KR20190082558A - manufacturing method of 0-dimensional and 1-dimensional graphene composite catalyst containing nitrogen-iron and fuel cell application - Google Patents

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Abstract

The present invention is to provide a method for manufacturing a 0-dimensional and 1-dimensional graphene composite catalyst containing nitrogen-iron and applications to a fuel cell. The method for manufacturing a catalyst comprises: peeling a stacked-cup carbon nanofiber and forming carbon powder; mixing the carbon powder with an iron precursor, a nitrogen precursor and a solvent, freeze-drying the same and forming mixed powder; and thermally treating the mixed powder. The carbon powder comprises 0-dimensional graphene nanoflakes and 1-dimensional graphene nanoribbon. According to the present invention, the catalyst manufactured by the method is not poisoned.

Description

질소-철을 함유한 0차원 및 1차원 그래핀 구조복합체 촉매의 제조방법 및 연료전지로의 적용{manufacturing method of 0-dimensional and 1-dimensional graphene composite catalyst containing nitrogen-iron and fuel cell application}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a zero-dimensional and one-dimensional graphene composite catalyst containing nitrogen and iron,

본 발명은 질소-철을 함유한 0차원 및 1차원 그래핀 구조복합체 촉매의 제조방법 및 연료전지로의 적용에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매 피독현상 없이 산소환원 활성을 증가시키는 0차원 및 1차원 그래핀 구조 복합체 촉매를 이용하여 연료전지에 적용하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a zero-dimensional and one-dimensional graphene composite catalyst containing nitrogen and iron and its application to a fuel cell, and more particularly, Dimensional graphene structure composite catalyst for a fuel cell.

연료전지는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전형 전지로서, 일반 배터리와 달리 외부로부터 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 여러 단계를 거치는 동안 효율의 손실이 발생하는 기존의 발전 방식과는 달리 바로 전기를 만들 수 있어서 내연기관보다 효율이 2배가량 높다.A fuel cell is a power generation type cell which converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen directly into electric energy. Unlike a general battery, as long as hydrogen and oxygen are supplied from the outside, electricity can be continuously produced. Unlike conventional power generation methods, which can generate electricity, the efficiency is twice as high as that of internal combustion engines.

또한, 고분자전해질 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 solid polymer electrolyte fuel cell(SPEFC), solid polymer fuel cell(SPFC), (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)등의 다양한 이름으로 불리고 있고, 다른 형태의 연료전지에 비하여 에너지 변환 효율이 우수하고 저온에서도 높은 전류밀도 및 출력밀도를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답이 빠른 특성을 갖는다. 따라서, 전기자동차의 전력 공급용, 이동용, 군사용, 가정용 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.In addition, the polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a polymer membrane having hydrogen ion exchange characteristics as an electrolyte. The polymer electrolyte fuel cell includes a solid polymer electrolyte fuel cell (SPEFC), a solid polymer fuel cell (SPFC), and a polymer electrolyte membrane fuel cell It has an energy conversion efficiency superior to that of other types of fuel cells and has a merit that a high current density and an output density can be obtained even at a low temperature. In addition, it has a short startup time and a fast response to load change. Therefore, the present invention can be applied to various fields such as power supply for electric vehicles, mobile use, military use, home use, and the like.

이러한 고분자전해질 연료전지의 주요 구성요소는 고분자전해질 막과 전극 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판으로 이루어져 있다. 특히 애노드와 캐소드의 두 전극을 고분자 전해질 막에 hot-pressing방법으로 부착시킨 것을 고분자전해질 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)라고 하는데, 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자 전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다. The main components of the polymer electrolyte fuel cell are a polymer electrolyte membrane, an electrode, and a separator to form a stack. In particular, a membrane-electrode assembly (MEA) in which an anode and a cathode are adhered to a polymer electrolyte membrane by a hot-pressing method is called a membrane-electrode assembly (MEA) .

연료전지의 MEA는 얇은 전해질을 사이에 두고 전극이 넓게 퍼져있는 구조로 제조된다. 특히, 전극은 미세한 입자를 이용해 다공성 구조로 제조함으로써 전해질과 기체가 양쪽에서 침투해 들어와 넓은 면적에서 삼상 계면이 형성되도록 한다.The MEA of the fuel cell is manufactured with a structure in which the electrodes are widely spread with a thin electrolyte interposed therebetween. Particularly, the electrode is made into a porous structure using fine particles so that the electrolyte and the gas penetrate from both sides to form a three-phase interface at a wide area.

고분자전해질 연료전지용 전극은 촉매층과 촉매층을 지지해주는 지지체로 구성되어 있다.The electrode for a polymer electrolyte fuel cell consists of a catalyst layer and a support for supporting the catalyst layer.

이러한 연료전지는 애노드에 수소를 공급하고, 캐소드에 산소를 공급하여, 애노드에서 촉매들이 수소나 메탄올을 산화해서 프로톤을 형성하고 프로톤 전도막을 지난 후에 캐소드에서 촉매들에 의해서 산소와 환원 반응하여 전기를 생산한다.This fuel cell supplies hydrogen to the anode, supplies oxygen to the cathode, and the catalysts in the anode oxidize hydrogen or methanol to form a proton. After passing through the proton conducting membrane, the cathode reduces the reaction with oxygen by the catalysts, Production.

연로전지의 산화반응 및 환원반응이 유용한 속도 및 필요한 전위로 발생되도록 하기 위해 전극 촉매가 필요하다.Electrode catalysts are needed to allow oxidation and reduction reactions of the elec- trolyte cells to occur at useful rates and potentials.

그러나, 백금 촉매는 고가의 귀금속이며, 연료전지 시스템을 구성하는 부품 및 소재 중에서 가장 높은 가격 비중을 갖고 반응기체 내에서의 CO 허용치가 낮다. However, the platinum catalyst is an expensive precious metal, and has the highest price specific gravity among the components and materials constituting the fuel cell system, and the CO tolerance in the reaction gas is low.

따라서, 전체 연료전지 생산 비용 중에서 많은 부분을 차지하는 백금촉매를 연료전지의 대량생산 및 상업화 하기 위해 백금의 사용량을 낮추거나, 상업적으로 실행가능하고 높은 활성을 내는 백금 대체 촉매의 개발에 대한 필요성이 점차 높아지고 있다.Therefore, in order to mass-produce and commercialize a platinum catalyst, which accounts for a large portion of the total fuel cell production cost, there is a need for lowering the amount of platinum used and developing a commercially viable and highly active platinum substitute catalyst It is getting higher.

한국 공개특허 KR 2014-0075918Korean Patent Publication No. KR 2014-0075918

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 질소-철을 함유한 0차원 및 1차원 그래핀 구조복합체 촉매의 제조방법 및 연료전지로의 적용 기술을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for preparing a zero-dimensional and one-dimensional graphene composite catalyst containing nitrogen and iron, and a technique for application to a fuel cell.

보다 구체적으로는 제조비용을 절감할 수 있는 질소-철을 함유한 촉매를 제조하고, 이러한 촉매는 피독현상 없이 산소환원 활성을 증가시키고 이를 이용하여 연료전지에 적용하는 것을 제공하고자 한다.More specifically, it is intended to provide a catalyst containing nitrogen-iron capable of reducing the production cost, and to provide such a catalyst to increase the oxygen reduction activity without poisoning and to apply the catalyst to a fuel cell.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the precise form disclosed. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 질소-철을 함유한 0차원 및 1차원 그래핀 구조복합체 촉매의 제조방법 및 연료전지로의 적용 기술을 제공한다. 이러한 복합체 촉매 제조방법은 적층된 컵 형상의 탄소 나노섬유(stacked-cup carbon nanofiber)를 박리하여 탄소분말을 형성하는 단계, 상기 탄소분말을 철 전구체, 질소 전구체 및 용매와 혼합 후 동결건조하여 혼합분말을 형성하는 단계 및 상기 혼합분말을 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 탄소분말은 0차원의 그래핀 나노플레이크 및 1차원의 그래핀 나노리본을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In order to accomplish the above object, one embodiment of the present invention provides a method for preparing a zero-dimensional and one-dimensional graphene composite catalyst containing nitrogen and iron and a technique for application to a fuel cell. The method for preparing the composite catalyst comprises the steps of forming a carbon powder by peeling a stacked cup carbon nanofiber, mixing the carbon powder with an iron precursor, a nitrogen precursor and a solvent, followed by lyophilization to obtain a mixed powder And heat treating the mixed powder. The carbon powder may include a zero-dimensional graphene nanoflake and a one-dimensional graphene nanoribbons.

또한, 상기 적층된 컵 형상의 탄소 나노섬유(stacked-cup carbon nanofiber)는 적층된 컵 형상의 탄소 및 상기 적층된 컵 형상의 탄소를 두르는 그래파이트 벽(stacked-cup carbon nanofiber surrounded by a few graphitic walls)구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.The stacked-cup carbon nanofibers are stacked cup-shaped carbon and stacked-cup carbon nanofibers surrounded by a few graphitic walls. Structure.

또한, 상기 철 전구체는 황산철 또는 탄화철을 포함하는 것을 특징으로 한다.The iron precursor may be iron sulfate or iron carbide.

또한, 상기 질소 전구체는 디시안다이아미드, 피롤, 아닐린, 요소, 프로탈로사이아닌, 포르피린, 아세토나이트릴, 시안아미드, 디시안아미드, 아크릴로나이트릴, 또는 폴리아크릴로나이트릴을 포함하는 것을 특징으로 한다. The nitrogen precursor may also include dicyandiamide, pyrrole, aniline, urea, protealocyanine, porphyrin, acetonitrile, cyanamide, dicyanamide, acrylonitrile or polyacrylonitrile .

또한, 상기 용매는 물, 정제수, 에탄올, 또는 프로필알코올을 포함하는 것을 특징으로 한다.Further, the solvent is characterized by containing water, purified water, ethanol, or propyl alcohol.

또한, 상기 동결건조하는 단계는 -40℃ 내지 -30℃온도에서 수행하는 것을 특징으로 한다.The lyophilization step is performed at a temperature of -40 ° C to -30 ° C.

또한, 상기 열처리하는 단계의 온도는800℃ 내지 900℃ 인 것을 특징으로 한다.Also, the temperature of the heat treatment step is 800 ° C to 900 ° C.

또한, 상기 열처리하는 단계는 아르곤 기체 분위기에서 시행되는 것을 특징으로 한다.Further, the heat treatment step is performed in an argon gas atmosphere.

상기 기술을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기 상술한 복합체 촉매 제조방법으로 제조된 복합체 촉매를 제공한다.In order to achieve the above-described technique, another embodiment of the present invention provides a composite catalyst prepared by the above-described method for producing a composite catalyst.

상기 기술을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 상기 상술한 복합체 촉매 제조방법으로 제조된 촉매를 포함하는 막-전극 접합제를 제공한다.In order to achieve the above-described technology, another embodiment of the present invention provides a membrane-electrode bonding agent comprising a catalyst prepared by the above-mentioned method for producing a composite catalyst.

상기 기술을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 제1항의 복합체 촉매 제조방법으로 제조된 촉매 및 백금촉매를 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.In order to achieve the above-described technology, another embodiment of the present invention provides a membrane-electrode assembly comprising a catalyst prepared by the method for producing a complex catalyst according to claim 1 and a platinum catalyst.

상기 기술을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 상기 상술한 막-전극 접합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.In order to achieve the above-described technology, another embodiment of the present invention provides a fuel cell comprising the above-described membrane-electrode bonding agent.

상기 기술을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 탄소 복합체 제조방법을 제공한다. 이러한 탄소 복합체 제조방법은 적층된 컵 형상의 탄소 나노섬유(stacked-cup carbon nanofiber)를 박리하여 탄소분말을 형성하는 단계, 상기 탄소분말 및 용매를 혼합 후 동결건조하여 혼합분말을 형성하는 단계 및 상기 혼합분말을 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 탄소분말은 0차원의 그래핀 나노플레이크 및 1차원의 그래핀 나노리본을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In order to achieve the above-described technique, another embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a carbon composite. The carbon composite material manufacturing method includes the steps of forming a carbon powder by peeling a stacked cup carbon nanofiber, laminating the carbon powder and the solvent, lyophilizing the mixture to form a mixed powder, And heat treating the mixed powder, wherein the carbon powder includes 0-dimensional graphene nanoflake and 1-dimensional graphene nanoribbons.

상기 기술을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 상기 상술한 탄소 복합체 제조방법으로 제조된 탄소 복합체를 제공한다.In order to achieve the above-described technology, another embodiment of the present invention provides a carbon composite material produced by the carbon composite material manufacturing method described above.

상기 기술을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 상기 상술한 탄소 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조체를 제공한다.In order to achieve the above-described technology, another embodiment of the present invention provides an electrode structure comprising the carbon composite material described above.

본 발명의 실시예에 따르면, 상술한 촉매 제조방법을 통해 제조된 촉매는 피독되지 않는 효과를 제공 할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the catalyst produced through the above-described catalyst production method can provide the effect of not being poisoned.

또한, 질소-철을 함유한 0차원, 1차원 구조 복합체 촉매는 산화환원반응의 부산물을 적게 생성하는 효과를 제공할 수 있다. In addition, a zero-dimensional and one-dimensional structure composite catalyst containing nitrogen-iron can provide the effect of producing less by-products of the oxidation-reduction reaction.

또한, 질소-철을 함유한 0차원 구조 복합체 촉매는 작은 크기로 인해 일함수가 감소하여 촉매의 산소환원 활성을 증가시키는 효과를 제공할 수 있다. In addition, the zero-dimensional structure complex catalyst containing nitrogen-iron can provide an effect of increasing the oxygen reduction activity of the catalyst by decreasing the work function due to its small size.

또한, 질소-철을 함유한 1차원 구조 복합체 촉매는 다공성 구조로 형성되므로 전자, 반응물 및 생성물의 이동이 원활하여 산소환원 활성을 증가시키는 효과를 제공할 수 있다.In addition, since the one-dimensional structural composite catalyst containing nitrogen-iron is formed in a porous structure, the movement of electrons, reactants and products can be smoothly performed, thereby increasing the oxygen reduction activity.

또한, 종래의 귀금속 백금 촉매를 사용하지 않으므로 생산 비용을 절감 및 대량생산을 가능하게 할 수 있다.In addition, since the conventional noble metal platinum catalyst is not used, the production cost can be reduced and mass production can be achieved.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above effects and include all effects that can be deduced from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.

도 1은 복합체 촉매 제조방법을 나타낸 순서도 이다.
도 2는 질소-철을 함유한 0차원-1차원 그래핀 구조복합체 촉매들을 합성한 TEM사진이다.
도 3은 합성한 촉매들의 산소환원 활성 실험 결과 그래프이다.
도 4는 합성한 촉매들의 과산화수소 생성율 및 메탄올에서의 안정성 그래프이다.
도 5는 자외광 전자 분광법 분석 결과 그래프이다.
도 6은 합성한 촉매를 이용하여 제작한 전극의 SEM사진 및 전기화학 임피던스 분광학 그래프이다.
도 7은 탄소 복합체 제조방법을 나타낸 순서도 이다.
도 8은 합성 촉매의 산소환원 활성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 합성 촉매의 안정성을 나타낸 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flow chart showing a method for producing a composite catalyst. FIG.
FIG. 2 is a TEM photograph synthesizing a 0-dimensional-1-dimensional graphene structure composite catalyst containing nitrogen-iron.
FIG. 3 is a graph showing the results of oxygen reduction activity of synthesized catalysts.
4 is a graph showing the hydrogen peroxide production rate and stability in methanol of the synthesized catalysts.
FIG. 5 is a graph of the ultraviolet light electron spectroscopy analysis result.
6 is an SEM photograph and an electrochemical impedance spectroscopy graph of an electrode manufactured using the synthesized catalyst.
7 is a flowchart showing a method for producing a carbon composite material.
8 is a graph showing the oxygen reduction activity of the synthetic catalyst.
9 is a graph showing the stability of the synthetic catalyst.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" (connected, connected, coupled) with another part, it may be referred to as "directly connected" "Is included. Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements, not excluding other elements unless specifically stated otherwise.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 촉매 제조방법을 나타낸 순서도 이다.1 is a flowchart showing a method for producing a catalyst.

도 1을 참조하면, 적층된 컵 형상의 탄소 나노섬유(stacked-cup carbon nanofiber)를 박리하여 탄소분말을 형성하는 단계(S100), 상기 탄소분말을 철 전구체, 질소 전구체 및 용매와 혼합 후 동결건조하여 혼합분말을 형성하는 단계(S200) 및 상기 혼합 분말을 열처리하는 단계(S300)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.Referring to FIG. 1, a carbon powder is formed by stripping a stacked cup carbon nanofiber (S100). The carbon powder is mixed with an iron precursor, a nitrogen precursor and a solvent, followed by lyophilization (S200) of forming a mixed powder and a step (S300) of heat-treating the mixed powder.

먼저, 적층된 컵 형상의 탄소 나노섬유(stacked-cup carbon nanofiber)를 박리하여 탄소분말을 형성한다(S100).First, stacked cup-shaped carbon nanofibers are peeled off to form carbon powder (S100).

상기 탄소분말은 0차원의 그래핀 나노플레이크 및 1차원의 그래핀 나노리본을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The carbon powder may include 0-dimensional graphene nanoflake and 1-dimensional graphene nanoribbons.

예를 들어, 탄소 나노섬유는 stacked-cup carbon nanofiber surrounded by a few graphitic wall일 수 있다.For example, carbon nanofibers can be stacked-cup carbon nanofibers surrounded by a few graphitic walls.

이런 탄소 나노섬유를 박리하지 않으면 기존의 형태를 유지하므로 탄소 나노섬유는 박리과정을 거쳐서 적층된 컵 형상의 탄소는 컵 모양의0차원 구조의 그래핀 나노플레이크 와 상기 적층된 컵 형상의 탄소를 두르는 그래파이트 벽은 박리과정을 거쳐서 1차원 구조의 그래핀 나노리본을 포함하는 탄소분말을 가질 수 있다.When the carbon nanofibers are not peeled off, the carbon nanofibers remain in the conventional form, so that the carbon nanofibers are peeled off and the cup-shaped carbon is laminated on the cup-shaped zero-dimensional graphene nanoflake and the stacked cup- The graphite wall may have a carbon powder containing graphene nanoribbons of one-dimensional structure through a peeling process.

따라서, 박리된 탄소 나노섬유의 0차원 구조는 작은 크기로 인해 일함수가 감소하여 촉매의 산소환원 활성을 증가시키는 효과를 제공할 수 있고, 탄소 분말 1차원 구조는 다공성 구조로 형성되므로 전자, 반응물 및 생성물의 이동이 원활하여 산소환원 활성을 증가시키는 효과를 제공할 수 있다.Therefore, the zero-dimensional structure of the peeled carbon nanofibers can provide an effect of increasing the oxygen reduction activity of the catalyst by decreasing the work function due to a small size, and the one-dimensional structure of the carbon powder is formed into a porous structure, And the effect of facilitating the movement of the product and increasing the oxygen reduction activity.

또한, 상기 박리하여 탄소분말을 형성하는 단계는 Modified Hummers' method을 이용하여 박리하는 것을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.Further, the step of forming the carbon powder by peeling may include peeling using the Modified Hummers' method.

그 다음에, 상기 탄소분말을 철 전구체, 질소 전구체 및 용매와 혼합 후 동결건조하여 혼합분말을 형성한다(S200).Next, the carbon powder is mixed with an iron precursor, a nitrogen precursor, and a solvent, followed by lyophilization to form a mixed powder (S200).

상기 철 전구체는 황산철 또는 탄화철을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The iron precursor may include iron sulfate or iron carbide.

또한, 상기 질소 전구체는 디시안다이아미드, 피롤, 아닐린, 요소, 프로탈로사이아닌, 포르피린, 아세토나이트릴, 시안아미드, 디시안아미드, 아크릴로나이트릴, 또는 폴리아크릴로나이트릴을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The nitrogen precursor may also include dicyandiamide, pyrrole, aniline, urea, protealocyanine, porphyrin, acetonitrile, cyanamide, dicyanamide, acrylonitrile or polyacrylonitrile .

따라서, 상기 철 전구체와 상기 질소 전구체는 촉매의 활성을 높이는 역할을 할 수 있다.Therefore, the iron precursor and the nitrogen precursor may serve to enhance the activity of the catalyst.

또한, 상기 용매는 물, 정제수, 에탄올, 또는 프로필알코올을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the solvent may be characterized by containing water, purified water, ethanol, or propyl alcohol.

따라서, 상기 탄소분말, 철 전구체, 질소 전구체 및 용매를 혼합하여 제조한 혼합물은 합성반응을 통해 제조될 수 있고, 제조된 혼합물은 동결건조 할 수 있다.Therefore, the mixture prepared by mixing the carbon powder, the iron precursor, the nitrogen precursor and the solvent can be prepared through a synthesis reaction, and the prepared mixture can be lyophilized.

상기 동결건조하는 단계의 온도는 -196℃ 내지 0℃인 것을 특징으로 할 수 있다.The temperature of the freeze-drying step may be -196 ° C to 0 ° C.

상기 동결건조하는 단계에서 상기 온도 조건에 따라 분말을 용매에 혼합한 혼합 용액을 혼합분말로 제조할 수 있다.In the freeze-drying step, a mixed solution in which the powder is mixed with a solvent according to the temperature condition may be prepared as a mixed powder.

그 다음에, 상기 동결건조된 혼합 분말을 열처리한다(S400).Next, the lyophilized mixed powder is heat-treated (S400).

상기 열처리하는 단계의 온도는800℃ 내지 900℃ 인 것을 특징으로 할 수 있다.The temperature of the heat treatment step may be 800 ° C to 900 ° C.

상기 열처리하는 단계에서 900℃온도를 초과하거나, 상기 열처리 단계의 800℃온도 미만일 경우 이종원소의 도핑이 원활하게 일어나지 않을 수 있다.If the temperature is higher than 900 ° C in the heat treatment step or lower than 800 ° C in the heat treatment step, the doping of the heteroatom may not be smoothly performed.

또한, 상기 열처리하는 단계는 아르곤 기체 분위기에서 시행되는 것을 특징으로 할 수 있다.The heat treatment may be performed in an argon gas atmosphere.

상기 열처리 하는 단계는 아르곤 기체 분위기에서 시행할 경우 탄소분말의 산화를 방지할 수 있어 아르곤 기체 분위기에서 열처리 하는 것을 특징으로 할 수 있다. The heat treatment may be performed in an argon atmosphere so as to prevent oxidation of the carbon powder when the heat treatment is performed in an argon gas atmosphere.

상기 상술한 복합체 촉매 제조방법으로 제조된 복합체 촉매를 포함하는 막-전극 접합체를 제공할 수 있다.It is possible to provide a membrane-electrode assembly including the composite catalyst prepared by the above-mentioned composite catalyst production method.

상기 복합체 촉매는 막-전극 접합제는 수소 연료가 공급되는 애노드, 공기가 공급되는 캐소드, 상기 애노드와 캐소드 사이에 촉매를 포함한 전해질 층을 포함하는 구조에 포함될 수 있다.The composite catalyst may include a structure in which the membrane-electrode bonding agent includes an anode to which hydrogen fuel is supplied, a cathode to which air is supplied, and an electrolyte layer including a catalyst between the anode and the cathode.

따라서, 상기 복합체 촉매는 공급된 기체연료와 반응하여 수소이온으로 분해되는 반응이나, 막을 건너온 수소 이온이 공기중의 산소와 반응하여 물을 발생시키는 산소 환원 반응을 발생시키고, 본 발명의 복합체 촉매는 0차원 또는 1차원구조로 귀금속 백금촉매를 사용하지 않고도 산화환원의 활성을 증가시키는 효과를 제공할 수 있다.Therefore, the composite catalyst reacts with the supplied gaseous fuel to decompose into hydrogen ions, or the hydrogen ions that pass through the membrane react with oxygen in the air to generate water, and the composite catalyst of the present invention produces It is possible to provide an effect of increasing the activity of oxidation-reduction without using a noble metal platinum catalyst in a zero-dimensional or one-dimensional structure.

또한, 상기 상술한 복합체 촉매 제조방법으로 제조된 촉매 및 백금촉매를 포함하는 막-전극 접합체를 제공할 수 있다. Also, it is possible to provide a membrane-electrode assembly including a catalyst prepared by the above-described complex catalyst production method and a platinum catalyst.

상기 서술한 설명처럼 백금 촉매를 사용하지 않고도 본 발명의 촉매는 산화환원의 활성을 증가시킬 수 있지만, 안정성 및 신뢰성이 떨어져 본 발명의 촉매 와 백금촉매를 함께 사용하여 연료전지의 수명을 높일 수 있다.Although the catalyst of the present invention can increase the activity of oxidation-reduction without using a platinum catalyst as described above, the catalyst of the present invention and the platinum catalyst can be used together to increase the lifetime of the fuel cell because stability and reliability are poor .

따라서, 본 발명의 복합체 촉매 제조방법으로 제조된 촉매 및 백금촉매를 포함하는 막-전극 접합체를 제공하여 수명을 높인 막-전극 접합체를 제공할 수 있다.Accordingly, it is possible to provide a membrane-electrode assembly comprising a catalyst prepared by the method of the present invention and a platinum catalyst, thereby providing a membrane-electrode assembly with an increased lifetime.

또한, 상기 상술한 복합체 촉매 제조방법으로 제조된 복합체 촉매를 포함하고 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공할 수 있다.Also, it is possible to provide a fuel cell including the composite catalyst prepared by the above-described method for producing a composite catalyst, and including the membrane-electrode assembly.

또한, 상기 상술한 복합체 촉매 및 백금촉매를 포함하는 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공할 수 있다.Further, it is possible to provide a fuel cell including a membrane-electrode assembly including the composite catalyst and the platinum catalyst.

상기 복합체 촉매를 포함한 막-전극 접합체는 스택을 구성하기 위한 분리판과 함께 연료전지에 포함될 수 있다.The membrane-electrode assembly including the composite catalyst may be included in the fuel cell together with a separator for constituting the stack.

따라서, 상기 복합체 촉매를 포함한 막-전극접합체 및 연료전지는 산화환원 활성을 증가시키고, 제조비용을 절감하여 대량생산을 가능하게 하는 효과를 제공할 수 있다.Therefore, the membrane-electrode assembly including the complex catalyst and the fuel cell can provide the effect of increasing the redox activity, reducing the manufacturing cost, and enabling mass production.

제조예 1Production Example 1

1) Modified Hummers' method를 이용하여 “stacked-cup carbon nanofiber surrounded by a few graphitic wall”을 박리하여 탄소분말 형성했다.1) Using a Modified Hummers' method, a "stacked-cup carbon nanofiber surrounded by a few graphitic walls" was peeled off to form a carbon powder.

2) 박리된 탄소분말 0.5g, 디시안다이아미드(dicyandiamide) 1g, FeSO4H20 77mg 및 정제수(DI-water)를 혼합하여 혼합물을 제조하였다.2) A mixture was prepared by mixing 0.5 g of the exfoliated carbon powder, 1 g of dicyandiamide, 77 mg of FeSO 4 H 2 O and purified water (DI-water).

3) 혼합물을 -40℃ 온도에서 동결건조 하였다.3) The mixture was lyophilized at -40 < 0 > C.

4) 동결건조된 혼합물 분말을 850℃에서 아르곤기체 (50Ml/min)을 주입하여 3시간 동안 열처리 하여 Fe-N-exCNF촉매를 제조했다.4) Fe-N-exCNF catalyst was prepared by heat treatment of the lyophilized mixture powder at 850 ° C for 3 hours by injecting argon gas (50 ml / min).

제조예 2Production Example 2

1) 제조예1과 동일한 방법으로 제조한 Fe-N-exCNF촉매와 백금촉매를 80:20비율로 혼합하여 혼합촉매를 제조했다.1) An Fe-N-ex CNF catalyst prepared in the same manner as in Production Example 1 and a platinum catalyst were mixed at an 80:20 ratio to prepare a mixed catalyst.

비교예 1Comparative Example 1

1) 제조예 1과 동일한 방법으로 제조하되 제조예 1의 박리과정을 제외하여 Fe-N-CNF촉매를 제조했다.1) A Fe-N-CNF catalyst was produced in the same manner as in Production Example 1 except for the peeling process of Production Example 1.

비교예2Comparative Example 2

1) 제조예 1과 동일한 방법으로 제조하되 제조예1의 탄소 나노섬유(carbon nanotube)인 이용하여 “stacked-cup carbon nanofiber surrounded by a few graphitic wall” 대신에 그래파이트(graphite)를 사용하여 Fe-N-exGr촉매를 제조하였다.1) Using graphite in place of "stacked-cup carbon nanofiber surrounded by a few graphitic walls" by using the carbon nanotube of Production Example 1, which was prepared in the same manner as in Production Example 1, Fe-N -ExGr catalyst.

도 2는 질소-철을 함유한 0차원-1차원 그래핀 구조복합체 촉매들을 합성한 TEM사진이다.FIG. 2 is a TEM photograph synthesizing a 0-dimensional-1-dimensional graphene structure composite catalyst containing nitrogen-iron.

도 2의 a는 상기 비교예1로 제조된 Fe-N-CNF의 TEM 사진이다.2 (a) is a TEM photograph of Fe-N-CNF prepared in Comparative Example 1. FIG.

도 2의 b는 상기 제조예1로 제조된 Fe-N-exCNF의 0차원구조 TEM 사진이다.2 (b) is a TEM photograph of the Fe-N-exCNF prepared in Production Example 1 in a 0-dimensional structure.

도 2의 c는 상기 제조예1로 제조된 Fe-N-exCNF의 1차원구조 TEM 사진이다.2C is a TEM photograph of a one-dimensional structure of Fe-N-exCNF prepared in Preparation Example 1. FIG.

도 2의 d는 상기 비교예2로 제조된 Fe-N-exGr의 TEM 사진이다.2 (d) is a TEM photograph of Fe-N-exGr prepared in Comparative Example 2. FIG.

상기 도 2의 a와 도 2의 b 및 c를 비교하면 도 2의 a는 박리과정을 거치지 않아 stack-cup carbon nanofiber surrounded by a few graphitic walls 기존의 형태가 유지된 것을 확인 할 수 있고, 도 2의 b 와 도 2의 c는 박리과정을 거쳐 stacked-cup carbon 이 0차원의 graphene nanoflake가 되고, graphitic wall 이 1차원의 graphene nanoribbon의 다공성 구조를 형성하는 것을 확인 할 수 있다.2 (a) and 2 (b) and 2 (c) are compared with each other, it can be seen that the conventional shape is maintained by stack-cup carbon nanofibers surrounded by a few graphitic walls without peeling, B and c of Fig. 2 show that stacked-cup carbon becomes a 0-dimensional graphene nanoflake after peeling, and that the graphitic wall forms a porous structure of a one-dimensional graphene nanoribbon.

따라서, 박리과정을 거쳐 0차원 또는 1차원의 graphene구조복합체를 이루어서 작은크기로 인한 산소환원 활성의 증가, 다공성 구조를 형성하여 전자, 반응물 및 생성물의 원활한 이동을 도와 산소환원 활성을 증가 시킬 수 있다.Therefore, it is possible to form a zero-dimensional or one-dimensional graphene structure complex through a peeling process to increase oxygen reduction activity due to a small size and to form a porous structure, thereby facilitating smooth movement of electrons, reactants and products, .

또한, 도 2의 d를 참조하면 graphite 또한 박리하여 비교적 큰 사이즈의 2차원구조의 graphene형태를 얻을 수 있는 것을 확인 할 수 있다.Also, referring to FIG. 2 (d), it can be seen that graphite is also peeled off to obtain a graphene shape having a relatively large-sized two-dimensional structure.

따라서, 도 2의 b 및 도 2의 c는 도 2의 a 또는 도2의 d 보다 박리를 통해 표면적이 커지므로 촉매의 산소환원 활성을 증가시키는 것을 확인 할 수 있다.Therefore, it can be confirmed that the oxygen reduction activity of the catalyst is increased because the surface area is increased by peeling off from FIG. 2 (b) and FIG. 2 (c)

도 3은 합성한 촉매들의 산소환원 활성 실험 결과 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing the results of oxygen reduction activity of synthesized catalysts.

도 3(a)의 a는 Fe-N-CNF(비교예1), b는 Fe-N-exGr(비교예 2), c는 Fe-N-exCNF(제조예 1), d는 Pt/C(종래의 백금촉매) 인 그래프선을 나타내고 전위의 변화값에 따른 전류밀도값의 ORR분극 곡선 그래프이다.(Comparative Example 1), b is Fe-N-exGr (Comparative Example 2), c is Fe-N-exCNF (Production Example 1), d is Pt / C (Conventional platinum catalyst), and is an ORR polarization curve graph of the current density value according to the change in potential.

도 3(a)를 참조하면, 종래의 사용해왔던 백금 촉매의 d그래프 와 c그래프가 비슷한 값을 보이고 박리과정을 거치지 않은 a그래프 및 박리과정을 거쳤으나 graphite를 사용한 b 보다 더 좋은 산소환원 활성을 나타내는 값을 가지는 것을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 3 (a), the graph a and graph c of the conventional platinum catalyst showed similar values, and a graph and peeling process without peeling process were performed. However, the graphite had better oxygen reduction activity than b It can be confirmed that it has a value indicating

따라서 질소-철을 포함한 촉매 제조과정에서 탄소 나노 지지체의 박리과정을 통해 촉매의 산소환원 활성 효과를 높이는 것을 확인 할 수 있다.Therefore, it can be confirmed that the effect of the oxygen reduction activity of the catalyst is enhanced through the separation process of the carbon nano-support during the production of the catalyst including nitrogen-iron.

또한, 도 3(b)의 a는 Fe-N-CNF(비교예1), b는 Fe-N-exGr(비교예 2), c는 Fe-N-exCNF(제조예 1)인 그래프선을 나타내고 제조된 촉매를 산소버블링 0.1M, HClO4 전해질, 5mVs-1 및 전극 회전속도900rpm 조건에서 측정한 Tafel polts 그래프이다. 3 (b) is a graph showing that Fe-N-CNF (Comparative Example 1), b is Fe-N-exGr (Comparative Example 2), and c is Fe-N-exCNF And the prepared catalyst was measured under the conditions of oxygen bubbling 0.1 M, HClO 4 electrolyte, 5 mVs-1 and an electrode rotation speed of 900 rpm.

도 3(b)를 참조하면, 도 3(b)의 c그래프는 나머지 a 내지 b 그래프와 전위의 차이를 보이며, 도 3(a)와 마찬가지로 박리과정을 통해 촉매의 산소환원 활성 효과를 높이는 것을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 3 (b), the graph c in FIG. 3 (b) shows a difference in potential from the remaining graphs a to b, and enhances the oxygen reduction activity of the catalyst through the peeling process as in FIG. Can be confirmed.

도 4는 합성한 촉매들의 과산화수소 생성율 및 메탄올에서의 안정성 그래프이다.4 is a graph showing the hydrogen peroxide production rate and stability in methanol of the synthesized catalysts.

도 4 (a)의 a는 전위에 따른 전자 전달수 b는 과산화수소 생성율 그래프를 나타낸다.Fig. 4 (a) shows a graph of hydrogen peroxide generation rate b according to the electric potential.

도 4(a)에 따르면 제조예 1에 따라 제조된 Fe-N-exCNF촉매는 모든 전위에서 5%이하의 과산화수소를 생성하므로 전자 전달 수는 떨어지지 않는 것을 나타내고, 이를 통해 산소환원반응의 부산물인 과산화수소를 적게 생성하여 촉매반응을 유리하게 하는 이점을 확인할 수 있다.4 (a) shows that the Fe-N-exCNF catalyst produced according to Preparation Example 1 produces less than 5% hydrogen peroxide at all potentials, so that the electron transporting water does not decrease. Thus, hydrogen peroxide Can be advantageously used to produce a less catalytic reaction.

도 4(b)의 a는 Fe-N-exCNF촉매 b는 종래 사용해온 Pt/C 촉매를 나타내고, 시간에 따른 전류밀도 값 그래프이다.In FIG. 4 (b), a represents Fe-N-exCNF catalyst b, which is a conventional Pt / C catalyst, and is a graph of current density over time.

도 4(b)를 참조하면, Methanol injection(메탄올 첨가)하였을 때 종래의 Pt/C촉매는 전류밀도가 떨어지고, Fe-N-exCNF촉매는 전류밀도 값을 유지하는 것을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 4 (b), when the methanol injection (methanol addition) is performed, the current density of the conventional Pt / C catalyst is lowered and the Fe-N-exCNF catalyst maintains the current density value.

이에 따라, 메탄올 쉽게 피독되는 종래의 Pt/C촉매 보다 Fe-N-exCNF촉매는 메탄올에 피독이 되지 않으므로 고분자 절해질 막 연료전지뿐만 아니라 메탄올 직접 연료전지에도 적용이 가능한 것을 확인할 수 있고 종래 Pt/C 백금 촉매보다 피독현상없는 더 나은 효과를 가져오는 것을 확인할 수 있다.As a result, it can be confirmed that the Fe-N-exCNF catalyst is not poisoned by methanol and can be applied not only to a polymer membrane membrane fuel cell but also to a methanol direct fuel cell, compared with the conventional Pt / C catalyst, C platinum catalyst in the presence of the catalyst.

도 5는 자외광 전자 분광법 분석 결과 그래프이다.FIG. 5 is a graph of the ultraviolet light electron spectroscopy analysis result.

도 5 의 a는 Fe-N-exGr, b는 Fe-N-exCNF 촉매를 나타내고 운동에너지에 따른 강도값을 보여주는 그래프이다.FIG. 5A is a graph showing Fe-N-exGr and b is Fe-N-exCNF catalyst and shows intensity values according to kinetic energy.

도 5를 참조하면, 자외광 전자 분광법 분석에 따라, 박리과정을 통해 얻은 0차원 graphene은 작은 크기로 인해 일함수가 낮은 값을 갖고 산소환원활성과 탄소의 일함수가 반비례하는 것을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 5, according to ultraviolet light electron spectroscopy analysis, it is confirmed that the zero-dimensional graphene obtained through the peeling process has a low work function due to its small size, and the oxygen reduction activity and the work function of carbon are inversely proportional to each other .

따라서, 촉매 내의 탄소 나노섬유는 박리과정을 거쳐 더 나은 산소환원 활성 효과가 증가하는 것을 확인 할 수 있다.Therefore, it can be confirmed that the carbon nanofibers in the catalyst have a better oxygen reduction activity effect through the peeling process.

도 6은 합성한 촉매를 이용하여 제작한 전극의 SEM사진 및 전기화학 임피던스 분광학 그래프이다.6 is an SEM photograph and an electrochemical impedance spectroscopy graph of an electrode manufactured using the synthesized catalyst.

도 6의 a내지b는 제조예 1로 제작된 촉매를 이용하여 제작한 전극 SEM사진 이고, 도 6 c의(a)는 Fe-N-exGr을 (b)는 Fe-N-exCNF를 나타내고, 도 6d의 (a)는 Fe-N-exGr, (b)는 Fe-N-exCNF 촉매를 나타내는 도 6 c내지d의 전기화학 임피던스 분광학(EIS) 그래프이다.6 (a) shows Fe-N-exGr, (b) shows Fe-N-exCNF, and FIG. 6 FIG. 6 (d) is an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) graph of FIG. 6 (c) to FIG. 6 (d) showing Fe-N-exGr and (b) Fe-N-exCNF catalyst.

도 6을 참조하면, 제조예 1로 제작된 촉매를 이용하여 전극 제작 후 전극의 형태 및 전자, 반응물, 생성물의 이동에 대한 저항을 측정했을 때 박리를 통해 얻은 1차원 graphene의 ribbon형태로 인해 다공성 전극이 형성되고 상기EIS를 이용한 Nyquist, Bode plot 분석 그래프를 통해 전자전달에 대한 저항과 반응물 및 생성물 전달에 대한 저항이 낮음을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 6, when the resistance of the electrode manufactured and the movement of electrons, reactants, and products was measured after the electrode was manufactured using the catalyst prepared in Preparation Example 1, Electrode is formed and Nyquist and Bode plot analysis graph using the EIS shows that resistance to electron transfer and resistance to reactant and product transfer are low.

따라서, 제조예 1로 제작된 1차원 graphene촉매 Fe-N-exCNF는 다공성 구조로 인해 전자, 반응물 및 생성물의 이동이 원활하게 되고 이를 통해, 산소환원활성이 증가되는 효과를 확인 할 수 있다.Therefore, the one-dimensional graphene catalyst Fe-N-exCNF prepared in Preparation Example 1 has a porous structure to facilitate movement of electrons, reactants, and products, thereby increasing the oxygen reduction activity.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 7은 탄소 복합체 제조방법을 나타낸 순서도 이다.7 is a flowchart showing a method for producing a carbon composite material.

도 7을 참조하면, 적층된 컵 형상의 탄소 나노섬유(stacked-cup carbon nanofiber)를 박리하여 탄소분말을 형성하는 단계(S400), 상기 탄소분말 및 용매를 혼합 후 동결건조하여 혼합 분말을 형성하는 단계 (S500), 상기 혼합 분말을 열처리하는 단계(S600)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.Referring to FIG. 7, the step of forming a carbon powder by separating the stacked cup-shaped carbon nanofiber (S400), mixing the carbon powder and the solvent, and freeze-drying the mixture to form a mixed powder (S500), and heat treating the mixed powder (S600).

도 8은 합성 촉매의 산소환원 활성을 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the oxygen reduction activity of the synthetic catalyst.

도 8을 참조하면, 본 발명의 촉매와 백금촉매를 혼합하여 제조한 제조예 2의 혼합촉매 (Pt/Fe-N-exCNF라 명명) 의 산소환원 활성 그래프를 볼 수 있고, 도 8의 그래프를 통해 종래에 사용한Pt/C촉매의 그래프 보다 본 발명의 촉매와 백금촉매를 혼합한 혼합촉매 (Pt/Fe-N-exCNF)의 활성이 더 뛰어난 것을 볼 수 있다. Referring to FIG. 8, there can be seen a graph of the oxygen reduction activity of the mixed catalyst (named Pt / Fe-N-ex CNF) of Preparation Example 2 prepared by mixing the catalyst of the present invention with the platinum catalyst, (Pt / Fe-N-exCNF) obtained by mixing the catalyst of the present invention and the platinum catalyst is superior to the graph of the Pt / C catalyst conventionally used.

도 9는 합성 촉매의 안정성을 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the stability of the synthetic catalyst.

도 9를 참조하면, 본 발명의 촉매와 백금촉매를 혼합하여 제조한 제조예 2의 혼합촉매 (Pt/Fe-N-exCNF라 명명) 의 안정성 그래프 (0.4V 에서 10시간 운전) 실험 결과이다. 도 9의 그래프를 통해 종래의 Pt/C 촉매의 안정성보다 본 발명의 촉매와 백금촉매를 혼합한 혼합촉매 (Pt/Fe-N-exCNF)의 안정성이 더 뛰어난 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 9, there is shown a stability graph (operating at 0.4 V for 10 hours) of the mixed catalyst (named Pt / Fe-N-exCNF) of Preparation Example 2 prepared by mixing the catalyst of the present invention with the platinum catalyst. The graph of FIG. 9 shows that the stability of the mixed catalyst (Pt / Fe-N-exCNF) obtained by mixing the catalyst of the present invention with the platinum catalyst is superior to that of the conventional Pt / C catalyst.

따라서, 도 8 내지 도 9를 참고하면, 본 발명의 촉매와 백금촉매를 혼합한 혼합촉매 (Pt/Fe-N-exCNF)의 안정성 및 산소환원 활성의 효과가 종래의 Pt/C촉매보다 뛰어난 것을 확인 할 수 있다.8 to 9, the stability of the mixed catalyst (Pt / Fe-N-exCNF) mixed with the catalyst of the present invention and the platinum catalyst and the effect of the oxygen reduction activity are superior to those of the conventional Pt / C catalyst Can be confirmed.

상기 탄소 복합체 제조방법은 상기 상술된 복합체 촉매를 제조하는 방법의 (S200)단계에서 철 전구체 및 질소 전구체의 첨가를 제외하고 제조한 방법으로, 상기 철 전구체 및 질소 전구체를 제외하면 촉매의 활성효과 보다 탄소 복합체 내의 전도성 역할을 하는 분말을 제조할 수 있다.The method for producing the carbon composite material is a method of preparing the complex catalyst except for the addition of the iron precursor and the nitrogen precursor in the step (S200) of the above-mentioned method for producing the complex catalyst. In this case, except for the iron precursor and the nitrogen precursor, Carbon composite can be produced.

또한, 상기 탄소 복합체의 상기 탄소 분말은 컵 모양의0차원 구조 및 리본 모양의1차원 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the carbon powder of the carbon composite material may be a cup-shaped zero-dimensional structure and a ribbon-shaped one-dimensional structure.

따라서, 상기 탄소 복합체 제조방법으로 제조된 탄소 복합체는 전도성을 내지하는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 탄소 복합체는 연료전지에 포함될 수 있다.Accordingly, the carbon composite material produced by the carbon composite material production method may be characterized in that the carbon composite material is removed from the conductive material, and the carbon composite material may be included in the fuel cell.

상기 탄소 복합체가 포함된 연료전지는 증가된 0차원 구조 및 1차원 구조를 이루므로 산소환원 활성을 제공할 수 있고, 귀금속 백금 촉매를 사용하지 않아 생산비용 절감 및 대량생산을 가능하게 할 수 있는 탄소 복합체를 제공할 수 있다.Since the fuel cell including the carbon composite material has an increased zero-dimensional structure and a one-dimensional structure, it can provide an oxygen reducing activity, and can reduce the production cost and mass production of the fuel cell by using no noble metal platinum catalyst Complex can be provided.

본 발명의 실시예에 따르면, 상술한 촉매 제조방법을 통해 제조된 촉매는 피독되지 않는 효과를 제공 할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the catalyst produced through the above-described catalyst production method can provide the effect of not being poisoned.

또한, 질소-철을 함유한 0차원, 1차원 구조 복합체 촉매는 산화환원반응의 부산물을 적게 생성하는 효과를 제공할 수 있다. In addition, a zero-dimensional and one-dimensional structure composite catalyst containing nitrogen-iron can provide the effect of producing less by-products of the oxidation-reduction reaction.

또한, 질소-철을 함유한 0차원 구조 복합체 촉매는 작은 크기로 인해 일함수가 감소하여 촉매의 산소환원 활성을 증가시키는 효과를 제공할 수 있다. In addition, the zero-dimensional structure complex catalyst containing nitrogen-iron can provide an effect of increasing the oxygen reduction activity of the catalyst by decreasing the work function due to its small size.

또한, 질소-철을 함유한 1차원 구조 복합체 촉매는 다공성 구조로 형성되므로 전자, 반응물 및 생성물의 이동이 원활하여 산소환원 활성을 증가시키는 효과를 제공할 수 있다.In addition, since the one-dimensional structural composite catalyst containing nitrogen-iron is formed in a porous structure, the movement of electrons, reactants and products can be smoothly performed, thereby increasing the oxygen reduction activity.

또한, 종래의 귀금속 백금 촉매를 사용하지 않으므로 생산 비용을 절감 및 대량생산을 가능하게 할 수 있다.In addition, since the conventional noble metal platinum catalyst is not used, the production cost can be reduced and mass production can be achieved.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above effects and include all effects that can be deduced from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.

Claims (16)

적층된 컵 형상의 탄소 나노섬유(stacked-cup carbon nanofiber)를 박리하여 탄소분말을 형성하는 단계;
상기 탄소분말을 철 전구체, 질소 전구체 및 용매와 혼합 후 동결건조하여 혼합분말을 형성하는 단계; 및
상기 혼합분말을 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 탄소분말은 0차원의 그래핀 나노플레이크 및 1차원의 그래핀 나노리본을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 촉매 제조방법.
Peeling the stacked cup carbon nanofibers to form carbon powder;
Mixing the carbon powder with an iron precursor, a nitrogen precursor, and a solvent, followed by lyophilization to form a mixed powder; And
And heat treating the mixed powder,
Wherein the carbon powder comprises 0-dimensional graphene nanoflake and 1-dimensional graphene nanoribbons.
제1항에 있어서,
상기 적층된 컵 형상의 탄소 나노섬유(stacked-cup carbon nanofiber)는 적층된 컵 형상의 탄소 및 상기 적층된 컵 형상의 탄소를 두르는 그래파이트 벽(stacked-cup carbon nanofiber surrounded by a few graphitic walls)구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 촉매 제조방법.
The method according to claim 1,
The stacked-cup carbon nanofibers are stacked-cup carbon nanotubes and stacked-cup carbon nanofibers surrounded by a few graphitic walls. ≪ / RTI >
제1항에 있어서,
상기 철 전구체는 황산철 또는 탄화철을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 촉매 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the iron precursor comprises iron sulfate or iron carbide.
제1항에 있어서,
상기 질소 전구체는 디시안다이아미드, 피롤, 아닐린, 요소, 프로탈로사이아닌, 포르피린, 아세토나이트릴, 시안아미드, 디시안아미드, 아크릴로나이트릴, 또는 폴리아크릴로나이트릴을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 촉매 제조방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that said nitrogen precursor comprises dicyandiamide, pyrrole, aniline, urea, protealocyanine, porphyrin, acetonitrile, cyanamide, dicyanamide, acrylonitrile or polyacrylonitrile ≪ / RTI >
제1항에 있어서,
상기 용매는 물, 정제수, 에탄올, 또는 프로필알코올을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 촉매 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solvent comprises water, purified water, ethanol, or propyl alcohol.
제1항에 있어서,
상기 동결건조하는 단계는 -40℃ 내지 -30℃온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 복합체 촉매 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the lyophilizing step is performed at a temperature of -40 캜 to -30 캜.
제1항에 있어서,
상기 열처리하는 단계의 온도는800℃ 내지 900℃ 인 것을 특징으로 하는 복합체 촉매 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the temperature of the heat treatment step is 800 ° C to 900 ° C.
제1항에 있어서,
상기 열처리하는 단계는 아르곤 기체 분위기에서 시행되는 것을 특징으로 하는 복합체 촉매 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment is performed in an argon gas atmosphere.
제1항의 복합체 촉매 제조방법으로 제조된 촉매.A catalyst prepared by the method of claim 1. 제1항의 복합체 촉매 제조방법으로 제조된 촉매를 포함하는 막-전극 접합체.A membrane-electrode assembly comprising a catalyst prepared by the method of claim 1. 제1항의 복합체 촉매 제조방법으로 제조된 촉매 및 백금촉매를 포함하는 막-전극 접합체.A membrane-electrode assembly comprising a catalyst prepared by the method of claim 1 and a platinum catalyst. 제10항 또는 제 11항의 막-전극 접합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.11. A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly of claim 10 or claim 11. 적층된 컵 형상의 탄소 나노섬유(stacked-cup carbon nanofiber)를 박리하여 탄소분말을 형성하는 단계;
상기 탄소분말 및 용매를 혼합 후 동결건조하여 혼합분말을 형성하는 단계; 및
상기 혼합분말을 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 탄소분말은 0차원의 그래핀 나노플레이크 및 1차원의 그래핀 나노리본을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 복합체 제조방법.
Peeling the stacked cup carbon nanofibers to form carbon powder;
Mixing the carbon powder and the solvent, followed by lyophilization to form a mixed powder; And
And heat treating the mixed powder,
Wherein the carbon powder comprises 0-dimensional graphene nanoflake and 1-dimensional graphene nanoribbons.
제13항에 있어서,
상기 적층된 컵 형상의 탄소 나노섬유(stacked-cup carbon nanofiber)는 적층된 컵 형상의 탄소 및 상기 적층된 컵 형상의 탄소를 두르는 그래파이트 벽(stacked-cup carbon nanofiber surrounded by a few graphitic walls)구조로 형성된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 복합체 제조방법.
14. The method of claim 13,
The stacked cup-shaped carbon nanofibers have a stacked cup-shaped carbon and stacked cup-shaped carbon nanofibers surrounded by a few graphitic walls. Wherein the carbon nanofibers are formed on the substrate.
제13항의 탄소 복합체 제조방법으로 제조된 탄소 복합체.13. A carbon composite prepared by the method for producing a carbon composite material according to claim 13. 제15항의 탄소 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조체.
An electrode structure comprising the carbon composite material according to claim 15.
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