KR102529278B1 - Hydrogen generating electrode using nickel-iron alloy and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수전해 수소 발생 반응에서 백금 기반 촉매 전극을 대체할 저가용 니켈-철 합금 수소 발생 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카본 지지체 전극과 니켈-철 합금 입자 간의 최적의 결합 및 접착 안정성을 위해 수열 합성법을 이용하여 카본 지지체 전극에 촉매를 직접 성장시켜 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 니켈-철 합금 수소 발생 전극은 니켈과 철의 비율을 조절하여 결정 결함을 줄이고, 촉매에 물 흡착을 용이하게 하며, 이로 인하여 더 많은 수소를 생성하게 할 수 있기 때문에 우수한 과 전위 값으로 적은 에너지를 소비하여 물 분해 반응을 진행시킬 수 있고, 긴 수명과 오랜 시간 안정성을 갖는 장점이 있다.
The present invention relates to a low-cost nickel-iron alloy hydrogen generation electrode that can replace a platinum-based catalyst electrode in a water electrolytic hydrogen generation reaction and a manufacturing method thereof, and more particularly, to an optimal bonding between a carbon support electrode and nickel-iron alloy particles. And it can be prepared by directly growing a catalyst on a carbon support electrode using a hydrothermal synthesis method for adhesion stability.
The nickel-iron alloy hydrogen generating electrode according to the present invention has excellent overpotential values because it can reduce crystal defects by adjusting the ratio of nickel and iron, facilitate water adsorption to the catalyst, and thereby generate more hydrogen. As a result, it consumes little energy to proceed with the water decomposition reaction, and has the advantage of having a long lifespan and long-term stability.

Description

니켈-철 합금 수소 발생 전극 및 이의 제조방법{Hydrogen generating electrode using nickel-iron alloy and manufacturing method thereof}Nickel-iron alloy hydrogen generating electrode and manufacturing method thereof {Hydrogen generating electrode using nickel-iron alloy and manufacturing method thereof}

본 발명은 알칼리 수전해 시스템에서 수소 발생 반응을 위한 고효율, 장기 안정성을 가진 니켈-철 합금 전극 촉매 소재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 수열합성법을 이용하여 지지체 위에 니켈-철 합금 결정을 성장시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nickel-iron alloy electrode catalyst material having high efficiency and long-term stability for hydrogen generation reaction in an alkaline water electrolysis system and a manufacturing method thereof, and a method for growing nickel-iron alloy crystals on a support using a hydrothermal synthesis method. It is about.

화석 연료 고갈로 인한 에너지 위기와 다양한 환경오염 물질로 인한 지구 온난화를 동시에 완화할 수 있는 신 재생에너지원의 개발은 과학적, 산업적 관심을 크게 받고 있다. 화석 연료를 대체하기 위해 친환경적이고 무한한 재생 가능 에너지원에 대한 다양한 연구가 수행되었고, 이들 중 수소 에너지는 대표적인 에너지 운반체이다. The development of new and renewable energy sources that can simultaneously alleviate the energy crisis caused by fossil fuel depletion and global warming caused by various environmental pollutants is receiving great scientific and industrial attention. Various studies on eco-friendly and infinite renewable energy sources have been conducted to replace fossil fuels, and among them, hydrogen energy is a representative energy carrier.

수소는 공기 중의 산소와 반응하여 다른 오염 물질을 생성하지 않고 물만 생성한다. 수소의 질량 당 에너지 밀도는 142 kJ/g으로, 가솔린과 천연가스보다 4배 내지 3배가 높다. 수소를 생산하는 방법은 다양한 방법이 있지만 현재 수소를 생산하는 가장 대중적인 방법은 화석연료에서 수소를 추출하는 방법이다. 그러나 이 방법은 환경문제를 야기하므로 친환경적인 수소 제조 방법 중 하나는 수전해 수소 생산 방법이 있다. Hydrogen reacts with oxygen in the air to produce only water without producing other pollutants. The energy density per mass of hydrogen is 142 kJ/g, four to three times higher than that of gasoline and natural gas. There are various methods of producing hydrogen, but the most popular method of producing hydrogen at present is a method of extracting hydrogen from fossil fuels. However, since this method causes environmental problems, one of the eco-friendly hydrogen production methods is the water electrolysis hydrogen production method.

수전해 방법은 필요한 장비가 간단하고, 대량생산이 가능하며, 고순도의 수소를 생산할 수 있다. 하지만 수전해 기술은 꽤 큰 전기 에너지를 사용해야 하는 단점이 있기 때문에 수전해 시스템의 핵심은 촉매를 이용하여 물을 분해하는데 필요한 에너지를 낮추는 것이다. 수전해 시스템의 수소 발생 반응에서 가장 우수한 촉매로 꼽히는 백금(Pt)은 과 전위 값과 Tafel 기울기가 낮아 효율이 높지만, 매장량이 적고 가격이 높아 상용화 공정에 적용하기에는 어려움이 따른다. The water electrolysis method requires simple equipment, can be mass-produced, and can produce high-purity hydrogen. However, since the water electrolysis technology has the disadvantage of using a fairly large amount of electrical energy, the key to the water electrolysis system is to use a catalyst to lower the energy required to decompose water. Platinum (Pt), which is considered the best catalyst in the hydrogen generation reaction of the water electrolysis system, has high efficiency due to its low overpotential value and low Tafel slope.

따라서 백금을 대체할 새로운 전기 화학적 촉매를 개발하는 것이 필수적이다. 또한 최근 개발되고 있는 금속 황화물 및 인화물 기반 촉매들은 극성 용매에서 불안정하여 반응 중에 활성 성분이 용출되고 전도도가 금속 또는 합금보다 낮기 때문에 안정성이 부족하므로, 알칼리 수전해 시스템에서 고효율 및 장기 안정성을 갖는 촉매 전극의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, it is essential to develop new electrochemical catalysts to replace platinum. In addition, recently developed metal sulfide and phosphide-based catalysts are unstable in polar solvents, so active components are eluted during the reaction, and their conductivity is lower than that of metals or alloys, so they lack stability. Therefore, catalyst electrodes with high efficiency and long-term stability in alkaline water electrolysis systems is in need of development.

대한민국 등록특허 제10-2000974호 (2019.07.11)Republic of Korea Patent No. 10-2000974 (2019.07.11)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명에서는 수전해 수소 생산 시스템에서 백금 촉매를 대체할 수 있는 저렴하고 효율적이며 안정적인 수소 발생 반응 합금 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention was created to solve the above problems, and the present invention provides an inexpensive, efficient and stable hydrogen generation reaction alloy catalyst and a manufacturing method that can replace the platinum catalyst in a water electrolysis hydrogen production system. There is a purpose.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 니켈 전구체 및 철 전구체를 혼합하는 단계(제1단계); 상기 제1단계에서 혼합한 용액에 탈 이온수 및 구연산나트륨을 첨가하고 교반하는 단계(제2단계); 상기 제2단계에서 교반한 반응 혼합물이 균일해지면 pH가 10이 되도록 염기성 물질을 첨가하는 단계(제3단계); 상기 제3단계의 용액에 카본지지체를 담근 후 환원제를 첨가하고 교반하는 단계(제4단계); 상기 제4단계에서 교반한 반응 혼합물을 오토클레이브로 옮긴 후 밀봉하고 승온시켜 수열합성하는 단계(제5단계); 및 상기 제5단계에서 반응 종료 후 오토클레이브를 상온으로 냉각하고, 탄소 지지체에 성장된 니켈-철 전극을 얻는 단계(제6단계)를 포함하는, 니켈-철 합금 수소 발생 전극의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises mixing a nickel precursor and an iron precursor (first step); Adding deionized water and sodium citrate to the solution mixed in the first step and stirring (second step); When the reaction mixture stirred in the second step becomes uniform, adding a basic material so that the pH becomes 10 (third step); immersing the carbon support in the solution of the third step, adding a reducing agent and stirring (fourth step); Transferring the reaction mixture stirred in the fourth step to an autoclave, sealing it, and raising the temperature to perform hydrothermal synthesis (fifth step); and cooling the autoclave to room temperature after completion of the reaction in the fifth step and obtaining a nickel-iron electrode grown on a carbon support (sixth step). do.

또한, 본 발명은 탄소 지지체 상 성장된 니켈-철 전극(Ni100-xFex/CP 전극; 이때 x는 1 내지 19의 정수임)을 포함하는 니켈-철 합금 수소 발생 전극을 제공한다.In addition, the present invention provides a nickel-iron alloy hydrogen generating electrode comprising a nickel-iron electrode (Ni 100-x Fe x /CP electrode; where x is an integer from 1 to 19) grown on a carbon support.

본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극 소재는 귀금속을 사용하지 않았음에도 불구하고 낮은 과 전위 값을 나타내며, 이는 저렴한 가격으로 적은 에너지를 사용하여 수소를 생산할 수 있음을 의미한다. 또한, 상기 Ni100-xFex/CP 전극 소재는 3000번의 반복적인 수소 발생 반응과 10일 동안의 반응에도 우수한 안정성과 내구성을 가지면서 높은 효율로 오랫동안 사용이 가능하므로, 향후 상용화 소재로써 응용되어 매우 경제적으로 수소 발생 반응을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.The Ni 100-x Fe x /CP electrode material according to the present invention shows a low overpotential value despite not using a noble metal, which means that hydrogen can be produced at a low price and using little energy. In addition, the Ni 100-x Fe x /CP electrode material has excellent stability and durability even after 3000 repeated hydrogen generation reactions and 10 days of reaction, and can be used for a long time with high efficiency, so it is applied as a commercial material in the future. It is expected that the hydrogen generation reaction can be carried out very economically.

도 1은 본 발명의 카본 지지체에 성장된 니켈-철 합금 수소 발생 전극(Ni100-xFex/CP 전극)의 제조과정을 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극의 XRD 분석 결과이다.
도 3은 본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극의 투과 전자 현미경 이미지와 원소 분포 이미지이다.
도 4는 본 발명에 따른 Ni90Fe10/CP 전극의 주사 전자 현미경 이미지, SAED 패턴, 그리고 원소 맵핑 이미지이다.
도 5는 본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극의 주사 전자 현미경의 EDS-원소 맵핑 이미지이다.
도 6은 본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극의 원소 분석 결과이다.
도 7은 본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극의 원소 분석 결과의 수치표이다.
도 8은 본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극의 LSV 곡선과 Tafel plot, Nyquist plot이다.
도 9는 본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극의 ECSA와 이중 층 정전용량의 측정 결과이다.
도 10은 본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극의 Chronopotentiometry 10시간 측정결과와 LSV 3000 cycle, Faraday 효율의 측정과 계산 결과이다.
도 11은 본 발명에 따른 Ni90Fe10/CP 전극에서의 Chronopotentiometry 10일 동안 측정한 결과이다.
도 12는 본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극의 수소 발생 반응 전, 후의 라만 스팩트럼 측정 결과이다.
도 13은 본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극의 수소 발생 반응 전과 후의 XPS 측정 결과이다.
도 14는 본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극의 수소 발생 반응의 메커니즘을 나타낸다.
Figure 1 explains the manufacturing process of the nickel-iron alloy hydrogen generating electrode (Ni 100-x Fe x /CP electrode) grown on the carbon support of the present invention.
2 is an XRD analysis result of the Ni 100-x Fe x /CP electrode according to the present invention.
Figure 3 is a transmission electron microscope image and element distribution image of the Ni 100-x Fe x /CP electrode according to the present invention.
4 is a scanning electron microscope image, SAED pattern, and elemental mapping image of the Ni 90 Fe 10 /CP electrode according to the present invention.
5 is an EDS-elemental mapping image of a scanning electron microscope of a Ni 100-x Fe x /CP electrode according to the present invention.
6 is an elemental analysis result of the Ni 100-x Fe x /CP electrode according to the present invention.
7 is a numerical table of elemental analysis results of the Ni 100-x Fe x /CP electrode according to the present invention.
8 is a LSV curve, a Tafel plot, and a Nyquist plot of the Ni 100-x Fe x /CP electrode according to the present invention.
9 is a measurement result of ECSA and double layer capacitance of the Ni 100-x Fe x /CP electrode according to the present invention.
10 is a result of measuring 10 hours of chronopotentiometry of the Ni 100-x Fe x /CP electrode according to the present invention and the measurement and calculation results of LSV 3000 cycle and Faraday efficiency.
11 is a result of chronopotentiometry measurement for 10 days in the Ni 90 Fe 10 /CP electrode according to the present invention.
12 is a Raman spectrum measurement result before and after the hydrogen generation reaction of the Ni 100-x Fe x /CP electrode according to the present invention.
13 is an XPS measurement result before and after the hydrogen generation reaction of the Ni 100-x Fe x /CP electrode according to the present invention.
14 shows the mechanism of the hydrogen generation reaction of the Ni 100-x Fe x /CP electrode according to the present invention.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명자들은 알칼리 수전해 시스템에서 고효율 및 장기 안정성을 가진 저가용 합금 수소 발생 전극을 개발하기 위해 예의노력한 결과, 니켈과 철 전구체를 탈 이온 수에 용해시키고, 산 또는 염기인 구연산나트륨과 수산화나트륨을 첨가하여 전구체들 사이의 가수분해(hydrolysis)를 제어하여 촉매 입자의 크기와 모양을 제어할 수 있고, 지지체인 CP에 합금 촉매를 안정적으로 성장시키기 위해 수열합성법을 이용하고, 금속 환원제로서 하이드라진을 첨가하여 접착 안정성을 부여함으로써 효율적이고 긴 안정성을 가지는 최적의 철/니켈 비율의 니켈-철 합금 수소 발생 전극을 개발하여 본 발명을 완성하였다.As a result of the inventors' diligent efforts to develop a low-cost alloy hydrogen generating electrode with high efficiency and long-term stability in an alkaline water electrolysis system, nickel and iron precursors are dissolved in deionized water, and acid or base sodium citrate and sodium hydroxide are dissolved. It is possible to control the size and shape of catalyst particles by controlling hydrolysis between precursors by adding hydrazine as a metal reducing agent. The present invention was completed by developing a nickel-iron alloy hydrogen generating electrode having an optimal iron/nickel ratio having efficient and long-term stability by imparting adhesion stability.

이에, 본 발명은 니켈 전구체 및 철 전구체를 혼합하는 단계(제1단계); 상기 제1단계에서 혼합한 용액에 탈 이온수 및 구연산나트륨을 첨가하고 교반하는 단계(제2단계); 상기 제2단계에서 교반한 반응 혼합물이 균일해지면 pH가 9-11이 되도록 염기성 물질을 첨가하는 단계(제3단계); 상기 제3단계의 용액에 카본지지체를 담근 후 환원제를 첨가하고 교반하는 단계(제4단계); 상기 제4단계에서 교반한 반응 혼합물을 오토클레이브로 옮긴 후 밀봉하고 승온시켜 수열합성하는 단계(제5단계); 및 상기 제5단계에서 반응 종료 후 오토클레이브를 상온으로 냉각하고, 탄소 지지체에 성장된 니켈-철 전극을 얻는 단계(제6단계)를 포함하는, 니켈-철 합금 수소 발생 전극(Ni100-xFex/CP 전극)의 제조방법을 제공한다. Accordingly, the present invention comprises mixing a nickel precursor and an iron precursor (first step); Adding deionized water and sodium citrate to the solution mixed in the first step and stirring (second step); adding a basic material to a pH of 9-11 when the reaction mixture stirred in the second step becomes uniform (third step); immersing the carbon support in the solution of the third step, adding a reducing agent and stirring (fourth step); Transferring the reaction mixture stirred in the fourth step to an autoclave, sealing it, and raising the temperature to perform hydrothermal synthesis (fifth step); And after the completion of the reaction in the fifth step, cooling the autoclave to room temperature and obtaining a nickel-iron electrode grown on a carbon support (sixth step), a nickel-iron alloy hydrogen generating electrode (Ni 100-x Fe x /CP electrode) provides a manufacturing method.

상기 제1단계는 니켈 전구체 80-99 중량% 및 철 전구체 1-20 중량%를 혼합할 수 있지만, 철의 함량의 이보다 높으면 과전위가 증가하여 결국 수소 발생 성능이 저하될 수 있는 문제가 야기될 수 있다.In the first step, 80-99% by weight of the nickel precursor and 1-20% by weight of the iron precursor can be mixed, but if the iron content is higher than this, the overpotential increases, resulting in a problem that the hydrogen generation performance may be lowered. can

상기 니켈 전구체는 염화니켈, 황산니켈, 질산니켈, 탄산니켈 및 수산화니켈로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The nickel precursor may be at least one selected from the group consisting of nickel chloride, nickel sulfate, nickel nitrate, nickel carbonate and nickel hydroxide, but is not limited thereto.

상기 철 전구체는 황산제이철, 염화제이철, 질산제이철, 탄산제이철, 수산화철 및 인산철로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The iron precursor may be at least one selected from the group consisting of ferric sulfate, ferric chloride, ferric nitrate, ferric carbonate, iron hydroxide and iron phosphate, but is not limited thereto.

상기 제2단계에서 구연산나트륨은 니켈 전구체 및 철 전구체 총 100 중량%에 대하여 100-300 중량%로 첨가할 수 있고, 상기 함량보다 적으면 NiFe 합금 입자의 크기가 너무 커져서 탄소전극 위에 입자들이 안정하게 성장하기 힘들며, 상기 함량보다 많으면 Ni 전구체와 Fe 전구체가 서로 뭉치지 못해서 NiFe 합금보다는 Ni 또는 Fe 단일 금속으로 얻어질 확률이 크다.In the second step, sodium citrate may be added in an amount of 100 to 300% by weight based on 100% by weight of the nickel precursor and iron precursor, and if the content is less than the above, the size of the NiFe alloy particles becomes too large so that the particles are stable on the carbon electrode. It is difficult to grow, and if the content is greater than the above content, the Ni precursor and the Fe precursor are not agglomerated, so there is a high probability of obtaining a single metal of Ni or Fe rather than a NiFe alloy.

상기 염기성 물질은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 암모니아수 및 아민계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The basic material may be at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide, aqueous ammonia, and amine-based compounds, but is not limited thereto.

상기 카본지지체는 카본페이퍼, 카본펠트, 카본블랙, 활성탄, 카본나노파이버, 니켈폼 및 구리폼으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The carbon support may be at least one selected from the group consisting of carbon paper, carbon felt, carbon black, activated carbon, carbon nanofiber, nickel foam, and copper foam, but is not limited thereto.

상기 환원제는 하이드라진, 수소화붕소나트륨, 리튬알루미늄하이드라이드, 에틸렌글리콜 및 올레일아민으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The reducing agent may be at least one selected from the group consisting of hydrazine, sodium borohydride, lithium aluminum hydride, ethylene glycol, and oleylamine, but is not limited thereto.

상기 제5단계에서 반응 혼합물은 온도를 2~15℃/min의 속도로 80~180℃까지 올려 8~30시간 동안 유지시켜 수열 합성할 수 있고, 바람직하게는 10℃/min의 속도로 120℃까지 올려 20시간 동안 유지시켜 수열 합성할 수 있다.In the fifth step, the reaction mixture can be hydrothermally synthesized by raising the temperature to 80 to 180 ° C at a rate of 2 to 15 ° C / min and maintaining it for 8 to 30 hours, preferably 120 ° C at a rate of 10 ° C / min. It can be hydrothermally synthesized by raising it up to 20 hours and maintaining it.

본 발명은 상기 제6단계 이후 얻어진 전극을 에탄올 및 탈 이온수로 번갈아 가면서 세척한 후 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The present invention may further include washing the electrode obtained after the sixth step with ethanol and deionized water alternately, followed by drying.

또한, 본 발명은 탄소 지지체 상에 성장된 니켈-철 전극(Ni100-xFex/CP 전극; 이때 x는 1 내지 19의 정수임)을 포함하는 니켈-철 합금 수소 발생 전극을 제공한다.In addition, the present invention provides a nickel-iron alloy hydrogen generating electrode comprising a nickel-iron electrode (Ni 100-x Fe x /CP electrode; where x is an integer from 1 to 19) grown on a carbon support.

또한, 본 발명은 상기 제조 방법에 따라 얻어진 니켈-철 합금 수소 발생 전극을 제공한다.In addition, the present invention provides a nickel-iron alloy hydrogen generating electrode obtained according to the above manufacturing method.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical scope of protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

이하, 도면을 근거로 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the drawings.

도 1은 본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극의 제조 과정을 도식화 한 것이다.1 is a schematic diagram of the manufacturing process of the Ni 100-x Fe x /CP electrode according to the present invention.

보다 상세하게는, 니켈과 철의 전구체로 (100-x)M 염화니켈(NiCl2·6H2O)과 xM의 황산제이철(FeSO4·7H2O)을 성분비에 맞게 첨가한 후, 탈 이온수에 첨가하고 이어서 구연산나트륨(Sodium citrate)을 2.5g 첨가하고 1시간 동안 교반하였다. 반응 혼합물이 균일해지면 pH가 10이 되도록 1.0M의 수산화나트륨(Sodium hydroxide)을 첨가하였다. 카본페이퍼(Carbon paper; CP)를 용액에 담근 후 금속의 환원제로 하이드라진(Hydrazine) 5mL를 넣고 1시간 동안 추가로 교반하였다. 이러한 용액과 CP를 수열합성을 위해 오토클레이브로 옮긴 후 완전히 밀봉하고 온도를 10℃/min의 속도로 120℃까지 올렸으며 이 온도를 20 시간 동안 유지하였다. 반응 종료 후 오토클레이브를 상온으로 냉각하고 금속 성분이 성장한 CP 전극을 제거하여 Ni100-xFex/CP 전극을 얻었다. 이들 전극을 에탄올 및 탈 이온수로 3회 세척한 후 건조시켜 최종적으로 반응에 사용될 Ni100-xFex/CP 전극을 얻었다.More specifically, after adding (100-x)M nickel chloride (NiCl 2 6H 2 O) and xM ferric sulfate (FeSO 4 7H 2 O) as precursors of nickel and iron according to the component ratio, deionized water Then, 2.5 g of sodium citrate was added and stirred for 1 hour. When the reaction mixture became homogeneous, 1.0M sodium hydroxide was added so that the pH was 10. After dipping carbon paper (CP) into the solution, 5 mL of hydrazine as a metal reducing agent was added and further stirred for 1 hour. After transferring the solution and CP to an autoclave for hydrothermal synthesis, it was completely sealed and the temperature was raised to 120 °C at a rate of 10 °C/min, and this temperature was maintained for 20 hours. After completion of the reaction, the autoclave was cooled to room temperature, and the CP electrode on which the metal component grew was removed to obtain a Ni 100-x Fe x /CP electrode. These electrodes were washed three times with ethanol and deionized water and dried to finally obtain Ni 100-x Fe x /CP electrodes to be used for the reaction.

본 발명에 따른 Ni100-xFex/CP 전극은 금속 전구체 용액에 분산제를 첨가하여 표면 활성 부위를 최대로 노출시킬 수 있는 크기와 모양으로 제어해야 하며, 이러한 크기와 모양은 촉매의 성능과 상관 관계가 있다. 또한, 수소 발생 반응 사이클링 시 CP 전극과 촉매 간의 상전이 차이로 인한 비 부착 현상을 최소화하기 위해 니켈과 철 금속을 수열합성법을 이용하여 CP 전극에 직접 성장시키며, 이때 철과 니켈의 최적 비율을 찾기 위해서 니켈만으로 구성된 Ni100/CP 전극을 만들고 니켈-철 합금에서 철의 농도를 5%에서 20%로 증가시켜 4가지 타입의 Ni100-xFex/CP 전극을 제작하였다. The Ni 100-x Fe x /CP electrode according to the present invention needs to be controlled to a size and shape that can maximize surface active sites by adding a dispersant to the metal precursor solution, and these sizes and shapes correlate with the performance of the catalyst. There is a relationship. In addition, in order to minimize the non-attachment phenomenon due to the difference in phase transition between the CP electrode and the catalyst during hydrogen generation reaction cycling, nickel and iron metals are grown directly on the CP electrode by using a hydrothermal synthesis method. At this time, in order to find the optimal ratio of iron and nickel Four types of Ni 100 - x Fe x /CP electrodes were fabricated by making Ni 100 /CP electrodes composed of only nickel and increasing the iron concentration from 5% to 20% in nickel - iron alloys.

도 2는 수열 공정을 통해 합성된 니켈과 철 합금 전극의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다. 모든 니켈-철 전극은 2θ = 26° 및 54°에서 카본페이퍼(CP)에 대한 전형적인 흑연 회절 피크를 확인할 수 있다. Ni100/CP 전극은 2θ = 44.5°, 52° 및 76.5°에서 각각 입방 구조 Ni 금속의 (111), (200) 및 (220) 평면에 해당하는 회절 피크를 나타내었다. 니켈과 철을 모두 포함하는 Ni100-xFex/CP 전극의 경우, 니켈-철 합금에 해당하는 피크는 순수 니켈의 피크보다 낮은 각도로 이동하였다. 이는 니켈의 결정 격자 영역이 니켈 원자보다 반경이 약간 큰 철 원자로 대체되어 결정 격자의 영역이 증가하였기 때문이다. 철의 함량이 높을수록 Ni100-xFex 입자의 회절 피크가 더 선명하고 피크의 폭이 좁아졌다. 이는 철 함량이 증가함에 따라 합금의 결정 크기가 증가하였음을 나타낸다.2 shows the results of XRD analysis of a nickel and iron alloy electrode synthesized through a hydrothermal process. All nickel-iron electrodes show typical graphite diffraction peaks for carbon paper (CP) at 2θ = 26° and 54°. The Ni 100 /CP electrode exhibited diffraction peaks corresponding to the (111), (200) and (220) planes of cubic Ni metal at 2θ = 44.5°, 52° and 76.5°, respectively. In the case of the Ni 100-x Fe x /CP electrode containing both nickel and iron, the peak corresponding to the nickel-iron alloy shifted to a lower angle than that of pure nickel. This is because the crystal lattice area of nickel is replaced by iron atoms having a radius slightly larger than that of nickel atoms, so that the area of the crystal lattice increases. The higher the iron content, the sharper the diffraction peak of the Ni 100-x Fe x particle and the narrower the peak. This indicates that the crystallite size of the alloy increased with increasing iron content.

도 3은 Ni90Fe10/CP 전극의 투과 전자 현미경의 이미지를 나타낸다. 크기가 약 0.25 μm인 구형 결정이 관찰되었다. Ni90Fe10 합금의 주요 결정면인 (111), (200)면의 격자 거리는 각각 2.07과 1.76Å으로 보고된 순수 니켈 금속의 격자거리보다 약간 큰 것을 알 수 있었다. 또한 합금의 SAED 패턴을 보면 XRD에서 확인할 수 있는 (111), (200), (220) 평면을 관찰할 수 있고 맵핑 이미지에서 니켈과 철이 고르게 분포된 것을 볼 수 있다. 이러한 결과들로 인해 촉매의 니켈과 철이 합금으로써 고르게 합성되었음을 알 수 있다.3 shows a transmission electron microscope image of the Ni 90 Fe 10 /CP electrode. Spherical crystals with a size of about 0.25 μm were observed. It was found that the lattice distances of (111) and (200) planes, which are the main crystal planes of the Ni 90 Fe 10 alloy, were 2.07 and 1.76 Å, respectively, slightly larger than those of the reported pure nickel metal. In addition, when looking at the SAED pattern of the alloy, (111), (200), and (220) planes that can be confirmed in XRD can be observed, and nickel and iron are evenly distributed in the mapping image. From these results, it can be seen that nickel and iron in the catalyst were evenly synthesized as an alloy.

도 4는 Ni100-xFex/CP 전극의 주사 전자 현미경 이미지를 나타낸다. CP 전극에서 성장한 Ni100-xFex 합금 입자의 크기와 모양을 나타낸다. 전극은 철의 함유량이 증가할수록 크기는 성장하였다. 또한 합금 입자가 더 조밀하게 축적되는 것을 관찰할 수 있다. 이는 Ni100-xFex 합금에서 철과 CP 전극의 환원전위차가 니켈과 CP 전극의 환원 전위차이보다 크기 때문에 더 안정적이고 조밀하게 성장할 수 있었다.4 shows a scanning electron microscope image of a Ni 100-x Fe x /CP electrode. The size and shape of the Ni 100-x Fe x alloy particles grown on the CP electrode are shown. The size of the electrode increased as the iron content increased. A denser accumulation of alloy particles can also be observed. In the Ni 100-x Fe x alloy, the reduction potential difference between the iron and CP electrodes was greater than that between the nickel and CP electrodes, so it could grow more stably and densely.

도 5는 Ni100-xFex/CP 합금 입자들의 주사 전자 현미경의 맵핑 이미지를 나타낸다. 모든 합금 촉매의 니켈과 철 성분은 응집없이 농도 비율과 비례하여 고르게 분산되었다. XRD 결과에서 관찰할 수 없었던 산소가 이미지에서 검출되었지만 이는 매우 소량임을 알 수 있다.5 is Ni 100-x Fe x /CP A scanning electron microscope mapping image of the alloy particles is shown. The nickel and iron components of all alloy catalysts were evenly dispersed in proportion to the concentration ratio without agglomeration. Oxygen, which could not be observed in the XRD results, was detected in the image, but it can be seen that it is very small.

도 6은 니켈과 철의 비율이 다른 Ni100-xFex/CP 전극 표면에 존재하는 합금 입자에 대한 EDS 피크를 나타낸다. 여기서 CP에 존재하는 탄소와 부분적으로 존재하는 산소는 무시되었다. Ni100/CP 전극의 경우 니켈 원소에 해당하는 EDS 피크만 관찰되었으며 Ni100-xFex 합금 전극에서는 피크의 크기가 Fe 및 Ni 함량에 비례하였다.6 shows EDS peaks of alloy particles present on the surface of Ni 100-x Fe x /CP electrodes having different nickel to iron ratios. Carbon present in CP and partially present oxygen are neglected here. In the case of the Ni 100 /CP electrode, only the EDS peak corresponding to the nickel element was observed, and in the Ni 100-x Fe x alloy electrode, the size of the peak was proportional to the Fe and Ni content.

도 7은 니켈과 철 합금 전극의 중량 및 원소 비율 분석 결과이다. Ni100/CP, Ni95Fe5/CP, Ni90Fe10/CP, Ni85Fe15/CP 및 Ni80Fe20/CP 전극의 니켈과 철의 원소 비율은 각각 100:0, 95:5, 90:10, 86:14 및 81:19 이다. 이러한 비율은 합성 중에 첨가된 니켈 및 철의 비율과 거의 동일하고 이것은 CP 전극에서 Ni100-xFex 합금 입자의 정량적 성장을 확인할 수 있다.7 is a result of weight and element ratio analysis of nickel and iron alloy electrodes. The elemental ratios of nickel and iron in the Ni 100 /CP, Ni 95 Fe 5 /CP, Ni 90 Fe 10 /CP, Ni 85 Fe 15 /CP and Ni 80 Fe 20 /CP electrodes were 100:0, 95:5, 90:10, 86:14 and 81:19. This ratio is almost the same as the ratio of nickel and iron added during the synthesis, and this confirms the quantitative growth of Ni 100-x Fe x alloy particles in the CP electrode.

도 8은 Ni100-xFex/CP 전극의 HER 성능을 평가하기 위해 질소로 포화된 1.0 M KOH 용액에서 전기 화학적 특성을 평가한 결과이다. 도 8A는 0.4-0.6V (vs. RHE)의 전위 범위에서 전극의 LSV 곡선을 보여준다. 전류 밀도가 100 mA/cm2인 경우 Ni100/CP, Ni95Fe5/CP, Ni90Fe10/CP, Ni85Fe15/CP 및 Ni80Fe20/CP 전극의 과전압은 -0.24 (η = 291 mV), -0.28 (η = 275 mV), -0.29 (η = 246 mV), 0.31 (η = 317 mV) 및 0.325V (η = 333 mV)로 나타났다. 이는 Ni90Fe10 촉매가 본 발명에서 합성된 모든 Ni100-xFex 합금 촉매 중에서 최고의 HER 성능을 보였음을 나타낸다. 도 8B는 LSV 결과에서 얻은 전극의 Tafel 기울기를 나타낸다. 일반적으로 전극의 Tafel 기울기가 낮을수록 교환 전류 밀도가 낮다. 따라서 수소 발생 반응에서 전극에 가해지는 과전압(η)이 감소하여 전극의 촉매 성능이 향상된다. Ni100/CP, Ni95Fe5/CP, Ni90Fe10/CP, Ni85Fe15/CP 및 Ni80Fe20/CP 전극의 Tafel 기울기는 각각 117.7, 114.4, 95.4, 122.9 및 131.1 mV/dec이었으며, 이는 Ni90Fe10/CP 전극이 가장 높은 촉매활성을 나타낸다고 볼 수 있다. Ni90Fe10/CP 전극의 Tafel 기울기는 상용 Pt/C 전극 (52.0 mV/dec)보다 약간 더 컸지만 현재까지 보고된 다른 니켈-철 합금 촉매에 비해 상당히 좋은 성능이다. 도 8C는 Ni100-xFex/CP 전극의 Nyquist 플롯을 보여준다. 전해질과 전극의 표면에서 물질 전달 및 전하 전달 저항을 결정하는 데 매우 유용한 측정 결과이다. 일반적으로 저항이 증가하면 전하 이동이 방해된다. 따라서 반원의 크기를 나타내는 전하 전달 저항 (Rct)이 작을수록 재결합 속도가 낮고 저항이 낮아 전극의 전기 전도도가 향상된다. Ni100/CP, Ni95Fe5/CP, Ni90Fe10/CP, Ni85Fe15/CP 및 Ni80Fe20/CP 전극의 Rct값은 각각 14.64, 12.02, 5.71, 15.62 및 18.05 Ω이었고, 특히 Ni90Fe10/CP 전극은 가장 낮은 저항을 보였으며, 이는 최고의 전하 전달 효율을 나타냈다.8 is a result of evaluating the electrochemical properties in a 1.0 M KOH solution saturated with nitrogen to evaluate the HER performance of the Ni 100-x Fe x /CP electrode. 8A shows the LSV curves of the electrodes in the potential range of 0.4-0.6V (vs. RHE). For a current density of 100 mA/cm 2 , the overvoltage of the Ni 100 /CP, Ni 95 Fe 5 /CP, Ni 90 Fe 10 /CP, Ni 85 Fe 15 /CP and Ni 80 Fe 20 /CP electrodes is -0.24 (η = 291 mV), -0.28 (η = 275 mV), -0.29 (η = 246 mV), 0.31 (η = 317 mV) and 0.325 V (η = 333 mV). This indicates that the Ni 90 Fe 10 catalyst showed the best HER performance among all the Ni 100-x Fe x alloy catalysts synthesized in the present invention. 8B shows the Tafel slope of the electrode obtained from the LSV results. Generally, the lower the Tafel slope of an electrode, the lower the exchange current density. Therefore, the overvoltage (η) applied to the electrode in the hydrogen generation reaction is reduced, thereby improving the catalytic performance of the electrode. The Tafel slopes of the Ni 100 /CP, Ni 95 Fe 5 /CP, Ni 90 Fe 10 /CP, Ni 85 Fe 15 /CP, and Ni 80 Fe 20 /CP electrodes were 117.7, 114.4, 95.4, 122.9, and 131.1 mV/dec, respectively. , and it can be seen that the Ni 90 Fe 10 /CP electrode exhibits the highest catalytic activity. Although the Tafel slope of the Ni 90 Fe 10 /CP electrode was slightly larger than that of the commercial Pt/C electrode (52.0 mV/dec), it is a significantly better performance compared to other nickel–iron alloy catalysts reported to date. 8C shows a Nyquist plot of the Ni 100-x Fe x /CP electrode. This is a very useful measurement result for determining the mass transfer and charge transfer resistance at the surface of the electrolyte and electrode. In general, an increase in resistance impedes charge transfer. Therefore, the smaller the charge transfer resistance (Rct), which represents the size of the semicircle, the lower the recombination rate and the lower the resistance, the better the electrical conductivity of the electrode. The Rct values of the Ni 100 /CP, Ni 95 Fe 5 /CP, Ni 90 Fe 10 /CP, Ni 85 Fe 15 /CP, and Ni 80 Fe 20 /CP electrodes were 14.64, 12.02, 5.71, 15.62, and 18.05 Ω, respectively; In particular, the Ni 90 Fe 10 /CP electrode showed the lowest resistance, which showed the highest charge transfer efficiency.

도 9는 전극의 전기 화학적 활성 표면적 (ECSA)을 CV 측정방법을 통해 이중 층 커패시턴스 (Cdl)를 도출한 결과이다. ECSA는 Cdl에 비례하기 때문에 다음과 같은 실험 방법으로 ECSA를 추정하였다. ECSA는 전기 촉매의 활동과 직접적 영향이 있다. 전극의 Cdl은 Ni100-xFex 합금 촉매의 산화-환원 반응이 일어나지 않는 Non-Faradaic 영역에서 측정되었으며, 20-100 mV의 스캔 속도에서 얻은 ECSA의 전류 밀도 차이는 선형적 추세를 보였다. Ni90Fe10/CP 전극은 모든 전극 중에서 가장 넓은 CV 곡선 면적을 나타냈다. 전극의 CV 곡선 폭은 철 함량이 10 % 이상 증가함에 따라 급격히 감소하였다. 따라서 Ni90Fe10/CP 전극은 높은 전기 용량으로 인해 우수한 전기 촉매 활성을 나타낼 것으로 예상된다.9 is a result of deriving the double layer capacitance (Cdl) through the CV measurement method for the electrochemically active surface area (ECSA) of the electrode. Since ECSA is proportional to Cdl, ECSA was estimated by the following experimental method. ECSA has a direct effect on the activity of electrocatalysis. The Cdl of the electrode was measured in the non-faradaic region where the oxidation-reduction reaction of the Ni 100-x Fe x alloy catalyst does not occur, and the difference in current density of ECSA obtained at a scan rate of 20–100 mV showed a linear trend. The Ni 90 Fe 10 /CP electrode showed the widest CV curve area among all electrodes. The width of the CV curve of the electrode decreased rapidly as the iron content increased by more than 10%. Therefore, the Ni 90 Fe 10 /CP electrode is expected to exhibit excellent electrocatalytic activity due to its high capacitance.

도 10은 장기 내구성 평가와, 3000주기 동안의 안정성 평가 그리고 페러데이 효율을 나타낸 결과이다. 모든 Ni100-xFex/CP 전극에 대해 100 mA/cm2에서 10 시간 동안 얻은 Chronopotentiometry 결과 및 LSV 결과는 Ni90Fe10/CP 전극은 3000 주기 동안 최고의 촉매 성능을 나타냈다. 도 10A 결과에서 가장 열악한 성능을 보인 Ni80Fe20/CP 전극을 제외하고 Ni100-xFex/CP 합금 전극은 순수한 Ni100/CP 전극의 경우보다 초기 및 10시간 후의 과전압 차이가 더 작았다. 이 결과는 최적량의 철을 첨가하여 Ni100/CP 전극의 안정성이 향상되었음을 나타낸다. 도 10B는 LSV 측정을 반복하여 모든 전극 중에서 가장 우수한 활성을 보인 Ni90Fe10/CP 전극의 수명을 보여준다. 전극의 과전위 값은 최대 100주기까지 점차 음의 값으로 이동한 다음 최대 3000 주기까지 거의 변하지 않았다. 이 결과는 전해질과 Ni90Fe10 합금 촉매 간의 충분한 상호 작용을 통해 100주기까지 안정화가 이루어졌고, 첫번째와 3000회 사이클 후 Ni90Fe10/CP 전극의 전압 차이는 무시할 정도로 작았다. 이는 3000회 사이클까지 전극의 높은 안정성을 나타낸다. 도 10C는 Ni90Fe10/CP 전극에 대해 100 mA/cm2에서 실제 및 이론적 수소 생성량에서 얻은 패러데이 효율을 나타냈다. Ni90Fe10/CP 전극의 패러데이 효율은 97.07%로 다른 부반응 없이 참여한 전자의 거의 모든 97%가 수소 발생 반응에 사용되었다. 10 is a result showing long-term durability evaluation, stability evaluation for 3000 cycles, and Faraday efficiency. Chronopotentiometry and LSV results obtained for all Ni 100-x Fe x /CP electrodes at 100 mA/cm 2 for 10 hours showed that the Ni 90 Fe 10 /CP electrode showed the best catalytic performance for 3000 cycles. Except for the Ni 80 Fe 20 /CP electrode, which showed the poorest performance in FIG. 10A, the Ni 100-x Fe x /CP alloy electrode had a smaller difference in overvoltage at the beginning and after 10 hours than in the case of the pure Ni 100 /CP electrode. . This result indicates that the stability of the Ni 100 /CP electrode is improved by adding an optimal amount of iron. 10B shows the lifetime of the Ni 90 Fe 10 /CP electrode, which showed the best activity among all electrodes by repeating the LSV measurement. The overpotential value of the electrode gradually shifted to a negative value up to 100 cycles and then hardly changed up to 3000 cycles. This result was stabilized up to 100 cycles through sufficient interaction between the electrolyte and the Ni 90 Fe 10 alloy catalyst, and the voltage difference between the first and 3000 cycles of the Ni 90 Fe 10 /CP electrode was negligibly small. This indicates a high stability of the electrode up to 3000 cycles. FIG. 10C shows the Faraday efficiency obtained from actual and theoretical hydrogen production at 100 mA/cm 2 for the Ni 90 Fe 10 /CP electrode. The Faradaic efficiency of the Ni 90 Fe 10 /CP electrode was 97.07%, and almost all 97% of the participating electrons were used for the hydrogen evolution reaction without any other side reactions.

도 11은 100 mA/cm2에서 10일 동안 얻은 Ni90Fe10/CP 전극의 Chronopotentiometry 결과이다. 반응의 초기 단계와 비교하여 전위는 시간이 지남에 따라 점차적으로 음전하로 증가했지만 그 증가는 무시할 수 있는 수치이다. 10일 후에도 전위 (-0.274V)는 초기 값인 -0.255V에 비해 크게 변하지 않았다. 이는 Ni90Fe10/CP 전극이 강 알칼리성 조건에 장기간 노출되어도 우수한 내구성을 보였음을 의미한다.11 is a chronopotentiometry result of the Ni 90 Fe 10 /CP electrode obtained at 100 mA/cm 2 for 10 days. Compared to the initial stage of the reaction, the potential gradually increased to a negative charge over time, but the increase is negligible. Even after 10 days, the potential (-0.274V) did not change significantly compared to the initial value of -0.255V. This means that the Ni 90 Fe 10 /CP electrode showed excellent durability even when exposed to strong alkaline conditions for a long time.

도 12는 Ni100/CP 및 Ni90Fe10/CP 전극의 반응 전과 10일 동안 수소 발생 반응 후의 전극의 라만 스펙트럼을 나타낸다. 두 촉매 모두 반응 전후에 높은 함량의 니켈에 해당하는 피크만을 나타내었다. 수소 발생 반응 전 Ni100및 Ni90Fe10 촉매의 스펙트럼에서 Ni0의 격자 결함에 해당하는 IP 밴드가 각각 520 및 510 cm-1에서 관찰되었다. 특히 수소 발생 반응 후 밴드의 강도가 높아졌다. 이 현상은 Ni90Fe10보다 Ni100에서 더 두드러지게 나타났다. 이러한 결과는 수소 발생 반응 이후 두 전극 촉매에서 산소 조성이 다르지만 Ni100 촉매의 조성 변화가 Ni90Fe10보다 더 크다는 것을 알 수 있었다. 또한 반응 후 Ni100 및 Ni90Fe10 전극의 스펙트럼에서 2P 및 2M에 해당하는 두 개의 새로운 밴드가 1010 및 1550 cm-1에서 관찰되었다. 2P 밴드는 NiO 결정의 결함에 해당하며, 이 밴드의 폭은 결함 수가 증가할수록 증가한다. Ni100 촉매의 밴드는 Ni90Fe10 촉매의 밴드보다 넓기 때문에 수소 발생 반응 이후 Ni100에서 더 많은 격자 결함이 발생한 것으로 추정된다. 이러한 결과는 수소 발생 반응 동안 Ni90Fe10 촉매 결정보다 철 원소가 없는 Ni100 촉매 결정에서 결정 결함이 더 빠르게 발생했음을 나타낸다.12 shows Raman spectra of the Ni 100 /CP and Ni 90 Fe 10 /CP electrodes before and after the hydrogen evolution reaction for 10 days. Both catalysts showed only peaks corresponding to a high nickel content before and after the reaction. In the spectra of the Ni 100 and Ni 90 Fe 10 catalysts before the hydrogen evolution reaction, IP bands corresponding to lattice defects of Ni 0 were observed at 520 and 510 cm -1 , respectively. In particular, the intensity of the band increased after the hydrogen evolution reaction. This phenomenon was more prominent in Ni 100 than Ni 90 Fe 10 . These results indicate that the compositional change of the Ni 100 catalyst is greater than that of the Ni 90 Fe 10 although the oxygen composition is different in the two electrode catalysts after the hydrogen generation reaction. In addition, two new bands corresponding to 2P and 2M were observed at 1010 and 1550 cm -1 in the spectrum of the Ni 100 and Ni 90 Fe 10 electrodes after the reaction. The 2P band corresponds to defects in the NiO crystal, and the width of this band increases as the number of defects increases. Since the band of the Ni 100 catalyst is wider than that of the Ni 90 Fe 10 catalyst, it is assumed that more lattice defects are generated in Ni 100 after the hydrogen evolution reaction. These results indicate that crystal defects occurred more rapidly in the Ni 100 catalyst crystals without iron elements than in the Ni 90 Fe 10 catalyst crystals during the hydrogen evolution reaction.

도 13은 수소 발생 반응 전과 후의 Ni100, Ni90Fe10 및 Ni80Fe20 합금 촉매에 대한 XPS 측정 결과이다. 반응 전 세 가지 촉매 모두에서 Ni2+에 해당하는 2p1/2 및 2p3/2 피크가 872.8 및 854.8 eV에서 관찰되었으며 Ni0에 해당하는 2p1/2 및 2p3/2 피크는 약 869.4 및 852.3 eV에서 관찰되었다. Fe 함량이 높은 촉매에서 Ni2+에 해당하는 피크는 더 높은 결합 에너지로 이동되었다. Ni0와 Ni2+의 존재비는 철 함량이 높은 촉매의 니켈 함량이 적기 때문에 Ni0의 피크가 낮게 나타났다. 수소 발생 반응 이후에는 세 촉매 모두에서 Ni0에 해당하는 피크가 사라졌다. 이는 Ni0가 수소 발생 반응 후에 Ni2+로 산화되었음을 나타낸다. 이러한 결과를 바탕으로 HER 이전에 Ni0와 Ni2+가 혼합된 촉매는 수소 발생 반응 이후 전해질과 물에 의해 Ni2+로 완전히 산화되었음을 알 수 있다. Ni90Fe10/CP 및 Ni80Fe20/CP 전극에서는 약 711.5 eV에서 Fe2+에 해당하는 2p3/2 피크가 관찰되었고, 약 706.8 eV에서 Fe0에 해당하는 2p3/2 피크가 관찰되었다. 피크의 위치에는 변화가 없었지만 철을 다량 함유 한 촉매에서는 피크 면적과 강도가 증가했다. 반면에 수소 발생 반응 이후에는 Fe0에 해당하는 피크가 니켈의 분석 결과와 유사하게 양쪽 전극에서 사라졌다. 또한 Ni2p 스펙트럼과 마찬가지로 Fe0는 수소 발생 반응 동안 전해질과 물에 의해 Fe2+로 완전히 산화된 것으로 예상되었다. 수소 발생 반응 전 O1s 스펙트럼은 격자의 M-O에 해당하는 피크에 대해 528.6 eV에서, 물 흡착 또는 표면 결함 부위에서 발생하는 M-OH 피크에 대해 530.3 eV에서 관찰되었다. 모든 촉매에서 M-O에 해당하는 피크의 면적은 수소 발생 반응 이후에 크게 감소한 반면 M-OH에 해당하는 피크의 면적은 크게 증가하였다. 니켈 또는 철의 금속 성분이 수소 발생 반응 동안 물이나 전해질에 의해 산화되었고, OH-가 산화된 금속 이온에 더 많이 부착되었기 때문에 M-OH의 양이 상대적으로 증가했다고 판단된다. 또한, 철의 함량이 높은 Ni80Fe20 촉매에서 M-OH에 해당하는 피크가 더 강하다는 것이 관찰되었다. 이는 물 또는 OH 이온이 니켈 성분보다 철 성분에 더 많이 흡착되었음을 나타낸다.13 shows XPS measurement results of Ni 100 , Ni 90 Fe 10 , and Ni 80 Fe 20 alloy catalysts before and after hydrogen generation reaction. In all three catalysts before reaction, 2p 1/2 and 2p 3/2 peaks corresponding to Ni 2+ were observed at 872.8 and 854.8 eV, and 2p 1/2 and 2p 3/2 peaks corresponding to Ni 0 were observed at about 869.4 and 869.4 eV, respectively. observed at 852.3 eV. In catalysts with high Fe content, the peaks corresponding to Ni 2+ were shifted to higher binding energies. The peak of Ni 0 appeared low because the abundance ratio of Ni 0 and Ni 2+ was low because the nickel content of the catalyst with high iron content was low. After the hydrogen generation reaction, the peak corresponding to Ni 0 disappeared in all three catalysts. This indicates that Ni 0 was oxidized to Ni 2+ after the hydrogen evolution reaction. Based on these results, it can be seen that the catalyst in which Ni 0 and Ni 2+ were mixed before HER was completely oxidized to Ni 2+ by electrolyte and water after the hydrogen evolution reaction. In the Ni 90 Fe 10 /CP and Ni 80 Fe 20 /CP electrodes, a 2p 3/2 peak corresponding to Fe 2+ was observed at about 711.5 eV, and a 2p 3/2 peak corresponding to Fe 0 was observed at about 706.8 eV. It became. There was no change in the position of the peak, but the peak area and intensity increased in the catalyst containing a large amount of iron. On the other hand, after the hydrogen generation reaction, the peak corresponding to Fe 0 disappeared from both electrodes, similar to the analysis result of nickel. Also, like the Ni2p spectrum, Fe0 was expected to be completely oxidized to Fe2 + by the electrolyte and water during the hydrogen evolution reaction. The O1s spectrum before the hydrogen evolution reaction was observed at 528.6 eV for the peak corresponding to the MO of the lattice and at 530.3 eV for the M-OH peak arising from water adsorption or surface defects. In all catalysts, the area of the peak corresponding to MO decreased significantly after the hydrogen evolution reaction, while the area of the peak corresponding to M-OH increased significantly. It is believed that the amount of M-OH was relatively increased because the metal component of nickel or iron was oxidized by water or electrolyte during the hydrogen generation reaction and more OH- was attached to the oxidized metal ion. In addition, it was observed that the peak corresponding to M-OH was stronger in the Ni 80 Fe 20 catalyst with a high iron content. This indicates that more water or OH ions were adsorbed on the iron component than on the nickel component.

도 14는 촉매에서 수소 발생 반응에 대한 메커니즘을 나타낸 것이다. 에너지는 알칼리 용액에서 수소 발생 반응의 Volmer 단계에서 H-O-H 결합을 절단한 후 H*를 공급하는 초기 물 해리 과정에 의해 소비된다. 따라서 이 단계를 반응의 속도 결정 단계로 정해진다. Ni100-xFex 합금 촉매 입자에 대한 수소 발생 반응에서 물은 Ni2+보다 Fe2+에 더 쉽게 흡착되며, 흡착된 물은 촉매 입자 계면을 따라 Ni0로 전달된다. Ni0는 물 분해 활성 부위이며 우수한 전자 수송 능력을 나타내기 때문에 속도 결정 단계인 Volmer 단계에서 Ni0로 인해 전자 이동이 빠르게 진행되어 물이 적은 에너지로 분해될 수 있다. 그러나 Ni0는 수소와 강하게 결합하기 때문에 생성된 수소를 탈착하려면 상대적으로 높은 과전위가 필요하다. 이때 촉매 입자의 계면에서 산화된 Ni2+및 Fe2+ 이온은 수소의 흡착 또는 탈착 활성화 에너지를 감소시켜 Ni0에 의한 수소 탈착을 촉진한다. 따라서 본 연구는 최적 량의 철 함량을 갖는 Ni100-xFex 합금 촉매의 수소 발생 반응 성능이 니켈과 철의 시너지에 의해 개선될 수 있음을 입증하였다. 과량의 철을 첨가하면 니켈의 양이 상대적으로 적고 촉매의 전체적인 수소 발생 반응의 활성이 낮은 것으로 나타났다. 니켈과 철 사이의 최상의 시너지를 위한 최적의 니켈과 철의 비율은 90:10 이다.14 shows the mechanism for the hydrogen evolution reaction in the catalyst. Energy is consumed by the initial water dissociation process, which supplies H * after cleaving the HOH bond in the Volmer step of the hydrogen evolution reaction in an alkaline solution. Therefore, this step is designated as the rate-determining step of the reaction. In the hydrogen evolution reaction on Ni 100-x Fe x alloy catalyst particles, water is more easily adsorbed on Fe 2+ than on Ni 2+ , and the adsorbed water is transferred to Ni 0 along the catalyst particle interface. Since Ni 0 is an active site for water decomposition and exhibits excellent electron transport ability, electron transfer proceeds rapidly due to Ni 0 in the Volmer step, which is a rate-determining step, so that water can be decomposed with little energy. However, since Ni 0 bonds strongly with hydrogen, a relatively high overpotential is required to desorb the generated hydrogen. At this time, the Ni 2+ and Fe 2+ ions oxidized at the interface of the catalyst particles reduce the activation energy for hydrogen adsorption or desorption, thereby promoting hydrogen desorption by Ni 0 . Therefore, this study demonstrated that the hydrogen evolution reaction performance of a Ni 100-x Fe x alloy catalyst with an optimal iron content can be improved by the synergistic effect of nickel and iron. The addition of excess iron resulted in a relatively low amount of nickel and low activity of the overall hydrogen evolution reaction of the catalyst. The optimal nickel to iron ratio for the best synergy between nickel and iron is 90:10.

Claims (12)

니켈 전구체 및 철 전구체를 혼합하는 단계(제1단계);
상기 제1단계에서 혼합한 용액에 탈 이온수 및 구연산나트륨을 첨가하고 교반하는 단계(제2단계);
상기 제2단계에서 교반한 반응 혼합물이 균일해지면 pH가 9-11이 되도록 수산화나트륨을 첨가하는 단계(제3단계);
상기 제3단계의 용액에 카본페이퍼를 담근 후 하이드라진을 첨가하고 교반하는 단계(제4단계);
상기 제4단계에서 교반한 반응 혼합물을 오토클레이브로 옮긴 후 밀봉하고 승온시켜 수열합성하는 단계(제5단계); 및
상기 제5단계에서 반응 종료 후 오토클레이브를 상온으로 냉각하고, 카본페이퍼에 성장된 니켈-철 전극을 얻는 단계(제6단계)를 포함하는, 니켈-철 합금 수소 발생 전극의 제조방법.
mixing a nickel precursor and an iron precursor (first step);
Adding deionized water and sodium citrate to the solution mixed in the first step and stirring (second step);
adding sodium hydroxide to a pH of 9-11 when the reaction mixture stirred in the second step becomes uniform (third step);
immersing the carbon paper in the solution of the third step, adding hydrazine and stirring (fourth step);
Transferring the reaction mixture stirred in the fourth step to an autoclave, sealing it, and raising the temperature to perform hydrothermal synthesis (fifth step); and
After completion of the reaction in the fifth step, cooling the autoclave to room temperature and obtaining a nickel-iron electrode grown on carbon paper (sixth step).
청구항 1에 있어서,
상기 제1단계는 니켈 전구체 80-99 중량% 및 철 전구체 1-20 중량%를 혼합하는 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금 수소 발생 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
The first step is a method for producing a nickel-iron alloy hydrogen generating electrode, characterized in that mixing 80-99% by weight of the nickel precursor and 1-20% by weight of the iron precursor.
청구항 1에 있어서,
상기 니켈 전구체는 염화니켈, 황산니켈, 질산니켈, 탄산니켈 및 수산화니켈로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금 수소 발생 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
The nickel precursor is a method for producing a nickel-iron alloy hydrogen generating electrode, characterized in that at least one selected from the group consisting of nickel chloride, nickel sulfate, nickel nitrate, nickel carbonate and nickel hydroxide.
청구항 1에 있어서,
상기 철 전구체는 황산제이철, 염화제이철, 질산제이철, 탄산제이철, 수산화철 및 인산철로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금 수소 발생 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
The iron precursor is a method for producing a nickel-iron alloy hydrogen generating electrode, characterized in that at least one selected from the group consisting of ferric sulfate, ferric chloride, ferric nitrate, ferric carbonate, iron hydroxide and iron phosphate.
청구항 1에 있어서,
상기 구연산나트륨은 니켈 전구체 및 철 전구체 총 100 중량부에 대하여 100-300 중량부로 첨가하는 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금 수소 발생 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
The sodium citrate is a method for producing a nickel-iron alloy hydrogen generating electrode, characterized in that added in 100-300 parts by weight based on the total of 100 parts by weight of the nickel precursor and the iron precursor.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 제5단계에서 반응 혼합물은 온도를 2-15℃/min의 속도로 80-180℃까지 올려 8-30 시간 동안 유지시켜 수열합성하는 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금 수소 발생 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
In the fifth step, the reaction mixture is heated to 80-180 ° C at a rate of 2-15 ° C / min and maintained for 8-30 hours for hydrothermal synthesis. Method for producing a nickel-iron alloy hydrogen generating electrode.
청구항 1에 있어서,
상기 제6단계 이후 얻어진 전극을 에탄올 및 탈 이온수로 세척한 후 건조시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금 수소 발생 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
Method for producing a nickel-iron alloy hydrogen generating electrode, characterized in that it further comprises the step of washing the electrode obtained after the sixth step with ethanol and deionized water and then drying.
삭제delete 삭제delete
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