KR20120087402A - Carboaceous nanomaterail and method of preparing the same - Google Patents

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KR20120087402A
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김상경
임성엽
백동현
이병록
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한국에너지기술연구원
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Abstract

PURPOSE: Carbon nanomaterials and a method for manufacturing the same are provided to improve the dispersibility of carbon nanofiber and to effectively support catalysts by introducing nitrogen into the carbon nanofiber. CONSTITUTION: Carbon nanomaterials include carbon nanofiber containing nitrogen. The nitrogen is doped to the carbon nanofiber. The content of the nitrogen in the carbon nanofiber is in a range between 0.5 and 10 atomic%. The ratio of nitrogen and carbon(N/C) in the carbon nanofiber is in a range between 1.0 and 5.0atomic%. The carbon nanofiber is a herringbone structure. The average diameter of the carbon nanofiber is in a range between 30 and 100nm. The specific surface area of the carbon nanofiber is in a range between 50 and 500m^2/g.

Description

탄소 나노 재료 및 이의 제조 방법 {CARBOACEOUS NANOMATERAIL AND METHOD OF PREPARING THE SAME}Carbon Nano Materials and Methods for Making the Same {CARBOACEOUS NANOMATERAIL AND METHOD OF PREPARING THE SAME}

본 발명은 탄소 나노 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내구성이 우수하고 촉매를 보다 효율적으로 담지시킬 수 있는 탄소 나노 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanomaterial and a method for producing the same, and more particularly, to a carbon nanomaterial and a method for producing the same, which are excellent in durability and capable of supporting a catalyst more efficiently.

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.

이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

연료 전지의 전극 촉매는 다수의 연구 개발 사례가 보고되어 있으나 현재까지의 추세는 촉매 활성의 향상에 초점이 맞추어져 있고, 최근에 실용화의 관점에서 내구성 향상에 많은 노력을 기울이고 있다.A number of research and development examples of electrode catalysts for fuel cells have been reported, but the current trends have focused on improving catalyst activity, and in recent years, many efforts have been made to improve durability in terms of practical use.

기존의 촉매는 비활성(촉매 중량당 활성)을 높이기 위하여 담지촉매를 사용하였으나, 촉매 고분산을 위한 담지체의 증대 과정에서 담지체 구조 파괴를 초래하여 촉매 내구성 확보에 어려움이 있었다. 이와 같은 이유로 탄소 담지체를 흑연화하여 담지체 내구성의 강화를 시도한 사례도 있지만, 공정이 까다롭고 촉매 담지 자체의 어려움으로 인하여 촉매 활성 측면에서는 효과적이지 못한 문제가 있었다.Existing catalysts have used supported catalysts to increase their inertness (activity per catalyst weight), but there is a difficulty in securing catalyst durability due to the destruction of the carrier structure in the process of increasing the carriers for high dispersion of the catalyst. For this reason, there have been cases of attempting to strengthen the support durability by graphitizing the carbon support, but due to the difficulty of the process and the difficulty of supporting the catalyst itself, there was a problem in terms of catalyst activity.

한편, 메조기공탄소와 같은 물질이동 측면에서 유리한 다공질체의 경우 역시 구조의 취약성이 문제되었으며, 최근 이른바 open surface로 고비표면적을 낼 수 있는 나노 입자 또는 나노 섬유를 담지체로 활용하는 촉매 개발의 사례가 보고되고 있지만, 이 역시 촉매의 담지 및 분산의 곤란함으로 효과적인 결과를 얻지 못하고 있는 실정이다.
On the other hand, in the case of porous materials that are advantageous in terms of mass transfer such as mesoporous carbon, structural weakness is also a problem, and recently, a case of developing a catalyst utilizing nanoparticles or nanofibers as a support for a high specific surface area as an open surface has been reported. Although it has been reported, this situation is also difficult to obtain effective results due to the difficulty of supporting and dispersing the catalyst.

본 발명은 뛰어난 내구성을 갖고 촉매를 보다 효율적으로 담지시킬 수 있어 촉매 담지체로 우수한 성능을 갖는 탄소 나노 재료를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a carbon nanomaterial having excellent durability and capable of supporting a catalyst more efficiently and having excellent performance as a catalyst carrier.

본 발명은 또한 상기 탄소 나노 재료를 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention also aims to provide a method for producing the carbon nanomaterial.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 질소를 포함하는 탄소 나노 섬유를 포함하는 탄소 나노 재료를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, a carbon nano material including carbon nanofibers including nitrogen is provided.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 반응기 내에서, 담체에 담지된 금속 촉매 존재 하에, 질소 가스를 도입하는 단계; 상기 반응기에 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 공급하면서, 승온하는 단계; 및 상기 반응기에 질소 함유 화합물을 공급하는 단계를 포함하는 탄소 나노 재료의 제조 방법을 제공한다.According to another embodiment of the invention, the step of introducing a nitrogen gas in the reactor, in the presence of a metal catalyst supported on a carrier; Heating the temperature while supplying a mixed gas of nitrogen gas and hydrogen gas to the reactor; And supplying a nitrogen-containing compound to the reactor.

본 발명에 따른 탄소 나노 재료는 뛰어난 내구성을 갖고 촉매를 보다 효율적으로 담지시킬 수 있어 촉매 담지체로 우수한 성능을 갖는다. 본 발명의 탄소 나노 재료는 탄소 나노 섬유에 질소를 도입함으로써 우수한 결정성으로 인해 내구성이 우수하고, 촉매를 보다 효과적으로 담지하며, 분산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.The carbon nanomaterial according to the present invention has excellent durability and can carry a catalyst more efficiently, and thus has excellent performance as a catalyst carrier. The carbon nanomaterial of the present invention has an advantage of having excellent durability due to excellent crystallinity, carrying a catalyst more effectively, and improving dispersibility by introducing nitrogen into carbon nanofibers.

본 발명의 탄소 나노 재료는 연료전지의 전극 촉매를 포함한 촉매의 담지체로 활용될 수 있을 뿐만 아니라 다양한 분야의 소개 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
The carbon nanomaterial of the present invention is expected not only to be used as a support for a catalyst including an electrode catalyst of a fuel cell, but also to be used for introduction and development in various fields.

도 1은 본 발명에서 사용된 반응기의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에서 실시한 반응 공정의 온도 및 공급 기체 조성 프로파일을 나타낸 도면.
도 3은 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브의 합성 수율 및 원소 분석 결과에 의한 N/C(원자%)를 나타낸 그래프.
도 4는 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 질소가 도핑된 탄소 나노 섬유의 SEM 사진.
도 5는 실시예 4, 7, 10 및 12 내지 15에 따라 제조된 탄소 나노 섬유의 합성 수율을 나타낸 그래프.
도 6은 실시예 4 및 12에 따라 제조된 탄소 나노 섬유의 SEM 사진.
도 7은 실시예 2, 5, 7, 10 및 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유에 대한 TG측정 그래프.
도 8은 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유의 비표면적 측정 그래프.
도 9는 실시예 3의 탄소 나노 섬유의 질소에 대한 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼 결과를 나타낸 그래프.
도 10은 실시예 7의 탄소 나노 섬유의 질소에 대한 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼 결과를 나타낸 그래프.
도 11은 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유의 총 질소 함량과, 탄소 나노 섬유 표면에 존재하는 질소 함량 결과를 나타낸 그래프.
도 12는 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유의 표면에서 N/C 원자비와 상기 (B) 성분(흑연-유사 구조)/(A) 성분(피리딘-유사 구조)의 비를 나타낸 그래프.
도 13은 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유의 X-선 회절(XRD) 측정 그래프.
도 14는 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유의 d002 면간 거리와 Lc(002) 결정 크기 결과를 나타낸 그래프.
도 15는 실시예 4, 7 및 10, 그리고 비교예 2 내지 4의 탄소 물질을 사용한 작동 전극을 이용하여 측정된 사이클릭 볼타메트리 실험 결과를 나타낸 그래프.
도 16은 실시예 4, 7 및 10, 그리고 비교예 2 내지 4의 탄소 물질을 사용한 작동 전극을 이용하여 측정된 산소 환원 반응 실험 결과를 나타낸 그래프.
도 17은 실시예 16 내지 18 및 비교예 5 내지 6에 따라 제조된 촉매를 사용한 작동 전극을 이용하여 측정된 사이클릭 볼타메트리 실험 결과를 나타낸 그래프.
도 18은 실시예 16 내지 18 및 비교예 5 내지 6에 따라 제조된 촉매를 사용한 작동 전극을 이용하여 측정된 산소 환원 반응 실험 결과를 나타낸 그래프.
Figure 1 schematically shows the structure of a reactor used in the present invention.
Figure 2 shows the temperature and feed gas composition profile of the reaction process carried out in the embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the N / C (atomic%) by the synthesis yield and elemental analysis results of the nitrogen-doped carbon nanotubes prepared according to Examples 1 to 11.
4 is a SEM photograph of nitrogen-doped carbon nanofibers prepared according to Examples 1-11.
5 is a graph showing the synthetic yield of carbon nanofibers prepared according to Examples 4, 7, 10 and 12 to 15.
6 is a SEM photograph of carbon nanofibers prepared according to Examples 4 and 12.
7 is a TG measurement graph for carbon nanofibers prepared according to Examples 2, 5, 7, 10, and 11.
8 is a graph of measuring the specific surface area of carbon nanofibers prepared according to Examples 1 to 11. FIG.
9 is a graph showing XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) spectral results for nitrogen of the carbon nanofibers of Example 3. FIG.
FIG. 10 is a graph showing XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) spectrum results for nitrogen of carbon nanofibers of Example 7.
11 is a graph showing the total nitrogen content of the carbon nanofibers prepared according to Examples 1 to 11 and the nitrogen content present on the surface of the carbon nanofibers.
12 shows the ratio of N / C atomic ratio and (B) component (graphite-like structure) / (A) component (pyridine-like structure) on the surface of carbon nanofibers prepared according to Examples 1 to 11. graph.
FIG. 13 is an X-ray diffraction (XRD) measurement graph of carbon nanofibers prepared according to Examples 1-11.
FIG. 14 is a graph showing the d002 interplanar distance and Lc (002) crystal size results of carbon nanofibers prepared according to Examples 1-11.
FIG. 15 is a graph showing the results of cyclic voltametry experiments measured using working electrodes using carbon materials of Examples 4, 7 and 10, and Comparative Examples 2-4. FIG.
FIG. 16 is a graph showing the results of oxygen reduction reaction experiments measured using working electrodes using the carbon materials of Examples 4, 7 and 10, and Comparative Examples 2 to 4. FIG.
FIG. 17 is a graph showing the results of cyclic voltametry experiments measured using working electrodes using catalysts prepared according to Examples 16-18 and Comparative Examples 5-6.
18 is a graph showing the results of oxygen reduction reaction experiments measured using working electrodes using catalysts prepared according to Examples 16-18 and Comparative Examples 5-6.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, by which the present invention is not limited and the present invention is defined only by the scope of the claims to be described later.

본 발명은 탄소 나노 재료에 관한 것이다. 이 탄소 재료는 질소를 포함하는 탄소 나노 섬유를 포함한다. 이 탄소 나노 섬유에서 질소는 도핑된 형태로 존재하여, 탄소 나노 섬유의 결정 구조 전체에 분포할 수 있다. 이와 같이 질소가 도핑된 형태로 존재함에 따라 가혹조건에서 질소의 유출을 막을 수 있고, 질소가 탄소 나노 섬유와 하나의 구조체를 이루고 있어 내구성을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to carbon nanomaterials. This carbon material includes carbon nanofibers containing nitrogen. In the carbon nanofibers, nitrogen may be present in the doped form and distributed throughout the crystal structure of the carbon nanofibers. As such, the presence of nitrogen in the doped form can prevent the outflow of nitrogen under severe conditions, and the nitrogen forms a structure with carbon nanofibers, thereby improving durability.

상기 탄소 나노 섬유에 포함된 질소는 다양한 화학적 상태로 존재할 수 있다. 즉, 질소가 탄소 나노 섬유를 구성하는 탄소 구조에 삽입되어, 피리딘-유사(pyridine-like) 구조 또는 피리돈-유사(pyridine-like) 구조인 A 성분으로 존재할 수도 있고, 흑연-유사 구조 또는 피롤-유사 구조인 B 성분으로 존재할 수도 있다. 또한, 산소와 결합한 상태로 존재할 수도 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 질소를 포함하는 탄소 나노 섬유를 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)으로 측정하는 경우, 상기 B 성분과 A 성분의 성분비(B/A)는 0.3 내지 2.0이 바람직하며, 1.0 내지 2.0이 더욱 바람직하다. 상기 성분비(B/A)가 상기 범위에 포함되는 경우, 산소환원반응에 대한 활성을 향상시킴과 동시에 탄소 나노 섬유의 구조체 유지에 효과적이다. Nitrogen included in the carbon nanofibers may exist in various chemical states. That is, nitrogen may be inserted into the carbon structure constituting the carbon nanofibers and exist as a component A having a pyridine-like structure or a pyridine-like structure, and a graphite-like structure or pyrrole It may exist as B component which is a similar structure. It may also be present in combination with oxygen. When measuring carbon nanofibers containing nitrogen according to an embodiment of the present invention by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the component ratio (B / A) of the B component and the A component is preferably 0.3 to 2.0, 1.0 to 2.0 are more preferable. When the component ratio (B / A) is included in the above range, it is effective in maintaining the structure of the carbon nanofibers while improving the activity for the oxygen reduction reaction.

상기 탄소 나노 섬유에서 질소의 함량은 0.5 내지 10 원자%일 수 있다. 질소의 함량이 상기 범위에 포함되는 경우, 질소 도핑에 의한 충분한 기능 부여를 할 수 있음과 동시에 질소가 도핑에 의한 탄소 나노 섬유의 구조적 취약성을 없앨 수 있다. The content of nitrogen in the carbon nanofibers may be 0.5 to 10 atomic%. When the content of nitrogen is included in the above range, it is possible to provide sufficient functionality by nitrogen doping and at the same time eliminate the structural vulnerability of the carbon nanofibers by nitrogen doping.

상기 탄소 나노 섬유에서, 질소와 탄소의 비율(N/C)은 1.0 내지 5.0 원자%가 바람직하다. 질소의 비율이 높을수록 질소에 의한 기능부여 효과가 커지지만, 지나치게 질소의 비율이 높아지면 탄소구조체내의 결함으로 작용하여 결정성이 취약해진다. 질소가 탄소 대비 위와 같은 범위로 존재할 경우 고 결정성 구조 속에서 질소의 도핑 효과를 얻을 수 있다.In the carbon nanofibers, the ratio (N / C) of nitrogen and carbon is preferably 1.0 to 5.0 atomic% . The higher the ratio of nitrogen, the greater the effect of imparting the effects of nitrogen, but too high the ratio of nitrogen acts as a defect in the carbon structure, resulting in weak crystallinity. When nitrogen is present in the above range compared to carbon, it is possible to obtain a doping effect of nitrogen in a highly crystalline structure.

상기 탄소 나노 섬유는 헤링본 구조(herringbone structure)를 갖는 것이 적절하다. 상기 헤링본 구조란, 결정성 구조를 갖는 흑연 구조를 갖는 탄소에서, 그라핀(graphene)의 배열이 섬유축을 중심으로 V자 형태로 일정한 각으로 배열되어 있는 상태를 의미한다. 즉, 상기 탄소 나노 섬유는 결정성을 나타내는 것이다. 탄소 나노 섬유가 헤링본 구조를 갖는 경우, 흑연의 에지(edge)가 표면에 풍부하게 노출될 수 있다.The carbon nanofibers preferably have a herringbone structure. The herringbone structure means a state in which a graphene array is arranged at a constant angle in a V-shape about a fiber axis in carbon having a graphite structure having a crystalline structure. That is, the carbon nanofibers exhibit crystallinity. If the carbon nanofibers have a herringbone structure, the edges of the graphite may be exposed to the surface in abundance.

이러한 상기 탄소 나노 섬유는 CuKα를 사용한 X-선 회절 측정시 2θ가 20 내지 30°에서 (002)면의 피크를 갖는 것이다. 또한, 상기 탄소 나노 섬유의 면간거리 d002는 0.340 내지 0.356nm이고, 결정 크기 Lc(002)는 1 내지 7nm일 수 있다.The carbon nanofibers have peaks of (002) plane at 2 to 20 ° when X-ray diffraction measurement using CuKα is performed. In addition, the interplanar distance d002 of the carbon nanofibers may be 0.340 to 0.356 nm, and the crystal size Lc (002) may be 1 to 7 nm.

상기 탄소 나노 섬유의 평균 직경은 10 내지 100nm일 수 있다. 상기 탄소 나노 섬유의 평균 직경이 상기 범위에 포함되는 경우, 구조적 내구성과 함께 담체로서의 높은 비표면적을 얻을 수 있다.The average diameter of the carbon nanofibers may be 10 to 100nm. When the average diameter of the carbon nanofibers is included in the above range, it is possible to obtain a high specific surface area as a carrier with structural durability.

상기 탄소 나노 섬유는 50 내지 500m2/g의 비표면적을 갖는 것이 바람직하며, 70 내지 490m2/g의 비표면적을 갖는 것이 더욱 바람직하다. The carbon nanofibers preferably have a specific surface area of 50 to 500m 2 / g, more preferably having 70 to a specific surface area of 490m 2 / g.

상기 탄소 나노 재료는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 제조 방법에 의하여 제조될 수 있다. 상기 제조 방법은 반응기 내에서, 담체에 담지된 금속 촉매 존재 하에, 질소 가스를 도입하는 단계; 상기 반응기에 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 공급하면서, 승온하는 단계; 및 상기 반응기에 질소 함유 화합물을 공급하는 단계를 포함한다.The carbon nano material may be manufactured by a manufacturing method according to another embodiment of the present invention. The production method includes introducing nitrogen gas in a reactor in the presence of a metal catalyst supported on a carrier; Heating the temperature while supplying a mixed gas of nitrogen gas and hydrogen gas to the reactor; And supplying a nitrogen containing compound to the reactor.

이하, 상기 제조 방법에 대하여 자세하게 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method will be described in detail.

먼저, 반응기 내에서, 담체에 담지된 금속 촉매 존재 하에, 질소 가스를 도입한다. First, nitrogen gas is introduced in the reactor in the presence of a metal catalyst supported on a carrier.

상기 담체는 MgO, MgO, SiO2, Al2O3, 제올라이트, 알루미노 실리케이트, 탄소계 물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 탄소계 물질로는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 활성탄, 활성 탄소 섬유, 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 섬유 또는 이들의 조합일 수 있다.The carrier may be selected from the group consisting of MgO, MgO, SiO 2 , Al 2 O 3 , zeolites, aluminosilicates, carbon-based materials, and combinations thereof. The carbonaceous material may be natural graphite, artificial graphite, carbon black, activated carbon, activated carbon fiber, carbon nanotube, carbon nanofiber, or a combination thereof.

또한, 상기 금속 촉매는 Ni, Fe, Co 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다. 상기 금속 촉매는, Mo, Cu, Cr, Pt, Ru, Pd 또는 이들이 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 더욱 포함할 수도 있다. In addition, the metal catalyst may be a metal selected from the group consisting of Ni, Fe, Co and combinations thereof or alloys thereof. The metal catalyst may further include a metal selected from the group consisting of Mo, Cu, Cr, Pt, Ru, Pd or a combination thereof.

이어서, 상기 반응기에 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 공급하면서, 승온한다. 수소가스는 촉매 화학 증기 증착(CCVD) 과정에서의 촉매 피독을 막아주어 합성 수율을 높여 주는 역할을 하며, 수소가스와 탄화가능 화합물의 단순 혼합물 하에서 반응이 진행 될 경우, 열분해가 일어나는 등 지나치게 빠른 반응 속도로 인한 부반응이 일어 날 수 있는데, 질소가스와 같은 비활성 가스를 혼합함으로 촉매반응에 의한 탄소 나노 섬유 성장에 적당한 반응속도를 유도할 수 있다. Next, it heats up, supplying the mixed gas of nitrogen gas and hydrogen gas to the said reactor. Hydrogen gas prevents catalyst poisoning in the catalytic chemical vapor deposition (CCVD) process and increases the synthesis yield. When the reaction proceeds under a simple mixture of hydrogen gas and a carbonizable compound, pyrolysis occurs, such as an overly fast reaction. Side reactions may occur due to the rate, and by mixing an inert gas such as nitrogen gas, a reaction rate suitable for carbon nanofiber growth by catalytic reaction may be induced.

이때, 상기 혼합 가스에서 질소 가스와 수소 가스의 혼합비는 약 160 : 40cc가 적절하나 이에 한정되는 것은 아니다. At this time, the mixing ratio of nitrogen gas and hydrogen gas in the mixed gas is about 160: 40cc is appropriate, but is not limited thereto.

상기 승온하는 단계는 5 내지 11℃/분의 승온 속도로 300 내지 700℃의 온도에 도달할 때까지 실시한다. 승온 속도가 위 범위보다 느리면 합성 시간이 증가하여 생산성 저하를 불러일으키며, 지나치게 빠르면 온도 조절에 어려움이 생긴다. The step of raising the temperature is carried out until reaching a temperature of 300 to 700 ℃ at a temperature rising rate of 5 to 11 ℃ / min. If the temperature increase rate is slower than the above range, the synthesis time increases, which leads to a decrease in productivity. Too high a temperature causes difficulty in temperature control.

이어서, 온도가 300 내지 700℃의 원하는 온도에 도달하면, 질소 함유 화합물을 상기 반응기에 공급한다.Subsequently, when the temperature reaches the desired temperature of 300 to 700 ° C., the nitrogen containing compound is fed to the reactor.

상기 질소 함유 화합물은 아세토니트릴, 아크릴로니트릴, 파이롤, 피리딘 및 이들의 조합으로 이루어진 군에 선택되는 것을 사용할 수 있다. The nitrogen-containing compound may be selected from the group consisting of acetonitrile, acrylonitrile, pyrrole, pyridine and combinations thereof.

또한 상기 질소 함유 화합물의 공급 속도는 안정적인 촉매 반응을 위하여 0.01~0.05cc/분이 적절하다.In addition, the feed rate of the nitrogen-containing compound is appropriate 0.01 ~ 0.05cc / min for a stable catalytic reaction.

본 발명의 일 구현예에 따른 탄소 나노 재료는 연료 전지용 캐소드 전극에 유용하게 사용할 수 있다.Carbon nano material according to an embodiment of the present invention can be usefully used for the cathode electrode for fuel cells.

즉, 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 연료 전지용 캐소드 전극은 상기 탄소 나노 재료를 포함한다. 일반적으로 캐소드 전극은 캐소드 촉매층과 전극 기재를 포함하며, 상기 탄소 나노 재료는 캐소드 촉매층에 포함될 수 있다.That is, the cathode electrode for a fuel cell according to another embodiment of the present invention includes the carbon nanomaterial. In general, the cathode electrode includes a cathode catalyst layer and an electrode substrate, and the carbon nanomaterial may be included in the cathode catalyst layer.

이때, 상기 탄소 나노 재료는 캐소드 전극으로 공급되는 산화제, 수소 이온 및 전자의 반응에 의한 환원 반응을 야기하는 촉매의 담지체로서 역할을 한다.At this time, the carbon nanomaterial serves as a carrier of the catalyst causing a reduction reaction by the reaction of the oxidant, hydrogen ions and electrons supplied to the cathode electrode.

상기 촉매로는 예를 들어 일반적으로 연료 전지의 캐소드 전극 촉매로 사용하는 백금계 촉매가 사용될 수 있다.As the catalyst, for example, a platinum-based catalyst generally used as a cathode electrode catalyst of a fuel cell may be used.

상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 백금계 촉매의 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.The platinum-based catalyst may be platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, At least one catalyst selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh and Ru). Specific examples of the platinum-based catalyst include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru / W , Pt / Ru / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni and Pt / Ru / Sn / W can be used.

본 발명의 일 구현예에 따른 탄소 나노 재료를 담체로 사용하고, 이 담체에 백금계 촉매를 담지시켜 사용하는 경우, 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.When using a carbon nano material according to an embodiment of the present invention as a support, and using a platinum-based catalyst on the support, the supporting process is well known in the art, so detailed description thereof will be omitted. This is easily understood by those in the field.

상기 캐소드 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. The cathode catalyst layer may further include a binder resin to improve adhesion of the catalyst layer and transfer of hydrogen ions.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸[poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. It is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder resin, more preferably a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. Any polymer resin which has can be used. Preferably, a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether One or more hydrogen ion conductive polymers selected from ether ketone polymers or polyphenylquinoxaline polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazoles [poly ( 2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole] or poly (2,5-benzimidazole) may be used including one or more hydrogen ion conductive polymers.

상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.The hydrogen ion conductive polymer may replace H with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in a cation exchanger at the side chain terminal. In case of replacing H with Na in the side chain terminal ion exchanger, NaOH is substituted for the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is substituted for tetrabutylammonium, and K, Li or Cs may be substituted with appropriate compounds. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다. The binder resin may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used with a nonconductive compound for the purpose of further improving adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the usage-amount so that it may be suitable for a purpose of use.

상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.Examples of the non-conductive compound include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / tetrafluoro Ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dode At least one selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid and sorbitol is more preferred.

상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrate plays a role of supporting the electrode and diffuses the fuel and the oxidant into the catalyst layer so that the oxidant can easily access the catalyst layer. The electrode substrate is a conductive substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film or polymer fiber composed of metal in a fibrous state). The metal film is formed on the surface of the formed cloth) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다. In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material because it can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, and fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene or copolymers thereof can be used.

또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. In addition, a microporous layer may be further included to enhance the reactant diffusion effect in the electrode substrate. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. The binder resin may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate Or copolymers thereof and the like can be preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. may be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

상기 설명에서 본 발명의 탄소 나노 재료가 연료전지의 캐소드 전극의 촉매 담지체로서 사용되는 경우에 대해 설명하였지만, 그 외 다양한 촉매의 담지체로 사용될 수 있고, 나아가 다양한 분야의 소재 개발에 널리 활용될 수 있다.
In the above description, the case where the carbon nanomaterial of the present invention is used as a catalyst carrier of a cathode electrode of a fuel cell has been described. have.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

* 탄소 나노 섬유용 촉매 제조* Preparation of catalyst for carbon nanofibers

철 질화물(iron(II) nitrate, Sigma-Aldrich, Assay 98.0%) 8.426g을 증류수 14.857g에 용해하여 철 질화물 수용액을 제조하고, 니켈 질화물(nickel nitrate, Sigma-Aldrich, Assay 99.0%) 7.342g을 증류수 13.272g에 용해하여 니켈 질화물 수용액을 제조하고, 마그네슘 질화물 육수화물(magnesium nitrate hexahydrate, Junsei Chemical, Assay 97.0%) 9.935g을 증류수 9.524g에 용해하여 마그네슘 질화물 육수화물 수용액을 제조하였다.An aqueous solution of iron nitride was prepared by dissolving 8.426 g of iron nitride (iron (II) nitrate, Sigma-Aldrich, Assay 98.0%) in 14.857 g of distilled water, and 7.342 g of nickel nitride (nickel nitrate, Sigma-Aldrich, Assay 99.0%). A nickel nitride aqueous solution was prepared by dissolving in 13.272 g of distilled water, and 9.935 g of magnesium nitrate hexahydrate (Junsei Chemical, Assay 97.0%) was dissolved in 9.524 g of distilled water to prepare an aqueous solution of magnesium nitride hexahydrate.

100ml 비이커에 상기 수용액들과, 시트린산을 첨가하였다. 이때, 시트린산의 사용량은 상기 수용액들에 포함되어 있는 금속 전체 몰에 대하여 0.625배가 되도록 사용하였다.The aqueous solutions and citric acid were added to a 100 ml beaker. At this time, the amount of citric acid was used to be 0.625 times the total moles of metal contained in the aqueous solution.

이어서, 상기 혼합물을 로에 위치시킨 후, 상온(25℃)에서 1시간에 걸쳐 150℃까지 승온하여 10분간 온도를 유지하여 수분을 제거하였다. 얻어진 생성물을 냉각하고, 잘게 분쇄한 뒤, 다시 180℃까지 승온하였다. 180℃에서 2시간 동안 유지한 후, 냉각하고 유발에서 곱게 분쇄하였다. 분쇄 생성물을 2시간에 걸쳐 350℃까지 승온한 후, 350℃에서 1시간 동안 유지하고, 냉각하고 다시 유발에서 곱게 분쇄하여 NiFe 촉매가 담지된 MgO 황토색의 촉매를 제조하였다. 이때, Ni : Fe : MgO의 몰비는 4 : 1 : 5이었다.Subsequently, the mixture was placed in a furnace, and then heated to 150 ° C. over 1 hour at room temperature (25 ° C.) to maintain a temperature for 10 minutes to remove moisture. The obtained product was cooled, pulverized finely, and heated up to 180 degreeC again. After holding at 180 ° C. for 2 hours, it was cooled and ground finely in mortar. The milled product was heated to 350 ° C. over 2 hours, then held at 350 ° C. for 1 hour, cooled and ground finely in a mortar to prepare a MgO ocher colored catalyst carrying NiFe catalyst. At this time, the molar ratio of Ni: Fe: MgO was 4: 1: 5.

* 질소-도핑된 탄소 나노 섬유 제조* Nitrogen-doped carbon nanofiber fabrication

도 1에 나타낸 반응기를 준비하였다. The reactor shown in FIG. 1 was prepared.

상기 제조된 NiFe 촉매가 담지된 MgO 촉매 약 100mg을 알루미나 플레이트 위에 3 X 3㎠ 넓이로 고르게 펴서 준비하였다. 상기 촉매를 고르게 펴서 준비한 알루미나 플레이트를, 도 1에 나타낸 반응기의 석영 튜브 중앙에 위치시킨 후, 테플론 테이프를 이용하여 밀봉하였다.About 100 mg of the prepared MgO catalyst carrying the NiFe catalyst was prepared by spreading it evenly on an alumina plate at a width of 3 × 3 cm 2. The alumina plate prepared by evenly spreading the catalyst was placed in the center of the quartz tube of the reactor shown in FIG. 1 and then sealed using Teflon tape.

이어서, 도 2에 나타낸 것과 같은 온도 및 공급 기체 조성 프로파일에 따른 다음과 같은 공정을 실시하였다.Next, the following process was carried out according to the temperature and feed gas composition profile as shown in FIG. 2.

질소 가스 출구에 수분 트랩을 설치하여 석영 튜브 및 질소 가스 내의 수분이 제거되게 하였다.A moisture trap was installed at the nitrogen gas outlet to remove moisture in the quartz tube and nitrogen gas.

상온에서 상기 석영 튜브 내부를 질소로 충분히 퍼지(purge)시키기 위하여, 질소 가스를 200cc/분으로 15분 동안 공급하였다.In order to sufficiently purge the inside of the quartz tube with nitrogen at room temperature, nitrogen gas was supplied at 200 cc / min for 15 minutes.

이어서 상기 석영 튜브를 반응 온도(300℃)까지 1시간 동안 승온시키면서, 석영 튜브 내부로 질소 가스와 수소 가스를 각각 160 cc/분 및 40 cc/분의 공급양으로 공급하였다. The quartz tube was then heated to a reaction temperature (300 ° C.) for 1 hour while nitrogen gas and hydrogen gas were supplied into the quartz tube at a supply amount of 160 cc / min and 40 cc / min, respectively.

반응 온도에 도달하면, 마이크로 펌프를 통하여 0.035ml/분의 아세토니트릴을 공급하면서, 반응시간 동안 유지하였다. 이때, 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브가 형성되었다.When the reaction temperature was reached, 0.035 ml / min of acetonitrile was supplied through the micropump and maintained for the reaction time. At this time, carbon nanotubes doped with nitrogen were formed.

이어서, 질소 가스를 160cc/분의 공급양으로 상기 석영 튜브에 공급하면서, 상온까지 자연 냉각하였다. 이어서, 형성된 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 수거하였다.Subsequently, the mixture was naturally cooled to room temperature while supplying nitrogen gas to the quartz tube in a supply amount of 160 cc / min. The nitrogen-doped carbon nanotubes were then collected.

수거된 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브와, HCl 120g과 증류수 300g을 혼합하고, 이 혼합물을 밀봉한 뒤, 24시간 동안 교반하였다. 교반 생성물로부터 HCl 및 증류수를 제거하고, 10 중량% 농도의 HCl을 다시 첨가한 후, 24시간 동안 추가로 교반하였다. 이어서, 교반 생성물을 증류수로 충분히 씻어 여과하여, 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 얻었다.The collected nitrogen-doped carbon nanotubes, 120 g of HCl, and 300 g of distilled water were mixed, and the mixture was sealed and stirred for 24 hours. HCl and distilled water were removed from the stirred product, 10% by weight of HCl was added again, followed by further stirring for 24 hours. Subsequently, the stirred product was sufficiently washed with distilled water and filtered to obtain a carbon nanotube doped with nitrogen.

(실시예 2)(Example 2)

석영 튜브를 승온시키는 공정의 반응 온도를 340℃까지 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature of the quartz tube heating step was performed up to 340 ° C.

(실시예 3)(Example 3)

석영 튜브를 승온시키는 공정의 반응 온도를 380℃까지 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature of the quartz tube heating step was performed up to 380 ° C.

(실시예 4)(Example 4)

석영 튜브를 승온시키는 공정의 반응 온도를 420℃까지 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature of the quartz tube heating step was performed up to 420 ° C.

(실시예 5)(Example 5)

석영 튜브를 승온시키는 공정의 반응 온도를 460℃까지 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature of the quartz tube heating step was performed up to 460 ° C.

(실시예 6)(Example 6)

석영 튜브를 승온시키는 공정의 반응 온도를 500℃까지 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature of the quartz tube heating step was performed up to 500 ° C.

(실시예 7)(Example 7)

석영 튜브를 승온시키는 공정의 반응 온도를 520℃까지 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature of the quartz tube heating step was performed up to 520 ° C.

(실시예 8)(Example 8)

석영 튜브를 승온시키는 공정의 반응 온도를 540℃까지 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature of the quartz tube heating step was performed up to 540 ° C.

(실시예 9)(Example 9)

석영 튜브를 승온시키는 공정의 반응 온도를 600℃까지 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature of the step of raising the quartz tube was performed to 600 ° C.

(실시예 10)(Example 10)

석영 튜브를 승온시키는 공정의 반응 온도를 640℃까지 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature of the quartz tube heating step was performed up to 640 ° C.

(실시예 11)(Example 11)

석영 튜브를 승온시키는 공정의 반응 온도를 680℃까지 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature of the quartz tube heating step was performed up to 680 ° C.

(실시예 12)(Example 12)

반응 온도(420℃)에서 3시간(반응 시간) 동안 유지한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 4 except that the reaction temperature was maintained at 420 ° C. for 3 hours (reaction time).

(실시예 13)(Example 13)

반응 온도(520℃)에서 3시간(반응 시간) 동안 유지한 것을 제외하고는 상기 실시예 7과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 7, except that the reaction temperature was maintained at 520 ° C. for 3 hours (reaction time).

(실시예 14)(Example 14)

반응 온도(640℃)에서 3시간(반응 시간) 동안 유지한 것을 제외하고는 상기 실시예 10과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Carbon nanotubes doped with nitrogen were prepared in the same manner as in Example 10 except that the reaction temperature was maintained at 640 ° C. for 3 hours (reaction time).

(실시예 15)(Example 15)

반응 온도(640℃)에서 5시간(반응 시간) 동안 유지한 것을 제외하고는 상기 실시예 10과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 10 except that the reaction temperature was maintained at 640 ° C. for 5 hours (reaction time).

(비교예 1)(Comparative Example 1)

도 1에 나타낸 반응기를 준비하였다.  The reactor shown in FIG. 1 was prepared.

상기 제조된 NiFe 촉매가 담지된 MgO 촉매 약 100mg을 알루미나 플레이트 위에 3 X 3㎠ 넓이로 고르게 펴서 준비하였다.About 100 mg of the prepared MgO catalyst carrying the NiFe catalyst was prepared by spreading it evenly on an alumina plate at a width of 3 × 3 cm 2.

이어서, 상기 촉매를 고르게 펴서 준비한 알루미나 플레이트를, 도 1에 나타낸 반응기의 석영 튜브 중앙에 위치시킨 후, 테플론 테이프를 이용하여 밀봉하였다.Subsequently, the alumina plate prepared by spreading the catalyst evenly was placed in the center of the quartz tube of the reactor shown in FIG. 1 and then sealed using Teflon tape.

헬륨 가스 출구에 수분 트랩을 설치하여 석영 튜브 및 헬륨 가스 내의 수분이 제거되게 하였다.A moisture trap was installed at the helium gas outlet to remove moisture in the quartz tube and helium gas.

상온에서 상기 석영 튜브 내부를 헬륨 가스로 충분히 퍼지(purge)시키기 위하여, 헬륨 가스를 200cc/분으로 15분 동안 공급하였다.In order to sufficiently purge the inside of the quartz tube with helium gas at room temperature, helium gas was supplied at 200 cc / min for 15 minutes.

이어서 상기 석영 튜브를 반응 온도(300℃)까지 1시간 동안 승온시키면서, 석영 튜브 내부로 헬륨 가스와 수소 가스를 4 : 1 부피비로 공급하였다.Subsequently, the quartz tube was heated to the reaction temperature (300 ° C.) for 1 hour while helium gas and hydrogen gas were supplied in a 4: 1 volume ratio into the quartz tube.

반응 온도에 도달하면, 마이크로 펌프를 통하여 0.035ml/분의 아세토니트릴을 공급하면서, 상기 반응 온도에서 1시간(반응 시간) 동안 유지하였다. 이때, 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브가 형성되었다.When the reaction temperature was reached, 0.035 ml / min of acetonitrile was supplied through the micropump and maintained at the reaction temperature for 1 hour (reaction time). At this time, carbon nanotubes doped with nitrogen were formed.

이어서, 질소 가스를 160cc/분의 공급양으로 상기 석영 튜브에 공급하면서, 상온까지 자연 냉각하였다. 이어서, 형성된 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 수거하였다.Subsequently, the mixture was naturally cooled to room temperature while supplying nitrogen gas to the quartz tube in a supply amount of 160 cc / min. The nitrogen-doped carbon nanotubes were then collected.

수거된 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브와, HCl 120g과 증류수 300g을 혼합하고, 이 혼합물을 밀봉한 뒤, 24시간 동안 교반하였다. 교반 생성물로부터 HCl 및 증류수를 제거하고, 10 중량% 농도의 HCl을 다시 첨가한 후, 24시간 동안 추가로 교반하였다. 이어서, 교반 생성물을 증류수로 충분히 씻어 여과하여, 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 얻었다.The collected nitrogen-doped carbon nanotubes, 120 g of HCl, and 300 g of distilled water were mixed, and the mixture was sealed and stirred for 24 hours. HCl and distilled water were removed from the stirred product, 10% by weight of HCl was added again, followed by further stirring for 24 hours. Subsequently, the stirred product was sufficiently washed with distilled water and filtered to obtain a carbon nanotube doped with nitrogen.

석영 튜브를 승온시키는 공정의 반응 온도를 420℃까지 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브를 제조하였다. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature of the quartz tube heating step was performed up to 420 ° C.

* 합성 수율 및 N/C(원자%)* Synthetic yield and N / C (atomic%)

상기 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 질소가 도핑된 탄소 나노 튜브의 합성 수율 및 원소 분석 결과에 의한 N/C(원자%)를 도 3에 나타내었다. 합성 수율은 1시간 동안 반응 공정에서, 사용된 촉매양 대비 생성된 탄소량을 TG(Thermal Gravimetry) 측정 결과에 기초하여 계산하였다. 또한, 원소 분석은 연소시 발생하는 기체를 정량하여 각 원소 구성비를 분석하는 연소법을 이용하여 측정하였다. The synthesis yield of the nitrogen-doped carbon nanotubes prepared according to Examples 1 to 11 and N / C (atomic%) based on elemental analysis results are shown in FIG. 3. Synthetic yield was calculated based on TG (Thermal Gravimetry) measurement of the amount of carbon produced relative to the amount of catalyst used in the reaction process for 1 hour. In addition, elemental analysis was measured using the combustion method which analyzes each element composition ratio by quantifying the gas which arises at the time of combustion.

도 3에 나타낸 것과 같이, 합성 수율은 반응 온도 300℃(실시예 1)에서는 생성량이 극히 적은 반면, 340℃(실시예 2)에서 생성량이 급격히 증가한 후, 반응 온도 420℃까지 완만하게 증가하였다. 또한, 합성 수율은 반응 온도 520℃까지 뚜렷한 감소 추세를 보이고, 520℃ 내지 650℃ 범위에서 거의 동일한 수율을 보인 후, 680℃에서 급격하게 감소하는 추세를 보였다.As shown in FIG. 3, the synthesis yield was extremely low at the reaction temperature of 300 ° C. (Example 1), while the production amount increased sharply at 340 ° C. (Example 2), and then slowly increased to the reaction temperature of 420 ° C. In addition, the synthetic yield showed a sharp decrease trend up to the reaction temperature of 520 ℃, after showing almost the same yield in the range of 520 ℃ to 650 ℃, it showed a sharp decrease trend at 680 ℃.

또한, N/C(원자%)는 반응 온도가 300℃(실시예 1)에서 520℃(실시예 7)까지는 지속적으로 증가하다가, 650℃까지는 완만하게 감소하고, 680℃에서는 급격하게 감소하는 경향을 나타내었다.
In addition, N / C (atomic%) tends to continuously increase from 300 deg. C (Example 1) to 520 deg. C (Example 7), slowly decreases to 650 deg. Indicated.

* SEM 사진* SEM photo

상기 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 질소가 도핑된 탄소 나노 섬유의 SEM 사진을 측정하여 그 결과를 도 4에 나타내었다.SEM pictures of the nitrogen-doped carbon nanofibers prepared according to Examples 1 to 11 were measured and the results are shown in FIG. 4.

도 4에 나타낸 것과 같이, 반응 온도가 340℃ 이하에서는 섬유의 형상을 아직 갖추지 못하고 있는 것을 알 수 있다. As shown in Fig. 4, it can be seen that the reaction temperature is not yet formed in the shape of the fiber at 340 ° C or lower .

반응 온도가 380℃인 실시예 3에 따라 제조된 탄소 나노 섬유는 30 내지 40nm의 크기의 매우 균일한 평균 직경을 갖는 섬유가 형성되었음을 알 수 있다. 또한, 반응 온도가 높아질수록 섬유의 길이가 길어짐을 알 수 있다. 반응 온도가 540℃ 이상에서는 섬유 길이 분포가 유사하게 나타났으나, 반응 온도가 높아질수록 70 내지 100nm 평균 직경의 다소 굵은 섬유들이 나타나는 것을 알 수 있다.
It can be seen that the carbon nanofibers prepared according to Example 3 having a reaction temperature of 380 ° C. formed fibers having a very uniform average diameter having a size of 30 to 40 nm. In addition, it can be seen that the higher the reaction temperature, the longer the length of the fiber. When the reaction temperature is 540 ° C. or more, the fiber length distribution is similar, but as the reaction temperature increases, it can be seen that rather thick fibers having an average diameter of 70 to 100 nm appear.

* 반응 시간에 따른 합성 수율* Synthetic yield according to reaction time

상기 실시예 4, 7, 10 및 12 내지 15에 따라 제조된 탄소 나노 섬유의 합성 수율을 측정하여 그 결과를 도 5에 나타내었다.Synthesis yield of the carbon nanofibers prepared according to Examples 4, 7, 10 and 12 to 15 was measured and the results are shown in FIG. 5.

도 5에 나타낸 것과 같이, 각 반응 온도에서 반응 시간이 증가할수록 합성양이 증가함을 알 수 있다.
As shown in Figure 5, it can be seen that the synthesis amount increases as the reaction time increases at each reaction temperature.

* SEM 사진* SEM photo

상기 실시예 4 및 12에 따라 제조된 탄소 나노 섬유의 SEM 사진을 도 6에 나타내었다. 도 6에 나타낸 것과 같이, 반응 시간이 1시간인 실시예 4에서 제조된 탄소 나노 섬유에 비하여, 반응 시간이 3시간인 탄소 나노 섬유의 섬유 길이가 길어졌음을 알 수 있다.
SEM photographs of the carbon nanofibers prepared according to Examples 4 and 12 are shown in FIG. 6. As shown in FIG. 6, it can be seen that the fiber length of the carbon nanofibers having a reaction time of 3 hours was longer than that of the carbon nanofibers prepared in Example 4 having a reaction time of 1 hour.

* TG 측정* TG measurement

상기 실시예 2, 5, 7, 10 및 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유에 대하여, 공기 분위기 하에서, TG 분석기(기기: STA 409 PC, NETZSCH)를 이용하여, TG를 측정하였다. TG 측정은 건조 공기를 30cc/분으로 상기 TG 분석기에 공급하고, 시료 10mg을 사용하여, 상온에서 100℃까지 5K/분으로 승온한 후, 100℃에서 30분간 등온(isothermal) 상태를 유지하여, 수분 제거 및 상태 안정화한 후, 100℃에서 900℃까지 5K/분의 승온을 실시하여 측정하였다.For carbon nanofibers prepared according to Examples 2, 5, 7, 10 and 11, TG was measured using a TG analyzer (device: STA 409 PC, NETZSCH) under an air atmosphere. TG measurement is supplied to the TG analyzer at 30cc / min dry air, using a 10mg sample, the temperature is raised to 5K / min from room temperature to 100 ℃, and then maintained isothermal for 30 minutes at 100 ℃, After removing water | moisture content and stabilizing a state, it measured by raising the temperature of 5K / min from 100 degreeC to 900 degreeC.

그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에 나타낸 것과 같이, 반응 온도가 높을수록 내산화성이 우수함을 알 수 있다.
The results are shown in Fig. As shown in Figure 7, it can be seen that the higher the reaction temperature, the better the oxidation resistance.

* BET 측정* BET measurement

상기 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유에 대하여 질소 등온 흡탈착 실험을 실시하여, 비표면적을 측정하였다. 질소 등온 흡탈착 실험은 Belsorp-II mini(Nihon Bell)을 사용하였고, 압력 범위 p/p0=0 내지 0.99, 흡착/탈착 범위에서 실시하였다. 또한 시료는 제조된 탄소 나노 섬유를 10 중량% 농도의 HCl 용액에서 48시간 동안 처리한 후, 증류수로 세척하고 80℃의 건조 오븐에서 3시간 동안 건조하여 준비하였다. 측정된 비표면적 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8에 나타낸 것과 같이, 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유는 약 70 내지 480㎡/g 범위의 비표면적이 얻어졌다. 또한 도 8에서 알 수 있듯이, 반응 온도가 높아질수록 비표면적은 다소 감소하는 경향이 얻어졌음을 알 수 있다.Nitrogen isotherm adsorption and desorption experiments were carried out on the carbon nanofibers prepared according to Examples 1 to 11 to measure specific surface areas. Nitrogen isotherm adsorption and desorption experiments were carried out using Belsorp-II mini (Nihon Bell), pressure range p / p0 = 0 to 0.99, adsorption / desorption range. In addition, the sample was prepared by treating the prepared carbon nanofibers in a 10 wt% HCl solution for 48 hours, washed with distilled water and dried for 3 hours in a drying oven at 80 ℃. The measured specific surface area results are shown in FIG. 8. As shown in FIG. 8, the carbon nanofibers prepared according to Examples 1 to 11 had specific surface areas ranging from about 70 to 480 m 2 / g. As can be seen from FIG. 8, it can be seen that the specific surface area tends to decrease somewhat as the reaction temperature increases.

* XPS 측정* XPS measurement

실시예 1 내지 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유의 표면 화학적 특성을 관찰하기 위하여, XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 실시하였다. XPS 분석 실험은 각 시료에 대하여 탄소, 질소 및 산소 성분을 결합 에너지(C: 280 내지 295eV, N: 393 sowl 410eV, O: 520 내지 540eV) 범위에서 분석하였다. 그 결과 중, 실시예 3 및 7의 탄소 나노 섬유의 질소에 대한 XPS 스펙트럼 결과를 도 9 및 도 10에 나타내었다. 도 9 및 도 10에 나타낸 (A), (B) 및 (C)는 각각 피리딘-유사(pyridine-like) 구조 또는 피리돈-유사(pyridine-like) 구조 질소 성분(A), 흑연-유사 구조 또는 피롤-유사 구조 질소 성분(B) 성분 및 산소와 결합한 질소 성분(C)에 각각 해당한다. 결과적으로, 제조된 탄소 나노 섬유에 질소는 세가지 형태로 존재함을 알 수 있다.In order to observe the surface chemical properties of the carbon nanofibers prepared according to Examples 1 to 11, XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) analysis was performed. In the XPS assay, the carbon, nitrogen and oxygen components were analyzed for binding samples in the range of binding energy (C: 280 to 295 eV, N: 393 sowl 410 eV, O: 520 to 540 eV). Among the results, XPS spectrum results for nitrogen of the carbon nanofibers of Examples 3 and 7 are shown in FIGS. 9 and 10. (A), (B) and (C) shown in FIGS. 9 and 10 are pyridine-like structures or pyridine-like structures nitrogen components (A) and graphite-like structures, respectively Or a pyrrole-like structure nitrogen component (B) component and a nitrogen component (C) bonded to oxygen, respectively. As a result, it can be seen that nitrogen exists in three forms of the produced carbon nanofibers.

아울러, 상기 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유에 대하여, 측정된 XPS 결과로부터 측정된 총 질소 함량과, 탄소 나노 섬유 표면에 존재하는 질소 함량 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11에 나타낸 것과 같이, 표면에 존재하는 질소 함량(약 1 내지 9 원자%)이 총 질소 함량(약 1 내지 5 원자%)보다 높고, 표면에서의 N/C 원자비는 총 N/C 원자비보다 약 2배 이상 높게 나타났음을 알 수 있다. 실제 촉매 반응은 촉매, 담체의 표면에서 이루어지기 때문에 표면의 성분 조성이 중요하며, 총 질소 함량 중의 표면에 더 많은 질소가 있다면 반응에 있어서 질소의 효과를 더 크게 볼 수 있다. In addition, for the carbon nanofibers prepared according to Examples 1 to 11, the total nitrogen content measured from the measured XPS results and the nitrogen content present on the carbon nanofiber surface are shown in FIG. 11. As shown in Fig. 11, the nitrogen content (about 1 to 9 atomic%) present on the surface is higher than the total nitrogen content (about 1 to 5 atomic%), and the N / C atomic ratio on the surface is the total N / C source. It can be seen that about two times higher than mercy. Since the actual catalytic reaction takes place on the surface of the catalyst and the carrier, the composition of the surface is important, and if there is more nitrogen on the surface of the total nitrogen content, the effect of nitrogen on the reaction can be seen more.

또한, 측정된 표면에서 N/C 원자비와 상기 (B) 성분(흑연-유사 구조)/(A) 성분(피리딘-유사 구조)의 비를 도 12에 나타내었다. 도 12에 나타낸 것과 같이, 반응 온도가 증가할수록, 흑연-유사 구조 질소 성분이 상대적으로 증가함을 알 수 있다.In addition, the ratio of N / C atomic ratio and said (B) component (graphite-like structure) / (A) component (pyridine-like structure) in the measured surface is shown in FIG. As shown in FIG. 12, it can be seen that as the reaction temperature increases, the graphite-like structure nitrogen component increases relatively.

* 흑연화도 분석* Graphitization degree analysis

상기 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유의 흑연화도(결정성)을 확인하기 위하여, X-선 회절(XRD) 분석을 실시하였다. XRD 분석은 RINT2000(Rigaku)을 사용하였고, 2θ/θ 스캐닝 모드로 10도(°)에서 80도(°)까지 분당 0.02의 스캐닝 속도로 하였다. 측정 결과 중, 2θ는 26도(°) 부근의 (002) 격자면에 해당하는 피크를 도 13에 나타내었다. 도 13에 나타낸 것과 같이, 실시예 1 내지 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유는 (002)면의 피크가 나타남을 알 수 있다. 또한 반응 온도가 증가할수록, 피크 중심축이 높은 각으로 이동하고, 피크 폭이 좁아지므로, 결정화도가 높아짐을 알 수 있다. 또한, 반응 온도가 높아질수록 10-밴드가 분명하게 나타남을 알 수 있다.In order to confirm the graphitization degree (crystallinity) of the carbon nanofibers prepared according to Examples 1 to 11, X-ray diffraction (XRD) analysis was performed. XRD analysis was performed using RINT2000 (Rigaku) and scanning speed of 0.02 per minute from 10 degrees to 80 degrees in 2θ / θ scanning mode. Among the measurement results, 2θ shows a peak corresponding to the (002) lattice plane near 26 degrees (°) in FIG. 13. As shown in Figure 13, the carbon nanofibers prepared according to Examples 1 to 11 can be seen that the peak of the (002) plane appears. In addition, it can be seen that as the reaction temperature increases, the peak central axis moves to a high angle and the width of the peak narrows, thereby increasing the crystallinity. In addition, it can be seen that as the reaction temperature increases, the 10-band is apparent.

또한 도 13에 나타낸 XRD 결과에서, (002)면의 피크에 대한 결정 파라미터를 Bragg's 수식(면간거리 결정)과 Scherrer 수식(결정크기 결정)을 계산하여, d002 면간 거리와 Lc(002) 결정 크기 결과를 도 14에 나타내었다. 도 14에 나타낸 것과 같이, 반응 온도 500℃ 부근까지 반응 온도가 증가할수록 d002는 급격하게 증가고, 그 이상의 온도에서는 0.341-0.343nm 부근에서 유사하게 나타났으나, Lc(002)는 반응 온도에 따라서, 거의 선형적으로 증가하여 반응 온도 300℃에서는 약 2nm였으며, 반응 온도 680℃에서는 약 6nm로 증가하였다. 결과적으로 제조된 탄소 나노 섬유의 결정화도는 일반 카본 블랙에 비하여 매우 우수함을 알 수 있다. Also, in the XRD results shown in FIG. 13, Bragg's equation (determination of interplanar distance) and Scherrer equation (determination of crystal size) were calculated from the determination parameters for the peak of (002) plane, resulting in d002 interplanar distance and Lc (002) crystal size result. Is shown in FIG. 14. As shown in FIG. 14, as the reaction temperature increases to around 500 ° C., d002 increases rapidly, and similarly above 0.341-0.343 nm at a higher temperature, Lc (002) depends on the reaction temperature. It increased almost linearly to about 2 nm at the reaction temperature of 300 ° C. and to about 6 nm at the reaction temperature of 680 ° C. As a result, it can be seen that the crystallinity of the prepared carbon nanofibers is very excellent compared to general carbon black.

* 전기화학 특성 분석* Electrochemical Characterization

실시예 4, 7 및 10에 따라 제조된 탄소 나노 섬유 20mg, 10 중량% 농도 나피온 용액(물 용매, Dupont) 40㎕, 증류수 40㎕ 및 에탄올 1g을 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다. 상기 촉매 슬러리를 1㎠ 면적을 갖는 글래시 카본에 10㎕ 도포하고 건조하여, 작동 전극을 제조하였다.A catalyst slurry was prepared by mixing 20 mg of carbon nanofibers prepared according to Examples 4, 7 and 10, 40 μl of a 10 wt% Nafion solution (water solvent, Dupont), 40 μl of distilled water, and 1 g of ethanol. The catalyst slurry was applied to 10 µl of glass carbon having a 1 cm 2 area and dried to prepare a working electrode.

비교예 2로 실시예에서 제조된 탄소 나노 튜브 대신, 카본 블랙(Cabot Vulcan XC72R)을 사용하여 상술한 것과 동일한 방법으로 작동 전극을 제조하였다.Instead of the carbon nanotubes prepared in Example 2 in Comparative Example 2, working electrodes were prepared in the same manner as described above using carbon black (Cabot Vulcan XC72R).

비교예 3으로 실시예에서 제조된 탄소 나노 튜브 대신 플레이트형 CNF(Ssuntel RP-610: CNF1)을 사용하여 상술한 것과 동일한 방법으로 작동 전극을 제조하였다.A working electrode was prepared in the same manner as described above using plate-type CNF (Ssuntel RP-610: CNF1) instead of the carbon nanotubes prepared in Example 3 in Comparative Example 3.

비교예 4로 실시예에서 제조된 탄소 나노 튜브 대신 에틸렌을 카본 소스로 사용하여 520℃에서 합성한 탄소 나노 섬유(CNF2)을 사용하여 상술한 것과 동일한 방법으로 작동 전극을 제조하였다.A working electrode was prepared in the same manner as described above using carbon nanofibers (CNF 2) synthesized at 520 ° C. using ethylene as a carbon source instead of the carbon nanotubes prepared in Example 4 as a comparative example.

제조된 작동 전극, 대극으로 백금 메쉬, 참조 전극으로 Ag/AgCl(ALS. RE-1B, 표준 수소 전극: NHE로 표기)를 사용하는 3전극 시스템으로 전기화학적 실험을 실시하였다.Electrochemical experiments were conducted with a three-electrode system using the prepared working electrode, a counter electrode platinum mesh and Ag / AgCl (ALS. RE-1B, standard hydrogen electrode: NHE) as reference electrode.

전기화학적 실험은 사이클릭 볼타메트리는 질소가스로 충분히 퍼징된 0.1M HClO4 수용액에서, NHE 전극 기준으로 0.0 내지 1.2V에서 실시하였고, 산소 환원 반응(Oxygen Reduction Reaction: ORR) 실험은 산소로 충분히 퍼징된 0.1M HClO4 수용액에서 NHE 전극 기준으로 1.2 내지 0.2V에서 실시하였다. 또한 전위 스윕 속도(potential sweep rate)는 20mV/sec로 고정하여 실시하였다.Electrochemical experiments were carried out in a 0.1 M HClO 4 aqueous solution sufficiently purged with nitrogen gas, at 0.0 to 1.2 V based on the NHE electrode, and oxygen reduction reaction (ORR) experiment was sufficiently purged with oxygen. In a 0.1 M HClO 4 aqueous solution was carried out at 1.2 to 0.2V based on the NHE electrode. In addition, the potential sweep rate was fixed at 20 mV / sec.

사이클릭 볼타메트리 실험 결과를 도 15에 나타내었고, ORR 실험 결과는 도 16에 나타내었다. The results of the cyclic voltametry experiment are shown in FIG. 15, and the results of the ORR experiment are shown in FIG. 16.

도 15에 나타낸 것과 같이, 실시예 4, 7 및 10, 그리고 비교예 2 내지 4, 모든 탄소 재료가 전형적인 전기 이중층 형성에 의한 직사각형 패턴을 나타내고 있으나, 실시예 4, 7 및 10의 탄소 나노 섬유를 사용한 경우가 내부 면적이 넓음을 알 수 있다. 이와 같이, 내부 면적이 넓은 것은 이온 흡착량이 많은 것을 나타내며, 이는 이온 흡착력이 우수함을 의미하며, 결과적으로 연료 전지용 촉매 담체로 사용하면 촉매 담지 특성 및 촉매와 담체간 상호 작용 특성이 우수할 것임을 예측할 수 있다.As shown in FIG. 15, Examples 4, 7 and 10, and Comparative Examples 2-4, all carbon materials exhibit a rectangular pattern by typical electrical double layer formation, but the carbon nanofibers of Examples 4, 7 and 10 When used, it can be seen that the internal area is large. As such, a large internal area indicates a large amount of ion adsorption, which means that the ion adsorption capacity is excellent, and as a result, it can be predicted that the catalyst supporting properties and the interaction between the catalyst and the carrier will be excellent when used as a catalyst carrier for fuel cells. have.

또한, 도 16에 나타낸 것과 같이, 실시예 4, 7 및 10의 탄소 나노 섬유는 산소 환원 활성이 있으나, 비교예 2 내지 4의 탄소 재료는 산소 환원 활성이 없음을 알 수 있다. 이 결과로부터 실시예 4, 7 및 10의 탄소 나노 섬유는 그 자체로 캐소드 전극에 촉매로서 사용할 수도 있음을 알 수 있다. In addition, as shown in Figure 16, the carbon nanofibers of Examples 4, 7 and 10 has an oxygen reduction activity, it can be seen that the carbon material of Comparative Examples 2 to 4 does not have an oxygen reduction activity. From this result, it can be seen that the carbon nanofibers of Examples 4, 7 and 10 can be used as catalysts on the cathode electrode by themselves.

(실시예 16)(Example 16)

백금 전구체(Chloroplatinic acid hydride 99.9%, Aldrich), 실시예 11에 따라 제조된 탄소 나노 섬유 담체 및 증류수 400ml를 48시간 동안 교반하여 촉매 전구체 용액을 제조하였다. A catalyst precursor solution was prepared by stirring a platinum precursor (Chloroplatinic acid hydride 99.9%, Aldrich), a carbon nanofiber carrier prepared according to Example 11, and 400 ml of distilled water for 48 hours.

NaBH4를 담지될 금속양 몰비의 15배의 양으로 증류수 400ml에 녹여 준비하여, 30분에 걸쳐 충분히 교반한 후, 48시간 동안 교반하여 NaBH4 용액을 제조하였다. NaBH4 용액에 상기 촉매 전구체 용액을 첨가하여 1시간 동안 교반하여 환원시켰다. 환원 생성물을 1L의 증류수로 세척 및 여과한 후, 80℃의 오븐에서 2시간 가량 건조하여 Pt/탄소 나노 섬유 촉매(Pt/N640)를 제조하였다.NaBH 4 was prepared by dissolving it in 400 ml of distilled water in an amount of 15 times the molar ratio of the metal to be supported, and stirred sufficiently for 30 minutes, and then stirred for 48 hours to prepare a NaBH 4 solution. The catalyst precursor solution was added to the NaBH 4 solution and stirred for 1 hour to reduce. The reduced product was washed with 1 L of distilled water and filtered, and dried in an oven at 80 ° C. for about 2 hours to prepare a Pt / carbon nanofiber catalyst (Pt / N640).

(실시예 17)(Example 17)

백금 전구체(Chloroplatinic acid hydride 99.9%, Aldrich), 실시예 13에 따라 제조된 탄소 나노 섬유 담체 및 증류수 400ml를 48시간 동안 교반하여 촉매 전구체 용액을 제조한 것을 제외하고는, 상기 실시예 16과 동일하게 실시하여, Pt/탄소 나노 섬유 촉매(Pt/N523)를 제조하였다.Platinum precursor (Chloroplatinic acid hydride 99.9%, Aldrich), the carbon nanofiber carrier prepared according to Example 13 and 400ml of distilled water was stirred for 48 hours, except that the catalyst precursor solution was prepared in the same manner as in Example 16 above. The Pt / carbon nano fiber catalyst (Pt / N523) was produced.

(실시예 18)(Example 18)

백금 전구체(Chloroplatinic acid hydride 99.9%, Aldrich), 팔라듐 전구체(Palladium(II) chloride 99.9%, Sigma-Aldrich), 실시예 13에 따라 제조된 탄소 나노 섬유 담체 및 증류수 400ml를 48시간 동안 교반하여 촉매 전구체 용액을 제조한 것을 제외하고는, 상기 실시예 16과 동일하게 실시하여, PtPd/탄소 나노 섬유 촉매(PtPd/N523)를 제조하였다. 이때, 백금과 팔라듐의 무게비는 1 : 2이었다.Catalyst precursor by stirring platinum precursor (Chloroplatinic acid hydride 99.9%, Aldrich), palladium precursor (Palladium (II) chloride 99.9%, Sigma-Aldrich), carbon nanofiber carrier prepared according to Example 13 and 400 ml of distilled water for 48 hours A PtPd / carbon nanofiber catalyst (PtPd / N523) was prepared in the same manner as in Example 16 except that the solution was prepared. At this time, the weight ratio of platinum and palladium is 1: 2:

(비교예 5)(Comparative Example 5)

백금 전구체(Chloroplatinic acid hydride 99.9%, Aldrich), 카본 블랙 담체 및 증류수 400ml를 48시간 동안 교반하여 촉매 전구체 용액을 제조한 것을 제외하고는, 상기 실시예 16과 동일하게 실시하여, Pt/탄소 나노 섬유 촉매(Pt/CB)를 제조하였다.Pt / carbon nanofibers were prepared in the same manner as in Example 16, except that the catalyst precursor solution was prepared by stirring the platinum precursor (Chloroplatinic acid hydride 99.9%, Aldrich), the carbon black carrier, and 400 ml of distilled water for 48 hours. Catalyst (Pt / CB) was prepared.

(비교예 6)(Comparative Example 6)

상용화된 백금-팔라듐 촉매(JM9000, Johnson Matthey Fuel Cells-Hipec Series)를 사용하였다. 이때, 백금과 팔라듐의 무게비는 1 : 2이었다.A commercially available platinum-palladium catalyst (JM9000, Johnson Matthey Fuel Cells-Hipec Series) was used. At this time, the weight ratio of platinum and palladium is 1: 2:

상기 실시예 16 내지 18 및 비교예 5 내지 6에 따라 제조된 촉매 20mg, 10 중량% 농도의 나피온 용액(물 용매, Dupont) 40㎕, 증류수 40㎕ 및 에탄올 1g을 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다. 이 촉매 슬러리를 글래시 카본에 10㎕ 도포하고 충분히 건조하여 전극을 제조하였다.A catalyst slurry was prepared by mixing 20 mg of the catalyst prepared according to Examples 16 to 18 and Comparative Examples 5 to 6, 40 µl of Nafion solution (water solvent, Dupont), 40 µl of distilled water, and 1 g of ethanol. . 10 microliters of this catalyst slurry were apply | coated to glass carbon, and it fully dried, and prepared the electrode.

제조된 전극을 사용하고, 전해질로 H2SO4를 사용하여 상기 사이클릭 볼타메트리 실험 및 산소 환원 반응 실험과 동일하게 실시하여 사이클릭 볼타메트리 실험 및 산소 환원 반응 실험 결과를 얻었다. 그 결과를 도 17 및 도 18에 각각 나타내었다. 도 17에 나타낸 사이클릭 볼타메트리 실험 결과는 5회 사이클때의 값이고, 수소 탈착양에 따른 촉매의 전기화학적 활성표면(Electro Chemical Surface Area, ECSA)은 비교예 6이 가장 높은 값을 나타내었고, 실시예 18이 비교예 6과 유사한 결과를 나타내었다. Using the prepared electrode, using H 2 SO 4 as the electrolyte was carried out in the same manner as the cyclic voltametry experiment and the oxygen reduction reaction experiment to obtain a cyclic voltametry experiment and oxygen reduction reaction experiment results. The results are shown in FIGS. 17 and 18, respectively. The cyclic voltammetry test results shown in FIG. 17 are the values at five cycles, and Comparative Example 6 showed the highest value for the electrochemical surface area (ECSA) of the catalyst according to the amount of hydrogen desorption. , Example 18 showed similar results as in Comparative Example 6.

또한, 도 18에 나타낸 것과 같이, 비교예 5 및 실시예 16의 촉매가 활성이 우수함을 알 수 있다.In addition, as shown in FIG. 18, it can be seen that the catalysts of Comparative Examples 5 and 16 are excellent in activity.

Claims (18)

질소를 포함하는 탄소 나노 섬유를 포함하는 탄소 나노 재료.Carbon nanomaterials comprising carbon nanofibers comprising nitrogen. 제1항에 있어서,
상기 질소는 탄소 나노 섬유에 도핑되어 있는 탄소 나노 재료.
The method of claim 1,
The nitrogen is a carbon nano material that is doped with carbon nano fibers.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노 섬유에서, 상기 질소의 함량은 0.5 내지 10 원자%인 탄소 나노 재료.
The method of claim 1,
In the carbon nanofibers, the nitrogen content is 0.5 to 10 atomic% carbon nano material.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노 섬유에서 질소와 탄소의 비율(N/C)은 1.0 내지 5.0 원자%인 탄소 나노 재료.
The method of claim 1,
Carbon nano material of the carbon nanofibers in the ratio of nitrogen to carbon (N / C) is 1.0 to 5.0 atomic%.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노 섬유는 헤링본 구조를 갖는 것인 탄소 나노 재료.
The method of claim 1,
Wherein the carbon nanofibers have a herringbone structure.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노 섬유의 평균 직경은 30 내지 100nm인 탄소 나노 재료.
The method of claim 1,
Carbon nano material is an average diameter of the carbon nanofiber is 30 to 100nm.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노 섬유는 50 내지 500m2/g의 비표면적을 갖는 것인 탄소 나노 재료.
The method of claim 1,
Wherein the carbon nanofibers have a specific surface area of 50 to 500 m 2 / g.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노 섬유는 CuKα를 사용한 X-선 회절 측정시 2θ가 20 내지 30°에서 (002)면의 피크를 갖는 것인 탄소 나노 재료.
The method of claim 1,
The carbon nanofibers are carbon nanomaterials having a (002) plane peak at 20 to 30 ° when 2θ is measured by X-ray diffraction measurement using CuKα.
반응기 내에서, 담체에 담지된 금속 촉매 존재 하에, 질소 가스를 도입하는 단계;
상기 반응기에 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 공급하면서, 승온하는 단계; 및
상기 반응기에 질소 함유 화합물을 공급하는 단계
를 포함하는 탄소 나노 재료의 제조 방법.
Introducing nitrogen gas in the reactor in the presence of a metal catalyst supported on a carrier;
Heating the temperature while supplying a mixed gas of nitrogen gas and hydrogen gas to the reactor; And
Supplying a nitrogen-containing compound to the reactor
Method of producing a carbon nano material comprising a.
제9항에 있어서,
상기 담체는 MgO, SiO2, Al2O3, 제올라이트, 알루미노 실리케이트, 탄소계 물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 탄소 나노 재료의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the carrier is selected from the group consisting of MgO, SiO 2 , Al 2 O 3 , zeolites, aluminosilicates, carbon-based materials, and combinations thereof.
제9항에 있어서,
상기 금속 촉매는 Ni, Fe, Co 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 또는 이들의 합금인 탄소 나노 재료의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The metal catalyst is a method of producing a carbon nano material is a metal selected from the group consisting of Ni, Fe, Co and combinations thereof or alloys thereof.
제9항에 있어서,
상기 혼합 가스에서 질소 가스와 수소 가스의 혼합비는 160 : 40 cc인 탄소 나노 재료의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The mixing ratio of nitrogen gas and hydrogen gas in the mixed gas is 160: 40 cc method of producing a carbon nano material.
제9항에 있어서,
상기 혼합 가스의 공급양은 200cc/분인 탄소 나노 재료의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The supply amount of the mixed gas is 200 cc / min method for producing a carbon nano material.
제9항에 있어서,
상기 승온하는 단계는 5 내지 11℃/분의 승온 속도로 300 내지 700℃의 온도에 도달할 때까지 실시하는 것인 탄소 나노 재료의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The step of raising the temperature is carried out until the temperature of 300 to 700 ℃ at a temperature increase rate of 5 to 11 ℃ / min is carried out.
제9항에 있어서,
상기 질소 함유 화합물은 아세토니트릴, 아크릴로니트릴, 파이롤, 피리딘 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 탄소 나노 재료의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The nitrogen-containing compound is selected from the group consisting of acetonitrile, acrylonitrile, pyrrole, pyridine and combinations thereof.
제9항에 있어서,
상기 질소 함유 화합물의 공급 속도는 0.035cc/분인 탄소 나노 재료의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
And a feed rate of the nitrogen-containing compound is 0.035 cc / min.
제7항에 있어서,
상기 질소 함유 화합물을 공급하는 단계는 300 내지 700℃의 온도에서 실시하는 것인 탄소 나노 재료의 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
Supplying the nitrogen-containing compound is a method of producing a carbon nano material is carried out at a temperature of 300 to 700 ℃.
제1항 내지 제8항 중에서 선택되는 어느 한 항에 따른 탄소 나노 재료를 담지체로 포함하는 촉매.A catalyst comprising the carbon nano material according to any one of claims 1 to 8 as a support.
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CN112958050A (en) * 2021-02-07 2021-06-15 浙江师范大学 Flexible adsorbent and preparation method and application thereof

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