KR20150076057A - Heteroatoms-containing Porous Carbon using Seaweed and Fabrication Method thereof - Google Patents

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Abstract

According to the present invention, a method for preparing a porous carbon body containing heterogeneous elements includes the steps of: a) thermally decomposing algae in an inert atmosphere to prepare an inorganic-carbon body which is a carbon body containing inorganic compound particles; and b) removing the inorganic compound particles in the inorganic-carbon body through an acid leaching process.

Description

해조류를 이용한 이종 원소 함유 다공성 탄소체 및 이의 제조방법{Heteroatoms-containing Porous Carbon using Seaweed and Fabrication Method thereof}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to porous carbon materials containing heteroatoms and seaweeds,

본 발명은 이종 원소(Heteroatom) 함유 다공성 탄소체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게, 주형체를 사용하지 않고 단지 해조류를 원료로 이용하여 저가의 단순한 공정으로 산소환원반응을 촉진하고, 다양한 전기화학반응의 전극 소재, 수처리 장치의 전극 소재 또는 흡착제로 활용 가능한, 이종 원소를 함유하고 높은 다공성을 갖는 이종 원소 함유 다공성 탄소체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a porous carbon body containing a heteroatom and a method for producing the porous carbon body. More particularly, the present invention relates to a porous carbon body containing a heteroatom, The present invention relates to a heterogeneous element-containing porous carbon body containing a hetero-element and capable of being used as an electrode material of a chemical reaction, an electrode material of a water treatment apparatus, or an adsorbent, and a method for producing the same.

산업발전 및 인구증가에 따라 전 세계적으로 에너지 수요가 급증하고 있는 추세이나, 주 에너지원인 석유/천연가스등은 약 2020년을 기점으로 그 생산량이 점차 감소할 것으로 예측되고 있다. 이러한 화석연료의 고갈과 함께 환경을 오염시키지 않는 대체 청정 에너지원에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.Energy demand is surging worldwide due to industrial development and population growth, but production of petroleum / natural gas, which is the main energy source, is expected to decrease gradually from about 2020. It is urgent to research and develop alternative clean energy sources that do not pollute the environment with exhaustion of these fossil fuels.

1997년 온실가스 감축을 위한 교토의정서가 채택되어 우리나라를 비롯한 119 개국이 비준하였고, 온실가스 배출량 감축의 의무화 및 온실가스 감축 의무 부담이 진행되고 있다. In 1997, the Kyoto Protocol for the Reduction of GHGs was adopted and 119 countries including Korea ratified it, and mandatory reduction of greenhouse gas emissions and burden of reduction of greenhouse gas are underway.

태양열, 풍력, 수소에너지등의 다양한 천연 자원을 에너지원으로 사용하는 기술이 연구 개발되고 있으나, 직접 발전 방식으로 열역학적인 제한(Carnot 효율)을 받지 않으며 발전 효율이 높고 넓은 부하범위에서도 일정한 효율을 가지며, 녹스(NOx)와 같은 대기오염 물질을 배출하지 않고 소음 및 진동이 극히 미미하며, 분산형 전력 생산이 가능하고, 발전 용량의 조절이 용이한 장점 등에 의해 연료전지 기술이 대체 청정 에너지로 각광받고 있다.Although the technology that uses various natural resources such as solar energy, wind power, and hydrogen energy as the energy source is being researched and developed, it does not suffer from the thermodynamic limitation (carnot efficiency) by the direct power generation method and has a high efficiency of generation and a constant efficiency even in a wide load range Fuel cell technology is regarded as an alternative clean energy due to the fact that noise and vibration are very small, it is possible to produce dispersed electric power, and the power generation capacity can be easily controlled without discharging air pollutants such as NOx have.

연료전지는 연료가 소유하고 있는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 연료극/전해질/공기극의 연료전지 기본 단위 셀을 직렬 및 병렬로 연결한 스택을 중심으로 연료전지 시스템이 구성되고 있으며, 통상적인 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 스택, 스택에 연료 및 산소를 공급하는 연료처리장치, 스택에서 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 전환하는 전환장치 및 열을 회수하는 열회수장치 등으로 구성된다.A fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy possessed by fuel directly into electric energy by an electrochemical reaction. A fuel cell system is composed mainly of stacks of fuel cell / electrolyte / air electrode fuel cell basic unit cells connected in series and in parallel. A typical fuel cell system includes a stack for producing electricity, A fuel processor, a switching device for converting the DC power produced in the stack to AC power, and a heat recovery device for recovering heat.

연료전지는 알칼리형 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC)로 구분되는데, AFC, PEMFC 및 DMFC는 작동 온도가 다른 연료전지에 비해 매우 낮아 초기 시동성이 우수하고, 메탄올이나 수소를 연료로 사용함에 따라 청정 에너지원 측면에서 보다 바람직하다. Fuel cells can be used in a wide variety of applications, such as alkaline fuel cells (AFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuel cells (SOFC) ), AFC, PEMFC, and DMFC are very low in operation temperature compared to fuel cells having different operating temperatures, and are more preferable in terms of clean energy source as methanol or hydrogen is used as fuel.

그러나, 이러한 장점들에도 불구하고, AFC, PEMFC 및 DMFC와 같은 저온형 연료전지는 촉매로서 백금을 사용함에 따라, 사용화를 위해서는 고가의 촉매에 의한 고비용 문제를 해결해야 한다. However, despite these advantages, low-temperature fuel cells such as AFC, PEMFC, and DMFC use platinum as a catalyst, and therefore expensive expensive catalysts must be solved for use.

이를 위해, 대한민국 등록특허 제1117066호 및 대한민국 공개특허 제2013-0139577호와 같이 다른 금속과의 합금화를 통해 촉매로 사용되는 백금의 양을 최소화하거나, 대한민국 공개특허 제2013-0068826호와 같이 백금 촉매를 대체할 수 있는 금속-유기 복합체등 위한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 합금화를 통해 백금의 양을 줄이는 방향으로는 비용절감에 한계가 있으며, 대체 촉매의 경우, 우수한 활성 및 장기 안정성을 가지면서도, 저가의 원료로 간단하고 친환경적인 방법으로 제조 가능한 물질의 개발이 지속적으로 요구되고 있다.
For this purpose, the amount of platinum used as a catalyst is minimized through alloying with other metals as disclosed in Korean Patent No. 1117066 and Korean Laid-Open Patent Application No. 2013-0139577, or a platinum catalyst such as Korean Patent Publication No. 2013-0068826 And metal-organic complexes that can replace the metal-organic complexes. However, there are limitations in cost reduction in terms of reducing the amount of platinum through alloying, and in the case of alternative catalysts, the development of materials that can be manufactured in a simple and environmentally friendly manner with low cost raw materials while having excellent activity and long- Are continuously required.

대한민국 등록특허 제1117066호Korea Patent No. 1117066 대한민국 공개특허 제2013-0139577호Korean Patent Publication No. 2013-0139577 대한민국 공개특허 제2013-0068826호Korean Patent Publication No. 2013-0068826

본 발명은 백금에 상응하는 우수한 산소환원활성 및 안정성을 가져 연료전지의 백금 촉매를 대체 가능하고, 이차전지, 슈퍼캐패시터, 태양전지, 센서, 축전식 탈염장치(CDI)등의 전극 소재나 흡착제로 사용 가능하며, 저가의 원료를 이용하여 간단한 방법으로 단시간에 대량생산 가능한 다공성 탄소체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
The present invention has an excellent oxygen reducing activity and stability corresponding to platinum and can replace a platinum catalyst of a fuel cell and can be used as an electrode material or an adsorbent for a secondary battery, a super capacitor, a solar cell, a sensor, a storage desalination device (CDI) And which can be mass-produced in a short time by a simple method using a low-cost raw material, and a method for producing the same.

본 발명에 따른 이종 원소를 함유하는 다공성 탄소체의 제조방법은 a) 해조류를 불활성 분위기에서 열분해하여 무기화합물 입자를 함유하는 탄소체인 무기-탄소체를 제조하는 단계; 및 b) 무기-탄소체의 무기화합물 입자를 산 침출(leaching)시켜 제거하는 단계;를 포함한다.The method for producing a porous carbon body containing a hetero-element according to the present invention comprises the steps of: a) pyrolyzing algae in an inert atmosphere to produce an inorganic-carbon body having carbon atoms containing inorganic compound particles; And b) leaching the inorganic compound particles of the inorganic-carbon body by leaching.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 이종 원소는 해조류로부터 기인하며, 적어도 N 및 S를 포함할 수 있다.In the production method according to an embodiment of the present invention, the heteroelement originates from algae, and may include at least N and S.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 열분해 온도를 제어하여, 이종 원소의 결합상태의 상대적 비율이 제어될 수 있다.In the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the relative ratio of the bonding state of the hetero elements can be controlled by controlling the thermal decomposition temperature.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 무기화합물은 적어도 금속할로겐화물, 금속산화물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.In the production method according to an embodiment of the present invention, the inorganic compound may include at least a metal halide, a metal oxide, or a mixture thereof.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 다공성 탄소체는 난층 구조(turbostratic structure)를 가질 수 있다.In the production method according to an embodiment of the present invention, the porous carbon body may have a turbostratic structure.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, a) 단계의 열분해 온도는 800 내지 1100℃일 수 있다.In the production method according to an embodiment of the present invention, the pyrolysis temperature in step a) may be 800 to 1100 ° C.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 다공성 탄소체에 함유되는 N의 15 내지 60 %는 쿼터너리-N(quaternary-N) 결합 상태이고 , 20 내지 40 %는 피리디닉 (pyridinic N) 결합 상태이며, 다공성 탄소체에 함유되는 S의 35 내지 60 %는 티오펜-S(thiopene-S) 결합 상태일 수 있다.In the production method according to an embodiment of the present invention, 15 to 60% of N contained in the porous carbon body is quaternary-N bonded, 20 to 40% is pyridinic N, And 35 to 60% of the S contained in the porous carbon body may be a thiopene-S bonded state.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 다공성 탄소체의 N 및 S의 함량은 3 내지 6.5원소%일 수 있다.In the production method according to an embodiment of the present invention, the content of N and S in the porous carbon body may be 3 to 6.5% by atom.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 다공성 탄소체는 BET 비표면적이 650 내지 1450m2/g이며, 마이크로 기공률 0.2 내지 0.85 cm3/g 및 메소 기공률 0.2 내지 1.10 cm3/g일 수 있다.In the production method according to an embodiment of the present invention, the porous carbon body may have a BET specific surface area of 650 to 1450 m 2 / g, a microporosity of 0.2 to 0.85 cm 3 / g and a meso porosity of 0.2 to 1.10 cm 3 / g have.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 다공성 탄소체는 연료전지용 촉매일 수 있다.In the production method according to an embodiment of the present invention, the porous carbon body may be a catalyst for a fuel cell.

본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 다공성 탄소체를 포함한다.The present invention includes a porous carbon body produced by the above-described production method.

본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 다공성 탄소체를 함유하는 연료전지용 막-전극 복합체를 포함한다.The present invention includes a membrane-electrode composite for a fuel cell containing a porous carbon body manufactured by the above-described production method.

본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 다공성 탄소체를 전극의 촉매로 함유하는 연료전지를 포함한다.The present invention includes a fuel cell containing a porous carbon body manufactured by the above-described production method as a catalyst of an electrode.

본 발명에 따른 이종 원소를 함유하는 다공성 탄소체는 해조류를 열분해한 후 산 침출 처리하여 제조된 난층 구조(turbostratic structure)를 갖는 다공성 탄소체이며, BET 비표면적이 650 내지 1450m2/g이고, 마이크로 기공률 0.2 내지 0.85 cm3/g 및 메소 기공률 0.2 내지 1.10 cm3/g이며, 적어도 N 및 S를 함유한다.The porous carbon body containing a hetero-element according to the present invention is a porous carbon body having a turbostratic structure prepared by pyrolysis of algae and acid leaching treatment, and has a BET specific surface area of 650 to 1450 m 2 / g, A porosity of 0.2 to 0.85 cm 3 / g and a meso porosity of 0.2 to 1.10 cm 3 / g, and contains at least N and S.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 탄소체에 있어, 다공성 탄소체에 함유되는 N의 15 내지 60 %는 쿼터너리-N(quaternary-N) 결합 상태이고 , 20 내지 40 %는 피리디닉 (pyridinic N) 결합 상태이며, 다공성 탄소체에 함유되는 S의 35 내지 60 %는 티오펜-S(thiopene-S) 결합 상태일 수 있다.In the porous carbon body according to one embodiment of the present invention, 15 to 60% of the N contained in the porous carbon body is a quaternary-N bonded state, and 20 to 40% is pyridinic N ), And 35 to 60% of the S contained in the porous carbon body may be a thiophene-S bonded state.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 탄소체에 있어, BET 비표면적은 1000 내지 1450m2/g일 수 있다.In the porous carbon body according to an embodiment of the present invention, the BET specific surface area may be 1000 to 1450 m 2 / g.

본 발명은 상술한 다공성 탄소체를 함유하는 연료전지용 막-전극 복합체를 포함한다.The present invention includes a membrane-electrode composite for a fuel cell containing the above-described porous carbon body.

본 발명은 상술한 다공성 탄소체를 전극의 촉매로 함유하는 연료전지를 포함한다.
The present invention includes a fuel cell containing the above-described porous carbon body as a catalyst of an electrode.

본 발명에 따른 제조방법은 풍부하게 존재하는 극히 저가의 천연자원을 이용하여 다공성 탄소체를 제조할 수 있으며, 단일한 열분해 단계 및 산 침출 단계라는 극히 간단하고 용이한 공정을 통해 다공성 탄소체를 제조할 수 있음에 따라, 저가의 원료 및 저가의 간단하고 용이한 공정 구축이 가능하여 상업성이 우수하며, Pt 촉매에 상응하는 산소환원반응 활성을 갖는 고품질의 촉매를 제조할 수 있는 장점이 있다.The production method according to the present invention can produce a porous carbon body using an extremely low cost natural resource which exists abundantly and can produce a porous carbon body through an extremely simple and easy process such as a single pyrolysis step and an acid leaching step It is possible to construct a simple and easy process with low cost raw materials and low cost, and thus it is advantageous in that a high quality catalyst having an excellent catalytic activity and an oxygen reduction reaction activity corresponding to a Pt catalyst can be produced.

본 발명에 따른 다공성 탄소체는 상용의 Pt 촉매에 상응하는 산소환원반응 활성을 가질 뿐만 아니라, 상용의 Pt 촉매보다 우수한 내구성 및 메탄올 안정성을 가져, 연료전지의 Pt 촉매를 즉각적으로 대체할 수 있는 장점이 있으며, 저가의 천연자원으로부터 간단한 공정을 통해 제조 가능함에 따라, 연료전지의 생산 비용 절감이 가능하여 연료전지의 상용화를 촉진할 수 있는 장점이 있다. The porous carbon body according to the present invention not only has an oxygen reduction reaction activity corresponding to a commercially available Pt catalyst but also has durability and methanol stability superior to that of a conventional Pt catalyst and has an advantage of being able to replace the Pt catalyst of the fuel cell immediately And can be manufactured through a simple process from low-cost natural resources, it is possible to reduce the production cost of the fuel cell, thereby promoting the commercialization of the fuel cell.

또한, 본 발명에 따른 다공성 탄소체는 높은 기공률 및 비표면적을 가지며, 우수한 전기전도도 및 활성이 우수한 난층 구조를 가짐에 따라, 이차전지, 슈퍼개패시터, 태양전지, 센서등 다양한 전기화학소자 또는 축전식 탈염장치(CDI)와 같은 수처리 장치의 전극 소재로 활용 가능하며, 흡착제로 활용 가능하다.In addition, since the porous carbon body according to the present invention has a high porosity and a specific surface area and has a stratified structure excellent in electrical conductivity and activity, it can be applied to various electrochemical devices such as a secondary battery, a superpatterner, It can be used as an electrode material of a water treatment apparatus such as a desalination apparatus (CDI) and can be used as an adsorbent.

도 1은 실시예에서 제조된 다공성 탄소체의 주사전자현미경 관찰 사진을 도시한 것이며,
도 2는 실시예에서 제조된 다공성 탄소체의 투과전자현미경 관찰 사진을 도시한 것이며,
도 3은 원료 및 실시예에서 제조된 다공성 탄소체의의 질소-흡착등온선 측정 결과를 도시한 것이며,
도 4는 실시예에서 제조된 탄소체의 X-선 회절 분석 결과를 도시한 것이며,
도 5는 실시예에서 제조된 탄소체에 함유된 N 및 S 각각의 결합 상태별 상대적 결합 상태 분율을 측정 도시한 도면이며,
도 6은 실시예에서 제조된 탄소체를 이용하여 제조된 촉매전극의 LSV(linear sweep voltammetry) 측정 결과를 도시한 도면이며,
도 7은 실시예에서 제조된 탄소체를 이용하여 제조된 촉매전극의 LSV(linear sweep voltammetry) 측정 결과를 도시한 다른 도면이며,
도 8은 실시예에서 제조된 탄소체를 이용하여 제조된 촉매전극의 CV 측정 결과를 도시한 도면이며,
도 9는 실시예에서 제조된 탄소체를 이용하여 제조된 촉매전극의 CV 측정 결과를 도시한 다른 도면이며,
도 10은 실시예에서 제조된 다공성 탄소체의 압력에 따른 저항률을 측정 도시한 도면이며,
도 11은 실시예에서 제조된 다공성 탄소체의 전도도, 메소 포어 비표면적, 이종 원소중 질소 함량 및 온셋 전위를 함께 도시한 도면이다.
1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the porous carbon material produced in Example,
FIG. 2 is a photograph showing a transmission electron microscope photograph of the porous carbon body produced in the example,
FIG. 3 shows the nitrogen-adsorption isotherm measurement results of the raw materials and the porous carbon bodies produced in Examples,
FIG. 4 shows the results of X-ray diffraction analysis of the carbon bodies produced in Examples,
FIG. 5 is a graph showing a relative binding state fraction of N and S contained in the carbon body produced in the examples,
FIG. 6 is a graph showing the result of LSV (linear sweep voltammetry) measurement of a catalyst electrode manufactured using the carbon body manufactured in the example,
FIG. 7 is another diagram showing the result of measurement of the LSV (linear sweep voltammetry) of the catalyst electrode manufactured using the carbon body manufactured in the embodiment,
8 is a graph showing a CV measurement result of the catalyst electrode manufactured using the carbon body manufactured in the example,
FIG. 9 is another view showing the CV measurement result of the catalyst electrode manufactured using the carbon body manufactured in the embodiment,
10 is a graph showing the measurement of the resistivity according to the pressure of the porous carbon body manufactured in the example,
11 is a graph showing the conductivity, the mesophore specific surface area, the nitrogen content in the heteroelement, and the onset potential of the porous carbon body produced in Examples.

이하 본 발명에 따른 다공성 탄소체 및 이의 제조방법을 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the porous carbon body according to the present invention and a method for producing the same will be described in detail. Here, unless otherwise defined, technical terms and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In the following description, the gist of the present invention is unnecessarily blurred And a description of the known function and configuration will be omitted.

본 출원인은 연료전지의 백금계 촉매를 대체할 수 있으며, 저 비용 및 간단한 공정으로 대량 생산 가능한 촉매 물질에 대한 연구를 심화한 결과, 풍부한 천연자원인 해조류 자체가 탄소원으로 사용될 수 있으며, 산소환원반응의 활성에 적합한 헤테로 원소들이 해조류에 이미 함유되어 있는 점에 착안하여, 간단한 방법으로 제조 가능하면서도 극히 높은 비표면적을 가지며, 백금계 촉매에 상응하는 활성 및 백금계 촉매보다 우수한 안정성을 갖는 탄소체 및 이의 제조방법을 제공하기에 이르렀다. As a result of deepening research on catalytic materials capable of mass production at low cost and simple process, seaweeds themselves, which are abundant natural resources, can be used as carbon sources, and as a result, In consideration of the fact that heteroatoms suitable for the activity of the platinum-based catalyst are already contained in the seaweeds, the carbonaceous bodies which can be produced by a simple method but have an extremely high specific surface area and have an activity corresponding to the platinum- And a method for producing the same.

본 발명에 따른 이종 원소를 함유하는 다공성 탄소체의 제조방법은 a) 해조류를 불활성 분위기에서 열분해하여 무기화합물 입자를 함유하는 탄소체인 무기-탄소체를 제조하는 단계(이하, 탄화 단계); 및 b) 무기-탄소체의 무기화합물 입자를 산 침출(leaching)시켜 제거하는 단계(이하, 산침출 단계);를 포함한다.The method for producing a porous carbon body containing a hetero-element according to the present invention comprises the steps of: a) pyrolyzing algae in an inert atmosphere to produce an inorganic-carbon body having carbon atoms containing inorganic compound particles (carbonization step); And b) leaching the inorganic compound particles of the inorganic-carbon body by acidic leaching (hereinafter, acid leaching step).

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법은 해조류를 탄소의 전구물질로 사용함에 따라, 단일한 탄화(열분해) 단계에 의해 활성화된 다공성 탄소체를 제조할 수 있으며, 나아가 해조류에 자체적으로 함유되어 있는 헤테로 원소들에 의해 별도의 도핑 공정 없이 이종 원소를 함유하는 다공성 탄소체를 제조할 수 있다. 또한, 풍부하게 존재하는 극히 저가의 천연자원이며, 수급이 용이한 해조류를 전구물질로 이용함에 따라, 원료에 소요되는 비용을 현저하게 줄일 수 있다. 또한, 다공 구조를 위한 주형체의 사용이 불필요하며, 고가이며 취급 및 공정 변수에 민감하고 유독한 유기화합물을 사용하지 않으면서도 높은 비표면적을 갖는 다공성 탄소체를 제조할 수 있다. 또한, 단일한 탄화(열분해)에 의해 활성화된 다공성 탄소체가 제조됨에 따라, 탄소의 활성화를 위한 후처리 공정이 불필요한 장점이 있다.As described above, the production method according to the present invention can produce a porous carbon body activated by a single carbonization (pyrolysis) step by using algae as a precursor of carbon, and further, It is possible to produce a porous carbon body containing a hetero-element without a separate doping process. In addition, since the algae, which are abundantly present and extremely low-cost natural resources and easy to supply and receive, are used as precursors, the cost for raw materials can be remarkably reduced. In addition, it is possible to produce a porous carbon body having a high specific surface area, which is unnecessary to use a mold for a porous structure, is expensive, sensitive to handling and process parameters and does not use toxic organic compounds. Further, since a porous carbon material activated by a single carbonization (pyrolysis) is produced, there is an advantage that a post-treatment process for activating carbon is unnecessary.

나아가, 본 출원인은 해조류의 열분해에 의한 다공성 탄소체의 제조에 대한 연구를 고도로 심화한 결과, 열분해 단계만에 의해서도 어느 정도 이종원소가 함유된 다공성 탄소체의 제조가 가능하나, 그 비표면적 향상에 한계가 있음을 발견하였다. 이에, 해조류 자체에 이미 함유되어 있는 금속, 할로겐화물, 산화물 등과 같은 무기물(무기 원소 및 무기 입자를 포함함)들을 탄화(열분해) 단계에서 입자화하거나 잔류시킨 후, 이러한 미세 입자들을 후속되는 산 침출 과정을 통해 제거함으로써, 다공성 구조를 형성하고 비표면적을 현저하게 향상시킬 수 있음을 발견하였다. 나아가, 연료전지용 촉매로 사용하기 위해서는 촉매능을 부여하거나 향상시키는 활성 원소들 이외의 원소들을 가능한 제거하는 것이 좋다. 이러한 측면에서도 상술한 산 침출 과정을 통해 활성 원소인 이종 원소와 탄소 이외의 물질들이 제거되어, 극히 우수한 순도를 갖는 이종 원소를 함유하는 다공성 탄소체를 제조할 수 있다.The Applicant has further intensively studied the production of porous carbon bodies by pyrolysis of seaweeds. As a result, it is possible to produce porous carbon bodies containing a certain amount of hetero elements even by only the pyrolysis step. However, There is a limit. Accordingly, after inorganic substances (including inorganic elements and inorganic particles) such as metals, halides, oxides and the like already contained in seaweeds themselves are granulated or remained in the step of carbonization (pyrolysis), these fine particles are subjected to subsequent acid leaching , The porous structure can be formed and the specific surface area can be remarkably improved. Further, in order to be used as a catalyst for a fuel cell, it is preferable to remove elements other than the active elements that impart or enhance catalytic performance. In this respect also, the active elements, such as the heteroatom and the substances other than carbon, are removed through the above-mentioned acid leaching process, so that a porous carbon body containing a hetero-element having extremely excellent purity can be produced.

즉, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법은 해조류 자체를 다공성 탄소체의 전구물질로 이용하고, 촉매능을 부여하거나 향상시키는 활성 원소인 이종 원소 또한 해조류로부터 기인하며, 해조류에 이미 함유되어 있는 무기물들(무기 원소 및 무기 입자를 포함함)을 입자화시킨 후 산 침출을 통해 제거함에 따라, 극히 높은 비표면적을 가지면서도 우수한 순도를 갖는 다공성 탄소체를 제조할 수 있다. 이때, 입자화 한다는 의미는 해조류에 함유된 무기물들을 물질 공급원으로 탄화단계에서 무기화합물의 핵생성 및/또는 성장이 발생함을 의미할 수 있다.That is, as described above, the production method according to the present invention uses the seaweed as a precursor of the porous carbon body, and the heterogeneous element, which is an active element that imparts or enhances the catalytic function, also originates from seaweed, (Including inorganic elements and inorganic particles) are granulated and removed through acid leaching, a porous carbon body having an extremely high specific surface area and having excellent purity can be produced. At this time, the meaning of the particles may mean that the inorganic materials contained in the seaweed are used as a source of material, and nucleation and / or growth of the inorganic compound occurs in the carbonization step.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 해조류로부터 기인하는 이종원소는 적어도, N 및 S를 포함할 수 있다. 즉, 다공성 탄소체는 적어도 N 및 S를 함유할 수 있으며, 구체적으로 N, S 및 O를 함유할 수 있으며, 더욱 구체적으로 N, S, O 및 P를 함유할 수 있다. N, S, O 및 P는 산소환원반응의 활성 원소로 알려져 있으며, 이중 O도 산소환원활성에 일부기여 하나, 주로 N, S 및 P가 산소환원반응에 더 큰 효과를 나타낸다. 또한 단일한 활성 원소보다는 두 종 이상의 활성 원소들의 혼재된 경우, 산소환원반응시의 촉매 활성이 보다 향상되는 것으로 알려져 있다.In the production method according to an embodiment of the present invention, the heteroelement originating from algae may include at least N and S. That is, the porous carbon body may contain at least N and S, and may specifically contain N, S and O, and more specifically may contain N, S, O and P. N, S, O and P are known as active elements of the oxygen reduction reaction. O 2 also contributes to the oxygen reduction activity, but mainly N, S and P have a greater effect on the oxygen reduction reaction. It is also known that when two or more active elements are mixed rather than a single active element, the catalytic activity during the oxygen reduction reaction is further improved.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 무기화합물 입자는 금속할로겐화물, 금속산화물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 금속할로겐화물의 금속 및 할로겐과 금속산화물의 금속 및 산소는 해조류에 함유된 무기물(무기원소)로부터 기인할 수 있다. 해조류의 종류에 따라 주로 함유되는 무기물이 달라질 수 있으나, 본 발명은 탄화단계에서 해조류에 기 함유된 무기물로부터 무기화합물의 입자상이 형성 및/또는 잔류되도록 해조류를 탄화시킨 후, 무기화합물 입자를 기공 형성제로 이용하여, 산침출 단계를 통해 무기화합물 입자를 제거함으로써, 다공성 탄소체의 비표면적 및 순도를 향상시키는 것에 있음에 따라, 본 발명이 무기화합물의 구체적 종류에 의해 한정될 수 없음은 물론이다. 그러나, 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 구체적이며 비한정적인 일 예로, 통상적으로 해조류에 주로 함유된 것으로 알려진 무기물은 Na, Cl, Mg 등이며, 이에 따라 금속할로겐화물은 NaCl을 포함할 수 있으며, 금속산화물은 MgO를 포함할 수 있다.In the production method according to an embodiment of the present invention, the inorganic compound particles may include a metal halide, a metal oxide, or a mixture thereof. Metals of metal halides and metals and oxygen of halogens and metal oxides can be derived from the minerals (inorganic elements) contained in seaweeds. The present invention is characterized in that, in the carbonization step, the algae are carbonized so that the particulate phase of the inorganic compound is formed and / or remains from the inorganic substance contained in the algae, and then the inorganic compound particles are pored It is needless to say that the present invention can not be limited by the specific kind of the inorganic compound since the specific surface area and purity of the porous carbon body are improved by removing the inorganic compound particles through an acid leaching step. However, as a specific and non-limiting example for facilitating a clear understanding of the present invention, inorganic substances, which are generally known to be mainly contained in seaweeds, are Na, Cl, Mg and the like, and thus the metal halide may include NaCl, The metal oxide may include MgO.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 열처리 온도는 무기-탄소체의 생성 여부, 제조되는 다공성 탄소체의 기공 구조, 다공성 탄소체의 결정학적 구조, 다공성 탄소체에 함유되는 이종 원소의 함량 및 이종 원소의 결합 상태에 영향을 미칠 수 있다.In the production method according to an embodiment of the present invention, the heat treatment temperature may be determined depending on whether or not the inorganic-carbon body is formed, the pore structure of the porous carbon body to be produced, the crystallographic structure of the porous carbon body, Content and the bonding state of the different elements.

해조류로부터 기인하여 다공성 탄소체에 잔류하게 되는 이종 원소의 함량은 열분해 온도가 낮을수록 높아질 수 있다. 이에 따라, 이종 원소 함량 증진에 의한 활성 증대만을 고려하는 경우 가능한 낮은 온도에서 해조류를 열분해시킬 수 있다. 그러나, 많은 실험 및 분석을 수행한 결과, 산소환원반응의 촉매능을 향상시키기 위해, 이종원소의 함량 증진도 중요한 인자이나, 이종원소의 함량만큼이나 이종 원소의 결합 상태 및 다공성 탄소체의 비표면적 또한 중요함을 발견하였다. 이러한 발견을 기반으로, 탄화단계의 열분해는 800 내지 1100℃, 좋게는 800 내지 1050℃, 더욱 좋게는 900 내지 1050℃에서 수행되는 것이 좋다. 이러한 열분해 온도 범위는 적절한 이종 원소의 함량을 유지하면서도, 다공성 탄소체의 기공구조가 붕괴되지 않으면서도 기공 형성제에 의한 비표면적의 향상이 이루어지고, 높은 비표면적을 가지면서도 전기전도도를 향상시킬 수 있으며, 산소환원반응의 촉매능을 향상시키는 결합상태로 이종 원소가 다공성 탄소체에 함유될 수 있는 온도범위이다. The content of the hetero-element remaining in the porous carbon body due to seaweeds can be increased as the pyrolysis temperature is lower. Accordingly, when only the increase in activity due to the enhancement of the content of the different elements is considered, the algae can be thermally decomposed at a temperature as low as possible. However, as a result of many experiments and analyzes, it is also important to improve the content of heteropolysaccharides in order to improve the catalytic activity of the oxygen reduction reaction. However, the binding state of the heterogeneous elements and the specific surface area of the porous carbon bodies are also important . Based on this finding, the pyrolysis of the carbonization step is preferably carried out at 800 to 1100 ° C, preferably 800 to 1050 ° C, more preferably 900 to 1050 ° C. The range of the pyrolysis temperature is such that the pore structure of the porous carbon body is not collapsed while maintaining the content of the appropriate hetero element, the specific surface area is improved by the pore forming agent, and the electrical conductivity is improved And is a temperature range in which the heterogeneous element can be contained in the porous carbon body in the bonding state improving the catalytic activity of the oxygen reduction reaction.

다공 구조 측면에서, 800℃ 미만에서는 해조류에 함유되는 무기화합물 입자가 잘 생성되지 않거나, 형성되어도 극히 미세하게 탄소 매트릭스에 함입(embedded)된 형태를 가질 수 있어, 산침출에 의해 너무 작은 마이크로 세공만 형성이 되거나, 용이하게 제거되지 않을 위험이 있다. 열분해 온도가 1100℃를 초과하는 경우, 해조류에 함유되는 무기물들이 무기화합물 입자로 잔류하기 보다는 탄화단계에서 휘발 제거될 위험이 높으며, 해조류의 열분해 자체에 의해 탄소체에 형성되는 미세 기공 구조가 붕괴될 위험이 있다. From the viewpoint of the porous structure, inorganic compound particles contained in seaweeds are not well formed at a temperature lower than 800 占 폚, or even if they are formed, they can have an extremely minute embedded shape in the carbon matrix, There is a risk that it is formed or not easily removed. When the pyrolysis temperature is higher than 1100 ° C, the risk of volatilization is removed at the carbonization stage rather than the inorganic compounds contained in the seaweed, and the microporous structure formed on the carbon body by the pyrolysis of the seaweed itself is collapsed There is a danger.

상세하게, 800 내지 1100℃로 열분해가 수행됨으로써, BET 비표면적이 650 내지 1450m2/g인 다공성 탄소체가 제조될 수 있다. 좋게는 800 내지 1050℃로 열분해가 수행됨으로써, BET 비표면적이 900 내지 1450m2/g인 다공성 탄소체가 제조될 수 있다. 더욱 좋게는 900 내지 1050℃로 열분해가 수행됨으로써, BET 비표면적이 1000 내지 1450m2/g인 다공성 탄소체가 제조될 수 있다. Specifically, by performing pyrolysis at 800 to 1100 占 폚, a porous carbon body having a BET specific surface area of 650 to 1450 m 2 / g can be produced. Preferably, pyrolysis is carried out at 800 to 1050 占 폚, whereby a porous carbon body having a BET specific surface area of 900 to 1450 m 2 / g can be produced. More preferably, pyrolysis is carried out at 900 to 1050 占 폚, whereby a porous carbon body having a BET specific surface area of 1000 to 1450 m 2 / g can be produced.

또한, IUPAC 정의에 따라 직경 2 nm보다 작은 기공을 마이크로 기공으로, 직경 2 nm에서 50 nm의 기공을 메소 기공으로, 50 nm이상의 기공을 매크로 기공으로 칭할 때, 800 내지 1100℃로 열분해가 수행됨으로써, 마이크로 기공률(다공성 탄소체의 단위 질량당 마이크로 기공의 총 부피) 0.2 내지 0.85 cm3/g 및 메소 기공률(다공성 탄소체의 단위 질량당 메소 기공의 총 부피) 0.2 내지 1.10 cm3/g인 다공성 탄소체가 제조될 수 있다. 좋게는 800 내지 1050℃로 열분해가 수행됨으로써, 마이크로 기공률 0.3 내지 0.85 cm3/g 및 메소 기공률 0.25 내지 1.10 cm3/g인 다공성 탄소체가 제조될 수 있다. 더욱 좋게는 900 내지 1050℃로 열분해가 수행됨으로써, 마이크로 기공률 0.35 내지 0.85 cm3/g 및 메소 기공률 0.7 내지 1.10 cm3/g인 다공성 탄소체가 제조될 수 있다.Further, according to IUPAC definition, pyrolysis is performed at 800 to 1100 占 폚 when pores having a diameter of 2 nm or less are referred to as micropores, pores having a diameter of 2 nm to 50 nm are referred to as mesopores, and pores having a diameter of 50 nm or more are referred to as macropores micro porosity (total volume of micropores per unit weight of the porous carbon material), 0.2 to 0.85 cm 3 / g, and a meso porosity (total volume of the meso pores per unit mass of the porous carbon material), 0.2 to 1.10 cm 3 / g porous Carbon bodies can be produced. The porous carbon material having a microporosity of 0.3 to 0.85 cm < 3 > / g and a meso porosity of 0.25 to 1.10 cm < 3 > / g can be produced by performing pyrolysis at 800 to 1050 deg. Even better, may be made of a porous carbon body is a thermal decomposition is carried out, whereby the micro porosity of 0.35 to 0.85 cm 3 / g, and a meso porosity of 0.7 to 1.10 cm 3 / g at 900 to 1050 ℃.

이종 원소 함량 측면에서, 열분해 온도가 1100℃를 초과하는 경우, 탄소체에 함유되는 총 N 및 S의 함량(원소%)이 3원소% 미만으로 떨어져, 너무 낮은 활성 원소의 함량에 의해 촉매 활성이 나빠질 위험이 있다. 800 내지 1100℃로 열분해가 수행됨으로써, 탄소체에 함유되는 총 N 및 S의 함량이 3 내지 6.5원소%일 수 있다. N 및 S는 모두 열분해 온도가 증가하면 절대함량이 감소할 수 있으나, 각 원소의 상대적 결합상태는 그 안정도에 따라 변할 수 있다. 즉, N 및 S를 포함하는 활성 원소는 열분해 온도가 증가함에 따라 그 절대함량은 감소할 수 있으나, 열분해 온도에 의해 각 원소별 결합상태의 상대적 비율이 제어될 수 있다. From the viewpoint of the heterogeneous element content, when the pyrolysis temperature exceeds 1100 ° C, the total content of N and S (element%) contained in the carbon body falls to less than 3%, and the catalytic activity There is a risk of failure. By performing pyrolysis at 800 to 1100 占 폚, the content of N and S contained in the carbon body may be 3 to 6.5% by atom. Both N and S may decrease in absolute content as the pyrolysis temperature increases, but the relative bonding state of each element may vary depending on its stability. That is, the absolute content of active elements including N and S may decrease as the pyrolysis temperature increases, but the relative ratio of the bound state of each element can be controlled by the pyrolysis temperature.

상술한 바와 같이, 800 내지 1100℃로 열분해가 수행됨으로써, 이종 원소로 적어도 N 및 S를 함유하는, 구체적으로, N, S 및 O(산소)를 함유하는, 보다 구체적으로, N, S, O 및 P를 함유하는 다공성 탄소체가 제조될 수 있다. 상세하게, 800 내지 1100℃로 열분해가 수행됨으로써, 이종 원소로 1.5 내지 5.5 원소%(atomic %)의 N 및 0.7 내지 1.5 원소%(atomic %)의 S를 함유하는 다공성 탄소체를 제조할 수 있다. 또한, 800 내지 1100℃로 열분해가 수행됨으로써, N 및 S와 함께, 4 내지 9 원소%(atomic%)의 O를 함유하는 다공성 탄소체를 제조할 수 있다. 좋게는 900 내지 1050℃로 열분해가 수행됨으로써, 2 내지 5 원소%(atomic %)의 N 및 1 내지 1.5원소%의 S를 함유하는 다공성 탄소체를 제조할 수 있으며, N 및 S와 함께, 7 내지 9 원소%(atomic%)의 O를 함유하는 다공성 탄소체를 제조할 수 있다. 이때, 제조되는 다공성 탄소체에는 미량의 P가 함유될 수 있으며, 실질적으로 1 원소(%) 미만의 P가 함유될 수 있다.As described above, pyrolysis is carried out at 800 to 1100 占 폚, whereby at least one element selected from the group consisting of N, S and O (oxygen) containing at least N and S, And a porous carbon body containing P can be produced. Specifically, pyrolysis is carried out at 800 to 1100 占 폚 to prepare a porous carbon body containing 1.5 to 5.5 atomic% N and 0.7 to 1.5 atomic% S as a heteroelement . Further, pyrolysis is carried out at 800 to 1100 占 폚, whereby a porous carbon body containing 4 to 9 atomic% O in combination with N and S can be produced. The porous carbon body containing 2 to 5 atomic% of N and 1 to 1.5% of elemental S can be produced by pyrolysis at 900 to 1050 占 폚, preferably 7 To 9 atomic% (O atomic%) of O can be produced. At this time, a small amount of P may be contained in the produced porous carbon body, and substantially less than one element (%) of P may be contained.

열분해 온도는 상술한 기공 구조와 이종 원소 함량 뿐만 아니라, 이종 원소의 결합 상태의 상대적 분율에도 현저한 영향을 미칠 수 있다. 800 내지 1100℃로 열분해가 수행됨으로써, 다공성 탄소체에 함유된 N은 15 내지 60 %의 쿼터너리-N(quaternary-N) 결합 상태 및 20 내지 40 %의 피리디닉 (pyridinic N) 결합 상태를 가질 수 있으며, 다공성 탄소체에 함유된 S는 35 내지 60 %는 티오펜-S(thiopene-S) 결합 상태를 가질 수 있다. 좋게는, 열분해 온도를 900 내지 1100℃로 조절함으로써, 다공성 탄소체에 함유된 총 N 중, 20 내지 60 %가 쿼터너리-N(quaternary-N) 결합 상태를, 20 내지 40 %가 피리디닉 (pyridinic N) 결합 상태를 가질 수 있으며, 다공성 탄소체에 함유된 총 S 중, 35 내지 60 %가 티오펜-S(thiopene-S) 결합상태를 가질 수 있다. 보다 좋게는, 열분해 온도를 900 초과, 구체적으로 950 내지 1100℃로 조절함으로써, 다공성 탄소체에 함유된 총 N 중, 40 내지 60 %가 쿼터너리-N(quaternary-N) 결합 상태를 가질 수 있으며, 다공성 탄소체에 함유된 총 S 중, 50 내지 60 %가 티오펜-S(thiopene-S) 결합상태를 가질 수 있다. 즉, 열분해 온도에 따라, 다공성 탄소체에 함유되는 이종 원소별 결합 상태의 상대적 분율이 제어될 수 있는데, 열분해 온도를 900 내지 1100℃, 좋게는 950 내지 1100℃로 조절함으로써, 산소환원반응을 보다 촉진하는 결합상태인 쿼터너리-N(quaternary-N) 결합의 N 및 티오펜-S(thiopene-S) 결합의 S를 현저하게 증진시킬 수 있다.The pyrolysis temperature can significantly affect not only the pore structure and the heterogeneous element content, but also the relative fraction of the bonded states of the heterogeneous elements. By performing pyrolysis at 800 to 1100 占 폚, N contained in the porous carbon body has a quaternary-N bonding state of 15 to 60% and a pyridinic N bonding state of 20 to 40% And S in the porous carbon body may have a thiopene-S bonding state of 35 to 60%. It is preferable that 20 to 60% of the total N contained in the porous carbon body is in a quaternary-N bonded state and 20 to 40% is in a pyridonic (N) bond state by controlling the thermal decomposition temperature to 900 to 1100 캜 pyridinic N) bonding state, and 35 to 60% of the total S contained in the porous carbon body may have a thiophene-S bonding state. More preferably, 40 to 60% of the total N contained in the porous carbon body may have a quaternary-N bonding state by adjusting the pyrolysis temperature to more than 900, specifically 950 to 1100 ° C , And 50 to 60% of the total S contained in the porous carbon body may have a thiopene-S bonding state. That is, depending on the pyrolysis temperature, the relative fraction of the bonded state of the different elements contained in the porous carbon body can be controlled. By adjusting the pyrolysis temperature to 900 to 1100 ° C, preferably 950 to 1100 ° C, N of the quaternary-N bond and the S of the thiophen-S bond, which are in a bonding state which promotes the bonding of the two groups.

상술한 기공 구조와 이종 원소 함량 및 이종 원소의 결합 상태를 열분해 온도가 주요 조절 인자(factor)로 작용하여 영향을 주며, 적절한 이종 원소의 함량을 유지하면서도, 다공성 탄소체의 기공구조가 붕괴되지 않으면서도 기공 형성제에 의한 비표면적의 향상이 이루어지며, 산소환원반응의 촉매능을 향상시키는 결합상태로 이종 원소가 다공성 탄소체에 함유될 수 있도록, 열분해 온도는 800 내지 1100℃, 좋게는 800 내지 1050℃, 더욱 좋게는 900 내지 1050℃, 더욱더 좋게는 950 내지 1050℃로 조절될 수 있다. 즉, 적정한 이종 원소의 함량을 유지하고, 기공구조의 붕괴를 방지하며, 무기-탄소체가 제조될 수 있으며, 비표면적이 향상될 수 있도록 열분해 온도의 상한은 1050℃일 수 있고, 쿼터너리-N(quaternary-N) 결합의 N 및 티오펜-S(thiopene-S) 결합의 S의 상대적 분율이 현저하게 증진될 수 있도록 열분해 온도의 하한은 950℃일 수 있다. 또한, 950 내지 1050℃로 열분해하여 다공성 탄소체를 제조하는 경우, 상용의 Pt/C 보다 우수한 메탄올 안정성을 가지며, 다공성 탄소체의 기공률, 기공 구조, 다공성 탄소체의 결정학적 구조, 다공성 탄소체에 함유되는 이종 원소의 함량 및 이종 원소의 결합 상태에 의해 상용의 Pt/C 촉매에 준하는 산소환원반응 촉매능을 가져 상용의 Pt/C 촉매를 즉각적으로 대체할 수 있다.The pore structure, the heterogeneous element content, and the bonding state of the heteroatom are affected by the thermal decomposition temperature acting as a main regulator, and the pore structure of the porous carbon body is not collapsed The pyrolysis temperature is preferably 800 to 1100 ° C, more preferably 800 to 1100 ° C so that the heterogeneous element can be contained in the porous carbon body in the bonding state in which the catalytic performance of the oxygen reduction reaction is improved. Deg.] C to 1050 < 0 > C, preferably 900 to 1050 [deg.] C, and even more preferably 950 to 1050 [ That is, the upper limit of the pyrolysis temperature may be 1050 ° C so as to maintain proper heterogeneous element content, prevent the collapse of the pore structure, produce an inorganic-carbon body, and improve the specific surface area. the lower limit of the pyrolysis temperature may be 950 ° C so that the relative fraction of S of the N and thiophene-S bonds of the quaternary-N bond can be significantly increased. Further, when the porous carbon body is produced by pyrolyzing at 950 to 1050 ° C, it has methanol stability superior to that of the conventional Pt / C, and the porosity, pore structure, crystallographic structure of the porous carbon body, Due to the content of the hetero-elements contained and the bonding state of the different elements, the Pt / C catalyst can be replaced with a commercially available Pt / C catalyst having an oxygen reduction reaction catalytic ability similar to that of a conventional Pt / C catalyst.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 800 내지 1100℃에 이르는 고온에서 열분해가 수행됨에도 불구하고, 해조류에 함유되는 헤테로 원소와 무기물들을 포함하는 열분해에 의해 난층 구조(turbostratic structure)의 탄소체가 제조될 수 있다. 이에 따라, 탄소체의 활성화를 위한 후 처리가 불필요하며, 단일 전구물질 및 단일 탄화단계에 의해, 난층 구조를 가지며 이종 원소가 함유된 다공성 탄소체를 제조할 수 있다.Although the pyrolysis is carried out at a high temperature ranging from 800 to 1100 ° C, the production method according to an embodiment of the present invention can produce carbon bodies of a turbostratic structure by pyrolysis including hetero elements and minerals contained in seaweeds . Accordingly, post-treatment for activation of the carbon body is not required, and the porous carbon body having the egg shell structure and containing the hetero-element can be produced by a single precursor and a single carbonization step.

탄화 단계시의 불활성 기체 분위기는 특별히 한정되지 않으나, 아르곤, 질소 및 헬륨에서 하나 이상 선택된 기체 분위기일 수 있다. 열분해 시간은 처리되는 해조류의 양을 고려하여 충분한 열분해가 발생하는 수준에서 적절히 조절될 수 있으나, 비 한정적인 일 예로, 3 내지 8 시간 동안 수행될 수 있다.The inert gas atmosphere at the carbonization step is not particularly limited, but may be a gas atmosphere selected from one or more of argon, nitrogen and helium. The pyrolysis time can be appropriately adjusted at a level at which sufficient pyrolysis takes place in consideration of the amount of seaweed to be treated, but can be performed for 3 to 8 hours as a non-limiting example.

원료로 사용되는 해조류는 녹조류(Chlorophyta, green algae), 홍조류(Rhodophyta, red algae) 및 갈조류(Phaeophyta, brown algae)를 포함할 수 있다. 녹조류로 파래, 청각등을 들 수 있으며, 갈조류로 미역, 다시마등을 들 수 있으며, 홍조류로 김, 우뭇가사리등을 들 수 있다. 모든 해조류로부터 이종원소를 함유하는 다공성 탄소체를 제조할 수 있음에 따라, 원료 구입의 용이성, 원료의 단가를 고려하여, 원료로 사용되는 해조류는 적절히 선택 가능하다. 원료로 사용되는 해조류는 필요시, 탄화 단계 전 해조류에 부착된 이물질을 제거하는 세척, 건조 및 절단(분쇄)의 전처리가 이루어질 수 있다. Seaweeds used as raw materials may include green algae (Chlorophyta, green algae), red algae (Rhodophyta, red algae) and brown algae (Phaeophyta, brown algae). Green algae can be used for parasites and hearing, and brown algae such as seaweed and kelp can be mentioned. Red algae such as Kim and Ugukgasari can be mentioned. Since a porous carbon body containing a different element can be produced from all the seaweeds, the seaweed used as a raw material can be appropriately selected in consideration of the ease of purchase of the raw material and the unit cost of the raw material. If necessary, the seaweed used as raw material can be pretreated with washing, drying and cutting (crushing) to remove foreign matter adhering to the carbonization step algae.

산 침출 단계는 통상적인 무기입자를 침출 제거하는데 사용되는 산 용액을 이용하여 수행될 수 있다. 구체적인 일 예로 산 침출 단계는 1 내지 5 몰 농도의 강산 수용액을 이용하여 수행될 수 있으며, 강산은 염산, 황산 및 질산에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 산을 포함할 수 있다. 침출 시간은 처리되는 무기-탄소체의 양을 고려하여 무기화합물 입자 및 원하지 않는 불순물의 충분한 침출 제거가 이루어지는 수준에서 적절히 조절될 수 있으나, 구체적이며 비한정적인 일 예로, 12 내지 48시간 동안 수행될 수 있다. The acid leaching step may be carried out using an acid solution used to leach out conventional inorganic particles. As a specific example, the acid leaching step can be carried out using a strong acid aqueous solution with a concentration of 1 to 5 moles, and the strong acid can include one or more acids selected from hydrochloric acid, sulfuric acid and nitric acid. The leaching time can be appropriately adjusted at a level at which sufficient leaching removal of the inorganic compound particles and undesired impurities takes into account of the amount of the inorganic-carbon substance to be treated, but it is a specific and non-limiting example, .

상술한 다공성 탄소체의 제조방법으로 제조된 다공성 탄소체는 이차전지, 슈퍼캐패시터, 태양전지, 센서, 축전식 탈염장치(CDI)등의 전극 소재나 흡착제용일 수 있다. 상세하게, 다공성 탄소체는 이차전지의 음극 활물질, 슈퍼 캐패시터의 전극물질, 태양전지의 전극 물질, CDI의 전극 물질 또는 센서의 전극 물질로 사용될 수 있다. The porous carbon body manufactured by the above-described method for producing a porous carbon body may be used as an electrode material or an adsorbent for a secondary battery, a super capacitor, a solar cell, a sensor, a condensation desalination unit (CDI), or the like. In detail, the porous carbon body can be used as an anode active material of a secondary battery, an electrode material of a supercapacitor, an electrode material of a solar cell, an electrode material of CDI, or an electrode material of a sensor.

좋게는, 상술한 다공성 탄소체의 제조방법으로 제조된 다공성 탄소체는 연료전지용 촉매일 수 있다. 즉, 상술한 다공성 탄소체의 제조방법은 연료전지용 촉매의 제조방법일 수 있다. 구체적으로, 다공성 탄소체는 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 또는 직접메탄올 연료전지(DMFC)의 촉매용일 수 있으며, 보다 구체적으로 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 또는 직접메탄올 연료전지(DMFC)의 환원 전극 촉매용일 수 있다.Preferably, the porous carbon body produced by the above-described method for producing a porous carbon body may be a catalyst for a fuel cell. That is, the above-described method for producing a porous carbon body may be a method for producing a catalyst for a fuel cell. Specifically, the porous carbon body may be used for an alkali fuel cell (AFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), or a direct methanol fuel cell (DMFC) catalyst, and more specifically, an alkali fuel cell (AFC) (PEMFC), or a direct methanol fuel cell (DMFC).

본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 이종 원소를 함유하는 다공성 탄소체를 포함한다.The present invention includes a porous carbon body containing a hetero-element produced by the above-described production method.

본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 이종 원소를 함유하는 연료전지용 막전극 접합체(MEA; Membrane Electorode Assembly)를 포함한다. 상세하게, 막 전극 접합체는 상술한 제조방법으로 제조된 다공성 탄소체를 촉매로 포함하는 전극 및 연료와 공기가 전극에 균일하게 공급될 수 있도록 하는 가스확산층을 포함할 수 있다. The present invention includes a Membrane Electrode Assembly (MEA) for a fuel cell containing a hetero-element produced by the above-described production method. Specifically, the membrane electrode assembly may include an electrode including a porous carbon body manufactured by the above-described manufacturing method as a catalyst, and a gas diffusion layer for allowing fuel and air to be uniformly supplied to the electrode.

본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 이종 원소를 함유하는 다공성 탄소체가 촉매로 구비되는 연료전지를 포함한다. 상세하게, 연료전지는 이온 전도성 전해질, 상술한 제조방법으로 제조된 다공성 탄소체를 함유하는 막 전극 접합체 및 막전극 접합체의 양측에 배치되고 양측면에 연료와 공기를 공급해주는 소정의 유로 채널이 형성된 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함할 수 있다.
The present invention includes a fuel cell in which a porous carbon body containing a hetero-element produced by the above-described production method is provided as a catalyst. Specifically, the fuel cell includes an ion conductive electrolyte, a membrane electrode assembly including a porous carbon body manufactured by the above-described manufacturing method, and a bipolar electrode disposed on both sides of the membrane electrode assembly and having a predetermined flow channel for supplying fuel and air to both sides thereof. And may include a bipolar plate.

본 발명은 이종 원소를 함유하는 다공성 탄소체를 포함한다. 본 발명에 따른 다공성 탄소체는 해조류를 열분해한 후 산 침출 처리하여 제조된 난층 구조(turbostratic structure)를 갖는 다공성 탄소체이며, BET 비표면적이 650 내지 1450m2/g이고, 마이크로 기공률 0.2 내지 0.85 cm3/g 및 메소 기공률 0.2 내지 1.10 cm3/g이며, 적어도 N 및 S를 함유한다.The present invention includes a porous carbon body containing a heterogeneous element. The porous carbon body according to the present invention is a porous carbon body having a turbostratic structure prepared by pyrolysis of algae and acid leaching treatment, and has a BET specific surface area of 650 to 1450 m 2 / g, a microporosity of 0.2 to 0.85 cm 3 / g and a meso porosity of 0.2 to 1.10 cm < 3 > / g, and contains at least N and S. [

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 탄소체는 3 내지 6.5원소%의 총 N 및 S의 이종원소를 함유할 수 있으며, 1.5 내지 5.5 원소%(atomic %)의 N 및 0.7 내지 1.5 원소%(atomic %)의 S를 함유할 수 있다. 또한, 다공성 탄소체는 N 및 S와 함께, O를 더 함유할 수 있으며, 4 내지 9 원소%(atomic%)의 O를 함유할 수 있다. 이때, 다공성 탄소체는 1 원소(%) 미만인 미량의 P를 더 함유할 수 있다.The porous carbon body according to an embodiment of the present invention may contain 3 to 6.5 atomic% of total N and S hetero atoms, 1.5 to 5.5 atomic% of N and 0.7 to 1.5 atomic% %) ≪ / RTI > In addition, the porous carbon body may further contain O together with N and S, and may contain O of 4 to 9 atomic%. At this time, the porous carbon body may further contain a trace amount of P less than one element (%).

보다 특징적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 탄소체에 있어, 다공성 탄소체에 함유된 N은 15 내지 60 %의 쿼터너리-N(quaternary-N) 결합 상태 및 20 내지 40 %의 피리디닉 (pyridinic N) 결합 상태를 가질 수 있으며, 다공성 탄소체에 함유된 S는 35 내지 60 %는 티오펜-S(thiopene-S) 결합 상태를 가질 수 있다. 보다 더 특징적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 탄소체는, 다공성 탄소체에 함유된 총 N 중, 40 내지 60 %가 쿼터너리-N(quaternary-N) 결합 상태일 수 있으며, 다공성 탄소체에 함유된 총 S 중, 50 내지 60 %가 티오펜-S(thiopene-S) 결합상태일 수 있다.More specifically, in the porous carbon body according to an embodiment of the present invention, N contained in the porous carbon body is a quaternary-N bonded state of 15 to 60% and a quaternary-N bonded state of 20 to 40% (pyridinic N) bonded state, and S contained in the porous carbon body may have a thiophen-S bonding state of 35 to 60%. More specifically, in the porous carbon body according to an embodiment of the present invention, 40 to 60% of the total N contained in the porous carbon body may be a quaternary-N bonded state, Of the total S contained in the sieve, 50 to 60% may be in a thiopene-S bonded state.

보다 특징적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 탄소체의 BET 비표면적은 1000 내지 1450m2/g일 수 있으며, 마이크로 기공률 0.35 내지 0.85 cm3/g 및 메소 기공률 0.7 내지 1.10 cm3/g일 수 있다. More particularly, the porous carbon body according to an embodiment of the present invention may have a BET specific surface area of 1000 to 1450 m 2 / g, a microporosity of 0.35 to 0.85 cm 3 / g, and a meso porosity of 0.7 to 1.10 cm 3 / g have.

상술한 다공성 탄소체는 이차전지, 슈퍼캐패시터, 태양전지, 센서, 축전식 탈염장치(CDI)등의 전극 소재 또는 흡착제일 수 있다. 상세하게, 다공성 탄소체는 이차전지의 음극 활물질, 슈퍼 캐패시터의 전극물질, 태양전지의 전극 물질, CDI의 전극 물질 또는 센서의 전극 물질이거나, 흡착제일 수 있다. The above-described porous carbon body may be an electrode material or an adsorbent such as a secondary battery, a super capacitor, a solar cell, a sensor, and a condensation desalination unit (CDI). In detail, the porous carbon body may be an anode active material of a secondary battery, an electrode material of a supercapacitor, an electrode material of a solar cell, an electrode material of a CDI or an electrode material of a sensor, or an adsorbent.

본 발명은 상술한 다공성 탄소체를 촉매로 포함하는 막 전극 복합체를 포함한다. 본 발명은 상술한 다공성 탄소체를 촉매로 구비하는 연료전지를 포함한다. 이때, 연료전지는 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 또는 직접메탄올 연료전지(DMFC)일 수 있다. 상세하게, 막 전극 접합체는 상술한 다공성 탄소체를 촉매로 포함하는 전극 및 연료와 공기가 전극에 균일하게 공급될 수 있도록 하는 가스확산층을 포함할 수 있으며, 연료전지는 이온 전도성 전해질, 상술한 다공성 탄소체를 함유하는 막 전극 접합체 및 막전극 접합체의 양측에 배치되고 양측면에 연료와 공기를 공급해주는 소정의 유로 채널이 형성된 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함할 수 있다.
The present invention includes a membrane electrode assembly comprising the above-described porous carbon body as a catalyst. The present invention includes a fuel cell comprising the above-described porous carbon body as a catalyst. At this time, the fuel cell may be an alkali fuel cell (AFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), or a direct methanol fuel cell (DMFC). Specifically, the membrane electrode assembly may include an electrode including the above-described porous carbon body as a catalyst and a gas diffusion layer for allowing fuel and air to be uniformly supplied to the electrode. The fuel cell may include an ion conductive electrolyte, A membrane electrode assembly including a carbon body and a bipolar plate disposed on both sides of the membrane electrode assembly and formed with predetermined flow channel channels for supplying fuel and air to both sides thereof.

(실시예)(Example)

건조된 미역(Undaria pinnatifida) 5g을 질소분위기에서 800℃, 900℃, 1000℃ 또는 1100℃로 5시간 동안 열분해하였다. 이후 열분해에 의해 수득되는 생성물을 3몰농도의 염산 수용액에 24시간 동안 침지하여 침출처리한 후, 탈이온수를 이용하여 pH가 중성이 될 때까지 세척한 후 80℃로 건조하여 다공성 탄소체를 제조하였다.5 g of dried seaweed (Undaria pinnatifida) was pyrolyzed in a nitrogen atmosphere at 800 ° C, 900 ° C, 1000 ° C or 1100 ° C for 5 hours. Thereafter, the product obtained by pyrolysis was immersed in a 3 molar hydrochloric acid aqueous solution for 24 hours, leached, washed with deionized water until the pH became neutral, and dried at 80 DEG C to prepare a porous carbon body Respectively.

이하 제시되는 도면 및 설명에서 'SCup-X'는 X의 온도에서 열분해되고 산 침출 처리에 의해 제조된 다공성 탄소체를 의미하며, 'SCupB-X'는 X의 온도에서 열분해되었으나 산 침출 처리가 이루어지지 않은 탄소체를 의미한다.
In the following drawings and description, 'SCup-X' means a porous carbon body pyrolyzed at the temperature of X and produced by acid leaching treatment, and 'SCupB-X' is pyrolyzed at the temperature of X, Carbon "

도 1은 실시예에서 제조된 다공성 탄소체의 주사전자현미경 관찰 사진을 도시한 것으로, 도 1(a)는 SCupB-800, 도 1(b)는 SCupB-900, 도 1(c)는 SCupB-1100, 도 1(d)는 SCup-800, 도 1(e)는 SCup-900 및 도 1(f)는 SCup-1100 샘플의 관찰 사진이다. 이때, 도 1의 모든 스케일 바는 5μm이다. 1 (a), 1 (b), 1 (b) and 1 (c) show scanning electron microscopic photographs of SCCP- Fig. 1 (d) is a photograph of SCup-800, Fig. 1 (e) is SCup-900, and Fig. 1 (f) is a photograph of SCup-1100 samples. At this time, all the scale bars in Fig. 1 are 5 mu m.

도 2는 실시예에서 제조된 다공성 탄소체의 투과전자현미경 관찰 사진을 도시한 것으로, 도 2(a)는 SCupB-800, 도 2(b)는 SCupB-900, 도 2(c)는 SCupB-1100, 도 2(d)는 SCup-800, 도 2(e)는 SCup-900 및 도 2(f)는 SCup-1100 샘플의 관찰 사진이다. 이때, 도 2의 모든 스케일 바는 5nm이다. 2 (b), 2 (b), 2 (b) and 2 (c) show transmission electron microscope photographs of the porous carbon bodies prepared in Examples, Fig. 2 (d) is a photograph of SCup-800, Fig. 2 (e) is a SCup-900 and Fig. 2 (f) is a photograph of SCup-1100 samples. At this time, all the scale bars in Fig. 2 are 5 nm.

도 1 및 도 2에서 알 수 있듯이 열분해 온도가 증가하며 표면 거칠기가 증가하는 것을 알 수 있으며, 산 침출 처리에 의해 기공이 생성됨을 알 수 있다. 이때, 1100℃로 열분해하는 경우 산침출 전 무기화합물의 휘발 제거가 발생하며 기공이 형성된 것을 관찰할 수 있으나 고온 열분해에 의해 기공의 밀도 및 기공 부피가 오히려 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 2의 산침출 처리 전 관찰 사진을 통해 무기화합물 입자들이 탄소체에 분산되어 형성된 것을 확인할 수 있다.As can be seen from FIGS. 1 and 2, the pyrolysis temperature increases and the surface roughness increases. It can be seen that pore is generated by the acid leaching treatment. In this case, when pyrolysis was performed at 1100 ° C, volatilization of inorganic compounds was observed before the acid leaching, and pores were formed. However, the density and pore volume of the pores decreased by pyrolysis at high temperature. In addition, it can be seen from FIG. 2 that the inorganic compound particles are dispersed in the carbon body through observation images before the acid leaching treatment.

BET법을 이용하여 비표면적을 측정하였으며, -196℃ 질소의 흡착등온선(N2 isotherm, Micromeritics ASAP 2020)을 이용하여 마이크로 기공률과 메소 기공률을 측정하여, 아래의 표 1에 정리 도시하였으며, 도 3에 원료 자체(도 3(a)), SCup-800(도 3(b)), SCup-900(도 3(c)) 및 SCup-1100(도 3(d))의 질소-흡착등온선 측정 결과를 도시하였다. 이때, 기공 분포(pore size distribution)는 BJH법을 이용하여 계산되었다.The specific surface area was measured using the BET method, and the microporosity and the meso porosity were measured using an adsorption isotherm of nitrogen at -196 캜 (N 2 isotherm, Micromeritics ASAP 2020). The results are summarized in Table 1 below, Adsorption isotherm measurement results of the raw materials themselves (Fig. 3 (a)), SCup-800 (Fig. 3 (b)), SCup-900 (Fig. 3 (c)) and SCup- Respectively. At this time, the pore size distribution was calculated using the BJH method.

(표 1)(Table 1)

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표 1 및 도 3에서 알 수 있듯이, 열분해 온도가 증가함에 따라 기공률이 증가하며 비표면적이 증가하는 것을 알 수 있으나, 1100℃의 열분해 온도에서 기공 구조가 붕괴되고 기공의 닫히면서 기공률 및 비표면적이 감소하는 것을 알 수 있다.As can be seen from Table 1 and FIG. 3, the porosity increases and the specific surface area increases as the pyrolysis temperature increases. However, at the pyrolysis temperature of 1100 ° C, the pore structure collapses and the porosity and specific surface area . ≪ / RTI >

도 4는 실시예에서 제조된 탄소체의 X-선 회절 분석 결과(도 4(b)) 및 산 침출 처리 전 열분해에 의해 수득되는 생성물을 X-선 회절 분석한 결과(도 4(a))를 도시한 도면이다. 도 4에서 알 수 있듯이, 열분해에 의해 핼라이트(halite, NaCl) 및 산화마그네슘과 함께 픽 인덱싱으로 분석이 어려운 다양한 무기화합물들을 포함하는 탄소체가 제조됨을 알 수 있으며, 산 침출을 통해 이러한 무기화합물들이 제거되며 결정상으로 순수한 난층 구조의 탄소만이 검출됨을 확인할 수 있다. Fig. 4 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis (Fig. 4 (b)) and X-ray diffraction analysis of the product obtained by thermal decomposition before acid leaching treatment (Fig. Fig. As can be seen from FIG. 4, it can be seen that a carbon body containing various inorganic compounds difficult to be analyzed by pick indexing together with halite (NaCl) and magnesium oxide is produced by pyrolysis, And it is confirmed that only the pure layered carbon of the crystal phase is detected.

표 2는 원료 자체, 산 침출 전 열분해에 의해 수득되는 생성물 및 실시예에서 제조된 탄소체의 X선 광전자 분광(XPS) 분석 결과를 정리 도시한 것이다.Table 2 summarizes the X-ray photoelectron spectroscopic (XPS) analysis results of the raw material itself, the product obtained by pyrolysis before acid leaching, and the carbon material produced in the example.

(표 2)(Table 2)

Figure pat00002
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도 4의 X-선 회절 결과 및 도 2의 투과전자현미경 관찰 결과와 부합하게 표2를 통해, 산 침출 처리 전 Mg, Na, Cl을 포함하는 무기원소 존재함을 알 수 있으며, 산 침출 처리에 의해 이러한 무기 원소가 제거되는 것을 확인할 수 있다.  It can be seen from Table 2 that inorganic elements including Mg, Na and Cl exist before the acid leaching treatment in accordance with the X-ray diffraction results of FIG. 4 and the transmission electron microscopic observation results of FIG. 2, It can be confirmed that such an inorganic element is removed.

또한, 열분해 및 산 침출 후에도 N, S 및 O를 포함하는 이종 원소가 다공성 탄소체에 잔류함을 확인할 수 있다.In addition, it can be confirmed that even after pyrolysis and acid leaching, the heterogeneous elements including N, S and O remain in the porous carbon body.

도 5는 실시예에서 제조된 다공성 탄소체의 XPS 분석 결과를 통해, 탄소체에 함유되는 N 및 S 각각의 결합 상태별 상대적 결합 상태 분율을 도시한 것이다. 도 5(a)는 N의 결합 상태별 분율이며, N1은 피리디닉-N(pyridinic-N, 피크 398.1eV)을, N2는 피롤릭-N(pyrrolic-N, 피크 400.5eV)을, N3는 쿼터너리-N(quaternary-type N, 피크 401.5 eV)을, N4는 피리디닉-N-O(pyridine-N-oxide, 피크 402 ~ 405 eV)을 의미한다. 도 5(b)는 S의 결합 상태별 분율이며, C-S-C(2p3/2)는 티오펜-S(thiopene-S) 결합에 해당한다. FIG. 5 is a graph showing the relative binding state fractions of N and S contained in a carbon material, according to the XPS analysis results of the porous carbon material prepared in the examples. (Pyrrolic-N, peak: 400.5 eV), N3 is pyrrolic-N (pyrrole-N) Quaternary-type N (peak 401.5 eV), and N4 means pyridine-N-oxide (peak 402 to 405 eV). FIG. 5 (b) shows the fraction of S in the binding state, and C-S-C (2p3 / 2) corresponds to thiopene-S bond.

도 5에서 알 수 있듯이, 열분해 온도가 달라짐에 따라, 탄소체에 함유된 N 및 S의 주된 결합 상태의 상대적 비율이 달라짐을 알 수 있으며, 1000 내지 1100 ℃의 열분해 온도에서 쿼터너리-N 및 티오펜-S 결합 비율이 현저하게 증가하는 것을 확인할 수 있다.As can be seen from FIG. 5, it can be seen that as the thermal decomposition temperature varies, the relative ratios of the main bonding states of N and S contained in the carbon body are varied. At the pyrolysis temperature of 1000 to 1100 ° C, The binding ratio of Opfen-S is remarkably increased.

제조된 다공성 탄소체의 전기화학적 활성을 측정하였다. 실시예에서 제조된 다공성 탄소체 1mg을 1ml의 혼합 용매(5중량% 나피온 수용액과 물이 1 : 9의 부피비로 혼합된 용매)에 투입한 후 20분동안 초음파를 인가하여 촉매 슬러리를 제조하였다. 비교를 위해, 상업적으로 구매한 20중량% Pt/C 촉매(E-TEK)를 이용하여 유사하게 촉매 슬러리를 제조하였다. 이후 전극(working electrode)에 제조된 촉매 슬러리를 도포하고 건조하여 촉매(다공성 탄소체 또는 20 중량% Pt/C)가 0.16μg/cm2으로 로딩된 전극(이하, 촉매전극)을 제조하였다. 제조된 촉매전극의 전기화학적 특성을 순환 전압 전류(CV; cyclic voltammetry) 및 선형 스캔 전압전류법(LSV; Linear scan voltammetry)를 통해 분석하였다. 상온에서 회전 링-디스크 전극(rotating ring disk electrode, model ALS Co., RRDE-3A, 4mm glassy carbon RRDE작업 전극), Pt wire 및 KCl 포화된 Ag/AgCl 상대전극 및 기준 전극, 0.1M KOH 수용액 전해질을 이용하여 분석이 수행되었다. The electrochemical activity of the prepared porous carbon body was measured. 1 mg of the porous carbon material prepared in the Example was put into 1 ml of a mixed solvent (a solvent in which 5% by weight of a naphthenic aqueous solution and water were mixed in a volume ratio of 1: 9) and ultrasonic waves were applied for 20 minutes to prepare a catalyst slurry . For comparison, a catalyst slurry was similarly prepared using a commercially purchased 20 wt% Pt / C catalyst (E-TEK). Then, a catalyst slurry prepared on a working electrode was applied and dried to prepare an electrode (hereinafter referred to as a catalyst electrode) loaded with a catalyst (porous carbon body or 20 wt% Pt / C) at 0.16 μg / cm 2 . The electrochemical properties of the prepared catalyst electrode were analyzed by cyclic voltammetry (CV) and linear scan voltammetry (LSV). A rotating ring disk electrode (Model ALS Co., RRDE-3A, 4 mm glassy carbon RRDE working electrode) at room temperature, Pt wire and KCl saturated Ag / AgCl counter electrode and reference electrode, 0.1 M KOH aqueous electrolyte Was used for analysis.

도 6은 회전 링-디스크 전극을 이용한 촉매전극의 LSV 측정 결과를 도시한 도면으로, 10mV/s의 스캔 속도 및 1600rpm 회전 속도로 측정된 결과이다. 도 6에서 상업적으로 판매되는 20 중량% Pt/C 촉매의 결과 또한 비교 기준으로 같이 도시(도 6에서 보라색 선에 해당하며, 20wt%Pt/C 또는 20wt%Pt/VC로 표기)하였다. 도 6에서 디스크 전류(disk current)는 도 6(a)에 도시하였으며, 도 6(b)에 링 전류(ring current)를, 도 6(c)에 HO2 - 생성률을, 도 6(d)에는 전자 이동수를 도시하였다.FIG. 6 is a graph showing the result of LSV measurement of a catalyst electrode using a rotating ring-disk electrode, which is a measurement result at a scan speed of 10 mV / s and a rotational speed of 1600 rpm. The results of a 20 wt% Pt / C catalyst sold commercially in FIG. 6 are also plotted on a comparative basis (corresponding to the purple line in FIG. 6, expressed as 20 wt% Pt / C or 20 wt% Pt / VC). Disk current (disk current) in Fig. 6, HO 2 in Fig. 6, Fig. 6 was shown in (a) (b) ring current (ring current) a, 6 (c) it is also in-a production rate, and Fig. 6 (d) Shows the electron mobile number.

도 7은 회전 링-디스크 전극을 이용한 촉매전극의 LSV 측정 결과를 도시한 도면으로, 10mV/s의 스캔 속도로 측정된 결과이다. 도 7에 도시된 rpm은 회전 링-디스크 전극의 회전 속도이며, 'N2-saturated'는 N2-포화된 0.1M KOH 수용액을 이용한 결과를, 'O2-saturated'는 O2-포화된 0.1M KOH 수용액을 이용한 결과를 의미하며, 도 7(a)는 SCup-800을 이용하여 제조된 샘플의 측정 결과, 도 7(b)는 SCup-900을 이용하여 제조된 샘플의 측정 결과, 도 7(c)는 SCup-1000을 이용하여 제조된 샘플의 측정 결과, 도 7(d)는 SCup-1100을 이용하여 제조된 샘플의 측정 결과이다. FIG. 7 is a graph showing the result of LSV measurement of a catalyst electrode using a rotating ring-disk electrode, which is a result of measurement at a scan rate of 10 mV / s. The rpm shown in Figure 7 is a rotating ring-disc electrode is a rotating speed of, 'N 2 -saturated' is N 2 - the results with a saturated aqueous solution of 0.1M KOH, 'O 2 -saturated' are O 2 - saturated Fig. 7 (a) shows the result of measurement of a sample manufactured using SCup-800, Fig. 7 (b) shows a result of measurement of a sample manufactured using SCup- 7 (c) is a measurement result of a sample manufactured using SCup-1000, and Fig. 7 (d) is a measurement result of a sample manufactured using SCup-1100.

도 6 및 도 7에서 알 수 있듯이, SCup-900 또는 SCup-1000의 경우 산소환원반응(ORR; Oxygen Reduction Reaction) 온셋 전위(onset potential)가 상업적으로 판매되는 Pt/C 촉매와 유사하며, 특히 SCup-1000의 경우 -0.01V의 온셋 전위로 Pt/C 촉매와 거의 일치하며, Pt/C 촉매에 버금가는 뛰어난 산소환원반응 활성을 가짐을 알 수 있다. 이는 극히 우수한 비표면적 뿐만 아니라, 산소환원반응의 활성 장소(active site)를 제공하는 쿼터너리-N , 피리디닉-N (pyridinic-N) 및 티오펜-S의 상대적 높은 함량에 의한 것으로 해석할 수 있다.As can be seen from FIGS. 6 and 7, SCup-900 or SCup-1000 is similar to commercially available Pt / C catalysts with an onset potential of ORR (Ox Reduction Reaction) -1000, the Pt / C catalyst almost coincided with the onset potential of -0.01 V, which is superior to the Pt / C catalyst and has an excellent oxygen reduction activity. This can be interpreted as a result of the relatively high specific surface area as well as the relatively high content of quaternary-N, pyridinic-N and thiophen-S providing the active site of the oxygen reduction reaction have.

도 8은 회전 링-디스크 전극을 이용한 촉매전극의 CV 측정 결과를 도시한 도면으로, 50mV/s의 스캔 속도로 측정된 결과이다. 도 8에서 'N2-saturated'는 N2-포화된 0.1M KOH 수용액을 이용한 결과를, 'O2-saturated'는 O2-포화된 0.1M KOH 수용액을 이용한 결과를, 'O2-saturated in 3M CH3OH'는 3M CH3OH를 포함하는 O2-포화된 0.1M KOH 수용액을 이용한 결과를 의미한다. 도 8(a)는 Scup-1000을 이용하여 제조된 촉매전극의 측정 결과이며, 도 8(b)는 상업적으로 판매되는 20 중량% Pt/C 촉매를 이용하여 제조된 촉매전극의 측정 결과를, 도 8(c)는 Scup-1000의 촉매전극과 20 중량% Pt/C 촉매의 촉매전극 각각에 대해, 'O2-saturated' 조건에서 산소환원반응 순방향 피크의 최대 전류에서의 상대적 전류밀도-시간 응답 특성을 도시한 것이다.8 is a graph showing the CV measurement result of the catalyst electrode using the rotating ring-disk electrode, which is a measurement result at a scan speed of 50 mV / s. 'N 2 -saturated' in Fig. 8 N 2 - the results with a saturated aqueous solution of 0.1M KOH, 'O 2 -saturated' are O 2 - the results with a saturated aqueous solution of 0.1M KOH, 'O 2 -saturated in 3M CH 3 OH 'means a result using an O 2 -saturated 0.1 M KOH aqueous solution containing 3M CH 3 OH. 8 (a) shows the results of measurement of the catalyst electrode prepared using Scup-1000, and FIG. 8 (b) shows the measurement results of the catalyst electrode prepared using commercially available 20 wt% Pt / FIG. 8 (c) is a graph showing the relative current density-time at the maximum current of the oxygen reduction reaction forward peak in the O 2 -saturated condition for each of the catalyst electrode of Scup-1000 and the catalyst electrode of 20 wt% Pt / Fig.

도 9는 회전 링-디스크 전극을 이용한 촉매전극의 CV 측정 결과를 도시한 도면으로, 50mV/s의 스캔 속도로 측정된 결과이다. 도 9에서 'N2-saturated'는 N2-포화된 0.1M KOH 수용액을 이용한 결과를, 'O2-saturated'는 O2-포화된 0.1M KOH 수용액을 이용한 결과를 의미하며, 도 9(a)는 SCup-800을 이용하여 제조된 촉매전극의 측정 결과를, 도 9(b)는 SCup-900을 이용하여 제조된 촉매전극의 측정 결과를, 도 9(c)는 SCup-1100을 이용하여 제조된 촉매전극의 측정 결과를, 도 9(d)는 SCup-1000을 이용하여 제조된 촉매전극의 측정 결과와 함께, 도 9(a) 내지 도 9(c)의 측정 결과를 함께 도시한 도면이다. FIG. 9 is a graph showing a CV measurement result of a catalyst electrode using a rotating ring-disk electrode, which is a measurement result at a scan rate of 50 mV / s. Figure 'N 2 -saturated' in the 9 N 2 - the results with a saturated aqueous solution of 0.1M KOH, 'O 2 -saturated' are O 2 - means a result with a saturated aqueous solution of 0.1M KOH, 9 ( Fig. 9 (b) shows the measurement results of the catalyst electrode manufactured using SCup-900, Fig. 9 (c) shows the results of measurement using the SCup-1100 Fig. 9 (d) shows the measurement results of the catalyst electrodes manufactured using SCup-1000 together with the measurement results of Figs. 9 (a) to 9 (c) FIG.

도 8 및 도 9에서 알 수 있듯이 N2-포화된 0.1M KOH 수용액을 이용한 경우, 실시예에서 제조된 다공성 탄소체 및 20중량%Pt/C 촉매 모두 -1.2 내지 +0.3V의 범위에서 특징적인 볼타메트릭 전류가 관찰되지 않았으며, O2-포화된 수용액을 이용하는 경우 산소환원반응에 의한 특징적인 캐소딕 피크 전류(cathodic peak current)가 관찰됨을 알 수 있다. 도 8에서 알 수 있듯이 SCup-1000을 이용하여 제조된 촉매전극의 경우 20중량%Pt/C 촉매를 이용하여 제조된 촉매전극과 유사하게 -0.12V 부근에서 캐소딕 피크 전류가 발생함을 알 수 있으며, 열분해 온도에 따라 피크 발생 위치가 이동함을 알 수 있다. 8 and 9, when the N 2 -saturated 0.1 M KOH aqueous solution was used, both of the porous carbon body and the 20 wt% Pt / C catalyst prepared in the examples were characterized in the range of -1.2 to +0.3 V A voltammetric current was not observed, and a characteristic cathodic peak current was observed by the oxygen reduction reaction when an O 2 -saturated aqueous solution was used. As can be seen from FIG. 8, in the case of the catalyst electrode prepared using SCup-1000, it was found that a caustic peak current was generated near -0.12 V, similar to the catalyst electrode prepared using 20 wt% Pt / C catalyst And the peak generation position shifts according to the pyrolysis temperature.

또한, 도 8에서 알 수 있듯이, 20중량%Pt/C 촉매의 경우, -0.27V 및 -0.16 V에서 Pt에 의해 매우 큰 메탄올 산화 피크가 발생함을 알 수 있으며, 메탄올 산화에 의해 산소환원반응에 의한 피크는 완전히 사라지는 것을 알 수 있다. 그러나, SCup-1000을 포함하여 실시예에서 제조된 다공성 탄소체의 경우, 메탄올이 존재함에도 여전이 우수한 산소환원반응의 선택성을 나타냄을 알 수 있으며, 메탄올에 대해 매우 안정한 것을 알 수 있다. Also, as can be seen from FIG. 8, it can be seen that a very large methanol oxidation peak occurs at -0.27 V and -0.16 V in the case of the 20 wt% Pt / C catalyst, It can be seen that the peak due to the photoluminescence disappears completely. However, in the case of the porous carbon material prepared in the examples including SCup-1000, it can be seen that the selectivity of the oxygen reduction reaction is excellent even in the presence of methanol, which is very stable with respect to methanol.

도 8(c)은 알카라인 미디엄 내에서, 촉매의 장기 안정성을 알 수 있는 실험 결과로, 20중량%Pt/C 촉매의 경우, 30,000sec에서 이미 75.4%에 이르는 전류 감소가 발생함을 알 수 있으나, SCup-1000을 포함하여 실시예에서 제조된 다공성 탄소체의 경우, 30,000sec에서도 73.2%에 이르는 전류를 유지하는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 실시예에서 제조된 다공성 탄소체가 매우 우수한 내구성을 가짐을 알 수 있다. FIG. 8 (c) shows the long-term stability of the catalyst in an alkaline medium. As a result, it can be seen that, in the case of 20 wt% Pt / C catalyst, a current reduction of 75.4% , And SCup-1000, the current of 73.2% is maintained even at 30,000 sec in the case of the porous carbon body manufactured in the examples. As a result, it can be seen that the porous carbon material prepared in the examples has very excellent durability.

제조된 다공성 탄소체의 전기적 특성을 평가하기 위해, 도 10(a)에 제시된 장치와 유사한 장치를 이용하였다. 상세하게, 테프론 실린더(단면적 0.126cm2)에 실시예에서 제조된 다공성 탄소체를 투입하고, 실린더의 양 단부에 위치한 금속(brass) 피스톤을 이용하여 가압하면서, 양 단부의 금속 피스톤을 통해 전류를 인가하고, 실린더 측면을 통해 실린더 내부의 다공선 탄소체와 접하는 한 쌍의 전압 리드선(전압 리드선간의 간격 0.2cm)을 통해 전압을 측정하여, 압력에 따른 전기적 특성을 측정하였다. 이때, 비교를 위해 실시예에서 제조된 다공성 탄소체 대신 그라파이트를 투입하여 동일 조건에서 측정하였다. 도 10(b)는 실시예에서 제조된 다공성 탄소체의 압력에 따른 저항률(resistivity)를 측정 도시한 것이며, 도 10(c)는 도 10(b)의 일부 영역을 확대 도시한 것이다.To evaluate the electrical characteristics of the prepared porous carbon body, a device similar to that shown in Fig. 10 (a) was used. Specifically, the porous carbon bodies prepared in Examples were charged into a Teflon cylinder (cross-sectional area of 0.126 cm 2 ), and a current was supplied through metal pistons at both ends while being pressurized using a brass piston located at both ends of the cylinder And the voltage was measured through a pair of voltage leads (0.2 cm between the voltage leads) contacting the multi-core carbon body inside the cylinder through the side of the cylinder, and the electrical characteristics according to the pressure were measured. At this time, for comparison, graphite was added in place of the porous carbon material prepared in the examples, and the measurement was carried out under the same conditions. FIG. 10 (b) is a graph showing the resistivity measured according to the pressure of the porous carbon body manufactured in the embodiment, and FIG. 10 (c) is an enlarged view of a part of FIG. 10 (b).

도 10에서 알 수 있듯이, 압력이 증가할수록, 또한 열분해 온도가 증가할수록, 저항률이 작아지는 것을 알 수 있으며, 900 내지 1100℃의 열분해 온도에서 제조되는 다공성 탄소체의 경우 비록 그라파이트 보다는 큰 저항을 가지나, 종래의 다공성을 갖는 활성 탄소체에 비해 우수한 전기전도 특성을 가짐을 알 수 있다. As can be seen from FIG. 10, it can be seen that as the pressure increases and the pyrolysis temperature increases, the resistivity decreases. In the case of the porous carbon material produced at the pyrolysis temperature of 900 to 1100 ° C., , It is found that it has excellent electric conduction characteristics as compared with the conventional activated carbon bodies having porosity.

도 11은 열분해 온도를 달리하여 실시예에서 제조된 다공성 탄소체의 도 10의 측정 결과로부터 얻어진 전도도, 메소포어 비표면적, 이종 원소중 질소 함량 및 온셋 전위를 함께 도시한 것이다. 11 shows the conductivity, the mesophore specific surface area, the nitrogen content in the heterogeneous element, and the onset potential obtained from the measurement results of FIG. 10 of the porous carbon body prepared in the examples with different thermal decomposition temperatures.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described with reference to specific embodiments, limited examples, and drawings. However, it should be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments, Various modifications and variations may be made thereto by those skilled in the art.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .

Claims (14)

a) 해조류를 불활성 분위기에서 열분해하여 무기화합물 입자를 함유하는 탄소체인 무기-탄소체를 제조하는 단계; 및
b) 무기-탄소체의 상기 무기화합물 입자를 산 침출(leaching)시켜 제거하는 단계;를 포함하는 이종 원소를 함유하는 다공성 탄소체의 제조방법.
a) pyrolyzing seaweed in an inert atmosphere to produce an inorganic-carbon body having carbon atoms containing inorganic compound particles; And
and b) leaching the inorganic compound particles of the inorganic-carbon substance by acid leaching to remove the inorganic compound particles.
제 1항에 있어서,
상기 이종 원소는 상기 해조류로부터 기인하며, 적어도 N 및 S를 포함하는 다공성 탄소체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heterogeneous element originates from the seaweed, and comprises at least N and S.
제 2항에 있어서,
상기 열분해 온도를 제어하여, 상기 이종 원소의 결합상태의 상대적 비율이 제어되는 다공성 탄소체의 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the thermal decomposition temperature is controlled to control a relative ratio of the bonded states of the hetero elements.
제 1항에 있어서,
상기 무기화합물은 적어도 금속할로겐화물, 금속산화물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 다공성 탄소체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the inorganic compound comprises at least a metal halide, a metal oxide, or a mixture thereof.
제 1항에 있어서,
상기 다공성 탄소체는 난층 구조(turbostratic structure)를 갖는 다공성 탄소체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the porous carbon body has a turbostratic structure.
제 1항에 있어서,
상기 a) 단계의 열분해 온도는 800 내지 1100℃인 다공성 탄소체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the pyrolysis temperature in step (a) is 800 to 1100 ° C.
제 3항에 있어서,
상기 N의 15 내지 60 %는 쿼터너리-N(quaternary-N) 결합 상태이고 , 20 내지 40 %는 피리디닉 (pyridinic N) 결합 상태이며, 상기 S의 35 내지 60 %는 티오펜-S(thiopene-S) 결합 상태인 다공성 탄소체의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein 15 to 60% of the N is in a quaternary-N bonded state, 20 to 40% is in a pyridinic N bonded state, and 35 to 60% of the S is substituted by thiopene -S) bonded state.
제 2항에 있어서,
상기 N 및 S의 함량은 3 내지 6.5원소%인 다공성 탄소체의 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the content of N and S is 3 to 6.5% by mass.
제 6항에 있어서,
상기 다공성 탄소체는 BET 비표면적이 650 내지 1450m2/g이며, 마이크로 기공률 0.2 내지 0.85 cm3/g 및 메소 기공률 0.2 내지 1.10 cm3/g인 다공성 탄소체의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the porous carbon body has a BET specific surface area of 650 to 1450 m 2 / g, a microporosity of 0.2 to 0.85 cm 3 / g, and a meso porosity of 0.2 to 1.10 cm 3 / g.
제 1항에 있어서,
상기 다공성 탄소체는 연료전지용 촉매인 다공성 탄소체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the porous carbon body is a catalyst for a fuel cell.
해조류를 열분해한 후 산 침출 처리하여 제조된 난층 구조(turbostratic structure)를 갖는 다공성 탄소체이며, BET 비표면적이 650 내지 1450m2/g이고, 마이크로 기공률 0.2 내지 0.85 cm3/g 및 메소 기공률 0.2 내지 1.10 cm3/g이며, 적어도 N 및 S를 함유하는, 이종 원소를 함유하는 다공성 탄소체.A porous carbon body having a turbostratic structure prepared by pyrolysis of marine algae followed by acid leaching treatment. The porous carbon body has a BET specific surface area of 650 to 1450 m 2 / g, a microporosity of 0.2 to 0.85 cm 3 / g, 1.10 cm < 3 > / g, and contains at least N and S. The porous carbon body contains a heterogeneous element. 제 11항에 있어서,
상기 N의 15 내지 60 %는 쿼터너리-N(quaternary-N) 결합 상태이고 , 20 내지 40 %는 피리디닉 (pyridinic N) 결합 상태이며, 상기 S의 35 내지 60 %는 티오펜-S(thiopene-S) 결합 상태인 이종 원소를 함유하는 다공성 탄소체.
12. The method of claim 11,
Wherein 15 to 60% of the N is in a quaternary-N bonded state, 20 to 40% is in a pyridinic N bonded state, and 35 to 60% of the S is substituted by thiopene -S) -bonded heterogeneous element.
제 12항에 있어서,
상기 다공성 탄소체의 BET 비표면적은 1000 내지 1450m2/g인 이종 원소를 함유하는 다공성 탄소체.
13. The method of claim 12,
Wherein the porous carbon body has a BET specific surface area of 1000 to 1450 m 2 / g.
제 11항에 따른 다공성 탄소체를 전극의 촉매로 함유하는 연료전지. 11. A fuel cell comprising the porous carbon body according to claim 11 as a catalyst of an electrode.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109499599A (en) * 2018-12-11 2019-03-22 中国科学院理化技术研究所 A kind of pyridine nitrogen enrichment carbon nano-tube catalyst and its preparation method and application
CN109734158A (en) * 2018-12-27 2019-05-10 金川集团股份有限公司 A kind of nitrogen, sulphur codope porous carbon sheet capacitive desalination electrode material and its preparation and application
CN110061216A (en) * 2019-04-25 2019-07-26 河北工业大学 A kind of preparation method of the lithium sulfur battery anode material based on biomass seaweed
KR20190115749A (en) * 2018-04-03 2019-10-14 재단법인대구경북과학기술원 Porous Carbon, Catalyst Thereof and the Fabrication Method of the Porous Carbon

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100014074A (en) * 2007-04-04 2010-02-10 소니 주식회사 Porous carbon material, process for producing the same, adsorbent, mask, adsorbent sheet and supporting member
KR101117066B1 (en) 2009-10-23 2012-02-22 고려대학교 산학협력단 Synthesis method of Pt alloy/supporter catalysts, catalysts and fuel cell using the same
KR20130068826A (en) 2011-12-16 2013-06-26 한국생산기술연구원 Catalyst composition for fuel cells to substitute platinium catalyst
KR20130139577A (en) 2012-06-13 2013-12-23 고려대학교 산학협력단 Process for preparing highly efficient carbon supported platinum-metal catalyst and carbon supported platinum-metal catalyst thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100014074A (en) * 2007-04-04 2010-02-10 소니 주식회사 Porous carbon material, process for producing the same, adsorbent, mask, adsorbent sheet and supporting member
KR101117066B1 (en) 2009-10-23 2012-02-22 고려대학교 산학협력단 Synthesis method of Pt alloy/supporter catalysts, catalysts and fuel cell using the same
KR20130068826A (en) 2011-12-16 2013-06-26 한국생산기술연구원 Catalyst composition for fuel cells to substitute platinium catalyst
KR20130139577A (en) 2012-06-13 2013-12-23 고려대학교 산학협력단 Process for preparing highly efficient carbon supported platinum-metal catalyst and carbon supported platinum-metal catalyst thereof

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
E. Raymundo-Pinero et al. Adv. Funct. Mater. 2009, Vol. 19. pp. 1032-1039 (2009.02.18.)* *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190115749A (en) * 2018-04-03 2019-10-14 재단법인대구경북과학기술원 Porous Carbon, Catalyst Thereof and the Fabrication Method of the Porous Carbon
CN109499599A (en) * 2018-12-11 2019-03-22 中国科学院理化技术研究所 A kind of pyridine nitrogen enrichment carbon nano-tube catalyst and its preparation method and application
CN109499599B (en) * 2018-12-11 2021-06-29 中国科学院理化技术研究所 Pyridine nitrogen-enriched carbon nanotube catalyst and preparation method and application thereof
CN109734158A (en) * 2018-12-27 2019-05-10 金川集团股份有限公司 A kind of nitrogen, sulphur codope porous carbon sheet capacitive desalination electrode material and its preparation and application
CN109734158B (en) * 2018-12-27 2021-10-15 金川集团股份有限公司 Nitrogen and sulfur co-doped porous carbon sheet capacitive desalting electrode material and preparation and application thereof
CN110061216A (en) * 2019-04-25 2019-07-26 河北工业大学 A kind of preparation method of the lithium sulfur battery anode material based on biomass seaweed

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