KR102257787B1 - Porous transition metal alloy catalyst, synthesys of porous transition metal alloy catalyst, and electrochemical system including porous transition metal alloy catalyst - Google Patents
Porous transition metal alloy catalyst, synthesys of porous transition metal alloy catalyst, and electrochemical system including porous transition metal alloy catalyst Download PDFInfo
- Publication number
- KR102257787B1 KR102257787B1 KR1020190152176A KR20190152176A KR102257787B1 KR 102257787 B1 KR102257787 B1 KR 102257787B1 KR 1020190152176 A KR1020190152176 A KR 1020190152176A KR 20190152176 A KR20190152176 A KR 20190152176A KR 102257787 B1 KR102257787 B1 KR 102257787B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- transition metal
- nickel
- metal alloy
- alloy catalyst
- catalyst
- Prior art date
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 140
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 91
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 91
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 75
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 title claims abstract description 75
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 61
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 61
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 38
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 claims abstract description 9
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 159
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 70
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 42
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 33
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 28
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 23
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 16
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 claims description 14
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 12
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 9
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 9
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 8
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 7
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 6
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims description 6
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 5
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 4
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 2
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 94
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 82
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 54
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 47
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 13
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 6
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 5
- 238000001548 drop coating Methods 0.000 description 5
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 4
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 4
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 3
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 3
- 239000003637 basic solution Substances 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 3
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical group [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 2
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 2
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 2
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 2
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- LWIHDJKSTIGBAC-UHFFFAOYSA-K tripotassium phosphate Chemical compound [K+].[K+].[K+].[O-]P([O-])([O-])=O LWIHDJKSTIGBAC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N Borate Chemical compound [O-]B([O-])[O-] BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229940063013 borate ion Drugs 0.000 description 1
- HTRXGEPDTFSKLI-UHFFFAOYSA-N butanoic acid;ethyl acetate Chemical compound CCCC(O)=O.CCOC(C)=O HTRXGEPDTFSKLI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- RTPZMMAGRZFGBG-UHFFFAOYSA-N ethanol;propan-2-ol Chemical compound CCO.CCO.CC(C)O RTPZMMAGRZFGBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LNSXAHXVHYLJEG-UHFFFAOYSA-N ethyl 2-hydroxypropanoate;2-hydroxy-2-methylbutanoic acid Chemical compound CCOC(=O)C(C)O.CCC(C)(O)C(O)=O LNSXAHXVHYLJEG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000010299 mechanically pulverizing process Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 229940085991 phosphate ion Drugs 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002312 polyamide-imide Polymers 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 229910000160 potassium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011009 potassium phosphates Nutrition 0.000 description 1
- 239000005297 pyrex Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000001488 sodium phosphate Substances 0.000 description 1
- 229910000162 sodium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K trisodium phosphate Chemical compound [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P([O-])([O-])=O RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/06—Washing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
- B01J21/02—Boron or aluminium; Oxides or hydroxides thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
- B01J23/74—Iron group metals
- B01J23/755—Nickel
-
- B01J35/023—
-
- B01J35/08—
-
- B01J35/10—
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/40—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by dimensions, e.g. grain size
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
- B01J35/51—Spheres
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/60—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/08—Heat treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
- C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 다공성 전이 금속 합금 촉매, 다공성 전이 금속 합금 촉매의 제조 방법, 및 다공성 전이 금속 합금 촉매를 포함하는 전기 화학 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 열역학적으로 상 제어된 다공성 전이 금속 합금 촉매 및 이를 포함하는 전기 화학 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a porous transition metal alloy catalyst, a method for preparing a porous transition metal alloy catalyst, and an electrochemical system including a porous transition metal alloy catalyst, and more particularly, to a thermodynamically phase-controlled porous transition metal alloy catalyst, and It relates to an electrochemical system including this.
최근, 탄소 기반 에너지의 고갈 및 연료 가스 배출로 인한 환경 문제를 해결하기 위한 대책으로, 물 분해에 의해 수소 및 산소를 생산하여 에너지를 저장하거나 연료전지를 통해 에너지를 얻는 방식에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 방식들에서는 전기 화학 반응이 이용되며, 반응 속도를 증가시키기 위해서 촉매의 성능 확보가 요구되므로, 주로 희소 금속 기반 촉매가 사용되어 매우 높은 가격이 요구되었다. 희소 금속을 대체하기 위한 전이 금속 기반 촉매들이 연구되고 있으나, 높은 과전압과 낮은 안정성 때문에 촉매로써의 성능이 낮다는 문제가 있었다.Recently, as a countermeasure to solve environmental problems caused by depletion of carbon-based energy and emission of fuel gas, research on a method of storing energy by producing hydrogen and oxygen by water decomposition or obtaining energy through fuel cells has been actively conducted. It's going on. In these methods, an electrochemical reaction is used, and since it is required to secure the performance of the catalyst in order to increase the reaction rate, a rare metal-based catalyst is mainly used and a very high price is required. Transition metal-based catalysts to replace rare metals are being studied, but there is a problem that the performance as a catalyst is low due to high overvoltage and low stability.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 열역학적 상 제어를 통해 미세구조에 의한 표면적 변화와 조성에 따라 다양한 활성점을 갖는 다공성 전이 금속 합금 촉매 및 이를 포함하는 전기 화학 시스템을 제공하는 것이다.One of the technical problems to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a porous transition metal alloy catalyst having various active points according to a composition and a surface area change due to a microstructure through thermodynamic phase control, and an electrochemical system including the same. .
본 발명의 실시예에 따른 다공성 전이 금속 합금 촉매의 제조 방법은, 제1 금속 및 제2 금속을 혼합하고 용융점 이상의 온도로 가열하여 전이 금속 용융 합금을 형성하는 단계, 상기 전이 금속 용융 합금을 냉각시켜 전이 금속 합금을 형성하는 단계, 및 상기 전이 금속 합금을 선택적 에칭하여 상기 제1 금속을 제거하는 단계를 포함한다.The method of manufacturing a porous transition metal alloy catalyst according to an embodiment of the present invention comprises the steps of forming a transition metal molten alloy by mixing a first metal and a second metal and heating to a temperature equal to or higher than the melting point, and cooling the transition metal molten alloy. Forming a transition metal alloy, and removing the first metal by selectively etching the transition metal alloy.
본 발명의 실시예에 따른 다공성 전이 금속 합금 촉매는, 초정상(primary phase) 및 공정상(eutectic phase)을 포함하는 전이 금속 합금을 선택적 에칭(selective etching)한 다공성 전이 금속 합금 촉매로서, 상기 전이 금속 합금은 제1 금속 및 제2 금속을 포함하고, 상기 초정상의 표면에 담지되고, 상기 제2 금속으로 이루어진 나노 구조체를 포함한다.The porous transition metal alloy catalyst according to an embodiment of the present invention is a porous transition metal alloy catalyst obtained by selectively etching a transition metal alloy including a primary phase and a eutectic phase, and the transition The metal alloy includes a first metal and a second metal, is supported on the surface of the supernormal phase, and includes a nanostructure made of the second metal.
본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 시스템은, 전해질 수용액을 포함하는 반응기, 상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 침지된 제1 및 제2 전극, 상기 제1 전극의 표면에 코팅되고, 다공성 전이 금속 합금 촉매를 포함하는 촉매층, 및 제1 및 제2 전극에 전기적 신호를 인가하는 전원부를 포함한다.An electrochemical system according to an embodiment of the present invention includes a reactor including an aqueous electrolyte solution, first and second electrodes in which at least a portion is immersed in the aqueous electrolyte solution, and coated on the surface of the first electrode, and a porous transition metal alloy catalyst It includes a catalyst layer comprising a, and a power supply for applying an electrical signal to the first and second electrodes.
열역학적 상 제어를 기반으로 제조한 다공성 전이 금속 합금 촉매 및 이를 포함하는 전기 화학 시스템이 제공될 수 있다.A porous transition metal alloy catalyst prepared based on thermodynamic phase control and an electrochemical system including the same may be provided.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Various and beneficial advantages and effects of the present invention are not limited to the above description, and will be more easily understood in the course of describing specific embodiments of the present invention.
도 1은 니켈 및 알루미늄의 상 평형도(phase diagram)이다.
도 2a 내지 도 2e는 니켈 및 알루미늄의 조성비를 달리하여 합금한 니켈 알루미늄 합금의 SEM 이미지들이다.
도 3a 내지 도 3e는 니켈 및 알루미늄의 조성비를 달리하여 합금한 니켈 알루미늄 합금을 선택적 에칭한 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 SEM 이미지들이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 포함하는 전기 화학 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 촉매 특성을 나타내는 전류-전압 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 잉크 형태로 제조한 경우, 촉매의 특성을 나타내는 전류-전압 그래프이다. 1 is a phase diagram of nickel and aluminum.
2A to 2E are SEM images of a nickel-aluminum alloy alloyed by varying the composition ratio of nickel and aluminum.
3A to 3E are SEM images of a porous nickel-aluminum alloy catalyst obtained by selectively etching a nickel-aluminum alloy alloyed by varying the composition ratio of nickel and aluminum.
4 is a schematic diagram of an electrochemical system including a porous nickel aluminum alloy catalyst according to an embodiment of the present invention.
5 is a current-voltage graph showing catalytic properties of a porous nickel aluminum alloy catalyst according to an embodiment of the present invention.
6 is a current-voltage graph showing characteristics of the catalyst when the porous nickel-aluminum alloy catalyst according to an embodiment of the present invention is prepared in ink form.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형되거나 여러 가지 실시예가 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시예는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.The embodiments of the present invention may be modified in various different forms or may be combined with various embodiments, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those with average knowledge in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
다공성 전이 금속 합금 촉매 제조 방법Porous transition metal alloy catalyst manufacturing method
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 전이 금속 합금 촉매의 제조 방법은, (1) 제1 금속 및 제2 금속을 혼합하고 용융점 이상의 온도로 가열하여 전이 금속 용융 합금을 형성하는 단계, (2) 전이 금속 용융 합금을 냉각시켜 전이 금속 합금을 형성하는 단계, (3) 전이 금속 합금을 선택적 에칭하여 제1 금속을 제거하는 단계를 포함한다. 이하에서, 각 단계들에 대하여 상세히 설명한다.A method of manufacturing a porous transition metal alloy catalyst according to an embodiment of the present invention includes the steps of (1) mixing a first metal and a second metal and heating to a temperature equal to or higher than the melting point to form a transition metal molten alloy, (2) transition Cooling the molten metal alloy to form a transition metal alloy, and (3) selectively etching the transition metal alloy to remove the first metal. Hereinafter, each step will be described in detail.
(1) 제1 금속 및 제2 금속을 혼합하고 용융점 이상의 온도로 가열하여 전이 금속 용융 합금을 형성할 수 있다.(1) A transition metal molten alloy can be formed by mixing the first metal and the second metal and heating to a temperature equal to or higher than the melting point.
제1 금속은 제2 금속과의 관계에서 선택적 에칭(selective etching)이 가능한 금속일 수 있으며, 예를 들어, 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 갈륨(Ga), 인듐(In), 및 주석(Sn) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 금속은 촉매 활성을 나타내는 전이 금속일 수 있으며, 예를 들어, 타이타늄(Ti), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo), 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 금속 및 제2 금속은 각 금속들의 합금에 대한 상 평형도를 참조하여 미세 구조를 제어하도록 적절한 조성비로 혼합될 수 있다. 여기서, 조성비는 제1 및 제2 금속의 원자 백분율(atomic percent, at%)을 의미할 수 있다. 또한, 실시예들에 따라, 상기 금속들 중 3종 이상을 포함하여 전이 금속 용융 합금을 형성할 수도 있으며, 불순물들을 일부 포함할 수도 있다. The first metal may be a metal capable of selective etching in relation to the second metal. For example, sodium (Na), magnesium (Mg), aluminum (Al), potassium (K), calcium ( Ca), gallium (Ga), indium (In), and may contain at least one of tin (Sn). The second metal may be a transition metal exhibiting catalytic activity, for example, titanium (Ti), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc ( It may contain at least one of Zn), molybdenum (Mo), and silver (Ag). The first metal and the second metal may be mixed in an appropriate composition ratio to control the microstructure by referring to the phase equilibrium of the alloy of each metal. Here, the composition ratio may mean atomic percent (at%) of the first and second metals. In addition, according to embodiments, a transition metal molten alloy may be formed by including three or more of the metals, and some impurities may be included.
제1 금속 및 제2 금속이 완전히 녹을 수 있도록, 제1 및 제2 금속의 합금을 용융점 이상의 온도로 가열할 수 있다. 전이 금속 용융 합금은 제1 및 제2 금속이 완전히 용융되어 균일하게 혼합된 상태일 수 있다.The alloy of the first and second metals may be heated to a temperature equal to or higher than the melting point so that the first metal and the second metal are completely melted. The transition metal molten alloy may be in a state in which the first and second metals are completely melted and uniformly mixed.
(2) 전이 금속 용융 합금을 냉각시켜 전이 금속 합금을 형성할 수 있다. (2) The transition metal molten alloy can be cooled to form a transition metal alloy.
전이 금속 용융 합금을 냉각시키는 단계에서, 조성이 다른 여러 상(phase)들이 미세한 구조를 이루며 형성되어 전이 금속 합금을 형성할 수 있다. 예를 들어, 전이 금속 용융 합금이 응고하면서 가장 먼저 초정상(primary phase)이 석출되고, 가장 마지막으로는 공정상(eutectic phase)이 석출될 수 있다. 제1 및 제2 금속의 조성비에 따라 전이 금속 합금의 미세 구조는 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 냉각 방식은 실시예들에 따라 다양하게 변경될 수 있다. In the step of cooling the transition metal molten alloy, phases having different compositions may be formed to form a fine structure to form a transition metal alloy. For example, as the transition metal molten alloy solidifies, a primary phase may be deposited first, and a eutectic phase may be deposited last. The microstructure of the transition metal alloy may be variously changed according to the composition ratio of the first and second metals. In addition, the cooling method may be variously changed according to embodiments.
(3) 전이 금속 합금을 선택적 에칭하여 제1 금속을 제거할 수 있다.(3) The transition metal alloy can be selectively etched to remove the first metal.
전이 금속 합금을 산 또는 염기성 용액으로 선택적 에칭하여, 제1 금속을 제거할 수 있다. 전이 금속 합금에서 제1 금속이 제거되면서 다공성 구조를 갖는 다공성 전이 금속 합금 촉매가 형성될 수 있다. 제1 금속이 선택적으로 에칭되는 단계에서, 제1 금속이 제거되면서 남은 제2 금속이 나노 구조체를 이룰 수 있다. 이러한 나노 구조체의 구조로 인하여 다공성 전이 금속 합금 촉매의 표면적 및 활성점이 변화되고, 이에 따라 전기 화학 촉매의 특성이 결정될 수 있다.The first metal can be removed by selectively etching the transition metal alloy with an acid or basic solution. As the first metal is removed from the transition metal alloy, a porous transition metal alloy catalyst having a porous structure may be formed. In the step of selectively etching the first metal, the second metal remaining while the first metal is removed may form a nanostructure. Due to the structure of the nanostructure, the surface area and the active point of the porous transition metal alloy catalyst are changed, and accordingly, the characteristics of the electrochemical catalyst may be determined.
다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 실시예Examples of porous nickel aluminum alloy catalyst
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매는 상술한 다공성 전이 금속 합금 촉매 제조 방법에서, 제1 금속은 알루미늄(Al)이고, 제2 금속은 니켈(Ni)인 경우에 해당한다. 이하에서, 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매 제조 방법의 각 단계들에 대하여 도 1 내지 도 3e를 참조하여 상세히 설명한다.The porous nickel-aluminum alloy catalyst according to an embodiment of the present invention corresponds to a case where the first metal is aluminum (Al) and the second metal is nickel (Ni) in the method for manufacturing the porous transition metal alloy catalyst described above. Hereinafter, each step of the method for manufacturing a porous nickel aluminum alloy catalyst will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3E.
도 1은 니켈 및 알루미늄의 상 평형도(phase diagram)이다.1 is a phase diagram of nickel and aluminum.
도 2a 내지 도 2e는 상기 단계 (1) 및 (2)를 통해, 니켈 및 알루미늄의 조성비를 달리하여 제조한 제1 내지 제5 실험예들에서 니켈 알루미늄 합금의 SEM 이미지들이다.2A to 2E are SEM images of a nickel-aluminum alloy in the first to fifth experimental examples manufactured by varying the composition ratio of nickel and aluminum through steps (1) and (2).
도 3a 내지 도 3e는 상기 단계 (3)을 통해, 니켈 및 알루미늄의 조성비를 달리하여 제조한 상기 제1 내지 제5 실험예들의 니켈 알루미늄 합금을 선택적 에칭한 제1 내지 제5 실시예들의 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 SEM 이미지들이다.3A to 3E show the porous nickel of the first to fifth embodiments obtained by selectively etching the nickel-aluminum alloy of the first to fifth experimental examples prepared by varying the composition ratio of nickel and aluminum through the step (3). These are SEM images of an aluminum alloy catalyst.
도 1을 참조하면, 니켈 및 알루미늄을 조성비를 달리하여 혼합할 수 있다. 예를 들어, 니켈 0 원자%(atomic %) 초과 25 원자% 이하의 조성비로, 니켈 및 알루미늄을 혼합할 수 있다. 상기 혼합된 합금을 용융점 이상의 온도, 예를 들어, 약 1200 ℃ (약 1473 K) 이상의 온도에서 가열하여 니켈 알루미늄 용융 합금을 형성할 수 있다. 니켈 알루미늄 용융 합금은 니켈 및 알루미늄이 완전히 용융되어 균일하게 혼합된 상태일 수 있다.Referring to FIG. 1, nickel and aluminum may be mixed at different composition ratios. For example, nickel and aluminum may be mixed in a composition ratio of more than 0 atomic% of nickel and not more than 25 atomic %. The mixed alloy may be heated at a temperature equal to or higher than the melting point, for example, at a temperature equal to or higher than about 1200° C. (about 1473 K) to form a nickel-aluminum molten alloy. The nickel-aluminum molten alloy may be in a state in which nickel and aluminum are completely melted and uniformly mixed.
본 발명의 기술적 사상에 의하면, 니켈 알루미늄 용융 합금을 냉각시켜 니켈 알루미늄 합금을 형성하는 단계에서, 조성비 범위, 냉각 방식 또는 냉각 속도, 불순물 함량 등을 조절함으로써 니켈 알루미늄 합금의 미세 구조를 제어할 수 있다. 이하에서는, 특정 조성비에서 니켈 알루미늄 합금이 갖는 미세 구조를 예시적으로 설명하지만, 상기와 같이 미세 구조는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. According to the technical idea of the present invention, in the step of cooling the nickel-aluminum molten alloy to form a nickel-aluminum alloy, the microstructure of the nickel-aluminum alloy can be controlled by adjusting the composition ratio range, cooling method or cooling rate, impurity content, etc. . Hereinafter, the microstructure of the nickel-aluminum alloy at a specific composition ratio will be exemplarily described, but the microstructure as described above may be variously changed in the embodiments.
도 1 및 도 2a를 참조하면, 니켈의 조성비가 약 5 원자%인 제1 실험예(도 1의 (a))의 니켈 알루미늄 합금이 준비될 수 있다. 니켈 알루미늄 용융 합금이 액상(L)에서 냉각되면서 약 697 ℃(약 970 K)의 온도에 이르러 Al3Ni 초정상(primary phase)이 먼저 석출될 수 있다. 상 평형도를 참조하면, 초정상의 인접한 영역에서 니켈 및 알루미늄 원자들의 확산(diffusion)으로 인해 니켈 및 알루미늄의 조성비가 변화되며 초정상이 성장할 수 있다. 예를 들어, 약 697 ℃(약 970 K)에서 약 640 ℃(약 916.5 K)의 온도로 서서히 냉각되면서 초정상은 알루미늄의 조성비가 상대적으로 증가하며 성장할 수 있다. 니켈 알루미늄 용융 합금이 계속 응고하면서, 약 640 ℃(약 916.5 K)의 온도에 이르면 Al3Ni 및 Al 공정상(eutectic phase)이 석출될 수 있다. 공정상의 평균적인 니켈 및 알루미늄의 조성비는 초정상의 니켈 및 알루미늄의 조성비와 다를 수 있다. 예를 들어, 공정상은 초정상보다 평균적인 알루미늄의 조성비가 더 클 수 있다. 니켈 알루미늄 용융 합금의 온도가 더 내려가면서 공정상은 층상 구조(lamella structure)를 이루며 석출될 수 있다. 도 2a에서 상대적으로 밝게 나타난 것이 초정상이며, 초정상의 주변 영역에서 공정상이 층상 구조를 이루며 형성된 것을 확인할 수 있다. 도 1의 상 평형도를 참조하면, 니켈의 조성비가 증가함에 따라 초정상의 비율이 상대적으로 증가할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2A, a nickel-aluminum alloy of the first experimental example (FIG. 1A) in which the composition ratio of nickel is about 5 atomic% may be prepared. As the nickel-aluminum molten alloy is cooled in the liquid phase L, it reaches a temperature of about 697° C. (about 970 K), so that an Al 3 Ni primary phase may be deposited first. Referring to the phase equilibrium, the composition ratio of nickel and aluminum is changed due to diffusion of nickel and aluminum atoms in an adjacent region of the supernormal, and the supernormal may grow. For example, as the supernormal phase is gradually cooled from about 697° C. (about 970 K) to about 640° C. (about 916.5 K), the supernormal phase can grow with a relatively increase in the composition ratio of aluminum. While the nickel-aluminum molten alloy continues to solidify, the Al 3 Ni and Al eutectic phases may be deposited upon reaching a temperature of about 640° C. (about 916.5 K). The average composition ratio of nickel and aluminum in the process may be different from the composition ratio of super-normal nickel and aluminum. For example, the process phase may have a higher average composition ratio of aluminum than the supernormal phase. As the temperature of the nickel-aluminum molten alloy is further lowered, the process phase may be deposited in a lamellar structure. In FIG. 2A, it can be seen that the supernormal phase is relatively bright, and the process phase is formed in a layered structure in the surrounding region of the supernormal phase. Referring to the phase equilibrium diagram of FIG. 1, as the composition ratio of nickel increases, the ratio of the supernormal phase may be relatively increased.
도 1 및 도 2b를 참조하면, 니켈의 조성비가 약 10 원자%인 제2 실험예(도 1의 (b))의 니켈 알루미늄 합금이 준비될 수 있다. 니켈 알루미늄 용융 합금이 액상(L)에서 냉각되면서 약 757 ℃(약 1030 K)의 온도에 이르러 Al3Ni 초정상이 먼저 석출될 수 있다. 상 평형도를 참조하면, 초정상의 인접한 영역에서 니켈 및 알루미늄 원자들의 확산으로 인해 니켈 및 알루미늄의 조성비가 변화되며 초정상이 성장할 수 있다. 예를 들어, 약 757 ℃(약 1030 K)에서 약 640 ℃(약 916.5 K)의 온도로 서서히 냉각되면서 초정상은 알루미늄의 비율이 증가하며 성장할 수 있다. 초정상의 일부는 덴드라이트(dendrite) 구조로, 다른 일부는 구형(globular) 구조로 성장할 수 있다. 니켈 알루미늄 용융 합금이 계속 응고하면서, 약 640 ℃(약 916.5 K)의 온도에 이르면 Al3Ni 및 Al 공정상이 석출될 수 있다. 니켈의 조성비가 변함에 따라 덴드라이트 구조의 줄기의 폭, 줄기 사이의 간격, 가지의 폭, 가지 사이의 간격, 가지의 수 등 다양하게 변경될 수 있으며, 구형 구조의 직경도 다양하게 변경될 수 있다. 도 2b를 참조하면, 상대적으로 밝게 나타난 상이 초정상이며, 상대적으로 어둡게 나타난 상이 공정상이며, 초정상은 덴드라이트 구조 또는 구형 구조를 갖고 있는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 2B, a nickel-aluminum alloy of the second experimental example (FIG. 1(b)) in which the composition ratio of nickel is about 10 atomic% may be prepared. As the nickel-aluminum molten alloy is cooled in the liquid phase (L), it reaches a temperature of about 757°C (about 1030 K), so that the Al 3 Ni supernormal phase may be deposited first. Referring to the phase equilibrium, the composition ratio of nickel and aluminum is changed due to diffusion of nickel and aluminum atoms in a region adjacent to the supernormal, and the supernormal may grow. For example, as the supernormal phase is gradually cooled from about 757°C (about 1030 K) to about 640°C (about 916.5 K), the supernormal phase can grow with an increase in the proportion of aluminum. Some of the supernormal phase can grow into a dendrite structure, and another part into a globular structure. While the nickel-aluminum molten alloy continues to solidify, the Al 3 Ni and Al eutectic phases may be deposited when the temperature reaches a temperature of about 640° C. (about 916.5 K). As the composition ratio of nickel changes, the width of the stem of the dendrite structure, the spacing between the stems, the width of the branches, the spacing between the branches, the number of branches, etc. can be variously changed. have. Referring to FIG. 2B, it can be seen that a relatively bright image is a supernormal phase, a relatively dark image is a process phase, and a supernormal phase has a dendrite structure or a spherical structure.
도 1 및 도 2c를 참조하면, 니켈의 조성비가 약 15 원자%인 제3 실험예(도 1의 (c))의 니켈 알루미늄 합금이 준비될 수 있다. 니켈 알루미늄 용융 합금이 액상(L)서 냉각되면서 약 827 ℃(약 1100 K)의 온도에 이르러 Al3Ni 초정상이 먼저 석출될 수 있고, 약 640 ℃(약 916.5 K)의 온도에 이르면 Al3Ni 및 Al 공정상이 석출될 수 있다. 도 2b를 참조하여 상술한 것과 같이, 초정상은 덴드라이트 구조 및 구형 구조를 가질 수 있으나, 그 조성비는 달라질 수 있다. 도 2c를 참조하면, 상대적으로 밝게 나타난 상이 초정상이며, 도 2b의 초정상보다 비율이 상대적으로 증가한 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2C, a nickel-aluminum alloy of the third experimental example (FIG. 1C) in which the composition ratio of nickel is about 15 atomic% may be prepared. As the nickel-aluminum molten alloy is cooled in the liquid phase (L), it reaches a temperature of about 827 °C (about 1100 K), so that the Al 3 super-normal phase may be precipitated first, and when it reaches a temperature of about 640 °C (about 916.5 K), Al 3 Ni and Al process phases may be deposited. As described above with reference to FIG. 2B, the supernormal phase may have a dendrite structure and a spherical structure, but the composition ratio may vary. Referring to FIG. 2C, it can be seen that a relatively bright image is a supernormal, and the ratio is relatively increased compared to the supernormal image of FIG. 2B.
도 1 및 도 2d를 참조하면, 니켈의 조성비가 약 20 원자%인 제4 실험예(도 1의 (d))의 니켈 알루미늄 합금이 준비될 수 있다. 니켈 알루미늄 용융 합금이 액상(L)에서 냉각되면서 약 907 ℃(약 1180 K)의 온도에 이르러 Al3Ni2 및 Al3Ni 초정상이 순차적으로 석출될 수 있고, 약 640 ℃(약 916.5 K)의 온도에 이르면 Al3Ni 및 Al 공정상이 석출될 수 있다. 도 2c를 참조하여 상술한 것과 같이, 초정상은 덴드라이트 구조 및 구형 구조를 가질 수 있으나, 초정상이 공정상에 비해 상대적으로 많이 나타날 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2D, a nickel-aluminum alloy of the fourth experimental example (FIG. 1(d)) in which the composition ratio of nickel is about 20 atomic% may be prepared. As the nickel-aluminum molten alloy is cooled in the liquid phase (L), it reaches a temperature of about 907 °C (about 1180 K), so that Al 3 Ni 2 and Al 3 Ni supernormal phases can be sequentially deposited, and about 640 °C (about 916.5 K) When the temperature of Al 3 Ni and Al process phases may be deposited. As described above with reference to FIG. 2C, the supernormal phase may have a dendrite structure and a spherical structure, but the supernormal phase may appear relatively more than the process phase.
도 1 및 도 2e를 참조하면, 니켈의 조성비가 약 25 원자%인 제5 실험예(도 1의 (e))의 니켈 알루미늄 합금이 준비될 수 있다. 니켈 알루미늄 용융 합금이 액상(L)에서 냉각되면서 약 1097 ℃(약 1370 K)의 온도에 이르러 Al3Ni2 및 Al3Ni 초정상이 순차적으로 석출될 수 있고, 약 640 ℃(약 916.5 K)의 온도에 이르면 Al3Ni 및 Al 공정상이 석출될 수 있는 상한이다. 도 2d를 참조하여 상술한 것과 비교하여, 공정상의 비율은 현저히 감소한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2E, a nickel-aluminum alloy of the fifth experimental example (FIG. 1(e)) in which the composition ratio of nickel is about 25 atomic% may be prepared. As the nickel-aluminum molten alloy is cooled in the liquid phase (L), it reaches a temperature of about 1097 °C (about 1370 K), so that Al 3 Ni 2 and Al 3 Ni supernormal phases can be sequentially deposited, and about 640 °C (about 916.5 K) It is the upper limit at which Al 3 Ni and Al eutectic phases can be deposited when the temperature of is reached. Compared with the one described above with reference to FIG. 2D, it can be seen that the ratio in the process is significantly reduced.
다음으로, 니켈 알루미늄 합금을 선택적 에칭하여 제조된 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매에 대해 설명하기로 한다.Next, a porous nickel aluminum alloy catalyst prepared by selectively etching a nickel aluminum alloy will be described.
니켈 알루미늄 합금을 염기성 용액, 예를 들어, 수산화 칼륨(KOH) 용액으로 니켈에 대하여 알루미늄을 선택적 에칭할 수 있다. 선택적 에칭으로 니켈 알루미늄 합금의 알루미늄이 제거되면서 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매가 제조될 수 있다. 이 과정에서 공정상을 형성하던 Al3Ni 및 Al에서 알루미늄이 제거되면서 남은 니켈이 응집하여 초정상의 표면에서 나노 구조체를 형성할 수 있다. 나노 구조체는 니켈을 포함할 수 있다. 나노 구조체를 이루는 니켈은, 니켈 금속 또는 니켈 산화물의 형태로 존재할 수 있다. 나노 구조체는 나노 와이어(nano wire) 또는 나노 파티클(nano particle) 형태를 가질 수 있으며, 초정상의 표면 상에서 활성 표면적을 증가시키면서 활성점(active site)을 형성할 수 있다.A nickel aluminum alloy can be selectively etched aluminum against nickel with a basic solution, for example a potassium hydroxide (KOH) solution. As aluminum of the nickel aluminum alloy is removed by selective etching, a porous nickel aluminum alloy catalyst may be prepared. In this process, as aluminum is removed from Al 3 Ni and Al that formed the process phase, the remaining nickel aggregates to form a nanostructure on the surface of the supernormal phase. The nanostructure may include nickel. Nickel forming the nanostructure may exist in the form of nickel metal or nickel oxide. The nanostructure may have a nanowire or nanoparticle form, and may form an active site while increasing an active surface area on a supernormal surface.
도 3a는 니켈의 조성비가 약 5 원자%인 상기 제1 실험예의 니켈 알루미늄 합금을 선택적 에칭한 제1 실시예의 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 나타낸다.3A shows the porous nickel-aluminum alloy catalyst of the first embodiment obtained by selectively etching the nickel-aluminum alloy of the first experimental example in which the composition ratio of nickel is about 5 atomic%.
도 3a를 참조하면, 나노 구조체는 나노 와이어 또는 나노 파티클 형태를 가지며, 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 표면 상에 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다. 나노 구조체는 일정한 방향으로 연장되어 분포하거나, 불규칙한 방향으로 연장되어 분포할 수 있다. 도 3a는 초정상이 구형 구조를 갖는 영역을 기준으로 분포한 나노 구조체를 나타낸 것이지만, 초정상이 덴드라이트 구조를 갖는 영역에서도 나노 구조체가 유사하게 분포할 수 있다. 이러한 나노 구조체는 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 촉매 특성에 영향을 줄 수 있다.Referring to FIG. 3A, it can be seen that the nanostructure has the form of nanowires or nanoparticles, and is distributed on the surface of the porous nickel aluminum alloy catalyst. The nanostructures may be extended and distributed in a certain direction, or may be extended and distributed in an irregular direction. 3A shows a nanostructure in which the supernormal phase is distributed based on a region having a spherical structure, but the nanostructure may be similarly distributed in a region in which the supernormal phase has a dendrite structure. These nanostructures can affect the catalytic properties of the porous nickel aluminum alloy catalyst.
이와 같은 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 미세 구조 및 촉매의 특성은, 니켈이 약 5 원자%보다 약 2 원자% 내지 약 3 원자% 정도 작거나 큰 조성비를 갖는 경우에도 적용될 수 있다.The microstructure of the porous nickel-aluminum alloy catalyst and the characteristics of the catalyst can be applied even when nickel has a composition ratio of about 2 to about 3 atomic% less or greater than about 5 atomic%.
도 3b는 니켈의 조성비가 약 10 원자%인 상기 제2 실험예의 니켈 알루미늄 합금을 선택적 에칭한 제2 실시예의 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 나타낸다.3B shows the porous nickel-aluminum alloy catalyst of the second embodiment obtained by selectively etching the nickel-aluminum alloy of the second experimental example in which the composition ratio of nickel is about 10 atomic%.
도 3b를 참조하면, 초정상이 덴드라이트 구조를 갖는 영역을 기준으로 분포한 나노 구조체를 확인할 수 있다. 덴드라이트 구조는 염기성 용액으로 선택적 에칭한 후에도 일부 유지될 수 있다. 다만, 초정상의 덴드라이트 구조에 포함된 알루미늄은 제거될 수 있다. 나노 구조체는 초정상의 덴드라이트 구조의 표면 상에 담지될 수 있다. 나노 구조체는 나노 와이어 또는 나노 파티클 형태를 가질 수 있다. Referring to FIG. 3B, a nanostructure distributed based on a region in which the supernormal phase has a dendrite structure can be confirmed. The dendrite structure can be partially retained even after selective etching with a basic solution. However, aluminum included in the supernormal dendrite structure can be removed. The nanostructure may be supported on the surface of the supernormal dendrite structure. The nanostructure may have a nanowire or nanoparticle shape.
나노 구조체는 덴드라이트 구조의 기본 단위인 하나의 가지보다 작은 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 나노 구조체는 덴드라이트 구조를 이루는 하나의 가지의 평균 직경의 약 5 % 내지 약 20 %에 해당하는 평균 직경을 갖는 나노 와이어 형태일 수 있다. 나노 구조체는 평균 직경이 약 10 nm 내지 약 100 nm의 범위인 나노 파티클 형태일 수 있다. 나노 구조체는 서로 응집되거나 엉켜있는 형태로 존재할 수 있으며, 초정상의 표면에서 불규칙하게 분산되어 배치될 수 있다. 이러한 나노 구조체가 이루는 미세 구조에 의해 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 촉매 특성이 결정될 수 있다. 이에 대해서는, 도 5 및 도 6을 참조하여 다시 설명하기로 한다.The nanostructure may have a size smaller than one branch, which is the basic unit of the dendrite structure. For example, the nanostructure may be in the form of a nanowire having an average diameter corresponding to about 5% to about 20% of the average diameter of one branch constituting the dendrite structure. The nanostructure may be in the form of nanoparticles having an average diameter ranging from about 10 nm to about 100 nm. The nanostructures may be aggregated or entangled with each other, and may be irregularly dispersed and disposed on the supernormal surface. The catalytic properties of the porous nickel-aluminum alloy catalyst may be determined by the microstructure formed by such a nanostructure. This will be described again with reference to FIGS. 5 and 6.
이와 같은 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 미세 구조 및 촉매의 특성은, 니켈이 약 10 원자%보다 약 2 원자% 내지 약 3 원자% 정도 작거나 큰 조성비를 갖는 경우에도 적용될 수 있다.The microstructure of the porous nickel-aluminum alloy catalyst and the characteristics of the catalyst can be applied even when nickel has a composition ratio of about 2 to about 3 atomic% less or greater than about 10 atomic%.
도 3c는 니켈의 조성비가 약 15 원자%인 상기 제3 실험예의 니켈 알루미늄 합금을 선택적 에칭한 제3 실시예의 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 나타낸다.3C shows the porous nickel-aluminum alloy catalyst of the third embodiment in which the nickel-aluminum alloy of the third experimental example is selectively etched, in which the composition ratio of nickel is about 15 atomic%.
도 3d를 니켈의 조성비가 약 20 원자%인 상기 제4 실험예의 니켈 알루미늄 합금을 선택적 에칭한 제4 실시예의 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 나타낸다.3D shows the porous nickel-aluminum alloy catalyst of the fourth embodiment in which the nickel-aluminum alloy of the fourth experimental example is selectively etched, in which the composition ratio of nickel is about 20 atomic%.
도 3e를 니켈의 조성비가 약 25 원자%인 상기 제5 실험예의 니켈 알루미늄 합금을 선택적 에칭한 제5 실시예의 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 나타낸다.3E shows a porous nickel-aluminum alloy catalyst of a fifth example in which the nickel-aluminum alloy of the fifth test example was selectively etched, in which the composition ratio of nickel was about 25 atomic%.
도 3c 내지 도 3e를 참조하면, 니켈 알루미늄 합금의 초정상은 덴드라이트 또는 구형 구조를 가질 수 있다. 초정상 및 나노 구조체가 이루는 미세 구조는 도 3a 및 도 3b를 참조하여 상술한 것과 유사할 수 있다.Referring to FIGS. 3C to 3E, the supernormal phase of the nickel-aluminum alloy may have a dendrite or a spherical structure. The microstructure formed by the supernormal and nanostructures may be similar to those described above with reference to FIGS. 3A and 3B.
도 3a 내지 도 3e를 참조하면, 나노 구조체는 초정상보다 작은 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 나노 구조체의 평균 직경은 초정상을 이루는 결정립(grain)의 평균 직경의 약 5 % 내지 약 20 %에 해당할 수 있다. 초정상을 이루는 결정립의 평균 직경은 약 0.1 μm 내지 약 10 μm의 범위일 수 있으며, 나노 구조체의 평균 직경은 약 10 nm 내지 약 200 nm의 범위일 수 있다. 특히, 나노 구조체의 평균 직경은 약 10 nm 내지 약 50 nm의 범위일 수 있다.3A to 3E, the nanostructure may have a size smaller than that of a supernormal. For example, the average diameter of the nanostructure may correspond to about 5% to about 20% of the average diameter of grains forming a supernormal phase. The average diameter of the crystal grains constituting the supernormal may be in the range of about 0.1 μm to about 10 μm, and the average diameter of the nanostructure may be in the range of about 10 nm to about 200 nm. In particular, the average diameter of the nanostructure may range from about 10 nm to about 50 nm.
다공성 전이 금속 촉매를 포함하는 전기 화학 시스템의 적용예Application example of electrochemical system containing porous transition metal catalyst
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 화학 시스템의 개략도이다.4 is a schematic diagram of an electrochemical system according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 전기 화학 시스템(100)은, 반응기(110), 전해질 수용액(120), 제1 전극(130), 제2 전극(140), 촉매층(150), 전원부(160)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극(130, 140)은 전원부(160)에 의하여 연결될 수 있다. 또한, 실시예들에 따라, 전기 화학 시스템(100)은 전원부(160)에 연결되는 기준 전극, 제1 및 제2 전극(130, 140)을 분할하며 이온 투과성 물질로 이루어진 멤브레인, 및 생성물 포집부 등을 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, the
반응기(110)는 전해질 수용액(120)을 수용할 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 반응기(110)는 예를 들어, 파이렉스, 아크릴, 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC) 등으로 이루어질 수 있다. 반응기(110)는 전해질 수용액(120)을 수용하며, 입수관 및 배수관과 같은 유입부 및 배출부를 더 포함할 수 있다.The
전해질 수용액(120)은 물 분해 반응에 사용되는 물의 공급원 및 물 분해 반응 시 생성되는 양성자의 수용체로서의 역할을 수행할 수 있다. 전해질 수용액(120)은, 예를 들어, KH2PO4, K2HPO4, K3PO4 또는 이들의 혼합물과 같은 인산칼륨 및 인산나트륨 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전해질 수용액(120)의 pH는 2 내지 14의 범위일 수 있다. 상기 양성자의 수용체로서의 역할을 위해, 전해질 수용액(120)은 양성자 수용성 음이온(proton-accepting anion)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 물 분해 반응이 진행됨에 따라 양성자(H+)의 생성량이 증가하더라도 상기 양성자 수용성 음이온이 이러한 양성자의 적어도 일부를 수용하여, 전해질 수용액(120)의 pH 감소율을 낮출 수 있다. 상기 양성자 수용성 음이온은 포스페이트 이온, 아세테이트 이온, 보레이트 이온 및 플루오라이드 이온 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The
제1 및 제2 전극(130, 140)은 각각 반도체 또는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2 전극(130, 140)은 예를 들어, FTO(fluorine-doped tin oxide), 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 및 스테인레스 스틸(stainless steel) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Each of the first and
촉매층(150)은 물 산화 또는 환원 반응을 촉진하는 촉매 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 다공성 전이 금속 합금 촉매를 포함할 수 있다. 다공성 전이 금속 합금 촉매는 선택적 에칭이 가능한 제1 금속으로서, 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 갈륨(Ga), 인듐(In), 및 주석(Sn) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 촉매 활성을 나타내는 제2 금속으로서, 타이타늄(Ti), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo), 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 다공성 전이 금속 합금 촉매는 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 상술한 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매일 수 있다. 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 경우 초정상 및 공정상의 미세 구조에 따라 다양한 배치, 모양, 및 크기의 나노 구조체를 포함할 수 있고, 이러한 나노 구조체는 합금 촉매의 표면 상에서 전기 화학 촉매의 특성에 영향을 줄 수 있다. 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 구조는 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 상술한 바와 동일한 것은 그 설명을 생략하기로 한다.The
전기 화학 시스템(100)에서 전원부(160)에 의해 제1 및 제2 전극(130, 140)의 사이에 전압이 인가되면, 제1 전극(130)에서 수소가 발생하고, 제2 전극(140)에서 산소가 발생하는 반응이 일어나게 된다. 각 반쪽 반응은 하기와 같은 반응식 1 및 2로 표현된다.When a voltage is applied between the first and
[반응식 1] 4H+ + 4e- → 2H2 [Reaction Scheme 1] 4H + + 4e - → 2H 2
[반응식 2] 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- [Reaction Scheme 2] 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -
본 발명의 실시예에 따른 제1 전극(130) 및 촉매층(150)은 상기 반응식 1로 표현되는 제1 전극(130)에서의 환원 반응인 수소 발생 반응(HER)에 관여할 수 있다. 이에 의해, 안정적인 촉매층(150)의 기능 하에서 상대적으로 낮은 과전위로 HER이 수행될 수 있다.The
본 발명의 실시예에 따른 전기화학반응 시스템으로, 물 분해 시스템을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조물은 다양한 전기화학반응 시스템들에서 산화 또는 환원 반응용 전극에 이용될 수 있을 것이다.As an electrochemical reaction system according to an embodiment of the present invention, a water decomposition system has been exemplarily described, but the present invention is not limited thereto, and the electrode structure according to an embodiment of the present invention is oxidized or oxidized in various electrochemical reaction systems. It may be used in an electrode for reduction reaction.
다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 촉매 특성 평가Evaluation of catalytic properties of porous nickel aluminum alloy catalyst
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 사용한 경우, 수소 발생 반응에 대한 순환 전류-전압 곡선(cyclic voltammorgram)이 가역적 수소 전극(Reversible Hydrogen Electrode, RHE) 대비 도시된다.FIG. 5 is a diagram illustrating a cyclic voltammorgram for hydrogen generation reaction compared to a reversible hydrogen electrode (RHE) when a porous nickel-aluminum alloy catalyst according to an embodiment of the present invention is used.
니켈의 조성비가 약 5 원자%(Al95Ni5), 약 10 원자%(Al90Ni10), 약 15 원자%(Al85Ni15), 약 20 원자%(Al80Ni20), 및 약 25 원자%(Al75Ni25)인 상기 제1 내지 제5 실시예의 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매들의 각각의 촉매 특성을 분석하였다. 각각의 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 니켈 호일(foil) 상에 은(Ag)을 이용하여 접착시키고, 에폭시(expoxy) 수지로 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 주변부를 몰딩하고, 촉매 활성면을 노출시킨 후, 촉매 특성을 분석하였다. 기준 전극 대비 -0.10 V 내지 0.10 V 전극 사이에서 1mV/s의 스캔 속도로 반복하여 순환 전류-전압법을 수행하였다. The composition ratio of nickel is about 5 atomic% (Al 95 Ni 5 ), about 10 atomic% (Al 90 Ni 10 ), about 15 atomic% (Al 85 Ni 15 ), about 20 atomic% (Al 80 Ni 20 ), and about The catalyst properties of each of the porous nickel-aluminum alloy catalysts of the first to fifth examples having 25 atomic% (Al 75 Ni 25) were analyzed. Each porous nickel-aluminum alloy catalyst was adhered on a nickel foil using silver (Ag), and the periphery of the porous nickel-aluminum alloy catalyst was molded with an epoxy resin, and the catalytic active side was exposed, The catalyst properties were analyzed. Cyclic current-voltage method was performed by repeating at a scan rate of 1 mV/s between electrodes of -0.10 V to 0.10 V compared to the reference electrode.
니켈의 조성비가 약 10 원자%인 상기 제2 실시예의 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매가 가장 우수한 촉매 특성을 나타냈다. 구체적으로, 약 50 mA/cm2 의 동일한 전류 밀도를 기준으로 니켈 조성비 약 5 원자%(Al95Ni5)인 상기 제1 실시예는 약 110 mV의 과전압이 요구되고, 니켈 조성비 약 10 원자%(Al90Ni10)인 상기 제2 실시예는 약 48 mV의 과전압이 요구되고, 니켈 조성비 약 15 원자%(Al85Ni15)인 상기 제3 실시예는 약 66 mV의 과전압이 요구되고, 니켈 조성비 약 20 원자%(Al80Ni20)인 상기 제4 실시예는 약 88 mV의 과전압이 요구되고, 니켈 조성비 약 25 원자%(Al75Ni25)인 상기 제5 실시예는 약 80 mV의 과전압이 요구되었다. 따라서, 동일한 전류 밀도 대비 니켈 조성비가 약 10 원자%인 상기 제2 실시예의 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매가 수소 발생 반응에 대한 가장 낮은 과전압이 요구되었다.The porous nickel-aluminum alloy catalyst of the second embodiment, in which the composition ratio of nickel is about 10 atomic%, exhibited the best catalytic properties. Specifically, the first embodiment having a nickel composition ratio of about 5 atomic% (Al 95 Ni 5 ) based on the same current density of about 50 mA/cm 2 requires an overvoltage of about 110 mV, and a nickel composition ratio of about 10 atomic% The second embodiment of (Al 90 Ni 10 ) requires an overvoltage of about 48 mV, and the third embodiment with a nickel composition ratio of about 15 atomic% (Al 85 Ni 15 ) requires an overvoltage of about 66 mV, The fourth embodiment having a nickel composition ratio of about 20 atomic% (Al 80 Ni 20 ) requires an overvoltage of about 88 mV, and the fifth embodiment having a nickel composition ratio of about 25 atomic% (Al 75 Ni 25) is about 80 mV Overvoltage was required. Therefore, the porous nickel-aluminum alloy catalyst of the second embodiment, in which the nickel composition ratio to the same current density is about 10 atomic%, is required to have the lowest overvoltage for the hydrogen generation reaction.
일반적으로, 알루미늄의 비율이 증가할수록 니켈 알루미늄 합금의 선택적 에칭시 제거되는 알루미늄의 양이 많아 상대적으로 기공을 더 많이 포함하는 다공성 구조의 니켈 알루미늄 합금이 형성될 수 있다.In general, as the proportion of aluminum increases, the amount of aluminum removed during selective etching of the nickel-aluminum alloy increases, so that a nickel-aluminum alloy having a relatively more porous structure may be formed.
다만, 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 니켈의 조성비가 약 10 원자%인 상기 제2 실시예의 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 촉매 특성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 이러한 촉매의 특성은 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 표면 상에 형성된 미세한 나노 구조체에 기인한 것으로 분석된다. 즉, 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 촉매 특성은, 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 다공성 구조 및 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 표면 상에 담지된 나노 구조체로 인한 표면적 및 활성점의 변화에 의해 결정될 수 있다.However, according to the technical idea of the present invention, it was found that the catalytic properties of the porous nickel-aluminum alloy catalyst of the second embodiment in which the composition ratio of nickel is about 10 atomic% is the most excellent. The characteristics of these catalysts are analyzed to be due to the fine nanostructures formed on the surface of the porous nickel aluminum alloy catalyst. That is, the catalytic properties of the porous nickel-aluminum alloy catalyst may be determined by changes in surface area and active point due to the porous structure of the porous nickel-aluminum alloy catalyst and the nanostructure supported on the surface of the porous nickel-aluminum alloy catalyst.
열역학적인 상 제어를 하지 않았던 종래 기술과 달리, 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 열역학적인 상 제어를 통해 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 초정상의 구조 및 나노 구조체의 구조를 제어함으로써, 촉매 성능이 향상된 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 제공할 수 있다.Unlike the prior art that did not perform thermodynamic phase control, according to the technical idea of the present invention, by controlling the supernormal structure of the porous nickel-aluminum alloy catalyst and the structure of the nanostructure through thermodynamic phase control, the catalytic performance is improved. It is possible to provide a nickel aluminum alloy catalyst.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 니켈 알루미늄 합금 촉매에 한정되지 않고, 여러 가지 금속들의 상 평형도로부터 열역학적으로 상의 구조 및 조성을 고려한 다공성 전이 금속 합금 촉매를 제공할 수 있다. 각 금속들의 조성비와 그에 따라 석출되는 상들의 모양, 합금의 냉각 방식, 및 불순물들을 달리하여, 목표하는 전기 화학 반응에서 우수한 촉매 활성을 갖는 다공성 전이 금속 합금 촉매를 제공할 수 있다. 다공성 전이 금속 합금 촉매는 수소발생반응, 산소발생반응, 염소발생반응, 질소환원반응, 이산화탄소환원반응을 포함하는 산화 및 환원 전기 화학 시스템의 전극으로써 응용될 수 있다.In addition, according to the technical idea of the present invention, it is not limited to the nickel-aluminum alloy catalyst, and it is possible to provide a porous transition metal alloy catalyst that thermodynamically considers the phase structure and composition from the phase equilibrium of various metals. A porous transition metal alloy catalyst having excellent catalytic activity in a target electrochemical reaction can be provided by varying the composition ratio of each metal and the shape of the precipitated phases, the cooling method of the alloy, and impurities accordingly. The porous transition metal alloy catalyst can be applied as an electrode of an oxidation and reduction electrochemical system including a hydrogen generation reaction, an oxygen generation reaction, a chlorine generation reaction, a nitrogen reduction reaction, and a carbon dioxide reduction reaction.
다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매가 코팅된 전극에서의 촉매 특성 평가Evaluation of catalyst properties in an electrode coated with a porous nickel aluminum alloy catalyst
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매가 코팅된 대면적 전극을 포함하는 전기 화학 시스템에서, 촉매의 특성을 분석하였다.In an electrochemical system including a large-area electrode coated with a porous nickel aluminum alloy catalyst according to an embodiment of the present invention, characteristics of the catalyst were analyzed.
도 6은 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매가 코팅된 전극에서 일어나는 수소 발생 반응에 대한 순환 전류-전압 곡선(cyclic voltammorgram)이 가역적 수소 전극(Reversible Hydrogen Electrode, RHE) 대비 도시된다.6 is a cyclic voltammorgram for hydrogen generation reaction occurring in an electrode coated with a porous nickel aluminum alloy catalyst compared to a reversible hydrogen electrode (RHE).
우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매가 코팅된 전극의 제조 방법에 대해 설명하기로 한다.First, a method of manufacturing an electrode coated with a porous nickel aluminum alloy catalyst according to an embodiment of the present invention will be described.
다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매가 코팅된 전극의 제조 방법은 (1) 니켈 및 알루미늄을 혼합하고 용융점 이상의 온도에서 가열하여 니켈 알루미늄 용융 합금을 형성하는 단계, (2) 니켈 알루미늄 용융 합금을 냉각시켜 니켈 알루미늄 합금을 형성하는 단계, (3) 니켈 알루미늄 합금의 알루미늄을 선택적 에칭으로 제거하여 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 형성하는 단계, (4) 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 분말 형태로 제조하여 탄소 전도체, 바인더와 함께 용매에 혼합하여 촉매 잉크를 제조하는 단계, (5) 촉매 잉크를 니켈 기판에 드랍-코팅하고 상온에서 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 (1) 내지 (3)의 단계는 도 1 내지 도 3e를 참조하여 상술한 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 제조 방법에 따른 단계들이므로, 중복되는 설명은 생략한다.The method of manufacturing an electrode coated with a porous nickel-aluminum alloy catalyst includes (1) mixing nickel and aluminum and heating at a temperature above the melting point to form a nickel-aluminum molten alloy, and (2) cooling the nickel-aluminum molten alloy to form a nickel-aluminum alloy. Forming a porous nickel-aluminum alloy catalyst by removing aluminum of the nickel-aluminum alloy by selective etching, (4) preparing a porous nickel-aluminum alloy catalyst in the form of a powder to form a solvent with a carbon conductor and a binder. Mixing the catalyst ink to prepare a catalyst ink, (5) drop-coating the catalyst ink on a nickel substrate, and drying at room temperature. Steps (1) to (3) are steps according to the method of manufacturing the porous nickel-aluminum alloy catalyst described above with reference to FIGS. 1 to 3E, and thus redundant descriptions will be omitted.
상기 (4) 단계는, 제조된 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 건조한 후, 기계적으로 분쇄하여 분말의 형태로 수거한 후, 상기 분말을 탄소 전도체, 바인더와 함께 용매에 혼합하여 촉매 잉크를 제조하는 단계이다.Step (4) is a step of drying the prepared porous nickel-aluminum alloy catalyst, mechanically pulverizing it to collect it in the form of a powder, and mixing the powder in a solvent together with a carbon conductor and a binder to prepare a catalyst ink. .
탄소 전도체는 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 잉크 형태의 촉매로 제작하기 위해 첨가된 물질일 수 있으며, 전기 화학 시스템의 전극으로부터 촉매로의 전자의 이동을 원활하게 하기 위해 첨가되는 물질을 포함할 수 있다.The carbon conductor may be a material added to prepare the porous nickel aluminum alloy catalyst as an ink-type catalyst, and may include a material added to facilitate the transfer of electrons from the electrode of the electrochemical system to the catalyst.
상기 바인더는 전극의 표면 상에 합금 촉매가 안정적으로 도포될 수 있도록 하는 유기 화합물을 포함할 수 있으며, 특별히 물질은 한정되지 않는다. 상기 바인더는, 예를 들어, 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리아미드-이미드(polyamide- imide, PAI), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 및 나피온(Nafion) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명에서, 상기 바인더는 PVDF가 사용되었다. The binder may include an organic compound that enables the alloy catalyst to be stably applied on the surface of the electrode, and the material is not particularly limited. The binder is, for example, polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyamide-imide (PAI), polytetrafluoroethylene. , PTFE), and Nafion. In the present invention, PVDF was used as the binder.
상기 용매는 합금 촉매를 잉크화시키기 위해 제공되는 용매일 수 있다. 상기 용매는, 예를 들어, 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol) 이소프로판올(isopropanol), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 에틸 락테이트(ethyl lactate), 및 NMP(N-methyl-2-pyrrolydine) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명에서, 상기 용매는 NMP가 사용되었다.The solvent may be a solvent provided to ink the alloy catalyst. The solvent, for example, methanol (methanol), ethanol (ethanol) isopropanol (isopropanol), ethyl acetate (ethyl acetate), ethyl lactate (ethyl lactate), and at least NMP (N-methyl-2-pyrrolydine) It can contain one. In the present invention, NMP was used as the solvent.
상기 탄소 전도체, 상기 바인더, 및 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 혼합 비율은 약 1:1:5로 제조되었으나, 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매의 비율은 실시예들에 따라 다양하게 변경될 수 있다.The carbon conductor, the binder, and the porous nickel-aluminum alloy catalyst were mixed in a ratio of about 1:1:5, but the ratio of the porous nickel-aluminum alloy catalyst may be variously changed according to embodiments.
상기 (5) 단계는, 촉매 잉크를 니켈 기판에 드랍-코팅하고 상온에서 건조할 수 있다. 실시예들에 따라, 촉매 잉크를 드랍-코팅하는 양은 다양하게 변경될 수 있다.In step (5), the catalyst ink may be drop-coated on a nickel substrate and dried at room temperature. Depending on the embodiments, the amount of drop-coating the catalyst ink may be variously changed.
다음으로, 상기 (1) 내지 (5) 과정을 통해 제조된 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매가 코팅된 전극에서 수소 발생 반응에 대한 순환 전류-전압법 결과를 분석한다.Next, the results of the cyclic current-voltage method for the hydrogen generation reaction in the electrode coated with the porous nickel aluminum alloy catalyst prepared through the above steps (1) to (5) are analyzed.
니켈을 약 10 원자%의 조성비로 포함하는 상기 제2 실험예의 니켈 알루미늄 합금 촉매를 선택적 에칭한 상기 제2 실시예의 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 촉매 잉크로 제조하였다. 실시예로서, 촉매 잉크의 드랍-코팅하는 양을 달리하여 촉매층이 코팅된 전극을 제조하였다. 드랍-코팅의 양은 각 전극마다 약 1.65 mg/cm2, 약 5 mg/cm2, 약 10 mg/cm2 이었다. 비교를 위한 플레이트 타입 실시예로는 잉크의 형태로 제조되지 않은 약 100 mg/cm2의 다공성 니켈 알루미늄 합금 플레이트 촉매를 사용하였다.The porous nickel-aluminum alloy catalyst of the second embodiment obtained by selectively etching the nickel-aluminum alloy catalyst of the second experimental example containing nickel in a composition ratio of about 10 atomic% was prepared as a catalyst ink. As an example, an electrode coated with a catalyst layer was prepared by varying the drop-coating amount of the catalyst ink. The amount of drop-coating was about 1.65 mg/cm 2 , about 5 mg/cm 2 , and about 10 mg/cm 2 for each electrode. As a plate type example for comparison, a porous nickel aluminum alloy plate catalyst of about 100 mg/cm 2 not prepared in the form of ink was used.
드롭-코팅되는 양이 약 10 mg/cm2인 경우와 플레이트 타입 실시예는, 전압 대비 전류 밀도의 크기의 증가 양상이 유사한 것을 알 수 있다. 즉, 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 촉매 잉크로 제조시, 플레이트 타입 촉매의 양의 약 10%에 해당하는 양으로도 플레이트 타입 실시예와 비슷한 촉매 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 이는 다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 잉크의 형태로 제조한 경우에도, 표면에 담지된 나노 구조체가 촉매 성능 향상에 영향을 준 것으로 분석된다.It can be seen that in the case where the drop-coating amount is about 10 mg/cm 2 and the plate-type embodiment, an increase in the magnitude of the current density versus voltage is similar. That is, it can be seen that when the porous nickel-aluminum alloy catalyst is prepared as a catalyst ink, the catalyst performance is similar to that of the plate-type embodiment even in an amount corresponding to about 10% of the amount of the plate-type catalyst. This is analyzed that even when the porous nickel-aluminum alloy catalyst was prepared in the form of ink, the nanostructure supported on the surface had an effect on the catalyst performance improvement.
다공성 니켈 알루미늄 합금 촉매를 잉크 형태로 제작하여 대면적 전극에 코팅하는 경우, 소요되는 촉매량을 줄일 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 니켈 및 알루미늄의 미세 구조를 열역학적으로 제어하여, 수소발생반응에 대한 촉매 특성이 우수한 촉매를 제조할 수 있다. 따라서, 저비용 교효율의 다공성 전이 금속 촉매를 제공할 수 있다.When a porous nickel-aluminum alloy catalyst is prepared in the form of ink and coated on a large-area electrode, the amount of catalyst required can be reduced. As described above, by thermodynamically controlling the microstructures of nickel and aluminum, a catalyst having excellent catalytic properties for hydrogen generation reaction can be prepared. Accordingly, it is possible to provide a porous transition metal catalyst with low cost bridge efficiency.
다공성 전이 금속 합금 촉매가 코팅된 전극은, 수소발생반응, 산소발생반응, 염소발생반응, 질소환원반응, 이산화탄소환원반응을 포함하는 산화 및 환원 전기 화학 시스템의 전극으로써 응용될 수 있다.The electrode coated with the porous transition metal alloy catalyst can be applied as an electrode of an oxidation and reduction electrochemical system including a hydrogen generation reaction, an oxygen generation reaction, a chlorine generation reaction, a nitrogen reduction reaction, and a carbon dioxide reduction reaction.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Therefore, various types of substitutions, modifications, and changes will be possible by those of ordinary skill in the art within the scope not departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, and this also belongs to the scope of the present invention. something to do.
100: 전기 화학 시스템
110: 반응기
120: 전해질 수용액
130: 제1 전극
140: 제2 전극
150: 촉매층
160: 전원부100: electrochemical system
110: reactor
120: aqueous electrolyte solution
130: first electrode
140: second electrode
150: catalyst layer
160: power supply
Claims (13)
상기 전이 금속 용융 합금을 냉각시켜 전이 금속 합금을 형성하는 단계;
상기 전이 금속 합금을 선택적 에칭하여 상기 제1 금속을 제거하는 단계를 포함하고,
상기 제1 금속은 알루미늄(Al)을 포함하고,
상기 제2 금속은 타이타늄(Ti), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 및 몰리브덴(Mo) 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 전이 금속 합금은 초정상(primary phase) 및 공정상(eutectic phase)을 포함하고,
상기 제1 금속을 제거하는 단계에서, 상기 공정상으로부터 상기 제1 금속이 제거되어 남은 상기 제2 금속 원자들이 상기 초정상의 표면에서 나노 구조체를 형성하는, 수소 발생 반응용 다공성 전이 금속 합금 촉매의 제조 방법.
Mixing the first metal and the second metal and heating to a temperature equal to or higher than the melting point to form a transition metal molten alloy;
Cooling the transition metal molten alloy to form a transition metal alloy;
And selectively etching the transition metal alloy to remove the first metal,
The first metal includes aluminum (Al),
The second metal includes at least one of titanium (Ti), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), zinc (Zn), and molybdenum (Mo),
The transition metal alloy includes a primary phase and a eutectic phase,
In the step of removing the first metal, the second metal atoms remaining after the first metal is removed from the process form a nanostructure on the surface of the supernormal phase, of a porous transition metal alloy catalyst for hydrogen generation reaction Manufacturing method.
상기 제2 금속은 니켈(Ni)이고,
상기 전이 금속 합금은 Al3Ni 초정상(primary phase), 및 Al3Ni 및 Al 공정상(eutectic phase)을 포함하는 수소 발생 반응용 다공성 전이 금속 합금 촉매의 제조 방법.
The method of claim 1,
The second metal is nickel (Ni),
The method of the transition metal alloys are Al 3 Ni second top (primary phase), and Al 3 Ni, Al and the process of hydrogen generating reaction porous transition metal alloy catalyst containing (eutectic phase).
상기 나노 구조체는 상기 공정상으로부터 알루미늄이 제거되고 남은 니켈 원자들이 니켈 금속 또는 니켈 산화물의 형태로 존재하는 수소 발생 반응용 다공성 전이 금속 합금 촉매의 제조 방법.
The method of claim 3,
The nanostructure is a method of producing a porous transition metal alloy catalyst for hydrogen generation reaction in which aluminum is removed from the process and remaining nickel atoms are present in the form of nickel metal or nickel oxide.
상기 전이 금속 용융 합금을 형성하는 단계는,
상기 제1 및 제2 금속을 1200 ℃ 이상의 온도에서 가열하여, 상기 제1 및 제2 금속을 완전히 용융시키는 것을 특징으로 하는 수소 발생 반응용 다공성 전이 금속 합금 촉매의 제조 방법.
The method of claim 3,
The step of forming the transition metal molten alloy,
Heating the first and second metals at a temperature of 1200° C. or higher to completely melt the first and second metals.
상기 전이 금속 합금은 제1 금속 및 제2 금속을 포함하고,
상기 초정상의 표면에 담지되고, 상기 제2 금속으로 이루어진 나노 구조체를 포함하고,
상기 제1 금속은 알루미늄(Al)을 포함하고,
상기 제2 금속은 니켈(Ni)을 포함하고,
상기 초정상은 덴드라이트(dendrite) 또는 구형(globular) 구조를 갖고,
상기 나노 구조체는 나노 와이어 또는 나노 파티클의 형태를 갖는 수소 발생 반응용 다공성 전이 금속 합금 촉매.
As a porous transition metal alloy catalyst for hydrogen generation reaction by selectively etching a transition metal alloy including a primary phase and a eutectic phase,
The transition metal alloy includes a first metal and a second metal,
It is supported on the surface of the supernormal, and includes a nanostructure made of the second metal,
The first metal includes aluminum (Al),
The second metal includes nickel (Ni),
The supernormal phase has a dendrite or globular structure,
The nanostructure is a porous transition metal alloy catalyst for hydrogen generation reaction having the form of nanowires or nanoparticles.
상기 전이 금속 합금은, 니켈의 함량이 니켈 및 알루미늄 총 100 원자%에 대하여 0 원자% 초과 25 원자% 이하인 수소 발생 반응용 다공성 전이 금속 합금 촉매.
The method of claim 6,
The transition metal alloy is a porous transition metal alloy catalyst for hydrogen generation reaction in which the content of nickel is more than 0 atomic% and 25 atomic% or less with respect to the total 100 atomic% of nickel and aluminum.
상기 전이 금속 합금은, 니켈의 함량이 니켈 및 알루미늄 총 100 원자%에 대하여 5 원자% 이상 15 원자% 이하인 수소 발생 반응용 다공성 전이 금속 합금 촉매.
The method of claim 7,
The transition metal alloy is a porous transition metal alloy catalyst for hydrogen generation reaction in which the content of nickel is 5 atomic% or more and 15 atomic% or less with respect to 100 atomic% of nickel and aluminum.
상기 초정상은 Al3Ni으로 이루어지고, 상기 공정상은 Al3Ni 및 Al으로 이루어진 수소 발생 반응용 다공성 전이 금속 합금 촉매.
The method of claim 6,
The super-crystalline phase is made of Al 3 Ni, and the process phase is a porous transition metal alloy catalyst for hydrogen generation reaction consisting of Al 3 Ni and Al.
상기 나노 구조체의 평균 직경은 상기 초정상을 이루는 결정립의 평균 직경의 5 % 내지 20 %인 수소 발생 반응용 다공성 전이 금속 합금 촉매.
The method of claim 6,
The average diameter of the nanostructure is 5% to 20% of the average diameter of the crystal grains constituting the supernormal porous transition metal alloy catalyst for hydrogen generation reaction.
상기 나노 구조체의 평균 직경은 10 nm 내지 50 nm의 범위인 수소 발생 반응용 다공성 전이 금속 합금 촉매.
The method of claim 6,
The average diameter of the nanostructure is in the range of 10 nm to 50 nm for hydrogen generation reaction porous transition metal alloy catalyst.
상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 침지된 제1 및 제2 전극;
상기 제1 전극의 표면에 코팅되고, 제6 항 내지 제9 항, 제11 항, 및 제12 항 중 어느 한 항의 수소 발생 반응용 다공성 전이 금속 합금 촉매를 포함하는 촉매층;
상기 제1 및 제2 전극에 전기적 신호를 인가하는 전원부를 포함하는 전기 화학 시스템.
A reactor containing an aqueous electrolyte solution;
First and second electrodes at least partially immersed in the aqueous electrolyte solution;
A catalyst layer coated on the surface of the first electrode and comprising a porous transition metal alloy catalyst for hydrogen generation reaction according to any one of claims 6 to 9, 11, and 12;
An electrochemical system comprising a power supply for applying an electrical signal to the first and second electrodes.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020190152176A KR102257787B1 (en) | 2019-11-25 | 2019-11-25 | Porous transition metal alloy catalyst, synthesys of porous transition metal alloy catalyst, and electrochemical system including porous transition metal alloy catalyst |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020190152176A KR102257787B1 (en) | 2019-11-25 | 2019-11-25 | Porous transition metal alloy catalyst, synthesys of porous transition metal alloy catalyst, and electrochemical system including porous transition metal alloy catalyst |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR102257787B1 true KR102257787B1 (en) | 2021-05-28 |
Family
ID=76140108
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020190152176A KR102257787B1 (en) | 2019-11-25 | 2019-11-25 | Porous transition metal alloy catalyst, synthesys of porous transition metal alloy catalyst, and electrochemical system including porous transition metal alloy catalyst |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102257787B1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20010032717A (en) * | 1997-12-03 | 2001-04-25 | 빌프리더 하이더 | Raney Nickel Catalysts, a Method for Producing Said Raney Nickel Catalysts and the Use of the Same for Hydrogenating Organic Compounds |
KR101058371B1 (en) * | 2009-12-08 | 2011-08-22 | 한국생산기술연구원 | Method for preparing Raney nickel catalyst |
KR20140087714A (en) * | 2012-12-31 | 2014-07-09 | 국민대학교산학협력단 | Manufacturing method of metal foam and metal foam manufactured thereby |
KR101672533B1 (en) * | 2015-02-11 | 2016-11-17 | 계명대학교 산학협력단 | Synthesis method of Silicon/Carbon nanofibers composites based on Ni and Mo catalysts, and manufacturing method of Lithium Secondary Batteries with anode materials of it |
KR20170034676A (en) * | 2015-09-21 | 2017-03-29 | 부산대학교 산학협력단 | Manufacturing method of porous metal structure, porous metal structure made thereby |
KR20190107876A (en) * | 2018-03-13 | 2019-09-23 | 서울대학교산학협력단 | Reduction system of carbon dioxide and method of reducing carbon dioxide using the same |
-
2019
- 2019-11-25 KR KR1020190152176A patent/KR102257787B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20010032717A (en) * | 1997-12-03 | 2001-04-25 | 빌프리더 하이더 | Raney Nickel Catalysts, a Method for Producing Said Raney Nickel Catalysts and the Use of the Same for Hydrogenating Organic Compounds |
KR101058371B1 (en) * | 2009-12-08 | 2011-08-22 | 한국생산기술연구원 | Method for preparing Raney nickel catalyst |
KR20140087714A (en) * | 2012-12-31 | 2014-07-09 | 국민대학교산학협력단 | Manufacturing method of metal foam and metal foam manufactured thereby |
KR101672533B1 (en) * | 2015-02-11 | 2016-11-17 | 계명대학교 산학협력단 | Synthesis method of Silicon/Carbon nanofibers composites based on Ni and Mo catalysts, and manufacturing method of Lithium Secondary Batteries with anode materials of it |
KR20170034676A (en) * | 2015-09-21 | 2017-03-29 | 부산대학교 산학협력단 | Manufacturing method of porous metal structure, porous metal structure made thereby |
KR20190107876A (en) * | 2018-03-13 | 2019-09-23 | 서울대학교산학협력단 | Reduction system of carbon dioxide and method of reducing carbon dioxide using the same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8409659B2 (en) | Nanowire supported catalysts for fuel cell electrodes | |
JP5573438B2 (en) | Method for producing core-shell type catalyst fine particles | |
US20170200956A1 (en) | Electrode catalyst for fuel cell and method of producing electrode catalyst for fuel cell | |
Karuppasamy et al. | High index surfaces of Au-nanocrystals supported on one-dimensional MoO3-nanorod as a bi-functional electrocatalyst for ethanol oxidation and oxygen reduction | |
KR101495755B1 (en) | Catalyst for generating hydrogen, hydrogen generating device, and method of manufactuing the catalyst | |
JPH0697615B2 (en) | Platinum alloy electrode catalyst | |
Zhang et al. | Electronic structure optimization boosts Pd nanocrystals for ethanol electrooxidation realized by Te doping | |
Song et al. | Bimetallic Ag–Ni/C particles as cathode catalyst in AFCs (alkaline fuel cells) | |
Kang et al. | PdRu alloy nanoparticles of solid solution in atomic scale: Size effects on electronic structure and catalytic activity towards electrooxidation of formic acid and methanol | |
US20130022899A1 (en) | Core-shell type metal nanoparticles and method for producing the same | |
Zhang et al. | Facile fabrication of PtPd alloyed worm-like nanoparticles for electrocatalytic reduction of oxygen | |
KR102255855B1 (en) | Platinum-based alloy catalyst for oxygen reduction reaction, method of manufacturing the platinum alloy catalyst, and fuel cell having the platinum alloy catalyst | |
JP2010272248A (en) | High potential stable carrier for polymer electrolyte fuel cell, and electrode catalyst | |
WO2015029602A1 (en) | Core-shell catalyst and production method for core-shell catalyst | |
Li et al. | Tuning concave PtSn nanocubes for efficient ethylene glycol and glycerol electrocatalysis | |
JP5477463B2 (en) | Fuel cell | |
KR101411432B1 (en) | Fuel cell electrocatalytic particle and method for producing fuel cell electrocatalytic particle | |
Anantharaj et al. | Boosting the oxygen evolution activity of copper foam containing trace Ni by intentionally supplementing Fe and forming nanowires in anodization | |
Luo et al. | Shape-controlled synthesis of Pd nanotetrahedrons with Pt-doped surfaces for highly efficient electrocatalytic oxygen reduction and formic acid oxidation | |
Zhai et al. | Nano-engineered hexagonal PtCuCo nanocrystals with enhanced catalytic activity for ethylene glycol and glycerol electrooxidation | |
Ju et al. | Design and facile one-pot synthesis of uniform PdAg cubic nanocages as efficient electrocatalyst for the oxygen reduction reaction | |
Du et al. | Cu-template-dependent synthesis of PtCu nanotubes for oxygen reduction reactions | |
Zhang et al. | Electrically bloomed platinum nanoflowers on exfoliated graphene: an efficient alcohol oxidation catalyst | |
Tran et al. | Electrodeposited NiRh alloy as an efficient low‐precious metal catalyst for alkaline hydrogen oxidation reaction | |
Qian et al. | General and scalable strategy for synthesis of Pt-rare earth alloys as highly durable oxygen reduction electrocatalysts |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |