KR20050116171A - Bimodal pourus carbon structure, method for preparing the same, and catalyst for fuel cell using the same - Google Patents

Bimodal pourus carbon structure, method for preparing the same, and catalyst for fuel cell using the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중 다공성 탄소 구조체, 그의 제조방법 및 그것을 이용한 연료 전지 촉매에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이중 다공성 탄소 구조체는 메조다공성 벽에 의해 둘러싸이고, 3차원적으로 상호 연결되어 있으며, 규칙적으로 정렬된 균일한 마크로포어를 갖고 있다. 상기 이중 다공성 탄소 구조체는, 마크로크기의 단분산 입자 물질을 메조크기 입자 물질의 콜로이달 분산액과 혼합하고, 자가 조립법으로 마크로크기의 입자 물질을 정렬시키면서, 마크로 입자 물질들의 공극내에서 메조크기의 콜로이달 입자를 정렬시키고, 정렬된 마크로 입자를 제거하여 메조크기 입자 물질의 템플릿된 응집체에 의해 둘러싸인 마크로 다공성 템플릿(Template)을 형성하고, 상기 마크로 다공성 템플릿의 다공성 메조크기 입자 물질의 공극에 탄소 전구체 용액을 주입하고 탄화하고, 이어서 상기 마크로 다공성 템플릿의 메조크기 입자 물질을 제거하여 제조된다. 이와 같은 탄소 구조체는 연료 전지용 전극 촉매에 이용될 수 있다.The present invention relates to a double porous carbon structure, a method for producing the same, and a fuel cell catalyst using the same. The biporous carbon structure according to the present invention is surrounded by mesoporous walls, has three-dimensional interconnections, and has uniform macropores arranged regularly. The bi-porous carbon structure comprises a meso-sized colo within the voids of the macro particle materials, mixing the macro-sized monodisperse particle material with a colloidal dispersion of meso-size particle material and aligning the macro-size particle material by self-assembly. This month, the particles are aligned and the aligned macro particles are removed to form a macro porous template surrounded by templated aggregates of mesosize particle material, and a carbon precursor solution in the pores of the porous mesosize particle material of the macro porous template. It is prepared by injecting and carbonizing, followed by removing the mesosize particle material of the macro porous template. Such a carbon structure can be used for electrode catalysts for fuel cells.

Description

이중 다공성 탄소 구조체, 그의 제조방법 및 그것을 이용한 연료 전지용 촉매{BIMODAL POURUS CARBON STRUCTURE, METHOD FOR PREPARING THE SAME, AND CATALYST FOR FUEL CELL USING THE SAME} Bi-porous carbon structure, a method of manufacturing the same, and a catalyst for fuel cell using the same {BIMODAL POURUS CARBON STRUCTURE, METHOD FOR PREPARING THE SAME, AND CATALYST FOR FUEL CELL USING THE SAME}

본 발명은 이중 다공성 탄소 구조체, 그의 제조방법 및 그것을 사용한 연료 전지용 촉매에 관한 것이고, 보다 상세하게는 메조다공성 벽에 의해 둘러싸이고, 3차원적으로 상호 연결되어 있으며, 규칙적으로 정렬된 균일한 마크로포어를 갖는 이중 다공성 탄소 구조체, 그의 제조방법 및 그것을 사용한 연료 전지용 촉매에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a dual porous carbon structure, a method for preparing the same, and a catalyst for a fuel cell using the same, and more particularly, uniform macropores surrounded by mesoporous walls, three-dimensionally interconnected, and regularly aligned. It relates to a double porous carbon structure having a, a method for producing the same and a catalyst for a fuel cell using the same.

다공성 물질은 포어(pore)의 직경 크기에 따라 마이크로포어(<2nm), 메조포어(2~50nm) 및 마크로포어(>50nm)의 세가지로 분류될 수 있다. 또한, 포어(pore) 크기의 제어를 통해 다공성 물질은 촉매, 분리 시스템, 저유전상수 물질, 수소 저장 물질, 포토닉스 크리스탈을 포함하여 많은 분야에 이용될 수 있어 매우 관심을 끄는 물질이다.Porous materials can be classified into three types, micropores (<2nm), mesopores (2-50nm), and macropores (> 50nm), depending on the diameter size of the pores. In addition, the control of pore size allows porous materials to be used in many applications, including catalysts, separation systems, low dielectric constant materials, hydrogen storage materials, and photonic crystals, which are of great interest.

다공성 물질로는 무기물질, 금속, 폴리머 및 탄소 등을 포함하며, 그중 탄소는 우수한 화학적, 기계적 및 열적 안정성을 갖고, 다양하게 이용될 수 있는 유용한 물질이다.Porous materials include inorganic materials, metals, polymers, carbon, and the like, among which carbon has excellent chemical, mechanical and thermal stability, and is a useful material that can be used in various ways.

특히 다공성 탄소는 저온 고분자전해질막 연료 전지에서 중요한 물질이며, 이는 그의 표면 특성, 이온 전도성, 내부식성 및 저비용 때문이다. 이에 따라서, 다양한 종류 및 형태의 탄소 물질이 현재 이용되고 있지만, 주로 고표면적 활성 탄소 및 카본 블랙이 금속촉매를 제조하는데 지지체로 사용되고 있을 뿐이다. 구체적으로, 카본 블랙, Vulcan XC-72는 연료 전지의 전극 촉매를 위한 지지체 물질로서 일반적으로 이용되고 있다. 사실상, 시판되는 E-TEK 촉매는 Vulcan XC-72에 지지된 Pt-Ru 합금이다.In particular, porous carbon is an important material in low temperature polymer electrolyte membrane fuel cells because of its surface properties, ion conductivity, corrosion resistance and low cost. Accordingly, various kinds and types of carbon materials are currently used, but mainly high surface area activated carbon and carbon black are only used as supports for preparing metal catalysts. Specifically, carbon black, Vulcan XC-72, is commonly used as a support material for electrode catalysts in fuel cells. In fact, a commercially available E-TEK catalyst is a Pt-Ru alloy supported on Vulcan XC-72.

최근에는 여러 종류의 다른 탄소 물질, 예를 들면, 메조 구조의 탄소(mesostructured carbon), 그라파이트성 탄소 나노파이버(graphitic carbon nanofiber) 및 메조탄소 마이크로비드(mesocarbon microbead)가 금속촉매의 보다 높은 분산을 위해 및 개선된 시너지 효과를 위해 Pt 또는 Pt-Ru 합금 촉매의 지지체로 보고되고 있다. Recently, several different carbon materials such as mesostructured carbon, graphite carbon nanofibers, and mesocarbon microbeads have been developed for higher dispersion of metal catalysts. And as a support of Pt or Pt-Ru alloy catalysts for improved synergy.

그러나, 여전히 고표면적이면서 완전히 상호연결된 균일한 다공성 구조를 갖는 탄소 물질을 합성하는 것은 매우 어려운 작업이다. However, it is still a very difficult task to synthesize carbon materials having a high surface area and a completely interconnected uniform porous structure.

다공성 물질을 제조하기 위해서는 템플릿의 사용이 제안되고 있다. 템플릿으로는 구형의 실리카 또는 라텍스 폴리머 나노입자의 정렬된 응집체에 기초된 콜로이달 결정성 어레이가 사용되고 있다. 또한, 정렬된 메조다공성 M41S 실리카 물질은 실리카 중합을 위한 구조-디렉팅 제제(structure-directing agent)로서 계면활성제 분자의 미셀 어레이를 사용하여 제조된다(문헌[C.T. Kresege, et al., Nature 1992, 359, 710] 참조).The use of templates has been proposed to produce porous materials. As templates, colloidal crystalline arrays based on ordered aggregates of spherical silica or latex polymer nanoparticles are used. In addition, aligned mesoporous M41S silica materials are prepared using micelle arrays of surfactant molecules as a structure-directing agent for silica polymerization (CT Kresege, et al., Nature 1992, 359). , 710).

최근에는 지올라이트, 메조다공성 물질 및 콜로이달 크리스탈을 이용한 템플릿 복제에 의하여 규칙적으로 정렬된 다공성을 갖는 탄소를 합성하는 놀라운 발전이 있었다. 이 합성에서, 희생적인 고형의 다공성 실리카 몰드에 탄소 전구체를 초기에 주입하고, 이것은 이어서 비산화 조건하에서 탄소 전구체를 탄화시킨 후, HF 또는 NaOH 용액중에서 상기 실리카 몰드를 용해시켜 제거함으로써 다공성 탄소구조체를 제조하였다. 상기 복제 공정 동안, 호스트(실리카 몰드)의 포어(pore:세공)와 벽은 각각 제조된 다공성 탄소 구조체의 벽과 포어로 전환되었다. 따라서, 호스트 골격(scaffold) 물질은 상호연결된 포어 시스템을 가질 것이 요구되며, 이것은 호스트 제거 후 템플릿된 탄소의 구조적 일체성을 가능하게 한다. 이런 방법을 통해 얻어진 규칙적으로 정렬된 다공성 탄소의 일부는 연료 전지용 촉매 지지체로서 또는 이중층 전기 캐퍼시터(EDLC)로서 이들의 이용가능성을 보여주고 있다. 그러나 여기서 생성된 탄소는 단일 세공으로 구성된다.Recently, there have been remarkable advances in synthesizing carbon with regularly ordered porosity by template replication with zeolites, mesoporous materials and colloidal crystals. In this synthesis, a carbon precursor is initially injected into a sacrificial solid porous silica mold, which is then carbonized under a non-oxidizing condition and then dissolved by removing the silica mold in HF or NaOH solution to remove the porous carbon structure. Prepared. During the replication process, the pores and walls of the host (silica mold) were converted into walls and pores of the prepared porous carbon structures, respectively. Thus, host scaffold materials are required to have interconnected pore systems, which enable structural integrity of the templated carbon after host removal. Some of the regularly ordered porous carbons obtained through this method show their availability as catalyst supports for fuel cells or as double layer electric capacitors (EDLC). However, the carbon produced here consists of a single pore.

보다 최근에, 빠르게 확대되는 이 분야의 연구 노력은 보다 복잡한 계층적 다중구조 다공성 탄소를 제조하도록 더 큰 압력을 가하고 있다. More recently, rapidly expanding research efforts in this field are placing greater pressure on the production of more complex hierarchical multistructured porous carbon.

이에 균일한 메조포어와 매우 큰(ultralarge) 메조포어로 구성된 이중구조 메조세포의 탄소 발포체가 보고되었다. 또한, 중공의 마크로다공성 코어/메조다공성 외각(shell)을 갖는 탄소 캡슐을 고형의 코어/메조다공성 외각 실리카의 나노캐스팅을 통해 복제하는 것에 의해 제조하는 방법이 보고되었다. 또한, 계층적으로 완전히 상호연결된 다공성을 갖는 탄소 기둥이 호스트 골격으로서의 메조-마크로다공성 실리카 기둥의 템플릿 복제에 의해 합성되는 것이 보고되었다. 그러나, 이들 탄소중의 포어는 규칙적으로 정렬된 방식으로 분포되지 않았다. In this regard, carbon foams of double-structured mesocells consisting of uniform mesopores and ultralarge mesopores have been reported. In addition, methods have been reported of replicating carbon capsules having hollow macroporous core / mesoporous shells via nanocasting of solid core / mesoporous shell silica. It has also been reported that carbon pillars having a hierarchically fully interconnected porosity are synthesized by template replication of meso-macroporous silica pillars as host skeleton. However, the pores in these carbons were not distributed in a regularly ordered manner.

따라서, 본 발명자들은 포어가 완전히 상호연결되어 있고, 규칙적인 배열로 분포되어 있는 우수한 다공성 구조를 갖는 새로운 유형의 탄소에 대한 연구를 하면서, 메조다공성 벽에 의해 둘러싸이고, 3차원적으로 상호 연결되어 있으며, 규칙적으로 정렬된 균일한 마크로포어를 갖는 이중 다공성 탄소 구조체를 얻을 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다. Thus, the inventors are surrounded by mesoporous walls and three-dimensionally interconnected, studying the new type of carbon with excellent porous structure in which the pores are completely interconnected and distributed in a regular array. The present invention has been completed and found that a dual porous carbon structure having a uniformly aligned macropore can be obtained.

따라서, 본 발명의 첫 번째 목적은 규칙적으로 정렬된 마크로포어와 메조포어로 구성된 이중 다공성 탄소 구조체를 제공하는 것이다. Accordingly, it is a first object of the present invention to provide a dual porous carbon structure composed of regularly aligned macropores and mesopores.

또한, 본 발명의 두 번째 목적은 규칙적으로 정렬된 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.It is also a second object of the present invention to provide a method for producing a regularly aligned double porous carbon structure.

또한, 본 발명의 세 번째 목적은 규칙적으로 정렬된 이중 다공성 탄소 구조체를 이용한 연료 전지용 전극 촉매를 제공하는 것이다.In addition, a third object of the present invention is to provide an electrode catalyst for a fuel cell using a regularly aligned double porous carbon structure.

상기 첫 번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 메조다공성 구조의 벽에 의해 둘러싸이고, 3차원적으로 상호 연결되어 있으며, 규칙적으로 정렬된 균일한 마크로포어를 갖는 이중 다공성 탄소 구조체를 제공한다.To achieve the first object, the present invention provides a biporous carbon structure having uniform macropores surrounded by walls of mesoporous structure, interconnected three-dimensionally and regularly aligned.

상기 이중 다공성 탄소 구조체의 마크로포어는 그의 직경이 100 내지 500 nm이고, 메조포어는 그의 직경이 5 내지 50 nm 인 것이 바람직하다.The macropores of the double porous carbon structures have a diameter of 100 to 500 nm, and mesopores preferably have a diameter of 5 to 50 nm.

본 발명의 두번째 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 In order to achieve the second object of the present invention, the present invention

a) 마크로크기의 단분산 입자 물질을 메조크기의 입자 물질의 콜로이달 분산액과 혼합하는 단계; a) mixing the macroscale monodisperse particulate material with a colloidal dispersion of mesoscale particulate material;

b) 자가 조립법으로 마크로크기의 입자 물질을 졍렬시키면서 마크로크기 입자들의 공극내에 메조크기의 콜로이달 입자물질을 정렬시키는 단계; b) arranging the meso-sized colloidal particle material within the pores of the macro-sized particles while arranging the macro-sized particle material by self-assembly;

c) 정렬된 마크로 입자를 제거하여 메조크기 입자 물질의 템플릿된 응집체에 의해 둘러싸인 마크로 다공성 템플릿을 형성하는 단계; c) removing the aligned macro particles to form a macro porous template surrounded by a templated aggregate of mesosize particle material;

d) 상기 마크로 다공성 템플릿의 메조크기 입자 물질 사이의 공극에 탄소 전구체를 주입하고 탄화하는 단계; 및 d) injecting and carbonizing a carbon precursor into the pores between the mesosize particle material of the macroporous template; And

e) 상기 마크로 다공성 템플릿의 메조크기 입자 물질을 제거하는 단계를 포함하는 메조다공성 벽에 의해 둘러싸이고, 3차원적으로 상호 연결되어 있으며, 규칙적으로 정렬된 균일한 마크로포어를 갖는 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법을 제공한다.e) the formation of a bi-porous carbon structure surrounded by mesoporous walls, three-dimensionally interconnected, and regularly aligned uniform macropores, the method comprising removing the mesosize particle material of said macroporous template. It provides a manufacturing method.

상기 본 발명에 따른 제조방법중 a) 단계에서, 마크로크기의 단분산 입자 물질은 그의 모양이 정렬되었을 경우 일정한 틈을 형성할 수 있는 형태인 것이 바람직하고, 특히 이상적인 것은 구형이다. 또한, 이 물질은 메조다공성 벽을 형성하는데 기여하는 메조크기 입자 물질을 존치시키면서 선택적으로 제거될 수 있는 임의의 물질 일 수 있다. 구체적으로, 메조크기 입자 물질이 산화되지 않는 무기물질인 경우 산화에 의해 제거될 수 있는 유기 물질, 예를 들어, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트 및 등등과 같은 고형 폴리머 입자 일 수 있다. 또한 이들 물질은 100 내지 500 nm 범위의 균일한 직경을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 마크로크기의 단분산 입자 물질로는 100 내지 500㎚ 범위의 균일한 직경을 갖는 구형의 폴리스티렌이 가장 바람직하다. 이들 물질의 합성은 대체로 문헌[Roberts, J. M.; Linse, P.; Osteryoung, J. G.; Langmuir 1998,14, 204]에 보고된 방법을 토대로 합성할 수 있다. 구체적으로, 폴리스티렌 구는 단량체로 스티렌을 사용하고, 개시제로 포타슘퍼설페이트를 사용하여 수용액 상에서 계면활성제를 사용하지 않는 무유화제 유화중합 방법을 사용하여 합성할 수 있다.In step a) of the manufacturing method according to the present invention, the macro-sized monodisperse particle material is preferably in a form that can form a certain gap when its shape is aligned, and particularly ideally, it is spherical. In addition, the material may be any material that can be selectively removed while remaining mesosize particle material contributing to forming mesoporous walls. Specifically, when the mesosize particle material is an inorganic material that is not oxidized, it may be an organic material that can be removed by oxidation, for example, solid polymer particles such as polystyrene, polymethyl methacrylate, and the like. It is also desirable that these materials have a uniform diameter in the range from 100 to 500 nm. Accordingly, spherical polystyrene having a uniform diameter in the range of 100 to 500 nm is most preferred as the macro-size monodisperse particle material. Synthesis of these materials is generally described by Roberts, JM; Linse, P .; Osteryoung, JG; Langmuir 1998, 14, 204 can be synthesized based on the method reported. Specifically, polystyrene spheres can be synthesized using an emulsifier-free emulsion polymerization method using styrene as a monomer and potassium persulfate as an initiator and no surfactant in aqueous solution.

a) 단계의 또 다른 구성요소인 메조크기 입자물질은 구형 또는 막대 형태일 수 있고, 상기 마크로크기 입자 물질의 제거 방법에 의해 제거되지 않는 임의의 물질, 구체적으로 무기물질, 예를 들어 실리카, Al2O3, TiO2 및 등등과 같은 금속산화물 또는 구리, 은, 금 등과 같은 금속일 수 있다, 메조크기 입자물질은 5 내지 50 ㎚의 균일한 직경을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 메조크기 입자물질로는 5 내지 50 ㎚의 균일한 직경을 갖는 구형의 실리카가 가장 바람직하다. 이들도 문헌[Stober, W.; Fink, A.; Bohn, E. J. Colloid Inteer, Sci, 1968, 26, 62]에 보고된 방법을 토대로 제조할 수 있다.Another component of step a) mesosize particulate material may be spherical or rod-shaped, and any material that is not removed by the method of removing the macrosize particle material, in particular an inorganic material such as silica, Al Metal oxides such as 2 O 3 , TiO 2, and the like or metals such as copper, silver, gold, and the like. The mesosize particulate material preferably has a uniform diameter of 5 to 50 nm. Therefore, spherical silica having a uniform diameter of 5 to 50 nm is most preferred as meso-size particle material. These are also described in Stober, W .; Fink, A .; Bohn, E. J. Colloid Inteer, Sci , 1968, 26, 62.

마크로크기 입자 물질은 수분산 용액의 형태로 또한 메조크기 입자 물질은 콜로이달 분산액 형태로 혼합되고, 콜로이달 분산액은 보통 알코올이나 물을 사용한다. 또한, 수용액상에 분산되어 있는 마크로크기 입자와 알코올상에 분산되어 있는 메조크기 입자를 입자 무게비가 1.5 : 1 내지 2.0 : 1이 되도록 혼합한다.The macrosize particle material is mixed in the form of an aqueous dispersion solution and the mesosize particle material in the form of a colloidal dispersion, and the colloidal dispersion usually uses alcohol or water. In addition, the macro-sized particles dispersed in the aqueous solution and the meso-sized particles dispersed in the alcohol are mixed so that the particle weight ratio is 1.5: 1 to 2.0: 1.

상기 본 발명의 제조방법 중 b) 단계에서는 자가 조립 방법을 통해 마크로크기 입자 물질은 규칙적으로 정렬되며, 또한 이와 같이 정렬된 마크로크기 입자물질들의 공극내에 메조크기 입자 물질이 밀집되어 정렬된다. In step b) of the manufacturing method of the present invention, the macro-size particle material is regularly aligned through a self-assembly method, and the meso-size particle material is densely aligned in the pores of the macro-size particle materials thus aligned.

자가 조립시키는 방법의 예로는 충분한 시간 동안 점진적으로 분산매를 증발시켜 건조시킴으로써 가능하며, 건조와 함께 초기 균일한 혼합을 위해 초음파 처리와 같은 보조 수단을 이용할 수도 있다. 바람직하게 상기 건조 방법은 보통 30 내지 70 ℃에서 4 내지 7일 동안 점진적으로 건조시킨다. 자가 조립은 마크로크기의 구와 메조크키의 구 사이의 지름비가 10 이상에서 가장 잘 이루어지며, 보통 실온에서 특별한 장치 없이도 가만히 두면 서서히 건조되며 모세관 힘에 의해 혼합되어 있는 구형입자들이 규칙적으로 자가조립된다.An example of a method of self-assembly is possible by gradually evaporating and drying the dispersion medium for a sufficient time, and may also use auxiliary means such as sonication for initial uniform mixing with drying. Preferably the drying method is usually 4 to 7 days at 30 to 70 ℃ Gradually dry. Self-assembly works best with a diameter ratio between macro-sized spheres and meso-quick spheres of 10 or more, usually at room temperature without special devices, slowly drying and regularly self-assembling spherical particles mixed by capillary forces.

상기 본 발명에 따른 제조방법중 c) 단계에서는 메조크기 입자 물질은 제거하지 않으면서 마크로크기 입자 물질을 제거하는 방법을 통해 3차원적으로 상호연결되고 규칙적으로 정렬된 균일한 마크로포어의 벽을 형성하는 메조크기 입자 물질의 템플릿된 응집체에 의해 둘러싸인 마크로 다공성 템플릿을 형성한다.In step c) of the manufacturing method according to the present invention to form a wall of uniform macropores that are three-dimensionally interconnected and regularly aligned through the method of removing the macro-size particle material without removing the meso-size particle material A macroporous template is formed that is surrounded by a templated aggregate of mesosize particle material.

상기 단계에서 형성된 마크로 다공성 템플릿은 그 안의 메조크기 입자물질 사이의 공극이 또한 완전히 상호연결된 메조포어를 제공한다.The macroporous template formed in this step provides mesopores in which the voids between the mesosize particulate material therein are also completely interconnected.

메조크기 입자 물질은 제거되지 않으면서 마크로크기 입자 물질을 제거하는 방법으로는 두 가지 입자에 대해 선택성을 갖는 용액에 의한 에칭법 또는 소성법이 이용될 수 있다. 예를 들어, 마크로크기 입자 물질이 폴리스티렌이고, 메조크기 입자 물질이 실리카인 경우, 450 내지 550 ℃에서 6 시간 내지 7 시간 동안 소성하는 소성법으로 마크로크기 입자 물질을 제거함으로서 마크로 다공성 템플릿을 형성한다. 또는 톨루엔이나 다이메틸포름아마이드용액 등을 이용하여 실온에서 에칭시킴으로서 마크로크기 입자 물질을 제거하여 마크로 다공성 템플릿을 형성할 수 있다.As a method of removing the macro-size particle material without removing the meso-size particle material, an etching method or a baking method by a solution having selectivity for two particles may be used. For example, when the macrosize particle material is polystyrene and the mesosize particle material is silica, the macroporous template is formed by removing the macrosize particle material by firing at 450 to 550 ° C. for 6 to 7 hours. . Alternatively, the macroporous template may be formed by removing the macro-sized particle material by etching at room temperature with toluene or dimethylformamide solution.

상기 본 발명에 따른 제조방법중 d) 단계에서는 c) 단계에서 형성된 마크로 다공성 템플릿의 메조크기 입자 물질의 공극 사이에 탄소 전구체를 주입하고 탄화한다. In step d) of the manufacturing method according to the present invention, the carbon precursor is injected and carbonized between the pores of the meso-size particle material of the macroporous template formed in step c).

상기 탄소 전구체로는 디비닐벤젠, 아크릴로니트릴, 염화비닐, 비닐아세테이트, 스티렌, 메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 우레아(urea), 멜라민 (melamin) 또는 CH2 =CRR'(여기에서 R 및 R'은 알킬기 또는 아릴기를 나타낸다) 등의 단량체를 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), t-부틸퍼아세테이트(t-butyl peracetate), 벤조일퍼옥시드(BPO), 아세틸퍼옥시드(acetyl peroxide), 또는 라우릴퍼옥시드(lauryl peroxide) 개시제를 사용하여 부가중합반응시켜 제조되는 고분자, 페놀-포름알데히드, 페놀, 푸르푸릴 알콜(furfuryl alcohol), 레조르시놀-포름알데히드(RF), 알데히드, 수크로스, 글루코오스 또는 자일로오스 등의 단량체를 황산 또는 염산과 같은 산촉매를 사용하여 축합중합반응시켜 제조되는 고분자 또는 메조페이스 피치(mesophase pitch)중에서 선택하거나 또는 탄소화 반응에 의해 흑연성 탄소(graphitic carbon)를 형성하는 기타 탄소 전구체를 포함한다.The carbon precursor may be divinylbenzene, acrylonitrile, vinyl chloride, vinyl acetate, styrene, methacrylate, methyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, urea, melamine, or CH 2 = Monomers such as CRR '(where R and R' represent alkyl or aryl groups) include azobisisobutyronitrile (AIBN), t-butyl peracetate, benzoyl peroxide (BPO), acetyl Polymers prepared by addition polymerization using acetyl peroxide or lauryl peroxide initiators, phenol-formaldehyde, phenol, furfuryl alcohol, resorcinol-formaldehyde ( In a polymer or mesophase pitch produced by condensation polymerization of a monomer such as RF), aldehyde, sucrose, glucose or xylose using an acid catalyst such as sulfuric acid or hydrochloric acid. The selection or non-graphitizing carbon include other carbon precursor to form a (graphitic carbon) by the carbonization reaction.

상기 부가중합 가능한 단량체는 단독으로 또는 2 이상의 단량체의 혼합물로 사용될 수 있다. 이 때, 상기 단량체와 개시제의 몰비는 15:1 내지 35:1이나 이상적으로는 25:1이다. 또한 상기 축합중합가능한 단량체도 단독으로 또는 2 이상의 단량체의 혼합물로 사용될 수 있으며, 이 때, 상기 단량체와 산촉매의 몰비는 약 5:1 내지 15:1 이고 이상적으로는 10:1이다. The addition polymerizable monomers may be used alone or in a mixture of two or more monomers. At this time, the molar ratio of the monomer and the initiator is 15: 1 to 35: 1 but ideally 25: 1. The condensation polymerizable monomers may also be used alone or as a mixture of two or more monomers, wherein the molar ratio of the monomers and acid catalyst is about 5: 1 to 15: 1 and ideally 10: 1.

상기 단량체와 개시제 또는 단량체와 산촉매 혼합물은 마크로 다공성 템플릿에 대하여 20 내지 30 부피%의 양으로 주입하며, 상기 혼합물의 주입은 액상 또는 기상으로 할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 템플릿에 상기 혼합물을 액상으로 첨가하거나 진공중 고체 전구체 물질을 가열하여 기상으로 템플릿의 메조크기 입자 물질의 공극에 주입시킬 수 있다. 여기서, 주입방법으로 함침법 등이 이용될 수 있다.The monomer and initiator or monomer and acid catalyst mixture are injected in an amount of 20 to 30% by volume relative to the macroporous template, and the injection of the mixture can be in liquid or gaseous phase. More specifically, the mixture may be added in the liquid phase to the template or the solid precursor material in vacuo may be heated to inject into the pores of the mesosize particle material of the template in the gas phase. Here, the impregnation method may be used as the injection method.

부가중합 가능한 단량체 및 필요한 개시제의 혼합물이 주입된 마크로 다공성 템플릿은 사용된 중합가능한 화합물에 따라 다른 공지된 최적의 조건으로 중합반응시키나, 바람직하게는 60 내지 90℃의 온도에서 3 내지 30 시간 동안 중합반응시킨다. 축합중합 가능한 단량체와 산촉매 혼합물의 경우도 사용된 축합중합 가능한 화합물에 따라 다른 공지된 최적의 조건으로 중합반응시키나, 바람직하게는 80 내지 140℃의 온도에서 3 내지 30 시간 동안 중합반응시킨다. 두 경우 모두 중합 완료시, 메조크기 입자물질-폴리머 복합재가 수득된다. 상기의 축합중합시 촉매인 산은 메조크기 입자물질 표면에 산점자리를 형성시켜 템플릿 자체적으로 산촉매 특성을 나타내게 하거나, 외부에서 산촉매(염산, 황산 등)를 가해 고분자 단량체의 축합반응시 촉매로 작용하게 할 수도 있다.The macroporous template into which the mixture of the addition-polymerizable monomer and the required initiator are injected is polymerized under other known optimum conditions depending on the polymerizable compound used, but is preferably polymerized for 3 to 30 hours at a temperature of 60 to 90 ° C. React. In the case of the condensation-polymerizable monomer and the acid catalyst mixture, the polymerization may be carried out under other known optimum conditions depending on the condensation-polymerizable compound used, but is preferably polymerized at a temperature of 80 to 140 ° C for 3 to 30 hours. In both cases, upon completion of the polymerization, a mesosize particulate-polymer composite is obtained. The acid, which is a catalyst during the condensation polymerization, may form an acid site on the surface of the meso-sized particle material to show the acid catalyst characteristics of the template itself, or to add an acid catalyst (hydrochloric acid, sulfuric acid, etc.) from the outside to act as a catalyst during the condensation reaction of the polymer monomer. It may be.

상기 탄소 전구체 고분자가 주입된 다공성 마크로 템플릿을 Ar 또는 N2와 같은 불활성 기체하에서 800 내지 1500℃의 온도에서 5 내지 15 시간 동안 고온 열처리하여 상기 고분자를 탄화시킴으로써 메조크기 입자물질-탄소 복합재를 수득한다. 이 때, 승온 속도를 1℃/분 내지 10℃/분의 범위내로 한다.The porous macro template into which the carbon precursor polymer is injected is heat-treated at a temperature of 800 to 1500 ° C. for 5 to 15 hours under an inert gas such as Ar or N 2 to carbonize the polymer to obtain a meso-size particle-carbon composite. . At this time, the temperature increase rate is in the range of 1 ° C / minute to 10 ° C / minute.

상기 본 발명에 따른 제조방법중 e) 단계에서는 메조크기 입자물질을 제거하기 위해 형성되는 메조포어를 변형시키지 않으면서 메조크기 입자물질을 제거할 수 있는 방법을 이용하다. 이와 같은 방법으로는 에칭법, 소성법이 이용될 수 있고, 에칭법은 HF 용액, NaOH 용액 또는 KOH 용액으로 에칭시키고, 소성법은 300 내지 550℃의 온도에서 5 내지 8시간 동안 소성한다. 구체적으로 메조크기 입자물질이 실리카인 경우 HF 용액, NaOH 용액 또는 KOH 용액으로 에칭하여 제거하고, 여과 및 세척한 후 70 내지 80℃에서 건조시킨다.In step e) of the manufacturing method according to the present invention uses a method that can remove the meso-size particle material without modifying the mesopores formed to remove the meso-size particle material. As such a method, an etching method or a firing method may be used. The etching method is etched with an HF solution, a NaOH solution or a KOH solution, and the firing method is baked at a temperature of 300 to 550 ° C. for 5 to 8 hours. Specifically, when the meso-size particle material is silica, it is removed by etching with HF solution, NaOH solution or KOH solution, filtered and washed and dried at 70 to 80 ° C.

결국 상기와 같은 방법을 통해 본 발명에 따른 탄소 구조체는 메조크기 입자 물질의 제거를 통해 메조포어를 갖고, 마크로크기 입자 물질의 제거를 통해 마크로포어를 갖는다.Eventually, the carbon structure according to the present invention through the above method has mesopores through the removal of mesosize particle material, and has macropores through the removal of macrosize particle material.

또한, 본 발명의 세번째 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 메조다공성 벽에 의해 둘러싸이고, 3차원적으로 상호 연결되어 있으며, 규칙적으로 정렬된 균일한 마크로포어를 갖는 이중 다공성 탄소 구조체를 지지체로 이용한 연료 전지용 촉매를 제조한다.In addition, in order to achieve the third object of the present invention, the present invention uses a double porous carbon structure having a uniform macropore surrounded by mesoporous walls, interconnected in three dimensions, and regularly aligned. A catalyst for a fuel cell is prepared.

본 발명에 따른 연료 전지용 전극 촉매는 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 직접 에탄올 연료전지(DEFC)와 같은 액상의 알코올을 직접 연료로 사용하는 연료 전지는 물론 수소 연료 전지의 산화(연료극) 및 환원(공기극) 전극에도 응용될 수 있다.The electrode catalyst for a fuel cell according to the present invention is a fuel cell that uses a liquid alcohol such as a direct methanol fuel cell (DMFC) and a direct ethanol fuel cell (DEFC) as a direct fuel, as well as oxidation (fuel electrode) and reduction of a hydrogen fuel cell ( Air cathode) electrode can also be applied.

본 발명에 따른 연료 전지용 전극 촉매에 사용되는 활성 금속으로는 연료 전지의 연료의 산화반응에 활성을 가진 임의의 금속일 수 있으며, 예를 들어, 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 코발트(Co) 및 텅스텐(W) 등으로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상의 금속을 포함한다. 예를 들어, 백금(Pt)과 같은 단일성분계 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 합금과 같은 2성분계 등 공지의 촉매 금속은 물론, 3성분계, 예를 들어 Pt-Ru-Rh 합금, 4성분계, 예를 들어, Pt-Ru-Co-W 합금 또는 Pt-Ru-Mo-W 합금, 기타 다성분계 촉매 금속을 포함할 수 있다. 이들 금속들은 적게는 촉매 전체 중량의 5%에서, 많게는 80중량% 이상, 바람직하게는 5 % 내지 95중량% 의 양으로 담지(loading) 될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 연료 전지용 전극 촉매는 탄소 지지체 중량의 약 20 배 이상에 해당하는 금속을 담지할 수 있다. 이것은 본 발명의 연료 전지용 전극 촉매에 사용되는 탄소 지지체가 종래의 카본 블랙 지지체에 비해 단위 질량당 약 2 내지 6배의 표면적을 가지고 있기 때문에, 금속 촉매 입자가 담지될 수 있는 표면적이 넓어져서 동일한 중량의 카본 블랙에 비해 더 많은 양의 금속 촉매 입자를 담지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 직경 2 내지 3 nm의 매우 작은 크기로 금속을 지지체에 담지시킬 수 있어서, 고가의 귀금속을 효율적으로 이용할 수 있게 되므로 경제적으로도 유리하다. 예를 들어, 본 발명에 따른, 메조다공성 구조의 벽에 의해 둘러싸이고, 3차원적으로 상호 연결되어 있으며, 규칙적으로 정렬된 균일한 마크로포어를 갖는 이중 다공성 탄소 구조체에 의해 지지된 연료전지용 백금-루테늄/탄소 전극은 다공성 탄소의 사용량을 전체 촉매 중량 중에서 20 wt%나 그 이하로 감소시켜 (카본블랙 대비 약 50 % 감소) 촉매를 제조하여도 현재 시판중의 전극 촉매인 Pt-Ru (몰비1:1)촉매 (E-TEK, 60 wt.% 총 금속 담지)보다 활성이 우수한 촉매를 제조할 수 있다.The active metal used in the electrode catalyst for a fuel cell according to the present invention may be any metal having an activity in the oxidation reaction of the fuel of the fuel cell, for example, platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh) ), Molybdenum (Mo), osmium (Os), iridium (Ir), rhenium (Re), palladium (Pd), vanadium (V), cobalt (Co) and tungsten (W) It includes. For example, known catalytic metals such as monocomponent systems such as platinum (Pt) or bicomponent systems such as platinum-ruthenium (Pt-Ru) alloys, as well as three-component systems such as Pt-Ru-Rh alloys, four-component systems, For example, it may include a Pt-Ru-Co-W alloy or a Pt-Ru-Mo-W alloy and other multicomponent catalyst metals. These metals may be loaded in amounts of at least 5% of the total weight of the catalyst, as much as at least 80% by weight, preferably from 5% to 95% by weight. In other words, the electrode catalyst for a fuel cell of the present invention may carry a metal corresponding to about 20 times or more of the weight of the carbon support. This is because the carbon support used in the electrode catalyst for fuel cell of the present invention has a surface area of about 2 to 6 times per unit mass as compared to the conventional carbon black support, so that the surface area on which the metal catalyst particles can be supported is widened to equal the weight. Compared to carbon black of the present invention, not only can support a larger amount of metal catalyst particles, but also metals can be supported on a support with a very small size of 2 to 3 nm in diameter, thereby making it possible to efficiently use expensive precious metals. Also advantageous. For example, platinum for fuel cells supported by a bi-porous carbon structure surrounded by walls of mesoporous structures, interconnected three-dimensionally and having uniformly aligned uniform macropores, according to the present invention. Ruthenium / carbon electrodes reduce the amount of porous carbon to 20 wt% or less of the total catalyst weight (approximately 50 % Reduction) Even if the catalyst is prepared, it is possible to prepare a catalyst having better activity than Pt-Ru (molar ratio 1: 1) catalyst (E-TEK, 60 wt.% Total metal supported), which is a commercially available electrode catalyst.

한편, 일반적으로, 전극 촉매의 제조에 있어서, 촉매 금속의 지지체에 대한 담지 비율이 작을수록 동일한 양의 촉매 금속을 담지하기 위해 더 많은 양의 지지체를 사용해야 하므로, 동일한 양의 활성 촉매를 얻기 위해 사용되는 지지체의 양도 증가하게 된다. 이 경우 연료 전지의 전극을 제조함에 있어서, 탄소 시트에 많은 양의 촉매를 두텁게 도포해야 하고, 이것은 건조시 또는 사용 중에 갈라지는 현상(crack)을 초래하여 연료전지의 성능을 저하시키게 된다. 그러나 본 발명의 촉매 시스템은 종래의 카본 블랙을 지지체로 사용하는 촉매 시스템에 비해 금속 담지 비율이 높아서, 예를 들어, 상업적으로 구입할 수 있는 E-TEK 촉매의 60% 담지 비율과 비교하여, 본 발명의 촉매가 80% 이상의 금속 담지량을 갖기 때문에 동일한 양의 금속을 담지하기 위해 사용되는 지지체의 양이 1/2 밖에 되지 않으므로 전제적으로 적은 양의 촉매가 사용되기 때문에 상기한 갈라짐 현상을 방지할 수 있다. 물론 촉매 금속의 양을 촉매 전체 중량의 5% 만큼도 담지가 가능하다. 결국 사용하고자 하는 용도에 따라 금속의 상대적 무게를 광범위하게 선택할 수 있다.On the other hand, in general, in the preparation of the electrode catalyst, the smaller the supporting ratio of the catalyst metal to the support, the higher the amount of support to be used to support the same amount of the catalyst metal, so that it is used to obtain the same amount of the active catalyst. The amount of support to be increased also. In this case, in preparing the electrode of the fuel cell, a large amount of catalyst must be applied thickly to the carbon sheet, which causes cracking during drying or during use, thereby degrading the performance of the fuel cell. However, the catalyst system of the present invention has a higher metal loading ratio compared to the catalyst system using a conventional carbon black as a support, for example, compared with the 60% loading ratio of a commercially available E-TEK catalyst. Since the catalyst of has 80% or more of the amount of metal supported, since the amount of the support used to support the same amount of metal is only 1/2, the above-mentioned cracking phenomenon can be prevented because a small amount of catalyst is used entirely. . Of course, it is possible to support the amount of the catalyst metal as much as 5% of the total weight of the catalyst. As a result, the relative weight of the metal can be widely chosen depending on the intended use.

이하, 본 발명은 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명에 따른 이중 다공성 탄소 구조체의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 이중 다공성 탄소 구조체를 배율을 다르게 하여 촬영한 SEM 사진이다. 1 is a view schematically showing a cross-section of a double porous carbon structure according to the present invention, Figure 2 is a SEM photograph taken at different magnifications of the double porous carbon structure according to the present invention.

도 1를 참조하면, 본 발명에 따른 탄소 구조체는 마크로포어(1)와 메조포어(2)가 규칙적으로 배열되어 있으며, 구체적으로 메조포어(2)가 마크로포어(1)간의 벽에 형성되어 있으며, 이러한 구조가 주기적으로 배열되어 있는 이중 다공성 구조이다. Referring to FIG. 1, in the carbon structure according to the present invention, macropores 1 and mesopores 2 are regularly arranged, and in particular, mesopores 2 are formed on the wall between the macropores 1. This structure is a double porous structure in which these structures are arranged periodically.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 탄소의 입체적인 구조에서 하나의 큰 원으로 나타낸 마크로포어에 세개의 둥근 홀이 검은색 점으로 나타나 있음을 확인할 수 있다. 이들 홀은 연결 포어이며, 이것을 통해 하나의 마크로포어가 그 밑의 세개의 이웃하는 마크로포어에 연결된다. 따라서, 상기 마크로포어는 삼차원적으로 상호연결되어 있음을 알 수 있다. 여기서, 마크로포어의 직경은 대략 320 nm이고, 메조포어의 크기는 대략 10 nm이다.Referring to FIG. 2, it can be seen that three round holes are shown as black dots in the macropores represented by one large circle in the three-dimensional structure of carbon according to the present invention. These holes are connecting pores, through which one macropore connects to three neighboring macropores below it. Thus, it can be seen that the macropores are three-dimensionally interconnected. Here, the diameter of the macropores is approximately 320 nm and the size of the mesopores is approximately 10 nm.

도 3에는 본 발명의 두번째 목적에 따른 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법중 대표적인 예를 단계적으로 나타내었다. Figure 3 shows a representative example step by step of the method for producing a double porous carbon structure according to the second object of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 탄소의 제조를 위해서는 우선 마크로크기의 구형의 단분산 입자 물질(3)을 메조크기의 입자 물질(4)의 콜로이달 분산액으로 혼합한다. 혼합 후의 상태를 도 3에서 (10)으로 나타냈다(단계 a). Referring to FIG. 3, in order to produce carbon according to the present invention, first, a macroscopic spherical monodisperse particle material 3 is mixed into a colloidal dispersion of mesosize particle material 4. The state after mixing was shown by (10) in FIG. 3 (step a).

여기서, 마크로크기의 구형 입자 물질(3)로는 구형의 단분산 폴리스티렌를 이용하고, 메조크기의 입자 물질(4)로는 구형의 실리카 입자를 이용할 수 있다. Here, spherical monodisperse polystyrene may be used as the macro-sized spherical particle material 3, and spherical silica particles may be used as the meso-sized particle material 4.

상기에서 마크로크기의 구형 입자 물질(3)의 크기를 제어하는 것을 통해 얻어지는 탄소 구조체의 마크로포어 크기가 결정될 수 있고, 또한 메조크기 입자 물질(4)의 크기를 제어하는 것을 통해 메조포어의 크기가 결정될 수 있다. 또한 메조크기 입자물질(4)의 형태에 따라 메조포어의 형태가 달라질 수 있다. 바람직한 것은, 마크로크기의 구형 입자 물질(3)의 직경이 100 내지 500 nm의 범위인 것이고, 메조크기의 입자 물질(4)은 구형으로서 그 크기는 5 내지 50 nm인 것이다.The macropore size of the carbon structure obtained by controlling the size of the macro-sized spherical particle material 3 can be determined, and the size of the mesopore is controlled by controlling the size of the meso-size particle material 4. Can be determined. In addition, the shape of the mesopores may vary depending on the shape of the mesosize particle material (4). Preferably, the diameter of the macro-sized spherical particle material 3 is in the range of 100 to 500 nm, and the meso-sized particle material 4 is spherical and its size is 5 to 50 nm.

이어서, 마크로크기 입자 물질(3)을 정렬시키고, 마크로크기의 입자 물질(3)의 공극 사이로 메조크기의 입자 물질(4)이 정렬되어 조밀하게 채워지도록 자가 조립시킨다. 자가 조립은 상기 혼합물을 보통 30 내지 70 ℃에서 4 내지 7일 동안 점진적으로 건조시키는 것으로 이루어진다. 건조된 후 마크로크기 입자 물질(3)과 메조크기 입자 물질(4)가 규칙적으로 배열된 상태가 도 3의 (20)과 같다(단계 b).The macrosize particle material 3 is then aligned and self-assembled so that the mesosize particle material 4 is aligned and densely filled between the pores of the macrosize particle material 3. Self-assembly results in the mixture being 4-7 days at 30-70 ° C. Gradually drying. After drying, the macro-size particle material 3 and the meso-size particle material 4 are regularly arranged as shown in (20) of FIG. 3 (step b).

상기에서, 건조가 진행됨에 따라서, 메조크기 입자 물질(4)이 마크로크기 입자 물질(3)의 공극 내로 규칙적으로 조밀하게 채워짐에 따라, 마크로크기 입자 물질(3) 공극 사이의 메조크기 입자 물질(4)은 겔 상태가 되어진다.In the above, as the drying proceeds, as the mesosize particle material 4 is regularly densely filled into the voids of the macrosize particle material 3, the mesosize particle material between the voids of the macrosize particle material 3 ( 4) becomes a gel state.

이어지는 단계는 에칭 또는 소성 등의 방법으로 정렬된 마크로 입자를 제거하기 위한 단계이다. 정렬된 마크로 입자의 제거 후는 도 3의 (30)과 같다(단계 c). 예를 들어, 마크로 입자 물질이 폴리스티렌인 경우 상기 건조물을 450 내지 550 ℃에서 6 시간 내지 7 시간 동안 소성하여 마크로 다공성 템플릿을 형성한다. 도 3의 (30)에서는 소성법을 통해 형성된 마크로 다공성 템플릿을 나타낸다.The subsequent step is to remove the aligned macro particles by a method such as etching or firing. After removal of the aligned macro particles, it is the same as (30) of FIG. 3 (step c). For example, when the macro particle material is polystyrene, the dried material is calcined at 450 to 550 ° C. for 6 to 7 hours to form a macro porous template. 3 shows a macroporous template formed through the firing method.

도 3의 (30)에서 보여지는 바와 같이, 마크로 입자 물질(3)이 제거됨에 따라서, 마크로크기의 포어(1)가 형성되고, 마크로포어(1)의 둘레에는 메조크기 입자 물질(4)이 벽을 형성한다. 즉, 마크로포어(1)의 둘레에 메조크기 입자 물질(4)로 된 벽을 갖는 템플릿이 형성된다. 결국 메조크기 입자 물질들이 마크로다공성 구조의 프레임워크 역할을 한다. As shown in (30) of FIG. 3, as the macro particle material 3 is removed, a macro-sized pore 1 is formed, and a meso-size particle material 4 is formed around the macro pore 1. To form walls. That is, a template is formed having walls of mesosize particle material 4 around the macropores 1. Eventually, meso-size particle materials serve as a framework for the macroporous structure.

또한, 이런 소성과 같은 방법은 메조크기 입자 물질(4)들이 이들의 접촉점에서 약하게 소결됨에 따라서 프레임워크 구조를 보강한다. 특히 실리카인 경우, 약 550 ℃에서 3시간 정도 가열하면 충분하고 폴리스티렌의 경우는 450 ℃ 이상이면 소성처리가 충분하며 그 이상의 온도는 많은 전력소모 및 온도 상승시 많은 시간소요 때문에 불필요하다.In addition, methods such as firing reinforce the framework structure as the mesosize particle materials 4 are weakly sintered at their contact points. Particularly, in the case of silica, heating at about 550 ° C. for about 3 hours is sufficient, and in the case of polystyrene, the firing treatment is sufficient at 450 ° C. or higher.

이어서, 상기 마크로 다공성 템플릿의 메조크기 입자 물질의 공극에 탄소 전구체 용액을 주입하고 불활성 기체(Ar, N2 등)하에서 800 내지 1500℃의 온도에서 5 내지 15시간동안 고온 열처리하여 탄화하는 단계가 이어진다. 탄화된 후의 상태를 도 3의 (40)으로 나타낸다(단계 d).Subsequently, the carbon precursor solution is injected into the pores of the meso-sized particle material of the macroporous template, followed by carbonization by high temperature heat treatment at 800 to 1500 ° C. under an inert gas (Ar, N 2, etc.) for 5 to 15 hours. . The state after carbonization is shown by (40) of FIG. 3 (step d).

도 3의 (40)에서 보여지는 바와 같이 상기에서 탄소 전구체 용액은 마크로포어(1)가 아니라 모세관 효과에 기인하여 메조크기 입자 물질(4) 사이의 틈으로 침투되며, 탄소 전구체 용액(5)은 도면중에 검은 색으로 나타내었다. As shown in (40) of FIG. 3, the carbon precursor solution is penetrated into the gap between the mesosize particle material 4 due to the capillary effect, not the macropores 1, and the carbon precursor solution 5 It is shown in black in the figure.

마지막으로 상기 메조크기 입자 물질(4)을 제거하는 단계가 이어진다. 메조크기 입자 물질(4)의 제거 후를 도 3의 (50)으로 나타낸다(단계 e). 상기 도 3의 (50)은 제거방법으로서 에칭방법을 이용한 경우를 나타낸다. 도면을 통해 보여지는 바와 같이, 에칭을 통한 메조크기 입자 물질(4)의 제거를 통해, 메조포어(2)가 마크로포어(1) 틈새에 형성된 이중 다공성 탄소 구조체를 얻을 수 있다.  Finally, the mesosize particle material 4 is removed. The removal of the mesosize particle material 4 is shown by (50) in FIG. 3 (step e). 3 (50) shows a case where an etching method is used as the removal method. As can be seen from the figure, through the removal of the mesosize particle material 4 through etching, it is possible to obtain a biporous carbon structure in which mesopores 2 are formed in the gaps of the macropores 1.

상기와 같은 방법으로 형성된 탄소는 그의 이중 다공성 구조로 인하여 표면적이 매우 크다는 점과 완전히 상호연결된 다공성 구조라는 두가지 점에서 고 촉매적 활성을 얻기 위한 촉매 지지체로서 이용가능성이 매우 높다.Carbon formed by the above method is highly available as a catalyst support for obtaining high catalytic activity in two respects due to its double porous structure and its very large interconnected porous structure.

따라서, 본 발명의 직경이 100 내지 500 nm 인 마크로포어와 상기 마크로포어 틈새에 채워져 마크로포어의 벽을 형성하는 크기가 5 내지 50 nm 인 메조포어가 주기적으로 정렬된 배열로 구성된 이중 다공성 탄소 구조체는 연료 전지용 촉매 지지체로 이용될 수 있다.Accordingly, the biporous carbon structure composed of a macropore having a diameter of 100 to 500 nm and mesopores having a size of 5 to 50 nm that is filled in the gaps of the macropores to form a wall of the macropores is periodically aligned. It can be used as a catalyst support for fuel cells.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 실시예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to an Example.

실시예 1Example 1

이중 다공성 구조를 갖는 탄소 구조체 제조Fabrication of Carbon Structures with Double Porous Structure

2ℓ 플라스크 중에서 직경이 약 340nm인 폴리스티렌 구 수분산액 400 ㎖(무게 기준 : 4.3wt%)를 크기가 약 20nm인 구형 실리카의 콜로이달 분산액 700 ㎖(무게 기준 : 1.2wt%)와 혼합하였다. 이어서, 상기 혼합액을 60℃에서 7일 동안 건조하였다. 이어서, 얻어진 건조물 약 22g을 550℃에서 6.5시간 동안 공기 분위기의 로내에서 소성하여 마크로 다공성 템플릿 8.5g을 형성하였다. 상기 마크로 다공성 템플릿에서 마크로포어의 직경은 평균적으로 330nm 이었고, 실리카 입자의 크기는 평균적으로 13nm이었다. 이어서, 상기 템플릿을 2시간 동안 70℃ 진공하에서 건조시켰다. 이어서, 탄소 전구체로서 디비닐벤젠(DVB) 4㎖에 프리라디칼 개시제인 아조비스이소부티로니트릴 (AIBN) 0.1845g의 비율로 혼합한 용액(DVB/AIBN의 몰비는 대략 24) 4㎖에 상기 마크로 다공성 템플릿 2.0 g을 투입한 후, 70℃의 온도에서 12시간 동안 중합반응시켰다. 이어서 탄소 전구체 고분자가 메조크기 실리카의 공극을 채우도록 하였다. 이어서, 이것을 아르곤 가스 흐름하에서 7시간 동안 1000℃에서 가열하여 탄화하였다. 얻어진 다공성 실리카-탄소 복합재를 수성 48% HF 용액 100㎖중에서 넣어 실리카를 용해시켜 평균 마크로포어의 크기가 약 317nm이고 평균 메조포어의 크기가 10nm인 이중 다공성 구조를 갖는 탄소 구조체 약 0.2g을 얻었다.In a 2 L flask, 400 ml (4.3 wt%) of polystyrene sphere aqueous dispersion having a diameter of about 340 nm was mixed with 700 ml (1.2 wt% of colloidal dispersion) of spherical silica having a size of about 20 nm. The mixture was then dried at 60 ° C. for 7 days. Subsequently, about 22 g of the resulting dried product was fired in a furnace in an air atmosphere at 550 ° C. for 6.5 hours to form 8.5 g of macroporous template. In the macroporous template, the diameter of the macropores was 330 nm on average, and the silica particles were 13 nm on average. The template was then dried under vacuum at 70 ° C. for 2 hours. Next, 4 ml of divinylbenzene (DVB) as a carbon precursor was mixed at a ratio of 0.1845 g of azobisisobutyronitrile (AIBN), a free radical initiator, to 4 ml of the solution (the molar ratio of DVB / AIBN was approximately 24). 2.0 g of the porous template was added thereto, and then polymerized at a temperature of 70 ° C. for 12 hours. The carbon precursor polymer was then allowed to fill the pores of the mesosize silica. This was then carbonized by heating at 1000 ° C. for 7 hours under argon gas flow. The obtained porous silica-carbon composite material was put in 100 ml of an aqueous 48% HF solution to dissolve silica to obtain about 0.2 g of a carbon structure having a double porous structure having an average macropore size of about 317 nm and an average mesopore size of 10 nm.

상기 마크로 다공성 템플릿의 SEM 사진을 도 4에 나타내었고, 이중 다공성 탄소 구조체의 SEM 사진은 도 2에 나타내었다. 도 4와 도 2에서 보여지는 바와 같이, 본 발명에 따라 얻어진 마크로 다공성 템플릿과 이중 다공성 탄소 구조체는 매우 규칙적인 구조로 되어 있는 것을 확인할 수 있다.The SEM photograph of the macroporous template is shown in FIG. 4, and the SEM photograph of the double porous carbon structure is shown in FIG. 2. As shown in Figures 4 and 2, it can be seen that the macroporous template and the double porous carbon structure obtained according to the present invention have a very regular structure.

실시예 2Example 2

상기 실시예 1과 동일한 방식으로 하되, 단분산 폴리스티렌 구의 직경(약 360nm)과 실리카(직경 약 23nm)의 크기를 다르게 하여 평균 마크로포어의 크기가 약 324nm이고 평균 메조포어의 크기가 19nm인 이중 다공성 탄소 구조체 약 0.2g을 얻었다. In the same manner as in Example 1, except that the diameter of the monodisperse polystyrene sphere (about 360nm) and silica (diameter about 23nm) is different, the average macropore size is about 324nm and the average mesopore size is 19nm About 0.2 g of carbon structure was obtained.

실시예 3Example 3

상기 실시예 1과 동일한 방식으로 하되, 단분산 폴리스티렌 구의 직경(약 370nm)과 실리카(직경 약 30nm)의 크기를 다르게 하여 평균 마크로포어의 크기가 약 328nm이고 평균 메조포어의 크기가 27nm인 이중 다공성 탄소 구조체 약 0.2g을 얻었다. In the same manner as in Example 1, except that the diameter of the monodisperse polystyrene sphere (about 370nm) and the silica (about 30nm in diameter) are different, the average macropore size is about 328nm and the average mesopore size is 27nm About 0.2 g of carbon structure was obtained.

상기 실시예 1 내지 3에서 얻은 탄소 구조체를 도 6에 나타내었다. 도 6의 (a)은 실시예 2에서 얻은 마크로 다공성 템플릿을 SEM 사진으로 나타낸 것이고, (b)는 실시예 2에서 얻은 이중 다공성 탄소 구조체를 SEM 사진으로 나타낸 것이고, (c)는 실시예 3에서 얻은 이중 다공성 탄소 구조체를 SEM 사진으로 나타낸 것이고, (d)는 실시예 1에서 얻은 이중 다공성 탄소 구조체의 TEM 사진을 나타낸 것이다.The carbon structures obtained in Examples 1 to 3 are shown in FIG. 6. Figure 6 (a) is a SEM photograph of the macroporous template obtained in Example 2, (b) is a SEM photograph of the double porous carbon structure obtained in Example 2, (c) is in Example 3 The obtained biporous carbon structure is shown by SEM photographs, and (d) shows the TEM photograph of the biporous carbon structure obtained in Example 1.

상기 도 6을 통해서도 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소 구조체가 규칙적인 이중 다공성 구조임을 확인할 수 있었다.As also confirmed through FIG. 6, it was confirmed that the carbon structure according to the present invention is a regular double porous structure.

실시예 4Example 4

탄소 지지된 Pt-Ru 합금촉매의 제조Preparation of Carbon Supported Pt-Ru Alloy Catalyst

탄소 지지된 Pt-Ru 합금촉매는 금속전구체로서 H2PtCl6.6H2O(알드리치)와 RuCl3.xH2O(알드리치)을 사용하고, 환원제로서 NaBH4 을 사용하여 실온에서 합성시켰다.Carbon-supported Pt-Ru alloy catalyst As the metal precursor using H 2 PtCl 6 .6H 2 O (Aldrich) and RuCl 3 .xH 2 O (Aldrich), and using as the reducing agent NaBH 4 was synthesized at room temperature.

즉, 동몰(2×10-3몰)의 H2PtCl6.6H2O(40.88%Pt) 1.0976g과 RuCl 3.xH2O(40.71% Ru) 0.4965g을 탈 이온수 100㎖에 용해시켜 금속염 용액을 제조하였다. 상기 실시예 1)에서 얻은 탄소 구조체 0.1481g을 탈이온수 100㎖에 현탁시키고 균일한 탄소 슬러리를 형성하도록 1시간동안 교반하였다. 이어서, 탄소 슬러리100㎖를 금속염 용액 100㎖중에 첨가한 후 30분정도 교반시킨 후 탈 이온수 2.8ℓ를 첨가하여 금속염-탄소혼합용액을 희석시킨 후 1시간정도 교반하였다. 3.0 M NaOH 용액을 이용하여 혼합용액의 pH를 약 8정도로 맞춘 후 과량의 NaBH4 용액(NaBH4/금속 몰비는 대략 10) 50㎖을 빠르게 탄소-금속 염 혼합 용액중에 격렬한 교반하에서 투입하고 2시간에 걸쳐 주변온도에서 교반하여 금속염을 환원시켜, 촉매 전체중량을 기준으로 80중량% 금속 로딩의 Pt50-Ru50 촉매를 제조하였다.That is, equimolar (2 × 10 -3 mol) of H 2 PtCl 6 .6H 2 O ( 40.88% Pt) 1.0976g and RuCl 3 .xH 2 O (40.71% Ru) 0.4965g were dissolved in deionized water 100㎖ metal salt The solution was prepared. 0.1481 g of the carbon structure obtained in Example 1) was suspended in 100 mL of deionized water and stirred for 1 hour to form a uniform carbon slurry. Subsequently, 100 ml of the carbon slurry was added to 100 ml of the metal salt solution, stirred for about 30 minutes, and 2.8 L of deionized water was added to dilute the metal salt-carbon mixed solution, followed by stirring for about 1 hour. The pH of the mixed solution was adjusted to about 8 using a 3.0 M NaOH solution, and 50 ml of excess NaBH 4 solution (NaBH 4 / metal molar ratio was approximately 10) was rapidly added to the carbon-metal salt mixed solution under vigorous stirring for 2 hours. The metal salt was reduced by stirring at ambient temperature over to prepare a Pt 50 -Ru 50 catalyst with 80% by weight metal loading based on the total weight of the catalyst.

또한, 상기 촉매의 TEM 사진을 도 7에 나타내었다. 도 7에서 보여지는 바와 같이 Pt-Ru 합금 나노입자에 해당하는 작고, 구형인 균일한 검은색 점이 균일하게 분포되어 있는 것을 볼 수 있다. 상기 샘플에 대해 랜덤하게 선택된 영역에서 상기 TEM 사진으로부터 직접적으로 측정된 입자크기는 대략 2 내지 3nm였다. 이것은 Scharrer식에 의해 Pt fcc 격자의 (220) X-레이 회절 피크로부터 평균 입자 크기 분석을 통해 추가적으로 확인하였다.In addition, a TEM photograph of the catalyst is shown in FIG. 7. As shown in FIG. 7, it can be seen that the small, spherical uniform black dots corresponding to the Pt-Ru alloy nanoparticles are uniformly distributed. The particle size measured directly from the TEM photograph in a randomly selected region for the sample was approximately 2-3 nm. This was further confirmed by mean particle size analysis from the (220) X-ray diffraction peak of the Pt fcc grating by Scharrer's equation.

비교예 1Comparative Example 1

탄소 지지체로서 Cabot Co.의 Vulcan XC-72 카본 블랙 0.3949g을 사용하여 실시예 4에서와 동일한 방법을 반복하여 Pt-Ru 합금 촉매 0.984g을 얻었다.Using the 0.3949 g of Vulcan XC-72 carbon black of Cabot Co. as the carbon support, the same method as in Example 4 was repeated to obtain 0.984 g of Pt-Ru alloy catalyst.

비교예 2Comparative Example 2

시판되는 E-TEK 촉매를 사용하였다. (제조사 E-TEK )Commercially available E-TEK catalysts were used. (Manufacturer E-TEK)

비교예 3Comparative Example 3

마크로 다공성 탄소 구조체의 제조방법Method of manufacturing macro porous carbon structure

대한민국 특허출원 제2000-57082호에 기재된 방법에 따라 연료 전지용 전극 촉매에 지지체로서 사용되는 마크로 다공성 탄소 구조체를 제조하였으며, 그 기재 내용을 본 발명에 참조로서 인용한다. 구체적으로 대략 370 nm의 범위의 직경을 가진 구형 실리카 10g을 1ℓ 비이커 200㎖ 수용액에 고르게 분산시키고, 40℃에서 건조시켜 자체적으로 수용액 상에서 자기조립시킨 다음, 건조된 실리카 물질을 800℃까지 가열하여 실리카 콜로이달 결정 주형을 만들고, 이 주형을 이루고 있는 구형 실리카들 사이의 공극에 DVB 4㎖와 AIBN 0.1845g를 주입한 후 70℃에서 중합시켰다. 이어서 실리카-탄소 전구체 복합체를 비활성 기체 분위기하에서 약 1000℃에서 탄소화 반응시켜 탄소-실리카 주형 복합물을 얻은 후, 48% HF를 이용하여 주형만을 녹여 제거함으로서 직경이 약 320 nm인 균일한 규칙적으로 배열된 세공을 가진 다공성 탄소 구조체를 얻었다.According to the method described in Korean Patent Application No. 2000-57082, a macroporous carbon structure used as a support for an electrode catalyst for a fuel cell was prepared, the contents of which are incorporated herein by reference. Specifically, 10 g of spherical silica having a diameter in the range of approximately 370 nm was evenly dispersed in a 200 ml aqueous solution of 1 L beaker, dried at 40 ° C. to self-assemble on an aqueous solution, and then the dried silica material was heated to 800 ° C. A colloidal crystal template was made, 4 mL of DVB and 0.1845 g of AIBN were injected into the pores between the spherical silicas forming the template, and then polymerized at 70 ° C. Subsequently, the silica-carbon precursor composite was carbonized at about 1000 ° C. under an inert gas atmosphere to obtain a carbon-silica template composite, and then uniformly arranged with a diameter of about 320 nm by removing only the template using 48% HF. A porous carbon structure with fine pores was obtained.

탄소 지지된 Pt-Ru 합금촉매의 제조Preparation of Carbon Supported Pt-Ru Alloy Catalyst

탄소 지지체로서 상기에서 얻은 마크로 다공성 탄소 구조체 0.148 g을 사용하여 실시예 4에서와 동일한 방법을 반복하여 Pt-Ru 합금 촉매 0.74g을 얻었다.The same procedure as in Example 4 was repeated using 0.148 g of the macroporous carbon structure obtained above as the carbon support to obtain 0.74 g of a Pt-Ru alloy catalyst.

시험예 1Test Example 1

실시예 1의 각각의 단계에서 제조된 마크로 다공성 템플릿 및 이중 다공성 탄소 구조체 각각 대략적으로 100mg을 칭량하여 각각의 시료를 423 K에서 20μTorr까지 4 내지 6시간 동안 탈가스시킨 후 77K에서 마이크로메트리스(Micrometries) ASAP 2010 가스 흡착 분석기를 이용하여 흡착 시험을 하였다. 그 결과를 도 5에 흡착등온선으로 나타내었다. 이때 흡착된 질소기체 분자의 부피를 이용하여 BET식 및 BJH 방법을 사용하여 시료가 가지고 있는 표면적, 포어부피 및 포어크기 분포 등을 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.Approximately 100 mg of each of the macroporous template and the biporous carbon structure prepared in each step of Example 1 were weighed to degas each sample for 4-6 hours from 423 K to 20 μTorr, followed by Micrometries at 77 K. Adsorption tests were performed using an ASAP 2010 gas adsorption analyzer. The results are shown as adsorption isotherms in FIG. 5. At this time, the surface area, pore volume and pore size distribution of the sample were measured using the BET equation and the BJH method using the volume of the adsorbed nitrogen gas molecules, and the results are shown in Table 1.

마크로 다공성 템플릿Macroporous template 이중 다공성 탄소 구조체Double porous carbon structure BET 표면적BET surface area 160㎡/g160㎡ / g 465㎡/g465㎡ / g 평균포어크기 분포Average Pore Size Distribution 3.4nm3.4 nm 9.5nm9.5 nm 전체 포어 부피Full pore volume 0.290㎖/g0.290ml / g 1.32㎖/g1.32ml / g

본 발명에서 제조한 마크로 다공성 템플릿 및 이중 다공성 탄소 구조체의 등온선은 IUPAC 정의에 따라 타입 H2 히스테리시스를 갖는 타입 IV에 해당되고, 이것은 전형적으로 프레임워크 메조포어의 특성을 나타낸다. 메조포어는 다공성 실리카 템플릿의 응집된 구형의 실리카 입자 사이의 틈과 실리카 입자의 용해에 의해 얻어진 다공성 탄소 벽에서 발생되었다. 메조포어 기원의 흥미로운 변화는 도 5의 메조포어 크기의 변화를 수반하는 다공성 실리카 템플릿으로부터 다공성 탄소로의 복제 과정에서 또한 나타났다.The isotherms of the macroporous template and the biporous carbon structure prepared in the present invention correspond to type IV with type H 2 hysteresis according to the IUPAC definition, which typically represents the properties of framework mesopores. Mesopores occurred in the porous carbon walls obtained by dissolution of the silica particles and gaps between the aggregated spherical silica particles of the porous silica template. An interesting change in mesopore origin was also seen in the process of replication from porous silica template to porous carbon accompanied by a change in mesopore size in FIG. 5.

실리카-탄소 복합재에서, 실리카 탬플릿의 메조다공성은 등온선과 대응하는 포어 크기 분포에서 보여지는 바와 같이 탄소에 의해 메조포어가 완전히 채워짐으로서 사라졌다. In the silica-carbon composites, the mesoporosity of the silica template disappeared as the mesopores were completely filled by carbon as shown in the isothermal and corresponding pore size distributions.

시험예 2Test Example 2

상기 실시예 4 및 비교예 1 및 2에서 얻은 탄소 지지된 촉매의 전극 촉매 활성을 평가하기 위해, 2㎠ 촉매 영역을 갖는 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell) 단위전지를 사용하고, 포텐티오미터(WMPG-1000)을 가지고 30℃ 및 70℃에서 측정하여, 그 결과를 표 2 및 도 8 및 9에 나타내었다. 포텐티오미터는 일정한 전류 조건하에서 전지 전위를 기록한다. 이때 애노드로서 실시예 4, 비교예 1 및 2에서 얻은 촉매, 캐소드로서 Johnson Matthey Pt Black(5.0㎎/㎠) 및 전해질으로서 Nafion 117(듀폰)을 사용하였다. MEA(멤브레인 전극 어셈블리)는 미리처리된 Nafion 117을 각면에 애노드와 캐소드 촉매를 가지고 핫-프레싱하여 제조하였다. 금속에 기초된 애노드 및 캐소드에서 촉매 로딩은 각각 2.0㎎/㎤ 및 5.0㎎/㎤이었다. Nafion 117 멤브레인을 3중량% H2O2중에서 1시간 동안 끓이고 이어서 1시간 동안 0.5M H2SO4중에서 끓여서 예비처리하였다. 단일 전지 테스트 고정물은 애노드로의 메탄올 통로와 캐소드로의 산소 가스 통로를 제공하기 위해 립-채널 패턴을 갖는 두개의 구리 엔드 플레이트와 두개의 그라파이트 플레이트로 구성하였다. 2.0 M 메탄올 용액을 마스터플렉스 액체 마이크로-펌프에 의해 1.0mL/분의 속도로 애노드로 제공하고, 건조 O2을 플로우미터를 사용하여 300mL/분의 속도로 캐소드로 주입하였다.In order to evaluate the electrode catalyst activity of the carbon-supported catalysts obtained in Examples 4 and Comparative Examples 1 and 2, a DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) unit cell having a 2 cm 2 catalyst area was used, and a potentiometer (WMPG- 1000) and measured at 30 ° C. and 70 ° C., and the results are shown in Table 2 and FIGS. 8 and 9. The potentiometer records the cell potential under constant current conditions. In this case, Johnson Matthey Pt Black (5.0 mg / cm 2) as a catalyst, a catalyst obtained in Examples 4 and Comparative Examples 1 and 2 as an anode, and Nafion 117 (DuPont) as an electrolyte were used. MEA (membrane electrode assembly) was prepared by hot-pressing pretreated Nafion 117 with anode and cathode catalyst on each side. Catalyst loadings at the metal based anode and cathode were 2.0 mg / cm 3 and 5.0 mg / cm 3, respectively. The Nafion 117 membrane was pretreated by boiling in 3% by weight H 2 O 2 for 1 hour and then in 0.5MH 2 SO 4 for 1 hour. The single cell test fixture consisted of two copper end plates and two graphite plates with a lip-channel pattern to provide a methanol passage to the anode and an oxygen gas passage to the cathode. A 2.0 M methanol solution was provided to the anode by a masterplex liquid micro-pump at a rate of 1.0 mL / min and dry O 2 was injected into the cathode at a rate of 300 mL / min using a flow meter.

구 분 division 금속 로딩(중량%*1)Metal loading (% by weight * 1 ) 30℃ 30 ℃ 70℃70 ℃ 전류밀도(0.5V)Current density (0.5V) 최대 전력밀도Power density 전류 밀도(0.5V)Current density (0.5 V) 최대 전력밀도Power density 실시예 4Example 4 8080 40 mA/㎠40 mA / ㎠ 70 mW/㎠70 mW / ㎠ 190 mA/㎠190 mA / ㎠ 190 mW/㎠190 mW / ㎠ 비교예 1Comparative Example 1 6060 7.5 mA/㎠7.5 mA / ㎠ 32 mW/㎠32 mW / ㎠ 23 mA/㎠23 mA / ㎠ 106 mW/㎠106 mW / ㎠ 비교예 2Comparative Example 2 6060 10 mA/㎠10 mA / ㎠ 39 mW/㎠39 mW / ㎠ 54 mA/㎠54 mA / ㎠ 121 mW/㎠121 mW / ㎠

1. 중량% : 촉맥의 전체 중량을 기준으로 함1.Weight%: Based on the total weight of the chock

시험예 3Test Example 3

상기 실시예 4 및 비교예 1 및 3에서 얻은 탄소 지지된 촉매의 전극 촉매 활성을 평가하기 위해, 상기 시험예 2와 동일한 방식으로 시험하였고, 그 결과를 표 3 및 도 9에 나타내었다.In order to evaluate the electrode catalyst activity of the carbon supported catalyst obtained in Example 4 and Comparative Examples 1 and 3, it was tested in the same manner as in Test Example 2, the results are shown in Table 3 and FIG.

구 분 division 금속 로딩(중량%)Metal loading (% by weight) 30℃ 30 ℃ 전류밀도(0.5V)Current density (0.5V) 최대 전력 밀도Power density 실시예 4Example 4 8080 40 mA/㎠40 mA / ㎠ 70 mW/㎠70 mW / ㎠ 비교예 2Comparative Example 2 6060 10 mA/㎠10 mA / ㎠ 38 mW/㎠38 mW / ㎠ 비교예 3Comparative Example 3 8080 12.5 mA/㎠12.5 mA / ㎠ 44 mW/㎠44 mW / ㎠

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 이중 다공성 탄소 구조체(실시예 4)의 금속 로딩이 80중량%인 반면, Vulcan XC-72 탄소를 사용한 비교예 1의 금속 로딩은 60중량%이었다. 이것은 본 발명에 따른 이중 다공성 탄소 구조체가 보다 높은 금속 로딩이 가능함을 나타내는 것이며, 고촉매 로딩이 필수적인 DMFC에서 활용도가 높다는 것을 나타낸다. As can be seen in Table 2, the metal loading of the double porous carbon structure according to the present invention (Example 4) is 80% by weight, while the metal loading of Comparative Example 1 using Vulcan XC-72 carbon is 60% by weight. It was. This indicates that the bi-porous carbon structure according to the present invention is capable of higher metal loading, and has high utility in DMFC where high catalyst loading is essential.

직접 메탄올 연료 전지(DMFC)의 단위 전지를 통해 측정된 탄소 지지된 촉매의 전극 촉매 활성의 평가 결과를 상기 표 2와 3 및 도 8과 9를 통해 보면, 30℃에서, 실시예 4는 0.5V에서 40mA/㎠의 전류 밀도를 보여주었고, 반면 비교예 1의 VC 촉매와 비교예 2의 E-TEK 촉매의 전류 밀도는 각각 7.5 및 10mA/㎠였다. 또한, 최대 전력 밀도를 보면 본 발명에서 제조한 촉매가 다른 촉매보다 높은 최대 전력 밀도(70mW/㎠)를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한 70℃에서도 거의 유사한 결과를 보였다. 즉, 본 발명에 따른 촉매(실시예 4)의 전류 밀도가 190mA/㎠이었던 반면, 비교예 1 및 2의 전류 밀도는 각각 23mA/㎠ 및 54mA/㎠이고, 최대 전력 밀도 또한 실시예 4와 비교예 2를 비교하여 약 57% 정도 더 높은 것으로 확인되었다. The evaluation results of the electrode catalyst activity of the carbon supported catalyst measured through the unit cell of a direct methanol fuel cell (DMFC) are shown in Tables 2 and 3 and FIGS. 8 and 9, at 30 ° C., Example 4 was 0.5V. Showed a current density of 40 mA / cm 2, while the current densities of the VC catalyst of Comparative Example 1 and the E-TEK catalyst of Comparative Example 2 were 7.5 and 10 mA / cm 2, respectively. In addition, the maximum power density shows that the catalyst prepared in the present invention exhibits a higher maximum power density (70 mW / cm 2) than other catalysts. In addition, similar results were obtained at 70 ° C. That is, while the current density of the catalyst (Example 4) according to the present invention was 190 mA / cm 2, the current densities of Comparative Examples 1 and 2 were 23 mA / cm 2 and 54 mA / cm 2, respectively, and the maximum power density was also compared with that of Example 4. Comparing Example 2, it was found to be about 57% higher.

모든 보여지는 활성 데이터는 여러 번 측정하였고, 실험적 오차내에서 재현성이 있었다. 특히, 본 발명에 따른 촉매는 안정하게 유지되었고, 단위 전지에서 150시간 이상동안 일정한 촉매 활성을 유지하였다. All visible activity data was measured several times and was reproducible within experimental error. In particular, the catalyst according to the invention remained stable and maintained constant catalytic activity for at least 150 hours in a unit cell.

흥미롭게, 본 발명에 따른 촉매와 동일한 조건에서 제조된 Vulcan XC-72 지지된 비교예 1의 촉매는 Vulcan 탄소상에 또한 지지된 시판되는 E-TEK 촉매(비교예 2)보다 낮은 산화 활성을 보여주었다. 이것은 이 실험에서 자체적으로 제조된 Pt-Ru 합금 촉매가 메탄올 산화 활성이라는 측면에서 E-TEK 촉매보다 덜 우수하다는 것을 나타내는 것이고, 이는 동일한 Vulcan 탄소를 양쪽의 모두의 경우에 대한 지지체로서 사용하였기 때문이다. 이 경우에서 조차 본 발명에 따른 촉매는 E-TEK 상대물보다 더 우수한 성능을 보였다. 따라서, 활성에서 이런 증가는 다공성 탄소의 매우 큰 지지 효과에 단독으로 기여될 수 있다. 이것은 DMFC에서 현저한 진보이다. Interestingly, the catalyst of Vulcan XC-72 supported Comparative Example 1 prepared under the same conditions as the catalyst according to the present invention showed lower oxidation activity than the commercially available E-TEK catalyst (Comparative Example 2) also supported on Vulcan carbon. . This indicates that the Pt-Ru alloy catalyst produced in-house in this experiment is less excellent than the E-TEK catalyst in terms of methanol oxidation activity, since the same Vulcan carbon was used as a support for both cases. . Even in this case, the catalyst according to the invention showed better performance than the E-TEK counterpart. Thus, this increase in activity can contribute solely to the very large supporting effect of porous carbon. This is a significant advance in DMFC.

또한, 메조다공성 구조의 벽에 의해 둘러싸이고, 3차원적으로 상호 연결되어 있으며, 규칙적으로 정렬된 균일한 마크로포어를 갖는 본 발명에 따른 탄소 구조체(실시예 4)는 또한 동일한 크기의 규칙적인 격자 구조체를 갖지만 메조포어 벽을 갖지 않는 마크로 다공성 탄소(비교예 3)와 비교해도 도 9에 나타난 바와 같이 보다 우수한 촉매적 활성을 보여준다. 즉, 30℃에서 전류 밀도 및 최대 전력 밀도가 거의 두배 이상으로 높았다. 이와 같은 결과는 보다 작은 메조포어 벽의 중요성을 나타낸 것이고, 이것은 보다 높은 정도의 촉매 분산을 허용함을 알 수 있다.In addition, the carbon structure according to the present invention (Example 4), which is surrounded by walls of mesoporous structure, three-dimensionally interconnected, and with uniformly aligned uniform macropores, is also a regular lattice of the same size. Compared with macroporous carbon (Comparative Example 3) having a structure but no mesoporous walls, it shows better catalytic activity as shown in FIG. 9. In other words, the current density and the maximum power density were nearly doubled at 30 ° C. These results indicate the importance of smaller mesopore walls, which allows for a higher degree of catalyst dispersion.

이와 같이 본 발명에 따른 탄소 구조체는 메조다공성 구조의 벽에 의해 둘러싸이고, 3차원적으로 상호 연결되어 있으며, 규칙적으로 정렬된 균일한 마크로포어를 갖는 구조를 가짐에 따라서, 이 탄소 구조체를 이용한 전극 촉매의 활성이 현저하게 개선됨을 알 수 있다. As described above, the carbon structure according to the present invention has a structure having uniform macropores surrounded by walls of mesoporous structure, interconnected three-dimensionally and regularly aligned, and thus the electrode using the carbon structure. It can be seen that the activity of the catalyst is significantly improved.

이러한 개선은 본 발명에 따른 탄소 구조체의 독특한 구조적 특성 때문이다. 즉, 보다 높은 표면적과 보다 큰 포어 부피 및 삼차원적으로 상호연결된 잘-조합된 마크로 및 메조 이중 다공성 때문이다. 또한, 균일한 크기의 규칙적으로 분포된 포어를 갖는 본 발명에 따른 탄소 구조체는 그의 구조적인 특징으로 인하여 다양한 크기의 랜덤하게 분포된 포어를 갖는 Vulcan 탄소보다 촉매중에서 연료 및 생성물의 이동과 확산을 보다 용이하게 한다. 따라서, 촉매 분산이 개선되며, 더 나아가 높은 촉매 활성을 가지게 된다.This improvement is due to the unique structural properties of the carbon structure according to the invention. That is because of the higher surface area and larger pore volume and three-dimensionally interconnected well-assembled macro and meso double porosity. In addition, the carbon structure according to the present invention having a uniformly distributed pore of uniform size has a higher characteristic of transport and diffusion of fuel and products in the catalyst than Vulcan carbon having randomly distributed pores of various sizes due to its structural characteristics. To facilitate. Thus, catalyst dispersion is improved and further has high catalytic activity.

이와 같은 구조의 탄소 구조체는 또한 촉매 제조시 활성 금속의 담지량을 많게 또는 적게하는 조절이 가능하여 그 활용도가 높다.The carbon structure having such a structure can also be adjusted to increase or decrease the amount of active metal supported in the preparation of the catalyst, and thus has high utility.

또한, 본 발명에 따른 탄소 구조체는 효율적인 전달 및 고표면적이 직접 메탄올 연료 전지에서와 같이 매우 큰 이점이 되는 분야에서 다양하게 응용될 수 있다.In addition, the carbon structure according to the present invention can be applied in various fields in which efficient delivery and high surface area are very large advantages such as in a direct methanol fuel cell.

도 1은 본 발명에 따른 이중 다공성 구조를 갖는 탄소 구조체의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a carbon structure having a double porous structure according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 이중 다공성 구조를 갖는 탄소 구조체의 SEM 사진이다.2 is a SEM photograph of a carbon structure having a double porous structure according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법의 일예를 도식화하여 나타낸 도면이다.3 is a diagram schematically showing an example of a method of manufacturing a double porous carbon structure according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 이중 다공성 탄소 구조체의 제조를 위한 메조크기 입자 물질의 템플릿된 응집체에 의해 둘러싸인 마크로 다공성 템플릿의 SEM 사진이다.4 is a SEM photograph of a macroporous template surrounded by a templated aggregate of mesosize particle material for the production of a biporous carbon structure in accordance with the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 이중 다공성 탄소 구조체의 N2 흡착 및 탈착 성능을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the N 2 adsorption and desorption performance of the double porous carbon structure according to the present invention.

도 6a 내지 6d는 본 발명에 따른 실시예에서 목적하는 탄소 구조체를 얻기 위한 마크로 다공성 템플릿과 얻어진 탄소 구조체의 SEM 및 TEM 사진이다.6a to 6d are SEM and TEM photographs of the macroporous template and the obtained carbon structure for obtaining the desired carbon structure in the embodiment according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 이중 다공성 탄소 구조체에 PtRu 금속이 지지된 촉매의 TEM 사진이다.7 is a TEM photograph of a catalyst on which a PtRu metal is supported on a bi-porous carbon structure according to the present invention.

도 8a는 본 발명에 따른 이중 다공성 탄소 구조체를 지지체로 이용한 촉매를 사용하여 직접 메탄올 연료 전지의 30℃에서의 성능을 나타낸 그래프이고, 도 8b는 본 발명에 따른 이중 다공성 탄소 구조체를 지지체로 이용한 촉매를 사용하여 직접 메탄올 연료 전지의 70℃에서의 성능을 나타낸 그래프이다.8A is a graph showing the performance at 30 ° C. of a direct methanol fuel cell using a catalyst using a double porous carbon structure according to the present invention, and FIG. 8B is a catalyst using the double porous carbon structure according to the present invention as a support. Is a graph showing the performance of the direct methanol fuel cell at 70 ° C.

도 9는 본 발명에 따른 이중 다공성 탄소 구조체를 지지체로 이용한 촉매와 마크로 다공성 탄소 구조체를 지지체로 이용한 촉매의 성능을 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the results of comparing the performance of the catalyst using the double porous carbon structure as a support and the catalyst using a macroporous carbon structure as a support according to the present invention.

*도면 부호의 간단한 설명** Short description of drawing symbols *

1. 마크로포어 2. 메조포어1. Macropores 2. Mesopores

3. 폴리스티렌 구 4. 실리카 입자3. Polystyrene Sphere 4. Silica Particles

5. 탄소 전구체 용액 10. 혼합액5. Carbon precursor solution 10. Mixed solution

20. 건조물 30. 마크로 다공성 템플릿20. Buildings 30. Macro Porous Templates

40. 복합재 50. 탄소 구조체40. Composite 50. Carbon Structure

Claims (16)

메조다공성 구조의 벽에 의해 둘러싸이고, 3차원적으로 상호 연결되어 있으며, 규칙적으로 정렬된 균일한 마크로포어를 갖는 이중 다공성 탄소 구조체.A biporous carbon structure surrounded by walls of mesoporous structure, three-dimensionally interconnected, and having uniformly aligned uniform macropores. 제 1항에 있어서, 상기 이중 다공성 탄소 구조체의 마크로포어는 그의 직경이 100 내지 500nm이고, 메조포어는 그의 직경이 5 내지 50nm 인 이중 다공성 탄소 구조체.The biporous carbon structure according to claim 1, wherein the macropores of the biporous carbon structures have a diameter of 100 to 500 nm and the mesopores have a diameter of 5 to 50 nm. a) 마크로크기의 단분산 입자 물질을 메조크기의 입자 물질의 콜로이달 분산액과 혼합하는 단계; a) mixing the macroscale monodisperse particulate material with a colloidal dispersion of mesoscale particulate material; b) 자가 조립법으로 마크로크기의 입자 물질을 정렬시키면서 마크로크기 입자들의 공극내에서 메조크기의 콜로이달 입자물질을 정렬시키는 단계;b) aligning the meso-sized colloidal particle material within the pores of the macro-sized particles while aligning the macro-sized particle material by self-assembly; c) 정렬된 마크로 입자를 제거하여 메조크기 입자 물질의 템플릿된 응집체에 의해 둘러싸인 마크로 다공성 템플릿을 형성하는 단계; c) removing the aligned macro particles to form a macro porous template surrounded by a templated aggregate of mesosize particle material; d) 상기 마크로 다공성 템플릿의 메조크기 입자 물질 사이의 공극에 탄소 전구체를 주입하고 탄화하는 단계; 및 d) injecting and carbonizing a carbon precursor into the pores between the mesosize particle material of the macroporous template; And e) 상기 마크로 다공성 템플릿의 메조크기 입자 물질을 제거하는 단계를 포함하는 메조다공성 구조의 벽에 의해 둘러싸이고, 3차원적으로 상호 연결되어 있으며, 규칙적으로 정렬된 균일한 마크로포어를 갖는 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법.e) a bi-porous carbon having a uniform macropore that is surrounded by walls of three-dimensionally interconnected, regularly aligned, mesoporous structure comprising removing the mesosize particle material of the macroporous template. Method for producing a structure. 제 3항에 있어서, a) 단계에서, 마크로크기 단분산 입자 물질로는 구형이고 100 내지 500㎚ 범위의 크기를 가지고 c) 단계에서 제거될 수 있는 재질의 물질이며, 메조크기 입자 물질은 구형 또는 막대형이며 5 내지 50㎚ 범위의 크기를 가지고 e) 단계에서 제거될 수 있는 재질의 물질인 것을 특징으로 하는 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법.The method of claim 3, wherein in step a), the macrosize monodisperse particle material is spherical and has a size ranging from 100 to 500 nm and is a material of a material that can be removed in step c), and the mesosize particle material is spherical or Method of producing a bi-porous carbon structure, characterized in that the rod-shaped material having a size in the range of 5 to 50nm can be removed in step e). 제 4항에 있어서, 마크로크기의 입자 물질은 유기물질이고, 메조크기의 입자 물질은 무기 물질인 것을 특징으로 하는 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법.5. The method of claim 4, wherein the macroscopic particulate material is an organic material and the mesosize particulate material is an inorganic material. 제 5항에 있어서, 마크로크기의 입자 물질은 폴리스티렌 구이고, 메조크기 입자 물질은 실리카 구인 것을 특징으로 하는 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법.The method of claim 5, wherein the macro-sized particulate material is polystyrene spheres and the meso-sized particulate material is silica spheres. 제 3항에 있어서, b) 단계는 30 내지 70℃에서 4 내지 7일 동안 점진적으로 건조시켜 자가 조립시킴으로써 수행되는 것인 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법.The method of claim 3, wherein step b) is carried out by self-assembly by gradually drying at 30 to 70 ℃ for 4 to 7 days. 제 3항에 있어서, c) 단계는 소성법 또는 에칭법으로 마크로크기 입자 물질을 제거함으로써 수행되는 것인 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법.4. The method of claim 3, wherein step c) is performed by removing the macrosize particle material by firing or etching. 제 8항에 있어서, 소성법은 450 내지 550℃에서 6 내지 7시간 동안 대기 분위기하에서 가열함으로써 수행되는 것인 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법.The method of claim 8, wherein the firing method is performed by heating in an atmospheric atmosphere for 6 to 7 hours at 450 to 550 ℃. 제 8항에 있어서, 에칭법은 실온하에서 톨루엔 또는 다이메틸포름아마이드 용액중에서 침지시킴으로서 수행되는 것인 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법. The method of claim 8, wherein the etching method is performed by immersing in a toluene or dimethylformamide solution at room temperature. 제 3항에 있어서, 단계 d)에서 탄소 전구체로는 디비닐벤젠, 아크릴로니트릴, 염화비닐, 비닐아세테이트, 스티렌, 메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 우레아(urea), 멜라민 (melamin) 또는 CH2 =CRR'(여기에서 R 및 R'은 알킬기 또는 아릴기를 나타낸다) 등의 단량체를 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), t-부틸퍼아세테이트(t-butyl peracetate), 벤조일퍼옥시드(BPO), 아세틸퍼옥시드(acetyl peroxide), 또는 라우릴퍼옥시드(lauryl peroxide) 개시제를 사용하여 부가중합반응시켜 제조되는 고분자, 페놀-포름알데히드, 페놀, 푸르푸릴 알콜(furfuryl alcohol), 레조르시놀-포름알데히드(RF), 알데히드, 수크로스, 글루코오스 또는 자일로오스 등의 단량체를 황산 또는 염산과 같은 산촉매를 사용하여 축합중합반응시켜 제조되는 고분자 또는 메조페이스 피치(mesophase pitch)중에서 선택하거나 또는 탄소화 반응에 의해 흑연성 탄소(graphitic carbon)를 형성하는 기타 탄소 전구체로부터 선택되는 것인 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법.The method of claim 3, wherein the carbon precursor in step d) is divinylbenzene, acrylonitrile, vinyl chloride, vinyl acetate, styrene, methacrylate, methyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, urea , Melamine or CH 2 = CRR '(where R and R' represent alkyl or aryl groups), such as azobisisobutyronitrile (AIBN), t-butyl peracetate , Polymers prepared by addition polymerization using benzoyl peroxide (BPO), acetyl peroxide, or lauryl peroxide initiators, phenol-formaldehyde, phenol, furfuryl alcohol ) Or polymers or mesophases prepared by condensation polymerization of monomers such as resorcinol-formaldehyde (RF), aldehydes, sucrose, glucose or xylose with an acid catalyst such as sulfuric acid or hydrochloric acid. A method of producing a bi-porous carbon structure selected from mesophase pitch or from other carbon precursors that form graphitic carbon by a carbonation reaction. 제 3항에 있어서, 단계 d)는 상기 탄소 전구체 고분자가 주입된 다공성 마크로 템플릿을 불활성 기체하에서 800 내지 1500℃의 온도에서 5 내지 15시간동안 고온 열처리하는 것으로 수행되는 것인 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법.The method of claim 3, wherein step d) is performed by high temperature heat treatment of the porous macro template into which the carbon precursor polymer is injected at a temperature of 800 to 1500 ° C. for 5 to 15 hours under an inert gas. Way. 제 3항에 있어서, 단계 e)는 메조크기 입자물질을 제거하기 위해서는 HF 용액, NaOH 용액 또는 KOH 용액으로 에칭시키는 방법 또는 300 내지 550℃의 온도에서 5 내지 8시간 동안 소성하는 방법으로 수행되는 것인 이중 다공성 탄소 구조체의 제조방법.The method of claim 3, wherein step e) is performed by etching with HF solution, NaOH solution or KOH solution to remove meso-size particulate matter or by baking for 5 to 8 hours at a temperature of 300 to 550 ° C. Method for producing a phosphorous double porous carbon structure. 제 1항 또는 제 2항에 따른 이중 다공성 탄소 구조체를 지지체로 포함하는 연료 전지용 전극 촉매.An electrode catalyst for a fuel cell comprising the double porous carbon structure according to claim 1 as a support. 제 14항에 있어서, 상기 연료 전지용 전극 촉매는 촉매의 총중량을 기준으로 5 내지 95중량%의 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 코발트(Co) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상의 활성 금속을 포함하는 것인 연료 전지용 전극 촉매.15. The method of claim 14, wherein the electrode catalyst for the fuel cell is 5 to 95% by weight based on the total weight of the catalyst (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), molybdenum (Mo), osmium (Os), iridium An electrode catalyst for a fuel cell comprising at least one active metal selected from the group consisting of (Ir), rhenium (Re), palladium (Pd), vanadium (V), cobalt (Co) and tungsten (W). 제 14항 또는 제 15항에 있어서, 연료 전지용 전극 촉매는 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 직접 에탄올 연료전지(DEFC), 또는 고분자 전해질막 연료전지 (polymer electrolyte membrane fuel cell)에 사용되는 것인 연료 전지용 전극 촉매.16. The fuel of claim 14 or 15, wherein the electrode catalyst for a fuel cell is used in a direct methanol fuel cell (DMFC), a direct ethanol fuel cell (DEFC), or a polymer electrolyte membrane fuel cell. Battery Electrode Catalyst.
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