KR20170037778A - Oxidation catalyst for fuel cell, manufacturing method of the oxidation catalyst and fuel cell including the oxidation catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지용 산화촉매, 이의 제조방법 및 상기 산화촉매를 포함하는 연료전지에 관한 것이다. The present invention relates to an oxidation catalyst for a fuel cell, a method for producing the same, and a fuel cell including the oxidation catalyst.
연료전지는 연료에 저장된 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 일반적으로 연료전지는 전기적으로 충진된 이온을 도전시키도록 작용하는 전해질막, 전극(연료극 및 공기극) 및 집전체의 기능을 하는 분리판을 포함한다.Fuel cells are devices that convert chemical energy stored in fuel directly into electrical energy by electrochemical reaction. Generally, a fuel cell includes an electrolyte membrane which functions to conduct electrically charged ions, an electrode (anode and cathode), and a separator functioning as a current collector.
상기 전극은 연료전지용 촉매로 이루어진 촉매층과, 촉매층을 지지해 주는 지지체로 구성되어 있다. 구체적으로, 전극 중 연료극은 산화촉매로 형성된 촉매층을 포함하며, 산화촉매는 연료를 산화하는데 작용하여 수소이온, 전자 등을 생성한다. 이렇게 생성된 수소이온과 전자는 각각 고분자전해질 막과 외부회로를 통해 공기극으로 이동한다. 공기극에서는 공기극에 공급된 산소가 수소이온 및 전자와 반응하여 물을 생성하고, 반응결과로 전위차를 발생시키게 된다. 이와 같은 연료전지의 특성상 발전 성능 및 효율은 산화촉매의 활성에 매우 큰 영향을 받는다. The electrode comprises a catalyst layer made of a catalyst for a fuel cell and a support for supporting the catalyst layer. Specifically, the fuel electrode in the electrode includes a catalyst layer formed of an oxidation catalyst, and the oxidation catalyst acts to oxidize the fuel to generate hydrogen ions, electrons, and the like. The hydrogen ions and electrons thus generated move to the air electrode through the polymer electrolyte membrane and the external circuit, respectively. In the air electrode, oxygen supplied to the air electrode reacts with hydrogen ions and electrons to generate water, and a potential difference is generated as a result of the reaction. Due to the characteristics of such a fuel cell, the generation performance and efficiency are greatly influenced by the activity of the oxidation catalyst.
일반적으로 산화촉매로 백금(Pt)이 많이 이용되고 있다. 그러나, 백금 산화촉매는 반응중간체인 일산화탄소(CO)에 의해 피독되기 쉬워 이를 해결하는 기술 개발의 필요성이 증대되고 있으며, 고가이기 때문에 이의 사용량을 저감하면서도 활성도를 높이고자 하는 노력이 증가하고 있다.In general, platinum (Pt) is widely used as an oxidation catalyst. However, the platinum oxidation catalyst is liable to be poisoned by carbon monoxide (CO), which is a reaction intermediate. Therefore, there is an increasing need to develop a technology for solving the problem, and efforts to increase the activity while reducing the amount thereof are increasing.
본 발명의 하나의 목적은 촉매독의 생성을 방지하고, 직접경로의 산화반응이 일어나며, 촉매의 효율이 우수하여 백금의 사용양을 저감할 수 있는 연료전지용 산화촉매, 이의 제조방법 및 상기 산화촉매를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an oxidation catalyst for a fuel cell capable of preventing the formation of catalyst poisons, oxidizing a direct path, and reducing the amount of platinum used because of excellent catalytic efficiency, And a fuel cell.
본 발명의 일 구현예는 탄소계 담체; 상기 탄소계 담체에 담지된 금(Au) 나노 코어; 및 상기 금 나노 코어 상에 백금(Pt) 및 산화속도촉진 원소가 비가역 흡착된 쉘; 을 포함하는 비가역 흡착된 연료전지용 산화촉매에 관한 것이다. One embodiment of the present invention relates to a carbon-based carrier; A gold (Au) nanocore supported on the carbon-based support; And a platinum (Pt) and an oxidation rate promoting element irreversibly adsorbed on the gold nanocore; To an oxidation catalyst for an irreversibly adsorbed fuel cell.
상기 탄소계 담체는 카본블랙, 활성탄소체, 카본나노튜브, 탄소섬유, 플러렌 및 그래핀 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The carbon-based carrier may include at least one of carbon black, activated carbon, carbon nanotube, carbon fiber, fullerene and graphene.
상기 금(Au) 나노 코어는 평균입경이 1nm 내지 100nm일 수 있다. The gold (Au) nanocore may have an average particle diameter of 1 nm to 100 nm.
상기 비가역 흡착된 백금(Pt)의 함량은 연료전지용 산화촉매 중 0.04 중량% 내지 60 중량% 일 수 있다.The content of the irreversibly adsorbed platinum (Pt) may be 0.04 wt% to 60 wt% of the oxidation catalyst for a fuel cell.
상기 쉘은 상기 금 나노 코어 상에 백금 및 산화속도촉진 원소가 비가역 공흡착된 것인 단층쉘일 수 있다.The shell may be a single layer shell in which platinum and an oxidation rate promoting element are irreversibly adsorbed on the gold nanocore.
상기 쉘은 다층쉘 구조를 가지며, 상기 금 나노 코어 상에 백금이 비가역 흡착된 내부쉘 및 상기 내부쉘 상에 산화속도촉진 원소가 비가역 흡착된 외부쉘을 포함할 수 있다.The shell may have a multi-layered shell structure, and may include an inner shell on which the platinum is irreversibly adsorbed on the gold nanocore, and an outer shell on which the oxidation rate promoting element is irreversibly adsorbed.
상기 산화속도촉진 원소는 루테늄(Ru), 구리(Cu), 은(Ag), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 셀렌(Se) 및 텔루륨(Te)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The oxidation rate promoting element may be at least one selected from the group consisting of Ru, Cu, Ag, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, , Selenium (Se), and tellurium (Te).
본 발명의 다른 구현예는 금 나노 코어를 탄소계 담체에 담지하는 담지체 제조 단계; 및 상기 금 나노 코어 상에 백금(Pt)을 비가역 흡착하여 쉘을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 쉘 제조 단계는 상기 금 나노 코어 상에 백금 및 산화속도촉진 원소를 비가역 공흡착하여 단층쉘을 제조하는 것; 또는 상기 금 나노 코어 상에 백금을 비가역 흡착하여 내부쉘을 형성하고, 상기 내부쉘 상에 산화속도촉진 원소를 비가역 흡착하여 외부쉘을 형성하여 다층쉘을 제조하는 것;을 포함하는 연료전지용 산화촉매 제조방법에 관한 것이다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a carbon nanotube, including: a carrier preparation step of supporting a gold nanocore on a carbon carrier; And forming a shell by irreversibly adsorbing platinum (Pt) on the gold nanocore, wherein the shell is formed by irreversibly adsorbing platinum and an oxidation rate promoting element on the gold nanocore to form a single layer shell Manufacturing; Or irreversibly adsorbing platinum on the gold nanocore to form an inner shell and irreversibly adsorbing an oxidation rate promoting element on the inner shell to form an outer shell to produce a multilayer shell, And a manufacturing method thereof.
상기 담지체 제조 단계는 평균입경이 1nm 내지 100nm인 금(Au) 나노 코어를 제조한 후, 탄소계 담체와 상기 금(Au) 나노 코어를 교반하여 담지하는 것을 포함할 수 있다.The method for preparing a support may include preparing a gold (Au) nanocore having an average particle size of 1 nm to 100 nm, and then carrying and supporting the carbon-based support and the gold (Au) nanocore.
상기 단층쉘을 제조하는 것은 상기 담지체와 백금이온용액 및 산화속도촉진 원소의 이온용액을 교반하여, 백금양이온 및 산화속도촉진 원소의 양이온을 상기 금속 나노 코어 상에 비가역 흡착한 후, 환원시키는 것일 수 있다.The preparation of the single-layered shell is carried out by stirring the carrier, an ionic solution of the platinum ion solution and the oxidation rate-promoting element with stirring, irreversibly adsorbing positive ions of the platinum cation and the oxidation rate-promoting element onto the metallic nanocore, .
상기 다층쉘을 제조하는 것은 상기 담지체와 백금이온용액을 교반하여 백금 양이온이 상기 금속 나노 코어 상에 비가역 흡착된 내부쉘을 형성하고, 상기 내부쉘이 형성된 담지체와 산화속도촉진 원소의 양이온을 교반하여 상기 산화속도 촉진 원소의 양이온이 비가역 흡착된 외부쉘을 형성하는 것일 수 있다.The multi-layered shell is produced by stirring the platinum ion solution with the carrier to form an inner shell irreversibly adsorbed on the metal nanocore by the platinum cation, and adsorbing the cation of the oxidation promoting element and the support on which the inner shell is formed Followed by stirring to form an outer shell of irreversibly adsorbed cations of the oxidation rate promoting element.
본 발명의 또 다른 구현예는 연료전지용 산화촉매가 지지체 상에 코팅된 연료극, 상기 연료극과 일면이 접합된 고분자 전해질막 및 상기 고분자 전해질막의 다른 면에 접합된 공기극을 포함하는 연료전지.Another embodiment of the present invention is directed to a fuel cell comprising an oxidizing catalyst for a fuel cell, comprising a fuel electrode coated on a support, a polymer electrolyte membrane bonded on one side with the fuel electrode, and an air electrode bonded on the other side of the polymer electrolyte membrane.
상기 고분자 전해질막은 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드(polyimide), 퍼플루오르 술폰산 폴리머(perfluorosulfonic acid polymer), 폴리술폰(polysulfone), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리에스테르(polyester) 또는 폴리포스파진(polyphosphazene) 중에서 적어도 1종을 포함할 수 있다.The polymer electrolyte membrane may be formed of a polymer selected from the group consisting of a hydrocarbon-based polymer, a polyimide, a perfluorosulfonic acid polymer, a polysulfone, a polyether sulfone, a polyester, or a polyphosphazene. And may include at least one species.
상기 연료극은 전술한 연료전지용 산화촉매를 포함하는 촉매잉크를 지지체 위에 코팅(Catalyst Coated Substrate, CCS)하여 형성되며, 상기 코팅방법은 전기도금법, 스프레이법, 페인팅법, 닥터블레이드법, 스크린프린팅법 중에서 적어도 1종을 포함할 수 있다.The anode may be formed by coating a catalyst ink containing the oxidation catalyst for a fuel cell on a support (Catalyst Coated Substrate (CCS)), and the coating method may be selected from electroplating, spraying, painting, doctor blade, And may include at least one species.
상기 연료전지는 수소연료전지, 메탄올 직접액체연료전지, 에탄올 직접액체연료전지, 개미산 직접액체 연료전지 및 디메틸에테르(DME) 직접액체 연료전지 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The fuel cell may include at least one of a hydrogen fuel cell, a methanol direct liquid fuel cell, an ethanol direct liquid fuel cell, a formic acid direct liquid fuel cell, and a dimethyl ether (DME) direct liquid fuel cell.
본 발명은 촉매독의 생성을 방지하고, 직접경로의 산화반응이 일어나며, 촉매의 효율이 우수하여 백금의 사용량을 저감할 수 있는 연료전지용 산화촉매, 이의 제조방법 및 상기 산화촉매를 포함하는 연료전지를 제공할 수 있다.The present invention relates to an oxidation catalyst for a fuel cell capable of preventing the formation of a catalyst poison, an oxidation reaction of a direct path, an efficiency of the catalyst being excellent and reducing the amount of platinum used, a method for producing the same, Can be provided.
도 1은 본 발명 하나의 구체예의 연료전지용 산화촉매를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명 다른 하나의 구체예의 연료전지용 산화촉매를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명 다른 구현예의 연료전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명 제조예 1의 담지체의 투과전자현미경 이미지이다.
도 5는 본 발명 실시예 1 및 비교예 1의 단위전지 성능 평가 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a view showing an oxidation catalyst for a fuel cell according to one embodiment of the present invention.
2 is a view showing an oxidation catalyst for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
3 is a schematic view showing the structure of a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
4 is a transmission electron microscope image of the support of Production Example 1 of the present invention.
5 is a graph showing the results of evaluating the performance of a unit cell according to Example 1 of the present invention and Comparative Example 1. Fig.
이하, 본 명세서에는 첨부한 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 더욱 상세히 설명하는 경우가 있다. 그러나 본 발명은 도면 및 하기 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 명세서에 기재된 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에 있어서, 각 영역들의 크기는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이며, 불필요한 부분은 생략되어 있다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the drawings and the following embodiments, but may be embodied in other forms. The embodiments described herein are provided so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. In the drawings, the sizes of the respective regions are exaggerated for the sake of clarity, and unnecessary portions are omitted. Further, like reference numerals designate like elements throughout the specification.
본 발명의 일 구현예는 탄소계 담체; 상기 탄소계 담체에 담지된 금(Au) 나노 코어; 및 상기 금 나노 코어 상에 백금(Pt) 및 산화속도촉진 원소가 비가역 흡착된 쉘; 을 포함하는 비가역 흡착된 연료전지용 산화촉매에 관한 것이다. 이러한 연료전지용 산화촉매는 촉매독의 생성을 방지하고, 직접경로의 산화반응을 촉진하며 촉매의 효율이 우수하여 백금의 사용량을 저감하는 효과를 구현한다.One embodiment of the present invention relates to a carbon-based carrier; A gold (Au) nanocore supported on the carbon-based support; And a platinum (Pt) and an oxidation rate promoting element irreversibly adsorbed on the gold nanocore; To an oxidation catalyst for an irreversibly adsorbed fuel cell. The oxidation catalyst for fuel cells prevents the generation of catalyst poisons, accelerates the oxidation reaction of the direct path, and achieves the effect of reducing the amount of platinum used because of excellent catalyst efficiency.
일반적으로, 백금계 촉매가 산화촉매로 작용할 경우 연료의 산화반응은 직접경로 및 간접경로의 두 가지 경로로 진행될 수 있다. In general, when a platinum-based catalyst acts as an oxidation catalyst, the oxidation reaction of the fuel can proceed through two routes, direct path and indirect path.
상기 간접경로는 연료와 백금계 촉매가 반응하여 촉매-일산화탄소 중간체(Pt-CO) 및 H2O를 생성하며, 상기 H2O와 백금계 촉매가 반응하여 촉매-수산기 중간체(Pt-OH), 양성자(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 상기 촉매-일산화탄소 중간체(Pt-CO)와 촉매-수산기 중간체(Pt-OH)가 반응하여, 이산화탄소(CO2), 양성자(H+) 및 전자(e-)를 생성하는 경로를 통해 진행된다. 그러나, 연료전지의 일반적인 작동 포텐셜 영역에서 수산기(-OH)는 백금계 촉매에 흡착이 잘 되지 않기 때문에, 이용되지 못한 촉매-일산화탄소 중간체(Pt-CO)가 연료극에 쌓이는 경우 피독되어 연료전지의 성능을 급격하게 저하시킨다.The indirect pathway is a reaction between the fuel and the platinum-based catalyst to produce catalyst-carbon monoxide intermediate (Pt-CO) and H 2 O. The H 2 O reacts with the platinum-based catalyst to form catalyst- (CO 2 ), protons (H + ), and protons (H + ) and electrons (e - ) are generated, and the catalyst-carbon monoxide intermediate (Pt- And electrons (e - ). However, since the hydroxyl group (-OH) in the general operation potential range of the fuel cell is not adsorbed to the platinum-based catalyst, when the unused catalyst-carbon monoxide intermediate (Pt-CO) .
반면, 직접경로는 연료를 곧 바로 이산화탄소(CO2), 양성자(H+) 및 전자(e-)로 전환시킬 수 있어, 피독이 없고, 반응속도가 우수하다.On the other hand, the direct path can convert the fuel directly into carbon dioxide (CO 2 ), protons (H + ) and electrons (e - ).
본 발명 일 실시예의 연료전지용 산화촉매는 상기 산화반응 중 직접경로를 통한 산화반응을 활성화하는 효과를 구현하며, 이를 통해 활성효율이 우수하고, 백금의 사용량을 저감할 수 있다. The oxidation catalyst for a fuel cell according to an embodiment of the present invention realizes an effect of activating an oxidation reaction through a direct path during the oxidation reaction, thereby achieving excellent activity efficiency and reducing the amount of platinum used.
일 실시예의 연료전지용 산화촉매는 탄소계 담체를 포함한다. 이러한 경우, 금(Au) 나노 코어를 표면에 담지하기에 유리한 효과가 있으며, 촉매의 안정성 및 이용성을 향상시킬 수 있다.The oxidation catalyst for a fuel cell of one embodiment includes a carbon-based carrier. In this case, there is an advantageous effect of supporting the gold (Au) nanocore on the surface, and the stability and usability of the catalyst can be improved.
상기 탄소계 담체는 카본블랙, 활성탄소체, 카본나노튜브, 탄소섬유, 플러렌 및 그래핀 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 금(Au) 나노 코어가 담지된 담지체의 제조가 간편한 특성이 있으며, 촉매의 안정성 및 이용성을 더욱 향상시킬 수 있다.The carbon-based carrier may include at least one of carbon black, activated carbon, carbon nanotube, carbon fiber, fullerene and graphene. In this case, the carrier having the gold (Au) nanocore supported thereon is easy to manufacture, and the stability and usability of the catalyst can be further improved.
상기 탄소계 담체의 함량은 예를 들면, 연료전지용 산화촉매 중 금 나노 코어 및 쉘의 무게를 제외한 잔량일 수 있다.The content of the carbon-based support may be, for example, the balance of the oxidation catalyst for a fuel cell excluding the weight of the gold nanocore and the shell.
일 실시예의 연료전지용 산화촉매는 상기 탄소계 담체에 담지된 금(Au) 나노 코어를 포함한다. 금 나노 코어는 코어 형태로 담체에 담지됨으로써 촉매의 표면적을 증가시키는 역할, 탄소계 담체와 쉘을 고정하는 역할 및 촉매의 안정성을 향상시키는 역할을 수행한다. 또한, 금 나노 코어는 백금 및 산화촉진 원소가 비가역흡착되는 접합점으로 작용한다.The oxidation catalyst for a fuel cell of one embodiment includes a gold (Au) nanocore supported on the carbon carrier. The gold nanocore is supported on the carrier in the form of a core to increase the surface area of the catalyst, to fix the carbon carrier and the shell, and to improve the stability of the catalyst. Also, the gold nanocore acts as a junction where irreversible adsorption of platinum and an oxidation promoting element occurs.
상기 금(Au) 나노 코어는 평균입경이 1nm 내지 100nm일 수 있다. 이러한 경우 촉매의 표면적을 증대시키고 촉매의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 비가역 흡착되는 백금의 양을 저감하면서도 활성을 우수한 수준으로 유지할 수 있다. 이러한 금 나노 코어는 예를 들면, 용매 중 금(Au) 화합물을 포함하는 용액을 환원시킴으로써 제조되는 것일 수 있다.The gold (Au) nanocore may have an average particle diameter of 1 nm to 100 nm. In this case, the surface area of the catalyst can be increased, the stability of the catalyst can be further improved, and the activity can be maintained at an excellent level while reducing the amount of irreversibly adsorbed platinum. Such a gold nanocore may be produced by, for example, reducing a solution containing a gold (Au) compound in a solvent.
일 실시예의 연료전지용 산화촉매에서, 상기 금(Au) 나노 코어의 함량은 연료전지용 산화촉매 중 0.01 중량% 내지 35 중량%, 예를 들면, 0.01 중량% 내지 25 중량%, 0.01 중량% 내지 15 중량% 일 수 있다. 이러한 경우, 촉매활성과 경제성의 균형이 우수할 수 있다.In the oxidation catalyst for a fuel cell according to an embodiment, the content of the gold (Au) nanocore is 0.01 to 35% by weight, for example, 0.01 to 25% by weight, 0.01 to 15% by weight, %. ≪ / RTI > In this case, the balance between the catalytic activity and the economical efficiency can be excellent.
일 실시예의 연료전지용 산화촉매는 상기 금 나노 코어 상에 백금(Pt)이 비가역 흡착된 쉘을 포함한다. 이를 통해, 상기 연료전지용 산화촉매는 산화반응에서 연료를 산화하는 효과를 구현하게 된다. 비가역 흡착은 강한 결합력을 구현하여 백금의 사용량을 저감하면서도 촉매활성을 우수한 수준으로 높일 수 있다. 또한, 상기 경우에서 전체적으로 촉매를 안정시키는 효과가 매우 우수할 수 있다.The oxidation catalyst for a fuel cell of one embodiment includes a shell on which iridium (Pt) is irreversibly adsorbed on the gold nanocore. Thus, the oxidizing catalyst for fuel cell realizes the effect of oxidizing the fuel in the oxidation reaction. The irreversible adsorption can realize a strong binding force so that the amount of platinum used can be reduced while the catalytic activity can be increased to an excellent level. In this case, the effect of stabilizing the catalyst as a whole can be very excellent.
일 실시예의 연료전지용 산화촉매는 백금 및 산화속도촉진 원소가 비가역 흡착된 쉘과 이러한 쉘이 금 나노 코어 상에 비가역 흡착된 담지체를 포함하며, 이러한 담지체는 안정성이 특히 우수하며 산화반응의 직접경로를 촉진하는 효과가 매우 우수하다.The oxidation catalyst for a fuel cell according to an embodiment includes an irreversibly adsorbed shell of platinum and an oxidation rate promoting element, and a carrier in which such a shell is irreversibly adsorbed on the gold nanocore. Such a carrier is particularly excellent in stability, The effect of promoting the path is very good.
일 실시예의 연료전지용 산화촉매에서, 상기 쉘은 상기 금 나노 코어 상에 백금 및 산화속도촉진 원소가 비가역 공흡착된 것인 단층쉘; 또는 상기 금 나노 코어 상에 백금이 비가역 흡착된 내부쉘 및 상기 내부쉘 상에 산화속도촉진 원소가 비가역 흡착된 외부쉘을 포함하는 다층쉘;로 형성될 수 있다. 이러한 단층쉘 및 다층쉘은 모두 백금 및 산화속도촉진 원소가 전술한 담지체의 금 나노 코어 상에 비가역 흡착된 것이며, 이를 통해 백금의 사용량을 저감하면서도 활성을 우수한 수준으로 높이고, 촉매를 안정시키는 효과를 향상시킬 수 있다.In an oxidation catalyst for a fuel cell according to an embodiment, the shell is a monolayer shell in which platinum and an oxidation rate promoting element are irreversibly co-adsorbed on the gold nanocore; Or a multi-layered shell including an inner shell on which the platinum is irreversibly adsorbed on the gold nanocore, and an outer shell on which the oxidation rate promoting element is irreversibly adsorbed on the inner shell. Both the single-layered shell and the multi-layered shell are irreversibly adsorbed on platinum and oxidation-rate-promoting elements on the gold nano-cores of the above-mentioned carrier. Through this, it is possible to increase the activity to an excellent level while reducing the amount of platinum, Can be improved.
하나의 구체예에서, 상기 쉘은 상기 금 나노 코어 상에 백금 및 산화속도촉진 원소가 비가역 공흡착된 것인 단층쉘일 수 있다. 이러한 경우, 촉매 활성도를 높이는 효과가 더욱 향상될 수 있다. 이러한 단층쉘을 포함하는 구체예의 연료전지용 산화촉매를 도 1에 나타내었다. 도 1을 참고하면, 연료전지용 산화촉매는 탄소계 담체(10) 상에 담지된 금 나노 코어(11)를 포함하고, 상기 금 나노 코어(11) 상에 백금(12) 및 산화속도촉진 원소(13)가 비가역 공흡착되어 형성된 단층쉘을 포함할 수 있다. In one embodiment, the shell may be a monolayer shell in which platinum and an oxidation rate promoting element are irreversibly co-adsorbed onto the gold nanocore. In this case, the effect of increasing the catalytic activity can be further improved. An oxidation catalyst for a fuel cell according to an embodiment including such a single-layered shell is shown in Fig. 1, an oxidation catalyst for a fuel cell includes a
다른 하나의 구체예에서 상기 쉘은 금 나노 코어 상에 백금이 비가역 흡착된 내부쉘 및 상기 내부쉘 상에 산화속도촉진 원소가 비가역 흡착된 외부쉘을 포함하는 다층쉘일 수 있다. 이러한 경우, 촉매 안정성을 높이는 효과가 더욱 향상될 수 있다. 이러한 다층쉘을 포함하는 구체예의 연료전지용 산화촉매를 도 2에 나타내었다. 도 2를 참고하면, 연료전지용 산화촉매는 탄소계 담체(10) 상에 담지된 금 나노 코어(11)를 포함하고, 상기 금 나노 코어(11) 상에 백금(12)이 비가역 흡착되어 형성된 내부쉘 및 상기 내부쉘 상에 산화속도촉진 원소(13)가 비가역 흡착되어 형성된 외부쉘을 포함할 수 있다. In another embodiment, the shell may be a multilayer shell comprising an inner shell on which platinum is irreversibly adsorbed on the gold nanocore and an outer shell on which the oxidation rate promoting element is irreversibly adsorbed. In this case, the effect of increasing the catalyst stability can be further improved. An oxidation catalyst for a fuel cell according to an embodiment including such a multi-layered shell is shown in Fig. 2, the oxidation catalyst for a fuel cell includes a
일 실시예의 연료전지용 산화촉매에서, 상기 비가역 흡착된 백금(Pt)의 함량은 연료전지용 산화촉매 중 0.04 중량% 내지 60 중량% 일 수 있다. 이러한 경우, 촉매활성이 더욱 우수하고 경제성과 촉매활성의 균형이 우수할 수 있다.In the oxidation catalyst for a fuel cell of one embodiment, the content of the irreversibly adsorbed platinum (Pt) may be 0.04 wt% to 60 wt% of the oxidation catalyst for a fuel cell. In this case, the catalytic activity is more excellent and the balance between the economical efficiency and the catalytic activity can be excellent.
상기 산화속도촉진 원소는 루테늄(Ru), 구리(Cu), 은(Ag), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 셀렌(Se) 및 텔루륨(Te)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 이러한 산화속도촉진 원소는 백금 및 금 나노 코어에 대한 비가역 흡착을 더욱 촉진할 수 있다. 또한, 상기 산화속도촉진 원소는 원료공급적인 측면에서 경쟁력이 우수할 뿐 아니라 산화반응 중 직접경로를 촉진하는 효과가 더욱 우수할 수 있다. 상기 예시의 산화속도촉진 원소는 1종을 단독으로 사용하거나 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The oxidation rate promoting element may be at least one selected from the group consisting of Ru, Cu, Ag, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, , Selenium (Se), and tellurium (Te). These oxidation rate promoting elements can further promote irreversible adsorption to platinum and gold nanocore. In addition, the oxidation rate-promoting element is not only excellent in competitiveness in terms of raw material supply, but also has an excellent effect of promoting direct path during the oxidation reaction. The oxidation rate promoting elements in the above examples may be used singly or in combination of two or more.
일 구체예에서, 상기 산화속도촉진 원소는 비스무트(Bi)일 수 있다. 이러한 경우, 백금의 사용량을 저감하는 효과가 더욱 향상될 수 있다.In one embodiment, the oxidation rate promoting element may be bismuth (Bi). In this case, the effect of reducing the amount of platinum used can be further improved.
본 발명의 다른 구현예는 전술한 연료전지용 산화촉매를 제조하는 방법에 관한 것이며, 구체적으로는 금 나노 코어를 탄소계 담체에 담지하는 담지체 제조 단계; 및 상기 금 나노 코어 상에 백금(Pt)을 비가역 흡착하여 쉘을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 쉘 제조 단계는 상기 금 나노 코어 상에 백금 및 산화속도촉진 원소를 비가역 공흡착하여 단층쉘을 제조하는 것; 또는 상기 금 나노 코어 상에 백금을 비가역 흡착하여 내부쉘을 형성하고, 상기 내부쉘 상에 산화속도촉진 원소를 비가역 흡착하여 외부쉘을 형성하여 다층쉘을 제조하는 것;을 포함한다.Another embodiment of the present invention relates to a method of manufacturing an oxidation catalyst for a fuel cell as described above, and more particularly, to a method of manufacturing a carrier for supporting a gold nanocore on a carbon carrier, And forming a shell by irreversibly adsorbing platinum (Pt) on the gold nanocore, wherein the shell is formed by irreversibly adsorbing platinum and an oxidation rate promoting element on the gold nanocore to form a single layer shell Manufacturing; Or irreversibly adsorbing platinum on the gold nanocore to form an inner shell, and irreversibly adsorbing an oxidation rate promoting element on the inner shell to form an outer shell to produce a multi-layered shell.
상기 연료전지용 산화촉매를 제조하는 방법에 대한 설명 중 연료전지용 산화촉매에 대한 내용은 전술한 바와 동일하다.The description of the method for producing the oxidation catalyst for a fuel cell is the same as that described above.
상기 담지체 제조 단계는 금(Au) 나노 코어를 제조한 후, 탄소계 담체와 상기 금(Au) 나노 코어를 교반하여 담지하는 것을 포함할 수 있다. 이를 통해, 탄소계 담체에 금 나노 코어가 담지된 담지체를 제조할 수 있다.The supporting body manufacturing step may include preparing a gold (Au) nanocore, and then carrying and supporting the carbon-based support and the gold (Au) nanocore. As a result, it is possible to prepare a carrier in which gold nanocore is supported on a carbon-based carrier.
구체적으로, 담지체 제조 단계는 금(Au) 나노 코어를 합성하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 금 나노 코어의 합성은 예를 들면, 금 전구체가 용해되어 있는 stock solution을 일정하게 교반하면서 환원제를 소량씩 첨가하여 원하는 크기의 금 나노 입자로 환원시키는 것일 수 있다. 금 전구체는 예를 들면, 염화금산(HAuCl4)일 수 있고, 환원제는 Na3C6H5O7 수용액 및 NaBH4 수용액 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 금 나노 코어의 수득율이 우수하고 입경 조절이 용이할 수 있다. Specifically, the carrier preparation step may include synthesizing a gold (Au) nanocore. The synthesis of such a gold nanocore may be, for example, reducing the gold nanoparticles of a desired size by adding a small amount of a reducing agent while uniformly stirring the stock solution in which the gold precursor is dissolved. The gold precursor may be, for example, chloroauric acid (HAuCl 4 ) and the reducing agent may be Na 3 C 6 H 5 O 7 Aqueous solution and Aqueous NaBH 4 solution. In this case, the yield of the gold nanocore is excellent and the particle size can be easily controlled.
상기 금(Au) 나노 코어의 평균입경은 예를 들면, 1nm 내지 100nm로 제어될 수 있다. 이러한 경우 촉매의 표면적을 증대시키고 촉매의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 비가역 흡착되는 백금의 양을 저감하면서도 활성을 우수한 수준으로 유지할 수 있다.The average particle diameter of the gold (Au) nanocore can be controlled to, for example, 1 nm to 100 nm. In this case, the surface area of the catalyst can be increased, the stability of the catalyst can be further improved, and the activity can be maintained at an excellent level while reducing the amount of irreversibly adsorbed platinum.
담지체 제조 단계는 금(Au) 나노 코어를 합성한 후 상기 금 나노 코어가 분산된 용액에 탄소계 담체를 투입하여 교반함으로써, 탄소계 담체에 금 나노 코어를 담지시킬 수 있다. 상기 탄소계 담체 및 금 나노 코어가 분산된 용액은 담지하는 중에 초음파발생 장치를 이용해 분산시킴으로써 분산률을 더욱 향상시킬 수 있다. In the step of preparing the carrier, a gold nanocore may be supported on the carbon carrier by synthesizing a gold (Au) nanocore, stirring the carbonaceous carrier into a solution in which the gold nanocore is dispersed, and stirring. The dispersion in which the carbon-based support and the gold nanocore are dispersed can be further dispersed by using an ultrasonic generator during the deposition.
상기 단층쉘을 제조하는 것은 상기 담지체와 백금이온용액 및 산화속도촉진 원소의 이온용액을 교반하여, 백금양이온 및 산화속도촉진 원소의 양이온을 상기 금속 나노 코어 상에 비가역 공흡착한 후, 환원시키는 것일 수 있다.The preparation of the single-layered shell is carried out by stirring the carrier, the platinum ion solution and the ionic solution of the oxidation rate-promoting element with stirring, cations of the platinum cation and the oxidation rate-promoting element are irreversibly co-adsorbed on the metallic nanocore, Lt; / RTI >
이때 백금이온용액은 백금전구체를 포함하는 Pt stock solution이며, 예를 들면, 백금 전구체가 산성용액에 용해된 것일 수 있다. 또한, 산화속도촉진 원소의 이온 용액은 산화속도촉진 원소의 산화물이 산성용액에 용해된 것일 수 있다.In this case, the platinum ion solution may be a Pt stock solution containing a platinum precursor, for example, a platinum precursor dissolved in an acidic solution. Further, the ionic solution of the oxidation rate-promoting element may be such that the oxide of the oxidation rate-promoting element is dissolved in the acidic solution.
구체적으로, 반응기에 상기와 같이 제조한 담지체를 투입한 후, 백금전구체를 포함하는 Pt stock solution 및 산화속도촉진 원소의 이온 용액을 천천히 가하면서 교반하여 백금양이온 및 산화속도촉진 원소의 양이온을 담지체의 금 나노 코어 표면과 반응시킨다. 이후, 담지체의 금 나노 코어 상에 비가역 흡착된 백금양이온 및 산화속도촉진 원소의 양이온을 환원제와 함께 교반하여 환원시킨다. 이를 통해, 도 1에 나타낸 바와 같이, 탄소계 담체(10) 상에 금 나노 코어(11)가 담지된 담지체의 금 나노 코어(11) 표면 상에 백금 및 산화속도촉진 원소(13)가 비가역 공흡착된 단층쉘을 포함하는 연료전지용 산화촉매를 제조할 수 있다. 이러한 과정을 통해 제조된 단층쉘은 금속 나노 코어 상에 비가역 흡착되며 결합력이 높아 촉매안정성이 더욱 향상될 수 있다.Specifically, after the carrier prepared as described above is charged into the reactor, the Pt stock solution containing the platinum precursor and the ionic solution of the oxidation accelerating element are slowly added while stirring the cations of the platinum cation and the oxidation promoting element And reacts with the gold nanocore surface of the retardation. Thereafter, the cations of the irreversibly adsorbed platinum cation and the oxidation rate promoting element on the gold nanocore of the carrier are reduced together with the reducing agent. 1, a platinum and oxidation
상기 다층쉘을 제조하는 것은 상기 담지체와 백금이온용액을 교반하여 백금 양이온이 상기 금속 나노 코어 상에 비가역 흡착된 내부쉘을 형성하고, 이를 환원시킨 후, 상기 내부쉘이 형성된 담지체와 산화속도촉진 원소의 양이온을 교반하여 상기 산화속도 촉진 원소의 양이온을 비가역 흡착시키고, 이를 환원하여 외부쉘을 형성하는 것일 수 있다.The multi-layered shell is produced by stirring the platinum ion solution with the carrier to form an inner shell irreversibly adsorbed on the metal nanocore by the platinum cation, reducing the inner shell, The cation of the accelerating element may be stirred to irreversibly adsorb the cation of the oxidizing rate promoting element, and the reducing agent may be reduced to form an outer shell.
이때 백금이온용액은 백금전구체를 포함하는 Pt stock solution이며, 예를 들면, 백금 전구체가 산성용액에 용해된 것일 수 있다. 또한, 산화속도촉진 원소의 이온 용액은 산화속도촉진 원소의 산화물이 산성용액에 용해된 것일 수 있다.In this case, the platinum ion solution may be a Pt stock solution containing a platinum precursor, for example, a platinum precursor dissolved in an acidic solution. Further, the ionic solution of the oxidation rate-promoting element may be such that the oxide of the oxidation rate-promoting element is dissolved in the acidic solution.
구체적으로는 반응기에 상기와 같이 제조한 담지체를 투입한 후, 백금전구체를 포함하는 Pt stock solution을 천천히 가하면서 교반하여 백금양이온이 담지체의 표면에 비가역 흡착된 내부쉘을 형성한다. 이후, 내부쉘을 환원제와 함께 교반하여 환원시킨다. 다음으로, 상기 내부쉘이 형성된 촉매에 산화속도촉진 원소의 이온 용액을 천천히 가하면서 교반하여 산화속도촉진 원소의 양이온을 담지체의 표면에 비가역 흡착시켜 외부쉘을 형성한다. 이후, 외부쉘의 산화속도촉진 원소의 양이온을 환원제와 함께 교반하여 환원시킨다. 이를 통해, 도 2에 나타낸 바와 같이, 탄소계 담체(10) 상에 금 나노 코어(11)가 담지된 담지체의 금 나노 코어(11) 표면 상에 백금이 비가역 흡착된 내부쉘 및 산화속도촉진 원소가 비가역 흡착된 외부쉘을 포함하는 다층쉘의 연료전지용 산화촉매를 제조할 수 있다. 이러한 과정을 통해 제조된 다층쉘은 금속 나노 코어 상에 비가역 흡착됨으로써, 결합력이 높아 촉매 안정성이 더욱 향상될 수 있다.Specifically, after the carrier prepared as described above is charged into the reactor, the Pt stock solution containing the platinum precursor is slowly added while stirring to form an inner shell irreversibly adsorbed on the surface of the carrier by the platinum cation. Thereafter, the inner shell is reduced with stirring with a reducing agent. Next, the ionic solution of the oxidation rate-promoting element is slowly added to the catalyst having the internal shell formed thereon by stirring, and the cation of the oxidation rate-promoting element is irreversibly adsorbed on the surface of the carrier to form an outer shell. Then, the cations of the oxidation accelerating element of the outer shell are reduced with stirring with the reducing agent. 2, an inner shell in which platinum is irreversibly adsorbed on the surface of the
본 발명의 또 다른 구현예는 연료전지용 산화촉매가 지지체 상에 코팅된 연료극, 상기 연료극과 일면이 접합된 고분자 전해질막 및 상기 고분자 전해질막의 다른 면에 접합된 공기극을 포함하는 연료전지에 관한 것이다.Another embodiment of the present invention relates to a fuel cell including an anode coated with an oxidation catalyst for a fuel cell, a polymer electrolyte membrane bonded on one side with the anode, and an air electrode bonded on the other side of the polymer electrolyte membrane.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 또 다른 구현예의 연료전지에 대하여 설명한다. 일 실시예의 연료전지(300)는 고분자 전해질 막(230)과 연료극 및 공기극의 두 전극으로 이루어진 막-전극 접합체를 포함한다. 또한, 연료 및 공기의 유로(261)인 동시에 전류집전체 역할을 하는 분리판(260), 각각의 전극과 연료의 흐름에 대한 접촉을 도와 연료 및 공기가 새지 않게 하는 가스켓(250)을 포함한다. Hereinafter, a fuel cell according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The
이러한 일 실시예의 연료전지(300)는 단위전지일 수 있다. 또한, 상기 단위전지가 반복접합되어 형성된 다층스택(stack)일 수 있다.The
상기 연료전지는 수소연료전지, 메탄올 직접액체연료전지, 에탄올 직접액체연료전지, 개미산 직접액체 연료전지 및 디메틸에테르(DME) 직접액체 연료전지 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The fuel cell may include at least one of a hydrogen fuel cell, a methanol direct liquid fuel cell, an ethanol direct liquid fuel cell, a formic acid direct liquid fuel cell, and a dimethyl ether (DME) direct liquid fuel cell.
구체적으로, 상기 막-전극 접합체는 고분자 전해질 막(230)의 일면에 연료극이 형성되고, 다른면에 공기극이 형성된 것일 수 있다. 상기 연료극은 연료를 산화시키는 전극으로, 전술한 본 발명의 연료전지용 산화촉매를 포함하는 산화촉매층(220)을 포함할 수 있다. 상기 산화촉매층(220)은 예를 들면, 지지체(210) 상에 코팅되어 형성되는 것일 수 있다. 상기 지지체(210)은 예를 들면, 다공성 탄소종이(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth)을 사용할 수 있다. 이러한 지지체(210)는 촉매층을 지지해주는 지지체의 역할 이외에도 반응기체를 촉매층으로 확산시켜주는 기체확산층(gas diffusion layer)의 역할과 촉매층에서 발생한 전류를 분리판으로 이동시켜주는 집전체(current collector)의 역할 및 생성된 물이 촉매층 밖으로 유출되게 하는 통로 역할도 수행할 수 있다. 상기 공기극은 산소를 환원시키는 전극으로, 환원촉매를 포함하는 환원촉매층을 포함할 수 있다. 상기 환원촉매층도 고분자 전해질 막(230)의 다른 면에 설치되는 지지체 상에 코팅되어 형성되는 것일 수 있다. Specifically, the membrane-electrode assembly may have a fuel electrode formed on one side of the
구체적으로, 상기 산화촉매층(220)은 전술한 본 발명의 연료전지용 산화촉매, 물, 용매, 이온노머 등을 혼합한 촉매잉크를 제조하여, 지지체(220)위에 코팅(Catalyst Coated Substrate, CCS)되어 형성될 수 있다. 이때, 촉매잉크를 지지체상에 코팅하는 방법은 전기도금법, 스프레이법, 페인팅법, 닥터블레이드법, 스크린프린팅법 등을 사용할 수 있다. 또는, 촉매잉크를 상기 고분자 전해질막(230)에 직접 코팅(Catalyst Coated Membrane,CCM)하여 제조할 수도 있다.Specifically, the
상기 막-전극 접합체는 상기 연료극(산화전극)과 공기극(환원전극) 사이에 위치한 고분자 전해질 막(230)을 포함한다. 상기 막-전극 접합체를 Hot Press를 이용하여 고온 및 고압으로 압착하는 경우 각각의 전극과 고분자 전해질 막(230) 사이의 접촉을 향상시켜 연료극과 전해질막, 공기극과 전해질막의 접촉저항을 감소시킬 수 있다.The membrane-electrode assembly includes a
상기 고분자 전해질막(230)은 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드(polyimide), 퍼플루오르 술폰산 폴리머(perfluorosulfonic acid polymer), 폴리술폰(polysulfone), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리에스테르(polyester) 또는 폴리포스파진(polyphosphazene)과 같은 고분자막일 수 있다.The
상기 막-전극 접합체의 양면에는 연료 및 공기의 유로(261)가 형성된 분리판(260)이 각각 체결되어 하나의 단위전지를 형성할 수 있다. 이러한 막-전극 접합체와 분리판(260)의 사이에는 가스켓(250)을 설치하여 단위전지의 밀봉을 유지시킬 수 있다. 또한, 가스켓을 이용해 단위전지를 밀봉하는 경우 연료극은 연료의 흐름에 대한 접촉이 향상되고, 공기극은 공기 흐름에 대한 접촉이 향상될 수 있다. 도면에는 도시되지 않았으나, 상기 유로(261)가 형성된 분리판의 유로 채널의 양 끝단에는 연료 및 가스가 드나들 수 있도록 주입구 또는 배출구와 연결될 수 있다. 또한, 이와 같은 단위전지를 여러 개 반복하여 적층하면 스택구조(다층스택)를 형성할 수 있다.A
실시예Example
이하에서는, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들은 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로 제공되는 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and comparative examples. It should be understood, however, that these examples are provided for illustration only and are not intended to limit the scope of the present invention.
제조예Manufacturing example 1 : 금 나노 코어 및 Au/C의 제조 1: Fabrication of gold nanocore and Au / C
1g의 HAuCl4(49wt%)에 증류수 10g을 가한 후 용해하여 Au3 + stock solution을 준비한다. 0.3g의 trisodium citrate(Na3C6H5O7)를 증류수 10mL에 용해한다. 0.0225g의 NaBH4를 30mL의 증류수에 용해하여 NaBH4 용액을 제조한다. 상기 Au3 + stock solution 1.9137g과 trisodium citrate 용액을 2L 증류수에 넣고 강하게 교반한다. Au3 +와 trisodium citrate가 들어있는 용액에 NaBH4 용액을 1mL씩 가하여 Au3+를 환원시켜 금 나노 코어(Au nanoparticle)를 만든다. 이때, NaBH4가 투입됨에 따라 Au3+ 용액의 색깔이 노란색에서 검붉은색, 붉은색, 밝은 붉은색 순으로 변하는 것을 확인하였다. 이와 같이 생성되는 금 나노 코어(Au nanoparticle)의 크기는 trisodium citrate 용액의 농도를 조절하여 제어하였으며, 투과전자현미경(TEM)을 통해 평균입경을 확인하였다.Add 10 g of distilled water to 1 g HAuCl 4 (49 wt%) and dissolve to prepare Au 3 + stock solution. Dissolve 0.3 g of trisodium citrate (Na 3 C 6 H 5 O 7 ) in 10 mL of distilled water. 0.0225 g of NaBH 4 is dissolved in 30 mL of distilled water to prepare a NaBH 4 solution. 1.9137 g of Au 3 + stock solution and trisodium citrate solution are added to 2 L of distilled water and stirred vigorously. To the solution containing Au 3 + and trisodium citrate, 1 mL of NaBH 4 solution is added to reduce Au 3+ to form a gold nanoparticle. At this time, as the NaBH 4 was added, the color of the Au 3 + solution changed from yellow to sour red, red and bright red. The size of the gold nanoparticles thus produced was controlled by controlling the concentration of trisodium citrate solution, and the average particle size was confirmed by a transmission electron microscope (TEM).
상기 금 나노 코어(Au nanoparticle)를 증류수 150 mL에 Vulcan XC-72R 0.7818g를 가하고 초음파발생장치(sonicator)에서 30분간 분쇄 및 분산시켜 금 나노 코어(Au nanoparticle) 용액을 제조하였다. 금 나노 코어(Au nanoparticle) 용액에 분산된 Vulcan XC-72R을 가하고 24시간 동안 강하게 교반시켜, Vulcan XC-72R(카본블랙) 상에 금 나노 코어(Au nanoparticle)이 담지된 담지체(Au/C)를 제조하였다.The Au nanoparticle was prepared by adding 0.7818 g of Vulcan XC-72R to 150 mL of distilled water and pulverizing and dispersing in an ultrasonic generator for 30 minutes to prepare a gold nanoparticle solution. Vulcan XC-72R dispersed in a gold nanoparticle solution was added and stirred vigorously for 24 hours to prepare a carrier (Au / C (trade name)) carrying a gold nanoparticle on a Vulcan XC-72R ).
상기 담지체(Au/C)는 감압여과하고 증류수로 세척하여 60℃ 오븐에서 3시간 이상 건조한 후, 최종 생성된 Au/C의 형상을 투과전자현미경으로 확인하였고, 열분석법(TGA)을 이용하여 Au의 함량을 확인하였다. 그 결과, 생성된 금 나노 코어(Au nanoparticle)의 평균 크기는 4.11±1.48 nm이며, Au 함량은 평균 10±1 wt% 이었다.The support (Au / C) was filtered under reduced pressure, washed with distilled water and dried in an oven at 60 ° C. for 3 hours or more. The morphology of the resulting Au / C was confirmed by transmission electron microscopy and analyzed by TGA Au content was confirmed. As a result, the average size of the gold nanoparticles produced was 4.11 ± 1.48 nm and the Au content was 10 ± 1 wt% on average.
또한, 순환전류전압법을 사용하여 생성된 담지체(Au/C)에서 Au의 면적을 확인하였다. Au의 면적의 측정은 0.5M H2SO4 용액을 전해질로 사용하여 -270 mV에서 1,380 mV까지의 전압범위에서 10 mV/s의 속도로 스캔하여 880 mV에서 나타나는 Au oxide의 환원피크 크기를 이용하였다. 그 결과, 담지체(Au/C)의 Au 면적은 상기 담지체 1g 당 43,800 ± 4,830cm2 이었다.Also, the area of Au in the support (Au / C) produced by the cyclic voltammetry was confirmed. The area of Au was measured using a 0.5 M H 2 SO 4 solution as the electrolyte and the reduction peak size of Au oxide at 880 mV was used at a scan rate of 10 mV / s in a voltage range from -270 mV to 1,380 mV . As a result, the Au area of the support (Au / C) was 43,800 + 4,830 cm 2 per 1 g of the support.
이와 같이 제조된 Au/C 담지체의 투과전자현미경 사진을 도 4에 나타내었다.A transmission electron microscope photograph of the thus prepared Au / C support is shown in FIG.
제조예Manufacturing example 2 : Pt shell/Au 2: Pt shell / Au NPsNPs on Vulcan on Vulcan XCXC -72R (Pt/Au/C) 촉매 제조-72R (Pt / Au / C) catalyst production
H2PtCl6(98.5%) 시약 10 g을 0.5 M H2SO4에 녹여서 전체 부피가 100mL가 되도록 Pt stock solution을 제조하였다. 이때, Pt stock solution의 농도는 0.19 M이며, 이 용액을 0.5 M H2SO4 용액을 이용하여 원하는 농도로 희석하여 사용한다. 상기 제조예 1에서 제조한 담지체(Au/C) 1g을 40mL vial에 넣고 20mL H2PtCl6 용액을 가하여 3시간 동안 교반하면서 Au/C의 Au 표면에 Pt를 비가역 흡착시켰다. 이후, 0.5M H2SO4 용액 10mL로 세척을 10회 반복하여 잔여 Pt4+을 제거하였다. 이후, 0.0150g의 NaBH4를 증류수 20mL에 용해하여, 세척이 완료된 Pt/Au/C가 들어있는 vial에 넣고 30분간 교반하여 흡착된 Pt4 +를 Pt 금속으로 환원시킨 다음, 감압여과하여 증류수로 세척하고 60℃에서 3시간 이상 건조하였다.A Pt stock solution was prepared by dissolving 10 g of H 2 PtCl 6 (98.5%) reagent in 0.5 MH 2 SO 4 to obtain a total volume of 100 mL. At this time, the concentration of Pt stock solution is 0.19 M, and this solution is diluted with 0.5 MH 2 SO 4 solution to the desired concentration. 1 g of the support (Au / C) prepared in Preparation Example 1 was placed in 40 mL vial, 20 mL of H 2 PtCl 6 solution was added, and Pt was irreversibly adsorbed on Au surface of Au / C while stirring for 3 hours. Thereafter, washing with 10 mL of 0.5 MH 2 SO 4 solution was repeated 10 times to remove residual Pt 4+ . Then, 0.0150 g of NaBH 4 dissolved in 20 mL of distilled water was added to the vial containing the washed Pt / Au / C and stirred for 30 minutes to reduce the adsorbed Pt 4 + to Pt metal, Washed and dried at 60 캜 for 3 hours or more.
실시예Example 1 : One : BiBi -Pt shell/Au -Pt shell / Au NPsNPs on Vulcan on Vulcan XCXC -72R (-72R ( BiBi -Pt/Au/C) 촉매 제조-Pt / Au / C) catalyst production
Bi2O3(99.999%)를 0.5 M H2SO4 용액에 녹여서 Bi3 + 이온의 농도가 0.5 mM, 2mM이 되도록 bismuth 용액을 제조하였다. 2 mM Bi3 + 용액을 제조하기 위해, Bi2O3 시약 0.0466 g을 100 mL volumetric flast에 넣고, 0.5 M H2SO4 용액을 표선까지 채워 넣은 뒤 Bi2O3가 완전히 녹은 후 사용하였다. 40mL vial에 제조예 2에서 제조한 Pt(shell)@Au/C 촉매(Pt/Au/C) 0.05g과 앞서 제조한 Bi2O3 용액 10mL를 넣고 24시간 동안 교반하여 Pt/Au/C의 Pt 표면에 Bi3 +를 비가역 흡착시켰다. 이후, 증류수 5 mL로 세척을 5회 반복하여 잔여 Bi3 + 이온을 제거하였으며, 비가역 흡착되는 Bi3 +용액의 농도로 흡착되는 Bi의 양을 제어하였다. 또한, 0.0075 g의 NaBH4를 증류수 10 mL에 용해하여, 세척이 완료된 촉매가 들어있는 vial에 넣고 30분간 교반하여 흡착된 Bi3+를 환원시킨 다음, 감압여과하여 증류수로 세척하고 60℃에서 3시간 이상 건조하여 실시예 1의 연료전지용 산화촉매를 제조하였다.Bismuth solution was prepared by dissolving Bi 2 O 3 (99.999%) in 0.5 MH 2 SO 4 solution to give a Bi 3 + ion concentration of 0.5 mM and 2 mM. To prepare a 2 mM Bi 3 + solution, 0.0466 g of Bi 2 O 3 reagent was placed in a 100 mL volumetric flast, filled with 0.5 MH 2 SO 4 solution up to the bar, and then used after Bi 2 O 3 was completely dissolved. 0.05 g of the Pt (shell) Au / C catalyst (Pt / Au / C) prepared in Preparation Example 2 and 10 mL of the Bi 2 O 3 solution prepared above were placed in a 40 mL vial and stirred for 24 hours to obtain Pt / Au / C Bi 3 + was irreversibly adsorbed on the Pt surface. Thereafter, washing with 5 mL of distilled water was repeated 5 times to remove residual Bi 3 + ions, and the amount of Bi adsorbed to the concentration of irreversibly adsorbed Bi 3 + solution was controlled. In addition, 0.0075 g of NaBH 4 dissolved in 10 mL of distilled water was added to the vial containing the washed catalyst and stirred for 30 minutes to reduce the adsorbed Bi 3+ . The solution was then filtered under reduced pressure, washed with distilled water, Hr to produce an oxidation catalyst for a fuel cell of Example 1.
실시예Example 2: 2: BiBi /Pt/Au/C 촉매를 이용한 막-전극 접합체(MEA) 제조/ Membrane-electrode assembly (MEA) fabrication using Pt / Au / C catalyst
15 ml vial에 실시예 1에서 제조한 Bi/Pt/Au/C 촉매를 약 88.3mg 넣고 883μl의 3차 증류수를 가한 다음 sonicator에서 1분 동안 혼합 및 분쇄하였다. 여기에 이온용액(5% Nafion solution) 88.3mg을 가하고 sonication을 반복한 후, 2-propanol 약 5.3g을 가하고 30분 이상 sonication하여 촉매 잉크를 제조하였다. 상기와 같이 제조된 촉매잉크를 스프레이 건을 사용하여 탄소종이에 균일하게 스프레이하고, 적정량의 Pt 촉매가 로딩되도록 조절하였다. 공기극(cathode)의 경우 Pt black을 촉매로 사용하여 3.0mg/cm2가 로딩되도록, 연료극(anode)의 경우 0.5mg/cm2의 Pt가 각각 로딩되도록 조절하였다. 사용되는 탄소종이는 활성면적이 5.06cm2이었으며, 공기극의 경우 5% 테프론으로 처리된 소수성의 탄소종이를 사용하고, 연료극의 경우 소수성 처리되지 않은 탄소종이를 사용하였다.About 88.3 mg of the Bi / Pt / Au / C catalyst prepared in Example 1 was added to a 15 ml vial, and 883 μl of tertiary distilled water was added thereto, followed by mixing and crushing on a sonicator for 1 minute. To this, 88.3 mg of ion solution (5% Nafion solution) was added and sonication was repeated. Approximately 5.3 g of 2-propanol was added and sonication was conducted for 30 minutes or longer to prepare a catalyst ink. The catalyst ink prepared as described above was uniformly sprayed onto carbon paper using a spray gun, and a proper amount of Pt catalyst was controlled to be loaded. In the case of the cathode, 0.5 mg / cm 2 of Pt was loaded so that 3.0 mg / cm 2 was loaded using Pt black as a catalyst and 0.5 mg / cm 2 of Pt was loaded, respectively. The carbon paper used had an active area of 5.06 cm 2 , hydrophobic carbon paper treated with 5% Teflon for the air electrode, and carbon paper not subjected to hydrophobic treatment for the fuel electrode.
각각의 촉매잉크가 도포된 공기극과 연료극의 사이에 고분자 전해질막을 위치시키고 140℃, 1.5MPa의 조건으로 Hot Press에서 5분간 압축하여 막-전극 접합체(MEA)를 제조한 다음, 막-전극 접합체의 양면에 연료 및 공기의 유로가 형성된 분리판을 각각 체결하여 단위전지를 조립하였다.The membrane-electrode assembly (MEA) was prepared by placing the polymer electrolyte membrane between the air electrode coated with each catalyst ink and the anode and compressing the polymer electrolyte membrane at 140 ° C. and 1.5 MPa for 5 minutes under hot press to prepare a membrane- And separator plates having fuel and air flow paths formed on both sides thereof were assembled to assemble the unit cells.
상기와 같이 조립된 단위전지를 전기화학성능평가시스템에 연결하고, 가열기와 가습기를 가동시켜 온도 및 습도를 유지시켰다. 먼저, 증류수를 주입하여 1 내지 1.5시간 동안 MEA가 젖도록 하고, 0.5 내지 1M의 메탄올을 주입하면서 열린회로전압(OCV)이 안정이 되는지 확인하고 전류-전압(I-V)을 측정하였다. I-V 측정 후, 증류수로 세척하여 OCV가 떨어지면 세척을 종료한 후, 하룻밤을 방치하여 MEA의 연료극과 공기극 그리고 멤브레인이 충분히 활성화되도록 하였다.The assembled unit cell was connected to an electrochemical performance evaluation system, and a heater and a humidifier were operated to maintain the temperature and the humidity. First, distilled water was injected and the MEA was wetted for 1 to 1.5 hours, and 0.5 to 1 M of methanol was injected to confirm that the open circuit voltage (OCV) was stable, and the current-voltage (I-V) was measured. After the I-V measurement, the membrane was washed with distilled water. When the OCV was dropped, washing was completed, and the membrane was allowed to stand overnight to sufficiently activate the anode and the cathode of the MEA and the membrane.
비교예Comparative Example 1 상용촉매 Pt/C를 이용한 막-전극 접합체(MEA) 제조 Preparation of membrane-electrode assembly (MEA) using Pt / C catalyst
15 ml vial에 약 83.6mg의 10wt% Pt/C 상용촉매를 넣고 835μl의 3차 증류수를 가한 다음 sonicator에서 1분 동안 혼합 및 분쇄하였다. 여기에 이온용액(5%Nafion solution) 83.6mg을 가하고 sonication을 반복한 후, 2-propanol 약 5g을 가하고 30분 이상 sonication하여 촉매 잉크를 제조하였다. 상기에서 제조된 촉매잉크를 스프레이건을 사용하여 탄소종이에 균일하게 스프레이하여 적정량의 Pt 촉매가 로딩되도록 조절하였다. 공기극(cathode)의 경우 Pt black을 촉매로 사용하여 3.0mg/cm2가 로딩되도록, 연료극(anode)의 경우 0.5mg/cm2의 Pt가 각각 로딩되도록 조절하였다. 사용되는 탄소종이는 활성면적이 5.06cm2이었으며, 공기극의 경우 5% 테프론으로 처리된 소수성의 탄소종이를 사용하고, 연료극의 경우 소수성 처리되지 않은 탄소종이를 사용하였다.Approximately 83.6 mg of 10 wt% Pt / C commercial catalyst was added to a 15 ml vial and 835 μl of tertiary distilled water was added, followed by mixing and grinding on a sonicator for 1 minute. To this, 83.6 mg of ion solution (5% Nafion solution) was added and sonication was repeated. Approximately 5 g of 2-propanol was added and sonication was conducted for 30 minutes or longer to prepare a catalyst ink. The catalyst ink prepared above was uniformly sprayed on carbon paper using a spray gun so that a proper amount of Pt catalyst was loaded. In the case of the cathode, 0.5 mg / cm 2 of Pt was loaded so that 3.0 mg / cm 2 was loaded using Pt black as a catalyst and 0.5 mg / cm 2 of Pt was loaded, respectively. The carbon paper used had an active area of 5.06 cm 2 , hydrophobic carbon paper treated with 5% Teflon for the air electrode, and carbon paper not subjected to hydrophobic treatment for the fuel electrode.
각각의 촉매잉크가 도포된 공기극과 연료극의 사이에 고분자 전해질막을 위치시키고 140℃, 1.5MPa의 조건으로 Hot Press에서 5분간 압축하여 막-전극 접합체(MEA)를 제조한 다음, 막-전극 접합체의 양면에 연료 및 공기의 유로가 형성된 분리판을 각각 체결하여 단위전지를 조립하였다.The membrane-electrode assembly (MEA) was prepared by placing the polymer electrolyte membrane between the air electrode coated with each catalyst ink and the anode and compressing the polymer electrolyte membrane at 140 ° C. and 1.5 MPa for 5 minutes under hot press to prepare a membrane- And separator plates having fuel and air flow paths formed on both sides thereof were assembled to assemble the unit cells.
상기와 같이 조립된 단위전지를 전기화학성능평가시스템에 연결하고, 가열기와 가습기를 가동시켜 온도 및 습도를 유지시켰다. 먼저, 증류수를 주입하여 1 내지 1.5시간 동안 MEA가 젖도록 하고, 0.5 내지 1M의 메탄올을 주입하면서 열린회로전압(OCV)이 안정이 되는지 확인하고 전류-전압(I-V)을 측정하였다. I-V 측정 후, 증류수로 세척하여 OCV가 떨어지면 세척을 종료한 후, 하룻밤을 방치하여 MEA의 연료극과 공기극 그리고 멤브레인이 충분히 활성화되도록 하였다.The assembled unit cell was connected to an electrochemical performance evaluation system, and a heater and a humidifier were operated to maintain the temperature and the humidity. First, distilled water was injected and the MEA was wetted for 1 to 1.5 hours, and 0.5 to 1 M of methanol was injected to confirm that the open circuit voltage (OCV) was stable, and the current-voltage (I-V) was measured. After the I-V measurement, the membrane was washed with distilled water. When the OCV was dropped, washing was completed, and the membrane was allowed to stand overnight to sufficiently activate the anode and the cathode of the MEA and the membrane.
비교예Comparative Example 2: Pt/Au/C 촉매를 이용한 막-전극 접합체(MEA) 제조 2: Preparation of membrane-electrode assembly (MEA) using Pt / Au / C catalyst
15 ml vial에 제조예 2에서 제조한 Pt/Au/C 촉매를 약 88.3mg 넣고 883μl의 3차 증류수를 가한 다음 sonicator에서 1분 동안 혼합 및 분쇄하였다. 여기에 이온용액(5% Nafion solution) 88.3mg을 가하고 sonication을 반복한 후, 2-propanol 약 5.3g을 가하고 30분 이상 sonication하여 촉매 잉크를 제조하였다. 상기와 같이 제조된 촉매잉크를 스프레이 건을 사용하여 탄소종이에 균일하게 스프레이하고, 적정량의 Pt 촉매가 로딩되도록 조절하였다. 공기극(cathode)의 경우 Pt black을 촉매로 사용하여 3.0mg/cm2가 로딩되도록, 연료극(anode)의 경우 0.5mg/cm2의 Pt가 각각 로딩되도록 조절하였다. 사용되는 탄소종이는 활성면적이 5.06cm2이었으며, 공기극의 경우 5% 테프론으로 처리된 소수성의 탄소종이를 사용하고, 연료극의 경우 소수성 처리되지 않은 탄소종이를 사용하였다.About 88.3 mg of the Pt / Au / C catalyst prepared in Preparation Example 2 was added to a 15 ml vial, and 883 μl of tertiary distilled water was added thereto, followed by mixing and pulverizing on a sonicator for 1 minute. To this, 88.3 mg of ion solution (5% Nafion solution) was added and sonication was repeated. Approximately 5.3 g of 2-propanol was added and sonication was conducted for 30 minutes or longer to prepare a catalyst ink. The catalyst ink prepared as described above was uniformly sprayed onto carbon paper using a spray gun, and a proper amount of Pt catalyst was controlled to be loaded. In the case of the cathode, 0.5 mg / cm 2 of Pt was loaded so that 3.0 mg / cm 2 was loaded using Pt black as a catalyst and 0.5 mg / cm 2 of Pt was loaded, respectively. The carbon paper used had an active area of 5.06 cm 2 , hydrophobic carbon paper treated with 5% Teflon for the air electrode, and carbon paper not subjected to hydrophobic treatment for the fuel electrode.
각각의 촉매잉크가 도포된 공기극과 연료극의 사이에 고분자 전해질막을 위치시키고 140℃, 1.5MPa의 조건으로 Hot Press에서 5분간 압축하여 막-전극 접합체(MEA)를 제조한 다음, 막-전극 접합체의 양면에 연료 및 공기의 유로가 형성된 분리판을 각각 체결하여 단위전지를 조립하였다.The membrane-electrode assembly (MEA) was prepared by placing the polymer electrolyte membrane between the air electrode coated with each catalyst ink and the anode and compressing the polymer electrolyte membrane at 140 ° C. and 1.5 MPa for 5 minutes under hot press to prepare a membrane- And separator plates having fuel and air flow paths formed on both sides thereof were assembled to assemble the unit cells.
상기와 같이 조립된 단위전지를 전기화학성능평가시스템에 연결하고, 가열기와 가습기를 가동시켜 온도 및 습도를 유지시켰다. 먼저, 증류수를 주입하여 1 내지 1.5시간 동안 MEA가 젖도록 하고, 0.5 내지 1M의 메탄올을 주입하면서 열린회로전압(OCV)이 안정이 되는지 확인하고 전류-전압(I-V)을 측정하였다. I-V 측정 후, 증류수로 세척하여 OCV가 떨어지면 세척을 종료한 후, 하룻밤을 방치하여 MEA의 연료극과 공기극 그리고 멤브레인이 충분히 활성화되도록 하였다.The assembled unit cell was connected to an electrochemical performance evaluation system, and a heater and a humidifier were operated to maintain the temperature and the humidity. First, distilled water was injected and the MEA was wetted for 1 to 1.5 hours, and 0.5 to 1 M of methanol was injected to confirm that the open circuit voltage (OCV) was stable, and the current-voltage (I-V) was measured. After the I-V measurement, the membrane was washed with distilled water. When the OCV was dropped, washing was completed, and the membrane was allowed to stand overnight to sufficiently activate the anode and the cathode of the MEA and the membrane.
<단위전지 성능평가>≪ Evaluation of unit cell performance >
상기 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 단위전지에 대하여, 공기공급 500 ml/min 조건에서 단위전지 성능을 평가하였다. 결과는 도 5에 그래프로 나타내었다. The unit cells prepared in Example 2 and Comparative Example 1 were evaluated for unit cell performance under an air supply condition of 500 ml / min. The results are shown graphically in FIG.
(성능평가 조건)(Performance evaluation condition)
연료극 : 6M 개미산, 60℃, 5ml/min, 공기극 : 500ml/min airFuel electrode: 6M formic acid, 60 占 폚, 5 ml / min, air electrode: 500 ml / min air
(성능평가 결과)(Performance evaluation result)
비교예 1 : Pmax = 50 mW/cm2 at 211 mA/cm2, OCV = 0.711 V, Pt/C(10wt%) Comparative Example 1: Pmax = 50 mW / cm 2 at 211 mA / cm 2 , OCV = 0.711 V, Pt / C (10 wt%
실시예 2 : Pmax = 70 mW/cm2 at 217 mA/cm2, OCV = 0.795 VExample 2: Pmax = 70 mW / cm 2 at 217 mA / cm 2, OCV = 0.795 V
도 5를 통해 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 촉매(Bi/Pt/Au/C 산화촉매)를 사용한 실시예 2의 단위전지의 최대전력밀도(70 mW/cm2)가 비교예 1의 촉매(Pt/C(10wt%) 상용촉매)의 최대전력밀도인 50 mW/cm2 보다 20 mW/cm2 더 높게 나타났으며, 이는 40%가 더 향상된 것으로 본 발명 실시예 2의 단위전지의 성능이 매우 우수한 것을 확인하였다.As can be seen from FIG. 5, the maximum power density (70 mW / cm 2 ) of the unit cell of Example 2 using the catalyst of Example 1 (Bi / Pt / Au / C oxidation catalyst) catalyst showed 20 mW / cm 2 higher than the 50 mW / cm 2, the maximum power density (Pt / C (10wt%) commercial catalyst), which is the unit cell of the present invention in example 2 to be further enhanced 40% And the performance is excellent.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be fictitious by those skilled in the art, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. It will be understood that various modifications and changes may be made in the present invention. Accordingly, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.
10 : 탄소계 담체
11 : 금 나노 입자
12 : 백금
13 : 산화속도촉진 원소
230 : 고분자 전해질 막
220 : 연료극 산화촉매층
210 : 연료극 지지체
260 : 분리판
261 : 연료유로
300 : 단위전지(single cell)10: Carbon-based carrier
11: Gold nanoparticles
12: Platinum
13: Oxidation rate promoting element
230: Polymer electrolyte membrane
220: anode catalyst layer
210: anode electrode support
260: separator plate
261: Fuel flow
300: single cell
Claims (17)
상기 탄소계 담체에 담지된 금(Au) 나노 코어; 및
상기 금 나노 코어 상에 백금(Pt) 및 산화속도촉진 원소가 비가역 흡착된 쉘; 을 포함하는 연료전지용 산화촉매.
Carbon based carrier;
A gold (Au) nanocore supported on the carbon-based support; And
A platinum (Pt) and an oxidation-rate promoting element irreversibly adsorbed on the gold nanocore; Wherein the oxidation catalyst for a fuel cell comprises:
상기 탄소계 담체는 카본블랙, 활성탄소체, 카본나노튜브, 탄소섬유, 플러렌 및 그래핀 중 1종 이상을 포함하는 연료전지용 산화촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon-based support comprises at least one of carbon black, activated carbon, carbon nanotube, carbon fiber, fullerene and graphene.
상기 금(Au) 나노 코어는 평균입경이 1nm 내지 100nm인 연료전지용 산화촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the gold (Au) nanocore has an average particle diameter of 1 nm to 100 nm.
상기 비가역 흡착된 백금(Pt)의 함량은 연료전지용 산화촉매 중 0.04 중량% 내지 60 중량% 인 연료전지용 산화촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the irreversibly adsorbed platinum (Pt) is 0.04 wt% to 60 wt% of the oxidation catalyst for a fuel cell.
상기 쉘은 상기 금 나노 코어 상에 백금 및 산화속도촉진 원소가 비가역 공흡착된 것인 단층쉘이며, 상기 산화속도촉진 원소는 루테늄(Ru), 구리(Cu), 은(Ag), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 셀렌(Se) 및 텔루륨(Te)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 연료전지용 산화촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the shell is a single-layered shell in which platinum and an oxidation rate promoting element are irreversibly co-adsorbed on the gold nanocore, and the oxidation rate promoting element is selected from the group consisting of ruthenium (Ru), copper (Cu), silver (Ag), germanium ) Containing at least one element selected from the group consisting of tin (Sn), lead (Pb), arsenic (As), antimony (Sb), bismuth (Bi), selenium (Se) Oxidation catalyst for batteries.
상기 쉘은 다층쉘 구조를 가지며, 상기 금 나노 코어 상에 백금이 비가역 흡착된 내부쉘 및 상기 내부쉘 상에 산화속도촉진 원소가 비가역 흡착된 외부쉘을 포함하고, 상기 산화속도촉진 원소는 루테늄(Ru), 구리(Cu), 은(Ag), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 셀렌(Se) 및 텔루륨(Te)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 연료전지용 산화촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the shell has a multi-layered shell structure, an inner shell on which the platinum is irreversibly adsorbed on the gold nanocore, and an outer shell on which the oxidation rate promoting element is irreversibly adsorbed, and the oxidation rate promoting element is ruthenium Ru, Cu, Ag, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, (Te). ≪ / RTI >
상기 금 나노 코어 상에 백금(Pt)을 비가역 흡착하여 쉘을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 쉘 제조 단계는 상기 금 나노 코어 상에 백금 및 산화속도촉진 원소를 비가역 공흡착하여 단층쉘을 제조하는 것; 또는 상기 금 나노 코어 상에 백금을 비가역 흡착하여 내부쉘을 형성하고, 상기 내부쉘 상에 산화속도촉진 원소를 비가역 흡착하여 외부쉘을 형성하여 다층쉘을 제조하는 것;을 포함하는 연료전지용 산화촉매 제조방법.
A carrier preparation step of supporting the gold nanocore on the carbon carrier; And
And irreversibly adsorbing platinum (Pt) on the gold nanocore to form a shell,
The shell manufacturing step comprises irreversibly co-adsorbing platinum and an oxidation rate promoting element on the gold nanocore to produce a single-layered shell; Or irreversibly adsorbing platinum on the gold nanocore to form an inner shell and irreversibly adsorbing an oxidation rate promoting element on the inner shell to form an outer shell to produce a multilayer shell, Gt;
상기 담지체 제조 단계는 평균입경이 1nm 내지 100nm인 금(Au) 나노 코어를 제조한 후, 탄소계 담체와 상기 금(Au) 나노 코어를 교반하여 담지하는 것을 포함하는 연료전지용 산화촉매 제조방법.
8. The method of claim 7,
The method for manufacturing a support for a fuel cell according to claim 1, wherein the carrier is manufactured by preparing a gold (Au) nanocore having an average particle size of 1 nm to 100 nm, and then carrying and supporting the carbon carrier and the gold (Au) nanocore.
상기 탄소계 담체는 카본블랙, 활성탄소체, 카본나노튜브, 탄소섬유, 플러렌 및 그래핀 중 1종 이상을 포함하는 연료전지용 산화촉매 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the carbon-based carrier comprises at least one of carbon black, activated carbon, carbon nanotube, carbon fiber, fullerene and graphene.
상기 백금(Pt)의 함량은 연료전지용 산화촉매 중 0.04 중량% 내지 60 중량% 인 연료전지용 산화촉매 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the content of the platinum (Pt) is 0.04 wt% to 60 wt% of the oxidation catalyst for a fuel cell.
상기 산화속도촉진 원소는 루테늄(Ru), 구리(Cu), 은(Ag), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 셀렌(Se) 및 텔루륨(Te)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 연료전지용 산화촉매 제조방법.
8. The method of claim 7,
The oxidation rate promoting element may be at least one selected from the group consisting of Ru, Cu, Ag, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, , Selenium (Se), and tellurium (Te).
상기 단층쉘을 제조하는 것은 상기 담지체와 백금이온용액 및 산화속도촉진 원소의 이온용액을 교반하여, 백금양이온 및 산화속도촉진 원소의 양이온을 상기 금속 나노 코어 상에 비가역 흡착한 후, 환원시키는 것인 연료전지용 산화촉매 제조방법.
8. The method of claim 7,
The preparation of the single-layered shell is carried out by stirring the support, the platinum ion solution and the ionic solution of the oxidation-rate-promoting element with stirring, and cations of the platinum cation and the oxidation-rate promoting element are irreversibly adsorbed on the metallic nanocore and then reduced Wherein the oxidizing catalyst is a catalyst.
상기 다층쉘을 제조하는 것은 상기 담지체와 백금이온용액을 교반하여 백금 양이온이 상기 금속 나노 코어 상에 비가역 흡착된 내부쉘을 형성하고, 상기 내부쉘이 형성된 담지체와 산화속도촉진 원소의 양이온을 교반하여 상기 산화속도 촉진 원소의 양이온이 비가역 흡착된 외부쉘을 형성하는 것인 산화촉매 제조방법.
8. The method of claim 7,
The multi-layered shell is produced by stirring the platinum ion solution with the carrier to form an inner shell irreversibly adsorbed on the metal nanocore by the platinum cation, and adsorbing the cation of the oxidation promoting element and the support on which the inner shell is formed And agitating to form an outer shell in which cations of the oxidation rate promoting element are irreversibly adsorbed.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the oxidation catalyst for fuel cell comprises a fuel electrode coated on a support, a polymer electrolyte membrane bonded on one side to the fuel electrode, and an air electrode bonded on the other side of the polymer electrolyte membrane.
상기 고분자 전해질막은 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드(polyimide), 퍼플루오르 술폰산 폴리머(perfluorosulfonic acid polymer), 폴리술폰(polysulfone), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리에스테르(polyester) 또는 폴리포스파진(polyphosphazene) 중에서 적어도 1종을 포함하는 연료전지.
15. The method of claim 14,
The polymer electrolyte membrane may be formed of a polymer selected from the group consisting of a hydrocarbon-based polymer, a polyimide, a perfluorosulfonic acid polymer, a polysulfone, a polyether sulfone, a polyester, or a polyphosphazene. And at least one fuel cell.
상기 연료극은 전술한 연료전지용 산화촉매를 포함하는 촉매잉크를 지지체 위에 코팅(Catalyst Coated Substrate, CCS)하여 형성되며, 상기 코팅방법은 전기도금법, 스프레이법, 페인팅법, 닥터블레이드법, 스크린프린팅법 중에서 적어도 1종을 포함하는 것인 연료전지.
15. The method of claim 14,
The anode may be formed by coating a catalyst ink containing the oxidation catalyst for a fuel cell on a support (Catalyst Coated Substrate (CCS)), and the coating method may be selected from electroplating, spraying, painting, doctor blade, Wherein the fuel cell comprises at least one fuel cell.
상기 연료전지는 수소연료전지, 메탄올 직접액체연료전지, 에탄올 직접액체연료전지, 개미산 직접액체 연료전지 및 디메틸에테르(DME) 직접액체 연료전지 중 1종 이상을 포함하는 연료전지.
15. The method of claim 14,
The fuel cell includes at least one of a hydrogen fuel cell, a methanol direct liquid fuel cell, an ethanol direct liquid fuel cell, a formic acid direct liquid fuel cell, and a dimethyl ether (DME) direct liquid fuel cell.
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