KR102278529B1 - Porous Ni-Al-Mo Cathode for Alkaline Water Electrolysis - Google Patents

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Abstract

본 발명은 과전압이 낮고 화학적으로 안정하여 내구성이 우수하며 다공성 구조로 인하여 비표면적이 넓은 알칼리 수전해용 음극 및 그 제조방법과, 상기 촉매전극의 제조에 사용될 수 있는 용사코팅재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전도성 기재의 표면에 다공성 Ni-Al-Mo 합금 촉매층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 알칼리 수전해용 음극에 관한 것이다.The present invention relates to an anode for alkaline water electrolysis with a low overvoltage, chemical stability, excellent durability, and a large specific surface area due to a porous structure, a method for manufacturing the same, and a thermal spray coating material that can be used for manufacturing the catalyst electrode, in more detail relates to an anode for alkaline water electrolysis, characterized in that a porous Ni-Al-Mo alloy catalyst layer is formed on the surface of a conductive substrate.

Description

다공성 Ni-Al-Mo 알칼리 수전해용 음극{Porous Ni-Al-Mo Cathode for Alkaline Water Electrolysis}Porous Ni-Al-Mo Cathode for Alkaline Water Electrolysis

본 발명은 과전압이 낮고 화학적으로 안정하여 내구성이 우수하며 다공성 구조로 인하여 비표면적이 넓은 알칼리 수전해용 음극에 관한 것이다.The present invention relates to an anode for alkaline water electrolysis, which has a low overvoltage, is chemically stable, has excellent durability, and has a large specific surface area due to a porous structure.

지구온난화와 화석연료의 고갈에 따른 대체에너지의 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이 중 실용가능성 있는 환경 및 에너지 문제 해결의 대안으로 수소에너지가 주목받고 있다. 물은 지구상 어느 곳이든 존재하는 청정한 자원이며, 수소와 산소로 반복하여 이용 가능한 재생가능성을 갖는 이상적인 수소 원료이다.Research on alternative energy due to global warming and depletion of fossil fuels is being actively conducted, and among them, hydrogen energy is attracting attention as a viable alternative to solving environmental and energy problems. Water is a clean resource that exists anywhere on the planet, and is an ideal hydrogen source with renewable potential that can be used repeatedly with hydrogen and oxygen.

수전해는 전기를 이용하여 물로부터 산소와 수소를 제조하는 방법으로, 제조방법에 따라 고분자전해질 수전해, 알칼리 수전해, 고체 산화물을 이용한 고온 수증기 수전해로 나뉘어진다. 이 중 알칼리 수전해는 실증된 기술로서 공업적으로 확립된 방법으로 주목을 받고 있다. Water electrolysis is a method of producing oxygen and hydrogen from water using electricity, and is divided into polyelectrolyte water electrolysis, alkaline water electrolysis, and high-temperature steam water electrolysis using solid oxides depending on the manufacturing method. Among them, alkaline water electrolysis is a proven technology and is receiving attention as an industrially established method.

알칼리 수전해는 20∼30 중량%의 KOH 혹은 15∼20 중량%의 NaOH의 고농도 알칼리 전해액과, 수산화 이온인 OH- 만을 선택적으로 통과시키는 격막, 수소와 산소를 각각 발생시키는 음극과 양극으로 이루어진 셀을 사용하여 150℃ 이하의 저온에서 수소를 생산하는 방법이다. 전해액에 전기에너지를 인가하면 음극에서는 물이 전기분해 되어 수소가스와 수산화 이온을 생성하며, 생성된 수산화 이온은 격막을 통하여 양극으로 전달되어 산소와 물을 생성한다. 알칼리 수전해는 비귀금속계의 전극 재료와 저가인 격막의 사용이 가능하기 때문에, 타 수전해 공정과 비교하여 수소생산 비용이 저렴하며, 대용량화가 가능하다는 장점이 있다. Alkaline water electrolysis is a cell composed of a high-concentration alkaline electrolyte of 20-30 wt% KOH or 15-20 wt% NaOH, a diaphragm that selectively passes only OH-, a hydroxide ion, and a cathode and anode that generate hydrogen and oxygen, respectively It is a method of producing hydrogen at a low temperature of 150 ° C or less using When electric energy is applied to the electrolyte, water is electrolyzed at the cathode to generate hydrogen gas and hydroxide ions, and the generated hydroxide ions are transferred to the anode through the diaphragm to generate oxygen and water. Since alkaline water electrolysis can use a non-noble metal-based electrode material and a low-cost diaphragm, the hydrogen production cost is low compared to other water electrolysis processes, and the capacity can be increased.

물의 이론적 분해전압은 1.229 eV 이지만, 전해장치의 저항, 용액 내부에서의 기포의 생성, 전해액에서 양극과 음극 사이의 이온 이동과 관련한 저항 등으로 인하여 실제로는 더 높은 전압이 요구된다. 수전해 시 과전압이 높으면 그에 해당하는 전기 에너지가 열로 손실되므로 수전해 전극은 산소 또는 수소 발생에 대해 과전압이 낮아야 하며, 또한 내구성을 위하여 우수한 내식성을 가져야 한다. The theoretical decomposition voltage of water is 1.229 eV, but a higher voltage is actually required due to the resistance of the electrolyzer, the generation of bubbles in the solution, and the resistance associated with the movement of ions between the anode and the cathode in the electrolyte. When the overvoltage is high during water electrolysis, the corresponding electrical energy is lost as heat, so the water electrolysis electrode must have a low overvoltage for oxygen or hydrogen generation and also have excellent corrosion resistance for durability.

대표적인 상업용 전극으로 니켈과 니켈이 함유된 스테인레스 강이 주로 사용되고 있으나, 매우 높은 과전압을 가지는 문제점이 있으므로 고활성 촉매전극의 개발을 위한 다양한 시도가 진행되고 있다. 종래 기술에 있어서 수소 발생용 음극 촉매전극의 예로는 백금 및 루테늄 등의 귀금속, 라니 니켈, 니켈-코발트, 니켈-구리, 니켈-철, 니켈-몰리브데늄 등을 들 수 있다. 이들 제조 방법으로서는 합금 도금법, 도포 소결법, 스터퍼링 그리고 열 용사 등이 사용된다. As a typical commercial electrode, nickel and stainless steel containing nickel are mainly used, but since there is a problem with a very high overvoltage, various attempts are being made to develop a highly active catalyst electrode. Examples of the cathode catalyst electrode for hydrogen generation in the prior art include noble metals such as platinum and ruthenium, Raney nickel, nickel-cobalt, nickel-copper, nickel-iron, nickel-molybdenum, and the like. As these manufacturing methods, alloy plating method, coating sintering method, stuffing, thermal spraying, etc. are used.

수전해 반응에서 전극의 활성은 전극 물질이 가지는 고유한 촉매 특성과 함께 반응면적과 관련한 전극의 비표면적에 의하여 좌우된다. 니켈-몰리브데늄(Ni-Mo) 전극은 전극 표면에서 금속과 수소원자의 결합력의 증가로 인하여 수소발생반응이 크게 향상되는 것으로 알려져 있다 (비특허문헌 1, 2). 유럽 등록특허 0769576호는 알칼리 금속 염화 수용액에서 수소발생 과전압이 낮은 음극 전극으로 Mo 함량이 10 중량%에서 35 중량%인 Ni-Mo 합금으로 코팅된 음극 전극을 게시하였다. 상기 전극은 아크 방전형 이온 플레이팅법 또는 습식 도금법으로 전도성 기판에 약 20-30 ㎛ 두께로 형성된다. 일본 등록특허 4085772호는 5~40 원자% 몰리브덴과 2~15 원자%의 탄소를 함유하는 Co-Mo-C 합금 또는 Co-Ni-Mo-C 합금으로 이루어진 수소 발생용 합금 전극이 낮은 과전압을 나타냄을 게시하였으며, 상기 전극이 도금에 의해 제조될 수 있음을 보고하였다. 그러나 상기 아크 방전형 이온 플레이팅법과 도금법으로 제조된 코팅층은 두께가 얇고 치밀한 미세구조를 가지므로 전극의 비표면적이 작은 단점이 있으며, 대부분의 Mo 원소가 기지합금에 고용된 상태로 존재하므로 고온-고농도 알칼리 수용액에서 장시간 작동 시에 Mo 원소들의 용출로 인하여 전극 활성이 감소하는 문제점을 초래한다. The activity of the electrode in the water electrolysis reaction depends on the specific surface area of the electrode in relation to the reaction area as well as the intrinsic catalytic properties of the electrode material. Nickel-molybdenum (Ni-Mo) electrodes are known to greatly improve the hydrogen generation reaction due to an increase in the bonding force between metals and hydrogen atoms on the electrode surface (Non-Patent Documents 1 and 2). European Patent No. 0769576 discloses a cathode electrode coated with a Ni-Mo alloy having a Mo content of 10 wt% to 35 wt% as a cathode electrode having a low hydrogen evolution overpotential in an aqueous alkali metal chloride solution. The electrode is formed to a thickness of about 20-30 μm on a conductive substrate by an arc discharge ion plating method or a wet plating method. Japanese Patent No. 4085772 discloses that an alloy electrode for hydrogen generation made of a Co-Mo-C alloy or Co-Ni-Mo-C alloy containing 5 to 40 atomic percent molybdenum and 2 to 15 atomic percent carbon exhibits low overvoltage and reported that the electrode can be prepared by plating. However, the coating layer manufactured by the arc discharge ion plating method and the plating method has a disadvantage in that the specific surface area of the electrode is small because the thickness is thin and has a dense microstructure, and since most of the Mo element is present in a dissolved state in the base alloy, high temperature- When operating for a long time in a high-concentration aqueous alkali solution, the electrode activity decreases due to the elution of Mo elements.

따라서 Mo 함유 합금 코팅층의 수소발생 반응을 극대화하고 장시간 전극 내구성을 확보하기 위하여서는 넓은 비표면적을 갖는 다공성 구조를 가지면서, 알칼리 수용액에서 수소발생 활성이 우수하고 화학적으로 안정한 새로운 조성의 전극과 상기 전극을 경제적으로 제조할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.Therefore, in order to maximize the hydrogen evolution reaction of the Mo-containing alloy coating layer and secure the electrode durability for a long time, the electrode and the electrode of a new composition having a porous structure with a large specific surface area, excellent hydrogen generation activity in aqueous alkali solution and chemically stable It is necessary to develop a method that can be economically manufactured.

유럽 등록특허 0769576호European Patent No. 0769576 일본 등록특허 4085772호Japanese Patent No. 4085772

X. Tang, L. Xiao. C. Yang, J. Lu, L. Zhuang, International Journal of Hydrogen Energy, 39 (2014) 3055-3060.X. Tang, L. Xiao. C. Yang, J. Lu, L. Zhuang, International Journal of Hydrogen Energy, 39 (2014) 3055-3060. F. Safizadeh, E. Ghali, G. Houlachi, International Journal of Hydrogen Energy, 40 (2015) 256-274.F. Safizadeh, E. Ghali, G. Houlachi, International Journal of Hydrogen Energy, 40 (2015) 256-274.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 촉매층의 과전압이 낮아 촉매활성이 우수하며 화학적으로 안정하여 내구성이 우수하며 다공성 구조로 인하여 비표면적이 넓은 알칼리 수전해용 음극을 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention is to provide an anode for alkaline water electrolysis with a low overvoltage of the catalyst layer, excellent catalytic activity, chemical stability, excellent durability, and a large specific surface area due to a porous structure. do.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전도성 기재의 표면에 다공성 Ni-Al-Mo 합금 촉매층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 알칼리 수전해용 음극에 관한 것이다.The present invention for achieving the above object relates to an anode for alkaline water electrolysis, characterized in that a porous Ni-Al-Mo alloy catalyst layer is formed on the surface of a conductive substrate.

본 발명의 알칼리 수전해용 음극에서 상기 Ni-Al-Mo 합금 촉매층은 수소발생에 대한 과전압이 낮고 촉매활성이 우수하다. 또한 Ni-Al-Mo 합금 촉매층에는 Ni에 Al과 Mo이 일부 고용된 2원계 Ni(Al, Mo) 상과 3원계 Ni0.55Al7.2Mo2.25 상이 혼재되어 있는 것으로, Mo가 단순히 고용된 상태로 존재하던 종래기술의 Mo 합금에 비해 내식성이 우수하여 고온-고농도의 알칼리 수용액에서 장시간 작동 시에도 Mo 원소들의 용출이 적어 오랜 기간 전극 활성이 유지된다. In the anode for alkaline water electrolysis of the present invention, the Ni-Al-Mo alloy catalyst layer has a low overvoltage for hydrogen generation and excellent catalytic activity. In addition, in the Ni-Al-Mo alloy catalyst layer, a binary Ni (Al, Mo) phase in which Al and Mo are partially dissolved in Ni and a ternary Ni 0.55 Al 7.2 Mo 2.25 phase are mixed, and Mo is present in a simple solid solution state. It has excellent corrosion resistance compared to the Mo alloy of the prior art, so that the elution of Mo elements is small even when operating for a long time in a high-temperature-high-concentration aqueous alkali solution, so that the electrode activity is maintained for a long time.

본 발명에서 상기 전도성 기재는 통상적으로 알칼리 수전해용 음극의 제조에 사용되는 것이라면, 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 예를 들어, 니켈 또는 스테인레스강 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 기재의 표면에 코팅된 촉매층의 구성에 특징이 있는 것으로, 기재 자체에 관한 것은 아니므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. In the present invention, any conductive substrate may be used as long as it is generally used in the manufacture of an anode for alkaline water electrolysis. For example, nickel or stainless steel may be used, but the present invention is not limited thereto. The present invention is characterized by the configuration of the catalyst layer coated on the surface of the substrate, and does not relate to the substrate itself, so a detailed description thereof will be omitted.

상기 Ni-Al-Mo 합금 촉매층 중 Ni : Al : Mo의 원자비는 30~50 : 40~50 : 10~30인 것이 바람직하다. Al과 Mo 함량이 너무 높거나 너무 낮은 경우에는 Ni(Al, Mo) 상의 비율이 높아 내식성과 촉매활성이 저하된다.In the Ni-Al-Mo alloy catalyst layer, the atomic ratio of Ni:Al:Mo is preferably 30-50:40-50:10-30. When the Al and Mo content is too high or too low, the ratio of the Ni(Al, Mo) phase is high, and corrosion resistance and catalytic activity are deteriorated.

Ni-Al-Mo 합금 촉매층의 활성은 비표면적에 의해서도 영향을 받는데, 예를 들면 Ni-Al-Mo 합금 촉매층의 비표면적은 30 ㎡/g 이상인 것이 바람직하다. 비표면적이 높을수록 수전해 과정에서 촉매활성이 높아 낮은 수소발생 전압을 필요로 하므로, 더욱 바람직하게는 50 ㎡/g 이상인 것이 좋으며 바람직한 비표면적의 상한을 설정하는 것은 의미가 없다. The activity of the Ni-Al-Mo alloy catalyst layer is also affected by the specific surface area. For example, the specific surface area of the Ni-Al-Mo alloy catalyst layer is preferably 30 m 2 /g or more. The higher the specific surface area, the higher the catalytic activity in the water electrolysis process and thus a low hydrogen generation voltage is required. Therefore, it is more preferably 50 m 2 /g or more, and it is meaningless to set the upper limit of the preferred specific surface area.

본 발명의 다른 일양태는 (A) 전도성 기재의 표면에 용사코팅에 의해 Ni-Al-Mo 합금 코팅층을 형성하는 단계; (B) Ni-Al-Mo 합금 코팅층이 형성된 전도성 기재를 열처리하는 단계; 및 (C) 상기 열처리된 기재를 알칼리 수용액으로 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리 수전해용 음극의 제조방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention comprises the steps of (A) forming a Ni-Al-Mo alloy coating layer by thermal spray coating on the surface of the conductive substrate; (B) heat-treating the conductive substrate on which the Ni-Al-Mo alloy coating layer is formed; and (C) treating the heat-treated substrate with an aqueous alkali solution.

이하 각 단계를 상세히 설명한다.Hereinafter, each step will be described in detail.

상기 (A) 단계는 전도성 기재의 표면에 용사코팅에 의해 알칼리 수전해 반응의 음극 촉매인 Ni-Al-Mo 합금층을 형성하는 단계이다.The step (A) is a step of forming a Ni-Al-Mo alloy layer, which is a cathode catalyst of an alkaline water electrolysis reaction, by thermal spray coating on the surface of the conductive substrate.

전술한 바와 같이 상기 본 단계의 상기 전도성 기재로는 통상 알칼리 수전해용 전극에 사용되는 기재를 사용할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.As described above, as the conductive substrate in this step, a substrate typically used for an electrode for alkaline water electrolysis may be used, and a detailed description thereof will be omitted.

용사코팅은 분말형태의 재료를 화염이나 플라즈마 등 고온의 열원을 이용하여 용융상태로 만들어 분사하여 코팅하는 것으로, 진공 플라즈마 용사, 대기 플라즈마 용사, 고속화염 용사, 화염용사 또는 저온 분사 등을 사용할 수 있으며, 특정 용사방법에 제한되는 것은 아니다. 다만, 코팅공정의 비용, 작업의 용이성과 코팅층의 기공도를 고려하면, 대기 플라즈마 용사가 더욱 바람직하다. 대기 플라즈마 용사는 기판으로 유입되는 열의 제어가 용이하고, 상대적으로 낮은 열이 유입되기 때문에 기판의 열변형을 최소화할 수 있다. 또한, 대면적 코팅이 가능하고, 코팅층 두께 조절이 용이하며, 코팅층과 기판간의 강한 접합력을 형성하며, 공정조건의 최적화를 통하여 코팅층의 기공/미세결함의 제어가 가능한 특징이 있다. Thermal spray coating is coating by spraying a powder-type material in a molten state using a high-temperature heat source such as flame or plasma, and vacuum plasma spraying, atmospheric plasma spraying, high-speed flame spraying, flame spraying, or low-temperature spraying can be used. , it is not limited to a specific spraying method. However, considering the cost of the coating process, the ease of operation and the porosity of the coating layer, atmospheric plasma spraying is more preferable. Atmospheric plasma thermal spraying is easy to control the heat flowing into the substrate, and since relatively low heat is introduced, thermal deformation of the substrate can be minimized. In addition, large-area coating is possible, the thickness of the coating layer can be easily controlled, a strong bonding force between the coating layer and the substrate is formed, and the pores/fine defects of the coating layer can be controlled through optimization of process conditions.

이때 전도성 기재와 Ni-Al-Mo 합금 코팅층과의 밀착력을 높이기 위하여 용사코팅 전에 전도성 기재의 표면조도(Ra)가 0.5~5.0 ㎛가 되도록 조면화 처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는 전도성 기재의 표면조도가 2.0~3.0 ㎛인 것이 좋다. 표면조도가 너무 높으면 조면화 처리 과정에서 전도성 기재에 손상과 변형을 발생시킬 수 있으며, 표면조도가 너무 낮으면 조면화 처리 효과를 발휘하지 못한다. 조면화 처리 방법으로는 블라스팅 처리와 산을 이용한 화학적 식각을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 블라스팅 처리 시에는 전도성 기재의 변형을 유발하지 않도록 입도와 압력을 조절하는 것이 좋다. At this time, in order to increase the adhesion between the conductive substrate and the Ni-Al-Mo alloy coating layer, the method may further include roughening the conductive substrate so that the surface roughness (Ra) of the conductive substrate becomes 0.5 to 5.0 μm before thermal spray coating. More preferably, the surface roughness of the conductive substrate is 2.0-3.0 ㎛. If the surface roughness is too high, damage and deformation may occur to the conductive substrate during the roughening process, and if the surface roughness is too low, the roughening effect cannot be exhibited. Examples of the roughening treatment method include, but are not limited to, blasting treatment and chemical etching using an acid. During blasting, it is recommended to control the particle size and pressure so as not to cause deformation of the conductive substrate.

상기 Ni-Al-Mo 합금 코팅층 중 Ni : Al : Mo의 원자비가 1 : 2~8 : 0.2~1.5인 것이 바람직하다. Al 함량의 변화는 화학적 침출 단계에서의 촉매 코팅층의 비표면적 증가와 촉매 코팅층의 KOH 전해질 용액에서의 화학적 안정성을 목적으로 하며, Mo 함량의 변화는 수소발생반응에서의 전극의 촉매활성을 향상시키기 위함이다. Al과 Mo의 함량이 너무 적거나, 너무 많은 경우에는 용사코팅에 의해 제조된 Ni-Al-Mo 합금층 중 Al 및 Mo이 Ni에 일부 고용된 상의 비중이 증가하여 제조된 촉매층의 내구성이 저하될 수 있다. In the Ni-Al-Mo alloy coating layer, an atomic ratio of Ni: Al: Mo is preferably 1: 2 to 8: 0.2 to 1.5. The change in the Al content aims to increase the specific surface area of the catalyst coating layer in the chemical leaching step and chemical stability in the KOH electrolyte solution of the catalyst coating layer, and the change in the Mo content is to improve the catalytic activity of the electrode in the hydrogen evolution reaction. to be. If the content of Al and Mo is too small or too large, the specific gravity of the phase in which Al and Mo are partially dissolved in Ni among the Ni-Al-Mo alloy layers produced by thermal spray coating increases, so that the durability of the prepared catalyst layer may decrease. can

상기 Ni-Al-Mo 합금 코팅층의 두께는 용사코팅 조건과 시간에 따라 용이하게 제어할 수 있으며, 50~300 ㎛의 두께로 형성할 수 있다. 코팅층의 두께가 너무 얇으면 후속 알칼리 수용액 처리 단계에서 소실이 발생할 수 있으며, 두께가 너무 두꺼우면 비용이 상승할 수 있다. The thickness of the Ni-Al-Mo alloy coating layer can be easily controlled according to the thermal spray coating conditions and time, and can be formed to a thickness of 50 to 300 μm. If the thickness of the coating layer is too thin, loss may occur in the subsequent aqueous alkali solution treatment step, and if the thickness is too thick, the cost may increase.

하기 실시예에서 대기 플라즈마 용사에 의해 제조되는 Ni-Al-Mo 합금 코팅층은 약 2-5 %의 기공도를 가지는 것이 일반적이지만, 본 발명에서 코팅층의 기공도를 제한하는 것은 아니다. 또한 대기 플라즈마 용사에 의해 형성된 NiAlxMoy 코팅층은 약 1-10 % 부피분율의 산화물을 포함할 수 있으나, 수전해의 양극 코팅 전극으로 사용하는 것에는 문제가 없다. In the following examples, the Ni-Al-Mo alloy coating layer prepared by atmospheric plasma spraying generally has a porosity of about 2-5%, but the porosity of the coating layer is not limited in the present invention. In addition, the NiAl x Mo y coating layer formed by atmospheric plasma spraying is about 1-10% It may contain a volume fraction of oxide, but there is no problem in using it as an anode coating electrode for water electrolysis.

상기 (B) 단계는 (A) 단계에서 Ni-Al-Mo 합금 코팅층을 형성시킨 전도성 기재를 열처리하는 단계이다. Step (B) is a step of heat-treating the conductive substrate on which the Ni-Al-Mo alloy coating layer is formed in step (A).

상기 열처리는 500~800℃에서 0.2~3시간 이루어지는 것이 바람직하다. 본 단계의 열처리 과정에서 Ni-Al-Mo 합금 코팅층 내에 미용융된 Mo 입자와 Ni 또는 Al과의 확산반응을 촉진하며, 수소발생 활성이 높은 3원계 Ni-Al-Mo 합금 상의 분율을 증가시킨다. 하기 실시예에서 확인할 수 있듯이, 열처리 공정을 거치지 않는 경우에는 수소발생 반응에 대한 촉매활성과 내식성이 크게 저하되었다. 열처리 온도가 너무 낮은 경우에는 열처리 효과를 충분히 나타내지 못하며, 열처리 온도가 너무 높아지면 코팅층이 과도하게 치밀하게 됨에 따라 하기 (C) 단계의 알칼리 수용액 처리 단계에서 다공성 촉매 코팅층으로의 변환이 어렵게 된다. 열처리 시간은 열처리 온도에 따라 적절하게 조절될 수 있음은 당연하며, 통상 1~3시간 처리될 수 있다.Preferably, the heat treatment is performed at 500 to 800° C. for 0.2 to 3 hours. In the heat treatment process of this step, the diffusion reaction between unmelted Mo particles and Ni or Al in the Ni-Al-Mo alloy coating layer is promoted, and the fraction of the ternary Ni-Al-Mo alloy phase with high hydrogen generating activity is increased. As can be seen in the following examples, when the heat treatment process was not performed, the catalytic activity and corrosion resistance for the hydrogen evolution reaction were greatly reduced. When the heat treatment temperature is too low, the heat treatment effect is not sufficiently exhibited, and when the heat treatment temperature is too high, the coating layer becomes excessively dense, making it difficult to convert to a porous catalyst coating layer in the alkali aqueous solution treatment step of step (C). It goes without saying that the heat treatment time may be appropriately adjusted according to the heat treatment temperature, and may be treated for 1 to 3 hours in general.

본 단계의 열처리 공정에서 산소가 존재하는 경우, 촉매금속의 산화가 일어나 촉매활성이 저하될 수 있으므로, 열처리는 불활성 가스 분위기, 환원 분위기 또는 진공 분위기에서 수행되는 것이 보다 바람직하다. If oxygen is present in the heat treatment process of this step, oxidation of the catalyst metal may occur and catalytic activity may decrease, so that the heat treatment is more preferably performed in an inert gas atmosphere, a reducing atmosphere, or a vacuum atmosphere.

상기 (C) 단계는 (B) 단계에서 열처리된 기재를 알칼리 수용액으로 처리하는 단계이다. Step (C) is a step of treating the substrate heat-treated in step (B) with an aqueous alkali solution.

본 단계에서는 알칼리 수용액이 Ni-Al-Mo 용사 코팅층의 splat 경계 기공층을 따라 코팅층 내부로 침투하여 Al이 다량 함유된 상들로부터 Al과 일부 Mo 원소를 선택적으로 침출시켜 Ni-Al-Mo 합금 코팅층에 다공성을 부여한다. 본 단계에 의해 Ni-Al-Mo 촉매층의 비표면적이 크게 증가함에 따라 알칼리 수전해에 의한 수소발생에 대하여 촉매활성이 크게 증가한다. In this step, the aqueous alkali solution penetrates into the coating layer along the splat boundary pore layer of the Ni-Al-Mo thermal spray coating layer and selectively leaches Al and some Mo elements from the Al-rich phases to the Ni-Al-Mo alloy coating layer. Gives porosity. As the specific surface area of the Ni-Al-Mo catalyst layer is greatly increased by this step, the catalytic activity for hydrogen generation by alkaline water electrolysis is greatly increased.

본 단계의 알칼리 수용액 처리는 예를 들면, 10~30 중량%의 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 수용액으로 50~100℃에서 12~100 시간 처리할 수 있다.The alkali aqueous solution treatment in this step may be, for example, 10 to 30% by weight of sodium hydroxide or potassium hydroxide aqueous solution at 50 to 100 ℃ 12 to 100 hours treatment.

본 단계의 알칼리 수용액 처리에 따라 최종적으로 형성된 Ni-Al-Mo 촉매 코팅층은 분말소재의 화학적 조성에 따라 30~50 at%의 Ni 함량, 40-50 at%의 Al 함량 그리고 10~30 at%의 Mo 함량의 화학적 조성을 가지며, Ni에 Al과 Mo가 일부 고용된 Ni(Al,Mo) 상과 3원계 Ni0.55Al7.2Mo2.25 상으로 구성되어 내식성이 우수하다. 또한 다공성 구조로 인하여 비표면적 30 m2/g 이상으로 촉매활성이 높아 알칼리 수전해에 의한 수소발생 반응에 유리하다. According to the chemical composition of the powder material, the Ni-Al-Mo catalyst coating layer finally formed by the aqueous alkali solution treatment in this step has a Ni content of 30-50 at%, an Al content of 40-50 at%, and an Al content of 10-30 at%. It has a chemical composition of Mo content, and is composed of a Ni(Al,Mo) phase in which Al and Mo are partially dissolved in Ni and a ternary Ni 0.55 Al 7.2 Mo 2.25 phase, and thus has excellent corrosion resistance. In addition, due to the porous structure, the specific surface area is 30 m 2 /g or more, and catalytic activity is high, which is advantageous for hydrogen generation reaction by alkaline water electrolysis.

통상의 금속분말은 용융된 액체 금속 stream을 고압의 불활성 가스 제트에 충돌시켜 분무화 및 후속 응고 과정을 거쳐 제조하지만, 제조설비가 고가이고 분말생성 비용이 매우 높으며 합금조성을 변화시키거나, 소량을 제조하기에는 적합하지 않다. 특히 본 발명의 Ni-Al-Mo 합금과 같이 합금원소들 간의 용융점 차이가 큰 경우에는 균일한 조성의 코팅재를 제조하는 것이 매우 어렵다. Conventional metal powder is produced through atomization and subsequent solidification by colliding a molten liquid metal stream with a high-pressure inert gas jet, but manufacturing equipment is expensive, powder production cost is very high, alloy composition is changed, or a small amount is produced not suitable for In particular, when the melting point difference between alloying elements is large, such as the Ni-Al-Mo alloy of the present invention, it is very difficult to prepare a coating material having a uniform composition.

이에 본 발명의 또 다른 일양태는 Ni-Al-Mo 용사코팅재에 관한 것으로, 보다 구체적으로 (A) Ni, Al 및 Mo의 금속 또는 합금 분말의 혼합물을 액상 용매에 투입하여 밀링에 의해 1.0~5.0 ㎛ 범위의 미세입자로 파쇄하는 단계; (B) 상기 혼합액에 분산제와 바인더를 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계; 및 (C) 상기 슬러리를 사용하여 원심분무건조에 의하여 마이크론 크기의 액적으로 분사하고 고온으로 건조하여 과립분말을 제조하는 단계;를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 Ni-Al-Mo 합금 용사코팅재에 관한 것이다. Accordingly, another aspect of the present invention relates to a Ni-Al-Mo thermal spray coating material, and more specifically (A) 1.0 to 5.0 by milling by adding a mixture of Ni, Al and Mo metal or alloy powder to a liquid solvent. crushing into fine particles in the ㎛ range; (B) preparing a slurry by adding a dispersant and a binder to the mixed solution; and (C) spraying the slurry into micron-sized droplets by centrifugal spray drying and drying at a high temperature to prepare a granular powder; it's about

상기 용사코팅재를 전술한 알칼리 수전해용 음극의 제조에 사용하기 위해서는 상기 (A) 단계에서 금속 또는 합금 분말의 혼합물 중 Ni : Al : Mo의 원자비는 1 : 2~8 : 0.3~1.5인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속 또는 합금 분말이라 함은 "Ni, Al 및 Mo"과 같이 각각의 금속을 사용하거나, 하기 실시예의 NiAl2.17과 같은 Ni, Al 및 Mo으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속의 합금을 혼합하여 사용할 수 있음을 의미한다. 이때 초기 원료분말은 순도 98wt% 이상과 입도 5.0 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 입도가 작을수록 균일한 혼합물을 제조하는데 유리하나, 입도가 작아질수록 경제성이 낮으므로 1.0~5.0 ㎛의 입도를 갖는 것이 더욱 바람직하다. 파쇄된 원료 분말 그리고 바인더와 분산제를 액상 용매에서 투입하고, 볼 밀링하여 균일하게 혼합된 액상 슬러리를 만든다. 상기의 슬러리 혼합용액을 고압 가스 분무기 또는 고속으로 회전하는 디스크에 의한 원심분무기에 의하여 액적으로 분무하여 고온 분위기에서 용매를 제거함으로써 원료분말들이 응집된 과립분말 형태의 Ni-Al-Mo 합금 용사코팅재을 제조한다. In order to use the thermal spray coating material for manufacturing the above-mentioned alkaline water electrolysis negative electrode, the atomic ratio of Ni: Al: Mo in the mixture of metal or alloy powder in step (A) is 1: 2-8: 0.3-1.5 is preferable. However, the present invention is not limited thereto. Metal or alloy powder refers to each metal such as "Ni, Al and Mo", or an alloy of one or more metals selected from the group consisting of Ni, Al and Mo, such as NiAl 2.17 of the following examples, can be used. means there is At this time, it is preferable that the initial raw material powder has a purity of 98 wt% or more and a particle size of 5.0 μm or less. The smaller the particle size, the more advantageous it is to prepare a uniform mixture. However, the smaller the particle size, the lower the economic feasibility, so it is more preferable to have a particle size of 1.0 to 5.0 μm. The crushed raw material powder, binder, and dispersant are added in a liquid solvent, and ball milling is performed to make a uniformly mixed liquid slurry. The slurry mixture solution is sprayed into droplets by a high-pressure gas atomizer or a centrifugal atomizer using a high-speed rotating disk to remove the solvent in a high-temperature atmosphere, thereby producing a Ni-Al-Mo alloy thermal spray coating material in the form of agglomerated raw powders. do.

상기 Ni-Al-Mo 합금 용사코팅재의 입도는 5~100 ㎛의 구형인 것이 바람직하다. 만일 분말의 입도가 5㎛ 보다 작거나 또는 구형의 형상이 아닌 경우에는 분말의 유동성의 저하로 용사코팅 시 균일한 분사가 어려우며, 반면에 분말입도가 100㎛보다 클 경우에는 균일한 코팅층의 형성에 문제가 있다. 분무건조 과립분말의 강도가 약하여 용사공정에 사용하지 못할 경우에는, 500~1000℃의 불활성 가스 분위기 또는 진공에서 열처리를 할 수 있지만, 반드시 필요한 것은 아니다. 상기 열처리 온도가 너무 높은 경우에는 과립분말간의 소결이 일어날 수 있다.The particle size of the Ni-Al-Mo alloy thermal spray coating material is preferably a spherical shape of 5 to 100 ㎛. If the particle size of the powder is smaller than 5㎛ or is not spherical, uniform spraying is difficult during thermal spray coating due to reduced fluidity of the powder. On the other hand, if the powder particle size is larger than 100㎛, it is difficult to form a uniform coating layer. there is a problem. If the strength of the spray-dried granular powder is weak and cannot be used in the thermal spraying process, heat treatment may be performed in an inert gas atmosphere or vacuum at 500 to 1000° C., but it is not necessary. When the heat treatment temperature is too high, sintering may occur between the granular powders.

이상과 같이 본 발명의 알칼리 수전해용 음극 및 그 제조방법에 의하면 촉매층의 과전압이 낮아 촉매활성이 우수하며 화학적으로 안정하여 내구성이 우수하며 다공성 구조로 인하여 비표면적이 넓은 알칼리 수전해용 음극을 제공할 수 있기 때문에 알칼리 수전해에 의한 수소발생에 유용하게 사용될 수 있다. As described above, according to the anode for alkaline water electrolysis of the present invention and its manufacturing method, it is possible to provide an anode for alkaline water electrolysis with a low overvoltage of the catalyst layer, excellent catalytic activity, chemical stability, excellent durability, and a large specific surface area due to its porous structure. Therefore, it can be usefully used for hydrogen generation by alkaline water electrolysis.

또한 본 발명의 용사코팅재는 다양한 화학적 조성에 대해 보다 간단한 설비를 사용하여 경제적으로 균일한 분말을 제조할 수 있어, 상기 알칼리 수전해용 음극을 비롯하여 Ni-Al-Mo 합금의 용사코팅이 필요한 분야에 효율적으로 이용될 수 있다. In addition, the thermal spray coating material of the present invention can produce a uniform powder economically by using simpler equipment for various chemical compositions, so it is effective in fields requiring thermal spray coating of Ni-Al-Mo alloys, including the anode for alkaline water electrolysis. can be used as

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의해 형성된 NiAlxMoy 분말소재의 단면 미세조직을 보여주는 전자현미경 이미지.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 형성된 플라즈마 용사 NiAlxMoy 코팅층의 단면 미세조직을 보여주는 전자현미경 이미지.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의해 형성된 다공성 Ni-Al-Mo 코팅층의 표면 및 단면 미세조직을 보여주는 전자현미경 이미지.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의해 형성된 다공성 Ni-Al-Mo 코팅층의 X-ray 회절 스펙트럼.
도 5a ~ 5c는 본 발명의 일 실시예에 의해 형성된 다공성 Ni-Al-Mo 코팅층의 수소발생반응에 대한 동전위 분극곡선을 나타내는 그래프.
1 is an electron microscope image showing a cross-sectional microstructure of a NiAl x Mo y powder material formed by an embodiment of the present invention.
Figure 2 is an electron microscope image showing the cross-sectional microstructure of the plasma sprayed NiAl x Mo y coating layer formed according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an electron microscope image showing the surface and cross-sectional microstructure of the porous Ni-Al-Mo coating layer formed according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is an X-ray diffraction spectrum of the porous Ni-Al-Mo coating layer formed according to an embodiment of the present invention.
5a to 5c are graphs showing the potential polarization curves for the hydrogen evolution reaction of the porous Ni-Al-Mo coating layer formed according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying examples. However, these embodiments are merely examples for easily explaining the content and scope of the technical idea of the present invention, and thereby the technical scope of the present invention is not limited or changed. It will be natural for those skilled in the art that various modifications and changes can be made within the scope of the technical spirit of the present invention based on these examples.

[실시예][Example]

실시예 1 : NiAlExample 1: NiAl xx MoMo yy 용사코팅재의 제조 Manufacture of thermal spray coating material

NiAl2.17(평균입도 23 ㎛, Yakuri Pure Chemical, 일본), Al(평균입도 3 ㎛, 고순도화학, 일본) 및 Mo(평균입도 5 ㎛, 서광금속, 한국) 분말 입자를 혼합물 내 금속 성분의 화학조성이 NiAlxMo0.66 (x = 2, 4, 6 또는 8) 또는 NiAl6Moy (y = 0.33, 0.66, 1.00 또는 1.33)이 되도록 칭량한 후, 에탄올 용매와 혼합하여 고상율 10 부피%의 슬러리를 제조하였다. Ni과 Al의 at%가 1:2인 용사코팅재의 제조를 위해서는 비율만큼 Ni 분말을 추가로 혼합하였다. 상기 슬러리를 고에너지 attrition milling을 이용하여 미세입자로 파쇄하였다. 파쇄된 분말혼합용액에 분산제 및 바인더를 분말혼합용액에 대하여 각각 1 wt% 및 2wt% 첨가하여 슬러리 용액을 제조하였다. 각기 다른 화학조성의 Ni-Al-Mo 슬러리 용액은 원심분무건조장치(DJSD-1500, 동진기연)를 이용하여 평균입도가 약 40 ㎛인 과립분말을 제조하였다. Chemical composition of metal components in the mixture of NiAl 2.17 (average particle size 23 μm, Yakuri Pure Chemical, Japan), Al (average particle size 3 μm, High Purity Chemicals, Japan) and Mo (average particle size 5 μm, Seokwang Metal, Korea) powder particles After weighing so that this NiAl x Mo 0.66 (x = 2, 4, 6 or 8) or NiAl 6 Mo y (y = 0.33, 0.66, 1.00 or 1.33), it is mixed with an ethanol solvent and a slurry having a solid phase ratio of 10% by volume was prepared. In order to prepare a thermal sprayed coating material having an at% of Ni and Al of 1:2, Ni powder was additionally mixed in a ratio. The slurry was crushed into fine particles using high-energy attrition milling. A slurry solution was prepared by adding 1 wt% and 2 wt% of a dispersant and a binder to the crushed powder mixture solution, respectively, with respect to the powder mixture solution. For Ni-Al-Mo slurry solutions of different chemical compositions, granular powders having an average particle size of about 40 μm were prepared using a centrifugal spray drying device (DJSD-1500, Dongjin Machinery).

도 1은 본 발명에서 제조된 NiAl6Mo0.66 분말소재의 단면 미세조직의 주사전자현미경 이미지이다. 제조된 분말은 대략 구형의 과립분말로 내부에 3종의 NiAl2.17, Al 그리고 Mo 입자들이 응집되어 모두 분포하고 있음을 보여준다.1 is a scanning electron microscope image of the cross-sectional microstructure of the NiAl 6 Mo 0.66 powder material prepared in the present invention. The prepared powder is a roughly spherical granular powder, showing that three kinds of NiAl 2.17 , Al and Mo particles are aggregated and distributed inside.

실시예 2 : NiAlExample 2: NiAl xx MoMo yy 촉매전극의 제조 Preparation of catalyst electrode

1) 대기 플라즈마 용사 코팅에 의한 NiAl1) NiAl by atmospheric plasma spray coating xx MoMo yy 코팅층의 제조 Preparation of coating layer

두께 0.6 mm의 Ni 기판을 200 mesh 크기의 알루미나 입자를 이용하여 grit blasting 공정으로 약 Ra = 3 μm의 표면조도를 형성하였다. 이때 얇은 기판에 변형이 가지 않도록 3 kg/cm2의 낮은 분사압력으로 블라스팅을 수행하였다. 블라스트 처리된 Ni 기판에 실시예 1에서 제조한 NiAlxMoy 열용사코팅재를 사용하여 대기 플라즈마 용사 장비 SG-100(Praxair, USA)로 약 100 ㎛ 두께의 코팅층을 형성하였다. 대기 플라즈마 용사 조건은 Ar-He 플라즈마 가스를 이용하여 플라즈마 제트 출력 24 kW, 용사거리 120 mm, 분말 공급양 30 g/min 그리고 분말공급 가스압력 3.5 kg/cm2이었다. A surface roughness of about Ra = 3 μm was formed on a 0.6 mm thick Ni substrate by grit blasting using 200 mesh alumina particles. At this time, blasting was performed with a low injection pressure of 3 kg/cm 2 so as not to deform the thin substrate. A coating layer having a thickness of about 100 μm was formed on the blast-treated Ni substrate by using the NiAl x Mo y thermal spray coating material prepared in Example 1 with an atmospheric plasma spraying equipment SG-100 (Praxair, USA). Atmospheric plasma spraying conditions using Ar-He plasma gas were a plasma jet output of 24 kW, a spraying distance of 120 mm, a powder supply amount of 30 g/min, and a powder supply gas pressure of 3.5 kg/cm 2 .

도 2는 대기 플라즈마 용사에 의해 Ni 기판에 형성된 대표적인 Ni-Al-Mo 코팅층의 단면 미세조직을 보여주는 전자현미경 이미지이다. 분말소재의 화학적 조성에 관계없이 플라즈마 스프레이 Ni-Al-Mo 코팅층은 유사한 미세조직으로 이루어져 있었다. 도 2로부터 플라즈마 용사 Ni-Al-Mo 코팅층은 Ni 기판과 계면분리 없이 양호한 계면접합으로 형성되었으며, 코팅층은 완전 용융된 splat 적층과 함께 일부 미용융/부분용융 액적과 기공 그리고 splat 경계기공으로 이루어져 있음을 확인할 수 있다. Ni-Al-Mo 코팅층의 일부 영역에서에는 약 1-2 부피%의 산화물이 포함되어 있었으나, 알칼리 수전해용 전극의 전기전도도에는 큰 영향을 미치지 않는 수준이었다. 2 is an electron microscope image showing a cross-sectional microstructure of a representative Ni-Al-Mo coating layer formed on a Ni substrate by atmospheric plasma spraying. Regardless of the chemical composition of the powder material, the plasma spray Ni-Al-Mo coating layer had a similar microstructure. From Fig. 2, the plasma thermal sprayed Ni-Al-Mo coating layer was formed with good interfacial bonding without interfacial separation with the Ni substrate, and the coating layer was composed of some unmelted/partially melted droplets and pores and splat boundary pores along with completely molten splat lamination can confirm. In some regions of the Ni-Al-Mo coating layer, about 1-2% by volume of oxide was included, but it was at a level that did not significantly affect the electrical conductivity of the electrode for alkaline water electrolysis.

2) NiAl2) NiAl xx MoMo yy 코팅층의 열처리 Heat treatment of coating layer

1)에서 대기 플라즈마 용사에 의해 NiAlxMoy 코팅층을 형성시킨 기판을 750℃의 수소분위기에서 1시간 열처리하였다. In 1), the substrate on which the NiAl x Mo y coating layer was formed by atmospheric plasma spraying was heat-treated in a hydrogen atmosphere at 750° C. for 1 hour.

3) 열처리된 NiAl3) Heat-treated NiAl xx MoMo yy 코팅층의 화학적 침출 Chemical leaching of the coating layer

열처리 된 NiAlxMoy 코팅 기판을 80℃의 알칼리 수용액(30% KOH + 10% K·Na·tartrate hydrate)에 24시간 이상 동안 담지하여 Al 합금원소의 화학적 침출을 실시하였다.Chemical leaching of Al alloy elements was performed by immersing the heat-treated NiAl x Mo y coated substrate in an aqueous alkali solution (30% KOH + 10% K Na tartrate hydrate) at 80 ° C. for more than 24 hours.

도 3은 알칼리 수용액에서 화학적 침출 후의 NiAl6Mo0.66 코팅층의 표면(a) 및 단면(b) 미세조직의 전자현미경 이미지이다. 도 3은 화학적 침출에 의해 표면 요철이 크게 증가하고, 코팅층 내부 전반에 걸쳐 다공성의 미세구조가 형성되는 것을 보여준다. 이는 알칼리 수용액이 플라즈마 용사 코팅층의 splat 경계 기공층을 따라 코팅층 내부로 침투하여 Al이 다량 함유된 상들로부터 Al과 일부 Mo 원소를 선택적으로 침출시켜 기공도를 증가시키는 것으로 사료된다. 3 is an electron microscope image of the surface (a) and cross-section (b) microstructure of the NiAl 6 Mo 0.66 coating layer after chemical leaching in an aqueous alkali solution. FIG. 3 shows that the surface unevenness is greatly increased by chemical leaching, and a porous microstructure is formed throughout the inside of the coating layer. It is believed that the aqueous alkali solution penetrates into the coating layer along the splat boundary porous layer of the plasma spray coating layer and selectively leaches Al and some Mo elements from the Al-rich phases to increase the porosity.

도 4는 알칼리 수용액에서 화학적 침출 후의 다공성 Ni-Al-Mo 촉매 코팅층의 X-ray 회절 분석 결과이다. 다공성 Ni-Al-Mo 촉매 코팅층은 화학적 침출 후 2종의 금속계 화합물인 Ni(Al,Mo) 상과 Ni0.55Al7.2Mo2.25 상으로 이루어져 있음을 알 수 있다. NiAl6Moy 코팅층에서 Mo 함량이 증가함에 따라 Ni(Al,Mo) 상 대비 Ni0.55Al7.2Mo2.25 상의 분율이 증가하였다. 또한 NiAlxMo0.66 코팅층에서 Al 함량이 증가함에 따라 Ni(Al,Mo) 상 대비 Ni0.55Al7.2Mo2.25 상의 분율이 증가하였다. 코팅층에서 Ni : Al : Mo의 원자비를 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)로 측정한 결과 용사코팅재의 조성과 무관하게 모두 30~50 : 40~50 : 10~30 범위였으며, 용사코팅재의 조성과의 일정한 상관관계를 찾을 수 없었다. 촉매 코팅층의 미세 기공을 정량적으로 평가하기 위하여 BET 비표면적 측정장치(Belsorp-max, BEL Japan Inc.)를 이용하여 비표면적을 측정한 결과, 제조된 촉매 코팅층의 비표면적은 모두 60-80 m2/g를 나타내었다. 4 is an X-ray diffraction analysis result of a porous Ni-Al-Mo catalyst coating layer after chemical leaching in an aqueous alkali solution. It can be seen that the porous Ni-Al-Mo catalyst coating layer is composed of a Ni(Al,Mo) phase and a Ni 0.55 Al 7.2 Mo 2.25 phase, which are two kinds of metal-based compounds after chemical leaching. As the Mo content in the NiAl 6 Mo y coating layer increased, the fraction of the Ni 0.55 Al 7.2 Mo 2.25 phase increased compared to the Ni(Al,Mo) phase. In addition , as the Al content in the NiAl x Mo 0.66 coating layer increased, the fraction of the Ni 0.55 Al 7.2 Mo 2.25 phase increased compared to the Ni (Al, Mo) phase. The atomic ratio of Ni: Al: Mo in the coating layer was measured by EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), and as a result, regardless of the composition of the thermal spray coating material, all were in the range of 30-50: 40-50: 10-30, and the composition of the thermal spray coating material No definite correlation was found with In order to quantitatively evaluate the micropores of the catalyst coating layer, the specific surface area was measured using a BET specific surface area measuring device (Belsorp-max, BEL Japan Inc.). As a result, the specific surface area of the prepared catalyst coating layer was 60-80 m 2 /g is shown.

실시예 3 : NiAlExample 3: NiAl xx MoMo yy 촉매전극의 수소발생 특성 평가 Evaluation of Hydrogen Generation Characteristics of Catalyst Electrodes

실시예 2에 의해 제조된 다공성 Ni-Al-Mo 촉매전극의 수소발생 특성을 평가하기 위하여 알칼리 수용액에서 수전해 반응의 동전위 분극시험을 수행하였다. 작업전극으로는 실시예 2에서 제조된 촉매전극을, 상대전극으로 Ni 전극을, 기준전극으로 Hg/HgO 전극을 사용하여 3 전극 전기화학 셀을 구성하여 실험을 진행하였다. 전해액으로는 25℃의 1M KOH 수용액을 사용하였다. 동전위 분극시험은 Metrohm 사의 Autolab 장비를 사용하였고, -0.8V 부터 1.5V 까지 0.1 mV/s의 주사속도로 전위를 인가하여 분극곡선을 얻었다. 타펠 외삽법을 통하여 부식전류밀도와 부식속도를 계산하였다. In order to evaluate the hydrogen generation characteristics of the porous Ni-Al-Mo catalyst electrode prepared in Example 2, a potentiostatic polarization test of water electrolysis in an aqueous alkali solution was performed. A three-electrode electrochemical cell was constructed using the catalyst electrode prepared in Example 2 as the working electrode, the Ni electrode as the counter electrode, and the Hg/HgO electrode as the reference electrode, and experiments were conducted. 1M KOH aqueous solution at 25°C was used as the electrolyte solution. A polarization curve was obtained by applying a potential from -0.8V to 1.5V at a scanning speed of 0.1 mV/s from Metrohm's Autolab equipment for the electrostatic polarization test. Corrosion current density and corrosion rate were calculated through Tafel extrapolation.

비교예 1로는 NiAlxMoy 용사코팅재 대신 상용 NiAl2.17 분말소재를 용사코팅재로 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법에 의해 제조한 촉매전극을 사용하였다. 비교예 2는 NiAl6Mo0.66의 용사코팅재를 사용하면서 열처리 공정을 생략한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법에 의해 제조한 촉매전극을 사용하였다.In Comparative Example 1, a catalyst electrode prepared in the same manner as in Example 2 was used, except that a commercial NiAl 2.17 powder material was used as a thermal spray coating material instead of a NiAl x Mo y thermal spray coating material. In Comparative Example 2, a catalyst electrode prepared in the same manner as in Example 2 was used except that a thermal treatment process was omitted while using a thermal spray coating material of NiAl 6 Mo 0.66.

도 5a ~ 도 5b는 Mo 함량 및 Al 함량의 변화에 따른 본 발명의 다공성 Ni-Al-Mo 촉매전극의 동전위 분극곡선이며, 도 5c는 열처리 공정의 유무에 따라 제조된 촉매전극의 동전위 분극곡선이다. 이로부터 구한 수소발생 과전압과 타펠 기울기를 하기 표 1에 정리하였다.5a to 5b are co-potential polarization curves of a porous Ni-Al-Mo catalyst electrode of the present invention according to changes in Mo content and Al content, and FIG. 5c is a co-potential polarization of a catalytic electrode manufactured with or without a heat treatment process. It is a curve. The hydrogen evolution overvoltage and Tafel slope obtained therefrom are summarized in Table 1 below.

Figure 112020072037577-pat00001
Figure 112020072037577-pat00001

표 1에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 모든 조성의 촉매전극은 Mo이 첨가되지 않은 비교예의 NiAl2.17 촉매전극에 비해 우수한 수소발생 활성과 내식성을 보여주었다. 촉매전극의 활성과 내식성에 대해 NiAlxMoy 코팅층에서 Al 함량(x)과 Mo 함량(y)은 최적값을 나타내었다. 즉, NiAlxMo0.66 코팅층에서 Al의 함량이 2에서 6으로 증가하면, 과전압이 감소하여 촉매전극의 활성과 내식성이 점차 향상되었으며, Al 함량이 6에서 8로 증가하면 촉매활성과 내식성은 다시 감소하였다. Mo 함량 역시 유사한 양상을 나타내어 NiAl6Moy 코팅층에서 Mo 함량이 0.66인 경우 가장 높은 촉매활성과 내식성을 나타내었다. As can be seen in Table 1, the catalyst electrodes of all compositions of the present invention showed superior hydrogen generation activity and corrosion resistance compared to the NiAl 2.17 catalyst electrode of Comparative Example in which Mo was not added. For the activity and corrosion resistance of the catalyst electrode, the Al content (x) and Mo content (y) in the NiAl x Mo y coating layer showed optimal values. That is, when the Al content in the NiAl x Mo 0.66 coating layer increased from 2 to 6, the overvoltage decreased and the activity and corrosion resistance of the catalyst electrode gradually improved. When the Al content increased from 6 to 8, the catalytic activity and corrosion resistance decreased again. did. Mo content also showed a similar pattern, and the highest catalytic activity and corrosion resistance were exhibited when the Mo content was 0.66 in the NiAl 6 Mo y coating layer.

또한, 동일한 용사코팅재를 사용한다고 하더라도, 열처리 공정을 생략하고 제조한 NiAl6Mo0.66 촉매전극은 촉매활성과 내식성이 크게 저하되어, 촉매전극의 제조공정에서 열처리 공정의 중요성을 확인할 수 있었다. 열처리는 NiAlxMoy 코팅층 내에 미용융된 Mo 입자와 Ni 또는 Al과의 확산반응을 촉진하며, 수소발생 활성이 높은 3원계 Ni-Al-Mo 합금 상의 분율을 증가시키고 후속 화학적 침출 과정에서 다공성 촉매 코팅층으로의 변환을 용이하게 하는 것으로 사료된다.In addition, even if the same thermal spray coating material is used, the NiAl 6 Mo 0.66 catalyst electrode manufactured by omitting the heat treatment process has significantly reduced catalytic activity and corrosion resistance, confirming the importance of the heat treatment process in the manufacturing process of the catalyst electrode. Heat treatment promotes the diffusion reaction between unmelted Mo particles and Ni or Al in the NiAl x Mo y coating layer, increases the fraction of the ternary Ni-Al-Mo alloy phase with high hydrogen generating activity, and porous catalyst in the subsequent chemical leaching process It is believed to facilitate the conversion to the coating layer.

Claims (5)

(A) 전도성 기재의 표면에 용사코팅에 의해 Ni : Al : Mo의 원자비가 1 : 2~8 : 0.66~1.0인 Ni-Al-Mo 합금 코팅층을 형성하는 단계;
(B) Ni-Al-Mo 합금 코팅층이 형성된 전도성 기재를 불활성 가스 분위기, 환원 분위기 또는 진공 분위기의 500~800℃에서 0.2~3시간 열처리하는 단계; 및
(C) 상기 열처리된 기재를 알칼리 수용액으로 처리하는 단계;
를 포함하여 제조되는 것에 의해,
전도성 기재의 표면에 Ni : Al : Mo의 원자비가 30~50 : 40~50 : 10~30인 다공성 Ni-Al-Mo 합금 촉매층이 형성되어 있으며,
25℃, 1M KOH 수용액, 400mA/㎠에서의 수소발생 과전압이 73 mV 이상 141 mV 이하인 것을 특징으로 하는 알칼리 수전해용 음극.
(A) forming a Ni-Al-Mo alloy coating layer having an atomic ratio of Ni: Al: Mo of 1: 2-8: 0.66-1.0 by thermal spray coating on the surface of the conductive substrate;
(B) heat-treating the conductive substrate on which the Ni-Al-Mo alloy coating layer is formed at 500-800° C. in an inert gas atmosphere, a reducing atmosphere, or a vacuum atmosphere for 0.2 to 3 hours; and
(C) treating the heat-treated substrate with an aqueous alkali solution;
By being manufactured, including
A porous Ni-Al-Mo alloy catalyst layer having an atomic ratio of Ni: Al: Mo of 30-50: 40-50: 10-30 is formed on the surface of the conductive substrate,
Anode for alkaline water electrolysis, characterized in that the hydrogen generation overvoltage at 25°C, 1M KOH aqueous solution, and 400mA/cm2 is 73 mV or more and 141 mV or less.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 Ni-Al-Mo 합금 촉매층은 Ni에 Al과 Mo이 일부 고용된 2원계 Ni(Al, Mo) 상과 3원계 Ni0.55Al7.2Mo2.25 상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 알칼리 수전해용 음극.
The method of claim 1,
The Ni-Al-Mo alloy catalyst layer is a cathode for alkaline water electrolysis, characterized in that it consists of a binary Ni (Al, Mo) phase in which Al and Mo are partially dissolved in Ni and a ternary Ni 0.55 Al 7.2 Mo 2.25 phase.
제 1 항에 있어서,
상기 Ni-Al-Mo 합금 촉매층의 비표면적은 30 ㎡/g 이상인 것을 특징으로 하는 알칼리 수전해용 음극.
The method of claim 1,
The anode for alkaline water electrolysis, characterized in that the specific surface area of the Ni-Al-Mo alloy catalyst layer is 30 m 2 /g or more.
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