KR20200048442A - The method of generating oxygen vacancies in nickel-iron oxide catalyst for oxygen evolution reaction and the nickel-iron oxide catalyst manufactured thereby - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a method for inducing oxygen vacancies in a nickel-iron oxide catalyst for generating oxygen, in which the nickel-iron oxide catalyst with high activity as an electrochemical catalyst is synthesized by using a hydrothermal synthesis method and oxygen vacancies are generated in a nickel-iron oxide structure by partial reduction performed under a mixed gas atmosphere, in which hydrogen and argon are mixed at a predetermined ratio, to increase activity of an oxygen generation reaction and a nickel-iron oxide catalyst thereby. According to the present invention, the oxygen vacancies can be generated at low temperature and the synthesized nickel-iron oxide having an oxygen vacancy defect has increased hydroxyl absorptivity on a catalyst surface more than that of an existing nickel-iron oxide, thereby increasing the electrochemical activity and being usefully used as an oxygen reduction catalyst. According to the present invention, the method comprises a precursor solution preparation step, an alkaline precursor solution preparation step, a hydrothermal synthesis step, a washing and drying step, and an oxygen vacancy generation step.

Description

산소발생용 니켈-철 산화물 촉매의 산소결핍의 유도 방법 및 그 방법에 의해 제조된 니켈-철 산화물 촉매{The method of generating oxygen vacancies in nickel-iron oxide catalyst for oxygen evolution reaction and the nickel-iron oxide catalyst manufactured thereby}The method of generating oxygen vacancies in nickel-iron oxide catalyst for oxygen evolution reaction and the nickel-iron oxide catalyst manufactured thereby}

본 발명은 산소발생용 니켈-철 산화물 구조체내 산소 결핍의 유도 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 니켈-철 산화물 구조체의 부분환원반응을 수행하여 니켈-철 산화물 내부 또는 표면상에 산소 결핍을 생성하여 높은 산소발생 활성을 가지는 촉매를 제조하는 방법 및 이에 의한 니켈-철 산화물 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a method for inducing oxygen deficiency in a nickel-iron oxide structure for oxygen generation, and more specifically, performing a partial reduction reaction of a nickel-iron oxide structure to generate oxygen deficiency inside or on the surface of the nickel-iron oxide. Thus it relates to a method for producing a catalyst having a high oxygen generating activity and a nickel-iron oxide catalyst thereby.

최근 화석연료의 자원고갈과 환경오염이 심각하여 이를 해결하기 위하여 에너지 관련 분야의 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중에서도 금속-공기 전지(metal-air cell), 연료전지, 물 전해조 등은 여러 가지 장점 때문에 미래의 에너지 장치로서 주목을 받고 있다. 상기와 같은 에너지 장치들의 공통점은 산소 분자를 환원시키거나 발생시키는 일련의 과정을 포함하고 있다는 것인데, 이러한 환원의 발생 과정은 높은 전압을 필요로 하는 부진한 반응이기 때문에 효율적인 촉매가 필요하다.In recent years, the exhaustion of fossil fuels and environmental pollution are serious, and many researches in energy-related fields have been conducted to solve them. Among them, a metal-air cell, a fuel cell, and a water electrolyzer have attracted attention as a future energy device because of various advantages. The commonality of such energy devices is that they contain a series of processes to reduce or generate oxygen molecules, and since the process of generating these reductions is a sluggish reaction requiring high voltage, an efficient catalyst is required.

한편, 지구상에서 가장 풍부한 물질인 물을 원료로 사용한다는 점이나 수소 연소시 오염물질이 발생하지 않는 깨끗한 에너지원이라는 점, 나아가 에너지 저장 매체 기능을 담당한다는 점에서 가장 주목받는 것이 수소 에너지이다. 수소는 상기한 바와 같이 그 자체로 청정 연료가 될 수 있음은 물론, 다수의 화학반응과 공정에서 필요로 한다. On the other hand, hydrogen energy is most noticed in that it uses water, which is the most abundant material on the earth, as a raw material, is a clean energy source that does not generate contaminants when burning hydrogen, and furthermore functions as an energy storage medium. Hydrogen can be a clean fuel by itself, as described above, and is required in many chemical reactions and processes.

또한 최근 들어 수소에너지는 청정 연료로서 더욱 필요하다. 수소에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는 에너지원이다. 그 중 물을 전기분해해 수소를 바로 발생시켜 공급하는 수소 스테이션 방법은 고순도의 수소를 환경피해 없이 생산할 수 있는 장점을 제공한다.Also, in recent years, hydrogen energy is needed as a clean fuel. Hydrogen energy is an energy source that is spotlighted as the next generation energy because it has no mining limits and local ubiquity and is environmentally friendly. Among them, the hydrogen station method, which directly generates and supplies hydrogen by electrolysis of water, provides the advantage of producing high-purity hydrogen without environmental damage.

물의 전기분해 반응은 환원극에서 일어나는 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction: HER) 반응과 산화극에서 일어나는 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction: OER)으로 나눌 수 있다. The electrolysis reaction of water can be divided into a hydrogen evolution reaction (HER) reaction occurring at the cathode and an oxygen evolution reaction (OER) occurring at the anode.

- 환원극(cathode) : 4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH- -Reduction electrode (cathode): 4H 2 O + 4e - → 2H 2 + 4OH -

- 산화극(anode) : 4OH- → O2 + 2H2O + 4e- - oxidation electrode (anode): 4OH - → O 2 + 2H 2 O + 4e -

전체 전기분해 반응 중 수소 발생에 가장 중요한 속도를 결정하는 단계가 양극에서 일어나는 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction)이다. 산소 발생 반응(OER)은 O-H 결합을 끊고, O-O 결합 형성하기 위한 에너지가 필요하므로 음극의 수소 발생반응과 비교했을 때 속도가 훨씬 느리기 때문이다. 이런 이유로 산소 발생에 있어 높은 추가 전압(과전압)과 에너지를 주입해주어야 하는 문제점이 있다.The step of determining the most important rate for hydrogen generation during the entire electrolysis reaction is an oxygen evolution reaction at the anode. This is because the oxygen generation reaction (OER) requires much energy to break the O-H bond and form the O-O bond, which is much slower than that of the cathode. For this reason, there is a problem in that a high additional voltage (overvoltage) and energy must be injected in generating oxygen.

이러한 산소 발생용 전극 재료로 가장 널리 알려진 루테늄(Ru)은 고가이면서 산성 분위기에 취약하여 용출되는 현상을 나타나는 문제점이 있어, 이를 저가의 전이금속 산화물 촉매로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 전이금속을 기반으로 하는 금속산화물은 다양한 산화가를 가져 산화환원 반응에 매우 유리하여 에너지 변환 반응의 촉매물질로 사용된다. Ruthenium (Ru), which is the most widely known electrode material for oxygen production, has a problem of being eluted due to its high price and vulnerable to an acidic atmosphere, and research to replace it with a low-cost transition metal oxide catalyst has been actively conducted. In general, metal oxides based on transition metals have various oxidation values and are very advantageous for redox reactions, so they are used as catalyst materials for energy conversion reactions.

전이금속 중에서도 두 가지 금속으로 이루어진 스피넬 구조 산화물(spinel-type oxide)의 경우 전기화학반응에서 높은 활성을 나타내며, 이들을 합성하기 위한 다양한 합성법과 도핑(doping), 탄소 물질과 복합체 형성 등을 통해 개시 전위를 낮추고 전류 밀도를 높임으로써 더 높은 활성을 가지는 양극 촉매를 개발하고자 하는 시도가 진행되고 있다. Among the transition metals, spinel-type oxides composed of two metals exhibit high activity in the electrochemical reaction, and the initiation potential through various synthesis methods and doping to synthesize them, and formation of a complex with a carbon material Attempting to develop a positive electrode catalyst having a higher activity by lowering and increasing the current density is underway.

한국등록특허 제10-1774154호(공고일자: 2017.09.13)에서는 스피넬 결정형 물질과 산소결핍이 존재하는 페로브스카이트 결정형 물질을 함유하는 산소발생 또는 산소환원 촉매를 제조하는 방법이 개시되어 있으며, 한국공개특허 제10-2018-0012468호(공개일자:2018.02.06.)에서는 전이금속 양이온에 의하여 도핑된 금속 산화물 나노구조체를 포함하는 산소 발생 반응용 촉매를 제조하는 기술에 대하여 기재되어 있다.Korean Registered Patent No. 10-1774154 (Announcement date: 2017.09.13) discloses a method for producing an oxygen generating or oxygen reducing catalyst containing a spinel crystalline material and a perovskite crystalline material having oxygen deficiency, Korean Patent Publication No. 10-2018-0012468 (published date: 2018.02.06.) Discloses a technique for producing a catalyst for an oxygen generating reaction comprising a metal oxide nanostructure doped with a transition metal cation.

그러나, 상기 선행문헌을 포함하는 종래기술에서 전기화학적 촉매를 제조하기 위한 다양한 종류의 방법이 시도되었음에도 불구하고 아직도 보다 개선된 산소발생용 촉매에 대한 개발의 필요성은 지속적으로 요구되고 있는 실정이다. However, although various kinds of methods for preparing an electrochemical catalyst have been tried in the prior art including the above-mentioned prior art, there is still a need to develop a more improved catalyst for oxygen generation.

한국등록특허 제10-1774154호(공고일자: 2017.09.13.)Korean Registered Patent No. 10-1774154 (Announcement date: 2017.09.13.) 한국공개특허 제10-2018-0012468호(공개일자: 2018.02.06.)Korean Patent Publication No. 10-2018-0012468 (published date: 2018.02.06.)

본 발명의 주된 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 니켈-철 산화물에 일정 비율의 수소 가스를 포함하는 혼합 가스 분위기 하에서 부분환원반응을 수행하여 니켈-철 산화물 내부 혹은 표면상에 산소 원자 결핍을 발생시켜 향상된 산소발생반응의 활성을 갖는 촉매의 제조방법 및 이에 의한 촉매를 제공하는 것이다.The main object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and a partial reduction reaction is performed under a mixed gas atmosphere containing a certain proportion of hydrogen gas in the nickel-iron oxide to deficient oxygen atoms inside or on the surface of the nickel-iron oxide. It is to provide a method for producing a catalyst having the activity of enhanced oxygen generation reaction by generating and a catalyst thereby.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는, (a) 니켈 전구체와 철 전구체를 증류수에 용해시켜 전구체 수용액을 제조하는 단계; (b) 상기 전구체 용액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 조절하여 염기성의 전구체 수용액을 제조하는 단계; (c) 상기 염기성의 전구체 수용액을 수열합성하는 단계; (d) 상기 수열 합성 방법에 의해 합성된 결과물을 세척 및 건조하는 단계; (e) 수소(H2) 기체와 비활성 기체의 혼합 가스 분위기 하에서 부분환원반응을 수행하여 상기 니켈-철 산화물내 산소결핍을 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 (e) 단계는 8 ~ 15 vol%의 수소(H2) 기체를 포함하는 혼합가스 분위기 하에서 80 ~ 150 ℃ 온도 범위에서 부분환원반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 산소발생용 촉매의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention, (a) preparing a precursor aqueous solution by dissolving a nickel precursor and an iron precursor in distilled water; (B) adding a basic solution to the precursor solution to adjust the pH to prepare a basic precursor aqueous solution; (c) hydrothermal synthesis of the basic precursor aqueous solution; (d) washing and drying the result synthesized by the hydrothermal synthesis method; (e) performing a partial reduction reaction under a mixed gas atmosphere of a hydrogen (H 2 ) gas and an inert gas to generate oxygen deficiency in the nickel-iron oxide; and the (e) step is 8 to 15 vol. It provides a method for producing a catalyst for oxygen generation, characterized in that to perform a partial reduction reaction in a temperature range of 80 ~ 150 ℃ under a mixed gas atmosphere containing a hydrogen (H 2 ) gas.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (a) 단계에서 니켈 전구체는 니켈(Ⅱ)나이트레이트 헥사하이드레이트(Nickel Nitrate Hexahydrate), 니켈(Ⅱ)클로라이드 헥사하이드레이트(Nickel Chloride Hexahydrate), 니켈(Ⅱ)아세테이트 테트라하이드레이트(Nickel Acetate Tetrahydrate) 및 니켈(Ⅱ)브로마이드 하이드레이트(Nickel Bromide Hydrate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the nickel precursor in the step (a) is nickel (II) nitrate hexahydrate (Nickel Nitrate Hexahydrate), nickel (II) chloride hexahydrate (Nickel Chloride Hexahydrate), nickel (II) acetate It may be one or more selected from the group consisting of tetraelate tate (Nickel Acetate Tetrahydrate) and nickel (II) bromide hydrate (Nickel Bromide Hydrate).

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (a) 단계에서 철 전구체는 아이언(Ⅲ)나이트레이트 노나하이드레이트(Iron Nitrate Nonahydrate), 아이언(Ⅲ)클로라이드 헥사하이드레이트(Iron Chloride Hexahydrate), 아이언(Ⅱ)아세테이트 테트라하이드레이트(Iron Acetate Tetrahydrate) 및 아이언(Ⅱ)브로마이드 하이드레이트(Iron bromide Hydrate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the iron precursor in the step (a) is iron (III) nitrate nonahydrate (Iron Nitrate Nonahydrate), iron (III) chloride hexahydrate (Iron Chloride Hexahydrate), iron (II) acetate Tetrahydrate (Iron Acetate Tetrahydrate) and iron (II) bromide hydrate (Iron bromide Hydrate) may be one or more selected from the group consisting of.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (b) 단계에서 염기성 용액에서의 염기성 물질은 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화바륨(Ba(OH)2) 및 수산화암모늄(NH4OH) 중에서 선택된 하나 또는 하나 이상의 혼합물일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the basic substance in the basic solution in step (b) is potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ), barium hydroxide (Ba (OH) 2 ) and ammonium hydroxide (NH 4 OH).

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (b) 단계에서 pH 범위가 12 ~ 14일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the pH range in step (b) may be 12-14.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (c) 단계에서 수열합성 온도는 100 ~ 250 ℃일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the hydrothermal synthesis temperature in step (c) may be 100 ~ 250 ℃.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (e) 단계에서 비활성 기체는 아르곤 기체일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the inert gas in step (e) may be argon gas.

또한, 본 발명의 다른 구현예에서, 본 발명은 상기 중 어느 하나의 방법으로 제조되며, 표면상에 산소결핍이 존재하는 니켈-철 산화물을 포함하는 산소발생용 촉매를 제공한다.In addition, in another embodiment of the present invention, the present invention is prepared by any one of the above methods, and provides a catalyst for generating oxygen containing nickel-iron oxide having an oxygen deficiency on the surface.

또한, 본 발명의 다른 구현예에서, 본 발명은 상기 산소발생용 촉매를 포함하는 전기화학적 물분해 장치를 제공한다.In addition, in another embodiment of the present invention, the present invention provides an electrochemical water decomposition apparatus including the oxygen generating catalyst.

본 발명의 부분환원반응 조건에 따라 부분환원반응을 실시하면, 낮은 온도에서도 부분환원 반응이 용이하게 진행되며, 부분환원반응을 통해 생성된 니켈-철 산화물 촉매는 전기전도도가 높아 더 낮은 개시 전위와 높은 전류 밀도를 나타내어 산소 발생 반응의 촉매로써 높은 활성을 보인다.When the partial reduction reaction is carried out according to the partial reduction reaction conditions of the present invention, the partial reduction reaction easily proceeds even at a low temperature, and the nickel-iron oxide catalyst generated through the partial reduction reaction has high electrical conductivity and a lower starting potential. It exhibits high current density and shows high activity as a catalyst for oxygen generation reaction.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조의 니켈-철 산화물을 X-선회절패턴(XRD)으로 관찰한 사진이다.
도 2은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조의 니켈-철 산화물을 특정 각에서 확대한 X-선회절패턴(XRD)으로 관찰한 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조의 니켈-철 산화물을 광전자분석기(XPS) 결과를 나타낸 사진이다.
도 4은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조의 니켈-철 산화물의 선형주사전압법 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조의 니켈-철 산화물의 주사속도에 따른 전류밀도 플롯 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 6 내지 7에 의해 제조된 스피넬 구조의 니켈-철 산화물의 선형주사전압법 결과를 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a photograph of a nickel-iron oxide having a spinel structure prepared by Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 according to the present invention observed by an X-ray diffraction pattern (XRD).
Figure 2 is a photograph of the nickel-iron oxide of the spinel structure prepared by Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 according to the present invention observed by X-ray diffraction pattern (XRD) enlarged at a specific angle.
FIG. 3 is a photograph showing the results of a photoelectric analyzer (XPS) of nickel-iron oxide having a spinel structure prepared by Examples 1 and 4 according to the present invention.
Figure 4 is a graph showing the results of the linear scanning voltage method of the nickel-iron oxide of the spinel structure prepared by Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 according to the present invention.
Figure 5 is a graph showing the current density plot results according to the scanning speed of the nickel-iron oxide of the spinel structure prepared by Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 according to the present invention.
6 is a graph showing the results of the linear scanning voltage method of the nickel-iron oxide of the spinel structure prepared by Example 1 and Comparative Examples 6 to 7 according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 따른 산소발생반응용 촉매의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings to describe in detail a preferred embodiment of a method for preparing a catalyst for an oxygen evolution reaction according to the present invention so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily carry out the present invention. do.

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In the detailed description of the principles of the preferred embodiment of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, detailed descriptions thereof will be omitted.

또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.In addition, the configuration shown in the embodiments and drawings described in this specification is only one of the most preferred embodiments of the present invention, and does not represent all of the technical spirit of the present invention. It should be understood that there may be equivalents and variations.

본 발명은 수소 가스와 비활성 가스를 포함하는 혼합 가스 분위기 하에서 부분환원반응을 통해 기존의 니켈-철 산화물보다 낮은 과전압과 높은 한계 전류 밀도로 더욱 우수한 전기적 활성을 나타내는 산소발생반응용 촉매의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 (a) 니켈 전구체와 철 전구체를 증류수에 용해시켜 전구체 수용액을 제조하는 단계; (b) 상기 전구체 용액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 조절하여 염기성의 전구체 수용액을 제조하는 단계; (c) 상기 염기성의 전구체 수용액을 수열합성하는 단계; (d) 상기 수열 합성 방법에 의해 합성된 결과물을 세척 및 건조하는 단계; (e) 수소(H2) 기체와 비활성 기체의 혼합 가스 분위기 하에서 부분환원반응을 수행하여 상기 니켈-철 산화물내 산소결핍을 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 (e) 단계는 8 ~ 15 vol%의 수소(H2) 기체를 포함하는 혼합가스 분위기 하에서 80 ~ 150 ℃ 온도 범위에서 부분환원반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 산소발생용 촉매의 제조방법을 제공한다.The present invention is a method for producing a catalyst for an oxygen generating reaction that exhibits better electrical activity with a lower overvoltage and a higher limiting current density than a conventional nickel-iron oxide through partial reduction reaction under a mixed gas atmosphere containing hydrogen gas and inert gas. Specifically, (a) preparing a precursor aqueous solution by dissolving a nickel precursor and an iron precursor in distilled water; (B) adding a basic solution to the precursor solution to adjust the pH to prepare a basic precursor aqueous solution; (c) hydrothermal synthesis of the basic precursor aqueous solution; (d) washing and drying the result synthesized by the hydrothermal synthesis method; (e) performing a partial reduction reaction under a mixed gas atmosphere of a hydrogen (H 2 ) gas and an inert gas to generate oxygen deficiency in the nickel-iron oxide; and the (e) step is 8 to 15 vol. It provides a method for producing a catalyst for oxygen generation, characterized in that to perform a partial reduction reaction in a temperature range of 80 ~ 150 ℃ under a mixed gas atmosphere containing a hydrogen (H 2 ) gas.

이하, 본 발명에 따른 산소 결핍을 가진 니켈-철 산화물의 제조 방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a nickel-iron oxide having oxygen deficiency according to the present invention will be described in detail for each step.

상기 단계 (a)를 설명하자면 먼저, 니켈 전구체와 철 전구체를 적절한 비율로, 예를 들어 1:2의 비율로 증류수에 용해시켜 전구체 수용액을 제조하는 단계이다.To explain the step (a), first, the nickel precursor and the iron precursor are dissolved in distilled water in an appropriate ratio, for example, in a ratio of 1: 2 to prepare a precursor aqueous solution.

상기 니켈 전구체인 니켈 화합물로서는 니켈(Ⅱ)나이트레이트 헥사하이드레이트(Nickel Nitrate Hexahydrate), 니켈(Ⅱ)클로라이드 헥사하이드레이트(Nickel Chloride Hexahydrate), 니켈(Ⅱ)아세테이트 테트라하이드레이트(Nickel Acetate Tetrahydrate) 및 니켈(Ⅱ)브로마이드 하이드레이트(Nickel Bromide Hydrate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것이 바람직하며, 니켈(Ⅱ)클로라이드 헥사하이드레이트(Nickel Chloride Hexahydrate)를 사용하는 것이 더욱 바람직하지만, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Examples of the nickel compound as the nickel precursor include nickel (II) nitrate hexahydrate, nickel (II) chloride hexahydrate, nickel (II) acetate tetrahydrate, and nickel (II) ) Bromide hydrate (Nickel Bromide Hydrate) is preferably at least one selected from the group consisting of, nickel (II) chloride hexahydrate (Nickel Chloride Hexahydrate) is more preferred, but the scope of the present invention is not limited thereto .

상기 철 전구체인 철 화합물로서는 아이언(Ⅲ)나이트레이트 노나하이드레이트(Iron Nitrate Nonahydrate), 아이언(Ⅲ)클로라이드 헥사하이드레이트(Iron Chloride Hexahydrate), 아이언(Ⅱ)아세테이트 테트라하이드레이트(Iron Acetate Tetrahydrate) 및 아이언(Ⅱ)브로마이드 하이드레이트(Iron bromide Hydrate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것이 바람직하며, 아이언(Ⅲ)클로라이드 헥사하이드레이트(Iron Chloride Hexahydrate)를 사용하는 것이 더욱 바람직하지만, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Examples of the iron precursors are iron compounds (Iron Nitrate Nonahydrate), iron (III) chloride hexahydrate (Iron Chloride Hexahydrate), iron (II) acetate tetrahydrate (Iron Acetate Tetrahydrate) and iron (II) ) It is preferable that at least one selected from the group consisting of bromide hydrate (Iron bromide Hydrate), it is more preferable to use iron (III) chloride hexahydrate (Iron Chloride Hexahydrate), but the scope of the present invention is not limited thereto .

이어서 상기 단계 (b)는 상기 (a) 단계에서 제조된 전구체 수용액에 염기성 용액을 첨가하여 전구체 수용액의 pH를 조절하여 염기성의 전구체 수용액을 제조하는 단계이다. Subsequently, the step (b) is a step of preparing a basic precursor aqueous solution by adjusting the pH of the precursor aqueous solution by adding a basic solution to the precursor aqueous solution prepared in the step (a).

상기 단계 (a) 및 (b)에 대해 더욱 자세히 설명하자면 먼저, 니켈 전구체와 철 전구체를 증류수에 용해시켜 전구체 수용액을 제조한다. 그리고 염기성 물질이 증류수에 용해된 염기성 수용액을 상기 전구체 수용액에 첨가하여 상기 전구체 수용액의 pH를 조절한다. 이 때 침전되어 생기는 반응물의 색이 파란색이 될 때까지 pH를 조절해야 한다. 이후 파란색의 반응물이 침전된 용액은 잘 분산되어 합성이 될 수 있도록 2시간 이상 강하게 교반을 시켜주어 분산시킨다. 이때 pH 범위는 12 ~ 14인 것이 바람직하다.To describe the steps (a) and (b) in more detail, first, a nickel precursor and an iron precursor are dissolved in distilled water to prepare a precursor aqueous solution. Then, a basic aqueous solution in which a basic substance is dissolved in distilled water is added to the precursor aqueous solution to adjust the pH of the precursor aqueous solution. At this time, the pH should be adjusted until the color of the reactant formed by precipitation becomes blue. Thereafter, the solution in which the blue reactant is precipitated is dispersed well by stirring for 2 hours or more so that it can be well dispersed and synthesized. At this time, the pH range is preferably 12 ~ 14.

상기 (b) 단계에서 염기성 용액에서의 염기성 물질은 특별히 제한되지 않으며, 유기 및 무기 염기성 물질로부터 선택될 수 있다. 상기 염기성 물질은 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화바륨(Ba(OH)2) 및 수산화암모늄(NH4OH) 중에서 선택된 하나 또는 하나 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이러한 염기성 물질은 수용액상으로 전구체 용액에 첨가되어 전구체 용액의 pH를 조절한다. In the step (b), the basic substance in the basic solution is not particularly limited, and may be selected from organic and inorganic basic substances. The basic substance is one or more mixtures selected from potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ), barium hydroxide (Ba (OH) 2 ) and ammonium hydroxide (NH 4 OH). It can be used, but is not limited by these. These basic substances are added to the precursor solution in an aqueous solution to adjust the pH of the precursor solution.

또한 상기 단계 (c)는 상기 단계 (b)에서 제조된 상기 염기성의 전구체 수용액을 수열합성하는 단계이며, 구체적으로 염기성의 전구체 수용액을 오토클레이브(autoclave)에 넣어 100 ~ 250℃, 바람직하게는 150 ~ 250℃에서 4시간 ~ 24시간 동안, 바람직하게는 8~16 시간 동안 반응을 시킨다. 이와 같은 온도와 시간의 조절은 입자의 응집을 막고 고르게 분산되어 합성이 이루어지도록 유도한다. 반응 시간이 끝난 후에 오븐에서 오토클레이브를 꺼낸 후 자연 상태에서 식힌다.In addition, step (c) is a step of hydrothermal synthesis of the basic precursor aqueous solution prepared in step (b), specifically, put the basic precursor aqueous solution in an autoclave (100 to 250 ° C), preferably 150 The reaction is carried out at ~ 250 ° C for 4 to 24 hours, preferably 8 to 16 hours. This temperature and time control prevents agglomeration of particles and evenly disperses them to induce synthesis. After the reaction time is over, the autoclave is removed from the oven and allowed to cool in the natural state.

이어서 상기 단계 (d)는 상기 단계 (c)에서 합성한 결과물을 세척 및 건조하는 과정이다. 상기 단계 (c)에서 수열 합성이 끝난 결과물은 나트륨 및 염소 등의 불순물들이 섞여있기 때문에 이러한 불순물을 제거하기 위한 과정이다. 구체적으로 증류수를 이용하여 8000rpm으로 5회 정도 원심 분리를 시켜준다. 원심 분리 후 침전된 결과물을 60 ℃에서 바람직하게는 12~24시간, 더욱 바람직하게는 20~24시간 동안 건조시켜 불순물이 제거 된 상태의 니켈-철 산화물을 수득한다.Subsequently, the step (d) is a process of washing and drying the product synthesized in the step (c). The result of the hydrothermal synthesis in step (c) is a process for removing these impurities because impurities such as sodium and chlorine are mixed. Specifically, centrifugation is performed about 5 times at 8000 rpm using distilled water. After centrifugation, the precipitated product is dried at 60 ° C. for preferably 12 to 24 hours, more preferably 20 to 24 hours to obtain a nickel-iron oxide in which impurities are removed.

또한 상기 단계 (e)는 상기 단계 (d)에서 수득한 니켈-철 산화물의 전기 화학적 촉매로의 활성을 높이기 위해 부분환원반응을 통해서 산소 결핍을 생성하는 단계이다.In addition, step (e) is a step of generating oxygen deficiency through a partial reduction reaction in order to increase the activity of the nickel-iron oxide obtained in step (d) to an electrochemical catalyst.

구체적으로, 먼저 튜브 퍼니스에 20~40분 동안 비활성기체를 흘려주어 퍼니스 내부를 비활성기체로 포화시켜 다른 부가 반응이 일어나지 않는 상태로 만들어 준다. 그 후 변경하는 타겟온도로 승온시키는데 5~20 ℃/min의 속도로 온도를 올려준다. 목표로 했던 온도까지 올라갔을 때 수소 (H2) 기체를 비활성 기체와 일정 부피비가 되도록 혼합하여 흘려주어 부분환원반응을 수행하여 니켈-철 산화물 구조체의 내부 혹은 표면상에 산소결핍을 생성할 수 있다.Specifically, first, an inert gas is flowed into the tube furnace for 20 to 40 minutes to saturate the inside of the furnace with an inert gas, so that other addition reactions do not occur. After that, the temperature is raised to the target temperature to be changed, and the temperature is raised at a rate of 5 to 20 ° C / min. When the temperature rises to the target temperature, hydrogen (H 2 ) gas is mixed with an inert gas to a certain volume ratio and flowed to perform a partial reduction reaction to generate oxygen deficiency inside or on the surface of the nickel-iron oxide structure. .

또한 상기 (e) 단계에서 혼합가스 내 수소(H2) 기체는 전체 혼합 가스에 대하여 8 ~ 15 vol% 로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 수소(H2) 기체가 전체 혼합 가스에 대하여 15 vol%를 초과할 경우 산소 결핍의 양이 과량으로 형성되어 비정질의 형성 및 격자의 붕괴에 따라 전기화학적 활성이 떨어질 수 있으며, 수소(H2) 기체가 전체 혼합 가스에 대하여 8 vol% 미만으로 첨가될 경우 니켈-철 산화물 내부 혹은 표면상에 산소 결핍을 도입하기 위한 많은 에너지를 필요로 한다.In addition, in the step (e), the hydrogen (H 2 ) gas in the mixed gas is preferably added at 8 to 15 vol% relative to the total mixed gas. When the hydrogen (H 2 ) gas exceeds 15 vol% with respect to the total mixed gas, the amount of oxygen deficiency is excessively formed, and the electrochemical activity may decrease due to amorphous formation and collapse of the lattice, and hydrogen (H 2) ) When the gas is added in an amount of less than 8 vol% relative to the total mixed gas, a lot of energy is required to introduce oxygen deficiency inside or on the nickel-iron oxide.

또한 상기 (e) 단계에서 부분환원온도는 니켈-철 산화물 구조체의 내부 혹은 표면상에 산소결핍을 효과적으로 생성하는 측면에서 80 ~ 150 ℃ 범위인 것이 바람직하다.In addition, the partial reduction temperature in the step (e) is preferably in the range of 80 ~ 150 ℃ in terms of effectively generating oxygen deficiency on the interior or surface of the nickel-iron oxide structure.

상기 부분환원온도가 80 ℃ 미만인 경우에는 니켈-철 산화물 내 금속 원자와 산소 원자의 결합을 끊어낼 에너지가 부족하여 니켈-철 산화물 내부 혹은 표면상에 산소 결핍의 생성이 부족하고, 부분환원온도가 150 ℃를 초과할 경우 부분 환원을 통해 산소 결핍이 생성된 니켈-철 산화물의 일부 또는 전부의 물질의 상이 니켈 금속으로 변하여 니켈-철 산화물 구조체의 전기화학적 활성을 잃게될 가능성이 있다.When the partial reduction temperature is less than 80 ° C., there is insufficient energy to break the bond between the metal atom and the oxygen atom in the nickel-iron oxide, resulting in insufficient generation of oxygen deficiency inside or on the surface of the nickel-iron oxide, and the partial reduction temperature. If the temperature exceeds 150 ° C, there is a possibility that the phases of some or all of the nickel-iron oxides, which have oxygen deficiency through partial reduction, change to nickel metal and lose the electrochemical activity of the nickel-iron oxide structure.

상기 (e) 단계에서 부분환원반응 동안 튜브 퍼니스 내부의 온도 및 기체 분위기는 항상 일정하게 유지시키며, 부분환원반응은 2~10 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.In the step (e), the temperature and gas atmosphere inside the tube furnace during the partial reduction reaction are always kept constant, and the partial reduction reaction is preferably performed for 2 to 10 hours.

또한 본 발명은 상기 방법 중 어느 하나의 방법으로 제조되며, 표면상에 산소결핍이 존재하는 니켈-철 산화물을 포함하는 산소발생반응용 촉매를 제공한다.In addition, the present invention is prepared by any one of the above methods, and provides a catalyst for oxygen generation reaction including nickel-iron oxide in which oxygen deficiency is present on the surface.

또한 본 발명은 상기 산소발생반응용 촉매를 포함하는 전기화학적 물분해 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides an electrochemical water decomposition device comprising the catalyst for the oxygen generation reaction.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하는 바이며 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.The present invention as described above is specifically described based on the following examples, and the present invention is not limited by the following examples.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, these examples are intended to illustrate the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereby.

실시예 1Example 1

단계 (a): 60 ml 증류수에 NiCl2 0.3 g, FeCl3 0.6 g을 정량하여 비커에 넣고, 30분가량 교반(stirring)하여 전구체 용액을 제조한다.Step (a): 0.3 ml of NiCl 2 and 0.6 g of FeCl 3 are added to a beaker in 60 ml distilled water, and a precursor solution is prepared by stirring for about 30 minutes.

단계 (b): 1 M 수산화나트륨 용액을 제조하고, 상기 단계 (a)에서 제조된 전구체 용액에 1 M 수산화나트륨 15 ml를 혼합한 후 교반(stirring)하여 염기성의 전구체 용액을 제조한다.Step (b): preparing a 1 M sodium hydroxide solution, mixing 15 ml of 1 M sodium hydroxide with the precursor solution prepared in step (a), followed by stirring to prepare a basic precursor solution.

단계 (c): 상기 단계 (b)에서 제조된 염기성의 전구체 용액을 오토클레이브에 넣고 200℃에서 12시간 동안 가열하여 반응시킨다.Step (c): The basic precursor solution prepared in step (b) is placed in an autoclave and reacted by heating at 200 ° C. for 12 hours.

단계 (d): 상기 단계 (c)에서 만들어진 결과물을 여과한 이후 원심분리기를 이용하여 세척과정을 거쳐 분말을 얻는다.Step (d): After filtering the resultant produced in step (c), a powder is obtained through a washing process using a centrifuge.

단계 (e): 상기 단계 (d)에서 수득된 세척물을 튜브 퍼니스(tube furnace)에 넣고 100℃ 온도에서 약 5시간 동안 부분환원반응을 실시하여 산소결함을 가지는 스피넬 구조의 니켈-철 산화물을 제조하였다. 이때, 타겟 온도에 이르기까지 승온 속도는 10 ℃/min이며, 부분환원반응 중 수소가스와 아르곤가스의 혼합비율은 1:9로 유지하였다.Step (e): Put the washing material obtained in the step (d) into a tube furnace (tube furnace) by performing a partial reduction reaction at a temperature of 100 ℃ for about 5 hours to give a nickel-iron oxide of spinel structure having oxygen defects It was prepared. At this time, the rate of temperature increase to the target temperature was 10 ° C / min, and the mixing ratio of hydrogen gas and argon gas during the partial reduction reaction was maintained at 1: 9.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 1의 단계 (e)에서 200 ℃ 온도에서 부분환원반응을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.It is the same as in Example 1, except that the partial reduction reaction was performed at a temperature of 200 ° C. in step (e) of Example 1.

비교예 2Comparative Example 2

상기 실시예 1의 단계 (e)에서 300 ℃ 온도에서 부분환원반응을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다. It is the same as in Example 1, except that the partial reduction reaction was performed at 300 ° C. in step (e) of Example 1.

비교예 3Comparative Example 3

상기 실시예 1의 단계 (e)에서 50 ℃ 온도에서 부분환원반응을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.It is the same as in Example 1, except that the partial reduction reaction was performed at a temperature of 50 ° C. in step (e) of Example 1.

비교예 4Comparative Example 4

상기 실시예 1의 단계 (e)의 부분환원반응을 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.It is the same as in Example 1, except that the partial reduction reaction in Step (e) of Example 1 was not performed.

비교예 5Comparative Example 5

상기 실시예 1의 단계 (e)에서 수소와 아르곤 기체의 혼합 가스 분위기 대신에 공기 분위기 하에서 부분환원반응을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.It is the same as in Example 1 except that in step (e) of Example 1, a partial reduction reaction is performed under an air atmosphere instead of a mixed gas atmosphere of hydrogen and argon gas.

비교예 6Comparative Example 6

상기 실시예 1의 단계 (e)에서 수소와 아르곤 기체의 부피비를 5 : 95로 주입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.It is the same as in Example 1, except that the volume ratio of hydrogen and argon gas in Step (e) of Example 1 was injected at 5:95.

비교예 7Comparative Example 7

상기 실시예 1의 단계 (e)에서 수소와 아르곤 기체의 부피비를 2 : 8로 주입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.It is the same as in Example 1, except that in the step (e) of Example 1, the volume ratio of hydrogen and argon gas is injected at 2: 8.

또한, 하기 표 1에 상기 비교예 1 내지 3, 비교예 5 내지 7, 실시예 1에서의 부분환원 조건을 정리하여 나타내었다.In addition, Table 1 below shows the partial reduction conditions in Comparative Examples 1 to 3, Comparative Examples 5 to 7, and Example 1.

부분환원 조건Partial reduction conditions 수소 : 아르곤 비율Hydrogen: argon ratio 온도(℃)Temperature (℃) 실시예 1Example 1 10 : 9010: 90 100100 비교예 1Comparative Example 1 10 : 9010: 90 200200 비교예 2Comparative Example 2 10 : 9010: 90 300300 비교예 3Comparative Example 3 10 : 9010: 90 5050 비교예 5Comparative Example 5 공기 분위기Air atmosphere 100100 비교예 6Comparative Example 6 5 : 955: 95 100100 비교예 7Comparative Example 7 20 : 8020: 80 100100

실험예 1. 스피넬 구조 산화물의 X선 회절분석Experimental Example 1. X-ray diffraction analysis of spinel structure oxide

상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 특징을 알아보기 위하여 X선 회절분석기(Rigaku, Mini flex)로 분석하여 그 결과를 도 1과 2에 나타내었다.In order to find out the characteristics of the spinel structure oxides prepared by Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, X-ray diffraction analysis (Rigaku, Mini flex) was used to analyze the results, and the results are shown in FIGS. 1 and 2.

도 1은 상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에서 제조된 스피넬 구조 산화물의 X-선회절패턴(XRD)을 나타낸 것이다. 도 1에 의하면, 실시예 1과 비교예 1 내지 4에서 모두 스피넬 구조 산화물 피크(peak)가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 제조된 스피넬 구조 산화물이 수소분위기에서 추가 열처리 후에도 결정구조 변화없이 스피넬 구조를 유지하는 것을 의미한다.Figure 1 shows the X-ray diffraction pattern (XRD) of the spinel structure oxide prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 above. According to FIG. 1, it can be confirmed that in both Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, spinel structure oxide peaks appeared. This means that the prepared spinel structure oxide maintains the spinel structure without changing the crystal structure even after additional heat treatment in a hydrogen atmosphere.

도 2는 상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에서 제조된 스피넬 구조 산화물의 상기 도 1의 결과로부터 32에서 39도 부분을 확대하여 X-선회절패턴(XRD)을 나타낸 것이다. 도 2에 의하면, 실시예1에서 제조된 스피넬 구조 산화물은 피크(peak)가 이동한 것을 확인할 수 있다. 이는 구조적 결함에 의해 스피넬 구조가 수축하였다는 것을 나타낸다.FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern (XRD) by enlarging portions of 32 to 39 degrees from the results of FIG. 1 of the spinel structure oxides prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4. According to FIG. 2, it can be confirmed that the peaks of the spinel structure oxide prepared in Example 1 were moved. This indicates that the spinel structure contracted due to structural defects.

실험예 2. 스피넬 구조 산화물의 산화상태 분석Experimental Example 2. Analysis of oxidation state of spinel structure oxide

상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 산화상태를 알아보기 위하여 광전자분광기(X-ray photoelectron spectroscopy, SPECS, EA200)을 이용하여 분석하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.In order to examine the oxidation state of the spinel structure oxides prepared by Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, it was analyzed using a photoelectron spectroscopy (X-ray photoelectron spectroscopy, SPECS, EA200). The results are shown in FIG. 3.

도 3은 각각 상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 산소의 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 3에 의하면, 산소 피크(peak)는 총 네 개의 결합으로 분리가 되는데 낮은 구간부터 산소 원소와 금속 원소의 결합(OM), 산소 원소 내부의 수산화 그룹의 결합(OOH), 산소 결핍(OV), 공기 중 수분과의 화학적인 결합(OC)에 의한 피크(peak)로 나뉜다. 이 때 본 발명에 따른 실시예 1에서 산소 결핍(OV)으로 인한 피크의 면적 비가 증가하는 것으로 부분 환원을 통해 산소 결핍이 발생한 것을 알 수 있다. 상기 값들을 측정하여 표 2에 나타내었다.Figure 3 shows the spectrum of the oxygen of the spinel structure oxide prepared by Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, respectively. According to Figure 3, the oxygen peak (peak) is divided into a total of four bonds, starting from the low section of the oxygen element and the metal element bond (O M ), the bonding of the hydroxyl group inside the oxygen element (O OH ), oxygen deficiency ( O V ), divided into peaks due to chemical bonding (O C ) with moisture in the air. At this time, in Example 1 according to the present invention, it can be seen that oxygen deficiency occurred through partial reduction as the area ratio of the peak due to oxygen deficiency (O V ) increased. Table 2 shows the measured values.

OM O M OOH O OH OV O V OC O C 실시예 1Example 1 37.937.9 36.736.7 17.117.1 8.38.3 비교예 1Comparative Example 1 51.151.1 25.425.4 16.516.5 77 비교예 2Comparative Example 2 45.845.8 31.831.8 16.216.2 6.26.2 비교예 3Comparative Example 3 57.857.8 27.427.4 8.98.9 5.95.9 비교예 4Comparative Example 4 59.959.9 27.827.8 8.38.3 44 비교예 5Comparative Example 5 45.545.5 28.528.5 16.116.1 9.99.9 비교예 6Comparative Example 6 35.535.5 33.733.7 16.616.6 14.214.2 비교예 7Comparative Example 7 52.652.6 22.122.1 20.520.5 4.84.8

표 2에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1과 비교예 6, 7의 산소 피크 내 산소 결핍(OV)에 의한 피크의 면적 비를 비교해보면 수소의 비율이 높을수록 산소 결핍의 양이 많아지는 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 2, when comparing the area ratio of peaks due to oxygen deficiency (O V ) in the oxygen peaks of Example 1 and Comparative Examples 6 and 7, the higher the proportion of hydrogen, the greater the amount of oxygen deficiency. Can be confirmed.

실시예1과 비교예 1 내지 비교예3을 대비하여 보면, 부분환원반응온도가 50℃인 비교예 3은 산소결핍이 별로 발생하지 않으며, 100℃에서 최대이며, 200℃나 300℃로 반응온도를 증가시킬 경우 오히려 산소결핍 양이 줄어듬을 알 수 있다.Compared to Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, Comparative Example 3 in which the partial reduction reaction temperature is 50 ° C does not generate much oxygen deficiency, is the maximum at 100 ° C, and the reaction temperature is 200 ° C or 300 ° C. If you increase, you can see that the amount of oxygen deficiency decreases.

실험예 3. 스피넬 구조 산화물의 전기화학적 활성 분석Experimental Example 3. Electrochemical activity analysis of spinel structure oxide

상기 실시예 1과 비교예 1 내지 7에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 산소발생반응용 전극촉매로써의 성능을 비교분석하기 위하여 하기와 같은 실험을 진행하였다.The following experiments were conducted to compare and analyze the performance of the spinel structure oxides prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 7 as an electrode catalyst for oxygen generation reaction.

상기 실시예 1과 비교예 1 내지 7에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 전기화학적 특성을 알아보기 위하여 포텐셔스테이트(Potentiostat, Princeton Applied Research, VSP)를 이용하여 1 몰의 KOH 전해액에서 5 mV/s의 주사속도로 선형전압전류법을 분석하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다. 측정된 전류밀도가 높다는 것은 그만큼 전기화학반응이 활발하다는 것이며, 따라서 산소발생반응의 활성이 높다는 것을 의미한다.5 mV / s in 1 mol of KOH electrolytic solution using a potentiometer (Potentiostat, Princeton Applied Research, VSP) to determine the electrochemical properties of the spinel structure oxides prepared by Example 1 and Comparative Examples 1 to 7 The linear voltage current method was analyzed at the scanning speed of. The results are shown in FIG. 4. The high measured current density means that the electrochemical reaction is active, and therefore, the activity of the oxygen generating reaction is high.

도 4에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1의 스피넬 구조 산화물은 단위면적당 가장 높은 전류 밀도를 나타냄으로써, 산소발생반응용 전극촉매재료로 사용되었을 경우 산소결함이 적은 스피넬 구조 산화물과 비교하여 높은 전기화학적 활성을 가지고 있음을 알 수 있었다. As shown in FIG. 4, the spinel structure oxide of Example 1 of the present invention exhibits the highest current density per unit area, and thus, when used as an electrode catalyst material for oxygen generation reaction, has a higher oxygen defect compared to spinel structure oxide. It was found that it has electrochemical activity.

상기 한계전류밀도의 순서는 도 4에서 확인되듯이 실시예 1 > 비교예 1 > 비교예 5 * 비교예 7

Figure pat00001
비교예 6 > 비교예 2 > 비교예 3
Figure pat00002
비교예 4 의 순으로 나타나고 있어, 산소 결핍의 정도의 순인 비교예 7 > 실시예 1 > 비교예 6
Figure pat00003
비교예 1 > 비교예 2
Figure pat00004
비교예 5 > 비교예 3 > 비교예 4와 대비하여 보면, 대체적으로 산소 결핍의 정도가 클수록 한계전류밀도 역시 증가되기는 하나, 완전히 일치하지는 않음을 알 수 있다.The order of the limiting current density is as shown in Figure 4 Example 1> Comparative Example 1> Comparative Example 5 * Comparative Example 7
Figure pat00001
Comparative Example 6> Comparative Example 2> Comparative Example 3
Figure pat00002
It is shown in the order of Comparative Example 4, which is pure order of the degree of oxygen deficiency Comparative Example 7> Example 1> Comparative Example 6
Figure pat00003
Comparative Example 1> Comparative Example 2
Figure pat00004
Compared to Comparative Example 5> Comparative Example 3> Comparative Example 4, it can be seen that, as the degree of oxygen deficiency is large, the limiting current density is also increased, but not completely.

비교예 2의 경우 비교예 5보다 산소결핍은 크나 오히려 한계전류밀도는 떨어지며, 특히 비교예 7의 경우는 가장 큰 산소결핍 수치를 가짐에도 오히려 비교예1보다도 한계전류밀도가 높지 않았다.In the case of Comparative Example 2, the oxygen deficiency was greater than that of Comparative Example 5, but the limiting current density was inferior. In particular, in Comparative Example 7, the limiting current density was not higher than that of Comparative Example 1 even though it had the largest oxygen deficiency value.

이로 보아, 한계전류밀도에는 산소결핍이라는 요인 외에도 다른 요인이 영향을 미치는 것임을 알 수 있다.From this, it can be seen that other factors in addition to the factor of oxygen deficiency affect the limiting current density.

실험예 4. 순환전압전류법을 통한 전기화학적 면적 평가Experimental Example 4. Evaluation of electrochemical area through cyclic voltammetry

상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 산소발생반응용 전극촉매로써의 성능을 비교분석하기 위하여 하기와 같은 실험을 진행하였다.The following experiment was conducted to compare and analyze the performance of the spinel structure oxides prepared by Examples 1 and 4 as Comparative Electrodes for Oxygen Generation Reaction.

상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 전기화학적 특성을 알아보기 위하여 포텐셔스테이트(Potentiostat, Princeton Applied Research, VSP)를 이용하여 1 몰의 KOH전해액에서 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 및 100 mV/s의 주사속도로 순환전압전류법을 통해 그래프를 얻은 후에 각각의 주사속도에서 0.95 V에서의 전류밀도에 관해 플롯하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다. To determine the electrochemical properties of the spinel structure oxides prepared by Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, 10, 20, in 1 mol of KOH electrolyte solution using a potentiostat (Potentiostat, Princeton Applied Research, VSP) Graphs were obtained through cyclic voltammetry at scan rates of 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 and 100 mV / s and then plotted for current density at 0.95 V at each scan rate. The results are shown in FIG. 5.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예 1의 스피넬 구조 산화물은 선형 플롯에서 이중층 커패시턴스가 가장 높은 것을 확인하였다. 실시예 1의 커패시턴스가 상당히 높다는 것은 전기 화학적 표면적이 높고 표면 거칠기가 높음을 나타낸다. 전기 화학적 표면적이 높을 경우 전기화학 반응에 용이한 촉매임을 나타내므로 실시예1의 값이 가장 높은 이중층 커패시턴스를 보이는 것으로 보아 상기 한계전류밀도의 결과와도 일치한다.Referring to FIG. 5, it was confirmed that the spinel structure oxide of Example 1 of the present invention had the highest bilayer capacitance in a linear plot. The high capacitance of Example 1 indicates high electrochemical surface area and high surface roughness. When the electrochemical surface area is high, it indicates that it is an easy catalyst for the electrochemical reaction, and thus the value of Example 1 shows the highest double layer capacitance, which is consistent with the result of the limiting current density.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적은 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Since the specific parts of the present invention have been described in detail above, it will be apparent to those skilled in the art that this specific technique is only a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereby. will be. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (8)

산소발생용 촉매의 제조방법에 있어서,
(a) 니켈 전구체와 철 전구체를 증류수에 용해시켜 전구체 수용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 전구체 용액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 조절하여 염기성의 전구체 수용액을 제조하는 단계;
(c) 상기 염기성의 전구체 수용액을 수열합성하는 단계;
(d) 상기 수열 합성 방법에 의해 합성된 결과물을 세척 및 건조하는 단계;
(e) 소수(H2) 기체와 비활성 기체의 혼합 가스 분위기 하에서 부분환원반응을 수행하여 상기 니켈-철 산화물내 산소결핍을 생성하는 단계;를 포함하며,
상기 (e) 단계는 8 ~ 15 vol%의 수소(H2) 기체를 포함하는 혼합가스 분위기 하에서 80 ~ 150 ℃ 온도 범위에서 부분환원반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 산소발생용 촉매의 제조방법.
In the production method of the oxygen generating catalyst,
(a) dissolving a nickel precursor and an iron precursor in distilled water to prepare a precursor aqueous solution;
(B) adding a basic solution to the precursor solution to adjust the pH to prepare a basic precursor aqueous solution;
(c) hydrothermal synthesis of the basic precursor aqueous solution;
(d) washing and drying the result synthesized by the hydrothermal synthesis method;
(e) performing a partial reduction reaction under a mixed gas atmosphere of a small number (H2) gas and an inert gas to generate oxygen deficiency in the nickel-iron oxide;
The step (e) is a method for producing a catalyst for oxygen generation, characterized in that performing a partial reduction reaction in a temperature range of 80 to 150 ° C under a mixed gas atmosphere containing 8 to 15 vol% of hydrogen (H 2 ) gas.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 니켈 전구체는 니켈(Ⅱ)나이트레이트 헥사하이드레이트(Nickel Nitrate Hexahydrate), 니켈(Ⅱ)클로라이드 헥사하이드레이트(Nickel Chloride Hexahydrate), 니켈(Ⅱ)아세테이트 테트라하이드레이트(Nickel Acetate Tetrahydrate) 및 니켈(Ⅱ)브로마이드 하이드레이트(Nickel Bromide Hydrate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 산소발생용 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
In the step (a), the nickel precursors are nickel (II) nitrate hexahydrate, nickel (II) chloride hexahydrate, nickel (II) acetate tetrahydrate, and nickel. (II) Method for producing a catalyst for oxygen generation, characterized in that at least one selected from the group consisting of bromide hydrate (Nickel Bromide Hydrate).
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 철 전구체는 아이언(Ⅲ)나이트레이트 노나하이드레이트(Iron Nitrate Nonahydrate), 아이언(Ⅲ)클로라이드 헥사하이드레이트(Iron Chloride Hexahydrate), 아이언(Ⅱ)아세테이트 테트라하이드레이트(Iron Acetate Tetrahydrate) 및 아이언(Ⅱ)브로마이드 하이드레이트(Iron bromide Hydrate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 산소발생용 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
In the step (a), the iron precursors are iron (III) iron nitrate nonahydrate, iron (III) chloride hexahydrate, iron (II) acetate tetrahydrate and iron acetate (II) Method for producing a catalyst for oxygen generation, characterized in that at least one selected from the group consisting of bromide hydrate (Iron bromide Hydrate).
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 염기성 용액에서의 염기성 물질은 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화바륨(Ba(OH)2) 및 수산화암모늄(NH4OH) 중에서 선택된 하나 또는 하나 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 산소발생용 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
In the step (b), the basic substance in the basic solution is potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ), barium hydroxide (Ba (OH) 2 ) and ammonium hydroxide (NH 4 OH ) One or more mixtures selected from the method for producing an oxygen generating catalyst.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 pH 범위는 12 ~ 14인 것을 특징으로 하는 산소발생용 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
In the step (b), the pH range is 12 to 14, characterized in that the production method of the catalyst for oxygen generation.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 수열합성 온도는 100 ~ 250 ℃인 것을 특징으로 하는 산소발생용 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
In the step (c), the hydrothermal synthesis temperature is 100 ~ 250 ℃ method for producing a catalyst for oxygen generation, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 (e) 단계에서 비활성 기체는 아르곤 기체인 것을 특징으로 하는 산소환원반응용 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
In the step (e), the inert gas is a method for preparing a catalyst for oxygen reduction reaction, characterized in that it is an argon gas.
제1항 내지 제6항 중에서 어느 하나의 방법으로 제조되며, 산소결핍이 존재하는 니켈-철 산화물을 포함하는 산소발생용 촉매.A catalyst for oxygen production, which is prepared by any one of claims 1 to 6, and includes nickel-iron oxide in which oxygen deficiency is present.
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