KR102582005B1 - Method for manufacturing a nano-catalyst film including a nano-porous graphene membrane, and a method for manufacturing a nano-catalyst electrode including the same - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는, (i) 그래핀 시트 분산액을 준비하는 단계; (ii) 여과 멤브레인 상에 상기 그래핀 시트 분산액을 도포하고 진공 여과하여 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 형성하는 단계; (iii) 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인 상에 촉매 분산액을 도포하고 진공 여과하여 촉매 필름을 형성하는 단계; 및 (iv) 상기 여과 멤브레인을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노 촉매 필름 제조방법을 제공한다.
상기 구성에 따르면, 촉매 물질의 종류에 구애받지 않고, 도전재 및 바인더와의 결합 없이도 촉매를 지지체인 나노 다공성 그래핀 멤브레인에 로딩할 수 있으며, 나노 크기의 촉매라도 손실 없이 지지체인 나노 다공성 그래핀 멤브레인에 로딩할 수 있으며, 저렴한 비용으로 간단하게 대면적 제작이 가능한 나노 촉매 필름 제조방법을 제공할 수 있다.
One embodiment of the present invention includes (i) preparing a graphene sheet dispersion; (ii) forming a nanoporous graphene membrane by applying the graphene sheet dispersion on a filtration membrane and vacuum filtering; (iii) forming a catalyst film by applying a catalyst dispersion on the nanoporous graphene membrane and vacuum filtering; and (iv) removing the filtration membrane.
According to the above configuration, regardless of the type of catalyst material, the catalyst can be loaded onto the nanoporous graphene membrane as a support without binding to a conductive material or binder, and even a nano-sized catalyst can be loaded into the nanoporous graphene as a support without loss. It is possible to provide a nano catalyst film manufacturing method that can be loaded onto a membrane and can be easily manufactured in a large area at low cost.

Description

나노 다공성 그래핀 멤브레인을 포함하는 나노 촉매 필름 제조방법 및 이를 포함하는 나노 촉매 전극 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING A NANO-CATALYST FILM INCLUDING A NANO-POROUS GRAPHENE MEMBRANE, AND A METHOD FOR MANUFACTURING A NANO-CATALYST ELECTRODE INCLUDING THE SAME}Method for manufacturing a nano catalyst film containing a nano-porous graphene membrane and a method for manufacturing a nano catalyst electrode containing the same THE SAME}

본 발명은 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 포함하는 나노 촉매 필름 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 임의의 나노 촉매를 효과적으로 포함할 수 있는 나노 다공성 그래핀 멤브레인과 이에 포함된 나노 촉매를 구성으로 하는 나노 촉매 필름의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a nano catalyst film containing a nano-porous graphene membrane, and more specifically, to a nano-catalyst film comprising a nano-porous graphene membrane capable of effectively containing any nano catalyst and a nano catalyst contained therein. It relates to a method of manufacturing a catalyst film.

수소 생성 반응 등 여러 반응에서 촉매가 활용된다.Catalysts are used in many reactions, including hydrogen production reactions.

촉매는 활성 부위가 입자의 표면에 위치하며, 따라서 촉매의 효율적인 활용을 위해서는 촉매 입자의 표면적을 넓혀야 한다. 촉매 입자의 크기가 작아질수록 전체 촉매의 표면적이 넓어진다. 다만 반응 환경에 따라 촉매 입자의 표면적 증가에 한계가 발생하곤 한다.The active site of the catalyst is located on the surface of the particle, and therefore, the surface area of the catalyst particle must be expanded for efficient utilization of the catalyst. As the size of the catalyst particles decreases, the overall surface area of the catalyst increases. However, depending on the reaction environment, there are often limits to the increase in surface area of catalyst particles.

예를 들어 수소 생성 반응과 같은 기상 반응에서는 반응 기체가 촉매 막(필터)을 지나며 생성 기체로 변환되는데, 이때 촉매는 일반적으로 그 자체로는 막을 형성하지 못하며, 지지체 막에 도전재, 바인더와 함께 결합하여 사용되므로 표면적에 손실이 발생한다.For example, in a gas phase reaction such as a hydrogen production reaction, the reaction gas passes through a catalyst membrane (filter) and is converted into a product gas. In this case, the catalyst generally does not form a membrane by itself, but is combined with a conductive material and a binder in the support membrane. Since they are used in combination, there is a loss in surface area.

또한 기존에 촉매를 지지체 막에 로딩하는 방법들은 촉매의 크기가 나노 크기로 작아짐에 따라 촉매 손실률이 높았으며, 결과적으로 이를 사용한 촉매 반응의 효율이 감소했다.Additionally, existing methods of loading a catalyst onto a support membrane had a high catalyst loss rate as the size of the catalyst decreased to nano-sized, and as a result, the efficiency of the catalytic reaction using it decreased.

일반적으로 이상적인 촉매로 대두되는 물질이 희소하고 고가의 Pt 계열 물질인 점에서 촉매가 지지체 막에 도전재, 바인더와 함께 사용되어 발생하는 표면적 손실은 기술의 상업화 측면에서도 필히 해결되어야 하는 문제이다.Since the material that is generally considered an ideal catalyst is a rare and expensive Pt-based material, the surface area loss that occurs when the catalyst is used together with a conductive material and binder in a support membrane is a problem that must be solved in terms of commercialization of the technology.

상기 문제를 해결하고자, 미국 등록특허 제10689537(발명의 명칭 : Dispersions of holey graphene materials and applications thereof)은 (1) 에천트 및 그래핀 산화물 시트를 포함하는 혼합물을 처리하여 다공성 그래핀 산화물 시트를 형성하고, (2) 다공성 그래핀 산화물 시트를 용매에 분산시켜 다공성 그래핀 산화물 시트를 포함하는 다공성 그래핀 산화물 분산액을 형성한 후, (3) 다공성 그래핀 산화물 분산액을 환원 조건으로 처리하여 그래핀-기반 물질로의 다공성 그래핀 산화물 시트의 자기-조립을 얻는 것을 포함하는 그래핀 기반 물질의 제조 방법을 개시하고 있다.In order to solve the above problem, US Patent No. 10689537 (Dispersions of holey graphene materials and applications thereof) provides (1) processing a mixture containing an etchant and a graphene oxide sheet to form a porous graphene oxide sheet and (2) dispersing the porous graphene oxide sheet in a solvent to form a porous graphene oxide dispersion containing the porous graphene oxide sheet, and then (3) treating the porous graphene oxide dispersion under reducing conditions to form a graphene- A method for making a graphene-based material is disclosed comprising obtaining self-assembly of porous graphene oxide sheets into a base material.

다만, 선행발명이 개시하는 기술은 그래핀을 산화 후 다시 환원하는 과정에서 그래핀 자체의 높은 전기전도도를 크게 훼손하는 문제가 있다.However, the technology disclosed in the prior invention has the problem of greatly damaging the high electrical conductivity of graphene itself in the process of reducing graphene after oxidizing it.

따라서 촉매의 표면적 손실을 최소화하면서도 촉매 및 지지체의 고유 특성을 훼손하지 않는 기술 개발이 시급한 상황이다.Therefore, there is an urgent need to develop technology that minimizes the loss of catalyst surface area while not damaging the unique properties of the catalyst and support.

미국 등록 특허 제10689537호US Patent No. 10689537

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 바인더 없이 촉매를 활용할 수 있는 지지체와 이를 포함하는 촉매 필름의 제조방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention to solve the above problems is to provide a support that can utilize a catalyst without a binder and a method of manufacturing a catalyst film containing the same.

본 발명의 또 다른 목적은, 촉매의 크기가 작을수록 촉매 특성이 우수해지므로 나노 크기의 촉매를 손실 없이 포함할 수 있는 지지체와 이를 포함하는 나노 촉매 필름의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a support that can contain a nano-sized catalyst without loss and a method for manufacturing a nano catalyst film containing the same, since the smaller the size of the catalyst, the better the catalytic properties.

본 발명의 또 다른 목적은, 간단하고 대면적 제작이 가능하며, 비용이 저렴한 지지체 제조방법과 이를 포함하는 나노 촉매 필름의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a support that is simple, large-area, and low-cost, and a method for manufacturing a nanocatalyst film containing the same.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예인 나노 촉매 필름 제조방법은, (i) 그래핀 시트 분산액을 준비하는 단계; (ii) 여과 멤브레인 상에 상기 그래핀 시트 분산액을 도포하고 진공 여과하여 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 형성하는 단계; (iii) 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인 상에 촉매 분산액을 도포하고 진공 여과하여 촉매 필름을 형성하는 단계; 및 (iv) 상기 여과 멤브레인을 제거하는 단계;를 구성으로 포함한다.In order to achieve the above technical problem, a nano catalyst film manufacturing method according to an embodiment of the present invention includes the steps of: (i) preparing a graphene sheet dispersion; (ii) forming a nanoporous graphene membrane by applying the graphene sheet dispersion on a filtration membrane and vacuum filtering; (iii) forming a catalyst film by applying a catalyst dispersion on the nanoporous graphene membrane and vacuum filtering; and (iv) removing the filtration membrane.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계 및 (iii) 단계 사이에 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 진공에서 건조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the step of drying the nanoporous graphene membrane in a vacuum between steps (ii) and (iii) may be further included.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인은, 10nm 이상 100nm 미만의 두께로 형성되는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the nanoporous graphene membrane may be formed to have a thickness of 10 nm or more and less than 100 nm.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계의 상기 그래핀 시트 분산액의 진공 여과는, 1ml/min 이상 2ml/min 미만의 속도로 수행되는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the vacuum filtration of the graphene sheet dispersion in step (ii) may be performed at a rate of 1 ml/min or more and less than 2 ml/min.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (iii) 단계의 상기 촉매는 MoS2, LSCO 및 이들을 결합한 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the catalyst in step (iii) may include one or more selected from the group of MoS 2, LSCO, and a combination thereof.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예인 나노 촉매 전극 제조방법은, (i) 그래핀 시트 분산액을 준비하는 단계; (ii) 여과 멤브레인 상에 상기 그래핀 시트 분산액을 도포하고 진공 여과하여 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 형성하는 단계; (iii) 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인 상에 촉매 분산액을 도포하고 진공 여과하여 촉매 필름을 형성하는 단계; (iv) 상기 여과 멤브레인을 제거하는 단계; 및 (v) 상기 촉매 필름을 전극에 전사하는 단계;를 구성으로 포함한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention, a nano catalyst electrode manufacturing method, includes the steps of: (i) preparing a graphene sheet dispersion; (ii) forming a nanoporous graphene membrane by applying the graphene sheet dispersion on a filtration membrane and vacuum filtering; (iii) forming a catalyst film by applying a catalyst dispersion on the nanoporous graphene membrane and vacuum filtering; (iv) removing the filtration membrane; and (v) transferring the catalyst film to an electrode.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계 및 (iii) 단계 사이에 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 진공에서 건조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the step of drying the nanoporous graphene membrane in a vacuum between steps (ii) and (iii) may be further included.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인은, 10nm 이상 100nm 미만의 두께로 형성되는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the nanoporous graphene membrane may be formed to have a thickness of 10 nm or more and less than 100 nm.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계의 상기 그래핀 시트 분산액의 진공 여과는, 1ml/min 이상 2ml/min 미만의 속도로 수행되는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the vacuum filtration of the graphene sheet dispersion in step (ii) may be performed at a rate of 1 ml/min or more and less than 2 ml/min.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (iii) 단계의 상기 촉매는 MoS2, LSCO 및 이들을 결합한 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the catalyst in step (iii) may include one or more selected from the group of MoS 2, LSCO, and a combination thereof.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기 나노 촉매 필름 제조방법에 따라 제조한 나노 촉매 필름을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention provides a nano catalyst film manufactured according to the nano catalyst film manufacturing method.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기 나노 촉매 전극 제조방법에 따라 제조한 나노 촉매 전극을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention provides a nano catalyst electrode manufactured according to the nano catalyst electrode manufacturing method.

상기와 같은 구성에 따르면 본 발명의 효과는, 촉매 물질의 종류에 구애받지 않고 도전재 및 바인더와의 결합 없이도 촉매를 지지체인 나노 다공성 그래핀 멤브레인에 로딩할 수 있다.According to the above configuration, the effect of the present invention is that the catalyst can be loaded onto the nanoporous graphene membrane, which is a support, without being restricted by the type of catalyst material and without binding to a conductive material or binder.

또 다른 효과는, 나노 크기의 촉매라도 손실 없이 지지체인 나노 다공성 그래핀 멤브레인에 로딩할 수 있다.Another effect is that even nano-sized catalysts can be loaded onto the support nanoporous graphene membrane without loss.

또 다른 효과는, 저렴한 비용으로 간단하게 대면적 제작이 가능한 나노 촉매 필름 제조방법을 제공할 수 있다.Another effect is that it can provide a nano catalyst film manufacturing method that can be easily manufactured in a large area at a low cost.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도1은 본 발명의 실시예인 나노 촉매 필름 제조방법의 순서도이다.
도2는 본 발명의 실시예인 나노 촉매 전극 제조방법의 순서도이다.
도3은 본 발명의 실시예인 나노 촉매 전극 제조방법의 모식도이다.
도4는 (a) 나노 다공성 그래핀 멤브레인이 없는 경우 촉매의 로딩 (b) 나노 다공성 그래핀 멤브레인이 있는 경우 촉매의 로딩을 비교하여 나타낸 이미지이다.
도5는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 나노 촉매 필름의 단면을 나타낸 SEM 이미지이다.
도6은 나노 촉매 분산액 자체와 AAO 멤브레인, 나노 다공성 그래핀 멤브레인-AAO 멤브레인, carbon paper를 통해 여과된 나노 촉매 분산액의 흡광도를 측정하여 멤브레인의 촉매 로딩 성능을 비교한 데이터이다.
도7은 본 발명의 실시예에 따라 제조한 나노 촉매 필름의 성능을 측정하기 위해 (a) MoS2, (b) LSCO를 촉매로 하여 제조한 나노 촉매 필름의 전기적 특성을 측정한 Linear sweep voltammogram이다.
Figure 1 is a flowchart of a nano catalyst film manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flowchart of a nano catalyst electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram of a nano catalyst electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is an image showing comparison of (a) catalyst loading without a nanoporous graphene membrane and (b) catalyst loading with a nanoporous graphene membrane.
Figure 5 is an SEM image showing a cross section of a nano catalyst film prepared according to an example of the present invention.
Figure 6 shows data comparing the catalyst loading performance of the membranes by measuring the absorbance of the nanocatalyst dispersion itself, AAO membrane, nanoporous graphene membrane-AAO membrane, and nanocatalyst dispersion filtered through carbon paper.
Figure 7 is a linear sweep voltammogram measuring the electrical properties of a nano catalyst film prepared using (a) MoS 2 and (b) LSCO as a catalyst to measure the performance of the nano catalyst film prepared according to an example of the present invention. .

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms and, therefore, is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, combined)" with another part, this means not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member in between. "Includes cases where it is. Additionally, when a part is said to “include” a certain component, this does not mean that other components are excluded, but that other components can be added, unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도1은 본 발명의 실시예인 나노 촉매 필름 제조방법의 순서도이다.Figure 1 is a flowchart of a nano catalyst film manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도1을 참고하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예인 나노 촉매 필름 제조방법은, (i) 그래핀 시트 분산액을 준비하는 단계(S100); (ii) 여과 멤브레인 상에 상기 그래핀 시트 분산액을 도포하고 진공 여과하여 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 형성하는 단계(S200); (iii) 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인 상에 촉매 분산액을 도포하고 진공 여과하여 촉매 필름을 형성하는 단계(S300); 및 (iv) 상기 여과 멤브레인을 제거하는 단계(S400);를 포함한다.When described with reference to Figure 1, a nano catalyst film manufacturing method according to an embodiment of the present invention includes (i) preparing a graphene sheet dispersion (S100); (ii) forming a nano-porous graphene membrane by applying the graphene sheet dispersion on a filtration membrane and vacuum filtering (S200); (iii) forming a catalyst film by applying a catalyst dispersion on the nanoporous graphene membrane and vacuum filtering (S300); and (iv) removing the filtration membrane (S400).

이때, 상기 (ii) 단계(S200) 및 (iii) 단계(S300) 사이에 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 진공에서 건조하는 단계(S210);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.At this time, between steps (ii) (S200) and (iii) (S300), a step (S210) of drying the nanoporous graphene membrane in a vacuum is further included.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (i) 단계의 그래핀 시트 분산액을 준비하는 단계(S100)는 흑연을 용매에서 전기화학적 방식 방법으로 얻을 수 있다. 예를 들어 본 발명의 제조예에서는 Sigma Aldrich 社의 흑연을 N,N-디메틸포름아미드에서 전기화학적으로 박리를 하였으며, 후처리로 4500rpm에서 30분 동안 원심분리하여 박리 되지 않은 분말을 제거하여 그래핀 시트를 얻었다.In an embodiment of the present invention, in the step (S100) of preparing the graphene sheet dispersion in step (i), graphite can be obtained by electrochemical method in a solvent. For example, in the production example of the present invention, graphite from Sigma Aldrich was electrochemically exfoliated in N,N-dimethylformamide, and as a post-treatment, centrifugation was performed at 4500 rpm for 30 minutes to remove non-exfoliated powder to produce graphene. Got the sheet.

또한 상기 그래핀 시트는 시중에서 판매하는 제품을 구입하여 준비할 수 있다.Additionally, the graphene sheet can be prepared by purchasing a commercially available product.

상기 그래핀 시트를 이용하여 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 형성하는 경우 그래핀의 물리적 특성에 기반하여 상기 여과 멤브레인을 제거한 후에도 안정적인 필름 형성이 가능하며, 상기 그래핀 시트의 전도성은 기존의 나노 촉매 필름에 요구되었던 촉매와 도전재와의 결합을 요구하지 않으므로 촉매의 표면적 손실이 최소화되며, 결과적으로 본 발명인 나노 촉매 필름은 상대적으로 높은 촉매 효율을 보이는 장점이 있다.When forming a nanoporous graphene membrane using the graphene sheet, a stable film can be formed even after removing the filtration membrane based on the physical properties of graphene, and the conductivity of the graphene sheet is better than that of the existing nano catalyst film. Since the required bonding between the catalyst and the conductive material is not required, the surface area loss of the catalyst is minimized, and as a result, the nano catalyst film of the present invention has the advantage of showing relatively high catalytic efficiency.

또한 상기 그래핀 시트는 비용 측면에서도 이점이 있다. 시중에서 구매 가능한 그래핀 파우더 또는 그래핀 플레이크가 1톤당 몇만 원 수준이며, 그래핀 파우더 1mg으로 여러 개의 멤브레인을 제작할 수 있는 점에서 본 발명은 기술의 상용화 측면에서도 매우 큰 장점이 있다고 할 수 있다.Additionally, the graphene sheet has an advantage in terms of cost. Graphene powder or graphene flakes available on the market cost tens of thousands of won per ton, and the present invention can be said to have a great advantage in terms of commercialization of the technology, as multiple membranes can be manufactured with 1 mg of graphene powder.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (ii) 단계(S200)의 여과 멤브레인은 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인이 형성되는 기판 혹은 지지체의 역할과 여과체의 역할을 하며, 이를 위해 다공성 구조를 가진다.In an embodiment of the present invention, the filtration membrane of step (ii) (S200) serves as a substrate or support on which the nanoporous graphene membrane is formed and as a filter, and has a porous structure for this purpose.

상기 역할을 할 수 있는 여과 멤브레인은 예를 들어 양극 산화 알루미늄(anodic aluminum oxide, AAO)일 수 있다.A filtration membrane that can perform this role may be, for example, anodic aluminum oxide (AAO).

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (ii) 단계(S200)의 그래핀 시트 분산액은 상기 여과 멤브레인 상에 도포되고, 이후 진공 여과 방식으로 상기 여과 멤브레인 상에 형성된다.In an embodiment of the present invention, the graphene sheet dispersion of step (ii) (S200) is applied on the filtration membrane and then formed on the filtration membrane by vacuum filtration.

상기 진공 여과 방식을 이용함에 따라 기존의 선행 기술이 채택한 산화, 환원 과정을 거치지 않으며, 따라서 산화 환원에 따라 그래핀 자체의 높은 전기전도도를 훼손하지 않고 상기 여과 멤브레인 상에 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 형성할 수 있는 장점이 있다. 또한 상기 여과 방식을 이용함에 따라 저렴한 비용과 간단한 공정으로 대면적 제작이 가능한 장점이 있다.By using the vacuum filtration method, it does not go through the oxidation and reduction processes adopted in the existing prior art, and therefore forms a nano-porous graphene membrane on the filtration membrane without damaging the high electrical conductivity of graphene itself due to oxidation and reduction. There are advantages to doing this. In addition, using the above filtration method has the advantage of being able to manufacture large areas at low cost and with a simple process.

이때, 상기 그래핀 시트 분산액의 진공 여과는, 1ml/min 이상 2ml/min 미만의 속도로 수행되는 것을 특징으로 한다. 그래핀 시트 분산액의 진공 여과가 1ml/min 이상이어야 공정 시간을 절약하고 여과 장치의 틈 사이에서 발생하는 용액의 누출을 방지할 수 있으며, 2ml/min 미만이어야 응집되는 부분을 최소화하여 그래핀 멤브레인이 형성되기 때문이며 결과적으로 효율적으로 균일한 멤브레인을 제조할 수 있다는 장점을 가진다.At this time, vacuum filtration of the graphene sheet dispersion is characterized in that it is performed at a rate of 1 ml/min or more and less than 2 ml/min. Vacuum filtration of the graphene sheet dispersion should be more than 1ml/min to save process time and prevent solution leakage between gaps in the filtration device, and less than 2ml/min to minimize aggregation and ensure the graphene membrane. This is because it is formed, and as a result, it has the advantage of being able to efficiently manufacture a uniform membrane.

이때, 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인은, 10nm 이상 100nm 미만의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다. 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인의 두께가 10nm 이상이어야 전체적으로 그래핀이 채워져 지지체 역할을 수행할 수 있으며, 100nm 미만이어야 그래핀 멤브레인의 기공이 남아있어 후에 촉매 용액이 여과될 수 있기 때문이며 결과적으로 그래핀 멤브레인의 두께에 따라 기공의 크기를 조절할 수 있는 장점을 가진다.At this time, the nanoporous graphene membrane is characterized in that it is formed with a thickness of 10 nm or more and less than 100 nm. The thickness of the nanoporous graphene membrane must be 10 nm or more to be entirely filled with graphene to serve as a support, and less than 100 nm because pores in the graphene membrane remain so that the catalyst solution can be filtered later, resulting in the graphene membrane It has the advantage of being able to adjust the size of the pores depending on the thickness.

나노 다공성 그래핀 멤브레인의 두께가 두꺼워 짐에 따라 그래핀과 그래핀 간에 오버랩이 증가하고, 이에 따라 기공의 크기가 감소하게 된다. 즉 두께를 조절하여 기공의 크기를 조절할 수 있다.As the thickness of the nanoporous graphene membrane increases, the overlap between graphene increases, and the pore size decreases accordingly. In other words, the size of the pores can be adjusted by adjusting the thickness.

두께를 통한 기공 크기의 조절로 작은 촉매를 로딩할 수 있는 장점을 살피면, 촉매는 표면에서 활성을 보이므로, 표면적이 넓을수록 또는 표면적의 손실이 적을수록 효율이 높다. 따라서 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인이 작은 크기의 기공을 형성할 수 있을수록 본 발명인 나노 촉매 필름의 촉매 효율은 높아지는 장점이 있다.Looking at the advantage of being able to load a small catalyst by controlling the pore size through thickness, the catalyst is active on the surface, so the larger the surface area or the less surface area loss, the higher the efficiency. Therefore, there is an advantage that the catalytic efficiency of the nano catalyst film of the present invention increases as the nanoporous graphene membrane can form pores of a smaller size.

상기 메커니즘에 기반하여 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인의 두께는 목적하는 기공의 크기와 본 발명인 나노 촉매 필름의 투과율을 고려하여 정한다. 두께가 10nm 이상이어야 우리가 목적하는 나노 크기의 촉매를 누실 없이 로딩할 수 있으며, 두께가 100nm 미만이어야 유효한 투과율을 나타내어 본 발명인 나노 촉매 필름이 차단막이 아닌 여과막으로서 기능을 할 수 있다.Based on the above mechanism, the thickness of the nanoporous graphene membrane is determined by considering the desired pore size and the transmittance of the nanocatalyst film of the present invention. The thickness must be 10 nm or more to load the desired nano-sized catalyst without leakage, and the thickness must be less than 100 nm to exhibit effective transmittance so that the nano catalyst film of the present invention can function as a filtration membrane rather than a blocking membrane.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (ii) 단계(S200)와 (iii) 단계(S300) 사이에 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 진공에서 건조하는 단계(S210)를 수행한다. 상기 건조하는 단계(S210)는 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인의 물리적 또는 기계적 품질을 개선하며, 이후 공정 과정을 대비하여 상기 나노 다공성 멤브레인과 상기 여과 멤브레인 간의 접착력을 높이는 목적으로 수행된다.In an embodiment of the present invention, a step (S210) of drying the nanoporous graphene membrane in vacuum is performed between steps (ii) (S200) and (iii) (S300). The drying step (S210) is performed for the purpose of improving the physical or mechanical quality of the nanoporous graphene membrane and increasing the adhesion between the nanoporous membrane and the filtration membrane in preparation for subsequent processing.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 촉매 필름을 형성하는 단계(S300)의 상기 촉매는 촉매의 종류에 구애받지 않는다. 본 발명은 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인의 두께 조절에 따라 기공의 크기를 조절하는 방식으로, 물리적으로 촉매를 로딩하는 메커니즘이므로 촉매의 크기가 문제 될 뿐 촉매의 종류에 구애받지 않는다.In an embodiment of the present invention, the catalyst in the catalyst film forming step (S300) is not limited to the type of catalyst. The present invention is a method of controlling the size of the pores by adjusting the thickness of the nanoporous graphene membrane, and is a mechanism for physically loading the catalyst, so the size of the catalyst is an issue and is not limited by the type of catalyst.

상기 촉매는 예를 들어, HER에 사용되는 MoS2, OER에 사용되는 La0.5Sr0.5CoO3-δ(LSCO)일 수 있다.The catalyst is, for example, MoS 2 used in HER, It may be La 0.5 Sr 0.5 CoO 3-δ (LSCO) used in OER.

구체적으로 본 발명에서는 MoS2, La0.5Sr0.5CoO3-δ(LSCO)를 촉매로 하여 실험하였으며, 10nm 수준의 MoS2, La0.5Sr0.5CoO3-δ(LSCO) 촉매를 150nm의 두께로 제작한 나노 다공성 그래핀 멤브레인으로 100% 포획 혹은 로딩할 수 있었다.Specifically, in the present invention, experiments were conducted using MoS 2 , La 0.5 Sr 0.5 CoO 3-δ (LSCO) as a catalyst, and a 10 nm level MoS 2 , La 0.5 Sr 0.5 CoO 3-δ (LSCO) catalyst was manufactured with a thickness of 150 nm. 100% capture or loading was possible with one nanoporous graphene membrane.

상기 결과에 따르면 본 발명인 나노 다공성 멤브레인은 촉매 로딩이 우수한 장점을 가지며, 활용에 있어서 촉매의 종류에 제한되지 않는 장점을 가진다.According to the above results, the nanoporous membrane of the present invention has the advantage of excellent catalyst loading and has the advantage that its application is not limited by the type of catalyst.

따라서, 본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (iii) 단계(S300)의 상기 촉매는 MoS2, LSCO 및 이들을 결합한 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.Therefore, in an embodiment of the present invention, the catalyst of step (iii) (S300) may include one or more selected from MoS 2, LSCO, and a combination thereof.

다음으로 본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 촉매 필름을 형성하는 단계(S300)의 상기 촉매 분산액은 나노 다공성 그래핀 멤브레인 상에 도포되고 이후 진공 여과되어 상기 촉매 필름을 형성한다. 구체적인 진공 여과의 조건은 촉매를 고려하여 정해진다.Next, in an embodiment of the present invention, the catalyst dispersion in the step of forming the catalyst film (S300) is applied on a nanoporous graphene membrane and then vacuum filtered to form the catalyst film. Specific vacuum filtration conditions are determined considering the catalyst.

상기 촉매가 상기 진공 여과 방식으로 나노 다공성 그래핀 멤브레인 상에 로딩됨에 따라 기존의 나노 촉매 필름에서 요구되던 바인더와의 결합이 요구되지 않는다. 따라서 상기 촉매는 표면적에 손실이 상대적으로 매우 적으며 결과적으로 높은 촉매 효율을 가지는 장점이 있다.As the catalyst is loaded onto the nanoporous graphene membrane using the vacuum filtration method, bonding with a binder required in the existing nanocatalyst film is not required. Therefore, the catalyst has the advantage of having a relatively small loss in surface area and, as a result, high catalytic efficiency.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 촉매 필름을 형성하는 단계(S300) 이후 상기 여과 멤브레인을 제거하는 단계(S400)가 수행된다. 상기 여과 멤브레인은 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 형성하기 위한 용도로 사용된 것이며, 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인이 필름으로서 지지체 역할을 할 수 있는 점과 상기 여과 멤브레인은 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인 보다 기공의 크기가 크므로 추가적인 필터 역할을 수행할 수 없는 점에서 제거된다.In an embodiment of the present invention, the step of forming the catalyst film (S300) is followed by the step of removing the filtration membrane (S400). The filtration membrane is used to form the nanoporous graphene membrane, and the nanoporous graphene membrane can act as a support as a film, and the filtration membrane has more pores than the nanoporous graphene membrane. Because of its large size, it is eliminated as it cannot perform an additional filter role.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예인 나노 촉매 전극 제조방법에 대해 설명하기로 한다. 이때 상기 설명한 나노 촉매 필름 제조방법과 중복되는 구성은 동일하게 해석되어야 하며 중복된 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a nano catalyst electrode according to another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. At this time, configurations that overlap with the nano catalyst film manufacturing method described above should be interpreted in the same way, and overlapping explanations will be omitted.

도2는 본 발명의 실시예인 나노 촉매 전극 제조방법의 순서도이다.Figure 2 is a flowchart of a nano catalyst electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도3은 본 발명의 실시예인 나노 촉매 전극 제조방법의 모식도이다.Figure 3 is a schematic diagram of a nano catalyst electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도2 및 도3을 참고하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예인 나노 촉매 전극 제조방법은, (i) 그래핀 시트 분산액을 준비하는 단계(S100); (ii) 여과 멤브레인 상에 상기 그래핀 시트 분산액을 도포하고 진공 여과하여 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 형성하는 단계(S200); (iii) 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인 상에 촉매 분산액을 도포하고 진공 여과하여 촉매 필름을 형성하는 단계(S300); (iv) 상기 여과 멤브레인을 제거하는 단계(S400); 및 (v) 상기 촉매 필름을 전극에 전사하는 단계(S500);를 포함한다.2 and 3, the nano catalyst electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention includes (i) preparing a graphene sheet dispersion (S100); (ii) forming a nano-porous graphene membrane by applying the graphene sheet dispersion on a filtration membrane and vacuum filtering (S200); (iii) forming a catalyst film by applying a catalyst dispersion on the nanoporous graphene membrane and vacuum filtering (S300); (iv) removing the filtration membrane (S400); and (v) transferring the catalyst film to the electrode (S500).

이때, 상기 (ii) 단계(S200) 및 (iii) 단계(S300) 사이에 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 진공에서 건조하는 단계(S210);를 더 포함할 수 있다.At this time, between steps (ii) (S200) and (iii) (S300), a step (S210) of drying the nanoporous graphene membrane in vacuum may be further included.

본 발명의 실시 예에 있어서 상기 촉매 필름을 전극에 전사하는 단계(S500)의 전극은 본 발명의 실시예인 나노 촉매 필름의 사용 목적에 따라 정해지며, 구체적으로 상기 전극은 carbon paper일 수 있다. 다만 이에 제한되지 않는다.In an embodiment of the present invention, the electrode in the step (S500) of transferring the catalyst film to an electrode is determined according to the purpose of use of the nano catalyst film, which is an embodiment of the present invention. Specifically, the electrode may be carbon paper. However, it is not limited to this.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 나노 촉매 필름 제조방법과 마찬가지로 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인은, 10nm 이상 100nm 미만의 두께로 형성되는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, similar to the nano catalyst film manufacturing method, the nano porous graphene membrane may be formed to have a thickness of 10 nm or more and less than 100 nm.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 나노 촉매 필름 제조방법과 마찬가지로 상기 (ii) 단계(S200)의 상기 그래핀 시트 분산액의 진공 여과는, 1ml/min 이상 2ml/min 미만의 속도로 수행되는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, like the nano catalyst film manufacturing method, vacuum filtration of the graphene sheet dispersion in step (ii) (S200) may be performed at a rate of 1 ml/min or more and less than 2 ml/min. there is.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 나노 촉매 필름 제조방법과 마찬가지로 상기 (iii) 단계(S300)의 상기 촉매는 MoS2, LSCO 및 이들을 결합한 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, like the nano catalyst film manufacturing method, the catalyst in step (iii) (S300) may include one or more selected from MoS 2, LSCO, and a combination thereof.

다음으로 본 발명의 또 다른 실시 예인 상기 나노 촉매 필름 제조방법에 따라 제조한 나노 촉매 필름 및 이를 포함하는 나노 촉매 전극을 설명하도록 한다.Next, a nanocatalyst film manufactured according to the nanocatalyst film manufacturing method, which is another embodiment of the present invention, and a nanocatalyst electrode containing the same will be described.

본 발명인 나노 촉매 필름은 상기 제조방법에 따라 제조되어, 구성으로 나노 다공성 그래핀 멤브레인과 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인 상에 위치하는 촉매를 포함하며, 나노 촉매 전극은 상기 나노 촉매 필름이 전극 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.The nanocatalyst film of the present invention is manufactured according to the above manufacturing method and includes a nanoporous graphene membrane and a catalyst positioned on the nanoporous graphene membrane, and the nanocatalyst electrode has the nanocatalyst film positioned on the electrode. It is characterized by:

본 발명인 나노 촉매 필름 및 이를 포함하는 나노 촉매 전극은 도전재 및 바인더 없이 촉매를 멤브레인 상에 포함함에 따라 촉매의 표면적 손실이 최소화되며, 결과적으로 표면에서 활성 반응을 보이는 촉매의 효율은 다른 촉매 필름과 현저한 차이를 보이며 우수하다.The nano catalyst film of the present invention and the nano catalyst electrode containing the same minimize the surface area loss of the catalyst by including the catalyst on the membrane without a conductive material or binder, and as a result, the efficiency of the catalyst showing an active reaction on the surface is comparable to that of other catalyst films. It is excellent with a noticeable difference.

본 발명인 나노 촉매 필름 및 이를 포함하는 나노 촉매 전극은 촉매의 종류에 구애받지 않으므로 여러 장점이 있다. 기존의 촉매 필름 기술에서 촉매에 따라 새로운 재료와 제조방법이 요구되는 것과 달리 본 발명의 나노 촉매 필름은 목적하는 용도에 따라 촉매와 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인의 두께만 변경하면 된다. 따라서 활용도가 매우 높으며 그에 소요되는 비용도 적어 매우 경제적이다.The nano catalyst film of the present invention and the nano catalyst electrode containing the same have several advantages because they are not limited by the type of catalyst. Unlike existing catalyst film technology, which requires new materials and manufacturing methods depending on the catalyst, the nano catalyst film of the present invention only needs to change the thickness of the catalyst and the nanoporous graphene membrane depending on the intended use. Therefore, it is highly usable and the cost required is low, making it very economical.

본 발명인 나노 촉매 필름 및 이를 포함하는 나노 촉매 전극은 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인의 두께 조절을 통해 기공의 크기를 조절할 수 있으므로, 매우 작은 크기의 촉매까지 멤브레인 상에 로딩할 수 있다. 따라서 촉매의 크기가 작아짐에 따른 표면적의 증가, 촉매 효율의 향상이라는 장점 또한 수반된다.Since the nano catalyst film of the present invention and the nano catalyst electrode containing the same can control the size of the pores by adjusting the thickness of the nano-porous graphene membrane, even very small catalysts can be loaded onto the membrane. Therefore, as the size of the catalyst decreases, the surface area increases and the catalyst efficiency improves.

실험예1Experimental Example 1

나노 다공성 그래핀 멤브레인 유무에 따른 촉매의 로딩 정도 비교 실험Comparison experiment of catalyst loading with and without nanoporous graphene membrane

도4를 참조하여 설명한다.This will be explained with reference to Figure 4.

도4는 (a) 나노 다공성 그래핀 멤브레인이 없는 경우 촉매의 로딩 (b) 나노 다공성 그래핀 멤브레인이 있는 경우 촉매의 로딩을 비교하여 나타낸 이미지이다.Figure 4 is an image showing comparison of (a) catalyst loading without a nanoporous graphene membrane and (b) catalyst loading with a nanoporous graphene membrane.

본 실험은 MoS2를 촉매로 하고, 여과 멤브레인을 양극 산화 알루미늄(anodic aluminum oxide, AAO) 멤브레인으로 하여 수행하였으며, 도4(a)는 AAO 멤브레인만 존재하는 구성에 MoS2 나노 촉매를 진공 여과한 결과이며, 도4(b)는 나노 다공성 그래핀 멤브레인이 존재하는 구성에 MoS2 나노 촉매를 진공 여과한 결과이다.This experiment was performed using MoS 2 as a catalyst and an anodic aluminum oxide (AAO) membrane as the filtration membrane. Figure 4(a) shows vacuum filtration of MoS 2 nanocatalyst in a configuration where only an AAO membrane is present. This is the result, and Figure 4(b) is the result of vacuum filtration of the MoS 2 nanocatalyst in a configuration where a nanoporous graphene membrane is present.

도4를 참조하면, 진공 여과 후 잔존하는 나노 촉매의 양을 비교할 수 있다. 나노 다공성 그래핀 멤브레인이 AAO 멤브레인 보다 확연하게 더 많은 양의 나노 촉매를 로딩할 수 있었으며, 이러한 결과는 나노 촉매의 크기가 작아짐에 따라 더 크게 차이 날 것으로 예상된다.Referring to Figure 4, the amount of nano catalyst remaining after vacuum filtration can be compared. The nanoporous graphene membrane was able to load a significantly larger amount of nanocatalyst than the AAO membrane, and these results are expected to differ more significantly as the size of the nanocatalyst decreases.

본 실험을 통해 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 포함하는 나노 촉매 필름이 나노 크기의 촉매를 로딩하는데 우수한 특성을 보임을 확인하였다.Through this experiment, it was confirmed that the nanocatalyst film containing a nanoporous graphene membrane showed excellent properties for loading nanosized catalysts.

실험예2Experimental Example 2

나노 다공성 그래핀 멤브레인의 기계적 우수성 확인 실험Experiment to confirm the mechanical superiority of nanoporous graphene membrane

도5를 참조하여 설명한다.This will be explained with reference to Figure 5.

도5는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 나노 촉매 필름의 단면을 나타낸 SEM 이미지이다.Figure 5 is an SEM image showing a cross section of a nano catalyst film prepared according to an example of the present invention.

도5에 따르면 나노 다공성 그래핀 멤브레인에 의해 지지가 되는 나노 촉매 필름은 AAO로부터 분리하는 과정에서 파손 없이 분리되어 전극으로 옮겨질 수 있음을 확인하였다.According to Figure 5, it was confirmed that the nano catalyst film supported by the nano-porous graphene membrane could be separated without damage during the separation process from AAO and transferred to the electrode.

반면 나노 다공성 그래핀 멤브레인 없이 AAO 멤브레인 상에 직접 형성된 나노 촉매 필름을 AAO 멤브레인으로부터 분리하는 경우를 살피면(미도시) 상기 나노 촉매 필름을 구성하는 나노 촉매 시트의 크기가 일정 크기를 충족하지 못하는 경우 파손이 발생하였으며, 상기 나노 촉매 시트의 크기가 일정 크기 이상이더라도 AAO 멤브레인을 분리 시 파손의 빈도가 높았다.On the other hand, looking at the case where a nano catalyst film formed directly on the AAO membrane without a nano-porous graphene membrane is separated from the AAO membrane (not shown), if the size of the nano catalyst sheet constituting the nano catalyst film does not meet a certain size, it is damaged. This occurred, and even if the size of the nano catalyst sheet was larger than a certain size, the frequency of damage was high when the AAO membrane was separated.

본 실험 결과에 따르면, 나노 촉매만으로 나노 촉매 필름을 형성하는 것은 실효적이지 못하므로 지지체가 필요한 점 및 나노 다공성 그래핀 멤브레인이 기계적으로 견고한 물성을 가지고 있으므로 나노 촉매 필름의 지지체로 충분한 역할을 할 수 있는 점을 확인하였다.According to the results of this experiment, it is not practical to form a nanocatalyst film with only nanocatalysts, so a support is needed, and since the nanoporous graphene membrane has mechanically robust properties, it can play a sufficient role as a support for the nanocatalyst film. It was confirmed that there was.

실험예3Experimental Example 3

촉매 로딩 특성 확인 실험Catalyst loading characteristics confirmation experiment

도6을 참조하여 설명한다.This will be explained with reference to Figure 6.

도6은 나노 촉매 분산액 자체와 AAO 멤브레인, 나노 다공성 그래핀 멤브레인-AAO 멤브레인, carbon paper를 통해 여과된 나노 촉매 분산액의 흡광도를 측정하여 멤브레인의 촉매 로딩 성능을 비교한 데이터이다.Figure 6 shows data comparing the catalyst loading performance of the membranes by measuring the absorbance of the nanocatalyst dispersion itself, AAO membrane, nanoporous graphene membrane-AAO membrane, and nanocatalyst dispersion filtered through carbon paper.

본 실험은 여러 멤브레인을 대상으로 여과된 MoS2 분산액의 농도를 측정하여 얼마나 많은 나노 촉매가 상기 멤브레인에 로딩되었는지를 정량적으로 분석한 실험이다.This experiment is an experiment that quantitatively analyzes how much nanocatalyst was loaded on the membrane by measuring the concentration of the MoS 2 dispersion liquid filtered through various membranes.

도6에 따르면, As-prepared 용액은 600nm와 672nm에서 피크를 나타내어 MoS2 나노 촉매 시트가 큰 응집 없이 안정적으로 분산되었음을 확인하였다.According to Figure 6, the As-prepared solution showed peaks at 600 nm and 672 nm, confirming that the MoS 2 nano catalyst sheet was stably dispersed without significant aggregation.

Beer-Lambert 법칙과 MoS2 나노 촉매 시트 분산액의 흡광 계수(α672 = 3400mL/mg m)에 기초하여 여과를 거치지 않은 MoS2 분산액(As-prepared)의 농도는 ~0.003mg/mL로 분석된다.Based on the Beer-Lambert law and the extinction coefficient of the MoS 2 nanocatalyst sheet dispersion (α 672 = 3400 mL/mg m), the concentration of the unfiltered MoS 2 dispersion (As-prepared) is analyzed to be ~0.003 mg/mL.

다음으로 AAO 멤브레인을 통해 여과된 MoS2 분산액의 농도는 ~0.0005 mg/mL였으며, 이는 기공 크기가 25 nm일 때 MoS2 나노 촉매 시트의 ~17%가 AAO 멤브레인을 통과했음을 나타낸다.Next, the concentration of the MoS 2 dispersion filtered through the AAO membrane was ~0.0005 mg/mL, which indicates that ~17% of the MoS 2 nanocatalyst sheet passed through the AAO membrane when the pore size was 25 nm.

다음으로 나노 다공성 그래핀 멤브레인-AAO 멤브레인을 통해 여과된 MoS2 분산액의 농도는 ~0.0002 mg/mL이었으며, 이는 대부분의 MoS2 나노 촉매 시트가 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인 상에 수집될 수 있음을 나타낸다. 참고로 AAO 멤브레인의 기공 크기가 나노 다공성 그래핀 멤브레인 기공의 크기보다 확연하게 크기 때문에 상기 결과에서 AAO 멤브레인 상에 수집된 나노 촉매 시트의 양은 무시할 수 있다.Next, the concentration of the MoS 2 dispersion filtered through the nanoporous graphene membrane-AAO membrane was ~0.0002 mg/mL, which indicates that most of the MoS 2 nanocatalyst sheets could be collected on the nanoporous graphene membrane. . For reference, since the pore size of the AAO membrane is significantly larger than that of the nanoporous graphene membrane, the amount of nanocatalyst sheets collected on the AAO membrane can be ignored in the above results.

비교군으로 멤브레인에 의한 중간 조립 및 전달 단계 없이 나노 촉매 시트를 전극에 직접 로딩하는 경우를 테스트하기 위해 carbon paper에 MoS2 나노 촉매 시트를 직접 진공 여과한 결과도 조사하였으며, 상당한 양의 MoS2 나노 촉매 시트(~67%)가 carbon paper의 미세 다공성 구조로 투과했기 때문에 농도는 여과 후 ~0.003 mg/mL에서 ~0.002 mg/mL로 감소함을 확인하였다.As a comparison group, the results of direct vacuum filtration of the MoS 2 nano catalyst sheet on carbon paper were also investigated to test the case of directly loading the nano catalyst sheet onto the electrode without the intermediate assembly and transfer steps by the membrane, and a significant amount of MoS 2 nano catalyst was tested. Because the catalyst sheet (~67%) permeated through the microporous structure of the carbon paper, the concentration was confirmed to decrease from ~0.003 mg/mL to ~0.002 mg/mL after filtration.

상기 결과를 통해 나노 다공성 그래핀 멤브레인의 우수한 나노 촉매 로딩 특성을 확인하였다.The above results confirmed the excellent nanocatalyst loading characteristics of the nanoporous graphene membrane.

실험예4Experimental Example 4

나노 촉매 필름의 전기적 특성 확인 실험Experiment to confirm electrical properties of nano catalyst film

도7을 참조하여 설명한다.This will be explained with reference to Figure 7.

도7은 본 발명의 실시예에 따라 제조한 나노 촉매 필름의 성능을 측정하기 위해 (a) MoS2, (b) LSCO를 촉매로 하여 제조한 나노 촉매 필름의 전기적 특성을 측정한 Linear sweep voltammograms이다.Figure 7 shows linear sweep voltammograms measuring the electrical properties of a nanocatalyst film prepared using (a) MoS 2 and (b) LSCO as a catalyst to measure the performance of the nanocatalyst film prepared according to an example of the present invention. .

본 실험은 HER(hydrogen evolution reaction)에서 MoS2 나노 촉매의 활성 차이가 촉매의 크기 혹은 표면적 차이에서 비롯됨을 확인하기 위해 동일한 양의 MoS2를 갖는 나노 촉매 필름의 특성을 비교하였다. HER은 1M의 KOH 용액에서 수행되었다.This experiment compared the properties of nanocatalyst films with the same amount of MoS 2 to confirm that the difference in activity of MoS 2 nano catalysts in HER (hydrogen evolution reaction) results from differences in the size or surface area of the catalyst. HER was performed in 1M KOH solution.

도7(a)에 따르면, (1) 전극이 나노 다공성 그래핀 멤브레인만으로 코팅되었을 때(GNS only) 전류 밀도가 시험 된 전위 범위 내에서 크게 변하지 않았으며, 개시 전위가 MoS2 나노 촉매 시트의 크기 혹은 표면적에 의존함을 확인하였다. (2) S, M, L, E-MoS2 나노 촉매 시트와 나노 다공성 그래핀 멤브레인으로 구성된 나노 촉매 필름의 결과를 살피면, HER에 대한 개시 전위는 MoS2 나노 촉매 시트의 크기가 감소함에 따라 낮아짐을 확인하였다. 또한 촉매 시트의 크기 감소는 동일한 양의 촉매를 기준으로 표면적 증가를 의미하므로, 표면적 증가에 따라 HER에 대한 개시 전위가 낮아짐을 확인하였다.According to Figure 7(a), (1) when the electrode was coated with a nanoporous graphene membrane only (GNS only), the current density did not change significantly within the tested potential range, and the onset potential was similar to the size of the MoS 2 nanocatalyst sheet; Alternatively, it was confirmed that it depends on the surface area. (2) Examining the results of nanocatalyst films composed of S, M, L, E-MoS 2 nanocatalyst sheets and nanoporous graphene membranes, the onset potential for HER becomes lower as the size of MoS 2 nanocatalyst sheets decreases. was confirmed. Additionally, since a decrease in the size of the catalyst sheet means an increase in surface area based on the same amount of catalyst, it was confirmed that the initiation potential for HER decreases as the surface area increases.

마찬가지로 OER(oxygen evolution reation)에서 나노 다공성 그래핀 멤브레인의 존재 여부에 따른 전류 특성을 확인하였다.Likewise, the current characteristics depending on the presence or absence of a nanoporous graphene membrane were confirmed in OER (oxygen evolution reaction).

본 실험은 1M KOH 용액에서 OER을 수행하였으며, 멤브레인 없이 평균 직경이 135nm인 LSCO 나노 촉매를 carbon paper 전극에 직접 진공 여과한 군과 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 포함하여 carbon paper 전극에 형성된 군을 비교하였다.In this experiment, OER was performed in a 1M KOH solution, and a group in which LSCO nanocatalysts with an average diameter of 135 nm were vacuum filtered directly onto a carbon paper electrode without a membrane were compared with a group formed on a carbon paper electrode including a nanoporous graphene membrane. .

도7(b)에 따르면, LSCO 나노 촉매가 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 포함하여 carbon paper 전극에 형성된 경우 LSCO 나노 촉매가 전극에 직접 형성된 경우와 비교하여 낮은 개시 전위를 나타내었으며, 이는 본 발명의 나노 다공성 그래핀 멤브레인이 촉매 활용을 비약적으로 상승시킴을 확인해주는 결과이다.According to Figure 7(b), when the LSCO nanocatalyst was formed on a carbon paper electrode including a nanoporous graphene membrane, a lower onset potential was shown compared to when the LSCO nanocatalyst was formed directly on the electrode, which is consistent with the nanoporous graphene membrane of the present invention. This result confirms that the porous graphene membrane dramatically increases catalyst utilization.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present invention described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as single may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the patent claims described below, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (12)

(i) 그래핀 시트 분산액을 준비하는 단계;
(ii) 여과 멤브레인 상에 상기 그래핀 시트 분산액을 도포하고 진공 여과하여 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 형성하는 단계;
(iii) 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인 상에 촉매 분산액을 도포하고 진공 여과하여 촉매 필름을 형성하는 단계; 및
(iv) 상기 여과 멤브레인을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인은, 10nm 이상 100nm 미만의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 촉매 필름 제조방법.
(i) preparing a graphene sheet dispersion;
(ii) forming a nanoporous graphene membrane by applying the graphene sheet dispersion on a filtration membrane and vacuum filtering;
(iii) forming a catalyst film by applying a catalyst dispersion on the nanoporous graphene membrane and vacuum filtering; and
(iv) removing the filtration membrane;
The nano-porous graphene membrane is a nano catalyst film manufacturing method, characterized in that formed with a thickness of 10 nm or more and less than 100 nm.
제1항에 있어서,
상기 (ii) 단계 및 (iii) 단계 사이에 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 진공에서 건조하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노 촉매 필름 제조방법.
According to paragraph 1,
Characterized in that it further comprises a step of drying the nanoporous graphene membrane in a vacuum between steps (ii) and (iii).
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (ii) 단계의 상기 그래핀 시트 분산액의 진공 여과는, 1ml/min 이상 2ml/min 미만의 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는, 나노 촉매 필름 제조방법.
According to paragraph 1,
Vacuum filtration of the graphene sheet dispersion in step (ii) is performed at a rate of 1 ml/min or more and less than 2 ml/min.
제1항에 있어서,
상기 (iii) 단계의 상기 촉매는 MoS2, LSCO 및 이들을 결합한 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노 촉매 필름 제조방법.
According to paragraph 1,
The catalyst in step (iii) is a nano catalyst film manufacturing method, characterized in that it includes at least one selected from the group of MoS 2, LSCO, and a combination thereof.
(i) 그래핀 시트 분산액을 준비하는 단계;
(ii) 여과 멤브레인 상에 상기 그래핀 시트 분산액을 도포하고 진공 여과하여 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 형성하는 단계;
(iii) 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인 상에 촉매 분산액을 도포하고 진공 여과하여 촉매 필름을 형성하는 단계;
(iv) 상기 여과 멤브레인을 제거하는 단계; 및
(v) 상기 촉매 필름을 전극에 전사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인은, 10nm 이상 100nm 미만의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 촉매 전극 제조방법.
(i) preparing a graphene sheet dispersion;
(ii) forming a nanoporous graphene membrane by applying the graphene sheet dispersion on a filtration membrane and vacuum filtering;
(iii) forming a catalyst film by applying a catalyst dispersion on the nanoporous graphene membrane and vacuum filtering;
(iv) removing the filtration membrane; and
(v) transferring the catalyst film to an electrode,
The nano-porous graphene membrane is a nano-catalyst electrode manufacturing method, characterized in that formed with a thickness of 10 nm or more and less than 100 nm.
제6항에 있어서,
상기 (ii) 단계 및 (iii) 단계 사이에 상기 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 진공에서 건조하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노 촉매 전극 제조방법.
According to clause 6,
Characterized in that it further comprises a step of drying the nano-porous graphene membrane in a vacuum between steps (ii) and (iii).
삭제delete 제6항에 있어서,
상기 (ii) 단계의 상기 그래핀 시트 분산액의 진공 여과는, 1ml/min 이상 2ml/min 미만의 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는, 나노 촉매 전극 제조방법.
According to clause 6,
A method of manufacturing a nano catalyst electrode, characterized in that the vacuum filtration of the graphene sheet dispersion in step (ii) is performed at a rate of 1 ml/min or more and less than 2 ml/min.
제6항에 있어서,
상기 (iii) 단계의 상기 촉매는 MoS2, LSCO 및 이들을 결합한 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노 촉매 전극 제조방법.
According to clause 6,
The catalyst in step (iii) is a nano catalyst electrode manufacturing method, characterized in that it includes at least one selected from the group of MoS 2, LSCO, and a combination thereof.
제1항의 나노 촉매 필름 제조방법에 따라 제조한 나노 촉매 필름.A nano catalyst film manufactured according to the nano catalyst film manufacturing method of claim 1. 제6항의 나노 촉매 전극 제조방법에 따라 제조한 나노 촉매 전극.A nano catalyst electrode manufactured according to the nano catalyst electrode manufacturing method of claim 6.
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