KR20040025987A - Manufacturing method of Pt catalyst for electrode utilizing carbon nanotube - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided is a process for producing a platinum catalyst for an electrode of a fuel cell by using a carbon nano tube, which can improve the reactivity of the electrode of the fuel cell by reducing a particle diameter of the platinum catalyst to several nanometer or less. CONSTITUTION: The process contains the steps of: depositing a platinum(Pt) membrane on a silicon substrate, wherein the platinum membrane has a thickness of 10-50 angstrom; etching the platinum membrane with an etching gas to roughen the surface of the platinum membrane, wherein the etching gas is ammonia(NH3); growing the carbon nano tube to adsorb the platinum catalyst uniformly to the carbon nano tube by precipitating the platinum catalyst having a size of several tens nanometer or less by supplying a reactive gas and the etching gas to the platinum membrane.

Description

탄소나노튜브를 이용한 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법 {Manufacturing method of Pt catalyst for electrode utilizing carbon nanotube}Manufacturing method of platinum catalyst for electrode of fuel cell using carbon nanotubes {Manufacturing method of Pt catalyst for electrode utilizing carbon nanotube}

본 발명은 연료전지의 전극의 촉매 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a catalyst for an electrode of a fuel cell, and more particularly to a method for producing a platinum catalyst for an electrode of a fuel cell.

연료전지란 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변화시키는 발전 소자로서 최근 자동차, 주택, 휴대기기 등에 전원 공급원으로 연료전지를 이용하는 연구가 진행되고 있다.A fuel cell is a power generation element that converts chemical energy of fuel into electrical energy. Recently, research on using a fuel cell as a power supply source for automobiles, houses, and mobile devices has been conducted.

도 1은 연료전지의 구조를 간략히 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 연료전지는 셀 내에 애노드(11)와 캐소드(13)전극이 위치하고 그 사이에 전해질막(15)이 배열된 막전극조립체(MEA; Membrane Electrode Assembly)와 연료공급용기(17) 및 공기공급용기(19)로 이루어진다. 애노드(11)에서는 연료공급용기(17)의 연료로부터 제공된 수소(H2)가 전자를 잃는 화학식 1과 같은 반응식에 의해 수소 이온(H+)이 되어 전해질막(15)으로 인입된다.1 is a view schematically showing the structure of a fuel cell. Referring to FIG. 1, a fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) and a fuel supply container 17 in which an anode 11 and a cathode 13 electrode are disposed in a cell, and an electrolyte membrane 15 is arranged therebetween. ) And an air supply container 19. In the anode 11, hydrogen (H 2 ) provided from the fuel of the fuel supply container (17) becomes hydrogen ions (H + ) by the reaction formula as shown in Formula 1, which loses electrons, and is introduced into the electrolyte membrane (15).

H_2 -> 2H^+ +2e^-H_2-> 2H ^ + + 2e ^-

캐소드(13)에는 전해질막(15)으로부터 공급되는 수소 이온(H+)과 공기공급용기(19)의 공기로부터 제공되는 산소와 애노드(11)에서 공급되는 전자로부터 화학식 2에 의해 물이 생성된다.The cathode 13 generates water by the formula (2) from hydrogen ions (H + ) supplied from the electrolyte membrane 15, oxygen supplied from the air of the air supply vessel 19, and electrons supplied from the anode 11. .

즉 화학식 1 및 2로부터 연료전지의 전체에서 일어나는 전 전지반응은 화학식 3과 같이 나타낼 수 있다.That is, the entire cell reaction occurring in the entire fuel cell from Formulas 1 and 2 may be represented as in Formula 3.

연료전지에 있어 에너지밀도를 높여 출력밀도와 출력전압을 향상시키기 위해 전극, 연료, 전해질막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 특히 전극의 전도성 향상을 위해 촉매의 반응성을 높이려는 시도가 이루어지고 있다. 전극의 성능은 촉매층으로의 반응물의 확산과 반응 생성물의 배출 등과 같은 물질 전달의 용이성에 의해 크게 영향을 받으며, 이는 촉매의 반응표면적이 증가할수록 향상된다. 따라서, 전극에 존재하는 촉매의 반응성을 높이기 위해서는 촉매의 입자지름을 수 nm의 크기로 줄여 반응 표면적을 증가시킬 필요가 있다.In order to improve energy density and output voltage in fuel cells, researches on electrodes, fuels, and electrolyte membranes are being actively conducted. In particular, attempts have been made to increase the reactivity of catalysts to improve the conductivity of electrodes. . The performance of the electrode is greatly influenced by the ease of mass transfer, such as the diffusion of reactants into the catalyst bed and the discharge of reaction products, which improves as the reaction surface area of the catalyst increases. Therefore, in order to increase the reactivity of the catalyst present in the electrode, it is necessary to reduce the particle diameter of the catalyst to a size of several nm to increase the reaction surface area.

따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 특히 백금촉매의 입자지름을 수 nm 이하의 크기로 줄여 연료전지의 전극의 반응성을 향상시킬 수 있는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법을 제공하는 것이다.Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is to improve the above-described problems of the prior art, in particular, by reducing the particle diameter of the platinum catalyst to a size of several nm or less of the fuel cell that can improve the reactivity of the electrode of the fuel cell It is to provide a method for producing a platinum catalyst for the electrode.

도 1은 연료전지의 구조를 간략히 나타낸 도면,1 is a view schematically showing the structure of a fuel cell,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 백금촉매 제조방법을 나타낸 플로우차트,2 is a flowchart showing a platinum catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention;

도 3a 내지 3d는 본 발명의 실시예에 따른 백금촉매 제조방법을 나타낸 공정도,Figure 3a to 3d is a process chart showing a platinum catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 백금촉매 제조방법에 사용되는 반응장치를 나타낸 장치도,Figure 4 is an apparatus showing a reaction apparatus used in the platinum catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 백금촉매 제조방법에 의해 제조된 백금촉매가 흡착된 탄소나노튜브를 보인 SEM 사진,Figure 5 is a SEM photograph showing the carbon nanotubes adsorbed platinum catalyst prepared by the platinum catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 백금촉매 제조방법에 의해 제조된 백금촉매가 흡착된 탄소나노튜브를 확대한 TEM 사진,6 is an enlarged TEM photograph of a carbon nanotube adsorbed by a platinum catalyst prepared by a platinum catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention;

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 백금촉매 제조방법에 의해 제조된 백금촉매가 흡착된 탄소나노튜브를 확대한 TEM 사진,Figure 7 is a TEM photograph of an enlarged carbon nanotubes adsorbed platinum catalyst prepared by the platinum catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention,

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 백금촉매 제조방법에 의해 제조된 백금촉매가 흡착된 탄소나노튜브를 확대한 TEM 사진.8 is an enlarged TEM photograph of a carbon nanotube adsorbed by a platinum catalyst prepared by a platinum catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>

11 ; 애노드 13 ; 캐소드11; Anode 13; Cathode

15 ; 전해질막 17 ; 연료공급용기15; Electrolyte membrane 17; Fuel supply container

19 ; 공기공급용기 21 ; 부하19; Air supply container 21; Load

31 ; 기판 33 ; 백금막31; Substrate 33; Platinum film

35 ; NH3플라즈마 37 ; NH3와 C2H2혼합 플라즈마35; NH 3 plasma 37; NH 3 and C 2 H 2 Mixed Plasma

41 ; 히터 42 ; 진공펌프41; Heater 42; Vacuum pump

43 ; 하부전극 45 ; 상부전극43; Lower electrode 45; Upper electrode

47 ; 진공관 49 ; 반응 용기47; Vacuum tube 49; Reaction vessel

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above technical problem,

기판 상에 백금(Pt)막을 증착하는 제1단계;와Depositing a platinum (Pt) film on a substrate; and

상기 백금막을 에칭성 기체로 식각하여 백금막의 표면을 거칠게 하는 제2단계;와Etching the platinum film with an etching gas to roughen the surface of the platinum film; and

상기 백금막에 반응성 기체와 에칭성 기체를 공급하여 수십 nm 이하의 크기를 가지는 백금 촉매를 석출시켜 탄소나노튜브에 균일하게 흡착되도록 상기 탄소나노튜브를 성장시키는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법을 제공한다.And supplying a reactive gas and an etching gas to the platinum film to precipitate a platinum catalyst having a size of several tens of nm or less and to grow the carbon nanotubes to be uniformly adsorbed onto the carbon nanotubes. It provides a method for producing a platinum catalyst for an electrode of a fuel cell.

상기 제1단계에서, 상기 백금막은 10 내지 50Å정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.In the first step, the platinum film is preferably formed to a thickness of about 10 to 50Å.

상기 제1단계에서, 상기 기판은 실리콘으로 형성한다.In the first step, the substrate is formed of silicon.

상기 제1단계에서, 상기 기판과 상기 백금막 사이의 계면에 Ti 막을 더 형성하는 것이 바람직하다.In the first step, it is preferable to further form a Ti film at the interface between the substrate and the platinum film.

상기 제2단계에서, 상기 에칭성 기체는 암모니아(NH3)인 것이 바람직하다.In the second step, the etching gas is preferably ammonia (NH 3 ).

상기 제2단계에서, 상기 백금막의 상면에 상기 암모니아를 310℃ 정도의 온도에서 240sccm 정도의 유량으로 1분 정도 주입하는 것이 바람직하다.In the second step, the ammonia is preferably injected into the upper surface of the platinum film at a flow rate of about 240 sccm at a temperature of about 310 ° C. for about 1 minute.

상기 제2단계에서, 상기 암모니아에 550V 및 0.04A 정도의 전기 에너지를 인가하여 플라즈마로 형성하는 것이 바람직하다.In the second step, it is preferable to form the plasma by applying electrical energy of about 550V and 0.04A to the ammonia.

상기 제3단계에서, 상기 반응성 기체는 에틸렌(C2H2)인 것이 바람직하다.In the third step, the reactive gas is preferably ethylene (C 2 H 2 ).

상기 제3단계에서, 상기 에틸렌에 520℃ 정도의 온도에서 60sccm 정도의 유량으로 15분 정도 주입하는 것이 바람직하다.In the third step, it is preferable to inject about 15 minutes into the ethylene at a flow rate of about 60 sccm at a temperature of about 520 ℃.

상기 제3단계에서, 상기 에틸렌과 암모니아에 620V 및 0.12A의 전기 에너지를 인가하여 플라즈마로 형성하는 것이 바람직하다.In the third step, it is preferable to form the plasma by applying electrical energy of 620V and 0.12A to the ethylene and ammonia.

상기 제1단계에서, 상기 백금막은 화학기상증착법 또는 단원자층증착법으로 증착한다.In the first step, the platinum film is deposited by chemical vapor deposition or monolayer deposition.

상기 제2단계에서, 상기 백금막을 RIE법을 이용해 식각하는 것이 바람직하다.In the second step, the platinum film is preferably etched using the RIE method.

상기 제3단계에서, 상기 탄소나노튜브를 플라즈마 화학기상증착법을 이용해 성장시키는 것이 바람직하다.In the third step, it is preferable to grow the carbon nanotubes by plasma chemical vapor deposition.

상기 제3단계에서, 바람직하게는 상기 백금촉매는 3 내지 5nm의 크기로 석출된다.In the third step, the platinum catalyst is preferably precipitated in the size of 3 to 5nm.

본 발명은 금속막의 상면에 탄소나노튜브를 성장시키되, 백금촉매가 탄소나노튜브에 흡착되어 성장하도록 함으로써 연료전지의 전극에 사용되는 백금촉매를 수 nm 이하의 작은 크기로 제조할 수 있는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for growing a carbon nanotube on the upper surface of a metal film and allowing the platinum catalyst to be adsorbed and grown on the carbon nanotube to produce a platinum catalyst used for an electrode of a fuel cell with a small size of several nm or less. do.

이하 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 전극에 사용되는 백금촉매 제조방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a platinum catalyst manufacturing method used for an electrode of a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 백금촉매 제조방법을 나타낸 플로우 차트이며, 도 3a 내지 3d는 본 발명의 실시예에 따른 백금촉매 제조방법을 나타낸 공정도이다.Figure 2 is a flow chart showing a platinum catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention, Figure 3a to 3d is a process chart showing a platinum catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도 2 및 도 3a를 참조하면, 먼저 제111단계에서 실리콘 기판(31)의 상면에 백금(Pt)막(33)을 증착한다. 백금막(Pt)은 일반적인 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)이나 단원자층 증착법(ALD; Atomic Layer Deposition)을 이용하여 증착한다.2 and 3A, in operation 111, a platinum (Pt) layer 33 is deposited on the upper surface of the silicon substrate 31. The platinum film Pt is deposited using a general chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD) method.

다음 도 2 및 도 3b를 참조하면, 제113단계에서 백금막(33)의 상면으로 암모니아(NH3)(35)를 주입하여 플라즈마로 형성시켜 백금막(33)의 표면을 선식각(pre-etching)함으로써 백금막(33)에 조도를 주어 표면을 거칠게 한다. 이 때 암모니아(35)는 200~300sccm 정도의 유량으로 주입하고 250~350℃ 정도의 온도로 1분 정도 주입하며, 상기 암모니아(35)에 500~600V와 0.02~0.06A의 전기에너지를 가하여 플라즈마로 형성한다. 백금막(33)의 표면을 거칠게 함으로써 백금촉매(32) 입자가 백금막(33)의 표면과의 결합력이 약화되어 쉽게 석출될 수 있다.Next, referring to FIGS. 2 and 3B, in step 113, ammonia (NH 3 ) 35 is injected into the upper surface of the platinum film 33 to form plasma to pre-etch the surface of the platinum film 33. By etching, the platinum film 33 is roughened to roughen the surface. At this time, the ammonia 35 is injected at a flow rate of about 200 to 300 sccm, and is injected for about 1 minute at a temperature of about 250 to 350 ° C., and 500 to 600 V and 0.02 to 0.06 A of electrical energy are added to the ammonia 35 to plasma. To form. By roughening the surface of the platinum film 33, the platinum catalyst 32 particles can be easily precipitated by weakening the bonding force with the surface of the platinum film 33.

제115단계에서는 아세틸렌(C2H2)과 암모니아(NH3)를 표면이 거칠어진 백금막(33)의 상면으로 주입하여 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube)(30)를 성장시킨다. 이 때 아세틸렌의 유량은 50~70sccm 정도가 되게 하고 아세틸렌과 암모니아의 주입시간은 12~17분 정도로 하며,570~6700V, 0.08~0.16A 정도의 전기에너지를 주어 플라즈마로 형성시켜 탄소나노튜브(30)를 성장시킨다. 탄소나노튜브(30)의 성장온도는 대략 500~550도 정도가 적당하다.In the 115th step, acetylene (C 2 H 2 ) and ammonia (NH 3 ) are injected into the top surface of the roughened platinum film 33 to grow a carbon nanotube (CNT) 30. At this time, the flow rate of acetylene is about 50 ~ 70sccm, and the injection time of acetylene and ammonia is about 12 ~ 17 minutes, and it is formed by plasma giving electric energy of about 570 ~ 6700V, 0.08 ~ 0.16A and forming carbon nanotubes (30 Grow). The growth temperature of the carbon nanotubes 30 is suitable about 500 ~ 550 degrees.

여기서, 탄소나노튜브(30)는 플라즈마 화학기상증착법(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법으로 성장시킨다. 도시된 바와 같이 탄소나노튜브(30)는 백금막(33)의 표면에서 성장하면서 한편으로는 에칭성 기체에 의해 석출되는 백금촉매(32)가 탄소나노튜브(30)에 흡착되어 성장한다. 백금촉매(32)는 수~수십 nm 크기의 작은 크기로 형성되어 단위무게당 표면적은 증가하는 반면, 탄소나노튜브(30)의 격자구조속에 균일하게 분산되어 응집현상은 일어나지 않아 양질의 백금촉매(32)가 제조된다.Herein, the carbon nanotubes 30 are grown by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). As shown in the drawing, the carbon nanotubes 30 grow on the surface of the platinum film 33, and on the other hand, the platinum catalysts 32 precipitated by the etching gas are adsorbed on the carbon nanotubes 30 and grow. The platinum catalyst 32 is formed in a small size of several tens to several tens of nm, and the surface area per unit weight increases, while the platinum catalyst 32 is uniformly dispersed in the lattice structure of the carbon nanotubes 30 so that agglomeration does not occur. 32) is made.

플라즈마 화학기상증착법은, 금속촉매가 존재하는 반응기의 두 전극 사이에 아세틸렌 가스를 주입시키며, 직류 또는 고주파 전계에 의해 상기 가스를 글로우(glow) 방전시킨 다음 플라즈마로 변형시켜 그 에너지에 의해 전극상에 탄소나노튜브를 성장시키는 방법이다. 플라즈마란 글로우 방전에 의해 생성된 자유전자가 충분한 에너지를 얻어 가스 분자들과 충돌할 때 가스 이온이 생성되며 생성된 이온과 전자들의 집합을 의미한다. 탄소나노튜브를 성장시키는 방법에는 상술한 플라즈마 화학기상증착법 이외에도 전기방전법(arc discharge), 레이저 증착법(laservaporization), 열화학 기상증착법(Thermal Chemical Vapor Depostion) 및, 기상합성법(Vapor phase growth)등을 이용할 수 있다.In the plasma chemical vapor deposition method, an acetylene gas is injected between two electrodes of a reactor in which a metal catalyst is present, the gas is glow discharged by a direct current or a high frequency electric field, transformed into a plasma, and the energy is deposited on the electrode. It is a method of growing carbon nanotubes. Plasma refers to a collection of generated ions and electrons when free electrons generated by glow discharge get enough energy to collide with gas molecules. In addition to the above-described plasma chemical vapor deposition, carbon nanotubes can be grown using an arc discharge, laser vaporization, thermal chemical vapor deposition, vapor phase growth, and the like. Can be.

화학기상증착법에서는 탄소나노튜브를 증착하기 위한 반응 기체로 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 일산화탄소(CO)등이 이용되며, 이 가스는 수소(H2)나 암모니아(NH3)같은 에칭성 가스들과 혼합되어 사용된다. 상기 반응 기체 중 메탄은 고에너지 플라즈마를 이용할 경우 양호한 성질의 탄소나노튜브를 생성할 수 있으며, 아세틸렌은 상대적으로 낮은 온도에서도 탄소나노튜브의 증착이 가능하다.In chemical vapor deposition, methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), and carbon monoxide (CO) are used as reaction gases for depositing carbon nanotubes, which are hydrogen (H 2 ) or ammonia (NH 3). Mixed with such etchant gases. Methane in the reaction gas can produce carbon nanotubes having good properties when using high energy plasma, and acetylene can deposit carbon nanotubes even at relatively low temperatures.

본 발명에서는 식각성 기체로는 암모니아 플라즈마를 이용하고 반응성 기체로는 에틸렌 플라즈마를 이용한다.In the present invention, an ammonia plasma is used as an etching gas and ethylene plasma is used as a reactive gas.

제117단계로 제115단계에서 성장하기 시작한 탄소나노튜브(30)는 백금막에서 석출되는 백금촉매(32)가 그 표면 또는 내면에 흡착되어 계속적으로 성장한다. 탄소나노튜브(30) 성장시 탄소나노튜브(30)의 표면과 내부의 탄소에 흡착되는 백금촉매(32)의 입자 크기는 5nm 정도로 형성되므로 연료전지에 효율적으로 사용할 수 있다.In step 117, the carbon nanotubes 30 started to grow in step 115 and the platinum catalyst 32 precipitated from the platinum film is adsorbed on the surface or the inner surface thereof and continues to grow. When the carbon nanotubes 30 are grown, the particle size of the platinum catalyst 32 adsorbed to the carbon inside and on the surface of the carbon nanotubes 30 is about 5 nm, so that the carbon nanotubes 30 can be efficiently used in a fuel cell.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 알칼리형(Alkali Fuel Cell), 인산형(PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염형(MCFC; Melted Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SCFC; Solid C? Fuel Cell) 및 고체고분자전해질형(PEMFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell)로 나뉜다. 여기서, 백금촉매를 필요로 하는 연료전지는 알칼리형, 인산형, 고체고분자전해질형 연료전지이다.According to the type of electrolyte used, the fuel cell may be an alkali type (Alkali Fuel Cell), a phosphoric acid type (PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell), a molten carbonate type (MCFC; Melted Carbonate Fuel Cell), or a solid oxide type (SCFC; Solid C? Fuel Cell) and Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEMFC). Here, fuel cells requiring platinum catalysts are alkali type, phosphoric acid type, and solid polymer electrolyte type fuel cells.

알칼리형 연료전지는 전해질로 KOH 용액을 사용하며 백금촉매를 가지는 다공성 니켈을 전극으로 사용하고, 인산형 연료전지는 전해질로 인산(H2PO4)을 사용하며 백금촉매를 가지는 다공성 니켈이나 그래파이트를 전극으로 사용한다. 고체고분자전해질형 연료전지는 고분자전해질막(Nafion 등)을 전해질로 사용하며 백금촉매를 가지는 PTFE를 전극으로 사용한다.Alkaline fuel cell uses KOH solution as electrolyte and porous nickel with platinum catalyst as electrode, phosphoric acid fuel cell uses phosphoric acid (H 2 PO 4 ) as electrolyte and porous nickel or graphite with platinum catalyst Used as an electrode. The solid polymer electrolyte fuel cell uses a polymer electrolyte membrane (Nafion, etc.) as an electrolyte, and PTFE having a platinum catalyst as an electrode.

용융탄산염형 연료전지는 용융탄산염(Li2CO3+K2CO3)을 전해질로 사용하며 전극으로 다공성 니켈을 사용하지만 백금촉매는 사용하지 않으며, 고체산화물형 연료전지도 YSZ(ZrO2+Y2O3)를 전해질로 사용하고 산화 니켈을 전극으로 사용하지만, 백금촉매는 사용하지 않는다.Molten carbonate fuel cell uses molten carbonate (Li 2 CO 3 + K 2 CO 3 ) as electrolyte and porous nickel as an electrode, but no platinum catalyst, and solid oxide fuel cell also uses YSZ (ZrO 2 + Y 2 O 3 ) is used as electrolyte and nickel oxide is used as electrode, but platinum catalyst is not used.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 백금촉매 제조방법에 의해 제조되는 백금촉매는 상술한 알칼리형, 인산형 고체고분자전해질형 전극에 사용될 수 있다.Therefore, the platinum catalyst prepared by the platinum catalyst manufacturing method according to the embodiment of the present invention can be used in the above-described alkali type, phosphoric acid type solid polymer electrolyte type electrode.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 백금촉매 제조방법에 사용되는 반응장치이다.4 is a reaction apparatus used in the platinum catalyst production method according to the embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 반응용기(49)의 내부의 바닥면에는 히터(41)가 위치하고 그 상부에는 하부전극(43)이 마련되어 있다. 하부전극(43)의 상면에는 기판(31)과 백금막(33)의 다층막구조가 설치되어 있으며 하부전극(43)과 대향하여 상기 다층막구조의 상부에 상부전극(45)이 위치하고 있다. 반응용기(49)에는 외부로부터 에칭성 기체와 반응성 기체가 공급되는 공급관(47)과 반응 후 기체들이 배출되는 진공펌프(42)가 구비되어 있으며, 외부에 마련된 RF(Radio Frequency)발생기는 상부전극(45)과 하부전극(43)에 연결되어 전기 에너지를 전달한다. 상부전극(45)은 메쉬형으로 형성되어 공급관(47)으로부터 주입되는 기체를 백금막(33)의 상부로 공급할 수 있다.Referring to FIG. 4, a heater 41 is disposed on a bottom surface of the reaction vessel 49, and a lower electrode 43 is provided on an upper portion thereof. The multilayer film structure of the substrate 31 and the platinum film 33 is provided on the upper surface of the lower electrode 43, and the upper electrode 45 is positioned on the upper portion of the multilayer film structure opposite to the lower electrode 43. The reaction vessel 49 is provided with a supply pipe 47 through which the etchant gas and the reactive gas are supplied from the outside, and a vacuum pump 42 through which the gases are discharged after the reaction. The RF (Radio Frequency) generator provided at the outside has an upper electrode. It is connected to the 45 and the lower electrode 43 to transfer electrical energy. The upper electrode 45 may be formed in a mesh shape to supply a gas injected from the supply pipe 47 to the upper portion of the platinum film 33.

다음의 표 1은 도 4에 도시된 반응장치를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 백금촉매 제조방법을 실시한 실험조건을 제시한다.Table 1 below shows experimental conditions of carrying out the platinum catalyst preparation method according to the embodiment of the present invention using the reactor shown in FIG.

NH3플라즈마 에칭NH 3 plasma etching C2H2+NH3플라즈마로 CNT 성장CNT growth with C 2 H 2 + NH 3 plasma NH3(sccm)NH 3 (sccm) 플라즈마 파워(V/A)Plasma Power (V / A) 시간(분)Minutes 에칭온도(℃)Etching Temperature (℃) C2H2유량(sccm)C 2 H 2 Flow rate (sccm) 플라즈마 파워(V/A)Plasma Power (V / A) 시간(분)Minutes 성장온도(℃)Growth temperature (℃) 240240 550/0.04550 / 0.04 1One 310310 6060 620/0.12620 / 0.12 1515 520520

<표 1>TABLE 1

에칭성 기체로 암모니아(NH3) 기체를 백금막(33)의 상면에 공급하는 경우 진공용기(49)의 온도를 310℃ 정도로 유지하고 240sccm 정도의 유량으로 1분정도 흘려준다. 이 때 글로우 방전을 위한 플라즈마 파워는 550V/ 0.04A 정도가 되게 한다.When the ammonia (NH 3 ) gas is supplied to the upper surface of the platinum film 33 as the etching gas, the temperature of the vacuum vessel 49 is maintained at about 310 ° C. and flows for about 1 minute at a flow rate of about 240 sccm. At this time, the plasma power for the glow discharge is about 550V / 0.04A.

백금막(33)의 표면에 백금촉매 형성을 위한 전단계로 표면을 거칠게 한 다음, 반응성 기체로 에틸렌(C2H2) 기체를 선택하고 에칭성 기체인 암모니아 기체와 함께 백금막(33)상면으로 공급한다.The surface of the platinum film 33 is roughened as a previous step for forming a platinum catalyst, and then ethylene (C2H2) gas is selected as a reactive gas and supplied to the upper surface of the platinum film 33 together with the ammonia gas, which is an etching gas.

이 때 반응용기(49)의 탄소나노튜브 성장을 위한 온도는 520℃ 정도가 되게 하고 에틸렌 기체의 유량은 60sccm 정도로 15분 정도 백금막(33)의 상면에 공급한다. 에틸렌 기체와 암모니아 기체의 플라즈마 형성을 위한 전기에너지의 파워는 620V/0.12A 정도가 되게 공급한다.At this time, the temperature for growing carbon nanotubes in the reaction vessel 49 is about 520 ° C, and the flow rate of ethylene gas is supplied to the upper surface of the platinum film 33 for about 15 minutes at about 60 sccm. Electric energy for plasma formation of ethylene gas and ammonia gas is supplied to be about 620V / 0.12A.

백금막(33)의 표면에는 탄소나노튜브(30)가 형성되며 성장하기 시작하고, 백금막(33)으로부터 에칭성 기체에 의해 식각된 백금촉매(32)는 탄소나노튜브(30)의 성장과 함께 탄소나노튜브(30)의 전체 구조에 고르게 분산되며 석출된다. 탄소나노튜브(30)의 내부에는 대략 2~30nm 크기의 백금촉매(32)입자가 생성되어 흡착된다.The carbon nanotubes 30 are formed on the surface of the platinum film 33 and start to grow. The platinum catalyst 32 etched by the etching gas from the platinum film 33 is formed by the growth of the carbon nanotubes 30. Together and evenly dispersed in the entire structure of the carbon nanotubes (30). Inside the carbon nanotubes 30, particles of platinum catalyst 32 having a size of about 2 to 30 nm are generated and adsorbed.

암모니아 플라즈마에 의한 식각 시간이 증가할수록 탄소나노튜브의 성장밀도는 감소되는 반면, 암모니아와 에틸렌 혼합 플라즈마의 양이 증가할수록 에칭이 증가하고 탄소나노튜브의 밀도는 증가한다. 또한, 탄소나노튜브 성장 시간이 증가할수록 아세틸렌의 분해가 많아지고 탄소나노튜브의 길이는 증가한다.As the etching time by the ammonia plasma increases, the growth density of the carbon nanotubes decreases, whereas as the amount of ammonia and ethylene mixed plasma increases, the etching increases and the density of the carbon nanotubes increases. In addition, as the carbon nanotube growth time increases, the decomposition of acetylene increases and the carbon nanotube length increases.

기판 상면에 티타늄(Ti)막을 증착한 다음, 그 상면에 백금막을 증착하고 탄소나노튜브를 성장시키는 경우, 백금과 티타늄 간의 약한 결합력으로 인해 백금 응집핵 영역은 감소하고 확산율은 증가하여 작은 크기의 백금 나노입자를 대량으로 생산할 수 있다.In the case of depositing a titanium (Ti) film on the upper surface of the substrate, and then depositing a platinum film on the upper surface of the substrate and growing carbon nanotubes, the weak bonding force between the platinum and titanium decreases the area of platinum agglomeration nuclei and increases the diffusion rate, thereby reducing the size of platinum. Nanoparticles can be produced in large quantities.

더 작은 크기의 백금촉매(32)를 더 많이 제조하고 탄소나노튜브에 고르게 분산시키기 위해, 선식각공정에서 백금막(33) 표면의 거칠기를 증가시키고 에칭성 기체와 반응성 기체의 양을 증가시키면서 많은 탄소나노튜브를 빠르게 성장시킬 수 있는 조건이 요구된다. 이와 같은 성장조건에 대해 상술한 실험조건은 하나의 예시가 될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.In order to make more platinum catalyst 32 of smaller size and to distribute it evenly in the carbon nanotubes, it is necessary to increase the roughness of the surface of the platinum film 33 in the linear etching process and increase the amount of etching and reactive gases. Conditions for growing carbon nanotubes are required. Experimental conditions described above for such growth conditions may be one example, but are not limited thereto.

이러한 실험조건하에서 성장된 탄소나노튜브와 백금촉매에 대한 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진이 도 5에 도시되어 있다.SEM (Scanning Electron Microscopy) photographs of carbon nanotubes and platinum catalysts grown under these experimental conditions are shown in FIG. 5.

도 5를 참조하면, 수백nm크기의 탄소나노튜브가 수직으로 성장되며 탄소나노튜브 사이사이에 백금촉매가 석출되는 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that several hundred nm sized carbon nanotubes are grown vertically and platinum catalyst is deposited between the carbon nanotubes.

도 6은 도 5에 도시된 탄소나노튜브 중 하나를 확대하여 보인 TEM(Transmission Electron Microscopy)사진이다. 탄소나노튜브 내에 검은 점처럼 나타나는 수많은 백금촉매가 보이고 있다.FIG. 6 is a transmission electron microscopy (TEM) photograph showing an enlarged view of one of the carbon nanotubes shown in FIG. 5. Numerous platinum catalysts appear as black dots in carbon nanotubes.

도 7은 도 6의 탄소나노튜브를 4배 확대한 도면이다. 도면에서 탄소나노튜브의 표면에 흡착되는 백금촉매는 검게, 내부에 흡착되는 백금촉매는 흐리게 나타나고 있는 것을 볼 수 있다.FIG. 7 is an enlarged view of the carbon nanotubes of FIG. 6. In the figure, it can be seen that the platinum catalyst adsorbed on the surface of the carbon nanotubes is black, and the platinum catalyst adsorbed therein is blurred.

도 8은 도 7에 도시된 탄소나노튜브를 더욱 확대한 TEM 사진으로 외부에 흡착된 백금촉매는 대략 5.27nm정도의 지름을 가지며 내부에 흡착되어 흐리게 보이는 백금촉매는 대략 3.33nm 정도의 지름을 가지는 것을 볼 수 있다.FIG. 8 is an enlarged TEM photograph of the carbon nanotube shown in FIG. 7. The platinum catalyst adsorbed on the outside has a diameter of about 5.27 nm and the platinum catalyst adsorbed on the inside has a diameter of about 3.33 nm. You can see that.

이로부터 본 발명의 연료전지용 전극 촉매제조방법은 백금촉매의 지름이 3~4nm정도가 되도록 아주 작게 석출시켜 연료전지에 사용되는 전극에 도포되는 백금촉매의 단위무게당 표면적을 확대시킴으로써 전극의 반응성을 증가시켜 연료전지의 성능을 전체적으로 향상시킬 수 있다.From this, the electrode catalyst manufacturing method of the fuel cell of the present invention precipitates the platinum catalyst so as to have a diameter of about 3 to 4 nm, thereby increasing the surface area per unit weight of the platinum catalyst applied to the electrode used in the fuel cell, thereby improving the reactivity of the electrode. By increasing the overall performance of the fuel cell can be improved.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.While many details are set forth in the foregoing description, they should be construed as illustrative of preferred embodiments, rather than to limit the scope of the invention.

예를 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 다른 종류의 금속촉매도 탄소나노튜브를 성장시키는 과정에서 상술한 백금촉매 제조방법과 유사한 방법으로 수 nm 크기로 석출할 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.For example, a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs may have several nm by a method similar to the platinum catalyst manufacturing method described above in the process of growing carbon nanotubes according to the technical idea of the present invention. It will be able to precipitate in size. Therefore, the scope of the present invention should not be defined by the described embodiments, but should be determined by the technical spirit described in the claims.

상술한 바와 같이 본 발명의 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법의 장점은 백금촉매를 수 nm 이하의 크기로 다량 생산할 수 있어 연료전지의 전극에 이용함으로써 연료전지의 전극의 반응성을 향상시켜 전체적으로 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다는 것이다.As described above, an advantage of the method of manufacturing a platinum catalyst for an electrode of the fuel cell of the present invention is that a large amount of platinum catalyst can be produced in a size of several nm or less, and thus used in an electrode of a fuel cell, thereby improving the reactivity of the electrode of the fuel cell, thereby improving overall fuel The performance of the battery can be improved.

Claims (14)

기판 상에 백금(Pt)막을 증착하는 제1단계;Depositing a platinum (Pt) film on a substrate; 상기 백금막을 에칭성 기체로 식각하여 백금막의 표면을 거칠게 하는 제2단계;Etching the platinum film with an etching gas to roughen the surface of the platinum film; 상기 백금막에 반응성 기체와 에칭성 기체를 공급하여 수십 nm 이하의 크기를 가지는 백금 촉매를 석출시켜 탄소나노튜브에 균일하게 흡착되도록 상기 탄소나노튜브를 성장시키는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.And supplying a reactive gas and an etching gas to the platinum film to precipitate a platinum catalyst having a size of several tens of nm or less and to grow the carbon nanotubes to be uniformly adsorbed onto the carbon nanotubes. Method for producing a platinum catalyst for an electrode of a fuel cell. 제 1 항에 있어서, 상기 제1단계에서,The method of claim 1, wherein in the first step, 상기 백금막은 10 내지 50Å정도의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.The platinum film is a platinum catalyst manufacturing method for an electrode of a fuel cell, characterized in that formed in a thickness of about 10 to 50Å. 제 1 항에 있어서, 상기 제1단계에서,The method of claim 1, wherein in the first step, 상기 기판은 실리콘으로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.The substrate is a method of producing a platinum catalyst for electrodes of a fuel cell, characterized in that formed of silicon. 제 1 항에 있어서, 상기 제1단계에서,The method of claim 1, wherein in the first step, 상기 기판과 상기 백금막 사이의 계면에 티타늄(Ti)막을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.And a titanium (Ti) film is further formed at the interface between the substrate and the platinum film. 제 1 항에 있어서, 상기 제2단계에서,The method of claim 1, wherein in the second step, 상기 에칭성 기체는 암모니아(NH3)인 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.Wherein the etching gas is ammonia (NH 3 ) The platinum catalyst manufacturing method for an electrode of a fuel cell, characterized in that. 제 5 항에 있어서, 상기 제2단계에서,The method of claim 5, wherein in the second step, 상기 백금막의 상면에 상기 암모니아를 310℃ 정도의 온도에서 240sccm 정도의 유량으로 1분 정도 주입하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.And ammonia is injected into the upper surface of the platinum film at a flow rate of about 240 sccm at a temperature of about 310 ° C. for about 1 minute. 제 6 항에 있어서, 상기 제2단계에서,The method of claim 6, wherein in the second step, 상기 암모니아에 550V 및 0.04A 정도의 전기 에너지를 인가하여 플라즈마로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.A method of manufacturing a platinum catalyst for an electrode of a fuel cell, characterized in that the ammonia is applied to electrical energy of about 550 V and about 0.04 A to form a plasma. 제 7 항에 있어서, 상기 제3단계에서,The method of claim 7, wherein in the third step, 상기 반응성 기체는 에틸렌(C2H2)인 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.The reactive gas is ethylene (C 2 H 2 ) The method for producing a platinum catalyst for an electrode of a fuel cell, characterized in that. 제 8 항에 있어서, 상기 제3단계에서,The method of claim 8, wherein in the third step, 상기 에틸렌에 520℃ 정도의 온도에서 60sccm 정도의 유량으로 15분 정도 주입하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.Method for producing a platinum catalyst for an electrode of a fuel cell, characterized in that the ethylene is injected for about 15 minutes at a flow rate of about 60sccm at a temperature of about 520 ℃. 제 9 항에 있어서, 상기 제3단계에서,The method of claim 9, wherein in the third step, 상기 에틸렌과 암모니아에 620V 및 0.12A의 전기 에너지를 인가하여 플라즈마로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.A method of manufacturing a platinum catalyst for an electrode of a fuel cell, characterized in that the ethylene and ammonia are applied to electric energy of 620V and 0.12A to form a plasma. 제 1 항에 있어서, 상기 제1단계에서,The method of claim 1, wherein in the first step, 상기 백금막은 화학기상증착법 또는 단원자층증착법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.The platinum film is a method for producing a platinum catalyst for the electrode of a fuel cell, characterized in that the deposition by chemical vapor deposition or monolayer deposition method. 제 1 항에 있어서, 상기 제2단계에서,The method of claim 1, wherein in the second step, 상기 백금막을 RIE법을 이용해 식각하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.Platinum catalyst manufacturing method for the electrode of a fuel cell, characterized in that the platinum film is etched using a RIE method. 제 1 항에 있어서, 제3단계에서,The method of claim 1, wherein in the third step, 상기 탄소나노튜브를 플라즈마 화학기상증착법을 이용해 성장시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.A method for producing a platinum catalyst for an electrode of a fuel cell, wherein the carbon nanotubes are grown using a plasma chemical vapor deposition method. 제 1 항에 있어서, 제3단계에서,The method of claim 1, wherein in the third step, 상기 백금촉매는 3 내지 5nm의 크기로 석출되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극용 백금촉매 제조방법.The platinum catalyst is a platinum catalyst manufacturing method for an electrode of a fuel cell, characterized in that precipitated in the size of 3 to 5nm.
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