KR102530075B1 - Multiple complex compound for hydrogen generating, hydrogen generating device comprising the same and producing method of the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 Ru 단일 입자, 하나 이상의 Cu 단일 입자를 포함하는 N-도핑된 흑연 매트릭스(N-doped graphitic matrix); 및
적어도 하나의 Cu-N3-Ru 결합을 포함하는 Ru 나노 입자를 포함하는, 다중 복합 화합물, 이를 포함한 수소 발생 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an N-doped graphitic matrix including one or more Ru single particles and one or more Cu single particles; and
It relates to a multi-composite compound including Ru nanoparticles including at least one Cu-N 3 -Ru bond, a hydrogen generating device including the same, and a manufacturing method thereof.

Description

수소 발생을 위한 다중 복합 화합물, 이를 포함한 수소 발생 장치 및 이의 제조 방법{Multiple complex compound for hydrogen generating, hydrogen generating device comprising the same and producing method of the same}Multiple complex compound for hydrogen generating, hydrogen generating device comprising the same and producing method of the same}

수소 발생을 위한 다중 복합 화합물, 이를 포함한 수소 발생 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. It relates to a multi-complex compound for generating hydrogen, a hydrogen generating device including the same, and a manufacturing method thereof.

지난 수십 년 동안 재생 가능한 청정 연료에 대한 수요가 빠르게 증가했으며 앞으로도 훨씬 더 많이 성장할 것으로 예상된다. 수소(H2)는 화석 연료의 유망한 화학 에너지 운반체 대안으로서, 풍부하고 재생 가능한 청정 연료로 간주된다. 전기 촉매 물 분리는 산업 수준의 효율적인 H2 생성을 위해 저렴하고 깨끗하며 소음이 없는 기술 중 하나이다. 산 및 알칼리 용매에서 Pt 기반의 촉매는 수소 발생 반응(HER) (2H+ + 2e- → H2↑)에서 물 전기 분해에 가장 효과적이다. 그러나 Pt의 높은 가격과 이를 충족할 수 없는 효율을 고려하면, Pt를 대체하는 저비용, 고효율 및 안정한 HER 전기 촉매가 요구된다. 최근에는 비귀금속(Non-noble metal-based electrocatalysts) 기반 촉매가 합리적인 HER 활성을 보였으나, 산 안정성이 충분하지 않아 실질적인 적용이 여전히 제한적이다. 또한, 몇몇의 Pt 및 Ru 기반의 촉매가 유망한 HER 특성을 보였으나, 아직도 Ru 기반의 촉매는 Pt 촉매와 경쟁하기 위하여 많은 양의 Ru를 필요로 한다. Demand for renewable and clean fuels has grown rapidly over the past few decades and is expected to grow even more in the future. Hydrogen (H 2 ) is considered an abundant, renewable and clean fuel as a promising chemical energy carrier alternative to fossil fuels. Electrocatalytic water separation is one of the inexpensive, clean and silent technologies for efficient industrial-grade H 2 production. Pt-based catalysts in acid and alkali solvents are most effective for water electrolysis in the hydrogen evolution reaction (HER) (2H + + 2e - → H 2 ↑). However, considering the high price of Pt and its unsatisfactory efficiency, a low-cost, high-efficiency, and stable HER electrocatalyst to replace Pt is required. Recently, non-noble metal-based electrocatalysts-based catalysts have shown reasonable HER activity, but their practical applications are still limited due to insufficient acid stability. In addition, several Pt and Ru-based catalysts showed promising HER properties, but still Ru-based catalysts require large amounts of Ru to compete with Pt catalysts.

이에, 상업용 20 중량% Pt/C 또는 현재의 Ru 기반 촉매보다 우수한 활성을 나타낼 뿐만 아니라, 높은 질량 활성 및 내구성을 갖는 촉매에 대한 요구가 여전히 존재한다.Thus, there is still a need for a catalyst that not only exhibits better activity than commercial 20 wt% Pt/C or current Ru-based catalysts, but also has high mass activity and durability.

본 발명의 과제는 수소 발생 장치에 사용되는 촉매로, 우수한 질량 활성 및 높은 안정성을 갖는 다중 복합 화합물, 이를 포함한 수소 발생 장치 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a multi-complex compound having excellent mass activity and high stability as a catalyst used in a hydrogen generating device, a hydrogen generating device including the same, and a method for producing the same.

일 측면에 따르면, 하나 이상의 Ru 단일 입자, 하나 이상의 Cu 단일 입자를 포함하는 N-도핑된 흑연 매트릭스(N-doped graphitic matrix); 및According to one aspect, an N-doped graphitic matrix including one or more Ru single particles and one or more Cu single particles; and

적어도 하나의 Cu-N3-Ru 결합을 포함하는 Ru 나노 입자를 포함하는, 다중 복합 화합물이 제공된다.A multi-composite compound is provided, comprising Ru nanoparticles comprising at least one Cu-N 3 -Ru bond.

다른 측면에 따르면, 상기 다중 복합 화합물을 포함한 캐소드를 포함한, 수소 발생 장치가 제공된다.According to another aspect, a hydrogen generating device including a cathode including the multi-complex compound is provided.

또 다른 측면에 따르면, 멜라민, 글루코오즈(glucose), Ru 전구체 및 Cu 전구체를 혼합하여 혼합물을 얻는 단계; 및According to another aspect, mixing melamine, glucose, Ru precursor and Cu precursor to obtain a mixture; and

상기 혼합물을 열처리하는 단계;를 포함하는, 다중 복합 화합물의 제조방법이 제공된다.There is provided a method for producing a multi-complex compound comprising; heat-treating the mixture.

일 측면에 따른 다중 복합 화합물은 산성 및 염기성 전해질 모두에서 뛰어난 촉매 성능과 안정성 및 우수한 질량 활성을 갖는다. 또한, Cu 원자는 Ru 나노 입자의 존재에 의하여 흑연 매트릭스의 전기 전도성이 향상시키고, Cu-Ru의 비혼합성(immisicibility)에 의하여 Ru 나노 입자의 표면에 연결된 Cu 입자의 배위는 새로운 활성 위치(active site)를 도입하고, Ru 나노 입자의 응집을 방지하여 높은 내구성을 가져, 상기 다중 복합 화합물을 포함한 수소 발생 장치는 장수명 특성을 갖는다. The multiple complex compound according to one aspect has excellent catalytic performance and stability and excellent mass activity in both acidic and basic electrolytes. In addition, Cu atoms improve the electrical conductivity of the graphite matrix by the presence of Ru nanoparticles, and the coordination of Cu particles connected to the surface of Ru nanoparticles by the immisicibility of Cu-Ru creates a new active site (active site). site) is introduced, and aggregation of Ru nanoparticles is prevented to have high durability, and the hydrogen generating device including the multi-composite compound has a long lifespan.

도 1은 화합물 1의 TEM 이미지이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 화합물 1의 HAADF-STEM 이미지 및 이에 대한 EELS 스펙트럼이다. 도 2c는 화합물 1 (빨간색) 및 Cu-포일 (파란색)에 대한 Ru K-edge EXAFS 스펙트럼과 그 피팅 결과이다. 도 2d는 화합물 1 및 화합물 5의 Cu 2p L3 및 L2 표준화된 강도에 대한 소프트 XAS 스펙트럼이다. 도 2f 내지 2h는 각각 (f) Cu-N3-Ru(0001), (g) Ru-N2C2-GN 및 (h) Cu-N4-GN의 DFT 결과에 따라 계산된 구조이다.
도 3은 화합물 1 및 화합물 2에 대한 HRTEM 이미지이다.
도 4a는 실시예 1-1 및 비교예 1-1 내지 1-3의 수소 발생 반응(HER)의 분극 곡선이다. 도 4b는 실시예 2-1 및 비교예 2-1 내지 2-3의 수소 발생 반응(HER)의 분극 곡선이다. 도 4c는 도 4a 및 도 4b의 타펠(Tafel) 기울기이다. 도 4d는 실시예 1-1, 비교예 1-1 내지 비교예 1-3, 실시예 2-1 및 비교예 2-1 내지 2-3의 질량 활성(mass activity)이다. 도 4e 및 도 4f는 고정된 캐소드 전류 10 mA*cm-2 에서 실시예 1-1 및 2-1에서의 가스 크로마토그래피(gas chromatography, GC)로 측정한 수소 생성량 및 이를 바탕으로 계산된 패러데이 효율이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 실시예 1-1 및 실시예 2-1에서 시간 대 전류 밀도(chronoamperometry)를 도시한 것이고, 도 5c 및 도 5d는 각각 비교예 1-1 및 2-1에 대한 시간 대 전류 밀도를 도시한 것이다.
도 6a는 실시예 1-1 및 2-1의 나이퀴스트 선도이고, 도 6b는 비교예 1-1 및 2-1의 나이퀴스트 선도이고, 도 6c는 비교예 1-3 및 비교예 2-3의 나이퀴스트 선도이고, 도 6d는 비교예 1-4 및 비교예 2-4의 나이퀴스트 선도로서, 10mHz ~ 100KHz의 주파수 범위에서 10mV의 진폭을 갖는 과전위 각각 -10 및 -5 mV (RHE 대비)의 0.5M H2SO4 및 1M KOH 용액에서 측정된 것이다.
도 7a 내지 7c는 각각 Boltzmann 수송 이론에 따른 Cu(SA)/Ru(NP)-GN에서의 RuC2N2-GN, RuC2N2(CuN4)2-GN 및 (CuN3)2Ru49/RuC2N2(CuN4)2-GN의 기하학적 구조 및 전자 구조이다.
1 is a TEM image of compound 1.
2a and 2b are HAADF-STEM images and EELS spectra of Compound 1, respectively. Figure 2c is the Ru K-edge EXAFS spectra and their fitting results for compound 1 (red) and Cu-foil (blue). 2D is a soft XAS spectrum for Cu 2p L 3 and L 2 normalized intensities of compounds 1 and 5. 2f to 2h show structures calculated according to DFT results of (f) Cu-N 3 -Ru(0001), (g) Ru-N 2 C 2 -G N , and (h) Cu-N 4 -G N , respectively. am.
3 is an HRTEM image of compound 1 and compound 2.
Figure 4a is a polarization curve of the hydrogen evolution reaction (HER) of Example 1-1 and Comparative Examples 1-1 to 1-3. Figure 4b is a polarization curve of the hydrogen generation reaction (HER) of Example 2-1 and Comparative Examples 2-1 to 2-3. Figure 4c is the Tafel slope of Figures 4a and 4b. 4D is a mass activity of Example 1-1, Comparative Example 1-1 to Comparative Example 1-3, Example 2-1 and Comparative Example 2-1 to 2-3. 4E and 4F show hydrogen production measured by gas chromatography (GC) in Examples 1-1 and 2-1 at a fixed cathode current of 10 mA*cm -2 and Faradaic efficiency calculated based thereon am.
5A and 5B show chronoamperometry versus time for Examples 1-1 and 2-1, respectively, and FIGS. 5C and 5D show chronoamperometry for Comparative Examples 1-1 and 2-1, respectively. It shows the current density vs.
6A is a Nyquist diagram of Examples 1-1 and 2-1, FIG. 6B is a Nyquist diagram of Comparative Examples 1-1 and 2-1, and FIG. 6C is a Nyquist diagram of Comparative Examples 1-3 and 2 Figure 6d is a Nyquist diagram of Comparative Example 1-4 and Comparative Example 2-4, respectively, overpotentials having an amplitude of 10 mV in the frequency range of 10 mHz to 100 KHz -10 and -5 measured in mV (versus RHE) of 0.5MH 2 SO 4 and 1M KOH solutions.
7a to 7c show RuC 2 N 2 -G N , RuC 2 N 2 (CuN 4 ) 2 -G N and (CuN 3 ) in Cu(SA)/Ru(NP)-G N according to Boltzmann transport theory, respectively. These are the geometric and electronic structures of 2 Ru 49 /RuC 2 N 2 (CuN 4 ) 2 -G N .

이하에서 설명되는 본 창의적 사상(present inventive concept)은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 창의적 사상을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 창의적 사상의 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present inventive concept described below can be applied with various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present creative idea to a specific embodiment, and should be understood to include all transformations, equivalents, or substitutes included in the technical scope of the present creative idea.

이하에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 창의적 사상을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 나타내려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. Terms used below are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present inventive idea. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. Hereinafter, terms such as “comprise” or “have” are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, component, material, or combination thereof described in the specification, but one or the other It should be understood that the presence or addition of the above other features, numbers, steps, operations, components, parts, components, materials, or combinations thereof is not precluded.

또한, 명세서 전체에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. Also, terms such as first and second may be used throughout the specification to describe various components, but the components should not be limited by the terms.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하거나 축소하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In the drawings, the thickness is enlarged or reduced to clearly express various layers and regions. Like reference numerals have been assigned to like parts throughout the specification. Throughout the specification, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" or "above" another part, this includes not only the case directly on top of the other part, but also the case where there is another part in the middle thereof. . Terms are used only to distinguish one component from another.

현재까지 수소 발생 반응(hydrogen-evolution-reaction, HER)에 가장 효율적인 전기 촉매는 Pt 기반 촉매이지만 비용이 높고, 불충분한 HER 효율을 가져 광범위한 산업/ 기술 분야에의 적용이 제한되어 왔다. 본 발명자는, 하나 이상의 Ru 단일 입자, 하나 이상의 Cu 단일 입자를 포함하는 N-도핑된 흑연 매트릭스(N-doped graphitic matrix); 및 적어도 하나의 Cu-N3-Ru 결합을 포함하는 Ru 나노 입자를 포함하는, 다중 복합 화합물이 산성 및 염기성 용매 모두에서 우수한 HER 활성 및 현저히 향상된 내구성(강산성 용액에서 600시간 이상 유지) 및 높은 질량 활성을 나타내는 것을 발견하였고, 이러한 견지에서 연구를 통해 본 발명을 완성하였다. 본 발명이 일 구현예에 따른 다중 복합 화합물은 0.5M-H2SO4/1M-KOH 용액에서, 낮은 "음성 과전위"(10 mA*cm-2에서 -η = |η| = 12.5/10 mV) 및 장기간의 작동 내구성(산성 용액에서 600시간 이상 일정 전류 밀도 유지)을 보이고, 산성 및 염기성 용액 모두에서 Pt/C 촉매 및 다른 Ru 촉매들에 비하여 매우 높은 질량 활성(산성 및 염기성 용액에 대하여 N2-/H2-포화 환경에서 3.02/4.17 및 2.2/3.0 A*mgRu -1)을 보였다. 이는 HER 촉매로서의 적용 가능성을 시사한다.Until now, the most efficient electrocatalyst for hydrogen-evolution-reaction (HER) is a Pt-based catalyst, but its application in a wide range of industrial/technical fields has been limited due to its high cost and insufficient HER efficiency. The present inventors, N- doped graphite matrix (N-doped graphitic matrix) including one or more Ru single particles, one or more Cu single particles; and Ru nanoparticles containing at least one Cu-N 3 -Ru bond, which have excellent HER activity in both acidic and basic solvents and significantly improved durability (retention of more than 600 hours in strong acidic solutions) and high mass It was found to exhibit activity, and the present invention was completed through research in this respect. Multiple complex compounds according to one embodiment of the present invention have a low "negative overpotential" (-η = |η| = 12.5/10 mV at 10 mA*cm -2 ) in a 0.5MH 2 SO 4 /1M-KOH solution. and long-term operational durability (constant current density over 600 hours in acidic solution), very high mass activity (N 2 for acidic and basic solution) compared to Pt/C catalyst and other Ru catalysts in both acidic and basic solution -/H 2 - 3.02/4.17 and 2.2/3.0 A*mg Ru -1 ) in a saturated environment. This suggests the possibility of application as a HER catalyst.

이하에서는 본 발명의 일 측면에 따른 다중 복합 화합물을 상세히 설명한다.Hereinafter, multiple complex compounds according to an aspect of the present invention will be described in detail.

상기 다중 복합 화합물은, 하나 이상의 Ru 단일 입자, 하나 이상의 Cu 단일 입자를 포함하는 N-도핑된 흑연 매트릭스(N-doped graphitic matrix); 및 적어도 하나의 Cu-N3-Ru 결합을 포함하는 Ru 나노 입자를 포함할 수 있다. The multi-composite compound may include an N-doped graphitic matrix including one or more Ru single particles and one or more Cu single particles; and Ru nanoparticles including at least one Cu-N 3 -Ru bond.

예를 들어, 하나 이상의 Cu 단일 입자 및 하나 이상의 Ru 나노 입자를 포함하는 N-도핑된 흑연 매트릭스(N-doped graphitic matrix)에 대한 Ru K-edge EXAFS 스펙트럼에서 2.69Å에서 2차 피크가 발생하는데, 이는 DFT 계산에 따른 CuN3Ru(0001)에서 CuRu 거리에 해당하는 2.44Å에 대응되므로, Ru 나노 입자는 적어도 하나의 Cu-N3-Ru 결합을 포함함을 알 수 있다.For example, in the Ru K-edge EXAFS spectrum for an N-doped graphitic matrix including one or more Cu single particles and one or more Ru nanoparticles, a secondary peak occurs at 2.69 Å, This is CuN 3 Ru(0001) according to DFT calculation . Since it corresponds to 2.44 Å corresponding to the Ru distance, it can be seen that the Ru nanoparticles include at least one Cu—N 3 -Ru bond.

본 발명의 일 구현예에 따른 다중 복합 화합물은 Ru 나노 입자와 함께 Cu 단일 입자를 포함함으로서, 흑연 매트릭스의 전기 전도 또는 전하 전송 속도를 향상시킨다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 다중 복합 화합물은 적어도 하나의 Cu-N3-Ru 결합을 포함하는 Ru 나노 입자를 포함함으로서, Ru 나노 입자의 표면에 N 연결된 Cu 단일 입자의 배위는 새로운 활성 부위를 도입하고, Ru 나노 입자의 응집을 방지하여 장기적인 안정성(산성 배지에서 600시간 이상)을 가진다. The multiple composite compound according to an embodiment of the present invention includes Cu single particles together with Ru nanoparticles, thereby improving electrical conduction or charge transfer rate of the graphite matrix. In addition, since the multi-composite compound according to an embodiment of the present invention includes Ru nanoparticles including at least one Cu-N 3 -Ru bond, the coordination of N-linked Cu single particles on the surface of the Ru nanoparticles is a new activity. It has long-term stability (more than 600 hours in an acidic medium) by introducing a site and preventing aggregation of Ru nanoparticles.

일 구현예에 따르면, 상기 Ru 나노 입자는 복수의 Ru 단일 입자가 금속-금속 결합에 의하여 형성된 Ru 나노입자일 수 있다.According to one embodiment, the Ru nanoparticles may be Ru nanoparticles in which a plurality of Ru single particles are formed by a metal-metal bond.

일 구현예에 따르면, 상기 Ru 나노 입자는 표면에 N 원자를 통해 연결된 Cu 단일 입자를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the Ru nanoparticles may include Cu single particles connected to the surface of the Ru nanoparticles through N atoms.

본 발명의 일 구현예에 따른 다중 복합 화합물은 Ru와 Cu 간의 비 혼합성(immiscibility)로 인하여, Ru 나노 입자의 표면에 Cu 단일 입자가 N 원자를 통하여 연결되며, Cu 원자는 나노 입자가 아닌 단일 입자의 형태로 존재할 수 있다. In the multiple composite compound according to an embodiment of the present invention, due to immiscibility between Ru and Cu, Cu single particles are connected to the surface of Ru nanoparticles through N atoms, and Cu atoms are single, not nanoparticles. It can exist in the form of particles.

또한, 상기 Ru와 Cu 간의 비혼합성은 UPBE0-D3/def2-TZVP 이론에 의하여 계산된 Ru와 Cu 간의 총 결합 수가 0인 점을 통하여 확인할 수 있다.In addition, the non-mixability between Ru and Cu can be confirmed through the fact that the total number of bonds between Ru and Cu calculated by the UPBE0-D3/def2-TZVP theory is zero.

본 발명의 일 구현예에 따른 다중 복합 화합물은 Ru 나노 입자의 표면에 N 연결된 Cu 단일 입자로 인하여 Ru 나노 입자에 새로운 활성 부위가 도입될 수 있다.In the multicomposite compound according to an embodiment of the present invention, a new active site may be introduced into the Ru nanoparticles due to Cu single particles N-linked to the surface of the Ru nanoparticles.

일 구현예에 따르면, 상기 Cu-N3는 정사면체 결정 구조를 갖을 수 있다.According to one embodiment, the Cu—N 3 may have a regular tetrahedral crystal structure.

일 구현예에 따르면, 상기 Ru 나노 입자는 상기 N-도핑된 흑연 매트릭스 상에 위치할 수 있다.According to one embodiment, the Ru nanoparticles may be located on the N-doped graphite matrix.

예를 들어, 상기 Ru 나노 입자는 상기 N-도핑된 흑연 매트릭스에 직접 접촉하여(directly contact) 배치될 수 있다.For example, the Ru nanoparticles may be placed in direct contact with the N-doped graphite matrix.

일 구현예에 따르면, 상기 N-도핑된 흑연 매트릭스는 멜라민(melamine)-유래 N-도핑된 흑연 매트릭스일 수 있다.According to one embodiment, the N-doped graphite matrix may be a melamine-derived N-doped graphite matrix.

예를 들어, N-도핑된 흑연 매트릭스의 N 원자는 멜라민으로부터 유래된 것일 수 있다.For example, the N atoms of the N-doped graphite matrix may be derived from melamine.

일 구현예에 따르면, 상기 N-도핑된 흑연 매트릭스는 글루코오스(glucose)-유래 N-도핑된 흑연 매트릭스일 수 있다.According to one embodiment, the N-doped graphite matrix may be a glucose-derived N-doped graphite matrix.

예를 들어, N-도핑된 흑연 매트릭스의 C 원자의 일부 혹은 전부는 글루코오스로부터 유래된 것일 수 있다.For example, some or all of the C atoms of the N-doped graphite matrix may be derived from glucose.

일 구현예에 따르면, 상기 N-도핑된 흑연 매트릭스는 피리디닉 N(pyridinic N), 피롤릭 N(pyrrolic N), 쿼터너리 N(quaternary N) 및 피리딘-산화된 N(pyridine-oxidized N) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the N-doped graphite matrix is pyridine N (pyridinic N), pyrrolic N (pyrrolic N), quaternary N (quaternary N) and pyridine-oxidized N (pyridine-oxidized N) may contain one or more.

일 구현예에 따르면, 상기 N-도핑된 흑연 매트릭스는 피리디닉 N(pyridinic N)을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the N-doped graphite matrix may include pyridinic N.

일 구현예에 따르면, 상기 하나 이상의 Ru 단일 입자 및/또는 상기 하나 이상의 Cu 단일입자는 상기 피리디닉 N과 배위 결합할 수 있다.According to one embodiment, the one or more Ru single particles and/or the one or more Cu single particles may coordinately bond with the pyridinic N.

일 구현예에 따르면, 상기 N-도핑된 흑연 매트릭스에 포함된 Ru 단일 입자 중 적어도 하나는 2개의 N 원자와 배위 결합 및 2개의 C 원자와 공유 결합에 의하여 연결될 수 있다.According to one embodiment, at least one of the Ru single particles included in the N-doped graphite matrix may be connected to two N atoms through a coordination bond and two C atoms through a covalent bond.

예를 들어, 상기 Ru 단일 입자는 RuSA(-C2N2-GN)의 형태로 나타낼 수 있다.For example, the Ru single particle may be expressed in the form of RuSA(-C 2 N 2 -G N ).

일 구현예에 따르면, 상기 N-도핑된 흑연 매트릭스에 포함된 Cu 단일 입자 중 적어도 하나는 4개의 N 원자와 배위 결합에 의하여 연결될 수 있다.According to one embodiment, at least one of the Cu single particles included in the N-doped graphite matrix may be connected to four N atoms through a coordinate bond.

예를 들어, 상기 Cu 단일 입자는 CuSA-N4-GN 의 형태로 나타낼 수 있다.For example, the Cu single particle may be expressed in the form of CuSA-N 4 -G N .

본 발명의 일 구현예에 따른 다중 복합 화합물은 Cu 단일 입자가 평면형 CuN4로 존재하여 흑연 매트릭스의 돌출을 억제하여 시스템의 전도도가 증가될 수 있다.In the multi-composite compound according to an embodiment of the present invention, Cu single particles exist as planar CuN 4 to suppress protrusion of the graphite matrix, thereby increasing the conductivity of the system.

일 구현예에 따르면, 상기 다중 복합 화합물에 포함된 Ru 원자 및 Cu 원자의 중량비는 1:10 내지 10:1일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. According to one embodiment, the weight ratio of Ru atoms and Cu atoms included in the multi-composite compound may be 1:10 to 10:1, but is not limited thereto.

일 구현예에 따르면, 상기 Ru 나노 입자는 1.5 내지 3.0 nm의 입경을 가질 수 있다.According to one embodiment, the Ru nanoparticles may have a particle diameter of 1.5 to 3.0 nm.

예를 들어, 상기 Ru 나노 입자는 평균 2.3nm의 직경을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. For example, the Ru nanoparticles may have an average diameter of 2.3 nm, but are not limited thereto.

일 구현예에 따르면, 상기 Ru 나노 입자의 크기는 균일할 수 있다.According to one embodiment, the size of the Ru nanoparticles may be uniform.

다른 측면에 따르면, 전술한 다중 복합 화합물을 포함하는 수소 발생 장치가 제공된다. 상기 다중 복합 화합물은 산성 및 염기성 용매에서 모두 수소 발생 촉매로서 기능할 수 있다.According to another aspect, a hydrogen generating device including the aforementioned multi-complex compound is provided. The multi-complex compound can function as a hydrogen evolution catalyst in both acidic and basic solvents.

예를 들어, 상기 수소 발생 장치는 pH 1 내지 14의 수용액을 전해질로 포함할 수 있다.For example, the hydrogen generator may include an aqueous solution having a pH of 1 to 14 as an electrolyte.

다른 측면에 따르면, 상기 다중 복합 화합물의 제조방법으로서, 멜라민, 글루코오즈(glucose), Ru 전구체 및 Cu 전구체를 혼합하여 혼합물을 얻는 단계; 및 상기 혼합물을 열처리하는 단계;를 포함하는, 다중 복합 화합물의 제조방법이 제공될 수 있다.According to another aspect, as a method for producing the multi-complex compound, obtaining a mixture by mixing melamine, glucose, Ru precursor and Cu precursor; And heat-treating the mixture; a method for producing a multi-complex compound comprising a may be provided.

일 구현예에 따르면, 상기 다중 복합 화합물의 제조방법은 열처리 단계 후에 상기 혼합물을 비활성기체(inert gas) 분위기 하에서 하소(calcined)하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the method for preparing the multi-complex compound may further include calcining the mixture under an inert gas atmosphere after the heat treatment step.

일 구현예에 따르면, 상기 하소 단계의 비활성기체(inert gas)는 질소, 아르곤, 헬륨 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the inert gas of the calcination step may include nitrogen, argon, helium, or a combination thereof.

일 구현예에 따르면, 상기 Ru 전구체는 금속 Ru의 할로겐화물, 황산화물, 질산화물, 탄산화물, 수산화물, 인산화물, 셀렌화물, 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the Ru precursor may include a halide, a sulfur oxide, a nitroxide, a carbonate, a hydroxide, a phosphorus oxide, a selenide, or any combination thereof of metal Ru.

일 구현예에 따르면, 상기 Cu 전구체는 금속 Cu의 할로겐화물, 황산화물, 질산화물, 탄산화물, 수산화물, 인산화물, 셀렌화물, 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the Cu precursor may include a halide, a sulfur oxide, a nitroxide, a carbonate, a hydroxide, a phosphorus oxide, a selenide, or any combination thereof of metal Cu.

일 구현예에 따르면, 상기 혼합물을 얻는 단계는 용액 공정에서 수행할 수 있다. According to one embodiment, the step of obtaining the mixture may be performed in a solution process.

일 구현예에 따르면, 상기 용액 공정은 용매(예를 들어, 탈이온수)에서 상기 멜라민, 글루코오즈 및 Ru 전구체 등을 교반하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the solution process may include stirring the melamine, glucose, and Ru precursor in a solvent (eg, deionized water).

일 구현예에 따르면, 상기 열처리는 제1 열처리 단계 및 제2 열처리 단계를 포함하고;According to one embodiment, the heat treatment includes a first heat treatment step and a second heat treatment step;

상기 제1 열처리 단계의 열처리 온도는 상기 제2 열처리 단계의 열처리 온도보다 낮을 수 있다. A heat treatment temperature of the first heat treatment step may be lower than a heat treatment temperature of the second heat treatment step.

일 구현예에 따르면, 상기 제1 열처리 단계는 수열반응(hydrothermal)일 수 있고, 건조하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the first heat treatment step may be a hydrothermal reaction and may include a drying step.

일 구현예에 따르면, 상기 제1 열처리 단계는 150 내지 200℃에서 수행될 수 있다.According to one embodiment, the first heat treatment step may be performed at 150 to 200 °C.

일 구현예에 따르면, 상기 제2 열처리 단계는 700 내지 900℃에서 수행될 수 있다. According to one embodiment, the second heat treatment step may be performed at 700 to 900 °C.

예를 들어, 상기 제2 열처리 단계는 750 내지 850 ℃에서 수행될 수 있다. 열처리 온도가 상기 범위에 속하는 경우, 글루코오스 및 멜라민이 N-도핑 흑연 매트릭스가 형성되며, Ru 나노 입자의 표면에 Cu 단일 입자가 N원자로 결합되어 도입됨으로써 HER 활성도 및 안정성이 향상될 수 있다.For example, the second heat treatment step may be performed at 750 to 850 °C. When the heat treatment temperature is within the above range, an N-doped graphite matrix is formed with glucose and melamine, and Cu single particles bonded to the surface of the Ru nanoparticles with N atoms are introduced, thereby improving HER activity and stability.

일 구현예에 따르면, 상기 제1 열처리 단계는 18 내지 36시간 동안 수행될 수 있다. According to one embodiment, the first heat treatment step may be performed for 18 to 36 hours.

일 구현예에 따르면, 상기 제2 열처리 단계는 3 내지 5시간 동안 수행될 수 있다. According to one embodiment, the second heat treatment step may be performed for 3 to 5 hours.

일 구현예에 따르면, 상기 제2 열처리 단계는 제 1 열처리 단계의 결과물을 퍼니스 튜브에서 어닐링(annealing)하는 단계, 황산 용액에서 침출(discharged)하는 단계 및 이를 여과하고, 세척하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the second heat treatment step may include annealing the product of the first heat treatment step in a furnace tube, discharging it in a sulfuric acid solution, filtering it, and washing it. there is.

상기 단계를 포함함으로서, 남은 반응물 및 불순물을 제거할 수 있다.By including the above step, remaining reactants and impurities may be removed.

이하에서, 합성예 및 실시예를 들어, 본 발명의 일 구현예를 따르는 다중 복합 화합물에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, synthesis examples and examples will be described in more detail with respect to multiple complex compounds according to one embodiment of the present invention.

원료Raw material

Ruthenium (III) chloride hydrate, 99.999% Copper (II) sulfate pentahydrate, D-(+) 글루코오즈, 99% 멜라민, 95% sulfuric acid 및 90% potassium hydroxide을 Sigma-Aldrich로부터 구입하였다. 20% Pt on Vulcan XC-72 및 20% Ir on Vulcan XC-72를 Permetek Co.로부터 구입하였다. Ruthenium (III) chloride hydrate, 99.999% Copper (II) sulfate pentahydrate, D-(+) glucose, 99% melamine, 95% sulfuric acid and 90% potassium hydroxide were purchased from Sigma-Aldrich. 20% Pt on Vulcan XC-72 and 20% Ir on Vulcan XC-72 were purchased from Permetek Co.

[합성예][Synthesis Example]

합성예 1Synthesis Example 1

멜라민(4 g), 글루코오즈(2 g) 및 Ru 전구체(Ruthenium (III) chloride hydrate, 400 mg, 1.93 mmol)을 Cu 전구체(Copper (II) sulfate pentahydrate, 100 mg, 0.4 mmol)을 포함한 탈이온수(15 mL)에 넣고, 상기 혼합물을 테플론 라인드 스테인리스 스틸 오토클레이브(50 mL)에 넣어 상온에서 3시간 동안 교반하였다. 교반 후, 상기 혼합물을 밀봉하여 180℃에서 24시간 동안 인큐베이팅한 후, 80℃에서 건조시켰다. 생성물을 활성화 시키기 위해, 퍼니스 튜브에서, 3℃min-1 승온 속도로, 800℃까지 승온시킨 후, 4시간 동안 두었다. 상기 생성물을 Ar 가스 하에서 상온으로 식힌 후, 불순물을 제거하기 위해 80℃, 9M H2SO4(15 mL)에서 12시간 동안 두었다. 그 후, 에탄올과 뜨거운 탈이온수(80℃)에서 여과 및 세척하고, 상기 분말을 진공에서 밤새 건조 시켰다. 상기 활성화된 생성물은 Ar 가스 하, 800℃에서 4시간 동안 하소(calcined)하여, 화합물 1(Cu/Ru@GN)을 얻었다. Melamine (4 g), glucose (2 g), and Ru precursor (Ruthenium (III) chloride hydrate, 400 mg, 1.93 mmol) were mixed with Cu precursor (Copper (II) sulfate pentahydrate, 100 mg, 0.4 mmol) in deionized water. (15 mL), and the mixture was put into a Teflon-lined stainless steel autoclave (50 mL) and stirred at room temperature for 3 hours. After stirring, the mixture was sealed and incubated at 180°C for 24 hours and then dried at 80°C. To activate the product, the temperature was raised to 800 °C in a furnace tube at a heating rate of 3 °C min -1 and left for 4 hours. After cooling the product to room temperature under Ar gas, it was placed in 80°C, 9M H 2 SO 4 (15 mL) for 12 hours to remove impurities. Afterwards, it was filtered and washed in ethanol and hot deionized water (80° C.), and the powder was dried in vacuo overnight. The activated product was calcined at 800° C. for 4 hours under Ar gas to obtain Compound 1 (Cu/Ru@G N ).

합성예 2Synthesis Example 2

상기 Cu 전구체를 포함하지 않은 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 수행하여, 화합물 2(Ru@GN)을 얻었다.Compound 2 (Ru@G N ) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1, except that the Cu precursor was not included.

합성예 3Synthesis Example 3

상기 Cu 전구체를 포함하지 않고, 상기 Ru 전구체를 0.8 g을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 수행하여, 화합물 3(Ru*@GN)을 얻었다.Compound 3 (Ru * @G N ) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1, except that the Cu precursor was not included and 0.8 g of the Ru precursor was used.

합성예 4Synthesis Example 4

상기 Cu 전구체를 300mg 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 수행하여, 화합물 4(Cu*/Ru@GN)을 얻었다.Compound 4 (Cu * /Ru@G N ) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1, except that 300 mg of the Cu precursor was used.

합성예 5Synthesis Example 5

상기 Ru 전구체를 포함하지 않은 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 수행하여, 화합물 5(Cu@GN)을 얻었다.Compound 5 (Cu@G N ) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1, except that the Ru precursor was not included.

[평가예 1: 다중 복합 화합물의 물리/화학적 특성][Evaluation Example 1: Physical/chemical properties of multiple complex compounds]

(평가 방법)(Assessment Methods)

HRTEM, STEM 및 EELS를 수행하기 위해, 80kV의 전압에서 단속기(monochromator)와 함께 투과 전자 현미경(TEM, FEI Titan3 G2 60-300)을 사용하였다. To perform HRTEM, STEM and EELS, a transmission electron microscope (TEM, FEI Titan3 G2 60-300) was used with a monochromator at a voltage of 80 kV.

EXAFS 분석은 포항 가속기 연구소(PAL)의 이온화 검출기(Oxford)로 수행하였다.EXAFS analysis was performed with an ionization detector (Oxford) of the Pohang Accelerator Laboratory (PAL).

Ru K-edge에 대한 X-선 흡수 스펙트럼(XAS)은 PAL의 빔라인 6D를 사용하여 실온에서 획득하였다.X-ray absorption spectra (XAS) for the Ru K-edge were acquired at room temperature using PAL's beamline 6D.

배경 제거(background subtraction), 정규화 및 Fourier-transform는 ATHENA 프로그램의 표준 절차에 의해 수행하였다.Background subtraction, normalization and Fourier-transform were performed by standard procedures in the ATHENA program.

추출된 EXAFS 신호(χ(r) 및 k3χ(k))는 모든 화합물에 대해 분석하였고, EXAFS 피팅은 Artemis 프로그램을 이용하였다.Extracted EXAFS signals (χ(r) and k 3 χ(k)) were analyzed for all compounds, and EXAFS fitting was performed using the Artemis program.

(평가 결과)(Evaluation results)

도 1은 화합물 1의 TEM 이미지로서 Ru 나노 입자가 흑연 매트릭스 내에 평균 직경 2.3nm로 균일하게 분포되어 있음을 보여준다.1 is a TEM image of Compound 1, showing that Ru nanoparticles are uniformly distributed with an average diameter of 2.3 nm in the graphite matrix.

도 2a 및 도 2b는 각각 화합물 1의 HAADF-STEM 이미지 및 이에 대한 EELS 스펙트럼이다. 도 2a 중 파란색 "+"로 표시된 부분은 화합물 1 중 Ru 나노 입자가 존재하는 영역이고, 초록색 박스로 표시된 부분은 화합물 1 중 Ru 나노 입자가 존재하지 않는 영역을 의미한다. 도 2b는 각각 파란색 "+"로 표시된 부분 에 대한 EELS 스펙트럼(파란색 스펙트럼) 및 초록색 박스로 표시된 부분에 대한 EELS 스펙트럼(녹색 스펙트럼)을 나타낸다. 상기 파란색 스펙트럼은 강한 Ru 피크, 약한 Cu 피크 및 분설되지 않은 N-π* 및 N-σ* 피크가 나타나고, 이는 Ru 나노 입자, Cu 단일 입자 및 비 평면 N 원자가 금속 결합에 관여하고 있음을 보여준다. 또한, Ru 나노 입자가 없는 녹색 상자 영역에 대한 스펙트럼은 약한 Ru 피크, 약한 Cu 피크 및 적당히 분설된 N-π* 및 N-σ* 피크가 나타나며, 이는 표시하며, 이는 Ru 및 Cu 단일 입자가 거의 평면형의 N 원자와 연결되어 있는 것을 보여준다. 2a and 2b are HAADF-STEM images and EELS spectra of Compound 1, respectively. In FIG. 2A, a blue “+” indicates a region in which Ru nanoparticles are present, and a green box indicates a region in Compound 1 in which Ru nanoparticles are not present. Figure 2b shows the EELS spectrum (blue spectrum) for the portion marked with a blue "+" and the EELS spectrum (green spectrum) for the portion marked with a green box, respectively. The blue spectrum shows a strong Ru peak, a weak Cu peak, and unbranched N-π * and N-σ * peaks, indicating that Ru nanoparticles, Cu single particles, and non-planar N atoms are involved in metal bonding. In addition, the spectrum for the green box region without Ru nanoparticles shows a weak Ru peak, a weak Cu peak, and moderately branched N-π * and N-σ * peaks, which indicate that Ru and Cu single particles are almost It shows that it is connected to the planar N atom.

도 2c는 화합물 1 (빨간색) 및 Cu-포일 (파란색)에 대한 Ru K-edge EXAFS 스펙트럼과 그 피팅 결과이다. 화합물 1은 1.7Å에서 두드러진 피크가 나타나고, 상기 피크는 3 내지 4의 높은 배위수(CN)를 갖는 1st-쉘 Cu-N 결합에서 비롯된 것으로, d(Cu-N)= 2.0Å에 대응된다. Cu-포일은 2.24Å에서 두드러진 피크가 나타나며, 이는 Cu-Cu 결합에서 비롯된 것으로, d(Cu-Cu)= 2.56Å에 대응된다. 화합물 1에서는 상기 Cu-포일의 두드러진 피크가 나타난 2.24Å 부근에서 피크가 관찰되지 않는데, 이는 화합물 1 내에 Cu 나노 입자가 존재하지 않으며, Cu 원자가 Cu 단일 입자의 형태로만 존재하는 것을 나타낸다. 또한, 화합물 1은 2.69Å에서 2차 피크가 나타나는데, 이는 CuN3Ru(0001)에서 CuRu 거리(Cu-Ru 결합 아님)에 해당하는 2.44Å에 대응된다. 따라서, 화합물 1 내에 Cu-N3-Ru 결합이 존재함을 확인할 수 있다.Figure 2c is the Ru K-edge EXAFS spectra and their fitting results for compound 1 (red) and Cu-foil (blue). Compound 1 shows a prominent peak at 1.7 Å, and the peak originates from a 1 st -shell Cu-N bond with a high coordination number (CN) of 3 to 4, corresponding to d(Cu-N) = 2.0 Å. . Cu-foil shows a prominent peak at 2.24 Å, which originates from the Cu-Cu bond, corresponding to d(Cu-Cu) = 2.56 Å. In Compound 1, no peak is observed at around 2.24 Å, where a prominent peak of the Cu-foil appears, indicating that Cu nanoparticles do not exist in Compound 1 and Cu atoms exist only in the form of Cu single particles. In addition, compound 1 shows a secondary peak at 2.69Å, which is CuN 3 Ru (0001) to Cu ... Corresponds to 2.44 Å, which corresponds to the Ru distance (not Cu-Ru bonds). Therefore, it can be confirmed that a Cu-N 3 -Ru bond exists in Compound 1.

도 2d는 화합물 1 및 화합물 5의 Cu 2p L3 및 L2 표준화된 강도에 대한 소프트 XAS 스펙트럼이고, 도 2e는 흑연 매트릭스(GN)에서의 CuN4 및 Ru(0001) 슬래브 시스템에서의 CuN3에 대한 PBE0/ROCIS에 따라 계산된 XAS 스펙트럼이다. 상기 도 2d에서 화합물 1 및 5 모두에서 흑연 매트릭스(GN) 상의 Cu 단일 입자는 대략 4개의 N 원자에 의해 배위되어 평면 CuN4를 형성하고 있음을 보여준다. 단, 화합물 1의 Cu 단일 입자는 Ru 나노 입자 및 GN 모두에 존재하고 있어 GN의 Cu 단일 입자만이 존재하는 화합물 5와 비교하여 약 0.3eV만큼 적색 편이된 Cu L3 및 L2 강도 피크를 나타낸다. 상기 값은 도 2e의 PBE044의 기반으로 예측된 적색 편이와 일치한다.Figure 2d is the soft XAS spectrum for Cu 2p L 3 and L 2 normalized intensities of compounds 1 and 5, and Figure 2e is CuN 4 in graphite matrix (G N ) and CuN 3 in Ru(0001) slab system. It is an XAS spectrum calculated according to PBE0/ROCIS for In FIG. 2D, it is shown that Cu single particles on the graphite matrix (G N ) in both Compounds 1 and 5 are coordinated by approximately 4 N atoms to form planar CuN 4 . However, since Cu single particles in Compound 1 are present in both Ru nanoparticles and G N , the Cu L 3 and L 2 intensity peaks are red-shifted by about 0.3 eV compared to Compound 5 in which only Cu single particles in G N exist. indicates This value agrees with the predicted redshift based on PBE044 in Fig. 2e.

도 2f 내지 2h는 각각 (f) Cu-N3-Ru(0001), (g) Ru-N2C2-GN 및 (h) Cu-N4-GN의 DFT 결과에 따라 계산된 구조이다. 2f to 2h show structures calculated according to DFT results of (f) Cu-N 3 -Ru(0001), (g) Ru-N 2 C 2 -G N , and (h) Cu-N 4 -G N , respectively. am.

도 3은 화합물 1 및 화합물 2에 대한 HRTEM 이미지로서, (a) 및 (b)는 화합물 1의 HRTEM 이미지이고, (c) 및 (d)는 화합물 2의 HRTEM 이미지이고, (a) 및 (b)에서 화합물 1의 Ru 나노 입자는 빨간색 원으로 표시되고, (c) 및 (d)에서 화합물 2의 Ru 나노 입자는 파란색 원으로 표시되고, 검은색 점 원은 파란색 원의 추척을 돕는 가이드 라인이다. (a), (c)는 전자 빔을 조명하기 전의 HRTEM 이미지이고, (b)와 (d)는 전자 빔을 조명한 후의 HERTEM 이미지인데, 상기 이미지를 통하여, 두 화합물 모두 나노 입자들이 1분 이내에 가까워졌으나, 화합물 1은 전자 빔을 5분 이상 장시간 조사해도 Cu 단일 입자의 존재로 인하여 Ru 나노 입자가 합쳐지지 않으나, 화합물 2의 경우, 1분 이내에 빠르게 병합되는 것을 확인했다. 이는 화합물 1의 Cu 단일입자들이 N3Ru(NP)에 자리 잡은 이상, 상기 Cu 단일 입자가 Ru와 Cu 원자 간의 비혼합성에 의하여 Cu-N3Ru(NP)의 응집을 방해하는 것을 보여준다.3 is an HRTEM image of compound 1 and compound 2, (a) and (b) are HRTEM images of compound 1, (c) and (d) are HRTEM images of compound 2, (a) and (b) ), Ru nanoparticles of compound 1 are indicated by red circles, Ru nanoparticles of compound 2 in (c) and (d) are indicated by blue circles, and black dotted circles are guide lines to help track the blue circles. . (a) and (c) are HRTEM images before irradiation with an electron beam, and (b) and (d) are HERTEM images after irradiation with an electron beam. However, in Compound 1, Ru nanoparticles were not combined due to the presence of Cu single particles even when the electron beam was irradiated for a long time of 5 minutes or more, but in the case of Compound 2, it was confirmed that they were rapidly merged within 1 minute. This shows that as long as Cu single particles of Compound 1 are located on N 3 Ru(NP), the Cu single particles prevent aggregation of Cu—N 3 Ru(NP) by non-mixing between Ru and Cu atoms.

표 1은 화합물 1 내지 5의 Ru 원자 및 Cu 원자의 중량%를 나타낸 것으로, 유도 결합형 플라스마 발광 분광 분석(inductively-coupled-plasma atomic-emission-spectroscopy, ICP-AES)으로 계산된 값을 나타낸다.Table 1 shows the weight percent of Ru atoms and Cu atoms of Compounds 1 to 5, and shows values calculated by inductively-coupled-plasma atomic-emission-spectroscopy (ICP-AES).

Ru(중량%)Ru (% by weight) Cu(중량%)Cu (% by weight) 화합물 1compound 1 2.92.9 1.481.48 화합물 2compound 2 7.87.8 -- 화합물 3compound 3 15.715.7 -- 화합물 4compound 4 2.02.0 2.082.08 화합물 5compound 5 -- 2.162.16

[실시예] [Example]

실시예 1-1: 산성 용액에서의 3전극 시스템 준비Example 1-1: Preparation of 3-electrode system in acidic solution

화합물 1을 로딩한 작업 전극으로서 직경 3 mm의 유리질 탄소 전극(GCE)을 사용하였고, 기준 및 상대 전극으로서 포화 칼로멜 전극 및 흑연 막대를 사용하였고, 산성 용매(0.5M H2SO4)를 사용한 3전극 시스템을 제조하였다.A glassy carbon electrode (GCE) with a diameter of 3 mm was used as the working electrode loaded with Compound 1, a saturated calomel electrode and a graphite rod were used as reference and counter electrodes, and a three-electrode using an acidic solvent (0.5MH 2 SO 4 ) was used. system was made.

비교예 1-1 내지 1-4Comparative Examples 1-1 to 1-4

상기 실시예 1-1 중 화합물 1 대신 하기 표 2에 기재된 화합물 2 내지 4 및 상업용 20중량% Pt/C를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로, 3전극 시스템을 제조하였다.A three-electrode system was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that Compounds 2 to 4 and commercial 20% by weight Pt/C in Table 2 were used instead of Compound 1 in Example 1-1.

작업 전극에 로딩된 화합물Compound loaded on the working electrode 실시예 1-1Example 1-1 1One 비교예 1-1Comparative Example 1-1 22 비교예 1-2Comparative Example 1-2 33 비교예 1-3Comparative Example 1-3 44 비교예 1-4Comparative Example 1-4 상업용 20중량% Pt/CCommercial 20 wt% Pt/C

실시예 2-1 : 염기성 용액에서의 3전극 시스템 준비Example 2-1: Preparation of 3-electrode system in basic solution

화합물 1을 로딩한 작업 전극으로서 직경 3 mm의 유리질 탄소 전극(GCE)을 사용하였고, 기준 및 상대 전극으로서 포화 칼로멜 전극 및 흑연 막대를 사용하였고, 염기성 용매(1M KOH)를 사용한 3전극 시스템을 제조하였다.A glassy carbon electrode (GCE) with a diameter of 3 mm was used as a working electrode loaded with Compound 1, a saturated calomel electrode and a graphite rod were used as reference and counter electrodes, and a three-electrode system using a basic solvent (1M KOH) was prepared. did

비교예 2-1 내지 2-4Comparative Examples 2-1 to 2-4

상기 실시예 2-1 중 화합물 1 대신 하기 표 3에 나타낸 화합물 2 내지 4 및 상업용 20중량% Pt/C를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로, 3전극 시스템을 제조하였다.A three-electrode system was prepared in the same manner as in Example 2-1, except that Compounds 2 to 4 shown in Table 3 and commercial 20% by weight Pt/C were used instead of Compound 1 in Example 2-1.

작업 전극에 로딩된 화합물Compound loaded on the working electrode 실시예 2-1Example 2-1 1One 비교예 2-1Comparative Example 2-1 22 비교예 2-2Comparative Example 2-2 33 비교예 2-3Comparative Example 2-3 44 비교예 2-4Comparative Example 2-4 상업용 20중량% Pt/CCommercial 20 wt% Pt/C

[평가예 2: 전기화학적 성능 평가][Evaluation Example 2: Electrochemical performance evaluation]

(평가 방법)(Assessment Methods)

선형주사전위법(linear scan voltammogram, LSV)Linear scan voltammogram (LSV)

HER 활성도를 측정하기 위해, 실시예 1-1, 비교예 1-1 내지 비교예 1-3, 실시예 2-1 및 비교예 2-1 내지 2-3을 사용하여 VSP-Modular 2 Channels Potentiostat/Galvanostat/EIS(Bio-Logic Science Instruments)에서 수행하였다. In order to measure HER activity, VSP-Modular 2 Channels Potentiostat/ Galvanostat/EIS (Bio-Logic Science Instruments) was performed.

수집된 모든 데이터는 별도의 언급이 없는 한 85% iR 보상을 하였고, 8.4 및 10Ω의 용액 저항을 갖는 H2 포화 0.5M H2SO4 및 1M KOH에 대해 j = 10mAcm-2에서 85 % iR 보상 전위는 5 및 6mV로 계산되었고, 전류 밀도는 RDE(0.07065 cm2)의 단면으로 정규화하였다. All data collected were 85% iR compensated unless otherwise stated, and 85% iR compensated potential at j = 10 mAcm -2 for H 2 saturated 0.5MH 2 SO 4 and 1M KOH with solution resistances of 8.4 and 10 Ω. was calculated as 5 and 6 mV, and the current density was normalized to the cross section of RDE (0.07065 cm 2 ).

LSV는 -0.4 내지 0.1 V (RHE 대비) 및 2 mV/s의 스캔 속도로 H2 포화 0.5M H2SO4 및 H2 포화 1M KOH 용매에서 수행하였다. LSV was performed in H 2 saturated 0.5MH 2 SO 4 and H 2 saturated 1M KOH solvents from -0.4 to 0.1 V (versus RHE) and a scan rate of 2 mV/s.

또한, 실시예 1-1, 비교예 1-1 내지 1-4, 실시예 2-1 및 비교예 2-2 내지 2-4에 대한 타펠(Tafel) 기울기 값은 iR 보상 후 정상 상태 전위 데이터를 사용하여 계산하였다. In addition, the Tafel slope values for Example 1-1, Comparative Examples 1-1 to 1-4, Example 2-1, and Comparative Examples 2-2 to 2-4 represent the steady-state potential data after iR compensation. was calculated using

시간대 전류법(chronoamperometry)chronoamperometry

내구성 시험을 위해, 실온에서 실시예 1-1 및 2-1를 사용하여 VSP-Modular 2 Channels Potentiostat/Galvanostat/EIS(Bio-Logic Science Instruments)에서 수행하였다. For the durability test, it was performed on a VSP-Modular 2 Channels Potentiostat/Galvanostat/EIS (Bio-Logic Science Instruments) using Examples 1-1 and 2-1 at room temperature.

H2 포화 0.5M H2SO4 및 H2 포화 1M KOH 용매에서 iR 보정없이 각각 H2 포화 0.5M H2SO4에서 -20 및 -35 mV의 일정한 과전위로 12 일 동안, H2 포화 1M KOH에서 -15 mV의 일정한 과전위로 60 시간 동안 수행되었다. In H 2 saturated 0.5 MH 2 SO 4 and H 2 saturated 1 M KOH solvents without iR correction, constant overpotentials of −20 and −35 mV in H 2 saturated 0.5 MH 2 SO 4 respectively for 12 days, in H 2 saturated 1 M KOH - It was performed for 60 h with a constant overpotential of 15 mV.

비교예 1-1 및 1-2에 대하여도 과전위가 산성에서 -60 mV 및 염기성 용액에서 -35 mV로 24시간 동안 진행된 것을 제외하고 동일하게 진행되었다. For Comparative Examples 1-1 and 1-2, the overpotential proceeded in the same manner, except that the overpotential progressed to -60 mV in an acidic solution and -35 mV in a basic solution for 24 hours.

전기 화학적 임피던스 분광법(EIS)Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)

실시예 1-1 및 2-1 및 비교예 1-1, 1-2, 1-4, 2-1, 2-2 및 2-4을 사용하여, EIS 스펙트럼을 측정하였다. EIS는 10mHz ~ 100KHz의 주파수 범위에서 10mV의 진폭을 갖는 과전위 각각 -10 및 -5 mV (RHE 대비)의 0.5M H2SO4 및 1M KOH 용액에서 측정되었다. EIS spectra were measured using Examples 1-1 and 2-1 and Comparative Examples 1-1, 1-2, 1-4, 2-1, 2-2 and 2-4. EIS was measured in 0.5 MH 2 SO 4 and 1 M KOH solutions at overpotentials of −10 and −5 mV (versus RHE), respectively, with an amplitude of 10 mV in the frequency range of 10 mHz to 100 KHz.

(평가결과)(Evaluation results)

선형주사전위법(linear sweep voltammogram, LSV)Linear sweep voltammogram (LSV)

상기 실시예 1-1, 비교예 1-1 내지 비교예 1-3, 실시예 2-1 및 비교예 2-1 내지 2-3에서 제작된 3전극 시스템의 HER 활성도를 평가하기 위하여, LSV를 수행하였다. In order to evaluate the HER activity of the three-electrode system fabricated in Example 1-1, Comparative Example 1-1 to Comparative Example 1-3, Example 2-1 and Comparative Example 2-1 to 2-3, LSV was performed.

도 4a는 실시예 1-1 및 비교예 1-1 내지 1-3의 수소 발생 반응(HER)의 분극 곡선(산성 용매)이고, 도 4b는 실시예 2-1 및 비교예 2-1 내지 2-3의 수소 발생 반응(HER)의 분극 곡선(염기성 용매)이고, 도 4c는 도 4a 및 도 4b의 타펠(Tafel) 기울기이다. 실시예 1-1의 과전위(-η)는 12.5ㅁ1 mV로 비교예 1-4의 18 mV보다 낮으며, 실시예 2-1의 과전위(-η)는 10ㅁ1 mV로 비교예 2-4의 43 mV와 비교하여 낮으므로, 이는 산성 및 염기성 용액 모두에서 화합물 1이 Pt/C 촉매보다 HER 활성도가 향상되었음을 알 수 있다.Figure 4a is a polarization curve (acidic solvent) of the hydrogen generation reaction (HER) of Example 1-1 and Comparative Examples 1-1 to 1-3, Figure 4b is Example 2-1 and Comparative Examples 2-1 to 2 The polarization curve (basic solvent) of the hydrogen evolution reaction (HER) of -3, and FIG. 4c is the Tafel slope of FIGS. 4a and 4b. The overpotential (-η) of Example 1-1 is 12.5 1 mV, which is lower than the 18 mV of Comparative Example 1-4, and the overpotential (-η) of Example 2-1 is 10 1 mV, Comparative Example Since it is lower than 43 mV of 2-4, it can be seen that compound 1 has improved HER activity than Pt/C catalyst in both acidic and basic solutions.

화합물compound 화합물 loading
(mg/cm2)
compound loading
(mg/cm 2 )
과전위(-η) (mV)
(at 10 mA/cm2)
Overpotential (-η) (mV)
(at 10 mA/cm 2 )
0.5 H2SO4/1M KOH,
주사 속도, 가스
0.5 H 2 SO 4 /1M KOH;
injection rate, gas
실시예 1-1Example 1-1 1One 0.2830.283 12.5ㅁ112.5ㅁ1 2 mV/s, H2 (1600rpm);
0.07065 cm2
2 mV/s, H 2 (1600 rpm);
0.07065 cm 2
비교예 1-2Comparative Example 1-2 33 0.2830.283 16.516.5 2 mV/s, H2 (1600rpm);
0.07065 cm2
2 mV/s, H 2 (1600 rpm);
0.07065 cm 2
비교예 1-4Comparative Example 1-4 상업용 20중량% Pt/CCommercial 20 wt% Pt/C 0.2830.283 1818 2 mV/s, H2 (1600rpm);
0.07065 cm2
2 mV/s, H 2 (1600 rpm);
0.07065 cm 2
실시예 2-1Example 2-1 1One 0.2830.283 10ㅁ110ㅁ1 2 mV/s, H2 (1600rpm);
0.07065 cm2
2 mV/s, H 2 (1600 rpm);
0.07065 cm 2
비교예 2-2Comparative Example 2-2 33 0.2830.283 1414 2 mV/s, H2 (1600rpm);
0.07065 cm2
2 mV/s, H 2 (1600 rpm);
0.07065 cm 2
비교예 2-4Comparative Example 2-4 상업용 20중량% Pt/CCommercial 20 wt% Pt/C 0.2830.283 43 mV43 mV 2 mV/s, H2 (1600rpm);
0.07065 cm2
2 mV/s, H 2 (1600 rpm);
0.07065 cm 2

도 4d는 실시예 1-1, 비교예 1-1 내지 비교예 1-3, 실시예 2-1 및 비교예 2-1 내지 2-3의 질량 활성(mass activity)을 나타내는 것으로, 상기 질량 활성은 하기 식에 의하여 계산되었다.4D shows the mass activity of Example 1-1, Comparative Example 1-1 to Comparative Example 1-3, Example 2-1 and Comparative Example 2-1 to 2-3, the mass activity was calculated by the following formula.

Figure 112020112870409-pat00001
Figure 112020112870409-pat00001

실시예 1-1 및 2-1의 우수한 성능은 상업용 20 중량% Pt/C 채용한 비교예 1-4 및 2-4의 질량 활성 (1.05 / 0.08 A*mgPt -1) 및 다른 Ru 기반 촉매를 채용한 비교예 1-1 내지 1-3 및 2-1 내지 2-5과 비교하여, 각각 2.2 / 3.0 A*mgRu -1의 큰 질량 활성을 가짐을 확인함으로서 알 수 있다. The superior performance of Examples 1-1 and 2-1 is comparable to the mass activity (1.05 / 0.08 A*mg Pt -1 ) of Comparative Examples 1-4 and 2-4 employing commercial 20 wt% Pt/C and other Ru-based catalysts. Compared to Comparative Examples 1-1 to 1-3 and 2-1 to 2-5 employing , it can be seen by confirming that they have a large mass activity of 2.2 / 3.0 A*mg Ru -1 , respectively.

도 4e 및 도 4f는 고정된 캐소드 전류 10 mA*cm-2 에서 실시예 1-1 및 2-1에서의 수소 생성량 및 패러데이 효율을 보여준다. 상기 패러데이 효율은 생성된 수소의 부피를 10 mA*cm-2의 고정 전류에서의 계산된 이론 전하 값으로 나눠서 계산하였으며, 이는 발생한 수소의 순도를 나타내는 척도로서, 0.5M H2SO4 및 1M KOH 용액에서 화합물 1의 평균 효율은 95±1 %로 HER 공정에 적용된 전류가 거의 완전히 활용된 것을 보여준다.4E and 4F show the hydrogen production amount and Faraday efficiency in Examples 1-1 and 2-1 at a fixed cathode current of 10 mA*cm -2 . The Faraday efficiency was calculated by dividing the volume of hydrogen generated by the calculated theoretical charge value at a fixed current of 10 mA*cm -2 , which is a measure of the purity of generated hydrogen, and is a 0.5MH 2 SO 4 and 1M KOH solution. In , the average efficiency of compound 1 was 95 ± 1%, showing that the current applied to the HER process was almost completely utilized.

시간대전류법(chronoamperometry)chronoamperometry

상기 실시예 1-1 및 2-1에서 제작된 3전극 시스템의 안정성을 평가하기 위하여, chronoamperometric (i-t) 응답을 수행하였다.In order to evaluate the stability of the three-electrode system fabricated in Examples 1-1 and 2-1, a chronoamperometric ( it ) response was performed.

도 5a는 실시예 1-1에서 총 12일 동안 전류 밀도를 측정한 결과, 600시간 동안 일정한 전류 밀도로 유지함을 나타낸다. 즉, 실시예 1-2가 산성 용매에서 우수한 안정성을 가짐을 알 수 있다. Figure 5a shows that the current density is maintained at a constant current density for 600 hours as a result of measuring the current density for a total of 12 days in Example 1-1. That is, it can be seen that Example 1-2 has excellent stability in acidic solvents.

도 5b는 실시예 2-1에서 총 60시간 동안 전류 밀도를 측정한 결과, 48시간이 넘도록 일정한 전류 밀도로 유지함을 나타낸다. 즉, 실시예 2-1가 염기성 용매에서도 우수한 안정성을 가짐을 알 수 있다.Figure 5b shows that as a result of measuring the current density for a total of 60 hours in Example 2-1, it is maintained at a constant current density for more than 48 hours. That is, it can be seen that Example 2-1 has excellent stability even in basic solvents.

도 5c 및 도 5d는 각각 비교예 1-1 및 2-1에 대한 시간대 전류 밀도를 측정한 것으로, 24 시간이 지난 후, 각각 35% 및 48%의 감소된 전류 밀도가 측정되었다. 5c and 5d show current densities measured over time for Comparative Examples 1-1 and 2-1, respectively. After 24 hours, current densities reduced by 35% and 48%, respectively, were measured.

전기 화학적 임피던스 분광법(EIS)Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)

상기 실시예 1-1 및 2-1 및 비교예 1-1, 1-3, 1-4, 2-1, 2-3 및 2-4에서 제작된 3전극 시스템의 전하 이동 저항(R ct)을 평가하기 위하여, EIS를 수행하였다. Charge transfer resistance ( R ct ) of the 3-electrode system fabricated in Examples 1-1 and 2-1 and Comparative Examples 1-1, 1-3, 1-4, 2-1, 2-3 and 2-4 To evaluate, EIS was performed.

도 6a는 실시예 1-1 및 2-1의 나이퀴스트 선도이고, 도 6b는 비교예 1-1 및 2-1의 나이퀴스트 선도이고, 도 6c는 비교예 1-3 및 비교예 2-3의 나이퀴스트 선도이고, 도 6d는 비교예 1-4 및 비교예 2-4의 나이퀴스트 선도이다. 상기 도 6a 내지 6d를 통하여, RCT를 계산하면, 하기 표 5와 같다.6A is a Nyquist diagram of Examples 1-1 and 2-1, FIG. 6B is a Nyquist diagram of Comparative Examples 1-1 and 2-1, and FIG. 6C is a Nyquist diagram of Comparative Examples 1-3 and 2 It is a Nyquist diagram of -3, and FIG. 6d is a Nyquist diagram of Comparative Examples 1-4 and 2-4. The calculation of R CT through FIGS. 6A to 6D is shown in Table 5 below.

전하 이동 저항(RCT)Charge transfer resistance (R CT ) 실시예 1-1Example 1-1 4.34.3 비교예 1-1Comparative Example 1-1 79.379.3 비교예 1-3Comparative Example 1-3 74.674.6 비교예 1-4Comparative Example 1-4 12.412.4 실시예 2-1Example 2-1 4.94.9 비교예 2-1Comparative Example 2-1 52.352.3 비교예 2-3Comparative Example 2-3 29.329.3 비교예 2-4Comparative Example 2-4 41.641.6

상기 표 5를 통하여, 실시예 1-1 및 2-1의 전하 이동 저항(Rct)이 다른 비교예들에 비하여 현저히 작음을 확인할 수 있고, 따라서 HER 반응 시, 산 및 염기성 용액 모두에서 빠른 전하 이동이 일어남을 알 수 있다. 즉, 이는 Cu 단일 원자가 존재함으로서 나타난 화합물 1의 높은 전도도가 HER에 대한 빠른 촉매 역학을 제공함을 보여준다.Through Table 5, it can be confirmed that the charge transfer resistance (R ct ) of Examples 1-1 and 2-1 is significantly smaller than that of other comparative examples, and therefore, during the HER reaction, fast charge in both acid and basic solutions movement can occur. That is, it shows that the high conductivity of Compound 1, which is indicated by the presence of Cu single atoms, provides fast catalytic kinetics for HER.

[평가예 3: 원자론적 평가] [Evaluation Example 3: Atomic Evaluation]

본 발명의 일 구현예에 따른 다중 복합 화합물이 Cu 단일 원자 존재에 의하여 갖는 우수한 전자 수송 능력을 설명하기 위하여, Boltzmann 수송 이론에 따른 전기 전도도(σ)에 대한 전자 구조 계산을 수행하였고, 그 계산에 따른 H-흡착 Cu 단일 입자/ Ru 나노 입자-흑연 매트릭스 시스템(Cu(SA)/Ru(NP)-GN)의 기하학적 구조 및 전자 구조는 도 7a 내지 7c에 나타냈다. 즉, 도 7a 내지 7c는 각각 Boltzmann 수송 이론에 따른 Cu(SA)/Ru(NP)-GN에서의 RuC2N2-GN, RuC2N2(CuN4)2-GN 및 (CuN3)2Ru49/RuC2N2(CuN4)2-GN의 기하학적 구조 및 전자 구조이다. In order to explain the excellent electron transport ability of the multi-complex compound according to one embodiment of the present invention due to the existence of a single atom of Cu, the electronic structure calculation for electrical conductivity (σ) was performed according to the Boltzmann transport theory, and the calculation The geometric and electronic structures of the H-adsorbed Cu single particle/Ru nanoparticle-graphite matrix system (Cu(SA)/Ru(NP)-G N ) are shown in FIGS. 7a to 7c. That is, FIGS. 7a to 7c show RuC 2 N 2 -G N , RuC 2 N 2 (CuN 4 ) 2 -G N and (CuN) in Cu(SA)/Ru(NP)-G N according to Boltzmann transport theory, respectively. 3 ) 2 Ru 49 /RuC 2 N 2 (CuN 4 ) These are the geometric and electronic structures of 2 -G N.

도 7a 내지 7c 중 입체 구조와 관련하여 Ru는 회색, Cu는 주황색, N은 파란색, C은 갈색, H는 청록색으로 나타냈고, 전자 구조와 관련하여, Ru는 빨간 점 커브로 나타내고, Cu는 파란 점 커브로 나타내고, 페르미 레벨 EF는 0eV에 해당한다.In FIGS. 7A to 7C , Ru is shown in gray, Cu is orange, N is blue, C is brown, and H is cyan in relation to the three-dimensional structure, and in relation to the electronic structure, Ru is represented by a red dot curve and Cu is blue. Represented by a dot curve, the Fermi level E F corresponds to 0 eV.

도 7a는 RuN2C2의 돌출로 인하여, 흑연 매트릭스의 확장된 π 궤도면이 중단되는 것을 확인할 수 있으나, 도 7b 및 7c에서는 Cu 단일 입자가 평면형 CuN4로 존재하여 EF 주변에 중단 없이 팽팽한 밴드가 형성됨을 확인할 수 있다. 또한, 도 7a의 RuC2N2-GN의 전기 전도도, 도 7b의 RuC2N2(CuN4)2-GN의 전기 전도도 및 도 7c의 (CuN3)2Ru49/RuC2N2(CuN4)2-GN의 전기 전도도를 비교하면 1 : 5.22 : 6.13의 비율로 나타난다. 즉, 상기 결과들을 통하여 평면 CuN4가 흑연 매트릭스의 돌출을 억제하여 시스템의 전도도가 증가됨을 알 수 있다. 7a shows that the extended π orbital plane of the graphite matrix is interrupted due to the protrusion of RuN 2 C 2 , but in FIGS. 7b and 7c, Cu single particles are present as planar CuN 4 and are tense without interruption around E F It can be confirmed that a band is formed. In addition, the electrical conductivity of RuC 2 N 2 -G N in FIG. 7a, the electrical conductivity of RuC 2 N 2 (CuN 4 ) 2 -G N in FIG. 7b, and the electrical conductivity of (CuN 3 ) 2 Ru 49 /RuC 2 N 2 in FIG. 7c When comparing the electrical conductivity of (CuN 4 ) 2 -G N , the ratio is 1 : 5.22 : 6.13. That is, through the above results, it can be seen that the planar CuN 4 suppresses the protrusion of the graphite matrix to increase the conductivity of the system.

또한, Cu-s 궤도는 페르미 에너지 (EF) 주변의 국부적인 Ru-d 궤도에 대해 더 많은 분산 밴드를 보여주며, 이는 흑연 매트릭스에서 전자 수송을 향상시키는 Cu 단일 입자의 역할을 명시적으로 보여준다. 따라서, Cu 단일 입자에 의하여 Ru 단일 입자는 매우 향상된 전자 전달/ 전도성을 가져 ΔGH가 거의 0에 가까운 자리가 될 뿐만 아니라, Cu 단일 입자는 Ru 나노 입자 상의 새로운 fcc-활성 자리(ΔGH가 거의 0에 가까운)의 발생을 도움으로써, Ru 나노 입자 존재 하에 비혼합성의 Cu 및 Ru 단일 입자가 존재하는 다중 복합 화합물은 고성능의 전기 촉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다. In addition, the Cu-s orbitals show more scattering bands for the local Ru-d orbitals around the Fermi energy (E F ), which in the graphite matrix It clearly shows the role of Cu single particles in enhancing electron transport. Therefore, not only do Ru single particles have highly enhanced electron transport/conductivity by Cu single particles, resulting in ΔG H near zero, but also Cu single particles form new fcc-active sites (ΔG H near zero) on Ru nanoparticles. It can be seen that a multicomposite compound in which non-mixable Cu and Ru single particles exist in the presence of Ru nanoparticles can be used as a high-performance electrocatalyst.

결론적으로, 전술한 실시예 및 비교예에 따르면, 상기 다중 복합 화합물은 수소 생산에 우수한 전기 촉매이다. 상기 다중 복합 화합물은 산성 및 염기성 용액 모두에서 우수한 HER 활성도 및 장기간의 작동 내구성을 나타낸다. 산성 용액(0.5M H2SO4)에서, 상기 다중 복합 화합물은 낮은 과전위(-η, 12.5 mV) 및 장기간의 작동 내구성(600시간 이상 일정 전류밀도 유지)을 보이고, 염기성 용액(1M KOH)에서, 상기 다중 복합 화합물은 낮은 과전위(-η, 10 mV)를 나타낸다. 또한, 상기 다중 복합 화합물은 산성 및 염기성 용액 모두에서 Pt/C 촉매 및 다른 Ru 촉매들에 비하여 매우 높은 질량 활성(N2-/H2- 포화 환경에서 3.02/4.17 및 2.2/3.0 A*mgRu -1)을 나타낸다.In conclusion, according to the foregoing examples and comparative examples, the multi-complex compound is an excellent electrocatalyst for hydrogen production. The multicomplex compound exhibits excellent HER activity and long-term operational durability in both acidic and basic solutions. In acidic solution (0.5MH 2 SO 4 ), the multi-complex compound exhibits low overpotential (-η, 12.5 mV) and long-term operating durability (maintaining constant current density over 600 hours), and in basic solution (1M KOH) , the multicomplex compound exhibits a low overpotential (−η, 10 mV). In addition, the multi-complex compound has a very high mass activity (N 2 -/H 2 - 3.02/4.17 and 2.2/3.0 A*mg Ru in a saturated environment) compared to the Pt/C catalyst and other Ru catalysts in both acidic and basic solutions. -1 ).

즉, 상기 다중 복합 화합물은 Cu-N3-Ru(NPs) 결합에 의하여 Cu 단일 입자(Cu SAs)에 가까운 Ru 나노 입자 표면의 fcc-활성 자리의 ΔGH가 거의 0에 가까우며(H-흡수/ 탈착을 용이하게 함), 매트릭스 위의 Cu 단일 입자의 존재로 인하여 Ru(-N2C2-GN) 단일 입자 사이트에서의 전도도가 증가하고(빠른 H+ 감소를 위한 더 빠른 전하/전자 전달 촉진함), 특히, Cu 단일 입자가 금속의 산화 및 응집을 방지하여 장기적인 작동 내구성이 향상된다. *That is, in the multi -composite compound, ΔG H of the fcc-active site on the surface of the Ru nanoparticles close to Cu single particles (Cu SAs) is close to 0 (H-absorption/ facilitates desorption), the presence of Cu single particles on the matrix increases the conductivity at the Ru(-N 2 C 2 -G N ) single particle site (faster charge/electron transfer for faster H + reduction) In particular, Cu single particles prevent oxidation and aggregation of the metal, improving long-term operational durability. *

그러므로, 상기 다중 복합 화합물은 안정성과 촉매 활성이 개선된 전기 촉매로서, 산업 응용 분야에 즉시 사용 가능한 고효율 에너지 장치에 사용될 수 있음을 보여준다.Therefore, the multi-composite compound is an electrocatalyst with improved stability and catalytic activity, showing that it can be used in high-efficiency energy devices ready for industrial applications.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.In the above, preferred embodiments according to the present invention have been described with reference to drawings and embodiments, but this is only exemplary, and those skilled in the art can make various modifications and equivalent other implementations therefrom. will be able to understand Therefore, the scope of protection of the present invention should be defined by the appended claims.

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Claims (20)

하나 이상의 Ru 단일 입자, 하나 이상의 Cu 단일 입자를 포함하는 N-도핑된 흑연 매트릭스(N-doped graphitic matrix); 및
적어도 하나의 Cu-N3-Ru 결합을 포함하는 Ru 나노 입자를 포함하고,
상기 Ru 나노 입자는 표면에 N 원자를 통해 연결된 Cu 단일 입자를 포함하는, 다중 복합 화합물.
an N-doped graphitic matrix including one or more Ru single particles and one or more Cu single particles; and
Ru nanoparticles comprising at least one Cu-N 3 -Ru bond;
The Ru nanoparticles include Cu single particles connected to the surface through N atoms, a multi-composite compound.
제1항에 있어서,
상기 Ru 나노 입자는 복수의 Ru 단일 입자가 금속-금속 결합에 의하여 형성된 Ru 나노입자인, 다중 복합 화합물.
According to claim 1,
The Ru nanoparticles are Ru nanoparticles in which a plurality of Ru single particles are formed by metal-metal bonding.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 Cu-N3는 정사면체 결정 구조를 갖는, 다중 복합 화합물.
According to claim 1,
The Cu—N 3 has a tetrahedral crystal structure, a multi-complex compound.
제1항에 있어서,
상기 Ru 나노 입자는 상기 N-도핑된 흑연 매트릭스 상에 위치하는, 다중 복합 화합물.
According to claim 1,
Wherein the Ru nanoparticles are located on the N-doped graphite matrix.
제1항에 있어서,
상기 N-도핑된 흑연 매트릭스는 멜라민(melamine)-유래 N-도핑된 흑연 매트릭스인, 다중 복합 화합물.
According to claim 1,
Wherein the N-doped graphite matrix is a melamine-derived N-doped graphite matrix.
제1항에 있어서,
상기 N-도핑된 흑연 매트릭스는 피리디닉 N(pyridinic N)을 포함하고,
상기 하나 이상의 Ru 단일 입자 및/또는 상기 하나 이상의 Cu 단일입자는 상기 피리디닉 N과 배위 결합한, 다중 복합 화합물.
According to claim 1,
The N-doped graphite matrix includes pyridinic N,
The one or more Ru single particles and / or the one or more Cu single particles coordinately bonded to the pyridinic N, multiple complex compounds.
제1항에 있어서,
상기 N-도핑된 흑연 매트릭스에 포함된 Ru 단일 입자 중 적어도 하나는 2개의 N 원자와 배위 결합 및 2개의 C 원자와 공유 결합에 의하여 연결된, 다중 복합 화합물.
According to claim 1,
At least one of the Ru single particles included in the N-doped graphite matrix is linked to two N atoms by a coordinate bond and two C atoms by a covalent bond.
제1항에 있어서,
상기 N-도핑된 흑연 매트릭스에 포함된 Cu 단일 입자 중 적어도 하나는 4개의 N 원자와 배위 결합에 의하여 연결된, 다중 복합 화합물.
According to claim 1,
At least one of the Cu single particles included in the N-doped graphite matrix is connected to four N atoms by a coordinate bond, a multi-composite compound.
제1항에 있어서,
상기 다중 복합 화합물에 포함된 Ru 원자 및 Cu 원자의 중량비는 1:10 내지 10:1인, 다중 복합 화합물.
According to claim 1,
A weight ratio of Ru atoms and Cu atoms included in the multi-composite compound is 1:10 to 10:1, a multi-composite compound.
제1항에 있어서,
상기 Ru 나노 입자는 1.5 내지 3.0 nm의 입경을 가지는, 다중 복합 화합물.
According to claim 1,
The Ru nanoparticles have a particle diameter of 1.5 to 3.0 nm, a multi-composite compound.
제1항, 제2항 및 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 다중 복합 화합물을 포함한 캐소드를 포함한, 수소 발생 장치.Claims 1, 2 and 4 to 11, a hydrogen generating device comprising a cathode comprising a multi-composite compound according to any one of claims. 제12항에 있어서,
상기 수소 발생 장치는 pH 1 내지 14의 수용액을 전해질로 포함하는, 수소 발생 장치.

According to claim 12,
The hydrogen generating device comprises an aqueous solution having a pH of 1 to 14 as an electrolyte.

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