KR20140046662A - Fabrication method of mixed metal oxide electrode for alkaline water electrolysis system - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a manufacturing method of a mixed metal oxide electrode, which comprises a step of preparing an electrode substrate, a step of manufacturing a coating solution by mixing iridium (Ir) chloride, ruthenium (Ru) chloride and tantalum (Ta) chloride with organic solvent, and a step of applying and heat-treating the coating solution on the substrate; and a mixed metal oxide electrode manufactured thereby. The mixed metal oxide electrode according to the present invention can be used as an anode electrode for alkaline electrolysis helpfully by having excellent electrochemical properties due to addition of safety against electrochemical reaction and stability against alkali through tantalum (Ta) oxide, as well as having excellent catalytic function of ruthenium (Ru) oxide and iridium (Ir) oxide under an oxygen generation reacting condition in the strong alkali condition.

Description

알칼리 수 전해용 금속 혼합 산화물 전극의 제조방법 {Fabrication Method of Mixed Metal Oxide Electrode for Alkaline Water Electrolysis System}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a mixed metal oxide electrode for alkaline water electrolysis,

본 발명은 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 탄탈륨(Ta) 산화물을 포함하는 금속 혼합 산화물 전극의 제조방법 및 상기 방법을 통해 제조된 금속 혼합 산화물 전극에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a metal mixed oxide electrode comprising ruthenium (Ru), iridium (Ir) and tantalum (Ta) oxides, and a metal mixed oxide electrode produced by the method.

최근, 화석연료소비에 따른 이산화탄소 배출량 증가 및 원유가격의 급격한 변동 등으로 인하여 석유 및 석탄을 주 에너지원으로 하는 사회에서 친환경적인 에너지를 지향하는 사회로의 변화 움직임이 나타나고 있다. 이러한 에너지원 중 수소를 연료로 사용할 경우 연소 시 극소량의 NOx를 제외하고는 공해물질이 생성 되지 않기 때문에 현재 화석 에너지가 갖고 있는 환경오염 문제를 해결 할 수 있다. In recent years, due to the increase in carbon dioxide emissions due to fossil fuel consumption and the rapid change of crude oil prices, there has been a move toward a society that uses petroleum and coal as its main energy source and is oriented toward environmentally friendly energy. When hydrogen is used as a fuel among these energy sources, the pollution problem of present fossil energy can be solved because no pollutant is generated except a very small amount of NOx in combustion.

비 화석 연료로부터 수소를 제조하는 기술로써 지금까지 가장 잘 알려져 있고, 실용화된 기술은 물 전기분해가 유일하다. 물 전기분해는 가장 간단하면서도 신뢰성이 높고 대량생산이 용이하며, 고순도의 수소를 얻을 수 있다. 현재 물 분해에 필요한 과전압을 낮추고 단위면적당 가격이 싼 DSA(dimensional stable anode) 전극이 물 분해 애노드 전극으로 주로 활용되고 있으며, 니켈 류의 금속물질이 캐소드 전극으로 활용되고 있다. Hydrogen is produced from non-fossil fuels by far the most well known and most practiced technology is water electrolysis. Water electrolysis is the simplest but highly reliable, mass-producible and highly pure hydrogen. Currently, DSA (Dimensional Stable Anode) electrodes, which are low in overvoltage necessary for water decomposition and low in cost per unit area, are mainly used as water decomposition anode electrodes, and nickel metal materials are utilized as cathode electrodes.

알칼리 수 전해 시스템에서 일어나는 반응식은 반응식 1과 같다.The reaction formula in the alkaline water electrolysis system is as shown in Scheme 1.

<반응식 1><Reaction Scheme 1>

산화극(애노드) : 2OH-

Figure pat00001
O2 + H2O + 2e- Anode (anode): 2OH -
Figure pat00001
O 2 + H 2 O + 2e -

환원극(캐소드) : 2H+2e- → H2 Reduction pole (cathode): 2H + 2e - ? H 2

전체반응 : H2O → H2 +

Figure pat00002
O2 V = 1.23 V (vs. RHE)
Overall reaction: H2O → H2 +
Figure pat00002
O2 V = 1.23 V (vs. RHE)

상기 알칼리 수 전해 시스템에서, 애노드의 전극물질은 전지의 과전압 감소, 시스템의 안정성 및 효율 증대와 같은 기능을 수행한다. 그러나 현재 상용화 되고 있는 DSA 전극을 이용하는 시스템의 경우 가격대비 과전압이 높아서 에너지 효율의 측면에서 좋지 못하다. 이런 단점을 극복하기 위해서는 낮은 과전압, 높은 효율을 가지는 DSA 전극의 개발이 중요한 요소 중 하나가 된다. In the alkaline water electrolytic system, the electrode material of the anode performs functions such as reduction of the overvoltage of the battery, stability of the system and increase of efficiency. However, in the case of a system using a DSA electrode that is currently in commercial use, the over-voltage is high in terms of energy efficiency. To overcome these disadvantages, development of low overvoltage, high efficiency DSA electrodes is one of the important factors.

보다 구체적으로, 알칼리 수 전해의 애노드 전극의 경우에는 전기분해 반응 시 산화물을 이루는 금속물질이 가지는 산화가의 변화 때문에 전극의 안정성이 떨어지고, 최종적으로 전극 구성물질의 화학적인 변화가 발생한다. 이를 극복하기 위해 산소발생반응에서 가장 성능이 높은 물질인 루테늄(Ru) 산화물에 일정비율의 이리듐(Ir) 산화물을 혼합해 주게 되면 그 안정성이 높아질 뿐만 아니라 특정비율을 가지는 전극제작 시 오히려 활성도 증가하는 경향을 보이게 된다. (ex. N. mamaca, Applied Catalysis B : Environmental 111-112(2012) 376-380) 덧붙여서 공유할 수 있는 충분한 전자를 포함한 전이금속 산화물을 추가해주게 되면 혼합 산화물간의 충분한 전자전달이 용이해져 반응에 참여하는 루테늄(Ru) 산화물과 이리듐(Ir) 산화물의 안정성을 더욱 증대시킬 수 있다. More specifically, in the case of the anode electrode of the alkaline aqueous electrolysis, the stability of the electrode is deteriorated due to the change of oxidation of the metal material constituting the oxide in the electrolysis reaction, and finally chemical change of the electrode constituting material occurs. In order to overcome this problem, when a certain proportion of iridium (Ir) oxide is mixed with ruthenium (Ru) oxide, which is the highest performance substance in the oxygen generating reaction, not only the stability is enhanced but also the activity is increased . In addition, the addition of a transition metal oxide containing enough electrons that can be shared facilitates sufficient electron transfer between the mixed oxides, thereby contributing to the reaction (see, eg, N. Mamaca, Applied Catalysis B: Environmental 111-112 (2012) 376-380) The stability of ruthenium (Ru) oxide and iridium (Ir) oxide can be further increased.

한편, 탄탈륨(Ta)은 전자산업에서 축전지 물질로 많이 이용되고 있는데 효율이 아주 높은 유전 산화물층을 형성할 수 있다. 또한 사람의 체액등에 반응하지 않고 우수한 내식 및 내 화학적 특성을 가진 덕분에 외과용 수술 부품 등으로도 많이 사용되고 있다. On the other hand, tantalum (Ta) is widely used as a battery material in the electronics industry and can form a highly efficient dielectric oxide layer. In addition, it has been widely used for surgical surgical parts and the like because of its excellent corrosion resistance and chemical resistance without reacting to human body fluids.

따라서, 본 발명은 루테늄(Ru) 산화물과 이리듐(Ir) 산화물에 적합한 전이금속을 추가하여 제조한, 낮은 과전압, 높은 효율을 갖는 알칼리 수전해 애노드용 금속 혼합 산화물 전극 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. Accordingly, the present invention is to provide a metal mixed oxide electrode for an alkali electrolytic anode having low overvoltage and high efficiency, which is prepared by adding a transition metal suitable for ruthenium (Ru) oxide and iridium (Ir) .

상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 In order to solve the above problems,

전극 기판을 준비하는 단계; 루테늄(Ru) 염화물, 이리듐(Ir) 염화물 및 탄탈륨(Ta) 염화물을 유기용제와 혼합하여 코팅액을 제조하는 단계; 및 상기 코팅액을 기판에 도포 및 열처리하는 단계를 포함하는 금속 혼합 산화물 전극의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 금속 혼합 산화물 전극을 제공한다. Preparing an electrode substrate; Preparing a coating solution by mixing ruthenium (Ru) chloride, iridium (Ir) chloride, and tantalum (Ta) chloride with an organic solvent; And coating and heat-treating the coating liquid on a substrate, and a metal mixed oxide electrode produced by the method.

본 발명에 따른 금속 혼합 산화물 전극은 강염기 조건에서의 산소발생반응 조건시 루테늄(Ru) 산화물, 이리듐(Ir) 산화물의 우수한 촉매능을 가질 뿐만 아니라 탄탈륨(Ta) 산화물에 의한 알칼리에 대한 안정성 및 전기화학반응에 따른 안정성이 부가되어 우수한 전기화학적 특성을 보이는 바, 알칼리 수 전해용 애노드 전극으로 유용하게 사용될 수 있다. The metal mixed oxide electrode according to the present invention not only has excellent catalytic performance of ruthenium (Ru) oxide and iridium (Ir) oxide in the oxygen generating reaction condition under strong base conditions, but also has stability against alkali by tantalum (Ta) And exhibits excellent electrochemical characteristics due to the addition of stability due to chemical reaction. Therefore, it can be usefully used as an anode for alkaline water electrolysis.

도 1은 실험예 1에 대한 X-선 회절분석 결과 그래프이다. 도 1a는 주석 산화물이 포함된 비교예에 대한 실험 결과이며, 도 1b는 탄탈륨 산화물이 포함된 본 발명의 실시예에 대한 실험 결과이다.
도 2는 실험예 2에 대한 XPS 결과그래프이다.
도 3은 실험예 3에 대한 주사전자현미경 분석 결과 사진이다. 도 3a는 주석 산화물이 포함된 비교예에 대한 사진이며, 도 3b는 탄탈륨 산화물이 포함된 본 발명의 실시예에 대한 사진이다.
1 is a graph of X-ray diffraction analysis results for Experimental Example 1. FIG. FIG. 1A shows experimental results for a comparative example including tin oxide, and FIG. 1B shows experimental results for an embodiment of the present invention including tantalum oxide.
2 is a graph of XPS results for Experimental Example 2.
3 is a photograph of a result of SEM analysis for Experimental Example 3. FIG. 3A is a photograph of a comparative example including tin oxide, and FIG. 3B is a photograph of an embodiment of the present invention including tantalum oxide. FIG.

본 발명은 전극 기판을 준비하는 단계; 루테늄(Ru) 염화물, 이리듐(Ir) 염화물 및 탄탈륨(Ta) 염화물을 유기용제와 혼합하여 코팅액을 제조하는 단계; 및 상기 코팅액을 기판에 도포 및 열처리하는 단계를 포함하는 금속 혼합 산화물 전극의 제조방법을 제공한다. The present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: preparing an electrode substrate; Preparing a coating solution by mixing ruthenium (Ru) chloride, iridium (Ir) chloride, and tantalum (Ta) chloride with an organic solvent; And coating and heat-treating the coating solution on a substrate.

본 발명의 발명자들은, 알칼리 수 전해용 전극의 산소발생 특성을 향상시키기 위하여 관련 물질들을 연구하던 중, 루테늄(Ru) 산화물과 이리듐(Ir) 산화물에 적정량의 탄탈륨(Ta) 을 추가했을 때 알칼리 전해질 내의 산소발생과 관련된 전극의 활성이 향상되는 사실을 확인하였으며, 가장 우수한 전기화학적 특성을 보이는 루테늄(Ru) 산화물, 이리듐(Ir) 산화물 및 탄탈륨(Ta) 산화물의 몰 비율을 최적화한 후 본 발명을 완성하였다. The inventors of the present invention have been studying the related materials to improve the oxygen generating characteristics of the electrode for alkaline water electrolysis when an appropriate amount of tantalum (Ta) is added to ruthenium (Ru) oxide and iridium (Ir) (Ir) oxide and tantalum (Ta) oxide, which exhibit the best electrochemical characteristics, are optimized, and then the present invention is applied to Completed.

본 발명에서 사용한 탄탈륨(Ta) 산화물의 경우, 알칼리 전해질에 대한 안정성이 높고, 공유할 수 있는 풍부한 외곽전자를 가지므로 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 혼합 산화물에 첨가시 전극의 활성과 안정성에 있어 큰 장점을 가지며, 루테늄(Ru), 이리듐(Ir)에 비해 가격이 저렴해 경제성 또한 우수하다. In the case of tantalum (Ta) oxide used in the present invention, since it has high stability to alkaline electrolytes and has a large number of external electrons that can be shared, it is possible to improve the activity and stability of the electrode when it is added to ruthenium (Ru) It is also economical because it is cheaper than ruthenium (Ru) and iridium (Ir).

본 발명의 한 구체예에서, 상기 전극 기판의 소재로는 비산화성, 비부식성을 가지며 전기전도성이 있는 물질을 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 금, 백금 또는 티타늄일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 티타늄을 사용할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the material of the electrode substrate may be a non-oxidizing material, a non-corrosive material, and an electrically conductive material. More specifically, it may be gold, platinum, or titanium. More specifically, Can be used.

본 발명의 다른 구체예에서, 상기 전극 기판은 티타늄이며, 표면에 미세 요철이 형성되어 있을 수 있다. In another embodiment of the present invention, the electrode substrate is made of titanium, and fine irregularities may be formed on the surface thereof.

보다 구체적으로, 티타늄 기판을 준비하는 단계; 및 상기 기판을 산에 침지시켜 가열 후 세척하는 단계를 통해 기판 표면에 미세 요철을 형성할 수 있다. More specifically, preparing a titanium substrate; And a step of immersing the substrate in an acid and heating and washing the substrate, fine irregularities can be formed on the surface of the substrate.

본 발명의 일실시예에서, 상기 산은 염산 및 옥살릭산을 순차적으로 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로, 염산 수용액에서 1 내지 10분간 기판을 침지시켜 가열하며, 이후 세척 후 옥살릭산 수용액에 15 내지 30분간 기판을 침지시켜 가열하는 공정이 수행될 수 있다. 상기 과정을 통해 기판 표면에 요철이 형성되어 표면적이 증가되는 바, 이후 코팅액 도포 과정에서 금속 산화물 전구체 물질과의 상호작용이 용이하게 이루어질 수 있다. In one embodiment of the present invention, the acid may be hydrochloric acid and oxalic acid sequentially. More specifically, the substrate is immersed in an aqueous hydrochloric acid solution for 1 to 10 minutes to be heated. After washing, the substrate is immersed in oxalic acid aqueous solution for 15 to 30 minutes A step of immersing the substrate and heating it may be performed. As a result, the surface of the substrate is increased, and the interaction with the metal oxide precursor material can be facilitated during the coating process.

본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 코팅액 제조시의 유기용제로는, 아세톤, 에틸아세테이트, 에테르, 클로로포름, 펜탄, 헥산, 헵탄, 노난, 데칸, 벤젠, 톨루엔, 자이렌, 탄소수 1 내지 6의 알코올이 이에 해당할 수 있으며, 보다 구체적으로는 이소프로필알콜 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. In another embodiment of the present invention, examples of the organic solvent for preparing the coating liquid include acetone, ethyl acetate, ether, chloroform, pentane, hexane, heptane, nonane, decane, benzene, toluene, xylene, The alcohol may be, and more specifically, isopropyl alcohol, but is not limited thereto.

본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 코팅액 제조시 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 탄탈륨(Ta)의 몰 비율은 1 : (1.5-2.5) : (1-2.5) 일 수 있으며, 보다 구체적으로는 1 : (1.7-2.3) : (1-2.5), 1 : 2 : (1-2.5), 또는 1 : 2 : 2.5 일 수 있다. In another embodiment of the present invention, the molar ratio of ruthenium (Ru), iridium (Ir), and tantalum (Ta) may be 1 :( 1.5-2.5) :( 1-2.5) Can be 1: (1.7-2.3): (1-2.5), 1: 2: (1-2.5), or 1: 2: 2.5.

유기용제 상에서 상기 몰 비율로 혼합된 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 탄탈륨(Ta) 염화물은 이후 도포 및 열처리 공정을 통해 전극 기판 상에 코팅된다. The ruthenium (Ru), iridium (Ir) and tantalum (Ta) chlorides mixed in the molar ratio on the organic solvent are coated on the electrode substrate through a coating and heat treatment process.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 도포 및 열처리 단계는 7 내지 15회 반복될 수 있으며, 반복 공정을 통해 코팅 층의 박리를 방지할 수 있다. 코팅 횟수가 15회 이상인 경우 기판 표면의 산화물 층이 두꺼워져 전기전도도가 낮아져 높은 전압이 요구될 수 있으며, 7회 미만이면 코팅층이 충분히 형성되지 않아 전기분해시 코팅 모재로 사용된 전극 기판으로부터 코팅층이 박리될 수 있다. 보다 구체적으로, 루테늄(Ru) 및 이리듐(Ir) 금속의 무게 합이 약 1mg/cm2 이 되도록 조절하며 상기 반복 횟수를 조절하는 것이 바람직하다. In one embodiment of the present invention, the coating and heat treatment steps can be repeated 7 to 15 times, and the peeling of the coating layer can be prevented by repeating. If the number of coatings is more than 15 times, the oxide layer on the surface of the substrate becomes thicker, the electric conductivity may be lowered and a higher voltage may be required. If the number of coatings is less than 7 times, the coating layer is not sufficiently formed. It can be peeled off. More specifically, the ruthenium (Ru), and iridium (Ir) the weight sum of the metal of about 1mg / cm 2 And the number of repetition times is adjusted.

본 발명의 다른 구체예에서, 상기 도포는 스프레이 분사를 통해 수행될 수 있으며, 상기 열처리는 300 내지 400℃의 온도에서 3 내지 20분 또는 5 내지 15분간 수행될 수 있다. In another embodiment of the present invention, the application can be carried out through spraying, and the heat treatment can be carried out at a temperature of 300 to 400 DEG C for 3 to 20 minutes or 5 to 15 minutes.

상기 스프레이 분사 코팅은 에어리스 스프레이 방식으로 직접 압력을 가하여 구경이 작은 노즐을 통하여 상기 코팅액을 전극 기판에 분무하여 도포하는 기술로, 이는 코팅액이 기판에서 튀어 나오는 비율을 최소화할 수 있는 도포 공정에 해당한다. The spray coating is a technique of directly spraying the coating solution onto an electrode substrate through a nozzle having a small diameter by applying direct pressure by an airless spray method, which corresponds to a coating process capable of minimizing the rate at which the coating liquid is ejected from the substrate .

본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 도포 및 열처리하는 단계의 반복공정 후, 400 내지 500℃의 온도에서 30 내지 100분 동안 소결하는 단계가 추가로 수행될 수 있다. 상기 소결 공정을 통해 금속 염화물이 산화물로 치환될 수 있다.
In another embodiment of the present invention, the step of sintering at a temperature of 400 to 500 DEG C for 30 to 100 minutes may be further performed after the repeated step of the application and heat treatment. The metal chloride may be replaced with an oxide through the sintering process.

또한 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된, 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 탄탈륨(Ta)을 1 : (1.5-2.5) : (1-2.5) 의 몰 비율로 함유하는 금속 혼합 산화물 전극을 제공한다. 이하의 실시예에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 금속 혼합 산화물 전극은 강염기 조건에서의 산소발생반응 조건시 낮은 과전압, 높은 효율을 갖는 바, 알칼리 수 전해용 애노드 전극으로 유용하게 사용될 수 있다.
The present invention also provides a metal mixed oxide electrode comprising ruthenium (Ru), iridium (Ir), and tantalum (Ta) in a molar ratio of 1: (1.5-2.5) :( 1-2.5) to provide. As can be seen from the following examples, the metal mixed oxide electrode has low overvoltage and high efficiency under the oxygen generating reaction condition under strong base conditions, and thus can be usefully used as an anode for alkaline water electrolysis.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples. However, the following examples are intended to illustrate the contents of the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the following examples. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art.

<< 제조예Manufacturing example 1> 알칼리 수 전해용  1> Alkaline electrolytic solution 애노드Anode (( anodeanode ) 전극의 제조) Preparation of electrode

단계 1: Step 1: TiTi 기판 전처리 Substrate pretreatment

전극으로 이용할 원형의 Ti 기판(r=1.4cm)를 준비하였다. 증류수 1000ml를 비커에 담고, 기포가 발생할 정도로 끓여주며, 충분히 끓고 있을 때 준비한 Ti 기판을 넣고 30분 동안 유지시켰다. IPA(iso propanol)는 1000ml 비커에 담고 충분히 가열해서 끓여주고, 앞선 과정을 통해 세척한 Ti 기판을 넣고 30분간 유지시킨다. 본 과정에서 IPA가 끓으면서 증류수로 제거하지 못한 유기물 입자들을 제거해줄 수 있다.A round Ti substrate (r = 1.4 cm) to be used as an electrode was prepared. 1000 ml of distilled water was placed in a beaker, boiled to such an extent that bubbles were generated, and the Ti substrate prepared when boiling was sufficiently added was kept for 30 minutes. Add IPA (iso propanol) in a 1000 ml beaker, boil it thoroughly, and keep the Ti substrate washed for 30 minutes. In this process, IPA boils and removes organic particles that have not been removed by distilled water.

그 후 20wt% 염산과 10wt% 옥살릭 산을 비커에 담고 기포가 생길 정도로 온도를 올려주며, 20wt% 염산에 Ti 기판을 넣고 5분 동안 화학반응을 유도하고 증류수로 한 번 세척한 이 후 다시 옥살릭 산으로 화학반응을 유도하였다. Then, 20 wt% hydrochloric acid and 10 wt% oxalic acid were added to the beaker, and the temperature was raised to such an extent that the bubbles were formed. The Ti substrate was immersed in 20 wt% hydrochloric acid and the chemical reaction was induced for 5 minutes. After washing with distilled water, The chemical reaction was induced by salic acid.

이 때 염산 처리중 염산이 연한 보라색으로 변하는 것을 확인할 수 있는데 이를 통해 표면의 금속이 소량 녹아 나오는 것을 확인 할 수 있으며, 불균일한 표면이 균일하고 거칠게 바뀌는 것을 확인할 수 있다. 또한 옥살릭 산에 20분 처리 후 옥살릭 산이 갈색으로 변하는 것을 확인할 수 있는데 이는 표면이 에칭되면서 표면의 금속이 이온으로 바뀌는 현상에 기인한다. 상기 산 처리 과정을 통해 Ti 기판 표면이 더욱 거칠게 바뀌어 표면적 증가를 유도하기 때문에 이후 코팅 시 전구체 물질과의 상호작용을 용이하게 할 수 있다.At this time, it can be confirmed that the hydrochloric acid is changed into light purple during the hydrochloric acid treatment, and it is confirmed that a small amount of metal on the surface is melted and the uneven surface is changed uniformly and roughly. It is also confirmed that oxalic acid turns brown after 20 minutes treatment with oxalic acid, which is caused by the phenomenon that the metal on the surface is changed into ions while the surface is etched. Since the surface of the Ti substrate is further roughened by the acid treatment to induce an increase in the surface area, it is possible to facilitate the interaction with the precursor material in the subsequent coating.

산 처리가 끝난 기판은 증류수를 이용해서 깨끗하게 닦아준 후 초음파 세척기를 이용해 30분간 세척하였다. 최종적으로 증류수를 이용해 여러 번 깨끗하게 닦아주고, 80℃의 건조기에서 건조시켜, 전처리된 Ti 기판을 제조하였다.
The acid-treated substrate was cleaned with distilled water and cleaned using an ultrasonic cleaner for 30 minutes. Finally, it was cleaned several times with distilled water and dried in a dryer at 80 ° C to prepare a pretreated Ti substrate.

단계 2: 전구체 용액 제조Step 2: Preparation of precursor solution

0.519g RuCl3?xH2O, 0.746g IrCl3?xH2O, 0.896g TaCl5, 0.876g SnCl4?5H2O 을 정량 해서 각각 100ml 비커에 넣고, 50ml IPA(iso-propanol)를 첨가하였다. 비교예로 탄탈륨 염화물 대신 주석 염화물(SnCl4?5H2O)을 사용하였다. 0.519 g of RuCl 3 ? XH 2 O, 0.746 g of IrCl 3 ? X H 2 O, 0.896 g of TaCl 5 and 0.876 g of SnCl 4 ? 5H 2 O were weighed into a 100 ml beaker, and 50 ml of IPA (iso-propanol) . As a comparative example, tin chloride (SnCl 4 ? 5H 2 O) was used instead of tantalum chloride.

IPA의 휘발성에 의해 용액의 손실이 없도록 비커를 밀폐시키고 자력 교반기를 이용해서 6시간 이상 혼합하였다. 이후에 루테늄(Ru)과 이리듐(Ir) 의 비율을 1:1, 1:2로 고정시키고, 이에 탄탈륨(Ta) 또는 주석(Sn)의 몰 비율을 루테늄(Ru)대비 0 내지 2의 범위 내에서 0.5 간격으로 증가시켰다. 각 혼합 용액의 부피는 10ml로 하고, 몰 농도가 0.05M로 동일 하므로 목표 몰 비율만큼 각 용액의 부피를 정량해서 혼합하였다. 균일한 혼합을 위해 초음파 교반법을 이용하며, 온도는 30~40℃를 유지하고 1시간 동안 교반하였다.The beaker was sealed in order to avoid loss of solution due to the volatility of IPA and mixed for 6 hours or more using a magnetic stirrer. Thereafter, the ratio of ruthenium (Ru) to iridium (Ir) is fixed at 1: 1 and 1: 2, and the molar ratio of tantalum (Ta) or tin (Sn) At 0.5 intervals. The volume of each mixed solution was adjusted to 10 ml, and since the molar concentration was equal to 0.05 M, the volumes of the respective solutions were mixed by the target molar ratio and mixed. For uniform mixing, ultrasonic agitation was used, and the mixture was stirred at 30 to 40 ° C for 1 hour.

본 발명의 각 실시예 및 비교예 별 상기 전구체 용액의 혼합 비율을 이하의 표 1에 나타내었다. The mixing ratios of the precursor solutions according to Examples and Comparative Examples of the present invention are shown in Table 1 below.

전극번호Electrode number 첨가원소(mol,%)Added element (mol,%) 코팅회수Coating count 코팅양(Oxide)
mg/cm2
Coating amount (Oxide)
mg / cm 2
RuRu IrIr SnSn TaTa 1One 100100 00 00 00 1010 1.25~1.351.25 to 1.35 22 00 100100 00 00 1010 1.1~1.21.1 to 1.2 33 5050 5050 00 00 1010 1.05~1.151.05 to 1.15 44 3333 6767 00 00 1010 1.00~1.101.00 ~ 1.10 55 4040 4040 00 2020 1010 1.55~1.651.55 to 1.65 66 3333 3333 00 3333 1010 1.90~2.001.90 to 2.00 77 28.528.5 28.528.5 00 4343 1010 2.30~2.402.30 ~ 2.40 88 2525 2525 00 5050 1010 2.70~2.802.70 ~ 2.80 99 28.528.5 4343 00 14.514.5 1010 1.35~1.451.35 to 1.45 1010 2525 5050 00 2525 1010 1.60~1.701.60 to 1.70 1111 2222 44.544.5 00 33.533.5 1010 1.80~1.901.80 to 1.90 1212 2020 4040 00 4040 1010 2.05~2.152.05-2.15 1313 18.218.2 36.436.4 00 45.445.4 1010 2.30~2.402.30 ~ 2.40 1414 16.716.7 33.333.3 00 5050 1010 2.50~2.602.50 to 2.60 1515 28.528.5 4343 14.514.5 00 1010 1.35~1.451.35 to 1.45 1616 2525 5050 2525 00 1010 1.50~1.601.50 to 1.60 1717 2222 44.544.5 33.533.5 00 1010 1.65~1.751.65 to 1.75 1818 2020 4040 4040 00 1010 1.80~1.901.80 to 1.90

단계 3: 기판에 스프레이 코팅 후 열처리Step 3: Heat treatment after spray coating on the substrate

상기 단계 2의 혼합 금속 전구체 용액을 코팅 전에 다시 한 번 10분간 초음파 교반을 시켜 준 후 혼합 용액을 에어건에 주입하고 80℃로 예열된 상기 단계 1의 전처리된 Ti 기판에 고르게 뿌려주면서, 350℃의 온도에서 10분간 반복적인 열처리를 실시하였다. 총 코팅 회수는 10번이며, 이때 직경 6.158cm2인 Ti 플레이트에 루테늄(Ru) 및 이리듐(Ir)금속의 합의 무게가 1mg/cm2이 되도록 코팅 양을 조절하였다. 모든 과정이 끝나면 최종적으로 450℃의 온도에서 1시간 동안 소결하여 염화물을 산화물로 치환하고, 공냉 이후에 80℃에서 다시 건조시켜 최종 전극 생산을 완료하였다.
The mixed metal precursor solution of step 2 was again ultrasonically stirred for 10 minutes before coating, and then the mixed solution was injected into an air gun and evenly sprayed on the pretreated Ti substrate of step 1 preheated to 80 ° C, Heat treatment was repeatedly performed at a temperature for 10 minutes. The total number of the coating is 10 times, wherein the diameter of 6.158cm 2 was adjusted to a coating amount of the ruthenium (Ru), and iridium (Ir) agreed weight of the metal on a Ti plate such that the 1mg / cm 2. After the completion of all the steps, the final sintering was performed at 450 ° C for 1 hour to replace the chloride with oxide, and the resultant was dried again at 80 ° C after air cooling to complete the final electrode production.

<< 실험예Experimental Example 1> X-선  1> X-ray 회절분석Diffraction analysis

상기 제조예에 따라 제조된 금속 혼합 산화물 전극의 성분을 확인하기 위하여, 상기 전극을 2θ (25˚ ~ 70˚) 영역에서 X-선 회절분석기를 이용하여 분석하고 그 결과를 도 1에 나타내었다. In order to confirm the components of the metal mixed oxide electrode manufactured according to the above preparation example, the electrode was analyzed by using an X-ray diffractometer in 2? (25? 70) region, and the results are shown in FIG.

도 1a의 위에서 아래 순서로, 표 1의 전극번호 15, 16, 17, 18번 전극이며, 1A and 1B are electrode numbers 15, 16, 17 and 18 in Table 1,

도 1b의 위에서 아래 순서로, 표 1의 전극번호 10, 11, 12, 13번 전극에 대한 그래프이다. 1B is a graph of the electrode numbers 10, 11, 12, and 13 of Table 1 in the order from top to bottom.

도 1을 참조하면, 2θ 값이 28˚, 36˚, 54˚에서 RuO2, IrO2 피크가 관찰되었고, 2θ 값이 41˚, 55˚에서 TiO2(Rutile) 피크가 나타났다. 특히 도 1a를 참조하면, 2θ 값이 39˚, 54˚, 57.5˚ 에서 SnO2 피크가 관찰되었으며, 도 1b를 참조하면, 57.5˚에서 Ta2O5 피크가 관찰됨을 알 수 있었다. 이를 통해 상기 제조예 1의 단계 3에서 금속 혼합 산화물 전극이 제조된 것을 확인하였다.
Referring to FIG. 1, RuO 2 and IrO 2 peaks were observed at 2θ values of 28 °, 36 ° and 54 °, and TiO 2 (Rutile) peaks at 2θ values of 41 ° and 55 °. In particular, referring to FIG. 1A, SnO 2 peaks were observed at 2θ values of 39 °, 54 ° and 57.5 °. Referring to FIG. 1b, Ta 2 O 5 peaks were observed at 57.5 °. As a result, it was confirmed that the metal mixed oxide electrode was produced in Step 3 of Preparation Example 1.

<< 실험예Experimental Example 2>  2> XPSXPS (X-(X- rayray photoelectronphotoelectron spectroscopyspectroscopy )분석)analysis

상기 제조예에서 제조된 금속 혼합 산화물 전극의 성분 중 Ta2O5의 존재를 확인하기 위하여, 추가적으로 XPS분석을 실시하였다. 상기 표 1의 금속 혼합 산화물 13번 전극을 XPS를 통해 분석하고 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2를 참조하면, 결합 에너지 30 내지 25 eV 범위 내에 Ta4f 피크가 존재하는바, 이를 통해 Ta2O5가 존재함을 확인할 수 있었다.
In order to confirm the presence of Ta 2 O 5 among the components of the metal mixed oxide electrode prepared in the above production example, XPS analysis was further performed. The electrode 13 of the metal mixed oxide of Table 1 was analyzed by XPS and the results are shown in FIG. Referring to FIG. 2, there is a Ta4f peak within the binding energy range of 30 to 25 eV, which indicates that Ta 2 O 5 is present.

<< 실험예Experimental Example 3> 주사전자현미경 분석 3> Scanning electron microscope analysis

상기 제조예에서 제조된 금속 혼합 산화물 전극의 구조를 관찰하기 위해서, 주사전자 현미경(S-4300SE)을 통해 상기 금속 혼합 산화물 전극의 구조를 관찰하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. The structure of the metal mixed oxide electrode was observed through a scanning electron microscope (S-4300SE) in order to observe the structure of the metal mixed oxide electrode manufactured in the above production example, and the result is shown in FIG.

도 3에 나타난 바와 같이, 상기 제조예에서 제조된 금속 혼합 산화물 전극의 표면은 mud-crack 형태를 띄고 있으며, 다양한 형태의 나노 입자들이 형성된 것을 확인할 수 있다. 한편, 도 3a의 주석이 포함된 표 1의 15번 전극보다, 도 3b의 탄탈륨이 포함된 표 1의 13번 전극의 경우, 보다 나노입자의 크기가 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있었다.
As shown in FIG. 3, the surface of the metal mixed oxide electrode prepared in the above production example has a mud-crack shape and various types of nanoparticles are formed. On the other hand, in the case of the electrode No. 13 in Table 1 including tantalum in FIG. 3B, the size of the nanoparticles was more uniform than the electrode No. 15 in Table 1 including the tin in FIG.

<< 실험예Experimental Example 4> 산소발생 반응에 대한 특성 분석 4> Characterization of oxygen generation reaction

1. One. LSVLSV 분석 analysis

상기 제조예에서 형성된 전극의 산소발생 반응에 따른 특성 평가를 위해 전극을 압축셀에 설치하고, 이를 포함하는 삼 전극 시스템을 구성한 뒤 LSV(Linear sweep voltammetry)를 측정하였다. In order to evaluate the characteristics of the electrode formed in the above production example according to the oxygen generation reaction, an electrode was installed in a compression cell, and a three-electrode system including the electrode was constructed and then a linear sweep voltammetry (LSV) was measured.

강염기 조건에서의 산소발생반응 특성을 측정하기 위해 1M KOH를 전해질로 이용하고 기준전극은 염화은전극, 상대전극은 백금선을 사용하였다. LSV는 주사속도 1mV/sec, 범위는 -1V~2V이다. 이 때 과전압 수치를 비교하기 위해 각각 100mA/cm2, 200mA/cm2, 300mA/cm2에서의 전극 과전압을 측정하였다. 표 1에 따른 각 실험 전극별 분석 데이터를 이하의 표 2에 나타내었다.
1M KOH was used as the electrolyte to measure the oxygen generation reaction characteristics under the strong base condition, and the reference electrode was a silver chloride electrode and the counter electrode was a platinum wire. The LSV has a scanning speed of 1 mV / sec and a range of -1V to 2V. At this time, the electrode over-voltage in each of 100mA / cm 2, 200mA / cm 2, 300mA / cm 2 was measured to compare the voltage levels. Analysis data for each experimental electrode according to Table 1 is shown in Table 2 below.

2. 2. EISEIS 분석 analysis

상기 제조예에서 형성된 전극의 산소발생 반응에 따른 특성 평가를 위해, 상기 LSV 분석과 동일한 전기화학 시스템 구성을 통해 EIS(Electrochemical Impedance spectroscopy)를 측정하였다. 이 때 산소발생 반응이 충분히 일어나는 0.6V를 기준으로 한 정전압 방법으로 EIS를 수행하였으며, Rct(charge transfer resistance)를 이하의 표 2에 나타내었다. Electrochemical Impedance spectroscopy (EIS) was measured through the same electrochemical system configuration as the LSV analysis in order to evaluate the characteristics of the electrode formed in the above production example according to the oxygen generation reaction. At this time, EIS was performed by a constant voltage method based on 0.6 V at which sufficient oxygen generation reaction occurred, and R ct (charge transfer resistance) is shown in Table 2 below.

전극번호Electrode number 첨가원소(mol,%)Added element (mol,%) 실험예4-1Experimental Example 4-1 실험예4-2Experimental Example 4-2 RuRu IrIr SnSn TaTa 과전압(mV)Overvoltage (mV) Rct(ohm)
CV전
R ct (ohm)
CV I
Rct(ohm)
CV후
R ct (ohm)
After CV
100
mA/cm2
100
mA / cm 2
200
mA/cm2
200
mA / cm 2
300
mA/cm2
300
mA / cm 2
1One 100100 00 00 00 0.5830.583 0.8650.865 1.1111.111 1.1271.127 1.7781.778 22 00 100100 00 00 0.6210.621 0.8270.827 1.0061.006 2.5102.510 2.6982.698 33 5050 5050 00 00 0.5350.535 0.7210.721 0.8760.876 0.5730.573 1.3891.389 44 3333 6767 00 00 0.540.54 0.7210.721 0.8720.872 0.5400.540 1.3141.314 55 4040 4040 00 2020 0.5140.514 0.6790.679 0.8430.843 1.1741.174 1.0271.027 66 3333 3333 00 3333 0.4940.494 0.6760.676 0.8260.826 1.4861.486 0.7610.761 77 28.528.5 28.528.5 00 4343 0.4750.475 0.6440.644 0.8180.818 1.0431.043 0.6350.635 88 2525 2525 00 5050 0.4770.477 0.6380.638 0.7980.798 0.6370.637 0.6780.678 99 28.628.6 57.157.1 00 14.314.3 0.5400.540 0.7040.704 0.8590.859 1.0321.032 1.1721.172 1010 2525 5050 00 2525 0.4820.482 0.6500.650 0.8040.804 0.8680.868 0.5600.560 1111 2222 44.544.5 00 33.533.5 0.4720.472 0.6340.634 0.7790.779 1.2341.234 0.3210.321 1212 2020 4040 00 4040 0.4600.460 0.6280.628 0.7580.758 0.8960.896 0.4240.424 1313 18.218.2 36.436.4 00 45.445.4 0.4400.440 0.6200.620 0.7800.780 1.2221.222 0.4720.472 1414 16.716.7 33.333.3 00 5050 0.4860.486 0.6720.672 0.8370.837 1.1431.143 0.6100.610 1515 28.628.6 57.157.1 14.314.3 00 0.5450.545 0.7390.739 0.9040.904 1.1381.138 1.3471.347 1616 2525 5050 2525 00 0.5470.547 0.7510.751 0.9150.915 1.2081.208 1.4721.472 1717 2222 44.544.5 33.533.5 00 0.5780.578 0.7670.767 0.9360.936 1.3221.322 1.5631.563 1818 2020 4040 4040 00 0.5880.588 0.7860.786 0.9620.962 1.3681.368 1.9101.910

표 2를 참조하면, 주석의 경우, Ru:Ir=1:2의 비를 가지는 전극에 추가했을 때(전극번호 15, 16, 17, 18) CV전후(전기화학반응(oxygen evolution reaction) 전후)의 저항값이 모두 증가한 것을 알 수 있었다. Referring to Table 2, before and after the CV (before and after the oxygen evolution reaction) when adding to the electrode having the ratio of Ru: Ir = 1: 2 in the case of tin (electrode Nos. 15, 16, 17, The resistance values of all of the samples were increased.

또한, 실험예 4에 따른 활성 데이터 결과에 따르면, 100, 200, 300 mA/cm2 일 때 모두 Ru:Ir=1:2 인 경우(전극번호 4)보다 좋지 못한 결과를 보임을 알 수 있었다. Further, according to the activity data according to the result of Experimental Example 4, 100, 200, 300 mA / cm 2 (Electrode No. 4) in the case of Ru: Ir = 1: 2 in all cases.

반면, 탄탈륨의 경우, Ru:Ir=1:2의 비를 가지는 전극에 추가했을 때 활성이 증가함을 확인할 수 있었으며, 특히 Ru:Ir:Ta=1:2:(1~2.5) 의 비율인 경우(전극번호 10, 11, 12, 13) 효과가 가장 우수함을 알 수 있었다 On the other hand, in the case of tantalum, the activity was increased when added to the electrode having the ratio of Ru: Ir = 1: 2. In particular, the ratio of Ru: Ir: Ta = 1: 2: (1 to 2.5) (Electrode Nos. 10, 11, 12, and 13) were most effective

따라서, Ru과 Ir을 적절하게 섞고 주석을 넣게 되면 알칼리 수 전해 조건에서 활성이 오히려 떨어지며, 탄탈륨을 섞게 되면 활성이 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 추가적으로 전기화학적인 반응을 진행하게 되면(Cyclic Voltammetry) 주석을 넣은 경우 Rct가 더욱 증가하며, 탄탈륨은 오히려 Rct 값이 떨어진다는 사실로 미루어 보아 탄탈륨이 포함된 전극이 알칼리 수전해 조건에서 activation(활성화)된다는 사실을 확인 할 수 있었다.
Therefore, when Ru and Ir are appropriately mixed and added with tin, the activity is lowered under the alkaline electrolytic condition, and when the tantalum is mixed, the activity is increased. Further, when the electrochemical reaction proceeds (cyclic voltammetry) , It was confirmed that the electrode containing tantalum was activated under the alkaline electrolytic condition due to the fact that the Rct was further increased and the tantalum had a lower Rct value.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that such detail is solved by the person skilled in the art without departing from the scope of the invention. will be. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (10)

전극 기판을 준비하는 단계;
루테늄(Ru) 염화물, 이리듐(Ir) 염화물 및 탄탈륨(Ta) 염화물을 유기용제와 혼합하여 코팅액을 제조하는 단계; 및
상기 코팅액을 기판에 도포 및 열처리하는 단계를 포함하는 금속 혼합 산화물 전극의 제조방법.
Preparing an electrode substrate;
Preparing a coating solution by mixing ruthenium (Ru) chloride, iridium (Ir) chloride, and tantalum (Ta) chloride with an organic solvent; And
Method of manufacturing a metal mixed oxide electrode comprising the step of applying and coating the coating solution on a substrate.
제1항에 있어서,
상기 전극 기판은 티타늄인 것인 금속 혼합 산화물 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
Wherein the electrode substrate is made of titanium.
제1항에 있어서,
상기 전극 기판을 준비하는 단계는
티타늄 기판을 준비하는 단계; 및
상기 기판을 산에 침지시켜 가열 후 세척하는 단계를 포함하며, 이를 통해 기판 표면에 미세 요철을 형성하는 것인 금속 혼합 산화물 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
The step of preparing the electrode substrate
Preparing a titanium substrate; And
Immersing the substrate in an acid, and heating and then washing the substrate to form micro concavities and convexities on the surface of the substrate.
제1항에 있어서,
상기 유기용제는 이소프로필알콜인 것인 금속 혼합 산화물 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
Wherein the organic solvent is isopropyl alcohol.
제1항에 있어서,
코팅액 제조시 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 탄탈륨(Ta)의 몰 비율은 1 : (1.5-2.5) : (1-2.5) 인 것인 금속 혼합 산화물 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
A method of manufacturing a metal mixed oxide electrode in which the molar ratio of ruthenium (Ru), iridium (Ir) and tantalum (Ta) in the preparation of the coating solution is 1: 1.5.5-2.5: 1-2.5.
제1항에 있어서,
상기 도포 및 열처리 단계는 7 내지 15회 반복되는 것인 금속 혼합 산화물 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
Wherein the coating and heat treatment steps are repeated 7 to 15 times.
제1항에 있어서,
상기 도포는 스프레이 분사를 통해 수행되는 것인 금속 혼합 산화물 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
Wherein the application is carried out through spraying.
제1항에 있어서,
상기 열처리는 300 내지 400℃의 온도에서 3 내지 20분간 수행되는 것인 금속 혼합 산화물 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
Wherein the heat treatment is performed at a temperature of 300 to 400 DEG C for 3 to 20 minutes.
제1항에 있어서,
도포 및 열처리하는 단계 후,
400 내지 500℃의 온도에서 30 내지 100분 동안 소결하는 단계를 추가로 포함하는 금속 혼합 산화물 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
After the step of application and heat treatment,
And sintering at a temperature of 400 to 500 DEG C for 30 to 100 minutes.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 탄탈륨(Ta)을 1 : (1.5-2.5) : (1-2.5) 의 몰 비율로 함유하는 금속 혼합 산화물 전극.
A ruthenium (Ru), iridium (Ir) and tantalum (Ta) prepared by the method according to any one of claims 1 to 9, containing a molar ratio of 1: (1.5-2.5): (1-2.5). Metal mixed oxide electrode.
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