KR20160087963A - Composite catalyst for fuel cell and its preparing method - Google Patents

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KR20160087963A
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김화중
이동철
양희나
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건국대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a composite catalyst for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). According to the present invention, the composite catalyst for the PEMFCs wherein a spacer is induced to a graphene sheet wherein boron supporting a metal catalyst substance is doped to prevent other graphene sheets from being placed on the graphene sheet is provided. Thus, the effects of reducing resistance to an electron transfer by using the graphene sheet with the doped boron as a support element and maintaining high electron density are obtained. In addition, a specific surface area of the graphene sheet is highly maintained by inducing the spacer capable of preventing other graphene sheets from being place on the graphene sheet. Thus, an effect of manufacturing the PEMFC capable of providing excellent performance is obtained.

Description

연료전지용 복합촉매 및 그 제조방법{COMPOSITE CATALYST FOR FUEL CELL AND ITS PREPARING METHOD}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a composite catalyst for a fuel cell,

본 발명은 고분자 전해질 연료전지용(polymer electrolyte membrane fuel cells, PEMFCs) 복합촉매에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보론(boron)이 도핑된 그래핀(graphene) 시트에 금속 촉매 물질을 담지하고, 그패핀 시트의 재적층을 방지하기 위해 스페이서(spacer)를 도입한 연료전지용 복합촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composite catalyst for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), and more particularly to a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFCs) composite catalyst for supporting a metal catalyst material on a graphene sheet doped with boron, And a method of manufacturing the composite catalyst. The present invention relates to a composite catalyst for a fuel cell.

카본 나노 튜브, 풀러렌, 탄소 분자체, 탄소 섬유, 그리고 그래핀과 같은 다양한 탄소 소재는 높은 내구성, 우수한 전기 전도성, 낮은 가격, 높은 기계 강도와 큰 비표면적으로 인해 다양한 용도의 활용이 주목되고 있다. 다양한 탄소 소재 중, 그래핀은 다른 탄소 소재들이 가진 3 차원 구조와는 다른 2 차원 구조 를 가지고 있는데 이로 인해 매우 우수한 물리적 성질을 갖는다. 그래핀은 단분자 두께로 육각 배열된 탄소 원자들로 구성되어 있는데, 이 형태는 그라파이트 구조의 탄소 소재의 기본구조이다. 그래핀은 다양한 용도로 활용하기 위해서는 물리 화학적인 조율이 필요하다. 전기 화학적 성질을 개선하기 위한 방법 중 하나로 실리콘을 반도체로 만드는 방법 중 하나인 원자 도핑을 사용하였다. 원소 도핑의 방법은 일반적으로 두 가지가 알려진 바 있다. 하나는 화학 증기 증착 방법으로 반도체를 만드는 공정에 일반적으로 사용되는 방법이다. 다른 하나는 열적 분해를 활용한 원소 도핑으로 전자의 방법에 비해 빠르고 간단한 방법으로 기존의 순물질에 다른 종류의 원소를 도핑시키는 방법이다. 그래핀의 전기 화학적 성질을 바꾸기 위해 다양한 종류의 원소들이 그래핀 시트에 도핑된 바 있다. 이러한 연구들을 통해 도핑된 그래핀은 다양한 분야에 큰 잠재성을 가지고 있다는 것을 확인한 바 있다. 그러나 그래핀을 촉매 지지체로 사용하여 전기 화학적 용도로 사용할 경우 그래핀 시트가 재적층되면서 그라파이트로 돌아가는 심각한 문제점이 존재한다. Various carbon materials such as carbon nanotubes, fullerenes, carbon molecular sieve, carbon fiber, and graphene are attracting attention due to their high durability, excellent electrical conductivity, low cost, high mechanical strength and large specific surface area. Of the various carbon materials, graphene has a two-dimensional structure that is different from the three-dimensional structure of other carbon materials, which has very good physical properties. Graphene consists of hexagonal arranged carbon atoms with a single molecule thickness, which is the basic structure of the graphite carbon material. Graphene requires physicochemical coordination to be used for various purposes. One of the methods for improving the electrochemical properties is atom doping, which is one of the methods of making silicon into semiconductors. Two general methods of element doping are known. One is a method commonly used in the process of making semiconductors by chemical vapor deposition. The other is element doping which utilizes thermal decomposition. It is a method of doping different kinds of elements into existing pure matter by a quick and simple method compared to the former method. Various types of elements have been doped into graphene sheets to alter the electrochemical properties of graphene. These studies have confirmed that doped graphene has great potential in various fields. However, when using graphene as a catalyst support for electrochemical applications, there is a serious problem of returning graphene sheets to graphite.

한편, 관련 종래기술로는 한국공개특허 제10-2011-0051584호(촉매합금을 이용한 그래핀의 제조방법), 한국등록특허 제10-1148844호(금속촉매를 이용한 그래핀의 제조방법) 등이 있으나 본 발명과 같이 보론이 도핑된 그래핀 시트에 금속 촉매 물질을 담지하고 상기 금속 촉매 물질이 담지된 그래핀 시트의 재적층을 방지하기 위해 스페이서(spacer)를 도입한 연료전지용 복합촉매에 관하여는 전혀 개시된 바 없다.On the other hand, Korean Patent Publication No. 10-2011-0051584 (a method for producing graphene using a catalyst alloy) and Korean Patent No. 10-1148844 (method for producing graphene using a metal catalyst) However, with respect to the composite catalyst for a fuel cell in which a spacer is introduced to support a metal catalyst material on a graphene sheet doped with boron and to prevent re-deposition of the graphene sheet bearing the metal catalyst material It has not been disclosed at all.

본 발명자는 보론이 도핑된 그래핀(graphene) 시트에 금속 촉매 물질을 담지한 후 상기 그래핀 시트의 재적층을 방지하기 위해 스페이서(spacer)를 도입함으로써 그래핀 시트의 비표면적을 높게 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 복합촉매를 포함하는 고분자 전해질 연료전지의 성능이 향상됨을 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have found that by introducing a spacer to prevent re-deposition of the graphene sheet after carrying the metal catalyst material on the graphene sheet doped with boron, the specific surface area of the graphene sheet can be kept high In addition, the present inventors have completed the present invention by experimentally confirming that the performance of a polymer electrolyte fuel cell including such a composite catalyst is improved.

결국 본 발명은 금속 촉내 물질을 담지한 보론이 도핑된 그래핀 시트에 상기 그래핀 시트의 재적층을 방지하기 위해 스페이서를 도입한 연료전지용 복합촉매를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a composite catalyst for a fuel cell, in which a spacer is introduced into a boron-doped graphene sheet carrying a metal tendon to prevent re-deposition of the graphene sheet.

또한 본 발명은 금속 촉내 물질을 담지한 보론이 도핑된 그래핀 시트에 상기 그래핀 시트의 재적층을 방지하기 위해 스페이서를 도입한 연료전지용 복합촉매 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a composite catalyst for a fuel cell in which a spacer is introduced into a boron-doped graphene sheet carrying a metal-attracting substance to prevent re-deposition of the graphene sheet.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속 촉매 물질을 담지한 보론(boron)이 도핑된 그래핀(graphene) 시트에, 상기 그래핀 시트의 재적층을 방지하기 위해 스페이서(spacer)를 도입한 연료전지용 복합촉매를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell comprising a graphene sheet doped with boron on which a metal catalyst material is supported, a fuel injected with a spacer to prevent re- Thereby providing a composite catalyst for a battery.

상기 금속 촉매 물질은 Pt, Pd, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb 및 La로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 및 상기 금속을 포함하는 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.Wherein the metal catalyst material comprises at least one metal selected from the group consisting of Pt, Pd, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb and La and a metal oxide comprising the metal And at least one selected from the above.

상기 스페이서는 탄소 나노 튜브(carbon nano tube), 카본블랙(carbon black, CB)에서 선택되는 것을 특징으로 한다.The spacer is selected from a carbon nano tube, carbon black (CB), and the like.

상기 스페이서는 카본블랙(carbon black, CB)이고, 1wt.% 내지 30wt.%로 포함되는 것을 특징으로 한다.The spacer is carbon black (CB), and is contained in an amount of 1 wt% to 30 wt%.

또한 발명은 상기 연료전지용 복합촉매를 포함하는 전극이 포함된 연료전지를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell including an electrode including the composite catalyst for a fuel cell.

또한, 본 발명은 (1) 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 제조하는 단계와, (2) 상기 그래핀 옥사이드에 보론(boron)을 도핑하는 단계와, (3) 상기 보론이 도핑된 그래핀 옥사이드에 금속 촉매 물질을 담지하는 단계와, (4) 상기 금속 촉매 물질이 담지된 그래핀 옥사이드에 스페이서(spacer)를 동입하는 단계를 포함하는 연료전지용 복합촉매 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for preparing graphene oxide, comprising: (1) preparing graphene oxide; (2) doping the graphene oxide with boron; and (3) (4) a step of injecting a spacer into the graphene oxide on which the metal catalyst material is supported. The present invention also provides a method for manufacturing a composite catalyst for a fuel cell, comprising the steps of:

상기 (3)단계에서 금속 촉매 물질은 Pt, Pd, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb 및 La로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 및 상기 금속을 포함하는 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.The metal catalyst material may be at least one metal selected from the group consisting of Pt, Pd, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb and La, And an oxide of at least one selected from the group consisting of.

상기 (4)단계에서 스페이서는 탄소 나노 튜브(carbon nano tube), 탄소 분자체 (carbon molecular sieve), 카본블랙(carbon black, CB)에서 선택되는 것을 특징으로 한다.In the step (4), the spacer is selected from a carbon nano tube, a carbon molecular sieve, and carbon black.

상기 (4)단계에서 상기 스페이서는 카본블랙(carbon black, CB)이고, 1wt.% 내지 30wt.%로 포함되는 것을 특징으로 한다.In the step (4), the spacer is carbon black (CB) and is contained in an amount of 1 wt% to 30 wt%.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 복합촉매를 제공한다.The present invention also provides a composite catalyst for a fuel cell produced by the above-described method.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 금속 촉매 물질을 담지한 보론(boron)이 도핑된 그래핀(graphene) 시트에, 상기 그래핀 시트의 재적층을 방지하기 위해 스페이서(spacer)를 도입한 연료전지용 복합촉매를 제공함으로써, 보론이 도핑된 그래핀 시트를 담지체로 사용하여 전자 이동 저항을 감소시키고 높은 전자 밀도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 그래핀 시트의 재적층을 방지하는 스페이서가 도입되어 그래핀 시트의 비표면적을 높게 유지할 수 있어 우수한 성능을 발휘하는 고분자 전해질 연료전지를 제조할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention as described above, it is possible to provide a fuel cell composite fuel cell in which a spacer is introduced into a graphene sheet doped with boron on which a metal catalyst material is supported, By providing a catalyst, boron-doped graphene sheets can be used as a support to reduce the electron mobility and maintain a high electron density, as well as to provide a spacer for preventing recoating of the graphene sheet, It is possible to manufacture a polymer electrolyte fuel cell which can maintain a high surface area and exhibit excellent performance.

도 1 은 백금(Pt)-보론(B)-그래핀(Gr) 합성 및 카본 블랙 삽입 모식도.
도 2 는 그래파이트(a), 그래핀 옥사이드(b), B-Gr(c)의 XRD 패턴 그래프.
도 3 은 백금(Pt)-보론(B)-그래핀(Gr)의 XRD 패턴 그래프.
도 4 는 그래핀 옥사이드의 C 1s 주요 파장(a), B-Gr(b)/B-Gr(c)의 C 1s 주요 파장, B-Gr의 B 1s의 주요 파장(d), B-Gr의 O 1s의 주요 파장(e), Pt-B-Gr의 Pt 4f의 주요 파장(f)dp 대한 XPS 패턴 그래프.
도 5 는 그래파이트(a), 그래핀 옥사이드(b), B-Gr(c)의 주사 전자 현미경 사진.
도 6 은 그래핀 옥사이드(a), Pt-B-Gr의 TG/DTA 그래프.
도 7 은 그래파이트(a), 그래핀 옥사이드(b), B-Gr(c), Pt-B-Gr(d)의 FT-IR 파장 그래프.
도 8 은 그래핀 옥사이드(a), B-Gr(b), Pt-B-Gr(c)의 라만 분광 파장 그래픈.
도 9 는 Pt-B-Gr의 TEM 사진(a), Pt-B-Gr 내의 백금 입자의 입도 분석 그래프(b), 그래핀 시트 사이에 삽입된 카본 블랙의 TEM 사진(c).
도 10 은 (◆)Pt-C, (■)Pt-B-Gr, (●)Pt-B-Gr/CB0.2, (▲)Pt-B-Gr/CB0.3, (★)Pt-B-Gr/CB0.4의 CV 곡선 그래프.
도 11 은 (◆)Pt-C, (■)Pt-B-Gr, (●)Pt-B-Gr/CB0.2, (▲)Pt-B-Gr/CB0.3, (★)Pt-B-Gr/CB0.4의 순환 전류 측정 횟수에 따른 전기화학적 활성 면적 그래프.
도 12 는 다른 음극 촉매를 사용한 막 전극 복합체를 활용한 경우의 80℃에서 100% 가습 조건 전지 성능에 대한 I-V 곡선(빈 심볼)과 (◆)Pt-C, (■)Pt-B-Gr, (●)Pt-B-Gr/CB0.2, (▲)Pt-B-Gr/CB0.3, (★)Pt-B-Gr/CB0.4의 전기밀도(채원진 심볼)
도 13 은 4가지의 다른 카본 블랙 함량을 가진 촉매를 사용해 제작된 막 전극 복합체의 전기화학적 저항 그래프((◆)Pt-C, (■)Pt-B-Gr, (●)Pt-B-Gr/CB0.2, (▲)Pt-B-Gr/CB0.3, (★)Pt-B-Gr/CB0.4의).
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view of platinum (Pt) -boron (B) -graffin (Gr) synthesis and carbon black insertion.
2 is an XRD pattern graph of graphite (a), graphene oxide (b), and B-Gr (c).
3 is an XRD pattern graph of platinum (Pt) -boron (B) -graffin (Gr).
Fig. 4 is a graph showing the C 1s main wavelength (a) of graphene oxide, the C 1s major wavelength of B-Gr (b) / B- (E) of the O 1s of Pt-B-Gr, and the major wavelength (f) dp of Pt 4f of Pt-B-Gr.
5 is a scanning electron micrograph of graphite (a), graphene oxide (b) and B-Gr (c).
6 is a TG / DTA graph of graphene oxide (a), Pt-B-Gr.
7 is an FT-IR wavelength graph of graphite (a), graphene oxide (b), B-Gr (c) and Pt-B-Gr (d).
8 is a graph showing the Raman spectral wavelength of graphene oxide (a), B-Gr (b), and Pt-B-Gr (c)
9 is a TEM photograph (a) of Pt-B-Gr, a particle size analysis graph (b) of platinum particles in Pt-B-Gr, and a TEM photograph (c) of carbon black inserted between graphen sheets.
Pt-B-Gr / CB0.2, Pt-B-Gr / CB0.3, (*) Pt- CV curve graph of B-Gr / CB0.4.
Pt-B-Gr / CB0.2, Pt-B-Gr / CB0.3, (*) Pt- B-Gr / CB0.4 electrochemically active area graph according to the number of circulating current measurements.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the IV curve (empty symbol), () Pt-C, () Pt-B-Gr for battery performance at 100% humidified condition at 80 ° C., (*) Pt-B-Gr / CB0.2, Pt-B-Gr / CB0.3,
FIG. 13 is a graph showing the electrochemical resistance graphs (() Pt-C, () Pt-B-Gr, () Pt-B-Gr of the membrane electrode assembly prepared using catalysts having four different carbon black contents / CB 0.2, () Pt-B-Gr / CB 0.3, () Pt-B-Gr / CB 0.4).

본 발명은 금속 촉매 물질을 담지한 보론(boron)이 도핑된 그래핀(graphene) 시트에, 상기 그래핀 시트의 재적층을 방지하기 위해 스페이서(spacer)를 도입한 연료전지용 복합촉매를 제공한다. 상기 금속 촉매 물질은 Pt, Pd, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb 및 La로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 및 상기 금속을 포함하는 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 선택될 수 있으며, 2 내지 5㎚의 평균 입자 크기를 갖는 Pt를 선택하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 그래핀(graphene) 시트의 두께는 0.3 내지 0.4㎚인 것이 바람직하다. 또한, 금속 촉매 물질이 그래핀 시트의 재적층을 방지하기 위해 스페이서(spacer)가 도입될 수 있으며, 상기 스페이서는 탄소 소재가 선택될 수 있고, 바람직하게는 탄소 나노 튜브(carbon nano tube), 탄소 분자체 (carbon molecular sieve), 카본 블랙(carbon black)서 선택될 수 있다. 또한, 스페이서로 카본블랙(carbon black, CB)을 선택하는 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 카본블랙이 1wt.% 내지 30wt.%로 포함되는 것이다. 카본블랙(carbon black, CB)이 30wt.%이상 포함될 경우 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있기 때문이다.
The present invention provides a composite catalyst for a fuel cell in which a spacer is introduced into a graphene sheet doped with boron on which a metal catalyst material is supported to prevent reattachment of the graphene sheet. Wherein the metal catalyst material comprises at least one metal selected from the group consisting of Pt, Pd, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb and La and a metal oxide comprising the metal At least one selected may be selected, and it is preferable to select Pt having an average particle size of 2 to 5 nm. On the other hand, the thickness of the graphene sheet is preferably 0.3 to 0.4 nm. In addition, a spacer may be introduced to prevent the re-deposition of the metal catalyst material from the graphene sheet, and the spacer may be made of a carbon material, preferably a carbon nano tube, carbon Carbon molecular sieve , carbon black , and the like. Further, it is preferable to select carbon black (CB) as a spacer, and more preferably carbon black is contained in an amount of 1 wt% to 30 wt%. When the carbon black (CB) is contained in an amount of 30 wt.% Or more, the performance of the fuel cell deteriorates.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기고 한다. 이하, 첨부된 도면들을 함께 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. You can do it. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시예 1. 그래핀 옥사이드(graphene oxide)의 합성Example 1. Synthesis of graphene oxide

그래핀 옥사이드는 최적화된 Hummers 법으로 합성하였다. 그래파이트 분말을 기초 물질로 사용하였다. 4g의 그래파이트 (E-NanoTech. Co., Korea), 5g의 K2S2O8(YakuriPureChemicalsCo.,Japan)와 5g의 P2O5(SamchunChemicalCo.,Korea)를 80㎖의 H2SO4(SamchunChemicalCo.,Korea)에 넣고 80℃로 오일 배스에서 2시간 동안 가열하였다. 검은 회색의 혼합물을 상온에서 10시간 동안 서서히 냉각시켰다.Graphene oxide was synthesized by the optimized Hummers method. Graphite powder was used as a base material. Graphite (E-NanoTech. Co., Korea ) of 4g, of 5g K 2 S 2 O 8 ( YakuriPureChemicalsCo., Japan) and 5g of P 2 O 5 (SamchunChemicalCo., Korea) the 80㎖ of H 2 SO 4 ( Samchun Chemical Co., Korea) and heated in an oil bath at 80 ° C for 2 hours. The mixture of black gray was slowly cooled at room temperature for 10 hours.

혼합물은 500㎖의 탈이온수 세척을 3번 반복하여 산과 같은 잔존 불순물을 제거하였다. 결과물은 80℃로 진공 오븐에서 건조하였다. 큰 덩어리 형태의 미리 산화시켜 놓은 그래파이트를 분쇄하여 80㎖의 H2SO4에 넣어 얼음조에서 4℃로 교반하였다. 혼합이 완료되면, 12g의 KMnO4(SamchunChemicalCo.,Korea)를 천천히 혼합물에 넣어 준 후 30 분간 교반하며 얼음조의 온도가 4℃ 이하가 되도록 유지하였다. 검푸른 색의 슬러리 형태가 되면 35℃로 가열 후 30 분간 교반 후, 200㎖ 의 탈이온수를 넣어 희석시켰다. 해당 과정에서 검푸른 색의 슬러리는 밝은 노란색으로 색이 바뀌게 된다. 혼합물은 80℃로 가열하여 30분 동안 교반한다. 이후, 400㎖의 탈이온수, 20㎖의 H2O2(Junsei,Japan), 100㎖의 10 wt.% HCl 용액을 넣게 되면 더 밝은 색이 되며 거품이 조금씩 일어나게 된다. 이 혼합물을 2시간 동안 초음파 분산하여 적층된 층이 잘 박리되도록 하였다. 혼합물은 탈이온수 세척을 통해 잔존 금속 이온과 산을 제거하며 pH가 중성이 될 때까지 이를 반복하였다. 원심분리를 사용하여 이를 진행하며, 세척 완료 후 60℃에서 12 시간 동안 진공 오븐 건조를 통해 분말 형태의 그래핀 옥사이드를 얻었다.The mixture was washed with 500 ml of deionized water three times to remove residual impurities such as acids. The resultant was dried in a vacuum oven at 80 캜. The pre-oxidized graphite in the form of a large lump was pulverized and put into 80 ml of H 2 SO 4 and stirred at 4 ° C in an ice bath. When mixing was completed, 12 g of KMnO 4 (Samchun Chemical Co., Korea) was slowly added to the mixture, and the mixture was stirred for 30 minutes and kept at a temperature of 4 ° C or lower in the ice bath. When the slurry became a dark color, it was heated to 35 DEG C, stirred for 30 minutes, and diluted with 200 mL of deionized water. In the course of the process, the slurry of a blue color turns into a bright yellow color. The mixture is heated to 80 < 0 > C and stirred for 30 minutes. Thereafter, 400 ml of deionized water, 20 ml of H 2 O 2 (Junsei, Japan) and 100 ml of 10 wt.% HCl solution are added to give a lighter color and little bubbles. The mixture was ultrasonically dispersed for 2 hours so that the laminated layer was easily peeled off. The mixture was rinsed with deionized water to remove residual metal ions and acid until the pH was neutral. This was carried out using centrifugation, and after completion of washing, graphene oxide in powder form was obtained by vacuum oven drying at 60 DEG C for 12 hours.

실시예 2. 열분해를 통한 보론 도핑 그래핀(B-Gr)의 합성Example 2. Synthesis of Boron Doping Graphene (B-Gr) by Pyrolysis

보론 도핑 그래핀은 열 고상반응 방법으로 합성하였다. 300㎎의 그래핀 옥사이드와 900㎎의 H3BO4(YakuriPureChemicalsCo.,Japan)을 물에 녹여 완전히 혼합한 후, 건조시켜 물을 제거하였다. 건조된 그래핀 옥사이드/H3BO4혼합물을 세라믹 도가니로 옮긴 후 관형 반응기에 넣었다. 열 처리 전, 관형 반응기에 30분 동안 아르곤으로 반응기 안을 충진시켜 놓았다. 그래핀 옥사이드/H3BO4혼합물을 5℃ min-1의 속도로 700℃까지 가열한 후, 2 시간 동안 온도를 유지하며 열 분해를 진행하였다. 이후, 아르곤 충진을 유지하며 반응기를 상온까지 천천히 자연 냉각시켰다. 열 처리 이후 생성물은 100㎖의 에탄올과 500㎖의 탈이온수 세척을 3회 진행하여 잔존 이온들을 완전히 제거하였다. 생성물을 60℃로 12시간 동안 진공 오븐에서 건조하였다.Boron doping graphene was synthesized by thermal solid phase reaction method. 300 mg of graphene oxide and 900 mg of H 3 BO 4 (Yakuri Pure Chemical Products Co., Japan) were dissolved in water, thoroughly mixed, and then dried to remove water. The dried graphene oxide / H 3 BO 4 mixture was transferred to a ceramic crucible and placed in a tubular reactor. Before the heat treatment, the reactor was filled with argon in a tubular reactor for 30 minutes. The graphene oxide / H 3 BO 4 mixture was heated to 700 ° C at a rate of 5 ° C min -1 and then thermally decomposed for 2 hours. Thereafter, the reactor was slowly cooled naturally to room temperature while maintaining argon filling. After the heat treatment, the product was washed three times with 100 ml of ethanol and 500 ml of deionized water to completely remove residual ions. The product was dried in a vacuum oven at 6O < 0 > C for 12 hours.

실시예 3. 보론(B)-그래핀(Gr) 시트에 백금(Pt) 나노 입자의 담지Example 3 Carrying of platinum (Pt) nanoparticles on boron (B) -graffin (Gr) sheet

마이크로파를 사용한 방법으로 백금 입자를 보론 그래핀에 담지시켰다. 100㎎의 보론 도핑 그래핀을 48㎖의 ethylene glycol (EG, Samchun Chemical Co, Korea)과 12㎖의 isopropyl alcohol (IPA, Samchun Chemical Co., Korea) 혼합 용액에 넣고 3시간 동안 초음파 분산을 통해 완벽히 분산시켰다. 백금 전구체로, 160㎎의 H2PtCl6(AldrichCo.)를 4㎖의 ethylene glycol에 넣고 분산시킨 뒤, 앞서 보론 도핑 그래핀이 분산된 용액에 넣고 2 시간 동안 초음파 분산시켰다. 1 M NaOH 용액을 드롭 방식으로 조금씩 혼합물에 넣어 pH를 12까지 맞추었다. 혼합물을 일반 가정용 전자레인지(Samsung, RE-C21AW, operating frequency: 2450 MHz)에 넣고 700W의 출력으로 3분 동안 가열하였다. 전자파로 가열된 혼합물을 상온이 되도록 냉각시킨 후 0.5 M HNO3용액을 조금씩 넣어 주어 pH를 4로 맞추어 백금 입자의 크기를 조절하였다. Pt-B-Gr은 500㎖ 탈이온수 세척 및 여과를 3회 실시한 후 진공 오븐에서 60℃로 12 시간 동안 건조하였다.Platinum particles were supported on boron graphene by microwave method. 100 mg of boron doping graphene was placed in a mixed solution of 48 ml of ethylene glycol (EG, Samchun Chemical Co., Korea) and 12 ml of isopropyl alcohol (IPA, Samchun Chemical Co., Korea) Lt; / RTI > 160 mg of H 2 PtCl 6 (Aldrich Co.) As a platinum precursor was dispersed in 4 ml of ethylene glycol and dispersed in a solution in which boron doping graphene was dispersed for 2 hours. 1 M NaOH solution was added dropwise to the mixture little by little to adjust the pH to 12. The mixture was placed in a typical domestic microwave oven (Samsung, RE-C21AW, operating frequency: 2450 MHz) and heated to 700 W power for 3 minutes. After cooling the mixture heated to room temperature, 0.5 M HNO 3 solution was gradually added to adjust the pH to 4 to adjust the size of the platinum particles. The Pt-B-Gr was subjected to 500 ml deionized water washing and filtration three times and then dried in a vacuum oven at 60 DEG C for 12 hours.

실시예 4. 백금(Pt)-보론(B)-그래핀(Gr)에 카본 블랙(carbon black)의 삽입Example 4. Insertion of carbon black into platinum (Pt) -boron (B) -graffin (Gr)

Pt-B-Gr에 카본 블랙을 삽입하기 위해, 20, 30, 40 wt%의 비율로 카본 블랙을 24㎎의 Pt-B-Gr에 삽입 후, 169㎎ 의 5 wt.% 내피온 분산액을 넣어 주었다. 각각의 샘플은 Pt-B-Gr/CB0.2, Pt-B-Gr/CB0.3, Pt-B-Gr/CB0.4로 명명하였다. 1㎖ IPA를 촉매 분산제로 사용하여 1 시간 동안 50℃에서 초음파 분산을 진행하였다.To insert carbon black in Pt-B-Gr, carbon black was inserted into 24 mg of Pt-B-Gr at a ratio of 20, 30, 40 wt%, and 169 mg of a 5 wt. gave. Each sample was named Pt-B-Gr / CB0.2, Pt-B-Gr / CB0.3 and Pt-B-Gr / CB0.4. 1 ml IPA was used as a catalyst dispersing agent and ultrasonic dispersion was performed at 50 캜 for 1 hour.

Pt-B-Gr 합성 및 카본 블랙 삽입 과정은 도 1에 간략히 정리하였다.The Pt-B-Gr synthesis and the carbon black insertion process are summarized in FIG.

실험예 1. 물리적 특성 측정Experimental Example 1. Measurement of physical properties

(1) XRD 패턴확인 및 SEM 분석(1) XRD pattern identification and SEM analysis

XRD 패턴을 얻기 위해, Cu Kα 방사선을 이용한 분말 X선 회절 분석(XRD, Rigaku Model D/Max 2200)이 이루어졌다. 40kV 30mA 조건에서 스캔 속도 5ㅀ min-1 , 각 분해능은 2θ 당 0.04ㅀ였다.Powder X-ray diffraction analysis (XRD, Rigaku Model D / Max 2200) using Cu K? Radiation was performed to obtain an XRD pattern. At 40kV 30mA, the scan rate was 5 ㅀ min -1 and the resolution was 0.04 당 per 2 罐.

그 결과 상기 실시예 4에 의해 제조된 Pt-B-Gr의 XRD 패턴은 도 3에 나타낸 바와 같고, 그래파이트(a), 그래핀 옥사이드(b), B-Gr(c)의 XRD 패턴은 도 2에 도시한 바와 같이, 그래파이트에서 그래핀 옥사이드로, 그리고 B-Gr로 합성되면 급격한 상 변화가 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 그래파이트의 적층으로 인해 발생하는 2θ에서 26.5o는 C(002) 주요 피크가 확인되었다. Hummer's method를 통한 그래파이트의 화학적 산화로 인해 그래파이트의 C(002) 피크가 2θ 에서 11o로 이동되었는데, 이는 에폭시, 카르복실기, 하이드록실기 등의 산화 작용기들로 인해 적층된 그라파이트 층이 벌어지면서 일어난 결과이다. B-Gr은 실험 방법에서 서술한 열 분해 방법을 통해 합성되었는데, 이를 통해 2θ 에서 11o피크가 사라진 것을 확인할 수 있었다. 이러한 위상 변화를 분명히 하기 위해, 주사식전자현미경(SEM, JEOL JSM-6308) 분석이 이루어졌고 도 5에 그 결과를 도시하였다. 도 5에서 볼 수 있듯이, 그래파이트에서 박리가 진행되는 것과 표면 형태가 크게 바뀌는 것을 확인할 수 있었다. 도 5(a)는 벌크 상태의 그래파이트 적층 형태를 확인할 수 있었다. 그래파이트와는 달리 도 5(b)를 보면 산화 작용기들로 인해 그래핀 시트들이 박리되어 있는 것을 확인 가능하였다. B-Gr은 앞서 실험 방법에서 기술한 열 분해를 통해 합성되었으며, 주름진 그래핀 시트 형태인 것을 도 5(c)를 통해 확인 가능하였다.As a result, the XRD pattern of Pt-B-Gr prepared in Example 4 is as shown in Fig. 3, and the XRD patterns of graphite (a), graphene oxide (b) and B- , It was confirmed that an abrupt phase change occurred when graphite was synthesized from graphene oxide and B-Gr. The major peak at C (002) was found at 26.5 o at 2 theta due to the lamination of graphite. The C (002) peak of graphite was shifted from 2? To 11 o due to the chemical oxidation of graphite through the Hummer's method because of the oxidative groups such as epoxy, carboxyl, hydroxyl groups, to be. The B-Gr was synthesized by the thermal decomposition method described in the experimental method, and it was confirmed that the 11 o peak disappears at 2 ?. In order to clarify this phase change, a scanning electron microscope (SEM, JEOL JSM-6308) analysis was performed and the results are shown in Fig. As can be seen from Fig. 5, it was confirmed that the peeling progressed in graphite and the surface morphology largely changed. Fig. 5 (a) shows the shape of the graphite laminate in the bulk state. 5 (b), unlike graphite, it was possible to confirm that the graphene sheets were peeled off due to the oxidizing groups. The B-Gr was synthesized through the thermal decomposition described in the experimental method, and it was confirmed through the corrugated graphene sheet form as shown in FIG. 5 (c).

상술한 실험절차에서 설명한 바와 같이, Pt 입자가 보론이 도핑된 그래핀 시트(B-Gr)에 포함되어 지고, 성공적으로 포함되었는지 여부는 XRD로 확인할 수 있었다. 도 3.에서 알 수 있듯이, 백금의 주요 피크인 Pt (111), Pt (200), Pt (220), Pt (311)가 2θ 에서 40, 46, 67.5, 81.4 ㅀ에 명확히 나타나 있으며, 이를 통해 B-Gr 표면에 백금 입자가 잘 담지된 것을 확인할 수 있다.As described in the above-mentioned experimental procedure, it was confirmed by XRD whether Pt particles were included in the boron-doped graphene sheet (B-Gr) and successfully contained. As can be seen in FIG. 3, the major peaks of Pt (111), Pt (200), Pt (220) and Pt (311) are clearly shown at 40, 46, 67.5 and 81.4 Platinum particles are well supported on the B-Gr surface.

Pt 입자의 평균 크기는 Pt 피크로부터 다음 Scherrer 식을 이용해 구할 수 있었다.The average size of the Pt particles was obtained from the Pt peak using the following Scherrer equation.

[수식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

Schrrer 식에서 L은 평균 입자 크기, 상수 0.94는 구체 결정 구조(8면입방체 모양)일 때의 상수, λ는 X레이의 파장(1.54056㎚), B는 FWHM(full width at half maximum)의 라디안 값, θB는 Pt(220) 피크의 각 위치이다. Pt(220)의 FWHM값을 구하여 Scherrer 식을 계산하면, B-Gr에 담지된 Pt 입자의 평균 크기는 2.37㎚이었다.In Schrrer's equation, L is the average particle size, the constant 0.94 is the constant when the crystal structure is an octahedron, λ k is the wavelength of the X-ray (1.54056 nm), and B is the radian of full width at half maximum (FWHM) Value, and [theta] B is the angular position of the Pt (220) peak. When the FWHM value of Pt (220) was calculated and the Scherrer equation was calculated, the average size of Pt particles supported on B-Gr was 2.37 nm.

(2) XPS 스펙트럼 분석(2) XPS spectrum analysis

그래핀 옥사이드와 B-Gr의 표면 작용기 분석을 보다 명확히 하기 위해, 그리고 Pt-B-Gr에 담지 된 백금 입자의 산화 상태를 규명하기 위해 XPS 분석을 진행하였으며 그 결과는 도 4에 나타낸 바와 같다.To further clarify the surface functional group analysis of graphene oxide and B-Gr, and to clarify the oxidation state of platinum particles supported on Pt-B-Gr, XPS analysis was carried out. The results are shown in FIG.

도 4(a)를 보면 그래핀 옥사이드 내의 4 가지 다른 형태의 탄소로 피크가 분할되어 있다. 이는 284.5 eV 에서의 sp2혼성화 C-C, 285.2 eV 에서의 C-OH, 286.4 eV 에서의 C-O-C, 그리고 288.1 eV 에서의 HO-C=O이며 하기표 1에 요약되어 있다.4 (a), the peaks are divided into four different types of carbon in graphene oxide. This is sp 2 hybridization CC at 284.5 eV, C-OH at 285.2 eV, COC at 286.4 eV, and HO-C = O at 288.1 eV, summarized in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

도 4(b), (c), (d)와 (e)는 그래핀 옥사이드와 붕산의 열 분해를 이용해 합성된 B-Gr의 XPS 파장을 보여준다. 도 4(b)는 B-Gr내의 C 1s , O 1s, 약한 강도의 B 1s 피크를 각각 284.5, 533, 192 eV에서 보여주고 있다. 도 4(c)는 C 1s의 주요 파장을 보여주는데, 5 가지 형태의 피크로 분할되어 있다. 이는, 283.7 eV 에서의 C-B, 284.5 eV 에서의 C=C, 285.4 eV 에서의 C-O, 286.1 eV 에서의 O-C-O, 그리고 287 eV 에서의 C=O이다. 또한, B-Gr내의 B 1s와 O 1s의 XPS 파장은 도 4(d)와 (e)에 분할되어 있다. 도 4(d)는 B-Gr 내의 B 1s에 대한 파장으로 188.9 eV 에서의 BC3(BsubstitutedintohexagonalCofgraphene), 190.7eV에서의 BC2O, 그리고 192.1 eV에서의 BCO2로 각각 분할되어 있다. 도 5(e)는 B-Gr 내의 O 1s에 대한 파장으로, 531.5 eV 에서의 O-C, 532.5 eV 에서의 O=C, 그리고 533.1 eV에서의 O-B로 각각 분할되어 있다. 결합 에너지들과 각각의 상대 강도는 하기 표 2에 정리되어 있다. 표 2를 보면 탄소를 치환해서 도입된 보론이 3.4 %인 것과 산화 작용기들이 남아 있는 것을 확인할 수 있다.Figures 4 (b), (c), (d) and (e) show the XPS wavelengths of B-Gr synthesized using thermal decomposition of graphene oxide and boric acid. FIG. 4 (b) shows the C 1s and O 1s in B-Gr and the B 1s peak of weak intensity at 284.5, 533 and 192 eV, respectively. FIG. 4 (c) shows the major wavelength of C 1s, which is divided into five types of peaks. This is CB at 283.7 eV, C = C at 284.5 eV, CO at 285.4 eV, OCO at 286.1 eV, and C = O at 287 eV. The XPS wavelengths of B 1s and O 1s in B-Gr are divided into Fig. 4 (d) and (e). Figure 4 (d) shows the wavelength for B 1s in B-Gr divided by BC 3 (BsuboundsintohexagonalCofgraphene) at 188.9 eV, BC 2 O at 190.7 eV, and BCO 2 at 192.1 eV, respectively. Fig. 5 (e) shows the wavelength for O1s in B-Gr, divided by OC at 531.5 eV, O = C at 532.5 eV, and OB at 533.1 eV, respectively. The bond energies and their relative intensities are summarized in Table 2 below. Table 2 shows that 3.4% of the boron introduced by substituting the carbon and the oxidation groups remain.

[표 2][Table 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

도 5(f)는 Pt-B-Gr 내의 백금 나노 입자의 71.2, 74.3 eV에서 측정되는 Pt 4f doublet (4f7/2,4f5/2)XPS파장을 보여주는데, 이는 기존의 71.4, 74.5 eV에서 측정되는 Pt (0)의 Pt 4f7/2,4f5/2[44]보다 조금 낮은 값이었다. 이는 그래핀과 보론이 4.45,4.48 eV 의 Pt (5.65 eV)보다 낮은 일 함수를 갖기 때문이며, 이는 그래핀 내의 π 전자가 그래핀 내의 보론에 의한 결함 부분과 결합하여 활성화된 결과로 활성화된 π 전자가 B-Gr 내의 보론으로 이동되었기 때문으로 추정된다. 즉, B-Gr 내의 보론으로의 전자 이동으로 인해 산화 상태에 있어 금속 상태의 백금의 함량이 증가할 수 있었으며, 이는 표 3에 정리되어 있다. 이전의 결과와 비교하여, Pt (0)의 상대 강도는 Pt-B-Gr에서 8 % 상승하였다. Pt (0)의 함량이 증가하는 것은 촉매 활성 증가 측면에서 매우 중요한 요인으로 고가의 백금 함량을 줄일 수 있고 연료 전지 성능에서 가장 중요한 역할을 하는 cathode의 느린 산소 환원반응 (ORR)을 향상시킬 수 있기 때문에 전지 성능 향상에 매우 중요하다. 5 (f) shows the XPS wavelength of Pt 4f doublet (4f 7/2 , 4f 5/2 ) measured at 71.2 and 74.3 eV of platinum nanoparticles in Pt-B-Gr, It was slightly lower than Pt 4f 7/2 and 4f 5/2 [44] of Pt (0). This is because graphene and boron have a work function lower than that of Pt (5.65 eV) at 4.45 and 4.48 eV, which means that the pi electrons in graphene are activated by bonding with the boron- Is transferred to boron in B-Gr. In other words, the electron transport to the boron in the B-Gr could increase the amount of platinum in the metal state in the oxidized state, which is summarized in Table 3. Compared with the previous results, the relative strength of Pt (0) increased by 8% in Pt-B-Gr. The increase of Pt (0) content is a very important factor in the increase of catalytic activity. It can reduce the expensive platinum content and improve the slow oxygen reduction reaction (ORR) of cathode which plays the most important role in fuel cell performance Therefore, it is very important to improve battery performance.

[표 3][Table 3]

Figure pat00004
Figure pat00004

(2) 열중량 분석(TGA)(2) Thermogravimetric analysis (TGA)

TGA를 통해 그래핀 옥사이드와 Pt-B-Gr 내의 O와 백금 함량을 확인할 수 있었다. 도 6(a)는 그래핀 옥사이드의 분석 결과로, 흡수되었던 물 분자가 제거되면서 100℃ 에서 6.5%, 이후 200℃ 에서 산화 작용기의 제거로 인한 29%의 중량감소를 확인할 수 있었다. 도 6(a)의 그래핀 옥사이드와는 달리, 도 6(b)에서는 100℃ 에서 물 분자의 제거로 인한 중량 감소가 1% 밖에 확인되지 않았으며, 이후 518℃ 에서 60%에서 B-Gr 시트의 분해로 인해 중량 감소가 확인되었다. 이를 통해, Pt-B-Gr내의 백금 함량은 39.0 wt.%라는 것을 측정할 수 있었다.Through TGA, O and platinum contents in graphene oxide and Pt-B-Gr were confirmed. FIG. 6 (a) shows that graphene oxide was reduced by 6.5% at 100 ° C. and then decreased by 29% at 200 ° C. due to the elimination of oxidizing functional groups, as water molecules that were absorbed were removed. In contrast to the graphene oxide of FIG. 6 (a), in FIG. 6 (b), only 1% reduction in weight due to the removal of water molecules at 100.degree. C. was confirmed, Weight loss was confirmed. As a result, the platinum content in Pt-B-Gr was measured to be 39.0 wt.%.

(3) 푸리에 변환 자외선 분석(FT-IR)(3) Fourier transform ultraviolet ray analysis (FT-IR)

그래핀 옥사이드, B-Gr, Pt-B-Gr의 표면 작용기를 규명하기 위해 FT-IR을 진행하였으며 그 결과가 도 7에 나타내었다. 그래파이트의 산화를 통해 합성된 그래핀 옥사이드의 경우, 3400 cm-1에서 hydroxyl (OH), 1728 cm-1에서 carbonyl/carboxyl (C=O), 1625 cm-1에서 aromatics (C=C), 1384 cm-1에서 carboxyl (C-O), 1262 cm-1에서 epoxy (C-O), 1088 cm-1에서 alkoxy (C-O)를 각각 확인할 수 있었으며, 이는 도 7(b)에 나타나있다. 보론을 도펀트로 도핑한 경우는 도 7(c)를 보면, 산화 작용기의 강도가 그래핀 옥사이드에 비해 현저히 감소한 것을 확인할 수 있었는데, 이는 열 분해를 통해 그래핀 옥사이드에 보론을 도핑시키는 과정에서 환원이 동시에 일어났기 때문이다. 1105 cm-1에서 B-C와 C-O의 약한 파장이 겹쳐져서 측정되었다. 백금을 담지하는 중 백금 전구체의 환원 과정에서 잔존 산화 작용기의 추가적인 환원이 진행되어 파장의 강도가 낮아진 것을 확인할 수 있었다.FT-IR was performed to identify the surface functional groups of graphene oxide, B-Gr, and Pt-B-Gr, and the results are shown in FIG. In the case of the graphene oxide synthesized by the oxidation of graphite, 3400 cm -1 hydroxyl (OH) , carbonyl / carboxyl (C = O) at 1728 cm -1, aromatics (C = C) at 1625 cm -1, at 1384 in cm -1 at the carboxyl (CO), 1262 cm -1 in the epoxy (CO), 1088 cm -1 had to read alkoxy (CO), respectively, which are also shown in 7 (b). When boron was doped with a dopant, it was confirmed that the intensity of the oxidizing group was significantly reduced as compared with that of graphene oxide in FIG. 7 (c). This shows that in the process of doping graphene oxide with boron through thermal decomposition, It happened at the same time. At 1105 cm -1 , the weak wavelengths of BC and CO were overlapped and measured. It was confirmed that the intensity of the wavelength was reduced due to the progress of the further reduction of the remaining oxidizing functional groups during the reduction of the platinum precursor during the platinum loading.

(4) 라만 분광기 분석(4) Raman spectroscopy analysis

그래핀 옥사이드, B-Gr, Pt-B-Gr의 라만 분광결과를 보면 2 가지의 특징적인 피크인 D-band와 G-band가 1345, 1590 cm-1에서 측정되었다. G-band는 sp2-C원자이평면 결합 접선의 연장 형태의 E2g포논들에 의해 발생한다. D-band ("D=무질서한" band)는 그래핀 층 내의 sp2-ring들의 결합각 무질서, 결합 길이 무질서, 혼성화 등의 결합으로 인한 상호 작용에 의해 발생하는데, 이는 다른 원자가 도핑되면서 발생한 구조적 결함에 의한 것이다. 이는 도 8에 보여지며 상대 강도 비인 ID/IG가 1 보다 클수록 도핑된 원자로 이한 결함 부위가 많다는 것을 의미한다.The Raman spectroscopic results of graphene oxide, B-Gr and Pt-B-Gr show two distinct peaks, D-band and G-band, measured at 1345 and 1590 cm -1 . The G-band is generated by E 2g phonons in which the sp 2 -C atom is an extension of the plane-coupled tangent. The D-band ("D = disordered" band) is caused by the interaction of the sp 2 -rings in the graphene layer due to bonding angles, bond length disorder, hybridization, etc., . This is shown in FIG. 8, which means that as the relative intensity ratio I D / I G is greater than 1, the doped atomic defect sites are more numerous.

(5) TEM 분석 및 입자 크기 분포 분석(5) TEM analysis and particle size distribution analysis

도 9(a)는 Pt-B-Gr의 입도 분포를 보여주는 TEM 사진이다. 이를 통해 2~3 ㎚ 크기의 백금 나노 입자들이 균일하게 퍼져있는 것과 일부 응집된 것을 확인할 수 있었으며, 도 9(b)를 통해 입도 분석 결과를 정리하였다. 도 9(c)의 경우, 10 nm에서 50 nm 크기의 카본 블랙 입자가 그래핀 나노 시트 사이에 삽입되어 있는 것을 보여준다. 측정된 백금 나노 입자의 평균 입자 크기는 2.40 nm였는데, 이는 Scherrer equation을 통해 계산된 결과와 유사하다.9 (a) is a TEM photograph showing the particle size distribution of Pt-B-Gr. As a result, it was confirmed that the platinum nanoparticles having a size of 2 to 3 nm were uniformly dispersed and partially agglomerated, and the particle size analysis results were summarized through FIG. 9 (b). In the case of Fig. 9 (c), carbon black particles of 10 nm to 50 nm in size are inserted between graphene nanosheets. The average particle size of the measured platinum nanoparticles was 2.40 nm, which is similar to the result calculated using the Scherrer equation.

실험예 2. 전기화학적 특성 측정Experimental Example 2. Measurement of electrochemical characteristics

(1) CV 측정 결과(1) CV measurement result

다양한 Pt-B-Gr/CBx (x = 0.0, 0.2, 0.3, 0.4) 촉매의 전기화학적 활성 면적 측정을 위해 CV를 측정하여 Pt-C와 비교하였으며 그 결과를 도 10에 나타내었다.The electrochemical activity area of various Pt-B-Gr / CBx (x = 0.0, 0.2, 0.3, 0.4) catalysts was measured and compared with Pt-C. The results are shown in FIG.

실험 방법에서 기술한 대로, 다른 함량의 카본 블랙이 재적층을 막기 위해 Pt-B-Gr에 삽입되었다. Pt-B-Gr/CBx (x = 0.0, 0.2, 0.3, 0.4)의 전기화하적 활성 면적은 수소 흡착 면적과 이중층 충전 전류를 통해 다음의 식으로 계산되었다.As described in the experimental method, different contents of carbon black were inserted in the Pt-B-Gr to prevent re-deposition. The electrochemical active area of Pt-B-Gr / CBx (x = 0.0, 0.2, 0.3, 0.4) was calculated by the following equation through hydrogen adsorption area and double layer charge current.

[수식 2][Equation 2]

Figure pat00005
Figure pat00005

Pt-C, Pt-B-Gr, Pt-B-Gr/CB0.2, Pt-B-Gr/CB0.3, Pt-B-Gr/CB0.4의 전기화학적 활성 면적은 각각 46.6, 41.6, 77.9, 91.7, 51.1 m2g-1로 측정되었다. 이를 통해 카본 블랙 삽입량이 30 wt.%까지 증가할수록 전기화학적 활성 면적이 증가하는 것을 확인할 수 있었다 (i.e. Pt-B-Gr/CB0.3). 30 wt.%이상에서, 오히려 전기화학적 활성 면적이 감소하였다. 이는 상대적으로 큰 카본 블랙 입자가 부분적을 백금 입자를 가로막게 되면서 일어난 결과로 추정된다. 또한, 400, 800, 1200 회의 순환 전류 측정을 통해 다양한 촉매들의 내구성을 측정한 결과가 도 11에 도시하였다.The electrochemically active areas of Pt-C, Pt-B-Gr, Pt-B-Gr and CB0.2, Pt-B-Gr and CB0.3, and Pt- 77.9, 91.7, 51.1 m < 2 > g < -1 & gt ;. As a result, it was confirmed that the electrochemically active area increases as the carbon black insertion amount increases to 30 wt.% (Ie, Pt-B-Gr / CB0.3). At 30 wt.% Or more, the electrochemically active area decreased. This is presumed to be the result of relatively large carbon black particles partially blocking the platinum particles. In addition, the results of measuring the durability of various catalysts by measuring the circulation currents of 400, 800, and 1200 cycles are shown in FIG.

이 결과를 통해 카본 블랙의 삽입이 촉매 내구성을 향상시킨 것을 확인할 수 있었다. 도 11의 Pt-B-Gr/CB0.2와 Pt-B-Gr/CB0.3를 보면, 1200 회 순환 전류 측정 이후의 전기화학적 활성 면적은 초기에 비해 각각 10.2, 9.8 % 밖에 감소하지 않았다. 카본 블랙이 백금 나노 입자간의 응집을 방지했기에 이러한 결과가 나타났다고 추정된다. 이와 달리, 전기화학적 활성 면적이 초기에 비해 Pt-B-Gr은 45.3 % 감소했으며, Pt-B-Gr/CB0.4은 21.8 % 감소하였다. Pt-B-Gr/CB0.4의 경우, 전기화학적 활성 면적 감소는 상대적으로 큰 카본 블랙 입자가 백금을 가로막게 되면서 일어난 결과로 추정된다. 초기 Pt-C의 전기화학적 활성 면적은 46.6 m2g-1로 Pt-B-Gr보다 조금 크지만, 1200 번의 순환 전류 측정 후에는 오히려 Pt-B-Gr 보다 더 작았다.From these results, it was confirmed that the insertion of carbon black improved the catalyst durability. In the Pt-B-Gr / CB0.2 and Pt-B-Gr / CB0.3 of FIG. 11, electrochemically active areas after 1200 cycles of circulating current measurement were reduced by only 10.2 and 9.8%, respectively. It is presumed that carbon black inhibited the aggregation of platinum nanoparticles. In contrast, the electrochemically active area decreased by 45.3% in Pt-B-Gr and decreased by 21.8% in Pt-B-Gr / CB0.4. In the case of Pt-B-Gr / CB0.4, the electrochemically active area reduction is presumably the result of the relatively large carbon black particles being trapped by platinum. The electrochemically active area of the initial Pt-C was 46.6 m 2 g -1 which was slightly larger than Pt-B-Gr, but smaller than Pt-B-Gr after 1200 circulating current measurements.

(2) 순환 전류 측정 횟수에 따른 전기화학적 활성 면적 측정(2) Measurement of electrochemical active area according to the number of times of circulating current measurement

앞서 실험 방법에서 기술한 바대로 상용 Pt-C와 Pt-B-Gr/CBx (x = 0.0, 0.2, 0.3, 0.4) 촉매를 사용하여 각각 양극과 음극 촉매잉크를 제작하였다. 다양한 막 전극 복합체를 제작하여 100% 상대 습도 조건에서 전지 성능을 평가하였다. 이는 도 12에 나타나 있으며 카본 블랙 삽입을 통해 전지 성능이 월등하게 향상된 것을 확인할 수 있었다. 0.6 V에서 전압 밀도는 Pt-B-Gr/CBx (x = 0.0, 0.2, 0.3, 0.4)를 사용한 경우, 각각 0.37, 0.70, 0.83, 0.40 A cm-2인 반면, 상용Pt-C 촉매를 사용한 경우, 0.6 V 에서0.05 A cm-2의 전류밀도가 측정되었다. 그러나 카본 블랙 입자의 양이 일정양을 넘어가게 되면, 카본 블랙 입자는 그래핀 시트 사이에서 백금 입자를 가로막게 된다. 이러한 카본 블랙의 부분적인 가리움으로 인해 백금 나노 입자의 활성 면적이 감소하며 음극 반응을 저하하게 된다. Pt-B-Gr/CB0.4의 전기화학적 활성 면적 감소가 Pt-B-Gr/CB0.2와 Pt-B-Gr/CB0.3의 활성 면적 감소에 큰 차이가 있는 이유가 바로 앞서 말한 바에 있다. 게다가, Pt-B-Gr/CB0.4의 전지 성능을 보면 낮은 전류 밀도에서 Pt-B-Gr/CB0.2보다 성능이 떨어지는 것은 백금 입자의 활성 면적을 음극 반응에 제대로 활용하지 못하기 때문이다. 그러나 높은 전류 밀도에서는 Pt-B-Gr/CB0.4가 오히려 Pt-B-Gr/CB0.2보다 높은 전지 성능을 보여준다. 이는 더 많은 카본 블랙 함량이 더 큰 기공을 제공하여 물질 전달을 원활히 하였기 때문으로 추정된다. The anode and cathode catalyst inks were prepared using commercial Pt-C and Pt-B-Gr / CBx (x = 0.0, 0.2, 0.3, 0.4) catalysts as described in the previous experimental method. A variety of membrane electrode assemblies were fabricated to evaluate cell performance at 100% relative humidity. This is shown in FIG. 12, and it was confirmed that the battery performance was improved remarkably by carbon black insertion. The voltage densities at 0.6 V were 0.37, 0.70, 0.83 and 0.40 A cm -2 , respectively, when using Pt-B-Gr / CBx (x = 0.0, 0.2, 0.3 and 0.4) , A current density of 0.6 A to 0.05 A cm -2 was measured. However, when the amount of the carbon black particles exceeds a certain amount, the carbon black particles block the platinum particles between the graphene sheets. This partial shrinkage of the carbon black reduces the active area of the platinum nanoparticles and degrades the negative electrode reaction. The reason why the decrease in the electrochemical active area of Pt-B-Gr / CB0.4 is greatly different from the decrease in the active area of Pt-B-Gr / CB0.2 and Pt-B-Gr / CB0.3 have. In addition, the performance of Pt-B-Gr / CB0.4 is lower than that of Pt-B-Gr / CB0.2 at low current density because the active area of platinum particles is not utilized properly for the cathode reaction . However, Pt-B-Gr / CB0.4 shows higher cell performance than Pt-B-Gr / CB0.2 at high current density. This is presumably because more carbon black content provides larger pores to facilitate mass transfer.

보론 도핑의 효과를 확인하기 위해, Pt-B-Gr를 사용한 전지 성능과 Pt-G를 사용한 이전의 전지 성능 결과를 0.6 V에서 전류밀도를 비교하였다. Pt-B-Gr를 사용한 경우, 0.6 V에서 0.37 A cm-2의 전류 밀도를 보인 반면, 이전 실험 결과는 0.036 A cm-2의 전류 밀도를 보였다. 보론의 도핑량에 따른 전지 성능 차이를 비교하기 위해 각각의 MEA를 제작하였다. To confirm the effect of boron doping, the cell performance using Pt-B-Gr and the previous cell performance results using Pt-G were compared at 0.6 V current density. In the case of using Pt-B-Gr, the current density was 0.37 A cm -2 at 0.6 V, whereas the previous experiment showed a current density of 0.036 A cm -2 . Each MEA was fabricated to compare cell performance differences with the doping amount of boron.

전반적 결과 해석 결과, 성능 향상은 그래핀의 전자가 보론으로 전이되면서 보론이 백금 나노 입자로 전자를 전달한 것과 카본 블랙의 삽입을 통한 활면적 확장에 의한 결과로 추정된다.As a result of the analysis of the overall results, it was estimated that the enhancement of the performance was due to the transfer of electrons from the graphene electron to the boron, boron to the platinum nanoparticle, and the expansion of the active area through the insertion of carbon black.

한편, 도 13은 단일 전지에 대한 저항을 Nyquist plot으로 표현한 것으로, 고주파수 영역과의 폭인 Z'real이 전체 저항을 나타낸다. 또한 반원의 직경은 전하 이동 저항으로, 음극 촉매 특성과 음극의 산소 환원 반응에 기인하여 측정된다. 이는, 더 작은 직경의 반원의 음극 촉매가 더 작은 저항을 가진 것을 의미하며 해당 결과는 하기 표 4에 정리되어 있다. 표를 통해 살펴보면, Pt-B-Gr/CBx 촉매의 전하 이동 저항은 x가 0.0에서 0.3으로 증가하면서 감소하는 경향을 보이는 반면, Pt-B-Gr/CB0.4의 경우에는 오히려 저항이 증가하였다. 이는 도 12의 전지 성능 결과와 일치한다. 도 12를 보면, Pt-B-Gr/CB0.4 촉매가 낮은 전압에서 낮은 전류 밀도를 보이는데, 이는 느린 음극 반응 때문으로 추정되지만, 전체 전지 성능은 2번째로 높은 저류 밀도를 가진다. 이는 물질 전달이 원활했기 때문이라고 추정된다.Meanwhile, FIG. 13 shows the resistance of a single cell in a Nyquist plot, where Z ' real, which is the width of the high frequency region, represents the total resistance. The diameter of the semicircle is the charge transfer resistance, which is measured due to the characteristics of the anode catalyst and the oxygen reduction reaction of the cathode. This means that a smaller diameter semicircular cathode catalyst has a smaller resistance and the results are summarized in Table 4 below. As shown in the table, the charge transfer resistance of Pt-B-Gr / CBx catalyst tends to decrease while x increases from 0.0 to 0.3, while resistance to Pt-B-Gr / CB0.4 increases . This is consistent with the cell performance results of FIG. Referring to FIG. 12, the Pt-B-Gr / CB0.4 catalyst exhibits a low current density at low voltage, presumably due to a slow cathodic reaction, but the overall cell performance has the second highest storage density. This is presumably due to the smooth transfer of the substance.

[표 4][Table 4]

Figure pat00006
Figure pat00006

실험예 3. 실험결과Experimental Example 3. Experimental Result

상술한 실험결과를 요약하면, FT-IR, 라만 분광, XPS 분석을 통해 보론이 그래핀 내에 효과적으로 도핑 된 것을 확인할 수 있었다. 백금보다 낮은 일 함수를 갖는 그래핀과 보론으로 인해 XPS 분석에서 Pt 4f 피크가 조금 낮은 결합 에너지로 전이된 것을 확인할 수 있었으며, 이는 전자가 그래핀에서 보론으로, 그리고 보론에서 백금으로 이동한 결과이다. 전기화학적 활성 면적은 Pt-B-Gr, Pt-B-Gr/CB0.2, Pt-B-Gr/CB0.3의 경우, 카본 블랙의 함량이 증가하면서 각각 41.6, 77.9, 91.7 m2g-1로 증가하였지만, Pt-B-Gr/CB0.4의 경우에는 너무 많은 카본 블랙 입자들로 인해 백금 입자가 가로 막혀 51.1 m2g-1로 보다 작은 전기화학적 활성 면적이 측정되었다. 다양한 촉매 (Pt-B-Gr/CBx, x = 0.0, 0.2, 0.3, 0.4)에 대해 400, 800, 1200회 순환 전류를 통해 측정된 전기 화학적 활성 면적의 경우, 카본 블랙의 삽입량에 따라 내구성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 카본 블랙을 통해 백금 입자의 응집과 그래핀 나노 시트의 재적층을 방지할 수 있었기 때문이다. 전지 성능 측정 결과, 보론 도핑과 카본 블랙 삽입의 효과가 합해져 성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 특히, Pt-B-Gr/CBx (i.e. x = 0.2, 0.3)를 통해 카본 블랙의 양이 30 wt.% 이하인 경우, 성능이 대폭 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 과량의 카본 블랙을 삽입한 경우 (i.e. Pt-B-Gr/CB0.4)에는 오히려 카본 블랙이 백금을 가로막아 활성 면적이 감소하게 되면서 산소 환원 반응이 둔화되지만, 물질 교환은 활발해져 높은 전류 밀도를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
Summarizing the above experimental results, it was confirmed that boron was effectively doped into graphene through FT-IR, Raman spectroscopy, and XPS analysis. The XPS analysis showed that the Pt 4f peak shifted to a slightly lower binding energy due to graphene and boron having a lower work function than platinum, as a result of electron transfer from graphene to boron and from boron to platinum . The electrochemically active area of Pt-B-Gr, Pt- B-Gr / CB0.2, Pt-B-Gr / CB0.3 for, respectively, while the amount of carbon black increased 41.6, 77.9, 91.7 m 2 g - 1 , but in the case of Pt-B-Gr / CB0.4, platinum particles were blocked due to too much carbon black particles and a smaller electrochemically active area was measured at 51.1 m 2 g -1 . The electrochemically active area measured by cyclic currents of 400, 800 and 1200 cycles for various catalysts (Pt-B-Gr / CBx, x = 0.0, 0.2, 0.3 and 0.4) As shown in FIG. This is because carbon black can prevent aggregation of platinum particles and reattachment of graphene nanosheets. As a result of the measurement of the cell performance, it was confirmed that the effects of boron doping and carbon black insertion were improved and the performance was improved. Particularly, when the amount of carbon black was 30 wt.% Or less, the performance was remarkably improved by Pt-B-Gr / CBx (ie, x = 0.2, 0.3). In addition, when an excessive amount of carbon black is inserted (that is, Pt-B-Gr / CB0.4), carbon black interferes with platinum to reduce the active area, thereby slowing the oxygen reduction reaction. However, .

이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의될 것이다. Having described specific portions of the present invention in detail, it will be apparent to those skilled in the art that this specific description is only a preferred embodiment and that the scope of the present invention is not limited thereby. It will be obvious. Accordingly, the actual scope of the invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (10)

금속 촉매 물질을 담지한 보론(boron)이 도핑된 그래핀(graphene) 시트에, 상기 그래핀 시트의 재적층을 방지하기 위해 스페이서(spacer)를 도입한 연료전지용 복합촉매.
A composite catalyst for a fuel cell, wherein a spacer is introduced into a graphene sheet doped with boron on which a metal catalyst material is supported, to prevent re-deposition of the graphene sheet.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 촉매 물질은 Pt, Pd, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb 및 La로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 및 상기 금속을 포함하는 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the metal catalyst material comprises at least one metal selected from the group consisting of Pt, Pd, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb and La and a metal oxide comprising the metal Wherein the catalyst is at least one member selected from the group consisting of a catalyst and a catalyst.
제 1 항에 있어서,
상기 스페이서는 탄소 나노 튜브(carbon nano tube), 카본블랙(carbon black, CB), 탄소 분자체 (carbon molecular sieve)에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the spacer is selected from a carbon nano tube, a carbon black, and a carbon molecular sieve.
제 1 항에 있어서,
상기 스페이서는 카본블랙(carbon black, CB)이고, 1wt.% 내지 30wt.%로 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the spacer is carbon black (CB), and is contained in an amount of 1 wt% to 30 wt%.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 복합촉매를 포함하는 전극이 포함된 연료전지.
A fuel cell comprising an electrode comprising the composite catalyst of any one of claims 1 to 4.
(1) 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 제조하는 단계와,
(2) 상기 그래핀 옥사이드에 보론(boron)을 도핑하는 단계와,
(3) 상기 보론이 도핑된 그래핀 옥사이드에 금속 촉매 물질을 담지하는 단계와,
(4) 상기 금속 촉매 물질이 담지된 그래핀 옥사이드에 스페이서(spacer)를 동입하는 단계를 포함하는 연료전지용 복합촉매 제조방법.
(1) preparing graphene oxide; and
(2) doping the graphene oxide with boron,
(3) supporting the metal catalyst material on the boron-doped graphene oxide,
(4) a step of injecting a spacer into the graphene oxide carrying the metal catalyst material.
제 6 항에 있어서,
상기 (3)단계에서 금속 촉매 물질은 Pt, Pd, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb 및 La로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 및 상기 금속을 포함하는 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합촉매 제조방법.
The method according to claim 6,
The metal catalyst material may be at least one metal selected from the group consisting of Pt, Pd, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb and La, Wherein the catalyst is at least one selected from the group consisting of oxides, nitrides, and oxides.
제 6 항에 있어서,
상기 (4)단계에서 스페이서는 탄소 나노 튜브(carbon nano tube), 카본블랙(carbon black, CB)에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합촉매 제조방법.
The method according to claim 6,
In the step (4), the spacer is selected from a carbon nano tube, carbon black, and CB.
제 6 항에 있어서,
상기 (4)단계에서 상기 스페이서는 카본블랙(carbon black, CB)이고, 1wt.% 내지 30wt.%로 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합촉매 제조방법.
The method according to claim 6,
In the step (4), the spacer is carbon black (CB) and is contained in an amount of 1 wt% to 30 wt%.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 연료전지용 복합촉매.A composite catalyst for a fuel cell produced by the production method of any one of claims 6 to 9.
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