KR20140126209A - Method for preparing Pt catalyst, the Pt catalyst for oxygen reduction reaction prepared therefrom, and PEMFC including the Pt catalyst - Google Patents

Method for preparing Pt catalyst, the Pt catalyst for oxygen reduction reaction prepared therefrom, and PEMFC including the Pt catalyst Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a method for preparing a platinum catalyst, a platinum catalyst for oxygen reduction reaction prepared using the same, and a proton exchange membrane fuel cell including a platinum catalyst. More specifically, the method includes the steps of: dispersing a carbon carrier in element aqueous solution to prepare a carbon carrier dispersing solution; injecting platinum salts into the carbon carrier dispersing solution to form a platinum hydration complex compound and carrying the platinum hydration complex compound by the carbon carrier; and irradiating gamma rays to the platinum hydration complex compound to reduce platinum cation in the platinum hydration complex compound and forming a platinum cluster. When compared to the method for synthesizing a platinum catalyst of conventional technology, the method according to the present invention is capable of synthesizing smaller and more uniform nanoparticles and achieving more excellent dispersion, thereby providing a platinum catalyst having more excellent activity and stability for the oxygen reduction reaction. In particular, the platinum catalyst can be prepared in bulk enough to be commercially used by simple and eco-friendly processes.

Description

백금촉매의 제조방법, 이에 의해서 제조된 산소환원반응용 백금촉매 및 이를 포함하는 양성자 교환막 연료전지 {Method for preparing Pt catalyst, the Pt catalyst for oxygen reduction reaction prepared therefrom, and PEMFC including the Pt catalyst}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a platinum catalyst for oxygen reduction and a proton exchange membrane fuel cell comprising the same, and a proton exchange membrane fuel cell comprising the same,

본 발명은 양성자 교환막 연료전지에 사용되는 산소환원반응용 백금촉매의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a platinum catalyst for an oxygen reduction reaction used in a proton exchange membrane fuel cell.

양성자 교환막 연료전지(PEMFC)는 가장 앞선 연료전지 기술로 받아들여지고 있으며, 높은 전력밀도, 비교적 빠른 구동, 다양한 부하에 대한 빠른 응답, 비교적 낮은 작동온도 등의 장점으로 인해 저공해/무공해 전기자동차, 가정용 발전기, 소형 휴대용 전자기기의 전원 등을 포함한 다양한 분야에서 미래의 에너지원으로서 기대를 모으고 있다. 그러나, PEMFC는 귀금속 (백금) 촉매의 비싼 가격과 느린 산소 환원반응 (ORR) 속도로 인한 낮은 온도에서의 과전압 발생 등으로 인해서 대규모 상용화에 제약을 받고 있다. PEMFC의 전극 구성은 매우 중요한데, 귀금속의 사용을 낮추거나 입자크기를 줄임으로써 촉매 이용효율을 높이는 방향으로 연구가 진행되어 왔다.Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are accepted as the most advanced fuel cell technology, and due to their high power density, relatively fast drive, fast response to various loads, and relatively low operating temperatures, low-pollution / pollution-free electric vehicles, , Power for small portable electronic devices, and the like. However, PEMFCs are constrained in large-scale commercialization due to the high cost of noble metal (platinum) catalysts and the occurrence of overvoltage at low temperatures due to slow oxygen reduction (ORR) rates. The electrode structure of the PEMFC is very important. Research has been carried out to improve the efficiency of the catalyst utilization by lowering the use of noble metals or reducing the particle size.

촉매 이용효율을 높이기 위해 탄소 지지체를 이용하는 것은 촉매 내 귀금속 사용량을 줄이면서 활성 표면적을 증가시켜 촉매활성을 높이는데 있어 매우 효과적임이 확인되었고, 탄소 지지체로는 기존에 사용 중인 카본 블랙 뿐만 아니라 카본나노튜브, 카본나노파이버, 그래핀, 메조세공 탄소가 이용된다. 또 계층형 다중 구조 탄소 구조체로 메조세공 외곽을 가진 중공형 메조세공 탄소 (HCMSC: hollow core mesoporous shell carbon)는 큰 표면적 및 넓은 메조세공 부피, 그리고 높은 전기전도도의 특징을 보이고 있어 금속촉매입자의 반응면적을 넓히고 전극 내의 저항을 최소화하여 촉매의 활성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 금속 담지량이 큰 백금 담지촉매를 사용하여 촉매와 확산층의 두께를 줄임으로써 연료전지의 분극저항을 줄이는 방법이 널리 제안되고 있다. 그러나, 금속 담지량이 높은 경우 합성 과정에서 백금 나노입자 (NP)가 응집할 수 있으므로, 작은 크기의 백금 나노입자가 탄소 지지체 상에 균일하게 분산되도록 하는 것이 중요한 과제이다. 따라서, 종래에는 전기촉매 활성과 이용효율을 높이기 위하여 활성 표면적이 큰 백금 담지촉매를 제조하기 위한 연구가 활발히 진행되었다. It has been found that the use of a carbon support to increase the catalyst utilization efficiency is effective in increasing the catalytic activity by increasing the active surface area while reducing the amount of noble metal in the catalyst. The carbon support includes carbon nanotubes , Carbon nanofiber, graphene, and mesoporous carbon are used. In addition, hollow mesoporous shell carbon (HCMSC) with a mesoporous outer structure with a hierarchical multi-structure carbon structure exhibits a large surface area, wide mesopore volume, and high electrical conductivity, It is expected that the catalytic activity can be greatly improved by widening the area and minimizing the resistance in the electrode. On the other hand, a method of reducing the polarization resistance of a fuel cell by reducing the thickness of a catalyst and a diffusion layer using a platinum supported catalyst having a large metal loading is widely proposed. However, when the amount of metal supported is high, platinum nanoparticles (NP) may aggregate during the synthesis process, so that it is important to uniformly disperse small-sized platinum nanoparticles on a carbon support. Therefore, in order to increase the electrocatalytic activity and utilization efficiency, researches for producing a platinum supported catalyst having a large active surface area have been actively conducted.

이러한 연구의 일환으로서, 습식함침에 의한 NaBH4 환원법, 보호 콜로이드법, 마이크로에멀션법, 마이크로파를 이용한 에틸렌글리콜법과 같이, 백금 담지촉매의 합성을 위한 매우 다양한 화학적 방법이 보고된 바 있다. 이들 방법은 금속 담지량이 낮은 경우 (예를 들어, 20 중량% 백금)에는 1 ~ 5 nm의 좁은 입자크기 범위를 갖는 백금 담지촉매의 합성에 성공적이지만, 백금 담지량이 높은 경우 (예를 들어, 40 중량% 백금 이상)에는 입자크기의 조절이 어렵고 합성과정이 매우 복잡하며 많은 시간을 요한다. 더욱이, 이들 방법은 표면보호제가 잔류하거나, 불균일한 입자분포를 갖는 큰 입자들이 형성됨으로 인해서 촉매활성이 낮아지는 경우가 많다. 그러므로, 작은 직경과 좁은 크기분포를 갖는 백금 나노입자가 균일한 분산도로 탄소 지지체 상에 담지된 백금 나노입자를 제조하기 위한 방안으로서, 신뢰성 있고 용이하며 효율적인 합성경로가 요구되며, 이는 촉매활성을 높이는데 있어 매우 중요하다 하겠다. As a part of such studies, a wide variety of chemical methods for synthesizing platinum-supported catalysts such as NaBH 4 reduction by wet impregnation, protective colloid method, microemulsion method, and ethylene glycol method using microwave have been reported. These methods are successful in synthesizing a platinum supported catalyst having a narrow particle size range of 1 to 5 nm in the case of low metal loading (for example, 20 wt% platinum), but in the case of high platinum loading (for example, 40 Weight percent platinum), it is difficult to control the particle size and the synthesis process is very complicated and time consuming. Moreover, these methods often result in lower activity of the catalyst due to the presence of surface protective agents or the formation of larger particles with a nonuniform particle distribution. Therefore, as a method for producing platinum nanoparticles in which platinum nanoparticles having a small diameter and a narrow size distribution are supported on a carbon support with a uniform dispersion, a reliable, easy and efficient synthesis route is required, It is very important for you.

관련하여, 대한민국 공개특허공보 제2009-0073164호는 백금/카본 촉매의 제조방법, 이를 이용하여 제조된 촉매 및 양성자 교환막 연료전지를 개시하고 있으며, 상기 방법에서는 요소 (urea)의 인시투 가수분해에 의해 pH가 점차 증가함에 따라서 백금 수산화물 복합체가 균일하게 담지되는 것 (Homogeneous Deposition, HD)과 에틸렌글리콜 (EG)에 의해서 균일하게 환원되는 것을 결합한 기술을 개시하고 있으며, 이러한 방법이 백금 나노입자의 입자크기 및 분산도 조절 면에서 우수한 효과를 갖는다는 점을 개시하고 있다. 상기 방법에서는 약 2.8 nm 크기의 작은 백금 나노입자가 60 중량%의 백금 담지량으로 균일하게 분산될 수 있도록 하며, 이러한 균일 분산에 요소가 중요한 역할을 담당한다. 그러나, 상기 방법은 상업적 규모의 대량생산에 적합하지 않다는 문제점이 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2009-0073164 discloses a method for producing a platinum / carbon catalyst, a catalyst prepared using the same, and a proton exchange membrane fuel cell. In this method, the in-situ hydrolysis of urea Discloses a technique in which platinum hydroxide complex is homogeneously supported (Homogeneous Deposition (HD)) and uniformly reduced by ethylene glycol (EG) as the pH is gradually increased. It has an excellent effect in terms of size and dispersion. In this method, small platinum nanoparticles of about 2.8 nm in size are uniformly dispersed in a platinum loading amount of 60% by weight, and elements play an important role in this uniform dispersion. However, there is a problem that the above method is not suitable for mass production on a commercial scale.

한편 지난 수십 년 동안, 감마선 조사를 이용하여 다양한 금속, 금속합금 및 금속산화물 나노입자를 합성하는 방법이 개발되었다 ((a) Fang, B.; Chaudhari, N. K.; Kim, M.-S.; Kim, J. H.; Yu, J.-S. J. Am . Chem . Soc . 2009, 131, 15330-15338.; (b) Lee, K.-P.; Gopalan, A. I.; Santhosh, P.; Lee, S. H.; Nho, Y. C. Compos. Sci . Tech . 2007, 67, 811-816.; (c) Choi, S.-H.; Lee, S.-H.; Hwang, Y.-M.; Lee, K.-P.; Kang, H.-D. Rad . Phys . Chem . 2003, 67, 517-521.; (d) Belloni, J.; Mostafavi, M.; Remita, H.; Marignier, J.-L.; Delcourt, M.-O. New J. Chem . 1998, 22, 1239-1255.; (e) Sarkany, A.; Papp, Z.; Sajo, I.; Schay, Z. Solid State Ionics 2005, 176, 209-215.; (f) Kageyama, S.; Seino, S.; Nakagawa, T.; Nitani, H.; Ueno, K.; Daimon, H.; Yamamoto, T. J. Nanopart . Res. 2011, 13, 5275-5287.; (g) Ni, Y.; Ge, X.; Zhang, Z.; Ye, Q. Chem . Mater . 2002, 14, 1048-1052.). 이러한 방법들에서는 수화된 전자, 또는 수소원자와 같이 물의 방사분해에 의해 생성되는 활성 환원종이 반응용액 내에서 균일하게 분산되고, 활성 환원종의 생성속도는 조사량의 조절을 통해 용이하게 제어할 수 있다. 반응시간이 짧고 반응조건이 온화하며 균일한 크기분포의 작은 촉매 나노입자를 친환경적으로 합성할 수 있다는 것이 감마선 조사법의 장점이다. 이러한 장점에도 불구하고, 종래 전기촉매 제조 분야에서 감마선 조사법을 활용한 연구는 전혀 보고된 바가 없다.Meanwhile, during the last several decades, a method of synthesizing various metals, metal alloys and metal oxide nanoparticles using gamma irradiation has been developed ((a) Fang, B .; Chaudhari, NK; Kim, M. -S .; Kim , JH; Yu, J.-S. J. Am . Chem . Soc . 2009 , 131 , 15330-15338 .; (b) Lee, K.-P .; Gopalan, AI; Santhosh, ;... Nho, YC Compos Sci Tech 2007, 67, 811-816 .; (c) Choi, S.-H .; Lee, S.-H .; Hwang, Y.-M .; Lee, K. -P .; Kang, H.-D. Rad. Phys . Chem. 2003, 67, 517-521 .; (d) Belloni, J .; Mostafavi, M .; Remita, H .; Marignier, J.-L .;. Delcourt, M.-O. New J. Chem 1998, 22, 1239-1255 .; (e) Sarkany, A .; Papp, Z .; Sajo, I .; Schay, Z. Solid State Ionics 2005 , 176 , 209-215 .; (f) Kageyama, S .; Seino, S .; Nakagawa, T .; Nitani, H .; Ueno, K .; Daimon, H .; Yamamoto, T. J. Nanopart . Res. 2011 , 13 , 5275-5287 .; (g) Ni, Y .; Ge, X .; Zhang, Z .; Ye, Q. Chem . Mater . 2002 , 14 , 1048-1052). In these methods, hydrated electrons, or active reduction species produced by radial decomposition of water, such as hydrogen atoms, are uniformly dispersed in the reaction solution, and the rate of formation of the active reducing species can be easily controlled by controlling the dose . It is an advantage of the gamma irradiation method that it is possible to synthesize environmentally friendly catalyst nanoparticles having a short reaction time, mild reaction conditions and a uniform size distribution. Despite these advantages, there has been no report on the use of gamma irradiation in the field of conventional electrocatalyst production.

따라서, 본 발명에서는 종래기술에 따른 백금 촉매의 합성법에서보다 더욱 작고 균일한 나노입자를 합성할 수 있으며 우수한 분산도를 달성할 수 있어서 산소환원반응에 더욱 우수한 활성 및 안정성을 나타낼 수 있고, 특히 간단하고 친환경적인 공정에 의해서 상용화 가능한 대량생산을 달성할 수 있는 백금촉매의 제조방법, 이에 의해서 제조된 산소환원반응용 백금촉매 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하고자 한다.Therefore, in the present invention, it is possible to synthesize smaller and more uniform nanoparticles than in the conventional method of synthesizing a platinum catalyst, and it is possible to attain excellent dispersion and to exhibit more excellent activity and stability in an oxygen reduction reaction, And a platinum catalyst for oxygen reduction reaction produced by the method, and a fuel cell comprising the same.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위해서,In order to achieve the first object of the present invention,

요소 수용액에 카본 담체를 분산시켜 카본 담체 분산액을 제조하는 단계; Dispersing a carbon carrier in an aqueous urea solution to prepare a carbon carrier dispersion;

상기 카본 담체 분산액에 백금염을 주입하여 백금수산 착화합물을 형성하고, 상기 백금수산 착화합물이 카본 담체에 담지되도록 하는 단계; 및Introducing a platinum salt into the carbon carrier dispersion to form a platinum anhydride complex and supporting the platinum anhydride complex on a carbon support; And

상기 백금수산 착화합물에 감마선을 조사하여 상기 백금수산 착화합물 중 백금 양이온을 환원시키고, 백금 클러스터를 형성하는 단계를 포함하는 백금촉매의 제조방법을 제공한다.And irradiating the platinum oxide complex with gamma rays to reduce platinum cations in the platinum anhydride complex to form platinum clusters.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 백금수산 착화합물은 하기 반응식 1에 의해서 형성된 수산화 이온과 백금염의 백금 양이온과의 배위결합에 의해서 형성된 것일 수 있다:According to an embodiment of the present invention, the platinum oxide complex may be formed by coordinating a hydroxide ion formed by the following Reaction Scheme 1 with a platinum cation of a platinum salt:

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

CO(NH2)2 + 3H2O → 2NH4 + + CO2 + 2OH- CO (NH 2 ) 2 + 3H 2 O? 2NH 4 + + CO 2 + 2OH -

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 백금염은 염화백금산염이고, 상기 수산화 이온과 상기 백금 양이온과의 배위결합은 하기 반응식 2에 의해서 형성된 것일 수 있다:According to another embodiment of the present invention, the platinum salt is a chloroplatinic acid salt, and the coordination bond between the hydroxide ion and the platinum cation may be formed by the following reaction formula 2:

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

[PtCl6 -x(H2O)x](2-x)- + yOH- → [PtCl6 -x(OH)y(H2O)x-y](2-x+y)- + yH2O [PtCl 6 -x (H 2 O ) x] (2-x) - + yOH - → [PtCl 6 -x (OH) y (H 2 O) xy] (2-x + y) - + yH 2 O

(상기 식에서, x는 0, 1 또는 2이고, y는 x보다 작거나 같은 정수이다.)Wherein x is 0, 1 or 2 and y is an integer less than or equal to x.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 카본 담체는 카본 블랙, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 그래핀, 메조세공 탄소 또는 계층형 다중 구조 탄소 구조체일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the carbon carrier may be a carbon black, a carbon nanotube, a carbon nanofiber, a graphene, a mesoporous carbon, or a hierarchical multi-structure carbon structure.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 백금수산 착화합물의 형성 및 상기 카본 담체에의 담지 단계는 70 내지 110℃의 온도 및 pH 7 내지 pH 10의 산도 조건에서 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the formation of the platinum oxide complex and the step of supporting the platinum oxide complex on the carbon carrier may be performed at a temperature of 70 to 110 ° C and an acidity condition of pH 7 to pH 10.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 백금촉매의 상기 카본 담체에의 담지율은 10 내지 80 중량%일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the supporting ratio of the platinum catalyst to the carbon carrier may be 10 to 80% by weight.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 감마선 조사에 의해서 수화 전자 (hydrated electrons) 및 라디칼들이 생성되고, 상기 수화 전자 및 라디칼들은 상기 백금수산 착화합물 중의 백금 양이온을 환원시켜 산화수를 낮추고, 백금 클러스터를 형성함으로써 백금 나노입자가 형성되어 성장되게 할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, hydrated electrons and radicals are generated by the irradiation of gamma rays, and the hydrated electrons and radicals lower the oxidation number by reducing the platinum cation in the platinum anhydride complex, The platinum nanoparticles can be formed and grown.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 감마선 조사 조건은 0.5 × 103 Gy/h 내지 4.0 × 103 Gy/h의 조사속도로, 0.5 시간 내지 6 시간 동안 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the gamma ray irradiation condition may be performed at an irradiation speed of 0.5 x 10 3 Gy / h to 4.0 x 10 3 Gy / h for 0.5 to 6 hours.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 백금 나노입자의 입경은 1.8 ~ 3.7 nm일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the particle size of the platinum nanoparticles may be 1.8 to 3.7 nm.

본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위해서, 상기 방법에 의해서 제조된 산소환원반응용 백금 촉매를 제공한다.In order to achieve the second object, the present invention provides a platinum catalyst for an oxygen reduction reaction produced by the above method.

또한, 본 발명은 상기 세 번째 과제를 달성하기 위해서, 상기 산소환원반응용 백금 촉매를 포함하는 양성자 교환막 연료전지를 제공한다.The present invention also provides a proton exchange membrane fuel cell comprising the platinum catalyst for oxygen reduction reaction to achieve the third object.

본 발명에 따르면, 종래기술에 따른 백금 촉매의 합성법에서보다 더욱 작고 균일한 나노입자를 합성할 수 있으며 우수한 분산도를 달성할 수 있어서 산소환원반응에 더욱 우수한 활성 및 안정성을 나타내는 백금촉매를 제공할 수 있으며, 특히 이러한 백금촉매는 간단하고 친환경적인 공정에 의해서 상용화 가능한 정도의 대량으로 생산될 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a platinum catalyst exhibiting more excellent activity and stability in an oxygen reduction reaction because it can synthesize smaller and more uniform nanoparticles than in the conventional method of synthesizing a platinum catalyst And in particular, these platinum catalysts can be produced in large quantities such that they can be commercialized by a simple and environmentally friendly process.

도 1a 내지 1h는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 방법에 의해서 제조된 촉매 및 상용화된 Premetek 백금 촉매의 HR-SEM 이미지 (a, c, e, g)와 HR-TEM 이미지 (b, d, f, h)를 도시한 도면이다.
도 2a 내지 2c는 실시예 4 내지 6에 따른 방법에 의해서, 중공형 메조세공탄소 (hollow core-mesoporous shell carbon: HCMSC)를 담체로 이용해 제조된 촉매의 60 중량% (실시예 4, 도 2a), 40 중량% (실시예 5, 도 2b) 그리고 20 중량% (실시예 6, 도 2c) 백금/HCMSC의 HR-TEM 이미지를 도시한 도면이다.
도 3a 및 3b는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 방법에 의해서 제조된 촉매 및 상용화된 Premetek 백금 촉매에 대한 XRD 패턴 (도 3a) 및 TGA 그래프 (도 3b)를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 4d는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 방법에 의해서 제조된 촉매 및 상용화된 Premetek 백금 촉매에서 백금 나노입자의 환원 정도와 산화상태를 XPS에 의해 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 5a 및 5b는 각각 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 방법에 의해서 제조된 촉매 및 상용화된 Premetek 백금 촉매의 0.5 M H2SO4 내 50 mV s-1에서 전기흡착 곡선 및 각각을 캐소드 촉매로 사용한 경우 60 ℃에서 PEMFC의 분극성능을 도시한 도면이며, 도 5c는 실시예 1 내지 3에 따른 촉매를 캐소드 촉매로 사용한 경우 60 ℃에서 PEMFC의 분극성능을 도시한 도면이다.
도 6은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 방법에 의해서 제조된 촉매 및 상용화된 Premetek 백금 촉매에 대해서 0.75 V의 일정한 전압 하에서 10 시간 동안 단전지의 시간에 따른 전류 변화를 측정한 그래프이다.
FIGS. 1A-1H are HR-SEM images (a, c, e, g) and HR-TEM images of catalysts prepared by the method according to Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and commercialized Premetek platinum catalysts b, d, f, h).
Figures 2A-2C illustrate the preparation of a catalyst comprising 60 wt% (Example 4, Figure 2a) of a catalyst prepared using hollow core-mesoporous shell carbon (HCMSC) as a carrier by the method according to Examples 4-6. , 40 wt% (Example 5, Fig. 2B) and 20 wt% (Example 6, Fig. 2C) platinum / HCMSC.
3A and 3B are graphs showing the XRD pattern (FIG. 3A) and the TGA graph (FIG. 3B) of the catalyst prepared by the method according to Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and the commercialized Premetek platinum catalyst .
FIGS. 4A to 4D show the results of XPS analysis of the degree of reduction and the oxidation state of platinum nanoparticles in a catalyst prepared by the method according to Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, and a commercially available Premetek platinum catalyst FIG.
5a and 5b are graphs showing the electroadhesion curves at 50 mV s < -1 > in 0.5 MH 2 SO 4 of the catalyst prepared by the method according to Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and the commercialized Premetek platinum catalyst, respectively FIG. 5C is a graph showing the polarization performance of a PEMFC at 60 ° C. when the catalyst according to Examples 1 to 3 is used as a cathode catalyst. FIG.
FIG. 6 is a graph showing changes in current of a single cell over time for a period of 10 hours under a constant voltage of 0.75 V for a catalyst prepared by the method according to Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and a commercially available Premetek platinum catalyst Graph.

본 발명에서는 요소를 이용한 균일담지 (Homogeneous Deposition, HD)와 감마선 조사를 이용하는 합성방법을 결합하여 카본블랙 등의 탄소 지지체에 높은 금속 담지량으로 담지된 백금 담지촉매를 합성하였다.In the present invention, a platinum supported catalyst supported on a carbon support such as carbon black in a high metal deposition amount was synthesized by combining homogeneous deposition (HD) using urea and a synthesis method using gamma irradiation.

따라서, 본 발명에 따른 백금촉매의 제조방법은 첫 번째 단계로서 요소를 이용하여 산성 백금 염용액 내에서 수산화 이온을 서서히 균일하게 생성되게 하고, 생성된 수산화 이온이 백금4 + 양이온과 반응하여 백금수산 착화합물을 형성하여 카본 담체 상에 균일하게 담지되게 한다. 이러한 요소를 이용한 균일담지 기술은 본 발명자에 의한 또 다른 특허출원인 대한민국 공개특허공보 제2009-0073164호에 개시된 바 있으며, 상기 방법에 따르면, 외부에서 KOH를 가하여 pH를 조절하는 경우와 달리, 용액의 pH가 국소적으로 급격히 증가하거나 백금 수산 착화합물이 빠르게 침전하는 문제를 피할 수 있기 때문에, 미세한 입자크기를 갖는 백금 나노입자를 균일하게 카본 담체에 담지시킬 수 있다는 장점이 있다.Therefore, in the first step of the present invention, the hydroxide ion is gradually and uniformly produced in the acidic platinum salt solution by using the urea, and the generated hydroxide ion reacts with the platinum 4 + To form a complex and to be uniformly supported on the carbon carrier. Uniform supporting technique using these elements has been disclosed in another patent application of Korean Patent Application Publication No. 2009-0073164 by the present inventor. According to the above method, unlike the case where pH is controlled by adding KOH from the outside, there is an advantage that the platinum nanoparticles having a fine particle size can be uniformly supported on the carbon carrier since the problem of a rapid increase in pH locally or a rapid precipitation of platinum oxide complex can be avoided.

이어서, 본 발명에 따른 백금촉매의 제조방법은 두 번째 단계로서 담지된 백금수산 착화합물에 이온화 감마선을 조사하여, 수화 전자 및 기타 라디칼들을 생성하고, 생성된 수화 전자 및 라디칼들은 먼저 백금 양이온을 환원시켜 산화수를 낮추고 이어 금속성의 백금 클러스터를 형성한다. 최종적으로, 응집에 의해 금속성의 백금 나노입자가 형성되어 성장하게 된다.As a second step, the method of preparing a platinum catalyst according to the present invention comprises irradiating an ionized gamma ray to the supported platinum oxide complex to generate hydrated electrons and other radicals, and the resulting hydrated electrons and radicals are first reduced Lowering the oxidation number and subsequently forming a metallic platinum cluster. Finally, metallic platinum nanoparticles are formed by agglomeration and grow.

특히, HD와 감마선 조사를 복합적으로 이용한 본 발명에 따른 방법은 매우 효율적이고 친환경적이며 유해한 환원제를 사용하지 않고도 생산규모 확대가 용이하며 시간 및 에너지의 소비를 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법에 의해서 제조된 백금 촉매는 흔히 이용되는 함침-NaBH4 환원법에 의해 합성된 백금 담지촉매 또는 상용화된 촉매에 비해서 이용효율, ORR 촉매활성, 및 연료전지 분극성능에 있어서 우수한 특성들을 나타내며, 상업적 생산규모로의 확대가 용이하다.In particular, the method according to the present invention using a combination of HD and gamma ray irradiation is very efficient, environmentally friendly, easy to expand the production scale without using harmful reducing agents, and can save time and energy consumption. Further, the platinum catalyst prepared by the method according to the present invention is superior in terms of utilization efficiency, ORR catalyst activity, and fuel cell polarization performance as compared with the platinum supported catalyst or the commercialized catalyst synthesized by the commonly used impregnation-NaBH 4 reduction method And it is easy to expand to commercial production scale.

구체적으로, 본 발명에 따른 백금 촉매의 제조방법은, 요소 수용액에 카본 담체를 분산시켜 카본 담체 분산액을 제조하는 단계; 상기 카본 담체 분산액에 백금염을 주입하여 백금수산 착화합물을 형성하고, 상기 백금수산 착화합물이 카본 담체에 담지되도록 하는 단계; 및 상기 백금수산 착화합물에 감마선을 조사하여 상기 백금수산 착화합물 중 백금 양이온을 환원시키고, 백금 클러스터를 형성하는 단계를 포함한다.Specifically, the process for producing a platinum catalyst according to the present invention comprises the steps of: preparing a carbon carrier dispersion by dispersing a carbon carrier in an aqueous urea solution; Introducing a platinum salt into the carbon carrier dispersion to form a platinum anhydride complex and supporting the platinum anhydride complex on a carbon support; And irradiating the platinum oxide complex with a gamma ray to reduce the platinum cation in the platinum oxide complex to form a platinum cluster.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 카본 담체에 흡착되는 백금 나노입자의 입도는 요소 수용액의 산도에 의존하며, 요소 수용액의 산도는 물에 용해되는 요소의 양에 의하여 조절된다. 요소는 수산화 이온이 용액 내에서 (in-situ), 점진적이며, 균질상 (homogeneous)으로 생성되는 것을 도와주고, 국부적인 과포화나 침전의 생성을 막아 준다. 그 결과, 활성상이나 그 전구체가 천천히 그리고 균일하게 담체에 흡착되게 되며, 반응물과 담체의 화학반응에 의하여 침전이 담체의 표면에서만 일어나도록 하고 용액 상에서 핵형성 (nucleation)이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 백금수산 착화합물은 하기 반응식 1에 의해서 형성된 수산화 이온과 백금염의 백금 양이온과의 배위결합에 의해서 형성된 것일 수 있다:In the process according to the present invention, the particle size of the platinum nanoparticles adsorbed on the carbon carrier depends on the acidity of the urea aqueous solution, and the acidity of the aqueous urea solution is controlled by the amount of the element dissolved in the water. The element helps to produce hydroxide ions in-situ, gradual, homogeneous, and prevents the formation of local supersaturation or precipitation. As a result, the active phase or its precursor is slowly and uniformly adsorbed to the carrier, and the chemical reaction between the reactant and the carrier causes the precipitation to occur only on the surface of the carrier and nucleation in the solution can be prevented from occurring . That is, the platinum oxide complex may be formed by coordination bonding of a hydroxide ion formed by the following Reaction Scheme 1 and a platinum cation of a platinum salt:

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

CO(NH2)2 + 3H2O → 2NH4 + + CO2 + 2OH- CO (NH 2 ) 2 + 3H 2 O? 2NH 4 + + CO 2 + 2OH -

예를 들어, 백금염으로서 염화백금산염을 사용하는 경우, 상기 수산화 이온과 상기 백금 양이온과의 배위결합은 하기 반응식 2에 의해서 형성된 것일 수 있다:For example, when a chloroplatinic acid salt is used as the platinum salt, the coordination bond between the hydroxide ion and the platinum cation may be formed by the following reaction formula 2:

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

[PtCl6 -x(H2O)x](2-x)- + yOH- → [PtCl6 -x(OH)y(H2O)x-y](2-x+y)- + yH2O [PtCl 6 -x (H 2 O ) x] (2-x) - + yOH - → [PtCl 6 -x (OH) y (H 2 O) xy] (2-x + y) - + yH 2 O

(상기 식에서, x는 0, 1 또는 2이고, y는 x보다 작거나 같은 정수이다.)Wherein x is 0, 1 or 2 and y is an integer less than or equal to x.

한편, 본 발명에서 사용되는 카본 담체는 백금입자가 흡착될 수 있는 물질을 의미하며, 카본 블랙, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 그래핀, 메조세공 탄소, 그 외 계층형 다중 구조 탄소 구조체같이 다양한 종류가 사용될 수 있다.On the other hand, the carbon carrier used in the present invention means a material to which platinum particles can be adsorbed. The carbon carrier may be a carbon black, a carbon nanotube, a carbon nanofiber, a graphene, a mesoporous carbon, Type can be used.

이때, 요소의 가수분해에 따른 수산화 이온의 생성 및 백금수산 착화합물의 형성 반응, 및 카본 담체에의 흡착 반응은 70 내지 110℃의 온도와 pH 7 내지 pH 10의 산도 조건에서 진행되는 것이 바람직하다. 용액의 온도가 70℃ 미만이면 원활한 반응이 일어나기 어렵고 110℃를 초과하면 응집이 일어날 가능성이 있으며, 용액의 산도가 pH 7 내지 pH 10의 범위에 있을 때 백금입자의 입도 및 입도의 분포가 안정적일 수 있다. 상기 과정에 의해서 백금촉매는 상기 카본 담체에 담지되며, 구체적으로는 약 10 내지 80 중량%의 담지량으로 담지될 수 있다.At this time, it is preferable that the formation of hydroxide ion, the reaction of formation of platinum oxide complex by hydrolysis of the urea, and the adsorption reaction on the carbon carrier proceed at a temperature of 70 to 110 캜 and an acidity condition of pH 7 to pH 10. When the temperature of the solution is less than 70 ° C, it is difficult to cause a smooth reaction. When the temperature exceeds 110 ° C, coagulation may occur. When the acidity of the solution is in the range of pH 7 to pH 10, . By the above process, the platinum catalyst is supported on the carbon carrier, and more specifically, it can be supported in a loading amount of about 10 to 80% by weight.

백금수산 착화합물이 카본 담체에 담지된 이후에는, 상기 백금수산 착화합물에 감마선을 조사하게 된다. 감마선 조사에 의해서 하기 반응식 3과 같이 수화 전자 (hydrated electrons) 및 라디칼들이 생성된다:After the platinum anhydride complex is supported on the carbon support, the platinum anhydride complex is irradiated with gamma rays. Gamma irradiation generates hydrated electrons and radicals as shown in Scheme 3 below:

[반응식 3][Reaction Scheme 3]

H2O → neeq -, H·, OH·, H+ H 2 O → ne eq - , H · , OH · , H +

이들 수화 전자 및 라디칼들은 먼저 백금수산 착화합물 중의 백금 양이온을 환원시켜 산화수를 낮추고, 이어 금속성의 백금 클러스터를 형성하게 되며, 최종적으로, 클러스터의 응집에 의해 백금 나노입자가 형성되어 성장한다. 유해한 산화성 OH· 라디칼은 2-프로판올 등을 사용하여 비활성화시킬 수 있다:These hydrides and radicals first reduce platinum cations in the platinum anhydride complex to lower the oxidation number, followed by the formation of metallic platinum clusters, and finally, platinum nanoparticles are formed by aggregation of the clusters. Harmful oxidative OH · radicals can be disabled using, for example, 2-propanol:

[반응식 4][Reaction Scheme 4]

[PtCl6 -x(OH)y(H2O)x-y](2-x+y)- + (neeq - 또는 H·) → Pt0 + H+ + (x+y)H2O [PtCl 6 -x (OH) y (H 2 O) xy] (2-x + y) - + (ne eq - or H ·) → Pt 0 + H + + (x + y) H 2 O

상기 감마선 조사 조건은 0.5 × 103 Gy/h 내지 4.0 × 103 Gy/h의 조사속도로, 0.5 시간 내지 6 시간 동안 수행되는 것이 바람직한데, 이는 감마선 조사속도가 0.5 × 103 Gy/h 미만인 경우에는 카본 담체에 담지된 백금수산 착화합물의 환원이 용이하지 않다는 문제점이 있고, 4.0 × 103 Gy/h를 초과하는 경우에는 백금 나노입자의 크기가 증가 및 응집되는 문제점이 있어서 바람직하지 않기 때문이다. 또한, 감마선 조사 시간이 0.5 시간 미만인 경우에는 카본 담체에 담지된 백금수산 착화합물이 환원될 만큼 충분한 시간을 확보할 수 없다는 문제점이 있고, 6 시간을 초과하는 경우에는 과다한 감마선 조사로 인해서 백금 나노입자의 크기 증가 및 응집을 초래하는 문제점이 있다.It is preferable that the gamma ray irradiation condition is performed for 0.5 to 6 hours at an irradiation speed of 0.5 x 10 3 Gy / h to 4.0 x 10 3 Gy / h, because the irradiation speed of the gamma ray is less than 0.5 x 10 3 Gy / h There is a problem in that the reduction of the platinum oxide complex supported on the carbon carrier is not easy, and when it exceeds 4.0 × 10 3 Gy / h, the platinum nanoparticles increase in size and aggregate, which is not preferable . When the irradiation time of the gamma ray is less than 0.5 hour, there is a problem that sufficient time can not be secured for reducing the platinum oxide complex supported on the carbon carrier. When the irradiation time exceeds 6 hours, excessive irradiation of the gamma- There arises a problem of causing increase in size and agglomeration.

하기 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 방법을 사용하여 제조된 백금 나노입자의 입경은 1.8 ~ 3.7 nm 정도로서, 종래 함침-NaBH4 환원법, HD-EG 법 또는 상용 Premetek 백금(60 중량%)/VC 촉매에 비해서 작은 크기이며, 입자가 카본 담체 상에 균일하게 분산됨에 따라 ECSA와 백금 이용효율이 더 높다.As can be seen from the following examples, the platinum nanoparticles prepared using the method according to the present invention had a particle size of about 1.8 to 3.7 nm, and were prepared by the conventional impregnation-NaBH 4 reduction method, HD-EG method, or commercial Premetek platinum %) / VC catalyst, and the efficiency of ECSA and platinum utilization is higher as the particles are uniformly dispersed on the carbon carrier.

본 발명은 또한 상기 방법에 의해서 제조된 산소환원반응용 백금 촉매 및 이를 포함하는 양성자 교환막 연료전지를 제공한다. 본 발명에 따른 산소환원반응용 백금 촉매는 백금 담지량이 증가하는 경우라도, 이에 수반되는 백금 나노입자의 크기 증가 및 응집 현상이 최소화되기 때문에, ORR 성능이 나빠지지 않는다. 또한, 최종 담지된 백금 나노입자 중 백금 (0) 종의 함량이 높고, 크기가 작고 균일한 입자들이 담지되어 작동과정에서 백금 나노입자의 용해와 응집이 억제되기 때문에 종래 통상적인 백금 촉매들에 비해서 높은 초기 전류응답성과 최종 전류응답성을 나타낸다.The present invention also provides a platinum catalyst for oxygen reduction reaction produced by the above method and a proton exchange membrane fuel cell comprising the same. The platinum catalyst for the oxygen reduction reaction according to the present invention does not deteriorate the ORR performance even when the platinum loading is increased, since the size and coagulation phenomenon of the platinum nanoparticles are minimized. In addition, since the content of platinum (0) species in the final supported platinum nanoparticles is high and small and uniform particles are supported, dissolution and aggregation of the platinum nanoparticles are suppressed during the operation, so that compared with conventional platinum catalysts High initial current response and final current response.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are intended to assist the understanding of the present invention and should not be construed as limiting the scope of the present invention.

VCVC 담지 백금 촉매의 합성 Synthesis of supported platinum catalyst

20 중량%, 40 중량% 및 60 중량%의 백금 담지량을 갖는 VC (Vulcan XC-72) 담지 백금 촉매를 여러가지 합성방법, 즉 함침-NaBH4 환원법 (Steigerwalt, E. S.; Deluga, G. A.; Lukehart, C. M. J. Phys . Chem . B 2002, 106, 760-766; Chai, G. S.; Yu, J.-S. J. Mater . Chem . 2009, 19, 6842-6848), 요소를 이용한 EG(HD-EG) 법 (Oh, H.-S.; Oh, J.-G.; Hong, Y.-G.; Sharma, R.; Shul, Y.-G.; Kim, H. Res . Chem . Intermed . 2008, 34, 853-861; Fang, B.; Chaudhari, N. K.; Kim, M.-S.; Kim, J. H.; Yu, J.-S. J. Am . Chem . Soc . 2009, 131, 15330-15338) 및 본 발명에 따른 방법에 의해서 제조하였다. 모든 화학약품은 정제 없이 구입한 그대로 사용하였다. 특별한 언급이 없는 경우, 각 합성방법에서 탈이온수 (DI)와 금속 전구체의 양은 각각 200 mL와 0.05 M H2PtCl6·6H2O 수용액 기준 15 mL로 고정하였다. VC 상의 백금 담지율 (%)은 VC의 양을 조절하여 제어하였다.20 wt%, 40 VC (Vulcan XC- 72) a supported platinum catalyst having a platinum loading of various synthetic methods% by weight and 60% by weight, that is impregnated -NaBH 4 reduction (Steigerwalt, ES; Deluga, GA; Lukehart, CM J .. Phys Chem B 2002, 106 , 760-766;. Chai, GS;.. Yu, J.-S. J. Mater Chem 2009, 19, 6842-6848), EG using the elements (HD-EG) method (Oh, H.-S .; Oh , J.-G .; Hong, Y.-G .; Sharma, R .; Shul, Y.-G .; Kim, H. Res. Chem. Intermed. 2008, 34, 853-861; Fang, B .; Chaudhari, NK; Kim, M.-S .; Kim, JH;... Yu, J.-S. J. Am Chem Soc 2009, 131, 15330-15338) And the method according to the present invention. All chemicals were used as purchased without purification. Unless otherwise noted, the amount of deionized water (DI) and metal precursor in each synthesis method was fixed at 15 mL per 200 mL and 0.05 MH 2 PtCl 6 · 6H 2 O aqueous solution, respectively. The platinum loading rate (%) on the VC was controlled by controlling the amount of VC.

실시예Example 1 내지 3. 본 발명에 따른 백금 (60 중량%, 40 중량% 및 20 중량%)/VC 촉매의 합성 1 to 3. Synthesis of platinum (60 wt%, 40 wt% and 20 wt%) / VC catalyst according to the invention

4.62 g의 요소 (요소/백금 몰비 = 20)를 1.0 L의 DI에 녹이고 0.5 g의 탄소를 가한 후 30 분 동안 초음파 처리하였다. 이어, 75 mL의 0.05 M H2PtCl6·6H2O 수용액을 가하였다. 3 시간 동안 교반한 다음, 혼합액을 90 ℃로 가열하고 7 시간 동안 더 교반하였다. 이어, 라디칼 소거제로서 50 mL의 2-프로판올을 가하면서 질소를 버블링하여 혼합액을 탈기하여 용존된 산소를 제거한 후, 질소 분위기 하 주변온도에서 Co-60 감마선 광원으로 40 kGy의 감마선을 조사하였다(조사속도 = 2.0 x 103 Gy/h, 노출시간 = 2 시간). 감마선을 조사하는 동안 용액을 연속적으로 교반하여 VC 상에 백금 나노입자가 균일하게 분산되도록 함으로써 백금 (60 중량%)/VC 촉매인 실시예 1에 따른 촉매를 제조하였다. 한편, 상기 실시예 1과 동일한 과정에 의하되, 백금 담지량을 각각 40 중량% 및 20 중량%로 하여 백금 (40 중량%)/VC 촉매 (실시예 2) 및 백금 (20 중량%)/VC 촉매 (실시예 3)를 제조하였다.4.62 g of element (urea / platinum mole ratio = 20) was dissolved in 1.0 L of DI, 0.5 g of carbon was added, and sonicated for 30 minutes. Then, 75 mL of 0.05 MH 2 PtCl 6 .6H 2 O aqueous solution was added. After stirring for 3 hours, the mixture was heated to 90 < 0 > C and stirred for an additional 7 hours. Next, 50 mL of 2-propanol was added as a radical scavenger, and nitrogen was bubbled through the mixture to remove dissolved oxygen. Then, 40 kGy gamma rays were irradiated with a Co-60 gamma ray source at a surrounding temperature in a nitrogen atmosphere (Irradiation speed = 2.0 x 10 3 Gy / h, exposure time = 2 hours). During the irradiation of the gamma rays, the solution was continuously stirred to uniformly disperse the platinum nanoparticles on the VC, thereby preparing a catalyst according to Example 1, which was a platinum (60 wt%) / VC catalyst. (40% by weight) / VC catalyst (Example 2) and platinum (20% by weight) / VC catalyst (40% by weight) were prepared by the same procedure as in Example 1, Example 3) was prepared.

실시예Example 4 내지 6. 본 발명에 따른 백금 (60 중량%, 40 중량% 및 20 중량%)/HCMSC 촉매의 합성 4 to 6. Synthesis of platinum (60 wt%, 40 wt% and 20 wt%) / HCMSC catalyst according to the invention

실시예 1 내지 3과는 달리 백금 촉매의 담체로서 중공형 메조세공 탄소 (hollow core-mesoporous shell carbon: HCMSC)를 이용하여 담지 촉매를 합성하였다. 0.925 g (60 중량% 백금/HCMSC), 0.411 g (40 중량% 백금/HCMSC), 0.154 g (20 중량% 백금/HCMSC)의 우레아 (우레아/백금 몰비 = 20)를 각각 1.0 L의 DI에 녹이고 0.1 g의 HCMSC를 가한 후 30분 동안 초음파 처리하였다. 이어, 15 mL (60 중량% 백금/HCMSC), 7 mL (40 중량% 백금/HCMSC), 3 mL (20 중량% 백금/HCMSC)의 0.05 M H2PtCl6·6H2O 수용액을 각각 가하였다. 3 시간 동안 교반한 다음, 혼합액을 90℃로 가열하고 7 시간 동안 더 교반하였다. 이어, 라디칼 소거제로서 50 mL의 2-프로판올을 가하면서 질소를 버블링하여 혼합액을 탈기하여 용존된 산소를 제거한 후, 질소 분위기 하 주변온도에서 Co-60 감마선 광원으로 40 kGy의 감마선을 조사하였다 (조사속도 = 2.0 x 103 Gy/h, 노출시간 = 2 시간). 감마선을 조사하는 동안 용액을 연속적으로 교반하여 VC 상에 백금 나노입자가 균일하게 분산되도록 하였다.Unlike Examples 1 to 3, a supported catalyst was synthesized by using hollow core-mesoporous shell carbon (HCMSC) as a carrier of platinum catalyst. Urea (urea / platinum molar ratio = 20) of 0.925 g (60 wt% platinum / HCMSC), 0.411 g (40 wt% platinum / HCMSC) and 0.154 g (20 wt% platinum / HCMSC) 0.1 g HCMSC was added and sonicated for 30 min. Then, 15 mL (60 wt% platinum / HCMSC), 7 mL (40 wt% platinum / HCMSC) and 3 mL (20 wt% platinum / HCMSC) 0.05 MH 2 PtCl 6 .6H 2 O aqueous solutions were added, respectively. After stirring for 3 hours, the mixture was heated to 90 < 0 > C and stirred for an additional 7 hours. Next, 50 mL of 2-propanol was added as a radical scavenger, and nitrogen was bubbled through the mixture to remove dissolved oxygen. Then, 40 kGy gamma rays were irradiated with a Co-60 gamma ray source at a surrounding temperature in a nitrogen atmosphere (Irradiation speed = 2.0 x 10 3 Gy / h, exposure time = 2 hours). While the gamma ray was irradiated, the solution was continuously stirred to uniformly disperse the platinum nanoparticles on the VC.

비교예Comparative Example 1.  One. 함침Impregnation -- NaBHNaBH 44 환원법에 의한 백금 (60 중량%)/ Platinum (60% by weight) / VCVC 촉매의 합성 Synthesis of Catalyst

0.1 g의 VC를 200 mL의 DI에 가하고 30 분 동안 초음파 처리한 후 15 mL의 0.05 M H2PtCl6·6H2O 수용액을 가하였다. 3 시간 동안 교반한 후, 0.4 M KOH를 가하여 혼합액의 pH를 약 8로 조정하였다. 이후, NaBH4 수용액을 10:1의 몰비 (NaBH4:Pt)로 적가하고, 혼합액을 연속적으로 밤새 교반하였다. 이어, 혼합액을 여과한 다음 다량의 물로 세척하여 불순물을 제거하였다. 잔류물을 80 ℃에서 밤새 건조하여 최종적으로 백금/VC 촉매를 얻었다.0.1 g of VC was added to 200 mL of DI, sonicated for 30 minutes, and then 15 mL of 0.05 MH 2 PtCl 6 .6H 2 O aqueous solution was added. After stirring for 3 hours, the pH of the mixed solution was adjusted to about 8 by adding 0.4 M KOH. Thereafter, an NaBH 4 aqueous solution was added dropwise at a molar ratio (NaBH 4 : Pt) of 10: 1, and the mixture was continuously stirred overnight. Then, the mixed solution was filtered and washed with a large amount of water to remove impurities. The residue was dried overnight at 80 < 0 > C to obtain a platinum / VC catalyst.

비교예Comparative Example 2.  2. HDHD -- EGEG 법에 의한 백금 (60 중량%)/ Platinum (60% by weight) / VCVC 촉매의 합성 Synthesis of Catalyst

0.925 g의 요소 (요소/백금 몰비 = 20)를 먼저 200 mL의 DI에 녹이고 0.1 g의 탄소를 가한 후, 혼합액을 30 분 동안 초음파 처리하였다. 다음으로, 15 mL의 0.05 M H2PtCl6·6H2O 수용액을 가하고 3 시간 동안 교반하였다. 이어, 온도를 90 ℃까지 올려 요소가 가수분해되도록 한 후 7 시간 동안 교반하였다. 용액의 pH는 7-10 근처였다. 혼합액을 실온으로 냉각하고 200 mL의 EG를 가하였다. 3 시간 동안 더 교반한 다음 용액을 120 ℃로 가하고 밤새 교반하였다. 이후, 형성된 촉매 슬러리를 여과하고 과량의 DI로 세척하여 불순물을 제거하였다. 얻어진 백금 촉매를 80 ℃에서 밤새 건조하였다.0.925 g of element (urea / platinum mole ratio = 20) was first dissolved in 200 mL of DI, 0.1 g of carbon was added, and the mixture was ultrasonicated for 30 minutes. Next, 15 mL of 0.05 MH 2 PtCl 6 .6H 2 O aqueous solution was added and stirred for 3 hours. The temperature was then raised to 90 DEG C, allowing the urea to hydrolyze and stirring for 7 hours. The pH of the solution was around 7-10. The mixture was cooled to room temperature and 200 mL of EG was added. After stirring for an additional 3 hours, the solution was added to 120 < 0 > C and stirred overnight. The formed catalyst slurry was then filtered and washed with excess DI to remove impurities. The obtained platinum catalyst was dried at 80 占 폚 overnight.

시험예Test Example 1. 표면특성 분석 1. Surface Characterization

VC 지지체 상에 형성된 백금 나노입자를 Rigaku 1200와 Cu-Kα 광원, Ni β-필터를 사용하여 40 kV, 20 mA에서 X-선 회절 (XRD) 분석에 의해 확인하였다. 각 방법을 통해 합성된 백금 나노입자의 평균 입자크기를, 백금(220) 격자면에 대한 2θ 반사피크로부터 Debye-Scherer 식을 이용하여 결정하였다. VC 지지체 상에 분산된 백금 나노입자를 고해상도 주사전자현미경 (HR-SEM) 분석과 고해상도 투과전자현미경 (HR-TEM) 분석에 의해 추가적으로 분석하였다. HR-SEM 이미지는 30 kV에서 작동하는 Hitachi S-5500 현미경을 사용하여 얻었다. HR-TEM 이미지는 200 kV에서 작동하는 JEOL FE-2010 현미경을 사용하여 얻었다. 형성된 백금 나노입자의 산화상태 결정을 위해 X-선 광전자분광 (XPS) 분석을 수행하였다. XPS 스펙트럼은 2.6 x 10-9 Torr의 기본압력 하에 AXIS-NOVA(Kratos) X-선 광전자분광기와 단색 Al Kα (150 W) 광원을 사용하여 얻었다. 모든 샘플의 금속 담지량은 Bruker TG-DTA2000SA 분석기를 사용하여 열중량분석 (TGA)에 의해 결정하였다.Platinum nanoparticles formed on a VC support were identified by X-ray diffraction (XRD) analysis at 40 kV, 20 mA using a Rigaku 1200 and Cu-K? Light source, Ni? -Filter. The mean particle size of the platinum nanoparticles synthesized by each method was determined from the 2? Reflection peak for the platinum (220) lattice surface using the Debye-Scherer equation. The platinum nanoparticles dispersed on the VC support were further analyzed by high-resolution scanning electron microscopy (HR-SEM) analysis and high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) analysis. HR-SEM images were obtained using a Hitachi S-5500 microscope operating at 30 kV. HR-TEM images were obtained using a JEOL FE-2010 microscope operating at 200 kV. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis was performed to determine the oxidation state of the platinum nanoparticles formed. XPS spectra were obtained using AXIS-NOVA (Kratos) X-ray photoelectron spectroscopy and monochromatic Al Kα (150 W) light source under a base pressure of 2.6 x 10 -9 Torr. The metal loading of all samples was determined by thermogravimetric analysis (TGA) using a Bruker TG-DTA2000SA analyzer.

시험예Test Example 2. 전기화학적 성능의 측정 2. Measurement of electrochemical performance

각 방법에 의해 합성한 백금(60 중량%)/VC 촉매의, 백금의 전기화학적 표면적 (ECSA)을 3전극 (반전지) 구성을 이용하여 순환 전압전류법 (CV)에 의해 측정하였다. CV 측정은 실온에서 50 mV s-1의 전압 스캔속도로 0.5 M H2SO4 전해질 내에서 수행하였다. 테플론 실린더에 함침된 직경 3 mm의 유리질 탄소 디스크 상에 캐스팅된 박막 형태의 Nafion 함침촉매를 작동전극으로, 백금 와이어와 Ag/AgCl (3.0 M NaCl 용액 내)을 각각 상대전극과 기준전극으로 사용하였다. 작동전극은 문헌에 기재된 방법에 따라 제작하였다 (Fang, B.; Chaudhari, N. K.; Kim, M.-S.; Kim, J. H.; Yu, J.-S. J. Am . Chem . Soc . 2009, 131, 15330-15338). 작동전극의 촉매 담지량은 0.5 mg Pt/cm-2이었다. 전해질 용액을 고순도의 질소로 1 시간 동안 탈기한 후, 순환 전압전류법 측정을 통해 10 사이클 후에 안정화된 순환 전압전류곡선을 기록하였다.The electrochemical surface area (ECSA) of platinum of platinum (60 wt%) / VC catalyst synthesized by each method was measured by cyclic voltammetry (CV) using a three electrode (half-cell) configuration. CV measurements were performed in a 0.5 MH 2 SO 4 electrolyte at a voltage scan rate of 50 mV s -1 at room temperature. Plasma wire and Ag / AgCl (in 3.0 M NaCl solution) were used as a counter electrode and a reference electrode, respectively, as a working electrode, a Nafion-impregnated catalyst in the form of a thin film cast on a 3 mm diameter glassy carbon disk impregnated with a Teflon cylinder . The working electrode was prepared by the method described in literature (Fang, B .; Chaudhari, NK ; Kim, M.-S .; Kim, JH;... Yu, J.-S. J. Am Chem Soc 2009, 131 , 15330-15338). The amount of catalyst supported on the working electrode was 0.5 mg Pt / cm -2 . After the electrolytic solution was deaerated with high purity nitrogen for 1 hour, a cyclic voltammetric curve stabilized after 10 cycles was recorded by cyclic voltammetry.

각 백금(60 중량%)/VC 캐소드 촉매를 사용한 연료전지의 분극성능을 단전지를 제작하여 평가하였다. 전처리한 Nafion 115 막 (DuPont)을 애노드와 캐소드 사이에 두고 130 ℃에서 고온압착하여 제작한 면적 10 cm2의 막-전극 접합체 (MEA)를 사용하여 단전지를 구성하였다. 촉매 담지량은 애노드가 0.2 mg 백금/cm-2, 캐소드가 0.4 mg 백금/cm-2이었다. 백금(60 중량%)/VC (Premetek)를 애노드 촉매로 사용하여 시험을 수행하였다. 각 백금/VC 촉매를 적당량의 DI와 필요량의 5 중량% Nafion 이오노머 용액 (Aldrich)의 혼합용액에 분산시켜 촉매잉크를 제조하였다. 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층의 Nafion 이오노머의 함량은 각각 20 중량%와 25 중량%이었다. 적당량의 촉매잉크를 테플론 코팅된 카본지(TGPH-090) 위에 칠하고 80 ℃에서 밤새 건조하였다. 제작된 연료전지를 75 ℃에서 가습화한 후 분극성능을 일정한 전류 및 전압 하에 60 ℃에서 WFCTS 연료전지 시험기로 측정하였다. H2와 O2를 각각 200 mL min- 1와 500 mL min-1의 속도로 애노드와 캐소드에 공급하였다.The polarization performance of the fuel cell using each platinum (60 wt%) / VC cathode catalyst was evaluated by fabricating a unit cell. A cell electrode assembly (MEA) was fabricated using a membrane electrode assembly (MEA) having a surface area of 10 cm 2 produced by pressing a pre-treated Nafion 115 membrane (DuPont) between the anode and the cathode at 130 ° C. The amount of the catalyst supported was 0.2 mg platinum / cm -2 for the anode and 0.4 mg platinum / cm -2 for the cathode. The test was carried out using platinum (60% by weight) / VC (Premetek) as the anode catalyst. Each platinum / VC catalyst was dispersed in a mixed solution of an appropriate amount of DI and a required amount of a 5 wt% Nafion ionomer solution (Aldrich) to prepare a catalyst ink. The contents of the Nafion ionomers in the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer were 20 wt% and 25 wt%, respectively. An appropriate amount of the catalyst ink was coated on Teflon coated carbon paper (TGPH-090) and dried at 80 캜 overnight. The fabricated fuel cell was humidified at 75 ℃ and the polarization performance was measured by a WFCTS fuel cell tester at 60 ℃ under constant current and voltage. The H 2 and O 2, respectively 200 mL min - at a rate of 1 mL min -1 and 500 were supplied to the anode and the cathode.

결과분석Results analysis

NaBH4를 환원제로 사용하는 종래의 함침법 (비교예 1), EG를 환원제로 사용하는 요소를 이용한 HD-EG 법 (비교예 2), 그리고 본 발명에 따른 방법의 세 가지 방법 (실시예 1)에 의해 VC 상에 합성된 백금 나노입자의 연료전지 성능을 비교하였다. 실시예 1의 경우, 첫 단계에서 요소를 90 ℃에서 가수분해하여 아래의 메커니즘에 의해 산성 백금 염용액 내에 수산화이온이 서서히 균일하게 생성되도록 하였다.(Comparative Example 1) using NaBH 4 as a reducing agent (Comparative Example 1), HD-EG method using an element using EG as a reducing agent (Comparative Example 2), and three methods of the method according to the present invention ) Were compared with those of platinum nanoparticles synthesized on VC. In the case of Example 1, in the first step, the urea was hydrolyzed at 90 占 폚 so that the hydroxide ion was gradually and uniformly produced in the acidic platinum salt solution by the following mechanism.

CO(NH2)2 + 3H2O → 2NH4 + + CO2 + 2OH- CO (NH 2 ) 2 + 3H 2 O? 2NH 4 + + CO 2 + 2OH -

인시투로 생성되는 OH-에 의해 용액의 pH가 8 근처까지 서서히 상승하고 OH-는 백금4 + 양이온과 반응하여 백금수산 착화합물을 형성하는데, 이는 탄소 지지체 상에 균일하게 담지된다. 외부에서 KOH를 가하여 pH를 조절하는 경우와 달리, 용액의 pH가 국소적으로 급격히 증가하거나 백금 수산화물이 빠르게 침전하는 문제를 피할 수 있다.The pH of the solution gradually rises to around 8 due to the OH - generated in situ and OH - reacts with the platinum 4 + cation to form a platinum anhydride complex, which is supported uniformly on the carbon support. Unlike the case where the pH is controlled by adding KOH from the outside, it is possible to avoid the problem that the pH of the solution increases rapidly locally or that the platinum hydroxide precipitates rapidly.

[PtCl6 -x(H2O)x](2-x)- + xCl- + yOH- → [PtCl6 -x(OH)y(H2O)x-y](2-x+y)- + yH2O + xCl- [PtCl 6 -x (H 2 O ) x] (2-x) - + xCl - + yOH - → [PtCl 6 -x (OH) y (H 2 O) xy] (2-x + y) - + yH 2 O + xCl -

두 번째 단계에서는, 담지된 백금 착화합물에 이온화 감마선을 조사하여, 1차 및 2차 방사분해종인 수화된 전자와 기타 라디칼을 생성한다.In the second step, the supported platinum complex is irradiated with ionized gamma rays to generate primary and secondary radiolytic species, hydrated electrons and other radicals.

H2O → neeq -, H·, OH·, H+ H 2 O → ne eq - , H · , OH · , H +

이들 수화된 전자와 기타 라디칼은 먼저 백금 양이온을 환원시켜 산화수를 낮추고 이어 금속성의 백금 클러스터를 형성한다. 최종적으로, 응집에 의해 금속성의 백금 나노입자가 형성되어 성장한다. 유해한 산화성 OH· 라디칼은 2-프로판올을 이용하여 비활성화시켰다.These hydrated electrons and other radicals first reduce the platinum cation to lower the oxidation number and then form a metallic platinum cluster. Finally, metallic platinum nanoparticles are formed by agglomeration and grow. Harmful oxidative · OH radical was deactivated by using a 2-propanol.

[PtCl6 -x(OH)y(H2O)x-y](2-x+y)- + (neeq - 또는 H·) → Pt0 + H+ + (x+y)H2O [PtCl 6 -x (OH) y (H 2 O) xy] (2-x + y) - + (ne eq - or H ·) → Pt 0 + H + + (x + y) H 2 O

감마선 조사에 의한 환원과정에서 생성된 백금 나노입자의 크기와 분포는 명백히 요소를 이용한 균일담지 과정에서 탄소 지지체 상에 담지된 백금 착화합물의 상태에 의존한다. 백금 나노입자의 크기 및 분산의 제어에 있어 요소의 첨가가 핵심적인 역할을 하는 것으로 확인되었다.The size and distribution of the platinum nanoparticles produced during the reduction by gamma irradiation is clearly dependent on the state of the platinum complex supported on the carbon support in the homogeneous loading process using the elements. It has been confirmed that the addition of an element plays a key role in controlling the size and dispersion of platinum nanoparticles.

도 1a 내지 1h에는 각 방법에 의해 합성된 백금(60 중량%)/VC 촉매의 HR-SEM 이미지 (a, c, e, g)와 HR-TEM 이미지 (b, d, f, h)를 도시하였다. 비교예 2 (e 및 f)와 실시예 1에 의해 합성된 백금 나노입자 (g 및 h)가 비교예 1에 의해 제조된 촉매 (a 및 b) 또는 상용화된 Premetek 백금 촉매 (c 및 d)에 비해 분산 및 크기 면에서 우수함을 알 수 있다. 환원제인 NaBH4를 엑스시투로 가한 경우에는 백금(IV) 착화합물이 VC 상에서 균일하게 환원되지 못하였으며, 환원과정에서 일부 백금 나노입자가 응집되어 약 3.5 ~ 4.8 nm의 크기분포를 나타내는데 (도 1a 및 1b), 이는 NaBH4가 실온에서 강한 환원력을 가지기 때문으로 생각된다. 또한, 0.4 M KOH을 가하여 pH를 조절하는 과정에서 용액의 pH가 순간적, 국소적으로 증가하여 백금 나노입자의 분산이 불균일해진다. 상용화된 Premetek 촉매의 경우 NaBH4 환원법의 경우에 비해 더 작은 크기의 백금 나노입자가 관찰되어 촉매 합성과정에서 입자크기의 제어가 용이함을 알 수 있으나, 백금 나노입자의 크기분포는 3.2 ~ 4.3 nm 범위로 비교적 넓었다.(A, c, e, g) and HR-TEM images (b, d, f, h) of platinum (60 wt%) / VC catalyst synthesized by each method are shown in Figs. Respectively. The platinum nanoparticles (g and h) synthesized according to Comparative Examples 2 (e and f) and Example 1 were added to the catalysts (a and b) prepared by Comparative Example 1 or the commercially available Premetek platinum catalysts (c and d) It can be seen that it is superior in dispersion and size. When the reducing agent NaBH 4 was added ex situ, the platinum (IV) complex could not be uniformly reduced on the VC, and some platinum nanoparticles aggregated in the reducing process to exhibit a size distribution of about 3.5 to 4.8 nm 1b), which is thought to be due to the strong reducing power of NaBH 4 at room temperature. In addition, the pH of the solution increases instantaneously and locally in the process of adjusting the pH by adding 0.4 M KOH, so that the dispersion of the platinum nanoparticles becomes uneven. In the case of commercialized Premetek catalysts, smaller size of platinum nanoparticles were observed in comparison with the case of NaBH 4 reduction method, and it is easy to control the particle size in the catalyst synthesis process. However, the size distribution of platinum nanoparticles is in the range of 3.2 to 4.3 nm Respectively.

이와는 대조적으로, HD-EG 법에 의해 제조된 백금/VC 나노입자 (비교예 2)는 도 1e 및 f의 HR-SEM 이미지와 HR-TEM 이미지에서 보듯이 균일한 분포와 약 2.3 ~ 3.4 nm의 작은 입자크기를 보인다. 본 발명에 따른 방법의 경우, HR-SEM 이미지와 HR-TEM 이미지로부터 계산된 입경은 약 2.2 ~ 3.1 nm였다. 비교예 2와 실시예 1이 균일도 및 크기 제어 면에서 유리한 것은 요소가 가수분해될 때 방출되는 OH- 이온이 수용액의 pH를 증가시키면서 금속염의 염화이온과 교환되어 탄소 지지체 상에 금속 착화합물의 균일한 침전을 유도하기 때문이다. 또한, 비교예 2 및 실시예 1에서는 백금 나노입자의 응집이 별로 관찰되지 않았다. 합성과 특성분석을 반복적으로 수행한 결과 실시예 1에 의해 형성되는 백금 나노입자가 비교예 2에 의해 형성되는 백금 나노입자에 비해 일반적으로 크기가 작고 분산도가 우수하였다. 이와 같이, 입자크기가 감소하는 것은 감마선 조사과정에서 핵형성과 성장이 빠르게 진행되기 때문이다.In contrast, the platinum / VC nanoparticles prepared by the HD-EG method (Comparative Example 2) exhibited a homogeneous distribution and a rough distribution of about 2.3 to 3.4 nm as shown in the HR-SEM and HR-TEM images of FIGS. It shows small particle size. For the method according to the invention, the particle size calculated from the HR-SEM image and the HR-TEM image was about 2.2 to 3.1 nm. The advantages of Comparative Example 2 and Example 1 in terms of uniformity and size control are that OH - ions released when the element is hydrolyzed are exchanged with the chloride ion of the metal salt while increasing the pH of the aqueous solution so that uniformity of the metal complex This leads to sedimentation. In Comparative Example 2 and Example 1, aggregation of platinum nanoparticles was not observed. As a result of repeated synthesis and characterization, the platinum nanoparticles formed in Example 1 were generally smaller in size and superior in dispersibility than the platinum nanoparticles formed in Comparative Example 2. Thus, the decrease in particle size is due to the rapid karyotype and growth in the gamma irradiation process.

도 2a 내지 2c에는 탄소 지지체로 중공형 메조세공 탄소 (hollow core-mesoporous shell carbon: HCMSC)를 이용하여 합성된 60 중량% (실시예 4, 도 2a), 40 중량% (실시예 5, 도 2b) 그리고 20 중량% (실시예 6, 도 2c)의 백금/HCMSC 촉매의 HR-TEM 이미지를 도시하였다. 실시예 4 내지 6에 의해 합성된 백금 나노입자 (도 2a 내지 2c)는 비교예 1에 의해 제조된 촉매 또는 상용화된 Premetek 백금 촉매에 비해 분산 및 크기 면에서 우수함을 알 수 있다. 요소의 가수분해를 통해 HCMSC 상에 금속 착화합물의 균일한 침전을 유도한 실시예 4 내지 6은 큰 표면적 및 넓은 메조세공 부피, 그리고 높은 전기전도도의 특징을 보이고 있어 금속촉매입자의 반응면적을 넓히고 전극 내의 저항을 최소화하여 촉매의 활성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.2A to 2C show the results of a comparison of a 60 wt% (Example 4, Fig. 2A), 40 wt% (Example 5, Fig. 2B) synthesized using a hollow core-mesoporous shell carbon (HCMSC) ) And a HR-TEM image of a platinum / HCMSC catalyst of 20 wt% (Example 6, Fig. 2C). The platinum nanoparticles synthesized by Examples 4 to 6 (FIGS. 2A to 2C) are superior in dispersion and size to the catalyst prepared by Comparative Example 1 or the commercially available Premetek platinum catalyst. Examples 4 to 6, which induced uniform precipitation of metal complexes on HCMSC through hydrolysis of urea, exhibited large surface area, wide mesopore volume, and high electrical conductivity, thus widening the reaction area of the metal catalyst particles, It is expected that the activity of the catalyst can be greatly improved.

도 3a에는 상기 4가지 촉매에 대한 XRD 패턴을 도시하였다. 도 3a의 XRD 결과로부터 각 합성방법에 의해 제조된 백금 나노입자가 무질서한 면심입방 (fcc) 구조를 형성함을 알 수 있다. 백금(220) 반사피크의 넓어짐으로부터 Debye-Scherer 식을 이용하여 계산한 백금(60 중량%)/VC의 평균 입자크기는, 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1의 경우 각각 4.3 nm, 2.9 nm, 2.7 nm이었으며, Premetek 상용 촉매의 경우 4.0 nm이었다. 백금 나노입자의 XRD 데이터로부터 계산한 입자크기는 도 1의 HR-SEM 이미지와 HR-TEM 이미지로부터 임의로 선택하여 측정한 입자크기와 일반적으로 잘 일치하였다. 각 방법에 의해 제조된 백금(60 중량%)/VC의 백금(220) 반사피크 측정을 통해 결정한 백금 입자의 크기를 하기 표 1에 기재하였다.FIG. 3A shows XRD patterns for the four catalysts. From the XRD results of FIG. 3A, it can be seen that the platinum nanoparticles produced by each of the synthesis methods form a disordered face-centered cubic (fcc) structure. The mean particle size of platinum (60% by weight) / VC calculated using the Debye-Scherer equation from the widening of the platinum (220) reflection peak was 4.3 nm and 2.9 nm in Comparative Example 1, Comparative Example 2 and Example 1, respectively nm and 2.7 nm, respectively, and 4.0 nm for the Premetek commercial catalyst. The particle sizes calculated from the XRD data of the platinum nanoparticles were generally in good agreement with the particle sizes arbitrarily selected from the HR-SEM and HR-TEM images of FIG. The sizes of the platinum particles determined through the platinum (220) reflection peak measurement of platinum (60 wt.%) / VC prepared by each method are shown in Table 1 below.

도 3b에는 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1에 의해 합성된 백금(60 중량%)/VC와 상용화된 Premetek 백금(60 중량%)/VC의 TGA 곡선을 도시하였으며, 이와 더불어 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해서 제조하되, 백금 담지량을 40 중량% (실시예 2) 및 20 중량% (실시예 3)로 달리한 촉매의 TGA 곡선도 함께 도시하였다. TGA 데이터로부터 모든 백금/VC 촉매의 실제 금속 담지량이 계산값과 상당히 비슷함을 알 수 있는데, 이는 각 합성방법에서 백금 담지량이 효과적으로 제어되었음을 의미한다.3B shows the TGA curves of platinum (60 wt.%) / VC and Premetek platinum (60 wt.%) / VC commercialized according to Comparative Example 1, Comparative Example 2 and Example 1, 1, the TGA curves of the catalysts in which the platinum loading amount was changed to 40 wt% (Example 2) and 20 wt% (Example 3) were also shown. From the TGA data, it can be seen that the actual metal loading of all platinum / VC catalysts is very similar to the calculated value, which means that the platinum loading is effectively controlled in each of the synthesis methods.

한편, 합성된 촉매에서 백금 나노입자의 환원 정도와 산화상태를 XPS에 의해 분석하였으며 그 결과를 도 4a 내지 4d에 도시하였다. 상용화된 Premetek 백금/VC (4b) 촉매와, 비교예 1 (4a), 비교예 2 (4c) 및 실시예 1 (4d)에 따른 백금/VC 촉매는 백금 4f 결합에너지 영역에서 71.4 eV 및 74.7 eV에서 강한 피크를 보였는데, 이는 각각 금속성 백금의 4f7 /2와 4f5 /2에 해당하며 VC 담지 백금(60 중량%) 촉매 내 백금의 산화수가 주로 0임을 의미한다. 백금 나노입자 내 백금(0), 백금(II) 및 백금(IV)의 상대적 함량을 백금 4f 피크의 가우스곡선 피팅분석에 의해 계산한 결과, 실시예 1에 의해 제조된 백금/VC는 다른 합성촉매 및 상용화된 백금 촉매에 비해 백금(0) 함량이 높고 백금(IV) 함량은 낮은 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 흡착된 백금(IV) 착화합물이 감마선 조사에 의해 거의 완전히 환원되었음을 뜻하며, 이는 본 발명에 따른 방법이 VC 지지체 상에 높은 담지율로 담지된 백금 촉매의 제조에 매우 효과적임을 의미한다. 60 중량% 백금/VC 촉매의 상세한 조성비를 하기 표 1에 기재하였다.Meanwhile, the degree of reduction and oxidation state of the platinum nanoparticles in the synthesized catalyst were analyzed by XPS, and the results are shown in FIGS. 4A to 4D. The platinum / VC catalysts according to Comparative Example 1 (4a), Comparative Example 2 (4c) and Example 1 (4d) were found to be 71.4 eV and 74.7 eV in the platinum 4f binding energy region, beam was a strong peak at a, which means that the 4f 7/2 and 4f 5/2 for the VC, and supported platinum (60% by weight) is mainly zero oxidation number of platinum in the catalyst of each of the metallic platinum. The relative content of platinum (0), platinum (II) and platinum (IV) in the platinum nanoparticles was calculated by Gaussian curve fit analysis of the platinum 4f peak. As a result, the platinum / And platinum (0) and platinum (IV) contents were lower than those of commercial platinum catalysts. This result means that the adsorbed platinum (IV) complex is almost completely reduced by gamma irradiation, which means that the process according to the present invention is highly effective in the preparation of a platinum catalyst supported on a VC support with a high supported ratio. The detailed composition ratios of the 60 wt% platinum / VC catalyst are shown in Table 1 below.

백금 나노입자의 전기화학적 활성 표면적 (ECSA)은 백금 촉매의 고유한 전기촉매 활성을 반영하는 매우 중요한 파라미터로서, 일반적으로 N2 분위기 하에 지지 전해질 (0.5 M H2SO4) 내에서 정상상태 CV의 수소 흡착영역 (-0.2 ~ +0.05 V)의 적분 전하량 (커패시턴스 성분을 제외)에 의해 결정한다.Electrochemically active surface area of platinum nanoparticles (ECSA) is a very important parameter that reflects the unique electrocatalytic activity of the platinum catalyst, typically a supporting electrolyte (0.5 MH 2 SO 4) hydrogen in a normal state CV in under a N 2 atmosphere Is determined by the integrated charge amount (excluding the capacitance component) of the absorption region (-0.2 to +0.05 V).

도 5a에는 0.5 M H2SO4 내 50 mV s-1에서 상기 4가지 촉매 (비교예 1 및 2, 실시예 1, 상용 Premetek 백금/VC )의 전기흡착 곡선이다. 또한, 식 ECSA = QH / [L x qH](식 (1))에 의해 계산한 ECSA 값을 하기 표 1에 요약하였다. 상기 식에서, QH는 수소흡착 전하량, L은 전극에 담지된 백금의 질량 (mg cm-2), qH는 백금 상의 단일 H2 층을 산화하는 데 필요한 전하량 (0.21 mC cm-2)이다. 상기 표 1을 참조하면, 실시예 1에 따른 촉매의 ECSA 측정값은 83 m2 g- 1으로, 비교예 1 (37 m2 g-1)이나 비교예 2 (71 m2 g-1)에 의해 제조된 촉매나 상용화된 Premetek 백금(60 중량%)/VC (48 m2 g-1)에 비해 월등히 높은 값이었다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 방법에서는 백금 나노입자의 담지량이 큰 경우에도 입자크기 및 분산을 균일하게 제어할 수 있음을 의미한다.FIG. 5A shows the electroadhesion curves of the four catalysts (Comparative Examples 1 and 2, Example 1, commercial Premetek platinum / VC) at 50 mV s -1 in 0.5 MH 2 SO 4 . The ECSA values calculated by the equation ECSA = Q H / [L xq H ] (equation (1)) are summarized in Table 1 below. Wherein, Q H is hydrogen absorption amounts, L is a platinum mass (mg cm -2), H q is a charge amount required to oxidize the H 2 single layer on the Pt (0.21 mC cm -2) of the supported electrode. ECSA measure of the catalyst according to Example 1 Referring to Table 1, it is 83 m 2 g - 1, in Comparative Example 1 (37 m 2 g -1) or Comparative Example 2 (71 m 2 g -1) (60 wt%) / VC (48 m < 2 > g < -1 >). These results indicate that the method according to the present invention can uniformly control the particle size and dispersion even when the amount of supported platinum nanoparticles is large.

한편, 촉매활성을 평가하는 데 있어 중요한 파라미터인 촉매 이용효율은 일반적으로 ECSA를 화학적 표면적 (CSA)으로 나누어서 구할 수 있다. CSA는 식 CSA = 6000/ρd (식 (2))으로부터 계산할 수 있는데, 여기에서 ρ는 백금의 밀도 (21.4 g cm-3)이고 d는 XRD 분석 결과 얻어진 백금 나노입자의 평균 직경이다. 실시예에 의해 제조된 백금(60 중량%)/VC의 CSA 계산값은 104 m2 g-1로, 비교예 1에 의한 백금(60 중량%)/VC(65 m2 g-1), 상용 Premetek 백금(60 중량%)/VC(70 m2 g-1), 비교예 2에 의한 백금(60 중량%)/VC(96 m2 g-1)보다 높았다. 비교예 1, 상용 Premetek, 비교예 2 및 실시예 1에 의한 백금(60 중량%)/VC의 이용효율은 각각 약 57%, 69%, 74%, 80%였다. 실시예 1에 의한 백금(60 중량%)/VC의 이용효율이 가장 높은 이유 역시 백금 나노입자의 크기가 가장 작고 VC 상에 잘 분산되어, 흡착 및 O2 환원반응의 촉매작용을 위한 넓은 표면적을 제공하기 때문이다.On the other hand, the catalyst utilization efficiency, which is an important parameter in evaluating the catalytic activity, can be generally obtained by dividing ECSA by the chemical surface area (CSA). CSA can be calculated from the formula CSA = 6000 / ρd (Equation (2)) where ρ is the density of platinum (21.4 g cm -3 ) and d is the mean diameter of the platinum nanoparticles obtained from the XRD analysis. The CSA calculated value of platinum (60 wt.%) / VC prepared according to the example was 104 m 2 g -1 , the platinum (60 wt.%) / VC (65 m 2 g -1 ) (60 wt%) / VC (70 m 2 g -1 ), and platinum (60 wt%) / VC (96 m 2 g -1 ) according to Comparative Example 2. The utilization efficiencies of platinum (60% by weight) / VC according to Comparative Example 1, commercial Premetek, Comparative Example 2 and Example 1 were about 57%, 69%, 74% and 80%, respectively. The reason why the utilization efficiency of platinum (60% by weight) / VC according to Example 1 is the highest is also the smallest size of the platinum nanoparticles and is well dispersed on the VC, resulting in a large surface area for the adsorption and catalysis of the O 2 reduction reaction .

도 5b는 60 ℃에서 각 백금(60 중량%)/VC 캐소드 촉매를 사용한 PEMFC의 분극성능을 보여준다. 원칙적으로, 낮은 전류밀도에서 발생하는, H2를 연료로 사용하는 연료전지의 분극현상은 주로 캐소드 표면에서 느리게 진행되는 ORR에 의한 전기화학적 활성화 때문이다. 실시예 1에 의한 백금(60 중량%)/VC는 다른 합성방법에 비해 분극에 의한 전압손실이 적었는데, 이는 ORR에 대한 촉매활성이 높음을 뜻한다. 실시예 1에 의한 백금(60 중량%)/VC의 0.6 V에서의 전류밀도와 최대 전력밀도는 각각 627 mA cm-2와 451 mW cm-2로, 비교예 1 (381 mA cm-2와 307 mW cm-2), 상용 Premetek (537 mA cm-2와 377 mW cm-2) 및 비교예 2 (588 mA cm-2와 429 mW cm-2)에 비해 훨씬 높았다. 따라서, 백금 나노입자의 크기가 작고 입자가 VC 지지체 상에 균일하게 분산됨에 따라 ECSA와 백금 이용효율이 더 높고, 따라서 실시예 1에 의해 합성된 촉매가 더 높은 촉매활성과 연료전지 분극성능을 보이는 것이다.Figure 5b shows the polarization performance of a PEMFC using each platinum (60 wt%) / VC cathode catalyst at 60 < 0 > C. In principle, polarization of a fuel cell using H 2 as a fuel, which occurs at a low current density, is mainly due to electrochemical activation by ORR which proceeds slowly at the cathode surface. Platinum (60 wt.%) / VC according to Example 1 had less voltage loss due to polarization than other synthesis methods, which means that the catalytic activity for ORR is high. The current density and the maximum power density at 0.6 V of platinum (60 wt.%) / VC according to Example 1 were 627 mA cm -2 and 451 mW cm -2 , respectively, and that of Comparative Example 1 (381 mA cm -2 and 307 mW cm -2 ), commercial Premetek (537 mA cm -2 and 377 mW cm -2 ), and Comparative Example 2 (588 mA cm -2 and 429 mW cm -2 ). Thus, as the size of the platinum nanoparticles is small and the particles are uniformly dispersed on the VC support, the efficiency of utilization of ECSA and platinum is higher, and thus the catalyst synthesized by Example 1 exhibits higher catalytic activity and fuel cell polarization performance will be.

일반적으로, PEMFC 분극성능은 촉매 내 백금 담지량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보인다. Qi 등은 백금 담지량이 큰 백금/VC 촉매의 경우 백금의 ECSA가 훨씬 작기 때문에 백금 담지량이 적은 촉매에 비해 낮은 PEMFC 성능을 보인다고 보고하였다 (Qi, Z.-G.; Kaufman, A. J. Power Sources 2003, 113, 37-43). 그러나, 본 발명에 따라서 제조된 촉매는 이러한 종래의 이론과 상당히 다른 경향을 보인다 (도 5c참조). 본 발명에 따라서 제조된 촉매는 백금 담지량이 20 중량%에서 60 중량%로 증가함에 따라 0.6 V에서의 전류밀도와 최대 전력밀도가 담지량이 20 중량%인 경우 (실시예 3)에 비해 각각 담지량이 40 중량%인 경우 (실시예 2) 약 9%와 10%, 담지량이 60 중량%인 경우 (실시예 1) 약 11%와 13% 증가하였다. 이와 같이 PEMFC 성능이 향상된 것은 본 발명에 따른 방법의 경우 백금 담지량의 증가에 따른 백금 나노입자의 크기 증가가 최소화되기 때문인 것으로 생각된다. 결국, 백금 담지량이 60 중량%인 경우에도 본 발명에 따라서 제조된 촉매는 백금 입자크기의 증가와 백금 나노입자의 응집이 두드러지지 않기 때문에 ECSA가 높아 ORR 성능이 향상되는 것이다. 백금 담지량이 중간 (40 중량%)이거나 낮은 (20 중량%) 경우에 비해 백금 담지량이 높은 (60 중량%) 촉매의 연료전지 성능을 향상시킬 수 있다는 것은 실제적인 응용에 있어 상당히 중요하다. 백금 담지량이 크면 촉매 지지체의 사용량을 줄일 수 있어 연료전지 제조비용이 절감되고, 연료전지 스택의 무게와 크기를 줄일 수 있으므로 연료효율이 증가할 뿐 아니라 전지 설계의 다양화로 인해 상용화의 가능성이 커지게 된다.In general, the PEMFC polarization performance tends to decrease as the platinum loading in the catalyst increases. Qi et al. Reported that platinum / VC catalysts with a large platinum loading amount had lower PEMFC performance than platinum supported catalysts because of the much smaller platinum ECSA (Qi, Z.-G .; Kaufman, A. J. Power Sources 2003 , 113 , 37-43). However, the catalyst prepared according to the present invention shows a tendency to be significantly different from this conventional theory (see FIG. 5C). The catalyst prepared according to the present invention has a higher current density and maximum power density at 0.6 V as the platinum loading increases from 20 wt% to 60 wt%, compared with the case where the loading amount is 20 wt% (Example 3) And about 11% and 13%, respectively, in the case of 40 wt% (Example 2), about 9% and 10%, and the loading amount of 60 wt% (Example 1). The improvement of PEMFC performance is considered to be due to the minimization of the increase in the size of the platinum nanoparticles due to the increase of the platinum loading in the method according to the present invention. As a result, even when the amount of supported platinum is 60% by weight, the catalyst prepared according to the present invention has a high ECSA and an improved ORR performance because the increase of the platinum particle size and the platinum nanoparticle aggregation are not remarkable. The ability to improve the fuel cell performance of a catalyst with a high platinum loading (60 wt.%) Compared to medium platinum loading (40 wt.%) Or low (20 wt.%) Is of great importance in practical applications. If the amount of supported platinum is large, the amount of the catalyst support can be reduced, thereby reducing the manufacturing cost of the fuel cell and reducing the weight and size of the fuel cell stack. This increases the fuel efficiency and increases the possibility of commercialization due to diversification of the battery design. do.

촉매의 장기간 사용에 대한 내구성 또한 상용화 가능성과 관련하여 중요한 요인이다. 상기 4가지 촉매 (비교예 1 및 2, 실시예 1, 상용 Premetek 백금/VC )의 내구성을, 0.75 V의 일정한 전압 하에서 10 시간 동안 단전지의 시간에 따른 전류 변화를 측정하여 확인하였다 (도 6 참조). 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 촉매의 전류응답은 시간에 따라 계속적으로 감소하였는데, 그 이유는 탄소 지지체 상에서 백금 입자의 소결 또는 이동, 백금의 이탈 및 전해질 내 용해, 독성물질의 생성 및 탄소 지지체의 부식과 같은 바람직하지 않은 현상이 발생하기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 실시예 1에 의해 합성된 촉매는 다른 방법에 의한 촉매에 비해 높은 초기 전류응답과 훨씬 높은 최종 전류응답을 보였다 (실시예 1, 비교예 2, 상용 Premetek 촉매 및 비교예 1의 초기 전류응답 유지율은 각각 73%, 65%, 62%, 46%였다). 이러한 거동은 실시예 1의 경우 다른 방법에 비해 백금 (0) 종의 함량이 높을 뿐 아니라 백금 나노입자의 크기가 작고 분포가 더 균일하여 작동과정에서 백금의 용해와 응집이 억제되기 때문이다. 하기 표 1에는 상기 4가지 촉매의 물리적, 전기화학적 특성을 요약하였다.Durability against long-term use of catalysts is also an important factor in terms of commercial viability. The durability of the four catalysts (Comparative Examples 1 and 2, Example 1, commercial Premetek platinum / VC) was confirmed by measuring the change in current of the single cell over time at a constant voltage of 0.75 V for 10 hours Reference). As can be seen from FIG. 6, the current response of each catalyst continuously decreased with time because sintering or migration of platinum particles on a carbon support, dissociation of platinum and dissolution in the electrolyte, production of toxic substances, and carbon Undesirable phenomena such as corrosion of the support occur. Nevertheless, the catalyst synthesized by Example 1 showed a higher initial current response and a much higher final current response than the catalyst by other methods (Example 1, Comparative Example 2, commercial Premetek catalyst, and initial And the current response retention rates were 73%, 65%, 62% and 46%, respectively). This behavior is due to the fact that the content of platinum (0) species is higher than that of other methods in Example 1, the size of platinum nanoparticles is smaller and distribution is more uniform, and dissolution and aggregation of platinum are inhibited during operation. Table 1 summarizes the physical and electrochemical properties of the four catalysts.

Figure pat00001
Figure pat00001

a백금 나노입자의 결정립 크기 (D)는 XRD 분석 결과 백금(220) 반사피크의 넓어짐으로부터 Debye-Scherrer 식에 의해 구하였다. a ) The grain size (D) of the platinum nanoparticles was determined by the Debye-Scherrer equation from the broadening of the platinum (220) reflection peak as a result of XRD analysis.

b촉매의 화학적 표면적 (CSA)은 식 (2)를 이용하여 계산하였다. b The chemical surface area (CSA) of the catalyst was calculated using equation (2).

c전기화학적 활성 표면적 (ECSA)은 식 (1)에 의해 결정하였다. c The electrochemically active surface area (ECSA) was determined by equation (1).

d백금 이용효율 (P.U.)은 식 P.U. = ECSA/CSA x 100에 의해 계산하였다. d Platinum utilization efficiency (PU) was calculated by the equation PU = ECSA / CSA x 100.

e0.6 V에서의 전류밀도(I)와 최대 전력밀도 (Pmax)는 단전지 시험을 통해 측정하였다. e The current density (I) and maximum power density (P max ) at 0.6 V were measured by a single cell test.

f백금(0), 백금(II) 및 백금(IV) 종의 상대적 함량은 백금4f XPS 데이터를 역컨벌루션하여 구하였다. f relative content of platinum (0), Pt (II) and platinum (IV) species was determined by the inverse convolution platinum 4f XPS data.

Claims (11)

요소 수용액에 카본 담체를 분산시켜 카본 담체 분산액을 제조하는 단계;
상기 카본 담체 분산액에 백금염을 주입하여 백금수산 착화합물을 형성하고, 상기 백금수산 착화합물이 카본 담체에 담지되도록 하는 단계; 및
상기 백금수산 착화합물에 감마선을 조사하여 상기 백금수산 착화합물 중 백금 양이온을 환원시키고, 백금 클러스터를 형성하는 단계를 포함하는 백금촉매의 제조방법.
Dispersing a carbon carrier in an aqueous urea solution to prepare a carbon carrier dispersion;
Introducing a platinum salt into the carbon carrier dispersion to form a platinum anhydride complex and supporting the platinum anhydride complex on a carbon support; And
And irradiating the platinum oxide complex with gamma rays to reduce platinum cations in the platinum oxide complex to form platinum clusters.
제1항에 있어서, 상기 백금수산 착화합물은 하기 반응식 1에 의해서 형성된 수산화 이온과 백금염의 백금 양이온과의 배위결합에 의해서 형성된 것임을 특징으로 하는 백금촉매의 제조방법:
[반응식 1]
CO(NH2)2 + 3H2O → 2NH4 + + CO2 + 2OH-
The method for preparing a platinum catalyst according to claim 1, wherein the platinum oxide complex is formed by coordinating a hydroxide ion formed by the following Reaction Scheme 1 with a platinum cation of a platinum salt:
[Reaction Scheme 1]
CO (NH 2 ) 2 + 3H 2 O? 2NH 4 + + CO 2 + 2OH -
제2항에 있어서, 상기 백금염은 염화백금산염이고, 상기 수산화 이온과 상기 백금 양이온과의 배위결합은 하기 반응식 2에 의해서 형성된 것임을 특징으로 하는 백금촉매의 제조방법:
[반응식 2]
[PtCl6 -x(H2O)x](2-x)- + yOH- → [PtCl6 -x(OH)y(H2O)x-y](2-x+y)- + yH2O
(상기 식에서, x는 0, 1 또는 2이고, y는 x보다 작거나 같은 정수이다.)
3. The process for producing a platinum catalyst according to claim 2, wherein the platinum salt is a chloroplatinic acid salt, and the coordination bond between the hydroxide ion and the platinum cation is formed by the following Reaction Scheme 2:
[Reaction Scheme 2]
[PtCl 6 -x (H 2 O ) x] (2-x) - + yOH - → [PtCl 6 -x (OH) y (H 2 O) xy] (2-x + y) - + yH 2 O
Wherein x is 0, 1 or 2 and y is an integer less than or equal to x.
제1항에 있어서, 상기 카본 담체는 카본 블랙, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 그래핀, 메조세공 탄소 또는 계층형 다중 구조 탄소 구조체인 것을 특징으로 하는 백금촉매의 제조방법.2. The method of claim 1, wherein the carbon carrier is carbon black, carbon nanotube, carbon nanofiber, graphene, mesoporous carbon, or a hierarchical multi-structure carbon structure. 제1항에 있어서, 상기 백금수산 착화합물의 형성 및 상기 카본 담체에의 담지 단계는 70 내지 110℃의 온도 및 pH 7 내지 pH 10의 산도 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 백금촉매의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the step of forming and supporting the platinum oxide complex on the carbon support is carried out at a temperature of 70 to 110 ° C and an acidity of pH 7 to 10. 제1항에 있어서, 상기 백금촉매의 상기 카본 담체에의 담지율은 10 내지 80 중량%인 것을 특징으로 하는 백금촉매의 제조방법.The method for producing a platinum catalyst according to claim 1, wherein the support ratio of the platinum catalyst to the carbon support is 10 to 80 wt%. 제1항에 있어서, 상기 감마선 조사에 의해서 수화 전자 (hydrated electrons) 및 라디칼들이 생성되고, 상기 수화 전자 및 라디칼들은 상기 백금수산 착화합물 중의 백금 양이온을 환원시켜 산화수를 낮추고, 백금 클러스터를 형성함으로써 백금 나노입자가 형성되어 성장되게 하는 것을 특징으로 하는 백금촉매의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the gamma ray irradiation generates hydrated electrons and radicals, the hydrated electrons and radicals reduce the platinum cations in the platinum anhydride complex to lower the oxidation number, Wherein the particles are formed and allowed to grow. 제1항에 있어서, 상기 감마선 조사 조건은 0.5 × 103 Gy/h 내지 4.0 × 103 Gy/h의 조사속도로, 0.5 시간 내지 6 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 백금촉매의 제조방법.The method of claim 1, wherein the gamma ray irradiation condition is performed for 0.5 to 6 hours at an irradiation rate of 0.5 x 10 3 Gy / h to 4.0 x 10 3 Gy / h. 제7항에 있어서, 상기 백금 나노입자의 입경은 1.8 ~ 3.7 nm인 것을 특징으로 하는 백금촉매의 제조방법.The method of claim 7, wherein the platinum nanoparticles have a particle diameter of 1.8 to 3.7 nm. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해서 제조된 산소환원반응용 백금 촉매.A platinum catalyst for oxygen reduction reaction produced by the process according to any one of claims 1 to 9. 제10항에 따른 산소환원반응용 백금 촉매를 포함하는 양성자 교환막 연료전지.A proton exchange membrane fuel cell comprising the platinum catalyst for oxygen reduction reaction according to claim 10.
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