KR102385067B1 - Co catalyst for oxygen evolution reaction and The manufacturing method for the same - Google Patents

Co catalyst for oxygen evolution reaction and The manufacturing method for the same Download PDF

Info

Publication number
KR102385067B1
KR102385067B1 KR1020200125838A KR20200125838A KR102385067B1 KR 102385067 B1 KR102385067 B1 KR 102385067B1 KR 1020200125838 A KR1020200125838 A KR 1020200125838A KR 20200125838 A KR20200125838 A KR 20200125838A KR 102385067 B1 KR102385067 B1 KR 102385067B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cobalt
catalyst
water electrolysis
oxygen evolution
cobalt catalyst
Prior art date
Application number
KR1020200125838A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20220042695A (en
Inventor
박세규
한효경
김인겸
Original Assignee
광운대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광운대학교 산학협력단 filed Critical 광운대학교 산학협력단
Priority to KR1020200125838A priority Critical patent/KR102385067B1/en
Publication of KR20220042695A publication Critical patent/KR20220042695A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102385067B1 publication Critical patent/KR102385067B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/08Heat treatment
    • B01J37/082Decomposition and pyrolysis
    • B01J37/088Decomposition of a metal salt
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/74Iron group metals
    • B01J23/75Cobalt
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/002Catalysts characterised by their physical properties
    • B01J35/0033Electric or magnetic properties
    • B01J35/33
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/12Oxidising
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/16Reducing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C25B11/077Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound the compound being a non-noble metal oxide
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Abstract

본 발명은, 환원된 그래핀옥사이드 지지체 상에, 커켄들(Kirkendall) 효과로 인해, 사산화삼코발트(Co3O4) 중공(hollow) 나노입자가 분산된 구조를 가짐으로써, 수전해에 적합한 전기화학 반응 활성을 가지며, 산성 고전위 조건 하에서 촉매 안정성이 현저히 향상되는 산소발생반응용 코발트 촉매 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상기 코발트 촉매는 사산화삼코발트(Co3O4) 중공나노입자를 포함한 코발트 산화물과 지지체인 환원그래핀옥사이드 간 강한 상호작용으로 인해 격한 산화조건 하에서도 단단히 고정되므로, 안정성 측면에서 뛰어나고, 이에 촉매가 적용되는 수전해용 전극, 수전해용 막 전극 접합체 및 수전해셀의 성능을 증가시킬 수 있다.The present invention, on a reduced graphene oxide support, due to the Kirkendall effect, tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) By having a hollow nanoparticle dispersed structure, electrochemical suitable for water electrolysis It relates to a cobalt catalyst for oxygen evolution reaction having reaction activity and remarkably improved catalyst stability under acidic high potential conditions and a method for producing the same, wherein the cobalt catalyst comprises cobalt oxide including tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) hollow nanoparticles and Because of the strong interaction between the reduced graphene oxide as the support, it is firmly fixed even under severe oxidizing conditions, so it is excellent in stability and can increase the performance of the water electrolysis electrode, the water electrolysis membrane electrode assembly and the water electrolysis cell to which the catalyst is applied. there is.

Figure 112020103181471-pat00006
Figure 112020103181471-pat00006

Description

산소발생반응용 코발트 촉매 및 제조방법{Co catalyst for oxygen evolution reaction and The manufacturing method for the same} Cobalt catalyst for oxygen evolution reaction and the manufacturing method for the same

본 발명은 산소발생반응용 코발트 촉매 및 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a cobalt catalyst for an oxygen evolution reaction and a preparation method.

수소 에너지는 친환경적이며, 재활용 가능하고, 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에, 에너지 운반체로서 여러 어플리케이션에 사용될 수 있다. 수전해 장치는 순수한 수소를 생산하는데 있어서 유망한 방법 중 하나이다. 특히 고분자 전해질 막을 사용하는 수전해 장치(Polymer electrolyte membrane water electrolysis, 이하 PEMWE)는 수소생산 속도가 빠르고, 전해질 손실이 없다는 장점이 있다. Because hydrogen energy is environmentally friendly, recyclable, and has a high energy density, it can be used in many applications as an energy carrier. A water electrolyzer is one of the promising methods for producing pure hydrogen. In particular, a polymer electrolyte membrane water electrolysis (PEMWE) using a polymer electrolyte membrane has the advantage of high hydrogen production rate and no electrolyte loss.

하지만, 산화극에서의 느린 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction, 이하 OER)은 여전히 PEMWE 상용화의 걸림돌이며, 이를 극복하기 위해 우수한 반응 속도 및 활성을 가지는 PEMWE용 촉매 개발이 요구되고 있다. OER 촉매는 산성 전해질의 고전위 운전 조건에서 높은 활성 및 내구성이 요구되며, 일반적으로 이리듐 및 루테늄 기반의 순수 금속 촉매 및 산화물 촉매가 사용된다. 이러한 촉매 물질들은 벌크 산화물, 나노덴드라이트, 나노다공성 구조, 금속/금속 산화물, 필름 구조 등 다양한 형태로 개발되어졌다. 그럼에도 불구하고, 금속 양을 줄이면서, 높은 촉매 활성 및 내구성을 충족시키기는 힘들었다.However, the slow oxygen evolution reaction (OER) at the anode is still an obstacle to the commercialization of PEMWE, and in order to overcome this, the development of a catalyst for PEMWE having excellent reaction rate and activity is required. OER catalysts require high activity and durability under high-potential operating conditions of acidic electrolytes, and in general, pure metal catalysts and oxide catalysts based on iridium and ruthenium are used. These catalyst materials have been developed in various forms such as bulk oxides, nanodendrites, nanoporous structures, metal/metal oxides, and film structures. Nevertheless, it has been difficult to meet high catalytic activity and durability while reducing the amount of metal.

한편, 고가의 귀금속 대신 보다 저렴한 코발트(Co), 니켈(Ni) 등 전이금속들을 OER 촉매 소재로 사용하고자 하는 연구가 계속되고 있는 상황이나, 이 중 코발트(산화물)는 산성 환경에서 쉽게 용해되고 높은 양극 전위에서 부동태화 되는 문제가 있으므로, 높은 양극 전위 및 가혹한 산성 조건 하에서 매우 안정적인 코발트(산화물) 촉매를 개발할 필요성이 있다. On the other hand, research to use cheaper transition metals such as cobalt (Co) and nickel (Ni) as OER catalyst materials instead of expensive noble metals is ongoing. Due to the problem of passivation at the anodic potential, there is a need to develop a very stable cobalt (oxide) catalyst under high anodic potential and under severe acidic conditions.

이에 본 발명자들은 환원된 그래핀옥사이드 지지체 상에, 커켄들(Kirkendall) 효과를 통해 사산화삼코발트(Co3O4) 중공(hollow) 나노입자가 분산된 산소발생반응용 코발트 촉매를 제조하는 경우, 산성 고전위 조건이 요구되는 전기화학 반응에 매우 적합하다는 점을 발견하고, 이를 완성하기에 이르렀다.Accordingly, the present inventors on the reduced graphene oxide support, through the Kirkendall effect, cobalt trioxide (Co 3 O 4 ) When preparing a cobalt catalyst for oxygen generation reaction in which hollow nanoparticles are dispersed, acid We found that it is very suitable for electrochemical reactions that require high potential conditions, and we have completed it.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 분무 열분해 방법으로, 코발트 산화물이 분산된 환원그래핀옥사이드를 열처리하여 환원 및 산화 등 과정을 순차적으로 거침으로써, 커켄들 효과로 인해, 사산화삼코발트(Co3O4) 중공(hollow) 나노입자가 환원그래핀옥사이드 상에 분산되어, 수전해에 적합한 전기화학 반응 활성을 가지며, 산성 고전위 조건 하에서 촉매 안정성이 현저히 향상되는, 산소발생반응용 코발트 촉매 및 그 제조방법을 제공하고자 한다. In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention is a spray pyrolysis method, by heat-treating reduced graphene oxide in which cobalt oxide is dispersed to sequentially go through processes such as reduction and oxidation, due to the Kirkendle effect, tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) Cobalt for oxygen evolution reaction, in which hollow nanoparticles are dispersed on reduced graphene oxide, have electrochemical reaction activity suitable for water electrolysis, and catalyst stability is significantly improved under acidic high potential conditions An object of the present invention is to provide a catalyst and a method for preparing the same.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. In addition, the technical problems to be solved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. can be understood

본 명세서에서는, a) 코발트 전구체 용액 및 그래핀옥사이드를 분무 열분해하여 코발트 산화물이 분산된 환원그래핀옥사이드(Reduced Graphene Oxide)를 제조하는 단계; b) 상기 코발트 산화물이 분산된 환원그래핀옥사이드를 300 내지 600 ℃ 범위에서 열처리하여 1차 산화 또는 환원시키는 단계; 및 c) 상기 b 단계 이후, 250 내지 350 ℃ 범위에서 2차 열처리하여 산화시킴으로써, 환원그래핀옥사이드에 의해 지지되는 코발트 중공 나노입자를 형성하는 단계; 를 포함하는 산소발생반응용 코발트 촉매 제조방법을 제공한다.In the present specification, a) spray pyrolysis of a cobalt precursor solution and graphene oxide to prepare a reduced graphene oxide dispersed in cobalt oxide (Reduced Graphene Oxide); b) primary oxidation or reduction by heat-treating the reduced graphene oxide in which the cobalt oxide is dispersed in the range of 300 to 600 °C; And c) after step b, by oxidation by secondary heat treatment in the range of 250 to 350 ℃, forming a hollow cobalt nanoparticles supported by reduced graphene oxide; It provides a method for preparing a cobalt catalyst for an oxygen evolution reaction comprising a.

또한, 본 명세서에서 코발트 전구체 용액은 코발트 질산 헥사하이드레이트(Co(NO3)26H2O)이며, 상기 그래핀옥사이드는 변형된 휴머스 방법(Hummer's method)에 의해 제조된 것인, 산소발생반응용 코발트 촉매 제조방법을 제공한다. In addition, in the present specification, the cobalt precursor solution is cobalt nitrate hexahydrate (Co(NO 3 ) 2 6H 2 O), and the graphene oxide is prepared by a modified Hummer's method, oxygen evolution reaction A method for preparing a cobalt catalyst for use is provided.

또한, 본 명세서에서 상기 코발트 전구체 용액은 0.01 내지 0.02 M의 몰 농도를 가지는, 산소발생반응용 코발트 촉매 제조방법을 제공한다. In addition, in the present specification, the cobalt precursor solution has a molar concentration of 0.01 to 0.02 M, and provides a method for preparing a cobalt catalyst for oxygen evolution reaction.

또한, 본 명세서에서 상기 b 단계의 1차 산화 단계는 공기 또는 산소 분위기 하, 300 내지 600℃ 범위에서 2 내지 4 시간 동안 열처리하여 수행되는 것인, 산소발생반응용 코발트 촉매 제조방법을 제공한다. In addition, in the present specification, the primary oxidation step of step b is performed by heat treatment in the range of 300 to 600° C. for 2 to 4 hours under an air or oxygen atmosphere, providing a method for preparing a cobalt catalyst for oxygen evolution reaction.

또한, 본 명세서에서 상기 b 단계의 환원 단계는 아르곤(Ar) 중 10% 수소(H2) 대기 하, 350 내지 450℃ 범위에서 2 내지 4 시간 동안 열처리하여 수행되는 것인, 산소발생반응용 코발트 촉매 제조방법을 제공한다.In addition, in the present specification, the reduction step of step b is carried out by heat treatment in the range of 350 to 450° C. for 2 to 4 hours under 10% hydrogen (H 2 ) in argon (Ar) atmosphere, cobalt for oxygen evolution reaction A method for preparing a catalyst is provided.

또한, 본 명세서에서 상기 c 단계의 2차 산화 단계는 공기 또는 산소 분위기 하, 250 내지 350℃ 범위에서 2 내지 4 시간 동안 열처리하여 수행되는 것인, 산소발생반응용 코발트 촉매 제조방법을 제공한다.In addition, in the present specification, the secondary oxidation step of step c in the present specification provides a method for preparing a cobalt catalyst for oxygen evolution reaction, which is performed by heat treatment in the range of 250 to 350° C. for 2 to 4 hours under air or oxygen atmosphere.

본 명세서에서는, 상기 방법에 따라 제조되는 코발트 촉매로서, 상기 코발트 촉매는, 환원그래핀옥사이드 지지체 상에 분산된 사산화삼코발트(Co3O4) 중공(hollow) 나노입자; 및 코발트(Ⅲ)산화물(Co2O3) 및 산화코발트(CoO) 중 선택되는 1종 이상의 코발트 산화물; 을 포함하는, 산소발생반응용 코발트 촉매를 제공한다.In the present specification, as a cobalt catalyst prepared according to the method, the cobalt catalyst is cobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) hollow nanoparticles dispersed on a reduced graphene oxide support; and at least one cobalt oxide selected from cobalt (III) oxide (Co 2 O 3 ) and cobalt oxide (CoO); It provides a cobalt catalyst for an oxygen evolution reaction, comprising a.

또한, 본 명세서에서 상기 사산화삼코발트(Co3O4) 중공 나노입자의 평균 입경은 16.57 ±5.21 ㎚ 범위이며, 3 ± 0.5 ㎚ 두께의 쉘을 가지는 것인, 산소발생반응용 코발트 촉매를 제공한다. In addition, in the present specification, the average particle diameter of the tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) hollow nanoparticles is in the range of 16.57 ± 5.21 nm, and has a shell of 3 ± 0.5 nm thick, it provides a cobalt catalyst for oxygen evolution reaction.

또한, 본 명세서에서 상기 코발트 촉매는, 촉매 전체 중량을 기준으로 사산화삼코발트(Co3O4) 중공 나노입자 80 내지 90 중량% 및 환원그래핀옥사이드 10 내지 20 중량%를 포함하는, 산소발생반응용 코발트 촉매를 제공한다. In addition, in the present specification, the cobalt catalyst, based on the total weight of the catalyst, tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) containing 80 to 90% by weight of hollow nanoparticles and 10 to 20% by weight of reduced graphene oxide, for oxygen evolution reaction A cobalt catalyst is provided.

또한, 본 명세서에서 상기 코발트 촉매에 있어, Co3+/Co2+ 비율은 2 이상인, 산소발생반응용 코발트 촉매를 제공한다. In addition, in the present specification, in the cobalt catalyst, Co 3+ /Co 2+ ratio is 2 or more, it provides a cobalt catalyst for oxygen evolution reaction.

또한, 본 명세서에서 상기 코발트 촉매는 5,000회의 전위 사이클 이후에 초기 전류의 80% 이상을 유지하는, 산소발생반응용 코발트 촉매를 제공한다.In addition, in the present specification, the cobalt catalyst provides a cobalt catalyst for oxygen evolution, which maintains 80% or more of the initial current after 5,000 dislocation cycles.

본 명세서에서는, 상기 산소발생반응용 코발트 촉매를 포함하는, 수전해용 전극을 제공한다. In the present specification, it provides an electrode for water electrolysis, including the cobalt catalyst for the oxygen evolution reaction.

본 명세서에서는, 상기 산소발생반응용 코발트 촉매를 포함하는, 수전해용 막 전극 접합체를 제공한다.In the present specification, it provides a membrane electrode assembly for water electrolysis, including the cobalt catalyst for the oxygen evolution reaction.

본 명세서에서는, 상기 산소발생반응용 코발트 촉매를 포함하는, 수전해셀을 제공한다. In the present specification, a water electrolysis cell comprising the cobalt catalyst for the oxygen evolution reaction is provided.

본 발명에 따른 산소발생반응용 코발트 촉매는, 환원된 그래핀옥사이드 지지체 상에, 커켄들(Kirkendall) 효과로 인해, 사산화삼코발트(Co3O4) 중공(hollow) 나노입자가 분산된 구조를 가짐으로써, 수전해에 적합한 전기화학 반응 활성을 가지며, 산성 고전위 조건 하에서 촉매 안정성이 현저히 향상된다. The cobalt catalyst for oxygen evolution according to the present invention has a structure in which cobalt trioxide (Co 3 O 4 ) hollow nanoparticles are dispersed on a reduced graphene oxide support due to the Kirkendall effect As a result, it has electrochemical reaction activity suitable for water electrolysis, and catalyst stability is remarkably improved under acidic high potential conditions.

또한, 본 발명에 따른 산소발생반응용 코발트 촉매는, 사산화삼코발트(Co3O4) 중공 나노입자를 포함한 코발트 산화물과 지지체인 환원그래핀옥사이드 간 강한 상호작용으로 인해 격한 산화조건 하에서도 단단히 고정되므로, 안정성 측면에서 뛰어나고, 이에 촉매가 적용되는 수전해용 전극, 수전해용 막 전극 접합체 및 수전해셀의 성능을 증가시킬 수 있다. In addition, the cobalt catalyst for oxygen evolution according to the present invention is firmly fixed even under severe oxidizing conditions due to the strong interaction between cobalt oxide including tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) hollow nanoparticles and reduced graphene oxide as a support. , it is excellent in stability, and the performance of an electrode for water electrolysis, a membrane electrode assembly for water electrolysis, and a water electrolysis cell to which a catalyst is applied can be increased.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산화발생반응용 코발트 촉매 제조과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 다양한 농도에서 합성된 코발트 산화물이 분산된 환원그래핀옥사이드(Reduced Graphene Oxide)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예 및 비교예들에 따라 제조된 코발트 촉매의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 코발트 촉매의 TEM 이미지((a) 내지 (d)), HAADF-STEM 이미지(e), 및 원소 매핑((f) Co, (g) O)을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 코발트 촉매의 (a) Co2p, (b) O1s, (c) C1s에 대한 고해상도 XPS 스캔을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예 및 비교예들에 따라 제조된 코발트 촉매의 순환전압전류 곡선을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예 및 비교예들에 따라 제조된 코발트 촉매의 (a) iR-correction이 있는 LSV 곡선, (b) 1.55 V(vs.RHE)에서의 TOF, (c) Tafel 기울기를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예 및 비교예들에 따라 제조된 코발트 촉매 및 Ir black의 (a) AST에서 1.3 - 1.65 V 사이의 전위 사이클링, (b) 가속 스트레스 테스트 후 1.8 V(vs.RHE)에서의 정규화된 전류 밀도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일실시예 및 비교예들에 따라 제조된 코발트 촉매의 AST 후 TEM 이미지((a) 내지 (d)), HAADF-STEM 이미지(e), 원소 매핑((f) Co, (g) O)을 나타낸 것이다.
1 schematically shows a process for preparing a cobalt catalyst for an oxidation reaction according to an embodiment of the present invention.
2 shows an SEM image of reduced graphene oxide in which cobalt oxide synthesized at various concentrations is dispersed according to an embodiment of the present invention.
3 shows the results of XRD analysis of cobalt catalysts prepared according to one embodiment and comparative examples of the present invention.
4 is a TEM image ((a) to (d)), HAADF-STEM image (e), and elemental mapping ((f) Co, (g) O) of a cobalt catalyst according to an embodiment of the present invention. will be.
5 shows a high-resolution XPS scan for (a) Co 2p , (b) O 1s , (c) C 1s of a cobalt catalyst according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing cyclic voltammetry curves of cobalt catalysts prepared according to one embodiment and comparative examples of the present invention.
7 shows (a) an LSV curve with iR-correction of a cobalt catalyst prepared according to an embodiment and comparative examples of the present invention, (b) TOF at 1.55 V (vs.RHE), (c) Tafel slope is shown.
Figure 8 is a cobalt catalyst and Ir black prepared according to an embodiment and comparative examples of the present invention (a) potential cycling between 1.3 - 1.65 V in AST, (b) 1.8 V (vs.RHE) after accelerated stress test ) is the normalized current density.
9 is a TEM image ((a) to (d)), HAADF-STEM image (e), elemental mapping ((f) Co, (g) O) is shown.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terminology used herein is used to describe exemplary embodiments only, and is not intended to limit the invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprises", "comprising" or "have" are intended to designate the presence of an embodied feature, step, element, or a combination thereof, but one or more other features or steps; It should be understood that the possibility of the presence or addition of components, or combinations thereof, is not precluded in advance.

또한 본 발명에 있어서, 각 층 또는 요소가 각 층들 또는 요소들의 "상에" 또는 "위에" 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층 또는 요소가 직접 각 층들 또는 요소들의 위에 형성되는 것을 의미하거나, 다른 층 또는 요소가 각 층 사이, 대상체, 기재 상에 추가적으로 형성될 수 있음을 의미한다.Also in the present invention, when it is said that each layer or element is formed "on" or "over" each layer or element, it means that each layer or element is formed directly on each layer or element, or other It means that a layer or element may additionally be formed between each layer, on the object, on the substrate.

발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated and described in detail below. However, this is not intended to limit the invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the invention.

본 발명에 있어서, 나노(nano)란 수 나노미터에서 수십 마이크로미터(㎛) 수준의 나노스케일을 의미하며, 구체적으로는 10㎚ 이하, 보다 구체적으로는 5㎚ 이하의 크기를 의미하는 것일 수 있다. 한편, 본 발명에 있어서, 명세서 및 청구범위 전반에서 사용되는 용어 "rGO"는 환원그래핀옥사이드를 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 용어 "코발트 산화물"은 금속 코발트와 산소가 반응하여 형성된 것으로서, 넓은 범위에서 사산화삼코발트(Co3O4), 코발트(Ⅲ)산화물(Co2O3) 및 산화코발트(CoO) 등을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, nano means a nanoscale of several nanometers to several tens of micrometers (㎛), specifically, it may mean a size of 10 nm or less, more specifically 5 nm or less . Meanwhile, in the present invention, the term “rGO” used throughout the specification and claims should be understood to mean reduced graphene oxide, and the term “cobalt oxide” is formed by reacting metal cobalt with oxygen, and has a wide range It should be understood to include all of cobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ), cobalt (III) oxide (Co 2 O 3 ), and cobalt oxide (CoO).

이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 산소발생반응용 코발트 촉매 제조방법, 이에 따라 제조된 산소발생반응용 코발트 촉매 및 상기 촉매를 포함하는 수전해용 전극, 수전해용 막 전극 접합체 및 수전해셀에 대해서 설명한다. Hereinafter, a method for producing a cobalt catalyst for an oxygen evolution reaction according to a specific embodiment of the present invention, a cobalt catalyst for an oxygen evolution reaction prepared accordingly, an electrode for water electrolysis comprising the catalyst, a membrane electrode assembly for water electrolysis, and a water electrolysis cell Explain.

산소발생반응용 코발트 촉매 및 제조방법Cobalt catalyst for oxygen evolution reaction and manufacturing method

본 발명의 일실시예에 따른, 산소발생반응용 코발트 촉매 제조방법은 a) 코발트 전구체 용액 및 그래핀옥사이드를 분무 열분해하여 코발트 산화물이 분산된 환원그래핀옥사이드(Reduced Graphene Oxide)를 제조하는 단계; b) 상기 코발트 산화물이 분산된 환원그래핀옥사이드를 300 내지 600 ℃ 범위에서 열처리하여 1차 산화 또는 환원시키는 단계; 및 c) 상기 b 단계 이후, 250 내지 350 ℃ 범위에서 열처리하여 2차 산화시킴으로써, 환원그래핀옥사이드에 의해 지지되는 코발트 중공 나노입자를 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다(도 1).According to an embodiment of the present invention, a method for preparing a cobalt catalyst for oxygen evolution reaction comprises: a) spraying and pyrolyzing a cobalt precursor solution and graphene oxide to prepare a reduced graphene oxide dispersed with cobalt oxide (Reduced Graphene Oxide); b) primary oxidation or reduction by heat-treating the reduced graphene oxide in which the cobalt oxide is dispersed in the range of 300 to 600 °C; And c) after step b, by secondary oxidation by heat treatment in the range of 250 to 350 ℃, forming a hollow cobalt nanoparticles supported by reduced graphene oxide; may include (FIG. 1).

먼저, 코발트 전구체 용액 및 그래핀옥사이드를 분무 열분해하여 코발트 산화물이 분산된 환원그래핀옥사이드(Reduced Graphene Oxide)를 제조한다(단계 a).First, a cobalt precursor solution and graphene oxide are spray pyrolyzed to prepare a reduced graphene oxide in which cobalt oxide is dispersed (step a).

구체적으로 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction, 이하 OER) 촉매는 물을 분해하여 산소를 발생시키는 촉매로서, 수전해셀 내에 산소발생반응(OER) 촉매 존재 시, 연료전지의 시동 및 정지에서의 고전위 분위기로 인해 촉매가 부식되기 전 물을 먼저 분해함으로써 촉매 부식을 방지할 수 있다. Specifically, an oxygen evolution reaction (OER) catalyst is a catalyst that generates oxygen by decomposing water. Catalyst corrosion can be prevented by first decomposing water before the catalyst is corroded by the atmosphere.

종래 산소발생반응(OER)에 있어서 촉매로 사용되던 활성 물질은 루테늄(Ru), 산화루테늄(RuO2) 및 산화이리듐(IrO2) 등이 있으나, 상기 물질들은 높은 가격 때문에 물 전기분해를 통해 장기적으로 수소 대량 생산을 하기에 부적합한 문제점이 있고, 또한 수전해셀 운전조건인 가혹한 산성 분위기에 취약하여 용출되는 등 촉매 활성 및 안정성 등의 측면에서 아쉬운 점이 존재하였다. 이에, 촉매 담지량을 줄이면서 촉매를 나노입자 형태로 분산시켜 효율성을 극대화하기 위하여 탄소 지지체를 사용하는 방법이 제안된 바 있으나, 수전해 장치에 있어서 운전 조건이 산성의 고전위 조건이므로, 탄소 지지체가 부식되어 촉매가 지지체로부터 탈착되고, 성능의 급격한 저하가 발생하는 문제가 있었다. Active materials used as catalysts in the conventional oxygen evolution reaction (OER) include ruthenium (Ru), ruthenium oxide (RuO 2 ), and iridium oxide (IrO 2 ). As a result, there was a problem in that it was not suitable for mass production of hydrogen, and there were also disadvantages in terms of catalyst activity and stability, such as being eluted because it was vulnerable to the harsh acidic atmosphere that is the operating condition of the water electrolysis cell. Accordingly, a method of using a carbon support to maximize efficiency by dispersing the catalyst in the form of nanoparticles while reducing the catalyst loading has been proposed. Corrosion caused the catalyst to be desorbed from the support, and there was a problem in that the performance rapidly deteriorated.

반면, 본 발명의 일실시예에 따라, 환원된 그래핀옥사이드 지지체 상에, 커켄들(Kirkendall) 효과를 통해 사산화삼코발트(Co3O4) 중공(hollow) 나노입자가 분산된 산소발생반응용 코발트 촉매를 제조하는 경우, 수전해에 적합한 전기화학 반응 활성을 가지며, 또한 산성 고전위 조건 하에서 촉매 안정성이 현저히 향상되는 장점이 있다. On the other hand, according to an embodiment of the present invention, cobalt for oxygen generation reaction in which cobalt trioxide (Co 3 O 4 ) hollow nanoparticles are dispersed on a reduced graphene oxide support through Kirkendall effect In the case of preparing the catalyst, it has an electrochemical reaction activity suitable for water electrolysis, and also has the advantage of significantly improving catalyst stability under acidic high potential conditions.

본 발명의 일실시예에 따른 코발트 전구체 용액은 후술하는 바와 같이 환원그래핀옥사이드 표면에 사산화삼코발트(Co3O4) 등 코발트 중공 나노입자를 형성시키기 위한 전구 물질로서, 구체적으로 코발트 질산 헥사하이드레이트(Co(NO3)26H2O)일 수 있으며, 일례로 0.01 내지 0.02 M의 몰 농도를 가지는 것, 상세하게는 0.015 M의 몰 농도를 가지는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 코발트 질산 헥사하이드레이트가 0.015 M의 몰 농도를 가지는 경우, 그래핀 시트 상에 충분한 양이 로딩되어 그래핀 지지체의 면적을 충분히 커버할 뿐만 아니라, 응집 없이 그래핀 지지체 표면 상에 조밀하게 덮여있어, 촉매 활성 표면적을 증가시킬 수 있게 된다(도 2). The cobalt precursor solution according to an embodiment of the present invention is a precursor for forming hollow cobalt nanoparticles such as tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) on the surface of reduced graphene oxide as described below, specifically cobalt nitrate hexahydrate ( Co(NO 3 ) 2 6H 2 O) may be, for example, having a molar concentration of 0.01 to 0.02 M, specifically, having a molar concentration of 0.015 M. Specifically, when the cobalt nitrate hexahydrate has a molar concentration of 0.015 M, a sufficient amount is loaded on the graphene sheet to sufficiently cover the area of the graphene support, and it is densely covered on the surface of the graphene support without agglomeration. Therefore, it becomes possible to increase the catalytically active surface area (FIG. 2).

본 발명의 일실시예에 따른 그래핀옥사이드(Graphene Oxides, GO)는 코발트 나노입자와 강하게 상호작용하는 동시에, 우수한 전기전도성과 자체 담지 능력을 제공함으로써, 지지체 역할을 수행하는 것일 수 있으며, 변형된 휴머스 방법(Hummer's method)에 의해 제조된 것일 수 있다. 일례로, 상기 단계에서 그래핀 산화물은 1mg mL-1로 사용되는 것일 수 있다. Graphene Oxides (GO) according to an embodiment of the present invention may serve as a support by providing excellent electrical conductivity and self-supporting ability while strongly interacting with cobalt nanoparticles. It may be prepared by the Hummer's method. As an example, in the above step, graphene oxide may be used in an amount of 1 mg mL -1 .

한편, 상기 코발트 전구체 용액 및 그래핀옥사이드를 포함하는 스프레이 전구체 용액을 제조한 다음, 분무 열분해 반응을 수행할 수 있으며, 상기 분무 열분해가 수행되는 반응기는 일례로, 초음파 분무기, 석영관이 있는 튜브 퍼니스(furnace), 및 분말 수집을 위한 백 필터(bag filter)로 구성되는 것일 수 있다. On the other hand, after preparing a spray precursor solution containing the cobalt precursor solution and graphene oxide, a spray pyrolysis reaction may be performed, and the reactor in which the spray pyrolysis is performed is, for example, an ultrasonic atomizer, a tube furnace with a quartz tube (furnace), and may be comprised of a bag filter for powder collection.

구체적으로, 액적(droplets)은 전구체 용액으로부터 초음파 분무기를 사용하여 생성되는 것일 수 있으며, 액적은 캐리어 가스로서 질소(N2) 흐름에 의해 석영관으로 전달되고, 튜브 퍼니스의 온도는 800℃로 유지된 상태로 상기 분무 열분해가 수행될 수 있다. 상기 과정을 통해 코발트 산화물이 분산된 환원그래핀옥사이드가 제조된다. Specifically, the droplets may be generated from a precursor solution using an ultrasonic atomizer, and the droplets are delivered to a quartz tube by a nitrogen (N 2 ) flow as a carrier gas, and the temperature of the tube furnace is maintained at 800° C. The spray pyrolysis may be performed in a state of being Through the above process, reduced graphene oxide in which cobalt oxide is dispersed is prepared.

다음으로, 상기 코발트 산화물이 분산된 환원그래핀옥사이드를 300 내지 600 ℃ 범위에서 열처리하여 1차 산화 또는 환원시킨다(단계 b). Next, the reduced graphene oxide in which the cobalt oxide is dispersed is subjected to a heat treatment in a range of 300 to 600° C. for primary oxidation or reduction (step b).

상기 단계는 초기 입방 구조(cubic structure)를 가진 코발트 산화물 특히, 산화코발트(CoO)를 열적 환원시킴으로써, 산화물로부터 산소 원자가 방출되게 되고, 이로 인해 코발트 원자가 더 작은 구형 입자로 수축된다. 한편, 환원그래핀옥사이드 지지체는 상기 코발트 산화물 입자가 응집되는 것을 방지한다. In this step, by thermal reduction of cobalt oxide having an initial cubic structure, particularly cobalt oxide (CoO), oxygen atoms are released from the oxide, which causes the cobalt atoms to shrink into smaller spherical particles. On the other hand, the reduced graphene oxide support prevents the cobalt oxide particles from being agglomerated.

한편, 상기 1차 산화 단계는 공기 또는 산소 분위기 하, 300 내지 600℃ 범위에서 2 내지 4 시간 동안 열처리하여 수행되는 것일 수 있다.Meanwhile, the primary oxidation step may be performed by heat treatment in the range of 300 to 600° C. for 2 to 4 hours under air or oxygen atmosphere.

한편, 상기 환원 단계는 아르곤(Ar) 중 10% 수소(H2) 대기 하, 350 내지 450℃ 범위에서 2 내지 4 시간 동안 열처리하여 수행되는 것일 수 있다. On the other hand, the reduction step may be performed by heat treatment in the range of 350 to 450 °C for 2 to 4 hours under 10% hydrogen (H 2 ) in argon (Ar) atmosphere.

한편, 본 발명의 명세서 및 청구범위 전반에서 사용되는 용어 "1차" 및 "2차" 등은 구분을 위하여 임의로 순서를 부여한 것으로 이해되어야 한다. On the other hand, it should be understood that the terms "primary" and "secondary" used throughout the specification and claims of the present invention are arbitrarily assigned an order for differentiation.

다음으로, 상기 b 단계 이후, 250 내지 350 ℃ 범위에서 열처리하여 2차 산화시킴으로써, 환원그래핀옥사이드에 의해 지지되는 중공 코발트 입자를 형성한다(단계 c).Next, after step b, by secondary oxidation by heat treatment in the range of 250 to 350 ° C., to form hollow cobalt particles supported by reduced graphene oxide (step c).

상기 단계에서는 상기 b 단계의 열적 산화 또는 환원 이후 연속된 열적 산화에 의해 커켄들 효과(Kirkendall diffusion effect)가 발생하여 코발트 산화물이 중공 입자로 변환됨으로써, 코발트 입자 내부에 공극이 형성된다. 구체적으로, 상기 b 단계에서 작은 구형 입자로 수축된 코발트 이온(Co3+)이 열적 산화 과정에서 카운터 플로우 이온인 산소 이온(O2-) 이온 대비 더욱 빠르게 외부로 확산됨으로써, 서로 다른 확산 속도에 따라 금속 입자 내부에 수많은 공동이 형성되고, 이들이 서로 연결되며, 공극으로 진화하게 된다. In the step b, a Kirkendall diffusion effect occurs by continuous thermal oxidation after the thermal oxidation or reduction in step b, and the cobalt oxide is converted into hollow particles, thereby forming voids inside the cobalt particles. Specifically, in step b, cobalt ions (Co 3+ ) contracted into small spherical particles diffuse outward more rapidly than oxygen ions (O 2 - ) ions, which are counterflow ions in the thermal oxidation process, so that different diffusion rates Accordingly, numerous cavities are formed inside the metal particles, they are connected to each other, and they evolve into voids.

한편, 상기 단계의 산화는 공기 또는 산소 분위기 하, 250 내지 350℃ 범위에서 2 내지 4 시간 동안 열처리하여 수행되는 것일 수 있다. On the other hand, the oxidation in the above step may be carried out by heat treatment in the range of 250 to 350 °C for 2 to 4 hours under air or oxygen atmosphere.

이상으로 설명한 방법에 따라 제조되는 산소발생반응용 코발트 촉매는 환원그래핀옥사이드 지지체 상에 분산된 사산화삼코발트(Co3O4) 중공(hollow) 나노입자; 및 코발트(Ⅲ)산화물(Co2O3) 및 산화코발트(CoO) 중 선택되는 1종 이상의 코발트 산화물; 을 포함하는 것일 수 있다. The cobalt catalyst for the oxygen evolution reaction prepared according to the method described above is cobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) hollow nanoparticles dispersed on a reduced graphene oxide support; and at least one cobalt oxide selected from cobalt (III) oxide (Co 2 O 3 ) and cobalt oxide (CoO); may include.

한편, 이 중 사산화삼코발트(Co3O4) 중공 나노입자의 평균 입경은 16.57 ±5.21 ㎚ 범위이고, 3 ± 0.5 ㎚ 두께의 쉘을 가지는 것일 수 있으며, BET 분석에서 비표면적은 일례로, 67.9 m2g-1 일 수 있다.On the other hand, the average particle diameter of the tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) hollow nanoparticles is in the range of 16.57 ± 5.21 nm, and may have a shell with a thickness of 3 ± 0.5 nm, and the specific surface area in the BET analysis is, for example, 67.9 m 2 g -1 .

한편, 상기 코발트 촉매는, 촉매 전체 중량을 기준으로, 사산화삼코발트(Co3O4) 중공 나노입자 80 내지 90 중량% 및 환원그래핀옥사이드 10 내지 20 중량%를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 코발트 촉매에 있어, Co3+/Co2+ 비율은 2 이상일 수 있다. On the other hand, the cobalt catalyst, based on the total weight of the catalyst, tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) It may be to include 80 to 90% by weight of hollow nanoparticles and 10 to 20% by weight of reduced graphene oxide, the cobalt catalyst In , the Co 3+ /Co 2+ ratio may be 2 or more.

한편, 상기와 같이 환원그래핀옥사이드 지지체 표면 상에 사산화삼코발트(Co3O4) 중공 나노입자가 존재하는 촉매의 경우, 아래 반응식 1과 같이 이중-사이트 산소발생반응 메커니즘을 따를 수 있으므로, 산소발생반응에 효과적일 수 있다. On the other hand, in the case of a catalyst in which tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) hollow nanoparticles are present on the surface of the reduced graphene oxide support as described above, the double-site oxygen evolution reaction mechanism can be followed as shown in Scheme 1 below, so that oxygen is generated It can be effective in response.

Figure 112020103181471-pat00001
Figure 112020103181471-pat00001

[반응식 1: 사산화삼코발트의 Dual-site OER 메커니즘][Scheme 1: Dual-site OER mechanism of tricobalt tetraoxide]

이상으로 설명한 코발트 촉매는 5,000회의 전위 사이클 이후에 초기 전류의 80% 이상을 유지할 수 있으며, 이러한 전기화학 반응 활성 및 산화 고전위 조건 하에서 촉매 안정성 때문에, 상기 촉매가 적용되는 수전해용 전극, 수전해용 막 전극 접합체 및 수전해셀의 성능을 증가시킬 수 있다.The cobalt catalyst described above can maintain 80% or more of the initial current after 5,000 potential cycles, and because of such electrochemical reaction activity and catalyst stability under oxidation high potential conditions, an electrode for water electrolysis to which the catalyst is applied, a membrane for water electrolysis It is possible to increase the performance of the electrode assembly and the water electrolysis cell.

한편, 상기 방법으로 제조된 산소발생반응용 코발트 촉매는 수전해장치의 산화극에 사용될 수 있으며, 상기와 같이 산화극을 구성하는 경우, 환원극에는 상용 금속 촉매로서 일례로 백금 촉매를 사용하고, 촉매-멤브레인 코팅(catalyst-coated membrane, CCM) 방법을 사용하여 막 전극을 제조할 수 있다. 또한, 상기와 같이 제조한 막 전극 접합체의 전해질 막에 환원극, 산화극, 가스켓을 얹어 그라파이트 및 Ti 소재의 양극판(bipolar plate)과 함께 체결하여 수전해용 단위셀을 제조할 수 있다. On the other hand, the cobalt catalyst for the oxygen evolution reaction prepared by the above method can be used for the oxidation electrode of the water electrolyzer, and when the oxidation electrode is configured as described above, a platinum catalyst is used as a commercial metal catalyst for the reduction electrode as an example, Membrane electrodes can be fabricated using a catalyst-coated membrane (CCM) method. In addition, a reducing electrode, an oxide electrode, and a gasket are placed on the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly prepared as described above and fastened together with a bipolar plate made of graphite and Ti to manufacture a unit cell for water electrolysis.

이하 발명의 구체적인 실시예를 통해 발명의 작용, 효과를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 예시로서 제시된 것으로 이에 의해 발명의 권리범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the action and effect of the invention will be described in more detail through specific examples of the invention. However, this is presented as an example of the invention and the scope of the invention is not limited in any way by this.

[실시예] [Example]

실시예 1: 산소발생반응용 코발트 촉매 제조(CG-RO 제조)Example 1: Preparation of cobalt catalyst for oxygen evolution reaction (CG-RO production)

0.015 M의 코발트 질산 헥사하이드레이트(Co(NO3)26H2O, Sigma Aldrich) 및 증류수에서 변형된 Hummer's method에 의해 합성된 1 mg mL-1의 그래핀 산화물(GO)로 스프레이 전구체 용액을 제조한 다음, 초음파 분무기, 석영관이 있는 튜브 퍼니스(furnace) 및 분말 수집을 위한 백 필터(bag filter)로 구성된 USP 반응기에서 액적을 생성한 후, 이를 캐리어 가스로서 질소(N2) 흐름으로 석영관으로 전달하고, 튜브 퍼니스의 온도는 800℃로 유지하여, 그래핀옥사이드의 탄화 및 코발트 전구체 분해를 통해 코발트 산화물이 표면에 분산된 환원그래핀옥사이드를 제조하였다(CG-NT). Prepare a spray precursor solution with 0.015 M of cobalt nitrate hexahydrate (Co(NO 3 ) 2 6H 2 O, Sigma Aldrich) and 1 mg mL −1 of graphene oxide (GO) synthesized by Hummer’s method modified in distilled water Then, droplets are produced in a USP reactor consisting of an ultrasonic nebulizer, a tube furnace with a quartz tube and a bag filter for powder collection, which is then transferred to a quartz tube with a nitrogen (N 2 ) stream as a carrier gas. , and maintaining the temperature of the tube furnace at 800° C., through carbonization of graphene oxide and decomposition of the cobalt precursor, reduced graphene oxide in which cobalt oxide was dispersed on the surface was prepared (CG-NT).

다음으로, 상기 CG-NT를 환원 가스로서 Ar 중 10% H2 하에 400℃에서 3시간 동안 열처리하여 환원된 분말을 얻고(CG-R), 이를 다시 공기 중에서 300℃에서 3시간 동안 열처리하여 환원그래핀옥사이드(rGO) 시트에 의해 지지되는 중공 코발트 입자를 형성함으로서, 산소발생반응용 코발트 촉매(CG-RO)를 얻었다. Next, the CG-NT was heat-treated as a reducing gas at 10% H 2 in Ar at 400° C. for 3 hours to obtain a reduced powder (CG-R), which was further reduced by heat treatment at 300° C. in air for 3 hours. By forming hollow cobalt particles supported by graphene oxide (rGO) sheets, a cobalt catalyst for oxygen evolution (CG-RO) was obtained.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예와 동일한 방법으로 코발트 촉매를 제조하되, 0.010 M의 코발트 질산 헥사하이드레이트를 사용한 것만 달리하였다.A cobalt catalyst was prepared in the same manner as in the above example, except that 0.010 M of cobalt nitrate hexahydrate was used.

비교예 2Comparative Example 2

상기 실시예와 동일한 방법으로 코발트 촉매를 제조하되, 0.020 M의 코발트 질산 헥사하이드레이트를 사용한 것만 달리하였다.A cobalt catalyst was prepared in the same manner as in Example, except that 0.020 M of cobalt nitrate hexahydrate was used.

비교예 3(CG-O 제조)Comparative Example 3 (manufactured by CG-O)

상기 실시예와 동일한 방법으로 코발트 촉매를 제조하되, 환원 가스로서 Ar 중 10% H2 하에 400℃에서 3시간 동안 열처리하여 환원된 분말을 얻는 과정을 생략한 것만 달리하였다.A cobalt catalyst was prepared in the same manner as in the above example, except that the process of obtaining a reduced powder was omitted by heat treatment at 400° C. for 3 hours under 10% H 2 in Ar as a reducing gas.

비교예 4Comparative Example 4

상용 촉매인 Ir black을 준비하였다. A commercial catalyst, Ir black, was prepared.

실시예 2: 수전해용 전극 제조Example 2: Preparation of Electrode for Water Electrolysis

상기 실시예 1에서 제조된 촉매 10mg, 나피온(5 wt%) 용액 0.06 ml, 이소프로필 알코올 0.8ml를 섞은 후 소니케이터를 통해 30분 간 분산시켜 수전해장치 반쪽전지용 촉매 잉크 용액을 제조하였다. 마이크로피펫을 통해 제조된 촉매 잉크 용액 0.005ml을 작업 전극 위에 로딩 후 상온에서 건조시켜 thin film 전극을 완성하였다. 촉매 잉크 로딩 전, 작업 전극은 알루미나 용액, 아세톤, 증류수로 세척하였다. 10 mg of the catalyst prepared in Example 1, 0.06 ml of Nafion (5 wt%) solution, and 0.8 ml of isopropyl alcohol were mixed and dispersed for 30 minutes through a sonicator to prepare a catalyst ink solution for a half-cell of a water electrolyzer . After loading 0.005 ml of the catalyst ink solution prepared through a micropipette on the working electrode, it was dried at room temperature to complete the thin film electrode. Before loading the catalyst ink, the working electrode was washed with alumina solution, acetone, and distilled water.

실시예 3: 수전해용 막 전극 접합체 제조Example 3: Preparation of membrane electrode assembly for water electrolysis

상기 실시예 1에서 제조된 촉매 0.023mg, 나피온 (5 wt%) 용액 0.058mg, 이소프로필 알코올 5ml를 소니케이터를 통해 30분 간 분산시켜 수전해용 산화극 촉매 잉크를 제조하였다. 상기 제조된 촉매 잉크를 나피온 212 고분자 전해질 막 산화극에 자동스프레이 분사 장치를 통해 도포하고(1.0 mgPt/cm2), 환원극에는 상용 백금 담지 촉매를 도포하였다(0.2 mgPt/cm2).An anode catalyst ink for water electrolysis was prepared by dispersing 0.023 mg of the catalyst prepared in Example 1, 0.058 mg of Nafion (5 wt%) solution, and 5 ml of isopropyl alcohol through a sonicator for 30 minutes. The prepared catalyst ink was applied to the Nafion 212 polymer electrolyte membrane oxide electrode through an automatic spray device (1.0 mgPt/cm 2 ), and a commercial platinum-supported catalyst was applied to the reduction electrode (0.2 mgPt/cm 2 ).

실시예 4: 수전해용 단위셀 제조Example 4: Preparation of unit cell for water electrolysis

상기 실시예 3에서 제조된 막 전극 접합체의 전해질 막에 carbon paper (환원극), Ti paper (산화극), gasket을 얹고, 그라파이트 및 Ti 소재의 양극판(bipolar plate)과 함께 체결하여 수전해용 단위전지 셀을 제조하였다.Carbon paper (reducing electrode), Ti paper (oxidizing electrode), and gasket are placed on the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly prepared in Example 3, and fastened together with a bipolar plate made of graphite and Ti material to form a unit cell for water electrolysis Cells were prepared.

[실험 1: XRD 패턴 확인][Experiment 1: Confirmation of XRD pattern]

실시예 1 및 비교예 3에 따른 CG-NT, CG-R, CG-RO, CG-O에 대하여 XRD 분석을 수행하였다. 도 3을 참조하면, USP에 의해 제조된 CG-NT는 높은 결정도 및 입방형 CoO 상의 동일한 패턴을 나타내며, 44° 근처의 추가적인 작은 피크는 금속 입방 Co 상의 평면(111)에 상응하고(JCPDS No. 15-0806), 이는 코발트가 800℃에서 USP를 통해 부분적으로 환원됨을 나타낸다. CG-NT로부터 CG-R로의 환원은 금속 입방 코발트 및 금속 육각 코발트(JCPDS No.05-0727)의 분명한 피크에 의해 확인되며, 이는 CG-NT가 400℃ Ar 내 H2 하에서 완전히 환원됨을 의미한다. 공기를 사용하여 열적 산화된 CG-O의 경우 초기 CoO 상이 Co3O4 상(JCPDS No.76-1802)으로 변환되고, 42° 부근의 (200) 평면과 관련된 CoO의 작은 피크도 식별된다. 열적 환원된 CG-RO는 산화 후 여전히 42°에서 CoO 피크를 나타내며, Co3O4 상과 동등한 강한 회절 피크를 가진다.XRD analysis was performed on CG-NT, CG-R, CG-RO, and CG-O according to Example 1 and Comparative Example 3. Referring to FIG. 3 , the CG-NTs prepared by USP show high crystallinity and the same pattern of the cubic CoO phase, and an additional small peak near 44° corresponds to the plane 111 of the metallic cubic Co phase (JCPDS No. 15-0806), indicating that cobalt is partially reduced via USP at 800°C. The reduction of CG-NT to CG-R is confirmed by the clear peaks of metallic cubic cobalt and metallic hexagonal cobalt (JCPDS No.05-0727), which means that CG-NT is completely reduced under H 2 in Ar at 400° C. . In the case of CG-O thermally oxidized using air, the initial CoO phase is converted to a Co 3 O 4 phase (JCPDS No.76-1802), and a small peak of CoO associated with the (200) plane near 42° is also identified. The thermally reduced CG-RO still shows a CoO peak at 42° after oxidation and has a strong diffraction peak equivalent to that of the Co 3 O 4 phase.

[실험 2: 모폴로지 측정][Experiment 2: Morphology Measurement]

도 4를 참고하면, 실시예 1에 따른 코발트 촉매의 경우, 산화 코발트 입자는 심각한 응집이 없는 상태로, 구겨진 그래핀 시트 상에 잘 분산되어 있다. 한편, CG-RO는 Co3O4 결정의 (111), (311), (222) 평면에 대해 각각 0.467, 0.247, 0.23㎚ 간격의 명확한 격자 무늬를 가지고 있으며, 이는 도 3에 제시된 XRD 결과와 잘 일치한다. Referring to FIG. 4 , in the case of the cobalt catalyst according to Example 1, the cobalt oxide particles are well dispersed on the crumpled graphene sheet without serious agglomeration. On the other hand, CG-RO has clear lattice patterns with intervals of 0.467, 0.247, and 0.23 nm, respectively, for the (111), (311), and (222) planes of the Co 3 O 4 crystal, which correspond to the XRD results shown in FIG. Matches well.

한편, 실시예 1 및 비교예 3에 따른 코발트 촉매의 입자 크기 분포 및 평균 입자 직경은 상기 도 4의 TEM 이미지 등에서 볼 수 있는 바와 같이, 약 100여개의 입자들로부터 추정되었으며, CG-NT, CG-R 및 CG-O에서 코발트 산화물 입자들의 평균 크기는 각각 10.90(±3.91), 7.91(±2.35) 및 11.59(±3.89)㎚ 였고, CG-RO에서 발견되는 사산화삼코발트(Co3O4) 나노입자의 경우 16.57(±5.21)㎚로서 CG-R에서 관찰되는 CoO 입자보다 두배 이상 크며, 이러한 결과로부터 실시예 1에 따른 코발트 촉매(CG-RO)는 커켄들 효과에 의해 코발트 입자 내부에 공극이 형성되었음을 확인할 수 있었다. 한편 이러한 중공 사산화삼코발트 구체는 약 3㎚ 두께의 쉘을 가지는 것을 확인할 수 있었다(도 4 (d) 참조).On the other hand, the particle size distribution and average particle diameter of the cobalt catalyst according to Example 1 and Comparative Example 3 were estimated from about 100 particles, as can be seen in the TEM image of FIG. 4 , CG-NT, CG The average sizes of cobalt oxide particles in -R and CG-O were 10.90 (±3.91), 7.91 (±2.35) and 11.59 (±3.89) nm, respectively, and tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) nano In the case of particles, it is 16.57 (±5.21) nm, which is more than twice as large as the CoO particles observed in CG-R, and from these results, the cobalt catalyst (CG-RO) according to Example 1 has voids inside the cobalt particles due to the Kirkendle effect. formation could be confirmed. On the other hand, it was confirmed that these hollow tricobalt tetraoxide spheres had a shell with a thickness of about 3 nm (see FIG. 4 (d)).

한편, 실시예 1에 따른 CG-RO 코발트 촉매의 고각 환형 암시야 주사투과전자현미경(HAADF) 및 원소매핑이미지는 도 3e 내지 3g에서 제시된다. 이러한 결과는 코발트 입자가 그래핀 표면 상에 균일하게 분포되어있음을 확인한다. 특히, 원소 코발트는 주로 쉘에 분포되어 있어, 중공 구조 입자임을 명백히 나타낸다. Meanwhile, the high-angle annular dark field scanning transmission electron microscope (HAADF) and element mapping images of the CG-RO cobalt catalyst according to Example 1 are presented in FIGS. 3E to 3G . These results confirm that the cobalt particles are uniformly distributed on the graphene surface. In particular, elemental cobalt is mainly distributed in the shell, clearly indicating that it is a hollow structured particle.

한편, 모든 CG 촉매의 비표면적 및 공극 사이즈 분포(PSD)는 BET 분석기를 사용하여 N2 흡착/탈착 방법으로 조사되었다. BET 분석에서, CG 촉매의 비표면적은 CG-NT, CG-R, CG-O 및 CG-RO에 대해 각각 43.2, 49.1 52.2 및 67.9 m2g-1이었다. BET 결과는 rGO 지지가 주로 거의 동일한 유니모달(unimodal) PSD 데이터 및 표면적의 모든 CG 샘플에 대한 표면적을 제공한다는 것을 나타내며, 그럼에도 불구하고, 다른 열적 공정에 의해 제어되는 촉매(즉, 코발트 산화물) 형태(morphorlogy)에 의해 증가한다. CG-NT의 열적 환원 후, CG-R의 증가된 비표면적은 증가된 산소 원자 방출과 함께 감소된 입자 크기에 해당될 수 있다. 반대로, CG-NT의 열적 산화는 Co 산화물의 존재 하에서 탄소 산화를 가속화하여 더 많은 미세공극을 형성하는 것으로 생각된다. 특히, CG-RO의 훨씬 더 큰 표면적은 코발트와 산소 이온 사이의 역 확산(counter diffusion)에 의해 형성된 커켄들 공극과 연관되어 더 많은 활성 사이트(sites)를 생성한다.Meanwhile, the specific surface area and pore size distribution (PSD) of all CG catalysts were investigated by the N 2 adsorption/desorption method using a BET analyzer. In BET analysis, the specific surface area of the CG catalyst was 43.2, 49.1 52.2 and 67.9 m 2 g −1 for CG-NT, CG-R, CG-O and CG-RO, respectively. The BET results indicate that the rGO support mainly provides surface area for all CG samples of nearly identical unimodal PSD data and surface area, nevertheless, the catalytic (i.e. cobalt oxide) morphology controlled by other thermal processes. (morphology) increases. After thermal reduction of CG-NTs, the increased specific surface area of CG-Rs may correspond to a decreased particle size with increased oxygen atom release. Conversely, thermal oxidation of CG-NTs is thought to accelerate carbon oxidation in the presence of Co oxide to form more micropores. In particular, the much larger surface area of CG-RO is associated with Kirkendl pores formed by counter diffusion between cobalt and oxygen ions, creating more active sites.

[실험 3: 고해상도 XPS 스캔 실험][Experiment 3: High-resolution XPS scan experiment]

CG 촉매에서 각 요소의 표면 가전자 상태(valence electronic states)는 XPS로 특징지어졌다. 실시예 1에 따른 코발트 촉매의 Co2p 스펙트럼을 분리하여 도 5 (a)에 표시하였으며, 마찬가지로 실시예 1 및 비교예 3에 따른 CG-NT, CG-R, CG-O 및 CG-RO의 Co2p 스펙트럼을 표 1에 요약하였다. The valence electronic states of each element in the CG catalyst were characterized by XPS. The Co 2p spectrum of the cobalt catalyst according to Example 1 was separated and displayed in FIG. The 2p spectra are summarized in Table 1.

Figure 112020103181471-pat00002
Figure 112020103181471-pat00002

Co2p3/2 및 Co2p1/2 모두의 주요 피크는 각각 780.4 및 796.8 eV에 위치한다. 786.3 및 802.5 eV에서 관찰된 두 개의 강력한 위성 피크는 CoO 상의 형성을 확인하며, 이는 CoO 및 Co3O4 상이 위성 피크의 모양과 강도에 의해 구분되기 때문이다. The main peaks of both Co 2p3/2 and Co 2p1/2 are located at 780.4 and 796.8 eV, respectively. The two strong satellite peaks observed at 786.3 and 802.5 eV confirm the formation of the CoO phase, since the CoO and Co 3 O 4 phases are distinguished by the shape and intensity of the satellite peaks.

Co2p3/2 주요 피크는 779.4 및 781.5 eV에서 분리될 수 있으며, 이는 각각 금속성 Co 및 Co2+에 대응한다. 유사하게 Co2p1/2 메인 피크는 794.6 eV에서 금속성 Co 및 797.3 eV의 Co2+를 나타내는 이산 피크(discrete)가 있다. 두 개의 두드러진 피크인 Co2p3/2 및 Co2p1/2는 2개의 약한 위성 피크와 함께 15.2 eV의 스핀-오비탈 분할 에너지를 표시하며, CG-R, CG-O 및 CG-RO의 표면이 Co3O4 상을 가짐을 나타낸다. 그러나, 분리된 피크에 따르면, CG-R은 XRD 및 TEM을 사용하여 식별된 금속 코발트가 아닌 산화 코발트 상을 나타낸다. 이는 대기 중의 금속 코발트의 표면 산화때문일 수 있다. The Co 2p3/2 main peaks can be separated at 779.4 and 781.5 eV, corresponding to metallic Co and Co 2+ , respectively. Similarly, the Co 2p1/2 main peak has discrete peaks representing metallic Co at 794.6 eV and Co 2+ at 797.3 eV. The two prominent peaks, Co 2p3/2 and Co 2p1/2 , display a spin-orbital splitting energy of 15.2 eV with two weak satellite peaks, and the surfaces of CG-R, CG-O and CG-RO are of Co 3 It indicates that it has an O 4 phase. However, according to the separated peaks, CG-R represents the cobalt oxide phase and not the metallic cobalt identified using XRD and TEM. This may be due to surface oxidation of metallic cobalt in the atmosphere.

780.2 및 781.3 eV에 위치한 도 4a 및 S6b-c에서 관찰되는 분리된 Co2p3/2 피크는 각각 Co3+ 및 Co2+에 기인하는 것일 수 있다. 또한, Co2p1/2의 마지막 두 개의 피크는 각각 Co3+ 및 Co2+에 할당된 795.3 및 797.3 eV를 중심으로 한다. 따라서, 각 이온의 상대 수는 Co3+ 및 Co2+ 이온의 개별 피크 면적을 사용하여 계산할 수 있다. CG-RO의 Co3+/Co2+ 몰비는 CG-O의 비율보다 약 1.7배 높다. The separated Co 2p3/2 peaks observed in FIGS. 4a and S6b-c located at 780.2 and 781.3 eV may be attributed to Co 3+ and Co 2+ , respectively. Also, the last two peaks of Co 2p1/2 are centered at 795.3 and 797.3 eV assigned to Co 3+ and Co 2+ , respectively. Therefore, the relative number of each ion can be calculated using the individual peak areas of the Co 3+ and Co 2+ ions. The molar ratio of Co 3+ /Co 2+ of CG-RO is about 1.7 times higher than that of CG-O.

한편, 모든 샘플의 O1s 스펙트럼은 3개의 피크로 나눌 수 있다. 실시예 1에 따른 코발트 촉매의 격자의 산소 종(OL), 산소 빈자리(vacancies)(OV) 및 화학흡착 산소(OC). 분리된 피크와 이들의 정보는 도 5 (b)에 나와있으며, 마찬가지로 실시예 1 및 비교예 3에 따른 CG-NT, CG-R, CG-O 및 CG-RO의 O1s 스펙트럼을 표 2에 요약하였다. Meanwhile, the O 1s spectrum of all samples can be divided into three peaks. Oxygen species (OL), oxygen vacancies (OV) and chemisorbed oxygen (OC) of the lattice of the cobalt catalyst according to Example 1. The separated peaks and their information are shown in FIG. 5 (b), and the O 1s spectra of CG-NT, CG-R, CG-O and CG-RO according to Example 1 and Comparative Example 3 are also shown in Table 2 summarized.

Figure 112020103181471-pat00003
Figure 112020103181471-pat00003

530, 531.4 및 532.4 eV의 피크는 모든 샘플에서 관찰된다. CG-NT, CG-O, 및 CG-RO의 OV/OL 비는 0.73-0.75에서 유사하지만, CG-R의 비율이 훨씬 더 높아서 열적 환원 동안 더 많은 산소 빈자리가 형성되었음을 나타낸다. Peaks of 530, 531.4 and 532.4 eV are observed for all samples. The OV/OL ratios of CG-NT, CG-O, and CG-RO were similar at 0.73-0.75, but the ratio of CG-R was much higher, indicating that more oxygen vacancies were formed during thermal reduction.

한편, C1s 피크는 284.5, 286, 3eV를 중심으로 하는 3개의 피크로 분리되어 각각 C-C, C-O-C 및 O-C=O와 관련된다(도 5c, 및 표 3). 모든 CG 복합체는 강한 C-C 결합 피크와 넓은 C-O-C 및 O-C=O 피크를 나타내며, GO가 USP를 통해 rGO로 충분히 변환되었음을 나타낸다. On the other hand, the C 1s peak is separated into three peaks centered at 284.5, 286, and 3 eV, which are related to CC, COC and OC=O, respectively (Fig. 5c, and Table 3). All CG complexes show strong CC binding peaks and broad COC and OC=O peaks, indicating that GO was sufficiently converted to rGO via USP.

Figure 112020103181471-pat00004
Figure 112020103181471-pat00004

[실험 4: Cyclic Voltammetry 측정][Experiment 4: Cyclic Voltammetry Measurement]

CG 촉매의 표면 반응을 확인하기 위해 CV를 수행했다. 촉매는 N2-포화된 0.1M HClO4 용액에서 5mVs-1의 스캔 속도로 0 내지 1.5V(vs.RHE)에서 스캔하고 6 사이클을 반복하였다. 도 6 (a) 및 (b)에서 나타난 바와 같이, 두드러진 산화 피크는 일반적으로 1.1 - 1.2 V(vs.RHE)에서 관찰되는데, 이는 Co2+ 이온이 Co3+ 이온으로 산화되는 반응에 해당한다. CG-NT는 Co2+ 에서 Co3+로의 산화와 관련된 더 큰 피크를 가지고 있기 때문에, CG-NT는 CG-R보다 더 많은 Co2+ 이온을 포함하는 것으로 여겨진다. 그러나, CG-NT 및 CG-R 모두에 대한 Co2+/Co3+ 피크는 첫번째 전위 사이클 후에 사라지며, 두 복합체의 표면이 산성 전해질에서 불안정하다는 것을 나타낸다. CV was performed to confirm the surface reaction of the CG catalyst. The catalyst was scanned from 0 to 1.5V (vs.RHE) at a scan rate of 5mVs −1 in N 2 -saturated 0.1M HClO 4 solution and 6 cycles were repeated. As shown in Fig. 6 (a) and (b), a prominent oxidation peak is generally observed at 1.1 - 1.2 V (vs.RHE), which corresponds to a reaction in which Co 2+ ions are oxidized to Co 3+ ions. . It is believed that CG-NT contains more Co 2+ ions than CG-R because CG-NT has a larger peak associated with the oxidation of Co 2+ to Co 3+ . However, the Co 2+ /Co 3+ peaks for both CG-NT and CG-R disappear after the first dislocation cycle, indicating that the surfaces of both complexes are unstable in acidic electrolytes.

또한, CG-NT의 CoO 상은 일반적으로 Co3O4 보다 덜 안정하고, Co3O4 상은 CG-R의 표면에서만 발견되기 때문에, CG-NT와 CG-R은 Co3+ 이온을 안정적으로 운반할 수 없는 것으로 보인다. 반대로, 도 6 (c) 및 (d)에서 나타나듯이, CG-O의 경우 1.39 - 1.42V(vs.RHE) 및 CG-RO의 경우 1.27 - 1.37V(vs.RHE)에서 작은 피크가 반복적으로 나타난다. Co3+ 이온은 Co3+ 이온과 Co4+ 이온 간의 산화 환원(redox) 반응을 통해 지속적으로 OER 공정을 개시할 수 있는 것으로 보고되었다. In addition, since the CoO phase of CG-NT is generally less stable than Co 3 O 4 and the Co 3 O 4 phase is only found on the surface of CG-R, CG-NT and CG-R stably transport Co 3+ ions. It seems impossible. Conversely, as shown in Figs. 6 (c) and (d), small peaks at 1.39 - 1.42 V (vs.RHE) for CG-O and 1.27 - 1.37 V (vs. RHE) for CG-RO are repeated repeatedly. appear. It has been reported that Co 3+ ions can continuously initiate the OER process through a redox reaction between Co 3+ ions and Co 4+ ions.

따라서, 이 결과는 Co3+/Co4+ 산화 피크의 출현으로 인해 CG-O 및 CG-RO 모두 OER에 대해 더 활성이 있음을 보장한다. 더 중요한 것은 Co4+에서 Co3+로의 명확한 환원 피크를 나타내는 CG-RO에서 상대적으로 낮은 산화 시작 전위가 발견되며, 이는 ⅰ) CG-RO가 낮은 과전위에서 OER을 시작하고, ⅱ) CG-O 보다 Co3+ 및 Co4+ 사이에서 보다 가역적인 상호전환을 제공함을 나타낸다. 금속 산화물의 이중층 커패시턴스(Cdl)가 전기화학적 활성 표면적을 평가하는데 사용될 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 모든 복합체에 대한 다양한 스캔 속도(5 - 25 mVs-1)에서 CV 곡선은 0.75 - 0.95 V(vs.RHE)의 비-페러데이 전위 범위에서 얻어진다. Therefore, this result ensures that both CG-O and CG-RO are more active against OER due to the appearance of the Co 3+ /Co 4+ oxidation peak. More importantly, a relatively low oxidation onset potential is found in CG-RO showing a clear reduction peak from Co 4+ to Co 3+ , which indicates that i) CG-RO initiates OER at a low overpotential, and ii) CG-O It is shown to provide a more reversible interconversion between Co 3+ and Co 4+ . It is well known that the double-layer capacitance (Cdl) of metal oxides can be used to evaluate the electrochemically active surface area. CV curves at various scan rates (5 - 25 mVs -1 ) for all complexes are obtained in the non-Faraday potential range of 0.75 - 0.95 V (vs.RHE).

0.85V(vs.RHE)에서 양극 전류를 사용하여 Cdl 값을 추정했다. 스캔 속도에 대한 양극 전류의 플롯을 측정하고, Cdl은 각 기울기에서 결정되었다. 거칠기 계수(Rf)는 Cdl을 표면이 매끄러운 이중층 커패시턴스를 나타내는 Cs로 나눈 값이며, Cs 값은 60μF cm-2 로 사용되었다. 마지막으로, ECSA는 Rf와 기하학적 면적(S=0.196cm2)으로부터 추정되었다. Cdl, Rf 및 ECSA의 값은 표 4에 요약되어 있다. 표 4에 나열된 바와 같이, CG 복합체의 ECSA는 CG-R < CG-O = CG-RO < CG-NT의 순서로 증가한다. The Cdl value was estimated using the anode current at 0.85V (vs.RHE). A plot of the anode current versus the scan rate was measured, and Cdl was determined at each slope. The roughness coefficient (Rf) was obtained by dividing Cdl by Cs representing the capacitance of the double layer with a smooth surface, and the Cs value was used as 60 μF cm −2 . Finally, ECSA was estimated from Rf and geometrical area (S=0.196 cm 2 ). The values of Cdl, Rf and ECSA are summarized in Table 4. As listed in Table 4, the ECSA of the CG complex increases in the order of CG-R<CG-O=CG-RO<CG-NT.

Figure 112020103181471-pat00005
Figure 112020103181471-pat00005

[실험 5: 전기화학적 OER 활성 평가][Experiment 5: Electrochemical OER activity evaluation]

CG 촉매의 전기화학적 OER 활성을 평가하기 위해 1,600rpm 및 N2 포화 0.1M HClO4에서 10mVs-1에서 RDE를 사용하여 LSV를 수행하였다. 그런 다음, 편광 거동에 대한 CG 복합체의 역학적 기여를 관찰하기 위하여, 실험 LSV 데이터를 iR 보정하고, 도 7 (a)에서 제공했다. To evaluate the electrochemical OER activity of CG catalysts, LSV was performed using RDE at 1,600 rpm and 10 mVs −1 in N 2 saturated 0.1M HClO 4 . Then, to observe the kinetic contribution of the CG complex to the polarization behavior, the experimental LSV data were iR-corrected and presented in Fig. 7(a).

도 7 (a)에서 볼 수 있듯이, CG-NT 및 CG-R은 상대적으로 낮은 OER 활성을 가지며, 적용된 전위에서 10mAcm-2를 달성할 수 없다. 그러나, CG-O의 OER 성능은 CG-NT 및 CG-R보다 훨씬 더 높은 시작 전위이며, 10 mAcm-2에 도달하는데 412 mV가 필요했으며, 이는 산화가 따르는 USP는 OER 활성도를 크게 향상시키는 반면, 추가적인 열적 환원은 OER 성능을 오히려 감소시킨다는 것을 의미한다. As can be seen in Fig. 7(a), CG-NT and CG-R have relatively low OER activity and cannot achieve 10 mAcm -2 at the applied potential. However, the OER performance of CG-O is a much higher onset potential than that of CG-NT and CG-R, requiring 412 mV to reach 10 mAcm -2 , which indicates that USP followed by oxidation significantly enhances OER activity, whereas , meaning that the additional thermal reduction rather reduces the OER performance.

특히, 추가적인 환원 및 후속 산화를 거친 CG-RO는 더욱 감소된 과전위(즉, 10mAcm-2에서 η = 353 mV)를 나타낸다. 비교 목적으로, 단위 활성 사이트에서 1초당 방출된 산소의 몰 수를 나타내는 1.55 V(vs.RHE)에서 OER의 전환 빈도(TOF)는 다음의 식을 사용하여 계산되었으며, 도 7 (b)에 표시하였다.In particular, CG-RO subjected to further reduction and subsequent oxidation exhibits a further reduced overpotential (ie, η = 353 mV at 10 mAcm -2 ). For comparative purposes, the conversion frequency (TOF) of OER at 1.55 V (vs.RHE), representing the number of moles of oxygen released per second at a unit active site, was calculated using the following equation, and is shown in Fig. 7(b). did

TOF = jA/4Fn TOF = jA/4Fn

여기서, j는 1.55V(vs.RHE)에서 얻은 전류 밀도, A는 촉매 코팅된 기하학적 면적, F는 패러데이 상수(= 96,485 Cmol-1) 및 n은 촉매 금속의 몰 수이다(즉, Co). CG 촉매에 대해 계산된 TOF가 다른 열적 과정을 통해 기하급수적으로 증가함에 따라, CG-RO의 고유 활성(OER에 사용가능한 촉매 활성 사이트)이 다른 CG 촉매보다 훨씬 높기 때문에 산소 분자를 훨씬 빠르게 생성함을 나타낸다. where j is the current density obtained at 1.55 V (vs.RHE), A is the geometric area of the catalyst coated, F is the Faraday constant (= 96,485 Cmol −1 ) and n is the number of moles of catalyst metal (i.e., Co). As the calculated TOF for the CG catalyst increases exponentially through different thermal processes, it produces molecular oxygen much faster because the intrinsic activity of CG-RO (catalytically active sites available for OER) is much higher than that of other CG catalysts. indicates

또한, 1.6V(vs.RHE)의 전류 밀도와 산성 매질의 비-귀금속 촉매에 대한 문헌으로부터 10 mAcm-2에서 얻어지고 추정된 과전위(η)를 고려하면, 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 CG-RO 촉매는 더 높은 성능을 나타냈고, 높은 활성과 함께 손쉬운 그린 합성 방법으로 인해 유망한 OER 촉매로 여겨진다. In addition, considering the overpotential (η) obtained and estimated at 10 mAcm -2 from the literature on a non-noble metal catalyst in an acidic medium with a current density of 1.6V (vs.RHE), according to an embodiment of the present invention, The prepared CG-RO catalyst showed higher performance and is considered as a promising OER catalyst due to the easy green synthesis method with high activity.

한편, 전기화학적 반응은 주로 촉매의 표면 및 전해질 사이의 계면에서 발생하기 때문에, ECSA는 전기촉매의 활성을 결정하는 중요한 매개 변수(critical parameter)라는 것이 널리 알려져 있다. 그러나, 합성된 CG 복합체의 ECSA 경향은 OER 활성의 경향과 일치하지 않으며, 이는 전해질으로의 전하 이동에 사용할 수 있는 표면적이 OER에 부분적으로 사용됨을 의미한다. On the other hand, since the electrochemical reaction mainly occurs at the interface between the surface of the catalyst and the electrolyte, it is widely known that ECSA is a critical parameter that determines the activity of the electrocatalyst. However, the ECSA trends of the synthesized CG complexes are not consistent with those of OER activity, suggesting that the surface area available for charge transfer to the electrolyte is partially used for OER.

특히, ECSA가 더 높은 CG-NT는 OER을 효율적으로 촉매하지 못하는 반면, CG-O와 동일한 ECSA를 가진 CG-RO는 더 높은 고유 활성을 가지는 더 활동적인 종으로 인해 상대적으로 높은 OER 선택성을 보인다. 즉, OER은 전기활성 표면에서 그럴듯하게 발생하는 다른 패러데이 및 비-패러데이 반응 중 하나이며; 따라서, 표면 성분, 입자 형태, 및 촉매 지지체와의 상호 작용과 같은 다른 촉매 특성도 OER 활성에 영향을 미칠 수 있다. In particular, CG-NTs with higher ECSA do not catalyze OER efficiently, whereas CG-ROs with the same ECSA as CG-O show relatively high OER selectivity due to the more active species with higher intrinsic activity. . That is, OER is one of the other Faradic and non-Faradian reactions that plausibly occur on electroactive surfaces; Thus, other catalytic properties such as surface composition, particle morphology, and interaction with the catalyst support can also affect OER activity.

한편, 일반적으로 전류-전위 관계에서 얻어지는 동역학-제어된 Tafel 기울기(bkin)는 전극과 전해질 사이의 계면에서 전기화학적 공정 동안 속도-결정 단계(RDS)를 나타낸다. 특히, 4개의 결합된 양성자-전자 전달 단계를 포함하는 OER의 경우, 금속 표면(M-OH*)에 흡착된 수산화물의 형성과 관련된 첫번째 전자 전달 반응이 RDS이면 bkin은 이론적으로 120 mVdec-1로 나타나고, RDS가 M-O*의 형성과 관련된 두번째 전자 전달 반응인 경우 bkin은 60 mVdec-1이 된다. 한편, bkin 이 작을수록 전류 밀도를 증가시키기 위한 과전압이 작아지므로 더욱 더 우수한 OER 촉매 성능을 나타낼 수 있다.On the other hand, the kinetic-controlled Tafel slope (b kin ), which is generally obtained from the current-potential relationship, represents the rate-determining step (RDS) during the electrochemical process at the interface between the electrode and the electrolyte. In particular, for an OER comprising four bound proton-electron transfer steps, if the first electron transfer reaction associated with the formation of an adsorbed hydroxide on the metal surface (M-OH*) is RDS, then b kin is theoretically 120 mVdec -1 , and b kin becomes 60 mVdec -1 when RDS is the second electron transfer reaction related to the formation of MO*. On the other hand, as b kin is smaller, the overvoltage for increasing the current density becomes smaller, so that even better OER catalyst performance can be exhibited.

유사하게 세 번째 또는 네 번째 전자 전달 단계(M-OOH* 또는 M)가 RDS 인 경우, 제안된 다양한 OER 메커니즘에 따라 이상적인 bkin 은 각각 30 - 40 또는 15 - 20 mVdec-1이 된다. 따라서, 우수한 OER 촉매는 더 작은 bkin을 가지며, RDS는 나중에 전자 전달 단계에서 발견됨을 나타낸다. CG 복합체의 RDS는 도 7 (c)에서 실험적으로 결정된 bkin을 사용하여 추론될 수 있다. 특히, CG-R에 대한 bkin은 첫 번째 전자 전달 과정보다 2.25배 더 높으며, 이는 CG-R이 분자 산소 유리(liberation) 직후에 일어나야 하기 때문에 OER에 대해 사실상 비활성임을 나타낸다. Similarly, when the third or fourth electron transfer step (M-OOH* or M) is RDS, the ideal b kin is 30 - 40 or 15 - 20 mVdec -1 according to the various OER mechanisms proposed, respectively. Thus, good OER catalysts have smaller b kin , indicating that RDS is later found in the electron transport step. The RDS of the CG complex can be inferred using the experimentally determined b kin in Fig. 7(c). In particular, the b kin for CG-R is 2.25 times higher than that of the first electron transfer process, indicating that CG-R is virtually inactive for OER since it must occur immediately after molecular oxygen liberation.

CG-NT는 CG-R의 bkin 보다 훨씬 낮지만 120 mVdec-1보다 여전히 높다. 그럼에도 불구하고, 이것은 Co2+ 이온이 OER의 활성 사이트로 미미하게 작용할 수 있음을 시사한다. 한편, CG-O 및 CG-RO에 대한 bkin 값으로부터 Co3O4 상의 Co3+ 이온이 존재하면 첫 번째 물 해리(bkin = 120 mVdec-1에 해당)에 대한 에너지 장벽이 감소한다는 가설을 세웠고, Co3+ 이온에 흡착된 수산화이온의 탈양성자화 후 또는 탈양성자화와 함께 열역학적으로 불리한 2차 물 해리는 Co3+ 이온의 농도에 따라 RDS가 될 수 있다. CG-NT is much lower than the b kin of CG-R, but still higher than 120 mVdec -1 . Nevertheless, this suggests that Co 2+ ions may serve only marginally as active sites of OER. On the other hand, from the b kin values for CG-O and CG-RO, the hypothesis that the presence of Co 3+ ions on Co 3 O 4 reduces the energy barrier to the first water dissociation (corresponding to b kin = 120 mVdec -1 ). After deprotonation of hydroxide ions adsorbed to Co 3+ ions or with deprotonation, thermodynamically unfavorable secondary water dissociation can become RDS depending on the concentration of Co 3+ ions.

[실험 6: 안정성 측정 실험] [Experiment 6: Stability Test]

일반적으로 코발트(산화물)은 산성 환경에서 쉽게 용해되고 높은 양극 전위에서 부동태화되기 때문에, 본 연구에서 제조된 CG 촉매의 장기적인 안정성을 보장할 필요가 있다. 따라서, 더 높은 OER 활성을 가진 CG-RO는 N2 포화 0.1 M HClO4 에서 50mVs-1의 스캔 속도로 1.3 - 1.65 V(vs.RHE) 사이의 전위 사이클링을 구성하는 AST 하에서 조사되었다. In general, since cobalt (oxide) is easily soluble in acidic environments and passivated at high anodic potential, it is necessary to ensure the long-term stability of the CG catalyst prepared in this study. Therefore, CG-RO with higher OER activity was investigated under AST constituting a potential cycling between 1.3 - 1.65 V(vs.RHE) in N 2 saturated 0.1 M HClO 4 with a scan rate of 50 mVs -1 .

OER에 대한 분극 곡선은 LSV를 사용하여 1,000 번의 전위 사이클마다 측정되었으며, AST 동안 LSV에서 1.8V(vs.RHE)얻은 각 전류는 AST 이전의 초기 값으로 정규화되었다. 도 8을 참고하면, CG-RO는 5,000회의 전위 사이클 이후에 초기 전류의 약 80%를 유지한 반면, 상용 Ir black 은 심각하게 저하되어 OER 활성의 약 1%를 유지하는 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 CG-RO가 높은 양극 전위 및 가혹한 산성 조건 하에서 매우 안정적임을 시사한다. Polarization curves for OER were measured every 1,000 potential cycles using LSV, and each current obtained at 1.8 V (vs.RHE) in LSV during AST was normalized to the initial value before AST. Referring to FIG. 8 , CG-RO maintained about 80% of the initial current after 5,000 dislocation cycles, whereas commercial Ir black was severely degraded to maintain about 1% of OER activity. These results suggest that CG-RO is very stable under high anode potential and harsh acidic conditions.

한편, AST 후 CG-RO 촉매의 분해를 추가로 조사하기 위해, TEM 및 EDS 분석을 5,000 전위 사이클로 CG-RO에 대해 수행하였다. 도 9에서 확인할 수 있듯이, CG-RO에서 Co3O4 입자의 평균 직경은 rGO시트에서 심각한 응집 없이 16.57(± 5.21)에서 18.04(± 6.83) ㎚로 약간 증가했다. Meanwhile, to further investigate the degradation of the CG-RO catalyst after AST, TEM and EDS analyzes were performed on CG-RO with 5,000 dislocation cycles. As can be seen in Figure 9, the average diameter of Co 3 O 4 particles in CG-RO slightly increased from 16.57 (± 5.21) to 18.04 (± 6.83) nm in the rGO sheet without significant agglomeration.

특히, rGO시트의 구겨진 모양과 Co3O4 입자의 중공 구조는 AST 동안 잘 유지되었다. 사후 TEM 및 EDS 분석 결과는 ⅰ) 사산화삼코발트(Co3O4) 중공 나노입자 및 rGO 시트가 낮은 pH 및 높은 산화 전위에서 견고하며, ⅱ) 사산화삼코발트(Co3O4) 중공 나노입자가 촉매 입자와 지지체 사이의 강한 상호작용으로 인해 격한 산화 조건에서 rGO시트에 단단히 고정된다는 것을 시사한다. In particular, the crumpled shape of the rGO sheet and the hollow structure of the Co 3 O 4 particles were well maintained during AST. Post-mortem TEM and EDS analysis results showed that i) cobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) hollow nanoparticles and rGO sheets were robust at low pH and high oxidation potential, and ii) cobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) hollow nanoparticles were catalytic particles. The strong interaction between the rGO and the support suggests that they are firmly anchored to the rGO sheet under vigorous oxidizing conditions.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.In the foregoing, specific embodiments of the present invention have been described and illustrated, but it is common knowledge in the art that the present invention is not limited to the described embodiments, and that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. It is self-evident to those who have Accordingly, such modifications or variations should not be individually understood from the spirit or point of view of the present invention, and the modified embodiments should belong to the claims of the present invention.

Claims (14)

a) 0.015 M의 몰 농도를 가지는 코발트 전구체 용액 및 그래핀옥사이드를 분무 열분해하여 코발트 산화물이 분산된 환원그래핀옥사이드(Reduced Graphene Oxide)를 제조하는 단계;
b) 상기 코발트 산화물이 분산된 환원그래핀옥사이드를 아르곤(Ar) 중 10% 수소(H2) 대기 하, 350 내지 450℃ 범위에서 2 내지 4 시간 동안 열처리하여 환원시키는 단계; 및
c) 상기 b 단계 이후, 공기 또는 산소 분위기 하, 250 내지 350℃ 범위에서 2 내지 4 시간 동안 열처리하여 산화시킴으로써, 환원그래핀옥사이드에 의해 지지되는 코발트 중공 나노입자를 형성하는 단계; 를 포함하는 PEM 수전해 산소발생반응용 코발트 촉매 제조방법.
a) preparing a reduced graphene oxide in which cobalt oxide is dispersed by spray pyrolysis of a cobalt precursor solution and graphene oxide having a molar concentration of 0.015 M;
b) reducing the reduced graphene oxide in which the cobalt oxide is dispersed by heat treatment for 2 to 4 hours in the range of 350 to 450° C. under 10% hydrogen (H 2 ) atmosphere in argon (Ar); and
c) after step b, by oxidizing by heat treatment in the range of 250 to 350 ° C. for 2 to 4 hours under air or oxygen atmosphere, thereby forming cobalt hollow nanoparticles supported by reduced graphene oxide; A method for preparing a cobalt catalyst for PEM water electrolysis oxygen evolution reaction comprising a.
제 1 항에 있어서,
상기 코발트 전구체 용액은 코발트 질산 헥사하이드레이트(Co(NO3)26H2O)이며, 상기 그래핀옥사이드는 변형된 휴머스 방법(Hummer's method)에 의해 제조된 것인, PEM 수전해 산소발생반응용 코발트 촉매 제조방법.
The method of claim 1,
The cobalt precursor solution is cobalt nitrate hexahydrate (Co(NO 3 ) 2 6H 2 O), and the graphene oxide is prepared by a modified Hummer's method, PEM water electrolysis for oxygen evolution reaction A method for preparing a cobalt catalyst.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항의 방법에 따라 제조되는 코발트 촉매로서,
상기 코발트 촉매는, 환원그래핀옥사이드 지지체 상에 분산된 사산화삼코발트(Co3O4) 중공(hollow) 나노입자; 및
코발트(Ⅲ)산화물(Co2O3) 및 산화코발트(CoO) 중 선택되는 1종 이상의 코발트 산화물; 을 포함하는, PEM 수전해 산소발생반응용 코발트 촉매.
A cobalt catalyst prepared according to the method of claim 1, comprising:
The cobalt catalyst is, cobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) hollow nanoparticles dispersed on a reduced graphene oxide support; and
at least one cobalt oxide selected from cobalt (III) oxide (Co 2 O 3 ) and cobalt oxide (CoO); A cobalt catalyst for PEM water electrolysis oxygen evolution reaction comprising a.
제 7 항에 있어서,
상기 사산화삼코발트(Co3O4) 중공 나노입자의 평균 입경은 16.57 ±5.21 ㎚ 범위이며, 3 ± 0.5 ㎚ 두께의 쉘을 가지는 것인, PEM 수전해 산소발생반응용 코발트 촉매.
8. The method of claim 7,
The average particle diameter of the tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) hollow nanoparticles is in the range of 16.57 ± 5.21 nm, and has a shell of 3 ± 0.5 nm thick, PEM water electrolysis cobalt catalyst for oxygen evolution reaction.
제 7 항에 있어서,
상기 코발트 촉매는, 촉매 전체 중량을 기준으로 사산화삼코발트(Co3O4) 중공 나노입자 80 내지 90 중량% 및 환원그래핀옥사이드 10 내지 20 중량%를 포함하는, PEM 수전해 산소발생반응용 코발트 촉매.
8. The method of claim 7,
The cobalt catalyst is, based on the total weight of the catalyst, cobalt trioxide (Co 3 O 4 ) containing 80 to 90% by weight of hollow nanoparticles and 10 to 20% by weight of reduced graphene oxide, PEM water electrolysis cobalt catalyst for oxygen evolution reaction .
제 7 항에 있어서,
상기 코발트 촉매에 있어, Co3+/Co2+ 비율은 2 이상인, PEM 수전해 산소발생반응용 코발트 촉매.
8. The method of claim 7,
In the cobalt catalyst, Co 3+ /Co 2+ ratio is 2 or more, PEM cobalt catalyst for water electrolysis oxygen evolution.
제 7 항에 있어서,
상기 코발트 촉매는 5,000회의 전위 사이클 이후에 초기 전류의 80% 이상을 유지하는, PEM 수전해 산소발생반응용 코발트 촉매.
8. The method of claim 7,
The cobalt catalyst maintains 80% or more of the initial current after 5,000 dislocation cycles, PEM water electrolysis cobalt catalyst for oxygen evolution.
제 7 항의 산소발생반응용 코발트 촉매를 포함하는, PEM 수전해용 전극.A PEM water electrolysis electrode comprising the cobalt catalyst for the oxygen evolution reaction of claim 7. 제 7 항의 산소발생반응용 코발트 촉매를 포함하는, PEM 수전해용 막 전극 접합체.A membrane electrode assembly for PEM water electrolysis, comprising the cobalt catalyst for the oxygen evolution reaction of claim 7. 제 7 항의 산소발생반응용 코발트 촉매를 포함하는, PEM 수전해셀.A PEM water electrolysis cell comprising the cobalt catalyst for the oxygen evolution reaction of claim 7.
KR1020200125838A 2020-09-28 2020-09-28 Co catalyst for oxygen evolution reaction and The manufacturing method for the same KR102385067B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200125838A KR102385067B1 (en) 2020-09-28 2020-09-28 Co catalyst for oxygen evolution reaction and The manufacturing method for the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200125838A KR102385067B1 (en) 2020-09-28 2020-09-28 Co catalyst for oxygen evolution reaction and The manufacturing method for the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220042695A KR20220042695A (en) 2022-04-05
KR102385067B1 true KR102385067B1 (en) 2022-04-11

Family

ID=81182410

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200125838A KR102385067B1 (en) 2020-09-28 2020-09-28 Co catalyst for oxygen evolution reaction and The manufacturing method for the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102385067B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230171492A (en) 2022-06-13 2023-12-21 숭실대학교산학협력단 Catalyst for oxygen evolution reaction doped with iron, and preparation method thereof

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017210638A (en) * 2016-05-24 2017-11-30 東洋インキScホールディングス株式会社 Carbon catalyst for water electrolysis and production method of the same, catalyst ink for water electrolysis using the carbon catalyst, and water electrolysis device

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140104636A (en) * 2013-02-20 2014-08-29 한국화학연구원 Cobalt catalyst for fischer tropsh synthesis, preparation method of the same, and method of liqiud hydrocarbon using the same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017210638A (en) * 2016-05-24 2017-11-30 東洋インキScホールディングス株式会社 Carbon catalyst for water electrolysis and production method of the same, catalyst ink for water electrolysis using the carbon catalyst, and water electrolysis device

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Nano Energy 2015.10,
NJC, 2020, 08

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230171492A (en) 2022-06-13 2023-12-21 숭실대학교산학협력단 Catalyst for oxygen evolution reaction doped with iron, and preparation method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220042695A (en) 2022-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Nanocarbon/oxide composite catalysts for bifunctional oxygen reduction and evolution in reversible alkaline fuel cells: A mini review
US8398884B2 (en) Method for producing electrode material for fuel cell, electrode material for fuel cell, and fuel cell using the electrode material for fuel cell
US9647275B2 (en) Bi-functional catalysts for oxygen reduction and oxygen evolution
Kim et al. Crumpled rGO-supported Pt-Ir bifunctional catalyst prepared by spray pyrolysis for unitized regenerative fuel cells
EP2634850B1 (en) Composite, catalyst including the same, fuel cell and lithium air battery including the same
Hameed Facile preparation of Pd-metal oxide/C electrocatalysts and their application in the electrocatalytic oxidation of ethanol
AU2012271494B2 (en) Non-PGM cathode catalysts for fuel cell application derived from heat treated heteroatomic amines precursors
US9666877B2 (en) Metal-oxide catalysts for fuel cells
JP2021520296A (en) Catalytic materials for fuel cells or electrolyzers, and related manufacturing methods
KR102255855B1 (en) Platinum-based alloy catalyst for oxygen reduction reaction, method of manufacturing the platinum alloy catalyst, and fuel cell having the platinum alloy catalyst
CN113113624B (en) Nano platinum catalyst with carbon nano tube as carrier and preparation method thereof
Maiyalagan et al. Electro-oxidation of methanol on TiO2 nanotube supported platinum electrodes
KR102111074B1 (en) Platinum complex for oxygen electrode catalyst of reversible or regenerative fuelcell and production method thereof
Ma et al. The electrochemical reforming of glycerol at Pd nanocrystals modified ultrathin NiO nanoplates hybrids: An efficient system for glyceraldehyde and hydrogen coproduction
Zhao et al. Noble-Metal-Free FeMn-NC catalyst for efficient oxygen reduction reaction in both alkaline and acidic media
CN112002915A (en) Oxygen electrode bifunctional catalyst, preparation method and application
Yuasa Molten salt synthesis of Nb-doped TiO2 rod-like particles for use in bifunctional oxygen reduction/evolution electrodes
Flores-Lasluisa et al. LaNi1-xCoxO3 perovskites for application in electrochemical reactions involving molecular oxygen
KR102385067B1 (en) Co catalyst for oxygen evolution reaction and The manufacturing method for the same
Yavari et al. SrFeO3-δ assisting with Pd nanoparticles on the performance of alcohols catalytic oxidation
Zhao et al. Hollow spherical LaNiO3 perovskite with superior multifunctional performances and durability for urea-assisted Zn-air batteries
WO2023068086A1 (en) Electrode catalyst for hydrogen fuel cell anodes
WO2022158395A1 (en) Fuel cell electrode catalyst
TWI789722B (en) Catalyst structure, use thereof and electrochemical device
WO2023063265A1 (en) Electrode catalyst for hydrogen fuel cell anode

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant