KR20150028529A - Nb-TiO2 CATALYST SUPPORTS AND METHOD FOR SYNTHESIS OF THE SAME USING ELECTROSPINNING - Google Patents

Nb-TiO2 CATALYST SUPPORTS AND METHOD FOR SYNTHESIS OF THE SAME USING ELECTROSPINNING Download PDF

Info

Publication number
KR20150028529A
KR20150028529A KR20130107266A KR20130107266A KR20150028529A KR 20150028529 A KR20150028529 A KR 20150028529A KR 20130107266 A KR20130107266 A KR 20130107266A KR 20130107266 A KR20130107266 A KR 20130107266A KR 20150028529 A KR20150028529 A KR 20150028529A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tio
catalyst
carrier
fuel cell
precursor
Prior art date
Application number
KR20130107266A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
조은애
권초롱
유성종
디억 헨켄스마이어
윤성필
류재윤
남석우
임태훈
김형준
장종현
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR20130107266A priority Critical patent/KR20150028529A/en
Publication of KR20150028529A publication Critical patent/KR20150028529A/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/06Silicon, titanium, zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8803Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

In the present invention, provided is a catalyst support having a high electrical conductivity at various burning temperatures in PEMFC by using TiO_2 nanofiber doped with Nb by using electrospinning. The present invention relates to a TiO_2 catalyst support doped with Nb and a manufacturing method thereof wherein the catalyst support is used in electrodes for fuel cells and accordingly provides an outstanding activity and resistance to corrosion. In an embodiment of the present invention, provided is a Nb-TiO_2 catalyst support for fuel cells wherein the Nb-TiO_2 catalyst support is nanofiber and is manufactured by using the electrospinning and Nb content of the nanofiber is not more than is 50 at%.

Description

Nb-TiO2 촉매 담체 및 전기방사법을 이용한 이것의 제조방법{Nb-TiO2 CATALYST SUPPORTS AND METHOD FOR SYNTHESIS OF THE SAME USING ELECTROSPINNING}TECHNICAL FIELD The present invention relates to an Nb-TiO 2 catalyst support and a method of manufacturing the same using Nb-TiO 2 catalyst support and electrospinning.

본 발명은 Nb 도핑된 TiO2 촉매 담체 및 이것의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 촉매 담체는 연료전지용 전극에 적용되어 우수한 활성 및 내부식성을 제공한다.The present invention relates to a Nb-doped TiO 2 catalyst carrier and a method for producing the same, wherein the catalyst carrier is applied to an electrode for a fuel cell to provide excellent activity and corrosion resistance.

고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 수소와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 전기화학적 발전 장치이다. 카본 블랙은 높은 표면적, 높은 전기전도성에 의하여 PEMFC에서 전형적인 촉매 담체 물질로 사용되었다. 그러나, 연료전지의 시동/정지 과정에서, 탄소 담체는 심각한 부식을 일으킨다. 따라서, 금속 산화물과 같은 비탄소 담체의 사용이 바람직한 것으로 여겨진다. 이 중 TiO2는 특히 낮은 비용, 나피온 전해질 환경에서의 안정성 및 크기와 구조의 제어용이성으로 인해 연료전지용 촉매 담체로서 많이 연구되고 있다. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) is an electrochemical power generation device that produces electricity by reacting hydrogen and oxygen. Carbon black has been used as a typical catalyst carrier material in PEMFC due to its high surface area and high electrical conductivity. However, in the start / stop process of the fuel cell, the carbon carrier causes serious corrosion. Thus, the use of non-carbon supports such as metal oxides is considered desirable. Of these, TiO 2 has been studied extensively as a catalyst carrier for fuel cells due to its low cost, stability in Nafion electrolyte environment, and ease of size and structure control.

또한, 나노 섬유 같은 나노 구조 물질이 PEMFC에서 촉매 담체로 주목을 받고 있다. 최근에는, 전기방사법이 나노섬유 구조의 담체 물질의 제조에 사용되고 있다. 그러나, TiO2는 PEMFC에 사용하기에 낮은 전기전도성이 문제가 되어, 우수한 전기전도성을 갖는 TiO2 합성 기술에 대하여 연구가 되고 있다.In addition, nanostructured materials such as nanofibers are attracting attention as catalyst carriers in PEMFCs. In recent years, electrospinning has been used in the manufacture of carrier materials of nanofiber structures. However, TiO 2 has a problem of low electrical conductivity for use in PEMFCs, and research has been conducted on TiO 2 synthesis technology having excellent electrical conductivity.

연료전지를 장기간 운전하는 경우 탄소담체의 부식으로 인하여 성능이 저하되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 내부식성 담체의 개발이 요구되고 있으며, 기존 방법에 비하여 제조방법이 간단하고 촉매활성이 우수하며, 내구성이 향상된 담체를 개발하고자 한다.When the fuel cell is operated for a long period of time, there is a problem that the performance is deteriorated due to the corrosion of the carbon carrier. In order to solve this problem, development of a corrosion resistant carrier is required, and a carrier which has a simpler manufacturing method, superior catalytic activity and improved durability is developed in comparison with existing methods.

이에, 본 발명은 전기방사법을 이용하여 Nb 도핑된 TiO2 나노섬유를 제조함으로써, PEMFC에서 다양한 소성 온도에서 높은 전기전도성을 나타내는 촉매 담체를 제공할 수 있다. Accordingly, the present invention can provide a catalyst carrier exhibiting high electrical conductivity at various firing temperatures in a PEMFC by preparing Nb-doped TiO2 nanofibers by electrospinning.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료전지에 사용되는 Nb 도핑된 TiO2 나노섬유를 포함하는 촉매 담체 및 이것의 제조방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a catalyst carrier including Nb-doped TiO 2 nanofibers used in a fuel cell and a method of manufacturing the same.

본 발명의 일 구체예로서, 연료전지용 Nb-TiO2 촉매 담체가 제공된다. 상기에서 Nb-TiO2 담체는 나노섬유인 것을 특징으로 하고, 상기 나노섬유에서 Nb의 함량은 50 at% 이하이고, 상기 촉매 담체는 전기방사법을 이용하여 제조될 수 있다. In one embodiment of the invention, there is provided a fuel cell, Nb-TiO 2 catalyst carrier. The Nb-TiO 2 carrier is a nanofiber, and the content of Nb in the nanofiber is 50 at% or less. The catalyst carrier may be prepared by electrospinning.

본 발명의 다른 구체예로서, 연료전지용 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 촉매가 제공된다. 상기에서 Nb-TiO2 담체는 나노섬유인 것을 특징으로 하고, 상기 활성 촉매는 Pt, Pt, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru, Os, Rh, Pd, Ir, W, Sn, Pd, Bi 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상의 성분을 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, there is provided an active catalyst supported on a Nb-TiO 2 carrier for a fuel cell. In the Nb-TiO 2 carrier, it characterized in that the nano-fiber, and wherein the active catalyst is Pt, Pt, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru, Os, Rh, Pd, Ir, W, Sn, Pd, Bi, and alloys of these metals.

본 발명의 또 다른 구체예로서, 다음 단계를 포함하는 Nb-TiO2 담체를 제조하는 방법이 제공된다:In another embodiment of the present invention, there is provided a method of making an Nb-TiO 2 support comprising the steps of:

(a) Nb 전구체, Ti 전구체 및 고분자를 포함하는 Ni-TiO2 전구체 방사용액을 제조하는 단계;(a) preparing a Ni-TiO 2 precursor spinning solution comprising a Nb precursor, a Ti precursor and a polymer;

(b) 상기 전구체 방사용액에 10 내지 30 kV의 고전압을 가하여 전기방사를 수행하는 단계; 및(b) performing electrospinning by applying a high voltage of 10 to 30 kV to the precursor solution; And

(c) 상기 전기방사된 Ni-TiO2 나노섬유를 공기분위기에서 600-900℃에서 30분 내지 2시간 열처리하는 단계.
(c) heat-treating the electrospun Ni-TiO 2 nanofibers at 600-900 ° C for 30 minutes to 2 hours in an air atmosphere.

상기 Ti 전구체는 티타늄 테트라이소프로폭시드, 티타늄 부톡사이드, 티타늄 터-부톡사이드, 티타늄 디히드록사이드 및 티타늄 테트라클로라이드로 구성된 군에서 선택될 수 있다. The Ti precursor may be selected from the group consisting of titanium tetraisopropoxide, titanium butoxide, titanium tar-butoxide, titanium dihydroxide and titanium tetrachloride.

상기 Nb의 전구체는 니오븀 에톡사이드, 니오븀 옥사이드 및 니오븀 옥시니타이드로 구성된 군에서 선택될 수 있다.The precursor of Nb may be selected from the group consisting of niobium ethoxide, niobium oxide, and niobium oxynitride.

상기 고분자는 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐부티랄(polyvinylbutyral, PVB), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate, PVA), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. The polymer may be selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylbutyral (PVB), polyvinyl acetate (PVA), polyacrylonitrile (PAN) , Polycarbonate (PC), and mixtures thereof.

상기 방사용액의 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 에틸알코올, 아세톤, N,N'-디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈(NMP), 메틸렌클로라이드(CH2Cl2), 클로로포름(CH3Cl), 테트라하이드로퓨란(THF) 또는 이들의 혼합물 등의 극성 용매일 수 있다The solvent of the spinning solution may be water, methanol, ethanol, ethyl alcohol, acetone, N, N'-dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP) 2 Cl 2 ), chloroform (CH 3 Cl), tetrahydrofuran (THF), or mixtures thereof.

상기 Nb-TiO2 나노섬유에서 Nb의 함량은 0 ~ 50 at% 일 수 있다.
The content of Nb in the Nb-TiO 2 nanofiber may be 0 to 50 at%.

본 발명의 또 다른 구체예로서, 다음 단계를 포함하는 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 촉매를 제조하는 방법이 제공된다:Of the invention In another embodiment, a method of manufacturing the active catalyst supported on the Nb-TiO 2 carrier comprising the following steps is provided:

(a) Nb 전구체, Ti 전구체 및 고분자를 포함하는 Ni-TiO2 전구체 방사용액을 제조하는 단계;(a) preparing a Ni-TiO 2 precursor spinning solution comprising a Nb precursor, a Ti precursor and a polymer;

(b) 상기 전구체 방사용액에 10 내지 30 kV의 고전압을 가하여 전기방사를 수행하는 단계; (b) performing electrospinning by applying a high voltage of 10 to 30 kV to the precursor solution;

(c) 상기 전기방사된 Ni-TiO2 나노섬유를 공기분위기하 600-900℃에서 30분 내지 2시간 열처리하는 단계;(c) heat-treating the electrospun Ni-TiO 2 nanofibers at 600-900 ° C for 30 minutes to 2 hours under air atmosphere;

(d) Nb-TiO2 나노섬유를 미립화시키는 단계; (d) atomizing the Nb-TiO 2 nanofibers;

(e) 상기 미립화된 Nb-TiO2에 함침법을 이용하여 활성 금속 나노입자를 담지하는 단계; 및(e) supporting the active metal nanoparticles on the atomized Nb-TiO 2 by impregnation; And

(f) 상기 활성 금속 나노입자가 담지된 혼합물에 환원제를 첨가하는 단계. (f) adding a reducing agent to the mixture containing the active metal nanoparticles.

상기 Ti 전구체는 티타늄 테트라이소프로폭시드, 티타늄 부톡사이드, 티타늄 터-부톡사이드, 티타늄 디히드록사이드 및 티타늄 테트라클로라이드로 구성된 군에서 선택될 수 있다. The Ti precursor may be selected from the group consisting of titanium tetraisopropoxide, titanium butoxide, titanium tar-butoxide, titanium dihydroxide and titanium tetrachloride.

상기 Nb의 전구체는 니오븀 에톡사이드, 니오븀 옥사이드 및 니오븀 옥시니타이드로 구성된 군에서 선택될 수 있다.The precursor of Nb may be selected from the group consisting of niobium ethoxide, niobium oxide, and niobium oxynitride.

상기 고분자는 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐부티랄(polyvinylbutyral, PVB), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate, PVA), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. The polymer may be selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylbutyral (PVB), polyvinyl acetate (PVA), polyacrylonitrile (PAN) , Polycarbonate (PC), and mixtures thereof.

상기 방사용액의 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 에틸알코올, 아세톤, N,N'-디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈(NMP), 메틸렌클로라이드(CH2Cl2), 클로로포름(CH3Cl), 테트라하이드로퓨란(THF) 또는 이들의 혼합물 등의 극성 용매일 수 있다The solvent of the spinning solution may be water, methanol, ethanol, ethyl alcohol, acetone, N, N'-dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP) 2 Cl 2 ), chloroform (CH 3 Cl), tetrahydrofuran (THF), or mixtures thereof.

상기 Nb-TiO2 나노섬유에서 Nb의 함량은 0 ~ 50 at% 일 수 있다.The content of Nb in the Nb-TiO 2 nanofiber may be 0 to 50 at%.

상기에서 활성 금속 나노입자는 Pt, Pt, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru, Os, Rh, Pd, Ir, W, Sn, Pd, Bi 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 한 성분을 포함할 수 있다.The active metal nanoparticles include any one selected from Pt, Pt, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru, Os, Rh, Pd, Ir, W, Sn, Pd, Bi, can do.

상기 환원제는 NaBH4, LiAlH4, oxalic acid (C2H2O4), 포름산 (HCOOH) 일 수 있다.
The reducing agent may be NaBH 4 , LiAlH 4 , oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), formic acid (HCOOH).

본 발명의 또 다른 구체예로서, Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 촉매를 포함하는 연료전지용 전극이 제공된다. 상기 연료전지용 전극은 전극 기재; 및 상기 전극 기재 상에 위치하는 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 금속 나노촉매를 포함한다.As another embodiment of the present invention, there is provided an electrode for a fuel cell comprising an active catalyst supported on an Nb-TiO 2 carrier. The fuel cell electrode includes: an electrode substrate; And a catalyst layer disposed on the electrode substrate, the catalyst layer includes an active metal nano-catalyst supported on the Nb-TiO 2 carrier.

상기 Nb-TiO2 나노섬유에서 Nb의 함량은 0 ~ 50 at% 일 수 있다.The content of Nb in the Nb-TiO 2 nanofiber may be 0 to 50 at%.

상기에서 활성 금속 나노입자는 Pt, Pt, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru, Os, Rh, Pd, Ir, W, Sn, Pd, Bi 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 한 성분을 포함할 수 있다.
The active metal nanoparticles include any one selected from Pt, Pt, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru, Os, Rh, Pd, Ir, W, Sn, Pd, Bi, can do.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전기방사에 의한 간단한 방법으로 Nb 도핑된 TiO2 나노섬유를 제조할 수 있으며, Nb-TiO2 나노섬유는 미립화하여 이것을 활성금속 나노입자와 혼합함으로써 우수한 물성을 갖는 혼합 촉매를 제조할 수 있다. 즉, 혼합 촉매의 Nb-TiO2 나노섬유는 높은 전기전도도를 가지며, 이의 도입에 의해 촉매 활성을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 촉매의 안정성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 혼합 촉매를 사용하여 연료전지의 전극 촉매층을 구성하는 경우 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있으며, 내부식성을 현저히 높일 수 있다.
As described above, according to the present invention, Nb-doped TiO 2 nanofibers can be produced by a simple method by electrospinning. Nb-TiO 2 nanofibers are atomized and mixed with active metal nanoparticles, A mixed catalyst can be produced. That is, the Nb-TiO 2 nanofibers of the mixed catalyst have a high electrical conductivity, which can increase the catalytic activity and improve the stability of the catalyst. Therefore, when the electrode catalyst layer of the fuel cell is formed using the mixed catalyst, the performance of the fuel cell can be improved and the corrosion resistance can be remarkably increased.

도 1은 본 발명의 전기방사기 방법에 대한 모식도이다.
도 2는 TiO2 나노섬유의 열적중량분석(TGA)에 관한 그래프이다.
도 3은 다양한 온도에서 소성 처리된 전기방사에 의한 TiO2 나노섬유의 SEM 사진이다: (a)는 600℃, (b)는 700℃, (c )는 800℃, (d)는 900℃에서 소성 처리하였다.
도 4는 다양한 함량의 니오븀 에톡사이드를 갖는 Nb-TiO2 나노섬유의 SEM 사진이다: 니오븀 에톡사이드의 함량이 (a)는 0 %, (b)는 10 %, (c)는 25 %, (d)는 50 % 이다.
도 5는 (a) TiO2 및 (b) Nb-TiO2 나노섬유의 TEM 사진이다.
도 6(a)는 다양한 온도에서 소성 처리된 전기방사에 의한 TiO2 나노섬유의 XRD 패턴 그래프이고, 도 6(b)는 소성온도에 따른 TiO2 나노섬유의 금홍석 비율에 대한 그래프이다.
도 7(a)는 니오븀 에톡사이드의 다양한 함유량에 있어서 700℃ 소성된 Nb-TiO2 나노섬유의 XRD 패턴 그래프이고, 도 7(b)는 니오븀 에톡사이드의 함량에 따른 Nb-TiO2 나노섬유의 금홍석 비율에 대한 그래프이다.
도 8은 700℃에서 소성된 니오븀 에톡사이드의 함량에 따른 Nb-TiO2 나노섬유에 대한 XPS 스펙트럼이다.
도 9(a)는 TiO2 나노섬유의 전기전도성에 대한 소성 온도의 영향을 나타내는 그래프이고, 도 8(b)는 Nb-TiO2 나노섬유의 전기전도성에 미치는 소성 온도 및 니오븀 에톡사이드 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 10는 표면에 Pt 나노입자가 분산된 Nb-TiO2 촉매 담체의 TEM 사진이다.
도 11(a)는 실온에서 Ar-포화된 0.1 M HClO4 용액에서 주사 속도 20 mV/s로 기록된 이러한 촉매의 순환전압전류곡선(CVs)이다. 도 11(b)는 1600 rpm에서 본 발명의 Pt/Nb-TiO2 촉매 및 시판되는 Pt/C 촉매의 ORR에 대한 회전 디스크 전류밀도다.
도12 상용 Pt/C(도 12a) 와 본 발명의 Pt/Nb-TiO2 (도 12b) 에 대해 가속 내구 시험 (ADT)을 수행하면서 측정한 환전압전류곡선(CVs)이다.
도13은 상용 Pt/C(도 13a) 와 본 발명의 Pt/Nb-TiO2 (도 13b) 에 대해 가속 내구 시험 (ADT)을 수행하면서 측정한 ORR에 대한 회전 디스크 전류밀도다.
도 14는 가속내구 시험 (ADT)을 수행하면서 싸이클 수에 따라 측정한 Pt 촉매의 전기화학반응 표면적 (도 14a)과 ORR 활성 (도 14b) 이다.
도 15는 상용 Pt/C(도 12a) 와 본 발명의 Pt/Nb-TiO2 (도 12b) 에 대해 가속 내구 시험 (ADT)을 수행하기 전과 후의 TEM 사진이다.
1 is a schematic diagram of an electrospinning method of the present invention.
2 is a graph of thermal gravimetric analysis (TGA) of TiO 2 nanofibers.
FIG. 3 is a SEM photograph of TiO 2 nanofibers produced by electrospinning at various temperatures: (a) 600 ° C., (b) 700 ° C., (c) 800 ° C., and (d) 900 ° C. Followed by baking treatment.
Figure 4 is a SEM photograph of a Nb-TiO 2 nanofiber having a niobium ethoxide in a variety of content: the content of niobium ethoxide (a) is 0%, (b) is 10%, (c) 25%, ( d) is 50%.
5 is a TEM photograph of (a) TiO 2 and (b) Nb-TiO 2 nanofibers.
6 (a) is a graph of XRD pattern of TiO 2 nanofibers by electrospinning calcined at various temperatures, and FIG. 6 (b) is a graph of rutile ratio of TiO 2 nanofibers according to firing temperature.
FIG. 7 (a) is an XRD pattern graph of Nb-TiO 2 nanofibers calcined at 700 ° C. in various contents of niobium ethoxide. FIG. 7 (b) is a graph showing the XRD pattern of Nb-TiO 2 nanofiber according to the content of niobium ethoxide This is a graph of rutile ratio.
8 is an XPS spectrum of Nb-TiO 2 nanofibers according to the content of niobium ethoxide fired at 700 ° C.
Figure 9 (a) is a graph showing the effect of calcination temperature on the electrical conductivity of TiO 2 nano-fiber, Fig. 8 (b), the firing temperature, and niobium ethoxide content of the impact on the electrical conductivity of the Nb-TiO 2 nanofiber .
10 is a TEM photograph of an Nb-TiO 2 catalyst carrier in which Pt nanoparticles are dispersed on the surface.
Figure 11 (a) is a 0.1 M HClO 4 solution injection rate 20 mV / s the cyclic voltammetry curves (CVs) of the catalyst to the record in the Ar- saturated at room temperature. 11 (b) is the spinning disk current density for the ORR of the Pt / Nb-TiO 2 catalyst of the present invention and the commercially available Pt / C catalyst at 1600 rpm.
12 is the round-trip voltage curves (CVs) measured while performing the accelerated endurance test (ADT) on the commercial Pt / C (FIG. 12A) and the Pt / Nb-TiO2 (FIG. 12B) of the present invention.
13 is the spinning disk current density for the ORR measured while performing the accelerated endurance test (ADT) on commercial Pt / C (FIG. 13A) and Pt / Nb-TiO2 (FIG. 13B) of the present invention.
14 shows the electrochemical reaction surface area (Fig. 14A) and ORR activity (Fig. 14B) of the Pt catalyst measured according to the number of cycles while performing the acceleration endurance test (ADT).
FIG. 15 is a TEM photograph before and after the acceleration endurance test (ADT) is performed on commercial Pt / C (FIG. 12A) and Pt / Nb-TiO2 (FIG. 12B) of the present invention.

이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 PEMFC용 담체 물질로서 높은 전기전도성 및 높은 전기화학적 안정성을 갖는 Nb-TiO2를 제공한다. 전기방사된 TiO2 나노섬유는 직경 표준 분포도가 낮으며, 상대적으로 균일한 직경을 갖는다. 니오븀 에톡사이드를 함유하는 Nb 도핑된 TiO2 나노섬유는 섬유 직경이 감소되고, 부드러운 표면을 갖는다. The present invention provides Nb-TiO 2 having high electrical conductivity and high electrochemical stability as a carrier material for PEMFC. Electrospun TiO 2 nanofibers have a low diameter standard distribution and a relatively uniform diameter. Nb-doped TiO 2 nanofibers containing niobium ethoxide have a reduced fiber diameter and a smooth surface.

예추석에서 금홍석으로의 상전이에 따라 전기전도성이 향상되고, TiO2 나노섬유의 전기전도성은 소성 온도의 상승에 따라 증가한다. 그러나 소성온도를 약 700℃ 이상으로 증가시켰을 때 전기전도도의 증가는 미미하므로, 바람직한 소성온도는 약 700℃이다. 전기전도성은 Nb의 도입에 따라 확연히 증가하고, 바람직하게는, 25 중량% Nb를 함유하는 것이었다. Nb 함량를 더 추가하더라도 전도성이 더 증가하지는 않았다.The electrical conductivity is improved by the phase transition from chuseok to rutile, and TiO 2 The electrical conductivity of nanofibres increases with increasing firing temperature. However, when the firing temperature is increased to about 700 ° C or more, the increase in the electric conductivity is insignificant, so that the preferable firing temperature is about 700 ° C. The electrical conductivity significantly increased with the introduction of Nb, and preferably contained 25 wt% Nb. The addition of further Nb content did not increase the conductivity further.

바람직하게는, Nb-TiO2 촉매 담체는 소성 온도 약 700℃에서 1시간동안 공기 분위기하에서 25중량% Nb로 제조될 수 있다. Preferably, Nb-TiO 2 The catalyst carrier can be produced at 25 wt% Nb under an air atmosphere at a calcination temperature of about 700 ° C for 1 hour.

Nb-TiONb-TiO 22 촉매 담체의 합성 Synthesis of Catalyst Support

물질matter

티타늄 테트라이소프로폭시드(TIP, 97%), 니오븀 에톡사이드(NE,99. 95%), 아세트산(AC, ≥99.7%), 폴리비닐피롤리돈(PVP, Mw = 1,300,000), 에틸알코올(ETOH, 무수)를 시그마 알데히드 케미칼에서 구입하였다. 모든 시약은 임의의 추가적 정제없이 구입한대로 사용하였다.
Titanium tetraisopropoxide (TIP, 97%), niobium ethoxide (NE, 99. 95%) , acetic acid (AC, ≥99.7%), polyvinylpyrrolidone (PVP, w M = 1,300,000) and ethyl alcohol (ETOH, anhydrous) were purchased from Sigma-Aldehyde Chemicals. All reagents were used as purchased without any additional purification.

1. TiO1. TiO 2 2 전구체 용액의 제조Preparation of precursor solution

AC 4ml, TIP 2ml 및 PVP 2g을 ETOH 14mL에 첨가하고 완전히 용해될때까지 교반하였다. 상기 용액은 5분간 초음파 처리하여 탈가스시키고, 함께 혼합하였다. 교반하는 용액을 인젝터에 옮긴 후, 인젝터를 전기방사용 시린지 펌브에 고정시켰다.
4 ml of AC, 2 ml of TIP and 2 g of PVP were added to 14 ml of ETOH and stirred until completely dissolved. The solution was degassed by ultrasonication for 5 minutes and mixed together. The stirring solution was transferred to the injector and the injector was fixed to the electric room syringe pump.

2. Nb-TiO2. Nb-TiO 22 전구체 용액의 제조 Preparation of precursor solution

AC 4ml, TIP 2ml 및 PVP 2g을 ETOH 14mL에 첨가하고 완전히 용해될때까지 교반하였다. 0, 10, 25, 50 at.%의 니오븀 에톡사이드를 첨가하였다. 상기 용액은 5분간 초음파 처리하여 탈가스시키고, 함께 혼합하였다. 교반하는 용액을 인젝터에 옮긴 후, 인젝터를 전기방사용 시린지 펌브에 고정시켰다.
4 ml of AC, 2 ml of TIP and 2 g of PVP were added to 14 ml of ETOH and stirred until completely dissolved. 0, 10, 25, 50 at.% Of niobium ethoxide was added. The solution was degassed by ultrasonication for 5 minutes and mixed together. The stirring solution was transferred to the injector and the injector was fixed to the electric room syringe pump.

3. 전기방사3. Electrospinning

TiO2 전구체 용액을 3ml/h 등속으로 평평한 아웃렛을 가진 스테인레스 스틸 니들을 통하여 주입하였다. 직경 27 G (200 ㎛)의 니들은 일정하고 방해받게 생성되도록 한다. 니들의 끝과 콜렉터 플레이트 간의 거리는 10 cm 였고, 전력은 20kV 였다. 표면 전하간에 외부 정전기장과 정전기적 반발력에 의하여, 소위 “테일러 콘”이 액적 대신 니들의 끝에 형성되었다. 전기방사동안, 표면 장력이 효과는 정전기적 상호작용에 의하여 균형을 맞추어 액체 제트가 형성되었다. 니들은 2개의 직각 경로를 따라 천천히 이동하여 TiO2 섬유를 콜렉터 플레이트의 위에 위치하는 알루미늄 호일에 무작위로 침전시켰다. 시간이 경과함에 따라 하얀 매트의 섬유를 수득하였다. 상기 나노섬유를 실온에서 15시간동안 건조시켰다.
The TiO 2 precursor solution was injected at a constant rate of 3 ml / h through a stainless steel needle with a flat outlet. Needles with a diameter of 27 G (200 탆) are made to be constant and disturbed. The distance between the tip of the needle and the collector plate was 10 cm, and the power was 20 kV. Due to the external electrostatic field and the electrostatic repulsion between the surface charge, so-called "tail cone" was formed at the tip of the needle instead of the droplet. During electrospinning, liquid jets were formed with surface tension balancing effects by electrostatic interactions. The needle slowly moved along two orthogonal paths to randomly deposit TiO 2 fibers in aluminum foil located on the collector plate. Over time, fibers of white mat were obtained. The nanofibers were dried at room temperature for 15 hours.

4. 소성(4. Firing ( calcinationcalcination ))

결정성 TiO2 로 IP의 전환 및 PVP 나노섬유의 완전한 제거는 600-900°C 공기에서 1시간동안 소성시켰다.
The conversion of IP to crystalline TiO 2 and the complete removal of the PVP nanofibers were done at 600-900 ° C for 1 hour.

1. 열적 중량분석(TGA)1. Thermal gravimetric analysis (TGA)

TiO2 나노섬유의 적절한 소성 온도를 알아보기 위하여, 합성된 TiO2 나노섬유에 대해 열적 중량분석을 수행하였다 (TGA). 20 °C에서 900 °C까지 공기 분위기에서 10 °C/분 속도로 온도를 올리면서 중량변화를 측정하였다. In order to examine the proper sintering temperature of the TiO 2 nanofiber, the thermal gravimetric analysis was performed for the synthesized TiO 2 nanofiber (TGA). The weight change was measured by raising the temperature from 20 ° C to 900 ° C in an air atmosphere at a rate of 10 ° C / min.

도 2에서 TiO2 나노섬유의 TGA 커브 결과를 나타내었다. 열적 중량 분석에 따르면, 무게 감소 곡선에서 3개의 주요 슬로프 변화를 관찰할 수 있다. 270 ℃까지는 아세트산, 에탄올 및 물의 증발에 의한 무게 감소(7.43%)가 관찰되고, 270 ℃에서 320 ℃까지 TGA는 전기방사에 사용된 고분자의 증발에 의하여 상당한 무게 감소(56.40 %)를 보여주었다. 320℃ 이상에서 고분자 사슬의 분해 및 제거가 나타나며, 500 ℃에서 전구체의 TiO2 나노섬유로의 산화 및 전환이 관찰되었다.
The TGA curve of the TiO 2 nanofiber is shown in FIG. According to the thermal gravimetric analysis, three major slope changes can be observed in the weight reduction curve. The weight loss (7.43%) due to the evaporation of acetic acid, ethanol and water was observed up to 270 ℃. From 270 ℃ to 320 ℃, TGA showed significant weight loss (56.40%) by evaporation of the polymer used for electrospinning. The decomposition and removal of the polymer chain occurred at 320 ° C or higher, and oxidation and conversion of the precursor to TiO 2 nanofiber were observed at 500 ° C.

2. 전자 주사 현미경(SEM)2. Electron Scanning Microscope (SEM)

도 3은 다양한 온도에서 소성 처리된 전기방사에 의한 TiO2 나노섬유의 SEM 사진이다. 600℃에서 어닐링된 TiO2 나노섬유의 표면은 부드러웠다(도 3(a)). 700℃ 이상에서 어닐링된 TiO2 나노섬유의 표면은 거칠었으며(도 3(b)-(d)). 소성 온도에 따른 표면 구조의 변화는 TiO2 나노섬유의 결정 형성 및 변성(예추석 및 금홍석)의 차이에 기인한다. 3 is a SEM photograph of TiO 2 nanofibers by electrospinning calcined at various temperatures. The surface of the TiO 2 nanofiber annealed at 600 ° C was soft (Fig. 3 (a)). The surface of the TiO 2 nanofiber annealed at 700 ° C or higher was rough (Fig. 3 (b) - (d)). The change of the surface structure according to the firing temperature is due to the difference in crystal formation and denaturation (eg, chuseom and rutile) of TiO 2 nanofiber.

또한, 다양한 소성 온도에서 TiO2 나노섬유의 크기 분포도를 측정하였고, 600, 700, 800, 및 900 ℃에서 각각 소성된 TiO2 나노섬유의 평균 직경은 178.5 nm, 176.5 nm, 177.5 nm, 181.5 nm이었다. 섬유 직경 평균 분포도는 낮았다.In addition, the size distribution of the TiO 2 nanofibers was measured at various firing temperatures, and the average diameters of the TiO 2 nanofibers calcined at 600, 700, 800, and 900 ° C. were 178.5 nm, 176.5 nm, 177.5 nm and 181.5 nm, respectively . The average fiber diameter distribution was low.

도 4는 다양한 함량의 니오븀 에톡사이드를 갖는 Nb-TiO2 나노섬유의 SEM 사진이다. 순수한 TiO2 나노섬유의 표면은 거칠다(도 4(a)). Nb 도핑된 TiO2 나노섬유는 니오븀 에톡사이드를 함유하며, 섬유 직경이 감소하며 표면이 부드럽다(도 4(b)-(d)). 이는 니오븀 에톡사이드의 함량 증가에 따른 전기방사 용액의 점도 감소로 인한 것이다. 4 is an SEM photograph of Nb-TiO 2 nanofibers having various contents of niobium ethoxide. The surface of the pure TiO 2 nanofiber is rough (Fig. 4 (a)). The Nb-doped TiO 2 nanofiber contains niobium ethoxide, has a reduced fiber diameter and a smooth surface (FIGS. 4 (b) - (d)). This is due to the decrease in the viscosity of the electrospinning solution as the content of niobium ethoxide increases.

또한, 니오븀 에톡사이드의 다양한 함량을 가진 Nb-TiO2 나노섬유의 크기 분포도를 측정하였고, 0 %, 10 %, 25 % 및 50 %의 니오븀 에톡사이드를 각각 갖는 TiO2 나노섬유의 평균 직경은 171.5 nm, 165.5 nm, 158.5 nm 및 153.5 nm을 갖는다. 섬유 직경 평균 분포도는 낮다.
In addition, the size distribution of Nb-TiO 2 nanofibers having various contents of niobium ethoxide was measured, and the average diameter of TiO 2 nanofibers having 0%, 10%, 25% and 50% niobium ethoxide, respectively, was 171.5 nm, 165.5 nm, 158.5 nm and 153.5 nm. The average fiber diameter distribution is low.

3. 전자 투과 현미경(TEM)3. Electron transmission microscope (TEM)

도 5는 TiO2 나노섬유(a) 및 Nb-TiO2 나노섬유(b)의 TEM 사진이다. TiO2 나노섬유는 직경 50 nm의 나노섬유 구조를 갖으며, Nb 도핑된 TiO2 나노섬유는 직경 10-30 nm의 나노섬유 구조로 형성되었다. 이는 유사한 제조 조건에서 도핑 정도가 나노섬유의 직경을 감소시킨다는 것을 의미하는 것이다.
5 is a TEM photograph of TiO 2 nanofiber (a) and Nb-TiO 2 nanofiber (b). The TiO 2 nanofibers have a nanofiber structure with a diameter of 50 nm, and the Nb-doped TiO 2 nanofibers have a nanofiber structure with a diameter of 10-30 nm. This means that the degree of doping at the same manufacturing conditions reduces the diameter of the nanofibers.

4. X-선 회절(4. X-ray diffraction ( XRDXRD ))

도 6(a)에서 XRD 패턴은 다양한 소성 온도에서의 TiO2 나노섬유를 보여준다. 600 ℃에서 소성된 전기방사 TiO2 나노섬유는 예추석(anatase)과 금홍석(rutile)이 혼합된 결정 구조를 가지며, 예추석 (101) 결정 플레인에 상응하는 2θ=25.5°에서 피크를 형성하였다. 금홍석은 2θ =27.7°, 36.1°, 54.4°에서 피크를 자기며, 이것은 각각 금홍석 TiO2의 (110), (101) 및 (211) 결정면에 상응한다. 600℃ 이상에서 소성된 TiO2 나노섬유에서 금홍석 상의 비율이 증가하였고, 900℃에서 순수한 금홍석 상으로 상전이가 완료되었다.The XRD pattern in Figure 6 (a) shows TiO 2 nanofibers at various firing temperatures. The electrospun TiO 2 nanofibers fired at 600 ° C had a crystal structure in which anatase and rutile were mixed and formed a peak at 2θ = 25.5 ° corresponding to the crystal plane of Example 101. The rutile peaks at 2θ = 27.7 °, 36.1 ° and 54.4 °, which correspond to the (110), (101) and (211) crystal faces of rutile TiO 2 , respectively. The ratio of rutile phase increased in the TiO 2 nanofibers calcined above 600 ℃ and phase transition to pure rutile phase at 900 ℃ was completed.

도 6(b)는 상이한 소성 온도에서 TiO2 나노섬유의 금홍석 부분을 보여주는 그래프이다. 예추석이 금홍석으로 변성하는 양을 측정하기 위하여, XRD 피크 강도 비율이 도 5(a)에서 사용되었다. 6 (b) is a graph showing the rutile portion of the TiO 2 nanofibers at different firing temperatures. Example In order to measure the amount of degeneration of rutile into rutile, an XRD peak intensity ratio was used in Figure 5 (a).

XRD 스펙트럼에서 추출되는 예추석과 금홍석 간의 비율은 Depero et al.의 논문(L. E. Depero, L. Sangaletti, B. Allieri, E. Bontempi, R. Salari, M. Zocchi and M. Notaro, J. Mater . Res ., 13, 1644, (1998))에 사용된 아래 실험식으로 계산되었다.
The ratio of rutin to rutile extracted from the XRD spectrum is reported in Depero et al. (LE Depero, L. Sangaletti, B. Allieri, E. Bontempi, R. Salari, M. Zocchi and M. Notaro, J. Mater . Res . , 13 , 1644, (1998)).

Figure pat00001

Figure pat00001

상기 식에서 R(T)는 각 온도에서 금홍석의 함량 백분율이고, IA는 주요 예추석 반영(101) (2θ = 25.30 °)의 강도이다. IR은 주요 금홍석 반영 (110) (2θ = 27.44 °의 강도이다.Where R (T) is the percentage of rutile content at each temperature, and I A is the intensity of the main example night reflection (101) (2? = 25.30 °). I R is the intensity of the main rutile reflection (110) (2θ = 27.44 °.

600℃에서 소성된 전기방사 TiO2 나노섬유는 30% 가 금홍석 구조를 갖고, 700℃에서 78%을, 800℃에서는 93%를, 900℃에서는 100% 금홍석 구조를 갖는다. 600℃-700℃에서 TiO2 나노섬유는 예추석에서 금홍석으로 상 변화가 진행되었다.The electrospun TiO 2 nanofibers fired at 600 ° C have 30% of the rutile structure, 78% at 700 ° C, 93% at 800 ° C and 100% rutile structure at 900 ° C. At 600 ℃ -700 ℃, TiO 2 nanofibers underwent a phase change from mullite to rutile.

도 7(a)는 니오븀 에톡사이드의 다양한 함유량에 있어서 700℃ 소성된 Nb-TiO2 나노섬유의 XRD 패턴 그래프이다. 도 6(a)의 2θ =27°에서 금홍석 피크(110)가 나타났다. 피크 강도는 니오븀 에톡사이드를 함유하는 합성 나노섬유에 대하여 감소하였다(도 6(a)). 즉, 니오븀을 첨가하였을 때 결정성은 감소하였다. 7 (a) is an XRD pattern graph of Nb-TiO 2 nanofibers calcined at 700 ° C in various contents of niobium ethoxide. The rutile peak 110 appeared at 2? = 27 ° in Fig. 6 (a). The peak intensity was decreased with respect to the synthetic nanofibers containing niobium ethoxide (Fig. 6 (a)). That is, the crystallinity decreased when niobium was added.

도 7(b)는 니오븀 에톡사이드의 함량에 따른 Nb-TiO2 나노섬유의 금홍석 비율에 대한 그래프이다. 예추석과 금홍석의 비율을 계산하기 위하여, 도 6(a)의 XRD 피크 세기 비율을 이용하였다. 0%, 10%, 25% 및 50%의 Nb-TiO2에서 금홍석 부분은 각각 78%, 30%, 58% 및 45 %이었다. 니오븀 이온이 TiO2로 치환되어 들어가면, Nb5 + 이온의 전하는 산소 공백의 감소를 보상해야 하므로, 금홍석으로의 상전이를 방해하게 된다.
7 (b) is a graph of rutile ratio of Nb-TiO 2 nanofibers according to the content of niobium ethoxide. Example In order to calculate the ratio of Chuseok to rutile, the XRD peak intensity ratio of FIG. 6 (a) was used. The rutile portions of Nb-TiO 2 at 0%, 10%, 25% and 50% were 78%, 30%, 58% and 45%, respectively. When the niobium ion is replaced with TiO 2 , the charge of the Nb 5 + ion must compensate for the reduction of the oxygen vacancy, thereby interfering with the phase transition to the rutile.

5. X-선 광전자 스펙트럼(5. X-ray photoelectron spectrum ( XPSXPS ))

도 8은 700℃도에서 소성된 니오븀 에톡사이드의 함량에 따른 Nb-TiO2 나노섬유에 대한 XPS 스펙트럼이다. Ti 2p3 /2의 피크 위치는 Ti4 + 산화 상태의 피크 위치와 일치한다. T459.2 eV에서 Ti 2p3 /2의 피크 위치는 Nb-TiO2 나노섬유에서와 동일하다. 207.2 eV의 Nb 3d5 /2의 피크 위치는 Nb4 + 산화 상태의 피크 위치와 일치한다. Ti4 + I의 치환에 대한 Nb5 + 전하의 보상은 도입되는 Nb 4개당 Ti 양이온 공석에 의하여(Ti4 +가 Ti3 +로 환원되는 대신) 다음 식과 같이 달성된다. 8 is an XPS spectrum of Nb-TiO 2 nanofibers according to the content of niobium ethoxide calcined at 700 ° C. Peak position of Ti 2p 3/2 corresponds to the peak position of Ti 4 + oxidation states. Peak position of Ti 2p 3/2 in T459.2 eV is the same as in the Nb-TiO 2 nanofiber. Peak position of the 207.2 eV Nb 3d 5/2 corresponds to the peak position of the Nb 4 + oxidation states. By compensation per Ti Nb 4 cation vacancies introduced in the Nb 5 + charge for the substitution of Ti 4 + I (instead of Ti 4 + to be reduced to Ti + 3) is obtained by the following equation.

Figure pat00002

Figure pat00002

6. 전기전도성6. Electrical conductivity

도 9(a)는 TiO2 나노섬유의 전기전도성에 대한 소성 온도의 영향을 보여준다. TiO2 나노섬유의 전기전도성은 소성 온도가 높아지면 증가한다. 600 ℃에서 TiO2 나노섬유의 최저 전기전도도는 6.1×10-5 S/cm이고, 최고 전기전도도는 900 ℃에서 4.9×10-4 S/cm 이었다. 그러나 700℃ 에서 900 ℃까지는 4.3×10-4 S/cm 에서 4.9×10-4 S/cm 로 전기전도도 증가 폭이 크지 않았다. 온도 증가에 따른 전기전도도 증가는 금홍석 결정화의 증가에 기인한다. TiO2 는 600 ℃ 이하에서 예추석 구조를 갖지만 600-700 ℃에서 예추석에서 금홍석으로 상전이가 발생한다. 600℃ 이상에서 상전이가 진행되어 금홍석의 비율이 높아짐에 따라 전기전도도가 증가한다. 예추석과 금홍석의 결정화는 600 ℃ 이상에서 관찰되었고 어닐링된 TiO2 나노섬유의 XRD 패턴에어 이를 명확히 확인할 수 있다(도 6(a)).Figure 9 (a) shows the effect of firing temperature on the electrical conductivity of the TiO 2 nanofibers. The electrical conductivity of TiO 2 nanofibers increases as the firing temperature increases. The lowest electrical conductivity of TiO 2 nanofibers at 600 ° C was 6.1 × 10 -5 S / cm and the maximum electrical conductivity was 4.9 × 10 -4 S / cm at 900 ° C. However, the electric conductivity increase range from 700 ˚ C to 900 ˚C was 4.3 × 10 -4 S / cm to 4.9 × 10 -4 S / cm. The increase in the electrical conductivity with increasing temperature is due to the increase in the crystallization of the rutile. TiO 2 has an example of a mullite structure below 600 ° C, but phase transition occurs from mullite to rutile at 600-700 ° C. The electrical conductivity increases as the phase transition progresses above 600 ° C and the rutile ratio increases. Example The crystallization of chuseom and rutile was observed at 600 ° C or higher and the XRD pattern air of the annealed TiO 2 nanofiber can be clearly confirmed (FIG. 6 (a)).

예추석은 3.2 eV의 밴드갭을 갖고, 금홍석은 3.0eV에서 낮은 밴드 갭을 갖는다. 낮은 밴드갭은 전자가 밸런스 밴드갭에서 컨덕션 밴드까지 쉽게 이동한다. 밴드갭은 전기전도성을 측정하는 주요 인자이다.Example Chuseok has a bandgap of 3.2 eV, and rutile has a low bandgap at 3.0 eV. The low bandgap allows electrons to move easily from the balanced bandgap to the conduction band. The bandgap is a key factor in measuring electrical conductivity.

한편, 니오븀 에톡사이트 함량에 따른 Nb-TiO2 나노섬유의 전기전도성을 측정하였는데, Nb를 도입함으로써, 전기전도성은 확연히 증가하고, Nb 도핑된 TiO2 나노섬유에 있어서 최고 전도성은 25% Nb에서 나타났다. Nb 함량의 추가적 증가가 계속적인 전도성의 증가를 유도하지는 못하였다. TiO2 격자로의 Nb5 + 이온 도입은 컨덕션 밴드로 전자 공여를 유도하여, 전하 캐리어 농도를 증가시킨다. Nb-도핑된 티타니아 격자에서 금속원자의 밸런스 상태는 전기전도성에 있어서 성공적인 도핑을 나타낸다. 이는 도핑 프로세스에 형성된 특정 결함과 직접 관련이 있다.On the other hand, the electrical conductivity of Nb-TiO 2 nanofibers was measured according to the content of niobium ethoxide. By introducing Nb, the electrical conductivity was significantly increased and the highest conductivity was 25% Nb in Nb-doped TiO 2 nanofibers . An additional increase in the Nb content did not lead to an increase in continuous conductivity. Nb 5 + ion implantation into the TiO 2 lattice induces electron donation to the conduction band, thereby increasing the charge carrier concentration. The balanced state of the metal atoms in the Nb-doped titania lattice exhibits successful doping in electrical conductivity. This is directly related to the specific defects formed in the doping process.

도 9(b)는 Nb-TiO2 나노섬유의 전기전도성에 미치는 소성 온도 및 니오븀 에톡사이드 함량의 영향을 보여준다. 전기전도성은 소성 온도에 따라 증가하고, 전기전도성은 Nb에 도임됨으로써 확연히 증가하며, 최고 전도성은 25% Nb 함량에서 였다. Nb 함량의 추가적 증가는 추가적 향상을 가져오지는 못했다.
Figure 9 (b) shows the effect of firing temperature and niobium ethoxide content on the electrical conductivity of Nb-TiO 2 nanofibers. The electrical conductivity increased with the firing temperature, the electrical conductivity increased significantly with the addition of Nb, and the highest conductivity was at 25% Nb content. An additional increase in the Nb content did not result in any further improvement.

Pt/Nb-TiOPt / Nb-TiO 22 촉매의 제조 Preparation of Catalyst

물질matter

에틸 알코올(ETOH, 무수), 수소화붕소나트륨(NaBH 4 ) 및 염화백금산(H2PtCl6·6H2O)을 시그마-알드리히 케미칼에서 구입하였고, 모든 시약은 추가적 정제없이 구입한대로 사용하였다. 촉매 담체는 Nb0.25Ti0.75O2를 사용하였다.
Ethyl alcohol (ETOH, anhydrous), sodium borohydride (NaBH 4 ) and chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 .6H 2 O) were purchased from Sigma-Aldrich Chemical and all reagents were used as purchased without further purification. Nb 0.25 Ti 0.75 O 2 was used as the catalyst carrier.

제조Produce

Nb-TiO2에 담지된 Pt (20 중량%) 촉매는 수소화붕소 환원 방법에 의하여 제조되었다. The Pt (20 wt%) catalyst supported on Nb-TiO 2 was prepared by the borohydride reduction method.

적절한 양의 염화백금산(H2PtCl6·6H2O)을 ETOH에 용해시켰다. Nb-TiO2 담체를 ETOH에 분산시키고, 금속염 용액을 첨가하여 교반하에 혼합하였다. 그후, 현탁액의 pH를 8.5로 조정하였다. 금속염 및 Nb-TiO2담체를 과량의 NaH4 용액을 사용하여 환원시켰다. 상기 현탁액을 2시간동안 교반하였다. 침전물을 탈이온수로 세척하고 40 ℃ 에서 24 시간동안 건조시켰다.An appropriate amount of chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 .6H 2 O) was dissolved in the ETOH. The Nb-TiO 2 carrier was dispersed in ETOH, and a metal salt solution was added and mixed with stirring. The pH of the suspension was then adjusted to 8.5. The metal salt and the Nb-TiO 2 carrier were reduced using an excess of NaH 4 solution. The suspension was stirred for 2 hours. The precipitate was washed with deionized water and dried at 40 < 0 > C for 24 hours.

기준점으로서 Pt가 20중량% 로딩된 시판되는 Pt/C 촉매를 개질된 에틸 글리콜 방법에 의하여 시판되는 벌칸 담체상에 합성하였다.
A commercially available Pt / C catalyst loaded with 20 wt% Pt as a reference point was synthesized on a commercially available vulk carrier by the modified ethyl glycol method.

1. 전자투과현미경(TEM)1. Electron transmission microscope (TEM)

도 10는 표면에 Pt 나노입자가 분산된 Nb-TiO2 촉매 담체의 TEM 사진이다. Pt 나노입자가 알갱이 모양이고 상대적으로 Nb-TiO2 촉매 담체에 균일하게 분산되어 있는 것을 관찰할 수 있다. 10 is a TEM photograph of an Nb-TiO 2 catalyst carrier in which Pt nanoparticles are dispersed on the surface. It can be seen that the Pt nanoparticles are granular and relatively uniformly dispersed in the Nb-TiO 2 catalyst carrier.

한편, Pt/Nb-TiO2. 상에 Pt 나노입자의 크기 분포도를 측정하였는데, Pt 나노입자 지름의 근사 평균값은 4 nm였다. 기준점으로서 시판되는 Pt/C에 대한 평균 입자 크기는 약 2.5 nm이었다(도 12(a)).
On the other hand, Pt / Nb-TiO 2. The size distribution of the Pt nanoparticles was measured on the surface, and the approximate average value of the Pt nanoparticle diameter was 4 nm. The average particle size for Pt / C commercially available as a reference point was about 2.5 nm (Fig. 12 (a)).

2. 전기화학적 특성2. Electrochemical properties

전기화학적 실험은 통상 RDE 3 전극 셀에서 수행된다. 상대 전극은 백금 와이어이고, 기준전극은 포화된 칼로멜 전극(SCE)이다. 전해질은 0.1M HClO4 용액이다. 이 용액은 증류수로 제조하였고, 고순도 아르곤(Ar) 가스를 버블링하여 용액 내의 산소를 제거하였다. 용액온도는 25 도로 유지하였다.Electrochemical experiments are usually performed on RDE 3 electrode cells. The counter electrode is a platinum wire, and the reference electrode is a saturated calomel electrode (SCE). The electrolyte is a 0.1 M HClO 4 solution. This solution was made from distilled water and bubbled with high purity argon (Ar) gas to remove oxygen in the solution. The solution temperature was maintained at 25 degrees.

10 mg Pt/NbTiO2 촉매를 800 ㎕ of IPA and 60 ㎕ of 나피온 용액(5 중량% 용액, 알드리히)에서 초음파를 이용하여 분산하여 촉매 잉크를 제조하였다. 잉크 5 ㎕를 마이크로피펫에 의하여 유리 카본 회전 디스크 전극(RDE, 5 mm 지름)상에 옮겨놓고, 건조시켰다. 시판되는 Pt/C의 잉크는 동일 방법을 따라 제조하였다.
10 mg of Pt / NbTiO 2 catalyst was dispersed by ultrasonication in 800 μl of IPA and 60 μl of Nafion solution (5 wt% solution, Aldrich) to prepare a catalyst ink. 5 잉크 of the ink was transferred to a glass carbon rotary disc electrode (RDE, 5 mm in diameter) by a micropipette, and was dried. A commercially available Pt / C ink was prepared according to the same method.

3. 순환전압전류법 (CV)3. Cyclic Voltammetric Method (CV)

순환전압전류법(CV) 실험은 전위 0 부터 1.1 VRHE에서 수행되었다. 전기화학적 활성 표면(EAS)은 0.05 부터 0.35 VRHE에서 관찰되는 H2 탈착 피크를 기초로 평가되었다. 수소 탈착 전위 0.21 mC/cm2 는 활성 Pt 부분 계산에 가정되었다.The cyclic voltammetry (CV) experiment was performed at potentials 0 to 1.1 V RHE . The electrochemically active surface (EAS) was evaluated based on the H2 desorption peaks observed at 0.05 to 0.35 V RHE . The hydrogen desorption potential, 0.21 mC / cm 2, was assumed in the calculation of the active Pt fraction.

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, [Pt]는 전극에서 백금 로딩을 의미하고, QHsms H2 탈착의 전하이다. 도 11(a)는 실온에서 Ar-포화된 0.1 M HClO4 용액에서 주사 속도 20 mV/s로 기록된 이러한 촉매의 순환전압전류곡선(CVs)을 보여준다. Here, [Pt] means platinum loading at the electrode and QHsms is the charge of H 2 desorption. Figure 11 (a) shows the cyclic voltammetric curves (CVs) of these catalysts recorded at a scanning rate of 20 mV / s in a 0.1 M HClO 4 solution saturated at room temperature with Ar.

시판되는 20 중량% Pt/C 촉매는 EAS 값 45.3 ㎡/g을 나타내고, 20 중량% Pt/Nb-TiO2는 EAS 값 42.1 ㎡/g을 나타내었다. 이는 Nb-TiO2는 촉매 담체로서 역할하기에 충분한 전도성을 갖는 것을 의미한다.
A commercially available 20 wt% Pt / C catalyst showed an EAS value of 45.3 m 2 / g and a 20 wt% Pt / Nb-TiO 2 showed an EAS value of 42.1 m 2 / g. This means that Nb-TiO 2 has sufficient conductivity to serve as a catalyst carrier.

4. 산소 환원 반응(ORR)4. Oxygen reduction reaction (ORR)

산소 환원 반응(ORR) 실험은 실온에서 산소-포화된 0.1 M HClO4 용액에서 수행되었다. RDE 회전 속도는 1600 rpm, 전압 주사 속도는 (sweep rate)는 5 mV/s 이다.An oxygen reduction reaction (ORR) experiment was performed in an oxygen-saturated 0.1 M HClO 4 solution at room temperature. The RDE rotational speed is 1600 rpm and the voltage sweep rate is 5 mV / s.

ORR 활성은 0.75 부터 0.95 V에서 관찰되었다. 활성은 다음 식에 따라 회전 디스크 전극에 대한 물질전달 특성을 보정하여 실험 데이터에서 계산되었다. ORR activity was observed from 0.75 to 0.95 V. The activity was calculated in the experimental data by calibrating the mass transfer characteristics for the rotating disk electrode according to the following equation:

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, I는 ORR동안 측정된 전류밀도이고, ik는 물질전달저항이 제거된 반응 전류밀도(kinetic current density)이고, id는 유한확산 전류밀도(diffusion-limited current density)이다. 활성은 상기 식을 이용하여 ik를 계산하여 결정된다. Where I is the current density measured during the ORR, i k is the kinetic current density at which the mass transfer resistance is removed, and i d is the diffusion-limited current density. The activity is determined by calculating i k using the above equation.

도 11(b)는 1600 rpm에서 본 발명의 Pt/Nb-TiO2 촉매 및 시판되는 Pt/C 촉매의 ORR에 대한 회전 디스크 전류밀도를 보여준다.FIG. 11 (b) shows the spinning disk current density for the ORR of Pt / Nb-TiO 2 catalysts and commercially available Pt / C catalysts of the present invention at 1600 rpm.

상기 도 11(b)로부터 모든 촉매의 ORR은 전위가 0.7 VRHE 이에서는 확산에 의해 결정되고, 0.7 VRHE 이상 0.9 VRHE 이하에서는 확산과 반응에 의해 결정된다. 0.9 V 에서 Pt/Nb-TiO2 활성(4901 ㎂/㎠)은 상용 Pt/C와 유사하다(4870 ㎂/㎠).
In FIG ORR of all the catalyst from 11 (b) is determined by the potential is 0.7 V RHE The standing diffusion, 0.7 V RHE at least 0.9 V RHE or less is determined by the diffusion and reaction. At 0.9 V, the Pt / Nb-TiO 2 activity (4901 ㎂ / ㎠) is similar to commercial Pt / C (4870 ㎂ / ㎠).

5. 가속 내구 시험(ADT)5. Accelerated Endurance Test (ADT)

가속 내구 시험(ADT)를 위한 CV 측정이 주사 속도 50 mV/s로 실온에서 O2 퍼지된 0.1 M HClO4 용액에서 0.6 부터 1.1 VRHE 전위 싸이클링에 의하여 수행되었다. 각 경우에서, ADT 시험은 6000 싸이클링으로 구성된다.CV measurements for the accelerated endurance test (ADT) were performed by 0.6 to 1.1 V RHE potential cycling in 0.1 M HClO 4 solution O 2 purged at room temperature with a scan rate of 50 mV / s. In each case, the ADT test consists of 6000 cycles.

비교를 위하여, 본 발명에 따른 20 중량% Pt/Nb-TiO2 촉매와 시판되는 20 중량 % Pt/C 촉매를 동일 전위 싸이클링 조건에서 시험하였다. For comparison, a 20 wt% Pt / Nb-TiO 2 catalyst according to the present invention and a commercially available 20 wt% Pt / C catalyst were tested under the same dislocation cycling conditions.

시클릭 볼타메트리는 전위 싸이클링 이전 이후에 H 흡착을 측정함으로써 본 발명의 Pt/Nb-TiO2 및 시판되는 Pt/C 전극의 Pt 표면적을 결정하는데 사용된다. Cyclic voltammetry is used to determine the Pt surface area of Pt / Nb-TiO 2 and commercial Pt / C electrodes of the present invention by measuring H adsorption before and after dislocation cycling.

도 12에서, Pt/Nb-TiO2는 6000 싸이클 후에 원래 Pt 의 전기화학반응면적의 75%가 남아있으며, 이는 시판 Pt/C 촉매의 40%보다 약 2배 이상이다. (도 14(a)) 이러한 결과는 Nb-TiO2 담체상의 Pt가 전기화학적으로 더욱 안정함을 의미한다. 개선된 안정성은 (a) 산성 조건하에서 탄소에 비하여 Nb-TiO2 담체의 높은 내부식성, (b) 강한 Pt-금속 산화물 담체 상호작용에 기인하는 것일 수 있다.In Figure 12, Pt / Nb-TiO 2 is 75% of the original electrochemical reaction area of the Pt remaining after 6000 cycles, which is about 2 times or more than 40% of a commercially available Pt / C catalyst. (Fig. 14 (a)) These results indicate that Pt on the Nb-TiO 2 support is electrochemically more stable. Improved stability may be due to (a) high corrosion resistance of the Nb-TiO2 carrier compared to carbon under acidic conditions, and (b) strong Pt-metal oxide carrier interaction.

도 13에서 Pt/Nb-TiO2 촉매의 ORR 활성은 6000 싸이클 후에 3127㎂/㎠ 로, 초기 활성 (4901 ㎂/㎠)에서 40 % 정도 감소하였다. 반면 Pt/C 는 6000 싸이클 동안 4570 ㎂/㎠ 에서 400 ㎂/㎠ 로 초기 활성의 90 %가 감소하였다 (도 14b). 또한, Pt/Nb-TiO2 는 전위 싸이클링 실험 이후 Pt/C 촉매보다 거의 8배 높은 ORR 활성을 나타내었다.13, the ORR activity of the Pt / Nb-TiO 2 catalyst was 3127 μA / cm 2 after 6,000 cycles and decreased by about 40% at the initial activity (4901 ㎂ / ㎠). On the other hand, Pt / C decreased by 90% of the initial activity from 670,000 cycles at 4570 / / ㎠ to 400 ㎂ / ㎠ (Fig. 14B). In addition, Pt / Nb-TiO 2 showed almost 8 times higher ORR activity than Pt / C catalyst after the dislocation cycling experiment.

도 15는 ADT 실험 전과 후에 본 발명의 Pt/Nb-TiO2 촉매 및 시판되는 Pt/C 촉매의 TEM 사진이다. 도 12는 탄소 담체 상에 잘 정렬된 Pt 입자를 보여준다. 백금 입자의 평균 크기는 2 내지 3nm로 계산되었다. Pt/C 촉매의 Pt 입자 크기는 전위 싸이클링 후에 2-3에서 6-10 mm로 증가하였다. Pt 입자 크기의 증가는 Pt/C 촉매에서 백금 EAS 손실에 대한 주요 원인이 카본 부식으로 인한 Pt 응집에 의한 것임을 의미한다. 반대로, Pt/Nb-TiO2 촉매는 전위 싸이클링 실험 전과 후에 Pt 입자 크기의 변화가 거의 없었다. 이는 본 발명의 Pt/Nb-TiO2 촉매는 상용 Pt/C 와 초기 성능은 동등하고, 내구성은 우수함을 보여준다.
15 is a TEM photograph of the Pt / Nb-TiO 2 catalyst of the present invention and a commercially available Pt / C catalyst before and after the ADT experiment. Figure 12 shows well aligned Pt particles on a carbon carrier. The average size of the platinum particles was calculated to be 2 to 3 nm. The Pt particle size of the Pt / C catalyst increased from 2-3 to 6-10 mm after dislocation cycling. The increase in Pt particle size implies that the main cause for platinum EAS loss in Pt / C catalysts is due to Pt agglomeration due to carbon corrosion. In contrast, the Pt / Nb-TiO 2 catalyst showed little change in Pt particle size before and after the dislocation cycling experiment. This indicates that the Pt / Nb-TiO 2 catalyst of the present invention has the same initial performance as that of the commercial Pt / C and has excellent durability.

Claims (21)

Nb의 함량은 50 at% 이하이고,
Nb 도핑된 TiO2 나노섬유를 포함하는 연료전지용 Nb-TiO2 촉매 담체.
The content of Nb is 50 at% or less,
Nb-TiO 2 catalyst support for fuel cells comprising Nb-doped TiO 2 nanofibers.
(a) Nb 전구체, Ti 전구체 및 고분자를 포함하는 Ni-TiO2 전구체 방사용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 전구체 방사용액에 10 내지 30 kV의 고전압을 가하여 전기방사를 수행하는 단계; 및
(c) 상기 전기방사된 Ni-TiO2 나노섬유를 공기분위기에서 600-900℃에서 30분 내지 2시간동안 열처리하는 단계
를 포함하는 Nb-TiO2 촉매 담체를 제조하는 방법.
(a) preparing a Ni-TiO 2 precursor spinning solution comprising a Nb precursor, a Ti precursor and a polymer;
(b) performing electrospinning by applying a high voltage of 10 to 30 kV to the precursor solution; And
(c) heat-treating the electrospun Ni-TiO 2 nanofibers in an air atmosphere at 600-900 ° C for 30 minutes to 2 hours
Gt; TiO2 < / RTI > catalyst carrier.
제2항에 있어서, 상기 Ti 전구체는 티타늄 테트라이소프로폭시드, 티타늄 부톡사이드, 티타늄 터-부톡사이드, 티타늄 디히드록사이드 및 티타늄 테트라클로라이드로 구성된 군에서 선택되는 연료전지용 Nb-TiO2 촉매 담체를 제조하는 방법.The method of claim 2, wherein the Ti precursor is titanium tetraisopropoxide, titanium butoxide, titanium emitter-butoxide, titanium dihydroxy fuel cell Nb-TiO 2 catalyst carrier is selected from the side, and the group consisting of titanium tetrachloride ≪ / RTI > 제2항에 있어서, 상기 Nb 전구체는 니오븀 에톡사이드, 니오븀 옥사이드 및 니오븀 옥시니타이드로 구성된 군에서 선택되는 연료전지용 Nb-TiO2 촉매 담체를 제조하는 방법.3. The method of claim 2, wherein Nb precursor process for producing a fuel cell, Nb-TiO 2 catalyst carrier is selected from the group consisting of niobium ethoxide, niobium oxide and niobium oxy you Tide. 제2항에 있어서, 상기 고분자는 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐부티랄(polyvinylbutyral, PVB), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate, PVA), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 연료전지용 Nb-TiO2 촉매 담체를 제조하는 방법.The method of claim 2, wherein the polymer is selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylbutyral (PVB), polyvinyl acetate (PVA), polyacrylonite A method for producing a Nb-TiO 2 catalyst support for a fuel cell selected from polyacrylonitrile (PAN), polycarbonate (PC), and mixtures thereof. 제2항에 있어서, 상기 방사용액의 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 에틸알코올, 아세톤, N,N'-디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈(NMP), 메틸렌클로라이드(CH2Cl2), 클로로포름(CH3Cl), 테트라하이드로퓨란(THF) 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 연료전지용 Nb-TiO2 촉매 담체를 제조하는 방법.3. The method of claim 2, wherein the solvent of the spinning solution is selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, ethyl alcohol, acetone, N, N'-dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO) ), methylene chloride (CH 2 Cl 2), chloroform (CH 3 Cl), tetrahydrofuran (THF) or method of making a fuel cell, Nb-TiO 2 catalyst carrier is selected from a mixture thereof. 제2항에 있어서, 상기 Nb-TiO2 나노섬유에서 Nb의 함량은 50 at% 이하인 연료전지용 Nb-TiO2 촉매 담체를 제조하는 방법.The method of claim 2, wherein the content of Nb in the Nb-TiO 2 nanofiber method for producing a fuel cell 50 at% or less Nb-TiO 2 catalyst carrier. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따라 제조된 연료전지용 Nb-TiO2 촉매 담체.Wherein the second to seventh fuel cell Nb-TiO 2 catalyst carrier produced according to any one of items. Nb-TiO2 담체 및 여기에 담지된 활성 촉매를 포함하고,
상기 Nb-TiO2 담체는 나노섬유이고,
상기 활성 촉매는 Pt, Pt, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru, Os, Rh, Pd, Ir, W, Sn, Pd, Bi 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상의 성분인 것을 특징으로 하는
연료전지용 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 촉매.
Comprises a Nb-TiO 2 carrier and the active catalyst supported here,
The Nb-TiO 2 carrier is a nanofiber,
The active catalyst is any one or more components selected from among Pt, Pt, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru, Os, Rh, Pd, Ir, W, Sn, Pd, Bi, Featured
Active catalyst supported on Nb-TiO 2 carrier for fuel cell.
(a) Nb 전구체, Ti 전구체 및 고분자를 포함하는 Ni-TiO2 전구체 방사용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 전구체 방사용액에 10 내지 30 kV의 고전압을 가하여 전기방사를 수행하는 단계;
(c) 상기 전기방사된 Ni-TiO2 나노섬유를 공기분위기에서 600-900℃에서 30분 내지 2시간동안 열처리하는 단계;
(d) 상기 열처리된 Nb-TiO2 나노섬유를 미립화시키는 단계;
(e) 상기 미립화된 Nb-TiO2에 함침법을 이용하여 활성 금속 나노입자를 담지하는 단계; 및
(f) 상기 활성 금속 나노입자가 담지된 혼합물에 환원제를 첨가하는 단계
를 포함하는 연료전지용 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 촉매를 제조하는 방법.
(a) preparing a Ni-TiO 2 precursor spinning solution comprising a Nb precursor, a Ti precursor and a polymer;
(b) performing electrospinning by applying a high voltage of 10 to 30 kV to the precursor solution;
(c) heat-treating the electrospun Ni-TiO 2 nanofibers at 600-900 ° C for 30 minutes to 2 hours in an air atmosphere;
(d) atomizing the heat-treated Nb-TiO 2 nanofibers;
(e) supporting the active metal nanoparticles on the atomized Nb-TiO 2 by impregnation; And
(f) adding a reducing agent to the mixture containing the active metal nanoparticles
Wherein the active catalyst is supported on a Nb-TiO 2 support for a fuel cell.
제10항에 있어서, 상기 Ti 전구체는 티타늄 테트라이소프로폭시드, 티타늄 부톡사이드, 티타늄 터-부톡사이드, 티타늄 디히드록사이드 및 티타늄 테트라클로라이드로 구성된 군에서 선택되는 연료전지용 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 촉매를 제조하는 방법.11. The method of claim 10, wherein the Ti precursor is titanium tetraisopropoxide, titanium butoxide, titanium emitter-to-butoxide, titanium di-hydroxide and a fuel cell Nb-TiO 2 carrier is selected from the group consisting of titanium tetrachloride Lt; RTI ID = 0.0 > supported < / RTI > catalyst. 제10항에 있어서, 상기 Nb 전구체는 니오븀 에톡사이드, 니오븀 옥사이드 및 니오븀 옥시니타이드로 구성된 군에서 선택되는 연료전지용 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 촉매를 제조하는 방법.11. The method of claim 10, wherein Nb precursor process for preparing the active supported catalyst for a fuel cell Nb-TiO 2 carrier is selected from the group consisting of niobium ethoxide, niobium oxide and niobium oxy you Tide. 제10항에 있어서, 상기 고분자는 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐부티랄(polyvinylbutyral, PVB), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate, PVA), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 연료전지용 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 촉매를 제조하는 방법.The method of claim 10, wherein the polymer is selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylbutyral (PVB), polyvinyl acetate (PVA), polyacrylonite A method for producing an active catalyst supported on a Nb-TiO 2 carrier for a fuel cell selected from polyacrylonitrile (PAN), polycarbonate (PC), and mixtures thereof. 제10항에 있어서, 상기 방사용액의 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 에틸알코올, 아세톤, N,N'-디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈(NMP), 메틸렌클로라이드(CH2Cl2), 클로로포름(CH3Cl), 테트라하이드로퓨란(THF) 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 연료전지용 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 촉매를 제조하는 방법.11. The method of claim 10, wherein the solvent of the spinning solution is selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, ethyl alcohol, acetone, N, N'-dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO) Wherein the catalyst is supported on a Nb-TiO 2 support for fuel cells selected from methylene chloride (CH 2 Cl 2 ), chloroform (CH 3 Cl), tetrahydrofuran (THF) or mixtures thereof. 제10항에 있어서, 상기 Nb-TiO2 나노섬유에서 Nb의 함량은 50 at% 이하인 연료전지용 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 촉매를 제조하는 방법.11. The method of claim 10, the method for preparing the active catalyst supported on the content of Nb in the Nb-TiO 2 nanofiber is 50 at% or less for a fuel cell Nb-TiO 2 carrier. 제10항에 있어서, 상기에서 활성 금속 나노입자는 Pt, Pt, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru, Os, Rh, Pd, Ir, W, Sn, Pd, Bi 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 한 성분인 연료전지용 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 촉매를 제조하는 방법.The active metal nanoparticles according to claim 10, wherein the active metal nanoparticles are selected from among Pt, Pt, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru, Os, Rh, Pd, Ir, W, Sn, Pd, Bi, Wherein the active catalyst is supported on a Nb-TiO 2 support for a fuel cell. 제10항에 있어서, 상기 환원제는 NaBH4, LiAlH4, 옥살산(C2H2O4), 또는 포름산(HCOOH)인 연료전지용 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 촉매를 제조하는 방법.The method of claim 10 wherein the reducing agent is NaBH 4, LiAlH 4, oxalic acid (C 2 H 2 O 4) , or formic acid (HCOOH) in a fuel cell process for preparing the active catalyst supported on the Nb-TiO 2 carrier. 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따라 제조된 연료전지용 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 촉매.Of claim 10 to 17 wherein the activity of the catalyst supported on the fuel cell, Nb-TiO 2 carrier prepared according to any of the preceding. 전극 기재; 및 상기 전극 기재 상에 위치하는 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 Nb-TiO2 담체에 담지된 활성 금속 나노 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.An electrode substrate; And a catalyst layer disposed on the electrode substrate, wherein the catalyst layer comprises an active metal nanocatalyst supported on a Nb-TiO 2 support. 제19항에 있어서, 상기에서 활성 금속 나노 촉매는 Pt, Pt, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru, Os, Rh, Pd, Ir, W, Sn, Pd, Bi 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 한 성분인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.20. The method of claim 19, wherein the active metal nanocatalyst is selected from Pt, Pt, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru, Os, Rh, Pd, Ir, W, Sn, Pd, Bi, Wherein the first electrode is made of a metal. 제19항에 있어서, 상기 Nb-TiO2 담체에서 Nb의 함량은 50 at% 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.


The electrode for a fuel cell according to claim 19, wherein the content of Nb in the Nb-TiO 2 carrier is 50 at% or less.


KR20130107266A 2013-09-06 2013-09-06 Nb-TiO2 CATALYST SUPPORTS AND METHOD FOR SYNTHESIS OF THE SAME USING ELECTROSPINNING KR20150028529A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20130107266A KR20150028529A (en) 2013-09-06 2013-09-06 Nb-TiO2 CATALYST SUPPORTS AND METHOD FOR SYNTHESIS OF THE SAME USING ELECTROSPINNING

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20130107266A KR20150028529A (en) 2013-09-06 2013-09-06 Nb-TiO2 CATALYST SUPPORTS AND METHOD FOR SYNTHESIS OF THE SAME USING ELECTROSPINNING

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20150028529A true KR20150028529A (en) 2015-03-16

Family

ID=53023384

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20130107266A KR20150028529A (en) 2013-09-06 2013-09-06 Nb-TiO2 CATALYST SUPPORTS AND METHOD FOR SYNTHESIS OF THE SAME USING ELECTROSPINNING

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20150028529A (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017069831A3 (en) * 2015-08-06 2017-06-01 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell with improved electro catalyst
CN110935483A (en) * 2019-11-20 2020-03-31 华南农业大学 Semiconductor NbNO nano rod and preparation method and application thereof
CN112808261A (en) * 2021-02-08 2021-05-18 长江师范学院 Preparation method of nest-shaped niobium oxide
KR20210101132A (en) * 2020-02-07 2021-08-18 한국과학기술원 Flexible Composite Membrane of Oxygen Deficient Short Ceramic Nanofiber and Conductive Material
CN115000423A (en) * 2022-05-06 2022-09-02 上海歌地催化剂有限公司 Hydrogen fuel cell cathode catalyst and preparation method and application thereof
CN115475616A (en) * 2021-06-16 2022-12-16 中国石油化工股份有限公司 Wet oxidation catalyst and preparation method and application thereof
CN115478341A (en) * 2022-09-15 2022-12-16 江西赣锋锂电科技股份有限公司 Preparation method of lithium ion negative electrode composite material

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017069831A3 (en) * 2015-08-06 2017-06-01 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell with improved electro catalyst
CN110935483A (en) * 2019-11-20 2020-03-31 华南农业大学 Semiconductor NbNO nano rod and preparation method and application thereof
KR20210101132A (en) * 2020-02-07 2021-08-18 한국과학기술원 Flexible Composite Membrane of Oxygen Deficient Short Ceramic Nanofiber and Conductive Material
CN112808261A (en) * 2021-02-08 2021-05-18 长江师范学院 Preparation method of nest-shaped niobium oxide
CN112808261B (en) * 2021-02-08 2022-09-02 长江师范学院 Preparation method of nest-shaped niobium oxide
CN115475616A (en) * 2021-06-16 2022-12-16 中国石油化工股份有限公司 Wet oxidation catalyst and preparation method and application thereof
CN115475616B (en) * 2021-06-16 2024-03-26 中国石油化工股份有限公司 Wet oxidation catalyst and preparation method and application thereof
CN115000423A (en) * 2022-05-06 2022-09-02 上海歌地催化剂有限公司 Hydrogen fuel cell cathode catalyst and preparation method and application thereof
CN115478341A (en) * 2022-09-15 2022-12-16 江西赣锋锂电科技股份有限公司 Preparation method of lithium ion negative electrode composite material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Amini et al. Metal and metal oxide electrocatalysts for redox flow batteries
KR20150028529A (en) Nb-TiO2 CATALYST SUPPORTS AND METHOD FOR SYNTHESIS OF THE SAME USING ELECTROSPINNING
Barakat et al. Cobalt/copper-decorated carbon nanofibers as novel non-precious electrocatalyst for methanol electrooxidation
KR101975970B1 (en) Hollow composite, method of preparing the same, and electrocatalyst including the same
El-Maghrabi et al. Coaxial nanofibers of nickel/gadolinium oxide/nickel oxide as highly effective electrocatalysts for hydrogen evolution reaction
Feng et al. Bamboo-like nitrogen-doped porous carbon nanofibers encapsulated nickel–cobalt alloy nanoparticles composite material derived from the electrospun fiber of a bimetal–organic framework as efficient bifunctional oxygen electrocatalysts
US8120892B2 (en) Electrode for supercapacitor having metal oxide deposited on ultrafine carbon fiber and the fabrication method thereof
Savych et al. On the effect of non-carbon nanostructured supports on the stability of Pt nanoparticles during voltage cycling: a study of TiO2 nanofibres
US20120282484A1 (en) Metal and ceramic nanofibers
KR101113311B1 (en) Method for fabricating hybrid catalyst with metal oxide nanowire, electrode and fuel cell containing hybrid catalyst fabricated by the same
Odetola et al. Enhanced activity and stability of Pt/TiO2/carbon fuel cell electrocatalyst prepared using a glucose modifier
CN106457214A (en) Supported catalyst and method for producing a porous graphitized carbon material covered with metal nanoparticles
Wang et al. Freestanding non‐precious metal electrocatalysts for oxygen evolution and reduction reactions
Ghouri et al. Synthesis and characterization of Co/SrCO3 nanorods-decorated carbon nanofibers as novel electrocatalyst for methanol oxidation in alkaline medium
Ghouri et al. Facile synthesis of Fe/CeO2-doped CNFs and their capacitance behavior
Liu et al. CeO 2-modified α-MoO 3 nanorods as a synergistic support for Pt nanoparticles with enhanced CO ads tolerance during methanol oxidation
Sun et al. Highly stable and active Pt/Nb-TiO 2 carbon-free electrocatalyst for proton exchange membrane fuel cells
CN108193500B (en) Composite nanofiber, composite nanofiber supported catalyst, preparation method and application thereof
Ali et al. Porous carboxymethyl cellulose carbon of lignocellulosic based materials incorporated manganese oxide for supercapacitor application
JP2007213859A (en) Oxide composite material, its manufacturing method and oxidation-reduction electrode
Akbarfallahi et al. Improved electrocatalytic activity of ethanol oxidation over Pd/TiO2 nanofibers-carbon black nanocomposite
Mohamed et al. Ni/Pd-Decorated carbon NFs as an efficient electrocatalyst for methanol oxidation in alkaline medium
Ramachandran et al. Recent developments in electrode materials for oxygen reduction reaction
JP4026162B2 (en) Manganese oxide nanoparticle dispersion material and electrode manufacturing method
KR101374953B1 (en) Method for preparing of pt electrocatalyst-loaded carbon nanofibre-ru core-shell supports

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application