KR20210017265A - Electrode structures for electrochemical reaction, and systems including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기화학반응용 전극 구조물 및 이를 포함하는 전기화학반응 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 물 산화 반응에 사용되는 촉매층을 포함하는 전극 구조물 및 이를 포함하는 전기화학반응 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode structure for an electrochemical reaction and an electrochemical reaction system including the same, and more particularly, to an electrode structure including a catalyst layer used for a water oxidation reaction and an electrochemical reaction system including the same.
최근, 탄소 기반 에너지의 고갈 및 연료 가스 배출로 인한 환경 문제를 해결하기 위한 대책으로, 물 분해에 의해 수소 및 산소를 생산하여 에너지를 저장하거나 연료전지를 통해 에너지를 얻는 방식에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 방식들에서는 전기화학반응이 이용되며, 반응 속도를 증가시키기 위해서는 촉매의 성능 확보가 요구된다. 다만, 촉매의 성능은 전극의 재료에 따라 달라지는 현상이 있어, 전극의 내구성, 내부식성, 내열성, 경량성, 비용 등을 만족시키면서 촉매의 성능을 저하시키지 않는 전극 재료를 선택하는 데 어려움이 있었다.Recently, as a measure to solve environmental problems caused by depletion of carbon-based energy and emission of fuel gas, research on a method of storing energy by producing hydrogen and oxygen by water decomposition or obtaining energy through fuel cells has been actively conducted. It is going on. In these methods, an electrochemical reaction is used, and in order to increase the reaction rate, it is required to secure the performance of the catalyst. However, since the performance of the catalyst varies depending on the material of the electrode, it has been difficult to select an electrode material that does not degrade the performance of the catalyst while satisfying the durability, corrosion resistance, heat resistance, light weight, and cost of the electrode.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 전극 재료에 무관하게 촉매 특성이 확보될 수 있는 전기화학반응용 전극 구조물 및 이를 포함하는 전기화학반응 시스템을 제공하는 것이다.One of the technical problems to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide an electrode structure for an electrochemical reaction and an electrochemical reaction system including the same, in which catalytic properties can be secured regardless of the electrode material.
본 발명의 실시예에 따른 전기화학반응용 전극 구조물은, 산화 반응을 위한 전극, 상기 전극의 표면에 코팅된 촉매층, 및 상기 전극과 상기 촉매층의 사이에 배치된 중간층을 포함하고, 상기 전극은 제1 일함수(work function)를 갖고, 상기 중간층은 상기 제1 일함수보다 큰 제2 일함수를 갖는다.An electrode structure for an electrochemical reaction according to an embodiment of the present invention includes an electrode for an oxidation reaction, a catalyst layer coated on a surface of the electrode, and an intermediate layer disposed between the electrode and the catalyst layer, wherein the electrode is It has one work function, and the intermediate layer has a second work function that is greater than the first work function.
본 발명의 실시예에 따른 전기화학반응 시스템은, 물을 포함하는 전해질을 포함하는 반응기, 상기 전해질에 적어도 일부가 침지된 제1 및 제2 전극, 상기 제1 전극의 표면에 코팅되고, 전이금속 산화물을 포함하는 촉매층, 상기 제1 전극과 상기 촉매층의 사이에 배치되고, 상기 제1 전극보다 큰 일함수를 갖는 중간층, 및 물이 산화되어 수소를 생성하도록 상기 제1 및 제2 전극에 전기적 신호를 인가하는 전원부를 포함한다.An electrochemical reaction system according to an embodiment of the present invention includes a reactor including an electrolyte containing water, first and second electrodes in which at least a portion is immersed in the electrolyte, and coated on the surface of the first electrode, and A catalyst layer containing an oxide, an intermediate layer disposed between the first electrode and the catalyst layer and having a work function greater than that of the first electrode, and an electrical signal to the first and second electrodes so that water is oxidized to generate hydrogen It includes a power supply for applying.
전극과 촉매층 사이에 중간층을 도입함으로써, 전극 재료에 무관하게 촉매 특성이 확보될 수 있는 전기화학반응용 전극 구조물 및 이를 포함하는 전기화학반응 시스템이 제공될 수 있다.By introducing an intermediate layer between the electrode and the catalyst layer, an electrode structure for an electrochemical reaction and an electrochemical reaction system including the same can be provided in which catalytic properties can be secured regardless of the electrode material.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Various and beneficial advantages and effects of the present invention are not limited to the above-described contents, and may be more easily understood in the course of describing specific embodiments of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학반응용 전극 구조물을 포함하는 물 분해 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학반응용 전극 구조물을 도시하는 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 전극 재료에 따른 촉매층의 촉매 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 4a 및 도 4b는 전극 구조물에 대한 에너지 밴드 다이어그램들이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조물에서 중간층 재료에 따른 촉매층의 촉매 특성을 나타내는 전류-전압 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조물에서 중간층 두께에 따른 촉매층의 촉매 특성을 나타내는 전류-전압 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조물에서 중간층 재료에 따른 촉매층의 촉매 특성을 나타내는 도면들이다. 1 is a schematic diagram of a water decomposition system including an electrode structure for an electrochemical reaction according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing an electrode structure for an electrochemical reaction according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are graphs showing catalyst characteristics of a catalyst layer according to an electrode material.
4A and 4B are energy band diagrams for an electrode structure.
5 is a current-voltage graph showing catalyst characteristics of a catalyst layer according to an intermediate layer material in an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
6 is a current-voltage graph showing catalyst characteristics of a catalyst layer according to an intermediate layer thickness in an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
7A to 7C are diagrams showing catalytic properties of a catalyst layer according to an intermediate layer material in an electrode structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형되거나 여러 가지 실시예가 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시예는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.The embodiments of the present invention may be modified into various different forms or a combination of various embodiments, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those with average knowledge in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
전기화학반응 시스템 및 전기화학반응용 전극 구조물Electrochemical reaction system and electrode structure for electrochemical reaction
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학반응용 전극 구조물을 포함하는 물 분해 시스템의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a water decomposition system including an electrode structure for an electrochemical reaction according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 물 분해 시스템(100)은, 전해조(110), 전해질 수용액(120), 제1 전극(anode) 구조물(ES) 및 제2 전극(cathode)(140)을 포함할 수 있다. 제1 전극 구조물(ES) 및 제2 전극(140)은 전원부(180)에 의하여 연결될 수 있다. 실시예들에 따라, 물 분해 시스템(100)은 제1 전극 구조물(ES)과 제2 전극(140)을 분할하며 이온 투과성 물질로 이루어진 멤브레인을 더 포함할 수 있다. 또한, 실시예들에 따라, 물 분해 시스템(100)은 생성물 포집부를 더 포함할 수 있다. 물 분해 시스템(100)은 전해질 수용액(120) 내의 물을 분해하여 산소 및 수소를 생성하는 시스템일 수 있다. Referring to FIG. 1, the
제1 전극 구조물(ES)은 제1 전극(anode)(130), 제1 전극(130)의 적어도 일 면에 코팅된 촉매층(150), 및 제1 전극(130)과 촉매층(150)의 사이에 배치된 중간층(160)을 포함할 수 있다. 제1 전극(130)은 산화 전극이고, 제2 전극(140)은 환원 전극일 수 있다. 제1 및 제2 전극(130, 140)은 각각 반도체 또는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2 전극(130, 140)은 예를 들어, FTO(fluorine-doped tin oxide), 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 및 스테인리스 스틸(stainless steel) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The first electrode structure ES includes a
촉매층(150)은 물 산화 반응을 촉진하는 촉매 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 금속 산화물을 포함할 수 있으며, 특히 p-형 금속 산화물을 포함할 수 있다. 특히, 촉매층(150)은 전이금속 산화물을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 및 망간(Mn) 중 적어도 하나의 산화물을 포함할 수 있다. 촉매층(150)은 구형 또는 육면체 형상의 금속 산화물 나노 입자들을 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 나노 입자들 각각은 60 nm 이하의 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 촉매층(150)은 망간 산화물(Mn3O4) 나노 입자들을 포함할 수 있다. 다만, 촉매층(150)의 형태가 나노 입자들에 한정되는 것은 아니다.The
중간층(160)은 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction, OER)에서의 촉매의 기능을 확보하기 위하여, 제1 전극(130)과 촉매층(150)의 사이에 개재될 수 있다. 구체적으로, 중간층(160)은 전기화학반응에서의 전하 전달(charge transport) 과정에 관여하여, 촉매층(150)이 제1 전극(130)의 재료에 영향 받지 않고 촉매로서의 기능을 수행하게 할 수 있다. 이에 대해서는, 하기에 도 5 내지 도 7c를 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 중간층(160)은 제1 전극(130)의 표면에 코팅된 코팅층으로 일종의 전극 표면 처리층일 수 있으며, 촉매 활성의 향상과 무관한 층일 수 있다. 중간층(160)은 촉매층(150)과의 관계에서 전하 이동을 향상시키기 위한 층이므로, 실시예들에 따라, 중간층(160)은 촉매층(150)보다 촉매 성능이 낮거나, 촉매층(150)과 달리 전기화학반응에 참여하지 않는 층일 수 있다. 중간층(160)은 금속 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 및 스테인리스 스틸(stainless steel) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 중간층(160)은 일함수(work function)가 제1 전극(130)보다 큰 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 일함수가 4.8 eV 이상일 수 있다.The
전해조(110)는 전해질 수용액(120)을 수용하며, 입수관 및 배수관과 같은 유입부 및 배출부를 더 포함할 수 있다.The
전해질 수용액(120)은 물 분해 반응에 사용되는 물의 공급원 및 물 분해 반응 시 생성되는 양성자의 수용체로서의 역할을 수행할 수 있다. 전해질 수용액(120)은, 예를 들어, NaH2PO4, Na2HPO4, Na3PO4 또는 이들의 혼합물과 같은 인산칼륨 및 인산나트륨 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전해질 수용액(120)의 pH는 2 내지 14의 범위일 수 있다. 상기 양성자의 수용체로서의 역할을 위해, 전해질 수용액(120)은 양성자 수용성 음이온(proton-accepting anion)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 물 분해 반응이 진행됨에 따라 양성자(H+)의 생성량이 증가하더라도 상기 양성자 수용성 음이온이 이러한 양성자의 적어도 일부를 수용하여, 전해질 수용액(120)의 pH 감소율을 낮출 수 있다. 상기 양성자 수용성 음이온은 포스페이트 이온, 아세테이트 이온, 보레이트 이온 및 플루오라이드 이온 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The
물 분해 시스템(100)에서 전원부(180)에 의해 제1 및 제2 전극(130, 140)의 사이에 전압이 인가되면, 제1 전극(130)에서 산소가 발생하고, 제2 전극(140)에서 수소가 발생하는 반응이 일어나게 된다. 각 반쪽 반응은 하기와 같은 반응식 1 및 2로 표현된다.When a voltage is applied between the first and
[반응식 1] 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- [Reaction Scheme 1] 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -
[반응식 2] 4H+ + 4e- → 2H2 [Reaction Scheme 2] 4H + + 4e - → 2H 2
본 발명의 실시예에 따른 제1 전극 구조물(ES)은 상기 반응식 1으로 표현되는 제1 전극(130)에서의 산화 반응인 산소 발생 반응(OER)에 관여할 수 있다. 이에 의해, 안정적인 촉매층(150)의 기능 하에서 상대적으로 낮은 과전위로 OER이 수행될 수 있다.The first electrode structure ES according to an embodiment of the present invention may be involved in an oxygen generation reaction (OER), which is an oxidation reaction in the
본 발명의 실시예에 따른 전기화학반응 시스템으로, 물 분해 시스템을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조물은 다양한 전기화학반응 시스템들에서 산화 반응용 전극에 이용될 수 있을 것이다. As an electrochemical reaction system according to an embodiment of the present invention, a water decomposition system has been exemplarily described, but the present invention is not limited thereto, and the electrode structure according to an embodiment of the present invention is an oxidation reaction in various electrochemical reaction systems. It could be used for a dragon electrode.
전기화학반응용 전극 구조물의 제조방법Method of manufacturing electrode structure for electrochemical reaction
도 1과 같은 전기화학반응용 전극 구조물은, 제1 전극(130)의 표면을 세정하는 단계, 제1 전극(130)의 표면에 중간층(160)을 코팅하는 단계, 및 중간층(160) 상에 촉매층(150)을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.In the electrode structure for electrochemical reaction as shown in FIG. 1, cleaning the surface of the
제1 전극(130)의 표면을 세정하는 단계는, 제1 전극(130)의 표면을 아세톤, 에탄올, 증류수(DI water)의 순서로 2회 세정하는 단계 및 0.5 M의 황산(H2SO4) 용액 내에서 60 ℃의 온도로 1시간 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.The step of cleaning the surface of the
제1 전극(130)의 표면에 중간층(160)을 코팅하는 단계는 예를 들어, 열 증발법(thermal evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation), 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리기상증착법(Physical Vapor Deposition, PVD) 또는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 형성할 수 있다. The step of coating the
중간층(160) 상에 촉매층(150)을 코팅하는 단계는, 촉매층(150)의 물질을 합성하는 단계 및 촉매층(150)의 물질을 스핀 코팅(spin-coating), 드랍 캐스팅(drop-casting) 등의 방법으로 코팅하거나, 페이스트 또는 잉크 형태로 제조하여 도포하는 단계를 포함할 수 있다. The coating of the
촉매층(150)의 물질을 합성하는 단계에서, 촉매층(150)이 나노입자 형태의 전이금속 산화물인 경우, 예를 들어, 전이금속 이온 공급물질과 지방산 계면활성제를 포함하는 제1 용액을 제조하는 단계, 알코올 계면활성제를 포함하는 제2 용액을 제조하는 단계, 상기 제1 및 제2 용액을 각각 소정 온도에서 열처리(annealing)하는 단계, 상기 제2 용액을 상기 제1 용액에 투입하여 전이금속 산화물 나노 입자를 형성하는 단계, 및 상기 전이금속 산화물 나노 입자를 소정 온도에서 열처리하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. In the step of synthesizing the material of the
촉매층(150)의 물질을 페이스트 또는 잉크 형태로 제조하여 도포하는 경우, 탄소 전도체를 첨가하여 제조할 페이스트 또는 잉크를 제조할 수 있으며, 이 때, 탄소/전이금속 산화물의 질량 비율은 0.1 내지 1.0의 범위일 수 있다.When the material of the
전기화학반응용 전극 구조물의 실시예Examples of electrode structures for electrochemical reactions
실시예의 전극 구조물(ES)에서, 중간층(160)은 제1 전극(130) 상에 스퍼터링으로 증착하였으며, 촉매층(150)은 열 분해(thermal decomposition) 방법을 통한 상술한 제조방법으로 합성된 약 4 nm의 망간 산화물(Mn3O4) 나노 입자들을 제조한 후, 톨루엔 및 아세톤으로 2회 워싱하였다. 상기 나노 입자들을 n-헥산(n-hexane)과 함께 중간층(160) 상에 스핀 코팅하였다. 상기 스핀 코팅은 1000 rpm 내지 4000 rpm의 범위의 회전 속도로 10 초 내지 30 초의 코팅 시간 동안 수행되었으며, 촉매층(150)은 약 150 nm의 두께로 코팅되었다. 전극 구조물은 스핀 코팅 후 약 200 ℃의 온도에서 1 시간 열처리하여 준비되었다.In the electrode structure (ES) of the embodiment, the
전기화학반응용 전극 구조물에서의 촉매 특성Catalytic properties in electrode structures for electrochemical reactions
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학반응용 전극 구조물을 도시하는 개략도이다.2 is a schematic diagram showing an electrode structure for an electrochemical reaction according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 제1 전극 구조물(ES)은 순차적으로 적층된 제1 전극(130), 중간층(160), 및 촉매층(150)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(130)은 0.1 mm 내지 4 mm의 범위의 두께를 갖고, 중간층(160)은 10 nm 내지 1 mm 범위의 두께를 갖고, 촉매층(150)은 50 nm 내지 500 nm의 범위의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.Referring to FIG. 2, the first electrode structure ES may include a
도 1을 참조하여 상술한 물 산화 반응 시, 촉매층(150)의 표면에서 H2O가 O2로 산화되면서 발생한 전자(e-)는, 전해질 수용액(120)과 촉매층(150)의 계면(①), 촉매층(150)의 내부(②), 및 촉매층(150)과 제1 전극(130)의 계면(③)을 따른 전하 전달 경로를 따라 이동하게 된다. 촉매층(150)의 촉매 특성에 대한 연구들은 상기 ① 및 ②에 관하여 중점적으로 수행되는데 비하여, 외부로 노출되지 않는 계면인 ③의 계면에 대해서는 전하 전달의 관점에서 연구가 수행되지 못하였다.Even when the oxidation reaction described above with reference to Figure 1, an electron (e -), generated as H 2 O is oxidized to O 2 at the surface of the
본 발명의 실시예에 따르면, ③의 계면, 즉, 촉매층(150)과 제1 전극(130)의 계면에 일함수를 고려하여 중간층(160)을 삽입함으로써, 계면에서의 전하 전달을 매커니즘을 제어하여 촉매층(150)의 기능을 확보하고, 이에 따라 OER 성능을 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by inserting the
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 중간층의 도입과 관련해서, 도 3a 내지 도 4b를 참조하여 전극 재료에 따른 촉매 특성 및 전극 구조물 계면에서의 전하 전달을 매커니즘에 대한 해석을 설명한다.Hereinafter, with reference to the introduction of the intermediate layer according to an embodiment of the present invention, with reference to Figures 3a to 4b will be described the analysis of the catalyst characteristics according to the electrode material and the mechanism of charge transfer at the electrode structure interface.
도 3a 및 도 3b는 전극 재료에 따른 촉매층의 촉매 특성을 나타내는 그래프들이다. 3A and 3B are graphs showing catalyst characteristics of a catalyst layer according to an electrode material.
도 3a 및 도 3b에서는, 도 2의 ③의 계면에 의한 촉매 특성의 영향을 알아보기 위하여, 본 발명의 제1 전극 구조물(ES)에서 중간층(160)이 없는 비교예의 경우의 촉매 특성을 나타낸다. 비교예의 전극 구조물에서, 촉매층(150)은 상술한 실시예에서와 동일하게 준비되었으며, 중간층(160) 대신 제1 전극(130) 상에 스핀 코팅되어 준비되었다. 제1 전극(130)으로는 FTO, 니켈(Ni), 스테인리스 스틸, 구리(Cu), 티타늄(Ti), 및 지르코늄(Zr)을 각각 사용하였다.In FIGS. 3A and 3B, in order to examine the effect of the catalyst characteristics due to the interface of ③ of FIG. 2, the catalyst characteristics of the comparative example without the
도 3a를 참조하면, 상기 비교예의 전극 구조물에 대한 전류-전압 그래프가 표준 수소 전극(Normal Hydrogen Electrode, NHE) 대비 도시된다. 특정 전류 밀도에 도달하는 전위가 작을수록 촉매 특성이 우수한 것으로 판단할 수 있으며, 도시된 것과 같이, 제1 전극(130)의 물질이 FTO, 니켈(Ni), 스테인리스 스틸, 구리(Cu), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr)인 경우에서, 상기 순서대로 촉매 특성이 우수한 것으로 나타났다.Referring to FIG. 3A, a current-voltage graph for the electrode structure of the comparative example is shown compared to a standard hydrogen electrode (NHE). As the potential reaching a specific current density is smaller, it can be determined that the catalyst properties are excellent, and as shown, the material of the
도 3b를 참조하면, 상기 비교예의 전극 구조물에서 1 mA/cm2의 OER 전류밀도에 도달하기 위한 과전위(overpotential) 값이 제1 전극(130) 물질의 일함수와 함께 도시된다. 일함수가 4.8 eV 이하인 티타늄(Ti), 구리(Cu), 및 FTO의 경우에는 일함수가 증가함에 따라 과전위가 감소하는 경향이 나타났다. 일함수가 4.8 eV 이상인 FTO, 스테인리스 스틸, 및 니켈(Ni)의 경우에는 일함수가 증가하여도 과전위가 감소하지 않고 거의 일정한 상태, 즉 포화된(saturated) 경향이 나타났다. 이러한 결과로부터, 제1 전극(130) 물질의 일함수가 특정 범위 이상인 경우, 즉, 4.8 eV 이상인 경우 촉매 특성이 제1 전극(130) 물질의 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 이는 제1 전극(130) 물질의 일함수가 4.8 eV 이상인 경우 촉매 특성이 도 2를 참조하여 상술한 ③의 계면인 촉매층(150)과 제1 전극(130)의 계면의 영향을 받지 않는 것을 의미한다.Referring to FIG. 3B, an overpotential value for reaching an OER current density of 1 mA/cm 2 in the electrode structure of the comparative example is shown together with the work function of the material of the
제1 전극(130)과 같은 전극의 재료는 내구성, 내부식성, 내열성, 경량성, 가격 등 다양한 조건들을 고려해 결정되는데, 위의 결과와 같이, 촉매의 특성도 전극 물질에 영향을 받으므로, 이를 함께 고려하여야 한다. 따라서, 전극 재료의 선택에 제한이 발생하게 된다.The material of the electrode such as the
도 4a 및 도 4b는 전극 구조물에 대한 에너지 밴드 다이어그램들이다. 4A and 4B are energy band diagrams for an electrode structure.
도 4a 및 도 4b에서, EFM 및 EFS는 각각 제1 전극(130) 및 촉매층(150)의 페르미 준위(Fermi level)를 나타내고, EC 및 EV는 각각 촉매층(150)의 전도대 준위(conduction band level) 및 가전자대 준위(valence band level)를 나타내며, ΦB는 쇼트키 배리어 높이(Schottky barrier height)를 나타내고, V는 인가한 전압의 크기를 나타낸다.4A and 4B, E FM and E FS denote the Fermi level of the
도 4a를 참조하면, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 상술한 것과 같은 중간층(160)이 없는 비교예의 전극 구조물에 대한 밴드 다이어그램이, 전압이 인가되기 전 상태 및 전압이 인가된 상태에 대해서 각각 도시된다. 제1 전극(130)의 일함수의 크기는 EFM과 진공 레벨 사이의 크기에 해당하며, 일함수의 크기에 따라, p-형인 촉매층(150)과의 사이의 쇼트키 콘택에서의 쇼트키 배리어 높이가 결정된다. 전압을 인가한 경우, 인가한 전위에 의해 정공(hole)의 베리어가 더욱 높아지게 된다. 따라서, 도 3b에서와 같이 일함수가 4.8 eV 이하인 경우, 일함수가 증가할수록 쇼트키 배리어 높이가 감소하게 되며, 이에 의해 제1 전극(130)으로부터 촉매층(150)으로의 정공(hole)의 이동이 증가되어 과전위가 감소되는 것으로 해석될 수 있다. 또한, 일함수가 4.8 eV 이상인 경우, 정공의 이동이 충분히 증가되어, 전기화학반응에서의 속도 결정 단계가 다른 단계로 전환되면서 과전위가 포화 상태에 도달하는 것으로 해석할 수 있다. 이와 같이, 제1 전극(130)의 일함수를 제어함으로써, 정공의 흐름을 제어할 수 있다.Referring to FIG. 4A, a band diagram of the electrode structure of the comparative example without the
도 4b를 참조하면, 중간층(160)이 삽입된 본 발명의 실시예의 전극 구조물에 대한 밴드 다이어그램이, 전압이 인가된 상태에 대해서 도시된다. 중간층(160)을 삽입함에 따라, 제1 전극(130)의 물질에 무관하게 중간층(160)의 일함수에 의해 쇼트키 베리어 높이가 결정된다. 따라서, 중간층(160)에 의해 전기화학반응에서의 과전위가 제어될 수 있으며, OER 성능이 제어될 수 있다.Referring to FIG. 4B, a band diagram of the electrode structure of the embodiment of the present invention in which the
이러한 결과에 따라, 본 발명의 실시예에서는, 촉매층(150)과 제1 전극(130)의 사이에 중간층(160)으로서 일함수가 4.8 eV 이상인 물질을 도입하였다. 이에 의하면, 제1 전극(130) 물질에 무관하게 일정한 촉매 특성을 기대할 수 있게 된다. 따라서, 제1 전극(130)의 재료는 내구성, 내부식성, 내열성, 경량성, 생산성 등을 고려하여 제한없이 선택하면서도, 중간층(160)에 의해 촉매층(150)의 성능을 확보할 수 있다.According to this result, in the embodiment of the present invention, a material having a work function of 4.8 eV or more was introduced as the
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조물에서 중간층 재료에 따른 촉매층의 촉매 특성을 나타내는 전류-전압 그래프이다. 5 is a current-voltage graph showing catalyst characteristics of a catalyst layer according to an intermediate layer material in an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
도 5에서는, 제1 전극(130)이 티타늄(Ti)으로 이루어지고, 중간층(160)으로 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 및 구리(Cu)를 사용한 경우에 대해서 측정된 결과가 도시된다. 또한, 비교예로서 중간층(160)을 사용하지 않고 제1 전극(130)으로 FTO 및 티타늄(Ti)을 사용한 경우를 함께 도시한다. 촉매층(150)은 상술한 실시예에서와 같이 중간층(160) 상에 스핀 코팅되어 준비되었다.In FIG. 5, the
도 5를 참조하면, 실시예의 전극 구조물에 대한 전류-전압 그래프가 표준 수소 전극(NHE) 대비 도시된다. 도시된 것과 같이, 제1 전극(130)이 티타늄(Ti)이고 중간층(160)이 없는 경우와 비교하여, 중간층(160)을 사용한 경우 촉매 특성이 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 및 구리(Cu)의 순서대로 우수한 것으로 나타났다. 또한, 중간층(160)으로 금(Au)을 사용한 경우는, 도 3a의 그래프에서 가장 촉매 특성이 우수하게 나타난 경우인 제1 전극(130)으로 FTO를 사용한 경우보다도, 촉매 특성이 우수한 것으로 나타났다. 즉, 제1 전극(130)으로 티타늄(Ti)을 사용하면서도 금(Au)의 중간층(160)을 도입함으로써, 중간층(160)없이 FTO의 제1 전극(130)을 사용한 경우보다 촉매 특성이 향상되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, a current-voltage graph for the electrode structure of the embodiment is shown compared to a standard hydrogen electrode (NHE). As shown, compared to the case where the
금(Au)은 일함수가 5.1 eV이고, 백금(Pt)은 5.65 eV, 니켈(Ni)은 5.15 eV, 티타늄(Ti)은 4.33 eV, 구리(Cu)는 4.65 eV이다. 따라서, 일함수가 4.8 eV 이하인 구리(Cu)와 비교할 때, 일함수가 4.8 eV 이상인 금(Au), 백금(Pt), 및 니켈(Ni)이 상대적으로 촉매 특성이 우수한 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 전극 구조물에서, 중간층(160) 물질로는 특히 일함수가 4.8 eV 이상인 코발트(Co)(5.0 eV), 니켈(Ni)(5.15 eV), 이리듐(Ir)(5.27 eV), 팔라듐(Pd)(5.12 eV), 금(Au)(5.1 eV), 스테인리스 스틸(4.83 eV), 및 백금(Pt)(5.65 eV)이 사용될 수 있을 것이다.Gold (Au) has a work function of 5.1 eV, platinum (Pt) is 5.65 eV, nickel (Ni) is 5.15 eV, titanium (Ti) is 4.33 eV, and copper (Cu) is 4.65 eV. Therefore, compared with copper (Cu) having a work function of 4.8 eV or less, it can be seen that gold (Au), platinum (Pt), and nickel (Ni) having a work function of 4.8 eV or more have relatively excellent catalytic properties. Accordingly, in the electrode structure of the present invention, the material of the
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조물에서 중간층 두께에 따른 촉매층의 촉매 특성을 나타내는 전류-전압 그래프이다. 6 is a current-voltage graph showing catalyst characteristics of a catalyst layer according to an intermediate layer thickness in an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 티타늄(Ti)으로 이루어진 제1 전극(130) 및 금(Au)으로 이루어진 중간층(160)을 포함하는 전극 구조물에 대하여, 중간층(160)의 두께를 10 nm, 50 nm, 및 75 nm로 변경하면서 촉매 특성을 측정하였다. 도 6에 도시된 것과 같이, 중간층(160)의 두께 변화가 촉매 특성에 영향을 주지 않았다. 이는, 중간층(160)이 전기화학 반응에 참여하지 않기 때문인 것으로 해석될 수 있다.Referring to FIG. 6, for an electrode structure including a
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조물에서 중간층 재료에 따른 촉매층의 촉매 특성을 나타내는 도면들이다. 7A to 7C are diagrams showing catalytic properties of a catalyst layer according to an intermediate layer material in an electrode structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 7a 및 도 7b에서는 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)에 의해 서로 다른 전압(1.30 V 및 1.35 V vs. NHE)에서 측정된 나이퀴스트 선도(Nyquist diagram)가 도시되며, 임피던스 등가 회로 모델이 도 7c에 도시된다. 도 7a 및 도 7b에서는, 제1 전극(130)이 FTO 및 티타늄(Ti)으로 각각 이루어지고, 중간층(160)으로 금(Au)을 사용한 경우에 대해서 측정된 결과가 도시된다. 또한, 비교예로서 중간층(160)을 사용하지 않고 제1 전극(130)으로 FTO 및 티타늄(Ti)을 사용한 경우를 함께 도시한다. 촉매층(150)은 상술한 실시예와 같이, 중간층(160) 상에 스핀 코팅되어 준비되었다. 도 7c에서, Rs는 전해질 수용액(120)의 저항, R1은 전체 OER 전하 이동 저항을 나타내며, R2는 촉매층(150)과 전해질 수용액(120) 사이의 저항을 나타낸다.7A and 7B show Nyquist diagrams measured at different voltages (1.30 V and 1.35 V vs. NHE) by electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and an impedance equivalent circuit. The model is shown in Figure 7c. In FIGS. 7A and 7B, the measured results are shown when the
도 7a 및 도 7b에서 그래프들의 반원의 지름은 저항 R1에 비례하며, 그래프들은 전극 구조물에서의 촉매 특성에 의존하는 전하 이동인 총 OER 전하 전달 저항을 나타낸다. 따라서, 작은 반원은 전극 구조물의 촉매에서의 작은 임피던스를 의미한다. 도시된 것과 같이, FTO의 제1 전극(130) 상에 금(Au)의 중간층(160)을 사용한 경우 가장 작은 임피던스를 나타내었으며, 티타늄(Ti)의 제1 전극(130) 상에 금(Au)의 중간층(160)을 사용한 경우 두번째로 작은 임피던스를 나타내었다. 상대적으로 중간층(160)을 사용하지 않은 경우 큰 임피던스를 나타내었다. 특히, 도 6b에 도시된 것과 같이 제1 전극(130)으로 티타늄(Ti)을 사용하고 중간층(160)이 없는 경우 매우 큰 임피던스를 나타내었으나, 중간층(160)을 사용한 경우 임피던스가 현저히 감소하는 것으로 관찰되었다.In FIGS. 7A and 7B, the diameter of the semicircle of the graphs is proportional to the resistance R1, and the graphs represent the total OER charge transfer resistance, which is charge transfer depending on the catalytic properties of the electrode structure. Thus, a small semicircle means a small impedance in the catalyst of the electrode structure. As shown, when the
이와 같이, 중간층(160)에 의해 실제 전하 전달에 차이가 발생하는 것을 알 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따르면 이와 같은 전극 구조물의 임피던스를 최적화할 수 있음을 알 수 있다.As such, it can be seen that a difference occurs in actual charge transfer by the
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Therefore, various types of substitutions, modifications and changes will be possible by those of ordinary skill in the art within the scope not departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, and this also belongs to the scope of the present invention. something to do.
100: 물 분해 시스템
110: 전해조
120: 버퍼 전해질 수용액
130: 제1 전극
140: 제2 전극
150: 촉매층
160: 중간층100: water cracking system
110: electrolyzer
120: aqueous buffer electrolyte solution
130: first electrode
140: second electrode
150: catalyst layer
160: middle floor
Claims (10)
상기 전극의 표면에 코팅된 촉매층; 및
상기 전극과 상기 촉매층의 사이에 배치된 중간층을 포함하고,
상기 전극은 제1 일함수(work function)를 갖고, 상기 중간층은 상기 제1 일함수보다 큰 제2 일함수를 갖는 전기화학반응용 전극 구조물.
An electrode for oxidation reaction;
A catalyst layer coated on the surface of the electrode; And
Including an intermediate layer disposed between the electrode and the catalyst layer,
The electrode structure for electrochemical reactions has a first work function, and the intermediate layer has a second work function greater than the first work function.
상기 제2 일함수는 4.8 eV와 동일하거나 그보다 큰 전기화학반응용 전극 구조물.
The method of claim 1,
The second work function is equal to or greater than 4.8 eV electrode structure for electrochemical reaction.
상기 전극 및 상기 중간층은 금속 물질로 이루어진 전기화학반응용 전극 구조물.
The method of claim 1,
The electrode and the intermediate layer is an electrode structure for an electrochemical reaction made of a metallic material.
상기 전극은 티타늄(Ti)을 포함하고, 상기 중간층은 금(Au), 백금(Pt), 및 니켈(Ni), 코발트(Co), 이리듐(Ir), 스테인리스 스틸, 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나를 포함하는 전기화학반응용 전극 구조물.
The method of claim 3,
The electrode includes titanium (Ti), and the intermediate layer includes at least one of gold (Au), platinum (Pt), and nickel (Ni), cobalt (Co), iridium (Ir), stainless steel, and palladium (Pd). Electrochemical reaction electrode structure comprising one.
상기 촉매층은 전이금속 산화물을 포함하는 전기화학반응용 전극 구조물.
The method of claim 1,
The catalyst layer is an electrode structure for an electrochemical reaction comprising a transition metal oxide.
상기 촉매층은 망간 산화물 나노 입자들을 포함하는 전기화학반응용 전극 구조물.
The method of claim 5,
The catalyst layer is an electrode structure for an electrochemical reaction comprising manganese oxide nanoparticles.
상기 전해질에 적어도 일부가 침지된 제1 및 제2 전극;
상기 제1 전극의 표면에 코팅되고, 전이금속 산화물을 포함하는 촉매층;
상기 제1 전극과 상기 촉매층의 사이에 배치되고, 상기 제1 전극보다 큰 일함수를 갖는 중간층; 및
물이 산화되어 수소를 생성하도록 상기 제1 및 제2 전극에 전기적 신호를 인가하는 전원부를 포함하는 전기화학반응 시스템.
A reactor containing an electrolyte containing water;
First and second electrodes at least partially immersed in the electrolyte;
A catalyst layer coated on the surface of the first electrode and including a transition metal oxide;
An intermediate layer disposed between the first electrode and the catalyst layer and having a work function greater than that of the first electrode; And
An electrochemical reaction system comprising a power supply for applying an electrical signal to the first and second electrodes so that water is oxidized to generate hydrogen.
상기 제1 전극은 산화 반응이 일어나는 산화 전극인 전기화학반응 시스템.
The method of claim 7,
The first electrode is an electrochemical reaction system in which an oxidation reaction occurs.
상기 중간층의 일함수는 4.8 eV와 동일하거나 그보다 큰 전기화학반응 시스템.
The method of claim 7,
The work function of the intermediate layer is equal to or greater than 4.8 eV electrochemical reaction system.
상기 제1 전극은 FTO 또는 티타늄(Ti)을 포함하고, 상기 촉매층은 금(Au), 백금(Pt), 및 니켈(Ni), 코발트(Co), 이리듐(Ir), 스테인리스 스틸, 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나를 포함하는 전기화학반응 시스템.The method of claim 7,
The first electrode includes FTO or titanium (Ti), and the catalyst layer includes gold (Au), platinum (Pt), and nickel (Ni), cobalt (Co), iridium (Ir), stainless steel, and palladium ( An electrochemical reaction system comprising at least one of Pd).
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