KR102619869B1 - Water electrolysis catalyst and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수전해용 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 복수 개의 나노선이 일정한 간격으로 서로 평행하게 정렬된 나노선 복합체를 적층하여 전기화학적 활성 면적이 향상될 뿐 아니라 수전해 반응 중 엉킴 또는 뭉침 현상이 전혀 일어나지 않는 수전해용 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for water electrolysis and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a catalyst for water electrolysis and a method for manufacturing the same. More specifically, by stacking a nanowire composite in which a plurality of nanowires are aligned parallel to each other at regular intervals, the electrochemical active area is improved and the electrochemical activity during the water electrolysis reaction is improved. It relates to a catalyst for water electrolysis that does not cause entanglement or agglomeration at all and a method for manufacturing the same.
Description
본 발명은 수전해용 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for water electrolysis and a method for producing the same.
수전해용 전기화학반응 촉매의 상용화를 위한 주된 관심사 중 하나는 이리듐의 사용량 대비 촉매 효율을 높이는 것이다. 그러나 현재 이리듐의 활용 면적을 넓히기 위해 상용되는 나노입자 형태의 Ir/C 등은 전기화학 반응 중에 서로 엉키는 현상과 지지체(탄소)의 전기화학적 산화에 의해 이리듐의 활용 면적이 줄어들고 산화/부식 현상으로 셀 내구성이 저하될 수 있다. 또한, 높은 과전압 때문에 산소발생 반응용 촉매에는 사용할 수 없다는 한계가 존재한다.One of the main concerns for commercialization of electrochemical reaction catalysts for water electrolysis is to increase catalyst efficiency compared to the amount of iridium used. However, in order to expand the application area of iridium, the use area of iridium is reduced due to the entanglement phenomenon and electrochemical oxidation of the support (carbon) in the form of nanoparticles such as Ir/C, which are currently used commercially. Durability may decrease. In addition, there is a limitation that it cannot be used as a catalyst for oxygen generation reaction due to high overvoltage.
탄소계 지지체에 대한 대안으로 사용되는 금속 산화물 기반 담지체 중 안티몬이 도핑된 산화주석은 일반적인 산화주석이 가지고 있는 열적, 화학적 내구성을 가지고 있고 우수한 전기전도성을 나타내며 값이 매우 저렴하다는 장점 때문에 리튬 이온 배터리, 수전해 박막전극, 그리고 유기 발광 다이오드 전극의 담지체 등으로 많이 사용되는 물질이다. 뿐만 아니라 안티몬이 도핑된 산화주석은 투명도를 개선할 수 있어 주석이 도핑된 산화인듐을 대체하는 투명전극 물질로 사용하려는 연구 또한 활발하게 진행되고 있다.Among the metal oxide-based supports used as an alternative to carbon-based supports, antimony-doped tin oxide has the thermal and chemical durability of general tin oxide, shows excellent electrical conductivity, and is very inexpensive, so it is used in lithium-ion batteries. It is a material widely used as a support for water electrolysis thin film electrodes and organic light-emitting diode electrodes. In addition, antimony-doped tin oxide can improve transparency, so research is being actively conducted to use it as a transparent electrode material to replace tin-doped indium oxide.
현재 안티몬이 도핑된 산화주석은 주로 스퍼터 공정이나 용액 기반 합성 공정을 통해 제조되고 있다. 이러한 공정을 이용하면 결정성이 우수한 안티몬이 도핑된 산화주석을 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 박막이나 나노입자와 같이 규칙적이지 않은 형태의 결과물만 얻을 수 있어 3 차원 나노구조체를 형성하기 쉽지 않다. 이렇게 만들어진 무작위한 형태의 안티몬이 도핑된 산화주석을 수전해용 전기화학반응 촉매 전극의 담지체로 적용했을 경우 반응이 진행됨에 따라 담지체가 무너지거나 서로 엉키는 현상이 나타날 수 있으며 나노입자간의 이온적 연결을 위해 이오노머의 사용이 필수적이며 이러한 추가적인 첨가제의 사용은 최종적으로 반응물이나 생성물이 촉매 사이를 이동하는데 큰 제약으로 작용하는 한계가 존재한다. Currently, antimony-doped tin oxide is mainly manufactured through a sputter process or solution-based synthesis process. Using this process has the advantage of being able to obtain antimony-doped tin oxide with excellent crystallinity, but only results in irregular shapes such as thin films or nanoparticles can be obtained, making it difficult to form a three-dimensional nanostructure. If tin oxide doped with random antimony created in this way is applied as a support for an electrochemical reaction catalyst electrode for water electrolysis, the support may collapse or become entangled as the reaction progresses, and for ionic connection between nanoparticles, the support may collapse or become entangled. The use of ionomers is essential, and the use of these additional additives has limitations that ultimately act as a major limitation in the movement of reactants or products between catalysts.
최근에 박막이나 나노입자 이외에 안티몬이 도핑된 산화주석 나노선을 이용하여 3 차원의 나노구조체를 만들어 각종 소자에 적용한 연구가 보고되었다. 독일의 베를린 기술대학에서는 전기방사 기술로 안티몬이 도핑된 산화주석 나노선을 제조하고 이를 수전해용 박막전극의 담지체로 이용하여 산화 이리듐을 고르게 분산시켜 높은 산소 환원 효율을 가지는 촉매를 제작하였다. 이러한 촉매는 이리듐의 사용량을 줄임과 동시에 내구성 측면에서 우수한 결과를 보였지만, 담지체와 촉매를 따로 합성하여 결합하는 복잡한 과정이 필요하고 3 차원의 구조이긴 하나 여전히 박막이나 나노입자와 같이 매우 규칙적이지 않은 형태로만 제작할 수 있기 때문에 정렬된 구조체는 제작하기 어렵다는 한계가 존재하였다. 이에 전기화학적 활성 면적을 감소시킬 수 있는 반응 중 엉킴 현상을 방지하고 반응물과 생성물 등의 물질이동을 원활하게 촉진시키며, 이오노머 같은 첨가제의 사용이 필요없는 정렬된 네트워크 형태의 수전해용 촉매에 대한 기술개발이 필요한 실정이다. Recently, research was reported on creating three-dimensional nanostructures using antimony-doped tin oxide nanowires in addition to thin films or nanoparticles and applying them to various devices. At the Berlin University of Technology in Germany, antimony-doped tin oxide nanowires were manufactured using electrospinning technology and used as a support for thin film electrodes for water electrolysis to evenly disperse iridium oxide to produce a catalyst with high oxygen reduction efficiency. These catalysts have shown excellent results in terms of durability while reducing the amount of iridium used, but require a complex process of separately synthesizing and combining the support and catalyst, and although they have a three-dimensional structure, they are still not very regular, such as thin films or nanoparticles. Since it can only be manufactured in a certain shape, there was a limitation in that it was difficult to manufacture an aligned structure. Accordingly, technology was developed for a water electrolysis catalyst in the form of an ordered network that prevents entanglement during the reaction, which can reduce the electrochemical active area, promotes the smooth movement of substances such as reactants and products, and does not require the use of additives such as ionomers. This is necessary.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 복수 개의 나노선이 일정한 간격으로 서로 평행하게 정렬된 나노선 복합체가 적층되어 전기화학적 활성 면적이 향상될 뿐 아니라 수전해 반응 중 엉킴 또는 뭉침 현상이 전혀 일어나지 않고 우수한 성능 및 내구성을 갖는 수전해용 촉매와 이의 제조방법을 제공하는 데 있다. The present invention was created to solve the above-mentioned problems. The purpose of the present invention is to stack a nanowire composite in which a plurality of nanowires are aligned parallel to each other at regular intervals, so that the electrochemical active area is not only improved, but also the water power is increased. The aim is to provide a catalyst for water electrolysis that does not cause any entanglement or agglomeration during the reaction and has excellent performance and durability and a method for manufacturing the same.
본 발명의 일 측면은 복수 개의 나노선 복합체가 적층된 수전해용 촉매에 있어서, 상기 나노선 복합체는 복수 개의 나노선이 서로 평행하게 일정 간격으로 이격되어 정렬된 것이고, 상기 나노선은 안티몬이 도핑된 산화주석층 및 이리듐층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 촉매를 제공한다.One aspect of the present invention is a catalyst for water electrolysis in which a plurality of nanowire composites are stacked, wherein the nanowire composite is a plurality of nanowires arranged parallel to each other and spaced at regular intervals, and the nanowires are doped with antimony. A catalyst for water electrolysis is provided, comprising a tin oxide layer and an iridium layer.
본 발명의 다른 측면은 (A) 표면에 일정한 간격으로 서로 평행하게 이격된 복수 개의 양각을 포함하는 요철이 형성된 고분자 몰드를 준비하는 단계; (B) 상기 복수 개의 양각에 이리듐, 산화주석 및 안티몬을 증착하여 다층구조를 제조하는 단계; (C) 상기 다층구조를 기판 상에 4 내지 40 회 적층하는 단계; 및 (D) 상기 기판 상에 적층된 다층구조를 열처리하여 수전해용 촉매를 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 수전해용 촉매는 복수 개의 나노선이 서로 평행하게 일정 간격으로 이격되어 정렬된 나노선 복합체가 복수 개로 적층된 것이고, 상기 나노선은 안티몬이 도핑된 산화주석층 및 이리듐층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 촉매의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention includes the steps of (A) preparing a polymer mold on the surface of which irregularities are formed including a plurality of reliefs spaced parallel to each other at regular intervals; (B) manufacturing a multilayer structure by depositing iridium, tin oxide, and antimony on the plurality of reliefs; (C) stacking the multilayer structure 4 to 40 times on a substrate; and (D) preparing a catalyst for water electrolysis by heat treating the multilayer structure laminated on the substrate, wherein the catalyst for water electrolysis is a nanowire composite in which a plurality of nanowires are arranged in parallel and spaced apart from each other at regular intervals. It provides a method of manufacturing a catalyst for water electrolysis, wherein a plurality of nanowires are stacked, and the nanowires include a tin oxide layer and an iridium layer doped with antimony.
본 발명에 따른 수전해용 촉매는 전기화학적 활성 면적이 향상되고 반응 중에도 전기화학적 활성 면적이 감소되지 않아 우수한 성능을 나타낼 수 있으며, 적층구조로 내구성을 현저하게 향상시킬 수 있다.The catalyst for water electrolysis according to the present invention has an improved electrochemically active area and does not decrease the electrochemically active area even during reaction, so it can exhibit excellent performance, and durability can be significantly improved due to its laminated structure.
또한, 본 발명의 수전해용 촉매의 제조방법은 담지체부인 안티몬 및 산화주석과 촉매부인 이리듐을 동시에 증착 및 전사할 수 있고 마스터 패턴이 형성된 기판을 사용하여 정렬된 형태의 나노선을 제조할 수 있어 전기화학 반응 중 서로 엉키거나 뭉치는 현상을 현저하게 개선할 수 있다. In addition, the method for producing a catalyst for water electrolysis of the present invention can simultaneously deposit and transfer antimony and tin oxide as a carrier and iridium as a catalyst, and manufacture nanowires in an aligned form using a substrate on which a master pattern is formed. The phenomenon of entanglement or agglomeration during electrochemical reactions can be significantly improved.
도 1은 본 발명에 따른 수전해용 촉매의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제조예에서 제조된 안티몬이 도핑된 산화주석 나노선 복합체의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제조예에서 제조된 안티몬이 도핑된 산화주석 나노선 복합체의 상면 및 단면의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 수전해용 촉매 상면의 (a) 투과전자현미경(TEM) 이미지 및 (b) 에너지 분산 분석(EDS) 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제조예에서 제조된 안티몬이 도핑된 산화주석 나노선 복합체의 증착 및 열처리 후 X선 회절(XRD) 패턴을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제조예에서 제조된 안티몬이 도핑된 산화주석 나노선 복합체의 증착 직후 및 열처리 후의 X선 광전자 분광(XPS) 패턴을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 수전해용 촉매를 사용한 전지의 (a) 산소 발생 반응(OER) 성능, (b) 질량 대비 활성도 분석 그래프를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 수전해용 촉매를 사용한 전지의 열화 특성 평가 결과 그래프를 나타낸 것이다. Figure 1 is a schematic diagram showing a method for producing a catalyst for water electrolysis according to the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing the manufacturing method of the antimony-doped tin oxide nanowire composite prepared in the production example of the present invention.
Figure 3 is a scanning electron microscope (SEM) image of the top and cross sections of the antimony-doped tin oxide nanowire composite prepared in the preparation example of the present invention.
Figure 4 shows (a) a transmission electron microscope (TEM) image and (b) an energy dispersive analysis (EDS) image of the upper surface of a catalyst for water electrolysis manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows an X-ray diffraction (XRD) pattern after deposition and heat treatment of the antimony-doped tin oxide nanowire composite prepared in the preparation example of the present invention.
Figure 6 shows the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) pattern of the antimony-doped tin oxide nanowire composite prepared in the preparation example of the present invention immediately after deposition and after heat treatment.
Figure 7 shows (a) oxygen evolution reaction (OER) performance of a battery using the water electrolysis catalyst prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention, and (b) a graph of activity versus mass analysis.
Figure 8 shows a graph showing the results of evaluating the deterioration characteristics of a battery using the water electrolysis catalyst prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention.
이하 본 발명을 첨부된 도면 및 실시예와 함께 더욱 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with the accompanying drawings and examples.
앞서 설명한 바와 같이 종래의 수전해용 촉매는 귀금속 촉매 사용량을 줄이면서 높은 성능과 안정성을 갖기 위하여 사용되는 촉매 담지체가 나노입자 형태를 가져 나노입자 사이의 이온적 연결을 위해 이오노머의 사용이 필수적이며 반응이 진행됨에 따라 엉킴 현상이 발생하여 촉매 활성 면적이 감소된다는 한계가 존재하였다.As previously explained, the catalyst carrier used in the conventional water electrolysis catalyst is in the form of nanoparticles in order to have high performance and stability while reducing the amount of precious metal catalyst used, so the use of ionomers is essential for ionic connection between nanoparticles and the reaction As the process progressed, there was a limitation in that entanglement occurred and the catalytic activity area decreased.
이에 본 발명에서는 전기화학적 활성 면적이 극대화될 뿐 아니라 이오노머의 사용 없이 서로 연결된 3 차원 나노구조를 나타내어 반응 도중 발생하는 엉킴 현상이나 전기화학적 활성 면적의 감소가 일어나지 않는 수전해용 촉매를 제공한다.Accordingly, the present invention provides a catalyst for water electrolysis that not only maximizes the electrochemically active area, but also exhibits a three-dimensional nanostructure connected to each other without the use of ionomers, so that no entanglement phenomenon or reduction of the electrochemically active area occurs during the reaction.
보다 구체적으로, 본 발명은 복수 개의 나노선 복합체가 적층된 수전해용 촉매에 있어서, 상기 나노선 복합체는 복수 개의 나노선이 서로 평행하게 일정 간격으로 이격되어 정렬된 것이고, 상기 나노선은 안티몬이 도핑된 산화주석층 및 이리듐층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 촉매를 제공한다.More specifically, the present invention relates to a catalyst for water electrolysis in which a plurality of nanowire composites are stacked, wherein the nanowire composite is a plurality of nanowires arranged in parallel and spaced at regular intervals, and the nanowires are doped with antimony. Provided is a catalyst for water electrolysis, comprising a tin oxide layer and an iridium layer.
상기 나노선은 서로 이격된 방향의 단면이 반원 또는 다각형 형상인 기둥 모양을 가질 수 있다.The nanowires may have a pillar shape with a semicircular or polygonal cross section in directions spaced apart from each other.
상기 이리듐층은 상기 안티몬이 도핑된 산화주석층 양면에 형성된 것일 수 있다. 상기 이리듐층은 상기 안티몬이 도핑된 산화주석층 양면에 형성되어 있을 때 전기적으로 연결되어 있을 뿐만 아니라 이리듐 표면이 전해질과 닿을 수 있어 전기화학적 활성면적이 현저하게 향상된다는 점에서 바람직하다. The iridium layer may be formed on both sides of the antimony-doped tin oxide layer. The iridium layer is desirable in that not only is it electrically connected when formed on both sides of the antimony-doped tin oxide layer, but also the iridium surface can come into contact with the electrolyte, thereby significantly improving the electrochemically active area.
상기 수전해용 촉매는 4 내지 40 개의 나노선 복합체가 적층된 것일 수 있다. 나노선 복합체가 4 개 미만으로 적층된 것이면, 3 차원 구조가 아닌 2 차원 구조에 가까워 부피당 표면적의 비율이 너무 작아 바람직하지 않고, 40 개 초과로 적층되면 나노선 복합체 사이의 결합력 감소로 인해 나노선 복합체 사이의 탈착이 발생할 수 있다. The catalyst for water electrolysis may be a stack of 4 to 40 nanowire composites. If the nanowire composite is stacked with less than 4 pieces, it is undesirable because it is closer to a two-dimensional structure rather than a three-dimensional structure, and the ratio of surface area per volume is too small, and if it is stacked with more than 40 nanowire composites, the bonding force between the nanowire composites decreases, which is undesirable. Desorption between complexes may occur.
상기 일정 간격은 25 nm 내지 1 ㎛, 바람직하게는 100 내지 800 nm, 가장 바람직하게는 300 내지 600 nm일 수 있다. 상기 간격이 25 nm 미만이면, 나노선 복합체 간의 간격이 과도하게 가까워 적층을 진행하면 할수록 물질 이동의 통로가 막혀 물질 수송 속도가 현저하게 감소되거나 수전해 반응이 진행됨에 따라 엉킴 현상이 발생할 수 있으며, 반대로 1 ㎛ 초과이면 단위면적당 촉매부인 이리듐의 양이 크게 줄어들기 때문에 오히려 촉매 성능의 감소로 이어질 수 있다. The regular interval may be 25 nm to 1 ㎛, preferably 100 to 800 nm, and most preferably 300 to 600 nm. If the spacing is less than 25 nm, the spacing between the nanowire composites may be too close, and as lamination proceeds, the passage for mass transfer may be blocked, resulting in a significant decrease in mass transport speed, or entanglement may occur as the water electrolysis reaction progresses, On the other hand, if it exceeds 1 ㎛, the amount of iridium, which is a catalyst part, per unit area is greatly reduced, which may lead to a decrease in catalytic performance.
상기 나노선 복합체는 서로 인접하여 적층된 다른 나노선 복합체와 0˚ 내지 90˚의 각도를 이루고 있는 것일 수 있다. 상기 나노선 복합체가 서로 인접하여 적층된 다른 나노선 복합체와 85˚ 내지 90˚의 각도를 이룰 때 다른 각도에 비해 물질 이동의 통로가 막히지 않는다는 점에서 가장 바람직하다. The nanowire composite may form an angle of 0˚ to 90˚ with other nanowire composites stacked adjacent to each other. It is most preferable when the nanowire composite forms an angle of 85° to 90° with other nanowire composites stacked adjacent to each other in that the passage of material movement is not blocked compared to other angles.
상기 안티몬이 도핑된 산화주석층은 상기 안티몬이 도핑된 산화주석 100 중량%에 대하여 안티몬이 5 내지 15 중량%, 바람직하게는 7 내지 12 중량%로 도핑된 것일 수 있다. 상기 안티몬이 5 중량% 미만으로 도핑되면 전기전도도가 현저하게 저하될 수 있고, 반대로 15 중량% 초과로 도핑되면 안티몬 석출로 인하여 내구성이 현저하게 감소될 수 있다.The antimony-doped tin oxide layer may be doped with 5 to 15 wt% of antimony, preferably 7 to 12 wt%, based on 100 wt% of the antimony-doped tin oxide. If the antimony is doped to less than 5% by weight, electrical conductivity may be significantly reduced, and conversely, if it is doped to more than 15% by weight, durability may be significantly reduced due to antimony precipitation.
상기 이리듐층의 두께는 0.5 내지 2 nm이고, 상기 안티몬이 도핑된 산화주석층의 두께는 10 내지 50 nm, 바람직하게는 15 내지 25 nm일 수 있다. 상기 이리듐층 및 상기 안티몬이 도핑된 산화주석층의 두께가 상기 범위를 만족할 때 이리듐의 촉매 활성면적이 최대화될 수 있음을 확인하였다.The iridium layer may have a thickness of 0.5 to 2 nm, and the antimony-doped tin oxide layer may have a thickness of 10 to 50 nm, preferably 15 to 25 nm. It was confirmed that the catalytic activity area of iridium could be maximized when the thickness of the iridium layer and the antimony-doped tin oxide layer satisfied the above range.
한편, 본 발명의 다른 측면은 (A) 표면에 일정한 간격으로 서로 평행하게 이격된 복수 개의 양각을 포함하는 요철이 형성된 고분자 몰드를 준비하는 단계; (B) 상기 복수 개의 양각에 이리듐, 산화주석 및 안티몬을 증착하여 다층구조를 제조하는 단계; (C) 상기 다층구조를 기판 상에 4 내지 40 회 적층하는 단계; 및 (D) 상기 기판 상에 적층된 다층구조를 열처리하여 수전해용 촉매를 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 수전해용 촉매는 복수 개의 나노선이 서로 평행하게 일정 간격으로 이격되어 정렬된 나노선 복합체가 복수 개로 적층된 것이고, 상기 나노선은 안티몬이 도핑된 산화주석층 및 이리듐층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 촉매의 제조방법을 제공한다.Meanwhile, another aspect of the present invention includes the steps of (A) preparing a polymer mold on the surface of which irregularities are formed including a plurality of reliefs spaced parallel to each other at regular intervals; (B) manufacturing a multilayer structure by depositing iridium, tin oxide, and antimony on the plurality of reliefs; (C) stacking the multilayer structure 4 to 40 times on a substrate; and (D) preparing a catalyst for water electrolysis by heat treating the multilayer structure laminated on the substrate, wherein the catalyst for water electrolysis is a nanowire composite in which a plurality of nanowires are arranged in parallel and spaced apart from each other at regular intervals. It provides a method of manufacturing a catalyst for water electrolysis, wherein a plurality of nanowires are stacked, and the nanowires include a tin oxide layer and an iridium layer doped with antimony.
도 1은 본 발명에 따른 수전해용 촉매의 제조방법을 나타낸 모식도로서, 이하 도 1을 참조하여 본 발명의 수전해용 촉매의 제조방법의 각 단계를 설명하도록 한다.Figure 1 is a schematic diagram showing a method for manufacturing a catalyst for water electrolysis according to the present invention. Hereinafter, each step of the method for manufacturing a catalyst for water electrolysis of the present invention will be described with reference to Figure 1.
(A) 표면에 일정한 간격으로 서로 평행하게 이격된 복수 개의 양각을 포함하는 요철이 형성된 고분자 몰드를 준비하는 단계(A) Preparing a polymer mold with irregularities formed on the surface including a plurality of reliefs spaced parallel to each other at regular intervals
상기 양각은 25 nm 내지 1 ㎛, 바람직하게는 100 내지 800 nm, 가장 바람직하게는 300 내지 600 nm 간격으로 서로 평행하게 이격된 것일 수 있다. The reliefs may be spaced parallel to each other at intervals of 25 nm to 1 ㎛, preferably 100 to 800 nm, and most preferably 300 to 600 nm.
상기 (A) 단계는 나노선 복합체 제조를 위한 고분자 몰드를 준비하는 단계로서, (A1) 상기 복수 개의 양각과 대응되는 복수 개의 음각을 포함하는 요철이 형성된 마스터 몰드 상에 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 코팅층을 형성하는 단계; (A2) 상기 폴리디메틸실록산 코팅층 상에 고분자층을 형성하는 단계; 및 (A3) 상기 마스터 몰드와 상기 고분자층을 분리하여 고분자 몰드를 제조하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.The step (A) is a step of preparing a polymer mold for manufacturing a nanowire composite. (A1) Polydimethylsiloxane (PDMS) is formed on a master mold in which irregularities including a plurality of intaglios corresponding to the plurality of embossings are formed. ) Forming a coating layer; (A2) forming a polymer layer on the polydimethylsiloxane coating layer; And (A3) separating the master mold and the polymer layer to manufacture a polymer mold.
상기 (A1) 단계는 폴리디메틸실록산이 1 내지 5 중량%로 포함되는 용액을 상기 마스터 몰드 상면에 스핀코팅하고 100 내지 200 ℃에서 30 분 내지 2 시간 동안 열처리하여 수행되는 것일 수 있다. 상기 폴리디메틸실록산 코팅층은 상기 고분자층이 상기 마스터 몰드로부터 완벽하게 분리될 수 있도록 한다.The step (A1) may be performed by spin-coating a solution containing 1 to 5% by weight of polydimethylsiloxane on the upper surface of the master mold and heat treating it at 100 to 200 ° C. for 30 minutes to 2 hours. The polydimethylsiloxane coating layer allows the polymer layer to be completely separated from the master mold.
상기 (A2) 단계는 상기 고분자가 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 3 내지 5 중량%로 포함되는 고분자 용액을 코팅하여 수행되는 것일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 고분자 용액은 톨루엔, 아세톤 및 헵탄이 3 내지 5 : 3 내지 5 : 1 내지 4의 부피비로 이루어진 용매와 상기 고분자가 혼합된 것일 수 있다. 상기 고분자의 함량이 1 중량% 미만이면, 고분자층이 형성되지 않을 수 있고, 10 중량% 초과이면, 상기 마스터 몰드와 상기 고분자층의 분리가 어려울 수 있다.The step (A2) may be performed by coating a polymer solution containing 1 to 10% by weight of the polymer, preferably 3 to 5% by weight. More specifically, the polymer solution may be a mixture of the polymer and a solvent consisting of toluene, acetone, and heptane in a volume ratio of 3 to 5:3 to 5:1 to 4. If the polymer content is less than 1% by weight, the polymer layer may not be formed, and if it is more than 10% by weight, separation of the master mold and the polymer layer may be difficult.
상기 (A3) 단계는 상기 고분자층에 접착 필름을 부착한 후 잡아당겨 상기 마스터 몰드로부터 상기 고분자층을 분리하는 것일 수 있다. 상기 접착 필름은 폴리이미드 재질일 수 있다. 상기 고분자층에 접착 필름을 부착한 후 상기 접착 필름을 잡아당기면 상기 마스터 몰드로부터 상기 고분자층을 분리할 수 있으며, 상기 고분자층에는 상기 마스터 몰드의 역상인 요철이 형성될 수 있다.The step (A3) may involve attaching an adhesive film to the polymer layer and pulling it to separate the polymer layer from the master mold. The adhesive film may be made of polyimide. After attaching an adhesive film to the polymer layer and pulling the adhesive film, the polymer layer can be separated from the master mold, and irregularities that are the reverse image of the master mold can be formed on the polymer layer.
상기 고분자 몰드의 재질은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리4-바이닐피리딘(P4VP), 폴리2-바이닐피리딘(P2VP) 및 폴리스타이렌(PS)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 가장 바람직하게는 폴리메틸메타크릴레이트일 수 있다. 특히 폴리메틸메타크릴레이트는 마스터 몰드와의 표면에너지 차이가 커 쉽게 분리할 수 있고 다른 고분자에 비해 공기 중 수분의 흡수가 덜하여 요철의 모양 유지가 용이하다는 이점이 존재한다.The material of the polymer mold may be any one selected from the group consisting of polymethyl methacrylate (PMMA), poly4-vinylpyridine (P4VP), poly2-vinylpyridine (P2VP), and polystyrene (PS). Preferably it may be polymethyl methacrylate. In particular, polymethyl methacrylate has the advantage that it can be easily separated due to the large difference in surface energy from the master mold, and that it absorbs less moisture in the air than other polymers, making it easy to maintain the shape of the uneven surface.
(B) 상기 복수 개의 양각에 이리듐, 산화주석 및 안티몬을 증착하여 다층구조를 제조하는 단계(B) manufacturing a multilayer structure by depositing iridium, tin oxide, and antimony on the plurality of reliefs.
상기 (B) 단계는 상기 복수 개의 양각을 따라 이리듐, 산화주석 및 안티몬을 증착시켜 이리듐층, 산화주석층 및 안티몬층의 다층구조를 형성하는 단계로서, 상기 증착은 가열 증착 또는 전자빔 증착을 이용하여 수행되는 것 일 수 있다. 특히 전자빔 증착이 가장 바람직한데 이는 금속 종류만 가능한 가열 증착에 비해 금속뿐만 아니라 금속산화물까지 대부분의 물질 증착이 가능하고 마이크로 단위 이하의 증착 두께 조절에 훨씬 용이하기 때문이다.The step (B) is a step of depositing iridium, tin oxide, and antimony along the plurality of reliefs to form a multilayer structure of an iridium layer, a tin oxide layer, and an antimony layer. The deposition is performed using heat deposition or electron beam deposition. It may be something that is carried out. In particular, electron beam evaporation is the most desirable because, compared to heat evaporation, which only allows for metal types, it is possible to deposit most materials, including metals and metal oxides, and it is much easier to control the deposition thickness in micro units or less.
상기 (B) 단계는 (B1) 상기 복수 개의 양각에 이리듐을 증착하여 이리듐층을 형성하는 단계; (B2) 상기 이리듐층 상에 산화주석층 및 안티몬층을 형성하되, 상기 안티몬층 양면에 상기 산화주석층이 형성되도록 산화주석 및 안티몬을 교대로 증착하는 단계; 및 (B3) 상기 (B2) 단계에서 가장 상부에 형성된 산화주석층 상에 이리듐을 증착하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다. 이때 상기 (B2) 단계는 산화주석 및 안티몬을 교대로 증착하는 것을 복수 회 반복하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 도 1에 나타낸 바와 같이 이리듐층-산화주석층-안티몬층-산화주석층-이리듐층 순으로 증착할 수 있고, 산화주석층 및 안티몬층을 증가시켜 이리듐층-산화주석층-안티몬층-산화주석층-안티몬층-산화주석층-이리듐층 순으로 증착할 수 있다. 상기 안티몬층은 상기 산화주석층 사이에 형성될 때 이후 (D) 단계의 열처리를 통해 안티몬이 산화주석층에 균일하게 확산되어 안티몬이 도핑된 산화주석층이 형성될 수 있다는 점에서 바람직하다. The step (B) includes (B1) depositing iridium on the plurality of reliefs to form an iridium layer; (B2) forming a tin oxide layer and an antimony layer on the iridium layer, alternately depositing the tin oxide and antimony so that the tin oxide layer is formed on both sides of the antimony layer; and (B3) depositing iridium on the tin oxide layer formed at the top in step (B2). At this time, step (B2) may be repeated multiple times by alternately depositing tin oxide and antimony. For example, as shown in FIG. 1, it can be deposited in the order of iridium layer - tin oxide layer - antimony layer - tin oxide layer - iridium layer, and by increasing the tin oxide layer and antimony layer, iridium layer - tin oxide layer - It can be deposited in the following order: antimony layer - tin oxide layer - antimony layer - tin oxide layer - iridium layer. When the antimony layer is formed between the tin oxide layers, it is preferable that antimony is uniformly diffused into the tin oxide layer through heat treatment in step (D), thereby forming an antimony-doped tin oxide layer.
상기 (B1) 단계 및 상기 (B3) 단계에서 상기 이리듐이 증착되는 속도는 0.1 내지 0.5 Å/s일 수 있고, 상기 (B2) 단계에서 상기 산화주석과 상기 안티몬이 증착되는 속도는 1.0 내지 2.0 Å/s일 수 있다. 상기 이리듐, 산화주석 및 안티몬의 증착 속도가 상기 범위를 만족할 때 산화주석 및 안티몬에 의해 형성되는 나노선이 끊김 없이 만들어질 수 있고, 이리듐의 경우에는 나노구조체 위에 고르게 증착될 수 있다.The rate at which the iridium is deposited in the step (B1) and the step (B3) may be 0.1 to 0.5 Å/s, and the rate at which the tin oxide and antimony are deposited in the step (B2) may be 1.0 to 2.0 Å. It can be /s. When the deposition rate of iridium, tin oxide, and antimony satisfies the above range, nanowires formed by tin oxide and antimony can be created without interruption, and in the case of iridium, it can be evenly deposited on the nanostructure.
(C) 상기 다층구조를 기판 상에 4 내지 40 회 적층하는 단계(C) stacking the multilayer structure 4 to 40 times on a substrate
상기 (C) 단계 이전에 상기 접착 필름을 유기용매 증기에 노출시키는 단계;를 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 마스터 몰드로부터 고분자층을 분리하기 위하여 사용한 접착필름의 접착력을 약화시키기 위하여 상기 고분자 몰드를 50 내지 60 ℃의 유기용매 증기에 10 내지 20 초 동안 노출시켜 상기 접착 필름을 제거할 수 있다. 상기 유기용매 증기는 상기 접착 필름을 효과적으로 제거하는 역할을 한다. 상기 유기용매의 온도와 상기 유기 용매 노출 시간이 상기 범위를 만족 할 때 다층구조의 손상 없이 접착필름이 제거됨을 확인하였다. 상기 유기용매는 헵탄, 아세톤 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. It may further include exposing the adhesive film to organic solvent vapor before step (C). More specifically, in order to weaken the adhesive strength of the adhesive film used to separate the polymer layer from the master mold, the adhesive film can be removed by exposing the polymer mold to organic solvent vapor at 50 to 60 ° C. for 10 to 20 seconds. . The organic solvent vapor serves to effectively remove the adhesive film. It was confirmed that the adhesive film was removed without damage to the multilayer structure when the temperature of the organic solvent and the exposure time to the organic solvent satisfied the above range. The organic solvent may be one or more selected from the group consisting of heptane, acetone, and toluene.
상기 (C) 단계는 상기 (B) 단계에서 제조된 다층구조를 4 내지 40 회 적층하는 단계이다. 이때 상기 다층구조가 4 회 미만으로 적층되면 3 차원 구조가 아닌 2 차원 구조에 가까워 부피당 표면적의 비율이 너무 작아 바람직하지 않고, 40 회 초과로 적층되면 전사된 기판과 이전에 적층해놓은 다층구조 사이 혹은 다층구조와 다층구조 사이의 결합력 감소로 인해 다층구조 사이의 탈착이 발생할 수 있다. Step (C) is a step of stacking the multilayer structure prepared in step (B) 4 to 40 times. At this time, if the multilayer structure is stacked less than 4 times, it is close to a two-dimensional structure rather than a three-dimensional structure, which is undesirable because the ratio of surface area per volume is too small, and if the multilayer structure is stacked more than 40 times, there is a gap between the transferred substrate and the previously laminated multilayer structure or Desorption between multilayer structures may occur due to a decrease in the bonding force between the multilayer structures.
상기 (C) 단계는 가장 상부에 형성된 다층구조와 0˚ 내지 90˚, 바람직하게는 85˚ 내지 90˚ 각도가 되도록 다른 다층구조를 적층하여 수행되는 것일 수 있다. Step (C) may be performed by stacking other multilayer structures at an angle of 0˚ to 90˚, preferably 85˚ to 90˚, with the multilayer structure formed at the top.
(D) 상기 기판 상에 적층된 다층구조를 열처리하여 수전해용 촉매를 제조하는 단계(D) manufacturing a catalyst for water electrolysis by heat treating the multilayer structure laminated on the substrate
상기 (D) 단계는 안티몬을 산화주석에 도핑시키고 다층구조 간 결합력을 강화시키는 단계로서, 500 내지 900 ℃, 바람직하게는 600 내지 800 ℃에서 10 분 내지 3 시간, 바람직하게는 1 시간 내지 2 시간 30 분 동안 수행되는 것일 수 있다. 시간 및 온도가 상기 하한치 미만이면 안티몬이 산화주석에 충분이 도핑되지 못하여 전기전도도가 현저하게 낮아지거나, 다층구조 간의 결합력이 충분하지 못할 수 있고, 반대로 상기 상한치 초과이면 3 차원 나노구조체의 형태가 변형되거나 무너질 수 있다. The step (D) is a step of doping antimony into tin oxide and strengthening the bonding force between the multilayer structures, and is performed at 500 to 900 ° C., preferably 600 to 800 ° C. for 10 minutes to 3 hours, preferably 1 hour to 2 hours. It may be performed for 30 minutes. If the time and temperature are below the above lower limit, antimony may not be sufficiently doped into the tin oxide, which may significantly lower the electrical conductivity or the bonding strength between the multilayer structures may not be sufficient. Conversely, if the time and temperature exceed the above upper limit, the shape of the three-dimensional nanostructure may be deformed. It can rise or fall.
상기 안티몬이 도핑된 산화주석층은 상기 안티몬이 도핑된 산화주석 100 중량%에 대하여 상기 안티몬이 5 내지 15 중량%, 바람직하게는 7 내지 12 중량%로 도핑된 것일 수 있다. The antimony-doped tin oxide layer may be doped with 5 to 15 wt% of antimony, preferably 7 to 12 wt%, based on 100 wt% of the antimony-doped tin oxide.
상기 안티몬이 도핑된 산화주석층의 두께는 10 내지 50 nm, 바람직하게는 15 내지 25 nm이고, 상기 이리듐층의 두께는 0.5 내지 2 nm인 것일 수 있다.The antimony-doped tin oxide layer may have a thickness of 10 to 50 nm, preferably 15 to 25 nm, and the iridium layer may have a thickness of 0.5 to 2 nm.
특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에서 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명의 수전해용 촉매의 제조방법에 있어서, 하기 조건들을 달리하여 수전해용 촉매를 제조하고, 이를 이용한 전지에 대하여 200 회 수전해 반응을 수행하고 그 형태를 주사전자현미경을 통하여 확인하였다.In particular, although not explicitly described in the following examples or comparative examples, in the method for producing a catalyst for water electrolysis of the present invention, a catalyst for water electrolysis is prepared by varying the following conditions, and a water electrolysis reaction is performed 200 times for a battery using the same. was performed and its form was confirmed through a scanning electron microscope.
그 결과, 다른 조건에서와는 달리, 아래 조건이 모두 만족하였을 때 200 회 수전해 반응 동안 전류밀도가 일정하게 유지되었고, 나노선 복합체 간의 엉킴 또는 분리가 전혀 발생하지 않았을 뿐 아니라 이리듐의 유실이 전혀 관찰되지 않아 내구성이 우수한 것을 확인하였다.As a result, unlike other conditions, when all of the following conditions were satisfied, the current density was maintained constant during 200 water electrolysis reactions, no entanglement or separation between nanowire complexes occurred, and no loss of iridium was observed. It was confirmed that durability was excellent.
① 상기 고분자 몰드의 재질은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)이고,① The material of the polymer mold is polymethyl methacrylate (PMMA),
② 상기 일정 간격은 300 내지 600 nm이고,② The constant interval is 300 to 600 nm,
③ 상기 (A2) 단계는 상기 고분자가 3 내지 5 중량%로 포함되는 고분자 용액을 코팅하여 수행되는 것이고,③ The step (A2) is performed by coating a polymer solution containing 3 to 5% by weight of the polymer,
④ 상기 (A3) 단계는 상기 고분자층에 접착 필름을 부착한 후 상기 마스터 몰드로부터 상기 고분자층을 분리하는 것이고,④ The step (A3) involves attaching an adhesive film to the polymer layer and then separating the polymer layer from the master mold,
⑤ 상기 (B) 단계의 증착은 전자빔 증착을 이용하여 수행되는 것이고,⑤ The deposition in step (B) is performed using electron beam deposition,
⑥ 상기 (B) 단계는 (B1) 상기 복수 개의 양각에 이리듐을 증착하여 이리듐층을 형성하는 단계; (B2) 상기 이리듐층 상에 산화주석층 및 안티몬층을 형성하되, 상기 안티몬층 양면에 상기 산화주석층이 형성되도록 산화주석 및 안티몬을 교대로 증착하는 단계; 및 (B3) 상기 (B2) 단계에서 가장 상부에 형성된 산화주석층 상에 이리듐을 증착하는 단계;를 포함하는 것이고,⑥ The step (B) includes (B1) depositing iridium on the plurality of reliefs to form an iridium layer; (B2) forming a tin oxide layer and an antimony layer on the iridium layer, alternately depositing the tin oxide and antimony so that the tin oxide layer is formed on both sides of the antimony layer; and (B3) depositing iridium on the tin oxide layer formed at the top in step (B2),
⑦ 상기 (B1) 단계 및 상기 (B3) 단계에서 상기 이리듐이 증착되는 속도는 0.1 내지 0.5 Å/s이고, 상기 (B2) 단계에서 상기 산화주석과 상기 안티몬이 증착되는 속도는 1.0 내지 2.0 Å/s이고,⑦ The rate at which the iridium is deposited in the step (B1) and the step (B3) is 0.1 to 0.5 Å/s, and the rate at which the tin oxide and antimony are deposited in the step (B2) is 1.0 to 2.0 Å/s. s,
⑧ 상기 (C) 단계 이전에 상기 접착 필름을 50 내지 60 ℃ 유기용매 증기에 10 내지 20 초 동안 노출시키는 단계;를 더 포함하고,⑧ Before step (C), exposing the adhesive film to organic solvent vapor at 50 to 60°C for 10 to 20 seconds,
⑨ 상기 (C) 단계는 가장 상부에 형성된 다층구조와 85˚ 내지 90˚ 각도가 되도록 다른 다층구조를 적층하여 수행되는 것이고,⑨ The step (C) is performed by stacking other multilayer structures at an angle of 85 to 90 degrees with the uppermost multilayer structure,
⑩ 상기 (D) 단계는 600 내지 800 ℃에서 1 시간 내지 2 시간 30 분 동안 수행되는 것이고, ⑩ The step (D) is performed at 600 to 800 ° C. for 1 hour to 2 hours and 30 minutes,
⑪ 상기 안티몬이 도핑된 산화주석층은 상기 안티몬이 도핑된 산화주석 100 중량%에 대하여 상기 안티몬이 7 내지 12 중량%로 도핑된 것이고,⑪ The antimony-doped tin oxide layer is doped with 7 to 12% by weight of antimony based on 100% by weight of the antimony-doped tin oxide,
⑫ 상기 안티몬이 도핑된 산화주석층의 두께는 15 내지 25 nm이고, 상기 이리듐층의 두께는 0.5 내지 2 nm인 것일 수 있다.⑫ The thickness of the antimony-doped tin oxide layer may be 15 to 25 nm, and the thickness of the iridium layer may be 0.5 to 2 nm.
다만, 상기 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 200 회 수전해 반응 이후 나노선 복합체가 서로 엉키거나 분리되어 수전해 성능이 현저하게 저하되었으며, 이리듐의 유실이 관찰되었다.However, if any of the above conditions were not met, the nanowire composites became entangled or separated after 200 water electrolysis reactions, resulting in a significant decrease in water electrolysis performance, and loss of iridium was observed.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명에 대해서도 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples, etc., but the scope and content of the present invention should not be construed as being reduced or limited by the examples below. In addition, based on the disclosure of the present invention, including the following examples, it is clear that a person skilled in the art can easily implement the present invention for which no specific experimental results have been presented.
제조예 1. 안티몬이 도핑된 산화주석 나노선 복합체(ATO/NW)Preparation Example 1. Antimony-doped tin oxide nanowire composite (ATO/NW)
도 2는 본 발명의 제조예에서 제조된 안티몬이 도핑된 산화주석 나노선 복합체의 제조방법을 나타낸 모식도로서, 이를 참조하여 안티몬이 도핑된 산화주석 나노선 복합체의 제조방법을 설명하도록 한다.Figure 2 is a schematic diagram showing the manufacturing method of the antimony-doped tin oxide nanowire composite prepared in the production example of the present invention. With reference to this, the manufacturing method of the antimony-doped tin oxide nanowire composite will be described.
일정한 너비를 가진 직선 모양의 기둥이 400 nm 간격으로 나열되어 있는 요철을 가진 마스터 몰드를 제작한다. Polymer Source Inc.에서 구입한 폴리디메틸실록산(PDMS) 용액(2 wt%)을 상기 마스터 몰드 상면에 스핀코팅하고 1 시간 동안 150 ℃에서 열처리하였다. 그 후 마스터 몰드에 붙지 않은 잔여 PDMS 고분자를 헵탄으로 세척하여 제거하였다. 상기 마스터 몰드 위에 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)(4 wt%, 부피비 톨루엔 : 아세톤 : 헵탄 = 4.5 : 4.5 : 1, Sigma-Aldrich Inc.) 용액을 스핀코팅하였다. 상기 PMMA 상면에 접착력을 지닌 폴리이미드 테이프(3M Inc.)를 부착한 후 마스터 몰드로부터 PMMA를 떼어내어 상기 마스터 몰드의 패턴과 동일한 형상의 역상이 복제된 PMMA 모형을 제조하였다. A master mold with irregularities in which straight pillars with a constant width are arranged at 400 nm intervals is manufactured. Polydimethylsiloxane (PDMS) solution (2 wt%) purchased from Polymer Source Inc. was spin-coated on the upper surface of the master mold and heat treated at 150°C for 1 hour. Afterwards, the remaining PDMS polymer that did not stick to the master mold was removed by washing with heptane. A polymethyl methacrylate (PMMA) (4 wt%, volume ratio toluene:acetone:heptane = 4.5:4.5:1, Sigma-Aldrich Inc.) solution was spin-coated on the master mold. After attaching an adhesive polyimide tape (3M Inc.) to the upper surface of the PMMA, the PMMA was removed from the master mold to prepare a PMMA model in which the reverse image of the same shape as the pattern of the master mold was replicated.
E-beam evaporator를 사용한 사선 증착(증착 각도= 80˚)을 통해 PMMA 모형의 패턴을 따라 산화주석, 안티몬, 그리고 산화주석을 순차적으로 증착(증착속도=1.2 Å/s)시켰다. 그 결과, PMMA 박막의 요철을 따라 산화주석, 안티몬, 산화주석이 순차적으로 증착된 층간 구조의 나노선이 형성되었다. 폴리이미드 테이프와 PMMA간의 접착력을 약화시키기 위해 55 ℃에서 15 초 동안 유기용매 증기(부피비 아세톤 : 헵탄 = 1 : 1)에 노출한 다음, PMMA에 증착된 산화주석, 안티몬, 산화주석의 층간 구조를 목표 기판에 부착하고, PMMA 모형을 톨루엔으로 세척하여 제거함으로써 정렬된 산화주석, 안티몬, 산화주석이 층간 구조를 이루고 있는 나노선을 제작하였다. 그 다음 상기 층간 구조를 이루고 있는 나노선을 기판 상에 서로 인접한 다른 나노선과 90° 각도를 이루도록 4 회 적층하였다. 그 다음 산화주석, 안티몬, 산화주석 층간 구조에서 안티몬이 위 아래에 위치한 산화주석 층으로 충분히 확산될 수 있게 고온 열처리 과정을 진행하였다. 고온 열처리 과정은 아르곤 분위기, 700 ℃의 온도에서 2 시간 유지하였다. Tin oxide, antimony, and tin oxide were sequentially deposited (deposition rate = 1.2 Å/s) following the pattern of the PMMA model through oblique deposition (deposition angle = 80˚) using an E-beam evaporator. As a result, a nanowire with an interlayer structure in which tin oxide, antimony, and tin oxide were sequentially deposited along the irregularities of the PMMA thin film was formed. To weaken the adhesion between the polyimide tape and PMMA, the interlayer structure of tin oxide, antimony, and tin oxide deposited on PMMA was exposed to organic solvent vapor (volume ratio acetone:heptane = 1:1) at 55°C for 15 seconds. By attaching it to the target substrate and removing the PMMA model by washing it with toluene, a nanowire with an interlayer structure of aligned tin oxide, antimony, and tin oxide was produced. Next, the nanowires forming the interlayer structure were stacked four times at a 90° angle with other nanowires adjacent to each other on the substrate. Next, a high-temperature heat treatment process was performed to allow the antimony to sufficiently diffuse into the tin oxide layers located above and below the tin oxide, antimony, and tin oxide interlayer structure. The high-temperature heat treatment process was maintained at a temperature of 700° C. for 2 hours in an argon atmosphere.
제조예 1에서 상기 안티몬이 도핑된 산화주석 100 중량%에 대하여 상기 안티몬은 10 중량%로 도핑된 것이고, 상기 안티몬이 도핑된 산화주석층의 두께는 20 nm이었다.In Preparation Example 1, the antimony was doped at 10% by weight based on 100% by weight of the antimony-doped tin oxide, and the thickness of the antimony-doped tin oxide layer was 20 nm.
실시예 1. Ir-ATO/NWExample 1. Ir-ATO/NW
산화주석, 안티몬, 그리고 산화주석을 순차적으로 증착하지 않고 E-beam evaporator를 사용하여 PMMA 모형의 패턴을 따라 이리듐, 산화주석, 안티몬, 산화주석, 그리고 이리듐을 순차적으로 증착시켜(이리듐 증착속도= 0.2 Å/s, 산화주석 및 안티몬 증착속도= 1.2 Å/s) 다층구조를 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수전해용 촉매를 제조하였다(적층 각도= 90°, 4 회 적층).Instead of depositing tin oxide, antimony, and tin oxide sequentially, iridium, tin oxide, antimony, tin oxide, and iridium were deposited sequentially following the pattern of the PMMA model using an E-beam evaporator (iridium deposition rate = 0.2). Å/s, tin oxide and antimony deposition rate = 1.2 Å/s) A catalyst for water electrolysis was prepared in the same manner as in Example 1, except that a multilayer structure was prepared (stacking angle = 90°, 4 times stacking). .
실시예 1에서 상기 안티몬이 도핑된 산화주석 100 중량%에 대하여 상기 안티몬은 10 중량%로 도핑된 것이고, 상기 수전해용 촉매의 안티몬이 도핑된 산화주석층의 두께는 20 nm이고, 이리듐층의 두께는 1 nm이었다.In Example 1, the antimony was doped at 10% by weight based on 100% by weight of the antimony-doped tin oxide, the thickness of the antimony-doped tin oxide layer of the water electrolysis catalyst was 20 nm, and the thickness of the iridium layer was is 1 It was nm.
비교예 1. Ir/CComparative Example 1. Ir/C
상용 Ir/C 촉매는 Ir/C 20%(Premetek Inc.)를 사용하여 슬러리로 제조하여 사용하였다. 상기 슬러리는 10 mg Ir/C, 0.4 mL DI water, 0.568 mL IPA 그리고 0.032 mL의 Nafion 용액(5 wt%, Sigma Aldrich)을 혼합하고 30 분 소니케이션시켜서 제조하였다. The commercial Ir/C catalyst was prepared as a slurry using Ir/C 20% (Premetek Inc.). The slurry was prepared by mixing 10 mg Ir/C, 0.4 mL DI water, 0.568 mL IPA, and 0.032 mL of Nafion solution (5 wt%, Sigma Aldrich) and sonicating for 30 minutes.
비교예 2. IrOComparative Example 2. IrO 22
상용 IrO2 촉매는 IrO2(Premetek Inc.)를 사용하여 슬러리로 제조하여 사용하였다. 상기 슬러리는 2 mg IrO2, 0.4 mL DI water, 0.568 mL IPA 그리고 0.032 mL의 Nafion 용액(5wt%, Sigma Aldrich)을 혼합하고 30 분 소니케이션시켜서 제조하였다.The commercial IrO 2 catalyst was prepared as a slurry using IrO 2 (Premetek Inc.). The slurry was prepared by mixing 2 mg IrO2, 0.4 mL DI water, 0.568 mL IPA, and 0.032 mL Nafion solution (5 wt%, Sigma Aldrich) and sonicating for 30 minutes.
비교예 3. Ir/C/NWComparative Example 3. Ir/C/NW
이리듐, 산화주석, 안티몬, 산화주석, 그리고 이리듐을 순차적으로 증착하지 않고, E-beam evaporator를 사용한 사선 증착(증착 각도= 80˚)을 통해 PMMA 모형의 패턴을 따라 이리듐, 그레파이트 카본, 그리고 이리듐을 순차적으로 증착(이리듐 증착속도= 0.2 Å/s, 그레파이트 카본 증착속도= 1.0 Å/s)시킨 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수전해용 촉매를 제조하였다. Instead of depositing iridium, tin oxide, antimony, tin oxide, and iridium sequentially, iridium, graphite carbon, and iridium were deposited along the pattern of the PMMA model through oblique deposition (deposition angle = 80°) using an E-beam evaporator. A catalyst for water electrolysis was prepared in the same manner as in Example 1, except that it was sequentially deposited (iridium deposition rate = 0.2 Å/s, graphite carbon deposition rate = 1.0 Å/s).
실험예 1. 수전해용 촉매의 형태 분석Experimental Example 1. Shape analysis of catalyst for water electrolysis
도 3은 본 발명의 제조예에서 제조된 안티몬이 도핑된 산화주석 나노선 복합체의 상면 및 단면의 주사전자현미경(SEM) 이미지로서, 이를 참조하면 나노선이 서로 평행하게 일정한 간격으로 이격되어 정렬된 형태를 확인할 수 있다.Figure 3 is a scanning electron microscope (SEM) image of the top and cross sections of the antimony-doped tin oxide nanowire composite prepared in the preparation example of the present invention. Referring to this, the nanowires are aligned parallel to each other and spaced at regular intervals. You can check the shape.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 수전해용 촉매 상면의 (a) 투과전자현미경(TEM) 이미지 및 (b) 에너지 분산 분석(EDS) 이미지를 나타낸 것으로서, 이를 참조하면 나노선이 일정 간격으로 이격된 나노선 복합체가 적층된 구조와 이리듐, 안티몬 및 주석이 나노선을 따라 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.Figure 4 shows (a) a transmission electron microscope (TEM) image and (b) an energy dispersive analysis (EDS) image of the upper surface of a catalyst for water electrolysis manufactured according to an embodiment of the present invention. Referring to these, the nanowires are constant. It can be seen that the nanowire complexes are stacked at intervals and that iridium, antimony, and tin are uniformly distributed along the nanowires.
실험예 2. X선 회절(XRD) 분석 X선 광전자 분광 분석Experimental Example 2. X-ray diffraction (XRD) analysis X-ray photoelectron spectroscopy analysis
도 5는 본 발명의 제조예에서 제조된 안티몬이 도핑된 산화주석 나노선 복합체의 증착 및 열처리 후 X선 회절(XRD) 패턴을 나타낸 것으로서, 이를 참조하면 열처리 전 안티몬층 양면에 산화주석층이 형성된 나노선은 비결정성을 나타내었으나, 열처리 후 결정성 특성을 나타내고 안티몬이 산화주석에 도핑되었음을 확인할 수 있다.Figure 5 shows an The nanowire showed amorphous properties, but after heat treatment, it showed crystalline properties and it was confirmed that antimony was doped into tin oxide.
도 6은 본 발명의 제조예에서 제조된 안티몬이 도핑된 산화주석 나노선 복합체의 증착 직후 및 열처리 후의 X선 광전자 분광(XPS) 패턴을 나타낸 것이다. 상기 도 6를 참조하면, 열처리 전 안티몬의 3d 피크가 열처리후 더 높은 결합 에너지쪽으로 이동하여 안티몬이 산화주석층에 잘 도핑되었음을 확인할 수 있다.Figure 6 shows the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) pattern of the antimony-doped tin oxide nanowire composite prepared in the preparation example of the present invention immediately after deposition and after heat treatment. Referring to FIG. 6, the 3d peak of antimony before heat treatment shifts to a higher binding energy after heat treatment, confirming that antimony is well doped into the tin oxide layer.
실험예 3. 수전해 전지 성능 분석Experimental Example 3. Water electrolysis cell performance analysis
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 수전해용 촉매를 이용한 수전해 전지의 성능과 열화 특성을 측정하여 도 7 및 도 8에 나타내었다.The performance and degradation characteristics of water electrolysis cells using the water electrolysis catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were measured and shown in Figures 7 and 8.
제조된 수전해용 촉매의 수전해 성능 분석은 유리상 탄소(glassy carbon)를 작업 전극(working electrode)으로, 백금선(platinum wire)을 상대 전극(counter electrode)으로, 가역 수소 전극(reversible hydrogen electrode, RHE)을 기준 전극(reference electrode)으로 사용하고 0.05 M H2SO4(98%, Sigma Aldrich)를 전해질로 사용한 반전지 실험 장비에서 진행했다. 수전해용 촉매 성능 평가 중에 작업 전극은 modulated speed rotator(Pine Instruments)를 통해 1600 내지 2500 rpm의 속도로 회전하였다. 또한, 모든 수전해용 촉매 성능 평가는 Interface 1000E potentiostat(Garmry) 장비를 사용하여 측정하였다. 수전해용 촉매의 활성도는 1.2-1.7 V 범위에서 5 mV/s의 속도로 측정한 linear polarization curve를 통해 측정하였다. 수전해용 촉매의 질량대비 활성도는 1.55 V에서의 전류 밀도 값을 측정하는 작업 전극에 사용된 촉매의 총 질량으로 나눠서 계산하였다. 수전해용 촉매의 열화 특성은 수전해용 촉매가 1 mA/cm2의 전류밀도를 나타내는 전기화학적 전압을 지속적으로 얻어 측정하였다. The water electrolysis performance analysis of the prepared water electrolysis catalyst was performed using glassy carbon as a working electrode, a platinum wire as a counter electrode, and a reversible hydrogen electrode (RHE). was used as a reference electrode and 0.05 MH 2 SO 4 (98%, Sigma Aldrich) was used as an electrolyte. During the evaluation of catalyst performance for water electrolysis, the working electrode was rotated at a speed of 1600 to 2500 rpm through a modulated speed rotator (Pine Instruments). In addition, all water electrolysis catalyst performance evaluations were measured using Interface 1000E potentiostat (Garmry) equipment. The activity of the water electrolysis catalyst was measured through a linear polarization curve measured at a rate of 5 mV/s in the range of 1.2-1.7 V. The activity-to-mass activity of the water electrolysis catalyst was calculated by dividing the current density value at 1.55 V by the total mass of the catalyst used in the measuring working electrode. The deterioration characteristics of the water electrolysis catalyst were measured by continuously obtaining an electrochemical voltage at which the water electrolysis catalyst showed a current density of 1 mA/cm 2 .
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 수전해용 촉매를 사용한 전지의 (a) 산소 발생 반응(OER) 성능, (b) 질량 대비 활성도 분석 그래프를 나타낸 것이다.Figure 7 shows (a) oxygen evolution reaction (OER) performance of a battery using the water electrolysis catalyst prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention, and (b) a graph of activity versus mass analysis.
상기 도 7을 참조하면, 수소발생반응 결과 상기 실시예의 수전해용 촉매가 상기 비교예 1 내지 3에서 제조된 촉매보다 질량 활성도와 전류밀도가 현저하게 상승하여 우수한 촉매활성을 나타냄을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that as a result of the hydrogen generation reaction, the water electrolysis catalyst of the above example exhibits excellent catalytic activity by significantly increasing mass activity and current density compared to the catalysts prepared in Comparative Examples 1 to 3.
도 8은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 수전해용 촉매를 사용한 전지의 열화 특성 평가 결과 그래프를 나타낸 것으로서, 이를 참조하면, 산소 발생 반응 안정성 평가 결과, 본 발명에 따른 수전해용 촉매가 비교예 1 내지 3에서 제조된 촉매보다 더 낮은 과전압을 나타내어 안정성이 현저하게 향상된 것을 확인할 수 있다.Figure 8 is a graph showing the results of evaluation of the deterioration characteristics of a battery using the water electrolysis catalyst prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention. With reference to this, as a result of the evaluation of the stability of the oxygen generation reaction, the water electrolyzer according to the present invention It can be seen that the dissolved catalyst showed a lower overvoltage than the catalyst prepared in Comparative Examples 1 to 3, showing a marked improvement in stability.
Claims (21)
(B) 상기 복수 개의 양각에 이리듐, 산화주석 및 안티몬을 증착하여 다층구조를 제조하는 단계;
(C) 상기 다층구조를 기판 상에 4 내지 40 회 적층하는 단계; 및
(D) 상기 기판 상에 적층된 다층구조를 열처리하여 수전해용 촉매를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 (A) 단계는 (A1) 상기 복수 개의 양각과 대응되는 복수 개의 음각을 포함하는 요철이 형성된 마스터 몰드 상에 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 코팅층을 형성하는 단계; (A2) 상기 폴리디메틸실록산 코팅층 상에 고분자층을 형성하는 단계; 및 (A3) 상기 마스터 몰드와 상기 고분자층을 분리하여 고분자 몰드를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 수전해용 촉매는 복수 개의 나노선이 서로 평행하게 일정 간격으로 이격되어 정렬된 나노선 복합체가 복수 개로 적층된 것이고,
상기 나노선은 안티몬이 도핑된 산화주석층 및 이리듐층을 포함하고,
상기 고분자 몰드의 재질은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)이고,
상기 일정 간격은 300 내지 600 nm이고,
상기 (A2) 단계는 상기 고분자가 3 내지 5 중량%로 포함되는 고분자 용액을 코팅하여 수행되는 것이고,
상기 (A3) 단계는 상기 고분자층에 접착 필름을 부착한 후 상기 마스터 몰드로부터 상기 고분자층을 분리하는 것이고,
상기 (B) 단계의 증착은 전자빔 증착을 이용하여 수행되는 것이고,
상기 (B) 단계는 (B1) 상기 복수 개의 양각에 이리듐을 증착하여 이리듐층을 형성하는 단계; (B2) 상기 이리듐층 상에 산화주석층 및 안티몬층을 형성하되, 상기 안티몬층 양면에 상기 산화주석층이 형성되도록 산화주석 및 안티몬을 교대로 증착하는 단계; 및 (B3) 상기 (B2) 단계에서 가장 상부에 형성된 산화주석층 상에 이리듐을 증착하는 단계;를 포함하는 것이고,
상기 (B1) 단계 및 상기 (B3) 단계에서 상기 이리듐이 증착되는 속도는 0.1 내지 0.5 Å/s이고, 상기 (B2) 단계에서 상기 산화주석과 상기 안티몬이 증착되는 속도는 1.0 내지 2.0 Å/s이고,
상기 (C) 단계 이전에 상기 접착 필름을 50 내지 60 ℃ 유기용매 증기에 10 내지 20 초 동안 노출시키는 단계;를 더 포함하고,
상기 (C) 단계는 가장 상부에 형성된 다층구조와 85˚ 내지 90˚ 각도가 되도록 다른 다층구조를 적층하여 수행되는 것이고,
상기 (D) 단계는 600 내지 800 ℃에서 1 시간 내지 2 시간 30 분 동안 수행되는 것이고,
상기 안티몬이 도핑된 산화주석층은 상기 안티몬이 도핑된 산화주석 100 중량%에 대하여 상기 안티몬이 7 내지 12 중량%로 도핑된 것이고,
상기 안티몬이 도핑된 산화주석층의 두께는 15 내지 25 nm이고, 상기 이리듐층의 두께는 0.5 내지 2 nm인 것을 특징으로 하는 수전해용 촉매의 제조방법.(A) preparing a polymer mold having irregularities on the surface including a plurality of reliefs spaced parallel to each other at regular intervals;
(B) manufacturing a multilayer structure by depositing iridium, tin oxide, and antimony on the plurality of reliefs;
(C) stacking the multilayer structure 4 to 40 times on a substrate; and
(D) manufacturing a catalyst for water electrolysis by heat treating the multilayer structure laminated on the substrate;
The step (A) includes (A1) forming a polydimethylsiloxane (PDMS) coating layer on a master mold having irregularities including a plurality of negative engravings corresponding to the plurality of positive engravings; (A2) forming a polymer layer on the polydimethylsiloxane coating layer; and (A3) manufacturing a polymer mold by separating the master mold and the polymer layer.
The catalyst for water electrolysis is a stack of a plurality of nanowire composites in which a plurality of nanowires are arranged in parallel with each other and spaced at regular intervals,
The nanowire includes a tin oxide layer and an iridium layer doped with antimony,
The material of the polymer mold is polymethyl methacrylate (PMMA),
The regular interval is 300 to 600 nm,
The step (A2) is performed by coating a polymer solution containing 3 to 5% by weight of the polymer,
The step (A3) involves attaching an adhesive film to the polymer layer and then separating the polymer layer from the master mold,
The deposition in step (B) is performed using electron beam deposition,
The step (B) includes (B1) depositing iridium on the plurality of reliefs to form an iridium layer; (B2) forming a tin oxide layer and an antimony layer on the iridium layer, alternately depositing the tin oxide and antimony so that the tin oxide layer is formed on both sides of the antimony layer; and (B3) depositing iridium on the tin oxide layer formed at the top in step (B2),
The rate at which the iridium is deposited in the step (B1) and the step (B3) is 0.1 to 0.5 Å/s, and the rate at which the tin oxide and antimony are deposited in the step (B2) is 1.0 to 2.0 Å/s. ego,
It further includes exposing the adhesive film to organic solvent vapor at 50 to 60° C. for 10 to 20 seconds before step (C),
Step (C) is performed by stacking other multilayer structures at an angle of 85 to 90 degrees with the uppermost multilayer structure,
Step (D) is performed at 600 to 800 ° C. for 1 hour to 2 hours and 30 minutes,
The antimony-doped tin oxide layer is doped with 7 to 12% by weight of antimony based on 100% by weight of the antimony-doped tin oxide,
A method for producing a catalyst for water electrolysis, wherein the antimony-doped tin oxide layer has a thickness of 15 to 25 nm, and the iridium layer has a thickness of 0.5 to 2 nm.
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V.A. Saveleva 외, ACS Catal., 2020, 10, 2508~2516 (2020.01.21.) |
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