KR20170054145A - Catalyst, manufacturing method of the same and fuel cell comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 촉매, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a catalyst, a method for producing the same, and a fuel cell including the same.
기존의 고분자 전해질 막 연료전지의 촉매는 주로 백금이 사용되었다. 상용 백금은 촉매의 유효면적을 늘리기 위하여 나노 단위의 백금 입자를 카본 물질과 같은 탄소 지지체에 증착시킨 형태로 사용되었다.Platinum was mainly used as a catalyst for a conventional polymer electrolyte membrane fuel cell. Commercial platinum was used in the form of nano-sized platinum particles deposited on a carbon support such as a carbon material to increase the effective area of the catalyst.
그러나, 연료전지 운행이 진행됨에 따라 백금 입자의 응집이 진행되는데, 이는 용해-재증착 과정을 거쳐 백금 입자들 간의 뭉침 현상, 탄소 지지체의 부식에 의한 뭉침 현상등이 원인이 되었다. 이러한 손실은 근본적으로 백금이 산소종을 경유하여 용해되는 열역학적 특징 때문인 것으로 설명된다.However, as the fuel cell runs, the agglomeration of the platinum particles progresses due to the aggregation of the platinum particles and the agglomeration of the carbon support through the dissolution-redeposition process. This loss is fundamentally explained by the thermodynamic nature of platinum dissolving via oxygen species.
탄소는 전위가 표준전압인 0.207 V 이상일 때, 표면 산화물을 형성하고자 산화되는 경향이 열역학적으로 커진다. 이를 해결하기 위한 방안으로 질소 등을 카본에 도핑한 기능성 지지체 연구가 진행되고 있다.Carbon becomes thermodynamically prone to oxidize to form surface oxides when the potential is above the standard voltage of 0.207V. As a solution to this problem, research is being conducted on a functional support doped with carbon or the like.
질소가 도핑된 탄소 지지체는 젖음성과 친수성이 좋아져 금속 촉매 입자를 보다 균일하고 작게 분산시킬 수 있는 효과가 있다. 더 나아가 촉매의 내구성을 증대시키기 위한 노력의 일환으로, 금속 입자와 지지체를 포함한 촉매 상에 얇은 보호층을 씌우는 연구가 최근 들어 시도되고 있다. 이때, 금속 촉매의 표면까지 반응물이 공급되어야 하기에, 다공성의 재료로 얇게 씌우는 것이 쟁점이며, 이를 위한 다공성 재료로서 SiO2가 사용되었다.The nitrogen-doped carbon support is improved in wettability and hydrophilicity, so that the metal catalyst particles can be more uniformly dispersed and smaller. Furthermore, in an effort to increase the durability of the catalyst, research has recently been conducted to cover a thin protective layer on the catalyst including the metal particles and the support. At this time, since reactants must be supplied to the surface of the metal catalyst, it is an issue to thinly cover the porous material with SiO 2 as a porous material.
예를 들어, 기존에 큐슈대에서 Pt/CNF에 SiO2를 코팅한 연구결과가 있다. 이는 3전극 시스템의 촉매 성능 평가(Half cell test)에서는 상용 Pt/C와 비슷한 성능을 나타내었지만, 단위전지 성능평가(Single cell test)시 상용 Pt/C보다 낮은 성능을 보였다.For example, there is a research result of SiO 2 coating on Pt / CNF in Kyushu region. The performance of the three-electrode system was similar to that of the commercial Pt / C in the half cell test, but was lower than that of the commercial Pt / C in the single cell test.
따라서, 백금의 뭉침을 방지하면서, 성능 감소를 최소화 시키기 위한 연구가 필요한 실정이다.
Therefore, there is a need for research to minimize the performance deterioration while preventing the platinum from being clustered.
본 발명은 촉매, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 전지의 기존의 느린 산소환원 반응속도를 개선하고 우수한 내구성을 구현하는 것을 목적으로 한다.
The present invention relates to a catalyst, a method for producing the same, and a fuel cell including the same, and aims at improving the existing slow oxygen reduction reaction rate of the battery and realizing excellent durability.
본 발명은 촉매, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 상기 촉매의 하나의 예로서,The present invention relates to a catalyst, a method for producing the same, and a fuel cell including the catalyst,
금속이 담지된 탄소 지지체; 및A metal-supported carbon support; And
금속이 담지된 탄소 지지체 상에 형성된, 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층 포함하는 촉매를 제공할 수 있다.
A catalyst comprising a protective layer comprising a carbon-doped carbonaceous material formed on a metal-supported carbon support can be provided.
또한, 상기 촉매의 제조방법의 하나의 예로서,In addition, as an example of the method for producing the catalyst,
금속이 담지된 탄소 지지체 상에 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층을 형성한 촉매를 제조하는 단계; 및Preparing a catalyst having a protective layer containing a carbon-doped carbon material on a metal-supported carbon support; And
제조된 촉매를 열처리하는 단계를 포함하는 촉매의 제조방법을 제공할 수 있다.
And a step of heat treating the prepared catalyst.
또한, 본 발명은 상기 촉매를 포함하는 촉매층이 형성된 전지를 제공할 수 있다.
In addition, the present invention can provide a battery having a catalyst layer containing the catalyst.
본 발명에 따른 촉매는 금속이 담지된 탄소 지지체 상에 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층을 형성함으로써, 탄소 지지체의 부식과 금속의 뭉침 현상을 방지하여 촉매 활성면적을 구현할 수 있으며, 내구성이 우수하며, 이를 포함하는 촉매층이 형성된 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
The catalyst according to the present invention can form a protective layer containing carbon-doped carbonaceous material on a metal-supported carbonaceous support, thereby preventing the corrosion of the carbonaceous support and the aggregation of metals, thereby realizing a catalytic active area, And the performance of the battery having the catalyst layer formed thereon can be improved.
도 1은 일 실시예에서, 제조된 촉매의 TEM 사진이다.Figure 1 is a TEM photograph of the catalyst prepared in one embodiment.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, the terms "comprising" or "having ", and the like, specify that the presence of a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed.
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 촉매, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전지에 관한 것으로, 상기 촉매의 하나의 예로서,The present invention relates to a catalyst, a method for producing the same, and a battery including the same,
금속이 담지된 탄소 지지체; 및A metal-supported carbon support; And
금속이 담지된 탄소 지지체 상에 형성된, 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층을 포함하는 촉매를 제공할 수 있다.A catalyst comprising a protective layer comprising a carbon-doped carbonaceous material formed on a metal-supported carbon support can be provided.
구체적으로, 금속이 담지된 탄소 지지체 상에 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층을 형성함으로써, 탄소 지지체의 부식과 금속의 뭉침 현상을 방지하여 촉매 활성면적을 구현할 수 있으며, 이를 통해, 이를 포함하는 촉매층이 형성된 전지의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.Specifically, by forming a protective layer containing a carbon material doped with nitrogen on a metal-supported carbon support, it is possible to prevent the corrosion of the carbon support and the metal aggregation, thereby realizing a catalytic active area. The performance and durability of the battery in which the catalyst layer including the catalyst layer is formed can be improved.
상기 탄소 지지체는 카본블랙, 케첸블랙, 그래파이트, 카본나노튜브, 카본나노케이지 및 카본 파이버 중 1 종 이상을 포함할 수 있다. 상기 탄소 지지체를 사용함으로써, 촉매의 기계적 물성 저하를 방지할 수 있다.The carbon support may include at least one of carbon black, ketjen black, graphite, carbon nanotube, carbon nanocage, and carbon fiber. By using the above-mentioned carbon support, degradation of the mechanical properties of the catalyst can be prevented.
상기 금속은 전이 금속일 수 있다. 예를 들어, 상기 전이 금속은 Pt, V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Nb, Mo, Pd 및 Ag 등을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속은 백금(Pt)일 수 있다. 상기 탄소 지지체에 백금을 증착함으로써, 촉매의 활성면적을 늘릴 수 있다.The metal may be a transition metal. For example, the transition metal may include Pt, V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Nb, Mo, Pd and Ag. Specifically, the metal may be platinum (Pt). By depositing platinum on the carbon support, the active area of the catalyst can be increased.
상기 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층은 다이시안다이아미드(dicyandiamide, DCDA), 테트라졸(tetrazole), 아미노테트라졸(aminotetrazole), 메틸아민(methylamine), 구아니딘(guanidine), 메틸히드라진(methyl hydrazine), 아세토니트릴(acetonitrile), 트리아졸(triazole), 디메틸아민(dimethylamine), 에틸아민(ethylamine), 디메틸히드라진(dimethyl hydrazine), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 트리아진(triazine), 아크릴로나이트릴(acrylonitrile), 피라졸(pyrazole), 멜라민(melamine), 피롤(pyrrole) 및 피리딘(pyridine) 중 1 종 이상을 이용하여 형성할 수 있다.The protective layer comprising the nitrogen-doped carbonaceous material may comprise at least one selected from the group consisting of dicyandiamide (DCDA), tetrazole, aminotetrazole, methylamine, guanidine, methylhydrazine methyl hydrazine, acetonitrile, triazole, dimethylamine, ethylamine, dimethyl hydrazine, ethylenediamine, triazine, acrylonitrile, And may be formed using at least one of acrylonitrile, pyrazole, melamine, pyrrole, and pyridine.
구체적으로, 상기 보호층은 에틸렌디아민을 이용하여 형성할 수 있다.Specifically, the protective layer may be formed using ethylenediamine.
에틸렌디아민을 이용하여 금속이 담지된 탄소 지지체 상에 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층을 형성함으로써, 탄소 지지체의 젖음성과 친수성을 향상시켜 촉매 입자를 보다 균일하게 분산시켜 촉매 활성면적을 넓힐 수 있고, 더 나아가, 탄소의 부식을 방지함으로써 촉매의 내구성을 향상시킬 수 있다.By forming a protective layer containing carbon-doped carbonaceous material on the metal-supported carbonaceous support using ethylenediamine, the wettability and the hydrophilicity of the carbonaceous support are improved so that the catalyst particles are more uniformly dispersed to widen the catalytic active area And furthermore, the durability of the catalyst can be improved by preventing the corrosion of carbon.
상기 촉매의 평균 직경은 1 내지 500 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매의 평균 직경은 1 내지 400 ㎛, 10 내지 400 ㎛ 또는 100 내지 300 ㎛ 범위일 수 있다. 본 발명에 따른 촉매는 상기 범위 내의 평균 직경을 만족함으로써, 이를 이용하여 촉매층을 형성할 경우, 우수한 코팅성을 구현할 수 있다.The average diameter of the catalyst may be between 1 and 500 mu m. For example, the average diameter of the catalyst may range from 1 to 400 mu m, from 10 to 400 mu m, or from 100 to 300 mu m. The catalyst according to the present invention satisfies the average diameter within the above range, so that when the catalyst layer is formed using the catalyst, excellent coating properties can be realized.
상기 보호층의 평균 두께는 0.1 내지 5 nm일 수 있다. 상기 보호층은, 보호층 형성 물질의 함량을 조절하여 두께를 다양하게 형성할 수 있으며, 예를 들어, 보호층의 두께는 0.1 내지 4 nm, 0.5 내지 4 nm 또는 1 내지 3 nm 범위일 수 있다. 상기와 같이 금속이 담지된 탄소 지지체 상에 보호층의 두께를 얇게 형성함으로써, 촉매의 활성을 저하시키지 않으면서 내구성을 향상시킬 수 있다.
The average thickness of the protective layer may be 0.1 to 5 nm. For example, the thickness of the protective layer may range from 0.1 to 4 nm, from 0.5 to 4 nm, or from 1 to 3 nm. The thickness of the protective layer may vary depending on the content of the protective layer forming material. For example, . By forming the protective layer thin on the metal-supported carbon support as described above, the durability can be improved without lowering the activity of the catalyst.
본 발명에 따른 촉매의 제조방법의 하나의 예로서,As one example of the method for producing the catalyst according to the present invention,
금속이 담지된 탄소 지지체 상에 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층을 형성한 촉매를 제조하는 단계; 및Preparing a catalyst having a protective layer containing a carbon-doped carbon material on a metal-supported carbon support; And
제조된 촉매를 열처리하는 단계를 포함하는 촉매의 제조방법을 제공할 수 있다.And a step of heat treating the prepared catalyst.
상기 금속이 담지된 탄소 지지체 상에 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층을 형성한 촉매를 제조하는 단계는, The step of preparing a catalyst in which a protective layer containing carbon-doped carbon material is formed on the metal-
금속이 담지된 탄소 지지체와 보호층 형성 물질을 포함하는 수용액을 환류 교반하여 현탁액을 제조하는 단계;Preparing a suspension by refluxing an aqueous solution containing a metal-supported carbon support and a protective layer-forming material;
상기 현탁액을 여과하는 단계; 및Filtering the suspension; And
여과된 촉매를 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.And drying the filtered catalyst.
예를 들어, 금속이 담지된 탄소 지지체와 보호층 형성 물질을 포함하는 수용액을 환류 교반하여 현탁액을 제조하는 단계에서, 상기 금속이 담지된 탄소 지지체는 상업적으로 입수 가능한 20wt% Pt/C (HISPEC, A Johnson Matthey company)를 사용할 수 있고, 보호층 형성 물질을 포함하는 수용액으로서, 에틸렌디아민 수용액을 사용할 수 있다.For example, in the step of preparing a suspension by refluxing an aqueous solution containing a metal-supported carbon support and a protective layer-forming material, the metal-supported carbon support is a commercially available 20 wt% Pt / C (HISPEC, A Johnson Matthey Company) can be used. As an aqueous solution containing a protective layer forming material, an aqueous solution of ethylenediamine can be used.
하나의 예로서, Pt/C와 에틸렌디아민 수용액을 혼합하여 환류 교반함으로써, Pt/C 상에 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층을 형성한 촉매가 분산된 현탁액을 제조할 수 있고, 이를 감압여과 장치를 이용하여 증류수 및 에탄올로 세척하며 여과할 수 있다. 이렇게 여과된 촉매는 오븐 내에서 40 내지 80℃의 온도에서 5 내지 10 시간 동안 건조시켜 분말 상태의 촉매를 수득할 수 있다.As an example, a suspension in which a catalyst in which Pt / C and an aqueous solution of ethylenediamine are mixed and refluxed and stirred to form a protective layer containing a carbon material doped with nitrogen on Pt / C is dispersed, The filtrate can be washed with distilled water and ethanol using a vacuum filtration apparatus. The thus-filtered catalyst can be dried in an oven at a temperature of 40 to 80 DEG C for 5 to 10 hours to obtain a powdery catalyst.
이렇게 제조된 촉매는 400 내지 700℃ 온도에서 열처리할 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 온도는, 400 내지 700℃ 또는 400 내지 500℃ 온도에서 수행될 수 있다.The catalyst thus prepared can be heat-treated at a temperature of 400 to 700 ° C. For example, the heat treatment temperature may be performed at a temperature of 400 to 700 ° C or 400 to 500 ° C.
상기 열처리 단계는 비활성기체 분위기하에서 수행할 수 있으며, 이때 사용되는 비활성 기체는 질소, 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤, 크세논 및 라돈 중 1 종 이상으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 단계는 아르곤 분위기 하에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 열처리 단계는 1 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 열처리 단계를 통해, 촉매 상에 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층을 강한 결합력으로 형성할 수 있다.The heat treatment may be performed in an inert gas atmosphere. The inert gas may be at least one of nitrogen, helium, argon, neon, krypton, xenon, and radon. For example, the heat treatment step may be performed under an argon atmosphere. Further, the heat treatment step may be performed for 1 to 3 hours. Through the heat treatment step, a protective layer including a carbon material doped with nitrogen on the catalyst can be formed with strong bonding force.
이러한 과정을 거쳐 제조된 본 발명에 따른 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층이 형성된 Pt/C 촉매(ED treated 20% Pt/C)는, 우수한 탄소 지지체의 부식과 금속의 뭉침 현상을 방지하여 촉매 활성면적을 구현할 수 있으며, 내구성이 우수할 수 있다.
The Pt / C catalyst (ED treated 20% Pt / C) having a protective layer formed of nitrogen-doped carbonaceous material according to the present invention manufactured through the above process is excellent in preventing corrosion of a superior carbon support and aggregation of metals Thereby realizing a catalytic active area, and excellent durability.
본 발명은 상기 촉매를 포함하는 촉매층이 형성된 연료전지를 제공할 수 있다. 이때, 상기 연료전지의 종류 및 구조는 특별히 한정하지 않는다.The present invention can provide a fuel cell in which a catalyst layer containing the catalyst is formed. At this time, the type and structure of the fuel cell are not particularly limited.
예를 들어, 상기 연료전지는 본 발명에 따른 촉매를 이용한 촉매층이 형성된 막 전극 접합체일 수 있다. 상기 막 전극 접합체는 고분자 전해질막; 및 상기 고분자 전해질막 양면에 서로 대향하여 위치하며, 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어져 있을 수 있으며, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 중 최소한 어느 하나는 본 발명에 따른 촉매를 이용한 촉매층이 형성되어 있을 수 있다.For example, the fuel cell may be a membrane electrode assembly formed with a catalyst layer using the catalyst according to the present invention. The membrane electrode assembly may include a polymer electrolyte membrane; And an anode electrode and a cathode electrode. At least one of the anode electrode and the cathode electrode may be formed with a catalyst layer using the catalyst according to the present invention.
상기 연료전지는, 전극에 수소 100 sccm 및 산소 150 sccm을 공급하며, 온도 75℃, 상대 습도 100% 및 1 atm의 압력 조건 하에서 작동시킬 때,The fuel cell supplies 100 sccm of hydrogen and 150 sccm of oxygen to the electrode, and when operated under the conditions of a temperature of 75 캜, a relative humidity of 100% and 1 atm,
전류밀도(0.6 V)가 1400 mA/cm2 이상일 수 있다.The current density (0.6 V) may be 1400 mA / cm 2 or more.
예를 들어, 상기 전류밀도는 1400 내지 2000 mA/cm2, 1400 내지 1900 mA/cm2 또는 1500 내지 1850 mA/cm2 범위일 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 촉매는 우수한 촉매 활성을 보인다는 것을 확인할 수 있다.For example, the current density is 1400 to 2000 mA / cm 2, 1400 to 1900 mA / cm 2 or 1500 to 1850 mA / cm 2 . As a result, it can be confirmed that the catalyst according to the present invention exhibits excellent catalytic activity.
상기 연료전지는, 전극에 질소 150 sccm을 공급하며, 온도 75℃, 상대 습도 100% 조건 하에서, 0.6 내지 1 V 범위에서 포텐셜 스위프법을 통해 10000 사이클을 진행한 후, In the fuel cell, 150 sccm of nitrogen was supplied to the electrode, and 10000 cycles were performed through potential sweeping in the range of 0.6 to 1 V under conditions of a temperature of 75 캜 and a relative humidity of 100%
화학적 활성 면적의 변화율은 50% 이하일 수 있다.The rate of change of the chemically active area may be less than 50%.
구체적으로, 고온 다습한 환경에서 10000 사이클을 진행하였을 때, 상기 화학적 활성 면적의 변화율은 예를 들어, 10 내지 50%, 35 내지 50% 또는 40 내지 50% 범위일 수 있다.Specifically, when 10,000 cycles are carried out in a high-temperature and high-humidity environment, the rate of change of the chemically active area may be in the range of, for example, 10 to 50%, 35 to 50%, or 40 to 50%.
본 발명에 따른 연료전지는 상기 범위 내의 비교적 적은 화학적 활성 면적 변화율을 만족함으로써, 고온 다습한 환경에서도 내구성이 비교적 우수한 것을 확인할 수 있다.
The fuel cell according to the present invention satisfies relatively low chemical activity area change ratio within the above-mentioned range, and thus it can be confirmed that the fuel cell has excellent durability even in a high temperature and high humidity environment.
이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following Examples. However, the scope of the present invention is not limited by the following Examples.
실시예Example 1 내지 4: 촉매 제조 1 to 4: catalyst preparation
20wt% Pt/C (HISPEC, A Johnson Matthey company) 촉매 0.1 g을 에틸렌디아민 수용액 100 ml와 혼합한 후, 75℃에서 8 시간 동안 환류 교반 하였다. 그런 다음, 상기 촉매와 에틸렌디아민 수용액이 혼합된 현탁액을 감압여과 장치를 이용하여 증류수와 에탄올로 씻어내며 여과한 후, 60℃ 오븐에서 8 시간 동안 건조시켰다. 그런 다음, 분말 상태의 촉매를 회수하였다. 건조된 촉매는 아르곤 기체 분위기의 가열로에서 2 시간 동안 열처리하여 본 발명에 따른 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층이 1 nm 두께로 형성된 Pt/C 촉매(ED treated 20% Pt/C)를 제조하였다.0.1 g of a 20 wt% Pt / C (HISPEC, A Johnson Matthey company) catalyst was mixed with 100 ml of an aqueous solution of ethylenediamine, and the mixture was refluxed at 75 ° C for 8 hours. Then, the suspension containing the catalyst and the aqueous solution of ethylenediamine was rinsed with distilled water and ethanol using a reduced pressure filtration apparatus, filtered, and then dried in an oven at 60 ° C for 8 hours. Then, the powdery catalyst was recovered. The dried catalyst was heat-treated for 2 hours in a heating furnace in an argon gas atmosphere to obtain a Pt / C catalyst (ED treated 20% Pt / C) formed with a 1 nm thick protective layer containing nitrogen- .
이때, 열처리 온도는 하기 표 1과 같이 조절하였다.At this time, the heat treatment temperature was adjusted as shown in Table 1 below.
상기 실시예 1에서 제조된 촉매의 TEM 사진은 하기 도 1에 나타내었다. 도 1을 보면, 20wt% Pt/C 상에 에틸렌디아민으로 보호층이 형성된 것을 확인할 수 있다.
A TEM photograph of the catalyst prepared in Example 1 is shown in FIG. 1, it is confirmed that a protective layer is formed of ethylenediamine on 20 wt% Pt / C.
비교예Comparative Example
상업적으로 입수 가능한 20wt% Pt/C (HISPEC, A Johnson Matthey company)를 촉매로 사용하였다.
A commercially available 20 wt% Pt / C (HISPEC, A Johnson Matthey Company) was used as the catalyst.
실험예Experimental Example 1: 촉매 물성 측정 1: Measurement of catalytic properties
1) One) CHNSCHNS 분석 실험 Analysis experiment
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예에서 제조한 촉매를 이용하여 탄소, 수소 및 질소에 대한 원소 분석 실험을 수행하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.Elemental analysis experiments for carbon, hydrogen and nitrogen were carried out using the catalysts prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples. The results are shown in Table 2 below.
상기 표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예에서 제조된 촉매는 질소를 포함하는 에틸렌디아민을 보호층으로 형성함으로써, 질소 원소가 확인되는 것을 알 수 있었다.
Referring to Table 2, it can be seen that the catalyst prepared in the example according to the present invention is formed of ethylenediamine containing nitrogen as a protective layer, thereby confirming nitrogen element.
2) 2) XPSXPS 분석 실험 ( Analysis experiment PtPt ))
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예에서 제조한 촉매를 이용하여 백금에 대한 XPS 분석 실험을 수행하였다. 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.XPS analysis experiments on platinum were performed using the catalysts prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples. The results are shown in Table 3 below.
상기 표 3을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예에서 제조된 촉매는 비교예와 비교하여 백금 옥사이드보다 금속 성분의 백금이 높은 비율로 존재한다는 것을 알 수 있었다. 이를 통해, 본 발명에 따른 촉매는 사용되는 백금의 양을 줄일 수 있으며, 이를 통해 가격 경쟁력을 확보할 수 있다는 것을 알 수 있다.
Referring to Table 3, it can be seen that the catalyst prepared in the example according to the present invention has a higher proportion of platinum metal than platinum oxide as compared with the comparative example. As a result, it can be seen that the catalyst according to the present invention can reduce the amount of platinum to be used, thereby ensuring price competitiveness.
3) 3) XPSXPS 분석 실험 (N) Analysis (N)
상기 실시예 1 내지 4에서 제조한 촉매를 이용하여 질소에 대한 XPS 분석 실험을 수행하였다. 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.XPS analysis experiments for nitrogen were carried out using the catalysts prepared in Examples 1 to 4 above. The results are shown in Table 4 below.
상기 표 4를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예에서 제조된 촉매는 열처리 온도에 따라 질소 결합 구조가 바뀌는 것을 확인할 수 있다.
Referring to Table 4, it can be seen that the catalyst prepared in the example according to the present invention changes the nitrogen bond structure according to the heat treatment temperature.
실험예Experimental Example 2: 연료전지 특성 평가 2: Evaluation of fuel cell characteristics
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예에서 제조한 촉매를 이용한 촉매층이 형성된 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 막 전극 접합체를 제조하였다. 구체적으로, 고분자 전해질 막의 양면에, 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층이 적층된 구조로 형성하고, 상기 보호층의 양면에 가스 확산층(Fas diffusion layer)를 접합하여 전지를 제조하였다.A membrane electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) having a catalyst layer formed using the catalysts prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples was prepared. Specifically, a cell was fabricated by forming a structure in which a protective layer containing a carbon material doped with nitrogen was laminated on both sides of a polymer electrolyte membrane, and a gas diffusion layer (Fas diffusion layer) was bonded to both sides of the protective layer.
이렇게 제조된 각각의 연료전지에 대한 특성 평가를 실시하였으며, 이는 구체적으로 하기와 같다.The characteristics of each of the fuel cells thus manufactured were evaluated, which is specifically described below.
1) 전류밀도 측정1) Current density measurement
상기 제조된 각각의 연료전지를 이용하여, 전극에 수소 100 sccm 및 산소 150 sccm을 공급하며, 온도 75℃, 상대 습도 100% 및 1 atm의 압력 조건 하에서 작동시킬 때, 전류밀도를 측정하였다. 그 결과는 하기 표 5에 나타내었다.The current density was measured when each of the fuel cells was operated under the conditions of supplying 100 sccm of hydrogen and 150 sccm of oxygen to the electrode and operating under the conditions of a temperature of 75 캜, a relative humidity of 100% and 1 atm. The results are shown in Table 5 below.
표 5를 참조하면, 비교예에 따른 연료전지의 전류 밀도가 1280 mA/cm2 정도인 것과 비교하여 본 발명에 따른 전지는 1500 mA/cm2 이상인 것을 확인할 수 있으며, 실시예 1의 경우 최고 1804 mA/cm2로 현저히 높은 것을 알 수 있다.Referring to Table 5, it can be seen that the current density of the fuel cell according to the comparative example is about 1280 mA / cm 2 , and that the battery according to the present invention has a current density of 1500 mA / cm 2 or more. mA / cm < 2 >, respectively.
이를 통해, 본 발명에 따른 연료전지가 비교예에 비하여 고온 다습한 환경에서도 약 40% 이상 높은 촉매 활성을 보인다는 것을 알 수 있다.
As a result, it can be seen that the fuel cell according to the present invention exhibits a catalytic activity of about 40% or more even in a high temperature and high humidity environment, compared with the comparative example.
2) 사이클 성능 측정2) Cycle performance measurement
상기 제조된 각각의 연료전지를 이용하여, 전극에 질소 150 sccm을 공급하며, 온도 75℃, 상대 습도 100% 하에서, 0.6 내지 1 V 범위에서 포텐셜 스위프법을 통해 10000 사이클을 수행하였다. 이때, 사이클 수행 전 및 후의 촉매 활성면적의 변화율을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 6에 나타내었다.Using each of the fuel cells thus prepared, 15000 sccm of nitrogen was supplied to the electrode, and 10,000 cycles were performed through potential sweeping in the range of 0.6 to 1 V at a temperature of 75 캜 and a relative humidity of 100%. At this time, the rate of change of the catalytic active area before and after the cycle was measured. The results are shown in Table 6 below.
표 6을 참조하면, 비교예에 따른 연료전지의 촉매 활성면적 변화율이 78.39% 인 것과 비교하여 본 발명에 따른 촉매는 50% 이하인 것을 확인할 수 있었다.Referring to Table 6, it was confirmed that the catalyst according to the present invention was 50% or less as compared with the catalyst active area change ratio of the fuel cell according to the comparative example being 78.39%.
이를 통해, 본 발명에 따른 연료전지가 비교예에 비하여 고온 다습한 환경에서 장기간 사용하여도, 촉매 활성면적 감소가 적게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는, 연료전지의 성능과 직결되는 것으로, 전지의 내구성이 우수하다는 것을 의미할 수 있다.As a result, it was found that the fuel cell according to the present invention exhibited less decrease in catalytic active area even when it was used for a long time in a high temperature and high humidity environment, as compared with the comparative example. This is directly related to the performance of the fuel cell, which means that the durability of the battery is excellent.
Claims (10)
금속이 담지된 탄소 지지체 상에 형성된, 질소가 도핑된 탄소재를 포함하는 보호층 포함하는 촉매.
A metal-supported carbon support; And
A catalyst comprising a protective layer comprising a carbon-doped carbonaceous material formed on a metal-supported carbon support.
탄소 지지체는 카본블랙, 케첸블랙, 그래파이트, 카본나노튜브, 카본나노케이지 및 카본 파이버 중 1 종 이상을 포함하는 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon support comprises at least one of carbon black, ketjen black, graphite, carbon nanotube, carbon nanocage and carbon fiber.
금속은 전이 금속인 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the metal is a transition metal.
촉매의 평균 직경은 1 내지 500 ㎛인 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst has an average diameter of 1 to 500 mu m.
보호층의 평균 두께는 0.1 내지 5 nm인 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the average thickness of the protective layer is 0.1 to 5 nm.
제조된 촉매를 열처리하는 단계를 포함하는 촉매의 제조방법.
Preparing a catalyst having a protective layer containing a carbon-doped carbon material on a metal-supported carbon support; And
And heat treating the prepared catalyst.
열처리 온도는 400 내지 700℃인 촉매의 제조방법.
The method according to claim 6,
And the heat treatment temperature is 400 to 700 占 폚.
A fuel cell comprising a catalyst layer comprising the catalyst according to claim 1.
전극에 수소 100 sccm 및 산소 150 sccm을 공급하며, 온도 75℃, 상대 습도 100% 및 1 atm의 압력 조건 하에서 작동시킬 때,
전류밀도(0.6 V)가 1400 mA/cm2 이상인 연료전지.
9. The method of claim 8,
When the electrode is supplied with 100 sccm of hydrogen and 150 sccm of oxygen and operating under the conditions of a temperature of 75 캜, a relative humidity of 100% and 1 atm,
A fuel cell having a current density (0.6 V) of 1400 mA / cm 2 or more.
전극에 질소 150 sccm을 공급하며, 온도 75℃, 상대 습도 100% 하에서, 0.6 내지 1 V 범위에서 포텐셜 스위프법을 통해 10000 사이클을 진행한 후,
화학적 활성 면적의 변화율은 50% 이하인 연료전지.9. The method of claim 8,
150 sccm of nitrogen was supplied to the electrode and 10000 cycles were performed through potential sweeping in the range of 0.6 to 1 V at a temperature of 75 캜 and a relative humidity of 100%
Wherein the rate of change of the chemical active area is 50% or less.
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Cited By (6)
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CN108273535A (en) * | 2018-01-15 | 2018-07-13 | 扬州大学 | A kind of noble-metal-supported N doping bacteria cellulose, preparation and application |
WO2019132281A1 (en) * | 2017-12-26 | 2019-07-04 | 코오롱인더스트리 주식회사 | Catalyst, preparation method therefor, electrode comprising same, membrane-electrode assembly, and fuel cell |
CN111527633A (en) * | 2017-12-26 | 2020-08-11 | 可隆工业株式会社 | Catalyst, method for preparing the same, electrode, membrane-electrode assembly and fuel cell comprising the catalyst |
CN111686780A (en) * | 2020-06-04 | 2020-09-22 | 南京大学 | Metal-nitrogen-carbon catalyst for carbon dioxide electroreduction and preparation method thereof |
CN113871632A (en) * | 2021-08-23 | 2021-12-31 | 温州大学 | Nitrogen-doped carbon-loaded Mo/Pd alloy catalyst and application thereof |
WO2023101309A1 (en) * | 2021-11-30 | 2023-06-08 | 코오롱인더스트리 주식회사 | Catalyst for fuel cell, preparation method therefor, catalyst layer including same, membrane-electrode assembly, and fuel cell |
-
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Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019132281A1 (en) * | 2017-12-26 | 2019-07-04 | 코오롱인더스트리 주식회사 | Catalyst, preparation method therefor, electrode comprising same, membrane-electrode assembly, and fuel cell |
CN111527633A (en) * | 2017-12-26 | 2020-08-11 | 可隆工业株式会社 | Catalyst, method for preparing the same, electrode, membrane-electrode assembly and fuel cell comprising the catalyst |
JP2021506573A (en) * | 2017-12-26 | 2021-02-22 | コーロン インダストリーズ インク | Catalysts, their manufacturing methods, electrodes including them, membrane-electrode assemblies and fuel cells |
EP3734728A4 (en) * | 2017-12-26 | 2022-02-09 | Kolon Industries, Inc. | Catalyst, preparation method therefor, electrode comprising same, membrane-electrode assembly, and fuel cell |
US11831025B2 (en) | 2017-12-26 | 2023-11-28 | Kolon Industries, Inc. | Catalyst, preparation method therefor, electrode comprising same, membrane-electrode assembly, and fuel cell |
CN108273535A (en) * | 2018-01-15 | 2018-07-13 | 扬州大学 | A kind of noble-metal-supported N doping bacteria cellulose, preparation and application |
CN111686780A (en) * | 2020-06-04 | 2020-09-22 | 南京大学 | Metal-nitrogen-carbon catalyst for carbon dioxide electroreduction and preparation method thereof |
CN113871632A (en) * | 2021-08-23 | 2021-12-31 | 温州大学 | Nitrogen-doped carbon-loaded Mo/Pd alloy catalyst and application thereof |
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