KR20020037772A - Amorphous metal/metallic glass electrodes for electrochemical processes - Google Patents

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Abstract

급속냉각에 의해 생산된 금속유리/비정질금속 전극으로, ⅰ) 비정질 또는 나노결정의 구조를 가지고, ⅱ) Ni 와 같은 주요 합금원소를 함유하며, ⅲ) Co 와 ⅣB, ⅤB, ⅥB, ⅦB 및/또는 ⅧB 의 그룹의 적어도 한 요소, 바람직하게는 Cr과 V 합금첨가물을 포함하고, Ni와 화합되었을 때, 합금의 원자분율이 0.75 내지 0.85 를 나타내고, ⅳ) 바람직하게는, C, B, Si, P 와 같은 원소를 하나 또는 조합하여, 합금 원자분율의 0.15 에서 0.25 를 나타내도록, 이루어진 반금속원소를 함유한다. 이 전극은 뛰어난 열 안정성, 수용 전해질에서 향상된 안정성을 가지고, 향상된 전류효율 - 양극 또는 음극의 과전위 특성을 제공한다. 이것들은 산소와 수소의 제조에 있어서, 가성 혼합물 및 물과 같은 수용성 전해질 용액의 전기분해에 유용하다.(Iii) contains a major alloy element such as Ni, (iv) a metal alloy of Co and IVB, VB, VIB, VIIB and / or VIII, Preferably at least one element of the group consisting of C, B, Si and / or VIII B, preferably Cr and V alloy additives, when combined with Ni, the atomic fraction of the alloy being from 0.75 to 0.85; iv) P, or one or a combination of the elements, such that the atomic fraction of the alloy is 0.15 to 0.25. This electrode has excellent thermal stability, improved stability in the accepting electrolyte, and improved current efficiency - providing overvoltage characteristics of the anode or cathode. They are useful for the electrolysis of aqueous solutions such as caustic mixtures and water in the production of oxygen and hydrogen.

Description

전기화학 공정용 비정질금속/금속유리 전극 {AMORPHOUS METAL/METALLIC GLASS ELECTRODES FOR ELECTROCHEMICAL PROCESSES}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an amorphous metal / metal glass electrode for an electrochemical process,

양극(兩極) 및 단극(單極) 형태 등의 수소 및 산소 생산용의 전기분해 셀에서, 수성 부식 용액은 전기분해되어서, 양극에서는 산소가, 음극에서는 수소가 생성되는데, 전체반응은 수소와 산소를 생성하는 물의 분해가 된다. 전기분해의 생성물은 막/분리판 (membrane/separator) 을 이용하여 분리 유지된다. 수소와 산소의 방출반응용 전기촉매로 비정질금속/금속유리 및 나노결정 재료를 이용하는 것이 알려져 있다. "비정질 금속" 또는 "금속유리" 라는 용어는 이 분야에 잘 알려져 있는데, 장범위 구조 규칙을 가지지 않고, 단범위 구조와 화학적 규칙을 가지는 재료로 정의된다. 그러므로, 본 명세서 및 청구범위에서는 상기 두 용어가 동의어이며, 교환될 수 있게 사용된다. "나노결정" 이라는 용어는 수 나노미터 단위의 결정입자크기를 가지는 재료를 말한다. 즉, 이 결정 구성은 약 10 나노미터보다 작은 입자크기를 가진다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에서, "금속유리" 라는 용어는 나노결정 재료를 포함한다.In an electrolytic cell for hydrogen and oxygen production such as anode and monopolar forms, the aqueous corrosion solution is electrolyzed to generate oxygen at the anode and hydrogen at the cathode, The decomposition of water to produce water. The product of the electrolysis is separated and maintained using a membrane / separator. It is known to use amorphous metal / metal glasses and nanocrystalline materials as electrocatalysts for the discharge reaction of hydrogen and oxygen. The term " amorphous metal " or " metal glass " is well known in the art, and does not have a long-range conformational rule, but is defined as a material having short-range conformation and chemical conventions. Therefore, in the present specification and claims, the two terms are synonymous and are used interchangeably. The term " nanocrystal " refers to a material having a crystal grain size of several nanometers. That is, the crystal structure has a particle size of less than about 10 nanometers. Further, in the present specification and claims, the term " metallic glass " includes a nanocrystalline material.

전기분해에 있어서, 전기분해 중에 셀을 통과하는 모든 전압이 수소와 산소의 생산에 이용되지 않는다. 이러한 셀 효율의 저하는, 때로 원하는 속도로 반응을 진행시키기 위해 필요한 셀 과전위 (overpotential) 로 거론되고, 가역 열역학적 분해전압의 초과에 있다. 이 셀 과전위는 다음과 같은 것에 기인될 수 있다. ⅰ) 음극이나 양극에서 일어나는 반응, ⅱ) 두 전극 사이에 용액저항으로 인한 전위 저하, 또는 ⅲ) 양극과 음극사이에 위치하는 막/격리판 의 존재로 인한 전위 저하 등이다. 상기 ⅰ) 은 어떤 활성화 또는 전처리 공정을 포함하는 셀에 사용된 전극재료의 활동도에 직접적으로 기인된 것임에 비해, 뒤의 두가지 효율은 셀 설계 특성상 고정된다. 그러므로, 전극의 성능은, 타펠 (Tafel) 기울기와 교환 전류밀도의 측정으로 양극과 음극에서 관찰되는 과전위에 직접적으로 관련된다 (이후 설명함).In electrolysis, not all the voltage passing through the cell during electrolysis is used for the production of hydrogen and oxygen. This degradation of cell efficiency is sometimes referred to as overpotential required for the reaction to proceed at the desired rate and is in excess of the reversible thermodynamic decomposition voltage. This cell overvoltage can be attributed to the following. Ii) a potential drop due to solution resistance between the two electrodes; or iii) a potential drop due to the presence of a membrane / separator between the anode and cathode. While the above i) is directly attributable to the activity of the electrode material used in the cell comprising any activation or pretreatment process, the latter two efficiencies are fixed in the cell design characteristics. Therefore, the performance of the electrode is directly related to the overcharge observed at the anode and cathode by measuring the Tafel slope and the exchange current density (described below).

액체상에서만 작용하는 "균질" 촉매로, 금속염을 전해액에 첨가함으로써, 물의 전기분해시에 우수한 전극성능을 얻을 수 있다. 그러나 이러한 균질촉매는, 분말상 금속염의 유독성과, 첨가물을 함유하는 전해액의 처리에 더해, 운전하는 셀에 이러한 첨가물을 실용적으로 첨가하는데에 어려움이 있다. 그래서, 바람직한 대안은, Ni로 이루어진 기지합금과, 알칼리성 수용액에서 전기화학적으로 안정하면서도, 수소 또는 산소의 방출에 대해 저전압, 고전류 셀 거동이라는 동일한 조업특성을 제공하는 하나 이상의 상기 금속염 성분이다.By adding a metal salt to the electrolyte with a " homogeneous " catalyst that acts only in the liquid phase, excellent electrode performance can be obtained during electrolysis of water. However, such homogeneous catalysts have difficulties in practically adding such additives to the operating cell, in addition to the toxicity of the powder metal salt and the treatment of electrolytes containing additives. Thus, a preferred alternative is a base alloy of Ni and at least one such metal salt component that is electrochemically stable in an alkaline aqueous solution, while providing the same operating characteristics of low voltage, high current cell behavior for the release of hydrogen or oxygen.

1995년 7월 4일 토프, 에스.제이. 와 커크, 디.더블유. 에게 부여된 미국 특허 5,429,725 호는 Ni 기지 금속유리에 Mo 와 Co 성분의 조합에 의해 만들어진 합금의 전기촉매 거동이 향상되었음을 기술하고 있다.July 4, 1995, Though, S.J. And Kirk, D. W. U. S. Patent No. 5,429, 725 discloses that the electrocatalytic behavior of alloys made by combining a Mo and Co component in a Ni-base metal glass is improved.

그러나, Mo 함유 합금에 비해, (Cr, V) 함유 합금에서는, 보다 낮은 타펠 기울기와 보다 높은 교환 전류밀도를 결합시킬 필요성이 있고, 따라서 알칼리성 물 전기분해용 전기촉매 재료의 조업효율을 향상시킬 필요성이 있다.However, in the (Cr, V) -containing alloy as compared with the Mo-containing alloy, there is a need to combine a lower Tappel slope and a higher exchange current density, and therefore, there is a need to improve the operating efficiency of the electrocatalytic material for alkaline water electrolysis .

참조 목록Reference List

본 명세서는 다음의 문헌을 인용한다. 이들 각각은 특별히 참조용으로 여기에 포함되었다.The present specification cites the following documents. Each of which is specifically incorporated herein by reference.

문헌literature

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본 발명은 전기화학적 공정에 사용되는 개선된 전극재료에 관한 것으로, 특히 수용액의 전기분해, 보다 구체적으로는 상기 전기분해에 의해 산소와 수소를 생산하는 전기화학적 생산에 이용되는 전극의 활성 표면을 구성하도록 의도된 비정질금속/금속유리 전극재료에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to an improved electrode material used in an electrochemical process, and in particular, to an electrolytic solution of an aqueous solution, more specifically to an active surface of an electrode used for electrochemical production to produce oxygen and hydrogen by the electrolysis To an amorphous metal / metal glass electrode material.

본 발명을 보다 잘 이해할 수 있도록, 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예를 단지 보기로서 기술한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS For a better understanding of the invention, reference will now be made, by way of example only, to the preferred embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings.

도 1 은 본 발명에 따라 금속유리를 만드는 장치의 개략도이다.1 is a schematic view of an apparatus for making a metallic glass according to the present invention.

도 2 는 도 1 에 도시된 장치중 진공챔버 내부의 상세 개략도이다.2 is a detailed schematic view of the interior of the vacuum chamber of the apparatus shown in FIG.

도 3 은 도 1 의 장치에서 사용하는 질화붕소 세라믹 도가니의 사시도이다.3 is a perspective view of a boron nitride ceramic crucible used in the apparatus of FIG.

도 4 는 전기화학적 활동도 및 본 발명에 의한 재료의 안정성을 평가하는데 사용된 스리 컴포넌터 셀 (three component cell) 의 개략도이다.4 is a schematic view of a three component cell used to evaluate the electrochemical activity and the stability of the material according to the present invention.

도 5 는 전기화학적 측정치를 얻는데 사용한 장치의 도식적 표현이다. 여기서 동일한 숫자는 부품과 같은 것을 표시한다.Figure 5 is a graphical representation of the device used to obtain the electrochemical measurements. Where the same numbers indicate the same parts.

본 발명의 목적은, 물의 전기분해에 사용될 수 있는 전기화학적 활성 표면을 가지는 개선된 전극을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an improved electrode having an electrochemically active surface that can be used for electrolysis of water.

또한, 본 발명은, 셀의 동적 및 정적 순환작업 모두를 위한 알칼리성 환경에 화학적으로 안정하면서도 개선된 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide chemically stable and improved electrodes in an alkaline environment for both dynamic and static circulation of cells.

또한, 본 발명은, 수소방출을 위한 음극 과전압 또는 산소방출을 위한 양극 과전압의 하나 또는 둘 모두를 감소시키도록, 충분히 활성된 개선된 전극재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide an electrode material that is sufficiently activated to reduce one or both of the cathode overvoltage for hydrogen release or the anode overvoltage for oxygen release.

또한, 본 발명은, 백금 그룹 금속들에 비해, 비교적 저렴한 원소성분을 함유하는 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide an electrode containing a relatively inexpensive element component as compared with platinum group metals.

또한, 본 발명은, 종래의 전극재료에 비하여 최종 전극 제조에 필요한 총 제조작업들을 최소화한 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide an electrode that minimizes total manufacturing operations required for manufacturing a final electrode as compared with conventional electrode materials.

또한, 본 발명은, 셀의 작동온도가 올라갈 때, 수소 또는 산소를 생산하는데 필요한 과전위는 감소하기 때문에, 성능이 향상되도록, 알칼리성 환경에서 상승된 온도에서 작동할 수 있는 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide an electrode that can operate at elevated temperatures in an alkaline environment to improve performance as the over-potential required to produce hydrogen or oxygen decreases when the operating temperature of the cell rises .

따라서, 일 특징으로, 본 발명은 전기화학 공정용 금속유리를 제공하며, 이 금속유리는 본질적으로 일반 명목조성Thus, in one aspect, the present invention provides a metallic glass for an electrochemical process, said metallic glass being essentially of the general nominal composition

(Ni, Co)100-x-tAxZt (Ni, Co) 100-xta x Z t

A 는 주기율표의 Ⅳb, Ⅴb, Ⅵb, Ⅶb 및 Ⅷ 로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소이고,A is an element selected from the group consisting of IVb, Vb, VIb, VIIb and VIII in the periodic table,

Z 는 주기율표의 Ⅲa, Ⅳa, Ⅴa 및 Ⅵa 의 그룹으로부터 선택된 반금속 (metalloid) 원소와 탄소로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소이며,Z is an element selected from the group consisting of a metalloid element and carbon selected from the group of IIIa, IVa, Va and VIa of the periodic table,

x, t 및 (100-x-t)는 at.%인 재료로 구성된다. .x, t, and (100-x-t) are at.%. .

A 는 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Zr, Nb, Mo, Tc, Hg, Ta 및 W 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속이고, 여기서 x 는 약 1 내지 20 at.%로 선택되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, x 는 약 1 내지 5 at.%로 선택된다.A is at least one metal selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Zr, Nb, Mo, Tc, Hg, Ta and W wherein x is selected from about 1 to 20 at.% , And more preferably, x is selected to be about 1 to 5 at.%.

Z 는 실리콘, 인, 탄소, 붕소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이며, 여기서 t 는 약 15 내지 25 at.%로 선택되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 t 는 약 20 at.%이다.Z is at least one element selected from the group consisting of silicon, phosphorus, carbon, and boron, wherein t is preferably selected from about 15 to 25 at.%, More preferably t is about 20 at.%.

금속유리는 하나의 원소로 균질상태인 것이 가장 바람직하나, 양이온 및 음이온의 두 형태에 있어서 어느정도의 비균질도는 용인될 수 있다.It is most preferred that the metallic glass is homogeneous in one element, but some heterogeneity in both types of cation and anion can be tolerated.

위에서 정의한 일반식은 명목적인 조성을 나타내므로, 관찰되는 정확한 원자비율로부터 어느정도의 편차는 있을 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that since the general formula defined above represents a nominal composition, there may be some variation from the exact atomic ratio observed.

본 발명에 따른 바람직한 재료는 Ni50Co25Cr5B20,Ni50Co25V5B20및 Ni45Co25Cr5V5B20에서 선택된 명목 조성을 가진다.Preferred materials according to the present invention have a nominal composition selected from Ni 50 Co 25 Cr 5 B 20 , Ni 50 Co 25 V 5 B 20 and Ni 45 Co 25 Cr 5 V 5 B 20 .

본 발명의 합금은 쉽게 자기-지지 (self-supporting) 구조로 만들어진다.The alloy of the present invention is easily made into a self-supporting structure.

또한, 본 발명은, 위에서 한정한 것 같은 재료로 이루어지는 금속유리를 포함하는 전기화학 셀에서 사용하는 전극을 제공한다. 작용하는 전극으로서 이 전극은 양극, 음극 또는 둘다로 활용될 수 있다. 본 발명의 재료는 전체전극을 구성하거나, 또는 금속이나 다른 전기 전도체 등의 기지에 표면코팅을 구성할 수도 있다.The present invention also provides an electrode for use in an electrochemical cell comprising a metallic glass made of a material as defined above. As an acting electrode, this electrode can be utilized as an anode, a cathode, or both. The material of the present invention may constitute the entire electrode, or may form a surface coating on a base such as a metal or other electrical conductor.

또한, 본 발명은 전기화학 셀에서 수용액으로부터 산소와 수소를 전기화학적으로 생산하는 개선된 공정을 제공하는데, 상기 공정은 전극으로 상기 수용액을 전기분해하는 것을 포함하고, 상기의 개선은 본질적으로 앞에서 한정한 것과 같은 재료로 이루어진 금속유리를 포함하는 하나 이상의 상기 전극을 포함한다.The present invention also provides an improved process for electrochemically producing oxygen and hydrogen from an aqueous solution in an electrochemical cell comprising electrolyzing the aqueous solution with an electrode, And at least one electrode comprising a metal glass of the same material as the first electrode.

산소와 수소의 전기분해 생산에서, 수용액은 알칼리성이다.In the electrolytic production of oxygen and hydrogen, the aqueous solution is alkaline.

놀랍게도, 본 발명에 의한 금속유리는, 사용중에 원소 "A" 의 손실이 일어나지 않고, 가혹한 사용환경에서도 전해질의 활동도를 유지한다. 요컨대, 우리는, 본 발명의 합금에서 원소 "A" 의 존재가, 여기서 기술하는 예상치 못한 이점을 제공하는 반면, 놀랍게도, 알칼리성 전기분해 환경하에서 원소 "A" 의 분해로 이어지지는 않는다는 것을 알았다.Surprisingly, the metallic glass according to the present invention does not cause loss of element " A " during use, and maintains the activity of the electrolyte even under harsh operating conditions. In short, we have found that, while the presence of element "A" in the alloy of the present invention provides the unexpected advantage described herein, it surprisingly does not lead to the decomposition of element "A" under an alkaline electrolysis environment.

따라서, 본 발명은 급속응고에 의해 생산된 전기화학 공정용 금속유리/비정질금속 전극재료를 제공하는데, ⅰ) 비정질 또는 나노결정의 구조를 가지고, ⅱ) Ni 와 Co 와 같은 주요 합금원소를 함유하며, ⅲ) Ni와 Co 와 화합될 때, 원자분율이 0.75 내지 0.85를 나타내도록, Cr, V, Ti, Mn, Fe 와 같은 합금 첨가물을 1 내지 20 at.%의 범위 내로 함유하며, ⅳ) 바람직하게는, C, B, Si, P 와 같은 원소를 하나 또는 조합하여, 합금 원자분율의 0.15 에서 0.25 를 나타내도록, 이루어진 반금속원소를 함유한다. 이 전극은 뛰어난 열 안정성, 수용 전해질에서 향상된 안정성을 가지고, 향상된 전류효율 - 양극 또는 음극의 과전위 특성을 제공한다. 이것들은 산소와 수소의 제조에 있어서, 가성(KOH, NaOH) 혼합물 및 물과 같은 수용성 전해질 용액의 전기분해에 유용하다.Accordingly, the present invention provides a metallic glass / amorphous metal electrode material for electrochemical processes produced by rapid solidification comprising: i) a structure of amorphous or nanocrystalline, ii) a main alloy element such as Ni and Co, , Iii) an alloy additive such as Cr, V, Ti, Mn and Fe in an amount of 1 to 20 at% such that the atomic fraction thereof is 0.75 to 0.85 when combined with Ni and Co, Iv) Preferably, one or a combination of elements such as C, B, Si and P is contained so as to exhibit an atomic fraction of 0.15 to 0.25. This electrode has excellent thermal stability, improved stability in the accepting electrolyte, and improved current efficiency - providing overvoltage characteristics of the anode or cathode. They are useful for the electrolysis of water-soluble electrolyte solutions such as caustic (KOH, NaOH) mixtures and water in the production of oxygen and hydrogen.

전극은 합금조성이 비정질상태로 응고될 수 있게 하는 특정비율로 반금속원소와 저가의 천이금속을 조합하여 이루어진다. 이 전극은 양극 또는 음극의 과전위 특성을 통해 향상된 전류효율을 제공하고, 정적 및 주기적인 노출 모두에서 향상된 안정성을 제공한다. 이 전극은 농축 알칼리성 용액과 전극 특성을 향상시키기도록 상승된 온도에서도 사용될 수 있다. 전극은 물의 분해를 통해, 산소와 수소를 생산하는 알칼리성 용액의 전기분해에 유용하고, 나아가 연료전지, 전기-유기 합성 (electro-organic synthesis) 또는 환경 폐기물 처리용 전극에 유용하다.The electrode is made by combining a semimetal element and a low-cost transition metal at a specific ratio that allows the alloy composition to solidify into an amorphous state. This electrode provides improved current efficiency through the overvoltage characteristics of the anode or cathode and provides improved stability in both static and periodic exposures. This electrode can also be used at elevated temperatures to enhance the concentration of alkaline solution and electrode properties. Electrodes are useful for electrolysis of alkaline solutions that produce oxygen and hydrogen through the decomposition of water, and further useful for electrodes for fuel cells, electro-organic synthesis or environmental waste treatment.

급속냉각 공정법은, 종래의 래니 (Raney) Ni 식 전극을 준비하는 것에 비해, 비용상 상당한 이점을 제공한다. 이 공정은 액체 금속에서 최종 촉매로의 단일 공정이며, 최종 촉매는 망상 그리드로 짜넣도록, 리본이나 와이어의 형태로 제조될 수 있다. 또한, 상기 공정은 보다 원하는 형태 또는 패턴으로 통합될 수 있도록, 시트, 분말, 플레이크 (flake) 등과 같은 것을 생산하는데 사용될 수 있다. 종래기술과 비교해보면, 종래 전극의 제조는, 빌렛이나 로드의 생산, 와이어 인발 및 소둔작업, 와이어 메시 그리드를 형성하기 위한 짜기, 표면처리, 분말부착, 분말합체 및 활성화 공정을 포함한다.The rapid cooling process provides significant cost advantages over preparing conventional Raney Ni electrodes. This process is a single process from the liquid metal to the final catalyst, and the final catalyst can be made in the form of ribbons or wires to be incorporated into a network grid. In addition, the process can be used to produce sheets, powders, flakes, and the like, so that they can be incorporated into more desired shapes or patterns. Compared with the prior art, the production of conventional electrodes includes production of billets or rods, wire drawing and annealing operations, sieving to form wire mesh grids, surface treatment, powder attachment, powder coalescence and activation processes.

표 1 은, 천이금속-반금속 유리를 포함하는 선행기술 조사의 결과를 요약하였다. 표 1 의 전기촉매의 성능은 두가지 주요한 매개변수 ⅰ) 타펠 기울기, βc 와 ⅱ) 교환 전류밀도의 대수 log io로 요약되었다. 교환 전류밀도는 표준 반쪽전지 또는 산화환원 반응의 전위에서, 평형에서의 가역 반응속도와 동등하다. 타펠 기울기는, 과전위와, 과전위와 전류밀도의 반-대수 플롯(plot) 에 대한 선형이 존재하는 전류밀도로서 반영된 반응속도와의 관계를 나타내는 선의 기울기를 나타낸다.Table 1 summarizes the results of prior art investigations involving transition metal-semimetal glasses. The performance of the electrocatalyst in Table 1 depends on two main parameters: i) the tapel slope, βc and ii) the logarithm of the exchange current density, log ioRespectively. The exchange current density is equivalent to the reversible rate at the equilibrium in the potential of the standard half-cell or redox reaction. The < RTI ID = Represents the slope of the line indicating the relationship between the overvoltage and the response rate reflected as the current density at which the line is present for the half-logarithmic plot of the overvoltage and current density.

알칼리성 용액에서 수소방출반응 (HER) 용 Ni-Co 기지 비정질 금속의 분극 데이타Polarization data of Ni-Co base amorphous metal for hydrogen release reaction (HER) in alkaline solution 비정질 전극Amorphous electrode 용액solution 온도Temperature -log io(A/cm2) -log i o (A / cm 2 ) βc(mV/decade)β c (mV / decade) 비고Remarks Ni50Co25Si15B10표면처리됨Ni 50 Co 25 Si 15 B 10 Surface treated 1M KOH1M KOH1M KOH1M KOH 303050709030303050709030 5.76.510.67.67.95.45.76.510.67.67.95.4 110,178909312711391,145110,178909312711391,145 122221122221 Ni50Co25Si15B10표면처리됨Ni 50 Co 25 Si 15 B 10 Surface treated 1M KOH1M KOH1M KOH1M KOH 30303030 5.85.45.85.4 101,144111,166101,144,111,166 1111 Co50Ni25P15B10표면처리됨Co 50 Ni 25 P 15 B 10 Surface treated 1M KOH1M KOH1M KOH1M KOH 30303030 5.45.15.45.1 124,174110,173124,1741,103 1111 열처리되고 양극적으로 산화된Ni5.5Co90P4.5 Heat treated and dynamically oxidized Ni 5.5 Co 90 P 4.5 1M KOH1M KOH 3050709030507090 4.03.22.82.24.03.22.82.2 100120120100100120120100 33333333 Ni58Co20Si10B12 Ni 58 Co 20 Si 10 B 12 1M KOH1M KOH 3050709030507090 5.04.74.74.35.04.74.74.3 140146155145140146155145 22222222 Co28Ni10Fe5Si11B16 Co 28 Ni 10 Fe 5 Si 11 B 16 1M KOH1M KOH 3050709030507090 4.65.55.45.34.65.55.45.3 174119120128174119120128 22222222 Ni70Mo20Si5B5 Ni 70 Mo 20 Si 5 B 5 1M KOH1M KOH 307090307090 4.13.83.64.13.83.6 165106276165106276 222222 Fe39Ni39Mo2Si12B8 Fe 39 Ni 39 Mo 2 Si 12 B 8 1M KOH1M KOH 3050709030507090 5.04.84.94.95.04.84.94.9 123150173167123150173167 22222222 Ni78Si8B14양극적으로 산화됨Ni 78 Si 8 B 14 Dopantly oxidized 1M KOH30% KOH1M KOH 30% KOH 25305050707590702530505070759070 6.06.14.34.44.93.84.42.96.06.14.34.44.93.84.42.9 140102150144130125148130140102150144130125148130 4242242542422425 Fe40Ni40B20 Fe 40 Ni 40 B 20 1M KOH1M KOH 3050709030507090 3.93.84.33.03.93.84.33.0 174184230188174184230188 22222222 Ni66.5Mo23.5B10 Ni 66.5 Mo 23.5 B 10 0.5MNaOH0.5M NaOH 2525 5.65.6 120120 66

비정질 전극Amorphous electrode 용액solution 온도Temperature -log io(A/cm2) -log i o (A / cm 2 ) βc(mV/decade)β c (mV / decade) 비고Remarks Ni56.5Mo23.5Fe10B10 Ni 56.5 Mo 23.5 Fe 10 B 10 0.5MNaOH0.5M NaOH 2525 5.35.3 100100 66 Ni56.5Mo23.5Cr10B10 Ni 56.5 Mo 23.5 Cr 10 B 10 0.5MNaOH0.5M NaOH 2525 5.05.0 135135 66 Ni70P20C10코팅Ni 70 P 20 C 10 Coating 1N NaOH1N NaOH 2525 6.2-8.46.2-8.4 65-9565-95 77 Ni75Cr5P20 Ni 75 Cr 5 P 20 1M HCl* 1 M HCl * 3030 3.53.5 -- 88 Ni73Cr7P20 Ni 73 Cr 7 P 20 1M HCl* 1 M HCl * 3030 3.83.8 -- 88 Ni70Cr10P20 Ni 70 Cr 10 P 20 1M HCl* 1 M HCl * 3030 4.04.0 -- 88

* 알칼리성 매체에서의 전기분해용 아님* Not for electrolysis in alkaline media

균질촉매 첨가물을 첨가한 알칼리성 용액에서 수소방출반응 (HER) 용 Ni-Co 기지 비정질금속의 분극데이타Polarization data of Ni-Co-based amorphous metal for hydrogen release reaction (HER) in alkaline solution with homogeneous catalyst additive 기체(基體) 및 촉매의 첨가(ppm ×10-3)Addition of substrate and catalyst (ppm x 10 -3 ) 용액solution 온도Temperature -log io(A/cm2) -log i o (A / cm 2 ) βc(mV/decade)β c (mV / decade) 비고Remarks 기체 CoFeNiPtFe 첨가 = 0.014Gaseous CoFeNiPtFe addition = 0.014 7.6M KOH7.6M KOH 7070 3.93.93.74.23.93.93.74.2 7980957579809575 99 기체 CoFeNiPtMo 첨가 = 0.024Fe 첨가 = 0.024Gas CoFeNiPtMo addition = 0.024 Fe addition = 0.024 7.6M KOH7.6M KOH 7070 3.43.12.83.13.43.12.83.1 151154182163151154182163 1010 기체 연강NiSO4첨가 = 80Na2MoO4첨가 = 20Gas Mild steel NiSO 4 addition = 80Na 2 MoO 4 addition = 20 6.0M KOH6.0M KOH 8080 -- 112112 1111 기체 연강NiSO4첨가 = 80Na2MoO4첨가 = 20Gas Mild steel NiSO 4 addition = 80Na 2 MoO 4 addition = 20 6.0M KOH6.0M KOH 8080 -- 112112 1111 기체 연강NiSO4첨가 = 80Na2WO4첨가 = 20Gas Mild steel NiSO 4 addition = 80Na 2 WO 4 addition = 20 6.0M KOH6.0M KOH 8080 -- 2525 1111 기체 연강NiSO4첨가 = 80ZnSO4첨가 = 40Gas Mild steel NiSO 4 addition = 80 ZnSO 4 addition = 40 6.0 KOH6.0 KOH 8080 -- 5050 1111 기체 연강NiSO4첨가 = 80FeSO4첨가 = 20Gas Mild steel NiSO 4 addition = 80 FeSO 4 addition = 20 6.0M KOH6.0M KOH 8080 -- 2525 1111 기체 연강NiSO4첨가 = 80CoSO4첨가 = 20Gas Mild steel NiSO 4 addition = 80CoSO 4 addition = 20 6.0M KOH6.0M KOH 8080 -- 112112 1111 기체 연강NiSO4첨가 = 80CrO3첨가 = 20Gas Mild steel NiSO 4 addition = 80CrO 3 addition = 20 6.0M KOH6.0M KOH 8080 -- 150150 1111 기체 Pt몰리브데이트 첨가Gaseous Pt molybdate addition 5.0M KOH5.0M KOH 2525 -- 8080 1212

표 1 에 기술된 전극은 (Ni, Co) 와 결합하는 다양한 천이금속의 조합을 포함하지만, 상술한 첨가에서는 원소 "A" 가 이들에 화합되어 있지 않다. 표 2 에 기술된 전극은, 기체재료에 직접적으로 화합될 때가 아니라, 전해조의 용액상에 첨가될 때, 상술한 원소 "A" 의 분해된 염의 존재로부터 활동도를 도출한다.The electrode described in Table 1 contains a combination of various transition metals that bind to (Ni, Co), but element "A" is not compounded in these additions. The electrode described in Table 2 derives its activity from the presence of the decomposed salts of the abovementioned element " A " when added onto the solution of the electrolytic bath, not when it is directly combined with the gaseous material.

본 발명의 재료를 준비하고 테스트하는 일반적인 방법은, 전술한 미국 특허 5,429,725호에 기술된 것을 따랐다.A general method for preparing and testing the materials of the present invention was as described in the aforementioned U.S. Patent No. 5,429,725.

실험Experiment

전극 금속유리 재료는 다음과 같이 준비되었다.The electrode metal glass material was prepared as follows.

이 실시예는 준비 전극이 명목조성This example demonstrates that the ready electrode

Ni50Co25Cr5B20 Ni 50 Co 25 Cr 5 B 20

을 가지는 것을 설명한다..

멜트-스피닝 (melt-spinning) 기법으로 비정질 합금 리본을 제조하기 위해, 일련의 제조를 시도하였다. 이 공정은 두개의 공정으로 나누어 진다. 제 1 공정은, 니켈, 코발트, 크롬 및 붕소와 같은 순수 재료의 분말 혼합물을 수냉 구리로에 장입하고, 진공 아크 용해를 이용하여 용융하는 것으로 "전용해 (pre-melting)" 라고 한다. 제 2 공정은, 질화붕소 세라믹 도가니를 사용하는데, 이것은 전용해되고 분쇄된 버튼 (button) 을, 진공챔버에서 재용해하여 1100℃ 초과의 온도로 가열할 수 있게 하였다. 그리고 나서, 세라믹 도가니의 가늘고 긴 구멍을 통해 고속으로 회전하는 육중한 구리 휠의 외주표면 위에 용융 금속의 흐름이 도입된다. 휠의 차가운 표면에서 급속냉각이 일어나고, 응고된 부착물이 가는 리본의 형태로 생산된다. 다음의 소단락에서 비정질 금속제조에 대해 간략하게 기술한다.In order to produce an amorphous alloy ribbon by a melt-spinning technique, a series of preparations were attempted. This process is divided into two processes. The first step is referred to as "pre-melting" by charging a powder mixture of pure materials such as nickel, cobalt, chromium and boron into a water-cooled copper furnace and melting it by vacuum arc melting. The second step uses a boron nitride ceramic crucible, which allows dedicated, milled buttons to be redissolved in a vacuum chamber and heated to temperatures above 1100 ° C. A flow of molten metal is then introduced onto the outer circumferential surface of the massive copper wheel rotating at high speed through the elongated hole of the ceramic crucible. Rapid cooling takes place on the cold surface of the wheel, and solidified deposits are produced in the form of thin ribbons. The following sub-paragraphs briefly describe the production of amorphous metals.

장치Device

멜트-스피너 : D-7400 튀빙겐, 에드문트 뷜러, 독일Melt-Spinner: D-7400 Tübingen, Edmund Muller, Germany

3.3 ×10-2파스칼 고진공 챔버3.3 x 10 -2 Pascal high vacuum chamber

유도 가열기 : TOCCOTRON 2EG 103. 오하이오 크랭크샤프트 회사, 미국Induction Heaters: TOCCOTRON 2EG 103. Ohio Crankshaft Company, USA

최대출력 10kW, 450kHzMaximum output 10kW, 450kHz

고온계 : 모델 ROS-SU, 케핀텍 연구소 유한회사, 미국Pyrometer: Model ROS-SU, KepinTech Research Institute Co., Ltd., USA

도 1 은 멜트-스피너 (10) 와 유도가열 유닛 (12) 으로 구성된 실험장치를 설명한다. 멜트-스피너 어셈블리 (10) 는, 고진공챔버 (14), 리본 수집 튜브(16) 와 제어기 (18) 로 이루어 진다. 진공챔버 (14) 는 아르곤 실린더 (20) 에 연결되는데, 이 실린더 (20) 는 챔버 (14) 를 깨끗이 하는 아르곤 가스를 공급하고, 액상재료의 용융물을 방출하도록 세라믹 도가니 (22) (도 2) 를 가압한다 (미도시). 세라믹 도가니 (22) 의 액체 용융물의 온도는, 진공챔버 (14) 위에 위치한 석영 유리창 (26) 에 부착된 광학 고온계 (24) 로 측정한다.Fig. 1 illustrates an experimental apparatus comprising a melt-spinner 10 and an induction heating unit 12. Fig. The melt-spinner assembly 10 comprises a high vacuum chamber 14, a ribbon collection tube 16 and a controller 18. The melt- The vacuum chamber 14 is connected to an argon cylinder 20 which supplies the argon gas to clean the chamber 14 and the ceramic crucible 22 (Figure 2) to discharge the melt of the liquid material. (Not shown). The temperature of the liquid melt in the ceramic crucible 22 is measured by an optical pyrometer 24 attached to a quartz glass window 26 located above the vacuum chamber 14. [

유도가열 유닛 (12) 은, 진공챔버 (14) 의 유도가열 코일 (28) (도 2), 3단계 점증 변압기와 가열시에 유도 코일을 통해 냉각수를 공급하는 폐-루프 냉각수 재순환기 (미도시) 를 포함한다.The induction heating unit 12 includes an induction heating coil 28 (FIG. 2) of the vacuum chamber 14, a three-step increasing transformer and a closed-loop cooling water recirculator (not shown) for supplying cooling water through the induction coil ).

도 2 는 구리 휠 (30) (직경 20cm, 폭 3.8cm), 세라믹 도가니 (22), 고진공챔버의 유도코일 (28) 및 리본가이드 (32) 의 배치를 도시한다.2 shows the arrangement of the copper wheel 30 (20 cm in diameter, 3.8 cm in width), the ceramic crucible 22, the induction coil 28 of the high vacuum chamber and the ribbon guide 32.

A : 전용해A: Only.

예시되는 목적 화학조성이 집합적으로 Ni50Co25Cr5B20으로 표현된다. 합금의 조성범위가 비교적 좁기 때문에, 이어지는 전기화학적 측정에서 유효한 비교가 되도록, 조심스러운 샘플의 준비가 필요하다. 높은 정확도로 목적하는 조성을 얻기위해, 순수한 재료의 분말을 사용하여 먼저 진공 아크 용해를 이용하여 전용해 버튼을 제조하고, 이어서 기계적인 분쇄와 진공 유도용해를 이용하여 재용해한다. 예시된 분말에서, 각 혼합물은 니켈 50 at.%, 코발트 25 at.%와 붕소 20 at.%를 함유한다. 나머지 5 at.%는 이 예에서는 크롬인 원소 A 로 이루어 진다.본 발명의 다른 실시예에서는, 붕소는 용융점 강하제로서 작용하며, 전체 분말 혼합물을 비교적 낮은 온도인 약 1035℃ 에서 용해가 시작되도록 하는, 니켈-보라이드와 같은 금속간 화합물의 형태로 첨가하였다.The exemplified chemical composition is collectively expressed as Ni 50 Co 25 Cr 5 B 20 . Since the composition range of the alloy is relatively narrow, it is necessary to prepare a careful sample so as to be an effective comparison in subsequent electrochemical measurements. To obtain the desired composition with high accuracy, a dedicated button is first prepared using vacuum arc melting, using pure powder of material, and then redissolved using mechanical grinding and vacuum induction melting. In the illustrated powder, each mixture contains 50 at.% Nickel, 25 at.% Cobalt and 20 at.% Boron. The remaining 5 at.% Consists of chromium element A in this example. In another embodiment of the present invention, boron acts as a melting point depressant and causes the entire powder mixture to begin dissolving at a relatively low temperature of about 1035 ° C , And nickel-boride in the form of an intermetallic compound.

일회에 분말 혼합물 20 - 50g 을 석영 도가니 (내경 = 19.05 mm, 외경 = 22.2 mm , 높이 = 130 mm 에 둥근바닥) 에 장입하였다. 석영 도가니는 멜트-스피너의 진공챔버에 장착하며, 유도코일의 중간에 둔다. 그리고 나서, 진공챔버를 아르곤으로 세번 깨끗이하고, 가열 전에 약 5 ×10-4torr (7 ×10-2Pa) 로 배기한다. 재료의 분말 혼합물을 석영 도가니에서 1100℃ 초과의 온도에서 용해한다. 전용해를 통한 재료의 중량 손실비율은, 모든 성분에서 1 wt.% 미만이었다.20-50 g of the powder mixture was charged at once into a quartz crucible (inner diameter = 19.05 mm, outer diameter = 22.2 mm, height = 130 mm round bottom). The quartz crucible is mounted in the vacuum chamber of the melt-spinner and placed in the middle of the induction coil. Then, the vacuum chamber is cleaned three times with argon, and exhausted at about 5 x 10 -4 torr (7 x 10 -2 Pa) before heating. The powder mixture of materials is dissolved in a quartz crucible at a temperature above 1100 ° C. The weight loss rate of the material through the dedicated solution was less than 1 wt.% In all components.

B : 멜트 스피닝B: Melt spinning

이 작업에 사용된 멜트 스피너는 실험적인 규모의 모델로, 에드문트 뷜러 게엠베하 에서 제조되었고, 배치식으로 5 - 100g 의 합금 혼합물 시료를 제조할 수 있다. 멜트-스피너 어셈블리는 고진공챔버, 리본수집 튜브 및 모터속도 제어기를 포함한다. 유도가열 유닛은 진공챔버의 유도가열코일, 3단계 점증 변압기 및 가열시에 유도코일을 통해 냉각수를 공급하는 폐-루프 냉각수 재순환기를 포함한다. 진공챔버는 아르곤 실린더에 연결되는데, 이 실린더는 챔버를 세정하는 가스를 공급하고, 액체 용융물을 방출하도록 세라믹 도가니를 가압한다. 세라믹 도가니의 액체 용융물의 온도는, 진공챔버위에 위치한 석영 유리창에 부착된 광학고온계로 측정한다.The melt spinner used in this work is an experimental scale model, manufactured in Edmundseller GmbH and can be used to prepare 5 - 100 g alloy mixture samples in batch mode. The melt-spinner assembly includes a high vacuum chamber, a ribbon collection tube, and a motor speed controller. The induction heating unit includes an induction heating coil of a vacuum chamber, a three-stage incremental transformer, and a closed-loop cooling water recirculator that supplies cooling water through the induction coil upon heating. The vacuum chamber is connected to an argon cylinder, which supplies gas to clean the chamber and presses the ceramic crucible to release the liquid melt. The temperature of the liquid melt of the ceramic crucible is measured with an optical pyrometer attached to a quartz glass window located above the vacuum chamber.

하나 또는 두개의 전용해된 버튼을 BN 세라믹 도가니에 장입한다. 질화붕소는 고온에서 높은 경도를 가지는 이점이 있고, 도가니에 어떠한 화학반응이 생기지 않고도, 용해된 액체를 1400℃ 이상으로 가열할 수 있을 정도로 산화저항성이 양호하다.Load one or two dedicated buttons into the BN ceramic crucible. Boron nitride has an advantage that it has high hardness at high temperature and oxidation resistance is good enough to heat the dissolved liquid to 1400 DEG C or more without any chemical reaction occurring in the crucible.

상기 도가니는 진공챔버의 구리 휠 위에 장착된다. 이 챔버는 전용해시에 기술된 것과 같은 방법으로 세정 및 배기된다. 전용해된 버튼을, 합금의 조성에 따라, 액체온도가 안정한 최대온도에 도달할 때까지, 유도코일로 도가니에서 가열한다. 액체 용융물은 아르곤의 압력으로 가는 슬릿 노즐 (0.5 ×15 mm) 을 통해, 휠 위로 방출된다. 평면상의 비정질 리본이 반시계방향으로 회전하는 휠의 표면에서 형성되고, 리본 가이드를 통해 수집관으로 보내진다. 멜트 스피닝의 이러한 특별한 형태를 평면흐름 (planar flow) 주조기법으로 부른다. 휠 회전속도로부터, 냉각속도는 대략 106℃/sec 로 추정된다. 리본의 한면은 휠과의 접촉이 없어 , 휠과 접촉하는 다른 면의 흐릿한 외관 (휠측) 과 비교할 때, 광택이 있는 외관 (광택측) 을 가진다. 휠과의 접촉으로 인한 흐린 측의 표면 결함을 최소화하기 위해, 휠의 외주면을 다이아몬드 페이스트로 완벽하게 연마하고, 각 시험 전에 아세톤으로 기름을 제거한다. 멜트-스피닝 작업의 표준 실험변수를 표 3 에 요약하였다.The crucible is mounted on the copper wheel of the vacuum chamber. This chamber is cleaned and evacuated in the same manner as described in the dedicated solution. Dedicated buttons are heated in the crucible with induction coils until the liquid temperature reaches a maximum stable temperature, depending on the composition of the alloy. The liquid melt is ejected onto the wheel through a slit nozzle (0.5 x 15 mm) that goes to argon pressure. A planar amorphous ribbon is formed on the surface of the wheel that rotates counterclockwise and is sent to the collection tube through the ribbon guide. This particular form of melt spinning is referred to as a planar flow casting technique. From the wheel rotational speed, the cooling rate is estimated to be approximately 10 6 ° C / sec. One side of the ribbon has no glossy contact with the wheel and has a glossy appearance (glossy side) when compared to the blurry appearance (wheel side) of the other side in contact with the wheel. To minimize surface flaws on the blurry side due to contact with the wheel, the outer circumferential surface of the wheel is thoroughly polished with diamond paste and oil is removed with acetone prior to each test. Standard experimental parameters of the melt-spinning operation are summarized in Table 3.

표 3 : 멜트-스피닝 작업변수의 요약Table 3: Summary of Melt-Spinning Working Variables 도가니 바닥의 제일 구석과 휠 표면과의 공차Tolerance between the top corner of the crucible bottom and the wheel surface 0.5mm0.5mm 충돌 포인트Crash point 휠의 꼭대기로부터 반시계방향으로 12°12 degrees counterclockwise from the top of the wheel 전용해 버튼 무게Dedicated button weight 20 - 50g20 - 50g 진공챔버압력Vacuum chamber pressure 7 ×10-2Pa 이하7 x 10 -2 Pa or less 용융방출압력Melt release pressure 40kPa40 kPa 휠 회전속도Wheel speed 1800 - 2900 rpm1800 - 2900 rpm 가열온도Heating temperature 1100℃ 초과Above 1100 ° C

평면흐름 주조로 제조된 본 발명의 합금을 다음과 같이 평가하였다.The alloys of the present invention made with flat flow casting were evaluated as follows.

첫번째 평가는, 용해시의 충분하지 못한 회수는 주어진 합금의 명목조성과 실제 조성사이에 잠재적인 편차를 생기게 할 수 있기 때문에, 제조된 합금의 실제조성에 관한 것이다.The first evaluation relates to the actual composition of the alloy produced, since an insufficient number of times of dissolution can cause a potential bias between the nominal composition and the actual composition of a given alloy.

두번째 평가는, 상기 제조방법은 자연적으로 비정질이나 나노결정질의 준안정상을 생성할 수 있기 때문에, 생성된 합금의 구조에 관한 것이다.A second evaluation relates to the structure of the resulting alloy, since the above manufacturing process can naturally produce amorphous or nanocrystalline quasicrystals.

세번째 평가는, 알칼리성 용액의 전기분해에 관련된 환경에서, 멜트-스핀된 리본으로 수소생산에 필요한 과전압에 관련된 것으로, 전극성능에 관한 것이다.The third assessment relates to electrode performance, which is related to the overvoltage required for hydrogen production with a melt-spun ribbon in an environment related to the electrolysis of alkaline solutions.

네번째 평가는, 일정한 전위 및 상술한 주기적인 전위 환경 모두에서 사용된 전극재료의 표면시험에 관한 것이다.The fourth evaluation relates to surface testing of electrode materials used in both constant potential and cyclic potential environment described above.

첫번째 시험은 비정질 합금의 원소의 성분에 대해 신뢰할 만한 정보를 얻기 위해, 유도결합 플라즈마 분광기 (ICP) 를 사용하여 실시하였다. 1 wt.% 미만의 매우 작은 질량손실이 전용해 작업시에 발견되었다 해도, 한 성분에만 손실이 생긴다면, 목적 조성의 부정확을 초래할 것이다. 게다가, 비정질 리본의 길이방향으로 조성의 변동이 생길 수 있다는 염려도 있다. 이러한 이유로, 각 리본으로부터 중간부과 미부(尾部)로 지정된 두지점을 취해서 분석하였다. ICP 는 거의 모든 성분들을 고도의 검출도로 정량적인 분석을 제공하는 기법이다.The first test was carried out using an inductively coupled plasma spectrometer (ICP) to obtain reliable information on the components of the amorphous alloy element. Even if a very small mass loss of less than 1 wt.% Is found during dedicated operation, if only one component is lost, it will lead to the inaccuracy of the desired composition. In addition, there is also a concern that compositional variation may occur in the longitudinal direction of the amorphous ribbon. For this reason, two points designated as intermediate appendages (tail) were taken from each ribbon and analyzed. ICP is a technique that provides quantitative analysis with a high degree of detection of almost all components.

이 기법은, 시료가 유도결합 플라즈마에 에어로졸의 형태로 도입되어야 하므로, 분석될 시료를 수용액에서 용해할 필요가 있다. 각 비정질 리본을 농축 질산에서 용해하고, 물과 염산으로 희석하여, 4 wt% HNO3와 4 wt% HCl 을 함유한 지정된 모용액 (matrix solution) 을 완성한다. 실험오류 분석용으로, 순수한 금속분말로 몇가지 표준용액을 준비하였다. 분석한 주요원소는 Ni, Co, Cr, V 및 B 이다. 표준 및 시료 용액에서 Ni, Co, Cr, V 및 B 의 기대 농도 (expected concentration) 를 표 4 에 요약하였다.This technique requires that the sample to be analyzed be dissolved in an aqueous solution since the sample must be introduced into the inductively coupled plasma in the form of an aerosol. Each amorphous ribbon is dissolved in concentrated nitric acid and diluted with water and hydrochloric acid to complete a designated matrix solution containing 4 wt% HNO 3 and 4 wt% HCl. For the experimental error analysis, several standards were prepared as pure metal powders. The major elements analyzed were Ni, Co, Cr, V and B. The expected concentrations of Ni, Co, Cr, V and B in the standard and sample solutions are summarized in Table 4.

ICP 시료의 기대 농도의 요약 (ppm)Summary of expected concentrations of ICP samples (ppm) 일련 번호Serial Number 용질solute Ni Co Cr or VNi Co Cr or V BB #1#One Blank (1)Blank (1) 0 0 00 0 0 00 #2#2 표준 (2) - 금속Standard (2) - Metal 10.00 10.00 10.0010.00 10.00 10.00 00 #3# 3 표준 (3) - 금속Standard (3) - Metal 100.00 100.00 100.00100.00 100.00 100.00 #4#5#6# 4 # 5 # 6 Ni54Co25Cr1B20중간부Ni54Co25Cr1B20미부표준Ni 54 Co 25 Cr 1 B 20 Intermediate Ni 54 Co 25 Cr 1 B 20 Tie Standard 53.7 24.7 0.954.0 24.8 1.054.0 25.0 1.053.7 24.7 0.954.0 24.8 1.054.0 25.0 1.0 20.620.120.020.620.120.0 #7#8#9# 7 # 8 # 9 Ni50Co25Cr5B20중간부Ni50Co25Cr5B20미부표준Ni 50 Co 25 Cr 5 B 20 Medium Ni 50 Co 25 Cr 5 B 20 Tail Standard 50.6 24.6 5.049.9 24.6 5.750.0 25.0 5.050.6 24.6 5.049.9 24.6 5.750.0 25.0 5.0 19.919.720.019.919.720.0 #10#11#12# 10 # 11 # 12 Ni35Co25Cr20B20중간부Ni35Co25Cr20B20미부표준Ni 35 Co 25 Cr 20 B 20 Intermediate part Ni 35 Co 25 Cr 20 B 20 Tail standard 35.6 25.1 20.235.7 25.1 20.235.0 25.0 20.035.6 25.1 20.235.7 25.1 20.235.0 25.0 20.0 19.118.920.019.118.920.0 #13#14#15# 13 # 14 # 15 Ni50Co25V5B20중간부Ni50Co25V5B20미부표준Ni 50 Co 25 V 5 B 20 Medium Ni 50 Co 25 V 5 B 20 Tail Standard 50.8 25.3 4.650.9 25.3 4.750.0 25.0 5.050.8 25.3 4.650.9 25.3 4.750.0 25.0 5.0 19.319.120.019.319.120.0 #16#17#18#19# 16 # 17 # 18 # 19 표준 B1표준 B2표준 B3표준 B4Standard B1 Standard B2 Standard B3 Standard B4 0 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0 102550100102550100

두번째 시험은 X-선 회절기법을 사용하여, 제조된 리본의 결정화도 (crystallinity) 를 확인하였다. 비교를 위해, 순수원소 니켈, 코발트, 크롬, 붕소 및 금속간 니켈-보라이드 뿐아니라 비정질 합금의 결정화된 조각을 측정하였다. 비정질 시료는 리본을 4 mm ×10 mm의 직사각형 조각으로 잘라서 준비하였다. 그리고 나서 시료를 아세톤, 메탄올 및 중성의 물로 순차적으로 기름을 제거하였다. 결정화된 조각은 대응하는 비정질 합금과 동일한 부피조성을 가졌고, 주로 판상의 취약한 분말의 형태였다. 판상형태의 조각 표면으로 인해, 선택적인 회절이 생기는 것을 피하기 위해, 결정화된 비정질 합금을 애깃 모르타르 (agate mortar) 에서 미세한 분말의 형태로 갈아서, 측정전에 슬라이드 유리 위에 분산시켰다. 회절패턴은, 50 kV Cu-K 방사선을 이용하는 지멘스 D 5000 X-선 회절기로, 20 내지 70 도-2θ의 범위에서 Ni 필터로, 분당 2도-2θ의 주사속도로 측정하였다. 데이타는 디프렉 (Diffrac) AT 소프트웨어로 가공하였다.The second test uses an X-ray diffraction technique to confirm the crystallinity of the produced ribbon. For comparison, crystallized pieces of amorphous alloys as well as pure elemental nickel, cobalt, chromium, boron and intermetallic nickel-boride were measured. Amorphous samples were prepared by cutting the ribbon into 4 mm x 10 mm rectangular pieces. The sample was then degassed sequentially with acetone, methanol and neutral water. The crystallized pieces had the same volume composition as the corresponding amorphous alloy and were in the form of predominantly plate-like fragile powders. Due to the sliced surface in the form of a plate, the crystallized amorphous alloy was grinded in the form of fine powder in an agate mortar and dispersed on a slide glass before measurement to avoid selective diffraction. The diffraction pattern was measured with a Siemens D 5000 X-ray diffractometer using 50 kV Cu-K radiation with a Ni filter in the range of 20-70 degrees -2? With a scanning speed of 2-2? Per minute. Data were processed with Diffrac AT software.

세번째 시험은, 상기 제조된 합금의 타펠 기울기와 교환 전류밀도를 측정함으로써, 수소방출에 대한 전기화학적 과전위를 측정하는 것을 포함한다. 두께 약 20 - 50㎛, 폭 4 - 15mm의 Ni-Co-Cr-B 비정질 합금 리본으로 작용전극을 준비하였다. 리본의 광택측을 연마하고, 폴리싱하여, 기름을 제거하였다. 폴리싱된 리본을 대략 10mm ×10mm 조각으로 자르고, 각 조각을 절연된 구리납에 연결하였다. 결합영역, 폴리싱되지 않은 휠측 및 폴리싱된 측의 주변부를, 아머코트 (Amercoat) 90R에폭시 레진으로 24시간 간격으로 3번 완전하게 코팅하였다. 이 마스킹 코팅은 알칼리성 또는 산성의 환경에 저항성이 있다. 제조된 전극의 노출된 기하학적 표면적은 전형적으로 0.03 ±0.01 cm2이다.The third test involves measuring the electrochemical overvoltage for hydrogen evolution by measuring the inclination of the Tappel and the exchange current density of the alloy produced. A working electrode was prepared from a Ni-Co-Cr-B amorphous alloy ribbon having a thickness of about 20 - 50 탆 and a width of 4 - 15 mm. The glossy side of the ribbon was polished and polished to remove oil. The polished ribbon was cut into approximately 10 mm x 10 mm pieces, and each piece was connected to insulated copper lead. The bonded area, the unpolished wheel side and the periphery of the polished side were completely coated with Amercoat 90 R epoxy resin three times at 24 hour intervals. This masking coating is resistant to alkaline or acidic environments. The exposed geometric surface area of the fabricated electrode is typically 0.03 0.01 cm 2 .

도 4 에 도시한 전해조 (40) 는, 일반적으로 테플론 (Teflon) 으로 형성된 300 ml 용량의 주몸체로 이루어진 3개의 격실 구조를 가지고, 본 발명인 합금 리본의 작용 전극 (42), 반대편 전극 (46) 을 수용하는 1/2″ 테플론 튜브 (44) 및 수은-수은 산화물 페이스트 (Hg/HgO) 로 채워진 1/4″ 테플론 PTFE 튜브 (48)를 수용한다.The electrolytic bath 40 shown in Fig. 4 has three compartment structures of a 300 ml capacity main body formed of Teflon in general. The electrolytic bath 40 has a working electrode 42, an opposite electrode 46, Teflon PTFE tube 48 filled with a mercury-mercury oxide paste (Hg / HgO).

격실은, 다이아프램이나 프리트 (frit) 의 형태의 전해질 투과성 막 (50) 으로 분리되었다. 반대편 전극 (46) 은 표면적이 약 4.4cm2인 25mm ×12.5mm 의 백금거즈였다. 1M KOH 수용액중의 Hg/HgO 페이스트는 기준전극 (referenceelectrode) 으로서 사용되었다. 기준전극 격실의 루긴 (Luggin) 모세혈관의 팁 (54) 은, 본 발명 합금의 작용전극 표면과 약 2mm 의 거리를 두고 있다. 여기서 언급하는 모든 전위는 30℃, 1M KOH 용액중의 Hg/HgO 전극에 대한 것이다. 전해질은, KOH 와, KOH 에 존재하는 불순물을 제거하도록 최소한 24시간 동안 사전-전기분해를 행한 Ι형태의 물로, 8M의 수산화칼륨 수용액을 준비하였다. 전해질은 각 실험 전에 새로운 전해질로 교체하였고, 30 ml/min 의 속도로 아르곤으로 공기를 제거하였다. 아르곤 버블링은 실험 중에 계속하였다. 용액온도는, 18L 수조 (56) (도 5) 에서 이머젼 가열기 (Polystat Immersion Circulator, Cole-Palmer) 를 이용하여 70℃ 로 제어하였다.The compartment was separated into an electrolyte permeable membrane 50 in the form of a diaphragm or frit. The opposite electrode 46 was a 25 mm x 12.5 mm platinum gauze having a surface area of about 4.4 cm 2 . Hg / HgO paste in 1 M KOH aqueous solution was used as a reference electrode. The tip 54 of the Luggin capillary in the reference electrode compartment is at a distance of about 2 mm from the working electrode surface of the present invention alloy. All potentials referred to herein are for Hg / HgO electrodes in 1 M KOH solution at 30 占 폚. The electrolytic solution was prepared by pre-electrolyzing KOH and pre-electrolysis for at least 24 hours to remove impurities present in KOH, and then an aqueous 8M potassium hydroxide solution was prepared. The electrolyte was replaced with fresh electrolyte before each experiment and air was removed with argon at a rate of 30 ml / min. Argon bubbling continued during the experiment. The solution temperature was controlled at 70 캜 using an immersion heater (Polystat Immersion Circulator, Cole-Palmer) in the 18 L water tank 56 (FIG. 5).

전기화학적 측정에 사용된 장치는, 200MHz 펜티엄 Ⅱ PC 를 구비한 호쿠토 덴코 HA-501G 정전위전해장치/정전류기와 GPIB 인터페이스 62를 통해 전기적으로 연결된 수조 (56) 와, 임의함수 발생기 (arbitrary function generator) (호쿠토 덴코 HA-105B) 를 포함한다.The apparatus used for the electrochemical measurement was a water tank 56 electrically connected to a Hokuto Denko HA-501G electrostatic discharge / constant current device having a 200 MHz Pentium II PC via a GPIB interface 62, an arbitrary function generator, (Hokuto Denko HA-105B).

수소방출반응에 대한 비정질 합금의 전기촉매적 활동도는 준-정상상태 분극 (quasi-steady-state polarization) 기법으로 연구하였다. 실제, 준-정전위 상태에서 매우 낮은 스위프 (sweep) 속도인 2 mV/min 로 비정질 전극의 분극곡선을 측정하였다. 이 전위 스위프 속도는, 재현 가능한 안정상태를 측정할 수 있는 최대의 스위프 속도임이 밝혀졌다. 폴리싱된 작용전극을, 시험전에 아세톤, 메탄올 및 Ⅰ형 물로 순차적으로 초음파세척을 하였다. 그리고 나서 전극을 공기가 제거된 1M KOH 와 함께 셀에 두고, 3시간 동안 Hg/HgO 에 대해서 -1.3V 의 전위를 유지하여, 전기화학적으로 전극표면을 세정하도록 하였다. 전위는, 전극반응의 타펠 거동을 평가하기 위하여, 복합사이클로 -0.9 ∼ -1.5V 의 범위로 가해졌다. 분극곡선은, 각 전극에 대해서 적어도 세번 되풀이하여, 그 재현성을 분석하였다.The electrocatalytic activity of the amorphous alloy for the hydrogen release reaction was studied by the quasi-steady-state polarization technique. In practice, the polarization curves of amorphous electrodes were measured at a very low sweep speed of 2 mV / min in the quasi-constant potential state. This potential sweep speed was found to be the maximum sweep speed at which reproducible steady state can be measured. The polished working electrode was ultrasonically cleaned sequentially with acetone, methanol and type I water before the test. Then, the electrode was placed in a cell together with air-removed 1M KOH, and the electrode surface was electrochemically cleaned by maintaining a potential of -1.3 V for Hg / HgO for 3 hours. The potential was applied in a combined cycle range of -0.9 to -1.5 V to evaluate the Tappel's behavior of the electrode reaction. The polarization curve was repeated at least three times for each electrode, and its reproducibility was analyzed.

네번째 시험은, 전극의 퇴화를 비교하기 위해, 셀에서 전기촉매로 사용하기 전과 후에, 비정질 합금과 결정표면에 대해서, 광학 및 주사전자 현미경으로 표면조도를 비교한 것이다. 광학적인 조사는 광 입체경과 광 메탈로그래프 (metallograph) 로 수행하였다. 전자화상은 Link Analytical 10/85s X-선 분석기가 구비된 히타치 S-570 주사전자현미경을 사용하여 얻었다. 명목 화상조건은; 가속전압 20 kV, 빔전류 100㎂, 시료 틸트 15°였다.The fourth test compares the surface roughness of the amorphous alloy and the crystal surface with an optical and scanning electron microscope before and after use as an electrocatalyst in a cell to compare degeneration of the electrode. Optical irradiation was performed with a light stereoscope and a light metallograph. Electronic images were obtained using a Hitachi S-570 scanning electron microscope equipped with a Link Analytical 10 / 85s X-ray analyzer. A nominal picture condition; An acceleration voltage of 20 kV, a beam current of 100 mu A, and a sample tilt of 15 DEG.

첫번째 시험에서는 유도결합 분광기를 이용하여 정량적인 성분분석을 하였다. 유도결합 분광기 분석에 의해 측정된 각 비정질 리본의 평균 실험조성을 표 5 에 나타내었다. 측정된 비정질 리본의 모든 조성은 목적한 조성과 양호한 일치를 보였다. 명목조성으로부터 실제조성과의 편차의 평균 크기는 〈 1 at.% 이었다. 또한, 중간부와 미부의 두개의 다른 길이-위치에서, 주요 원소농도의 변화를 측정하였다. 이 두 위치에서의 성분에 큰 변화는 없었다. 이러한 데이타로부터, 비정질 리본은 길이방향으로 균질하다고 간주할 수 있다.In the first test, a quantitative component analysis was performed using an inductively coupled spectroscope. The average experimental composition of each amorphous ribbon measured by inductively coupled spectroscopy analysis is shown in Table 5. All compositions of the measured amorphous ribbon showed good agreement with the desired composition. The average size of the deviation from nominal composition to actual composition was <1 at.%. In addition, at two different length-positions of the mid and tail portions, the change in the major element concentration was measured. There were no significant changes in the components at these two positions. From this data, the amorphous ribbon can be regarded as homogeneous in the longitudinal direction.

비정질 리본의 조성 (at.%)Composition of amorphous ribbon (at.%) 목적 조성Purpose composition 측정된 조성Measured composition Ni54Co25Cr1B20Ni50Co25Cr5B20Ni45Co25Cr10B20Ni40Co25Cr15B20Ni35Co25Cr20B20Ni50Co25V5B20 Ni 54 Co 25 Cr 1 B 20 Ni 50 Co 25 Cr 5 B 20 Ni 45 Co 25 Cr 10 B 20 Ni 40 Co 25 Cr 15 B 20 Ni 35 Co 25 Cr 20 B 20 Ni 50 Co 25 V 5 B 20 Ni53.7Co24.8Cr1.OB20.1Ni49.9Co24.6Cr5.7B19.7Ni45.1Co24.9Cr10.0B20.0Ni40.3Co25Cr15.0B19.7Ni35.7Co25.1Cr20.2B18.9Ni50.9Co25.3V4.7B19.1 Ni 53.7 Co 24.8 Cr 1.O B 20.1 Ni 49.9 Co 24.6 Cr 5.7 B 19.7 Ni 45.1 Co 24.9 Cr 10.0 B 20.0 Ni 40.3 Co 25 Cr 15.0 B 19.7 Ni 35.7 Co 25.1 Cr 20.2 B 18.9 Ni 50.9 Co 25.3 V 4.7 B 19.1

두번째 시험에서는, 전극재료의 정확한 조성과 별도로 전극특성의 필수부분이므로, 리본의 구조를 X-선 회절로 평가하였다. 비정질 재료에 대한 전형적인 X-선 회절 패턴은 결정구조에 대한 두드러진 날카로운 피크가 없는 넓은 스펙트럼이라고 알려져 있다. 그러므로, X-선 회절 프로파일 상의 넓은 밴드 피크를 통해 정성적으로 합금의 비정질 특성을 확인할 수 있었다.In the second test, the structure of the ribbon was evaluated by X-ray diffraction because it is an essential part of the electrode characteristic apart from the exact composition of the electrode material. A typical X-ray diffraction pattern for an amorphous material is known as a broad spectrum with no noticeable sharp peaks for the crystal structure. Therefore, amorphous characteristics of the alloy can be confirmed qualitatively through the broad band peak on the X-ray diffraction profile.

추가적인 정보로서, 멜트-스핀된 리본에서 결정 엠브리오의 최대 잠재크기를 평가하기 위해서, 지수 즉, 유효 결정 치수를 계산하였다. 유효 결정 치수는 다음의 식으로 표현된다.As an additional information, an exponent, or effective crystal dimension, was calculated to estimate the maximum potential size of the crystal embryo in the melt-spun ribbon. The effective crystal dimensions are expressed by the following equations.

D = ( 0.91λ) / (βcosθ)D = (0.91?) / (? Cos?)

여기서 D는 유효 결정 치수로 단위는 nm 이고, λ는 Cu-K 방사선의 파장으로 0.1542nm 이다. β는 라디안으로, 최대세기의 반에서 주어진 회절 피크의 최대 폭을 나타낸다. θ는 최대 피크에서의 브래그 각이다. 모든 멜트-스핀된 리본에 대해서 유효 결정 치수를 측정하였다. 표 6 에 계산된 결과를 요약하였다. 멜트-스핀된 Ni-Co-Cr-B 합금은, 멜트-스핀된 리본의 비정질 특성을 확인하기 위한 X-선 회절 상의 넓은 밴드 피크로부터, 측정된 유효 결정 치수가 매우 작은 값을 보였다.Where D is the effective crystal size in nm and λ is the wavelength of the Cu-K radiation at 0.1542 nm. β is the radian, which represents the maximum width of the diffraction peak given in half the maximum intensity. is the Bragg angle at the maximum peak. The effective crystal dimensions were measured for all melt-spun ribbons. Table 6 summarizes the calculated results. The melt-spun Ni-Co-Cr-B alloy exhibited a very small effective crystal size measured from the broad band peak of the X-ray diffraction image for confirming the amorphous properties of the melt-spun ribbon.

유효 결정 치수Effective crystal dimension 비정질합금조성Amorphous alloy composition 최대 피크위치2θ(°)Peak peak position 2 [theta] ([deg.]) 외견평균 d-거리d(A)Apparent mean d-distance d (A) 최대세기의 반에서의 최대 폭β(rad)The maximum width β (rad) at half the maximum intensity 유효 결정치수D (nm)Effective crystal dimension D (nm) Ni35Co25Cr20B20Ni50Co25Cr5B20Ni51.4Co25Cr3.6B20 Ni 35 Co 25 Cr 20 B 20 Ni 50 Co 25 Cr 5 B 20 Ni 51.4 Co 25 Cr 3.6 B 20 45.145.746.345.145.746.3 1.9932.0152.0151.9932.0152.015 0.1380.1260.1360.1380.1260.136 1.11.21.11.11.21.1

세번째 시험에서, 다양한 비정질 전극의 전기촉매적인 특성을 측정하고, 결정 원소성분의 거동과 비교하였다. Hg/HgO 에 대해 -0.9 ∼ -1.5V 의 전위범위에서, 결정 Ni, Co, Cr 및 비정질 Ni-Co-(Cr,V)-B 합금의 전류반응 (분극곡선) 은 약 0.001 ∼ 1000 mA/cm2으로 변했다. 통계적인 회귀방법으로 타펠 매개변수 βc와 io를 얻기 위해 분석한, 전위 대 대수전류 플롯 (타펠 플롯) 에서 선형적인 상관관계가 있음을 알 수 있었다. 표 7 에 타펠 기울기와 교환 전류밀도를 요약하였다.In the third test, the electrocatalytic properties of various amorphous electrodes were measured and compared with the behavior of the elemental components. (Polarization curve) of crystalline Ni, Co, Cr and amorphous Ni-Co- (Cr, V) -B alloys in the potential range of -0.9 to -1.5 V with respect to Hg / HgO is about 0.001 to 1000 mA / cm &lt; 2 & gt ;. Statistical regression analyzes to produce a method to tapel parameter βc and i o, it was found that there is a linear correlation between the potential for logarithmic current plot (plot tapel). Table 7 summarizes the Tappel slope and the exchange current density.

30℃, 1M KOH 에서 수소방출반응에 대한 전극의 타펠 매개변수Taffel parameters of the electrode for hydrogen release reaction at 30 ° C, 1M KOH 재료material 타펠 매개변수Tappel parameter -E* -E * -logio -logi o βc*** βc *** 결정decision NiNi 1.25-1.561.25-1.56 3.2 ±0.33.2 ± 0.3 239 ±14239 ± 14 CoCo 1.25-1.441.25-1.44 4.0 ±0.14.0 ± 0.1 178 ±4178 ± 4 MoMo 1.20-1.401.20-1.40 6.6 ±0.26.6 ± 0.2 90 ±490 ± 4 비정질Amorphous Ni50Co25Cr5B20 Ni 50 Co 25 Cr 5 B 20 1.01-1.501.01-1.50 3.153.15 161161 Ni35Co25Cr20B20 Ni 35 Co 25 Cr 20 B 20 1.01-1.501.01-1.50 3.583.58 114114 Ni50Co25V5B20 Ni 50 Co 25 V 5 B 20 1.00-1.501.00-1.50 3.963.96 100100 Ni72Mo8B20 Ni 72 Mo 8 B 20 0.94-1.550.94-1.55 4.0 ±0.044.0 ± 0.04 180 ±2180 ± 2 Ni72Co2Mo6B20 Ni 72 Co 2 Mo 6 B 20 1.00-1.501.00-1.50 5.1 ±0.075.1 ± 0.07 142 ±3142 ± 3 Ni50Co4Mo4B20 Ni 50 Co 4 Mo 4 B 20 1.00-1.501.00-1.50 5.1 ±0.035.1 ± 0.03 148 ±2148 ± 2

* 전위범위 (V vs. Hg/HgO)* Potential range (V vs. Hg / HgO)

** 교환전류밀도 (A/cm2)** Exchange current density (A / cm 2 )

*** 타펠 기울기 (mV/decade), 하이 필드 (high field)*** Tappel slope (mV / decade), high field

표 7 에 표시된 것과 같이, 비정질 합금의 조성의 함수로서, 전류밀도치의 분명한 차이가 명백하게 관찰되었고, 다음과 같은 전기촉매적 활동도의 순위를 알 수 있었다.As shown in Table 7, as a function of the composition of the amorphous alloy, a clear difference in the current density values was clearly observed and the order of the electrocatalytic activity was as follows.

Ni50Co25V5B20〉Ni35Co25Cr20B20〉Ni50Co25Cr5B20 Ni 50 Co 25 V 5 B 20 > Ni 35 Co 25 Cr 20 B 20 > Ni 50 Co 25 Cr 5 B 20

이러한 순위는, 단순히 비정질 합금의 Cr/V 함량의 순에 따르지 않고, 특히 원소형태에 따른다. 비정질 합금중 Ni50Co25V5B20의 전기촉매적 활동도가 가장 높은 것은, 이 비정질 합금상에 형성된 산화물 막의 특성에 영향을 미칠 수 있는 Ni-Co-V 의 상승효과에 의한 것일 수 있다.This ranking does not depend simply on the order of the Cr / V content of the amorphous alloy, but in particular on the elemental form. The highest electrocatalytic activity of Ni 50 Co 25 V 5 B 20 in the amorphous alloy may be due to the synergistic effect of Ni-Co-V which may affect the properties of the oxide film formed on the amorphous alloy .

또한, 미국 특허 5,429,725 호에 대해, 표 7 의 비정질 합금의 특성의 비교로부터, 본 발명에 진보성이 있음은 명백하다. 본 발명은, Mo 함유 합금에 비해 (Cr, V) 함유 합금에서, 더 낮은 타펠 기울기와 더 높은 전류밀도를 보여준다; 이 두 특성은 알칼리성 물 전기분해용 전기촉매로서, 재료의 작용효율을 향상시키는데 기여한다.It is also apparent from the comparison of the properties of the amorphous alloy of Table 7 with respect to U.S. Patent No. 5,429,725 that the present invention has an advancement. The present invention shows lower tendel slope and higher current density in (Cr, V) containing alloys compared to Mo containing alloys; Both of these properties contribute to improving the working efficiency of the material as an electrocatalyst for alkaline water electrolysis.

네번째 시험에서는, 복합 사이클 작업후에 전극표면의 상태에 대한 추가적인 정보를 얻기 위해서, 광학 현미경 및 주사전자 현미경을 사용하여 시편을 시험하였다. 전위 사이클이 가해진 결정 Ni, Co 및 Mo 전극이 두꺼운 부식 생성층을 가지고 있는 것을 알 수 있었다. 200 내지 600 사이클 후의 결정 Ni 전극은 전위 사이클과 함께 부식층의 성장이 있었음을 보여주었다. 결정 Co 전극은, 전극표면상에 다각 판상의 일정한 부착물에 의해 결정/분해 반응의 부호를 보여주었다. 결정 Mo 전극은, 심하게 부식된 표면을 보이고, 남은 골격구조는 활발한 Mo 의 분해가 있었음을 나타낸다. 모든 결정 전극은 폴리싱된 상태보다 매우 높은 조도를 나타내었다.In the fourth test, the specimens were tested using an optical microscope and a scanning electron microscope to obtain additional information on the state of the electrode surface after the combined cycle operation. It was found that the crystalline Ni, Co, and Mo electrodes having a potential cycle had a thick erosion-generating layer. The crystalline Ni electrode after 200 to 600 cycles showed the growth of the corrosion layer with the dislocation cycle. The crystalline Co electrode showed the sign of crystal / decomposition reaction by the constant adherence in the form of a polygonal plate on the electrode surface. The crystalline Mo electrode shows a heavily corroded surface and the remaining skeletal structure indicates active Mo decomposition. All the crystal electrodes showed much higher illuminance than the polished state.

반면에, 전위 사이클이 가해진 비정질 전극은 매우 매끈한 표면 및 비부식상태를 보였다. 단지 약간의 표면층 (아마도 Ni 산화물) 이, 비정질 합금의 매우 매끈한 표면을 덮는 흐릿한 투명 막으로 특징적으로 보여질 수 있다. 사이클링 전과 후의 비정질 전극에 있어서, 어떠한 두드러진 차이도 발견되지 않았다. 그러므로, 매우 가혹한 전위 사이클링 조건에 노출된 후, 비정질 합금 전극은, Ni, Co, 또는 Mo 원소의 결정전극보다 안정하였다.On the other hand, the amorphous electrode to which the potential cycle was applied exhibited a very smooth surface and a noncorrosive state. Only a few superficial layers (possibly Ni oxides) can be distinguished as hazy transparent films covering very smooth surfaces of amorphous alloys. For the amorphous electrode before and after cycling, no noticeable difference was found. Therefore, after exposure to very severe dislocation cycling conditions, amorphous alloy electrodes were more stable than crystalline electrodes of Ni, Co, or Mo elements.

본 발명의 바람직한 특정 실시예를 기술하고, 설명하였지만, 본 발명은 이러한 특정한 실시예에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명은, 구체적인 실시예와 상술한 특징들과 기능적 또는 기계적으로 균등한 모든 실시예를 포함한다.While the preferred specific embodiments of the invention have been described and illustrated, it should be understood that the invention is not limited to these specific embodiments. The present invention also includes all embodiments that are functionally or mechanically equivalent to the specific features and features described above.

본 발명은 전기화학적 전극재료에 사용될 수 있으며, 특별하게는 전기분해로 산소 및 수소를 생산하는 전극재료에 이용될 수 있다.The present invention can be used for an electrochemical electrode material, and particularly for an electrode material that produces oxygen and hydrogen by electrolysis.

Claims (15)

전기화학 공정용 금속유리로, 상기 금속유리가 본질적으로 일반 명목조성이A metallic glass for an electrochemical process, said metallic glass essentially consisting of a nominal nominal composition (Ni,Co)100-x-tAxZt인 재료로 이루어지는 금속유리;(Ni, Co) 100-xt A x Z t ; 여기서, A 는 주기율표의 Ⅳb, Ⅴb, Ⅵb, Ⅶb 및 Ⅷ 로 구성된 그룹으로부터 선택된 요소이고,Where A is an element selected from the group consisting of IVb, VB, VIb, VIIb and VIII of the periodic table, Z 는 탄소 및 주기율표의 Ⅲa, Ⅳa, Ⅴa 및 Ⅵa 로 구성된 그룹으로부터 선택된 반금속성 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 요소이며,Z is an element selected from the group consisting of carbon and a half-metallic element selected from the group consisting of IIIa, IVa, Va and VIa of the periodic table, x, t 및 (100-x-t) 는 원자퍼센트임.x, t, and (100-x-t) are atomic percentages. 제 1 항에 있어서, A가, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Zr, Nb, Mo, Tc, Hg, Ta 및 W 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속이고, x 가 약 1 내지 20 at.%로 선택되는 것을 특징으로 하는 금속유리.The method of claim 1, wherein A is at least one metal selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Zr, Nb, Mo, Tc, Hg, Ta, %. &Lt; / RTI &gt; 제 2 항에 있어서, x가, 약 1 내지 5 at.%로 선택되는 것을 특징으로 하는 금속유리.The metal glass according to claim 2, wherein x is selected from about 1 to 5 at.%. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, Z 는 실리콘, 인, 탄소 및 붕소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 요소이고, t 는 약 15 내지25 at.%로 선택되는 것을 특징으로 하는 금속유리.The composition of any one of claims 1 to 3, wherein Z is at least one element selected from the group consisting of silicon, phosphorus, carbon and boron, and t is selected from about 15 to 25 at. Metal glass. 제 4 항에 있어서, t 가 약 20 at.%인 것을 특징으로 하는 금속유리.The metal glass according to claim 4, wherein t is about 20 at.%. 제 1 항 내지 제 5 항중의 어느 한 항에 있어서, 실질적으로 균질한 것을 특징으로 하는 금속유리.The metal glass according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it is substantially homogeneous. 제 1 항 내지 제 6 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 Ni, Co, A 및 Z 가 본질적으로 원소상태 (elemental state) 인 것을 특징으로 하는 금속유리.7. The metallic glass according to any one of claims 1 to 6, wherein the Ni, Co, A and Z are essentially elemental states. 제 1 항에 있어서, 본질적으로 명목조성이 Ni50Co25Cr5B20인 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속유리.The metallic glass according to claim 1, characterized in that it consists essentially of a material having a nominal composition of Ni 50 Co 25 Cr 5 B 20 . 제 1 항에 있어서, 본질적으로 명목조성이 Ni50Co25V5B20인 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속유리.The metallic glass according to claim 1, characterized in that it consists essentially of a material having a nominal composition of Ni 50 Co 25 V 5 B 20 . 제 1 항에 있어서, 본질적으로 바람직한 명목조성이 Ni45Co25V5Cr5B20인 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속유리.The metallic glass according to claim 1, characterized in that an essentially preferred nominal composition is composed of a material of Ni 45 Co 25 V 5 Cr 5 B 20 . 본질적으로 제 1 항 내지 제 10 항중의 어느 한 항에 따른 재료로 이루어지는 금속유리를 포함하는 전기화학 셀용 전극.An electrode for an electrochemical cell, comprising a metallic glass essentially consisting of the material according to any one of claims 1 to 10. 제 11 항에 있어서, 지지부와, 이 지지부의 적어도 일부분에 피복된 상기 금속유리를 포함하는 코팅을, 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.12. The electrode of claim 11, comprising a support and a coating comprising the metal glass coated on at least a portion of the support. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 자기 지지구조 (self-supporting structure) 의 형태로 된 것을 특징으로 하는 전극.13. An electrode according to claim 11 or 12, characterized in that it is in the form of a self-supporting structure. 제 11 항 내지 제 13 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 전기화학 셀이 수용액으로부터 산소와 수소를 전기화학적으로 생산하기 위한 것임을 특징으로 하는 전극.The electrode according to any one of claims 11 to 13, wherein the electrochemical cell is for electrochemically producing oxygen and hydrogen from an aqueous solution. 전기화학 셀에서 수용액으로부터 산소와 수소를 전기화학적으로 생산하는 개선된 공정으로서, 상기 공정은 전극으로 상기 수용액을 전기분해하는 것을 포함하며, 상기의 개선은 본질적으로 제 1 항 내지 제 10 항중의 어느 한 항에 따른 재료로 이루어진 금속유리를 포함하는 하나 이상의 상기 전극을 포함하는 공정.An improved process for the electrochemical production of oxygen and hydrogen from an aqueous solution in an electrochemical cell, the process comprising electrolysis of the aqueous solution with an electrode, wherein the improvement essentially consists of any of the steps 1 to 10 A process comprising at least one electrode comprising a metallic glass of a material according to any one of the preceding claims.
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