KR20200095601A - Noble Metal Nano-star and the Catalyst Containing the Same - Google Patents

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Abstract

A nano-star according to the present invention satisfies: I) a diameter of 60 nm or less; II) a noble metal having a face centered cubic (FCC) crystal structure; and III) a facet where a high index crystal plane forms a surface in which at least one of {h, k, l} of a crystal plane family defined by the Miller index satisfies a natural number of 3 or higher.

Description

귀금속 나노별 및 이를 포함하는 촉매{Noble Metal Nano-star and the Catalyst Containing the Same}Noble Metal Nano-star and the Catalyst Containing the Same}

본 발명은 귀금속 나노별 및 이를 포함하는 촉매에 관한 것으로, 상세하게, 제어된 표면을 갖는 귀금속 나노별, 이를 포함하는 촉매, 전극, 이산화탄소 환원 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a noble metal nanostar and a catalyst comprising the same, and more particularly, to a noble metal nanostar having a controlled surface, a catalyst comprising the same, an electrode, a carbon dioxide reduction method and apparatus.

이산화탄소의 전기화학적 환원반응은 전기에너지를 통해 온실가스인 이산화탄소를 가치 있는 화합물로 전환하는 방법이다. 이는 대기중의 온실가스인 이산화탄소를 줄이고, 전기에너지를 화학적 에너지로 저장할 수 있어 화학 및 에너지 산업에서 다양한 응용이 가능하다. 특히 이산화탄소의 환원반응으로부터 합성되는 일산화탄소는 합성가스로 화학산업에서 많이 활용된다.The electrochemical reduction reaction of carbon dioxide is a method of converting carbon dioxide, a greenhouse gas, into valuable compounds through electrical energy. This can reduce carbon dioxide, which is a greenhouse gas in the atmosphere, and can store electrical energy as chemical energy, thus enabling various applications in the chemical and energy industries. In particular, carbon monoxide synthesized from the reduction reaction of carbon dioxide is a synthetic gas and is widely used in the chemical industry.

이산화탄소로부터 일산화탄소를 만드는 촉매로는, 높은 전기전도성 및 적합한 일산화탄소 결합에너지를 갖는 금이나 은과 같은 귀금속이 주로 활용된다(대한민국 공개특허 제2018-0088195호). 그러나 귀금속 촉매의 경우, 값비싼 촉매의 가격으로 인해 촉매 효율을 유지시키면서 촉매내 귀금속의 함량을 줄이려는 연구가 진행되고 있다.As a catalyst for producing carbon monoxide from carbon dioxide, precious metals such as gold or silver having high electrical conductivity and suitable carbon monoxide binding energy are mainly used (Korean Patent Laid-Open No. 2018-0088195). However, in the case of noble metal catalysts, studies are being conducted to reduce the content of noble metals in the catalyst while maintaining catalyst efficiency due to the cost of the expensive catalyst.

또한, 촉매내 귀금속의 함량을 줄이거나 귀금속을 대체하는 물질 개발과 함께, 귀금속 촉매를 나노구조화하여 활성 및 선택성을 향상시킴으로써 귀금속의 사용을 최소화하는 연구가 이루어지고 있다. In addition, research has been conducted to minimize the use of noble metals by reducing the content of noble metals in the catalyst or developing materials that replace noble metals, and by nanostructured noble metal catalysts to improve activity and selectivity.

귀금속 입자의 크기를 감소시키는 경우, 표면에 노출된 원자들의 수가 증가하고 입자의 표면 대 부피 비율이 높아져 질량 대비 높은 촉매 효율을 얻을 수 있다. 또한, 촉매의 나노 구조화는 이산화탄소 환원 시 촉매의 활성과 선택성에 큰 영향을 미치는 것을 알려져 있다. When the size of the noble metal particles is reduced, the number of atoms exposed on the surface increases, and the surface-to-volume ratio of the particles is increased, so that a high catalyst efficiency relative to the mass can be obtained. In addition, it is known that the nanostructured catalyst has a great influence on the activity and selectivity of the catalyst during carbon dioxide reduction.

이에, 입자의 크기가 커질수록 입자의 표면 대 부피 비율이 감소하기 때문에 최대한 작은 크기를 가지면서도 보다 향상된 촉매 활성과 선택성을 나타낼 수 있는 제어된 구조를 갖는 귀금속 나노구조화 기술개발이 요구되고 있다.Accordingly, as the size of the particles increases, the surface-to-volume ratio of the particles decreases. Therefore, there is a need to develop a noble metal nanostructure technology having a controlled structure capable of exhibiting improved catalytic activity and selectivity as small as possible.

대한민국 공개특허 제2018-0088195호Republic of Korea Patent Publication No. 2018-0088195

본 발명의 목적은 제어된 표면을 갖는 귀금속 나노구조체를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a noble metal nanostructure having a controlled surface.

본 발명의 다른 목적은 이산화탄소 환원시 우수한 촉매능 및 장기 내구성(durability)을 갖는 귀금속 나노구조체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a noble metal nanostructure having excellent catalytic ability and long-term durability when reducing carbon dioxide.

본 발명의 또 다른 목적은 이산화탄소 환원용 촉매, 이산화탄소 환원용 촉매를 포함하는 전극, 이를 이용한 이산화탄소 환원 방법 및 장치를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a carbon dioxide reduction catalyst, an electrode including a carbon dioxide reduction catalyst, and a carbon dioxide reduction method and apparatus using the same.

본 발명에 따른 귀금속 나노별은 하기 I), II), 및 III)을 만족한다.The noble metal nanostar according to the present invention satisfies the following I), II), and III).

I) 60nm 이하의 직경,I) a diameter of 60 nm or less,

II) FCC(face centered cubic) 결정구조의 귀금속,II) Noble metal with face centered cubic (FCC) crystal structure,

III) 밀러 지수(Miller index)에 의해 규정되는 {h, k, l} 결정면 패밀리 기준, h, k 및 l 중 적어도 하나 이상이 3 이상의 자연수를 만족하는 고지수면(high index crystal plane)이 표면을 형성하는 영역인 파셋(facet).III) A high index crystal plane in which at least one of the {h, k, l} crystal plane family criteria defined by the Miller index, h, k, and l satisfies a natural number of 3 or more A facet that is a forming area.

본 발명의 일 실시예에 따른 귀금속 나노별은 하기 IV)를 더 만족할 수 있다.The noble metal nanostar according to an embodiment of the present invention may further satisfy the following IV).

IV) 상기 파셋을 포함하는 다각 뿔 형상의 요철.IV) Polygonal cone-shaped irregularities including the facets.

본 발명의 일 실시예에 따른 귀금속 나노별에 있어, 귀금속 나노별의 표면은 상기 고지수면에 의한 평면의 표면 영역인 파셋;과 서로 인접하는 파셋간을 연결하는 부드럽게 곡률진 표면 영역;을 포함할 수 있다.In the noble metal nanostar according to an embodiment of the present invention, the surface of the noble metal nanostar includes a facet, which is a planar surface area by the high exponential surface, and a smoothly curved surface area connecting facets adjacent to each other; I can.

본 발명의 일 실시예에 따른 귀금속 나노별에 있어, 상기 귀금속 나노별의 전체의 표면적을 100으로, 상기 파셋이 차지하는 표면적은 70% 이상일 수 있다.In the noble metal nanostar according to an embodiment of the present invention, the total surface area of the noble metal nanostar may be 100, and the facet occupied 70% or more.

본 발명의 일 실시예에 따른 귀금속 나노별에 있어, 귀금속 나노별의 표면은 다각 뿔의 각 측면에 상기 파셋이 위치하는 다각 뿔 형상의 요철로 이루어질 수 있다.In the noble metal nanostar according to an embodiment of the present invention, the surface of the noble metal nanostar may be formed of irregularities in the shape of a polygonal cone in which the facets are positioned on each side of the polygonal horn.

본 발명의 일 실시예에 따른 귀금속 나노별에 있어, 상기 {h, k, l}은 {3, 2, 1}, {4, 2, 1}, {4, 3, 1}, {4, 3, 2}, {6, 4, 3}, {6, 3, 1}, {5, 4, 3}, {7, 2, 1}, {7, 4, 2}, {7, 5, 3} 및 {7, 6, 1}에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In the noble metal nanostar according to an embodiment of the present invention, the {h, k, l} is {3, 2, 1}, {4, 2, 1}, {4, 3, 1}, {4, 3, 2}, {6, 4, 3}, {6, 3, 1}, {5, 4, 3}, {7, 2, 1}, {7, 4, 2}, {7, 5, It may be one or more selected from 3} and {7, 6, 1}.

본 발명의 일 실시예에 따른 귀금속 나노별에 있어, 상기 귀금속은 금, 은 또는 이들의 합금일 수 있다.In the noble metal nanostar according to an embodiment of the present invention, the noble metal may be gold, silver, or an alloy thereof.

본 발명의 일 실시예에 따른 귀금속 나노별은 이산화탄소 환원을 위한 촉매용일 수 있다.The noble metal nanostar according to an embodiment of the present invention may be a catalyst for reducing carbon dioxide.

본 발명은 상술한 귀금속 나노별을 포함하는 이산화탄소 환원용 촉매를 포함한다.The present invention includes a catalyst for reducing carbon dioxide comprising the above-described noble metal nanostars.

본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원용 촉매에 있어, 상기 환원은 전기화학적 환원일 수 있다.In the catalyst for reducing carbon dioxide according to an embodiment of the present invention, the reduction may be electrochemical reduction.

본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원용 촉매는 가역 수소 전극(RHE; reversible hydrogen electrode)에 대비 -0.6V 조건에서, 금속 나노별의 단위질량당 33A/g 이상의 질량 활성(mass activity)을 가질 수 있다.The catalyst for carbon dioxide reduction according to an embodiment of the present invention has a mass activity of 33A/g or more per unit mass of a metal nanostar under a condition of -0.6V compared to a reversible hydrogen electrode (RHE). I can.

본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원용 촉매는 가역 수소 전극(RHE; reversible hydrogen electrode)에 대비 -0.7V 조건 5시간의 연속적인 이산화탄소 환원시, 80% 이상의 CO 패러데이 효율을 가질 수 있다.The catalyst for carbon dioxide reduction according to an embodiment of the present invention may have a CO Faraday efficiency of 80% or more when continuously reducing carbon dioxide under a condition of -0.7V for 5 hours compared to a reversible hydrogen electrode (RHE).

본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 환원용 촉매는 상기 귀금속 나노별이 담지되는 지지체를 더 포함할 수 있다.The catalyst for carbon dioxide reduction according to an embodiment of the present invention may further include a support on which the noble metal nanostar is supported.

본 발명은 상술한 촉매를 포함하는 이산화탄소 환원용 전극을 포함한다.The present invention includes an electrode for reducing carbon dioxide comprising the catalyst described above.

본 발명은 상술한 이산화탄소 환원용 전극을 작업전극으로 하여, 작업전극과 이산화탄소 함유 유체를 접촉시키고, 작업전극 및 작업전극의 대전극간 전압을 인가하여 일산화탄소를 생성하는 이산화탄소 전환방법을 포함한다. The present invention includes a carbon dioxide conversion method in which a working electrode and a fluid containing carbon dioxide are brought into contact with the above-described carbon dioxide reduction electrode as a working electrode, and a voltage is applied between the working electrode and the counter electrode of the working electrode to generate carbon monoxide.

본 발명은 상술한 이산화탄소 환원용 전극인 작업전극; 작업전극의 대전극; 작업전극과 대전극 사이에 위치하는 분리막(멤브레인); 및 이산화탄소 함유 전해액;을 포함하는 이산화탄소 환원장치를 포함한다.The present invention is a working electrode that is the above-described carbon dioxide reduction electrode; The counter electrode of the working electrode; A separator (membrane) positioned between the working electrode and the counter electrode; And a carbon dioxide reduction device including a carbon dioxide-containing electrolyte.

본 발명에 따른 귀금속 나노별은 매우 작은 크기를 가짐과 동시에 결정학적으로 나노별의 표면에 고지수면이 위치하는, 잘 규정된 표면을 갖는 특징이 있다.The precious metal nanostars according to the present invention are characterized by having a very small size and a well-defined surface crystallographically located on the surface of the nanostars.

이러한 본 발명에 따른 귀금속 나노별은 이산화탄소의 환원을 위한 촉매로 활용시, 매우 뛰어난 활성 및 일산화탄소 선택성을 가짐과 동시에, 매우 큰 질량 활성을 가져 귀금속의 사용량을 크게 낮출 수 있는 장점이 있다. When used as a catalyst for the reduction of carbon dioxide, the noble metal nanostar according to the present invention has very excellent activity and carbon monoxide selectivity, and at the same time has a very large mass activity, so that the amount of noble metal can be significantly reduced.

도 1은 실시예에서 과성장시키기 전 단계인 금 나노시드(도 1(a))와 실시예에서 제조된 금 나노별(도 1(b))을 관찰한 투과전자현미경 사진이다.
도 2는 제조된 금 나노별의 고배율 투과전자현미경 관찰사진(도 2(a)) 및 투과전자현미경 분석 결과를 바탕으로 3차원 모델링된 나노별(도 2(b))을 도시한 도면이다.
도 3은 전압(vs. RHE)에 따른 CO 부분 전류밀도(partial current density)를 도시한 도면이다.
도 4는 전압(vs. RHE)에 따른 질량 활성을 나타낸 도면이다.
도 5는 전압(vs. RHE)에 따른 CO 패러데이 효율을 도시한 도면이다.
도 6은 이산화탄소 환원 반응시 생성된 가스의 패러데이 효율을 도시한 도면이다.
도 7은 전압(vs. RHE)에 따른 비 활성(specific activities)을 도시한 도면이다.
도 8은 이산화탄소 환원 반응시 Au 나노별과 Au 이십면체의 내구성(durability) 시험 결과를 도시한 도면이다.
1 is a transmission electron microscope photograph of a gold nanoseed (FIG. 1(a)) and a gold nano-star (FIG. 1(b)) prepared in the Example before being overgrown in Example.
FIG. 2 is a diagram showing a three-dimensional modeled nano-star (FIG. 2(b)) based on a high-magnification transmission electron microscope observation photograph (FIG. 2(a)) and a transmission electron microscope analysis result of the prepared gold nanostar.
3 is a diagram showing a partial current density of CO according to a voltage (vs. RHE).
4 is a diagram showing mass activity according to voltage (vs. RHE).
5 is a diagram showing the CO Faraday efficiency according to the voltage (vs. RHE).
6 is a diagram showing the Faraday efficiency of gas generated during a carbon dioxide reduction reaction.
7 is a diagram showing specific activities according to voltage (vs. RHE).
8 is a diagram showing the durability (durability) test results of Au nanostars and Au icosahedron during a carbon dioxide reduction reaction.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided as examples in order to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below, but may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. At this time, unless there are other definitions in the technical terms and scientific terms used, they have the meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily obscure will be omitted.

본 발명에 따른 귀금속 나노별은, I), II), 및 III)을 만족한다.The noble metal nanostar according to the present invention satisfies I), II), and III).

I) 60nm 이하의 직경I) diameter less than 60nm

II) FCC(face centered cubic) 결정구조의 귀금속II) Noble metal with face centered cubic (FCC) crystal structure

III) 밀러 지수(Miller index)에 의해 규정되는 {h, k, l} 결정면 패밀리 기준, h, k 및 l 중 적어도 하나 이상이 3 이상의 자연수를 만족하는 고지수면(high index crystal plane)이 표면을 형성하는 영역인 파셋(facet)III) A high index crystal plane in which at least one of the {h, k, l} crystal plane family criteria defined by the Miller index, h, k, and l satisfies a natural number of 3 or more Facet, the area to be formed

나노별은 단일한 중심으로부터 돌출되어 돌출 방향으로 축경되는 하나 이상, 구체적으로 둘 이상, 보다 구체적으로 3 내지 30개, 보다 더 구체적으로 8 내지 20개의 돌출부를 포함하는 형상을 의미할 수 있다. 나노별에 형성된 둘 이상의 돌출부는 대칭 또는 비 대칭 관계를 가질 수 있으며, 일 구체예에 있어, 대칭 관계를 가질 수 있다. The nanostar may mean a shape including one or more, specifically two or more, more specifically 3 to 30, and even more specifically 8 to 20 protrusions protruding from a single center and axially reduced in the protruding direction. Two or more protrusions formed on the nanostar may have a symmetrical or asymmetrical relationship, and in one embodiment, may have a symmetrical relationship.

직경은 귀금속 나노별의 투영 이미지(projection image)를 기준으로, 투영 이미지와 동일한 면적의 원으로 환산한 지름을 의미할 수 있다. 실험적으로, 투영 이미지는 귀금속 나노별의 투과전자현미경 관찰 사진 상의 이미지를 의미할 수 있다. 평균 직경은 적어도 50개 이상의 귀금속 나노별의 직경을 평균한 값을 의미할 수 있다.The diameter may mean a diameter converted into a circle having the same area as the projection image based on the projection image of the precious metal nanostar. Experimentally, the projected image may mean an image on a transmission electron microscope observation photograph of a noble metal nanostar. The average diameter may mean a value obtained by an average of diameters of at least 50 or more precious metal nanostars.

60nm 이하의 평균 직경을 갖는 귀금속 나노별은 향상된 비표면적을 가짐에 따라 표면 반응이 주가되는 촉매로의 활용에 유리하며, 특히, 지지체에 담지되기 유리한 크기이다. 본 발명의 일 구체예에 있어, 나노별의 평균 직경은 60nm 이하, 구체적으로, 20 내지 60nm, 30 내지 55nm, 또는 40 내지 55nm일 수 있다.As the precious metal nanostars having an average diameter of 60 nm or less have an improved specific surface area, they are advantageous for use as a catalyst mainly subject to a surface reaction, and in particular, are advantageously sized to be supported on a support. In one embodiment of the present invention, the average diameter of the nanostars may be 60 nm or less, specifically, 20 to 60 nm, 30 to 55 nm, or 40 to 55 nm.

FCC 구조를 갖는 귀금속은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 다만, 이산화탄소 환원 반응을 위한 촉매로의 활용을 고려할 때, FCC 구조를 갖는 귀금속은 금, 은 또는 이들의 합금인 것이 좋다.Precious metals having an FCC structure may include gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), or an alloy thereof. However, when considering utilization as a catalyst for the carbon dioxide reduction reaction, the noble metal having an FCC structure is preferably gold, silver, or an alloy thereof.

파셋은 귀금속 나노별의 표면에서, 밀러 지수(Miller index)에 의해 규정되는 {h, k, l} 결정면 패밀리 기준, h, k 및 l 중 적어도 하나 이상이 3 이상의 자연수를 만족하는 고지수면(high index crystal plane)이 표면을 형성하는 표면 영역을 의미할 수 있다. 이때, 결정 격자 기준 결정의 크기는 실질적으로 무한으로 취급됨에 따라 h, k, l의 상한은 무의미하나, 귀금속 나노별의 나노 디멘젼을 감안하여, h, k 및 l 중 적어도 하나 이상은 3 내지 50, 구체예로 3 내지 10의 자연수일 수 있다. 이하의 설명에서 '{h, k, l}면'은 {h, k, l} 결정면 패밀리에 속하는 하나 이상의 결정면을 의미한다. 밀러 지수는 브라베 격자(Bravais lattices)의 결정 구조에서 결정면을 나타내는 지수로, 역 격자 벡터(reciprocal lattice vector)인 b1, b2, b3를 기준으로, hb1 + kb2 + lb3(역격자 벡터의 h, k, l은 서로 독립적으로 정수)에 수직인 면을 의미한다. 밀러 지수에 의한 결정면, 결정면 패밀리는 재료 관련 분야의 당업자에게 익히 주지된 것이다(Neil W. Ashcroft and N. David Mermin, Solid State Physics (Harcourt: New York, 1976)등 참고)The facet is a high exponential surface in which at least one of h, k and l satisfies a natural number of 3 or more, based on the {h, k, l} crystal plane family standard defined by the Miller index, on the surface of a precious metal nanostar. An index crystal plane) may mean a surface area forming a surface. At this time, as the size of the crystal lattice reference crystal is substantially infinite, the upper limits of h, k, and l are meaningless, but in view of the nano-dimension of the precious metal nanostar, at least one of h, k and l is 3 to 50 , As a specific example, it may be a natural number of 3 to 10. In the following description,'{h, k, l} plane' means one or more crystal planes belonging to the {h, k, l} crystal plane family. Miller's index is an index representing a crystal plane in the crystal structure of Bravais lattices.Based on the reciprocal lattice vectors b1, b2, and b3, hb1 + kb2 + lb3 (h of the inverse lattice vector, k and l refer to a plane that is independent of each other and perpendicular to an integer). The crystal plane by the Miller index, the family of crystal planes are well known to those skilled in the field of materials (see Neil W. Ashcroft and N. David Mermin, Solid State Physics (Harcourt: New York, 1976), etc.)

형상적으로, 파셋은 편평한 면인 평면의 표면 영역을 의미할 수 있다. 파셋의 일 변의 길이는 3nm 이상, 보다 구체적으로, 5 내지 15nm일 수 있다. 투과전자현미경으로 귀금속 나노별을 관찰하는 경우, 귀금속 나노별의 크기가 60nm 이하로 매우 미세함에 따라, 요철(들)에 의해 음영이 형성된 투영 이미지 형태로 관찰될 수 있다. 이에 실험적으로, 파셋은 투과전자현미경(HRTEM을 포함함) 관찰 사진 상, 귀금속 나노별의 표면에 상응하는 귀금속 나노별 이미지의 테두리(음영의 경계 포함)가 직선, 구체적으로, 2nm 이상의 직선, 보다 구체적으로 3 내지 15nm의 직선으로 관찰되는 영역이 파셋에 의한 표면 영역으로 해석될 수 있다. Shapely, the facet may mean a flat surface area. The length of one side of the facet may be 3 nm or more, more specifically, 5 to 15 nm. When observing the noble metal nanostar with a transmission electron microscope, the noble metal nanostar has a very fine size of 60 nm or less, so that it can be observed in the form of a projection image in which a shadow is formed by the uneven(s). Thus, experimentally, the facet has a straight line, specifically, a straight line of 2 nm or more, in a transmission electron microscope (including HRTEM) observation photo, of the noble metal nano-star image corresponding to the surface of the noble metal nano-star. Specifically, an area observed as a straight line of 3 to 15 nm can be interpreted as a surface area by a facet.

본 발명이 밀러 지수(Miller index)에 의해 규정되는 {h, k, l} 결정면 패밀리 기준, h, k 및 l 각각이, 절대값 기준 2 이하의 정수를 만족하는 저지수면(low index crsytal plane)이 표면을 형성하는 영역을 배제하는 것으로 해석되어서는 안된다. In the present invention, the {h, k, l} crystal plane family criterion defined by the Miller index, h, k and l, respectively, is a low index crsytal plane that satisfies an integer less than or equal to 2 based on the absolute value It should not be construed as excluding areas forming this surface.

그러나, 본 발명의 유리한 일 예에 있어, 귀금속 나노별은 저지수면에 의한 평면의 표면 영역을 포함하지 않을 수 있다.However, in an advantageous example of the present invention, the noble metal nanostar may not include a planar surface area caused by a low water surface.

본 발명의 일 구체예에 있어, 귀금속 나노별의 표면은 고지수면에 의한 평면의 표면 영역인 파셋;과 서로 인접하는 파셋간을 연결하는 부드럽게 곡률진 표면 영역(이하, 라운딩 영역);을 포함할 수 있으며, 실질적인 일 예에 있어, 귀금속 나노별의 표면은 파셋과 라운딩 영역으로 이루어질 수 있다. 이때, 부드럽게 곡률진 영역(라운딩 영역)은 귀금속 나노별의 투영 이미지나 단면 이미지 상, 표면에서 접선의 기울기가 연속적으로 변화되는 영역을 의미하는 것이다. In one embodiment of the present invention, the surface of the noble metal nanostar includes a facet, which is a planar surface area by a high exponential surface, and a smoothly curved surface area (hereinafter, referred to as a rounding area) connecting facets adjacent to each other; In a practical example, the surface of the noble metal nanostar may be formed of a facet and a rounding region. In this case, the smoothly curved region (rounding region) refers to a region in which the slope of the tangent line continuously changes on the projection image or cross-sectional image of the noble metal nanostar.

본 발명의 일 구체예에 있어, 귀금속 나노별의 표면은 고지수면에 의한 평면의 표면 영역인 파셋을 포함할 수 있으며, 금속 나노별의 전체의 표면적을 100으로, 파셋이 차지하는 표면적은 70% 이상, 구체적으로 70 내지 90%, 보다 구체적으로, 72 내지 85%일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the surface of the noble metal nanostar may include a facet that is a planar surface area due to a high exponential surface, and the total surface area of the metal nanostar is 100, and the surface area occupied by the facet is 70% or more. , Specifically 70 to 90%, more specifically, it may be 72 to 85%.

본 발명의 일 구체예에 있어, 귀금속 나노별의 표면은 면의 표면 영역인 파셋;과 서로 인접하는 파셋간을 연결하는 부드럽게 곡률진 표면 영역(라운딩 영역)을 포함할 수 있으며, 금속 나노별의 전체의 표면적을 100으로, 파셋이 차지하는 표면적은 70% 이상, 구체적으로 70 내지 90%, 보다 구체적으로, 72 내지 85%일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the surface of the noble metal nanostar may include a facet, which is a surface area of the surface, and a smoothly curved surface area (rounding area) connecting facets adjacent to each other. The total surface area is 100, and the surface area occupied by the facets may be 70% or more, specifically 70 to 90%, and more specifically, 72 to 85%.

파셋의 결정면은 밀러 지수(Miller index)에 의해 규정되는 {h, k, l} 결정면 패밀리 기준, h, k 및 l 중 적어도 하나 이상이 3 이상의 자연수를 만족하는 고지수면(high index crystal plane)이며, 구체예로, 고지수면은 {h, k, l}은 {3, 2, 1}, {4, 2, 1}, {4, 3, 1}, {4, 3, 2}, {6, 4, 3}, {6, 3, 1}, {5, 4, 3}, {7, 2, 1}, {7, 4, 2}, {7, 5, 3} 및 {7, 6, 1}에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 선행 실험을 통한 이산화탄소 환원 반응을 위한 촉매로의 활용을 고려할 때, 우수한 촉매 활성 및 일산화탄소 선택성 측면에서, 고지수면은 {3, 2, 1}, {7, 5, 3} 및 {7, 4, 2}에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 가장 유리하게 고지수면은 {3, 2, 1}면을 반드시 포함하는 것이 유리하다. The facet's crystal plane is a high index crystal plane in which at least one of the {h, k, l} crystal plane family criteria defined by the Miller index, h, k, and l satisfies a natural number of 3 or more. , As a specific example, the high exponential surface is {h, k, l}, {3, 2, 1}, {4, 2, 1}, {4, 3, 1}, {4, 3, 2}, {6 , 4, 3}, {6, 3, 1}, {5, 4, 3}, {7, 2, 1}, {7, 4, 2}, {7, 5, 3} and {7, 6 , 1}, and when considering utilization as a catalyst for the carbon dioxide reduction reaction through previous experiments, in terms of excellent catalytic activity and carbon monoxide selectivity, the high water surface is {3, 2, 1}, {7 , 5, 3} and may be one or more selected from {7, 4, 2}, and most advantageously, it is advantageous that the high exponential surface necessarily includes the {3, 2, 1} plane.

귀금속이 FCC 결정 구조를 가짐에 따라, {3, 2, 1}면은 (3, 2, 1), (3, 1, 2), (2, 3, 1), (2, 1, 3), (1, 3, 2), (1, 2, 3), (-3, 2, 1), (-3, 1, 2), (-2, 3, 1), (-2, 1, 3), (-1, 3, 2), (-1, 2, 3), (3, -2, 1), (3, -1, 2), (2, -3, 1), (2, -1, 3), (1, -3, 2), (1, -2, 3), (3, 2, -1), (3, 1, -2), (2, 3, -1), (2, 1, -3), (1, 3, -2), (1, 2, -3), (-3, -2, 1), (-3, -1, 2), (-2, -3, 1), (-2, -1, 3), (-1, -3, 2), (-1, -2, 3), (-3, 2, -1), (-3, 1, -2), (-2, 3, -1), (-2, 1, -3), (-1, 3, -2), (-1, 2, -3), (-3, -2, -1), (-3, -1, -2), (-2, -3, -1), (-2, -1, -3), (-1, -3, -2) 및 (-1, -2, -3)에서 하나 이상 선택되는 결정면일 수 있다. As precious metals have FCC crystal structure, the {3, 2, 1} planes are (3, 2, 1), (3, 1, 2), (2, 3, 1), (2, 1, 3) , (1, 3, 2), (1, 2, 3), (-3, 2, 1), (-3, 1, 2), (-2, 3, 1), (-2, 1, 3), (-1, 3, 2), (-1, 2, 3), (3, -2, 1), (3, -1, 2), (2, -3, 1), (2 , -1, 3), (1, -3, 2), (1, -2, 3), (3, 2, -1), (3, 1, -2), (2, 3, -1 ), (2, 1, -3), (1, 3, -2), (1, 2, -3), (-3, -2, 1), (-3, -1, 2), ( -2, -3, 1), (-2, -1, 3), (-1, -3, 2), (-1, -2, 3), (-3, 2, -1), ( -3, 1, -2), (-2, 3, -1), (-2, 1, -3), (-1, 3, -2), (-1, 2, -3), ( -3, -2, -1), (-3, -1, -2), (-2, -3, -1), (-2, -1, -3), (-1, -3, It may be a crystal plane selected from one or more of -2) and (-1, -2, -3).

본 발명에 따른 유리한 일 구체예에 있어, 귀금속 나노별의 표면은 {3, 2, 1}면을 포함하는 고지수면에 의한 평면의 표면 영역인 파셋을 포함할 수 있으며, 금속 나노별의 전체의 표면적을 100으로, 파셋이 차지하는 표면적은 70% 이상, 구체적으로 70 내지 90%, 보다 구체적으로, 72 내지 85%일 수 있다. 보다 유리한 일 구체예에 있어, 파셋이 차지하는 표면적은 {3, 2, 1}면인 평면의 파셋이 차지하는 표면적일 수 있다. In one advantageous embodiment according to the present invention, the surface of the noble metal nanostar may include a facet, which is a planar surface area by a high exponential surface including {3, 2, 1} planes, and the entire metal nanostar The surface area is 100, and the surface area occupied by the facets may be 70% or more, specifically 70 to 90%, and more specifically, 72 to 85%. In a more advantageous embodiment, the surface area occupied by the facets may be the surface area occupied by the plane facets of {3, 2, 1} planes.

유리한 일 구체예에 있어, 귀금속 나노별의 표면은 {3, 2, 1}면을 포함하는 고지수면에 의한 평면의 표면 영역인 파셋;과 서로 인접하는 파셋간을 연결하는 부드럽게 곡률진 표면 영역(라운딩 영역)을 포함할 수 있으며, 금속 나노별의 전체의 표면적을 100으로, 파셋이 차지하는 표면적은 70% 이상, 구체적으로 80% 이상, 실질적으로 80 내지 95%일 수 있다. In one advantageous embodiment, the surface of the noble metal nanostar is a facet, which is a plane surface area by a high exponential surface including {3, 2, 1} planes; and a smoothly curved surface area that connects adjacent facets ( Rounding area), and the total surface area of the metal nanostar is 100, and the surface area occupied by the facets may be 70% or more, specifically 80% or more, and substantially 80 to 95%.

본 발명에 따른 유리한 일 구체예에 있어, 귀금속 나노별의 표면은 {3, 2, 1}면을 포함하는 고지수면에 의한 평면의 표면 영역인 파셋;과 서로 인접하는 파셋간을 연결하는 부드럽게 곡률진 표면 영역(라운딩 영역);으로 이루어질 수 있다. 이때, 금속 나노별의 전체의 표면적을 100으로, 파셋이 차지하는 표면적은 70% 이상, 구체적으로 70 내지 90%, 보다 구체적으로, 72 내지 85%일 수 있고, 라운딩 영역이 차지하는 표면적은 30% 이하, 구체적으로, 10 내지 30%, 보다 구체적으로 15 내지 28%일 수 있다. In an advantageous embodiment according to the present invention, the surface of the noble metal nanostar is a facet, which is a surface area of a plane by a high exponential surface including a {3, 2, 1} plane; and a smooth curvature connecting the facets adjacent to each other It may consist of a true surface area (rounding area). At this time, the total surface area of the metal nanostar is 100, the surface area occupied by the facets may be 70% or more, specifically 70 to 90%, more specifically, 72 to 85%, and the surface area occupied by the rounding area is 30% or less. , Specifically, it may be 10 to 30%, more specifically 15 to 28%.

본 발명에 따른 유리한 일 구체예에 있어, 귀금속 나노별의 표면은 {3, 2, 1}면에 의한 표면 영역인 파셋;과 서로 인접하는 파셋간을 연결하는 부드럽게 곡률진 표면 영역(라운딩 영역)을 포함할 수 있으며, 금속 나노별의 전체의 표면적을 100으로, {3, 2, 1}면에 의한 표면 영역인 파셋이 차지하는 표면적은 70% 이상, 구체적으로 70 내지 90%, 보다 구체적으로, 72 내지 85%일 수 있다. 나아가, 귀금속 나노별의 표면은 {3, 2, 1}면에 의한 표면 영역인 파셋;과 서로 인접하는 파셋간을 연결하는 부드럽게 곡률진 표면 영역(라운딩 영역);으로 이루어질 수 있다.In an advantageous embodiment according to the present invention, the surface of the noble metal nanostar is a facet, which is a surface area by a {3, 2, 1} plane; and a smoothly curved surface area (rounding area) connecting facets adjacent to each other It may include, and the total surface area of the metal nanostar is 100, and the surface area occupied by the facet, which is the surface area by the {3, 2, 1} plane, is 70% or more, specifically 70 to 90%, more specifically, It may be 72 to 85%. Furthermore, the surface of the noble metal nanostar may include a facet, which is a surface area formed by a {3, 2, 1} plane, and a smoothly curved surface area (rounding area) connecting facets adjacent to each other.

나노별의 형상적 측면에서, 나노별의 돌출부는 다각 뿔 형상일 수 있으며, 다각 뿔은 고지수면에 의한 평면의 표면 영역인 파셋을 포함할 수 있다. 즉, 나노별에서 고지수면에 의한 평면의 표면 영역인 파셋이 돌출부인 다각 뿔의 측면(뿔의 면)을 형성할 수 있다. 이때, 다각 뿔 형상의 돌출부는 다각 뿔의 측면에 파셋이 존재(위치)함을 의미하는 것이며, 다각 뿔 형상이 다각 뿔의 가장자리(edge)와 모서리(corner)가 날카롭게 각이 져 있는 형상으로 한정되어 해석되어서는 안된다. 일 예로, 다각 뿔의 측면과 측면이 만나는 가장자리와 셋 이상의 측면이 만나게 되는 다각 뿔의 모서리(다각 뿔의 첨단)이 부드럽게 곡률진 형상 또한 다각 뿔로 해석되어야 한다. 그러나, 본 발명이 가장자리와 모서리가 날카롭게 각이 져 있는 형상을 배제하는 것은 아니다. In terms of the shape of the nanostar, the protrusion of the nanostar may have a polygonal horn shape, and the polygonal horn may include a facet, which is a planar surface area by a high exponential surface. In other words, the facet, which is the surface area of the plane by the high exponential surface of the nanostar, can form the side surface (the surface of the pyramid) of the polygonal horn as the protrusion. At this time, the protrusion in the shape of a polygonal horn means that the facet exists (position) on the side of the polygonal horn, and the shape of the polygonal horn is limited to a shape in which the edges and corners of the polygonal horn are sharply angled. Should not be interpreted. As an example, a shape in which the edge of the polygonal horn meets the side and the edge of the polygonal horn (the tip of the polygonal horn) where three or more sides meet smoothly should be interpreted as a polygonal horn. However, the present invention does not exclude a shape in which the edges and edges are sharply angled.

일 구체예에 있어, 귀금속 나노별의 표면은 다각 뿔의 각 측면에 파셋이 위치하는 다각 뿔 형상의 요철로 이루어질 수 있다.In one embodiment, the surface of the noble metal nanostar may be formed of irregularities in the shape of a polygonal horn in which facets are located on each side of the polygonal horn.

본 발명에 따른 유리한 일 구체예에 있어, 귀금속 나노별의 표면은, 다각 뿔의 각 측면에 {3, 2, 1}면을 포함하는 고지수면에 의한 평면의 표면 영역인 파셋이 위치하는, 다각 뿔 형상의 요철로 이루어질 수 있다.In an advantageous embodiment according to the present invention, the surface of the noble metal nanostar is, on each side of the polygonal horn, a facet, which is a planar surface area by a high exponential surface including {3, 2, 1} planes, is located. It can be made of horn-shaped irregularities.

본 발명에 따른 유리한 일 구체예에 있어, 귀금속 나노별의 표면은, 다각 뿔의 각 측면에 {3, 2, 1}면인 고지수면에 의한 평면의 표면 영역인 파셋이 위치하는, 다각 뿔 형상의 요철로 이루어질 수 있다. 이때, 다각 뿔의 측면과 측면이 만나는 가장자리와 셋 이상의 측면이 만나게 되는 다각 뿔의 모서리(다각 뿔의 첨단)이 부드럽게 곡률진 형상일 수 있으며, 이는 앞서 상술한 라운딩 영역에 상응할 수 있다. In one advantageous embodiment according to the present invention, the surface of the noble metal nanostar is a polygonal cone-shaped facet, which is a planar surface area by a high exponential surface, which is a {3, 2, 1} plane, on each side of the polygonal horn. It can be made of irregularities. In this case, the edge of the polygonal horn (the tip of the polygonal horn) where the side and the side of the polygonal horn meet, and the edge of the polygonal horn (the tip of the polygonal horn) where three or more sides meet may have a smoothly curved shape, which may correspond to the aforementioned rounding area.

본 발명에 따른 유리한 일 구체예에 있어, 귀금속 나노별은, 귀금속 나노별의 전체의 표면적을 100으로, 다각 뿔의 {321}면의 파셋이 차지하는 표면적이 70% 이상, 구체적으로 70 내지 90%, 보다 구체적으로, 72 내지 85%일 수 있다.In an advantageous embodiment according to the present invention, the noble metal nanostar has a total surface area of 100, and the surface area occupied by the facet of the {321} plane of the polygonal horn is 70% or more, specifically 70 to 90%. , More specifically, it may be 72 to 85%.

유리한 일 예에 있어, 귀금속 나노별은 이산화탄소 환원을 위한 촉매용일 수 있다. 반드시 이러한 해석에 한정되는 것은 아니나, 귀금속 나노별이 {321}면을 포함하는 고지수면의 파셋을 포함하는 경우, 이산화탄소 환원 반응의 반응 속도를 결정하는 단계(RDS; rate-determining step)인 *COOH 흡착 단계에서 {321}면에 의해 매우 안정적인 *COOH 흡착이 제공되며, {321}면과 *CO와의 결합력이 작아 CO의 빠른 탈착이 발생할 수 있고, {321}면에서 경쟁반응인 수소발생반응(HER; hydrogen evolution reaction)의 속도를 제어하는 중간 산물인 *H의 흡착이 잘 발생하지 않아 이산화탄소 환원시 놀랍도록 우수한 촉매 활성 및 CO 선택성을 나타낼 수 있다.In one advantageous example, the noble metal nanostar may be used as a catalyst for carbon dioxide reduction. Although not necessarily limited to this interpretation, when the precious metal nanostar contains a facet of a high surface including {321} planes, *COOH, which is a rate-determining step (RDS), which determines the reaction rate of the carbon dioxide reduction reaction. In the adsorption step, very stable *COOH adsorption is provided by the {321} plane, and the bonding force between the {321} plane and *CO is small, so rapid desorption of CO can occur, and the hydrogen evolution reaction ( Adsorption of *H, an intermediate product that controls the rate of hydrogen evolution reaction (HER), does not occur well, so it can exhibit surprisingly excellent catalytic activity and CO selectivity when reducing carbon dioxide.

본 발명은 상술한 귀금속 나노별의 제조방법을 포함한다.The present invention includes a method of manufacturing the noble metal nanostar described above.

본 발명에 따른 귀금속 나노별 제조방법은 밀러 지수(Miller index)에 의해 규정되는 {h, k, l} 결정면 패밀리 기준, h, k 및 l이 각각 2 이하의 자연수 내지 0인 저지수면(low index crystal plane)의 표면을 포함하며 30nm 이하의 크기를 갖는 귀금속 시드, 친수성 고분자, 알킬아민계 계면활성제, 무기산 및 귀금속 전구체가 혼합된 반응액을 가열하여 귀금속 나노별을 제조하는 단계(과성장 단계)를 포함한다.The method for manufacturing precious metal nanostars according to the present invention is based on the {h, k, l} crystal face family defined by the Miller index, where h, k, and l are each a natural number of 2 or less to 0. crystal plane) and preparing a noble metal nanostar by heating a mixture of a noble metal seed having a size of 30 nm or less, a hydrophilic polymer, an alkylamine surfactant, an inorganic acid, and a noble metal precursor (overgrowth step) Includes.

일 구체예에 있어, 친수성 고분자는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리(비닐 아세테이트)(Poly(vinyl acetate)), 폴리이소부틸렌(Polyisobutylene)등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에 있어, 폴리비닐피롤리돈일 수 있다. 친수성 고분자의 Mw는 10,000 내지 100,000일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment, the hydrophilic polymer may be polyvinylpyrrolidone (PVP), polystyrene, poly(vinyl acetate), polyisobutylene, etc. It is not limited. In one embodiment, it may be polyvinylpyrrolidone. Mw of the hydrophilic polymer may be 10,000 to 100,000, but is not limited thereto.

일 구체예에 있어, 알킬아민계 계면활성제는 모노메틸아민, 디메틸아민, 트리메틸아민, 모노에틸아민, 디에틸아민, 트리에틸아민, 이소프로필아민, 디이소프로필아민, 모노-n-프로필아민, 디-n-프로필아민, 트리-n-프로필아민, 모노-n-부틸아민, 디-n-부틸아민, 트리-n-부틸아민, 모노-sec-부틸아민, 디-sec-부틸아민, 트리-sec-부틸아민, 모노-tert-부틸아민, 디-tert-부틸아민, 시클로헥실아민, 디시클로헥실아민, 옥틸아민, 도데실아민, 헥사데실아민, 디메틸아미노 에틸아민, N-에틸에틸렌디아민, N,N-디메틸-1,3-프로판디아민 또는 이들의 혼합물등일 수 있다. 알킬아민계 계면활성제의 종류를 달리하여 파셋을 형성하는 고지수 면의 구체 결정면이 제어될 수 있다. 구체예로, 디메틸아민을 사용하여 {3, 2, 1}면 파셋을 포함하는 귀금속 나노별이 제조될 수 있으며, 모노메틸아민을 사용하여 {7, 5, 3}면 파셋을 포함하는 귀금속 나노별이 제조될 수 있고, 옥틸아민을 사용하여 {7, 4, 2}면 파셋을 포함하는 귀금속 나노별이 제조되는 등, 알킬아민계 계면활성제의 종류에 따라, {3, 2, 1}, {4, 2, 1}, {4, 3, 1}, {4, 3, 2}, {6, 4, 3}, {6, 3, 1}, {5, 4, 3}, {7, 2, 1}, {7, 4, 2}, {7, 5, 3} 및 {7, 6, 1} 군에서 하나 이상 선택되는 고지수면의 파셋을 포함하는 귀금속 나노별이 제조될 수 있다. In one embodiment, the alkylamine-based surfactant is monomethylamine, dimethylamine, trimethylamine, monoethylamine, diethylamine, triethylamine, isopropylamine, diisopropylamine, mono-n-propylamine, Di-n-propylamine, tri-n-propylamine, mono-n-butylamine, di-n-butylamine, tri-n-butylamine, mono-sec-butylamine, di-sec-butylamine, tri -sec-butylamine, mono-tert-butylamine, di-tert-butylamine, cyclohexylamine, dicyclohexylamine, octylamine, dodecylamine, hexadecylamine, dimethylamino ethylamine, N-ethylethylenediamine , N,N-dimethyl-1,3-propanediamine, or a mixture thereof. By varying the type of the alkylamine surfactant, the spherical crystal plane of the high-index surface forming the facet can be controlled. As a specific example, noble metal nanostars containing {3, 2, 1} facets may be prepared using dimethylamine, and noble metal nanostars containing {7, 5, 3} facet faces using monomethylamine Stars can be prepared, and noble metal nanostars including {7, 4, 2} facets are prepared using octylamine, etc., depending on the type of alkylamine surfactant, {3, 2, 1}, {4, 2, 1}, {4, 3, 1}, {4, 3, 2}, {6, 4, 3}, {6, 3, 1}, {5, 4, 3}, {7 , 2, 1}, {7, 4, 2}, {7, 5, 3}, and {7, 6, 1} Noble metal nanostars including facets of high water surface selected from the group or more can be prepared .

일 구체예에 있어, 환원속도 조절을 위한 무기산은 황산, 염산, 질산, 인산, 설파민산, 과염소산, 크롬산, 아황산 및 아질산에서 하나 이상 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment, the inorganic acid for controlling the reduction rate may be one or more selected from sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, sulfamic acid, perchloric acid, chromic acid, sulfurous acid, and nitrous acid, but is not limited thereto.

일 구체예에 있어, 귀금속 전구체는 귀금속의 염화물, 불화물, 브롬화물, 질산염, 황산염, 아세트산염, 할로겐화물산등일 수 있으며, 유리한 일 예인 금을 기준으로, 염화금산(HAuCl4)이나 염화금등일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment, the noble metal precursor may be a noble metal chloride, fluoride, bromide, nitrate, sulfate, acetate, halide acid, etc., based on an advantageous example of gold, such as chloroauric acid (HAuCl 4 ) or gold chloride. However, it is not limited thereto.

일 구체예에 있어, 반응액의 용매는 옥틸 에테르(octyl ether), 부틸 에테르(butyl ether), 헥실 에테르(hexyl ether), 데실 에테르(decyl ether)등의 에테르계 용매, 피리딘, 테트라하이드로퓨란(THF)등의 헤테로고리화합물계 용매, 디메틸술폭사이드(DMSO), 디메틸포름아마이드(DMF)등의 방향족화합물계 용매, 옥틸알코올, 데칸올등의 알코올계 용매, 또는 이들의 혼합용매등을 들 수 있다.In one embodiment, the solvent of the reaction solution is an ether solvent such as octyl ether, butyl ether, hexyl ether, or decyl ether, pyridine, tetrahydrofuran ( Heterocyclic compound-based solvents such as THF), aromatic compound-based solvents such as dimethyl sulfoxide (DMSO) and dimethylformamide (DMF), alcohol-based solvents such as octyl alcohol and decanol, or a mixed solvent thereof. have.

일 구체예에 있어, 반응액은 귀금속 나노별 0.1 중량부 기준, 5 내지 30 중량부의 알킬아민계 계면활성제, 1 내지 10 중량부의 무기산, 100 내지 300 중량부의 친수성 고분자 및 0.01 내지 0.50 중량부의 귀금속전구체를 함유할 수 있다. 이때, 반응액내 상술한 중량비를 만족하는 물질들의 농도는 용매의 용해도 범위 내이면 무방하다. In one embodiment, the reaction solution is based on 0.1 parts by weight of each noble metal nano, 5 to 30 parts by weight of an alkylamine-based surfactant, 1 to 10 parts by weight of an inorganic acid, 100 to 300 parts by weight of a hydrophilic polymer, and 0.01 to 0.50 parts by weight of a noble metal precursor It may contain. At this time, the concentration of substances satisfying the weight ratio described above in the reaction solution may be within the solubility range of the solvent.

반응액의 가열 온도는 50 내지 80℃일 수 있으며, 반응시간은 3 내지 6시간일 수 있다.The heating temperature of the reaction solution may be 50 to 80°C, and the reaction time may be 3 to 6 hours.

밀러 지수(Miller index)에 의해 규정되는 {h, k, l} 결정면 패밀리 기준, h, k 및 l이 각각 2 이하의 자연수 내지 0인 저지수면(low index crystal plane)의 표면을 포함하며 30nm 이하의 크기를 갖는 귀금속 시드는 {111}면을 포함하는 저지수 면의 표면을 포함하는 이십면체 귀금속 시드일 수 있다. 이러한 저지수면의 귀금속 시드는 종래 알려진 방법을 사용하여 제조될 수 있다. The {h, k, l} crystal plane family standard defined by the Miller index, including the surface of the low index crystal plane where h, k, and l are natural numbers of 2 or less and 0, respectively, and is 30 nm or less The noble metal seed having a size of may be an icosahedral noble metal seed including the surface of the low water surface including the {111} plane. Such low-water noble metal seeds can be prepared using a conventionally known method.

일 예로, 1,5-펜탄다이올(1,5-pentanediol), 1,3-프로판다이올(1,3-propanediol), 다이에틸렌글리콜(diethylene glycol)등과 같은 환원성 용매에 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리(비닐 아세테이트)(Poly(vinyl acetate)), 폴리이소부틸렌(Polyisobutylene)등과 같은 친수성 고분자를 첨가하여 240 내지 260℃의 온도로 가열하고, 가열된 친수성 고분자 용액에 동종의 환원성 용매에 귀금속 전구체가 용해된 전구체 용액을 주입하여 제조될 수 있다. For example, 1,5-pentanediol (1,5-pentanediol), 1,3-propanediol (1,3-propanediol), diethylene glycol (diethylene glycol) in a reducing solvent such as polyvinylpyrrolidone Hydrophilic polymers such as (polyvinylpyrrolidone, PVP), polystyrene, poly(vinyl acetate), polyisobutylene, etc. were added, heated to a temperature of 240 to 260°C, and heated. It can be prepared by injecting a precursor solution in which a noble metal precursor is dissolved in a reducing solvent of the same kind into a hydrophilic polymer solution.

본 발명은 상술한 귀금속 나노별을 포함하는 이산화탄소 환원용 촉매를 포함한다.The present invention includes a catalyst for reducing carbon dioxide comprising the above-described noble metal nanostars.

이산화탄소 환원은 전기화학적 환원일 수 있으나, 본 발명이 기상의 이산화탄소(이산화탄소 가스)와 촉매간의 직접적 반응에 의한 환원을 배제하는 것으로 해석되어서는 안된다.Carbon dioxide reduction may be electrochemical reduction, but the present invention should not be interpreted as excluding reduction by direct reaction between gaseous carbon dioxide (carbon dioxide gas) and a catalyst.

일 구체예에 있어, 촉매는 상술한 귀금속 나노별과 함께, 귀금속 나노별이 담지되는 지지체를 더 포함할 수 있다. 지지체는 촉매 분야, 일 예로, 이산화탄소의 전기화학적 환원 분야에서 촉매 금속을 담지하는데 사용되는 것으로 알려진 어떠한 지지체라도 무방하다. 일 예로, 지지체는 탄소 지지체일 수 있으며, 탄소 지지체는 카본블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 메조다공성 탄소, 흑연, 흑연 나노섬유(GNF; Graphite Nanofiber), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nanotube) 또는 이들의 혼합물등을 들 수 있으나, 본 발명이 지지체의 구체 종류에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.In one embodiment, the catalyst may further include a support on which the noble metal nanostars are supported together with the noble metal nanostars described above. The support may be any support known to be used to support a catalyst metal in the field of catalysis, for example, in the field of electrochemical reduction of carbon dioxide. For example, the support may be a carbon support, and the carbon support may be carbon black, ketjen black, acetylene black, mesoporous carbon, graphite, graphite nanofiber (GNF), graphene, carbon nanotube (CNT). ; Carbon Nanotube) or a mixture thereof, etc., but the present invention is of course not limited by the specific type of the support.

일 구체예에 있어, 촉매는 1 내지 25중량%, 5 내지 20 중량%, 또는 5 내지 15중량%의 귀금속 나노별을 함유할 수 있다. In one embodiment, the catalyst may contain 1 to 25% by weight, 5 to 20% by weight, or 5 to 15% by weight of noble metal nanostars.

일 구체예에 있어, 촉매는 가역 수소 전극(RHE; reversible hydrogen electrode)에 대비 -0.6V(vs. RHE) 조건에서, 귀금속 나노별의 단위질량당 33A/g 이상의 질량 활성(mass activity)을 가질 수 있다. In one embodiment, the catalyst has a mass activity of 33A/g or more per unit mass of the precious metal nanostar under -0.6V (vs. RHE) conditions compared to a reversible hydrogen electrode (RHE). I can.

일 구체예에 있어, 촉매는 가역 수소 전극 대비 전압에 따른 CO 전류밀도에 있어, -0.9 내지 -1.1V의 전압(vs. RHE) 전 영역에서, 전압이 음의 방향으로 증가함에 따라 CO 전류밀도가 음의 방향으로 증가할 수 있다. 즉, CO 전류밀도 증가분/전압 증가분으로 규정되는 기울기가 -0.9 내지 -1.1V의 전압 전 영역에서 양의 값을 가질 수 있다.In one embodiment, the catalyst has a CO current density according to a voltage compared to a reversible hydrogen electrode in the entire range of voltage (vs. RHE) of -0.9 to -1.1V, as the voltage increases in the negative direction, the CO current density. Can increase in the negative direction. That is, the slope defined by the CO current density increase/voltage increase may have a positive value in the entire voltage range of -0.9 to -1.1V.

일 구체예에 있어, 촉매는 가역 수소 전극(RHE; reversible hydrogen electrode)에 대비 -0.4 내지 -1.1V 전압 범위에서 최대 CO 패러데이 효율이 87% 이상일 수 있다.In one embodiment, the catalyst may have a maximum CO Faraday efficiency of 87% or more in a voltage range of -0.4 to -1.1V compared to a reversible hydrogen electrode (RHE).

일 구체예에 있어, 촉매는 가역 수소 전극(RHE; reversible hydrogen electrode)에 대비 -0.7V 조건 5시간의 연속적인 이산화탄소 환원시, 80% 이상의 CO 패러데이 효율을 가질 수 있다.In one embodiment, the catalyst may have a CO Faraday efficiency of 80% or more when continuously reducing carbon dioxide under a condition of -0.7V for 5 hours compared to a reversible hydrogen electrode (RHE).

일 구체예에 있어, 촉매는 가역 수소 전극(RHE; reversible hydrogen electrode)에 대비 -0.7V 조건에서, 2.0mA/cm2 이상의 비 활성(specific activity)을 가질 수 있다. In one embodiment, the catalyst may have a specific activity of 2.0 mA/cm 2 or more under a condition of -0.7 V compared to a reversible hydrogen electrode (RHE).

촉매의 CO 패러데이 효율, 촉매의 질량 활성, 촉매의 비 활성, 전압에 따른 CO 전류밀도등은, 실험적으로, 0.5 M KHCO3 수용액(pH=7.3)을 전해질로 채택하고, 전해질에 이산화탄소를 공급하여 이산화탄소 포화 전해질을 이용하고, 애노드로 Pt 플레이트를, 기준 전극으로 Ag/AgCl을 채택한 이산화탄소 환원 시스템을 이용한 것일 수 있으며, Au 나노별이 10~13중량% 수준으로 케첸 블랙에 담지된 탄소-금 나노별 복합체가 유효면적이 0.3 내지 1.00㎠인 유리탄소전극에 로딩된 작업 전극을 기준한 것일 수 있다.The CO Faraday efficiency of the catalyst, the mass activity of the catalyst, the inactivation of the catalyst, and the CO current density according to the voltage were experimentally determined by adopting a 0.5 M KHCO 3 aqueous solution (pH = 7.3) as an electrolyte and supplying carbon dioxide to the electrolyte. It may be a carbon dioxide reduction system using a carbon dioxide saturated electrolyte, a Pt plate as an anode, and Ag/AgCl as a reference electrode, and a carbon-gold nanoparticle supported on Ketchen Black at a level of 10 to 13% by weight of Au nanostars. The star complex may be based on a working electrode loaded on a glass carbon electrode having an effective area of 0.3 to 1.00 cm 2.

본 발명은 상술한 촉매를 포함하는 이산화탄소 환원용 전극을 포함한다.The present invention includes an electrode for reducing carbon dioxide comprising the catalyst described above.

전극은 집전체 및 상술한 촉매를 포함하는 활물질층을 포함할 수 있다. 이때, 활물질층은 촉매를 집전체에 고정하기 위해 통상적으로 사용되는 고분자 바인더를 더 포함할 수 있음은 물론이며, 필요시 촉매층의 전기적 특성을 향상시키기 위한 도전재등 알려진 첨가제를 더 포함할 수 있음은 물론이다. The electrode may include a current collector and an active material layer including the catalyst described above. At this time, the active material layer may further include a polymeric binder commonly used to fix the catalyst to the current collector, and may further include known additives such as a conductive material to improve the electrical properties of the catalyst layer if necessary. Of course.

본 발명은 상술한 이산화탄소 환원용 전극을 작업전극으로 하여, 작업전극과 이산화탄소 함유 유체를 접촉시키고, 작업전극 및 작업전극의 대전극간 전압을 인가하여 일산화탄소를 생성하는 이산화탄소 전환방법을 포함한다. 작업전극의 대전극인 상대전극은 백금, 금, 유리탄소, 이리듐등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. The present invention includes a carbon dioxide conversion method in which a working electrode and a fluid containing carbon dioxide are brought into contact with the above-described carbon dioxide reduction electrode as a working electrode, and a voltage between the working electrode and the counter electrode of the working electrode is applied to generate carbon monoxide. The counter electrode, which is the counter electrode of the working electrode, may be platinum, gold, glass carbon, iridium, etc., but is not limited thereto.

이산화탄소 함유 유체는 이산화탄소가 용해된 전해액일 수 있다. 이때, 이산화탄소가 전해액에 공급되며 전해액에 용해된 상태의 이산화탄소가 작업 전극과 접촉하여 환원될 수 있음은 물론이다. 액체 전해액의 전해질은 전기화학적 이산화탄소 환원시 통상적으로 사용되는 전해질이면 무방하다. 구체예로, 전해질은 K2SO4, KHCO3, KCl, KOH, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 작업전극이 위치하는 공간과 대전극이 위치하는 공간은 분리막(멤브레인)에 의해 구획된 상태일 수 있으며, 분리막은 수소이온 전도성 분리막일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The carbon dioxide-containing fluid may be an electrolyte in which carbon dioxide is dissolved. At this time, it goes without saying that carbon dioxide is supplied to the electrolyte and carbon dioxide dissolved in the electrolyte may be reduced by contacting the working electrode. The electrolyte of the liquid electrolyte may be an electrolyte commonly used in electrochemical carbon dioxide reduction. In a specific embodiment, the electrolyte may be selected from the group consisting of K 2 SO 4 , KHCO 3 , KCl, KOH, and combinations thereof, but is not limited thereto. The space in which the working electrode is located and the space in which the counter electrode is located may be divided by a separator (membrane), and the separator may be a hydrogen ion conductive separator, but is not limited thereto.

본 발명은 상술한 이산화탄소 환원용 전극인 작업전극; 작업전극의 대전극; 작업전극과 대전극 사이에 위치하는 분리막(멤브레인); 및 이산화탄소 함유 전해액;을 포함하는 이산화탄소 환원장치를 포함한다. The present invention is a working electrode that is the above-described carbon dioxide reduction electrode; The counter electrode of the working electrode; A separator (membrane) positioned between the working electrode and the counter electrode; And a carbon dioxide reduction device including a carbon dioxide-containing electrolyte.

이산화탄소 환원장치는 종래 알려진 배치식, 순환식, 연속식, 고분자 전해질막형 시스템, 또는 이들의 조합들로 이루어진 혼합식등의 종래 알려진 구조를 가질 수 있으며, 구체 이산화탄소 환원장치의 구조에 따라 알려진 바와 같이 이산화탄소, 생성물, 전해액등의 주입, 배출 및/또는 순환 라인이 구축될 수 있음은 물론이다. The carbon dioxide reduction device may have a conventionally known structure such as a batch type, a circulation type, a continuous type, a polymer electrolyte membrane type system, or a mixed type consisting of a combination thereof, and as known according to the structure of the specific carbon dioxide reduction device. Of course, a line for injection, discharge and/or circulation of carbon dioxide, product, electrolyte, etc. can be constructed.

본 발명에 따른 이산화탄소 전환 방법 및 이산화탄소 환원 장치는, 이산화탄소가 공급되며 매우 우수한 선택성으로 일산화탄소가 제조될 수 있다.In the carbon dioxide conversion method and the carbon dioxide reduction apparatus according to the present invention, carbon dioxide is supplied and carbon monoxide can be produced with very excellent selectivity.

이에, 본 발명의 이산화탄소 전환 방법은 일산화탄소의 제조(생성) 방법에 상응할 수 있으며, 본 발명의 이산화탄소 환원 장치는 일산화탄소 제조 장치에 상응할 수 있다.Accordingly, the carbon dioxide conversion method of the present invention may correspond to a method for producing (producing) carbon monoxide, and the carbon dioxide reducing apparatus of the present invention may correspond to an apparatus for producing carbon monoxide.

따라서, 본 발명은 일산화탄소의 제조(생성) 방법과 일산화탄소 제조 장치를 포함한다.Accordingly, the present invention includes a method for producing (producing) carbon monoxide and an apparatus for producing carbon monoxide.

(실시예 1)(Example 1)

금 나노별 제조Gold nanostar manufacturing

0.050 몰농도(M)로 골드(I)클로라이드(gold(I) chloride, AuCl)가 용해된 1,5-펜탄다이올(PD; 1,5-Pentanediol) 용액인 금전구체 용액을 제조하였다. 1,5-펜탄다이올 5.5 ㎖에 0.25 g의 폴리비닐피롤리돈(PVP; Polyvinyl pyrrolidone, Mw 55000)이 녹아있는 계면활성제 용액을 250℃로 가열하고 제조된 금전구체 용액 1.5 ㎖를 주입한 후, 250℃에서 5분간 교반(350 rpm)하여 이십면체의 금 나노시드를 제조하였다. 원심분리를 이용하여 제조된 금 나노시드를 회수하고 에탄올로 3회 세척한 후 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide)에 재분산하여 금 나노시드 분산액을 제조하였다.A gold precursor solution was prepared as a 1,5-pentanediol (PD; 1,5-Pentanediol) solution in which gold (I) chloride (AuCl) was dissolved at 0.050 molar concentration (M). After heating a surfactant solution in which 0.25 g of polyvinyl pyrrolidone (PVP; Polyvinyl pyrrolidone, Mw 55000) is dissolved in 5.5 ml of 1,5-pentanediol, 1.5 ml of the prepared gold precursor solution was injected. , Stirring (350 rpm) at 250° C. for 5 minutes to prepare an icosahedral gold nanoseed. Gold nanoseeds prepared by centrifugation were recovered, washed three times with ethanol, and redispersed in dimethyl formamide to prepare a gold nanoseed dispersion.

45 ㎖의 디메틸포름아마이드에 3.6 g의 폴리비닐피롤리돈, 300 ㎕의 디메틸아민(dimethylamine, 45 wt% in H2O) 및 2.5 몰농도의 염산 수용액 240 ㎕를 혼합한 후, 금 나노시드 분산액 1.5 ㎖(Au 금속 기준으로 10 μmol)와 0.050 몰농도(M)로 HAuCl4가 용해된 디메틸포름아마이드 용액 60 ㎕를 첨가하고, 65℃에서 4시간동안 교반(350 rpm)하여 금 나노별을 제조하였다. 원심분리를 이용하여 제조된 금 나노별을 회수하고 에탄올로 2회 세척한 후, 5 ㎖의 에탄올에 분산 보관하였다. After mixing 3.6 g of polyvinylpyrrolidone, 300 μl of dimethylamine (45 wt% in H 2 O) and 240 μl of 2.5 molar aqueous hydrochloric acid solution in 45 ml of dimethylformamide, gold nanoseed dispersion Gold nanostars were prepared by adding 1.5 ml (10 μmol based on Au metal) and 60 μl of a dimethylformamide solution in which HAuCl 4 was dissolved at 0.050 molar concentration (M), and stirred at 65° C. for 4 hours (350 rpm). I did. The gold nanostars prepared by centrifugation were recovered, washed twice with ethanol, and then dispersed and stored in 5 ml of ethanol.

전극 제조Electrode manufacturing

제조된 금 나노별이 탄소지지체에 담지되도록, 초음파 처리를 통해 정량된 케첸 블랙(Ketjen black) 15.6 ㎎을 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 50 ㎖에 분산시키고, 에탄올 분산된 금 나노별(Au 금속 기준으로 2.7 ㎎)을 첨가하였다. 이후 상온에서 1시간 교반하고 필터링을 통해 제조된 탄소-금 나노별 복합체를 회수하였으며, 60℃ 진공 오븐에서 12 시간 이상 건조시켰다. 금 나노별의 정량은 유도결합 플라즈마 발광 분광법(ICP-OES)를 통해 수행되었다. ICP-OES 분석 결과, 탄소-금 나노별 복합체에 금 나노별이 11중량% 담지된 것을 확인하였다.15.6 mg of Ketjen black quantified through ultrasonic treatment was dispersed in 50 ml of ethylene glycol so that the prepared gold nanostars were supported on the carbon support, and gold nanostars dispersed in ethanol (based on Au metal). 2.7 mg) was added. Thereafter, the mixture was stirred at room temperature for 1 hour and filtered to recover the prepared carbon-gold nanostar composite, and dried in a vacuum oven at 60° C. for 12 hours or more. Quantification of gold nanostars was performed through inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-OES). As a result of ICP-OES analysis, it was confirmed that 11% by weight of gold nanostars was supported on the carbon-gold nanostar composite.

제조된 탄소-금 나노별 복합체를 이소프로판올(Isopropanol)에 분산(분산농도=1㎎/㎖)시킨 후, 유리탄소전극(유효면적 0.50㎠)에 드랍-캐스팅 (Drop-casting)으로 도포하여 유리탄소전극 유효면적에 0.10g의 탄소-금 나노별 복합체가 로딩되도록 하였다. 이후, 나피온(Nafion) 퍼플루오르화 수지 용액(5 wt%)에 이소프로판올을 추가하여 20 배 희석하고 희석된 수지 용액 30㎕를 동 표면에 드롭 캐스팅하여 작업 전극을 제조하였다.The prepared carbon-gold nanostar complex was dispersed in isopropanol (dispersion concentration = 1 mg/ml), and then applied to a glass carbon electrode (effective area 0.50㎠) by drop-casting to free carbon 0.10g of carbon-gold nanostar composite was loaded on the effective area of the electrode. Thereafter, isopropanol was added to Nafion perfluorinated resin solution (5 wt%), diluted 20 times, and 30 μl of the diluted resin solution was drop-cast on the same surface to prepare a working electrode.

이산화탄소 환원 시스템 제조Carbon dioxide reduction system manufacturing

분리된 애노드 챔버 및 캐소드 챔버가 있는 기밀 반응셀을 이산화탄소 환원 시스템으로 사용하였다. 캐소드로 제조된 작업 전극을 사용하였으며, 애노드로 Pt 플레이트를 사용하였고, 기준 전극으로 Ag/AgCl(in 3 M NaCl)을 사용하였다. 0.5 M KHCO3 수용액(pH=7.3)에 60cc/min으로 1시간 동안 이산화탄소를 버블링하여, 이산화탄소 포화된 포타슘바이카보네이트 수용액을 전해질로 사용하였다.An airtight reaction cell with separated anode chamber and cathode chamber was used as a carbon dioxide reduction system. A working electrode made of a cathode was used, a Pt plate was used as an anode, and Ag/AgCl (in 3 M NaCl) was used as a reference electrode. Carbon dioxide was bubbled in a 0.5 M KHCO 3 aqueous solution (pH=7.3) at 60 cc/min for 1 hour, and a carbon dioxide saturated aqueous potassium bicarbonate solution was used as an electrolyte.

애노드 챔버 및 캐소드 챔버는 Nafion® 117 이온 교환막으로 분리되었으며, 캐소드 측만이 260rpm으로 교반되었다. 이산화탄소 환원 시스템으로의 CO2 공급은 60cc/min으로 고정되었으며, CO2 공급은 질량 흐름 제어기 (MFC, Line Tech M3030V)에 의해 제어되었다. 다만, 전기화학 임피던스 분광법(EIS; electrochemical impedance spectroscopy) 측정시 정확한 분석을 위해, CO2 공급과 교반을 중단하였다.The anode chamber and the cathode chamber were separated by a Nafion ® 117 ion exchange membrane, and only the cathode side was stirred at 260 rpm. The CO 2 supply to the carbon dioxide reduction system was fixed at 60 cc/min, and the CO 2 supply was controlled by a mass flow controller (MFC, Line Tech M3030V). However, for accurate analysis when measuring electrochemical impedance spectroscopy (EIS), CO 2 supply and stirring were stopped.

캐소드 챔버의 아웃-라인(out-line)은 반응의 직접적인 생성물 분석을 가능하게하는 펄스 방전 검출기 가스 크로마토그래피(PDD GC, YL6500GC)의 인라인에 직접 연결되었다. 이때, 캐리어 가스로 초 고순도 헬륨 가스(99.9999%)를 사용하였다.The out-line of the cathode chamber was connected directly to the in-line of a pulsed discharge detector gas chromatography (PDD GC, YL6500GC) allowing direct product analysis of the reaction. At this time, ultra-high purity helium gas (99.9999%) was used as a carrier gas.

(실시예 2)(Example 2)

실시예 1에서 디메틸아민 대신 모노메틸아민을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 금 나노별, 전극 및 이산화탄소 환원 시스템을 제조하였다.In Example 1, except that monomethylamine was used instead of dimethylamine, a gold nanostar, electrode, and a carbon dioxide reduction system were prepared in the same manner as in Example 1.

(실시예 3) (Example 3)

실시예 1에서 디메틸아민 대신 옥틸아민을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 금 나노별, 전극 및 이산화탄소 환원 시스템을 제조하였다.In Example 1, except that octylamine was used instead of dimethylamine, a gold nanostar, electrode, and a carbon dioxide reduction system were prepared in the same manner as in Example 1.

모든 전기화학 측정은 Bi-potentiostat(CH Instruments, CHI760E)으로 수행되었다. 일반적인 이산화탄소 환원 반응 측정 전, 전해질과 촉매의 접촉을 보장하기 위해, -1V 전압을 60초 동안 가하였다. 온셋(onset) 전압을 확인하기 위해 -1.0V에서 -2.2V까지의 LSV(linear sweep voltammetry)이 수행되었다. 가스 크로마토그래피를 이용한 이산화탄소 환원 반응 분석을 위해, -2.2V에서 0.1V의 간격으로 -1.0V까지 인가하되, 각 전압 단계(간격)는 720초 동안 유지되었으며, 각 전압 단계에서 이산화탄소 환원 반응 생성물이 분석되었다. All electrochemical measurements were performed with Bi-potentiostat (CH Instruments, CHI760E). Before measuring the general carbon dioxide reduction reaction, in order to ensure contact between the electrolyte and the catalyst, -1V voltage was applied for 60 seconds. LSV (linear sweep voltammetry) from -1.0V to -2.2V was performed to check the onset voltage. For the carbon dioxide reduction reaction analysis using gas chromatography, apply from -2.2V to -1.0V at an interval of 0.1V, but each voltage step (interval) was maintained for 720 seconds, and the carbon dioxide reduction reaction product at each voltage step Was analyzed.

측정된 포텐샬값은 아래의 방정식을 이용하여 가역 수소전극(RHE) 기준 전위값으로 변환되었다. The measured potential value was converted into a reference potential value of a reversible hydrogen electrode (RHE) using the following equation.

E(vs.RHE)=E(vs.Ag/AgCl) + 0.209V + 0.0591VxpH-iRE(vs.RHE)=E(vs.Ag/AgCl) + 0.209V + 0.0591VxpH-iR

방정식에서 E(vs.RHE)는 가역 수소전극 기준 전위값이며, E(vs.Ag/AgCl)은 Ag/AgCl을 기준 전극으로 사용하여 측정된 측정 전위값이며, pH는 전해질의 pH값이며, iR은 내부 저항에 의한 전압 강하로, R은 전기화학 임피던스 분광법으로 측정된 이산화탄소 환원 시스템의 저항값이며 i는 해당 가해진 전위값에서의 측정된 측정 전류값이다. 이에 따라, 가역 수소전극 기준 전위(전압)값은 저항에 의한 전압 강하인 IR-강하(IR-drop)가 보완된 값이다.In the equation, E(vs.RHE) is the reference potential value of the reversible hydrogen electrode, E(vs.Ag/AgCl) is the measured potential value measured using Ag/AgCl as the reference electrode, and pH is the pH value of the electrolyte, iR is the voltage drop due to the internal resistance, R is the resistance value of the carbon dioxide reduction system measured by electrochemical impedance spectroscopy, and i is the measured current value at the applied potential value. Accordingly, the reversible hydrogen electrode reference potential (voltage) value is a value obtained by supplementing the IR-drop, which is a voltage drop caused by resistance.

제조된 금 나노별의 촉매 내구성(durability)을 테스트하기 위해, 작용 전극에 -0.7V(vs.RHE)의 고정 전압을 5시간동안 인가하였으며, 가스 크로마토그래피를 이용하여 이산화탄소 환원 반응 생성물을 10분 간격으로 분석하였다. In order to test the catalyst durability of the prepared gold nanostars, a fixed voltage of -0.7V (vs.RHE) was applied to the working electrode for 5 hours, and the carbon dioxide reduction reaction product was applied for 10 minutes using gas chromatography. Analyzed at intervals.

전기화학적 활성 표면적(ESCA; Electrochemical active surface area)은 종래 보고된 방법(Liu, M.; Pang, Y.; Zhang, B.; De Luna, P.; Voznyy, O.; Xu, J.; Zheng, X.; Dinh, C. T.; Fan, F.; Cao, C.; de Arquer, F. P. G.; Safaei, T. S.; Mepham, A.; Klinkova, A.; Kumacheva, E.; Filleter, T.; Sinton, D.; Kelley, S. O.; Sargent, E. H. Nature 2016, 537, 382-386, Bin, X.; Sargent, E. H.; Kelley, S. O. Anal. Chem. 2010, 82, 5928-5931)에 따라 측정되었다. 상세하게, 50mM H2SO4 수용액인 전해질을 이용하여 CV(cyclic voltammogram)를 얻었으며, 0V에서 -1.5V(vs.Ag/AgCl)까지 50mV/s의 스캔 속도로 반복 스캔 후 수렴된 CV 데이터를 이용하였다. 단층 화학 흡착된 산소의 환원으로부터 유래된 -0.9V~-1.0V에서의 피크를 적분하여 ESCA를 산출하였으며, 산출시 단위 면적당 환원 전하는 448μC/cm2이었다. Electrochemical active surface area (ESCA) was previously reported (Liu, M.; Pang, Y.; Zhang, B.; De Luna, P.; Voznyy, O.; Xu, J.; Zheng , X.; Dinh, CT; Fan, F.; Cao, C.; de Arquer, FPG; Safaei, TS; Mepham, A.; Klinkova, A.; Kumacheva, E.; Filleter, T.; Sinton, D. .; Kelley, SO; Sargent, EH Nature 2016, 537, 382-386, Bin, X.; Sargent, EH; Kelley, SO Anal.Chem. 2010, 82, 5928-5931). In detail, a CV (cyclic voltammogram) was obtained using an electrolyte that is a 50mM H 2 SO 4 aqueous solution, and CV data converged after repeated scans from 0V to -1.5V (vs.Ag/AgCl) at a scan rate of 50mV/s Was used. ESCA was calculated by integrating the peak at -0.9V to -1.0V derived from the reduction of monolayer chemisorbed oxygen, and the reduction charge per unit area at the time of calculation was 448 μC/cm 2 .

투과 전자 현미경(TEM; Transmission electron microscope) 분석시 에탄올에 분산된 금 나노별을 구리 그리드 상에 적하하고 건조시켜 TEM 분석 샘플로 사용하였다.During transmission electron microscope (TEM) analysis, gold nanostars dispersed in ethanol were dropped onto a copper grid and dried to be used as a TEM analysis sample.

비교를 위해, 금 나노별 대신 이십면체의 금 나노시드를 사용하여 실시예와 동일하게 촉매 및 작업 전극을 제조하고, 실시예와 동일하게 이산화탄소 환원 반응을 수행하였다. 이와 함께, 금 포일(foil) 자체를 작업 전극으로 하여 실시예와 동일하게 이산화탄소 환원 반응을 수행하였다. For comparison, a catalyst and a working electrode were prepared in the same manner as in the Example using icosahedral gold nanoseeds instead of gold nanostars, and carbon dioxide reduction reaction was performed in the same manner as in the Example. In addition, a carbon dioxide reduction reaction was performed in the same manner as in the Example by using the gold foil itself as a working electrode.

도 1은 실시예 1에서 과성장(overgrowth)시키기 전 단계인 금 나노시드(금 이십면체, 도 1(a), 스케일 바=50nm)와 실시예 1에서 제조된 금 나노별(도 1(b), 스케일 바=20nm)을 관찰한 투과전자현미경 사진이다. 도 1에서 알 수 있듯이, 평균 크기가 23nm인 단분산 Au 이십면체 시드(icosahedral seed)rk 제조됨을 알 수 있으며, 과성장을 통해 대칭적 구조를 갖는 Au 나노별이 제조됨을 알 수 있다. 제조된 Au 나노별의 평균 크기는 52nm였다. 1 is a gold nanoseed (gold icosahedron, FIG. 1 (a), scale bar = 50 nm), which is a step before overgrowth in Example 1, and gold nano-stars prepared in Example 1 (FIG. 1 (b ), scale bar = 20nm) is observed in a transmission electron microscope. As can be seen from FIG. 1, it can be seen that monodisperse Au icosahedral seeds having an average size of 23 nm are prepared, and it can be seen that Au nanostars having a symmetrical structure are manufactured through overgrowth. The average size of the prepared Au nanostars was 52 nm.

도 2는 실시예 1에서 제조된 금 나노별의 고배율 투과전자현미경 관찰사진(도 2(a)) 및 투과전자현미경 분석 결과를 바탕으로 3차원 모델링된 나노별(도 2(b))을 도시한 도면이다. FIG. 2 shows a three-dimensional modeled nanostar (FIG. 2(b)) based on a high-magnification transmission electron microscope observation photo (FIG. 2(a)) and a transmission electron microscope analysis result of a gold nanostar prepared in Example 1. It is a drawing.

도 2에 도시한 일 예와 같이, 다양한 결정 축에서 제조된 금 나노별에서 돌출 부분인 암(arm)의 면간 각도를 측정한 결과, {321} 면으로 암이 이루어지며 금 나노별의 표면이 {321} 면으로 이루어진 것을 알 수 있으며, {321} 면으로 표면이 이루어진 3차원 모델링된 나노별의 투영 이미지와 투과전자현미경상 금 나노별의 이미지가 실질적으로 일치함을 알 수 있다. 실험적으로, 암을 이루는 면들의 면간 각도는 암의 팁 영역에 의한 오차를 방지하기 위해, 도 2(a)와 같이 나노별의 HRTEM 이미지 상 나노별의 중심에 가까운 암의 바닥에서 암의 팁 방향으로 편평한 면을 따라 가상의 직선을 그려, 직선간의 교차 각도를 이용하여 산출된 것일 수 있다. 이때, {321} 면으로 표면이 이루어진 3차원 모델링된 나노별의 일 결정 축에서의 투영 이미지(일 예로, 도 2(b))와 투과전자현미경 관찰을 통한 각 암에서 암을 이루는 면의 면간 각도간 평균 각도차가 4.5˚ 이하인 경우, 실험 오차에 의한 것으로 간주될 수 있으며, 평균 각도차가 4.5˚ 이하인 경우 3차원 모델링된 나노별과 동일한 형태로 간주될 수 있다.As shown in the example shown in FIG. 2, as a result of measuring the interplanar angle of the arm, which is a protruding part of the gold nanostar manufactured in various crystal axes, the arm is formed as a {321} plane, and the surface of the gold nanostar is It can be seen that the {321} plane is formed, and it can be seen that the projection image of the three-dimensional modeled nanostar with the surface of the {321} plane substantially coincides with the image of the gold nanostar on the transmission electron microscope. Experimentally, in order to prevent an error due to the tip area of the arm, the interplanar angle of the faces constituting the arm is the tip direction of the arm from the bottom of the arm close to the center of the nano star on the HRTEM image of the nano star as shown in FIG. 2(a). By drawing an imaginary straight line along a flat surface, it may be calculated using the intersection angle between the straight lines. At this time, the projection image (for example, Fig. 2(b)) from one crystal axis of the three-dimensional modeled nanostar with the surface of the {321} plane and the plane of the plane forming the arm in each arm through observation with a transmission electron microscope If the average angle difference between angles is less than 4.5˚, it can be regarded as an experimental error, and if the average angle difference is less than 4.5˚, it can be regarded as the same shape as the three-dimensional modeled nanostar.

고배율-투과전자현미경(HR-TEM; High Resolution Transmission Electron Microscopy)을 통해, 다양한 결정축에 대해 제조된 금 나노별을 관찰하며, 면간(파셋간) 각도 분석 및 원자 분해능 TEM(Single atomic resolution TEM) 분석을 수행한 결과, 암의 팁에서 일정부분 곡률진 형상을 가지나, 나노별의 각 암을 형성하는 표면들이 {3, 2, 1} 결정면임을 확인하였으며, 나노별의 각 암이 {3, 2, 1} 결정면으로 이루어진 다각 뿔 형상임을 확인하였다. 또한, 암의 팁에서 부드럽게 곡률진 부분을 고려하는 경우, 귀금속 나노별의 전체 표면적(100%)에서 {3, 2, 1} 결정면이 표면을 형성하는 면적이 74.5%임을 확인하였다. 유사하게, 실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 나노별을 분석한 결과, 실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 나노별 모두 실시예 1과 유사하게 암의 측면에 파셋이 형성된 것을 확인하였으며, 실시예 2에서 제조된 나노별의 경우 {7, 5, 3} 결정면의 파셋이, 실시예 3에서 제조된 나노별의 경우 {7, 4, 2} 결정면의 파셋이 형성됨을 확인하였다. 또한, 실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 나노별 또한, 실시예 1과 유사하게, 귀금속 나노별의 표면이 암으로 뒤덮여 있는 구조였으며, 귀금속 나노별의 전체 표면적(100%)에서 {7, 5, 3}면이나 {7, 4, 2}면을 포함하는 고지수 결정면이 표면을 형성하는 면적이 70% 이상을 차지함을 확인하였다.Through high-magnification-transmission electron microscopy (HR-TEM), gold nanostars produced for various crystal axes are observed, and interplanar (facet) angle analysis and atomic resolution TEM (Single atomic resolution TEM) analysis As a result of performing, it was confirmed that although the tip of the arm had a partially curved shape, the surfaces forming each arm of the nanostar were {3, 2, 1} crystal planes, and each arm of the nanostar was {3, 2, 1} It was confirmed that it has a polygonal cone shape made of a crystal plane. In addition, when considering the smoothly curved portion at the tip of the arm, it was confirmed that the area where the {3, 2, 1} crystal plane forms the surface of the total surface area (100%) of the precious metal nanostar is 74.5%. Similarly, as a result of analyzing the nanostars prepared in Examples 2 and 3, it was confirmed that facets were formed on the side of the arm similarly to Example 1 in both the nanostars prepared in Example 2 and Example 3, In the case of the nanostar prepared in Example 2, it was confirmed that the facets of the {7, 5, 3} crystal planes were formed, and in the case of the nanostar prepared in Example 3, the facets of the {7, 4, 2} crystal planes were formed. In addition, the nanostars prepared in Examples 2 and 3 also had a structure in which the surface of the noble metal nanostar was covered with cancer, similar to Example 1, and in the total surface area (100%) of the noble metal nanostar, {7, It was confirmed that the surface area of the high-index crystal planes including 5, 3} planes or {7, 4, 2} planes occupied more than 70%.

도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금 나노별의 이산화탄소 환원 촉매능에 대한 시험 결과를 도시한 도면이다. 도 3 내지 도 8에서 'Au nanostars'는 실시예 1에 따라 금 나노별을 촉매로 함유하는 작업 전극의 결과를 의미하며, 'Au ico.'는 비교를 위한 실험으로, 실시예 1에서 과성장 전 단계에서 제조된 이십면체의 금 나노시드를 촉매로 함유하는 작업 전극의 결과를 의미하며, 'Au foil'은 금 포일 자체를 작업 전극으로 사용한 결과를 의미한다. 3 to 8 are diagrams showing test results for carbon dioxide reduction catalytic activity of gold nanostars prepared according to an embodiment of the present invention. In FIGS. 3 to 8,'Au nanostars' refers to the result of a working electrode containing gold nanostars as a catalyst according to Example 1, and'Au ico.' is an experiment for comparison and overgrowth in Example 1 It refers to the result of the working electrode containing the icosahedral gold nanoseed as a catalyst, and'Au foil' refers to the result of using the gold foil itself as the working electrode.

도 3은 CO 부분 전류밀도(partial current density)를 도시한 도면이다. 상세하게, 도 3은 가역 수소전극 기준 전압(vs. RHE)에 따른 CO 부분 전류밀도(partial current density)를 도시한 것으로, 도 3에서 알 수 있듯이, Au 포일 대비 나노구조화된 Au 나노시드(Au 이십면체)나 Au 나노별이 더 큰 CO 부분 전류밀도를 가짐을 알 수 있으며, 더 낮은 온셋 전압을 가짐을 알 수 있다. 또한, Au 포일, Au 이십면체, Au 나노별의 CO 부분 전류밀도를 살피면, 전 영역에서 Au 나노별의 CO 부분 전류밀도가 가장 큰 것을 알 수 있다. 또한, Au 이십면체의 경우 -1.0V(vs. RHE) 이하의 영역에서 CO 부분 전류밀도가 포화(saturation)되나, Au 나노별의 경우 -1.0V(vs. RHE) 이하의 영역에서 포화되지 않고, 전압에 따라 CO 부분 전류밀도가 증가하는 것을 알 수 있다.3 is a diagram showing the CO partial current density. In detail, FIG. 3 shows a partial current density of CO according to a reversible hydrogen electrode reference voltage (vs. RHE), and as can be seen in FIG. 3, a nanostructured Au nanoseed compared to an Au foil (Au Icosahedron) or Au nanostars have a larger CO partial current density and a lower onset voltage. In addition, looking at the CO partial current density of the Au foil, Au icosahedron, and Au nanostar, it can be seen that the CO partial current density of the Au nanostar is the largest in the entire region. In addition, in the case of Au icosahedron, the CO partial current density is saturated in the region below -1.0V (vs. RHE), but in the case of Au nanostars, it is not saturated in the region below -1.0V (vs. RHE). , It can be seen that the current density of the CO part increases with the voltage.

질량 활성(mass activity)은 귀금속 사용량을 결정짓는 중요한 요소이며, 질량 활성이 높을수록 미량의 귀금속으로 동일 촉매 활성을 나타낼 수 있다. 이에, 질량 활성이 높을수록 이산화탄소 환원에 사용되는 귀금속 량을 줄일 수 있어, 질량 활성은 귀금속계 촉매의 상업성을 나타내는 매우 중요한 지표이다. Mass activity is an important factor in determining the amount of noble metal used, and the higher the mass activity, the same catalytic activity can be achieved with a trace amount of noble metal. Accordingly, as the mass activity increases, the amount of noble metal used for carbon dioxide reduction can be reduced, and the mass activity is a very important index indicating the commerciality of the noble metal-based catalyst.

도 4는 가역 수소전극 기준 전압(vs. RHE)에 따른 질량 활성을 나타낸 도면으로, 도 4를 살피면, 전 전압 영역에서 Au 나노별이 Au 이십면체보다 높은 질량 활성을 가짐을 알 수 있다. Au 나노별의 경우, -0.6V(vs. RHE)에서 33.4A/g의 질량 활성을 가짐을 알 수 있으며, -0.7V(vs. RHE)에서는 91.9 A/g의 질량활성을 가짐을 알 수 있다. -0.6V(vs. RHE)에서 33.4A/g에 이르는 질량활성은 현재까지 보고된 바 없는 최대 활성이다. FIG. 4 is a diagram showing the mass activity according to the reversible hydrogen electrode reference voltage (vs. RHE). Looking at FIG. 4, it can be seen that the Au nanostars have a higher mass activity than the Au icosahedron in the entire voltage range. In the case of Au nanostars, it can be seen that it has a mass activity of 33.4A/g at -0.6V (vs. RHE) and 91.9 A/g at -0.7V (vs. RHE). have. Mass activity ranging from -0.6V (vs. RHE) to 33.4A/g is the highest activity reported to date.

도 5는 가역 수소전극 기준 전압(vs. RHE)에 따른 CO 패러데이 효율(Faradaic efficiency)을 도시한 도면이다. 도 5에서 알 수 있듯이, 인가되는 전압에 따라 CO 패러데이 효율이 달라짐을 알 수 있으며, 전압 전 영역에서 나노별이 가장 우수한 CO 패러데이 효율을 가짐을 알 수 있다. 5 is a diagram showing CO Faradaic efficiency according to a reversible hydrogen electrode reference voltage (vs. RHE). As can be seen in FIG. 5, it can be seen that the CO Faraday efficiency varies depending on the applied voltage, and it can be seen that the nanostar has the best CO Faraday efficiency in the entire voltage range.

Au 나노별의 최대 CO 패러데이 효율은 87.7%였으며, Au 이십면체의 최대 CO 패러데이 효율은 73%였고, Au 포일의 최대 CO 패러데이 효율은 10.0%였다. 또한, 도 3 및 도 6에서 알 수 있듯이, 0.530V(vs. RHE)에 불과한 과전압(overpotential) 상태에서 87.5%의 CO 패러데이 효율 및 -1.1mAcm-2의 CO 부분 전류밀도를 가짐을 알 수 있다. The maximum CO Faraday efficiency of the Au nanostar was 87.7%, the maximum CO Faraday efficiency of the Au icosahedron was 73%, and the maximum CO Faraday efficiency of the Au foil was 10.0%. In addition, as can be seen in Figures 3 and 6, it can be seen that the CO Faraday efficiency of 87.5% and the CO partial current density of -1.1mAcm -2 in the overpotential state of only 0.530V (vs. RHE) .

CO 선택성을 살피고자, 가스 크로마토그래피를 이용하여 생성된 가스들을 분석한 결과, 낮은 전압에서 미량의 CH4가 생성되었으나, 주된 생성물이 H2와 CO임을 확인하였다. 도 6은 이산화탄소 환원 반응시 생성된 가스의 패러데이 효율을 도시한 도면으로, 도 6(a)는 가역 수소전극 기준 전압(vs. RHE)에 따른 총 전류밀도를 도시한 도면이며, 도 6(b)는 Au 이십면체에서 가역 수소전극 기준 전압에 따른 각 생성물의 패러데이 효율을 도시한 도면이며, 도 6(c)는 Au 나노별에서 가역 수소전극 기준 전압에 따른 각 생성물의 패러데이 효율을 도시한 도면이다. 도 6을 통해, 검출된 가스의 패러데이 효율이 100%에 이름을 알 수 있다. 이는 가스 누출 없이 반응시 생성된 모든 생성물이 분석되었음을 의미하는 것이다.In order to examine the CO selectivity, the generated gases were analyzed using gas chromatography, and a trace amount of CH 4 was generated at a low voltage, but it was confirmed that the main products were H 2 and CO. 6 is a diagram showing the Faraday efficiency of gas generated during the carbon dioxide reduction reaction, FIG. 6(a) is a diagram showing the total current density according to the reversible hydrogen electrode reference voltage (vs. RHE), and FIG. 6(b) ) Is a diagram showing the Faraday efficiency of each product according to the reversible hydrogen electrode reference voltage in the Au icosahedron, and FIG. 6(c) is a diagram showing the Faraday efficiency of each product according to the reversible hydrogen electrode reference voltage in the Au nanostar. to be. 6, it can be seen that the Faraday efficiency of the detected gas is 100%. This means that all products produced during the reaction were analyzed without gas leakage.

도 7은 가역 수소전극 기준 전압(vs. RHE)에 따른 비 활성(specific activities)을 도시한 도면이다. 비 활성은 CO 전류밀도를 전기화학적 활성 표면적(ESCA)으로 나눈 값이다. H2SO4 수용액(전해질)을 이용한 CV 측정을 통해 ESCA를 산출한 결과, Au 나노별의 ESCA는 0.52㎠이었고, Au 이십면체의 ESCA는 1.06㎠이었으며, Au 포일의 ESCA는 0.38㎠이었다. Au 이십면체의 평균 크기가 23nm이고, Au 나노별의 평균 크기가 52nm임에 따라, 평균 크기가 증가하며 ESCA가 감소하는 것을 알 수 있다. 7 is a diagram showing specific activities according to the reversible hydrogen electrode reference voltage (vs. RHE). Specific activity is the CO current density divided by the electrochemically active surface area (ESCA). As a result of calculating ESCA through CV measurement using an H 2 SO 4 aqueous solution (electrolyte), the ESCA of the Au nanostar was 0.52 cm2, the ESCA of the Au icosahedron was 1.06 cm2, and the ESCA of the Au foil was 0.38 cm2. As the average size of the Au icosahedron is 23 nm and the average size of the Au nanostars is 52 nm, it can be seen that the average size increases and the ESCA decreases.

그러나, 도 7의 Au 나노별의 비 활성과 Au 이십면체의 비 활성을 살피면, 전 전압 영역에서 Au 나노별이 가장 큰 비 활성을 가짐을 알 수 있으며, Au 나노별이 Au 이십면체의 비 활성 값의 2배 이상 큰 비 활성 값을 가짐을 알 수 있다. 반면, Au 이십면체는 Au 포일과 유사한 비 활성 값을 가짐을 알 수 있다. 이를 통해 Au 이십면체의 표면을 형성하는 {111}면과 같은 저 지수 결정면은 Au 포일의 표면으로 노출된 Au 다결정체와 유사한 작용을 할 뿐임을 실험적으로 알 수 있다. However, looking at the inactivity of the Au nanostars and the inactivation of the Au icosahedron in FIG. 7, it can be seen that the Au nanostars have the greatest inactivity in the entire voltage range, and the Au nanostars are the inactivation of the Au icosahedron. It can be seen that it has an inactive value that is more than twice the value. On the other hand, it can be seen that the Au icosahedron has a similar inactive value to the Au foil. Through this, it can be seen experimentally that low-index crystal planes such as the {111} plane forming the surface of the Au icosahedron only act similar to the Au polycrystalline material exposed to the surface of the Au foil.

도 7의 결과를 통해, Au 나노별의 표면을 형성하는 {321}면이 {111}면과 같은 저지수면보다 매우 다량의 이산화탄소 환원 반응의 활성 장소(active site)를 제공하는 것을 알 수 있다.From the results of FIG. 7, it can be seen that the {321} plane forming the surface of the Au nanostars provides an active site for a much larger amount of carbon dioxide reduction reaction than the low-water surface such as the {111} plane.

도 8은 Au 나노별과 Au 이십면체의 내구성(durability) 시험 결과를 도시한 도면으로, 도 8(a)는 내구성(durability) 시험시 전압(-0.7V(vs. RHE)) 인가 시간에 따른 CO 패러데이 효율을 도시한 도면이며, 도 8(b)는 내구성(durability) 시험시 전압 인가 시간에 따른 총 전류밀도를 도시한 도면이며, 도 8(c)는 내구성(durability) 시험 후 전극으로부터 회수된 Au 나노별을 관찰한 투과전자현미경 사진이며, 도 8(d)는 Au 내구성(durability) 시험 후 전극으로부터 회수된 Au 이십면체를 관찰한 투과전자현미경 사진(도 8(d))을 도시한 도면이다. FIG. 8 is a diagram showing the results of a durability test of Au nanostars and Au icosahedron, and FIG. 8(a) is a diagram showing a voltage (-0.7V (vs. RHE)) application time during a durability test. It is a diagram showing the CO Faraday efficiency, FIG. 8(b) is a diagram showing the total current density according to the voltage application time during the durability test, and FIG. 8(c) is recovered from the electrode after the durability test. It is a transmission electron microscope photograph of the Au nanostars observed, and Figure 8 (d) shows a transmission electron microscope photograph (Figure 8 (d)) observing the Au icosahedron recovered from the electrode after the Au durability test. It is a drawing.

도 8(b)와 같이 전압 인가 시간이 증가하며 Au 나노별과 Au 이십면체 모두 전류밀도가 약간씩 감소함을 알 수 있으나, 도 8(a)의 CO 패러데이 효율에서 Au 나노별과 Au 이십면체간 매우 큰 차이를 나타내는 것을 알 수 있다. 상세하게, 5시간의 전압 인가 후 Au 이십면체의 CO 패러데이 효율은 초기 83%에서 59%로 급격히 감소하나, Au 나노별의 경우 5시간의 전압 인가 후에도 CO 패러데이 효율이 90%에서 81%로 현저하게 높은 값을 유지하는 것을 알 수 있다.It can be seen that the voltage application time increases as shown in FIG. 8(b) and the current density decreases slightly in both the Au nanostars and the Au icosahedron, but in the CO Faraday efficiency of FIG. 8(a), the Au nanostars and Au icosahedron It can be seen that the liver shows a very large difference. In detail, after 5 hours of voltage application, the CO Faraday efficiency of Au icosahedron rapidly decreases from 83% to 59% initially, but in the case of Au nanostars, the CO Faraday efficiency is remarkable from 90% to 81% even after 5 hours of voltage application. It can be seen that it maintains a high value.

도 8(c) 및 도 8(d)의 투과전자현미경 관찰 결과와 같이, Au 이십면체와 Au 나노별 모두 내구성 시험에 의해 에지(edge)와 코너(corner)에서 라운딩(rounding)이 발생하는 것을 알 수 있다. Au 이십면체의 경우 이산화탄소 환원 반응의 활성 장소(active site)를 제공하는 날카로운 에지와 코너가 라운딩되며 활성 장소가 감소하여 CO 패러데이 효율이 급격히 저하되는 것을 알 수 있다. 그러나, Au 나노별의 경우 에지와 코너가 라운딩됨에도 불구하여 {321} 면에 의해 이산화탄소 환원 반응의 활성 장소가 풍부하게 제공됨에 따라, 높은 CO 패러데이 효율이 안정적으로 유지되는 것을 알 수 있다.As shown in the observation result of the transmission electron microscope of FIGS. 8(c) and 8(d), both Au icosahedron and Au nanostars show that rounding occurs at edges and corners by durability tests. Able to know. In the case of the Au icosahedron, it can be seen that the sharp edges and corners that provide the active site of the carbon dioxide reduction reaction are rounded, and the active site decreases, resulting in a rapid decrease in CO Faraday efficiency. However, in the case of the Au nanostar, it can be seen that the high CO Faraday efficiency is stably maintained as the active sites for the carbon dioxide reduction reaction are abundantly provided by the {321} plane despite the rounded edges and corners.

도 3 내지 도 8을 통해 보인 촉매능과 유사하게, 실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 Au 나노별 또한, Au 이십면체보다 뛰어난 촉매능과 일산화탄소 선택성을 가짐을 확인하였다.Similar to the catalytic ability shown through FIGS. 3 to 8, it was confirmed that the Au nanostars prepared in Examples 2 and 3 also have superior catalytic activity and carbon monoxide selectivity than Au icosahedron.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, in the present invention, it has been described by specific matters and limited embodiments and drawings, which are provided to help the overall understanding of the present invention, but the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention Various modifications and variations are possible from those who have ordinary knowledge in the field to which they belong.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, and all things having equivalent or equivalent modifications to the claims as well as the claims to be described later fall within the scope of the spirit of the present invention. .

Claims (16)

하기 I), II), 및 III)을 만족하는 귀금속 나노별.
I) 60nm 이하의 직경
II) FCC(face centered cubic) 결정구조의 귀금속
III) 밀러 지수(Miller index)에 의해 규정되는 {h, k, l} 결정면 패밀리 기준, h, k 및 l 중 적어도 하나 이상이 3 이상의 자연수를 만족하는 고지수면(high index crystal plane)이 표면을 형성하는 영역인 파셋(facet)
Noble metal nanostars satisfying the following I), II), and III).
I) diameter less than 60nm
II) Noble metal with face centered cubic (FCC) crystal structure
III) A high index crystal plane in which at least one of the {h, k, l} crystal plane family criteria defined by the Miller index, h, k, and l satisfies a natural number of 3 or more Facet, the area to be formed
제 1항에 있어서,
하기 IV)를 더 만족하는 귀금속 나노별.
IV) 상기 파셋을 포함하는 다각 뿔 형상의 요철
According to claim 1,
Noble metal nanostars more satisfying the following IV).
IV) Polygonal cone-shaped irregularities including the facets
제 1항에 있어서,
상기 귀금속 나노별의 표면은 상기 고지수면에 의한 평면의 표면 영역인 파셋;과 서로 인접하는 파셋간을 연결하는 부드럽게 곡률진 표면 영역;을 포함하는 귀금속 나노별.
According to claim 1,
The noble metal nanostars comprising: a facet that is a planar surface area by the high index surface and a smoothly curved surface area connecting facets adjacent to each other.
제 1항에 있어서,
상기 귀금속 나노별의 전체의 표면적을 100으로, 상기 파셋이 차지하는 표면적은 70% 이상인 귀금속 나노별.
According to claim 1,
Noble metal nanostars having a total surface area of 100 and the facet occupied by 70% or more.
제 2항에 있어서,
상기 귀금속 나노별의 표면은 다각 뿔의 각 측면에 상기 파셋이 위치하는 다각 뿔 형상의 요철로 이루어진 귀금속 나노별.
According to claim 2,
The surface of the noble metal nanostar is a noble metal nanostar consisting of irregularities in the shape of a polygonal horn in which the facets are located on each side of the polygonal horn.
제 2항에 있어서,
상기 {h, k, l}은 {3, 2, 1}, {4, 2, 1}, {4, 3, 1}, {4, 3, 2}, {6, 4, 3}, {6, 3, 1}, {5, 4, 3}, {7, 2, 1}, {7, 4, 2}, {7, 5, 3} 및 {7, 6, 1}에서 선택되는 하나 이상인 귀금속 나노별.
According to claim 2,
{H, k, l} is {3, 2, 1}, {4, 2, 1}, {4, 3, 1}, {4, 3, 2}, {6, 4, 3}, { One selected from 6, 3, 1}, {5, 4, 3}, {7, 2, 1}, {7, 4, 2}, {7, 5, 3} and {7, 6, 1} The ideal precious metal nanostar.
제 1항에 있어서,
상기 귀금속은 금, 은 또는 이들의 합금인 귀금속 나노별.
According to claim 1,
The noble metal is gold, silver, or an alloy thereof.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
이산화탄소 환원을 위한 촉매용인 귀금속 나노별.
The method according to any one of claims 1 to 7,
Noble metal nanostars used as catalysts for carbon dioxide reduction.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항의 귀금속 나노별을 포함하는 이산화탄소 환원용 촉매.A catalyst for reducing carbon dioxide comprising the noble metal nanostar of any one of claims 1 to 7. 제 9항에 있어서,
상기 환원은 전기화학적 환원인 이산화탄소 환원용 촉매.
The method of claim 9,
The reduction is an electrochemical reduction catalyst for carbon dioxide reduction.
제 10항에 있어서,
상기 촉매는 가역 수소 전극(RHE; reversible hydrogen electrode) 대비 -0.6V 조건에서, 귀금속 나노별의 단위질량당 33A/g 이상의 질량 활성(mass activity)를 갖는 이산화탄소 환원용 촉매.
The method of claim 10,
The catalyst is a catalyst for reducing carbon dioxide having a mass activity of 33A/g or more per unit mass of a noble metal nanostar at -0.6V compared to a reversible hydrogen electrode (RHE).
제 10항에 있어서,
상기 촉매는 가역 수소 전극(RHE; reversible hydrogen electrode) 대비 -0.7V 조건 5시간의 연속적인 이산화탄소 환원시, 80% 이상의 CO 패러데이 효율을 갖는 이산화탄소 환원용 촉매.
The method of claim 10,
The catalyst is a carbon dioxide reduction catalyst having a CO Faraday efficiency of 80% or more when continuously reducing carbon dioxide under a condition of -0.7V for 5 hours compared to a reversible hydrogen electrode (RHE).
제 9항에 있어서,
상기 귀금속 나노별이 담지되는 지지체를 더 포함하는 촉매.
The method of claim 9,
Catalyst further comprising a support on which the noble metal nanostars are supported.
제 9항의 촉매를 포함하는 이산화탄소 환원용 전극.An electrode for reducing carbon dioxide comprising the catalyst of claim 9. 제 14항에 따른 이산화탄소 환원용 전극을 작업전극으로 하여,
작업전극과 이산화탄소 함유 유체를 접촉시키고, 작업전극 및 작업전극의 대전극간 전압을 인가하여 일산화탄소를 생성하는 이산화탄소 전환방법.
Using the carbon dioxide reduction electrode according to claim 14 as a working electrode,
A carbon dioxide conversion method in which a working electrode and a carbon dioxide-containing fluid are brought into contact, and a voltage between the working electrode and the counter electrode of the working electrode is applied to generate carbon monoxide.
제 14항에 따른 이산화탄소 환원용 전극인 작업전극; 상기 작업전극의 대전극; 상기 작업전극과 대전극 사이에 위치하는 분리막; 및 이산화탄소 함유 전해액;을 포함하는 이산화탄소 환원장치.A working electrode as an electrode for reducing carbon dioxide according to claim 14; A counter electrode of the working electrode; A separator positioned between the working electrode and the counter electrode; And a carbon dioxide-containing electrolyte.
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