KR102257571B1 - 연료전지용 전극 촉매 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 본 발명은, 탄소나노섬유(carbon nanofiber)과 금속산화물이 복합화되어 연료전지용 전극 촉매를 이루며, 상기 금속산화물은 TiO2, Ti2O3, V2O5, V2O3, ZrO2, ZnO, B2O, B2O3, Al2O3, Ga2O3, TeO, TeO3, Cs2O, MgO, SnO, SnO2, CrO3, Cr2O3, BeO, FeO, Fe2O3, BaO, PbO, PbO2, Pb2O3 및 Pb3O4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 백금 등의 귀금속을 사용하지 않아 가격이 저렴하고 카본블랙보다 성능이 향상되고 활성이 높다.

Description

연료전지용 전극 촉매 및 그 제조방법{Electrode catalyst for fuel cell and manufacturing method of the same}
본 발명은 연료전지용 전극 촉매 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 백금 등의 귀금속을 사용하지 않아 가격이 저렴하고 카본블랙보다 성능이 향상되고 활성이 높은 연료전지용 전극 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료의 산화 반응에 의해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전기화학 전지이다. 연료 전지는 청정 에너지원으로서 단위 전지의 적층에 의한 스택(stack) 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있다.
최근 전자기기의 디지털 컨버전스 추세에 맞춰 소비전력이 비약적으로 높아짐에 따라 성능이 높은 연료전지에 대한 수요가 크게 증가하고 있으며, 고효율 및 고용량의 장점을 가지는 이온도전막(Proton Exchange Membrane: PEM) 연료전지가 각광받고 있다.
일반적으로 연료전지는 수소(H2)를 포함하는 원료를 사용하는데, 원료공급원으로서 고압 수소 저장 방식은 휴대용 등에 사용하기는 사실상 불가능하며 상당한 위험요소를 내재하고 있으며, 고체수소화합물 수소저장합금 또한 자체 무게로 인하여 상용화에 많은 어려움이 있다.
이러한 문제를 해결할 수 있는 방법으로 제시되고 있는 수소저장법 중 하나로 수소화합물 또는 수소저장합금이 용해된 용액과 촉매가 접촉하여 수소를 발생시키는 방식이 있다.
연료전지 촉매 관련 연구는 촉매 금속의 조성 및 고분산 제조법의 필요성이 대두되고 있다.
연료전지 스택 가격 중 전극 촉매와 관련된 분야의 비중은 45%에 달하고 있다. 연료전지의 중요한 요소로서, 산소 환원 반응(ORR; oxygen reduction reaction)을 담당하는 연료전지의 양극 촉매로는 백금 촉매가 가장 널리 사용되고 있다. 백금 촉매는 특성이 우수하나 가격이 고가인 단점이 있다. 이에 비용절감을 위해 백금 함량을 줄이거나 대체 촉매인 비귀금속 촉매의 개발을 통한 전극 소재의 경제적인 어려움을 극복하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
가격이 비교적 저렴한 카본블랙이 주로 이용되고 있으나, 자동차 연료전지의 경우에는 탄소 부식반응으로 인해 성능저하와 상용화의 가장 큰 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0681691호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 백금 등의 귀금속을 사용하지 않아 가격이 저렴하고 카본블랙보다 성능이 향상되고 활성이 높은 연료전지용 전극 촉매 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 탄소나노섬유(carbon nanofiber)과 금속산화물이 복합화되어 연료전지용 전극 촉매를 이루며, 상기 금속산화물은 TiO2, Ti2O3, V2O5, V2O3, ZrO2, ZnO, B2O, B2O3, Al2O3, Ga2O3, TeO, TeO3, Cs2O, MgO, SnO, SnO2, CrO3, Cr2O3, BeO, FeO, Fe2O3, BaO, PbO, PbO2, Pb2O3 및 Pb3O4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매를 제공한다.
상기 금속산화물은 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼50 중량부 함유된 것이 바람직하다.
상기 금속산화물은 5∼30 ㎚의 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
질소 소스가 더 함유되어 연료전지용 전극 촉매를 이룰 수 있다.
상기 질소 소스는 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼25 중량부 함유된 것이 바람직하다.
상기 질소 소스는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리로다닌(polyrhodanine), 멜라닌(melamine), 우레아(urea), 퓨린(purine), 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 히포잔틴(hypoxanthine), 잔틴(xanthine), 테오브로민(theobromine) 및 카페인(caffeine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, (a) 용매에 탄소나노섬유(carbon nanofiber)와 금속산화물을 첨가하여 분산시키는 단계와, (b) 분산 용액을 여과하여 상기 탄소나노섬유와 상기 금속산화물이 복합화된 복합체를 채취하는 단계 및 (c) 상기 복합체를 세척하고 건조하는 단계를 포함하며, 상기 금속산화물은 TiO2, Ti2O3, V2O5, V2O3, ZrO2, ZnO, B2O, B2O3, Al2O3, Ga2O3, TeO, TeO3, Cs2O, MgO, SnO, SnO2, CrO3, Cr2O3, BeO, FeO, Fe2O3, BaO, PbO, PbO2, Pb2O3 및 Pb3O4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매의 제조방법을 제공한다.
상기 금속산화물이 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼50 중량부 함유된 것이 바람직하다.
상기 금속산화물은 5∼30 ㎚의 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계에서 질소 소스를 더 첨가하여 분산시키고, 상기 질소 소스가 더 함유되어 상기 연료전지용 전극 촉매를 이룰 수 있다.
상기 질소 소스는 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼25 중량부 함유된 것이 바람직하다.
상기 질소 소스는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리로다닌(polyrhodanine), 멜라닌(melamine), 우레아(urea), 퓨린(purine), 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 히포잔틴(hypoxanthine), 잔틴(xanthine), 테오브로민(theobromine) 및 카페인(caffeine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 연료전지용 전극 촉매에 의하면, 백금 등의 귀금속을 사용하지 않아 가격이 저렴하고 카본블랙보다 성능이 향상되고 활성이 높다.
본 발명에 의하면, 탄소나노섬유를 이용하여 활성이 높은 연료전지용 전극 촉매를 제조할 수 있다.
본 발명에 의하면, 간단한 공정으로 카본블랙 보다 성능이 향상된 연료전지용 전극 촉매를 단시간에 대량 생산에 적용할 수 있다.
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 전극 촉매를 보여주는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 전극 촉매를 보여주는 투과전자현미경(transmission electron microscope; TEM) 사진이다.
도 3은 실시예 1에 따라 제조된 전극 촉매와 비교예에서 사용된 전극 촉매의 전류밀도를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서, 탄소나노섬유는 직경이 1㎚ 이상이고 1㎛ 미만이 탄소섬유를 지칭하는 것으로 사용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 전극 촉매는, 탄소나노섬유(carbon nanofiber)과 금속산화물이 복합화되어 연료전지용 전극 촉매를 이루며, 상기 금속산화물은 TiO2, Ti2O3, V2O5, V2O3, ZrO2, ZnO, B2O, B2O3, Al2O3, Ga2O3, TeO, TeO3, Cs2O, MgO, SnO, SnO2, CrO3, Cr2O3, BeO, FeO, Fe2O3, BaO, PbO, PbO2, Pb2O3 및 Pb3O4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다.
상기 금속산화물은 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼50 중량부 함유된 것이 바람직하다.
상기 금속산화물은 5∼30 ㎚의 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
질소 소스가 더 함유되어 연료전지용 전극 촉매를 이룰 수 있다.
상기 질소 소스는 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼25 중량부 함유된 것이 바람직하다.
상기 질소 소스는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리로다닌(polyrhodanine), 멜라닌(melamine), 우레아(urea), 퓨린(purine), 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 히포잔틴(hypoxanthine), 잔틴(xanthine), 테오브로민(theobromine) 및 카페인(caffeine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 전극 촉매의 제조방법은, (a) 용매에 탄소나노섬유(carbon nanofiber)와 금속산화물을 첨가하여 분산시키는 단계와, (b) 분산 용액을 여과하여 상기 탄소나노섬유와 상기 금속산화물이 복합화된 복합체를 채취하는 단계 및 (c) 상기 복합체를 세척하고 건조하는 단계를 포함하며, 상기 금속산화물은 TiO2, Ti2O3, V2O5, V2O3, ZrO2, ZnO, B2O, B2O3, Al2O3, Ga2O3, TeO, TeO3, Cs2O, MgO, SnO, SnO2, CrO3, Cr2O3, BeO, FeO, Fe2O3, BaO, PbO, PbO2, Pb2O3 및 Pb3O4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매의 제조방법을 제공한다.
상기 금속산화물이 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼50 중량부 함유된 것이 바람직하다.
상기 금속산화물은 5∼30 ㎚의 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계에서 질소 소스를 더 첨가하여 분산시키고, 상기 질소 소스가 더 함유되어 상기 연료전지용 전극 촉매를 이룰 수 있다.
상기 질소 소스는 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼25 중량부 함유된 것이 바람직하다.
상기 질소 소스는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리로다닌(polyrhodanine), 멜라닌(melamine), 우레아(urea), 퓨린(purine), 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 히포잔틴(hypoxanthine), 잔틴(xanthine), 테오브로민(theobromine) 및 카페인(caffeine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 전극 촉매를 더욱 구체적으로 설명한다.
연료전지의 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)는 일반적으로 이온전도막을 사이에 두고 애노드(산화전극)와 캐소드(환원전극)가 배치되는 구조를 가진다. 상기 멤브레인-전극 어셈블리는 서로 대향하는 캐소드 및 애노드를 포함하며, 이 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 이온전도막을 포함한다.
수소를 함유하는 연료는 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)의 애노드로 유입된다. 연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드로 공급되어 애노드의 촉매층에 흡착되고, 연료가 산화되어 수소 이온(H+)과 전자(e-)를 생성시키고, 이때 발생된 전자(e-)는 외부 회로에 따라 캐소드에 도달하며, 수소 이온(H+)은 이온전도막을 통과하여 캐소드로 전달된다. 상기 이온전도막은 애노드의 촉매층에서 생성된 수소 이온(H+)을 캐소드의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 한다.
캐소드로 산소(O2)를 포함하는 공기(air)가 공급되고, 상기 공기, 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 캐소드의 촉매층에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
캐소드에 산소(O2)를 포함한 공기가, 애노드에 수소를 함유한 연료가 공급되면, 물의 전기분해와 역반응이 진행되면서 전기가 발생하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 전극 촉매는, 탄소나노섬유(carbon nanofiber)과 금속산화물이 복합화된 복합체로 구성될 수 있고, 애노드의 촉매층을 구성하는 전극 촉매로 사용될 수 있다.
상기 금속산화물은 TiO2, Ti2O3, V2O5, V2O3, ZrO2, ZnO, B2O, B2O3, Al2O3, Ga2O3, TeO, TeO3, Cs2O, MgO, SnO, SnO2, CrO3, Cr2O3, BeO, FeO, Fe2O3, BaO, PbO, PbO2, Pb2O3 및 Pb3O4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함한다. 상기 금속산화물은 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼50 중량부 함유된 것이 바람직하다. 상기 금속산화물은 5∼30 ㎚의 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 연료전지용 전극 촉매는 질소 소스가 더 함유되어 있을 수 있다. 즉, 탄소나노섬유(carbon nanofiber), 금속산화물 및 질소 소스가 복합화되어 연료전지용 전극 촉매를 이룰 수 있다. 상기 질소 소스는 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼25 중량부 함유된 것이 바람직하다. 상기 질소 소스는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리로다닌(polyrhodanine), 멜라닌(melamine), 우레아(urea), 퓨린(purine), 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 히포잔틴(hypoxanthine), 잔틴(xanthine), 테오브로민(theobromine) 및 카페인(caffeine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 연료전지용 전극 촉매는 백금 등의 귀금속을 대체하는 전극 촉매로서 사용될 수 있다. 탄소나노섬유에 금속산화물을 복합화하여 복합체의 내화학성은 물론 활성을 개선하여 산화전극의 귀금속 촉매 사용량을 줄일 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 전극 촉매의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
용매에 탄소나노섬유(carbon nanofiber)와 금속산화물을 첨가하여 분산시킨다.
상기 용매는 증류수, 알코올 등과 같은 물질일 수 있다.
상기 금속산화물은 TiO2, Ti2O3, V2O5, V2O3, ZrO2, ZnO, B2O, B2O3, Al2O3, Ga2O3, TeO, TeO3, Cs2O, MgO, SnO, SnO2, CrO3, Cr2O3, BeO, FeO, Fe2O3, BaO, PbO, PbO2, Pb2O3 및 Pb3O4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 상기 금속산화물은 5∼30 ㎚의 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다. 상기 금속산화물은 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼50 중량부 함유되게 첨가하는 것이 바람직하다.
이때, 질소 소스를 더 첨가하여 분산시키고, 상기 질소 소스가 더 함유되어 연료전지용 전극 촉매를 이루게 할 수도 있다. 상기 질소 소스는 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼25 중량부 함유되게 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 질소 소스는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리로다닌(polyrhodanine), 멜라닌(melamine), 우레아(urea), 퓨린(purine), 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 히포잔틴(hypoxanthine), 잔틴(xanthine), 테오브로민(theobromine) 및 카페인(caffeine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
용매에 탄소나노섬유(carbon nanofiber)와 금속산화물이 분산된 분산 용액을 여과하여 상기 탄소나노섬유와 상기 금속산화물이 복합화된 복합체를 채취한다. 상기 여과는 감압여과장치 등을 이용할 수 있다.
상기 복합체를 세척하고 건조하여 연료전지용 전극 촉매를 수득한다. 상기 세척은 에탄올 등과 같은 알코올 등으로 수행할 수 있다. 상기 건조는 진공 건조기를 이용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 탄소나노섬유를 이용하여 활성이 높은 연료전지용 전극 촉매를 제조할 수 있다.
본 발명에 의하면, 간단한 공정으로 카본블랙 보다 성능이 향상된 연료전지용 전극 촉매를 단시간에 대량 생산에 적용할 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
증류수 1ℓ에 탄소나노섬유(CNF; carbon nanofiber) 4 g를 넣어 분산시켰다. 여기에 TiO2 0.05 g과 질소 소스인 멜라민 0.5 g을 첨가하고, 300rpm 정도로 교반하면서 1시간 동안 초음파(sonication) 처리하여 분산 용액을 얻었다.
상기 분산 용액을 감압여과장치를 감압여과하여 시료를 채취하고, 에탄올을 이용하여 시료를 세척한 후, 상온 진공 건조기를 이용하여 건조하여 전극 촉매를 수득하였다.
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 전극 촉매를 보여주는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이고, 도 2는 실시예 1에 따라 제조된 전극 촉매를 보여주는 투과전자현미경(transmission electron microscope; TEM) 사진이다.
도 1 및 도 2로부터, 탄소나노섬유(CNF; carbon nanofiber)에 TiO2가 복합화되어 복합체를 이루고 있음을 확인할 수 있었다.
증류수 105 ㎕, 에탄올 375 ㎕를 혼합하고, 나파온(nafion)을 20 ㎕ 첨가한 후, 초음파 처리를 통하여 분산시키고, 이 용액에 상기 전극 촉매 5 ㎎을 첨가한 후 초음파 처리를 통하여 분산시켜 촉매 잉크를 수득하였다. 상기 촉매 잉크는 촉매를 20 ㎍/㎠ 을 올릴 수 있는 양 만큼 잉크를 채취하여 회전 원반 전극(RDE; rotating disk electrode)에 코팅하고 건조하였다.
전기화학적 성능은 산소 환원 반응(ORR; oxygen reduction reaction) 활성을 이용하여 확인하였다. O2 포화된 6M KOH 수용액에서 LSV(Linear sweep voltammetry) 분석을 실시하였다. 적용된 포텐샬(potential)은 0.2∼1.0 V의 범위에서 normal hydrogen electrode를 기준으로 하고, 스캔 속도는 10 mV/s로 하였으며 1600 rpm으로 측정하였다. 측정된 전류밀도는 도 3에 나타내었다.
<비교예>
불칸(Vulcan) 사의 카본블랙을 전극 촉매로 준비하였다.
증류수 105 ㎕, 에탄올 375 ㎕를 혼합하고, 나파온(nafion)을 20 ㎕ 첨가한 후, 초음파 처리를 통하여 분산시키고, 이 용액에 상기 전극 촉매 5 ㎎을 첨가한 후 초음파 처리를 통하여 분산시켜 촉매 잉크를 수득하였다. 상기 촉매 잉크는 촉매를 20 ㎍/㎠ 을 올릴 수 있는 양 만큼 잉크를 채취하여 회전 원반 전극(RDE; rotating disk electrode)에 코팅하고 건조하였다.
전기화학적 성능은 산소 환원 반응(ORR; oxygen reduction reaction) 활성을 이용하여 확인하였다. O2 포화된 6M KOH 수용액에서 LSV(Linear sweep voltammetry) 분석을 실시하였다. 적용된 포텐샬(potential)은 0.2∼1.0 V의 범위에서 normal hydrogen electrode를 기준으로 하고, 스캔 속도는 10 mV/s로 하였으며 1600 rpm으로 측정하였다. 측정된 전류밀도는 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 실시예 1에 비하여 비교예의 전압이 더 낮은 것은 촉매 활성이 더 낮다는 의미한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (12)

  1. 탄소나노섬유(carbon nanofiber)과 금속산화물이 복합화되어 연료전지용 전극 촉매를 이루며,
    상기 금속산화물은 B2O, B2O3, TeO, TeO3, Cs2O, MgO, SnO, SnO2, BeO, BaO, PbO, PbO2, Pb2O3 및 Pb3O4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속산화물은 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼50 중량부 함유된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속산화물은 5∼30 ㎚의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  4. 제1항에 있어서, 질소 소스가 더 함유되어 연료전지용 전극 촉매를 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  5. 제4항에 있어서, 상기 질소 소스는 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼25 중량부 함유된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  6. 제4항에 있어서, 상기 질소 소스는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리로다닌(polyrhodanine), 멜라닌(melamine), 우레아(urea), 퓨린(purine), 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 히포잔틴(hypoxanthine), 잔틴(xanthine), 테오브로민(theobromine) 및 카페인(caffeine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  7. (a) 용매에 탄소나노섬유(carbon nanofiber)와 금속산화물을 첨가하여 분산시키는 단계;
    (b) 분산 용액을 여과하여 상기 탄소나노섬유와 상기 금속산화물이 복합화된 복합체를 채취하는 단계; 및
    (c) 상기 복합체를 세척하고 건조하는 단계를 포함하며,
    상기 금속산화물은 B2O, B2O3, TeO, TeO3, Cs2O, MgO, SnO, SnO2, BeO, BaO, PbO, PbO2, Pb2O3 및 Pb3O4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 금속산화물이 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼50 중량부 함유된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 금속산화물은 5∼30 ㎚의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 질소 소스를 더 첨가하여 분산시키고,
    상기 질소 소스가 더 함유되어 상기 연료전지용 전극 촉매를 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 질소 소스는 상기 연료전지용 전극 촉매에 상기 탄소나노섬유 100중량부에 대하여 5∼25 중량부 함유된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 질소 소스는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리로다닌(polyrhodanine), 멜라닌(melamine), 우레아(urea), 퓨린(purine), 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 히포잔틴(hypoxanthine), 잔틴(xanthine), 테오브로민(theobromine) 및 카페인(caffeine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매의 제조방법.
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KR100997418B1 (ko) * 2008-12-31 2010-11-30 주식회사 효성 탄소나노튜브와 탄소의 복합체를 갖는 연료전지용 기체확산층의 제조 방법
KR101314578B1 (ko) * 2010-11-29 2013-10-10 광주과학기술원 저가의 전이금속을 포함하는 나노섬유를 이용한 연료전지용 전이금속―탄소나노섬유 촉매 및 이의 제조방법
KR20130039456A (ko) * 2011-10-12 2013-04-22 숭실대학교산학협력단 질소가 도핑된，코어­쉘 나노 촉매 및 이의 제조방법
KR101831830B1 (ko) * 2015-07-01 2018-02-23 한국과학기술연구원 연료전지 촉매용 탄소 지지체 및 이의 제조방법

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