KR102257600B1 - Composite containing B-doped carbon quantum dot and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
발명은 붕소가 도핑된 탄소 양자점을 포함하는 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 복합체는 글루코스, 보론산 및 그래핀 옥사이드를 포함하는 혼합물의 수열 반응을 통하여 제조되므로 공정이 간단하고 친환경적인 이점이 있다. 또한, 제조된 복합체는 높은 기공도와 비표면적을 가지며, 활성 부위가 풍부하여 전기적 물성이 우수하고, 알칼리 조건에서도 안정성이 뛰어나 전해질 물질 전달 및 이온 확산능이 높으므로 산소환원반응(ORR), 산소 제조 반응 (OER) 및/또는 수소 제조 반응 (HER) 등에 사용되는 촉매로 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a composite including boron-doped carbon quantum dots and a method for manufacturing the same, wherein the composite is manufactured through a hydrothermal reaction of a mixture containing glucose, boronic acid, and graphene oxide, so that the process is simple and environmentally friendly. have. In addition, the prepared composite has high porosity and specific surface area, has excellent electrical properties due to abundant active sites, and has excellent electrolyte material transfer and ion diffusion ability because of its high stability even in alkaline conditions, so oxygen reduction reaction (ORR), oxygen production reaction It can be usefully used as a catalyst used for (OER) and/or hydrogen production reaction (HER).
Description
본 발명은 붕소가 도핑된 탄소 양자점을 포함하는 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composite including boron-doped carbon quantum dots and a method of manufacturing the same.
최근 몇 년 동안 에너지 위기와 환경 오염을 해결하기 위해 새롭고 지속 가능한 에너지 변환 및 에너지 저장 장치 개발에 대한 요구가 증가했으며, 이에 따라, 청정 에너지 기술을 실현하기 위해 연료 전지, 충전식 금속 공기 전지 및 물 분배 장치와 같은 많은 에너지 시스템이 개발되었다. 이러한 시스템의 기본 작동은 주로 산소 환원 반응 (ORR), 산소 발생 반응 (OER) 및 수소 발생 반응 (HER)의 세 가지 주요 전기 화학 반응에 달려 있는데, ORR 및 OER은 두 가지 주요 전기 화학으로 간주되고 있다. OER과 HER은 물 분리 공정에서 중요한 두 가지 전기 화학 반응이나 느린 반응 속도와 높은 과전압으로 인해 에너지 장치의 전체 효율을 제한하는 문제가 있다. 이에, ORR 및 HER의 경우 백금 (Pt), OER의 경우 이리듐 (Ir) 및 루테늄 (Ru)을 포함하여 귀금속 및 전이 금속 촉매를 사용하여 이러한 문제를 해결하고자 하는 노력이 이어지고 있다. 그러나, 귀금속 계 촉매의 희소성 및 고비용은 이러한 전기 화학적 에너지 기술의 광범위한 기술 사용 및 대규모 적용을 방해한다. 따라서, 전이 금속 및 탄소 나노 물질 기반 촉매와 같은 귀금속 촉매에 대한 저렴한 대안으로서, 지구에 풍부한 물질을 함유하는 효율적인 촉매를 개발하기 위한 연구가 광범위하게 진행되어 왔다.In recent years, the demand for the development of new and sustainable energy conversion and energy storage devices has increased to solve the energy crisis and environmental pollution, and accordingly, fuel cells, rechargeable metal air cells and water distribution to realize clean energy technology. Many energy systems such as devices have been developed. The basic operation of these systems mainly depends on three main electrochemical reactions: oxygen reduction reaction (ORR), oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER), and ORR and OER are considered to be the two main electrochemical reactions. have. OER and HER are two important electrochemical reactions in the water separation process, or the slow reaction rate and high overvoltage, which limits the overall efficiency of the energy device. Accordingly, efforts have been made to solve this problem by using noble metal and transition metal catalysts, including platinum (Pt) for ORR and HER, and iridium (Ir) and ruthenium (Ru) for OER. However, the scarcity and high cost of noble metal-based catalysts hinder the widespread technical use and large-scale application of these electrochemical energy technologies. Therefore, as an inexpensive alternative to noble metal catalysts such as transition metal and carbon nanomaterial-based catalysts, research has been extensively conducted to develop efficient catalysts containing earth-rich materials.
한편, 최근 탄소 나노 튜브 (CNT)나 그래핀과 같은 탄소 기반 나노 물질 및 그 복합물은 안정된 활성 및 독특한 특성으로 인해 효율적인 비금속 전기 촉매로서 연구되어왔다. 특히, 질소 (N), 인 (P), 황 (S) 및 붕소 (B) 원자로 도핑된 탄소 나노 물질 및 이의 복합물은 탄소 골격에서 수많은 활성 부위를 생성하고, 반응 장벽을 낮춤으로써 효율적인 다기능 전기 촉매로서의 잠재력이 입증되었다. 특히, 다양한 헤테로 원자 중에서, 질소 (N) 및 붕소 (B) 원자는 탄소의 원자 반경과 유사한 원자 반경으로 인해 많은 관심을 끌었다. 예를 들어, N-도핑된 탄소 나노 물질은 ORR 및 OER을 위한 비금속 전기 촉매로서 널리 이용되어 왔다.Meanwhile, recently, carbon-based nanomaterials such as carbon nanotubes (CNTs) and graphene, and their composites, have been studied as efficient non-metallic electrocatalysts due to their stable activity and unique properties. In particular, carbon nanomaterials doped with nitrogen (N), phosphorus (P), sulfur (S) and boron (B) atoms and their composites generate a large number of active sites in the carbon skeleton and lower the reaction barrier, making it an efficient multifunctional electrocatalyst. The potential as has been proven. In particular, among the various heteroatoms, the nitrogen (N) and boron (B) atoms have attracted a lot of attention due to the atomic radius similar to that of carbon. For example, N-doped carbon nanomaterials have been widely used as non-metallic electrocatalysts for ORRs and OERs.
그러나, n형 수송 특성을 유도하는 N-도핑된 탄소 나노 물질은 대기에 대해 매우 민감한 전자 특성을 나타내며, 이들의 전기 촉매 메커니즘은 여전히 밝혀지지 않은 상황이다. 또한, B-도핑된 탄소 나노 물질은 합성의 어려움 및 낮은 도핑 농도로 인해 N-도핑된 탄소 나노 물질보다 연구결과가 미흡한 실정이다.However, N-doped carbon nanomaterials that induce n-type transport properties exhibit very sensitive electronic properties to the atmosphere, and their electrocatalytic mechanisms are still unknown. In addition, B-doped carbon nanomaterials have insufficient research results than N-doped carbon nanomaterials due to difficulty in synthesis and low doping concentration.
따라서, 자원이 풍부하여 경제적이면서도 합성이 용이하고 촉매 활성이 우수하여 산소 환원 반응 (ORR), 산소 발생 반응 (OER) 및 수소 발생 반응(HER)에 모두 적용 가능한 촉매의 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a need to develop a catalyst that is economical due to abundant resources, easy synthesis, and excellent catalytic activity, which can be applied to both oxygen reduction reactions (ORR), oxygen generation reactions (OER), and hydrogen generation reactions (HER).
본 발명의 목적은 자원이 풍부하여 경제적이면서도 합성이 용이하고 촉매 활성이 우수하여 산소 환원 반응 (ORR), 산소 발생 반응 (OER) 및/또는 수소 발생 반응(HER)의 촉매로 모두 적용 가능한 친환경적이고 효율적인 다기능 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.The object of the present invention is economical, easy synthesis, and excellent catalytic activity due to abundant resources, and is eco-friendly and applicable as a catalyst for oxygen reduction reaction (ORR), oxygen generation reaction (OER) and/or hydrogen generation reaction (HER). It is to provide an efficient multifunctional catalyst and a method for producing the same.
상기 과제를 해결하기 위하여,In order to solve the above problem,
본 발명은 일실시예에서,The present invention in one embodiment,
그래핀 하이드로겔; 및Graphene hydrogel; And
상기 그래핀 하이드로겔의 내부 및 표면에 분산되고, 붕소가 도핑된 탄소 양자점을 포함하는 복합체를 제공한다.It provides a composite including carbon quantum dots dispersed on the inside and the surface of the graphene hydrogel and doped with boron.
또한, 본 발명은 일실시예에서,In addition, the present invention in one embodiment,
글루코스, 보론산 및 그래핀 옥사이드를 포함하는 혼합물의 수열반응을 수행하여 반응 중간체를 형성하는 단계; 및Forming a reaction intermediate by performing a hydrothermal reaction of a mixture containing glucose, boronic acid, and graphene oxide; And
형성된 반응 중간체의 환원반응을 수행하여 붕소가 도핑된 탄소 양자점이 표면에 분산된 그래핀 하이드로겔을 포함하는 복합체를 제조하는 단계;Performing a reduction reaction of the formed reaction intermediate to prepare a composite including a graphene hydrogel in which boron-doped carbon quantum dots are dispersed on a surface;
를 포함하는 상기 복합체의 제조방법을 제공한다.It provides a method of manufacturing the composite comprising a.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,Furthermore, the present invention in one embodiment,
상기 복합체를 포함하는 촉매를 제공한다.It provides a catalyst comprising the complex.
본 발명에 따른 복합체는 글루코스, 보론산 및 그래핀 옥사이드를 포함하는 혼합물의 수열 반응을 통하여 제조되므로 공정이 간단하고 친환경적인 이점이 있다. 또한, 제조된 복합체는 높은 기공도와 비표면적을 가지며, 활성 부위가 풍부하여 전기적 물성이 우수하고, 알칼리 조건에서도 안정성이 뛰어나 전해질 물질 전달 및 이온 확산능이 높으므로, 산소 환원 반응 (ORR), 산소 발생 반응 (OER) 및/또는 수소 발생 반응(HER)에 사용되는 금속-공기 전지, 연료전지, 물 분해 장치 등에 다기능 촉매로 유용하게 사용될 수 있다.Since the composite according to the present invention is prepared through a hydrothermal reaction of a mixture containing glucose, boronic acid and graphene oxide, the process is simple and environmentally friendly. In addition, the prepared composite has high porosity and specific surface area, has excellent electrical properties due to abundant active sites, and is excellent in stability even under alkaline conditions, so it has high electrolyte material transfer and ion diffusion ability, so oxygen reduction reaction (ORR), oxygen generation It can be usefully used as a multifunctional catalyst for metal-air cells, fuel cells, water decomposition devices, etc. used in reaction (OER) and/or hydrogen generation reaction (HER).
도 1은 본 발명에 따른 복합체의 제조 과정을 도시한 공정도이다.
도 2는 실시예의 복합체를 주사 전자 현미경 (SEM)으로 분석한 이미지이다.
도 3은 실시예의 복합체(GH-BGQD)를 투과 전자 현미경 (TEM)으로 분석한 이미지이다.
도 4는 실시예의 복합체(GH-BGQD)를 고분해능 투과 전자현미경 (HR-TEM)으로 분석한 이미지이다.
도 5는 비교예 2 및 4와 실시예 2의 복합체를 대상으로 BET 비표면적을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 실시예 2의 복합체(GH-BGQD)와 비교예 2의 복합체(GH-GQD)의 라만 분광 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 실시예 1 내지 3과 비교예 3에서 제조된 복합체에 대한 X선 광전자 분광(XPS)을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1 내지 3에서 제조된 복합체에 대한 X선 광전자 분광(XPS) 중 C1s 및 B1s 결합 에너지를 나타내는 스펙트럼을 확대 도시한 그래프이다.
도 9는 실시예 1 내지 3과 비교예 3 및 4에서 제조된 복합체의 산소 환원 반응 (ORR) 촉매 활성능을 평가한 결과이다:
여기서, (a)는 순환 전압전류법(CV)에 의해 분석된 곡선이고,
(b)는 선형 주사 전압전류법(LSV)을 수행하여 얻은 ORR 분극 곡선이며,
(c)는 회전 고리-디스크 전극(RRDE) 시험으로부터 산출된 복합체의 산소 분자 당 전자 이동 수(n)와 과산화수소 생성률을 도시한 그래프이고,
(d)는 K-L 플롯을 통해 다양한 전위에서 예비 회전 제곱근 속도에 따른 예비 제한 전류 밀도를 도시한 그래프이며,
(e)는 전해질에 메탄올 첨가 후 전극 시스템의 전류 밀도를 도시한 그래프이다.
도 10은 실시예 2의 복합체와 백금/탄소 (Pt/C) 촉매를 포함하는 전극 시스템의 전기 화학적 안정성을 평가한 실험 결과이다:
여기서, (a)는 시간대전류 시험 (chronoamperometric test) 결과를 나타낸 그래프이고,
(b)는 전극 시스템의 전류 밀도를 1회 측정한 경우와 10,000회 반복 측정 후의 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실시예 1 내지 3과 비교예 3 및 4에서 제조된 복합체의 산소 제조 반응 (OER) 촉매 활성능을 평가한 결과이다:
여기서, (a)는 선형 주사 전압전류법(LSV)을 수행하여 얻은 OER 분극 곡선이고,
(b)는 각 복합체를 포함하는 전극 시스템에 대한 타펠 곡선이며,
(c)는 0.4~1.6 V 범위에서의 실시예 2의 복합체에 대한 선형 주사 전압전류 (LSV)를 도시한 그래프이고,
(d)는 시간대전류 시험 (chronoamperometric test) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 실시예 1 내지 3과 비교예 3 및 4에서 제조된 복합체의 수소 제조 반응 (HER) 촉매 활성능을 평가한 결과이다:
여기서, (a)는 선형 주사 전압전류법(LSV)을 수행하여 얻은 HER 분극 곡선이고,
(b)는 각 복합체를 포함하는 전극 시스템에 대한 타펠 곡선이며,
(c)는 실시예 2의 복합체를 포함하는 전극 시스템을 10 mA/s의 스캔 속도에서 1회 및 2,000회 전위에 따른 전류 밀도를 측정한 그래프이고,
(d)는 시간대전류 시험 (chronoamperometric test) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예 1 내지 3의 복합체들의 전기 화학적 임피던스를 도시한 그래프이다.
도 14는 실시예 1 내지 3의 복합체들의 전기 전도도를 도시한 그래프이다.1 is a flow chart showing the manufacturing process of the composite according to the present invention.
Fig. 2 is an image of an example complex analyzed by a scanning electron microscope (SEM).
3 is an image obtained by analyzing the composite (GH-BGQD) of the example with a transmission electron microscope (TEM).
4 is an image of an example composite (GH-BGQD) analyzed by a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM).
5 is a graph showing the results of measuring the BET specific surface area for the composites of Comparative Examples 2 and 4 and Example 2. FIG.
6 is a graph showing the results of Raman spectroscopy analysis of the complex of Example 2 (GH-BGQD) and the complex of Comparative Example 2 (GH-GQD).
7 is a graph showing X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for the composites prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 3.
8 is a graph showing an enlarged spectrum showing C1s and B1s binding energies in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for the composites prepared in Examples 1 to 3. FIG.
9 is a result of evaluating the oxygen reduction reaction (ORR) catalytic activity of the composites prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 3 and 4:
Here, (a) is a curve analyzed by cyclic voltammetry (CV),
(b) is an ORR polarization curve obtained by performing linear scanning voltammetry (LSV),
(c) is a graph showing the number of electron transfers per oxygen molecule (n) and hydrogen peroxide production rate of the complex calculated from the rotating ring-disk electrode (RRDE) test,
(d) is a graph showing the preliminary limiting current density according to the preliminary rotation square root velocity at various potentials through the KL plot,
(e) is a graph showing the current density of the electrode system after methanol is added to the electrolyte.
10 is an experimental result of evaluating the electrochemical stability of the electrode system including the composite of Example 2 and a platinum/carbon (Pt/C) catalyst:
Here, (a) is a graph showing the results of the chronoamperometric test,
(b) is a graph showing the current density in the case of measuring the current density of the electrode system once and after repeated measurements of 10,000 times.
11 is a result of evaluating the oxygen production reaction (OER) catalytic activity of the composites prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 3 and 4:
Here, (a) is the OER polarization curve obtained by performing the linear scanning voltammetry (LSV),
(b) is the Tafel curve for the electrode system containing each composite,
(c) is a graph showing the linear scanning voltage current (LSV) for the composite of Example 2 in the range of 0.4 to 1.6 V,
(d) is a graph showing the results of the chronoamperometric test.
12 is a result of evaluating the hydrogen production reaction (HER) catalytic activity of the complexes prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 3 and 4:
Here, (a) is a HER polarization curve obtained by performing a linear scanning voltammetry (LSV),
(b) is the Tafel curve for the electrode system containing each composite,
(c) is a graph measuring the current density according to the potential once and 2,000 times in the electrode system including the composite of Example 2 at a scan rate of 10 mA/s,
(d) is a graph showing the results of the chronoamperometric test.
13 is a graph showing the electrochemical impedance of composites of Examples 1 to 3;
14 is a graph showing the electrical conductivity of composites of Examples 1 to 3;
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.In the present invention, various modifications may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, terms such as "comprises" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof does not preclude in advance.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.In addition, the accompanying drawings in the present invention should be understood as being enlarged or reduced for convenience of description.
본 발명은 붕소가 도핑된 탄소 양자점을 포함하는 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composite including boron-doped carbon quantum dots and a method of manufacturing the same.
최근 몇 년 동안 에너지 위기와 환경 오염을 해결하기 위해 새롭고 지속 가능한 에너지 변환 및 에너지 저장 장치 개발에 대한 요구가 증가했으며, 이에 따라, 청정 에너지 기술을 실현하기 위해 연료 전지, 충전식 금속 공기 전지 및 물 분배 장치와 같은 많은 에너지 시스템이 개발되었다. 이러한 시스템의 기본 작동은 주로 산소 환원 반응 (ORR), 산소 발생 반응 (OER) 및 수소 발생 반응 (HER)의 세 가지 주요 전기 화학 반응에 달려 있는데, ORR 및 OER은 두 가지 주요 전기 화학으로 간주되고 있다. OER과 HER은 물 분리 공정에서 중요한 두 가지 전기 화학 반응이나 느린 반응 속도와 높은 과전압으로 인해 에너지 장치의 전체 효율을 제한하는 문제가 있다. 이에, ORR 및 HER의 경우 Pt, OER의 경우 Ir 및 Ru를 포함하여 귀금속 및 전이 금속 촉매를 사용하여 이러한 문제를 해결하고자 하는 노력이 이어지고 있다. 그러나, 귀금속 계 촉매의 희소성 및 고비용은 이러한 전기 화학적 에너지 기술의 광범위한 기술 사용 및 대규모 적용을 방해한다. 따라서, 자원이 풍부하여 경제적이면서도 합성이 용이하고 촉매 활성이 우수하여 산소 환원 반응 (ORR), 산소 발생 반응 (OER) 및 수소 발생 반응(HER)에 모두 적용 가능한 다기능 촉매의 개발이 요구되고 있다.In recent years, the demand for the development of new and sustainable energy conversion and energy storage devices has increased to solve the energy crisis and environmental pollution, and accordingly, fuel cells, rechargeable metal air cells and water distribution to realize clean energy technology. Many energy systems such as devices have been developed. The basic operation of these systems mainly depends on three main electrochemical reactions: oxygen reduction reaction (ORR), oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER), and ORR and OER are considered to be the two main electrochemical reactions. have. OER and HER are two important electrochemical reactions in the water separation process, or the slow reaction rate and high overvoltage, which limits the overall efficiency of the energy device. Accordingly, efforts have been made to solve this problem by using noble metal and transition metal catalysts, including Pt for ORR and HER, and Ir and Ru for OER. However, the scarcity and high cost of noble metal-based catalysts hinder the widespread technical use and large-scale application of these electrochemical energy technologies. Accordingly, there is a need for development of a multifunctional catalyst applicable to both oxygen reduction reactions (ORR), oxygen generation reactions (OER), and hydrogen generation reactions (HER) because of abundant resources, economical, easy synthesis, and excellent catalytic activity.
이에, 본 발명은 붕소가 도핑된 탄소 양자점을 포함하는 복합체를 제공한다.Accordingly, the present invention provides a composite including boron-doped carbon quantum dots.
상기 복합체는 글루코스, 보론산 및 그래핀 옥사이드를 포함하는 혼합물의 수열 반응을 통하여 제조되므로 공정이 간단하고 친환경적인 이점이 있다. 또한, 제조된 복합체는 높은 기공도와 비표면적을 가지며, 활성 부위가 풍부하여 전기적 물성이 우수하고, 알칼리 조건에서도 안정성이 뛰어나 전해질 물질 전달 및 이온 확산능이 높으므로 산소 환원 반응 (ORR), 산소 발생 반응 (OER) 및/또는 수소 발생 반응(HER)에 사용되는 다기능 촉매로 유용하게 사용될 수 있다.Since the complex is manufactured through a hydrothermal reaction of a mixture containing glucose, boronic acid and graphene oxide, the process is simple and environmentally friendly. In addition, the prepared composite has high porosity and specific surface area, has excellent electrical properties due to abundant active sites, and has excellent stability even under alkaline conditions, so it has high electrolyte material transfer and ion diffusion ability, so oxygen reduction reaction (ORR), oxygen generation reaction It can be usefully used as a multifunctional catalyst used in (OER) and/or hydrogen generation reaction (HER).
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
복합체Complex
본 발명은 일실시예에서, The present invention in one embodiment,
그래핀 하이드로겔; 및Graphene hydrogel; And
상기 그래핀 하이드로겔의 내부 및 표면에 분산되고, 붕소가 도핑된 탄소 양자점을 포함하는 복합체를 제공한다.It provides a composite including carbon quantum dots dispersed on the inside and the surface of the graphene hydrogel and doped with boron.
본 발명에 따른 복합체는 2차원의 그래핀 시트가 자기조립을 통해 서로 연결됨으로써 3차원 다공성 구조를 갖는 그래핀 하이드로겔(graphene hydrogel, GH)을 포함하고, 상기 그래핀 하이드로겔의 내부 및 표면에 붕소가 도핑된 탄소 양자점이 분산된 구조를 갖는다.The composite according to the present invention includes a graphene hydrogel (GH) having a three-dimensional porous structure by connecting two-dimensional graphene sheets to each other through self-assembly, and on the inside and the surface of the graphene hydrogel. It has a structure in which boron-doped carbon quantum dots are dispersed.
이때, 상기 붕소가 도핑된 탄소 양자점은 그래핀 하이드로겔에 포함된 그래핀 시트 표면에서 그래핀 시트와 π-π 결합을 통하여 고정될 수 있으며, 이를 통해 탄소 양자점이 그래핀 하이드로겔의 표면과 내부에 분산된 형태를 가질 수 있다.At this time, the boron-doped carbon quantum dots may be fixed on the surface of the graphene sheet included in the graphene hydrogel through a π-π bond with the graphene sheet, through which the carbon quantum dots are fixed to the surface and the inside of the graphene hydrogel. It can have a distributed form.
또한, 상기 탄소 양자점은 1nm 내지 10 nm의 평균 크기를 가질 수 있으며, 구체적으로는 1 nm 내지 8 nm의 평균 크기를 가질 수 있고, 이 중 3 nm 내지 6 nm의 평균 직경을 갖는 탄소 양자점이 전체 탄소 양자점의 약 75% 내지 85%를 차지할 수 있다.In addition, the carbon quantum dots may have an average size of 1 nm to 10 nm, specifically, may have an average size of 1 nm to 8 nm, of which carbon quantum dots having an average diameter of 3 nm to 6 nm are all It may occupy about 75% to 85% of the carbon quantum dots.
아울러, 상기 탄소 양자점에 도핑된 붕소의 함량은 전체 복합체에 대하여 0.1 원자% 내지 10.0 원자%일 수 있으며, 보다 구체적으로는 0.1 원자% 내지 8.0 원자%, 0.5 원자% 내지 7.0 원자%, 1.0 원자% 내지 5.0 원자%, 2.0 원자% 내지 5.0 원자%, 2.5 원자% 내지 4.5 원자%, 3.0 원자% 내지 5.0 원자% 또는 4.1 원자% 내지 4.9 원자%일 수 있다.In addition, the content of boron doped in the carbon quantum dots may be 0.1 atomic% to 10.0 atomic %, more specifically 0.1 atomic% to 8.0 atomic %, 0.5 atomic% to 7.0 atomic %, and 1.0 atomic% with respect to the entire composite. To 5.0 atomic%, 2.0 atomic% to 5.0 atomic%, 2.5 atomic% to 4.5 atomic%, 3.0 atomic% to 5.0 atomic%, or 4.1 atomic% to 4.9 atomic%.
본 발명은 탄소 양자점에 도핑된 붕소의 함량을 상기와 같은 범위로 제어함으로써 탄소 구조체의 장애(disorder) 또는 결함(Defect) 등을 최적화할 수 있고, 붕소 원소가 탄소 원소에 도입되는 위치를 제어하여 물질 내 전자 이동을 개선하거나 산소 함유 물질과의 결합률을 향상시킬 수 있으므로 산소 환원 반응 (ORR), 산소 발생 반응 (OER) 및/또는 수소 발생 반응(HER)에 대한 우수한 촉매 활성을 나타낼 수 있다.The present invention can optimize the disorder or defect of the carbon structure by controlling the content of boron doped in the carbon quantum dot in the above range, and by controlling the position where the boron element is introduced into the carbon element. Since electron transfer within a substance may be improved or a binding rate with an oxygen-containing substance may be improved, excellent catalytic activity for an oxygen reduction reaction (ORR), an oxygen generation reaction (OER), and/or a hydrogen generation reaction (HER) may be exhibited.
하나의 예로서, 본 발명에 따른 복합체는 탄소 양자점에 일정 함량의 붕소가 도핑되어 탄소 구조체의 장애 또는 결함을 포함하므로, 라만 분광 분석 시 탄소 격자에 존재하는 장애 또는 결함 정도를 나타내는 D 밴드 피크를 나타내며, 하기 식 1을 만족할 수 있다:As an example, the composite according to the present invention is doped with a certain amount of boron in a carbon quantum dot to contain a disorder or defect in a carbon structure, and thus, a D band peak indicating the degree of disorder or defect present in the carbon lattice during Raman spectroscopy analysis is obtained. And can satisfy Equation 1 below:
[식 1] [Equation 1]
0.8 ≤ ID/IG 0.8 ≤ I D /I G
식 1에서,In Equation 1,
ID 는 1330 내지 1360 cm-1 범위에 존재하는 피크의 강도를 나타내고,I D represents the intensity of the peak present in the range of 1330 to 1360 cm -1,
IG 는 1580 내지 1610 cm-1 범위에 존재하는 피크의 강도를 나타낸다.I G represents the intensity of the peak present in the range of 1580 to 1610 cm -1.
구체적으로, 라만 분광 분석 시 방향족 구조의 sp2 오비탈을 나타내는 G 밴드 피크는 약 1595±1 cm-1의 화학 이동값을 갖고, 탄소 격자에 존재하는 장애또는 결함의 정도를 나타내는 D 밴드 피크는 약 1350 ±1 cm-1의 화학 이동값을 갖는다. 본 발명의 복합체는 이들 G밴드 피크와 D 밴드 피크를 모두 나타내며, 탄소 격자의 장애 또는 결합 정도가 일정 범위로 제어되어 이들 피크의 강도 비율(ID/IG)이 0.8 이상, 구체적으로는 0.8 내지 1.0, 0.8 내지 0.95, 0.8 내지 0.9 또는 0.85 내지 0.89일 수 있다.Specifically, in the Raman spectroscopy analysis, the G band peak representing the sp2 orbital of the aromatic structure has a chemical shift value of about 1595±1 cm -1 , and the D band peak representing the degree of disorder or defect present in the carbon lattice is about 1350. It has a chemical shift value of ±1 cm -1. The composite of the present invention exhibits both the G-band peak and the D-band peak, and the degree of interference or bonding of the carbon lattice is controlled within a certain range, so that the intensity ratio (I D / I G ) of these peaks is 0.8 or more, specifically 0.8 To 1.0, 0.8 to 0.95, 0.8 to 0.9, or 0.85 to 0.89.
다른 하나의 예로서, 상기 복합체는 붕소 원소가 탄소 원소에 도입되는 위치를 제어할 수 있으므로 붕소 원소와 탄소 원소의 결합 위치 및/또는 관계가 제어되어 하기 식 2를 만족할 수 있다:As another example, since the composite may control the position at which the boron element is introduced into the carbon element, the bonding position and/or relationship between the boron element and the carbon element may be controlled to satisfy Equation 2:
[식 2] I189/I191 > 1.0[Equation 2] I 189 /I 191 > 1.0
식 2에서,In
I189는 189±0.4 eV에 존재하는 피크의 강도를 나타내고, I 189 represents the intensity of the peak present at 189±0.4 eV,
I191은 191±0.4 eV에 존재하는 피크의 강도를 나타낸다.I 191 represents the intensity of the peak present at 191±0.4 eV.
구체적으로, 상기 복합체는 탄소 양자점에 붕소가 도핑되어 X선 광전자 분광(XPS) 분석 시 붕소 원소와 탄소 원소의 결합을 나타내는 283.5±0.4 eV, 189±0.4 eV, 190±0.4 eV 및 191±0.4 eV에서 피크를 나타낼 수 있다.Specifically, the composite is doped with boron on carbon quantum dots, indicating the bond between the boron element and the carbon element in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis. Can show a peak at.
여기서, 189±0.4 eV, 190±0.4 eV 및 191±0.4 eV에서 나타나는 피크는 각각 BC3 결합 구조, BC2O 결합 구조 및 BCO2 결합 구조의 결합 에너지를 나타내는 피크로서, 본 발명의 복합체는 탄소 양자점에 도핑되는 붕소의 함량에 따라 붕소 원소와 탄소 원소의 결합 구조 비율이 제어되어 BC3 결합 구조와 BCO2 결합 구조의 결합 에너지를 나타내는 피크의 강도 비율(I189/I191)이 1.0 이상, 구체적으로는 1.0 내지 2.0; 1.0 내지 1.8; 1.0 내지 1.6; 1.0 내지 1.5; 1.0 내지 1.4; 또는 1.0 내지 1.3으로 상기 식 2를 만족할 수 있다.Here, the peaks appearing at 189±0.4 eV, 190±0.4 eV, and 191±0.4 eV are peaks representing the binding energy of the BC3 bonding structure, the BC2O bonding structure, and the BCO2 bonding structure, respectively, and the composite of the present invention is doped with carbon quantum dots. Depending on the content of boron, the ratio of the bond structure between the boron element and the carbon element is controlled, so that the intensity ratio of the peak indicating the bonding energy of the BC3 bond structure and the BCO2 bond structure (I 189 / I 191 ) is 1.0 or more, specifically 1.0 to 2.0. ; 1.0 to 1.8; 1.0 to 1.6; 1.0 to 1.5; 1.0 to 1.4; Alternatively,
상기 BC3 결합은 평면상의 결합이 파괴되지 않고 붕소 원자로 탄소 원자가 대체됨으로써 형성되는 기저 평면 종으로, BC3 결합에 포함된 붕소 원자의 전자는 보다 낮은 전기 음성도로 인해 탄소 원소 측으로 이동할 수 있다. 이러한 BC3 결합에 의한 전하 재분배는 평면 내 전자 이동을 개선시킬 수 있으므로, 활성 촉매 부위로서, 붕소가 도핑된 탄소 양자점에 분극된 부위를 생성할 수 있다. 이와 비교하여, BC2O 및 BCO2 결합은 주로 붕소가 도핑된 탄소 양자점의 가장자리에 위치하여 물 분자(H2O)나 수산화기(OH)를 갖는 분자와 같은 산소 함유 중간체와 적절하게 결합할 수 있으므로, BC2O 및 BCO2 결합에 참여하는 붕소의 비율이 높은 경우 산소 제조 반응 (OER) 및/또는 수소 제조 반응 (HER)의 촉매 활성이 우수한 경향을 나타낼 수 있다.The BC3 bond is a base planar species formed by replacing a carbon atom with a boron atom without destroying the planar bond, and electrons of the boron atom included in the BC3 bond may move toward the carbon element due to lower electronegativity. Since charge redistribution by the BC3 bond can improve electron transfer in the plane, as an active catalytic site, a polarized site on the boron-doped carbon quantum dots may be generated. In comparison, BC2O and BCO2 bonds are mainly located at the edge of boron-doped carbon quantum dots and can be appropriately bonded with oxygen-containing intermediates such as water molecules (H 2 O) or molecules having a hydroxyl group (OH). And when the ratio of boron participating in the BCO2 bonding is high, the catalytic activity of the oxygen production reaction (OER) and/or the hydrogen production reaction (HER) may be excellent.
한편, 본 발명에 따른 복합체는 상술된 바와 같이 3차원 다공성 구조를 갖는 그래핀 하이드로겔(graphene hydrogel, GH)을 포함하여 평균 BET 비표면적이 클 수 있다.Meanwhile, the composite according to the present invention may include a graphene hydrogel (GH) having a three-dimensional porous structure as described above and may have a large average BET specific surface area.
구체적으로, 상기 복합체는 주사 전자 현미경으로 분석 시 0.1㎛ 내지 10㎛의 평균 크기를 갖는 기공을 이루는 그래핀 시트의 벽들이 서로 상호 연결되어 3D 다공성 구조를 갖는 그래핀 하이드로겔(GH)을 포함하여, BET 비표면적 측정 시 평균 BET 비표면적과 복합체에 포함된 기공의 평균 크기가 각각 100 ㎡/g 내지 500 ㎡/g 및 1 nm 내지 10 nm일 수 있다.Specifically, the composite includes a graphene hydrogel (GH) having a 3D porous structure by interconnecting the walls of graphene sheets forming pores having an average size of 0.1 μm to 10 μm when analyzed by a scanning electron microscope. , When measuring the BET specific surface area, the average BET specific surface area and the average size of the pores included in the composite may be 100
하나의 예로서, 상기 복합체는 평균 BET 비표면적이 100 ㎡/g 내지 400 ㎡/g, 100 ㎡/g 내지 350 ㎡/g, 100 ㎡/g 내지 340 ㎡/g, 200 ㎡/g 내지 340 ㎡/g 또는 300 ㎡/g 내지 340 ㎡/g이고, 기공의 평균 크기가 1 nm 내지 9 nm, 1 nm 내지 8 nm, 2 nm 내지 8.5 nm, 4 nm 내지 8.5 nm, 또는 5 nm 내지 8.5 nm일 수 있다. 본 발명은 복합체의 평균 BET 비표면적과 기공의 평균 크기를 상기 범위로 제어함으로써 복합체의 전기 화학적 활성을 보다 촉진시킬 수 있다.As an example, the composite has an average BET specific surface area of 100 m2/g to 400 m2/g, 100 m2/g to 350 m2/g, 100 m2/g to 340 m2/g, 200 m2/g to 340 m2 /g or 300 m2/g to 340 m2/g, and the average pore size is 1 nm to 9 nm, 1 nm to 8 nm, 2 nm to 8.5 nm, 4 nm to 8.5 nm, or 5 nm to 8.5 nm I can. The present invention can further promote the electrochemical activity of the composite by controlling the average BET specific surface area and the average pore size of the composite within the above range.
복합체의 제조방법Manufacturing method of composite
또한, 본 발명은 일실시예에서,In addition, the present invention in one embodiment,
글루코스, 보론산 및 그래핀 옥사이드를 포함하는 혼합물의 수열반응을 수행하여 반응 중간체를 형성하는 단계; 및Forming a reaction intermediate by performing a hydrothermal reaction of a mixture containing glucose, boronic acid, and graphene oxide; And
형성된 반응 중간체의 환원반응을 수행하여 붕소가 도핑된 탄소 양자점이 표면에 분산된 그래핀 하이드로겔을 포함하는 복합체를 제조하는 단계;Performing a reduction reaction of the formed reaction intermediate to prepare a composite including a graphene hydrogel in which boron-doped carbon quantum dots are dispersed on a surface;
를 포함하는 복합체의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a composite comprising a.
본 발명에 따른 복합체의 제조방법은 그래핀 하이드로겔 (GH)의 원료인 그래핀 옥사이드 (GO), 탄소 양자점 (GQD)의 원료인 글루코스, 및 탄소 양자점에 도핑되는 붕소의 원료인 보론산 (boronic acid)을 포함하는 혼합물의 수열반응을 수행한 후 연속적으로 수열반응에 의해 생성된 반응 중간체를 환원시킴으로써 원 포트 (one-pot)로 복합체를 제조하는 것을 특징으로 한다.The manufacturing method of the composite according to the present invention includes graphene oxide (GO) as a raw material for graphene hydrogel (GH), glucose as a raw material for carbon quantum dots (GQD), and boronic acid as a raw material for boron doped on carbon quantum dots. acid) after performing a hydrothermal reaction of the mixture, and subsequently reducing the reaction intermediate produced by the hydrothermal reaction to prepare a complex in a one-pot manner.
이때, 혼합물의 수열반응을 수행하는 단계에서 상기 혼합물은 용매인 물에 그래핀 옥사이드 (GO), 글루코스 및 보론산이 용해되거나 분산된 형태를 가질 수 있으며, 첨가제로서, 황산 등의 강산을 더 포함할 수 있다.At this time, in the step of performing a hydrothermal reaction of the mixture, the mixture may have a form in which graphene oxide (GO), glucose and boronic acid are dissolved or dispersed in water as a solvent, and as an additive, a strong acid such as sulfuric acid may be further included. I can.
또한, 혼합물에 포함된 글루코스의 함량은 그래핀 옥사이드 100 중량부를 기준으로 50 중량부 내지 100 중량부로 포함될 수 있고, 구체적으로는 50 중량부 내지 90 중량부; 50 중량부 내지 85 중량부; 60 중량부 내지 90 중량부; 또는 70 중량부 내지 90 중량부로 포함될 수 있다.In addition, the amount of glucose contained in the mixture may be included in an amount of 50 parts by weight to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of graphene oxide, and specifically, 50 parts by weight to 90 parts by weight; 50 to 85 parts by weight; 60 to 90 parts by weight; Alternatively, it may be included in an amount of 70 parts by weight to 90 parts by weight.
아울러, 혼합물에 포함된 보론산의 함량은 글루코스 100 중량부를 기준으로 1 중량부 내지 15 중량부로 포함될 수 있고, 구체적으로는 1 중량부 내지 13 중량부; 1 중량부 내지 11 중량부; 1 중량부 내지 10 중량부; 1 중량부 내지 9 중량부; 1 중량부 내지 6 중량부; 1 중량부 내지 5 중량부; 3 중량부 내지 13 중량부; 5 중량부 내지 13 중량부; 7 중량부 내지 13 중량부; 11 중량부 내지 14 중량; 또는 5 중량부 내지 9 중량부로 포함될 수 있다.In addition, the amount of boronic acid contained in the mixture may be included in an amount of 1 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of glucose, and specifically, 1 to 13 parts by weight; 1 to 11 parts by weight; 1 to 10 parts by weight; 1 to 9 parts by weight; 1 to 6 parts by weight; 1 to 5 parts by weight; 3 parts by weight to 13 parts by weight; 5 parts by weight to 13 parts by weight; 7 parts by weight to 13 parts by weight; 11 to 14 parts by weight; Or it may be included in 5 parts by weight to 9 parts by weight.
나아가, 상기 수열 반응은 150℃ 내지 200℃의 온도에서 10 내지 30시간 동안 수행될 수 있으며, 구체적으로는 170℃ 내지 190℃의 온도에서 20 내지 28시간 동안 수행될 수 있다.Further, the hydrothermal reaction may be performed at a temperature of 150° C. to 200° C. for 10 to 30 hours, and specifically at a temperature of 170° C. to 190° C. for 20 to 28 hours.
또한, 반응 중간체를 환원시키는 단계는 탄소 재료를 환원시키기 위하여 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있으나, 본 발명에서는 아스코르브산, 아이오딘화 수소(HI), 브로민화 수소(HBr) 및 염화 수소 (HCl)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 환원제(농도: 50~60 vol.%)를 이용하여 35~45℃에서 4~6시간 동안 반응시킴으로써 수행될 수 있다.In addition, the step of reducing the reaction intermediate is not particularly limited and may be applied as long as it is a method commonly used in the art to reduce the carbon material, but in the present invention, ascorbic acid, hydrogen iodide (HI), hydrogen bromide ( HBr) and hydrogen chloride (HCl) using one or more reducing agents selected from the group consisting of (concentration: 50 ~ 60 vol.%) can be carried out by reacting for 4 ~ 6 hours at 35 ~ 45 ℃.
본 발명은 상술된 조건에서 연속적으로 원료 물질들의 수열 반응과 환원 반응을 수행함으로써 간단하게 복합체를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 종래 탄소 구조체/재료, 구체적으로는 탄소 양자점에 붕소가 낮은 비율로 도핑되는 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.The present invention is a problem in that not only a composite can be manufactured simply by performing a hydrothermal reaction and a reduction reaction of raw materials continuously under the above-described conditions, but also a conventional carbon structure/material, specifically, a carbon quantum dot, in which boron is doped at a low ratio. Can be solved effectively.
전극 촉매Electrode catalyst
나아가, 본 발명은 일실시예에서, 상기 복합체를 포함하는 촉매를 제공한다.Furthermore, in one embodiment, the present invention provides a catalyst including the complex.
본 발명에 따른 촉매는 상술된 복합체를 포함하여 산소 환원 반응 (ORR), 산소 발생 반응 (OER) 및/또는 수소 발생 반응(HER)에서 높은 촉매 활성을 나타내므로, 금속-공기 전지, 연료전지, 물 분해 장치 등에 모두 사용 가능한 다기능 촉매로 유용하다.Since the catalyst according to the present invention exhibits high catalytic activity in oxygen reduction reaction (ORR), oxygen generation reaction (OER) and/or hydrogen generation reaction (HER) including the above-described complex, metal-air cells, fuel cells, It is useful as a multifunctional catalyst that can be used in any water decomposition device.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples and experimental examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited to the following Examples and Experimental Examples.
실시예 1 내지 3.Examples 1 to 3.
글루코스 (120 mg), 보론산 및 황산 (100㎕)을 증류수 (10 ㎖)에 첨가하고, 20분간 초음파를 조사하여 혼합한 후 30분 동안 강하게 교반하면서 그래핀 옥사이드 용액(20㎖, 농도: 3 mg/㎖, 그래핀 옥사이드 함량: 150 mg)을 천천히 적가하였다. 적가가 완료되면 혼합물을 테프론 라인이 구비된 100 ㎖ 용량의 스테인레스 스틸 오토 클레브로 옮겨 담고 24시간 동안 180℃에서 수열 반응을 수행하였다. 반응이 종료되면 용액 내 형성된 고상의 생성물을 수집하여 증류수에 12시간 동안 담궈 불순물을 제거하고, 40℃에서 55 vol.%의 요오드화 수소(HI) 수용액에 5시간 동안 침지시켜 환원반응을 수행하였다. 그 후, 생성물을 수집하여 증류수로 세척하고, 90℃에서 1시간 동안 건조시켜 붕소가 도핑된 탄소 양자점(BGQD)이 그래핀 하이드로겔(GH)에 분산된 형태의 복합체(GH-BGQD)를 제조하였다.Glucose (120 mg), boronic acid, and sulfuric acid (100 µl) were added to distilled water (10 ㎖), and after mixing by irradiating with ultrasonic waves for 20 minutes, a graphene oxide solution (20 ㎖, concentration: 3) while stirring vigorously for 30 minutes. mg/ml, graphene oxide content: 150 mg) was slowly added dropwise. When the dropwise addition was completed, the mixture was transferred to a stainless steel autoclave having a capacity of 100 ml equipped with a Teflon line, and hydrothermal reaction was performed at 180° C. for 24 hours. When the reaction was completed, the solid product formed in the solution was collected and immersed in distilled water for 12 hours to remove impurities, and the reduction reaction was performed by immersing in 55 vol.% hydrogen iodide (HI) aqueous solution at 40° C. for 5 hours. Thereafter, the product was collected, washed with distilled water, and dried at 90° C. for 1 hour to prepare a composite (GH-BGQD) in which boron-doped carbon quantum dots (BGQD) were dispersed in graphene hydrogel (GH). I did.
이때, 복합체(GH-BGQD) 제조 시 사용된 보론산의 함량과 탄소 양자점에 도핑된 붕소의 함량은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다:At this time, the content of boronic acid used in the preparation of the composite (GH-BGQD) and the content of boron doped in the carbon quantum dots are as shown in Table 1 below:
보론산 함량Based on 100 parts by weight of glucose
Boronic acid content
비교예 1.Comparative Example 1.
글루코스 (120 mg), 보론산(10 mg) 및 황산 (100㎕)을 증류수 (10 ㎖)에 첨가하고, 20분간 초음파를 조사하여 혼합한 후 혼합물을 테프론 라인이 구비된 100 ㎖ 용량의 스테인레스 스틸 오토 클레브로 옮겨 담고 24시간 동안 180℃에서 수열 반응을 수행하였다. 반응이 종료되면 용액 내 형성된 고상의 생성물을 수집하여 증류수에 12시간 동안 담궈 불순물을 제거함으로써 붕소가 도핑된 탄소 양자점 (B-GQD)을 제조하였다. 이때, 글루코스 100 중량부 기준 보론산의 함량은 8.3 중량부였다.Glucose (120 mg), boronic acid (10 mg), and sulfuric acid (100 µl) were added to distilled water (10 ㎖), and the mixture was mixed by irradiation with ultrasonic waves for 20 minutes, and then the mixture was mixed with a stainless steel of 100 ㎖ equipped with a Teflon line Transferred to an autoclave and subjected to a hydrothermal reaction at 180° C. for 24 hours. When the reaction was completed, the solid product formed in the solution was collected and immersed in distilled water for 12 hours to remove impurities to prepare boron-doped carbon quantum dots (B-GQD). At this time, the content of boronic acid based on 100 parts by weight of glucose was 8.3 parts by weight.
비교예 2.Comparative Example 2.
그래핀 옥사이드 용액(20㎖, 농도: 3 mg/㎖, 그래핀 옥사이드 함량: 150 mg)과 보론산(10 mg)을 테프론 라인이 구비된 100 ㎖ 용량의 스테인레스 스틸 오토 클레브로 옮겨 담고 24시간 동안 180℃에서 수열 반응을 수행하였다. 반응이 종료되면 용액 내 형성된 고상의 생성물을 수집하여 증류수에 12시간 동안 담궈 불순물을 제거하고, 40℃에서 55 vol.%의 요오드화 수소(HI) 수용액에 5시간 동안 침지시켜 환원반응을 수행하였다. 그 후, 생성물을 수집하여 증류수로 세척하고, 90℃에서 1시간 동안 건조시켜 그래핀 하이드로겔(GH)을 제조하였다.Graphene oxide solution (20 ml, concentration: 3 mg/ml, graphene oxide content: 150 mg) and boronic acid (10 mg) were transferred to a 100 ml stainless steel autoclave equipped with a Teflon line and placed for 24 hours. Hydrothermal reaction was performed at 180°C. When the reaction was completed, the solid product formed in the solution was collected and immersed in distilled water for 12 hours to remove impurities, and the reduction reaction was performed by immersing in 55 vol.% hydrogen iodide (HI) aqueous solution at 40° C. for 5 hours. Thereafter, the product was collected, washed with distilled water, and dried at 90° C. for 1 hour to prepare a graphene hydrogel (GH).
비교예 3.Comparative Example 3.
혼합물에 보론산을 혼합하지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 반응을 수행하여 탄소 양자점(GQD)이 그래핀 하이드로겔(GH)에 분산된 형태의 복합체(GH-GQD)를 제조하였다.A composite (GH-GQD) in which carbon quantum dots (GQD) were dispersed in graphene hydrogel (GH) was prepared by performing the same reaction as in Example 1, except that boronic acid was not mixed in the mixture.
비교예 4.Comparative Example 4.
그래핀 옥사이드 용액(20㎖, 농도: 3 mg/㎖, 그래핀 옥사이드 함량: 150 mg)에 비교예 1에서 얻은 복합체(B-GQD)과 55 vol.%의 요오드화 수소(HI) 수용액 을 첨가하여 균일하게 혼합하고, 40℃에서 5시간 동안 환원반응을 수행하여 환원 그래핀 옥사이드(rGO)에 붕소가 도핑된 탄소 양자점(B-GQD)이 분산된 형태의 복합체(G-BGQD)를 제조하였다.The complex (B-GQD) obtained in Comparative Example 1 and 55 vol.% hydrogen iodide (HI) aqueous solution were added to the graphene oxide solution (20 ml, concentration: 3 mg/ml, graphene oxide content: 150 mg). Uniformly mixed and subjected to a reduction reaction at 40° C. for 5 hours to prepare a composite (G-BGQD) in which boron-doped carbon quantum dots (B-GQD) were dispersed in reduced graphene oxide (rGO).
실험예 1.Experimental Example 1.
본 발명에 따른 복합체의 형태 및 구조 등을 평가하기 위하여, 실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 4의 복합체를 대상으로 ① 전계 방출 주사 전자현미경(Field Emission-Scanning Electron Microscopy, FE-SEM), ② 투과 전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM), ③ 고분해능 투과 전자현미경 (High-Resolution Transmission Electron Microscopy, HR-TEM), ④ BET 비표면적, ⑤ 라만 분광, ⑥ X선 회절 분광 (X-Ray Diffraction, XRD) 및 ⑦ X선 광전자 분광 (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석을 수행하여 그 결과를 도 2 내지 8과 표 2 및 3에 나타내었다. 구체적인 분석 조건은 다음과 같다:In order to evaluate the shape and structure of the composite according to the present invention, targeting the composites of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, ① Field Emission-Scanning Electron Microscopy (FE-SEM), ② Transmission Electron Microscopy (TEM), ③ High-Resolution Transmission Electron Microscopy (HR-TEM), ④ BET specific surface area, ⑤ Raman spectroscopy, ⑥ X-Ray Diffraction, XRD) and ⑦ X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analysis was performed, and the results are shown in FIGS. 2 to 8 and Tables 2 and 3. Specific analysis conditions are as follows:
- 전계 방출 주사 전자현미경(FE-SEM)은 JEOL사의 JSM-6500F 및 JEM-2100F를 이용하여 측정하였다.-Field emission scanning electron microscope (FE-SEM) was measured using JEOL's JSM-6500F and JEM-2100F.
- 고분해능 투과 전자현미경 (HR-TEM) 분석: JEOL 사의 JEM-ARM200F 고분해능 투과 전자현미경 (Cs-Corrector)을 이용하여 200 keV의 해상도로 0.025 Å 파장을 주사하여 투과된 전자빔을 측정하여 시편의 표면을 촬영하였고, 동시에 회절된 전자빔을 고속 푸리에 변환 (Fast Fourier Transformation, FFT)하여 선택영역 전자회절 (Selected Area Electron Diffraction, SAED) 패턴을 얻었다.-High-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) analysis: Using JEOL's JEM-ARM200F high-resolution transmission electron microscope (Cs-Corrector), the surface of the specimen was measured by scanning a wavelength of 0.025 Å at a resolution of 200 keV and measuring the transmitted electron beam. Images were taken, and the electron beam diffracted at the same time was subjected to Fast Fourier Transformation (FFT) to obtain a Selected Area Electron Diffraction (SAED) pattern.
- 비표면적: Micromeritics사의 질소 흡착 측정기 (ASAP 2020)를 이용하여 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 분석법에 의해 산출되었다.-Specific surface area: Calculated by Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis using Micromeritics' nitrogen adsorption analyzer (ASAP 2020).
- X선 광전자 분광 (XPS): Thermo Fish사의 X선 광전자 분광기로 단색 AlKα 방사선 (hv = 1486.6 eV)을 이용하여 100 eV 내지 900 eV의 결합 에너지 범위에서 X선 광전자분광 (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)을 측정하였다.-X-ray photoelectron spectroscopy (XPS): X-ray photoelectron spectroscopy (X-ray photoelectron spectroscopy) in a binding energy range of 100 eV to 900 eV using monochromatic AlKα radiation (hv = 1486.6 eV) using Thermo Fish's X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) was measured.
도 2 내지 도 8과 표 2 및 3을 살펴보면, 본 발명에 따른 복합체는 붕소가 도핑된 탄소 양자점이 그래핀 하이드로겔에 균일하게 분산된 구조를 갖는 것을 알 수 있다.2 to 8 and Tables 2 and 3, it can be seen that the composite according to the present invention has a structure in which boron-doped carbon quantum dots are uniformly dispersed in a graphene hydrogel.
구체적으로, 도 2는 실시예의 복합체를 주사 전자 현미경 (SEM)으로 분석한 이미지로서, 실시예의 복합체는 0.1㎛ 내지 10㎛, 구체적으로는 0.1㎛ 내지 5㎛의 평균 크기를 갖는 기공을 이루는 그래핀 시트의 벽들이 서로 상호 연결되어 3D 다공성 구조를 갖는 그래핀 하이드로겔(GH)을 포함하는 것을 알 수 있다.Specifically, FIG. 2 is an image of analyzing the composite of the Example with a scanning electron microscope (SEM), and the composite of the Example is graphene forming pores having an average size of 0.1 µm to 10 µm, specifically 0.1 µm to 5 µm. It can be seen that the walls of the sheet are interconnected to each other to include graphene hydrogel (GH) having a 3D porous structure.
또한, 도 3 및 4는 각각 실시예의 복합체(GH-BGQD)를 투과 전자 현미경 (TEM)과 고분해능 투과 전자현미경 (HR-TEM)으로 분석한 이미지로서, 투과 전자 현미경(TEM)과 이에 대응하는 원소 매핑 이미지 (elemental mapping images)를 살펴보면, 탄소, 산소 및 붕소 원소가 균일하게 분포되는 것을 확인할 수 있다. 이는 복합체에 함유된, 붕소가 도핑된 탄소 양자점이 응집되지 않고, 그래핀 하이드로겔(GH)의 표면 및/또는 내부에 균일하게 분산되어 있음을 의미한다. 아울러, 붕소가 도핑된 탄소 양자점은 높은 결정도의 구조를 가져 (1120) 격자에 상응하는 0.24 nm의 격자 간격을 가지며, 평균 직경은 1 nm 내지 8 nm이고, 3 nm 내지 6 nm의 평균 직경을 갖는 탄소 양자점이 전체 탄소 양자점의 약 75% 내지 85%를 차지하는 것으로 확인되었다.In addition, Figures 3 and 4 are images analyzed by a transmission electron microscope (TEM) and a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM), respectively, of the composite (GH-BGQD) of the embodiment, and the transmission electron microscope (TEM) and corresponding elements Looking at the elemental mapping images, it can be seen that carbon, oxygen, and boron elements are uniformly distributed. This means that the boron-doped carbon quantum dots contained in the composite are not aggregated and are uniformly dispersed on the surface and/or inside of the graphene hydrogel (GH). In addition, boron-doped carbon quantum dots have a structure of high crystallinity and have a lattice spacing of 0.24 nm corresponding to the (1120) lattice, and have an average diameter of 1 nm to 8 nm, and an average diameter of 3 nm to 6 nm. It was found that carbon quantum dots account for about 75% to 85% of the total carbon quantum dots.
아울러, 도 5는 비교예 2 및 4와 실시예 2의 복합체를 대상으로 BET 비표면적을 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 상기 도 5와 하기 표 2를 살펴보면, 실시예 2의 복합체는 3D 다공성 구조를 갖는 그래핀 하이드로겔을 포함하여 평균 BET 비표면적이 300 ㎡/g 이상으로 큰 값을 나타내나, 붕소가 도핑된 탄소 양자점이 환원된 그래핀 시트에 분산된 비교예 4의 복합체는 비표면적이 100 ㎡/g 미만으로 현저히 낮은 것으로 확인되었다. 또한, 실시예 2의 복합체는 그래핀 하이드로겔만을 포함하는 비교예 2와 비교하여 상대적으로 큰 비표면적을 갖는 것으로 나타났는데, 이는 제조 시 붕소가 도핑된 탄소 양자점이 그래핀 하이드로겔과 동시에 형성되어 비교예 2의 그래핀 하이드로겔과 비교하여 보다 높은 기공도를 갖는 그래핀 하이드로겔이 형성됨을 의미하는 것으로서, 이러한 고다공성 구조는 전해질 또는 중간체에 활성 부위로의 효과적인 확산 경로를 제공하여 전기 화학적 반응을 촉진시키는 기능을 할 수 있다:In addition, Figure 5 is a graph showing the results of measuring the BET specific surface area for the composites of Comparative Examples 2 and 4 and Example 2. Referring to FIG. 5 and Table 2 below, the composite of Example 2 includes a graphene hydrogel having a 3D porous structure and exhibits a large average BET specific surface area of 300
[㎡/g]Average BET specific surface area
[㎡/g]
[㎤/g]Average volume of pores
[Cm3/g]
[nm]Average pore size
[nm]
이와 더불어, 도 6은 실시예 2의 복합체(GH-BGQD)와 비교예 2의 복합체(GH-GQD)의 라만 분광 분석 결과를 도시한 그래프로서, 도 6을 살펴보면, 실시예 2 및 비교예 2의 복합체는 라만 스펙트럼 측정 시, 약 1595±1 cm-1의 화학 이동값을 갖는 피크와 약 1350 ±1 cm-1의 화학 이동값을 갖는 피크가 존재하는 것으로 나타났다. 이들 피크는 각각 방향족 구조의 sp2 오비탈을 나타내는 G 밴드와 탄소 물질의 탄소 격자에 존재하는 장애(disorder) 또는 결함(defect)의 정도를 나타내는 D 밴드를 나타내는 피크이다. 이들 피크의 강도 비율(ID/IG)을 통해 탄소 재료의 장애 또는 결함 정도를 추정할 수 있는데, 실시예 2의 복합체는 피크 강도 비율(ID/IG)이 0.87±0.05인데 반해, 비교예 2의 복합체는 피크 강도 비율(ID/IG)이 0.75±0.05인 것으로 나타났다. 이는 실시예 2의 복합체가 탄소 양자점에 붕소가 도핑되어 탄소 결함이 보다 많음을 나타내는 것으로 이로부터 실시예 2의 복합체가 전기 촉매로 사용 시 비교예 2의 복합체 보다 활성이 높음을 알 수 있다.In addition, FIG. 6 is a graph showing the results of Raman spectroscopy analysis of the complex of Example 2 (GH-BGQD) and the complex of Comparative Example 2 (GH-GQD). Referring to FIG. 6, Example 2 and Comparative Example 2 When the Raman spectrum was measured, it was found that a peak having a chemical shift value of about 1595 ± 1 cm -1 and a peak having a chemical shift value of about 1350 ± 1 cm -1 existed. These peaks are the G band representing the sp2 orbital of the aromatic structure and the D band representing the degree of disorder or defect present in the carbon lattice of the carbon material, respectively. Through these intensity ratio of the peak (I D / I G) may estimate the degree of failure or defect of the carbon material composite of Example 2 is the a 0.87 ± 0.05 a peak intensity ratio (I D / I G), while, The composite of Comparative Example 2 was found to have a peak intensity ratio (I D /I G ) of 0.75±0.05. This indicates that the composite of Example 2 is doped with boron on the carbon quantum dots and thus has more carbon defects. From this, it can be seen that the composite of Example 2 has higher activity than the composite of Comparative Example 2 when used as an electrocatalyst.
도 7 및 도 8은 실시예 1 내지 3과 비교예 3의 복합체에 대한 X선 광전자 분광 결과를 도시한 그래프로서, 도 7을 살펴보면, 실시예 및 비교예의 복합체들은 530.4±2 eV 및 284.2±2 eV에서 탄소 원소와 산소 원소의 결합 에너지를 나타내는 피크가 각각 존재하는 것으로 확인되었다. 그러나, 비교예 3의 복합체(GH-GQD)는 약 190±2 eV에서 붕소 원소에 대한 결합 에너지를 나타내는 피크가 존재하지 않는 반면, 실시예의 복합체(GH-BGQD)들은 탄소 양자점에 붕소가 도핑되어 약 190±2 eV에서 붕소 원소에 대한 결합 에너지를 나타내는 피크가 나타났으며, 탄소 양자점에 도핑된 붕소의 함량이 2.8 원자%에서 4.8 원자%로 증가함에 따라 상기 피크의 강도가 증가하는 것으로 확인되었다.7 and 8 are graphs showing X-ray photoelectron spectroscopy results for the composites of Examples 1 to 3 and Comparative Example 3. Referring to FIG. 7, the composites of Example and Comparative Example are 530.4±2 eV and 284.2±2. In eV, it was confirmed that peaks representing the binding energy of the carbon element and the oxygen element exist, respectively. However, the composite of Comparative Example 3 (GH-GQD) did not have a peak indicating the binding energy to the boron element at about 190 ± 2 eV, whereas the composite of Example (GH-BGQD) was doped with boron on the carbon quantum dots. A peak indicating the binding energy to the boron element appeared at about 190±2 eV, and it was confirmed that the intensity of the peak increased as the content of boron doped in the carbon quantum dots increased from 2.8 atomic% to 4.8 atomic%. .
아울러, 도 8을 살펴보면, 실시예 1 내지 3의 복합체는 탄소 양자점에 도핑된 붕소의 함량에 따라 탄소 원소(C)의 결합 에너지와 붕소 원소(B)의 결합 에너지는 다른 경향을 나타내는 것으로 확인되었다. 구체적으로, 실시예의 복합체들은 C1s 스펙트럼의 284.5±0.2 eV, 286.6±0.2 eV, 287.3±0.2 eV 및 288.9±0.5 eV에서 각각 sp2 오비탈을 갖는 방향족 탄소의 C=C 결합, C-O 결합, C=O 결합 및 O-C=O 결합의 결합 에너지를 나타내는 피크와 함께, 283.7±0.5 eV에서 B-C 결합의 결합 에너지를 나타내는 피크를 확인할 수 있다. 이는 붕소가 탄소 양자점의 탄소 네트워크에 도입되었음을 나타낸다. 또한, 상기 복합체들은 B1s 스펙트럼의 187.7±0.4 eV, 189.0±0.4 eV, 190.1±0.4 eV 및 191.3±0.4 eV에서 각각 BC4 결합, BC3 결합, BC2O 결합 및 BCO2 결합의 결합 에너지를 나타내는 피크를 나타났으며, 하기 표 3에 나타낸 바와 같이 탄소 양자점에 도핑된 붕소의 함량에 따라 각 피크의 분율이 다른 것으로 확인되었다:In addition, referring to FIG. 8, it was confirmed that the composites of Examples 1 to 3 exhibit different trends in the binding energy of the carbon element (C) and the binding energy of the boron element (B) according to the content of boron doped in the carbon quantum dots. . Specifically, the composites of the examples are C=C bonds, CO bonds, C=O bonds of aromatic carbons having sp2 orbitals at 284.5±0.2 eV, 286.6±0.2 eV, 287.3±0.2 eV, and 288.9±0.5 eV of the C1s spectrum, respectively. And a peak representing the binding energy of the OC=O bond, and a peak representing the binding energy of the BC bond at 283.7±0.5 eV. This indicates that boron has been introduced into the carbon network of carbon quantum dots. In addition, the complexes exhibited peaks representing the binding energy of BC4 binding, BC3 binding, BC2O binding and BCO2 binding at 187.7±0.4 eV, 189.0±0.4 eV, 190.1±0.4 eV, and 191.3±0.4 eV of the B1s spectrum, respectively. , As shown in Table 3 below, it was confirmed that the fraction of each peak was different depending on the content of boron doped in the carbon quantum dots:
구체적으로, 실시예 2의 복합체는 BC3 결합에 참여하는 붕소의 함량이 가장 높아 189.0±0.4 eV에 존재하는 BC3 결합 에너지 피크는 191.3±0.4 eV에 존재하는 BC2O 결합 에너지 피크와의 강도 비율(I189/I191)이 약 1.20 내지 1.25인 것으로 확인되었다. 이에 반해, 실시예 1 및 3의 복합체는 BC2O 결합과 BCO2 결합에 참여하는 붕소의 함량이 높아, 189.0±0.4 eV에 존재하는 BC3 결합 에너지 피크는 191.3±0.4 eV에 존재하는 BC2O 결합 에너지 피크와의 강도 비율(I189/I191)이 각각 약 0.47 및 0.89dls 것으로 확인되었다.Specifically, the composite of Example 2 has the highest content of boron participating in BC3 binding, and the BC3 binding energy peak present at 189.0±0.4 eV is the intensity ratio with the BC2O binding energy peak present at 191.3±0.4 eV (I 189 /I 191 ) was found to be between about 1.20 and 1.25. In contrast, the complexes of Examples 1 and 3 had a high content of boron participating in BC2O bonding and BCO2 bonding, so that the BC3 binding energy peak at 189.0±0.4 eV was compared with the BC2O binding energy peak at 191.3±0.4 eV. The intensity ratio (I 189 /I 191 ) was found to be about 0.47 and 0.89 dls, respectively.
상기 BC3 결합은 평면상의 결합이 파괴되지 않고 붕소 원자로 탄소 원자가 대체됨으로써 형성되는 기저 평면 종으로, BC3 결합에 포함된 붕소 원자의 전자는 보다 낮은 전기 음성도로 인해 탄소 원소 측으로 이동할 수 있다. 이러한 BC3 결합에 의한 전하 재분배는 평면 내 전자 이동을 개선시킬 수 있으므로, 활성 부위로서, 붕소가 도핑된 탄소 양자점에 분극된 부위를 생성할 수 있다. 이와 비교하여, BC2O 및 BCO2 결합은 주로 붕소가 도핑된 탄소 양자점의 가장자리에 위치하므로 전기 전도성을 저하시키는 작용을 할 수 있으나, 물 분자(H2O)나 수산화기(OH)를 갖는 분자와 같은 산소 함유 중간체와 적절하게 결합할 수 있으므로, BC2O 및 BCO2 결합에 참여하는 붕소의 비율이 높은 실시예 3의 복합체 경우 산소 제조 반응 (OER) 및/또는 수소 제조 반응 (HER)의 촉매 활성이 우수할 수 있다.The BC3 bond is a base planar species formed by replacing a carbon atom with a boron atom without destroying the planar bond, and electrons of the boron atom included in the BC3 bond may move toward the carbon element due to lower electronegativity. Since charge redistribution by the BC3 bond can improve electron transfer in a plane, as an active site, a polarized site on a boron-doped carbon quantum dot may be generated. In comparison, BC2O and BCO2 bonds are mainly located at the edge of boron-doped carbon quantum dots, so they can act to lower electrical conductivity, but oxygen such as water molecules (H 2 O) or molecules having a hydroxyl group (OH) Since it can be appropriately combined with the containing intermediate, the composite of Example 3 having a high ratio of boron participating in BC2O and BCO2 bonding may have excellent catalytic activity of the oxygen production reaction (OER) and/or the hydrogen production reaction (HER). have.
한편, 비교예 2의 그래핀 하이드로겔(GH)에 대한 X선 광전자 분광 결과로부터, 그래핀 하이드로겔의 제조 시 보론산을 사용하였음에도 약 190±2 eV에서 붕소 원소에 대한 결합 에너지를 나타내는 피크가 존재하지 않는 것으로 확인되었다. 이는 붕소의 도핑은 그래핀 하이드로겔이 아닌 글루코오스의 흑연화(graphitization) 시 유도됨을 의미한다.On the other hand, from the X-ray photoelectron spectroscopy results of the graphene hydrogel (GH) of Comparative Example 2, the peak representing the binding energy to the boron element at about 190±2 eV even though boronic acid was used in the preparation of the graphene hydrogel was It was found to be non-existent. This means that doping of boron is induced during graphitization of glucose, not graphene hydrogel.
이러한 결과들로부터, 본 발명에 따른 복합체는 붕소가 도핑된 탄소 양자점이 그래핀 하이드로겔에 균일하게 분산 및 고정된 구조를 가지며, 이에 따라 우수한 전기적 물성을 갖는 것을 알 수 있다.From these results, it can be seen that the composite according to the present invention has a structure in which boron-doped carbon quantum dots are uniformly dispersed and fixed in the graphene hydrogel, thereby having excellent electrical properties.
실험예 2.Experimental Example 2.
본 발명에 따른 복합체의 전기 화학적 물성을 평가하기 위하여, 실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 4의 복합체들을 대상으로, 3전극 시스템을 제조하였다. 구체적으로, 실시예 및/또는 비교예에서 제조된 복합체 (5 ml)를 나피온 용액 (25 ㎕, 0.5 중량%, 듀폰)과 함께 이소프로필 알코올 (4.975 ㎖)에 첨가하고, 초음파 처리하여 촉매 활성 페이스트를 제조하였다. 제조된 페이스트를 유리-탄소 전극 (GCE, 직경 4mm) 및 백금 (Pt) 링 (내경: 5.5 mm, 외경: 7.2 mm)에 로딩하여 작업전극을 제조하였다. 비교 작업전극으로 복합체 대신 백금/탄소 (Pt/C, Vulcan XC72상의 20 % Pt 함유) 및 이리듐/탄소 (Ir/C, Vulcan XC-72상의 20 % Ir 함유)를 사용한 전극도 함께 제작하였다. 또한, 흑연 막대가 산소환원반응(ORR) 및 수소 제조 반응 (HER)의 대향 전극으로 사용하고, Pt 와이어는 산소 제조 반응 (OER)의 대향전극으로 사용하여 포화 칼로멜 전극 (SCE)을 모든 반응에 대한 기준 전극으로 사용하는 시스템을 제작하였다. 제작된 전극 시스템들을 대상으로 하기와 같은 실험들을 수행하였으며, 상기 전극 시스템에 대한 하기의 실험 결과는 도 9 내지 도 12에 나타내었다.In order to evaluate the electrochemical properties of the composite according to the present invention, a three-electrode system was prepared for the composites of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4. Specifically, the complexes (5 ml) prepared in Examples and/or Comparative Examples were added to isopropyl alcohol (4.975 ml) together with Nafion solution (25 μl, 0.5% by weight, DuPont), and catalytic activity was performed by sonication. A paste was prepared. The prepared paste was loaded on a glass-carbon electrode (GCE,
가) 산소 환원 반응 (ORR)을 위한 물성 평가 A) Evaluation of physical properties for oxygen reduction reaction (ORR)
- 실시예 및 비교예의 복합체들을 포함하는 전극 시스템을 대상으로 순환 전압전류법(Cyclic Voltammetry, CV)을 수행하여 ORR 성능을 평가하였다. 이때, 상기 순환 전압전류법은 N2가 포화된 0.1M KOH 용액 또는 O2가 포화된 0.1M KOH 용액을 전해질 용액으로 이용하여 10 mV/s의 스캔 속도로 0.0~1.2V의 전위 범위 내에서 수행되었으며, 실시예 2의 복합체(GH-BGQD)에 대한 결과를 도 9(a)에 나타내었다.-The ORR performance was evaluated by performing Cyclic Voltammetry (CV) on the electrode system including the composites of Examples and Comparative Examples. At this time, the cyclic voltammetry is performed using a 0.1M KOH solution saturated with N 2 or a 0.1M KOH solution saturated with O 2 as an electrolyte solution within a potential range of 0.0 to 1.2V at a scan rate of 10 mV/s. It was performed, and the results for the complex of Example 2 (GH-BGQD) are shown in FIG. 9(a).
도 9(a)를 참고하면, 실시예 2의 복합체는 전해질 용액이 N2가 포화된 0.1M KOH 용액을 사용하는 경우 특징적인 피크가 확인되지 않는 반면, O2가 포화된 0.1M KOH 용액을 사용하는 경우 실질적인 전류 밀도 증가로 0.61V에서 뚜렷한 음극 피크가 명확하게 관찰되었다. 이는 실시예의 복합체가 ORR에 대해 현저한 전기 촉매 활성을 나타냄을 의미한다.Referring to FIG. 9(a), in the case of the composite of Example 2, when the electrolyte solution was a 0.1M KOH solution saturated with N 2 , a characteristic peak was not observed, whereas a 0.1M KOH solution saturated with O 2 was used. In the case of use, a distinct cathode peak was clearly observed at 0.61V due to a substantial increase in current density. This means that the composites of the examples exhibit remarkable electrocatalytic activity for ORR.
- 또한, 실시예 1 내지 3과 비교예 3 및 4의 복합체들을 포함하는 전극 시스템을 대상으로 선형 주사 전압전류법 (Linear Sweep Voltammetry, LSV)을 수행하였다. 이때, 상기 선형 주사 전압전류법은 전해질 용액으로서 O2가 포화된 0.1M KOH 용액을 이용하고, 회전 디스크 전극(RDE)을 사용하여 1600 rpm의 회전속도로 수행되었으며, 그 결과는 도 9(b)에 나타내었다.-In addition, linear scanning voltammetry (LSV) was performed on electrode systems including composites of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 3 and 4. In this case, the linear scanning voltammetry was performed using a 0.1M KOH solution saturated with O 2 as an electrolyte solution, and a rotational speed of 1600 rpm using a rotating disk electrode (RDE), and the results are shown in Fig. 9(b). ).
도 9(b)를 참고하면, 실시예의 복합체들은 그래핀 하이드로겔에 붕소가 도핑되지 않은 탄소 양자점이 분산된 비교예 3의 복합체와 비교하여 보다 우수한 개시 전위와 보다 큰 전류 밀도를 가짐을 알 수 있다. 이는 탄소 양자점에 붕소가 도핑되어 활성 부위가 증가됨에 따른 효과이다. 또한, 실시예 1 내지 3의 복합체의 곡선을 살펴보면 탄소 양자점에 도핑된 붕소의 함량에 따라 분극 곡선이 상이한데, 탄소 양자점에 도핑된 붕소의 함량이 전체 복합체에 대하여 3.0 원자% 이상인 실시예 2 및 3의 복합체는 붕소가 도핑된 탄소 양자점이 그래핀에 분산된 비교예 4의 복합체보다도 현저히 높은 개시 전위와 제한 전류 밀도를 나타냈다. 특히 실시예 2의 복합체는 최대 개시전위 및 최대 제한 전류 밀도가 각각 0.93 V 및 5.74 mA/㎠로 실시예의 복합체 중에서 가장 우수한 물성을 나타내고, 종래 ORR 촉매 사용되고 있는 백금/탄소(Pt/C)의 최대 개시전위(0.93V)와 최대 제한 전류 밀도(4.03 mA/㎠) 촉매와 동등하거나 또는 보다 우수한 성능을 나타내는 것이다. 뿐만 아니라, 실시예 2의 복합체는 반파 전위가 0.87V로 백금/탄소 (Pt/C) 촉매의 반파 전위 0.85V보다 높으므로, 백금/탄소 (Pt/C) 촉매와 비교하여 ORR 성능이 높음을 알 수 있다.Referring to FIG. 9(b), it can be seen that the composites of the Example have a better initiation potential and a greater current density compared to the composite of Comparative Example 3 in which carbon quantum dots not doped with boron are dispersed in a graphene hydrogel. have. This is due to the increase in active sites by doping boron on the carbon quantum dots. In addition, looking at the curves of the composites of Examples 1 to 3, the polarization curve is different depending on the content of boron doped in the carbon quantum dots, Example 2 in which the content of boron doped in the carbon quantum dots is 3.0 atomic% or more with respect to the entire composite, and The composite of 3 exhibited significantly higher initiation potential and limiting current density than the composite of Comparative Example 4 in which boron-doped carbon quantum dots were dispersed in graphene. In particular, the composite of Example 2 exhibits the most excellent physical properties among the composites of the example with the maximum starting potential and the maximum limiting current density of 0.93 V and 5.74 mA/
- 아울러, 본 발명은 실시예의 복합체들을 포함하는 전극 시스템을 대상으로 서로 다른 회전 속도 조건 하에서 회전 고리 디스크 실험 (RRDE)을 수행하였으며, Koutecky-Levich (K-L) 플롯은 해당 곡선으로부터 얻었다. 이때, 상기 회전 고리 디스크 실험 (RRDE)은 O2가 포화된 0.1M KOH 용액을 전해질로 사용하여 1600 rpm의 속도로 수행되었으며, 측정된 결과는 도 9(c) 및 (d)에 나타내었다.In addition, in the present invention, a rotating ring disk experiment (RRDE) was performed under different rotational speed conditions for an electrode system including the composites of the examples, and a Koutecky-Levich (KL) plot was obtained from the corresponding curve. At this time, the rotating ring disk experiment (RRDE) was performed at a speed of 1600 rpm using a 0.1M KOH solution saturated with O 2 as an electrolyte, and the measured results are shown in FIGS. 9(c) and (d).
도 9(c) 및 (d)을 참고하면, 실시예의 복합체들은 보다 짧은 확산 길이와 높은 속도로 인해 전류 밀도가 회전 속도와 동시에 증가하는 것을 확인할 수 있으며, K-L 플롯을 통해 예비 회전 제곱근 속도와 예비 제한 전류 밀도 사이에서 높은 선형성을 나타냄을 알 수 있다. 또한, 회전 고리-디스크 전극(RRDE) 시험으로부터 산출된 복합체의 산소 분자 당 전자 이동 수(n)은 0.4~0.8V 전위 범위에서 3.73 내지 3.92이고, 복합체들의 과산화수소 (H2O2) 생성률은 연구된 전체 전위 범위에서 18% 미만이고, 0.8V에서는 15%인 것으로 나타났다. 이는 실시예의 복합체들이 4-전자 반응 경로를 통해 높은 ORR 촉매 활성을 나타냄을 의미한다. Referring to Figures 9(c) and (d), it can be seen that the current density increases simultaneously with the rotational speed due to the shorter diffusion length and higher speed of the composites. It can be seen that there is a high linearity between the limiting current densities. In addition, the number of electron transfers per oxygen molecule (n) of the complex calculated from the rotating ring-disk electrode (RRDE) test is 3.73 to 3.92 in the range of 0.4 to 0.8 V, and the hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) production rate of the complexes is studied. It was found to be less than 18% in the total potential range and 15% at 0.8V. This means that the complexes of the examples exhibit high ORR catalytic activity through a 4-electron reaction pathway.
- 나아가, 복합체들의 메탄올 내성을 확인하기 위하여, 1200초 동안 실시예 2의 복합체를 포함하는 전극 시스템의 전류 밀도를 측정하면서, 시스템에 구비된 전해질에 메탄올을 첨가하고, 이후 전극 시스템의 전류 밀도 변화를 관찰하였다. 대조군으로 백금/탄소 (Pt/C) 촉매를 사용한 전극 시스템도 동일한 방법으로 전류 밀도 변화를 관찰하였다. 그 결과, 도 9(e)을 살펴보면, 실시예 2의 복합체를 포함하는 전극 시스템은 전류 밀도가 안정적으로 유지되었으나, 백금/탄소 (Pt/C) 촉매를 사용한 전극 시스템의 경우 전류 밀도가 현저히 감소하는 것으로 확인되었다.-Further, in order to check the methanol resistance of the composites, methanol was added to the electrolyte provided in the system while measuring the current density of the electrode system including the composite of Example 2 for 1200 seconds, after which the current density of the electrode system was changed. Was observed. The electrode system using a platinum/carbon (Pt/C) catalyst as a control was also observed to change the current density in the same manner. As a result, referring to FIG. 9(e), the current density of the electrode system including the composite of Example 2 was stably maintained, but the current density was significantly reduced in the case of the electrode system using a platinum/carbon (Pt/C) catalyst. It was confirmed to be.
- 아울러, 실시예 2의 복합체와 백금/탄소 (Pt/C) 촉매를 각각 포함하는 전극 시스템의 전기 화학적 안정성을 확인하기 위하여 시간대전류 시험 (chronoamperometric test)을 수행하였다. 그 결과를 도 10에 나타내었으며, 상기 도 10에서 (a) O2가 존재하는 0.1M KOH 용액에서 0.4V 및 1600 rpm의 회전 속도 하에서 각 전극 시스템의 측정 시간에 따른 전류 밀도를 도시한 것이고, (b)는 실시예 2의 복합체를 포함하는 전극 시스템을 O2가 존재하는 0.1M KOH 용액에서 0.4V 및 1600 rpm의 회전 속도 하에서 1회 측정했을 때의 전류 밀도와 10,000회 반복 측정했을 때의 CV 스캔 후 얻어진 ORR 분극 곡선을 나타낸 것이다.-In addition, a chronoamperometric test was performed to confirm the electrochemical stability of the electrode system including the composite of Example 2 and the platinum/carbon (Pt/C) catalyst, respectively. The results are shown in FIG. 10, and in FIG. 10 (a) in a 0.1M KOH solution in which O 2 is present, current density according to measurement time of each electrode system is shown under a rotation speed of 0.4V and 1600 rpm, (b) shows the current density when the electrode system including the composite of Example 2 was measured once in a 0.1M KOH solution in the presence of O 2 and a rotation speed of 1600 rpm and repeated 10,000 times. It shows the ORR polarization curve obtained after CV scan.
상기 도 10을 참고하면, 실시예 2의 복합체는 25시간 연속 측정한 이후 초기 전류 밀도가 약 94% 유지되는 반면, 백금/탄소 (Pt/C) 촉매는 초기 밀도의 38%로 전류 밀도가 감소하는 것으로 나타났다. 아울러, 상기 복합체는 10,000회 측정 후에도 열화 없이 개시 전위와 전류 밀도를 유지하는 것으로 나타났다.Referring to FIG. 10, the initial current density of the composite of Example 2 was maintained at about 94% after 25 hours of continuous measurement, whereas the platinum/carbon (Pt/C) catalyst reduced the current density to 38% of the initial density. Appeared to be. In addition, the composite was found to maintain the initiation potential and current density without deterioration even after 10,000 measurements.
이는 3차원 다공성 구조를 갖는 그래핀 하이드로겔이 표면 및/또는 내부에 분산된 탄소 양자점이 응집되거나 분리되는 것을 방지하여 안정적으로 구조를 유지할 수 있음을 의미하는 것으로, 이로 인해 복합체가 우수한 메탄올 내성과 전기적 안정성을 가짐을 알 수 있다.This means that the graphene hydrogel having a three-dimensional porous structure can stably maintain the structure by preventing agglomeration or separation of carbon quantum dots dispersed on the surface and/or inside. It can be seen that it has electrical stability.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 복합체는 산소 환원 반응 (ORR)용 촉매로 유용함을 알 수 있다.From these results, it can be seen that the composite according to the present invention is useful as a catalyst for oxygen reduction reaction (ORR).
나) 산소 발생 반응 (OER)을 위한 물성 평가 B) Evaluation of physical properties for oxygen evolution reaction (OER)
- 실시예 1 내지 3과 비교예 3 및 4의 복합체와 이리듐/탄소 (Ir/C) 촉매를 포함하는 전극 시스템을 대상으로 선형 주사 전압전류법 (Linear Sweep Voltammetry, LSV)을 수행하여 OER 분극 곡선을 얻었다. 이때, 상기 선형 주사 전압전류법은 전해질 용액으로서 N2가 포화된 0.1M KOH 용액을 이용하고, 회전 디스크 전극(RDE)을 사용하여 1600 rpm의 회전속도로 수행되었으며, 그 결과는 도 11(a)에 나타내었다.-OER polarization curve by performing Linear Sweep Voltammetry (LSV) on the electrode system including the composites of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 3 and 4 and an iridium/carbon (Ir/C) catalyst Got it. In this case, the linear scanning voltammetry was performed using a 0.1M KOH solution saturated with N 2 as an electrolyte solution, and a rotational speed of 1600 rpm using a rotating disk electrode (RDE), and the results are shown in Fig. 11(a). ).
도 11(a)를 참고하면, 실시예의 복합체들은 그래핀 하이드로겔에 붕소가 도핑되지 않은 탄소 양자점이 분산된 비교예 3의 복합체 및 붕소가 도핑된 탄소 양자점이 그래핀에 분산된 비교예 4의 복합체와 비교하여 낮은 개시 전위를 갖는 것으로 확인되었다. 이는 실시예의 복합체들이 붕소가 도핑된 탄소 양자점이 그래핀 하이드로겔에 균일하게 분산 및 고정되어 촉매 효율을 보다 향상시킴을 의미하는 것이다. 또한, 실시예 1 내지 3의 복합체의 분극 곡선을 살펴보면 탄소 양자점에 도핑된 붕소의 함량에 따라 분극 곡선이 상이한데, 특히 실시예 2의 복합체는 10 mA/㎠의 전류 밀도에서 370 mV의 과전위를 갖는 것을 확인되었다. 이러한 성능은 그래핀 하이드로겔의 다공성 구조가 산소 중간체의 효율적인 대량 수송에 관여함을 의미한다. Referring to FIG. 11(a), the composites of the Example are of Comparative Example 3 in which carbon quantum dots not doped with boron are dispersed in graphene hydrogel and Comparative Example 4 in which carbon quantum dots doped with boron are dispersed in graphene. It was found to have a low onset potential compared to the complex. This means that the composites of the examples have boron-doped carbon quantum dots uniformly dispersed and fixed in the graphene hydrogel to further improve catalyst efficiency. In addition, looking at the polarization curves of the composites of Examples 1 to 3, the polarization curves are different depending on the content of boron doped in the carbon quantum dots.In particular, the composite of Example 2 has an overpotential of 370 mV at a current density of 10 mA/cm2. It was confirmed to have. This performance means that the porous structure of the graphene hydrogel is involved in the efficient mass transport of oxygen intermediates.
- 또한, 실시예 1 내지 3의 복합체와 이리듐/탄소 (Ir/C) 촉매를 각각 포함하는 전극 시스템들을 대상으로 타펠 곡선을 분석하였다. 그 결과는 도 11(b)에 나타내었다.-In addition, Tafel curves were analyzed for electrode systems each including the composites of Examples 1 to 3 and an iridium/carbon (Ir/C) catalyst. The results are shown in Fig. 11(b).
도 11(b)을 참고하면, 실시예 1 내지 3의 복합체는 타펠 기울기가 각각 125, 70 및 84 mV/dec으로, 실시예 2의 복합체가 실시예의 복합체들 중에서 가장 낮은 타펠 기울기를 갖는 것으로 나타냈다. 이는 이리듐/탄소 (Ir/C) 촉매와 비교하여도 타펠 기울기가 낮은 것으로, 실시예 2의 복합체가 OER에 대하여 가장 유리한 운동 반응을 나타냄을 의미한다. 또한, 도 11(c)에 나타낸 0.4 내지 1.6V 범위의 선형 주사 전압전류 (LSV) 곡선을 살펴보면, 실시예 2의 복합체는 산소 환원 반응 (ORR)과 산소 제조 반응 (OER)에 대한 이작용성 촉매 활성을 갖는 것을 알 수 있으며, 반응 사이의 전위차 ΔE는 0.73V으로 (여기서, 상기 ΔE는 OER에 대하여 10 mA/㎠로 전달되는 작동 전위 (Ej=10)와 ORR의 반파 전위 (E1/2)의 차이를 나타낸다), 종래 금속 기반의 촉매와 비교하여 작은 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이는 상기 실시예 2의 복합체가 ORR과 OER에 대하여 높은 이작용 촉매 활성을 가짐을 의미한다.Referring to FIG. 11(b), the composites of Examples 1 to 3 had a tapel slope of 125, 70 and 84 mV/dec, respectively, and the composite of Example 2 was shown to have the lowest tapel slope among the composites of Examples. . This means that the Tafel slope is low even compared to the iridium/carbon (Ir/C) catalyst, which means that the composite of Example 2 exhibits the most favorable kinetic reaction with respect to OER. In addition, looking at the linear scanning voltage current (LSV) curve in the range of 0.4 to 1.6 V shown in FIG. 11(c), the composite of Example 2 is a bifunctional catalyst for an oxygen reduction reaction (ORR) and an oxygen production reaction (OER). It can be seen that it has an activity, and the potential difference ΔE between the reactions is 0.73V (here, the ΔE is the operating potential (E j = 10 ) transferred at 10 mA/
- 아울러, 실시예 2의 복합체와 이리듐/탄소 (Ir/C) 촉매를 포함하는 전극 시스템의 시간대전류 시험 (chronoamperometric test)을 수행하였다. 구체적으로, 상기 시험은 N2가 존재하는 0.1M KOH 용액에서 0.4V 및 1600 rpm의 회전 속도 하에서 수행되었으며, 그 결과를 도 11(d)에 나타내었다.In addition, a chronoamperometric test was performed on the electrode system including the composite of Example 2 and an iridium/carbon (Ir/C) catalyst. Specifically, the test was performed under a rotational speed of 0.4V and 1600 rpm in a 0.1M KOH solution in the presence of N 2, and the results are shown in FIG. 11(d).
도 11(d)를 참고하면, 실시예 2의 복합체는 10시간 동안 연속 측정되면서, 1.55 V의 일정한 전위로 측정되었으며, 초기 전류 밀도를 약 95.7% 유지하는 것으로 확인되었다. 이에 반해, 이리듐/탄소 (Ir/C) 촉매는 현저히 큰 전류 밀도 손실을 나타냈다. 또한, 실시예 2의 복합체는 500 회 반복 사용 후에도 전위 영역의 변화가 크지 않은 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 11(d), the composite of Example 2 was measured at a constant potential of 1.55 V while continuously measured for 10 hours, and it was confirmed that the initial current density was maintained at about 95.7%. In contrast, the iridium/carbon (Ir/C) catalyst showed a remarkably large current density loss. In addition, it was confirmed that the change in the potential region was not large even after the composite of Example 2 was repeatedly used 500 times.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 복합체는 산소 제조 반응 (OER)용 촉매로 유용함을 알 수 있다.From these results, it can be seen that the composite according to the present invention is useful as a catalyst for oxygen production reaction (OER).
다) 수소 발생 반응(HER)을 위한 물성 평가 C) Evaluation of physical properties for hydrogen generation reaction (HER)
- 실시예 1 내지 3과 비교예 3 및 4의 복합체와 백금/탄소 (Pt/C) 촉매를 포함하는 전극 시스템을 대상으로 선형 주사 전압전류법 (LSV)을 수행하여 HER 분극 곡선을 얻었다. 이때, 상기 선형 주사 전압전류법은 전해질 용액으로서 N2가 포화된 0.1M KOH 용액을 이용하고, 회전 디스크 전극(RDE)을 사용하여 1600 rpm의 회전속도로 수행되었으며, 그 결과는 도 12(a)에 나타내었다.-Linear scanning voltammetry (LSV) was performed on the composites of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 3 and 4 and an electrode system including a platinum/carbon (Pt/C) catalyst to obtain a HER polarization curve. At this time, the linear scanning voltammetry was performed using a 0.1M KOH solution saturated with N 2 as an electrolyte solution, and a rotational speed of 1600 rpm using a rotating disk electrode (RDE), and the results are shown in Fig. 12(a). ).
도 12(a)를 참고하면, 실시예의 복합체들은 그래핀 하이드로겔에 붕소가 도핑되지 않은 탄소 양자점이 분산된 비교예 3의 복합체과 비교하여 낮은 전류 밀도를 갖는 것으로 나타났다. 이는 비교예 3의 복합체와 비교하여 실시예의 복합체들이 우수한 HER 촉매 활성을 가짐을 나타낸다. 또한, 실시예 1 내지 3의 복합체의 분극 곡선을 살펴보면, 탄소 양자점에 도핑된 붕소의 함량에 따라 초기 전위가 각각 -0.41 V, -0.25 V 및 -0.33 V으로 실시예 2의 값이 가장 낮은 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 실시예 2의 복합체는 -10 mA/㎠의 전류 밀도에서 130 mV의 과전위를 갖는 것으로 확인되었다. 이는 탄소 양자점에 도핑된 붕소의 함량이 복합체의 촉매 활성을 영향을 미침을 의미한다. Referring to FIG. 12(a), it was found that the composites of the Example had a lower current density compared to the composite of Comparative Example 3 in which carbon quantum dots not doped with boron were dispersed in a graphene hydrogel. This indicates that the complexes of the Example have excellent HER catalytic activity compared to the complex of Comparative Example 3. In addition, looking at the polarization curves of the composites of Examples 1 to 3, the initial potentials were -0.41 V, -0.25 V, and -0.33 V, respectively, depending on the content of boron doped in the carbon quantum dots, indicating that the value of Example 2 was the lowest. Able to know. In addition, it was confirmed that the composite of Example 2 had an overpotential of 130 mV at a current density of -10 mA/
- 또한, 실시예 1 내지 3의 복합체와 백금/탄소 (Pt/C) 촉매를 각각 포함하는 전극 시스템들을 대상으로 타펠 곡선을 분석하였으며, 그 결과는 도 12(b)에 나타내었다.-In addition, Tapel curves were analyzed for the composites of Examples 1 to 3 and electrode systems each including a platinum/carbon (Pt/C) catalyst, and the results are shown in FIG. 12(b).
도 12(b)을 참고하면, 실시예 2의 복합체는 타펠 기울기가 95 mA/㎠로서, 실시예 1 및 3의 복합체와 비교하여 낮고, 백금/탄소 (Pt/C) 촉매와 유사한 값을 갖는 것으로 확인되었다. 또한, 실시예 2의 복합체는 5~100 mA/s의 스캐닝 속도로 실험을 수행하여도 일정한 곡선을 갖는 것으로 나타났다. 이는 실시예의 복합체가 우수한 HER 반응성을 가짐을 의미한다.Referring to FIG. 12(b), the composite of Example 2 has a Tapel slope of 95 mA/
- 아울러, 복합체/촉매의 안정성을 평가하기 위하여, 실시예 2의 복합체와 백금/탄소 (Pt/C) 촉매를 포함하는 전극 시스템의 선형 주사 전압전류법 (LSV)과 시간대전류 시험 (chronoamperometric test)을 각각 수행하였다. 이때, 상기 시간대전류 시험은 10시간 동안 410 mA 의 일정한 과전위에서 곡선을 측정하였으며, 각 측정 결과는 도 12(c) 및 12(d)에 나타내었다.-In addition, in order to evaluate the stability of the composite/catalyst, the linear scanning voltammetry (LSV) and chronoamperometric test of the electrode system including the composite of Example 2 and a platinum/carbon (Pt/C) catalyst Was performed respectively. At this time, in the time vs. current test, a curve was measured at a constant overpotential of 410 mA for 10 hours, and each measurement result is shown in FIGS. 12(c) and 12(d).
도 12(c)는 10mA/㎠의 전류 밀도에서 측정된 실시예 2의 복합체의 선형 주사 전압전류 곡선으로부터 산출된 HER 분극 곡선으로서, 실시예 2의 복합체는 10 mA/s의 스캔 속도에서 1회 및 2,000회 측정 후에도 전위 변화가 미미하여 약 8 mA 이하의 전위 변화량을 갖는 것으로 나타났다.12(c) is a HER polarization curve calculated from the linear scanning voltammetry curve of the composite of Example 2 measured at a current density of 10 mA/
또한, 도 12(d)는 실시예 2의 복합체에 대한 시간대전류 시험 곡선으로서, 실시예 2의 복합체는 10시간 동안 연속 측정되어도 초기 전류 밀도를 약 93.8% 유지하는 것으로 확인되었다. 이에 반해, 백금/탄소 (Pt/C) 촉매는 현저히 큰 전류 밀도 손실을 나타냈다. 이는 실시예의 복합체에 대한 구조적 및 전기 화학적 안정성이 우수함을 나타낸다.In addition, FIG. 12(d) is a time vs. current test curve for the composite of Example 2, and it was confirmed that the composite of Example 2 maintained about 93.8% of the initial current density even when continuously measured for 10 hours. In contrast, the platinum/carbon (Pt/C) catalyst exhibited a remarkably large current density loss. This indicates that the structural and electrochemical stability of the composite of Example is excellent.
이러한 결과들로부터 본 발명에 따른 복합체는 경제적이고, 친환경적이며, 산소 환원 반응 (ORR), 산소 제조 반응 (OER) 및 수소 제조 반응 (HER)에 활성이 우수한 다기능성 촉매로 유용함을 알 수 있다.From these results, it can be seen that the composite according to the present invention is economical and environmentally friendly, and is useful as a multifunctional catalyst having excellent activity in oxygen reduction reaction (ORR), oxygen production reaction (OER), and hydrogen production reaction (HER).
실험예 3.Experimental Example 3.
본 발명에 따른 복합체의 붕소 함량에 따른 촉매 성능 차이를 확인하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다. In order to confirm the difference in catalyst performance according to the boron content of the composite according to the present invention, the following experiment was performed.
가) 밀도 기능 이론 분석 (DFT 분석) A) Density functional theory analysis (DFT analysis)
먼저, 탄소 양자점에 도핑된 붕소의 영향을 확인하기 위하여, 밀도 기능 이론(DFT) 분석을 이용하여 붕소-탄소의 결합 구조 별로 산소 (O2), 수산화기 (-OH) 및 물 (H2O)에 대한 흡착 에너지를 산출하였으며, 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.First, in order to confirm the effect of doped boron on carbon quantum dots, oxygen (O 2 ), hydroxyl group (-OH) and water (H 2 O) for each boron-carbon bond structure using density functional theory (DFT) analysis. The adsorption energy for was calculated, and the results are shown in Table 4 below.
표 4를 살펴보면, 탄소 양자점에 붕소가 도핑되는 경우, 붕소가 도핑되지 않은 경우와 비교하여 산소, 수산화기 및 물에 대하여 보다 낮은 흡착 에너지를 갖는 것을 알 수 있다. 이는 탄소 양자점에 붕소가 도핑됨으로써 산소, 수산화기 및 물에 대한 흡착이 용이함을 나타낸다.Looking at Table 4, it can be seen that when the carbon quantum dots are doped with boron, they have lower adsorption energies for oxygen, hydroxyl groups, and water than when boron is not doped. This indicates that the carbon quantum dots are doped with boron to facilitate adsorption to oxygen, hydroxyl groups, and water.
또한, BC3 결합 구조는 산소에 대한 흡착 에너지가 -0.204 eV로서, 산소에 대한 흡착능이 가장 우수한 것으로 나타났다. 이는 ORR에서 BC3 구조의 반응성이 유리함을 의미한다.In addition, the BC3 bonded structure had an adsorption energy of -0.204 eV for oxygen, indicating that the adsorption capacity for oxygen was the best. This means that the reactivity of the BC3 structure is advantageous in ORR.
아울러, BCO2 결합 구조는 수산화기와 물에 대한 흡착 에너지가 각각 -1.809 eV 및 -0.202 eV로 가장 낮은 값을 나타냈다. 종래 BCO2 결합 구조의 붕소 원자는 큰 전기 음성도를 가져 쉽게 분극화되며, 이를 통해 수산기와 물 분자의 수소기와 산소 원자와의 상호작용함으로써 높은 비율로 수산기와 물을 흡착하는 것으로 알려져 있다. 상기 흡착 에너지는 이와 뜻을 같이 하는 것으로 BCO2 결합 구조가 수산화기와 물에 대한 흡착능이 뛰어남을 나타낸다.In addition, the BCO2 bonding structure showed the lowest values of adsorption energies for hydroxyl group and water, respectively -1.809 eV and -0.202 eV. It is known that boron atoms having a conventional BCO2 bonded structure have a large electronegativity and are easily polarized, thereby adsorbing hydroxyl groups and water at a high ratio by interacting with hydroxyl groups and hydrogen groups of water molecules with oxygen atoms. The adsorption energy is synonymous with this, indicating that the BCO2 bond structure has excellent adsorption capacity for hydroxyl groups and water.
한편, 실시예 2의 복합체는 BC3 결합구조를 우세하게 포함하며, BCO2 결합 구조는 실시예 3의 복합체보다 다소 낮은 비율로 포함한다. 이는 실시예 2의 복합체가 산소에 대한 흡착뿐만 아니라, 수산화기 및 물에 대흔 흡착도 우수할 수 있음을 의미한다.On the other hand, the complex of Example 2 predominantly includes the BC3 bonding structure, and the BCO2 bonding structure is included in a slightly lower ratio than the complex of Example 3. This means that the composite of Example 2 may have excellent adsorption not only to oxygen, but also to hydroxyl groups and water.
가) 전기 화학적 임피던스 연구 A) Electrochemical impedance study
실시예 1 내지 3의 복합체들을 대상으로 전기 화학적 임피던스과 전기 전도도를 측정하였으며, 그 결과는 도 13 및 도 14에 나타내었다.Electrochemical impedance and electrical conductivity were measured for the composites of Examples 1 to 3, and the results are shown in FIGS. 13 and 14.
도 13을 살펴보면, 실시예 1 내지 3의 복합체는 나이퀴스트 곡선의 저주파 영역에서 반원을 나타냈으며, 상기 반원은 실시예 2의 복합체가 가장 작고 전하 전달 저항값이 낮은 것으로 확인되었다. 이는 실시예 2의 복합체가 흑연과 유사한 BC3 결합 구조를 다량 함유한 결과이다. BC3 결합 구조는 붕소 원자의 높은 전기 음성으로 인해 탄소 원자의 전자 밀도와 전기 전도도를 증가시키는데 반해, BC2O 결합 구조 및/또는 BCO2 결합 구조는 낮은 전기 전도도를 유도할 수 있다.Referring to FIG. 13, the composites of Examples 1 to 3 exhibited a semicircle in the low frequency region of the Nyquist curve, and the semicircle was found to have the smallest composite of Example 2 and a low charge transfer resistance value. This is a result of the composite of Example 2 containing a large amount of BC3 bonding structure similar to graphite. BC3 bonding structure increases the electron density and electrical conductivity of carbon atoms due to the high electronegativity of boron atoms, whereas BC2O bonding structure and/or BCO2 bonding structure can induce low electrical conductivity.
구체적으로, 도 14를 참고하면, 실시예 2의 복합체가 BC3 결합 구조를 높은 비율로 포함하여 1.7 ×10-4 S/cm 이상의 높은 전기 전도도가 우수를 갖는 것을 알 수 있다. 이는 실시예 2 복합체가 우수한 전하 전달 저항값과 전기 전도도를 가져 전극과 전해질 사이의 빠른 전하 전달을 유도할 수 있음을 의미한다.Specifically, referring to FIG. 14, it can be seen that the composite of Example 2 has excellent electrical conductivity of 1.7 × 10 -4 S/cm or more by including a BC3 binding structure in a high ratio. This means that the composite of Example 2 has excellent charge transfer resistance and electrical conductivity, so that rapid charge transfer between the electrode and the electrolyte can be induced.
이러한 결과들로부터 본 발명에 따른 복합체의 ORR, OER 및 HER에 대한 우수한 촉매 활성이 반응 화합물에 대한 우수한 흡착능과 전기적 물성의 상승 효과에 기인함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 복합체는 ORR, OER 및 HER에 대한 다기능성 촉매로 유용하게 사용될 수 있다.From these results, it can be seen that the excellent catalytic activity of the complex according to the present invention for ORR, OER and HER is due to the synergistic effect of excellent adsorption capacity and electrical properties for the reaction compound. Therefore, the complex of the present invention can be usefully used as a multifunctional catalyst for ORR, OER and HER.
Claims (14)
상기 그래핀 하이드로겔의 내부 및 표면에 분산되고, 붕소가 도핑된 탄소 양자점을 포함하는 복합체를 포함하고,
복합체는 X선 광전자 분광(XPS) 분석 시 283.5±0.4 eV, 189±0.4 eV, 190±0.4 eV 및 191±0.4 eV에서 피크를 나타내며,
복합체는 하기 식 2를 만족하는 산소 발생 반응(OER) 또는 수소 발생 반응(HER)의 전극촉매:
[식 2]
I189/I191 > 1.0
식 2에서,
I189는 189.0±0.4 eV에 존재하는 피크의 강도를 나타내고,
I191은 191.3±0.4 eV에 존재하는 피크의 강도를 나타낸다.
Graphene hydrogel; And
It is dispersed on the inside and the surface of the graphene hydrogel, and includes a composite including boron-doped carbon quantum dots,
The complex exhibited peaks at 283.5±0.4 eV, 189±0.4 eV, 190±0.4 eV, and 191±0.4 eV when analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS),
The composite is an electrocatalyst of an oxygen evolution reaction (OER) or a hydrogen evolution reaction (HER) that satisfies the following formula:
[Equation 2]
I 189 /I 191 > 1.0
In Equation 2,
I 189 represents the intensity of the peak present at 189.0±0.4 eV,
I 191 represents the intensity of the peak present at 191.3±0.4 eV.
탄소 양자점은 π-π 결합을 통하여 그래핀 하이드로겔의 그래핀 시트 표면에 고정되는 산소 발생 반응(OER) 또는 수소 발생 반응(HER)의 전극촉매.
The method of claim 1,
Carbon quantum dots are electrocatalysts of oxygen generation reaction (OER) or hydrogen generation reaction (HER) fixed to the surface of graphene sheet of graphene hydrogel through π-π bonds.
붕소의 함량은 전체 복합체에 대하여 0.1 원자% 내지 10 원자%인 산소 발생 반응(OER) 또는 수소 발생 반응(HER)의 전극촉매.
The method of claim 1,
The content of boron is 0.1 atomic% to 10 atomic% with respect to the entire complex, an electrocatalyst of an oxygen generating reaction (OER) or a hydrogen generating reaction (HER).
복합체는 라만 분광 분석 시 하기 식 1을 만족하는 산소 발생 반응(OER) 또는 수소 발생 반응(HER)의 전극촉매:
[식 1]
0.8 ≤ ID/IG
식 1에서,
ID 는 1330 내지 1360 cm-1 범위에 존재하는 피크의 강도를 나타내고,
IG 는 1580 내지 1610 cm-1 범위에 존재하는 피크의 강도를 나타낸다.
The method of claim 1,
The complex is an electrocatalyst of an oxygen evolution reaction (OER) or a hydrogen evolution reaction (HER) that satisfies the following equation 1 when analyzed by Raman spectroscopy:
[Equation 1]
0.8 ≤ I D /I G
In Equation 1,
I D represents the intensity of the peak present in the range of 1330 to 1360 cm -1,
I G represents the intensity of the peak present in the range of 1580 to 1610 cm -1.
복합체의 평균 BET 비표면적은 100 ㎡/g 내지 500 ㎡/g인 산소 발생 반응(OER) 또는 수소 발생 반응(HER)의 전극촉매.
The method of claim 1,
The average BET specific surface area of the composite is 100 m2/g to 500 m2/g, which is an electrocatalyst for an oxygen evolution reaction (OER) or a hydrogen evolution reaction (HER).
복합체는 기공의 평균 크기가 1 내지 10 nm인 산소 발생 반응(OER) 또는 수소 발생 반응(HER)의 전극촉매.
The method of claim 1,
The composite is an electrocatalyst of an oxygen evolution reaction (OER) or a hydrogen evolution reaction (HER) with an average pore size of 1 to 10 nm.
형성된 반응 중간체의 환원반응을 수행하여 붕소가 도핑된 탄소 양자점이 표면에 분산된 그래핀 하이드로겔을 포함하는 복합체를 제조하는 단계;
를 포함하는 산소 발생 반응(OER) 또는 수소 발생 반응(HER)의 전극촉매의 제조방법.
Forming a reaction intermediate by performing a hydrothermal reaction of a mixture containing glucose, boronic acid, and graphene oxide; And
Performing a reduction reaction of the formed reaction intermediate to prepare a composite including a graphene hydrogel in which boron-doped carbon quantum dots are dispersed on a surface;
A method of producing an electrocatalyst of an oxygen generation reaction (OER) or a hydrogen generation reaction (HER) comprising a.
보론산의 함량은 글루코스 100 중량부를 기준으로 1 중량부 내지 15 중량부인 산소 발생 반응(OER) 또는 수소 발생 반응(HER)의 전극촉매의 제조방법.
The method of claim 9,
The content of boronic acid is 1 part by weight to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of glucose.
글루코스의 함량은 그래핀 옥사이드 100 중량부를 기준으로 50 중량부 내지 100 중량부인 산소 발생 반응(OER) 또는 수소 발생 반응(HER)의 전극촉매의 제조방법.
The method of claim 9,
The amount of glucose is 50 parts by weight to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of graphene oxide. A method of preparing an electrocatalyst for an oxygen generation reaction (OER) or a hydrogen generation reaction (HER).
수열 반응은 150℃ 내지 200℃의 온도에서 10 내지 30시간 동안 수행되는 산소 발생 반응(OER) 또는 수소 발생 반응(HER)의 전극촉매의 제조방법.
The method of claim 9,
Hydrothermal reaction is a method of producing an electrocatalyst of an oxygen generating reaction (OER) or a hydrogen generating reaction (HER) performed for 10 to 30 hours at a temperature of 150°C to 200°C.
반응 중간체의 환원반응은 아스코르브산, 아이오딘화 수소(HI), 브로민화 수소(HBr) 및 염화 수소 (HCl)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 환원제를 사용하여 수행되는 산소 발생 반응(OER) 또는 수소 발생 반응(HER)의 전극촉매의 제조방법.
The method of claim 9,
The reduction reaction of the reaction intermediate is an oxygen evolution reaction (OER) performed using at least one reducing agent selected from the group consisting of ascorbic acid, hydrogen iodide (HI), hydrogen bromide (HBr), and hydrogen chloride (HCl). Or a method for producing an electrocatalyst for hydrogen generation reaction (HER).
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