KR20170058352A - Polymer electrolyte membrane water electrolysis anode and method for preparing the same using IrO₂electrodeposited porous carbon material, polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus and method using the same - Google Patents

Polymer electrolyte membrane water electrolysis anode and method for preparing the same using IrO₂electrodeposited porous carbon material, polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus and method using the same Download PDF

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장종현
이병석
김형준
디억 헨켄스마이어
유성종
김진영
류재윤
윤성필
한종희
남석우
임태훈
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Abstract

Provided are an anode for water-electrolyzing a polymer electrolyte membrane in which IrO_2 is electrodeposited on a hydrophilic porous carbon material, a manufacturing method thereof, and an apparatus and a method for water-electrolyzing a polymer electrolyte membrane using the same. A single cell for water-electrolyzing a polymer electrolyte membrane according to the present invention comprises: a polymer electrolyte membrane; a cathode which is formed on one side of the membrane; and an anode which is formed on the other side of the membrane. The anode comprises IrO_2 electrodeposited on the surface of carbon paper that is a hydrophilic porous carbon material. The polymer electrolyte membrane is a Nafion membrane, and the cathode is Pt/C. When the anode has an IrO_2 loading amount of 0.01 to 0.54 mg cm^-2, the single cell for water-electrolyzing a polymer electrolyte membrane represents a current density of 0.33 A cm^-2 to 1.6 A cm^-2 at 1.6 V, 90C, and 1.0 to 700 bars, or a current density of 1.5 A cm^-2 to 2.5 A cm^-2 at 1.6 V, 120C, and 1.0 to 700 bars. Accordingly, the present invention not only can reduce the consumption amount of iridium that is a precious metal, but also can represent excellent current density (excellent water electrolysis performance) by lowering the loading amount of IrO_2 used in the anode for water-electrolyzing a polymer electrolyte membrane. Further, the present invention not only can represent good catalytic activity, but also can reduce carbon corrosion when applying an iridium oxide electrodeposited porous carbon material to the anode for water-electrolyzing a polymer electrolyte membrane. Further, the present invention has a simple manufacturing process and can greatly reduce the manufacturing costs compared to conventional manufacturing processes.

Description

산화이리듐이 전해 도금된 다공성 탄소 재료를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해용 애노드 및 그 제조 방법, 이를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치 및 방법{Polymer electrolyte membrane water electrolysis anode and method for preparing the same using IrO₂electrodeposited porous carbon material, polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus and method using the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to an anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane using a porous carbon material having an electrolytic plating of iridium oxide, a method for producing the anode, and an apparatus and a method for preparing a polymer electrolytic membrane water electrolysis using the same. porous carbon material, polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus and method using the same}

본 명세서는 산화이리듐이 전해 도금된 다공성 탄소 재료를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해용 애노드 및 그 제조 방법, 이를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치 및 방법에 관하여 기술한다. This specification describes an anode for electrolysis of polyelectrolyte membranes using a porous carbon material having electrolytically plated iridium oxide, a method for producing the anode, and an apparatus and a method for electrolyzing polyelectrolyte membranes using the same.

글로벌 기후 변화와 화석 연료의 고갈에 따라, 수소 경제로의 전환이 최근 많은 주목을 받고 있다. 수소는 대체 에너지로서 많은 장점을 가지는 것으로서, 환경 오염 물질을 생산하지 않으며, 현저한 손실 없이 장기간 동안 저장될 수 있다.Due to global climate change and depletion of fossil fuels, the shift to the hydrogen economy has received much attention in recent years. Hydrogen has many advantages as an alternative energy, does not produce environmental pollutants, and can be stored for a long period of time without significant loss.

현재 천연 가스의 증기 개질에 의하여 수소가 생산되고 있지만, 여기서는 상당한 양의 CO2 가 함께 생산된다. 지속 가능하고 환경 친화적인 대안으로서, 풍력이나 태양 발전과 같이 재생 에너지 소스와 결합된 물 전기 분해(water electrolysis)가 수소 생산을 위한 현실적인 대안으로서 기대되고 있다. Currently, hydrogen is produced by steam reforming of natural gas, but here a significant amount of CO 2 is produced together. As a sustainable and environmentally friendly alternative, water electrolysis coupled with renewable energy sources, such as wind power or solar power, is expected as a viable alternative to hydrogen production.

그러나, 물 전기 분해에 따른 수소 생산 비용은 개질 과정과 대비할 때 2~3배 더 비싸다. 현재 약 96%의 수소가 화석 연료 기반 기술에 의하여 생산되고[천연 가스 개질 48%, 부분 산화 30%, 석탄 가스화(18%)], 총 수소 생산의 4% 만이 전기 분해에 의하여 생산된다.However, the cost of hydrogen production due to water electrolysis is two to three times more expensive when compared to the reforming process. At present, about 96% of hydrogen is produced by fossil fuel based technology (48% natural gas reforming, 30% partial oxidation, 18% gasification) and only 4% of total hydrogen production is produced by electrolysis.

여러 타입의 물 전기 분해 기술 중에서, 고분자 전해질 막 물 전기 분해[polymer electrolyte membrane water electrolysis, PEMWE] 방법은 생산된 수소의 순도가 높고(약 99.99% 이상), 생산율이 높으며, 시스템 체적이 작고, 생태적으로 무해한 중성인 물(neutral water)을 사용하는 등 많은 이점이 있다.Among various types of water electrolysis techniques, polymer electrolytic membrane water electrolysis (PEMWE) method has a high purity (about 99.99% or more) of produced hydrogen, a high production rate, a small system volume, There are many advantages such as the use of harmless neutral water.

전형적인 PEMWE의 경우, 애노드에서는 이리듐(iridium)이나 루테늄(ruthenium) 기반의 전기 촉매(electrocatalysts)가 산소 발생 반응[oxygen evolution reaction (OER)]을 위해 사용되고(1.0 - 5.0 mg/cm2), 캐소드에서는 수소 발생 반응[hydrogen evolution reaction (HER)]을 위해 백금(platinum) 촉매가 사용되는데(0.4 - 0.8 mg/cm2), 이러한 귀금속 기반의 전기 촉매가 PEMWE의 높은 시스템 비용 중 하나의 원인이 되고 있으므로 제조 비용을 낮출 필요성이 있다.In a typical PEMWE, iridium or ruthenium-based electrocatalysts are used (1.0 - 5.0 mg / cm 2 ) for the oxygen evolution reaction (OER) in the anode, Platinum catalysts (0.4 - 0.8 mg / cm 2 ) are used for the hydrogen evolution reaction (HER), and these noble metal based electrocatalysts are responsible for one of the high system costs of PEMWE There is a need to lower the manufacturing cost.

그러나, 종래 스프레이 법[spraying method (예컨대, 비특허문헌 4, 6)] 및 스퍼터링 법[sputtering method (예컨대, 비특허문헌 7) 등으로 제조된 PEMWE 멤브레인을 사용한 MEA (membrane electrode assembly)에서는 Ir 또는 IrO2 로딩이 감소할 때 단일 셀 성능도 현저히 감소하게 되므로, Ir 또는 IrO2 로딩을 감소시키는 것도 어려운 실정이다.However, in a MEA (membrane electrode assembly) using a PEMWE membrane manufactured by a conventional spraying method (for example, non-patent documents 4 and 6) and a sputtering method (for example, non-patent reference 7) IrO 2 When loading is reduced, single cell performance is also significantly reduced, so that Ir or IrO 2 It is also difficult to reduce the loading.

예컨대, 비특허문헌 6은 MEA 제조 시 막 상에 스프레이 방법(spraying)을 사용하여 IrO2을 로딩한 것인데, IrO2 로딩이 3.0 mg/cm2 에서 0.5 mg/cm2으로 감소하였을 때 1.6V에서의 전류 밀도가 1.33에서 0.67 A/cm2 로 감소하는 것을 보고하고 있다.For example, Non-Patent Document 6 discloses that when IrO 2 is loaded using a spraying method on a membrane in the production of an MEA, the IrO 2 loading is 3.0 mg / cm 2 in 0.5 mg / cm < 2 >, the current density at 1.6 V was reduced from 1.33 to 0.67 A / cm < 2 > As shown in Fig.

A. Marshall, S. Sunde, M. Tsypkin, R. Tunold, International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) 2320-2324. A. Marshall, S. Sunde, M. Tsypkin, R. Tunold, International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) 2320-2324. S. Song, H. Zhang, X. Ma, Z. Shao, R.T. Baker, B. Yi, International Journal of Hydrogen Energy 33 (2008) 4955-4961. S. Song, H. Zhang, X. Ma, Z. Shao, R.T. Baker, B. Yi, International Journal of Hydrogen Energy 33 (2008) 4955-4961. J. Cheng, H. Zhang, G. Chen, Y. Zhang, Electrochimica Acta 54 (2009) 6250-6256. J. Cheng, H. Zhang, G. Chen, Y. Zhang, Electrochimica Acta 54 (2009) 6250-6256. L. Ma, S. Sui, Y. Zhai, International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009) 678-684.  L. Ma, S. Sui, Y. Zhai, International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009) 678-684. G. Wei, Y. Wang, C. Huang, Q. Gao, Z. Wang, L. Xu, International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 3951-3957. G. Wei, Y. Wang, C. Huang, Q. Gao, Z. Wang, L. Xu, International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 3951-3957. H. Su, B.J. Bladergroen, V. Linkov, S. Pasupathi, S. Ji, International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011) 15081-15088. H. Su, B.J. Bladergroen, V. Linkov, S. Pasupathi, S. Ji, International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011) 15081-15088. E. Slavcheva, I. Radev, S. Bliznakov, G. Topalov, P. Andreev, E. Budevski, Electrochimica Acta 52 (2007) 3889-3894. E. Slavcheva, I. Radev, S. Bliznakov, G. Topalov, P. Andreev, E. Budevski, Electrochimica Acta 52 (2007) 3889-3894. V. Antonucci, A. Di Blasi, V. Baglio, R. Ornelas, F. Matteucci, J. Ledesma-Garcia, L.G. Arriaga, A.S.Arico, Electrochimica Acta 53 (2008) 7350-7356. V. Antonucci, A. Di Blasi, V. Baglio, R. Ornelas, F. Matteucci, J. Ledesma-Garcia, L.G. Arriaga, A. S. Arico, Electrochimica Acta 53 (2008) 7350-7356. Wu Xu, Keith Scotta, Suddhasatwa Basu, Journal of Power Sources 196 (2011) 8918-8924. Wu Xu, Keith Scotta, Suddhasatwa Basu, Journal of Power Sources 196 (2011) 8918-8924. V. Baglio, R.Ornelas, F.Matteucci, F.Martina, G.Ciccarella, I.Zama, L.G. Arriaga, V. Antonucci, A.S.Arico FUEL CELLS 09, 2009, No. 3, 247-252.  V. Baglio, R. Ornelas, F. Matteucci, F. Martin, G. Ciccarella, I. Zama, L.G. Arriaga, V. Antonucci, A.S. Arico FUEL CELLS 09, 2009, No. 1. 3, 247-252. Anita Skulimowska, Marc Dupont, Marta Zaton, Svein Sunde, Luca Merlo, Deborah J. Jones, Jacques Roziere, International Journal of Hydrogen Energy 39 (2014) 6307-6316. Anita Skulimowska, Marc Dupont, Marta Zaton, Svein Sunde, Luca Merlo, Deborah J. Jones, Jacques Roziere, International Journal of Hydrogen Energy 39 (2014) 6307-6316. David Aili, Martin Kalmar Hansen, Chao Pan, Qingfeng Li, Erik Christensen, Jens Oluf Jensen, Niels J. Bjerrum, International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011) 6985-6993. David Aili, Martin Kalmar Hansen, Chao Pan, Qingfeng Li, Erik Christensen, Jens Oluf Jensen, Niels J. Bjerrum, International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011) 6985-6993. Varagunapandiyan Natarajan, Suddhasatwa Basu, Keith Scott, International Journal of Hydrogen Energy 38 (2013) 16623-16630. Varagunapandiyan Natarajan, Suddhasatwa Basu, Keith Scott, International Journal of Hydrogen Energy 38 (2013) 16623-16630. Martin Kalmar Hansen, David Aili, Erik Christensen, Chao Pan, Soren Eriksen, Jens Oluf Jensen, Jens H. von Barner, Qingfeng Li, Niels J. Bjerrum, International Journal of Hydrogen Energy 37 (2012) 10992-11000.  Martin Kalmar Hansen, David Aili, Erik Christensen, Chao Pan, Soren Eriksen, Jens Oluf Jensen, Jens H. von Barner, Qingfeng Li, Niels J. Bjerrum, International Journal of Hydrogen Energy 37 (2012) 10992-11000.

본 발명의 구현예들에서는, 일측면에서, 고분자 전해질 막 물 전기 분해의 애노드에 사용되는 IrO2 로딩량을 줄일 수 있으면서도 우수한 전류밀도 (우수한 물 전기 분해 성능)를 달성할 수 있는, 고분자 전해질 막 물 전기 분해용 애노드 및 그 제조 방법, 이를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치 및 방법을 제공한다.In embodiments of the present invention, in one aspect, a polymer electrolyte membrane (membrane) capable of achieving excellent current density (excellent water electrolysis performance) while reducing the loading amount of IrO 2 used in an anode of a water electrolysis of polyelectrolyte membrane An anode for water electrolysis, a method for producing the same, and a device and a method for electrolyzing a polymer electrolyte membrane using the same.

본 발명의 구현예들에서는, 다른 일측면에서, 고분자 전해질 막 물 전기 분해의 애노드에 적용 시 촉매 활성이 양호하고 탄소 부식을 줄일 수 있는 고분자 전해질 막 물 전기 분해용 애노드 및 그 제조 방법, 이를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치 및 방법을 제공한다.In an embodiment of the present invention, in another aspect, an anode for electrolysis of polyelectrolyte membrane water electrolysis, which has good catalytic activity when applied to an anode of a polyelectrolyte membrane water electrolysis and can reduce carbon corrosion, A polymer electrolytic membrane water electrolysis apparatus and method are provided.

본 발명의 구현예들에서는, 다른 일측면에서, 제조 과정이 단순하며 제조 비용을 크게 절감할 수 있는, 고분자 전해질 막 물 전기 분해용 애노드 및 그 제조 방법, 이를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치 및 방법을 제공한다.Embodiments of the present invention, in another aspect, provide a polymer electrolyte membrane water electrolysis anode and a method of manufacturing the same, which can simplify a manufacturing process and can greatly reduce manufacturing cost, a polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus using the same, ≪ / RTI >

본 발명의 구현예들에서는, 친수성 다공성 탄소 재료에 IrO2 이 제공된, 특히 전해 도금으로 제공된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드를 제공한다.In embodiments of the present invention, the hydrophilic porous carbon material is doped with IrO 2 Wherein the anode is provided with an electrolytic plating, particularly a electrolytic plating.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 친수성 다공성 탄소 재료에 IrO2 을 전해 도금하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드 제조 방법을 제공한다.In embodiments of the present invention, the hydrophilic porous carbon material may further include IrO 2 The present invention also provides a method for manufacturing an anode for water electrolysis of polyelectrolyte membranes.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 고분자 전해질 막, 상기 막의 일측에 형성된 캐소드, 상기 막의 타측에 형성된 애노드를 포함하고, 상기 애노드는 친수성 다공성 탄소 재료 상에 IrO2 이 전해 도금된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 단일 셀 및 이를 포함하는 장치를 제공한다.In embodiments of the invention Further, the polymer electrolyte membrane, and an anode formed on the cathode, the other side of the film formed on one side of the membrane, the anode is IrO 2 on the hydrophilic porous carbon material Wherein the electrolytic plating is carried out by using the electrolytic plating solution.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 상기 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 방법을 제공한다.Embodiments of the present invention also provide a method of electrolyzing a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus.

본 발명의 구현예들에 따르면, 고분자 전해질 막 물 전기 분해의 애노드에 사용되는 IrO2 로딩량을 낮출 수 있음에 따라 귀금속인 이리듐 사용 양을 줄일 수 있으면서도 우수한 전류 밀도(우수한 물 전기 분해 성능)을 나타낼 수 있다. 또한, 고분자 전해질 막 물 전기 분해의 애노드에 적용 시 양호한 촉매 활성을 나타낼 수 있으면서도 탄소 부식을 줄일 수 있다. 또한, 제조 과정이 매우 종래와 대비하여 단순하며 제조 비용을 크게 절감할 수 있다. According to the embodiments of the present invention, it is possible to reduce the amount of iridium used as a noble metal, while reducing the amount of IrO 2 used in the anode of the polyelectrolyte membrane water electrolysis, and also to have excellent current density (excellent water electrolysis performance) . In addition, it can exhibit good catalytic activity when applied to an anode for water electrolysis of polyelectrolyte membranes, while reducing carbon corrosion. In addition, the manufacturing process is very simple compared to the conventional one, and the manufacturing cost can be greatly reduced.

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서, 전해 도금 용액(염화 이리듐 수화물 0.1M, 옥살산 0.04M, 과산화수소 0.01M) 및 pH가 조정된 물에서의 CP 전극에 대한 선형 전위 주사(LSV) 곡선[도 1a] 및 0.6 V, 0.7 V, 0.8 V 및 0.9 V의 일정 전위 하에서의 전해 도금 동안의 전류 밀도[도 1b]를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 있어서, 도금되지 않은 카본 페이퍼(bare carbon paper)의 SEM 이미지[도 2a], 전해 도금 전위에 따라 전해도금하여 제조된 IrO2/CP 전극의 SEM 이미지이다[도 2b (0.6V), 도 2c (0.7V), 도 2d (0.8V), 도 2e (0.9V)]. 참고로, IrO2/CP 전극에 대한 전해 도금 시간은 60초이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 있어서, 카본 페이퍼 상에 전해 도금된 IrO2의 Ir4f XPS (X-ray photoelectron spectra)를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 있어서, 1분 내지 30분의 다양한 전해 도금 시간에 대하여 0.7V에서 전해 도금하는 동안의 전류 밀도[도 4a] 및 전해 도금에 대해 전하의 함수(function of electric charge for electrodeposition)로서의 IrO2 양을 나타내는 그래프이다[도 4b].
도 5는 본 발명의 실시예에 있어서, 0.7 V에서 1분간[도 5a], 10분간[도 5b], 20분간[도 5c], 30분간[도 5d] 전해도금하여 제조된 IrO2/CP 전극의 SEM 이미지를 나타내는 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 있어서, 0.7 V에서 전해도금된 IrO2/CP 전극에 대하여, IrO2 로딩양(전해 도금 시간으로 표시)에 따른 함수로서 순환전위주사 (Cyclic voltammogram) 곡선[도 6a] 및 Ir(V) 피크 전류 감소[도 6b]를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서, IrO2/CP 애노드를 가지는 PEMWE 단일 셀의 분극 커브(polarization curves)를 나타낸다(E dep = 0.7 V; t dep = 1 ~ 30 min).
도 8은 본 발명의 실시예에 있어서, 1.45V에서의 전류 밀도 (폐쇄된 서클) 및 1.6V (오픈 서클)에서의 전류 밀도 [도 8a] 및 1.6V에서 애노드 로딩에 따른 질량당 활성(mass activity)을 나타내는 것이다[도 8b]. 도 8b에는 종래 문헌의 데이터들이 함께 표시되어 있다.
도 9는 본 실험 2에서의 실시예 및 비교예의 고온 수전해 성능을 나타내는 그래프이다. X축은 전류 밀도(Current Density; 단위 Acm- 2)를 나타내고 Y축은 전압(Voltage: 단위 V)을 나타낸다.
도 10은 본 실험 2에서 표 2의 결과를 그래프로 표시해 본 것이다. 도 10에서 X축은 로딩양 (단위: mg cm-2), Y축은 1.6V에서의 전류 밀도 (단위: A cm- 2)를 나타낸다. 도 10에는 종래 문헌의 데이터들이 함께 표시되어 있다.
Figure 1 is a graph of the linear potential scanning (LSV) curves for electrolytic plating solutions (0.1 M of iridium chloride hydrate, 0.04 M of oxalic acid, 0.01 M of hydrogen peroxide) and CP electrodes in pH adjusted water 1a] and the current density during electrolytic plating at constant potentials of 0.6 V, 0.7 V, 0.8 V, and 0.9 V (Fig. 1B).
FIG. 2 is a SEM image of an uncoated bare carbon paper (FIG. 2A), and an SEM image of an IrO 2 / CP electrode produced by electrolytic plating according to the electrolytic plating potential in Examples and Comparative Examples of the present invention. (Fig. 2B (0.6V), Fig. 2C (0.7V), Fig. 2D (0.8V) and Fig. 2E (0.9V)]. For reference, the electroplating time for the IrO 2 / CP electrode is 60 seconds.
Figure 3 according to an embodiment of the present invention, a graph showing the Ir4f XPS (X-ray photoelectron spectra ) of IrO 2 electrolytic plating on the carbon paper.
FIG. 4 is a graph showing the current density during electrolytic plating at 0.7 V for various electrolytic plating times of 1 to 30 minutes (FIG. 4A) and the function of electric charge for electrolytic plating IrO 2 is a graph showing the amount as for electrodeposition) [Figure 4b].
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the IrO 2 / CP produced by electrolytic plating at 0.7 V for 1 minute [FIG. 5A], 10 minutes [FIG. 5B], 20 minutes SEM image of the electrode.
FIG. 6 is a graph showing that in an embodiment of the present invention, IrO 2 / CP electrode electroplated at 0.7 V, IrO 2 6A] and Ir (V) peak current reduction (Fig. 6B) as a function of the amount of loading (indicated by the electroplating time).
Figure 7 shows the polarization curves of a PEMWE single cell with an IrO 2 / CP anode ( E dep = 0.7 V; t dep = 1 to 30 min) in an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the current density (closed circle) at 1.45 V and the current density at 1.6 V (open circle) [Fig. 8a] and mass activity (Fig. 8b). In FIG. 8B, data of the conventional literature are shown together.
9 is a graph showing the high-temperature hydrothermal performance of the Examples and Comparative Examples in Experiment 2. The X axis represents the current density (unit Acm - 2 ) and the Y axis represents the voltage (unit: V).
FIG. 10 is a graph showing the results of Table 2 in Experiment 2. In Figure 10 X-axis loading amount (unit: mg cm -2), the current density in the Y-axis 1.6V: - represents the (in cm 2 A). In Fig. 10, data of the conventional literature are also shown.

이하 본 발명의 예시적인 구현예들을 상술한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.

본 발명자들은, 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치의 애노드 물질로서, 다공성 탄소 재료상에 IrO2 을 형성, 특히 전해 도금을 통해 형성한 재료를 사용함으로써, IrO2 로딩량을 줄여 귀금속인 이리듐 사용 함량을 현저히 줄이면서도 우수한 전류 밀도(우수한 물 전기 분해 성능)를 달성할 수 있음을 확인하였다.The present inventors, as the anode material of the polymer electrolyte membrane water electrolyzer, IrO 2 on porous carbon jaeryosang And particularly by using a material formed through electrolytic plating, IrO 2 It has been confirmed that the current density (excellent water electrolysis performance) can be achieved while reducing the loading amount and significantly reducing the content of iridium used as the noble metal.

이에 본 발명의 구현예들에서는, 일 측면에서, 친수성 다공성 탄소 재료에 IrO2 이 제공된(존재하는) 특히 전해 도금(electrodeposition)으로 제공된(존재하는) 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드를 제공한다.In embodiments of the present invention, therefore, in one aspect, the hydrophilic porous carbon material is provided (present) with, in particular, electrodeposition where IrO 2 is provided (present) Lt; / RTI >

친수성 다공성 탄소 재료에 IrO2 이 전해 도금되는 경우 해당 다공성 탄소 재료에 IrO2 형성을 위한 다른 제조 방법(예컨대, 스프레이 방법이나 데칼 방법 등)을 사용한 경우와는 구별되는 전해 도금 특유의 성상(또는 몰폴로지) 내지 구조를 가지게 된다.The hydrophilic porous carbon material was coated with IrO 2 Is subjected to electrolytic plating, the porous carbon material is coated with IrO 2 (Or a molar phase) unique to electrolytic plating, which is different from the case of using another manufacturing method (for example, a spray method or a decal method).

즉, 다공성 탄소 재료에 IrO2 을 전해 도금에 의하여 형성하게 되면, IrO2 입자(예컨대 구형 입자)가 형성되기 시작하면서 다공성 탄소 재료 표면에 IrO2 입자가 생성되어 필름 형태로 성장하여 다공성 탄소 재료 표면이 IrO2 층(또는 IrO2 필름으로도 표현될 수 있다)으로 커버(즉, 표면 피복)되고, 전해 도금에 따라 더 형성된 IrO2 입자가 해당 IrO2 층에 부착(또는 deposit)된 형태(구조)를 가지게 된다.That is, when the porous carbon material is doped with IrO 2 Is formed by electrolytic plating, IrO 2 As the particles (for example, spherical particles) start to be formed, the surface of the porous carbon material is coated with IrO 2 Particles are generated and grown in a film form so that the surface of the porous carbon material is made of IrO 2 Layer (or IrO 2 (That is, surface-coated) with a predetermined thickness (which can also be expressed as a film), and the IrO 2 particles formed by electrolytic plating have a form (structure) adhered to the IrO 2 layer.

따라서, 예시적인 구현예에서, 전해 도금에 의하여 제조된 고분자 전해질 막 물 전기 분해용 애노드는, 탄소 재료 표면이 IrO2 층으로 커버되고, 해당 IrO2 층에는 IrO2 입자가 부착(또는 deposit)된 구조로 표현될 수 있다. Thus, in an exemplary embodiment, the anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane produced by electrolytic plating is a surface of a carbon material having an IrO 2 Layer, and the corresponding IrO < 2 > Layer may be represented by a structure in which IrO 2 particles are deposited.

예시적인 구현예에서, 상기 IrO2 층의 두께는 0.01~1㎛, 바람직하게는 10 ~ 210 nm이고, 더욱 바람직하게는 70 ~ 210 nm이며, IrO2 입자 사이즈는 0.1~3㎛, 바람직하게는 0.25 ~ 1.2 um이다. In an exemplary embodiment, the IrO 2 The thickness of the layer is 0.01 to 1 탆, preferably 10 to 210 nm, more preferably 70 to 210 nm, and IrO 2 The particle size is 0.1 to 3 탆, preferably 0.25 to 1.2 탆.

예시적인 구현예에서, 상기 다공성 탄소 재료 상의 IrO2 로딩 양은 0.01 ~ 1.00 mg cm-2 또는 0.01 ~ 0.54 mg cm-2일 수 있다.In an exemplary embodiment, the IrO 2 on the porous carbon material The loading amount may be 0.01 to 1.00 mg cm -2 or 0.01 to 0.54 mg cm -2 .

한편, 촉매 활성 표면적을 높이기 위하여 탄소 재료는 다공성 재료를 사용한다. 또한, 수용액 기반 전해 도금 공정을 적용하므로 상기 다공성 탄소 재료는 친수성을 가지도록 한다. 예시적인 구현예에서, 상기 다공성 탄소 재료는 바람직하게는 카본 섬유로 이루어진 카본 페이퍼이다. On the other hand, in order to increase the catalytic active surface area, a porous material is used as the carbon material. Further, since the aqueous solution-based electrolytic plating process is applied, the porous carbon material has hydrophilicity. In an exemplary embodiment, the porous carbon material is preferably carbon paper made of carbon fibers.

예시적인 구현예에서, 상기 IrO2 층이 다공성 탄소 재료의 표면을 커버하는 것이되, 다공성 탄소 재료가 노출되지 않도록 커버하는 것이 바람직하다. 즉, 바람직한 애노드 구조는 친수성 다공성 탄소 재료 표면을 IrO2 층이 커버하되 탄소 재료 노출이 없는 구조(carbon exposure free structure)이다. In an exemplary embodiment, the IrO 2 Layer covers the surface of the porous carbon material, and is preferably covered so as not to expose the porous carbon material. I.e., the desired anode structure IrO the hydrophilic porous carbon material surface 2 Layer is a carbon-free structure.

예시적인 구현예에서, 상기 IrO2 층이 다공성 탄소 재료 표면을 커버하는 것이고, IrO2 층은 크랙이 없는(crack free) 구조를 가지는 것이 바람직하다. 즉, 바람직한 애노드 구조는 친수성 다공성 탄소 재료 표면을 IrO2 층이 커버하되 IrO2 층은 크랙이 없는 구조(crack free structure)이다. In an exemplary embodiment, the IrO 2 Layer covers the surface of the porous carbon material, IrO2 < RTI ID = 0.0 > The layer preferably has a structure free from cracks. That is, the preferred anode structure IrO the hydrophilic porous carbon material surface 2 Layer covered with IrO 2 The layer is a crack free structure.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 다른 일 측면에서, 친수성 다공성 탄소 재료에 IrO2 을 전해 도금하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드 제조 방법을 제공한다.In another aspect, also in the embodiment of the present invention, IrO 2 in the hydrophilic porous carbon material The present invention also provides a method for manufacturing an anode for water electrolysis of polyelectrolyte membranes.

예시적인 구현예에서, 다공성 탄소 재료 상에 전해 도금 시, 도금 전압 및 도금 시간 중 하나 이상을 조절할 수 있다.In an exemplary embodiment, at least one of the plating voltage and the plating time can be adjusted during electroplating on the porous carbon material.

예시적인 구현예에서, 상기 도금 전압은 0.6 내지 0.9 V가 바람직하다. 또한, 상기 도금 시간은 1 분 내지 30 분이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the plating voltage is preferably 0.6 to 0.9V. The plating time is preferably from 1 minute to 30 minutes.

한편, 본 발명의 구현예들에서는, 다른 일 측면에서, 고분자 전해질 막, 상기 막의 일측에 형성된 캐소드, 상기 막의 타측에 형성된 애노드를 포함하고, 상기 애노드는 다공성 탄소 재료 상에 IrO2 이 제공된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane, a cathode formed on one side of the membrane, and an anode formed on the other side of the membrane, wherein the anode comprises IrO 2 A water electrolysis apparatus for a polymer electrolyte membrane is provided.

예시적인 구현예에서, 상기 IrO2 전기 도금된 다공성 탄소 재료(예컨대, 상기한 바와 같은 카본 페이퍼)로 된 애노드를 고분자 전해질 막(예컨대, 나피온 막)의 일측에 형성하고 타측에 캐소드(상용 캐소드를 사용할 수 있다. 예컨대, 카본 페이퍼 상에 백금을 스프레이하여 형성한 Pt/C)을 형성하여 막 전극 접합체를 제조하고, 이에 바이폴라 플레이트를 결합하고, 엔드 플레이트를 장착하여 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치(셀)을 제조할 수 있다.In an exemplary embodiment, the anode made of the IrO 2 electroplated porous carbon material (for example, carbon paper as described above) is formed on one side of a polymer electrolyte membrane (for example, a Nafion membrane), and a cathode For example, Pt / C formed by spraying platinum on a carbon paper) is formed on the surface of the membrane electrode assembly, a bipolar plate is bonded to the membrane electrode assembly, and an end plate is attached to the polymer electrolyte membrane, (Cell) can be produced.

예시적인 구현예에서, 상기 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치는 작은 촉매량 (작은 IrO2 로딩양)으로도 고성능을 달성할 수 있다. In an exemplary embodiment, the polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus can achieve high performance even with a small catalytic amount (small amount of IrO 2 loading).

예컨대, IrO2 로딩양이 0.01~1.00 mg cm-2 바람직하게는 0.01 ~ 0.54 mg cm- 2 일 때, 1.6 V, 90℃, 1.0~700bar(또는 예컨대 1.0~50bar 또는 1.0~30bar 또는 1.0~2.5bar) 에서 0.33 A cm-2 ~ 1.6 A cm-2의 전류 밀도를 나타낼 수 있다. 이 경우 캐소드 및 막은 통상적인 캐소드(예컨대 Pt/C: 캐소드 촉매량도 통상적인 촉매량 예컨대, 0.4mg/cm2일 수 있다) 및 막(나피온)을 사용할 수 잇다.For example, IrO 2 Loading amount is 0.01 ~ 1.00 mg cm -2 and preferably 0.01 ~ 0.54 mg cm - when two days, 1.6 V, 90 ℃, 1.0 ~ 700bar ( or for example 1.0 ~ 50bar or 1.0 ~ 30bar or 1.0 ~ 2.5bar) 0.33 in A current density of A cm -2 to 1.6 A cm -2 can be shown. In this case, the cathode and the membrane may be a conventional cathode (e.g. Pt / C: the amount of cathode catalyst may be a typical catalytic amount, for example 0.4 mg / cm 2 ) and a membrane (Nafion).

또는, 애노드 IrO2 로딩양이 0.01~1.00 mg cm-2 바람직하게는 0.01 ~ 0.54 mg cm- 2 일 때, 1.6 V, 120℃, 1.0 ~ 700 bar(또는 예컨대 1.0~50bar 또는 1.0~30bar 또는 1.0~2.5bar) 에서 1.5 A cm-2 ~ 2.5 A cm-2의 전류 밀도를 나타낼 수 있다. 이 경우 캐소드 및 막은 통상적인 캐소드(예컨대 Pt/C: 캐소드 촉매량도 통상적인 촉매량 예컨대, 0.4mg/cm2일 수 있다) 및 막(나피온)을 사용할 수 있다.Alternatively, the anode IrO 2 Loading amount is 0.01 ~ 1.00 mg cm -2 and preferably 0.01 ~ 0.54 mg cm - 2 be when, 1.6 V, 120 ℃, 1.0 ~ 700 bar ( or for example 1.0 ~ 50bar or 1.0 ~ 30bar or 1.0 ~ 2.5bar) in A current density of 1.5 A cm -2 to 2.5 A cm -2 can be exhibited. In this case, the cathode and the membrane may be a conventional cathode (for example, a Pt / C: cathode catalyst amount may be a typical catalytic amount, for example, 0.4 mg / cm 2 ) and a membrane (Nafion).

이와 같이 본 발명의 구현예들의 애노드가 작은 촉매량으로도 고성능을 보이는 특징은 상기 온도 뿐만 아니라 더 낮은 저온, 혹은 더 높은 고온의 다양한 온도에서 발현될 수 있다.As such, the anode of the embodiments of the present invention, which exhibits high performance even with a small amount of catalyst, can be expressed at a variety of temperatures, such as lower temperatures or higher temperatures as well as above.

예시적인 구현예에서, 상기 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치는 애노드 IrO2 로딩양이 0.01~1.00 mg cm-2 바람직하게는 0.01 ~ 0.54 mg cm- 2 일 때, 1.6 V, 90℃, 1.0~700bar(또는 예컨대 1.0~50bar 또는 1.0~30bar 또는 1.0~2.5bar) 에서 74.7~0.64 A mg-1의 질량당 활성(mass activity; MA)를 나타낼 수 있다. 이 경우 캐소드 및 막은 통상적인 캐소드(예컨대 Pt/C: 캐소드 촉매량도 통상적인 촉매량 예컨대, 0.4mg/cm2일 수 있다) 및 막(나피온)을 사용할 수 있다.In an exemplary embodiment, the polymer electrolyte membrane water electrolyzer anode is IrO 2 loading amount is 0.01 ~ 1.00 mg cm -2 and preferably 0.01 ~ 0.54 mg cm - when two days, 1.6 V, 90 ℃, 1.0 ~ 700bar (MA) of 74.7 to 0.64 A mg- 1 at a pressure of 1 to 50 bar (or for example 1.0 to 50 bar or 1.0 to 30 bar or 1.0 to 2.5 bar). In this case, the cathode and the membrane may be a conventional cathode (for example, a Pt / C: cathode catalyst amount may be a typical catalytic amount, for example, 0.4 mg / cm 2 ) and a membrane (Nafion).

또한, 애노드 IrO2 로딩양이 0.01~1.00 mg cm-2 바람직하게는 0.01 ~ 0.54 mg cm-2 일 때, 1.6 V, 120℃, 1.0 bar ~ 700 bar (또는 예컨대 1.0~50bar 또는 1.0~30bar 또는 1.0~2.5bar) 에서 3.2 A mg-1 ~ 117 A mg-1의 질량 당 활성을 나타낼 수 있다. 이 경우 캐소드 및 막은 통상적인 캐소드(예컨대 Pt/C: 캐소드 촉매량도 통상적인 촉매량 예컨대, 0.4mg/cm2일 수 있다) 및 막(나피온)을 사용할 수 있다.In addition, the anode IrO 2 When the loading amount is 0.01 to 1.00 mg cm -2, preferably 0.01 to 0.54 mg cm -2 , 1.6 V, 120 ° C, 1.0 bar to 700 bar (or 1.0 to 50 bar or 1.0 to 30 bar or 1.0 to 2.5 bar, To 3.2 A mg -1 to 117 A mg -1 . In this case, the cathode and the membrane may be a conventional cathode (for example, a Pt / C: cathode catalyst amount may be a typical catalytic amount, for example, 0.4 mg / cm 2 ) and a membrane (Nafion).

또한, 본 발명의 구현예들에서는, 다른 일 측면에서, 상기 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 방법을 제공한다.In another aspect of the present invention, there is provided a method for electrolyzing a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus.

이하, 실시예 및 실험을 통하여 더욱 상세히 설명하지만, 이하에 기재된 내용에 본 발명이 한정되지 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples and Experiments, but the present invention is not limited to the following description.

[실험 1][Experiment 1]

애노드Anode 전해 도금( Electroplating ( anodicanodic electrodepositionelectrodeposition )을 통한 )through IrOIrO 22 // CPCP 제조 Produce

전해 도금 액을 준비하고자, 0.1M 염화 이리듐 수화물[iridium chloride hydrate (IrCl4·H2O)]을 탈이온수 (DI water)에 넣어 용해하고 30분간 자력 교반기에 넣어 교반/혼합하였다. 이어서 옥살산 ((COOH)2·2H2O: 5 g L-1) 및 과산화수소 (35% H2O2: 10 g L-1)를 첨가하고 얻어진 용액을 10분간 혼합하였다. 무수 포타슘 카보네이트(anhydrous potassium carbonate)를 첨가하여 용액의 pH를 10.5로 조정한 후, 전해 도금 용액(electrodeposition solution)을 교반 상태에서 안정화되도록 3일간 교반하였다.To prepare the electrolytic plating solution, 0.1 M iridium chloride hydrate (IrCl 4 .H 2 O) was dissolved in deionized water (DI water) and stirred for 30 minutes in a magnetic stirrer and mixed. Then, oxalic acid ((COOH) 2 .2H 2 O: 5 g L -1 ) and hydrogen peroxide (35% H 2 O 2 : 10 g L -1 ) were added and the obtained solution was mixed for 10 minutes. Anhydrous potassium carbonate was added to adjust the pH of the solution to 10.5, and then the electrodeposition solution was agitated for 3 days to be stabilized under stirring.

삼극 전기화학 셀(three-electrode electrochemical cell)을 이용하여 애노드 전해 도금(anodic electrodeposition)을 수행하였다. 해당 삼극 전기화학 셀에서는 SIGNADUR® 글래시 탄소 로드 전극[glassy carbon rod electrode (diameter: 4 mm, HTW Germany)] 및 포화 카로멜 전극(SCE, Hanna instruments Ltd.)이 카운터 전극 및 레퍼런스 전극으로 각각 사용되었다. 다공성 탄소 재료인 카본 페이퍼(Carbon Paper; CP)(두께: 280 um, TGPH-090, Toray Inc.)를 전해 도금 셀의 바닥에 놓았다. Anodic electrodeposition was performed using a three-electrode electrochemical cell. SIGNADUR® glass rod electrodes (diameter: 4 mm, HTW Germany) and saturated carbon electrodes (SCE, Hanna instruments Ltd.) are used as counter electrodes and reference electrodes, respectively, in the corresponding triode electrochemical cell . Carbon paper (CP) (thickness: 280 μm, TGPH-090, Toray Inc.) as a porous carbon material was placed on the bottom of the electrolytic plating cell.

일정 전위기 장비(potentiostat instrument)(AUT302N, AUTO LAB Ltd.)로 알루미늄 박을 통해 카본 페이퍼 상에 도금 전위를 가하였다. 선형 전위 주사[Linear sweep voltammetry (LSV)]를 0.2V 내지 1.4V 범위에서 도금 용액 중에 수행하였고, 스캔 속도는 50 mV s-1였다. IrO2 전해 도금을 일정 전위 (0.6 V ~ 0.9 V)를 가하여 다양한 도금 시간(1~30 min) 동안 수행하였다. A plating potential was applied to the carbon paper through an aluminum foil with a potentiostat instrument (AUT302N, AUTO LAB Ltd.). Linear sweep voltammetry (LSV) was performed in the plating solution in the range of 0.2V to 1.4V and the scan rate was 50 mV s- 1 . IrO 2 Electroplating was performed for various plating times (1 to 30 min) at constant potentials (0.6 V to 0.9 V).

IrOIrO 22 /CP 전극 특성 분석/ CP Electrode Characteristic Analysis

0.1M HClO4 용액 중에서 -0.5V 내지 1.5V 범위에서 5 mV s-1 스캔 속도로 순환전위주사 [Cyclic voltammetry (CV)] (AUT302N, AUTO LAB Ltd.)를 수행하였다. Cyclic voltammetry (CV) at a scan rate of 5 mV s -1 in a range of -0.5 V to 1.5 V in 0.1 M HClO 4 solution, (AUT302N, AUTO LAB Ltd.).

IrO2/CP 전극의 몰폴로지와 성분 조성을 주사 전자 현미경(SEM, S-4100, Hitachi Ltd.) 및 유도 커플 플라즈마 매스 스팩트로스코피 [inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS, iCAP 6300 series, Thermo Ltd)]로 각각 분석하였다. 또한, 도금 조성(composition of deposits)을 Al Kα(1486.6 eV) 방사선을 사용하는 X-레이 광전자 스펙트로스코피 (XPS, PHI 5000 VersaProbe, Ulvac-PHI Ltd.)로 분석하였다. The morphology and composition of the IrO 2 / CP electrodes were determined by scanning electron microscopy (SEM, S-4100, Hitachi Ltd.) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS, iCAP 6300 series, Thermo Ltd.). In addition, the composition of deposits was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, PHI 5000 VersaProbe, Ulvac-PHI Ltd.) using Al K alpha (1486.6 eV) radiation.

IrOIrO 22 /CP 전극을 이용한 PEMWE 단일 셀 테스트/ PEMWE single cell test using CP electrodes

GDL (두께: 280 um, 5% PTFE, 10 BC, SGL group) 을 가지는 IrO2/CP 애노드 및 Pt/C 캐소드를 나피온 212 막(두께: 50 um, DuPont co.).의 양 측에 놓아 고분자 전해질 막 물 전기 분해(PEMWE) 단일 셀을 제조하였다. An IrO 2 / CP anode and a Pt / C cathode having GDL (thickness: 280 μm, 5% PTFE, 10 BC, SGL group) were placed on both sides of a Nafion 212 membrane (thickness: 50 μm, DuPont co. A single cell of PEMWE (Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis) was fabricated.

Pt/C 양극(cathodes)은 10 BC (SGL carbon Ltd.) 상에 촉매 잉크를 스프레이로 뿌려서 제조하였다. 해당 촉매 잉크는 46.3 % Pt/C (TKK) 및 탈이온수를 혼합하고 이소프로판올 알코올 및 5wt% 나피온 이오노머(DuPont co.)를 첨가하여 제조하였다.Pt / C cathodes were prepared by spraying catalyst ink on 10 BC (SGL carbon Ltd.). The catalyst ink was prepared by mixing 46.3% Pt / C (TKK) and deionized water and adding isopropanol alcohol and 5 wt% Nafion ionomer (DuPont co.).

활성 면적은 4 cm2 이고, 캐소드 측에서의 Pt 로딩을 0.4 mg cm-2로 고정하였다. 셀 조합 후, 셀 온도를 90℃로 증가시키고 물 전기 분해(water electrolysis)에 대한 분극 곡선(polarization curve)을 측정하였다(HCP-803, Biologics Ltd.). 미리 가열된 탈이온수를 애노드 측에 주입하였고(15 mL min-1), 1.35V 에서 2.0V 까지 (0.05V 간격)의 다양한 셀 전위에서 전류가 안정화되었다. The active area was 4 cm 2 , and the Pt loading on the cathode side was fixed at 0.4 mg cm -2 . After cell combination, the cell temperature was increased to 90 ° C and the polarization curve for water electrolysis was measured (HCP-803, Biologics Ltd.). Preheated deionized water was injected into the anode side (15 mL min -1 ) and the current stabilized at various cell potentials from 1.35 V to 2.0 V (0.05 V intervals).

결과 및 논의Results and discussion

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서, 전해 도금 용액(염화 이리듐 수화물 0.1M, 옥살산 0.04M, 과산화수소 0.01M) 및 pH가 조정된 물에서의 CP 전극에 대한 선형전위주사(LSV) 곡선[도 1a] 및 0.6 V, 0.7 V, 0.8 V 및 0.9 V의 일정 전위 하에서의 전해 도금 동안의 전류 밀도[도 1b]를 나타내는 그래프이다.Figure 1 is a graph of the linear potential scanning (LSV) curves for electrolytic plating solutions (0.1 M of iridium chloride hydrate, 0.04 M of oxalic acid, 0.01 M of hydrogen peroxide) and CP electrodes in pH adjusted water 1a] and the current density during electrolytic plating at constant potentials of 0.6 V, 0.7 V, 0.8 V, and 0.9 V (Fig. 1B).

도 1a를 참조하면, 전극 전위가 0V (스캔 속도: 50 mV s- 1)에서 애노드쪽으로 전위주사(anodically swept) 될 때, 약 0.3 V 에서 나타난 애노드 전류는 분극되면서 서서히 감소하였고, 약 0.8 V에서 급속히 증가하였다. 전해 도금 용액에서, 애노드 전류는 이리듐 착화합물(Ir complex compound) 내의 리간드(ligand)의 전기화학적 산화(electrochemical oxidation)에 기인한다. 이에 따라 CO2 및 IrO2가 형성되고 전해 도금된 IrO2의 OER (oxygen evolution reaction, 이하 OER로 칭할 수 있다)이 나타난다. 유사한 pH (pH=10.5)를 가지는 물의 경우, 별다른 전류는 관찰되지 않았다.1A, when the electrode potential was anodically swept toward the anode at 0 V (scan rate: 50 mV s & lt ; -1 >), the anode current at about 0.3 V gradually decreased while being polarized, Respectively. In the electroplating solution, the anode current is due to electrochemical oxidation of the ligand in the Ir complex compound. Accordingly, CO 2 and IrO (may be referred to the oxygen evolution reaction, below OER) 2 is formed, electrolytic plating of the IrO 2 OER is shown. In the case of water having a similar pH (pH = 10.5), no current was observed.

참고로, 아래 반응식 1은 전해 도금 시의 CO2 및 IrO2 형성 반응을 나타낸다.For reference, the following reaction formula 1 shows the formation of CO 2 and IrO 2 during electrolytic plating.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

[Ir(COO)2(OH)4]2- -> IrO2 + 2CO2 + 2H2O + 2e- [Ir (COO) 2 (OH) 4 ] 2- - > IrO 2 + 2CO 2 + 2H 2 O + 2e -

애노드 전기도금(anodic electrodeposition)을 다양한 전해 도금 전위[(E dep ) (0.6 ~ 0.9 V)]에서 60초 동안 수행하였다. Anodic electrodeposition was carried out at various electrolytic plating potentials ( E dep ) ( 0.6-0.9 V) for 60 seconds.

도 1b에 도시된 바와 같이, 더 양(positive)의 전위 (즉, 더 큰 애노드 오버 포텐셜)에서 전류 밀도가 서서히 감소하였다: 60초 후 전류 밀도는 0.2 mA cm-2 (0.6 V) -> 1.2 mA cm-2 (0.7 V) -> 2.5 mA cm-2 (0.8 V) -> 3.8 mA cm-2 (0.9 V)이었다. 그러나, 산소 발생(oxygen evolution)도 해당 전위 범위에서 발생하면서 각 도금 전위에서의 전류 밀도[또는 애노드 전류(anodic charge)]는 IrO2의 양과는 직접적으로 상관(correlated) 되지 않았다. As shown in FIG. 1B, the current density was gradually decreased at a more positive potential (i.e., a larger anode over potential): after 60 seconds the current density was 0.2 mA cm -2 (0.6 V) -> 1.2 mA cm -2 (0.7 V) -> 2.5 mA cm -2 (0.8 V) -> 3.8 mA cm -2 (0.9 V). However, oxygen evolution also occurred in the potential range, and the current density [or anodic charge] at each plating potential was not directly correlated with the amount of IrO 2 .

OER이 또한 현저할 때는, 생성된 산소 버블이 전해 도금된 IrO2의 표면을 블록(block)할 수 있고 심지어 물리적으로 IrO2 박막으로부터 분리될 것으로 예상된다.When OER is also prominent, it is expected that the oxygen bubbles produced can block the surface of the electrolytically plated IrO 2 and even physically separate from the IrO 2 thin film.

도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 있어서, 도금되지 않은 카본 페이퍼(bare carbon paper)(비교예)의 SEM 이미지[도 2a], 전해 도금 전위에 따라 전해도금하여 제조된 IrO2/CP 전극의 SEM 이미지이다[도 2b (0.6V), 도 2c (0.7V), 도 2d (0.8V), 도 2e (0.9V)]. 참고로, IrO2/CP 전극에 대한 전해 도금 시간은 60초이다.2 is according to the Examples and Comparative Examples of the present invention, non-coated carbon paper (bare carbon paper) (comparative example) of the SEM image of Fig. 2a], an electrolyte prepared by electrolytic plating by the plating potential IrO 2 / CP (Fig. 2B (0.6V), Fig. 2C (0.7V), Fig. 2D (0.8V) and Fig. 2E (0.9V)]. For reference, the electroplating time for the IrO 2 / CP electrode is 60 seconds.

도 2를 참조하면, CP의 초기 표면 몰폴로지(도 2a 참조)와 대비하여, 0.6V 도금 전위에서의 몰폴로지 변화(morphological changes)는 현저하지 않았고 (도 2b 참조), 적은 수의 IrO2 흡착 입자(adsorbed particles)들만이 관찰되었다. 관련하여, 예컨대 스프레이 방식을 사용한다면 이미 만들어진 IrO2 입자들이 분산되는 방식이겠지만, 도금 방식을 사용하게 되면, 특정 전위에서 IrO2가 도금 용액에서 분리되어 다공성 탄소 재료 표면에 흡착 입자로 생성되고 도금 전위 증가에 의하여 이러한 흡착 입자가 더 성장하여 필름 형태를 이루게 된다. Referring to FIG. 2, morphological changes at 0.6V plating potential were not significant (see FIG. 2B), as compared to the initial surface morphology (see FIG. 2A) 2 Only adsorbed particles were observed. Regarding, for example, if a spray method is used, an already prepared IrO 2 If the plating method is used, the IrO 2 is separated from the plating solution at a specific potential and is formed as adsorbed particles on the surface of the porous carbon material, and the adsorbed particles are further grown by the plating potential, .

전해 도금 전위가 0.7V로 증가할 때(도 2c), IrO2 도금 양도 크게 증가하였고, 이는 도금 전위가 0.6V에서 0.7V로 증가할 때의 현저한 전류 증가와 부합한다. 애노드 전위 0.8V의 경우(도 2d), IrO2 커버 부분의 몰폴로지는 0.7V의 경우와 유사하였지만, 전해 도금된 IrO2 층에서 많은 수의 크랙이 관찰되었다. 비록 전체 전류 밀도가 가장 높았지만, 도금 전위가 0.9V로 증가할 때는 IrO2 입자들의 표면 커버리지는 거의 감소하였다(도 2e 참조). 이는 급속한 산소 발생(rapid oxygen evolution)에 의하여 IrO2 도금이 거의 방해 되었음을 의미한다. 즉, IrO2 도금 반응과 산소 발생 반응이 함께 일어나게 되는데, 전위가 0.9 V로 증가하게 되면 두 반응 모두 빨라지기는 하지만, 산소 발생 반응이 더욱 급격히 빨라지게 된다. 이에 따라, 산소 기포 발생이 매우 격렬하게 되어, IrO2가 도금되어야 할 표면을 차단하고, 아울러 이미 도금된 IrO2 에 물리적 충격을 가하여 전극으로부터 떨어져 나가는 두 가지 현상이 발생하는 것으로 생각된다. When the electrolytic plating potential increases to 0.7 V (FIG. 2C), IrO 2 The amount of plating also increased significantly, consistent with the significant current increase when the plating potential increased from 0.6V to 0.7V. If the anode potential 0.8V (Fig. 2d), which morphology of the IrO 2 cover part was similar to the case of 0.7V, the electrolytic plating IrO 2 A large number of cracks were observed in the layer. Although the overall current density was highest, when the plating potential increased to 0.9 V, IrO 2 The surface coverage of the particles was almost reduced (see Figure 2e). This means that the IrO 2 plating was almost hindered by rapid oxygen evolution. That is, both the IrO 2 plating reaction and the oxygen generating reaction occur together. When the potential increases to 0.9 V, both reactions accelerate, but the oxygen generating reaction becomes more rapid. Thus, it is considered that the oxygen bubbles become very violent and the IrO 2 blocks the surface to be plated, and furthermore, two phenomena occur in which a physical impact is applied to the already-plated IrO 2 to separate from the electrode.

한편, 여기서 전체 전류 밀도가 가장 높은 이유는, 부반응인 OER이 약 0.61V (pH 10.5 기준)부터 시작되고 전압이 커지면 이 반응이 증가하게 되므로 결국 전압 증가에 의해 도금 전류 보다 부반응인 OER이 점점 커져서 전류 밀도가 증가했기 때문이다. On the other hand, the reason why the total current density is the highest is that since the side reaction OER starts from about 0.61 V (based on pH 10.5) and the voltage increases, the reaction increases. As a result, the OER, which is a side reaction more than the plating current, This is because the current density has increased.

0.7V에서 5분간 전해 도금에 의하여 제조된 샘플에 대하여, XPS 분석을 수행하였고, Ir4f 의 바인딩 에너지 영역을 도 3에 표시하였다.XPS analysis was performed on the samples prepared by electrolytic plating at 0.7 V for 5 minutes, and the binding energy region of Ir4f is shown in FIG.

도 3은 본 발명의 실시예에 있어서, 카본 페이퍼 상에 전해 도금된 IrO2의 Ir4f XPS (X-ray photoelectron spectra)를 나타내는 그래프이다.Figure 3 according to an embodiment of the present invention, a graph showing the Ir4f XPS (X-ray photoelectron spectra ) of IrO 2 electrolytic plating on the carbon paper.

메이저 피크들이 65.4eV 및 62.5eV의 바인딩 에너지 주위에서 관찰되었고, 이는 4f5 /2 및 4f7 /2로 각각 할당되었다. 피크 위치로부터, 전해 도금에 의해 생성된 도금이 IrO2 임을 확인할 수 있었다. 참고로, IrO2 의 Ir4f7 /2 는 62.0 ~ 63.7 eV 에서 나타나고, Ir 금속은 60.6 eV 및 61.0 eV 에서 나타난다.Major peaks were observed around the binding energy of 65.4eV and 62.5eV, which was assigned to each 4f 5/2 and 4f 7/2. From the peak position, it was confirmed that the plating formed by the electrolytic plating was IrO 2 . For reference, Ir4f 7/2 of IrO 2 and appears at 62.0 ~ 63.7 eV, Ir metal appears at 60.6 eV and 61.0 eV.

E dep 를 0.7V에서 고정하고, 도금 시간(t dep )에 따른 효과를 관찰하였다(1분 ~ 30 분). E dep was fixed at 0.7 V and the effect according to the plating time ( t dep ) was observed (1 to 30 minutes).

도 4는 본 발명의 실시예에 있어서, 1분 내지 30분의 다양한 전해 도금 시간에 대하여 0.7V에서 전해 도금하는 동안의 전류 밀도[도 4a] 및 전해 도금에 대해 전하의 함수(function of electric charge for electrodeposition)로서의 IrO2 양을 나타내는 그래프이다[도 4b]. FIG. 4 is a graph showing the current density during electrolytic plating at 0.7 V for various electrolytic plating times of 1 to 30 minutes (FIG. 4A) and the function of electric charge for electrolytic plating IrO 2 is a graph showing the amount as for electrodeposition) [Figure 4b].

도 4a를 참조하면, 전해 도금이 재생될 수 있음을 보여준다. 애노드 전류 밀도(anodic current density)는 초기에 증가하였고 5분 후 약 1.5 mA cm-2에서 안정화되었다.Referring to FIG. 4A, it is shown that the electroplating can be regenerated. The anodic current density increased initially and stabilized at about 1.5 mA cm -2 after 5 min.

다양한 도금 시간 동안 CP 상에 도금된 촉매 양을 ICP로 분석하였고, 이에 따른 IrO2로딩 양을 누적 전하 밀도(integrated electric charge density)의 함수로 플롯팅하였다(도 4b 참조).The amount of plated catalyst on the CP during various plating times was analyzed by ICP and the resulting amount of IrO 2 loading was plotted as a function of the integrated electric charge density (see FIG. 4b).

도금 시간이 증가함에 따라서, 로딩 양은 거의 선형적으로 증가하여 0.541 mg cm-2 (t dep = 30 min)에 이르렀다.As the plating time increased, the loading amount almost linearly increased to 0.541 mg cm -2 ( t dep = 30 min).

애노드 전류는 IrO2를 형성하는데만 사용되었고, 전하(electric charge)에 대한 IrO2로딩 기울기(slope in IrO2 loading vs. electric charge)는 0.181 C mg- 1 정도로 예상되었다.The anode current was used only for forming the IrO 2, IrO 2 loading gradient to the electric charge (electric charge) (slope in IrO 2 loading vs. electric charge) was estimated to be about 0.181 C mg - 1 .

실험 데이터 포인트들을 선형 회귀(linear regression)를 통해 분석하였을 때, 기울기 값은 0.181 mg C-1이었고, 이는 IrO2 도금의 겉보기 쿨롱 효과(apparent coulombic efficiency)가 약 15.6%임을 나타낸다. 이는 산소 발생이 0.7V에서 현저하다는 것을 나타낸다. 또한, 전하 소모에 따라 전해 도금된 IrO2는 특히 가혹한 산소 발생 시 분리될 수 있음을 나타낸다.When analyzed with a linear regression (linear regression) of the experimental data points, a slope value indicates that the 0.181 mg was C -1, which is (apparent coulombic efficiency) the apparent effect of Coulomb IrO 2 coating of about 15.6%. Indicating that oxygen evolution is significant at 0.7V. In addition, the electroplated IrO 2 , depending on charge dissipation, indicates that it can be separated especially during severe oxygen evolution.

도 5는 본 발명의 실시예에 있어서, 다양한 도금 시간 동안 전해 도금된 IrO2/CP 전극의 몰폴로지를 나타내는 것으로서, 0.7 V에서 1분간[도 5a], 10분간[도 5b], 20분간[도 5c], 30분간[도 5d] 전해도금하여 제조된 IrO2/CP 전극의 SEM 이미지를 나타낸다. 전해 도금을 1분 수행한 후, 적은 수의 입자가 존재하는 필름 형상의 IrO2 도금이 관찰되었다. 전해 도금 시간이 10분으로 증가하였을 때, 많은 수의 구형 입자들이 형성되었다. 이는 IrO2의 표면적이 증가하였음을 의미한다. 도금 시간이 더 증가할수록 입자 사이즈는 약 0.7 ㎛ (t dep = 10 min)에서 1.7 ㎛ (t dep = 30 min)로 점차 증가하였으며, 많은 크랙들이 형성되어 탄소 표면을 노출시켰다.Figure 5 shows the morphology of an electrolytically plated IrO 2 / CP electrode for various plating times in an embodiment of the present invention, wherein it is shown at 0.7 V for 1 minute [Figure 5a], 10 minutes [Figure 5b], 20 minutes [ Fig. 5C] and SEM image of the IrO 2 / CP electrode prepared by electrolytic plating for 30 minutes [Fig. 5D]. After performing electrolytic plating for one minute, film-like IrO 2 plating with a small number of particles was observed. When the electroplating time increased to 10 minutes, a large number of spherical particles were formed. This means that the surface area of IrO 2 is increased. As the plating time increased, the particle size gradually increased from about 0.7 ㎛ ( t dep = 10 min) to 1.7 ㎛ ( t dep = 30 min) and many cracks were formed to expose the carbon surface.

도 6은 본 발명의 실시예에 있어서, 0.7 V에서 전해도금된 IrO2/CP 전극에 대하여, IrO2 로딩양(전해 도금 시간으로 표시)에 따른 함수로서 순환전위주사 (Cyclic voltammogram)[도 6a] 및 Ir(V) 피크 전류 감소[도 6b]를 나타낸 것이다.FIG. 6 is a graph showing that in an embodiment of the present invention, IrO 2 / CP electrode electroplated at 0.7 V, IrO 2 6A] and Ir (V) peak current reduction (Fig. 6B) as a function of the amount of deposition (indicated by the electroplating time).

구체적으로, 도 6a는 0.1 M HClO4 용액 중의 IrO2/CP 전극의 CV 커브를 나타낸다. 가장 작은 IrO2 로딩(t dep = 1 min)을 가진 샘플의 경우, Ir(III)/Ir(IV) 레독스에 대한 애노드 (0.8 V 및 1.15 V) 및 캐소드 (0.75 V) 피크가 명확히 관찰되었다(도 6a, 인셋). 표면 원자 들에 대하여만 활성화하는 Ir(IV)/Ir(V) 레독스와 관련하여는, 캐소드 피크가 1.35V가 나타났다. 그러나, 대응되는 애노드 피크는 OER 피크와 상당히 중첩되었다. 따라서, 1.3~1.1V에서의 캐소드 피크의 강도가 IrO2 활성 면적의 변화를 측정하는데 사용되었다(도 6b 참조). 캐소드 전류 밀도는 10분에 이르는 도금 시간 동안 IrO2 로딩에 따라서 선형적으로 증가하였다.Specifically, FIG. 6A shows the CV curve of an IrO 2 / CP electrode in a 0.1 M HClO 4 solution. The smallest IrO 2 The anode (0.8 V and 1.15 V) and cathode (0.75 V) peaks for Ir (III) / Ir (IV) redox were clearly observed for samples with loading ( t dep = 1 min) Inset). With respect to Ir (IV) / Ir (V) redox activating only on surface atoms, the cathode peak was 1.35V. However, the corresponding anode peak was significantly overlapped with the OER peak. Therefore, when the intensity of the cathode peak at 1.3-1.1 V is higher than IrO 2 And used to measure changes in active area (see FIG. 6B). The cathode current density increased linearly with IrO 2 loading during a plating time of up to 10 minutes.

그러나, IrO2 로딩을 추가 수행하는 경우 (t dep : 20분 및 30 분), 피크 전류 밀도의 증가는 둔화되었는데, 이는 SEM 이미지 상의 큰 입자 사이즈로부터 예상된 바와 같이, IrO2 사용이 더 작음을 나타낸다. 캐소드 피크가 중첩 (t dep = 20분 및 30분)될 때, 측정된 피크 전류는 Ir(IV)/Ir(V)에 대한 실제 전류보다 더 높다는 점이 주목되어야 한다. 더욱이, t dep 가 20분 및 30분인 IrO2/CP 샘플은 캐소드 피크 전위가 음(negative)의 방향으로 쉬프트하는 것을 보여주었다. 이는 입자 사이즈가 증가함에 따라 Ir(IV)에서 Ir(III)로의 벌크 감소에 의해 더 강하게 중첩되는 것을 의미한다.However, when performing the additional loading IrO 2 (t dep: 20 minutes and 30 minutes), the increase in the peak current density was slow, which, as expected from the larger particle sizes on the SEM image, IrO 2 Indicates that usage is smaller. It should be noted that when the cathode peak is superimposed ( t dep = 20 min and 30 min), the measured peak current is higher than the actual current for Ir (IV) / Ir (V). Furthermore, the IrO 2 / CP samples with t dep of 20 min and 30 min showed that the cathode peak potential shifted in the negative direction. This means that as the particle size increases, it is more strongly superimposed by the bulk reduction of Ir (IV) to Ir (III).

애노드로서 다양한 IrO2 로딩을 가진 IrO2/CP 전극을 이용하여 단일 셀을 제조하고, 물 전기 분해(water electrolysis) 성능을 측정하였다. A single cell was fabricated using an IrO 2 / CP electrode with various IrO 2 loading as an anode and the water electrolysis performance was measured.

도 7은 본 발명의 실시예에 있어서, IrO2/CP 애노드를 가지는 PEMWE 단일 셀의 분극 커브(polarization curves)를 나타낸다(E dep = 0.7 V; t dep = 1 ~ 30 min). Figure 7 shows the polarization curves of a PEMWE single cell with an IrO 2 / CP anode ( E dep = 0.7 V; t dep = 1 to 30 min) in an embodiment of the present invention.

모든 셀에 대하여, 캐소드는 촉매 잉크 (상용 Pt/C 및 이오노머)를 CP 상에 스프레이로 뿌려 제조하였다. 도금 시간이 10분으로 증가함에 따라서, 전류 밀도는 점차 향상되었는데, 이는 산소 발생 반응에 대한 더 높은 촉매 활성 때문인 것으로 생각된다(도 7 참조). IrO2 로딩 양이 더 증가할 때(t dep > 10 min), 낮은 셀 전압(< 1.5 V)에서의 전류 밀도는 여전히 증가하였다. 그러나, 전형적인 작동 전압 (1.8 - 2.0 V) 에서의 성능은 오히려 감소하였다.For all cells, the cathode was prepared by spraying a catalyst ink (commercial Pt / C and ionomer) onto the CP. As the plating time increased to 10 minutes, the current density gradually improved, which is believed to be due to the higher catalytic activity for the oxygen generating reaction (see FIG. 7). IrO 2 The current density at the lower cell voltage (<1.5 V) still increased when the loading amount increased ( t dep > 10 min). However, the performance at typical operating voltages (1.8 - 2.0 V) was rather reduced.

도 8은 본 발명의 실시예에 있어서, 1.45V에서의 전류 밀도 (폐쇄된 서클) 및 1.6V (오픈 서클)에서의 전류 밀도 [도 8a] 및 1.6V에서 애노드 로딩에 따른 질량당 활성(mass activity)을 나타내는 것이다[도 8b].8 is a graph showing the current density (closed circle) at 1.45 V and the current density at 1.6 V (open circle) [Fig. 8a] and mass activity (Fig. 8b).

도 8a를 먼저 참조하면, 1.45 V 및 1.60 V에서의 전류 밀도를 보여주는데, 1.45V는 활성화 과전압(activation overpotential)으로 주로 결정되는 영역이며, 1.6V는 실제 운전 전압(practical operating voltage)에 해당한다. Referring first to FIG. 8A, the current density at 1.45 V and 1.60 V is shown, where 1.45 V is the region primarily determined by the activation overpotential, and 1.6 V corresponds to the actual operating voltage.

또한, 낮은 오버 포텐셜 성능은 로딩 양을 증가(도금 시간 5분으로 증가)시킴에 따라 급속하게 증가되는 것을 볼 수 있었다. 그러나, 5분보다 도금 시간이 더 긴 경우에는(즉, 로딩 양이 더 늘어나는 경우에는) 성능 향상 정도가 상대적으로 적었다. 이는, IrO2 사용이 적어졌다는 것을 의미한다. 1.6 V에서의 전류 밀도는 0.1 mg cm-2 (t dep = 10 min)의 IrO2 로딩양에서 최대를 나타내었다.Also, it was observed that the low overpotential performance was rapidly increased as the loading amount was increased (plating time increased to 5 minutes). However, when the plating time was longer than 5 minutes (that is, when the loading amount was further increased), the degree of performance improvement was relatively small. This is because IrO 2 This means less use. The current density at 1.6 V showed a maximum at an IrO 2 loading of 0.1 mg cm -2 ( t dep = 10 min).

도금 시간이 10분보다 커질 때는, IrO2 도금 사이에 노출된 탄소 기재(carbon substrates)가 높은 작동 전압에서 열화되는 것으로 보인다. 이러한 탄소 부식(carbon corrosion)의 효과는 IrO2 로딩 (t dep = 1 min)이 가장 작은 단일 셀의 경우에 보다 분명하게 관찰할 수 있었다. 따라서, IrO2 로딩이 적거나 또는 또한 많은 로딩 시의 크랙 형성에 따라 탄소가 노출되는 것을 방지하는 것이 양호한 촉매 활성과 적은 탄소 부식을 갖는 높은 셀 성능을 얻는데 매우 중요하다는 결론을 얻을 수 있다. When the plating time is longer than 10 minutes, IrO 2 The carbon substrates exposed between the platings appear to degrade at high operating voltages. The effect of this carbon corrosion was more apparent in the case of a single cell with the smallest IrO 2 loading ( t dep = 1 min). Therefore, it can be concluded that it is very important to obtain a high cell performance with good catalytic activity and little carbon corrosion, to prevent the carbon from being exposed to cracking at the time of loading with little or no IrO 2 loading.

종래 문헌 결과와 대비Conventional literature results and contrast

한편, IrO2 [비특허문헌 1, 2, 3, 6, 7] 및 이리듐 블랙 [비특허문헌 2, 4, 5] 애노드들에 관한 종래 문헌 보고 결과와 대비하여, 본 실시예의 전해 도금된 IrO2/CP 전극의 PEMWE 성능을 평가하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 참고로, 아래 표 중 괄호 안의 수치는 애노드 로딩(아래 애노드 부분 및 전류 밀도 부분) 또는 캐소드 로딩(아래 캐소드 부분)을 의미하며, 단위는 mg cm-2이다. On the other hand, in comparison with the results of the conventional literature reports on IrO 2 [Non-Patent Documents 1, 2, 3, 6, 7] and iridium black [Non-Patent Documents 2, 4, 5], the electroplated IrO 2 / CP electrode. The results are shown in Table 1. For reference, the values in parentheses in the table below refer to anode loading (lower anode part and current density part) or cathode loading (lower cathode part), and the unit is mg cm -2 .

MEA 제조 방법MEA Manufacturing Method 애노드Anode 캐소드Cathode 멤브레인Membrane 온도(℃)Temperature (℃) 1.6V에서의 전류 밀도
(A cm-2)
Current density at 1.6V
(A cm -2 )
비특허
문헌 1
Non-Patent
Document 1
스프레이 법
(Spraying)
Spray method
(Spraying)
IrO2 (2.0)IrO 2 (2.0) Pt/C (0.4)Pt / C (0.4) N115N115 8080 0.750.75
비특허 문헌 2Non-Patent Document 2 스프레이 법
(Spraying)
Spray method
(Spraying)
Ir, IrO2 (3.0)Ir, IrO 2 (3.0) Pt/C (0.5)Pt / C (0.5) N112N112 8080 0.520.52
비특허
문헌 3
Non-Patent
Document 3
스프레이 법
(Spraying)
Spray method
(Spraying)
IrO2 (1.5)IrO 2 (1.5) Pt/C (0.5)Pt / C (0.5) N1035N1035 8080 0.680.68
비특허 문헌 4Non-Patent Document 4 브러시 법
(Brushing)
Brush method
(Brushing)
Ir (1.5)Ir (1.5) Pt (1.0)Pt (1.0) N112N112 8080 0.50.5
비특허 문헌 5Non-Patent Document 5 데칼 법
(Decal)
Decal method
(Decal)
Ir (3.8)Ir (3.8) Pt (2.3)Pt (2.3) N112N112 6060 0.250.25
비특허
문헌 6
Non-Patent
Document 6
스프레이 법
(Spraying)
Spray method
(Spraying)
IrO2 (0.5~4.0)IrO 2 (0.5 to 4.0) Pt/C (0.5)Pt / C (0.5) N212N212 8080 1.32
(3.0)
1.32
(3.0)
비특허 문헌 7Non-Patent Document 7 스퍼터링 법
(Sputtering)
Sputtering method
(Sputtering)
IrO2 (0.2)IrO 2 (0.2) Pt/C (N.A.)Pt / C (N.A.) N117N117 8080 0.30.3
실시예Example 전해 도금 법
(Electrodeposition)
Electrolytic plating method
(Electrodeposition)
IrO2 //CP
(0.01~0.54)
IrO 2 / / CP
(0.01 to 0.54)
Pt/C (0.4)Pt / C (0.4) N212N212 9090 1.01 (0.1)1.01 (0.1)

참고로, 위 표에 기재된 방법들을 간략히 설명하면, 스프레이 법은 전극으로 사용되는 촉매를 슬러리 형태로 만들어서 스프레이 건을 통해 막 또는 GDL에 분사 시켜 증착시키는 방법이고 브러쉬 법은 제조 된 슬러리를 브러쉬를 사용하여 막 또는 GDL에 증착 시키는 방법이다. 데칼법은 제조된 슬러리를 전사시킬 재료 (보통 테프론이나 캡톤 재료)에 블레이드로 증착 시킨 후 이를 다시 막 또는 GDL에 핫 프레싱하여 증착시키는 방법이다. 스퍼터링 법은 진공챔버에서 플라즈마를 사용하여 이온화된 아르곤 등을 타겟에 충돌시키고, 이 충돌에 의해 분출된 원자를 기판위에 증착시키는 방법이다.For reference, the spraying method is a method in which a catalyst used as an electrode is made into a slurry form and sprayed on a film or GDL through a spray gun, and the brush method is a method in which the slurry prepared is used by using a brush To a film or a GDL. The decal method is a method of depositing a slurry on a material to be transferred (usually Teflon or Capton material) with a blade, and then hot-pressing it on the film or GDL to deposit the slurry. The sputtering method is a method of colliding ionized argon or the like with a plasma in a vacuum chamber, and depositing atoms ejected by the collision onto a substrate.

종래 문헌은, 높은 Ir 또는 IrO2 로딩 (1.5 ~3.0 mg cm- 2)의 경우에 대해 1.6V에서의 전류 밀도를 0.25 내지 1.32 A cm-2로 보고하고 있다. Prior art, the high Ir or IrO 2 loading - reporting the current density at 1.6V to 0.25 to 1.32 A cm -2 for the case of (1.5 ~ 3.0 mg cm 2) .

이와 대비할 때, 본 발명의 구현예들에서, IrO2 로딩이 0.1 mg cm-2로 매우 감소되었음에도 전해 도금된 IrO2/CP가 보여준 PEMWE 성능 (1.01 A cm-2 at 1.6 V)은 매우 우수한 것이며 이는 전도 유망한 결과이다. 즉 종래 상당히 많은 애노드 로딩(> 1.5 mg cm- 2)의 경우에 달성할 수 있는 PEMWE 성능을 현저히 낮은 로딩양 수준에서 달성할 수 있는 것이다.In contrast, in embodiments of the present invention, IrO 2 The PEMWE performance (1.01 A cm -2 at 1.6 V) demonstrated by the electrolytically plated IrO 2 / CP is very good, even though the loading is greatly reduced to 0.1 mg cm -2 , which is a promising result. That is quite a lot of conventional anode loading (> 1.5 mg cm - 2) is capable of achieving at a significantly lower loading amount PEMWE performance level that can be achieved in the case of.

한편, 1.6 V에서의 전류 밀도를 애노드 로딩에 따라 나누고 결과적인 질량당 활성(mass activity, MA)을 도 8b에 나타내었다. 도 8b에서는 상기 표에 표시한 비특허문헌 1 내지 7의 각 애노드의 질량당 활성을 함께 표시하였다. 비특허문헌 2의 경우 애노드로 Ir을 사용한 경우를 검은색 네모로 표시하고, 애노드로 IrO2를 사용한 경우를 흰색 네모로 표시하였다.Meanwhile, the current density at 1.6 V is divided by the anode loading and the resulting mass activity (MA) is shown in FIG. 8B. In FIG. 8B, the activities per mass of the respective anodes of Non-Patent Documents 1 to 7 shown in the above table are also shown. In case of Non-Patent Document 2, the case where Ir is used as an anode is indicated by a black square and the case where IrO 2 is used as an anode is indicated by a white square.

종래 문헌들의 경우에는 서브마이크론 단위의 애노드 로딩은 1.4 A mg-1 (0.5 mg cm-2) [비특허문헌 6] 및 1.5 A mg-1 (0.2 mg cm-2) [비특허문헌 7]의 향상된 MA를 제공하는데, 로딩 양이 작을수록 MA가 서서히 증가하였다. 반면, 본 발명 실시예의 0.03 mg cm- 2 의 IrO2 로딩 양을 가지는 IrO2/CP의 경우 20.4 A mg-1의 MA를 보여주어 안정된 셀 성능을 제공하였다. In the case of the conventional literature, the anode loading in submicron units is 1.4 A mg -1 (0.5 mg cm -2 ) [Non-Patent Document 6] and 1.5 A mg -1 (0.2 mg cm -2 ) [Non-Patent Document 7] Improved MA was provided, with a gradual increase in MA as the loading amount was smaller. In contrast, the invention embodiment 0.03 mg cm - if the IrO 2 / CP has the IrO 2 loading amount of 2 by showing the MA of 20.4 A -1 mg to give a stable cell performance.

[실험 2][Experiment 2]

상기 실험 1에 더하여, 이번에는 고온(120℃)에서 수전해 성능을 평가해 보았다. In addition to the above Experiment 1, this time, the performance of the electrolytic solution at a high temperature (120 ° C) was evaluated.

고온(120℃) 수전해 성능을 평가한 것을 제외하고, 기타 애노드 제조 및 성능 평가 방법은 실험 1과 동일하게 하였다. 즉, 실험 1에서와 같이 전해 도금 방법으로 IrO2/CP 애노드 (E dep = 0.7 V; t dep = 10 min, 도금량: 0.1 mg cm- 2)를 가지는 PEMWE 단일 셀을 제조하고 분극 커브(polarization curves)를 120 oC에서 측정하였고 가압(1.5~2.5 bar)에 따른 성능을 관찰하였다(본 실험 2의 실시예: 도 9에서 EP로 표시됨). 그리고, 이를 스프레이 방법으로 제조된 IrO2/CP 애노드 (도금량: 2.0 mg cm- 2)를 채용한 PEMWE 단일 셀 (본 실험 2의 비교예)과 대비하여 120℃, 2.5 bar에서의 성능을 비교하였다(도 9에서 Spray로 표시됨). Other anode manufacturing and performance evaluation methods were the same as those of Experiment 1, except that the high temperature (120 ° C) electrolytic solution performance was evaluated. That is, the experimental delivery IrO 2 / CP anode to the plating method, as in 1 (E dep = 0.7 V; t dep = 10 min, coating weight: 0.1 mg cm - 2) to having PEMWE prepare a single cell polarization curve (polarization curves ) Was measured at 120 ° C. and the performance according to the pressure (1.5 to 2.5 bar) was observed (the embodiment of Experiment 2: indicated as EP in FIG. 9). And, it is manufactured by spraying IrO 2 / CP anode: - was in contrast with (coating weight 2.0 mg cm 2) for employing a PEMWE single cell (comparison of Experiment 2, for example) compared the performance of the 120 ℃, 2.5 bar (Indicated as Spray in FIG. 9).

일반적으로 수전해 성능은 온도가 올라갈수록 OER의 키네틱스가 빨라지고 Nernst 식에 의해 반응에 필요한 열역학적 에너지를 낮출 수 있어 올라가게 된다고 볼 수 있다. Generally, as the temperature increases, the Kernetics of OER accelerates and the thermodynamic energy required for the reaction is lowered by the Nernst equation.

도 9는 본 실험 2에서의 실시예 및 비교예의 고온 수전해 성능을 나타내는 그래프이다. X축은 전류 밀도(Current Density; 단위 Acm- 2)를 나타내고 Y축은 전압(Voltage: 단위 V)을 나타낸다.9 is a graph showing the high-temperature hydrothermal performance of the Examples and Comparative Examples in Experiment 2. The X axis represents the current density (unit Acm - 2 ) and the Y axis represents the voltage (unit: V).

도 9에서 알 수 있듯이, 액체로 물을 공급하기 위해 압력을 1.5 bar이상으로 높여줄 경우 성능은 1.6 V 기준으로 1.5 bar에서 1.71 A cm-2, 2.0 bar 에서 1.73 A cm-2, 2.5 bar에서 1.79 A cm-2로 크게 개선이 되어 90℃에서의 성능 (1.01 A cm-2) 보다 우수한 양상을 보이게 된다. 또한, 해당 결과는 상당히 많은 도금량인 2.0 mg cm-2의 양을 사용한 스프레이로 제조된 MEA (1.86 A cm- 2)와 비슷한 성능을 나타내었다. As can be seen in FIG. 9, when the pressure is increased to 1.5 bar or more to supply water to the liquid, the performance is 1.5 bar to 1.71 A cm -2 at 1.6 V, 1.73 A cm -2 at 2.0 bar, 1.79 A cm -2 , which is superior to the performance at 90 ° C (1.01 A cm -2 ). In addition, the results are considerably more coating weight of MEA is manufactured by spraying with an amount of 2.0 mg cm -2 - exhibited performance similar to (1.86 A cm 2).

한편, IrO2, RuO2 및 RuIrO2 애노드들에 관한 종래 문헌 보고 결과와 대비하여, 본 실시예의 전해 도금된 IrO2/CP 전극의 PEMWE 성능을 120℃에서 평가하여 그 결과를 대비하여 보았다(표 2 : 120℃에서의 수전해 성능 평가). On the other hand, the PEMWE performance of the electrolytically plated IrO 2 / CP electrode of this example was evaluated at 120 ° C in comparison with the results of the prior art reports on the IrO 2 , RuO 2 and RuIrO 2 anodes 2: performance evaluation of electrolytic solution at 120 캜).

membrane 온도(℃)Temperature (℃) 압력(bar)Pressure (bar) 로딩양
(mg cm-2)
Loading amount
(mg cm -2 )
1.6V에서의 전류 밀도
(A cm-2)
Current density at 1.6V
(A cm -2 )
비특허문헌 8: Antonucci et al. Non-Patent Document 8: Antonucci et al. Nafion + SiO2 Nafion + SiO 2 120120 3.03.0 IrO2
5.0
IrO 2
5.0
0.750.75
비특허문헌 9: Xu et al.Non-Patent Document 9: Xu et al. Nafion + SiO2 Nafion + SiO 2 120120 3.03.0 Ru IrO2
2.5
Ru IrO 2
2.5
1.101.10
비특허문헌 10: Baglio et al.Non-patent document 10: Baglio et al. Nafion + TiO2 Nafion + TiO 2 120120 3.03.0 IrO2
5.0
IrO 2
5.0
0.630.63
비특허문헌 11: Skulimowska et al.Non-Patent Document 11: Skulimowska et al. AquivionAquivion 120120 7.07.0 IrO2
2.0
IrO 2
2.0
1.241.24
비특허문헌 12: Aili et el.Non-patent document 12: Aili et al. PA 도핑
PBI
PA doping
PBI
130130 1.01.0 IrO2
4.0
IrO 2
4.0
0.300.30
비특허문헌 13: Natarajan et al.Non-Patent Document 13: Natarajan et al. PA 도핑
PBI
PA doping
PBI
120120 2.52.5 RuO2
1.5
RuO 2
1.5
0.450.45
비특허문헌 14: Hansel et alNon-Patent Document 14: Hansel et al PA 도핑
Aquivion
PA doping
Aquivion
130130 1.01.0 IrO2
1.0
IrO 2
1.0
0.410.41
본 실험 2의
실시예
In Experiment 2,
Example
NafionNafion 120120 2.52.5 IrO2
0.1
IrO 2
0.1
1.821.82

참고로, 도 10은 본 실험 2에서 표 2의 결과를 그래프로 표시해 본 것이다. 도 10에서 X축은 로딩양 (단위: mg cm-2), Y축은 1.6V에서의 전류 밀도 (단위: A cm-2)를 나타낸다. For reference, FIG. 10 shows graphs of the results of Table 2 in Experiment 2. In FIG. 10, the X axis represents the loading amount (unit: cm cm -2 ) and the Y axis represents the current density (unit: A cm -2 ) at 1.6 V.

표 2 및 도 10으로부터 알 수 있듯이, 종래 문헌은, 높은 IrO2, RuO2 및 RuIrO2 로딩양 (1.0 ~5.0 mg cm- 2)의 경우에 대해 1.6V, 120℃에서의 전류 밀도를 0.30 내지 1.24 A cm-2로 보고하고 있다.Table 2 and as can be seen from Figure 10, prior art is a high IrO 2, RuO 2, and the loading amount RuIrO 2 - the current density at 1.6V for the case of (1.0 ~ 5.0 mg cm 2) , 120 ℃ 0.30 to 1.24 A cm -2 .

이에 반하여, 본 발명의 구현예들에 따르면, IrO2 로딩이 0.1 mg cm-2로 매우 감소되었음에도 전해 도금된 IrO2/CP가 보여준 높은 PEMWE 성능 (1.82 A cm-2 at 1.6 V, 120℃)은 매우 우수한 것이며 이는 전도 유망한 결과이다. 즉, 저온 수전해 뿐만 아니라 고온 수전해 성능에 있어서도 마찬가지로, 종래 상당히 많은 애노드 로딩(> 2.0 mg cm- 2)의 경우에 달성할 수 있는 PEMWE 성능을 현저히 낮은 로딩양 수준에서 달성할 수 있음을 보여주는 것이다.In contrast, according to embodiments of the present invention, IrO 2 The high PEMWE performance (1.82 A cm -2 at 1.6 V, 120 ° C) exhibited by the electrolytically plated IrO 2 / CP is very good, even though the loading is greatly reduced to 0.1 mg cm -2 , which is a promising result. That is, the PEMWE performance achievable in the case of conventional anode loading (> 2.0 mg cm &lt; -2 &gt;) can be achieved at a significantly lower loading level as well as low temperature electrolytic solution will be.

이상과 같이 다양한 도금 전압과 도금 시간에 대하여 애노드 전해 도금을 통해 IrO2/CP 전극을 제조하였고, SEM, ICP, CV로 표면 몰폴로지와 쿨롱 효과를 분석하였다. IrO 2 / CP electrodes were fabricated by anode electroplating for various plating voltages and plating times. Surface morphology and Coulomb effect were analyzed by SEM, ICP, and CV.

본 발명의 구현예들에서는 전해 도금을 통해 다공성 탄소 재료 표면을 IrO2 이 커버하고 IrO2 입자가 형성되는 구조를 제공할 수 있었다. 일정 범위 이상의 전압과 도금 시간에서는 크랙이 형성되어 탄소 재료를 노출시켰지만, 일정 범위 내의 전압, 도금 시간에서는 크랙 형성이 없고 이에 따라 탄소 재료 노출이 없었다. 이에 따라 탄소 부식을 방지하면서 양호한 촉매 활성을 얻을 수 있다. 또한, 해당 애노드를 사용한 PEMWE 셀은 매우 적은 로딩양에도 불구하고 다양한 온도 조건들에서 모두 상당히 높은 전류 밀도를 제공하였고 질량당 활성도 매우 우수한 것을 알 수 있었다.In the embodiments of the present invention, the surface of the porous carbon material is coated with IrO 2 Lt; RTI ID = 0.0 &gt; IrO2 Thereby providing a structure in which particles are formed. Cracks were formed at a voltage exceeding a certain range and the plating time to expose the carbon material, but no cracking occurred at a voltage within a certain range and plating time, and no carbon material was exposed. As a result, good catalytic activity can be obtained while preventing carbon corrosion. In addition, the PEMWE cell using the anode provided significantly higher current densities at various temperature conditions, albeit with very low loading, and showed very high activity per mass.

이상에서 본 발명의 비제한적이고 예시적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 기술 사상은 첨부 도면이나 상기 설명 내용에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함이 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하며, 또한, 이러한 형태의 변형은 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.

Claims (4)

고분자 전해질 막;
상기 막의 일측에 형성된 캐소드;
상기 막의 타측에 형성된 애노드를 포함하고,
상기 애노드는 친수성 다공성 탄소 재료인 카본 페이퍼 표면에 IrO2 이 전해 도금된 것으로서,
상기 고분자 전해질 막이 나피온 막이고, 상기 캐소드가 Pt/C이며,
상기 애노드의 IrO2 로딩양이 0.01 ~ 0.54 mg cm- 2 일 때, 1.6 V, 90℃, 1.0~700 bar에서 0.33 A cm-2 ~ 1.6 A cm-2의 전류 밀도를 나타내거나,
또는 애노드의 IrO2 로딩량이 0.01 ~ 0.54 mg cm-2 일때 1.6 V, 120℃, 1.0~700 bar에서 1.5 A cm-2 ~ 2.5 A cm-2의 전류 밀도를 나타내는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 단일 셀.

Polymer Electrolyte Membrane;
A cathode formed on one side of the film;
And an anode formed on the other side of the membrane,
The anode is IrO 2 on the carbon paper surface hydrophilic porous carbon material As the electrolytically plated,
Wherein the polymer electrolyte membrane is a Nafion membrane, the cathode is Pt / C,
The IrO 2 of the anode Loading amount is 0.01 ~ 0.54 mg cm - 2 be when, 1.6 V, 90 ℃, from 1.0 ~ 700 bar 0.33 A cm -2 ~ 1.6 indicate the current density in A cm -2, or
Or an IrO 2 of the anode Wherein the polymer electrolyte membrane has a current density of 1.5 A cm -2 to 2.5 A cm -2 at 1.6 V, 120 ° C, and 1.0 to 700 bar when the loading amount is 0.01 to 0.54 mg cm -2 .

고분자 전해질 막;
상기 막의 일측에 형성된 캐소드;
상기 막의 타측에 형성된 애노드를 포함하고,
상기 애노드는 친수성 다공성 탄소 재료인 카본 페이퍼 표면에 IrO2 이 전해 도금된 것으로서,
상기 고분자 전해질 막이 나피온 막이고, 상기 캐소드가 Pt/C이며,
상기 애노드의 IrO2 로딩양이 0.01 ~ 0.54 mg cm-2일 때, 1.6 V, 90℃, 1.0~700 bar에서 74.7 ~ 0.64 A mg-1의 질량 당 활성을 나타내거나,
또는 1.6 V, 120℃, 1.0~700 bar에서 애노드의 IrO2 로딩양이 0.01~0.54 mg cm-2 일 때 3.2 A mg-1 ~ 117 A mg-1의 질량 당 활성을 나타내는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 단일 셀.
Polymer Electrolyte Membrane;
A cathode formed on one side of the film;
And an anode formed on the other side of the membrane,
The anode is IrO 2 on the carbon paper surface hydrophilic porous carbon material As the electrolytically plated,
Wherein the polymer electrolyte membrane is a Nafion membrane, the cathode is Pt / C,
The IrO 2 of the anode Exhibits an activity per mass of 74.7 to 0.64 A mg -1 at 1.6 V, 90 ° C, 1.0 to 700 bar when the loading amount is 0.01 to 0.54 mg cm -2 ,
Or 1.6 V, the anode of the IrO 2 eseo 120 ℃, 1.0 ~ 700 bar Wherein the polymer has an activity per mass of 3.2 A mg -1 to 117 A mg -1 when the loading amount is 0.01 to 0.54 mg cm -2 .
제 1 항 또는 제 2 항의 고분자 전해질 막 물 전기 분해 단일 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치.
A polymer electrolytic membrane water electrolysis apparatus comprising the single cell of claim 1 or 2.
제 3 항의 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 방법.A method for electrolyzing a polymer electrolyte membrane according to claim 3, which uses the polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus.
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