KR102416145B1 - 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 탄소 담체의 사용 없이 금속 촉매 나노 입자를 고분자 담체에 담지할 수 있는 나노 촉매 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법은, 금속 촉매 전구체 용액을 전도성 고분자 담체에 함침하는 단계; 상기 전도성 고분자 담체를 진공 건조하는 단계; 및 160 내지 300℃의 온도에서 열처리하는 단계;를 포함한다.

Description

연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF NANOCATALYST FOR FUEL CELL ELECTRODE}
본 발명은 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 탄소 담체의 사용 없이 금속 촉매 나노 입자를 고분자 담체에 담지할 수 있는 촉매 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시켜 높은 에너지 효율을 나타내어 경제적이며, 동시에 공해 물질의 배출이 없어 친환경적인 장치이다. 그러나 연료전지의 상용화를 어렵게 만드는 문제점으로, 높은 귀금속 촉매 가격 및 연료전지의 구동 중에 발생하는 탄소 담체 부식에 의한 내구성 저하 등이 있다. 이러한 탄소 담체 부식을 방지하기 위해 내화학성이 높은 고분자를 담체로 대체하여 부식을 방지하려는 시도가 있었으나, 고분자 담체를 활용할 경우 귀금속 촉매를 탄소 담체에 담지하는 기존의 제조방법을 그대로 적용하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 탄소 담체를 대체하여 전도성 고분자 담체에 금속 촉매를 담지할 수 있는 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법은, 금속 촉매 전구체 용액을 전도성 고분자 담체에 함침하는 단계; 상기 전도성 고분자 담체를 진공 건조하는 단계; 및 160 내지 300℃의 온도에서 열처리하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 촉매는, 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir)을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 촉매 전구체 용액은, 용매의 중량 대비 금속 촉매 전구체를 1:0.001~0.05의 비율로 혼합하여 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용매는, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 나프탈렌, 안트라센 및 벤조피렌을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전도성 고분자 담체는, 폴리아닐린(polyaniline), 폴리(o-메톡시아닐린)(poly(o-methoxyaniline)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(3-헥실티오펜-2,5-다이일)(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl), 폴리(3-메틸티오펜)(poly(3-methylthiophene)) 및 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-phenylenevinylene)을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전도성 고분자 담체는 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 진공 건조하는 단계는, 0.01atm 이하의 압력에서 5 내지 20분 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리하는 단계는, 아르곤(Ar) 분위기에서 30분 내지 2시간 수행될 수 있다.
일 측면에 따른 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
먼저, 진공 건조를 통해 고분자 담체 상에 함침된 금속 촉매 전구체를 균일하게 분포시킴으로써, 촉매 입자의 응집이나 조대화를 방지할 수 있다. 이에 따라 촉매가 높은 활성면적을 가져 성능의 저하를 방지할 수 있고, 고가의 귀금속 촉매 사용량을 저감할 수 있다.
또한, 열처리를 저온에서 수행함으로써 고분자 담체가 고온, 산성 또는 염기성, 고전압 환경에 노출되지 않아 고분자 담체의 손상 없이 담지할 수 있으며, 제조공정의 생산성이 우수하다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법을 공정에 따라 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3은 건조된 전도성 고분자 담체 표면의 금속 촉매 전구체의 분포를 나타내는 사진이다.
도4 및 도 5는 담지된 금속 촉매 입자의 응집 현상을 나타내는 사진이다.
도 6은 금속 촉매 나노 입자가 담지된 전도성 고분자 담체의 열중량 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 백금 전구체의 용매에 따른 용해도 실험을 나타내는 사진이다.
도 8 및 도 9는 백금 나노 입자가 담지된 PEDOT:PSS + PEO 블렌드 필름의 TEM 및 SEM 사진이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 명세서가 실시 예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
연료전지는 친환경적이고 높은 에너지 효율을 가지고 있음에도 상용화를 어렵게 만드는 문제점들을 가지고 있다. 그 중 하나가 일반적으로 사용되는 탄소 기반 담체의 부식이다. 이를 해결하기 위해 다양한 대체 담체가 연구되고 있으며, 이러한 대체 담체는 전기화학적으로 안정해야할 뿐만 아니라 전기 전도도가 높아야 하며, 촉매 활성을 위한 표면적이 넓어야 한다. 최근 탄소 담체와 함께 저렴하면서 산화환원 활성을 갖는 전도성 고분자에 금속 촉매 입자를 담지하고 있다.
기존의 탄소 담체에 금속 촉매를 담지함에 있어서 전도성 고분자 담체가 함께 이용되어 왔으나, 탄소 담체 부식을 해결하지 못하는 한계점과 함께 열처리 단계에서 전도성 고분자 담체 구조가 무너지거나 탄화하는 문제가 발생해왔다.
일반적으로 담체 상에 금속 촉매 나노 입자를 담지하는 방법은 전기 도금, 환원제를 통한 화학적 환원, 열처리의 3가지가 있다.
전기 도금의 경우는 담체의 전기 전도성과 전해질과의 화학적 반응을 고려해야 하며, 금속 나노 입자의 응집이나 조대화 현상이 발생할 수 있어 담지된 촉매 입자의 크기가 비교적 크고 활성이 떨어진다.
화학적 환원방법을 사용할 경우 필름 형태의 전도성 고분자를 용매에 용해하여야 하고, pH 변화에 의해 고분자의 물성이 변할 우려가 있다.
따라서, 본 발명에서는 열처리를 통해 전도성 고분자 상에 금속 촉매를 담지하는데, 탄소 담체에 담지하는 기존의 제조방법상의 열처리를 그대로 적용하기에는 아래의 2가지 문제점이 발생한다.
첫째로, 기존의 분말 또는 용액 형태로 전구체와 탄소 담체를 균일하게 혼합한 금속/탄소 촉매를 열처리하는 것과 달리, 탄소 담체를 사용하지 않는 본 발명에서는 전도성 고분자와 금속 촉매 전구체를 분말 또는 용액 형태로 사용할 수 없다.
둘째로, 기존 탄소계 담체에 사용했던 400℃ 이상의 열처리 방법은 전도성 고분자 담체의 열적 안정성 때문에 사용할 수 없다.
이에, 본 발명자들은 금속 촉매 나노 입자를 용해한 용액을 이용하여 전도성 고분자 담체 상에 함침시킨 후 진공 건조 및 저온 열처리를 통해 담지함으로써 위 문제점들을 극복하였으며, 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 금속 촉매 나노 입자를 전도성 고분자 담체에 담지하는 방법에 관한 것으로, 진공에서 금속 촉매 전구체 용액을 건조시킨 후 저온에서의 열처리를 통해 균일한 입자 크기의 금속 촉매 나노 입자를 전도성 고분자 상에 높은 분산도를 가지도록 담지할 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 나노 촉매 제조방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법을 공정에 따라 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법은, 금속 촉매 전구체 용액(20)을 전도성 고분자 담체(10)에 함침하는 단계, 상기 전도성 고분자 담체(10)를 진공 건조하는 단계 및 160 내지 300℃의 온도에서 열처리하는 단계;를 포함한다.
금속 촉매는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir)을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 금속 촉매는 전구체 화합물의 형태로 용매에 용해되어 사용될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 금속 촉매 전구체는 전도성 고분자와 함께 분말 또는 용액 형태로 사용할 수 없다. 이 때문에, 금속 촉매 전구체를 용매에 용해하여 용액을 제조함으로써 용액의 형태로 전도성 고분자 담체(10) 상에 함침시킬 수 있다.
용매는 방향족 탄화수소를 포함하는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 나프탈렌, 안트라센 및 벤조피렌을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 용매는 벤젠 고리 및/또는 메틸기를 가질 수 있으며, 바람직하게는 금속 촉매 전구체의 용해도가 높은 톨루엔일 수 있다.
용매는 금속 촉매 전구체의 용해도뿐만 아니라 전도성 고분자와의 젖음성도 우수할 필요가 있다. 금속 촉매 전구체는 용매에 용해되어 용액의 형태로 전도성 고분자 상에 함침되기 때문에, 전도성 고분자와 용매의 젖음성에 따라 금속 촉매 전구체의 분산도가 달라지게 된다. 상기 벤젠 고리 및/또는 메틸기를 가진 용매의 경우 전도성 고분자와의 젖음성이 우수하여 금속 촉매 전구체를 전도성 고분자 상에 고르게 분포시킬 수 있다.
금속 촉매 전구체 용액(20)은, 용매의 중량 대비 금속 촉매 전구체를 1:0.001~0.05의 비율로 혼합하여 제조될 수 있다. 용매 중량 대비 금속 촉매 전구체의 중량이 0.001에 미달할 경우 용액에 포함되어 있는 금속 촉매 전구체의 농도가 지나치게 낮아져 전도성 고분자 상에 형성되는 금속 나노 촉매의 활성 면적이 작아지게 된다. 반대로, 용매 중량 대비 금속 촉매 전구체의 중량이 0.05를 초과할 경우에는 용매에 용해 가능한 금속 촉매 전구체의 용해도가 포화되어 전도성 고분자 상에 함침함에 있어 고른 분포를 기대할 수 없다. 바람직하게는 용매의 중량 대비 금속 촉매 전구체를 1:0.004~0.01의 비율로 금속 촉매 전구체 용액(20)을 제조할 수 있다.
금속 촉매 전구체를 용매에 용해하여 제조한 금속 촉매 전구체 용액(20)은 전도성 고분자 담체(10) 상에 함침된다.
전도성 고분자 담체(10)는 탄소 기반 담체 (2~5S/cm) 이상의 높은 전도도를 가지므로 전자 이동이 용이하여 연료 전지의 성능 향상에 기여할 뿐만 아니라, 특히 PEMFC 운전 조건에서 전기화학적으로 매우 안정하므로 기존 탄소 기반인 연료 전지 담체에서 발생하는 부식을 효과적으로 억제하여 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
전도성 고분자 담체(10)는, 폴리아닐린(polyaniline), 폴리(o-메톡시아닐린)(poly(o-methoxyaniline)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(3-헥실티오펜-2,5-다이일)(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl), 폴리(3-메틸티오펜)(poly(3-methylthiophene)) 및 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-phenylenevinylene)을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
전도성 고분자 담체(10)는 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate)), 이하 "PEDOT:PSS")가 바람직하게 사용될 수 있다. 순수 H2O에서 제조된 PEDOT:PSS는 열적으로 안정하며, 쉽게 스핀 코팅할 수 있어 공정용이성이 우수하여 상용화된 전도성 고분자이다.
또한, 전도성 고분자 담체(10)는 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, 이하 "PEO")를 더 포함할 수 있다. PEO는 전도성 고분자의 친수성 및 물에 대한 안정성을 부여하기 위해 첨가될 수 있다.
또한, 전도성 고분자 담체(10)는 나피온(NafionTM)을 더 포함할 수 있다. 나피온은 술폰화 테트라플루오르에틸렌계 불소 중합체이며, 양이온 이동을 허용하는 이온 성질을 지녀 이오노머라 불리는 합성 폴리머이다.
전도성 고분자 담체(10)는 상기 예시된 전도성 고분자들을 폴리머 블렌드(polymer blend)하여 다양한 형태로 제조될 수 있다. 일 예로, 전도성 고분자 담체(10)는 필름 형태일 수 있으며, 제조공정에 따라 메쉬(mesh) 패턴 구조 또는 불규칙한 세공 구조 또한 가능하다.
이어서, 금속 촉매 전구체 용액(20)이 함침된 전도성 고분자 담체(10)를 진공 건조하여 금속 촉매 전구체를 전도성 고분자 담체(10) 표면에 고르게 분포시킨다.
전도성 고분자 담체(10)를 진공 건조하는 단계는, 0.01atm 이하의 압력에서 5 내지 20분 수행될 수 있다.
일반적으로 상압 상온에서 건조시킬 경우 금속 촉매 전구체 용액(20)은 전도성 고분자 담체(10)의 가장자리부터 건조된다. 초기에 건조된 전도성 고분자 표면에서는 금속 촉매 전구체가 저농도로 흡착되고, 마지막에 건조된 중심부 표면에서는 고농도의 용액이 건조되면서 금속 촉매 전구체가 고농도로 흡착되어 흡착된 금속 촉매 전구체의 농도 차이가 발생하게 된다.
도 2 및 도 3은 건조된 전도성 고분자 담체(10) 표면의 금속 촉매 전구체의 분포를 나타내는 사진이며, 도4 및 도 5는 담지된 금속 촉매 입자의 응집 현상을 나타내는 사진이다.
구체적으로, 도 2와 도 4는 상술한 본 발명에 따른 용매를 사용하지 않고 더불어 상온 상압에서 건조한 경우를 나타내며, 도 3은 본 발명에 따른 용매를 사용하여 진공 건조한 경우를, 도 5는 본 발명에 따른 용매를 사용하였지만 상압에서 건조한 후 열처리한 경우를 나타낸다. 본 발명에 따른 상기 방향족 탄화수소를 포함하는 용매를 사용하지 않고 진공 건조도 수행하지 않은 경우 도 2와 같이 전도성 고분자 담체(10)의 표면에 금속 촉매 전구체의 농도 차이가 나타나며, 도 4와 같이 열처리 후 금속 촉매 입자가 ㎛ 크기로 응집된다. 본 발명에 따른 용매를 사용하고 진공 건조한 경우에는 도 3과 같이 금속 촉매 전구체가 전도성 고분자 표면 상에 균일하게 분포한다. 본 발명에 따른 용매를 사용하더라도 진공 건조가 아닌 상압 조건에서 건조할 경우 도 3과 같이 열처리 후 ㎚ 크기의 금속 촉매 나노 입자(30)가 담지되지만, 나노 입자의 응집 현상이 발생한다. 이와 같은 금속 촉매 나노 입자(30)의 응집 현상은 촉매의 전기화학적 활성 면적을 감소시키고 기체 확산을 방해한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법은 전도성 고분자 담체(10)를 진공 건조하며, 진공 건조는 0.01atm 이하의 압력에서 5 내지 20분 수행될 수 있다. 압력을 0.01atm 이하의 진공에 가까운 상태에서 건조를 진행함으로써, 용매의 증기압을 낮춰 표면장력을 낮추는 효과를 통해 전도성 고분자 담체(10)와 용매 간의 젖음성을 향상시키고 건조 속도를 향상시켜 금속 촉매 전구체를 농도 차이 없이 고르게 분포시킬 수 있다.
전도성 고분자 담체(10)의 진공 건조가 5분 미만으로 수행될 경우 표면의 용액이 완전히 건조되지 않을 수 있으며, 20분을 초과하여 진공 건조하는 경우 전도성 고분자 담체(10)의 표면에 크랙이 발생할 수 있다.
진공 건조되어 금속 촉매 전구체가 고르게 분포된 전도성 고분자 담체(10)는 160 내지 300℃의 온도에서 열처리함으로써 금속 촉매 전구체를 나노 입자로 환원시킨다.
본 발명에서는 탄소 담체의 사용 없이 전도성 고분자 담체에 금속 촉매 나노 입자(30)를 담지시키므로, 기존의 탄소 담체에 담지하는 열처리 방법을 사용할 수 없음은 상술하였다. 기존 탄소계 담체에 사용했던 400℃ 이상의 열처리 방법은 전도성 고분자 담체(10)의 열적 안정성 때문에 사용할 수 없다.
도 6은 금속 촉매 나노 입자(30)가 담지된 전도성 고분자 담체(10)의 열중량 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 300℃를 넘어서부터 전도성 고분자 담체(10)의 열적 안정성을 넘어 분해되기 시작하므로, 열처리는 300℃ 이하의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 한편, 금속 촉매 전구체는 160℃ 이상에서 분해되어 나노 입자로 환원되므로, 열처리는 160℃ 이상의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
열처리를 위해 상기 온도범위까지 3 내지 7℃/min의 승온 속도로 가열할 수 있으며, 열처리 후 나노 입자의 크기를 제어하기 위해 하온 속도를 조절할 수 있다. 열처리 후의 하온 속도에 의하여 금속 촉매 나노 입자(30)의 크기가 결정된다. 유지된 온도에서 나노 입자들의 핵 생성이 일어난 후, 하온 속도가 빠르면 급속 냉각 효과로 인하여 환원 담지된 나노 입자가 유지된다. 그러나 하온 속도가 느리면 생성된 핵에서 천천히 성장이 되어 2 내지 4nm 보다 큰 나노 입자가 형성될 수 있으며, 금속 촉매 나노 입자(30)간의 거리가 가까워져 뭉침현상이 발생할 수 있다.
또한, 열처리하는 단계는 아르곤(Ar) 분위기에서 30분 내지 2시간 수행하여 금속 촉매 전구체를 환원시킬 수 있다. 30분 미만 수행 시 전구체가 완전히 환원 및 담지되지 않으며, 2시간 넘게 수행할 경우 나노 입자보다 큰 2 내지 4nm 크기로 환원되어 뭉침현상이 발생하게 된다.
또한, 열처리 시 금속 촉매 나노 입자(30)의 수득률을 높이기 위해, 열처리를 수행하는 용기를 밀폐하여 부분압력을 높일 수 있다. 예를 들어, 도가니에서 열처리를 수행할 경우 윗면을 덮어 부분압력을 높여주는 것이 바람직하다.
본 발명은 기존 탄소 담체에 사용되는 열처리 방법과 비교할 때, 저온 열처리를 통해 전도성 고분자 담체(10)의 손상 없이 금속 촉매 나노 입자(30)를 담지할 수 있고, 화학적 내구성과 성능이 우수한 연료전지 전극을 제조할 수 있다. 또한, 공정이 단순하여 생산성이 우수하다.
이하, 실시예를 통해 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 후술하는 실시예는 발명을 예시하기 위한 것으로서, 발명의 기술적 사상이 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
전도성 고분자 필름의 제조
PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiphene)) 와 PEO(poly(ethylene oxide))의 블렌드(blend)를 이용하였다.
PEDOT:PSS 용액(1.2wt%) 10g 당 PEO 0.03g(분자량: 4,000kg/mol)을 첨가하고 충분히 녹을 때까지 섞었다. PEO가 충분히 녹은 블렌드 용액을 실리콘 기판 위에 고르게 펼친 후, 800rpm의 속도로 40초 동안 스핀 코팅하여 균일한 필름을 제조하고, 80℃의 핫플레이트에서 건조하여 1㎛ 두께의 필름을 제작하였다.
이후, PEO와 PSS 사이의 가교 반응을 통해 PEDOT:PSS, PEO 복합 필름의 물에 대한 안정성을 높이기 위해 150℃ 진공 오븐에서 6시간 동안 열처리하였다.
금속 촉매 전구체 용액의 제조 및 함침
금속 촉매 중 백금(Pt)을 이용하여 백금 전구체(Pt acetylacetonate)를 제조하였다.
백금 전구체를 전도성 고분자 필름 상에 분포시키기 위해 용매에 전구체를 용해하여 용액을 제조하였다. 이때, 전도성 고분자 필름과 용매의 젖음성에 따라 전구체의 분산도가 달라지므로, DI water, Ethanol, Isopropyl alcohol, Acetone, Toluene을 용매로서 실험하였다.
도 7은 백금 전구체의 용매에 따른 용해도를 실험한 사진이다.
DI water, Ethanol, Isopropyl alcohol의 경우 용해도가 매우 낮아 용액으로 만들 수 없었다. Acetone과 Toluene을 용매로 하여 백금 전구체 4mg을 Acetone 및 Toluene 1mg에 혼합한 후 2분 동안 sonication 처리하여 백금 전구체 용액을 제조하였다.
제조된 PEDOT:PSS + PEO 필름 상에 백금 전구체 용액을 100㎕/㎠ 도포하였다.
진공 건조 단계
20℃ 진공 오븐에서 0.01atm을 유지한 채로 10분 건조하였다.
건조된 고분자 필름의 표면을 확인한 결과 Acetone을 용매로 사용한 백금 전구체 용액은 진공 건조 조건에서도 여전히 초기 건조된 표면과 나중에 건조된 표면 사이에 전구체 농도 차이가 나타났다.
그러나 Toluene을 용매로 사용한 백금 전구체 용액은 진공 건조한 후 고분자 필름의 표면에 농도 차이를 나타내지 않았다. 이는 Toluene과 같은 방향족 탄화수소가 PEDOT 고분자 필름과의 상호작용이 강해 용매의 표면장력을 낮추기 때문이다.
저온 열처리 단계
건조된 고분자 필름을 도가니에 넣고 마개로 덮은 뒤, 상온에서 5℃/min의 속도로 200℃까지 온도를 상승시키고, 아르곤(Ar) 분위기에서 1시간 동안 유지하였다.
도 8 및 도 9는 각각 백금 나노 입자가 담지된 PEDOT:PSS + PEO 블렌드 필름의 TEM 이미지와 SEM 이미지이다. 도 9는 백금 나노 입자의 담지 전 고분자 필름과 담지 후를 비교하여 나타낸다.
도 8 및 도 9를 참조하면, TEM 이미지에 나타난 바와 같이 백금 나노 입자가 균일하게 분포되었음을 알 수 있다. 백금 나노 입자의 크기는 2.5 내지 4.0㎚로 평균 3.2㎚의 크기를 나타내었고, 표준편차 0.6㎚로 균일한 분포를 나타냄을 알 수 있었다.
이상에서와 같이 첨부된 도면을 참조하여 개시된 실시예들을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고도, 개시된 실시예들과 다른 형태로 본 발명이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 개시된 실시예들은 예시적인 것이며, 한정적으로 해석되어서는 안 된다.
10: 전도성 고분자 담체 20: 금속 촉매 전구체 용액
30: 금속 촉매 나노 입자

Claims (8)

  1. 필름 형태의 전도성 고분자 담체를 제조하는 단계;
    금속 촉매 전구체 용액을 상기 필름 형태의 전도성 고분자 담체에 도포하는 단계;
    상기 필름 형태의 전도성 고분자 담체를 진공 건조하여 상기 전도성 고분자 담체 표면에 균일한 농도의 금속 촉매 전구체 층을 형성하는 단계; 및
    160 내지 300℃의 온도에서 열처리하여 상기 금속 촉매 전구체를 나노입자로 환원시킴으로써 상기 전도성 고분자 담체 표면에 2 내지 4 nm 크기의 금속 촉매 나노입자가 균일하게 분포된 연료전지 나노 촉매를 수득하는 단계;를 포함하며,
    상기 금속 촉매 전구체 용액은 금속 촉매 전구체가 용매에 용해된 것으로서, 상기 용매는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 나프탈렌, 안트라센 및 벤조피렌을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상의 방향족 탄화수소를 포함하는 것인, 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 촉매는,
    백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir)을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 촉매 전구체 용액은,
    용매의 중량 대비 금속 촉매 전구체를 1:0.001~0.05의 비율로 혼합하여 제조되는 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 담체는,
    폴리아닐린(polyaniline), 폴리(o-메톡시아닐린)(poly(o-methoxyaniline)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(3-헥실티오펜-2,5-다이일)(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl), 폴리(3-메틸티오펜)(poly(3-methylthiophene)) 및 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-phenylenevinylene)을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 담체는 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide)를 더 포함하는 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 진공 건조하는 단계는,
    0.01atm 이하의 압력에서 5 내지 20분 수행되는 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는,
    아르곤(Ar) 분위기에서 30분 내지 2시간 수행되는 연료전지 전극용 나노 촉매 제조방법.
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