KR102609729B1 - Making Process of Nickel Catalysts with Porous Structure For Oxygen Evolution Reaction Using Tungsten Melt - Google Patents

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Abstract

본 발명은 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 귀금속 물질을 사용하지 않고 비귀금속계 활성촉매인 니켈을 사용하여 경제적 가치가 높은 OER용 다공성 Ni 촉매를 제조할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 기존 귀금속 기반 촉매보다 표면적이 극대화되어 산소발생반응에서 뛰어난 활성을 보이고 수소 생산단가 절감에 기여가 큰 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매 제조방법을 제공한다는 장점이 있다.
The present invention relates to a method for producing a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution. More specifically, the present invention has the advantage of being able to produce a porous Ni catalyst for OER with high economic value by using nickel, a non-precious metal-based active catalyst, without using noble metal materials.
The present invention has the advantage of providing a method for manufacturing a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution, which has a maximized surface area compared to existing noble metal-based catalysts, exhibits excellent activity in oxygen evolution reactions, and greatly contributes to reducing hydrogen production costs.

Description

텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매의 제조방법{Making Process of Nickel Catalysts with Porous Structure For Oxygen Evolution Reaction Using Tungsten Melt}Manufacturing method of porous Ni catalyst for OER using tungsten melting {Making Process of Nickel Catalysts with Porous Structure For Oxygen Evolution Reaction Using Tungsten Melt}

본 발명은 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 귀금속 물질을 사용하지 않아 경제적 가치가 있는 동시에 기존 귀금속 기반 촉매보다 표면적이 극대화되어 산소발생반응에서 뛰어난 활성을 보이고 수소 생산단가 절감에 기여가 큰 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution. More specifically, the present invention has economic value because it does not use precious metal materials, and at the same time has a maximized surface area compared to existing noble metal-based catalysts, showing excellent activity in oxygen evolution reactions and contributing greatly to reducing the unit cost of hydrogen production. It relates to a method for producing Ni catalyst.

알칼라인 수전해(Alkaline electrolysis)는 경제적이고 효율적인 수소 생산을 위해 필수적인 수전해 기술이다. 한편, 수소 생산단가 저감을 위해 촉매 활성 및 내구성 향상 방안이 필요하고, 이를 위해 산소발생반응(OER) 및 수소발생반응(HER)에서 사용되는 촉매 개발이 시급한 실정이다. Alkaline electrolysis is an essential water electrolysis technology for economical and efficient hydrogen production. Meanwhile, measures to improve catalyst activity and durability are needed to reduce the unit cost of hydrogen production, and to this end, there is an urgent need to develop catalysts used in the oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER).

그 중 OER 촉매는 4전자 반응으로써 느리게 반응이 일어나고 큰 과전압이 필요하여 이를 개선하기 위한 귀금속 기반의 촉매 연구가 진행되고 있다. 그 밖에 촉매 구성 원소 조정 또는 활성 표면적 증가 방법 등에 관한 연구가 진행 중이다.Among them, the OER catalyst is a four-electron reaction that reacts slowly and requires a large overvoltage, so research on noble metal-based catalysts to improve this is underway. In addition, research is underway on methods for adjusting catalyst components or increasing the active surface area.

그러나, 이러한 기존의 연구는 주로 귀금속 기반의 촉매에 관한 것으로 가격이 비싸 상업화가 어려운 단점이 있다. 그중 Ir 기반 촉매들은 알칼라인 환경에서 활성이 낮지는 않지만 여전히 활성이 부족한 상황이다. However, these existing studies mainly concern noble metal-based catalysts, which have the disadvantage of being expensive and difficult to commercialize. Among them, Ir-based catalysts are not low in activity in an alkaline environment, but their activity is still insufficient.

또한, 이를 해결하기 위해 다양한 비귀금속 기반 다원자 촉매가 연구되고 있으나 활성면에서 한계가 존재하고, 또한 다원자 촉매는 여러 원자가 의도하지 않은 반응을 일으킬 수도 있어 부작용이 큰 문제가 있다. In addition, to solve this problem, various non-precious metal-based multi-atom catalysts are being studied, but there are limitations in terms of activity, and multi-atom catalysts also have significant side effects because several atoms may cause unintended reactions.

따라서, 근래에 급증하는 저비용, 고활성의 OER 또는 HER 촉매에 대한 니즈를 충족하는 기술개발이 절실한 실정으로 KR10-2020-0028275, KR10-1396374 등이 그러한 일 예이나, 아직까지 전술한 바를 해결하는 개시는 찾아볼 수 없다.Therefore, there is an urgent need to develop technology to meet the rapidly increasing needs for low-cost, highly active OER or HER catalysts. KR10-2020-0028275 and KR10-1396374 are examples, but there is still no solution to the above problems. The initiation is not found.

이에 본 발명자는 상기 문제점을 개선하기 위해 예의 노력을 계속하던 중, 텅스텐 및 니켈 전구체를 용매와 혼합하고 건조 및 열처리하여 합금(alloy)을 형성한 뒤 전기화학적 용해로 탈합금(dealloyed)함으로써, 귀금속 물질을 사용하지 않아 경제적 가치가 있는 동시에 기존 귀금속 기반 촉매보다 표면적이 극대화되어 산소발생반응(OER)에서 뛰어난 활성을 보이고 수소 생산단가 절감에 기여가 큰 본 발명을 완성하기에 이르렀다.Accordingly, while continuing to make diligent efforts to improve the above problems, the present inventor mixed tungsten and nickel precursors with a solvent, dried and heat-treated them to form an alloy, and then dealloyed it with electrochemical melting to produce precious metal materials. This invention has been completed, which has economic value because it does not use , and has a maximized surface area compared to existing noble metal-based catalysts, showing excellent activity in the oxygen evolution reaction (OER) and greatly contributing to reducing the unit cost of hydrogen production.

선행특허 1 : 한국공개특허 제10-2020-0028275호Prior Patent 1: Korean Patent Publication No. 10-2020-0028275 선행특허 2 : 한국등록특허 제10-1396374호Prior Patent 2: Korean Patent No. 10-1396374

본 발명의 목적은 귀금속 물질을 사용하지 않고 비귀금속계 활성촉매인 니켈을 사용하여 경제적 가치가 있는 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매를 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a manufacturing method for producing a porous Ni catalyst for OER using nickel, a non-precious metal active catalyst, without using precious metal materials and dissolving tungsten, which has economic value.

본 발명의 다른 목적은 기존 귀금속 기반 촉매보다 표면적이 극대화되어 산소 발생반응에서 뛰어난 활성을 보이고 수소 생산단가 절감에 기여가 큰 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution, which has a maximized surface area compared to existing noble metal-based catalysts, exhibits excellent activity in oxygen evolution reactions, and greatly contributes to reducing hydrogen production costs.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다. The above and other objects of the present invention can all be achieved by the present invention described below.

본 발명의 하나의 관점은 텅스텐 및 상기 텅스텐 표면에 담지된 니켈을 포함하고, 상기 텅스텐 및 니켈은 2.5 : 1 내지 3.5 : 1의 몰비로 포함되는 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매에 관한 것이다.One aspect of the present invention relates to a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution, which includes tungsten and nickel supported on the surface of the tungsten, and wherein the tungsten and nickel are contained in a molar ratio of 2.5:1 to 3.5:1.

본 발명의 다른 하나의 관점은 텅스텐 및 니켈 전구체를 용매와 혼합하는 단계, 상기 혼합 후 건조 및 열처리하여 합금(alloy)을 형성하는 단계 및 상기 합금을 전기화학적 용해로 탈합금(dealloyed)하여 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매를 수득하는 단계를 포함하는 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매 제조방법에 관한 것이다. Another aspect of the present invention includes mixing tungsten and nickel precursors with a solvent, drying and heat treating the mixture to form an alloy, and dealloying the alloy by electrochemical melting to dissolve tungsten. It relates to a method for producing a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution, including the step of obtaining a porous Ni catalyst for OER.

구체예에서, 상기 텅스텐 및 니켈은 2.5 : 1 내지 3.5 : 1의 몰비로 포함될 수 있다. In a specific example, tungsten and nickel may be included in a molar ratio of 2.5:1 to 3.5:1.

구체예에서, 상기 열처리는 1000 내지 1500℃, 수소 분위기에서 50 내지 100초간 수행될 수 있다. In a specific example, the heat treatment may be performed at 1000 to 1500° C. in a hydrogen atmosphere for 50 to 100 seconds.

구체예에서, 상기 전기화학적 용해는 0.8V 내지 1.6V, 3700 내지 4300Cycle 범위에서 수행될 수 있다. In a specific example, the electrochemical dissolution may be performed in the range of 0.8V to 1.6V and 3700 to 4300Cycle.

본 발명에 의해 제조된 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매는 귀금속 물질을 사용하지 않고 비귀금속계 활성촉매인 니켈을 사용하여 경제적 가치가 높은 장점이 있다. The porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution produced by the present invention has the advantage of high economic value by using nickel, a non-precious metal active catalyst, without using noble metal materials.

본 발명에 의한 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매 제조방법은 기존 귀금속 기반 촉매보다 표면적이 극대화되어 산소발생반응에서 뛰어난 활성을 보이고 수소 생산단가 절감에 기여가 큰 다른 장점이 있다.The method for manufacturing a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to the present invention has other advantages such as maximizing the surface area over existing noble metal-based catalysts, showing excellent activity in oxygen evolution reactions, and greatly contributing to reducing the unit cost of hydrogen production.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매와 비교예 촉매를 형성하는 물질의 몰비 관계를 비교한 순환전압전류 그래프이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매의 탈합금(dealloyed)된 촉매 활성을 나타내는 순환전압전류 그래프이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매의 다공성 표면적을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매와 종래 촉매의 표면적 변화에 따른 활성 정도를 비교한 순환전압전류 그래프이다.
Figure 1 is a flowchart showing a method for producing a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cyclic voltammetric graph comparing the molar ratio relationship between the materials forming the porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to one embodiment of the present invention and the comparative example catalyst.
Figure 3 is a cyclic voltammetry graph showing the dealloyed catalytic activity of a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is an SEM image showing the porous surface area of a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a cyclic voltammetric graph comparing the degree of activity according to surface area change between a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to an embodiment of the present invention and a conventional catalyst.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. Hereinafter, embodiments of the present application will be described in more detail with reference to the attached drawings. However, the technology disclosed in this application is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. However, the embodiments introduced here are provided to ensure that the disclosed content is thorough and complete and that the spirit of the present application can be sufficiently conveyed to those skilled in the art. In order to clearly express the components of each device in the drawing, the sizes of the components, such as width and thickness, are shown somewhat enlarged.

또한, 설명의 편의를 위해 구성요소의 일부만을 도시하기도 하였으나, 당업자라면 구성요소 나머지 부분에 대하여도 용이하게 파악할 수 있을 것이다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위 또는 아래에 위치하는 것으로 언급될 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위 또는 아래에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다.In addition, only part of the components are shown for convenience of explanation, but those skilled in the art will be able to easily understand the remaining components. When describing the drawing as a whole, it is described from the observer's point of view, and when an element is mentioned as being located above or below another element, this means that the element is located directly above or below another element, or that an additional element is interposed between those elements. It includes everything that can be done.

또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다. Additionally, a person skilled in the art will be able to implement the ideas of this application in various other forms without departing from the technical spirit of this application. In addition, like symbols in a plurality of drawings refer to substantially the same elements.

또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Additionally, unless the context clearly indicates otherwise, singular expressions should be understood to include plural expressions, and terms such as include or have refer to the described features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. It is intended to specify the existence of one thing, but should be understood as not excluding in advance the possibility of the existence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

또한, 방법 또는 제조 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.Additionally, when performing a method or manufacturing method, each process forming the method may occur differently from the specified order unless a specific order is clearly stated in the context. That is, each process may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the opposite order.

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매Porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution

본 발명의 하나의 관점인 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매는 텅스텐 및 상기 텅스텐 표면에 담지된 니켈을 포함하고, 상기 텅스텐 및 니켈은 2.5 : 1 내지 3.5 : 1의 몰비로 포함된다. A porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution, which is one aspect of the present invention, includes tungsten and nickel supported on the surface of the tungsten, and the tungsten and nickel are included in a molar ratio of 2.5:1 to 3.5:1.

상기 텅스텐은 예를들어, 텅스텐 분말을 사용할 수 있다. 또한, 예를들어, 텅스텐 산화물을 사용할 수도 있다. 그러나, 본 발명의 목적을 구현하기 위한 것이라면 그 종류에 제한없이 사용할 수 있다.For example, tungsten powder may be used as the tungsten. Additionally, for example, tungsten oxide may be used. However, as long as it is intended to implement the purpose of the present invention, it can be used without limitation in type.

상기 니켈은 본 발명의 목적을 구현하기 위한 비귀금속계 활성촉매로 작용하는 전이금속이다. 상기 니켈은 텅스텐 표면에 담지될 수 있다. 담지를 위해 예를들어, 증착침전법(deposition precipitation), 공침법(coprecipitation), 습식함침법(wet impregnation), 스퍼터링(sputtering), 기상 그래프팅(gas-phase grafting), 액상 그래프팅(liquid-phase grafting) 또는 초기 함침법(incipient-wetness impregnation) 등 그 종류에 제한 없이 알려진 다양한 방법을 사용할 수 있다. The nickel is a transition metal that acts as a non-noble metal-based active catalyst to achieve the purpose of the present invention. The nickel may be supported on the tungsten surface. For support, for example, deposition precipitation, coprecipitation, wet impregnation, sputtering, gas-phase grafting, liquid-phase grafting. A variety of known methods can be used without limitation, such as phase grafting or incipient-wetness impregnation.

상기 텅스텐과 니켈은 2.5 : 1 내지 3.5 : 1의 몰비로 포함된다. 바람직하게는 2.7 : 1 내지 3.3 : 1의 몰비로 포함된다. 상기 범위 미만일 경우, base인 니켈과 porogen인 텅스텐간 담지 화합물의 불완전한 반응을 초래할 수 있고, 상기 범위 초과일 경우, 두 물질의 결합에 의한 다공성 구조가 제대로 형성되지 않고 파괴 혹은 균열이 생길 수 있는 문제가 있다.The tungsten and nickel are included in a molar ratio of 2.5:1 to 3.5:1. Preferably, it is included in a molar ratio of 2.7:1 to 3.3:1. If it is less than the above range, it may cause an incomplete reaction of the supporting compound between nickel, the base, and tungsten, the porogen, and if it exceeds the above range, the porous structure due to the combination of the two materials may not be properly formed and destruction or cracking may occur. There is.

본 발명에 의한 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매는 귀금속 물질을 사용하지 않고 비귀금속계 활성촉매인 니켈을 사용하여 경제적 가치가 높은 장점이 있고, 또한, 기존 귀금속 기반 촉매보다 표면적이 극대화되어 산소 발생반응에서 뛰어난 활성을 보이고 수소 생산단가 절감에 기여가 큰 우수한 효과가 있다.The porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to the present invention has the advantage of high economic value by using nickel, a non-precious metal-based active catalyst, without using precious metal materials, and also has a maximized surface area compared to existing noble metal-based catalysts, thereby increasing oxygen It shows excellent activity in the generation reaction and has excellent effects that greatly contribute to reducing the unit cost of hydrogen production.

텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매 제조방법Method for manufacturing porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution

본 발명의 다른 하나의 관점인 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매 제조방법은 텅스텐 및 니켈 전구체를 용매와 혼합하는 단계(S100), 상기 혼합 후 건조 및 열처리하여 합금(alloy)을 형성하는 단계(S200) 및 상기 합금을 전기화학적 용해로 탈합금(dealloyed)하여 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매를 수득하는 단계(S300)를 포함한다. Another aspect of the present invention, a method for producing a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution, includes mixing tungsten and nickel precursors with a solvent (S100), drying and heat treating the mixture to form an alloy (S100). S200) and dealloying the alloy by electrochemical melting to obtain a porous Ni catalyst for OER using tungsten melting (S300).

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매 제조방법을 나타내는 순서도이다. Figure 1 is a flowchart showing a method for producing a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매의 제조방법은 전구체 및 용매 혼합단계(S100), 합금(alloyed) 형성단계(S200) 및 탈합금(dealloyed) 단계를 포함한다.Referring to Figure 1, the method for producing a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to the present invention includes a precursor and solvent mixing step (S100), an alloy forming step (S200), and a dealloyed step. do.

전구체 및 용매 혼합Precursor and solvent mixing

전구체 및 용매 혼합단계(S100)는 본 발명이 구현하고자 하는 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매를 구성하는 텅스텐과 니켈 전구체를 용매와 혼합하기 위한 목적에서 수행된다.The precursor and solvent mixing step (S100) is performed for the purpose of mixing the tungsten and nickel precursors constituting the porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution to be implemented by the present invention with a solvent.

상기 텅스텐은 예를들어, 텅스텐 분말을 사용할 수 있다. 또한, 예를들어, 텅스텐 산화물을 사용할 수도 있다. 그러나, 본 발명의 목적을 구현하기 위한 것이라면 그 종류에 제한없이 사용할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 구체예에 의한 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매를 제조하기 위해 텅스텐 전구체를 사용할 수 있다.For example, tungsten powder may be used as the tungsten. Additionally, for example, tungsten oxide may be used. However, as long as it is intended to implement the purpose of the present invention, it can be used without limitation in type. In particular, a tungsten precursor can be used to produce a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to an embodiment of the present invention.

상기 텅스텐 전구체는 텅스텐 원자를 포함하며 소성에 의해 텅스텐 원자를 공급하는 화합물일 수 있다. 예를들어, 상기 텅스텐 전구체는 텅스텐산염(tungstate)일 수 있다. 상기 텅스텐산염은 원활하게 텅스턴 원자를 공급할 수 있다. 상기 텅스텐산염은 예를들어, 암모늄 메타텅스테이트(ammonium metatungstate: AMT), 암모늄 텅스테이트(ammonium tungstate), 소듐 텅스테이트(sodium tungstate), 텅스텐 클로라이드(tungsten chloride), 또는 이들의 혼합물 등을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 목적을 구현할 수 있는 것이라면, 그 종류가 이에 한정되지 않는다.The tungsten precursor may be a compound that contains tungsten atoms and supplies tungsten atoms through sintering. For example, the tungsten precursor may be a tungstate. The tungstate salt can smoothly supply tungsten atoms. The tungstate salt may include, for example, ammonium metatungstate (AMT), ammonium tungstate, sodium tungstate, tungsten chloride, or mixtures thereof. You can. However, as long as it can implement the purpose of the present invention, the type is not limited to this.

상기 니켈은 본 발명의 목적을 구현하기 위한 비귀금속계 활성촉매로 작용하는 전이금속이다. 상기 니켈은 텅스텐 표면에 담지될 수 있다. 담지를 위해 예를들어, 증착침전법(deposition precipitation), 공침법(coprecipitation), 습식함침법(wet impregnation), 스퍼터링(sputtering), 기상 그래프팅(gas-phase grafting), 액상 그래프팅(liquid-phase grafting) 또는 초기 함침법(incipient-wetness impregnation) 등 그 종류에 제한 없이 알려진 다양한 방법을 사용할 수 있다.The nickel is a transition metal that acts as a non-noble metal-based active catalyst to achieve the purpose of the present invention. The nickel may be supported on the tungsten surface. For support, for example, deposition precipitation, coprecipitation, wet impregnation, sputtering, gas-phase grafting, liquid-phase grafting. A variety of known methods can be used without limitation, such as phase grafting or incipient-wetness impregnation.

상기 니켈 전구체는 예를들어, NiCl2ㆍxH2O, (CH3COO)2NiㆍxH2O, 니켈(II) 아세틸아세토네이트, 니켈(II) 카보네이트 히드록사이드, 니켈(II) 히드록사이드, Ni(NO3)2ㆍxH2O, NiSO4ㆍxH2O, NiI2 또는 NiF2로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 목적을 구현하기 위한 것이라면, 그 종류가 이에 제한되지 않는다.The nickel precursor is, for example, NiCl2·xH2O, (CH3COO)2Ni·xH2O, nickel(II) acetylacetonate, nickel(II) carbonate hydroxide, nickel(II) hydroxide, Ni(NO3)2· It may include any one or more selected from the group consisting of xH2O, NiSO4·xH2O, NiI2, or NiF2. However, as long as it is intended to implement the purpose of the present invention, the type is not limited thereto.

상기 용매는 극성 용매일 수 있고, 예를들어 물 또는 알코올계 용매일 수 있다. 상기 알코올계 용매는 예를들어, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 펜탄올로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 물은 탈이온수일 수 있다. 더욱 바람직하게는 초순수(De Water)일 수 있다. 그러나, 본 발명의 목적을 구현할 수 있는 것이라면, 그 종류가 이에 한정되지 않는다. The solvent may be a polar solvent, for example, water or an alcohol-based solvent. The alcohol-based solvent may include, for example, one or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, butanol, and pentanol. Preferably the water may be deionized water. More preferably, it may be ultrapure water (De Water). However, as long as it can implement the purpose of the present invention, the type is not limited to this.

구체예에서, 상기 텅스텐과 니켈은 2.5 : 1 내지 3.5 : 1의 몰비로 포함될 수 있다. 바람직하게는 2.7 : 1 내지 3.3 : 1의 몰비로 포함될 수 있다. 상기 범위 미만일 경우, base인 니켈과 porogen인 텅스텐간 담지 화합물의 불완전한 반응을 초래할 수 있고, 상기 범위 초과일 경우, 두 물질의 결합에 의한 다공성 구조가 제대로 형성되지 않고 파괴 혹은 균열이 생길 수 있는 문제가 있다.In a specific example, tungsten and nickel may be included in a molar ratio of 2.5:1 to 3.5:1. Preferably, it may be included in a molar ratio of 2.7:1 to 3.3:1. If it is less than the above range, it may cause an incomplete reaction of the supporting compound between nickel, the base, and tungsten, the porogen, and if it exceeds the above range, the porous structure due to the combination of the two materials may not be properly formed and destruction or cracking may occur. There is.

합금(alloy) 형성Alloy formation

상기 합금 형성단계(S200)는 상기 텅스텐 및 니켈을 혼합 후 건조 및 열처리하여 합금(alloy)을 형성하기 위한 목적에서 수행된다.The alloy forming step (S200) is performed for the purpose of forming an alloy by mixing the tungsten and nickel, followed by drying and heat treatment.

구체예에서, 상기 열처리는 1000 내지 1500℃, 수소 분위기에서 50 내지 100초간 수행될 수 있다. 바람직하게는 상기 열처리는 1200 내지 1300℃, 수소 분위기에서 70 내지 80초간 수행될 수 있다. 상기 범위 미만일 경우, 텅스텐 표면에 비귀금속계 활성촉매 성분인 니켈의 담지가 어려워 복합체가 생성되지 않을 수 있고, 상기 범위 초과일 경우, 형성된 복합체의 비표면적이 소결에 의해 감소될 수 있다. In a specific example, the heat treatment may be performed at 1000 to 1500° C. in a hydrogen atmosphere for 50 to 100 seconds. Preferably, the heat treatment may be performed at 1200 to 1300° C. in a hydrogen atmosphere for 70 to 80 seconds. If it is less than the above range, it may be difficult to support nickel, a non-precious metal active catalyst component, on the tungsten surface, so a composite may not be created. If it is more than the above range, the specific surface area of the formed composite may be reduced by sintering.

탈합금(dealloyed)Dealloyed

상기 탈합금 단계(S300)는 전술한 상기 합금을 전기화학적 용해로 탈합금(dealloyed)하여 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매를 수득하기 위한 목적에서 수행된다.The dealloying step (S300) is performed for the purpose of dealloying the above-described alloy by electrochemical melting to obtain a porous Ni catalyst for OER using tungsten melting.

구체예에서, 상기 전기화학적 용해는 0.8V 내지 1.6V, 3700 내지 4300Cycle 범위에서 수행될 수 있다. 바람직하게는 1.0V 내지 1.4V, 3900 내지 4100Cycle 범위에서 수행될 수 있다. 상기 탈합금 공정 범위는 니켈(Ni)의 순환전류전압법(Cyclic voltammetry)상 부동화(Passivation)되지 않는 전압 범위로써, 상기 범위내일 때, 200Cycle 간격으로 0.5V 정전압을 걸어 HER(Hydrogen Evolution Reaction)을 반응시켜 Alpha-Ni상의 환원을 유도할 수 있는 장점이 있다.In a specific example, the electrochemical dissolution may be performed in the range of 0.8V to 1.6V and 3700 to 4300Cycle. Preferably, it can be performed in the range of 1.0V to 1.4V and 3900 to 4100Cycle. The dealloying process range is the voltage range in which nickel (Ni) is not passivated according to cyclic voltammetry. When within the above range, HER (Hydrogen Evolution Reaction) is performed by applying a constant voltage of 0.5V at intervals of 200 cycles. It has the advantage of being able to induce reduction of the Alpha-Ni phase through reaction.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매는 귀금속 물질을 사용하지 않고 비귀금속계 활성촉매인 니켈을 사용하여 경제적 가치가 높으며, 특히, 기존 귀금속 기반 촉매보다 표면적이 극대화되어 산소 발생반응에서 뛰어난 활성을 보이고 수소 생산단가 절감에 기여가 큰 우수한 특징이 있다.The porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution manufactured by the manufacturing method of the present invention has high economic value by using nickel, a non-precious metal-based active catalyst, without using precious metal materials. In particular, the surface area is maximized compared to existing noble metal-based catalysts. It shows excellent activity in the oxygen generation reaction and has excellent characteristics that greatly contribute to reducing the unit cost of hydrogen production.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and should not be construed as limiting the present invention in any way.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Any information not described here can be technically inferred by anyone skilled in the art, so description thereof will be omitted.

텅스텐과 니켈 전구체(precursor)를 몰비 3 : 1 비율로 초순수(DI water)에 녹인 후 drop cast 방식으로 Ni disk에 올렸다. 그 후 상온 조건에서 건조시킨 후 수소 분위기에서 1100℃에서 70초간 열처리를 하여 합금(alloy)을 형성하였다. Tungsten and nickel precursors were dissolved in ultrapure water (DI water) at a molar ratio of 3:1 and then placed on the Ni disk using a drop cast method. Afterwards, it was dried at room temperature and then heat treated at 1100°C for 70 seconds in a hydrogen atmosphere to form an alloy.

합금 형성 후 전극에 0.8V 내지 1.6V를 cycle로 하여 약 4000cycle을 거쳐 전기화학적으로 탈합금 공정을 진행하여 텅스텐을 용해하였다. 상기 과정을 통해 최종적으로 본 발명에 의한 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매를 완성하였다.After forming the alloy, an electrochemical dealloying process was carried out through about 4000 cycles with the electrode cycled at 0.8V to 1.6V to dissolve tungsten. Through the above process, a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to the present invention was finally completed.

[비교예 1][Comparative Example 1]

비교예 1은 텅스텐 대신에 몰리브덴을 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 OER용 다공성 Ni 촉매를 완성하였다.In Comparative Example 1, a porous Ni catalyst for OER was completed in the same manner as Example 1, except that molybdenum was used instead of tungsten.

[비교예 2][Comparative Example 2]

비교예 2는 텅스텐 대신에 바나듐을 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 OER용 다공성 Ni 촉매를 완성하였다.In Comparative Example 2, a porous Ni catalyst for OER was completed in the same manner as Example 1, except that vanadium was used instead of tungsten.

[실험예][Experimental example]

다음과 같은 방법에 의하여 촉매를 평가하였다.The catalyst was evaluated by the following method.

제작된 촉매를 working electrode로 하고, 기준 전극과 상대 전극을 활용하여 3전극 실험을 구상하여 실험을 진행하였다. Rotating Disk Electrode(RDE) 실험을 구성한 후에 상온, 상압 조건에서 OER 분극곡선을 측정하였다. 그후, 10mA/cm2에서의 과전압을 비교하기 위해 해당 전류밀도에서의 전위를 측정하였다. The experiment was conducted by using the manufactured catalyst as a working electrode, and designing a three-electrode experiment using a reference electrode and a counter electrode. After configuring the Rotating Disk Electrode (RDE) experiment, the OER polarization curve was measured under room temperature and pressure conditions. Afterwards, the potential at that current density was measured to compare the overvoltage at 10 mA/cm2.

- 전체 실험 조건- Full experimental conditions

a. 작동전극(Working electrode) a. Working electrode

- 제작한 촉매를 이용하여 Rotating Disk Electrode(RDE)로 1600rpm으로 전극을 회전시켰다. - Using the manufactured catalyst, the electrode was rotated at 1600 rpm with a Rotating Disk Electrode (RDE).

기준전극(Reference electrode) Reference electrode

- Ag/AgCl 상대전극(Counter electrode) - Pt Wire- Ag/AgCl Counter electrode - Pt Wire

b. 전해질 : 1M KOH (pH 14) b. Electrolyte: 1M KOH (pH 14)

c. 온도 : Room temperature (25℃)c. Temperature: Room temperature (25℃)

- OER 활성 평가 실험- OER activity evaluation experiment

a. 전해질을 아르곤으로 30분간 purging 하여 아르곤 분위기를 맞춰주었다.a. The electrolyte was purged with argon for 30 minutes to adjust the argon atmosphere.

b. OER로 인해 전극에서 발생하는 산소 제거를 위해 작동전극을 1600rpm로 회전하였다.b. The working electrode was rotated at 1600 rpm to remove oxygen generated from the electrode due to OER.

c. Scan rate : 1mV/sc. Scan rate: 1mV/s

d. Scan range : 0.05 V(vs RHE) ~ 2.00 V(vs RHE)d. Scan range: 0.05 V (vs RHE) ~ 2.00 V (vs RHE)

이상과 같이 촉매 물성평가 실험을 하였고, 그 실험결과는 도 2 내지 5에 개시하였다. An experiment was conducted to evaluate the catalyst properties as described above, and the results of the experiment are shown in Figures 2 to 5.

도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매와 비교예 촉매를 형성하는 물질의 몰비 관계를 비교한 순환전압전류 그래프이다. Figure 2 is a cyclic voltammetric graph comparing the molar ratio relationship between the materials forming the porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to one embodiment of the present invention and the comparative example catalyst.

도 2를 참조하면, 실시예 1과 같이, 용해되는 Porogen으로 텅스텐을 선정하고 Base인 니켈에 대해 3 : 1 몰비율로 유지할 경우, 비교예 1의 몰리브덴이나 비교예 2의 바나듐과 달리 알칼라인 환경에서 텅스텐은 용해되기 쉬운 특성을 가지고 있어 텅스텐 용해를 통해 촉매의 표면적을 극대화시킬 수 있다. 또한, 용해되는 텅스텐 비율이 낮을 때 합금 후 용해되는 텅스텐이 줄어서 porous한 표면이 생성되기 어려운 것에 비해, 텅스텐과 니켈의 몰비율을 3 : 1로 할 때 최적의 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 2, as in Example 1, when tungsten is selected as the soluble porogen and maintained at a 3:1 molar ratio with respect to nickel as the base, unlike molybdenum in Comparative Example 1 or vanadium in Comparative Example 2, in an alkaline environment, Tungsten has the property of being easily soluble, so the surface area of the catalyst can be maximized through tungsten dissolution. In addition, when the ratio of dissolved tungsten is low, the amount of tungsten dissolved after alloying decreases, making it difficult to create a porous surface. However, it can be seen that optimal results can be obtained when the molar ratio of tungsten and nickel is set to 3:1. .

도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매의 탈합금(dealloyed)된 촉매 활성을 나타내는 순환전압전류 그래프이다. Figure 3 is a cyclic voltammetry graph showing the dealloyed catalytic activity of a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 텅스텐 용해를 통해 표면적을 극대화시킨 촉매의 10mA/cm2에서의 전위는 1.52V정도로, 1.59V인 일반 니켈과 비교했을 때, 과전압이 약 70mV 정도 차이나는 것을 알 수 있다. 한편, 이론적 OER 반응의 전위는 1.23V로 현재 상용화된 니켈 전극이 전위가 1.59V에서 반응이 일어나고 과전압이 약 360mV이다. 본 발명의 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매의 전극은 과전압이 약 290mV정도로 상용화된 전극보다 우수한 활성을 나타내었다. 귀금속을 활용한 촉매의 과전압이 약 310mV 정도이므로 본 발명에 의한 290mV의 결과는 귀금속을 사용하지 않고도 귀금속의 활성을 뛰어넘는 우수한 결과임을 알 수 있다. Referring to Figure 3, the potential of the catalyst whose surface area was maximized through tungsten dissolution at 10 mA/cm2 is about 1.52 V, and compared to regular nickel which is 1.59 V, it can be seen that the overpotential difference is about 70 mV. Meanwhile, the potential of the theoretical OER reaction is 1.23V, and the reaction occurs at a potential of 1.59V for currently commercialized nickel electrodes, and the overvoltage is about 360mV. The porous Ni catalyst electrode for OER using tungsten melt according to the present invention had an overvoltage of about 290 mV, showing superior activity to commercially available electrodes. Since the overvoltage of the catalyst using noble metal is about 310 mV, it can be seen that the result of 290 mV according to the present invention is an excellent result that exceeds the activity of noble metal even without using noble metal.

도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매의 다공성 표면적을 나타내는 SEM 이미지이다. Figure 4 is an SEM image showing the porous surface area of a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면 텅스텐 용해가 이루어지지 않은 왼쪽의 SEM 이미지(A)는 아무런 처리를 하지 않은 Ni pellet으로 표면이 매끈한 것을 알 수 있다. 반면, 오른쪽의 SEM 이미지(B)는 텅스텐 용해를 통해 porous한 표면적이 만들어진 것을 알 수 있으며, 이를 통해 표면적이 극대화된 것을 확인할 수 있다. Referring to Figure 4, it can be seen that the SEM image (A) on the left, where tungsten has not been dissolved, is a Ni pellet without any treatment and has a smooth surface. On the other hand, the SEM image (B) on the right shows that a porous surface area was created through tungsten melting, and it can be seen that the surface area was maximized through this.

도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매와 종래 촉매의 표면적 변화에 따른 활성 정도를 비교한 순환전압전류 그래프이다.Figure 5 is a cyclic voltammetric graph comparing the degree of activity according to surface area change between a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution according to an embodiment of the present invention and a conventional catalyst.

도 5를 참조하면, 상용화된 니켈 촉매, 알칼라인 산소발생 반응에서 우수한 NiFe 촉매 및 본 발명의 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매간 활성 차이를 알 수 있다. 즉, 본 발명과 같이 상용화된 니켈 촉매에 텅스텐 용해를 통해 표면적을 극대화하였을 때, 과전압이 200mV 정도로 우수한 활성능을 구현할 수 있는 바, 이를 통해 모델 촉매 실험에 그치지 않고 실제 상용화를 위한 촉매로써의 가능성을 확인할 수 있다.Referring to Figure 5, the difference in activity can be seen between a commercially available nickel catalyst, a NiFe catalyst excellent in alkaline oxygen generation reaction, and a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution of the present invention. In other words, when the surface area is maximized through tungsten dissolution in a commercialized nickel catalyst as in the present invention, excellent activity can be achieved with an overvoltage of about 200 mV. This shows the potential as a catalyst for actual commercialization, not just a model catalyst experiment. can confirm.

이상 살펴본 바와 같이, 물성평가 실험예를 통해 본 발명에 의해 제조된 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매는 종래 발명과 대비하여 표면적이 극대화된 porous한 다공성 촉매를 사용함으로써, 귀금속 물질을 사용하지 않아 경제적 가치가 높고 특히 기존 귀금속 기반 촉매보다 표면적이 극대화되어 산소발생반응에서 뛰어난 활성을 보이고 수소 생산단가 절감에 기여가 큰 우수한 효과가 있음을 알 수 있다.As discussed above, the porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution manufactured by the present invention through physical property evaluation experiments uses a porous porous catalyst with a maximized surface area compared to the conventional invention, and does not use precious metal materials. It has a high economic value, and in particular, it has a maximized surface area compared to existing noble metal-based catalysts, showing excellent activity in oxygen generation reactions, and has an excellent effect that greatly contributes to reducing the unit cost of hydrogen production.

한편, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.Meanwhile, although the present invention has been described with limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and variations can be made by those skilled in the art from these descriptions. possible.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the claims and equivalents as well as the claims described later.

S100 : 전구체 및 용매 혼합단계
S200 : 합금(alloyed) 형성단계
S300 : 탈합금(dealloyed) 단계
S100: Precursor and solvent mixing step
S200: Alloyed formation stage
S300: dealloyed stage

Claims (5)

삭제delete 2.5 : 1 내지 3.5 : 1의 몰비로 포함된 텅스텐 및 니켈 전구체를 용매와 혼합하는 단계;
상기 혼합 후 건조 및 1000~1500℃, 수소 분위기에서 50 내지 100초간 열처리하여 합금(alloy)을 형성하는 단계; 및
상기 합금을 0.8V 내지 1.6V, 3700 내지 4300Cycle 범위에서 전기화학적 용해로 탈합금(dealloyed)하여 OER용 다공성 Ni 촉매를 수득하는 단계; 를 포함하는 텅스텐 용해를 이용한 OER용 다공성 Ni 촉매의 제조방법.
Mixing tungsten and nickel precursors contained in a molar ratio of 2.5:1 to 3.5:1 with a solvent;
Forming an alloy by drying the mixture and heat treating it at 1000 to 1500° C. in a hydrogen atmosphere for 50 to 100 seconds; and
Obtaining a porous Ni catalyst for OER by dealloying the alloy by electrochemical melting in the range of 0.8V to 1.6V and 3700 to 4300Cycle; Method for producing a porous Ni catalyst for OER using tungsten dissolution comprising.
삭제delete 삭제delete 삭제delete
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