KR102569309B1 - Fe-N-C TYPE ELECTRODE CATALYST USING RADICAL SCAVENGER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME - Google Patents

Fe-N-C TYPE ELECTRODE CATALYST USING RADICAL SCAVENGER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME Download PDF

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Abstract

본 발명은 산소 환원 반응(ORR) 시, 부산물로 생성되는 라디칼 형태의 활성산소 종을 제거하여, 촉매의 성능 저하를 완화시킬 수 있는 라디칼 스캐빈저를 이용한 Fe-N-C계 전극촉매 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 라디칼 스캐빈저를 이용한 Fe-N-C계 전극촉매는 탄소 기반의 촉매 구조체; 및 상기 탄소 기반의 촉매 구조체의 표면에 결합되어 있는 라디칼 스캐빈저(radical scavenger);를 포함하고, 상기 탄소 기반의 촉매 구조체는 탄소 지지체층; 상기 탄소 지지체층 상에 분산되어 있는 Fe-Nx 활성 사이트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
The present invention is a Fe-NC-based electrocatalyst using a radical scavenger capable of mitigating the performance degradation of the catalyst by removing active oxygen species in the form of radicals generated as by-products during an oxygen reduction reaction (ORR), and a method for manufacturing the same start about
An Fe—NC-based electrocatalyst using a radical scavenger according to the present invention includes a carbon-based catalyst structure; and a radical scavenger coupled to the surface of the carbon-based catalyst structure, wherein the carbon-based catalyst structure includes a carbon support layer; It is characterized in that it comprises; Fe—N x active sites dispersed on the carbon support layer.

Description

라디칼 스캐빈저를 이용한 Fe-N-C계 전극촉매 및 그 제조 방법{Fe-N-C TYPE ELECTRODE CATALYST USING RADICAL SCAVENGER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Fe-N-C-based electrode catalyst using a radical scavenger and its manufacturing method

본 발명은 라디칼 스캐빈저를 이용한 Fe-N-C계 전극촉매 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a Fe—N—C based electrocatalyst using a radical scavenger and a method for preparing the same.

고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 차세대 고효율 에너지 변환장치이다. 상기 고분자 전해질형 연료전지는 애노드 전극에서는 연료 및 수소의 산화 작용, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나 두 전극 간의 전압 차가 생기면서 전기가 생산된다. 이러한 연료전지 기술의 중심에는 산소 환원 반응(ORR)의 높은 활성화 장벽(activation barrier)을 극복할 수 있는 촉매의 개발이 주요한 과제로 남아있다. 고분자 전해질형 연료전지는 통상적으로 캐소드 전극에 백금(Pt)을 사용하고 있다. 그러나, 백금은 매장량이 적고 고가이기 때문에, 연료전지의 보급화에 큰 장애물로 작용한다. A polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is a next-generation high-efficiency energy conversion device. In the polymer electrolyte fuel cell, an oxidation of fuel and hydrogen occurs at the anode electrode and a reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode, resulting in a voltage difference between the two electrodes, thereby generating electricity. At the center of such fuel cell technology, development of a catalyst capable of overcoming a high activation barrier of an oxygen reduction reaction (ORR) remains a major challenge. A polymer electrolyte fuel cell typically uses platinum (Pt) for a cathode electrode. However, since platinum reserves are small and expensive, it acts as a major obstacle to popularization of fuel cells.

백금을 대체하기 위한 차세대 촉매로 대두되고 있는 Me(Fe, Co)-N-C 촉매는 연료전지에서의 산소 환원 반응에 있어서 비교적 좋은 성능을 가진다고 보고되고 있다.The Me(Fe, Co)-N-C catalyst, emerging as a next-generation catalyst to replace platinum, is reported to have relatively good performance in the oxygen reduction reaction in fuel cells.

이와 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0013499호(2018.02.07. 공개)에는 탄소 지지체, 및 포르피린-카본층을 포함하는 Fe-N-C계 전극촉매가 개시되어 있다.In this regard, Korean Patent Publication No. 10-2018-0013499 (published on February 7, 2018) discloses a carbon support and a porphyrin-based Fe-N-C electrocatalyst including a carbon layer.

최근, 이러한 비귀금속계 촉매의 시장진출 및 보급화에 앞서, 촉매의 성능뿐 아니라 안정성도 매우 중요한 부분을 차지한다. 일반적인 고분자 전해질형 연료전지의 산 전해질 조건에서, Fe-N-C 촉매의 안정성은 염기 전해질 조건에서보다 떨어진다. 산 전해질 조건에서, 비귀금속계 촉매의 열화의 원인으로는 현재까지 철의 용해, 탄소층의 산화 등이 제기되었다. 이 밖에도, 산소 환원 반응 (ORR) 중 발생하는 부산물인 과산화수소가 Fe-N-C 촉매의 철(Fe2+)과 반응했을 때 생성되는 히드록실 라디칼도 열화의 원인으로 작용할 수 있다. 히드록실 라디칼은 촉매 표면과 매우 근접한 거리에서 생성된다. 이에 따라, 상기 히드록실 라디칼은 촉매의 탄소층을 바로 공격하여, 탄소층을 산화시키는 결과를 초래한다.Recently, prior to market entry and popularization of these non-noble metal catalysts, stability as well as performance of the catalysts is a very important part. In an acid electrolyte condition of a general polymer electrolyte fuel cell, the stability of the Fe—NC catalyst is lower than that in a basic electrolyte condition. Dissolution of iron and oxidation of carbon layer have been suggested as causes of deterioration of non-noble metal catalysts under acid electrolyte conditions. In addition, hydroxyl radicals generated when hydrogen peroxide, a by-product generated during the oxygen reduction reaction (ORR), reacts with iron (Fe 2+ ) of the Fe-NC catalyst may also act as a cause of deterioration. Hydroxyl radicals are generated in close proximity to the catalyst surface. Accordingly, the hydroxyl radical directly attacks the carbon layer of the catalyst, resulting in oxidation of the carbon layer.

이처럼, 히드록실 라디칼은 치명적인 촉매열화의 원인으로 작용한다. 따라서, 히드록실 라디칼은 Fe-N-C 촉매의 안정성 개선에 있어서 극복해야 할 요소이다. As such, hydroxyl radicals act as a cause of catastrophic catalyst deterioration. Therefore, the hydroxyl radical is a factor to be overcome in improving the stability of Fe—N—C catalysts.

본 발명의 목적은 촉매 안정성을 확보하기 위해, Fe-N-C계 촉매 구조체에 라디칼 스캐빈저를 결합한 Fe-N-C계 전극촉매를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a Fe-N-C-based electrocatalyst in which a radical scavenger is coupled to an Fe-N-C-based catalyst structure in order to secure catalyst stability.

또한, 본 발명의 목적은 산소 환원 반응(ORR)에서 발생하는 활성산소 종을 제거하는 Fe-N-C계 전극촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다. In addition, an object of the present invention is to provide a method for preparing an Fe—N—C based electrocatalyst that removes active oxygen species generated in an oxygen reduction reaction (ORR).

본 발명에서는 탄소 기반의 촉매 구조체를 포함하는 Fe-N-C계 전극촉매가 제공된다. 이를 위해, 상기 탄소 기반의 촉매 구조체는 탄소 지지체층, 및 상기 탄소 지지체층 상에 분산되어 있는 Fe-Nx 활성 사이트를 포함한다.In the present invention, an Fe—NC-based electrocatalyst including a carbon-based catalyst structure is provided. To this end, the carbon-based catalyst structure includes a carbon support layer and Fe—N x active sites dispersed on the carbon support layer.

또한, 본 발명에서는 탄소 기반의 촉매 구조체의 표면에 결합되어 있는 라디칼 스캐빈저를 포함하는 Fe-N-C계 전극촉매가 제공된다. 이를 위해, 라디칼 스캐빈저는 축합고리를 포함하는 방향족 화합물이다. 그리고, 상기 축합고리는 케톤기 및 히드록시기 중 1종 이상의 작용기로 치환된다.In addition, the present invention provides an Fe-N-C based electrocatalyst including a radical scavenger bonded to the surface of a carbon-based catalyst structure. For this purpose, the radical scavenger is an aromatic compound containing a condensed ring. In addition, the condensed ring is substituted with at least one functional group selected from a ketone group and a hydroxyl group.

또한, 본 발명에서는 (a) 탄소 지지체층 상에 있는 Fe-Nx 활성 사이트가 분산되도록, 탄소 기반의 촉매 구조체를 제조하는 단계; (b) 상기 탄소 기반의 촉매 구조체를 유기용매에 분산시킨 제1용액과, 라디칼 스캐빈저가 유기용매에 용해된 제2용액을 혼합하여 초음파 처리하는 단계; (c) 초음파 처리된 용액을 필터링한 후 세척하는 단계; 및 (d) 상기 세척된 결과물을 건조하여 Fe-N-C계 전극촉매를 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 (b) 단계에서, 탄소 기반의 촉매 구조체의 표면에 라디칼 스캐빈저가 결합되는 Fe-N-C계 전극촉매의 제조 방법이 제공된다. In the present invention, (a) preparing a carbon-based catalyst structure so that the Fe—N x active sites on the carbon support layer are dispersed; (b) mixing a first solution in which the carbon-based catalyst structure is dispersed in an organic solvent and a second solution in which a radical scavenger is dissolved in an organic solvent, and performing ultrasonic treatment; (c) washing after filtering the sonicated solution; and (d) drying the washed product to prepare an Fe-NC-based electrocatalyst, wherein in step (b), a radical scavenger is bonded to the surface of the carbon-based catalyst structure. A method for preparing a based electrocatalyst is provided.

본 발명에 따른 Fe-N-C계 전극촉매는 탄소 기반의 촉매 구조체에 항산화 물질인 라디칼 스캐빈저가 π-π결합으로 결합된 탠덤촉매이다.The Fe-N-C electrocatalyst according to the present invention is a tandem catalyst in which a radical scavenger, an antioxidant, is bonded to a carbon-based catalyst structure through a π-π bond.

상기 라디칼 스캐빈저를 통해, 상기 Fe-N-C계 전극촉매는 산소 환원 반응(ORR) 시, 부산물로 생성되는 라디칼 형태의 활성산소 종을 제거할 수 있다.Through the radical scavenger, the Fe-N-C-based electrocatalyst can remove radical-type active oxygen species generated as by-products during an oxygen reduction reaction (ORR).

따라서, Fe-N-C계 전극촉매는 촉매성능 저하를 최소화하여 촉매 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, Fe-N-C계 전극촉매는 연료전지에 적용 시, 우수한 내구성을 나타낼 수 있다. 아울러, Fe-N-C계 전극촉매는 백금 촉매를 대체할 수 있는 고성능의 비귀금속계 촉매로 사용될 수 있다.Therefore, the Fe—N—C based electrocatalyst can improve catalyst stability by minimizing degradation of catalyst performance. In addition, the Fe—N—C based electrode catalyst can exhibit excellent durability when applied to a fuel cell. In addition, the Fe-N-C-based electrocatalyst can be used as a high-performance non-noble metal-based catalyst that can replace the platinum catalyst.

도 1은 본 발명에 따른 Fe-N-C 촉매 구조체에 안트라퀴논이 π-π 결합방식으로 결합된 Fe-N-C계 전극촉매의 2차원적 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 Fe-N-C계 전극촉매의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명에서 라디칼 스캐빈저를 적용한 Fe-N-C 전극촉매 (해당 방향족 화합물의 중량부 : Fe-N-C 전극촉매의 중량부 = 3 : 100)와, 라디칼 스캐빈저를 결합하지 않은 본래의 Fe-N-C 촉매의 과수처리 전/후의 활성감소량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에서 라디칼 스캐빈저를 적용한 Fe-N-C 전극촉매 (해당 방향족 화합물의 중량부 : Fe-N-C촉매의 중량부 = 10 : 100)와, 라디칼 스캐빈저를 결합하지 않은 본래의 Fe-N-C 촉매의 과수처리 전/후의 활성감소량을 나타낸 그래프이다.
1 is a two-dimensional schematic diagram of an Fe-NC-based electrocatalyst in which anthraquinone is bonded in a π-π bond to a Fe-NC catalyst structure according to the present invention.
2 is a flow chart showing a method for preparing an Fe—NC-based electrocatalyst according to the present invention.
Figure 3 shows the Fe-NC electrocatalyst to which the radical scavenger is applied in the present invention (parts by weight of the aromatic compound: parts by weight of the Fe-NC electrocatalyst = 3: 100) and the original without combining the radical scavenger It is a graph showing the amount of activity reduction of Fe-NC catalysts before and after water treatment.
Figure 4 shows the Fe-NC electrocatalyst to which the radical scavenger is applied in the present invention (parts by weight of the aromatic compound: parts by weight of the Fe-NC catalyst = 10: 100) and the original Fe without the radical scavenger - This is a graph showing the amount of activity reduction before and after overwater treatment of the NC catalyst.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라디칼 스캐빈저를 이용한 Fe-N-C계 전극촉매 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an Fe—N—C based electrocatalyst using a radical scavenger according to a preferred embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 라디칼 스캐빈저를 이용한 Fe-N-C계 전극촉매는 Fe-N-C계 촉매 구조체에 유기물 라디칼 스캐빈저가 결합된 탠덤(tandem)촉매이다. 여기서, 탠덤촉매는 둘 이상의 서로 다른 촉매가 원-팟(one-pot) 반응으로 결합된 촉매이다. 상기 탠덤촉매는 단일 분자에서 여러 종류의 촉매를 사용할 수 있는 특징이 있다.The Fe-N-C-based electrode catalyst using a radical scavenger according to the present invention is a tandem catalyst in which an organic radical scavenger is coupled to a Fe-N-C-based catalyst structure. Here, the tandem catalyst is a catalyst in which two or more different catalysts are combined in a one-pot reaction. The tandem catalyst is characterized in that several types of catalysts can be used in a single molecule.

상기 Fe-N-C계 전극촉매는 라디칼 스캐빈저를 통해, 산소 환원 반응 시, 부산물로 생성되는 라디칼 형태의 활성산소 종을 제거할 수 있다. 따라서, Fe-N-C계 전극촉매의 성능 저하를 완화시키고, 전극촉매의 안정성을 확보할 수 있다.The Fe-N-C-based electrocatalyst can remove active oxygen species in the form of radicals generated as by-products during the oxygen reduction reaction through a radical scavenger. Therefore, it is possible to mitigate performance degradation of the Fe-N-C-based electrode catalyst and secure stability of the electrode catalyst.

본 발명에 따른 라디칼 스캐빈저를 이용한 Fe-N-C계 전극촉매는 탄소 기반의 촉매 구조체 및 라디칼 스캐빈저를 포함한다.The Fe—N—C based electrocatalyst using a radical scavenger according to the present invention includes a carbon-based catalyst structure and a radical scavenger.

상기 탄소 기반의 촉매 구조체는 탄소 지지체층을 포함한다. 상기 탄소 지지체층은 카본블랙, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, rGO(reduced graphene oxide), 및 금속-유기 골격체(Metal Organic Framework, MOF) 중 1종 이상을 포함한다. 여기서, 금속-유기 골격체는 금속이 유기 리간드를 통해 다리 연결되며, 결정성이 높은 다공성 네트워크를 형성한다. 또한, 금속-유기 골격체는 나노 크기의 세공 구조를 가지기 때문에 넓은 표면적을 가진다. The carbon-based catalyst structure includes a carbon support layer. The carbon support layer includes at least one of carbon black, graphene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, reduced graphene oxide (rGO), and a metal organic framework (MOF). Here, the metal-organic framework forms a highly crystalline porous network in which metals are bridged through organic ligands. In addition, since the metal-organic framework has a nano-sized pore structure, it has a large surface area.

상기 탄소 기반의 촉매 구조체는 상기 탄소 지지체층 상에 분산되어 있는 Fe-Nx 활성 사이트를 포함한다. 전이금속(M)-Nx 배위로 형성되는 활성 사이트는 촉매의 안정성을 부여하고, 촉매의 활성도를 높이는 역할을 한다. 여기서, x는 배위수로서, 금속 양이온과 리간드가 이루는 배위 결합의 수를 의미한다. 상기 리간드는 중심 금속 이온에 전자쌍을 제공하여 배위 결합을 형성하는 물질이다.The carbon-based catalyst structure includes Fe—N x active sites dispersed on the carbon support layer. The active site formed by the transition metal (M)-N x coordination provides stability to the catalyst and serves to increase the activity of the catalyst. Here, x is the coordination number and means the number of coordination bonds between the metal cation and the ligand. The ligand is a substance that provides a pair of electrons to the central metal ion to form a coordination bond.

상기 라디칼 스캐빈저는 탄소 기반의 촉매 구조체의 표면에 결합되어 있다. 상기 라디칼 스캐빈저는 산소 환원 반응 중 철과 과산화수소의 반응으로부터 발생하는 활성산소 종을 제거하여, 촉매를 안정화시키는 역할을 한다. The radical scavenger is bound to the surface of the carbon-based catalyst structure. The radical scavenger serves to stabilize the catalyst by removing active oxygen species generated from the reaction of iron and hydrogen peroxide during the oxygen reduction reaction.

상기 라디칼 스캐빈저는 축합고리를 포함하는 방향족 화합물이다. 상기 축합고리는 두 개 또는 그 이상의 고리가, 두 개 또는 그 이상의 원자를 공유한 형태의 고리 모양 구조를 가진다. 이러한 구조를 갖는 라디칼 스캐빈저는 촉매 구조체와 π-π결합이 가능하다. π-π결합의 강도는 상대적으로 약하지만, 충분한 양의 π-π결합을 형성함으로써, 상당한 강도를 만들어낼 수 있다. π-π결합은 평면 모양의 방향족 그룹이 평평하게 쌓여서, 서로 마주보는 형태의 구조를 이룬다. 상기 라디칼 스캐빈저는 라디칼과 반응하여, 상기 라디칼을 제거함과 동시에 라디칼을 안정화시킨다. 이를 위해, 상기 축합고리는 케톤기 및 히드록시기 중 1종 이상의 작용기로 치환된 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 축합고리는 C9 또는/및 C10 위치에 케톤기를 가진다. 그리고, 페닐기에 라디칼과 반응시킬 수 있는 추가적인 작용기가 치환된다. 상기 히드록시기는 라디칼과 반응하여, 전자 및 H+ 이동(electron transfer-proton transfer), 또는 히드록시기로부터 라디칼로의 수소 원자 제공(donation of hydrogen atom) 등을 통해 라디칼을 안정화시킬 수 있다. 이는 히드록시기의 위치와 작용기 개수에 따라 라디칼 스캐빈저의 활성도가 달라질 수 있음을 의미한다.The radical scavenger is an aromatic compound containing a condensed ring. The condensed ring has a ring-shaped structure in which two or more rings share two or more atoms. A radical scavenger having such a structure can form a π-π bond with the catalyst structure. Although the strength of π-π bonds is relatively weak, considerable strength can be achieved by forming sufficient amounts of π-π bonds. The π-π bond forms a structure in which planar aromatic groups are stacked flat, facing each other. The radical scavenger reacts with radicals to remove the radicals and at the same time stabilize the radicals. To this end, the condensed ring is preferably substituted with at least one functional group selected from a ketone group and a hydroxyl group. Specifically, the condensed ring has a ketone group at the C9 or/and C10 position. And, the phenyl group is substituted with an additional functional group capable of reacting with a radical. The hydroxy group may react with the radical to stabilize the radical through electron and H + transfer (electron transfer-proton transfer) or donation of hydrogen atom from the hydroxy group to the radical. This means that the activity of the radical scavenger may vary depending on the position of the hydroxyl group and the number of functional groups.

상기 축합고리를 포함하는 방향족 화합물은 예를 들어, 알리자린(Alizarin), 푸르푸린(Purpurin), 퀴날리자린(Quinalizarin), 안트라플라빅산(anthraflavic acid), 안트라퀴논(anthraquinone), (+)-카테킨((+)-catechin), 1,8-디히드록시안트라퀴논(1,8-dihydroxyanthraquinone), 1-히드록시안트라-9,10-퀴논(1-hydroxyanthra-9,10-quinone), 히드로퀴논(hydroquinone), 피로카테콜(pyrocatechol) 등을 포함하는 안트라퀴논 유도체일 수 있다. 또한, 상기 축합고리를 포함하는 방향족 화합물은 예를 들어, 바이칼린(baicalein), 퀘르세틴(quercetin) 등을 포함하는 플라보노이드계 물질일 수 있다. 상기 축합고리를 포함하는 방향족 화합물 중 일부를 [화합물]에 도시하였다.Aromatic compounds containing the condensed ring include, for example, Alizarin, Purpurin, Quinalizarin, anthraflavic acid, anthraquinone, (+)-catechin ((+)-catechin), 1,8-dihydroxyanthraquinone, 1-hydroxyanthra-9,10-quinone, hydroquinone ( It may be anthraquinone derivatives including hydroquinone), pyrocatechol, and the like. In addition, the aromatic compound including the condensed ring may be, for example, a flavonoid-based material including baicalein and quercetin. Some of the aromatic compounds containing the condensed ring are shown in [Compounds].

[화합물][compound]

상기 활성산소 종은 히드록실 라디칼, 슈퍼옥사이드 라디칼, 하이드로페록실 라디칼 등을 포함한다.The reactive oxygen species include hydroxyl radicals, superoxide radicals, hydroperoxyl radicals, and the like.

본 발명에 따른 라디칼 스캐빈저의 함량은 촉매 구조체 100중량부에 대하여, 1~10중량부인 것이 바람직하다. 함량이 1중량부 미만인 경우, 전극촉매의 안정성을 확보하기 어려울 수 있다. 반대로, 함량이 10중량부를 초과하는 경우, 안정성 향상의 추가적인 효과가 보이지 않을 수 있고, 오히려, 촉매의 활성을 저하시킬 수 있다.The content of the radical scavenger according to the present invention is preferably 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst structure. When the content is less than 1 part by weight, it may be difficult to secure the stability of the electrode catalyst. Conversely, when the content exceeds 10 parts by weight, the additional effect of improving stability may not be seen, and rather, the activity of the catalyst may be reduced.

이처럼, 라디칼 스캐빈저는 1~10중량부의 함량 범위에서, 촉매 구조체의 표면에 결합되어 활성산소 종의 제거 효과를 나타낼 수 있다.As such, the radical scavenger may be bound to the surface of the catalyst structure in an amount ranging from 1 to 10 parts by weight to exhibit an effect of removing active oxygen species.

도 1에 도시한 바와 같이, 안트라퀴논과 같은 유기물 라디칼 스캐빈저는 π-π 결합방식으로 촉매 구조체의 표면 일부에 결합될 수 있다. As shown in FIG. 1, an organic radical scavenger such as anthraquinone may be bonded to a portion of the surface of the catalyst structure in a π-π bond method.

도 2는 Fe-N-C계 전극촉매의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.2 is a flow chart showing a manufacturing method of an Fe-N-C-based electrocatalyst.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 라디칼 스캐빈저를 이용한 Fe-N-C계 전극촉매의 제조 방법은 탄소 기반의 촉매 구조체를 제조하는 단계(S110), 상기 탄소 기반의 촉매 구조체가 분산된 제1용액과 라디칼 스캐빈저가 분산된 제2용액을 혼합하여 초음파 처리하는 단계(S120), 필터링한 후 세척하는 단계(S130), 및 건조하여 Fe-N-C계 전극촉매를 제조하는 단계(S140)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the method for manufacturing an Fe-N-C-based electrocatalyst using a radical scavenger according to the present invention includes the step of preparing a carbon-based catalyst structure (S110), a first step in which the carbon-based catalyst structure is dispersed Mixing the solution and the second solution in which the radical scavenger is dispersed are treated with ultrasonic waves (S120), filtered and washed (S130), and dried to prepare an Fe—N—C-based electrocatalyst (S140). do.

탄소 기반의 촉매 구조체를 제조하는 단계(S110)Preparing a carbon-based catalyst structure (S110)

먼저, 탄소 지지체층 상에 있는 Fe-Nx 활성 사이트가 분산되도록, 탄소 기반의 촉매 구조체를 제조한다.First, a carbon-based catalyst structure is prepared so that Fe—N x active sites on the carbon support layer are dispersed.

탄소(C) 전구체, 철(Fe) 전구체, 질소(N) 전구체를 혼합한다.A carbon (C) precursor, an iron (Fe) precursor, and a nitrogen (N) precursor are mixed.

상기 탄소 전구체는 카본블랙, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, rGO(reduced graphene oxide), 및 금속-유기 골격체(Metal Organic Framework, MOF) 중 1종 이상을 포함한다. 상기 철 전구체는 Iron(II) acetate, Iron(II) chloride, Iron(II) sulfate 등과 같은 철 염을 포함할 수 있다. 상기 질소 전구체는 철-질소 리간드를 형성할 수 있도록, 질소를 포함하는 단량체, 및 질소를 포함하는 고분자 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 질소 전구체는 1, 10-페난쓰롤린(1,10-phenanthroline), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 멜라민(melamine) 등을 포함할 수 있다.The carbon precursor includes at least one of carbon black, graphene, carbon nanotube, carbon nanofiber, reduced graphene oxide (rGO), and metal organic framework (MOF). The iron precursor may include iron salts such as Iron(II) acetate, Iron(II) chloride, and Iron(II) sulfate. The nitrogen precursor may include at least one of a nitrogen-containing monomer and a nitrogen-containing polymer so as to form an iron-nitrogen ligand. For example, the nitrogen precursor may include 1,10-phenanthroline, polyaniline, polypyrrole, melamine, and the like.

이어서, 상기 혼합된 결과물을 800~1100℃에서 열처리한다. 상기 혼합된 결과물은 열처리를 거쳐 촉매 구조체로 형성된다. 열처리의 온도가 800℃ 미만이거나, 1100℃를 초과하는 경우, Fe-Nx 활성 사이트의 형성이 원활하게 일어나지 않을 수 있다.Subsequently, the mixed product is heat treated at 800 to 1100 ° C. The mixed product is formed into a catalyst structure through heat treatment. The temperature of heat treatment is 800℃ If it is less than or exceeds 1100 °C, the formation of Fe-N x active sites may not occur smoothly.

상기 탄소 기반의 촉매 구조체가 분산된 제1용액과 라디칼 스캐빈저가 분산된 제2용액을 혼합하여 초음파 처리하는 단계(S120)Mixing and ultrasonicating the first solution in which the carbon-based catalyst structure is dispersed and the second solution in which the radical scavenger is dispersed (S120)

이어서, 상기 탄소 기반의 촉매 구조체를 유기용매에 분산시킨 제1용액을 마련한다. 상기 유기용매는 에탄올, 메탄올 등과 같이, 촉매 구조체에 대하여 분산성을 갖는 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 유기용매는 촉매 구조체에 대하여 용해도가 낮은 용매를 사용한다.Subsequently, a first solution in which the carbon-based catalyst structure is dispersed in an organic solvent is prepared. As the organic solvent, it is preferable to use a solvent having dispersibility with respect to the catalyst structure, such as ethanol or methanol. In addition, as the organic solvent, a solvent having low solubility in the catalyst structure is used.

그리고, 라디칼 스캐빈저가 유기용매에 용해된 제2용액을 마련한다. 상기 유기용매는 에탄올, 메탄올 등과 같이 라디칼 스캐빈저에 대하여 용해도와 분산성을 갖는 용매일 수 있다. Then, a second solution in which the radical scavenger is dissolved in an organic solvent is prepared. The organic solvent may be a solvent having solubility and dispersibility with respect to radical scavengers, such as ethanol and methanol.

상기 제1용액과 상기 제2용액을 혼합하여 초음파 처리한다. 초음파 처리는 양호한 분산 효과를 발휘하기 위해 수행된다. 초음파 처리 과정에서 제1용액과 제2용액은 충분히 교반된다. 이 과정에서 촉매 구조체의 표면에 라디칼 스캐빈저가 π-π 결합 방식으로 결합된다. The first solution and the second solution are mixed and ultrasonicated. Sonication is performed to exert a good dispersing effect. During the sonication process, the first solution and the second solution are sufficiently stirred. In this process, the radical scavenger is bonded to the surface of the catalyst structure in a π-π bond method.

초음파 처리는 주파수가 1kHz 이상일 수 있다. 초음파 용량은 100W 이상일 수 있다. 상기 제1용액과 제2용액의 혼합 과정에서, 촉매 구조체 100중량부에 대하여, 라디칼 스캐빈저 1~10중량부가 혼합되는 것이 바람직하다. 라디칼 스캐빈저의 함량이 1중량부 미만인 경우, 전극촉매의 안정성을 확보하기 어려울 수 있다. 반대로, 함량이 10중량부를 초과하는 경우, 안정성 향상의 추가적인 효과가 보이지 않을 수 있고, 오히려, 촉매의 활성을 저하시킬 수 있다.Ultrasonic treatment may have a frequency greater than 1 kHz. Ultrasonic power may be 100 W or more. In the mixing process of the first solution and the second solution, it is preferable to mix 1 to 10 parts by weight of the radical scavenger with respect to 100 parts by weight of the catalyst structure. When the content of the radical scavenger is less than 1 part by weight, it may be difficult to secure the stability of the electrode catalyst. Conversely, when the content exceeds 10 parts by weight, the additional effect of improving stability may not be seen, and rather, the activity of the catalyst may be reduced.

필터링한 후 세척하는 단계(S130)Step of washing after filtering (S130)

이어서, 초음파 처리된 용액을 필터링한 후 세척한다. 상기 필터링은 진공펌프를 이용하여 수행될 수 있다. 필터링 후 남겨진 결과물은 라디칼 스캐빈저가 결합된 촉매 구조체이며, 분말 형태로 남아있게 된다.Then, the sonicated solution is filtered and then washed. The filtering may be performed using a vacuum pump. The product remaining after filtering is a catalyst structure to which the radical scavenger is bound, and remains in the form of a powder.

상기 분말 형태의 결과물을 에탄올, 메탄올, 증류수와 같은 세척수로 1~3회 세척한다.The powdered product is washed 1 to 3 times with washing water such as ethanol, methanol, and distilled water.

건조하여 Fe-N-C계 전극촉매를 제조하는 단계(S140)Drying to prepare an Fe-N-C-based electrode catalyst (S140)

이어서, 상기 세척된 결과물을 건조하여 Fe-N-C계 전극촉매를 제조한다.Subsequently, the washed product is dried to prepare an Fe—N—C based electrocatalyst.

이처럼, 본 발명에 따른 라디칼 스캐빈저를 이용한 Fe-N-C계 전극촉매는 탄소 기반의 촉매 구조체의 표면에 라디칼 스캐빈저가 π-π 결합 방식으로 결합된 구조를 가진다. 상기 라디칼 스캐빈저를 이용함으로써, 전극촉매의 성능을 저해하는 라디칼 형태의 활성산소 종을 제거할 수 있다. 또한, 상기 라디칼 스캐빈저를 이용함으로써, 전극촉매를 안정화시키는 효과가 있다. 아울러, Fe-N-C계 전극촉매는 장기간 연료전지에 적용했을 때, 우수한 내구성을 확보할 수 있다. 이에 따라, 고가의 백금촉매를 Fe-N-C계 전극촉매로 대체할 수 있다.As such, the Fe-N-C-based electrocatalyst using the radical scavenger according to the present invention has a structure in which the radical scavenger is bonded to the surface of the carbon-based catalyst structure in a π-π bond method. By using the radical scavenger, active oxygen species in the form of radicals that hinder the performance of the electrocatalyst can be removed. In addition, by using the radical scavenger, there is an effect of stabilizing the electrode catalyst. In addition, the Fe—N—C based electrode catalyst can secure excellent durability when applied to a fuel cell for a long period of time. Accordingly, the expensive platinum catalyst can be replaced with the Fe-N-C-based electrode catalyst.

이와 같이 라디칼 스캐빈저를 이용한 Fe-N-C계 전극촉매에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.As described above, a specific example of the Fe—N—C based electrode catalyst using a radical scavenger is as follows.

1. Fe-N-C계 전극촉매의 제조1. Preparation of Fe-N-C-based Electrocatalyst

실시예Example

MOF 기반의 Fe-N-C 촉매 구조체 샘플을 제조하였다. Iron(Ⅱ) acetate(0.5wt%), 1,10-phenanthroline(19.9wt%), zeolitic imidazolate framework(Basolite Z1200-ZIF8로 명시)(79.6wt%) 전구체를 ZrO2 도가니에 담고, 5mm 직경의 zirconium oxide 볼 100개를 추가한다. 해당 용기를 실링하여, 볼 밀러에서 400rpm으로 30분씩 총 4 싸이클 반복하여 분쇄한다. 분쇄 후, 해당 전구체 혼합물을 퍼니스(furnace)에서 질소 분위기 존재 하에서 1050℃로 1시간 동안 열처리한다. 해당 촉매 전구체는 0.5wt%의 철을 포함하며 phenanthroline : ZIF-8의 비율은 2 : 8 이다. 그 후, 합성된 Fe-N-C 촉매 구조체(FeNC-dry-0.5로 표기)는 메탄올에 분산시킨다. MOF-based Fe-NC catalyst structure samples were prepared. Iron(II) acetate (0.5wt%), 1,10-phenanthroline (19.9wt%), and zeolitic imidazolate framework (specified as Basolite Z1200-ZIF8) (79.6wt%) precursors were placed in a ZrO 2 crucible, and 5 mm diameter zirconium Add 100 oxide balls. The container is sealed and pulverized by repeating a total of 4 cycles for 30 minutes at 400 rpm in a ball mill. After pulverization, the precursor mixture is heat-treated at 1050° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere in a furnace. The catalyst precursor contained 0.5 wt% of iron and the ratio of phenanthroline:ZIF-8 was 2:8. Then, the synthesized Fe-NC catalyst structure (denoted as FeNC-dry-0.5) was dispersed in methanol.

Fe-N-C 촉매 구조체에 적용하고자 하는 라디칼 스캐빈저를 π-π 결합방식으로 결합시키는 방법은 다음과 같다. The method of combining the radical scavenger to be applied to the Fe-N-C catalyst structure in a π-π bond method is as follows.

라디칼 스캐빈저로 작용하는 해당 방향족 화합물을 메탄올에 용해시킨다. 앞서 Fe-N-C 촉매 구조체를 분산시킨 용액에 라디칼 스캐빈저를 녹인 메탄올을 혼합한다. 라디칼 스캐빈저 함유량(3중량부, 10중량부)에 따라, 각각에 대해 해당 방향족 화합물의 중량부 : Fe-N-C촉매의 중량부가 3 : 100 또는 10 : 100 이 되도록 한다. 혼합용액을 충분히 교반시킨 후, 약 30분 동안 주파수 40 kHz, 초음파 용량 300W의 조건에서 초음파 처리한다. The corresponding aromatic compound, acting as a radical scavenger, is dissolved in methanol. Methanol in which the radical scavenger is dissolved is mixed with the solution in which the Fe—N—C catalyst structure was previously dispersed. Depending on the radical scavenger content (3 parts by weight, 10 parts by weight), the weight part of the aromatic compound: the weight part of the Fe-N-C catalyst is 3: 100 or 10: 100, respectively. After sufficiently stirring the mixed solution, ultrasonic treatment is performed for about 30 minutes under conditions of a frequency of 40 kHz and an ultrasonic power of 300 W.

그 후, 진공펌프를 이용하여 결과물을 필터링하고, 메탄올로 2회 세척하였다. 최종 세척 1회는 DI water로 진행하였다. 그 결과 얻어진 촉매 파우더를 70℃ 오븐에서 6시간 동안 건조시켰다. 이어서, 건조된 결과물을 진공오븐으로 옮겨 70℃ 온도 조건에서 24시간 동안 보관하였다. After that, the resultant was filtered using a vacuum pump and washed twice with methanol. One final wash was performed with DI water. The resulting catalyst powder was dried in an oven at 70° C. for 6 hours. Subsequently, the dried product was transferred to a vacuum oven and stored for 24 hours at 70° C. temperature condition.

이와 동일한 방식으로, 라디칼 스캐빈저를 종류별로 진행하였다.In the same way, the radical scavenger was performed by type.

2. 물성 평가 방법 및 그 결과2. Physical property evaluation method and result

상기 촉매의 산소 환원 반응에 대한 활성은 다음과 같은 조건에서 측정하였다. 0.1M HClO4 조건에서 RDE(Rotating Disk Electrode)에 촉매를 800μgcm-2 로딩하여 900rpm, 10mV/s로 조절한 후, LSV(Linear Sweep Voltammetry) 그래프를 얻어 촉매의 활성 감소량(활성 변화량)을 측정하였다. The activity of the catalyst for the oxygen reduction reaction was measured under the following conditions. 800μgcm -2 of catalyst was loaded on RDE (Rotating Disk Electrode) under 0.1M HClO 4 conditions and adjusted to 900rpm and 10mV/s, and then LSV (Linear Sweep Voltammetry) graph was obtained to measure the amount of decrease in activity (change in activity) of the catalyst. .

상기 촉매의 항산화 효과(라디칼 스캐빈저 포함)를 측정하기 위한 목적으로, 라디칼의 공급원인 과산화수소를 0.1M HClO4 전해질의 1wt%가 되도록 주입하였다. 이때, 온도는 50℃로 유지하였다. 해당 과산화수소 처리는 2시간 동안 진행하였다. 도 3 및 도 4는 과산화수소 처리 전/후의 산소 환원 반응에 대한 LSV 그래프를 모두 나타낸 결과이다. 항산화 효과에 대한 비교는, 라디칼 스캐빈저를 결합하지 않은 본래의 Fe-N-C 촉매(FeNC-dry-0.5)의 과수처리 전/후의 LSV 그래프를 얻어 촉매의 활성 감소량을 비교하였다. 활성 감소량(활성 변화량)은 촉매의 과수처리 전/후에 대한 특정 포텐셜(0.8VRHE)에서의 전류밀도의 비(백분율,%)로 나타내었다.For the purpose of measuring the antioxidant effect of the catalyst (including a radical scavenger), hydrogen peroxide, a source of radicals, was injected into 1 wt% of 0.1M HClO 4 electrolyte. At this time, the temperature was maintained at 50 °C. The hydrogen peroxide treatment was performed for 2 hours. 3 and 4 are results showing all LSV graphs for the oxygen reduction reaction before and after hydrogen peroxide treatment. For comparison of the antioxidant effect, LSV graphs of the original Fe-NC catalyst (FeNC-dry-0.5) not bound to the radical scavenger before and after overwater treatment were obtained and the amount of reduction in activity of the catalyst was compared. The amount of decrease in activity (change in activity) was expressed as a ratio (percentage, %) of the current density at a specific potential (0.8V RHE ) before and after the overwater treatment of the catalyst.

도 3은 본 발명에서 라디칼 스캐빈저를 적용한 Fe-N-C 전극촉매 (해당 방향족 화합물의 중량부 : Fe-N-C 전극촉매의 중량부 = 3 : 100)와, 라디칼 스캐빈저를 결합하지 않은 본래의 Fe-N-C 촉매(FeNC-dry-0.5)의 과수처리 전/후의 활성 감소량을 나타낸 그래프이다.Figure 3 shows the Fe-N-C electrocatalyst to which the radical scavenger is applied in the present invention (parts by weight of the aromatic compound: parts by weight of the Fe-N-C electrocatalyst = 3:100) and the original without combining the radical scavenger It is a graph showing the decrease in activity of Fe-N-C catalyst (FeNC-dry-0.5) before and after overwater treatment.

라디칼 스캐빈저는 안트라퀴논, 알리자린, 퍼퓨린, 바이칼린, 퀘르세틴과 같이 총 5가지를 적용하였다. 3중량부의 라디칼 스캐빈저를 적용한 전극촉매와 기존의 FeNC-dry-0.5 촉매를 비교했을 때, 라디칼 스캐빈저를 적용한 전극촉매는 활성 감소량이 월등히 작은 것으로 나타났다. 이는 라디칼 스캐빈저가 촉매 표면에서 생성된 라디칼을 제거하고, 라디칼을 안정화시켰기 때문에, 촉매의 성능 저하를 완화한 것으로 보인다.A total of five radical scavengers were applied: anthraquinone, alizarin, purpurin, baicalin, and quercetin. When comparing the electrocatalyst with 3 parts by weight of radical scavenger and the existing FeNC-dry-0.5 catalyst, the electrocatalyst with radical scavenger showed a much smaller decrease in activity. This seems to mitigate the performance degradation of the catalyst because the radical scavenger removed the radicals generated on the catalyst surface and stabilized the radicals.

도 4는 본 발명에서 라디칼 스캐빈저를 적용한 Fe-N-C 전극촉매 (해당 방향족 화합물의 중량부 : Fe-N-C촉매의 중량부 = 10 : 100)와, 라디칼 스캐빈저를 결합하지 않은 본래의 Fe-N-C 촉매(FeNC-dry-0.5)의 과수처리 전/후의 활성감소량을 나타낸 그래프이다.Figure 4 shows the Fe-N-C electrode catalyst to which the radical scavenger is applied in the present invention (parts by weight of the aromatic compound: parts by weight of the Fe-N-C catalyst = 10: 100) and the original Fe without the radical scavenger - This is a graph showing the amount of activity reduction before and after overwater treatment of the N-C catalyst (FeNC-dry-0.5).

라디칼 스캐빈저는 안트라퀴논, 알리자린과 같이 총 2가지를 적용하였다. 10중량부의 라디칼 스캐빈저를 적용한 전극촉매와 기존의 FeNC-dry-0.5 촉매를 비교했을 때, 라디칼 스캐빈저를 적용한 전극촉매는 활성 감소량이 월등히 작은 것으로 나타났다. 이는 라디칼 스캐빈저가 촉매 표면에서 생성된 라디칼을 제거하고, 라디칼을 안정화시켰기 때문에, 촉매의 성능 저하를 완화한 것으로 보인다.A total of two radical scavengers, such as anthraquinone and alizarin, were applied. When comparing the electrocatalyst with 10 parts by weight of radical scavenger and the existing FeNC-dry-0.5 catalyst, the electrocatalyst with radical scavenger showed a much smaller decrease in activity. This seems to mitigate the performance degradation of the catalyst because the radical scavenger removed the radicals generated on the catalyst surface and stabilized the radicals.

도 3 및 도 4의 결과는 생체분야에서 라디칼 스캐빈저로 알려진 방향족 화합물이, 중성 pH가 아닌 산성 전해질 환경에서, 단위물질이 아닌 Fe-N-C 촉매 표면에 결합했을 때에도, 스캐빈저 역할을 수행하는 것을 의미한다. The results of FIGS. 3 and 4 show that aromatic compounds, known as radical scavengers in the biological field, act as scavengers even when bound to the Fe-N-C catalyst surface, which is not a unit material, in an acidic electrolyte environment other than neutral pH. means to do

따라서, 본 발명의 라디칼 스캐빈저를 적용한 Fe-N-C계 전극촉매를 통해, 산소 환원 반응 중 부산물로 발생하는 과수와, 촉매 구조체의 철(Fe2+)이 반응하여 생성되는 히드록실 라디칼과, 그 외 추가적으로 유도될 수 있는 활성산소 종을 제거하고, 전극촉매를 안정화할 수 있다. 이에 따라, 전극촉매의 성능 저하를 극복할 수 있다. 연료전지에 상기 전극촉매를 장기적으로 적용한 경우, 내구성을 확보할 수 있는 것으로 보인다.Therefore, through the Fe-NC-based electrocatalyst to which the radical scavenger of the present invention is applied, fruit trees generated as by-products during the oxygen reduction reaction and iron (Fe 2+ ) of the catalyst structure react with hydroxyl radicals, In addition, reactive oxygen species that may be additionally induced may be removed and the electrocatalyst may be stabilized. Accordingly, it is possible to overcome the performance degradation of the electrode catalyst. When the electrode catalyst is applied to a fuel cell for a long period of time, it seems that durability can be secured.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to the above embodiments and can be manufactured in various different forms, and those skilled in the art in the art to which the present invention belongs A person will understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting.

Claims (7)

탄소 기반의 촉매 구조체; 및
상기 탄소 기반의 촉매 구조체의 표면에 결합되어 있는 라디칼 스캐빈저(radical scavenger);를 포함하고,
상기 탄소 기반의 촉매 구조체는
탄소 지지체층;
상기 탄소 지지체층 상에 분산되어 있는 Fe-Nx 활성 사이트;를 포함하며,
상기 라디칼 스캐빈저는 축합고리를 포함하는 방향족 화합물이며,
상기 축합고리는 케톤기 및 히드록시기 중 1종 이상의 작용기로 치환된
Fe-N-C계 전극촉매.
a carbon-based catalyst structure; and
A radical scavenger bonded to the surface of the carbon-based catalyst structure;
The carbon-based catalyst structure
a carbon support layer;
It includes; Fe—N x active sites dispersed on the carbon support layer,
The radical scavenger is an aromatic compound containing a condensed ring,
The condensed ring is substituted with at least one functional group selected from a ketone group and a hydroxyl group.
Fe-NC-based electrode catalyst.
제1항에 있어서,
상기 탄소 지지체층은 카본블랙, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, rGO(reduced graphene oxide), 및 금속-유기 골격체(Metal Organic Framework, MOF) 중 1종 이상을 포함하는
Fe-N-C계 전극촉매.
According to claim 1,
The carbon support layer includes at least one of carbon black, graphene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, reduced graphene oxide (rGO), and a metal organic framework (MOF).
Fe-NC-based electrode catalyst.
(a) 탄소 지지체층 상에 있는 Fe-Nx 활성 사이트가 분산되도록, 탄소 기반의 촉매 구조체를 제조하는 단계;
(b) 상기 탄소 기반의 촉매 구조체를 유기용매에 분산시킨 제1용액과, 라디칼 스캐빈저가 유기용매에 용해된 제2용액을 혼합하여 초음파 처리하는 단계;
(c) 초음파 처리된 용액을 필터링한 후 세척하는 단계; 및
(d) 상기 세척된 결과물을 건조하여 Fe-N-C계 전극촉매를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 (b) 단계에서, 탄소 기반의 촉매 구조체의 표면에 라디칼 스캐빈저가 결합되며,
상기 라디칼 스캐빈저는 축합고리를 포함하는 방향족 화합물이며,
상기 축합고리는 케톤기 및 히드록시기 중 1종 이상의 작용기로 치환된
Fe-N-C계 전극촉매의 제조 방법.
(a) preparing a carbon-based catalyst structure so that Fe—N x active sites on the carbon support layer are dispersed;
(b) mixing a first solution in which the carbon-based catalyst structure is dispersed in an organic solvent and a second solution in which a radical scavenger is dissolved in an organic solvent, and performing ultrasonic treatment;
(c) washing after filtering the sonicated solution; and
(d) preparing an Fe-NC-based electrocatalyst by drying the washed product;
In the step (b), a radical scavenger is bound to the surface of the carbon-based catalyst structure,
The radical scavenger is an aromatic compound containing a condensed ring,
The condensed ring is substituted with at least one functional group selected from a ketone group and a hydroxyl group.
Manufacturing method of Fe-NC-based electrocatalyst.
제3항에 있어서,
상기 (a) 탄소 지지체층 상에 있는 Fe-Nx 활성 사이트가 분산되도록, 탄소 기반의 촉매 구조체를 제조하는 단계는,
(a1) 탄소(C) 전구체, 철(Fe) 전구체, 질소(N) 전구체를 혼합하는 단계; 및
(a2) 혼합된 결과물을 800~1100℃에서 열처리하는 단계;를 포함하는,
Fe-N-C계 전극촉매의 제조 방법.
According to claim 3,
The (a) step of preparing a carbon-based catalyst structure so that the Fe—N x active sites on the carbon support layer are dispersed,
(a1) mixing a carbon (C) precursor, an iron (Fe) precursor, and a nitrogen (N) precursor; and
(a2) heat-treating the mixed result at 800 to 1100 ° C; including,
Manufacturing method of Fe-NC-based electrocatalyst.
제4항에 있어서,
상기 탄소(C) 전구체는 카본블랙, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, rGO, 및 금속-유기 골격체(MOF) 중 1종 이상을 포함하는,
Fe-N-C계 전극촉매의 제조 방법.
According to claim 4,
The carbon (C) precursor includes at least one of carbon black, graphene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, rGO, and metal-organic frameworks (MOFs).
Manufacturing method of Fe-NC-based electrocatalyst.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111489898A (en) * 2020-04-16 2020-08-04 嘉兴学院 Preparation method of low-cost ZnNCN material
CN113083272A (en) * 2021-03-31 2021-07-09 合肥工业大学 FeNxPreparation method of nano-particle doped bamboo-like carbon nano-tube

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Catalysts, 2015, 5, 1333(2015.07.24.) 1부.*
Electrochem. Commum., 2018, 88, 19(2018.01.31.) 1부.*

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