KR102628316B1 - Catalyst, electrode and electrochemical reaction system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 촉매, 전극 및 전기화학반응 시스템에 관한 것으로서, 촉매는, 3가의 전이금속을 포함하며, A1- δO (A는 전이금속, 0 < δ < 0.5)로 표시되는 비화학양론적(non-stoichiometric) 전이금속 산화물 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a catalyst, an electrode and an electrochemical reaction system, wherein the catalyst contains a trivalent transition metal and has a non-stoichiometric reaction represented by A 1- δ O (A is a transition metal, 0 < δ < 0.5). It is characterized by containing (non-stoichiometric) transition metal oxide nanoparticles.
Description
본 발명은 촉매, 전극 및 전기화학반응 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 물분해 산화/환원 반응, 수소 생산반응, CO2 환원반응 등 다양한 전기화학 촉매반응에 적용 가능한 촉매, 전극 및 전기화학반응 에 관한 것이다.The present invention relates to catalysts, electrodes and electrochemical reaction systems. More specifically, it relates to catalysts, electrodes, and electrochemical reactions applicable to various electrochemical catalytic reactions such as water splitting oxidation/reduction reaction, hydrogen production reaction, and CO 2 reduction reaction.
최근, 탄소 기반 에너지의 고갈 및 연료 가스 배출로 인한 환경 문제를 해결하기 위한 대책으로, 물 분해에 의해 수소 및 산소를 생산하여 에너지를 저장하거나 연료전지를 통해 에너지를 얻는 방식에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 방식들에서는 전기화학반응이 이용되며, 물 분해에서의 산소 발생 반응 및 연료전지에 서의 산소 환원 반응의 경우, 반응 속도가 느리므로 속도 결정 단계(rate determining step)로 작용한다. 따라서, 산소 발생 속도 또는 산소 환원 속도를 증가시키기 위해서는 전기 촉매가 요구된다.
참고선행문헌 1: Jin, K. et al. Partially Oxidized Sub-10 nm MnO Nanocrystals with High Activity for Water Oxidation Catalysis. Scientific Reports, 5, 10279, 1 내지 11쪽, Supporting Information 1 내지 15쪽, 2015.5.22.발행
참고선행문헌 2: 일본 공개특허공보 특개2017-016895호(2017.01.19.)Recently, as a measure to solve environmental problems caused by depletion of carbon-based energy and fuel gas emissions, research has been actively conducted on ways to store energy by producing hydrogen and oxygen through water decomposition or to obtain energy through fuel cells. It's going on. In these methods, an electrochemical reaction is used, and in the case of the oxygen generation reaction in water decomposition and the oxygen reduction reaction in a fuel cell, the reaction rate is slow and thus acts as a rate determining step. Therefore, an electrocatalyst is required to increase the oxygen generation rate or oxygen reduction rate.
Reference Prior Literature 1: Jin, K. et al. Partially Oxidized Sub-10 nm MnO Nanocrystals with High Activity for Water Oxidation Catalysis. Scientific Reports, 5, 10279, pages 1 to 11, Supporting Information pages 1 to 15, published on May 22, 2015
Reference Prior Document 2: Japanese Patent Publication No. 2017-016895 (2017.01.19.)
현재 산업계에서는 Ru, Pt, Ir 등 귀금속 기반 촉매를 사용하고 있다. 귀금속 기반의 산화물촉매는 좋은 특성을 보이지만 희소성으로 인해 비싼 가격을 형성하고 있다. 따라서, 가격 경쟁 및 시장 선점을 위해서는, 상대적으로 저렴한 원료를 이용하여 제조한 촉매 개발이 필요한 실정이다.Currently, the industry uses catalysts based on precious metals such as Ru, Pt, and Ir. Precious metal-based oxide catalysts have good properties, but are expensive due to their scarcity. Therefore, in order to compete on price and dominate the market, it is necessary to develop a catalyst manufactured using relatively inexpensive raw materials.
분자단위 촉매의 경우, 대표적으로 Sun group이 보고한 mononuclear ruthenium complex [Ru(bda)(isoq)2] (H2bda = 2,2′-bipyridine-6,6′-dicarboxylic acid; isoq = isoquinoline)라는 분자촉매를 들 수 있는데, 이러한 분자단위 촉매의 경우, 높은 특성과 합성의 자유도가 높다는 장점이 있지만, 재활용 능력이 떨어지며, 대부분 귀금속 기반의 촉매에 국한되어 있어 가격이 비싸고, 결정적으로 촉매의 안정성이 떨어지는 단점을 지닌다.In the case of molecular catalysts, a representative example is the molecule called mononuclear ruthenium complex [Ru(bda)(isoq) 2 ] (H2bda = 2,2′-bipyridine-6,6′-dicarboxylic acid; isoq = isoquinoline) reported by the Sun group. Catalysts include catalysts. In the case of these molecular-level catalysts, they have the advantage of high characteristics and a high degree of freedom in synthesis, but their recyclability is low, they are mostly limited to precious metal-based catalysts, so they are expensive, and the stability of the catalyst is critically low. It has disadvantages.
heterogenous 촉매의 경우, Nocera group이 보고한 Co-Pi가 대표적으로, 이 촉매는 높은 안정성과 다양한 화학반응으로서의 활용가능성이 높다는 장점을 지니지만, 분자기반의 촉매에 비해 촉매로서의 선택성이 현저히 떨어지며, TOF등의 촉매 효율이 상대적으로 낮다는 단점을 지닌다.In the case of heterogenous catalysts, Co-Pi reported by the Nocera group is a representative example. This catalyst has the advantages of high stability and high applicability in various chemical reactions, but its selectivity as a catalyst is significantly lower than that of molecular-based catalysts, and TOF It has the disadvantage of relatively low catalytic efficiency.
또한, 현재 산업계에서는 Ru, Pt, Ir 등 귀금속 기반 촉매를 사용하고 있다. 귀금속 기반의 산화물촉매는 좋은 특성을 보이지만 희소성으로 인해 비싼 가격을 형성하고 있다. 따라서, 가격 경쟁 및 시장 선점을 위해서는, 상대적으로 저렴한 원료를 이용하여 제조한 촉매 개발이 필요한 실정이다.Additionally, the industry is currently using catalysts based on noble metals such as Ru, Pt, and Ir. Precious metal-based oxide catalysts have good properties, but are expensive due to their scarcity. Therefore, in order to compete on price and dominate the market, it is necessary to develop a catalyst manufactured using relatively inexpensive raw materials.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 높은 안정성과 다양한 화학반응에 활용가능하며, 높은 촉매 효율을 지니며, 경제성이 높은 촉매 및 촉매 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is intended to solve various problems including the above-mentioned problems. The purpose of the present invention is to provide a catalyst and a catalyst preparation method that have high stability, can be used in various chemical reactions, have high catalytic efficiency, and are highly economical. do.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are illustrative and do not limit the scope of the present invention.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 3가의 전이금속을 포함하며, A1- δO (A는 전이금속, 0 < δ < 0.5)로 표시되는 비화학양론적(non-stoichiometric) 전이금속 산화물 나노입자를 포함하는, 촉매가 제공된다.According to one aspect of the present invention for solving the above problem, a non-stoichiometric metal containing a trivalent transition metal and expressed as A 1- δ O (A is a transition metal, 0 < δ < 0.5) ) A catalyst comprising transition metal oxide nanoparticles is provided.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전이금속은, Co, Ni, Cu, Fe 중 어느 하나일 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, the transition metal may be any one of Co, Ni, Cu, and Fe.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전이금속 산화물의 표면에는 상기 3가의 전이금속 및 2가의 전이금속이 위치할 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, the trivalent transition metal and the divalent transition metal may be located on the surface of the transition metal oxide.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전이금속 산화물 나노입자는 100 nm 이하의 크기를 가질 수 있다.Additionally, according to one embodiment of the present invention, the transition metal oxide nanoparticles may have a size of 100 nm or less.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전이금속 산화물은 박막 형태일 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, the transition metal oxide may be in the form of a thin film.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 상기 전이금속 산화물을 포함하는 나노 코어; 및 상기 나노 코어의 표면에 흡착된 금속 나노 입자를 포함하는, 촉매가 제공된다.And, according to one aspect of the present invention for solving the above problem, a nano core containing the transition metal oxide; And a catalyst comprising metal nanoparticles adsorbed on the surface of the nanocore is provided.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노 입자는 이리듐(Ir), 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the metal nanoparticles include iridium (Ir), cobalt (Co), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), chromium (Cr), and ruthenium (Ru). , it may include at least one of gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), and rhodium (Rh).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 코어는 100 nm 이하의 크기를 갖고, 상기 금속 나노 입자는 3 nm 이하의 크기를 가질 수 있다.Additionally, according to one embodiment of the present invention, the nanocore may have a size of 100 nm or less, and the metal nanoparticle may have a size of 3 nm or less.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 상기 촉매를 포함하는, 전극이 제공된다.And, according to one aspect of the present invention for solving the above problems, an electrode containing the catalyst is provided.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 상기 촉매를 포함하는 전기화학반응 시스템이 제공된다.And, according to one aspect of the present invention for solving the above problems, an electrochemical reaction system including the catalyst is provided.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은 안정성과 다양한 화학반응에 활용가능하며, 높은 촉매 효율을 지니며, 경제성이 높은 효과가 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention as described above, it has high stability, can be used in various chemical reactions, has high catalytic efficiency, and is highly economical. Of course, the scope of the present invention is not limited by this effect.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 제조 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 2내지 도 5는 본 발명의 여러 실시예에 따른 전이금속 산화물의 TEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 코발트 산화물의 X선 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD) 결과를 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매 제조 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 산화물을 포함하는 나노 구조물의 개략적인 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 코발트 산화물을 포함하는 나노 구조물의 TEM 사진이다.
도 10은 본 발명의 여러 실시예에 따른 전이금속 산화물의 촉매 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 산화물을 포함하는 나노 구조물의 촉매 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매를 포함하는 물 분해 시스템의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매를 포함하는 연료전지 시스템의 개략도이다.1 is a flowchart showing a catalyst production process according to an embodiment of the present invention.
2 to 5 are TEM images of transition metal oxides according to various embodiments of the present invention.
Figure 6 is a graph showing the results of X-Ray Diffraction (XRD) analysis of cobalt oxide according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a flowchart showing the catalyst production process according to another embodiment of the present invention.
Figure 8 is a schematic perspective view of a nanostructure containing a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a TEM photo of a nanostructure containing cobalt oxide according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a graph showing the catalytic properties of transition metal oxides according to various embodiments of the present invention.
Figure 11 is a graph showing the catalytic properties of a nanostructure containing a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 is a schematic diagram of a water splitting system including a catalyst according to an embodiment of the present invention.
Figure 13 is a schematic diagram of a fuel cell system including a catalyst according to an embodiment of the present invention.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.The detailed description of the invention described below refers to the accompanying drawings, which show by way of example specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the invention are different from one another but are not necessarily mutually exclusive. For example, specific shapes, structures and characteristics described herein with respect to one embodiment may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention. Additionally, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the detailed description that follows is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the invention is limited only by the appended claims, together with all equivalents to what those claims assert, if properly described. Similar reference numbers in the drawings refer to identical or similar functions across various aspects, and the length, area, thickness, etc. may be exaggerated for convenience.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings in order to enable those skilled in the art to easily practice the present invention.
전이금속 산화물 및 전이금속 산화물 나노 입자의 제조Preparation of transition metal oxides and transition metal oxide nanoparticles
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 제조 과정을 나타내는 흐름도이다.1 is a flowchart showing a catalyst production process according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 산화물 나노 입자의 제조 방법은, 전이금속 이온 공급물질과 지방산 계면활성제를 포함하는 제1 용액을 제조하는 단계(S110), 알코올 계면활성제를 포함하는 제2 용액을 제조하는 단계(S120), 제1 및 제2 용액을 각각 소정 온도에서 숙성시키는 단계(S130), 제2 용액을 제1 용액에 투입하여 전이금속 산화물 나노 입자를 형성하는 단계(S140) 및 전이금속 산화물 나노 입자를 소정 온도에서 숙성시키는 단계(S150)를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 전이금속 산화물 나노 입자의 제조 방법은, 전이금속 산화물 나노 입자를 표면 처리하는 단계(S160)를 더 포함할 수 있다.Referring to Figure 1, the method for producing transition metal oxide nanoparticles according to an embodiment of the present invention includes preparing a first solution containing a transition metal ion supply material and a fatty acid surfactant (S110), an alcohol surfactant Preparing a second solution containing (S120), maturing the first and second solutions respectively at a predetermined temperature (S130), adding the second solution to the first solution to form transition metal oxide nanoparticles. It may include a step (S140) and a step (S150) of maturing the transition metal oxide nanoparticles at a predetermined temperature. Additionally, the method for producing transition metal oxide nanoparticles according to an embodiment may further include a step (S160) of surface treating the transition metal oxide nanoparticles.
전이금속 산화물 나노 입자의 제조 방법은, 전이금속 이온 공급물질과 지방산 계면활성제를 포함하는 제1 용액을 제조하는 단계(S110), 알코올 계면활성제를 포함하는 제2 용액을 제조하는 단계(S120), 상기 제1 및 제2 용액을 각각 소정 온도에서 숙성시키는 단계(S130), 상기 제2 용액을 상기 제1 용액에 투입하여 전이금속 산화물 나노 입자를 형성하는 단계(S140) 및 상기 전이금속 산화물 나노 입자를 소정 온도에서 숙성시키는 단계(S150)를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 전이금속 산화물 나노 입자의 제조 방법은, 상기 전이금속 산화물 나노 입자를 표면 처리하는 단계(S160)를 더 포함할 수 있다.The method for producing transition metal oxide nanoparticles includes preparing a first solution containing a transition metal ion supply material and a fatty acid surfactant (S110), preparing a second solution containing an alcohol surfactant (S120), Aging the first and second solutions at a predetermined temperature (S130), adding the second solution to the first solution to form transition metal oxide nanoparticles (S140), and forming the transition metal oxide nanoparticles It may include a step of maturing at a predetermined temperature (S150). In addition, the method for producing transition metal oxide nanoparticles according to an embodiment may further include a step (S160) of surface treating the transition metal oxide nanoparticles.
전이금속은 Co, Ni, Cu, Fe 중 어느 하나일 수 있다.The transition metal may be any one of Co, Ni, Cu, and Fe.
전이금속 이온 공급물질과 지방산 계면활성제를 포함하는 제1 용액을 제조하는 단계(S110)에서, 전이금속 이온 공급물질과 지방산 계면활성제는 유기 용매에서 혼합되어 제1 용액이 제조될 수 있다. 지방산 계면활성제는 전이금속 이온 공급물질의 용해를 돕고, 후속의 S140 단계에서 형성되는 전이금속 산화물 나노 입자의 분산에 이용될 수 있다.In the step of preparing a first solution including a transition metal ion supply material and a fatty acid surfactant (S110), the transition metal ion supply material and the fatty acid surfactant may be mixed in an organic solvent to prepare the first solution. Fatty acid surfactants help dissolve the transition metal ion supply material and can be used to disperse the transition metal oxide nanoparticles formed in the subsequent S140 step.
지방산 계면활성제는 예를 들어, 미리스트산(myristic acid), 스테아르산(stearic acid), 올레산(oleic acid) 등일 수 있으며, 농도가 0.1 M 내지 0.5 M인 용액 상태일 수 있다. 전이금속 이온 공급물질은 전이금속 아세테이트(Transition Metal Acetate)로서, 예를 들어, 코발트 아세테이트를 사용하여 코발트 이온을 공급할 수 있다. 제1 용액은 양이온 용액일 수 있으며, 양이온의 농도는 0.5 mM 내지 2 mM일 수 있다.The fatty acid surfactant may be, for example, myristic acid, stearic acid, oleic acid, etc., and may be in a solution state with a concentration of 0.1 M to 0.5 M. The transition metal ion supply material is transition metal acetate. For example, cobalt ions can be supplied using cobalt acetate. The first solution may be a cationic solution, and the concentration of the cation may be 0.5mM to 2mM.
알코올 계면활성제를 포함하는 제2 용액을 제조하는 단계(S120)에서, 알코올 계면활성제는 예를 들어, 데카놀(decanol), 미리스틸알코올(myristyl alcohol), 스테아릴알코올(stearyl alcohol) 등 일 수 있으며, 유기 용매에 혼합되어 제2 용액이 제조될 수 있다. 알코올 계면 활성제는 핵 생성 및 성장에 관여할 수 있다. 상기 S110 및 S120 단계에서, 유기 용매는 예를 들어, 옥타데켄(octadecene) 또는 헥사데실아민(hexadecylamine) 일 수 있다.In the step of preparing a second solution containing an alcohol surfactant (S120), the alcohol surfactant may be, for example, decanol, myristyl alcohol, stearyl alcohol, etc. and a second solution can be prepared by mixing with an organic solvent. Alcohol surfactants may be involved in nucleation and growth. In steps S110 and S120, the organic solvent may be, for example, octadecene or hexadecylamine.
제1 및 제2 용액을 각각 소정 온도에서 숙성시키는 단계(S130)는 각각 250 ℃ 내지 300 ℃의 온도에서 수행될 수 있고, 숙성기간 동안 온도는 일정하게 유지될 수 있다. 숙성 시간은 예를 들어, 각각 1 시간 내외일 수 있다.The step (S130) of maturing the first and second solutions at a predetermined temperature may be performed at a temperature of 250° C. to 300° C., and the temperature may be maintained constant during the aging period. The maturation time may be, for example, about 1 hour each.
제2 용액을 제1 용액에 투입하여 전이금속 산화물 나노 입자를 형성하는 단계(S140)에서, 고열 주입법(hot injection) 및 열분해에 의해 전이금속 산화물 나노 입자가 형성될 수 있다. 본 단계는 250 ℃ 내지 300 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.In the step of forming transition metal oxide nanoparticles by adding the second solution to the first solution (S140), transition metal oxide nanoparticles may be formed by hot injection and thermal decomposition. This step can be performed at a temperature of 250°C to 300°C.
전이금속 산화물 나노 입자를 소정 온도에서 숙성시키는 단계(S150)는, 제2 용액의 투입 후 1 분 내지 24시간동안 수행될 수 있으며, 숙성 시간의 조절을 통해 제조되는 전이금속 산화물 나노 입자의 크기가 제어될 수 있다. 전이금속 산화물 나노 입자의 크기는, 예를 들어, 1 nm 내지 100 nm일 수 있다. 일 실시예에서, 전이금속 산화물 나노 입자의 크기는 전이금속 이온 공급물질과 지방산 계면활성제의 비율에 따라 결정될 수도 있으며, 비율은 예를 들어, 1:2 내지 1:6의 범위일 수 있다. 지방산 계면활성제의 비율이 낮을수록, 전이금속 산화물 나노 입자의 크기는 작아질 수 있다.The step (S150) of maturing the transition metal oxide nanoparticles at a predetermined temperature may be performed for 1 minute to 24 hours after the addition of the second solution, and the size of the transition metal oxide nanoparticles produced through adjustment of the aging time may vary. It can be controlled. The size of the transition metal oxide nanoparticles may be, for example, 1 nm to 100 nm. In one embodiment, the size of the transition metal oxide nanoparticles may be determined depending on the ratio of the transition metal ion supply material and the fatty acid surfactant, and the ratio may range from 1:2 to 1:6, for example. The lower the ratio of fatty acid surfactant, the smaller the size of the transition metal oxide nanoparticles can be.
전이금속 산화물 나노 입자를 표면 처리하는 단계(S160)는, 전이금속 산화물 나노 입자 표면의 리간드를 제거하기 위한 단계일 수 있다. 리간드는 지방산 계면 활성제가 전이금속 산화물 나노 입자의 표면에 흡착되어 형성되어 전도성이 떨어지므로, 전이금속 산화물 나노 입자를 촉매로 이용하기 위해서 이를 제거할 필요가 있다. 본 단계는, 예를 들어, 암모니아수(NH4OH), 수산화나트륨(NaOH) 등과 같은 염기성 용액에, 제조된 전이금속 산화물 나노 입자를 침지함으로써 수행될 수 있다. 또는, 본 단계는, 열처리에 의해 수행될 수도 있다. 특히, 본 단계에 의해 전이금속 산화물 나노 입자의 표면이 부분적으로 산화되어, 전이금속 산화물 나노 입자는 3가의 전이금속(CoⅢ, NiⅢ, CuⅢ, FeⅢ)을 포함하게 될 수 있다.The step of surface treating the transition metal oxide nanoparticles (S160) may be a step for removing the ligand on the surface of the transition metal oxide nanoparticles. Ligands are formed when fatty acid surfactants are adsorbed on the surface of transition metal oxide nanoparticles and have low conductivity, so they need to be removed in order to use transition metal oxide nanoparticles as a catalyst. This step can be performed, for example, by immersing the prepared transition metal oxide nanoparticles in a basic solution such as ammonia water (NH 4 OH), sodium hydroxide (NaOH), etc. Alternatively, this step may be performed by heat treatment. In particular, the surface of the transition metal oxide nanoparticles is partially oxidized by this step, and the transition metal oxide nanoparticles may contain trivalent transition metals (Co Ⅲ , Ni Ⅲ , Cu Ⅲ , Fe Ⅲ ).
본 실시예에 의해 제조된 전이금속 산화물은 비화학양론적(non-stiochiometric) 조성을 가질 수 있으며, 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.The transition metal oxide prepared according to this example may have a non-stoichiometric composition and may be represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
A1-δOA 1-δ O
상기 화학식 1에서, A는 전이금속으로 Co, Ni, Cu, Fe 중 어느 하나이며, δ는 0 < δ < 0.5을 만족하며, 전이금속 A와 산소 O의 비는 원자비, 또는 δ 는 원자비이다.In Formula 1, A is a transition metal and is any one of Co, Ni, Cu, and Fe, δ satisfies 0 < δ < 0.5, and the ratio of transition metal A to oxygen O is the atomic ratio, or δ is the atomic ratio. am.
본 명세서에서, 비화학양론적 조성이라고 함은, 전이금속과 산소로 구성되는 화합물에서 전이금속과 산소의 열역학적으로 안정적인 양적 관계를 제외하는 의미로 이해될 수 있다. 일 예로, 코발트 산화물의 경우, 화학양론적인 코발트 산화물은 CoO, Co3O4, Co2O3 및 CoO2를 포함할 수 있다. 따라서, 코발트 산화물은, 구체적으로, δ가 0.25 및 1/3인 경우를 제외한 조성일 수 있다. 즉, δ는, 0 < δ < 0.25, 0.25 < δ < 1/3, 1/3 < δ < 0.5의 범위를 만족할 수 있다.In this specification, a non-stoichiometric composition can be understood to mean excluding the thermodynamically stable quantitative relationship between a transition metal and oxygen in a compound composed of a transition metal and oxygen. For example, in the case of cobalt oxide, the stoichiometric cobalt oxide may include CoO, Co 3 O 4 , Co 2 O 3 and CoO 2 . Therefore, specifically, the cobalt oxide may have a composition excluding the case where δ is 0.25 and 1/3. That is, δ may satisfy the ranges of 0 < δ < 0.25, 0.25 < δ < 1/3, and 1/3 < δ < 0.5.
전이금속 산화물은 3가의 전이금속[일 예로, 3가의 코발트(CoⅢ)]을 포함할 수 있으며, 3가의 전이금속은 전이금속 산화물의 표면 상에 위치할 수 있다. 전이금속 산화물의 표면에 위치하는 3가의 전이금속은 열역학적으로 불안정한 상태일 수 있다. 또한, 전이금속 산화물의 표면에 위치하는 3가의 전이금속은 격자 구조 내에 위치하지 않는 일종의 결함(defect)의 형태일 수 있다. 전이금속 산화물의 표면에는 3가의 전이금속 및 2가의 전이금속이 모두 위치할 수 있다.The transition metal oxide may include a trivalent transition metal (for example, trivalent cobalt (Co III )), and the trivalent transition metal may be located on the surface of the transition metal oxide. The trivalent transition metal located on the surface of the transition metal oxide may be thermodynamically unstable. Additionally, the trivalent transition metal located on the surface of the transition metal oxide may be in the form of a type of defect that is not located within the lattice structure. Both trivalent and divalent transition metals can be located on the surface of the transition metal oxide.
도 1의 실시예의 경우, 전이금속 산화물을 나노 입자로 제조하는 방법이 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 전이금속 산화물은 박막의 형태로 제조될 수도 있을 것이다. 이 경우, 상기와 같은 전이금속 산화물 나노 입자를 코팅하는 방법, 또는 전기증착(electrodeposition) 또는 스퍼터링(sputtering)과 같은 증착 방법 등을 이용하여 전이금속 산화물이 제조될 수 있다.In the example of FIG. 1, a method of manufacturing transition metal oxides into nanoparticles is shown, but the present invention is not limited thereto. For example, transition metal oxides may be manufactured in the form of thin films. In this case, the transition metal oxide can be produced using a method of coating transition metal oxide nanoparticles as described above, or a deposition method such as electrodeposition or sputtering.
전이금속 산화물 나노 입자의 구조Structure of transition metal oxide nanoparticles
도 2내지 도 5는 본 발명의 여러 실시예에 따른 전이금속 산화물의 TEM 사진이다. 도 2는 코발트 산화물(Co-Oxide), 도 3은 니켈 산화물(Ni-Oxide), 도 4는 구리 산화물(Cu-Oxide), 도 5는 철 산화물(Fe-Oxide)의 사진을 나타낸다.2 to 5 are TEM images of transition metal oxides according to various embodiments of the present invention. Figure 2 shows a picture of cobalt oxide (Co-Oxide), Figure 3 shows a picture of nickel oxide (Ni-Oxide), Figure 4 shows a picture of copper oxide (Cu-Oxide), and Figure 5 shows a picture of iron oxide (Fe-Oxide).
도 2 내지 도 5를 참조하면, 도 1의 실시예의 S110 내지 S160 단계에 따라 제조된 전이금속 산화물 나노 입자가 TEM에 의해 분석되었다. 구체적으로, 분석에 사용된 전이금속 산화물 나노 입자는, S160 단계에서, 암모니아수(NH4OH)에 의해 1시간 동안 처리되었다. 도 2 내지 도 5에 의하면, 전이금속 산화물 나노 입자는 약 100nm 이하의 크기를 가지며, 일 예로, 코발트 산화물 나노 입자는 약 20 nm 이하, 니켈 산화물 나노 입자와 철 산화물 나노 입자는 약 10 nm 이하, 구리 산화물 나노 입자는 약 100 nm 이하의 크기를 가질 수 있다. 또한, 회절 패턴 분석에서, A3O4의 조성(A는 전이금속으로, Co, Ni, Cu, Fe 중 하나)을 갖는 전이금속 산화물의 결정면과 AO의 조성을 갖는 전이금속 산화물의 결정면이 함께 인덱싱될 수 있다. 따라서, S160 단계에 의해, 제조된 전이금속 산화물 나노 입자의 표면이 부분적으로 산화될 수 있다.Referring to FIGS. 2 to 5, transition metal oxide nanoparticles prepared according to steps S110 to S160 of the example of FIG. 1 were analyzed by TEM. Specifically, the transition metal oxide nanoparticles used in the analysis were treated with aqueous ammonia (NH 4 OH) for 1 hour in step S160. According to Figures 2 to 5, transition metal oxide nanoparticles have a size of about 100 nm or less, for example, cobalt oxide nanoparticles have a size of about 20 nm or less, nickel oxide nanoparticles and iron oxide nanoparticles have a size of about 10 nm or less, Copper oxide nanoparticles may have a size of about 100 nm or less. In addition, in the diffraction pattern analysis, the crystal plane of the transition metal oxide with a composition of A 3 O 4 (A is a transition metal, one of Co, Ni, Cu, and Fe) and the crystal plane of the transition metal oxide with the composition of AO are indexed together. It can be. Therefore, the surface of the prepared transition metal oxide nanoparticles may be partially oxidized by step S160.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 코발트 산화물의 X선 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD) 결과를 도시하는 그래프이다.Figure 6 is a graph showing the results of X-Ray Diffraction (XRD) analysis of cobalt oxide according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 도 1의 실시예의 S110 내지 S160 단계에 따라 제조된 코발트 산화물 나노 입자의 결정 구조 분석 결과가 나타난다. 코발트 산화물 나노 입자는 CoO의 조성을 가지며, 이에 따라, CoO의 (111)면(36°), (200)면(42°) 및 (220)면(62°)의 신호를 나타낼 수 있다.Referring to Figure 6, the crystal structure analysis results of cobalt oxide nanoparticles prepared according to steps S110 to S160 of the example of Figure 1 are shown. Cobalt oxide nanoparticles have a composition of CoO, and accordingly, can exhibit signals of the (111) plane (36°), (200) plane (42°), and (220) plane (62°) of CoO.
전이금속 산화물을 포함하는 나노 구조물의 제조Preparation of nanostructures containing transition metal oxides
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매 제조 과정을 나타내는 흐름도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 산화물을 포함하는 나노 구조물(100)의 개략적인 사시도이다.Figure 7 is a flowchart showing the catalyst production process according to another embodiment of the present invention. Figure 8 is a schematic perspective view of a
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금 산화물을 포함하는 나노 구조물(100)의 제조 방법은, 도 1의 실시예에 따른 전이금속 산화물 나노 입자를 기판 상에 코팅하는 단계(S210), 기판을 금속 이온 용액에 침지하는 단계(S220) 및 소정 온도에서 기판이 침지된 금속 이온 용액을 숙성하는 단계(S230)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7, the method of manufacturing a
전이금속 산화물 나노 입자를 기판 상에 코팅하는 단계(S210)는 스핀 코팅(spin-coating) 또는 드롭 캐스팅(drop-casting) 등의 방법을 이용할 수 있다. 기판은 예를 들어, 유리상 탄소(glassy carbon)일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The step of coating transition metal oxide nanoparticles on a substrate (S210) may use methods such as spin-coating or drop-casting. The substrate may be, for example, glassy carbon, but is not limited thereto.
기판을 금속 이온 용액에 침지하는 단계(S220)에서, 금속 이온 용액은 이리듐(Ir), 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 중 적어도 하나의 양이온을 포함할 수 있다. 금속 이온 용액은 아세테이트, 나이트레이트(nitrate), 클로라이드(chloride) 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 금속 이온 용액 내의 금속 양이온의 농도는 1 mM 내지 50 mM일 수 있다.In the step of immersing the substrate in the metal ion solution (S220), the metal ion solution includes iridium (Ir), cobalt (Co), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), chromium (Cr), and ruthenium ( It may contain at least one cation selected from Ru), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), and rhodium (Rh). The metal ion solution may include at least one of acetate, nitrate, and chloride. The concentration of metal cations in the metal ion solution may be 1mM to 50mM.
소정 온도에서 상기 기판이 침지된 상기 금속 이온 용액을 숙성하는 단계(S230)에 의해 전이금속 산화물 나노 입자(110) 표면에 금속 나노 입자(120)가 형성될 수 있다. 숙성은, 60 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 또한, 숙성 시간은 30 분 내지 24 시간일 수 있다. 숙성 시간에 따라, 전이금속 산화물 나노 입자(110) 표면에 형성되는 상기 금속 나노 입자의 크기가 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 전이금속 산화물 나노 입자(110)를 기판 상에 코팅하는 단계(S210)에서의 전이금속 산화물 나노 입자(110)는 도 1의 S160 단계를 수행하지 않은 전이금속 산화물 나노 입자(110)일 수 있다. 이 경우, S160 단계는, 전이금속 산화물 나노 입자(110)를 기판 상에 코팅하는 단계(S210) 직후에 수행될 수 있다.In one embodiment, the transition
도 8을 참조하면, 상기 실시예에 의해, 3가의 전이금속을 포함하는 전이금속 산화물 나노 입자인 나노 코어(110) 및 나노 코어(110)의 표면에 흡착된 금속 나노 입자(120)를 포함하는 나노 구조물(100)이 제조될 수 있다.Referring to FIG. 8, according to the above embodiment, a
나노 코어(110)는 비화학양론적 조성을 가질 수 있으며, 상기 [화학식 1]로 표시될 수 있다. 일 예로, 나노 코어(110)는 표면에 3가의 코발트(CoⅢ)을 포함할 수 있다. 특히, 나노 코어(110)는 도 2 내지 도 5의 실시예에 대응되는 구조를 가지는 전이금속 산화물일 수 있다.The
금속 나노 입자들(120)은, 이리듐(Ir), 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 이의 합금들 중 적어도 하나일 수 있다.
하나의 나노 코어(110)의 표면에 복수의 금속 나노 입자들(120)이 형성될 수 있다. 나노 코어(110)의 크기(D1)는, 전이금속에 따라, 20nm 이하(코발트 산화물 나노 입자), 10nm 이하(니켈 산화물 나노 입자, 철 산화물 나노 입자), 100nm 이하(구리 산화물 나노 입자)일 수 있으며, 금속 나노 입자(120)의 크기(D2)는 1 nm 내지 10 nm, 특히 3nm 이하일 수 있다.A plurality of
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 코발트 산화물을 포함하는 나노 구조물(100)의 TEM 사진이다.Figure 9 is a TEM image of a
도 9를 참조하면, 도 7의 실시예에 따라 제조된 코발트 산화물(110)을 포함하는 나노 구조물(100)이 TEM에 의해 분석되었다. 나노 구조물(100)은 코발트 산화물의 나노 코어(110) 및 나노 코어(110) 상에 흡착된 금속 나노 입자들(120)을 포함할 수 있다. 금속 나노 입자들(120)은 나노 코어(110)의 표면 상에 실질적으로 균일하게 흡착될 수 있다. 특히, 본 실시예에서, 금속 나노 입자들(120)은 이리듐(Ir)을 포함할 수 있다. 회색으로 나타나는 나노 코어(110) 상에 검은색 점으로 나타나는 금속 나노 입자들(120)을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9, the
전이금속 산화물, 나노 구조체의 촉매 특성Catalytic properties of transition metal oxides and nanostructures
도 10은 본 발명의 여러 실시예에 따른 전이금속 산화물의 촉매 특성을 나타내는 그래프이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 산화물을 포함하는 나노 구조물의 촉매 특성을 나타내는 그래프이다.Figure 10 is a graph showing the catalytic properties of transition metal oxides according to various embodiments of the present invention. Figure 11 is a graph showing the catalytic properties of a nanostructure containing a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 촉매 특성은, 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 전이금속 산화물을 탄소 첨가물과 혼합하고 이를 건조하여 분말을 형성한 후, 도전성 기판 상에 상기 분말을 코팅하여 전극을 제조하여 전기화학 특성을 측정함으로써 수행되었다.Hereinafter, the catalytic properties are examined by mixing the transition metal oxide prepared according to the embodiments of the present invention with a carbon additive, drying it to form a powder, and then coating the powder on a conductive substrate to prepare an electrode. This was done by measuring the characteristics.
상기 분말은 예를 들어, 스핀 코팅에 의해 상기 도전성 기판 상에 코팅될 수 있으며, 이 경우 회전 속도는 2000rpm 내지 4000 rpm의 범위일 수 있다. 또한, 코팅 시간은 10 초 내지 60 초의 범위일 수 있다. 전기화학 특성은 버퍼 전해질 수용액이 채워진 3-전극 셀(3-electrode cell) 또는 2 전극 셀(2-electrode cell)을 사용하여 측정할 수 있다. 구체적으로 3-전극 셀의 경우, 촉매가 코팅된 작업 전극(working electrode), 백금(Pt) 와이어 또는 백금(Pt) 플레이트로 구성된 상대 전극(counter electrode) 및 은/염화은(Ag/AgCl)의 기준 전극(reference electrode)으로 구성될 수 있으며, 2-전극 셀은 기준 전극 없이 작업 전극과 상대 전극으로 구성될수 있다. 버퍼 전해질 수용액으로는 pH 5~8의 인산나트륨(sodium phosphate), 인산칼륨(potassium phosphate) 용액, 또는, pH 11~14의 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨 용액(KOH)을 사용할 수 있다.The powder may be coated on the conductive substrate by, for example, spin coating, in which case the rotation speed may range from 2000 rpm to 4000 rpm. Additionally, the coating time may range from 10 seconds to 60 seconds. Electrochemical properties can be measured using a 3-electrode cell or 2-electrode cell filled with an aqueous buffer electrolyte solution. Specifically, in the case of a three-electrode cell, a catalyst-coated working electrode, a counter electrode consisting of a platinum (Pt) wire or a platinum (Pt) plate, and a reference of silver/silver chloride (Ag/AgCl) It may consist of a reference electrode, and a two-electrode cell may consist of a working electrode and a counter electrode without a reference electrode. The aqueous buffer electrolyte solution may be a sodium phosphate or potassium phosphate solution with a pH of 5 to 8, or a sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide solution (KOH) with a pH of 11 to 14.
도 10을 참조하면, 본 발명의 여러 실시예에 따른 전이금속 산화물의 촉매를 사용한 경우의 순환 전류-전압 곡선(cyclic voltammogram)이 표준 수소 전극(Normal Hydrogen Electrode, NHE) 대비 도시된다.Referring to FIG. 10, a cyclic current-voltage curve (cyclic voltammogram) when using a transition metal oxide catalyst according to various embodiments of the present invention is shown compared to a standard hydrogen electrode (Normal Hydrogen Electrode, NHE).
촉매 특성은 전이금속 산화물 중 코발트 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 철 산화물을 실시예로서 사용하고, 망간 산화물을 비교예로서 사용하여 도 8에 도시하였다.Catalyst properties are shown in FIG. 8 using cobalt oxide, nickel oxide, copper oxide, and iron oxide among transition metal oxides as examples, and manganese oxide as a comparative example.
코발트 산화물의 경우, 가장 우수한 촉매 특성을 보였으며, 망간 산화물보다도 우수한 특성을 나타내었다.In the case of cobalt oxide, it showed the best catalytic properties and showed better properties than manganese oxide.
도 11을 참조하면, 본 발명의 여러 실시예에 따른 이리듐(Ir)(120)이 형성된 코발트 산화물, 철 산화물 나노 코어(110)를 포함하는 나노 구조물(100)의 촉매를 사용한 경우의 순환 전류-전압 곡선(cyclic voltammogram)이 표준 수소 전극(Normal Hydrogen Electrode, NHE) 대비 도시된다.Referring to FIG. 11, the circulating current when using a catalyst of the
특히, 표면에 금속 나노 입자(120)가 형성된 나노 코어(110)[또는, 나노 구조물(100)]의 경우에는 더욱 우수한 촉매 특성을 보였다. 이는, 전이금속 산화물 나노 입자 표면의 불안정한 상태의 3가의 전이금속[일 예로, 코발트(CoⅢ)]이 촉매 작용에 관여하기 때문일 수 있다. 또한, 전기화학 반응 시의 전극 전위에서 반응의 평형 전위를 뺀 값인 과전위(overpotential) 값을 계산해보면, 금속 나노 입자가 형성된 코발트 산화물 나노 입자의 경우 10 mA/cm2 이상의 전극 전류 밀도에서 약 300mV 이하의 값을 나타내었다. 다른 예로, Mn, Co, Ni 의 경우 600mV 이하의 값, Cu,Fe의 경우 800mV 이하의 값을 나타내었다. 이는 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 철(Fe)계 고체상 촉매들과 비교할 때 높은 활성도를 보여준다. 나노 구조물(100)의 경우보다, 전이금속 산화물 나노입자의 경우, 상대적으로 낮은 촉매 특성을 나타내었으며, 이는 전이금속 산화물 나노 입자를 둘러싼 리간드에 의해 도전성이 낮기 때문인 것으로 해석될 수 있다.In particular, the nano core 110 (or nano structure 100) with
그리고, 도 1의 S160 단계에서, 암모니아수(NH4OH)에 의해 24시간동안 처리된 실시예보다 1시간동안 처리된 실시예의 경우 상대적으로 높은 촉매 특성을 나타내었다. 표면 처리를 길게 할수록, 전이금속 산화물의 표면이 완전히 산화되어 안정적인 상태로 볼 수 있어, 화학양론적인 전이금속 산화물이거나 그에 가까운 상태이기 때문인 것으로 해석할 수 있다. 추가적인 실험 결과, 암모니아수(NH4OH)에 의해 처리되는 시간은 1 시간 내외인 경우 가장 우수한 촉매 특성을 나타내었으며, 처리 시간 30 분 및 2 시간인 경우 이보다 낮은 촉매 특성을 나타내었으며, 처리 시간이 2 시간보다 증가할수록 점차 감소하는 특성을 나타내었다. 다만, 이러한 최적화된 처리 시간은 전이금속 산화물 나노 입자의 크기, 공정 조건 등에 따라 변경될 수 있을 것이다.And, in step S160 of FIG. 1, the example treated with ammonia water (NH 4 OH) for 1 hour showed relatively higher catalytic properties than the example treated with ammonia water (NH 4 OH) for 24 hours. The longer the surface treatment, the more the surface of the transition metal oxide is completely oxidized and can be viewed as being in a stable state, which can be interpreted as being a stoichiometric transition metal oxide or a state close to it. As a result of additional experiments, the best catalytic properties were shown when the treatment time with ammonia water (NH 4 OH) was about 1 hour, and lower catalytic properties were shown when the treatment time was 30 minutes and 2 hours. It showed a characteristic of gradually decreasing as time increased. However, this optimized processing time may change depending on the size of the transition metal oxide nanoparticles, process conditions, etc.
전기화학반응 시스템 적용예Application example of electrochemical reaction system
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매를 포함하는 물 분해 시스템의 개략도이다.Figure 12 is a schematic diagram of a water splitting system including a catalyst according to an embodiment of the present invention.
도 12를 참조하면, 물 분해 시스템(200)은, 전해조(210), 버퍼 전해질 수용액(220), 제1 전극(anode)(230) 및 제2 전극(cathode)(240)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극(230, 240)은 전원에 의하여 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 물 분해 시스템(200)은 제1 및 제2 전극(230, 240)의 사이에 이온 교환부가 더 배치될 수 있다.Referring to FIG. 12, the
제1 및 제2 전극(230, 240)은 각각 반도체 또는 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 제1 전극(230)의 적어도 일면에는 산소 발생 촉매(260)가 배치될 수 있으며, 산소 발생 촉매(260)는 도 1 내지 도 11을 참조하여 상술한 본 발명의 실시예에 따른, 전이금속 산화물(110) 또는 이를 포함하는 나노 구조물(100)을 포함할 수 있다.The first and
전해조(210)에는 입수관 및 배수관과 같은 유입부 및 배출부가 더 형성될 수 있다.The
버퍼 전해질 수용액(220)은 물 분해 반응에 사용되는 물의 공급원 및 물 분해 반응 시 생성되는 양성자의 수용체로서의 역할을 수행할 수 있다. 버퍼 전해질 수용액(220)은, 예를 들어, KH2PO4, K2HPO4, K3PO4 또는 이들의 혼합물과 같은 인산칼륨 및 인산나트륨 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 버퍼 전해질 수용액(220)의 pH는 2 내지 14일 수 있다. 특히, 본 발명의 산소 발생 촉매(260)를 이용하는 경우, 버퍼 전해질 수용액(220)은 중성조건을 가질 수 있다. 양성자의 수용체로서의 역할을 위해, 버퍼 전해질 수용액(220)은 양성자 수용성 음이온(proton-accepting anion)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 물 분해 반응이 진행됨에 따라 양성자(H+)의 생성량이 증가하더라도 양성자 수용성 음이온이 이러한 양성자의 적어도 일부를 수용하여, 버퍼 전해질 수용액(220)의 pH 감소율을 낮출 수 있다. 양성자 수용성 음이온은 포스페이트 이온, 아세테이트 이온, 보레이트 이온 및 플루오라이드 이온 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The aqueous
물 분해 시스템(200)에서 제1 및 제2 전극(230, 240)의 사이에 전압이 인가되면, 제1 전극(230)에서 산소가 발생하고, 제2 전극(240)에서 수소가 발생하는 반응이 일어나게 된다. 각 반쪽 반응은 하기와 같은 반응식 1 및 2로 표현된다.When a voltage is applied between the first and
[반응식 1] 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- [Scheme 1] 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -
[반응식 2] 4H+ + 4e- → 2H2 [Scheme 2] 4H + + 4e - → 2H 2
본 발명의 실시예에 따른 산소 발생 촉매(260)는 상기 반응식 1으로 표현되는 제1 전극(230)에서의 반응에 관여할 수 있다. 이에 의해, 물 분해 반응이 중성 조건 하에서도 낮은 과전위로 이루어질 수 있다.The
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매를 포함하는 연료전지 시스템의 개략도이다.Figure 13 is a schematic diagram of a fuel cell system including a catalyst according to an embodiment of the present invention.
도 13을 참조하면, 연료전지 시스템(300)은, 전해질막(320), 제1 전극(anode)(330) 및 제2 전극(cathode)(340)을 포함할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템(300)은 제1 내지 제3 유입/배출부(352, 354, 356)를 가지며, 제1 및 제2 전극(330, 340)과 전해질막(320)이 배치되는 커버부(310)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 13 , the
본 실시예의 연료전지 시스템(300)은 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 및 제2 전극(330, 340) 및 전해질막(320)은 하나의 단위 전지를 구성할 수 있으며, 복수개의 단위 전지를 적층하여 연료 전지를 구성할 수 있다.The
연료전지 시스템(300)에서, 전기화학적 반응은, 도 12의 물 분해 시스템(200)과 역방향으로 진행될 수 있다.In the
제1 전극(330)에서는 수소의 산화 반응에 의해 양이온이 생성되고, 제2 전극(340)에서는 산소의 환원 반응에 의해 물이 생성될 수 있다. 이때, 제1 전극(330)에서는 전자가 생성되고 제2 전극(340)에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.Cations may be generated through an oxidation reaction of hydrogen at the
제1 및 제2 전극(330, 340)은 각각 반도체 또는 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 제2 전극(340)의 적어도 일면에는 산소 환원 반응 촉매(360)로서, 도 1 내지 도 10을 참조하여 상술한 본 발명의 실시예에 따른, 전이금속 산화물(110) 또는 이를 포함하는 나노 구조물(100)이 코팅될 수 있다. 본 실시예의 산소 환원 반응 촉매(360)는, 도 12의 실시예의 산소 발생 촉매(260)와 동일한 물질일 수 있으나, 그 역방향에 관여하므로 다르게 지칭될 수 있다. 따라서, 본 발명의 산소 발생 촉매는 산소 발생 반응 및 그 역반응 모두의 촉매로 작용할 수 있다.The first and
전해질막(320)은 타겟 반응의 종류에 따라 양성자 혹은 음전자 전도성 고분자막의 형태일 수 있으며, 제1 전극(330) 측과 제2 전극(330) 측을 분리함과 동시에 이들 사이에서 양성자 혹은 음전자의 흐름을 가능하게 할 수 있다. 상기 양성자 전도성 고분자막은, 예를 들어, 나피온(NAFION®)일 수 있으며 음전자 전도성 고분자막은 anion exchange membrane(AEM) 등일 수 있다.The
연료전지 시스템(300)에서 산화 반응 및 환원 반응이 유용한 속도로 이루어지며, 감소된 전위에서 반응이 일어나도록 하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 산소 환원 반응 촉매(360)가 이용될 수 있다.In the
본 발명의 실시예에 따른 산소 발생 촉매를 포함하는 시스템으로, 물 분해 시스템 및 연료전지 시스템을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예에 따른 산소 발생 촉매 또는 산소 환원 반응 촉매는 다양한 전기화학반응 시스템들에 이용될 수 있을 것이다.As a system including an oxygen generating catalyst according to an embodiment of the present invention, a water splitting system and a fuel cell system have been described as examples, but the present invention is not limited thereto, and the oxygen generating catalyst or oxygen generating catalyst according to an embodiment of the present invention The reduction reaction catalyst may be used in various electrochemical reaction systems.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been shown and described with reference to preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and may be modified in various ways by those skilled in the art without departing from the spirit of the invention. Transformation and change are possible. Such modifications and variations should be considered to fall within the scope of the present invention and the appended claims.
100: 나노 구조물
110: 나노 코어, 전이금속 산화물
120: 금속 나노 입자
200: 물 분해 시스템
260: 산소 발생 촉매
300: 연료전지 시스템
360: 산소 환원 반응촉매100: Nanostructure
110: Nano core, transition metal oxide
120: Metal nanoparticles
200: Water splitting system
260: Oxygen generation catalyst
300: Fuel cell system
360: Oxygen reduction reaction catalyst
Claims (10)
[화학식]
A1-δO (A는 Co, Ni, Cu, Fe 중 어느 하나인 전이금속, 0 < δ < 0.5, 전이금속 A와 산소 O의 비는 원자비임)
로 표시되는 비화학양론적(non-stoichiometric) 전이금속 산화물 나노입자를 포함하는, 전기화학 반응용 촉매.Contains trivalent transition metals,
[Chemical formula]
A 1-δ O (A is a transition metal selected from Co, Ni, Cu, or Fe, 0 < δ < 0.5, the ratio of transition metal A to oxygen O is the atomic ratio)
A catalyst for electrochemical reactions, comprising non-stoichiometric transition metal oxide nanoparticles represented by .
상기 화학식에서, 0 < δ < 0.25, 0.25 < δ < 1/3, 1/3 < δ < 0.5 중 어느 하나인, 전기화학 반응용 촉매.According to paragraph 1,
In the above formula, any one of 0 < δ < 0.25, 0.25 < δ < 1/3, and 1/3 < δ < 0.5.
상기 전이금속 산화물의 표면에는 상기 3가의 전이금속 및 2가의 전이금속이 위치하는, 전기화학 반응용 촉매.According to paragraph 1,
A catalyst for electrochemical reaction in which the trivalent transition metal and the divalent transition metal are located on the surface of the transition metal oxide.
상기 전이금속 산화물 나노입자는 100 nm 이하의 크기를 갖는, 전기화학 반응용 촉매.According to paragraph 1,
A catalyst for electrochemical reaction, wherein the transition metal oxide nanoparticles have a size of 100 nm or less.
상기 나노 코어의 표면에 흡착된 금속 나노 입자를 포함하는, 전기화학 반응용 촉매.A nano core containing the transition metal oxide of claim 1; and
A catalyst for electrochemical reaction, comprising metal nanoparticles adsorbed on the surface of the nanocore.
상기 금속 나노 입자는 이리듐(Ir), 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 중 적어도 하나를 포함하는, 전기화학 반응용 촉매.According to clause 6,
The metal nanoparticles include iridium (Ir), cobalt (Co), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), chromium (Cr), ruthenium (Ru), gold (Au), platinum (Pt), A catalyst for electrochemical reaction, comprising at least one of palladium (Pd) and rhodium (Rh).
상기 나노 코어는 100 nm 이하의 크기를 갖고, 상기 금속 나노 입자는 3 nm 이하의 크기를 갖는, 전기화학 반응용 촉매.According to clause 6,
A catalyst for electrochemical reaction, wherein the nanocore has a size of 100 nm or less, and the metal nanoparticles have a size of 3 nm or less.
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