KR20130016984A - The sputtered iron catalyst on carbon paper for polymer electrolyte membrane fuel cells and the manufacturing method - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell is provided to improve a catalytic activity by depositing iron on carbon nanotubes which grows on carbon paper by a sputtering process. CONSTITUTION: An iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using a sputtering comprises: a step of growing carbon nanotubes on a carbon paper(S100); a step of depositing iron(Fe) on the carbon nanotubes by using a sputtering(S300); and a step of heat-treating the carbon nanotubes with deposited iron under ammonia gas(S400). The iron catalyst forms a ligand for Fe-n-C coordination bond. [Reference numerals] (AA) Start; (BB) End; (S100) Preparing carbon paper; (S200) Growing carbon nano-tubes on the carbon paper; (S300) Depositing iron(Fe) sputter on the carbon nano-tubes; (S400) Heat treatment under ammonia gas

Description

스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 및 그 제조방법 {The sputtered iron catalyst on carbon paper for polymer electrolyte membrane fuel cells and the manufacturing method}The sputtered iron catalyst on carbon paper for polymer electrolyte membrane fuel cells and the manufacturing method}

본 발명은 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 및 그 제조방법에 관한 것으로, 카본 페이퍼 상에 성장된 탄소 나노 튜브 위에 철을 스퍼터링 공정을 통하여 원자크기로 증착하여 탄소 나노 튜브와 전이금속 사이에 배위결합 리간드를 형성함으로써 촉매의 활성도를 향상시킬 수 있는 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering, and a method for manufacturing the same, wherein the iron is deposited on a carbon nanotube grown on carbon paper in atomic size through a sputtering process to coordinate between the carbon nanotube and the transition metal. The present invention relates to an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering capable of improving the activity of the catalyst by forming a binding ligand, and a method of manufacturing the same.

연료 전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이 반응은 전극에서 형성된 양이온 혹은 음이온이 전해질을 통과해서 이동하여 다른 편의 전극에서 산소 혹은 수소와 만나서 물을 형성함으로써 연결된 회로를 통해 전자가 이동하게 되어 전류를 생성해내며, 일반적으로 연료가 남아있는 한 지속적으로 발전이 가능하다. 연료전지는 '전지'라는 말이 붙어있기는 하지만 일반적인 전지와는 다르다. 전지는 닫힌계에 화학적으로 전기에너지를 저장하는 반면, 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 또한 일반전지의 전극은 반응을 하여 충전/방전 상태에 따라 바뀌지만, 연료전지의 전극은 촉매작용을 하여 이온을 생성하거나 물을 생성한다. A fuel cell is a device that generates electrical energy by electrochemically reacting fuel and oxygen. In this reaction, cations or anions formed at the electrode move through the electrolyte and meet with oxygen or hydrogen at the other electrode to form water, which causes electrons to move through the connected circuit to generate a current. It is possible to continuously develop. Fuel cells are different from ordinary cells, although the word 'cell' is labeled. Cells store electrical energy chemically in a closed system, while fuel cells consume fuel to produce power. In addition, the electrode of the normal cell reacts and changes according to the charge / discharge state, but the electrode of the fuel cell catalyzes to generate ions or water.

연료전지의 종류에는 용융탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고분자전해질 연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 직접메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC), 직접에탄올 연료전지 (Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC) 및 인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) 등이 있다.Types of fuel cells include molten carbonate fuel cells (MCFC), polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), solid oxide fuel cells (SOFC), and direct methanol fuel cells (MCFC). Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), Direct Ethanol Fuel Cell (DEFC) and Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC).

이들 중 수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 높은 효율, 높은 에너지 밀도를 나타내며, 일반적으로 상대적으로 낮은 온도(섭씨 80도 이하)에서 작동되어 자동차용으로 유망한 장치이다. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) using a polymer membrane capable of permeating hydrogen ions as an electrolyte exhibits high efficiency and high energy density, and is generally operated at a relatively low temperature (less than 80 degrees Celsius). It is a promising device.

연료 전지는 산성 환경에서 작동하기 때문에, 백금(Pt)이 전극에서 산화 환원 반응을 촉진시키기 위한 유일한 방안이다. 그러나, 백금은 제한된 양과 고비용이므로 연료전지를 상업화하는데 있어서 주요한 장애요소이다.Because fuel cells operate in an acidic environment, platinum (Pt) is the only way to promote redox reactions at the electrodes. However, platinum is a major obstacle to the commercialization of fuel cells because of its limited amount and high cost.

고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 이슈를 해결하기 위하여, 연구자들은 풍부하고 상대적으로 낮은 비용으로 이용할 수 있는 전이금속으로 연료 전지 촉매를 개발하기 시작했다. 전이금속 합금촉매와 전이금속과 지지체 사이에 리간드를 형성하는 타입의 비귀금속 촉매가 최근 몇 년 동안 개발되었다. 코발트와 철과 같은 금속 촉매의 성능을 향상시키기 위하여, 금속 이온의 반응성을 증가시키기 위해 개선된 방법이 필요하였다. 1964년 야신스키는 코발트 포피린이 산성 매체에서 산소를 환원시킬 수 있다는 것을 발견했다. 그리고 나서, 카본 지지체 상에 Fe-N4 또는 Co-N4 매크로사이클을 함침하여 비활성기체 내에서 열처리함으로써 촉매가 형성될 수 있음을 발견하였다. To address the issue of polyelectrolyte fuel cells (PEMFC), researchers have begun developing fuel cell catalysts with transition metals that are rich and available at relatively low cost. Transition metal alloy catalysts and non-noble metal catalysts of the type which form ligands between transition metals and supports have been developed in recent years. In order to improve the performance of metal catalysts such as cobalt and iron, an improved method was needed to increase the reactivity of metal ions. In 1964 Yashinski discovered that cobalt porphyrin can reduce oxygen in acidic media. It was then discovered that a catalyst can be formed by impregnating a Fe-N 4 or Co-N 4 macrocycle on a carbon support and heat treatment in an inert gas.

이러한 촉매들이 고분자 전해질 연료전지의 촉매로서의 가능성은 보여주고 있으나, 촉매 활성도는 여전히 백금 촉매에 비하여 낮다. 그러므로, 비귀금속 촉매의 촉매 활성도를 개선시키기 위한 더 많은 연구가 절실히 필요하다.While these catalysts have shown potential as catalysts for polymer electrolyte fuel cells, their catalytic activity is still lower than that of platinum catalysts. Therefore, further studies are needed to improve the catalytic activity of non-noble metal catalysts.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 카본 페이퍼 상에 성장된 탄소 나노 튜브 위에 철을 스퍼터링 공정을 통하여 원자크기로 증착함으로써 촉매의 활성도를 향상시킬 수 있는 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
The present invention is to overcome the above-mentioned conventional problems, the problem to be solved by the present invention can improve the activity of the catalyst by depositing the iron on the carbon nanotubes grown on carbon paper in atomic size through the sputtering process An iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering and a method for manufacturing the same are provided.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 카본 페이퍼(carbon paper) 상에 탄소 나노 튜브를 성장시키는 단계; 상기 카본 페이퍼상에 성장된 탄소 나노 튜브 상에 스퍼터링을 이용하여 철(Fe)을 증착하는 단계; 및 철이 스퍼터 증착된 탄소 나노 튜브를 암모니아 가스하에서 열처리하는 단계를 포함하는 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 제조방법이 제공된다.According to an exemplary embodiment of the present invention, there is provided a method of growing carbon nanotubes on carbon paper; Depositing iron (Fe) using sputtering on the carbon nanotubes grown on the carbon paper; And it provides a method for producing an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering comprising the step of heat-treating the carbon nanotubes on which iron is sputter deposited under ammonia gas.

상기 탄소 나노 튜브 상에 스퍼터링을 이용하여 철을 증착하는 단계는 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 순철(pure iron) 금속 타겟을 대기 온도에서 탄소 나노 튜브 상에 증착시키는 것을 특징으로 한다.Depositing iron by sputtering on the carbon nanotubes is characterized by depositing a pure iron metal target on the carbon nanotubes at ambient temperature using RF magnetron sputtering.

상기 카본 페이퍼 상에 탄소 나노 튜브를 성장시키는 단계는 상기 카본 페이퍼를 세척하는 단계; 감압하에서 세척이 완료된 카본 페이퍼를 건조시키는 단계; 단일벽 탄소 나노 튜브 분산액을 생성하는 단계; 상기 생성된 단일벽 탄소 나노 튜브 분산액을 상기 카본 페이퍼 상에 코팅하는 단계; 및 상기 단일벽 탄소 나노 튜브 분산액이 코팅된 카본 페이퍼를 가열하는 단계를 포함한다.Growing carbon nanotubes on the carbon paper may include washing the carbon paper; Drying the washed carbon paper under reduced pressure; Creating a single wall carbon nanotube dispersion; Coating the resulting single wall carbon nanotube dispersion onto the carbon paper; And heating the carbon paper coated with the single-walled carbon nanotube dispersion.

상기 단일벽 탄소 나노 튜브 분산액을 생성하는 단계는 무수 디메틸포름아미드에 단일벽 탄소 나노 튜브(SWNT)를 용해하고, 초음파처리를 수행한다.The step of producing the single-walled carbon nanotube dispersion is dissolved in single-walled carbon nanotubes (SWNT) in anhydrous dimethylformamide and subjected to sonication.

상기 카본 페이퍼를 건조시키는 단계는 섭씨 90 내지 110도의 온도로 건조시키는 것을 특징으로 한다.Drying the carbon paper is characterized in that the drying to a temperature of 90 to 110 degrees Celsius.

상기 단일벽 탄소 나노 튜브 분산액이 코팅된 카본 페이퍼를 가열하는 단계는 잔존하는 무수 디메틸포름아미드를 제거하기 위하여 섭씨 180 내지 220도의 온도로 가열한다. The heating of the single-walled carbon nanotube dispersion-coated carbon paper is heated to a temperature of 180 to 220 degrees Celsius to remove residual anhydrous dimethylformamide.

상기 열처리하는 단계는 암모니아 가스를 소결로(furnace)에 투입하고, 상기 소결로를 정압(positive pressure)으로 유지하는 단계; 상기 소결로를 작동시키기 전 미리 정해진 시간동안 암모니아 가스를 퍼지시키는 단계; 상기 소결로를 작동하는 단계; 및 상기 소결로에 암모니아 가스를 투입하고, 상기 철이 스퍼터 증착된 탄소 나노 튜브를 암모니아 가스하에서 열처리하는 단계를 포함한다. The heat treatment may include adding ammonia gas to a sintering furnace, and maintaining the sintering furnace at a positive pressure; Purging the ammonia gas for a predetermined time before operating the sintering furnace; Operating the sintering furnace; And injecting ammonia gas into the sintering furnace, and heat treating the iron sputter deposited carbon nanotubes under ammonia gas.

상기 암모니아 가스하에서 열처리하는 단계는 섭씨 940 내지 960도의 온도로 열처리하는 것을 특징으로 한다.The heat treatment under the ammonia gas is characterized in that the heat treatment at a temperature of 940 to 960 degrees Celsius.

본 발명의 다른 측면에 따르면 본 발명에 따른 제조방법에 따라 제조된 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매가 제공된다. According to another aspect of the present invention there is provided an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering prepared according to the production method according to the present invention.

상기 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매는 Fe-N-C의 배위결합 리간드를 형성하는 것을 특징으로 한다.The iron catalyst for the polymer electrolyte fuel cell is characterized by forming a coordination ligand of Fe-N-C.

본 발명에 따르면, 기존 촉매 제조 공정에 제조과정의 단순화가 가능하며, 값비싼 기존의 백금(Pt)촉매를 대체할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. According to the present invention, it is possible to simplify the manufacturing process in the existing catalyst manufacturing process, it is possible to obtain an effect that can replace the expensive conventional platinum (Pt) catalyst.

그리고, 진공 증착 장비인 스퍼터링 공정을 사용하여 카본 페이퍼 상에 철 원소를 원자수준의 크기로 제어하여 증착함으로써 훨씬 많은 수로 증가된 촉매 사이트에 의해 촉매 활성도를 향상시킬 수 있다.In addition, by using a sputtering process, which is a vacuum deposition apparatus, by controlling and depositing an iron element on an atomic level on carbon paper, the catalytic activity can be improved by a much larger number of catalyst sites.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 제조방법의 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 탄소 나노 튜브를 성장하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 도 1에 도시된 열처리 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4a 및 도 4b는 탄소 나노 튜브 표면의 SEM 이미지 및 확대 이미지이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매의 Fe/N/C 리간드의 개략적인 모식도이다.
도 6은 Fe/N/CNT 촉매에 대한 ORR 극성커브이다.
도 7은 다양한 온도에서 열처리된 샘플들의 질량 활성도(mass activity) 결과를 나타낸 도이다.
도 8은 Fe/N/CNT 촉매의 순환 전압 전류(CV) 커브를 나타낸 도이다.1 is a flowchart of a method for preparing an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a process of growing the carbon nanotubes shown in FIG. 1.
3 is a flowchart illustrating a heat treatment process illustrated in FIG. 1.
4A and 4B are SEM images and enlarged images of the carbon nanotube surface.
5 is a schematic diagram of the Fe / N / C ligand of the iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering prepared according to the present invention.
6 is an ORR polar curve for Fe / N / CNT catalyst.
7 is a diagram showing the mass activity results of the samples heat-treated at various temperatures.
8 shows a cyclic voltage current (CV) curve of a Fe / N / CNT catalyst.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 제조방법의 흐름도이며, 도 2는 도 1에 도시된 탄소 나노 튜브를 성장하는 과정을 나타낸 흐름도이고, 도 3은 도 1에 도시된 열처리 과정을 나타낸 흐름도이다.1 is a flowchart of a method for preparing an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering according to an exemplary embodiment of the present invention, FIG. 2 is a flowchart illustrating a process of growing carbon nanotubes shown in FIG. 1, and FIG. 1 is a flowchart illustrating a heat treatment process illustrated in FIG. 1.

도 1을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 제조방법을 살펴보면, 우선 카본 페이퍼(carbon paper)를 준비하는 과정을 수행한다(S100).Referring to FIG. 1, a method for preparing an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering according to an exemplary embodiment of the present invention is performed. First, a process of preparing carbon paper is performed (S100).

그 다음 준비된 카본 페이퍼 상에 탄소 나노 튜브를 성장시키는 과정을 수행한다(S200). 탄소 나노 튜브를 성장시키는 과정은 이하에서 도 2를 참조하여 보다 상세히 살펴본다.Then, a process of growing carbon nanotubes on the prepared carbon paper is performed (S200). The process of growing the carbon nanotubes will be described in more detail with reference to FIG. 2 below.

카본 페이퍼상에 성장된 탄소 나노 튜브 상에 철(Fe)을 스퍼터 증착하는 과정을 수행한다(S300). RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 순철(pure iron) 금속 타겟을 대기 온도에서 카본 페이퍼 상에 성장된 탄소 나노 튜브 상에 증착시킨다. A process of sputter deposition of iron (Fe) on the carbon nanotubes grown on the carbon paper is performed (S300). Pure iron metal targets are deposited on carbon nanotubes grown on carbon paper at ambient temperature using RF magnetron sputtering.

그리고 나서, 철이 스퍼터 증착된 탄소 나노 튜브는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 캐소드에서 산화 환원 반응을 위한 촉매 활성을 결정하기 위하여, 암모니아 가스하에서 열처리하는 과정을 수행한다(S400). 열처리 과정은 이하의 도 3을 참조하여 보다 상세히 살펴본다.
Then, the iron sputter deposited carbon nanotubes are subjected to a heat treatment process under ammonia gas in order to determine the catalytic activity for the redox reaction in the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) cathode (S400). The heat treatment process will be described in more detail with reference to FIG. 3 below.

도 2를 참조하여 탄소 나노 튜브를 성장시키는 과정을 살펴보면, 우선 준비된 카본 페이퍼를 세척하는 과정을 수행한다(S210). 그리고 나서, 감압하에서 세척이 완료된 카본 페이퍼를 섭씨 90 내지 110도의 온도로 건조시키는 과정을 수행한다(S220). Looking at the process of growing the carbon nanotubes with reference to Figure 2, first performs a process of washing the prepared carbon paper (S210). Then, a process of drying the washed carbon paper under a reduced pressure to a temperature of 90 to 110 degrees Celsius is carried out (S220).

단일벽 탄소 나노 튜브(Single-walled carbon nanotube:SWNT) 분산액을 생성하는 과정을 수행한다(S230). 무수 디메틸포름아미드에 단일벽 탄소 나노 튜브(SWNT)를 용해함과 동시에 강한 초음파처리를 수행함으로써 단일벽 탄소 나노 튜브 분산액을 생성한다.A process of generating a single-walled carbon nanotube (SWNT) dispersion is performed (S230). Single-walled carbon nanotube dispersions are produced by dissolving single-walled carbon nanotubes (SWNT) in anhydrous dimethylformamide and simultaneously performing strong sonication.

생성된 단일벽 탄소 나노 튜브 분산액을 카본 페이퍼 상에 코팅하는 과정을 수행한다(S240). 본 실시예의 경우, 단일벽 탄소 나노 튜브 분산액을 브러쉬 코팅을 이용하여 카본 페이퍼 상에 코팅하였다.The process of coating the resulting single-walled carbon nanotube dispersion on the carbon paper (S240). For this example, single wall carbon nanotube dispersions were coated onto carbon paper using a brush coating.

그리고 나서, 잔존하는 무수 디메틸포름아미드를 제거하기 위하여 섭씨 180도 내지 220도의 온도로 가열하는 과정을 수행한다(S250).
Then, a process of heating to a temperature of 180 degrees to 220 degrees Celsius is performed to remove the remaining anhydrous dimethylformamide (S250).

도 3을 참조하여 열처리하는 과정을 살펴보면, 암모니아 가스를 소결로(furnace)에 투입하고, 소결로를 정압(positive pressure)으로 유지한다(S410).Looking at the heat treatment process with reference to Figure 3, the ammonia gas is put into a sinter (furnace), and the sintering furnace is maintained at a positive pressure (positive pressure) (S410).

철 스퍼터 증착된 탄소 나노 튜브를 소결로의 석영 튜브 가열부로 삽입하는 과정을 수행한다(S420). 소결로를 작동시키기 전 미리 정해진 시간동안 암모니아 가스를 퍼지시키는 과정을 수행한다(S430). 암모니아 가스를 퍼지시킨 후, 소결로를 작동하는 과정을 수행한다(S440). The iron sputter deposited carbon nanotubes are inserted into the quartz tube heating unit of the sintering furnace (S420). A process of purging the ammonia gas for a predetermined time before operating the sintering furnace is performed (S430). After purging the ammonia gas, a process of operating the sintering furnace is performed (S440).

그리고 나서, 소결로에 암모니아 가스를 투입하고, 철 스퍼터 증착된 탄소 나노 튜브를 암모니아 가스하에서 섭씨 940 내지 960도의 온도로 열처리하는 과정을 수행한다(S450).
Then, ammonia gas is added to the sintering furnace, and a process of heat-treating the iron sputter deposited carbon nanotubes at a temperature of 940 to 960 degrees Celsius under ammonia gas is performed (S450).

[실시예][Example]

1. 탄소 나노 튜브 성장1. carbon nanotube growth

카본 페이퍼를 무수에탄올로 수 차례 세척하고, 감압하에서 섭씨 100도로 건조시켰다. 그리고 나서, 강한 초음파처리(브랜슨 울트라소닉사)와 함께 무수 디메틸포름아미드 5ml에서 단일벽 탄소 나노 튜브(SWNT)를 용해함으로써 0.1mg 분산액을 생성하였다(시그마-알드리치사, DMF 99.8%). The carbon paper was washed several times with anhydrous ethanol and dried at 100 degrees Celsius under reduced pressure. A 0.1 mg dispersion was then produced by dissolving single-walled carbon nanotubes (SWNT) in 5 ml of anhydrous dimethylformamide with strong sonication (Branson Ultrasonics) (Sigma-Aldrich, DMF 99.8%).

그 다음, SWNT 분산액을 세척된 카본 페이퍼 상에 브러쉬 코팅한다. 마지막으로, SWNT가 코팅된 카본 페이퍼는 합성으로부터 소정의 잔존하는 DMF를 제거하기 위하여 섭씨 200도에서 가열하였으며, 카본 페이퍼 상에 0.00578mg/cm2 탄소 나노 튜브가 성장되었다.
The SWNT dispersion is then brush coated onto the washed carbon paper. Finally, SWNT coated carbon paper was heated at 200 degrees Celsius to remove any remaining DMF from the synthesis, and 0.00578 mg / cm 2 carbon nanotubes were grown on the carbon paper.

2. 탄소 나노 튜브 상에 철의 스퍼터 증착2. Sputtering of Iron on Carbon Nanotubes

순철 금속 타겟을 대기 온도에서 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 카본 페이퍼 기반 탄소 나노 튜브 상에 스퍼터 증착하였다. 본 실험에서의 타겟은 커트 제이.레스커사로부터 구매한 99.9% 순도의 순철 금속 타겟을 이용하였다. 순철 금속 타겟의 크기는 직경이 2인치이고, 두께는 0.125인치이다. 스퍼터 증착 시스템은 기계적 펌프를 1차펌프로 하고 터보 분자 펌프를 2차펌프로하여 7x10-5토르의 압력까지 진공을 뽑는다. 기판 홀더 상에 부착된 샘플과 타켓 사이의 거리는 17cm였다.
Pure iron metal targets were sputter deposited onto carbon paper based carbon nanotubes using RF magnetron sputtering at ambient temperature. The target in this experiment was a 99.9% pure pure iron metal target purchased from Kurt J. Lesker. Pure iron metal targets are 2 inches in diameter and 0.125 inches thick. The sputter deposition system draws a vacuum to a pressure of 7 × 10 −5 Torr using a mechanical pump as the primary pump and a turbo molecular pump as the secondary pump. The distance between the sample and the target attached on the substrate holder was 17 cm.

3. 열처리3. Heat treatment

철이 스퍼터 증착된 카본 페이퍼 기반 탄소 나노 튜브는 열처리 온도별 전기화학적 특징을 살펴보기 위하여 상이한 온도에서 열처리하였다. 열처리 공정에 사용되는 소결로는 직경 6cm, 길이 120cm의 석영 튜브를 포함한다. 소결로는 Fe/N/CNT 촉매를 형성하기 위하여 암모니아 가스와 함께 정압(positive pressure)으로 유지하며, 샘플을 포함한 석영 보트는 석영 튜브의 가열부로 삽입하였다. 10분간 암모니아를 퍼지시킨 후, 소결로를 작동시켰다. Iron sputter deposited carbon paper-based carbon nanotubes were heat-treated at different temperatures to examine the electrochemical characteristics of the heat-treatment temperatures. The sintering furnace used in the heat treatment process includes a quartz tube 6 cm in diameter and 120 cm in length. The sintering furnace was maintained at a positive pressure with ammonia gas to form a Fe / N / CNT catalyst, and the quartz boat containing the sample was inserted into the heating portion of the quartz tube. After purging ammonia for 10 minutes, the sintering furnace was operated.

분당 섭씨 10도씩 증가시켜 섭씨 850 내지 1050도로 세팅시켜 열처리를 수행하고, 암모니아 가스 흐름은 각 온도 증가 구간동안에 일정하게 유지시켰다.
The heat treatment was performed at 10 degrees Celsius per minute and set at 850 to 1050 degrees Celsius, and the ammonia gas flow was kept constant during each temperature increase interval.

도 4a 및 도 4b는 카본 나노 튜브 표면의 SEM 이미지 및 확대 이미지이며, 도 5는 본 발명에 따라 제조된 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매의 Fe/N/C 리간드의 개략적인 모식도이다.4A and 4B are SEM images and enlarged images of carbon nanotube surfaces, and FIG. 5 is a schematic diagram of Fe / N / C ligands of an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering prepared according to the present invention.

본 발명의 실시예에서 카본 페이퍼 상에 성장된 탄소 나노 튜브는 간단한 브러쉬 코팅에 의해 수행되었으며, 도 4a에는 탄소 나노 튜브 표면의 SEM 이미지가 도시되며, 도 4b에는 도 4a의 확대 이미지이다. 도 4b를 살펴보면, 카본 막대 주위에 아이비 형태로 형성된 탄소 나노 튜브가 관찰된다. 탄소 나노 튜브들 사이의 미세한 구멍들이 보이며, 실험된 탄소 나노 튜브 사이의 Fe-N4 매크로사이클이 형성되었음을 알 수 있다.
In the embodiment of the present invention, the carbon nanotubes grown on the carbon paper were performed by simple brush coating, and FIG. 4A shows an SEM image of the surface of the carbon nanotubes, and FIG. 4B is an enlarged image of FIG. 4A. Referring to FIG. 4B, carbon nanotubes formed in an ivy shape around the carbon rods are observed. Fine pores between the carbon nanotubes are visible, and it can be seen that the Fe-N 4 macrocycle between the carbon nanotubes tested was formed.

도 6은 Fe/N/CNT 촉매에 대한 산화 환원 반응(ORR) 극성커브이며, 도 7은 다양한 온도에서 열처리된 샘플들의 질량 활성도(mass activity) 결과를 나타낸 도이고, 도 8은 Fe/N/CNT 촉매의 순환 전압 전류(CV) 커브를 나타낸 도이다.FIG. 6 is a redox reaction (ORR) polar curve for Fe / N / CNT catalyst, FIG. 7 is a diagram showing mass activity results of samples heat-treated at various temperatures, and FIG. 8 is Fe / N / A diagram showing a cyclic voltage current (CV) curve of a CNT catalyst.

[실험예][Experimental Example]

본 발명의 실시예에 따라 제조된 철 촉매의 산소 환원 반응을 위한 촉매 활성도는 대기온도의 0.5M 황산 용액에서 회전 원반 전극(RDE) 기술을 이용하여 측정하였다. 회전 원반 전극(RDE : Rotating Disk Electrode)은 금속 원반의 한쪽면에서 리드선을 취하여 폴리테트라플루오르에틸렌 등에 삽입하고, 다른 한쪽의 면을 노출시킨 구조를 하고 있는 전기화학 측정용 전극으로서, 전극 표면에서 액의 흐름이 층류상태가 되므로 전기화학 반응 활물질의 수송상태를 수학적으로 풀 수 있어 측정 결과를 레비치의 식 등으로 정량적으로 해석할 수 있다.Catalytic activity for the oxygen reduction reaction of the iron catalyst prepared according to the embodiment of the present invention was measured using a rotating disk electrode (RDE) technique in a 0.5M sulfuric acid solution at ambient temperature. Rotating Disk Electrode (RDE) is an electrode for electrochemical measurement in which a lead wire is taken from one side of a metal disc, inserted into a polytetrafluoroethylene, etc., and the other side is exposed. Since the flow becomes the laminar flow state, the transport state of the electrochemical reaction active material can be solved mathematically, and the measurement result can be quantitatively interpreted by the formula of Levich.

우선, 열처리된 샘플은 라운드 형태로 커팅한 후, 교체가능한 RDE 홀더에 장착된 직경 0.5cm의 유리질 카본 디스크 상에 카본 테이프로 부착하였다. 백금 카운터 전극과 포화된 수은/황산 레퍼런스 전극이 3개의 표준 컴파트먼트 전기화학셀에 사용되었으며, 로드된 철 촉매는 0.0725mg/cm 이었다. 촉매 활성도는 0.5M 황산, 대기 온도 및 20mV/s의 전류에서 순환 전압 전류를 이용하여 측정되었으며, 산소 환원 반응 극성 커브는 1600rpm에서 측정되었다.
First, the heat-treated sample was cut in a round shape and then attached with carbon tape onto a 0.5 cm diameter glassy carbon disk mounted in a replaceable RDE holder. Platinum counter electrodes and saturated mercury / sulfuric acid reference electrodes were used in three standard compartment electrochemical cells with a loaded iron catalyst of 0.0725 mg / cm. Catalyst activity was measured using cyclic voltage current at 0.5 M sulfuric acid, ambient temperature and current of 20 mV / s, and oxygen reduction reaction polarity curve was measured at 1600 rpm.

도 6 내지 도 8을 참조하여 실험 결과를 살펴본다.The experimental results will be described with reference to FIGS. 6 to 8.

도 6은 1600rpm에서 회전 원반 전극(RDE)을 이용하여 획득된 O2포화된 0.5M 황산용액에서의 Fe/N/CNT 촉매에 대한 ORR 극성커브이다. 섭씨 950도에서 처리된 Fe/N/CNT 곡선은 다른 온도에서 처리된 샘플들과 비교하여 더 큰 전류밀도를 나타냄을 알 수 있다.FIG. 6 is an ORR polar curve for Fe / N / CNT catalyst in O 2 saturated 0.5 M sulfuric acid solution obtained using a rotating disk electrode (RDE) at 1600 rpm. It can be seen that the Fe / N / CNT curve treated at 950 degrees Celsius shows a higher current density compared to the samples treated at different temperatures.

도 7은 샘플들의 질량 활성(mass activity)을 보여주며, 각 온도 레벨에서의 전기화학촉매 성능을 보여준다. 0.9V의 전류가 인가될 때, 다른 온도에서 처리된 샘플들의 질량 활성보다 섭씨 950도에서 처리된 샘플의 질량 활성이 더 높음을 알 수 있다. 이는 최대 질량 활성을 위한 최적 열처리 온도는 질소에 의해 결합되는 Fe과 CNT 사이의 부가적인 리간드의 형성에 직접적으로 관련됨을 알 수 있다. 7 shows the mass activity of the samples and shows the electrochemical catalyst performance at each temperature level. It can be seen that when a current of 0.9 V is applied, the mass activity of the treated sample is higher at 950 degrees Celsius than the mass activity of the treated samples at other temperatures. It can be seen that the optimum heat treatment temperature for maximum mass activity is directly related to the formation of additional ligands between Fe and CNTs bound by nitrogen.

또한, Fe/N/CNT는 섭씨 950도 보다 높은 온도에서 열처리될 경우 열적으로 열화됨을 알 수 있으며, 섭씨 950도 보다 낮은 레벨의 온도일 수 경우, Fe/N/CNT는 충분한 리간드를 형성할 수 없다. In addition, it can be seen that the Fe / N / CNT is thermally deteriorated when the heat treatment at a temperature higher than 950 degrees Celsius, Fe / N / CNT can form a sufficient ligand when the temperature can be lower than 950 degrees Celsius none.

도 8은 실험된 촉매의 순환 전압 전류(CV) 커브를 보여준다. 20mV/s의 스윕 레이트에서 O2포화된 0.5M 황산용액에서의 기록이며, 철 기반 전기화학촉매의 순환 전압 전류는 섭씨 950도에서 발견된 질량 활성 레벨과 유사한 경향을 보임을 알 수 있다.
8 shows the cyclic voltage current (CV) curves of the catalysts tested. It is recorded in O 2 saturated 0.5 M sulfuric acid solution at a sweep rate of 20 mV / s, and the cyclic voltage current of the iron-based electrochemical catalyst shows a tendency similar to the mass activity level found at 950 degrees Celsius.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 및 그 제조방법의 예시적인 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
What has been described above is only an exemplary embodiment of the iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering according to the present invention and a method for manufacturing the same, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and is claimed in the following claims. As will be apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from the spirit of the present invention, the technical spirit of the present invention may be modified to the extent that various modifications can be made.

Claims (10)

스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 제조방법에 있어서,
카본 페이퍼(carbon paper) 상에 탄소 나노 튜브를 성장시키는 단계;
상기 카본 페이퍼상에 성장된 탄소 나노 튜브 상에 스퍼터링을 이용하여 철(Fe)을 증착하는 단계; 및
철이 스퍼터 증착된 탄소 나노 튜브를 암모니아 가스하에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 제조방법.
In the iron catalyst manufacturing method for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering,
Growing carbon nanotubes on carbon paper;
Depositing iron (Fe) using sputtering on the carbon nanotubes grown on the carbon paper; And
A method for producing an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering, comprising: heat-treating an iron sputter deposited carbon nanotube under ammonia gas.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노 튜브 상에 스퍼터링을 이용하여 철을 증착하는 단계는 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 순철(pure iron) 금속 타겟을 대기 온도에서 탄소 나노 튜브 상에 증착시키는 것을 특징으로 하는 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 제조방법.
The method of claim 1,
Deposition of iron by sputtering on the carbon nanotubes is a polymer electrolyte fuel using sputtering, wherein a pure iron metal target is deposited on the carbon nanotubes at atmospheric temperature using RF magnetron sputtering. Method for producing iron catalyst for batteries.
제1항에 있어서,
상기 카본 페이퍼 상에 탄소 나노 튜브를 성장시키는 단계는,
상기 카본 페이퍼를 세척하는 단계;
감압하에서 세척이 완료된 카본 페이퍼를 건조시키는 단계;
단일벽 탄소 나노 튜브 분산액을 생성하는 단계;
상기 생성된 단일벽 탄소 나노 튜브 분산액을 상기 카본 페이퍼 상에 코팅하는 단계; 및
상기 단일벽 탄소 나노 튜브 분산액이 코팅된 카본 페이퍼를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 제조방법.
The method of claim 1,
Growing carbon nanotubes on the carbon paper,
Washing the carbon paper;
Drying the washed carbon paper under reduced pressure;
Creating a single wall carbon nanotube dispersion;
Coating the resulting single wall carbon nanotube dispersion onto the carbon paper; And
The method of manufacturing an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering, comprising heating the carbon paper coated with the single-walled carbon nanotube dispersion liquid.
제3항에 있어서,
상기 단일벽 탄소 나노 튜브 분산액을 생성하는 단계는 무수 디메틸포름아미드에 단일벽 탄소 나노 튜브(SWNT)를 용해하고, 초음파처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 제조방법.
The method of claim 3,
The producing of the single-walled carbon nanotube dispersion is a method for producing an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering, characterized in that the single-walled carbon nanotubes (SWNT) are dissolved in anhydrous dimethylformamide and subjected to ultrasonic treatment.
제3항에 있어서,
상기 카본 페이퍼를 건조시키는 단계는 섭씨 90 내지 110도의 온도로 건조시키는 것을 특징으로 하는 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 제조방법.
The method of claim 3,
Drying the carbon paper is a method for producing an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering, characterized in that the drying to a temperature of 90 to 110 degrees Celsius.
제4항에 있어서,
상기 단일벽 탄소 나노 튜브 분산액이 코팅된 카본 페이퍼를 가열하는 단계는 잔존하는 무수 디메틸포름아미드를 제거하기 위하여 섭씨 180 내지 220도의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 제조방법.
5. The method of claim 4,
The heating of the carbon paper coated with the single-walled carbon nanotube dispersion is performed to produce an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering, which is heated to a temperature of 180 to 220 degrees Celsius to remove residual anhydrous dimethylformamide. Way.
제1항에 있어서,
상기 열처리하는 단계는,
암모니아 가스를 소결로(furnace)에 투입하고, 상기 소결로를 정압(positive pressure)으로 유지하는 단계;
상기 소결로를 작동시키기 전 미리 정해진 시간동안 암모니아 가스를 퍼지시키는 단계;
상기 소결로를 작동하는 단계; 및
상기 소결로에 암모니아 가스를 투입하고, 상기 철이 스퍼터 증착된 탄소 나노 튜브를 암모니아 가스하에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 제조방법.
The method of claim 1,
The heat treatment step,
Injecting ammonia gas into a sintering furnace and maintaining the sintering furnace at a positive pressure;
Purging the ammonia gas for a predetermined time before operating the sintering furnace;
Operating the sintering furnace; And
Injecting ammonia gas into the sintering furnace, and heat treatment of the iron sputter-deposited carbon nanotubes under ammonia gas, a method for producing an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using a sputtering.
제7항에 있어서,
상기 암모니아 가스하에서 열처리하는 단계는 섭씨 940 내지 960도의 온도로 열처리하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The heat treatment under the ammonia gas is a method for producing an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering, characterized in that the heat treatment at a temperature of 940 to 960 degrees Celsius.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 따라 제조된 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매.
An iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering prepared according to the manufacturing method according to any one of claims 1 to 8.
제9항에 있어서,
상기 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매는 Fe-N-C의 배위결합 리간드를 형성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링을 이용한 고분자 전해질 연료전지용 철 촉매.
10. The method of claim 9,
The iron catalyst for the polymer electrolyte fuel cell is an iron catalyst for a polymer electrolyte fuel cell using sputtering, characterized in that to form a coordination ligand of Fe-NC.
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