KR20210091891A - Method for manufacturing electrode having a catalyst layer including layered double hydroxide(LDH) - Google Patents

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KR20210091891A
KR20210091891A KR1020200005130A KR20200005130A KR20210091891A KR 20210091891 A KR20210091891 A KR 20210091891A KR 1020200005130 A KR1020200005130 A KR 1020200005130A KR 20200005130 A KR20200005130 A KR 20200005130A KR 20210091891 A KR20210091891 A KR 20210091891A
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조현석
조원철
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한국에너지기술연구원
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Abstract

The present invention provides a method for manufacturing an electrode which comprises: a step of preparing an electrode base material comprising a first metal and a solution comprising a second metal; and a step of forming a catalyst layer comprising layered double hydroxide (LDH) on a surface of the electrode base material by immersing the electrode base material comprising a first metal in the solution comprising a second metal, and inducing spontaneous oxidation of the first metal positioned on the surface of the electrode base material, wherein the catalyst layer on the surface of the electrode base material is in a chemically bonded form. According to the present invention, durability can be improved when the electrode is used as an electrode for an alkaline hydrolysis electrode.

Description

이중층 수산화물 구조체(LDH)를 포함하는 촉매층이 형성된 전극의 제조방법 및 이를 이용한 알칼라인 수전해 전극{Method for manufacturing electrode having a catalyst layer including layered double hydroxide(LDH)}A method for manufacturing an electrode having a catalyst layer including a double-layered hydroxide structure (LDH) and an alkaline water electrolysis electrode using the same

본 발명은 전기화학 시스템에 사용되는 전극의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극 기재의 표면에 이중층 수산화물 구조체(LDH)를 포함하는 촉매층이 화학적으로 결합된 형태의 전극의 제조방법 및 이를 이용한 알칼라인 수전해 셀에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an electrode used in an electrochemical system, and more particularly, to a method for manufacturing an electrode in which a catalyst layer including a double-layer hydroxide structure (LDH) is chemically bonded to the surface of an electrode substrate, and a method using the same It relates to an alkaline water electrolysis cell.

천연 가스, 석유, 석탄 등의 화석연료는 가장 널리 사용되는 자원이지만, 보존량이 한정적이고, 지역 편중적이며, 연소 후 생성되는 이산화탄소, 질소산화물, 유황산화물 등은 환경 문제의 주요 원인으로 알려져 있다. 이러한 화석연료의 대안 중 하나로 수소에너지가 주목 받고 있다. 수소를 이용할 경우 연소 시 공해물질로 극소량의 질소화합물을 배출하여 환경오염에 대한 우려가 적고, 연소 후 물이 생성되는 재순환 공정상의 장점이 있다. 또한, 최근에는 수소에너지의 높은 에너지 저장량 특성을 이용하여 발전량이 불규칙적인 태양광, 풍력 등의 신 재생에너지와 연계하여 생산된 잉여 에너지를 수소의 형태로 저장하려는 시도가 보고되고 있다. Fossil fuels such as natural gas, petroleum, and coal are the most widely used resources, but their reserves are limited and regionally biased, and carbon dioxide, nitrogen oxides, and sulfur oxides produced after combustion are known to be major causes of environmental problems. Hydrogen energy is attracting attention as one of these alternatives to fossil fuels. When hydrogen is used, a very small amount of nitrogen compounds are emitted as pollutants during combustion, so there is less concern about environmental pollution, and there are advantages in the recycling process in which water is generated after combustion. In addition, recently, attempts have been made to store surplus energy in the form of hydrogen by using the high energy storage characteristics of hydrogen energy in connection with new and renewable energies such as sunlight and wind power with irregular power generation.

수소는 재생전력의 미이용분을 대용량, 장주기로 변환 및 저장하였다가 이용할 수 있다는 점에서 배터리를 이용한 에너지 저장 기술과는 차별점을 지니고, 에너지 다변화 및 확장성을 장점으로 지닌다. Hydrogen is different from energy storage technology using batteries in that it can convert and store the unused portion of renewable power in a large-capacity, long-term cycle, and has the advantage of energy diversification and scalability.

한편, 대표적인 수소 생산기술인 수전해 기술은 전기에너지를 이용하여 수소를 물로부터 직접 제조하는 기술로, 높은 순도의 수소를 간단하고 친환경적으로 제조 할 수 있다. 상기 수전해 기술은 알칼라인 수전해, 고체고분자 전해질 수전해, 고온 수증기 전기분해로 구별될 수 있다.On the other hand, the water electrolysis technology, which is a representative hydrogen production technology, is a technology that directly produces hydrogen from water using electric energy, and can produce high-purity hydrogen simply and environmentally. The water electrolysis technique can be divided into alkaline water electrolysis, solid polymer electrolyte water electrolysis, and high-temperature steam electrolysis.

상기 수전해 기술의 중 알칼라인 수전해 방법은 가격이 저렴하고 상용화 가능성이 높은 방법으로, 기본적으로 전해질, 분리막 및 전극인 애노드와 캐소드로 구성되며, 상기 애노드 및 캐소드에서는 하기의 반응식 1과 같은 반응이 일어난다:The alkaline water electrolysis method of the above water electrolysis technology is a method with low price and high commercialization potential. It is basically composed of an electrolyte, a separator, and an anode and a cathode, which are electrodes. In the anode and the cathode, the reaction as shown in Scheme 1 below is Happens:

[반응식 1][Scheme 1]

애노드: 4OH- → O2 + 2H2O + 4e- Anode: 4OH - → O 2 + 2H 2 O + 4e -

캐소드: 4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH- Cathode: 4H 2 O + 4e - → 2H 2 + 4OH -

상기 알칼라인 수전해 기술은 이미 상업적으로 검증된 기술로 대용량 수소 생산에 적합하고 타 기술과 비교하여 가격 경쟁력을 가지기 때문에 우리나라에도 가장 많이 보급된 기술이나, 낮은 운전 전류밀도와 전력효율을 높이기 위해 수소 및 산소 반응에서의 과전압을 낮추고 내구성을 가질 수 있는 전극의 개발이 필수 요소이다. The alkaline water electrolysis technology is a commercially proven technology that is suitable for large-capacity hydrogen production and has price competitiveness compared to other technologies, so it is the most popular technology in Korea. It is essential to develop an electrode capable of lowering the overvoltage in the oxygen reaction and having durability.

상기 알칼라인 수전해를 구성하는 전극의 개발과 관련한 기술에 있어, 종래기술은 산소 및 수소 발생반응에 활성을 갖는 금속을 판재로 전극으로 직접 이용하거나 상압 또는 고압 플라즈마 이용 증착, 정전도장, 전기화학 도금, 수열합성법 등을 이용하여 촉매를 원하는 기재에 코팅하여 전극을 구성하였다. In the technology related to the development of the electrode constituting the alkaline water electrolysis, the prior art uses a metal active in oxygen and hydrogen generation reaction as an electrode as a plate material, or uses atmospheric pressure or high pressure plasma deposition, electrostatic painting, electrochemical plating , a hydrothermal synthesis method, etc. to coat the catalyst on a desired substrate to construct an electrode.

상기 수열합성법 및 정전도장으로 제작된 전극은 기재와 촉매의 결착력이 떨어지기 때문에 약 1000 ℃에서의 열처리가 필요하며 코팅과 열처리의 반복 작업이 요구되고, 상기 플라즈마 증착 및 전기화학도금으로 제작된 전극은 결착력이 높은 장점이 있지만 복잡한 연속 공정이 요구된다. 또한 열처리 과정에서 금속 나노촉매들의 소결과 뭉침으로 인하여 급격하게 전극이 비활성화된다는 문제점이 있었다. The electrode produced by the hydrothermal synthesis method and electrostatic coating has poor bonding strength between the substrate and the catalyst, so heat treatment at about 1000° C. is required, repeated coating and heat treatment operations are required, and the electrode produced by plasma deposition and electrochemical plating Silver has the advantage of high binding strength, but a complicated continuous process is required. In addition, there was a problem in that the electrode was rapidly deactivated due to sintering and agglomeration of the metal nanocatalysts during the heat treatment process.

한편, 재생에너지 연계형 수전해 시스템에 있어, 상기 종래기술을 적용된 상용 수전해 시스템은 고전류 운전 및 on/off 반복 운전시 시스템 내 저항이 증가하고, 전극 내 수소 및 산소 기체 발생반응에 따른 기공이 무너지는 현상으로 전극 활성이 떨어지며, 내구성이 낮아지는 문제가 발생하기 때문에 0.2 A/cm2이내 낮은 전류밀도에서 정전류 운전 작동하여야 한다는 문제점이 있고, 종래 대표적인 알칼라인 수전해 전극인 Raney Ni의 경우, 전기화학 도금 또는 플라즈마 증착등을 통해 Ni-(Zn,Al)의 합금화 후 Zn, Al등을 강알칼라인 용액과 반응을 통해 선택적으로 침출해 내어 다공성을 갖는 Ni전극을 제조하여 활성을 높였지만 on/off반복운전에 내구성에 취약점을 보인다는 문제가 있었다. On the other hand, in the renewable energy-linked water electrolysis system, the commercial water electrolysis system to which the prior art is applied increases the resistance in the system during high current operation and repeated on/off operation, and pores due to the hydrogen and oxygen gas generation reaction in the electrode are reduced. Since the electrode activity is reduced due to the collapse phenomenon and durability is lowered, there is a problem that constant current operation must be operated at a low current density within 0.2 A/cm 2 In the case of Raney Ni, a typical alkaline water electrolysis electrode, electric After alloying of Ni-(Zn,Al) through chemical plating or plasma deposition, etc., Zn, Al, etc. are selectively leached through reaction with a strong alkaline solution to manufacture a porous Ni electrode to increase activity, but on/off There was a problem in that it showed a weakness in durability in repeated operation.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 알칼라인 용액 내에서 수전해 시스템의on/off 반복 운전시 전압포텐셜 변화에 따른 내구성이 향상되고, 고효율의 고전류 운전이 가능한 전극 소재에 대한 개발이 요구되는 실정이다.In order to solve the above problems, there is a need to develop an electrode material that has improved durability according to a voltage potential change during on/off repeated operation of a water electrolysis system in an alkaline solution and can operate with high efficiency and high current.

대한민국 등록특허 제 10-1807287호Republic of Korea Patent No. 10-1807287

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 제 1 금속을 포함하는 전극 기재 및 제 2 금속을 포함하는 용액을 준비하는 단계; 및 상기 제 1 금속을 포함하는 전극 기재를 상기 제 2 금속을 포함하는 용액에 침지시킨 후 상기 전극 기재의 표면에 위치하는 제 1 금속의 자발적 산화반응을 유도하여, 상기 전극 기재 표면에 이중층 수산화물 구조체(layered double hydroxide; LDH)를 포함하는 촉매층을 형성하는 단계; 를 포함하고, 상기 전극 기재의 표면에 촉매층이 화학적으로 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.Technical problem to be achieved by the present invention comprises the steps of preparing a solution containing an electrode substrate and a second metal including a first metal; And by inducing a spontaneous oxidation reaction of the first metal located on the surface of the electrode substrate after immersing the electrode substrate containing the first metal in the solution containing the second metal, the double-layer hydroxide structure on the surface of the electrode substrate forming a catalyst layer including (layered double hydroxide; LDH); To provide a method of manufacturing an electrode comprising a, wherein the catalyst layer is chemically bonded to the surface of the electrode substrate.

본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 제조 방법에 의해 제조된 전극을 포함하는 알칼라인 수전해 셀을 제공하는 것이다. Another technical object of the present invention is to provide an alkaline water electrolysis cell including an electrode manufactured by the above manufacturing method.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태는 제 1 금속을 포함하는 전극 기재 및 제 2 금속을 포함하는 용액을 준비하는 단계; 및 상기 제 1 금속을 포함하는 전극 기재를 상기 제 2 금속을 포함하는 용액에 침지시킨 후 상기 전극 기재의 표면에 위치하는 제 1 금속의 자발적 산화반응을 유도하여, 상기 전극 기재 표면에 이중층 수산화물 구조체(layered double hydroxide; LDH)를 포함하는 촉매층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 전극 기재의 표면에 촉매층이 화학적으로 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, one aspect of the present invention comprises the steps of preparing a solution comprising an electrode substrate and a second metal comprising a first metal; And by inducing a spontaneous oxidation reaction of the first metal located on the surface of the electrode substrate after immersing the electrode substrate containing the first metal in the solution containing the second metal, the double-layer hydroxide structure on the surface of the electrode substrate (layered double hydroxide; LDH) to form a catalyst layer comprising a; and provides a method of manufacturing an electrode comprising, the catalyst layer is chemically bonded to the surface of the electrode substrate.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 금속은 저탄소강, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the first metal may be any one metal selected from the group consisting of low carbon steel, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 금속은 알루미늄, 크롬, 갈륨, 망간, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the second metal may be any one selected from the group consisting of aluminum, chromium, gallium, manganese, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 이중층 수산화물 구조체는 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다:In an embodiment of the present invention, the double-layered hydroxide structure may be represented by the following Chemical Formula 1:

[화학식 1][Formula 1]

[(M)3+ x (M)2+ 1-x (OH)2]x+[An- x/n]x-·zH2O[(M I ) 3+ x (M ) 2+ 1-x (OH) 2 ] x+ [A n- x/n ] x- zH 2 O

상기 식에 있어서,In the above formula,

M은 저탄소강, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속을 포함하고, M I includes any one metal selected from the group consisting of low-carbon steel, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof,

M는 알루미늄, 크롬, 갈륨, 망간, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속을 포함하고,M includes any one metal selected from the group consisting of aluminum, chromium, gallium, manganese, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof,

An-는 수산화 이온(OH-), 질산 이온(NO3-), PO4 3-, HPO4 2-, H2PO4-, SO4 2-, CO3 2-및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 음이온이고, A n- is a hydroxide ion (OH - ), nitrate ion (NO 3- ), PO 4 3- , HPO 4 2- , H 2 PO 4- , SO 4 2- , CO 3 2- and combinations thereof. Any one anion selected from the group,

x는 0 초과 1 미만의 수이고,x is a number greater than 0 and less than 1,

n은 1 내지 4의 정수이고,n is an integer from 1 to 4,

z는 0.1 내지 15의 수임.z is a number from 0.1 to 15.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 촉매층이 형성되는 단계에서, 상기 자발적 산화반응을 유도하는 공정은 제 1 금속을 포함하는 전극 기재가 침지된 제 2 금속을 포함하는 용액에 산소를 주입하는 방법, 부식 전위를 인가하는 방법, pH를 조절하는 방법 및 이들의 조합으로 이루어진 방법 중 어느 하나에 의하여 수행될 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the step of forming the catalyst layer, the process of inducing the spontaneous oxidation reaction is a method of injecting oxygen into a solution containing a second metal in which an electrode substrate containing a first metal is immersed; It may be performed by any one of a method of applying a corrosion potential, a method of adjusting pH, and a combination thereof.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 산소를 주입하는 방법은 상기 용액의 용존 산소량이 20 ppm 이내에서 포화상태가 되도록 산소를 주입하여 수행될 수 있다. In an embodiment of the present invention, the method of injecting oxygen may be performed by injecting oxygen so that the amount of dissolved oxygen in the solution becomes saturated within 20 ppm.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 부식 전위를 인가하는 방법은 -0.5 V 내지 0.8 V의 전압을 인가하여 수행될 수 있다. In an embodiment of the present invention, the method of applying the corrosion potential may be performed by applying a voltage of -0.5 V to 0.8 V.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 pH를 조절방법은 NaOH, HCl 및 H2SO4 중 어느 하나를 첨가하여 수행될 수 있다. In an embodiment of the present invention, the method for adjusting the pH may be performed by adding any one of NaOH, HCl, and H 2 SO 4 .

본 발명의 일 실시예에서, 상기 촉매층이 형성되는 단계에서, 상기 제 2 금속을 포함하는 용액의 pH는 0 내지 8일 수 있다. In an embodiment of the present invention, in the step of forming the catalyst layer, the pH of the solution including the second metal may be 0 to 8.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 촉매층이 형성되는 단계에서, 상기 형성되는 촉매층의 두께는 5 nm 내지 5 μm일 수 있다. In an embodiment of the present invention, in the step of forming the catalyst layer, the thickness of the formed catalyst layer may be 5 nm to 5 μm.

본 발명의 일 양태는 상기 제조방법에 의해 제조된 전극을 포함하는 알칼라인 수전해 셀을 제공한다.One aspect of the present invention provides an alkaline water electrolysis cell including an electrode manufactured by the above manufacturing method.

본 발명의 전극의 제조방법에 의하여 제조된 전극은 산화/환원 화학반응을 통해 기재와 촉매가 결합된 상으로 존재하게 된다. The electrode manufactured by the method for manufacturing an electrode of the present invention exists in a phase in which a substrate and a catalyst are combined through an oxidation/reduction chemical reaction.

상기 전극을 알칼라인 수전해 셀의 전극으로 사용되는 경우, 알칼라인 용액 내에서 수전해 시스템의 on/off반복 운전시 전압포텐셜 변화에 따른 내구성의 향상을 보인다. 상기 전극을 적용한 수전해 셀은 on/off 반복 운전에 대한 안정성을 확보하여 태양광 또는 풍력 등의 간헐적 재생에너지와의 연계가 가능하고, 재생에너지의 잉여전력을 활용하여 수소제조를 통해 장시간, 대용량 에너지의 저장으로 수전해 장치를 활용할 수 있다. When the electrode is used as an electrode of an alkaline water electrolysis cell, durability is improved according to a voltage potential change during on/off repeated operation of the water electrolysis system in an alkaline solution. The water electrolysis cell to which the above electrode is applied secures stability against repeated on/off operation and can be linked with intermittent renewable energy such as solar or wind power, and long-term, large-capacity through hydrogen production using surplus power of renewable energy As energy storage, water electrolysis devices can be utilized.

또한, 본 발명의 전극은 기존 상용 니켈 전극 대비 적은 양을 사용하여 셀 효율을 30 % 이상 증대 시킬 수 있으며, 70 % 내지 90 %의 고효율의 2.0 A/cm2의 고전류 운전이 가능하게 되어 스택 및 시스템 가격을 낮추고 시스템 부피 역시 낮출 수 있다는 장점이 있다. In addition, the electrode of the present invention can increase the cell efficiency by 30% or more by using a small amount compared to the conventional commercial nickel electrode, and high current operation of 2.0 A/cm 2 with high efficiency of 70% to 90% is possible. It has the advantage of lowering the system cost and lowering the system volume.

나아가, 상기 전극은 수전해 전극 이외에도 유사한 전기화학 시스템인 가성소다 전해공정(Chloro-alkali process) 또는 알칼라인 연료전지(alkaline fuel cells)내 전극으로 사용할 수 있으며, 합성가스 생산 공정 및 환경 수 처리 분야 촉매 또는 흡착제로 사용될 수 있다. Furthermore, the electrode can be used as an electrode in a chloro-alkali process or alkaline fuel cell, which is a similar electrochemical system, in addition to the water electrolysis electrode, and is a catalyst in the syngas production process and environmental water treatment field or as an adsorbent.

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

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 제조방법의 흐름도이다.
도 2는 니켈의 Potential-pH (Pourbaix) 다이아그램(a) 및 철의 Potential-pH (Pourbaix) 다이아그램(b)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 전극의 표면의 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 제조방법에 있어서, 용액의 pH변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 대조군의 XRD 분석 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 전극을 포함하는 수전해 셀의 전위변동 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a flowchart of a method of manufacturing an electrode according to an embodiment of the present invention.
2 is a Potential-pH (Pourbaix) diagram of nickel (a) and a Potential-pH (Pourbaix) diagram of iron (b).
3 is an SEM image of the surface of an electrode according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a change in pH of a solution in the manufacturing method of an embodiment of the present invention.
5 is an XRD analysis graph of an embodiment of the present invention and a control group.
6 is a graph showing the results of a potential change experiment of an electrolytic cell including an electrode according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in several different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be “connected (connected, contacted, coupled)” with another part, it is not only “directly connected” but also “indirectly connected” with another member interposed therebetween. "Including cases where In addition, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further provided without excluding other components unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprises" or "have" are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features It should be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

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

본 발명의 일 양태는 전극의 제조방법을 제공한다. One aspect of the present invention provides a method of manufacturing an electrode.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 제조방법의 흐름도이다. 1 is a flowchart of a method of manufacturing an electrode according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 전극의 제조방법은 제 1 금속을 포함하는 전극 기재 및 제 2 금속을 포함하는 용액을 준비하는 단계(S100); 및 상기 제 1 금속을 포함하는 전극 기재를 상기 제 2 금속을 포함하는 용액에 침지시킨 후 상기 전극 기재의 표면에 위치하는 제 1 금속의 자발적 산화반응을 유도하여, 상기 전극 기재 표면에 이중층 수산화물 구조체(layered double hydroxide; LDH)를 포함하는 촉매층을 형성하는 단계(S200); 를 포함한다. Referring to FIG. 1 , the method for manufacturing an electrode of the present invention includes preparing an electrode substrate including a first metal and a solution including a second metal (S100); And by inducing a spontaneous oxidation reaction of the first metal located on the surface of the electrode substrate after immersing the electrode substrate containing the first metal in the solution containing the second metal, the double-layer hydroxide structure on the surface of the electrode substrate Forming a catalyst layer containing (layered double hydroxide; LDH) (S200); includes

먼저, 본 발명의 전극의 제조방법은 제 1 금속을 포함하는 전극 기재 및 제 2 금속을 포함하는 용액을 준비하는 단계(S100)를 포함한다. First, the method of manufacturing an electrode of the present invention includes a step (S100) of preparing an electrode substrate containing a first metal and a solution containing a second metal.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극 기재는 후술하는 촉매층이 형성되는 단계(S200)에서, 표면에 촉매층이 형성되는 곳으로, 제 1 금속을 포함한다. In one embodiment of the present invention, the electrode substrate is a place where the catalyst layer is formed on the surface in the step (S200) of forming a catalyst layer to be described later, and includes a first metal.

상기 제 1 금속은 후술하는 촉매층이 형성되는 단계(S200)에서 자발적 산화반응이 유도될 수 있는 금속, 예를 들면, 전이금속을 포함하는 금속, 예를 들면, 저탄소강, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나의 금속, 예를 들면, 철(Fe)일 수 있다. The first metal is a metal that can induce a spontaneous oxidation reaction in the step (S200) of forming a catalyst layer to be described later, for example, a metal including a transition metal, for example, low carbon steel, iron, magnesium, cobalt, It may be any one metal selected from the group consisting of copper, nickel, zinc, and combinations thereof, for example, iron (Fe).

상기 제 2 금속은 상기 제 2 금속을 포함하는 용액에서 2가 금속 양이온의 형태로 포함되어 있을 수 있고, 후술하는 촉매층이 형성되는 단계(S200)에서, 3가 금속 양이온의 형태인 제 1 금속을 치환하여 촉매층을 형성할 수 있는 금속, 예를 들면, 전이금속을 포함하는 금속, 예를 들면, 알루미늄, 크롬, 갈륨, 망간, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속, 예를 들면, 니켈(Ni)일 수 있다. The second metal may be included in the form of a divalent metal cation in the solution containing the second metal, and in the step (S200) of forming a catalyst layer to be described later, the first metal in the form of a trivalent metal cation A metal that can be substituted to form a catalyst layer, for example, a metal containing a transition metal, for example, aluminum, chromium, gallium, manganese, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof. It may be any one metal selected from the group, for example, nickel (Ni).

상기 제 2 금속을 포함하는 용액의 용매는 제 2 금속을 용해 시켜, 2가 금속 양이온의 형태로 존재시킬 수 있는 용매, 예를 들면, 초순수, 글리세롤, 에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 포름아미드, N-메틸포름아미드, 디메틸 포름아미드, 디메틸 아세틸아미드, 디메틸설폭사이드, 메탄올, 아세토니트릴, 2-피롤리디논, 아세트아미드, 아크릴아미드, N-메틸우레아, 우레아 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The solvent of the solution containing the second metal is a solvent capable of dissolving the second metal to exist in the form of a divalent metal cation, for example, ultrapure water, glycerol, ethylene glycol, polyethylene glycol, diethylene glycol, tri Ethylene glycol, tetraethylene glycol, formamide, N-methylformamide, dimethyl formamide, dimethyl acetylamide, dimethyl sulfoxide, methanol, acetonitrile, 2-pyrrolidinone, acetamide, acrylamide, N-methylurea, It may be any one selected from the group consisting of urea and combinations thereof, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 금속을 포함하는 용액의 pH는 0 내지 8, 예를 들면, 4 내지 6.5일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the pH of the solution containing the second metal may be 0 to 8, for example, 4 to 6.5.

도 2는 니켈의 Potential-pH (Pourbaix) 다이아그램(a) 및 철의 Potential-pH (Pourbaix) 다이아그램(b)이다. 2 is a Potential-pH (Pourbaix) diagram of nickel (a) and a Potential-pH (Pourbaix) diagram of iron (b).

상기 Pourbaix 다이아그램은 Nernst 관계식과 금속화합물의 용해도를 기초로 계산하여 체계화한 도표로, 부식반응의 자연진행 여부의 전기화학적 조건 파악, 부식반응물의 조성 예측 및 부식방지를 위한 환경조건 변화 예측을 위하여 사용될 수 있다. The Pourbaix diagram is a diagram systematized by calculating based on the Nernst relational formula and solubility of metal compounds. It is used to determine the electrochemical conditions of spontaneous corrosion reactions, predict the composition of corrosion reactants, and predict changes in environmental conditions for corrosion prevention. can be used

본 발명의 일 실시예에서, 상기 Pourbaix 다이아 그램은 금속, 예를 들면 철 또는 니켈이 2가 양이온이 되는 영역의 전기화학적 조건을 파악하기 위하여 사용될 수 있고, 도 2를 참조하면, 제 1 금 속 및 제 2 금속이 철 및 니켈인 경우, 상기 철 및 니켈이 2가 양이온이 되는 영역의 pH 범위, 즉, 상기 제 2 금속을 포함하는 용액이 가질 수 있는 pH의 범위는 0 내지 8일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the Pourbaix diagram may be used to identify the electrochemical condition of a region in which a metal, for example, iron or nickel, becomes a divalent cation. Referring to FIG. 2 , the first metal And when the second metal is iron and nickel, the pH range of the region in which the iron and nickel are divalent cations, that is, the pH range that a solution containing the second metal can have may be 0 to 8. .

다음으로, 본 발명의 전극의 제조방법은 상기 제 1 금속을 포함하는 전극 기재를 상기 제 2 금속을 포함하는 용액에 침지시킨 후 상기 전극 기재의 표면에 위치하는 제 1 금속의 자발적 산화반응을 유도하여, 상기 전극 기재 표면에 이중층 수산화물 구조체(layered double hydroxide; LDH)를 포함하는 촉매층을 형성하는 단계(S200)를 포함한다.Next, the method for manufacturing an electrode of the present invention induces a spontaneous oxidation reaction of the first metal located on the surface of the electrode substrate after immersing the electrode substrate containing the first metal in a solution containing the second metal. Thus, forming a catalyst layer including a layered double hydroxide (LDH) on the surface of the electrode substrate (S200).

본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극 기재 표면에 촉매층을 형성하는 단계(S200)는 제1 금속을 포함하는 전극 기재를 제 2 금속을 포함하는 용액에 침지시킨 후 상기 전극 기재의 표면에 위치하는 제 1 금속의 자발적 산화반응을 유도하여 수행될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the step of forming the catalyst layer on the surface of the electrode substrate (S200) is located on the surface of the electrode substrate after immersing the electrode substrate containing the first metal in a solution containing the second metal. It can be carried out by inducing a spontaneous oxidation reaction of the first metal.

상기 제 1 금속의 자발적 산화반응을 유도하는 공정에서, 상기 전극 기재의 표면에서는 하기의 반응식 2와 같은 산화반응 및 환원반응이 일어날 수 있다: In the process of inducing the spontaneous oxidation reaction of the first metal, oxidation and reduction reactions may occur on the surface of the electrode substrate as shown in Scheme 2 below:

[반응식 2][Scheme 2]

산화반응: Oxidation:

M→ (M)2+ + 2e- M → (M ) 2+ + 2e -

(M)2+ → (M)3+ + e- (M ) 2+ → (M ) 3+ + e -

환원반응: Reduction reaction:

O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- O 2 + 2H 2 O + 4e - → 4OH -

상기 식에서, M은 저탄소강, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속을 포함함. In the above formula, M I includes any one metal selected from the group consisting of low-carbon steel, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극 기재의 표면에 위치하는 제 1 금속의 자발적 산화반응을 유도하는 공정은 제 1 금속을 포함하는 전극 기재가 침지된 제 2 금속을 포함하는 용액에 산소를 주입하는 방법, 부식 전위를 인가하는 방법, pH를 조절하는 방법 및 이들의 조합으로 이루어진 방법 중 어느 하나에 의하여 수행될 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the process of inducing a spontaneous oxidation reaction of the first metal located on the surface of the electrode substrate, oxygen is injected into a solution containing the second metal in which the electrode substrate containing the first metal is immersed. It can be carried out by any one of a method consisting of a method of corrosive potential, a method of applying a corrosion potential, a method of adjusting pH, and a combination thereof.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 자발적 산화반응을 유도하는 공정은 제 1 금속을 포함하는 전극 기재가 침지된 제 2 금속을 포함하는 용액에 산소를 주입하는 방법을 통하여 수행 될 수 있다. In an embodiment of the present invention, the process of inducing the spontaneous oxidation reaction may be performed through a method of injecting oxygen into a solution containing a second metal in which an electrode substrate containing a first metal is immersed.

이때, 상기 주입되는 산소의 농도를 조절함으로써, 상기 자발적 산화반응의 반응속도를 조절할 수 있고, 나아가, 상기 산화반응의 반응속도는 본 발명의 제조방법에서 형성되는 촉매층의 두께 및/또는 구성을 결정하는 인자가 될 수 있다. At this time, by controlling the concentration of the injected oxygen, the reaction rate of the spontaneous oxidation reaction can be controlled, and further, the reaction rate of the oxidation reaction determines the thickness and/or configuration of the catalyst layer formed in the production method of the present invention. can be a factor

상기 제 1 금속을 포함하는 전극 기재가 침지된 제 2 금속을 포함하는 용액에 산소를 주입하는 방법은 본 발명의 기술분야에서 자명한 방법, 예를 들면 산소 주입장치를 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 용액의 용존 산소량이 20 ppm 내에서 포화될 수 되도록 산소를 주입하여 수행될 수 있다. The method of injecting oxygen into the solution containing the second metal in which the electrode substrate containing the first metal is immersed may be performed using a method known in the art, for example, an oxygen injection device, The present invention is not limited thereto, and oxygen may be injected so that the dissolved oxygen amount of the solution may be saturated within 20 ppm.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 자발적 산화반응을 유도하는 공정은 제 1 금속을 포함하는 전극 기재가 침지된 제 2 금속을 포함하는 용액에 부식 전위를 인가하는 방법을 통하여 수행될 수 있다. In another embodiment of the present invention, the process of inducing the spontaneous oxidation reaction may be performed through a method of applying a corrosion potential to a solution containing a second metal in which an electrode substrate containing a first metal is immersed.

이때, 상기 용액에 인가되는 전압을 조절함으로써, 상기 자발적 산화반응의 반응속도를 조절할 수 있고, 나아가, 상기 산화반응의 반응속도는 본 발명의 제조방법에서 형성되는 촉매층의 두께 및/또는 구성을 결정하는 인자가 될 수 있다. At this time, by controlling the voltage applied to the solution, the reaction rate of the spontaneous oxidation reaction can be controlled, and further, the reaction rate of the oxidation reaction determines the thickness and/or configuration of the catalyst layer formed in the production method of the present invention. can be a factor

상기 제 1 금속을 포함하는 전극 기재가 침지된 제 2 금속을 포함하는 용액에 부식전위를 인가하는 방법은 본 발명의 기술분야에서 자명한 방법, 예를 들면 전압 인가장치를 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 표준 수소 전극(SHE) 대비 -0.5 V 내지 0.8 V의 전압을 인가하여 수행될 수 있다. A method of applying a corrosion potential to a solution containing a second metal in which the electrode substrate containing the first metal is immersed may be performed using a method known in the art, for example, a voltage applying device. , but is not limited thereto, and for example, may be performed by applying a voltage of -0.5 V to 0.8 V compared to a standard hydrogen electrode (SHE).

본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 자발적 산화반응을 유도하는 공정은 제 1 금속을 포함하는 전극 기재가 침지된 제 2 금속을 포함하는 용액의 pH를 조절하는 방법을 통하여 수행될 수 있다. In another embodiment of the present invention, the process of inducing the spontaneous oxidation reaction may be performed through a method of adjusting the pH of a solution containing a second metal in which an electrode substrate containing a first metal is immersed.

상기 제 1 금속을 포함하는 전극 기재가 침지된 제 2 금속을 포함하는 용액의 pH를 조절하는 방법은 본 발명의 기술분야에서 자명한 방법, 예를 들면 NaOH, HCl 및 H2SO4 중 어느 하나를 첨가하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. A method of adjusting the pH of a solution containing a second metal in which the electrode substrate including the first metal is immersed is a method obvious in the art, for example, any one of NaOH, HCl and H 2 SO 4 It may be carried out by adding, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 용액의 pH는 전극 기재에 포함된 제 1 금속의 열역학적 특성(도 2참조)을 기반으로 양이온으로 산화반응을 유도하기 위한 pH및/또는 전위를 조절하여, 기재의 부식을 유도할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the pH of the solution is adjusted by adjusting the pH and/or potential for inducing an oxidation reaction to a cation based on the thermodynamic properties (see FIG. 2 ) of the first metal included in the electrode substrate, may lead to corrosion of

이와 동시에 상기 용액내에 용해되어 있는 제 2 금속 양이온이 pH 변화에 따라 부식된 전극 기재 상에 침착(deposition)될 수 있고, 이를 통해 이중층 수산화물 구조체(LDH)를 형성할 수 있다. At the same time, the second metal cation dissolved in the solution may be deposited on the electrode substrate corroded according to the pH change, thereby forming a double-layered hydroxide structure (LDH).

본 발명의 일 실시예에서, 상기 조절되는 pH는 0 내지 8일 수 있고, 상기 조절되는 전위는 표준 수소 전극(SHE) 대비 -0.5 V 내지 0.8 V의 전압을 인가하여 수행될 수 있다. In an embodiment of the present invention, the adjusted pH may be 0 to 8, and the adjusted potential may be performed by applying a voltage of -0.5 V to 0.8 V compared to a standard hydrogen electrode (SHE).

본 발명의 전극의 제조방법의 촉매층을 형성하는 단계(S200)에서, 상기 제 1 금속을 포함하는 전극 기재를 상기 제 2 금속을 포함하는 용액에 침지시키고, 상기 전극 기재의 표면에 위치하는 제 1 금속의 자발적 산화반응을 유도시키는 공정을 수행하면, 상기 용액에 포함된 제 2 금속의 2가 양이온 및 제 1 금속의 3가 양이온은 상기 용액에 혼재할 수 있게 된다. 이때, 상기 용액상에서는 하기의 반응식 3과 같은 반응이 진행되어 이중층 수산화물 구조체(layered double hydroxide; LDH)를 포함하는 촉매층을 형성할 수 있다: In the step (S200) of forming the catalyst layer of the method for manufacturing an electrode of the present invention, the electrode substrate containing the first metal is immersed in a solution containing the second metal, and the first electrode substrate is located on the surface of the electrode substrate. When the process of inducing a spontaneous oxidation reaction of the metal is performed, the divalent cation of the second metal and the trivalent cation of the first metal included in the solution may be mixed in the solution. At this time, in the solution phase, a reaction as shown in Scheme 3 below may be performed to form a catalyst layer including a layered double hydroxide (LDH):

[반응식 3][Scheme 3]

(M)3+ + (M)2+ + An- → [(M)3+ x (M)2+ 1-x (OH)2]x+[An- x/n]x-·zH2O (M ) 3+ + (M ) 2+ + A n- → [(M ) 3+ x (M ) 2+ 1-x (OH) 2 ] x+ [A n- x/n ] x- zH 2 O

상기 식에 있어서,In the above formula,

M은 저탄소강, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속을 포함하고, M I includes any one metal selected from the group consisting of low-carbon steel, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof,

M는 알루미늄, 크롬, 갈륨, 망간, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속을 포함하고,M includes any one metal selected from the group consisting of aluminum, chromium, gallium, manganese, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof,

An-는 OH-, NO3-, PO4 3-, HPO4 2-, H2PO4-, SO4 2-, CO3 2-및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 음이온이고, A n- is OH -, NO 3-, PO 4 3-, HPO 4 2-, H 2 PO 4-, SO 4 2-, CO 3 2- , and any of the anions selected from the group consisting of a combination of ego,

x는 0 초과 1 미만의 수이고,x is a number greater than 0 and less than 1,

n은 1 내지 4의 정수이고,n is an integer from 1 to 4,

z는 0.1 내지 15의 수임.z is a number from 0.1 to 15.

상기 반응식 3에서 상기 An-는 상기 용액 내 첨가하는 화학물에 따라 결정될 수 있고, 상기 첨가하는 화합물은 음이온을 포함하는 화합물, 예를 들면, MSO4, MNO3 또는 MCO3(단, M는 알루미늄, 크롬, 갈륨, 망간, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속이다.)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In Scheme 3, A n- may be determined according to a chemical added to the solution, and the compound to be added is a compound containing an anion, for example, M II SO 4 , M II NO 3 or M II CO 3 (provided that M II is any one metal selected from the group consisting of aluminum, chromium, gallium, manganese, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof), but is not limited thereto it is not

상술한 반응식 2와 같은 반응이 상기 용액 내의 전극 기재 표면에서 진행되는 동시에 상기 반응식 3과 같은 반응이 진행되면, 본 발명의 전극 기재 표면에 산화/환원 반응에 의하여 화학적으로 결합된 형태의 촉매충이 형성될 수 있다. When the reaction as in Reaction Scheme 2 described above proceeds on the surface of the electrode substrate in the solution and the reaction as in Reaction Scheme 3 proceeds at the same time, a catalyst insect in a chemically bonded form is formed on the surface of the electrode substrate of the present invention by oxidation / reduction can be

본 발명의 일 실시예에서, 상기 이중층 수산화물 구조체는 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다:In an embodiment of the present invention, the double-layered hydroxide structure may be represented by the following Chemical Formula 1:

[화학식 1][Formula 1]

[(M)3+ x (M)2+ 1-x (OH)2]x+[An- x/n]x-·zH2O[(M I ) 3+ x (M ) 2+ 1-x (OH) 2 ] x+ [A n- x/n ] x- zH 2 O

상기 식에 있어서,In the above formula,

M은 저탄소강, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속을 포함하고, M I includes any one metal selected from the group consisting of low-carbon steel, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof,

M는 알루미늄, 크롬, 갈륨, 망간, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속을 포함하고,M includes any one metal selected from the group consisting of aluminum, chromium, gallium, manganese, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof,

An-는 OH-, NO3-, PO4 3-, HPO4 2-, H2PO4-, SO4 2-, CO3 2-및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 음이온이고, A n- is OH -, NO 3-, PO 4 3-, HPO 4 2-, H 2 PO 4-, SO 4 2-, CO 3 2- , and any of the anions selected from the group consisting of a combination of ego,

x는 0 초과 1 미만의 수이고,x is a number greater than 0 and less than 1,

n은 1 내지 4의 정수이고,n is an integer from 1 to 4,

z는 0.1 내지 15의 수임.z is a number from 0.1 to 15.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 화학식 1에서 상기 M은 본 발명의 제 1 금속일 수 있고, 상기 M는 본 발명의 제 2 금속일 수 있다. In one embodiment of the present invention, in Formula 1, M I may be the first metal of the present invention, and M II may be the second metal of the present invention.

본 명세서에서, 상기 화학식 1로 표시되는 이차원 구조의 이중층 수산화물 구조체(LDH)란, 2가의 금속 양이온이 팔면체(octahedral) 형태의 6개의 OH-에 둘러싸여 있으며, 상기 2가의 금속 양이온 중 일부는 3가의 금속 양이온에 의해 치환되어 표면이 양전하를 띠는 이차원 층상 구조체를 가지는 수산화물을 의미하며, 상기 이중층 수산화물 구조체의 표면의 양전하는 층상 구조 사이에 존재하는 음이온(An-)들에 의해 상쇄될 수 있다. In the present specification, the two-dimensional hydroxide structure (LDH) having a two-dimensional structure represented by Formula 1 is a divalent metal cation surrounded by six OH − in an octahedral form, and some of the divalent metal cations are trivalent It means a hydroxide having a two-dimensional layered structure substituted with a metal cation to have a positive charge on the surface, and the positive charge on the surface of the double-layered hydroxide structure can be offset by anions (A n- ) present between the layered structures. .

상기 이중층 수산화물 구조체는 매우 큰 비표면적을 가지고, 다른 교환체와 비교하여 쉽게 음이온 교환이 가능하며 열에 대한 안정성, 전기적 및 광학적인 특성 등에 의하여, 촉매, 흡착제, 난연제, 광촉매 등 다양한 분야에 대한 응용이 가능하다. The double-layered hydroxide structure has a very large specific surface area, can easily exchange anion compared to other exchangers, and has applications in various fields such as catalysts, adsorbents, flame retardants, and photocatalysts due to heat stability, electrical and optical properties, etc. possible.

본 발명의 전극은 상기 이중층 수산화물 구조체를 포함하는 촉매층이 형성될 수 있고, 상기 촉매층은 본 발명의 전극 기재의 표면에 화학적으로 결합한 상태로 존재하게 된다. In the electrode of the present invention, a catalyst layer including the double-layered hydroxide structure may be formed, and the catalyst layer is present in a state chemically bonded to the surface of the electrode substrate of the present invention.

따라서, 상기 촉매층이 형성된 전극은 알칼라인 수전해용 전극에의 이용에 있어, 상기 이중층 수산화물 구조체의 물질전달 및 이온전도가 용이한 특성에 기인하여 수전해 스택의 고효율, 고전류의 운전을 가능하게 할 수 있고, 알칼라인 용액 내에서 수전해 시스템의 on/off 반복 운전시 전압포텐셜 변화에 따른 내구성의 향상을 보일 수 있다. 따라서, 상기 전극을 적용한 수전해 셀은 on/off 반복 운전에 대한 안정성을 확보하여 태양광 또는 풍력 등의 간헐적 재생에너지와의 연계를 가능하게 할 수 있다. Therefore, the electrode having the catalyst layer formed thereon is used in alkaline water electrolysis electrodes, due to the characteristics of the double-layer hydroxide structure for easy mass transfer and ion conduction, it is possible to enable high-efficiency and high-current operation of the water electrolysis stack. , it is possible to show the improvement of durability according to the voltage potential change during repeated on/off operation of the water electrolysis system in an alkaline solution. Therefore, the electrolytic cell to which the electrode is applied can secure stability against repeated on/off operation, thereby enabling connection with intermittent renewable energy such as solar power or wind power.

나아가, 본 발명의 전극은 수소 및 산소 발생반응을 반응 메커니즘으로 하는 타 전기화학 시스템, 예를 들면, 캐패시터, 연료전지, 가성소다 전해제조 등의 기술분야에서 전극으로 사용할 수 있으며, 합성가스 생산 공정 및 환경 수 처리 분야의 촉매 또는 흡착제로도 사용할 수 있다. Furthermore, the electrode of the present invention can be used as an electrode in other electrochemical systems using hydrogen and oxygen evolution as a reaction mechanism, for example, capacitors, fuel cells, caustic soda electrolytic manufacturing, etc. and as a catalyst or adsorbent in the field of environmental water treatment.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 촉매층이 형성되는 단계(S200)에서, 상기 형성되는 촉매층의 두께는 상술한 제 1 금속의 자발적 산화반응을 유도하는 공정의 주입되는 산소의 농도 또는 인가되는 전압의 범위에 따라 조절 될 수 있고, 또는 상기 용액에 포함되는 제 2 금속이온의 농도에 따라 조절될 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the step of forming the catalyst layer (S200), the thickness of the formed catalyst layer is determined by the concentration of the injected oxygen or the applied voltage in the process of inducing the above-described spontaneous oxidation of the first metal. It may be adjusted according to the range, or may be adjusted according to the concentration of the second metal ion contained in the solution.

상기 촉매층이 형성되는 단계(S200)에서, 상기 형성되는 촉매층의 두께는 5 nm 내지 5 μm일 수 있다. In the step of forming the catalyst layer (S200), the thickness of the formed catalyst layer may be 5 nm to 5 μm.

본 발명의 일 양태는 상기 양태에서 설명한 제조방법에 의하여 제조된 전극을 포함하는 알칼라인 수전해 셀을 제공한다. One aspect of the present invention provides an alkaline water electrolysis cell including an electrode manufactured by the manufacturing method described in the above aspect.

본 명세서에서 알칼라인 수전해(alkaline electrolysis)는 물 전기분해법의 일종으로 전해질로써 알칼라인 수용액을 이용하고 수소/산소를 분리하기 위하여 별도의 분리막을 사용하는 기술이다. 구체적으로, 알칼라인 수전해법은 전극인 캐소드와 애노드 사이에 이온 분리막 및 전해질을 주입하고 양 전극에 일정한 전압과 전류를 흐르게 하여 수소를 제조하게 된다. In the present specification, alkaline electrolysis is a type of water electrolysis, and is a technique of using an alkaline aqueous solution as an electrolyte and using a separate membrane to separate hydrogen/oxygen. Specifically, in the alkaline water electrolysis method, an ion separation membrane and an electrolyte are injected between the cathode and the anode, which are electrodes, and a constant voltage and current flow through both electrodes to produce hydrogen.

하기의 반응식 1에 따라 캐소드 및 애노드에서 각각 수소 기체, 산소 기체를 생성하고, 이렇게 생성된 수소, 산소기체는 밖으로 배출된다: Hydrogen gas and oxygen gas are respectively generated at the cathode and the anode according to the following Reaction Formula 1, and the hydrogen and oxygen gas thus generated are discharged to the outside:

[반응식 1][Scheme 1]

애노드: 4OH- → O2 + 2H2O + 4e- Anode: 4OH - → O 2 + 2H 2 O + 4e -

캐소드: 4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH- Cathode: 4H 2 O + 4e - → 2H 2 + 4OH -

구체적으로, 캐소드에서 생성된 OH- 이온은 분리막을 통과해 애노드로 이동하고, 애노드에서 산화되어 물 및 산소기체를 생성한다. Specifically, OH − ions generated at the cathode move through the separation membrane to the anode, and are oxidized at the anode to generate water and oxygen gas.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 알칼라인 수전해용 전극은 상기 양태의 제조방법에서 제조한 전극일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the electrode for alkaline water electrolysis may be an electrode manufactured in the manufacturing method of the above aspect.

상기 알칼라인 수전해용 전극과 관련한 종래기술은 산소 및 수소 발생반응에 활성을 갖는 금속을 판재로 전극으로 직접 이용하거나 상압 또는 고압 플라즈마 이용 증착, 정전도장, 전기화학 도금, 수열합성법 등을 이용하여 촉매를 원하는 기재에 코팅하여 전극을 구성하였다. In the prior art related to the alkaline water electrolysis electrode, a metal having an activity for oxygen and hydrogen generation reaction is directly used as an electrode as an electrode, or a catalyst is prepared using atmospheric or high pressure plasma deposition, electrostatic painting, electrochemical plating, hydrothermal synthesis, etc. An electrode was constructed by coating on a desired substrate.

상기 수열합성법 및 정전도장으로 제작된 전극은 기재와 촉매의 결착력이 떨어지기 때문에 약 1000 ℃에서의 열처리가 필요하며 코팅과 열처리의 반복 작업이 요구되고, 상기 플라즈마 증착 및 전기화학도금으로 제작된 전극은 결착력이 높은 장점이 있지만 복잡한 연속 공정이 요구된다. 또한 열처리 과정에서 금속 나노촉매들의 소결과 뭉침으로 인하여 급격하게 전극이 비활성화된다는 문제점이 있었다. Since the electrode produced by the hydrothermal synthesis method and electrostatic coating has poor bonding strength between the substrate and the catalyst, heat treatment at about 1000° C. is required, repeated coating and heat treatment operations are required, and the electrode produced by plasma deposition and electrochemical plating Silver has the advantage of high binding strength, but a complicated continuous process is required. Also, there was a problem in that the electrode was rapidly deactivated due to sintering and agglomeration of the metal nanocatalysts during the heat treatment process.

한편, 재생에너지 연계형 수전해 시스템에 있어, 상기 종래기술을 적용된 상용 수전해 시스템은 고전류 운전 및 on/off 반복 운전시 시스템 내 저항이 증가하고, 전극 내 수소 및 산소 기체 발생반응에 따른 기공이 무너지는 현상으로 전극 활성이 떨어지며, 내구성이 낮아지는 문제가 발생하기 때문에 0.2 A/cm2이내 낮은 전류밀도에서 정전류 운전 작동하여야 한다는 문제점이 있고, 종래 대표적인 알칼라인 수전해 전극인 Raney Ni의 경우, 전기화학 도금 또는 플라즈마 증착등을 통해 Ni-(Zn,Al)의 합금화 후 Zn, Al등을 강알칼라인 용액과 반응을 통해 선택적으로 침출해 내어 다공성을 갖는 Ni전극을 제조하여 활성을 높였지만 on/off반복운전에 내구성에 취약점을 보인다는 문제가 있었다. On the other hand, in the renewable energy-linked water electrolysis system, the commercial water electrolysis system to which the prior art is applied increases the resistance in the system during high current operation and repeated on/off operation, and pores due to the hydrogen and oxygen gas generation reaction in the electrode are reduced. Since the electrode activity is reduced due to the collapse phenomenon and durability is lowered, there is a problem that constant current operation must be operated at a low current density within 0.2 A/cm 2 In the case of Raney Ni, a typical alkaline water electrolysis electrode, electric After alloying of Ni-(Zn,Al) through chemical plating or plasma deposition, etc., Zn, Al, etc. are selectively leached through reaction with a strong alkaline solution to manufacture a porous Ni electrode to increase activity, but on/off There was a problem in that it showed a weakness in durability in repeated operation.

본 발명의 전극은 이중층 수산화물 구조체를 포함하며, 전극 기재의 표면에 화학적으로 결합한 상태로 존재하는 촉매층을 포함할 수 있다. 상기 이중층 수산화물 구조체의 물질전달 및 이온전도가 용이한 특성에 기인하여 수전해 스택의 고효율, 고전류의 운전을 가능하게 할 수 있고, 알칼라인 용액 내에서 수전해 시스템의 on/off 반복 운전시 전압포텐셜 변화에 따른 내구성의 향상을 보일 수 있다. 따라서, 상기 전극을 적용한 수전해 셀은 on/off 반복 운전에 대한 안정성을 확보하여 태양광 또는 풍력 등의 간헐적 재생에너지와의 연계를 가능하게 할 수 있다.The electrode of the present invention includes a double-layered hydroxide structure, and may include a catalyst layer that is chemically bonded to the surface of the electrode substrate. Due to the characteristics of easy mass transfer and ion conduction of the double-layer hydroxide structure, it is possible to enable high-efficiency and high-current operation of the water electrolysis stack, and voltage potential change during on/off repeated operation of the water electrolysis system in an alkaline solution As a result, durability can be improved. Therefore, the water electrolysis cell to which the electrode is applied can secure stability against repeated on/off operation, thereby enabling connection with intermittent renewable energy such as solar or wind power.

나아가, 기존 상용 니켈 전극과 비교하여 적은 양을 사용하여 상기 알칼라인 수전해 셀의 효율을 30 % 이상 증대 시킬 수 있으며, 고효율(70 % 내지 90 %)의 고전류(약 2.0 A/cm2)운전이 가능하게 되어 스택 및 시스템 가격을 낮추고 시스템 부피를 낮출 수 있다는 장점이 있다. Furthermore, the efficiency of the alkaline water electrolysis cell can be increased by 30% or more by using a small amount compared to the conventional commercial nickel electrode, and high-current (about 2.0 A/cm 2 ) operation with high efficiency (70% to 90%) is possible. This has the advantage of lowering the stack and system cost and lowering the system volume.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 전해질은 알칼라인 수용액으로 구성되며, 상기 알칼라인 수용액이란 염기성을 나타내는 수용액을 의미한다. 이때, 상기 알칼라인 수용액은 알칼라인 금속(alkaline metal) 또는 알칼라인 토금속(alkaline earth metal) 원소의 수산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 알칼라인 금속의 수산화물은 LiOH, NaOH, KOH, RbOH 및 CsOH로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 수산화물을 포함할 수 있다. In an embodiment of the present invention, the electrolyte is composed of an aqueous alkaline solution, and the alkaline aqueous solution means an aqueous solution exhibiting basicity. In this case, the alkaline aqueous solution may include a hydroxide of an alkaline metal or alkaline earth metal element. For example, the hydroxide of the alkaline metal may include at least one hydroxide selected from the group consisting of LiOH, NaOH, KOH, RbOH, and CsOH.

상기 이온 분리막은 상기 전해질 내부에 위치하여 전해질 내의 특정 이온을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 이때, 상기 이온 분리막은 막의 망(membrane matrix)에 붙은 이온화 군의 형태에 따라 양이온 또는 음이온을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 이온 분리막은 막 근간(membrane backbone)에 -SO3-, -COO-, -PO3 2-, -PO3H-, -C6H4O- 와 같은 음이온 군이 있는 경우 양이온만을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 이온 분리막은 막 근간(membrane backbone)에 -NH3+, -NRH2+, -NR2H+, -NR3+, -PR3+, -SR2+와 같이 양이온 군이 있는 경우 음이온만을 선택적으로 통과시킬 수 있다.The ion separation membrane may be positioned inside the electrolyte to selectively permeate specific ions in the electrolyte. In this case, the ion separation membrane may selectively permeate cations or anions according to the shape of the ionization group attached to the membrane matrix. For example, when the ion separation membrane has an anion group such as -SO 3- , -COO - , -PO 3 2- , -PO 3 H - , -C 6 H 4 O - in the membrane backbone Only positive ions can pass selectively. For example, the ion separation membrane has a cation group such as -NH 3+ , -NRH 2+ , -NR 2 H + , -NR 3+ , -PR 3+ , -SR 2+ on the membrane backbone. If present, only negative ions can be selectively passed through.

실시예 1. Fe-Ni 이중층 수산화물 전극의 제조Example 1. Preparation of Fe-Ni Bilayer Hydroxide Electrode

NiSO4를 초순수(deionized water)에 용해시켜, 2 M Ni양이온이 포함된 용액 및 전극 기재로 Fe foam(2 N)를 준비하였다. Fe foam 기재는 20 % HCl용액에 10분 동안 담궈 전처리를 실시하고, 증류수로 잔류물을 제거하였다. NiSO 4 was dissolved in ultrapure water (deionized water), and Fe foam (2 N) was prepared as a solution containing 2 M Ni cations and an electrode substrate. The Fe foam substrate was pre-treated by immersing it in 20 % HCl solution for 10 minutes, and the residue was removed with distilled water.

상기 전극 기재를 Ni양이온이 포함된 용액에 침지시키고, 산소 주입장치를 이용하여 산소를 150 ccm 의 속도로 주입하고, 500 rpm으로 교반 속도를 유지하며 50 °C에서 약 2시간 동안 반응 시켜, Fe-Ni 이중층 수산화물 전극을 제조하였다. 이 때 Ni 양이온을 포함하는 용액 내 pH 변화에 따라 이중층 수산화물 전극 생성 여부를 판단하였다.The electrode substrate was immersed in a solution containing Ni cations, and oxygen was injected at a rate of 150 ccm using an oxygen injection device, and reacted at 50 °C for about 2 hours while maintaining the stirring rate at 500 rpm, Fe A -Ni bilayer hydroxide electrode was prepared. At this time, it was determined whether the double-layer hydroxide electrode was generated according to the pH change in the solution containing Ni cations.

실험예 1. 표면 분석Experimental Example 1. Surface analysis

상기 제조예 1에서 제조한 Fe-Ni 이중층 수산화물 전극의 표면을 SEM을 이용하여 관찰하고 그 결과를 도 2에 도시하였다. The surface of the Fe-Ni double-layer hydroxide electrode prepared in Preparation Example 1 was observed using SEM, and the results are shown in FIG. 2 .

도 2를 참조하면, Fe로 이루어진 전극 기재 표면에 이중층 수산화물 구조체가 형성된 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 2 , it was confirmed that a double-layered hydroxide structure was formed on the surface of the electrode substrate made of Fe.

실험예 2. pH변화 측정Experimental Example 2. Measurement of pH change

상기 제조예 1에서 상기 Fe-Ni 이중층 수산화물 전극을 제조하는 동안 Ni양이온이 포함된 용액의 시간에 따른 pH의 변화를 측정하여, 도 3에 도시하였다. During the preparation of the Fe-Ni double-layer hydroxide electrode in Preparation Example 1, the change in pH of the solution containing Ni cations with time was measured, and is shown in FIG. 3 .

도 3을 참조하면, 초기 2시간동안 pH가 증가하다가 이후 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 OH- 이온이 이중층 수산화물 구조체가 형성됨으로 인하여 소멸되는 것으로 추론할 수 있었고, 따라서, 제조예 1의 Fe-Ni 이중층 수산화물 전극에는 이중층 수산화물 구조체가 형성된 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 3 , it can be seen that the pH increases for the initial 2 hours and then decreases, which can be inferred that the OH - ions disappear due to the formation of the double-layer hydroxide structure, thus, Fe- of Preparation Example 1 It was confirmed that a double-layered hydroxide structure was formed on the Ni double-layered hydroxide electrode.

실험예 3. XRD 분석Experimental Example 3. XRD analysis

상기 제조예 1에서 제조한 Fe-Ni 이중층 수산화물 전극 및 대조군으로 Fe foam 기재를 XRD로 분석하고, 그 결과를 도 4에 도시하였다. The Fe-Ni double layer hydroxide electrode prepared in Preparation Example 1 and the Fe foam substrate as a control were analyzed by XRD, and the results are shown in FIG. 4 .

도 4를 참조하면, 본 발명의 Fe-Ni 이중층 수산화물 전극은 이중층 수산화물 구조를 나타내는 003, 006, 012 및 015에서 peak이 나타나는 것을 확인할 수 있었고, 이중층 수산화물 구조체가 형성된 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 4, in the Fe-Ni double-layer hydroxide electrode of the present invention, it was confirmed that peaks appeared at 003, 006, 012, and 015 indicating the double-layer hydroxide structure, and it was confirmed that the double-layer hydroxide structure was formed.

실험예 4-1 내지 4-3. 전위변동 실험 Experimental Examples 4-1 to 4-3. Potential fluctuation experiment

상기 제조예 1에서 제조한 Fe-Ni 이중층 수산화물 전극을 포함하는 알칼라인 수전해 셀의 전위변동 실험을 하기의 표 1의 조건에서 30분 간격으로 전압을 바꾸어 주며 실험을 진행하고, 가속내구 결과를 도 5에 도시하였다: The electric potential fluctuation experiment of the alkaline water electrolysis cell including the Fe-Ni double-layer hydroxide electrode prepared in Preparation Example 1 was conducted by changing the voltage at 30-minute intervals under the conditions shown in Table 1 below, and the accelerated durability results were shown. 5 is shown:

전압포텐셜(V)Voltage potential (V) 하락율 (%)drop rate (%) 실험예 4-1Experimental Example 4-1 0.75 0.75 2.28 2.28 실험예 4-2Experimental Example 4-2 0.5 ↔ 0.75 0.5 ↔ 0.75 2.33 2.33 실험예 4-3Experimental Example 4-3 0.3 ↔ 0.750.3 ↔ 0.75 1.43 1.43

도 5를 참조하면, 알칼리 용액 내에서 수전해 시스템의 전압포텐셜 변화에 따른 내구성의 향상된 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 5 , it was confirmed that the durability was improved according to the voltage potential change of the water electrolysis system in the alkaline solution.

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

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

Claims (11)

제 1 금속을 포함하는 전극 기재 및 제 2 금속을 포함하는 용액을 준비하는 단계; 및
상기 제 1 금속을 포함하는 전극 기재를 상기 제 2 금속을 포함하는 용액에 침지시킨 후 상기 전극 기재의 표면에 위치하는 제 1 금속의 자발적 산화반응을 유도하여, 상기 전극 기재 표면에 이중층 수산화물 구조체(layered double hydroxide; LDH)를 포함하는 촉매층을 형성하는 단계;
를 포함하고, 상기 전극 기재의 표면에 촉매층이 화학적으로 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
preparing a solution including an electrode substrate including a first metal and a second metal; and
After immersing the electrode substrate containing the first metal in the solution containing the second metal, a spontaneous oxidation reaction of the first metal located on the surface of the electrode substrate is induced, and the double-layered hydroxide structure is formed on the surface of the electrode substrate ( forming a catalyst layer including layered double hydroxide (LDH);
A method of manufacturing an electrode comprising a, wherein the catalyst layer is chemically bonded to the surface of the electrode substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 금속은 저탄소강, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
The first metal is any one metal selected from the group consisting of low carbon steel, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 금속은 알루미늄, 크롬, 갈륨, 망간, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
The second metal is any one metal selected from the group consisting of aluminum, chromium, gallium, manganese, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 이중층 수산화물 구조체는 하기의 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법:
[화학식 1]
[(M)3+ x (M)2+ 1-x (OH)2]x+[An- x/n]x-·zH2O
상기 식에 있어서,
M은 저탄소강, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속을 포함하고,
M는 알루미늄, 크롬, 갈륨, 망간, 철, 마그네슘, 코발트, 구리, 니켈, 아연 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속을 포함하고,
An-는 OH-, NO3-, PO4 3-, HPO4 2-, H2PO4-, SO4 2-, CO3 2-및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 음이온이고,
x는 0 초과 1 미만의 수이고,
n은 1 내지 4의 정수이고,
z는 0.1 내지 15의 수임.
The method of claim 1,
The method of manufacturing an electrode, characterized in that the double-layer hydroxide structure is represented by the following Chemical Formula 1:
[Formula 1]
[(M I ) 3+ x (M ) 2+ 1-x (OH) 2 ] x+ [A n- x/n ] x- zH 2 O
In the above formula,
M I includes any one metal selected from the group consisting of low-carbon steel, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof,
M includes any one metal selected from the group consisting of aluminum, chromium, gallium, manganese, iron, magnesium, cobalt, copper, nickel, zinc, and combinations thereof,
A n- is OH -, NO 3-, PO 4 3-, HPO 4 2-, H 2 PO 4-, SO 4 2-, CO 3 2- , and any of the anions selected from the group consisting of a combination of ego,
x is a number greater than 0 and less than 1,
n is an integer from 1 to 4,
z is a number from 0.1 to 15.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매층이 형성되는 단계에서,
상기 자발적 산화반응을 유도하는 공정은 제 1 금속을 포함하는 전극 기재가 침지된 제 2 금속을 포함하는 용액에 산소를 주입하는 방법, 부식 전위를 인가하는 방법, pH를 조절하는 방법 및 이들의 조합으로 이루어진 방법 중 어느 하나에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step of forming the catalyst layer,
The process of inducing the spontaneous oxidation reaction is a method of injecting oxygen into a solution containing a second metal in which an electrode substrate containing a first metal is immersed, a method of applying a corrosion potential, a method of adjusting pH, and combinations thereof A method of manufacturing an electrode, characterized in that it is carried out by any one of the methods consisting of.
제 5 항에 있어서,
상기 산소를 주입하는 방법은 상기 용액의 용존 산소량이 20 ppm 이내에서 포화 되도록 산소를 주입하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The method of injecting oxygen is a method of manufacturing an electrode, characterized in that it is performed by injecting oxygen so that the dissolved oxygen amount of the solution is saturated within 20 ppm.
제 5 항에 있어서,
상기 부식 전위를 인가하는 방법은 -0.5 V 내지 0.8 V의 전압을 인가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The method of applying the corrosion potential is a method of manufacturing an electrode, characterized in that performed by applying a voltage of -0.5 V to 0.8 V.
제 5 항에 있어서,
상기 pH를 조절방법은 NaOH, HCl 및 H2SO4 중 어느 하나를 첨가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The method of adjusting the pH is a method of manufacturing an electrode, characterized in that it is performed by adding any one of NaOH, HCl and H 2 SO 4 .
제 1 항에 있어서,
상기 촉매층이 형성되는 단계에서,
상기 제 2 금속을 포함하는 용액의 pH는 0 내지 8인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step of forming the catalyst layer,
The method of manufacturing an electrode, characterized in that the pH of the solution containing the second metal is 0 to 8.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매층이 형성되는 단계에서,
상기 형성되는 촉매층의 두께는 5 nm 내지 5 μm인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step of forming the catalyst layer,
The thickness of the formed catalyst layer is a method of manufacturing an electrode, characterized in that 5 nm to 5 μm.
제 1 항의 제조방법에 의하여 제조된 전극을 포함하는 알칼라인 수전해 셀.An alkaline water electrolysis cell comprising an electrode manufactured by the method of claim 1 .
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115142085A (en) * 2022-07-14 2022-10-04 成都万蓉达科技有限公司 High-activity oxygen evolution electrode material with thermocatalytic effect and preparation method thereof
KR20230079843A (en) * 2021-11-29 2023-06-07 한국에너지기술연구원 Method for preparing an electrode including a multi-component transition metal hydroxide structure and Electrode fabricated Therefrom
KR20240062089A (en) 2022-11-01 2024-05-08 숭실대학교산학협력단 Method for manufacturing catalyst including layered double hydroxide(LDH)
KR20240147199A (en) 2023-03-31 2024-10-08 한국에너지기술연구원 ELECTRODE FORMED WITH Ni-Fe DOUBLE-LAYER HYDROXIDE CATALYST LAYER CONTAINING HIGH IRON CONTENT AND ALKALINE WATER ELECTROLYSIS DEVICE INCLUDING THE SAME

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101807287B1 (en) 2015-11-05 2017-12-08 한국과학기술연구원 Catalyst of oxydizing electrode for water electrolyzing device and method of preparing the same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101807287B1 (en) 2015-11-05 2017-12-08 한국과학기술연구원 Catalyst of oxydizing electrode for water electrolyzing device and method of preparing the same

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230079843A (en) * 2021-11-29 2023-06-07 한국에너지기술연구원 Method for preparing an electrode including a multi-component transition metal hydroxide structure and Electrode fabricated Therefrom
EP4215645A1 (en) * 2021-11-29 2023-07-26 Korea Institute of Energy Research Method for preparing an electrode including a multicomponent transition metal hydroxide structure and electrode fabricated therefrom
CN115142085A (en) * 2022-07-14 2022-10-04 成都万蓉达科技有限公司 High-activity oxygen evolution electrode material with thermocatalytic effect and preparation method thereof
KR20240062089A (en) 2022-11-01 2024-05-08 숭실대학교산학협력단 Method for manufacturing catalyst including layered double hydroxide(LDH)
KR20240147199A (en) 2023-03-31 2024-10-08 한국에너지기술연구원 ELECTRODE FORMED WITH Ni-Fe DOUBLE-LAYER HYDROXIDE CATALYST LAYER CONTAINING HIGH IRON CONTENT AND ALKALINE WATER ELECTROLYSIS DEVICE INCLUDING THE SAME

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