KR20210151282A - Solid oxide catalyst for electrolyzation having double perovskite structure, and solid oxide electrolyzer cell, and metal air battery having the same - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a catalyst for aqueous electrolysis of solid oxide having excellent oxygen evolution reaction. The catalyst for aqueous electrolysis of solid oxide according to an embodiment of the present invention is a catalyst for aqueous electrolysis of solid oxide contained in an electrode for oxygen evolution reaction, and the catalyst for aqueous electrolysis of solid oxide includes a PrBa_(0.5)Sr_(0.5)Co_(2 - x)Fe_xO_(5 + δ) compound (herein, δ, as a positive number of 1 or less, is a value that makes the compound electrically neutral), and x ranges from 0.4 or more to 0.5 or less, to increase the oxygen generating activity of the catalyst for aqueous electrolysis of solid oxide and reduce overvoltage.

Description

이중층 페로브스카이트 물질로 구성된 고체 산화물 수계전해용 촉매체, 이를 포함하는 고체 산화물 수전해셀 및 금속공기전지{Solid oxide catalyst for electrolyzation having double perovskite structure, and solid oxide electrolyzer cell, and metal air battery having the same}Solid oxide catalyst for electrolyzation having double perovskite structure, and solid oxide electrolyzer cell, and metal air battery having double-layer perovskite material the same}

본 발명은 이중층 페로브스카이트 물질로 구성된 고체 산화물 수계전해용 촉매체 및 이를 포함하는 고체 산화물 수전해셀 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for solid oxide water-based electrolysis composed of a double-layer perovskite material, a solid oxide water electrolysis cell including the same, and a method for manufacturing the same.

최근에는, 수소 가스를 이용하여 에너지를 얻는 기술에 대한 연구가 주목되고 있다. 종래의 에너지원인 석탄이나 석유가 탄소를 포함하는 반면, 수소 가스는 탄소를 전혀 포함하지 않고 대부분이 물로 전환되므로, 에너지원으로서 사용된 후 불필요한 부산물의 생성이 전혀 없고, 물로 전환 시에 큰 에너지를 발생시킬 수 있다. 따라서, 수소 가스는 가장 친환경적이고 이상적인 에너지원으로 고려되고 있다. 에너지원으로서 수소를 사용하기 위하여는, 물이나 탄화 수소 등으로부터 수소 가스를 취득할 필요가 있다. 수소 가스 취득을 위하여, 천연가스, 석탄, 석유 등의 탄화수소 계열의 물질을 이용해서 수증기 개질 열분해 가스화 과정을 거쳐 수소 가스를 생성할 수 있다. 그러나, 이러한 탄화수소 계열의 물질은 원하지 않는 부산물을 함께 생성하게 되므로, 환경을 오염시키는 우려가 있다.Recently, research on a technology for obtaining energy using hydrogen gas is attracting attention. Conventional energy sources such as coal or petroleum contain carbon, whereas hydrogen gas does not contain carbon at all and is mostly converted to water. can cause Therefore, hydrogen gas is considered as the most environmentally friendly and ideal energy source. In order to use hydrogen as an energy source, it is necessary to obtain hydrogen gas from water, hydrocarbon, or the like. In order to obtain hydrogen gas, hydrogen gas may be generated through a steam reforming pyrolysis gasification process using hydrocarbon-based substances such as natural gas, coal, and petroleum. However, since these hydrocarbon-based materials also generate unwanted by-products, there is a risk of polluting the environment.

수소 가스 취득을 위한 다른 방법은, 물에 에너지를 인가하는 전기분해 방식으로 수소를 생성하는 것이다. 물은 어느 곳이든 존재하는 청정한 자원이며, 물이 수소 가스와 산소 가스로 분해되거나 또는 그 역반응이 가능하므로, 재생 가능성이 높은 장점이 있으므로, 물은 이상적인 수소 가스 원료로서 취급될 수 있다. 또한, 물의 전기 분해에 따른 수소 제조 기술은 폐열을 재활용할 수 있으므로, 수소 가스 제조 기술로서 각광을 받고 있다.Another method for obtaining hydrogen gas is to produce hydrogen by electrolysis, which applies energy to water. Water is a clean resource that exists everywhere, and since water can be decomposed into hydrogen gas and oxygen gas or the reverse reaction is possible, it has the advantage of high regeneration potential, so water can be treated as an ideal hydrogen gas raw material. In addition, since the hydrogen production technology according to the electrolysis of water can recycle waste heat, it is in the spotlight as a hydrogen gas production technology.

현재의 기술에 따른 물의 전기분해법은 800℃ 이상의 고온의 열을 이용하므로, 원자력 발전에서 배출되는 폐열 온도 수준으로 한정되어 있다. 또한, 이러한 고온 환경에서는 수소와 접촉하는 전극 물질인 니켈이 고온에서 조대화되어 열화될 우려가 있다. 또한, 물 분해시 산소 이온은 산화되어 산소 가스를 발생시키는 반면, 수소 이온은 환원되어 수소 가스를 발생시키게 된다. 통상적으로 사용되는 물 분해용 촉매는 수소발생반응(HER) 성능과 산소발생반응(OER) 성능 중에 한가지 성능이 좋은 경우 다른 성능이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 산소발생반응이 우수한 수계전해용 촉매체의 개발이 요구된다.Since the electrolysis method of water according to the current technology uses heat at a high temperature of 800° C. or higher, it is limited to the temperature level of waste heat emitted from nuclear power plants. In addition, in such a high-temperature environment, nickel, which is an electrode material in contact with hydrogen, may be coarsened at a high temperature and deteriorate. In addition, during water decomposition, oxygen ions are oxidized to generate oxygen gas, while hydrogen ions are reduced to generate hydrogen gas. A commonly used catalyst for water decomposition has a problem in that when one of the hydrogen evolution reaction (HER) performance and the oxygen evolution reaction (OER) performance is good, the other performance is deteriorated. Therefore, it is required to develop a catalyst for aqueous electrolysis with excellent oxygen evolution reaction.

한국공개특허 제10-2018-0088654호Korean Patent Publication No. 10-2018-0088654

본 발명의 기술적 과제는 산소발생반응이 우수한 이중층 페로브스카이트 물질로 구성된 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis composed of a double-layer perovskite material having excellent oxygen evolution reaction.

본 발명의 기술적 과제는 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하는 고체 산화물 수전해셀을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a solid oxide aqueous electrolysis cell including the catalyst for solid oxide aqueous electrolysis.

본 발명의 기술적 과제는 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하는 고체 산화물 수전해셀의 제조 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a solid oxide aqueous electrolysis cell including the catalyst for solid oxide aqueous electrolysis.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, 산소발생반응용 전극에 포함되는 고체 산화물 수계전해용 촉매체로서, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 화합물(여기에서 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값)을 포함하고, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 산소발생활성도를 증가시키고, 과전압을 감소시키도록, 상기 x는 0.4 이상 내지 0.5 이하의 범위일 수 있다.The catalyst for aqueous solid oxide electrolysis according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem is a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis included in an electrode for oxygen evolution reaction, wherein the catalyst for solid oxide aqueous electrolysis is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 + δ compound includes (where δ is a positive number less than 1, a value that the compound is electrically neutral), increasing the oxygen evolution activity of the solid oxide-aqueous electrolyte for the catalyst body and to reduce overvoltage, x may be in the range of 0.4 or more to 0.5 or less.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, 10 mA cm-1의 전류 밀도에서 0.29V 내지 0.31 V의 범위의 과전압을 나타낼 수 있다.In an embodiment of the present invention, the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis may exhibit an overvoltage in the range of 0.29V to 0.31V at a current density of 10 mA cm -1 .

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, 69 mV/dec 내지 79 mv/dec 범위의 타펠 기울기를 나타낼 수 있다.In one embodiment of the present invention, the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis may exhibit a Tafel slope in the range of 69 mV/dec to 79 mv/dec.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, 34 mF cm-2 내지 43 mF cm-2 범위의 이중층 캐패시턴스를 나타낼 수 있다.In one embodiment of the present invention, the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis, 34 mF cm -2 to 43 mF cm -2 It may exhibit a double-layer capacitance in the range.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, PrBa0.5Sr0.5Co1.6Fe0.4O5+δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 55Fe0 . 45O5 화합물, 또는 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.6 Fe 0.4 O 5 + δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 55 Fe 0 . 45 O 5 compound, or PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5+δ compound.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 수전해 셀은, 물이 분해되어 형성된 수소 가스를 배출하는 캐소드; 상기 캐소드를 마주보고 배치되고 상기 물이 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는, 수소 및 산소를 생성하는 고체 산화물 수전해 셀로서, 상기 애노드 및 상기 캐소드 중 적어도 하나는 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하고, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 화합물(여기에서 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값)을 포함하고, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 산소발생활성도를 증가시키고, 과전압을 감소시키도록, 상기 x는 0.4 이상 내지 0.5 이하의 범위일 수 있다.A solid oxide water electrolysis cell according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical object includes: a cathode for discharging hydrogen gas formed by decomposition of water; an anode disposed to face the cathode and discharging oxygen gas formed by decomposition of the water; and an electrolyte disposed between the anode and the cathode, a solid oxide water electrolysis cell for generating hydrogen and oxygen, wherein at least one of the anode and the cathode comprises a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis, the solid The catalyst for oxide aqueous electrolysis is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 + δ compound includes (where δ is a positive number less than 1, a value that the compound is electrically neutral), increasing the oxygen evolution activity of the solid oxide-aqueous electrolyte for the catalyst body and to reduce overvoltage, x may be in the range of 0.4 or more to 0.5 or less.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, 10 mA cm-1의 전류 밀도에서 0.29V 내지 0.31 V의 범위의 과전압을 나타낼 수 있고, 69 mV/dec 내지 79 mv/dec 범위의 타펠 기울기를 나타낼 수 있고, 34 mF cm-2 내지 43 mF cm-2 범위의 이중층 캐패시턴스를 나타낼 수 있다.In one embodiment of the present invention, the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis may exhibit an overvoltage in the range of 0.29V to 0.31V at a current density of 10 mA cm -1 , and 69 mV/dec to 79 mv/ It can exhibit a Tafel slope in the range of dec , and can exhibit a double layer capacitance ranging from 34 mF cm -2 to 43 mF cm -2 .

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, PrBa0.5Sr0.5Co1.6Fe0.4O5+δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 55Fe0 . 45O5 화합물, 또는 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.6 Fe 0.4 O 5 + δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 55 Fe 0 . 45 O 5 compound, or PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5+δ compound.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 금속공기전지는, 캐소드; 상기 캐소드를 마주보고 배치되는 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치되는 전해질을 포함하고, 상기 캐소드는 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하고, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 화합물(여기에서 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값)을 포함하고, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 산소발생활성도를 증가시키고, 과전압을 감소시키도록, 상기 x는 0.4 이상 내지 0.5 이하의 범위일 수 있다.Metal-air battery according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem, a cathode; an anode disposed to face the cathode; and an electrolyte disposed between the cathode and the anode, wherein the cathode includes a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis, and the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 + δ compound includes (where δ is a positive number less than 1, a value that the compound is electrically neutral), increasing the oxygen evolution activity of the solid oxide-aqueous electrolyte for the catalyst body and to reduce overvoltage, x may be in the range of 0.4 or more to 0.5 or less.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, 10 mA cm-1의 전류 밀도에서 0.29V 내지 0.31 V의 범위의 과전압을 나타내고, 69 mV/dec 내지 79 mv/dec 범위의 타펠 기울기를 나타내고, 34 mF cm-2 내지 43 mF cm-2 범위의 이중층 캐패시턴스를 나타낼 수 있다.In one embodiment of the present invention, the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis exhibits an overvoltage in the range of 0.29V to 0.31V at a current density of 10 mA cm -1 , and in the range of 69 mV/dec to 79 mv/dec represents the Tafel slope of , and may exhibit a double layer capacitance in the range of 34 mF cm -2 to 43 mF cm -2 .

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는,PrBa0 .5Sr0.5Co1.6Fe0.4O5+δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 55Fe0 . 45O5 화합물, 또는 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the solid oxide catalyst for the water-based electrolytic body, PrBa 0 .5 Sr 0.5 Co 1.6 Fe 0.4 O 5 + δ compound, PrBa 0. 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 55 Fe 0 . 45 O 5 compound, or PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5+δ compound.

본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체는 PrBa0.5Sr0.5Co2O5+d 에서 코발트를 철로 치환하여 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 화합물을 형성하여 구현하였다. 상기 화합물에서 철의 함량인 x가 0.4 이상 내지 0.5 이하의 범위인 경우에, 산소발생활동도가 크게 나타났고, 타펠 기울기는 작게 나타났고, 이중층 캐패시턴스는 크게 나타났다. 이에 따라, 상기 철 함량을 가지는 화합물로 구성된 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하는 경우에는 산소발생반응이 우수한 고체 산화물 수전해셀 및 금속공기전지를 제공할 수 있다.The catalyst for solid oxide aqueous electrolysis according to the technical concept of the present invention is PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 2 O 5+d by replacing cobalt with iron PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - is implemented by forming an x Fe x O 5 + δ compound. When the iron content of the compound, x, was in the range of 0.4 or more to 0.5 or less, the oxygen evolution activity was large, the Tafel slope was small, and the double layer capacitance was large. Accordingly, when the catalyst for solid oxide aqueous electrolysis composed of the compound having the iron content is included, it is possible to provide a solid oxide aqueous electrolysis cell and a metal-air battery having excellent oxygen evolution reaction.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above-described effects of the present invention have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하는 고체 산화물 수전해 셀을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하는 금속공기전지를 설명하는 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 구성하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 구성하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조에서, 일부 원자가 치환된 경우를 도시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 이용하여 형성한 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 X-선 회절 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 이용하여 형성한 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 산소발생활동도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 이용하여 형성한 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 10 mA cm-1의 전류 밀도에서의 과전압을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 이용하여 형성한 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 전류 밀도에 대한 과전압의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 이용하여 형성한 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 스캔속도에 대한 전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
1 is a diagram schematically illustrating a solid oxide water electrolysis cell including a catalyst for solid oxide water-based electrolysis according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating a metal-air battery including a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram illustrating a double-layered perovskite crystal structure constituting a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram illustrating a case in which some atoms are substituted in the double-layered perovskite crystal structure constituting the catalyst for solid oxide aqueous electrolysis according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a method for preparing a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis according to an embodiment of the present invention.
6 is an X-ray diffraction graph of a catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide formed by using the method for preparing a catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the oxygen generation activity of the catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide formed by using the method for preparing a catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the overvoltage at a current density of 10 mA cm −1 of the catalyst for aqueous electrolyte solution for solid oxide formed by using the method for preparing the catalyst for aqueous electrolysis of solid oxide according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing the relationship between overvoltage and current density of a catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide formed by using the method for manufacturing a catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing the relationship between the current density and the scan speed of the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis formed by using the method for preparing the catalyst for aqueous solid oxide electrolysis according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the technical idea of the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided to more fully and complete the present disclosure, and to fully convey the technical spirit of the present invention to those skilled in the art. In this specification, the same reference numerals refer to the same elements throughout. Furthermore, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.

현재 수소생산을 위한 알칼라인 수전해 시스템이 주목받으면서 효율적인 전극 촉매 또한 폭넓게 연구되고 있다. 이러한 수전해 시스템을 구동할 때, 전기화학적으로 하기의 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction, OER)이 필수적으로 활용된다.Currently, as alkaline water electrolysis systems for hydrogen production attract attention, efficient electrode catalysts are also being widely studied. When driving such a water electrolysis system, electrochemically, the following oxygen evolution reaction (OER) is essentially utilized.

<산소발생반응><Oxygen evolution reaction>

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

상기 수전해 시스템에서 높은 과전압으로 인해 상기 산소발생반응 속도가 느리며, 상기 수전해 시스템에서의 병목현상은 느린 산소발생반응 속도에 의존하기 때문에 효율적인 산소발생반응을 위한 촉매체 개발이 필요하므로 이를 개선할 필요가 있다. 종래의 전극 촉매로 사용되는 비싼 백금 계열 촉매를 대체하기 위하여, 루테늄(Ru) 또는 이리듐(Ir) 등의 귀금속 기반의 촉매가 연구 개발되고 있다. 본 발명의 기술적 사상은 산소발생반응을 위한 촉매체로서 페로브스카이트 산화물 기반의 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 제공하는 것이다.The oxygen evolution reaction rate is slow due to the high overvoltage in the water electrolysis system, and the bottleneck in the water electrolysis system depends on the slow oxygen evolution reaction rate, so it is necessary to develop a catalyst for an efficient oxygen evolution reaction. There is a need. In order to replace expensive platinum-based catalysts used as conventional electrode catalysts, noble metal-based catalysts such as ruthenium (Ru) or iridium (Ir) have been researched and developed. The technical idea of the present invention is to provide a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis based on perovskite oxide as a catalyst for oxygen evolution reaction.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하는 고체 산화물 수전해 셀(100)을 개략적으로 도시하는 도면이다.1 is a diagram schematically illustrating a solid oxide water electrolysis cell 100 including a catalyst for solid oxide water-based electrolysis according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 고체 산화물 수전해 셀(100)은 애노드(110), 애노드(110)를 마주보고 배치되는 캐소드(120), 및 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질(130)을 포함한다. 캐소드(120)는 수소 가스와 접촉하므로 수소 전극으로 지칭될 수 있고, 애노드(110)는 산소 가스와 접촉하므로 산소 전극으로 지칭될 수 있다.Referring to FIG. 1 , the solid oxide water electrolysis cell 100 has an anode 110 , a cathode 120 disposed to face the anode 110 , and oxygen ions disposed between the anode 110 and the cathode 120 . and electrolyte 130 which is a conductive solid oxide. The cathode 120 may be referred to as a hydrogen electrode because it is in contact with hydrogen gas, and the anode 110 may be referred to as an oxygen electrode because it is in contact with the oxygen gas.

고체 산화물 수전해 셀(100)의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이, 캐소드(120)의 물(H2O)이 수소 가스(H2)와 산소 이온(O2-)으로 변하는 캐소드 반응과 전해질(130)을 통해 이동해 온 상기 산소 이온이 산소 가스(O2)로 변하는 애노드 반응으로 이루어진다. 이러한 반응은 통상적인 연료 전지의 반응 원리와는 반대이다.The electrochemical reaction of the solid oxide water electrolysis cell 100 is a cathode reaction in which water (H 2 O) of the cathode 120 is changed to hydrogen gas (H 2 ) and oxygen ions (O 2 - ) as shown in the following reaction formula And the oxygen ions that have moved through the electrolyte 130 are converted into oxygen gas (O 2 ) by an anode reaction. This reaction is contrary to the reaction principle of a conventional fuel cell.

<반응식><reaction formula>

캐소드 반응 : H2O + 2e- -> O2- + H2 Cathodic reaction: H 2 O + 2e - -> O 2 - + H 2

애노드 반응 : O2- -> 1/2 O2 + 2e- Anode reaction: O 2- -> 1/2 O 2 + 2e -

고체 산화물 수전해 셀(100)에 외부 전원(140)으로부터 전력이 인가되면, 외부 전원(140)으로부터 고체 산화물 수전해 셀(100)에 전자가 제공된다. 상기 전자는 캐소드(120)에 제공되는 물과 반응하여 수소 가스와 산소 이온을 생성한다. 상기 수소 가스는 외부로 배출되고, 상기 산소 이온은 전해질(130)을 통과하여 애노드(110)로 이동된다. 애노드(110)로 이동된 상기 산소 이온은 전자를 잃고 산소 가스로 변환하여 외부로 배출된다. 상기 전자는 외부 전원(140)으로 흐르게 된다. 이러한 전자 이동을 통하여, 고체 산화물 수전해 셀(100)는 물을 전기 분해하여, 캐소드(120)에서 수소 가스를 형성하고, 애노드(110)에서 산소 가스를 형성할 수 있다.When power is applied from the external power source 140 to the solid oxide water electrolysis cell 100 , electrons are provided to the solid oxide water electrolysis cell 100 from the external power source 140 . The electrons react with water provided to the cathode 120 to generate hydrogen gas and oxygen ions. The hydrogen gas is discharged to the outside, and the oxygen ions pass through the electrolyte 130 and move to the anode 110 . The oxygen ions moved to the anode 110 lose electrons, are converted into oxygen gas, and are discharged to the outside. The electrons flow to the external power source 140 . Through this electron movement, the solid oxide water electrolysis cell 100 may electrolyze water to form hydrogen gas at the cathode 120 and oxygen gas at the anode 110 .

애노드(110)는 본 발명의 기술적 사상에 따른 이중층 페로브스카이트 물질로 구성된 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하여 구성될 수 있다. The anode 110 may be configured to include a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis made of a double-layer perovskite material according to the technical spirit of the present invention.

캐소드(120)는 특별히 제한되지 않으며 공지의 캐소드를 사용할 수 있다. 캐소드(120)는 상술한 고체 산화물 연료전지(200)의 애노드(210)와 동일한 물질을 포함하거나 동일한 구조를 가질 수 있다. 또한, 캐소드(120)가 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하여 구성되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.The cathode 120 is not particularly limited and a known cathode may be used. The cathode 120 may include the same material as the anode 210 of the above-described solid oxide fuel cell 200 or may have the same structure. In addition, the case in which the cathode 120 is configured to include a catalyst for aqueous solid oxide electrolysis according to the technical spirit of the present invention is also included in the technical spirit of the present invention.

전해질(130)은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 전해질(130)은 상술한 고체 산화물 연료전지(200)의 전해질(230)과 동일한 물질을 포함하거나 동일한 구조를 가질 수 있다.The electrolyte 130 is not particularly limited as long as it can be generally used in the art. The electrolyte 130 may include the same material or have the same structure as the electrolyte 230 of the solid oxide fuel cell 200 described above.

고체 산화물 수전해 셀(100)는 해당 기술 분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 고체 산화물 수전해 셀(100)은 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다. 고체 산화물 수전해 셀(100)은 단위 셀의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어, 애노드(110), 캐소드(120), 및 전해질(130)로 구성되는 단위 셀이 직렬로 적층되고 상기 단위 셀들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(separator)가 개재되어 단위 셀의 스택(stack)이 얻어질 수 있다.Since the solid oxide water electrolysis cell 100 can be manufactured using a conventional method known in various documents in the art, a detailed description thereof will be omitted herein. In addition, the solid oxide water electrolysis cell 100 may be applied to various structures such as a cylindrical stack, a flat tubular stack, and a planar type stack. The solid oxide water electrolysis cell 100 may be in the form of a stack of unit cells. For example, unit cells composed of an anode 110 , a cathode 120 , and an electrolyte 130 are stacked in series, and a separator electrically connecting them is interposed between the unit cells. A stack may be obtained.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하는 금속공기전지(200)를 설명하는 개략적으로 도시하는 도면이다.2 is a diagram schematically illustrating a metal-air battery 200 including a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 금속공기전지(200)는, 애노드(210), 캐소드(220) 및 애노드(210)와 캐소드(220) 사이에 위치하는 전해질(230)을 포함한다. 캐소드(220)는 집전체(240)와 촉매체(250)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the metal-air battery 200 includes an anode 210 , a cathode 220 , and an electrolyte 230 positioned between the anode 210 and the cathode 220 . The cathode 220 may further include a current collector 240 and a catalyst body 250 .

금속공기전지(200)는 금속과 산소의 반응을 이용하여 전력을 생성한다. 금속공기전지(200)의 최대 장점은 자연계에 무한히 존재하는 산소를 활물질로 이용하며, 다른 이차전지에 비하여 매우 높은 이론 에너지 밀도를 가지고, 또한 친화경적인 특성을 보유하는 것이다. 또한, 금속공기전지(200)는 내부에 화학 산화제를 포함하지 않으므로 폭발이나 화재의 우려가 없으며 무게를 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 수소나 알코올을 사용하는 연료 전지에 비하여 매우 경제적이고 안정성이 우수하고 낮은 온도에서의 작동능력도 우수하다.The metal-air battery 200 generates electric power by using a reaction between metal and oxygen. The greatest advantage of the metal-air battery 200 is that it uses oxygen, which is infinitely present in nature, as an active material, has a very high theoretical energy density compared to other secondary batteries, and also has an affinity-friendly characteristic. In addition, since the metal-air battery 200 does not contain a chemical oxidizing agent therein, there is no risk of explosion or fire, and the weight can be greatly reduced. In addition, compared to a fuel cell using hydrogen or alcohol, it is very economical, has excellent stability, and has excellent operating ability at a low temperature.

애노드(210)는, 방전 시에 전자를 잃어 양이온이 되는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 리튬, 아연, 마그네슘, 알루미늄, 칼슘을 포함할 수 있다. 특히, 리튬은 이론적인 에너지 밀도가 11,140 Wh/kg으로서 13,000 Wh/kg의 가솔린에 거의 유사한 수준을 나타낸다. 참고로, 알루미늄은 8130 Wh/kg, 칼슘은 4180 Wh/kg, 아연은 1350 Wh/kg의 이론적인 에너지 밀도를 가진다. 또한, 애노드(210)는 본 발명의 기술적 사상에 따른 전극 소재를 이용하여 구성될 수 있다.The anode 210 may include a material that loses electrons during discharge to become a cation, for example, may include a metal, and may include, for example, lithium, zinc, magnesium, aluminum, and calcium. In particular, lithium has a theoretical energy density of 11,140 Wh/kg, which is almost similar to gasoline of 13,000 Wh/kg. For reference, aluminum has a theoretical energy density of 8130 Wh/kg, calcium 4180 Wh/kg, and zinc 1350 Wh/kg. In addition, the anode 210 may be configured using an electrode material according to the technical idea of the present invention.

캐소드(220)는 공기 중의 산소를 이용하도록 구성되며, 상기 산소를 집전할 수 있다. 캐소드(220)는 본 발명의 기술적 사상에 따른 이중층 페로브스카이트 물질로 구성된 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하여 구성될 수 있다. The cathode 220 is configured to use oxygen in the air, and may collect the oxygen. The cathode 220 may be configured to include a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis made of a double-layer perovskite material according to the technical spirit of the present invention.

금속공기전지(200)는 캐소드(220)를 공기 중의 산소를 이용할 수 있으므로, 이론적으로는 캐소드(220)의 무게를 0으로 또는 비약적으로 감소시킬 수 있다. 그러므로, 캐소드(220)의 무게를 감소시킴에 따라 애노드(210)의 무게를 증가시킬 수 있으므로, 금속공기전지(200)의 전체 무게에 대한 애노드(210)의 무게 비율이 증가되어, 결과적으로 전지 단위 무게 당 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다. Since the metal-air battery 200 uses oxygen in the air for the cathode 220 , theoretically, the weight of the cathode 220 can be reduced to zero or drastically. Therefore, since the weight of the anode 210 can be increased by reducing the weight of the cathode 220, the weight ratio of the anode 210 to the total weight of the metal-air battery 200 is increased, resulting in the battery It can provide high energy density per unit weight.

전해질(230)은 애노드(210)와 캐소드(220) 사이에 위치하고, 전해 물질을 포함할 수 있다. 전해질(230)은, 예를 들어 수산화나트륨(NaOH) 용액이나 수산화칼슘(KOH) 용액을 포함할 수 있다. 또한, 전해질(230)은 고상의 매체로 구성될 수 있다.The electrolyte 230 is positioned between the anode 210 and the cathode 220 and may include an electrolyte material. The electrolyte 230 may include, for example, a sodium hydroxide (NaOH) solution or a calcium hydroxide (KOH) solution. In addition, the electrolyte 230 may be composed of a solid medium.

이하에서는, 금속공기전지(200)에서의 전력 생성에 대하여 설명하기로 한다. 애노드(210)와 캐소드(220)에서는 방전 반응과 충전 반응이 이루어질 수 있다. 애노드(210)와 캐소드(220)에서의 방전 반응은 다음과 같다. 충전 반응은 하기의 반응들이 반대 반향으로 향하게 된다. 아래의 반응식에서 "M"은 애노드(210)를 구성하는 물질로서 금속일 수 있다.Hereinafter, power generation in the metal-air battery 200 will be described. In the anode 210 and the cathode 220, a discharging reaction and a charging reaction may be performed. Discharge reactions at the anode 210 and the cathode 220 are as follows. The charging reaction causes the following reactions to go in the opposite direction. In the following reaction formula, “M” may be a metal as a material constituting the anode 210 .

<반응식><reaction formula>

캐소드 반응 : 2( M+ + e-) + O2 -> M2O2 Cathodic reaction: 2( M + + e - ) + O 2 -> M 2 O 2

애노드 반응 : M -> M+ + e- Anode reaction: M -> M + + e -

이러한 방전 반응에 의하여 애노드(210)에서 형성된 양이온(270)은 전해질(230)을 통과하여 캐소드(220)로 향하게 된다. 이때, 상기 양이온이 잃어버린 전자는 별도의 도선을 거쳐 부하(290)를 통과함으로써, 결과적으로 부하(290)에 전력을 공급하게 된다.The positive ions 270 formed in the anode 210 by this discharge reaction pass through the electrolyte 230 and are directed to the cathode 220 . At this time, the electrons lost by the positive ions pass through the load 290 through a separate conducting wire, and as a result, power is supplied to the load 290 .

외부로부터 산소(280)가 캐소드(220)에 제공되고, 양이온(270)은 산소(280)와 캐소드(220)에서 반응하여 산화물을 형성한다. 이때에, 부하(290)를 통과한 전자가 캐소드(220)에 제공되어 상기 산화물을 함께 형성한다.Oxygen 280 is provided to the cathode 220 from the outside, and the cation 270 reacts with the oxygen 280 at the cathode 220 to form an oxide. At this time, electrons passing through the load 290 are provided to the cathode 220 to form the oxide together.

반면, 충전 시에는 상기 산화물이 분해되어 상기 양이온은 전자를 획득하여 캐소드(220)로부터 전해질(230)을 거쳐서 애노드(210)로 다시 돌아가게 된다.On the other hand, during charging, the oxide is decomposed and the cations acquire electrons and return to the anode 210 from the cathode 220 through the electrolyte 230 .

이하에서는, 고체 산화물 수전해 셀(100)의 애노드(110)를 구성하는 구성 요소인 고체 산화물 수계전해용 촉매체에 대하여 상세하게 설명하기로 한다. 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는 및 금속공기전지(200)의 캐소드(220)에 적용될 수 있다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체는 페로브스카이트 구조를 가질 수 있다.Hereinafter, a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis, which is a component constituting the anode 110 of the solid oxide water electrolysis cell 100 , will be described in detail. The solid oxide catalyst for aqueous electrolysis may be applied to the cathode 220 of the metal-air battery 200 and. The catalyst for solid oxide aqueous electrolysis according to the technical spirit of the present invention may have a perovskite structure.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 구성하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 도시한 개략도이다.3 is a schematic diagram illustrating a double-layered perovskite crystal structure constituting a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 고체 산화물 수계전해용 촉매체는 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성될 수 있고, 예를 들어 단일 페로브스카이트 결정 구조 물질 또는 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 3 , the catalyst for solid oxide aqueous electrolysis may be composed of a perovskite crystal structure material, for example, a single perovskite crystal structure material or a double-layer perovskite crystal structure material. can

이하에서는, 페로브스카이트 결정 구조 물질에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the perovskite crystal structure material will be described.

ABO3로 표현되는 단일 페로브스카이트(simple perovskite) 결정 구조는 큐빅 격자(cubic lattice)의 코너 위치인 A-자리(A-site)에 희토류 원소, 알카라인 희토류, 알카라인 등의 이온반경이 큰 원소들이 위치하고 있으며, 산소이온에 의해 12 배위수(CN, Coordination number)를 가진다. 큐빅 격자의 체심 위치인 B-자리(B-site)에는 Co 및 Fe과 같은 원자반경이 작은 전이금속이 위치하고 있으며, 산소이온에 의해서 8면체(6배위수)를 이루고 있다. 마지막으로 큐빅 격자의 각 면심에는 산소이온이 위치하고 있다.A single perovskite crystal structure represented by ABO 3 is an element with a large ionic radius, such as rare earth elements, alkaline rare earths, and alkalines, at the A-site, which is a corner position of a cubic lattice. are located, and have a 12 coordination number (CN, Coordination Number) by oxygen ions. Transition metals with small atomic radii such as Co and Fe are located at the B-site, which is the body center position of the cubic lattice, and an octahedron (6 coordination number) is formed by oxygen ions. Finally, oxygen ions are located at each face center of the cubic lattice.

이러한 단일 페로브스카이트(simple perovskite) 결정 구조는 일반적으로 A-자리(site)에 다른 물질이 치환될 경우 구조적인 변위가 발생하며, 주로 B-자리(site)에 위치한 원소를 중심으로 이의 최인접 산소이온(6개)으로 이루어지는 BO6의 8면체에서 구조적인 변이가 발생한다.In this single perovskite crystal structure, structural displacement generally occurs when another material is substituted in the A-site, and its maximum is mainly centered on the element located in the B-site. Structural transformation occurs in the octahedron of BO 6 composed of adjacent oxygen ions (6).

예를 들어, 수소 분위기에서 환원을 시키면, 단일 페로브스카이트 구조체는 이중층 페로브스카이트 구조체로 변화게 된다. 이런 이중충 페로브스카이트 구조체가 되면 산소 이온의 움직임이 빨라지고 열적 및 화학적 안정성이 향상될 수 있다.For example, when reducing in a hydrogen atmosphere, a single perovskite structure is changed to a double-layered perovskite structure. With such a bilayer perovskite structure, the movement of oxygen ions can be accelerated and thermal and chemical stability can be improved.

도 3에 도시된 바와 같이 이중층 페로브스카이트 결정 구조는, A-자리(site)에 두 원소 이상이 규칙적으로 배열된 결정 격자 구조로서, AA'B2O5 의 화학식을 가질 수 있다. 이러한 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질은 산소 공공 군집이 존재하여 이온의 움직임을 보다 용이하게 함으로써, 캐소드에 향상된 이온 전도성을 부여할 수 있다. 본 명세서에서 정렬 이중 페로브스카이트란 ABO3 형태의 일반적인 비정렬 단순 페로브스카이트에서 A자리 또는 B 자리 이온이 두 원소 이상으로 치환되어 있는 결정 격자 구조를 의미한다.As shown in FIG. 3 , the double-layer perovskite crystal structure is a crystal lattice structure in which two or more elements are regularly arranged at the A-site, and may have a chemical formula of AA′B 2 O 5 . Such a double-layered perovskite crystal structure material has oxygen vacancy clusters to facilitate the movement of ions, thereby providing improved ionic conductivity to the cathode. In the present specification, the aligned double perovskite refers to a crystal lattice structure in which A-site or B-site ions are substituted with two or more elements in general unaligned simple perovskite in the form of ABO 3 .

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 구성하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조에서, 일부 원자가 치환된 경우를 도시하는 개략도이다.4 is a schematic diagram illustrating a case in which some atoms are substituted in the double-layered perovskite crystal structure constituting the catalyst for solid oxide aqueous electrolysis according to an embodiment of the present invention.

도 4에 나타낸 것과 같이, 이중층 페로브스카이트 구조는 A-자리(site)에 두 원소 이상이 규칙적으로 배열된 결정 격자 구조로서, AA'B2O5 의 화학식을 가질 수 있다. 구체적으로, 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 란탄족 화합물은 기본적으로 [BO2]-[AO]-[BO2]-[A'O] 의 적층 순열이 c축을 따라 반복될 수 있다. 예를 들어, 상기 B는 코발트(Co)이고, 상기 A는 프라세오디뮴(Pr) 등을 포함하는 란탄족일 수 있고, 상기 A'는 바륨(Ba)일 수 있다. 또한, 상기 바륨의 일부는 스트론튬(Sr)으로 치환될 수 있고, 상기 코발트의 일부는 철(Fe)로 치환될 수 있다. 이러한 치환이 발생하는 경우에는, 상기 이중층 페로브스카이트 구조는 AA'B2 - xB'xO5 의 화학식을 가질 수 있고, 예를 들어 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 의 화학식을 가질 수 있다.As shown in FIG. 4 , the double-layer perovskite structure is a crystal lattice structure in which two or more elements are regularly arranged at the A-site, and may have a chemical formula of AA'B 2 O 5 +δ. Specifically, in a lanthanide compound having a double-layered perovskite structure, a stacking permutation of [BO 2 ]-[AO]-[BO 2 ]-[A'O] may be repeated along the c-axis. For example, B may be cobalt (Co), A may be a lanthanide group including praseodymium (Pr), and A' may be barium (Ba). In addition, a portion of the barium may be substituted with strontium (Sr), and a portion of the cobalt may be substituted with iron (Fe). When this substitution occurs, the bilayer perovskite structure may have the formula AA'B 2 - x B' x O 5 , for example PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - may have the formula of x Fe x O 5 + δ.

본 발명의 일 구현예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체는 하기의 화학식 1의 화합물을 포함할 수 있다.The catalyst for solid oxide aqueous electrolysis according to an embodiment of the present invention may include a compound of Formula 1 below.

<화학식 1><Formula 1>

PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5

상기 화학식 1에서, δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다. 상기 δ는 하기의 이중층 페로브스카이트 구조에서의 침입형 산소(interstitial oxygen)를 나타내고 구체적인 결정 구조에 따라 상기 δ의 값이 정해질 수 있다. 또한, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 산소발생활성도를 증가시키고, 과전압을 감소시키도록, 상기 x는 0.4 이상 내지 0.5 이하의 범위일 수 있다. In Formula 1, δ is a positive number of 1 or less, and is a value that renders the compound of Formula 1 electrically neutral. The δ represents interstitial oxygen in the following double-layer perovskite structure, and the value of δ may be determined according to a specific crystal structure. In addition, x may be in the range of 0.4 or more to 0.5 or less so as to increase the oxygen generating activity of the solid oxide aqueous electrolysis catalyst and reduce overvoltage.

상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, 10 mA cm-1의 전류 밀도에서 0.29V 내지 0.31 V의 범위의 과전압을 나타낼 수 있다. 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, 69 mV/dec 내지 79 mv/dec 범위의 타펠 기울기를 나타낼 수 있다. 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, 34 mF cm-2 내지 43 mF cm-2 범위의 이중층 캐패시턴스를 나타낼 수 있다.The solid oxide catalyst for aqueous electrolysis may exhibit an overvoltage in the range of 0.29V to 0.31V at a current density of 10 mA cm -1 . The solid oxide catalyst for aqueous electrolysis may exhibit a Tafel slope in the range of 69 mV/dec to 79 mv/dec. The solid oxide catalyst for aqueous electrolysis may exhibit a double-layer capacitance in the range of 34 mF cm -2 to 43 mF cm -2.

상기 화학식 1의 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 화합물은, 예를 들어, 상기 화학식 1의 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 화합물은 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 6Fe0 . 4O5 화합물, PrBa0.5Sr0.5Co1.55Fe0.45O5+δ 화합물, 또는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 화합물을 포함할 수 있다. PrBa 0 of Formula 1 above . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 + δ compound is, for example, PrBa 0 in the formula (1). 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 compound is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 6 Fe 0 . 4 O 5 compound, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.55 Fe 0.45 O 5+δ compound, or PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 5 Fe 0 . 5 O 5 compounds.

상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는 하기의 방법으로 제조될 수 있다. 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 일례로서, 상기 화학식 2의 화합물을, 구체적으로 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 화합물을 포함하는 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.The solid oxide catalyst for aqueous electrolysis may be prepared by the following method. As an example of the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis, the compound of Formula 2 is specifically PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 5 Fe 0 . A method for preparing a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis including a 5 O 5 +δ compound will be described. However, the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a method for preparing a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법(S100)은 복수의 금속 전구체들을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계(S110), 상기 혼합물을 하소하는 단계(S120), 상기 하소된 혼합물을 환원하는 단계(S130), 및 상기 환원된 혼합물을 어닐링하여, 페로브스카이트 결정 구조 물질을 가지는 촉매체를 형성하는 단계(S140)를 포함한다.Referring to FIG. 5 , the method for preparing the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis (S100) includes mixing a plurality of metal precursors to form a mixture (S110), calcining the mixture (S120), the calcined reducing the mixture (S130), and annealing the reduced mixture to form a catalyst body having a perovskite crystal structure material (S140).

상기 복수의 금속 전구체들을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계(S110)를 수행한다. 원하는 페로브스카이트 결정 구조 물질, 예를 들어 상기 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물의 조성에 맞도록 복수의 금속 전구체들을 혼합한다. 이러한 혼합은 건식 방법을 이용하여 수행되거나 용매에 금속 전구체들을 혼합하는 습식 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 복수의 금속 전구체의 예는 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 구성하는 각 금속 성분인 Pr, Ba, Sr, Co, Fe는 각각의 질화물, 산화물, 할로겐화물 등을 사용할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 습식 방법에서 용매로서는 물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속 전구체들을 용해 또는 혼합시킬 수 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부탄올 등의 총 탄소수가 5 이하의 저급 알코올; 질산, 염산, 황산, 구연산 등의 산성 용액; 물; 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 디에틸에테르, 에틸렌 글리콜 등의 유기용매; 등을 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 혼합 공정은, 예를 들어 약 100℃ 내지 약 200℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 혼합 공정은, 상기 금속 전구체들이 충분히 혼합될 수 있도록 교반하면서 약 1 시간 내지 약 12 시간 동안 수행할 수 있다. 상기 혼합 과정을 거친 후, 자발 연소 과정에 의해 초미세 고형물을 얻을 수 있다. 상기 혼합 과정과 용매 제거 및 이를 위하여 필요한 첨가제 부가는 예를 들어 글리신-질산염법(glycine nitrate process) 또는 페치니법(pechini method) 등으로 잘 알려져 있으니 여기서는 상술하지 않는다.A step ( S110 ) of forming a mixture by mixing the plurality of metal precursors is performed. A plurality of metal precursors are mixed to match the composition of the desired perovskite crystal structure material, for example, the PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5+δ compound. Such mixing may be performed using a dry method or may be performed using a wet method of mixing metal precursors in a solvent. Examples of the plurality of metal precursors include nitrides, oxides, and halides of each metal component of Pr, Ba, Sr, Co, and Fe constituting the solid oxide aqueous electrolysis catalyst body, but are limited thereto no. In the wet method, water may be used as a solvent, but is not limited thereto. Any one capable of dissolving or mixing the metal precursors may be used without limitation, for example, a lower alcohol having a total carbon number of 5 or less such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, butanol; acidic solutions such as nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, and citric acid; water; organic solvents such as toluene, benzene, acetone, diethyl ether, and ethylene glycol; These may be used alone or in combination. The mixing process may be performed, for example, at a temperature in the range of about 100°C to about 200°C. The mixing process may be performed for about 1 hour to about 12 hours while stirring so that the metal precursors can be sufficiently mixed. After the mixing process, an ultrafine solid may be obtained by a spontaneous combustion process. The mixing process, solvent removal, and addition of additives required therefor are well known as, for example, a glycine-nitrate process or a pechini method, and thus will not be described in detail here.

상기 혼합물을 하소하는 단계(S120)는, 공기 분위기에서, 예를 들어 약 800℃ 내지 약 1300℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 약 900℃ 내지 약 1000℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 약 950℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 12 시간 동안 수행될 수 있다.The step of calcining the mixture (S120), in an air atmosphere, for example, at a temperature in the range of about 800 °C to about 1300 °C, for example, at a temperature in the range of about 900 °C to about 1000 °C, for example, about 950 °C. It may be carried out at a temperature of about 1 hour to about 12 hours.

상기 하소된 혼합물을 환원하는 단계(S130)는, 환원 가스 분위기에서, 예를 들어 약 700℃ 내지 약 900℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 약 800℃의 온도에서, 약 1 시간 내지 약 12 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 환원 가스는 상기 하소된 혼합물을 환원하는 모든 종류의 가스를 포함할 수 있고, 예를 들어 수소 가스를 포함할 수 있다.The step of reducing the calcined mixture (S130), in a reducing gas atmosphere, for example, at a temperature in the range of about 700 ℃ to about 900 ℃, for example, at a temperature of about 800 ℃, about 1 hour to about 12 hours can be performed while The reducing gas may include any kind of gas that reduces the calcined mixture, and may include, for example, hydrogen gas.

상기 환원된 혼합물을 어닐링하여 촉매체를 형성하는 단계(S140)는, 산화 가스 분위기에서, 예를 들어 공기 분위기 또는 산소 분위기에서, 예를 들어 약 550℃ 내지 약 700℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 약 600℃ 내지 약 650℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 650℃의 온도에서, 약 1 시간 내지 약 12 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 산화 가스는 상기 환원된 혼합물을 산화하는 모든 종류의 가스를 포함할 수 있고, 예를 들어 공기(질소와 산소의 혼합 가스) 또는 산소 가스를 포함할 수 있다.The step (S140) of annealing the reduced mixture to form a catalyst body is performed in an oxidizing gas atmosphere, for example, in an air atmosphere or oxygen atmosphere, for example, at a temperature in the range of about 550° C. to about 700° C., for example. For example, at a temperature in the range of about 600° C. to about 650° C., for example, at a temperature of 650° C., it may be carried out for about 1 hour to about 12 hours. The oxidizing gas may include any kind of gas that oxidizes the reduced mixture, and may include, for example, air (a mixed gas of nitrogen and oxygen) or oxygen gas.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 이용하여 형성한 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 실험결과를 설명하기로 한다. PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 + δ 에서 상기 "x"를 0, 0.25, 0.4, 0.45, 0.50, 0.60,0.75, 1.00, 1.50, 및 2.00으로 변화시켜 화합물을 형성하였다.Hereinafter, the experimental results of the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis formed using the method for preparing the catalyst for aqueous solid oxide electrolysis according to an embodiment of the present invention will be described. PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - by changing the "x" to 0, 0.25, 0.4, 0.45, 0.50, 0.60,0.75, 1.00, 1.50, and 2.00 in x Fe x O 5 + δ to form a compound.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 이용하여 형성한 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 X-선 회절 그래프이다.6 is an X-ray diffraction graph of a catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide formed by using the method for preparing a catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 + δ 에서 상기 "x"를 변화시켜 화합물을 형성한 후의 X-선 회절 그래프를 나타나 있다. 상기 X-선 회절 그래프에서 나타난 피크들로부터 상기 "x"가 0 내지 2의 범위의 모든 화합물에서 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 구조를 가지는 화합물이 형성됨을 알 수 있다. Referring to FIG. 6 , PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - it is shown the X- ray diffraction chart after by changing the "x" to form a compound in x Fe x O 5 + δ. From the peaks shown in the X-ray diffraction graph, "x" is PrBa 0 in all compounds in the range of 0 to 2. 5 Sr 0 . 5 Co 2 - a compound having the x Fe x O 5 + δ structure to find out formed.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 이용하여 형성한 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 산소발생활동도를 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing the oxygen generation activity of the catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide formed by using the method for preparing a catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide according to an embodiment of the present invention.

도 7에서, 상기 산소발생활동도는 0.1M KOH 전해질에서 글로시 카본(glossy carbon) 전극에 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 로딩하여 회전 고리 원판 전극 측정 방법으로 측정하였다.In FIG. 7 , the oxygen generation activity was measured by a rotating ring disk electrode measurement method by loading the solid oxide aqueous electrolyte catalyst on a glossy carbon electrode in 0.1M KOH electrolyte.

도 7을 참조하면, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체가 철을 포함하는 경우에는, 동일한 전압 하에서 발생하는 전류량이 큰 폭으로 증가되었다. 구체적으로, 철을 포함하지 않는 화합물(PBSC2.00)과 코발트를 포함하지 않는 화합물(PBSF2.00)의 경우에서 산소발생활동도가 가장 낮게 나타났다. 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체에서 철의 함량이 증가됨에 따라, 산소발생활동도가 증가되었다. 특히, 상기 x가 0.45인 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 55Fe0 . 45O5 화합물로 구성된 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 산소발생활동도가 가장 크게 나타내었다. 이후, 상기 철의 함량이 더 증가되어 상기 x가 0.45를 초과하여 증가되면, 상기 산소발생활동도가 다시 감소되었다. Referring to FIG. 7 , when the catalyst for solid oxide aqueous electrolysis includes iron, the amount of current generated under the same voltage is greatly increased. Specifically, the oxygen generating activity was the lowest in the case of the compound not containing iron (PBSC2.00) and the compound not containing cobalt (PBSF2.00). As the iron content in the solid oxide aqueous electrolysis catalyst increased, the oxygen generation activity was increased. In particular, PrBa 0 , wherein x is 0.45 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 55 Fe 0 . The oxygen generation activity of the solid oxide aqueous electrolysis catalyst composed of 45 O 5 +δ compounds was the highest. Thereafter, when the iron content was further increased and the x was increased to more than 0.45, the oxygen generating activity was decreased again.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 이용하여 형성한 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 10 mA cm-1의 전류 밀도에서의 과전압을 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing the overvoltage at a current density of 10 mA cm −1 of the catalyst for aqueous electrolyte solution for solid oxide formed by using the method for preparing the catalyst for aqueous electrolysis of solid oxide according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체에서 철의 함량이 증가됨에 따라, 과전압이 감소되었다. 상기 x가 0.45에서 상기 과전압이 최소값을 나타내었다. 이어서, 상기 철의 함량이 더 증가되어 상기 x가 0.45를 초과하여 증가되면, 상기 과전압이 다시 증가되었다. 예를 들어, 상기 x가 0.4인 경우에는 약 0.305 V의 과전압을 나타냈고, 상기 x가 0.45인 경우에는 약 0.299 V의 과전압을 나타냈고, 상기 x가 0.5인 경우에는 약 0.303 V 의 과전압을 나타냈다.Referring to FIG. 8 , as the iron content in the solid oxide aqueous electrolysis catalyst increased, the overvoltage was reduced. When x was 0.45, the overvoltage showed the minimum value. Subsequently, when the iron content was further increased such that x was increased to exceed 0.45, the overvoltage was increased again. For example, when x is 0.4, an overvoltage of about 0.305 V was exhibited, when x was 0.45, an overvoltage of about 0.299 V was exhibited, and when x was 0.5, an overvoltage of about 0.303 V was exhibited. .

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 이용하여 형성한 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 전류 밀도에 대한 과전압의 관계를 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing the relationship between overvoltage and current density of a catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide formed by using the method for manufacturing a catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 전류 밀도에 대한 과전압의 관계에 대한 기울기는 타펠 기울기(Tafel slope)로 나타난다. 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체에서 철의 함량이 증가됨에 따라, 상기 타펠 기울기가 감소되었다. 상기 x가 0.45에서 상기 타펠 기울기가 최소값을 나타내었다. 이어서, 상기 철의 함량이 더 증가되어 상기 x가 0.45를 초과하여 증가되면, 상기 타펠 기울기가 다시 증가되었다. 예를 들어, 상기 x가 0.4인 경우에는 약 79 mv/dec의 타펠 기울기를 나타냈고, 상기 x가 0.45인 경우에는 약 69 mv/dec의 타펠 기울기를 나타냈고, 상기 x가 0.5인 경우에는 약 70 mv/dec의 타펠 기울기를 나타냈다. 상기 타펠 기울기가 작을수록 산소발생반응 속도가 빠름을 의미한다. 따라서, x가 0.45인 경우에 산소발생반응 속도가 가장 빠름을 알 수 있다.Referring to FIG. 9 , the slope of the relationship between the overvoltage and the current density is represented by a Tafel slope. As the iron content increased in the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis, the Tafel slope was decreased. When x was 0.45, the Tafel slope showed a minimum value. Subsequently, when the content of iron was further increased to increase the x by more than 0.45, the Tafel slope was increased again. For example, when x is 0.4, it exhibited a Tafel slope of about 79 mv/dec, when x is 0.45, it exhibited a Tafel slope of about 69 mv/dec, and when x is 0.5, about It showed a Tafel slope of 70 mv/dec. The smaller the Tafel slope, the faster the oxygen evolution reaction rate. Therefore, it can be seen that the oxygen evolution reaction rate is the fastest when x is 0.45.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 제조 방법을 이용하여 형성한 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 스캔속도에 대한 전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.10 is a graph showing the relationship between the current density and the scan speed of the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis formed by using the method for preparing the catalyst for aqueous solid oxide electrolysis according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, 스캔속도에 대한 전류밀도의 관계에 대한 기울기는 이중층 캐패시턴스(double layer capacitance, Cdl)로 나타난다. 상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체에서 철의 함량이 증가됨에 따라, 이중층 캐패시턴스가 증가되었다. 상기 x가 0.45에서 상기 이중층 캐패시턴스가 최대값을 나타내었다. 이어서, 상기 철의 함량이 더 증가되어 상기 x가 0.45를 초과하여 증가되면, 상기 이중층 캐패시턴스가 다시 감소되었다. 예를 들어, 상기 x가 0.4인 경우에는 약 34.55 mF cm- 2 의 이중층 캐패시턴스를 나타냈고, 상기 x가 0.45인 경우에는 약 42.23 mF cm- 2 의 이중층 캐패시턴스를 나타냈고, 상기 x가 0.5인 경우에는 약 41.52 mF cm- 2 의 이중층 캐패시턴스를 나타냈다. 상기 이중층 캐패시턴스가 클수록 전기화학적 활성표면 면적이 큼을 의미한다. 따라서, x가 0.45인 경우에 전기화학적 활성표면 면적이 가장 큼을 알 수 있다.Referring to FIG. 10 , the slope of the relationship between the current density and the scan speed is expressed as a double layer capacitance (C dl ). As the iron content in the solid oxide catalyst for aqueous electrolysis was increased, the double layer capacitance was increased. When x is 0.45, the double layer capacitance exhibited a maximum value. Then, when the content of iron was further increased such that x was increased beyond 0.45, the double layer capacitance decreased again. For example, the case where x is 0.4 is approximately 34.55 mF cm-case showed the double layer capacitance of 2, wherein said x is 0.5 - showed the double layer capacitance of the two, in the case of the x is 0.45 is approximately 42.23 mF cm It is approximately 41.52 cm mF - showed the double layer capacitance of the two. The larger the double layer capacitance, the larger the electrochemically active surface area. Therefore, it can be seen that the electrochemically active surface area is the largest when x is 0.45.

도 7 내지 도 10의 결과로부터 x가 0.45인 경우에 산소발생활동도가 가장 크고, 과전압이 가장 작고, 타펠 기울기가 가장 작고, 이중층 캐패시턴스가 가장 크게 나타남에 따라, 이 경우에 산소발생반응이 가장 활발함을 알 수 있다. 또한, 목표하는 산소발생반응을 위하여는, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 화합물의 철의 함량인 x가 0.4 이상 내지 0.5 이하의 범위가 되는 것이 바람직하다.From the results of FIGS. 7 to 10, when x is 0.45, the oxygen generation activity is the largest, the overvoltage is the smallest, the Tafel slope is the smallest, and the double layer capacitance is the largest. In this case, the oxygen evolution reaction is the most activity can be seen. In addition, for the target oxygen evolution reaction, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 x Fe x O 5 It is preferable that the iron content of the compound x is in the range of 0.4 or more to 0.5 or less.

전술한 바와 같이 특정 내용과 일부 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 구체적인 예로써 제시한 설명일 뿐임을 밝혀 둔다. 본 발명은 전술한 실시 형태들로만 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 실시 형태에 대하여 다양한 수정 및 변형을 할 수 있고, 이러한 수정 및 변형도 본 발명의 기술 사상 속에서 망라하고 있다. As described above, the present invention has been described with reference to specific content and some examples, but it is to be noted that these are only descriptions presented as specific examples to help a more general understanding of the present invention. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can make various modifications and variations to these embodiments, and these modifications and variations are also within the technical spirit of the present invention. is covered in

따라서 앞에서 설명한 실시 형태들과 후술하는 특허 청구의 범위는 물론, 이 특허 청구 범위의 모든 균등물이나 등가인 변경 실시 형태들도 본 발명 기술 사상의 범주에 속한다.Accordingly, the embodiments described above and the claims described below, as well as all equivalents or equivalents of the claims, also fall within the scope of the technical spirit of the present invention.

100: 고체 산화물 수전해 셀,
110: 애노드, 120: 캐소드,
130: 전해질, 140: 외부 전원,
200: 금속공기전지,
210: 애노드, 220: 캐소드,
230: 전해질, 240: 집전체,
250: 촉매체, 270: 양이온,
280: 산소, 290: 부하,
100: solid oxide water electrolysis cell,
110: anode, 120: cathode,
130: electrolyte, 140: external power source;
200: metal air battery,
210: anode, 220: cathode,
230: electrolyte, 240: current collector;
250: catalyst, 270: cation,
280: oxygen, 290: load,

Claims (11)

산소발생반응용 전극에 포함되는 고체 산화물 수계전해용 촉매체로서,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 화합물(여기에서 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값)을 포함하고,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 산소발생활성도를 증가시키고, 과전압을 감소시키도록, 상기 x는 0.4 이상 내지 0.5 이하의 범위인, 고체 산화물 수계전해용 촉매체.
As a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis included in an electrode for oxygen evolution,
The solid oxide catalyst for aqueous electrolysis is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 + δ compound includes (where δ is a positive number less than 1, a value that the compound is electrically neutral),
In order to increase the oxygen generating activity of the solid oxide aqueous electrolysis catalyst and reduce overvoltage, the x is in the range of 0.4 or more to 0.5 or less, the solid oxide aqueous electrolyte catalyst body.
청구항 1에 있어서,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, 10 mA cm-1의 전류 밀도에서 0.29V 내지 0.31 V의 범위의 과전압을 나타내는, 고체 산화물 수계전해용 촉매체.
The method according to claim 1,
The catalyst for aqueous electrolysis of the solid oxide exhibits an overvoltage in the range of 0.29V to 0.31V at a current density of 10 mA cm -1 , the catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide.
청구항 1에 있어서,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, 69 mV/dec 내지 79 mv/dec 범위의 타펠 기울기를 나타내는, 고체 산화물 수계전해용 촉매체.
The method according to claim 1,
The catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide, the catalyst for aqueous electrolysis of a solid oxide, exhibiting a Tafel slope in the range of 69 mV / dec to 79 mv / dec.
청구항 1에 있어서,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, 34 mF cm-2 내지 43 mF cm-2 범위의 이중층 캐패시턴스를 나타내는, 고체 산화물 수계전해용 촉매체.
The method according to claim 1,
The catalyst for aqueous electrolysis of the solid oxide, 34 mF cm -2 to 43 mF cm -2 The catalyst body for aqueous electrolysis of a solid exhibits a double-layer capacitance in the range.
청구항 1에 있어서,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 6Fe0 . 4O5 화합물, PrBa0.5Sr0.5Co1.55Fe0.45O5+δ 화합물, 또는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 화합물을 포함하는, 고체 산화물 수계전해용 촉매체.
The method according to claim 1,
The solid oxide catalyst for aqueous electrolysis is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 6 Fe 0 . 4 O 5 compound, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.55 Fe 0.45 O 5+δ compound, or PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 5 Fe 0 . 5 O 5 + δ compound, including a solid oxide catalyst for aqueous electrolysis.
물이 분해되어 형성된 수소 가스를 배출하는 캐소드;
상기 캐소드를 마주보고 배치되고 상기 물이 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드; 및
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는, 수소 및 산소를 생성하는 고체 산화물 수전해 셀로서,
상기 애노드 및 상기 캐소드 중 적어도 하나는 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하고,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 화합물(여기에서 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값)을 포함하고,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 산소발생활성도를 증가시키고, 과전압을 감소시키도록, 상기 x는 0.4 이상 내지 0.5 이하의 범위인, 고체 산화물 수전해 셀.
a cathode for discharging hydrogen gas formed by decomposition of water;
an anode disposed to face the cathode and discharging oxygen gas formed by decomposition of the water; and
A solid oxide water electrolysis cell for generating hydrogen and oxygen comprising an electrolyte disposed between the anode and the cathode;
At least one of the anode and the cathode includes a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis,
The solid oxide catalyst for aqueous electrolysis is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 + δ compound includes (where δ is a positive number less than 1, a value that the compound is electrically neutral),
The solid oxide water electrolysis cell, wherein x is in the range of 0.4 or more to 0.5 or less so as to increase the oxygen generating activity of the solid oxide aqueous electrolysis catalyst and reduce the overvoltage.
청구항 6에 있어서,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는,
10 mA cm-1의 전류 밀도에서 0.29V 내지 0.31 V의 범위의 과전압을 나타내고,
69 mV/dec 내지 79 mv/dec 범위의 타펠 기울기를 나타내고,
34 mF cm-2 내지 43 mF cm-2 범위의 이중층 캐패시턴스를 나타내는, 고체 산화물 수전해 셀.
7. The method of claim 6,
The solid oxide catalyst for aqueous electrolysis,
exhibits an overvoltage in the range of 0.29V to 0.31V at a current density of 10 mA cm -1 ,
exhibits a Tafel slope in the range of 69 mV/dec to 79 mv/dec,
A solid oxide water electrolysis cell exhibiting a double layer capacitance ranging from 34 mF cm −2 to 43 mF cm −2 .
청구항 6에 있어서,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 6Fe0 . 4O5 화합물, PrBa0.5Sr0.5Co1.55Fe0.45O5+δ 화합물, 또는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 화합물을 포함하는, 고체 산화물 수전해 셀.
7. The method of claim 6,
The solid oxide catalyst for aqueous electrolysis is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 6 Fe 0 . 4 O 5 compound, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.55 Fe 0.45 O 5+δ compound, or PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 5 Fe 0 . A solid oxide water electrolysis cell comprising a 5 O 5 +δ compound.
캐소드;
상기 캐소드를 마주보고 배치되는 애노드; 및
상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 배치되는 전해질을 포함하고,
상기 캐소드는 고체 산화물 수계전해용 촉매체를 포함하고,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 화합물(여기에서 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값)을 포함하고,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체의 산소발생활성도를 증가시키고, 과전압을 감소시키도록, 상기 x는 0.4 이상 내지 0.5 이하의 범위인, 금속공기전지.
cathode;
an anode disposed to face the cathode; and
an electrolyte disposed between the cathode and the anode;
The cathode includes a catalyst for solid oxide aqueous electrolysis,
The solid oxide catalyst for aqueous electrolysis is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 + δ compound includes (where δ is a positive number less than 1, a value that the compound is electrically neutral),
In order to increase the oxygen generating activity of the solid oxide aqueous electrolysis catalyst and reduce overvoltage, the x is in the range of 0.4 or more to 0.5 or less, a metal-air battery.
청구항 9에 있어서,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는,
10 mA cm-1의 전류 밀도에서 0.29V 내지 0.31 V의 범위의 과전압을 나타내고,
69 mV/dec 내지 79 mv/dec 범위의 타펠 기울기를 나타내고,
34 mF cm-2 내지 43 mF cm-2 범위의 이중층 캐패시턴스를 나타내는, 금속공기전지.
10. The method of claim 9,
The solid oxide catalyst for aqueous electrolysis,
exhibits an overvoltage in the range of 0.29V to 0.31V at a current density of 10 mA cm -1 ,
exhibits a Tafel slope in the range of 69 mV/dec to 79 mv/dec,
A metal-air battery, exhibiting a double-layer capacitance in the range of 34 mF cm -2 to 43 mF cm -2.
청구항 9에 있어서,
상기 고체 산화물 수계전해용 촉매체는, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 6Fe0 . 4O5 화합물, PrBa0.5Sr0.5Co1.55Fe0.45O5+δ 화합물, 또는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 화합물을 포함하는, 금속공기전지.
10. The method of claim 9,
The solid oxide catalyst for aqueous electrolysis is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 6 Fe 0 . 4 O 5 compound, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.55 Fe 0.45 O 5+δ compound, or PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 5 Fe 0 . A metal-air battery comprising a 5 O 5 +δ compound.
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