KR20220046029A - A transition metal boride composite, a method for manufacturing the same, and a catalyst for hydrogen generation reaction comprising the transition metal boride composite - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a transition metal boride composite, a method for preparing the same, and a catalyst for a hydrogenation evolution reaction including the transition metal boride composite. Particularly, a large amount of grain boundaries as catalytic active sites in a transition metal boride composite is formed with ease through nano-structuring by a simple process using hydrothermal synthesis and heat treatment. When applying the transition metal boride composite as a catalyst, it is possible to significantly improve the performance of a hydrogen evolution reaction. In addition, when using the transition metal boride composite according to the present invention as a catalyst, a non-noble metal is used instead of an expensive platinum catalyst to reduce the production cost. Further, the transition metal boride composite according to the present invention has excellent catalytic activity capable of substituting for the existing platinum catalyst, and thus can significantly improve the electrochemical performance.

Description

전이금속 붕화물 복합체, 이의 제조방법 및 상기 전이금속 붕화물 복합체를 포함하는 수소발생반응용 촉매{A transition metal boride composite, a method for manufacturing the same, and a catalyst for hydrogen generation reaction comprising the transition metal boride composite}A transition metal boride composite, a method for manufacturing the same, and a catalyst for hydrogen generation reaction comprising the transition metal boride complex composite}

본 발명은 전이금속 붕화물 복합체, 이의 제조방법 및 상기 전이금속 붕화물 복합체를 포함하는 수소발생반응용 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a transition metal boride complex, a method for preparing the same, and a catalyst for hydrogen evolution comprising the transition metal boride complex.

지구 온난화로 인한 환경문제가 심각해지고, 주원인인 화석연료의 연소과정에서 발생하는 질산화물, 황화물, 이산화탄소와 같은 유해 배출가스의 배출량 감축 정책이 범지구적으로 시행되고 있다. 또한 유한한 자원인 화석연료 기반 에너지 구조의 탈피는 불가피하다. 화석연료의 대체 에너지 시스템으로 각광받고 있는 여러 에너지 중 유해 배출가스가 없고 에너지 저장 및 연료로써 타 연료보다 중량 에너지 밀도가 높은 수소 에너지가 대체 에너지로 주목을 받고 있다. 최근 국내에서는 '수소경제 활성화 로드맵'을 발표하면서 수소 생산, 저장·운송, 활용 등 전반적인 수소 에너지의 개발 및 상용에 막대한 투자가 진행되고 있으며 기업과 정부의 수소 시장에 대한 관심이 확대되고 있다.Environmental problems due to global warming are getting serious, and policies to reduce emissions of harmful exhaust gases such as nitric oxide, sulfide, and carbon dioxide generated during the combustion of fossil fuels, the main cause, are being implemented globally. In addition, it is inevitable to break away from the fossil fuel-based energy structure, which is a finite resource. Among various energies that are spotlighted as an alternative energy system for fossil fuels, hydrogen energy, which has no harmful exhaust gas and has a higher weight energy density than other fuels as energy storage and fuel, is attracting attention as an alternative energy. Recently, as the 'hydrogen economy revitalization roadmap' was announced in Korea, huge investments are being made in the overall development and commercialization of hydrogen energy such as hydrogen production, storage, transportation, and utilization, and the interest in the hydrogen market of companies and governments is increasing.

현재 97%의 수소 생산은 천연가스 증기개질을 통해 생산된다. 석유화학공정 대비 수전해 방식은 상대적으로 고비용의 전기 에너지가 필요하며, 가격 경쟁력이 뒤쳐져 산업화되지 못하였다. 수전해 기술의 경제성이 저하된 원인은 높은 촉매 가격에 있다. 백금은 최고의 수소발생반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER) 촉매 물질로 알려진 물질은 높은 가격과 희소성을 가진 금속이나 매장량이 적고 값이 비싼 단점이 있다. 이에 백금을 대체할 수 있는 저가의 고성능 촉매 개발이 시급하다. Currently, 97% of hydrogen production comes from natural gas steam reforming. Compared to the petrochemical process, the water electrolysis method requires relatively high-cost electric energy and has not been industrialized due to its inferior price competitiveness. The reason that the economic feasibility of water electrolysis technology has deteriorated is the high catalyst price. Platinum is known as the best Hydrogen Evolution Reaction (HER) catalyst material. It is a metal with a high price and scarcity, but has a disadvantage in that it has a small amount of reserves and is expensive. Therefore, it is urgent to develop a low-cost, high-performance catalyst that can replace platinum.

백금과 같은 귀금속을 대체하기 위한 소재로 대부분의 연구는 인화물, 황화물, 탄화물 등에 집중되고 있으나, 높은 전기전도도, 내구성, 낮은 가격 등으로 백금 대체제로의 가능성이 있는 전이금속 기반 붕화물에 대한 연구는 아직까지 미비한 실정이다. As a material for replacing precious metals such as platinum, most research has been focused on phosphide, sulfide, and carbide. It is still unclear.

한편, 나노 구조화를 통해 생긴 결정입계에서는 촉매의 전자구조가 변형되고 활성점으로 작용한다. 최근에는 결정입계의 농도가 CO2RR의 성능과 비례하여 결과적으로 결정입계가 성능향상에 도움을 준다는 연구가 발표되기도 하였으나, 다량의 결정입계를 쉽게 합성하는 방법에 대해서는 여전히 해결과제로 남아있다. On the other hand, the electronic structure of the catalyst is deformed at the grain boundary generated through nano-structuring and acts as an active site. Recently, studies have been published that the concentration of grain boundaries is proportional to the performance of CO 2 RR, and consequently, the grain boundaries help to improve the performance.

한국공개특허 제2019-0055673호Korean Patent Publication No. 2019-0055673

상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 수열 합성 및 열처리를 이용한 간단한 공정으로 나노 구조화를 통해 수소발생반응에 효율적인 다량의 결정입계들이 형성된 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention is to provide a method for producing a transition metal boride composite in which a large amount of crystal grain boundaries are formed efficiently for hydrogen generation reaction through nano-structuring in a simple process using hydrothermal synthesis and heat treatment. do.

또한 본 발명은 다량의 결정입계들이 형성된 전이금속 붕화물 복합체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a transition metal boride composite in which a large amount of grain boundaries are formed.

또한 본 발명은 상기 전이금속 붕화물 복합체를 포함하여 촉매 활성이 현저히 향상된 수소발생반응용 촉매를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a catalyst for hydrogen generation reaction with significantly improved catalytic activity, including the transition metal boride complex.

또한 본 발명은 상기 수소발생반응용 촉매를 포함하는 전극을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide an electrode including the catalyst for hydrogen evolution.

또한 본 발명은 상기 전극, 상대전극, 및 전해질 또는 이온화액체를 포함하는 수소발생장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a hydrogen generator including the electrode, the counter electrode, and an electrolyte or ionized liquid.

본 발명은 기판, 제1 전이금속 전구체 및 제2 전이금속 전구체를 수열 합성 반응기에 넣고, 수열 합성하여 상기 기판 상에 제1 전이금속 및 제2 전이금속을 포함하는 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 성장시키는 단계; 및 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체가 성장된 기판 상에 붕소 전구체를 투입하고, 불활성 가스 분위기 하에 열처리하여 복수개의 결정입계가 형성된 전이금속 붕화물 복합체를 형성하는 단계;를 포함하는 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법을 제공한다.The present invention puts a substrate, a first transition metal precursor, and a second transition metal precursor in a hydrothermal synthesis reactor, and hydrothermal synthesis to grow a transition metal composite oxide nanostructure including a first transition metal and a second transition metal on the substrate making; and a step of forming a transition metal boride composite having a plurality of grain boundaries formed by injecting a boron precursor on the substrate on which the transition metal composite oxide nanostructure is grown, and heat-treating it in an inert gas atmosphere. It provides a manufacturing method of

상기 제1 전이금속 전구체는 니켈, 텅스텐, 철, 구리 및 주석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함하는 화합물일 수 있다.The first transition metal precursor may be a compound including at least one transition metal selected from the group consisting of nickel, tungsten, iron, copper and tin.

상기 제1 전이금속 전구체는 니켈 전구체이고, 상기 니켈 전구체는 질산니켈(Ⅱ) 6수화물(nickel nitrate hexahydrate, NiNO3ㅇ6H2O), 니켈 아세테이트(Nickel acetate, Ni(OCOCH3)2ㅇ4H2O) 및 니켈 클로라이드(Nickel chloride, NiCl2ㅇ6H2O)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The first transition metal precursor is a nickel precursor, and the nickel precursor is nickel nitrate hexahydrate (NiNO 3 o 6H 2 O), nickel acetate (Nickel acetate, Ni(OCOCH 3 ) 2 o 4H 2 O) and nickel chloride (Nickel chloride, NiCl 2 o 6H 2 O) may be at least one selected from the group consisting of.

상기 제2 전이금속 전구체는 몰리브덴, 팔라듐, 루테늄, 코발트, 이리듐 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함하는 화합물일 수 있다.The second transition metal precursor may be a compound including one or more transition metals selected from the group consisting of molybdenum, palladium, ruthenium, cobalt, iridium and titanium.

상기 제2 전이금속 전구체는 몰리브덴 전구체이고, 상기 몰리브덴 전구체는 몰리브데산나트륨(NaMoO4), 몰리브데산암모늄((NH4)6Mo7O24ㅇH2O), 몰리브데산리튬(Li2MoO4), 몰리브데산칼슘(CaMoO4), 몰리브데산칼륨(K2MoO4) 및 몰리브데늄 옥시테트라클로라이트(MoOCl4)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The second transition metal precursor is a molybdenum precursor, and the molybdenum precursor is sodium molybdate (NaMoO 4 ), ammonium molybdate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 ㅇH 2 O), lithium molybdate (Li) 2 MoO 4 ), calcium molybdate (CaMoO 4 ), potassium molybdate (K 2 MoO 4 ), and molybdenum oxytetrachlorite (MoOCl 4 ) It may be at least one selected from the group consisting of.

상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체는 제1 전이금속 전구체 및 제2 전이금속 전구체가 1:9 내지 9:1 중량비로 혼합된 것일 수 있다.The transition metal composite oxide nanostructure may be a mixture of a first transition metal precursor and a second transition metal precursor in a weight ratio of 1:9 to 9:1.

상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체는 나노로드, 나노입자, 나노벽 및 나노큐브로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 형태로 성장한 것일 수 있다.The transition metal composite oxide nanostructure may be grown in any one form selected from the group consisting of nanorods, nanoparticles, nanowalls and nanocubes.

상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 성장시키는 단계에서 수열 합성은 110 내지 230 ℃의 온도에서 2 내지 8 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.In the step of growing the transition metal composite oxide nanostructure, the hydrothermal synthesis may be performed at a temperature of 110 to 230 °C for 2 to 8 hours.

상기 붕소 전구체는 붕소 원소, 질화붕소 및 삼할로겐화 붕소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The boron precursor may be at least one selected from the group consisting of elemental boron, boron nitride, and boron trihalide.

상기 불활성 가스는 아르곤, 질소, 수소, 헬륨, 제논, 크립톤 및 네온으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The inert gas may be any one selected from the group consisting of argon, nitrogen, hydrogen, helium, xenon, krypton, and neon.

상기 전이금속 붕화물 복합체를 제조하는 단계에서 열처리는 5 ℃/min의 속도로 승온시켜 700 내지 1200 ℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 수행하는 것일 수 있다.In the step of preparing the transition metal boride composite, the heat treatment may be performed at a temperature of 700 to 1200 °C for 1 to 5 hours by increasing the temperature at a rate of 5 °C/min.

상기 전이금속 붕화물 복합체를 형성하는 단계는 열처리에 의해 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 전이금속 복합 나노시트로 전환시키고, 상기 전이금속 복합 나노시트와 붕소의 결합에 의해 전이금속 붕화물 복합체를 형성하는 것일 수 있다.In the forming of the transition metal boride composite, the transition metal composite oxide nanostructure is converted into a transition metal composite nanosheet by heat treatment, and a transition metal boride composite is formed by bonding the transition metal composite nanosheet with boron. may be doing

상기 전이금속 붕화물 복합체는, 상기 전이금속 복합 나노시트의 제1 전이금속과 제1 붕소가 결합된 제1 붕화물 결정입자; 및 상기 전이금속 복합 나노시트의 제2 전이금속과 제2 붕소가 결합된 제2 붕화물 결정입자;를 포함하고, 상기 제1 붕화물 결정입자 및 제2 붕화물 결정입자 사이사이에 복수개의 결정입계가 형성된 것일 수 있다.The transition metal boride composite may include: a first boride crystal particle in which a first transition metal and a first boron of the transition metal composite nanosheet are bonded; and a second boride crystal particle in which a second transition metal and a second boron of the transition metal composite nanosheet are bonded, and a plurality of crystals between the first boride crystal particle and the second boride crystal particle. A grain boundary may be formed.

상기 전이금속 붕화물 복합체는 전이금속 붕화물 복합체 총 중량을 기준으로 붕소 입자 5 내지 15 중량%를 포함할 수 있다.The transition metal boride composite may include 5 to 15 wt% of boron particles based on the total weight of the transition metal boride composite.

상기 제1 전이금속 전구체는 질산니켈(Ⅱ) 6수화물(nickel nitrate hexahydrate, NiNO3·6H2O)이고, 상기 제2 전이금속 전구체는 몰리브데산나트륨(NaMoO4)이고, 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체는 제1 전이금속 전구체 및 제2 전이금속 전구체가 5:5 내지 7:3 중량비로 혼합된 것이고, 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체는 나노로드 형태로 성장하는 것이고, 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 성장시키는 단계에서 수열 합성은 150 내지 170 ℃의 온도에서 5.5 내지 6.5 시간 동안 수행하고, 상기 붕소 전구체는 붕소 원소이고, 상기 불활성 가스는 아르곤이고, 상기 전이금속 붕화물 복합체는 Ni3B/MoB 복합체이고, 상기 전이금속 붕화물 복합체는 전이금속 붕화물 복합체 총 중량을 기준으로 붕소 입자 8 내지 13 중량%를 포함하고, 상기 전이금속 붕화물 복합체를 제조하는 단계에서 열처리는 5 ℃/min의 속도로 승온시켜 880 내지 920 ℃의 온도에서 2.5 내지 3.5 시간 동안 수행할 수 있다.The first transition metal precursor is nickel nitrate hexahydrate (nickel nitrate hexahydrate, NiNO 3 ·6H 2 O), the second transition metal precursor is sodium molybdate (NaMoO 4 ), the transition metal composite oxide The nanostructure is a mixture of the first transition metal precursor and the second transition metal precursor in a weight ratio of 5:5 to 7:3, and the transition metal composite oxide nanostructure is grown in the form of a nanorod, and the transition metal composite oxide nano In the step of growing the structure, hydrothermal synthesis is performed at a temperature of 150 to 170 ° C. for 5.5 to 6.5 hours, the boron precursor is elemental boron, the inert gas is argon, and the transition metal boride complex is Ni 3 B / It is a MoB composite, and the transition metal boride composite includes 8 to 13 wt% of boron particles based on the total weight of the transition metal boride composite, and the heat treatment in the step of preparing the transition metal boride composite is 5 ° C./min. It can be carried out for 2.5 to 3.5 hours at a temperature of 880 to 920 °C by increasing the temperature at a rate.

또한 본 발명은 제1 전이금속 및 제2 전이금속을 포함하는 전이금속 복합 나노시트; 상기 전이금속 복합 나노시트의 제1 전이금속과 제1 붕소가 결합된 제1 붕화물 결정입자; 및 상기 전이금속 복합 나노시트의 제2 전이금속과 제2 붕소가 결합된 제2 붕화물 결정입자;를 포함하는 전이금속 붕화물 복합체로, 상기 전이금속 붕화물 복합체는 상기 제1 붕화물 결정입자 및 제2 붕화물 결정입자 사이사이에 복수개의 결정입계가 형성된 것인 전이금속 붕화물 복합체를 제공한다.In addition, the present invention is a transition metal composite nanosheet comprising a first transition metal and a second transition metal; a first boride crystal particle in which a first transition metal and a first boron of the transition metal composite nanosheet are combined; and a second boride crystal particle in which a second transition metal and a second boron of the transition metal composite nanosheet are bonded; as a transition metal boride complex comprising, the transition metal boride composite is the first boride crystal particle And it provides a transition metal boride composite that a plurality of grain boundaries are formed between the second boride crystal grains.

상기 전이금속 복합 나노시트는 제1 전이금속 및 제2 전이금속이 1:9 내지 9:1 중량비로 혼합된 혼합물일 수 있다.The transition metal composite nanosheet may be a mixture in which the first transition metal and the second transition metal are mixed in a weight ratio of 1:9 to 9:1.

상기 제1 전이금속은 니켈, 텅스텐, 철, 구리 및 주석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The first transition metal may be at least one selected from the group consisting of nickel, tungsten, iron, copper, and tin.

상기 제2 전이금속은 몰리브덴, 팔라듐, 루테늄, 코발트, 이리듐 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The second transition metal may be at least one selected from the group consisting of molybdenum, palladium, ruthenium, cobalt, iridium and titanium.

상기 전이금속 복합 나노시트는 니켈몰리브덴 복합 나노시트일 수 있다.The transition metal composite nanosheet may be a nickel molybdenum composite nanosheet.

상기 제1 붕화물 결정입자는 Ni3B이고, 상기 제2 붕화물 결정입자는 MoB일 수 있다.The first boride crystal grains may be Ni 3 B, and the second boride crystal grains may be MoB.

상기 붕소 입자는 전이금속 붕화물 복합체 총 중량을 기준으로 5 내지 15 중량%를 포함할 수 있다.The boron particles may include 5 to 15% by weight based on the total weight of the transition metal boride composite.

또한 본 발명은 상기 전이금속 붕화물 복합체를 포함하는 수소발생반응용 촉매를 제공한다.The present invention also provides a catalyst for hydrogen evolution comprising the transition metal boride complex.

또한 본 발명은 상기 수소발생반응용 촉매를 포함하는 전극을 제공한다.In addition, the present invention provides an electrode comprising the catalyst for the hydrogen generation reaction.

또한 본 발명은 상기 전극, 상대전극, 및 전해질 또는 이온화액체를 포함하는 수소발생장치를 제공한다.The present invention also provides a hydrogen generator including the electrode, the counter electrode, and an electrolyte or ionized liquid.

본 발명의 전이금속 붕화물 복합체는 수열 합성 및 열처리를 이용한 간단한 공정으로 나노 구조화를 통해 전이금속 붕화물 복합체 내 촉매 활성점인 결정입계들을 손쉽게 다량 형성함으로써 이를 촉매로 적용 시 수소발생반응 성능을 현저히 향상시킬 수 있다. The transition metal boride composite of the present invention is a simple process using hydrothermal synthesis and heat treatment, and through nano-structuring, it easily forms a large amount of crystal grain boundaries, which are catalyst active points in the transition metal boride composite, so that when applied as a catalyst, the hydrogen generation reaction performance is significantly improved. can be improved

또한 본 발명의 전이금속 붕화물 복합체는 촉매로 적용 시 고가의 백금 촉매 대신 비귀금속계 금속을 사용함으로 인해 제조원가를 절감할 수 있으며, 기존 백금 촉매를 대체 가능한 우수한 촉매 활성을 가져 전기화학적 성능을 현저히 향상시킬 수 있다. In addition, when applied as a catalyst, the transition metal boride composite of the present invention can reduce manufacturing cost by using a non-noble metal-based metal instead of an expensive platinum catalyst, and has excellent catalytic activity that can replace the existing platinum catalyst, thereby significantly improving electrochemical performance can be improved

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.

도 1은 본 발명에 따른 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 상기 실시예 2에서 제조된 Ni3B/MoB 복합체의 TEM 이미지(a)이다.
도 3은 상기 실시예 2에서 제조된 Ni3B/MoB 복합체의 STEM 이미지와 상응하는 EDX 원소 맵핑(elements mapping)(b) 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 상기 실시예 2에서 제조된 Ni3B/MoB 복합체의 HR-TEM 이미지(c)이다.
도 5는 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 전이금속 붕화물 복합체와 백금 포일(Pt foil)을 촉매로 이용하였을 때 0.5M H2SO4에서 측정한 HER 성능 결과를 나타낸 분극곡선(a)과 Tafel slope(b)이다.
도 6은 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 전이금속 붕화물 복합체와 백금 포일(Pt foil)을 촉매로 이용하였을 때 과전압 150 mV에서 EIS plot(a) 및 스캔 속도에 대한 충전 전류 밀도 차이(b)를 나타낸 것이다.
도 7은 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 전이금속 붕화물 복합체를 촉매로 이용하였을 때 일정한 10mA cm-2 전류 밀도에서의 안정성 곡선을 나타낸 것이다.
1 is a schematic view schematically showing a method for manufacturing a transition metal boride composite according to the present invention.
2 is a TEM image (a) of the Ni 3 B/MoB composite prepared in Example 2.
Figure 3 shows the STEM image of the Ni 3 B / MoB composite prepared in Example 2 and the corresponding EDX element mapping (element mapping) (b) results.
4 is a HR-TEM image (c) of the Ni 3 B/MoB composite prepared in Example 2.
5 is a polarization curve showing the HER performance results measured in 0.5MH 2 SO 4 when the transition metal boride composite prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 and platinum foil were used as catalysts ( a) and Tafel slope(b).
6 is an EIS plot (a) and charging current for scan speed at an overvoltage of 150 mV when the transition metal boride composite and Pt foil prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were used as catalysts; FIG. The density difference (b) is shown.
7 shows a stability curve at a constant 10mA cm -2 current density when the transition metal boride composites prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were used as catalysts.

이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of one embodiment.

본 발명은 전이금속 붕화물 복합체, 이의 제조방법 및 상기 전이금속 붕화물 복합체를 포함하는 수소발생반응용 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a transition metal boride complex, a method for preparing the same, and a catalyst for hydrogen evolution comprising the transition metal boride complex.

본 발명에서 결정입계(Grain boundary)는 서로 다른 결정 방향을 갖는 결정 사이에 존재하는 경계면을 의미한다. In the present invention, a grain boundary refers to an interface existing between crystals having different crystal directions.

백금은 수소발생반응에서 최고의 성능을 나타내지만 매장량이 적고 값이 비싸다는 단점이 있어 백금 대체재로 비귀금속 촉매에 대한 연구가 진행되고 있으나, 연구되고 있는 대부분의 비귀금속 촉매들은 성능적인 한계를 지니고 있다. Although platinum shows the best performance in the hydrogen evolution reaction, it has a disadvantage of small reserves and high price. .

이에 본 발명에서는 값비싼 백금 촉매를 대체하면서도 촉매 성능이 향상된 새로운 소재로서, 2종의 전이금속 전구체를 수열 합성하여 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 성장시키고, 성장된 나노구조체 상에 붕소 전구체를 투입한 후 열처리하여 전이금속 붕화물 복합체를 제조함으로써 2종의 전이금속이 각각 붕화물 결정입자를 형성하여 이들 결정입자들 사이사이에 촉매 활성점으로 작용하는 결정입계들을 다량 형성하여 비귀금속 촉매의 성능을 현저히 개선하였다. Accordingly, in the present invention, as a new material with improved catalytic performance while replacing the expensive platinum catalyst, a transition metal composite oxide nanostructure is grown by hydrothermal synthesis of two transition metal precursors, and a boron precursor is introduced on the grown nanostructure. After heat treatment to prepare a transition metal boride composite, the two transition metals each form boride crystal grains, and between these crystal grains, a large amount of grain boundaries acting as catalyst active sites are formed to improve the performance of the non-noble metal catalyst. significantly improved.

이러한 본 발명의 전이금속 붕화물 복합체는 수열 합성 및 열처리를 이용한 간단한 공정으로 나노 구조화를 통해 전이금속 붕화물 복합체 내 촉매 활성점인 결정입계들을 손쉽게 다량 형성함으로써 이를 촉매로 적용 시 수소발생반응 성능을 현저히 향상시킬 수 있다. 또한 고가의 백금 촉매 대신 비귀금속계 금속을 사용함으로써 제조원가를 절감할 수 있으며, 기존 백금 촉매를 대체 가능한 우수한 촉매 활성을 가져 전기화학적 성능을 현저히 향상시킬 수 있다. The transition metal boride composite of the present invention is a simple process using hydrothermal synthesis and heat treatment to easily form large amounts of crystal grain boundaries, which are catalyst active points in the transition metal boride composite, through nano-structuring, and when applied as a catalyst, hydrogen generation reaction performance is improved. can be significantly improved. In addition, by using a non-noble metal-based metal instead of an expensive platinum catalyst, the manufacturing cost can be reduced, and the electrochemical performance can be significantly improved by having excellent catalytic activity that can replace the existing platinum catalyst.

구체적으로 본 발명의 일 측면은, 기판, 제1 전이금속 전구체 및 제2 전이금속 전구체를 수열 합성 반응기에 넣고, 수열 합성하여 상기 기판 상에 제1 전이금속 및 제2 전이금속을 포함하는 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 성장시키는 단계(S1); 및 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체가 성장된 기판 상에 붕소 전구체를 투입하고, 불활성 가스 분위기 하에 열처리하여 복수개의 결정입계가 형성된 전이금속 붕화물 복합체를 형성하는 단계(S2);를 포함하는 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법을 제공한다.Specifically, in one aspect of the present invention, a substrate, a first transition metal precursor, and a second transition metal precursor are put in a hydrothermal synthesis reactor, and the transition metal containing the first transition metal and the second transition metal is performed on the substrate by hydrothermal synthesis. Growing a composite oxide nanostructure (S1); and a step (S2) of forming a transition metal boride composite having a plurality of grain boundaries formed by injecting a boron precursor on the substrate on which the transition metal composite oxide nanostructure is grown, and heat-treating it under an inert gas atmosphere. A method for preparing a boride composite is provided.

도 1은 본 발명에 따른 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 상기 도 1을 참조하면, 수열 합성법에 의해 기판 상에 2종의 전이금속을 포함한 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 성장시키고, 상기 나노구조체 상에 붕소 분말을 투입한 후 열처리함으로써 전이금속 복합 나노시트와 붕소 입자의 결합에 의해 전이금속 붕화물 복합체가 형성된 것을 보여준다. 상기 전이금속 붕화물 복합체는 2종의 전이금속들이 각각 붕화물 결정입자를 형성하고, 이들 결정입자들 사이에 활성점으로 작용하는 결정입계들이 복수개로 형성된 것을 확인할 수 있다. 1 is a schematic view schematically showing a method for manufacturing a transition metal boride composite according to the present invention. 1, a transition metal composite nanosheet and a transition metal composite nanosheet by growing a transition metal composite oxide nanostructure including two transition metals on a substrate by a hydrothermal synthesis method, adding boron powder on the nanostructure, and then heat-treating the nanostructure It shows that a transition metal boride complex is formed by bonding of boron particles. In the transition metal boride composite, it can be seen that two types of transition metals form boride crystal grains, respectively, and a plurality of grain boundaries acting as active points are formed between these crystal grains.

이하, 각 단계별로 도 1을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, each step will be described in detail with reference to FIG. 1 .

(S1) 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 성장시키는 단계(S1) growing a transition metal composite oxide nanostructure

상기 (S1) 단계는 기판, 제1 전이금속 전구체 및 제2 전이금속 전구체를 수열 합성 반응기에 넣고, 수열 합성하여 상기 기판 상에 제1 전이금속 및 제2 전이금속을 포함하는 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 성장시킬 수 있다.In the step (S1), the substrate, the first transition metal precursor and the second transition metal precursor are put in a hydrothermal synthesis reactor, and the transition metal composite oxide nano containing the first transition metal and the second transition metal is synthesized on the substrate by hydrothermal synthesis. structures can be grown.

상기 기판은 니켈폼일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 기판이 니켈폼일 경우, 니켈폼을 염산(HCl)에 담궈 표면에 존재하는 니켈 산화물을 제거하는 공정을 수행할 수 있다. 이는 대기 중 공기에 오래 노출된 니켈 폼은 표면에 비활성의 니켈 산화물막이 생성되며, 불순물이 붙기도 한다. 이에 상기 니켈 폼을 염산으로 에칭하면 표면의 비활성 산화물막 및 불순물이 제거되면서, 표면이 거칠어져 전이금속 복합 산화물 나노구조체가 좀 더 쉽게 형성될 수 있고, 모서리와 모퉁이가 생성될 수 있다.The substrate may be nickel foam, but is not limited thereto. When the substrate is nickel foam, a process of removing nickel oxide present on the surface may be performed by immersing the nickel foam in hydrochloric acid (HCl). This creates an inactive nickel oxide film on the surface of nickel foam exposed to air for a long time, and impurities may adhere to it. Accordingly, when the nickel foam is etched with hydrochloric acid, the inactive oxide film and impurities on the surface are removed, and the surface is roughened so that a transition metal composite oxide nanostructure can be formed more easily, and corners and corners can be created.

상기 제1 전이금속 전구체는 촉매 활성 및 붕소 전구체와 결합력이 우수한 금속을 사용하는 것이 좋으며, 구체적으로 니켈, 텅스텐, 철, 구리 및 주석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함하는 화합물일 수 있고, 바람직하게는 니켈 전구체, 텅스텐 전구체, 주석 전구체 또는 이들이 혼합물일 수 있다. 가장 바람직하게는 니켈 전구체일 수 있다.It is preferable to use a metal having excellent catalytic activity and bonding strength with the boron precursor as the first transition metal precursor, and specifically, it may be a compound containing at least one transition metal selected from the group consisting of nickel, tungsten, iron, copper and tin. and preferably a nickel precursor, a tungsten precursor, a tin precursor, or a mixture thereof. Most preferably, it may be a nickel precursor.

상기 니켈 전구체는 질산니켈(Ⅱ) 6수화물(nickel nitrate hexahydrate, NiNO3ㅇ6H2O), 니켈 아세테이트(Nickel acetate, Ni(OCOCH3)2ㅇ4H2O) 및 니켈 클로라이드(Nickel chloride, NiCl2ㅇ6H2O)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 질산니켈(Ⅱ) 6수화물, 니켈 아세테이트 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 질산니켈(Ⅱ) 6수화물을 사용할 수 있다. 상기 니켈 전구체로 질산니켈(Ⅱ) 6수화물을 사용할 경우 다른 니켈 전구체들에 비해 전이금속 복합 산화물 나노구조체가 잘 형성되어 높은 표면적을 유지하는 전이금속 붕화물을 생성시킬 수 있다. The nickel precursor is nickel nitrate hexahydrate (nickel nitrate hexahydrate, NiNO 3 o 6H 2 O), nickel acetate (Nickel acetate, Ni(OCOCH 3 ) 2 o 4H 2 O) and nickel chloride (Nickel chloride, NiCl 2 It may be at least one selected from the group consisting of ㅇ6H 2 O). Preferably, nickel(II) nitrate hexahydrate, nickel acetate, or a mixture thereof may be used, and most preferably, nickel(II) nitrate hexahydrate may be used. When nickel(II) nitrate hexahydrate is used as the nickel precursor, a transition metal complex oxide nanostructure is formed better than other nickel precursors, and thus a transition metal boride maintaining a high surface area can be generated.

상기 제2 전이금속 전구체는 촉매 활성 및 붕소 전구체와 결합력이 우수한 금속을 사용하는 것이 좋으며, 구체적으로 몰리브덴, 팔라듐, 루테늄, 코발트, 이리듐 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함하는 화합물일 수 있고, 바람직하게는 몰리브덴 전구체, 코발트 전구체 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 몰리브덴 전구체일 수 있다.It is preferable to use a metal having excellent catalytic activity and bonding strength with the boron precursor as the second transition metal precursor, and specifically, a compound containing at least one transition metal selected from the group consisting of molybdenum, palladium, ruthenium, cobalt, iridium and titanium may be, preferably a molybdenum precursor, a cobalt precursor, or a mixture thereof, and most preferably a molybdenum precursor.

상기 몰리브덴 전구체는 몰리브데산나트륨(NaMoO4), 몰리브데산암모늄((NH4)6Mo7O24ㅇH2O), 몰리브데산리튬(Li2MoO4), 몰리브데산칼슘(CaMoO4), 몰리브데산칼륨(K2MoO4) 및 몰리브데늄 옥시테트라클로라이트(MoOCl4)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 몰리브데산나트륨(NaMoO4), 몰리브데산암모늄((NH4)6Mo7O24ㅇH2O) 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 몰리브데산나트륨(NaMoO4)을 사용할 수 있다. The molybdenum precursor is sodium molybdate (NaMoO 4 ), ammonium molybdate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 ㅇH 2 O), lithium molybdate (Li 2 MoO 4 ), calcium molybdate (CaMoO) 4 ), potassium molybdate (K 2 MoO 4 ), and molybdenum oxytetrachlorite (MoOCl 4 ) It may be at least one selected from the group consisting of. Preferably it may be sodium molybdate (NaMoO 4 ), ammonium molybdate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 oH 2 O) or a mixture thereof, most preferably sodium molybdate (NaMoO 4 ) ) can be used.

상기한 바와 같이, 상기 제1 전이금속 전구체 및 제2 전이금속 전구체는 각각 붕소 전구체와 결합하여 2종의 붕화물 결정입자를 형성하게 되고, 각 붕화물 결정입자들은 각각 고유의 결정상으로 성장하여 서로 다른 결정입계를 가짐으로써 촉매반응 시 촉매 활성의 우수한 시너지 효과를 얻을 수 있다. 만일 1종의 전이금속 전구체만을 단독 사용할 경우 1종의 붕화물 결정입자와 결정입계만 성장하기 때문에 2종의 붕화물 결정입자들이 갖는 촉매 활성의 시너지 효과가 충분히 발휘되지 못할 수 있다. As described above, the first transition metal precursor and the second transition metal precursor are respectively combined with the boron precursor to form two kinds of boride crystal grains, and each boride crystal grains grow into their own crystal phases to each other. By having different grain boundaries, an excellent synergistic effect of catalytic activity can be obtained during catalysis. If only one type of transition metal precursor is used alone, since only one type of boride crystal grain and the grain boundary grow, the synergistic effect of the catalytic activity of the two types of boride crystal grains may not be sufficiently exhibited.

상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체는 제1 전이금속 전구체 및 제2 전이금속 전구체가 3:7 내지 8:2 중량비, 더욱 바람직하게는 5:5 내지 7:3 중량비, 가장 바람직하게는 6:4 중량비로 혼합된 것일 수 있다. 이때, 상기 혼합비율을 만족하지 않으면 전이금속 복합 산화물 나노구조체가 불규칙하게 성장할 수 있고, 그 형태도 일정하지 않아 결과적으로 전이금속 붕화물 복합체가 제대로 형성되지 않을 수 있다. In the transition metal composite oxide nanostructure, the first transition metal precursor and the second transition metal precursor are in a weight ratio of 3:7 to 8:2, more preferably 5:5 to 7:3 by weight, most preferably 6:4 by weight. may be mixed with At this time, if the mixing ratio is not satisfied, the transition metal composite oxide nanostructure may grow irregularly, and the shape is not uniform, and consequently, the transition metal boride composite may not be properly formed.

상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체는 비표면적을 증대시켜 촉매 활성영역을 향상시키기 위해 상기 기판 상에 일정간격 및 일정크기로 규칙적으로 배열되어 0차원 내지 3차원 구조로 성장한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The transition metal composite oxide nanostructure may be one grown in a 0-dimensional to 3-dimensional structure by being regularly arranged at regular intervals and at a predetermined size on the substrate in order to increase the specific surface area to improve the catalytic active region, but is limited thereto not.

상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체의 구체적인 형태로는 나노로드, 나노입자, 나노벽 및 나노큐브로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 형태로 성장한 것일 수 있다. 바람직하게는 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체가 나노로드 또는 나노시트 형태로 성장할 수 있고, 가장 바람직하게는 나노로드 형태로 성장할 수 있다. 예를 들어, 상기 0차원 구조는 상기 나노입자 형태를 의미하는 것일 수 있고, 상기 1차원 구조는 상기 나노로드 형태를 의미하는 것일 수 있고, 상기 2차원 구조는 상기 나노시트 또는 나노벽 형태를 의미하는 것일 수 있고, 상기 3차원 구조는 나노큐브 형태를 의미하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.As a specific form of the transition metal composite oxide nanostructure, it may be grown in any one form selected from the group consisting of nanorods, nanoparticles, nanowalls, and nanocubes. Preferably, the transition metal composite oxide nanostructure may grow in the form of nanorods or nanosheets, and most preferably grow in the form of nanorods. For example, the 0-dimensional structure may mean the form of the nanoparticle, the one-dimensional structure may mean the form of the nanorod, and the two-dimensional structure may mean the form of the nanosheet or nanowall. and the three-dimensional structure may mean a nanocube shape, but is not limited thereto.

상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 성장시키는 단계에서 수열 합성은 110 내지 230 ℃의 온도에서 2 내지 8 시간 동안 수행할 수 있다. 바람직하게는 130 내지 190 ℃의 온도에서 4 내지 7 시간 동안 수행할 수 있고, 가장 바람직하게는 150 내지 170 ℃의 온도에서 5.5 내지 6.5 시간 동안 수행할 수 있다. 이때, 상기 수열 합성의 온도 및 시간조건이 상기 범위를 만족하지 않으면 전이금속 복합 산화물 나노구조체의 간격, 크기 및 형태가 일정하지 않고 불규칙할 수 있으며, 합성이 충분히 일어나지 않아 나노구조체로 성장하지 않을 수 있다. In the step of growing the transition metal composite oxide nanostructure, the hydrothermal synthesis may be performed at a temperature of 110 to 230 °C for 2 to 8 hours. Preferably, it may be carried out at a temperature of 130 to 190 °C for 4 to 7 hours, and most preferably at a temperature of 150 to 170 °C for 5.5 to 6.5 hours. At this time, if the temperature and time conditions of the hydrothermal synthesis do not satisfy the above ranges, the interval, size, and shape of the transition metal composite oxide nanostructure may not be constant and may be irregular, and the synthesis may not sufficiently occur and thus may not grow into a nanostructure. there is.

(S2) 전이금속 붕화물 복합체를 제조하는 단계(S2) preparing a transition metal boride composite

상기 (S2) 단계는 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체가 성장된 기판 상에 붕소 전구체를 투입하고, 불활성 가스 분위기 하에 열처리하여 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 전이금속 복합 나노시트로 변형시키고, 상기 전이금속 복합 나노시트는 붕소와 결합하여 복수개의 결정입계가 형성된 전이금속 붕화물 복합체를 형성할 수 있다. 특히, 상기 단계에서는 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체의 붕화 과정에서 기존의 나노구조체 형태는 깨지고 골고루 분포한 제1 전이금속 및 제2 전이금속이 각각 붕화물로 전환되면서 각각 붕화되는 속도가 다르고 결정구조가 달라서 상기 (S1) 단계의 나노구조체와 전혀 다른 형태의 나노시트가 생성될 수 있다.In the step (S2), a boron precursor is added on the substrate on which the transition metal composite oxide nanostructure is grown, and the transition metal composite oxide nanostructure is transformed into a transition metal composite nanosheet by heat treatment in an inert gas atmosphere, and the transition The metal composite nanosheet may be combined with boron to form a transition metal boride composite in which a plurality of grain boundaries are formed. In particular, in the above step, in the process of boring of the transition metal composite oxide nanostructure, the existing nanostructure form is broken, and the first transition metal and the second transition metal evenly distributed are converted to boride, respectively, and the rate of boronization is different, and the crystal structure is different. is different, so a nanosheet having a shape completely different from that of the nanostructure in step (S1) may be generated.

상기 붕소 전구체는 붕소 원소, 질화붕소 및 삼할로겐화 붕소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 붕소 원소, 질화붕소 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 붕소 원소일 수 있다.The boron precursor may be at least one selected from the group consisting of elemental boron, boron nitride and boron trihalide, preferably elemental boron, boron nitride, or a mixture thereof, and most preferably elemental boron.

상기 붕소 전구체로 붕소 원소를 사용할 경우 다른 붕소 전구체들에 비해 단가 낮아 제조원가 비용을 더욱 절감할 수 있고, 전기전도도 및 내구성을 보다 높일 수 있는 이점이 있다. 본 발명에서는 상기 전이금속 복합 나노시트에 상기 붕소 원소를 결합시켜 전이금속 붕화물 복합체를 형성함으로써 촉매 활성점을 향상시켜 백금 촉매의 대체재로 적용 가능한 이점이 있다. When elemental boron is used as the boron precursor, the unit cost is lower than that of other boron precursors, so that the manufacturing cost can be further reduced, and electrical conductivity and durability can be further improved. In the present invention, the catalytic active point is improved by bonding the boron element to the transition metal composite nanosheet to form a transition metal boride complex, and thus, there is an advantage that can be applied as a substitute for a platinum catalyst.

상기 불활성 가스는 아르곤, 질소, 수소, 헬륨, 제논, 크립톤 및 네온으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 아르곤, 질소 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 아르곤일 수 있다.The inert gas may be any one selected from the group consisting of argon, nitrogen, hydrogen, helium, xenon, krypton and neon, preferably argon, nitrogen, or a mixture thereof, and most preferably argon. .

상기 전이금속 붕화물 복합체를 제조하는 단계에서 열처리는 5 ℃/min의 속도로 승온시켜 700 내지 1200 ℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 수행할 수 있다. 바람직하게는 850 내지 950 ℃의 온도에서 2 내지 4시간 동안 수행할 수 있고, 가장 바람직하게는 880 내지 920 ℃의 온도에서 2.5 내지 3.5 시간 동안 수행할 수 있다. 이때, 상기 열처리 온도가 700 ℃ 미만이거나, 열처리 시간이 1 시간 미만이면 열처리가 충분히 이루어지지 않아 전이금속 붕화물 복합체가 제대로 형성되지 않을 수 있고, 반대로, 상기 열처리 온도가 1200 ℃ 초과이거나, 열처리 시간이 5 시간 초과이면 과도한 열처리로 인해 붕화물 결정입자가 열화로 일부 소실되거나 결정입계가 줄어들어 촉매 성능이 저하될 수 있다. In the step of preparing the transition metal boride composite, the heat treatment may be performed at a temperature of 700 to 1200 °C for 1 to 5 hours by raising the temperature at a rate of 5 °C/min. Preferably, it may be carried out at a temperature of 850 to 950 °C for 2 to 4 hours, and most preferably at a temperature of 880 to 920 °C for 2.5 to 3.5 hours. At this time, if the heat treatment temperature is less than 700 ° C or the heat treatment time is less than 1 hour, the heat treatment may not be sufficiently performed and the transition metal boride composite may not be properly formed. If this time exceeds 5 hours, some of the boride crystal grains are lost due to deterioration due to excessive heat treatment, or the grain boundaries are reduced, so that the catalyst performance may be deteriorated.

상기 전이금속 붕화물 복합체를 형성하는 단계는 열처리에 의해 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 전이금속 복합 나노시트로 전환시키고, 상기 전이금속 복합 나노시트와 붕소의 결합에 의해 전이금속 붕화물 복합체를 형성할 수 있다.In the forming of the transition metal boride composite, the transition metal composite oxide nanostructure is converted into a transition metal composite nanosheet by heat treatment, and a transition metal boride composite is formed by bonding the transition metal composite nanosheet with boron. can do.

상기 전이금속 붕화물 복합체는, 상기 전이금속 복합 나노시트의 제1 전이금속과 제1 붕소가 결합된 제1 붕화물 결정입자; 및 상기 전이금속 복합 나노시트의 제2 전이금속과 제2 붕소가 결합된 제2 붕화물 결정입자;를 포함하고, 상기 제1 붕화물 결정입자 및 제2 붕화물 결정입자 사이사이에 복수개의 결정입계가 형성된 것일 수 있다.The transition metal boride composite may include: a first boride crystal particle in which a first transition metal and a first boron of the transition metal composite nanosheet are bonded; and a second boride crystal particle in which a second transition metal and a second boron of the transition metal composite nanosheet are bonded, and a plurality of crystals between the first boride crystal particle and the second boride crystal particle. A grain boundary may be formed.

상기 전이금속 붕화물 복합체는 상기 전이금속 복합 나노시트에 함유된 2종의 전이금속들이 각각 붕소 입자와 결합에 의해 붕화물 결정입자들을 형성하고, 상기 결정입자들 사이에 결정입계가 복수개로 다량 형성된 구조를 가질 수 있다. 특히, 결정입계는 촉매 활성점으로 작용할 수 있기 때문에 같은 물질이여도 결정입계를 다량 가질 경우 촉매 성능을 크게 증가시킬 수 있다.In the transition metal boride composite, two types of transition metals contained in the transition metal composite nanosheet form boride crystal grains by bonding with boron particles, respectively, and a plurality of grain boundaries are formed in large quantities between the crystal grains. can have a structure. In particular, since grain boundaries can act as catalyst active sites, catalyst performance can be greatly increased when a large amount of grain boundaries are used even with the same material.

상기 전이금속 복합 나노시트는 니켈몰리브덴 복합 나노시트일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The transition metal composite nanosheet may be a nickel molybdenum composite nanosheet, but is not limited thereto.

상기 제1 붕화물 결정입자는 Ni3B 또는 W3B이고, 상기 제2 붕화물 결정입자는 MoB일 수 있다. 즉, 상기 전이금속 붕화물 복합체는 상기 니켈몰리브덴 복합 나노시트의 니켈 원자가 붕소와 반응하여 Ni3B 결정입자를 형성하고, 인접 몰리브덴 원자가 붕소와 반응하여 MoB 결정입자를 형성하여 합성된 Ni3B/MoB 복합체 또는 W3B/MoB 복합체일 수 있다. 이러한 상기 Ni3B/MoB 복합체 또는 W3B/MoB 복합체는 Ni3B 또는 W3B 결정입자와 MoB 결정입자 사이사이에 촉매 활성점으로 작용하는 복수개의 결정입계가 형성된 구조일 수 있다. The first boride crystal grains may be Ni 3 B or W 3 B, and the second boride crystal grains may be MoB. That is, the transition metal boride composite reacts with nickel valence boron of the nickel molybdenum composite nanosheet to form Ni 3 B crystal grains, and the adjacent molybdenum valence reacts with boron to form MoB crystal grains synthesized Ni 3 B / It may be a MoB complex or a W 3 B/MoB complex. The Ni 3 B/MoB composite or W 3 B/MoB composite may have a structure in which a plurality of grain boundaries acting as catalyst active points are formed between Ni 3 B or W 3 B crystal grains and MoB crystal grains.

상기 전이금속 붕화물 복합체는 전이금속 붕화물 복합체 총 중량을 기준으로 붕소 입자 5 내지 15 중량%, 바람직하게는 8 내지 13 중량%, 가장 바람직하게는 10 중량%를 포함할 수 있다. 이때, 상기 붕소 원자의 함량이 5 중량% 미만이면 촉매 활성점인 결정입계의 감소로 수소발생반응 촉매 활성이 현저히 저하될 수 있고, 반대로 15 중량% 초과이면 더 이상 향상된 촉매 성능을 기대할 수 없다.The transition metal boride composite may include 5 to 15% by weight of boron particles, preferably 8 to 13% by weight, and most preferably 10% by weight based on the total weight of the transition metal boride composite. At this time, if the content of the boron atoms is less than 5% by weight, the hydrogen generation reaction catalytic activity may be significantly reduced due to reduction of grain boundaries, which are catalyst active points, and, conversely, if it exceeds 15% by weight, improved catalytic performance can no longer be expected.

상기 전이금속 붕화물 복합체는 니켈 폼(Ni foam) 골격 표면 상에 Ni3B/MoB 복합체가 나노시트 형태로 성장한 구조일 수 있다.The transition metal boride composite may have a structure in which a Ni 3 B/MoB composite is grown in the form of a nanosheet on a surface of a Ni foam skeleton.

특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법에 있어서, 상기 각 성분의 종류 및 혼합비율, 단계별 열처리 온도 및 몰리브덴 탄화물 나노입자의 종류 조건을 달리하여 복합체를 제조하고, 이를 이용하여 수소발생반응용 촉매로 활용하여 수소발생장치를 형성한 후 통상의 방법에 의해 수소발생량 및 수소발생속도를 측정하였다.In particular, although not explicitly described in the following Examples or Comparative Examples, in the method for producing a transition metal boride composite according to the present invention, the type and mixing ratio of each component, the heat treatment temperature for each step, and the molybdenum carbide nanoparticles A complex was prepared under different types of conditions, and using it as a catalyst for a hydrogen generation reaction, a hydrogen generator was formed, and then the amount of hydrogen generated and the rate of hydrogen generation were measured by a conventional method.

그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래 조건을 모두 만족하였을 때 기존의 백금 촉매와는 달리 10분 내지 30분 동안 측정한 수소발생량 및 수소발생속도가 모두 현저하게 향상되었고, 촉매의 활성화 에너지가 낮아 촉매 성능이 현저하게 향상된 것을 확인하였다.As a result, unlike in other conditions and other numerical ranges, when all of the following conditions were satisfied, both the hydrogen generation amount and the hydrogen generation rate measured for 10 to 30 minutes were remarkably improved, unlike the conventional platinum catalyst, and the activation of the catalyst It was confirmed that the catalytic performance was remarkably improved due to the low energy.

① 상기 제1 전이금속 전구체는 질산니켈(Ⅱ) 6수화물(nickel nitrate hexahydrate, NiNO3ㅇ6H2O)이고, ② 상기 제2 전이금속 전구체는 몰리브데산나트륨(NaMoO4)이고, ③ 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체는 제1 전이금속 전구체 및 제2 전이금속 전구체가 5:5 내지 7:3 중량비로 혼합된 것이고, ④ 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체는 나노로드 형태로 성장하는 것이고, ⑤ 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 성장시키는 단계에서 수열 합성은 150 내지 170 ℃의 온도에서 5.5 내지 6.5 시간 동안 수행하고, ⑥ 상기 붕소 전구체는 붕소 원소이고, ⑦ 상기 불활성 가스는 아르곤이고, ⑧ 상기 전이금속 붕화물 복합체는 Ni3B/MoB 복합체이고, ⑨ 상기 전이금속 붕화물 복합체는 전이금속 붕화물 복합체 총 중량을 기준으로 붕소 입자 8 내지 13 중량%를 포함하고, ⑩ 상기 전이금속 붕화물 복합체를 제조하는 단계에서 열처리는 5 ℃/min의 속도로 승온시켜 880 내지 920 ℃의 온도에서 2.5 내지 3.5 시간 동안 수행할 수 있다.① The first transition metal precursor is nickel (II) nitrate hexahydrate (nickel nitrate hexahydrate, NiNO 3 o 6H 2 O), ② the second transition metal precursor is sodium molybdate (NaMoO 4 ), ③ the transition The metal composite oxide nanostructure is a mixture of the first transition metal precursor and the second transition metal precursor in a weight ratio of 5:5 to 7:3, ④ the transition metal composite oxide nanostructure is to grow in the form of a nanorod, ⑤ the above In the step of growing the transition metal composite oxide nanostructure, hydrothermal synthesis is performed at a temperature of 150 to 170 ° C. for 5.5 to 6.5 hours, ⑥ the boron precursor is boron element, ⑦ the inert gas is argon, ⑧ the transition metal The boride composite is a Ni 3 B/MoB composite, ⑨ the transition metal boride composite includes 8 to 13 wt% of boron particles based on the total weight of the transition metal boride composite, and ⑩ preparing the transition metal boride composite The heat treatment in the step may be performed at a temperature of 880 to 920 °C for 2.5 to 3.5 hours by raising the temperature at a rate of 5 °C / min.

다만, 상기 10 가지 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 수소발생량 및 수소발생 속도가 낮아 촉매 성능이 저조하였고, 이로 인해 전기화학적 성능 향상 효과를 기대할 수 없었다.However, when any one of the ten conditions was not satisfied, the amount of hydrogen generated and the rate of hydrogen generation were low, so that the catalyst performance was poor, and thus the effect of improving the electrochemical performance could not be expected.

또한, 본 발명의 다른 측면은, 제1 전이금속 및 제2 전이금속을 포함하는 전이금속 복합 나노시트; 상기 전이금속 복합 나노시트의 제1 전이금속과 제1 붕소가 결합된 제1 붕화물 결정입자; 및 상기 전이금속 복합 나노시트의 제2 전이금속과 제2 붕소가 결합된 제2 붕화물 결정입자;를 포함하는 전이금속 붕화물 복합체로, 상기 전이금속 붕화물 복합체는 상기 제1 붕화물 결정입자 및 제2 붕화물 결정입자 사이사이에 복수개의 결정입계가 형성된 것인 전이금속 붕화물 복합체를 제공한다.In addition, another aspect of the present invention, a transition metal composite nanosheet comprising a first transition metal and a second transition metal; a first boride crystal particle in which a first transition metal and a first boron of the transition metal composite nanosheet are combined; and a second boride crystal particle in which a second transition metal and a second boron of the transition metal composite nanosheet are bonded; as a transition metal boride complex comprising, the transition metal boride composite is the first boride crystal particle And it provides a transition metal boride composite that a plurality of grain boundaries are formed between the second boride crystal grains.

상기 전이금속 복합 나노시트는 제1 전이금속 및 제2 전이금속이 1:9 내지 9:1 중량비, 더욱 바람직하게는 5:5 내지 7:3 중량비, 가장 바람직하게는 6:4 중량비로 혼합된 것일 수 있다. In the transition metal composite nanosheet, the first transition metal and the second transition metal are mixed in a weight ratio of 1:9 to 9:1, more preferably 5:5 to 7:3, and most preferably 6:4. it could be

상기 제1 전이금속은 니켈, 텅스텐, 철, 구리 및 주석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 니켈, 텅스텐, 주석 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 니켈일 수 있다.The first transition metal may be at least one selected from the group consisting of nickel, tungsten, iron, copper and tin, preferably nickel, tungsten, tin, or a mixture thereof, and most preferably nickel .

상기 제2 전이금속은 몰리브덴, 팔라듐, 루테늄, 코발트, 이리듐 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 몰리브덴, 코발트 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 몰리브덴일 수 있다.The second transition metal may be at least one selected from the group consisting of molybdenum, palladium, ruthenium, cobalt, iridium and titanium, preferably molybdenum, cobalt, or a mixture thereof, and most preferably molybdenum. .

상기 전이금속 복합 나노시트는 니켈몰리브덴 복합 나노시트일 수 있다.The transition metal composite nanosheet may be a nickel molybdenum composite nanosheet.

상기 제1 붕화물 결정입자는 Ni3B이고, 상기 제2 붕화물 결정입자는 MoB일 수 있다. 즉, 상기 전이금속 붕화물 복합체는 Ni3B/MoB 복합체일 수 있다.The first boride crystal grains may be Ni 3 B, and the second boride crystal grains may be MoB. That is, the transition metal boride composite may be a Ni 3 B/MoB composite.

상기 전이금속 붕화물 복합체는 전이금속 붕화물 복합체 총 중량을 기준으로 붕소 입자 5 내지 15 중량%, 바람직하게는 8 내지 13 중량%, 가장 바람직하게는 10 중량%를 포함할 수 있다.The transition metal boride composite may include 5 to 15% by weight of boron particles, preferably 8 to 13% by weight, and most preferably 10% by weight based on the total weight of the transition metal boride composite.

또한 본 발명의 다른 측면은, 상기 전이금속 붕화물 복합체를 포함하는 수소발생반응용 촉매를 제공한다.In addition, another aspect of the present invention provides a catalyst for hydrogen evolution comprising the transition metal boride complex.

또한 본 발명의 다른 측면은, 상기 수소발생반응용 촉매를 포함하는 전극을 제공한다.In addition, another aspect of the present invention provides an electrode comprising the catalyst for the hydrogen generation reaction.

또한 본 발명의 다른 측면은, 상기 전극, 상대전극, 및 전해질 또는 이온화액체를 포함하는 수소발생장치를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a hydrogen generator including the electrode, the counter electrode, and an electrolyte or ionized liquid.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1: 전이금속 붕화물(NiExample 1: Transition metal boride (Ni) 33 B/MoB) 복합체 합성B/MoB) complex synthesis

재료성분ingredients

기판은 니켈폼(Nickel Foam, NF)(Kunshan Guangjiayuan new materials Co. Ltd.)을 사용하였고, 제1 전이금속 전구체로 질산니켈(Ⅱ) 6수화물(Ni(NO3)2ㅇ6H2O)(Sigma-Aldrich, 98%)과 제2 전이금속 전구체로 몰리브데산나트륨 (Sigma-Aldrich, 98%)을 사용하였고, 붕소 전구체로 붕소 분말(Sigma-Aldrich, 95%)을 사용하였다.The substrate was nickel foam (Nickel Foam, NF) (Kunshan Guangjiayuan new materials Co. Ltd.), and nickel (II) nitrate hexahydrate (Ni(NO 3 ) 2 ㅇ 6H 2 O) as the first transition metal precursor (Ni(NO 3 ) 2 o 6H 2 O) ( Sigma-Aldrich, 98%) and sodium molybdate (Sigma-Aldrich, 98%) were used as the second transition metal precursor, and boron powder (Sigma-Aldrich, 95%) was used as the boron precursor.

(1) 전이금속 복합 산화물(NiMoO4) 나노로드 합성(1) Transition metal composite oxide (NiMoO 4 ) nanorod synthesis

우선, 상용 니켈폼을 상온에서 6 M HCl에 30분 동안 담궈 표면에 존재하는 니켈 산화물을 제거하였다. 니켈 산화물이 제거된 니켈폼과 질산니켈(Ⅱ) 6수화물 및 몰리브데산나트륨을 6:4 중량비로 100 mL Teflon-lined 수열합성 반응기에 넣고 160 ℃에서 6 시간 동안 수열 합성시켜 상기 니켈폼의 일면에 NiMoO4 나노로드를 성장시켰다. 성장된 NiMoO4 나노로드는 증류수로 세척한 후 85 ℃의 오븐에 건조시켰다.First, commercial nickel foam was immersed in 6 M HCl at room temperature for 30 minutes to remove nickel oxide present on the surface. Nickel foam from which nickel oxide has been removed, nickel (II) nitrate hexahydrate, and sodium molybdate were put into a 100 mL Teflon-lined hydrothermal synthesis reactor in a weight ratio of 6:4, and hydrothermally synthesized at 160 ° C. for 6 hours. One side of the nickel foam NiMoO 4 nanorods were grown on the The grown NiMoO 4 nanorods were washed with distilled water and then dried in an oven at 85 °C.

(2) 전이금속 붕화물(Ni3B/MoB) 복합체 합성(2) Transition metal boride (Ni 3 B/MoB) composite synthesis

상기 건조된 NiMoO4 나노로드가 성장된 기판 상에 붕소 분말을 투입한 후 전기로에 넣고 아르곤 분위기 하에 900 ℃까지 5 ℃/min의 속도로 승온시킨 후 3 시간 동안 열처리하여 니켈몰리브덴 복합 나노시트에 붕소 입자가 결합되어 Ni3B/MoB 복합체를 형성하였다.After putting boron powder on the substrate on which the dried NiMoO 4 nanorods were grown, it was put in an electric furnace, the temperature was raised to 900 °C in an argon atmosphere at a rate of 5 °C/min, and then heat-treated for 3 hours. The particles were combined to form a Ni 3 B/MoB composite.

비교예 1: 니켈 붕화물(NiComparative Example 1: Nickel boride (Ni) 33 B)B)

통상의 방법에 의해 상용 니켈 붕화물(Ni3B)을 제조하였다.Commercial nickel boride (Ni 3 B) was prepared by a conventional method.

비교예 2: 몰리브덴 붕화물(MoB)Comparative Example 2: Molybdenum Boride (MoB)

통상의 방법에 의해 상용 몰리브덴 붕화물(MoB)을 제조하였다.Commercial molybdenum boride (MoB) was prepared by a conventional method.

실험예 1: TEM, EDX 원소 맵핑 및 HR-TEM 분석Experimental Example 1: TEM, EDX element mapping and HR-TEM analysis

상기 실시예 1에서 제조된 Ni3B/MoB 복합체의 표면, 결정구조 및 결정입계를 확인하기 위해 TEM, EDX 원소 맵핑 및 HR-TEM을 이용하여 분석하였다. 그 결과는 도 2 내지 4에 나타내었다. The Ni 3 B/MoB composite prepared in Example 1 was analyzed using TEM, EDX element mapping, and HR-TEM to confirm the surface, crystal structure, and grain boundary. The results are shown in FIGS. 2 to 4 .

도 2는 상기 실시예 2에서 제조된 Ni3B/MoB 복합체의 TEM 이미지(a)이다.2 is a TEM image (a) of the Ni 3 B/MoB composite prepared in Example 2.

도 3은 상기 실시예 2에서 제조된 Ni3B/MoB 복합체의 STEM 이미지와 상응하는 EDX 원소 맵핑(elements mapping)(b) 결과를 나타낸 것이다.Figure 3 shows the STEM image of the Ni 3 B / MoB composite prepared in Example 2 and the corresponding EDX element mapping (element mapping) (b) results.

도 4는 상기 실시예 2에서 제조된 Ni3B/MoB 복합체의 HR-TEM 이미지(c)이다.4 is a HR-TEM image (c) of the Ni 3 B/MoB composite prepared in Example 2.

상기 도 2 내지 4를 참조하면, Ni3B/MoB 복합체의 구조가 나노시트 형태인 것을 알 수 있으며, B, Mo와 Ni 원소가 고르게 분포된 것을 확인하였다. 특히 상기 HR-TEM 이미지로 자세히 Ni3B/MoB 복합체를 살펴보면, Ni3B 및 MoB 나노결정이 고르게 분포하여 많은 결정입계를 갖는 것을 알 수 있었다. 숫자 ①, ④ 및 ⑤로 표시된 결정의 격자 거리는 각각 노출면이 (111), (200), (031)인 Ni3B이며, 숫자 ②, ③ 및 ⑥ 결정의 격자 거리는 각각 노출면이 (111), (200), (031)인 MoB과 일치한다. 2 to 4, it can be seen that the structure of the Ni 3 B/MoB composite is in the form of a nanosheet, and it was confirmed that B, Mo, and Ni elements are evenly distributed. In particular, when examining the Ni 3 B/MoB composite in detail with the HR-TEM image, it was found that the Ni 3 B and MoB nanocrystals were evenly distributed to have many grain boundaries. The lattice distances of crystals indicated by numbers ①, ④ and ⑤ are Ni 3 B with exposed surfaces of (111), (200), and (031), respectively, and the lattice distances of crystals with numbers ②, ③, and ⑥ are respectively (111) with exposed surfaces. , (200), (031), which is consistent with MoB.

상기 Ni3B/MoB 복합체에서 풍부한 결정입계가 형성되는 메커니즘은 다음과 같다. 우선, Ni 및 Mo 원자가 균일하게 분포된 NiMoO4 나노시트에서 Ni 원자가 붕소와 반응하여 Ni3B를 형성하고, 인접 Mo 원자가 MoB로 전환된다. 결과적으로 서로 인접하는 Ni3B와 MoB의 나노 결정입자가 다수 형성되고, 합성된 Ni3B/MoB 복합체에 다수의 입자경계가 형성되어 전기화학적 성능 향상에 크게 기여하는 활성영역을 제공할 수 있음을 알 수 있었다. The mechanism by which abundant grain boundaries are formed in the Ni 3 B/MoB composite is as follows. First, in NiMoO 4 nanosheets in which Ni and Mo atoms are uniformly distributed, Ni atoms react with boron to form Ni 3 B, and adjacent Mo atoms are converted into MoB. As a result, a large number of adjacent Ni 3 B and MoB nanocrystal grains are formed, and a large number of grain boundaries are formed in the synthesized Ni 3 B/MoB composite, providing an active region that greatly contributes to the improvement of electrochemical performance. And it was found.

실험예 2: TEM, EDX 원소 맵핑 및 HR-TEM 분석Experimental Example 2: TEM, EDX element mapping and HR-TEM analysis

상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 전이금속 붕화물 복합체를 수소발생반응용 촉매로 적용하여 0.5M H2SO4에서 수소발생반응(HER) 성능과 과전압 150 mV에서의 EIS 및 충전 전류밀도를 분석하였다. 수소발생반응 성능 비교를 위해 백금 포일(Pt foil)을 추가로 분석하였다. 그 결과는 도 5 내지 7에 나타내었다. By applying the transition metal boride complex prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 as a catalyst for hydrogen evolution, hydrogen evolution (HER) performance in 0.5MH 2 SO 4 and EIS and charging current at 150 mV overvoltage Density was analyzed. Platinum foil (Pt foil) was additionally analyzed for hydrogen evolution performance comparison. The results are shown in FIGS. 5 to 7 .

도 5는 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 전이금속 붕화물 복합체와 백금 포일(Pt foil)을 촉매로 이용하였을 때 0.5M H2SO4에서 측정한 HER 성능 결과를 나타낸 분극곡선(a)과 Tafel slope(b)이다. 5 is a polarization curve showing the HER performance results measured in 0.5MH 2 SO 4 when the transition metal boride composite prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 and platinum foil were used as catalysts ( a) and Tafel slope(b).

도 6은 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 전이금속 붕화물 복합체와 백금 포일(Pt foil)을 촉매로 이용하였을 때 과전압 150 mV에서 EIS plot(a) 및 스캔 속도에 대한 충전 전류 밀도 차이(b)를 나타낸 것이다. 6 is an EIS plot (a) and charging current for scan speed at an overvoltage of 150 mV when the transition metal boride composite and platinum foil prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were used as catalysts; FIG. The density difference (b) is shown.

상기 도 5 및 6을 참조하면, 10 mA cm-2의 전류 밀도를 달성하는데 필요한 과전압은 각각 상기 비교예 1(Ni3B) 167 mV, 상기 비교예 2(MoB), 124 mV, 상기 실시예 1(Ni3B/MoB) 61 mV인 것을 확인하였다. 이를 통해, 상기 실시예 1(Ni3B/MoB)의 경우 각각 합성한 상기 비교예 1(Ni3B) 및 비교예 2(MoB)에 비해 2배 이상 압도적으로 낮은 과전압을 가져 수소발생반응 성능을 나타냄을 알 수 있었다. 또한 상기 실시예 1(Ni3B/MoB)은 높은 전류 밀도뿐만 아니라 낮은 Tafel slope와 전하이동 저항과 넓은 전기 화학적 표면적을 갖는 것을 확인하였다.5 and 6, the overvoltage required to achieve a current density of 10 mA cm -2 is 167 mV in Comparative Example 1 (Ni 3 B), Comparative Example 2 (MoB), 124 mV, the Example 1 (Ni 3 B/MoB) was confirmed to be 61 mV. Through this, in the case of Example 1 (Ni 3 B / MoB), the hydrogen generation reaction performance has an overvoltage that is more than twice that of Comparative Example 1 (Ni 3 B) and Comparative Example 2 (MoB) synthesized, respectively. was found to represent In addition, it was confirmed that Example 1 (Ni 3 B/MoB) had a high current density, low Tafel slope, charge transfer resistance, and a large electrochemical surface area.

도 7은 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 전이금속 붕화물 복합체를 촉매로 이용하였을 때 일정한 10mA cm-2 전류 밀도에서의 안정성 곡선을 나타낸 것이다. 상기 도 7을 참조하면, 15시간 경과 후에도 전류 밀도가 일정하게 유지되는 것으로 보아 내구성이 우수한 것을 알 수 있었다.7 shows a stability curve at a constant 10mA cm -2 current density when the transition metal boride composites prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were used as catalysts. Referring to FIG. 7 , it can be seen that the current density is maintained constant even after 15 hours have elapsed, indicating that the durability is excellent.

Claims (24)

기판, 제1 전이금속 전구체 및 제2 전이금속 전구체를 수열 합성 반응기에 넣고, 수열 합성하여 상기 기판 상에 제1 전이금속 및 제2 전이금속을 포함하는 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 성장시키는 단계; 및
상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체가 성장된 기판 상에 붕소 전구체를 투입하고, 불활성 가스 분위기 하에 열처리하여 복수개의 결정입계가 형성된 전이금속 붕화물 복합체를 형성하는 단계;를 포함하는 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
Putting the substrate, the first transition metal precursor, and the second transition metal precursor into a hydrothermal synthesis reactor, hydrothermal synthesis to grow a transition metal composite oxide nanostructure including the first transition metal and the second transition metal on the substrate; and
Forming a transition metal boride composite having a plurality of grain boundaries formed by injecting a boron precursor on the substrate on which the transition metal composite oxide nanostructure is grown, and heat-treating it under an inert gas atmosphere; manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 제1 전이금속 전구체는 니켈, 텅스텐, 철, 구리 및 주석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함하는 화합물인 것인 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The first transition metal precursor is nickel, tungsten, iron, a method of producing a transition metal boride complex of a compound containing one or more transition metals selected from the group consisting of copper and tin.
제2항에 있어서,
상기 제1 전이금속 전구체는 니켈 전구체이고,
상기 니켈 전구체는 질산니켈(Ⅱ) 6수화물(nickel nitrate hexahydrate, NiNO3ㅇ6H2O), 니켈 아세테이트(Nickel acetate, Ni(OCOCH3)2ㅇ4H2O) 및 니켈 클로라이드(Nickel chloride, NiCl2ㅇ6H2O)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The first transition metal precursor is a nickel precursor,
The nickel precursor is nickel nitrate hexahydrate (nickel nitrate hexahydrate, NiNO 3 o 6H 2 O), nickel acetate (Nickel acetate, Ni(OCOCH 3 ) 2 o 4H 2 O) and nickel chloride (Nickel chloride, NiCl 2 ㅇ 6H 2 O) of at least one selected from the group consisting of a method for producing a transition metal boride composite.
제1항에 있어서,
상기 제2 전이금속 전구체는 몰리브덴, 팔라듐, 루테늄, 코발트, 이리듐 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함하는 화합물인 것인 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The second transition metal precursor is molybdenum, palladium, ruthenium, cobalt, iridium and a method for producing a transition metal boride complex of a compound containing one or more transition metals selected from the group consisting of titanium.
제4항에 있어서,
상기 제2 전이금속 전구체는 몰리브덴 전구체이고,
상기 몰리브덴 전구체는 몰리브데산나트륨(NaMoO4), 몰리브데산암모늄((NH4)6Mo7O24ㅇH2O), 몰리브데산리튬(Li2MoO4), 몰리브데산칼슘(CaMoO4), 몰리브데산칼륨(K2MoO4) 및 몰리브데늄 옥시테트라클로라이트(MoOCl4)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The second transition metal precursor is a molybdenum precursor,
The molybdenum precursor is sodium molybdate (NaMoO 4 ), ammonium molybdate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 ㅇH 2 O), lithium molybdate (Li 2 MoO 4 ), calcium molybdate (CaMoO) 4 ), potassium molybdate (K 2 MoO 4 ), and molybdenum oxytetrachlorite (MoOCl 4 ) A method for producing a transition metal boride complex that is at least one selected from the group consisting of.
제1항에 있어서,
상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체는 제1 전이금속 전구체 및 제2 전이금속 전구체가 1:9 내지 9:1 중량비로 혼합된 것인 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The transition metal composite oxide nanostructure is a method of producing a transition metal boride composite in which the first transition metal precursor and the second transition metal precursor are mixed in a weight ratio of 1:9 to 9:1.
제1항에 있어서,
상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체는 나노로드, 나노입자, 나노벽 및 나노큐브로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 형태로 성장한 것인 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The transition metal composite oxide nanostructure is a method for producing a transition metal boride composite that is grown in any one form selected from the group consisting of nanorods, nanoparticles, nanowalls and nanocubes.
제1항에 있어서,
상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 성장시키는 단계에서 수열 합성은 110 내지 230 ℃의 온도에서 2 내지 8 시간 동안 수행하는 것인 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of growing the transition metal composite oxide nanostructure, the hydrothermal synthesis is performed at a temperature of 110 to 230 °C for 2 to 8 hours.
제1항에 있어서,
상기 붕소 전구체는 붕소 원소, 질화붕소 및 삼할로겐화 붕소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The boron precursor is a method for producing a transition metal boride complex of at least one selected from the group consisting of elemental boron, boron nitride, and boron trihalide.
제1항에 있어서,
상기 전이금속 붕화물 복합체를 제조하는 단계에서 열처리는 5 ℃/min의 속도로 승온시켜 700 내지 1200 ℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 수행하는 것인 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of preparing the transition metal boride composite, the heat treatment is performed at a temperature of 700 to 1200° C. for 1 to 5 hours by increasing the temperature at a rate of 5° C./min.
제1항에 있어서,
상기 전이금속 붕화물 복합체를 형성하는 단계는 열처리에 의해 상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 전이금속 복합 나노시트로 전환시키고,
상기 전이금속 복합 나노시트와 붕소의 결합에 의해 전이금속 붕화물 복합체를 형성하는 것인 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The step of forming the transition metal boride composite converts the transition metal composite oxide nanostructure into a transition metal composite nanosheet by heat treatment,
A method for producing a transition metal boride composite to form a transition metal boride composite by bonding the transition metal composite nanosheet and boron.
제11항에 있어서,
상기 전이금속 붕화물 복합체는,
상기 전이금속 복합 나노시트의 제1 전이금속과 제1 붕소가 결합된 제1 붕화물 결정입자; 및
상기 전이금속 복합 나노시트의 제2 전이금속과 제2 붕소가 결합된 제2 붕화물 결정입자;를 포함하고,
상기 제1 붕화물 결정입자 및 제2 붕화물 결정입자 사이사이에 복수개의 결정입계가 형성된 것인 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The transition metal boride composite is,
a first boride crystal particle in which a first transition metal and a first boron of the transition metal composite nanosheet are combined; and
Including;
A method of manufacturing a transition metal boride composite in which a plurality of grain boundaries are formed between the first boride crystal grains and the second boride crystal grains.
제1항에 있어서,
상기 전이금속 붕화물 복합체는 전이금속 붕화물 복합체 총 중량을 기준으로 붕소 입자 5 내지 15 중량%를 포함하는 것인 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The transition metal boride composite is a method for producing a transition metal boride composite comprising 5 to 15% by weight of boron particles based on the total weight of the transition metal boride composite.
제1항에 있어서,
상기 제1 전이금속 전구체는 질산니켈(Ⅱ) 6수화물(nickel nitrate hexahydrate, NiNO3ㅇ6H2O)이고,
상기 제2 전이금속 전구체는 몰리브데산나트륨(NaMoO4)이고,
상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체는 제1 전이금속 전구체 및 제2 전이금속 전구체가 5:5 내지 7:3 중량비로 혼합된 것이고,
상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체는 나노로드 형태로 성장하는 것이고,
상기 전이금속 복합 산화물 나노구조체를 성장시키는 단계에서 수열 합성은 150 내지 170 ℃의 온도에서 5.5 내지 6.5 시간 동안 수행하고,
상기 붕소 전구체는 붕소 원소이고,
상기 불활성 가스는 아르곤이고,
상기 전이금속 붕화물 복합체는 Ni3B/MoB 복합체이고,
상기 전이금속 붕화물 복합체는 전이금속 붕화물 복합체 총 중량을 기준으로 붕소 입자 8 내지 13 중량%를 포함하고,
상기 전이금속 붕화물 복합체를 제조하는 단계에서 열처리는 5 ℃/min의 속도로 승온시켜 880 내지 920 ℃의 온도에서 2.5 내지 3.5 시간 동안 수행하는 것인 전이금속 붕화물 복합체의 제조방법.
According to claim 1,
The first transition metal precursor is nickel (II) nitrate hexahydrate (nickel nitrate hexahydrate, NiNO 3 o 6H 2 O),
The second transition metal precursor is sodium molybdate (NaMoO 4 ),
The transition metal composite oxide nanostructure is a mixture of a first transition metal precursor and a second transition metal precursor in a weight ratio of 5:5 to 7:3,
The transition metal composite oxide nanostructure is to grow in the form of a nanorod,
In the step of growing the transition metal composite oxide nanostructure, hydrothermal synthesis is performed at a temperature of 150 to 170 ° C. for 5.5 to 6.5 hours,
The boron precursor is elemental boron,
The inert gas is argon,
The transition metal boride composite is a Ni 3 B / MoB composite,
The transition metal boride composite includes 8 to 13% by weight of boron particles based on the total weight of the transition metal boride composite,
In the step of preparing the transition metal boride composite, the heat treatment is performed at a temperature of 880 to 920° C. for 2.5 to 3.5 hours by increasing the temperature at a rate of 5° C./min.
제1 전이금속 및 제2 전이금속을 포함하는 전이금속 복합 나노시트;
상기 전이금속 복합 나노시트의 제1 전이금속과 제1 붕소가 결합된 제1 붕화물 결정입자; 및
상기 전이금속 복합 나노시트의 제2 전이금속과 제2 붕소가 결합된 제2 붕화물 결정입자;를 포함하는 전이금속 붕화물 복합체로,
상기 전이금속 붕화물 복합체는 상기 제1 붕화물 결정입자 및 제2 붕화물 결정입자 사이사이에 복수개의 결정입계가 형성된 것인 전이금속 붕화물 복합체.
A transition metal composite nanosheet comprising a first transition metal and a second transition metal;
a first boride crystal particle in which a first transition metal and a first boron of the transition metal composite nanosheet are combined; and
A transition metal boride composite comprising a; second boride crystal particles in which a second transition metal and a second boron of the transition metal composite nanosheet are combined,
The transition metal boride composite is a transition metal boride composite in which a plurality of grain boundaries are formed between the first boride crystal grains and the second boride crystal grains.
제15항에 있어서,
상기 전이금속 복합 나노시트는 제1 전이금속 및 제2 전이금속이 1:9 내지 9:1 중량비로 혼합된 혼합물인 것인 전이금속 붕화물 복합체.
16. The method of claim 15,
The transition metal composite nanosheet is a transition metal boride composite in which the first transition metal and the second transition metal are mixed in a weight ratio of 1:9 to 9:1.
제15항에 있어서,
상기 제1 전이금속은 니켈, 텅스텐, 철, 구리 및 주석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 전이금속 붕화물 복합체.
16. The method of claim 15,
The first transition metal is a transition metal boride composite of at least one selected from the group consisting of nickel, tungsten, iron, copper and tin.
제15항에 있어서,
상기 제2 전이금속은 몰리브덴, 팔라듐, 루테늄, 코발트, 이리듐 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 전이금속 붕화물 복합체.
16. The method of claim 15,
The second transition metal is a transition metal boride complex of at least one selected from the group consisting of molybdenum, palladium, ruthenium, cobalt, iridium and titanium.
제15항에 있어서,
상기 전이금속 복합 나노시트는 니켈몰리브덴 복합 나노시트인 것인 전이금속 붕화물 복합체.
16. The method of claim 15,
The transition metal composite nanosheet is a nickel molybdenum composite nanosheet, the transition metal boride composite.
제15항에 있어서,
상기 제1 붕화물 결정입자는 Ni3B이고, 상기 제2 붕화물 결정입자는 MoB인 것인 전이금속 붕화물 복합체.
16. The method of claim 15,
The first boride crystal grains are Ni 3 B, and the second boride crystal grains are MoB transition metal boride composite.
제15항에 있어서,
상기 붕소 입자는 전이금속 붕화물 복합체 총 중량을 기준으로 5 내지 15 중량%를 포함하는 것인 전이금속 붕화물 복합체.
16. The method of claim 15,
The boron particles are transition metal boride composite comprising 5 to 15% by weight based on the total weight of the transition metal boride composite.
제15항 내지 제21항 중에서 선택된 어느 한 항의 전이금속 붕화물 복합체를 포함하는 수소발생반응용 촉매.
A catalyst for hydrogen evolution comprising the transition metal boride complex of any one of claims 15 to 21.
제22항의 수소발생반응용 촉매를 포함하는 전극.
An electrode comprising the catalyst for hydrogen evolution of claim 22.
제23항의 전극, 상대전극, 및 전해질 또는 이온화액체를 포함하는 수소발생장치.A hydrogen generator comprising the electrode of claim 23, a counter electrode, and an electrolyte or ionized liquid.
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