KR102322106B1 - 고분산 백금이 담지된 다공성 탄소 시트, 이를 포함한 전기화학 촉매, 및 이를 이용한 연료전지용 막 전극 접합체 - Google Patents

고분산 백금이 담지된 다공성 탄소 시트, 이를 포함한 전기화학 촉매, 및 이를 이용한 연료전지용 막 전극 접합체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다공성의 탄소시트를 백금 촉매의 지지체로 이용하여 PEMFC의 양극 전극으로 구성하는 막 전극 접합체를 제공한다.
본 발명의 백금 담지된 다공성 탄소 시트는 수소 연료전지에서 사용되는 백금을 줄일 수 있는 촉매 전극으로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

고분산 백금이 담지된 다공성 탄소 시트, 이를 포함한 전기화학 촉매, 및 이를 이용한 연료전지용 막 전극 접합체{Highly dispersed platinum supported porous carbon sheet, cathode catalyst comprising the same, and MEA for PEMFC using the same}
본 발명은 백금을 담지한 다공성의 탄소 시트(Pt-PCS)를 산소환원반응의 촉매로 사용한 막 전극 접합체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 비표면적을 가진 다공성의 탄소 시트(PCS)를 이용하여 기공을 통해 산소의 투과율을 높여 백금의 촉매 활성점에 잘 도달하여 적은 촉매의 양으로도 높은 성능을 나타내는 막 전극 접합체에 관한 것이다.
수소 연료전지(Proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs)는 높은 전류밀도, 저온 작동 및 고에너지 전환율을 갖는 전기 생산 장치로서, 수소와 산소를 반응시켜 물만 배출하는 친환경 에너지원이다. 수소 연료전지의 핵심 부품인 막 전극 접합체는 성능을 좌우하는 가장 중요한 부품으로서 연료전지 제작 비용의 많은 비율을 차지하고 있다. 막 전극 접합체는 양극, 음극, 및 막으로 이루어져 있는데 고분자 전해질 연료전지는 낮은 온도에서 구동이 되기 때문에 반응의 활성화에너지를 줄이기 위해 촉매가 사용된다. 특히 산소환원반응(Oxygen reduction reaction, ORR)이 일어나는 양극의 경우 높은 활성화에너지를 갖기 때문에 연료전지의 성능을 좌우하는 결정 단계(Determining step)로서 백금의 사용량이 많다. 또한, 촉매로 사용되는 희소 금속인 백금의 가격은 다양한 분야의 활용으로 인해 지속적으로 상승하고 있다. 이에 따라, 현재 연료전지의 시스템의 가격을 낮추기 위해서 적은 양의 백금으로 높은 성능을 유지할 수 있는 연료전지에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명에서는 적은 양의 백금으로도 촉매지지체인 다공성의 탄소 시트의 산소의 투과성을 증가시켜 산소가 백금의 활성점에 잘 도달하여 산소환원반응을 원활히 진행하게 하는 막 전극 접합체를 제공하는 것에 발명의 목적이 있다.
대한민국 특허공개 제10-2018-0074771호 (2018년07월03일) 대한민국 특허공개 제10-2018-0077194호 (2018년07월06일) 대한민국 특허공개 제10-2007-0027518호 (2007년03월09일) 대한민국 특허공개 제10-2018-0078460호 (2018년07월10일)
본 발명의 발명자들은 PEMFC의 전극의 백금의 담지량을 줄이는 연구를 진행하던 중, 적은 양의 백금으로도 연료전지의 전극에서 산소의 투과도를 증가시켜 산소가 백금의 활성점에 잘 도달할 수 있으면 성능의 증가를 얻을 수 있을 것이라고 착안하여, 많은 기공을 가지는 탄소 시트를 합성하고, 합성된 탄소 시트에 백금을 폴리올(Polyol) 방법으로 높은 분산도로 담지함으로써, 백금을 담지한 탄소 시트를 PEMFC의 양극에 전극으로 형성하여 백금 담지량을 줄이면서도 높은 성능을 유지할 수 있다는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 다공성의 탄소시트를 백금 촉매의 지지체로 이용하여 PEMFC의 양극 전극으로 구성하는 막 전극 접합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따라, (a) 탄소질 재료 및 오산화인을 혼합 분쇄한 후 탄소화하는 단계; (b) 단계(a)에서 얻어진 상기 탄소화된 혼합물을 하소하여 다공성 탄소 시트를 얻는 단계; 및 (c) 단계(b)에서 얻어진 상기 다공성 탄소 시트에 백금을 담지하는 단계를 포함하는, 백금 담지된 다공성 탄소 시트의 제조방법이 제공된다.
일 구현예에서, 단계(a)의 상기 탄소질 재료는 글루코오스, 프럭토오스, 말토오스, 수크로오즈, 갈락토오즈, 전분, 셀룰로오스, 락토오즈, 글리세르알데하이드(glyceraldehyde) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종일 수 있다.
일 구현예에서, 단계(a)의 탄소질 재료와 오산화인은 1:1 ~ 1:10 중량비로 혼합될 수 있다.
일 구현예에서, 단계(a)의 상기 탄소화는 100 ~ 300 ℃ 오븐에서 1 ~ 10시간 동안 수행될 수 있다.
일 구현예에서, 단계(b)의 상기 하소는 승온속도 1 ~ 5 ℃/min으로 300 ~ 700 ℃까지 상승시킨 후 10분 ~ 3시간 유지하고, 승온속도 3 ~ 7 ℃/min으로 800 ~ 1000 ℃까지 상승시킨 후 1 ~ 5시간 동안 유지할 수 있다.
일 구현예에서, 단계(b)의 상기 다공성 탄소 시트는 비표면적 1000 ~ 4000 m2/g일 수 있다.
일 구현예에서, 단계(b)의 상기 다공성 탄소 시트는 평균 기공 크기 1 ~ 5 nm일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 제조방법에 의해 제조된 백금 담지된 다공성 탄소 시트가 제공된다.
일 구현예에서, 상기 백금은 평균 입자 크기 1 ~ 5 nm일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 백금 담지된 다공성 탄소 시트는 비표면적 500 ~ 1500 m2/g일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 백금 담지된 다공성 탄소 시트는 평균 기공 크기 1 ~ 5 nm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 상기 백금 담지된 다공성 탄소 시트를 포함하는 전기화학 촉매가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 상기 백금 담지된 다공성 탄소 시트와 카본블랙을 포함하는 연료전지용 막 전극 접합체가 제공된다.
일 구현예에서, 상기 연료전지용 막 전극 접합체는 백금의 담지량이 0.05 ~ 0.2 mg/cm2일 수 있다.
본 발명의, 백금이 담지된 다공성의 탄소 시트를 이용한 막 전극 접합체에 의해, 일반적으로 사용되는 백금이 담지된 카본블랙의 0.3 mg/cm2의 백금 담지량을 가지는 막 전극 접합체와 비교하여, 기존의 백금 담지량보다 적은 0.1 mg/cm2의 백금이 담지된 막 전극 접합체가 기존의 막 전극 접합체와 유사한 성능을 나타낸다는 것이 밝혀졌다.
따라서, 본 발명의 백금 담지된 다공성 탄소 시트는 수소 연료전지에서 사용되는 백금을 절감시킬 수 있는 촉매 전극으로 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 백금(Platinum)을 담지한 다공성의 탄소시트와 카본블랙(Carbon black)을 혼합한 연료전지의 전극에 대한 구성도이다.
도 2는 하소(calcination) 공정을 거쳐 다공성의 탄소시트를 제조하고, 다공성의 탄소시트에 백금을 담지(Platinum deposition)하는 과정에 대한 구성도이다.
도 3은 각 비율 별 (a) 다공성 탄소 시트(PCS2, PCS3, PCS4), 및 (b) 백금을 담지한 다공성 탄소 시트(Pt-PCS2, Pt-PCS3, Pt-PCS4)의 XRD 패턴(pattern)이다.
도 4는 각 비율 별 (a) PCS2, (b) PCS3, 및 (c) PCS4의 FE-SEM 사진이다.
도 5는 각 비율 별 (a) PCS2, (b) PCS3, (c) PCS4, (d) Pt-PCS2, (e) Pt-PCS3 및 (f) Pt-PCS4의 HR-TEM 사진이며, (d), (e), (f)의 삽입도에는 백금의 평균 입자크기가 기재되어 있고 백금 입자의 사이즈 분포 그래프가 나타나 있다.
도 6은 합성되어 얻어진 시료들에 대한 각 비율별 (a) PCS (b) Pt-PCS의 등온 질소 흡착 및 탈착(N2 adsorption desorption isotherm) 그래프와 기공의 분포 그래프(Pore size distribution curve)이다.
도 7은 인(Phosphorus) 2p 오비탈의 (a) PCS2, (b) PCS3, 및 (c) PCS4의 XPS 그래프이다.
도 8은 각 PCS의 라만 측정 결과 그래프이다.
도 9는 백금(0.1 mg/cm2)을 담지한 다공성의 탄소 시트와 카본블랙을 양극의 전극으로 형성한 막 전극 접합체(MEA)의 분극 곡선이다.
본 발명은 (a) 탄소질 재료 및 오산화인을 혼합 분쇄한 후 탄소화하는 단계; (b) 단계(a)에서 얻어진 상기 탄소화된 혼합물을 하소하여 다공성 탄소 시트를 얻는 단계; 및 (c) 단계(b)에서 얻어진 상기 다공성 탄소 시트에 백금을 담지하는 단계를 포함하는, 백금 담지된 다공성 탄소 시트의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 백금 담지된 다공성 탄소 시트의 제조방법은 탄소질 재료 및 오산화인을 혼합 분쇄한 후 탄소화하는 단계[즉, 단계(a)]를 포함한다. 단계(a)는 탄소질 재료와 오산화인의 다양한 비율에 따라 혼합하여 공기와 수분이 차단된 상태에서 적정 시간 동안 분쇄하고 반응기에 넣어 탄소화함으로써 수행될 수 있다.
단계(a)에서, 상기 탄소질 재료는 글루코오스, 프럭토오스, 말토오스, 수크로오즈, 갈락토오즈, 전분, 셀룰로오스, 락토오즈, 글리세르알데하이드(glyceraldehyde) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종일 수 있다. 상기 탄소질 재료와 오산화인은 1:1 ~ 1:10 중량비로 혼합될 수 있으며, 바람직하게는 1:1.5 ~ 1:5 중량비, 더욱 바람직하게는 1:2 ~ 1:4 중량비로 혼합될 수 있다.
단계(a)에서 상기 탄소화는 혼합된 탄소질 재료와 오산화인이 탄소화되는 온도와 시간 조건이라면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 100 ~ 300 ℃ 오븐에서 1 ~ 10시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 제조방법은 단계(a)에서 얻어진 상기 탄소화된 혼합물을 하소하여 다공성 탄소 시트를 얻는 단계[즉, 단계(b)]를 포함한다. 단계(b)는 탄소화된 혼합 물질(탄소질 재료와 오산화인)을 비활성 기체(예를 들어, 아르곤) 상에서 온도를 상승시킴에 따라 하소하고, 반응 후 남은 물질을 증류수로 제거한 뒤 건조하여 다공성 탄소 시트를 얻음으로써 수행될 수 있다.
단계(b)에서 상기 하소는 승온속도 1 ~ 5 ℃/min으로 300 ~ 700 ℃까지 상승시킨 후 10분 ~ 3시간 유지하고, 승온속도 3 ~ 7 ℃/min으로 800 ~ 1000 ℃까지 상승시킨 후 1 ~ 5시간 동안 유지할 수 있다. 이 때, 혼합 물질에 존재하는 인(Phosphorous)은 약 800 ℃에서 증발하여 탄소 시트 상에 기공이 형성된다. 얻어진 다공성 탄소 시트는 하소 온도에 따라 무결정 상태이거나, 높은 하소 온도에서는 결정 상태로 얻어질 수 있다.
상기 하소 공정에 의해 얻어진 다공성 탄소 시트는 비표면적 1000 ~ 4000 m2/g, 바람직하게는 1500 ~ 3000 m2/g, 더욱 바람직하게는 1800 ~ 2600 m2/g의 값을 가질 수 있다. 얻어진 다공성 탄소 시트의 평균 기공 크기는 1 ~ 5 nm일 수 있으며, 바람직하게는 2 ~ 3 nm의 비교적 균일한 크기일 수 있다. 탄소 시트의 두께는 10 ~ 50 nm일 수 있으며 바람직하게는 10 ~ 20 nm일 수 있다.
본 발명의 제조방법은 단계(b)에서 얻어진 상기 다공성 탄소 시트에 백금을 담지하는 단계[즉, 단계(c)]를 포함한다. 단계(c)는 상기 제조된 다공성 탄소 시트를 적정 용매(예를 들어, 에틸렌 글리콜)에 분산시키고, 백금 전구체 용액(예를 들어, 에틸렌 글리콜에 분산된 염화 백금산 6수화물)을 첨가하여 백금이 환원되는 조건(예를 들어, 130 ℃에서 3시간)에서 반응시켜 백금을 담지함으로써 수행될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 제조방법에 의해 제조된 백금 담지된 다공성 탄소 시트를 제공한다. 상기 다공성 탄소 시트에 담지된 백금은 평균 입자 크기 1 ~ 5 nm, 바람직하게는 3 ~ 4 nm일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 백금 담지된 다공성 탄소 시트는 비표면적 500 ~ 1500 m2/g일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 백금 담지된 다공성 탄소 시트는 평균 기공 크기 1 ~ 5 nm, 바람직하게는 2 ~ 3 nm일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 백금 담지된 다공성 탄소 시트를 포함하는 전기화학 촉매를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 백금 담지된 다공성 탄소 시트와 카본블랙을 포함하는 연료전지용 막 전극 접합체를 제공한다. 전극을 형성하기 위해, 음극의 촉매잉크는 Pt-C을 백금의 담지량이 0.2 mg/cm2가 되도록 시료를 5%의 나피온 용액을 첨가한 이소프로필 알콜에 혼합하여 제조하고, 양극의 촉매잉크는 Pt-PCS와 카본블랙의 비율을 1:1로 하고 백금 담지량을 적정량으로 고정하여 5% 나피온 용액을 첨가한 IPA에 혼합하여 제조할 수 있다. 이 때, 상기 백금의 담지량은 0.05 ~ 0.2 mg/cm2일 수 있다. 촉매잉크는 초음파 분쇄기에서 적정시간(예를 들어, 2시간) 분산 후 사용하고, 전처리한 나피온을 핫플레이트 위에 고정한 뒤 스프레이 건을 통해 전극을 형성할 수 있다. 가스 확산층과 테플론 가스켓을 결합하여 최종적으로 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)를 제작할 수 있다.
제작된 MEA에 대하여 연료전지의 성능을 평가한 결과, 일반적으로 사용되는 백금이 담지된 카본블랙의 0.3 mg/cm2의 백금 담지량을 가지는 막 전극 접합체와 비교하여, 기존의 백금 담지량보다 적은 0.1 mg/cm2의 백금이 담지된 막 전극 접합체가 기존의 막 전극 접합체와 유사한 성능을 나타낸다는 것이 확인되었다. 따라서, 본 발명에서 제작된 막 전극 접합체는 기존 막 전극 접합체의 1/3의 백금을 사용하면서도, 양극에 주입되는 산소가 백금의 활성점에 잘 도달하여 적은 양의 백금 담지량으로도 기존의 백금 담지량이 약 3배 높은 일반적인 막 전극 접합체와 유사한 성능을 낼 수 있다는 것이 밝혀졌다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
<실시예>
1. 다공성 탄소 시트(Porous carbon sheets, PCS)의 합성
각기 다른 비율의 수크로오즈(Sucrose, Sigma-Aldrich, USA)와 오산화인(Phosphorous pentoxide, Sigma-Aldrich, USA)을 공기와 수분이 차단된 상태에서 15분 동안 갈아 주었다. 혼합된 물질을 200 ml 크기의 반응기에 넣었다. 반응물을 200 ℃ 오븐에서 6시간 동안 탄소화시켰다. 그 후 반응한 검정색 가루를 도가니에 넣어 아르곤 분위기 하에 승온속도 3 ℃/min으로 500 ℃까지 올린 후 1시간, 승온속도 5 ℃/min으로 900 ℃까지 올려준 후 3시간 동안 반응시켰다. 하소 과정 중 내부의 인이 증발하면서 많은 기공이 탄소시트에 형성이 되었다. 그 후 증류수로 2번 세척한 후, 80 ℃ 진공 오븐에서 건조하여 PCS를 합성하였다. PCS는 2 g의 수크로오즈와 4 g, 6 g, 8 g의 오산화인의 비율에 따라 PCS2(Phosphorous pentoxide:Sucrose=2), PCS3(Phosphorous pentoxide:Sucrose=3), PCS4(Phosphorous pentoxide:Sucrose=4)로 구분하였다. 1000 ℃ PCS3는 1000 ℃까지 하소한 시료이다. 다공성 탄소 시트의 XRD 분석을 수행하여, 그 결과를 도 3(a)에 나타내었다. XRD 분석 결과, 900 ℃에서 하소한 시료는 무결정의 상태를 나타내었고, 1000 ℃에서 하소한 시료는 시트 간의 거리가 일정해지면서 결정성을 나타내었다. 도 4와 도 5(a,b,c)에 합성한 다공성 탄소 시트의 FE-SEM 및 HR-TEM 사진을 나타내었다.
2. 백금을 담지한 다공성 탄소 시트(Pt-PCS)의 합성
2구의 둥근바닥 플라스크에 46 ml 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol, EG, Samchun Chemical, Korea)과 0.1 g의 다공성 탄소 시트 시료를 분산하였다. 또한 0.2 g의 염화 백금산 6수화물(Chloroplatinic acid hexahydrate, H2PtCl6·6H2O, Sigma-Aldrich, USA)을 4 ml의 EG에 분산하였다. 둥근바닥 플라스크의 시료를 초음파 분쇄기에서 3시간 동안 분산한 후 교반기에서 1시간 교반하였다. 앞서 혼합된 백금 전구체 용액을 둥근바닥 플라스크에 첨가하였다. 그 후 2시간 동안 혼합한 후 130 ℃에서 3시간 동안 백금이 환원될 수 있도록 교반하였다. 반응을 한 용액을 증류수에 2번 세척하여 80 ℃의 진공오븐에 건조시켰다. 모든 비율의 PCS는 동일한 방법으로 백금을 담지하였다. 도 2에 다공성 탄소 시트와 백금의 담지 과정에 대한 순서도를 나타내었다. 도 3(b)에 Pt-PCS의 XRD 분석을 통해 백금이 잘 담지 되었음을 확인할 수 있다. 백금을 담지한 다공성 탄소 시트의 HR-TEM 사진을 도 5(d,e,f)에 나타내었다. 또한, 백금입자의 평균 입자 사이즈와 사이즈 분포는 Pt-PCS2 (4.8 ± 1.3 nm), Pt-PCS3 (3.4 ± 0.8 nm), 및 Pt-PCS4 (4.8 ± 1.4 nm)로 나타났다. 상기 결과에서 알 수 있듯이, Pt-PCS3가 백금 나노입자에서 산소환원반응의 활성이 가장 좋은 크기로 알려진 2 ~ 3 nm 범위 내 크기로 얻어졌다. 이를 통해 평균 입자 크기가 3.4 nm를 가지고 있는 Pt-PCS3에서 촉매활성이 가장 뛰어날 것으로 예상되었다.
3. 다공성 탄소 시트의 물리화학적 특성 평가
이와 같이 합성된 다공성 탄소 시트는 작은 기공으로 인해 큰 비표면적을 갖는 특성을 가지고 있다. 큰 비표면적으로 인해 백금 입자가 작은 사이즈로 고르게 분산될 수 있다. 합성한 시료들에 대하여 등온 질소 흡착 탈착 실험(N2 adsorption desorption isotherm)을 수행하여 그 분석 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 나타난 바와 같이, PCS의 모든 비율에서 높은 비표면적을 가지고 있음을 확인할 수 있다. PCS2, PCS3, 및 PCS4의 BET 비표면적은 1820.4 m2/g, 2571.9 m2/g, 및 2128.6 m2/g의 값으로 측정되었고 PCS3에서 가장 큰 비표면적을 나타내었다. 또한, 평균 기공 크기는 2.6 ~ 3.0 nm로 측정되었다. 백금을 담지한 Pt-PCS2, Pt-PCS3, 및 Pt-PCS4의 비표면적은 각각 864.5 m2/g, 1115.7 m2/g, 및 990.5 m2/g로 측정되었고, 평균 기공 크기는 2.5 ~ 2.9 nm로 측정되었다. 다공성 탄소 시트 표면의 인의 존재 여부를 확인하기 위해 XPS 분석(X-ray Photoelectron Spectroscopy, X-선 광전자분광법)을 실시하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다[(a) PCS2, (b) PCS3, (c) PCS4]. XPS 분석에서 PCS3의 인 2p 오비탈의 피크가 가장 작음을 확인할 수 있는데, 이로부터 탄소 시트에서 인이 고르게 많이 증발한 것으로 보였다. 또한, 도 8에 나타낸 라만 측정을 통해 다공성 탄소 시트의 결함을 확인할 수 있는데, 이로써 PCS3의 기공이 많이 분포하고 있다는 것이 다시 한번 입증되었다.
4. 백금을 담지한 다공성 탄소 시트와 카본블랙으로 양극이 구성된 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA) 제작
먼저 전극을 형성하기 위해 촉매잉크를 제조하였다. 음극의 촉매잉크는 Pt-C (40 %, Johnson-Matthey, UK)을 백금의 담지량이 0.2 mg/cm2가 되도록 시료를 5%의 나피온 용액을 첨가한 이소프로필 알콜(Iso-propyl alcohol, IPA, 99.5 %, Duksan Chem, Korea)에 혼합하였다. 양극의 촉매잉크는 Pt-PCS와 카본블랙의 비율을 1:1로 하고 백금 담지량을 0.1 mg/cm2로 고정하여 5% 나피온 용액을 첨가한 IPA에 혼합하였다. 촉매잉크는 초음파 분쇄기에서 2시간 분산 후 사용하였다. 과산화수소와 황산으로 전처리한 나피온(Nafion, NR 211, Dupont Chem. Co., USA)을 50 ℃의 핫플레이트 위에 고정한 뒤 스프레이 건을 통해 3 X 3 cm2 크기의 전극을 형성하였다. 가스 확산층(GDL, SGL 39BC, SGL carbon Co., Germany)과 테플론 가스켓을 결합하여 MEA를 제작하였다. 양극의 도식도는 도 1에 나타내었다.
제작된 MEA는 양극에 100 cc/min의 산소, 음극에 100 cc/min의 수소를 공급해 주면서 연료전지의 성능을 평가하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 연료전지의 성능은 Pt-PCS2, Pt-PCS3, 및 Pt-PCS4에서 각각 0.80 W/cm2, 0.93 W/cm2, 및 0.86 W/cm2로 측정되었으며 Pt-PCS3의 MEA에서 가장 좋은 성능을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 이는 앞서 백금의 크기와 다공성 탄소 시트에서 많은 기공으로 인해 산소의 투과도가 증가하여 백금의 활성점에 잘 도달하여 성능이 높게 나올 것이라는 예측과 일치하였다. 상기 결과는 상용화된 Pt-C로 양극의 백금 담지량을 0.3 mg/cm2로 하여 MEA를 제작했을 때와 성능이 비슷하게 나왔으며, 이는 본 발명에 의해 백금의 양을 줄이면서도 높은 성능을 유지함으로써, 백금을 촉매로서 효율적으로 활용할 수 있으므로 연료전지의 가격을 절감시킬 수 있는 것으로 평가될 수 있다.

Claims (14)

  1. (a) 탄소질 재료 및 오산화인을 혼합 분쇄한 후 탄소화하는 단계;
    (b) 단계(a)에서 얻어진 상기 탄소화된 혼합물을 하소하여 다공성 탄소 시트를 얻는 단계; 및
    (c) 단계(b)에서 얻어진 상기 다공성 탄소 시트에 백금을 담지하는 단계
    를 포함하는, 백금 담지된 다공성 탄소 시트의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (a)의 탄소질 재료와 오산화인은 1:2 내지 1:4 중량비로 혼합되고 상기 단계 (b)의 다공성 탄소 시트의 비표면적이 1800 ∼ 2600 m2/g인 것을 특징으로 하는 백금 담지된 다공성 탄소 시트의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계(a)의 상기 탄소질 재료가 글루코오스, 프럭토오스, 말토오스, 수크로오즈, 갈락토오즈, 전분, 셀룰로오스, 락토오즈, 글리세르알데하이드(glyceraldehyde) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 백금 담지된 다공성 탄소 시트의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 단계(a)의 상기 탄소화가 100 ~ 300 ℃ 오븐에서 1 ~ 10시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 백금 담지된 다공성 탄소 시트의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 단계(b)의 상기 하소가 승온속도 1 ~ 5 ℃/min으로 300 ~ 700 ℃까지 상승시킨 후 10분 ~ 3시간 유지하고, 승온속도 3 ~ 7 ℃/min으로 800 ~ 1000 ℃까지 상승시킨 후 1 ~ 5시간 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 백금 담지된 다공성 탄소 시트의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 단계(b)의 상기 다공성 탄소 시트가 평균 기공 크기 1 ~ 5 nm인 것을 특징으로 하는 백금 담지된 다공성 탄소 시트의 제조방법.
  8. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항 및 제7항 중 어느 한 항에 의해 제조된 백금 담지된 다공성 탄소 시트로서,
    상기 백금의 평균 입자 크기는 1 ~ 5 nm이고,
    상기 백금 담지된 다공성 탄소 시트의 비표면적은 500 ~ 1500 m2/g이며,
    상기 백금 담지된 다공성 탄소 시트의 평균 기공 크기는 1 ~ 5 nm인 백금 담지된 다공성 탄소 시트.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항의 백금 담지된 다공성 탄소 시트를 포함하는 전기화학 촉매.
  13. 제8항의 백금 담지된 다공성 탄소 시트와 카본블랙을 포함하는 연료전지용 막 전극 접합체.
  14. 제13항에 있어서, 백금의 담지량이 0.05 ~ 0.2 mg/cm2인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 접합체.
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