KR20190063289A - Method of core-shell catalyst production including gas phase nitriding - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 기상 환경에서 질화 처리된 코어-쉘 촉매의 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 기상에서 코어에 질소 원소를 포함함으로써 촉매의 내구성 및 전기화학적 성능이 향상된 코어-쉘 촉매의 제조방법에 대한 것이다.The present invention relates to a method for producing a core-shell catalyst which is nitrided in a gaseous environment, and more particularly to a method for producing a core-shell catalyst having improved durability and electrochemical performance of a catalyst by incorporating a nitrogen element in a core in a gas phase It is about.
일반적으로 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 연료전지(Fuel cell)는 연료의 산화/환원에 의해 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 장치로써, 최근 전기 자동차와 같은 수송용 및 가정에서의 전원 공급용 미래형 전기 동력으로 기대되고 있다. 연료전지에서의 전극 반응은 음극에서의 수소 산화 반응과 양극에서의 산소 환원 반응으로 구성되는데, 고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell) 등 저온에서 구동되는 연료전지 시스템에서 이들 전기화학반응이 실제 원활히 일어나기 위해서는 반응속도가 효과적으로 증가되어야 한다.Fuel cell, which is generally regarded as a next generation energy source, is a device that directly converts chemical energy generated by oxidation / reduction of fuel into electric energy. Recently, fuel cell (fuel cell) It is expected to be the future electric power for the future. The electrode reaction in the fuel cell consists of the hydrogen oxidation reaction in the anode and the oxygen reduction reaction in the anode. In a fuel cell system driven at low temperature, such as a polymer electrolyte membrane fuel cell, The reaction rate must be effectively increased in order to occur smoothly.
상기와 같은 이유로 종래 연료전지 시스템에서는 귀금속 촉매인 백금(Pt)이 필연적으로 사용되어 왔다. 하지만, 백금 촉매는 우수한 에너지 변환 효율을 보임에도 불구하고, 가격이 매우 비싸고 매장량이 제한되어 있기 때문에 연료전지의 보급화에 문제시 될 수 있다. 특히, 고효율이면서도 저비용인 신규한 전기적 촉매의 필요성은 PEMFC(Polymer electrolyte membrane fuel cell; 폴리머 전해질막 연료 전지)와 연관된 문제 중 가장 시급한 것이었다. 상기 장애 인자를 해결하고 연료전지의 상용화를 촉진하기 위하여, 최근 들어 현재의 탄소 지지체 상에 지지된 백금 전극을 대체하기 위하여, 합금 나노입자 및 코어-쉘 나노입자 등 복수의 구성요소를 포함하는 나노입자(Multi-component nanoparticle)들이 연구되었다. 이러한 방법은 합성이 번거롭고 경제적이지 못하며, 입자의 크기의 불가피한 증가 및 촉매 활성을 가지는 표면적의 소실이라는 단점이 있다. 특히, 전이금속 기반의 코어와 백금 기반의 쉘로 구성하여 백금 촉매와 비교하여 촉매의 성능 저하를 최소화하는 기술이 개발되었으나, 이 경우, 촉매의 내구성 저하로 촉매의 내구 연한이 제한되는 단점이 있고, 이를 개선하기 위하여 질소를 주입하는 기술에 있어서도 코어 부분에 주입되는 질소의 함량에 한계를 나타내었다. 또한, 종래 기술에서는 코어 제조 후, 상기 코어에 질소를 추가하고 쉘을 코팅하는 순서로 제조가 진행되어 코어와 쉘의 제조가 연속적으로 이루어지지 않아 쉘 두께가 균일하지 못하고, 제조과정이 복잡하고 많은 시간이 소요된다는 단점을 가지고 있다. For the above reasons, platinum (Pt), which is a noble metal catalyst, has been inevitably used in the conventional fuel cell system. However, although the platinum catalyst exhibits excellent energy conversion efficiency, the fuel cell is problematic because it is very expensive and has a limited amount of reserves. In particular, the need for a new, high-efficiency, yet low-cost, electrical catalyst has been among the most urgent issues associated with PEMFC (Polymer electrolyte membrane fuel cell). In order to solve the above-mentioned failure factors and to promote the commercialization of fuel cells, in order to replace the platinum electrode supported on the present carbon support in recent years, it has been proposed to use nano-particles including a plurality of components such as alloy nanoparticles and core- Particles (multi-component nanoparticles) have been studied. This method has the disadvantage that synthesis is cumbersome and not economical, inevitably increases the particle size, and disappears of the surface area having catalytic activity. In particular, a technology has been developed that minimizes the deterioration of the catalyst performance compared with the platinum catalyst, which is composed of a transition metal-based core and a platinum-based shell. In this case, however, the durability of the catalyst is limited, In order to improve this, the amount of nitrogen injected into the core portion is also limited in the technique of injecting nitrogen. In addition, in the prior art, after the core is manufactured, nitrogen is added to the core, and the shell is coated in the order of coating, so that the core and the shell are not continuously produced, the shell thickness is not uniform, And it takes time.
이에 본 발명에서는 상기의 문제점을 개선하기 위하여, 비귀금속계 코어와 백금 쉘로 구성되면서 특히 촉매의 내구 연한이 개선된 코어-쉘 촉매에 대한 효율적인 제조방법을 제시하는 것에 목적을 두고 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an efficient production method for a core-shell catalyst having a non-noble metal-based core and a platinum shell and having improved durability of the catalyst.
이를 위하여, 종래 기술 대비 코어에 높은 함량의 질소를 함유시킬 수 있는 코어-쉘 촉매의 제조방법을 제시하는 것에 목적을 두고 있다.It is an object of the present invention to provide a method for producing a core-shell catalyst capable of containing a high content of nitrogen in a core as compared with the prior art.
또한, 본 발명에 따른 코어-쉘 촉매 제조방법에서는 코어에 질소가 포함되면서도 촉매의 평균 입경이 증가하지 않고, 코어와 쉘의 균일도가 개선될 수 있는 코어-쉘 촉매의 제조방법을 제시하는 것에 목적을 두고 있다. It is another object of the present invention to provide a method for producing a core-shell catalyst in which the average particle diameter of the catalyst is increased while nitrogen is contained in the core and the uniformity of the core and the shell can be improved Respectively.
본 발명에 따른 코어-쉘 촉매 제조방법은 환원성 용매, 귀금속 전구체, 전이금속 전구체 및 탄소지지체를 포함하는 용액에 초음파를 조사하여, 상기 초음파의 조사로 인해 공동(cavity)이 형성되고 증기압 차이로 인하여 전이금속 전구체 코어와 귀금속 전구체 쉘 입자를 형성하는 단계; 및The method for producing a core-shell catalyst according to the present invention is a method for producing a core-shell catalyst according to the present invention by irradiating ultrasound to a solution containing a reducing solvent, a noble metal precursor, a transition metal precursor and a carbon support to form a cavity by irradiation of the ultrasonic wave, Forming transition metal precursor cores and precious metal precursor shell particles; And
상기 전이금속 전구체 코어와 귀금속 전구체 쉘 입자를, 가스상의 질소원 하에서 250 내지 550℃의 온도와 1 내지 120bar의 압력조건으로 질화처리하여 상기 전이금속 50 내지 90몰에 대하여 질소원자가 10 내지 50몰비를 유지하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The transition metal precursor core and the noble metal precursor shell particles are nitrided under a nitrogen source of gaseous nitrogen at a temperature of 250 to 550 ° C and a pressure of 1 to 120 bar to maintain a nitrogen source at a rate of 10 to 50 mol per 50 to 90 mol of the transition metal And a step of determining whether or not the image is displayed.
여기에서, 상기 가스상의 질소원은 암모니아인 것을 특징으로 하며, 상기 기상 질화 처리된 코어-쉘 촉매의 평균입경은 5.0㎚이하인 것을 특징으로 한다.Here, the gaseous nitrogen source is ammonia, and the average particle diameter of the vapor-phase-nitrided core-shell catalyst is 5.0 nm or less.
본 발명에 따른 코어-쉘 촉매 제조방법에서 상기 환원성 용매는 130℃ 이상의 온도에서 환원력을 가지는 용매인 것을 특징으로 하며, 상기 탄소 지지체는 다공성 탄소 지지체인 것을 특징으로 한다. In the method for producing a core-shell catalyst according to the present invention, the reducing solvent is a solvent having a reducing power at a temperature of 130 ° C or higher, and the carbon support is a porous carbon support.
본 발명에 따른 기상조건에서 질화 처리하여 제조된 코어-쉘 촉매는 코어에 질소함량이 높아 제조된 촉매의 내구성이 우수하면서 평균입자의 크기가 작고 분산도 및 균일성이 높은 효과가 있다.The core-shell catalyst produced by the nitriding treatment under the gas phase conditions according to the present invention has high nitrogen content in the core and thus has excellent durability of the produced catalyst, small average particle size, high dispersibility and uniformity.
또한, 본 발명에 따른 기상조건에서 질화 처리하여 제조된 코어-쉘 촉매는 생산 공정이 용이하여 대량으로 수득할 수 있는 효과가 있다. In addition, the core-shell catalyst produced by the nitriding treatment under the gas phase condition according to the present invention has an effect that a production process is easy and can be obtained in a large amount.
따라서, 본 발명의 코어-쉘 촉매는 산소 환원 반응 효율을 갖는 전극 촉매로 적용 시 연료 전지의 상용화에 기여도가 높을 것으로 기대된다.Therefore, it is expected that the core-shell catalyst of the present invention contributes to the commercialization of the fuel cell when applied as an electrode catalyst having an oxygen reduction reaction efficiency.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3 및 비교예 2에서 제조된 코어-쉘 촉매의 STEM-EDS 사진이고,
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 코어-쉘 촉매의 XRD사진이고,
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3 및 비교예 2에서 제조된 코어-쉘 촉매의 크기, 입자 균일도 및 분산도를 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3 및 비교예 2에서 제조된 코어-쉘 촉매의 단위면적당 활성과 질량당 활성을 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3 및 비교예 2에서 제조된 코어-쉘 촉매의 전기화학적 활성 표면적(ECSA, electrochemically active surface area)을 나타낸 것이다.1 is a STEM-EDS photograph of the core-shell catalyst prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 according to the present invention,
2 is an XRD photograph of the core-shell catalyst prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 according to the present invention,
FIG. 3 shows the size, particle uniformity and dispersion of the core-shell catalyst prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 according to the present invention,
4 shows activity per unit area and activity per mass of the core-shell catalyst prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 according to the present invention,
FIG. 5 shows the electrochemically active surface area (ECSA) of the core-shell catalyst prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 according to the present invention.
본 발명은 기상 질화처리에 의해 내구성 및 전기화학적 성능이 향상된 코어-쉘 촉매의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a core-shell catalyst having enhanced durability and electrochemical performance by vapor phase nitriding.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately It should be interpreted in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and not all of the technical ideas of the present invention are described. Therefore, It should be understood that various equivalents and modifications are possible.
이하 본 발명에 따른 기상 질화 처리된 코어-쉘 촉매의 제조방법을 단계별로 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, the method for producing the core-shell catalyst according to the present invention will be described in detail.
먼저, 환원성 용매, 귀금속 전구체, 전이금속 전구체 및 탄소지지체를 포함하는 용액에 초음파를 조사한다. 상기 초음파의 고주파 진동(oscillation)은 공동(cavity) 내에 버블을 발생시키며, 이로 인해 진동(oscillatory) 성장이 이루어지고, 최종적으로 특정 규모에 도달한 후에 공동이 폭발된다. 초음파 조사에 의해 야기되는 이와 같은 일련의 과정을 일컬어 '음향 공동현상 메커니즘 (acoustics cavitation mechanism)'이라 한다. 상기 음향 공동현상 메커니즘의 마지막 단계에서 일어나는 공동 폭발에 의하여 약 5000K에 달하는 거대한 열에너지를 유발할 수 있으며, 그 소멸은 10-6초 정도의 매우 짧은 시간 내에 이루어진다.First, ultrasonic waves are irradiated to a solution containing a reducing solvent, a noble metal precursor, a transition metal precursor, and a carbon support. The high frequency oscillation of the ultrasonic waves causes bubbles in the cavity, which causes oscillatory growth, and finally the cavity explodes after reaching a certain scale. This series of processes caused by ultrasonic irradiation is also called 'acoustics cavitation mechanism'. The joint explosion occurring in the last stage of the acoustic cavitation mechanism can cause a huge heat energy reaching about 5000K, and its extinction is achieved within a very short time of about 10 -6 seconds.
초음파 조사를 접목하는 화학 반응에서의 반응물이 상이한 증기압을 가지는 둘 또는 그 이상의 물질인 경우, 상기 둘 또는 그 이상의 반응물이 초음파의 고주파 진동에 의하여 버블로 증발되는 속도가 상이하게 되며, 이를 이용하여 반응 결과물의 구조적, 전기화학적 특징을 조절할 수 있다. 예를 들어, 둘 이상의 금속 전구체를 반응물로서 이용하고 초음파를 조사하여 상기 둘 이상의 금속을 포함하는 나노입자를 제조할 경우, 상기 둘 이상의 금속 전구체의 증기압 차이에 따라 상기 나노입자 내에서의 상기 둘 이상의 금속 원소의 분포를 조절할 수 있다. 일례로 상기 나노입자 내에서 증기압이 낮은 금속 전구체는 쉘 부분에 위치하도록 하고 증기압이 높은 금속 전구체는 코어 부분에 위치하도록 하여, 원소 분포가 조절된 코어/쉘 구조의 나노입자를 수득할 수 있다. When two or more reactants in a chemical reaction to which ultrasonic irradiation is applied are two or more substances having different vapor pressures, the speed at which the two or more reactants are evaporated into bubbles due to the high frequency vibration of ultrasonic waves are different, The structural and electrochemical characteristics of the result can be controlled. For example, when two or more metal precursors are used as a reactant and ultrasound is irradiated to produce nanoparticles containing two or more metals, the two or more metal precursors may have a difference in vapor pressure, The distribution of the metal element can be controlled. For example, the metal precursor having a low vapor pressure in the nanoparticles may be positioned in the shell portion, and the metal precursor having a high vapor pressure may be positioned in the core portion to obtain nanoparticles of a core / shell structure with controlled elemental distribution.
상기 환원성 용매는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 수분 및 산소원을 가지지 않는 유기물이 사용될 수 있으며, 구체적으로 70℃ 이상의 온도에서 환원력을 가지는 용매일 수 있으며, 보다 구체적으로 70℃ 내지 약 400℃의 온도에서 환원력을 가지는 것으로 예를 들면 디-에틸렌 글리콜, 트리-에틸렌 글리콜 및 폴리-에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 에틸렌 글리콜류일 수 있다. 이러한 환원성 용매는 초음파 처리에 의해 형성되는 공동 내에서 반응물인 금속 전구체를 환원시키는 역할을 하고, 높은 끓는점을 유지하여 공동의 생성과 소명이 생기는 외부 액상환경을 형성하는 역할을 한다.The reducing solvent may be an organic solvent which is generally used in the art and does not have a moisture and an oxygen source. Specifically, the reducing solvent may be a solvent having a reducing power at a temperature of 70 ° C or higher. More specifically, For example, at least one ethylene glycol selected from the group consisting of di-ethylene glycol, tri-ethylene glycol and poly-ethylene glycol having a reducing power at a temperature. The reducing solvent serves to reduce the metal precursor, which is a reactant, in the cavity formed by the ultrasonic treatment, and maintains a high boiling point to form an external liquid environment in which voids and cavities are formed.
상기 귀금속 전구체는 그 증기압이 전이금속 전구체의 증기압에 비하여 낮고, 전이금속 시드(seed) 입자 형성 및 크기 증가 이후 갈바닉 치환반응에 기여할 수 있는 것을 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 귀금속 전구체는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 귀금속의 아세틸아세토네이트 전구체, 귀금속의 헥사플루오로아세틸아세토네이트 전구체, 및 귀금속의 펜타플루오로아세틸아세토네이트 전구체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. The noble metal precursor may have a vapor pressure lower than the vapor pressure of the transition metal precursor and contribute to a galvanic substitution reaction after formation of transition metal seed particles and increase in size. Specifically, the noble metal precursor is not particularly limited, and is generally used in the art. However, the noble metal precursor is not limited to the precursor of the noble metal such as an acetylacetonate precursor, a noble metal hexafluoroacetylacetonate precursor, and a noble metal pentafluoroacetylacetonate precursor It may be at least one selected.
상기 전이금속 전구체는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 니켈, 코발트, 철, 구리 및 망간의 전구체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 전이금속 전구체는 일례로 전이금속의 아세틸아세토네이트 전구체, 및 전이금속의 헥사플루오로아세틸아세토네이트 전구체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 이러한 전이금속 전구체는 높은 증기압에 의하여 빠르게 휘발되고 초음파에 의한 공동에 빠르게 포획되게 되며, 이에 따라 반응 생성물인 코어-쉘 구조에서 전이금속이 코어 부분에 위치할 수 있다.The transition metal precursor may be at least one selected from the group consisting of nickel, cobalt, iron, copper and manganese, although the transition metal precursor is generally used in the art and is not particularly limited. The transition metal precursor may be, for example, at least one selected from the group consisting of an acetyl acetonate precursor of a transition metal and a hexafluoroacetylacetonate precursor of a transition metal. Such transition metal precursors are rapidly volatilized by high vapor pressures and are quickly trapped in cavities by ultrasonic waves, so that in the core-shell structure of the reaction product, the transition metal can be located in the core portion.
상기 탄소 지지체는 코어-쉘 촉매의 지지체로 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것이면 특별히 한정하지는 않는다. 일례로 다공성 탄소 지지체를 사용할 수 있다. 다공성 탄소 지지체를 사용하는 경우 넓은 표면적에 의하여 보다 많은 양의 코어/쉘 구조의 나노입자를 효율적으로 지지할 수 있다.The carbon support is not particularly limited as long as it is commonly used in the art as a support for a core-shell catalyst. For example, a porous carbon support may be used. When a porous carbon support is used, a large amount of core / shell structure nanoparticles can be efficiently supported by a large surface area.
이외에도 코어/쉘 구조의 나노입자를 지지할 수 있는 금속 산화물 등이 사용될 수 있다.In addition, a metal oxide capable of supporting nanoparticles of a core / shell structure may be used.
상기 반응은 초음파 조사에 의해 발생되는 열에 의해 반응온도가 70 내지 220 ℃ 유지될 수 있다. 즉, 별도의 가열 없이 상기 초음파 조사로 인해 발생되는 열에 의하여 자연스럽게 형성된다.The reaction may be maintained at a reaction temperature of 70 to 220 DEG C by heat generated by ultrasonic irradiation. That is, it is formed naturally by the heat generated by the ultrasonic irradiation without additional heating.
본 발명에 따라 상기 초음파를 조사하면 공동(cavity)이 형성되고, 증기압 차이로 인하여 상기 전이금속 전구체가 상기 귀금속 전구체보다 먼저 상기 공동에 포획되어 코어를 형성한다. 구체적으로 상기 전이금속 전구체가 상기 귀금속 전구체에 비하여 먼저 휘발되어 상기 초음파의 조사로 인해 형성되는 공동에 먼저 포획된다. 이후에 상기 코어 상에 상기 귀금속 전구체가 증착되어 쉘을 형성한다.According to the present invention, when the ultrasonic wave is irradiated, a cavity is formed, and the transition metal precursor is trapped in the cavity before the noble metal precursor due to the difference in vapor pressure to form a core. Specifically, the transition metal precursor is first volatilized relative to the noble metal precursor and is first captured in a cavity formed by the irradiation of the ultrasonic wave. The noble metal precursor is then deposited on the core to form a shell.
본 발명에 따른 코어-쉘 촉매는 코어 부분에 전이금속을 위치시켜 전극 촉매의 단가를 낮추고, 쉘 부분에 위치하는 백금, 팔라듐 등의 귀금속이 위치하여 안정성이 높아 전극 촉매의 수명을 연장할 수 있다. 예를 들면 코어-쉘 촉매는 코발트 코어와 백금 쉘, 니켈 코어와 백금 쉘일 수 있다.The core-shell catalyst according to the present invention can reduce the unit cost of the electrode catalyst by positioning the transition metal in the core portion, and the noble metals such as platinum and palladium located in the shell portion are located, . For example, the core-shell catalyst may be a cobalt core and a platinum shell, a nickel core and a platinum shell.
다음으로, 상기 전이금속 전구체 코어와 귀금속 전구체 쉘 입자를, 가스상의 질소원 하에서 250 내지 550 ℃의 온도와 1 내지 120 bar의 압력조건으로 질화 처리하여 기상 질화 처리된 코어-쉘 촉매를 제조한다.Next, the transition metal precursor core and the noble metal precursor shell particles are subjected to a nitridation treatment at a temperature of 250 to 550 ° C and a pressure of 1 to 120 bar under a gas phase of nitrogen source to prepare a vapor-phase-nitrided core-shell catalyst.
상기 가스상의 질소원은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들면 암모니아가 사용될 수 있다. 이러한 기상 질화 처리에 의해 전이금속 코어에 질소원자가 위치하게 되어, 촉매의 내구성을 향상시키게 된다. 상기 질화 처리 온도가 250℃ 미만이면 충분한 질화 효과를 기대할 수 없으며 550℃을 초과하는 경우에는 코어물질과 쉘사이의 합금화로 경계가 모호해져 코어-쉘 형상을 유지하지 못 하는 현상이 발생할 수 있다.The gaseous nitrogen source is generally used in the art and is not particularly limited. For example, ammonia can be used. By this vapor nitriding treatment, the nitrogen source is placed in the transition metal core, and the durability of the catalyst is improved. If the nitriding temperature is lower than 250 ° C, a sufficient nitriding effect can not be expected. If the nitriding temperature is higher than 550 ° C, the boundary between the core material and the shell may become obscured and the core-shell shape may not be maintained.
또한, 상기 압력이 1 bar 미만이면 일정량 이상 질소를 코어에 도입할 수 없으며, 120bar를 초과하는 경우에는 전극촉매의 산소환원반응에 대한 활성을 저하시키는 요인이 될 수 있다. If the pressure is less than 1 bar, nitrogen can not be introduced into the core. If the pressure exceeds 120 bar, the activity of the electrode catalyst on the oxygen reduction reaction may be deteriorated.
이러한 기상 질화 처리에 의해 상기 전이금속 50 내지 90몰에 대하여 질소원자가 10 내지 50몰비를 유지하게 된다.With this vapor nitriding treatment, the nitrogen source is maintained at 10 to 50 molar ratio with respect to 50 to 90 mol of the transition metal.
또한, 본 발명에 따라 상기 기상 질화 처리된 코어-쉘 촉매의 평균입경은 5.0㎚이하이고, 단위면적당 활성(specific activity) 백금 단일금속 전극촉매 대비 향상되며, 질량 활성은 백금 단일금속 전극촉매와 동등 수준을 유지한다.Further, according to the present invention, the average particle diameter of the core-shell catalyst subjected to the vapor phase nitridation treatment is 5.0 nm or less and is improved compared to the specific activity platinum single metal electrode catalyst per unit area, and the mass activity is equivalent to the platinum single metal electrode catalyst Level.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions. , And it is natural that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
실시예 1Example 1
환원성 용매인 에틸렌글리콜에 백금 아세틸아세토네이트(Aldrich) 용액, 코발트 아세틸아세토네이트(Aldrich) 용액, 및 다공성 탄소 지지체(Vulcan XC72)를 첨가하였으며, 그 상태에서 고강도 초음파 프로브(Sonic and Materials, model VC-500, amplitude 30%, 13 mm solidprobe, 20 kHz)에 의해 아르곤 분위기 하 150℃ 이상의 고온에서 3 시간 동안 초음파를 조사하였다. 상기 반응 온도는, 초음파에 의해 발생하는 열과 열 소실 속도의 균형에 의해서 자연스럽게 조절되었다. 초음파 조사 결과 수득된 고체 생성물은 정제 및 에탄올 수세되었으며, 진공 분위기 하에서 건조되었다. 이후에 상기 제조된 고체 생성물에 510℃의 온도와 1bar의 압력조건에서 가스상의 NH3를 처리하여 코어-쉘 촉매(CoN x @Pt/C)를 제조하였다.Platinum acetylacetonate (Aldrich) solution, cobalt acetylacetonate (Aldrich) solution, and porous carbon support (Vulcan XC72) were added to ethylene glycol, which is a reducing solvent, and a high-strength ultrasonic probe (Sonic and Materials, model VC- 500, amplitude 30%, 13 mm solid probe, 20 kHz) under an argon atmosphere at a temperature of 150 ° C or higher for 3 hours. The reaction temperature was naturally controlled by a balance between the heat generated by ultrasonic waves and the heat dissipation rate. The solid product obtained as a result of ultrasonic irradiation was purified and washed with ethanol and dried in a vacuum atmosphere. Subsequently, the solid product thus obtained was treated with gaseous NH 3 at a temperature of 510 ° C. and a pressure of 1 bar to prepare a core-shell catalyst (CoN x @ Pt / C).
실시예 2Example 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 1bar 대신에 40bar의 압력조건에서 가스상의 NH3를 처리하여 코어-쉘 촉매(CoN x @Pt/C)를 제조하였다.(CoN x @ Pt / C) was prepared by treating gaseous NH 3 at 40 bar pressure instead of 1 bar.
실시예 3Example 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 1bar 대신에 80bar의 압력조건에서 가스상의 NH3를 처리하여 코어-쉘 촉매(CoN x @Pt/C)를 제조하였다.(CoN x @ Pt / C) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the gas phase NH 3 was treated at 80 bar pressure instead of 1 bar.
비교예 1Comparative Example 1
Pt/C의 상용 촉매(Johnson Matthey사, HiSpec4000제품)Pt / C commercial catalyst (Johnson Matthey, HiSpec 4000)
비교예 2Comparative Example 2
환원성 용매인 에틸렌글리콜에 백금 아세틸아세토네이트(Aldrich) 용액, 코발트 아세틸아세토네이트(Aldrich) 용액, 및 다공성 탄소 지지체(Vulcan XC72)를 첨가하였으며, 그 상태에서 고강도 초음파 프로브(Sonic and Materials, model VC-500, amplitude 30%, 13 mm solidprobe, 20 kHz)에 의해 아르곤 분위기 하 150℃ 이상의 고온에서 3 시간 동안 초음파를 조사하였다. 상기 반응 온도는, 초음파에 의해 발생하는 열과 열 소실 속도의 균형에 의해서 자연스럽게 조절되었다. 초음파 조사 결과 수득된 고체 생성물은 정제 및 에탄올 수세되었으며, 진공 분위기 하에서 건조하여 코어-쉘 촉매(Co@Pt/C)를 제조하였다.Platinum acetylacetonate (Aldrich) solution, cobalt acetylacetonate (Aldrich) solution, and porous carbon support (Vulcan XC72) were added to ethylene glycol, which is a reducing solvent, and a high-strength ultrasonic probe (Sonic and Materials, model VC- 500, amplitude 30%, 13 mm solid probe, 20 kHz) under an argon atmosphere at a temperature of 150 ° C or higher for 3 hours. The reaction temperature was naturally controlled by a balance between the heat generated by ultrasonic waves and the heat dissipation rate. The solid product obtained as a result of ultrasonic irradiation was purified and washed with ethanol and dried in a vacuum atmosphere to prepare a core-shell catalyst (Co @ Pt / C).
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3 및 비교예 2에서 제조된 코어-쉘 촉매의 STEM-EDS 사진으로, 실시예 1 내지 3의 촉매가 명확하게 1~2 층의 백금쉘(0.3-0.5nm)를 가지고 있음을 확인하였다.FIG. 1 is a STEM-EDS photograph of the core-shell catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 according to the present invention. The catalysts of Examples 1 to 3 clearly show a platinum shell (0.3- 0.5 nm).
하기 표 1 및 도 2는 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 촉매의 구조분석 결과를 나타낸 것이다.The following Table 1 and FIG. 2 show the structural analysis results of the catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2.
division
Distance between Pt and Pt
N content (% by weight)
도 3은 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 2에서 제조된 코어-쉘 촉매의 크기, 입자 균일도 및 분산도를 나타낸 것으로, 실시예 1 내지 3에서 제조된 촉매 입자의 평균입경은 5.0㎚이하로 균일하고, 탄소지지체 상에 균일하게 분산되어 있음을 확인할 수 있었다.FIG. 3 shows the size, particle uniformity, and dispersion of the core-shell catalyst prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 2. The average particle size of the catalyst particles prepared in Examples 1 to 3 was 5.0 nm or less Uniform, and uniformly dispersed on the carbon support.
도 4 및 도 5는 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 2에서 제조된 코어-쉘 촉매의 전기화학적 성능을 나타낸 것으로, 도 4은 단위면적당 활성과 질량당 활성이고, 도 5는 가속 내구성평가 (0.6V 내지 1.0V, 30,000사이클) 결과가 비교되어 있다.4 and 5 show the electrochemical performance of the core-shell catalyst prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 2, wherein FIG. 4 shows activity per unit area and activity per mass, and FIG. 5 shows an accelerated endurance evaluation 0.6 V to 1.0 V, 30,000 cycles).
질화과정을 통해 향상된 기본 전기화학적 활성을 확인할 수 있고, 동일 가속 내구성 평가 시 상용 백금계 전극촉매는 전기화학적 표면적 및 산소환원반응의 half-wave potential 변화량이 37.8%, 25mV 인데 반해, 본 발명의 실시예 특히 80bar 조건에서 제조된 CoNx@Pt/C 촉매는 4.8% 및 6mV 의 극히 낮은 활성저하 및 half-wave potential의 저감을 보여, 매우 우수한 내구성이 확보되었음을 알 수 있다.The basic electrochemical activity can be confirmed through the nitriding process. In the evaluation of the same acceleration durability, the half-wave potential variation of the electrochemical surface area and the oxygen reduction reaction is 37.8% and 25 mV, respectively. Example CoNx @ Pt / C catalysts produced at 80 bar conditions showed very low durability, with an extremely low activity and a half-wave potential reduction of 4.8% and 6 mV.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. The scope of protection of the present invention should be construed under the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.
Claims (8)
상기 전이금속 전구체 코어와 귀금속 전구체 쉘 입자를, 가스상의 질소원 하에서 250 내지 550℃의 온도와 1 내지 120bar의 압력조건으로 질화처리하여 상기 전이금속 50 내지 90몰에 대하여 질소원자가 10 내지 50몰비를 유지하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 질화 처리된 코어-쉘 촉매의 제조방법.A cavity is formed by irradiating ultrasonic waves to a solution containing a reducing solvent, a precious metal precursor, a transition metal precursor and a carbon support to form transition metal precursor cores and noble metal precursor shell particles due to difference in vapor pressure ; And
The transition metal precursor core and the noble metal precursor shell particles are nitrided under a nitrogen source of gaseous nitrogen at a temperature of 250 to 550 ° C and a pressure of 1 to 120 bar to maintain a nitrogen source at a rate of 10 to 50 mol per 50 to 90 mol of the transition metal Wherein the core-shell catalyst is formed by a method comprising the steps of:
The method of claim 1, wherein the gaseous nitrogen source is selected from the group consisting of ammonia, urea, and melamine.
The method for producing a core-shell catalyst according to claim 1, wherein the average particle size of the vapor-phase-nitrided core-shell catalyst is 5.0 nm or less.
The method for producing a core-shell catalyst according to claim 1, wherein the reducing solvent is a solvent having a reducing power at a temperature of 70 ° C or higher.
The method of claim 1, wherein the carbon support is a porous carbon support.
The method of claim 1, wherein the core-shell catalyst is a cobalt core and a platinum shell.
The method of claim 1, wherein the core-shell catalyst is a nickel core and a platinum shell.
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