KR102357700B1 - S and n dual-doped graphitic porous carbon, a catalyst including the same and method for preparing the same - Google Patents

S and n dual-doped graphitic porous carbon, a catalyst including the same and method for preparing the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 황 및 질소 원소 함유 전구체를 고분자화하여 벌크 그래파이트형 고분자를 제조하는 단계; 비활성 기체 분위기에서 상기 벌크 그래파이트형 고분자와 금속분말을 혼합한 후, 상기 금속의 용융점 이상의 온도에서 열처리하는 단계; 및 상기 열처리 생성물을 산으로 세척하는 단계를 포함하는 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체의 제조방법, 이에 따라 제조된 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체, 및 이를 포함하는 연료전지용 및/또는 수전해 반응 전극 촉매를 제공한다.The present invention comprises the steps of preparing a bulk graphite-type polymer by polymerizing a precursor containing sulfur and nitrogen elements; After mixing the bulk graphite-type polymer and the metal powder in an inert gas atmosphere, heat treatment at a temperature greater than or equal to the melting point of the metal; and washing the heat treatment product with an acid, a method for producing a sulfur and nitrogen double doped highly graphitic porous carbon body, a sulfur and nitrogen double doped highly graphitic porous carbon body prepared accordingly, and a fuel cell comprising the same and/or a water electrolysis reaction electrode catalyst.

Description

황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체, 이를 포함하는 촉매 및 이의 제조방법{S AND N DUAL-DOPED GRAPHITIC POROUS CARBON, A CATALYST INCLUDING THE SAME AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}Sulfur and nitrogen double-doped highly graphitic porous carbon body, catalyst comprising same, and method for manufacturing the same

본 발명은 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체, 이를 포함하는 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a highly graphitic porous carbon body doped with sulfur and nitrogen, a catalyst comprising the same, and a method for preparing the same.

태양열, 풍력, 수력 에너지 등의 다양한 천연 자원을 에너지원으로 사용하는 기술이 연구 개발되고 있으나, 직접 발전 방식으로 열역학적인 제한(Carnot 효율)을 받지 않으며, 발전 효율이 높고, 넓은 부하범위에서도 일정한 효율을 가지며, 녹스(NOx)와 같은 대기오염 물질을 배출하지 않고, 소음 및 진동이 극히 미미하며, 분산형 전력 생산이 가능하고, 발전 용량의 조절이 용이한 장점 등에 의해 연료전지 기술이 대체 청정 에너지로 각광받고 있다.Technology using various natural resources such as solar, wind, and hydraulic energy as energy sources is being researched and developed. Fuel cell technology is an alternative clean energy because of its advantages such as: it does not emit air pollutants such as NOx; is being hailed as

연료전지는 연료가 소유하고 있는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 연료극/전해질/공기극의 연료전지 기본 단위 셀을 직렬 및 병렬로 연결한 스택을 중심으로 연료전지 시스템이 구성되고 있으며, 통상적인 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 스택, 스택에 연료 및 산소를 공급하는 연료처리장치, 스택에서 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 전환하는 전환장치 및 열을 회수하는 열회수장치 등으로 구성된다.A fuel cell is an energy conversion device that directly converts chemical energy possessed by fuel into electrical energy through an electrochemical reaction. A fuel cell system is constructed around a stack in which the fuel cell basic unit cells of the anode/electrolyte/cathode are connected in series and in parallel. It consists of a fuel processing device, a conversion device that converts DC power produced in the stack into AC power, and a heat recovery device that recovers heat.

연료전지는 알칼리형 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC)로 구분되는데, AFC, PEMFC 및 DMFC는 작동 온도가 100

Figure 112020041873021-pat00001
이하로 다른 연료전지에 비해 매우 낮아 초기 시동성이 우수하고, 메탄올, 에탄올, 포름알데히드, 수소 등 다양한 화합물들을 연료로 사용함에 따라 청정 에너지원 측면에서 보다 바람직하다. 그러나, 이러한 장점들에도 불구하고, AFC, PEMFC 및 DMFC와 같은 저온형 연료전지는 산소환원반응 촉매로서 백금을 사용함에 따라, 상용화를 위해서는 고가의 촉매에 의한 고비용 문제를 해결해야 하며, 나아가, 백금 기반 촉매의 경우 입자의 이동, 응집, 침출, 성장 등의 요인들에 의해 열악한 내구성의 문제점 또한 존재한다. 이를 해결하기 위해, 미국, 일본, 유럽 등 세계적으로 크게 백금의 담지량을 줄이고 효과적으로 분산시키는 노력과 비백금 촉매 개발의 노력의 크게 두 가지의 노력이 이루어지고 있으나, 아직 비용 절감과 성능 향상 모두를 실용화 수준까지는 만족하지 못하고 있는 실정이다. 미국의 Dai 교수 연구팀에서는 H2/O2 연료 전지용 무금속 산소 환원 촉매로 질소가 도핑된 수직 배양된 탄소 나노 튜브를 이용하여 백금(Pt) 촉매 보다 수명이 길고 성능이 약 4배 뛰어난 전극을 개발하였다 (2009, Science). 또한, 질소가 도핑된 그래핀을 이용하여 H2/O2 연료 전지 촉매로서의 성능을 이미 평가하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브와 비슷한 촉매 활성을 보인다는 보고도 이미 있었다 (2010, ACS Nano). 이 방법들은 질소가 도핑된 탄소 물질이 백금 촉매를 대체할 수 있다는 것을 보여준 아주 좋은 연구 결과라고 할 수 있다. 그러나, 이와 같은 질소가 도핑된 그래핀(질소 도핑 탄소체)일지라도 실제로 연료전지용 촉매로 사용해 보면 아직까지 산소 환원 활성도가 충분하지 못하고, 탄소체의 결정성(흑연성)이 낮아서 전기전도성과 안정성이 좋지 않다. 또한, 백금(Pt) 촉매를 그래핀(탄소체) 지지체에 담지하여 촉매를 구성하는 것이 일반적이나, 이 경우 Pt/탄소체 촉매의 내구성 등이 충분히 확보되지 않는다는 문제점이 있다. Fuel cells are alkaline fuel cell (AFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC), direct methanol fuel cell (DMFC) ), AFC, PEMFC and DMFC have an operating temperature of 100
Figure 112020041873021-pat00001
Below, it is very low compared to other fuel cells, so it has excellent initial startability, and since various compounds such as methanol, ethanol, formaldehyde, and hydrogen are used as fuels, it is more preferable in terms of a clean energy source. However, despite these advantages, low-temperature fuel cells such as AFC, PEMFC, and DMFC use platinum as an oxygen reduction catalyst, so for commercialization, it is necessary to solve the problem of high cost due to an expensive catalyst, and further, platinum In the case of the base catalyst, there is also a problem of poor durability due to factors such as particle movement, agglomeration, leaching, and growth. In order to solve this problem, two major efforts are being made worldwide, such as the United States, Japan, and Europe, to greatly reduce and effectively disperse the amount of platinum supported, and to develop a non-platinum catalyst. The level is not satisfactory. Professor Dai's research team in the United States developed an electrode with a longer lifespan and about 4 times better performance than a platinum (Pt) catalyst using nitrogen-doped vertically cultured carbon nanotubes as a metal-free oxygen reduction catalyst for H 2 /O 2 fuel cells. (2009, Science). In addition, there have already been reports that nitrogen-doped graphene has been evaluated for performance as a H 2 /O 2 fuel cell catalyst and exhibits similar catalytic activity to nitrogen-doped carbon nanotubes (2010, ACS Nano). These methods are very good results of research showing that nitrogen-doped carbon materials can replace platinum catalysts. However, even with such nitrogen-doped graphene (nitrogen-doped carbon material), when it is actually used as a catalyst for fuel cells, oxygen reduction activity is not yet sufficient, and the crystallinity (graphite) of the carbon material is low, resulting in electrical conductivity and stability. Not good. In addition, it is common to configure the catalyst by supporting a platinum (Pt) catalyst on a graphene (carbon material) support, but in this case, there is a problem in that durability of the Pt/carbon material catalyst is not sufficiently secured.

비특허문헌 1 (Sulfur and Nitrogen Dual-Doped Mesoporous Graphene Electrocatalyst for Oxygen Reduction with Synergistically Enhanced Performance, Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51, 11496-11500)은, 그래핀 산화물과 실리카(SiO2)의 혼합물에 질소 전구체로 멜라민(melamine), 황 전구체로 benzyl disulfide(BDS)를 첨가하여 900℃, Ar 조건으로 열처리한 후, 실리카 제거를 위해 플루오린화 수소(HF)로 산처리함으로써 질소, 황 도핑 탄소체를 합성하나, 비교적 높은 온도(900 ℃)에서 탄화를 위한 열처리를 하였지만 라만 스펙트럼에서의 낮은 탄소 결정성(ID/IG= ~0.92)을 보이며, 메조 기공 형성을 위해 실리카를 첨가함에 따라 탄화 과정 외의 2단계의 공정이 필요하다는 점에서 공정이 다소 복잡하여 적용하기 어렵다.Non-Patent Document 1 (Sulfur and Nitrogen Dual-Doped Mesoporous Graphene Electrocatalyst for Oxygen Reduction with Synergistically Enhanced Performance, Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51, 11496-11500), graphene oxide and silica (SiO 2 ) Nitrogen in a mixture After adding melamine as a precursor and benzyl disulfide (BDS) as a sulfur precursor, heat treatment at 900°C and Ar conditions, and then acid treatment with hydrogen fluoride (HF) to remove silica to synthesize nitrogen and sulfur doped carbon bodies However, although heat treatment for carbonization was performed at a relatively high temperature (900 ℃), it showed low carbon crystallinity (ID /I G = ~0.92 ) in the Raman spectrum. It is difficult to apply because the process is rather complicated in that it requires a two-step process.

특허문헌 1 (KR 10-2016-0105152A)은 S 또는 N 함유 전구체, 및 알칼리금속 공급원을 혼합하여 혼합용액을 제조하고, 탄화한 후에 산 처리(염산)하여 S 또는 N 도핑 탄소체를 합성하나, 사용된 알칼리 금속은 리튬, 나트륨, 칼륨 등의 1족의 금속으로서, 환원력이 아주 강해 대기의 공기와 물에 폭발적으로 반응하므로, 이는 해당 발명들을 실제로 응용하기에는 매우 위험하며, 반응을 위해서는 용기의 밀폐와 사용하는 반응용액에 탈산소, 탈수에 유의해야 한다는 점에서 실질적인 적용이 어렵다. 또한, 구체예에서 사용되는 NaOH는 탄화과정에서 탄소체를 activation (금속의 intercalation에 의한 층 분리를 통해, 마이크로기공(micropore)가 발달하여 비표면적이 증가) 하는 방법으로 자주 사용되는 공정으로서, 액상에서 반응하여 제조된 탄소체의 마이크로기공이 발달하여 결정성이 낮고, 산소를 포함하는 기능기가 포함되어 추가적 열처리가 요구된다는 점에서도 바람직하지 않다.Patent Document 1 (KR 10-2016-0105152A) prepares a mixed solution by mixing an S or N-containing precursor and an alkali metal source, carbonization, and acid treatment (hydrochloric acid) to synthesize an S or N-doped carbon body, The alkali metal used is a group 1 metal such as lithium, sodium, and potassium, and has a very strong reducing power and reacts explosively with atmospheric air and water, so it is very dangerous to actually apply the inventions. Practical application is difficult in that it is necessary to pay attention to deoxygenation and dehydration in the reaction solution used with the present invention. In addition, NaOH used in the embodiment is a process frequently used as a method of activating a carbon body in the carbonization process (through layer separation by metal intercalation, micropores develop and specific surface area increases). It is also undesirable in that the micropores of the carbon body produced by the reaction are developed, so the crystallinity is low, and an additional heat treatment is required because a functional group containing oxygen is included.

특허문헌 2 (JP 2012-153555A)는 질소, 황 등 어느 하나 이상의 헤테로 원자를 가지는 전구체 화합물과 알칼리 금속을 혼합하고, 100~400 ℃에서 열처리하며, 이후 250~1,500 ℃에서 열분해하여 헤테로 원자 함유 그래핀을 합성하나, 상술된 특허문헌 1과 동일한 이유로 적용하기 어렵다. Patent Document 2 (JP 2012-153555A) mixes a precursor compound having one or more heteroatoms such as nitrogen and sulfur with an alkali metal, heat-treats at 100 to 400 ° C, and then thermally decomposes at 250 to 1,500 ° C to contain hetero atoms Although a pin is synthesized, it is difficult to apply for the same reason as in Patent Document 1 described above.

특허문헌 3 (KR 10-2016-0129938A)은 황을 포함하는 전구체 및 실리카 탬플릿 등을 혼합하여 분말상태의 복합체를 형성하고, 실리카 템플릿을 사용하고 800~900 ℃에서 가열하여 결정성 카본을 형성하며, 이를 산으로 세척하여 사용된 실리카 템프릿을 제거하여 다공성 구조의 카본 촉매를 제조하며, 구체예로 황을 포함하는 전구체 티오유레아, 티오아세트아미드를 개시하고 있으나, 메조 기공 형성을 위해 첨가되는 실리카 템플릿은 탄화시 탄소체의 결정성을 높이는데 기여하지 못하고, 용해시켜서 제거하기 위해 강산이나 강염기 조건에서 처리해야 하기 때문에 공정 효율 측면에서 좋지 않다.Patent Document 3 (KR 10-2016-0129938A) forms a complex in powder state by mixing a precursor containing sulfur and a silica template, and forms crystalline carbon by using a silica template and heating at 800 to 900 ° C. , a carbon catalyst having a porous structure is prepared by washing it with acid to remove the used silica template, and the precursor thiourea and thioacetamide containing sulfur are disclosed as specific examples, but silica added to form mesopores The template does not contribute to increasing the crystallinity of the carbon body during carbonization, and it is not good in terms of process efficiency because it has to be treated in a strong acid or strong base condition to dissolve and remove it.

저온반응(1,000 ℃ 이하)에서 탄소의 결정성을 획기적으로 높이면서 결함인 헤테로원소 도핑과 동시에, 메조기공이 형성되는 탄소체 제조 기술이 요구된다.There is a need for a carbon body manufacturing technology that dramatically increases the crystallinity of carbon in a low-temperature reaction (below 1,000 °C) and simultaneously forms mesopores while doping with a defective heteroelement.

일 구현예는 황 및 질소 원소 함유 전구체를 고분자화하여 벌크 그래파이트형 고분자를 제조하는 단계; 비활성 기체 분위기에서 상기 벌크 그래파이트형 고분자와 금속분말을 혼합한 후, 상기 금속의 용융점 이상의 온도에서 열처리하는 단계; 및 상기 열처리 생성물을 산으로 세척하는 단계를 포함하는 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체의 제조방법을 제공한다.One embodiment comprises the steps of preparing a bulk graphite-type polymer by polymerizing a precursor containing sulfur and nitrogen elements; After mixing the bulk graphite-type polymer and the metal powder in an inert gas atmosphere, heat treatment at a temperature greater than or equal to the melting point of the metal; and washing the heat treatment product with acid.

상기 황 및 질소 원소 함유 전구체는 티오유레아(thiourea), 티오시안산암모늄(ammonium thiocyanate) 및 티오아세트아미드(thioacetamide)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. The sulfur and nitrogen element-containing precursor may be at least one selected from the group consisting of thiourea, ammonium thiocyanate, and thioacetamide.

상기 황 및 질소 원소 함유 전구체는 황 함유 전구체 및 질소 함유 전구체를 포함하고, 상기 황 함유 전구체는 벤질 디설파이드(benzyl disulfide), 티오핀(thiophene), 2,2'-다이티오펜(2,2'-dithiophene), p-톨루엔설폰산(p-toluenesulfonic acid) 및 2-티오핀메탄올(2-thiophenemethanol)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 유기분자 전구체 또는 고분자 전구체일 수 있고, 상기 질소 함유 전구체는 구아닌(guanine), 아데닌(adenine), 푸린(purine) 등의 아미노산류, 멜라민(melamine), 유레아(urea), 피리딘(pyridine), 아닐린(aniline), 디시안디아미드(dicyandiamide), 에틸렌다이아민(ethylenediamine) 및 에틸렌 다이아민 테트라아세트산(EDTA)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 유기분자 또는 고분자 전구체일 수 있다.The sulfur- and nitrogen-containing precursor includes a sulfur-containing precursor and a nitrogen-containing precursor, and the sulfur-containing precursor includes benzyl disulfide, thiophene, and 2,2'-dithiophene (2,2'). -dithiophene), p-toluenesulfonic acid and 2-thiophenemethanol may be an organic molecule precursor or a polymer precursor comprising at least one selected from the group consisting of, the nitrogen-containing Precursors are amino acids such as guanine, adenine, and purine, melamine, urea, pyridine, aniline, dicyandiamide, ethylenedia It may be an organic molecule or a polymer precursor including at least one selected from the group consisting of ethylenediamine and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA).

상기 금속분말은 알칼리 토금속의 분말일 수 있다.The metal powder may be an alkaline earth metal powder.

상기 벌크 그래파이트형 고분자와 금속분말은 N+S:M 원자 몰비 1:0.3 내지 1:5로 혼합되는 것일 수 있다. 이 때, 상기 N 및 S는 각각 벌크 그래파이트형 고분자에 헤테로 원소로 포함된 질소 및 황이고, 상기 M은 금속분말의 금속 원소이며, N+S는 상기 질소 및 황 원자의 총합이다.The bulk graphite-type polymer and the metal powder may be mixed in an N+S:M atomic molar ratio of 1:0.3 to 1:5. In this case, N and S are nitrogen and sulfur included as hetero elements in the bulk graphite polymer, respectively, M is a metal element of the metal powder, and N+S is the sum of the nitrogen and sulfur atoms.

다른 일 구현예는 라만 스펙트럼으로 측정된 피크의 강도비가 하기 관계식 1 및 2를 만족하는 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체를 제공한다. Another embodiment provides a highly graphitic porous carbon material doped with sulfur and nitrogen, wherein the intensity ratio of the peak measured by the Raman spectrum satisfies the following Relations 1 and 2.

[관계식 1][Relational Expression 1]

0 ≤ ID/IG ≤ 0.950 ≤ I D /I G ≤ 0.95

[관계식 2][Relational Expression 2]

0.3 ≤ I2D/IG 20.3 ≤ I 2D /I G 2

상기 관계식 1 및 2에서, ID는 라만 스펙트럼에서 D 밴드(1,350cm-1 부근)의 피크강도, IG는 라만 스펙트럼에서 G 밴드(1,580cm-1 부근)의 피크강도, I2D는 라만 스펙트럼에서 2D 밴드(2,700cm-1 부근)의 피크강도이다.In Relations 1 and 2, I D is the peak intensity of the D band (near 1,350 cm −1 ) in the Raman spectrum, I G is the peak intensity of the G band (near 1,580 cm −1 ) in the Raman spectrum, and I 2D is the Raman spectrum is the peak intensity of the 2D band (near 2,700 cm -1 ).

상기 탄소체는 하기 관계식 3을 만족하는 것일 수 있다. The carbon body may satisfy the following Relational Equation 3.

[관계식 3][Relational Expression 3]

V1/V2 ≤ 0.5 V 1 /V 2 ≤ 0.5

상기 관계식 3에서, V1은 탄소체의 마이크로기공의 부피(cm3/g), V2는 탄소체의 메조기공의 부피(cm3/g)이다.In Relation 3, V 1 is the volume of micropores of the carbon body (cm 3 /g), and V 2 is the volume of the mesopores of the carbon body (cm 3 /g).

상기 탄소체는 0.3 내지 1.8 cm3/g 부피의 메조기공을 포함하는 것일 수 있다. The carbon body may include mesopores having a volume of 0.3 to 1.8 cm 3 /g.

상기 탄소체는 헤테로 원소로 0.3 ~ 5.0 원자%의 N을 포함하고, 0.1 ~ 1.5 원자%의 S를 포함하는 것일 수 있다. The carbon body may include 0.3 to 5.0 atomic % of N as a hetero element, and 0.1 to 1.5 atomic % of S.

상기 탄소체는 BET 비표면적이 80 ~ 1,000 m2/g 일 수 있다. The carbon body may have a BET specific surface area of 80 to 1,000 m 2 /g.

또 다른 일 구현예는 상기 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체를 포함하는 연료전지용 및/또는 수전해 반응 전극 촉매를 제공한다.Another embodiment provides a fuel cell and/or water electrolysis electrode catalyst comprising the sulfur and nitrogen doped highly graphitic porous carbon body.

상기 연료전지용 및/또는 수전해 반응 전극 촉매는 상기 다공성 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 탄소체의 표면 및 내부에 백금(Pt), 로듐(Rh), 루테늄 (Ru), 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 이리듐 (Ir), 오스뮴 (Os), 몰리브데늄 (Mo), 바나듐 (V) 또는 이들의 조합을 담지하는 것일 수 있다.The fuel cell and/or water electrolysis reaction electrode catalyst is platinum (Pt), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), nickel (Ni), cobalt on the surface and inside of the porous sulfur and nitrogen double doped highly graphitic carbon body (Co), iron (Fe), palladium (Pd), copper (Cu), iridium (Ir), osmium (Os), molybdenum (Mo), vanadium (V), or a combination thereof may be supported. .

본 발명은 탄화 과정에 알칼리 토금속의 도입으로, 강한 환원력으로 질소와 결합해 전구체의 sp2 탄소를 질소로부터 분리하여 보다 쉽게 탄소간 결합이 가능하도록 하여, 650 ~ 1000 ℃의 저온에서 처리된 시료라 해도 라만 스펙트럼에서 큰 탄소 결정성을 가질 수 있다.The present invention combines with nitrogen with a strong reducing power to separate the sp2 carbon of the precursor from nitrogen by introducing an alkaline earth metal into the carbonization process, allowing for easier carbon-to-carbon bonding, even for samples treated at a low temperature of 650 ~ 1000 ℃ It can have large carbon crystallinity in the Raman spectrum.

즉, 본 발명은 낮은 온도에서 고결정성을 확보하여, 고온에서의 헤테로 원소(황과 질소) 도핑량의 손실을 방지할 수 있으며, 또한 탄소체의 고결정성을 확보함과 동시에 산 처리를 통해 이용된 알칼리 토금속을 제거하여 이 제거된 자리에 메조기공을 포함하는 다공성을 확보하여 80 ~ 1000 m2/g의 비표면적을 가지는 다공성 탄소체의 제조방법 및 탄소체를 제공할 수 있다.That is, the present invention can secure high crystallinity at a low temperature, thereby preventing the loss of hetero element (sulfur and nitrogen) doping amount at high temperature, and also secure high crystallinity of the carbon body and use it through acid treatment at the same time It is possible to provide a method for producing a porous carbon body and a carbon body having a specific surface area of 80 to 1000 m 2 /g by removing the removed alkaline earth metal to secure porosity including mesopores at the removed site.

도 1은 (a)는 본 발명의 일 구현예에 의한 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체 및 이를 포함하는 촉매의 합성 과정을 나타낸 개략도,
도 2는 a: SCNMg-X(950, 850 및 750 ℃), SCN, 및 Graphite에 대한 X선 회절 분광법(XRD) 분석 결과를 나타낸 그래프, b: 라만 스펙트럼 분석을 나타낸 그래프, c: 질소 흡탈착 등온선을 나타낸 그래프, d: 상대 압력 변화에 따른 전기전도도를 나타낸 그래프,
도 3은 산으로 세척하여 Mg을 제거하기 전의 SCNMg-850-ASP에 대한 X선 회절 분광법(XRD) 분석 그래프,
도 4는 알루미나 도가니에서 열처리 후 남아있는 산물(SCNMg-850-ASP, SCN-850)을 비교하여 나타낸 사진,
도 5는 SEM 및 TEM 이미지 (a,e) SCN, (b,f) SCNMg-750, (c,g) SCNMg-850, (d, h) SCNMg-950,
도 6은 Vairo MACRO cube elemental analyzer를 이용한 SCNMg-850와 SCN의 chemical composition 분석 결과를 나타낸 그래프,
도 7의 a~c는 SCNMg-850 와 SCN에 대해 XPS 스펙트럼을 나타낸 것으로 (7a) C 1s 스펙트럼, (7b) N 1s 스펙트럼, (7c) S 2p 스펙트럼, 도 7의 d, e는 각각 SCN과 SCNMg-X의 모식도,
도 8은 (a) SCN 와 (b) SCNMg-850 의 O 1s XPS 스펙트럼,
도 9는 a: SCNMg-850-YRh-500의 XRD 분석 결과(Y는 73, 36, 18), b: SCNMg-850-36Rh-500에 대한 TEM 이미지, c: SCNMg-850-36Rh-500에 대한 HAADF-STEM (High-angle annular dark-field scanning TEM) 이미지, d: SCNMg-850-36Rh-500에 대한 HR-TEM 이미지, e: SCNMg-850-36Rh-500에 대한 Ultra HR-TEM 이미지, f: 9d의 박스 부분을 확대하여 결정 격자선을 보여주는 이미지,
도 10은 SCNMg-850-36Rh-500에 대한 EDS(Energy dispersion spectroscopy) mapping이고,
도 11은 (a, b) SCNMg-850-18Rh-500에 대한 TEM 이미지와, (c, d) SCNMg-850-73Rh-500에 대한 TEM 이미지,
도 12는 SCNMg-850-18Rh-500, SCNMg-850-36Rh-500, SCNMg-850-73Rh-500 및 상업용 Pt/C(Pt 함량: 20% 및 46%)에 대하여, (a) LSV polarization curves (b) EIS Nyquist plots,
SCNMg-850-36Rh-500, SCNMg-850-36Rh-700, SCNMg-850-36Rh-900 및 상업용 Pt/C(Pt 함량: 20% 및 46%)에 대하여, (c) LSV polarization curves,
SCNMg-850-36Rh-500, rGO-36Rh-500, VC-36Rh-500, SCN-36Rh-500, 및 상업용 Pt/C(Pt 함량: 20% 및 46%)에 대하여, (d) LSV polarization curves (e) EIS Nyquist plots,
SCNMg-850-36Rh-500 및 상업용 Pt/C(Pt 함량: 46%)에 대하여, (f) TOF curves이다.
도 13은 SCNMg-850-36Rh-500, VC-36Rh-500, 및 rGO-36Rh-500의 TGA (Thermogravimetric analysis) 분석 그래프,
도 14는 SCNMg-850-36Rh-500, SCNMg-850-36Rh-700, 및 SCNMg-850-36Rh-900 XRD 분석 그래프,
도 15는 (a) SCNMg-850-36Rh-500; (b) SCNMg-850-36Rh-700; 및 (c) SCNMg-850-36Rh-900의 TEM 이미지,
도 16은 (a, b) VC-36Rh-500; (c, d) rGO-36Rh-500; 및 (e, f) SCN-36Rh-500 의 TEM 이미지,
도 17은 SCN, SCNMg-850, VC, 및 rGO의 (a) N2 흡탈착 등온 그래프 및 기공크기 분포도 그래프; (b) 라만 스펙트럼 분석; 및 (c) 전기전도도를 측정한 그래프,
도 18은 (a) SCNMg-850-36Rh-500; (b) 46% Pt/C; (C) GC electrode 각각의 0.1~0.3V potential window에서 다른 스캔속도로 측정한 CV 곡선, 그리고 (d) SCNMg-850-36Rh-500, 46% Pt/C, 및 GC electrode에 대한 double layer capacitance를 나타낸 그래프이다.
1 (a) is a schematic diagram showing the synthesis process of a sulfur and nitrogen double-doped highly graphitic porous carbon body and a catalyst comprising the same according to an embodiment of the present invention;
2 is a: a graph showing the results of X-ray diffraction spectroscopy (XRD) analysis for SCNMg-X (950, 850 and 750 ° C.), SCN, and graphite, b: a graph showing the Raman spectrum analysis, c: nitrogen adsorption and desorption A graph showing the isotherm, d: a graph showing the electrical conductivity according to the relative pressure change,
3 is an X-ray diffraction spectroscopy (XRD) analysis graph for SCNMg-850-ASP before removal of Mg by acid washing;
4 is a photograph showing a comparison of the products (SCNMg-850-ASP, SCN-850) remaining after heat treatment in an alumina crucible;
5 shows SEM and TEM images of (a,e) SCN, (b,f) SCNMg-750, (c,g) SCNMg-850, (d, h) SCNMg-950,
6 is a graph showing the chemical composition analysis results of SCNMg-850 and SCN using Vairo MACRO cube elemental analyzer;
7a to 7c show XPS spectra for SCNMg-850 and SCN, (7a) C 1s spectrum, (7b) N 1s spectrum, (7c) S 2p spectrum, and FIG. 7 d and e are SCN and SCN, respectively. Schematic diagram of SCNMg-X,
Figure 8 is (a) SCN and (b) O 1s XPS spectrum of SCNMg-850,
9 is a: XRD analysis result of SCNMg-850-YRh-500 (Y is 73, 36, 18), b: TEM image of SCNMg-850-36Rh-500, c: SCNMg-850-36Rh-500 HAADF-STEM (High-angle annular dark-field scanning TEM) image for , d: HR-TEM image for SCNMg-850-36Rh-500, e: Ultra HR-TEM image for SCNMg-850-36Rh-500, f: Image showing the crystal lattice lines by magnifying the boxed portion of 9d;
Figure 10 is EDS (Energy dispersion spectroscopy) mapping for SCNMg-850-36Rh-500,
11 is a TEM image for (a, b) SCNMg-850-18Rh-500 and (c, d) a TEM image for SCNMg-850-73Rh-500;
12 shows (a) LSV polarization curves for SCNMg-850-18Rh-500, SCNMg-850-36Rh-500, SCNMg-850-73Rh-500 and commercial Pt/C (Pt content: 20% and 46%). (b) EIS Nyquist plots;
(c) LSV polarization curves, for SCNMg-850-36Rh-500, SCNMg-850-36Rh-700, SCNMg-850-36Rh-900 and commercial Pt/C (Pt content: 20% and 46%),
(d) LSV polarization curves for SCNMg-850-36Rh-500, rGO-36Rh-500, VC-36Rh-500, SCN-36Rh-500, and commercial Pt/C (Pt content: 20% and 46%) (e) EIS Nyquist plots;
(f) TOF curves for SCNMg-850-36Rh-500 and commercial Pt/C (Pt content: 46%).
13 is a TGA (Thermogravimetric analysis) analysis graph of SCNMg-850-36Rh-500, VC-36Rh-500, and rGO-36Rh-500;
14 is an XRD analysis graph of SCNMg-850-36Rh-500, SCNMg-850-36Rh-700, and SCNMg-850-36Rh-900;
15 is (a) SCNMg-850-36Rh-500; (b) SCNMg-850-36Rh-700; and (c) TEM images of SCNMg-850-36Rh-900,
16 shows (a, b) VC-36Rh-500; (c, d) rGO-36Rh-500; and (e, f) TEM images of SCN-36Rh-500,
17 is (a) N 2 adsorption/desorption isothermal graph and pore size distribution graph of SCN, SCNMg-850, VC, and rGO; (b) Raman spectral analysis; and (c) a graph measuring electrical conductivity;
18 is (a) SCNMg-850-36Rh-500; (b) 46% Pt/C; (C) CV curves measured at different scan rates in 0.1~0.3V potential window of each GC electrode, and (d) SCNMg-850-36Rh-500, 46% Pt/C, and double layer capacitance for GC electrodes. This is the graph shown.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. With reference to the accompanying drawings will be described in detail for the implementation of the present invention. Irrespective of the drawings, like reference numbers refer to like elements, and "and/or" includes each and every combination of one or more of the recited items.

다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In the entire specification, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated. The singular also includes the plural, unless the phrase specifically states otherwise.

본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “위에” 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 “바로 위에” 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In this specification, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is “on” or “on” another part, this includes not only the case where it is “directly on” the other part, but also the case where there is another part in between. do.

본 발명의 일 구현예는 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 황 및 질소 원소 함유 전구체를 고분자화하여 벌크 그래파이트형 고분자를 제조하는 단계; 비활성 기체 분위기에서 상기 벌크 그래파이트형 고분자와 금속분말을 혼합한 후, 상기 금속의 용융점 이상의 온도에서 열처리하는 단계; 및 상기 열처리 생성물을 산으로 세척하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.One embodiment of the present invention provides a method for preparing a highly graphitic porous carbon body doped with sulfur and nitrogen. The manufacturing method comprises the steps of preparing a bulk graphite-type polymer by polymerizing a precursor containing sulfur and nitrogen elements; After mixing the bulk graphite-type polymer and the metal powder in an inert gas atmosphere, heat treatment at a temperature greater than or equal to the melting point of the metal; and washing the heat treatment product with an acid.

상기 벌크 그래파이트형 고분자화 단계에서는, 탄소의 혼성오비탈이 sp3에서 sp2로 변형되므로 이후 열처리 단계(탄화단계)에서 결정성 탄소(sp2)로 변화하는 결정 구조 배열이 용이하다는 이점이 있다. 반면에, 상기 고분자화 단계 없이 단분자의 전구체를 사용하여 탄화하는 경우에는, 탄화과정에서 탄소의 혼성화와 결정 구조 배열이 동시에 이루어져야 하므로, 헤테로원소의 함량이 크게 떨어지고 공정상 효율이 좋지 못하다.In the bulk graphite-type polymerization step, since the hybrid orbital of carbon is transformed from sp3 to sp2, there is an advantage in that the crystal structure arrangement to be changed to crystalline carbon (sp2) in the subsequent heat treatment step (carbonization step) is easy. On the other hand, in the case of carbonization using a monomolecular precursor without the polymerization step, since the hybridization of carbon and the crystal structure arrangement must be simultaneously made during the carbonization process, the content of hetero elements is greatly reduced, and the process efficiency is not good.

상기 전구체를 고분자화하는 단계는, 상기 황 및 질소 원소 함유 전구체를 밀폐 용기에 투입하고 승온속도 1.0 ~ 5.0 ℃/min, 반응온도 300 ~ 1,000 ℃에서 1 ~ 6 시간, 좋게는 승온속도 2.0 ~ 4.5 ℃/min, 반응온도 300 ~ 700 ℃에서 3 ~ 6 시간 동안 반응시키는 것일 수 있다.In the step of polymerizing the precursor, the precursor containing sulfur and nitrogen elements is put into an airtight container, and the temperature increase rate is 1.0 ~ 5.0 ℃ / min, the reaction temperature is 300 ~ 1,000 1 ~ 6 hours, preferably the temperature increase rate 2.0 ~ 4.5 ℃/min, the reaction temperature may be 300 ~ 700 ℃ for 3 to 6 hours to react.

상기 황 및 질소 원소 함유 전구체는 티오유레아(thiourea), 티오시안산암모늄(ammonium thiocyanate) 및 티오아세트아미드(thioacetamide)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 상술된 전구체는 탄소 대비 질소의 함량이 높고 저온에서 쉽게 분해되어 고분자화되기 어려운 유기 화합물이다. 한편, 제조된 탄소체에 헤테로 원소로서 포함될 수 있는 산소 원소는 결함(defect)에 해당되어 탄소체의 결정성을 감소시키고 이를 제거하려면 추가 열처리가 필요하므로 바람직하지 않다. The sulfur and nitrogen element-containing precursor may be at least one selected from the group consisting of thiourea, ammonium thiocyanate, and thioacetamide. The above-mentioned precursor is an organic compound that has a high nitrogen-to-carbon content and is easily decomposed at a low temperature and is difficult to be polymerized. On the other hand, oxygen element, which may be included as a hetero element in the produced carbon body, is not preferable because it corresponds to a defect and reduces crystallinity of the carbon body and requires additional heat treatment to remove it.

한편, 전술한 황 및 질소 원소를 동시에 함유하는 전구체 이외에, 개별적으로 황 함유 전구체와 질소 함유 전구체를 혼합한 전구체를 사용할 수도 있다. 상기 황 함유 전구체로는 벤질 디설파이드(benzyl disulfide), 티오핀(thiophene), 2,2'-다이티오펜(2,2'-dithiophene), p-톨루엔설폰산(p-toluenesulfonic acid) 및 2-티오핀메탄올(2-thiophenemethanol)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 유기분자 또는 고분자 전구체일 수 있고, 상기 질소 함유 전구체로는 구아닌(guanine), 아데닌 (adenine), 푸린 (purine) 등의 아미노산류, 멜라민(melamine), 유레아 (urea), 피리딘 (pyridine), 아닐린 (aniline), 디시안디아미드(dicyandiamide), 에틸렌다이아민(Ethylenediamine) 및 에틸렌 다이아민 테트라아세트산 (ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA) 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 유기분자 또는 고분자 전구체일 수 있다.On the other hand, in addition to the precursor containing sulfur and nitrogen elements at the same time as described above, it is also possible to use a precursor separately mixed with the sulfur-containing precursor and the nitrogen-containing precursor. As the sulfur-containing precursor, benzyl disulfide, thiophene, 2,2'-dithiophene, p-toluenesulfonic acid, and 2- It may be an organic molecule or polymer precursor containing at least one selected from the group consisting of thiophenemethanol, and the nitrogen-containing precursor includes amino acids such as guanine, adenine, and purine. The group consisting of urea, melamine, urea, pyridine, aniline, dicyandiamide, ethylenediamine and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) It may be an organic molecule or a polymer precursor comprising at least one selected from

비한정적인 일 예로, 상기 황 함유 전구체와 질소 함유 전구체를 5:5 내지 1:9의 중량비로 혼합한 전구체를 사용할 수 있으며, 구체적으로 5:5 내지 4:6의 중량비, 3:7 내지 2:8의 중량비 또는 1.5:8.5 내지 1:9의 중량비로 혼합한 전구체를 사용할 수 있다. 또는 황 함유 전구체의 S 원소의 몰수와 질소 함유 전구체의 N 원소의 몰수의 비가 1:1 내지 1:2.5가 되도록 혼합한 전구체를 사용할 수 있으며, 구체적으로 1:1 내지 1:1.2, 1:1.5 내지 1:1.7, 또는 1:2 내지 1:2.5 되도록 혼합한 전구체를 사용할 수 있다. 이 경우, 탄화 공정에서 각각의 도핑 원소의 소실 정도를 고려하여 질소 및 황 도핑량을 개별적으로 정밀하게 조절할 수 있는 장점이 있다.As a non-limiting example, a precursor obtained by mixing the sulfur-containing precursor and the nitrogen-containing precursor in a weight ratio of 5:5 to 1:9 may be used, specifically, a weight ratio of 5:5 to 4:6, 3:7 to 2 A precursor mixed in a weight ratio of :8 or 1.5:8.5 to 1:9 may be used. Alternatively, a mixed precursor may be used such that the ratio of the number of moles of the S element of the sulfur-containing precursor to the number of moles of the N element of the nitrogen-containing precursor is 1:1 to 1:2.5, specifically 1:1 to 1:1.2, 1:1.5 to 1:1.7, or 1:2 to 1:2.5, a mixed precursor may be used. In this case, there is an advantage in that nitrogen and sulfur doping amounts can be individually and precisely controlled in consideration of the degree of disappearance of each doping element in the carbonization process.

상기 벌크 그래파이트형 고분자는 총 중량에 대하여, 황 도핑 그래피틱 C3N4(S-doped graphitic C3N4)을 30 ~ 90 중량%, 좋게는 50 ~ 70 중량%로 포함하는 것일 수 있다. 이의 원자 배열과 혼성 오비탈이 그래핀 그래핀 구조와 유사하다는 점에서, 탄화단계에서 탄소 육각형 구조 형성에 매우 유리하고 탄소체의 결정성을 높일 수 있다.The bulk graphite-type polymer may include 30 to 90 wt% of sulfur-doped graphitic C 3 N 4 (S-doped graphitic C 3 N 4 ), preferably 50 to 70 wt%, based on the total weight. Since its atomic arrangement and hybrid orbital are similar to the graphene structure, it is very advantageous for the carbon hexagonal structure formation in the carbonization step and the crystallinity of the carbon body can be increased.

또한, 상기 제조된 벌크 그래파이트형 고분자는 헤테로 원소로 40 ~ 80 원자% 또는 40 ~ 60 원자%의 N, 및 0.01~10 원자% 또는 0.01~5 원자%의 S를 함유할 수 있다. 황 및 질소 도핑은 탄소체를 이용한 수소 발생 반응에서 반응 화학종의 흡착을 향상시킬 수 있다. 구체적으로 탄소 구조(carbon structure)에 함유된 질소 및 황은 탄소 대비 전자친화도가 높고, 비공유 전자쌍을 가지므로 반응에 유리한 전자구조(electronic structure)를 형성하기 쉽고, 이에 수소발생 반응/산소 환원 반응에 적합한 사이트(site)를 제공하기 용이하다. 다만, N 함량 80원자% 초과 또는 S 함량 10 원자%를 초과하는 경우 탄소체 제조시 쉽게 분해되어 탄소간 결합이 형성되기 어렵고 그 결정성이 떨어지며, N 함량 40원자% 미만, S 함량 0.01 원자% 미만인 경우 수소발생반응/산소 환원반응의 활성도가 충분하지 않아 불리하다.In addition, the prepared bulk graphite-type polymer may contain 40 to 80 atomic% or 40 to 60 atomic% of N as a hetero element, and 0.01 to 10 atomic% or 0.01 to 5 atomic% of S. Sulfur and nitrogen doping can enhance the adsorption of reactive species in hydrogen evolution reactions with carbon bodies. Specifically, nitrogen and sulfur contained in the carbon structure have high electron affinity compared to carbon and have a lone pair of electrons, so it is easy to form an electronic structure favorable for the reaction, and thus, it is suitable for hydrogen generation reaction/oxygen reduction reaction. It is easy to provide a suitable site (site). However, if the N content exceeds 80 atomic % or the S content exceeds 10 atomic %, it is easily decomposed during manufacture of the carbon body, making it difficult to form a bond between carbons, and its crystallinity is poor. If it is less than, the activity of the hydrogen evolution reaction/oxygen reduction reaction is not sufficient, which is disadvantageous.

이어서, 비활성 분위기에서 상기 제조된 벌크 그래파이트형 고분자와 금속분말을 혼합한 후, 상기 금속의 용융점 이상의 온도에서 열처리한다. Then, after mixing the prepared bulk graphite polymer and the metal powder in an inert atmosphere, heat treatment is performed at a temperature equal to or higher than the melting point of the metal.

상기 열처리 단계(탄화 단계)에서는, 용융된 금속분말이 상기 벌크 그래파이트형 고분자 표면에 전체적으로 도포됨에 따라, 상기 금속의 높은 환원성에 의해 금속-질화물 또는 금속-황화물을 잘 형성할 수 있다. 금속-질화물 또는 금속 황화물 형성이 없는 경우 열처리시 도핑 질소 및 황이 약 600 ℃ 이상의 온도에서 분해되기 때문에, 열처리 온도를 높일수록 도핑 질소 및 황 소실 측면에서 불리하고, 반대로 열처리 온도를 낮출수록 합성된 탄소체의 결정성(graphiticity)이 떨어지나 본 발명에서는 상기한 문제를 방지할 수 있다.In the heat treatment step (carbonization step), as the molten metal powder is entirely applied to the surface of the bulk graphite-type polymer, metal-nitride or metal-sulfide can be well formed by the high reducibility of the metal. If there is no metal-nitride or metal sulfide formation, doping nitrogen and sulfur are decomposed at a temperature of about 600 ° C. or higher during heat treatment, so increasing the heat treatment temperature is disadvantageous in terms of loss of doping nitrogen and sulfur. Conversely, as the heat treatment temperature is lowered, the synthesized carbon Although the graphiticity of the sieve is poor, the above problem can be prevented in the present invention.

상기 열처리 온도는 1,000 ℃ 이하, 좋게는 650 ~ 1,000 ℃, 더 좋게는 650 ~ 950 ℃, 또는 700 ~ 900 ℃, 가장 좋게는 800 ~ 900 ℃일 수 있다. 또한, 상기 금속분말은 금속의 용융점이 1,000 ℃ 이하인 경우 도핑 질소 및 황의 소실을 효과적으로 억제할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속의 용융점은 1,000 ℃ 미만, 950 ℃ 이하, 900 ℃ 이하, 800 ℃ 이하, 750 ℃ 이하인 경우 도핑 질소 또는 황의 소실이 발생하는 온도(600 ℃)에서 금속분말이 일부만 용융되어 벌크 그래파이트형 고분자 표면을 전체적으로 커버하지 못하는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 상기 금속의 용융점의 바람직한 하한 값으로는, 50 ℃ 초과, 100 ℃ 이상, 150 ℃ 이상, 550 ℃ 이상, 또는 600 ℃ 이상인 경우, 너무 낮은 온도에서 금속분말이 모두 용융됨에 따라 탄소체 제조시 취급이 어려운 문제를 방지할 수 있다.The heat treatment temperature may be 1,000 °C or less, preferably 650 to 1,000 °C, more preferably 650 to 950 °C, or 700 to 900 °C, most preferably 800 to 900 °C. In addition, the metal powder can effectively suppress the loss of doping nitrogen and sulfur when the melting point of the metal is 1,000 ℃ or less. Specifically, if the melting point of the metal is less than 1,000 ° C, 950 ° C or less, 900 ° C or less, 800 ° C or less, or 750 ° C or less, the metal powder is partially melted at a temperature (600 ° C) at which the loss of doping nitrogen or sulfur occurs to obtain bulk graphite. It is possible to prevent the problem of not completely covering the surface of the type polymer. In addition, as a preferred lower limit value of the melting point of the metal, when all of the metal powder is melted at too low a temperature, when it is more than 50 ° C, 100 ° C or more, 150 ° C. Problems that are difficult to handle can be avoided.

상기 금속분말은 알칼리 토금속 분말일 수 있고, 예를 들어 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)일 수 있고, 좋게는 마그네슘일 수 있다. 금속 등의 환원 공정에서 적용되는 대표적인 환원제 금속은 환원력 순으로 칼슘, 알루미늄, 마그네슘 등이 있으나, 칼슘은 융점이 850 ℃ 이상으로 높아서 고온 조업이 불가피하다는 점, 폭발의 위험성이 있고 고가인 점에서 다소 불리하고, 알루미늄은 안정성이 우수하고 취급이 용이하며 환원력도 양호하나 환원공정 후 혼재되어 있는 AlN, Al2O3 등의 제거가 어렵다는 단점이 있다. 반면, 마그네슘은 융점이 650 ℃로 비교적 낮고 취급이 용이하며 환원력도 우수하다는 점에서 본 발명에 적용하기에 가장 바람직하다. 또한 상기 금속분말의 금속입자 입경은 70 ~ 100 ㎛ 또는 40 ~ 70 ㎛ 일 수 있다. 입경이 100 ㎛를 초과하는 경우, 상기 벌크 그래파이트형 고분자와의 균일한 혼합이 어렵고 균일한 메조기공 형성에 불리하다. 금속입자의 입경이 40 ㎛ 미만일 경우, 대기의 산소 또는 물과 반응하여 금속성 표면 유지가 어려워 반응성 및 환원력에서 불리하다. The metal powder may be an alkaline earth metal powder, for example, magnesium (Mg) or calcium (Ca), preferably magnesium. Representative reducing metals applied in the reduction process of metals are calcium, aluminum, and magnesium in order of reducing power, but calcium has a high melting point of 850 ° C. Disadvantageous, aluminum has excellent stability, easy handling, and good reducing power, but has a disadvantage in that it is difficult to remove AlN, Al 2 O 3 , etc. mixed after the reduction process. On the other hand, magnesium has a relatively low melting point of 650° C., is easy to handle, and has excellent reducing power, so it is most preferable for application to the present invention. In addition, the metal particle diameter of the metal powder may be 70 ~ 100㎛ or 40 ~ 70㎛. When the particle diameter exceeds 100 μm, it is difficult to uniformly mix with the bulk graphite-type polymer and is disadvantageous in forming uniform mesopores. When the particle diameter of the metal particles is less than 40 μm, it is difficult to maintain the metallic surface by reacting with atmospheric oxygen or water, which is disadvantageous in reactivity and reducing power.

한편, 상기 금속입자의 입경은 D50을 의미하는 것일 수 있고, 상기 D50은 레이저 산란법에 의한 입도 분포 측정에서 작은 입경부터 누적 체적이 50%가 될 때의 입자 직경을 의미한다. 여기서 D50은 금속입자 재료에 대해 KS A ISO 13320-1 규격에 따라 시료를 채취하여 Malvern社의 Mastersizer3000을 이용하여 입도 분포를 측정할 수 있다. 구체적으로, 에탄올을 용매로 하고 필요한 경우 초음파 분산기를 사용하여 분산시킨 뒤, Volume density를 측정할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. Meanwhile, the particle diameter of the metal particles may mean D50, and D50 means the particle diameter when the cumulative volume becomes 50% from a small particle diameter in particle size distribution measurement by a laser scattering method. Here, D50 can measure the particle size distribution using Malvern's Mastersizer3000 by taking a sample according to KS A ISO 13320-1 standard for metal particle material. Specifically, after dispersing using ethanol as a solvent and using an ultrasonic disperser if necessary, the volume density may be measured, but the present invention is not limited thereto.

상기 열처리 단계에서, 상기 벌크 그래파이트형 고분자와 금속분말은 1:0.5 내지 1:2 중량비로 혼합되는 것일 수 있고, 좋게는 1:0.7 내지 1:1.5 중량비, 더 좋게는 1:0.9 내지 1:1.1 중량비, 가장 좋게는 약 1:1 중량비로 혼합되는 것일 수 있다. 또한, 상기 벌크 그래파이트형 고분자와 금속분말은 N+S:M 원자 몰비 1:0.3 내지 1:5로 혼합되는 것일 수 있고, 좋게는 1:0.5 내지 1:2, 더 좋게는 1:0.7 내지 1:1.5 몰비, 더 좋게는 1:0.9 내지 1:1.1 몰비, 가장 좋게는 약 1:1 몰비로 혼합되는 것일 수 있다. 상기 벌크 그래파이트형 고분자와 금속분말을 상기 함량으로 포함하는 경우 후술한 바와 같이 금속-질화물 및 금속-황화물의 형성을 최적화할 수 있어 좋다. 한편, 상기 N 및 S는 각각 벌크 그래파이트형 고분자에 헤테로 원소로 포함된 질소 및 황이고, 상기 M은 금속분말의 금속 원소이며, N+S는 상기 질소 및 황 원자의 총합이다.In the heat treatment step, the bulk graphite polymer and the metal powder may be mixed in a weight ratio of 1:0.5 to 1:2, preferably 1:0.7 to 1:1.5 by weight, more preferably 1:0.9 to 1:1.1 It may be mixed in a weight ratio, most preferably about 1:1 weight ratio. In addition, the bulk graphite polymer and the metal powder may be mixed in an N+S:M atomic molar ratio of 1:0.3 to 1:5, preferably 1:0.5 to 1:2, more preferably 1:0.7 to 1 : 1.5 molar ratio, more preferably 1:0.9 to 1:1.1 molar ratio, most preferably about 1:1 molar ratio may be mixed. When the bulk graphite-type polymer and the metal powder are included in the above content, the formation of metal-nitride and metal-sulfide can be optimized as described below. Meanwhile, N and S are nitrogen and sulfur contained as hetero elements in the bulk graphite polymer, respectively, M is a metal element of the metal powder, and N+S is the sum of the nitrogen and sulfur atoms.

상기 열처리는 비활성 기체 흐름 분위기, 예를 들어 질소 흐름 분위기 또는 아르곤 흐름 분위기에 진행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The heat treatment may be performed in an inert gas flow atmosphere, for example, a nitrogen flow atmosphere or an argon flow atmosphere, but is not limited thereto.

이어서, 상기 열처리 생성물을 산으로 세척함으로써 여분의 금속분말과 부산물인 금속-질화물 및 금속-황화물을 에칭(etching)하여 제거할 수 있다. 이러한 에칭 효과로는 탄소체에서 잔류 금속분말과 금속-질화물, 금속-황화물이 제거된 자리에 메조기공 구조(2~50 nm 크기의 메조기공 형성)를 형성할 수 있다. 상기 잔류 금속분말, 금속 질화물 및 금속 황화물은 예를 들어, 20 ~ 50 nm의 균일한 크기를 가지는 잔류 마그네슘분말(Mg) 질화 마그네슘(Mg2N3) 및 황화 마그네슘(MgS)일 수 있으며, 상기 산 세척에 의해 제거됨으로써 메조기공이 형성된 탄소체를 제조할 수 있다. 특히, 메조기공 구조는 탄화 열처리 온도가 커질수록 기공구조가 커지는 경향성을 보이므로 저온탄화 공정이 필수적으로 요구된다. 또한, 메조기공 형성에는 잔류 마그네슘 대비 질화마그네슘의 영향이 더 큰 것으로 분석되며, 수십 ㎛ 입자크기 수준(70 ~ 100㎛, 또는 40 ~ 70㎛)의 마그네슘을 사용하여 반응에서 액상으로 분포되어 균일한 크기(20 ~ 50 nm)의 질화마그네슘을 형성함으로써 가능할 수 있다.Then, the heat treatment product is washed with an acid to remove the excess metal powder and metal-nitride and metal-sulfide as by-products by etching. As such an etching effect, a mesopore structure (formation of mesopores with a size of 2 to 50 nm) can be formed at the site where the residual metal powder, metal-nitride, and metal-sulfide are removed from the carbon body. The residual metal powder, metal nitride, and metal sulfide may be, for example, residual magnesium powder (Mg), magnesium nitride (Mg 2 N 3 ) and magnesium sulfide (MgS) having a uniform size of 20 to 50 nm, and the By being removed by acid washing, a carbon body having mesopores can be prepared. In particular, since the mesopore structure tends to have a larger pore structure as the carbonization heat treatment temperature increases, a low-temperature carbonization process is essential. In addition, it is analyzed that the effect of magnesium nitride on the formation of mesopores is greater than that of residual magnesium, and magnesium with a particle size level of several tens of μm (70 ~ 100 μm, or 40 ~ 70 μm) is used in the reaction to be uniformly distributed in the liquid phase. It may be possible by forming magnesium nitride of a size (20-50 nm).

특히, 비교적 저온에서 열처리를 진행한 후 산 에칭에 의해 메조기공 구조를 형성함에 따라, 탄소체의 내부 및 표면에 균일하게 형성되는 기공 구조는 비표면적 향상에 기여할 수 있게 된다. 반면에, 종래기술로서 단순 고온 열처리로 탄소체의 결정성을 높이는 경우, 질소 및 황이 소실될 뿐만 아니라, 마이크로세공이 닫혀지는 경우가 발생해, 비표면적이 오히려 감소하는 문제도 있다.In particular, as the mesopore structure is formed by acid etching after heat treatment at a relatively low temperature, the pore structure uniformly formed inside and on the surface of the carbon body can contribute to the improvement of the specific surface area. On the other hand, in the case of increasing the crystallinity of a carbon body by a simple high-temperature heat treatment in the prior art, not only nitrogen and sulfur are lost, but also the micropores are closed, and there is a problem in that the specific surface area is rather decreased.

상기 산 세척은, 구체적으로 열처리 생성물을 0.5 ~ 3.5 M 산 용액, 예를 들어 1 ~ 3M 무기산(염산(HCl), 인산(H2PO4) 또는 황산(H2SO4)) 용액에 투입하고 1 ~ 10시간, 좋게는 2 ~ 8시간 동안 교반하여 산 세척을 수행하는 것일 수 있고, 이어서, 회수된 생성물을 탈이온수 등으로 여과하고 건조하여 탄소체를 수득하는 것일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In the acid washing, specifically, the heat treatment product is added to a 0.5 to 3.5 M acid solution, for example, a 1 to 3 M inorganic acid (hydrochloric acid (HCl), phosphoric acid (H 2 PO 4 ) or sulfuric acid (H 2 SO 4 )) solution, and It may be to perform acid washing by stirring for 1 to 10 hours, preferably 2 to 8 hours, and then filtering the recovered product with deionized water or the like and drying to obtain a carbon body, but the present invention does not provide for this It is not limited.

본 발명의 다른 일 구현예는 다공성 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 탄소체를 제공한다. 상기 탄소체는 라만 스펙트럼으로 측정된 피크의 강도비가 하기 관계식 1 및 2를 만족하는 것일 수 있다. Another embodiment of the present invention provides a highly graphitic carbon body doped with porous sulfur and nitrogen. In the carbon body, the intensity ratio of the peak measured by the Raman spectrum may satisfy the following Relations 1 and 2.

[관계식 1][Relational Expression 1]

0 ≤ ID/IG ≤ 0.950 ≤ I D /I G ≤ 0.95

[관계식 2][Relational Expression 2]

0.3 ≤ I2D/IG 20.3 ≤ I 2D /I G 2

상기 관계식 1 및 2에서, ID는 라만 스펙트럼에서 D 밴드(1,350cm-1 부근)의 피크강도, IG는 라만 스펙트럼에서 G 밴드(1,580cm-1 부근)의 피크강도, I2D는 라만 스펙트럼에서 2D 밴드(2,700cm-1 부근)의 피크강도이다.In Relations 1 and 2, I D is the peak intensity of the D band (near 1,350 cm −1 ) in the Raman spectrum, I G is the peak intensity of the G band (near 1,580 cm −1 ) in the Raman spectrum, and I 2D is the Raman spectrum is the peak intensity of the 2D band (near 2,700 cm -1 ).

상기 관계식 1에서 ID/IG가 좋게는 0.8 이하, 더 좋게는 0.7 이하 또는 0.6 이하인 경우 바람직하다. 상기 ID는 탄소체의 결정 내의 결함을 나타내는 피크이고, 그래핀의 경우에는 시편의 가장자리 부근이나 시료에 결함이 많은 경우에 관찰되는 것으로 알려져 있다. IG는 흑연계 물질에서 공통적으로 발견되는 피크로 흑연화 결정성의 척도이다. 본 발명의 탄소체는 상기 관계식 1을 만족함에 따라 상대적으로 저온 탄화단계에서 탄소체의 고결정성을 확보하고, 질소 및 황의 손실을 억제할 수 있다. 한편, 상기 ID/IG의 하한값은 예를 들어 0.1 이상 또는 0.2 이상일 수 있다.In the above relation 1, I D /I G is preferably 0.8 or less, more preferably 0.7 or less or 0.6 or less. The ID is a peak indicating defects in the crystal of the carbon body, and in the case of graphene, it is known to be observed near the edge of the specimen or when there are many defects in the specimen. I G is a peak commonly found in graphitic materials and is a measure of graphitization crystallinity. The carbon body of the present invention can secure high crystallinity of the carbon body in the relatively low-temperature carbonization step and suppress the loss of nitrogen and sulfur as the above relational formula 1 is satisfied. Meanwhile, the lower limit of I D /I G may be, for example, 0.1 or more or 0.2 or more.

상기 관계식 2에서 I2D/IG가 좋게는 0.8 ~ 1.7, 더 좋게는 0.9 ~ 1.6일 수 있다. 상기 I2D는 그래핀 층(layer)수에 반비례하는 경향성을 보이며, 실제 정의에 가까운 이상적인 한 층 그래핀의 경우 I2D/IG가 2에 가까운 피크강도를 보인다. 본 발명은 상기 I2D/IG 범위에 해당됨에 따라 본 발명의 탄소체는 5 미만의 layer, 좋게는 1~3 layer, 더 좋게는 1~2 layer로 이루어진 그래핀일 수 있다In Relation 2, I 2D /I G may be preferably 0.8 to 1.7, and more preferably 0.9 to 1.6. The I 2D tends to be inversely proportional to the number of graphene layers, and in the case of an ideal single-layer graphene close to the actual definition, I 2D /I G shows a peak intensity close to 2. As the present invention falls within the I 2D /I G range, the carbon body of the present invention may be graphene consisting of less than 5 layers, preferably 1 to 3 layers, and more preferably 1 to 2 layers.

또한, 상기 탄소체는 하기 관계식 3을 만족하는 것일 수 있다. In addition, the carbon body may satisfy the following relation (3).

[관계식 3][Relational Expression 3]

V1/V2 ≤ 0.5 V 1 /V 2 ≤ 0.5

상기 관계식 3에서, V1은 탄소체의 마이크로기공의 부피(cm3/g), V2는 탄소체의 메조기공의 부피(cm3/g)이다.In Relation 3, V 1 is the volume of micropores of the carbon body (cm 3 /g), and V 2 is the volume of the mesopores of the carbon body (cm 3 /g).

구체적으로, V1/V2 ≤ 0.3 또는 V1/V2 ≤ 0.1, 좋게는 V1/V2 ≤ 0.08 또는 V1/V2 ≤ 0.05, 더 좋게는 V1/V2 ≤ 0.02, V1/V2 ≤ 0.01일 수 있다. Specifically, V 1 /V 2 ≤ 0.3 or V 1 /V 2 ≤ 0.1, preferably V 1 /V 2 ≤ 0.08 or V 1 /V 2 ≤ 0.05, more preferably V 1 /V 2 ≤ 0.02, V 1 /V 2 ≤ 0.01.

일반적으로 마이크로기공(micropore)은 2nm 이하의 크기를 가지는 기공, 메조기공(meso pore)은 2~50 nm의 크기를 가지는 기공을 의미한다. 탄소체의 표면 및 내부에 형성되는 기공은 결함(defect)의 한 종류로서 낮은 결정성을 의미한다. 또한 비표면적의 증가는 기공의 형성에 의해 증가되며, 특히 기공 크기가 작은 마이크로기공의 영향이 메조기공 대비 더 크다. 본 발명의 경우 금속분말을 사용한 탄화는 탄소체의 결정성을 높임으로써 마이크로 기공을 적게 형성시킬 수 있고, 산 세척 과정을 통해 메조기공을 많이 형성시킴에 따라, 종래기술 대비 비표면적은 다소 낮지만 메조세공을 증대시켜 응용 반응의 물질 전달 측면에서 더욱 유리하고, 탄소체의 결정성을 확보할 수 있다. 구체적으로 상술된 메조기공에 의해 산소 환원 반응, 수소 발생 반응에서의 반응물, 중간물, 생성물의 이동 및 전달에 유리하고, 특히 Pt, Rh 촉매물질을 담지하는 경우 반응물(수전해 반응에서의 물, OH- 이온)의 접근을 용이하게 하고, 생성물(수소 가스)의 이탈이 용이하다. 이러한 응용 반응의 물질 전달은 메조기공이 마이크로기공보다 그 영향이 더 크다.In general, a micropore means a pore having a size of 2 nm or less, and a mesopore means a pore having a size of 2 to 50 nm. The pores formed on the surface and inside of the carbon body are a type of defect and mean low crystallinity. In addition, the increase in specific surface area is increased by the formation of pores, and in particular, the effect of micropores with small pore sizes is greater than that of mesopores. In the case of the present invention, carbonization using metal powder can form fewer micropores by increasing the crystallinity of the carbon body, and as many mesopores are formed through the acid washing process, the specific surface area is somewhat lower than that of the prior art, but By increasing the mesopores, it is more advantageous in terms of mass transfer in the application reaction, and the crystallinity of the carbon body can be secured. Specifically, it is advantageous for the movement and delivery of reactants, intermediates, and products in oxygen reduction reaction and hydrogen evolution reaction due to the above-described mesopores, and in particular, when supporting Pt and Rh catalyst materials, reactants (water in water electrolysis reaction, It facilitates the access of OH - ions), and the release of the product (hydrogen gas) is easy. The mass transfer of these application reactions has a greater effect in mesopores than in micropores.

한편, 상기 탄소체는 전체 기공 부피 0.3 ~ 2.0 cm3/g, 마이크로 기공 부피 0.001 ~ 0.025 cm3/g, 메조 기공 부피 0.3 ~ 1.8 cm3/g, 평균 기공 크기 10 ~ 50 nm일 수 있고, 좋게는 전체 기공 부피 0.5 ~ 1.3 cm3/g, 마이크로 기공 부피 0.005 ~ 0.020 cm3/g, 메조 기공 부피 0.5 ~ 1.3 cm3/g, 평균 기공 크기 15 ~ 40 nm일 수 있다. 또한, 탄소체의 BET 비표면적은 80 ~ 1000 m2/g, 좋게는 100 ~ 500 m2/g, 더 좋게는 150 ~ 400 m2/g일 수 있다. On the other hand, the carbon body may have a total pore volume of 0.3 to 2.0 cm 3 /g, a micropore volume of 0.001 to 0.025 cm 3 /g, a mesopore volume of 0.3 to 1.8 cm 3 /g, and an average pore size of 10 to 50 nm, Preferably, the total pore volume is 0.5 to 1.3 cm 3 /g, the micropore volume is 0.005 to 0.020 cm 3 /g, the mesopore volume is 0.5 to 1.3 cm 3 /g, and the average pore size is 15 to 40 nm. In addition, the BET specific surface area of the carbon body may be 80 to 1000 m 2 /g, preferably 100 to 500 m 2 /g, more preferably 150 to 400 m 2 /g.

한편, BET 비표면적은 0.05 ~ 0.2 범위 상대압에서의 질소흡착 결과를 기반으로 BET(Brunauer-Emmett-Teller)법을 이용하여 산출하였으며, 0.99 상대압에서의 가스 흡착량을 통해 총 기공 부피를 산출하였다. 또한, Kelvin equation 기반의 BJH 방법(Barrett-Joyner-Halenda)으로 메조 기공 크기를 측정하고, 상대압 0.95이하에서 흡착된 질소의 양을 사용하여 메조 기공 부피를 분석하였다.On the other hand, the BET specific surface area was calculated using the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method based on the nitrogen adsorption result at a relative pressure in the range of 0.05 to 0.2, and the total pore volume was calculated through the gas adsorption amount at 0.99 relative pressure. did In addition, the mesopore size was measured by the BJH method (Barrett-Joyner-Halenda) based on the Kelvin equation, and the mesopore volume was analyzed using the amount of nitrogen adsorbed at a relative pressure of 0.95 or less.

상기 탄소체는 헤테로 원소로 0.3 ~ 5.0 원자%의 N을 포함하고, 0.1 ~ 1.5 원자%의 S를 포함하는 것일 수 있다. 좋게는 0.6 ~ 3.8 원자%의 N 및 0.1 ~ 1.0 원자%의 S를 포함할 수 있다. 질소 및 황의 도핑 또한 탄소체의 결함(defect)의 일종이므로 도핑량이 많으면 결정성이 감소하여 전기 전도성이 떨어진다. 전기화학적으로 응용하기 위해서는 헤테로원소의 도핑 정도와 탄소체의 결정성 간의 균형이 필요하며, 상술된 범위로 헤테로 원소 N 및 S를 포함하는 경우 바람직할 수 있다. 또한, 본 발명은 금속분말의 종류와 이의 함량을 조절함으로써 이를 보다 정량적으로 개선할 수 있다. The carbon body may include 0.3 to 5.0 atomic % of N as a hetero element, and 0.1 to 1.5 atomic % of S. Preferably it may contain 0.6 to 3.8 atomic % N and 0.1 to 1.0 atomic % S. Since doping of nitrogen and sulfur is also a type of defect in the carbon body, if the amount of doping is large, crystallinity is reduced and electrical conductivity is deteriorated. For electrochemical application, a balance between the degree of doping of the hetero element and the crystallinity of the carbon body is required, and it may be preferable when hetero elements N and S are included in the above-mentioned range. In addition, the present invention can be improved more quantitatively by controlling the type and content of the metal powder.

한편, 상기 탄소체는 피롤릭 N(Pyrrolic N), 그라파이틱 N(Graphitic N), 피리디닉 N(Pyridinic N) 또는 이들의 조합의 결합 상태를 포함할 수 있고, 또한 헤테로 원소 질소(N) 100 원자%에 대하여, 10 원자% 이상, 좋게는 30 원자% 이상, 더 좋게는 50 원자% 이상이 피롤릭 N(Pyrrolic N)의 결합 상태로 존재하는 것일 수 있고, 비한정적인 일 예로 상한은 60 원자% 이하, 50 원자% 이하 또는 40 원자%이하일 수 있으며, 그라파이틱 N(Graphitic N)은 50 원자% 이하일 수 있고, 피리디닉 N(Pyridinic N)은 20 원자% 이상, 좋게는 50 원자% 이상, 더 좋게는 60 원자% 이상일 수 있다. 특히, 피롤릭 N의 비공유 전자 쌍은 아로마틱 안정화에 관여하지 않기 때문에 그라파이틱 N, 피리디닉 N 등에 비해 결합에너지가 낮은 것으로 알려져 있다. 본 발명은 도핑된 N 중에서 피리디닉 N의 비율이 상대적으로 높기 때문에 질소 도핑 탄소체의 결정성을 개선하고 산소 환원반응 및 수소발생반응의 활성도를 개선할 수 있다. 하지만 이는 탄화 온도, 시간, 사용한 금속 분말에 따라 존재하는 N 종의 상대적 비율이 달라질 수 있다.On the other hand, the carbon body may include a bonding state of pyrrolic N (Pyrrolic N), graphitic N (Graphitic N), pyridinic N (Pyridinic N) or a combination thereof, and also hetero element nitrogen (N) With respect to 100 atomic %, 10 atomic % or more, preferably 30 atomic % or more, more preferably 50 atomic % or more may be present in a bonded state of pyrrolic N, and as a non-limiting example, the upper limit is 60 atomic % or less, 50 atomic % or less, or 40 atomic % or less, Graphitic N may be 50 atomic % or less, Pyridinic N may be 20 atomic % or more, preferably 50 atomic % or less % or more, more preferably 60 atomic% or more. In particular, since the unshared electron pair of pyrrolic N is not involved in aromatic stabilization, it is known that the binding energy is lower than that of graphitic N, pyridinic N, and the like. In the present invention, since the ratio of pyridinic N among doped N is relatively high, the crystallinity of the nitrogen-doped carbon body can be improved and the activity of oxygen reduction reaction and hydrogen evolution reaction can be improved. However, the relative proportion of N species present may vary depending on the carbonization temperature, time, and metal powder used.

다른 일 구현예는 상기 탄소체를 포함하는 연료전지용 및/또는 수전해 반응 전극 촉매를 제공한다. 상기 탄소체는 표면 및 내부에 백금(Pt), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 몰리브데늄(Mo), 바나듐(V) 등 또는 이들의 조합을 담지하는 것을 특징으로 할 수 있다. Another embodiment provides an electrode catalyst for a fuel cell and/or a water electrolysis reaction including the carbon body. The carbon body includes platinum (Pt), rhodium (Rh), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), palladium (Pd), copper (Cu), iridium (Ir), osmium ( Os), molybdenum (Mo), vanadium (V), etc. or a combination thereof may be supported.

수전해 반응은 전기에너지를 이용하여 순수한 물로부터 수소와 산소를 생산하는 기술로, 크게 알칼라인 수전해, 고체고분자전해질(PEM) 수전해, 그리고 고체산화물을 이용한 고온수증기 전해기술로 구분되며, 본 발명의 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체를 연료전지용 전극 촉매뿐만 아니라, 수전해 반응 전극 촉매로도 이용할 수 있다.The water electrolysis reaction is a technology for producing hydrogen and oxygen from pure water using electrical energy, and is largely divided into alkaline water electrolysis, solid polymer electrolyte (PEM) water electrolysis, and high-temperature steam electrolysis technology using solid oxide. The highly graphitic porous carbon material doped with sulfur and nitrogen of can be used not only as an electrode catalyst for fuel cells but also as an electrode catalyst for water electrolysis.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

실시예 Example

실시예 1~3Examples 1-3

1) 벌크 그래파이트형 고분자(이하, SCN으로 표시) 제조1) Manufacture of bulk graphite-type polymer (hereinafter referred to as SCN)

thiourea(Sigma Aldrich, 99%) 10g을 알루미나 보트(aluminum boat)에 넣고 밀폐시킨 후(cover), 질소 분위기 하 승온속도 5℃/min으로 500 ℃의 튜브 퍼니스(tube furnace)에서 2시간 열처리하여 벌크 그래파이트형 고분자(이하, SCN로 표시) 황색 분말을 얻었다.After putting 10 g of thiourea (Sigma Aldrich, 99%) in an alumina boat and sealing it (cover), the bulk was heat treated in a tube furnace at 500 °C at a temperature increase rate of 5 °C/min under nitrogen atmosphere for 2 hours. A graphite-type polymer (hereinafter referred to as SCN) was obtained as a yellow powder.

2) 다공성 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 탄소체 (이하, SCNMg-X로 표시) 제조2) Preparation of porous sulfur and nitrogen double doping highly graphitic carbon body (hereinafter referred to as SCNMg-X)

수득한 SCN 3g을 동일 중량의 Mg 분말(Sigma Aldrich, 99%)과 볼 밀(ball mill)을 이용하여 20 min 동안 혼합하였고, 잘 혼합된 혼합분말을 알루미나 도가니에 넣고 아르곤(Ar) 흐름 분위기(flow rate of 200mL/min)에서, 승온속도 50 ℃/min으로 각 실시예에 따른 온도 X℃ (750 ℃, 850 ℃, 950 ℃, 실시예 1~3)의 튜브 퍼니스에서 5시간 열처리하여 흑색 분말(이하, SCNMg-X-ASP로 표시)을 수득하였다. 3 g of the obtained SCN was mixed with Mg powder (Sigma Aldrich, 99%) of the same weight for 20 min using a ball mill, and the well-mixed mixed powder was put into an alumina crucible and an argon (Ar) flow atmosphere ( flow rate of 200mL/min), heat treatment for 5 hours in a tube furnace at a temperature of X°C (750°C, 850°C, 950°C, Examples 1 to 3) according to each example at a temperature increase rate of 50°C/min to black powder (hereinafter referred to as SCNMg-X-ASP) was obtained.

이어서, 열처리된 생성물을 0.5M H2SO4 용액에 투입하고 80 ℃에서 12시간동안 교반하여 산 침출을 수행하였다. 회수된 생성물을 탈이온수로 여과하고 70 ℃에서 진공 건조하여, 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체(이하, SCNMg-X로 표시)를 수득하였다.Then, the heat-treated product was added to a 0.5MH 2 SO 4 solution and stirred at 80° C. for 12 hours to perform acid leaching. The recovered product was filtered with deionized water and vacuum dried at 70° C. to obtain a highly graphitic porous carbon body doped with sulfur and nitrogen (hereinafter referred to as SCNMg-X).

평가예 evaluation example

[평가방법][Assessment Methods]

* 재료 특성 평가방법* Material property evaluation method

제조된 다공성 탄소체를 분석하기 위해, X-선 회절 분석은 Rigaku Smartlab X- 선 회절장치를 이용하였고, Cu-Kα(λ=0.15418 nm)선을 이용하여 30kV, 40mA, scan rate 4°/min 으로 수행되었다.To analyze the prepared porous carbon body, X-ray diffraction analysis was performed using a Rigaku Smartlab X-ray diffraction apparatus, and Cu-Kα (λ=0.15418 nm) rays were used for 30kV, 40mA, scan rate 4°/min. was performed with

FT-IR(Fourier transform infrared) 스펙트럼은 NICOLET CONTINUUM를 이용하였다.For the FT-IR (Fourier transform infrared) spectrum, NICOLET CONTINUUM was used.

투과 전자 현미경(TEM EM912 Omega) 관찰은 120kV에서 수행되었으며, 200 kV에서 작동되는 JEOL FE-2010 현미경을 사용하여 고해상도 TEM (HR-TEM) 및 STEM 이미지를 얻었다. 주사 전자 현미경(SEM) 관찰은 10 kV의 가속 전압에서 작동하는 Hitachi S-4700 현미경을 사용하여 수행되었다.Transmission electron microscopy (TEM EM912 Omega) observations were performed at 120 kV, and high-resolution TEM (HR-TEM) and STEM images were obtained using a JEOL FE-2010 microscope operated at 200 kV. Scanning electron microscopy (SEM) observations were performed using a Hitachi S-4700 microscope operating at an accelerating voltage of 10 kV.

질소 흡착-탈착 등온선(adsorption-desorption isotherms)은 샘플을 150 ℃ 내지 20 mTorr에서 12 시간 동안 탈기한 후 Micromeritics ASAP 2460 가속 표면적 및 다공성 분석기를 사용하여 -196 ℃에서 측정되었다.Nitrogen adsorption-desorption isotherms were measured at -196 °C using a Micromeritics ASAP 2460 Accelerated Surface Area and Porosity Analyzer after degassing the samples at 150 °C to 20 mTorr for 12 h.

BET 비표면적은 0.05-0.2 범위 상대압에서의 질소흡착 결과를 기반으로 BET(Brunauer-Emmett-Teller)법을 이용하여 산출하였다. The BET specific surface area was calculated using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method based on the nitrogen adsorption results at a relative pressure in the range of 0.05-0.2.

라만 분석은 라만 분광계(Renishaw spectrometer)를 사용하여 수행되었다. 514.5nm 레이저 빔(Ar+ ion)이 사용되었다.Raman analysis was performed using a Raman spectrometer (Renishaw spectrometer). A 514.5 nm laser beam (Ar+ ion) was used.

XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석은 단색화된 Al Kα(150W)를 사용하는 ESCALAB 250 XPS 시스템을 이용하여 수행되었다.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis was performed using an ESCALAB 250 XPS system using monochromated Al Kα (150 W).

모든 샘플의 열 반응에서의 금속 로딩량은 Bruker TG-DTA3000SA 분석기를 사용하여 열 중량 분석(TGA)에 의해 측정되었다. Heating rate of 5℃/min, inflowing air, 상온에서 1000 ℃까지 승온하였다. The metal loading in the thermal response of all samples was determined by thermogravimetric analysis (TGA) using a Bruker TG-DTA3000SA analyzer. Heating rate of 5 ℃/min, inflowing air, the temperature was raised from room temperature to 1000 ℃.

[평가예 1][Evaluation Example 1] 탄소체의 고결정성 등 특성 분석결과 Characteristic analysis results such as high crystallinity of carbon body

도 2는 실시예와 참고예(reference)에 의한 탄소 지지체 X선 회절 분광법(XRD) 분석 결과(a), 라만 스펙트럼 분석(b), 및 N2 흡탈착 등온선(c) 및 가압 압력에 따른 전기전도도(d)를 나타낸 그래프이다.Figure 2 is a carbon support X-ray diffraction spectroscopy (XRD) analysis results (a), Raman spectrum analysis (b), and N 2 adsorption and desorption isotherms (c) and electricity according to pressurization pressure according to Examples and Reference Examples It is a graph showing the conductivity (d).

도 2 (a)에서, SCN 대비 SCNMg-X(750, 850 및 950 ℃)은 그래파이트형 고분자의 적층에 의한 (002)면 대응 27.5°위치에서 피크를 보이는 SCN 대비 그래파이트를 나타내는 25.85°피크로 이동되어 최종 산물에서 높은 결정성을 확인할 수 있다.In Figure 2 (a), SCN vs. SCNMg-X (750, 850 and 950 ° C) shifted to a 25.85 ° peak indicating graphite versus SCN showing a peak at 27.5 ° position corresponding to the (002) plane by lamination of graphite polymer Thus, high crystallinity can be confirmed in the final product.

한편, 도 3을 참조하면, 마그네슘 열환원 후 산 침출 이전에 수득되는 SCNMg-850-ASP의 경우 Mg3N2, MgS, MgO가 형성되는 것을 확인할 수 있고, 이는 마그네슘 열환원 과정에서 소량의 질소 및 황이 SCN 프레임에서 Mg3N2 및 MgS로 형성된다는 점을 시사한다.Meanwhile, referring to FIG. 3 , in the case of SCNMg-850-ASP obtained before acid leaching after magnesium thermal reduction, it can be seen that Mg 3 N 2 , MgS, and MgO are formed, which is a small amount of nitrogen during the magnesium thermal reduction process. and sulfur is formed from Mg 3 N 2 and MgS in the SCN frame.

도 2 (b)에서, SCN 대비 SCNMg-X는 신규한 피크가 D밴드(1350cm-1), G밴드(1600cm-1) 및 2D밴드(2700cm-1)에서 발생되는 것을 알 수 있다. 하기 표 1에 실시예 1~3의 라만 스펙트럼 분석 결과를 정리하였다. 하기 표 1을 참조하면 SCNMg-X는 결정성(graphiticity)이 높고, 약 5개 미만, 좋게는 약 2~3개, 더 좋게는 약 1~2개의 그래핀 층(layer)으로 구성됨을 알 수 있다.In Figure 2 (b), SCNMg-X compared to SCN, it can be seen that new peaks are generated in the D band (1350 cm -1 ), the G band (1600 cm -1 ) and the 2D band (2700 cm -1 ). The results of Raman spectrum analysis of Examples 1 to 3 are summarized in Table 1 below. Referring to Table 1 below, it can be seen that SCNMg-X has high crystallinity, and is composed of less than about 5 graphene layers, preferably about 2 to 3 graphene layers, and more preferably about 1 to 2 graphene layers. have.

SampleSample

Figure 112020041873021-pat00002
Figure 112020041873021-pat00002
Figure 112020041873021-pat00003
Figure 112020041873021-pat00003
The number of graphene layerThe number of graphene layers SCNMg-750SCNMg-750 0.920.92 0.50.5 <5<5 SCNMg-850SCNMg-850 0.690.69 0.90.9 2~32-3 SCNMg-950SCNMg-950 0.660.66 1.51.5 1~21-2 SCNSCN -- -- --

한편, Mg 없이 SCN-850은 고온 처리시에 거의 모두 분해되어 시료 회수가 어렵고(도 4 참조), 라만 스펙트럼 분석을 실시하지 못하였으며, 연료전지용 또는 수소발생반응용 탄소체 촉매로 사용되기 어렵다는 것을 확인하였다.On the other hand, without Mg, almost all of SCN-850 was decomposed during high-temperature treatment, so sample recovery was difficult (see FIG. 4), Raman spectrum analysis could not be performed, and it was difficult to use as a carbon catalyst for fuel cells or hydrogen generation reaction. Confirmed.

도 2 (c)에서, 질소 흡탈착 등온선을 측정하였고, 이를 통해 계산된 SCN, SCNMg-X의 비표면적(BET), 마이크로 기공부피, 메조 기공부피, 총 기공 부피 및 평균 기공 크기를 하기 표 2에 정리하였다. 도 2 (c)를 참조하면, 등온 낮은 압력(P/P0 < 0.01)에서 마이크로 기공이 존재함을 확인할 수 있고, SCNMg-X는 0.5~0.8 P/P0 범위에서 질소 흡착량의 급격한 증가가 나타나는데, 이는 메조 기공의 존재를 입증하고, 0.9 ~ P/P0 범위에서 질소 흡착량의 증가는 매크로 기공의 존재를 설명한다.In FIG. 2(c), nitrogen adsorption and desorption isotherms were measured, and the calculated specific surface area (BET), micropore volume, mesopore volume, total pore volume and average pore size of SCN, SCNMg-X are shown in Table 2 below. arranged in Referring to FIG. 2 (c), it can be confirmed that micropores exist at isothermal low pressure (P/P 0 < 0.01), and SCNMg-X abruptly increases the amount of nitrogen adsorption in the range of 0.5 to 0.8 P/P 0 appears, which proves the presence of mesopores, and the increase in nitrogen adsorption in the range of 0.9 to P/P 0 explains the presence of macropores.

SampleSample BET surface area (m2/g)BET surface area (m 2 /g) Total pore volume(cm3/g)Total pore volume(cm 3 /g) Micropore volume (cm3/g)Micropore volume (cm 3 /g) Mesopore volume (cm3/g)Mesopore volume (cm 3 /g) Average pore size diameter (nm)Average pore size diameter (nm) SCNSCN 9.469.46 0.0330.033 0.0040.004 0.0290.029 13.75313.753 SCNMg-750SCNMg-750 223.92223.92 0.9610.961 0.0070.007 0.9540.954 16.72916.729 SCNMg-850SCNMg-850 253.64253.64 1.0691.069 0.0040.004 1.0651.065 16.29116.291 SCNMg-950SCNMg-950 157.51157.51 0.8250.825 0.0160.016 0.8090.809 20.25820.258

상기 표 2와 도 2 (c)로부터, 본 발명의 실시예는 SCN 대비 비표면적이 매우 향상된 것을 알 수 있다. 구체적으로 SCNMg-X는 SCN 대비 비표면적, 총 기공부피, 메조기공 부피가 증가되었고, 평균 기공 크기도 증가됨을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 탄화과정에서 마그네슘 vapor가 SCN 내부로 침투되어 질소 및 황과 반응하여 마그네슘 질화물과 황화물을 형성하며 SCN의 tri-s-triazine 고리 구조가 와해되고, 이후 산 침출시 마그네슘 질화물과 황화물의 제거에 의해 탄소구조체에 기공을 형성하기 때문으로 분석된다. 특히, 마이크로 기공 대비 메조 기공의 부피 증가가 현저한 것을 확인할 수 있다. 상술된 바와 같이 메조 기공은 비표면적 증가에 기여하는 정도가 낮으므로 탄소체의 결정성 향상에 좋고, 응용 물질의 전달 측면에서 유리하다.From Table 2 and FIG. 2(c), it can be seen that the specific surface area of the Example of the present invention is greatly improved compared to that of SCN. Specifically, it can be seen that SCNMg-X has increased specific surface area, total pore volume, and mesopore volume compared to SCN, and the average pore size is also increased. This phenomenon occurs because magnesium vapor penetrates into the SCN during carbonization and reacts with nitrogen and sulfur to form magnesium nitride and sulfide, and the tri-s-triazine ring structure of SCN is disrupted, and then magnesium nitride and sulfide are removed during acid leaching. It is analyzed that this is because pores are formed in the carbon structure by In particular, it can be seen that the volume increase of the mesopores compared to the micropores is remarkable. As described above, the mesopores have a low contribution to the increase of the specific surface area, so they are good for improving the crystallinity of the carbon body and are advantageous in terms of delivery of applied materials.

도 2 (d)에서, SCNMg-X는 SCN 대비 전기전도도 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있고, 이에 따라 전하 이동 저항이 매우 낮아서 전기 촉매 활성이 개선됨을 예측할 수 있다. 이러한 현상은 SCNMg-X이 고흑연성(고결정성), bilayer 내지 10개 이내의 multilayer 그래핀을 형성하기 때문으로 분석된다.In FIG. 2(d), it can be seen that SCNMg-X has improved electrical conductivity compared to SCN, and thus, it can be predicted that the electrocatalytic activity is improved because the charge transfer resistance is very low. This phenomenon is analyzed because SCNMg-X forms high graphitic (high crystallinity), bilayer to 10 multilayer graphene.

[평가예 2][Evaluation Example 2] 탄소체의 모폴로지 분석 Morphology analysis of carbon bodies

도 5로부터, SCN은 다공성이 낮은 big junk형 구조를 보이며 (SCN의 SEM 및 TEM 이미지: 도 5의 (a) 및 (e) 참조), 이후 마그네슘 열환원 이후 제조된 SCNMg-X는 균일한 기공도를 가지는 허니콤 구조(honeycomb-like structure)를 가짐을 확인할 수 있다. 즉, SCNMg-X의 SEM 이미지는 도 5의 (b)~(d)에서 TEM 이미지는 도 5 (f)-(h) 에서 볼 수 있다. From FIG. 5, SCN shows a big junk-type structure with low porosity (SEM and TEM images of SCN: refer to FIGS. It can be confirmed that it has a honeycomb-like structure having a degree. That is, the SEM images of SCNMg-X can be seen in FIGS. 5 (b) to 5 (d), and the TEM images can be seen in FIGS.

[평가예 3][Evaluation Example 3] 탄소체의 화학 조성 등 분석 Analysis of the chemical composition of carbon bodies, etc.

도 6은 Vairo MACRO cube elemental analyzer를 이용한 탄소체의 chemical composition 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 탄소체의 각 원소별 함량을 하기 표 3에 정리하였다. 6 is a graph showing the chemical composition analysis results of carbon bodies using Vairo MACRO cube elemental analyzer. The content of each element of the carbon body is summarized in Table 3 below.

SampleSample N (atom. %)N (atom. %) C (atom. %)C (atom. %) H (atom. %)H (atom. %) S (atom. %)S (atom. %) SCNSCN 59.2759.27 32.1632.16 2.422.42 1.661.66 SCNMg-850-HSCNMg-850-H 22 SOSO 44 1.601.60 88.6088.60 0.520.52 0.550.55 SCNMg-850-HClSCNMg-850-HCl 1.661.66 87.2487.24 0.530.53 0.410.41

도 6 및 상기 표 3으로부터, 마그네슘 열환원 이후 산 침출(산 세척)에 의해, SCN 구조에서 N 및 S 원소의 함량이 감소되는 것을 알 수 있다. 한편, 산 침출 단계에서 산 용액의 탄소체의 원소 조성에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 0.5M H2SO4을 대체하여 2M HCl을 사용하여 산 침출하여 SCNMg-850-HCl을 제조하였고, 그 결과 S 원소의 함량이 다소 감소되었다. 이러한 결과는 H2SO4 미량이 SCNMg-850 표면에 흡수될 수 있음을 암시한다. 도 7 및 도 8에서, SCN 및 SCNMg-850의 화학적 상태 및 조성에 대한 분석을 위해 XPS 분석을 실시하였다. 도 7의 (a)는 C 1s 스펙트럼, (b)는 N 1s 스펙트럼, (c)는 S 2p 스펙트럼이고, 도 8의 (a)는 SCN의 O 1s 스펙트럼, (b)는 SCNMg-850 O 1s 스펙트럼이며, 도 7의 (d)는 SCN의 모식도, 도 7의 (e)는 S, N 도핑 그래핀의 모식도를 나타낸 것이다.6 and Table 3, it can be seen that the content of N and S elements in the SCN structure is reduced by acid leaching (acid washing) after magnesium thermal reduction. Meanwhile, in the acid leaching step, in order to confirm the effect on the elemental composition of the carbon body of the acid solution, the acid leaching was performed using 2M HCl to replace 0.5MH 2 SO 4 to prepare SCNMg-850-HCl, and as a result, S The elemental content was slightly reduced. These results suggest that trace amounts of H 2 SO 4 can be absorbed on the SCNMg-850 surface. 7 and 8, XPS analysis was performed to analyze the chemical state and composition of SCN and SCNmg-850. 7 (a) is a C 1s spectrum, (b) is an N 1s spectrum, (c) is an S 2p spectrum, FIG. 8 (a) is an O 1s spectrum of SCN, (b) is a SCNMg-850 O 1s Spectrum, Figure 7 (d) is a schematic diagram of SCN, Figure 7 (e) is a schematic diagram of S, N-doped graphene.

상기 도 7 및 8의 결과를 분석하여, 하기 표 4에 SCN 및 SCNMg-850의 화학 조성을 정리하였다.By analyzing the results of FIGS. 7 and 8, the chemical compositions of SCN and SCNMg-850 are summarized in Table 4 below.

SampleSample C 1s (at%)C 1s (at%) N 1s (at%)N 1s (at%) S 2p (at%)S 2p (at%) O 1s (at%)O 1s (at%) SCNSCN 48.6348.63 47.7147.71 0.580.58 3.083.08 SCNMg-850SCNMg-850 96.5896.58 0.60.6 0.230.23 2.562.56

상기 도 7, 8 및 표 4를 참고하면, 마그네슘 열환원은 N 및 S의 함량을 감소시킨다. SCNMg-850은 그래핀 유사 sp2 탄소 원소가 다공성의 허니콤 구조 (honey comb structure)로 정렬되어 있고, N/S/O 원소가 sp2 C와 C-N/C-S/C-O 종 및 π-π* excitations로 존재하고 (도 7 (a) 참조), 피리디닉 N, 피롤릭 N, 그래파틱 N, 및 피리디닉 N-oxide의 N 피크가 나타나고 (도 7 (b) 참조), C-S-C 2p 3/2 및 C-S-C 2p 1/2의 S 피크가 나타나고, C-SOx-C 모이어티와 같은 술포닉 S 피크가 나타나고 (도 7 (c) 참조), 시료 표면에 물 분자로부터 기인한 -OH기 및 SOx2- 피크가 나타나는 것을 알 수 있다. 7, 8 and Table 4, the thermal reduction of magnesium reduces the content of N and S. In SCNmg-850, graphene-like sp2 carbon elements are arranged in a porous honeycomb structure, and N/S/O elements exist as sp2 C and CN/CS/CO species and π-π* excitations. and (see Fig. 7 (a)), pyridinic N, pyrrolic N, graphitic N, and N peaks of pyridinic N-oxide appear (see Fig. 7 (b)), CSC 2p 3/2 and CSC 2p An S peak of 1/2 appears, a sulfonic S peak such as a C-SOx-C moiety appears (see Fig. 7 (c)), and -OH groups and SOx 2- peaks resulting from water molecules on the sample surface can be seen to appear.

실시예 4~6Examples 4-6

(연료전지용 또는 수전해 반응 전극 촉매의 제조, SCNMg-X-YRh-Z)(Production of electrode catalyst for fuel cell or water electrolysis reaction, SCNMg-X-YRh-Z)

실시예 2에서 제조된 SCNMg-850 100mg을 20mL의 혼합물(이소판올:물 1:1 부피비 혼합물)에 초음파 분산시키고, 분산액에 RhCl3.nH2O(18μM, 36μM, and 73μM RhCl3.nH2O, 실시예 4~6) (RhCl3.nH2O (n=3.5) (Kojima chemicals co., ltd, 99.9%))를 첨가하였다. 이어서, 오일 배스에서 120 ℃ 열처리하여 용매를 전부 증발시켰다. 이어서 수득된 SCNMg-850-YRh(YRh는 RhCl3.nH2O의 농도 YμM을 의미함)를 에탄올과 물로 세정하여 미반응 금속이온을 제거하였고, 14,000rpm으로 원심분리한 후 70 ℃에서 진공 건조하였다. 수득한 SCNMg-850-YRh 분말을 NH3 가스 분위기(flow rate of 100mL/min)에서, Z℃(각각 500, 700 및 900 ℃), 1시간 동안 열처리하여 전극 촉매(이하, SCNMg-850-YRh-Z로 표시)를 제조하였다.100 mg of SCNMg-850 prepared in Example 2 was ultrasonically dispersed in 20 mL of a mixture (isopanol: water 1:1 volume ratio mixture), and RhCl 3 .nH 2 O (18 μM, 36 μM, and 73 μM RhCl 3 .nH 2 O (18 μM, 36 μM, and 73 μM RhCl 3 .nH 2 ) was dispersed in the dispersion. O, Examples 4-6) (RhCl 3 .nH 2 O (n=3.5) (Kojima chemicals co., ltd, 99.9%)) was added. Then, heat treatment was performed at 120° C. in an oil bath to evaporate all of the solvent. Subsequently, the obtained SCNMg-850-YRh (YRh means RhCl 3 .nH 2 O concentration Y μM) was washed with ethanol and water to remove unreacted metal ions, centrifuged at 14,000 rpm, and vacuum dried at 70 ° C. did The obtained SCNMg-850-YRh powder was heat-treated in an NH 3 gas atmosphere (flow rate of 100 mL/min), at Z°C (500, 700 and 900°C, respectively), for 1 hour as an electrode catalyst (hereinafter, SCNMg-850-YRh) -Z) was prepared.

비교예 1~3Comparative Examples 1-3

환원된 산화 그래핀(이하, rGO로 표시), 시판용 Vulcan carbon XC-72(Sigma Aldrich)(이하, VC로 표시), 및 SCN을 준비하였다.Reduced graphene oxide (hereinafter, denoted as rGO), commercially available Vulcan carbon XC-72 (Sigma Aldrich) (hereinafter denoted as VC), and SCN were prepared.

rGO는, Hummer method에 의해 합성된 GO를 Ar 분위기에서 850 ℃, 2시간 동안 열 환원 처리하여 제조하였다.rGO was prepared by thermally reducing GO synthesized by the Hummer method at 850 °C for 2 hours in an Ar atmosphere.

준비된 rGO, VC, 및 SCN을 실시예의 SCNMg-850을 대체하여 지지체로 사용한 것을 제외하고, 실시예 5의 SCNMg-850-36Rh-500의 제조와 동일하게 진행하여, Rh 담지 촉매 rGO-36Rh-500, VC-36Rh-500, 및 SCN-36Rh-500 (비교예 1~3)를 제조하였다.Except for using the prepared rGO, VC, and SCN as a support to replace the SCNMg-850 of Example, proceed in the same manner as in the preparation of SCNMg-850-36Rh-500 of Example 5, Rh supported catalyst rGO-36Rh-500 , VC-36Rh-500, and SCN-36Rh-500 (Comparative Examples 1-3) were prepared.

[평가예 4][Evaluation Example 4] Rh 담지된 다공성 N 및 S 이중도핑 탄소체 촉매의 합성 Synthesis of Rh-supported porous N and S double-doped carbon catalyst

도 9의 (a)는 SCNMg-850-YRh-500의 XRD 분석 결과로서, Rh가 성공적으로 SCNMg-850 지지체에 담지되었는지 여부를 확인할 수 있다. 도 9에서, 2θ= 24° 및 43°에서 발생되는 피크는 그래핀을 의미하며, 41.07°, 47.78° 및 69.87°에서 발생되는 피크는 cubic Rh의 (111), (200) 및 (220) 결정면의 고순도(high purity)를 의미한다 (JCPDS data No. 05-0685). 도 9 (a)로부터, SCNMg-850-18Rh-500 및 SCNMg-850-36Rh-500은 상술한 Rh 피크가 나타나지 않고, SCNMg-850-73Rh-500는 상기 Rh 결정면 피크가 나타나는 것으로부터, Rh3+ 로딩량의 증가에 따른 상 변화뿐만 아니라 입자 크기도 증가하여 형성된다는 점을 알 수 있다. Figure 9 (a) is the XRD analysis result of SCNMg-850-YRh-500, it can be confirmed whether or not Rh was successfully supported on the SCNMg-850 support. In FIG. 9, the peaks occurring at 2θ = 24° and 43° mean graphene, and the peaks occurring at 41.07°, 47.78° and 69.87° are (111), (200) and (220) crystal planes of cubic Rh. of high purity (JCPDS data No. 05-0685). From Fig. 9 (a), SCNMg-850-18Rh-500 and SCNMg-850-36Rh-500 do not show the above-mentioned Rh peak, and SCNMg-850-73Rh-500 shows the Rh crystal plane peak, Rh 3 + It can be seen that not only the phase change according to the increase of the loading amount but also the particle size is increased.

도 9로부터, SCNMg-850 지지체에 분산되어 담지된 Rh 나노입자의 형성을 확인하기 위해 TEM을 측정하였고, SCNMg-850-36Rh-500은 균일한 기공 분포를 가지는 시트 형상의 구조이고, 수백 nm 길이로 형성됨을 알 수 있다 (도 9의 b). 또한, HAADF-STEM (High-angle annular dark-field scanning TEM) 결과로부터, SCNMg-850-36Rh-500은 SCNMg-850 지지체에 균일하게 분산되어 형성된 Rh 클러스터(cluster)를 포함하는 것을 확인할 수 있다 (도 9의 c). EDS (Energy dispersive spectroscopy) 결과로부터, C, N, S, Rh 및 O 원소가 균일하게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다 (도 10). 또한, HR-TEM 측정 결과로부터 SCNMg-850-36Rh-500은 SCNMg-850 지지체에 균일하게 분산되어 형성된 Rh 클러스터를 포함하고, Rh 클러스터의 입자 크기는 1~3 nm로 형성되는 것을 확인할 수 있다 (도 9의 d). 높은 배율로 확대된 HR-TEM 이미지에서, 매우 작은 Rh 나노입자와 그래핀 사이에 경계가 명확하게 관찰되지 않으며, 이는 Rh 클러스터의 표면 원소는 그래핀 구조체의 S 및 N원소와 부분적으로 결합되어 있음을 시사한다 (도 9의 e). 도 9 d의 red box 영역의 HR-TEM 확대 이미지에서, Rh 클러스터는 격자 거리(lattice distance)는 0.221 nm 이고, 이는 큐빅 Rh의 (111)면과 일치된다 (도 9의 f). 다만, RhCl3.nH2O의 함량이 감소되는 경우(18 μM RhCl3.nH2O), Rh 입자는 불균일하게 분산되는 경향을 보이며 (도 11의 a 및 b), 반대로 RhCl3.nH2O의 함량이 증가되는 경우 (73 μM RhCl3.nH2O), Rh 입자 사이즈가 증가되고, 부분적으로 응집되는 것을 확인할 수 있다 (도 11의 c 및 d).From FIG. 9, TEM was measured to confirm the formation of Rh nanoparticles dispersed and supported on the SCNMg-850 support, and the SCNMg-850-36Rh-500 has a sheet-like structure with a uniform pore distribution, and a length of several hundred nm It can be seen that it is formed as (b of FIG. 9). In addition, from the results of high-angle annular dark-field scanning TEM (HAADF-STEM), it can be confirmed that SCNMg-850-36Rh-500 includes Rh clusters that are uniformly dispersed in the SCNMg-850 support ( Fig. 9 c). From the results of energy dispersive spectroscopy (EDS), it can be seen that C, N, S, Rh and O elements are uniformly dispersed ( FIG. 10 ). In addition, from the HR-TEM measurement results, it can be seen that SCNMg-850-36Rh-500 includes Rh clusters uniformly dispersed in the SCNMg-850 support, and the particle size of the Rh clusters is 1-3 nm ( Fig. 9 d). In the HR-TEM image magnified at high magnification, the boundary between the very small Rh nanoparticles and graphene is not clearly observed, which indicates that the surface elements of the Rh cluster are partially bound to the S and N elements of the graphene structure. (FIG. 9e). In the HR-TEM enlarged image of the red box region of FIG. 9d , the Rh cluster has a lattice distance of 0.221 nm, which coincides with the (111) plane of cubic Rh ( FIG. 9f ). However, when the content of RhCl 3 .nH 2 O is reduced (18 μM RhCl 3 .nH 2 O), the Rh particles tend to be non-uniformly dispersed ( FIGS. 11 a and b ), and conversely, RhCl 3 .nH 2 When the content of O is increased (73 μM RhCl 3 .nH 2 O), it can be seen that the Rh particle size is increased and partially aggregated ( FIGS. 11 c and d ).

[평가예 5][Evaluation Example 5] Rh 담지된 N 및 S 이중도핑 다공성 탄소체 촉매의 전기화학적 특성 Electrochemical properties of Rh-supported N and S double-doped porous carbon catalyst

도 12a는 실시예(SCNMg-850-YRh-500, Y는 18, 36 및 73)와 비교예(상업용 Pt/C, Pt함량 20wt% 및 46wt%)에 대한 LSV(linear sweep voltammetry) 그래프이다. 이때, 1.0 M KOH에서 scan rate 5 mV/sec으로 측정하였다. 그 결과 SCNMg-850-36Rh-500 촉매의 HER 성능이 가장 좋게 나타났다. 한편, TGA 결과를 참조할 때, SCNMg-850-36Rh-500의 Rh 함량은 5.2wt%인 것을 알 수 있다. (도 13 참조) 한편, SCNMg-850-36Rh-500 촉매는 10 mA/cm2 전류 밀도를 가지기 위해 18 mV의 과전압을 요구하나, 상용 Pt/C(Pt함량 20wt% 및 46wt%);의 경우 이보다 더 높은 과전압(26 mV, 40 mV)이 요구된다.12A is a linear sweep voltammetry (LSV) graph for Examples (SCNMg-850-YRh-500, Y is 18, 36 and 73) and Comparative Examples (commercial Pt/C, Pt content of 20 wt% and 46 wt%). At this time, it was measured at a scan rate of 5 mV/sec in 1.0 M KOH. As a result, the HER performance of the SCNMg-850-36Rh-500 catalyst was the best. On the other hand, when referring to the TGA results, it can be seen that the Rh content of SCNMg-850-36Rh-500 is 5.2 wt%. (See FIG. 13) On the other hand, the SCNMg-850-36Rh-500 catalyst requires an overvoltage of 18 mV to have a current density of 10 mA/cm 2 , but commercial Pt/C (Pt content 20wt% and 46wt%); A higher overvoltage (26 mV, 40 mV) is required.

도 12b를 참조하면, 전기화학적 임피던스 분광법 (impedance spectroscopy)으로, 20mV의 과전위에서 H+ reduction을 위한 전극 동역학을 분석하였다. SCNMg-850-36Rh-500은 상용 Pt/C 대비 현저히 낮은 전하 이동 저항(charge transfer resistance)을 가지며, 이는 촉매와 전해질 계면에서 빠른 패러데이(faradaic) 프로세스를 의미한다. Referring to FIG. 12B , electrode dynamics for H + reduction at an overpotential of 20 mV were analyzed by electrochemical impedance spectroscopy. SCNMg-850-36Rh-500 has significantly lower charge transfer resistance than commercial Pt/C, which means a fast faradaic process at the catalyst and electrolyte interface.

또한, 전기촉매반응에서 로딩양과 어닐링 온도는 핵심요소 중 하나이다. 전기촉매의 HER 성능에 어닐링 온도가 영향을 미치는 정도를 분석하기 위하여 제조된 SCNMg-850-36Rh 샘플을 NH3 가스 흐름 하에서 각각 500, 700 및 900℃ 어닐링하였다. 도 12c를 참조하면, SCNMg-850-36Rh-500의 HER 성능이 가장 높은 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 초미세크기(ultra-small sized)의 Rh 클러스터(clusters)가 균일하게 분포된 것으로부터 영향을 받은 것으로 분석된다. 초미세크기를 가지는 입자의 균일한 분포는 높은 전기촉매 활동성으로 발현되는 것으로 알려져 있기 때문이다. 관련하여, SCNMg-850-36Rh-500에 비해, SCNMg-850-36Rh-700과 SCNMg-850-36Rh-900의 경우 XRD 분석에 의하면 2θ degrees 40.010, 47.780, 및 69.870에 해당되는 새로운 피크가 발생하였고, 이들은 Rh의 (111), (200), 및 (220) 결정면에 해당되는 것으로서 Rh 입자 크기와 관련이 있다 (도 14 참조). 한편, TEM 이미지를 통해서도 동일한 결과를 확인할 수 있다 (도 15 참조). 즉, 어닐링을 500℃ 대비 700℃ 및 900℃의 온도에서 진행하는 경우 새로운 상이 형성되고, Rh 입자가 응집되어 상대적으로 큰 크기의 입자를 형성하므로, 이로부터 촉매의 활성도가 저하될 수 있다. In addition, the loading amount and annealing temperature are one of the key factors in the electrocatalytic reaction. In order to analyze the effect of the annealing temperature on the HER performance of the electrocatalyst, the prepared SCNMg-850-36Rh sample was annealed at 500, 700 and 900° C. under NH 3 gas flow, respectively. Referring to FIG. 12c , it can be seen that the HER performance of SCNMg-850-36Rh-500 is the highest. These results are analyzed to be influenced by the uniform distribution of ultra-small sized Rh clusters. This is because the uniform distribution of ultra-fine particles is known to be expressed with high electrocatalytic activity. In relation to this, compared to SCNMg-850-36Rh-500, in the case of SCNMg-850-36Rh-700 and SCNMg-850-36Rh-900, new peaks corresponding to 2θ degrees 40.010, 47.780, and 69.870 were generated according to XRD analysis. , which correspond to the (111), (200), and (220) crystal planes of Rh and are related to the Rh grain size (see FIG. 14 ). On the other hand, the same result can be confirmed through the TEM image (see FIG. 15). That is, when the annealing is performed at a temperature of 700° C. and 900° C. compared to 500° C., a new phase is formed, and Rh particles are aggregated to form particles having a relatively large size, thereby reducing the activity of the catalyst.

또한, 전술한 바와 같이, 전기촉매 시스템에서 담체(지지체, support)는 금속 이온/ 나노입자와의 상호작용에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 지지체의 역할을 평가하기 위하여, 실시예(SCNMg-850-36Rh-500)와 비교예 1~3(rGO-36Rh-500, VC-36Rh-500, 및 SCN-36Rh-500)의 HER 성능을 비교하였다. 도 12d를 참조하면, LSV plot으로부터 실시예가 비교예 대비 높은 HER 활성을 보이고 있고, 이는 SCNMg-850은, Rh의 비어있는 d-오비탈에 결합이 가능한 충분한 수의 electron-rich elements를 가지며, 이로 인해 활성 사이트(active site)가 노출되어 초미세크기의 Rh 나노입자의 균일한 분포를 돕기 때문으로 분석된다. 반면에 비교예들은 큰 크기의 Rh 입자들이 불균일하게 분포되어 있으며 (도 16 참조), 또한, 이들은 낮은 비표면적, 다층의 그래핀(multi layer), 및 낮은 전기전도도 (도 17 참조)를 나타냄에 따라 결과적으로 낮은 전기촉매적 HER 활동도를 보였다. 이와는 반대로 SCNMg-850은 높은 비표면적, 2~3 layer의 그래핀을 형성하며, 우수한 전기전도성을 제공하여 촉매의 최대 표면을 사용하여 전해질과 접촉하고 전극의 전하 이동 속도가 우수하여 전기 촉매 HER 활성이 탁월했다.In addition, as described above, in the electrocatalyst system, the support (support) plays a very important role in the interaction with metal ions/nanoparticles. In order to evaluate the role of the scaffold, the HER performance of Examples (SCNMg-850-36Rh-500) and Comparative Examples 1 to 3 (rGO-36Rh-500, VC-36Rh-500, and SCN-36Rh-500) was compared. did Referring to FIG. 12d , from the LSV plot, the Example shows a higher HER activity than the comparative example, which is why SCNMg-850 has a sufficient number of electron-rich elements capable of binding to the vacant d-orbital of Rh. It is analyzed that this is because the active site is exposed to help uniform distribution of ultra-fine Rh nanoparticles. On the other hand, in Comparative Examples, large-sized Rh particles are non-uniformly distributed (see FIG. 16), and they exhibit a low specific surface area, multi-layered graphene, and low electrical conductivity (see FIG. 17). As a result, the electrocatalytic HER activity was low. On the contrary, SCNMg-850 forms graphene with a high specific surface area and 2 to 3 layers, and provides excellent electrical conductivity to contact the electrolyte using the maximum surface of the catalyst and has excellent charge transfer speed of the electrode, resulting in electrocatalytic HER activity This was excellent.

그러므로, Nyquist plot 도 12e를 참조하면, SCNMg-850-36Rh-500은 전하 이동 속도가 VC-36Rh-500, rGO-36Rh-500, 및 SCN-36Rh-500 대비 높고, 촉매와 전해질 계면에서 빠른 패러데이 프로세스가 발생되는 것을 알 수 있다. 또한, ECSA (electrochemical active surface area)은 촉매의 double-layer capacitance에 비례하므로, 도 18d의 결과를 참조할 때, SCNMg-850-36Rh-500 촉매는 H+ 흡착/탈착을 위한 높은 전기화학적 활성 표면적을 제공하는 것을 알 수 있다. Therefore, referring to the Nyquist plot Fig. 12e, SCNMg-850-36Rh-500 has a higher charge transfer rate than VC-36Rh-500, rGO-36Rh-500, and SCN-36Rh-500, and a faster Faraday at the catalyst and electrolyte interface. You can see that the process is taking place. In addition, since the electrochemical active surface area (ECSA) is proportional to the double-layer capacitance of the catalyst, referring to the results of FIG. 18d , the SCNMg-850-36Rh-500 catalyst has a high electrochemically active surface area for H + adsorption/desorption It can be seen that provides

촉매의 전환빈도(TOF, turn of frequency)를 측정하여 도 12f에 나타내었다. TOF 결과는 SCNMg-850-36Rh-500가 46% Pt/C 촉매 대비 높은 양의 H2 s-1을 수용할 수 있음을 암시한다. 이러한 결과는 우수한 촉매 활성이 Rh 종의 높은 이용률 및 이의 고유한 전자 구조와 조성 그리고 전체 특성에 기인될 수 있음을 나타낸다. 한편, SCNMg-850-36Rh-500의 조성 및 전자 구조를 확인하기 위하여, X선 광전자 분광법 분석(XPS)을 하였고, XPS 분석결과 C 96.53, S 0.17, N 1.08, Rh 0.28 및 O 1.93 at%로 나타났다. The conversion frequency (TOF, turn of frequency) of the catalyst was measured and shown in FIG. 12f. TOF results suggest that SCNMg-850-36Rh-500 can accommodate a higher amount of H 2 s -1 compared to 46% Pt/C catalyst. These results indicate that the excellent catalytic activity can be attributed to the high availability of Rh species and its unique electronic structure and composition and overall properties. On the other hand, in order to confirm the composition and electronic structure of SCNMg-850-36Rh-500, X-ray photoelectron spectroscopy analysis (XPS) was performed. As a result of XPS analysis, C 96.53, S 0.17, N 1.08, Rh 0.28 and O 1.93 at% appear.

이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, but may be manufactured in a variety of different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will appreciate the technical spirit of the present invention. However, it will be understood that the invention may be embodied in other specific forms without changing essential features. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (12)

황 및 질소 원소 함유 전구체를 고분자화하여 벌크 그래파이트형 고분자를 제조하는 단계;
비활성 기체 분위기에서 상기 벌크 그래파이트형 고분자와 금속분말을 혼합한 후, 상기 금속의 용융점 이상의 온도에서 열처리하는 단계; 및
상기 열처리 생성물을 산으로 세척하는 단계를 포함하는 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체의 제조방법.
preparing a bulk graphite-type polymer by polymerizing a precursor containing sulfur and nitrogen elements;
After mixing the bulk graphite-type polymer and the metal powder in an inert gas atmosphere, heat treatment at a temperature greater than or equal to the melting point of the metal; and
A method for producing a highly graphitic porous carbon body doped with sulfur and nitrogen, comprising the step of washing the heat treatment product with an acid.
제1항에서, 상기 황 및 질소 원소 함유 전구체는 티오유레아(thiourea), 티오시안산암모늄(ammonium thiocyanate) 및 티오아세트아미드(thioacetamide)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체의 제조방법.According to claim 1, wherein the sulfur and nitrogen element-containing precursor is at least one selected from the group consisting of thiourea, ammonium thiocyanate and thioacetamide, sulfur and nitrogen double doping high A method for producing a graphitic porous carbon body. 제1항에서, 상기 황 및 질소 원소 함유 전구체는 황 함유 전구체 및 질소 함유 전구체를 포함하고,
상기 황 함유 전구체는 벤질 디설파이드(benzyl disulfide), 티오핀(thiophene), 2,2'-다이티오펜(2,2'-dithiophene), p-톨루엔설폰산(p-toluenesulfonic acid) 및 2-티오핀메탄올(2-thiophenemethanol)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 유기분자 전구체 또는 고분자 전구체이고,
상기 질소 함유 전구체는 구아닌(guanine), 아데닌(adenine), 푸린(purine) 등의 아미노산류, 멜라민(melamine), 유레아(urea), 피리딘(pyridine), 아닐린(aniline), 디시안디아미드(dicyandiamide), 에틸렌다이아민(ethylenediamine) 및 에틸렌 다이아민 테트라아세트산(EDTA)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 유기분자 또는 고분자 전구체인, 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the sulfur- and nitrogen-containing precursor includes a sulfur-containing precursor and a nitrogen-containing precursor,
The sulfur-containing precursor is benzyl disulfide, thiophene, 2,2'-dithiophene, p-toluenesulfonic acid, and 2-thio It is an organic molecule precursor or a polymer precursor containing at least one selected from the group consisting of pinmethanol (2-thiophenemethanol),
The nitrogen-containing precursor is amino acids such as guanine, adenine, purine, melamine, urea, pyridine, aniline, dicyandiamide) , ethylenediamine (ethylenediamine) and ethylenediamine tetraacetic acid (EDTA) organic molecule or polymer precursor containing at least one selected from the group consisting of, sulfur and nitrogen double doping method for producing a highly graphitic porous carbon body.
제1항에서, 상기 금속분말은 알칼리 토금속의 분말인 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체의 제조방법.[Claim 2] The method of claim 1, wherein the metal powder is an alkaline earth metal powder, which is double doped with sulfur and nitrogen. 제1항에서, 상기 벌크 그래파이트형 고분자와 금속분말은 N+S:M 원자 몰비 1:0.3 내지 1:5로 혼합되는 다공성 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 탄소체의 제조방법.
(상기 N 및 S는 각각 벌크 그래파이트형 고분자에 헤테로 원소로 포함된 질소 및 황이고, 상기 M은 금속분말의 금속 원소이며, N+S는 상기 질소 및 황 원자의 총합이다)
The method of claim 1, wherein the bulk graphite-type polymer and the metal powder are mixed in an N+S:M atomic molar ratio of 1:0.3 to 1:5.
(The N and S are nitrogen and sulfur included as hetero elements in the bulk graphite polymer, respectively, M is a metal element of the metal powder, and N+S is the sum of the nitrogen and sulfur atoms)
헤테로 원소로 0.3 ~ 5.0 원자%의 N 및 0.1 ~ 1.5 원자%의 S를 포함하고,
BET 비표면적이 80 ~ 1,000 m2/g이며,
라만 스펙트럼으로 측정된 피크의 강도비가 하기 관계식 1 및 2를 만족하는 다공성 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 탄소체:
[관계식 1]
0 ≤ ID/IG ≤ 0.95
[관계식 2]
0.3 ≤ I2D/IG 2
상기 관계식 1 및 2에서, ID는 라만 스펙트럼에서 D 밴드(1,350cm-1 부근)의 피크강도, IG는 라만 스펙트럼에서 G 밴드(1,580cm-1 부근)의 피크강도, I2D는 라만 스펙트럼에서 2D 밴드(2,700cm-1 부근)의 피크강도이다.
It contains 0.3 to 5.0 atomic % of N and 0.1 to 1.5 atomic % of S as a hetero element,
BET specific surface area of 80 ~ 1,000 m 2 /g,
A porous sulfur and nitrogen double-doped highly graphitic carbon material satisfying the following Relations 1 and 2 in the intensity ratio of the peak measured by the Raman spectrum:
[Relational Expression 1]
0 ≤ I D /I G ≤ 0.95
[Relational Expression 2]
0.3 ≤ I 2D /I G 2
In Relations 1 and 2, I D is the peak intensity of the D band (near 1,350 cm −1 ) in the Raman spectrum, I G is the peak intensity of the G band (near 1,580 cm −1 ) in the Raman spectrum, and I 2D is the Raman spectrum is the peak intensity of the 2D band (near 2,700 cm -1 ).
제6항에서, 상기 탄소체는 하기 관계식 3을 만족하는 다공성 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 탄소체:
[관계식 3]
V1/V2 ≤ 0.5
상기 관계식 3에서, V1은 탄소체의 마이크로기공의 부피(cm3/g), V2는 탄소체의 메조기공의 부피(cm3/g)이다.
[Claim 7] The carbon material of claim 6, wherein the carbon material is a porous sulfur and nitrogen double-doped highly graphitic carbon material satisfying the following relation:
[Relational Expression 3]
V 1 /V 2 ≤ 0.5
In Relation 3, V 1 is the volume of micropores of the carbon body (cm 3 /g), and V 2 is the volume of the mesopores of the carbon body (cm 3 /g).
제6항에서, 상기 탄소체는 0.3 내지 1.8 cm3/g 부피의 메조기공을 포함하는 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체.[Claim 7] The highly graphitic porous carbon body of claim 6, wherein the carbon body contains mesopores having a volume of 0.3 to 1.8 cm 3 /g. 삭제delete 삭제delete 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항의 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체를 포함하는 연료전지용 및/또는 수전해 반응 전극 촉매.A fuel cell and/or water electrolysis reaction electrode catalyst comprising the highly graphitized porous carbon material doped with sulfur and nitrogen according to any one of claims 6 to 8. 제11항에서, 상기 황 및 질소 이중 도핑 고흑연성 다공성 탄소체는, 표면 및 내부에 백금(Pt), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 몰리브데늄(Mo), 바나듐(V) 등 또는 이들의 조합을 담지하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 및/또는 수전해 반응 전극 촉매.
[Claim 12] The method of claim 11, wherein the sulfur and nitrogen double-doped highly graphitic porous carbon body is platinum (Pt), rhodium (Rh), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), palladium ( Pd), copper (Cu), iridium (Ir), osmium (Os), molybdenum (Mo), vanadium (V), etc. or a combination thereof, characterized in that, for fuel cells and / or water electrolysis reaction electrode catalyst.
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