KR20100055997A - 친환경 분해성 고분자를 함유하는 전극 촉매층, 그 제조방법 및 연료전지 - Google Patents

친환경 분해성 고분자를 함유하는 전극 촉매층, 그 제조방법 및 연료전지 Download PDF

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Abstract

분해성 고분자를 함유하는 전극 촉매층, 그 제조방법 및 연료전지를 제공한다. 전극 촉매층 제조방법은 분해성 고분자를 사용하여 섬유막을 형성하는 단계 및 섬유막 내에 촉매를 함유하는 단계를 포함한다. 연료전지의 전극들 중 적어도 하나는 분해성 고분자 및 촉매를 함유하는 섬유막을 포함하는 전극이다.

Description

친환경 분해성 고분자를 함유하는 전극 촉매층, 그 제조방법 및 연료전지 {Electrode catalyst layer containing eco-friendly degradable polymer, method for fabricating the electrode catalyst layer, and fuel cell}
본 발명은 전극 촉매층에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 분해성 고분자를 함유하는 전극 촉매층에 관한 것이다.
환경문제가 심각한 현대사회에서 모든 제품의 에너지 효율 및 재활용 효율이 중요하게 부각되고 이에 대한 연구개발에 관심이 집중되고 있으며, 그 일환으로 연료전지 역시 미래의 에너지 생산장치로 주목을 받고 있다.
현재 연료전지에 일반적으로 사용되는 지지체는 탄소계 지지체이다.
다만, 상기 탄소계 지지체는 입자형태를 띠며 점접촉에 의해 연결되므로 전극저항을 높이는 요인이 될 뿐만 아니라, 사용 후 자연환경에 버려질 경우 분해되지 않고 반영구적으로 남아 있어 환경오염 문제를 야기하게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 사용 후 분해되어 환경친화적이면서, 전기전도도, 연료 또는 공기의 투과도 및 촉매의 효율이 개선된 전극 촉매층을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 전극 촉매층을 제공한다. 상기 전극 촉매층은 분해성 고분자를 함유하는 섬유막과 상기 섬유막 내에 함유된 촉매를 구비한다.
상기 분해성 고분자는 생분해성 고분자, 생붕괴성 고분자, 광분해성 고분자 또는 이들의 복합체일 수 있다.
상기 생분해성 고분자는 천연 고분자 또는 합성 고분자일 수 있다.
상기 합성 고분자는 지방족 에스테르 결합, 펩티드 결합 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다.
상기 광분해성 고분자는 N=N-, -CH=N-, -CH=CH-, >C=C<, -NH-NH-, -S-, -NH-, -O-, >C=O 등의 감광성 관능기를 포함할 수 있다.
상기 섬유막을 형성하는 섬유는 도전성 입자가 포함된 분해성고분자-도전성입자 복합 섬유일 수 있다.
상기 섬유막을 형성하는 섬유는 탄소재료를 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 전극 촉매층 제조방법을 제공한다. 상기 전극 촉매층은 분해성 고분자를 함유하는 섬유를 사용하여 촉매 지지체를 형성한 후에, 상기 촉매 지지체를 촉매 전구체 용액에 담지하여 제조할 수 있다. 또한, 먼저 분해성 고분자 및 촉매를 함유하는 섬유를 형성한 후에, 상기 섬유를 사용하여 전극 촉매층을 형성할 수도 있다.
상기 섬유는 방사법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 방사법은 습식방사, 건식방사, 용융방사 또는 전기방사일 수 있다.
상기 촉매는 Pt(백금), Au(금), Ru(루세늄) 등 및 이들의 합금인 Pt-Ru, Pt-Sn, Pt-RuOx, Pt-Ru-W, Pt-Ru-Mo 등으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 한 종류 이상의 금속을 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 연료전지를 제공한다. 상기 연료전지는 산화전극, 환원전극, 및 상기 전극들 사이에 개재된 이온교환막을 포함한다. 상기 전극들 중 적어도 하나는 분해성 고분자 및 촉매를 함유하는 섬유막을 포함한 전극 촉매층을 구비할 수 있다.
상기 섬유막을 형성하는 섬유는 도전성 입자가 포함된 분해성고분자-도전성입자 복합 섬유일 수 있다.
상기 섬유막을 형성하는 섬유는 탄소재료를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 분해성 고분자를 사용하여 제조된 전극 촉매층은 자연계에서 생분해 또는 광분해가 가능하여 환경친화적이며, 높은 공극율로 인해 연료 또는 공기의 투과성을 높일 수 있다. 또한, 도전성입자, 촉매를 첨가하여 전기전도도 를 높이고, 탄소재료를 첨가하여 전극의 이온흡착과 전기전도성을 높일 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
전극 촉매층의 제조(1)
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분해성 고분자를 함유하는 전극 촉매층 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 분해성 고분자액을 준비한다(S10). 상기 분해성 고분자액은 분해성 고분자와 이를 용해시킬 수 있는 용매를 함유하는 용액, 또는 분해성 고분자를 용융시킨 용융액일 수 있다. 상기 분해성 고분자는 생분해성 고분자, 생붕괴성 고분자, 광분해성 고분자 또는 이들의 복합체일 수 있다.
상기 생분해성 고분자는 곰팡이, 박테리아 등과 같은 자연적으로 발생하는 미세유기체의 작용에 의해 분해가 일어나는 고분자를 말하며, 천연 고분자 또는 합성 고분자일 수 있다.
상기 천연 고분자는 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스 (hemicellulose), 펙틴(pectin), 리그닌(lignin) 및 전분 (starch) 등 식물에서 유래하는 것과 키틴 (chitin), 키토산(chitosan) 등 동물에서 유래한 것일 수 있다. 상기 합성 고분자는 폴리(카프로락톤) (Poly(Caprolactone); PCL), 폴리(락틱산)(Poly(Lactic acid); PLA), 폴리(글리콜산)(Poly(Glycolic acic); PGA), 폴리(비닐알콜)(Poly(vinyl alcohol); PVA), 지방족 폴리에스터(Polyester), 폴리펩티드(Polypeptide), 폴리언하이드라이드(Polyanhydride) 등 일 수 있다.
상기 생붕괴성 고분자는 미세유기체 또는 빛에 의해 분해되지 않는 베이스 고분자와 상기 생분해성 고분자 또는 상기 광분해성 고분자를 혼합한 것일 수 있다. 상기 베이스 고분자는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등일 수 있다.
상기 광분해성 고분자는 빛에 의하여 분해되는 고분자를 말하며, -N=N-, -CH=N-, -CH=CH-, >C=C<, -NH-NH-, -S-, -NH-, -O-, >C=O 등의 감광성 관능기를 포함할 수 있다. 일 예로서, 상기 광분해성 고분자는 에틸렌일산화탄소공중합체, 비닐케톤계공중합체, 열가소성 1,2 폴리부타디엔, 또는 폴리이소부틸렌일 수 있다.
상기 용매는 탄화수소계 용매(hydrocarbon-based solvent) 및 에테르(ether)계 용매 등을 포함한 다양한 용매일 수 있다.
상기 분해성 고분자액(S10) 내에 도전성 첨가제를 추가할 수 있다. 상기 도전성 첨가제는 금속(metal), 금속 산화물(metal oxide), 금속 질화물(metal nitride), 금속 황화물(metal sulfide), 준금속(metalloid) 또는 이들의 염(salt)을 첨가할 수 있다. 그 결과, 분해성 고분자 섬유 내에 도전성 입자가 포함되어 분해성 고분자-도전성 입자 복합 섬유를 형성할 수 있다. 이 경우, 촉매 지지체의 기계적 물성을 증가시키고 또한 내부 저항을 줄여 전도도를 증가시킬 수 있다.
상기 금속은 철(Fe), 아연(Zn), 코발트(Co), 구리(Cu), 루세늄(Ru), 이리 듐(Ir), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 리튬(Li), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 또는 이들 각각을 포함하는 합금일 수 있다. 상기 금속 산화물은 루세늄 산화물, 이리듐 산화물, 구리 산화물, 니켈 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 또는 이들 각각을 포함하는 화합물일 수 있다. 상기 준금속은 실리콘(Si), 비소(As), 또는 이들 각각을 포함하는 화합물일 수 있다. 상기 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 황화물, 준금속 및 이들의 염은 한가지만 사용하거나 또는 두 종류 이상을 섞어서 사용할 수 있다.
상기 분해성 고분자액(S10) 내에 탄소재료를 첨가할 수 있다. 이 경우, 촉매 지지체의 이온흡착과 전기전도성을 증가시킬 수 있다. 상기 탄소재료는 활성탄소(activated carbon), 카본 블랙(carbon black), 탄소 에어로젤(carbon arogel), 흑연(graphite), 탄소섬유(carbon fiber), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그라핀(graphene), 및 이들 각각의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 한 종류 이상일 수 있다.
상기 분해성 고분자액을 방사하여 섬유를 형성한다(S12). 상기 방사는 습식 방사(wet spinning), 건식 방사(dry spinning), 용융 방사(melt spinning), 또는 전기방사(electrospinning)일 수 있다. 습식 방사는 상기 분해성 고분자 용액을 방사노즐로부터 응고액 중에 압출하여, 화학 반응 또는 탈수 작용 등으로 응고시켜서 섬유 형태로 만드는 방법이다. 건식 방사는 상기 전도성 고분자 용액을 방사노즐로부터 공기 또는 불활성 가스 속에 분출시키면서 용매를 증발시켜 섬유를 얻는 방법으로, 이 방법을 사용하는 경우에는 분해성 고분자 용액을 형성하기 위한 용매는 휘발성 용매인 것이 바람직하다. 용융 방사는 상기 분해성 고분자 용융액을 방사노즐로부터 공기 중에 압출하여 냉각고화시켜 섬유를 형성한다. 전기방사는 방사노즐과 집속체 사이에 전계를 인가한 상태에서, 상기 고분자 용액을 상기 방사노즐을 통해 방사하여 상기 집속체 상에 고분자 섬유를 적층함으로써 수행할 수 있다. 상기 집속체는 롤러형태를 가질 수 있으며, 상기 노즐은 실린지 펌프일 수 있다. 또한 상기 방사과정에서 고분자 용액 내에 함유된 용매는 순간적으로 증발할 수 있다.
상기 분해성 고분자 섬유를 사용하여 촉매 지지체를 형성한다(S14). 상기 촉매 지지체는 분해성 고분자 섬유막을 의미한다. 상기 촉매 지지체는 상기 분해성 고분자 섬유를 압축하여 형성하거나, 상기 분해성 고분자 섬유를 액체에 분산시켜 슬러리를 만든 후 상기 슬러리를 지지기판 상에 코팅하여 형성할 수 있다. 상기 섬유를 압축함으로써 기계적 강도 및 모듈러스(modulus)를 크게 증가시킬 수 있다. 상기 섬유를 압축하는 구체적인 방법은 롤압착법, 프레스법, 진공성형법, 가열법, 용매 조력 압축법(solvent-assisted compression molding)일 수 있다. 상기 용매 조력 압축법은 고분자를 녹일 수 있는 용매 증기 분위기 내에 상기 섬유를 일정 시간 동안 배치하여, 표면 일부를 녹인 후 프레스 등을 사용하여 압축하는 것을 말한다.
상기 촉매 지지체를 형성하는 단계(S14)는 상기 촉매 지지체를 가교처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 지지체의 기계적 물성을 증가시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 분해성 고분자액 내에 가교제를 더 추가할 수 있다. 상기 가 교제는 글루타알데히드(Glutaraldehyde), 헥사메틸렌디이소시아네이트(Hexamethylenediisocyanate) 등 일 수 있다.
상기 촉매 지지체 내에 촉매를 첨가하여 전극 촉매층을 형성한다(S16). 상기 전극 촉매층은 상기 촉매 지지체를 촉매 전구체 용액에 담지시킨 후, 환원 및 산화반응을 통하여 형성할 수 있다. 이로써, 상기 촉매 지지체 내에 촉매를 함유시킬 수 있다. 상기 촉매는 Pt(백금), Au(금), Ru(루세늄) 등 및 이들의 합금인 Pt-Ru, Pt-Sn, Pt-RuOx, Pt-Ru-W, Pt-Ru-Mo 등으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 한 종류 이상의 금속을 포함할 수 있다. 상기 촉매의 전구체로는 HAuCl4, H2PtCl4, H2PtCl6, K2PtCl4, K2PtCl6, Pt(NH3)2(NO2)2, H2PtBr6·xH2O, H2Pt(OH)6, HAuBr4·xH2O, Pt(NH3)4Cl2, (NH4)2[RuCl6], (NH4)2[RuCl5H2O], RuCl3·3H2O, (NH4)2[AuCl4], H[Au(NO3)4]H2O 등 및 이들의 유도체 등으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 한 종류 이상의 전구체를 포함할 수 있다.
상기 촉매는 산화 또는 환원 반응을 촉진시키는 역할을 수행할 수 있으며, 나아가 상기 촉매 지지체의 전기전도성을 증가시킬 수도 있다.
전극 촉매층의 제조(2)
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분해성 고분자 및 촉매를 사용한 전극 촉매층 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 분해성 고분자액에 촉매를 첨가하여 분해성 고분자-촉매 혼합액을 준비한다(S20). 상기 분해성 고분자액은 상기 도 1을 참조하며 설명된 분해성 고분자액과 같다. 상기 촉매는 Pt(백금), Au(금), Ru(루세늄) 등 및 이들의 합금인 Pt-Ru, Pt-Sn, Pt-RuOx, Pt-Ru-W, Pt-Ru-Mo 등으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 한 종류 이상의 금속을 포함할 수 있다. 상기 촉매의 전구체로는 HAuCl4, H2PtCl4, H2PtCl6, K2PtCl4, K2PtCl6, Pt(NH3)2(NO2)2, H2PtBr6·xH2O, H2Pt(OH)6, HAuBr4·xH2O, Pt(NH3)4Cl2, (NH4)2[RuCl6], (NH4)2[RuCl5H2O], RuCl3·3H2O, (NH4)2[AuCl4], H[Au(NO3)4]H2O 등 및 이들의 유도체 등으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 한 종류 이상의 전구체를 포함할 수 있다. 상기 촉매의 전구체는 환원 및 산화반응을 통하여 촉매로 변환될 수 있다.
상기 분해성 고분자-촉매 혼합액 내에 상기 도 1을 참조하며 설명한 바와 같이 도전성 첨가제를 추가할 수 있다. 상기 분해성 고분자-촉매 혼합액 내에 상기 도 1을 참조하며 설명한 바와 같이 탄소재료를 첨가할 수 있다.
상기 분해성 고분자-촉매 혼합액을 방사하여 분해성 고분자 및 촉매를 함유하는 섬유를 형성한다(S22). 상기 방사법은 상기 도 1을 참조하며 설명된 방사법과 같다.
상기 분해성 고분자 및 촉매를 함유하는 섬유를 압축하여 전극 촉매층을 형성한다(S24). 상기 전극 촉매층은 분해성 고분자 섬유막 및 상기 분해성 고분자 섬유막 내에 함유된 촉매를 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 촉매는 상기 분해성 고분자 섬유 내에 함유 또는 부착될 수 있다. 상기 전극 촉매층을 형성하는 방법은 도 1을 참조하며 설명된 촉매 지지체 형성방법과 같다.
연료전지
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 연료전지는 제1전극(33), 제2전극(37) 및 이들 사이에 위치하는 이온 교환막(35)을 구비한다. 상기 이온 교환막은 나피온막과 같은 고분자 전해질막일 수 있다. 상기 제1전극(33)과 상기 제2전극(37) 중 어느 하나는 산화전극이고 나머지 하나는 환원전극이다.
상기 제1전극(33)과 상기 제2전극(37) 중 산화전극을 통해 연료가 확산되어 유입될 수 있고, 환원전극을 통해 공기가 확산되어 유입될 수 있다. 상기 연료는 수소 또는 액체 연료일 수 있다. 상기 액체 연료는 포름산, 메탄올, 에탄올, 에틸렌 글리콜, 디메틸 에테르, 또는 메틸 포르메이트일 수 있다. 상기 연료는 산화전극 내의 촉매 상에서 산화되면서 수소이온과 전자를 생성할 수 있다. 여기서 생성된 전자는 외부회로를 통해 상기 환원전극으로 이동하면서 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 또한, 수소이온은 상기 이온 교환막(35)을 통해 상기 환원전극으로 이동할 수 있다. 상기 공기는 환원전극 내에서 상기 수소이온, 전자와 만나 물을 생성할 수 있다.
상기 제1전극(33)과 상기 제2전극(37) 중 적어도 하나는 도 1 또는 도 2를 참조하여 설명한 전극 촉매층을 포함할 수 있다. 다시 말해서, 상기 제1전극(33)과 상기 제2전극(37) 중 적어도 하나는 분해성 고분자 및 촉매를 함유하는 섬유막을 구비할 수 있다.
상기 섬유막을 형성하는 섬유는 도전성 입자가 포함된 분해성고분자-도전성입자 복합 섬유일 수 있다. 이 경우, 도 1을 참조하며 설명된 바와 같이 촉매 지지체의 기계적 물성을 증가시키고 또한 내부 저항을 줄여 전도도를 증가시킬 수 있다.
상기 섬유막을 형성하는 섬유는 탄소재료를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 도 1을 참조하며 설명된 바와 같이 촉매 지지체의 이온흡착과 전기전도성을 증가시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)을 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
12wt%의 PVA(Polyvinyl alcohol, Mw 89,000-98,000)를 함유하는 수용액과 7wt%의 키토산(탈아세틸화도 85%, 점도 200 cps)을 함유하는 초산 수용액(5wt%의 초산 함유)을 (a)40:60, (b)50:50, (c)80:20, (d)100:0 의 부피비로 섞어 3시간 이상 교반시킨 후, 촉매를 교반하여 혼합시킨 용액을 주사기에 넣고 전기방사 장치를 이용하여 방사하였다. 전기방사 과정에서, 전기장의 세기는 19kV, 유속은 약 1ml/hr, 집속체와의 거리는 10cm 간격으로 유지하였다. 이때 나노섬유의 평균 직경 은 100nm 였다.
도 4a 내지 4d는 실험예 1에 따른 PVA/키토산 혼합용액 (a) 내지 (d)를 전기방사하여 형성된 나노섬유의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 이미지이다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, PVA/키토산 나노섬유의 형태는 PVA의 부피비가 증가할수록 비드를 포함하는 섬유에서 매끈한 표면을 갖는 섬유로 변화하였다. 이는 PVA의 부피비가 증가할수록 전기방사에 필요한 전기장의 세기가 감소함을 의미한다.
이로부터, PVA는 전기방사에 의해 PVA/키토산 나노섬유를 형성하는 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 나아가, 생분해성 천연 고분자 단독으로 나노섬유를 형성하는 것 보다는 생분해성 합성 고분자, 또는 미세유기체 또는 빛에 의해 분해되지 않는 베이스 고분자를 추가하여 나노 섬유를 형성하는 것이 섬유 형성 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
<실험예 2>
12wt%의 PVA(Polyvinyl alcohol, Mw 89,000-98,000)를 함유하는 수용액과 키토산(탈아세틸화도 85%, 점도 200 cps)을 함유하는 초산 수용액(5wt%의 초산 함유)을 PVA에 대하여 키토산 10wt%로 섞어 3시간 이상 교반시킨 후, 0.01, 0.025, 0.05, 0.1wt%의 Au를 첨가하여 No.1 내지 N0.4의 분해성 고분자-촉매 혼합용액을 준비하였다. 또한, 키토산을 제외한 12wt%의 PVA(Polyvinyl alcohol, Mw 89,000- 98,000)를 함유하는 수용액에 0.1wt%의 Au를 첨가하여 N0.5의 촉매 혼합용액을 준비하였다.
상기 각 혼합용액을 전기방사하여 나노섬유를 형성한 후, 각 나노섬유의 전기전도도를 측정하였다.
No No.1 No.2 No.3 No.4 No.5
분해성 고분자-촉매 혼합용액 PVA/Cs-Au
(Cs 10wt%)
(Au 0.01wt%)		 PVA/Cs-Au
(Cs 10wt%)
(Au 0.025wt%)		 PVA/Cs-Au
(Cs 10wt%)
(Au 0.05wt%)		 PVA/Cs-Au
(Cs 10wt%)
(Au 0.1wt%)		 PVA-Au
(Cs 0wt%)
(Au 0.1wt%)
Conductivity
(S/cm)		 36836.04336 66644.20485 123331.8381 271996.7105 109678.511
* Cs : 키토산 (Chitosan)
표 1을 참조하면, 혼합용액 No.1 을 사용하여 형성된 나노섬유의 전기전도도와 비교시, 혼합용액 No.2 를 사용하여 형성된 나노섬유의 경우 약 1.8배, 혼합용액 No.3 를 사용하여 형성된 나노섬유의 경우 약 3.3배, 그리고 혼합용액 No.4 를 사용하여 형성된 나노섬유의 경우 약 7.4배의 전기전도도 증가가 나타났다. 이러한 결과로부터, 금의 함유량을 증가시킴에 따라 나노섬유의 전기전도도가 증가함을 알 수 있다.
다만, 혼합용액 No.4 를 사용하여 형성된 나노섬유의 전기전도도는, 동일한 양의 금이 함유되고 키토산은 제거된 혼합용액 No.5 를 사용하여 형성된 나노섬유의 전기전도도 보다 약 2.5배 높았다. 이와 같이, 키토산을 함유한 경우의 전기전도도의 향상은 키토산의 금속 킬레이션 능력에 기인한다고 할 수 있다.
이러한 결과로부터, 나노 섬유를 형성하는 고분자가 금속 킬레이션 능력을 갖는 것이 전기전도도 측면에서 바람직함을 알 수 있다.
금속 킬레이션 능력이 있는 고분자는 킬레이트 수지 (chelate resin)로서 3차원 망목구조의 고분자물질에 금속이온과 착화합물을 형성하는 관능기(킬레이트 형성 관능기)를 도입한 수지이며, 금속이온과 선택적으로 착체를 형성하여 금속이온을 흡착한다. 킬레이트 형성 관능기로는 슬폰산기, 머르캅토기, 아미노기 등이 있으며, 이러한 관능기에 의하여 특정 중금속 이온들에 대한 킬레이트 형성능력이 현저하게 개선된 효과를 가진다. 일 예로, 아미노 인산기의 킬레이트수지는 중금속 흡착 외에, 해수에서 칼슘과 마그네슘 (Ca2+, Mg2+)을 흡착하는 선택적인 금속 흡착성을 갖는다. 킬레이트수지는 외형에 있어 비드타입(구상형), 분말형, fiber형 등 다양한 것들이 제조되며, 수처리에 있어 구상형이 선호된다. 수지는 일반적으로 현탁중합(suspension polymerization)에 의하여 중간체가 얻어지며, 그 후 연속공정에 의하여 관능기를 도입한다. 관능기는 일반적으로 중금속과 배위결합이 가능한 원소인 N, O, S, P 등을 함유하고 있으며, 그 예로 인산기(Phosphoric acid type), 이미노다이아세틱기(iminodiacetic type), 아미노인산기, 티올기(thiol type) 외 폴리아민 그룹(polyamine group)등 다양한 관능기가 있다.
도 5는 실험예 2의 혼합용액 No.3 를 사용하여 형성된 분해성 고분자-금(Au) 나노입자 복합 섬유막을 나타낸 SEM 이미지이다. 도 5에 표시된 참조부호 a는 금(Au) 촉매가 함유된 분해성 고분자 섬유를 나타내며, 참조부호 b는 섬유와 섬유 사이의 기공을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 키토산과 PVA의 분해성 고분자와 금을 함유하는 나노섬유가 형성된 것을 알 수 있으며, 비교적 높은 공극율을 가짐을 알 수 있다. 상기 섬유막을 연료전지의 전극 촉매층으로 사용할 때, 이러한 높은 공극율은 연료 또는 공기의 투과율을 향상시켜 전지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분해성 고분자를 사용한 촉매 지지체 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분해성 고분자 및 촉매를 사용한 전극 촉매층 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지를 나타낸 단면도이다.도 4a 내지 4b는 실험예 1에 따른 PVA/키토산 혼합용액 (a) 내지 (d)를 전기방사하여 형성된 나노섬유의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 이미지이다.
도 5는 실험예 2에서 얻어진 나노섬유-금(Au) 나노입자 복합 구조체를 나타낸 SEM 이미지이다.

Claims (16)

  1. 분해성 고분자를 함유하는 섬유막; 및
    상기 섬유막 내에 함유된 촉매를 구비하는 전극 촉매층.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분해성 고분자는 생분해성 고분자, 생붕괴성 고분자, 광분해성 고분자 또는 이들의 복합체인 전극 촉매층.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 생분해성 고분자는 천연 고분자 또는 합성 고분자인 전극 촉매층.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 합성 고분자는 지방족 에스테르 결합, 펩티드 결합 또는 에테르 결합을 포함하는 전극 촉매층.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 광분해성 고분자는 N=N-, -CH=N-, -CH=CH-, >C=C<, -NH-NH-, -S-, -NH-, -O-, >C=O 등의 감광성 관능기를 포함하는 전극 촉매층.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 섬유막을 형성하는 섬유는 도전성 입자가 포함된 분해성고분자-도전성입자 복합 섬유인 전극 촉매층.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 섬유막을 형성하는 섬유는 탄소재료를 더 포함하는 전극 촉매층.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 탄소재료는 활성탄소(activated carbon), 카본 블랙(carbon black), 탄소 에어로젤(carbon arogel), 흑연(graphite), 탄소섬유(carbon fiber), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그라핀(graphene), 및 이들 각각의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 한 종류 이상인 전극 촉매층.
  9. 분해성 고분자를 함유하는 섬유를 사용하여 촉매 지지체를 형성하는 단계: 및
    상기 촉매 지지체 내에 촉매를 함유하는 단계를 포함하는 전극 촉매층 제조방법.
  10. 분해성 고분자 및 촉매를 함유하는 섬유를 형성하는 단계;
    상기 섬유를 사용하여 전극 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 전극 촉매층 제조방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 섬유는 방사법을 사용하여 형성하는 전극 촉매층 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 방사법은 전기방사법인 전극 촉매층 제조방법.
  13. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 촉매는 Pt(백금), Au(금), Ru(루세늄), 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 한 종류 이상의 금속을 포함하는 전극 촉매층 제조방법.
  14. 산화전극, 환원전극, 상기 전극들 사이에 개재된 이온교환막을 포함하되,
    상기 전극들 중 적어도 하나는 분해성 고분자 및 촉매를 함유하는 섬유막을 포함한 전극 촉매층을 구비하는 연료전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 섬유막을 형성하는 섬유는 도전성 입자가 포함된 분해성고분자-도전성입자 복합 섬유인 연료전지.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 섬유막을 형성하는 섬유는 탄소재료를 더 포함하는 연료전지.
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