KR102237529B1 - Bifunctional electrocatalyst for water electrolysis with high oxygen vacancy and nanoporous structure, a manufacturing method thereof, and battery for water electrolysis including the electrocatalyst - Google Patents

Bifunctional electrocatalyst for water electrolysis with high oxygen vacancy and nanoporous structure, a manufacturing method thereof, and battery for water electrolysis including the electrocatalyst Download PDF

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Abstract

양기능성 수전해용 전극촉매 및 그 제조방법, 그리고, 상기 전극 촉매를 포함하는 수전해 전지가 제공된다. 상기 수전해용 전극촉매는 산소 결핍도가 크면서 나노 다공성 구조를 가지고, 산소 발생 성능 및 수소 발생 성능이 높아 수전해 시스템에 활용될 수 있다. 상기 수전해용 전극촉매는 금속 양이온 및 할로겐 음이온을 포함하는 용액을 이용한 전기화학적 처리를 통하여 간단하게 대면적으로 제조할 수 있다.A bifunctional electrocatalyst for water electrolysis, a method for producing the same, and a water electrolysis battery comprising the electrode catalyst are provided. The electrocatalyst for water electrolysis has a high oxygen deficiency, has a nanoporous structure, and has high oxygen generation performance and hydrogen generation performance, and thus can be used in a water electrolysis system. The electrocatalyst for water electrolysis can be prepared in a large area simply through electrochemical treatment using a solution containing a metal cation and a halogen anion.

Figure R1020200169856
Figure R1020200169856

Description

양기능성 수전해용 전극촉매 및 그 제조방법, 그리고, 상기 전극 촉매를 포함하는 수전해 전지{Bifunctional electrocatalyst for water electrolysis with high oxygen vacancy and nanoporous structure, a manufacturing method thereof, and battery for water electrolysis including the electrocatalyst}Bifunctional electrocatalyst for water electrolysis with high oxygen vacancy and nanoporous structure, a manufacturing method thereof, and battery for water electrolysis including the electrocatalyst

산소 결핍도가 높고 나노 다공성 구조를 갖는 양기능성 수전해용 전극촉매 및 그 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 산소 결핍도가 크면서 나노 다공성 구조를 가지며, 산소 발생 성능 및 수소 발생 성능이 높아 수전해 시스템에 활용될 수 있는 수전해용 전극촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.It relates to a bifunctional electrocatalyst for water electrolysis having a high oxygen deficiency and a nanoporous structure, and a manufacturing method thereof. Specifically, it has a nanoporous structure with a high oxygen deficiency and has a high oxygen generation and hydrogen generation performance. It relates to an electrocatalyst for water electrolysis that can be used in a system and a method of manufacturing the same.

화석연료를 대체하고 청정하면서 지속 가능한 에너지원을 찾기 위한 노력은 최근 수십년 동안 전세계가 안고 있는 과제였으며, 최근 원자력 발전의 방사선 및 방사선 폐기물의 위험성과 온실가스에 의한 지구 온난화 문제로 이는 더 큰 이슈로 부각되고 있다. 이러한 측면에서 신재생 에너지를 활용한 수전해 반응은 청정 에너지 원인 수소를 생산하여 오염물이 없고 자가 방전 없는 에너지원 또는 화학원료로 사용할 수 있다는 많은 장점을 가지고 있다. Efforts to replace fossil fuels and find clean and sustainable energy sources have been a challenge facing the world in recent decades, and this is a bigger issue due to the danger of radiation and radioactive waste from recent nuclear power generation and global warming caused by greenhouse gases. Is emerging as. In this respect, the water electrolysis reaction using renewable energy has many advantages in that it can be used as an energy source or chemical raw material without pollutants and self-discharge by producing hydrogen, which is a clean energy source.

그러나, 수전해 반응의 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction, OER)은 반응 속도가 매우 느려 수전해 시스템의 정상적 구동을 위해 많은 과전압을 공급해야 하기 때문에 에너지 측면에서 많은 손실을 야기한다. 또한, 수소 발생 촉매의 경우 백금이 널리 사용되고 있지만, 귀금속이라는 문제로 수전해 시스템의 가격 상승 요인으로 작용하고 있다 (Jaramillo et al., Science 355 (2017) 146). 이러한 문제점은 시스템의 상용화에 걸림돌로 작용하고 있으며, 문제 해결을 위해서는 비귀금속 기반의 활성도가 높으면서 내구성이 좋은 수전해 촉매 전극 개발이 필요하다.However, the oxygen evolution reaction (OER) of the water electrolysis reaction has a very slow reaction rate, and thus a large amount of overvoltage must be supplied for the normal operation of the water electrolysis system, resulting in a large loss in terms of energy. In addition, platinum is widely used as a catalyst for generating hydrogen, but it is a factor that increases the price of water electrolysis systems due to the problem of precious metals (Jaramillo et al., Science 355 (2017) 146). This problem acts as an obstacle to the commercialization of the system, and in order to solve the problem, it is necessary to develop a non-precious metal-based active and durable water electrolysis catalyst electrode.

수소 발생 촉매의 경우 반응 속도가 빠르기는 하지만 일반적으로 사용되는 전극 촉매가 백금을 기반으로 하기 때문에 시스템의 상용화 입장에서 많은 문제점으로 여겨진다. 최근 비귀금속 촉매로서 MoS, NiFe, CoW 등의 연구가 활발히 진행 중이며 (Jaramillo et al., Journal of American Chemical Society 137 (2015) 4347), 백금 보다 좋은 활성을 가지는 대체 촉매들이 보고되고 있지만, 시스템의 상용화를 위해 촉매의 대량 생산 및 전극 대면적화에 적합한 방법은 연구 중에 있다.In the case of a hydrogen generating catalyst, although the reaction rate is fast, since the electrode catalyst generally used is based on platinum, it is considered to be a lot of problems from the viewpoint of commercialization of the system. Recently, researches such as MoS, NiFe, and CoW as non-precious metal catalysts are actively in progress (Jaramillo et al., Journal of American Chemical Society 137 (2015) 4347), and alternative catalysts having better activity than platinum have been reported. For commercialization, a method suitable for mass production of catalysts and large electrode area is being studied.

따라서, 수전해 시스템의 상용화 또는 대규모화를 위해서는 저가형 소재를 전극 물질로 사용하여 간단한 방법으로 활성도 높은 대면적 물산화 및 수소 발생전극 및 이의 제조 방법이 필요하다.Accordingly, in order to commercialize or increase the scale of the water electrolysis system, a large area water oxidation and hydrogen generation electrode having high activity and a method of manufacturing the same are required in a simple method using a low-cost material as an electrode material.

본 발명의 일 측면은 산소 결핍도가 높고 나노 다공성 구조를 갖는 양기능성 수전해용 전극촉매를 제공하는 것이다.One aspect of the present invention is to provide a bifunctional electrocatalyst for water electrolysis having a high oxygen deficiency and a nanoporous structure.

본 발명의 다른 측면은 상기 양기능성 수전해용 전극촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing the bifunctional electrocatalyst for water electrolysis.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 양기능성 수전해용 전극촉매를 포함하는 수전해 전지를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a water electrolysis battery comprising the bifunctional water electrolysis electrode catalyst.

본 발명의 일 측면에서는,In one aspect of the present invention,

니켈 지지체를 포함하고,Including a nickel support,

상기 니켈 지지체는 나노 기공을 포함하는 나노 다공성 구조의 표면을 가지고, 상기 표면에 니켈 합금 수산화물을 포함하는 층상이중수산화물(layered double hydroxide)을 포함하는, 수전해용 전극촉매가 제공된다.The nickel support has a surface of a nanoporous structure including nanopores, and includes a layered double hydroxide including a nickel alloy hydroxide on the surface, an electrocatalyst for water electrolysis is provided.

본 발명의 다른 측면에서는,In another aspect of the present invention,

금속 양이온 및 할로겐 음이온을 포함하는 용액에 니켈 지지체를 넣고 전압을 인가하여 전기화학적 처리를 하는 단계; 및Putting a nickel support in a solution containing a metal cation and a halogen anion and applying a voltage to perform an electrochemical treatment; And

상기 전기화학적 처리된 상기 니켈 지지체를 염기 조건에서 활성화 처리하는 단계;Activating the electrochemically treated nickel support under basic conditions;

를 포함하는 상기 수전해용 전극촉매의 제조 방법이 제공된다.There is provided a method of manufacturing the electrocatalyst for water electrolysis comprising a.

본 발명의 또 다른 측면에서는,In another aspect of the present invention,

상기 수전해용 전극촉매를 포함하는 전극; 및 기준전극;을 포함하는 수전해 전지가 제공된다.An electrode comprising the electrocatalyst for water electrolysis; And a reference electrode; and a water electrolytic battery is provided.

일 구현예에 따른 상기 수전해용 전극촉매는 산소 결핍도가 크면서 나노 다공성 구조를 가지고, 산소 발생 성능 및 수소 발생 성능이 높아 수전해 시스템에 활용될 수 있다. 상기 수전해용 전극촉매는 금속 양이온 및 할로겐 음이온을 포함하는 용액을 이용한 전기화학적 처리를 통하여 간단하게 대면적으로 제조할 수 있다.The electrocatalyst for water electrolysis according to an embodiment has a nanoporous structure while having a high oxygen deficiency, and has high oxygen generation performance and hydrogen generation performance, and thus may be used in a water electrolysis system. The electrocatalyst for water electrolysis can be prepared in a large area simply through electrochemical treatment using a solution containing a metal cation and a halogen anion.

도 1은 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2a 내지 2f는 실시예 1에 따른 수전해용 전극촉매의 제조 과정에서 단계별 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이다. (a) 순수한 니켈 폼, (b) 철과 염소이온 처리된 니켈 폼, (c, d) 활성화된 니켈 폼, (e, f) 결과된 니켈 폼의 표면 원소 분석
도 3은 실시예 1에서 제조한 수전해용 니켈 폼 전극촉매에 대하여 관찰한 X-선 회절 (XRD) 패턴을 도시한 것이다.
도 4a 및 4b는 각각 비교예 1에서 염소 이온 용액에서 순환 전압전류법 (cycling voltammetry, CV)이 진행된 횟수에 따른 니켈 폼의 (a) 수전해 성능과 (b) 주사 전자 현미경 (SEM) 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 비교예 1에서 염소 이온 용액에서 순환 전압전류법 (cycling voltammetry, CV)이 진행된 횟수에 따른 니켈 폼 전극촉매의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진을 저배율에서 나타낸 것이다.
도 6은 비교예 1에서 염소 이온 용액에서 순환 전압전류법 (cycling voltammetry, CV)이 진행된 횟수에 따른 니켈 폼 전극의 임피던스(impedance)를 나타낸 것이다.
도 7a 및 7b는 각각 비교예 1에서 순수한 니켈 폼, 염기 조건에서 활성화된 니켈 폼, 염소 이온 용액에서 전기화학적 처리 (CV 100 회) 한 니켈 폼과 염기 조건에서 이를 활성화한 니켈 폼의 (a) 니켈 XPS 스펙트럼, (b) 산소 XPS 스펙트럼 분석 그래프이다.
도 8은 비교예 1에서 순수한 니켈 폼, 염소 이온 용액에서 전기화학적 처리 (CV 100 회) 한 니켈 폼과 염기 조건에서 이를 활성화한 니켈 폼의 염소 XPS 스펙트럼 분석 그래프이다.
도 9a 및 9b는 각각 비교예 2에서 철 이온 용액에서 순환 전압전류법 (cycling voltammetry, CV)이 진행된 횟수에 따른 니켈 폼의 (a) 철 XPS 스펙트럼 분석, (b) 수전해 성능을 나타낸 그래프이다.
도 10a 및 10b는 각각 비교예 2에서 순수한 니켈 폼, 염기 조건에서 활성화된 니켈 폼, 철 이온 용액에서 전기화학적 처리 (CV 100cycle) 한 니켈 폼과 염기 조건에서 이를 활성화한 니켈 폼의 (a) 니켈 XPS 스펙트럼, (b) 철 XPS 스펙트럼 분석 그래프이다.
도 11은 비교예 2에서 철 이온 용액에서 전기화학적 처리한 니켈 폼의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진을 나타낸 것이다.
도 12a 내지 12c는 각각 순수한 니켈 폼, 비교예 1에서 염소 이온 용액에서 전기화학적 처리한 니켈 폼, 비교예 2에서 철 이온 용액에서 전기화학적 처리한 니켈폼, 실시예 1에서 염소 및 철 이온에서 전기화학적 처리한 니켈폼의 (a) 산소 발생 성능, (b) 산소 발생 성능에 대한 타펠 그래프, (c) 산소 발생 성능에 대한 과전압 그래프이다.
도 13a 내지 13c는 각각 순수한 니켈 폼, 비교예 1에서 염소 이온 용액에서 전기화학적 처리한 니켈 폼, 비교예 2에서 철 이온 용액에서 전기화학적 처리한 니켈폼, 실시예 1에서 염소 및 철 이온에서 전기화학적 처리한 니켈폼의 (a) 수소 발생 성능, (b) 수소 발생 성능에 대한 타펠 그래프, (c) 수소 발생 성능에 대한 과전압 그래프이다.
도 14a 내지 14c는 염소 및 철 이온에서 전기화학적 처리 후 활성화한 니켈폼의 (a) 니켈 XPS 스펙트럼 (b) 철 XPS 스펙트럼 (c) 산소 XPS 스펙트럼 그래프이다.
도 15a 내지 15d는 평가예 5에서 순수한 니켈 폼과 철, 염소 이온 처리가 된 니켈 폼을 산소 및 수소 발생 전극으로 활용하여 20시간 동안 수전해 실험을 진행한 그래프로서, 각각 (a) 0.1 M KOH에서의 셀전압, (b) 0.1 M KOH에서의 양극과 음극 전압, (c) 1 M KOH에서의 셀전압, (d) 1 M KOH에서의 양극과 음극 전압을 나타내는 그래프이다.
1 is a schematic view for explaining a method of manufacturing an electrode catalyst for water electrolysis according to an embodiment.
2A to 2F are scanning electron microscopy (SEM) photographs step-by-step in the manufacturing process of the electrocatalyst for water electrolysis according to Example 1. FIG. Surface element analysis of (a) pure nickel foam, (b) iron and chloride ion treated nickel foam, (c, d) activated nickel foam, (e, f) resulting nickel foam
3 shows an X-ray diffraction (XRD) pattern observed for the nickel foam electrocatalyst for water electrolysis prepared in Example 1. FIG.
4A and 4B show (a) water electrolysis performance and (b) scanning electron microscopy (SEM) photographs of nickel foam according to the number of times cycling voltammetry (CV) was performed in a chloride ion solution in Comparative Example 1, respectively. Is shown.
5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a nickel foam electrocatalyst according to the number of times cycling voltammetry (CV) was performed in a chloride ion solution in Comparative Example 1 at low magnification.
6 shows the impedance of a nickel foam electrode according to the number of times cycling voltammetry (CV) was performed in a chloride ion solution in Comparative Example 1. FIG.
Figures 7a and 7b show a pure nickel foam in Comparative Example 1, a nickel foam activated in a basic condition, and a nickel foam subjected to electrochemical treatment (CV 100 times) in a chlorine ion solution and a nickel foam activated in the basic condition (a). Nickel XPS spectrum, (b) oxygen XPS spectrum analysis graph.
8 is a graph of chlorine XPS spectrum analysis of pure nickel foam in Comparative Example 1, nickel foam subjected to electrochemical treatment (CV 100 times) in a chlorine ion solution, and nickel foam activated under basic conditions.
9A and 9B are graphs showing (a) iron XPS spectrum analysis and (b) water electrolysis performance of nickel foam according to the number of times cycling voltammetry (CV) was performed in an iron ion solution in Comparative Example 2, respectively. .
10A and 10B show (a) nickel of a pure nickel foam in Comparative Example 2, a nickel foam activated in a basic condition, a nickel foam subjected to electrochemical treatment (CV 100 cycles) in an iron ion solution, and a nickel foam activated in a basic condition, respectively. XPS spectrum, (b) iron XPS spectrum analysis graph.
11 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph of a nickel foam electrochemically treated in an iron ion solution in Comparative Example 2. FIG.
12A to 12C are respectively pure nickel foam, nickel foam electrochemically treated in a chlorine ion solution in Comparative Example 1, nickel foam electrochemically treated in an iron ion solution in Comparative Example 2, and electricity from chlorine and iron ions in Example 1 The chemically treated nickel foam is (a) oxygen generation performance, (b) Tafel graph for oxygen generation performance, and (c) overvoltage graph for oxygen generation performance.
13A to 13C are respectively pure nickel foam, nickel foam electrochemically treated in a chlorine ion solution in Comparative Example 1, nickel foam electrochemically treated in an iron ion solution in Comparative Example 2, and electricity from chlorine and iron ions in Example 1 The chemically treated nickel foam is (a) hydrogen generation performance, (b) Tafel graph for hydrogen generation performance, and (c) overvoltage graph for hydrogen generation performance.
14A to 14C are graphs of (a) nickel XPS spectrum (b) iron XPS spectrum (c) oxygen XPS spectrum of nickel foam activated after electrochemical treatment with chlorine and iron ions.
15A to 15D are graphs in which a water electrolysis experiment was conducted for 20 hours using pure nickel foam and iron and chlorine ion-treated nickel foam as oxygen and hydrogen generation electrodes in Evaluation Example 5, respectively, (a) 0.1 M KOH It is a graph showing the cell voltage at, (b) the anode and cathode voltage at 0.1 M KOH, (c) the cell voltage at 1 M KOH, and (d) anode and cathode voltage at 1 M KOH.

이하에서 설명되는 본 창의적 사상(present inventive concept)은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 대해 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 창의적 사상을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 창의적 사상의 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present inventive concept described below can apply various transformations and have various embodiments. Specific embodiments are illustrated in the drawings, and detailed descriptions will be described in detail. However, this is not intended to limit the present creative idea to a specific embodiment, and it should be understood to include all transformations, equivalents, or substitutes included in the technical scope of the present creative idea.

이하에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 창의적 사상을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 나타내려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used below are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present inventive idea. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. Hereinafter, terms such as "include" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, components, materials, or a combination thereof described in the specification. It is to be understood that the above other features, or the possibility of the presence or addition of numbers, steps, actions, components, parts, components, materials, or combinations thereof, are not excluded in advance.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하거나 축소하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In the drawings, the thickness is enlarged or reduced in order to clearly express various layers and regions. Like reference numerals are attached to similar parts throughout the specification. Throughout the specification, when a part such as a layer, film, region, or plate is said to be "on" or "on" another part, this includes not only the case directly above the other part, but also the case where there is another part in the middle. . Throughout the specification, terms such as first and second may be used to describe various constituent elements, but constituent elements should not be limited by terms. The terms are used only to distinguish one component from another.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.Although terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers and/or regions, these elements, components, regions, layers and/or regions It will be understood that it should not be limited by these terms.

또한, 본 발명에서 설명하는 공정은 반드시 순서대로 적용됨을 의미하는 것은 아니다. 예를 들어, 제1단계와 제2단계가 기재되어 있는 경우, 반드시 제1단계가 제2단계보다 먼저 수행되어야 하는 것은 아님을 이해할 수 있다.In addition, the processes described in the present invention do not necessarily mean that they are applied in order. For example, when the first step and the second step are described, it can be understood that the first step does not necessarily have to be performed before the second step.

이하에서 도면을 참조하여 예시적인 구현예들에 따른 수전해용 전극촉매 및 그 제조방법, 그리고, 상기 수전해용 전극촉매를 포함하는 수전해 전지에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, an electrocatalyst for water electrolysis according to exemplary embodiments, a method of manufacturing the same, and a water electrolysis battery including the electrode catalyst for water electrolysis according to exemplary embodiments will be described in more detail below with reference to the drawings.

일 구현예에 따른 수전해용 전극촉매는,Electrocatalyst for water electrolysis according to one embodiment,

니켈 지지체를 포함하고,Including a nickel support,

상기 니켈 지지체는 나노 기공을 포함하는 나노 다공성 구조의 표면을 가지고, 상기 표면에 니켈 합금 수산화물을 포함하는 층상이중수산화물(layered double hydroxide, LDH)을 포함한다.The nickel support has a surface of a nanoporous structure including nanopores, and includes a layered double hydroxide (LDH) including a nickel alloy hydroxide on the surface.

상기 수전해용 전극촉매에 사용되는 니켈 지지체는 비귀금속 촉매로서, 수전해 시스템에 일반적으로 사용되는 귀금속 촉매에 비하여 가격이 낮아 경제적이다. 일 실시예에 따르면, 상기 니켈 지지체는 니켈 폼, 니켈 플레이트, 니켈 와이어 및 니켈 로드 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 니켈 지지체로서 니켈 폼을 사용할 수 있다. 니켈 폼과 같은 니켈 지지체는 표면적이 넓고 전기전도도가 좋은 장점을 갖는다.The nickel support used in the electrocatalyst for water electrolysis is a non-precious metal catalyst and is economical due to its low cost compared to the noble metal catalyst generally used in water electrolysis systems. According to an embodiment, the nickel support may include at least one selected from nickel foam, nickel plate, nickel wire, and nickel rod. For example, a nickel foam may be used as the nickel support. Nickel support such as nickel foam has the advantage of having a large surface area and good electrical conductivity.

상기 니켈 지지체의 크기는 특별한 제한은 없으며, 전극 사이즈 등 필요에 따라 정해질 수 있다.The size of the nickel support is not particularly limited, and may be determined according to necessity such as electrode size.

상기 니켈 지지체는 나노 기공을 포함하는 나노 다공성 구조의 표면을 가지고, 상기 표면에 니켈 합금 수산화물을 포함하는 층상이중수산화물(layered double hydroxide, LDH)을 포함한다. 상기 니켈 합금 수산화물은 철, 코발트, 셀레늄, 텅스텐, 은, 금, 백금, 이리듐, 틴 및 스트론튬 중에서 선택된 1종 이상의 성분을 포함할 수 있다.The nickel support has a surface of a nanoporous structure including nanopores, and includes a layered double hydroxide (LDH) including a nickel alloy hydroxide on the surface. The nickel alloy hydroxide may include at least one component selected from iron, cobalt, selenium, tungsten, silver, gold, platinum, iridium, tin, and strontium.

층상이중수산화물은 양전하를 띠고 있는 Brucite형 금속히드록사이드층들 사이에 전하 균형을 이루는 음이온 층이 개재되어 약하게 결합하고 있는 2차원 나노구조로 갖는 층상 물질이다. 일 실시예에 따르면, 상기 LDH 구조에서 음이온 층을 형성하는 것은 OH- 일 수 있다. OH-가 LDH의 니켈 합금 수산화물 층들 사이에 위치하면서 니켈 합금 수산화물과 만나면서 물산화 반응이 일어날 수 있다. LDH 구조가 활성이 높은 이유는 층 사이에 반응물인 OH-와 같은 음이온이 위치하면서 반응 면적이 넓어지기 때문이다.The layered double hydroxide is a layered material having a two-dimensional nanostructure that is weakly bound by an anion layer that balances charge between the positively charged Brucite-type metal hydroxide layers. According to an embodiment, OH − may be used to form an anion layer in the LDH structure. Water oxidation reaction may occur when OH is located between the nickel alloy hydroxide layers of LDH and meets the nickel alloy hydroxide. The reason why the LDH structure is highly active is that an anion such as OH- which is a reactant is located between the layers and the reaction area is widened.

일 실시예에 따르면, 상기 층상이중수산화물은 금속 양이온 및 할로겐 음이온을 포함하는 용액에 니켈 지지체를 넣고 전압을 인가하여 전기화학적 처리를 함으로써 형성될 수 있다. 상기 전기화학적 처리를 통하여, 니켈 지지체 표면의 니켈 성분과 상기 금속 양이온의 금속 성분으로부터 유래된 니켈 합금 수산화물을 포함하는 층상이중수산화물이 니켈 지지체 표면에 성장할 수 있다.According to an embodiment, the layered double hydroxide may be formed by putting a nickel support in a solution containing a metal cation and a halogen anion and applying a voltage to perform an electrochemical treatment. Through the electrochemical treatment, a layered double hydroxide including a nickel component on the surface of the nickel support and a nickel alloy hydroxide derived from the metal component of the metal cation may grow on the surface of the nickel support.

상기 니켈 지지체의 표면에 이러한 층상이중수산화물을 포함하는 나노시트 어레이가 형성될 수 있다. 상기 층상이중수산화물을 포함하는 나노시트 어레이는 니켈 지지체 표면에 실질적으로 수직인 형태로 성장한 것일 수 있으며, 나노시트 어레이의 배향은 규칙 또는 불규칙적일 수 있다.A nanosheet array including such a layered double hydroxide may be formed on the surface of the nickel support. The nanosheet array including the layered double hydroxide may be grown in a shape substantially perpendicular to the surface of the nickel support, and the orientation of the nanosheet array may be regular or irregular.

니켈 지지체 표면에 형성된 나노 다공성 구조는 상기 전극촉매의 활성 표면적을 증가시켜 수전해 시스템의 성능을 개선시킬 수 있다. The nanoporous structure formed on the surface of the nickel support may increase the active surface area of the electrocatalyst, thereby improving the performance of the water electrolysis system.

상기 니켈 지지체는, 상기 나노 다공성 구조의 나노 기공에 의하여 표면에 주름(wrinkles)이 형성될 수 있다. 이때, 상기 층상이중수산화물은 니켈 지지체의 표면 중 나노 기공이 없는 곳에 존재하게 된다. 도 2c 및 2d에서 보는 것처럼, 상기 니켈 지지체 표면에는 층상이중수산화물을 포함하는 일련의 나노시트 어레이들 사이에 나노 기공을 포함하는 나노 다공성 구조가 형성되어 주름 형태를 나타내고 있음을 알 수 있다.The nickel support may have wrinkles formed on its surface by the nano pores of the nanoporous structure. At this time, the layered double hydroxide is present in the surface of the nickel support where there are no nanopores. As shown in FIGS. 2C and 2D, it can be seen that a nanoporous structure including nanopores is formed between a series of nanosheet arrays including a layered double hydroxide on the surface of the nickel support to show a wrinkle shape.

상기 수전해용 전극촉매는, 니켈 지지체 표면에 나노 다공성 구조를 가지면서, 니켈 합금 수산화물을 포함하는 층상이중수산화물을 포함함으로써, 표면적을 증가시키고 촉매 활성 성능이 향상될 수 있어, 물 분해 반응에서 수소 발생 반응(HER)의 속도뿐만 아니라 산소 발생 반응(OER)의 속도를 현저히 개선시킬 수 있다.The electrocatalyst for water electrolysis has a nanoporous structure on the surface of the nickel support, and includes a layered double hydroxide including a nickel alloy hydroxide, thereby increasing the surface area and improving the catalytic activity, thereby generating hydrogen in the water decomposition reaction. Not only the rate of the reaction (HER) but also the rate of the oxygen evolution reaction (OER) can be significantly improved.

상기 수전해용 전극촉매는, 이러한 표면이 형성되지 않은 일반적인 매끄러운 니켈 지지체에 비하여, 더 높은 산소 결핍도를 가질 수 있다. 더 높은 산소 결핍도는 산소 발생 반응의 속도를 증가시켜 수전해 시스템의 성능을 개선시킬 수 있다. 상기 수전해용 전극촉매의 산소 결핍도는 예를 들어 20 % 내지 80 %일 수 있다.The electrocatalyst for water electrolysis may have a higher oxygen deficiency compared to a general smooth nickel support in which such a surface is not formed. Higher oxygen deficiency can improve the performance of the water electrolysis system by increasing the rate of the oxygen evolution reaction. The degree of oxygen deficiency of the electrocatalyst for water electrolysis may be, for example, 20% to 80%.

여기서, 산소 결핍도는 XPS의 산소 O s1 spectrum에서 산소 피크를 oxide peak(530.7 eV), oxygen vacancy peak(531.8 eV), hydroxide peak (532.9 eV) 3가지로 분리한 다음 oxygen vacancy peak의 면적의 비율을 전체 산소 피크의 면적으로 나누어 주어 계산된 값이다. Here, the oxygen deficiency is the ratio of the area of the oxygen vacancy peak after dividing the oxygen peak into oxide peak (530.7 eV), oxygen vacancy peak (531.8 eV), and hydroxide peak (532.9 eV) in the oxygen O s1 spectrum of XPS. Is the calculated value by dividing by the area of the total oxygen peak.

일반 니켈 전극촉매를 염기에서 활성화시켰을 때 12.3%의 산소 결핍도를 가지고, 할로겐 음이온만을 사용하여 전기화학적 처리후 활성화시켰을 때에는 산소 결핍도가 35.7% 로 측정된 반면, 일 실시예에 따른 제조 방법에 따라 할로겐 음이온과 금속 양이온을 사용하여 전기화학적 처리 후 활성화시켜 제조된 상기 수전해용 전극촉매의 50%로 측정되었다. 여기서, 산소 결핍도는 XPS의 산소 O s1 spectrum에서 산소 피크를 oxide peak(530.7 eV), oxygen vacancy peak(531.8 eV), hydroxide peak (532.9 eV) 3가지로 분리한 다음 oxygen vacancy peak의 면적의 비율을 전체 산소 피크의 면적으로 나누어 주어 계산된 값이다.When a general nickel electrocatalyst was activated in a base, it had an oxygen deficiency of 12.3%, and when activated after electrochemical treatment using only a halogen anion, the oxygen deficiency was measured to be 35.7%. Accordingly, it was measured as 50% of the electrocatalyst for water electrolysis prepared by electrochemical treatment and then activation using a halogen anion and a metal cation. Here, the oxygen deficiency is the ratio of the area of the oxygen vacancy peak after dividing the oxygen peak into oxide peak (530.7 eV), oxygen vacancy peak (531.8 eV), and hydroxide peak (532.9 eV) in the oxygen O s1 spectrum of XPS. Is the calculated value by dividing by the area of the total oxygen peak.

상기 수전해용 전극촉매는 물 전기 분해를 위한 고활성, 고내구성을 가지며, 산소 발생 및 수소 발생의 양기능성을 나타내므로, 물 전기 분해에 있어서, 산소 발생 전극(애노드) 및 수소 발생 전극(캐소드)에 모두 적용할 수 있다.Since the electrocatalyst for water electrolysis has high activity and high durability for water electrolysis, and exhibits both functions of oxygen generation and hydrogen generation, in water electrolysis, an oxygen generating electrode (anode) and a hydrogen generating electrode (cathode) It can be applied to both.

상기 수전해용 전극촉매는 대면적에서도 적용 가능한 간단한 전기화학적 처리법에 의하여 제조될 수 있다.The electrocatalyst for water electrolysis can be prepared by a simple electrochemical treatment method applicable to a large area.

일 구현예에 따른 수전해용 전극촉매의 제조방법은,A method of manufacturing an electrode catalyst for water electrolysis according to one embodiment,

금속 양이온 및 할로겐 음이온을 포함하는 용액에 니켈 지지체를 넣고 전압을 인가하여 전기화학적 처리를 하는 단계; 및Putting a nickel support in a solution containing a metal cation and a halogen anion and applying a voltage to perform an electrochemical treatment; And

상기 전기화학적 처리된 상기 니켈 지지체를 염기 조건에서 활성화 처리하는 단계;를 포함한다.And subjecting the electrochemically treated nickel support to an activation treatment in a basic condition.

도 1은 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.1 is a schematic view for explaining a method of manufacturing an electrode catalyst for water electrolysis according to an embodiment.

도 1에서 보는 바와 같이, 상기 수전해용 전극촉매의 제조방법은 할로겐 음이온(예. 염소 이온)과 금속 양이온(예. 철 이온)을 같이 넣어 주어 전기화학 처리를 하여 할로겐 음이온에 의한 전극의 표면적 증가와 금속 양이온 함침에 의한 성능 향상이라는 두 가지 효과를 모두 얻을 수 있다. As shown in Fig. 1, in the method of manufacturing the electrocatalyst for water electrolysis, a halogen anion (eg, chlorine ion) and a metal cation (eg, iron ion) are added together to perform electrochemical treatment to increase the surface area of the electrode by the halogen anion. Both effects of improving performance by impregnating with metal cations can be obtained.

할로겐 이온 존재 하에 전기화학적 처리를 진행할 경우 니켈 지지체(예. 니켈 폼) 표면에 나노 다공성 구조 및 높은 산소 결핍도를 부과할 수 있고, 금속 양이온이 있을 경우 니켈 지지체 표면에 금속 양이온이 함침되어 니켈 지지체를 이용한 전극촉매의 수전해 성능이 증가하게 된다. 금속 양이온의 경우, 철 이온이 가장 촉매 활성을 높이는 데에 기여한다고 알려져 있으나 코발트나 셀레늄, 소량의 루테늄, 백금 등 다양한 금속 양이온도 해당 방법에 적용될 수 있다. In the case of electrochemical treatment in the presence of halogen ions, a nanoporous structure and high oxygen deficiency may be imposed on the surface of a nickel support (e.g., nickel foam), and in the presence of metal cations, the surface of the nickel support is impregnated with metal cations and thus the nickel support The water electrolysis performance of the electrode catalyst using is increased. In the case of metal cations, iron ions are known to contribute to the highest catalytic activity, but various metal cations such as cobalt, selenium, small amounts of ruthenium, and platinum can also be applied to the method.

일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 제조 방법은 두 가지 이온 모두 존재 하에 전기화학적 처리 및 활성화 처리를 하여 두 이온의 장점을 모두 갖는 수전해용 전극촉매를 제조할 수 있다.In the method of manufacturing an electrocatalyst for water electrolysis according to an embodiment, electrochemical treatment and activation treatment are performed in the presence of both ions to prepare an electrocatalyst for water electrolysis having the advantages of both ions.

상기 수전해용 전극촉매 제조에 사용되는 니켈 지지체로는, 니켈 폼, 니켈 플레이트, 니켈 와이어 및 니켈 로드 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 니켈 지지체는 비귀금속 촉매로서, 수전해 시스템에 일반적으로 사용되는 귀금속 촉매에 비하여 가격이 낮아 경제적이다. 또한, 니켈 폼과 같은 니켈 지지체는 표면적이 넓고 전기전도도가 좋은 장점을 갖는다. 상기 니켈 지지체의 크기는 특별한 제한은 없으며, 전극 사이즈 등 필요에 따라 정해질 수 있다.As the nickel support used in the manufacture of the electrocatalyst for water electrolysis, at least one selected from nickel foam, nickel plate, nickel wire, and nickel rod may be used. Nickel support is a non-precious metal catalyst and is economical due to its low cost compared to noble metal catalysts generally used in water electrolysis systems. In addition, a nickel support such as a nickel foam has a large surface area and good electrical conductivity. The size of the nickel support is not particularly limited, and may be determined according to necessity such as electrode size.

상기 수전해용 전극촉매의 제조방법은, 상기 니켈 지지체의 촉매 활성 성능을 향상시키기 위하여, 먼저 금속 양이온 및 할로겐 음이온을 포함하는 용액을 이용하여 전기화학적 처리를 진행한다. 이와 같은 간단한 전기화학 처리를 통해, 상기 니켈 지지체 표면에 나노 기공을 포함하는 나노 다공성 구조를 형성하면서, 니켈 합금 수산화물을 포함하는 층상이중수산화물(layered double hydroxide)을 성장시킬 수 있다.In the manufacturing method of the electrocatalyst for water electrolysis, in order to improve the catalytic activity performance of the nickel support, first, electrochemical treatment is performed using a solution containing a metal cation and a halogen anion. Through such a simple electrochemical treatment, a layered double hydroxide including a nickel alloy hydroxide may be grown while forming a nanoporous structure including nanopores on the surface of the nickel support.

금속 양이온, 예로서 철 이온을 예로 들면, 철 이온이 니켈 지지체 표면에 함침되면서 촉매의 활성 및 내구성이 크게 증가시킬 수 있다. 이러한 금속 양이온을 할로겐 이온과 함께 전기화학적 처리를 할 경우 금속 양이온이 니켈 지지체 표면에 보다 쉽게 함침 되어 높은 성능을 갖는 니켈 합금 수산화물이 형성된 전극촉매를 제조할 수 있다.Metal cations such as iron ions, for example, iron ions, are impregnated on the surface of the nickel support, thereby greatly increasing the activity and durability of the catalyst. In the case of electrochemical treatment of such metal cations with halogen ions, the metal cations are more easily impregnated on the surface of the nickel support, thereby producing an electrocatalyst with nickel alloy hydroxide having high performance.

일 실시예에 따르면, 상기 금속 양이온은 철(Fe), 코발트(Co), 셀레늄(Se), 텅스텐(W), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 주석(Sn) 및 스트론튬(Sr) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 양이온은 철 이온을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the metal cations are iron (Fe), cobalt (Co), selenium (Se), tungsten (W), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), iridium (Ir), It may contain at least one selected from tin (Sn) and strontium (Sr). For example, the metal cation may include iron ions.

상기 금속 양이온을 포함하는 전구체 화합물로는 이들 금속의 수산화물, 질산염, 황산염, 아세트산염, 염화물, 아세틸아세토네이트, 포름산염 또는 산화물을 예로 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the precursor compound containing the metal cation include hydroxides, nitrates, sulfates, acetates, chlorides, acetylacetonates, formates, or oxides of these metals, but are not limited thereto.

일 실시예에 따르면, 상기 용액에서의 상기 금속 양이온의 농도는 0.001 M 내지 1 M 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 용액에서의 상기 금속 양이온의 농도는 0.01 M 내지 0.1 M 범위일 수 있다. 상기 범위에서 상기 금속 양이온은 니켈 지지체 표면에 침투되어 니켈 합금 수산화물을 형성하면서 니켈 지지체 표면에 상기 니켈 합금 수산화물을 포함하는 층상 물질인 층상이중수산화물을 형성할 수 있다.According to an embodiment, the concentration of the metal cation in the solution may range from 0.001 M to 1 M. For example, the concentration of the metal cation in the solution may range from 0.01 M to 0.1 M. In the above range, the metal cations may penetrate the surface of the nickel support to form a nickel alloy hydroxide, while forming a layered double hydroxide, which is a layered material including the nickel alloy hydroxide, on the surface of the nickel support.

금속 양이온 및 할로겐 음이온을 포함하는 용액에 니켈 지지체를 넣고 전압을 인가하여 전기화학적 처리를 함으로써, 니켈 지지체 표면의 니켈 성분과 상기 금속 양이온의 금속 성분으로부터 유래된 니켈 합금 수산화물을 포함하는 층상이중수산화물이 니켈 지지체 표면에 성장하게 된다. A layered double hydroxide containing a nickel component on the surface of the nickel support and a nickel alloy hydroxide derived from the metal component of the metal cation is obtained by putting a nickel support into a solution containing a metal cation and a halogen anion and applying a voltage to perform electrochemical treatment. It grows on the surface of the nickel support.

이는, 할로겐 음이온이 없이 금속 양이온만을 포함하는 용액을 이용하여 니켈 지지체를 전기화학적 처리하는 경우, 금속 양이온이 니켈 지지체 표면의 니켈과 결합하여 단순히 니켈 합금을 형성할 뿐, 니켈 지지체 표면에 물리적 구조 변화를 유도하지 않는다는 것과 차이가 있다. 이는 후술하는 실시예에서도 확인된다.This means that when the nickel support is electrochemically treated using a solution containing only metal cations without halogen anions, the metal cations only form a nickel alloy by bonding with nickel on the surface of the nickel support, and the physical structure changes on the surface of the nickel support. The difference is that it does not induce. This is also confirmed in Examples to be described later.

전기화학적 처리에 사용되는 용액은 금속 양이온뿐만 아니라 할로겐 음이온을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 상기 할로겐 음이온은 불소, 염소 및 요오드 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 할로겐 음이온은 염소 이온을 포함할 수 있다. 상기 할로겐 이온은 니켈 지지체 표면에 나노 다공성 구조를 형성하고 산소 결핍도를 향상시킬 수 있다. 나노 다공성 구조는 상기 전극촉매의 활성 표면적을 증가시키고 높은 산소 결핍도는 산소 발생 반응의 속도를 증가시켜 수전해 시스템의 성능을 개선시킬 수 있다.Solutions used for electrochemical treatment contain metal cations as well as halogen anions. According to an embodiment, the halogen anion may include at least one selected from fluorine, chlorine, and iodine. For example, the halogen anion may include a chlorine ion. The halogen ions may form a nanoporous structure on the surface of the nickel support and may improve oxygen deficiency. The nanoporous structure increases the active surface area of the electrocatalyst, and the high oxygen deficiency increases the rate of the oxygen evolution reaction, thereby improving the performance of the water electrolysis system.

일 실시예에 따르면, 상기 용액에서의 상기 할로겐 음이온의 농도가 0.001 내지 3 M 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 용액에서의 상기 할로겐 음이온의 농도는 0.01 M 내지 1 M 범위일 수 있다. 상기 범위에서, 니켈 지지체 표면에 나노 다공성 구조를 형성하여 니켈 지지체의 전기화학적 촉매 활성을 높일 수 있다.According to an embodiment, the concentration of the halogen anion in the solution may be in the range of 0.001 to 3 M. For example, the concentration of the halogen anion in the solution may range from 0.01 M to 1 M. Within the above range, a nanoporous structure may be formed on the surface of the nickel support to increase the electrochemical catalytic activity of the nickel support.

상기 금속 양이온 및 할로겐 음이온은 각각 이종의 전구체 화합물을 용해시켜 얻어질 수도 있고, 이 둘 모두를 포함하는 1종의 전구체 화합물을 용해시켜 얻어질 수도 있다. 예를 들어, 금속 양이온으로서 Fe3+, 할로겐 음이온으로서 Cl-를 선택하는 경우, Fe(NO3)3 및 HCl을 적절한 농도로 용해하여 사용할 수도 있고, 다르게는 FeCl3 단일 전구체 화합물을 용해하여 사용할 수도 있다.The metal cation and halogen anion may be obtained by dissolving different types of precursor compounds, respectively, or may be obtained by dissolving one type of precursor compound including both. For example, in the case of selecting Fe 3+ as a metal cation and Cl- as a halogen anion , Fe(NO 3 ) 3 and HCl may be dissolved in an appropriate concentration, or alternatively, a single precursor compound of FeCl 3 may be dissolved and used. May be.

상기 금속 양이온 및 할로겐 음이온을 분산시키기 위한 용매로는 특별한 제한이 없으나, 전구체 화합물의 용해 및 혼합이 균일하게 이루어질 수 있으며, 이후 용매를 용이하게 제거할 수 있는 것을 사용할 수 있다. 사용가능한 용매로는 예를 들어 물, 알코올계, 카보네이트계, 글리콜계, 티올계, 아민계, 아세톤 또는 이들의 혼합 용매가 사용될 수 있다. 이러한 용매의 비제한적인 예로는 증류수(water); 에탄올 (ethanol), 메탄올 (methanol) 등의 알코올류; 아세톤 (acetone), 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드 (methylene chloride), 클로로포름 (chloroform), 디메틸포름아미드 (dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산 (cyclohexane), 디클로로메탄, 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide: DMSO), 아세토니트릴(acetonitrile), 피리딘(pyridine), 아민류 등 또는 이들의 혼합체 등이 있다.The solvent for dispersing the metal cation and the halogen anion is not particularly limited, but dissolution and mixing of the precursor compound may be uniformly performed, and then a solvent capable of easily removing the solvent may be used. As the usable solvent, for example, water, alcohol-based, carbonate-based, glycol-based, thiol-based, amine-based, acetone, or a mixed solvent thereof may be used. Non-limiting examples of such solvents include distilled water; Alcohols such as ethanol and methanol; Acetone, tetrahydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, NMP ), cyclohexane, dichloromethane, dimethyl sulfoxide (DMSO), acetonitrile, pyridine, amines, or a mixture thereof.

일 실시예에 따르면, 상기 전기화학적 처리는 순환전압전류법, 정전압, 정전류, 펄스 전압, 및 펄스 전류 중에서 선택된 1종 이상을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 전기화학적 처리는 순환전압전류법을 이용하여 수행될 수 있다.According to an embodiment, the electrochemical treatment may be performed using at least one selected from cyclic voltammetry, constant voltage, constant current, pulse voltage, and pulse current. For example, the electrochemical treatment may be performed using a cyclic voltammetry method.

일 실시예에 따르면, 상기 전기화학적 처리는 수소전극 기준 -1 V 내지 2 V 범위의 전압에서 10초 내지 60분 동안 수행될 수 있다. 상기 범위에서, 니켈 지지체의 구조가 파괴되지 않으면서, 니켈 지지체 표면에 나노 다공성 구조를 형성하고, 니켈 합금 수산화물을 포함하는 층상이중수산화물(layered double hydroxide)을 적절한 수준으로 성장시킬 수 있다.According to an embodiment, the electrochemical treatment may be performed for 10 seconds to 60 minutes at a voltage in the range of -1 V to 2 V based on the hydrogen electrode. In the above range, it is possible to form a nanoporous structure on the surface of the nickel support without destroying the structure of the nickel support, and to grow a layered double hydroxide including a nickel alloy hydroxide to an appropriate level.

상기 수전해용 전극촉매의 제조방법은, 전기화학적 처리 후에, 상기 니켈 지지체를 염기 조건에서 활성화 처리하는 단계를 진행한다. 상기 활성화 처리에 의하여, 상기 니켈 지지체 표면에 존재하는 할로겐 음이온을 보다 완벽히 제거하여 보다 온전한 나노 다공성 구조를 형성할 수 있고, 니켈 지지체 표면을 산소 결핍도가 높은 니켈수산화물 전극으로 바꿀 수 있다. In the manufacturing method of the electrocatalyst for water electrolysis, after electrochemical treatment, the nickel support is activated under basic conditions. By the activation treatment, halogen anions present on the surface of the nickel support can be more completely removed to form a more intact nanoporous structure, and the surface of the nickel support can be replaced with a nickel hydroxide electrode having a high oxygen deficiency.

일 실시예에 따르면, 상기 활성화 처리는 pH 10 이상의 염기성 용액에서 0.5V 내지 3V 범위의 전압을 10초 내지 2시간 동안 인가함으로써 수행될 수 있다. 이 때에 전압의 인가는 순환전압전류법, 정전압, 정전류, 펄스 전압, 및 펄스 전류 중에서 선택된 1종 이상을 이용하는 등 다양한 방식으로 가능하다. According to an embodiment, the activation treatment may be performed by applying a voltage ranging from 0.5V to 3V for 10 seconds to 2 hours in a basic solution having a pH of 10 or higher. In this case, the voltage can be applied in various ways, such as using one or more selected from cyclic voltammetry, constant voltage, constant current, pulse voltage, and pulse current.

상기 활성화 처리단계는 별도의 염기성 용액 내에서 전압을 인가하여 수행될 수도 있지만, 대안적으로 전기화학적 처리를 한 니켈 지지체를 염기성 용액이 적용된 수전해 전지의 전극으로 적용한 후 수전해 전지를 조금만 작동하더라도 자연스럽게 활성화 처리가 될 수도 있다. The activation treatment step may be performed by applying a voltage in a separate basic solution, but alternatively, even if the electrochemically treated nickel support is applied as an electrode of the water electrolytic battery to which the basic solution is applied, even a small amount of operation of the water electrolytic battery It can also be a natural activation process.

이와 같은 활성화 처리를 통해 산소 결핍도가 높은 니켈 합금 수산화물 전극촉매로 변화한다.Through such an activation treatment, it is converted into a nickel alloy hydroxide electrocatalyst with high oxygen deficiency.

상술한 제조방법에 의하여, 높은 산소 결핍도와 나노 다공성 구조로 인한 넓은 표면적, 그리고 촉매 활성 증가로 높은 수전해 성능을 나타내는 양기능성 수전해용 전극촉매를 간단하게 대면적으로 제조할 수 있다. 이와 같이 제조된 수전해용 전극촉매는 넓은 면적의 전극에도 적용가능하며, 대면적 수전해 전지에서도 높은 내구성을 보유함을 이하의 실시예를 통하여 알 수 있다.By the above-described manufacturing method, a bifunctional electrocatalyst for water electrolysis, which exhibits high water electrolysis performance due to high oxygen deficiency, a large surface area due to a nanoporous structure, and an increase in catalytic activity, can be easily prepared in a large area. It can be seen from the following examples that the thus prepared electrocatalyst for water electrolysis can be applied to an electrode of a large area and has high durability even in a large area water electrolytic battery.

이하에서, 또 다른 구현예에 따른 수전해용 전지에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a battery for water electrolysis according to another embodiment will be described.

일 실시예에 따른 수전해용 전지는, 상술한 수전해용 전극촉매를 포함하는 전극; 및 기준전극;을 포함한다.A battery for water electrolysis according to an embodiment includes: an electrode including the electrode catalyst for water electrolysis; And a reference electrode.

상기 수전해용 전극촉매는 수소 발생 성능뿐만 아니라 산소 발생 성능이 개선된 양기능성 전극촉매이므로, 수전해용 전극촉매를 포함하는 전극은 산소 발생 반응(OER)이 일어나는 전극 (애노드) 및 수소 발생 반응(HER)이 일어나는 전극 (캐소드) 중 어느 하나 또는 이 둘 모두에 적용될 수 있다.Since the electrocatalyst for water electrolysis is a bifunctional electrode catalyst with improved oxygen generation performance as well as hydrogen generation performance, the electrode including the electrocatalyst for water electrolysis is an electrode (anode) in which an oxygen generation reaction (OER) occurs and a hydrogen generation reaction (HER ) Can be applied to either or both of the electrodes (cathodes) to occur.

일 실시예에 따르면, 상기 수전해 전지는 음이온 교환막, 전극 (캐소드 및 애노드), 분리판, 가스켓, 집전체, 및 기준 전극을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the water electrolytic battery may include an anion exchange membrane, an electrode (cathode and anode), a separator, a gasket, a current collector, and a reference electrode.

수전해 전극에서, 전극은 실제 전기화학 반응이 일어나는 곳으로 전압에 따른 반응이 일어나 산소 및 수소를 생성한다. 음이온 교환막은 수전해 반응이 일어날 때에 이온의 이동을 통해 반응이 일어나도록 하고 전기가 전극에서 다른 전극으로 바로 넘어가지 않도록 전기를 차단하는 역학을 한다. 분리판은 전극과 전기적 연결을 함과 동시에 반응물이 물이 잘 흐를 수 있도록 유로가 파여 있어 물질 저항을 감소시킨다. 가스켓(Gasket)은 전극을 고정시키면서 전극이 적절한 압력을 받을 수 있도록 지지해준다. 집전체는 전기 도선과 분리판까지 전기가 통할 수 있게 하는 역할을 한다. 마지막으로, 기준 전극의 경우 기존 전기화학 셀에서는 2개의 전극만 있기 때문에 각각의 전극에서 실제 전압을 알기 어렵기 때문에 도입한 것으로 각각의 전극의 절대 전압을 측정하기 위해 사용된다.In a water electrolytic electrode, the electrode is a place where an actual electrochemical reaction occurs, and a reaction according to voltage occurs to produce oxygen and hydrogen. The anion exchange membrane acts as a mechanism to block electricity so that the reaction occurs through the movement of ions when a water electrolytic reaction occurs and electricity does not pass directly from an electrode to another electrode. The separator is electrically connected to the electrode, and at the same time, the flow path is dug so that the reactants can flow well, thereby reducing material resistance. The gasket fixes the electrode and supports it so that it can receive the proper pressure. The current collector serves to allow electricity to pass through to the electric wire and the separating plate. Finally, in the case of the reference electrode, since there are only two electrodes in the existing electrochemical cell, it is difficult to know the actual voltage at each electrode, so it is introduced and is used to measure the absolute voltage of each electrode.

이하의 실시예 및 비교예를 통하여 예시적인 구현예들이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예 및 비교예는 기술적 사상을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.Exemplary embodiments are described in more detail through the following examples and comparative examples. However, Examples and Comparative Examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1: 염소 및 철 이온에서의 니켈 폼의 전기화학적 처리를 통한 전극촉매 제조Example 1: Electrocatalyst preparation through electrochemical treatment of nickel foam in chlorine and iron ions

니켈 폼을 실험 전에 초순수와 에탄올에서 초음파를 통해 세척을 진행하였다. 세척이 끝난 순수한 니켈 폼을 작업 전극으로 하고, 백금 선을 상대 전극으로 하고, Ag/AgCl 전극을 기준전극으로 하여 3전극 시스템을 갖춘 뒤 초순수를 이용한 0.02 M FeCl3 용액에서 - 0.25 ~ 0.65 V (vs. Ag/AgCl) 전압으로 100 mV s-1 속도로 100 회 순환 전압전류법을 진행하였다. 전기화학 처리 후 니켈 폼을 초순수로 세척한 뒤 공기에서 건조시켰다.Before the experiment, the nickel foam was washed in ultrapure water and ethanol through ultrasonic waves. After the three-electrode system was installed with pure nickel foam as the working electrode, the platinum wire as the counter electrode, and the Ag/AgCl electrode as the reference electrode, in a 0.02 M FeCl 3 solution using ultrapure water-0.25 ~ 0.65 V ( vs. Ag/AgCl) cyclic voltammetry was performed 100 times at a rate of 100 mV s -1 with voltage. After electrochemical treatment, the nickel foam was washed with ultrapure water and dried in air.

상기 전기화학 처리된 니켈 폼을 pH 13의 농도를 갖는 KOH 염기성 용액에서 전압을 0.8V ~ 1.8V vs. RHE 사이에서 순환 전압 전류법으로 50회 인가함으로써 활성화를 진행하여 수전해용 전극촉매를 제조하였다.The electrochemically treated nickel foam was subjected to a voltage of 0.8V ~ 1.8V vs. a KOH basic solution having a pH of 13. The activation was carried out by applying 50 times between the RHEs by cyclic voltammetry to prepare an electrocatalyst for water electrolysis.

비교예 1: 염소 이온에서 니켈 폼의 전기화학적 처리를 통한 전극촉매 제조Comparative Example 1: Preparation of Electrocatalyst through Electrochemical Treatment of Nickel Foam in Chlorine Ion

실시예 1에서 0.02 M FeCl3 용액 대신 0.06 M HCl 용액을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 과정을 실시하여 전극촉매를 제조하였다.In Example 1, an electrode catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that a 0.06 M HCl solution was used instead of a 0.02 M FeCl 3 solution.

비교예 2: 철 이온에서 니켈 폼의 전기화학적 처리를 통한 전극 제조Comparative Example 2: Preparation of an electrode through electrochemical treatment of nickel foam in iron ions

실시예 2에서 0.06 M HCl 용액 대신 0.02 M Fe(NO3)3 용액을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 2와 동일한 과정을 실시하여 전극촉매를 제조하였다.In Example 2, an electrode catalyst was prepared in the same manner as in Example 2, except that a 0.02 M Fe(NO 3 ) 3 solution was used instead of a 0.06 M HCl solution.

평가예 1: 염소-철 이온 처리된 니켈 폼의 SEM 및 XRD 결과Evaluation Example 1: SEM and XRD results of nickel foam treated with chlorine-iron ion

상기 실시예 1에 따라 제조된 전극촉매의 변화 과정 및 표면 성분을 분석한 주사 전자 현미경 (SEM) 사진을 도 2에 나타내었다.2 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph analyzing the process and surface components of the electrocatalyst prepared according to Example 1 above.

도 2a는 아무 처리도 하지 않은 순수한 니켈 폼을 나타낸 것으로, 표면이 매끄럽고 아무런 기공이 없는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, 도 2b는 염소 및 철 이온 하에서 전기화학적 처리를 한 니켈 폼을 나타내며, 다공성 높은 표면적과 함께 철과 니켈 염소 수산화물과 같은 많은 부산물들이 생긴 것을 알 수 있다. 도 2c 및 2d는 전기화학적 처리된 니켈 폼을 염기성 용액에서 활성화까지 진행한 경우로서, 다공성 표면과 함께 표면에 얇은 판막 형태의 물질들이 생성됨을 확인할 수 있다.2A shows a pure nickel foam without any treatment, and it can be seen that the surface is smooth and there are no pores. On the other hand, FIG. 2B shows a nickel foam subjected to electrochemical treatment under chlorine and iron ions, and it can be seen that many by-products such as iron and nickel chlorine hydroxide have been generated along with a high porosity surface area. 2C and 2D show that the electrochemically treated nickel foam is activated in a basic solution, and it can be seen that materials in the form of thin valves are formed on the surface along with the porous surface.

니켈 폼 표면에 생성된 물질의 상을 확인하기 위하여 X-선 회절 (XRD) 패턴을 측정하고 그 결과를 도 3에 도시하였다. 도 3에서 보는 것처럼, 니켈 폼 표면에 생성된 상기 물질은 니켈-철 판막 구조 (NiFe-LDH) 구조가 형성된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 니켈-철 판막 구조는 산소 발생 반응에 높은 성능을 보인다고 알려져 있다. X-ray diffraction (XRD) patterns were measured to confirm the phase of the material produced on the surface of the nickel foam, and the results are shown in FIG. 3. As shown in FIG. 3, it was confirmed that the material formed on the surface of the nickel foam had a nickel-iron plate structure (NiFe-LDH) structure. It is known that such a nickel-iron valve structure exhibits high performance in an oxygen evolution reaction.

도 2e 및 2f는 제조된 전극촉매의 균일성을 확인하기 위하여, 표면에 대해서 EDS (Energy-dispersive spectroscopy) 원소 분석을 진행한 결과를 나타낸다. 표면의 원소 분석 결과, 니켈, 철 그리고 산소가 균일하게 다공성 표면에 분산되어 있어 NiFe-LDH 구조를 갖는 Ni-Fe 수산화물이 표면에 성공적으로 제조되었음을 확인할 수 있다.2E and 2F show the results of conducting an EDS (Energy-dispersive spectroscopy) elemental analysis on the surface to confirm the uniformity of the prepared electrocatalyst. As a result of elemental analysis of the surface, it can be confirmed that Ni-Fe hydroxide having a NiFe-LDH structure was successfully prepared on the surface because nickel, iron, and oxygen were uniformly dispersed on the porous surface.

평가예 2: 염소 이온 처리에 따른 니켈 폼 전극의 물성 평가Evaluation Example 2: Evaluation of physical properties of a nickel foam electrode according to chlorine ion treatment

염소 이온의 효과를 알아보기 위하여, 비교예 1에서 염소 이온 존재 하에 전기화학적 순환 전압전류법 (cycling voltammetry, CV) 횟수를 10, 100, 500 회로 변경하여 제조한 전극촉매를 순수한 니켈 폼과 수전해 성능을 비교하여 도 4a에 나타냈다. In order to investigate the effect of chlorine ions, the electrode catalyst prepared by changing the number of electrochemical cycling voltammetry (CV) in the presence of chlorine ions to 10, 100, 500 cycles in Comparative Example 1 was used with pure nickel foam and water electrolysis. The performance was compared and shown in Fig. 4A.

도 4a에서 보는 바와 같이, 수전해 성능 전 산화-환원 피크의 크기를 보면 염소 이온에서의 순환 전압전류법 (CV) 횟수가 증가할수록 산화-환원 피크 면적이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 염소 처리가 니켈 폼의 활성 표면적을 향상시킨다는 것을 나타낸다. 이는 도 4b의 SEM 결과에서도 확인 가능하다.As shown in FIG. 4A, looking at the size of the oxidation-reduction peak before water electrolysis performance, it can be seen that the oxidation-reduction peak area increases as the number of cyclic voltammetry (CV) in chlorine ions increases. This indicates that the chlorine treatment improves the active surface area of the nickel foam. This can be confirmed from the SEM results of FIG. 4B.

도 4b는 상기 전극 촉매의 SEM 사진으로서, 순환 전압전류법 (CV) 횟수가 증가할수록 표면의 거칠기가 증가하고, 이는 전극촉매의 활성 표면적을 증가시키는 것을 확인할 수 있다.4B is a SEM photograph of the electrode catalyst, and it can be seen that as the number of cyclic voltammetry (CV) increases, the roughness of the surface increases, which increases the active surface area of the electrode catalyst.

그러나, 수전해 성능의 경우 순환 전압전류법 (CV) 횟수가 100 회에서 최적의 촉매 성능을 보이는데, 이는 도 5의 SEM 사진과 도 6의 임피던스 결과를 통해 원인을 확인할 수 있었다. However, in the case of water electrolysis performance, the optimum catalytic performance is shown when the number of cyclic voltammetry (CV) is 100, which can be confirmed through the SEM photograph of FIG. 5 and the impedance result of FIG. 6.

도 5의 저배율 SEM 결과를 보면 500 회 순환 전압전류법 (CV) 처리를 하였을 경우 전극촉매의 구조가 파괴되어 있고, 도 6의 임피던스 결과에서도 전기 저항이 크게 증가함을 확인할 수 있다. 이는 염소 이온에서 너무 많은 전기화학 처리를 할 경우 니켈 전극촉매에 손상이 가해져서 성능 저하를 가져올 수 있음을 나타낸다.Looking at the low-magnification SEM results of FIG. 5, it can be seen that when the cyclic voltammetry (CV) treatment is performed 500 times, the structure of the electrode catalyst is destroyed, and the electrical resistance increases significantly in the impedance result of FIG. 6. This indicates that if too much electrochemical treatment is performed on chlorine ions, the nickel electrocatalyst may be damaged, resulting in deterioration of performance.

염소 이온의 화학적 효과를 확인하기 위하여, 순수한 니켈 폼(Raw NF)과 이를 염기 조건에서 활성화한 니켈 폼(Raw NF A.O), 및 염소 이온 용액에서 전기화학적 처리 (순환 전압전류법 100 회)한 니켈 폼(Cl-NF)과 이를 염기 조건에서 이를 활성화한 니켈 폼(Cl-NF A.O)의 XPS를 측정하고 스펙트럼을 비교한 결과를 도 7a 및 도 7b에 나타내었다.To confirm the chemical effect of chlorine ions, pure nickel foam (Raw NF) and nickel foam activated in basic conditions (Raw NF AO), and nickel subjected to electrochemical treatment (circulating voltammetry 100 times) in a chlorine ion solution. The XPS of the foam (Cl-NF) and the nickel foam (Cl-NF AO) that activated it in a basic condition was measured, and the spectrum was compared, and the results are shown in FIGS. 7A and 7B.

도 7a-7b에서 보는 바와 같이, 순수한 니켈 폼의 경우 니켈 수산화물 (Ni(OH)2), 산화물 (NiO), 금속 (Ni) 피크를 다 가지고 있으며, 이는 순수한 니켈의 표면이 조금 산화되어 있음을 나타낸다. 순수한 니켈 폼을 염기 조건에서 활성화할 경우 표면 대부분이 니켈 수산화물 (Ni(OH)2)로 바뀜을 확인할 수 있다. As shown in Figs. 7a-7b, in the case of pure nickel foam, nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ), oxide (NiO), and metal (Ni) peaks are all present, indicating that the surface of pure nickel is slightly oxidized. Show. When pure nickel foam is activated under basic conditions, it can be seen that most of the surface is converted to nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ).

이에 반해, 염소 처리된 니켈 폼은 대부분의 피크가 수산화물 (Ni(OH)2) 피크보다 왼쪽으로 이동한 형태를 보이는데, 이는 니켈이 염소 이온과 결합한 NiCl2 형태로 변한 것을 나타낸다. 염소 처리된 니켈 폼을 염기 조건에서 활성화한 경우, 염소 이온이 대부분 수산화 이온으로 바뀌게 됨을 알 수 있다. 이때, XPS의 니켈 스펙트럼에서 염소 처리 후 활성화된 니켈 폼의 니켈 피크는 reference의 니켈 수산화물 (Ni(OH)2) 피크로 알려진 위치보다 더 오른쪽으로 이동한 형태를 보이는데 이는 니켈 수산화물의 산소 결핍도가 증가함을 나타낸다. 이러한 산소결핍도의 증가는 도 7b의 산소 XPS 스펙트럼에서도 확인 가능하다. 순수한 니켈 폼을 활성화한 경우 수산화물 (Ni(OH)2) 피크는 거의 근사한 반면, 염소 처리된 니켈 폼을 활성화한 경우 수산화물과 산소 결핍이 진행된 피크들의 중간 위치에 피크가 나타남을 알 수 있다. 산소의 XPS peak을 oxide peak(530.7 eV), oxygen vacancy peak(531.8 eV), hydroxide peak (532.9 eV) 3가지로 분리한 다음 oxygen vacancy peak의 면적의 비율을 전체 산소 peak의 면적으로 나누어 주어 계산하면 일반 니켈 전극을 염기에서 활성화 시켰을 때에 12.3%의 산소 결핍도를 갖는 반면에 할로겐 음이온만을 사용하여 제조하였을 때에는 35.7% 로 측정되었다. 이는 염소 처리된 니켈 폼의 경우 활성화시 산소 결핍도가 매우 증가함을 나타낸다. 염소의 경우 염기 용액에서 활성화 후 대부분 수산화 이온과 치환되어 사라지는데 이는 도 8의 염소 XPS 스펙트럼에서 확인이 가능하다. 이러한 산소 결핍도 증가는 전자가 풍부한 산소의 양을 증가시켜 반응 활성화 에너지를 줄이고 촉매 활성을 높일 수 있다.On the other hand, in the chlorinated nickel foam, most of the peaks are shifted to the left of the hydroxide (Ni(OH) 2 ) peak, indicating that nickel has changed to the form of NiCl 2 combined with chlorine ions. It can be seen that when the chlorinated nickel foam is activated under a basic condition, most of the chlorine ions are converted to hydroxide ions. At this time, in the nickel spectrum of XPS, the nickel peak of the activated nickel foam after chlorination is shifted to the right than the position known as the nickel hydroxide (Ni(OH) 2) peak of the reference, which is the oxygen deficiency of nickel hydroxide. Indicates increasing. This increase in oxygen deficiency can also be confirmed in the oxygen XPS spectrum of FIG. 7B. When the pure nickel foam is activated, the hydroxide (Ni(OH) 2 ) peak is almost close, whereas when the chlorinated nickel foam is activated, a peak appears in the middle between the hydroxide and oxygen depletion peaks. When the XPS peak of oxygen is divided into oxide peak (530.7 eV), oxygen vacancy peak (531.8 eV), and hydroxide peak (532.9 eV), the ratio of the oxygen vacancy peak area is divided by the total oxygen peak area. When a general nickel electrode was activated with a base, it had an oxygen deficiency of 12.3%, whereas when it was prepared using only a halogen anion, it was measured to be 35.7%. This indicates that in the case of the chlorinated nickel foam, oxygen deficiency is very increased upon activation. In the case of chlorine, after activation in a base solution, most of them disappear after being substituted with hydroxide ions, which can be confirmed in the chlorine XPS spectrum of FIG. 8. Such an increase in oxygen deficiency may increase the amount of electron-rich oxygen, thereby reducing reaction activation energy and increasing catalytic activity.

평가예 3: 철 이온 처리에 따른 니켈 폼 전극의 물성 평가Evaluation Example 3: Evaluation of physical properties of a nickel foam electrode according to iron ion treatment

금속 양 이온의 효과를 알아보기 위하여, 상기 비교예 2에서 전기화학적 순환 전압전류법 (cycling voltammetry, CV)의 횟수를 10, 100, 500 회로 변경하여 니켈 폼을 전기화학적 처리를 진행하고, 철의 XPS 스펙트럼을 비교하여 도 9a에 도시하였다. 철 이온의 첨가는 수전해 성능과 연관되는데, 도 9a에서 보는 바와 같이, 10 회만 순환 전압전류법 (CV)을 진행하여도 니켈 대비 15.5 %의 철이 함침되었고, 100 회까지 진행해도 13.6 %로 철의 함량이 거의 일정했지만, 500 회 진행 시에는 철 함량이 소량 감소하였다. 철 이온 처리된 각 니켈 폼을 순수한 니켈 폼과 수전해 성능을 비교하여 도 9b에 나타내었다. 그 결과, 철 이온 처리를 하였을 때 촉매 활성이 향상됨을 확인할 수 있다. 500 회 처리를 하였을 때에는 오히려 성능이 감소하는데 이는 철의 함량이 감소하기 때문으로 파악된다.In order to find out the effect of positive metal ions, the number of electrochemical cycling voltammetry (CV) in Comparative Example 2 was changed to 10, 100, 500 cycles to electrochemically treat nickel foam, and The XPS spectrum was compared and shown in FIG. 9A. The addition of iron ions is related to the water electrolysis performance.As shown in FIG. 9A, 15.5% of iron was impregnated compared to nickel even when the cyclic voltammetry (CV) was performed only 10 times, and 13.6% of iron was carried out up to 100 times. Although the content of was almost constant, the iron content decreased by a small amount at 500 times. Each of the iron ion-treated nickel foams is shown in FIG. 9B by comparing the pure nickel foam with water electrolysis performance. As a result, it can be seen that the catalytic activity is improved when the iron ion treatment is performed. When the treatment is performed 500 times, the performance decreases, which is believed to be due to the decrease in the iron content.

도 10a 및 10b는 철 이온 처리된 니켈 폼의 염기 용액에서의 활성화 전후의 XPS 스펙트럼을 나타낸다. 도 10a에서 보는 바와 같이, 철 이온 처리될 경우에는 염기에서의 활성화 후에도 니켈 산화물 (Ni(OH)2) 피크와 금속 (Ni) 피크가 측정되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 철 이온이 니켈 표면을 덮어 니켈 표면이 수산화물로 변화하는 것을 막는 것으로 추측된다. 도 10b의 철 XPS 스펙트럼을 보면 피크 위치가 2.5 가로 유지되는 것을 볼 수 있는데 이는 철의 일부는 3가로 니켈에 잘 함침이 되었지만 일부는 철 2가 산화물로 니켈 표면에 흡착됨을 나타낸다.10A and 10B show XPS spectra before and after activation of iron ion-treated nickel foam in a base solution. As shown in Fig. 10a, in the case of iron ion treatment, it can be seen that the nickel oxide (Ni(OH) 2 ) peak and the metal (Ni) peak are measured even after activation in the base, which is because iron ions cover the nickel surface. It is presumed to prevent the nickel surface from turning into hydroxide. Looking at the iron XPS spectrum of FIG. 10B, it can be seen that the peak position is maintained at 2.5 horizontal, indicating that some of the iron is trivalent and well impregnated with nickel, but some of the iron is adsorbed on the nickel surface as a divalent oxide.

도 11은 철 이온 처리된 니켈 폼의 SEM 이미지를 나타낸다. 도 11에서 보는 바와 같이, 철 이온이 단독으로 첨가될 경우 약간의 입자가 생성되는 것을 제외하고 염소가 존재하는 경우와 달리 표면의 구조 변화는 관찰되지 않았다. 이는 철 이온의 함침이 니켈 폼의 물리적 표면 구조 변화를 유도하여 성능 개선이 이루어진 것이 아닌 니켈 구조에 철이 함침되면서 키네틱적으로 산소 발생 촉매 성능이 향상되는 것을 의미한다.11 shows an SEM image of a nickel foam treated with iron ions. As shown in FIG. 11, when iron ions were added alone, a little particle was generated, and unlike the case where chlorine was present, no structural change was observed on the surface. This means that impregnation of iron ions induces a change in the physical surface structure of the nickel foam, which does not improve performance, but impregnation of the nickel structure with iron, thereby kineticly improving the oxygen generation catalyst performance.

평가예 4: 염소-철 이온 처리된 니켈 폼 전극의 물성 평가Evaluation Example 4: Evaluation of physical properties of a nickel foam electrode treated with chlorine-iron ion

전기화학적 처리에 있어 적용된 이온의 종류에 따른 산소 발생 성능을 확인하기 위하여, 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 전극촉매에 대해 산소 발생 성능을 측정하고, 그 결과를 순수한 니켈 폼과 비교하여 도 12a 내지 12c에 나타내었다. 도 12a는 산소 발생 성능 그래프이고, 도 12b는 산소 발생 성능에 대한 타펠 그래프이고, 도 12c는 산소 발생 성능에 대한 과전압 그래프이다.In order to confirm the oxygen generation performance according to the type of ions applied in the electrochemical treatment, the oxygen generation performance of the electrode catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was measured, and the results were compared with pure nickel foam. As shown in Figs. 12a to 12c. 12A is a graph of oxygen generation performance, FIG. 12B is a Tapel graph of oxygen generation performance, and FIG. 12C is an overvoltage graph of oxygen generation performance.

도 12a에서 보는 바와 같이, 전기화학적 물산화 성능은 염소와 철 이온이 함께 적용했을 때 가장 높은 성능을 보였으며, 이는 염소이온의 장점과 철 이온의 장점이 동시에 나타나기 때문이다. As shown in FIG. 12A, the electrochemical water oxidation performance showed the highest performance when chlorine and iron ions were applied together, because the advantages of chlorine ions and iron ions were simultaneously shown.

도 12b의 타펠 그래프를 비교해 보면, 각 이온이 촉매 활성에 키네틱적 변화를 주었는지 또는 물리적 촉매 활성 면적에 영향을 주었는지 확인할 수 있다. 순수한 니켈 폼의 경우 타펠 기울기가 89 mV/dec였으며, 철 이온 처리를 한 경우에는 53m/dec으로 기울기가 감소하였는데, 이는 철 이온 처리시 키네틱적으로 촉매 활성이 향상되었음을 의미한다. 반면, 염소 이온 처리한 경우에는 기울기가 81mv/dec으로 크게 변화하지 않았으며, 일정 전압에서 높은 전류 밀도를 가진다. 이는 염소 이온 처리의 경우 다공성 표면 구조를 형성하여 촉매 활성 표면적을 증가시켜 촉매 성능이 향상된 것을 의미한다. 약간의 기울기가 향상된 것은 염소 처리에서 산소 결핍 증가로 인해 성능이 향상된 것으로 파악된다.By comparing the Tafel graph of FIG. 12B, it can be confirmed whether each ion has a kinetic change in catalytic activity or has an effect on a physical catalytic activity area. In the case of pure nickel foam, the Tafel slope was 89 mV/dec, and in the case of iron ion treatment, the slope decreased to 53 m/dec, indicating that the catalytic activity was kineticly improved during iron ion treatment. On the other hand, in the case of chlorine ion treatment, the slope did not change significantly to 81mv/dec, and it has a high current density at a constant voltage. This means that in the case of chlorine ion treatment, the catalytic performance is improved by increasing the catalytic active surface area by forming a porous surface structure. It is believed that the slight increase in slope is due to the increased oxygen deficiency in the chlorine treatment.

도 12c의 산소 발생 성능에 대한 과전압 그래프를 보면, 실시예 1의 염소 이온 및 철이온을 같이 적용한 전극촉매가 적은 에너지로도 다른 전극촉매들과 동일한 산소 발생 능력을 보여 높은 촉매 활성을 갖는 것을 알 수 있다.Looking at the overvoltage graph for the oxygen generation performance of FIG. 12C, it was found that the electrocatalyst to which the chloride ion and iron ion of Example 1 were applied together showed the same oxygen generation ability as other electrocatalysts with less energy, and thus had high catalytic activity. I can.

전기화학적 처리에 있어 적용된 이온의 종류에 따른 수소 발생 성능을 확인하기 위하여, 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 전극촉매의 수소 발생 성능을 측정하고, 그 결과를 순수한 니켈 폼과 비교하여 도 13a 내지 13c에 나타내었다. 도 13a는 수소 발생 성능 그래프이고, 도 13b는 수소 발생 성능에 대한 타펠 그래프이고, 도 13c는 수소 발생 성능에 대한 과전압 그래프이다.In order to confirm the hydrogen generation performance according to the type of ions applied in the electrochemical treatment, the hydrogen generation performance of the electrode catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was measured, and the results were compared with pure nickel foam. It is shown in Figures 13a to 13c. 13A is a graph of hydrogen generation performance, FIG. 13B is a Tapel graph of hydrogen generation performance, and FIG. 13C is an overvoltage graph of hydrogen generation performance.

도 13a 내지 도 13c에서 보는 바와 같이, 수소 발생 반응 역시 철, 염소 이온 처리한 니켈 폼이 가장 높은 성능을 보였다. 해당 니켈 폼은 산소 발생 전극과 동시에 수소 발생 전극으로도 사용될 수 있어 양기능성 전극촉매로 적용될 수 있음을 알 수 있다.As shown in FIGS. 13A to 13C, the nickel foam treated with iron and chlorine ions showed the highest performance in the hydrogen generation reaction. It can be seen that the nickel foam can be used as a hydrogen generating electrode at the same time as an oxygen generating electrode, so that it can be applied as a bifunctional electrode catalyst.

도 14a 내지 14c는 실시예 1에서 철, 염소 이온 처리된 니켈 폼의 염기 용액에서의 활성화 후의 XPS 스펙트럼을 나타낸다. 도 14a의 니켈 XPS 스펙트럼의 경우, 철 및 염소 이온 처리 된 니켈 폼의 peak가 니켈 수산화물 (Ni(OH)2) 위치에 비해 낮은 에너지 쪽으로 많이 이동되어 있어 해당 전극촉매의 산소 결핍도가 매우 증가한 것을 확인할 수 있다. 이는 도 14c의 산소 XPS 스펙트럼에서도 확인이 가능한데, 산소 결핍 피크의 면적이 50%로 순수한 니켈 전극 (12.3 %) 및 염소 처리된 전극 (35.7 %) 보다 높아 매우 높은 산소 결핍도를 보임을 확인할 수 있었다. 도 14b의 철 XPS 스펙트럼의 경우, Fe3+ 이온의 피크를 보이고 있어 Fe3+ 이온이 니켈 구조에 잘 함침되어 있어 높은 성능을 보임을 알 수 있다.14A to 14C show XPS spectra after activation of nickel foam treated with iron and chlorine ions in Example 1 in a base solution. In the case of the nickel XPS spectrum of FIG. 14A, the peak of the nickel foam treated with iron and chlorine ions is As compared to the nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ) position, it is moved to a lower energy level, so it can be seen that the oxygen deficiency of the corresponding electrocatalyst is greatly increased. This can also be confirmed in the oxygen XPS spectrum of FIG. 14C. It was confirmed that the area of the oxygen deficiency peak was 50%, which was higher than that of the pure nickel electrode (12.3%) and the chlorinated electrode (35.7%). . For iron XPS spectrum of Figure 14b, showing a peak of Fe 3+ ions there's a Fe 3+ ion is well impregnated with the nickel structure can be seen to show high performance.

평가예 5: 전극촉매에 대한 실제 수전해 성능 및 내구성 평가 결과Evaluation Example 5: Results of actual water electrolysis performance and durability evaluation for an electrode catalyst

실시예 1에 따라 제조한 전극촉매를 실제 수전해 전지의 산소 발생 전극과 수소 발생 전극에 적용하고 20 시간 동안 수전해 성능을 측정하고, 그 결과를 순수한 니켈 폼을 적용한 경우와 비교하여 도 15a 내지 15d에 나타내었다.The electrode catalyst prepared according to Example 1 was applied to an oxygen generating electrode and a hydrogen generating electrode of an actual water electrolysis battery, and the water electrolysis performance was measured for 20 hours, and the results were compared with the case of applying pure nickel foam, FIGS. 15A to 15A. It is shown in 15d.

수전해 전지는, 실시예 1에 따라 제조한 전극촉매를 캐소드 및 애노드 양 전극으로 적용하고, 양 전극 사이에 음이온 교환막이 배치되고 양 전극을 가스킷을 통해 전극이 고정되면서 적절한 압력을 받도록 하고, 각각의 KOH 0.1 M 수용액과 1 M 수용액이 잘 흐르면서 전류가 잘 통할 수 있도록 핀 형태의 티타늄 분리판을 사용하면서, 20시간 동안 정전류를 10 mA/cm-2 가해주면서 셀 전압을 통해 수전해 성능을 측정하면서 애노드 측에 삽입된 Ag/AgCl 기준 전극을 통해 캐소드와 애노드의 절대 전압을 측정할 수 있는 구조로 이루어진 것을 사용하였다.In the water electrolytic battery, the electrode catalyst prepared according to Example 1 was applied as both cathode and anode electrodes, and an anion exchange membrane was disposed between both electrodes, and both electrodes were subjected to appropriate pressure while the electrodes were fixed through a gasket, respectively. The water electrolysis performance is measured through the cell voltage while applying a constant current of 10 mA/cm -2 for 20 hours while using a pin-shaped titanium separator so that the KOH 0.1 M aqueous solution and 1 M aqueous solution flow well and current flows well. Meanwhile, a structure capable of measuring the absolute voltage of the cathode and the anode through the Ag/AgCl reference electrode inserted in the anode side was used.

도 15a와 15b는 각각 0.1 M 및 1 M KOH 조건에서의 20 시간 수전해 전지 구동 시 셀 전압을 나타낸 그래프이다. 이때의 셀 면적은 10cm2이고 구동 조건은 10 mA cm-2이다. 도 15a와 15b에서 보는 바와 같이, KOH 농도에 상관없이 철과 염소 이온 처리된 전극촉매의 경우 처리하지 않은 니켈 폼과 비교할 때 셀 전압이 낮아 수전해 성능이 높음을 확인할 수 있다. 이는 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매가 넓은 면적의 전극에서도 적용 가능함을 나타낸다. 또한, 20시간 동안 수전해 테스트에서도 셀 전압이 거의 바뀌지 않아 뛰어난 내구성을 보인다.15A and 15B are graphs showing cell voltages when water electrolytic cells are driven for 20 hours under 0.1 M and 1 M KOH conditions, respectively. At this time, the cell area is 10cm 2 and the driving condition is 10 mA cm -2 . As shown in FIGS. 15A and 15B, it can be seen that the electrocatalyst treated with iron and chlorine ions irrespective of the KOH concentration has a lower cell voltage compared to the untreated nickel foam, resulting in high water electrolysis performance. This indicates that the electrode catalyst for water electrolysis according to an embodiment can be applied to an electrode having a large area. In addition, even in a water electrolysis test for 20 hours, the cell voltage hardly changes, showing excellent durability.

도 15c와 15d는 각각 0.1 M 및 1M KOH 조건에서 양극과 음극에서 걸리는 절대 전압을 기준 전극을 이용하여 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 15c와 15d에서 보는 바와 같이, 대부분의 전압 변화는 수소 발생 전극에서 존재하고 산소 발생 전극의 경우 20 시간 동안 성능이 일정하였으며, 이때의 과전압은 256 mV @ 10 mA cm-2으로 일정하였다. 이로부터, 일 실시예에 따른 전극촉매를 적용한 산소 발생 전극이 대용량 및 실제 셀 조건에서도 높은 성능과 내구성을 보임을 알 수 있다.15C and 15D are graphs showing the results of measuring the absolute voltage applied to the anode and the cathode under the conditions of 0.1 M and 1M KOH, respectively, using a reference electrode. As shown in FIGS. 15C and 15D, most of the voltage changes exist in the hydrogen generating electrode, and the performance of the oxygen generating electrode was constant for 20 hours, and the overvoltage at this time was constant at 256 mV @ 10 mA cm -2 . From this, it can be seen that the oxygen generating electrode to which the electrode catalyst according to the embodiment is applied shows high performance and durability even under large capacity and actual cell conditions.

상기 평가예 결과로부터, 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매는 높은 산소 결핍도와 나노 다공성 구조로 인한 넓은 표면적, 그리고 철 이온으로 인한 촉매 활성 증가로 높은 성능을 보임을 알 수 있다. 또한, 실제 대면적 수전해 전지 적용을 통해 넓은 면적에서도 본 발명의 전극촉매가 적용 가능하다는 것과 높은 내구성을 보유함을 알 수 있다.From the results of the evaluation example, it can be seen that the electrocatalyst for water electrolysis according to an embodiment exhibits high performance due to a high oxygen deficiency, a large surface area due to a nanoporous structure, and an increase in catalytic activity due to iron ions. In addition, it can be seen that the electrode catalyst of the present invention can be applied even in a large area through the application of an actual large-area water electrolytic battery and has high durability.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.In the above, a preferred embodiment according to the present invention has been described with reference to the drawings and embodiments, but this is only illustrative, and various modifications and other equivalent embodiments are possible from those of ordinary skill in the art. You will be able to understand. Therefore, the scope of protection of the present invention should be determined by the appended claims.

Claims (10)

니켈 지지체를 포함하고,
상기 니켈 지지체는 나노 기공을 포함하는 나노 다공성 구조의 표면을 가지고, 상기 표면에 니켈 합금 수산화물로 이루어지는 층상이중수산화물(layered double hydroxide)을 포함하며,
산소 결핍도가 50 % 내지 80 %이고,
상기 층상이중수산화물은 상기 니켈 지지체의 표면에 직접 접촉된 상태인 수전해용 전극촉매.
Including a nickel support,
The nickel support has a surface of a nanoporous structure including nanopores, and includes a layered double hydroxide made of a nickel alloy hydroxide on the surface,
Oxygen deficiency is 50% to 80%,
The layered double hydroxide is an electrode catalyst for water electrolysis in a state in direct contact with the surface of the nickel support.
제1항에 있어서,
상기 니켈 지지체는, 상기 나노 기공에 의하여 상기 표면에 주름(wrinkles)을 형성하는 수전해용 전극촉매.
The method of claim 1,
The nickel support is an electrode catalyst for water electrolysis that forms wrinkles on the surface by the nano pores.
제1항에 있어서,
상기 니켈 지지체는 니켈 폼, 니켈 플레이트, 니켈 와이어 및 니켈 로드 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 수전해용 전극촉매.
The method of claim 1,
The nickel support is an electrode catalyst for water electrolysis comprising at least one selected from a nickel foam, a nickel plate, a nickel wire, and a nickel rod.
제1항에 있어서,
상기 니켈 합금 수산화물은 철, 코발트, 셀레늄, 텅스텐, 은, 금, 백금, 이리듐, 틴 및 스트론튬 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 수전해용 전극촉매.
The method of claim 1,
The nickel alloy hydroxide is an electrode catalyst for water electrolysis comprising at least one selected from iron, cobalt, selenium, tungsten, silver, gold, platinum, iridium, tin, and strontium.
제1항에 있어서,
상기 층상이중수산화물은 상기 니켈 지지체의 표면 중 나노 기공이 없는 곳에 존재하는 수전해용 전극촉매.
The method of claim 1,
The layered double hydroxide is an electrode catalyst for water electrolysis that exists in the surface of the nickel support where there are no nanopores.
제1항에 있어서,
상기 니켈 지지체의 표면에 상기 층상이중수산화물을 포함하는 나노시트 어레이가 형성된 것인 수전해용 전극촉매.
The method of claim 1,
The electrode catalyst for water electrolysis, wherein a nanosheet array including the layered double hydroxide is formed on the surface of the nickel support.
제1항에 있어서,
상기 수전해용 전극촉매는 산소 발생 및 수소 발생의 양기능성을 나타내는 것인, 수전해용 전극촉매.
The method of claim 1,
The electrocatalyst for water electrolysis is one that exhibits both functions of oxygen generation and hydrogen generation, an electrode catalyst for water electrolysis.
제1항에 있어서,
상기 수전해용 전극촉매는, 상기 표면이 없는 니켈 지지체에 비하여, 더 높은 산소 결핍도를 갖는 것인 수전해용 전극촉매.
The method of claim 1,
The electrocatalyst for water electrolysis has a higher degree of oxygen deficiency than the nickel support without the surface.
삭제delete 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 수전해용 전극촉매를 포함하는 전극; 및
기준전극;
을 포함하는 수전해 전지.
An electrode comprising the electrocatalyst for water electrolysis according to any one of claims 1 to 8; And
Reference electrode;
A water electrolytic battery comprising a.
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