KR102636169B1 - Method for manufacturing carbon fiber coating metal catalyst and carbon fiber for manufacturing electrode prduced thereby - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 전구체 및 유기용매를 포함하는 전구체 섬유를 제조하는 단계; 상기 전구체 섬유를 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 포함하는 코팅 용액에 함침시키는 단계; 상기 코팅 용액에 함침된 상기 전구체 섬유를 가열 연신하여 상기 금속 촉매를 코팅하는 단계; 및 상기 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 고분자 탄소섬유의 표면 상에 코팅하여 제조함에 따라, 형태학적으로 균일하고 우수한 기계적 물성 및 전기화학적 특성을 나타내는 탄소섬유를 제조할 수 있다.The present invention includes the steps of producing a precursor fiber containing a carbon fiber precursor and an organic solvent; Impregnating the precursor fiber with a coating solution containing a metal catalyst in the form of a metal ion or a ligand bound to a metal ion; coating the metal catalyst by heating and stretching the precursor fiber impregnated in the coating solution; and heat-treating the precursor fiber coated with the metal catalyst under an inert gas atmosphere. According to the present invention, a metal catalyst in the form of a metal ion or a ligand bound to a metal ion is manufactured by coating the surface of a polymer carbon fiber, thereby producing a carbon fiber that is morphologically uniform and exhibits excellent mechanical and electrochemical properties. can be manufactured.

Description

금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 전극 제조용 탄소섬유{METHOD FOR MANUFACTURING CARBON FIBER COATING METAL CATALYST AND CARBON FIBER FOR MANUFACTURING ELECTRODE PRDUCED THEREBY}Method for producing carbon fiber coated with metal catalyst and carbon fiber for electrode production produced thereby

본 발명은 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 전극 제조용 탄소섬유에 관한 것으로, 구체적으로 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 고분자 탄소섬유의 표면 상에 코팅하여 형태학적으로 균일하고 우수한 기계적 물성 및 전기화학적 특성을 갖는 탄소섬유의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 전극 제조용 탄소섬유에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing carbon fiber coated with a metal catalyst and to carbon fiber for electrode production produced thereby. Specifically, a metal catalyst in the form of a metal ion or a ligand bound to a metal ion is applied to the surface of a polymer carbon fiber. It relates to a method for manufacturing carbon fibers that are morphologically uniform and have excellent mechanical and electrochemical properties by coating them, and to carbon fibers for electrode production manufactured thereby.

전기화학 반응은 전기 에너지를 활용하여 화학적 에너지로 변환하는 과정이라 할 수 있다. 물질 간의 전자 이동을 통해 화학반응(산화·환원 반응)이 일어나고, 에너지를 변환하고 저장하는 수단으로 이용되기 시작하면서 친환경 에너지 부흥과 함께 연료전지, 그린수소(수전해 수소) 생산, 이산화탄소 환원 등 탄소 에너지를 줄이려는 시도들이 많이 연구되고 있고, 실제로 상업화도 이루어지고 있다.Electrochemical reaction can be said to be a process that utilizes electrical energy and converts it into chemical energy. Chemical reactions (oxidation and reduction reactions) occur through electron transfer between materials, and as they begin to be used as a means of converting and storing energy, there is a revival of eco-friendly energy, including fuel cells, green hydrogen (water electrolysis hydrogen) production, and carbon dioxide reduction. Many attempts to reduce energy are being researched and actually commercialized.

이러한 배경 하에서, 종래에는 전기화학 반응의 에너지를 낮추기 위하여 금속 촉매를 사용하였고, 해당 금속으로써 백금을 이용하고 있었다. 그러나 백금 촉매는 과전압(이론적인 반응전압보다 추가적으로 가해진 전압 또는 소실 에너지의 발생을 의미함)이 낮고 반응속도가 빠른 고효율성을 가졌으나 귀금속이라 높게 형성된 가격대와 전해질에서의 낮은 내구성으로 점차 용해되어 나오는 한계가 있었다. 또한 높은 분산도에 반하여 시간이 지남에 따라 점차 응집되어 단일 나노 입자의 크기가 커짐에 따라 표면적이 비약적으로 감소해 성능이 크게 떨어지는 문제점도 있다.Under this background, conventionally, metal catalysts were used to lower the energy of electrochemical reactions, and platinum was used as the metal. However, platinum catalysts have high efficiency with low overvoltage (meaning the generation of additional applied voltage or dissipated energy compared to the theoretical reaction voltage) and fast reaction speed, but due to the high price range because it is a precious metal and low durability in electrolyte, it gradually dissolves. There was. In addition, despite the high degree of dispersion, there is a problem that the surface area decreases dramatically as the size of single nanoparticles increases due to gradual aggregation over time, which greatly reduces performance.

이러한 문제점을 극복하고자, 본 발명의 발명자들은 금속을 질소를 포함한 고분자에 담지해 질소와 루테늄 나노 입자 사이의 바인딩을 통해 분산도를 유지하고자 하였다. 또한 공정상 고가의 가격대가 형성될 수밖에 없으며 나노 스케일에 해당해 매크로 스케일의 추가적 지지체와의 바인딩을 고려해야하고 고유 내구도가 떨어지는 MOF(Metal-Organic Framework), 페로브스카이트, 그래핀, 탄소나노튜브 등의 나노 스케일 탄소 지지체가 아닌, 미터 스케일의 탄소섬유를 지지체로 활용하여 대량생산이 가능하고 가격 경쟁력을 갖추며 반영구적으로 활용할 수 있는 특수한 기능성 탄소섬유를 제작하여 촉매 전극으로 활용할 수 있는 방법을 개발하고자 하였다. To overcome this problem, the inventors of the present invention attempted to maintain dispersion through binding between nitrogen and ruthenium nanoparticles by supporting the metal on a polymer containing nitrogen. In addition, it is inevitable that the process will be expensive, and since it is nanoscale, binding to an additional macroscale support must be considered, and MOF (Metal-Organic Framework), perovskite, graphene, and carbon nanotubes have poor intrinsic durability. We aim to develop a method to manufacture special functional carbon fibers that can be mass-produced, have price competitiveness, and can be used semi-permanently, using meter-scale carbon fibers as a support, rather than nano-scale carbon supports, and use them as catalyst electrodes. did.

한편, 본 발명의 발명자들은 앞서 금속 촉매가 담지된 탄소섬유의 제조방법에 대해 연구한바 있다. 보다 구체적으로, 금속 촉매를 탄소섬유에 담지시키기 위하여 금속 촉매를 고분자 탄소와 먼저 혼합하여 방사용액을 제조한 후 직접 건습식 방사 또는 습식 방사를 통해 섬유 형태로 제조함에 따라 형태학적으로 균일하고 우수한 전기화학적 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 그러나 이러한 탄소섬유는 내부에 금속 파티클이 고르게 퍼져있음에 따라 촉매 반응에 활용할 수 없어, 상대적으로 많은 촉매들이 낭비되는 구조를 지니고 있음을 확인하였다. 이러한 문제를 개선하기 위하여 탄소섬유 표면을 산소 플라즈마 처리를 통해 표면을 에칭(Etching)하는 추가의 공정을 수행할 수 있으나, 공정의 복잡성과 함께 탄소섬유 내부의 분포된 금속 파티클이 섬유 구조의 결함으로 작용하여 사용도중 탄소섬유가 절단되는 문제점이 존재하였다.Meanwhile, the inventors of the present invention have previously studied a method of manufacturing carbon fiber supported with a metal catalyst. More specifically, in order to support the metal catalyst on carbon fiber, the metal catalyst is first mixed with polymer carbon to prepare a spinning solution, and then manufactured into a fiber form through direct dry and wet spinning or wet spinning, resulting in a morphologically uniform and excellent electrical power. It was confirmed that it exhibits chemical properties. However, it was confirmed that these carbon fibers cannot be used for catalytic reactions as the metal particles are evenly distributed inside them, so a relatively large amount of catalyst is wasted. To improve this problem, an additional process of etching the surface of the carbon fiber can be performed through oxygen plasma treatment. However, along with the complexity of the process, the distributed metal particles inside the carbon fiber may cause defects in the fiber structure. As a result, there was a problem in that the carbon fiber was cut during use.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 발명자들은 금속 촉매가 담지된 탄소섬유를 제조하되, 금속 촉매가 탄소섬유 외부 표면에만 분포하도록 이를 코팅하고 탄소섬유 내부는 고분자 탄소로 형성하여 기계적 물성까지 증대되는 탄소섬유의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 전극 제조용 탄소섬유에 관한 발명을 완성하였다.In order to solve this problem, the inventors of the present invention manufactured carbon fibers loaded with metal catalysts, coated them so that the metal catalysts were distributed only on the outer surface of the carbon fibers, and formed the inside of the carbon fibers with polymer carbon to increase mechanical properties. The invention regarding the manufacturing method of carbon fiber and the carbon fiber manufactured thereby for manufacturing electrodes has been completed.

한국공개특허 제10-2009-0041135호Korean Patent Publication No. 10-2009-0041135

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 고분자 탄소섬유의 표면 상에 코팅하여 형태학적으로 균일하고 우수한 기계적 물성 및 전기화학적 특성을 갖는 탄소섬유의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 전극 제조용 탄소섬유를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above-described problems, the present invention coats a metal catalyst in the form of a metal ion or a ligand bound to a metal ion on the surface of a polymer carbon fiber to achieve morphologically uniform and excellent mechanical and electrochemical properties. The purpose is to provide a method for producing carbon fiber having a and carbon fiber for electrode production produced thereby.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법은 탄소섬유 전구체 및 유기용매를 포함하는 전구체 섬유를 제조하는 단계; 상기 전구체 섬유를 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 포함하는 코팅 용액에 함침시키는 단계; 상기 코팅 용액에 함침된 상기 전구체 섬유를 가열 연신하여 상기 금속 촉매를 코팅하는 단계; 및 상기 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the method for producing carbon fiber coated with a metal catalyst according to the present invention includes the steps of producing a precursor fiber containing a carbon fiber precursor and an organic solvent; Impregnating the precursor fiber with a coating solution containing a metal catalyst in the form of a metal ion or a ligand bound to a metal ion; coating the metal catalyst by heating and stretching the precursor fiber impregnated in the coating solution; and heat-treating the precursor fiber coated with the metal catalyst under an inert gas atmosphere.

여기서, 상기 탄소섬유 전구체는 몰질량이 100,000 내지 750,000 g/mole일 수 있다.Here, the carbon fiber precursor may have a molar mass of 100,000 to 750,000 g/mole.

여기서, 상기 탄소섬유 전구체는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 석유계/석탄계 탄화수소 잔류물 피치(Pitch), 셀룰로오스(Cellulose), 폴리아믹 산(Polyamic acid), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI) 및 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 단독 또는 2종 이상을 복합화할 수 있다.Here, the carbon fiber precursor is polyacrylonitrile (PAN), petroleum/coal hydrocarbon residue pitch, cellulose, polyamic acid, and polyimide (PI). , one type selected from the group consisting of polybenzimidazole (PBI) and polyvinyl alcohol (PVA) may be used alone or in combination of two or more types.

여기서, 상기 유기용매는 DMF(Dimethylformamide), DMAc(Dimethylacetamide), DMSO(Dimethylsulfoxide), NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone) 및 메탄올(methanol)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. Here, the organic solvent may be one or more selected from the group consisting of DMF (Dimethylformamide), DMAc (Dimethylacetamide), DMSO (Dimethylsulfoxide), NMP (N-Methyl-2-Pyrrolidone), and methanol.

여기서, 상기 전구체 섬유를 제조하는 단계는 건습식 방사(Dry-jet wet spinning) 또는 습식 방사(Wet spinning)에 의하여 수행될 수 있다.Here, the step of manufacturing the precursor fiber may be performed by dry-jet wet spinning or wet spinning.

여기서, 상기 금속 촉매는 메탈 클로라이드(XaClb), 메탈 아세틸 아세토네이트(Xa(acac)b) 및 페리시안 화합물(XaCNb)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.Here, the metal catalyst may be one or more selected from the group consisting of metal chloride (X a Cl b ), metal acetyl acetonate (X a (acac) b ), and ferricyanide compound (X a CN b ).

여기서, 상기 X는 알루미늄, 크로뮴, 철, 아연, 로듐, 금, 은, 인듐, 주석, 텅스텐, 오스뮴, 안티모니, 이리듐, 레늄, 구리, 코발트, 니켈, 루테늄 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.Wherein, There may be more than one species.

여기서, 상기 금속 촉매는 페난트롤린(phenanthroline), 올레이트(oleate), 디에틸트리아민(diethyl triamine) 및 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상과 배위결합될 수 있다.Here, the metal catalyst may be coordinated with one or more species selected from the group consisting of phenanthroline, oleate, diethyl triamine, and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). .

여기서, 상기 금속 촉매는 상기 탄소섬유 전구체 100 중량부에 대해 0.1 내지 20 중량부로 포함될 수 있다.Here, the metal catalyst may be included in an amount of 0.1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon fiber precursor.

여기서, 상기 금속 촉매를 코팅하는 단계는 50 내지 300 ℃의 범위 이내에서 가열 연신될 수 있다.Here, the step of coating the metal catalyst may be carried out by heating and stretching within the range of 50 to 300°C.

여기서, 상기 불활성 기체는 헬륨, 질소, 아르곤, 네온 및 크립톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 기체일 수 있다.Here, the inert gas may be one or more gases selected from the group consisting of helium, nitrogen, argon, neon, and krypton.

여기서, 상기 열처리하는 단계는 200 내지 3000 ℃의 범위 이내에서 열처리하여 상기 전구체 섬유를 탄화시킬 수 있다.Here, the heat treatment step may carbonize the precursor fiber by heat treatment within the range of 200 to 3000 °C.

여기서, 상기 열처리하는 단계는 1200 내지 1800 ℃의 범위 이내에서 열처리하여 상기 전구체 섬유를 탄화시킬 수 있다.Here, the heat treatment step may carbonize the precursor fiber by heat treatment within the range of 1200 to 1800°C.

여기서, 상기 열처리하는 단계는 섬유 1 가닥 당 0.1 내지 10.0 MPa의 장력(Tension)을 가해 열처리하여 상기 전구체 섬유를 탄화시킬 수 있다.Here, in the heat treatment step, the precursor fiber may be carbonized by heat treatment by applying a tension of 0.1 to 10.0 MPa per fiber strand.

한편, 본 발명은 본 발명에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법에 의하여 제조되는 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유를 추가로 개시한다.Meanwhile, the present invention further discloses a metal catalyst-coated carbon fiber manufactured by the method for producing a metal catalyst-coated carbon fiber according to the present invention.

상술한 바에 따른 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법은 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 고분자 탄소섬유의 표면 상에 코팅하여 제조함에 따라, 형태학적으로 균일하고 우수한 기계적 물성 및 전기화학적 특성을 나타내는 탄소섬유를 제조할 수 있는 효과가 있다.The method for producing carbon fiber coated with a metal catalyst of the present invention according to the above-described method is to coat the surface of a polymer carbon fiber with a metal catalyst in the form of a metal ion or a ligand bound to a metal ion, thereby producing a morphological change. It has the effect of producing carbon fibers that exhibit uniform and excellent mechanical and electrochemical properties.

또한, 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법에 따라 제조된 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유는 적은 에너지로 대면적화가 가능할 뿐만 아니라, 금속 촉매와 탄소섬유가 일원화되어 안정적으로 금속 촉매를 담지함으로써 장기간동안 물 안에서도 안정적인 전기화학적 특성을 나타내므로 수전해 전극으로 활용될 수 있는 효과가 있다.In addition, the metal catalyst-coated carbon fiber manufactured according to the manufacturing method of the metal catalyst-coated carbon fiber of the present invention not only allows for a large area with low energy, but also stably produces the metal catalyst by unifying the metal catalyst and the carbon fiber. By supporting it, it exhibits stable electrochemical properties even in water for a long period of time, so it can be used as a water electrolysis electrode.

도 1은 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법에 대하여 각 단계별 순서도로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법의 일련의 공정들을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 건습식 방사 및 습식 방사의 제조 공정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 탄소섬유의 단면의 구조를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 탄소섬유의 TEM 이미지를 촬영하여 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 탄소섬유의 SEM 이미지를 촬영하여 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 열처리 온도별 X선 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD) 결과를 측정하여 그래프로 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 탄소섬유의 수소발생 반응(Hydrogen evolution reaction, HER) 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다.
도 9는 동일한 열처리 온도에서 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 탄소섬유의 mass activity 변환 결과를 그래프로 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조시 장력에 따른 X선 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD) 결과를 측정하여 그래프로 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조시 장력에 따른 탄소섬유의 지름 변화, 열중량분석법(TGA)으로 도출된 남아있는 금속 촉매의 양 및 수소 발생 테스트 결과를 그래프로 도시한 것이다.
Figure 1 is a flowchart showing each step of the method for producing carbon fiber coated with a metal catalyst of the present invention.
Figure 2 shows a series of processes in the method of manufacturing carbon fiber coated with a metal catalyst of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram showing the manufacturing process of dry and wet spinning and wet spinning of the present invention.
Figure 4 shows the cross-sectional structure of carbon fiber according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
Figure 5 shows a TEM image taken of carbon fiber according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
Figure 6 shows an SEM image of carbon fiber according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
Figure 7 is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) analysis at each heat treatment temperature of carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 graphically shows the hydrogen evolution reaction (HER) measurement results of carbon fiber according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
Figure 9 graphically shows the mass activity conversion results of carbon fibers according to an example and a comparative example of the present invention at the same heat treatment temperature.
Figure 10 is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) analysis according to tension during the production of carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 shows the change in diameter of carbon fiber according to tension when manufacturing carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention, the amount of remaining metal catalyst derived from thermogravimetric analysis (TGA), and the results of a hydrogen generation test. is shown in a graph.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 “포함하다” 또는 “구비하다”등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific examples. Therefore, for example, a singular expression includes a plural expression, unless the context clearly requires it to be singular. In addition, terms such as “include” or “equipped” used in the present application are used to clearly indicate the presence of features, steps, functions, components, or combinations thereof described in the specification, and are not used to indicate other features. It should be noted that it is not used to preliminarily rule out the existence of any elements, steps, functions, components, or combinations thereof.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다.Meanwhile, unless otherwise defined, all terms used in this specification should be viewed as having the same meaning as generally understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, unless clearly defined in this specification, specific terms should not be interpreted in an overly idealistic or formal sense.

본 발명의 발명자들은 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태(리간드로 결합된 금속 전구체 형태)의 금속 촉매가 담지된 탄소섬유를 제조하되, 금속 촉매가 탄소섬유 외부 표면에만 분포하도록 이를 코팅하고 탄소섬유 내부는 고분자 탄소로 형성하여 본 발명을 완성하였고, 이에 따라 제조된 본 발명의 탄소섬유에 대해 금속의 용출 정도, 전기화학적 특성, 전극의 안정성을 확인하였다. 본 발명은 전기화학 반응을 활용하여 기존 전극의 에너지 경제성, 안정성 문제를 극복하기 위한 것으로, 질소를 포함한 유기 전구체 물질(Precursor) 금속을 담지하여 방사함으로써 금속 촉매의 분산도를 높이고 촉매의 응집 현상과 지지체로부터의 이탈을 방지하는 효과를 갖음을 확인하였다.The inventors of the present invention manufactured carbon fibers supported with metal catalysts in the form of metal ions or in the form of a ligand bound to a metal ion (in the form of a metal precursor bound as a ligand), and coated the carbon fibers so that the metal catalyst was distributed only on the outer surface of the carbon fiber. The present invention was completed by forming the inside of the carbon fiber with polymer carbon, and the degree of metal dissolution, electrochemical properties, and stability of the electrode were confirmed for the carbon fiber of the present invention manufactured accordingly. The present invention is intended to overcome the energy economy and stability problems of existing electrodes by utilizing electrochemical reactions. By carrying and spinning an organic precursor metal containing nitrogen, the dispersion of the metal catalyst is increased, and the agglomeration phenomenon of the catalyst is reduced. It was confirmed that it had the effect of preventing separation from the support.

본 발명자들은 상술한 과제를 해결하기 위하여 연구한 결과, 하기와 같은 발명을 안출하기에 이르렀다. 본 명세서는 탄소섬유 전구체 및 유기용매를 포함하는 전구체 섬유를 제조하는 단계; 상기 전구체 섬유를 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 포함하는 코팅 용액에 함침시키는 단계; 상기 코팅 용액에 함침된 상기 전구체 섬유를 가열 연신하여 상기 금속 촉매를 코팅하는 단계; 및 상기 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계를 포함하는, 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법을 개시한다.As a result of research to solve the above-mentioned problems, the present inventors came up with the following invention. The present specification includes the steps of producing a precursor fiber containing a carbon fiber precursor and an organic solvent; Impregnating the precursor fiber with a coating solution containing a metal catalyst in the form of a metal ion or a ligand bound to a metal ion; coating the metal catalyst by heating and stretching the precursor fiber impregnated in the coating solution; and heat-treating the metal catalyst-coated precursor fiber under an inert gas atmosphere.

도 1은 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법에 대하여 각 단계별 순서도로 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법은 탄소섬유 전구체 및 유기용매를 포함하는 전구체 섬유를 제조하는 단계; 상기 전구체 섬유를 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 포함하는 코팅 용액에 함침시키는 단계; 상기 코팅 용액에 함침된 상기 전구체 섬유를 가열 연신하여 상기 금속 촉매를 코팅하는 단계; 및 상기 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계 순으로 진행되는 것을 확인할 수 있다.Figure 1 is a flowchart showing each step of the method for producing carbon fiber coated with a metal catalyst of the present invention. Referring to Figure 1, the method for producing carbon fiber coated with a metal catalyst of the present invention includes the steps of producing a precursor fiber containing a carbon fiber precursor and an organic solvent; Impregnating the precursor fiber with a coating solution containing a metal catalyst in the form of a metal ion or a ligand bound to a metal ion; coating the metal catalyst by heating and stretching the precursor fiber impregnated in the coating solution; It can be seen that the step of heat treating the precursor fiber coated with the metal catalyst under an inert gas atmosphere is carried out in that order.

도 2는 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법의 일련의 공정들을 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 탄소섬유 전구체 및 유기용매를 포함하는 전구체 섬유가 필라멘트 형태로 롤러 또는 가이드 롤러를 통해 이동을 하여 금속 촉매를 포함하는 코팅 용액에 함침되고, 코팅 용액에 함침된 전구체 섬유가 롤러 또는 가열 롤러를 통해 가열 연신되면서 전구체 섬유 외부 표면 상에 금속 촉매가 코팅되고, 이후 최종적으로 롤러 또는 가이드 롤러를 통해 이동을 하여 불활성 기체 분위기 하에서 열처리되는 것을 확인할 수 있다.Figure 2 shows a series of processes in the method of manufacturing carbon fiber coated with a metal catalyst of the present invention. Referring to FIG. 2, the precursor fiber containing a carbon fiber precursor and an organic solvent moves through a roller or guide roller in the form of a filament and is impregnated in a coating solution containing a metal catalyst, and the precursor fiber impregnated in the coating solution moves through the roller. Alternatively, it can be confirmed that a metal catalyst is coated on the outer surface of the precursor fiber while being heated and stretched through a heating roller, and then finally moved through a roller or guide roller to be heat treated in an inert gas atmosphere.

본 발명은 탄소섬유 전구체 및 유기용매를 포함하는 전구체 섬유를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The present invention may include the step of producing a precursor fiber containing a carbon fiber precursor and an organic solvent.

본 발명의 탄소섬유 전구체는 금속 입자와 상호작용을 하고 응집 현상을 방지하기 위해서 질소나 카르복실기(-COO), 캐톤(-C=O)과 같은 작용기를 포함하는 고분자를 선택하는 것이 바람직하다.The carbon fiber precursor of the present invention preferably selects a polymer containing a functional group such as nitrogen, carboxyl group (-COO), or catone (-C=O) in order to interact with metal particles and prevent aggregation.

또한, 본 발명의 탄소섬유 전구체는 몰질량이 100,000 내지 750,000 g/mole인 것이 바람직하다. 가령, 탄소섬유 전구체의 몰질량이 100,000 g/mole 미만인 경우 탄소섬유를 제조하였을 때 기계적 물성이 상대적으로 저하되는 문제점이 있고, 반대로 탄소섬유 전구체의 몰질량이 750,000 g/mole 초과인 경우 방사 용액 내에서 전구체 고분자의 응집 현상으로 인하여 균일한 방사 용액을 제조하기 어려운 문제가 있다.Additionally, the carbon fiber precursor of the present invention preferably has a molar mass of 100,000 to 750,000 g/mole. For example, if the molar mass of the carbon fiber precursor is less than 100,000 g/mole, there is a problem that the mechanical properties are relatively reduced when manufacturing carbon fiber. Conversely, if the molar mass of the carbon fiber precursor is more than 750,000 g/mole, There is a problem in producing a uniform spinning solution due to the agglomeration phenomenon of the precursor polymer.

또한, 본 발명의 탄소섬유 전구체는 탄화 공정 후 탄소 원소의 질량 함유율이 90% 이상을 가질 수 있는 섬유 상의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 상기 탄소섬유 전구체는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 석유계/석탄계 탄화수소 잔류물 피치(Pitch), 셀룰로오스(Cellulose), 폴리아믹산(Polyamic acid), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI) 및 폴리비닐 알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 단독 또는 2종 이상을 복합화한 유기고분자일 수 있으나, 당업계에서 사용될 수 있는 것이라면 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the carbon fiber precursor of the present invention preferably uses a fibrous material that can have a mass content of carbon element of 90% or more after the carbonization process. More specifically, the carbon fiber precursor is polyacrylonitrile (PAN), petroleum/coal hydrocarbon residue pitch, cellulose, polyamic acid, and polyimide (PI). ), polybenzimidazole (PBI), and polyvinyl alcohol (PVA). It may be an organic polymer selected from the group consisting of one type alone or a combination of two or more types, as long as it can be used in the industry. It is not limited to this.

본 발명의 유기용매는 DMF(Dimethylformamide), DMAc(Dimethylacetamide), DMSO(Dimethylsulfoxide), NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone), 메탄올(methanol)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The organic solvent of the present invention may be one or more selected from the group consisting of DMF (Dimethylformamide), DMAc (Dimethylacetamide), DMSO (Dimethylsulfoxide), NMP (N-Methyl-2-Pyrrolidone), and methanol, but is limited thereto. That is not the case.

본 발명의 탄소섬유 전구체 및 유기용매를 포함하는 전구체 섬유를 제조하는 단계는 25 내지 100 ℃의 온도 범위 내에서 유기용매에 탄소섬유 전구체를 넣고 녹임으로써 방사 용액을 제조한 다음, 건습식 방사(Dry-jet wet spinning) 또는 습식 방사(Wet spinning)에 의하여 수행될 수 있다. 상기 방사 용액은 방사 용액 총 중량을 기준으로 고형물을 5 내지 40 중량% 포함할 수 있다. 가령, 상기 고형물이 5 중량% 미만인 경우 방사 용액의 섬유 형성능에 제한이 있으며, 반대로 40 중량% 초과인 경우 균일한 방사 용액 제조에 한계가 있기에 상기 범위 내로 방사용액을 제조하는 것이 바람직하다.The step of manufacturing a precursor fiber containing a carbon fiber precursor and an organic solvent of the present invention is to prepare a spinning solution by adding and dissolving the carbon fiber precursor in an organic solvent within a temperature range of 25 to 100 ° C, and then dry-wet spinning. -jet wet spinning) or wet spinning (Wet spinning). The spinning solution may contain 5 to 40% by weight of solids based on the total weight of the spinning solution. For example, if the solid content is less than 5% by weight, there is a limit to the fiber-forming ability of the spinning solution. Conversely, if the solid content is more than 40% by weight, there is a limit to producing a uniform spinning solution, so it is preferable to prepare the spinning solution within the above range.

또한, 상기 방사 용액의 점도가 50 내지 1,000 Pa·s 인 것이 바람직하다. 가령, 점도가 50 Pa·s 미만인 경우 방사 용액의 섬유 형성능에 제한이 있고, 반대로 1,000 Pa·s 초과인 경우 균일하고 안정적인 방사 공정에 한계가 있다.Additionally, it is preferable that the viscosity of the spinning solution is 50 to 1,000 Pa·s. For example, if the viscosity is less than 50 Pa·s, there is a limit to the fiber-forming ability of the spinning solution, and conversely, if the viscosity is more than 1,000 Pa·s, there is a limit to the uniform and stable spinning process.

종래에는 건습식 방사 또는 습식 방사 대신에 전기 방사를 통해 섬유를 제조하는 것이 일반적이었다. 그러나 전기 방사의 경우 나노 크기의 두께로 높은 표면적을 가져 우수한 활성을 보이지만 형태학적(morphology)으로 균일하지 않고, 섬유의 기계적 물성이 좋지 않아 전극의 내구성 및 대면적에 무리가 있다. 또한 높은 양의 순간적인 전기 에너지 소모가 요구되어 생산비용 한계로 아직까지 상용화된 사례가 없다.Conventionally, it was common to manufacture fibers through electrospinning instead of dry or wet spinning. However, in the case of electrospinning, it has a nano-sized thickness and a high surface area, showing excellent activity, but the morphology is not uniform, and the mechanical properties of the fiber are poor, which hinders the durability and large area of the electrode. In addition, it requires a high amount of instantaneous electrical energy consumption and has not yet been commercialized due to limitations in production costs.

그러나 본 발명은 건습식 방사 또는 습식 방사를 통해 섬유를 제조함으로써, 기계적 물성이 우수하고 열처리 후에도 가공하기 용이할 뿐만 아니라, 높은 촉매활성을 갖고 성능이 우수한 탄소섬유를 얻을 수 있다.However, in the present invention, by manufacturing fibers through dry or wet spinning, it is possible to obtain carbon fibers that not only have excellent mechanical properties and are easy to process even after heat treatment, but also have high catalytic activity and excellent performance.

도 3은 본 발명의 건습식 방사 및 습식 방사의 제조 공정을 나타낸 모식도이다. 보다 구체적으로, 도 3a는 본 발명의 건습식 방사의 제조 공정을 나타내고, 도 3b는 본 발명의 습식 방사의 제조 공정을 나타내는 모식도이다. 도 3을 참조하면, 건습식 방사 및 습식 방사에서 롤러 또는 가이드 롤러를 통하여 1차, 2차 등의 응고욕조를 통과하는 공정을 수행하는 것을 확인할 수 있다.Figure 3 is a schematic diagram showing the manufacturing process of dry and wet spinning and wet spinning of the present invention. More specifically, Figure 3a shows the manufacturing process of wet and dry spinning of the present invention, and Figure 3b is a schematic diagram showing the manufacturing process of wet spinning of the present invention. Referring to Figure 3, it can be seen that in dry and wet spinning and wet spinning, the process of passing through the first and second coagulation baths through rollers or guide rollers is performed.

1차 응고욕조(1st Coagulation bath)에서는 유기용매와 물이 혼합된 용매를 3:7 내지 1:9의 부피 비율로 사용하고, 온도를 -50 내지 100 ℃ 범위 이내로 조절하여 수행할 수 있고, 2차 응고욕조(2nd Coagulation bath)에서는 물을 용매로 사용하고 온도를 높게 설정하여 유기용매를 섬유로부터 최대한 씻어내는 것이 바람직하다. 필요에 따라서 욕조의 갯수를 늘려 섬유 내부의 잔류용매를 제거하는 정도로 조절할 수 있다. 건습식 방사 또는 습식 방사는 1차 응고욕조 내에서 -50 내지 100℃ 온도 조건에서 분당 1 내지 10 m로 토출하여 섬유 형태로 제조될 수 있으나, 이는 당업자가 필요에 따라 조절할 수 있다.In the 1st coagulation bath, a mixed solvent of organic solvent and water is used in a volume ratio of 3:7 to 1:9, and the temperature can be adjusted to within the range of -50 to 100 ℃, 2 In the 2nd coagulation bath, it is desirable to use water as a solvent and set the temperature high to wash away as much of the organic solvent from the fiber as possible. If necessary, the number of baths can be increased to adjust the level of removal of residual solvent inside the fiber. Dry and wet spinning or wet spinning can be produced in the form of fiber by discharging at 1 to 10 m per minute at a temperature of -50 to 100°C in a primary coagulation bath, but this can be adjusted as needed by a person skilled in the art.

본 발명의 탄소섬유 전구체 및 유기용매를 포함하는 전구체 섬유를 제조하는 단계 이후에 열처리를 통해 전구체 섬유를 안정화하는 단계를 추가적으로 수행할 수 있다. 폴리아크릴로나이트릴 또는 폴리아믹산 기반 탄소섬유의 경우, 고리화를 위하여 안정화(Stabilization) 과정을 거치는 것이 바람직하다.After the step of manufacturing the precursor fiber containing the carbon fiber precursor and organic solvent of the present invention, a step of stabilizing the precursor fiber through heat treatment may be additionally performed. In the case of polyacrylonitrile or polyamic acid-based carbon fiber, it is desirable to undergo a stabilization process for cyclization.

보다 구체적으로, 상기 열처리를 통해 전구체 섬유를 안정화하는 단계는 섬유 1 가닥 당 0.1 내지 40 MPa의 장력(tension)을 가해 180 내지 350 ℃ 온도 범위 내로 0.5 내지 6 시간 동안 유지하여 섬유를 안정화할 수 있다. 이때 열처리 내부의 공기 분위기는 질소 또는 아르곤과 같은 비활성 기체 또는 공기(air), 이산화탄소 혼합기체(CO2 mixed gas), 산소-질소 또는 산소-아르곤 혼합 기체가 이용될 수 있다. 다만, 별도로 전구체 섬유의 안정화가 필요없는 경우 상기 열처리를 통해 전구체 섬유를 안정화하는 단계는 생략될 수 있다.More specifically, in the step of stabilizing the precursor fiber through heat treatment, the fiber can be stabilized by applying a tension of 0.1 to 40 MPa per fiber strand and maintaining the temperature within the temperature range of 180 to 350 ° C. for 0.5 to 6 hours. . At this time, the air atmosphere inside the heat treatment may be an inert gas such as nitrogen or argon, air, carbon dioxide mixed gas (CO2 mixed gas), oxygen-nitrogen or oxygen-argon mixed gas. However, if there is no need to separately stabilize the precursor fiber, the step of stabilizing the precursor fiber through heat treatment may be omitted.

본 발명은 상기 전구체 섬유를 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 포함하는 코팅 용액에 함침시키는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 함침은 롤러 또는 가이드 롤러를 통하여 전구체 섬유를 코팅 용액에 침투하게 하는 공정을 의미할 수 있다.The present invention may include the step of impregnating the precursor fiber in a coating solution containing a metal catalyst in the form of a metal ion or a form in which a ligand is bound to a metal ion. Here, the impregnation may refer to a process of infiltrating the precursor fiber into the coating solution through a roller or guide roller.

본 발명의 금속 촉매는 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.The metal catalyst of the present invention is preferably in the form of a metal ion or a form in which a ligand is bound to a metal ion, but is not limited thereto.

본 발명의 금속 촉매는 평균 입경이 1 내지 100 nm인 금속 나노 입자일 수 있다. 바람직하게는 본 발명의 금속 촉매는 금속이온 형태로 사용되며, 보다 구체적으로 메탈 클로라이드(XaClb), 메탈 아세틸 아세토네이트(Xa(acac)b) 및 페리시안 화합물(XaCNb)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 이때 a, b 및 c는 계수비로써 금속의 종류에 따라서 바뀔 수 있다. 이때 상기 X는 물 속에서 용해도가 우수한 금속으로서, 알루미늄, 크로뮴, 철, 아연, 로듐, 금, 은, 인듐, 주석, 텅스텐, 오스뮴, 안티모니, 이리듐, 레늄, 구리, 코발트, 니켈, 루테늄 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종일 수 있다. The metal catalyst of the present invention may be metal nanoparticles with an average particle diameter of 1 to 100 nm. Preferably, the metal catalyst of the present invention is used in the form of a metal ion, and more specifically, metal chloride (X a Cl b ), metal acetyl acetonate (X a (acac) b ), and ferricyanide compound (X a CN b ). It may be one or more types selected from the group consisting of. At this time, a, b, and c are coefficient ratios and can change depending on the type of metal. At this time, the It may be one type selected from the group consisting of palladium.

또한, 본 발명의 금속 촉매는 페난트롤린(phenanthroline), 올레이트(oleate), 디에틸트리아민(diethyl triamine) 및 에틸렌디아민테트라아세트In addition, the metal catalyst of the present invention includes phenanthroline, oleate, diethyl triamine, and ethylenediaminetetraacetate.

산(EDTA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상과 배위결합 시켜 첨가할 수도 있다. 이 때 상기 리간드들은 용해도가 큰 금속에 대해 고분자 사슬과 상호작용을 크게 하여 금속 촉매가 물에 녹아 나오지 않도록 한다.It can also be added by coordinating with one or more types selected from the group consisting of acids (EDTA). At this time, the ligands greatly interact with the polymer chain for metals with high solubility, thereby preventing the metal catalyst from dissolving in water.

본 발명의 금속 촉매는 상기 탄소섬유 전구체 100 중량부에 대해 0.1 내지 20 중량부로 포함될 수 있으나, 이는 공정 조건에 따라 조절될 수 있다.The metal catalyst of the present invention may be included in an amount of 0.1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon fiber precursor, but this can be adjusted depending on process conditions.

본 발명의 상기 전구체 섬유를 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 포함하는 코팅 용액에 함침시키는 단계 이후에 상기 코팅 용액에 함침된 상기 전구체 섬유를 응고시키는 단계를 추가적으로 수행할 수 있다. 여기서, 상기 응고는 롤러 또는 가이드 롤러를 통하여 1차, 2차 등의 응고욕조를 통과하는 공정을 수행하는 것일 수 있다. 이 때 상기 응고욕조는 실온의 메탄올, 에탄올 등과 같은 유기 용매를 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.After the step of impregnating the precursor fiber of the present invention in a coating solution containing a metal catalyst in the form of a metal ion or a form in which a ligand is bound to a metal ion, a step of coagulating the precursor fiber impregnated in the coating solution may be additionally performed. You can. Here, the coagulation may be performed through a process of passing through a primary, secondary, etc. coagulation bath through rollers or guide rollers. At this time, the coagulation bath preferably contains an organic solvent such as methanol or ethanol at room temperature, but is not limited thereto.

본 발명은 상기 코팅 용액에 함침된 상기 전구체 섬유를 가열 연신하여 상기 금속 촉매를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 가열 연신은 1차, 2차 등의 롤러, 가열 롤러 또는 고온의 스팀을 이용하여 가열과 함께 코팅 용액에 함침된 상기 전구체 섬유를 연신하는 공정을 수행하는 것일 수 있다. 상기 코팅 용액에 함침된 상기 전구체 섬유를 가열 연신하여 상기 금속 촉매를 코팅하는 단계를 수행함으로써, 상기 전구체 섬유의 외부 표면 상에 금속 촉매가 충분히 담지 내지 코팅될 수 있다.The present invention may include the step of coating the metal catalyst by heating and stretching the precursor fiber impregnated in the coating solution. Here, the heating stretching may be a process of stretching the precursor fiber impregnated in the coating solution along with heating using primary, secondary rollers, heating rollers, or high temperature steam. By performing the step of coating the metal catalyst by heating and stretching the precursor fiber impregnated in the coating solution, the metal catalyst can be sufficiently supported or coated on the outer surface of the precursor fiber.

본 발명의 상기 코팅 용액에 함침된 상기 전구체 섬유를 가열 연신하여 상기 금속 촉매를 코팅하는 단계는 50 내지 300 ℃의 범위 이내에서 가열 연신하는 것이 바람직하다. 가령, 50 ℃ 미만의 온도에서 가열 연신하는 경우, 상기 전구체 섬유 표면 상에 금속 촉매가 충분히 코팅되지 않는 문제가 발생할 수 있으며, 반대로 300 ℃ 초과의 온도에서 가열 연신하는 경우, 금속 촉매가 롤러 또는 가열 롤러에 눌러 붙는 문제가 발생할 수 있다.The step of coating the metal catalyst by heating and stretching the precursor fiber impregnated with the coating solution of the present invention is preferably performed by heating and stretching within the range of 50 to 300°C. For example, when heat stretching is performed at a temperature of less than 50°C, a problem may occur in which the metal catalyst is not sufficiently coated on the surface of the precursor fiber. Conversely, when heat stretching is performed at a temperature exceeding 300°C, the metal catalyst may be applied to the roller or heating. Problems with sticking to the roller may occur.

본 발명은 상기 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 상기 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계는 상기 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 탄화하여 최종적으로 금속 촉매가 담지 내지 코팅된 탄소섬유를 제조하는 단계이다. The present invention may include heat treating the precursor fiber coated with the metal catalyst under an inert gas atmosphere. The step of heat treating the metal catalyst-coated precursor fiber of the present invention under an inert gas atmosphere is a step of carbonizing the metal catalyst-coated precursor fiber to finally produce a metal catalyst-supported or coated carbon fiber.

본 발명의 상기 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계에서 탄소섬유의 탄화가 진행될수록 흑연(graphitic) 구조가 발달하게 되고, 전도성이 증가하는 효과를 얻는다. In the step of heat treating the precursor fiber coated with the metal catalyst of the present invention under an inert gas atmosphere, as carbonization of the carbon fiber progresses, a graphitic structure is developed, and conductivity is increased.

본 발명의 불활성 기체는 헬륨, 질소, 아르곤, 네온 및 크립톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 기체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The inert gas of the present invention may be one or more gases selected from the group consisting of helium, nitrogen, argon, neon, and krypton, but is not limited thereto.

또한, 본 발명의 불활성 기체는 상기 열처리하는 단계에서 0.5 내지 5 L/min 범위 내로 공급될 수 있다.Additionally, the inert gas of the present invention may be supplied within the range of 0.5 to 5 L/min in the heat treatment step.

또한, 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계는 200 내지 3000 ℃의 범위 이내에서 열처리하는 것이 바람직하고, 1200 내지 1800 ℃의 범위 이내에서 열처리하는 것이 더욱 바람직하다. 가령, 열처리 하는 온도가 200 ℃ 미만인 경우 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유의 탄화가 충분히 일어나지 않아 구조적으로 불안정하고 전도성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 반대로 열처리 하는 온도가 3000 ℃ 초과하는 경우 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유의 탄화가 과도하게 진행되어 섬유 자체가 손상되고 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 열처리하는 단계의 열처리 온도가 1200 내지 1800 ℃의 범위 이내를 만족하는 경우 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유의 탄화가 충분히 이루어져 우수한 전기전도성을 나타낼 수 있다. 상기 열처리하는 단계는 상기 열처리하는 온도 범위 하에서 금속 촉매의 종류에 따라 적절하게 조절될 수 있다. In addition, the step of heat treating the precursor fiber coated with the metal catalyst of the present invention under an inert gas atmosphere is preferably within the range of 200 to 3000 ° C, and more preferably within the range of 1200 to 1800 ° C. . For example, if the heat treatment temperature is less than 200 ℃, the carbonization of the metal catalyst-coated precursor fiber may not sufficiently occur, which may cause structural instability and reduced conductivity. Conversely, if the heat treatment temperature exceeds 3000 ℃, the metal catalyst may deteriorate. Excessive carbonization of the coated precursor fiber may cause damage to the fiber itself and deterioration of mechanical properties. More preferably, when the heat treatment temperature in the heat treatment step satisfies the range of 1200 to 1800° C., the metal catalyst-coated precursor fiber can be sufficiently carbonized to exhibit excellent electrical conductivity. The heat treatment step can be appropriately adjusted depending on the type of metal catalyst within the heat treatment temperature range.

또한, 본 발명의 상기 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계는 금속 또는 금속 촉매의 종류에 따라 탄화점이 달라지므로 상기 범위 내에서 100 ℃의 간격으로 탄소섬유의 구조 변화를 관찰하면서 진행하는 것이 바람직하다. 이때 관찰 방법에는 X선 회절분석(XRD)으로 섬유의 미세구조를 확인할 수 있으며, 인장 시험을 통하여 기계적 물성을 확인할 수 있다.In addition, the step of heat treating the precursor fiber coated with the metal catalyst of the present invention under an inert gas atmosphere changes the structure of the carbon fiber at intervals of 100°C within the above range because the carbonization point varies depending on the type of metal or metal catalyst. It is advisable to proceed with observation. At this time, the observation method can be used to check the microstructure of the fiber using X-ray diffraction analysis (XRD), and the mechanical properties can be confirmed through a tensile test.

또한, 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계는 섬유 1 가닥 당 0.1 내지 10.0 MPa의 장력(Tension)을 가해 열처리하여 상기 전구체 섬유를 탄화시키는 것이 바람직하고, 섬유 1 가닥 당 2.5 내지 7.5 MPa의 장력을 가해 열처리하여 상기 전구체 섬유를 탄화시키는 것이 더욱 바람직하다. 가령, 열처리하는 단계에서 장력이 0.1 MPa 미만인 경우 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유의 탄화가 충분히 일어나지 않아 구조적으로 불안정하고 전도성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 반대로 열처리하는 단계에서 장력이 10.0 MPa 초과하는 경우 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유의 탄화가 과도하게 진행되어 섬유 자체가 손상되고 기계적 물성, 루테늄 탈리현상으로 촉매 활성이 줄어드는 문제가 발생할 수 있다.In addition, in the step of heat treating the precursor fiber coated with the metal catalyst of the present invention under an inert gas atmosphere, it is preferable to carbonize the precursor fiber by heat treatment by applying a tension of 0.1 to 10.0 MPa per fiber strand. It is more preferable to carbonize the precursor fiber by heat treatment by applying a tension of 2.5 to 7.5 MPa per strand. For example, if the tension is less than 0.1 MPa in the heat treatment step, carbonization of the precursor fiber coated with the metal catalyst may not occur sufficiently, which may cause structural instability and reduced conductivity. Conversely, if the tension exceeds 10.0 MPa in the heat treatment step, problems may occur. In this case, excessive carbonization of the metal catalyst-coated precursor fiber may cause damage to the fiber itself, and a decrease in mechanical properties and catalytic activity due to ruthenium desorption.

또한, 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계는 상기 온도 및 장력의 조건 하에서 1 내지 10시간 동안 열처리되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the step of heat treating the precursor fiber coated with the metal catalyst of the present invention under an inert gas atmosphere is preferably heat treated for 1 to 10 hours under the above temperature and tension conditions, but is not limited thereto.

한편, 본 발명은 본 발명에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법에 의하여 제조되는 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유를 추가로 개시한다.Meanwhile, the present invention further discloses a metal catalyst-coated carbon fiber manufactured by the method for producing a metal catalyst-coated carbon fiber according to the present invention.

이러한 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유는 전기화학적 특성이 우수하므로, 전기화학 반응에 필요한 전극 제조에 활용될 수 있다. 상기 전기화학 반응에는 산소환원반응(oxygen reduction reaction, ORR), 수소발생반응(hydrogen evolution reaction HER), 산소발생반응(oxygen evolution reaction, OER), 질소환원반응(nitrogen reduction reaction, NRR), 수소산화반응(hydrogen oxidation reaction, HOR), 염소발생반응(chlorine evolution reaction, CER), 이 산화탄소환원반응(CO2 reductionreaction, CO2 RR)등 전해질 내에서 전자교환을 일으킬 수 있는 반응 등이 있다. 본 발명에 따른 탄소섬유로 제조된 수전해 전극은 금속 촉매가 담지 또는 코팅되어 있어 전해질의 pH에 관계없이 전극의 안정성이 우수한 장점이 있다.Carbon fiber coated with such a metal catalyst has excellent electrochemical properties, so it can be used to manufacture electrodes required for electrochemical reactions. The electrochemical reactions include oxygen reduction reaction (ORR), hydrogen evolution reaction (HER), oxygen evolution reaction (OER), nitrogen reduction reaction (NRR), and hydrogen oxidation. There are reactions that can cause electron exchange within the electrolyte, such as hydrogen oxidation reaction (HOR), chlorine evolution reaction (CER), and CO2 reduction reaction (CO2 RR). The water electrolysis electrode made of carbon fiber according to the present invention has the advantage of excellent electrode stability regardless of the pH of the electrolyte because it is supported or coated with a metal catalyst.

앞서 언급한 바와 같이, 본 발명은 탄소섬유 전구체 및 유기용매를 포함하는 전구체 섬유를 제조한 다음, 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 전구체 섬유의 외부 표면 상에 코팅함에 따라 금속의 탈리 또는 용출이 적어 금속 촉매의 안정성을 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유는 기계적 물성 및 전기화학적 특징이 우수하여 수전해 전극을 포함한 대면적 전기화학 반응 장치에 적극 활용될 수 있으며, 대량 생산이 용이하기에 경제적 측면에서도 상당히 유리한 효과가 있다.As mentioned above, the present invention involves manufacturing a precursor fiber containing a carbon fiber precursor and an organic solvent, and then coating a metal catalyst in the form of a metal ion or a ligand bound to the metal ion on the outer surface of the precursor fiber. Accordingly, the stability of the metal catalyst can be improved due to less detachment or elution of the metal. As a result, the carbon fiber coated with the metal catalyst of the present invention has excellent mechanical properties and electrochemical characteristics, so it can be actively used in large-area electrochemical reaction devices including water electrolysis electrodes. It is also economical because it is easy to mass produce. It has quite a beneficial effect.

이하, 첨부한 도면 및 실시예들을 참조하여 본 명세서가 청구하는 바에 대하여 더욱 자세히 설명한다. 다만, 본 명세서에서 제시하고 있는 도면 내지 실시예 등은 통상의 기술자에게 의하여 다양한 방식으로 변형되어 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 본 명세서의 기재사항은 본 발명을 특정 개시 형태에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하고 있는 것으로 보아야 한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명을 통상의 기술자로 하여금 더욱 정확하게 이해할 수 있도록 돕기 위하여 제시되는 것으로서 실제보다 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.Hereinafter, what the present specification claims will be described in more detail with reference to the accompanying drawings and examples. However, the drawings, examples, etc. presented in this specification can be modified in various ways by those skilled in the art to have various forms, and the description in this specification does not limit the present invention to a specific disclosed form. It should be viewed as including all equivalents or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. In addition, the attached drawings are presented to help those skilled in the art understand the present invention more accurately, and may be shown exaggerated or reduced compared to reality.

{실시예 및 평가}{Examples and Evaluation}

실시예 1. 열처리 온도가 1200 ℃일 때의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유Example 1. Carbon fiber coated with metal catalyst at a heat treatment temperature of 1200°C

(1) 고분자 섬유의 제조(1) Production of polymer fibers

폴리아크로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN) 21.0 g, DMF 141.6 g을 섞어 고체 농도가 약 12.9 wt%가 되도록 하여 60 ℃에서 50 rpm으로 24시간 교반시켜 주었다. 이 용액을 공전/자전 믹서를 이용하여 1000 rpm에서 분산 5분, 2000 rpm에서 탈포 5분간 진행 후 15분 간 진공 탈포 하여 방사 원액으로 사용하였다. 방사 원액의 용액 방사는 건습식 방사(Dry-jet wet spinning)법을 이용하여 진행하였으며 공수가 5개, 노즐 직경이 250 μm인 노즐을 사용하였다. 7 m/min의 속도로 토출된 용액은 약 10 mm의 기격(공기 층)을 통과하여 1차 응고 욕조에 17 m/min 롤러 1을 거쳐 2차 응고 욕조의 17.5 m/min 롤러 2, 18.5 m/min 롤러 3을 거쳐 21 m/min으로 와인더에서 권취되었다. 이때의 1차 응고 욕조의 온도는 10 ℃, 2차 응고 욕조의 온도는 23 ℃, 두 응고 욕조 내의 비용매로는 메탄올이 활용되었다.21.0 g of polyacrylonitrile (PAN) and 141.6 g of DMF were mixed so that the solid concentration was about 12.9 wt%, and the mixture was stirred at 60°C and 50 rpm for 24 hours. This solution was dispersed at 1000 rpm for 5 minutes using a revolving/rotating mixer, defoamed at 2000 rpm for 5 minutes, then vacuum degassed for 15 minutes and used as a spinning stock solution. Solution spinning of the spinning solution was carried out using a dry-jet wet spinning method, and a nozzle with 5 processes and a nozzle diameter of 250 μm was used. The solution discharged at a speed of 7 m/min passes through an air gap of about 10 mm, passes through the 17 m/min roller 1 in the primary coagulation bath, and then through the 17.5 m/min roller 2 and 18.5 m in the secondary coagulation bath. /min was wound on the winder at 21 m/min via roller 3. At this time, the temperature of the first coagulation bath was 10°C, the temperature of the second coagulation bath was 23°C, and methanol was used as a non-solvent in both coagulation baths.

(2) 코팅 용액의 제조(2) Preparation of coating solution

RuCl3(0.5 g), 페난트롤린(phenanthroline, 1.32 g)와 용매 DMF(9.44 g)을 섞어 RuCl3가 배위결합을 형성할 수 있도록 6 시간동안 실온에서 50 rpm으로 교반 시킨 용액 1을 폴리아크로니트릴(PAN, 0.5 g), DMF(34.6 g)을 섞어 12 시간동안 60 ℃에서 50 rpm으로 교반 시켜 투명해진 용액 2에 천천히 첨가하여 고체 농도가 약 5 wt%가 되도록 한다. 균일하게 분산될 수 있도록 60 ℃, 50 rpm에서 추가로 6시간동안 교반 시킨다. 이때 고분자 대비 Ru의 비율은 50 wt%이다.RuCl 3 (0.5 g), phenanthroline (1.32 g), and solvent DMF (9.44 g) were mixed and stirred at 50 rpm for 6 hours at room temperature to allow RuCl 3 to form a coordination bond. Solution 1 was injected into a Polyacro. Nitrile (PAN, 0.5 g) and DMF (34.6 g) were mixed and stirred at 50 rpm at 60°C for 12 hours and slowly added to solution 2, which became transparent, until the solid concentration was about 5 wt%. Stir for an additional 6 hours at 60°C and 50 rpm to ensure uniform dispersion. At this time, the ratio of Ru to polymer is 50 wt%.

(3) 코팅 용액에의 함침 및 금속 촉매의 코팅(3) Impregnation with coating solution and coating of metal catalyst

언와인더로부터 롤러 1에 의하여 3 m/min의 속도로 풀려나온 필라멘트인 전구체 섬유가 가이드 롤러를 거쳐 실온의 코팅 용액에 함침되었다. 코팅 용액이 균일하게 도포될 수 있도록 3개의 가이드 롤러를 지난 후 실온의 메탄올로 채워진 응고 욕조를 3 m/min 롤러 2, 5 m/min 롤러 3를 거쳐 통과하여 코팅 용액 내 금속 촉매를 포함하는 고분자 복합체가 응고될 수 있도록 하였다. 응고욕을 빠져나온 필라멘트인 전구체 섬유는 롤러 4에 의해 감겨 기계적 물성 증대, 분자사슬 배향 시키기 위하여 8 m/min, 115 ℃의 가열롤러 1, 24 m/min, 158 ℃의 가열롤러 2를 거쳐 가열 연신 되었다.The precursor fiber, which is a filament unwound from the unwinder at a speed of 3 m/min by roller 1, was impregnated in a coating solution at room temperature through a guide roller. To ensure that the coating solution is uniformly applied, it passes through three guide rollers and then passes through a coagulation bath filled with methanol at room temperature through 3 m/min roller 2 and 5 m/min roller 3 to form a polymer containing a metal catalyst in the coating solution. The complex was allowed to coagulate. The precursor fiber, which is a filament that has escaped the coagulation bath, is wound by roller 4 and heated through heating roller 1 at 8 m/min, 115°C and heating roller 2 at 24 m/min, 158°C to increase mechanical properties and orient the molecular chain. It has been extended.

(4) 탄소섬유 열처리에 의한 탄화(4) Carbonization by heat treatment of carbon fiber

금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유는 PAN 구조의 안정화를 위해 공기 분위기(2 L/min) 하에 260 ℃ 온도에서 5 시간 동안 열처리되었다. 이후 다시, 탄화를 위하여 상기 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유를 질소 기체 분위기 하에서 1200 ℃로 하여 섬유 1 가닥 당 5.0 MPa의 장력을 가해 2 시간동안 열처리를 진행하여, 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유(이하, '실시예 1'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.The metal catalyst-coated precursor fiber was heat-treated at 260°C for 5 hours under an air atmosphere (2 L/min) to stabilize the PAN structure. Then, for carbonization, the precursor fiber coated with the metal catalyst was heat treated for 2 hours under a nitrogen gas atmosphere at 1200°C and a tension of 5.0 MPa per fiber was applied to form carbon coated with the metal catalyst of the present invention. Fiber (hereinafter referred to as 'Example 1') was obtained. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

실시예 2. 열처리 온도가 1400 ℃일 때의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유Example 2. Carbon fiber coated with metal catalyst when heat treatment temperature is 1400°C

탄소섬유 열처리 단계에서 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유를 질소 기체 분위기 하에서 1200 ℃ 대신에 1400 ℃로 열처리를 진행한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유(이하, '실시예 2'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.The metal catalyst of the present invention was prepared in the same manner as in Example 1, except that in the carbon fiber heat treatment step, the metal catalyst-coated precursor fiber was heat-treated at 1400 ° C. instead of 1200 ° C. under a nitrogen gas atmosphere. Coated carbon fiber (hereinafter referred to as 'Example 2') was obtained. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

실시예 3. 열처리 온도가 1600 ℃일 때의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유Example 3. Carbon fiber coated with metal catalyst when heat treatment temperature is 1600°C

탄소섬유 열처리 단계에서 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유를 질소 기체 분위기 하에서 1200 ℃ 대신에 1600 ℃로 열처리를 진행한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유(이하, '실시예 3'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.The metal catalyst of the present invention was prepared in the same manner as in Example 1, except that in the carbon fiber heat treatment step, the metal catalyst-coated precursor fiber was heat-treated at 1600 ° C. instead of 1200 ° C. under a nitrogen gas atmosphere. Coated carbon fiber (hereinafter referred to as 'Example 3') was obtained. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

실시예 4. 열처리 온도가 1700 ℃일 때의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유Example 4. Carbon fiber coated with metal catalyst when heat treatment temperature is 1700°C

탄소섬유 열처리 단계에서 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유를 질소 기체 분위기 하에서 1200 ℃ 대신에 1700 ℃로 열처리를 진행한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유(이하, '실시예 4'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.The metal catalyst of the present invention was prepared in the same manner as in Example 1, except that in the carbon fiber heat treatment step, the metal catalyst-coated precursor fiber was heat-treated at 1700 ° C. instead of 1200 ° C. under a nitrogen gas atmosphere. Coated carbon fiber (hereinafter referred to as 'Example 4') was obtained. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

실시예 5. 열처리 온도가 1800 ℃일 때의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유Example 5. Carbon fiber coated with metal catalyst when heat treatment temperature is 1800°C

탄소섬유 열처리 단계에서 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유를 질소 기체 분위기 하에서 1200 ℃ 대신에 1800 ℃로 열처리를 진행한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유(이하, '실시예 5'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.The metal catalyst of the present invention was prepared in the same manner as in Example 1, except that in the carbon fiber heat treatment step, the metal catalyst-coated precursor fiber was heat-treated at 1800 ° C. instead of 1200 ° C. under a nitrogen gas atmosphere. Coated carbon fiber (hereinafter referred to as 'Example 5') was obtained. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

실시예 6. 열처리 온도가 2000 ℃일 때의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유Example 6. Carbon fiber coated with metal catalyst when heat treatment temperature is 2000°C

탄소섬유 열처리 단계에서 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유를 질소 기체 분위기 하에서 1200 ℃ 대신에 2000 ℃로 열처리를 진행한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유(이하, '실시예 6'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.The metal catalyst of the present invention was prepared in the same manner as in Example 1, except that in the carbon fiber heat treatment step, the metal catalyst-coated precursor fiber was heat-treated at 2000 ° C. instead of 1200 ° C. under a nitrogen gas atmosphere. Coated carbon fiber (hereinafter referred to as 'Example 6') was obtained. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

실시예 7. 열처리 온도가 2200 ℃일 때의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유Example 7. Carbon fiber coated with metal catalyst when heat treatment temperature is 2200°C

탄소섬유 열처리 단계에서 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유를 질소 기체 분위기 하에서 1200 ℃ 대신에 2200 ℃로 열처리를 진행한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유(이하, '실시예 7'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.The metal catalyst of the present invention was manufactured in the same manner as in Example 1, except that in the carbon fiber heat treatment step, the metal catalyst-coated precursor fiber was heat-treated at 2200 ° C. instead of 1200 ° C. under a nitrogen gas atmosphere. Coated carbon fiber (hereinafter referred to as 'Example 7') was obtained. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

실시예 8. 열처리 온도가 2500 ℃일 때의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유Example 8. Carbon fiber coated with metal catalyst when heat treatment temperature is 2500°C

탄소섬유 열처리 단계에서 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유를 질소 기체 분위기 하에서 1200 ℃ 대신에 2500 ℃로 열처리를 진행한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유(이하, '실시예 8'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.The metal catalyst of the present invention was manufactured in the same manner as in Example 1, except that in the carbon fiber heat treatment step, the metal catalyst-coated precursor fiber was heat-treated at 2500 ° C. instead of 1200 ° C. under a nitrogen gas atmosphere. Coated carbon fiber (hereinafter referred to as 'Example 8') was obtained. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

실시예 9. 열처리시 장력이 2.5 MPa, 열처리 온도가 1200 ℃ 일 때의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유Example 9. Carbon fiber coated with metal catalyst when heat treatment tension is 2.5 MPa and heat treatment temperature is 1200°C

탄소섬유 열처리 단계에서 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유를 질소 기체 분위기 하에서 섬유 1 가닥 당 5.0 MPa의 장력 대신에, 2.5 MPa의 장력을 가하여 열처리를 진행한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유(이하, '실시예 9'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.In the carbon fiber heat treatment step, the metal catalyst-coated precursor fiber was heat treated in a nitrogen gas atmosphere by applying a tension of 2.5 MPa per fiber instead of 5.0 MPa, the same as Example 1. By manufacturing using this method, carbon fiber coated with the metal catalyst of the present invention (hereinafter referred to as 'Example 9') was obtained. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

비교예 1. 탄소섬유 전구체 및 금속 촉매를 포함하는 혼합 용액을 방사하여 제조되고, 열처리 온도가 1000 ℃ 일 때의 금속 촉매가 포함된 탄소섬유Comparative Example 1. Carbon fiber manufactured by spinning a mixed solution containing a carbon fiber precursor and a metal catalyst and containing a metal catalyst at a heat treatment temperature of 1000°C.

PAN 25 g, RuCl3 2.566 g, 페난트롤린 6.689 g, DMF용매 137.08 g을 섞어 고체 농도가 약 20 wt%가 되도록 하였다. 이때 PAN 100 중량부에 대해 루테늄은 5 중량부를 사용하였다. 이때, PAN과 루테늄을 섞어 주기 전에 RuCl3와 페난트롤린가 배위결합을 형성할 수 있도록 일부 DMF 용매에 먼저 섞어주고 PAN에 첨가해 주었다. RuCl3와 페난트롤린의 교반 시간은 실온에서 4 시간, PAN과 섞어준 후에는 60℃에서 6 시간 교반시켜 균일하게 분산되도록 하였다. 습식방사법을 이용하여 방사하였고, 이때의 제1 응고욕조의 온도는 10℃, 비율은 DMF : 물 = 3 : 7로 배합하였으며, 제2 응고욕조는 20 ℃의 정제수(DI Water)로 설정하여 섬유로부터 유기용매가 충분히 제거될 수 있도록 하였다. 방사 용액의 선속도는 2 m/min 이었으며 방사된 섬유의 권취속도는 6 m/min로 진행되었다. 진공오븐에 건조된 실은 공기분위기(2 L/min)에서 260 ℃ 온도에서 5 시간 동안 열처리하여 안정화를 진행시켜 구조의 고리화를 진행하였다. 안정화가 완료된 루테늄 섬유는 질소 기체 분위기 하에서 1000 ℃에서 2 시간 동안 5.0 MPa의 장력을 가하여 탄화를 진행하여 금속 촉매가 내외부에 균일하게 분포된 탄소섬유(이하, '비교예 1'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.25 g of PAN, 2.566 g of RuCl 3 , 6.689 g of phenanthroline, and 137.08 g of DMF solvent were mixed so that the solid concentration was about 20 wt%. At this time, 5 parts by weight of ruthenium was used for 100 parts by weight of PAN. At this time, before mixing PAN and ruthenium, they were first mixed in some DMF solvent and added to PAN so that RuCl 3 and phenanthroline could form a coordination bond. RuCl 3 and phenanthroline were stirred for 4 hours at room temperature, and after mixing with PAN, they were stirred at 60°C for 6 hours to ensure uniform dispersion. It was spun using a wet spinning method. At this time, the temperature of the first coagulation bath was 10℃, the ratio was DMF:water = 3:7, and the second coagulation bath was set to purified water (DI Water) at 20℃ to form fibers. The organic solvent was sufficiently removed from the solution. The linear speed of the spinning solution was 2 m/min, and the winding speed of the spun fiber was 6 m/min. The thread dried in a vacuum oven was stabilized by heat treatment at 260°C for 5 hours in an air atmosphere (2 L/min) to proceed with cyclization of the structure. The stabilized ruthenium fiber was carbonized by applying a tension of 5.0 MPa at 1000°C for 2 hours under a nitrogen gas atmosphere to obtain a carbon fiber with the metal catalyst uniformly distributed inside and outside (hereinafter referred to as 'Comparative Example 1'). I was able to. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

비교예 2. 탄소섬유 전구체 및 금속 촉매를 포함하는 혼합 용액을 방사하여 제조되고, 열처리 온도가 1100 ℃ 일 때의 금속 촉매가 포함된 탄소섬유Comparative Example 2. Carbon fiber prepared by spinning a mixed solution containing a carbon fiber precursor and a metal catalyst and containing a metal catalyst when the heat treatment temperature is 1100 ° C.

탄소섬유 열처리 단계에서 루테늄 섬유를 질소 기체 분위기 하에서 1000 ℃ 대신에 1100 ℃로 열처리를 진행한 점을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 제조하여 금속 촉매가 내외부에 균일하게 분포된 탄소섬유(이하, '비교예 2'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.Carbon fibers were produced in the same manner as Comparative Example 1, except that in the carbon fiber heat treatment step, the ruthenium fibers were heat-treated at 1100°C instead of 1000°C under a nitrogen gas atmosphere, and the metal catalyst was uniformly distributed inside and outside. (hereinafter referred to as 'Comparative Example 2') was obtained. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

비교예 3. 탄소섬유 전구체 및 금속 촉매를 포함하는 혼합 용액을 방사하여 제조되고, 열처리 온도가 1200 ℃ 일 때의 금속 촉매가 포함된 탄소섬유Comparative Example 3. Carbon fiber manufactured by spinning a mixed solution containing a carbon fiber precursor and a metal catalyst and containing a metal catalyst when the heat treatment temperature is 1200 ° C.

탄소섬유 열처리 단계에서 루테늄 섬유를 질소 기체 분위기 하에서 1000 ℃ 대신에 1200 ℃로 열처리를 진행한 점을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 제조하여 금속 촉매가 내외부에 균일하게 분포된 탄소섬유(이하, '비교예 3'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.Carbon fibers were produced in the same manner as Comparative Example 1, except that in the carbon fiber heat treatment step, the ruthenium fibers were heat treated at 1200°C instead of 1000°C under a nitrogen gas atmosphere, and the metal catalyst was uniformly distributed inside and outside. (hereinafter referred to as 'Comparative Example 3') was obtained. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

비교예 4. 탄소섬유 전구체 및 금속 촉매를 포함하는 혼합 용액을 방사하여 제조되고, 열처리 온도가 1300 ℃ 일 때의 금속 촉매가 포함된 탄소섬유Comparative Example 4. Carbon fiber prepared by spinning a mixed solution containing a carbon fiber precursor and a metal catalyst and containing a metal catalyst when the heat treatment temperature is 1300 ° C.

탄소섬유 열처리 단계에서 루테늄 섬유를 질소 기체 분위기 하에서 1000 ℃ 대신에 1300 ℃로 열처리를 진행한 점을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 제조하여 금속 촉매가 내외부에 균일하게 분포된 탄소섬유(이하, '비교예 4'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.Except that in the carbon fiber heat treatment step, the ruthenium fiber was heat treated at 1300°C instead of 1000°C under a nitrogen gas atmosphere, carbon fiber was manufactured in the same manner as Comparative Example 1, and the metal catalyst was uniformly distributed inside and outside. (hereinafter referred to as 'Comparative Example 4') was obtained. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

비교예 5. 열처리시 섬유 1 가닥 당 장력이 10.0 MPa 일 때의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유Comparative Example 5. Carbon fiber coated with metal catalyst when the tension per fiber strand is 10.0 MPa during heat treatment

탄소섬유 열처리 단계에서 금속 촉매가 코팅된 전구체 섬유를 질소 기체 분위기 하에서 섬유 1 가닥 당 5.0 MPa의 장력 대신에, 10.0 MPa의 장력을 가하여 열처리를 진행한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하여 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유(이하, '비교예 5'이라 한다)를 얻을 수 있었다. 탄화가 진행된 탄소섬유는 특별한 처리 없이 전극으로 제조하였다.In the carbon fiber heat treatment step, the metal catalyst-coated precursor fiber was heat treated in a nitrogen gas atmosphere by applying a tension of 10.0 MPa per fiber instead of 5.0 MPa, the same as Example 1. By manufacturing this method, carbon fiber coated with a metal catalyst (hereinafter referred to as 'Comparative Example 5') was obtained. The carbonized carbon fiber was manufactured into an electrode without any special treatment.

평가 1. 열처리 온도에 따른 탄소섬유의 구조 분석Evaluation 1. Structural analysis of carbon fiber according to heat treatment temperature

상기 제조된 전극에서 탄소섬유의 구조를 평가하기 위해 아래와 같은 장비를 활용하였다. 이하는 상술한 실시예와 비교예의 탄소섬유의 구조 분석을 통하여 그 특성을 비교 및 평가한 것이다.The following equipment was used to evaluate the structure of carbon fiber in the manufactured electrode. The following compares and evaluates the properties of the carbon fibers of the above-described examples and comparative examples through structural analysis.

열중량 분석기(thermogravimetric analysis, TGA)로 섬유의 열적 안정성 및 포함된 금속 함유량을 확인하였다. 분석장비는 미국의 TA Instrument사의 Q200 모델을 사용하였으며, 10 ℃/min의 속도로 분석을 진행하였다. X-선 광전자 분광기(Thermo Fisher K alpha, UK)를 사용하여 X-선 광전자 분광(Xrayphotoelectron spectroscopy; XPS)을 분석, X-선 회절(X-ray diffraction; XRD) 연구는 고전력 X-선 회절기(High power X-Ray Diffractometer D/MAZX 2500V/PC, Cu-Kα 방사, 35kV, 20mA, λ=1.5418 Å, Rigaku, Japan)를 사용하여 수행되었다. 고해상도 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy; TEM)은 JEM-2100F(JEOL, 일본)을 사용하여 200 KeV의 전압 운전 하에서 수행하였고, 샘플은 정량화된 다공성 탄소 TEM grid에 분산액을 드랍 캐스팅(drop casting)하고 건조함으로써 준비되었다.Thermal stability and metal content of the fiber were confirmed using thermogravimetric analysis (TGA). The analysis equipment used was the Q200 model from TA Instrument, USA, and analysis was performed at a speed of 10°C/min. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was analyzed using an X-ray photoelectron spectrometer (Thermo Fisher K alpha, UK), and It was performed using a high power High-resolution transmission electron microscopy (TEM) was performed using a JEM-2100F (JEOL, Japan) under voltage operation of 200 KeV, and samples were quantified by drop casting the dispersion onto a porous carbon TEM grid. Prepared by drying.

도 4는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 탄소섬유의 단면의 구조를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 4a는 실시예 1 내지 9의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 단면의 구조를 나타낸 것이고, 도 4b는 비교예 1 내지 4의 금속 촉매가 포함된 탄소섬유의 단면의 구조를 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 경우 원형의 고분자 탄소섬유를 중심으로 하여 탄소섬유의 외부 표면 상에 균일한 두께로 금속 촉매가 코팅된 것을 확인할 수 있는 반면에, 비교예에 해당하는 금속 촉매가 포함된 탄소섬유의 경우 탄소 고분자와 금속 촉매가 혼합된 방사용액을 방사하여 섬유 형태로 제조함에 따라 원형의 고분자 탄소섬유의 내외부에 균일하게 금속 촉매가 포함된 것을 확인할 수 있다. 이러한 비교예에 해당하는 금속 촉매가 포함된 탄소섬유의 경우 섬유 내부에 균일하게 분포하는 금속 파티클들은 촉매 반응에 활용될 수 없어 상대적으로 많은 촉매들이 낭비되는 구조를 갖게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 별도로 섬유 표면을 산소 플라즈마 처리를 통해 에칭(etching)하는 추가적인 공정이 요구된다. 또한, 비교예에 해당하는 금속 촉매가 포함된 탄소섬유의 경우 섬유 내부에 분포된 금속 파티클들이 섬유 구조의 결함으로 작용하여 전극으로 사용하는 도중 섬유가 끊어지는 문제도 발생할 수 있다.Figure 4 shows the cross-sectional structure of carbon fiber according to an embodiment and a comparative example of the present invention. More specifically, Figure 4a shows the cross-sectional structure of carbon fiber coated with the metal catalyst of Examples 1 to 9, and Figure 4b shows the cross-sectional structure of carbon fiber containing the metal catalyst of Comparative Examples 1 to 4. will be. Referring to Figure 4, in the case of carbon fiber coated with a metal catalyst according to the present invention, it can be seen that the metal catalyst is coated with a uniform thickness on the outer surface of the carbon fiber centered on the circular polymer carbon fiber. In the case of carbon fiber containing a metal catalyst corresponding to the comparative example, the metal catalyst was uniformly contained inside and outside of the circular polymer carbon fiber as it was manufactured into a fiber form by spinning a spinning solution containing a mixture of carbon polymer and metal catalyst. You can check it. In the case of carbon fiber containing a metal catalyst corresponding to this comparative example, the metal particles uniformly distributed inside the fiber cannot be used for catalytic reactions, resulting in a structure in which a relatively large amount of catalyst is wasted. To solve this problem, an additional process of etching the fiber surface through oxygen plasma treatment is required. Additionally, in the case of carbon fiber containing a metal catalyst corresponding to the comparative example, metal particles distributed inside the fiber may act as defects in the fiber structure, causing the fiber to break during use as an electrode.

도 5는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 탄소섬유의 TEM 이미지를 촬영하여 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 5a는 특정 온도에서 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 TEM 이미지를 촬영하여 도시한 것이고, 도 5b는 특정 온도에서 본 발명의 일 비교예에 따른 금속 촉매가 포함된 탄소섬유의 TEM 이미지를 촬영하여 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 경우 실제로 고분자 탄소섬유를 중심으로 하여 탄소섬유의 외부 표면 상에 균일한 두께로 금속 촉매인 루테늄이 코팅된 것을 확인할 수 있는 반면에, 본 발명의 일 비교예에 따른 금속 촉매가 포함된 탄소섬유의 경우 고분자 탄소섬유의 내외부에 균일하게 금속 촉매가 포함된 것을 확인할 수 있다.Figure 5 shows a TEM image taken of carbon fiber according to an embodiment and a comparative example of the present invention. More specifically, Figure 5a shows a TEM image of a carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention at a specific temperature, and Figure 5b shows a TEM image of a metal catalyst according to a comparative example of the present invention at a specific temperature. This is a TEM image taken of carbon fiber containing a catalyst. Referring to Figure 5, in the case of carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention, ruthenium, a metal catalyst, is actually coated with a uniform thickness on the outer surface of the carbon fiber centered on the polymer carbon fiber. On the other hand, in the case of carbon fiber containing a metal catalyst according to a comparative example of the present invention, it can be confirmed that the metal catalyst is uniformly contained inside and outside the polymer carbon fiber.

도 6은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 탄소섬유의 SEM 이미지를 촬영하여 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 6a는 1400 ℃에서 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 SEM 이미지를 촬영하여 도시한 것이고, 도 6b는 1400 ℃에서 본 발명의 일 비교예에 따른 금속 촉매가 포함된 탄소섬유의 SEM 이미지를 촬영하여 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 비교에에 따른 금속 촉매가 포함된 탄소섬유의 경우 1400 ℃에서 금속 촉매인 루테늄 파티클의 응집이 일어나 탄소섬유의 내부 구조를 망가뜨려 탄소섬유가 끊어지는 문제가 발생하는 반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 경우 금속 촉매인 루테늄 파티클이 탄소섬유 외부 표면 상에 분포되어 있기 때문에, 1400 ℃에서도 탄소섬유 내부에서 루테늄 파티클의 응집 및 탄소섬유의 균열이 없이 안정적으로 섬유 구조를 유지하는 것을 확인할 수 있다. Figure 6 shows an SEM image of carbon fiber according to an embodiment and a comparative example of the present invention. More specifically, Figure 6a shows an SEM image of a carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention at 1400°C, and Figure 6b shows a metal catalyst according to a comparative example of the present invention at 1400°C. This is an SEM image of a carbon fiber containing a catalyst. Referring to FIG. 6, in the case of carbon fiber containing a metal catalyst according to a comparison of the present invention, agglomeration of ruthenium particles, which is a metal catalyst, occurs at 1400°C, damaging the internal structure of the carbon fiber, resulting in the carbon fiber breaking. On the other hand, in the case of carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention, ruthenium particles, which are a metal catalyst, are distributed on the outer surface of the carbon fiber, so even at 1400 ° C, ruthenium particles coagulate and coagulate inside the carbon fiber. It can be confirmed that the fiber structure is stably maintained without cracks in the carbon fiber.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 열처리 온도별 X선 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD) 결과를 측정하여 그래프로 도시한 것이다. 도 7을 참조하면, 열처리 온도가 증가함에 따라 26도 부근에서 그라피틱(graphitic) 구조가 날카롭게 치솟으며 발달하는 것을 관찰할 수 있으며, 열처리 온도가 1400 내지 1800 ℃의 범위일 때 루테늄 결정이 발달하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 열처리 온도가 2000 ℃일 때 루테늄 결정이 다시 무너지기 사작하는데 이는 루테늄의 녹는점이 약 2300 ℃ 임에 따라 녹는점에 가까워져 결정성이 무너지는 것으로 예상될 수 있다.Figure 7 is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) analysis at each heat treatment temperature of carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 7, it can be observed that as the heat treatment temperature increases, the graphitic structure develops sharply around 26 degrees, and ruthenium crystals develop when the heat treatment temperature is in the range of 1400 to 1800 degrees Celsius. You can check that. In addition, when the heat treatment temperature is 2000 ℃, the ruthenium crystals begin to collapse again. This is because the melting point of ruthenium is about 2300 ℃, so it can be expected that the crystallinity will collapse as it approaches the melting point.

평가 2. 열처리 온도에 따른 전기화학적 반응 측정 및 분석Evaluation 2. Electrochemical reaction measurement and analysis according to heat treatment temperature

전기화학적 반응 측정은 포텐셜스텟(potentiostat, 1470E, Solartron, UK)가 연결된 컴퓨터로 표준 삼전극 셀에서 수행되었다. 상대전극(counter electrode)으로는 탄소봉이 사용하였고, 조합전극(reference electrode)로는 포화 KCl용액에 담긴 Ag/AgCl 전극을 이용하였다. 촉매 전극 부분은 두 가지 방법을 이용하였고, 한 가지는 섬유 그대로 구리 테이프에 접촉시켜 측정하는 방법, 가루 상태로 분산액을 만들어 유리상 탄소전극(glassy carbon, GC)에 필름형태로 금속 촉매 기준 4 μg씩 올려 측정하는 방법을 활용하였다. 분산액의 농도는 5 g/L이며 용매는 에탄올 1 mL 당 Nafion(5 %) 20 μL가 포함된 혼합액을 사용하였다. 만약 본 발명의 일 비교예에 따른 탄소섬유가 가루로 잘 만들어지지 않거나 분산이 잘 되지 않을 경우, O2 플라즈마 처리(200 W, 5 min)를 하여 분산성을 높여 측정한다. 신뢰도 있는 평가를 위해 수소발생 반응의 경우, 전해질에 질소를 30분간 주입 후 평가를 진행하였고, 다양한 범위(pH 0.3 내지 14)의 성능 평가를 위해 0.5 M H2SO4와 1.0 M의 KOH 전해질을 사용하였다. 또한 성능의 비교척도를 위해 백금이 20% 탄소에 담지된 상용 촉매(Pt/C, Sigma Aldrich사)를 활용하여 데이터 신뢰도를 높였다.Electrochemical reaction measurements were performed in a standard three-electrode cell with a computer connected to a potentialstat (1470E, Solartron, UK). A carbon rod was used as a counter electrode, and an Ag/AgCl electrode immersed in a saturated KCl solution was used as a reference electrode. Two methods were used for the catalyst electrode part. One method was to measure the fiber as it was by contacting it with a copper tape, and the other was to make a dispersion in powder form and place 4 μg of metal catalyst at a time in the form of a film on a glassy carbon (GC) electrode. A measurement method was used. The concentration of the dispersion was 5 g/L, and the solvent used was a mixture containing 20 μL of Nafion (5%) per 1 mL of ethanol. If the carbon fiber according to the comparative example of the present invention is not well powdered or dispersed well, the dispersibility is measured by increasing the dispersibility by O2 plasma treatment (200 W, 5 min). For reliable evaluation, the hydrogen generation reaction was evaluated after nitrogen was injected into the electrolyte for 30 minutes, and 0.5 M H2SO4 and 1.0 M KOH electrolytes were used to evaluate performance in various ranges (pH 0.3 to 14). In addition, for comparative performance, data reliability was improved by using a commercial catalyst (Pt/C, Sigma Aldrich) with 20% platinum supported on carbon.

하기 표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 열처리 온도에 따른 금속 촉매 변화량 및 전기전도도 변화를 측정하여 나타낸 것이다. 여기서 열처리 온도 구간별 남아있는 금속 촉매인 루테늄(Ru)의 양은 열중량분석법(TGA)을 통해 조사하였다.Table 1 below shows the measured change in metal catalyst and electrical conductivity according to the heat treatment temperature of carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention. Here, the amount of ruthenium (Ru), a metal catalyst, remaining in each heat treatment temperature section was investigated through thermogravimetric analysis (TGA).

구분division -- 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 실시예 6Example 6 실시예 7Example 7 실시예 8Example 8 열처리 온도(℃)Heat treatment temperature (℃) 260260 12001200 14001400 16001600 17001700 18001800 20002000 22002200 25002500 Ru양(wt. %)Ru amount (wt.%) 1.641.64 3.753.75 4.964.96 5.215.21 5.005.00 4.124.12 3.073.07 2.882.88 2.722.72 전기전도도(S/cm)Electrical conductivity (S/cm) -- 132.81132.81 147.86147.86 170.99170.99 186.62186.62 192.33192.33 231.22231.22 239.77239.77 257.07257.07

상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 경우 열처리 온도가 증가할수록 루테늄(Ru)의 양은 점진적으로 증가하는 양상을 보이다가 1700 ℃ 부근에서 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 열처리를 하는 동안 탄소섬유 외부 표면 상에서 루테늄 파티클들이 점차 성장하고 줄어드는 섬유의 지름에 의하여 탈리가 일어났기 때문이다. 따라서, 위의 실험 결과로부터 1700 ℃일 때 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 금속 촉매인 루테늄이 최대로 많이 노출되었다고 유추할 수 있다. 한편, 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 전기전도도는 열처리 온도가 증가할수록 계속적으로 증가하는 양상을 보이는데, 이는 섬유 내부의 탄소의 결정 구조가 발달하여 전자 전달이 용이해지기 때문이다. 일반적으로 탄소섬유를 전극으로 활용하는 경우 전기전도도가 150 내지 200 S/cm인 경우가 바람직한 것으로 알려져 있다.Referring to Table 1, it can be seen that in the case of carbon fiber coated with the metal catalyst of the present invention, the amount of ruthenium (Ru) gradually increases as the heat treatment temperature increases, and then gradually decreases around 1700°C. This is because ruthenium particles gradually grew on the outer surface of the carbon fiber during heat treatment and detachment occurred as the diameter of the fiber decreased. Therefore, from the above experimental results, it can be inferred that the maximum amount of ruthenium, the metal catalyst of the carbon fiber coated with the metal catalyst of the present invention, was exposed at 1700°C. Meanwhile, the electrical conductivity of the carbon fiber coated with the metal catalyst of the present invention continues to increase as the heat treatment temperature increases. This is because the crystal structure of carbon inside the fiber develops, making electron transfer easier. It is generally known that when using carbon fiber as an electrode, it is desirable for the electrical conductivity to be 150 to 200 S/cm.

도 8은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 탄소섬유의 수소발생 반응(Hydrogen evolution reaction, HER) 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 20 mA cm-2에서 수소 발생을 측정한 결과를 그래프로 나타낸 것이고, 도 8b는 본 발명의 일 비교예에 따른 금속 촉매가 포함된 탄소섬유의 20 mA cm-2에서 수소 발생을 측정한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 비교에에 따른 금속 촉매가 포함된 탄소섬유의 경우 열처리 온도별로 55 내지 70 mV의 과전압을 나타내는 반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 경우 열처리 온도별로 70 내지 90 mV의 과전압을 나타내는 것을 확인할 수 있다(열처리 온도가 1700 ℃일 때 가장 낮은 89 mV 과전압을 나타냄). 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 경우 수소 발생이 안정적으로 진행되고, 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있다.Figure 8 graphically shows the hydrogen evolution reaction (HER) measurement results of carbon fiber according to an embodiment and a comparative example of the present invention. More specifically, Figure 8a graphically shows the results of measuring hydrogen evolution at 20 mA cm -2 of carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention, and Figure 8b is a comparative example of the present invention. This is a graph showing the results of measuring hydrogen generation at 20 mA cm -2 of carbon fiber containing a metal catalyst according to . Referring to FIG. 8, in the case of carbon fiber containing a metal catalyst according to one embodiment of the present invention, an overvoltage of 55 to 70 mV is shown at each heat treatment temperature, whereas the carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention shows an overvoltage of 55 to 70 mV at each heat treatment temperature. In the case of carbon fiber, it can be seen that the overvoltage ranges from 70 to 90 mV depending on the heat treatment temperature (the lowest overvoltage is 89 mV when the heat treatment temperature is 1700°C). That is, it can be seen that in the case of carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention, hydrogen generation progresses stably and shows excellent performance.

도 9는 동일한 열처리 온도에서 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 탄소섬유의 mass activity 변환 결과를 그래프로 도시한 것이다. 여기서, mass activity란 촉매 질량을 기준으로 계산된 전류 곡선으로 촉매 사용량당 전기화학 성능을 비교할 수 있는 지표이다. 도 9를 참조하면, 열처리 온도가 1200 ℃일 때 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유는 본 발명의 일 비교예에 따른 금속 촉매가 포함된 탄소섬유에 비하여 섬유 외부 표면 상에 루테늄 파티클들이 집중적으로 분포됨에 따라 불필요한 금속 촉매의 사용을 줄일 수 있고, 상대적으로 적은 양으로 우수한 전기화학적 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Figure 9 graphically shows the mass activity conversion results of carbon fibers according to an example and a comparative example of the present invention at the same heat treatment temperature. Here, mass activity is a current curve calculated based on catalyst mass and is an indicator that can compare electrochemical performance per catalyst usage. Referring to FIG. 9, when the heat treatment temperature is 1200°C, the carbon fiber coated with the metal catalyst according to an embodiment of the present invention has a higher temperature on the outer surface of the fiber than the carbon fiber containing the metal catalyst according to a comparative example of the present invention. As the ruthenium particles are intensively distributed, the use of unnecessary metal catalysts can be reduced, and it can be confirmed that excellent electrochemical performance is achieved with a relatively small amount.

평가 3. 열처리 단계에서 장력에 따른 탄소섬유의 성능 측정 및 분석Evaluation 3. Measurement and analysis of carbon fiber performance according to tension in the heat treatment stage

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조시 장력에 따른 X선 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD) 결과를 측정하여 그래프로 도시한 것이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 탄소섬유 제조방법에서 열처리 단계시 가해주는 장력의 크기가 커질수록 루테늄 금속과 섬유 구조의 발달 속도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 탄소섬유의 제조방법에서 열처리시 가해주는 장력이 섬유 1가닥 당 2.5 MPa(실시예 9)일 때 루테늄 결정이 발달하기 시작하여, 열처리시 가해주는 장력이 섬유 1가닥 당 5.0 MPa(실시예 1)일 때 루테늄 결정이 급격히 발달하는 것을 확인할 수 있다.Figure 10 is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) analysis according to tension during the production of carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 10, it can be seen that as the magnitude of tension applied during the heat treatment step in the carbon fiber manufacturing method of the present invention increases, the development rate of the ruthenium metal and fiber structure increases. In addition, in the method for producing carbon fiber of the present invention, ruthenium crystals begin to develop when the tension applied during heat treatment is 2.5 MPa per fiber strand (Example 9), and the tension applied during heat treatment is 5.0 MPa per fiber strand. It can be seen that ruthenium crystals develop rapidly in (Example 1).

한편, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조시 장력에 따른 탄소섬유의 지름 변화, 열중량분석법(TGA)으로 도출된 남아있는 금속 촉매의 양 및 수소 발생 테스트 결과를 그래프로 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 11a는 실시예 1, 9 및 비교예 5의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조시 장력에 따른 탄소섬유의 지름 변화, 열중량분석법(TGA)으로 도출된 남이있는 금속 촉매의 양을 그래프로 도시한 것이고, 도 11b는 실시예 1, 9 및 비교예 5의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조시 장력에 따른 수소 발생 결과를 그래프로 도시한 것이다.Meanwhile, Figure 11 shows the change in diameter of the carbon fiber according to tension, the amount of remaining metal catalyst, and hydrogen generation derived from thermogravimetric analysis (TGA) when manufacturing carbon fiber coated with a metal catalyst according to an embodiment of the present invention. The test results are shown graphically. More specifically, Figure 11a shows the diameter change of the carbon fiber according to tension during the production of carbon fiber coated with the metal catalyst of Examples 1, 9, and Comparative Example 5, and the residual metal catalyst derived from thermogravimetric analysis (TGA). The amount is shown graphically, and Figure 11b graphically shows the results of hydrogen generation according to tension during the production of carbon fibers coated with metal catalysts of Examples 1, 9, and Comparative Example 5.

도 11a을 참조하면, 본 발명의 탄소섬유 제조방법에서 열처리 단계시 가해주는 장력이 2.5 MPa(실시예 9)일 때 본 발명의 탄소섬유의 직경은 약 10.0 ㎛ 이고, 남아있는 루테늄의 양은 ~7 % 정도이며, 열처리 단계시 가해주는 장력이 5.0 MPa(실시예 1)일 때 본 발명의 탄소섬유의 직경은 약 9.9 ㎛ 이고, 남아있는 루테늄의 양은 ~4 % 인 반면에, 열처리 단계시 가해주는 장력이 10.0 MPa(비교예 5)인 경우 탄소섬유의 직경은 약 8.7 ㎛ 이고, 남아있는 루테늄의 양은 ~2 % 로써 지름 감소로 인한 표면에 분포한 루테늄의 소실이 커지는 것을 확인할 수 있다. Referring to Figure 11a, when the tension applied during the heat treatment step in the carbon fiber production method of the present invention is 2.5 MPa (Example 9), the diameter of the carbon fiber of the present invention is about 10.0 ㎛, and the amount of remaining ruthenium is ~7. %, and when the tension applied during the heat treatment step is 5.0 MPa (Example 1), the diameter of the carbon fiber of the present invention is about 9.9 ㎛, and the amount of ruthenium remaining is ~4%, while the tension applied during the heat treatment step is ∼4%. When the tension is 10.0 MPa (Comparative Example 5), the diameter of the carbon fiber is about 8.7 ㎛, and the amount of ruthenium remaining is ~2%. It can be seen that the loss of ruthenium distributed on the surface increases due to the decrease in diameter.

또한, 도 11b를 참조하면, 본 발명의 탄소섬유 제조방법에서 열처리 단계시 가해주는 장력이 5.0 MPa(실시예 1)일 때 금속 촉매의 활성이 가장 높은데, 이는 상기 장력 조건에서 루테늄 결정이 강하게 형성되고 표면으로 노출되는 양이 많기 때문인 것으로 볼 수 있다. 반면에, 열처리 단계시 가해주는 장력이 2.5 MPa(실시예 9)일 때는 상대적으로 루테늄 결정이 약하게 형성되기 때문에 금속 촉매의 활성이 상대적으로 낮으며, 열처리 단계시 가해주는 장력이 10.0 MPa(비교예 5)일 때는 많은 양의 루테늄이 소실되어 금속 촉매의 활성이 낮아지는 것으로 볼 수 있다.In addition, referring to Figure 11b, the activity of the metal catalyst is highest when the tension applied during the heat treatment step in the carbon fiber manufacturing method of the present invention is 5.0 MPa (Example 1), which means that ruthenium crystals are strongly formed under the tension condition. This can be seen as being due to the large amount exposed to the surface. On the other hand, when the tension applied during the heat treatment step is 2.5 MPa (Example 9), the activity of the metal catalyst is relatively low because ruthenium crystals are formed relatively weakly, and the tension applied during the heat treatment step is 10.0 MPa (Comparative Example In case 5), a large amount of ruthenium is lost, which can be seen as lowering the activity of the metal catalyst.

도 10 및 11의 결과를 종합해 볼 때, 탄소섬유 제조방법에서 열처리 단계시 가해주는 장력의 크기가 커질수록 섬유 구조의 발달 속도가 증가하는 것과 동시에, 금속 촉매의 소실 양도 증가하기 때문에 최적의 촉매 활성 조건을 선정하기 위하여 열처리 온도 뿐만 아니라, 가해주는 장력의 크기도 고려해야 하는 것을 알 수 있다. Considering the results of Figures 10 and 11, as the amount of tension applied during the heat treatment step in the carbon fiber manufacturing method increases, the speed of development of the fiber structure increases and the amount of loss of the metal catalyst also increases, making it the optimal catalyst. It can be seen that in order to select activation conditions, not only the heat treatment temperature but also the magnitude of the applied tension must be considered.

또한, 상기의 실험 결과로부터 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법에서, 상기 열처리하는 단계는 섬유 1 가닥 당 0.1 내지 10.0 MPa의 장력(Tension)을 가해 열처리하여 상기 전구체 섬유를 탄화 시키는 것이 바람직하고, 섬유 1 가닥 당 2.5 내지 7.5 MPa의 장력을 가해 열처리하여 상기 전구체 섬유를 탄화 시키는 것이 보다 바람직한 것을 알 수 있다. In addition, from the above experimental results, in the method for producing carbon fiber coated with a metal catalyst of the present invention, the heat treatment step is to carbonize the precursor fiber by heat treatment by applying tension of 0.1 to 10.0 MPa per fiber strand. It can be seen that it is preferable to carbonize the precursor fiber by heat treatment by applying a tension of 2.5 to 7.5 MPa per fiber strand.

상술한 바에 따른 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법은 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 고분자 탄소섬유의 표면 상에 코팅하여 제조함에 따라, 형태학적으로 균일하고 우수한 기계적 물성 및 전기화학적 특성을 나타내는 탄소섬유를 제조할 수 있는 효과가 있다.The method for producing carbon fiber coated with a metal catalyst of the present invention according to the above-described method is to coat the surface of a polymer carbon fiber with a metal catalyst in the form of a metal ion or a ligand bound to a metal ion, thereby producing a morphological change. It has the effect of producing carbon fibers that exhibit uniform and excellent mechanical and electrochemical properties.

또한, 본 발명의 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법에 따라 제조된 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유는 적은 에너지로 대면적화가 가능할 뿐만 아니라, 금속 촉매와 탄소섬유가 일원화되어 안정적으로 금속 촉매를 담지함으로써 장기간동안 물 안에서도 안정적인 전기화학적 특성을 나타내므로 수전해 전극으로 활용될 수 있는 효과가 있다.In addition, the metal catalyst-coated carbon fiber manufactured according to the manufacturing method of the metal catalyst-coated carbon fiber of the present invention not only allows for a large area with low energy, but also stably produces the metal catalyst by unifying the metal catalyst and the carbon fiber. By supporting it, it exhibits stable electrochemical properties even in water for a long period of time, so it can be used as a water electrolysis electrode.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.The above description is merely an illustrative explanation of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations will be possible to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but are for illustrative purposes, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be construed as being included in the scope of rights of the present invention.

Claims (15)

건습식 방사(Dry-jet wet spinning) 또는 습식 방사(Wet spinning)에 의하여 탄소섬유 전구체 및 유기용매를 포함하는 전구체 섬유를 제조하는 단계;
상기 전구체 섬유를 금속 이온 형태 또는 금속 이온에 리간드가 결합된 형태의 금속 촉매를 포함하는 코팅 용액에 함침시키는 단계;
상기 코팅 용액에 함침된 상기 전구체 섬유를 가열 연신하여 상기 금속 촉매를 코팅하는 단계; 및
상기 금속 촉매가 코팅된 상기 전구체 섬유를 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 열처리하는 단계는 섬유 1 가닥 당 2.5 내지 7.5 MPa의 장력을 가하고, 1200 내지 1800 ℃의 범위 이내에서 열처리하여 상기 전구체 섬유를 탄화시키는 것을 특징으로 하는, 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법.
Manufacturing a precursor fiber containing a carbon fiber precursor and an organic solvent by dry-jet wet spinning or wet spinning;
Impregnating the precursor fiber with a coating solution containing a metal catalyst in the form of a metal ion or a ligand bound to a metal ion;
coating the metal catalyst by heating and stretching the precursor fiber impregnated in the coating solution; and
Comprising the step of heat treating the precursor fiber coated with the metal catalyst under an inert gas atmosphere,
The heat treatment step is characterized in that applying a tension of 2.5 to 7.5 MPa per fiber strand and carbonizing the precursor fiber by heat treatment within the range of 1200 to 1800 ° C. A method of producing carbon fiber coated with a metal catalyst.
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유 전구체는 몰질량이 100,000 내지 750,000 g/mole인 것을 특징으로 하는, 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method for producing carbon fiber coated with a metal catalyst, characterized in that the carbon fiber precursor has a molar mass of 100,000 to 750,000 g/mole.
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유 전구체는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 석유계/석탄계 탄화수소 잔류물 피치(Pitch), 셀룰로오스(Cellulose), 폴리아믹 산(Polyamic acid), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI) 및 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 단독 또는 2종 이상을 복합화한 것을 특징으로 하는, 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법.
According to paragraph 1,
The carbon fiber precursor is polyacrylonitrile (PAN), petroleum/coal hydrocarbon residue pitch, cellulose, polyamic acid, polyimide (PI), and polyimide. A method for producing carbon fiber coated with a metal catalyst, characterized in that one type selected from the group consisting of polybenzimidazole (PBI) and polyvinyl alcohol (PVA) alone or in combination of two or more types.
제1항에 있어서,
상기 유기용매는 DMF(Dimethylformamide), DMAc(Dimethylacetamide), DMSO(Dimethylsulfoxide), NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone) 및 메탄올(methanol)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법.
According to paragraph 1,
The organic solvent is a metal catalyst, characterized in that at least one selected from the group consisting of DMF (Dimethylformamide), DMAc (Dimethylacetamide), DMSO (Dimethylsulfoxide), NMP (N-Methyl-2-Pyrrolidone), and methanol. Method for manufacturing provisionally coated carbon fiber.
제1항에 있어서,
상기 금속 촉매는 메탈 클로라이드(XaClb), 메탈 아세틸 아세토네이트(Xa(acac)b) 및 페리시안 화합물(XaCNb)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법.
According to paragraph 1,
The metal catalyst is characterized in that it is at least one selected from the group consisting of metal chloride (X a Cl b ), metal acetyl acetonate (X a (acac) b ), and ferricyanide compound (X a CN b ). Method for manufacturing catalyst-coated carbon fiber.
제5항에 있어서,
상기 X는 알루미늄, 크로뮴, 철, 아연, 로듐, 금, 은, 인듐, 주석, 텅스텐, 오스뮴, 안티모니, 이리듐, 레늄, 구리, 코발트, 니켈, 루테늄 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법.
According to clause 5,
Wherein A method for producing carbon fiber coated with a metal catalyst, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 금속 촉매는 페난트롤린(phenanthroline), 올레이트(oleate), 디에틸트리아민(diethyl triamine) 및 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상과 배위결합되는 것을 특징으로 하는, 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법.
According to paragraph 1,
The metal catalyst is characterized in that it is coordinated with at least one selected from the group consisting of phenanthroline, oleate, diethyl triamine, and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). , Method for manufacturing carbon fiber coated with metal catalyst.
제1항에 있어서,
상기 금속 촉매는 상기 탄소섬유 전구체 100 중량부에 대해 0.1 내지 20 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는, 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method of producing a carbon fiber coated with a metal catalyst, characterized in that the metal catalyst is included in an amount of 0.1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon fiber precursor.
제1항에 있어서,
상기 금속 촉매를 코팅하는 단계는 50 내지 300 ℃의 범위 이내에서 가열 연신되는 것을 특징으로 하는, 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method of manufacturing carbon fiber coated with a metal catalyst, characterized in that the step of coating the metal catalyst is heated and stretched within the range of 50 to 300 ° C.
제1항에 있어서,
상기 불활성 기체는 헬륨, 질소, 아르곤, 네온 및 크립톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 기체인 것을 특징으로 하는, 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method for producing carbon fiber coated with a metal catalyst, wherein the inert gas is one or more gases selected from the group consisting of helium, nitrogen, argon, neon, and krypton.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조되는, 금속 촉매가 코팅된 탄소섬유.Carbon fiber coated with a metal catalyst, manufactured according to the manufacturing method of any one of claims 1 to 10. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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