KR102385415B1 - Platinum atom multiple doped silver nanocluster and method for producing the same, and nanocluster catalyst for oxygen reduction reaction - Google Patents

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Abstract

본 발명은 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터와 이의 제조방법, 및 산소 환원 반응용 나노클러스터 촉매에 관한 것으로, 백금 원자가 은 나노클러스터에 다중 도핑됨에 따라 제어되는 전기화학적 특성을 이용하여 산소 환원 반응에 효과적인 촉매를 제공한다.The present invention relates to a silver nanoclusters doped with multiple platinum atoms, a method for preparing the same, and a nanocluster catalyst for oxygen reduction reaction. It provides an effective catalyst.

Description

백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터와 이의 제조방법 및 산소 환원 반응용 나노클러스터 촉매 {Platinum atom multiple doped silver nanocluster and method for producing the same, and nanocluster catalyst for oxygen reduction reaction}Platinum atom multiple doped silver nanocluster and method for producing the same, and nanocluster catalyst for oxygen reduction reaction

본 발명은 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터와 이의 제조방법, 및 산소 환원 반응용 나노클러스터 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to silver nanoclusters doped with multiple platinum atoms, a method for preparing the same, and a nanocluster catalyst for oxygen reduction reaction.

특정 개수의 금속 원자와 리간드로 구성되는 나노클러스터(nanocluster) 또는 거대원자(superatom)는 입자가 가지는 정전위상 전자(valence electron)가 새롭게 정의되는 거대원자 오비탈 이론을 따르며, 이를 하나의 거대한 원자로 보겠다는 이론이다.Nanoclusters or superatoms composed of a certain number of metal atoms and ligands follow the macroatomic orbital theory, in which the valence electrons of particles are newly defined, It's a theory.

나노클러스터는 원자 하나 또는 나노입자(nanoparticle) 대비 안정적이며, 금속적인 성질보다 분자적인 성질이 강해 나노입자와는 전혀 다른 광학적 및 전기화학적 성질을 가진다. 특히, 나노클러스터는 금속 원자의 개수, 금속 원자의 종류 및 리간드 등에 따라 광학적, 전기적 및 촉매적 성질이 민감하게 달라짐에 따라, 매우 다양한 분야에서 나노클러스터에 관한 연구가 활발하게 진행 중이다.Nanoclusters have optical and electrochemical properties completely different from nanoparticles because they are more stable than single atoms or nanoparticles, and have stronger molecular properties than metallic properties. In particular, as optical, electrical and catalytic properties of nanoclusters are sensitively changed according to the number of metal atoms, types of metal atoms, ligands, etc., research on nanoclusters is being actively conducted in a wide variety of fields.

한편, 연료전지 기술은 수소 연료가 산소와의 전기화학반응을 거쳐 물로 전환될 때 에너지가 발생하는 것을 근간으로 하는 것으로, 에너지 생산 효율이 높고, 공해가 거의 없어 친환경 차세대 에너지원으로 주목 받고 있다.On the other hand, fuel cell technology is based on the generation of energy when hydrogen fuel is converted into water through an electrochemical reaction with oxygen.

상기 연료전지 기술은 하기의 반응 과정을 가지는데, 특히 환원전극(양극)에서 일어나는 산소 환원 반응(ORR, oxygen reduction reaction)이 얼마나 잘 일어나는 가에 따라 반응 효율이 달라진다.The fuel cell technology has the following reaction process, and in particular, the reaction efficiency varies depending on how well an oxygen reduction reaction (ORR) occurs at the reduction electrode (anode).

▶ 산화전극(음극): 2H2 → 4H+ + 4e- ▶ Anode (cathode): 2H 2 → 4H + + 4e -

▶ 환원전극(양극): O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O▶ Cathode (anode): O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O

이는 ORR의 여러 단계 반응 중 에너지 벽이 높은 산소 흡착 단계가 존재하기 때문으로, 산소 흡착 강도가 ORR의 반응 효율을 결정하는 중요한 변수로 작용한다.This is because there is an oxygen adsorption step with a high energy wall among the multiple steps of the ORR reaction, and the oxygen adsorption strength acts as an important variable in determining the reaction efficiency of the ORR.

이에 따라, 연료전지의 반응 효율을 향상시키기 위하여 최적의 산소 흡착 강도를 가지는 촉매 개발에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있는 실정이다.Accordingly, in order to improve the reaction efficiency of the fuel cell, research on the development of a catalyst having an optimal oxygen adsorption strength is continuously being made.

현재까지는 최적화된 산소 흡착 에너지를 가지는 백금(Pt)이 촉매로 주로 이용되고 있으나, 상기 백금(Pt)은 가격이 높을 뿐만 아니라 매장량이 한정되어 있음에 따라, 이를 대체할 수 있는 산소 환원 반응용 촉매에 대한 개발이 요구되고 있다.Until now, platinum (Pt) having an optimized oxygen adsorption energy has been mainly used as a catalyst, but as platinum (Pt) has a high price and limited reserves, it can be replaced as a catalyst for oxygen reduction reaction development is required.

이와 유사한 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1753662호가 제시되어 있다.As a similar prior document, Republic of Korea Patent Publication No. 10-1753662 has been proposed.

대한민국 등록특허공보 제10-1753662호 (2017.06.28)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1753662 (2017.06.28)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 백금 대비 가격이 저렴하면서도 우수한 산소 환원 반응 활성을 가진 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터와 이의 제조방법, 및 산소 환원 반응용 나노클러스터 촉매를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention is to provide a silver nanocluster doped with platinum atoms having multiple doped platinum atoms, which is inexpensive compared to platinum and has excellent oxygen reduction reaction activity, a method for preparing the same, and a nanocluster catalyst for oxygen reduction reaction do it with

본 발명의 일 양태는 하기 화학식 1을 만족하는 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터에 관한 것으로, 상기 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터는 산소 환원 반응(ORR)용일 수 있다.One aspect of the present invention relates to silver nanoclusters doped with platinum atoms that satisfy Formula 1 below, and the silver nanoclusters doped with platinum atoms may be used for oxygen reduction reaction (ORR).

[화학식 1][Formula 1]

PtxAg25-x(SR)18 Pt x Ag 25-x (SR) 18

(상기 화학식 1에서 SR은 유기티올계 리간드이며, x는 3 내지 13에서 선택되는 정수이다.)(In Formula 1, SR is an organothiol-based ligand, and x is an integer selected from 3 to 13.)

바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 유기티올계 리간드는 (C1-C4)알킬로 치환되거나 비치환된 (C6-C12)아릴티올일 수 있다.Preferably, the organothiol-based ligand according to an embodiment of the present invention may be (C6-C12)arylthiol unsubstituted or substituted with (C1-C4)alkyl.

또한, 본 발명의 다른 일 양태는 a) 은 전구체 및 유기티올계 리간드 화합물을 반응시켜 반응용액을 제조하는 단계; b) 상기 반응용액에 백금 전구체를 첨가하는 단계; 및 c) 상기 b)단계의 용액에 반응 촉매 및 환원제를 첨가하여 하기 화학식 1을 만족하는 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터를 제조하는 단계;를 포함하는, 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터의 제조방법에 관한 것이다.In addition, another aspect of the present invention comprises the steps of: a) preparing a reaction solution by reacting a silver precursor and an organothiol-based ligand compound; b) adding a platinum precursor to the reaction solution; and c) adding a reaction catalyst and a reducing agent to the solution of step b) to prepare silver nanoclusters doped with multiple platinum atoms satisfying the following formula (1); it's about how

[화학식 1][Formula 1]

PtxAg25-x(SR)18 Pt x Ag 25-x (SR) 18

(상기 화학식 1에서 SR은 유기티올계 리간드이며, x는 3 내지 13에서 선택되는 정수이다.)(In Formula 1, SR is an organothiol-based ligand, and x is an integer selected from 3 to 13.)

상기 다른 일 양태에 있어, 상기 은 전구체 : 백금 전구체의 몰비는 1 : 1 내지 10일 수 있다.In another exemplary embodiment, the molar ratio of the silver precursor to the platinum precursor may be 1:1 to 10.

본 발명의 일 실시예에 따른 은 전구체 : 유기티올계 리간드의 몰비는 1 : 1 내지 10일 수 있으며, 은 전구체는 AgNO3, AgBF4, AgCF3SO3, AgClO4, AgO2CCH3 및 AgPF6에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.The molar ratio of the silver precursor to the organothiol-based ligand according to an embodiment of the present invention may be 1:1 to 10, and the silver precursor is AgNO 3 , AgBF 4 , AgCF 3 SO 3 , AgClO 4 , AgO 2 CCH 3 and AgPF It may be any one or two or more selected from 6 .

또한 본 발명은 본 발명의 백금 원자가 이중도핑된 은 나노클러스터를 채용한 전극을 제공한다.In addition, the present invention provides an electrode employing the silver nanoclusters doped with platinum atoms of the present invention.

본 발명에 따른 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터는 고가의 백금만으로 구성된 백금 촉매 대비 가격이 저렴하면서도, 산소 환원 반응에 촉매로 활용 시 그 성능이 우수하다는 장점이 있다.The silver nanoclusters multi-doped with platinum atoms according to the present invention have an advantage in that the price is lower than that of a platinum catalyst composed of only expensive platinum, and when used as a catalyst for an oxygen reduction reaction, its performance is excellent.

도 1는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 각각 제조된 나노클러스터의 자외선-가시광선-적외선 흡수 스펙트럼이다.
도 2은 실시예 1에서 제조된 Pt3Ag22(SR)18 나노클러스터의 전압-전류도이다.
도 3는 제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 제조된 카본블랙-나노클러스터 복합 필름의 순환 전압 전류도를 활용한 수소 발생 반응성 확인 자료이다.
도 4는 제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 제조된 카본블랙-나노클러스터 복합 필름의 순환 전압 전류도를 활용한 산소 환원 반응성 확인 자료이다.
도 5은 제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 제조된 카본블랙-나노클러스터 복합 필름의 회전 링-디스크 전극(RRDE)을 이용한 산소 환원 반응성 확인 자료이다.
도 6은 제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 제조된 카본블랙-나노클러스터 복합 필름의 회전 링-디스크 전극(RRDE)을 이용한 산소 환원 반응성 확인 자료로부터 산소 환원 전자수(n, the number of electrons)를 계산한 자료이다.
1 is an ultraviolet-visible-infrared absorption spectrum of nanoclusters prepared in Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, respectively.
FIG. 2 is a voltage-current diagram of Pt 3 Ag 22 (SR) 18 nanoclusters prepared in Example 1. FIG.
3 is a hydrogen generation reactivity confirmation data using the cyclic voltammetry of the carbon black-nano-cluster composite film prepared in Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2;
Figure 4 is the oxygen reduction reactivity confirmation data using the cyclic voltammetry of the carbon black-nano-cluster composite film prepared in Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2;
5 is a rotational ring-disc electrode (RRDE) of carbon black-nano-cluster composite films prepared in Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2 confirming oxygen reduction reactivity.
6 shows the number of oxygen reduction electrons (n, The number of electrons) is calculated.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터와 이의 제조방법, 및 산소 환원 반응용 나노클러스터 촉매에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. Hereinafter, a silver nanocluster multi-doped with platinum atoms, a manufacturing method thereof, and a nanocluster catalyst for oxygen reduction reaction according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided as examples so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. Also, like reference numerals refer to like elements throughout.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily obscure will be omitted.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.In addition, in describing the components of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only for distinguishing the elements from other elements, and the essence, order, or order of the elements are not limited by the terms.

연료전지 기술은 하기의 반응 과정을 가지는데, 특히 환원전극(양극)에서 일어나는 산소 환원 반응(ORR, oxygen reduction reaction)이 얼마나 잘 일어나는 가에 따라 반응 효율이 달라진다.The fuel cell technology has the following reaction process, and in particular, the reaction efficiency varies depending on how well the oxygen reduction reaction (ORR) occurs at the cathode (anode).

▶ 산화전극(음극): 2H2 → 4H+ + 4e- ▶ Anode (cathode): 2H 2 → 4H + + 4e -

▶ 환원전극(양극): O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O▶ Cathode (anode): O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O

이는 ORR의 여러 단계 반응 중 에너지 벽이 높은 산소 흡착 단계가 존재하기 때문으로, 산소 흡착 강도가 ORR의 반응 효율을 결정하는 중요한 변수로 작용한다.This is because there is an oxygen adsorption step with a high energy wall among the multiple steps of the ORR reaction, and the oxygen adsorption strength acts as an important variable in determining the reaction efficiency of the ORR.

현재까지 ORR 촉매의 금속으로는 백금(Pt)이 주로 이용되고 있으나, 상기 백금(Pt)은 가격이 높을 뿐만 아니라 매장량이 한정되어 있어 경제성이 낮고 상용화를 저해하는 제약요소가 되고 있다.To date, platinum (Pt) has been mainly used as the metal of the ORR catalyst. However, platinum (Pt) is not only expensive but also has limited reserves, so it has low economic feasibility and is a constraint impeding commercialization.

이에 본 발명자들은 연구를 심화한 결과, 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터가 백금 대비 가격이 저렴하면서도 우수한 산소 환원 반응성을 가지는 것을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.Accordingly, as a result of intensifying research, the present inventors have completed the present invention by discovering that silver nanoclusters doped with platinum atoms have excellent oxygen reduction reactivity while being inexpensive compared to platinum.

상세하게, 본 발명의 일 양태는 하기 화학식 1을 만족하는 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터에 관한 것으로, 하기 화학식 1을 만족함으로써 백금 대비 가격이 저렴하면서도 산소 환원 반응에 대한 우수한 활성을 가질 수 있음에 따라, 상기 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터는 산소 환원 반응(ORR)용 촉매로 활용할 수 있다.In detail, an aspect of the present invention relates to a silver nanoclusters doped with platinum atoms that satisfy the following formula (1). Accordingly, the silver nanoclusters in which platinum atoms are multi-doped can be utilized as a catalyst for oxygen reduction reaction (ORR).

[화학식 1][Formula 1]

PtxAg25-x(SR)18 Pt x Ag 25-x (SR) 18

상기 화학식 1에서 SR은 유기티올계 리간드이며, x는 3 내지 13에서 선택되는 정수로, 보다 좋게는 x는 3 내지 6에서 선택되는 정수일 수 있다. 상기 도핑 수에서 산소 환원 반응에 대해 백금 촉매에 필적할 만한 우수한 활성을 가지면서도 백금 촉매 대비 높은 경제성을 가질 수 있어 바람직하다.In Formula 1, SR is an organothiol-based ligand, x is an integer selected from 3 to 13, and more preferably, x may be an integer selected from 3 to 6. It is preferable because it has excellent activity comparable to that of a platinum catalyst for oxygen reduction reaction in the doping water and can have high economic efficiency compared to a platinum catalyst.

본 발명의 일 예에 있어, 상기 유기티올계 리간드인 SR은 탄소수 1 내지 30의 알칸티올, 탄소수 6 내지 30의 아릴티올, 탄소수 3 내지 30의 사이클로알칸티올, 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴티올, 탄소수 3 내지 30의 헤테로사이클로알칸티올 및 탄소수 6 내지 30의 아릴알칸티올 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 상기 유기티올계 리간드는 작용기 내 하나 이상의 수소가 치환기로 더 치환되거나 치환되지 않을 수 있으며, 이때, 치환기는 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 할로겐기(-F, -Br, -Cl, -I), 니트로기, 시아노기, 히드록시기, 아미노기, 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 탄소수 2 내지 7의 알케닐기, 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬기, 탄소수 3 내지 20의 헤테로사이클로알킬기 또는 탄소수 4 내지 20의 헤테로아릴기이되, 단, 상기 기재된 유기티올계 리간드의 탄소수는 치환기의 탄소수를 포함하지는 않는다. 또한, 상기 알킬기를 포함하는 모든 작용기에 있어 알킬기는 선형 또는 분지형일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the organothiol-based ligand, SR, is an alkanethiol having 1 to 30 carbon atoms, an arylthiol having 6 to 30 carbon atoms, a cycloalkanethiol having 3 to 30 carbon atoms, a heteroarylthiol having 5 to 30 carbon atoms, It may be any one or two or more selected from the group consisting of heterocycloalkanethiol having 3 to 30 carbon atoms and arylalkanethiol having 6 to 30 carbon atoms, and the organothiol-based ligand is a functional group in which at least one hydrogen is further substituted with a substituent or It may not be substituted, and in this case, the substituent is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a halogen group (-F, -Br, -Cl, -I), a nitro group, a cyano group, a hydroxyl group, an amino group, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms. , an alkenyl group having 2 to 7 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, a heterocycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms or a heteroaryl group having 4 to 20 carbon atoms, with the proviso that the above-described organothiol-based ligand has the number of carbon atoms of the substituent does not include In addition, in all functional groups including the alkyl group, the alkyl group may be linear or branched.

보다 구체적인 일 예시로, 상기 유기티올계 리간드는 펜탄티올, 헥산티올, 헵탄티올, 2,4-디메틸벤젠티올, 글루타티온, 티오프로닌, 티올레이티드 폴리(에틸렌글리콜), p-머캅토페놀 및 (r-머캅토프로필)-트리메톡시실란) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In a more specific example, the organothiol-based ligand may include pentanethiol, hexanethiol, heptanethiol, 2,4-dimethylbenzenethiol, glutathione, thiopronine, thiolated poly(ethylene glycol), p-mercaptophenol and (r-mercaptopropyl)-trimethoxysilane) may be any one or two or more selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 유기티올계 리간드는 (C1-C4)알킬로 치환되거나 비치환된 (C6-C12)아릴티올일 수 있으며, 보다 바람직하게는 (C1-C4)알킬로 치환된 (C6-C12)아릴티올일 수 있으며, 일례로, 페닐티올, 2-메틸페닐티올, 3-메틸페닐티올, 4-메틸페닐티올, 2,3-디메틸페닐티올, 2,4-디메틸페닐티올, 2,5-디메틸페닐티올, 2-6-디메틸페닐티올, 2-에틸페닐티올, 2,3-디에틸페닐티올 또는 2,4-디에틸페닐티올일 수 있으나, 이에 한정이 있는 것은 아니다. Preferably, the organothiol-based ligand according to an embodiment of the present invention may be (C1-C4)alkyl-substituted or unsubstituted (C6-C12)arylthiol, more preferably (C1-C4)alkyl-substituted (C6-C12) arylthiol, for example, phenylthiol, 2-methylphenylthiol, 3-methylphenylthiol, 4-methylphenylthiol, 2,3-dimethylphenylthiol, 2,4-dimethylphenylthiol, 2 ,5-dimethylphenylthiol, 2-6-dimethylphenylthiol, 2-ethylphenylthiol, 2,3-diethylphenylthiol or 2,4-diethylphenylthiol, but is not limited thereto.

또한, 본 발명의 또 다른 일 양태는 상기 화학식 1을 만족하는 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터를 포함하는 산소 환원 반응용 필름에 관한 것으로, 상기 산소 환원 반응용 필름은 산소 환원 반응을 위한 전극으로 활용될 수 있다.In addition, another aspect of the present invention relates to a film for oxygen reduction reaction comprising silver nanoclusters in which platinum atoms satisfying Chemical Formula 1 are multi-doped, wherein the film for oxygen reduction reaction is an electrode for oxygen reduction reaction. can be utilized.

보다 구체적으로 상기 산소 환원 반응용 필름은 상기 화학식 1을 만족하는 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터, 도전재 및 고분자 바인더 등을 포함할 수 있다.More specifically, the film for oxygen reduction reaction may include silver nanoclusters in which platinum atoms satisfying Chemical Formula 1 are multi-doped, a conductive material, and a polymer binder.

본 발명의 일 예에 있어, 상기 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터:도전재의 중량비는 1:5 내지 20, 좋게는 1:8 내지 18일 수 있다. 상기 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터:도전재의 중량비가 상기 범위를 만족할 경우, 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터 촉매가 도전재의 표면을 단일층으로 덮을 수 있어 최소한의 촉매를 사용하여 원가를 절감할 수 있음과 동시에 최대 촉매 효율을 나타낼 수 있어 좋다.In an example of the present invention, the weight ratio of the silver nanoclusters doped with platinum atoms to the conductive material may be 1:5 to 20, preferably 1:8 to 18. When the weight ratio of the silver nanoclusters doped with multiple platinum atoms to the conductive material satisfies the above range, the silver nanocluster catalyst doped with multiple platinum atoms can cover the surface of the conductive material with a single layer, thereby reducing costs by using a minimum amount of catalyst. It is good because it can exhibit the maximum catalyst efficiency at the same time.

본 발명의 일 예에 있어, 상기 도전재는 탄소체일 수 있으나 당업계에서 통상적으로 사용하는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 탄소체의 구체적인 예로, 카본블랙, 슈퍼피(super-p), 활성탄소, 하드카본 및 소프트카본 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the conductive material may be a carbon material, but as long as it is commonly used in the art, it may be used without particular limitation. Specific examples of the carbon body may be any one or two or more selected from the group consisting of carbon black, super-p, activated carbon, hard carbon, soft carbon, and the like, but is not limited thereto.

본 발명의 일 예에 있어, 상기 고분자 바인더는 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터와 도전재의 견고한 고정을 위해 사용되는 것으로, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, 나피온 등일 수 있다. 고분자 바인더의 첨가량은 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터와 도전재가 견고하게 고정될 정도라면 특별히 그 함량을 한정하지 않으며, 구체적인 일 예시로, 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터:고분자 바인더의 중량비는 1:0.01 내지 3, 좋게는 1:0.1 내지 2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In an example of the present invention, the polymer binder is used for firmly fixing the silver nanoclusters doped with platinum atoms and the conductive material, and if it is commonly used in the art, it can be used without particular limitation, specifically For example, it may be Nafion or the like. The amount of the polymer binder to be added is not particularly limited as long as the amount of the silver nanoclusters doped with platinum atoms and the conductive material is firmly fixed. : 0.01 to 3, preferably 1:0.1 to 2, but is not limited thereto.

또한, 본 발명의 다른 일 양태는 a) 은 전구체 및 유기티올계 리간드 화합물을 반응시켜 반응용액을 제조하는 단계; b) 상기 반응용액에 백금 전구체를 첨가하는 단계; 및 c) 반응 촉매 및 환원제를 첨가하여 하기 화학식 1을 만족하는 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터를 제조하는 단계;를 포함하는, 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터의 제조방법에 관한 것이다.In addition, another aspect of the present invention comprises the steps of: a) preparing a reaction solution by reacting a silver precursor and an organothiol-based ligand compound; b) adding a platinum precursor to the reaction solution; and c) adding a reaction catalyst and a reducing agent to prepare silver nanoclusters in which platinum atoms are multi-doped, satisfying the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

PtxAg25-x(SR)18 Pt x Ag 25-x (SR) 18

상기 화학식 1에서 SR은 유기티올계 리간드이며, x는 3 내지 13에서 선택되는 정수로, 보다 좋게는 x는 3 내지 6에서 선택되는 정수일 수 있다. 이때, 화학식 1의 SR은 상기에 기재된 바와 동일한 바, 중복설명은 생략한다.In Formula 1, SR is an organothiol-based ligand, x is an integer selected from 3 to 13, and more preferably, x may be an integer selected from 3 to 6. In this case, since SR in Formula 1 is the same as described above, redundant descriptions are omitted.

이처럼, 본 발명의 일 예에 따른 제조방법은 백금 전구체의 첨가량을 조절하여 사용함으로써 은 나노클러스터에 백금 원자를 다중 도핑된 은 나노클러스터를 제조할 수 있으며, 이를 통해 백금 대비 가격이 저렴하면서도 산소 환원 반응에 대하여 보다 우수한 활성을 가진 산소 환원 반응(ORR)용 촉매로 활용할 수 있다.As such, in the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, silver nanoclusters in which platinum atoms are multi-doped into silver nanoclusters can be manufactured by adjusting the amount of the platinum precursor added, and through this, the price is low compared to platinum and oxygen reduction It can be used as a catalyst for oxygen reduction reaction (ORR) with better activity for the reaction.

이하, 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터의 제조방법의 각 단계에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, each step of the method for manufacturing silver nanoclusters in which platinum atoms are multi-doped will be described in more detail.

먼저, a) 은 전구체 및 유기티올계 리간드 화합물을 반응시켜 반응용액을 제조하는 단계를 수행할 수 있다.First, a) may be performed to prepare a reaction solution by reacting the precursor and the organothiol-based ligand compound.

본 발명의 일 예에 있어, 상기 은 전구체는 당업계에서 통상적으로 사용하는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 구체적인 일 예시로, AgNO3, AgBF4, AgCF3SO3, AgClO4, AgO2CCH3 및 AgPF6으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 바람직하게는 AgNO3를 사용하는 것이 합성 효율을 향상시킴에 있어 좋다.In an example of the present invention, the silver precursor may be used without particular limitation as long as it is commonly used in the art, and as a specific example, AgNO 3 , AgBF 4 , AgCF 3 SO 3 , AgClO 4 , AgO 2 CCH 3 and AgPF 6 It may be any one or two or more selected from the group consisting of, preferably AgNO 3 It is good to improve the synthesis efficiency.

본 발명의 일 예에 있어, 상기 유기티올계 리간드 화합물은 상기 SR과 비교 시 수소가 떨어지기 전의 화합물인 RSH일 수 있으며, 구체적인 일 예시로, 탄소수 1 내지 30의 알칸티올, 탄소수 6 내지 30의 아릴티올, 탄소수 3 내지 30의 사이클로알칸티올, 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴티올, 탄소수 3 내지 30의 헤테로사이클로알칸티올 및 탄소수 6 내지 30의 아릴알칸티올 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 상기 유기티올계 리간드는 작용기 내 하나 이상의 수소가 치환기로 더 치환되거나 치환되지 않을 수 있으며, 이때, 치환기는 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 할로겐기(-F, -Br, -Cl, -I), 니트로기, 시아노기, 히드록시기, 아미노기, 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 탄소수 2 내지 7의 알케닐기, 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬기, 탄소수 3 내지 20의 헤테로사이클로알킬기 또는 탄소수 4 내지 20의 헤테로아릴기이되, 단, 상기 기재된 유기티올계 리간드의 탄소수는 치환기의 탄소수를 포함하지는 않는다. 또한, 상기 알킬기를 포함하는 모든 작용기에 있어 알킬기는 선형 또는 분지형일 수 있다.In an example of the present invention, the organothiol-based ligand compound may be RSH, which is a compound before hydrogen is dropped when compared to SR, and as a specific example, alkanethiol having 1 to 30 carbon atoms, 6 to 30 carbon atoms Any one or two selected from the group consisting of arylthiol, cycloalkanethiol having 3 to 30 carbon atoms, heteroarylthiol having 5 to 30 carbon atoms, heterocycloalkanethiol having 3 to 30 carbon atoms and arylalkanethiol having 6 to 30 carbon atoms, etc. or more, and in the organothiol-based ligand, one or more hydrogens in the functional group may be further substituted or unsubstituted with a substituent, in which case, the substituent is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a halogen group (-F, -Br, -Cl, -I), a nitro group, a cyano group, a hydroxy group, an amino group, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 7 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, a heterocycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, or a heterocycloalkyl group having 4 to carbon atoms It is a heteroaryl group of 20, with the proviso that the number of carbon atoms of the organothiol-based ligand described above does not include the number of carbon atoms of the substituent. In addition, in all functional groups including the alkyl group, the alkyl group may be linear or branched.

보다 구체적인 일 예시로, 상기 유기티올계 리간드는 펜탄티올, 헥산티올, 헵탄티올, 2,4-디메틸벤젠티올, 글루타티온, 티오프로닌, 티올레이티드 폴리(에틸렌글리콜), p-머캅토페놀 및 (r-머캅토프로필)-트리메톡시실란) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In a more specific example, the organothiol-based ligand may include pentanethiol, hexanethiol, heptanethiol, 2,4-dimethylbenzenethiol, glutathione, thiopronine, thiolated poly(ethylene glycol), p-mercaptophenol and (r-mercaptopropyl)-trimethoxysilane) may be any one or two or more selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 유기티올계 리간드는 (C1-C4)알킬로 치환되거나 비치환된 (C6-C12)아릴티올일 수 있으며, 보다 바람직하게는 (C1-C4)알킬로 치환된 (C6-C12)아릴티올일 수 있으며, 일례로, 페닐티올, 2-메틸페닐티올, 3-메틸페닐티올, 4-메틸페닐티올, 2,3-디메틸페닐티올, 2,4-디메틸페닐티올, 2,5-디메틸페닐티올, 2-6-디메틸페닐티올, 2-에틸페닐티올, 2,3-디에틸페닐티올 또는 2,4-디에틸페닐티올일 수 있으나, 이에 한정이 있는 것은 아니다. Preferably, the organothiol-based ligand according to an embodiment of the present invention may be (C1-C4)alkyl-substituted or unsubstituted (C6-C12)arylthiol, more preferably (C1-C4)alkyl-substituted (C6-C12) arylthiol, for example, phenylthiol, 2-methylphenylthiol, 3-methylphenylthiol, 4-methylphenylthiol, 2,3-dimethylphenylthiol, 2,4-dimethylphenylthiol, 2 ,5-dimethylphenylthiol, 2-6-dimethylphenylthiol, 2-ethylphenylthiol, 2,3-diethylphenylthiol or 2,4-diethylphenylthiol, but is not limited thereto.

본 발명의 일 예에 있어, 은 전구체 및 유기티올계 리간드 화합물의 혼합 비율은 당업계에서 통상적으로 혼합하는 비율일 수 있으며, 구체적인 일 예시로, 은 전구체 : 유기티올계 리간드 화합물의 몰비는 1 : 1 내지 10, 보다 좋게는 1 : 2 내지 5, 더욱 좋게는 1 : 2.5 내지 3.5일 수 있다. 이와 같은 범위에서 합성 효율이 우수하면서도 반응 불순물을 줄일 수 있어 좋다.In an example of the present invention, the mixing ratio of the silver precursor and the organothiol-based ligand compound may be a mixing ratio conventionally in the art, and as a specific example, the molar ratio of the silver precursor: the organothiol-based ligand compound is 1: 1 to 10, more preferably 1: 2 to 5, even more preferably 1: 2.5 to 3.5. In such a range, the synthesis efficiency is excellent and the reaction impurities can be reduced.

본 발명의 일 예에 있어, 상기 a)단계의 반응용액은 금속 전구체의 용해 및 반응 용이성의 향상을 위해 용매를 더 포함할 수 있으며, 상기 용매는 당업계에서 통상적으로 사용하는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 구체적인 일 예시로, 상기 용매는 물, 탄소수 1~5의 알코올, 아세토니트릴, 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸포름아미드(DMF), 아세톤, 테트라히드로푸란(THF) 및 1,4-디옥산 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합용매일 수 있으며, 바람직하게는 테트라히드로푸란과 메탄올의 혼합용매를 사용하는 것이 좋다. 테트라히드로푸란에 메탄올을 혼합하여 사용함으로써 은 전구체의 용해도를 향상시킬 수 있으며, 이로부터 합성 효율을 향상시킬 수 있다. 이때, 테트라히드로푸란과 메탄올의 혼합비율은 특별히 한정하지 않으며, 은 전구체를 충분히 용해시킬 수 있을 정도로 메탄올을 혼합하는 것이 좋다. 일 구체예로, 테트라히드로푸란 : 메탄올은 1 : 0.01 내지 1의 부피비로 혼합될 수 있으며, 보다 좋게는 1 : 0.05 내지 0.5, 더욱 좋게는 1 : 0.1 내지 0.2의 부피비로 혼합될 수 있다. 아울러, 상기 용매는 은 전구체 1 mmol을 기준으로 50 내지 100 ㎖가 첨가될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the reaction solution of step a) may further include a solvent to improve the dissolution and reaction easiness of the metal precursor, and the solvent is not particularly limited as long as it is commonly used in the art. can be used As a specific example, the solvent is water, alcohol having 1 to 5 carbon atoms, acetonitrile, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), acetone, tetrahydrofuran (THF) and 1,4-dioxane, etc. It may be any one or a mixed solvent of two or more selected from the group consisting of, preferably a mixed solvent of tetrahydrofuran and methanol. By mixing methanol with tetrahydrofuran, the solubility of the silver precursor can be improved, thereby improving the synthesis efficiency. At this time, the mixing ratio of tetrahydrofuran and methanol is not particularly limited, and it is preferable to mix methanol sufficiently to dissolve the silver precursor. In one embodiment, tetrahydrofuran: methanol may be mixed in a volume ratio of 1: 0.01 to 1, more preferably 1: 0.05 to 0.5, even more preferably 1: 0.1 to 0.2 by volume. In addition, 50 to 100 ml of the solvent may be added based on 1 mmol of the silver precursor, but is not limited thereto.

다음으로, b) 상기 반응용액에 백금 전구체를 첨가하는 단계를 수행할 수 있다.Next, b) adding a platinum precursor to the reaction solution may be performed.

본 발명의 일 예에 있어, 상기 백금 전구체는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, H2PtCl6, PtCl2, PtBr2, PtI2, K2PtCl4, Na2PtCl4 및 H3Pt(SO3)2OH로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 바람직하게는 PtCl2를 사용하는 것이 합성 효율을 향상시킴에 있어 보다 좋다.In one embodiment of the present invention, the platinum precursor may be used without particular limitation as long as it is commonly used in the art, H 2 PtCl 6 , PtCl 2 , PtBr 2 , PtI 2 , K 2 PtCl 4 , Na 2 PtCl 4 and H 3 Pt(SO 3 ) 2 It may be any one or two or more selected from the group consisting of OH, preferably PtCl 2 It is better in improving the synthesis efficiency to use.

특히 바람직하게, 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터를 제조하기 위해서는 은 전구체와 백금 전구체의 혼합 비율을 적절하게 조절하여 주는 것이 특히 중요하다. 기존의 경우, 은 전구체와 도핑하고자 하는 금속 원자의 금속 전구체의 몰비를 24:1 내지 24:5 정도로만 조절하여 사용함에 따라, 백금 원자 도핑 시에도 상기 범위에서만 주로 실험이 진행되었는데 이 경우에는 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터가 전혀 합성되지 않는 문제가 있었다. 즉, 백금 전구체 대비 은 전구체의 몰수가 많을 경우, 백금 원자가 하나 도핑된 PtAg24(SR)18만이 합성됨에 따라, 은 전구체와 백금 전구체의 혼합 비율을 적절하게 조절하여 주는 것은 매우 중요할 수 있다.In particular, it is particularly important to appropriately control the mixing ratio of the silver precursor and the platinum precursor in order to prepare the silver nanoclusters in which platinum atoms are multi-doped. In the conventional case, as the molar ratio of the silver precursor and the metal precursor of the metal atom to be doped was adjusted to only about 24:1 to 24:5, the experiment was mainly conducted only in the above range even when doping the platinum atom. In this case, the platinum atom There was a problem in that multi-doped silver nanoclusters were not synthesized at all. That is, when the number of moles of the silver precursor compared to the platinum precursor is large, only PtAg 24 (SR) 18 doped with one platinum atom is synthesized, so it may be very important to appropriately control the mixing ratio of the silver precursor and the platinum precursor.

구체적인 일 예시로, 상기 은 전구체 : 백금 전구체의 몰비는 1 : 1 내지 10일 수 있으며, 보다 좋게는 1 : 1 내지 5, 더욱 좋게는 1 : 1 내지 3, 특히 좋게는 1 : 1 내지 1.5일 수 있다. 이와 같은 범위에서 백금 원자가 다중도핑된 은 나노클러스터가 잘 합성될 수 있다.As a specific example, the molar ratio of the silver precursor to the platinum precursor may be 1:1 to 10, more preferably 1:1 to 5, even more preferably 1:1 to 3, particularly preferably 1:1 to 1.5 days. can In this range, silver nanoclusters in which platinum atoms are multi-doped can be well synthesized.

다음으로, c) 상기 b)단계의 용액에 반응 촉매 및 환원제를 첨가하여 상기 화학식 1을 만족하는 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터를 제조하는 단계를 수행할 수 있다.Next, a step of c) adding a reaction catalyst and a reducing agent to the solution of step b) may be performed to prepare silver nanoclusters in which platinum atoms satisfying Chemical Formula 1 are multi-doped.

본 발명의 일 예에 있어, 상기 반응 촉매 및 환원제는 당업계에서 통상적으로 사용하는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 있으며, 구체적인 일 예로, 반응 촉매는 테트라페닐포스핀 브로마이드(PPh4Br), 테트라옥틸암모늄 브로마이드 (TOABr) 등일 수 있으며, 환원제는 NaBH4, 테트라에틸아민, 일산화탄소 (CO) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the reaction catalyst and the reducing agent may be used without particular limitation as long as they are commonly used in the art. As a specific example, the reaction catalyst is tetraphenylphosphine bromide (PPh 4 Br), tetraoctylammonium It may be bromide (TOABr), and the like, and the reducing agent may be NaBH 4 , tetraethylamine, carbon monoxide (CO), or the like, but is not limited thereto.

아울러, 반응 촉매는 은 전구체 1 mmol을 기준으로 0.01 내지 0.1 mmol로 첨가될 수 있으며, 환원제는 은 전구체 1 mmol을 기준으로 1 내지 3 mmol로 첨가될 수 있으나, 이는 일 예시일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, the reaction catalyst may be added in an amount of 0.01 to 0.1 mmol based on 1 mmol of the silver precursor, and the reducing agent may be added in an amount of 1 to 3 mmol based on 1 mmol of the silver precursor, but this is only an example. It is not limited.

또한, c)단계의 반응 완료 후 고순도의 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터를 수득하기 위하여 추가적인 정제 과정이 더 수행될 수 있음은 물론이며, 추가적인 정제 과정은 통상적인 방법을 통해 수행될 수 있다.In addition, after completion of the reaction in step c), an additional purification process may be further performed in order to obtain highly pure silver nanoclusters doped with multiple platinum atoms, and the additional purification process may be performed through a conventional method.

또한 본 발명은 본 발명의 백금 원자가 이중도핑된 은 나노클러스터를 채용한 전극을 제공한다.In addition, the present invention provides an electrode employing the silver nanoclusters doped with platinum atoms of the present invention.

본 발명의 전극은 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터를 산소환원반응의 촉매로 채용함으로써 반응 효율이 높아 이를 채용한 전극 및 상기 전극을 채용한 연료전지는 매우 우수한 효율을 가진다.The electrode of the present invention employs silver nanoclusters multi-doped with platinum atoms as a catalyst for oxygen reduction reaction, so the reaction efficiency is high.

이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터와 이의 제조방법, 및 산소 환원 반응용 나노클러스터 촉매에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.Hereinafter, the silver nanoclusters doped with multiple platinum atoms according to the present invention, a method for preparing the same, and a nanocluster catalyst for oxygen reduction reaction according to the present invention will be described in more detail through Examples. However, the following examples are only a reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.

또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.Also, unless otherwise defined, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used herein is for the purpose of effectively describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention. In addition, the unit of additives not specifically described in the specification may be weight %.

[실시예 1] Pt[Example 1] Pt 33 AgAg 2222 (SPhMe(SPhMe 22 )) 1818 합성 synthesis

먼저, 2,4-디메틸벤젠티올(HSPhMe2) 0.66 mmol 및 AgNO3 0.22 mmol(in 2 ㎖ 메탄올)을 테트라히드로푸란(THF) 15 ㎖에 넣고, 얼음 욕조(ice bath) 하에서 20분 동안 교반하였다.First, 0.66 mmol of 2,4-dimethylbenzenethiol (HSPhMe 2 ) and 0.22 mmol (in 2 mL of methanol) of AgNO 3 were placed in 15 mL of tetrahydrofuran (THF) and stirred for 20 minutes under an ice bath. .

다음으로, 상기 반응액에 PtCl2 0.22 mmol(in 1 ㎖ THF)과 테트라페닐포스핀 브로마이드(PPh4Br) 0.014 mmol(in 0.5 ㎖ 메탄올)을 순차적으로 첨가하고, NaBH4 0.4 mmol(in 0.5 ㎖ H2O)을 신속하게 한 번에 첨가하였다. 이후, 4시간 동안 추가 교반하여 Pt3Ag22(SPhMe2)18을 합성하였다.Next, 0.22 mmol (in 1 ml THF) of PtCl 2 and 0.014 mmol (in 0.5 ml methanol) of tetraphenylphosphine bromide (PPh 4 Br) were sequentially added to the reaction solution, and 0.4 mmol (in 0.5 ml of NaBH 4 ) H 2 O) was added rapidly in one portion. Then, by further stirring for 4 hours, Pt 3 Ag 22 (SPhMe 2 ) 18 was synthesized.

반응이 완료되면, 12시간 동안 숙성시킨 후 원심 분리를 통해 상청액과 침전물을 분리하여 침전물을 건조시킨 후, 디클로로메탄(CH2Cl2) 5 ㎖와 메탄올 15 ㎖로 각각 씻어 불순물을 제거하였다.When the reaction was completed, after aging for 12 hours, the supernatant and the precipitate were separated by centrifugation, and the precipitate was dried, and then washed with 5 ml of dichloromethane (CH 2 Cl 2 ) and 15 ml of methanol to remove impurities.

고순도의 Pt3Ag22(SPhMe2)18을 수득하기 위하여, 약 3 ㎎의 Pt3Ag22(SPhMe2)18를 0.5 ㎖의 디클로로메탄에 넣어 녹인 후 n-헥산(C6H14) 5 ㎖를 첨가하여 재결정(recrystallization)하였다.To obtain high-purity Pt 3 Ag 22 (SPhMe 2 ) 18 , about 3 mg of Pt 3 Ag 22 (SPhMe 2 ) 18 was dissolved in 0.5 ml of dichloromethane and then 5 ml of n-hexane (C 6 H 14 ) was added for recrystallization.

[비교예 1] Ag[Comparative Example 1] Ag 2525 (SPhMe(SPhMe 22 )) 1818

먼저, 2,4-디메틸벤젠티올(HSPhMe2) 0.66 mmol 및 AgNO3 0.22 mmol(in 2 ㎖ 메탄올)을 테트라히드로푸란(THF) 15 ㎖에 넣고, 얼음 욕조(ice bath) 하에서 20분 동안 교반하였다. First, 0.66 mmol of 2,4-dimethylbenzenethiol (HSPhMe 2 ) and 0.22 mmol (in 2 mL of methanol) of AgNO 3 were placed in 15 mL of tetrahydrofuran (THF) and stirred for 20 minutes under an ice bath. .

다음으로, 상기 반응액에 테트라페닐포스핀 브로마이드(PPh4Br) 0.014 mmol(in 0.5 ㎖ 메탄올)을 첨가하고, NaBH4 0.4 mmol(in 0.5 ㎖ H2O)을 신속하게 한 번에 첨가하였다. 이후, 4시간 동안 추가 교반하여 Ag25(SPhMe2)18을 합성하였다.Next, 0.014 mmol (in 0.5 mL of methanol) of tetraphenylphosphine bromide (PPh 4 Br) was added to the reaction solution, and 0.4 mmol (in 0.5 mL of H 2 O) of NaBH 4 was rapidly added at once. Then, by further stirring for 4 hours, Ag 25 (SPhMe 2 ) 18 was synthesized.

[비교예 2] PtAg[Comparative Example 2] PtAg 2424 (SPhMe(SPhMe 22 )) 1818

AgNO3 0.22 mmol 및 PtCl2 0.18 mmol로 첨가량을 달리한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 그 결과 PtAg24(SPhMe2)18만이 합성되었다.All processes were carried out in the same manner as in Example 1, except that the amount of AgNO 3 0.22 mmol and PtCl 2 0.18 mmol was changed. As a result, only PtAg 24 (SPhMe 2 ) 18 was synthesized.

[제조예 1][Production Example 1]

200 ㎍의 카본 블랙과 3.5 ㎕의 나피온이 혼합된 33.0 ㎕의 테트라히드로푸란(THF) 용액을 2시간 이상 초음파 교반한 후, 실시예 1에서 제조된 Pt3Ag22(SPhMe2)18 13.6 ㎍(in THF 13.5 ㎕)를 추가적으로 넣고 10분 정도 초음파 분산을 진행하여 나노클러스터-카본블랙 복합 분산액을 제조하였다.33.0 μl of a tetrahydrofuran (THF) solution in which 200 μg of carbon black and 3.5 μl of Nafion were mixed was ultrasonically stirred for 2 hours or more, and then 13.6 μg of Pt 3 Ag 22 (SPhMe 2 ) 18 prepared in Example 1 (in THF 13.5 μl) was additionally added and ultrasonic dispersion was performed for about 10 minutes to prepare a nanocluster-carbon black composite dispersion.

다음으로, 상기 제조한 나노클러스터-카본블랙 복합 분산액을 1 ㎠ 면적의 기체 확산형 미세 공극 탄소전극 (Effects of gas diffusion layer (GDL) and micro porous layer (MPL); GDE)에 용액 증착하여 카본블랙-나노클러스터 복합 필름을 제조하였다.Next, the prepared nanocluster-carbon black composite dispersion was solution deposited on a gas diffusion type micropore carbon electrode (Effects of gas diffusion layer (GDL) and micro porous layer (MPL); GDE) having an area of 1 cm 2 to carbon black - A nanocluster composite film was prepared.

[비교제조예 1][Comparative Preparation Example 1]

비교예 1에서 제조된 Ag25(SPhMe2)18를 사용한 것 외 모든 과정을 제조예 1과 동일하게 진행하였다.All processes were the same as in Preparation Example 1 except that Ag 25 (SPhMe 2 ) 18 prepared in Comparative Example 1 was used.

[비교제조예 2][Comparative Preparation Example 2]

비교예 2에서 제조된 PtAg24(SPhMe2)18를 사용한 것 외 모든 과정을 제조예 1과 동일하게 진행하였다.Except for using the PtAg 24 (SPhMe 2 ) 18 prepared in Comparative Example 2, all processes were performed in the same manner as in Preparation Example 1.

[결과 분석][Result analysis]

1) UV-IR 흡수 스펙트럼1) UV-IR absorption spectrum

도 1는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 각각 제조된 나노클러스터의 자외선-가시광선-근적외선 흡수 스펙트럼 측정 결과이다.1 is a measurement result of ultraviolet-visible-near-infrared absorption spectra of nanoclusters prepared in Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, respectively.

도 1에 도시된 바와 같이, 백금 원자가 다중 도핑된 Pt3Ag22(SPhMe2)18의 경우, 근적외선 영역에서 새로운 흡광 밴드가 관찰되었다.As shown in FIG. 1 , in the case of Pt 3 Ag 22 (SPhMe 2 ) 18 doped with platinum atoms, a new absorption band was observed in the near-infrared region.

2) 전기화학적 특성 분석2) Analysis of electrochemical properties

도 2는 백금 원자가 다중 도핑된 Pt3Ag22(SPhMe2)18의 구형파 볼타모그램 분석 자료로, 가로축은 전압(V vs AgQRE)이며, 세로축은 전류(A)이다.2 is a square wave voltammogram analysis data of Pt 3 Ag 22 (SPhMe 2 ) 18 doped with multiple platinum atoms. The horizontal axis is voltage (V vs AgQRE), and the vertical axis is current (A).

도 2에 도시된 바와 같이, 백금 원자가 하나 도핑된 PtAg24(SPhMe2)18(a)와는 달리, 백금 원자가 다중 도핑된 Pt3Ag22(SPhMe2)18(b)는 전압-전류도의 피크 간 간격이 절반으로 줄어들었으며, 이는 전자 구조의 변화를 수반하는 구조의 축퇴가 발생함을 의미한다.As shown in FIG. 2 , unlike PtAg 24 (SPhMe 2 ) 18 (a) doped with one platinum atom, Pt 3 Ag 22 (SPhMe 2 ) 18 (b) doped with multiple platinum atoms is the peak of the voltage-amplitude diagram. The interstitial spacing is halved, which means that the structure degeneracy is accompanied by a change in the electronic structure.

상세하게, 백금 원자가 다중 도핑된 Pt3Ag22(SPhMe2)18는 하나의 백금 원자가 중심금속 중심에 우선적으로 위치하며, 다른 두 개는 중심금속 표면에 위치할 수 있다. 중심금속 중심에 위치한 백금 원자는 주변 은 원자의 물리적 제약으로 인해 산소와의 흡착이 어려우나, 중심금속 표면에 위치한 백금 원자들은 개방된 구조를 가져 원활한 산소 흡착이 가능할 수 있다.Specifically, in Pt 3 Ag 22 (SPhMe 2 ) 18 doped with multiple platinum atoms, one platinum atom is preferentially located at the center metal center, and the other two platinum atoms may be located on the center metal surface. Platinum atoms located at the center of the central metal are difficult to adsorb with oxygen due to the physical constraints of the surrounding silver atoms, but platinum atoms located on the surface of the central metal have an open structure, so smooth oxygen adsorption may be possible.

3) 카본블랙-나노클러스터 복합 필름의 촉매 반응성 확인3) Confirmation of catalytic reactivity of carbon black-nano-cluster composite film

도 3는 제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 각각 제조된 카본블랙-나노클러스터 복합 필름의 순환 전압 전류도를 활용한 수소 생성 반응성 확인 자료이며, 도 4는 순환 전압 전류도를 활용한 산소 환원 반응성 확인 자료이다.3 is a hydrogen production reactivity confirmation data using the cyclic voltammetry of the carbon black-nano cluster composite film prepared in Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2, respectively, and FIG. 4 is a cyclic voltammetry diagram. This is the data used to confirm the oxygen reduction reactivity.

도 3에 도시된 바와 같이, 제조예 1 및 비교제조예 1에서 각각 제조된 카본블랙-나노클러스터 복합 필름은 백금 원자의 도핑 수에 상관없이 빠르게 수소 기체가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 3 , in the carbon black-nanocluster composite films prepared in Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 1, respectively, it was confirmed that hydrogen gas was rapidly generated regardless of the doping number of platinum atoms.

반면, 도 4에 도시된 바와 같이, 제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 각각 제조된 카본블랙-나노클러스터 복합 필름은 ORR에 대하여 백금 원자가 다중 도핑된 나노클러스터가 더 높은 전류밀도를 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 이로부터 수소 발생 반응과 산소 환원 반응의 활성점이 서로 분리되어 있으며, 소수는 중심금속의 중심에서, 산소는 중심금속의 표면에서 반응이 일어난다는 사실을 확인할 수 있었다.On the other hand, as shown in FIG. 4, in the carbon black-nanocluster composite films prepared in Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2, respectively, the nanoclusters doped with platinum atoms have a higher current density with respect to ORR. From this, it was confirmed that the active points of the hydrogen evolution reaction and the oxygen reduction reaction are separated from each other, and the fact that the reaction occurs at the center of the central metal and oxygen at the surface of the central metal.

도 5 및 도 6은 제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에서 각각 제조된 카본블랙-나노클러스터 복합 필름의 회전 링-디스크 전극(RRDE)을 이용한 산소 환원 반응성 확인 자료로, 도 5은 전압(V vs. RHE)-전류(A) 그래프이며, 도 6은 산소 환원 전자수(n)를 계산한 자료이다.5 and 6 are data for confirming oxygen reduction reactivity using a rotating ring-disk electrode (RRDE) of the carbon black-nano-cluster composite film prepared in Preparation Example 1, Comparative Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2, respectively, FIG. is a voltage (V vs. RHE)-current (A) graph, Figure 6 is the data obtained by calculating the number of oxygen reduction electrons (n).

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 백금 원자가 도핑되기 전의 Ag25(SPhMe2)18은 단위 시간 동안 2.5개의 전자가 반응에 참여하는 반면, 백금 원자가 다중 도핑된 Pt3Ag22(SPhMe2)18는 이보다 빠른 산소 환원 반응이 유도되며, 한 번에 3개의 전자를 한꺼번에 이동시키는 고성능 촉매임을 RRDE 기법을 사용하여 확인할 수 있었다.As shown in FIGS. 5 and 6 , before platinum atoms are doped, Ag 25 (SPhMe 2 ) 18 participates in the reaction of 2.5 electrons per unit time, whereas Pt 3 Ag 22 (SPhMe 2 ) doped with platinum atoms multiple times. 18 induced a faster oxygen reduction reaction, and it was confirmed by using the RRDE technique that it is a high-performance catalyst that moves three electrons at once.

개방된 구조로서 중심금속 표면에 위치한 백금 원자가 반응 활성점으로 작용하며 원활한 산소 흡착을 유도하며, 중심금속 중심에 위치한 백금 원자로부터 수소를 빠르게 공급받아 단위시간 동안 다량의 전자가 반응에 참여하는 빠른 ORR이 관찰되었다.As an open structure, the platinum atom located on the surface of the central metal acts as a reaction active site and induces smooth oxygen adsorption. Fast ORR, in which a large number of electrons participate in the reaction for a unit time by rapidly receiving hydrogen from the platinum atom located in the center of the central metal. This was observed.

이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. Although the present invention has been described with reference to specific matters and limited examples as described above, these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above examples, and the present invention belongs to Various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims to be described later, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .

Claims (8)

하기 화학식 1을 만족하는, 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터를 포함하는 산소 환원 반응(ORR)용 촉매.
[화학식 1]
PtxAg25-x(SR)18
(상기 화학식 1에서 SR은 유기티올계 리간드이며, x는 3 내지 13에서 선택되는 정수이다.)
A catalyst for oxygen reduction reaction (ORR) comprising silver nanoclusters in which platinum atoms are multi-doped, which satisfies the following formula (1).
[Formula 1]
Pt x Ag 25-x (SR) 18
(In Formula 1, SR is an organothiol-based ligand, and x is an integer selected from 3 to 13.)
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 화학식 1에서 유기티올계 리간드는 (C1-C4)알킬로 치환된 (C6-C12)아릴티올인 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터를 포함하는 산소 환원 반응(ORR)용 촉매.
The method of claim 1,
In Chemical Formula 1, the organothiol-based ligand is a (C6-C12)arylthiol substituted with (C1-C4)alkyl. A catalyst for oxygen reduction reaction (ORR) comprising silver nanoclusters doped with platinum atoms.
a) 은 전구체 및 유기티올계 리간드 화합물을 반응시켜 반응용액을 제조하는 단계;
b) 상기 반응용액에 백금 전구체를 첨가하는 단계; 및
c) 상기 b)단계의 용액에 반응 촉매 및 환원제를 첨가하여 하기 화학식 1을 만족하는 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터를 제조하는 단계;
를 포함하는, 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터를 포함하는 산소 환원 반응(ORR)용 촉매의 제조방법.
[화학식 1]
PtxAg25-x(SR)18
(상기 화학식 1에서 SR은 유기티올계 리간드이며, x는 3 내지 13에서 선택되는 정수이다.)
a) preparing a reaction solution by reacting a silver precursor and an organothiol-based ligand compound;
b) adding a platinum precursor to the reaction solution; and
c) adding a reaction catalyst and a reducing agent to the solution of step b) to prepare silver nanoclusters in which platinum atoms are multi-doped;
A method for producing a catalyst for oxygen reduction reaction (ORR) comprising silver nanoclusters in which platinum atoms are multi-doped.
[Formula 1]
Pt x Ag 25-x (SR) 18
(In Formula 1, SR is an organothiol-based ligand, and x is an integer selected from 3 to 13.)
제 4항에 있어서,
상기 은 전구체 : 백금 전구체의 몰비는 1 : 1 내지 10인, 백금 원자가 다중 도핑된 은 나노클러스터를 포함하는 산소 환원 반응(ORR)용 촉매의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The molar ratio of the silver precursor to the platinum precursor is 1:1 to 10.
제 4항에 있어서,
상기 은 전구체 : 유기티올계 리간드의 몰비는 1 : 1 내지 10인 백금 원자가 다중도핑된 은 나노클러스터를 포함하는 산소 환원 반응(ORR)용 촉매의 제조방법.
5. The method of claim 4,
A method for preparing a catalyst for oxygen reduction reaction (ORR) comprising silver nanoclusters multi-doped with platinum atoms having a molar ratio of the silver precursor: the organothiol-based ligand of 1:1 to 10.
제 4항에 있어서,
상기 은 전구체는 AgNO3, AgBF4, AgCF3SO3, AgClO4, AgO2CCH3 및 AgPF6으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인 백금 원자가 다중도핑된 은 나노클러스터를 포함하는 산소 환원 반응(ORR)용 촉매의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The silver precursor is AgNO 3 , AgBF 4 , AgCF 3 SO 3 , AgClO 4 , AgO 2 CCH 3 Any one or more platinum atoms selected from the group consisting of AgPF 6 Oxygen reduction reaction comprising a multi-doped silver nanoclusters A method for preparing a catalyst for (ORR).
제 1항 또는 제 3항의 백금 원자가 다중도핑된 은 나노클러스터를 포함하는 산소 환원 반응(ORR)용 촉매를 채용한 전극.An electrode employing a catalyst for oxygen reduction reaction (ORR) comprising silver nanoclusters in which platinum atoms of claim 1 or 3 are multi-doped.
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