KR102322024B1 - Graphene hybrid catalyst for Water splitting and Zn-Air battery, and Method thereof - Google Patents

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KR102322024B1 KR1020200065197A KR20200065197A KR102322024B1 KR 102322024 B1 KR102322024 B1 KR 102322024B1 KR 1020200065197 A KR1020200065197 A KR 1020200065197A KR 20200065197 A KR20200065197 A KR 20200065197A KR 102322024 B1 KR102322024 B1 KR 102322024B1
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이중희
김남훈
츠응 응웬 딘
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전북대학교산학협력단
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Abstract

A noble metal catalyst used in the prior art has good activity but is expensive and has economic problems. Accordingly, the present invention provides a graphene hybrid catalyst for water decomposition and a zinc-air battery and a method for manufacturing the same, wherein the graphene hybrid catalyst has sufficient active sites on a basal plane, and simultaneously exhibits excellent activity in oxygen reduction reaction (ORR), hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) when the graphene hybrid catalyst is applied to water decomposition and a secondary battery.

Description

물분해와 아연-공기 전지를 위한 그래핀 하이브리드 촉매 및 이의 제조방법{Graphene hybrid catalyst for Water splitting and Zn-Air battery, and Method thereof}Graphene hybrid catalyst for Water splitting and Zn-Air battery, and Method thereof

본 발명은 물 분해 및 이차 전지의 음극에 이용되는 하이브리드 촉매 및 이의 제조방법으로 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR), 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction, HER) 및 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction, OER)에서 동시에 우수한 활성을 보이는 것을 그래핀 하이브리드 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention provides an oxygen reduction reaction (ORR), a hydrogen evolution reaction (HER) and an oxygen evolution reaction (oxygen evolution reaction, It relates to a graphene hybrid catalyst that exhibits excellent activity at the same time in OER) and a method for preparing the same.

오늘날, 금속-공기 배터리, 연료 전지 및 수전해는 환경 친화성, 내구성 및 비용 효율성을 갖는 깨끗하고 재생 가능한 에너지의 대규모 생산을 위한 첨단 기술로 과학계에 널리 인식되어 왔다. 위와 같은 에너지 시스템의 중요한 반응으로는 산소 환원 반응(Oxygen reduction reaction, ORR), 수소 발생 반응(Hydrogen evolution reaction, HER) 및 산소 발생 반응(Oxygen evolution reaction, OER) 등이 있다. 종래에는 위와 같은 반응들을 가속화하기 위한 촉매로는 백금(Pt), 산화루테늄(RuO2) 및 산화이리듐(IrO2) 같은 귀금속 기반의 재료가 사용되어 왔는데 비용이 많이 드는 희귀 금속들이므로 상용화에 어려움이 있다. 따라서, 희귀 금속 촉매의 대안으로 저렴하고, 환경친화적이며, 높은 활성을 가지고 강력한 촉매의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Today, metal-air batteries, fuel cells and water electrolysis have been widely recognized by the scientific community as advanced technologies for large-scale production of clean and renewable energy with environmental friendliness, durability and cost-effectiveness. Important reactions of the above energy system include an oxygen reduction reaction (ORR), a hydrogen evolution reaction (HER), and an oxygen evolution reaction (OER). Conventionally, noble metal-based materials such as platinum (Pt), ruthenium oxide (RuO 2 ) and iridium oxide (IrO 2 ) have been used as catalysts for accelerating the above reactions, but they are expensive and difficult to commercialize because they are rare metals. There is this. Therefore, research on the development of inexpensive, environmentally friendly, high activity and powerful catalysts as an alternative to rare metal catalysts is being actively conducted.

상기 연구의 일례로, 이황화몰리브덴(MoS2)은 효율적인 촉매로 주목받고 있다. F. Pan, H. Zhang, K. Liu, D. Cullen, K. More, M. Wang, Z. Feng, G. Wang, G. Wu, Y. Li, ACS Catal. 2018, 8, 3116 등에 따르면, 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu)와 같은 촉진제를 이황화몰리브덴에 도입할 경우 구조에 2개의 전이금속이 존재하게 되고, 이는 더 많은 활성 부위를 발생시켜 촉매의 활성을 크게 높인다고 밝힌 바 있다.As an example of the above study, molybdenum disulfide (MoS 2 ) is attracting attention as an efficient catalyst. F. Pan, H. Zhang, K. Liu, D. Cullen, K. More, M. Wang, Z. Feng, G. Wang, G. Wu, Y. Li, ACS Catal. According to 2018, 8, 3116 et al., when an accelerator such as cobalt (Co), nickel (Ni), or copper (Cu) is introduced into molybdenum disulfide, two transition metals are present in the structure, which generates more active sites. This has been shown to significantly increase the activity of the catalyst.

이에 따라 개발된 금속황화물 촉매는 강력할 뿐만 아니라 광범위한 pH 값에 걸쳐 활발한 반응을 보이는 촉매이다. 이의 다양한 구조와 형태가 제조되어 왔지만, 금속황화물 촉매는 균일성과 넓은 전기 활성 표면적을 가지기엔 기저 평면 상의 활성 부위가 부족하기 때문에 산업상의 이용이 어려운 실정이다.The metal sulfide catalyst thus developed is not only strong, but also a catalyst that exhibits an active reaction over a wide range of pH values. Although various structures and forms thereof have been prepared, metal sulfide catalysts are difficult to use in industry because they lack active sites on the basal plane to have uniformity and a large electroactive surface area.

한편, 한국 공개특허 제10-2017-0097579 호에 따르면, 고비용의 백금계 촉매를 대신하여 지지체에 다수의 나노구조 촉매 입자가 분산된 촉매 구조체를 형성한 바 있다. 상기 발명은 전구체의 손실 없이 대량 생산이 가능해서 경제성 및 생산성을 높이는 효과를 가진다. Meanwhile, according to Korean Patent Laid-Open No. 10-2017-0097579, a catalyst structure in which a plurality of nanostructured catalyst particles are dispersed on a support is formed instead of a high-cost platinum-based catalyst. The invention has the effect of increasing economic efficiency and productivity since mass production is possible without loss of precursors.

더 나아가, 다기능 나노 물질에 대한 관심이 증가함에 따라 코어-쉘 나노 구조는 특수할 뿐만 아니라 다양한 구성을 가지기 때문에 근래에 주목받는 기술이다. 코어와 쉘 사이의 뛰어난 상호 작용과 전하 이동은 합금화 및 도핑보다 우수한 전기 화학적 성능을 갖는다.Furthermore, as interest in multifunctional nanomaterials increases, core-shell nanostructures are a technology that has recently attracted attention because they have a variety of configurations as well as special features. The excellent interaction and charge transfer between core and shell have better electrochemical performance than alloying and doping.

최근, 코어-쉘 구조의 촉매는 전기 촉매로써 독특하고 유용한 특성을 가진 것으로 떠오르고 있다. 그러나 순수한 코어쉘 나노 구조는 전기 전도성이 불량하고, 높은 표면 에너지 및 낮은 강자성으로 인해 심한 응집이 생길 수 있으며, 이에 따라 표면적 및 활성 부위가 감소할 수 있으므로 이에 대한 개선이 필요하다.Recently, a catalyst having a core-shell structure has emerged as an electrocatalyst with unique and useful properties. However, pure core-shell nanostructures have poor electrical conductivity, and severe agglomeration may occur due to high surface energy and low ferromagnetism, which may reduce the surface area and active sites.

대한한국 공개특허 제10-2017-0097579 호 (공개일: 2017.08.28)Korean Patent Publication No. 10-2017-0097579 (published on August 28, 2017)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출한 것으로, 종래의 백금계 촉매를 대신하여 경제적이고, 기저 평면상의 활성 부위를 충분하게 가져 코어쉘 형태의 촉매의 활성이 높을 뿐만 아니라, 산소 환원 반응, 수소 발생 반응 및 산소 발생 반응에서 좋은 활성을 보이는 그래핀 하이브리드 촉매를 제조하고자 한다.The present invention was devised in consideration of the above problems, and it is economical instead of the conventional platinum-based catalyst, and has sufficient active sites on the base plane, so that the activity of the core-shell type catalyst is high, as well as oxygen reduction reaction, An attempt is made to prepare a graphene hybrid catalyst that exhibits good activity in a hydrogen evolution reaction and an oxygen evolution reaction.

본 발명의 그래핀 하이브리드 촉매는 표면이 개질된 그래핀 시트; 및 상기 그래핀 시트의 적어도 일부 표면에 형성된 하기 화학식 1로 표시되는 금속 황화물을 포함하는 나노 시트; 및 상기 나노 시트 상에 형성된 코어-쉘 나노 입자;를 포함할 수 있다.The graphene hybrid catalyst of the present invention includes a graphene sheet with a surface modified  ; and a nano sheet containing at least a part of the graphene sheet and a metal represented by Formula 1 formed on the surface; and core-shell nanoparticles formed on the nanosheet.

[화학식 1][Formula  1]

BS2 BS 2

상기 화학식 1에서 B는 몰리브덴(Mo), 크로뮴(Cr) 또는 텅스텐(W)이다.In the formula  1,  B is molybdenum (Mo), chromium (Cr), or tungsten (W).

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어, 상기 표면이 개질된 그래핀 시트는 그래핀 시트 표면에 질소(N)와 황(S)이 그래핀에 도핑된 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the surface-modified graphene sheet may be characterized in that the graphene is doped with nitrogen (N) and sulfur (S) on the surface of the graphene sheet.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어, 상기 코어-쉘 나노 입자는 하기 화학식 2로 표시되는 금속 화합물을 포함하는 코어; 및 하기 화학식 3으로 표시되는 금속 황화물을 포함하는 쉘;을 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the core-shell nanoparticles include a core including a metal compound represented by the following formula (2); and a shell including a metal sulfide represented by Formula 3 below.

[화학식 2][Formula 2]

ASx AS x

화학식 2에서 A는 코발트(Co), 로듐(Rh) 또는 이리듐(Ir)이고, x는 0 ~ 4이며,In Formula 2, A is cobalt (Co), rhodium (Rh) or iridium (Ir), and x is 0 to 4,

[화학식 3][Formula 3]

C2BS4 C 2 BS 4

화학식 3에서 상기 B는 몰리브덴(Mo), 크로뮴(Cr) 또는 텅스텐(W)이고, 상기 C는 구리(Cu), 금(Au) 또는 은(Ag)이다.In Formula 3, B is molybdenum (Mo), chromium (Cr), or tungsten (W), and C is copper (Cu), gold (Au), or silver (Ag).

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어, 상기 그래핀 하이브리드 촉매는 물 분해 장치 또는 이차 전지에 이용될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the graphene hybrid catalyst may be used in a water decomposition device or a secondary battery.

본 발명의 다른 목적인 그래핀 하이브리드 촉매의 제조방법은 그래핀 옥사이드 및 물을 혼합한 혼합 용액을 제조하는 1단계; 상기 혼합 용액에 금속이온 전구체를 투입하고 초음파 처리하는 2단계; 2단계를 수행한 용액에 황 전구체를 투입 및 교반하는 3단계; 3단계에서 교반한 용액을 건조시켜 고체 분말을 수득하는 4단계; 상기 고체 분말을 1차 열처리 및 2차 열처리를 수행하는 5단계; 5단계의 열처리를 수행한 고체 분말을 실온 냉각하여 하이브리드 촉매를 수득하는 6단계를 포함할 수 있다.Another object of the present invention is a method for producing a graphene hybrid catalyst comprising: a first step of preparing a mixed solution of graphene oxide and water; Step 2 of adding metal ions and precursor to the mixed solution and performing ultrasonic treatment; Step 3 of adding sulfur and precursor to the solution that performed step 2 and stirring; Step 4, in which the solution stirred in step 3 is dried to obtain a solid powder; Step 5 of performing the first heat treatment and the second heat treatment on the solid powder; It may include step 6 of cooling the solid powder that has undergone the 5 step heat treatment to room temperature to obtain a hybrid catalyst.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어, 상기 2단계의 초음파 처리는 60 ~ 100분 동안 수행되고, 상기 4단계의 건조는 60 ~ 100℃의 온도에서 12 ~ 15시간 동안 수행되는 것을 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the ultrasonic treatment in the second step is performed for 60 to 100 minutes, and the drying in the fourth step may include being performed at a temperature of 60 to 100° C. for 12 to 15 hours. .

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어, 상기 황 전구체는 테트라티오몰리브덴산암모늄(ammonium tetrathiomolybdate), 티오우레아(thiourea), 테트라티오몰리브데이트(Tetrathiomolybdate) 및 티오아세트아미드(Thioacetamide) 중에서 선택된 2종 이상을 포함하는 것일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the sulfur precursor is at least two selected from ammonium tetrathiomolybdate, thiourea, tetrathiomolybdate and thioacetamide. may include.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어, 상기 황 전구체는 테트라티오몰리브덴산암모늄(ammonium tetrathiomolybdate) 및 티오우레아(thiourea)를 1 : 80 ~ 1 : 110 중량비로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the sulfur precursor may include ammonium tetrathiomolybdate and thiourea in a weight ratio of 1:80 to 1:110 by weight.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어, 상기 1차 열처리는 아르곤(Ar) 및 수소(H2)를 1 : 1.5 ~ 1 : 4.0 부피비로 포함하는 기체 하에서, 1 ~ 3℃·min-1의 가열속도로 450 ~ 550℃ 까지 가열한 후, 450 ~ 550℃에서 60 ~ 100분 동안 수행될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the primary heat treatment is argon (Ar) and hydrogen (H 2 ) under a gas containing argon (Ar) and hydrogen (H 2 ) in a volume ratio of 1: 1.5 to 1: 4.0, heating at 1 to 3 ° C. min -1 After heating to 450 ~ 550 ℃ at a rate, it can be carried out at 450 ~ 550 ℃ for 60 ~ 100 minutes.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어, 상기 2차 열처리는 불활성 기체 하에서, 4 ~ 6 ℃·min-1의 가열속도로 850 ~ 950℃까지 가열한 후, 850 ~ 950℃에서 3 ~ 5시간 동안 수행될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the secondary heat treatment is heated to 850 ~ 950 ℃ under an inert gas at a heating rate of 4 ~ 6 ℃ min -1 , and then at 850 ~ 950 ℃ for 3 to 5 hours can be performed.

본 발명의 그래핀 하이브리드 촉매는 경제적일 뿐만 아니라, 산소 환원 반응, 수소 발생 반응 및 산소 발생 반응에서 좋은 활성을 보이는 효과를 가지며, 본 발명의 제조방법으로 물 분해 장치 및/또는 이차 전지에 이용되는 그래핀 하이브리드 촉매를 제조할 수 있다.The graphene hybrid catalyst of the present invention is not only economical, but also has an effect of showing good activity in oxygen reduction reaction, hydrogen evolution reaction and oxygen evolution reaction, and is used in a water decomposition device and/or secondary battery by the production method of the present invention. A graphene hybrid catalyst can be prepared.

도 1은 그래핀 하이브리드 촉매 제조방법의 개략도이다.
도 2의 (a) ~ (c)는 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM; field-emission scanning electron microscopy) 이미지로서, 구체적으로 (a)는 비교예 2에서 제조한 촉매의 이미지이고, (b) ~ (c)는 실시예 1에서 제조한 촉매의 이미지이며, (d) ~ (e)는 투과 전자 현미경(TEM; transmission electron microscopy)의 이미지로서, 구체적으로 (d)는 비교예 2에서 제조된 촉매의 이미지이고, (e) ~ (f)는 실시예 1에서 제조된 촉매의 이미지이며, (g)는 실시예 1에서 제조된 촉매를 X-선 에너지 분산 분석기(EDAX; Energy dispersive X-ray analysis)를 수행한 이미지이고, (h) ~ (i)는 실시예 1 에서 제조된 촉매를 고해상도 투과전자 현미경(HR-TEM; high resolution transmission electron microscopy)으로 관찰한 이미지이다.
도 3의 (a)는 실시예 1 에서 제조된 촉매를 주사 투과형 전자 현미경(STEM; scanning-transmission electron microscope)으로 관찰한 이미지이고, (b) ~ (g)는 실시예 1 에서 제조된 촉매를 에너지 분산분광기(EDS; Energy dispersive spectrometry)를 사용하여 분석 수행하여 컬러 매핑(mapping)한 것으로, 순서대로 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 황(S), 질소(N) 및 탄소(C)의 이미지이며, (o)은 X 선 회절패턴(XRD; X-ray diffraction patterns) 분석한 이미지로서, 상기 이미지의 (I)은 비교예 1 에서 제조된 촉매를 분석한 것이고, (II)는 비교예 2 에서 제조된 촉매를 분석한 것이며, (III)은 실시예 1 에서 제조된 촉매를 분석한 것이고, (p)는 실시예 1 에서 제조된 촉매의 비표면적(specific surface area)을 측정한 것과 삽입된 이미지는 세공 분포도를 나타낸 이미지이다.
도 4는 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 수행한 이미지로서, (a) ~ (c)는 실시예 1 에서 제조된 촉매의 결합 에너지 그래프로 각각 C 1s, N 1s, S 2p의 그래프이고, (e)는 실시예 1 및 비교예 4 에서 제조된 촉매의 Co 2p 그래프이며, (f)는 실시예 1 및 비교예 3 에서 제조된 촉매의 Cu 2p 그래프이다.
도 5의 (a)는 실시예 1 에서 제조된 촉매의 순환전압전류(CV; cyclic voltammetry) 곡선 그래프이고, (b)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5 에서 제조된 촉매의 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선 그래프이며, (c)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매의 타펠 기울기(Tafel slopes)이고, (d)는 전위에 따른 실시예 1 에서 제조된 촉매의 K-L 기울기 및 삽입된 이미지는 회전수에 따른 실시예 1 에서 제조된 촉매의 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선 그래프이며, (e)는 실시예 1 및 비교예 5 에서 제조된 촉매를 시간대전류법(chronoamperometry)을 이용하여 장시간 작동시 안정성을 평가한 그래프이고, (f)는 메탄올에서의 실시예 1 및 비교예 5 에서 제조된 촉매의 내구성을 평가한 그래프이다.
도 6의 (a)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5 에서 제조된 촉매가 수소 발생 반응할 때 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선 그래프이며, (b)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5 에서 제조된 촉매가 수소 발생 반응할 때 타펠 기울기(Tafel slopes)이고, (c)는 실시예 1 및 비교예 5 에서 제조된 촉매가 수소 발생 반응할 때 시간대전류법(chronoamperometry)을 이용하여 장시간 작동시 안정성을 평가한 것이며, (d) ~ (e)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5 에서 제조된 촉매가 산소 발생 반응할 때의 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선 그래프 및 타펠 기울기(Tafel slopes)이고, (f)는 실시예 1 및 비교예 6 에서 제조된 촉매를 시간대전류법(chronoamperometry)을 이용하여 장시간 작동시 안정성을 평가한 그래프 및 (삽입된 이미지)실시예 1을 33시간 작동한 후의 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선 그래프이고, (g)는 (1)실시예 1, (2)비교예 3, (3)비교예 4, (4)비교예 2 및 (5)비교예 1 에서 제조된 촉매의 전기화학 임피던스(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)를 측정한 그래프이며, (h)는 0.92 ~ 1.02V에서 실시예 1 에서 제조된 촉매의 순환전압전류(CV; cyclic voltammetry) 곡선 그래프이고, (i)실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 4 에서 제조된 촉매의 이중층 용량(Cdl, double layer capacitance)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 7의 (a)는 제조예 1 및 비교제조예 1에서 제조된 물 분해 장치의 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선 그래프이고, (b)는 제조예 1의 장치를 촬영한 이미지이며, (d)는 제조예 1 및 비교제조예 1 에서 제조된 물 분해 장치의 안정성을 비교한 그래프이고, (e)는 제조예 1 에서 제조된 물 분해 장치를 25시간 작동 전후 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선 그래프이며, (f) ~ (i)는 실시예 1 에서 제조된 촉매의 SEM, TEM, HR-TEM, STEM 이미지이고, (j) ~ (o)는 산소 발생 반응 후의 실시예 1 에서 제조된 촉매를 에너지 분산분광기(EDS; Energy dispersive spectrometry)로 분석 수행하여 컬러 매핑(mapping)한 것으로 각각 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 황(S), 질소(N) 및 탄소(C)에 대한 이미지이다.
도 8의 (a)는 실시예 1 에서 제조된 촉매의 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선 그래프로, 산소 발생 반응과 산소 환원 반응에서의 전위 차를 나타냈으며, (b)는 제조예 2 에서 제조된 이차전지의 구성 이미지이고, (c)는 제조예 2 에서 제조된 이차전지의 셀 전압 측정 이미지이며, (d)는 직렬 연결한 제조예 2 에서 제조된 이차전지의 셀 전압 측정 이미지이고, (e)는 제조예 2 및 비교제조예 2 에서 제조된 이차전지의 OCP 측정 그래프이며, (f)는 제조예 2 및 비교제조예 2 에서 제조된 이차전지의 분극과 전력 밀도를 나타낸 그래프이고, (h)는 제조예 2 및 비교제조예 2에서 제조된 이차전지의 방전 분극 곡선이며, 삽입된 이미지는 제조예 2에서 제조된 이차전지를 직렬로 연결한 것을 LED에 연결한 것을 촬영한 이미지이고, (i)는 제조예 2에서 제조된 이차전지 두 개를 직렬 연결하여 물 분해 장치에 전력을 공급한 것을 촬영한 이미지이다.
도 9는 비교예 1에서 제조된 촉매를 주사 전자 현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 10은 비교예 2에서 제조된 촉매를 X-선 에너지 분산 분석기(EDAX; Energy dispersive X-ray analysis)로 분석 수행하여 그래프로 나타낸 것이다.
도 11의 (a)는 비교예 2에서 제조된 촉매를 주사 투과형 전자 현미경(STEM; scanning-transmission electron microscope)으로 관찰한 이미지이고, (b) ~ (e)는 비교예 2에서 제조된 촉매를 EDS를 이용하여 컬러 매핑(mapping)한 것으로 순서대로 탄소(C), 질소(N), 황(S) 및 몰리브덴(Mo)에 대한 이미지이다.
도 12는 비교예 2에서 제조된 촉매에 관한 것으로, 구체적으로는, (a)는 투과 전자 현미경(TEM)으로 촬영한 이미지이고, (b)는 선택된 영역의 두께를 측정한 것이며, (c)는 원자력 현미경(Atomic-force microscopy, AFM)를 사용하여 분석 수행한 것을 나타낸 그래프이다.
도 13은 비교예 2에서 제조된 촉매의 비표면적(Specific surface area) 및 (삽입된 이미지는) 세공 크기 분포를 나타낸 그래프이다.
도 14의 (a) ~ (d)는 실시예 1에서 제조된 촉매에 관한 것으로, CoSx으로 구성된 코어와 Cu2MoS4로 구성된 쉘을 고해상도 투과전자 현미경(high resolution transmission electron microscopy, HR-TEM)을 사용하여 분석 수행한 이미지이다.
도 15는 비교예 4에서 제조된 촉매에 관한 것으로, (a) ~ (b)는 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이고, (c)는 코어에 해당하는 CoSx 나노 입자 분포도이며, (d)는 에너지 분산분광기(EDS; Energy dispersive spectrometry)를 사용하여 분석 수행한 그래프이다.
도 16은 비교예 3에서 제조된 촉매에 관한 것으로, (a) ~ (b)는 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이고, (c)는 쉘에 해당하는 Cu2MoS4 나노 입자 분포도이며, (d)는 EDS로 분석 수행한 그래프이다.
도 17은 비교예 3 및 비교예 4에서 제조된 촉매를 X 선 회절패턴(X-ray diffraction patterns, XRD) 분석하여 그래프에 도시한 것이다.
도 18은 준비예 1, 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 촉매를 라만 분광법으로 분석 수행한 그래프이다.
도 19는 XPS의 서베이(survey) 스펙트럼으로, 구체적으로 (a)는 비교예 1에서 제조된 촉매를 분석한 것이고, (b)는 비교예 2에서 제조된 촉매를 분석한 것이며, (c)는 비교예 3에서 제조된 촉매를 분석한 것이고, (d)는 비교예 4에서 제조된 촉매를 분석한 것이며, (e)는 실시예 1에서 제조된 촉매를 분석한 것이다.
도 20은 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선 그래프 및 이에 대한 K-L 기울기 그래프로, (a) ~ (b)는 비교예 4에서 제조된 촉매를 분석한 그래프이고, (c) ~ (d)는 비교예 3에서 제조된 촉매를 분석한 그래프이며, (e) ~ (f)는 비교예 2에서 제조된 촉매를 분석한 그래프이고, (g) ~ (h)는 비교예 1에서 제조된 촉매를 분석한 그래프이다.
도 21은 산소 환원 반응할 때 회전 링·디스크 전극 장치(RRDE; rotating ring-disk electrode)를 이용하여 분석 수행한 것으로, 구체적으로 (a)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매의 전자 이동 수(n)을 나타낸 것을 그래프로 도식한 것이고, (b)는 는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매의 과산화물 (HO2 -) 음이온의 함량을 퍼센테이지(%)로 나타낸 그래프이다.
도 22는 산소 환원 반응 후의 실시예 1에서 제조된 촉매에 관한 것으로, (a)는 주사 전자 현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이고, (b)는 투과 전자 현미경(TEM)으로 촬영한 이미지이며, (c)는 주사 투과형 전자 현미경(STEM; scanning-transmission electron microscope)으로 촬영한 이미지이며, (d) ~ (i)는 각각 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 황(S), 탄소(C) 및 질소(N)를 분석한 그래프이다.
도 23은 고분해능(high-resolution) XPS 스펙트럼으로써, 산소 환원 반응 전·후 실시예 1에서 제조된 촉매를 분석하여 (a) Co 2p, (b) Cu 2p, (c) Mo 3d 및 (d) S 2p에서의 피크를 관찰한 그래프이다.
도 24는 0.1M의 KOH 수용액 및 10, 50mV·sec-1의 주사속도 조건에서, 수소 환원 반응할 때의 과전압을 측정하여 그래프로 도식한 것으로, 도면상의 1은 비교예 1에서 제조된 촉매에 대한 것이고, 2는 비교예 2에서 제조된 촉매에 대한 것이며, 3은 비교예 3에서 제조된 촉매에 대한 것이고, 4는 비교예 4에서 제조된 촉매에 대한 것이며, 5는 실시예 1에서 제조된 촉매에 대한 것이고, 6은 비교예 5에서 제조된 촉매에 대한 것이다.
도 25는 실시예 1 및 비교예 5에서 제조된 촉매를 0.1M KOH에서 수소 발생 반응시킬 때, 다중 전위차(Multi-potentiometry)를 나타낸 그래프이다.
도 26은 고분해능(high-resolution) XPS 스펙트럼으로써, 수소 발생 반응 전·후 실시예 1에서 제조된 촉매를 분석하여 (a) Co 2p, (b) Cu 2p, (c) Mo 3d 및 (d) S 2p에서의 피크를 관찰한 그래프이다.
도 27은 0.1M의 KOH 수용액 및 10 및 50mV·sec-1의 주사속도 조건에서, 산소 발생 반응할 때의 과전압을 측정하여 그래프로 도식한 것으로, 도면의 1은 비교예 1에서 제조된 촉매에 대한 것이고, 2는 비교예 2에서 제조된 촉매에 대한 것이며, 3은 비교예 3에서 제조된 촉매에 대한 것이고, 4는 비교예 4에서 제조된 촉매에 대한 것이며, 5는 실시예 1에서 제조된 촉매에 대한 것이고, 6은 비교예 5에서 제조된 촉매에 대한 것이다.
도 28은 산소 발생 반응에서 실시예 1 및 비교예 6에서 제조된 촉매의 과전압에 따른 다중 시간대전위차법(multi-step chronopotentiometry) 그래프이다.
도 29는 산소 발생 반응 후 실시예 1에서 제조된 촉매를 EDAX 분석 수행한 그래프이며, 삽입된 이미지는 산소 발생 반응 후 각각의 원소 비율을 퍼센테이지(%)로 나타낸 것이다.
도 30은 고분해능(high-resolution) XPS 스펙트럼으로써, 산소 발생 반응 전·후 실시예 1에서 제조된 촉매를 분석하여 (a) Co 2p, (b) Cu 2p, (c) Mo 3d 및 (d) S 2p에서의 피크를 관찰한 그래프이다.
도 31은 산소 발생 반응 전·후 실시예 1에서 제조된 촉매를 X 선 회절패턴(X-ray diffraction patterns, XRD) 분석한 이미지이다.
도 32의 (a)는 Cu2MoS4(쉘), CoSx(코어, x = 0 and x = 2) 및 CoSx@Cu2MoS4(코어@쉘, x = 0 and x = 2)을 도식화한 것이고, (도식의 노란 색은 황 원자를, 짙은 파란색은 코발트 원자를, 적색은 구리 원자를, 청록색은 몰리브덴 원자를 의미한다.) 이에 관련한 구조적 파라미터를 기재한 것이고, (b) ~ (c)는 CoSx@Cu2MoS4(코어쉘) 나노 입자 및 CoSx(코어) 및 Cu2MoS4(쉘)의 상태 밀도(DOS; density of states)를 계산하여 그래프로 도시한 것이다.
도 33은 CH660D 워크 스테이션 (CH Instruments Inc., USA) 장치를 통해 순환전압전류(CV) 분석 수행한 결과를 그래프에 도시한 것으로, (a)는 비교예 4에서 제조된 촉매, (b)는 비교예 3에서 제조된 촉매, (c)는 비교예 2에서 제조된 촉매, (d)는 비교예 1에서 제조된 촉매에 대한 것이다.
도 34의 (a)는 100mA·cm-2 하에서 물 분해하여 가스를 포집하는 장치를 촬영한 것이고, (b)는 포집된 수소(H2) 가스 및 산소(O2) 가스의 이론 값과 실제 수득값의 차이를 그래프로 도시한 것이다.
1 is a schematic diagram of a method for preparing a graphene hybrid catalyst.
2 (a) to (c) are field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) images, specifically (a) is an image of the catalyst prepared in Comparative Example 2, (b) ) to (c) are images of the catalyst prepared in Example 1, (d) to (e) are transmission electron microscopy (TEM) images, specifically (d) is prepared in Comparative Example 2 is an image of the catalyst, (e) to (f) are images of the catalyst prepared in Example 1, (g) is the catalyst prepared in Example 1 X-ray energy dispersive analyzer (EDAX; Energy dispersive X- ray analysis), and (h) to (i) are images of the catalyst prepared in Example 1 observed by high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM).
3(a) is an image of the catalyst prepared in Example 1 observed with a scanning-transmission electron microscope (STEM), and (b) to (g) are images of the catalyst prepared in Example 1 Color mapping was performed by analysis using energy dispersive spectrometry (EDS), and cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), sulfur (S), nitrogen (N) were sequentially performed. and an image of carbon (C), (o) is an X-ray diffraction pattern (XRD) analysis image, (I) of the image is an analysis of the catalyst prepared in Comparative Example 1, (II) is the analysis of the catalyst prepared in Comparative Example 2, (III) is the analysis of the catalyst prepared in Example 1, (p) is the specific surface area of the catalyst prepared in Example 1 ) and the inserted image are images showing the pore distribution.
4 is an image obtained by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analysis. (a) to (c) are graphs of binding energy of the catalyst prepared in Example 1, respectively, C 1s, N 1s, S 2p. , (e) is a Co 2p graph of the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 4, and (f) is a Cu 2p graph of the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 3.
5 (a) is a cyclic voltammetry (CV) curve graph of the catalyst prepared in Example 1, (b) is a linear injection of the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 It is a linear sweep voltammetry (LSV) curve graph, (c) is the Tafel slopes of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5, and (d) is Example 1 according to the potential The KL slope and inserted image of the catalyst prepared in It is a graph evaluating the stability of the prepared catalyst during long-term operation using chronoamperometry, and (f) is a graph evaluating the durability of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 5 in methanol.
6 (a) is a linear sweep voltammetry (LSV) curve graph when the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 react with hydrogen evolution, (b) is Example 1 and Tafel slopes are the Tafel slopes when the catalysts prepared in Comparative Examples 1 to 5 undergo a hydrogen evolution reaction, and (c) is a chronoamperometric method ( chronoamperometry) was used to evaluate stability during long-term operation, and (d) to (e) are linear scanning potentials (LSV) when the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 react with oxygen; Linear sweep voltammetry curve graph and Tafel slopes, (f) is a graph evaluating the stability of the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 6 using chronoamperometry for a long time operation, and ( Inset image) is a linear sweep voltammetry (LSV) curve graph after operating Example 1 for 33 hours, (g) is (1) Example 1, (2) Comparative Example 3, (3) Comparative Example 4, (4) Comparative Examples 2 and (5) is a graph measuring the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of the catalysts prepared in Comparative Example 1, (h) is prepared in Example 1 at 0.92 ~ 1.02V It is a cyclic voltammetry (CV) curve graph of the catalyst, and (i) a graph showing the double layer capacitance (C dl , double layer capacitance) of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 am.
Figure 7 (a) is a linear scanning potential (LSV; Linear sweep voltammetry) curve graph of the water decomposition device prepared in Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 1, (b) is an image taken of the apparatus of Preparation Example 1. , (d) is a graph comparing the stability of the water decomposition device prepared in Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 1, (e) is a linear scanning potential (LSV) before and after 25 hours of operation of the water decomposition device prepared in Preparation Example 1 ; Linear sweep voltammetry) curve graph, (f) to (i) are SEM, TEM, HR-TEM, and STEM images of the catalyst prepared in Example 1, (j) to (o) are carried out after oxygen evolution reaction The catalyst prepared in Example 1 was analyzed by energy dispersive spectrometry (EDS) to perform color mapping, and each of cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), sulfur (S), nitrogen Images for (N) and carbon (C).
(a) of FIG. 8 is a linear sweep voltammetry (LSV) curve graph of the catalyst prepared in Example 1, showing the potential difference between the oxygen evolution reaction and the oxygen reduction reaction, (b) is a preparation example 2 is a configuration image of the secondary battery, (c) is a cell voltage measurement image of the secondary battery prepared in Preparation Example 2, (d) is a cell voltage measurement image of the secondary battery manufactured in Preparation Example 2 connected in series , (e) is an OCP measurement graph of the secondary battery prepared in Preparation Example 2 and Comparative Preparation Example 2, (f) is a graph showing the polarization and power density of the secondary battery prepared in Preparation Example 2 and Comparative Preparation Example 2 and (h) is a discharge polarization curve of the secondary batteries prepared in Preparation Example 2 and Comparative Preparation Example 2, and the inserted image is a series of the secondary batteries manufactured in Preparation Example 2 connected to an LED. An image, (i) is an image obtained by supplying power to the water decomposition device by connecting two secondary batteries manufactured in Preparation Example 2 in series.
9 is an image taken with a scanning electron microscope (SEM) of the catalyst prepared in Comparative Example 1.
10 is a graph showing the analysis performed on the catalyst prepared in Comparative Example 2 by an X-ray energy dispersive analyzer (EDAX; Energy dispersive X-ray analysis).
11 (a) is an image of the catalyst prepared in Comparative Example 2 observed with a scanning-transmission electron microscope (STEM), (b) to (e) are the catalyst prepared in Comparative Example 2 It is an image of carbon (C), nitrogen (N), sulfur (S), and molybdenum (Mo) in order by color mapping using EDS.
12 is related to the catalyst prepared in Comparative Example 2, specifically, (a) is an image taken with a transmission electron microscope (TEM), (b) is a measurement of the thickness of the selected region, (c) is a graph showing analysis performed using an atomic-force microscopy (AFM).
13 is a graph showing the specific surface area and (inset image) pore size distribution of the catalyst prepared in Comparative Example 2;
14 (a) to (d) relate to the catalyst prepared in Example 1, and a core composed of CoS x and a shell composed of Cu 2 MoS 4 were examined by high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM). ) is an image analyzed using
15 is a catalyst prepared in Comparative Example 4, (a) to (b) are scanning electron microscope (SEM) images, (c) is a CoS x nanoparticle distribution diagram corresponding to the core, (d) is It is a graph analyzed using energy dispersive spectrometry (EDS).
16 is a catalyst prepared in Comparative Example 3, (a) to (b) are scanning electron microscope (SEM) images, (c) is a Cu 2 MoS 4 nanoparticle distribution diagram corresponding to the shell, (d) ) is a graph analyzed by EDS.
17 is a graph showing the X-ray diffraction patterns (XRD) analysis of the catalysts prepared in Comparative Examples 3 and 4;
18 is a graph of the catalysts prepared in Preparation Example 1, Example 1 and Comparative Example 1 analyzed by Raman spectroscopy.
19 is a survey spectrum of XPS. Specifically, (a) is an analysis of the catalyst prepared in Comparative Example 1, (b) is an analysis of the catalyst prepared in Comparative Example 2, (c) is The catalyst prepared in Comparative Example 3 is analyzed, (d) is an analysis of the catalyst prepared in Comparative Example 4, and (e) is an analysis of the catalyst prepared in Example 1.
20 is a linear sweep voltammetry (LSV) curve graph and a KL slope graph therefor, (a) to (b) are graphs analyzing the catalyst prepared in Comparative Example 4, (c) to (d) ) is a graph analyzing the catalyst prepared in Comparative Example 3, (e) to (f) are graphs analyzing the catalyst prepared in Comparative Example 2, (g) to (h) are graphs prepared in Comparative Example 1 It is a graph analyzing the catalyst.
21 is an analysis performed using a rotating ring-disk electrode (RRDE) during the oxygen reduction reaction, specifically (a) is prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 It is a schematic diagram showing the electron transfer number (n) of the catalyst, (b) is the peroxide (HO 2 - ) of the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 It is a graph showing the content of anions as a percentage (%).
22 is a catalyst prepared in Example 1 after the oxygen reduction reaction, (a) is an image taken with a scanning electron microscope (SEM), (b) is an image taken with a transmission electron microscope (TEM), (c) is an image taken with a scanning-transmission electron microscope (STEM), (d) ~ (i) are cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), sulfur (S), respectively ), a graph analyzing carbon (C) and nitrogen (N).
23 is a high-resolution XPS spectrum by analyzing the catalyst prepared in Example 1 before and after the oxygen reduction reaction (a) Co 2p, (b) Cu 2p, (c) Mo 3d and (d) It is a graph observing the peak at S 2p.
24 is a graph illustrating the measurement of overvoltage during the hydrogen reduction reaction under 0.1M KOH aqueous solution and scanning rate of 10, 50 mV sec -1 , and 1 on the drawing is the catalyst prepared in Comparative Example 1. , 2 is for the catalyst prepared in Comparative Example 2, 3 is for the catalyst prepared in Comparative Example 3, 4 is for the catalyst prepared in Comparative Example 4, 5 is prepared in Example 1 For the catalyst, 6 is for the catalyst prepared in Comparative Example 5.
25 is a graph showing multi-potentiometry when the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 5 were subjected to a hydrogen evolution reaction in 0.1 M KOH.
26 is a high-resolution XPS spectrum, by analyzing the catalyst prepared in Example 1 before and after the hydrogen evolution reaction (a) Co 2p, (b) Cu 2p, (c) Mo 3d and (d) It is a graph observing the peak at S 2p.
27 is a graph illustrating the measurement of overvoltage during the oxygen evolution reaction under 0.1M KOH aqueous solution and scanning rate conditions of 10 and 50 mV sec -1 , 2 is for the catalyst prepared in Comparative Example 2, 3 is for the catalyst prepared in Comparative Example 3, 4 is for the catalyst prepared in Comparative Example 4, 5 is prepared in Example 1 For the catalyst, 6 is for the catalyst prepared in Comparative Example 5.
28 is a multi-step chronopotentiometry graph according to the overvoltage of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 6 in an oxygen evolution reaction.
29 is a graph of EDAX analysis performed on the catalyst prepared in Example 1 after the oxygen evolution reaction, and the inserted image shows the percentage (%) of each element after the oxygen evolution reaction.
30 is a high-resolution XPS spectrum by analyzing the catalyst prepared in Example 1 before and after the oxygen evolution reaction (a) Co 2p, (b) Cu 2p, (c) Mo 3d and (d) It is a graph observing the peak at S 2p.
31 is an image of X-ray diffraction patterns (XRD) analysis of the catalyst prepared in Example 1 before and after the oxygen evolution reaction.
32 (a) shows Cu 2 MoS 4 (shell), CoS x (core, x = 0 and x = 2) and CoS x @Cu 2 MoS 4 (core@shell, x = 0 and x = 2) It is a schematic diagram (yellow color means sulfur atom, dark blue color means cobalt atom, red color means copper atom, and cyan color means molybdenum atom), and the structural parameters related thereto are described, (b) ~ ( c) is a graph obtained by calculating the density of states (DOS ) of CoS x @Cu 2 MoS 4 (core-shell) nanoparticles and CoS x (core) and Cu 2 MoS 4 (shell).
33 is a graph showing the results of cyclic voltammetry (CV) analysis performed through the CH660D workstation (CH Instruments Inc., USA) device, (a) is the catalyst prepared in Comparative Example 4, (b) is The catalyst prepared in Comparative Example 3, (c) is the catalyst prepared in Comparative Example 2, and (d) is the catalyst prepared in Comparative Example 1.
34 (a) is a photograph of a device for collecting gas by decomposing water under 100mA·cm -2 , (b) is a theoretical value and actual value of the captured hydrogen (H 2 ) gas and oxygen (O 2 ) gas The difference in the obtained values is shown in a graph.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. The same reference numerals are assigned to the same or similar elements throughout the specification.

본 발명의 그래핀 하이브리드 촉매를 제조방법을 통해 본 발명에 대해 더 구체적으로 설명한다.The present invention will be described in more detail through a method for preparing the graphene hybrid catalyst of the present invention.

상기 촉매의 제조방법은 도 1 에 개략적으로 도식화한 바와 같이 제조되었으며, 그래핀 옥사이드 및 물을 혼합한 혼합용액을 제조하는 1 단계; 상기 혼합용액 금속이온 전구체를 투입하고 초음파 처리하는 2단계; 2단계를 수행한 용액에 황 전구체를 투입 및 교반하는 3단계; 3단계에서 교반한 용액을 건조시켜 고체 분말을 수득하는 4단계; 상기 고체 분말을 1차 열처리 및 2차 열처리를 수행하는 5단계; 및 5단계의 열처리를 수행한 고체 분말을 실온 냉각하여 하이브리드 촉매를 수득하는 6단계;를 포함하는 공정을 수행한다.The method for preparing the catalyst was prepared as schematically schematically shown in Figure 1, and a step of preparing a mixed solution in which graphene, oxide, and water were mixed; Step 2 of adding the mixed solution, metal ions, precursors, and ultrasonication; Step 3 of adding sulfur and precursor to the solution that performed step 2 and stirring; Step 4, in which the solution stirred in step 3 is dried to obtain a solid powder; Step 5 of performing the first heat treatment and the second heat treatment on the solid powder; and step 6 of cooling the solid powder that has been subjected to the heat treatment of step 5 to room temperature to obtain a hybrid catalyst.

1단계에서 제조되는 그래핀 옥사이드(GO, graphene oxide)는 환원된 그래핀 옥사이드(rGO, reduced graphene oxide)일 수 있고, 이는 공지된 방법으로써 휴머스 방법(Hummer's method) 또는 수정된 휴머스 방법(modified Hummer's method)을 이용하여 제조할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.Graphene oxide (GO, graphene oxide) prepared in step 1 may be reduced graphene oxide (rGO, reduced graphene oxide), which is a known method as Hummer's method or a modified Hummer method ( modified Hummer's method), but is not particularly limited thereto.

다음으로, 2단계의 금속이온 전구체는 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 바나듐(V), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe), 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 비스무트(Bi), 주석(Sn), 크롬(Cr), 타이타늄(Ti), 세륨(Ce), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 금속이온 전구체인 것을 포함하고, 바람직하게는 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있다.Next, the metal ion precursor of the second step is ruthenium (Ru), rhodium (Rh), molybdenum (Mo), osmium (Os), iridium (Ir), rhenium (Re), vanadium (V), tungsten (W), Cobalt (Co), iron (Fe), selenium (Se), nickel (Ni), bismuth (Bi), tin (Sn), chromium (Cr), titanium (Ti), cerium (Ce), and copper (Cu) Including a metal ion precursor containing a metal selected from the group consisting of, preferably molybdenum (Mo), It may include one selected from the group consisting of cobalt (Co) and copper (Cu).

또한, 2단계의 초음파 처리는 60 ~ 100분 동안 수행되고, 바람직하게는 60 ~ 90분 동안 수행될 수 있다.In addition, the ultrasonic treatment of the second step may be performed for 60 to 100 minutes, preferably for 60 to 90 minutes.

다음으로, 3단계에서 투입되는 상기 황 전구체는 테트라티오몰리브덴산암모늄(ammonium tetrathiomolybdate), 티오우레아(thiourea), 테트라티오몰리브데이트(Tetrathiomolybdate) 및 티오아세트아미드(Thioacetamide) 중에서 선택된 2종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 테트라티오몰리브덴산암모늄(ammonium tetrathiomolybdate) 및 티오우레아(thiourea)를 포함할 수 있다. Next, the sulfur precursor input in step 3 includes at least two selected from ammonium tetrathiomolybdate, thiourea, tetrathiomolybdate and thioacetamide. and preferably ammonium tetrathiomolybdate and thiourea.

또한, 상기 황 전구체로써 테트라티오몰리브덴산암모늄(ammonium tetrathiomolybdate) 및 티오우레아(thiourea)를 1 : 80 ~ 1 : 110 중량비로 포함하고, 바람직하게는 1 : 85 ~ 1 : 105 중량비로 포함할 수 있다. 만일 티오우레아기 테트라티오몰리브덴산암모늄에 대해 85배 미만으로 투입될 경우, 나노 입자의 코어가 잘 형성되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 105배를 초과하는 경우, 반응이 저해되는 문제가 발생할 수 있다. In addition, as the sulfur precursor, ammonium tetrathiomolybdate and thiourea may be included in a weight ratio of 1:80 to 1:110, preferably 1:85 to 1:105 by weight. . If the amount of the thiourea group is less than 85 times that of ammonium tetrathiomolybdate, there may be a problem that the core of the nanoparticles is not well formed, and if it exceeds 105 times, there may be a problem that the reaction is inhibited. .

다음으로, 4단계의 건조는 60 ~ 100℃의 온도로 수행되고, 바람직하게는 70 ~ 90℃의 온도로 수행되며, 12 ~ 15시간 동안 수행되고, 바람직하게는 12 ~ 14시간 동안 수행될 수 있다.Next, the drying in step 4 is carried out at a temperature of 60 ~ 100 ℃, preferably performed at a temperature of 70 ~ 90 ℃, is carried out for 12 ~ 15 hours, preferably it can be carried out for 12 ~ 14 hours have.

이상의 1단계 내지 4단계를 수행하여 나타나는 반응은 다음과 같다.The reaction shown by performing the above steps 1 to 4 is as follows.

먼저, 상기 단계를 수행함으로써 그래핀 시트 표면에 질소 및 황이 균일하게 도핑될 수 있고, 보다 상세하게는, 도 9(NSG를 SEM 촬영한 이미지)를 살펴보면 그래핀의 벌집 구조에 질소 및 황이 도핑됨으로써, 상기 그래핀 표면은 주름이 있는 평면 구조가 될 수 있고, 그 결과 표면에 나노 시트를 균일하게 형성할 수 있다.First, by performing the above steps, nitrogen and sulfur can be uniformly doped on the surface of the graphene sheet. More specifically, referring to FIG. 9 (SEM image taken of NSG), the honeycomb structure of graphene is doped with nitrogen and sulfur. , the graphene surface may have a wrinkled planar structure, and as a result, nanosheets may be uniformly formed on the surface.

구체적으로 바람직한 일예를 들면, 황 전구체로 티오우레아(thiourea) 및 테트라티오몰리브덴산암모늄(ammonium tetrathiomolybdate)을 사용하는 경우에는, 상기 티오우레아는 하기 반응식 1의 반응을 통해 상기 금속 이온 전구체의 금속이온과 결합할 수 있으며, 그 결과로 복합체를 형성할 수 있다. 이때, 상기 복합체는 그래핀 시트 표면에 금속이온을 흡착시키는 역할을 수행할 수 있고, 열처리 공정시 나노 입자의 코어를 형성하는 역할을 수행할 수 있다.In a specifically preferred example, when thiourea and ammonium tetrathiomolybdate are used as sulfur precursors, the thiourea is combined with a metal ion of the metal ion precursor through the reaction of Scheme 1 below. can bind, and as a result form a complex. In this case, the composite may serve to adsorb metal ions to the surface of the graphene sheet, and may serve to form the core of the nanoparticles during the heat treatment process.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112020055003234-pat00001
Figure 112020055003234-pat00001

또한, 테트라티오몰리브덴산암모늄일 수 있고, 상기 황 전구체는 상기 그래핀 시트 표면에 흡착되어 있는 금속이온과 결합하여 상기 복합체 주위에 침전된 하기 화학식 3으로 표현되는 금속 황화물을 형성할 수 있고, 바람직하게는 하기 반응식 2의 반응을 통해 상기 금속 황화물을 형성할 수 있다.In addition, it may be ammonium tetrathiomolybdate, and the sulfur precursor may combine with metal ions adsorbed on the surface of the graphene sheet to form a metal sulfide represented by the following Chemical Formula 3 precipitated around the complex, preferably Preferably, the metal sulfide may be formed through the reaction of Scheme 2 below.

[화학식 3][Formula 3]

C2BS4 C 2 BS 4

상기 화학식 3에서 상기 B는 몰리브덴(Mo), 크로뮴(Cr) 또는 텅스텐(W)일 수 있으며, 바람직하게는 몰리브덴일 수 있고, 상기 C는 구리(Cu), 금(Au) 또는 은(Ag)일 수 있으며, 바람직하게는 구리일 수 있다.In Chemical Formula 3, B may be molybdenum (Mo), chromium (Cr) or tungsten (W), preferably molybdenum, and C is copper (Cu), gold (Au) or silver (Ag). may be, preferably copper.

[반응식 2][Scheme 2]

Figure 112020055003234-pat00002
Figure 112020055003234-pat00002

다음으로, 5단계의 1차 열처리 공정은 아르곤(Ar) 및 수소(H2) 기체 하에서 1 ~ 3℃·min-1의 가열속도로 수행되고, 바람직하게는 1.5 ~ 2.5℃·min-1의 가열속도로 수행되며, 최종 온도 450 ~ 550℃에서 60 ~ 100분 동안 수행되고, 바람직하게는 60 ~ 90분 동안 수행될 수 있다.Next, the first heat treatment process of step 5 is performed under argon (Ar) and hydrogen (H 2 ) gas at a heating rate of 1 to 3 ° C. min -1 , preferably 1.5 to 2.5 ° C. min -1 It is carried out at a heating rate, and is carried out at a final temperature of 450 to 550° C. for 60 to 100 minutes, and preferably for 60 to 90 minutes.

또한, 상기 아르곤(Ar) 및 수소(H2) 기체는 1 : 0.25 ~ 1 : 0.67의 부피비로 포함하는 기체 하에서 수행되고, 바람직하게는 1 : 0.30 ~ 1 : 0.50의 부피비로 포함하는 기체 하에서 수행될 수 있다. 만일 상기 수소 기체가 아르곤 기체에 비해 0.25배 미만으로 포함될 경우, 금속 황화물의 나노 시트가 제대로 형성되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 0.67배를 초과하여 포함되는 경우, 수소 기체가 과량으로 투입됨에 따라 반응이 저해되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 기체의 비율이 청구범위 밖일 경우, 잔여 용액이 제거되지 않을 수 있으며, 상기 황 전구체 및 상기 금속이온 전구체로부터 분리된 산물이 제거되지 않아 산화 반응이 일어날 수 있는 문제가 있을 수 있다.In addition, the argon (Ar) and hydrogen (H 2 ) gas is carried out under a gas containing in a volume ratio of 1: 0.25 to 1: 0.67, and preferably in a gas containing in a volume ratio of 1: 0.30 to 1: 0.50. can be If the hydrogen gas is contained in an amount of less than 0.25 times that of the argon gas, a problem may occur that the nanosheets of metal sulfide are not formed properly, and if the hydrogen gas is included in excess of 0.67 times, the reaction occurs as hydrogen gas is added in excess Problems that hinder this may arise. In addition, when the ratio of the gas is out of the scope of the claims, the residual solution may not be removed, and the product separated from the sulfur precursor and the metal ion precursor may not be removed, so there may be a problem that an oxidation reaction may occur.

또한, 상기 1차 열처리 공정은 상기 고체 분말을 최종 온도 450 ~ 550℃ 하에서 열처리 하고, 바람직하게는 470 ~ 530℃에서 열처리하는 것을 특징으로 한다. 만일 450℃ 미만의 온도에서 열처리할 경우 나노 시트 제대로 형성되지 않는 문제가 있을 수 있고, 550℃를 초과하는 온도에서 열처리할 경우 상기 나노 시트가 수소 기체 하에서 분해되는 문제가 있을 수 있다.In addition, the first heat treatment process is characterized in that the solid powder is heat-treated at a final temperature of 450 to 550 °C, preferably at 470 to 530 °C. If the heat treatment is performed at a temperature of less than 450° C., there may be a problem that the nano-sheet is not properly formed, and when the heat treatment is performed at a temperature exceeding 550° C., there may be a problem that the nano-sheet is decomposed under hydrogen gas.

상기 1차 열처리 공정을 통해 반응하지 않고 잔류하고 있던 상기 황 전구체와 수소 기체가 반응하여 하기 화학식 1로 표현되는 금속 황화물을 포함하는 나노 시트가 형성될 수 있고, 바람직한 일예로 황 전구체로 티오우레아(thiourea) 및 테트라티오몰리브덴산암모늄(ammonium tetrathiomolybdate)을 사용하는 경우에는, 잔류하고 있던 테트라티오몰리브덴산암모늄은 하기 반응식 3의 반응을 통해 수소 기체와 반응하여 나노 시트를 형성할 수 있다.The sulfur precursor and hydrogen gas remaining unreacted through the first heat treatment process may react to form a nanosheet including a metal sulfide represented by the following Chemical Formula 1, and as a preferred example, thiourea ( thiourea) and ammonium tetrathiomolybdate, the remaining ammonium tetrathiomolybdate may react with hydrogen gas through the reaction of Scheme 3 below to form nanosheets.

[화학식 1][Formula  1]

BS2 BS 2

상기 화학식 1에서 B는 몰리브덴(Mo), 크로뮴(Cr) 또는 텅스텐(W)일 수 있고, 바람직하게는 몰리브덴일 수 있다.In the formula  1,  B may be molybdenum (Mo), chromium (Cr), or tungsten (W), preferably molybdenum.

[반응식 3][Scheme 3]

Figure 112020055003234-pat00003
Figure 112020055003234-pat00003

다음으로, 5단계의 2차 열처리 공정은 불활성 기체 하에서 4 ~ 6 ℃·min-1의 가열속도로 수행되고, 바람직하게는 4.5 ~ 5.5℃·min-1의 가열속도로 수행되며, 최종 온도 850 ~ 950℃에서 3 ~ 5시간 동안 수행되고, 바람직하게는 3 ~ 4시간 동안 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.Next, the secondary heat treatment process of step 5 is performed under an inert gas at a heating rate of 4 to 6 °C min -1 , preferably at a heating rate of 4.5 to 5.5 °C min -1 , and a final temperature of 850 It may be characterized in that it is carried out at ~ 950 ° C. for 3 to 5 hours, preferably for 3 to 4 hours.

이때, 상기 불활성 기체는 헬륨(He), 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 크립톤(Kr) 중 하나 이상일 수 있으나, 바람직하게는 아르곤을 포함할 수 있다.In this case, the inert gas may be one or more of helium (He), argon (Ar), neon (Ne), and krypton (Kr), but may preferably include argon.

또한, 상기 2차 열처리 공정은 1차 열처리를 수행한 고체 분말을 최종 온도 850 ~ 950℃에서 열처리 하고, 바람직하게는 870 ~ 930℃에서 열처리 하는 것을 포함한다. 만일 850℃ 미만의 온도에서 열처리할 경우 황 전구체로부터 황이 분리되지 않아 나노 입자의 코어를 형성할 수 없는 문제가 있을 수 있고, 950℃를 초과하는 온도에서 열처리할 경우 과도하게 높은 온도로 부분적으로 구조의 변형이 일어날 수 있는 문제가 발생할 수 있다.In addition, the second heat treatment process includes heat-treating the solid powder subjected to the first heat treatment at a final temperature of 850 to 950° C., preferably heat-treating at 870 to 930° C. If the heat treatment is performed at a temperature of less than 850 ° C, sulfur is not separated from the sulfur precursor, so there may be a problem that the core of nanoparticles cannot be formed. There may be problems that may cause deformation of the

상기 2차 열처리 공정을 통해, 상기 황 전구체로부터 황 이온이 분리될 수 있고, 상기 복합체에 포함된 황 전구체가 분리된 황과 결합함으로써 하기 화학식 2로 표현되는 금속 화합물이 형성될 수 있고, 바람직한 일예로 황 전구체로 티오우레아(thiourea) 및 테트라티오몰리브덴산암모늄(ammonium tetrathiomolybdate)을 사용하는 경우에는, 테트라티오몰리브덴산암모늄으로부터 황 이온을 분리할 수 있고, 복합체 중에서 티오우레아가 황으로 대체됨으로써 하기 화학식 2로 표현되는 금속 화합물을 형성할 수 있으며, 구체적으로는 하기 반응식 4의 반응을 통해 형성될 수 있다. 결과적으로, 상기 복합체 주위에 침전되어 있던 상기 금속 황화물(쉘)이 상기 금속 화합물(코어)의 표면에 달라붙어 코어-쉘 형태의 나노 입자를 형성할 수 있다. Through the secondary heat treatment process, sulfur ions may be separated from the sulfur precursor, and a metal compound represented by the following Chemical Formula 2 may be formed by combining the sulfur precursor included in the complex with the separated sulfur, a preferred example When thiourea and ammonium tetrathiomolybdate are used as sulfur precursors, sulfur ions can be separated from ammonium tetrathiomolybdate, and thiourea is replaced with sulfur in the complex, so that the following formula The metal compound represented by 2 may be formed, and specifically, it may be formed through the reaction of Scheme 4 below. As a result, the metal sulfide (shell) deposited around the composite may adhere to the surface of the metal compound (core) to form core-shell type nanoparticles.

[화학식 2][Formula 2]

ASx AS x

화학식 2에서 A는 코발트(Co), 로듐(Rh) 또는 이리듐(Ir)이고, 바람직하게는 코발트일 수 있으며, x는 0 ~ 4일 수 있고, 바람직하게는 x= 0 ~ 3일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 x= 0 ~ 2일 수 있다.In Formula 2, A is cobalt (Co), rhodium (Rh) or iridium (Ir), preferably cobalt, x may be 0 to 4, preferably x = 0 to 3, More preferably, x=0 to 2 may be present.

[반응식 4][Scheme 4]

Figure 112020055003234-pat00004
Figure 112020055003234-pat00004

상기 반응식 4에서, x= 0 ~ 4일 수 있고, 바람직하게는 x= 0 ~ 3일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 x= 0 ~ 2일 수 있다.In Scheme 4, x=0 to 4, preferably x=0 to 3, and more preferably x=0 to 2.

한편, 상기 1차 및 2차 열처리는 화학 기상 증착 시스템(chemical vapor deposition, CVD)으로 수행되는 것을 포함할 수 있다.Meanwhile, the first and second heat treatment may include performing a chemical vapor deposition (CVD) system.

다음으로, 6단계의 냉각은 상기 1차 열처리 및 2차 열처리 공정을 수행한 고체 분말을 실온에서 냉각하는 것을 포함하고, 그 결과로 본 발명의 고체 분말 형태의 하이브리드 촉매를 제조할 수 있다.Next, the cooling in step 6 includes cooling the solid powder subjected to the first heat treatment and the second heat treatment process at room temperature, and as a result, the hybrid catalyst in the form of a solid powder of the present invention can be prepared.

상기 제법으로 제조된 그래핀 하이브리드 촉매는 표면이 개질된 그래핀 시트; 및 상기 그래핀 시트의 적어도 일부 표면에 형성된 하기 화학식 1로 표시되는 금속 황화물을 포함하는 나노 시트; 및 상기 금속 황화물 나노 시트 상에 형성된 코어-쉘 나노 입자;를 포함한다.The graphene hybrid catalyst prepared by the above method includes: a graphene sheet having a modified surface; and a nano sheet containing at least a part of the graphene sheet and a metal represented by Formula 1 formed on the surface; and core-shell nanoparticles formed on the metal sulfide nanosheets.

또한, 상기 표면이 개질된 그래핀 시트는 그래핀 시트 표면에 질소(N)와 황(S)이 도핑된 것을 포함하며, 두께가 0.30 ~ 0.38nm이고, 바람직하게는 0.32 ~ 0.36nm인 것일 수 있다.In addition, the surface-modified graphene sheet includes a graphene sheet surface doped with nitrogen (N) and sulfur (S), and has a thickness of 0.30 to 0.38 nm, preferably 0.32 to 0.36 nm. have.

또한, 상기 화학식 1로 표기되는 금속 황화물을 포함하는 나노 시트는 두께가 0.54 ~ 0.7nm일 수 있고, 바람직하게는 0.56 ~ 0.68nm일 수 있다. 상기 화학식 1은 하기와 같다.In addition, the nanosheet including the metal sulfide represented by Formula 1 may have a thickness of 0.54 to 0.7 nm, preferably 0.56 to 0.68 nm. Formula 1 is as follows.

[화학식 1][Formula  1]

BS2 BS 2

상기 화학식 1에서 B는 몰리브덴(Mo), 크로뮴(Cr) 또는 텅스텐(W)일 수 있으며, 바람직하게는 몰리브덴(Mo)일 수 있다.In Formula 1,  B may be molybdenum (Mo), chromium (Cr), or tungsten (W), preferably molybdenum (Mo).

또한, 상기 코어-쉘 나노 입자는 하기 화학식 2로 표시되는 금속 화합물을 포함하는 코어; 및 하기 화학식 3으로 표시되는 금속 황화물을 포함하는 쉘;로 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the core-shell nanoparticles may include a core including a metal compound represented by the following Chemical Formula 2; and a shell including a metal sulfide represented by the following formula (3).

[화학식 2][Formula 2]

ASx AS x

상기 화학식 2에서 A는 코발트(Co), 로듐(Rh) 또는 이리듐(Ir)이고, 바람직하게는 코발트(Co)일 수 있으며, 상기 x는 0 ~ 4이며, 바람직하게는 x는 0 ~ 3일 수 있으며. 더욱 바람직하게는 x는 0 ~ 2일 수 있다. 구체적으로는, A, AS, AS2, AS3 등을 포함할 수 있고, 바람직하게는 A, AS, AS2일 수 있다. In Formula 2, A is cobalt (Co), rhodium (Rh) or iridium (Ir), preferably cobalt (Co), wherein x is 0 to 4, preferably x is 0 to 3 days can and More preferably, x may be 0 to 2. Specifically, it may include A, AS, AS 2 , AS 3 and the like, and preferably A, AS, AS 2 .

또한, 코어부의 화학식 2 나노 입자 크기가 0.16 ~ 0.25nm일 수 있고, 바람직하게는 0.18 ~ 0.23nm일 수 있다.In addition, the size of the nanoparticles of Formula 2 in the core part may be 0.16 to 0.25 nm, preferably 0.18 to 0.23 nm.

[화학식 3][Formula 3]

C2BS4 C 2 BS 4

상기 화학식 3에서 B는 몰리브덴(Mo), 크로뮴(Cr) 또는 텅스텐(W)일 수 있으며, 바람직하게는 몰리브덴(Mo)일 수 있다. 또한, C는 구리(Cu), 금(Au) 또는 은(Ag)일 수 있으며, 바람직하게는 구리(Cu)일 수 있다. In Formula 3, B may be molybdenum (Mo), chromium (Cr), or tungsten (W), preferably molybdenum (Mo). In addition, C may be copper (Cu), gold (Au) or silver (Ag), preferably copper (Cu).

또한, 쉘부의 화학식 3 나노 입자 크기가 40 ~ 60nm일 수 있고, 바람직하게는 42 ~ 58nm일 수 있다.In addition, the chemical formula 3 nanoparticles of the shell portion may have a size of 40 to 60 nm, preferably 42 to 58 nm.

상기의 그래핀 하이브리드 전기 촉매는 물 분해 및 이차 전지의 음극에 이용되는 것을 포함할 수 있다.The graphene hybrid electrocatalyst may include water decomposition and used for a negative electrode of a secondary battery.

이상에서 본 발명에 대하여 구현예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명의 구현예를 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 구현예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.In the above, the present invention has been mainly described with respect to the embodiment, but this is only an example and does not limit the embodiment of the present invention. It can be seen that various modifications and applications not exemplified above are possible without departing from the scope. For example, each component specifically shown in the embodiment of the present invention can be implemented by modification. And differences related to such modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention defined in the appended claims.

[실시예][Example]

준비예 1: 그래핀 옥사이드 제조 Preparation Example 1: Preparation of graphene oxide

수정된 휴머스 방법(modified Hummer's method)으로 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 제조하였다.Graphene oxide was prepared by a modified Hummer's method.

실시예 1: 그래핀 하이브리드 촉매의 제조(CoSExample 1: Preparation of graphene hybrid catalyst (CoS xx @CuMoS@CuMoS 44 /MoS/MoS 22 -NSG) -NSG)

(1)준비예 1에서 제조된 그래핀 옥사이드 60mg을 균질하게 함유하는 용액 100mL를 제조했다.(1) 100 mL of a solution containing 60 mg of the graphene oxide prepared in Preparation Example 1 homogeneously was prepared.

(2)상기 용액에 금속이온 전구체로 Co(NO3)2·6H2O와 Cu(NO3)2·6H2O를 각각 25mg씩 투입하고 1시간 동안 초음파 처리했다. (2) 25 mg of each of Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O and Cu(NO 3 ) 2 ·6H 2 O as metal ion precursors were added to the solution, followed by ultrasonic treatment for 1 hour.

(3)(2)를 수행한 용액에 황 전구체로 5mg의 (NH4)2MoS4(테트라티오몰리브덴산암모늄) 및 480mg의 thiourea(티오우레아)를 투입하였다. (3) 5 mg of (NH 4 ) 2 MoS 4 (ammonium tetrathiomolybdate) and 480 mg of thiourea (thiourea) were added to the solution in which (3) (2) was performed as a sulfur precursor.

(4)(3)을 수행한 용액을 80℃에서 12시간 동안 교반하였다.(4) The solution in which (3) was carried out was stirred at 80° C. for 12 hours.

(5)(4)를 수행한 용액을 건조시켜 고체 분말을 얻었다.(5) The solution subjected to (4) was dried to obtain a solid powder.

(6)상기 고체 분말을 아르곤(Ar)과 수소(H2) 기체를 1:0.43의 부피비로 포함하는 기체 하에서, 2℃·min-1의 가열 속도로 500℃까지 승온시킨 다음, 500℃의 온도의 조건에서 60분 동안 1차 열처리 하였다.(6) The solid powder was heated to 500° C. at a heating rate of 2° C. min −1 under a gas containing argon (Ar) and hydrogen (H 2 ) gas in a volume ratio of 1:0.43, and then at 500° C. The first heat treatment was performed under the condition of temperature for 60 minutes.

(7)1차 열처리한 고체 분말을 아르곤(Ar) 기체 하에서 5℃·min-1의 가열속도로 900℃까지 승온시킨 다음, 900℃의 온도 조건으로 3시간 동안 2차 열처리 하였다.(7) The solid powder subjected to the primary heat treatment was heated to 900° C. at a heating rate of 5° C. min −1 under argon (Ar) gas, and then the second heat treatment was performed under a temperature condition of 900° C. for 3 hours.

(8)2차 열처리한 고체 분말을 실온 냉각하여 고체 분말의 하이브리드 촉매를 수득했다.(8) The solid powder subjected to the secondary heat treatment was cooled to room temperature to obtain a solid powder hybrid catalyst.

실시예 2 ~ 실시예 5: 그래핀 하이브리드 촉매의 제조 Examples 2 to 5: Preparation of graphene hybrid catalyst

실시예 1과 동일한 방법으로 하이브리드 촉매를 제조하되, 1차 열처리 및 2차 열처리의 온도를 하기 표 1과 같이 하여 실시예 2 ~ 실시예 5를 실시하였다.A hybrid catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but Examples 2 to 5 were carried out with the temperatures of the first heat treatment and the second heat treatment as shown in Table 1 below.

실시예 6 ~ 실시예 7: 그래핀하이브리드 촉매의 제조 Example 6 ~ Example 7: Preparation of graphene hybrid catalyst

실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀 하이브리드 촉매를 제조하되, 1차 열처리 과정에서의 기체 조성을 하기 표 1 ~ 표 2와 같이 하여 실시예 6 ~ 실시예 7을 실시하였다.A graphene hybrid catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but Examples 6 to 7 were performed with the gas composition in the first heat treatment process as shown in Tables 1 to 2 below.

실시예 8 ~ 실시예 9: 그래핀 하이브리드 촉매의 제조 Examples 8 to 9: Preparation of graphene hybrid catalyst

실시예 1과 동일하게 그래핀 하이브리드 촉매를 제조하되, (3) 단계에서 황 전구체의 투입량을 하기 표 2와 같이 하여 실시예 8 ~ 실시예 9를 실시하였다.A graphene hybrid catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but Examples 8 to 9 were carried out with the amount of the sulfur precursor added in step (3) as shown in Table 2 below.

비교예 1: 촉매 제조(NSG) Comparative Example 1: Catalyst Preparation (NSG)

(1)준비예 1에서 제조된 그래핀 옥사이드 60mg을 균질하게 함유하는 용액 100mL를 제조했다.(1) 100 mL of a solution containing 60 mg of the graphene oxide prepared in Preparation Example 1 homogeneously was prepared.

(2)상기 용액을 1시간 동안 초음파 처리했다.(2) The solution was sonicated for 1 hour.

(3)(2)를 수행한 용액에 황 전구체로 thiourea(티오우레아) 480mg 를 투입하였다.(3) (2) as a sulfur precursor in the solution 480 mg of thiourea was added.

(4)(3)을 수행한 용액을 80℃에서 3시간 동안 교반하였다.(4) The solution in which (3) was carried out was stirred at 80° C. for 3 hours.

(5)(4)를 수행한 용액을 건조시켜 고체 분말을 얻었다.(5) The solution subjected to (4) was dried to obtain a solid powder.

(6) ~ (8)은 실시예 1에서 제조된 촉매와 동일한 방법으로 제조하였다.(6) to (8) were prepared in the same manner as the catalyst prepared in Example 1.

비교예 2: 촉매 제조(MoSComparative Example 2: Catalyst preparation (MoS 22 -NSG) -NSG)

비교예 1에서 제조된 촉매와 동일한 방법으로 하이브리드 촉매를 제조하되, (2)를 수행한 용액에 황 전구체로 (NH4)2MoS4(테트라티오몰리브덴산암모늄) 5mg 및 thiourea(티오우레아) 480mg을 투입하여 제조하였다.A hybrid catalyst was prepared in the same manner as the catalyst prepared in Comparative Example 1, but as a sulfur precursor (NH 4 ) 2 MoS 4 (ammonium tetrathiomolybdate) 5 mg and thiourea (thiourea) 480 mg in the solution performed in (2) was prepared by adding

비교예 3: 촉매 제조(CuMoSComparative Example 3: Catalyst Preparation (CuMoS 44 /MoS/MoS 22 -NSG)-NSG)

준비예 1에서 제조된 그래핀 옥사이드 60mg 및 Cu(NO3)2·6H2O 25mg을 균질하게 함유하는 용액 100mL를 제조했다.100 mL of a solution containing 60 mg of graphene oxide prepared in Preparation Example 1 and 25 mg of Cu(NO 3 ) 2 ·6H 2 O homogeneously was prepared.

(2) ~ (8)은 비교예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.(2) to (8) were prepared in the same manner as in Comparative Example 1.

비교예 4: 촉매 제조(CoSComparative Example 4: Catalyst Preparation (CoS xx /MoS/MoS 22 -NSG)-NSG)

준비예 1에서 제조된 그래핀 옥사이드 60mg 및 Co(NO3)2·6H2O 25mg을 균질하게 함유하는 용액 100mL를 제조했다. 그리고, (2) ~ (8)은 비교예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.100 mL of a solution containing 60 mg of graphene oxide prepared in Preparation Example 1 and 25 mg of Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O homogeneously was prepared. And, (2) to (8) were prepared in the same manner as in Comparative Example 1.

비교예 5: 촉매 제조(Pt/C)Comparative Example 5: Catalyst Preparation (Pt/C)

Sigma-Aldrich 사의 Platinum on graphitized carbon(Pt/C 촉매)를 사용하였다. Platinum on graphitized carbon (Pt/C catalyst) manufactured by Sigma-Aldrich was used.

비교예 6: 촉매 제조(RUO Comparative Example 6: Catalyst Preparation (RUO 22 /C) /C)

Sigma-Aldrich 사의 Ruthenium(IV) oxide (RUO2/C 촉매)를 사용하였다.Ruthenium(IV) oxide (RUO 2 /C catalyst) manufactured by Sigma-Aldrich was used.

비교예 7 ~ 비교예 10: 촉매 제조Comparative Example 7 to Comparative Example 10: Preparation of catalyst

실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 온도 조건을 하기 표 2 ~ 표 3과 같이 하여 비교예 7 ~ 비교예 10을 실시하였다.A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but Comparative Examples 7 to 10 were carried out with temperature conditions as shown in Tables 2 to 3 below.

비교예 11 ~ 비교예 12: 촉매 제조Comparative Example 11 to Comparative Example 12: Preparation of catalyst

실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 1차 열처리 과정에서의 기체 조성을 하기 표 3과 같이 하여 비교예 11 ~ 비교예 12를 실시하였다.A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but Comparative Examples 11 to 12 were carried out with the gas composition in the first heat treatment process as shown in Table 3 below.

비교예 13 ~ 비교예 14: 촉매 제조Comparative Example 13 to Comparative Example 14: Catalyst Preparation

실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, (3) 단계에서 황 전구체의 투입량을 하기 표 3과 같이 하여 비교예 13 ~ 비교예 14를 실시하였다.A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but Comparative Examples 13 to 14 were carried out with the amount of the sulfur precursor added in step (3) as shown in Table 3 below.

실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 실시예4Example 4 실시예5Example 5 실시예6Example 6 황 전구체 (mg)
Sulfur precursor (mg)
(NH4)2MoS4 (NH 4 ) 2 MoS 4 55 55 55 55 55 55
thioureathiourea 480480 480480 480480 480480 480480 480480 중량비((NH4)2MoS4: thiourea)Weight ratio ((NH 4 ) 2 MoS 4 : thiourea) 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1차 열처리primary heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 500500 450450 550550 500500 500500 500500 기체 비율
(Ar:H2)
gas ratio
(Ar:H 2 )
1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.251:0.25
2차 열처리 온도(℃)Secondary heat treatment temperature (℃) 900900 900900 900900 850850 950950 900900

실시예7Example 7 실시예8Example 8 실시예9Example 9 비교예7Comparative Example 7 비교예8Comparative Example 8 비교예9Comparative Example 9 황 전구체 (mg)Sulfur precursor (mg) (NH4)2MoS4 (NH 4 ) 2 MoS 4 55 55 55 55 55 55 thioureathiourea 480480 400400 550550 480480 480480 480480 중량비((NH4)2MoS4: thiourea)Weight ratio ((NH 4 ) 2 MoS 4 : thiourea) 1 : 961: 96 1 : 801:80 1 : 1101:110 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1차 열처리primary heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 500500 500500 500500 420420 580580 500500 기체 비율
(Ar:H2)
gas ratio
(Ar:H 2 )
1:0.671:0.67 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43
2차 열처리 온도(℃)Secondary heat treatment temperature (℃) 900900 900900 900900 900900 900900 820820

비교예10Comparative Example 10 비교예11Comparative Example 11 비교예12Comparative Example 12 비교예13Comparative Example 13 비교예14Comparative Example 14 황 전구체 (mg)Sulfur precursor (mg) (NH4)2MoS4 (NH 4 ) 2 MoS 4 55 55 55 55 55 thioureathiourea 480480 480480 480480 300300 650650 중량비((NH4)2MoS4: thiourea)Weight ratio ((NH 4 ) 2 MoS 4 : thiourea) 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 601:60 1 : 1301:130 1차 열처리primary heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 500500 500500 500500 500500 500500 기체 비율
(Ar:H2)
gas ratio
(Ar:H 2 )
1:0.431:0.43 1:0.111:0.11 1:1.001:1.00 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43
2차 열처리 온도(℃)Secondary heat treatment temperature (℃) 980980 900900 900900 900900 900900

이하, 실험예에서 설명하는 도 2 ~ 도 33의 CoSx@Cu2MoS4-MoS2/NSG는 실시예 1에저 제조한 촉매를 의미하고, GO는 준비예 1에서 제조한 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 의미하며, NSG는 비교예 1을 의미하고, MoS2/NSG는 비교예 2를 의미하며, Cu2MoS4-MoS2/NSG는 비교예 3을 의미하고, CoSx-MoS2/NSG는 비교예 4를 의미하며, Pt/C는 비교예 5를 의미하고, RuO2/C는 비교예 6을 의미하는 것이다. Hereinafter, CoS x @Cu 2 MoS 4 -MoS 2 /NSG of FIGS. 2 to 33 described in Experimental Examples means the catalyst prepared in Example 1, and GO is the graphene oxide prepared in Preparation Example 1. oxide), NSG means Comparative Example 1, MoS 2 /NSG means Comparative Example 2, Cu 2 MoS 4 -MoS 2 /NSG means Comparative Example 3, CoS x -MoS 2 / NSG means Comparative Example 4, Pt/C means Comparative Example 5, RuO 2 /C means Comparative Example 6.

실험예 1: 표면 구조 분석 1 Experimental Example 1: Surface structure analysis 1

표면구조 분석을 위해 실시예 1 및 비교예 2에서 제조한 촉매를 Supra 40 VP 장치(Zeiss Co., Germany)를 사용하여 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM; field-emission scanning electron microscopy)을 사용하여 분석 수행한 것이고, 분석 장비로서, Supra 40 VP 장비(Zeiss. Co., Germany)를 사용하였다.For surface structure analysis, the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 2 were subjected to field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) using a Supra 40 VP apparatus (Zeiss Co., Germany). to perform the analysis, and as an analysis equipment, Supra 40 VP equipment (Zeiss. Co., Germany) was used.

먼저, 도 2의 (a)는 비교예 2에서 제조한 촉매의 이미지로, 이를 통해 비교예 2에서 제조한 촉매가 미세 다공성 시트에 의해 연결된 삼차원 다공성 구조임을 알 수 있었다.First, (a) of FIG. 2 is an image of the catalyst prepared in Comparative Example 2, and it can be seen that the catalyst prepared in Comparative Example 2 has a three-dimensional porous structure connected by a microporous sheet.

한편, 도 2의 (b) ~ (c)는 실시예 1에서 제조한 촉매의 그래핀 하이브리드 촉매의 이미지로서, 코어-쉘 형태의 나노 입자가 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었다.On the other hand, Figure 2 (b) ~ (c) is an image of the graphene hybrid catalyst of the catalyst prepared in Example 1, it was confirmed that the core-shell type nanoparticles are dispersed.

실험예 2: 표면 구조 분석 2 Experimental Example 2: Surface structure analysis 2

표면구조 분석을 위해 실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 촉매를 H-7650 장비(Hitachi Ltd., Japan)을 사용한 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM) 및 Park-NX10(Park System Co., Korea)을 이용한 원자력 현미경(Atomic-force microscopy, AFM)를 사용하여 분석 수행하였다.For surface structure analysis, the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 2 were subjected to transmission electron microscopy (TEM) using H-7650 equipment (Hitachi Ltd., Japan) and Park-NX10 (Park System Co., Korea) was analyzed using an atomic-force microscopy (AFM).

먼저, 도 2의 (d)는 비교예 2에서 제조한 촉매를 TEM으로 관찰한 것으로, 얇은 금속 황화물 나노 시트가 그래핀 층상에 밀접하게 부착되어 독특한 이종구조를 가짐을 알 수 있었다.First, (d) of FIG. 2 is a TEM observation of the catalyst prepared in Comparative Example 2, and it can be seen that the thin metal sulfide nanosheets are closely attached to the graphene layer and have a unique heterogeneous structure.

또한, 도 2의 (d) 및 도 12의 (a) ~ (b)에서 나타냈듯이, 금속 황화물 나노 시트의 두께는 0.62nm이고, 그래핀 시트의 두께는 0.34nm인 것으로 나타났으며, 이는 d(002)에 해당된다. 또한, 도 12의 (a) ~ (b)는 비교예 2에서 제조한 촉매를 TEM을 통해 관찰한 것으로, 비교예 2의 표면에 다수의 기공이 존재함을 알 수 있었다.In addition, as shown in Fig. 2 (d) and Fig. 12 (a) ~ (b), the thickness of the metal sulfide nanosheet was 0.62nm, the thickness of the graphene sheet was found to be 0.34nm, which It corresponds to d(002). In addition, in (a) to (b) of FIG. 12, the catalyst prepared in Comparative Example 2 was observed through TEM, and it was found that a large number of pores were present on the surface of Comparative Example 2.

또한, 비교예 2에서 제조한 촉매가 메조포러스의 세공 크기를 가지는 것은 비교예 2에서 제조한 촉매를 AFM을 사용하여 분석 수행한 도 12의 (c)를 통해서도 알 수 있었다.In addition, the fact that the catalyst prepared in Comparative Example 2 had a mesoporous pore size was also found through the analysis of the catalyst prepared in Comparative Example 2 using AFM in FIG. 12(c).

한편, 도 2의 (e) ~ (f) 및 도 7의 (g)는 실시예 1에서 제조한 촉매를 TEM으로 관찰한 것으로, 실시예 1에서 제조된 촉매의 나노 시트 및 코어쉘 형태의 나노 입자가 잘 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.Meanwhile, FIGS. 2(e) to (f) and FIG. 7(g) are observations of the catalyst prepared in Example 1 by TEM, and nanosheets and core-shell nanosheets of the catalyst prepared in Example 1 It was confirmed that the particles were well formed.

실험예 3: 표면 구조 분석 3 Experimental Example 3: Surface structure analysis 3

표면구조 분석을 위해 실시예 1에서 제조한 촉매를 H-7650 장비(Hitachi Ltd., Japan)를 사용하여 고해상도 투과전자 현미경(high resolution transmission electron microscopy, HR-TEM)을 사용하여 분석 수행하였다.For surface structure analysis, the catalyst prepared in Example 1 was analyzed using a high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) using H-7650 equipment (Hitachi Ltd., Japan).

먼저, 도 2의 (h)는 실시예 1에서 제조한 촉매를 분석 수행한 것으로, 금속 황화물 나노 시트 상에 형성되어 있는 코어쉘 나노 입자를 확인할 수 있었다.First, (h) of FIG. 2 shows that the catalyst prepared in Example 1 was analyzed, and core-shell nanoparticles formed on the metal sulfide nanosheets could be identified.

또한, 도 2의 (i), 도 7의 (h) 및 도 14의 (a) ~ (d)는 실시예 1에서 제조한 촉매를 분석 수행한 것으로, 코어에 해당하는 금속 화합물에 포함되는 Co 및 CoS2 나노 입자가 각각 0.20nm(d(111)에 해당됨.) 및 0.28nm(d(200)에 해당됨.)의 크기임을 확인했으며, 쉘에 해당되는 금속 황화물 나노 입자 크기는 0.51nm(d(002)에 해당됨.)임을 확인했다.In addition, in Fig. 2 (i), Fig. 7 (h), and Fig. 14 (a) ~ (d) are analysis performed on the catalyst prepared in Example 1, Co contained in the metal compound corresponding to the core and CoS 2 nanoparticles were confirmed to have sizes of 0.20 nm (corresponding to d(111)) and 0.28 nm (corresponding to d(200).), respectively, and the metal sulfide nanoparticles corresponding to the shell size were 0.51 nm (corresponding to d(200)). (002).) was confirmed.

실험예 4: 표면 구조 분석 4 Experimental Example 4: Surface structure analysis 4

표면구조 분석을 위해, 분석 장비로서 Supra 40 VP 장비(Zeiss. Co.,Germany)를 사용하여 X-선 에너지 분산 분석기(EDAX; Energy dispersive X-ray analysis) 또는 에너지 분산분광기(EDS; Energy dispersive spectrometry)로 실시예 1 및 비교예 2 ~ 비교예 4에서 제조된 촉매를 분석 수행하였다.For surface structure analysis, X-ray energy dispersive X-ray analysis (EDAX) or Energy dispersive spectrometry (EDS) using Supra 40 VP equipment (Zeiss. Co., Germany) as an analysis equipment ) and the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 2 to 4 were analyzed.

먼저, 도 2의 (g)는 실시예 1에서 제조한 촉매를 EDAX 분석 수행 한 것이고, 도 3의 (b) ~ (g) 및 (i) ~ (n)은 실시예 1에서 제조한 촉매를 EDS 분석 수행하여 원소 매핑(mapping) 및 이를 분석한 그래프이다. 구체적으로, 도 3의 (b) ~ (g)는 실시예 1에서 제조한 촉매에 관한 것으로, 순서대로 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 황(S), 질소(N), 탄소(C)에 대한 컬러 매핑 이미지이고, (i) ~ (n)는 순서대로 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 황(S), 질소(N), 탄소(C)에 대한 분석 그래프이다. 이를 통해 실시예 1에서 제조한 촉매는 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 황(S), 질소(N), 탄소(C) 원소를 모두 가지고 있음을 알 수 있었다.First, (g) of FIG. 2 shows the EDAX analysis of the catalyst prepared in Example 1, and FIGS. 3 (b) to (g) and (i) to (n) show the catalyst prepared in Example 1 It is an element mapping (mapping) by performing EDS analysis and a graph analyzing it. Specifically, (b) to (g) of Figure 3 relates to the catalyst prepared in Example 1, in order cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), sulfur (S), nitrogen (N) ), are color mapping images for carbon (C), (i) to (n) are cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), sulfur (S), nitrogen (N), carbon ( It is an analysis graph for C). Through this, it was found that the catalyst prepared in Example 1 had all of the elements cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), sulfur (S), nitrogen (N), and carbon (C).

또한, 도 2의 (g)는 실시예 1에서 제조한 촉매를 EDAX 분석 수행한 그래프로, 구리(Cu), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 황(S), 질소(N) 및 탄소(C)의 각각의 원소가 존재함을 확인할 수 있었다.In addition, (g) of Figure 2 is a graph performed by EDAX analysis of the catalyst prepared in Example 1, copper (Cu), cobalt (Co), molybdenum (Mo), sulfur (S), nitrogen (N) and carbon It was confirmed that each element of (C) was present.

한편, 도 10은 비교예 2에서 제조한 촉매를 EDAX 분석 수행한 것으로 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 몰리브덴(Mo) 및 황(S)의 원소가 존재함을 확인할 수 있었고, 측량 범위에 각각의 원소가 적절하게 분포되어 있음을 확인할 수 있었다.On the other hand, Figure 10 shows the EDAX analysis of the catalyst prepared in Comparative Example 2, and it can be confirmed that the elements of carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), molybdenum (Mo) and sulfur (S) are present. It was confirmed that each element was properly distributed in the measurement range.

또한, 도 11의 (b) ~ (e)는 비교예 2에서 제조한 촉매를 EDS 분석 수행하여 컬러 매핑한 것으로 각각 탄소(C), 질소(N), 황(S) 및 몰리브덴(Mo) 원소에 관한 것이고, 이를 통해 각 원소가 존재함을 확인할 수 있었다.In addition, (b) to (e) of FIG. 11 are color-mapped by EDS analysis of the catalyst prepared in Comparative Example 2, respectively, carbon (C), nitrogen (N), sulfur (S) and molybdenum (Mo) elements. , and through this, it was possible to confirm the existence of each element.

한편, 도 15의 (d) 및 도 16의 (d)는 각각 비교예 4 및 비교예 3에서 제조한 촉매를 EDS로 분석 수행한 그래프로, 이를 통해 각 원소의 존재를 확인할 수 있었다.On the other hand, FIGS. 15 (d) and 16 (d) are graphs in which the catalysts prepared in Comparative Examples 4 and 3 were analyzed by EDS, respectively, and the presence of each element could be confirmed through this.

실험예 5: 표면 구조 분석 5 Experimental Example 5: Surface structure analysis 5

표면 구조를 분석하기 위해, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 3 ~ 비교예 4를 주사 전자 현미경(SEM)로 분석 수행하였다.In order to analyze the surface structure, Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Examples 3 to 4 were analyzed with a scanning electron microscope (SEM).

먼저, 도 7의 (f)는 실시예 1에서 제조된 촉매를 관찰한 것으로, 코어쉘이 잘 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.First, in FIG. 7(f), the catalyst prepared in Example 1 was observed, and it was confirmed that the core shell was well formed.

한편, 도 9는 비교예 1에서 제조한 촉매를 관찰한 것이고, 그래핀 시트의 표면에 질소와 황이 도핑되어 표면에 주름이 생긴 것을 알 수 있었다.On the other hand, FIG. 9 is an observation of the catalyst prepared in Comparative Example 1, and it can be seen that the surface of the graphene sheet is doped with nitrogen and sulfur to form wrinkles on the surface.

한편, 도 16의 (a) ~ (b)는 비교예 3에서 제조한 촉매를 관찰한 것으로, 비교예 3에서 제조한 촉매의 촉매 구조를 알 수 있었고, 도 16의 (c)를 통해 비교예 3에서 제조한 촉매의 Cu2MoS4 나노 입자가 약 50nm의 평균 크기를 가짐을 확인할 수 있었다.On the other hand, (a) to (b) of FIG. 16 are observations of the catalyst prepared in Comparative Example 3, and the catalyst structure of the catalyst prepared in Comparative Example 3 could be known, and through FIG. 16(c), Comparative Example It was confirmed that the Cu 2 MoS 4 nanoparticles of the catalyst prepared in 3 had an average size of about 50 nm.

한편, 도 15의 (a) ~ (b)는 비교예 4에서 제조한 촉매를 관찰한 것으로, 비교예 4에서 제조한 촉매의 촉매 구조를 알 수 있었고, 도 15의 (c)를 통해 비교예 4에서 제조한 촉매의 코어에 해당하는 CoSx 나노 입자가 약 21nm의 평균 크기를 가짐을 확인할 수 있었다.On the other hand, FIGS. 15 (a) to (b) are observations of the catalyst prepared in Comparative Example 4, and the catalyst structure of the catalyst prepared in Comparative Example 4 was known, and through FIG. 15 (c), the comparative example It was confirmed that the CoS x nanoparticles corresponding to the core of the catalyst prepared in step 4 had an average size of about 21 nm.

실험예 6: 표면 구조 분석 5 Experimental Example 6: Surface structure analysis 5

표면 구조를 분석하기 위해, 실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 촉매를 주사 투과형 전자 현미경(STEM; scanning-transmission electron microscope)으로 분석 수행하였다.In order to analyze the surface structure, the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 2 were analyzed with a scanning-transmission electron microscope (STEM).

먼저, 도 3의 (a), (h) 및 도 7의 (i)는 실시예 1에서 제조된 촉매를 관찰한 이미지이며, 코어에 해당하는 CoSx 및 쉘에 해당하는 Cu2MoS4를 확인할 수 있었다.First, (a), (h) and 7 (i) of FIG. 3 are images of observing the catalyst prepared in Example 1, to confirm CoS x corresponding to the core and Cu 2 MoS 4 corresponding to the shell could

한편, 도 11의 (a)는 비교예 2에서 제조된 촉매를 관찰한 이미지로, 구조를 확인할 수 있었다.On the other hand, (a) of FIG. 11 is an image of the catalyst prepared in Comparative Example 2, and the structure could be confirmed.

실험예 7: 결정 구조 분석 1Experimental Example 7: Crystal structure analysis 1

준비예 1, 실시예 1 및 비교예 1 ~4에서 제조된 촉매의 결정 구조를 분석하기 위해, Cu를 타겟으로 하는( λ= 0.154 nm에서) D/Max 2500 V/PC (Rigaku Co., Japan) 장비를 사용하여 X 선 회절패턴(X-ray diffraction patterns, XRD)을 분석하거나 라만 분광법으로 분석 수행한 것이다.To analyze the crystal structures of the catalysts prepared in Preparation Example 1, Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, D/Max 2500 V/PC (Rigaku Co., Japan) targeting Cu (at λ = 0.154 nm) ) was analyzed using X-ray diffraction patterns (XRD) or analyzed by Raman spectroscopy.

먼저, 도 3의 (o)은 XRD 분석 수행한 그래프로, 이를 살펴보면 (I)은 비교예 1에서 제조된 촉매를 분석한 것이고, (II)는 비교예 2에서 제조된 촉매를 분석한 것이며, (III)은 실시예 1에서 제조된 촉매를 분석한 것이 다. 이를 통해, 그래핀은 결정 격자 d(002)에 해당하는 25.39o의 2θ 피크 값을 가지고, MoS2(PDF#37-1492)은 결정 격자 d(002), d(100), d(103), d(006), d(110) 및 d(008)에 해당하는 14.24o, 32.79o, 39.03o, 43.85o, 58.35o 및 60.38o의 2θ 피크 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 코어부의 Co 상(PDF#18-0806)은 결정 격자 d(111) 및 d(200)에 해당하는 44.63o 및 51.03o의 2θ피크 값을 가짐을 확인할 수 있었고, 코어부의 CoS2 상(PDF#04-003-2292)은 결정격자 d(200), d(210), d(211), d(220), d(311) 및 d(321)에 해당하는 32.48o, 35.98o, 40.74o, 46.59o, 54.69o 및 62.72o 의 2θ피크 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 쉘부의 Cu2MoS4 상은 결정격자 d(002), d(101), d(112), d(103), d(200), d(220), d(204), d(222) 및 d(312)에 해당하는 17.67o, 18.76o, 29.20o, 32.63o, 33.41o, 48.14o, 50.02o, 53.21o 및 56.80o의 2θ 피크 값을 가짐을 확인할 수 있었다. First, (o) of FIG. 3 is a graph performed by XRD analysis. Looking at this, (I) is an analysis of the catalyst prepared in Comparative Example 1, (II) is an analysis of the catalyst prepared in Comparative Example 2, (III) is an analysis of the catalyst prepared in Example 1. Through this, graphene has a 2θ peak value of 25.39 o corresponding to the crystal lattice d(002), and MoS 2 (PDF#37-1492) has the crystal lattice d(002), d(100), d(103) 2θ of 14.24 o , 32.79 o , 39.03 o , 43.85 o , 58.35 o , and 60.38 o corresponding to , d(006), d(110) and d(008) It was confirmed that it has a peak value. In addition, it was confirmed that the Co phase (PDF#18-0806) of the core part had 2θ peak values of 44.63 o and 51.03 o corresponding to the crystal lattices d(111) and d(200), and the CoS 2 phase of the core part ( PDF#04-003-2292) is 32.48 o , 35.98 o , 40.74 corresponding to the crystal lattices d(200), d(210), d(211), d(220), d(311) and d(321). o , 46.59 o , 54.69 o and 62.72 o were confirmed to have 2θ peak values. In addition, the Cu 2 MoS 4 phase of the shell portion is crystal lattice d(002), d(101), d(112), d(103), d(200), d(220), d(204), d(222) and 17.67 o for the d (312), 18.76 o, o 29.20, 32.63 o, o 33.41, 48.14 o, o 50.02, 53.21 and 56.80 o o of 2θ It was confirmed that it has a peak value.

한편, 도 18은 화학적 구조를 확인하기 위해, 준비예1에서 제조된 그래핀 시트, 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 촉매를 라만 분광법으로 분석 수행한 것으로, 실시예 1은 각각 평면(in plane)에서 E1 2g (378.8cm-1)및 비평면(out of plane)에서 A1g(406.5cm-1)에 해당하는 작은 피크를 보였고, 그 차이가 27.7cm-1으로 하이브리드 구조임을 예측할 수 있었다.On the other hand, FIG. 18 shows that the graphene sheet prepared in Preparation Example 1, the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were analyzed by Raman spectroscopy to confirm the chemical structure, and Example 1 is a plane (in plane) showed small peaks corresponding to E 1 2 g (378.8 cm -1 ) and A 1 g (406.5 cm -1 ) in the out of plane, and the difference was 27.7 cm -1 , suggesting a hybrid structure. there was.

또한, 실시예 1에서 제조한 촉매의 D 피크가 1,338 cm-1이고, G 피크가 1,574 cm-1에서 나타났으며, ID/IG(강도)가 1.35인 것으로 나타났다. 이에 반해, 준비예 1에서 제조한 그래핀 시트는 0.78이고, 비교예 1에서 제조한 촉매는 1.03임이 나타났다. 이를 통해 비교예 1에서 제조한 촉매는 질소와 황이 함께 그래핀 시트 표면에 도핑된 형태이며, MoS2 나노 시트와 코어쉘 나노 입자가 분산되면 질소와 황이 도핑된 그래핀 시트가 더 무질서해진다는 것을 알 수 있었다.In addition, the D peak of the catalyst prepared in Example 1 was 1,338 cm -1 , the G peak appeared at 1574 cm -1 , and I D /I G (intensity) was 1.35. In contrast, the graphene sheet prepared in Preparation Example 1 was 0.78, and the catalyst prepared in Comparative Example 1 was 1.03. Through this, the catalyst prepared in Comparative Example 1 is a form in which nitrogen and sulfur are doped together on the surface of the graphene sheet, and when MoS 2 nanosheets and core-shell nanoparticles are dispersed, the graphene sheet doped with nitrogen and sulfur becomes more disordered. Could know.

한편, 도 17는 비교예 3 및 비교예 4에서 제조한 촉매를 XRD로 분석 수행한 것으로, 각각의 결정상의 존재를 확인함으로써 제조가 성공적을 수행되었음을 확인할 수 있었다.Meanwhile, FIG. 17 shows that the catalysts prepared in Comparative Examples 3 and 4 were analyzed by XRD, and it was confirmed that the preparation was successfully performed by confirming the presence of each crystal phase.

실험예 8: 결정 구조 분석 2 Experimental Example 8: Crystal structure analysis 2

실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 4에서 제조된 촉매의 결정 구조를 분석하기 위하여, Theta Probe 장비(Thermo Fisher Scientific Inc., USA)를 사용하여, XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 수행했다.In order to analyze the crystal structures of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) analysis was performed using Theta Probe equipment (Thermo Fisher Scientific Inc., USA). did.

먼저, 도 4의 (a)를 살펴보면, 실시예 1에서 제조된 촉매는 C 1s에서의 결합 에너지 그래프로, C=C (284.6eV), C-O (286.5eV), C=O (287.2eV), O-C=O (289.2eV), C-N (285.4eV) 및 C-S-C (284.0eV)의 결합 에너지를 갖는 것을 알 수 있었으며, 이를 통해 그래핀 시트의 흑연 골격에 질소와 황이 성공적으로 도핑 되었음을 알 수 있었다.First, looking at (a) of Figure 4, the catalyst prepared in Example 1 is a graph of binding energy in C 1s, C = C (284.6 eV), CO (286.5 eV), C = O (287.2 eV), It could be seen that OC=O (289.2eV), CN (285.4eV), and CSC (284.0eV) had binding energies, indicating that nitrogen and sulfur were successfully doped into the graphite skeleton of the graphene sheet.

또한, 도 4의 (b) ~ (c)를 살펴보면, 실시예 1에서 제조한 촉매에 관한 것으로, N 1s 및 S 2p에서의 결합 에너지 그래프를 나타냈는데, 구체적으로는, N 1s에서는 세개의 강력한 피크를 보였는데, 이는 각각 394.8eV의 결합에너지를 갖는 피리딘(pyridinic)-N 및 398.5eV의 결합에너지를 갖는 피롤릭(pyrrolic)-N 및 401.1eV의 결합에너지를 갖는 4차(quaternary)-N로 구성됨을 알 수 있었다. 또한, S2p에서는 C-S(163.4eV), Mo-S(162.6 ~ 164.3eV) 및 Co-S/Cu-S(161.7eV)에서 결합 에너지 피크를 갖는 것을 확인했다. 이를 통해 질소와 황이 성공적으로 도핑되었음을 확인할 수 있었다.In addition, looking at (b) to (c) of Figure 4, it relates to the catalyst prepared in Example 1, and showed a graph of binding energy in N 1s and S 2p, specifically, in N 1s, three strong A peak was observed, which was pyridinic-N having a binding energy of 394.8 eV, pyrrolic-N having a binding energy of 398.5 eV, and quaternary-N having a binding energy of 401.1 eV, respectively. was found to be composed of In addition, it was confirmed that S2p has binding energy peaks at C-S (163.4 eV), Mo-S (162.6 to 164.3 eV), and Co-S/Cu-S (161.7 eV). Through this, it was confirmed that nitrogen and sulfur were successfully doped.

또한, 도 4의 (d)는 실시예 1에서 제조한 촉매의 Mo 3d에서의 결합에너지를 나타낸 것으로, 228.3, 232.0, 232.6 및 235.5eV에서 피크를 나타냈고, 이는 각각 Mo4+ 3d5/2, Mo4+ 3d3/2, Mo6+ 3d5/2 및 Mo6+ 3d3/2에 해당함을 알 수 있었다. 이를 통해, MoS2 나노 시트와 코어쉘 나노 입자가 강한 상호작용을 가짐을 알 수 있었다.In addition, (d) of FIG. 4 shows the binding energy in Mo 3d of the catalyst prepared in Example 1, which showed peaks at 228.3, 232.0, 232.6 and 235.5 eV, which are Mo 4+ 3d 5/2, respectively. , Mo 4+ 3d 3/2 , Mo 6+ 3d 5/2 and Mo 6+ 3d 3/2 were found to correspond. Through this, it was found that MoS 2 nanosheets and core-shell nanoparticles have a strong interaction.

한편, 도 4의 (e)는 실시예 1과 비교예 4에서 제조된 촉매의 Co 2p에서의 결합에너지를 의미하며, 실시예 1에서 제조된 촉매의 Co0 및 Co2+과 황의 결합 에너지는 각각 778.3eV 및 794.1eV인 것으로 확인되었고, 비교예 4에서 제조된 촉매의 Co0 및 Co2+과 황의 결합 에너지는 각각 781.1 및 797.4 eV인 것으로 확인됐다. 이를 통해, 비교예 4에서 제조된 촉매에 비해 실시예 1에서 제조된 촉매가 ~1.06eV 정도 다운시프트(downshifting) 됐음을 확인할 수 있었다.On the other hand, (e) of FIG. 4 means the binding energy in Co 2p of the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 4, and the binding energy of Co 0 and Co 2+ of the catalyst prepared in Example 1 and sulfur is It was confirmed that they were 778.3 eV and 794.1 eV, respectively, and the binding energies of Co 0 and Co 2+ and sulfur of the catalyst prepared in Comparative Example 4 were 781.1 and 797.4 eV, respectively. Through this, it was confirmed that the catalyst prepared in Example 1 was downshifted by ~1.06 eV compared to the catalyst prepared in Comparative Example 4.

또한, 도 4의 (f)는 실시예 1 및 비교예 4에서 제조된 촉매의 Cu 2p에서의 결합에너지 그래프를 비교한 것으로, 비슷한 그래프 형태를 보였다. 이때, 실시예 1에서 제조된 촉매는 932.6 및 952.4eV에서 강한 피크를 보였고, 이는 Cu1+에 해당하는 것이다. 뿐만 아니라, 실시예 1에서 제조된 촉매는 Cu2+에 해당하는 두 개의 작은 이중선(doublets)을 보였고, 이는 각각 934.6eV, 954.9eV 및 943.2eV, 962.4eV에 해당하는 것이다. 이를 통해 구리(Cu)가 주로 Cu2+ 불순물과 Cu2MoS4의 형태로 존재함을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1에서 제조된 촉매가 비교예 4에서 제조된 촉매에 비해 0.13eV 업시프팅(upshifting) 됨으로써, 코어와 쉘 사이의 강한 상호작용이 존재함을 알 수 있었다.In addition, (f) of FIG. 4 is a comparison of the binding energy graphs in Cu 2p of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 4, and showed a similar graph form. At this time, the catalyst prepared in Example 1 showed strong peaks at 932.6 and 952.4 eV, which corresponds to Cu 1+ . In addition, the catalyst prepared in Example 1 showed two small doublets corresponding to Cu 2+ , which correspond to 934.6 eV, 954.9 eV and 943.2 eV and 962.4 eV, respectively. Through this, it was confirmed that copper (Cu) was mainly present in the form of Cu 2+ impurities and Cu 2 MoS 4 . In addition, the catalyst prepared in Example 1 was upshifted by 0.13 eV compared to the catalyst prepared in Comparative Example 4, indicating that a strong interaction between the core and the shell existed.

한편, 도 19는 XPS의 서베이(survey) 스펙트럼으로 (a)는 비교예 1에서 제조된 촉매를 분석한 것이고, (b)는 비교예 2에서 제조된 촉매를 분석한 것이며, (c)는 비교예 3에서 제조된 촉매을 분석한 것이고, (d)는 비교예 4에서 제조된 촉매를 분석한 것이며, (e)는 실시예 1에서 제조된 촉매를 분석한 것이다. 이를 통해 실시예 1에서 제조된 촉매는 Co 2p, Cu 2p, Mo 3d, S 2p, N 1s 및 C 1s에서 각각 779.9, 932.8, 232.2, 166.5 및 398.7eV에서 피크를 보임을 알 수 있었다.Meanwhile, FIG. 19 is a survey spectrum of XPS, in which (a) is an analysis of the catalyst prepared in Comparative Example 1, (b) is an analysis of the catalyst prepared in Comparative Example 2, (c) is a comparison The catalyst prepared in Example 3 is analyzed, (d) is an analysis of the catalyst prepared in Comparative Example 4, and (e) is an analysis of the catalyst prepared in Example 1. Through this, it was found that the catalyst prepared in Example 1 showed peaks at 779.9, 932.8, 232.2, 166.5 and 398.7 eV in Co 2p, Cu 2p, Mo 3d, S 2p, N 1s and C 1s, respectively.

실험예 9: 비표면적(Specific surface area) 측정Experimental Example 9: Measurement of specific surface area

실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 촉매의 비표면적(specific surface area)을 분석하기 위해, ASAP 2020 Plus System(Micromeritics Instrument Corp., USA)을 사용하여 측정하였다.In order to analyze the specific surface area of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 2, it was measured using ASAP 2020 Plus System (Micromeritics Instrument Corp., USA).

먼저, 도 3의 (p)는 실시예 1에서 제조된 촉매의 비표면적을 나타낸 것으로, 254.8m2·g-1으로 측정되었다.First, (p) of FIG. 3 shows the specific surface area of the catalyst prepared in Example 1, and was measured to be 254.8 m 2 ·g −1 .

또한, 도 13는 비교예 2에서 제조된 촉매의 비표면적을 나타낸 것으로, 203.6m2·g-1으로 측정되어, 비교예 2에서 제조된 촉매가 실시예 1에서 제조된 촉매에 비해 작은 비표면적을 가지는 것으로 나타났다. 이를 통해, 실시예 1에서 제조된 촉매는 큰 접촉 면적을 가짐으로써 전하 전달이 빠르게 일어나고, 그 결과 높은 활성을 가질 것으로 예측된다.13 shows the specific surface area of the catalyst prepared in Comparative Example 2, measured as 203.6 m 2 ·g -1 , the catalyst prepared in Comparative Example 2 has a smaller specific surface area compared to the catalyst prepared in Example 1 has been shown to have Through this, the catalyst prepared in Example 1 has a large contact area, so that charge transfer occurs rapidly, and as a result, it is expected to have high activity.

또한, 도 13의 삽입된 이미지는 비교예 2에서 제조된 촉매의 기공 분포를 나타낸 것으로, 비교예 2에서 제조된 촉매의 기공은 평균 10 ~ 40nm 크기로 메조포러스(mesoporous)의 세공 크기를 가지는 것을 알 수 있었다.In addition, the inserted image of FIG. 13 shows the pore distribution of the catalyst prepared in Comparative Example 2, and the pores of the catalyst prepared in Comparative Example 2 have a mesoporous pore size with an average size of 10 to 40 nm. Could know.

실험예 10: 촉매 구조 분석Experimental Example 10: Catalyst Structure Analysis

도 32의 (a)는 실시예 1에서 제조된 촉매를 분석한 것으로, Cu2MoS4(쉘), CoSx(코어) (x = 0 and x = 2) 및 CoSx@Cu2MoS4(코어@쉘) 나노 입자를 도식화한 것이고, (도식의 노란 색은 황 원자를, 짙은 파란색은 코발트 원자를, 적색은 구리 원자를, 청록색은 몰리브덴 원자를 의미한다.) 이에 관련한 구조적 파라미터를 측정하여 기재한 것이다. 이를 통해, 각 구성의 형태, 형성 에너지, 원자간 거리를 알 수 있었다.32 (a) is an analysis of the catalyst prepared in Example 1, Cu 2 MoS 4 (shell), CoS x (core) (x = 0 and x = 2) and CoS x @Cu 2 MoS 4 ( Core@shell) is a schematic diagram of nanoparticles, (yellow color means sulfur atom, dark blue color means cobalt atom, red color means copper atom, and cyan color means molybdenum atom.) By measuring the structural parameters related to this it will be described Through this, it was possible to know the shape, formation energy, and interatomic distance of each component.

실험예 11: 촉매 활성 평가 1 Experimental Example 11: Catalytic Activity Evaluation 1

실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매를 CH660D 워크 스테이션 (CH Instruments Inc., USA) 장치를 사용하여 분석 수행하였고, 실험을 위해 전극(흑연 및 H/HgO)을 제조하였다. 구체적으로는, 2.5mg의 촉매(실시예 및 비교예)의 고체 분말 및 5 ㎕의 Nafion 용액(5중량%)을 0.5 mL의 에탄올에 분산시켰고, 1시간 동안 초음파 처리 하여 용액을 제조하였다. 이어서, 상기 용액 5㎕을 회전 링 디스크 전극 (RRDE)의 전극의 폴리싱된 표면에 천천히 떨어뜨린 다음, 25℃에서 5 시간 동안 실온에서 건조시켜 산소 환원 반응(ORR; oxygen reduction reaction) 활성을 평가한 것이다.The catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 were analyzed using a CH660D workstation (CH Instruments Inc., USA), and electrodes (graphite and H/HgO) were prepared for the experiment. Specifically, 2.5 mg of solid powder of the catalyst (Examples and Comparative Examples) and 5 μl of Nafion solution (5 wt%) were dispersed in 0.5 mL of ethanol, followed by sonication for 1 hour to prepare a solution. Then, 5 μl of the solution was slowly dropped on the polished surface of the electrode of a rotating ring disk electrode (RRDE), and then dried at 25° C. for 5 hours at room temperature to evaluate oxygen reduction reaction (ORR) activity. will be.

먼저, 도 5의 (a)는 질소(N2)/산소(O2)가 포화된 0.1M의 KOH 전해질 조건에서, 50mV·s-1의 주사속도에서 실시예 1에서 제조된 촉매의 순환전압전류(CV; cyclic voltammetry) 곡선을 나타낸 것으로, 실시예 1에서 제조된 촉매가 산소 환원 반응에서 강한 활성을 보임을 알 수 있었다. First, (a) of FIG. 5 shows the cycle voltage of the catalyst prepared in Example 1 at a scanning rate of 50 mV·s −1 in a 0.1M KOH electrolyte condition saturated with nitrogen (N 2 )/oxygen (O 2 ). As a current (CV; cyclic voltammetry) curve was shown, it was found that the catalyst prepared in Example 1 showed strong activity in the oxygen reduction reaction.

한편, 도 5의 (b)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매를 10mV·s-1의 주사속도(scan rate), 1,600rpm의 회전속도 및 0.1M KOH 용액 조건에서의 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선을 나타낸 것으로, 실시예 1의 촉매가 비교예 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매에 비해 더 우수한 디스크 전극을 보였고, 실시예 1은 비교예 1 ~ 비교예 4에서 제조된 촉매에 비해 높은 개시전위(Eon, onset potential) +0.97V 및 반파전위(Ehalf, half-wave potential) +0.89V를 보였는데 비교예 5에서 제조된 촉매(개시전위 +0.99V, 반파전위 +0.90V)와 가장 유사하여 산소 환원 반응에서 좋은 활성을 보임을 알 수 있었다.On the other hand, Figure 5 (b) shows the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 at a scan rate of 10 mV s -1 , a rotation speed of 1,600 rpm and 0.1M KOH solution conditions. The linear sweep voltammetry (LSV) curve of Compared to the catalyst prepared in Comparative Example 4, higher onset potential (E on, onset potential) +0.97V and half-wave potential (E half , half-wave potential) +0.89V were exhibited, but the catalyst prepared in Comparative Example 5 (initiation potential) +0.99V, half-wave potential +0.90V) and showed good activity in oxygen reduction reaction.

또한, 도 5의 (c)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매의 타펠 기울기(Tafel slopes) 나타낸 그래프로, 실시예 1에서 제조된 촉매의 촉매는 53.5mV·dec-1의 타펠 기울기를 가지고 비교예 5에서 제조된 촉매의 촉매는 48.2mV·dec-1의 타펠 기울기를 가져, 본 발명의 실시예 1과 비교예 5(귀금속계) 에서 제조된 촉매의 타펠 기울기가 상대적으로 가장 낮은 값을 가지는 것을 알 수 있었고, 비교예 1 ~ 비교예 4에서 제조된 촉매는 각각 92.9mV·dec-1,72.8 mV·dec-1, 69.1 mV·dec-1, 62.2 mV·dec-1의 타펠 기울기를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 타펠 기울기가 낮음에 따라 촉매의 활성 또한 높으므로, 실시예 1에서 제조된 촉매는 산소 환원 반응에서 좋은 활성을 가지는 것을 알 수 있었다.In addition, FIG. 5 (c) is a graph showing the Tafel slopes of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5, and the catalyst prepared in Example 1 was 53.5 mV·dec - The catalyst of the catalyst prepared in Comparative Example 5 with a Tafel slope of 1 had a Tafel slope of 48.2 mV·dec -1, and the Tafel slope of the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 5 (noble metal-based) of the present invention was It was found that it had the relatively lowest value, and the catalysts prepared in Comparative Examples 1 to 4 were 92.9mV·dec -1 ,72.8 mV·dec -1 , 69.1 mV·dec -1 , 62.2 mV·dec, respectively. It was confirmed that it has a Tafel slope of -1. Through this, since the activity of the catalyst was also high as the Tafel slope was low, it was found that the catalyst prepared in Example 1 had good activity in the oxygen reduction reaction.

한편, 도 5의 (d) 및 도 20의 (b), (d), (f), (h)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 4에서 제조된 촉매의 K-L plot(Koutecky-Levich plot)을 도시한 것이고, 우수한 선형성 및 평행도를 나타냄을 알 수 있었다. 또한, 전자의 이동 수 (n)가 실시예 1이 3.97로 n이 약 4.0인 귀금속계의 비교예 5에서 제조된 촉매와 함께 가장 높으며, 비교예 1 ~ 비교예 4에서 제조된 촉매는 2.79, 3.10, 3.61, 3.75 순으로 나타났고, 실시예 1에서 제조된 촉매에 비해 상대적으로 낮은 전자의 이동 수를 가짐을 알 수 있었다. 일반적으로, 산소 환원 반응은 산소가 과산화물로 환원된 다음에 물로 환원되는 경우 2e-통로를 통해 일어나고, 산소가 직접 물로 환원되는 경우 4e-통로를 통해 일어난다. 만일 2e-통로를 통해 산소 환원 반응이 일어나는 경우 과산화물이 발생하므로 부식으로 인한 촉매 효율이 감소하는 것이 일반적이나, 실시예 1은 상기 전자의 이동 수가 높아 산소 환원 반응 중에도 좋은 촉매 효율을 유지하는 것으로 판단된다.On the other hand, the KL plots (Koutecky-Levich) of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 in FIGS. 5 (d) and 20 (b), (d), (f), and (h) are plot), and it was found that excellent linearity and parallelism were exhibited. In addition, the number of electron transfers (n) in Example 1 is 3.97, which is the highest with the catalyst prepared in Comparative Example 5 of the noble metal type where n is about 4.0, and the catalyst prepared in Comparative Examples 1 to 4 is 2.79, It was shown in the order of 3.10, 3.61, and 3.75, and it was found to have a relatively low number of electron transfers compared to the catalyst prepared in Example 1. In general, the oxygen reduction reaction occurs via the 2e-passage when oxygen is reduced to peroxide and then reduced to water, and via the 4e-passage when oxygen is directly reduced to water. If the oxygen reduction reaction occurs through the 2e-passage, peroxide is generated, so the catalytic efficiency is generally reduced due to corrosion, but in Example 1, the number of electrons is high, so it is determined that good catalytic efficiency is maintained during the oxygen reduction reaction do.

한편, 도 21은 산소 환원 반응 중 회전 링·디스크 전극 장치(RRDE; rotating ring-disk electrode)를 이용한 것으로, 구체적으로 (a)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매의 전자 이동 수(n)을 나타낸 것이며, 본 발명의 실시예 1에서 제조된 촉매의 전자 이동의 수는 3.92 ~ 3.96으로 나타났고, 귀금속계인 비교예 5에서 제조된 촉매의 전자 이동의 수는 3.96 ~ 4.0으로 나타나, 촉매가 가장 높은 값을 보여 좋은 활성을 보임을 나타냈다. On the other hand, Figure 21 is a rotating ring-disk electrode device (RRDE; It shows the number of electron transfers (n), and the number of electron transfers of the catalyst prepared in Example 1 of the present invention was 3.92 to 3.96, and the number of electron transfers of the catalyst prepared in Comparative Example 5, which is a noble metal, was 3.96 to 4.0, the catalyst showed the highest value, indicating good activity.

또한, 도 21의 (b)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매의 과산화물 (HO2 -) 음이온의 함량을 퍼센테이지(%)로 나타낸 것이며, 실시예 1에서 제조된 촉매는 과산화물을 6.8 ~ 8.3%으로 귀금속계인 비교예 5에서 제조된 촉매의 과산화물이 2.8 ~ 4.4%와 함께 가장 적은 과산화물이 발생하는 것으로 나타났다. 이때, 전자의 이동 수 (n)은 하기의 식으로 산출한 것이다.In addition, (b) of FIG. 21 shows the peroxides of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 (HO 2 ) The content of anions is expressed as a percentage (%), and the catalyst prepared in Example 1 contains 6.8 to 8.3% of peroxide, and the peroxide of the catalyst prepared in Comparative Example 5, which is a noble metal, is 2.8 to 4.4%, and the least peroxide is generated. appeared to do At this time, the number of electron transfers (n) is calculated by the following formula.

[관계식 1][Relational Expression 1]

Figure 112020055003234-pat00005
Figure 112020055003234-pat00005

상기 관계식 1에서 Ir, Id는 각각 링의 전류와 디스크의 전류를 나타냈으며 N은 포집 효율을 나타낸 것으로, N=0.42이다.In Relation 1, I r , I d represent the ring current and the disk current, respectively, and N represents the collection efficiency, where N=0.42.

한편, 도 5의 (d) 삽입된 이미지는 및 도 20의 (a), (c), (e), (g)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 4에서 제조된 촉매의 촉매를 10mV·s-1의 주사속도(scan rate) 및 400 ~ 2000rpm의 회전 속도 조건에서 링·디스크 전극 장치(RRDE; rotating ring-disk electrode)로 실험을 수행하였고 그 결과를 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선으로 나타낸 그래프로, 회전 속도가 증가함에 따라 물질 전달이 향상되는 것을 알 수 있었다.On the other hand, the inserted image of Figure 5 (d) and Figure 20 (a), (c), (e), (g) are the catalysts of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 An experiment was performed with a rotating ring-disk electrode (RRDE) under the conditions of a scan rate of 10mV·s -1 and a rotation speed of 400 to 2000 rpm, and the results were obtained with a linear scanning potential (LSV; Linear). As a graph represented by a sweep voltammetry) curve, it was found that mass transfer was improved as the rotational speed increased.

한편, 도 5의 (e)는 실시예 1 및 비교예 5에서 제조된 촉매를 산소가 포화된 KOH 0.1M의 용액 및 +0.80V의 작동 조건에서, 시간대전류법(chronoamperometry)을 이용하여 장시간 작동시 안정성을 평가한 것으로, 실시예 1의 촉매는 16.4시간 작동 후의 전류 응답(current response)이 99.6%로 유지되었으나, 비교예 5의 촉매는 비슷한 조건에서 13시간 작동 후의 전류 응답이 85.1%으로 현저히 낮은 것을 알 수 있었다. On the other hand, Figure 5 (e) shows the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 5 in an oxygen-saturated KOH solution of 0.1M and an operating condition of +0.80 V, using chronoamperometry for a long time. As an evaluation of stability, the current response of the catalyst of Example 1 was maintained at 99.6% after 16.4 hours of operation, but the catalyst of Comparative Example 5 had a current response of 85.1% after 13 hours of operation under similar conditions. was found to be low.

또한, 도 5의 (e) 삽입된 이미지는 실시예 1에서 제조된 촉매에 관한 것으로, 산소 환원 반응 후 선형주사전위법(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선을 나타낸 것이고, 이를 통해 실시예 1은 장시간 후에도 활성 감소가 일어나지 않는다는 것을 알 수 있었다.In addition, the inserted image in (e) of FIG. 5 relates to the catalyst prepared in Example 1, and shows a linear sweep voltammetry (LSV) curve after the oxygen reduction reaction, through which Example 1 is carried out for a long time. It was found that there was no decrease in activity even after.

한편, 도 22의 (a) ~ (b)는 산소 환원 반응을 수행한 후 실시예 1에서 제조된 촉매를 주사 전자 현미경(SEM; scanning electron microscope) 및 H-7650 장비(Hitachi Ltd., Japan)를 사용하여 투과 전자 현미경(TEM; transmission electron microscope)으로 관찰한 것으로, 반응 후에도 촉매의 형태를 잘 유지함을 알 수 있었다.On the other hand, (a) to (b) of Figure 22 is a scanning electron microscope (SEM) and H-7650 equipment (Hitachi Ltd., Japan) of the catalyst prepared in Example 1 after carrying out the oxygen reduction reaction. was observed with a transmission electron microscope (TEM) using

또한, 도 22의 (c)는 산소 환원 반응을 수행한 후의 실시예 1에서 제조된 촉매를 주사 투과형 전자 현미경(STEM; scanning-transmission electron microscope)으로 관찰한 것이며, 도 22의 (d) ~ (i)는 실시예 1에서 제조된 촉매를 에너지 분산분광기(EDS; energy dispersive spectrometry)로 분석 수행한 것으로 산소 환원 반응 후의 Co, Cu, Mo, S, C 및 N 원소를 측정하여 원소 매핑(mapping)한 결과 그래프이며, 모든 조사 범위에서 각 원소가 합리적으로 분포되었음을 알 수 있었다.In addition, FIG. 22(c) shows the observation of the catalyst prepared in Example 1 after the oxygen reduction reaction was performed with a scanning-transmission electron microscope (STEM), and FIGS. 22(d) to ( i) is an analysis performed on the catalyst prepared in Example 1 by energy dispersive spectrometry (EDS), and elemental mapping by measuring Co, Cu, Mo, S, C and N elements after oxygen reduction reaction One result is a graph, and it can be seen that each element is reasonably distributed in all investigation ranges.

또한, 도 23의 (a) ~ (d)은 실시예 1에서 제조된 촉매를 고분해능(high-resolution) XPS 스펙트럼으로 분석 수행한 그래프로, 이를 통해 실시예 1은 산소 환원 반응 전·후의 Co 2P, Cu 2P, Mo 3d 및 S 2p에서, 산소 환원 반응 전·후에 그래프의 큰 변화가 없어 산소 환원 반응할 때 좋은 안정성을 가지는 것으로 나타났다.In addition, (a) to (d) of FIG. 23 is a graph obtained by analyzing the catalyst prepared in Example 1 with a high-resolution XPS spectrum, through which Example 1 is Co 2P before and after the oxygen reduction reaction , Cu 2P, Mo 3d, and S 2p, there was no significant change in the graph before and after the oxygen reduction reaction, indicating good stability during the oxygen reduction reaction.

또한, 도 5의 (f)는 산소가 포화된 KOH 용액에 1.0M의 메탄올(MeOH)를 투입하여 산소 환원 반응을 수행할 때 실시예 1 및 비교예 5에서 제조된 촉매의 내구성을 그래프로 도시한 것으로, 본 발명의 실시예 1에서 제조된 촉매는 눈에 띄는 전류 변화가 나타나지 않지만, 귀금속계의 비교예 5에서 제조된 촉매는 눈에 띄는 전류 변화가 나타나 메탄올에서의 내구성이 떨어지는 것을 알 수 있었다. 이를 통해, 메탄올 조건 하에서 실시예 1에서 제조된 촉매가 비교예 5에서 제조된 촉매에 비해 좋은 내구성을 가지는 것을 알 수 있었다.In addition, FIG. 5 (f) is a graph showing the durability of the catalysts prepared in Examples 1 and 5 when the oxygen reduction reaction was performed by adding 1.0 M methanol (MeOH) to an oxygen-saturated KOH solution. As a result, it can be seen that the catalyst prepared in Example 1 of the present invention did not show a noticeable change in current, but the catalyst prepared in Comparative Example 5 of the noble metal system showed a noticeable change in current, indicating that the durability in methanol was lowered. there was. Through this, it was found that the catalyst prepared in Example 1 under methanol conditions had better durability than the catalyst prepared in Comparative Example 5.

실험예 12: 촉매 활성 평가 2 Experimental Example 12: Catalyst Activity Evaluation 2

실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매를 CH660D 워크 스테이션 (CH Instruments Inc., USA) 장치를 사용하여 분석 수행하였고, 실험을 위해 전극(흑연 및 H/HgO)을 제조하였다. 구체적으로는, 2.5mg의 실시예 1 및 비교에 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매의 고체 분말 및 5 ㎕의 Nafion 용액(5중량%)을 0.5 mL의 에탄올에 분산시켰고, 1시간 동안 초음파 처리 하여 용액을 제조하였다. 이어서, 상기 용액 5㎕을 회전 링 디스크 전극 (RRDE)의 전극의 폴리싱된 표면에 천천히 떨어뜨린 다음, 25℃에서 5 시간 동안 실온에서 건조시켜 촉매의 수소 발생 반응(HER; hydrogen evolution reaction)에서의 활성을 10mV·s-1의 주사속도(scan rate) 및 0.1M KOH 전해질 조건에서 다음과 같은 방법으로 평가했다. The catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 were analyzed using a CH660D workstation (CH Instruments Inc., USA), and electrodes (graphite and H/HgO) were prepared for the experiment. Specifically, 2.5 mg of the solid powder of the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 1 to Comparative Example 5 and 5 μl of Nafion solution (5 wt %) were dispersed in 0.5 mL of ethanol, and sonicated for 1 hour. to prepare a solution. Then, 5 μl of the solution was slowly dropped on the polished surface of the electrode of a rotating ring disk electrode (RRDE), and then dried at room temperature for 5 hours at 25° C. Activity was evaluated in the following manner at a scan rate of 10 mV·s -1 and 0.1M KOH electrolyte conditions.

먼저, 도 6의 (a)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5 촉매 실시예 1 및 비교에 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매의 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선을 나타낸 것으로, 0.1M의 KOH 및 10mV·s-1의 주사속도 조건에서 실시예 1에서 제조된 촉매는 118.1mV의 과전압을 필요로 하며, 비교예 1 ~ 비교예 4의 촉매는 각각 321mV, 282.7mV, 238.1mV 및 182.5mV의 과전압을 필요로 하는 것으로 나타났고, 비교예 5는 63.1mV의 과전압을 필요로 하는 것으로 나타나, 실시예 1과 비교예 5가 가장 낮은 과전압을 필요로 하여 수소 발생 반응에서 좋은 활성을 나타내는 것을 알 수 있었다. First, (a) of FIG. 6 shows the linear sweep voltammetry (LSV) curves of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 Catalysts Example 1 and Comparative Examples 1 to 5. That is, the catalyst prepared in Example 1 under the conditions of 0.1M KOH and a scan rate of 10mV·s −1 requires an overvoltage of 118.1mV, and the catalysts of Comparative Examples 1 to 4 were 321mV, 282.7mV, and 282.7mV, respectively. It was found that 238.1 mV and 182.5 mV of overvoltage were required, and Comparative Example 5 was found to require an overvoltage of 63.1 mV, and Example 1 and Comparative Example 5 required the lowest overvoltage, which is good in the hydrogen generation reaction. activity was found.

또한, 도 6의 (b)는 실시예 1 및 비교에 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매의 타펠 기울기(Tafel slopes) 나타낸 그래프로, 실시예 1 촉매는 41.1 mV·dec-1의 타펠 기울기를 가지고, 귀금속계인 비교예 5 촉매는 35.1 mV·dec-1의 타펠 기울기를 가져 가장 낮은 값을 가졌고, 비교예 1 ~ 비교예 4 촉매의 타펠 기울기는 각각 89.7, 73.6, 67.5 및 58.6mV·dec-1인 것으로 상대적으로 높은 값을 가지는 것으로 나타났다. 이를 통해, 실시예 1 및 비교예 5가 가장 낮은 타펠 기울기를 가짐에 따라 수소 발생 반응에서 가장 좋은 활성을 가짐을 알 수 있었다.In addition, Figure 6 (b) is a graph showing the Tafel slopes of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 in Example 1 and Comparative Example 1, the catalyst of Example 1 shows a Tafel slope of 41.1 mV·dec -1 The catalyst of Comparative Example 5, which is a noble metal, had a Tafel slope of 35.1 mV·dec -1 and had the lowest value, and the Tafel slopes of the catalysts of Comparative Examples 1 to 4 were 89.7, 73.6, 67.5 and 58.6 mV·dec - 1 , indicating a relatively high value. Through this, as Example 1 and Comparative Example 5 had the lowest Tafel slope, it was found that it had the best activity in the hydrogen evolution reaction.

한편, 도 6의 (c)는 실시예 1 및 비교예 5에서 제조된 촉매의 촉매를 시간대전류법(chronoamperometry)으로 장시간 작동시 안정성을 평가하기 위해, 33시간 동안 10mA·cm-2의 전류밀도를 유지하고자 하였다. 실시예 1 및 귀금속계인 비교예 5 모두 잘 유지하였으나, 실시예 1에서 제조된 촉매의 촉매가 그래프 상에서 조금 더 선형임에 따라 비교예 5에서 제조된 촉매에 비해 좋은 안정성을 가짐을 보였다. 또한, 33시간 작동 후 전류 손실은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 촉매가 15%로 30%의 전류 손실을 가지는 비교예 5에서 제조된 촉매보다 좋은 성능을 보임을 알 수 있었다.Meanwhile, in FIG. 6(c), in order to evaluate the stability of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 5 when operated for a long time by chronoamperometry, a current density of 10mA·cm -2 for 33 hours wanted to keep. Both Example 1 and Comparative Example 5, which are noble metals, were well maintained, but as the catalyst of the catalyst prepared in Example 1 was a little more linear on the graph, it was shown to have good stability compared to the catalyst prepared in Comparative Example 5. In addition, the current loss after 33 hours of operation was found that the catalyst prepared in Example 1 of the present invention showed better performance than the catalyst prepared in Comparative Example 5 having a current loss of 15% and 30%.

또한, 도 6의 (c) 삽입된 이미지는 실시예 1에서 제조된 촉매를 작동 전과 33시간 작동 후의 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선을 나타낸 그래프로서, 장시간 동안 전류밀도의 변화 없이 우수한 내구성을 가짐을 알 수 있었다.In addition, the inserted image of FIG. 6 (c) is a graph showing a linear sweep voltammetry (LSV) curve before and after the operation of the catalyst prepared in Example 1 for 33 hours. was found to be durable.

또한, 도 25는 실시예 1 및 비교예 5에서 제조된 촉매를 각각 다중 전위차(Multi-potentiometry) 방법으로 분석 수행한 것으로, 전류밀도를 10mA·cm-2에서 90mA·cm-2으로 증가시킴에 따라(즉, 과전압이 증가함에 따라) 전류 응답이 즉시 증가하여 계단식 그래프로 나타났고, 실시예 1에서 제조된 촉매는 수소 발생 반응에서의 활성이 우수한 것으로 나타났다.In addition, FIG. 25 shows that the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 5 were analyzed by a multi-potentiometry method, respectively, and the current density was increased from 10 mA cm -2 to 90 mA cm -2. Accordingly (ie, as the overvoltage increased), the current response immediately increased and appeared as a step-wise graph, and the catalyst prepared in Example 1 showed excellent activity in the hydrogen evolution reaction.

또한, 도 26의 (a) ~ (d)는 실시예 1에서 제조된 촉매의 수소 발생 반응 전·후를 고분해능(high-resolution) XPS 스펙트럼으로 분석 수행한 그래프로, 순서대로 Co 2P, Cu 2P, Mo 3d 및 S 2p에서의 결합 에너지 그래프를 나타내었고, 이를 통해 수소 발생 반응 전·후에 큰 변화가 없어 실시예 1의 촉매가 수소 발생 반응에 좋은 안정성을 가지는 것으로 나타났다.In addition, (a) to (d) of FIG. 26 are graphs in which the hydrogen evolution reaction of the catalyst prepared in Example 1 before and after the hydrogen evolution reaction was analyzed with high-resolution XPS spectra, in that order Co 2P, Cu 2P , Mo 3d and S 2p were shown, and through this, there was no significant change before and after the hydrogen evolution reaction, indicating that the catalyst of Example 1 had good stability in the hydrogen evolution reaction.

또한, 도 24는 수소 환원 반응에서의 과전압을 측정하여 그래프로 도식한 것으로, 도면의 1은 비교예 1에서 제조된 촉매에 대한 것이고, 2는 비교예 2에서 제조된 촉매에 대한 것이며, 3은 비교예 3에서 제조된 촉매에 대한 것이고, 4는 비교예 4에서 제조된 촉매에 대한 것이며, 5는 실시예 1에서 제조된 촉매에 대한 것이고, 6은 비교예 5에서 제조된 촉매에 대한 것이다 이를 통해, 실시예 1에서 제조된 촉매는 수소 환원 반응에서의 과전압이 귀금속계인 비교예 5에서 제조된 촉매에 준하는 정도로 낮음을 알 수 있었다.In addition, Figure 24 is a graph by measuring the overvoltage in the hydrogen reduction reaction, in which Figure 1 is for the catalyst prepared in Comparative Example 1, 2 is for the catalyst prepared in Comparative Example 2, and 3 is For the catalyst prepared in Comparative Example 3, 4 is for the catalyst prepared in Comparative Example 4, 5 is for the catalyst prepared in Example 1, 6 is for the catalyst prepared in Comparative Example 5 Through this, it was found that the catalyst prepared in Example 1 had an overvoltage in the hydrogen reduction reaction as low as that of the catalyst prepared in Comparative Example 5, which is a noble metal-based catalyst.

실험예 13: 촉매 활성 평가 3 Experimental Example 13: Catalyst Activity Evaluation 3

CH660D 워크 스테이션 (CH Instruments Inc., USA) 장치를 사용하여 분석 수행하였고, 실험을 위해 전극(흑연 및 H/HgO)을 제조하였다. 구체적으로는, 2.5mg의 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 6에서 제조된 촉매의 고체 분말 및 5 ㎕의 Nafion 용액(5중량%)을 0.5 mL의 에탄올에 분산시켰고, 1시간 동안 초음파 처리 하여 용액을 제조하였다. 이어서, 상기 용액 5㎕을 회전 링 디스크 전극 (RRDE)의 전극의 폴리싱된 표면에 천천히 떨어뜨린 다음, 25℃에서 5 시간 동안 실온에서 건조시켜 촉매의 산소 발생 반응(OER; oxygen evolution reaction) 활성을 10mV·s-1의 주사속도(scan rate) 및 0.1M KOH 용액 조건에서 다음과 같이 평가했다. Analysis was performed using a CH660D workstation (CH Instruments Inc., USA) apparatus, and electrodes (graphite and H/HgO) were prepared for the experiment. Specifically, 2.5 mg of the solid powder of the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 6 and 5 μl of Nafion solution (5 wt %) were dispersed in 0.5 mL of ethanol and sonicated for 1 hour. to prepare a solution. Then, 5 μl of the solution was slowly dropped on the polished surface of the electrode of a rotating ring disk electrode (RRDE), and then dried at 25° C. for 5 hours at room temperature to determine the oxygen evolution reaction (OER) activity of the catalyst. It was evaluated as follows under the conditions of a scan rate of 10mV·s -1 and a 0.1M KOH solution.

먼저, 도 6의 (d)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 6에서 제조된 촉매가 0.1M KOH 전해액 및 10mV·s-1의 주사속도 조건에서 산소 발생 반응할 때, 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선 그래프를 도시한 것으로, 실시예 1, 비교예 4, 비교예 3, 비교예 5, 비교예 1 및 비교예 6에서 제조된 촉매의 순서로 기울기가 컸고, 이를 통해 실시예 1에서 제조된 촉매가 산소 발생 반응에서 가장 좋은 활성을 가짐을 알 수 있었다.First, (d) of Figure 6 in Example 1 and Comparative Examples 1 to, when a catalyst prepared in Comparative Example 6 to the oxygen generating reaction in the scan speed condition of 0.1M KOH electrolyte and 10mV · s -1, a linear scanning potential ( Linear sweep voltammetry (LSV) curve graph is shown, and the slope was large in the order of the catalysts prepared in Example 1, Comparative Example 4, Comparative Example 3, Comparative Example 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 6. It was found that the catalyst prepared in Example 1 had the best activity in the oxygen evolution reaction.

또한, 도 6의 (e)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 5에서 제조된 촉매가 산소 발생 반응할 때의 타펠 기울기(Tafel slopes)이고, 실시예 1의 타펠 기울기가 61.5mV·dec-1으로 가장 낮았으며, 비교예 4 92.9mV·dec-1, 비교예 3 101.9mV·dec-1, 비교예 5 106.4mV·dec-1, 비교예 2 163.5mV·dec-1, 비교예 1 124.7mV·dec-1 순으로 증가하였다. 이를 통해 실시예 1에서 제조된 촉매가 산소 발생 반응에서 귀금속계 촉매인 비교예 5에서 제조된 촉매보다 활성이 좋음을 알 수 있었다.In addition, (e) of Figure 6 is the Tafel slope (Tafel slopes) when the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 reacted with oxygen generation, the Tafel slope of Example 1 is 61.5 mV·dec -1 was the lowest, Comparative Example 4 92.9mV·dec -1 , Comparative Example 3 101.9mV·dec -1 , Comparative Example 5 106.4mV·dec -1 , Comparative Example 2 163.5mV·dec -1 , Comparative Example 1 124.7mV·dec -1 increased in the order. Through this, it was found that the catalyst prepared in Example 1 had better activity than the catalyst prepared in Comparative Example 5, which is a noble metal-based catalyst, in the oxygen evolution reaction.

한편, 도 6의 (f)는 실시예1 및 비교예 6에서 제조된 촉매를 시간대전류법(chronoamperometry)으로 장시간 작동시 안정성을 평가하기 위해, 33시간 동안 10mA·cm-2의 전류밀도를 유지하고자 하였다. 이를 통해, 실시예 1에서 제조된 촉매는 전류밀도를 잘 유지하였으나, 귀금속계인 비교예 6에서 제조된 촉매는 실시예 1에 비해 상대적으로 잘 유지하지 못했다. 구체적으로는, 33시간 작동 후 유지율(retention rate)은 본 발명의 실시예 1이 93.1%로 65.1%의 유지율을 보이는 비교예 6보다 좋은 성능을 보임을 알 수 있었다.Meanwhile, in FIG. 6(f), in order to evaluate the stability of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 6 during long-term operation by chronoamperometry, a current density of 10mA·cm -2 was maintained for 33 hours. wanted to Through this, the catalyst prepared in Example 1 maintained the current density well, but the catalyst prepared in Comparative Example 6, which is a noble metal, did not maintain relatively well compared to Example 1. Specifically, after 33 hours of operation, the retention rate (retention rate) of Example 1 of the present invention was 93.1%, which was found to show better performance than Comparative Example 6 showing a retention rate of 65.1%.

또한, 도 6의 (f)는 실시예 1에서 제조된 촉매 관한 것으로 작동 전과 33시간 작동 후의 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선을 나타낸 그래프로서, 장시간 동안 전류밀도의 변화 없이 우수한 내구성을 가짐을 알 수 있었다.In addition, FIG. 6(f) is a graph showing a linear sweep voltammetry (LSV) curve before and after operation for 33 hours with respect to the catalyst prepared in Example 1, showing excellent durability without change in current density for a long time. I knew I had

한편, 도 28은 실시예 1 및 비교예 6에서 제조된 촉매를 다중 전위차(Multi-potentiometry)로 분석 수행하여 결과를 그래프로 나타낸 것으로, 전류밀도를 5mA·cm-2에서 45mA·cm-2으로 증가시킴에 따라(즉, 과전압이 증가함에 따라) 전류 응답이 즉시 증가하여 계단식 그래프로 나타나 우수한 활성을 가짐을 확인할 수 있었다.On the other hand, FIG. 28 is a graph showing the results obtained by analyzing the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 6 by multi-potentiometry, and the current density was changed from 5mA·cm -2 to 45mA·cm -2 As it increased (ie, as the overvoltage increased), the current response immediately increased and appeared as a step-by-step graph, confirming that it had excellent activity.

한편, 도 29는 실시예 1에서 제조된 촉매의 분석 장비로서 Supra 40 VP 장비(Zeiss. Co.,Germany)를 사용하여 촉매를 EDAX(Energy Dispersive Analysis of X-rays)으로 분석 수행한 것이며, 도 29의 삽입된 이미지는 산소 발생 반응 전과 후의 원소 비율 각각을 퍼센테이지(%)로 나타낸 것이고, 분석 결과로써 산소 발생 반응 전·후의 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 탄소(C), 황(S), 산소(O) 및 질소(N) 원소의 함량을 나타내었고, 산소 및 황 원소를 제외하면 큰 변화가 나타나지 않았다. 또한, 상기의 산소 및 황의 원소의 함유량 감소는 산소 발생 반응 중 표면에서의 산화 과정을 수행하기 위함임을 알 수 있었다.On the other hand, FIG. 29 is an analysis equipment of the catalyst prepared in Example 1, using Supra 40 VP equipment (Zeiss. Co., Germany) to analyze the catalyst by EDAX (Energy Dispersive Analysis of X-rays), and FIG. The inserted image of 29 shows the percentage (%) of each element ratio before and after the oxygen evolution reaction, and as an analysis result, cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), carbon (C) before and after the oxygen evolution reaction ), sulfur (S), oxygen (O) and nitrogen (N) elements were shown, and no significant change was observed except for oxygen and sulfur elements. In addition, it was found that the reduction in the content of elements of oxygen and sulfur is to perform an oxidation process on the surface during the oxygen evolution reaction.

또한, 도 30의 (a) ~ (d)는 Theta probe 장비(Thermo Fisher Scinetific Inc., USA)를 사용하여 실시예 1에서 제조된 촉매의 고분해능(high-resolution) XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 수행한 것이다. 실시예 1에서 제조된 촉매의 산소 발생 반응 전·후의 Co 2P, Cu 2P, Mo 3d 및 S 2p에서의 피크를 나타낸 그래프이다. 이를 살펴보면, 산소 발생 반응 후의 Co 2p 결합에너지는 산소 발생 반응 전에 비해 Co0의 소멸 및 가시적인 Co3+가 큰 비중을 차지함을 보였고, Cu 2p 결합에너지는 코어-쉘(CoSx-Cu2MoS4) 나노 입자 표면의 Cu2+의 증가를 알 수 있었으며, 이를 통해 코어의 표면을 쉘이 감싼 형태의 코어쉘 촉매임을 확인할 수 있었다.In addition, (a) ~ (d) of Figure 30 is a high-resolution (high-resolution) XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) of the catalyst prepared in Example 1 using Theta probe equipment (Thermo Fisher Scinetific Inc., USA) analysis was performed. It is a graph showing the peaks in Co 2P, Cu 2P, Mo 3d and S 2p before and after the oxygen evolution reaction of the catalyst prepared in Example 1. Looking at this, the Co 2p binding energy after the oxygen evolution reaction showed that the disappearance of Co 0 and the visible Co 3+ occupies a large proportion compared to before the oxygen evolution reaction, and the Cu 2p binding energy is the core-shell (CoS x -Cu 2 MoS 4 ) An increase in Cu 2+ on the surface of the nanoparticles was confirmed, and through this, it was confirmed that the core was a core-shell catalyst in which the shell was wrapped around the surface of the core.

또한, 산소 발생 반응 후의 Mo 3d 결합에너지는 산소 발생 반응 전에 비해 금속(M)-황(S)의 결합 에너지(반응 전 결합에너지 226.2eV로 관찰됨.)가 두드러지게 감소함을 보였으며, 산소 발생 반응 후의 S 2p 결합에너지는 산소 발생 반응 전에 비해 확실한 감소를 보였는데, 이를 통해 나노 입자의 산화가 이루어져 금속-황의 결합(나노 입자의 코어)이 형성된 것을 확인할 수 있었고, 이러한 나노 입자의 코어부가 산소 발생 반응을 가속화한다는 것을 알 수 있었다.In addition, the Mo 3d binding energy after the oxygen evolution reaction showed that the binding energy of metal (M)-sulfur (S) (observed as 226.2 eV before the reaction) was significantly reduced compared to before the oxygen evolution reaction, and oxygen The S 2p binding energy after the generation reaction showed a definite decrease compared to before the oxygen generation reaction, and through this, it was confirmed that the oxidation of the nanoparticles was made and a metal-sulfur bond (the core of the nanoparticles) was formed, and the core part of these nanoparticles It was found to accelerate the oxygen evolution reaction.

한편, 도 7의 (j) ~(o)는 산소 발생 반응 후의 실시예 1에서 제조된 촉매를 에너지 분산분광기(EDS; Energy dispersive spectrometry)를 사용하여 분석 수행하여 컬러 매핑(mapping)한 것으로 각각 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 황(S), 질소(N) 및 탄소(C)에 대응한다. 이를 통해 실시예 1은 산소 발생 반응 후에도 촉매의 형태를 잘 유지하고 있음을 알 수 있었다.On the other hand, (j) ~ (o) of FIG. 7 shows that the catalyst prepared in Example 1 after the oxygen evolution reaction was analyzed using energy dispersive spectrometry (EDS) to perform color mapping, and each cobalt Corresponds to (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), sulfur (S), nitrogen (N) and carbon (C). Through this, it was found that Example 1 well maintained the shape of the catalyst even after the oxygen evolution reaction.

한편, 도 27은 0.1M의 KOH 수용액 및 10 및 50mV·sec-1의 주사속도 조건에서 산소 발생 반응할 때의 과전압을 측정하여 그 결과를 그래프로 나타낸 것으로, 도면의 1은 비교예 1에서 제조된 촉매에 대한 것이고, 2는 비교예 2에서 제조된 촉매에 대한 것이며, 3은 비교예 3에서 제조된 촉매에 대한 것이고, 4는 비교예 4에서 제조된 촉매에 대한 것이며, 5는 실시예 1에서 제조된 촉매에 대한 것이고, 6은 비교예 5에서 제조된 촉매에 대한 것이다. 이를 통해 본 발명의 실시예 1이 산소 발생 반응에서 귀금속계인 비교예 5보다 낮은 과전압을 가져 더 우수한 촉매임을 알 수 있었다.On the other hand, FIG. 27 is a graph showing the results of measuring the overvoltage during the oxygen evolution reaction under 0.1M KOH aqueous solution and scanning rate conditions of 10 and 50 mV sec -1 the catalyst prepared in Comparative Example 2, 2 is the catalyst prepared in Comparative Example 2, 3 is the catalyst prepared in Comparative Example 3, 4 is the catalyst prepared in Comparative Example 4, and 5 is Example 1 For the catalyst prepared in , 6 is for the catalyst prepared in Comparative Example 5. Through this, it was found that Example 1 of the present invention has a lower overvoltage than Comparative Example 5, which is a noble metal-based catalyst, in the oxygen evolution reaction, and thus is a better catalyst.

한편, 도 31은 산소 발생 반응 전·후 실시예 1에서 제조된 촉매를 D/Max 2500 V/PC (Rigaku Co., Japan) 장비를 사용하여 X 선 회절패턴(X-ray diffraction patterns, XRD)으로 분석한 것으로써, 실시예 1은 산소 발생 반응 후에도 활성을 잃지 않고 잘 유지함을 알 수 있었다.On the other hand, Figure 31 shows the X-ray diffraction patterns (XRD) of the catalyst prepared in Example 1 before and after the oxygen evolution reaction using D/Max 2500 V/PC (Rigaku Co., Japan) equipment. As a result of the analysis, it was found that Example 1 maintained well without losing activity even after the oxygen evolution reaction.

실험예 14: 촉매 활성 평가 4 Experimental Example 14: Evaluation of Catalytic Activity 4

촉매의 활성을 평가하기 위해, CH660D 워크 스테이션 (CH Instruments Inc., USA) 장치를 사용하여 분석 수행하였고, 실험을 위해 전극(흑연 및 H/HgO)을 제조하였다. 구체적으로는, 2.5mg의 실시예 1 및 비교예 1 ~ 4에서 제조된 촉매의 고체 분말 및 5 ㎕의 Nafion 용액(5중량%)을 0.5 mL의 에탄올에 분산시켰고, 1시간 동안 초음파 처리 하여 용액을 제조하였다. 이어서, 상기 용액 5㎕을 회전 링 디스크 전극 (RRDE)의 전극의 폴리싱된 표면에 천천히 떨어뜨린 다음, 25℃에서 5 시간 동안 실온에서 건조시켜 다음과 같이 평가하였다. 먼저, 도 32의 (b) ~ (c)는 실시예1의 상태 밀도(DOS; density of states)를 계산하여 그래프로 도시한 것으로 코어-쉘 구조가 코어부만 있는 것(CoSx) 및 쉘부만 있는 것(Cu2MoS4)보다 더 높은 에너지 준위를 가지는 것으로 나타났다.To evaluate the activity of the catalyst, analysis was performed using a CH660D workstation (CH Instruments Inc., USA), and electrodes (graphite and H/HgO) were prepared for the experiment. Specifically, 2.5 mg of the solid powder of the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 and 5 μl of Nafion solution (5% by weight) were dispersed in 0.5 mL of ethanol, followed by sonication for 1 hour. was prepared. Then, 5 μl of the solution was slowly dropped on the polished surface of the electrode of a rotating ring disk electrode (RRDE), and then dried at 25° C. for 5 hours at room temperature, and evaluated as follows. First, (b) to (c) of FIG. 32 are graphs obtained by calculating the density of states (DOS) of Example 1, in which the core-shell structure has only the core part (CoS x ) and the shell part It was found to have a higher energy level than that with only (Cu 2 MoS 4 ).

한편, 도 6의 (g)는 105 ~ 10-2의 주파수 범위 및 +0.8V의 인가전위(applied potential)에서 전기화학 임피던스(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)를 측정한 그래프로서, 상기 도면에서 (1) ~ (5)는 각각 실시예 1, 비교예 3, 비교예 4, 비교예 2, 비교예 1에서 제조된 촉매에 해당하는 것이다. 구체적으로는 실시예 1은 전하 이동 저항이 66.6 Ω으로 가장 낮아, 가장 우수한 전도도를 가짐을 보였고, 비교예 1 ~ 비교예 4는 각각 80.9Ω, 75.7Ω, 74.2Ω, 70.4Ω의 상대적으로 높은 전하 이동 저항 값을 가졌다.On the other hand, (g) of FIG. 6 is a graph in which electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is measured in a frequency range of 10 5 to 10 -2 and an applied potential of +0.8V. 1) to (5) correspond to the catalysts prepared in Example 1, Comparative Example 3, Comparative Example 4, Comparative Example 2, and Comparative Example 1, respectively. Specifically, Example 1 had the lowest charge transfer resistance of 66.6 Ω, showing that it had the best conductivity, and Comparative Examples 1 to 4 had relatively high charges of 80.9 Ω, 75.7 Ω, 74.2 Ω, and 70.4 Ω, respectively. It had a movement resistance value.

또한, 도 6의 (h) ~ (i) 및 도 33의 (a) ~ (d)는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 비교예 4에서 제조된 촉매의 전기화학적인 활성 면적(ECSA; electrochemically active surface area)을 평가하기 위해 질소(N2)/산소(O2)가 포화된 0.1M의 KOH 전해질에서 순환전압전류(CV; cyclic voltammetry) 곡선 및 이중층 용량(Cdl, double layer capacitance) 측정한 것이다.In addition, (h) to (i) of FIG. 6 and (a) to (d) of FIG. 33 are electrochemically active areas (ECSA) of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 To evaluate the surface area), a cyclic voltammetry (CV) curve and double layer capacitance (C dl ) were measured in a 0.1M KOH electrolyte saturated with nitrogen (N 2 )/oxygen (O 2 ). will be.

구체적으로는, 도 6의 (h)은 실시예 1에서 제조된 촉매를 주사속도에 따른(5 ~ 30mV·s-1) 0.92 ~ 1.02V 범위에서의 순환전압전류(CV; cyclic voltammetry) 곡선을 나타냈고, 이를 통해 주사속도를 달리하더라도 안정성을 지니는 것을 알 수 있었다. Specifically, FIG. 6(h) shows a cyclic voltammetry (CV) curve in the range of 0.92 to 1.02V depending on the scanning speed of the catalyst prepared in Example 1 (5 to 30mV·s -1 ). It can be seen that, through this, it has stability even when the injection speed is changed.

또한, 도 33의 (a) ~ (d)은 비교예 4, 비교예 3, 비교예 2, 비교예 1에서 제조된 촉매의 순환전압전류(CV; cyclic voltammetry) 곡선을 나타낸 것으로, 이를 통해 나노 시트 및 그래핀 시트의 구조가 양성자 및 전자의 흡수가 가속화되고, 수소를 빠르게 탈흡착할 것으로 예측된다.In addition, (a) to (d) of FIG. 33 shows cyclic voltammetry (CV) curves of the catalysts prepared in Comparative Example 4, Comparative Example 3, Comparative Example 2, and Comparative Example 1, through which the nano It is predicted that the structure of the sheet and graphene sheet accelerates the absorption of protons and electrons and rapidly desorbs hydrogen.

또한, 도 6의 (i)는 이중층 용량(Cdl, double layer capacitance) 값을 측정하여 그래프에 도시한 것이다. 그 결과로, 실시예 1에서 제조된 촉매는 16.92mF·cm-2 의 Cdl값을 가져 가장 큰 이중층 용량을 보였고, 비교예 1 ~ 비교예 4에서 제조된 촉매는 각각 1.26, 2.51, 10.59, 11.95 mF·cm-2의 Cdl 값을 가져 실시예 1에 비해 낮은 이중층 용량 값을 가짐을 알 수 있었다.In addition, (i) of FIG. 6 is a graph showing the measurement of the double layer capacitance (C dl , double layer capacitance). As a result, the catalyst prepared in Example 1 had a C dl value of 16.92 mF·cm -2 and showed the largest double layer capacity, and the catalysts prepared in Comparative Examples 1 to 4 were 1.26, 2.51, 10.59, respectively. 11.95 mF·cm -2 It has a C dl value of -2 It can be seen that it has a lower double-layer capacity value compared to Example 1.

또한, 도 8의 (a)에서는 실시예 1에서 제조된 촉매가 0.1M의 KOH 전해질 및 10mV·s-1의 주사속도 조건일 때, 0.3 ~ 1.9V 범위에서의 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선을 나타냈다. 산소 발생 반응과 산소 환원 반응의 전위차가 0.694V로 낮은 전위차를 가져 아연-공기 전지로의 이용에 적합함을 알 수 있었다. 이때, 상기 전위차(ΔE)는 ΔE=EJ-Ehalf로 계산될 수 있으며, 상기 EJ는 산소 발생 반응시 10mA·cm-2의 전류 응답을 달성하기 위한 전위 값이고, Ehalf는 산소 환원 반응시 반파 전위를 의미한다.In addition, in (a) of FIG. 8, when the catalyst prepared in Example 1 was a KOH electrolyte of 0.1M and a scanning rate of 10mV·s −1 , a linear sweep potential (LSV; Linear sweep) in the range of 0.3 to 1.9V voltammetry) curve was shown. It was found that the potential difference between the oxygen evolution reaction and the oxygen reduction reaction was as low as 0.694 V, making it suitable for use as a zinc-air battery. In this case, the potential difference (ΔE) may be calculated as ΔE=E J -E half , where E J is a potential value for achieving a current response of 10 mA·cm -2 in the oxygen evolution reaction, and E half is oxygen reduction It means the half-wave potential in the reaction.

실험예 15: 촉매 활성 평가 5 Experimental Example 15: Evaluation of Catalytic Activity 5

1차 열처리, 2차 열처리 및 황 전구체의 조건에 따른 촉매의 활성을 평가하기 위해, CH660D 워크 스테이션 (CH Instruments Inc., USA) 장치를 사용하여 분석 수행하였고, 실험을 위해 전극(흑연 및 H/HgO)을 제조하였다. 구체적으로는, 2.5mg의 실시예 1 ~ 실시예 9 및 비교예 7 ~ 비교예 14의 촉매의 고체 분말 및 5 ㎕의 Nafion 용액(5중량%)을 0.5 mL의 에탄올에 분산시켰고, 1시간 동안 초음파 처리 하여 용액을 제조하였다. 이어서, 상기 용액 5㎕을 회전 링 디스크 전극 (RRDE)의 전극의 폴리싱된 표면에 천천히 떨어뜨린 다음, 25 ℃에서 5 시간 동안 실온에서 건조시켜 다음과 같은 방법으로 평가하였고, 그 결과를 하기 표 4 ~ 표 6에 나타냈다.In order to evaluate the activity of the catalyst according to the conditions of the first heat treatment, the second heat treatment and the sulfur precursor, analysis was performed using a CH660D workstation (CH Instruments Inc., USA) device, and for the experiment, electrodes (graphite and H/ HgO) was prepared. Specifically, 2.5 mg of the solid powder of the catalysts of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 7 to 14 and 5 μl of Nafion solution (5 wt %) were dispersed in 0.5 mL of ethanol, and for 1 hour The solution was prepared by sonication. Then, 5 μl of the solution was slowly dropped on the polished surface of the electrode of the rotating ring disk electrode (RRDE), dried at 25° C. for 5 hours at room temperature, and evaluated in the following manner, and the results are shown in Table 4 below ~ shown in Table 6.

(1)타펠 기울기 측정 (1) Tafel slope measurement

과전압에 대한 전류 밀도의 대수의 기울기를 통해 타펠 기울기를 계산 하였다.The Tafel slope was calculated via the logarithmic slope of the current density to the overvoltage.

(2)이중층 용량(Cdl, double layer capacitance value)을 계산하였다.(2) The double layer capacitance (C dl , double layer capacitance value) was calculated.

(3)전하 이동 저항 측정(3) Measurement of charge transfer resistance

105 ~ 10-2의 주파수 범위 및 +0.8V의 인가전위(applied potential)에서 전기화학 임피던스(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)를 측정하였다.Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was measured in a frequency range of 10 5 to 10 -2 and an applied potential of +0.8V.

실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 실시예4Example 4 실시예5Example 5 실시예6Example 6 황 전구체 (mg)
Sulfur precursor (mg)
(NH4)2MoS4 (NH 4 ) 2 MoS 4 55 55 55 55 55 55
thioureathiourea 480480 480480 480480 480480 480480 480480 중량비((NH4)2MoS4: thiourea)Weight ratio ((NH 4 ) 2 MoS 4 : thiourea) 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1차 열처리primary heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 500500 450450 550550 500500 500500 500500 기체 비율
(Ar:H2)
gas ratio
(Ar:H 2 )
1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.251:0.25
2차 열처리 온도(℃)Secondary heat treatment temperature (℃) 900900 900900 900900 850850 950950 900900 타펠 기울기(mV·dec-1)Tafel slope (mV·dec -1 ) 53.553.5 59.459.4 55.155.1 58.658.6 54.754.7 60.460.4 이중층 용량(Cdl, mF·cm-2)Double layer capacity (C dl , mF cm -2 ) 16.9216.92 12.6812.68 14.5214.52 13.1513.15 15.6315.63 12.2912.29 전하 이동 저항(Ω)Charge transfer resistance (Ω) 66.666.6 68.268.2 67.767.7 67.667.6 67.567.5 69.469.4

실시예7Example 7 실시예8Example 8 실시예9Example 9 비교예7Comparative Example 7 비교예8Comparative Example 8 비교예9Comparative Example 9 황 전구체 (mg)Sulfur precursor (mg) (NH4)2MoS4 (NH 4 ) 2 MoS 4 55 55 55 55 55 55 thioureathiourea 480480 400400 550550 480480 480480 480480 중량비((NH4)2MoS4: thiourea)Weight ratio ((NH 4 ) 2 MoS 4 : thiourea) 1 : 961: 96 1 : 801:80 1 : 1101:110 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1차 열처리primary heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 500500 500500 500500 420420 580580 500500 기체 비율
(Ar:H2)
gas ratio
(Ar:H 2 )
1:0.671:0.67 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43
2차 열처리 온도(℃)Secondary heat treatment temperature (℃) 900900 900900 900900 900900 900900 820820 타펠 기울기(mV·dec-1)Tafel slope (mV·dec -1 ) 56.156.1 57.857.8 54.654.6 91.591.5 71.371.3 88.488.4 이중층 용량(Cdl, mF·cm-2)Double layer capacity (C dl , mF cm -2 ) 16.2316.23 13.9213.92 15.3315.33 1.511.51 9.589.58 3.453.45 전하 이동 저항(Ω)Charge transfer resistance (Ω) 66.866.8 67.167.1 66.666.6 80.680.6 74.874.8 76.976.9

비교예10 Comparative Example 10 비교예11 Comparative Example 11 비교예12 Comparative Example 12 비교예13 Comparative Example 13 비교예14 Comparative Example 14 황 전구체 (mg)Sulfur precursor (mg) (NH4)2MoS4 (NH 4 ) 2 MoS 4 55 55 55 55 55 thioureathiourea 480480 480480 480480 300300 650650 중량비((NH4)2MoS4: thiourea)Weight ratio ((NH 4 ) 2 MoS 4 : thiourea) 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 961: 96 1 : 601:60 1 : 1301:130 1차 열처리primary heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 500500 500500 500500 500500 500500 기체 비율
(Ar:H2)
gas ratio
(Ar:H 2 )
1:0.431:0.43 1:0.111:0.11 1:1.001:1.00 1:0.431:0.43 1:0.431:0.43
2차 열처리 온도(℃)Secondary heat treatment temperature (℃) 980980 900900 900900 900900 900900 타펠 기울기(mV·dec-1)Tafel slope (mV·dec -1 ) 75.175.1 90.290.2 78.878.8 68.668.6 70.370.3 이중층 용량(Cdl, mF·cm-2)Double layer capacity (C dl , mF cm -2 ) 9.649.64 1.771.77 8.518.51 10.9110.91 9.579.57 전하 이동 저항(Ω)Charge transfer resistance (Ω) 75.175.1 80.280.2 78.478.4 72.5.72.5. 79.379.3

표 4 ~ 표 6을 살펴보면, 실시예 1에서 제조된 촉매는 타펠 기울기 및 전하 이동 저항 값이 가장 낮고, 이중층 용량은 가장 커 가장 좋은 효율의 촉매인 것을 알 수 있었다. 또한, 실시예 2 ~ 실시예 9는 실시예 1에 비해서는 다소 저하된 물성치를 보여주나, 양호한 물성을 보여 전지 및 물 분해 장치에 적용하는데 적합한 촉매인 것으로 나타났다.Referring to Tables 4 to 6, it was found that the catalyst prepared in Example 1 had the lowest Tafel slope and charge transfer resistance, and had the highest double layer capacity and thus was the most efficient catalyst. In addition, Examples 2 to 9 showed slightly lowered physical properties compared to Example 1, but showed good properties and were found to be suitable catalysts for application to batteries and water decomposition devices.

반면에, 비교예 7 ~ 비교예 14에서 제조된 촉매는 현저히 낮은 물성을 보였는데, 구체적으로는, 비교예 7은 1차 열처리 온도를 450℃ 미만으로 실시한 것으로, 실시예 2(1차 열처리 온도 450℃)와 비교했을 때, 타펠 기울기 및 전하 이동 저항 값이 현저히 높으며 이중층 용량은 현저히 작은 것으로 나타났다. 이는 1차 열처리의 온도가 너무 낮아 그래핀 시트 표면에 금속 황화물 나노 시트가 제대로 형성되지 않았기 때문으로 판단된다.On the other hand, the catalysts prepared in Comparative Examples 7 to 14 showed significantly lower physical properties. Specifically, Comparative Example 7 was performed at a first heat treatment temperature of less than 450 ° C., Example 2 (first heat treatment temperature) 450°C), the Tafel slope and charge transfer resistance values were significantly higher, and the double layer capacity was significantly smaller. This is considered to be because the temperature of the primary heat treatment was too low and the metal sulfide nanosheets were not properly formed on the surface of the graphene sheet.

또한, 비교예 9는 2차 열처리 온도를 850℃ 미만으로 실시한 것으로, 실시예 4(2차 열처리 온도 850℃)와 비교했을 때, 타펠 기울기 및 전하 이동 저항 값이 현저히 높으며 이중층 용량은 현저히 작은 것으로 나타났다. 이는 금속 황화물의 쉘 및 금속 황화물의 나노 시트는 잘 형성되었으나, 2차 열처리 온도가 과도하게 낮음에 따라, 나노 입자의 코어가 제대로 형성되지 않았기 때문으로 예측된다.In addition, Comparative Example 9 was carried out at a secondary heat treatment temperature of less than 850 ° C., compared with Example 4 (second heat treatment temperature of 850 ° C.), the Tafel slope and charge transfer resistance value were significantly higher, and the double layer capacity was significantly small. appear. This is predicted because the shell of metal sulfide and the nanosheet of metal sulfide were well formed, but as the secondary heat treatment temperature was excessively low, the core of the nanoparticles was not properly formed.

또한, 비교예 8 및 비교예 10은 각각 1차 열처리 온도(550℃ 초과) 및 2차 열처리 온도(850℃ 초과)를 달리하여 실시한 것으로, 실시예 3(1차 열처리 온도 550℃) 및 실시예 5(2차 열처리 온도 950℃)과 비교했을 때, 타펠 기울기 및 전하 이동 저항 값이 현저히 높으며 이중층 용량은 현저히 작은 것으로 나타났다. 이를 통해 열처리 온도를 범위보다 높게 수행하는 경우, 오히려 물성이 나빠지는 것을 확인할 수 있었는데, 과도하게 높은 온도로 인해 금속 황화물의 나노 시트가 수소 기체로 인해 분해되었기 때문으로 판단된다.In addition, Comparative Examples 8 and 10 were carried out by varying the first heat treatment temperature (over 550° C.) and the second heat treatment temperature (over 850° C.), respectively, and Example 3 (first heat treatment temperature of 550° C.) and Examples 5 (secondary heat treatment temperature of 950 °C), the Tafel slope and charge transfer resistance values were significantly higher, and the double layer capacity was significantly smaller. Through this, when the heat treatment temperature was performed higher than the range, it was confirmed that the physical properties were rather deteriorated.

또한, 비교예 11 및 비교예 12는 1차 열처리에서 아르곤 및 수소의 기체 비율을 각각 1:0.11 및 1:1.00으로 실시한 것으로, 실시예 6(기체 비율 1:0.25) 및 실시예 7(기체 비율 1:0.67)과 비교했을 때, 타펠 기울기 및 전하 이동 저항 값이 현저히 높으며 이중층 용량은 현저히 작은 것으로 나타났다. 구체적으로는 상기 기체 비율이 1:0.11인 경우, 수소 기체와 황 전구체가 반응하여 금속 황화물 나노 시트를 충분하게 형성하지 못해 물성 저하가 발생한 것으로 판단되며, 상기 기체 비율이 1:1.00인 경우 수소 기체가 과도함에 따라 반응이 저해되어 물성 저하가 발생한 것으로 판단된다.In Comparative Examples 11 and 12, the gas ratios of argon and hydrogen in the primary heat treatment were respectively 1:0.11 and 1:1.00, respectively, in Example 6 (gas ratio 1:0.25) and Example 7 (gas ratio) 1:0.67), the Tafel slope and charge transfer resistance values were significantly higher, and the double layer capacity was significantly smaller. Specifically, when the gas ratio is 1:0.11, it is determined that the hydrogen gas and the sulfur precursor react to not sufficiently form the metal sulfide nanosheets, resulting in deterioration of physical properties, and when the gas ratio is 1: 1.00, hydrogen gas It is judged that the reaction is inhibited as the amount is excessive and the physical properties are deteriorated.

또한, 비교예 13은 황 전구체의 중량비를 1 : 80 미만으로 하여 실시한 것으로, 실시예 8(황 전구체 중량비 1 : 80)과 비교했을 때, 타펠 기울기 및 전하 이동 저항 값이 현저히 높으며 이중층 용량은 현저히 작은 것으로 나타났다. 이는 복합체가 충분하게 형성되지 못해 코어쉘의 나노 입자가 충분히 형성되지 못했기 때문으로 판단된다.In Comparative Example 13, the weight ratio of the sulfur precursor was less than 1:80, and compared with Example 8 (the sulfur precursor weight ratio 1:80), the Tafel slope and charge transfer resistance value were significantly higher, and the double layer capacity was significantly higher. appeared to be small. This is considered to be due to insufficient formation of the core-shell nanoparticles due to insufficient formation of the composite.

또한, 비교예 14는 황 전구체의 중량비를 1 : 130을 초과하여 실시한 것으로, 실시예 9(황 전구체 중량비 1 : 110)과 비교했을 때, 타펠 기울기 및 전하 이동 저항 값이 현저히 높으며 이중층 용량은 현저히 작은 것으로 나타났다. 이는 황 전구체의 중량비가 과도하게 높음에 따라, 반응 후에도 잔류하고 있는 미반응물들이 불순물로써 작용하여 나타난 결과로 판단된다.In addition, Comparative Example 14 was carried out in a weight ratio of the sulfur precursor exceeding 1: 130, and compared with Example 9 (sulfur precursor weight ratio 1: 110), the Tafel slope and charge transfer resistance value were significantly higher, and the double layer capacity was significantly higher. appeared to be small. This is judged to be a result of the unreacted substances remaining after the reaction act as impurities as the weight ratio of the sulfur precursor is excessively high.

제조예 1: 물 분해 장치 제조Preparation Example 1: Preparation of water decomposition device

실시예 1에서 제조된 하이브리드 촉매를 양극 및 음극으로 구성된 알칼리 조건의 전해조에 적용하여 물 분해 장치를 제조하였고, 제조예 1에서 제조된 물 분해 장치를 도 7의 (b) 및 도 34의 (a)에 나타냈다.A water decomposition device was prepared by applying the hybrid catalyst prepared in Example 1 to an electrolyzer under alkaline conditions composed of an anode and a cathode, and the water decomposition device prepared in Preparation Example 1 was shown in FIGS. 7 (b) and 34 (a). ) is shown in

비교제조예 1: 물 분해 장치 제조Comparative Preparation Example 1: Preparation of water decomposition device

제조예 1과 동일한 조건에서 물 분해 장치를 제조하되, 음극에는 비교예 5에서 제조된 촉매를 적용하고, 양극에는 비교예 6에서 제조된 촉매를 적용하여 비교제조예 1을 실시하였다.A water decomposition device was prepared under the same conditions as in Preparation Example 1, but the catalyst prepared in Comparative Example 5 was applied to the negative electrode and the catalyst prepared in Comparative Example 6 was applied to the positive electrode to perform Comparative Preparation Example 1.

실험예 16: 물 분해 장치 성능 비교 Experimental Example 16: Water decomposition device performance comparison

CH660D 워크 스테이션 (CH Instruments Inc., USA) 장치를 사용하여 제조예 1 및 비교제조예 1에서 제조된 물 분해 장치를 분석 수행하였고, 물 분해 장치의 성능을 다음과 같이 평가하였다. 먼저, 도 7의 (a) 및 (d) ~ (e)은 제조예 1 및 비교제조예 1에서 제조된 물 분해 장치의 성능을 비교한 것이다. 상기 도면의 CoSx@Cu2MoS4-MoS2/NSG는 실시예 1로 제조한 제조예 1을 의미하며, Pt/c+RuO2/C는 비교예 5 및 비교예 6으로 제조한 비교제조예 1를 의미한다.The water decomposition apparatus prepared in Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 1 was analyzed using a CH660D workstation (CH Instruments Inc., USA) apparatus, and the performance of the water decomposition apparatus was evaluated as follows. First, (a) and (d) to (e) of Figure 7 is a comparison of the performance of the water decomposition device prepared in Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 1. CoS x @Cu 2 MoS 4 -MoS 2 /NSG in the figure refers to Preparation Example 1 prepared in Example 1, and Pt/c+RuO 2 /C is Comparative Preparation prepared in Comparative Examples 5 and 6 I mean example 1.

CH660D 워크 스테이션 (CH Instruments Inc., USA) 장치를 사용하여 분석 수행하였고, 물 분해 장치의 성능을 다음과 같이 평가하였다. 먼저, 도 7의 (a) 및 (d) ~ (e)은 제조예 1 및 비교제조예 1에서 제조된 물 분해 장치의 성능을 비교한 것이다. 상기 도면의 CoSx@Cu2MoS4-MoS2/NSG는 실시예 1로 제조한 제조예 1을 의미하며, Pt/c+RuO2/C는 비교예 5 및 비교예 6으로 제조한 비교제조예 1를 의미한다.Analysis was performed using a CH660D workstation (CH Instruments Inc., USA) apparatus, and the performance of the water decomposition apparatus was evaluated as follows. First, (a) and (d) to (e) of Figure 7 is a comparison of the performance of the water decomposition device prepared in Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 1. CoS x @Cu 2 MoS 4 -MoS 2 /NSG in the figure refers to Preparation Example 1 prepared in Example 1, and Pt/c+RuO 2 /C is Comparative Preparation prepared in Comparative Examples 5 and 6 I mean example 1.

그 결과로써, 제조예 1은 10mA·cm-2를 달성하기 위해 1.60V의 셀전압(cell voltage)이 필요한 반면에, 비교제조예 1은 1.63V가 필요하므로, 제조예 1의 성능이 상대적으로 우수함을 알 수 있었다. 또한, 도 7의 (b)는 제조예 1의 물 분해 장치가 양극 및 음극에서 각각 수소(H2) 및 산소(O2) 기체가 잘 생성되는 것을 확인할 수 있었다.As a result, Preparation Example 1 requires a cell voltage of 1.60V to achieve 10mA·cm -2 , whereas Comparative Preparation Example 1 requires 1.63V, so that the performance of Preparation Example 1 is relatively was found to be excellent. In addition, in (b) of Figure 7, it was confirmed that the water decomposition device of Preparation Example 1 produces hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) gases well at the anode and the cathode, respectively.

또한, 도 7의 (d)는 0.1 M KOH의에서 10mA·cm-2의 전류밀도를 유지하고자 하였을 때, 제조예 1 및 비교제조예 1의 물 분해 장치의 내구성을 확인하였다.In addition, (d) of FIG. 7 confirms the durability of the water decomposition device of Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 1 when trying to maintain a current density of 10mA·cm -2 in 0.1 M KOH.

그 결과로써, 비교제조예 1의 물 분해 장치는 25시간 작동 후 전류밀도가 10mA·cm-2에서 6mA·cm-2으로 급격하게 감소한 반면, 제조예 1의 물 분해 장치는 25시간 작동 후에도 9.3mA·cm-2의 전류밀도를 유지하였고, 68시간 작동 후에도 7.5mA·cm-2의 전류밀도를 유지하여 더 우수한 내구성을 가짐을 확인할 수 있었다.As a result, the water decomposing device of Comparative Preparation Example 1 had a sharp decrease in current density from 10mA·cm -2 to 6mA·cm -2 after 25 hours of operation, whereas the water decomposing device of Preparation Example 1 was 9.3 even after 25 hours of operation. was maintained at a current density in mA · cm -2, was confirmed by having a better durability to maintain a current density of 7.5mA · cm -2, even after working 68 hours.

또한, 도 7의 (e)는 제조예 1의 선형주사전위(LSV; Linear sweep voltammetry) 곡선으로, 제조예 1의 물 분해 장치는 25시간 작동 후에도 좋은 활성을 유지함을 알 수 있었다.In addition, Fig. 7 (e) is a linear sweep voltammetry (LSV) curve of Preparation Example 1, it was found that the water decomposition device of Preparation Example 1 maintains good activity even after 25 hours of operation.

실험예 17: 물 분해 장치 성능 평가 Experimental Example 17: Water decomposition device performance evaluation

물 분해 장치의 성능을 다음과 같이 평가하였다. 먼저, 도 34의 (a)와 같은 제조예 1에서 제조된 촉매를 통해 100mA·cm-2의 전류 밀도에서 기체를 포집하였고, 하기 관계식 2 ~ 관계식 3을 통해 패러데이 효율(ηF, Faradaic efficiency)를 계산하였다.The performance of the water cracking device was evaluated as follows. First, gas was collected at a current density of 100 mA cm -2 through the catalyst prepared in Preparation Example 1 as shown in FIG. Calculated.

[관계식 2][Relational Expression 2]

Figure 112020055003234-pat00006
Figure 112020055003234-pat00006

상기 관계식 2에서, ηF는 패러데이 효율을 의미하고, VTheo는 방출 부피의 이론값이며, VMeas는 실제 방출 부피를 의미한다.In Relation 2, η F means Faraday efficiency, V Theo is the theoretical value of the emission volume, and V Meas means the actual emission volume.

[관계식 3][Relational Expression 3]

Figure 112020055003234-pat00007
Figure 112020055003234-pat00007

상기 관계식 3에서, VTheo는 방출 부피의 이론값이며, I는 전류 밀도(mA·cm-2)를 의미하며, R은 상수로써, R=0.082이며, T는 작동 온도(K)이고, t는 작동 시간이며(s), P는 작동 압력이고(atm), z는 1몰의 수소 또는 1몰의 산소를 생성하는데 사용되는 전하 수이며, F는 패러데이 상수로써, F=96,485C이다.In the above relation 3, V Theo is the theoretical value of the emission volume, I means the current density (mA·cm -2 ), R is a constant, R=0.082, T is the operating temperature (K), t is the operating time (s), P is the operating pressure (atm), z is the number of charges used to generate 1 mole of hydrogen or 1 mole of oxygen, and F is the Faraday constant, where F = 96,485C.

또한, 도 34의 (b)는 수소(H2) 및 산소(O2) 기체의 실제 수득값과 이론적 수득값을 각각 그래프로 도시한 것이고, 도면의 Calculated 는 이론적 수득값을 의미하며, Measured는 실제 수득값을 의미한다.In addition, (b) of FIG. 34 is a graph showing the actual and theoretical obtained values of hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) gases, respectively, Calculated in the figure means the theoretical obtained value, Measured is It means the actual value obtained.

그 결과로써, 실제 수득값과 이론적 수득값의 비율로 계산한 패러데이 효율(ηF, Faradaic efficiency)은 99.31%으로, 실제 포집된 기체의 양이 이론치와 유사하여 본원 발명의 실시예 1 촉매는 물 분해 장치에 사용되었을 때 우수한 활성을 가지는 것으로 나타났다.As a result, the Faradaic efficiency (ηF) calculated as the ratio of the actual obtained value and the theoretical obtained value was 99.31%, and the actual amount of captured gas was similar to the theoretical value. It has been shown to have excellent activity when used in the device.

제조예 2: 아연-공기(Zn-air) 전지 제조 Preparation Example 2: Preparation of a zinc-air (Zn-air) battery

실시예 1에서 제조된 촉매 1.6mg·cm-2를 음극 촉매로 사용하여 아연-공기 전지를 제조하였고, 도 8의 (b)에 도시하여 나타냈다. A zinc-air battery was prepared by using 1.6 mg·cm -2 of the catalyst prepared in Example 1 as an anode catalyst, and is shown in FIG. 8(b).

비교제조예 2: 아연-공기(Zn-air) 전지 제조 Comparative Preparation Example 2: Preparation of a zinc-air (Zn-air) battery

제조예 2과 동일한 조건에서 제조하되, 촉매로 비교예 5에서 제조된 촉매(Pt/C)를 사용하여 비교제조예 2를 실시하였다.It was prepared under the same conditions as in Preparation Example 2, but Comparative Preparation Example 2 was carried out using the catalyst (Pt/C) prepared in Comparative Example 5 as a catalyst.

실험예 18: 아연-공기(Zn-air) 전지 성능 평가 Experimental Example 18: Zinc-air (Zn-air) battery performance evaluation

제조예 2 및 비교제조예 2에서 제조된 아연-공기(Zn-air) 전지를 다음과 같이 평가하였다.The zinc-air (Zn-air) batteries prepared in Preparation Example 2 and Comparative Preparation Example 2 were evaluated as follows.

먼저, 도 8의 (c) ~ (d)에서는 제조예 2의 회로 전압을 측정하였고, 제조예 2의 단일 셀은 개방 회로 전압 ~1.44V이고, 2개의 직렬 회로 개방 전압은 ~ 2.88V인 것으로 나타났다. 또한, 도 8의 (e)는 제조예 2 및 비교제조예 2의 OCP(Open circuit potential) 측정 결과를 그래프로 도시한 것으로, 본 발명의 제조예 2는 대략 개방 회로 전압이 1.4V인 것으로 나타났고, 비교제조예 2(백금계 촉매 사용)보다 다소 높은 셀 전압을 보였다.First, in (c) to (d) of Figure 8, the circuit voltage of Preparation Example 2 was measured, the single cell of Preparation Example 2 had an open circuit voltage of ~1.44V, and the two series circuit open circuit voltages were ~2.88V. appear. In addition, (e) of FIG. 8 is a graph showing the open circuit potential (OCP) measurement results of Preparation Example 2 and Comparative Preparation Example 2, and Preparation Example 2 of the present invention shows that the open circuit voltage is approximately 1.4V. and showed a slightly higher cell voltage than Comparative Preparation Example 2 (using a platinum-based catalyst).

한편, 도 8의 (f)는 제조예 2 및 비교제조예 2의 분극과 그에 따른 전력 밀도를 측정한 것이다. 그 결과로써, 제조예 2는 전류밀도 58mA·cm-2에서 최대 전력 밀도 40mW·cm-2를 가지고, 비교제조예 2는 전류밀도 50mA·cm-2에서 최대 전력 밀도 32mW·cm-2를 가져, 제조예 2가 더 좋은 성능을 가지는 전지임을 알 수 있었다.On the other hand, (f) of FIG. 8 is a measurement of the polarization and the resulting power density of Preparation Example 2 and Comparative Preparation Example 2. As a result, preparation 2 has a maximum power density of 40mW · cm -2 at a current density of 58mA · cm -2, Comparative Production Example 2 is brought up to a power density 32mW · cm -2 at a current density of 50mA · cm -2 , it was found that Preparation Example 2 was a battery having better performance.

또한, 도 8의 (h)는 제조예 2 및 비교제조예 2의 일정한 전류에서의 방전 분극 곡선을 나타낸 것으로, 5.5시간으로 장시간 작동시켰을 때, 비교제조예 2는 시간에 따라 다소 전압이 낮아지는 것을 알 수 있었고, 이를 통해 제조예 2의 아연-공기 전지가 더 안정적인 것을 나타냈다. 또한, 삽입된 이미지는 제조예 2의 아연-공기 전지를 직렬 연결하여 적색-발광 다이오드(LED, Light-emitting diode)에 전력을 공급한 것으로, 5.5시간 동안 밝기의 변화 없이 지속되는 것을 알 수 있었다. In addition, (h) of FIG. 8 shows the discharge polarization curves at a constant current of Preparation Example 2 and Comparative Preparation Example 2, and when operated for a long time at 5.5 hours, Comparative Preparation Example 2 showed a somewhat lower voltage with time. It could be seen that, through this, the zinc-air battery of Preparation Example 2 was more stable. In addition, the inserted image shows that the zinc-air battery of Preparation Example 2 is connected in series to supply power to a red-light-emitting diode (LED), and it can be seen that it continues without a change in brightness for 5.5 hours. .

한편, 도 8의 (i)는 제조예 2의 아연-공기 전지 2개를 직렬연결하여 물 분해 장치에 전력을 공급하는 실험 결과를 촬영한 것으로, 전극 표면에 수소 및 산소의 가스 기포가 많이 발생하여, 제조예 2를 직렬 연결하면 강력한 전력을 생산할 수 있음을 알 수 있었다.On the other hand, (i) of FIG. 8 is a photograph of an experiment result in which two zinc-air batteries of Preparation Example 2 are connected in series to supply power to a water decomposition device, and a lot of gas bubbles of hydrogen and oxygen are generated on the electrode surface. Thus, it was found that strong power could be produced by connecting Preparation Example 2 in series.

본 발명의 단순한 변형이나 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해서 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be considered to be included in the scope of the present invention.

Claims (9)

표면이 개질된 그래핀 시트; 및
상기 그래핀 시트의 적어도 일부 표면에 형성된 하기 화학식 1로 표시되는 금속 황화물을 포함하는 나노 시트; 및
상기 나노 시트 상에 형성된 코어-쉘 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해와 아연-공기 전지를 위한 그래핀 하이브리드 촉매;
[화학식 1]
BS2
상기 화학식 1에서 B는 몰리브덴(Mo), 크로뮴(Cr) 또는 텅스텐(W)이다.
surface-modified graphene sheet; and
a nanosheet including a metal sulfide represented by the following Chemical Formula 1 formed on at least a portion of the graphene sheet; and
a graphene hybrid catalyst for water decomposition and zinc-air batteries, characterized in that it comprises core-shell nanoparticles formed on the nanosheets;
[Formula 1]
BS 2
In Formula 1, B is molybdenum (Mo), chromium (Cr), or tungsten (W).
제1항에 있어서, 상기 표면이 개질된 그래핀 시트는 그래핀 시트의 표면에 질소(N)와 황(S)이 도핑된 것을 특징으로 하는 물분해와 아연-공기 전지를 위한 그래핀 하이브리드 촉매.
The graphene hybrid catalyst for water decomposition and zinc-air batteries according to claim 1, wherein the surface-modified graphene sheet is doped with nitrogen (N) and sulfur (S) on the surface of the graphene sheet. .
제1항에 있어서, 상기 코어-쉘 나노 입자는
하기 화학식 2로 표시되는 금속 화합물을 포함하는 코어; 및
하기 화학식 3으로 표시되는 금속 황화물을 포함하는 쉘;로 구성되는 것을 특징으로 하는 물분해와 아연-공기 전지를 위한 그래핀 하이브리드 촉매;
[화학식 2]
ASx
화학식 2에서 A는 코발트(Co), 로듐(Rh) 또는 이리듐(Ir)이고, x는 0 ~ 4이며,
[화학식 3]
C2BS4
화학식 3에서 상기 B는 몰리브덴(Mo), 크로뮴(Cr) 또는 텅스텐(W)이고, 상기 C는 구리(Cu), 금(Au) 또는 은(Ag)이다.
According to claim 1, wherein the core-shell nanoparticles
A core comprising a metal compound represented by the following formula (2); and
A graphene hybrid catalyst for water decomposition and zinc-air batteries, characterized in that it consists of; a shell including a metal sulfide represented by the following Chemical Formula 3;
[Formula 2]
AS x
In Formula 2, A is cobalt (Co), rhodium (Rh) or iridium (Ir), and x is 0 to 4,
[Formula 3]
C 2 BS 4
In Formula 3, B is molybdenum (Mo), chromium (Cr), or tungsten (W), and C is copper (Cu), gold (Au), or silver (Ag).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하이브리드 촉매는 물 분해 장치 또는 이차 전지에 이용되는 것을 포함하는 물분해와 아연-공기 전지를 위한 그래핀 하이브리드 촉매.
The graphene hybrid catalyst for water cracking and zinc-air batteries according to any one of claims 1 to 3, wherein the hybrid catalyst is used in a water cracking device or a secondary battery.
그래핀 옥사이드 및 물을 혼합한 혼합 용액을 제조하는 1단계;
상기 혼합 용액에 금속이온 전구체를 투입하고 초음파 처리하는 2
단계;
2단계를 수행한 용액에 황 전구체를 투입 및 교반하는 3단계; 
3단계에서 교반한 용액을 건조시켜 고체 분말을 수득하는 4단계;
상기 고체 분말을 1차 열처리 및 2차 열처리를 수행하는 5단계; 및
5단계의 열처리를 수행한 고체 분말을 실온 냉각하여 하이브리드 촉매를 수득하는 6단계;를 포함하며,
상기 1차 열처리 공정을 통해 황 전구체와 수소 기체가 반응하여 하기 화학식 1로 표현되는 금속 황화물을 포함하는 나노 시트가 형성되는 물분해와 아연-공기 전지를 위한 그래핀 하이브리드 촉매 제조방법.
[화학식 1]
BS2
상기 화학식 1에서 B는 몰리브덴(Mo), 크로뮴(Cr) 또는 텅스텐(W)이다.
1 step of preparing a mixed solution of graphene oxide and water;
2 to add a metal ion precursor to the mixed solution and sonicate
step;
Step 3 of adding and stirring the sulfur precursor to the solution in which Step 2 was performed;
Step 4 to obtain a solid powder by drying the solution stirred in Step 3;
Step 5 of performing a first heat treatment and a second heat treatment on the solid powder; and
Step 6 to obtain a hybrid catalyst by cooling the solid powder subjected to the heat treatment of 5 steps to room temperature;
A method for producing a graphene hybrid catalyst for water decomposition and zinc-air batteries in which a sulfur precursor and hydrogen gas react through the first heat treatment process to form a nanosheet including a metal sulfide represented by the following Chemical Formula 1.
[Formula 1]
BS 2
In Formula 1, B is molybdenum (Mo), chromium (Cr), or tungsten (W).
제5항에 있어서, 상기 2단계의 초음파 처리는 60 ~ 100분 동안 수행되고,
상기 4단계의 건조는 60 ~ 100℃의 온도에서 12 ~ 15시간 동안 수행되는 것을 포함하는 물분해와 아연-공기 전지를 위한 그래핀 하이브리드 촉매 제조방법.
The method of claim 5, wherein the ultrasonic treatment in step 2 is performed for 60 to 100 minutes,
The drying of the 4 steps is water decomposition and zinc-air graphene hybrid catalyst manufacturing method for a battery comprising being carried out for 12 to 15 hours at a temperature of 60 ~ 100 ℃.
제5항에 있어서, 상기 황 전구체는 테트라티오몰리브덴산암모늄(ammonium tetrathiomolybdate), 티오우레아(thiourea), 테트라티오몰리브데이트(Tetrathiomolybdate) 및 티오아세트아미드(Thioacetamide) 중에서 선택된 2종 이상을 포함하는 물분해와 아연-공기 전지를 위한 그래핀 하이브리드 촉매 제조방법.
According to claim 5, wherein the sulfur precursor is ammonium tetrathiomolybdate (ammonium tetrathiomolybdate), thiourea (thiourea), tetrathiomolybdate (Tetrathiomolybdate) and thioacetamide (Thioacetamide) water containing two or more selected from Method for decomposition and preparation of graphene hybrid catalyst for zinc-air cell.
제7항에 있어서, 상기 황 전구체는 테트라티오몰리브덴산암모늄(ammonium tetrathiomolybdate) 및 티오우레아(thiourea)를 1 : 80 ~ 1 : 110 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해와 아연-공기 전지를 위한 그래핀 하이브리드 촉매 제조방법.
The water decomposition and zinc-air battery according to claim 7, wherein the sulfur precursor contains ammonium tetrathiomolybdate and thiourea in a weight ratio of 1:80 to 1:110 by weight. A method for preparing a graphene hybrid catalyst.
제5항에 있어서, 상기 1차 열처리는 아르곤(Ar) 및 수소(H2)를 1 : 1.5 ~ 1 : 4.0 부피비로 포함하는 기체 하에서, 1 ~ 3℃·min-1의 가열속도로 450 ~ 550℃까지 가열한 후, 450 ~ 550℃에서 60 ~ 100분 동안 수행되고,
상기 2차 열처리는 불활성 기체 하에서, 4 ~ 6 ℃·min-1의 가열속도로 850 ~ 950℃까지 가열한 후, 850 ~ 950℃에서 3 ~ 5시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 물분해와 아연-공기 전지를 위한 그래핀 하이브리드 촉매 제조방법.
The method of claim 5, wherein the primary heat treatment is in a gas containing argon (Ar) and hydrogen (H2) in a volume ratio of 1: 1.5 to 1: 4.0, 450 to 550 at a heating rate of 1-3 °C min -1 After heating to ℃, it is carried out at 450 ~ 550 ℃ for 60 ~ 100 minutes,
The secondary heat treatment is water decomposition and zinc, characterized in that, after heating to 850 ~ 950 ℃ at a heating rate of 4 ~ 6 ℃ min -1 under an inert gas, and then at 850 ~ 950 ℃ for 3 ~ 5 hours - A method for preparing a graphene hybrid catalyst for an air battery.
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