KR20130087248A - A process of preparing electrocatalysts for oxygen reduction reaction by using stabilizers - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of an electrocatalyst is provided to have a narrow particle size distribution, a small alloy particle size, a high carrier dispersion amount and uniformity, and low agglomeration due to temperature. CONSTITUTION: A manufacturing method of an electrocatalyst comprises a step of obtaining a carbon solution; a step of obtaining a precursor solution; a step of obtaining a mixed solution by mixing the carbon solution and the precursor solution; a step of preparing a stabilizer solution; a step of obtaining a stabilizer mixed solution by adding the stabilizer solution into the mixed solution; a step of manufacturing a reductant solution; a step of conduct the reaction between the stabilizer mixed solution and the reductant solution; a step of manufacturing a catalyst by removing suspended materials and washing and drying residues; and a step of treating the catalyst with heat.

Description

안정제를 사용한 산소 환원 반응용 전극 촉매 제조방법{A process of preparing electrocatalysts for oxygen reduction reaction by using stabilizers}A process of preparing electrocatalysts for oxygen reduction reaction by using stabilizers

본 발명은 안정제를 사용하여 산소 환원 반응용 전극 촉매를 제조하는 방법에 관한 것이며, 구체적으로는 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)를 안정제로 사용한 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing an electrode catalyst for oxygen reduction reaction using a stabilizer, and more particularly, to a method for producing an electrode catalyst for oxygen reduction reaction using hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) as a stabilizer.

저온 양성자 교환막 연료전지(PEMFCs)에 있어 주된 연구 토픽 중 하나는 순수 Pt보다 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR) 활성이 우수한 Pt계 촉매를 개발하는 것이다. 전이금속 또는 기타 귀금속를 포함하는 Pt 합금 또는 코어-쉘 나노입자 및 나노튜브를 포함하는 나노구조가 조절된 촉매는 이러한 연구의 대표적인 예이다. 이러한 연구 결과에 의해 전자 전도성과 표면적과 같은 물리적 특성을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 산소 환원에 더욱 유리한 상태로 촉매의 전자 구조를 변화시킬 수 있게 된다.One of the main research topics for low temperature proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) is the development of Pt-based catalysts with better oxygen reduction reaction (ORR) activity than pure Pt. Pt alloys containing transition metals or other noble metals or nanostructure controlled catalysts comprising core-shell nanoparticles and nanotubes are representative examples of such studies. These findings not only control physical properties such as electron conductivity and surface area, but also change the electronic structure of the catalyst in a more favorable state for oxygen reduction.

촉매의 복잡한 나노구조에 대한 이러한 최근의 연구에 의해 ORR 활성에 큰 향상이 있었기는 했지만, 여전히 나노구조가 조절된 촉매를 상용화함에 있어 다양한 문제점이 존재한다. 예를 들어 제조 공정의 복잡성, 내구성, 막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA) 등이 그러한 문제점으로 열거될 수 있다. 이러한 점에서, 비록 제2 금속(M)이 PEMFC 운전 과정에서 흘러나오는(leaching) 문제로 인해 안정성이 위협받고 있기는 하지만, 차세대 촉매로서 순수한 Pt를 대체하는 Pt-M 합금 촉매가 더욱 효과적일 것으로 관측되고 있다.Although these recent studies of the complex nanostructures of catalysts have made significant improvements in ORR activity, there are still various problems in commercializing nanostructured catalysts. For example, the complexity of the manufacturing process, durability, membrane electrode assembly (MEA), and the like can be listed as such problems. In this regard, Pt-M alloy catalysts, which replace pure Pt as next-generation catalysts, will be more effective, although stability is threatened due to leaching problems of the second metal (M) during PEMFC operation. It is observed.

합금을 제조하기 위해 전이금속과 Pt를 동시에 환원시키는 경우, Pt와 전이 금속의 환원 포텐셜의 차이가 반응에 큰 영향을 미치게 된다. 예를 들어, 자주 사용되는 Pt 전구체 및 Co 전구체는 산화환원 포텐셜이 각각 0.735 V (vs. SHE, PtCl6 -2/Pt) 및 - 0.277 V (vs. SHE, Co2+/Co)인데, 이러한 환원 포텐셜의 큰 차이로 인해 Pt 이온이 우선적으로 Pt로 환원하게 되는 문제가 있다.When simultaneously reducing the transition metal and Pt to prepare an alloy, the difference in the reduction potential of Pt and the transition metal has a great effect on the reaction. For example, frequently used Pt precursors and Co precursors have redox potentials of 0.735 V (vs. SHE, PtCl 6 -2 / Pt) and -0.277 V (vs. SHE, Co 2+ / Co), respectively. Due to the large difference in the reduction potential, Pt ions preferentially reduce to Pt.

이러한 이유로 인해 직간접적으로 여전히 해결해야 하는 문제가 존재하는데, 큰 합금 입자 크기 또는 넓은 입자 크기 분포, 제조 과정에서 촉매 입자의 응집, 낮은 담체 분산량 또는 분산 균일성 등을 향상시켜야 하며, 이를 통해 궁극적으로 우수한 ORR 활성 및 전압-전류 특성을 보일 수 있게 된다.For this reason, there are still problems to be solved, directly or indirectly, such as large alloy particle size or wide particle size distribution, agglomeration of catalyst particles in the manufacturing process, low carrier dispersion amount or dispersion uniformity, and the like. As a result, excellent ORR activity and voltage-current characteristics can be exhibited.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 특히 Pt-Co/C 또는 Pt-Fe/C 전극 촉매의 제조 과정에 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)를 안정제로 사용하는 특징이 있는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법을 제공하고자 한다.In order to solve this problem of the prior art, the oxygen reduction reaction characterized by using hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) as a stabilizer, especially in the preparation of Pt-Co / C or Pt-Fe / C electrode catalyst The present invention provides a method for preparing an electrode catalyst.

본 발명의 여러 구현예에 따라 제조된 산소 환원 반응용 전극 촉매는 합금 입자 크기가 작고 합금 입자 크기 분포(distribution)가 좁고, 담체 분산량 및 담체 분산(dispersion) 균일성이 높으며, 온도로 인한 응집(agglomerization) 발생이 크게 저하되어, 결국 ORR 활성(질량 활성, mass activity) 및 전압-전류 특성(전류 밀도)이 우수한 효과를 보인다.The electrode catalyst for oxygen reduction reaction prepared according to various embodiments of the present invention has a small alloy particle size, a narrow alloy particle size distribution, a high carrier dispersion amount and a uniform carrier dispersion, and agglomeration due to temperature. The occurrence of (agglomerization) is greatly reduced, resulting in excellent effects of ORR activity (mass activity) and voltage-current characteristics (current density).

도 1은 사용된 안정제의 분자 구조를 보여준다. (a) SA, (b) TOAB, (c) OAM, (d) CTAB
도 2a는 안정제에 대한 TPR (temperature programed reduction) 분석 결과이다. (a) SA, (b) TOAB, (c) OAM, (d) CTAB
도 2b는 투입 기체(flow gas) 및 열처리 과정에서 안정제로부터 분해되었을 수 있는 기체에 대한 열전도도를 보여준다.
도 3a는 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 Pt3Cox/C 합금 전극 촉매의 ORR 분극(polarization) 커브이다. (a) SA, (b) TOAB, (c) OAM, (d) CTAB
도 3b는 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 Pt3Cox/C 합금 전극 촉매의 동적(kinetic) 전류 밀도 및 사용된 안정제의 양을 보여준다.
도 4는 상용의 40 중량% Pt/C 및 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 40 중량% Pt3Cox/C 합금 전극 촉매의 질량 활성(mass activity)를 보여준다. 각 안정제의 농도는 0.9 V에서 가장 높은 전류 밀도(geometric current density)에 기초하여 도 3a에서 선택하였다.
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 Pt3Cox/C 합금 전극 촉매의 TEM 사진이다. 좌측과 우측은 각각 열처리 전과 후의 합금 촉매 이미지이다. 각 시료의 합금 조성은 ICP-AAS 분석으로부터 얻어졌다.
도 6은 상용의 Pt/C 촉매 및 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 Pt3Cox/C 합금 촉매의 XRD 분석 결과이다. (a) 열처리 전, (b) 열처리 후. 입자 크기는 Scherrer 식을 이용하여 계산하였다.
도 7에서는 상용의 40 중량% Pt/C 및 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 40 중량% Pt3Cox/C 합금 전극 촉매에 있어 입자 크기 분포를 비교하였다.
도 8a는 (a) 상용의 Pt/C 촉매, (b) OAM, (c) CTAB, (d) TOAB의 존재 하에서 제조된 PtFe/C 촉매에 대한 TEM 사진이다.
도 8b는 (a) 열처리 전, (b) 열처리 후의 PtFe/C 촉매의 XRD 분석 결과이다.
도 8c는 상용의 Pt/C 촉매 및 OAM, CTAB, TOAB를 사용하여 제조된 PtFe/C 촉매에 있어 ORR에 대한 I-V 커브이다. 모든 PtFe/C 촉매는 열처리 후에 사용하였고, 전해질은 O2 포화 0.1 M HClO4 용액이며, 작동 전극은 1,600 rpm으로 회전시켰다.
도 8d는 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 PtFe/C 촉매의 TEM 사진이다. Pt 및 Fe 이온의 총 몰수의 (a) 1배, (b) 10배의 CTAB를 사용한 경우.
1 shows the molecular structure of the stabilizer used. (a) SA, (b) TOAB, (c) OAM, (d) CTAB
2A is a result of temperature programed reduction (TPR) analysis for a stabilizer. (a) SA, (b) TOAB, (c) OAM, (d) CTAB
Figure 2b shows the thermal conductivity of the flow gas and gas that may have been decomposed from the stabilizer during the heat treatment process.
3A is an ORR polarization curve of a Pt 3 Co x / C alloy electrode catalyst prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention. (a) SA, (b) TOAB, (c) OAM, (d) CTAB
FIG. 3B shows the kinetic current density and the amount of stabilizer used for the Pt 3 Co x / C alloy electrode catalysts prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention.
4 shows the mass activity of a commercial 40 wt% Pt / C and 40 wt% Pt 3 Co x / C alloy electrode catalyst prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention. The concentration of each stabilizer was chosen in FIG. 3A based on the highest geometric current density at 0.9 V.
5 is a TEM photograph of the Pt 3 Co x / C alloy electrode catalyst prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention. Left and right are alloy catalyst images before and after heat treatment, respectively. The alloy composition of each sample was obtained from ICP-AAS analysis.
6 is an XRD analysis result of a commercial Pt / C catalyst and a Pt 3 Co x / C alloy catalyst prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention. (a) before heat treatment, (b) after heat treatment. Particle size was calculated using the Scherrer equation.
In FIG. 7, particle size distributions of 40 wt% Pt / C and 40 wt% Pt 3 Co x / C alloy electrode catalysts prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention were compared.
8A is a TEM photograph of a PtFe / C catalyst prepared in the presence of (a) a commercial Pt / C catalyst, (b) OAM, (c) CTAB, and (d) TOAB.
8B shows the results of XRD analysis of the PtFe / C catalyst before (a) heat treatment and (b) heat treatment.
FIG. 8C is an IV curve for ORR for commercial Pt / C catalysts and PtFe / C catalysts prepared using OAM, CTAB, TOAB. All PtFe / C catalysts were used after heat treatment, the electrolyte was an O 2 saturated 0.1 M HClO 4 solution and the working electrode was rotated at 1600 rpm.
8d is a TEM photograph of the PtFe / C catalyst prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention. CTAB with (a) 1 times and (b) 10 times the total moles of Pt and Fe ions.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면은, 산소 환원 반응용 전극 촉매를 제조하는 방법으로서, 상기 전극 촉매는 Pt-Co/C 또는 Pt-Fe/C이고, 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)를 안정제로 사용하는 것에 특징이 있는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법에 관한 것이다.One aspect of the present invention is a method for preparing an electrode catalyst for oxygen reduction reaction, wherein the electrode catalyst is Pt-Co / C or Pt-Fe / C, and hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) is used as a stabilizer. It relates to a method for producing an electrode catalyst for oxygen reduction reaction characterized by.

이와 같이, CTAB를 안정제로 사용하는 경우에 특히 Pt-Co/C 또는 Pt-Fe/C 촉매에서 결과적으로 ORR 활성이 크게 향상되는 것을 확인하였다.Thus, it was confirmed that when the CTAB is used as a stabilizer, particularly, the ORR activity is greatly improved as a result of the Pt-Co / C or Pt-Fe / C catalyst.

일 구현예에 따르면, 상기 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법은 (a) 카본을 무수 에탄올 용매에 용해하여 카본 용액을 수득하는 단계, (b) 제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체를 무수 에탄올 용매에 용해하여 전구체 용액을 수득하는 단계, (c) 상기 카본 용액 및 상기 전구체 용액을 혼합하여 혼합 용액을 수득하는 단계, (d) 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)를 무수 에탄올 용매에 용해하여 안정제 용액을 제조하는 단계, (e) 상기 안정제 용액을 상기 혼합 용액에 첨가하여 안정제 혼합 용액을 수득하는 단계, (f) NaBH4를 무수 에탄올에 용해하여 환원제 용액을 제조하는 단계, (g) 상기 안정제 혼합 용액에 상기 환원제 용액을 첨가하여 반응을 수행하는 단계, (h) 상기 반응 후에 부유물을 제거하고 잔류물을 세척하여 건조하여 (제1 금속)-(제2 금속)/C 비처리 촉매를 제조하는 단계, (i) 상기 비처리 촉매를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법이 제공된다.According to one embodiment, the method for producing an electrode catalyst for the reduction reaction comprises the steps of (a) dissolving carbon in anhydrous ethanol solvent to obtain a carbon solution, (b) the first metal precursor and the second metal precursor anhydrous ethanol solvent Dissolving in to obtain a precursor solution, (c) mixing the carbon solution and the precursor solution to obtain a mixed solution, (d) hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) in anhydrous ethanol solvent to stabilizer solution (E) adding the stabilizer solution to the mixed solution to obtain a stabilizer mixed solution, (f) dissolving NaBH 4 in anhydrous ethanol to prepare a reducing agent solution, (g) mixing the stabilizer Performing the reaction by adding the reducing agent solution to the solution, (h) after the reaction, removing suspended solids and washing the residue to dry (first metal)-(second metal) / C Preparing a treated catalyst, (i) a method for producing an electrode catalyst for oxygen reduction reaction is provided it characterized in that it comprises the step of heat-treating the untreated catalyst.

다른 구현예에 따르면, 상기 제1 금속 전구체 및 상기 제2 금속 전구체는 각각 PtCl4 및 CoCl2·H2O이거나, 또는 상기 제1 금속 전구체 및 상기 제2 금속 전구체는 각각 PtCl4 및 FeCl3인 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법이 제공된다. 제1 금속 및 제2 금속의 전구체로서 상기 물질을 사용하지 않고 기타 다른 물질을 사용하는 경우에 최종 생성된 합금 입자의 입자 크기 분포가 크게 넓어질 수 있음을 확인하였다.According to another embodiment, the first metal precursor and the second metal precursor are PtCl 4 and CoCl 2 .H 2 O, respectively, or the first metal precursor and the second metal precursor are PtCl 4 and FeCl 3 , respectively. There is provided a method for producing an electrode catalyst for oxygen reduction reaction. It has been found that the particle size distribution of the resulting alloy particles can be greatly widened when other materials are used without using the material as precursors of the first and second metals.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 제1 금속 전구체 : 상기 제2 금속 전구체는 2.5-3.5 : 1 몰비로 상기 무수 에탄올 용매에 용해하여 상기 전구체 용액을 수득하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법이 제공된다. 본 발명에 있어서 제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체의 혼합비가 상기 범위를 벗어나는 경우에 열처리 단계에서 서로 응집하는 문제가 발생할 수 있음을 확인하였다.According to another embodiment, the first metal precursor: the second metal precursor is dissolved in the anhydrous ethanol solvent in a 2.5-3.5: 1 molar ratio to obtain the precursor solution of the electrode catalyst for oxygen reduction reaction A manufacturing method is provided. In the present invention, when the mixing ratio of the first metal precursor and the second metal precursor is out of the above range it was confirmed that the problem of aggregation with each other in the heat treatment step may occur.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 제1 금속 전구체 및 상기 제2 금속 전구체가 각각 PtCl4 및 CoCl2·H2O인 경우에는 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속의 총 몰수의 22-27배로 상기 CTAB 안정제를 상기 혼합 용액에 첨가하여 상기 안정제 혼합 용액을 수득하고, 상기 제1 금속 전구체 및 상기 제2 금속 전구체가 각각 PtCl4 및 FeCl3인 경우에는 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속의 총 몰수의 0.5-15배 또는 4-6배로 상기 CTAB 안정제를 상기 혼합 용액에 첨가하여 상기 안정제 혼합 용액을 수득하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법이 제공된다. 상기 각각의 경우에 CTAB 안정제를 상기 범위를 벗어나는 경우에 탄소 담체에 분산되는 양이 크게 낮아질 수 있음을 확인하였다.According to another embodiment, when the first metal precursor and the second metal precursor are PtCl 4 and CoCl 2 .H 2 O, respectively, 22-27 times the total moles of the first metal and the second metal. A CTAB stabilizer is added to the mixed solution to obtain the stabilizer mixed solution, and the total moles of the first metal and the second metal when the first metal precursor and the second metal precursor are PtCl 4 and FeCl 3 , respectively. Provided is a method for preparing an electrode catalyst for oxygen reduction reaction, wherein the CTAB stabilizer is added to the mixed solution at 0.5-15 times or 4-6 times to obtain the stabilizer mixed solution. In each of the above cases, it was found that the amount of the CTAB stabilizer dispersed in the carbon carrier can be significantly lowered.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 (e) 단계에서 상기 안정제 용액을 상기 혼합 용액에 액적으로 적하함으로써 첨가하여 상기 안정제 혼합 용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법이 제공된다. 이와 같이 안정제 용액을 혼합 용액에 액적으로 적하하지 않고 다량을 한꺼번에 첨가하는 경우에 촉매 입자가 담체에 균일하게 분산하지 않을 수 있음을 확인하였다.According to another embodiment, there is provided a method for producing an electrode catalyst for the oxygen reduction reaction, characterized in that in the step (e) to add the stabilizer solution by dropping the mixed solution to the mixed solution to prepare the stabilizer mixed solution. . As described above, it was confirmed that the catalyst particles may not be uniformly dispersed in the carrier when a large amount of the stabilizer solution was added dropwise to the mixed solution without dropping.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속의 총 몰수의 8-12배로 상기 NaBH4를 상기 무수 에탄올에 용해하여 상기 환원제 용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법이 제공된다. NaBH4 환원제의 사용량이 상기 범위를 벗어나는 경우에 합금 입자의 크기가 커지고 그 크기 분포도 넓어질 수 있음을 확인하였다.According to another embodiment, the electrode catalyst for the oxygen reduction reaction, characterized in that to dissolve the NaBH 4 in the anhydrous ethanol at 8-12 times the total moles of the first metal and the second metal. Provided is a method for preparing. When the amount of the NaBH 4 reducing agent is out of the above range it was confirmed that the size of the alloy particles can be increased and the size distribution can be widened.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 (i) 단계에서 상기 열처리는 240-260 ℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법이 제공된다. 열처리 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우에 제거되지 않은 안정제가 합금 촉매 표면에 잔류하거나 또는 ORR 활성이 저하할 수 있음을 확인하였다. According to another embodiment, in (i) the heat treatment is provided a method for producing an electrode catalyst for the oxygen reduction reaction, characterized in that performed at 240-260 ℃. It has been found that when the heat treatment temperature is out of the above range, the stabilizer which is not removed may remain on the alloy catalyst surface or the ORR activity may decrease.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 (i) 단계에서 상기 열처리는 아르곤과 수소의 혼합 기체 환경에서 수행되는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법이 제공된다. 열처리를 아르곤이나 수소 각각의 단독 기체 환경이거나 또는 다른 기체 환경에서 수행하는 경우 열처리 과정에서 합금 입자가 응집할 수 있음을 확인하였다.According to another embodiment, in (i) the heat treatment is provided a method for producing an electrode catalyst for the oxygen reduction reaction, characterized in that performed in a mixed gas environment of argon and hydrogen. It was confirmed that the alloy particles may aggregate during the heat treatment when the heat treatment is performed in a single gas environment of argon or hydrogen, or in a different gas environment.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 (i) 단계에서 상기 열처리는 상기 아르곤과 상기 수소가 18-21 : 1의 부피비로 구성된 혼합 기체의 환경에서 수행되는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법이 제공된다. 아르곤과 수소의 혼합비가 상기 범위를 벗어나는 환경에서 열처리를 수행하는 경우에 담체 분산량 및 담체 분산의 균일성이 열처리 과정에서 크게 저하될 수 있음을 확인하였다.According to another embodiment, in the step (i), the heat treatment is the production of the electrode catalyst for the oxygen reduction reaction, characterized in that the argon and the hydrogen is carried out in a mixed gas environment consisting of a volume ratio of 18-21: 1. A method is provided. When the heat treatment is performed in an environment in which the mixing ratio of argon and hydrogen is out of the above range, it was confirmed that the carrier dispersion amount and the carrier dispersion uniformity may be greatly reduced during the heat treatment process.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 제1 금속 전구체 및 상기 제2 금속 전구체는 각각 PtCl4 및 FeCl3이고, 상기 (g) 단계에서 상기 환원제 용액은 상기 안정제 혼합 용액에 실온 및 아르곤 환경에서 첨가함으로써 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법이 제공된다. 본 발명의 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따라 제조된 산소 환원 반응용 전극 촉매에 관한 것이다.According to another embodiment, the first metal precursor and the second metal precursor are PtCl 4 and FeCl 3 , respectively, and in step (g), the reducing agent solution is reacted by adding the stabilizer mixture solution at room temperature and in an argon environment. There is provided a method for producing an electrode catalyst for the oxygen reduction reaction, characterized in that to perform. Another aspect of the present invention relates to an electrode catalyst for an oxygen reduction reaction prepared according to various embodiments of the present invention.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 산소 환원 반응용 촉매는 평균 입자 크기가 2.7-2.9 nm이고, 촉매 조성이 Fe : Co = 4 : 1인 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 촉매가 제공된다.
According to another embodiment, the catalyst for oxygen reduction reaction is provided with an oxygen reduction reaction catalyst, characterized in that the average particle size is 2.7-2.9 nm, the catalyst composition is Fe: Co = 4: 1.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명에 대해서도 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the scope and content of the present invention can not be construed to be limited or limited by the following Examples. In addition, if it is based on the disclosure of the present invention including the following examples, it is obvious that a person skilled in the art can also easily implement the present invention that does not specifically present the experimental results.

실시예Example

제조예: 물질 및 시약Preparation Example: Substances and Reagents

금속 전구체는 소듐보로하이드라이드를 사용하여 예를 들어 소듐 아세테이트(SA, C2H3O2Na), 올레일아민(OAM, C18H37N), 테트라옥틸암모늄 브로마이드(TOAB, C32H68BrN), 또는 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB, C19H42BrN)를 각각 안정제로 사용하여 환원시켰다. 반응은 무수 에탄올 용매에서 수행하였으며, 나피온 용액 및 이소프로필 알코올을 사용하여 전기화학적 측정을 위한 촉매 잉크 용액을 제조하였다.Metal precursors can be prepared by using sodium borohydride, for example sodium acetate (SA, C 2 H 3 O 2 Na), oleylamine (OAM, C 18 H 37 N), tetraoctylammonium bromide (TOAB, C 32 H 68 BrN), or hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB, C 19 H 42 BrN), respectively, was used as a stabilizer to reduce. The reaction was carried out in anhydrous ethanol solvent and a catalyst ink solution for electrochemical measurement was prepared using Nafion solution and isopropyl alcohol.

실시예 1 및 비교예 1: 합금 전극 촉매 제조Example 1 and Comparative Example 1 Preparation of Alloy Electrode Catalyst

40 중량% Pt3Cox/C 합금 전극 촉매를 보로하이드라이드 환원법을 이용하여 아르곤 분위기에서 실온에서 제조하였다. 구체적으로 0.966 g의 카본을 80 mL 무수 에탄올 용매와 혼합하고 10 분간 소니케이션하였다. 0.03 mmol PtCl4 및 0.1 mmol CoCl2·H2O를 10 mL 무수 에탄올 용매에 용해하고, 10 분간 소니케이션하였다. 카본 용액 및 전구체 용액을 혼합하고 10 분간 교반하였다. 위 안정제 각각에 대해 Pt(IV) 및 Co(II)의 총 몰수의 10배, 15배, 20배, 25배의 4종류 양을 무수 에탄올 용매에 용해하고, 이를 위 혼합 용액에 액적으로 적하하였다. 그리고 나서 금속 이온의 총 몰수의 10배로 NaBH4를 10 mL 무수 에탄올에 용해하고 나서, 위 용액에 첨가하였다. 밤새 반응을 시킨 후, 부유물(suspension)을 최종 제거하고, 잔류물을 에탄올로 세척하고, 40 ℃ 진공 오븐에서 하루 동안 건조하였다. Pt-Co 촉매의 표면에 잔류하는 안정제를 제거하기 위해 250 ℃ 및 아르곤과 수소의 부피비 19 : 1의 혼합 기체 환경에서 2 시간 동안 열처리하였다.A 40 wt% Pt 3 Co x / C alloy electrode catalyst was prepared at room temperature in an argon atmosphere using borohydride reduction. Specifically, 0.966 g of carbon was mixed with 80 mL of anhydrous ethanol solvent and sonicated for 10 minutes. 0.03 mmol PtCl 4 and 0.1 mmol CoCl 2 H 2 O were dissolved in 10 mL anhydrous ethanol solvent and sonicated for 10 min. The carbon solution and the precursor solution were mixed and stirred for 10 minutes. For each of the gastric stabilizers, four kinds of amounts of 10 times, 15 times, 20 times, and 25 times the total moles of Pt (IV) and Co (II) were dissolved in anhydrous ethanol solvent and dropped into the gas mixture solution dropwise. . Then NaBH 4 was dissolved in 10 mL anhydrous ethanol at 10 times the total moles of metal ions and added to the stomach solution. After reacting overnight, the suspension was finally removed and the residue was washed with ethanol and dried for one day in a 40 ° C. vacuum oven. In order to remove the stabilizer remaining on the surface of the Pt-Co catalyst was heat-treated for 2 hours in a mixed gas environment of 250 ℃ and a volume ratio of argon and hydrogen 19: 1.

실시예 2 및 비교예 2: 합금 전극 촉매 제조Example 2 and Comparative Example 2: Alloy Electrode Catalyst Preparation

0.97 g의 카본을 80 mL 무수 에탄올 용매와 혼합하고 10 분간 소니케이션하였다. 0.3 mmol PtCl4 및 0.1 mmol FeCl3를 10 mL의 무수 에탄올에 용해하고 10 분간 소니케이션하였다. 카본 용액 및 전구체 용액을 혼합하고 10 분간 교반하였다. 위 안정제 각각에 대해 Pt 및 Fe의 총 몰수의 1배 또는 10배를 무수 에탄올 용매에 용해하고, 이를 위 혼합 용액에 액적으로 적하하였다. 그리고 나서 금속 이온의 총 몰수의 10배로 NaBH4를 10 mL 무수 에탄올에 용해하고 나서, 위 용액에 실온 및 아르곤 환경에서 첨가하였다. 밤새 반응을 시킨 후, 부유물(suspension)을 최종 제거하고, 잔류물을 에탄올로 세척하고, 40 ℃ 진공 오븐에서 하루 동안 건조하였다. Pt-Fe 촉매의 표면에 잔류하는 안정제를 제거하기 위해 250 ℃ 및 아르곤과 수소의 부피비 19 : 1의 혼합 기체 환경에서 2 시간 동안 열처리하였다.0.97 g of carbon was mixed with 80 mL anhydrous ethanol solvent and sonicated for 10 minutes. 0.3 mmol PtCl 4 and 0.1 mmol FeCl 3 were dissolved in 10 mL of absolute ethanol and sonicated for 10 minutes. The carbon solution and the precursor solution were mixed and stirred for 10 minutes. For each of the gastric stabilizers, one or ten times the total moles of Pt and Fe were dissolved in anhydrous ethanol solvent, which was added dropwise to the gastric mixture solution. NaBH 4 was then dissolved in 10 mL anhydrous ethanol at 10 times the total moles of metal ions, and then added to the solution at room temperature and argon. After reacting overnight, the suspension was finally removed and the residue was washed with ethanol and dried for one day in a 40 ° C. vacuum oven. In order to remove the stabilizer remaining on the surface of the Pt-Fe catalyst, heat treatment was performed at 250 ° C. for 2 hours in a mixed gas environment having a volume ratio of argon and hydrogen of 19: 1.

시험예: 측정방법Test Example: Measurement Method

XRD, TEM, ICP-AAS, ORR 활성, 전압-전류 특성 등은 International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011) 12088-12095에 상세히 기재되어 있는 방법에 의해 수행하였다.
XRD, TEM, ICP-AAS, ORR activity, voltage-current characteristics, etc. were performed by the methods described in detail in International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011) 12088-12095.

이하에서 제시되는 시험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
The test results presented below are only representative of the results of the above Examples and Comparative Examples, and the effects of each of the various embodiments of the present invention, which are not explicitly given below, are described in detail in the corresponding sections.

H2-열처리는 합성 과정 동안 형성되는 입자 표면의 산화물을 제거하는 효과도 가지기 때문에 본 발명의 일 구현예에서는 잔류 안정제를 제거하기 위해 수소 분위기 하에서의 열처리를 선택했다. 개별 안정제를 위한 최적의 열처리 온도를 확인하기 위해, TPR 실험을 수행하였고, 그 결과를 도 2a에 나타내었다. 열전도도 검출기(TCD)를 통해 투입 기체(flow gas)와 열처리 동안 생성된 기체 사이의 열 전도성의 차이를 모니터링할 수 있고, 이를 통해 안정제로부터 분해된 species의 확인과 해당 분해 온도의 확인이 가능하다. 열처리 동안 안정제 분해로부터 생성되었을 수 있는 가능한 기체의 열 전도성은 도 2b에 나타내었다. 열 응집 방지로 인해 낮은 열처리 온도에서 더 높은 촉매 활성이 관찰되었기 때문에, 본 발명의 일 구현예에서는 안정제의 분해가 발생하는 최저 온도를 선택하였다.Since H 2 -heat treatment also has the effect of removing oxides on the surface of particles formed during the synthesis process, in one embodiment of the present invention, heat treatment under hydrogen atmosphere was selected to remove residual stabilizers. In order to confirm the optimum heat treatment temperature for the individual stabilizers, TPR experiments were performed and the results are shown in FIG. 2A. The Thermal Conductivity Detector (TCD) allows you to monitor the difference in thermal conductivity between the flow gas and the gas produced during heat treatment, which allows you to identify the species degraded from the stabilizer and the corresponding decomposition temperature. . The thermal conductivity of possible gases that may have resulted from stabilizer decomposition during heat treatment is shown in FIG. 2B. Since higher catalytic activity was observed at low heat treatment temperatures due to thermal agglomeration prevention, one embodiment of the present invention chose the lowest temperature at which decomposition of the stabilizer occurs.

도 2a에 제시한 바와 같이, 투입 기체의 베이스라인 신호는 약 1 V를 나타낸다. 투입 기체의 열전도도보다 더 높은 열전도도를 가진 분해 기체의 생성과 함께 TCD 신호는 1 V보다 높으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 예를 들면, H2O와 CH4는 1 V보다 높은 TCD 신호를 발생시키고, NH3, CO2 및 Br2는 1 V보다 낮은 TCD 신호를 발생시킨다. 그러므로, 도 2a에 나타나 있는 100 ℃ 및 200-300 ℃ 주변의 신호는 샘플로부터 분해된 H2O와 CH4를 나타낸다. C2H3O2Na의 분자식을 가지는 SA (도 2a의 (a))의 경우 300-400 ℃에서의 작은 피크가 CO2의 생성을 나타낸다. 그러므로, SA-mediated Pt3Cox/C 합금 촉매의 초기 열처리 온도는 CH4 및 CO2의 생성물에서 SA를 제거하는 350 ℃로 결정하였다.As shown in FIG. 2A, the baseline signal of the input gas represents about 1V. The TCD signal is higher than 1 V and vice versa with the generation of cracked gases having a thermal conductivity higher than that of the input gas. For example, H 2 O and CH 4 generate TCD signals above 1 V, and NH 3 , CO 2 and Br 2 generate TCD signals below 1 V. Therefore, the signals around 100 ° C. and 200-300 ° C. shown in FIG. 2A represent H 2 O and CH 4 resolved from the sample. For SA with the molecular formula of C 2 H 3 O 2 Na (FIG. 2A (a)), a small peak at 300-400 ° C. indicates the production of CO 2 . Therefore, the initial heat treatment temperature of the SA-mediated Pt 3 Co x / C alloy catalyst was determined at 350 ° C. to remove SA from the products of CH 4 and CO 2 .

이후 촉매 잉크 용액 준비에서, 350 ℃에서 열처리된 촉매 가루는 아마도 촉매 표면에 부분적 SA 잔류 때문에 잘 분산되지 않은 것으로 관찰되었다. 그러나, 400 ℃까지 열처리 온도를 높인 경우에는 더 이상의 문제가 발견되지 않았다. 따라서, SA-mediated Pt3Cox/C 합금 촉매의 마지막 열처리 온도는 400 ℃로 선택하였다. 마찬가지로, OAM (도 2a의 (b))의 열처리 온도는 어떤 분산의 문제없이 OAM가 CH4, CO2, 및 NH3가 분해되는 350 ℃도로 선택하였다. TOAB (C32H68BrN)와 CTAB (C19H42BrN)의 경우, 안정제는 300 ℃까지 CH4, CO2, NH3, 및 Br2로 분해된다.Subsequently in the catalyst ink solution preparation, it was observed that the catalyst powder heat-treated at 350 ° C. was not well dispersed due to partial SA residue on the catalyst surface. However, no further problem was found when the heat treatment temperature was raised to 400 ° C. Therefore, the final heat treatment temperature of the SA-mediated Pt 3 Co x / C alloy catalyst was chosen to be 400 ° C. Similarly, the heat treatment temperature of OAM (FIG. 2A (b)) was chosen at 350 ° C. at which OAM decomposed CH 4 , CO 2 , and NH 3 without any dispersion problem. In the case of TOAB (C 32 H 68 BrN) and CTAB (C 19 H 42 BrN), the stabilizer decomposes into CH 4 , CO 2 , NH 3 , and Br 2 up to 300 ° C.

분산제가 분해되어 대부분의 기체가 250 ℃ 주변에서 발생한 점을 고려하여, 본 발명의 일 구현예에서는 300 ℃와 250 ℃에서 열처리된 촉매를 사용하여 잉크 용액을 만들었으며, 두 가지 경우 모두 분산에 문제가 없음을 확인하였다. 그러므로, 열처리로 인한 촉매의 불필요한 응집을 피하기 위해, TOAB- 및 CTAB-mediated 촉매의 열처리 온도는 250 ℃로 정하였다. 도 3a는 다양한 안정제와 함께 제조된 촉매의 ORR 활성을 보여준다. 모든 테스트는 열처리된 촉매로 실행하였다. 도면 범례의 수치는 금속 전구물질에 대하여 해당 안정제에 당량을 나타낸다. 도 3a에서 편광 커브는 전형적인 ORR 특성을 보여주는데, 즉 1.1 V vs. RHE에서 산소 환원 반응이 시작함을 보여준다. 커브는 전하 이동 제어 지역, 전하 이동-질량 이동 혼합 지역 및 마지막으로 질량 이동 제어 지역을 순차적으로 통과한다. In consideration of the fact that most of the gas is generated at around 250 ° C. due to decomposition of the dispersant, an embodiment of the present invention uses the catalyst heat-treated at 300 ° C. and 250 ° C. to form an ink solution. It was confirmed that there is no. Therefore, in order to avoid unnecessary agglomeration of the catalyst due to the heat treatment, the heat treatment temperature of the TOAB- and CTAB-mediated catalysts was set at 250 ° C. 3A shows the ORR activity of a catalyst prepared with various stabilizers. All tests were run with heat treated catalyst. Figures in the figure legend represent equivalents to the stabilizers relative to metal precursors. The polarization curves in FIG. 3A show typical ORR characteristics, ie 1.1 V vs. It shows that the oxygen reduction reaction starts in RHE. The curve passes sequentially through the charge transfer control zone, the charge transfer-mass transfer mixing zone, and finally the mass transfer control zone.

주로 촉매 활성을 나타내는 모든 샘플에 대한 0.9 V vs. RHE에서의 전류 밀도는, 도 3b에 요약되어 있다. 기준으로서, 상용 촉매는 0.9 V에서 1980 mA/cm2 의 기하학적 전류 밀도를 가지고 있다. SA-mediated Pt3Cox/C 합금 촉매의 경우, SA-10과 SA-15는 0.9 V에서 각각 2320과 2496 mA/cm2의 조금 더 높은 전류밀도를 보인다. SA의 양이 많아짐과 함께, 전류 밀도는 1533 (SA-20)과 1717 (SA-25) mA/cm2이 된다. 그러나, OAM-mediated Pt3Cox/C 합금 촉매의 경우, 모든 촉매가 전류 밀도가 상용 촉매의 전류 밀도보다 낮다. OAM-15 (1656 mA/cm2)의 경우에 최고의 활성이 관찰되었으나, 여전히 상업용 촉매보다 낮은 전류 밀도를 보였다. SA와 OAM의 경우와는 달리, TOAB 및 CTAB로 제조된 촉매는 대부분의 경우 더 좋은 활성을 보인다. TOAB-mediated Pt3Cox/C 촉매는 2557 mA/cm2 (TOAB-10), 3633 mA/cm2 (TOAB-15), 3475 mA/cm2 (TOAB-20) 및 2888 mA/cm2 (TOAB-25)의 전류 밀도를 가지며, 이는 상용 촉매보다 1.3-1.8배 더 높은 값이다.0.9 V vs. predominance for all samples showing predominantly catalytic activity. The current density in the RHE is summarized in FIG. 3B. As a reference, commercial catalysts have a geometric current density of 1980 mA / cm 2 at 0.9 V. For SA-mediated Pt 3 Co x / C alloy catalysts, SA-10 and SA-15 show slightly higher current densities of 2320 and 2496 mA / cm 2 at 0.9 V, respectively. As the amount of SA increases, the current densities become 1533 (SA-20) and 1717 (SA-25) mA / cm 2 . However, in the case of OAM-mediated Pt 3 Co x / C alloy catalysts, all catalysts have a current density lower than that of a commercial catalyst. The best activity was observed for OAM-15 (1656 mA / cm 2 ), but still showed lower current density than commercial catalysts. Unlike SA and OAM, catalysts made with TOAB and CTAB show better activity in most cases. TOAB-mediated Pt 3 Co x / C catalyst has 2557 mA / cm 2 (TOAB-10), 3633 mA / cm 2 (TOAB-15), 3475 mA / cm 2 (TOAB-20) and 2888 mA / cm 2 ( TOAB-25), which is 1.3-1.8 times higher than commercial catalysts.

CTAB 존재 하에서 제조된 촉매 또한 비슷한 거동을 보인다. 첨가된 CTAB의 양에 따라 전류 밀도는 1931 mA/cm2 (CTAB-10), 3131 mA/cm2 (CTAB-15), 2996 mA/cm2 (CTAB-20), 및 4167 mA/cm2 (CTAB-25)이 된다. 오직 CTAB-1만이 상용 촉매보다 약간 낮은 활성을 보인다. 특히, CTAB-25는 모든 테스트 촉매 중 상용 촉매보다 2.1배 더 높은 가장 높은 전류 밀도를 보인다.Catalysts prepared in the presence of CTAB also show similar behavior. Depending on the amount of CTAB added, the current densities were 1931 mA / cm 2 (CTAB-10), 3131 mA / cm 2 (CTAB-15), 2996 mA / cm 2 (CTAB-20), and 4167 mA / cm 2 ( CTAB-25). Only CTAB-1 shows slightly lower activity than commercial catalysts. In particular, CTAB-25 has the highest current density of 2.1 times higher than commercial catalysts of all test catalysts.

각 안정제의 경우 가장 높은 전류 밀도를 보여주는 촉매의 반파 전위 비교에서도 유사한 경향이 관찰되었다. CTAB-25 (0.92 V) ∼ TOAB-15 (0.92 V) > SA-15 (0.89 V) > commercial catalyst (0.88 V) > OAM-15 (0.87 V). 0.9 V에서 다섯 가지 촉매의 mass activities는 도 4에 나타내었다. mass activities는 도 3a에 나타난 결과로부터 계산되었고, 조성은 해당 샘플의 ICP-AAS 분석을 이용하여 분석하였다. mass activities는 기하학적인 전류 밀도와 매우 유사한 경향을 또한 보여준다. CTAB-25 (31.63 mA/mgPt) > TOAB- 15 (27.33 mA/mgPt) > SA-15 (17.49 mA/mgPt) > commercial (15.80 mA//mgPt) > OAM-15 (12.49 mA/mgPt). 위의 결과는 CTAB-25-mediated Pt3Cox/C 합금 촉매가 기하학적인 전류 밀도와 mass activity의 면에서 최상의 활성을 가짐을 보여준다. Similar trends were observed for half-wave potential comparisons of catalysts with the highest current densities for each stabilizer. CTAB-25 (0.92 V) to TOAB-15 (0.92 V)> SA-15 (0.89 V)> commercial catalyst (0.88 V)> OAM-15 (0.87 V). The mass activities of the five catalysts at 0.9 V are shown in FIG. 4. Mass activities were calculated from the results shown in Figure 3a, the composition was analyzed using ICP-AAS analysis of the sample. Mass activities also show a trend very similar to geometric current density. CTAB-25 (31.63 mA / mgPt)> TOAB-15 (27.33 mA / mgPt)> SA-15 (17.49 mA / mgPt)> commercial (15.80 mA // mgPt)> OAM-15 (12.49 mA / mgPt). The above results show that the CTAB-25-mediated Pt 3 Co x / C alloy catalyst has the best activity in terms of geometric current density and mass activity.

CTAB-mediated Pt3Cox/C 합금 촉매의 더 나은 활성의 기원을 확인하기 위해, 5가지 촉매에 대해 TEM 분석을 실시하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. TEM 이미지는 열처리 전과 후의 샘플로부터 얻었다. 15당량 SA-mediated Pt3Cox/C 촉매의 경우, 제조된 샘플은 작은 입자 크기를 가지고 있지만 국부적으로 응집 현상을 보였다. 열처리 후, 격렬한 입자의 성장이 발생했으며, 3-10 nm의 다양한 사이즈의 분포를 보였다. OAM를 이용하여 제조된 Pt3Cox/C는 SA-mediated 촉매보다 더 나은 분산성을 가진다. 입자 사이즈는 1-2 nm 정도이고 산발적인 응집이 관찰되었다. 열처리 후 입자 성장은 많은 장소에서 더욱 격렬해지고, 크기 분포는 1-12 nm의 범위로 더 넓어졌다. In order to confirm the origin of better activity of the CTAB-mediated Pt 3 Co x / C alloy catalyst, TEM analysis was performed on five catalysts, and the results are shown in FIG. 5. TEM images were obtained from samples before and after heat treatment. For the 15 equivalent SA-mediated Pt 3 Co x / C catalyst, the sample produced had a small particle size but showed local aggregation. After the heat treatment, violent particle growth occurred and showed a distribution of various sizes of 3-10 nm. Pt 3 Co x / C prepared using OAM has better dispersibility than SA-mediated catalyst. The particle size was about 1-2 nm and sporadic aggregation was observed. Particle growth after heat treatment became more intense in many places, and the size distribution was wider in the range of 1-12 nm.

TOAB 존재 하에 제조된 샘플의 표면 형태(morphology)는 SA의 경우와 유사하다. 열처리 후 5-10 nm 범위의 입자 크기의 큰 입자 성장이 다시 있었다. 가장 균일하고 잘 분산된 Pt3Cox/C은 CTAB에 의한 제조로부터 얻어진다. 열처리 후에도 2-3 nm의 비교적 균일한 사이즈로 촉매 입자가 탄소에 훨씬 잘 분산된다. The surface morphology of the samples prepared in the presence of TOAB is similar to that of SA. After the heat treatment there was again large grain growth with a particle size in the range of 5-10 nm. The most uniform and well dispersed Pt 3 Co x / C is obtained from preparation by CTAB. Even after the heat treatment, the catalyst particles are much more dispersed in carbon in a relatively uniform size of 2-3 nm.

합금 성분은 ICP-AAS로 분석하였고, 그 결과를 이미지 상단에 제공하였다. 대부분의 경우, Pt3Cox/C (x)에서의 Co의 조성은 합금(x < 1)에서 Co의 예상값보다 낮았다. 이것은 다양한 안정제를 첨가하더라도, Pt와 Co 이온 사이의 상당한 환원 포텐셜 차이에 기인한다. 안정제의 종류와 열처리에 따른 입자 크기와 합금 형성은 XRD로 추가 분석되었고, 그 결과는 도 6에 나타내었다. 각각의 안정제 샘플은 도 3a에 나와 있는 최상의 ORR 활성을 바탕으로 선택하였다. Alloying components were analyzed by ICP-AAS and the results provided at the top of the image. In most cases, the composition of Co in Pt 3 Co x / C (x) was lower than the expected value of Co in the alloy (x <1). This is due to the significant reduction potential difference between Pt and Co ions, even with the addition of various stabilizers. The particle size and alloy formation according to the type of stabilizer and heat treatment were further analyzed by XRD, and the results are shown in FIG. 6. Each stabilizer sample was selected based on the best ORR activity shown in FIG. 3A.

비교를 위하여, 상용 40 wt% Pt/ 촉매 또한 분석하여 도 6에 나타내었다. 2-theta값이 39.7°, 46.3°, 67.5° 및 81.2°에서 상용 촉매의 피크는 Pt (111), Pt (200), Pt (220), 및 Pt (311)의 전형적인 피크와 각각 일치한다. XRD 데이터로부터 계산된 입자 크기는 약 3.3 nm이다. Pt3Cox/C 촉매의 경우, 작은 크기의 Co 원자와의 합금에 의한 격자 수축 때문에 안정제의 종류와 상관없이 Pt (220) 피크가 높은 각도로 이동되었다. Pt (220) 피크 위치는 각각 69.12° (TOAB-15) > 69.10° (SA-15) > 68.74° (CTAB-25) ~ 68.73° (OAM-15)이다.For comparison, a commercial 40 wt% Pt / catalyst was also analyzed and shown in FIG. 6. At 2-theta values of 39.7 °, 46.3 °, 67.5 ° and 81.2 ° the peaks of the commercial catalysts correspond to the typical peaks of Pt (111), Pt (200), Pt (220), and Pt (311), respectively. The particle size calculated from the XRD data is about 3.3 nm. In the case of the Pt 3 Co x / C catalyst, the Pt 220 peak was shifted at a high angle regardless of the type of stabilizer because of the lattice shrinkage by the alloy with small Co atoms. Pt (220) peak positions are 69.12 ° (TOAB-15)> 69.10 ° (SA-15)> 68.74 ° (CTAB-25) to 68.73 ° (OAM-15), respectively.

모든 경우, Pt3Cox/C의 측정된 입자 크기는 상용 Pt/C 촉매보다 작으며, 그 순서는 상용 촉매 (3.3 nm) > SA-15 (2.7 nm) > TOAB-15 (2.5 nm) > OAM- 15 ~ CTAB-25 (2.2 nm)이다. 그러나 열처리 후(Fig. 6(b)), 입자의 대부분은 2.7에서 10.6 nm(SA-15), 2.2에서 7.6 nm(OAM-15), 및 2.5에서 5.0 nm(TOAB-15)로 크게 성장한다. 흥미롭게도, 비교적 약간의 입자 크기 증가가 CTAB-mediated Pt3Cox/C 촉매에서 관찰되었다(2.2에서 2.8 nm로 증가). 이것은 CTAB-mediated Pt3Cox/C 촉매의 상대적으로 낮은 열처리 온도에 주로 기인하는 것으로서, 이에 의해서 온도에 의해 유발되는 응집이 억제된다.In all cases, the measured particle size of Pt 3 Co x / C is smaller than the commercial Pt / C catalyst, in order of commercial catalyst (3.3 nm)> SA-15 (2.7 nm)> TOAB-15 (2.5 nm)> OAM-15 to CTAB-25 (2.2 nm). However, after heat treatment (Fig. 6 (b)), most of the particles grow largely from 2.7 to 10.6 nm (SA-15), 2.2 to 7.6 nm (OAM-15), and 2.5 to 5.0 nm (TOAB-15). . Interestingly, a relatively slight increase in particle size was observed with the CTAB-mediated Pt 3 Co x / C catalyst (increased from 2.2 to 2.8 nm). This is mainly due to the relatively low heat treatment temperature of the CTAB-mediated Pt 3 Co x / C catalyst, whereby temperature-induced aggregation is suppressed.

본 발명에서 열처리 후 2.8 nm의 입자 크기와 4:1 (Pt:Co)의 조성을 가지는 CTAB mediated Pt3Cox/C가 ORR에 대해 가장 높은 활성을 가짐을 확인하였다. ORR 결과와 TEM/XRD 분석을 바탕으로, 다양한 안정제 종류 중에서 CTAB는 the Pt3Cox/C합금 촉매 제조에 가장 적절하다고 결론을 내릴 수 있다. 본 발명에서는 상용 40 wt% Pt/C와 CTAB-mediated 40 wt% Pt3Cox/C 촉매 사이의 탄소에서의 입자 크기 분포와 분산을 비교하여, 도 7에 결과를 나타내었다. 상용 촉매의 경우(도 7(a)), 열처리 없이 입자 크기는 1 내지 5 nm 이상의 범위를 가지며, 2.5-3.5 nm에서 가장 높은 빈도를 보인다. 그러나, 열처리 후 CTAB-mediated Pt3Cox/C 촉매(도 7 (b))는 2.5 nm에서 가장 높은 빈도를 보이며 좁은 크기 분포를 보였으며, 도 6에 나타난 XRD 결과와 일치하는 결과를 보였다. 탄소 지지체 위의 Pt-Co 입자의 분산은 상업 Pt/C 촉매보다 더욱 균일하였다. 이러한 물리적 특징은 CTAB-mediated Pt3Cox/C 촉매의 강화된 ORR 활성에 또한 기여할 수 있다.In the present invention, it was confirmed that CTAB mediated Pt 3 Co x / C having a particle size of 2.8 nm and a composition of 4: 1 (Pt: Co) after heat treatment had the highest activity against ORR. Based on ORR results and TEM / XRD analysis, it can be concluded that, among the various stabilizer types, CTAB is most suitable for the preparation of the Pt 3 Co x / C alloy catalyst. In the present invention, the particle size distribution and dispersion at carbon between commercial 40 wt% Pt / C and CTAB-mediated 40 wt% Pt 3 Co x / C catalyst are compared, and the results are shown in FIG. 7. In the case of commercial catalysts (Fig. 7 (a)), the particle size ranges from 1 to 5 nm or more without heat treatment, showing the highest frequency at 2.5-3.5 nm. However, after heat treatment, the CTAB-mediated Pt 3 Co x / C catalyst (FIG. 7 (b)) had the highest frequency and narrow size distribution at 2.5 nm, which is consistent with the XRD results shown in FIG. The dispersion of Pt-Co particles on the carbon support was more uniform than commercial Pt / C catalysts. This physical feature may also contribute to the enhanced ORR activity of the CTAB-mediated Pt 3 Co x / C catalyst.

Claims (13)

산소 환원 반응용 전극 촉매를 제조하는 방법으로서, 상기 전극 촉매는 Pt-Co/C 또는 Pt-Fe/C이고, 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)를 안정제로 사용하는 것에 특징이 있는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법.A method of preparing an electrode catalyst for oxygen reduction reaction, wherein the electrode catalyst is Pt-Co / C or Pt-Fe / C, and is used for oxygen reduction reaction characterized by using hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) as a stabilizer. Method for producing an electrode catalyst. 제1항에 있어서, 상기 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법은
(a) 카본을 무수 에탄올 용매에 용해하여 카본 용액을 수득하는 단계,
(b) 제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체를 무수 에탄올 용매에 용해하여 전구체 용액을 수득하는 단계,
(c) 상기 카본 용액 및 상기 전구체 용액을 혼합하여 혼합 용액을 수득하는 단계,
(d) 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)를 무수 에탄올 용매에 용해하여 안정제 용액을 제조하는 단계,
(e) 상기 안정제 용액을 상기 혼합 용액에 첨가하여 안정제 혼합 용액을 수득하는 단계,
(f) NaBH4를 무수 에탄올에 용해하여 환원제 용액을 제조하는 단계,
(g) 상기 안정제 혼합 용액에 상기 환원제 용액을 첨가하여 반응을 수행하는 단계,
(h) 상기 반응 후에 부유물을 제거하고 잔류물을 세척하여 건조하여 (제1 금속)-(제2 금속)/C 비처리 촉매를 제조하는 단계,
(i) 상기 비처리 촉매를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the reduction electrode catalyst
(a) dissolving carbon in anhydrous ethanol solvent to obtain a carbon solution,
(b) dissolving the first metal precursor and the second metal precursor in anhydrous ethanol solvent to obtain a precursor solution,
(c) mixing the carbon solution and the precursor solution to obtain a mixed solution,
(d) dissolving hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) in anhydrous ethanol solvent to prepare a stabilizer solution,
(e) adding the stabilizer solution to the mixed solution to obtain a stabilizer mixed solution,
(f) dissolving NaBH 4 in anhydrous ethanol to prepare a reducing agent solution,
(g) performing the reaction by adding the reducing agent solution to the stabilizer mixed solution,
(h) removing the float after the reaction and washing the residue to dry to prepare a (first metal)-(second metal) / C untreated catalyst,
(i) a method of producing an electrode catalyst for an oxygen reduction reaction, comprising the step of heat treating the untreated catalyst.
제2항에 있어서, 상기 제1 금속 전구체 및 상기 제2 금속 전구체는 각각 PtCl4 및 CoCl2·H2O이거나,
또는 상기 제1 금속 전구체 및 상기 제2 금속 전구체는 각각 PtCl4 및 FeCl3인 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법.
The method of claim 2, wherein the first metal precursor and the second metal precursor are PtCl 4 and CoCl 2 · H 2 O, respectively,
Or the first metal precursor and the second metal precursor are PtCl 4 and FeCl 3 , respectively.
제3항에 있어서, 상기 제1 금속 전구체 : 상기 제2 금속 전구체는 2.5-3.5 : 1 몰비로 상기 무수 에탄올 용매에 용해하여 상기 전구체 용액을 수득하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법.The method of claim 3, wherein the first metal precursor: the second metal precursor is dissolved in the anhydrous ethanol solvent in a 2.5-3.5: 1 molar ratio to prepare the electrode catalyst for the oxygen reduction reaction, characterized in that to obtain the precursor solution. Way. 제4항에 있어서, 상기 제1 금속 전구체 및 상기 제2 금속 전구체가 각각 PtCl4 및 CoCl2·H2O인 경우에는 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속의 총 몰수의 22-27배로 상기 CTAB 안정제를 상기 혼합 용액에 첨가하여 상기 안정제 혼합 용액을 수득하고,
상기 제1 금속 전구체 및 상기 제2 금속 전구체가 각각 PtCl4 및 FeCl3인 경우에는 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속의 총 몰수의 0.5-15배로 상기 CTAB 안정제를 상기 혼합 용액에 첨가하여 상기 안정제 혼합 용액을 수득하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법.
The CTAB of claim 4, wherein the CTAB is 22-27 times the total moles of the first metal and the second metal when the first metal precursor and the second metal precursor are PtCl 4 and CoCl 2 .H 2 O, respectively. A stabilizer is added to the mixed solution to obtain the stabilizer mixed solution,
When the first metal precursor and the second metal precursor are PtCl 4 and FeCl 3 , respectively, the CTAB stabilizer is added to the mixed solution at 0.5-15 times the total moles of the first metal and the second metal. A method for producing an electrode catalyst for oxygen reduction reaction, characterized by obtaining a mixed solution.
제5항에 있어서, 상기 (e) 단계에서 상기 안정제 용액을 상기 혼합 용액에 액적으로 적하함으로써 첨가하여 상기 안정제 혼합 용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법.The method of claim 5, wherein in the step (e), the stabilizer solution is added by dropwise addition to the mixed solution to prepare the stabilizer mixed solution. 제6항에 있어서, 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속의 총 몰수의 8-12배로 상기 NaBH4를 상기 무수 에탄올에 용해하여 상기 환원제 용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법.The electrode catalyst for oxygen reduction reaction according to claim 6, wherein the NaBH 4 is dissolved in the anhydrous ethanol at 8-12 times the total moles of the first metal and the second metal. Manufacturing method. 제7항에 있어서, 상기 (i) 단계에서 상기 열처리는 240-260 ℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법.The method of claim 7, wherein the heat treatment in step (i) is performed at 240-260 ° C. 9. 제8항에 있어서, 상기 (i) 단계에서 상기 열처리는 아르곤과 수소의 혼합 기체 환경에서 수행되는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법.The method of claim 8, wherein the heat treatment in the step (i) is a method of producing an electrode catalyst for oxygen reduction reaction, characterized in that carried out in a mixed gas environment of argon and hydrogen. 제9항에 있어서, 상기 (i) 단계에서 상기 열처리는 상기 아르곤과 상기 수소가 18-21 : 1의 부피비로 구성된 혼합 기체의 환경에서 수행되는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법.The method of claim 9, wherein in the step (i), the heat treatment is performed in an environment of a mixed gas having argon and hydrogen in a volume ratio of 18-21: 1. . 제7항에 있어서, 상기 제1 금속 전구체 및 상기 제2 금속 전구체는 각각 PtCl4 및 FeCl3이고, 상기 (g) 단계에서 상기 환원제 용액은 상기 안정제 혼합 용액에 실온 및 아르곤 환경에서 첨가함으로써 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매의 제조방법.8. The method of claim 7, wherein the first metal precursor and the second metal precursor are PtCl 4 and FeCl 3 , respectively, and in step (g), the reducing agent solution is reacted by adding the stabilizer mixture solution at room temperature and in an argon environment. Method for producing an electrode catalyst for the oxygen reduction reaction, characterized in that carried out. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 전극 촉매.An electrode catalyst for an oxygen reduction reaction, according to any one of claims 1 to 11. 제12항에 있어서, 상기 산소 환원 반응용 촉매는 평균 입자 크기가 2.7-2.9 nm이고, 촉매 조성이 Fe : Co = 4 : 1인 것을 특징으로 하는 산소 환원 반응용 촉매.The catalyst for oxygen reduction reaction according to claim 12, wherein the catalyst for oxygen reduction reaction has an average particle size of 2.7-2.9 nm and a catalyst composition of Fe: Co = 4: 1.
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