KR20210008815A - Water splitting catalyst electrode and manufacturing method for the same - Google Patents

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KR20210008815A
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이효영
애쉬아니 쿠마르
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

The present application relates to a water decomposition catalyst electrode, comprising a porous metal foam, a metal nanowire formed on the surface of the porous metal foam, and a metal double layer hydroxide formed on the surface of the metal nanowire. The water decomposition catalyst electrode can provide a high-performance water decomposition catalyst electrode at a low price, and since the movement speed of electrons during the hydrogen generation reaction is increased, water decomposition efficiency can be increased.

Description

물 분해 촉매 전극 및 이의 제조 방법 {WATER SPLITTING CATALYST ELECTRODE AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}Water decomposition catalyst electrode and its manufacturing method {WATER SPLITTING CATALYST ELECTRODE AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본원은 물 분해 촉매 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present application relates to a water cracking catalyst electrode and a method of manufacturing the same.

석유, 석탄과 같은 탄화수소 물질을 연소시킬 때 발생하는 이산화탄소는 지구 온난화에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 이러한 지구 온난화 문제는 지구의 생태 환경을 급격하게 변화시키고 있으며, 이는 인류생존의 문제로서 온난화에 대한 대응방안을 해결하기 위해서 탄화수소 물질을 사용하지 않는 에너지 생성 기술이 연구되고 있다.Carbon dioxide generated when hydrocarbon materials such as petroleum and coal are combusted is known to affect global warming. This global warming problem is rapidly changing the earth's ecological environment, and this is a problem of human survival, and energy generation technology that does not use hydrocarbon substances is being studied to solve countermeasures against warming.

탄화수소 물질을 사용하지 않고 에너지를 생성할 수 있는 자원으로서 우라늄, 태양광, 및 수소 등이 존재한다. 그러나 우라늄을 원료로 하는 원자력 발전의 경우, 발전 후 폐기물을 처리하기 곤란한 문제점이 존재하고, 태양 빛을 에너지원으로 하는 태양광 발전은 날씨의 영향을 많이 받는 단점이 존재한다.As resources capable of generating energy without the use of hydrocarbon materials, uranium, sunlight, and hydrogen exist. However, in the case of nuclear power generation using uranium as a raw material, there is a problem that it is difficult to dispose of waste after power generation, and solar power generation using sunlight as an energy source has a disadvantage that is greatly affected by the weather.

수소의 경우, 에너지를 생산하기 위해서 필요한 것은 물이기 때문에, 자원이 고갈될 우려가 적은 장점이 존재한다. 그러나 수소는 폭발성이 있어 보관이 어려우며, 물을 분해하여 수소를 생성하는 공정은 많은 에너지를 필요로 하기 때문에, 수소의 보관 및 생성을 위한 연구가 이루어지고 있다.In the case of hydrogen, water is required to produce energy, so there is an advantage that there is little risk of resource exhaustion. However, since hydrogen is explosive, it is difficult to store it, and since the process of generating hydrogen by decomposing water requires a lot of energy, studies for storage and generation of hydrogen have been conducted.

본원의 배경이 되는 기술인 논문(Yu, Luo, et al. "Cu Nanowires Shelled with NiFe Layered Double Hydroxide Nanosheets as Bifunctional Electrocatalysts for Overall Water Splitting." Energy & Environmental Science, vol. 10, no. 8, 2017, pp. 1820-1827.)은 NiFe LDH 층을 포함하는 Cu 나노 와이어에 대한 것이다. 상기 논문은 NiFe LDH 층에서 물을 분해하는 방법을 개시하고 있으며, NiFeP 를 이용하여 물을 분해하는 방법에 대해서는 개시하지 않고 있다. The technology behind the present application (Yu, Luo, et al. "Cu Nanowires Shelled with NiFe Layered Double Hydroxide Nanosheets as Bifunctional Electrocatalysts for Overall Water Splitting." Energy & Environmental Science, vol. 10, no. 8, 2017, pp. 1820-1827.) is for Cu nanowires containing a layer of NiFe LDH. This paper discloses a method for decomposing water in a NiFe LDH layer, and does not disclose a method for decomposing water using NiFeP.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 물 분해 촉매 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present application is to solve the problems of the prior art described above, and an object thereof is to provide a water decomposition catalyst electrode.

또한, 상기 물 분해 촉매 전극을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing the water decomposition catalyst electrode.

또한, 상기 물 분해 촉매 전극을 포함하는 수소 생성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, it is an object of the present invention to provide a hydrogen generation method including the water decomposition catalyst electrode.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical problem to be achieved by the embodiments of the present application is not limited to the technical problems as described above, and other technical problems may exist.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 다공성 금속 폼(foam), 상기 다공성 금속 폼의 표면에 형성된 금속 나노와이어, 및 상기 금속 나노와이어 표면에 형성된 금속 이중층 수산화물을 포함하는 물 분해 촉매 전극을 제공한다.As a technical means for achieving the above technical problem, the first aspect of the present application includes a porous metal foam, a metal nanowire formed on the surface of the porous metal foam, and a metal double layer hydroxide formed on the surface of the metal nanowire It provides a water decomposition catalyst electrode.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노 와이어는 상기 다공성 금속 폼의 표면으로부터 수직으로 성장할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal nanowire may grow vertically from the surface of the porous metal foam, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물은 상기 금속 나노와이어의 표면으로부터 수직으로 성장할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal double layer hydroxide may grow vertically from the surface of the metal nanowire, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물은 인(P)화될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal double layer hydroxide may be phosphorus (P), but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 금속 폼 및 상기 금속 나노와이어는 상기 금속 이중층 수산화물에 의해 포위될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the porous metal foam and the metal nanowire may be surrounded by the metal double layer hydroxide, but are not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매 전극의 타펠 곡선 기울기(Tafel slope)는 50 mV/dec 내지 60 mV/dec 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.According to an exemplary embodiment of the present disclosure, a Tafel slope of the water decomposition catalyst electrode may be 50 mV/dec to 60 mV/dec, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매 전극의 페러데이 효율(Faradaic efficiency)은 90% 내지 100% 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the Faradaic efficiency of the water decomposition catalyst electrode may be 90% to 100%, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물은 제 1 금속 및 제 2 금속을 포함하고, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속은 서로 상이할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal double layer hydroxide includes a first metal and a second metal, and the first metal and the second metal may be different from each other, but are not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 금속 폼, 상기 금속 나노와이어, 상기 제 1 금속, 및 상기 제 2 금속은 각각 독립적으로 Cu, Ni, Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the porous metal foam, the metal nanowire, the first metal, and the second metal are each independently Cu, Ni, Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, and may include those selected from the group consisting of combinations thereof, but are not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물에 있어서, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속의 원자 비율은 0.5 : 1 내지 2 :1 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an exemplary embodiment of the present disclosure, in the metal double layer hydroxide, the atomic ratio of the first metal and the second metal may be 0.5:1 to 2:1, but is not limited thereto.

또한, 본원의 제 2 측면은 다공성 금속 폼 상에 금속 나노와이어를 형성하는 단계, 및 상기 금속 나노와이어 상에 금속 이중층 수산화물을 형성하는 단계를 포함하는, 물 분해 촉매 전극의 제조 방법을 제공한다.In addition, a second aspect of the present application provides a method of manufacturing a water decomposition catalyst electrode comprising forming a metal nanowire on a porous metal foam, and forming a metal double layer hydroxide on the metal nanowire.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노와이어를 형성하는 단계는, 상기 다공성 금속 폼 상에 금속 수산화물 나노와이어를 형성하는 단계, 및 상기 금속 수산화물 나노와이어를 상기 금속 나노와이어로 환원시키는 단계를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the forming of the metal nanowire includes forming a metal hydroxide nanowire on the porous metal foam, and reducing the metal hydroxide nanowire to the metal nanowire. It can be, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물을 인(P)화 시키는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, a step of phosphorizing (P) the metal double layer hydroxide may be additionally included, but the present disclosure is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물은 제 1 금속 및 제 2 금속을 포함하고, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속은 서로 상이할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal double layer hydroxide includes a first metal and a second metal, and the first metal and the second metal may be different from each other, but are not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 금속 폼, 상기 금속 나노와이어, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속은 각각 독립적으로 Cu, Ni, Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the porous metal foam, the metal nanowire, the first metal and the second metal are each independently Cu, Ni, Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Zr, Ta, Zn , Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, and may include those selected from the group consisting of combinations thereof, but are not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물은 상기 금속 나노와이어를 포위하도록 형성할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal double layer hydroxide may be formed to surround the metal nanowire, but is not limited thereto.

또한, 본원의 제 3 측면은 상기 제 1 측면에 따른 물 분해 전극 및 상대 전극을 물에 함침하는 단계 및 상기 물 분해 촉매 전극 및 상대 전극에 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 수소 생성 방법에 대한 것이다.In addition, the third aspect of the present application includes the step of impregnating the water decomposition electrode and the counter electrode according to the first aspect in water and applying a voltage to the water decomposition catalyst electrode and the counter electrode, for a method of generating hydrogen will be.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매 전극 및/또는 상기 상대 전극은 상기 물에 의해 부식되지 않을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the water decomposition catalyst electrode and/or the counter electrode may not be corroded by the water, but is not limited thereto.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.The above-described problem solving means are merely exemplary and should not be construed as limiting the present application. In addition to the above-described exemplary embodiments, additional embodiments may exist in the drawings and detailed description of the invention.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 물 분해 촉매 전극은 바닷물을 최소 30 시간 이상 전기 분해할 수 있고, 45 분 이상 광분해할 수 있어 수소를 대량으로 제조하기 위한 시스템의 전체 비용을 감소시킬 수 있다.According to the above-described problem solving means of the present application, the water decomposition catalyst electrode according to the present application can electrolyze seawater for at least 30 hours or more and photolyze for 45 minutes or more, thereby reducing the overall cost of the system for mass-producing hydrogen. I can make it.

또한, 본원에 따른 물 분해 촉매 전극은 Cu, Ni, Fe, P 와 같은 저렴한 비귀금속 원소를 사용하고, 상기 물 분해 촉매 전극은 백금 촉매보다 우수한 성능을 가질 수 있다. 따라서, 상기 물 분해 촉매 전극은 저렴한 가격으로 고성능의 물 분해 촉매 전극을 제공할 수 있다.In addition, the water decomposition catalyst electrode according to the present application uses inexpensive non-noble metal elements such as Cu, Ni, Fe, and P, and the water decomposition catalyst electrode may have superior performance than a platinum catalyst. Accordingly, the water cracking catalyst electrode can provide a high performance water cracking catalyst electrode at an inexpensive price.

또한, 본원에 따른 물 분해 촉매 전극은 고전도성 금속 나노 와이어 상에 형성된 인화된 금속 이중층 수산화물을 포함함으로써, 수소 생성 반응 동안 전자의 이동 속도가 빨라지기 대문에, 물 분해 효율이 증가될 수 있다..In addition, the water decomposition catalyst electrode according to the present application includes a printed metal double-layer hydroxide formed on a highly conductive metal nanowire, so that the transfer rate of electrons during the hydrogen generation reaction is accelerated, and thus water decomposition efficiency can be increased. .

또한, 본원에 따른 물 분해 촉매 전극은 담수 뿐만 아니라 해수를 전기 분해할 수 있으면서 일반 전극에 비해 부식이 잘 이루어지지 않고, 해수의 전기 분해시 발생할 수 있는 염소가 배출되지 않을 수 있다.In addition, the water decomposition catalyst electrode according to the present application can electrolyze not only fresh water but also seawater, and does not corrode well compared to general electrodes, and chlorine, which may occur during electrolysis of seawater, may not be discharged.

또한, 본원에 따른 물 분해 촉매 전극 제조방법은 면적의 크기에 국한되지 않고 넓은 전극 또한 손쉽게 제조할 수 있다. In addition, the method of manufacturing a water decomposition catalyst electrode according to the present application is not limited to the size of an area, and a wide electrode can be easily manufactured.

다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.However, the effect obtainable in the present application is not limited to the effects as described above, and other effects may exist.

도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 촉매 전극의 모식도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 촉매 전극의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 촉매 전극의 제조 방법을 나타낸 모식도이다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 수소 생성 방법의 모식도이다.
도 5 는 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극의 제조 단계별 FESEM 이미지이다.
도 6 은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극의 제조 단계별 사진이다.
도 7 은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극의 XRD 패턴이다.
도 8 은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극의 TEM 이미지이다.
도 9 는 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극의 EDS 패턴이다.
도 10 은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극의 HAADF-STEM 매핑 결과이다.
도 11 은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극의 Cu, Ni, Fe, P 의 Ar 처리 전, 후 XPS 스펙트럼 분석 결과이다.
도 12 의 (a) 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 HER 분극 곡선(Hydrogen evolution reaction polarization curve)에 대한 것이고, (b) 는 상기 실시예 1 및 비교예예 따른 물 분해 촉매 전극의 타펠 플롯(Tafel plot)이고, (c) 는 상기 실시예 1 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)이고, (d) 는 상기 실시예 1 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 LSV 곡선(Linear Sweep Voltammetry curve)이며, (e)는 상기 실시예 1 에 따른 물 분해 촉매 전극의 사진이다.
도 13 의 (a) 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 과전압 및 전류 밀도 사이의 관계를 나타낸 것이고, (b) 및 (c) 는 상기 실시예 1 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 14 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 시간에 따른 (a) 전압, (b) 셀 전압을 나타낸 그래프이다.
도 15 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 16 은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극의 시간에 따른 셀 전압를 나타낸 그래프이다.
도 17 의 (a) 는 본원의 표준 제어 테스트에 따른 물 분해 촉매 전극의 UV-vis 스펙트럼이고, (b) 는 (a) 의 특정 흡수 피크에서의 HClO 농도를 나타낸 그래프이다.
도 18 의 (a) 는 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극이 함침된 물의 염 농도에 따른 UV-vis 스펙트럼에 대한 것이고, (b) 는 (a) 의 특정 흡수 피크에서의 OCl- 의 농도를 나타낸 그래프이고, (c) 는 상기 실시예 1 에 따른 물 분해 촉매 전극에 인가되는 전압 및 조사되는 빛의 파장 사이의 그래프이며, (d) 는 상기 실시예 1 에 따른 물 분해 촉매 전극의 수소 발생도를 이론값과 비교한 그래프이다.
도 19 는 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극에 의해 생성된 수소 및 산소의 양을 비교하기 위한 사진이다.
도 20 은 본원의 일 실시예에 따른 수소 생성 방법을 촬영한 사진이다.
도 21 은 본원의 일 실시예에 따른 수소 생성 방법의 작동을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment of the present application.
2 is a flow chart showing a method of manufacturing a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment of the present application.
3 is a schematic diagram showing a method of manufacturing a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment of the present application.
4 is a schematic diagram of a hydrogen generation method according to an embodiment of the present application.
5 is a FESEM image of a step of manufacturing a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment of the present application.
6 is a photograph of a step of manufacturing a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment of the present application.
7 is an XRD pattern of a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment of the present application.
8 is a TEM image of a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment of the present application.
9 is an EDS pattern of a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment of the present application.
10 is a HAADF-STEM mapping result of a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment of the present application.
11 is a result of XPS spectrum analysis before and after Ar treatment of Cu, Ni, Fe, and P of the water decomposition catalyst electrode according to an embodiment of the present application.
Figure 12 (a) is for the HER polarization curve (Hydrogen evolution reaction polarization curve) of the water decomposition catalyst electrode according to an embodiment and a comparative example of the present application, (b) is a water decomposition according to Example 1 and Comparative Example Tafel plot of the catalyst electrode, (c) is a Nyquist plot of the water decomposition catalyst electrode according to Example 1 and Comparative Example, (d) is the Example 1 and Comparative Example LSV curve (Linear Sweep Voltammetry curve) of the water decomposition catalyst electrode according to, (e) is a photograph of the water decomposition catalyst electrode according to Example 1.
13 (a) shows the relationship between the overvoltage and current density of the water decomposition catalyst electrode according to an embodiment and a comparative example of the present application, and (b) and (c) are according to Example 1 and Comparative Example. It is a graph showing the performance of the water cracking catalyst electrode.
14 is a graph showing (a) voltage and (b) cell voltage over time of a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment and a comparative example of the present application.
15 is a graph showing the performance of a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment and a comparative example of the present application.
16 is a graph showing the cell voltage over time of the water cracking catalyst electrode according to an embodiment of the present application.
Figure 17 (a) is a UV-vis spectrum of the water decomposition catalyst electrode according to the standard control test of the present application, (b) is a graph showing the HClO concentration at the specific absorption peak of (a).
(A) of FIG. 18 is a UV-vis spectrum according to the salt concentration of water impregnated with a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment of the present application, and (b) is of OCl - at a specific absorption peak of (a) A graph showing the concentration, (c) is a graph between the voltage applied to the water decomposition catalyst electrode according to Example 1 and the wavelength of the irradiated light, and (d) is the water decomposition catalyst electrode according to Example 1 This is a graph comparing the hydrogen generation rate with the theoretical value.
19 is a photograph for comparing the amount of hydrogen and oxygen produced by the water cracking catalyst electrode according to an embodiment of the present application.
20 is a photograph taken of a hydrogen generation method according to an embodiment of the present application.
21 is a graph showing the operation of the hydrogen generation method according to an embodiment of the present application.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present application.

그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.However, the present application may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in the drawings, parts not related to the description are omitted in order to clearly describe the present application, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.Throughout the present specification, when a part is said to be "connected" with another part, this includes not only the case that it is "directly connected", but also the case that it is "electrically connected" with another element interposed therebetween. do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is positioned "on", "upper", "upper", "under", "lower", and "lower" of another member, this means that a member is located on another member. It includes not only the case where they are in contact but also the case where another member exists between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification of the present application, when a certain part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다. As used herein, the terms "about", "substantially" and the like are used at or close to the numerical value when manufacturing and material tolerances specific to the stated meaning are presented, and to aid understanding of the present application In order to prevent unreasonable use by unscrupulous infringers of the stated disclosure, exact or absolute numerical values are used. In addition, throughout the specification of the present application, "step to" or "step of" does not mean "step for".

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.In the entire specification of the present application, the term "combination of these" included in the expression of the Makushi format refers to one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the Makushi format, and the component It means to include one or more selected from the group consisting of.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B" 를 의미한다. Throughout this specification, the description of "A and/or B" means "A or B, or A and B".

이하에서는 본원의 물 분해 촉매 전극 및 이의 제조 방법에 대하여, 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the water decomposition catalyst electrode of the present application and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to embodiments and examples and drawings. However, the present application is not limited to these embodiments and examples and drawings.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 다공성 금속 폼(foam)(100), 상기 다공성 금속 폼(100)의 표면에 형성된 금속 나노와이어(200), 및 상기 금속 나노와이어(200) 표면에 형성된 금속 이중층 수산화물(300)을 포함하는 물 분해 촉매 전극(10)을 제공한다.As a technical means for achieving the above technical problem, the first aspect of the present application is a porous metal foam 100, a metal nanowire 200 formed on the surface of the porous metal foam 100, and the metal nano It provides a water decomposition catalyst electrode 10 including a metal double layer hydroxide 300 formed on the surface of the wire 200.

도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 촉매 전극의 모식도이다.1 is a schematic diagram of a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment of the present application.

이와 관련하여, 후술하겠지만 상기 물 분해 촉매 전극(10)의 상기 금속 이중층 수산화물(300)은 인(P)화된 것으로서, 인화되지 않은 금속 이중층 수산화물(400)은 상기 금속 이중층 수산화물(300)을 제조하기 위한 중간 단계에 위치한 물질을 의미한다. 본원에서는 특별한 기재가 없는 한, "금속 이중층 수산화물"의 기재는 상기 물 분해 촉매 전극(10)에 포함되고, 인(P)화된, 도 1 에서 300 으로서 지칭되는 물질을 의미한다.In this regard, as will be described later, the metal double layer hydroxide 300 of the water decomposition catalyst electrode 10 is phosphorus (P), and the non-flammable metal double layer hydroxide 400 is used to prepare the metal double layer hydroxide 300 It means a substance located in the intermediate stage for. Herein, unless otherwise specified, the description of “metal bilayer hydroxide” refers to a material included in the water cracking catalyst electrode 10, phosphorus (P), and referred to as 300 in FIG. 1.

도 1 을 참조하면, 상기 물 분해 촉매 전극(10)은 상기 금속 이중층 수산화물(300)을 통해 물(H2O)을 수소(H2)로 환원시킬 수 있다.Referring to FIG. 1, the water decomposition catalyst electrode 10 may reduce water (H 2 O) to hydrogen (H 2 ) through the metal double layer hydroxide 300.

본원에 따른 다공성 금속 폼(100)은 개구 또는 폐쇄 기공을 가진 다공성의 금속 물질을 의미하는 것으로서, 상기 물 분해 촉매 전극(10)의 기판에 해당한다. 상기 다공성 금속 폼(100)은 상기 금속 나노와이어(200) 및 상기 금속 이중층 수산화물(300) 의 형태를 고정하고, 전자를 공급하기 위한 것이다.The porous metal foam 100 according to the present application refers to a porous metal material having open or closed pores, and corresponds to the substrate of the water decomposition catalyst electrode 10. The porous metal foam 100 is for fixing the shape of the metal nanowire 200 and the metal double layer hydroxide 300 and supplying electrons.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 금속 폼(100)은 1 μm 내지 10 μm 의 기공을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 다공성 금속 폼(100)은 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 2 μm 내지 약 10 μm, 약 3 μm 내지 약 10 μm, 약 4 μm 내지 약 10 μm, 약 5 μm 내지 약 10 μm, 약 6 μm 내지 약 10 μm, 약 7 μm 내지 약 10 μm, 약 8 μm 내지 약 10 μm, 약 9 μm 내지 약 10 μm, 약 1 μm 내지 약 2 μm, 약 1 μm 내지 약 3 μm, 약 1 μm 내지 약 4 μm, 약 1 μm 내지 약 5 μm, 약 1 μm 내지 약 6 μm, 약 1 μm 내지 약 7 μm, 약 1 μm 내지 약 8 μm, 약 1 μm 내지 약 9 μm, 약 2 μm 내지 약 9 μm, 약 3 μm 내지 약 8 μm, 약 4 μm 내지 약 7 μm, 약 5 μm 내지 약 6 μm, 약 6 μm 내지 약 10 μm, 약 7 μm 내지 약 10 μm, 약 8 μm 내지 약 10 μm, 약 2 μm 내지 약 8 μm, 약 2 μm 내지 약 7 μm, 약 2 μm 내지 약 6 μm, 약 2 μm 내지 약 5 μm, 약 2 μm 내지 약 4 μm, 약 2 μm 내지 약 3 μm, 약 3 μm 내지 약 7 μm, 약 3 μm 내지 약 6 μm, 약 3 μm 내지 약 5 μm, 약 3 μm 내지 약 4 μm, 약 4 μm 내지 약 6 μm, 또는 약 4 μm 내지 약 5 μm 의 기공을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the porous metal foam 100 may include pores of 1 μm to 10 μm, but is not limited thereto. For example, the porous metal foam 100 is about 1 μm to about 10 μm, about 2 μm to about 10 μm, about 3 μm to about 10 μm, about 4 μm to about 10 μm, about 5 μm to about 10 μm, about 6 μm to about 10 μm, about 7 μm to about 10 μm, about 8 μm to about 10 μm, about 9 μm to about 10 μm, about 1 μm to about 2 μm, about 1 μm to about 3 μm, About 1 μm to about 4 μm, about 1 μm to about 5 μm, about 1 μm to about 6 μm, about 1 μm to about 7 μm, about 1 μm to about 8 μm, about 1 μm to about 9 μm, about 2 μm to about 9 μm, about 3 μm to about 8 μm, about 4 μm to about 7 μm, about 5 μm to about 6 μm, about 6 μm to about 10 μm, about 7 μm to about 10 μm, about 8 μm to About 10 μm, about 2 μm to about 8 μm, about 2 μm to about 7 μm, about 2 μm to about 6 μm, about 2 μm to about 5 μm, about 2 μm to about 4 μm, about 2 μm to about 3 μm, about 3 μm to about 7 μm, about 3 μm to about 6 μm, about 3 μm to about 5 μm, about 3 μm to about 4 μm, about 4 μm to about 6 μm, or about 4 μm to about 5 μm It may include pores of, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 금속 폼(100)의 기공 상에서 상기 금속 나노와이어(200)가 성장할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal nanowire 200 may grow on the pores of the porous metal foam 100, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노 와이어(200)는 상기 다공성 금속 폼(100)의 표면으로부터 수직으로 성장할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal nanowire 200 may grow vertically from the surface of the porous metal foam 100, but is not limited thereto.

본원에 따른 금속 나노와이어(200)는 금속 원소로 이루어지고, 직경이 나노 미터 단위이며, 길이는 나노 미터 또는 마이크로미터 이상인 물질을 의미한다. 상기 금속 나노와이어(200)는 상기 다공성 금속 폼(100)상에 형성됨으로써, 상기 금속 이중층 수산화물(300)에 전자를 공급할 수 있다.The metal nanowire 200 according to the present application is made of a metal element, has a diameter of nanometers, and a length of nanometers or micrometers or more. The metal nanowire 200 may be formed on the porous metal foam 100 to supply electrons to the metal double layer hydroxide 300.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물(300)은 상기 금속 나노와이어(200)의 표면으로부터 수직으로 성장할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal double-layer hydroxide 300 may grow vertically from the surface of the metal nanowire 200, but is not limited thereto.

이와 관련하여 상기 금속 나노와이어(200)가 상기 다공성 금속 폼(100)의 표면으로부터 수직으로 성장하였음의 기재는, 상기 금속 나노와이어(200) 및 상기 다공성 금속 폼(100) 사이의 각도가 70° 내지 90° 임을 의미하며, 이는 상기 금속 이중층 수산화물(300) 및 상기 금속 나노와이어(200) 사이의 관계에서도 동일하게 적용될 수 있다.In this regard, the base material that the metal nanowire 200 has grown vertically from the surface of the porous metal foam 100, the angle between the metal nanowire 200 and the porous metal foam 100 is 70° It means that it is 90°, and this can be equally applied to the relationship between the metal double layer hydroxide 300 and the metal nanowire 200.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 금속 폼 (100)및 상기 금속 나노와이어(200)는 상기 금속 이중층 수산화물(300)에 의해 포위될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the porous metal foam 100 and the metal nanowire 200 may be surrounded by the metal double layer hydroxide 300, but are not limited thereto.

상기 금속 나노와이어(200)은 상기 다공성 금속 폼(100)의 표면적을, 상기 금속 이중층 수산화물(300)은 상기 다공성 금속 폼(100) 및 상기 금속 나노와이어(200)의 표면적을 넓히기 위해 형성되는 것으로서, 상기 다공성 금속 폼(100) 및 상기 금속 나노와이어(200)의 표면은 상기 금속 이중층 수산화물(300)에 의해 포위되어 물과 접촉하지 않을 수 있다.The metal nanowire 200 is formed to increase the surface area of the porous metal foam 100, and the metal double-layer hydroxide 300 is formed to increase the surface area of the porous metal foam 100 and the metal nanowire 200. , The surfaces of the porous metal foam 100 and the metal nanowire 200 may be surrounded by the metal double layer hydroxide 300 so as not to contact water.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노와이어(200)는 10 μm 내지 20 μm 의 길이를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal nanowire 200 may have a length of 10 μm to 20 μm, but is not limited thereto.

상기 금속 나노와이어(200)가 20 μm 미만의 길이를 가질 경우 상기 금속 이중층 수산화물(300)이 충분히 성장하지 않아 상기 다공성 금속 폼(100)이 물에 의해 부식 또는 마모될 수 있고, 10 μm 초과의 길이를 가질 경우 상기 금속 이중층 수산화물(300)에 전자를 공급하는 속도가 저하될 수 있다.When the metal nanowire 200 has a length of less than 20 μm, the metal double layer hydroxide 300 may not grow sufficiently, so that the porous metal foam 100 may be corroded or abraded by water. If it has a length, the rate of supplying electrons to the metal double layer hydroxide 300 may be reduced.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물(300)은 10 nm 내지 20 nm 의 두께를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal double-layer hydroxide 300 may have a thickness of 10 nm to 20 nm, but is not limited thereto.

상기 금속 이중층 수산화물(300)이 20 nm 초과의 두께를 가질 경우, 상기 물 분해 촉매 전극(10)의 수소 생성 효율이 저하될 수 있고, 10 nm 미만의 두께를 가질 경우 상기 다공성 금속 폼(100) 및 상기 금속 나노와이어(200)가 물에 의해 부식 또는 마모될 수 있다.When the metal double-layer hydroxide 300 has a thickness of more than 20 nm, the hydrogen generation efficiency of the water decomposition catalyst electrode 10 may be reduced, and when it has a thickness of less than 10 nm, the porous metal foam 100 And the metal nanowire 200 may be corroded or worn by water.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물(300)은 인화된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal double-layer hydroxide 300 may be printed, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매 전극의 타펠 곡선 기울기(Tafel slope)는 50 mV/dec 내지 60 mV/dec 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.According to an exemplary embodiment of the present disclosure, a Tafel slope of the water decomposition catalyst electrode may be 50 mV/dec to 60 mV/dec, but is not limited thereto.

본원에 따른 타펠 곡선 기울기(tafel slope)는, 활성화 전위 η와 전류 밀도 J, 및 교환 전류 밀도 J0 에 대한 것으로서, 하기의 식 1 에서 A 와 같이 표현될 수 있다.The Tafel curve slope according to the present application is for activation potential η and current density J, and exchange current density J 0 , and may be expressed as A in Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

η = A ln(J/J0)η = A ln(J/J 0 )

상기 타펠 곡선 기울기 A 가 작을수록 수소 생성 반응이 활발한 것을 의미한다.The smaller the slope A of the Tafel curve means that the hydrogen generation reaction is active.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매 전극의 페러데이 효율(Faradaic efficiency)은 90% 내지 100% 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the Faradaic efficiency of the water decomposition catalyst electrode may be 90% to 100%, but is not limited thereto.

본원에 따른 페러데이 효율(Faradaic efficiency)은 특정 생성물에 대한 환원 효율을 전자 전달의 관점에서 규정한 것으로서, 하기 식 2 에서 εFaradaic 와 같이 표현될 수 있다.The Faradaic efficiency according to the present application defines the reduction efficiency for a specific product in terms of electron transfer, and can be expressed as ε Faradaic in Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

εFaradaic = znF/Qε Faradaic = znF/Q

상기 식 2 에서, z 는 반응식을 통해 계산된, 교환에 필요한 전자의 수이고, n 은 원하는 생성물의 몰 수이며, F 는 페러데이 상수(1 F=96485 C/mol)이고, Q 는 흘려준 전하의 양이다.In Equation 2, z is the number of electrons required for the exchange calculated through the reaction equation, n is the number of moles of the desired product, F is the Faraday constant (1 F = 96485 C/mol), and Q is the charged charge Is the amount of

상기 페러데이 효율은 특정 생성물을 생산하기 위해 소모된 전류의 비율이기 때문에, 페러데이 효율을 통해 수소 생성 반응의 효율을 확인할 수 있다.Since the Faraday efficiency is a ratio of the current consumed to produce a specific product, the efficiency of the hydrogen generation reaction can be confirmed through the Faraday efficiency.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물(300)은 제 1 금속 및 제 2 금속을 포함하고, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속은 서로 상이할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal double-layer hydroxide 300 includes a first metal and a second metal, and the first metal and the second metal may be different from each other, but are not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 금속 폼(100), 상기 금속 나노와이어(200), 상기 제 1 금속, 및 상기 제 2 금속은 각각 독립적으로 Cu, Ni, Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the porous metal foam 100, the metal nanowire 200, the first metal, and the second metal are each independently Cu, Ni, Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, and may include those selected from the group consisting of combinations thereof, but are not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물(300)에 있어서, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속의 원자 비율은 0.5 : 1 내지 2 :1 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 상기 원자 비율은 몰수(mole)의 비율을 의미한다.According to an exemplary embodiment of the present disclosure, in the metal double-layer hydroxide 300, the atomic ratio of the first metal and the second metal may be 0.5:1 to 2:1, but is not limited thereto. In this regard, the atomic ratio means the ratio of moles.

예를 들어, 상기 금속 이중층 수산화물(300)은 NiP2 및 FeP2 를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 P 의 비율은 상기 Ni 및/또는 Fe 가 인화된 정도에 따라 상이할 수 있다.For example, the metal double layer hydroxide 300 may include NiP 2 and FeP 2 , but is not limited thereto. The ratio of P may vary depending on the degree to which the Ni and/or Fe is ignited.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매 전극(10)은 휠 수 있으나, 이에 제한되는 것은아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the water decomposition catalyst electrode 10 may be bent, but is not limited thereto.

일반적인 금속 이중층 수산화물(300)은 세라믹 물질이기 때문에 취성이 강해 구부리면 취성파괴되는 특성을 가진 것으로 알려져 있다. 그러나 본원에 따른 금속 이중층 수산화물(300)은 상기 금속 나노와이어(200)의 표면에 수직하게 형성된 것이고, 상기 금속 나노와이어(200)는 상기 다공성 금속 폼(100)의 표면에 수직하게 형성된 것이고, 상기 다공성 금속 폼(100)은 일반적으로 연성을 갖는 금속 재질의 물질이기 때문에, 상기 물 분해 촉매 전극(10)은 상기 다공성 금속 폼(100)의 연성에 의해 휠 수 있다. Since the general double-layer metal hydroxide 300 is a ceramic material, it is known to be brittle and fracture brittle when bent. However, the metal double layer hydroxide 300 according to the present application is formed perpendicular to the surface of the metal nanowire 200, the metal nanowire 200 is formed perpendicular to the surface of the porous metal foam 100, the Since the porous metal foam 100 is generally made of a metal material having ductility, the water decomposition catalyst electrode 10 may be bent by the ductility of the porous metal foam 100.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매 전극(10)의 임피던스는 0.25 Ω 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the impedance of the water decomposition catalyst electrode 10 may be 0.25 Ω or less, but is not limited thereto.

후술하겠으나, 종래의 물 분해 촉매 전극은 임피던스가 0.5 Ω 이상이기 때문에,상기 다공성 금속 폼(100)으로부터 상기 금속 이중층 수산화물(300)까지 전자가 이동하는 속도가 느려 수소 생성 효율이 낮게 형성되었다. 그러나, 본원에 따른 물 분해 촉매 전극(10)은 종래의 물 분해 촉매 전극에 비해 임피던스가 낮아 수소 생성 효율이 향상될 수 있다.As will be described later, since the conventional water decomposition catalyst electrode has an impedance of 0.5 Ω or more, the rate at which electrons move from the porous metal foam 100 to the metal double layer hydroxide 300 is slow, and thus hydrogen generation efficiency is low. However, the water decomposition catalyst electrode 10 according to the present application has a lower impedance than the conventional water decomposition catalyst electrode, and thus hydrogen generation efficiency can be improved.

또한, 본원의 제 2 측면은 다공성 금속 폼(100) 상에 금속 나노와이어(200)를 형성하는 단계, 및 상기 금속 나노와이어(200) 상에 금속 이중층 수산화물(300)을 형성하는 단계를 포함하는, 물 분해 촉매 전극(10)의 제조 방법을 제공한다In addition, the second aspect of the present application comprises forming a metal nanowire 200 on the porous metal foam 100, and forming a metal double layer hydroxide 300 on the metal nanowire 200 , To provide a method of manufacturing a water decomposition catalyst electrode 10

본원의 제 2 측면에 따른 물 분해 촉매 전극의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다With respect to the method of manufacturing the water decomposition catalyst electrode according to the second aspect of the present application, detailed descriptions of parts overlapping with the first aspect of the present application have been omitted, but even if the description is omitted, the content described in the first aspect of the present application The same can be applied to the second aspect of

본원의 일 구현예에 다르면, 상기 물 분해 촉매 전극(10)의 제조 방법은 금속 이중층 수산화물(400)을 인화시키는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the method of manufacturing the water decomposition catalyst electrode 10 may further include a step of igniting the metal double layer hydroxide 400, but is not limited thereto.

상기 인화되지 않은 금속 이중층 수산화물(400)은 인(P)화에 의해 상기 금속 이중층 수산화물(300)로 변환될 수 있다.The non-flammable metal double layer hydroxide 400 may be converted into the metal double layer hydroxide 300 by phosphorus (P).

즉, 본원에 따른 물 분해 촉매 전극(10)의 제조 방법은, 다공성 금속 폼(100) 상에 금속 나노와이어(200)를 형성하는 단계, 상기 금속 나노와이어(200) 상에 인(P)화 되지 않은 금속 이중층 수산화물(400)을 형성하는 단계, 및 상기 인(P)화 되지 않은 금속 이중층 수산화물(400)을 인화시켜 금속 이중층 수산화물(300)을 형성하는 단계를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.That is, the method of manufacturing the water decomposition catalyst electrode 10 according to the present application is a step of forming a metal nanowire 200 on the porous metal foam 100, phosphorus (P) on the metal nanowire 200 Forming the non-phosphorous metal double layer hydroxide 400, and the step of forming the metal double layer hydroxide 300 by igniting the non-phosphorous (P) metal double layer hydroxide 400, but is limited thereto. It is not.

도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 촉매 전극의 제조 방법의 순서도이고, 도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 촉매 전극의 제조 방법의 모식도이다.2 is a flowchart of a method of manufacturing a water decomposition catalyst electrode according to an embodiment of the present application, and FIG. 3 is a schematic diagram of a method of manufacturing a water decomposition catalyst electrode according to an exemplary embodiment of the present application.

먼저, 다공성 금속 폼(100) 상에 금속 나노와이어(200)를 형성한다 (S100).First, a metal nanowire 200 is formed on the porous metal foam 100 (S100).

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노와이어(200)를 형성하는 단계는, 상기 다공성 금속 폼(100) 상에 금속 수산화물 나노와이어(미도시)를 형성하는 단계, 및 상기 금속 수산화물 나노와이어(미도시)를 상기 금속 나노와이어(200)로 환원시키는 단계를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an exemplary embodiment of the present application, the forming of the metal nanowire 200 includes forming a metal hydroxide nanowire (not shown) on the porous metal foam 100, and the metal hydroxide nanowire ( (Not shown) may include the step of reducing to the metal nanowire 200, but is not limited thereto.

일반적인 금속 나노와이어는 서로 다른 환원력을 갖는 2 개 이상의 용매를 혼합하고, 서로 다른 분자량을 갖는 캡핑제를 상기 용매에 첨가한 후, 상기 용매에 촉매 및 금속 산화물을 첨가하는 반응을 통해 형성된다.Typical metal nanowires are formed by mixing two or more solvents having different reducing powers, adding capping agents having different molecular weights to the solvent, and then adding a catalyst and a metal oxide to the solvent.

본원에 따른 금속 나노와이어(200)는, 상기 다공성 금속 폼(100) 상에 금속 수산화물 나노와이어(미도시)를 형성하는 단계, 상기 금속 수산화물 나노와이어를 금속 산화물 나노와이어로 산화시키는 단계, 및 상기 금속 산화물 나노 와이어를 금속 나노와이어(200)로 환원시키는 단계에 의해 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal nanowire 200 according to the present application includes forming a metal hydroxide nanowire (not shown) on the porous metal foam 100, oxidizing the metal hydroxide nanowire into a metal oxide nanowire, and the It may be manufactured by reducing the metal oxide nanowire to the metal nanowire 200, but is not limited thereto.

예를 들어 상기 다공성 금속 폼(100) 및 상기 금속 나노와이어(200)의 금속이 모두 Cu 일 경우, 상기 다공성 Cu 로부터 Cu(OH)2 나노와이어가 화학적 산화(chemical oxidation) 방법에 의해 형성될 수 있다. 상기 Cu(OH)2 나노 와이어는 소성됨으로써 CuO 나노와이어로 전환될 수 있고, 상기 CuO 나노와이어는 전기화학적으로 환원됨으로써 Cu 나노와이어가 될 수 있다.For example, when the metals of the porous metal foam 100 and the metal nanowire 200 are both Cu, Cu(OH) 2 nanowires may be formed from the porous Cu by a chemical oxidation method. have. The Cu(OH) 2 nanowires may be converted into CuO nanowires by firing, and the CuO nanowires may be electrochemically reduced to become Cu nanowires.

상기 금속 나노와이어(200)는, 상기 금속 이중층 수산화물(300)에 전자를 공급함으로써 물을 환원시킬 수 있다.The metal nanowire 200 may reduce water by supplying electrons to the metal double layer hydroxide 300.

이어서, 상기 금속 나노와이어(200) 상에 금속 이중층 수산화물(300)을 형성한다 (S200).Subsequently, a metal double-layer hydroxide 300 is formed on the metal nanowire 200 (S200).

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물(300)을 형성하는 단계는, 상기 금속 나노와이어 상에 인(P)화되지 않은 금속 이중층 수산화물(400)을 형성하는 단계(S210) 및 상기 인화되지 않은 금속 이중층 수산화물(400)을 인화시키는 단계(S220)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an exemplary embodiment of the present disclosure, the forming of the metal double layer hydroxide 300 includes forming a metal double layer hydroxide 400 that is not phosphorus (P) on the metal nanowire (S210) and the printing The step of igniting the non-metal double layer hydroxide 400 (S220) may be included, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물(300)은 상기 금속 나노와이어(200)를 포위하도록 형성할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 상기 인화되지 않은 금속 이중층 수산화물(400) 역시 상기 금속 나노와이어(200)를 포위하도록 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the double metal hydroxide 300 may be formed to surround the metal nanowire 200, but is not limited thereto. In this regard, the non-flammable metal double layer hydroxide 400 may also be formed to surround the metal nanowire 200, but is not limited thereto.

상술하였듯, 상기 물 분해 촉매 전극(10)이 포함하는 금속 이중층 수산화물(layered double hydroxide)은 인(P)화가 완료된 것이나, 상기 금속 나노와이어(200) 상에 상기 인화된 금속 이중층 수산화물(300)을 형성하는 것은 어려운 것으로 알려져있다. 따라서, 본원에서는 상기 금속 나노와이어(200) 상에 상기 인화되지 않은 금속 이중층 수산화물(400)을 형성한 후, 상기 금속 이중층 수산화물(400)을 인화시킴으로써, 상기 물 분해 촉매 전극(10)이 인화된 금속 이중층 수산화물(300)을 포함하도록 형성하였으며 상기 인화된 금속 이중층 수산화물(300)에 의해 상기 물 분해 촉매 전극(10)은 전도성이 향상되고, 수소 생성을 위한 활성화 사이트(active sites)의 수가 증가하며, 수명이 향상될 수 있다.As described above, the layered double hydroxide included in the water decomposition catalyst electrode 10 is phosphorus (P) completed, but the phosphorus metal double layer hydroxide 300 on the metal nanowire 200 It is known to be difficult to form. Therefore, in the present application, after forming the non-flammable metal double layer hydroxide 400 on the metal nanowire 200, the water decomposition catalyst electrode 10 is ignited by igniting the metal double layer hydroxide 400 The water decomposition catalyst electrode 10 was formed to include the metal double layer hydroxide 300 and the fired metal double layer hydroxide 300 improves the conductivity, and the number of active sites for hydrogen generation increases. , Life can be improved.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이중층 수산화물(300 또는 400)은 제 1 금속 및 제 2 금속을 포함하고, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속은 서로 상이할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal double-layer hydroxide 300 or 400 includes a first metal and a second metal, and the first metal and the second metal may be different from each other, but are not limited thereto.

상기 금속 이중층 수산화물(300 또는 400)이 두 종류 이상의 서로 다른 금속을 포함하는 경우, 한 종류의 금속을 포함하는 금속 수산화물에 비해 수소 생성 효율이 향상될 수 있다. 또한, 두 종류 이상의 금속 인화물을 포함하는 금속 이중층 수산화물(300)의 경우, 한 종류의 금속 인화물을 포함하는 금속 수산화물 또는 인화되지 않은 금속 이중층 수산화물(400)에 비해 물의 분해가 촉진되는 것을 확인할 수 있다.When the metal double-layer hydroxide 300 or 400 includes two or more different metals, hydrogen generation efficiency may be improved as compared to a metal hydroxide including one type of metal. In addition, in the case of the metal double layer hydroxide 300 including two or more types of metal phosphide, it can be seen that the decomposition of water is accelerated compared to the metal hydroxide including one type of metal phosphide or the non-flammable metal double layer hydroxide 400. .

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 금속 폼(100), 상기 금속 나노와이어(200), 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속은 각각 독립적으로 Cu, Ni, Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the porous metal foam 100, the metal nanowire 200, the first metal and the second metal are each independently Cu, Ni, Fe, Au, Pt, Ti, Ag , Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, and may include those selected from the group consisting of combinations thereof, but are not limited thereto.

또한, 본원의 제 3 측면은 상기 제 1 측면에 따른 물 분해 전극(10) 및 상대 전극(20)을 물에 함침하는 단계 및 상기 물 분해 촉매 전극(10) 및 상대 전극(20)에 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 수소 생성 방법에 대한 것이다.In addition, the third aspect of the present application is the step of impregnating the water decomposition electrode 10 and the counter electrode 20 according to the first aspect in water, and the voltage to the water decomposition catalyst electrode 10 and the counter electrode 20 It relates to a method of generating hydrogen, including applying.

도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 수소 생성 방법의 모식도이다.4 is a schematic diagram of a hydrogen generation method according to an embodiment of the present application.

본원의 제 3 측면에 따른 수소 생성 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면에 기재된 내용은 본원의 제 3 측면에 동일하게 적용될 수 있다With respect to the hydrogen generation method according to the third aspect of the present application, detailed descriptions of portions overlapping with the first and second aspects of the present application have been omitted, but even if the description is omitted, the first aspect and/or the second aspect of the present application The content described in the side can be equally applied to the third aspect of the present application.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 수소 생성 방법은 태양광에 의해서 작동할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the hydrogen generation method may be operated by sunlight, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 상대 전극(20)은 상기 인화되지 않은 금속 이중층 수산화물(400)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 상대 전극(20)은 다공성 금속 폼(100) 상에 형성된, 인화되지 않은 금속 이중층 수산화물(400)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the counter electrode 20 may include the non-flammable metal double-layer hydroxide 400, but is not limited thereto. For example, the counter electrode 20 may include a non-flammable metal double-layer hydroxide 400 formed on the porous metal foam 100, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해 촉매 전극(10) 및/또는 상기 상대 전극(20)은 상기 물에 의해 부식되지 않을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the water decomposition catalyst electrode 10 and/or the counter electrode 20 may not be corroded by the water, but is not limited thereto.

본원에 따른 상기 물 분해 촉매 전극(10) 및/또는 상기 상대 전극(20)은 표면에 상기 금속 이중층 수산화물(300 또는 400)을 포함하고 있어 담수 뿐만 아니라 해수에서도 작동이 가능하고, 상기 해수에서 수소를 생성할 때 부식되지 않을 수 있다.The water decomposition catalyst electrode 10 and/or the counter electrode 20 according to the present application includes the metal double layer hydroxide (300 or 400) on the surface, so that it can be operated in seawater as well as fresh water, and hydrogen in the seawater It may not corrode when producing.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 수소 생성 방법은 염소(Cl2)를 방출하지 않을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the method of generating hydrogen may not release chlorine (Cl 2 ), but is not limited thereto.

일반적으로 해수는 NaCl 을 포함하고 있기 때문에, 수소 생성 방법의 애노드에서 산소가 형성되는 대신 염소(Cl2)가 형성되는 문제가 발생할 수 있다. 구체적으로, 해수를 사용하는 일반적인 수소 생성 방법의 애노드에서는, OER(oxygen evolution reaction)과 함께 HClO 및 OCl- 이온이 형성되어 Cl2 가 형성될 수 있다. 상기 HClO 및 OCl- 이온은 o-톨리딘(o-tolidine) 용액에 의해 검출될 수 있다.In general, since seawater contains NaCl, a problem in that chlorine (Cl 2 ) is formed instead of oxygen is formed at the anode of the hydrogen generation method may occur. Specifically, in the anode of a general hydrogen generation method using seawater, HClO and OCl - ions may be formed together with oxygen evolution reaction (OER) to form Cl 2 . The HClO and OCl - ions can be detected by an o-tolidine solution.

그러나, 본원에 따른 수소 생성은 상기 물분해 촉매 캐소드 전극(10)을 사용함으로써 수소 생성이 가능하다. However, hydrogen generation according to the present application may be performed by using the water decomposition catalyst cathode electrode 10.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail through the following examples, but the following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present application.

[실시예 1] [Example 1]

다공성 Cu 폼을 37% HCl 로 세척한 후, 에탄올 및 탈이온수로 소니케이션하였다. 이어서, 상기 다공성 Cu 폼을 1.05 g 의 NaOH 및 300 mg 의 (NH4)2S2O8 을 포함하는 수용액 14 ml 에 30 분간 함침하였다. 상기 다공성 Cu 폼이 푸른 빛을 띄면, 탈이온수로 여러 번 세척한 후 공기중에 건조시켜 Cu(OH)2 나노 와이어를 형성하였다. 상기 Cu(OH)2 나노 와이어를 180℃에서 1 시간 동안 열처리하여 CuO 나노 와이어를 형성하였고, 상기 CuO 나노 와이어는 Ar 로서 포화된 1 M 의 NaHCO3 수용액에서 -1.08 V vs Ag/AgCl 의 전압이 인가되어 Cu 나노 와이어로 환원되었다.After washing the porous Cu foam with 37% HCl, it was sonicated with ethanol and deionized water. Subsequently, the porous Cu foam was impregnated in 14 ml of an aqueous solution containing 1.05 g of NaOH and 300 mg of (NH 4 ) 2 S 2 O 8 for 30 minutes. When the porous Cu foam had a blue light, it was washed several times with deionized water and then dried in air to form Cu(OH) 2 nanowires. The Cu(OH) 2 nanowires were heat-treated at 180° C. for 1 hour to form CuO nanowires, and the CuO nanowires had a voltage of -1.08 V vs Ag/AgCl in 1 M NaHCO 3 aqueous solution saturated with Ar. Applied and reduced to Cu nanowires.

이어서, 상기 Cu 나노 와이어가 형성된 상기 다공성 Cu 폼을 0.04 M Ni(NO3)2·6H2O 및 0.04 M Fe(NO3)3 · 9H2O 을 포함하는 전해질 50 ml 를 사용하여 -1.2 V vs Ag/AgCl의 전압에 의해 전기 증착됨으로써, 중간 물질인 NiFe-LDH/Cu NW/Cu Foam 를 형성하였다 .Subsequently, the porous Cu foam with the Cu nanowires formed was -1.2 V vs Ag using 50 ml of an electrolyte containing 0.04 M Ni(NO 3 ) 2 ·6H2O and 0.04 M Fe(NO 3 ) 3 · 9H 2 O. By electro-deposition by the voltage of /AgCl, the intermediate material NiFe-LDH/Cu NW/Cu Foam was formed.

상기 중간 물질을 NaPO2H2 과 Ar 분위기 하에 350 ℃에서 2 시간 동안 반응시켜 NiFeP/Cu NW/Cu Foam(이하 물 분해 촉매 전극)를 형성하였다.The intermediate material was reacted with NaPO 2 H 2 at 350° C. for 2 hours in an Ar atmosphere to form NiFeP/Cu NW/Cu Foam (hereinafter, a water decomposition catalyst electrode).

도 5 는 상기 실시예 1 에 따른 물 분해 촉매 전극의 제조 단계별 FESEM 이미지이다. 구체적으로, 도 5 의 (a) 는 다공성 Cu 폼이고, (b) 는 상기 다공성 Cu 폼 상에 형성된 Cu(OH)2 나노와이어이고, (c) 는 상기 다공성 Cu 폼 상에 형성된 Cu 나노 와이어(Cu NW/Cu Foam)이고, (d) 는 상기 Cu NW/Cu Foam 상에 형성된 NiFe-LDH 이며, (e)는 NiFeP/Cu NW/Cu Foam 의 SEM 이미지이다.5 is a FESEM image of a step of manufacturing the water decomposition catalyst electrode according to Example 1. Specifically, (a) of FIG. 5 is a porous Cu foam, (b) is a Cu(OH) 2 nanowire formed on the porous Cu foam, and (c) is a Cu nanowire formed on the porous Cu foam ( Cu NW/Cu Foam), (d) is NiFe-LDH formed on the Cu NW/Cu Foam, and (e) is an SEM image of NiFeP/Cu NW/Cu Foam.

도 6 은 상기 실시예 1 에 따른 물 분해 촉매 전극의 제조 단계별 사진이고, 도 7 은 상기 실시예 1 에 따른 물 분해 촉매 전극의 XRD 패턴이고, 도 8 은 상기 실시예 1 에 따른 물 분해 촉매 전극의 TEM 이미지이고, 도 9 는 상기 실시예 1 에 따른 물 분해 촉매 전극의 EDS 패턴이고, 도 10 은 상기 실시예 1 에 따른 물 분해 촉매 전극의 HAADF-STEM 매핑 결과이며, 도 11 은 상기 실시예 1 에 따른 물 분해 촉매 전극의 Cu, Ni, Fe, P 의 Ar 처리 전, 후의 XPS 스펙트럼 분석 결과이다. 구체적으로, 도 6 의 (a) 는 다공성 Cu 폼이고, (b) 는 Cu(OH)2 나노와이어/다공성 Cu 폼이고, (c) 는 Cu NW/Cu Foam 이며, (d) 는 NiFeP/Cu NW/Cu Foam 이다.6 is a photograph of a step of manufacturing the water decomposition catalyst electrode according to Example 1, FIG. 7 is an XRD pattern of the water decomposition catalyst electrode according to Example 1, and FIG. 8 is a water decomposition catalyst electrode according to Example 1 9 is an EDS pattern of the water cracking catalyst electrode according to Example 1, FIG. 10 is a HAADF-STEM mapping result of the water cracking catalyst electrode according to Example 1, and FIG. 11 is the example It is the XPS spectrum analysis result before and after Ar treatment of Cu, Ni, Fe, and P of the water decomposition catalyst electrode according to 1. Specifically, (a) of Figure 6 is a porous Cu foam, (b) is a Cu(OH) 2 nanowire/porous Cu foam, (c) is a Cu NW/Cu Foam, and (d) is a NiFeP/Cu It is NW/Cu Foam.

도 6 내지 도 11 을 참조하면, 상기 물 분해 촉매 전극은 휠 수 있고, NiP2 및 FeP2 가 결합된 NiFeP 를 포함하고, 상기 NiFeP 의 조성비는 Ni : Fe : P = 1.17 : 1 : 1.96 임을 확인할 수 있다.6 to 11, the water decomposition catalyst electrode may be bent, and NiP 2 and FeP 2 are bound to NiFeP, and the composition ratio of the NiFeP is Ni: Fe: P = 1.17: 1: 1.96. I can.

[실시예 2][Example 2]

상기 실시예 1 에 따른 물 분해 촉매 전극(NiFeP/Cu NW/Cu Foam) 을 (-) 극으로, NiFe-LDH/Ni Foam 을 (+) 극을, 25℃ 의 1 M KOH 용액에 함침시킨 후, 전원 장치와 연결하였다.After impregnating the water decomposition catalyst electrode (NiFeP/Cu NW/Cu Foam) according to Example 1 as a (-) pole, and the NiFe-LDH/Ni Foam as a (+) pole, in a 1 M KOH solution at 25° C. , Connected to the power supply.

[실시예 3][Example 3]

상기 실시예 2 와 동일하되, 25℃ 의 1 M KOH 용액 대신 25℃ 의 1 M KOH 및 0.6 M NaCl 용액(해수)을 사용하였다.The same as in Example 2, but instead of the 1 M KOH solution at 25 ℃ 1 M KOH and 0.6 M NaCl solution (seawater) at 25 ℃ was used.

[실시예 4][Example 4]

상기 실시예 2 와 동일하되, KOH 용액의 온도를 100℃ 로 설정하였다.Same as in Example 2, but the temperature of the KOH solution was set to 100°C.

[실시예 5][Example 5]

상기 실시예 3 과 동일하되, 해수의 온도를 100℃ 로 설정하였다.Same as in Example 3, but the temperature of seawater was set to 100°C.

[비교예 1][Comparative Example 1]

물 분해 촉매 전극으로서 CFP(Carbon fiber paper)를 사용하였다,CFP (Carbon fiber paper) was used as a water decomposition catalyst electrode,

[비교예 2][Comparative Example 2]

물 분해 촉매 전극으로서 Cu 폼을 사용하였다.Cu foam was used as a water decomposition catalyst electrode.

[비교예 3][Comparative Example 3]

물 분해 촉매 전극으로서 NiFeP/CFP 를 사용하였다.NiFeP/CFP was used as a water decomposition catalyst electrode.

[비교예 4][Comparative Example 4]

물 분해 촉매 전극으로서 20 wt% Pt/C/Cu 폼을 사용하였다.20 wt% Pt/C/Cu foam was used as a water cracking catalyst electrode.

[비교예 5][Comparative Example 5]

상기 비교예 4 의 전극을 (-) 극으로서 포함하고, (+) 극으로서 RuO2/Ni 폼을 포함하여 수소를 생성하는 방법이다.This is a method of generating hydrogen by including the electrode of Comparative Example 4 as a (-) pole, and including RuO 2 /Ni foam as a (+) pole.

[실험예 1][Experimental Example 1]

도 12 의 (a) 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 HER 분극 곡선(Hydrogen evolution reaction polarization curve)에 대한 것이고, (b) 는 상기 실시예 및 비교예예 따른 물 분해 촉매 전극의 타펠 플롯(Tafel plot)이고, (c) 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)이고, (d) 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 LSV 곡선(Linear Sweep Voltammetry curve)이며, (e)는 상기 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극의 사진이다.Figure 12 (a) is for the HER polarization curve (Hydrogen evolution reaction polarization curve) of the water decomposition catalyst electrode according to the Examples and Comparative Examples, (b) is the water decomposition catalyst electrode according to the Examples and Comparative Examples. Tafel plot, (c) is a Nyquist plot of a water cracking catalyst electrode according to Examples and Comparative Examples, and (d) is a water cracking catalyst according to Examples and Comparative Examples. It is the LSV curve (Linear Sweep Voltammetry curve) of the electrode, and (e) is a photograph of the water decomposition catalyst electrode according to the embodiment.

도 12 를 참조하면, 상기 NiFeP/Cu NW/Cu Foam 은 낮은 전압이 가해져도 높은 전류 밀도를 갖고, 50 mV/dec 내지 60 mV/dec 의 타펠 기울기를 가지며, 낮은 임피던스를 갖기 때문에, 물 분해 촉매 전극으로서 우수할 수 있다. 일반적으로 임피던스가 높은 촉매 전극은 전하를 전송하는 속도가.느리기 때문에, 물 분해 촉매 전극에 사용하기 위해서는 임피던스를 최대한 낮출 필요가 있다. 본원에 따른 NiFeP/Cu NW/Cu Foam 전극은 임피던스가 낮아 종래의 물 분해 촉매 전극에 비해 전하 전달 속도가 빠르다.Referring to FIG. 12, the NiFeP/Cu NW/Cu foam has a high current density even when a low voltage is applied, has a Tafel slope of 50 mV/dec to 60 mV/dec, and has a low impedance, so that the water decomposition catalyst It can be excellent as an electrode. In general, a catalyst electrode having a high impedance has a slow charge transfer rate, so it is necessary to reduce the impedance as much as possible in order to use it for a water cracking catalyst electrode. The NiFeP/Cu NW/Cu Foam electrode according to the present application has a low impedance and a high charge transfer rate compared to a conventional water decomposition catalyst electrode.

[실험예 2][Experimental Example 2]

도 13 의 (a) 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 과전압 및 전류 밀도 사이의 관계를 나타낸 것이고, (b) 및 (c) 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 성능을 나타낸 그래프이고, 도 14 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 시간에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이고, 도 15 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 물 분해 촉매 전극의 성능을 나타낸 그래프이며, 도 16 은 상기 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극의 시간에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.13 (a) shows the relationship between the overvoltage and current density of the water cracking catalyst electrode according to the Examples and Comparative Examples, and (b) and (c) are the water cracking catalysts according to the Examples and Comparative Examples. A graph showing the performance of the electrode, FIG. 14 is a graph showing the current density of the water cracking catalyst electrode according to the Examples and Comparative Examples over time, and FIG. 15 is a graph showing the current density of the water cracking catalyst electrode according to the Examples and Comparative Examples. It is a graph showing the performance, and FIG. 16 is a graph showing the current density over time of the water decomposition catalyst electrode according to the embodiment.

도 13 을 참조하면, 상기 NiFeP/Cu NW/Cu Foam 은 특정 전류 밀도를 달성하기 위해서 낮은 수준의 과전압(overpotential) 및 셀 전압(cell voltage)을 요구하고, 100℃ 의 1 M KOH 용액, 100℃ 의 해수, 및 25℃의 해수에서 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다.13, the NiFeP/Cu NW/Cu Foam requires a low level of overpotential and cell voltage to achieve a specific current density, and a 1 M KOH solution at 100° C., 100° C. It can be seen that the performance is improved in seawater of and 25°C.

도 14 내지 도 16 을 참조하면, 상기 NiFeP/Cu NW/Cu Foam 은 일정 수준의 전류 밀도를 달성하기 위해, 종래의 기술에 비해 낮은 수준의 셀 전압을 필요로 하고, 3 V 이상의 셀 전압이 인가되어도 수소를 생성할 수 있다.14 to 16, the NiFeP/Cu NW/Cu Foam requires a lower level of cell voltage compared to the conventional technology in order to achieve a certain level of current density, and a cell voltage of 3 V or more is applied. Even if it is, hydrogen can be produced.

[실험예 3][Experimental Example 3]

도 17 의 (a) 는 상기 표준 제어 테스트에 따른 물 분해 촉매 전극의 UV-vis 스펙트럼이고, (b) 는 (a) 의 특정 흡수 피크에서의 HClO 농도를 나타낸 그래프이고, 도 18 의 (a) 는 상기 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극이 함침된 물의 염 농도에 따른 UV-vis 스펙트럼에 대한 것이고, (b) 는 (a) 의 특정 흡수 피크에서의 OCl- 의 농도를 나타낸 그래프이고, (c) 는 상기 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극에 인가되는 전압 및 조사되는 빛의 파장 사이의 그래프이며, (d) 는 상기 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극의 수소 발생도를 이론값과 비교한 그래프이다. Figure 17 (a) is a UV-vis spectrum of the water decomposition catalyst electrode according to the standard control test, (b) is a graph showing the HClO concentration at the specific absorption peak of (a), Figure 18 (a) Is for the UV-vis spectrum according to the salt concentration of water impregnated with the water decomposition catalyst electrode according to the above embodiment, (b) is a graph showing the concentration of OCl - at the specific absorption peak of (a), (c ) Is a graph between the voltage applied to the water decomposition catalyst electrode according to the above embodiment and the wavelength of the irradiated light, and (d) is a graph comparing the hydrogen generation degree of the water decomposition catalyst electrode according to the embodiment with a theoretical value to be.

도 17 및 도 18 을 참조하면, 2.6 V 의 셀 전압을 1 시간 동안 연속적으로 인가하여도, 상기 해수에서는 HClO 이온 및/또는 OCl 이온이 검출되지 않았으며, 이는 NiFeP/Cu NW/Cu Foam 및 NiFe-LDH/Ni Foam 이 높은 수준의 산소 및 수소 선택성을 가짐을 입증한다.17 and 18, even when a cell voltage of 2.6 V was continuously applied for 1 hour, HClO ions and/or OCl ions were not detected in the seawater, which is NiFeP/Cu NW/Cu Foam and NiFe -It proves that LDH/Ni Foam has a high level of oxygen and hydrogen selectivity.

[실험예 4][Experimental Example 4]

도 19 는 상기 실시예에 따른 물 분해 촉매 전극에 의해 생성된 수소 및 산소의 양을 비교하기 위한 사진이고, 도 20 은 상기 실시예에 따른 수소 생성 방법을 촬영한 사진이며, 도 21 은 상기 실시예에 따른 수소 생성 방법의 작동을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 20 은 해수 및 태양 전지를 사용한 물 분해 반응을 촬영한 사진이다.19 is a photograph for comparing the amount of hydrogen and oxygen generated by the water decomposition catalyst electrode according to the above embodiment, FIG. 20 is a photograph taken of the hydrogen generation method according to the above embodiment, and FIG. 21 is the embodiment It is a graph showing the operation of the hydrogen generation method according to the example. Specifically, FIG. 20 is a photograph of a water decomposition reaction using seawater and solar cells.

도 19 내지 도 21 을 참조하면, 본원에 따른 수소 생성 방법은 26.53% 의 효울성을 갖는 태양 전지에 의해서도 수소를 생성할 수 있고, ηStH (solar to hydrogen)의 효율이 19.85% 를 가질 수 있다. 또한, NiFeP/Cu NW/Cu Foam 을 포함하는 수소 생성 방법은 최소 45 분 동안 동일한 전류 밀도를 유지할 수 있기 때문에, 수소를 안정적으로 생산할 수 있으며, O2 의 경우 99.3% 의 페러데이 효율을 갖고, H2 의 경우 99.2% 의 페러데이 효율을 갖도록 물을 분해할 수 있다.19 to 21, the hydrogen generation method according to the present disclosure may generate hydrogen even by a solar cell having an efficiency of 26.53%, and an efficiency of η StH (solar to hydrogen) may be 19.85%. In addition, since the hydrogen generation method including NiFeP/Cu NW/Cu Foam can maintain the same current density for at least 45 minutes, hydrogen can be stably produced, and O 2 has a Faraday efficiency of 99.3%, and H In case 2 , water can be decomposed to have a Faraday efficiency of 99.2%.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present application is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present application pertains will be able to understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present application. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present application.

10 : 물 분해 촉매 전극
100 : 다공성 금속 폼
200 : 금속 나노와이어
300 : 인(P)화된 금속 이중층 수산화물
400 : 인(P)화되지 않은 금속 이중층 수산화물
20 : 상대 전극
10: water decomposition catalyst electrode
100: porous metal foam
200: metal nanowire
300: phosphorus (P) metal double layer hydroxide
400: Non-phosphorous (P) metal double layer hydroxide
20: counter electrode

Claims (18)

다공성 금속 폼(foam);
상기 다공성 금속 폼의 표면에 형성된 금속 나노와이어; 및
상기 금속 나노와이어 표면에 형성된 금속 이중층 수산화물;
을 포함하는,
물 분해 촉매 전극.
Porous metal foam;
Metal nanowires formed on the surface of the porous metal foam; And
A metal double layer hydroxide formed on the surface of the metal nanowire;
Containing,
Water cracking catalyst electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 나노 와이어는 상기 다공성 금속 폼의 표면으로부터 수직으로 성장한 것인, 물 분해 촉매 전극.
The method of claim 1,
The metal nanowires are grown vertically from the surface of the porous metal foam, water decomposition catalyst electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 이중층 수산화물은 상기 금속 나노와이어의 표면으로부터 수직으로 성장한 것인, 물 분해 촉매 전극.
The method of claim 1,
The metal double layer hydroxide is grown vertically from the surface of the metal nanowire, water decomposition catalyst electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 이중층 수산화물은 인(P)화된 것인, 물 분해 촉매 전극.
The method of claim 1,
The metal double layer hydroxide is phosphorus (P) is, water decomposition catalyst electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 다공성 금속 폼 및 상기 금속 나노와이어는 상기 금속 이중층 수산화물을 갖는, 물 분해 촉매 전극.
The method of claim 1,
The porous metal foam and the metal nanowires have the metal double layer hydroxide, water decomposition catalyst electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 물 분해 촉매 전극의 타펠 곡선 기울기(Tafel slope)는 10 mV/dec 내지 100 mV/dec 인, 물 분해 촉매 전극.
The method of claim 1,
The Tafel slope of the water decomposition catalyst electrode is 10 mV/dec to 100 mV/dec, the water decomposition catalyst electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 물 분해 촉매 전극의 페러데이 효율(Faradaic efficiency)은 1% 내지 100%인, 물 분해 촉매 전극.
The method of claim 1,
The water cracking catalyst electrode has a Faradaic efficiency of 1% to 100%.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 이중층 수산화물은 제 1 금속 및 제 2 금속을 포함하고, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속은 서로 상이한 것인, 물 분해 촉매 전극.
The method of claim 1,
The metal double-layer hydroxide includes a first metal and a second metal, and the first metal and the second metal are different from each other.
제 8 항에 있어서,
상기 다공성 금속 폼, 상기 금속 나노와이어, 상기 제 1 금속, 및 상기 제 2 금속은 각각 독립적으로 Cu, Ni, Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 물 분해 촉매 전극.
The method of claim 8,
The porous metal foam, the metal nanowire, the first metal, and the second metal are each independently Cu, Ni, Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, and a water decomposition catalyst electrode comprising one selected from the group consisting of combinations thereof.
제 8 항에 있어서,
상기 금속 이중층 수산화물에 있어서, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속의 원자 비율은 0.5 : 1 내지 2 :1 인, 물 분해 촉매 전극.
The method of claim 8,
In the metal double layer hydroxide, the atomic ratio of the first metal and the second metal is 0.5:1 to 2:1, the water decomposition catalyst electrode.
다공성 금속 폼 상에 금속 나노와이어를 형성하는 단계; 및
상기 금속 나노와이어 상에 금속 이중층 수산화물을 형성하는 단계;
를 포함하는,
물 분해 촉매 전극의 제조 방법.
Forming metal nanowires on the porous metal foam; And
Forming a metal double layer hydroxide on the metal nanowire;
Containing,
Method for producing a water cracking catalyst electrode.
제 11 항에 있어서,
상기 금속 나노와이어를 형성하는 단계는, 상기 다공성 금속 폼 상에 금속 수산화물 나노와이어를 형성하는 단계, 및 상기 금속 수산화물 나노와이어를 상기 금속 나노와이어로 환원시키는 단계를 포함하는 것인, 물 분해 촉매 전극의 제조 방법.
The method of claim 11,
The forming of the metal nanowire includes forming a metal hydroxide nanowire on the porous metal foam, and reducing the metal hydroxide nanowire to the metal nanowire. Manufacturing method.
제 11 항에 있어서,
상기 금속 이중층 수산화물을 인(P)화 시키는 단계를 추가 포함하는 것인, 물 분해 촉매 전극의 제조 방법.
The method of claim 11,
The method of manufacturing a water decomposition catalyst electrode further comprising the step of phosphorus (P) the metal double layer hydroxide.
제 11 항에 있어서,
상기 금속 이중층 수산화물은 제 1 금속 및 제 2 금속을 포함하고, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속은 서로 상이한 것인, 물 분해 촉매 전극의 제조 방법.
The method of claim 11,
The metal double-layer hydroxide includes a first metal and a second metal, and the first metal and the second metal are different from each other.
제 14 항에 있어서,
상기 다공성 금속 폼, 상기 금속 나노와이어, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속은 각각 독립적으로 Cu, Ni, Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Al, Mg, Si, W, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인 , 물 분해 촉매 전극의 제조 방법.
The method of claim 14,
The porous metal foam, the metal nanowire, the first metal and the second metal are each independently Cu, Ni, Fe, Au, Pt, Ti, Ag, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn , Al, Mg, Si, W, and a method of manufacturing a water decomposition catalyst electrode comprising those selected from the group consisting of combinations thereof.
제 11 항에 있어서,
금속 이중층 수산화물은 상기 금속 나노와이어를 포위하도록 형성된 것인, 물 분해 촉매 전극의 제조 방법.
The method of claim 11,
The metal double layer hydroxide is formed to surround the metal nanowires, the method of manufacturing a water decomposition catalyst electrode.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 물 분해 촉매 전극 및 상대 전극을 물에 함침하는 단계; 및
상기 물 분해 촉매 전극 및 상기 상대 전극에 전압을 인가하는 단계;
를 포함하는
수소 생성 방법.
Impregnating the water decomposition catalyst electrode and the counter electrode according to any one of claims 1 to 10 in water; And
Applying a voltage to the water decomposition catalyst electrode and the counter electrode;
Including
Hydrogen generation method.
제 17 항에 있어서,
상기 물 분해 촉매 전극 및/또는 상기 상대 전극은 상기 물에 의해 부식되지 않는 것인, 수소 생성 방법.
The method of claim 17,
The water decomposition catalyst electrode and/or the counter electrode is not corroded by the water.
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