KR102416422B1 - Method for producing a platinum-based alloy catalyst for fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법의 제조 방법에 관한 것으로, 전이금속 전구체 용액을 제조하는 공정을 생략하여 제조 공정을 간소화 하기 위한 것이다. 본 발명은 탄소계 촉매 담체를 폴리올에 분산시켜 탄소계 촉매 담체 용액을 제조하는 단계; 탄소계 촉매 담체 용액에 백금 용액 및 전이금속 전구체 분말을 투입한 후 40 내지 100℃에서 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계; 혼합액에 환원제를 첨가하여 백금계 합금을 환원하는 단계; 및 백금계 합금이 포함된 혼합액을 세척 및 건조하는 단계;를 포함하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법을 제공한다.The present invention relates to a method of manufacturing a method for manufacturing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell, and is intended to simplify the manufacturing process by omitting the process of preparing a transition metal precursor solution. The present invention comprises the steps of dispersing a carbon-based catalyst support in a polyol to prepare a carbon-based catalyst support solution; preparing a mixed solution by adding a platinum solution and a transition metal precursor powder to a carbon-based catalyst carrier solution and mixing at 40 to 100° C.; reducing the platinum-based alloy by adding a reducing agent to the mixed solution; and washing and drying the mixture solution containing the platinum-based alloy; provides a method for producing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell comprising a.

Description

연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법{Method for producing a platinum-based alloy catalyst for fuel cell}Method for producing a platinum-based alloy catalyst for fuel cell

본 발명은 백금계 합금 촉매의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전이금속 전구체 분말을 촉매 합성에 직접 사용하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a platinum-based alloy catalyst, and more particularly, to a method for producing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell using a transition metal precursor powder directly for catalyst synthesis.

연료전지는 보통 전지(1차, 2차)와 같이 반응물 및 생성물이 전지의 내부에 있는 것이 아니라 기체 또는 액체연료를 외부에서 공급하여 이들의 전기화학반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 연료전지는 고효율이면서 친환경적이고 다양한 연료의 사용이 가능한다. 연료전지는 종류에 따라서 다양한 산업분야에 맞게 제작할 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 장점 때문에, 연료전지는 이동용 휴대기기 등의 이동형 전원, 자동차의 수송용 전원, 가정용 및 발전소 사업용으로 이용 가능한 분산형 전원에 이르기까지 다양한 산업에 응용이 가능하다.A fuel cell is a device that converts chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction by supplying gas or liquid fuel from the outside, rather than having reactants and products inside the cell like normal cells (primary and secondary). to be. Fuel cells are highly efficient, eco-friendly, and use a variety of fuels. Fuel cells have the advantage that they can be manufactured for various industrial fields depending on the type. Because of these advantages, fuel cells can be applied to various industries, from portable power sources for portable devices, etc., to transportation power sources for automobiles, and distributed power sources available for home and power plant business.

이러한 연료전지는 사용되는 연료 및 전해질의 종류에 따라 종류가 다양하다. 예컨대 연료전지는, 연료의 종류에 따라, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC), 알칼리성 전해액 연료전지(Alkarine Fuel Cell: AFC) 등으로 분류할 수 있다.There are various types of such fuel cells according to the types of fuels and electrolytes used. For example, the fuel cell, depending on the type of fuel, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), a phosphoric acid fuel cell (Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC), solid oxide fuel cell (SOFC), alkaline electrolyte fuel cell (AFC), and the like.

이러한 연료전지의 효율은 전극 반응의 속도에 의해 크게 좌우되기 때문에, 전극 소재로 나노 크기의 촉매가 사용된다. 연료전지에 사용되는 전극 촉매는 현재까지 백금(Pt)계의 귀금속이 주류를 이루고 있기 때문에, 제조 원가가 높은 단점이 있다. 이와 같이 백금계 전극 촉매를 사용하는 기존의 연료전지는 경제적인 부담이 커질 수밖에 없고, 매장량이 제한되고 매우 고가인 백금을 사용함에 따라 상용화 단계가 늦춰지고 있는 실정이다. 더욱이 연료전지 차량이 상용화되기 위해서는 kW 당 백금 사용량이 0.2g 이하로 감소되어야 한다고 보고되어 있다.Since the efficiency of such a fuel cell is greatly affected by the rate of electrode reaction, a nano-sized catalyst is used as an electrode material. Electrode catalysts used in fuel cells have a disadvantage in that their manufacturing cost is high because platinum (Pt)-based noble metals have been the mainstream until now. As described above, the conventional fuel cell using the platinum-based electrode catalyst has no choice but to increase the economic burden, and the commercialization stage is delayed due to the limited reserves and the use of very expensive platinum. Moreover, it has been reported that in order for fuel cell vehicles to be commercialized, the amount of platinum used per kW should be reduced to 0.2 g or less.

이러한 문제점을 해소하기 위해서, 비백금계 촉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 비백금계 촉매의 활성으로는 실제 연료전지용 전극에 적용하는데 어려움이 있는 것이 사실이다.In order to solve this problem, research on non-platinum-based catalysts is being actively conducted. However, it is true that it is difficult to apply the non-platinum-based catalyst to an electrode for an actual fuel cell.

따라서 전술된 비백금 촉매 소재의 개발과는 별도로 백금의 사용량을 줄인 백금계 합금 촉매 소재의 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있고, 이러한 백금계 합금 촉매 소재는 순수 백금 소재에 비해 적은 양의 백금을 사용하면서도 촉매 활성이 향상된 고성능 촉매 전극을 제조할 수 있도록 한다. 예컨대 등록특허공보 제10-1340984호에 백금계 합금 촉매의 제조 방법을 개시하고 있다. 개시된 백금계 합금 촉매의 제조 방법에 따르면, 전이금속을 먼저 탄소계 촉매 담체에 담지하고, 백금을 순차적으로 담지하는 액상환원법에 따라 제조함으로써, 전이금속 입자크기를 제어한 후, 백금 나노입자의 크기를 조절하여 담지할 수 있어, 촉매의 활성을 높이면서도, 백금의 사용량을 줄인 백금 합금 촉매를 제조할 수 있다.Therefore, apart from the development of the above-described non-platinum catalyst material, research and development of platinum-based alloy catalyst materials with reduced platinum usage are being actively conducted, and these platinum-based alloy catalyst materials use a smaller amount of platinum than pure platinum materials. It is possible to manufacture a high-performance catalytic electrode with improved catalytic activity while still doing so. For example, Korean Patent Publication No. 10-1340984 discloses a method for producing a platinum-based alloy catalyst. According to the disclosed method for producing a platinum-based alloy catalyst, a transition metal is first supported on a carbon-based catalyst carrier, and platinum is sequentially supported by preparing according to a liquid phase reduction method, thereby controlling the particle size of the transition metal, and then the size of the platinum nanoparticles can be controlled and supported, and a platinum alloy catalyst with reduced amount of platinum can be prepared while increasing the activity of the catalyst.

하지만 전이금속을 탄소계 촉매 담체에 담지할 때, 전이금속 전구체를 용매에 혼합하여 전이금속 전구체 용액을 제조하고, 탄소계 촉매 담체 용액을 제조한 후, 전이금속 전구체 용액과 탄소계 촉매 담체 용액을 혼합하는 방법을 사용한다.However, when the transition metal is supported on the carbon-based catalyst carrier, the transition metal precursor is mixed with a solvent to prepare a transition metal precursor solution, and after preparing the carbon-based catalyst carrier solution, the transition metal precursor solution and the carbon-based catalyst carrier solution are mixed. Use the mixing method.

이로 인해 전이금속 전구체를 부피비로 계산하여 용매에 혼합하여 전이금속 전구체 용액을 별도로 제조하는 공정이 필요하다. 그리고 전이금속 전구체 용액 형태로 탄소계 촉매 담체 용액에 혼합되기 때문에, 탄소계 촉매 담체에 담지되는 전이금속 전구체의 양을 정확하게 조절하는 데는 한계가 있다.For this reason, it is necessary to separately prepare a transition metal precursor solution by calculating the transition metal precursor in a volume ratio and mixing it with a solvent. And since it is mixed with the carbon-based catalyst carrier solution in the form of a transition metal precursor solution, there is a limit in accurately controlling the amount of the transition metal precursor supported on the carbon-based catalyst carrier.

등록특허공보 제10-1340984호 (2013.12.12. 공고)Registered Patent Publication No. 10-1340984 (2013.12.12. Announcement)

따라서 본 발명의 목적은 전이금속 전구체 용액을 제조하는 공정을 생략하여 제조 공정을 간소화할 수 있는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell, which can simplify the manufacturing process by omitting the process of preparing a transition metal precursor solution.

본 발명의 다른 목적은 탄소계 촉매 담체에 담지되는 전이금속 전구체의 양을 보다 쉽고 정확하게 조절할 수 있는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell that can more easily and accurately control the amount of a transition metal precursor supported on a carbon-based catalyst carrier.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소계 촉매 담체를 폴리올에 분산시켜 탄소계 촉매 담체 용액을 제조하는 단계; 상기 탄소계 촉매 담체 용액에 백금 용액 및 전이금속 전구체 분말을 투입한 후 40 내지 100℃에서 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계; 상기 혼합액에 환원제를 첨가하여 백금계 합금을 환원하는 단계; 및 상기 백금계 합금이 포함된 혼합액을 세척 및 건조하는 단계;를 포함하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of dispersing a carbon-based catalyst support in a polyol to prepare a carbon-based catalyst support solution; preparing a mixed solution by adding a platinum solution and a transition metal precursor powder to the carbon-based catalyst carrier solution and mixing at 40 to 100° C.; reducing the platinum-based alloy by adding a reducing agent to the mixed solution; and washing and drying the mixed solution containing the platinum-based alloy.

상기 폴리올은 에틸렌글리콜(EG), 디에틸렌글리콜(DEG), 트리에틸렌글리콜(TEG), 테트라에틸렌글리콜(TTEG), 프로필렌글리콜(PG) 및 부틸렌글리콜(BG)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.The polyol is at least one selected from the group consisting of ethylene glycol (EG), diethylene glycol (DEG), triethylene glycol (TEG), tetraethylene glycol (TTEG), propylene glycol (PG) and butylene glycol (BG). include

상기 탄소계 촉매 담체는 활성탄, 카본블랙, 케첸블랙, 탄소나노튜브, 카본나노파이버, 그래파이트, 그래핀 및 그래핀옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.The carbon-based catalyst carrier includes at least one selected from the group consisting of activated carbon, carbon black, Ketjen black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphite, graphene, and graphene oxide.

상기 전이금속 전구체는 니켈 전구체, 팔라듐 전구체, 루테늄 전구체, 코발트 전구체, 구리 전구체, 이리듐 전구체 및 철 전구체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.The transition metal precursor includes at least one selected from the group consisting of a nickel precursor, a palladium precursor, a ruthenium precursor, a cobalt precursor, a copper precursor, an iridium precursor, and an iron precursor.

상기 환원제는 수산화나트륨, 소디움보로하이드라이드, 하이드라진 및 포름알데히드로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.The reducing agent includes at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide, sodium borohydride, hydrazine and formaldehyde.

본 발명에 따른 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법은, 상기 환원하는 단계 및 상기 세척 및 건조하는 단계 사이에 수행되는, pH 9~12로 환원된 상기 백금계 합금이 포함된 혼합액을 130 내지 180℃에서 2 내지 7 시간 교반하는 단계;를 더 포함한다.The method for producing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell according to the present invention comprises 130 to 180 of a mixture containing the platinum-based alloy reduced to pH 9 to 12, which is performed between the reducing step and the washing and drying step. It further includes; stirring at °C for 2 to 7 hours.

상기 혼합액을 제조하는 단계에서, 상기 탄소계 촉매 담체 용액, 백금 용액 및 전이금속 전구체 분말의 부피비는 40~80 : 20~60 : 3~10 일 수 있다.In the step of preparing the mixed solution, the volume ratio of the carbon-based catalyst carrier solution, the platinum solution, and the transition metal precursor powder may be 40 to 80: 20 to 60: 3 to 10.

상기 세척 및 건조하는 단계에서 제조된 백금계 합금 촉매는, 상기 탄소계 촉매 담체와, 상기 탄소계 촉매 담체에 담지되는 백금계 합금을 포함하한다. 상기 백금계 합금은 백금 67~95 중량%와, 전이금속 5~33 중량%를 포함한다.The platinum-based alloy catalyst prepared in the washing and drying step includes the carbon-based catalyst support and a platinum-based alloy supported on the carbon-based catalyst support. The platinum-based alloy includes 67 to 95% by weight of platinum, and 5 to 33% by weight of a transition metal.

그리고 본 발명은, 탄소계 촉매 담체를 에틸렌글리콜(EG)에 분산시켜 탄소계 촉매 담체 용액을 제조하는 단계; 상기 탄소계 촉매 담체 용액에 백금 용액 및 니켈 전구체 분말을 투입한 후 40 내지 100℃에서 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계; 상기 혼합액에 0.1~1M NaOH를 첨가하여 pH 9~12로 조절하여 백금계 합금을 환원하는 단계; 환원된 상기 백금계 합금이 포함된 혼합액을 130 내지 180℃에서 2 내지 7 시간 교반하는 단계; 및 상기 백금계 합금이 포함된 혼합액을 세척 및 건조하여 백금계 합금 촉매를 획득하는 단계;를 포함하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법을 제공한다.And the present invention, dispersing the carbon-based catalyst carrier in ethylene glycol (EG) to prepare a carbon-based catalyst carrier solution; preparing a mixed solution by adding a platinum solution and a nickel precursor powder to the carbon-based catalyst carrier solution and mixing at 40 to 100° C.; reducing the platinum-based alloy by adding 0.1 to 1M NaOH to the mixture to adjust the pH to 9 to 12; stirring the reduced mixture containing the platinum-based alloy at 130 to 180° C. for 2 to 7 hours; and washing and drying the mixed solution containing the platinum-based alloy to obtain a platinum-based alloy catalyst.

본 발명에 따르면, 전이금속 전구체 분말을 탄소계 촉매 담체 용액에 직접 투입하여 연료전지용 백금계 합금 촉매를 제조하기 때문에, 기존의 전이금속 전구체 용액을 제조하는 공정을 생략하여 제조 공정을 간소화할 수 있다. 이때 전이금속 전구체 분말을 직접 탄소계 촉매 담체 용액에 직접 투입하여 혼합할 때, 혼합 용액의 온도를 40 내지 100℃로 유지함으로써, 전이금속 전구체 분말을 사용하더라도 탄소계 촉매 담체에 전이금속 입자를 안정적으로 담지할 수 있다.According to the present invention, since the platinum-based alloy catalyst for a fuel cell is manufactured by directly injecting the transition metal precursor powder into the carbon-based catalyst carrier solution, the manufacturing process can be simplified by omitting the process of preparing the existing transition metal precursor solution. . At this time, when the transition metal precursor powder is directly added to the carbon-based catalyst carrier solution and mixed, the temperature of the mixed solution is maintained at 40 to 100 ° C. can be stored as

전이금속 전구체 분말을 직접 탄소계 촉매 담체 용액에 직접 투입하기 때문에, 탄소계 촉매 담체에 담지되는 전이금속 입자의 양을 보다 쉽고 정확하게 조절할 수 있다.Since the transition metal precursor powder is directly injected into the carbon-based catalyst carrier solution, the amount of transition metal particles supported on the carbon-based catalyst carrier can be more easily and accurately adjusted.

그리고 본 발명은 환원된 탄소계 촉매 담체를 에틸렌글리콜(EG)에 분산시켜 탄소계 촉매 담체 용액을 제조하는 단계; 상기 탄소계 촉매 담체 용액에 백금 용액 및 니켈 전구체 분말을 투입한 후 40 내지 100℃에서 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계; 상기 혼합액에 0.1~1M NaOH를 첨가하여 pH 9~12로 조절하여 백금계 합금을 환원하는 단계; 환원된 상기 백금계 합금이 포함된 혼합액을 130 내지 180℃에서 2 내지 7 시간 교반하는 단계; 및 상기 백금계 합금이 포함된 혼합액을 세척 및 건조하여 백금계 합금 촉매를 획득하는 단계;를 포함하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법을 제공한다.And the present invention comprises the steps of dispersing the reduced carbon-based catalyst carrier in ethylene glycol (EG) to prepare a carbon-based catalyst carrier solution; preparing a mixed solution by adding a platinum solution and a nickel precursor powder to the carbon-based catalyst carrier solution and mixing at 40 to 100° C.; reducing the platinum-based alloy by adding 0.1 to 1M NaOH to the mixture to adjust the pH to 9 to 12; stirring the reduced mixture containing the platinum-based alloy at 130 to 180° C. for 2 to 7 hours; and washing and drying the mixed solution containing the platinum-based alloy to obtain a platinum-based alloy catalyst.

도 1은 본 발명에 따른 전이금속 전구체 분말을 촉매 합성에 직접 사용하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
도 2는 실시예에 따라 제조된 연료전지용 백금계 합금 촉매의 TEM 사진 및 EDX 분석 결과를 보여주는 표이다.
도 3은 비교예에 따라 제조된 연료전지용 백금계 합금 촉매의 TEM 사진 및 EDX 분석 결과를 보여주는 표이다.
1 is a flowchart according to a method of manufacturing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell using the transition metal precursor powder according to the present invention directly for catalyst synthesis.
FIG. 2 is a table showing TEM images and EDX analysis results of platinum-based alloy catalysts for fuel cells prepared according to Examples.
3 is a table showing a TEM photograph and an EDX analysis result of a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell prepared according to a comparative example.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.It should be noted that, in the following description, only parts necessary for understanding the embodiments of the present invention will be described, and descriptions of other parts will be omitted without departing from the gist of the present invention.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms or words used in the present specification and claims described below should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventors have appropriate concepts of terms to describe their invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined in Accordingly, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical spirit of the present invention, so various equivalents that can be substituted for them at the time of the present application It should be understood that there may be variations and variations.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 전이금속 전구체 분말을 촉매 합성에 직접 사용하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법에 따른 흐름도이다.1 is a flowchart according to a method of manufacturing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell using the transition metal precursor powder according to the present invention directly for catalyst synthesis.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 백금계 합금 촉매(이하 '백금계 합금 촉매'라 함)의 제조 방법은 탄소계 촉매 담체를 폴리올에 분산시켜 탄소계 촉매 담체 용액을 제조하는 단계(S10), 탄소계 촉매 담체 용액에 백금 용액 및 전이금속 전구체 분말을 투입한 후 40 내지 100℃에서 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계(S20), 혼합액에 환원제를 첨가하여 백금계 합금을 환원하는 단계(S30), 및 백금계 합금이 포함된 혼합액을 세척 및 건조하는 단계(S50)를 포함한다.1, the method for preparing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell (hereinafter referred to as 'platinum-based alloy catalyst') according to the present invention comprises the steps of dispersing a carbon-based catalyst carrier in a polyol to prepare a carbon-based catalyst carrier solution ( S10), adding a platinum solution and a transition metal precursor powder to a carbon-based catalyst carrier solution and mixing at 40 to 100° C. to prepare a mixed solution (S20), adding a reducing agent to the mixed solution to reduce the platinum-based alloy ( S30), and washing and drying the mixture containing the platinum-based alloy (S50).

그 외 본 발명에 따른 백금계 합금 촉매의 제조 방법은 환원하는 단계(S30)와 세척 및 건조하는 단계(S50) 사이에 수행되는, 환원된 백금계 합금이 포함된 혼합액을 교반하는 단계(S40)를 더 포함할 수 있다.In addition, the method for producing a platinum-based alloy catalyst according to the present invention is performed between the reducing step (S30) and the washing and drying step (S50), stirring the mixed solution containing the reduced platinum-based alloy (S40) may further include.

본 발명에 따른 백금계 합금 촉매의 제조 방법에 따른 각 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Each step according to the method for producing a platinum-based alloy catalyst according to the present invention will be described in detail as follows.

먼저 S10단계에서 탄소계 촉매 담체를 폴리올에 분산시켜 탄소계 촉매 담체 용액을 제조한다.First, a carbon-based catalyst carrier solution is prepared by dispersing the carbon-based catalyst carrier in a polyol in step S10.

여기서 탄소계 촉매 담체는 활성탄, 카본블랙, 케첸블랙, 탄소나노튜브, 카본나노파이버, 그래파이트, 그래핀 및 그래핀옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.Here, the carbon-based catalyst carrier may include at least one selected from the group consisting of activated carbon, carbon black, Ketjen black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphite, graphene, and graphene oxide.

폴리올은 에틸렌글리콜(EG), 디에틸렌글리콜(DEG), 트리에틸렌글리콜(TEG), 테트라에틸렌글리콜(TTEG), 프로필렌글리콜(PG) 및 부틸렌글리콜(BG)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.The polyol contains at least one selected from the group consisting of ethylene glycol (EG), diethylene glycol (DEG), triethylene glycol (TEG), tetraethylene glycol (TTEG), propylene glycol (PG), and butylene glycol (BG) can do.

탄소계 촉매 담체 용액은 탄소계 촉매 담체 40 내지 80 중량%와, 폴리올 20 내지 60 중량%를 포함한다.The carbon-based catalyst carrier solution includes 40 to 80% by weight of the carbon-based catalyst carrier and 20 to 60% by weight of a polyol.

다음으로 S20단계에서 탄소계 촉매 담체 용액에 백금 용액 및 전이금속 전구체 분말을 투입한 후 40 내지 100℃에서 혼합하여 혼합액을 제조한다.Next, in step S20, the platinum solution and the transition metal precursor powder are added to the carbon-based catalyst carrier solution, and then mixed at 40 to 100° C. to prepare a mixed solution.

여기서 혼합액은 탄소계 촉매 담체 용액, 백금 용액 및 전이금속 전구체 분말을 40~80 : 20~60 : 3~10 의 합성비(부피비)로 혼합하여 제조할 수 있다.Here, the mixed solution may be prepared by mixing a carbon-based catalyst carrier solution, a platinum solution, and a transition metal precursor powder at a synthesis ratio (volume ratio) of 40 to 80: 20 to 60: 3 to 10.

백금 용액은 백금 5~20 중량%를 포함할 수 있다.The platinum solution may contain 5 to 20% by weight of platinum.

전이금속 전구체는 니켈 전구체, 팔라듐 전구체, 루테늄 전구체, 코발트 전구체, 구리 전구체, 이리듐 전구체 및 철 전구체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서 니켈 전구체로는 니켈아세테이트, Ni(acac)2, 니켈클로라이드(NiCl2), 니켈나이트레이트(Ni(NO3)2), 니켈클로라이드하이드레이트(NiCl2ㅇxH2O), 니켈나이트레이트하이드레이트(Ni(NO3)2ㅇxH2O), 니켈설페이트(NiSO4) 및 니켈설페이트하이드레이트(NiSO4ㅇxH2O)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.The transition metal precursor may include at least one selected from the group consisting of a nickel precursor, a palladium precursor, a ruthenium precursor, a cobalt precursor, a copper precursor, an iridium precursor, and an iron precursor. Here, as a nickel precursor, nickel acetate, Ni(acac) 2 , nickel chloride (NiCl 2 ), nickel nitrate (Ni(NO 3 ) 2 ), nickel chloride hydrate (NiCl 2 oxH 2 O), nickel nitrate hydrate ( Ni(NO 3 ) 2 oxH 2 O), nickel sulfate (NiSO 4 ), and nickel sulfate hydrate (NiSO 4 oxH 2 O) may include at least one selected from the group consisting of.

기존에는 혼합액을 제조할 때, 전이금속 전구체 분말을 별도의 용매에 혼합하여 전이금속 전구체 용액을 제조한 후, 탄소계 촉매 담체 용액, 백금 용액 및 전이금속 전구체 용액을 혼합하여 제조하였다.Conventionally, when preparing a mixed solution, a transition metal precursor powder was mixed in a separate solvent to prepare a transition metal precursor solution, and then a carbon-based catalyst carrier solution, a platinum solution, and a transition metal precursor solution were mixed.

반면에 본 발명에서는 전이금속 전구체 분말을 탄소계 촉매 담체 용액 및 백금 용액에 투입하여 혼합액을 제조할 수 있기 때문에, 기존의 전이금속 전구체 용액을 제조하는 공정을 생략하여 제조 공정을 간소화할 수 있다.On the other hand, in the present invention, since the mixture solution can be prepared by adding the transition metal precursor powder to the carbon-based catalyst carrier solution and the platinum solution, the manufacturing process can be simplified by omitting the process of preparing the existing transition metal precursor solution.

그리고 전이금속 전구체 분말이 탄소계 촉매 담체 용액 및 백금 용액에 투입되어 잘 용해될 수 있도록, S20단계는 40 내지 100℃에서 진행하는 것이 바람직하다. 40℃ 이하에서 전이금속 전구체 분말이 잘 용해되지 않는 문제가 발생될 수 있다. 반대로 100℃를 초과하는 경우 전이금속 전구체 분말, 탄소계 촉매 담체 용액 및 백금 용액 간에 혼합이 아닌 다른 부반응이 발생될 수 있다.And, so that the transition metal precursor powder can be well dissolved by being put into the carbon-based catalyst carrier solution and the platinum solution, it is preferable that step S20 be performed at 40 to 100°C. There may be a problem that the transition metal precursor powder is not well dissolved at 40° C. or less. Conversely, when it exceeds 100° C., a side reaction other than mixing may occur between the transition metal precursor powder, the carbon-based catalyst carrier solution, and the platinum solution.

다음으로 S30단계에서 혼합액에 환원제를 첨가하여 백금계 합금을 환원한다. 즉 혼합액에 환원제를 이용하여 pH 9~12로 조절하면서 백금계 합금을 환원시킨다. 환원제를 이용한 pH 조절을 통해서, 환원되는 백금계 합금의 크기를 조절할 수 있다.Next, a reducing agent is added to the mixed solution in step S30 to reduce the platinum-based alloy. That is, the platinum-based alloy is reduced while adjusting the pH to 9 to 12 using a reducing agent in the mixed solution. By adjusting the pH using a reducing agent, the size of the reduced platinum-based alloy can be adjusted.

여기서 환원제는 수산화나트륨, 소디움보로하이드라이드, 하이드라진 및 포름알데히드로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예컨대 환원제로 0.1M 내지 1M 수산화나트륨을 사용할 수 있다. Here, the reducing agent may include at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide, sodium borohydride, hydrazine and formaldehyde. For example, 0.1M to 1M sodium hydroxide may be used as a reducing agent.

이어서 S40단계에서 환원된 백금계 합금이 포함된 혼합액을 교반한다. 즉 환원된 백금계 합금이 포함된 혼합액을 130 내지 180℃에서 2 내지 7 시간 교반한다. 교반속도는 300 내지 600 rpm 일 수 있다. 이러한 온도범위, 교반시간 및 교반속도 범위에서 전이금속 입자를 탄소계 촉매 담체에 원활하게 분산시킬 수 있다.Then, the mixture containing the platinum-based alloy reduced in step S40 is stirred. That is, the mixture containing the reduced platinum-based alloy is stirred at 130 to 180° C. for 2 to 7 hours. The stirring speed may be 300 to 600 rpm. In this temperature range, stirring time, and stirring speed range, the transition metal particles can be smoothly dispersed in the carbon-based catalyst carrier.

그리고 S50단계에서 백금계 합금이 포함된 혼합액을 세척 및 건조함으로써, 본 발명에 따른 백금계 합금 촉매를 얻을 수 있다. 즉 세척은 에탄올, 증류수 또는 이들의 혼합액을 이용하여 수행될 수 있다. 건조는 60 내지 100℃에서 6시간 내지 24시간 수행될 수 있다.And by washing and drying the mixture containing the platinum-based alloy in step S50, it is possible to obtain a platinum-based alloy catalyst according to the present invention. That is, washing may be performed using ethanol, distilled water, or a mixture thereof. Drying may be performed at 60 to 100° C. for 6 to 24 hours.

이와 같이 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 백금계 합금 촉매는 탄소계 촉매 담체와, 탄소계 촉매 담체에 담지된 백금계 합금을 포함한다. 여기서 백금계 합금은 백금 67~95 중량%와, 전이금속 5~33 중량%를 포함할 수 있다. 백금계 합금 촉매에 있어서, 전이금속의 함량은 S20단계에서의 혼합액의 합성비와 혼합액에 인가되는 온도 제어를 통하여 조절할 수 있다.As described above, the platinum-based alloy catalyst prepared by the manufacturing method according to the present invention includes a carbon-based catalyst support and a platinum-based alloy supported on the carbon-based catalyst support. Here, the platinum-based alloy may include 67 to 95% by weight of platinum and 5 to 33% by weight of a transition metal. In the platinum-based alloy catalyst, the content of the transition metal can be controlled by controlling the synthesis ratio of the mixed solution in step S20 and the temperature applied to the mixed solution.

본 발명에 따르면, 전이금속 전구체 분말을 직접 탄소계 촉매 담체 용액에 직접 투입하여 백금계 합금 촉매를 제조하기 때문에, 기존의 전이금속 전구체 용액을 제조하는 공정을 생략하여 제조 공정을 간소화할 수 있다. 이때 전이금속 전구체 분말을 직접 탄소계 촉매 담체 용액에 직접 투입하여 혼합할 때, 혼합액의 온도를 40 내지 100℃로 유지함으로써, 전이금속 전구체 분말을 사용하더라도 탄소계 촉매 담체에 전이금속 전구체를 안정적으로 담지할 수 있다.According to the present invention, since the platinum-based alloy catalyst is prepared by directly injecting the transition metal precursor powder into the carbon-based catalyst carrier solution, the manufacturing process can be simplified by omitting the process of preparing the existing transition metal precursor solution. At this time, when the transition metal precursor powder is directly added to the carbon-based catalyst carrier solution and mixed, the temperature of the mixture is maintained at 40 to 100 ° C. can hold

그리고 전이금속 전구체 분말을 직접 탄소계 촉매 담체 용액에 직접 투입하기 때문에, 탄소계 촉매 담체에 담지되는 전이금속 입자의 양을 보다 쉽고 정확하게 조절할 수 있다.And since the transition metal precursor powder is directly injected into the carbon-based catalyst carrier solution, the amount of the transition metal particles supported on the carbon-based catalyst carrier can be more easily and accurately adjusted.

[실시예 및 비교예][Examples and Comparative Examples]

이와 같은 본 발명에 따른 백금계 합금 촉매의 제조 방법에 대해서, 실시예 및 비교예를 통하여 백금계 합금 촉매에 포함되는 전이금속의 함량을 확인하였다.With respect to the method for manufacturing the platinum-based alloy catalyst according to the present invention, the content of the transition metal included in the platinum-based alloy catalyst was confirmed through Examples and Comparative Examples.

먼저 에틸렌글리콜(EG)에 카본블랙 50 중량%을 분산시켜 탄소계 촉매 담체 용액을 제조하였다. 다음으로 탄소계 촉매 담체 용액, 백금 용액 및 니켈 전구체 분말을 50 : 45 : 5 의 합성비(부피비)로 혼합액을 제조하였다. 백금 용액은 백금 10 중량%를 포함한다. 니켈 전구체 분말로는 니켈아세테이트 분말을 사용하였다.First, 50 wt% of carbon black was dispersed in ethylene glycol (EG) to prepare a carbon-based catalyst carrier solution. Next, a mixture of the carbon-based catalyst carrier solution, the platinum solution, and the nickel precursor powder was prepared in a synthesis ratio (volume ratio) of 50:45:5. The platinum solution contains 10% by weight platinum. Nickel acetate powder was used as the nickel precursor powder.

이때 실시예에서는 50℃에서 5분간 혼합하고, 비교예에서는 실온에서 5분간 혼합하여 각각 혼합액을 제조하였다.At this time, in the Example, the mixture was mixed at 50 ° C. for 5 minutes, and in the Comparative Example, the mixture was prepared by mixing at room temperature for 5 minutes.

다음으로 혼합액에 1M NaOH를 투입하여 pH 11로 환원시킨 후, 160℃에서 3시간 교반하였다.Next, 1M NaOH was added to the mixture to reduce the pH to 11, and the mixture was stirred at 160° C. for 3 hours.

그리고 환원된 백금계 합금이 포함된 혼합액을 세척한 후 80℃에서 12시간 건조하여 실시예 및 비교예에 따른 백금계 합금 촉매를 제조하였다.And after washing the mixed solution containing the reduced platinum-based alloy was dried at 80 ℃ 12 hours to prepare a platinum-based alloy catalyst according to Examples and Comparative Examples.

도 2는 실시예에 따라 제조된 백금계 합금 촉매의 TEM 사진 및 EDX 분석 결과를 보여주는 표이다. 그리고 도 3은 비교예에 따라 제조된 백금계 합금 촉매의 TEM 사진 및 EDX 분석 결과를 보여주는 표이다. 여기서 도 2 및 도 3에는 탄소계 촉매 담체에 담지된 백금계 합금의 조성비를 표시하였다. 즉 백금계 합금 촉매에서 탄소계 촉매 담체를 제외한 백금계 합금의 조성비를 표시하였다.FIG. 2 is a table showing TEM images and EDX analysis results of platinum-based alloy catalysts prepared according to Examples. And Figure 3 is a table showing the TEM photograph and EDX analysis results of the platinum-based alloy catalyst prepared according to Comparative Example. Here, the composition ratio of the platinum-based alloy supported on the carbon-based catalyst carrier is shown in FIGS. 2 and 3 . That is, the composition ratio of the platinum-based alloy excluding the carbon-based catalyst carrier in the platinum-based alloy catalyst is indicated.

도 2 및 도 3을 참조하면, 비교예에 따른 백금계 합금 촉매의 백금계 합금은 니켈 0.08 중량%를 포함하지만, 실시예에 따른 백금계 합금 촉매의 백금계 합금은 니켈 10.90 중량%를 포함한다. 즉 니켈 전구체 분말을 직접 탄소계 촉매 담체 용액에 직접 투입하여 혼합할 때, 혼합액의 온도를 50℃로 유지함으로써, 니켈 전구체 분말을 사용하더라도 탄소계 촉매 담체에 니켈 입자를 안정적으로 담지할 수 있다.2 and 3, the platinum-based alloy of the platinum-based alloy catalyst according to the comparative example contains 0.08 wt% of nickel, but the platinum-based alloy of the platinum-based alloy catalyst according to the embodiment contains 10.90 wt% of nickel . That is, when the nickel precursor powder is directly added to the carbon-based catalyst carrier solution and mixed, the temperature of the mixture is maintained at 50° C., so that even if the nickel precursor powder is used, the nickel particles can be stably supported on the carbon-based catalyst carrier.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments disclosed in the present specification and drawings are merely presented as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical spirit of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.

Claims (9)

탄소계 촉매 담체를 폴리올에 분산시켜 탄소계 촉매 담체 용액을 제조하는 단계;
상기 탄소계 촉매 담체 용액에 백금 용액 및 전이금속 전구체 분말을 투입한 후 40 내지 100℃에서 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;
상기 혼합액에 환원제를 첨가하여 pH 9~12로 조절하면서 백금계 합금을 환원하는 단계;
환원된 상기 백금계 합금이 포함된 혼합액을 130 내지 180℃에서 2 내지 7 시간 교반하는 단계; 및
상기 백금계 합금이 포함된 혼합액을 세척 및 건조하는 단계;
를 포함하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법.
preparing a carbon-based catalyst carrier solution by dispersing the carbon-based catalyst carrier in a polyol;
preparing a mixed solution by adding a platinum solution and a transition metal precursor powder to the carbon-based catalyst carrier solution and mixing at 40 to 100° C.;
reducing the platinum-based alloy while adjusting the pH to 9 to 12 by adding a reducing agent to the mixed solution;
stirring the reduced mixture containing the platinum-based alloy at 130 to 180° C. for 2 to 7 hours; and
washing and drying the mixture containing the platinum-based alloy;
A method for producing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell comprising a.
제1항에 있어서,
상기 폴리올은 에틸렌글리콜(EG), 디에틸렌글리콜(DEG), 트리에틸렌글리콜(TEG), 테트라에틸렌글리콜(TTEG), 프로필렌글리콜(PG) 및 부틸렌글리콜(BG)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법.
The method of claim 1,
The polyol is at least one selected from the group consisting of ethylene glycol (EG), diethylene glycol (DEG), triethylene glycol (TEG), tetraethylene glycol (TTEG), propylene glycol (PG) and butylene glycol (BG). A method for producing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell, comprising:
제1항에 있어서,
상기 탄소계 촉매 담체는 활성탄, 카본블랙, 케첸블랙, 탄소나노튜브, 카본나노파이버, 그래파이트, 그래핀 및 그래핀옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법.
The method of claim 1,
The carbon-based catalyst carrier is a platinum-based alloy catalyst for fuel cells, characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of activated carbon, carbon black, Ketjen black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphite, graphene and graphene oxide. manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 전이금속 전구체는 니켈 전구체, 팔라듐 전구체, 루테늄 전구체, 코발트 전구체, 구리 전구체, 이리듐 전구체 및 철 전구체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법.
The method of claim 1,
The transition metal precursor includes at least one selected from the group consisting of a nickel precursor, a palladium precursor, a ruthenium precursor, a cobalt precursor, a copper precursor, an iridium precursor, and an iron precursor.
제1항에 있어서,
상기 환원제는 수산화나트륨, 소디움보로하이드라이드, 하이드라진 및 포름알데히드로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법.
The method of claim 1,
The reducing agent is a method for producing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell, characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide, sodium borohydride, hydrazine and formaldehyde.
제1항에 있어서,
상기 환원제는 0.1M 내지 1M 수산화나트륨이고,
상기 교반하는 단계에서, 교반 속도는 300 내지 600 rpm 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법.
The method of claim 1,
The reducing agent is 0.1M to 1M sodium hydroxide,
In the stirring step, the stirring speed is a method for producing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell, characterized in that 300 to 600 rpm.
제1항에 있어서, 상기 혼합액을 제조하는 단계에서,
상기 탄소계 촉매 담체 용액, 백금 용액 및 전이금속 전구체 분말의 부피비는 40~80 : 20~60 : 3~10 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법.
According to claim 1, In the step of preparing the mixture,
The volume ratio of the carbon-based catalyst carrier solution, the platinum solution, and the transition metal precursor powder is 40-80: 20-60: 3-10.
제1항에 있어서, 상기 세척 및 건조하는 단계에서 제조된 백금계 합금 촉매는,
상기 탄소계 촉매 담체와, 상기 탄소계 촉매 담체에 담지되는 백금계 합금을 포함하고,
상기 백금계 합금은 백금 67~95 중량%와, 전이금속 5~33 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법.
According to claim 1, wherein the platinum-based alloy catalyst prepared in the washing and drying step,
and a platinum-based alloy supported on the carbon-based catalyst support and the carbon-based catalyst support,
The platinum-based alloy is a method for producing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell, characterized in that it comprises 67 to 95% by weight of platinum and 5 to 33% by weight of a transition metal.
탄소계 촉매 담체를 에틸렌글리콜(EG)에 분산시켜 탄소계 촉매 담체 용액을 제조하는 단계;
상기 탄소계 촉매 담체 용액에 백금 용액 및 니켈 전구체 분말을 투입한 후 40 내지 100℃에서 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;
상기 혼합액에 0.1~1M NaOH를 첨가하여 pH 9~12로 조절하여 백금계 합금을 환원하는 단계;
환원된 상기 백금계 합금이 포함된 혼합액을 130 내지 180℃에서 2 내지 7 시간 교반하는 단계; 및
상기 백금계 합금이 포함된 혼합액을 세척 및 건조하여 백금계 합금 촉매를 획득하는 단계;
를 포함하는 연료전지용 백금계 합금 촉매의 제조 방법.
Dispersing the carbon-based catalyst carrier in ethylene glycol (EG) to prepare a carbon-based catalyst carrier solution;
preparing a mixed solution by adding a platinum solution and a nickel precursor powder to the carbon-based catalyst carrier solution and mixing at 40 to 100° C.;
reducing the platinum-based alloy by adding 0.1 to 1M NaOH to the mixture to adjust the pH to 9 to 12;
stirring the reduced mixture containing the platinum-based alloy at 130 to 180° C. for 2 to 7 hours; and
washing and drying the mixture containing the platinum-based alloy to obtain a platinum-based alloy catalyst;
A method for producing a platinum-based alloy catalyst for a fuel cell comprising a.
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