Method of manufacturing electrode for water electrolysis and electrode for water electrolysis manufactured thereby | |
Hu et al. | Direct electroless nickel plating on silicon surface |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant |