KR102247335B1 - Electrocatalyst using tofu and manufacturing method for the same - Google Patents

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KR102247335B1
KR102247335B1 KR1020190160855A KR20190160855A KR102247335B1 KR 102247335 B1 KR102247335 B1 KR 102247335B1 KR 1020190160855 A KR1020190160855 A KR 1020190160855A KR 20190160855 A KR20190160855 A KR 20190160855A KR 102247335 B1 KR102247335 B1 KR 102247335B1
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박범준
김진수
임경민
최규환
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

According to the present invention, disclosed are an electrocatalyst using tofu and a method for manufacturing the same. The method for manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention includes the steps of: heating and stirring soybean water; adding a metal solution containing a transition metal to the heated and stirred soybean water to manufacture tofu containing the transition metal; pulverizing the tofu after drying; and carbonizing the pulverized tofu through a heat treatment process to manufacture an electrocatalyst.

Description

두부를 이용한 전기촉매 및 이의 제조방법{ELECTROCATALYST USING TOFU AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}Electrocatalyst using tofu and its manufacturing method {ELECTROCATALYST USING TOFU AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 두부를 이용한 전기촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrocatalyst using tofu and a method of manufacturing the same.

연료전지 및 금속-공기 배터리의 전극 중 양극(cathode)에서는 산소 환원 반응(ORR)과 산소 생성 반응(OER)이 매우 느리게 진행되어 촉매의 사용이 필수적이다.Oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen generation reaction (OER) proceed very slowly in the cathode of the electrodes of fuel cells and metal-air batteries, and the use of a catalyst is essential.

대부분의 촉매는 귀금속 계열만이 상용화 되어 있으나 원료의 고가로 인해 연료전지 및 금속-공기 배터리의 상용화의 큰 걸림돌이 되고 있다.Most of the catalysts are commercialized only in precious metals, but due to the high cost of raw materials, they are a major obstacle to the commercialization of fuel cells and metal-air batteries.

이를 대체하기 위해 탄소에 질소 및 전이금속을 도핑하여 합성된 M-N-C 촉매가 ORR 및 OER 반응에 활성이 있다고 보고되고 있다. In order to replace this, it has been reported that the M-N-C catalyst synthesized by doping carbon with nitrogen and a transition metal is active in ORR and OER reactions.

그러나, M-N-C 촉매는 각 단계별로 정밀한 합성 조건이 필요하기 때문에 대량생산이 어려워 촉매 가격상승의 요인이 된다. However, since the M-N-C catalyst requires precise synthesis conditions for each step, mass production is difficult, which causes a rise in catalyst price.

그러므로 촉매의 가격을 낮추기 위해서는 대량생산이 가능하며, 촉매의 성능이 우수해야 한다.Therefore, in order to lower the price of the catalyst, mass production is possible and the catalyst must have excellent performance.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0070353호, "고분자 전해질 연료전지용 비백금 캐소드 촉매와, 그 캐소드 촉매를 포함하는 전극과, 전극을 포함하는 막-전극 접합체 및 막-전극 접합체를 포함하는 고분자 전해질 연료전지"Korean Patent Application Publication No. 10-2011-0070353, "Polymer electrolyte including a non-platinum cathode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, an electrode including the cathode catalyst, and a membrane-electrode assembly including an electrode and a membrane-electrode assembly Fuel cell" 일본 등록특허공보 제5166512호, "고성능, 고내구성, 비귀금속의 연료전지 촉매"Japanese Patent Publication No. 5116512, "High performance, high durability, non-precious metal fuel cell catalyst"

본 발명의 실시예는 축합중합으로 이루어진 단백질을 포함하는 두부를 이용하여, 단백질의 그물 구조로 인해 비표면적이 넓어 우수한 촉매 특성을 발현할 수 있는 두부를 이용한 전기촉매 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide an electrocatalyst using tofu that can express excellent catalytic properties due to a large specific surface area due to the network structure of the protein, and a method for producing the same, using tofu containing a protein formed by condensation polymerization. .

본 발명의 실시예는 두부를 이용하여 전기촉매를 제조하여, 종래의 귀금속 계열의 촉매와 달리 제조 단가가 저렴하면서 종래의 귀금속 계열의 촉매와 동등 또는 그 이상의 촉매 성능을 발현할 수 있는 두부를 이용한 전기촉매 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.In an embodiment of the present invention, an electrocatalyst is prepared using tofu, and unlike the conventional noble metal-based catalyst, the manufacturing cost is inexpensive and the tofu capable of expressing catalytic performance equal to or higher than the conventional noble metal-based catalyst is used. It is intended to provide an electrocatalyst and a method for manufacturing the same.

본 발명의 실시예는 전기촉매 제조 시 종래의 두부 생산 공정 라인을 이용하면서 추가로 고온 열처리 시스템만 갖추면 되기 때문에 전기촉매의 대량 생산이 가능한 두부를 이용한 전기촉매 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide an electrocatalyst using a tofu capable of mass-producing an electrocatalyst and a method for manufacturing the same, since it is only necessary to provide an additional high-temperature heat treatment system while using a conventional tofu production process line when manufacturing an electrocatalyst.

본 발명의 실시예는 열 처리 공정을 통해 탄화되어, 표면에 다수의 기공이 형성되어 있어 높은 비표면적을 가질 수 있는 두부를 이용한 전기촉매 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide an electrocatalyst using tofu and a method for manufacturing the same, which is carbonized through a heat treatment process and has a large number of pores formed on the surface, and thus can have a high specific surface area.

본 발명의 실시예는 열 처리 공정을 통한 탄화 과정을 통해 전기촉매의 포어 크기 또는 개수를 조절할 수 있어, 전기촉매의 촉매 성능을 향상시킬 수 있는 두부를 이용한 전기촉매 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide an electrocatalyst using tofu and a method of manufacturing the same, which can improve the catalytic performance of the electrocatalyst by controlling the size or number of pores of the electrocatalyst through a carbonization process through a heat treatment process. .

본 발명의 실시예는 두부를 이용하여 친환경적인 전기촉매 제조가 가능한 두부를 이용한 전기촉매 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide an electrocatalyst using tofu and a method of manufacturing the same, capable of manufacturing an eco-friendly electrocatalyst using tofu.

본 발명의 실시예는 전이금속으로 도핑된 전기촉매를 제조하여 우수한 촉매 성능을 가짐으로써, 연료 전지 내 양극으로 사용될 시 산소 발생 반응(OER), 산소 환원 반응(ORR) 및 수소 발생 반응(HER)의 활성을 향상시킬 수 있는 두부를 이용한 전기촉매 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention has excellent catalytic performance by preparing an electrocatalyst doped with a transition metal, so that when used as a positive electrode in a fuel cell, an oxygen generation reaction (OER), an oxygen reduction reaction (ORR), and a hydrogen generation reaction (HER) It is intended to provide an electrocatalyst using tofu that can improve the activity of and a method for producing the same.

본 발명에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법은, 콩물을 가열 교반하는 단계; 상기 가열 교반된 콩물에 전이금속을 포함하는 금속 용액을 첨가하여 상기 전이금속을 포함하는 두부를 제조하는 단계; 상기 두부를 건조시킨 후 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄된 두부를 열 처리 공정을 통해 탄화시켜 전기촉매를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method for producing an electrocatalyst using tofu according to the present invention comprises the steps of heating and stirring soybean water; Preparing tofu containing the transition metal by adding a metal solution containing a transition metal to the heated and stirred soybean water; Pulverizing after drying the tofu; And carbonizing the pulverized tofu through a heat treatment process to prepare an electrocatalyst.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법에 따르면, 상기 전이금속은 상기 콩물에 포함된 단백질과 킬레이트 결합할 수 있다.According to the method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention, the transition metal may be chelate-bonded with the protein contained in the soybean water.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법에 따르면, 상기 금속 용액의 농도는 0.003M 내지 0.021M일 수 있다.According to the method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention, the concentration of the metal solution may be 0.003M to 0.021M.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법에 따르면, 상기 전이금속은 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe), 아연(Zn), 주석(Sn) 및 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.According to the method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention, the transition metal is cobalt (Co), nickel (Ni), iron (Fe), zinc (Zn), tin (Sn), and manganese (Mn). ) May include at least one of.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법에 따르면, 상기 금속 용액은 서로 상이한 두 개의 전이금속을 포함하며, 상기 서로 상이한 두 개의 전이금속은 1:1 내지 1:2의 몰 비로 상기 금속 용액 내에 포함될 수 있다.According to the method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention, the metal solution contains two different transition metals, and the two different transition metals are in a molar ratio of 1:1 to 1:2. It may be included in the metal solution.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법에 따르면, 상기 금속 용액은 서로 상이한 세 개의 전이금속을 포함하며, 상기 서로 상이한 세 개의 전이금속은 1:1:1 내지 1:1:2의 몰 비로 상기 금속 용액에 포함될 수 있다.According to the method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention, the metal solution contains three different transition metals, and the three different transition metals are 1:1:1 to 1:1: It may be included in the metal solution in a molar ratio of 2.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법에 따르면, 상기 열 처리 공정 시 상기 분쇄된 두부에 수산화칼륨(KOH) 및 염화아연(ZnCl2) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 첨가제를 첨가할 수 있다.According to the manufacturing method of an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention, an additive including at least one of potassium hydroxide (KOH) and zinc chloride (ZnCl 2) is added to the pulverized tofu during the heat treatment process. can do.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법에 따르면, 상기 분쇄된 두부와 상기 첨가제의 중량비는 1:2 내지 1:3일 수 있다.According to the method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention, a weight ratio of the pulverized tofu and the additive may be 1:2 to 1:3.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법에 따르면, 상기 열 처리 공정의 온도는 800℃ 내지 1500℃일 수 있다.According to the method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention, the temperature of the heat treatment process may be in the range of 800°C to 1500°C.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법에 따르면, 상기 열 처리 공정의 시간은 30분 내지 2시간일 수 있다.According to the method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention, the time of the heat treatment process may be 30 minutes to 2 hours.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법에 따르면, 상기 분쇄된 두부를 열 처리 공정을 통해 탄화시켜 전기촉매를 제조하는 단계 이후에는, 상기 전기촉매를 침출시키는 단계를 더 포함할 수 있다.According to the manufacturing method of an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention, after the step of preparing the electrocatalyst by carbonizing the pulverized tofu through a heat treatment process, the step of leaching the electrocatalyst may be further included. I can.

본 발명에 따른 두부를 이용한 전기촉매는 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매에 따라 제조되는 것을 특징으로 한다The electrocatalyst using tofu according to the present invention is characterized in that it is manufactured according to the electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매에 따르면, 상기 전기촉매는 나노포러스(nanoporous) 구조 또는 메조포러스(mesoporous) 구조를 가질 수 있다.According to the electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention, the electrocatalyst may have a nanoporous structure or a mesoporous structure.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매에 따르면, 상기 전기촉매의 비표면적은 800m2/g 내지 3000m2/g일 수 있다.According to the electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention, the specific surface area of the electrocatalyst may be 800m 2 /g to 3000m 2 /g.

본 발명의 실시예에 따르면, 축합중합으로 이루어진 단백질을 포함하는 두부를 이용하여, 단백질의 그물 구조로 인해 비표면적이 넓어 우수한 촉매 특성을 발현할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a tofu containing a protein formed by condensation polymerization is used, and the specific surface area is large due to the network structure of the protein, so that excellent catalytic properties can be expressed.

본 발명의 실시예에 따르면, 두부를 이용하여 전기촉매를 제조하여, 종래의 귀금속 계열의 촉매와 달리 제조 단가가 저렴하면서 종래의 귀금속 계열의 촉매와 동등 또는 그 이상의 촉매 성능을 발현할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, an electrocatalyst is prepared using tofu, and unlike a conventional noble metal-based catalyst, the manufacturing cost is inexpensive and catalytic performance equivalent to or higher than that of a conventional noble metal-based catalyst can be expressed.

본 발명의 실시예에 따르면, 전기촉매 제조 시 종래의 두부 생산 공정 라인을 이용하면서 추가로 고온 열처리 시스템만 갖추면 되기 때문에 전기촉매의 대량 생산이 가능하다.According to an embodiment of the present invention, mass production of the electrocatalyst is possible because only a high-temperature heat treatment system is required while using a conventional tofu production process line when manufacturing an electrocatalyst.

본 발명의 실시예에 따르면, 열 처리 공정을 통해 탄화되어, 표면에 다수의 기공이 형성되어 있어 높은 비표면적을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is carbonized through a heat treatment process, and a plurality of pores are formed on the surface, so that a high specific surface area may be obtained.

본 발명의 실시예에 따르면, 열 처리 공정을 통한 탄화 과정을 통해 전기촉매의 포어 크기 또는 개수를 조절할 수 있어, 전기촉매의 촉매 성능을 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the size or number of pores of the electrocatalyst can be adjusted through a carbonization process through a heat treatment process, thereby improving catalytic performance of the electrocatalyst.

본 발명의 실시예에 따르면, 두부를 이용하여 전기촉매를 제조하여, 친환경적인 전기촉매 제조가 가능하다.According to an embodiment of the present invention, by manufacturing an electrocatalyst using tofu, it is possible to manufacture an eco-friendly electrocatalyst.

본 발명의 실시예에 따르면, 전이금속으로 도핑된 전기촉매를 제조하여 우수한 촉매 성능을 가짐으로써, 연료 전지 내 양극으로 사용될 시 산소 발생 반응(OER), 산소 환원 반응(ORR) 및 수소 발생 반응(HER)의 활성을 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by preparing an electrocatalyst doped with a transition metal and having excellent catalytic performance, when used as a positive electrode in a fuel cell, an oxygen generation reaction (OER), an oxygen reduction reaction (ORR), and a hydrogen generation reaction ( HER) activity can be improved.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 2a 내지 도 2d는 실시예 1 내지 실시예 3의 전기촉매의 모습을 도시한 이미지이다.
도 3a는 실시예 1의 전기촉매를 활성화(activation)시키기 전의 모습을 도시한 SEM(scanning electron microscopy) 이미지이며, 도 3b는 실시예 4의 전기촉매를 활성화시킨 후의 모습을 도시한 SEM 이미지이다.
도 4는 실시예 4 및 대조예에 대하여 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction; OER)을 평가한 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 실시예 4에 대하여 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction; ORR)을 평가한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6a는 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 장치를 이용하여 실시예 4 및 실시예 5의 비표면적을 측정한 결과를 도시한 그래프이며, 도 6b는 실시예 4 및 실시예 5의 포어 사이즈를 산출한 결과를 도시한 그래프이다.
1 is a flow chart showing a method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention.
2A to 2D are images showing the appearance of the electrocatalysts of Examples 1 to 3.
3A is a scanning electron microscopy (SEM) image showing a state before activation of the electrocatalyst of Example 1, and FIG. 3B is a SEM image showing a state after activating the electrocatalyst of Example 4.
4 is a graph showing the results of evaluating an oxygen evolution reaction (OER) for Example 4 and a control example.
5 is a graph showing the results of evaluating an oxygen reduction reaction (ORR) in Example 4. FIG.
6A is a graph showing the results of measuring specific surface areas of Examples 4 and 5 using a Brunauer-Emmett-Teller (BET) device, and FIG. 6B is a graph showing the pore size of Examples 4 and 5 It is a graph showing one result.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terms used in the present specification are for describing exemplary embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, the singular form also includes the plural form unless specifically stated in the phrase. As used in the specification, “comprises” and/or “comprising” do not exclude the presence or addition of one or more other elements or steps to the mentioned elements or steps.

본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, "an embodiment", "example", "side", "example" and the like should be construed as having any aspect or design described better or advantageous than other aspects or designs. It is not.

또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.In addition, the term'or' means an inclusive OR'inclusive or' rather than an exclusive OR'exclusive or'. That is, unless otherwise stated or clear from context, the expression'x uses a or b'means any one of natural inclusive permutations.

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.In addition, the singular expression ("a" or "an") used in this specification and the claims generally means "one or more" unless otherwise stated or unless it is clear from the context that it relates to the singular form. Should be interpreted as.

아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.The terms used in the description below have been selected as general and universal in the related technical field, but there may be other terms depending on the development and/or change of technology, customs, preferences of technicians, and the like. Therefore, terms used in the following description should not be understood as limiting the technical idea, but should be understood as illustrative terms for describing embodiments.

또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, detailed meanings will be described in the corresponding description. Therefore, terms used in the following description should be understood based on the meaning of the term and the contents throughout the specification, not just the name of the term.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in the present specification may be used with meanings that can be commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not interpreted ideally or excessively unless explicitly defined specifically.

한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.On the other hand, in the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, terms used in the present specification are terms used to properly express an embodiment of the present invention, which may vary depending on the intention of users or operators, or customs in the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법을 도시한 순서도이다.1 is a flow chart showing a method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법은 콩물을 가열 교반하는 단계(S110), 상기 가열 교반된 콩물에 전이금속을 포함하는 금속 용액을 첨가하여 상기 전이금속을 포함하는 두부를 제조하는 단계(S120), 상기 두부를 건조시킨 후 분쇄하는 단계(S130) 및 상기 분쇄된 두부를 열 처리 공정을 통해 탄화시켜 전기촉매를 제조하는 단계(S140)를 포함한다.Referring to Figure 1, the method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention includes the step of heating and stirring the bean water (S110), and the transition by adding a metal solution containing a transition metal to the heated and stirred bean water. Manufacturing tofu containing metal (S120), pulverizing the tofu after drying (S130), and carbonizing the pulverized tofu through a heat treatment process to produce an electrocatalyst (S140). .

단계 S110에서 상기 콩물은 콩을 선별 및 세척한 후 침수하여 마쇄 및 여과되어 수득한 두유일 수 있다.In step S110, the soybean water may be soymilk obtained by crushing and filtration by submerging after sorting and washing the beans.

상기 콩물은 일반적으로 널리 알려진 콩물 제조 방법으로 제조될 수 있다.The bean water may be prepared by a generally widely known method for producing bean water.

구체적으로 상기 콩은 수확 시 잡초의 종자, 돌, 변질 콩과 같은 협잡물이 혼입될 수 있으므로, 단계 S110 이전에 콩의 선별 공정을 거쳐 협잡물을 제거시킬 수 있다Specifically, since the beans may contain impurities such as weed seeds, stones, and deteriorated beans during harvest, the impurities may be removed through a screening process of beans prior to step S110.

실시예에 따라서, 선별 공정을 통해 콩을 물 속에 담근 후 부유물을 제거하고 2회 내지 3회 물을 갈아가면서 콩 표면에 부착된 먼지, 흙, 내열성 미생물을 제거할 수 있다.Depending on the embodiment, the soybean is immersed in water through a sorting process, and then the floating matter is removed, and dirt, soil, and heat-resistant microorganisms adhered to the surface of the soybean may be removed by grinding the water two to three times.

실시예에 따라서, 상기 선별 공정 이후 콩의 조직을 부드럽게 하는 침수 공정을 수행할 수 있다.According to an embodiment, after the sorting process, a immersion process for smoothing the tissue of the beans may be performed.

상기 콩물의 원료인 콩은 시판되는 두부의 일반적인 원료인 대두(大豆)일 수 있으며, 두부를 제조할 수 있는 콩이라면 그 종류를 제한하지 않는다.The soybean as a raw material for soybeans may be soybean, which is a general raw material for commercially available tofu, and the type of soybeans capable of producing tofu is not limited.

상기 콩물은 물, 단백질, 지방, 탄수화물 및 무기질을 포함하며, 그 중 단백질은 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N)를 포함한다.The soybean water contains water, protein, fat, carbohydrates and minerals, of which proteins include carbon (C), hydrogen (H), oxygen (O), and nitrogen (N).

또한, 상기 콩물은 인(P)을 함유하는 피틴산(phytic acid)을 포함하며, 아미노산에 함유된 황(S)을 포함할 수 있다.In addition, the bean water contains phytic acid containing phosphorus (P), and may contain sulfur (S) contained in amino acids.

상기 단계 S110은 상기 콩물을 가열 교반하면서 상기 콩물로부터 단백질, 지방 및 기타 성분을 추출할 수 있으며, 상기 콩물에 존재하는 미생물을 사멸시킬 수 있다.The step S110 may extract proteins, fats and other components from the soybean water while heating and stirring the soybean water, and may kill microorganisms present in the soybean water.

실시예에 따라서, 상기 단계 S110의 가열 교반 공정은 250rpm 이상으로 교반하면서 상기 콩물을 80℃까지 가열시킬 수 있다.According to an embodiment, the heating and stirring process of step S110 may heat the bean water to 80° C. while stirring at 250 rpm or more.

단계 S120은 상기 가열 교반된 콩물에 전이금속을 포함하는 금속 용액을 첨가하여 상기 전이금속에 의해 콩물을 응고시켜 상기 전이금속을 포함하는 두부를 제조할 수 있다.In step S120, a metal solution containing a transition metal is added to the heated and agitated bean water, and the bean water is solidified by the transition metal to prepare tofu containing the transition metal.

상기 단계 S120은 실시예에 따라서 상기 가열 교반된 콩물에 상기 금속 용액을 한 방울씩 적가하면서 잘 혼합되도록 교반시켜 상기 전이금속을 포함하는 두부를 제조할 수 있다.In the step S120, according to an embodiment, the metal solution is added dropwise to the heated and stirred soybean water and stirred so that it is well mixed to prepare tofu containing the transition metal.

상기 전이금속을 포함하는 금속 용액은 일반적인 두부 제조 공정 시 사용되는 응고제와 동일한 역할을 수행하는 것으로, 용매에 의해 이온화된 적어도 하나의 전이금속을 포함할 수 있다.The metal solution containing the transition metal plays the same role as a coagulant used in a general tofu manufacturing process, and may include at least one transition metal ionized by a solvent.

예를 들어, 상기 금속 용액은 CoCl2, NiCl2, FeCl2, ZnCl2 및 Ni(NO3)2 중 어느 하나일 수 있으며, 상기 물질에 제한되는 것은 아니다.For example, the metal solution may be any one of CoCl 2 , NiCl 2 , FeCl 2 , ZnCl 2 and Ni(NO 3 ) 2 , but is not limited to the material.

상기 두부에 포함된 전이금속은 상기 전기촉매의 촉매 활성을 높일 수 있으며, 상기 콩물에 포함된 단백질 또는 아미노산 킬레이트 결합하여 상기 콩물을 응고시킬 수 있다.The transition metal contained in the tofu may increase the catalytic activity of the electrocatalyst, and may coagulate the soybean meal by chelate-binding proteins or amino acids contained in the soybean meal.

상기 콩물에 포함된 단백질과 상기 전이금속 간 형성된 킬레이트 결합은 후술할 단계 S140의 열 처리 공정에 의해 전이금속이 뭉치는 현상을 방지할 수 있으며, 이로 인해 전이금속의 표면적이 넓어지고 전기촉매의 활성점이 많아져 촉매 효율을 향상시킬 수 있다.The chelate bond formed between the protein contained in the bean water and the transition metal can prevent the transition metal from agglomeration by the heat treatment process of step S140, which will be described later, thereby increasing the surface area of the transition metal and the activation of the electrocatalyst. There are many points, and catalyst efficiency can be improved.

상기 전이금속은 이온화 시 2가의 양이온 또는 3가의 양이온이 될 수 있으며, 두 개 이상의 단백질 분자 또는 두 개 이상의 아미노산에 포함된 카르복실기(-COOH)에서 수소가 해리된 -COO-와 전이금속의 2가 또는 3가의 양이온과 킬레이트 결합하여 거대 단백질을 형성할 수 있다.The transition metal may be a divalent cation or trivalent cation upon ionization, dissociation of the hydrogen in the carboxyl group (-COOH) contained in the two or more protein molecules or two or more amino acid -COO - and a divalent transition metal Or, it can form a large protein by chelate bonding with a trivalent cation.

실시예에 따라서, 상기 전이금속은 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe), 아연(Zn), 주석(Sn) 및 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 상기 물질에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment, the transition metal may include at least one of cobalt (Co), nickel (Ni), iron (Fe), zinc (Zn), tin (Sn), and manganese (Mn), and the material Is not limited to.

이때, 아연은 승화 온도가 낮아 상기 전기촉매에 메조포어(mesopore)를 만들 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.At this time, the sublimation temperature of zinc is low, so that a mesopore can be formed in the electrocatalyst, and a detailed description thereof will be described later.

상기 가열 교반된 콩물을 응고시키기 위해 상기 금속 용액은 0.003M 내지 0.021M의 농도를 가질 수 있다.In order to solidify the heated and stirred bean water, the metal solution may have a concentration of 0.003M to 0.021M.

상기 금속 용액의 농도가 0.003M 미만이면, 상기 금속 용액에 포함된 전이금속의 양이 적어, 상기 가열 교반된 콩물 내 단백질 또는 아미노산과 킬레이트 결합이 충분히 일어나지 않아 상기 가열 교반된 콩물을 충분히 응고시킬 수 없는 문제점이 생길 수 있다.When the concentration of the metal solution is less than 0.003M, the amount of the transition metal contained in the metal solution is small, so that the heat-stirred soybean water cannot sufficiently coagulate with the protein or amino acid in the heat-stirred soybean water. There may be problems that do not exist.

상기 금속 용액의 농도가 0.021M를 초과하면, 상기 콩물에 포함된 단백질 또는 아미노산과 결합하지 못한 전이금속이 뭉칠 수 있으며, 가열 교반된 콩물에서 산화되어 금속 산화물(metal oxide)이 생성됨에 따라 촉매 활성을 떨어뜨리는 문제점이 생길 수 있다.When the concentration of the metal solution exceeds 0.021M, the transition metals that cannot be combined with proteins or amino acids contained in the soybean water may be aggregated, and catalytic activity as metal oxide is generated by oxidation in the heated and stirred soybean water. There may be a problem of dropping.

실시예에 따라서, 상기 금속 용액은 서로 상이한 두 개의 전이금속을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the metal solution may contain two different transition metals.

예를 들어, 상기 금속 용액은 코발트(Co)와 니켈(Ni)을 포함하거나, 코발트(Co) 및 철(Fe)을 포함하거나, 철(Fe) 및 니켈(Ni)을 포함할 수 있으며, 상기 종류에 제한되지 않는다.For example, the metal solution may include cobalt (Co) and nickel (Ni), cobalt (Co) and iron (Fe), iron (Fe) and nickel (Ni), and the It is not limited to the type.

실시예에 따라서, 상기 서로 상이한 두 개의 전이금속은 1:1 내지 1:2의 몰 비로 상기 금속 용액 내에 포함될 수 있다.According to an embodiment, the two different transition metals may be included in the metal solution in a molar ratio of 1:1 to 1:2.

실시예에 따라서, 상기 금속 용액은 서로 상이한 세 개의 전이금속을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the metal solution may contain three different transition metals.

예를 들어, 상기 금속 용액은 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 아연(Zn)을 포함하거나, 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 철(Fe)을 포함할 수 있으며, 상기 종류에 제한되지 않는다.For example, the metal solution may contain cobalt (Co), nickel (Ni), and zinc (Zn), or may contain cobalt (Co), nickel (Ni) and iron (Fe), and is limited to the above types. It doesn't work.

상기 아연은 승화 온도가 낮은 물질로, 상기 금속 용액에 포함된 서로 상이한 세 개의 전이금속 중 아연을 포함하는 경우 후술할 단계 S140에서 메조포러스(mesoporous) 구조의 전기촉매를 제조할 수 있다.The zinc is a material having a low sublimation temperature, and when zinc is included among three different transition metals included in the metal solution, an electrocatalyst having a mesoporous structure may be prepared in step S140, which will be described later.

구체적으로, 서로 상이한 세 개의 전이금속을 포함하는 금속 용액이 낮은 승화 온도를 가지는 아연을 포함하는 경우 후술할 단계 S140의 열 처리 공정에서 아연이 승화하여 아연이 차지하는 공간만큼 포어(pore)가 생성될 수 있다.Specifically, when the metal solution containing three different transition metals contains zinc having a low sublimation temperature, zinc sublimates in the heat treatment process of step S140, which will be described later, thereby generating pores as much as the space occupied by zinc. I can.

이로 인해 아연을 포함하지 않으면서 서로 상이한 세 개의 전이금속을 포함하는 경우보다 포어의 크기가 큰 메조포러스 구조의 전기촉매를 제조할 수 있다.For this reason, it is possible to prepare an electrocatalyst having a mesoporous structure having a larger pore size than the case of containing three different transition metals without including zinc.

실시예에 따라서, 상기 서로 상이한 세 개의 전이금속을 각각 A, B, C라 가정할 때, 전이금속 A, B, C는 A:B:C=1:1:1 내지 A:B:C=1:1:2의 몰 비로 상기 금속 용액에 포함될 수 있다.According to an embodiment, assuming that the three different transition metals are A, B, and C, respectively, the transition metals A, B, and C are A:B:C=1:1:1 to A:B:C= It may be included in the metal solution in a molar ratio of 1:1:2.

예를 들어, 상기 서로 상이한 세 개의 전이금속으로 A=코발트, B=니켈, C=아연을 포함할 경우 A:B:C=Co:Ni:Zn=1:1:2의 몰 비로 상기 금속 용액에 포함될 수 있다.For example, in the case of containing A = cobalt, B = nickel, and C = zinc as the three different transition metals, the metal solution in a molar ratio of A:B:C=Co:Ni:Zn=1:1:2 Can be included in

단계 S130은 상기 전이금속을 포함하는 두부를 건조시킨 후 분쇄하여 분말 형상의 두부를 제조할 수 있다.In step S130, the tofu containing the transition metal may be dried and pulverized to prepare a powder-shaped tofu.

상기 두부를 건조시키는 공정은 동결 건조 공정일 수 있으며, 예를 들어 상기 전이금속을 포함하는 두부를 냉장고에 1시간 동안 얼린 후 동결 건조기에 투입하여 온도 -50℃ 및 압력 30mTorr 하에 3일 간 동결 건조시킬 수 있다.The process of drying the tofu may be a freeze drying process. For example, the tofu containing the transition metal is frozen in a refrigerator for 1 hour and then put into a freeze dryer and freeze-dried for 3 days under a temperature of -50°C and a pressure of 30 mTorr. I can make it.

상기 건조된 두부를 분쇄하는 공정은 조 크러셔(jaw crusher), 선동파쇄기(gyratory crusher), 롤파쇄기(crushing roll), 보울 밀(bowl mill), 롤러 밀(roller mill), 마모 밀(attritioin mil), 로드 밀(rod mill), 볼 밀(ball mill), 페블 밀(pebble mill), 튜브 밀(tube mill), 간막이 튜브 밀(compartment mill), 내부 선별기 부착 해머 밀(hammer mill with internal classification), 유체에너지 밀(fluid-energy mill), 교반식 밀(agitated mill), 입방체 절단기(dicer), 슬릿 절단기(slitter) 중 어느 하나의 방법을 이용할 수 있으며, 상기 방법에 제한되는 것은 아니다.The process of crushing the dried tofu includes a jaw crusher, a gyratory crusher, a crushing roll, a bowl mill, a roller mill, and an atritioin mil. , Rod mill, ball mill, pebble mill, tube mill, compartment mill, hammer mill with internal classification, Any one of a fluid-energy mill, an agitated mill, a cube cutter, and a slitter may be used, and the method is not limited thereto.

실시예에 따라서, 상기 단계 S130 이전에 상기 전이금속을 포함하는 두부를 원심 분리 후 상층액을 버린 뒤 증류수를 첨가하여 분산시키는 과정을 4회 내지 5회 반복하여, 상기 콩물의 단백질 및 아미노산과 반응하지 않은 전이금속을 제거하는 과정을 수행할 수 있다.According to an embodiment, the process of centrifuging the tofu containing the transition metal before step S130, discarding the supernatant, and dispersing it by adding distilled water, is repeated 4 to 5 times to react with the protein and amino acids of the soybean water. It is possible to perform a process of removing untranslated metal.

단계 S140은 분쇄된 두부를 열 처리 공정을 통해 탄화시켜 포어(pore)가 형성된 전기촉매를 제조할 수 있다.In step S140, an electrocatalyst with pores may be prepared by carbonizing the pulverized tofu through a heat treatment process.

상기 열 처리 공정은 고온에서 분쇄된 두부를 열 처리하여 분쇄된 두부의 성분 중 수소(H)와 산소(O)를 승화시키고 탄소(C), 질소(N) 및 전이금속만 남아, 상기 전이금속으로 도핑된 M-N-C(metal-nitrogen-carbon) 전기촉매를 제조할 수 있다.In the heat treatment process, hydrogen (H) and oxygen (O) among the components of the pulverized tofu are sublimated by heat treatment of the tofu pulverized at high temperature, and only carbon (C), nitrogen (N) and a transition metal remain, and the transition metal A doped metal-nitrogen-carbon (MNC) electrocatalyst can be prepared.

또한, 상기 열 처리 공정은 상기 분쇄된 두부의 성분 중 수소(H)와 산소(O)를 승화시켜, 상기 전기촉매에 포어를 형성함으로써 전기촉매의 비표면적을 증가시킬 수 있다.In addition, the heat treatment process may increase the specific surface area of the electrocatalyst by sublimating hydrogen (H) and oxygen (O) among the pulverized tofu components to form pores in the electrocatalyst.

더하여, 상기 열 처리 공정은 상기 분쇄된 두부의 성분 중 인(P)과 황(S)을 열 처리하여 상기 분쇄된 두부의 탄소(C)를 자유전자가 많은 인(P)과 황(S)으로 도핑시킴으로써, 상기 전기촉매의 전도성과 촉매 반응 활성을 증가시킬 수 있다.In addition, in the heat treatment process, phosphorus (P) and sulfur (S) among the components of the pulverized tofu are heat treated to convert carbon (C) of the pulverized tofu to phosphorus (P) and sulfur (S) having many free electrons. By doping with, it is possible to increase the conductivity and catalytic reaction activity of the electrocatalyst.

또한, 상기 열 처리 공정은 상기 분쇄된 두부에 포함된 인(P)을 상기 전이금속과 결합시켜 금속 인산염(metal phosphide)을 생성함으로써, 상기 금속 인산염에 의해 전기촉매의 촉매 반응을 향상시키고 산소 발생 반응(OER)과 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction; HER)을 활성화시킬 수 있다.In addition, in the heat treatment process, phosphorus (P) contained in the pulverized tofu is combined with the transition metal to generate a metal phosphate, thereby improving the catalytic reaction of the electrocatalyst by the metal phosphate and generating oxygen. The reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER) can be activated.

실시예에 따라서, 상기 열 처리 공정은 분위기 로(atmosphere furnace)에서 2℃/min의 승온 속도로 진행될 수 있다.Depending on the embodiment, the heat treatment process may be performed at a temperature increase rate of 2°C/min in an atmosphere furnace.

상기 열 처리 공정은 열 처리 온도 및 열 처리 시간을 조절하여 상기 전기촉매의 포어 개수 또는 크기를 조절할 수 있다.In the heat treatment process, the number or size of pores of the electrocatalyst may be controlled by adjusting a heat treatment temperature and a heat treatment time.

구체적으로, 상기 열 처리 공정은 800℃ 내지 1500℃의 온도에서 수행될 수 있다.Specifically, the heat treatment process may be performed at a temperature of 800°C to 1500°C.

상기 열 처리 공정의 온도가 800℃ 미만이면, 두부에 포함된 수소 및 산소가 충분히 승화되지 않을 수 있으며, 전이금속으로 아연을 포함하는 경우 아연이 승화되지 않아 메조포러스 구조의 전기촉매를 제조할 수 없다는 문제점이 있다.If the temperature of the heat treatment process is less than 800°C, hydrogen and oxygen contained in the tofu may not be sufficiently sublimated, and if zinc is included as a transition metal, zinc does not sublimate, so that an electrocatalyst having a mesoporous structure can be prepared. There is no problem.

상기 열 처리 공정의 온도가 1500℃를 초과하면, 전이금속이 승화되어 전기촉매로서의 역할을 수행할 수 없다는 문제점이 있다.When the temperature of the heat treatment process exceeds 1500° C., there is a problem in that the transition metal is sublimated and cannot function as an electrocatalyst.

또한, 상기 열 처리 공정은 30분 내지 2시간 동안 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment process may be performed for 30 minutes to 2 hours.

상기 열 처리 공정의 시간이 30분 미만이면 두부 내 수소 및 산소가 충분히 승화되지 않을 수 있으며, 상기 열 처리 공정의 시간이 2시간을 초과하면 탄소 이외의 다른 원소들이 승화되어 촉매 활성을 잃을 수 있다.If the time of the heat treatment process is less than 30 minutes, hydrogen and oxygen in the tofu may not be sufficiently sublimated, and if the time of the heat treatment process exceeds 2 hours, elements other than carbon may be sublimated, resulting in loss of catalytic activity. .

실시예에 따라서, 상기 열 처리 공정 시 전기촉매의 포어 조절을 위해 상기 분쇄된 두부에 수산화칼륨(KOH) 및 염화아연(ZnCl2) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 첨가제를 첨가하여 메조포러스 구조의 전기촉매를 제조함으로써 전기촉매를 활성화(activation)시킬 수 있다.According to an embodiment, in order to control the pores of the electrocatalyst during the heat treatment process, an additive including at least one of potassium hydroxide (KOH) and zinc chloride (ZnCl 2) is added to the pulverized tofu to form a mesoporous structure. By preparing the catalyst, the electrocatalyst can be activated.

상기 첨가제 중 수산화칼륨은 상기 열 처리 공정에서 상기 분쇄된 두부에 포함된 탄소를 산화시켜 이산화탄소를 생성하고, 탄소가 산화된 부분에 메조포어를 형성하도록 할 수 있다.Among the additives, potassium hydroxide may oxidize carbon contained in the pulverized tofu in the heat treatment process to generate carbon dioxide, and may form mesopores in the oxidized portion of the carbon.

상기 첨가제 중 염화아연은 상기 분쇄된 두부와 혼합된 후 상기 열 처리 공정 시 아연이 승화하면서 메조포어를 형성할 수 있다.Among the additives, zinc chloride may be mixed with the pulverized tofu and then sublimated during the heat treatment process to form mesopores.

상기 분쇄된 두부와 상기 첨가제는 1:2 내지 1:3의 중량비로 혼합될 수 있다.The pulverized tofu and the additive may be mixed in a weight ratio of 1:2 to 1:3.

상기 중량비가 1:2 미만이면 상기 전기촉매에 충분한 메조포어를 형성할 수 없으며, 상기 중량비가 1:3 초과이면 상기 첨가제가 상기 분쇄된 두부에 포함된 탄소와 과도하게 많이 반응하여 오히려 상기 전기촉매의 비표면적이 감소할 수 있다.If the weight ratio is less than 1:2, sufficient mesopores cannot be formed in the electrocatalyst, and if the weight ratio is more than 1:3, the additive reacts excessively with carbon contained in the pulverized tofu, and rather the electrocatalyst The specific surface area of can be reduced.

실시예에 따라서, 상기 첨가제는 상기 단계 S120에서 상기 가열 교반된 콩물에 상기 금속 용액을 첨가할 시 상기 금속 용액과 함께 첨가될 수 있다.According to an embodiment, the additive may be added together with the metal solution when the metal solution is added to the heated and stirred bean water in step S120.

이때, 상기 콩물과 상기 첨가제는 1:2 내지 1:3의 중량비로 혼합될 수 있다.At this time, the bean water and the additive may be mixed in a weight ratio of 1:2 to 1:3.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법은 축합중합으로 이루어진 단백질을 포함하는 두부를 이용하여, 단백질의 그물 구조로 인해 비표면적이 넓어 우수한 촉매 특성을 발현할 수 있다.The manufacturing method of an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention uses tofu containing a protein formed by condensation polymerization, and has a large specific surface area due to the network structure of the protein, so that excellent catalytic properties can be expressed.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법은 두부를 이용하기 때문에 종래의 귀금속 계열의 촉매와 달리 제조 단가가 저렴하면서 종래의 귀금속 계열의 촉매와 동등 또는 그 이상의 촉매 성능을 발현할 수 있다.In addition, the manufacturing method of an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention uses tofu, so unlike conventional noble metal-based catalysts, the manufacturing cost is inexpensive and catalytic performance is equal to or higher than that of conventional noble metal-based catalysts. Can be expressed.

아울러, 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법은 종래의 두부 생산 공정 라인을 이용하면서 추가로 고온 열처리 시스템만 갖추면 되기 때문에 전기촉매의 대량 생산이 가능하다.In addition, since the method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention only requires an additional high-temperature heat treatment system while using a conventional tofu production process line, mass production of the electrocatalyst is possible.

더하여, 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법은 열 처리 공정을 통한 탄화 과정을 통해 전기촉매의 포어 크기 또는 개수를 조절할 수 있어, 전기촉매의 촉매 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, the method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention can control the size or number of pores of the electrocatalyst through a carbonization process through a heat treatment process, thereby improving catalytic performance of the electrocatalyst.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법에 따라 제조된 전기촉매에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, an electrocatalyst manufactured according to a method of manufacturing an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매는 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법의 구성요소를 포함하므로, 중복 설명은 생략한다.Since the electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention includes components of a method of manufacturing the electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention, a redundant description will be omitted.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매는 M-N-C 전기촉매로, 열 처리 공정에 의해 탄화되어 나노포러스(nanoporous) 구조를 가질 수 있다.The electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention is an M-N-C electrocatalyst, and may have a nanoporous structure by being carbonized by a heat treatment process.

실시예에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매는 승화 온도가 낮은 아연을 전이금속으로 포함할 경우 메조포러스 구조를 가질 수 있다.According to an embodiment, the electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention may have a mesoporous structure when zinc having a low sublimation temperature is included as a transition metal.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매는 열 처리 공정을 통해 탄화되어, 표면에 다수의 기공이 형성되어 있어 높은 비표면적을 가질 수 있다.The electrocatalyst using the tofu according to an embodiment of the present invention is carbonized through a heat treatment process, and thus a plurality of pores are formed on the surface thereof, and thus may have a high specific surface area.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매의 비표면적은 800m2/g 내지 3000m2/g일 수 있다.Specifically, the specific surface area of the electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention may be 800m 2 /g to 3000m 2 /g.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매는 연료전지 및 금속-공기 배터리의 양극(cathode)로 사용될 수 있으며, 두부 내 단백질의 중금속 흡착 효과를 이용하여 폐수처리에도 이용할 수 있다. Such an electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention can be used as a cathode for fuel cells and metal-air batteries, and can also be used for wastewater treatment by using the effect of adsorbing heavy metals of proteins in the tofu.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매는 두부를 이용하여 제조되기 때문에 친환경적이다.In addition, the electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention is eco-friendly because it is manufactured using tofu.

본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매는 축합중합으로 이루어진 단백질을 포함하는 두부를 이용하여, 단백질의 그물 구조로 인해 비표면적이 넓어 우수한 촉매 특성을 발현할 수 있다.The electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention uses tofu containing a protein formed by condensation polymerization, and has a large specific surface area due to the network structure of the protein, so that excellent catalytic properties can be expressed.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매는 전이금속으로 도핑되어 우수한 촉매 성능을 가짐으로써, 연료 전지 내 양극으로 사용될 시 산소 발생 반응(OER), 산소 환원 반응(ORR) 및 수소 발생 반응(HER)의 활성을 향상시킬 수 있다.In addition, the electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention is doped with a transition metal and has excellent catalytic performance, so when used as a positive electrode in a fuel cell, an oxygen generation reaction (OER), an oxygen reduction reaction (ORR), and hydrogen generation It can improve the activity of the reaction (HER).

더하여, 본 발명의 실시예에 따른 두부를 이용한 전기촉매는 열 처리 공정에 의해 탄화되어 넓은 비표면적을 가지기 때문에 우수한 촉매 성능을 발현할 수 있다.In addition, since the electrocatalyst using tofu according to an embodiment of the present invention is carbonized by a heat treatment process and has a large specific surface area, excellent catalytic performance can be expressed.

이하, 두부를 이용한 전기촉매를 실시예 및 비교예에 따라 제조한 후 특성을 평가하여 두부를 이용한 전기촉매의 특징 및 효과를 입증하였다.Hereinafter, an electrocatalyst using tofu was prepared according to Examples and Comparative Examples, and then characteristics were evaluated to demonstrate the characteristics and effects of the electrocatalyst using tofu.

실시예Example

[실시예 1][Example 1]

48.5mL의 콩물을 마그네틱 교반기를 이용하여 250 rpm으로 교반하면서 80℃까지 가열시켰다.48.5 mL of bean water was heated to 80° C. while stirring at 250 rpm using a magnetic stirrer.

가열된 콩물에 금속 용액인 0.003M의 CoCl2 용액 1.5mL를 한 방울씩 떨어뜨리면서 교반하였다.1.5 mL of a 0.003M CoCl 2 solution, which is a metal solution, was added dropwise to the heated soybean water and stirred.

가열된 콩물에 CoCl2 용액을 모두 첨가한 후 10분 간 더 교반하였다. After adding all the CoCl 2 solution to the heated soybean water, the mixture was stirred for 10 minutes.

이후, 코니칼 튜브(conical tube)에 넣고 2,000rpm에서 1분 간 원심분리한 다음 상층액을 버린 뒤 증류수를 넣고 분산시키는 과정을 5회 반복하여 두부를 제조하였다.Thereafter, it was placed in a conical tube and centrifuged at 2,000 rpm for 1 minute, and the supernatant was discarded, and then distilled water was added thereto and the process of dispersing was repeated 5 times to prepare tofu.

제조된 두부를 냉장고에 1시간 동안 얼린 후 동결 건조기에 넣어 -50℃의 온도, 30mTorr의 압력에서 3일 간 동결 건조시켰다.The prepared tofu was frozen in a refrigerator for 1 hour and then put in a freeze dryer and freeze-dried for 3 days at a temperature of -50°C and a pressure of 30 mTorr.

동결 건조된 두부를 분쇄하여 분말화한 후 분위기 로(atmosphere furnace)에서 승온속도 2℃/min로 900℃까지 승온시키고, 아르곤 가스 유량 5mL/min 조건에서 2시간 동안 열 처리를 진행하여 전기촉매를 제조하였다.After pulverizing and pulverizing the freeze-dried tofu, the temperature was raised to 900°C at a temperature increase rate of 2°C/min in an atmosphere furnace, and heat treatment was performed for 2 hours under the condition of an argon gas flow rate of 5 mL/min. Was prepared.

[실시예 2][Example 2]

금속 용액으로 NiCl2 용액을 사용한 것을 제외하고는, 상기 [실시예 1]과 동일한 방법으로 전기촉매를 제조하였다.An electrocatalyst was prepared in the same manner as in [Example 1], except that a NiCl 2 solution was used as the metal solution.

[실시예 3][Example 3]

금속 용액으로 FeCl2 용액을 사용한 것을 제외하고는, 상기 [실시예 1]과 동일한 방법으로 전기촉매를 제조하였다.An electrocatalyst was prepared in the same manner as in [Example 1], except that FeCl 2 solution was used as the metal solution.

[실시예 4][Example 4]

동결 건조된 두부를 분쇄하여 분말화한 후 KOH와 1:2 중량비로 혼합하여 열 처리 공정을 수행함으로써 전기촉매를 활성화시킨 것을 제외하고는, 상기 [실시예 1]과 동일한 방법으로 전기촉매를 제조하였다.An electrocatalyst was prepared in the same manner as in [Example 1], except that the freeze-dried tofu was pulverized and powdered and then mixed with KOH at a weight ratio of 1:2 to activate the electrocatalyst by performing a heat treatment process. I did.

[실시예 5][Example 5]

동결 건조된 두부를 분쇄하여 분말화한 후 ZnCl2와 1:2 중량비로 혼합하여 열 처리 공정을 수행함으로써 전기촉매를 활성화시킨 것을 제외하고는, 상기 [실시예 2]와 동일한 방법으로 전기촉매를 제조하였다.The electrocatalyst was prepared in the same manner as in [Example 2], except that the freeze-dried tofu was pulverized and powdered and then mixed with ZnCl 2 in a weight ratio of 1:2 to activate the electrocatalyst by performing a heat treatment process. Was prepared.

[대조예][Control example]

종래 사용되는 귀금속 촉매 RuO2.Conventionally used noble metal catalyst RuO 2 .

상기 실시예 1 내지 실시예 5를 전이금속 종류 및 공정 조건에 따라 요약하면 아래의 표 1과 같다.The examples 1 to 5 are summarized in Table 1 below according to the types of transition metals and process conditions.

[표 1][Table 1]

Figure 112019125968498-pat00001
Figure 112019125968498-pat00001

도 2a 내지 도 2d는 실시예 1 내지 실시예 3의 전기촉매의 모습을 도시한 이미지이다.2A to 2D are images showing the appearance of the electrocatalysts of Examples 1 to 3.

구체적으로, 도 2a는 상기 실시예 1의 열 처리 전 분쇄된 두부의 모습을 도시한 이미지이고, 도 2b는 상기 실시예 2의 열 처리 전 분쇄된 두부의 모습을 도시한 이미지이며, 도 2c는 상기 실시예 3의 열 처리 전 분쇄된 두부의 모습을 도시한 이미지이고, 도 2d는 상기 실시예 1의 분쇄된 두부를 열 처리한 후 제조된 전기촉매의 모습을 도시한 이미지이다.Specifically, FIG. 2A is an image showing the shape of the tofu pulverized before heat treatment of Example 1, FIG. 2B is an image showing the shape of the pulverized tofu before heat treatment of Example 2, and FIG. 2C is This is an image showing the shape of the pulverized tofu before heat treatment in Example 3, and FIG. 2D is an image showing the shape of the electrocatalyst prepared after heat treatment of the pulverized tofu of Example 1 above.

도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 상기 실시예 1 내지 실시예 3을 통해 전이금속을 포함하는 두부를 이용하여 전기촉매를 제조한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 2A to 2D, it can be seen that an electrocatalyst was manufactured using tofu containing a transition metal through Examples 1 to 3 above.

도 3a는 실시예 1의 전기촉매를 활성화(activation)시키기 전의 모습을 도시한 SEM(scanning electron microscopy) 이미지이며, 도 3b는 실시예 4의 전기촉매를 활성화시킨 후의 모습을 도시한 SEM 이미지이다.FIG. 3A is a scanning electron microscopy (SEM) image showing a state before activation of the electrocatalyst of Example 1, and FIG. 3B is a SEM image showing a state after activating the electrocatalyst of Example 4.

먼저 도 3a를 참조하면, 상기 실시예 1의 전기촉매를 활성화시키기 전에는 표면에 기공이 가시적으로 형성되지 않고 매우 미세한 크기로 형성된 것을 확인할 수 있다.First, referring to FIG. 3A, it can be seen that before activating the electrocatalyst of Example 1, pores are not visibly formed on the surface, but are formed in a very fine size.

반면 도 3b를 참조하면, 상기 실시예 4의 전기촉매에 대하여 KOH에 의한 활성화에 따라 전기촉매 표면에 메조포어가 형성된 것을 확인할 수 있다.On the other hand, referring to FIG. 3B, it can be seen that mesopores were formed on the surface of the electrocatalyst due to activation by KOH with respect to the electrocatalyst of Example 4.

따라서, 본 발명의 전기촉매는 고온의 열 처리 공정 시 첨가제에 의해 메조포어가 형성될 수 있다.Therefore, in the electrocatalyst of the present invention, mesopores may be formed by additives during a high-temperature heat treatment process.

도 4는 실시예 4 및 대조예에 대하여 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction; OER)을 평가한 결과를 도시한 그래프이다.4 is a graph showing the results of evaluating the oxygen evolution reaction (OER) for Example 4 and Control Example.

도 4는 10mA에서 상기 실시예 4 및 대조예의 OER 활성을 평가한 그래프로, 도 4에 기재된 'Tofu-Co-NC900'은 비표면적 900m2/g를 가지는 상기 실시예 4의 전기촉매를 의미하고, 'Tofu-Co-NC800'은 비표면적 800m2/g를 가지는 상기 실시예 4의 전기촉매를 의미한다.4 is a graph evaluating the OER activity of Example 4 and Control Example at 10 mA, and'Tofu-Co-NC900' shown in FIG. 4 means the electrocatalyst of Example 4 having a specific surface area of 900 m 2 /g, and ,'Tofu-Co-NC800' means the electrocatalyst of Example 4 having a specific surface area of 800m 2 /g.

도 4를 참조하면, 상기 실시예 4와 상기 대조예의 과전위(overpotential) 값이 유사한 것으로 보아, 유사한 OER 활성을 보이는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the overpotential values of Example 4 and the control example are similar, and thus similar OER activity is shown.

따라서, 상기 실시예 4의 전기촉매는 종래의 귀금속 촉매인 상기 대조예와 유사한 촉매 성능을 보이는 것을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the electrocatalyst of Example 4 exhibits catalytic performance similar to that of the reference example, which is a conventional noble metal catalyst.

도 5는 실시예 4에 대하여 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction; ORR)을 평가한 결과를 도시한 그래프이다.5 is a graph showing the results of evaluating an oxygen reduction reaction (ORR) in Example 4. FIG.

도 5는 0.1M의 수산화칼륨(KOH) 용액에서 상기 실시예 4의 ORR 활성을 평가한 그래프로, 도 5에 기재된 '활성화된 Co2P-NSPC'는 실시예 4의 전기촉매를 의미한다.Figure 5 is a graph showing the evaluation of the ORR activity of Example 4 in a 0.1M potassium hydroxide (KOH) solution, shown in Figure 5 'Activated Co2P-NSPC' means the electrocatalyst of Example 4.

도 5를 참조하면, 상기 실시예 4의 반파 전위(half wave potential)는 0.79V로, 1V에 가까운 값을 가지는 것으로 보아 우수한 성능의 ORR 촉매로서 작용하고 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, the half wave potential of Example 4 is 0.79V, which is close to 1V, indicating that it is acting as an ORR catalyst with excellent performance.

도 6a는 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 장치를 이용하여 실시예 4 및 실시예 5의 비표면적을 측정한 결과를 도시한 그래프이며, 도 6b는 실시예 4 및 실시예 5의 포어 사이즈를 산출한 결과를 도시한 그래프이다.6A is a graph showing the results of measuring specific surface areas of Examples 4 and 5 using a Brunauer-Emmett-Teller (BET) device, and FIG. 6B is a graph showing the pore size of Examples 4 and 5 It is a graph showing one result.

이때, 도 6a 및 도 6b에 기재된 'Co2P-NSPC'는 KOH에 의해 활성화된 상기 실시예 4의 전기촉매를 의미하고, 'Ni-NSPC'는 ZnCl2에 의해 활성화된 상기 실시예 5의 전기촉매를 의미한다. At this time,'Co 2 P-NSPC' shown in FIGS. 6A and 6B refers to the electrocatalyst of Example 4 activated by KOH, and'Ni-NSPC' is of Example 5 activated by ZnCl 2. It means an electrocatalyst.

먼저 도 6a를 참조하면, BET 장치를 이용하여 상기 실시예 4의 비표면적을 측정한 결과, 상기 실시예 4의 비표면적은 2349m2/g이며, 상기 실시예 5의 비표면적은 1210m2/g인 것을 확인할 수 있다.First, referring to FIG. 6A, as a result of measuring the specific surface area of Example 4 using a BET device, the specific surface area of Example 4 is 2349 m 2 /g, and the specific surface area of Example 5 is 1210 m 2 /g I can confirm that it is.

또한, 상기 실시예 5에 대한 그래프 개형은 단일의 선으로 이루어지지 않은 것으로 보아, 상기 실시예 5에 메조포어가 형성된 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the graph outline for Example 5 was not made of a single line, so that mesopores were formed in Example 5.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전기촉매는 고온의 열 처리 공정 시 첨가제에 의해 활성화되어 메조포어가 형성됨으로써 넓은 비표면적을 가지는 것을 확인할 수 있다.Accordingly, it can be confirmed that the electrocatalyst according to the embodiment of the present invention has a large specific surface area by being activated by an additive during a high-temperature heat treatment process to form mesopores.

도 6b는 상술한 도 6a의 결과를 기반으로 상기 실시예 4 및 실시예 5의 포어 사이즈를 산출한 결과를 도시한 것으로, 도 6b를 참조하면 상기 실시예 5의 포어 사이즈가 상기 실시예 4에 비해 작은 것으로 보아 상기 실시예 5는 메조포어가 형성되었으며, 상술한 도 6a의 결과와 부합하는 것을 알 수 있다.6B shows the results of calculating the pore sizes of the fourth and fifth embodiments based on the results of FIG. 6A. Referring to FIG. 6B, the pore size of the fifth embodiment is the same as that of the fourth embodiment. Compared to that, it can be seen that the mesopores were formed in Example 5, which is consistent with the results of FIG. 6A.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, although the present invention has been described by limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and variations from these descriptions for those of ordinary skill in the field to which the present invention pertains. This is possible. Therefore, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, but should be defined by the claims to be described later as well as those equivalent to the claims.

Claims (13)

콩물을 가열 교반하는 단계;
상기 가열 교반된 콩물에 전이금속을 포함하는 금속 용액을 첨가하여 상기 전이금속을 포함하는 두부를 제조하는 단계;
상기 두부를 건조시킨 후 분쇄하는 단계; 및
상기 분쇄된 두부를 열 처리 공정을 통해 탄화시켜 전기촉매를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 두부를 건조시키는 방법은 동결 건조인 것을 특징으로 하는 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법.
Heating and stirring the bean water;
Preparing tofu containing the transition metal by adding a metal solution containing a transition metal to the heated and stirred soybean water;
Pulverizing after drying the tofu; And
Including the step of producing an electrocatalyst by carbonizing the pulverized tofu through a heat treatment process,
The method of drying the tofu is a method of manufacturing an electrocatalyst using tofu, characterized in that freeze drying.
제1항에 있어서,
상기 전이금속은 상기 콩물에 포함된 단백질과 킬레이트 결합하는 것을 특징으로 하는 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법.
The method of claim 1,
The transition metal is a method for producing an electrocatalyst using tofu, characterized in that the chelate bond with the protein contained in the soybean water.
제1항에 있어서,
상기 금속 용액의 농도는 0.003M 내지 0.021M인 것을 특징으로 하는 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing an electrocatalyst using tofu, characterized in that the concentration of the metal solution is 0.003M to 0.021M.
제1항에 있어서,
상기 전이금속은 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe), 아연(Zn), 주석(Sn) 및 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법.
The method of claim 1,
The transition metal comprises at least one of cobalt (Co), nickel (Ni), iron (Fe), zinc (Zn), tin (Sn), and manganese (Mn). Manufacturing method.
제4항에 있어서,
상기 금속 용액은 서로 상이한 두 개의 전이금속을 포함하며,
상기 서로 상이한 두 개의 전이금속은 1:1 내지 1:2의 몰 비로 상기 금속 용액 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법.
The method of claim 4,
The metal solution contains two different transition metals,
The method of producing an electrocatalyst using tofu, wherein the two different transition metals are contained in the metal solution in a molar ratio of 1:1 to 1:2.
제4항에 있어서,
상기 금속 용액은 서로 상이한 세 개의 전이금속을 포함하며,
상기 서로 상이한 세 개의 전이금속은 1:1:1 내지 1:1:2의 몰 비로 상기 금속 용액에 포함되는 것을 특징으로 하는 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법.
The method of claim 4,
The metal solution contains three different transition metals,
The method of manufacturing an electrocatalyst using tofu, wherein the three different transition metals are contained in the metal solution in a molar ratio of 1:1:1 to 1:1:2.
제1항에 있어서,
상기 열 처리 공정 시 상기 분쇄된 두부에 수산화칼륨(KOH) 및 염화아연(ZnCl2) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 첨가제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing an electrocatalyst using tofu, characterized in that an additive including at least one of potassium hydroxide (KOH) and zinc chloride (ZnCl 2) is added to the pulverized tofu during the heat treatment process.
제7항에 있어서,
상기 분쇄된 두부와 상기 첨가제의 중량비는 1:2 내지 1:3인 것을 특징으로 하는 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법.
The method of claim 7,
The method of manufacturing an electrocatalyst using tofu, characterized in that the weight ratio of the pulverized tofu and the additive is 1:2 to 1:3.
제1항에 있어서,
상기 열 처리 공정의 온도는 800℃ 내지 1500℃인 것을 특징으로 하는 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing an electrocatalyst using tofu, characterized in that the temperature of the heat treatment process is 800°C to 1500°C.
제1항에 있어서,
상기 열 처리 공정의 시간은 30분 내지 2시간인 것을 특징으로 하는 두부를 이용한 전기촉매의 제조방법.
The method of claim 1,
The time of the heat treatment process is a method of producing an electrocatalyst using tofu, characterized in that 30 minutes to 2 hours.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따라 제조된 두부를 이용한 전기촉매.
An electrocatalyst using tofu prepared according to any one of claims 1 to 10.
제11항에 있어서,
상기 전기촉매는 나노포러스(nanoporous) 구조 또는 메조포러스(mesoporous) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 두부를 이용한 전기촉매.
The method of claim 11,
The electrocatalyst is an electrocatalyst using tofu, characterized in that it has a nanoporous structure or a mesoporous structure.
제11항에 있어서,
상기 전기촉매의 비표면적은 800m2/g 내지 3000m2/g인 것을 특징으로 하는 두부를 이용한 전기촉매.
The method of claim 11,
The electrocatalyst using tofu, characterized in that the specific surface area of the electrocatalyst is 800m 2 /g to 3000m 2 /g.
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