KR20190011211A - Preparation Method for Gdot-PtMo Hybrid with Nanosponge Structure and Gdot-PtMo Hybrid Catalyst - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a platinum-based nanocomposite having a wide effective surface area, stability, and a high catalytic activity, and thus a platinum-based catalyst manufactured by the same. More specifically, the present invention relates to the method for manufacturing a graphenedot-platinum molybdenum hybrid which has a feature of dissolving platinum precursors and molybdenum precursors, mixing the same with a carbon dot and then reducing the same, and a graphenedot-platinum molybdenum hybrid catalyst manufactured by the same.

Description

나노스폰지 구조의 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드의 제조방법 및 그에 의해 제조된 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드 촉매{Preparation Method for Gdot-PtMo Hybrid with Nanosponge Structure and Gdot-PtMo Hybrid Catalyst}Plasma molybdenum hybrid of nano sponge structure and a grapindot-platinum molybdenum hybrid catalyst prepared by the same.

본 발명은 유효표면적이 넓고, 안정하며, 촉매활성이 높은 백금계 나노복합체의 제조방법과 이에 따라 제조된 백금계 촉매에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a platinum-based nanocomposite having a wide effective surface area, stable and high catalytic activity, and a platinum-based catalyst prepared thereby.

연료전지는 연료의 화학에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열 에너지로 직접 변환시키는 장치로, 신규 에너지 요구에 대한 해결책으로 고려되고 있다. 연료전지는 고효율성, 고에너지 밀도, 낮은 작동온도, 낮은 독성과 탄화수소 연소 시 발생하는 부산물과 같은 공해물질의 발생이 없이 전력을 생산할 수 있다는 것을 가장 큰 장점으로 들 수 있다. 다양한 유형의 연료전지 중에서 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 다양한 전력 응용을 위한 실행 가능한 후보로서, PEMFC의 상업화는 에너지 수요의 급속한 증가와 환경 오염의 심화에 가장 유망한 해결책으로 간주된다. PEMFC는 음극(anode)에서의 촉매에 의한 연료의 산화와 양극(cathode)에서의 산소의 환원(ORR)을 결합시킴으로써 전력을 생성한다. 산소 환원 반응은 매우 느리기 때문에 연료전지가 실용 가능한 수준에 도달할 수 있도록 산소 환원 속도를 높이기 위해서는 양극 ORR 촉매가 필요하다. 산소 환원 반응에 대해서는 현재까지 백금(Pt)계 물질이 가장 실용적인 촉매이지만 백금계 촉매는 상업적으로 가능한 연료전지를 제조하기에는 너무 비싸다는 단점으로 인하여 더 많은 범위에의 응용에 제한이 되고 있다.Fuel cells are devices that convert the chemical energy of fuel directly into electricity and heat energy by electrochemical reaction and are considered as a solution to new energy demands. The biggest advantage of fuel cells is that they can produce electricity without generating pollutants such as high efficiency, high energy density, low operating temperature, low toxicity and by-products generated by hydrocarbon combustion. Among various types of fuel cells, polymer electrolyte fuel cells (PEMFC) are viable candidates for various power applications. Commercialization of PEMFC is regarded as the most promising solution for the rapid increase of energy demand and deepening of environmental pollution. PEMFCs generate power by combining the oxidation of fuel by the catalyst at the anode and the reduction of the oxygen at the cathode (ORR). Since the oxygen reduction reaction is very slow, a bipolar ORR catalyst is needed to increase the oxygen reduction rate so that the fuel cell can reach a practical level. Platinum (Pt) -based materials are the most practical catalysts for the oxygen reduction reaction, but platinum-based catalysts are restricted to a wider range of applications due to the disadvantage that they are too expensive to produce commercially feasible fuel cells.

수소 역시 깨끗하고 큰 에너지 용량을 갖는 유망한 재생에너지원으로 주목을 받고 있다. 수소 발생 반응(HER, hydrogen evolution reaction)은 수소를 경제적이고 효율적으로 생산할 수 있는 현실적인 방법 중 하나이다. 촉매를 이용한 물의 전기분해 반응은 에너지 변환 효율이 높은 가장 중요한 수소 발생 반응의 하나이다.Hydrogen is also attracting attention as a promising renewable energy source with a clean and large energy capacity. Hydrogen evolution reaction (HER) is one of the practical ways to produce hydrogen economically and efficiently. The electrolysis of water using a catalyst is one of the most important hydrogen generation reactions with high energy conversion efficiency.

백금계 촉매는 산소 환원 반응이나, 알칼리 전해질 용액에서 메탄올 및 포름산의 산화 반응, 수소 발생 반응에 대한 가장 유망한 촉매이다. 그러나 백금계 촉매는 표면에 흡착되는 CO 및/또는 반응 중간체에 의해 피독(poisioning)되기 쉽기 때문에, 촉매 활성은 반응시간 경과에 따라 심지어는 수백 초 내에 빠르게 저하된다. 이에 지난 수십 년 동안 대체 촉매 개발에 광범위한 연구가 집중되어 왔다. Pt-Ru, Pt-Pd, Pt-Co, Pt-Ti, Pt-V 및 Pt-Au와 같이 백금과 다른 금속과의 합금의 형태인 2원 촉매는 촉매의 내피독성을 증가시키고, 활성을 향상시키며, 촉매 중 고가인 백금의 사용량을 줄일 수 있는 효과적인 전략이다(한국 등록특허 10-1137066, 미국 등록특허 8603400). Platinum-based catalysts are the most promising catalysts for oxygen reduction reactions, oxidation reactions of methanol and formic acid in alkaline electrolyte solutions, and hydrogen generation reactions. However, since the platinum-based catalyst is prone to be poisoned by the CO and / or the reaction intermediate adsorbed on the surface, the catalytic activity rapidly drops within a few hundred seconds, depending on the reaction time. Over the past several decades, extensive research has been focused on the development of alternative catalysts. Binary catalysts in the form of alloys of platinum and other metals such as Pt-Ru, Pt-Pd, Pt-Co, Pt-Ti, Pt-V and Pt-Au increase the endotoxicity of the catalyst, And is an effective strategy for reducing the amount of expensive platinum in the catalyst (Korean Patent No. 10-1707066, USP 8603400).

한편, 2원계 백금 나노입자 촉매의 응집을 감소시키고, 전도도를 증가시켜 반응에 의해 발생되는 전류를 효율적으로 흐르게 하도록, 카본 블랙, 카본 나노튜브, 그래핀, 그래핀 옥사이드의 환원물, 무정형 카본과 같은 높은 표면적을 갖는 카본 나노물질의 지지체에 백금계 촉매를 담지시킨 촉매들이 개발되어 왔다(한국 등록특허 10-0480969). 그러나 카본 지지체에 담지된 촉매는 연료전지의 작동 동안 카본 지지체로부터 촉매금속 나노입자들이 분리, 용해되며, 이는 촉매의 유효 표면적을 크게 감소시켜 연료전지 성능 저하의 주된 원인이 된다. 더 나아가, 카본 지지체들은 다른 물질들과 결합하는 성질이 있어, 작업 전극의 제조 시에 많은 나노결정들 사이에 끼어들기 때문에 유효표면적이 감소하는 결과를 낳는다. On the other hand, in order to reduce the aggregation of the binary platinum nanoparticle catalyst and increase the conductivity to efficiently flow the current generated by the reaction, it is preferable to use carbon black, carbon nanotubes, graphene, reduced graphene oxide, amorphous carbon, A catalyst having a platinum-based catalyst supported on a support of a carbon nanomaterial having the same high surface area has been developed (Korean Patent No. 10-0480969). However, the catalyst supported on the carbon support detaches and dissolves the catalyst metal nanoparticles from the carbon support during the operation of the fuel cell, which greatly decreases the effective surface area of the catalyst, which is a major cause of deterioration of fuel cell performance. Furthermore, carbon supports have the property of bonding with other materials, resulting in a reduction in effective surface area since they intercalate between many nanocrystals in the production of the working electrode.

이에 비해 1차원 구조 모티브, 2차원 나노 시트 및 3차원 네트워크는 이러한 단점을 극복하고 오랜 시간 동안 활동을 보존함으로써 안정성을 향상시킬 수 있다. 특히 상호 연결된 나노선(nanowire)을 사용하여 네트워크 구조를 구축하여 구조 내 다공성을 부여하는 경우, 이에 더하여 전극 내 물질 전달을 촉진하는 효과가 있다. 나노선을 이용한 3차원 네트워크 구조를 합성하는 것에 대해서는 많은 연구가 이루어져 있지는 않으나, 팔라듐이나 금과 같은 귀금속 종자에 백금 나노 결정을 성장시켜 3차원 수지상 백금 나노구조를 형성할 수 있음이 최근에 보고되었다. 그러나 3차원 나노구조의 형성을 위해서는 매우 격렬한 반응 조건이 요구되며, 나노구조 촉매의 피독에 따른 문제점이 해결되지 않아 여전히 내구성이 낮다. 다른 접근법은 계면 활성제의 다공성 물질 자기조립 구조에서 채널에 대해 주형을 사용하는 반복적인 공정을 이용하거나, 은 나노선이나 니켈 나노선과 같은 다른 금속 나노선을 주형으로 사용하거나, 전기 방사법을 사용하는 것이다. 그럼에도 불구하고, 상기의 방법에 의한 백금계 나노선이 고밀도, 저다공성이어서 전기 촉매 활성 및 안정성의 개선에 대한 구조적 이점을 최대화 할 수 없다는 문제가 여전히 남아있다. In contrast, one-dimensional structural motives, two-dimensional nanosheets, and three-dimensional networks can overcome these shortcomings and improve stability by preserving activity over a long period of time. In particular, when a network structure is formed by using interconnected nanowires to impart porosity in the structure, there is an effect of promoting mass transfer in the electrode. However, it has recently been reported that platinum nanocrystals can be grown on noble metal seeds such as palladium or gold to form three-dimensional dendritic platinum nanostructures . However, very severe reaction conditions are required for the formation of three-dimensional nanostructures, and the problems due to the poisoning of the nanostructured catalyst are not solved, so that the durability is still low. Another approach is to use a repetitive process that uses a template for the channel in a porous material self-assembled structure of a surfactant, or to use other metal nanowires such as silver nanowires or nickel nanowires as a template, or electrospinning . Nevertheless, there remains a problem that the platinum-based nanowires according to the above method are high-density and low-porosity, which can not maximize the structural advantage for improvement of electrocatalyst activity and stability.

한편, 카본닷(carbondot, Cdot)은 독특한 성질을 가진 새로운 카본 소재로서 광전자, 에너지 저장 및 변환 장비, 태양전지, 바이오센서, 바이오테크에서 잠재적인 적용가능성이 인정되어 많은 관심을 받고 있다. 카본닷은 산소를 함유하는 준-구형(quasi-spherical shape)의 탄소질 나노입자로 그 크기는 10nm 이하이다. 카본닷은 표면에 산소를 포함하는 작용기를 다량으로 함유하고 있기 때문에 친수성이 높고, 전자 공여체 및 전자 수여체 모두로서 작용할 수 있다. 카본닷은 또한 아스코빅산과 같은 환원제와 결합하여 수용액에서 금속 나노입자를 안정시키는 구조체로 이용될 수 있다. 카본닷은 생체적 합성은 물론 높은 전기전도도 특성과, 매우 큰 표면적, 낮은 독성 및 화학적 안정성을 지니며, 카본닷과 금속 나노입자의 융합은 새로운 혼성체(hybrid)에서 고유의 성질 변화를 야기하여 촉매, 전기, 광학 성능의 향상을 가져올 수 있다. 그러나, 카본닷/금속 복합체에 대해서는 아직까지 극히 제한된 연구만이 행해져 있다. 예로, Guo 등(ACS Catalysis 2015, 5, 2903.)은 카본닷이 백금 나노입자의 표면을 캡슐화(encapsulating)하여 안정성을 크게 증가시킴을 보고하였으나, 이는 탄소나노튜브에 담지된 상태의 촉매로서 카본닷/금속 복합체 자체가 새로운 3차원 구조를 형성하는 것은 아니었다. On the other hand, carbondot (Cdot) is a new carbon material with unique properties and has attracted much attention because of its potential application in optoelectronics, energy storage and conversion equipment, solar cell, biosensor, and biotech. Carbon Dot is a quasi-spherical carbonaceous nanoparticle containing oxygen that is less than 10 nm in size. Since carbon dots contain a large amount of functional groups containing oxygen on their surface, they have high hydrophilicity and can act as both an electron donor and an electron acceptor. Carbon Dots can also be used as a structure to stabilize metal nanoparticles in aqueous solution by combining with a reducing agent such as ascorbic acid. Carbon Dot has high electrical conductivity, high surface area, low toxicity and chemical stability as well as biocompatibility. The fusion of carbon dot and metal nanoparticles causes inherent property changes in new hybrids, , Electrical and optical performance can be improved. However, very limited research has been conducted on the carbon dot / metal composite yet. For example, Guo et al. ( ACS Catalysis 2015, 5 , 2903.) reported that carbon dots encapsulate the surface of platinum nanoparticles to greatly increase stability. However, carbon nanotubes The dot / metal composite itself did not form a new three-dimensional structure.

한국 등록특허 10-1137066Korean Patent No. 10-1137066 미국 등록특허 8603400United States Patent 8603400 한국 등록특허 10-0480969Korean Patent No. 10-0480969

Guo 등(ACS Catalysis 2015, 5, 2903.)Guo et al. (ACS Catalysis 2015, 5, 2903.)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 백금 촉매가 표면에 높은 농도로 존재하며, 표면적이 넓어 촉매활성이 우수하고, 안정성과 내피독성이 높아 내구성 역시 우수한 백금계 촉매의 제조방법 및 이에 의해 제조된 백금계 촉매를 제공하는 것을 목적으로 한다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and an object of the present invention is to provide a method of preparing a platinum catalyst having a platinum catalyst at a high concentration on a surface thereof, And to provide a platinum-based catalyst produced thereby.

또한 본 발명은 상기 백금계 촉매를 간단한 방법에 의해 온화한 조건에서 경제적으로 제조할 수 있는 합성 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the platinum-based catalyst economically in a mild condition by a simple method.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 백금계 촉매를 포함하는 연료전지용 전극을 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide an electrode for a fuel cell comprising the platinum-based catalyst.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 백금 전구체와 몰리브덴 전구체를 용해시킨 후 카본닷과 혼합하여 환원시키는 것을 특징으로 하는 나노스폰지 구조의 그래핀닷(Gdot, graphenedot)-백금몰리브덴 하이브리드의 제조방법에 관한 것이다.In order to accomplish the above object, the present invention relates to a method for preparing a graphenedot-platinum molybdenum hybrid having a nano sponge structure, characterized in that a platinum precursor and a molybdenum precursor are dissolved and then mixed with carbon dots and reduced will be.

본 발명에서 "하이브리드(hybrid)"는 종래 백금몰리브덴 합금의 나노구조물이 탄소지지체에 단순히 담지되어 있는 "복합체(complex)"와 구분되는 용어이다. 통상 탄소지지체에 담지되는 경우에는 탄소지지체의 형상이 유지되면서, 그 표면에 나노구조물이 물리적 또는 화학적으로 결합되어 있는 것이다. 예를 들면 탄소나노튜브(CNT)에 백금합금이 담지되면, 표면에 백금합금 나노입자가 흡착되어 있으나 전체의 큰 형상은 탄소나노튜브의 형상을 유지한다. 이에 비해, 본 발명의 하이브리드는 원료로 사용된 카본닷의 형상이 전체 형상을 이루면서, 그 표면에 백금몰리브덴 합금이 흡착되어 있는 것이 아니라, 반응 과정에서 카본닷의 박리에 의해 생성된 그래핀닷과 백금몰리브덴이 함께 새로운 3차원 구조를 형성하는 것에 특징이 있다. 카본닷이 없는 경우 제조되는 백금몰리브덴 합금이 단순히 응집된 구조를 갖는 반면, 카본닷 존재하에서는 나노스폰지 구조를 형성하였다(데이터 미도시). 이는 카본닷이 나노스폰지 구조의 구조유도제(structure directing agent)로 작용함을 시사한다. The term "hybrid" in the present invention is a term different from a "complex" in which a nanostructure of a platinum molybdenum alloy is simply supported on a carbon support. Usually, when the carbon support is supported on a carbon support, the nanostructure is physically or chemically bonded to the surface of the carbon support while maintaining the shape of the carbon support. For example, when a platinum alloy is supported on a carbon nanotube (CNT), platinum alloy nanoparticles are adsorbed on the surface, but the overall shape of the carbon nanotube retains the shape of the carbon nanotube. On the other hand, in the hybrid of the present invention, the shape of the carbon dot used as the raw material forms the overall shape, and the platinum molybdenum alloy is not adsorbed on the surface thereof, but the graphene dot and platinum Molybdenum is also characterized by the formation of new three-dimensional structures. In the absence of carbon dot, the platinum molybdenum alloy to be produced has a merely aggregated structure, while in the presence of carbon dot, a nano sponge structure is formed (data not shown). This suggests that carbon dots act as a structure directing agent of the nano sponge structure.

특히 본 발명에 의해 형성된 나노스폰지 구조의 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드는 백금니켈 합금 나노구조가 그래핀닷에 의해 둘러쌓여(캡슐화, encapsulating) 있어, 반응 중 용액으로 분리, 용해되거나 피독되는 것을 방지하여 내구성이 더욱 우수하다. 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드의 에지 부분 구조에 의하면, 캡슐을 형성하는 그래핀닷은 특히 매우 얇은 층상 구조를 갖는다. 이는 준구형의 카본닷의 다층구조가 반응 과정에서 시트상의 그래핀닷의 형태로 박리되어 하이브리드를 형성함을 의미한다. Particularly, the graphene-platinum molybdenum hybrid of the nano sponge structure formed by the present invention prevents the platinum nickel alloy nanostructure from being separated, dissolved or poisoned by the solution during encapsulation and encapsulation by the grapindot, Is more excellent. According to the edge partial structure of the graindindd-platinum molybdenum hybrid, the grapindot forming the capsule has a particularly thin layered structure. This means that the multi-layered structure of semi-spherical carbon dot is peeled off in the form of graphene dots on the sheet in the course of the reaction to form a hybrid.

상기 카본닷은 이종 원자(hetero atom)가 도핑된 카본닷인 것이 더욱 바람직하다. 상기 이종 원자는 예를 들면, 질소, 황, 인 및 붕소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 상기와 같은 이종 원자의 도핑은 표면의 친수성을 증가시킬 뿐 아니라, 전자 공여체와 전자 수여체로서의 특성을 향상시키고 작용기 도입을 용이하게 하는 등 Cdot의 특성을 개선하는 효과가 있다. 따라서 이종 원자가 도핑되는 경우에는 이종 원자가 도핑되지 않은 카본닷을 사용한 경우보다 이에 의해 제조된 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드의 촉매활성이 더욱 증가한다. 하기 실시예에서는 이종 원자가 도핑된 카본닷으로서 N,S-Cdot에 대한 결과를 상세히 기술하였으나, 실시예에 기재된 Cdot이나 다른 이종 원자가 도핑된 Cdot의 경우에도 유사한 나노스폰지 구조를 형성하는 것을 확인할 수 있었다. Cdot의 제조방법이나, 이종 원자가 도핑된 Cdot의 제조방법은 종래기술에서 다양한 제조방법들이 보고되어 있으며, 본 발명은 Cdot이나 이종 원자가 도핑된 Cdot 자체의 제조방법에 관한 것은 아니므로, 어떠한 방법에 의해 제조된 것을 사용하여도 무관하다. 따라서 본 명세서에서는 이의 제조방법에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.It is more preferable that the carbon dot is a carbon dot doped with a hetero atom. The heteroatom may be at least one selected from the group consisting of, for example, nitrogen, sulfur, phosphorus, and boron. Such doping of hetero atoms not only increases the hydrophilicity of the surface but also improves the properties of the electron donor and the electron acceptor, facilitates introduction of the functional group, and improves the properties of the Cdot. Therefore, the catalytic activity of the grapindow-platinum molybdenum hybrid prepared by the hetero-atom doping is higher than that of carbon dop not doped with the hetero-atom. In the following examples, results for N, S-Cdot were described in detail as heteroatom-doped carbon dots. However, it was confirmed that Cdot or other heteroatom-doped Cdot described in the Examples forms a similar nano sponge structure . Various manufacturing methods have been reported in the prior art for the manufacturing method of Cdot or the method for manufacturing heteroatom-doped Cdot. Since the present invention is not related to the manufacturing method of Cdot or the heteroatom-doped Cdot itself, It is also possible to use a manufactured one. Therefore, a detailed description thereof will be omitted in this specification.

이종 원자가 도핑된 Cdot을 사용하는 경우 이종 원자의 도핑량은 탄소 대비 20 중량%이하인 것이 바람직하다. 이종 원자의 도핑량이 너무 많은 경우 Cdot 형성이 어려울 뿐 아니라 백금 전구체와 몰리브덴 전구체의 환원 시 구조유도제로서의 효능이 저하되었다. When heteroatom-doped Cdot is used, the doping amount of hetero atoms is preferably 20 wt% or less with respect to carbon. When the doping amount of hetero atoms is too high, the formation of Cdot is difficult and the effect as a structure directing agent in reducing platinum precursor and molybdenum precursor is decreased.

상기 백금 전구체는 백금 이온을 포함하는 것으로, 환원 반응에 의해 백금으로 환원될 수 있는 것이라면 어느 것이라도 사용 가능하다. 백금 전구체의 구체적인 예로서는 테트라클로로백금산(H2PtCl4), 헥사클로로백금산(H2PtCl6), 테트라클로로백금산 칼륨(K2PtCl4), 헥사클로로백금산 칼륨(K2PtCl6), 염화제일백금(PtCl2), 사염화백금(PtCl4) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The platinum precursor includes platinum ions, and any platinum precursor can be used as long as it can be reduced to platinum by a reduction reaction. Specific examples of the platinum precursor include tetrachloroplatinic acid (H 2 PtCl 4 ), hexachloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 ), potassium tetrachloroplatinate (K 2 PtCl 4 ), potassium hexachloroplatinate (K 2 PtCl 6 ) (PtCl 2 ), platinum tetrachloride (PtCl 4 ), or a mixture thereof, but is not limited thereto.

상기 몰리브덴 전구체 역시 몰리브덴 이온을 포함하는 것으로, 환원 반응에 의해 몰리브덴으로 환원될 수 있는 것이라면 어느 것이라도 사용 가능하다. 몰리브덴 전구체의 예로는, 몰리브덴산 리튬(Li2MoO4), 몰리브덴산 칼슘(CaMoO4), 몰리브덴산 칼륨(K2MoO4), 몰리브덴산 나트륨(Na2MoO4), 염화 몰리브덴(MoCl5, MoCl3, MoOCl4) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The molybdenum precursor also contains molybdenum ions, and any molybdenum precursor can be used as long as it can be reduced to molybdenum by a reduction reaction. Examples of the molybdenum precursor include lithium molybdate (Li 2 MoO 4 ), calcium molybdate (CaMoO 4 ), potassium molybdate (K 2 MoO 4 ), sodium molybdate (Na 2 MoO 4 ), molybdenum chloride (MoCl 5 , MoCl 3 , MoOCl 4 ), or mixtures thereof, but are not limited thereto.

상기 반응은 백금 전구체 100 중량부에 대하여 카본닷 1~200 중량부, 몰리브덴 전구체 10~300 중량부를 사용하는 것이 바람직하였다. 카본닷의 함량이 너무 적으면 구조유도제로서의 작용이 충분하지 않아 나노스폰지 구조의 형성이 어려웠으며, 카본닷의 함량이 너무 많은 경우에는 촉매활성을 나타내는 금속의 함량이 상대적으로 작아지기 때문에 촉매활성이 저하되었다. 백금과 몰리브덴은 그 비율에 상관없이 나노스폰지 구조가 형성되었는데, 몰리브덴 전구체의 비율이 너무 적은 경우에는 촉매의 가격이 상승할 뿐 아니라 촉매 활성 역시 감소하였으며, 몰리브덴 전구체의 비율이 너무 많은 경우에는 촉매활성이 저하되었다. Preferably, the reaction is carried out using 1 to 200 parts by weight of carbon black and 10 to 300 parts by weight of molybdenum precursor based on 100 parts by weight of the platinum precursor. If the content of carbon dot is too small, the function as a structure directing agent is not sufficient and it is difficult to form a nano sponge structure. When the content of carbon dot is too large, the content of metal exhibiting catalytic activity becomes relatively small, . The nano sponge structure was formed regardless of the ratio of platinum and molybdenum. When the proportion of molybdenum precursor was too small, not only the catalyst price rose but also the catalytic activity was decreased. When the molybdenum precursor ratio was too high, .

상기 백금 전구체 및 몰리브덴 전구체의 환원은 종래 백금/몰리브덴 이원금속 나노합금의 제조 시 사용되는 어떠한 방법을 사용하여도 무방하다. 즉, 단순 가열반응에 의하거나, 환원제를 추가로 투여하여 이루어질 수 있다. 환원제로서는 포름산, 아스코르브산, 시트릭산, 올레일아민, 포름알데히드, 소듐보로하이드라이드, 알미늄보로하이드라이드, 리튬알미늄하이드라이드, 2-메틸-2-피롤리딘으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용하는 것이 가능하며, 이에 한정되지 않는다. 환원 반응 시의 온도는 20~180℃로 환원제의 사용 유무나, 사용하는 환원제의 종류에 따라 적절한 조건을 선택할 수 있다. The reduction of the platinum precursor and the molybdenum precursor may be carried out by any method used in the production of a conventional platinum / molybdenum binary metal nano alloy. That is, this may be accomplished by a simple heating reaction or by additionally adding a reducing agent. Examples of the reducing agent include one selected from the group consisting of formic acid, ascorbic acid, citric acid, oleylamine, formaldehyde, sodium borohydride, aluminum borohydride, lithium aluminum hydride and 2-methyl- It is possible to use a mixture of two or more, but is not limited thereto. The temperature for the reduction reaction is 20 to 180 占 폚, and suitable conditions may be selected depending on the use of the reducing agent and the type of the reducing agent to be used.

본 발명은 또한 나노스폰지 구조의 백금몰리브덴 합금이 그래핀닷에 의해 캡슐화(encapsulating)된 것을 특징으로 하는 나노스폰지 구조의 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드 촉매 및 상기 촉매가 적용된 촉매 전극에 관한 것이다. 상기 그래핀닷은 이종 원자가 도핑된 그래핀닷인 것이 더욱 바람직하다. The present invention also relates to a graphene-platinum molybdenum hybrid catalyst having a nano sponge structure and a catalyst electrode to which the catalyst is applied, characterized in that a platinum molybdenum alloy having a nano sponge structure is encapsulated by grapindot. More preferably, the graphene dot is a hetero-doped graphene dot.

본 발명의 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드 촉매는 백금계 촉매가 사용되는 모든 분야에 사용될 수 있다. 즉, 연료전지의 양극(cathode)에서의 산소 환원 반응의 촉매로 사용되거나, 메탄올 또는 포름산의 산화반응, 수소 발생 반응 등을 예시할 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아님은 당연하다. 본 발명에 의한 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드는 다공성 나노스폰지 구조를 갖기 때문에 전기화학적 유효표면적이 넓고, 그래핀닷의 추가적인 전기전도도 특성으로 인하여 촉매활성이 높다. 본 발명의 Gdot-PtMo 촉매는 산성 또는 알칼리성 수용액에서의 수소발생반응과 산소환원반응을 예로 촉매활성을 평가해 본 결과 20 w%의 백금을 포함하는 상용 cPt/C에 비해 백금의 함량이 크게 낮음에도 불구하고 최대 전류 밀도가 높고, 내구성이 현저하였다. 특히 백금과 몰리브덴의 원자비가 50:50~90:10인 것이 바람직하였으며, 60:40~90:10인 것이 더욱 바람직하였다. The grapindow-platinum molybdenum hybrid catalyst of the present invention can be used in all fields where a platinum catalyst is used. That is, the catalyst may be used as a catalyst for an oxygen reduction reaction at the cathode of a fuel cell, an oxidation reaction of methanol or formic acid, a hydrogen generation reaction, and the like, but is not limited thereto. Since the grapindow-platinum molybdenum hybrid according to the present invention has a porous nano-sponge structure, the electrochemically effective surface area is wide and the catalytic activity is high due to the additional electric conductivity characteristic of the grapindock. The Gdot-PtMo catalyst of the present invention was evaluated on the catalytic activity of hydrogen generation reaction and oxygen reduction reaction in an acidic or alkaline aqueous solution. As a result, the content of platinum was lower than that of commercial cPt / C containing 20w% of platinum The maximum current density was high and the durability was remarkable. In particular, the atomic ratio of platinum to molybdenum is preferably 50:50 to 90:10, more preferably 60:40 to 90:10.

이상과 같이 본 발명의 방법에 의해 제조되는 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드는 나노스폰지 구조로 인하여 유효표면적이 넓고, 그래핀닷의 전기전도도로 인하여 전자의 이동을 가속화시키기 때문에 촉매 활성이 우수하다. 또한 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드는 얇은 시트상의 그래핀닷이 나노스폰지 구조를 캡슐화하여 용액 중에서 분리/용해를 방지하며 내피독성이 우수하기 때문에 내구성이 향상되어 백금계 촉매로서 유용하게 사용될 수 있다. As described above, the grapindow-platinum molybdenum hybrid produced by the method of the present invention has a wide effective surface area due to the nano sponge structure and accelerates the transfer of electrons due to the electrical conductivity of the grapindock, and thus the catalytic activity is excellent. In addition, the grapindot-platinum molybdenum hybrid can be used as a platinum-based catalyst because it has improved durability because it encapsulates a thin sheet-like graphene dot nano sponge structure to prevent separation / dissolution in solution and has excellent endotoxicity.

또한 본 발명의 그래핀닷-백금몰리브덴은 제조방법이 간단할 뿐 아니라, 반응 조건이 온화하여 백금계 촉매를 경제적으로 제조하는 것이 가능하다. Further, the grapindow-platinum molybdenum of the present invention is not only simple to manufacture but also can be economically produced by mild reaction conditions.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 Gdot-PtMo의 전자현미경 이미지.
도 2는 Gdot-PtMo의 HAADF-STEM, EDS 원소 맵핑 및 HR-TEM 이미지.
도 3은 Gdot-PtMo의 XRD, XPS 및 라만 스펙트럼.
도 4는 Gdot-PtMo의 전기화학적 특성을 보여주는 그래프.
도 5는 cPt/C의 내구성을 보여주는 CV 곡선.
도 6은 Gdot-PtMo의 수소발생반응에 관한 전기화학적 특성을 보여주는 분극 곡선과 Tafel plot.
도 7은 Gdot-PtMo의 산소 환원 반응에 대한 전기화학적 특성을 보여주는 분극 곡선.
1 is an electron microscope image of Gdot-PtMo prepared according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 shows HAADF-STEM, EDS element mapping and HR-TEM image of Gdot-PtMo.
3 shows XRD, XPS and Raman spectra of Gdot-PtMo.
4 is a graph showing electrochemical characteristics of Gdot-PtMo.
Figure 5 is a CV curve showing the durability of cPt / C.
6 shows a polarization curve and a Tafel plot showing the electrochemical characteristics of the hydrogen evolution reaction of Gdot-PtMo.
7 is a polarization curve showing the electrochemical characteristics of the Gdot-PtMo oxygen reduction reaction.

이하 첨부된 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, these embodiments are merely examples for explaining the content and scope of the technical idea of the present invention, and thus the technical scope of the present invention is not limited or changed. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention based on these examples.

[실시예][Example]

실시예 1 : 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드의 제조Example 1: Preparation of a grapindot-platinum molybdenum hybrid

1) 질소,황 도핑 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드의 제조1) Preparation of nitrogen, sulfur doped grapindot-platinum molybdenum hybrid

질소, 황 도핑 카본닷(Cdot)의 제조Preparation of nitrogen, sulfur-doped carbon dot (Cdot)

Angewandte Chemie International Edition 2013, 52, 7800에 기재된 방법에 따라 질소와 황이 동시에 도핑된 카본닷(Cdot)을 제조하였다. 간략하게는, 구연산(citric acid mohohydrate) 2g과 L-cysteine 1g을 20 mL의 DI수에 용해시켰다. 용액을 70℃에서 12시간 처리하여 용매를 증발시키고, 남은 잔사를 오토클레이브에 넣고 4.3℃/분의 속도로 승온하여 200℃에서 3시간동안 수열반응하였다. 검은색 시럽 상태의 산물을 1100mL DI수로 희석하였다. 희석용액을 투석막(5kDa MWCO)을 통하여 이차 DI수에 대해 투석하였다. 투석액을 동결건조하여 노란색의 Cdot을 수득하였다. 제조된 Cdot은 평균 입경이 7nm인 구형이었다(상세 데이터 미도시). Carbon Dot (Cdot) was simultaneously doped with nitrogen and sulfur according to the method described in Angewandte Chemie International Edition 2013, 52 , 7800. Briefly, 2 g of citric acid mohohydrate and 1 g of L-cysteine were dissolved in 20 mL of DI water. The solution was treated at 70 DEG C for 12 hours to evaporate the solvent. The remaining residue was placed in an autoclave, heated at a rate of 4.3 DEG C / min, and hydrothermally reacted at 200 DEG C for 3 hours. The black syrupy product was diluted with 1100 mL DI water. The diluted solution was dialyzed against a secondary DI number through a dialysis membrane (5 kDa MWCO). The dialysis solution was lyophilized to obtain yellow Cdot. The prepared Cdot had a spherical shape with an average particle diameter of 7 nm (detailed data not shown).

질소, 황 도핑 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드(Gdot-PtMo)의 제조Preparation of Nitrogen, Sulfur Doping Grading Dot-Platinum Molybdenum Hybrid (Gdot-PtMo)

500mL 둥근 플라스크에 1)에서 제조한 28.1mg의 질소, 황 도핑 Cdot을 195ml DI수에 분산시킨 용액과 20 mM 헥사클로로백금산(H2PtCl6, Sigma-Aldrich)과 20 mM 염화몰리브덴(MoCl5, Alfa Aesar) 총 10ml를 하기 표 1에 기재된 비율로 투여하였다. 반응 혼합물을 30분간 초음파 처리하여 투명한 연노란색 용액을 제조하였다. 상기 용액을 교반하면서 50 mM NaBH4 20ml를 가하고, 전체 용액이 검게 변할 때까지 뚜껑을 덮은채 70℃에서 3시간 추가로 교반하였다. 검은색 침전을 500rpm에서 5분간 원심분리하여 수득하고 물과 에탄올로 수회 세척한 후 70℃에서 2시간 건조하였다. (H 2 PtCl 6 , Sigma-Aldrich) and 20 mM molybdenum chloride (MoCl 5 , manufactured by Sigma-Aldrich) were added to a 500 ml round-bottomed flask equipped with a solution of 28.1 mg of nitrogen and sulfur-doped Cdot prepared in 1) Alfa Aesar) were administered in the ratios shown in Table 1 below. The reaction mixture was sonicated for 30 minutes to produce a clear pale yellow solution. The solution was stirred with 20 ml of 50 mM NaBH 4 and further stirred at 70 ° C for 3 hours with the lid covered until the whole solution turned black. The black precipitate was obtained by centrifugation at 500 rpm for 5 minutes, washed several times with water and ethanol, and dried at 70 ° C for 2 hours.

Figure pat00001
Figure pat00001

2) 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드의 제조2) Preparation of a Grindindod-platinum molybdenum hybrid

카본닷(Cdot)의 제조Manufacture of carbon dot (Cdot)

Carbon 2016, 96, 139-144에 기재된 방법에 따라 마이크로 웨이브를 사용하여 카본닷(Cdot)을 제조하였다. 간략하게는, 10mL의 DI수에 구연산(덕산화학) 3g과 우레아(Shinyo Chemical) 3g을 넣고 격렬히 교반한 후 마이크로웨이브 오븐(700W)에서 4분간 처리하였다. 그 결과 얻어진 진한 갈색의 용액을 상온으로 냉각한 후 7000rpm에서 30분간 원심분리하여 검은색의 큰 응집체(aggregate)를 제거하였다. Cdot을 포함하는 상등액은 중탄산수로 중화하고 DI수로 수차례 세척하였다. 검은색의 Cdot을 수거한 후 진공 오븐에서 건조하였다. Carbon Dot (Cdot) was prepared using microwaves according to the method described in Carbon 2016, 96, 139-144. Briefly, 3 g of citric acid (Duksan Chemical) and 3 g of urea (Shinyo Chemical) were added to 10 mL of DI water and vigorously stirred, followed by treatment in a microwave oven (700 W) for 4 minutes. The resulting dark brown solution was cooled to room temperature and centrifuged at 7000 rpm for 30 minutes to remove large black aggregates. The supernatant containing Cdot was neutralized with bicarbonate water and washed several times with DI water. The black Cdots were collected and dried in a vacuum oven.

건조된 Cdot을 에탄올에 분산시켜 마이카 기판(mica substrate)에 떨어뜨려 시료를 제조한 후 MultiMod 8 (Bruker) 현미경을 사용하여 탭핑모드로 AFM 이미지를 얻었다. 관측 결과 제조된 Cdot은 평균 입경이 1.2nm이고, 가우시안 분포를 나타내는 구형임을 확인할 수 있었다. The dried Cdot was dispersed in ethanol and dropped on a mica substrate to prepare a sample. AFM images were obtained in a tapping mode using a MultiMod 8 (Bruker) microscope. As a result of the observation, it was confirmed that the prepared Cdot had an average particle diameter of 1.2 nm and a spherical shape showing a Gaussian distribution.

그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드(Gdot-PtMo)의 제조Preparation of Graded-Platemolybdenum Hybrid (Gdot-PtMo)

질소, 황 도핑 Cdot 대신 위에서 제조한 Cdot을 사용한 것을 제외하고는 질소, 황 도핑 Gdot-PtMo 하이브리드의 제조와 동일한 방법에 의해 Gdot-PtMo 하이브리드를 제조하였다.The Gdot-PtMo hybrid was prepared in the same manner as in the preparation of the nitrogen-sulfur-doped Gdot-PtMo hybrid except that the Cdot prepared above was used in place of the nitrogen, sulfur-doped Cdot.

실시예 2 : 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드의 물리·화학적 특성 분석Example 2: Physical and chemical characterization of grapindot-platinum molybdenum hybrid

실시예 1에서 제조한 Gdot-PtMo의 모포로지 특성을 필드방사 주사전자현미경(FE-SEM, JSM-7000F, JEOL, Japan)과 투과전자현미경(TEM, JEM-2010HR) 및 고해상도 투과전자현미경(HRTEM, JEM-2100F, JEOL, Japan)으로 분석하였다. 시료는 에탄올에 분산시켜 카본으로 코팅된 구리 TEM 그리드(Ted Pella, Redding, USA)에 적가한 후 상온상압에서 건조하였다. The morphology of Gdot-PtMo prepared in Example 1 was analyzed by field emission scanning electron microscope (FE-SEM, JSM-7000F, JEOL, Japan), transmission electron microscope (TEM, JEM-2010HR) and high resolution transmission electron microscope , JEM-2100F, JEOL, Japan). Samples were dispersed in ethanol and dropped onto carbon coated copper TEM grid (Ted Pella, Redding, USA) and dried at normal temperature and pressure.

도 1은 실시예 1의 1)에서 제조한 Gdot-PtMo의 전자현미경 이미지로, a~c는 각각 제조예 4의 SEM, TEM, HR-TEM 이미지이며, d~f는 각각 제조예 1, 제조예 3 및 제조예 5의 TEM 이미지로, 생성물이 Pt/Mo의 비율과 무관하게 전체적으로 3차원 네트워크에 의한 다공성 나노스폰지 구조를 형성하는 것을 보여준다. 1 is an SEM, TEM and HR-TEM image of Production Example 4, and d to f are electron microscopic images of Gdot-PtMo prepared in 1) of Example 1, TEM images of Example 3 and Preparation Example 5 show that the product forms a porous nanosponge structure by a three-dimensional network as a whole regardless of the ratio of Pt / Mo.

도 2는 제조예 4의 Gdot-PtMo의 HAADF-STEM(high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy) 이미지(a)와 EDS 원소 맵핑 이미지(b~f) 및 HR-TEM 이미지를 보여주는 것이다. HAADF-STEM 이미지는 금속에 의해 균일한 다공성의 나노 스폰지 구조가 형성됨을 보여주며, EDS 맵핑에 의해 백금, 몰리브덴이 스폰지 구조에 전체적으로 고르게 분산되어 PtMo 합금 구조를 형성함을 확인할 수 있다. c의 EDS 맵핑 이미지는 PtMo 나노스폰지 구조가 카본 매트릭스에 임베딩 되어 있음을 나타낸다. 이는 g의 HR-TEM 이미지에서도 확인할 수 있는데, HR-TEM 이미지는 PtMo의 코어 구조가 투명한 시트상의 Gdot 쉘에 의해 캡슐화(encapsulating)되어 있음을 보여준다. 사전 실험에 의하면, Pt는 하이브리드 결정의 성장 시 Cdot을 박리시켜 시트상의 Gdot에 의해 합금구조를 캡슐화하는 데 중요한 역할을 한다(본 발명자의 특허출원 10-2018-0068113에 세부 데이터 기재). HR-TEM에서 관측되는 격자 간격 0.231과 0.195 nm는 Pt 입방체에 해당하는 것으로 Mo의 격자 간격은 별도로 관측되지 않아, PtMo 합금이 Pt의 결정구조를 유지하는 것을 의미하였다. 23° 부근의 브로드한 피크는 Gdot에 기인한 것으로 카본층이 존재함을 보여준다. 2 shows an HAADF-STEM image (a), an EDS element mapping image (b to f), and an HR-TEM image of Gdot-PtMo of Production Example 4. The HAADF-STEM image shows that a uniform porous nano-sponge structure is formed by the metal, and it can be confirmed that the EDS mapping forms platinum and molybdenum uniformly dispersed throughout the sponge structure to form a PtMo alloy structure. The EDS mapping image of c indicates that the PtMo nano sponge structure is embedded in the carbon matrix. This can also be seen in the HR-TEM image of g, HR-TEM image shows that the core structure of PtMo is encapsulated by a transparent sheet-like Gdot shell. According to a preliminary experiment, Pt plays an important role in peeling the Cdot in the growth of the hybrid crystal to encapsulate the alloy structure by the Gdot on the sheet (detailed data in the inventor's patent application 10-2018-0068113). The lattice spacings of 0.231 and 0.195 nm observed in the HR-TEM correspond to the Pt cube, and the lattice spacing of Mo was not observed separately, indicating that the PtMo alloy retained the crystal structure of Pt. The broad peak near 23 ° is due to Gdot and shows the presence of a carbon layer.

Gdot-PtMo 하이브리드의 결정구조는 X-선 회절 분석과 XPS 및 라만스펙트럼으로 더욱 확인하였다. 도 3은 그 결과를 보여주는 XRD 스펙트럼(a), XPS 스펙트럼(c~d) 및 라만 스펙트럼(e)이다. The crystal structure of the Gdot-PtMo hybrid was further confirmed by X-ray diffraction analysis and XPS and Raman spectra. 3 is an XRD spectrum (a), an XPS spectrum (c to d), and a Raman spectrum (e) showing the results.

제조예 1~5의 모든 Gdot-PtMo 하이브리드는 (111), (200) 및 (311)에 해당하는 면심입방(fcc) Pt 구조에 해당하는 XRD 패턴을 보여주었다. Mo나 그 산화물에 해당하는 XRD 패턴은 관측되지 않았다. XRD 패턴으로부터 계산된 Gdot-PtMo 하이브리드의 특성을 하기 표 2에 기재하였다. 하기 표 2에서 (111) 피크를 이용하여 평균 crystallite 크기를 계산하였다. (111) 피크는 몰리브덴의 비율이 증가함에 따라 점점 브로드해져, 평균 결정 크기가 점차 감소함을 나타내었다. 또한 Mo의 비율이 증가함에 따라 (111) 피크의 2θ 값도 증가하여, 결정 격자 내에서 Pt가 Mo로 대체됨에 따라 격자 상수(lattice constant)가 감소함을 보여주였다. All the Gdot-PtMo hybrids of Production Examples 1 to 5 showed XRD patterns corresponding to the face-centered cubic (fcc) Pt structures corresponding to (111), (200) and (311). No XRD pattern corresponding to Mo or its oxide was observed. The properties of the Gdot-PtMo hybrids calculated from the XRD pattern are shown in Table 2 below. In Table 2 below, the average crystallite size was calculated using the (111) peak. (111) peak gradually became broader with increasing molybdenum ratio, indicating that the average crystal size gradually decreased. It was also shown that as the Mo content increased, the 2θ value of the (111) peak also increased and the lattice constant decreased as the Pt was replaced with Mo in the crystal lattice.

Figure pat00002
Figure pat00002

도 3의 b~d는 제조예 4의 XPS 스펙트럼으로 284.6 eV에서 관측되는 C1s의 주 피크로부터 그라파이트 카본이 탄소의 주 성분임을 확인할 수 있다. 제조예 4의 라만스펙트럼인 도 3은 G 밴드와 D 밴드를 모두 나타내어, 결정형과 함께 무정형의 카본이 함께 함유되어 있음을 보여준다. Gdot-PtMo에서 ID/IG 비율은 약 0.5로 Gdot의 0.67보다 약간 감소하였는데, 이는 하이브리드 제조과정에서 다층구조를 갖는 구형의 Cdot이 박리와 환원을 거쳐 일부가 sp2 카본으로 변환되어 그래핀닷의 형태로 존재하는 것을 의미한다. 3B to 3D show the XPS spectrum of Production Example 4, which shows that graphite carbon is the main component of carbon from the main peak of C1s observed at 284.6 eV. FIG. 3, which is a Raman spectrum of Production Example 4, shows both the G band and the D band, showing amorphous carbon together with the crystal form. The ratio of I D / I G in Gdot-PtMo was about 0.5, which was slightly less than 0.67 of Gdot. In the hybrid manufacturing process, a spherical Cdot with a multi-layer structure was peeled and reduced and partly converted to sp 2 carbon, And the like.

실시예 3 : 수소 발생 반응 및 산소 환원 반응에 대한 촉매 활성 평가Example 3 Evaluation of Catalytic Activity for Hydrogen Generation and Oxygen Reduction

작업전극의 제조Manufacture of working electrode

10 ml 2-프로파놀과 39.8 ml DI수(DI) 및 0.2 ml 5w% Nafion 용액을 혼합하여 스톡 용액을 제조하였다. 1 ml의 스톡용액과 1.8 mg 제조예의 Gdot-PtMo을 2 ml 바이알에 넣고 볼텍스 믹서-KMC-1300V를 사용하여 5분간 혼합하였다. 이후 30℃ 이하의 온도에서 1시간 동안 초음파 처리하여 균질한 촉매 잉크를 제조하였다.A stock solution was prepared by mixing 10 ml 2-propanol with 39.8 ml DI water (DI) and 0.2 ml 5w% Nafion solution. 1 ml of the stock solution and 1.8 mg of Gdot-PtMo of the preparation example were placed in a 2 ml vial and mixed using a Vortex mixer-KMC-1300V for 5 minutes. Then, ultrasonic treatment was performed at a temperature of 30 캜 or lower for 1 hour to prepare a homogeneous catalyst ink.

글래시 카본 회전 디스크 전극을 1 ㎛ 연마 다이아몬드 현탁액으로 연마하고, 이어서 0.05 ㎛ Al2O3 입자 현탁액으로 연마하였다. 연마된 전극은 DI수로 세척하고, DI수와 함께 5분간 소니케이션한 후 다시 DI수로 세척하였으며, 30분간 상온에서 건조하였다.The glacier carbon rotating disk electrode was polished with a 1 탆 polished diamond suspension and then polished with a 0.05 탆 Al 2 O 3 particle suspension. The polished electrode was washed with DI water, sonicated for 5 minutes with DI water, washed again with DI water, and dried at room temperature for 30 minutes.

위에서 제조한 3 ㎕의 촉매 잉크를 건조한 글래시 카본 전극에 드랍-캐스팅한 후 촉매 필름을 상온에서 30분간 건조하여 작업전극을 제조하였다. 촉매의 로딩 양은 76㎍/㎠였다.3 [mu] l of the catalyst ink prepared above was drop-cast onto a dry glacier carbon electrode, and the catalyst film was dried at room temperature for 30 minutes to prepare a working electrode. The loading amount of the catalyst was 76 占 퐂 / cm2.

전기화학적 측정Electrochemical measurement

전기화학적 측정은 ALS 회전 디스크 전극(RDE) 장치와 IVIUM 전위가변기(potentiostat)를 갖는 3전극 셀 내에서 수행하였다. 백금 망(mesh)을 상대전극으로, 0.5M H2SO4 또는 0.1M KOH 수용액을 전해질로 사용하였으며, Ag/AgCl(3M Cl-)과 Hg/HgO를 각각 산성 및 알칼리성 전해질에서의 기준전극으로 사용하였다. Electrochemical measurements were performed in a three electrode cell with an ALS rotary disk electrode (RDE) device and an IVIUM potential potentiostat. Ag / AgCl (3M Cl - ) and Hg / HgO were used as reference electrodes in acidic and alkaline electrolytes, respectively, using platinum mesh as a counter electrode and 0.5MH 2 SO 4 or 0.1M KOH aqueous solution as the electrolyte. Respectively.

사이클릭 볼타모그램(CV, cyclic volatmogram) 측정을 위하여 3전극 셀을 초순도의 질소로 30분간 퍼징하고, 측정 중에서 질소를 퍼징하면서 0.05V 내지 1.20V의 범위 내에서 50 mV/s의 스캔 속도로 수행하였다. 촉매의 전기촉매 활성은 전극의 표면에서 발생된 수소를 제거하기 위하여 1000 rpm의 속도로 회전하면서, 5 mV/s의 스캔 속도로 선형주사전위법(LSV, linear sweep voltammetry)에 의해 스캔하였다. The three-electrode cell was purged with ultra-pure nitrogen for 30 minutes to measure the cyclic voltamogram (CV), and a scanning speed of 50 mV / s within the range of 0.05 V to 1.20 V . The electrocatalytic activity of the catalyst was scanned by linear sweep voltammetry (LSV) at a scan rate of 5 mV / s while rotating at a speed of 1000 rpm to remove hydrogen generated at the surface of the electrode.

비교를 위하여, Gdot-PtMo 대신 상용화된 Pt/C(cPt/C) 촉매(20% Pt on Vulcan XC-72, Alfa Aesar)를 사용하여 작업전극을 제조하고, 동일한 방법에 의해 전기화학적 측정을 실시하였다.For comparison, a working electrode was prepared using a commercial Pt / C (cPt / C) catalyst (20% Pt on Vulcan XC-72, Alfa Aesar) instead of Gdot-PtMo and electrochemical measurements were performed by the same method Respectively.

도 4는 0.1M KOH 수용액에서 상기 방법에 의해 측정된 CV 곡선(a)과 이로부터 계산된 전기화학적 유효표면적(ECSA, electrochemical surface area)(b)이다. 제조예 4의 Gdot-PtMo가 촉매 표면에 프로톤의 흡착/탈착에 대하여 가장 높은 산화 환원 피크 전하를 나타내어, 다른 촉매들에 비해 표면에서 프로톤의 흡수 및 용해 평형이 용이하게 형성됨을 시사하였다. E~0.85V에서의 애노딕(anodic) 피크는 PtMo 표면 산화물의 생성에 해당하며, 0.77V에서의 캐쏘틱(cathodic) 피크는 PtMo 표면 산화물의 환원 피크에 해당한다. (b)는 CV 곡선으로부터 계산된 촉매의 유효표면적으로 제조예 1과 3은 각각 상용의 cPt/C 촉매(58.1 ㎡/g)와 유사한 56.5와 59.2 ㎡/g을 나타내었으며, 제조예 4와 5는 각각 67.5, 63.1 ㎡/g로 유효표면적이 크게 증가하였다. Fig. 4 is the CV curve (a) measured by the above method in 0.1 M KOH aqueous solution and the calculated electrochemical surface area (ECSA) (b). The Gdot-PtMo of Production Example 4 exhibited the highest redox peak charge on proton adsorption / desorption on the catalyst surface, suggesting that absorption and dissolution equilibrium of proton is easily formed on the surface compared to other catalysts. The anodic peak at E ~ 0.85V corresponds to the formation of the PtMo surface oxide and the cathodic peak at 0.77V corresponds to the reduction peak of the PtMo surface oxide. (b) shows the effective surface area of the catalyst calculated from the CV curve, and Production Examples 1 and 3 showed 56.5 and 59.2 m 2 / g, respectively, similar to the commercial cPt / C catalyst (58.1 m 2 / g) Were 67.5 and 63.1 ㎡ / g, respectively.

도 4의 (c)는 제조예 4의 촉매에 대한 내구성 시험 결과로, 5000 사이클 이후 유효표면적의 감소는 약 15% 정도였다. 반면, 내구성 시험 결과를 보여주는 도 5로부터 계산된 유효표면적의 감소는 약 40%로 Gdot-PtMo 촉매의 내구성이 현저함을 확인할 수 있다. c의 내부 도면은 5000 사이클 후의 Gdot-PtMo의 HR-TEM이미지로 다공성 구조와 Gdot에 의한 캡슐화가 잘 유지되어 있음을 보여주어, 안정성이 우수함을 추가적으로 확인할 수 있다. Fig. 4 (c) shows the result of durability test for the catalyst of Production Example 4. As a result, the effective surface area reduction after 5000 cycles was about 15%. On the other hand, the reduction of the effective surface area calculated from FIG. 5 showing the results of the durability test is about 40%, indicating that the durability of the Gdot-PtMo catalyst is remarkable. c shows an HR-TEM image of Gdot-PtMo after 5000 cycles showing that the porous structure and encapsulation by Gdot are well maintained, and it can be further confirmed that the stability is excellent.

도 4의 (d)는 0.1M KOH 수용액, -100 mV 과전압(η) 조건에서 100 kHz~0.1 Hz의 범위에 대한 전기화학 임피던스 분광기(EIS)를 이용하여 측정한 Nyquist plot이다. Nyquist plot은 두 개의 반원으로 이루어져 있으며, 고주파 영역의 첫 번째 반원은 표면의 다공성과 관련되어 있고, 저주파 영역의 반원은 전하이동 특성과 관련되어 있다. 전하이동과 관련된 저항값 Rct의 크기는 제조예 4와 5의 경우 cPt/C보다 훨씬 작아, 빠른 전하이동능과 높은 촉매활성능을 나타냄을 보여주었다. 하기 표 3은 Nyquist plot으로부터 계산된 촉매들의 EIS(electrochemical impedence spectroscopy) 데이터 피팅 매개 변수를 정리한 것이다. 4 (d) is a Nyquist plot measured using an electrochemical impedance spectroscope (EIS) for a range of 100 kHz to 0.1 Hz under 0.1 m KOH aqueous solution and -100 mV overvoltage (?). The Nyquist plot consists of two semicircles, the first semicircle of the high frequency region being related to the porosity of the surface, and the semicircle of the low frequency region being related to the charge transfer characteristic. The magnitude of the resistance value R ct associated with charge transfer was much smaller than that of cPt / C in Examples 4 and 5, indicating that the charge transfer capability and the catalytic activity were high. Table 3 below summarizes the electrochemical impedence spectroscopy (EIS) data fitting parameters of the catalysts calculated from the Nyquist plot.

Figure pat00003
Figure pat00003

도 6과 표 4는 0.5M H2SO4 또는 0.1M KOH 수용액에서의 산소발생반응(HER)에 대한 전기화학 촉매 활성을 선형주사전위법에 의해 확인한 결과이다. 6 and Table 4 show the electrochemical catalytic activity for the oxygen generation reaction (HER) in 0.5M H 2 SO 4 or 0.1M KOH aqueous solution by the linear main prior art method.

Figure pat00004
Figure pat00004

도 6의 a는 각각 0.5M H2SO4 수용액에서의 분극곡선으로, cPt/C 촉매는 개시전위가 거의 0 mV로 HER 반응에 대해 매우 높은 활성을 나타내었다. 제조예 4의 Gdot-PtMo는 개시전위가 -11 mV, 10 mA/㎠의 전류밀도에서 과전압이 -32V로 매우 우수한 촉매활성을 나타내었다. 이에 반해, 제조예 1, 제조예 3 및 cPt/C는 동일 전류밀도에서 각각 -47, -40, -42 mV의 더 높은 과전압을 필요로 하였다. 이들의 촉매 특성을 표 4에 기재하였으며, 이들로부터 산성조건에서 HER에 대하여 제조예 4의 Gdot-PtMo가 가장 우수한 촉매활성을 나타냄을 확인할 수 있다.FIG. 6 (a) is a polarization curve in an aqueous solution of 0.5 MH 2 SO 4 , and the cPt / C catalyst exhibited a very high activity for the HER reaction with an initiation potential of almost 0 mV. The Gdot-PtMo of Production Example 4 exhibited very excellent catalytic activity at an initial voltage of -11 mV and an overvoltage of -32 V at a current density of 10 mA / cm 2. In contrast, Production Example 1, Production Example 3 and cPt / C required higher overvoltages of -47, -40, and -42 mV at the same current density, respectively. These catalyst properties are shown in Table 4. From these, it can be confirmed that Gdot-PtMo of Production Example 4 exhibits the best catalytic activity for HER under acidic conditions.

Tafel 기울기는 속도 결정 단계와 같은 HER 기작의 평가에 중요한 변수로, 도 6의 b에 0.5M H2SO4 수용액에서의 HER 반응에 대한 Tafel plot을 도시하였다. cPt/C의 Tafel 기울기는 36 mV/dec로 이론값과 거의 일치하였다. 반면 제조예 4의 Gdot-PtMo는 이보다 작은 32 mV/dec의 값을 가졌으며, 교환전류밀도는 0.91 mA/㎠로 cPt/C의 0.75 mA/㎠보다 높았다. 이는 Gdot-PtMo 나노스폰지 촉매가 수소 발생이 속도 결정 단계인 Volmer-Tafel 기작을 따름을 의미한다.The Tafel slope is an important parameter for the evaluation of the HER mechanism such as the rate determining step, and FIG. 6b shows a Tafel plot for the HER reaction in 0.5M H 2 SO 4 aqueous solution. The Tafel slope of cPt / C was 36 mV / dec, which was close to the theoretical value. On the other hand, the Gdot-PtMo of Production Example 4 had a smaller value of 32 mV / dec, and the exchange current density was 0.91 mA / cm 2 higher than 0.75 mA / cm 2 of cPt / C. This means that the Gdot-PtMo nano-sponge catalyst follows the Volmer-Tafel mechanism, which is the rate-determining step of hydrogen evolution.

도 6의 c는 0.5M H2SO4 수용액에서의 HER 반응에 대한 촉매의 내구성을 보여주는 그래프로 5000 사이클 이후에도 개시전위나 전류밀도에 거의 변화가 없어 매우 우수한 내구성을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이에 더하여 과전압 -35 mV에서의 시간에 따른 전류밀도의 비교를 보여주는 크로노암페로메트릭 측정 결과인 도 6의 d에서도, cPt/C 촉매는 10시간 이내에 심각한 전류밀도의 저하가 관측되는 반면 Gdot-PtMo는 5시간에 약간의 손실이 발생한 이후 48시간 동안 큰 변화가 없었다. 도 6의 d의 내부도면에서 확인할 수 있듯이 다량의 수소 기포의 방출을 확인할 수 있었다. 이러한 내구성은 전술한 PtMo 합금이 Gdot에 의해 둘러쌓여 피독성이 낮아지기 때문으로 해석될 수 있다.FIG. 6C is a graph showing the durability of the catalyst against the HER reaction in the 0.5M H 2 SO 4 aqueous solution. As a result, it was confirmed that the durability was very good since there was almost no change in the initiation potential or the current density after 5000 cycles. In addition, in Fig. 6 (d), which is a chronoamperometric measurement showing a comparison of the current density with time at an over-voltage of -35 mV, the cPt / C catalyst shows a significant drop in current density within 10 hours, whereas Gdot- Did not change significantly for 48 hours after a slight loss at 5 hours. As can be seen from the inside drawing of FIG. 6D, the release of a large amount of hydrogen bubbles was confirmed. This durability can be interpreted because the above-mentioned PtMo alloy is surrounded by Gdot and the toxicity is lowered.

도 6의 e와 f는 각각 0.1 M KOH 수용액에서의 수소발생반응에 대한 분극곡선과 Tafel plot을 도시한 것이다. 알칼리 매질에서 역시 제조예 4의 Gdot-PtMo는 우수한 촉매활성을 나타내었다.6 and 7 show polarization curves and Tafel plots for the hydrogen generation reaction in 0.1 M KOH aqueous solution, respectively. In the alkali medium, Gdot-PtMo of Production Example 4 also showed excellent catalytic activity.

산소환원반응(ORR)에 대한 촉매 활성을 측정하기 위하여 상기 측정의 완료 후 산소로 최소 30분간 포화되도록 한 후, 디스크 전극을 0.05~0.92V 범위에서 통상적인 분극 프로그램으로 50 mV/s의 스캔 속도로 음극(anodically) 스캔하였다. ORR 분극 곡선은 1600 rpm의 회전 속도에서 얻었다. 도 7은 산소 환원 반응에 대한 분극 곡선을 나타낸 것으로, a)는 0.5M H2SO4 수용액, b)는 0.1M KOH 수용액에서의 측정 결과이다. ORR 분극 곡선 역시 제조예 4의 Gdot-PtMo이 전기화학적으로 cPt/C에 비해 더욱 민감함을 보여주어, ORR 반응의 촉매로서도 효율이 더 우수함을 나타내었다.After the completion of the measurement, the disk electrode was saturated with oxygen for at least 30 minutes to measure the catalytic activity for the oxygen reduction reaction (ORR). The disk electrode was scanned at a scanning speed of 50 mV / s in a typical polarization program in the range of 0.05 to 0.92 V And anodically. The ORR polarization curve was obtained at a rotational speed of 1600 rpm. 7 shows the polarization curve for the oxygen reduction reaction, wherein a) is a 0.5M H 2 SO 4 aqueous solution and b) is a measurement result in 0.1M KOH aqueous solution. The ORR polarization curve also shows that Gdot-PtMo of Production Example 4 is electrochemically more sensitive than cPt / C and is more efficient as a catalyst for ORR reaction.

Claims (8)

백금 전구체와 몰리브덴 전구체를 용해시킨 후 카본닷과 혼합하여 환원시키는 것을 특징으로 하는 나노스폰지 구조의 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드의 제조방법.
Platinum precursor and molybdenum precursor are dissolved and then mixed with carbon dot for reduction. The present invention also provides a method for producing a graphene-platinum molybdenum hybrid having a nano sponge structure.
제 1 항에 있어서,
상기 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드는 나노스폰지 구조의 백금몰리브덴 합금이 그래핀닷에 의해 캡슐화(encapsulating)된 것을 특징으로 하는 나노스폰지 구조의 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the grapindow-platinum molybdenum hybrid is encapsulated with a nano-sponge platinum molybdenum alloy by grapindock. 2. The method of claim 1, wherein the graphene-platinum molybdenum hybrid is a graphene-platinum molybdenum hybrid.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 카본닷은 질소, 황, 인 및 붕소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 이종 원자가 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 나노스폰지 구조의 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드의 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the carbon dot is doped with at least one hetero atom selected from the group consisting of nitrogen, sulfur, phosphorus, and boron.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 백금 전구체 100 중량부에 대하여 카본닷 1~200 중량부, 몰리브덴 전구체 10~300 중량부를 사용하는 것을 특징으로 하는 나노스폰지 구조의 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드의 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Platinum molybdenum hybrid according to claim 1, wherein 1 to 200 parts by weight of carbon dots and 10 to 300 parts by weight of a molybdenum precursor are used relative to 100 parts by weight of the platinum precursor.
나노스폰지 구조의 백금몰리브덴 합금이 그래핀닷에 의해 캡슐화(encapsulating)된 것을 특징으로 하는 나노스폰지 구조의 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드 촉매.
Platinum molybdenum hybrid catalyst having a nano sponge structure is characterized in that a platinum molybdenum alloy having a nano sponge structure is encapsulated by grapindot.
제 5 항에 있어서,
상기 백금몰리브덴 합금 중 백금:몰리브덴의 원자 비율은 50:50~90:10인 것을 특징으로 하는 나노스폰지 구조의 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드 촉매.
6. The method of claim 5,
Platinum molybdenum hybrid catalyst having a nano sponge structure, wherein the atomic ratio of platinum to molybdenum in the platinum molybdenum alloy is 50:50 to 90:10.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 그래핀닷은 질소, 황, 인 및 붕소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 이종 원자가 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 나노스폰지 구조의 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드 촉매.
The method according to claim 5 or 6,
Wherein the graphene dot is doped with at least one hetero atom selected from the group consisting of nitrogen, sulfur, phosphorus, and boron, and a grapindow-platinum molybdenum hybrid catalyst having a nano sponge structure.
제 5 항 또는 제 6 항의 그래핀닷-백금몰리브덴 하이브리드 촉매를 포함하는 촉매 전극.A catalyst electrode comprising the grapindot-platinum molybdenum hybrid catalyst of claim 5 or 6.
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