KR20100011029A - Hcms carbon-supported electrode catalysts in proton exchange membrane fuel cell and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An HCMS(hollow core with mesoporous shell) carbon-supported electrode catalyst is provided to improve the performance of a fuel cell due to high catalyst activity compared with Pt-Ru catalyst and Pt catalyst dipped in the existing carbon black. CONSTITUTION: An HCMS(hollow core with mesoporous shell) carbon-supported electrode catalyst comprises 15~84 weight% of a hollow core with mesoporous shell consisting of an inside having macro hollow and an outer surface having mesopore; 15~80 weight% transition metal; and 0.01-5 weight% at least one or two kinds selected from a polyalkylene oxide copolymer and alkyl polyethylene oxide copolymer.

Description

연료전지 전극용 HCMS탄소 담지 촉매와 이의 제조방법{HCMS carbon-supported electrode catalysts in proton exchange membrane fuel cell and method for manufacturing the same}HCC carbon-supported catalyst for fuel cell electrode and method for manufacturing same {HCC carbon-supported electrode catalysts in proton exchange membrane fuel cell and method for manufacturing the same}

본 발명은 메조 다공성 외각껍질을 갖는 중공형 코어(Hollow core with mesoporous shell, HCMS) 구조의 탄소캡슐 구조체를 담체로 사용하고 여기에 촉매용 금속을 담지시킨 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention uses a carbon capsule structure of a hollow core with mesoporous shell (HCMS) structure as a carrier, and has a structure in which a catalyst metal is supported thereon. It relates to a HCMS carbon supported catalyst and a preparation method thereof.

연료전지(Fuel Cell)는 보통 전지와는 달리 전지의 교환이나 충전이 불필요하고 대신, 수소나 메탄올 등의 연료를 공급하여 전기화학반응을 통해 화학에너지를 전기에너지를 변환시켜주는 장치이다. 연료전지의 장점은 고효율 (에너지 변환 효율 약60% 이하), 무공해 에너지원으로서 다양한 연료의 사용이 가능하며, 적은 입지면적 및 짧은 건설기간 등의 장점으로 휴대기기 등의 이동용 전원, 자동차등의 수송용 전원, 가정용 및 전력사업용으로 이용 가능한 분산형 발전에 이르기까지 다 양한 응용분야가 가능한데, 특히 차세대 운송장치인 연료전지 자동차의 운용이 다양하게 실용화될 경우, 그 잠재 시장규모는 엄청날 것으로 예상된다. 특히, 수소연료 양성자교환막(proton exchange membrane, PEM) 연료전지의 경우 보다 큰 파워(power)를 필요로 하는 자동차용 및 운송용 등의 에너지원으로 주목받고 있다. Unlike ordinary batteries, fuel cells do not need to be replaced or recharged. Instead, a fuel cell is a device that converts chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction by supplying fuel such as hydrogen or methanol. The advantages of fuel cell are high efficiency (less than about 60% of energy conversion efficiency), and it is possible to use various fuels as a pollution-free energy source, and it has advantages such as small area area and short construction period. Various applications are possible, from decentralized power generation to utility power, residential and power projects. The potential market size is expected to be enormous, especially when the operation of fuel cell vehicles, the next generation transportation device, is used in various ways. In particular, hydrogen fuel proton exchange membrane (PEM) fuel cells have attracted attention as energy sources for automobiles and transportation that require greater power.

PEM 연료전지의 원리는 다음과 같다. 연료전지는 연료극(산화전극), 산소극(환원전극) 및 이들을 물리적으로 분리하고 있는 양성자교환막을 포함하는데, 연료극에는 수소가 공급되고, 산소극에는 산소가 공급된다. 상기 연료극 및 산소극에 각각 전선을 연결하고(예를 들면, 외부의 전력소비 회로를 연결함으로써) 회로를 구성하면, 연료전지의 작동이 개시된다.The principle of the PEM fuel cell is as follows. The fuel cell includes a fuel electrode (oxide electrode), an oxygen electrode (reduction electrode), and a proton exchange membrane that physically separates them. Hydrogen is supplied to the fuel electrode and oxygen is supplied to the oxygen electrode. When a wire is connected to each of the fuel electrode and the oxygen electrode (for example, by connecting an external power consumption circuit), the circuit starts operation.

연료극에서는 공급된 수소가 하기 화학식 1과 같이 양성자와 전자로 분해되는데, 생성된 양성자는 막을 통해 연료극에서 산소극으로 쉽게 전달되는 반면, 전기절연체인 고분자 전해질막은 전자가 막을 통해 연료극에서 산소극으로 전달되는 것을 차단한다.In the fuel electrode, the supplied hydrogen is decomposed into protons and electrons as shown in Formula 1, and the protons are easily transferred from the fuel electrode to the oxygen electrode through the membrane, whereas the polymer electrolyte membrane, which is an electrical insulator, is transferred from the anode to the oxygen electrode through the membrane. Block it from becoming

H2 → 2H+ + 2e- H 2 → 2H + + 2e -

이에 따라 산소극에서는, 공급된 산소가 하기 화학식 2와 같이 환원된다.Accordingly, in the oxygen electrode, the supplied oxygen is reduced as shown in the following formula (2).

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O

따라서, 연료전지의 작동을 종합하여 보면, 음극인 연료극에 공급된 수소가 양극인 산소극에 공급된 산소와 결합하여 물과 전기 에너지를 발생하게 되는 것이다. 이와 같은 PEM 연료전지의 기능 및 효율을 향상시키기 위해서는, 활성이 높은 촉매물질을 이용하는 것이 중요하지만, 그 외에도 전극의 특성을 향상시키는 것도 매우 중요하다. 즉, 전극반응에 이용되는 수소 가스 및 산소 가스의 전극 중에서의 확산성을 향상시키는 것과 함께, 전극반응에 의해 생성되는 수소이온 및 전자의 전도성을 증가시키는 것도 중요하다. 한편, 촉매는 통상 담체에 담지하여 사용하며, 일반적으로 나노크기의 세공 구조를 가진 탄소가 담체로 이용된다. 따라서, 상기 수소 가스 및 산소 가스의 전극은 촉매가 지지된 탄소 담체와 고분자전해질이 복합된 다공질구조로 되어 있고, 촉매 나노입자의 크기와 분산을 최적화하기 위해 넓은 표면적과 함께 큰 세공부피를 가지는 담체를 이용하는 것이 바람직하다. 여기서 탄소 담체는 전자의 전도채널, 고분자전해질은 수소이온의 전도채널이 된다.Therefore, when the operation of the fuel cell is combined, the hydrogen supplied to the anode as the cathode combines with the oxygen supplied to the oxygen as the anode to generate water and electrical energy. In order to improve the function and efficiency of the PEM fuel cell, it is important to use a highly active catalyst material, but it is also very important to improve the characteristics of the electrode. That is, it is also important to improve the diffusivity of the hydrogen gas and oxygen gas used in the electrode reaction in the electrode, and to increase the conductivity of the hydrogen ions and electrons generated by the electrode reaction. On the other hand, the catalyst is usually supported on a carrier, and in general, carbon having a nano-sized pore structure is used as the carrier. Accordingly, the electrode of the hydrogen gas and the oxygen gas has a porous structure in which a catalyst supported carbon carrier and a polymer electrolyte are combined, and a carrier having a large pore volume with a large surface area in order to optimize the size and dispersion of the catalyst nanoparticles. It is preferable to use. The carbon carrier is an electron conduction channel and the polymer electrolyte is a hydrogen ion conduction channel.

전극의 다공성 세공은 산소가스, 수소가스 및 물의 공급 및 배출채널로서의 중요한 역할을 담당한다. 따라서, 전극의 미세구조와 제조방법의 개선, 전극 내 고분자전해질의 양 등은 특성 향상을 위한 중요한 요소이다. 상술한 전극의 미세구조와 관련해서는 탄소 담체의 성상과 미세구조에 따라 담지되는 촉매 나노입자의 크기, 안정성과 분산상태가 달라져 촉매활성이 크게 다르게 된다. 또한, 세공분포 및 연결성, 표면적, 표면특성 등 전극 담체인 탄소 담체의 구조에 따라서 반응 및 생성물의 이동 및 배출, 수소이온 및 전자의 전도성이 변화하기 때문에 연 료전지의 특성이 크게 변화하게 되는데, 일반적으로 탄소 담체의 표면적과 세공부피가 크면 담지된 금속 촉매입자의 크기는 작아지고 탄소 담체에 보다 균일하게 분포하여 활성면적이 증가하고, 연료 및 반응 생성물의 확산이 쉽게 일어날 수 있어 활성이 향상될 수 있다. 그런데 탄소 담체를 구성하는 탄소물질의 평균입경이 크거나, 탄소 담체 내부 세공의 크기가 크면 탄소 담체의 비(比)표면적이 작아져 담지되는 촉매물질의 양이 감소하는 동시에 분산상태가 저하하여 연료전지특성이 저하하는 경향이 있으며, 탄소 담체를 구성하는 탄소물질의 평균입경 및 세공의 사이즈가 극단적으로 작은 경우에는 비표면적이 매우 높아져서 촉매물질의 담지량이 증가하지만, 반응가스 등의 전달 및 확산이 어려워지고, 미소세공내부로 고분자전해질이 침입할 수 없기 때문에 촉매의 이용효율이 저하되어 연료전지특성을 향상시키지 못하는 경향이 있다.Porous pores of the electrode play an important role as supply and discharge channels for oxygen gas, hydrogen gas and water. Therefore, the improvement of the microstructure and manufacturing method of the electrode, the amount of the polymer electrolyte in the electrode is an important factor for improving the characteristics. With regard to the microstructure of the electrode described above, the catalytic activity is greatly changed because the size, stability, and dispersion state of the catalyst nanoparticles supported depend on the properties and the microstructure of the carbon carrier. In addition, the characteristics of the fuel cell are greatly changed because the reaction and the movement and discharge of the product, the conductivity of hydrogen ions and electrons change depending on the structure of the carbon carrier as the electrode carrier such as pore distribution and connectivity, surface area and surface properties. In general, when the surface area and pore volume of the carbon carrier are large, the size of the supported metal catalyst particles is smaller and more uniformly distributed on the carbon carrier to increase the active area, and the diffusion of fuel and reaction products can easily occur, thereby improving the activity. Can be. However, if the average particle diameter of the carbon material constituting the carbon carrier is large or the size of the internal pores of the carbon carrier is large, the specific surface area of the carbon carrier decreases, so that the amount of catalyst material carried thereon decreases and the dispersion state decreases. The characteristics of the battery tend to be deteriorated. When the average particle diameter and pore size of the carbon materials constituting the carbon carrier are extremely small, the specific surface area becomes very high, so that the amount of supported catalyst material increases, but delivery and diffusion of the reaction gas, etc. It becomes difficult and the polymer electrolyte cannot penetrate into the micropore, so that the utilization efficiency of the catalyst is lowered and the fuel cell characteristics are not improved.

따라서, 탄소 담체의 구조와 형상을 최적화하는 것이 연료전지, 특히 양성자 전해질막(PEM) 연료전지의 성능 및 효율을 극대화하는 방법이 된다.Therefore, optimizing the structure and shape of the carbon carrier is a method of maximizing the performance and efficiency of a fuel cell, particularly a proton electrolyte membrane (PEM) fuel cell.

그러나, 이제까지는 연료전지용 전극 탄소 담체의 미세구조와 연료전지의 특성과의 상관관계에 대하여는 거의 검사되지 않았었다. 이 때문에 활성탄을 시작으로 하여 각종 탄소물질을 이용한 연료전지가 제조되어 그 특성이 검사되고 있지만, 아직 최적의 특성이 얻어지고 있지 않는 것이 현실이다. However, until now, little correlation has been examined between the microstructure of the electrode carbon carrier for fuel cells and the characteristics of the fuel cell. For this reason, fuel cells using various carbon materials, including activated carbon, have been manufactured and their characteristics have been examined, but the optimum characteristics have not yet been obtained.

현재 연료전지의 연료와 공기의 산화 및 환원에 사용되는 전극촉매는 전기 전도성이 우수하고 비교적 표면적이 넓은, 예를 들어, 표면적이 약 230 m2/g인 카본 블랙, 예를 들어, Cabot사의 Vulcan XC-72를 담체로 사용하여 금속촉매를 미세한 입자 형태로 담체에 분산시켜 제조하고 있다. 그러나 상기 Vulcan XC-72는 세공크기의 분포가 불균일하고, 특히 고분자 전해질이 잘 닿을 수 없는 마이크로 세공을 많이 포함하고 있기 때문에 이에 담지된 촉매 입자가 삼상 계면이 이루어 지지 않아 전기화학 반응에 기여하지 못하고, 또한 Vulcan XC-72는 3차원 세공 연결성이 적어 기체의 확산을 막아 담지된 촉매의 활성을 제한하는 문제가 있었다. 이러한 이유로 새로운 고효율의 담체의 개발이 요구되고 있으며, 이러한 연료전지의 활성 개선과 관련하여 Pt-Ru/C, Pt/C 등 연료전지 전극용 촉매에 요구되는 특성이 몇 가지 있다. Electrocatalysts currently used for the oxidation and reduction of fuel and air in fuel cells have good electrical conductivity and are relatively large in surface area, for example carbon black having a surface area of about 230 m 2 / g, for example Vulcan from Cabot It is prepared by dispersing a metal catalyst in the form of fine particles using XC-72 as a carrier. However, since the Vulcan XC-72 has a non-uniform pore size distribution, and particularly contains a large number of micropores that the polymer electrolyte cannot reach well, the catalyst particles supported thereon do not form a three-phase interface and thus do not contribute to the electrochemical reaction. In addition, Vulcan XC-72 has a problem of limiting the activity of the supported catalyst by preventing the diffusion of gas due to the lack of three-dimensional pore connectivity. For this reason, the development of a new high-efficiency carrier is required, and there are several characteristics required for catalysts for fuel cell electrodes such as Pt-Ru / C and Pt / C in connection with the improvement of the activity of the fuel cell.

첫째, 금속 촉매 입자는 그 크기가 작고 균일하게 분산되어 넓은 영역의 촉매 활성점(active site)을 제공하고 산화·환원반응이 일어나는 표면적이 넓어야 한다.First, the metal catalyst particles should be small in size and uniformly dispersed to provide a wide range of catalytic active sites and have a large surface area where oxidation and reduction reactions occur.

둘째, 담체로 사용되는 탄소는 넓은 표면적과 잘 발달된 다공질 구조를 가져 가스 및 물의 이동을 원활히 해야 하며, 금속 촉매 입자들이 강하게 담지되어 물리·화학적 충격에 의해 금속 촉매입자들이 분리되지 않아야 한다.Second, the carbon used as a carrier should have a large surface area and a well-developed porous structure to facilitate the movement of gas and water, and the metal catalyst particles should be strongly supported so that the metal catalyst particles cannot be separated by physical and chemical impacts.

이처럼 연료전지의 전극제조에 사용되는 담체는 적당한 다공성, 우수한 전기전도성 및 넓은 표면적을 가질 것이 요구되고 있으며, 종래에는 연료전지 전극용 촉매의 경우, 카본 블랙을 촉매의 담체로 사용해 왔다.As such, the carrier used for electrode production of a fuel cell is required to have a suitable porosity, excellent electrical conductivity, and a large surface area. In the case of a catalyst for a fuel cell electrode, carbon black has been used as a carrier for a catalyst.

본 발명자는 전기전도성이 우수하고 균일한 세공과 넓은 표면적을 갖는 다공성 탄소의 제조방법인 "액상의 탄소 전구체를 이용한 균일 크기의 규칙성을 가진 다공성 탄소 분자체의 제조 방법"을 대한민국 특허 제 10-0369979 호로, "균일한 직경을 가진 구형 세공이 3 차원으로 규칙적으로 배열된 다공성 탄소 구조체를 이용한 연료전지용 촉매 및 이의 제조방법"을 대한민국 특허 제 10-0574030 호로, "메조 다공성의 외각을 갖는 중공형 나노 캡슐 구조체의 제조방법"을 대한민국 특허 제 10-0500975 호로 이미 등록한 바 있으며, 메탄올을 연료로 하는 직접메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell)를 대상으로 "HCMS 탄소 캡슐 구조체에 의해 지지된 연료전지용 전극 촉매 및 전극촉매의 제조방법"을 대한민국 특허 제 10-0544886 호로 이미 등록받은 바 있고, 그들의 기재 내용은 본 발명의 명세서에 참조로써 그 전체 내용이 인용되어 본 발명의 내용의 일부를 이룬다.The inventors of the present invention disclose a method for producing porous carbon molecular sieves having a uniform size and regularity using a liquid carbon precursor, which is a method for producing porous carbon having excellent electrical conductivity and having uniform pores and a large surface area. 0369979, "A catalyst for a fuel cell using a porous carbon structure in which spherical pores having a uniform diameter are regularly arranged in three dimensions, and a method of manufacturing the same" is described in Korean Patent No. 10-0574030, "Hollow with a mesoporous outer shell. The method of manufacturing a nanocapsule structure has already been registered as Korean Patent No. 10-0500975, and is a fuel cell electrode supported by HCMS carbon capsule structure for a direct methanol fuel cell using methanol as a fuel. "Method for preparing catalyst and electrocatalyst" has already been registered as Korean Patent No. 10-0544886, and their description For forms a part of the content of this is their entireties by reference to the context of the present invention Reference.

이에 본 발명자들은 상기 문제점들을 해결하고자 노력한 결과, 기존에 사용된 담체에 담지된 촉매 입자가 삼상 계면이 이루어지지 않고, 담체 세공의 연결성이 적어 기체의 확산을 막아 담지된 촉매의 활성을 제한하는 문제를 해결할 뿐만 아니라, 금속 촉매가 담체에서 균일하게 분산되어 넓은 영역의 촉매 활성점(active site)을 제공할 수 있어서, 활성을 극대화시킬 수 있는 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매를 완성하게 되었고, 이러한 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매 및 그 제조방법을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.Accordingly, the present inventors have attempted to solve the above problems, the catalyst particles supported on the carrier used in the prior art does not form a three-phase interface, the connectivity of the carrier pores is small, preventing the diffusion of gas to limit the activity of the supported catalyst In addition to solving the above problem, the metal catalyst is uniformly dispersed in the carrier to provide a wide range of catalytic active sites, thereby completing the HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes that can maximize the activity. It is an object of the present invention to provide a HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes and a method of manufacturing the same.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매는 메조세공 외각벽을 가진 중공형 코어(Hollow core with mesoporous shell) 구조의 1)구형 탄소 캡슐 구조체; 2)전이금속; 및 3)폴리알킬렌옥사이드 공중합체 및 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2 종의 공중합체;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrode of the present invention for solving the above problems is 1) spherical carbon capsule structure of the hollow core (Hollow core with mesoporous shell) structure; 2) transition metals; And 3) a single or two types of copolymers selected from polyalkylene oxide copolymers and alkylpolyethylene oxide copolymers.

또한, 본 발명은 상기 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매의 제조방법에 관한 것으로서, In addition, the present invention relates to a method for producing the HCMS carbon supported catalyst for the fuel cell electrode,

중공형 코어 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체의 수중 슬러리; 촉매 활성을 갖는 수용성 금속염을 용해시킨 수용액; 및 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 및 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2 종의 공중합체;를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 1 단계; An underwater slurry of a spherical carbon capsule structure having a hollow core structure; An aqueous solution in which a water-soluble metal salt having catalytic activity is dissolved; And a single or two types of copolymers selected from a polyalkylene oxide copolymer and an alkyl polyethylene oxide copolymer; a first step of preparing a mixed solution by mixing;

상기 수용성 금속염의 농도가 1 mM ~ 5 mM이 되도록 상기 혼합용액에 증류수를 첨가하여 희석, 교반하는 제 2 단계; A second step of diluting and stirring distilled water into the mixed solution such that the concentration of the water-soluble metal salt is 1 mM to 5 mM;

상기 희석된 혼합용액의 pH를 8 ~ 9로 조절하여 반응용액을 제조하는 제 3 단계; A third step of preparing a reaction solution by adjusting the pH of the diluted mixed solution to 8-9;

상기 반응용액에 환원제를 첨가하여 수용성 금속염을 환원시켜서 금속입자를 형성시킨 후, 형성된 금속입자를 상기 탄소 캡슐 구조체에 담지시켜 촉매를 제조하는 제 4 단계; 및 A fourth step of preparing a catalyst by adding a reducing agent to the reaction solution to reduce the water-soluble metal salt to form metal particles, and then supporting the formed metal particles on the carbon capsule structure; And

상기 반응용액으로부터 촉매를 분리하는 제 5 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.And a fifth step of separating the catalyst from the reaction solution.

본 발명에 따른 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매는 전기 전도성이 우수하고, 넓은 표면적을 가지는 다공성인 중공형 코어 구조의 탄소 캡슐 구조체를 이용함으로써 카본블랙보다 소량 사용하면서 담지 촉매를 제조할 수 있다는 장점이 있으며, 1 ~ 4 nm, 바람직하게는 2 ~ 3 nm의 아주 작은 크기의 금속입자를 균일하게 상기 구조체에 분산시킬 수 있는 바, 촉매 반응이 일어날 수 있는 활성면적을 증가시켜 수소 등 연료와의 산화반응 및 산소의 환원반응에 대한 촉매활성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrode according to the present invention has the advantage that the supported catalyst can be produced while using a smaller amount than carbon black by using a carbon capsule structure of a porous hollow core structure having excellent electrical conductivity and a large surface area In this case, metal particles of very small sizes of 1 to 4 nm, preferably 2 to 3 nm can be uniformly dispersed in the structure, thereby increasing the active area where a catalytic reaction can occur, and thus, with a fuel such as hydrogen. There is an effect that can increase the catalytic activity for the oxidation reaction and the reduction reaction of oxygen.

또한, 본 발명의 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매는 기존의 카본블랙에 담지된 Pt-Ru 촉매나 Pt 촉매보다 높은 촉매활성을 가지고 있기 때문에 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있으며, 수용액 상태에서 간단한 방법을 통해 제조할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrode of the present invention has higher catalytic activity than the Pt-Ru catalyst or Pt catalyst supported on the existing carbon black, the performance of the fuel cell can be improved, and the solution is simple in aqueous state. There is an advantage that can be produced by the method.

이와 같은 본 발명에 대하여 자세하게 설명을 하겠다.This invention will be described in detail.

본 발명은 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매에 관한 것으로서, 중공형 코어(Hollow core with mesoporous shell) 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체와 전이금속으로 포함하는 것을 그 특징으로 하며,The present invention relates to a HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes, characterized in that it comprises a spherical carbon capsule structure having a hollow core with mesoporous shell structure and a transition metal,

더 구체적으로 설명을 하면,More specifically,

상기 본 발명의 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매는 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 및 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2 종의 공중합체를 더 포함하고 있다.The HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes of the present invention further includes a single or two types of copolymers selected from polyalkylene oxide copolymers and alkyl polyethylene oxide copolymers.

상기 중공형 코어(Hollow core with mesoporous shell) 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체(이하 "HCMS 탄소 캡슐 구조체"로 칭한다.)는 매크로 중공을 갖는 내부와 메조 세공을 갖는 외각껍질의 이중 구조로 이루어져 있으며, 그 제조 방법에 대해서는 상기에서 언급한 바와 같이 대한민국 특허등록 제10-0500975호에 상세히 설명되어 있다.The spherical carbon capsule structure (hereinafter referred to as "HCMS carbon capsule structure") of the hollow core with a mesoporous shell structure is composed of a double structure of an outer shell having an inner and a mesopores having a macro hollow, The manufacturing method is described in detail in Korean Patent Registration No. 10-0500975 as mentioned above.

상기 탄소 캡슐 구조체의 제조 방법을 간단히 요약하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 균일한 크기의 구형의 실리카 입자들을 졸-겔 과정을 통해 합성한 후, 합성된 실리카의 표면 위에 실리카 메조 다공성 외각 부분을 형성하여 속은 채 워져 있고 껍질 부분은 중간세공을 가진 SCMS(solid core with mesoporous shell) 실리카 주형 입자를 합성한다. 합성 이후에 메조다공성 외각의 중간세공으로 고분자 전구체를 주입하고, 이때, 전구체가 단량체이면 중합반응을 통해 성형시킨 후, 고분자화하여 고분자-실리카 주형 복합물을 얻은 다음, 상기의 고분자-실리카 복합물을 비활성 기체 하에서 900℃ ~ 1000℃의 온도에서 탄소화 과정을 거쳐 탄소-실리카의 복합물을 얻는다. 다음 불화수소산(HF) 용액이나 수산화나트륨(NaOH) 용액을 사용해 실리카 주형을 선택적으로 녹여 내면 실리카 주형이 녹아나간 자리에 일정한 크기의 세공이 형성되는데, 중심은 본래 사용된 실리카 입자 크기의 균일한 매크로 세공을 가지며, 외각은 메조다공이 형성된 구형의 새로운 HCMS 탄소 캡슐 구조체를 제조한다. 이때 합성 방법에 따라 메조세공이 규칙적으로 또는 불규칙적으로 분포하게 조절할 수 있다. 상기 특허문헌에 덧붙여 설명하면, 상기 탄소 캡슐 구조체의 내부 중공 지름은 실리카 입자의 크기를 조절함으로써 다양하게 조절 가능한데, 외각의 두께는 C18-TMS(octadecyltrimethoxysilane) 및 HTMABr(hexadecyltrimethylammoniumbromide) 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상으로 이루어진 계면활성제와 실리카 TEOS(tetraethoxysilane)의 양을 조절함으로써, 즉, TEOS/계면활성제 몰비를 조절함으로써 외각 두께의 조절 가능하다. 그리고 외각의 메조 세공의 분포의 규칙성도 아래와 같이 조절이 가능하다. C18-TMS와 TEOS의 경우, 두 화합물의 가수분해 반응이 동시에 수행되며 무질서한 메조세공이 실리카 껍질에 형성된다. 한편, HTMABr과 TEOS의 경우, HTMABr이 먼저 실리카 벽 위에 규칙적인 마이셀 구조를 형성하기 때문에 이 위에 TEOS가 가수분해되고 중합되어 규칙적인 메조세공을 형성하게 된다. 한편, 메조세공을 갖는 외각을 형성하기 위해 사용되는 탄소 전구체로는, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니지만, 디비닐벤젠(DVB), 아크릴로니트릴(acrylonitrile), 페놀, 페놀 레진(phenolic resin), 염화비닐, 비닐아세테이트, 스티렌, 메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 푸르푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 레조르시놀-포름알데히드(RF), 스크로즈를 포함한 당류와 일반식 CH2=CRR'로 나타내어지는 화합물(여기서, R 및 R'은 알킬기 또는 아릴기이다) 또는 메조페이스 피치(mesophase pitch)중에서 선택된, 탄소화 반응에 의해 흑연성 탄소(graphitic carbon)를 형성하는 것들이 포함된다. Briefly summarized the manufacturing method of the carbon capsule structure is as follows. First, uniformly sized spherical silica particles are synthesized through sol-gel process, and then the silica mesoporous outer shell is formed on the surface of the synthesized silica, and the shell is filled with intermediate pores. with mesoporous shell) After synthesis, the polymer precursor is injected into mesoporous outer mesopores, and if the precursor is a monomer, the polymer precursor is molded through polymerization, and then polymerized to obtain a polymer-silica template composite, and then the polymer-silica composite is inactivated. The carbonization process is carried out at temperatures of 900 ° C. to 1000 ° C. under gas to give a composite of carbon-silica. Selective dissolution of the silica template using a hydrofluoric acid (HF) solution or sodium hydroxide (NaOH) solution results in the formation of pores of a certain size in the place where the silica template is melted. It has pores and the outer shell produces spherical new HCMS carbon capsule structures with mesopores formed. In this case, the mesopores may be regularly or irregularly distributed according to the synthesis method. In addition to the patent document, the inner hollow diameter of the carbon capsule structure can be variously adjusted by controlling the size of the silica particles, the thickness of the outer shell is selected from C 18 -TMS (octadecyltrimethoxysilane) and HTMABr (hexadecyltrimethylammonium bromide) or 2 It is possible to control the outer thickness by controlling the amount of the surfactant consisting of more than one species and silica tetraethoxysilane (TEOS), that is, by adjusting the TEOS / surfactant molar ratio. The regularity of the distribution of mesopores in the outer shell can also be adjusted as follows. In the case of C 18 -TMS and TEOS, the hydrolysis reaction of the two compounds is carried out simultaneously and disordered mesopores are formed in the silica shell. On the other hand, in the case of HTMABr and TEOS, since HTMABr first forms a regular micelle structure on the silica wall, TEOS is hydrolyzed and polymerized thereon to form regular mesopores. On the other hand, as the carbon precursor used to form the outer shell having mesopores, the present invention is not limited thereto, but divinylbenzene (DVB), acrylonitrile, phenol, phenolic resin, Sugars and general formula, including vinyl chloride, vinyl acetate, styrene, methacrylate, methyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, furfuryl alcohol, resorcinol-formaldehyde (RF), and Compounds represented by CH 2 = CRR '(where R and R' are alkyl or aryl groups) or those which form graphitic carbon by a carbonation reaction selected from mesophase pitch are used. Included.

상기 고분자 단량체의 중합에 사용되는 라디칼 중합 개시제로는, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니지만, 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), t-부틸퍼아세테이트, 벤조일퍼옥사이드, 아세틸퍼옥사이드, 및 라우릴퍼옥사이드와 같은 통상의 라디칼 중합 반응에 사용되는 개시제중에서 선택하여 사용할 수 있다.As a radical polymerization initiator used for superposition | polymerization of the said polymer monomer, although this invention is not limited to this, azobisisobutyronitrile (AIBN), t-butylperacetate, benzoyl peroxide, acetyl peroxide, and lauryl It can select from the initiators used for normal radical polymerization reactions, such as a peroxide, and can use.

상기 이외의 HCMS 탄소 캡슐 구조체의 제조 방법에 관한 사항은 대한민국 특허등록 제10-0500975호에 상세히 설명되어 있어 있으며, 또한, 메조다공성 외각의 형태를 조절하기 위해 상기에 명시된 탄소 전구체의 종류 및 SCMS 실리카 주형입자와 탄소 전구체의 비율을 바꿔가며 거친 표면으로부터 매끈한 표면까지 다양하게 조절하며 합성해 촉매 담체로서의 작용을 극대화할 수 있다.Matters related to the manufacturing method of the HCMS carbon capsule structure other than the above are described in detail in Korean Patent Registration No. 10-0500975, and also, the type of the carbon precursor and SCMS silica specified above to control the shape of the mesoporous shell. By varying the ratio of the template particles and the carbon precursor, it can be synthesized in various ways from the rough surface to the smooth surface to maximize the function as a catalyst carrier.

본 발명의 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매의 성분 중 하나인 HCMS 탄소 캡슐 구조체는 본 발명에 있어서, 금속 입자의 담체 내지 지지체의 역할을 하는데, 상기 중공형 코어 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체는 30 nm 이상, 바람직하게는 30 nm ~ 1000 nm의 일정한 내부 지름을 갖는 매크로 중공(hollow core)을 가지며, 외각껍질에 2 nm ~ 20 nm, 더욱 바람직하게는 2 nm ~ 10 nm 범위의 균일한 직경의 중간 세공을 가진 이중 다공 구조의 구형 탄소 캡슐이다. 상기 중공형 코어 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체는 그 자체로써 촉매로 이용될 수 있음은 물론이고, 흡착제, 분리 및 정제용, 수소 및 약물저장용과 전극 등 다양한 용도에 응용될 수 있다. 여기서, 상기 중공형 코어 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체의 내부 지름이 30 nm 미만이면 균일한 모양의 구형 캡슐의 형성이 어려운 문제가 발생할 수 있고, 1000 nm 초과시 표면적이 감소하여 활성이 감소하는 문제가 발생할 수 있는 바, 상기 범위 내의 것을 사용하는 것이 좋다. 또한, 상기 중공형 코어 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체 외각껍질의 상기 세공이 2 nm 미만시 물질의 이동이 어려워지고, 삼상 계면형성이 어려워 활성이 감소하는 문제가 발생할 수 있고, 20 nm 초과시 표면적 감소로 인한 활성이 감소하는 문제가 발생할 수 있으므로 상기 범위 내의 것을 사용하는 것이 좋다.The HCMS carbon capsule structure, which is one of the components of the HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes of the present invention, serves as a carrier to a support of metal particles in the present invention, wherein the spherical carbon capsule structure of the hollow core structure is 30 nm. Above, preferably having a macro hollow core having a constant internal diameter of 30 nm to 1000 nm, the outer shell in the middle of a uniform diameter in the range of 2 nm to 20 nm, more preferably 2 nm to 10 nm It is a spherical carbon capsule with a double pore structure with pores. The spherical carbon capsule structure of the hollow core structure can be used as a catalyst itself, and can be applied to various applications such as adsorbents, separation and purification, hydrogen and drug storage, and electrodes. Herein, when the inner diameter of the spherical carbon capsule structure of the hollow core structure is less than 30 nm, it may be difficult to form a spherical capsule having a uniform shape, and when the thickness exceeds 1000 nm, a problem may occur in that the activity decreases due to a decrease in surface area. If possible, it is better to use the above range. In addition, when the pores of the outer shell of the spherical carbon capsule structure of the hollow core structure is less than 2 nm, the material is difficult to move, the three-phase interfacial formation is difficult, and the activity may decrease, and when the surface area exceeds 20 nm, the surface area may be reduced. It is preferable to use one within the above range because a problem of decrease in activity may occur.

본 발명의 성분 중 하나인 상기 전이금속은 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe), 셀레늄(Se), 니클(Ni), 비스므트(Bi), 주석(Sn), Cr(크롬) 및 구리(Cu) 등 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 금속을 포 함한다. 상기 전이금속을 2 종 이상 사용하는 경우에는 특별히 한정하지는 않으나, 백금, 루테늄, 또는 몰리브덴에서 선택된 2 종 이상을 포함하는 복합금속을 사용하는 것이 좋다. 이때, 상기 전이금속을 백금-루테늄(Pt-Ru) 복합금속을 사용하는 경우에는 백금과 루테늄이 1 : 0.5 ~ 1.5의 몰비를 갖는 백금-루테늄 전이금속을 사용하는 것이 좋다. 이때, 상기 백금의 1 몰에 대하여 상기 루테늄이 0.5 몰 미만이면 활성이 감소하는 문제가 발생할 수 있고, 1.5 몰 초과시에도 촉매 활성이 감소하는 문제가 발생할 수 있기 때문에 상기 몰비 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.One of the components of the present invention is the transition metal is platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), molybdenum (Mo), osmium (Os), iridium (Ir), rhenium (Re), palladium (Pd) , Vanadium (V), tungsten (W), cobalt (Co), iron (Fe), selenium (Se), nickel (Ni), bismuth (Bi), tin (Sn), Cr (chromium) and copper (Cu It includes single or two or more metals selected from among others. When using two or more kinds of the transition metal, it is not particularly limited, but it is preferable to use a composite metal containing two or more kinds selected from platinum, ruthenium or molybdenum. In this case, when the platinum-ruthenium (Pt-Ru) composite metal is used as the transition metal, it is preferable to use a platinum-ruthenium transition metal having a molar ratio of 1: 0.5 to 1.5 of platinum and ruthenium. In this case, if the ruthenium is less than 0.5 mole with respect to 1 mole of the platinum, there may be a problem that the activity decreases, and even if more than 1.5 moles may cause a problem that the catalytic activity decreases, it is preferable to use within the molar ratio range. .

본 발명의 촉매 제조 시 상기 전이금속은 수용성 금속염으로 상기 중공형 코어 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체; 및 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 및 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2 종을 혼합한 공중합체;와 혼합하여 사용하며, 상기 수용성 금속염은 금속입자로 변화시켜서 상기 탄소 캡슐 구조체에 담지시키게 된다. The transition metal in the preparation of the catalyst of the present invention is a water-soluble metal salt of the spherical carbon capsule structure of the hollow core structure; And a copolymer selected from the group consisting of one or two selected from a polyalkylene oxide copolymer and an alkyl polyethylene oxide copolymer. The water-soluble metal salt is converted into metal particles and supported on the carbon capsule structure.

본 발명의 또 다른 함유성분 중 하나인 상기 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 또는 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체는 본 발명에 있어서, 상기 전이금속이 상기 HCMS 탄소 캡슐 구조체에 균일하게 잘 분산시키는 역할 및 전이금속의 크기를 제어하는 하는 역할을 하는데, 상기 폴리알킬렌옥사이드 공중합체는 평균분자량 100 ~ 8000, 더욱 바람직하게는 300 ~ 3500인 것을 사용하는 것이 좋은데, 이때, 상기 폴리알킬렌옥사이드 공중합체의 평균분자량이 100 미만이면 폴리알킬렌옥사이드 공중합체의 마이셀(micelle)이 작아서 금속촉매가 작게 형성되지만, 대부분 외부에서 뭉치게 되는 문제가 발생할 수 있고, 평균분자량이 8000 초과시 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 마이셀 자체가 너무 커서 금속촉매의 크기가 크게 생성되는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.The polyalkylene oxide copolymer or alkylpolyethylene oxide copolymer, which is one of the other components of the present invention, in the present invention, the transition metal is uniformly well dispersed in the HCMS carbon capsule structure and the size of the transition metal The polyalkylene oxide copolymer is used to control the average molecular weight of 100 to 8000, more preferably 300 to 3500, the average molecular weight of the polyalkylene oxide copolymer is 100 If less than, the micelle (micelle) of the polyalkylene oxide copolymer is small to form a small metal catalyst, but the problem that can be agglomerated from the outside in most cases, the average molecular weight of more than 8000 polyalkylene oxide copolymer micelle itself is too large This is because a problem that the size of the metal catalyst is large may occur.

또한, 상기 폴리알킬렌옥사이드 공중합체는 폴리(에틸렌옥사이드)-폴리(프로필렌옥사이드)-폴리(에틸렌옥사이드) 삼중 공중합체[poly(ethylene oxide)-poly(propylene oxide)-poly(ethylene oxide) triblock copolymer, 이하 "EO-PPO-PEO"로 칭한다.]를 사용하는 것이 좋다. 특히, 상기 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 중 PEO-PPO-PEO를 사용하는 경우에는 Pluronic L31(평균분자량=110), Pluronic L35[(EO)11(PO)16(EO)11, 평균분자량=1900], Pluronic L42(평균분자량=2200), Pluronic L61 [(EO)2(PO)30(EO)2], L62(평균분자량=2500), Pluronic 62D(평균분자량=2360), Pluronic L62LF(평균분자량 2450), Pluronic L63(평균분자량=2650), Pluronic L64[(EO)13(PO)30(EO)13, 평균분자량=2900], Pluronic L65[(EO)19(PO)30(EO)19, 평균분자량=3400)], Pluronic L72(평균분자량=2750) 및 Pluronic L92(평균분자량=3650) 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 사용하는 것이 좋다.In addition, the polyalkylene oxide copolymer is a poly (ethylene oxide)-poly (propylene oxide)-poly (ethylene oxide) triple copolymer [poly (ethylene oxide)-poly (propylene oxide)-poly (ethylene oxide) triblock copolymer , Hereinafter referred to as "EO-PPO-PEO". In particular, in the case of using PEO-PPO-PEO in the polyalkylene oxide copolymer, Pluronic L31 (average molecular weight = 110), Pluronic L35 [(EO) 11 (PO) 16 (EO) 11 , Average molecular weight = 1900], Pluronic L42 (average molecular weight = 2200), Pluronic L61 [(EO) 2 (PO) 30 (EO) 2 ], L62 (average molecular weight = 2500), Pluronic 62D (average molecular weight = 2360), Pluronic L62LF (average molecular weight 2450), Pluronic L63 (average molecular weight = 2650), Pluronic L64 [(EO) 13 (PO) 30 (EO) 13 , average molecular weight = 2900], Pluronic L65 [(EO) 19 (PO) 30 ( EO) 19 , average molecular weight = 3400)], Pluronic L72 (average molecular weight = 2750) and Pluronic L92 (average molecular weight = 3650), it is preferable to use one or two or more selected.

그리고, 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체를 사용하는 경우에는 Brij 52 [C16(EO)2], Brij 56[C16(EO)10] 및 Brij 58[C16(EO)20] 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 혼합사용하는 것이 좋다.In the case of using an alkyl polyethylene oxide copolymer, one or two selected from Brij 52 [C 16 (EO) 2 ], Brij 56 [C 16 (EO) 10 ] and Brij 58 [C 16 (EO) 20 ] It is good to mix and use the above.

본 발명인 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매는 HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrode of the present invention

HCMS(Hollow core with mesoporous shell) 탄소 캡슐 구조체;와 전이금속; 및 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 및 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2 종의 공중합체;를 포함하고 있는데, 상기 조성물의 함유성분 및 그 함유성분비에 대하여 설명을 하면, Hollow core with mesoporous shell (HCMS) carbon capsule structure; and transition metal; And a single or two types of copolymers selected from polyalkylene oxide copolymers and alkyl polyethylene oxide copolymers.

HCMS(Hollow core with mesoporous shell) 탄소 캡슐 구조체 15 ~ 84 중량%;Hollow core with mesoporous shell (HCMS) carbon capsule structure 15-84 wt%;

전이금속 15 ~ 80 중량%; 및Transition metal 15 to 80% by weight; And

폴리알킬렌옥사이드 공중합체 및 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2 종의 공중합체 0.01 ~ 5 중량%;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.0.01 to 5% by weight of one or two types of copolymers selected from polyalkylene oxide copolymers and alkyl polyethylene oxide copolymers.

여기서, 상기 HCMS 탄소 캡슐 구조체가 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매 전체 중량에 대하여 15 ~ 84 중량%, 더욱 바람직하게는 20 ~ 80 중량%를 사용할 수 있는데, 이때, 상기 구조체의 사용량이15 중량% 미만이면 활성금속 나노입자 크기가 증가 하는 경향이 발생할 수 있고, 84 중량% 초과시 촉매층이 두꺼워져 물질의 확산을 방해하는 문제가 발생할 수 있으며, 상기 전이금속은 본 발명의 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매 전체 중량에 대하여 15 ~ 80 중량% 더욱 바람직하게는 50 ~ 80 중량%을 포함하는 것을 그 특징으로 하는데, 이때, 15 중량% 미만시 촉매층이 두꺼워져 물질의 확산을 방해 하는 문제가 발생할 수 있고, 80 중량% 초과시 활성금속 나노입자 크기가 증가하여 활성면적이 감소하는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 더욱 자세하게 설명을 하면, 상기 전이금속은 본 발명의 중공 형 코어 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체 중량의 약 1/5 배 이상, 더욱 바람직하게는 1/4 배 ~ 4 배에 해당하는 다양한 중량의 금속을 담지할 수 있다. Here, the HCMS carbon capsule structure may use 15 to 84% by weight, more preferably 20 to 80% by weight based on the total weight of the HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes, wherein the amount of the structure used is 15% by weight If it is less than the active metal nanoparticle size may tend to increase, if the 84% by weight thickening catalyst layer may interfere with the diffusion of the material may occur, the transition metal is HCMS carbon support for fuel cell electrode of the present invention It is characterized in that it comprises 15 to 80% by weight more preferably 50 to 80% by weight based on the total weight of the catalyst, when less than 15% by weight thickening the catalyst layer may interfere with the diffusion of materials This is because the size of the active metal nanoparticles may increase when the amount exceeds 80% by weight, thereby decreasing the active area. In more detail, the transition metal is a metal of various weights corresponding to about 1/5 times or more, more preferably 1/4 to 4 times the weight of the spherical carbon capsule structure of the hollow core structure of the present invention. Can carry.

본 발명에 사용되는 중공형 코어 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체는 종래의 카본 블랙 담체에 비해 단위 질량당 약 4 ~ 10 배 정도의 표면적을 가지고 있기 때문에, 금속 촉매 입자가 담지될 수 있는 표면적이 넓어서 동일한 중량의 카본 블랙에 비해 더 많은 양의 금속 촉매 입자를 담지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 훨씬 작은 입자 크기(2 ~ 3 nm)를 갖는 금속이 담지된 촉매를 제조할 수 있어서, 고가의 귀금속을 효율적으로 이용할 수 있게 되므로 경제적으로도 유리하다. 결국 사용하고자 하는 용도에 따라 금속의 상대적 무게를 광범위하게 선택할 수 있다. 더 나아가, 본 발명의 담지 촉매합성에 사용되는 중공형 코어 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체는 중심에는 내경이 30 nm 이상, 바람직하게는 30 nm ~ 1000 nm 일정한 크기의 매크로 세공이, 외각에는 지름이 2 nm ~ 20 nm 범위의 균일한 크기의 중간 세공이 3차원적으로 잘 발달되어 있고, 상호 연결되어 있기 때문에 연료의 이동과 확산을 자유롭게 하여 연료들이 촉매 표면에 쉽게 도달하여 반응이 빨리 진행될 수 있고, 반응생성물들 또한 쉽게 배출될 수 있는 장점을 가지고 있다.Since the spherical carbon capsule structure of the hollow core structure used in the present invention has a surface area of about 4 to 10 times per unit mass as compared to the conventional carbon black carrier, the surface area on which the metal catalyst particles can be loaded is the same. In addition to supporting a larger amount of metal catalyst particles compared to carbon black by weight, it is possible to prepare a catalyst with a metal having a much smaller particle size (2 to 3 nm), thereby efficiently storing expensive precious metals. It is also economically advantageous as it becomes available. As a result, the relative weight of the metal can be widely chosen depending on the intended use. Furthermore, the spherical carbon capsule structure of the hollow core structure used in the supported catalyst synthesis of the present invention has a macropore having a constant diameter of 30 nm or more, preferably 30 nm to 1000 nm, and a diameter of 2 for the outer shell. The uniformly sized mesopores in the range of nm to 20 nm are well developed in three dimensions and are interconnected to free the movement and diffusion of the fuel, allowing the fuel to easily reach the surface of the catalyst so that the reaction can proceed quickly. Reaction products also have the advantage of being easily discharged.

그리고 상기 폴리알킬렌옥사이드 공중합체는 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매 전체 중량에 대하여 0.01 ~ 5 중량%를 사용할 수 있는데, 이때 폴리알킬렌옥사이드 공중합체가 0.01 중량% 미만이면 금속입자의 분산효과를 보기 어려운 문제가 발생할 수 있고, 5 중량% 초과시 마이셀이 과도하게 생겨서, 세척시 금속촉매가 상기 공중합체와 함께 용리되어 금속촉매가 적게 담지되는 하는 문제가 발생할 수 있는 바, 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.The polyalkylene oxide copolymer may be used in an amount of 0.01 to 5 wt% based on the total weight of the HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes. In this case, when the polyalkylene oxide copolymer is less than 0.01 wt%, the effect of dispersing metal particles may be increased. Problems that may be difficult to see may occur, and excessively more than 5% by weight of micelles may cause a problem that the metal catalyst may be eluted with the copolymer to wash less of the metal catalyst. It is preferable.

앞서 설명한 본 발명의 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매는 연료전지의 산화전극 또는 환원전극에 사용할 수 있으며, 또한, 일반적인 연료전극이 가능하고, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 특히, 수소연료 양성자교환막을 포함하는 고분자 전해질막 연료전지의 산화전극 또는 환원전극에 사용하는 것이 좋다.The above-described HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrode of the present invention can be used for an anode or a cathode of a fuel cell, and a general fuel electrode can be used, and is not particularly limited, but particularly includes a hydrogen fuel proton exchange membrane. It is good to use for the anode or the cathode of the polymer electrolyte membrane fuel cell.

이하에서는 앞서 설명한 본 발명의 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매의 제조방법에 대하여 설명을 하겠다.Hereinafter, a method of preparing the HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrode according to the present invention will be described.

본 발명의 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매의 제조방법은The production method of the HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrode of the present invention

(ㄱ)중공형 코어 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체(HCMS 탄소 캡슐 구조체)의 수중 슬러리; (ㄴ)촉매 활성을 갖는 수용성 금속염을 용해시킨 수용액; 및 (ㄷ)폴리알킬렌옥사이드 공중합체 및 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2 종의 공중합체;를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 1 단계; (A) a slurry in water of a spherical carbon capsule structure (HCMS carbon capsule structure) of a hollow core structure; (B) an aqueous solution in which a water-soluble metal salt having a catalytic activity is dissolved; And (c) a single type or two types of copolymers selected from a polyalkylene oxide copolymer and an alkyl polyethylene oxide copolymer; a first step of preparing a mixed solution by mixing;

상기 수용성 금속염의 농도가 1 mM ~ 5 mM이 되도록 상기 혼합용액에 증류수를 첨가하여 희석, 교반하는 제 2 단계; A second step of diluting and stirring distilled water into the mixed solution such that the concentration of the water-soluble metal salt is 1 mM to 5 mM;

상기 희석된 혼합용액의 pH를 8 ~ 9로 조절하여 반응용액을 제조하는 제 3 단계; A third step of preparing a reaction solution by adjusting the pH of the diluted mixed solution to 8-9;

상기 반응용액에 환원제를 첨가하여 수용성 금속염을 환원시켜서 금속입자를 형성시킨 후, 형성된 금속입자가 상기 탄소 캡슐 구조체에 담지시켜 촉매를 제조하는 제 4 단계; 및 A fourth step of preparing a catalyst by adding a reducing agent to the reaction solution to reduce the water-soluble metal salt to form metal particles, and then supporting the formed metal particles on the carbon capsule structure; And

상기 반응용액으로부터 촉매를 분리하는 제 5 단계;를 포함하는 것을 그 특 징으로 한다.And a fifth step of separating the catalyst from the reaction solution.

또한, 본 발명은 In addition, the present invention

상기 제 5 단계에서 반응용액으로부터 분리된 촉매를 세척 및 건조시키는 제 6 단계;를 더 포함할 수 있다. And a sixth step of washing and drying the catalyst separated from the reaction solution in the fifth step.

상기 제조방법의 단계에 대하여 자세하게 설명을 하면,When explaining the steps of the manufacturing method in detail,

상기 본 발명에 따른 연료 전지의 전극 촉매 제조 방법은 복잡한 공정을 거치지 않고 비교적 간단한 방법으로 상온에서 탄소 분산 용액과 환원제를 교반 중에 있는 금속염의 용액에 천천히 첨가함으로서 환원되는 금속촉매 입자가 넓은 표면적과 세공부피를 가지는 다공성 구형 탄소 캡슐 담체 위에 균일하게 분산됨은 물론, 극히 미세한 크기(2 ~ 3㎚)의 금속촉매 입자를 제조할 수 있다. 또한, 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 및 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2 종의 공중합체를 함께 사용함으로써 촉매입자의 분산과 일정한 크기 제어에 도움을 주었다. The electrode catalyst manufacturing method of the fuel cell according to the present invention has a large surface area and fine pores of metal catalyst particles which are reduced by slowly adding a carbon dispersion solution and a reducing agent to a solution of a metal salt under stirring at a relatively simple method without a complicated process. Not only uniformly dispersed on the porous spherical carbon capsule carrier having a volume, it is possible to produce metal catalyst particles of extremely fine size (2 ~ 3nm). In addition, the use of single or two types of copolymers selected from polyalkylene oxide copolymers and alkyl polyethylene oxide copolymers together helped to control the dispersion of catalyst particles and to control the size.

상기 제 1 단계에 있어서, 상기 HCMS 탄소 캡슐 구조체는 앞서 설명한 바와 동일하며, 상기 수용성 금속염은 전이금속의 염형태를 나타내는 것으로서, 촉매 작용을 하는 금속의 수용성 염은 산성 염 또는 염기성 염일 수 있다. 상기 수용성 금속염의 예로는, 백금의 경우 H2PtCl6을 들 수 있으며, 루테늄의 경우에는 RuCl3을 들 수 있다. 이들 금속 염의 사용량은 촉매 지지체에 담지될 금속의 양에 따라 화학양론적으로 결정될 수 있으며, 예를 들어, Pt-Ru 합금을 사용하는 경우 그 사용 비율도 화학양론적 계산에 의해 결정될 수 있다. 상기 수용성 금속염을 물에 용해시키는 농도도 그 염의 종류에 따른 물에 대한 용해도에 따라 결정될 수 있다. 수용액을 제조하는 단계는 각 금속염의 용해도와 농도, 용해 온도 등에 따라 달라질 수 있으나, 통상 20 분 내지 1 시간 정도 교반하면 충분하다. 또한 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 또는 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체 역시 물에 잘 분산되므로 1 시간 정도의 교반시간이면 충분히 섞일 수 있다. 그리고 상기 폴리알킬렌옥사이드 공중합체와 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체는 앞서 설명한 것과 동일한 것을 사용한다. In the first step, the HCMS carbon capsule structure is the same as described above, wherein the water-soluble metal salt represents a salt form of the transition metal, the water-soluble salt of the metal to be catalyzed may be an acid salt or a basic salt. Examples of the water-soluble metal salt include H 2 PtCl 6 in the case of platinum, and RuCl 3 in the case of ruthenium. The amount of these metal salts to be used may be determined stoichiometrically depending on the amount of metal to be supported on the catalyst support. For example, when using a Pt-Ru alloy, its use ratio may also be determined by stoichiometric calculation. The concentration of dissolving the water-soluble metal salt in water may also be determined according to the solubility in water according to the kind of the salt. The step of preparing the aqueous solution may vary depending on the solubility and concentration of each metal salt, the dissolution temperature, etc., but it is usually sufficient to stir for about 20 minutes to 1 hour. In addition, since the polyalkylene oxide copolymer or alkyl polyethylene oxide copolymer is also well dispersed in water, it may be sufficiently mixed with a stirring time of about 1 hour. And the polyalkylene oxide copolymer and alkyl polyethylene oxide copolymer is used the same as described above.

제 1 단계에 있어서, 상기 공중합체는 상기 수용성 금속염 제조시 사용되는 금속촉매의 총 중량에 대하여 50 ~ 70 배를 사용할 수 있는데, 이때 상기 공중합체가 50 배 미만이면 공중합체의 마이셀 (micelle)이 금속입자를 전부 수용하지 못하여 금속입자끼리 뭉치는 문제가 발생할 수 있고, 70 배 초과시 공중합체에 마이셀이 과도하게 생겨서 세척시, 금속촉매가 폴리알킬렌옥사이드 공중합체와 함께 용리되어 금속촉매가 적게 담지되는 문제가 발생할 수 있는 바, 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.In the first step, the copolymer may be used 50 to 70 times the total weight of the metal catalyst used in the production of the water-soluble metal salt, when the copolymer is less than 50 times the micelle (micelle) of the copolymer It may not be able to accommodate all of the metal particles may cause a problem of agglomeration between the metal particles, when the excess of 70 times the micelle is excessively generated in the copolymer, when washing, the metal catalyst elutes with the polyalkylene oxide copolymer, so that less metal catalyst It is preferable to use within the above ranges as a problem may arise.

상기 HCMS 탄소 캡슐 구조체는 담체로서 수중 슬러리 형태로 사용하다. 예를 들어, 물 100 ml에 대하여 적당량의 탄소담체 비율로 물에 담체를 투입하고 교반(stirring)하여 제조한다. 이때, 담체 응집물을 각각의 입자로 분리시키고, 담체의 세공 속에 있는 공기를 탈기시키기 위하여 교반 중간에 초음파 처리(sonication)를 할 수도 있다. 상기 수중 슬러리는 별도의 용기에서 준비하여 상기 수용성 금속염과 반응 용기에서 혼합된다.The HCMS carbon capsule structure is used in the form of a slurry in water as a carrier. For example, a carrier is added to water at an appropriate amount of carbon carrier relative to 100 ml of water, and prepared by stirring. At this time, the carrier aggregate may be separated into individual particles, and sonication may be performed in the middle of stirring to degas the air in the pores of the carrier. The slurry in water is prepared in a separate vessel and mixed with the water soluble metal salt in a reaction vessel.

상기 제 2 단계에 있어서, 상기 수용성 금속염의 몰농도는 1 mM ~ 5 mM, 바람직하게는 1 mM ~ 3 mM, 더욱 바람직하게는 1.5 mM ~ 2 mM되도록 하는 것이 좋으며, 수용성 금속염 용액에 포함된 물과 수중 슬러리에 포함된 물 및 기타 쏘스(source)에 의해 도입된 물 총량에 대한 수용성 금속염의 농도로써 계산한다. 이렇게 수용성 금속염의 농도를 희석하는 것은 이하 단계에서 환원 반응을 통하여 금속입자를 석출시키는 경우, 각각의 금속입자들이 서로 응집되어 뭉침으로써 금속입자가 커지는 현상을 막기 위함이다. 즉, 상기 수용성 금속염의 몰농도가 5 mM초과시 금속입자들의 응집으로 인하여 금속입자가 커지는 문제가 발생할 수 있고, 1mM미만시 수용성 금속염의 농도가 너무 낮아서 충분한 금속입자의 석출이 어렵게 되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 위에서 언급한 폴리알킬렌옥사이드 공중합체에 의해 입자의 성장이 조절되어 일정한 크기로 금속입자가 형성이 되고, 또한 고르게 분산된다. 이때, 교반시간은 약 1 ~ 2시간 정도면 적당하다.In the second step, the molar concentration of the water-soluble metal salt is preferably 1 mM to 5 mM, preferably 1 mM to 3 mM, more preferably 1.5 mM to 2 mM, the water contained in the water-soluble metal salt solution It is calculated as the concentration of water-soluble metal salts relative to the total amount of water introduced by the water and other sources contained in the slurry in water and in water. The dilution of the concentration of the water-soluble metal salt is to prevent the metal particles from growing by aggregating and agglomerating the metal particles with each other when the metal particles are precipitated through a reduction reaction in the following step. That is, a problem occurs that the molar concentration of the water-soluble metal salt 5 m M, and in excess may cause problems due to agglomeration larger the metal particles of the metal particles, is so low that the concentration of the water-soluble metal salt during less than 1mM difficult precipitation of sufficient metal particles Can be. In addition, the growth of the particles is controlled by the above-mentioned polyalkylene oxide copolymer, metal particles are formed to a certain size, and are evenly dispersed. At this time, the stirring time is suitable about 1 to 2 hours.

상기 제 3 단계에 있어서, pH를 8 ~ 9로 조절하는 이유는 제 4 단계의 환원 반응에서 원활한 환원 반응이 진행될 수 있도록 미리 적절한 pH 범위를 조절하는 것이다. 이때, 상기 pH조절에는 통상적으로 사용되는 HCl 또는 HNO3 등의 산성 또는 NaOH 등의 염기성 수용액을 사용할 수 있으며, 본 발명이 이에 특별히 한정되는 것은 아니다. In the third step, the reason for adjusting the pH to 8 to 9 is to adjust the appropriate pH range in advance so that the smooth reduction reaction can proceed in the reduction reaction of the fourth step. At this time, the pH control may be used an acid or a basic aqueous solution such as NaOH, such as HCl or HNO 3 commonly used, the present invention is not particularly limited thereto.

상기 제 4 단계는 수용성 금속염 상태의 전이금속을 금속입자 형태로 환원시 켜서 담체에 담지시키는 단계로서, 상기 환원제로는 NaBH4, LiBH4, HCHO, HCOOH, CH3OH, CH3CH2OH, HCOONa, N2H4 및 AlBH4 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 환원제를 사용할 수 있으며, 환원되어야 할 수용성 금속염의 몰수에 비해 과량을 사용한다. 예를 들어, 상기 수용성 금속염 몰수의 8 ~ 12배, 더욱 바람직하게는10배 정도에 상당하는 수소(H)를 생성할 정도로 NaBH4 수용액을 과량 사용한다. 그리고 상기 금속입자는 1 ~ 4 nm, 더욱 바람직하게는 2 ~ 3 nm 크기를 갖게 된다.The fourth step is a step of reducing the transition metal in the water-soluble metal salt state in the form of metal particles and supported on the carrier, the reducing agent is NaBH 4 , LiBH 4 , HCHO, HCOOH, CH 3 OH, CH 3 CH 2 OH, One or two or more reducing agents selected from HCOONa, N 2 H 4 and AlBH 4 may be used, and an excess is used relative to the number of moles of the water-soluble metal salt to be reduced. For example, an excess amount of NaBH 4 aqueous solution is used to produce hydrogen (H) that is equivalent to 8 to 12 times, more preferably about 10 times, the number of moles of the water-soluble metal salt. And the metal particles have a size of 1 ~ 4 nm, more preferably 2 ~ 3 nm.

상기 제 5 단계는 반응용액을 정치시켜서 제 4 단계에서 제조된 HCMS 탄소 담지 촉매를 침전시킨 후, 반응용액으로부터 HCMS 탄소 담지 촉매를 분리하는 단계이다.The fifth step is to precipitate the HCMS carbon supported catalyst prepared in the fourth step by allowing the reaction solution to stand still, and then separating the HCMS carbon supported catalyst from the reaction solution.

상기 제 6 단계에 있어서, 상기 세척은 사용된 폴리알킬렌옥사이드 공중합체를 금속 촉매 표면에서 벗겨내어 촉매 금속이 반응에 이용될 수 있도록 노출시키는 단계로서, 물로 반복하여 세척하고 건조시킨다. 세척 과정은 수용성 금속염 중에 포함되어 있던 염소 등의 불순물을 제거하기 위한 과정이다.In the sixth step, the washing is a step of exfoliating the polyalkylene oxide copolymer used on the surface of the metal catalyst to expose the catalyst metal for use in the reaction. The washing is repeated with water and dried. The washing process is a process for removing impurities such as chlorine contained in the water-soluble metal salt.

상기 단계들은 특별한 언급이 없는 한, 실온 및 대기압하의 공기 분위기 하에서 수행되며, 사용되는 물은 증류수 또는 탈이온수가 바람직하다.The above steps are carried out under an air atmosphere at room temperature and atmospheric pressure, unless otherwise specified, and the water used is preferably distilled water or deionized water.

앞서 설명한 본 발명의 모든 형태의 상기 연료전지 전극용 HCMS탄소 담지 촉매 및 이의 제조방법으로 제조된 촉매는 연료전지에 사용될 수 있으며, 또한, 연료전지의 산화전극 또는 환원전극에 사용될 수 있고, 특히 상기 본 발명의 HCMS탄소 담지 촉매는 수소연료 양성자교환막 연료전지를 포함하는 다른 형태의 고분자 전해 질막 연료전지에 사용하는 것이 좋다.The above-described HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes of the present invention and a catalyst prepared by the method for preparing the same may be used in a fuel cell, and may also be used in an anode or a cathode of a fuel cell. The HCMS carbon supported catalyst of the present invention is preferably used for another type of polymer electrolyte membrane fuel cell including a hydrogen fuel proton exchange membrane fuel cell.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 더 상세하게 설명하겠다. 그러나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the scope of the present invention is not limited thereto.

제조예Production Example

HCMS 탄소 캡슐 구조체의 제조(중공형 코어 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체)Preparation of HCMS Carbon Capsule Structure (Spherical Carbon Capsule Structure with Hollow Core Structure)

대한민국 특허등록 제10-0500975호에 기재된 방법과 유사하게 메조다공성 외각을 갖는 중공형 코어 탄소 캡슐 구조체를 다음과 같이 제조하였다. Similar to the method described in Korean Patent Registration No. 10-0500975, a hollow core carbon capsule structure having a mesoporous outer shell was prepared as follows.

약 350 nm의 직경을 갖는 구형의 실리카 입자를 합성한 후, 그 표면 위에 TEOS/C18-TMS 혼합물을 사용하여 외각을 형성하고 이것을 열처리함으로써 메조다공성 실리카 외각 부분이 첨가된 SCMS(solid core with mesoporous shell) 실리카 주형 입자를 합성하였다. 그 후, 메조다공성 외각의 메조세공으로 페놀(phenol)과 포름알데히드 탄소 전구체를 주입하고, 열을 주어 중합시킴으로써, 고분자화하여 고분자-실리카 주형 복합물을 얻었다. 또한, 메조페이스 피치(mesophase pitch)를 사용해 메조페이스 피치를 연화점(softening point) 이상으로 가열하여 SCMS 실리카 주형으로 주입하고, 고분자화하여 고분자-실리카 주형 복합물을 얻었다. After synthesis of spherical silica particles having a diameter of about 350 nm, a solid core with mesoporous is added to the mesoporous silica shell by forming an outer shell using a TEOS / C 18 -TMS mixture on the surface and heat-treating it. shell) silica template particles were synthesized. Thereafter, phenol and formaldehyde carbon precursor were injected into the mesoporous outer shell of the mesoporous shell and polymerized by heating to obtain a polymer-silica template composite. In addition, the mesophase pitch was heated to a softening point or more using a mesophase pitch, injected into the SCMS silica mold, and polymerized to obtain a polymer-silica mold composite.

이 고분자-실리카 복합물을 900℃ ~ 1000℃ 및 질소, 아르곤, 헬륨 등의 비활성 기체 하에서 탄소화 과정을 거쳐 탄소-실리카의 복합물을 얻은 다음, 불화수 소산(HF)용액을 이용해 실리카 주형을 녹여 내어 실리카가 용해된 부분에 일정한 크기의 세공이 형성된 형태, 즉 중심은 일정한 크기의 매크로 세공을 가지며, 외각은 메조다공성인 구형의 HCMS 탄소 캡슐 구조체를 제조하였다.The polymer-silica composite was carbonized under 900 ° C to 1000 ° C and inert gas such as nitrogen, argon, and helium to obtain a carbon-silica composite, followed by melting the silica template with hydrofluoric acid (HF) solution. A spherical HCMS carbon capsule structure was prepared in which the pores of a certain size were formed in a portion where silica was dissolved, that is, the center had a macro pores of a constant size and the outer shell was mesoporous.

앞서 제조한 HCMS 탄소 캡슐 구조체의 SEM 및 TEM 사진을 도 1 및 도 2에 각각 나타내었다. 그리고, BET법으로 표면적을 측정한 결과 약 2000 m2/g의 표면적을 가지는 것으로 확인되어, 카본 블랙에 비해 약 8배 이상의 표면적을 가지는 것으로 밝혀졌는데 이는 도 3에 나타내었다.SEM and TEM images of the HCMS carbon capsule structure prepared above are shown in FIGS. 1 and 2, respectively. In addition, the surface area was measured by the BET method, and it was confirmed that the surface area was about 2000 m 2 / g.

상기와 동일한 절차에 따라서, 약 150 nm의 중공 내부 지름을 가진 SCMS 실리카 주형을 합성하고, 이에 탄소 전구체의 비율 조정 및 탄소 전구체의 종류를 바꾸어 표면 형태를 거칠거나 매끄럽게 조절한 결과 SEM 사진을 도 4 내지 도 6에 나타내었다. 이들 HCMS 탄소 캡슐 구조체들은 SCMS 실리카 주형의 껍질에 생성된 일정한 크기의 메조세공의 분포 및 표면 특성에 따라서, 이로부터 생성된 HCMS 탄소도 유사한 메조세공 분포 및 표면특성을 보였고, SCMS 실리카 주형 외각의 메조 세공 분포는 도 7에 나타내었다. According to the same procedure as described above, the SCMS silica template having a hollow inner diameter of about 150 nm was synthesized, and the surface shape was roughly or smoothly adjusted by adjusting the proportion of the carbon precursor and changing the type of the carbon precursor. To FIG. 6. These HCMS carbon encapsulated structures showed similar mesopore distribution and surface properties of the SCMS silica mold shells, depending on the distribution and surface characteristics of the uniform size of mesopores formed on the shell of the SCMS silica mold. Pore distribution is shown in FIG. 7.

연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매의 제조Preparation of HCMS Carbon Supported Catalyst for Fuel Cell Electrode

실시예 1Example 1

금속의 수용성 용액은 250 ml 비이커에 Pt:Ru의 몰비가 1:1이 되도록 H2PtCl6(Aldrich사 시약급, 38.08 중량% Pt) 0.0865 g과 RuCl3(Aldrich사 시약급, 40.0 중량% Ru) 0.0427 g을 80 ml 의 증류수에 투입하고, 30 분간 교반하여 용해하여 제조하였다. 상기 H2PtCl6 RuCl3가 용해되는 동안 폴리알킬렌옥사이드 공중합체인 Pluronic L64[(EO)13(PO)30(EO)13]를 6 ml을 넣어주어 잘 혼합되도록 교반하였다. 교반 후, 3 L 비이커에 수용성 금속염 및 폴리알킬렌옥사이드 공중합체의 혼합용액을 옮겨 부었다. 별도의 250 ml 비이커에 상기 제조예에서 제조한 상기 HCMS 탄소 캡슐 구조체 0.20 g을 증류수 150 ml와 혼합한 후 30분간 교반시켜 슬러리를 제조한 다음, 금속염 용액의 수용액이 들어있는 상기 3 L 삼각플라스크에 교반하면서 천천히 첨가한 후 수용성 금속염의 전체 농도가 약 2 mM정도 되게 증류수를 첨가하여 희석시킨 후 1시간 정도 교반하였다. 그 후, 20 중량% NaOH용액을 이용하여 pH를 약 8.5로 조정한 후, 환원제인 NaBH4 1.6 g을 용해시킨 수용액 40 ml를 상기 HCMS 탄소 캡슐 구조체, 수용성 금속염 및 폴리알킬렌옥사이드 공중합체의 혼합 용액에 천천히 첨가하고 약 2시간 동안 교반시켜서, HCMS 탄소 캡슐 구조체에 금속입자가 담지되도록 하였다. 교반을 중지하고 방치하여 상층 용액이 맑아진 후 0.2 ㎛ 나일론 여과용지를 이용하여 여과한 후 증류수로 여러 번 세척하고 80?에서 건조시켜 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매인 Pt-Ru 합금 촉매를 제조하였다. 제조된 Pt-Ru 합금 촉매의 TEM 사진은 도 8에 나타내었으며, 도 8에서 확인할 수 있는 바와 같이 2 ~ 3 nm정도 크기의 Pt-Ru 금속입자가 균일하게 합성되고, 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다. The aqueous solution of the metal was prepared in a 250 ml beaker with 0.0865 g H 2 PtCl 6 (Aldrich's reagent grade, 38.08 wt.% Pt) and RuCl 3 (Aldrich's reagent grade, 40.0 wt. ) 0.0427 g was added to 80 ml of distilled water, and stirred for 30 minutes to prepare a solution. The H 2 PtCl 6 and While RuCl 3 was dissolved, 6 ml of Pluronic L64 [(EO) 13 (PO) 30 (EO) 13 ], a polyalkylene oxide copolymer, was added thereto and stirred to mix well. After stirring, a mixed solution of a water-soluble metal salt and a polyalkylene oxide copolymer was transferred to a 3 L beaker. 0.20 g of the HCMS carbon capsule structure prepared in Preparation Example was mixed with 150 ml of distilled water in a separate 250 ml beaker, followed by stirring for 30 minutes to prepare a slurry, and then into the 3 L Erlenmeyer flask containing an aqueous solution of a metal salt solution. The mixture was slowly added with stirring, followed by dilution with distilled water so that the total concentration of the water-soluble metal salt was about 2 mM, followed by stirring for 1 hour. Thereafter, the pH was adjusted to about 8.5 using a 20 wt% NaOH solution, and 40 ml of an aqueous solution in which 1.6 g of NaBH 4 as a reducing agent was dissolved was mixed with the HCMS carbon capsule structure, the water-soluble metal salt, and the polyalkylene oxide copolymer. The solution was added slowly and stirred for about 2 hours to allow metal particles to be supported on the HCMS carbon capsule structure. After stopping the stirring and leaving the solution clear, the filter was filtered using 0.2 ㎛ nylon filter paper, washed several times with distilled water and dried at 80 ℃ to prepare a Pt-Ru alloy catalyst, HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes It was. The TEM photograph of the prepared Pt-Ru alloy catalyst is shown in FIG. 8, and as can be seen from FIG. 8, Pt-Ru metal particles having a size of about 2 to 3 nm are uniformly synthesized and uniformly dispersed. have.

실시예 2 ~ 실시예 4Example 2-Example 4

실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 2 ~ 실시예 4를 실시하되, 실시예 2는 수용성 Pt 와 Ru 혼합용액 대신 H2PtCl6(Aldrich사 시약급, 38.08 중량% Pt) 0.1313 g을 사용하여 수용성 Pt 용액을 사용하였으며, 그리고 실시예 3 및 실시예 4를 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 하기 표 1과 같은 조성비를 갖도록 실시하였다.Example 2 to Example 4 were carried out in the same manner as in Example 1, except that Example 2 was water-soluble using 0.1313 g of H 2 PtCl 6 (Aldrich's reagent grade, 38.08 wt% Pt) instead of the aqueous Pt and Ru mixed solution. Pt solution was used, and Example 3 and Example 4 were carried out in the same manner as in Example 1, but was carried out to have a composition ratio as shown in Table 1 below.

상기 실시예 1 ~ 4에서 제조한 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매의 조성비율은 하기 표 1에 나타내었다.Composition ratios of the HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes prepared in Examples 1 to 4 are shown in Table 1 below.

구 분 (중량%)Classification (% by weight) 실시예 1 (Pt-Ru 합금 촉매)Example 1 (Pt-Ru Alloy Catalyst) 실시예 2 (Pt 촉매) Example 2 (Pt Catalyst) 실시예 3 (Pt-Ru 합금 촉매)Example 3 (Pt-Ru Alloy Catalyst) 실시예 4 (Pt-Ru 합금 촉매)Example 4 (Pt-Ru Alloy Catalyst) HCMS 탄소 캡슐 구조체HCMS Carbon Capsule Structure 8080 8080 39.939.9 19.819.8 전이금속Transition metal 19.819.8 19.819.8 59.959.9 8080 폴리알킬렌옥사이드 공중합체Polyalkylene oxide copolymer 0.20.2 0.20.2 0.20.2 0.20.2 총 중량Total weight 100 중량%100 wt%

비교예 1 ~ 비교예 2Comparative Example 1 to Comparative Example 2

비교예 1은 상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 담체로서 상기 제조예에서 제조한 HCMS 탄소 캡슐 구조체 대신 Vulcan XC-72(Cabot사)를 담체로 사용하여 Pt-Ru 합금 촉매를 제조하였으며, 비교예 2는 총 20 중량% 금속 로딩(loading)된 상용 Pt-Ru 합금촉매(몰비 1:1, 미국 E-TEK사)를 본 발명과의 비교대상으로 하였다.Comparative Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1, but prepared a Pt-Ru alloy catalyst using Vulcan XC-72 (Cabot) as a carrier instead of the HCMS carbon capsule structure prepared in Preparation Example as a carrier, Example 2 was compared to the present invention using a commercial Pt-Ru alloy catalyst (molar ratio 1: 1, E-TEK, USA) loaded with a total of 20% by weight metal.

비교예 3 ~ 비교예 4 Comparative Example 3 to Comparative Example 4

비교예 3은 상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 담체로서 상기 제조예에서 제조한 HCMS 탄소 캡슐 구조체 대신 Vulcan XC-72(Cabot사)를 담체로 사용하여 Pt 촉매를 제조하였으며, 비교예 4는 총 20 중량%의 금속 로딩(loading)된 상용 Pt촉매(미국 E-TEK사)를 본 발명과의 비교대상으로 하였다.Comparative Example 3 was carried out in the same manner as in Example 2, Pt catalyst was prepared using Vulcan XC-72 (Cabot) as a carrier instead of the HCMS carbon capsule structure prepared in Preparation Example as a carrier, Comparative Example 4 A total of 20 weight percent metal loaded commercial Pt catalyst (E-TEK, USA) was compared with the present invention.

비교예 5 Comparative Example 5

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 폴리알킬렌옥사이드 공중합체인 삼중 블록 공중합체 L64를 첨가하지 않고서, 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매인 Pt-Ru 합금 촉매를 제조하였다.A Pt-Ru alloy catalyst, which is a HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes, was prepared in the same manner as in Example 1, without adding a triblock copolymer L64, which is a polyalkylene oxide copolymer.

실험예 1Experimental Example 1

X-선 회절 분석 패턴 실험X-ray Diffraction Analysis Pattern Experiment

상기 실시예 1에서 제조한 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매(Pt-Ru/HCMSC)의 X-선 회절 분석 패턴을 비교예 1의 촉매(Pt-Ru/VC) 및 미국의 E-TEK, Inc.로부터 상업적으로 구입한 비교예 2의 상용 Pt-Ru 합금촉매(Pt-Ru/VC-ETek)와 XRD 패턴과 비교하였으며, 그 결과는 도 10 에 나타내었다. 도 10을 참조하면, 약 68°의 2θ 값은 Pt 금속 결정의 (220)면에 해당하는 것으로써, E-TEK의 상업적 시판 Pt-Ru 촉매와 마찬가지로 실시예 1에 따라 제조된 Pt-Ru 촉매도 합금(alloy)을 이루고 있음을 유추할 수 있고, 또한, 비교예 1과 비교예 2의 피크들에 비해 실시예 1에 따른 촉매의 피크가 더 넓어서(broad), 비교예 1 및 비교예 2의 촉매 보다 금속 입자의 크기가 더 작음을 알 수 있을 뿐만 아니라, 금속입자의 분산이 더 균일하게 잘 이루어져 있는 것을 알 수 있다. 도 11은 상기 실시예 2 에서 제조한 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매(Pt/HCMSC)의 X-선 회절 분석 패턴을 비교예 3의 촉매(Pt/VC) 및 미국의 E-TEK, Inc.로부터 상업적으로 구입한 비교예 4의 상용 Pt촉매(Pt/VC-ETek)와 XRD 패턴과 비교하였다, 실제 TEM 사진과 계산에 의하여 전이금속 입자의 크기는 2 ~ 3 nm로 얻어진다.The X-ray diffraction analysis pattern of the HCMS carbon supported catalyst (Pt-Ru / HCMSC) for the fuel cell electrode prepared in Example 1 was compared with the catalyst (Pt-Ru / VC) of Comparative Example 1 and E-TEK, Inc. of the United States. It was compared with the commercial Pt-Ru alloy catalyst (Pt-Ru / VC-ETek) of Comparative Example 2 commercially purchased from the XRD pattern, the results are shown in FIG. Referring to FIG. 10, the 2θ value of about 68 ° corresponds to the (220) plane of the Pt metal crystal, which is a Pt-Ru catalyst prepared according to Example 1, similar to a commercially available Pt-Ru catalyst of E-TEK. In addition, it can be inferred that the alloy (alloy), and also, the peak of the catalyst according to Example 1 is broader than the peaks of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 (broad), Comparative Example 1 and Comparative Example 2 It can be seen that the size of the metal particles is smaller than that of the catalyst, and the metal particles are more uniformly dispersed. 11 is an X-ray diffraction analysis pattern of the HCMS carbon supported catalyst (Pt / HCMSC) for fuel cell electrode prepared in Example 2 catalyst (Pt / VC) of Comparative Example 3 and E-TEK, Inc. of the United States. It was compared with the commercial Pt catalyst (Pt / VC-ETek) and XRD pattern of Comparative Example 4 commercially obtained from, the size of the transition metal particles are obtained by 2 ~ 3 nm by the actual TEM photograph and calculation.

실험예 2Experimental Example 2

촉매의 수소 산화반응 성능 실험Hydrogen Oxidation Performance Test of Catalyst

실시예 1의 방법에 따라 수득한 Pt-Ru 합금 촉매의 수소 산화반응 성능을 또한 실시예 2의 Pt 촉매의 산소 환원반응 성능을 각각 단위전지 성능실험을 통해 확인하였고, 비교예 1, 2 및 비교예 3, 4의 촉매와 비교하여 그 결과를 도 12 및 도 13에 각각 나타내었다.Hydrogen oxidation performance of the Pt-Ru alloy catalyst obtained according to the method of Example 1 was also confirmed through the unit cell performance test, respectively, the oxygen reduction reaction performance of the Pt catalyst of Example 2, Comparative Examples 1, 2 and comparison The results are shown in FIGS. 12 and 13 as compared with the catalysts of Examples 3 and 4.

도 12는 실시예 1의 방법에 따라 수득한 Pt-Ru/HCMSC 산화전극 촉매를 비교예 1와 2 촉매와 비교해 수소 산화반응 성능을 단위전지 성능실험을 통해 확인한 결과이고, 도 13은 실시예 2의 방법에 따라 수득한 Pt/HCMSC 환원전극 촉매를 비교예 3과 4 촉매 와 비교하여 산소환원 성능 실험결과를 나타낸 것이다. 이때 성능 실험은 전극 단면적 6.25 cm2, 200 sccm H2, 및 1000 sccm O2 의 조건하에서 실시하였다 12 is a result of confirming the hydrogen oxidation reaction performance through a unit cell performance test comparing the Pt-Ru / HCMSC anode catalyst obtained according to the method of Example 1 with the Comparative Examples 1 and 2 catalyst, Figure 13 is Example 2 Pt / HCMSC cathode catalyst obtained according to the method is compared with the comparative examples 3 and 4 catalyst shows the results of oxygen reduction performance. At this time, the performance test was carried out under the conditions of electrode cross-sectional area of 6.25 cm 2 , 200 sccm H 2 , and 1000 sccm O 2 .

도 12을 참조하면, 비교예 1과 비교예 2의 촉매에 비하여, 실시예 1의 촉매가 수소산화 반응에 대한 전지 전압이 훨씬 높게 나옴을 알 수 있었다. 그리고 단위 성능 실험 결과 중 전류 밀도의 변화에 따른 동력 밀도의 변화도 비교예 2의 E-TEK 촉매와 비교하여 더 우수함을 알 수 있다. 도 13에서도 비교예3과 비교예 4의 촉매에 비해 실시예 2의 촉매가 산소환원 전압 밀도 및 동력 밀도가 훨씬 큰 것을 알 수 있었다. 12, it can be seen that compared with the catalysts of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the catalyst of Example 1 has a much higher battery voltage for the hydrogen oxidation reaction. In addition, it can be seen that the change in power density according to the change of current density in the unit performance test result is also superior to that of the E-TEK catalyst of Comparative Example 2. In FIG. 13, the catalyst of Example 2 was much more oxygen-reduced voltage density and power density than the catalysts of Comparative Example 3 and Comparative Example 4.

또한, 도 14를 참조하면, 실시예 1에서 제조한 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 촉매(Pt-Ru/HCMSC)가 금속입자가 담체에 균일하게 분산될 수 있는 역할을 하는 Pluronic L64를 첨가하지 않은 비교예 5의 촉매 및 비교예 1의 Vulcan XC-7를 담체로 사용한 Pt-Ru 합금촉매 보다 산소환원 성능이 우수함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 14, the HCMS carbon supported catalyst (Pt-Ru / HCMSC) for the fuel cell electrode prepared in Example 1 was not added with Pluronic L64, which serves to uniformly disperse the metal particles in the carrier. It can be seen that the oxygen reduction performance is superior to that of the catalyst of Comparative Example 5 and Pt-Ru alloy catalyst using Vulcan XC-7 of Comparative Example 1 as a carrier.

이상의 결과로부터, 본 발명에 중공형 코어(Hollow core with mesoporous shell, HCMS)구조의 탄소캡슐 구조체를 담체로 사용하여 제조한 Pt-Ru 합금촉매(실시예 1)는 비교예 1의 Vulcan XC-72를 담체로 사용하여 제조된 Pt-Ru 합금 촉매 ((Pt-Ru/VC) 및 비교예 2의 미국 E-TEK Inc. 로부터 상업적으로 구입한 상용 Pt-Ru 합금촉매 (Pt-Ru/VC-ETek) 보다 수소 산화반응에 대해, 그리고 Pt/HCMSC 촉매 (실시예 2)도 비교예 3의 Vulcan XC-72를 담체로 사용하여 제조된 Pt 촉매 ((Pt/VC) 및 비교예 4의 미국 E-TEK사의 상용 Pt촉매 (Pt/VC-ETek) 보다 산소 환원반응에 대하여 우수한 활성을 나타내고 있음을 알 수 있다.From the above results, the Pt-Ru alloy catalyst (Example 1) prepared by using the carbon capsule structure of the hollow core with mesoporous shell (HCMS) structure as a carrier (Example 1) was Vulcan XC-72 of Comparative Example 1. Pt-Ru alloy catalyst ((Pt-Ru / VC) prepared by using as a carrier and commercial Pt-Ru alloy catalyst (Pt-Ru / VC-ETek commercially purchased from E-TEK Inc. of Comparative Example 2) Pt catalyst ((Pt / VC) and U.S. E- of Comparative Example 4) prepared for hydrogen oxidation and Pt / HCMSC catalyst (Example 2) were also prepared using Vulcan XC-72 of Comparative Example 3 as a carrier. It can be seen that TEK's commercially available Pt catalyst (Pt / VC-ETek) shows superior activity for oxygen reduction reaction.

도 1은 제조예에서 제조한 일정한 크기의 메조다공성 외각껍질을 갖는 중공형(HCMS:hollow core with mesoporous shell) 탄소 캡슐 구조체의 주사 전자 현미경(SEM: scanning electron microscope) 사진이다.FIG. 1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a hollow core with mesoporous shell (HCMS) carbon capsule structure prepared in a preparation example.

도 2는 제조예에서 제조한 불규칙적인 메조 세공 분포를 갖는 일정한 크기의 HCMS 탄소 캡슐 구조체들의 투과 전자 현미경(TEM) 사진이다. FIG. 2 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of HCMS carbon capsule structures of uniform size with irregular mesoporous distribution prepared in Preparation.

도 3은 제조예에서 제조한 중공형 탄소 캡슐 구조체의 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 흡·탈착 등온선이다.3 is a BET (Brunauer-Emmett-Teller) adsorption-desorption isotherm of the hollow carbon capsule structure prepared in Preparation Example.

도 4 내지 도 6은 탄소 전구체의 종류 및 비율을 달리해 표면의 거칠기를 조절해 합성한 중공형 탄소캡슐 구조체로서, 도 4는 매끄러운 표면의 중공형 탄소캡슐 구조체이며, 도 5는 중간적 표면 거칠기를 가진 중공형 탄소캡슐 구조체이고, 도 6은 거친 표면의 중공형 탄소캡슐 구조체이다. 4 to 6 is a hollow carbon capsule structure synthesized by adjusting the surface roughness by varying the type and ratio of the carbon precursor, Figure 4 is a hollow carbon capsule structure of a smooth surface, Figure 5 is an intermediate surface roughness It is a hollow carbon capsule structure having a, Figure 6 is a hollow carbon capsule structure of the rough surface.

도 7은 제조예에서 제조한 SCMS(solid core with mesoporous shell) 실리카 주형의 TEM 사진이다. 7 is a TEM image of a solid core with mesoporous shell (SCMS) silica template prepared in Preparation Example.

도 8은 실시예 1에서 제조한 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 Pt-Ru 합금촉매이다. 8 is a HCMS carbon supported Pt-Ru for a fuel cell electrode prepared in Example 1; Alloy catalyst.

도 9는 실시예 2에서 제조한 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 Pt 촉매이다.9 is a HCMS carbon-supported Pt catalyst for a fuel cell electrode prepared in Example 2. FIG.

도 10은 본 발명의 실시예 1의 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 Pt-Ru 합금촉매와 비교예 1의 vulcan 탄소 담지 Pt-Ru 합금촉매 및 비교예 2의 상용 Pt-Ru 합 금촉매의 X선회절 분석패턴을 나타낸 그래프이다.10 is a HCMS carbon supported Pt-Ru for a fuel cell electrode according to Example 1 of the present invention. Alloy catalyst and Pt-Ru supporting vulcan carbon of Comparative Example 1 Alloy Catalysts and Commercial Pt-Ru of Comparative Example 2 This graph shows the X-ray diffraction pattern of alloy catalyst.

도 11은 본 발명의 실시예 2의 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 Pt촉매와 비교예 1의 vulcan 탄소 담지 Pt 촉매 및 비교예 2 상용 Pt촉매의 X선회절 분석패턴을 나타낸 그래프이다.11 is a HCMS carbon supported Pt catalyst for a fuel cell electrode of Example 2 of the present invention and a vulcan carbon supported Pt of Comparative Example 1 Catalyst and Comparative Example 2 A graph showing an X-ray diffraction analysis pattern of a commercial Pt catalyst.

도 12는 실시예 1의 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 Pt-Ru 합금촉매와 비교예 1의 vulcan 탄소 담지 Pt-Ru 합금촉매 및 비교예 2의 상용 Pt-Ru 합금촉매를 산화전극으로 60oC 산소조건하에서 테스트한 단위전지 성능 곡선을 보여주는 그래프이다.12 is a HCMS carbon supported Pt-Ru for a fuel cell electrode of Example 1 Alloy catalyst and Pt-Ru supporting vulcan carbon of Comparative Example 1 Alloy Catalysts and Commercial Pt-Ru of Comparative Example 2 This is a graph showing the unit cell performance curves tested at 60 ° C oxygen conditions with an alloy catalyst as an anode.

도 13은 본 발명의 실시예 2에서 합성한 HCMS 탄소 캡슐 구조체에 지지된 20 wt% Pt 촉매와 상용 E-TEK Pt 촉매 및 Vulcan 탄소에 지지된 Pt 촉매를 환원전극으로 60oC 산소조건하에서 테스트한 단위전지 성능 곡선을 보여주는 그래프이다. FIG. 13 is a 20 wt% Pt catalyst supported on the HCMS carbon capsule structure synthesized in Example 2 of the present invention, a commercial E-TEK Pt catalyst, and a Pt catalyst supported on Vulcan carbon under a 60 ° C oxygen test using a reducing electrode. One unit cell performance curve.

도 14는 본 발명의 실시예 1에서 합성한 연료전지 전극용 HCMS 탄소 담지 Pt-Ru 합금촉매와 비교예 1 및 비교예 5에서 제조한 촉매를 산화전극으로 60oC 산소조건하에서 테스트한 단위전지 성능 곡선을 보여주는 그래프이다. 14 is a HCMS carbon-supported Pt-Ru for fuel cell electrode synthesized in Example 1 of the present invention. It is a graph showing the unit cell performance curve of the alloy catalyst and the catalysts prepared in Comparative Examples 1 and 5 were tested under an oxygen condition of 60 ° C as an anode.

Claims (13)

매크로 중공을 갖는 내부와 메조 세공을 갖는 외각 껍질로 이루어진 중공형 코어(Hollow core with mesoporous shell) 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체;A spherical carbon capsule structure having a hollow core with mesoporous shell structure having an inner shell having a macro hollow and an outer shell having mesopores; 전이금속; 및 Transition metals; And 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 및 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2종의 공중합체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전극용 HCMS탄소 담지 촉매. HCMS carbon-carrying catalyst for a fuel cell electrode, characterized in that it comprises a; polyalkylene oxide copolymers and alkyl polyethylene oxide copolymers of one or two selected. 청구항 1에 있어서, 상기 구형 탄소 캡슐 구조체 15 ~ 84 중량%; The method according to claim 1, 15 to 84% by weight of the spherical carbon capsule structure; 상기 전이금속 15 ~ 80 중량%; 및15 to 80% by weight of the transition metal; And 상기 공중합체 0.01 ~ 5 중량%;를 포함하는 것을 그 특징으로 하는 연료전지 전극용 HCMS탄소 담지 촉매.0.01 to 5% by weight of the copolymer; HCMS carbon supported catalyst for a fuel cell electrode comprising a. 청구항 1에 있어서, 상기 매크로 중공은 직경 30 nm ~ 1000 nm이고, 상기 메조 세공은 직경 2 nm ~ 20 nm 인 것을 특징으로 하는 연료전지 전극용 HCMS탄소 담지 촉매.The HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrode according to claim 1, wherein the macro hollow has a diameter of 30 nm to 1000 nm and the mesopores have a diameter of 2 nm to 20 nm. 청구항 1에 있어서, 상기 전이금속은 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe), 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 비스므트(Bi), 주석(Sn), 크롬(Cr) 및 구리(Cu) 중에서 선택된 단종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 전극용 HCMS탄소 담지 촉매.The method of claim 1, wherein the transition metal is platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), molybdenum (Mo), osmium (Os), iridium (Ir), rhenium (Re), palladium (Pd), vanadium (V), tungsten (W), cobalt (Co), iron (Fe), selenium (Se), nickel (Ni), bismuth (Bi), tin (Sn), chromium (Cr) and copper (Cu) HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes, characterized in that selected single or two or more. 청구항 1에 있어서, 상기 폴리알킬렌옥사이드 공중합체는 폴리(에틸렌옥사이드)-폴리(프로필렌옥사이드)-폴리(에틸렌옥사이드) 삼중 블록 공중합체[poly(ethylene oxide)-poly(propylene oxide)-poly(ethylene oxide) triblock copolymer]이고, The method of claim 1, wherein the polyalkylene oxide copolymer is poly (ethylene oxide)-poly (propylene oxide)-poly (ethylene oxide) triple block copolymer [poly (ethylene oxide)-poly (propylene oxide)-poly (ethylene oxide) triblock copolymer] 상기 삼중 블록 공중합체는 Pluronic L31, Pluronic L35, Pluronic L42, Pluronic L61, Pluronic L62, Pluronic 62D, Pluronic L62LF, Pluronic L63, Pluronic L64, Pluronic L65, Pluronic L72 및 Pluronic L92 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 전극용 HCMS탄소 담지 촉매.The triple block copolymer is one or more selected from Pluronic L31, Pluronic L35, Pluronic L42, Pluronic L61, Pluronic L62, Pluronic 62D, Pluronic L62LF, Pluronic L63, Pluronic L64, Pluronic L65, Pluronic L72 and Pluronic L92 HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes. 청구항 1 내지 청구항 5 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서, 상기 연료전지 전극은 산화전극 또는 환원전극인 것을 특징으로 하는 연료전지 전극용 HCMS탄소 담지 촉매.The HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel cell electrode is an anode or a cathode. 청구항 1 내지 청구항 5중에서 선택된 어느 한 항의 상기 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지. A fuel cell comprising the catalyst of any one of claims 1 to 5. 청구항 7에 있어서, 상기 연료전지는 수소연료 양성자교환막을 포함하는 고분자 전해질막 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지.The fuel cell of claim 7, wherein the fuel cell is a polymer electrolyte membrane fuel cell including a hydrogen fuel proton exchange membrane. (ㄱ)중공형 코어 구조의 구형 탄소 캡슐 구조체의 수중 슬러리;(A) an underwater slurry of a spherical carbon capsule structure having a hollow core structure; (ㄴ)촉매 활성을 갖는 수용성 금속염을 용해시킨 수용액; 및(B) an aqueous solution in which a water-soluble metal salt having a catalytic activity is dissolved; And (ㄷ)폴리알킬렌옥사이드 공중합체 및 알킬폴리에틸렌옥사이드 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2 종의 공중합체; 를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 1 단계; (C) a single or two types of copolymers selected from polyalkylene oxide copolymers and alkylpolyethylene oxide copolymers; A first step of preparing a mixed solution by mixing; 상기 수용성 금속염의 농도가 1 mM ~ 5 mM이 되도록 상기 혼합용액에 증류수를 첨가하여 희석, 교반하는 제 2 단계; A second step of diluting and stirring distilled water into the mixed solution such that the concentration of the water-soluble metal salt is 1 mM to 5 mM; 상기 희석된 혼합용액의 pH를 8 ~9로 조절하여 반응용액을 제조하는 제 3 단계; A third step of preparing a reaction solution by adjusting the pH of the diluted mixed solution to 8-9; 상기 반응용액에 환원제를 첨가하여 수용성 금속염을 환원시켜서 금속입자를 형성시킨 후, 형성된 금속입자를 상기 탄소 캡슐 구조체에 담지시켜 촉매를 제조하는 제 4 단계; 및 A fourth step of preparing a catalyst by adding a reducing agent to the reaction solution to reduce the water-soluble metal salt to form metal particles, and then supporting the formed metal particles on the carbon capsule structure; And 상기 반응용액으로부터 촉매를 분리하는 제 5 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 하는 연료전지 전극용 HCMS탄소 담지 촉매의 제조방법.And a fifth step of separating the catalyst from the reaction solution. 청구항 9에 있어서, 상기 환원제는 NaBH4, LiBH4, HCHO, HCOOH, CH3OH, CH3CH2OH, HCOONa, N2H4 및 AlBH4 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 전극용 HCMS탄소 담지 촉매의 제조방법.The fuel cell according to claim 9, wherein the reducing agent is one or more selected from NaBH 4 , LiBH 4 , HCHO, HCOOH, CH 3 OH, CH 3 CH 2 OH, HCOONa, N 2 H 4 and AlBH 4 . Method for producing HCMS carbon supported catalyst for electrodes. 청구항 9에 있어서, 상기 수용성 금속염은 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe), 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 비스므트(Bi), 주석(Sn), 크롬(Cr) 및 구리(Cu) 중에서 선택된 단종 또는 2종 이상의 금속염인 것을 특징으로 하는 연료전지 전극용 HCMS탄소 담지 촉매의 제조방법.The method of claim 9, wherein the water-soluble metal salt is platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), molybdenum (Mo), osmium (Os), iridium (Ir), rhenium (Re), palladium (Pd), vanadium (V), tungsten (W), cobalt (Co), iron (Fe), selenium (Se), nickel (Ni), bismuth (Bi), tin (Sn), chromium (Cr) and copper (Cu) A method for producing a HCMS carbon supported catalyst for fuel cell electrodes, characterized in that selected single or two or more metal salts. 청구항 9에 있어서, 상기 금속입자는 1 ~ 4 nm 크기인 것을 특징으로 하는 연료전지 전극용 HCMS탄소 담지 촉매의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the metal particles have a size of 1 to 4 nm. 청구항 9에 있어서, 상기 공중합체는 상기 수용성 금속염 제조시 사용되는 금속촉매의 총 중량에 대하여 50 ~ 70 배 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전극용 HCMS탄소 담지 촉매의 제조방법.The method according to claim 9, wherein the copolymer is used for producing a HCMS carbon supported catalyst for a fuel cell electrode, characterized in that 50 to 70 times the total weight of the metal catalyst used in the production of the water-soluble metal salt.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140000704A (en) * 2010-11-12 2014-01-03 안데르스 팜비스트 Fuel cell electrode having porous carbon core with macrocyclic metal chelates thereon
WO2014104805A1 (en) * 2012-12-27 2014-07-03 주식회사 엘지화학 Hollow metal nanoparticle supported by support body
WO2014104806A1 (en) * 2012-12-27 2014-07-03 주식회사 엘지화학 Method for manufacturing hollow metal nanoparticle supported by support body
CN104646026A (en) * 2015-02-11 2015-05-27 青岛大学 Hollow core-shell Pt@Ni/graphene three-dimensional composite catalyst and preparation method
KR101654136B1 (en) * 2015-04-29 2016-09-05 포항공과대학교 산학협력단 Method for preparing mesoporous carbon catalyst composite
JP2018098198A (en) * 2016-12-09 2018-06-21 トヨタ自動車株式会社 Electrode catalyst for fuel cell, and method for manufacturing the same
KR20180072122A (en) * 2016-12-21 2018-06-29 현대자동차주식회사 Non-noble metal based catalyst and method of manufacturing the same
CN115125563A (en) * 2022-06-28 2022-09-30 扬州大学 Heterogeneous nickel selenide carrier modified platinum catalyst, and preparation method and application thereof

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE602004010444T2 (en) * 2003-02-20 2008-04-30 Jsr Corp. Electrode paste composition
KR100544886B1 (en) * 2003-08-06 2006-01-24 학교법인 대전기독학원 한남대학교 Electrocatalysts for fuel cell supported by hcms carbon capsule structure, and their preparation method

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140000704A (en) * 2010-11-12 2014-01-03 안데르스 팜비스트 Fuel cell electrode having porous carbon core with macrocyclic metal chelates thereon
US9517460B2 (en) 2012-12-27 2016-12-13 Lg Chem, Ltd. Method for fabricating hollow metal nano particles supported on carrier
US9517450B2 (en) 2012-12-27 2016-12-13 Lg Chem, Ltd. Hollow metal nano particles supported on carrier
WO2014104805A1 (en) * 2012-12-27 2014-07-03 주식회사 엘지화학 Hollow metal nanoparticle supported by support body
CN104884198A (en) * 2012-12-27 2015-09-02 Lg化学株式会社 Method for manufacturing hollow metal nanoparticle supported by support body
WO2014104806A1 (en) * 2012-12-27 2014-07-03 주식회사 엘지화학 Method for manufacturing hollow metal nanoparticle supported by support body
EP2913123A4 (en) * 2012-12-27 2016-07-20 Lg Chemical Ltd Hollow metal nanoparticle supported by support body
CN104646026B (en) * 2015-02-11 2016-03-30 青岛大学 The three-dimensional composite catalyst of a kind of hollow core-shell PtNi/ Graphene and preparation method
CN104646026A (en) * 2015-02-11 2015-05-27 青岛大学 Hollow core-shell Pt@Ni/graphene three-dimensional composite catalyst and preparation method
KR101654136B1 (en) * 2015-04-29 2016-09-05 포항공과대학교 산학협력단 Method for preparing mesoporous carbon catalyst composite
JP2018098198A (en) * 2016-12-09 2018-06-21 トヨタ自動車株式会社 Electrode catalyst for fuel cell, and method for manufacturing the same
KR20180072122A (en) * 2016-12-21 2018-06-29 현대자동차주식회사 Non-noble metal based catalyst and method of manufacturing the same
US11145872B2 (en) 2016-12-21 2021-10-12 Hyundai Motor Company Non-noble metal based catalyst and method of manufacturing the same
CN115125563A (en) * 2022-06-28 2022-09-30 扬州大学 Heterogeneous nickel selenide carrier modified platinum catalyst, and preparation method and application thereof
CN115125563B (en) * 2022-06-28 2023-11-28 扬州大学 Heterogeneous nickel selenide carrier modified platinum catalyst, preparation method and application thereof

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