KR20210129937A - Pyrochlore-type metal oxide based catalytic electrode for electrolysis of ballast water and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 선박평형수 전기분해에서 사용되며, 산화 안정성과 촉매효과가 뛰어난 파이로클로르계 금속산화물과 금속화합물의 혼합 촉매층을 포함하는 선박평형수 전기분해용 촉매 전극의 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 금속산화물 촉매 전극에 관한 것이다.The present invention is a method for producing a catalyst electrode for ballast water electrolysis, which is used in ballast water electrolysis, and includes a mixed catalyst layer of a pyrochloric metal oxide and a metal compound, which is excellent in oxidation stability and catalytic effect, and manufactured by the method It relates to a metal oxide catalyst electrode.
선박평형수는 선박의 무게 중심을 낮추어 균형을 잡기 위해 선박내 탱크에 담는 해수 또는 담수를 의미한다. 선박평형수는 밸러스팅 작업을 통해 한 항구에서 채워져서 다른 항구로 이송되고, 디밸러스팅 작업을 통해 새로운 항구 내로 배출된다. 특히 세계 각국을 이동하는 국제 항해용 선박의 평형수로 사용되는 해수는 연간 약 100억 톤에 달하는데, 해수에 포함된 약 7,000여 종의 해양 생물이 함께 이동함에 따라 생태계 교란의 문제가 발생하고 있다. Ballast water refers to seawater or fresh water stored in a tank in a ship to balance the ship by lowering the center of gravity. Ballast water is filled in one port through ballasting work, transferred to another port, and discharged into the new port through deballasting work. In particular, the amount of seawater used as ballast water for international sailing ships moving around the world amounts to about 10 billion tons per year. .
이에 해양환경 보호를 위한 움직임이 나타나고 있는데, 예를 들어 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)는 선박평형수 배출로 인한 해양 생태계 교란을 막기 위하여, 2004년 선박평형수 관리협약을 만들고, 선박평형수 처리장치 설치를 의무화하는 환경규제를 공표했다.Accordingly, there is a movement to protect the marine environment. For example, the International Maritime Organization (IMO) made the Ballast Water Management Convention in 2004 to prevent disturbance of the marine ecosystem due to the discharge of ballast water, and Environmental regulations that mandate the installation of water treatment systems have been announced.
상기한 생태계 교란 문제를 해결하기 위하여 선박평형수는 해양 생물을 사멸 처리해야 한다. 이러한 선박평형수 처리의 예로는 오존 살균처리, 과산화수소를 이용한 소독 처리, 전기분해 방식을 이용한 처리 등이 있다.In order to solve the above-mentioned ecological disturbance problem, ballast water must be treated to kill marine organisms. Examples of such ballast water treatment include ozone sterilization treatment, disinfection treatment using hydrogen peroxide, treatment using an electrolysis method, and the like.
이 중 오존 살균처리 방식은 혼탁한 물에서는 살균 효율이 떨어지고 오존 생성에 필요한 UV 램프의 수명이 짧기 때문에 장시간 작동시키기에는 문제가 있다. 과산화수소를 이용한 소독 처리의 경우에는 살균력이 강하고 저렴하다는 장점이 있지만 잔류 과산화수소가 배출될 가능성이 있어 실제 사용에 어려움이 있다.Among them, the ozone sterilization method has a problem in operating for a long time because the sterilization efficiency is low in turbid water and the life of the UV lamp required for ozone generation is short. Disinfection treatment using hydrogen peroxide has the advantage of strong sterilization power and low cost, but there is a possibility of residual hydrogen peroxide being discharged, which makes practical use difficult.
한편, 선박평형수의 전기분해 방식의 처리 기술은 선박평형수를 주입 또는 배출할 때 전기분해조에 일정한 전류의 인가하여 해수로부터 잔류산화제(Total Residual Oxidant)를 생성하여 해양 생물 살균에 필요한 기술로서, 실시간으로 살균에 필요한 잔류산화제 농도를 제어할 수 있다는 장점이 있다.On the other hand, the electrolysis treatment technology of ballast water is a technology necessary for sterilizing marine organisms by applying a constant current to the electrolysis tank when injecting or discharging ballast water to generate a total residual oxidant from seawater, It has the advantage of being able to control the concentration of residual oxidizing agent required for sterilization in real time.
하지만, 해수 전기분해에 사용되는 촉매 전극은 귀금속(Ruthenium, Palladium, Iridium 등)을 재료로 사용하여 제조되기 때문에 비싼 가격과 희소성 등의 문제로 인하여 대량으로 사용하기 어렵다. 이러한 이유로 고효율 귀금속 저감 촉매의 개발이 필요하다.However, since the catalyst electrode used for seawater electrolysis is manufactured using noble metals (Ruthenium, Palladium, Iridium, etc.) as a material, it is difficult to use in large quantities due to problems such as high price and scarcity. For this reason, it is necessary to develop a high-efficiency noble metal reduction catalyst.
특히, 종래 해수 전기분해조에 사용된 금속산화물 촉매 전극의 경우, 루테늄 산화물(RuOx), 팔라듐 산화물(PdOx)이 주촉매로 사용되어 100% 귀금속 함량을 가진 촉매 전극을 사용하여야 연속적인 전기분해 반응에서 전극 간 산화 환원반응을 안정화시켜 효율을 높이고 긴 작동 수명을 유지할 수 있기 때문에 귀금속 저감 촉매에 대한 연구가 미비한 상태이다.In particular, in the case of a metal oxide catalyst electrode used in a conventional seawater electrolysis tank, ruthenium oxide (RuO x ) and palladium oxide (PdO x ) are used as main catalysts, so a catalyst electrode with 100% noble metal content must be used for continuous electrolysis In the reaction, research on noble metal reduction catalysts is insufficient because it is possible to increase the efficiency and maintain a long operating life by stabilizing the redox reaction between electrodes.
특히, 상기 방법에서 사용되는 귀금속은 희귀 금속이기 때문에 가격이 비싸며, 팔라듐(Pd)의 경우 금(Au) 값보다 가격이 비싼 귀금속 중 하나이다. In particular, the precious metal used in the method is expensive because it is a rare metal, and palladium (Pd) is one of the precious metals that is more expensive than gold (Au).
따라서, 가격이 저렴하고 긴 수명을 갖는 선박평형수의 전기분해조를 개발하기 위해서는 값비싼 촉매재료인 팔라듐(Pd)을 저감한 촉매 전극 개발이 요구된다.Therefore, in order to develop an electrolysis tank for ballast water that is inexpensive and has a long life, it is required to develop a catalyst electrode in which palladium (Pd), an expensive catalyst material, is reduced.
전기분해조의 촉매 전극과 관련된 선행문헌으로서, 한국공개특허 제2004-0002809호에서는 Ti, Zr 등의 알콕사이드와 Ru, Ir 등의 염화물로 구성된 1성분 복합 또는 2성분 복합 또는 다성분 화합물을 알코올로 희석한 후 가수분해반응과 중축합반응을 거쳐 코팅 용액을 제조하고, 상기 코팅 용액으로 전처리된 전기분해용 전극의 제조방법을 개시하고 있다.As a prior document related to the catalytic electrode of an electrolysis tank, Korean Patent Application Laid-Open No. 2004-0002809 discloses a one-component or two-component complex or multi-component compound composed of an alkoxide such as Ti and Zr and a chloride such as Ru and Ir is diluted with alcohol. After the hydrolysis reaction and polycondensation reaction, a coating solution is prepared, and a method of manufacturing an electrode for electrolysis pretreated with the coating solution is disclosed.
또한, 한국등록특허 제10-0553364호에서는 금속 혼합 산화물 전극 및 그의 제조방법을 개시하면서, 전극 기판과; 이리듐(Ir)화합물 루테늄(Ru)화합물 주석(Sn)화합물과 망간(Mn)화합물 티타늄(Ti)화합물 몰리브덴(Mo)화합물 탄탈륨(Ta)화합물 지르코늄(Zr)화합물 중 선택된 적어도 1종을 유기용제에 혼합한 코팅액을 상기 전극 기판에 도포 및 건조하여 1차로 열처리하는 과정을 4∼15회한 후에 2차 열처리하여 이루어진 코팅층으로 이루어진 전극을 개시하고 있다.In addition, Korean Patent No. 10-0553364 discloses a metal mixed oxide electrode and a method for manufacturing the same, comprising: an electrode substrate; Iridium (Ir) compound Ruthenium (Ru) compound Tin (Sn) compound and manganese (Mn) compound Titanium (Ti) compound Molybdenum (Mo) compound Tantalum (Ta) compound At least one selected from zirconium (Zr) compound in an organic solvent Disclosed is an electrode comprising a coating layer formed by applying and drying a mixed coating solution to the electrode substrate, performing a first heat treatment process 4 to 15 times, and then performing a second heat treatment.
본 발명의 목적은, 산화 안정성과 촉매 효과가 뛰어난 파이로클로르계(pyrochlore) 금속산화물 촉매를 티타늄 전극 표면에 코팅함으로써 값비싼 팔라듐 함량을 줄이고 전기분해 성능이 확보된 파이로클로르계 산화물을 포함하는 선박평형수 전기분해용 촉매 전극의 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to reduce the expensive palladium content by coating a pyrochlore-based metal oxide catalyst with excellent oxidation stability and catalytic effect on the surface of a titanium electrode, including a pyrochlore-based oxide with secured electrolysis performance. To provide a method for manufacturing a catalyst electrode for ballast water electrolysis.
이를 위해 본 발명은 파이로클로르계 금속산화물을 합성하고 티타늄 전극 표면에 금속산화물 촉매를 코팅하여 기존 상용 전극에서 사용되는 팔라듐의 함량을 줄일 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.To this end, an object of the present invention is to provide a method capable of reducing the content of palladium used in an existing commercial electrode by synthesizing a pyrochlore-based metal oxide and coating a metal oxide catalyst on the surface of a titanium electrode.
상기한 과제는, 파이로클로르계 금속산화물을 합성하는 단계; 상기 파이로클로르계 금속산화물과 금속화합물을 혼합하여 촉매 전극 코팅 용액을 제조하는 단계; 및 티타늄 전극 위에 상기 촉매 전극 코팅 용액을 코팅한 후 열처리하여 촉매 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 선박평형수 전기분해용 파이로클로르계 금속산화물 포함 촉매 전극의 제조 방법에 의해 달성된다.The above-mentioned task, synthesizing a pyrochlor-based metal oxide; preparing a catalyst electrode coating solution by mixing the pyrochlore-based metal oxide and a metal compound; and coating the catalyst electrode coating solution on the titanium electrode and then heat-treating to form a catalyst electrode.
바람직하게는, 상기 파이로클로르계 금속산화물은 Ru2-xPb2+xO7-y(x=0.25, y=0.5)이다.Preferably, the pyrochlore-based metal oxide is Ru 2-x Pb 2+x O 7-y (x=0.25, y=0.5).
또한 바람직하게는, 상기 금속화합물은 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 안티모니(Sb) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속일 수 있다.Also preferably, the metal compound is ruthenium (Ru), palladium (Pd), titanium (Ti), tin (Sn), iridium (Ir), platinum (Pt), tantalum (Ta), antimony (Sb) And it may be at least one metal selected from the group consisting of manganese (Mn).
또한 바람직하게는, 상기 촉매 전극 코팅 용액은 상기 파이로클로르계 금속산화물과 유기용매를 혼합한 제1 용액, 상기 금속화합물과 유기용매를 혼합한 제2 용액 및 바인더 용액을 혼합하여 제조될 수 있다.Also preferably, the catalyst electrode coating solution may be prepared by mixing a first solution in which the pyrochlore-based metal oxide and an organic solvent are mixed, a second solution in which the metal compound and an organic solvent are mixed, and a binder solution. .
또한 바람직하게는, 상기 바인더 용액은 티타늄 메톡사이드, 티타늄 에톡사이드, 티타늄 프로폭사이드 및 티타늄 부톡사이드로 이루어진 군에서 선택된 염일 수 있다.Also preferably, the binder solution may be a salt selected from the group consisting of titanium methoxide, titanium ethoxide, titanium propoxide and titanium butoxide.
또한 바람직하게는, 상기 티타늄 전극은 일반 판재, 정타공망, 막타공망, 확장 철망형 또는 메쉬형일 수 있다.Also preferably, the titanium electrode may be of a general plate material, a regular perforated network, a perforated perforated network, an expanded wire mesh type or a mesh type.
또한, 본 발명의 목적은 상기 방법으로 제조되고, 티타늄 전극 및 상기 티타늄 전극 위에 형성된 파이로클로르계 금속산화물과 금속 산화물을 포함하는 혼합 촉매층으로 이루어진 촉매 전극에 의해 달성된다.In addition, an object of the present invention is achieved by a catalyst electrode prepared by the above method and comprising a titanium electrode and a mixed catalyst layer comprising a pyrochlore-based metal oxide and a metal oxide formed on the titanium electrode.
본 발명의 방법에 따르면, 산화 안정성과 촉매 효과가 뛰어난 파이로클로르계 금속산화물을 합성하고 상기 금속산화물과 금속화합물을 포함한 촉매 전극 코팅 용액을 티타늄 전극 위에 코팅함으로써 촉매 전극의 안정성을 높이고 값비싼 팔라듐(Pd) 함량을 줄여 전기분해 효율을 유지하는 안정한 촉매 전극을 제조하고, 이를 통해 전기분해용 불용성 전극의 문제점인 가격 문제를 해결하고, 해수전기분해용 촉매산업에 이바지할 계기가 될 것으로 기대된다.According to the method of the present invention, the stability of the catalyst electrode is increased by synthesizing a pyrochloric metal oxide having excellent oxidation stability and catalytic effect and coating a catalyst electrode coating solution containing the metal oxide and the metal compound on the titanium electrode, and expensive palladium It is expected that it will be an opportunity to manufacture a stable catalyst electrode that maintains electrolysis efficiency by reducing the (Pd) content, thereby solving the price problem, which is a problem of insoluble electrodes for electrolysis, and contributing to the catalyst industry for seawater electrolysis. .
도 1은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 촉매 전극 단면으로 표현한 그림이다.
도 2는 본 발명의 해수전기분해 작동시 음극(Cathode)과 양극(Anode)에서 발생하는 반응을 보여주는 모식도이다.
도 3은 실시예 1에서 합성된 파이로클로르계 루테늄-납 산화물의 SEM 이미지와 원소 분석데이터이다.
도 4는 실시예 2에서 제조된 촉매 전극의 SEM 이미지와 원소 분석데이터이다.
도 5는 비교예 1에서 제조된 전극의 SEM 이미지와 원소 분석데이터이다.
도 6는 실시예 2 및 비교예 1의 촉매 전극을 전기분해조의 양극으로 적용하여 30시간 동안 실시된 해수전기분해 실험(전류밀도, 0.05A/cm2)에서의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.1 is a diagram illustrating a cross-section of a catalyst electrode manufactured by a method according to the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing the reaction occurring at the cathode (Cathode) and the anode (Anode) during the seawater electrolysis operation of the present invention.
3 is an SEM image and elemental analysis data of the pyrochloric ruthenium-lead oxide synthesized in Example 1. FIG.
4 is an SEM image and elemental analysis data of the catalyst electrode prepared in Example 2.
5 is an SEM image and elemental analysis data of the electrode prepared in Comparative Example 1.
6 is a graph showing the voltage change in the seawater electrolysis experiment (current density, 0.05A/cm 2 ) conducted for 30 hours by applying the catalyst electrode of Example 2 and Comparative Example 1 as the anode of the electrolysis tank.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한, 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.All technical terms used in the present invention, unless otherwise defined, have the following definitions and have the meanings as commonly understood by one of ordinary skill in the art in the relevant field of the present invention. In addition, although preferred methods and samples are described herein, similar or equivalent ones are also included in the scope of the present invention.
용어 "약"이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.The term "about" refers to 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, means an amount, level, value, number, frequency, percentage, dimension, size, amount, weight or length varying by 4, 3, 2 or 1%.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.Throughout this specification, unless the context requires otherwise, the terms "comprises" and "comprising" include the steps or elements presented, or groups of steps or elements, but any other step or element, or It is to be understood that a step or group of elements is not excluded.
본 발명은 파이로클로르계 금속산화물을 포함하는 선박평형수 전기분해용 촉매 전극의 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 촉매 전극에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a catalyst electrode for ballast water electrolysis containing a pyrochloric metal oxide, and to a catalyst electrode manufactured by the method.
본 발명의 일실시 형태에 따르면, 선박평형수 전기분해용 파이로클로르계 금속산화물 포함 촉매 전극은 파이로클로르계 금속산화물을 합성하는 단계; 상기 파이로클로르계 금속산화물과 금속화합물을 혼합하여 촉매 전극 코팅 용액을 제조하는 단계; 및 티타늄 전극 위에 촉매 전극 코팅 용액을 코팅한 후 열처리하여 촉매 전극을 형성하는 단계를 포함하는 방법으로 제조된다.According to an embodiment of the present invention, the catalyst electrode comprising a pyrochloric metal oxide for ballast water electrolysis comprises the steps of synthesizing a pyrochloric metal oxide; preparing a catalyst electrode coating solution by mixing the pyrochlore-based metal oxide and a metal compound; and coating the catalyst electrode coating solution on the titanium electrode and then heat-treating it to form a catalyst electrode.
상기 파이로클로르계 금속산화물은 입방정계 결정구조를 가지며, 나트륨(Na), 칼슘(Ca), 나이오븀(Nb), 루테늄(Ru), 납(Pb), 티타늄(Ti), 비스무스(Bi), 지르코늄(Zr), 카드뮴(Cd), 몰리브데넘(Mo), 마그네슘(Mg), 라듐(Ra), 세륨(Ce), 이트륨(Y), 이리듐(Ir)으로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 금속 이온을 함유한 금속산화물이다. 보다 바람직하게는, 본 발명에 따른 파이로클로르계 금속산화물은 Ru2-xPb2+xO7-y(x=0.25, y=0.5)이다.The pyrochloride metal oxide has a cubic crystal structure, and sodium (Na), calcium (Ca), niobium (Nb), ruthenium (Ru), lead (Pb), titanium (Ti), bismuth (Bi) , zirconium (Zr), cadmium (Cd), molybdenum (Mo), magnesium (Mg), radium (Ra), cerium (Ce), yttrium (Y), two or more selected from the group consisting of iridium (Ir) It is a metal oxide containing metal ions. More preferably, the pyrochlore-based metal oxide according to the present invention is Ru 2-x Pb 2+x O 7-y (x=0.25, y=0.5).
바람직하게는, 상기 파이로클로르계 금속산화물의 합성 방법은, 상기 금속을 포함하는 화합물을 물에 용해하여 교반하여 완전한 용액으로 만드는 단계(용해되지 않을 경우 질산과 같은 산을 첨가); 상기 용액에 NaOH 수용액과 같은 염기 용액을 넣어 용액의 pH의 상승시키는 단계; 상기 용액에 차아염소산나트륨(NaClO) 용액을 첨가하고 상온 혹은 고온에서 교반하여 파이로클로르계 금속산화물을 석출하는 단계; 및 필터링을 통하여 파이로클로르계 금속산화물의 합성물을 걸러내고 세척하고 건조하는 단계를 포함한다(Si Hyoung Oh, et.al., (2012) Synthesis of a metallic mesoporous pyrochlore as a catalyst for lithium-O, Nature Chemistry 4(12):1004-1010.)Preferably, the method for synthesizing the pyrochloric metal oxide comprises dissolving the compound containing the metal in water and stirring to make a complete solution (if not dissolved, an acid such as nitric acid is added); raising the pH of the solution by adding a base solution such as an aqueous NaOH solution to the solution; adding a sodium hypochlorite (NaClO) solution to the solution and stirring at room temperature or high temperature to precipitate a pyrochloric metal oxide; and filtering, washing, and drying the pyrochlor-based metal oxide compound through filtering (Si Hyoung Oh, et.al., (2012) Synthesis of a metallic mesoporous pyrochlore as a catalyst for lithium-O, Nature Chemistry 4(12):104-1010.)
상기 촉매 전극 코팅 용액 형성 단계는 합성된 파이로클로르계 금속산화물과, 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 안티모니(Sb) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속화합물을 혼합하는 단계를 포함한다. The catalyst electrode coating solution forming step includes the synthesized pyrochlore-based metal oxide, ruthenium (Ru), palladium (Pd), titanium (Ti), tin (Sn), iridium (Ir), platinum (Pt), tantalum and mixing at least one metal compound selected from the group consisting of (Ta), antimony (Sb) and manganese (Mn).
상기 촉매 전극 형성 단계는 상기 촉매 전극 코팅 용액을 티타늄 기판 위에 도포한 후, 열처리하는 단계를 포함한다.The forming of the catalyst electrode includes applying the catalyst electrode coating solution on the titanium substrate and then performing heat treatment.
바람직하게는, 상기 혼합 금속산화물 촉매층의 형성 단계는 파이로클로르계 금속산화물과 유기용매를 혼합한 제1 코팅용액을 제조하는 단계; 금속화합물 및 유기용매를 혼합한 제2 코팅용액을 제조하는 단계; 상기 제1 코팅용액, 제2 코팅용액, 유기용매, 바인더 용액, 카본을 혼합한 후 중탕하여 코팅 용액을 제조하는 단계; 상기 코팅 용액을 티타늄 전극 표면 위에 도포한 후 400℃ 내지 500℃로 열처리하는 단계(3분 내지 5분); 및 상기 촉매층이 형성된 전극을 추가로 600℃ 내지 700℃에서 소성하는 단계(1시간)를 포함할 수 있다.Preferably, the forming of the mixed metal oxide catalyst layer comprises: preparing a first coating solution in which a pyrochloric metal oxide and an organic solvent are mixed; preparing a second coating solution in which a metal compound and an organic solvent are mixed; preparing a coating solution by mixing the first coating solution, the second coating solution, an organic solvent, a binder solution, and carbon and then bathing; After the coating solution is applied on the surface of the titanium electrode, heat treatment at 400° C. to 500° C. (3 minutes to 5 minutes); and further sintering the electrode on which the catalyst layer is formed at 600° C. to 700° C. (1 hour).
상기 유기용매는 탄소수 1-4 개의 저급 알코올(예를 들면, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올) 및 염산으로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있다.The organic solvent may be selected from the group consisting of lower alcohols having 1 to 4 carbon atoms (eg, methanol, ethanol, propanol and butanol) and hydrochloric acid.
상기 바인더 용액은 티타늄 메톡사이드, 티타늄 에톡사이드, 티타늄 프로폭사이드 및 티타늄 부톡사이드로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있다.The binder solution may be selected from the group consisting of titanium methoxide, titanium ethoxide, titanium propoxide and titanium butoxide.
도 1은 본 발명의 방법으로 제조된 파이로클로르계 금속산화물 포함 촉매 전극의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a pyrochloric metal oxide-containing catalyst electrode prepared by the method of the present invention.
도 1을 보면, 티타늄 전극(Ti) 표면 위에 파이로클로르계 금속산화물과 금속화합물을 포함하는 촉매층(MOx)이 형성되어 있다.Referring to FIG. 1 , a catalyst layer (MOx) including a pyrochlore-based metal oxide and a metal compound is formed on the surface of a titanium electrode (Ti).
본 발명의 방법은 티타늄 전극 위에 파이로클로르계 금속산화물을 포함하는 촉매층을 형성함으로써, 값비싼 귀금속인 팔라듐(Pd)의 함량을 줄이고 해수 전기분해에 안정한 혼합 금속산화물 촉매 전극을 제조한다. The method of the present invention forms a catalyst layer including a pyrochlore-based metal oxide on a titanium electrode, thereby reducing the content of palladium (Pd), an expensive noble metal, and preparing a mixed metal oxide catalyst electrode stable for seawater electrolysis.
본 발명의 방법은 화학적으로 산화 안정성과 촉매효과가 뛰어난 파이로클로르계 금속산화물을 포함하는 촉매층을 코팅한 전극을 이용함으로써 표면 촉매층의 팔라듐 함량을 획기적으로 줄이면서 안정한 전기분해 효율과 수명을 보이는 촉매 전극을 제조할 수 있다.The method of the present invention uses an electrode coated with a catalyst layer containing a pyrochloric metal oxide having excellent oxidation stability and catalytic effect, thereby dramatically reducing the palladium content of the surface catalyst layer and a catalyst showing stable electrolysis efficiency and lifespan electrodes can be manufactured.
상기에서 티타늄 전극은 바람직하게는 순도 100%의 티타늄 금속 또는 티타늄 합금을 포함할 수 있다. 상기 티타늄 전극은 일반 판재, 정타공망, 막타공망, 확장 철망형 또는 메쉬형일 수 있다. 또한, 상기 티타늄 전극은 바람직하게는 전기분해 반응시 반응면적을 넓히기 위하여 샌드 블라스트(sand blast) 등으로 처리된 거친 표면을 갖는 전극일 수 있다. In the above, the titanium electrode may include a titanium metal or a titanium alloy having a purity of 100%. The titanium electrode may be of a general plate material, a regular perforated network, a perforated perforated network, an expanded wire mesh type, or a mesh type. In addition, the titanium electrode may be an electrode having a rough surface treated with sand blast or the like in order to increase the reaction area during the electrolysis reaction.
본 발명에서 선박평형수는 선박의 균형을 잡아주기 위하여 내부에 저장하는 물로서 해수 또는 담수일 수 있으며, 보다 바람직하게는 해수이다.In the present invention, ballast water is water stored inside to balance the ship, and may be seawater or freshwater, and more preferably seawater.
선박평형수가 해수인 경우, 해수의 전기분해시 발생하는 반응은 아래의 식으로 설명 가능하다.When the ballast water is seawater, the reaction that occurs during electrolysis of seawater can be explained by the following equation.
[반응식 1][Scheme 1]
Anode(+극) : Anode(+pole) :
2OH- → H2O + 1/2O2↑ + 2e- 2OH - → H 2 O + 1/2O 2 ↑ + 2e -
NaCl → Na+ + Cl- NaCl → Na + + Cl -
2Cl- → Cl2↑ + 2e- (주반응)2Cl - → Cl 2 ↑ + 2e - (main reaction)
Cl2 + H2O → HClO(하이포염소산) + H+ + Cl- (부반응)Cl 2 + H 2 O → HClO (hypochlorous acid) + H + + Cl - (side reaction)
[반응식 2][Scheme 2]
Cathode(-극): Cathode (-pole):
2H2O +2e- → H2↑ + 2OH- (주반응)2H 2 O +2e - → H 2 ↑ + 2OH - (main reaction)
Na+ + OH- → NaOH (부반응)Na + + OH - → NaOH (side reaction)
Mg+2 + Ca+2 + 4OH- → Mg(OH)2 + Ca(OH)2 (부반응)Mg +2 + Ca +2 + 4OH - → Mg(OH) 2 + Ca(OH) 2 (side reaction)
상기 반응과 관계된 모식도를 도 2에 나타내었으며, 반응식 1에서와 같이 해수 전기분해시 상기 양극(Anode) 반응에서 생성되는 Cl2 가스와 O2 가스의 발생으로 인하여 촉매층이 밀도 있게 형성되지 않으면 촉매층에 크랙이나 파편이 발생할 수 있다. 또한, 상기반응이 잘 진행되기 위해서는 촉매가 전자를 받아 환원시키는 전도도가 높아야 해수 전기분해 효율의 감소를 방지할 수 있다.A schematic diagram related to the reaction is shown in FIG. 2, and as in
본 발명에서는 산화 안정성과 촉매효과가 뛰어난 파이로클로르계 금속산화물 포함 촉매층을 티타늄 전극 표면에 형성함으로써 집전체인 티타늄 금속의 부식을 방지하고 귀금속 촉매인 팔라듐 산화물(PdOx) 함량을 줄이더라도 부족한 촉매효율을 보강하여 전기분해 과정의 효율이 감소하는 것을 방지할 수 있다.In the present invention, a catalyst layer containing a pyrochlore-based metal oxide having excellent oxidation stability and catalytic effect is formed on the surface of the titanium electrode to prevent corrosion of the titanium metal, which is the current collector, and to reduce the palladium oxide (PdO x ) content, which is a noble metal catalyst. It is possible to prevent a decrease in the efficiency of the electrolysis process by enhancing the efficiency.
본 발명의 방법에 따라 제작된 촉매 전극을 선박평형수 전해설비에서 사용하면, 값비싼 팔라듐의 양을 획기적으로 줄이지만, Cl2나 O2를 환원시키는 환원반응 효율의 저하를 방지되므로 선박평형수가 유입 또는 배출되는 연속적인 전기분해 반응에서도 에너지 효율 및 잔류산화제(TRO) 생성 효율의 감소 없이 장기간 사용이 가능하다. When the catalyst electrode manufactured according to the method of the present invention is used in a ballast water electrolysis facility, the amount of expensive palladium is remarkably reduced, but the reduction of the reduction reaction efficiency for reducing Cl 2 or O 2 is prevented, so that the ballast water It can be used for a long time without a decrease in energy efficiency and residual oxidizing agent (TRO) generation efficiency even in the continuous electrolysis reaction in or out.
이하에서, 실시예를 들어서 본 발명을 구체적으로 설명한다. 그러나 아래 실시예 및 첨부된 도면은 본 발명의 코팅 후의 상태를 보여주기 위하여 사용된 일례에 불과하며 상기 도면에 의해 본 발명의 전극 코팅 범위가 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples. However, the following examples and the accompanying drawings are only examples used to show the state after the coating of the present invention, and the scope of the electrode coating of the present invention is not limited by the drawings.
실시예 1 - 파이로클로르계 금속산화물 제조 Example 1 - Preparation of pyrochloric metal oxide
본 발명에서 사용한 파이로클로르계 금속산화물(Ru2-xPb2+xO7(x=0.25, y=0.5))은 아래의 저온 합성과정으로 제조하였다. 상용 루테늄 니트로질 나이트레이트 용액(ruthenium(Ⅲ) nitrosyl nitrate solution)(Sigma-Aldrich 제조) 33.03 g과 납 아세테이트(lead subacetate)(Sigma-Aldrich 제조) 1.34 g을 증류수 60 mL에 용해하여 1 시간동안 교반하여 완전한 용액으로 만든다. 그 다음 2.0 M의 NaOH 수용액 33 mL을 서서히 첨가하여 pH 10 이상으로 조절하고 3시간 동안 추가로 교반한다. 그 후 상용 NaClO 용액(13.7 %) 5 mL를 서서히 첨가하고 24시간 동안 추가로 교반한다. 그런 다음 필터링을 통하여 합성물을 걸러내고 증류수로 세척한다. 그 후 80oC 오븐에서 건조하여 합성물을 얻었다(합성물 무게: 약 1.4 g).The pyrochlore-based metal oxide (Ru 2-x Pb 2+x O 7 (x=0.25, y=0.5)) used in the present invention was prepared by the following low-temperature synthesis process. Dissolve 33.03 g of a commercial ruthenium(III) nitrosyl nitrate solution (manufactured by Sigma-Aldrich) and 1.34 g of lead subacetate (manufactured by Sigma-Aldrich) in 60 mL of distilled water and stir for 1 hour. to make a complete solution. Then, 33 mL of 2.0 M aqueous NaOH solution is slowly added to adjust the pH to 10 or higher, and the mixture is further stirred for 3 hours. After that, 5 mL of commercial NaClO solution (13.7 %) is slowly added and further stirred for 24 hours. Then, the compound is filtered through filtering and washed with distilled water. Then, it was dried in an oven at 80 ° C to obtain a compound (composite weight: about 1.4 g).
실시예 2 - 파이로클로르계 금속산화물 포함 촉매 전극 제조 Example 2 - Preparation of Catalyst Electrode Containing Pyrochloric Metal Oxide
먼저 부탄올 10mL에 실시예 1로 파이로클로르계 금속산화물(Ru2-xPb2+xO7-y(x=0.25, y=0.5)) 0.5g을 분산하여 용액1을 제조하고, RuCl2 1g을 HCl 5mL에 녹여 용액2를 만들었다. 최종 코팅액으로는 부탄올 3 mL에 용액1 0.14mL, 티타늄 프로폭사이드 0.6mL, 카본 0.015g, 용액2 6.4mL를 혼합하고 2시간 중탕하여, 촉매 전극 코팅 용액을 제조하였다.First, 0.5 g of the pyrochloric metal oxide (Ru 2-x Pb 2+x O 7-y (x=0.25, y=0.5)) of Example 1 was dispersed in 10 mL of butanol to prepare Solution 1, RuCl 2 1 g was dissolved in 5 mL of HCl to prepare
상기 촉매 전극 코팅 용액을 티타늄 전극에 건 스프레이(gun spray)를 이용하여 1mL/min의 속도로 코팅하여 건조한 후, 450℃로 3분 동안 열처리하였다. 이 과정을 5회에 걸쳐 진행한 후 650℃에서 1시간 동안 열처리하여 촉매 전극을 제조하였다.The catalyst electrode coating solution was coated on the titanium electrode using gun spray at a rate of 1 mL/min, dried, and then heat-treated at 450° C. for 3 minutes. After this process was performed 5 times, a catalyst electrode was prepared by heat treatment at 650° C. for 1 hour.
또한, 상기에서 제조된 촉매 전극의 표면은 도 4에 나타냈다. 또한, 제조된 촉매 전극을 전기분해조에서 양극(anode)으로 사용하고 동일한 소재인 티타늄 전극을 전처리 없이 음극(cathode)에 적용하여 30시간 동안 연속적인 해수전기분해 실험(전류밀도, 0.05A/cm2)을 2회 이상 실시하였다. 해수전기분해시 전압 변화를 측정하여 도 6에 나타내었다.In addition, the surface of the prepared catalyst electrode is shown in FIG. 4 . In addition, the prepared catalyst electrode was used as an anode in the electrolysis tank and a titanium electrode, the same material, was applied to the cathode without pretreatment, and a continuous seawater electrolysis experiment (current density, 0.05A/cm) for 30 hours. 2 ) was performed twice or more. The voltage change during seawater electrolysis was measured and shown in FIG. 6 .
비교예 1 - 기존 상용 티타늄 전극 Comparative Example 1 - Conventional Commercial Titanium Electrode
먼저 부탄올 10mL에 RuCl2 1g을 넣어 용액1을 제조하고, PdCl2 (또는 PdCl3) 5g을 HCl 5mL에 녹인 용액2를 만들었다. 최종 촉매 전극 코팅 용액으로는 부탄올 3 mL에 용액1 0.14mL, 티타늄 프로폭사이드 0.6mL, 카본 0.015g, 용액2 6.4mL을 혼합하고 2시간 중탕하여, 촉매 전극 코팅용액을 제조하였다.First,
상기 촉매 전극 코팅용액을 메쉬형 티타늄 전극에 건 스프레이를 이용하여 1mL/min의 속도로 코팅하여 건조 후 450℃로 3분 동안 열처리하였다. 이 과정을 5회에 걸쳐 진행한 후 650℃에서 1시간 동안 열처리하여 촉매 전극을 제조하였다. The catalyst electrode coating solution was coated on a mesh-type titanium electrode using a gun spray at a rate of 1 mL/min, dried and then heat-treated at 450° C. for 3 minutes. After this process was performed 5 times, a catalyst electrode was prepared by heat treatment at 650° C. for 1 hour.
또한, 상기에서 제조된 촉매 전극의 표면은 도 5에 나타냈다. 또한, 제조된 촉매 전극을 전기분해조에서 양극(anode)으로 사용하고 동일한 소재인 티타늄 전극을 전처리 없이 음극(cathode)에 적용하여 30시간 동안 연속적인 해수전기분해 실험(전류밀도, 0.05A/cm2)을 2회 이상 실시하였다. 해수전기분해시 전압변화를 도 6에 나타내었다.In addition, the surface of the prepared catalyst electrode is shown in FIG. 5 . In addition, the prepared catalyst electrode was used as an anode in the electrolysis tank and a titanium electrode, the same material, was applied to the cathode without pretreatment, and a continuous seawater electrolysis experiment (current density, 0.05A/cm) for 30 hours. 2 ) was performed twice or more. The voltage change during seawater electrolysis is shown in FIG. 6 .
도 3은 실시예 1에서 제조된 Ru2-xPb2+xO7-y (x=0.25)의 SEM 사진으로서, 수십 나노미터크기로 촉매 입자가 합성되어 있는 것을 확인하였으며, 원소분석 결과에서 루테늄과 납의 원자비가 약 1.75 : 2.23로 나타났다. 3 is an SEM photograph of Ru 2-x Pb 2+x O 7-y (x=0.25) prepared in Example 1, confirming that catalyst particles with a size of several tens of nanometers were synthesized, and in the results of elemental analysis The atomic ratio of ruthenium to lead was about 1.75 : 2.23.
도 4는 실시예 2에서 제조한 혼합 금속산화물 촉매 전극의 SEM 사진으로서, 표면에 Ru2-xPb2+xO7-y (x=0.25)의 촉매가 티타늄 전극위에 거칠게 코팅되어 있는 표면 형상을 보인다. 원소분석결과, 루테늄과 납의 원자비가 약 10.6 : 6 임을 확인하였다.4 is a SEM photograph of the mixed metal oxide catalyst electrode prepared in Example 2, the surface shape of which a catalyst of Ru 2-x Pb 2+x O 7-y (x=0.25) is rough coated on the titanium electrode. looks like As a result of elemental analysis, it was confirmed that the atomic ratio of ruthenium and lead was about 10.6:6.
도 5는 비교예 1에서 제조한 촉매 전극의 SEM 사진으로서, 기존 상용 촉매 전극이다. 루테늄과 팔라듐의 함량비(원자비)는 약 1:1로 100%의 귀금속으로 이루어진 촉매를 코팅한 촉매 전극이다. 원소분석결과, Ru:Pd=1:1의 원자비를 보이며 귀금속 함량이 100%임을 확인하였다.5 is an SEM photograph of the catalyst electrode prepared in Comparative Example 1, which is a conventional commercial catalyst electrode. The content ratio (atomic ratio) of ruthenium and palladium is about 1:1, which is a catalyst electrode coated with a catalyst made of 100% noble metal. As a result of elemental analysis, it was confirmed that the atomic ratio of Ru:Pd=1:1 was shown and the noble metal content was 100%.
도 6은 실시예 2, 비교예 1에서 제조된 촉매 전극을 양극으로 이용하여 30 시간씩 2회 이상의 실험을 연속적인 해수전기분해 실험(전류밀도, 0.05A/cm2)을 실시한 경우의 전압변화를 나타낸 그래프이다. 종래 촉매 전극(비교예 1)과 실시예 2에서 제작된 촉매 전극의 해수전기분해 초기 전압은 동일하였으며, 지속적인 전기분해 과정에서 비교예 1보다 과전압이 적게 걸리는 것을 확인하였다. 또한 해수전기분해 10시간(36000s) 전기분해후 재시작시 비교예 1보다 낮은 과전압이 걸리는 것으로 보아 재활성 촉매효과가 더 좋은 것으로 보인다.6 shows the voltage change when the continuous seawater electrolysis experiment (current density, 0.05A/cm 2 ) was performed two or more times for 30 hours using the catalyst electrode prepared in Example 2 and Comparative Example 1 as an anode. is a graph showing The initial voltage of seawater electrolysis of the conventional catalyst electrode (Comparative Example 1) and the catalyst electrode prepared in Example 2 was the same, and it was confirmed that the overvoltage was less than that of Comparative Example 1 in the continuous electrolysis process. In addition, when the seawater electrolysis is restarted after 10 hours (36000s) of electrolysis, a lower overvoltage than Comparative Example 1 is applied, indicating that the reactivation catalyst effect is better.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. As described above in detail a specific part of the present invention, for those of ordinary skill in the art, this specific description is only a preferred embodiment, and it is clear that the scope of the present invention is not limited thereto. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (7)
상기 파이로클로르계 금속산화물과 금속화합물을 혼합하여 촉매 전극 코팅 용액을 제조하는 단계; 및
티타늄 전극 위에 상기 촉매 전극 코팅 용액을 코팅한 후 열처리하여 촉매 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 선박평형수 전기분해용 파이로클로르계 금속산화물 포함 촉매 전극의 제조 방법.synthesizing a pyrochloric metal oxide;
preparing a catalyst electrode coating solution by mixing the pyrochlore-based metal oxide and a metal compound; and
A method for manufacturing a catalyst electrode containing pyrochlore-based metal oxide for ballast water electrolysis, comprising coating the catalyst electrode coating solution on a titanium electrode and then heat-treating to form a catalyst electrode.
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