KR20220066717A - Composite for hydrogen-generating catalyst having metal-organic framework and method of preparing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a composite for a hydrogen generation catalyst which comprises: a body unit in which a first transition metal includes a metal-organic framework (MOF); and a plurality of primary particles provided on an outer surface of the body unit and including a second transition metal.

Description

금속 유기 골격체를 포함하는 수소생성 촉매용 복합체 및 이의 제조방법 {Composite for hydrogen-generating catalyst having metal-organic framework and method of preparing the same}Composite for hydrogen-generating catalyst having metal-organic framework and method of preparing the same

본 발명은 금속 유기 골격체를 포함하는 수소생성 촉매용 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저비용으로 높은 효율을 갖고 백금 촉매를 대체할 수 있는 금속 유기 골격체를 포함하는 수소생성 촉매용 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composite for a hydrogen production catalyst including a metal organic framework and a method for preparing the same, and more particularly, to a hydrogen production catalyst including a metal organic framework capable of replacing a platinum catalyst with high efficiency at low cost It relates to a composite for use and a method for manufacturing the same.

화석 연료를 사용하는 것은, 기후 변화의 원인이 되었고 이에 대체 에너지 원을 마련하기 위하여 다양한 연구가 수행된다. 이러한 대체 에너지 중 수소를 이용한 에너지는 높은 에너지 효율과, 낮은 부반응 물질의 배출 및 재생성과 같은 특성에 의하여 전세계 다양한 국가에서 적용한다.The use of fossil fuels is a cause of climate change, and various studies are conducted to provide alternative energy sources. Among these alternative energy, energy using hydrogen is applied in various countries around the world due to characteristics such as high energy efficiency and low emission and regeneration of side reaction materials.

수소를 제조하기 위한 방법으로 물분해, 바이오매스를 이용한 가스화, 극저온 증류법, 화석연료의 개질 등 다양한 방법이 연구되었다. 그 중에서 물 전기 분해는 거의 순수한 수소를 생성하는 가장 손쉬운 방법 중 하나이나, 전기 분해에서 전류 밀도와 반응 속도를 높이기 위해서는 촉매가 필요하다. As a method for producing hydrogen, various methods such as water decomposition, gasification using biomass, cryogenic distillation, and reforming of fossil fuels have been studied. Among them, water electrolysis is one of the easiest methods to generate almost pure hydrogen, but a catalyst is required to increase the current density and reaction rate in electrolysis.

백금은 수소발생 반응 (HER)에서 전극제조에 가장 좋은 재료이나, 고비용으로 산업적 적용이 제한된다. 따라서, 전이금속 디칼코게나이드 (TMD), 비 귀금속, 금속 유기 프레임 워크 (MOF) 및 MXene을 포함하는 저비용 촉매가 HER에서 Pt 촉매를 대처하기 위하여 다양한 연구가 수행되고 있다.Platinum is the best material for electrode manufacturing in hydrogen evolution reaction (HER), but its high cost limits its industrial application. Therefore, various studies have been conducted to cope with Pt catalysts in HER with low-cost catalysts including transition metal dichalcogenide (TMD), non-noble metal, metal organic framework (MOF) and MXene.

(선행특허) (Prior Patent)

일본공개특허 제2018-531780호 (2018.11.01)Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-531780 (2018.11.01)

본 발명의 목적은 물분해를 이용한 수소를 생성하는 과정에서, 백금 촉매를 대체할 수 있고 저비용으로 고효율의 수소생성이 가능한 금속 유기 골격체를 포함하는 수소생성 촉매용 복합체 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.It is an object of the present invention to provide a complex for a hydrogen production catalyst including a metal organic framework capable of replacing a platinum catalyst and capable of producing high-efficiency hydrogen at low cost in the process of producing hydrogen using water decomposition, and a method for preparing the same it is for

또한, 본 발명의 다른 목적은 신규한 방식으로 제조된 금속 유기 골격체를 포함하는 수소생성 촉매용 복합체 및 이의 제조방법을 제공하기 위함이다.In addition, another object of the present invention is to provide a composite for a hydrogen production catalyst including a metal-organic framework prepared in a novel manner, and a method for preparing the same.

본 발명의 일측면에 따르면, 본 발명의 실시예들은 수소생성 촉매용 복합체 및 수소생성 촉매용 복합체의 제조방법을 포함한다.According to one aspect of the present invention, embodiments of the present invention include a complex for a hydrogen production catalyst and a method for preparing a complex for a hydrogen production catalyst.

일 실시예에 있어서, 제1 전이금속이 금속 유기 골격체(metal-organic framework; MOF)를 포함하는 바디부; 및 상기 바디부의 외면에 구비되고, 제2 전이금속을 포함하는 복수개의 일차입자;를 포함하는 수소생성 촉매용 복합체를 포함한다.In an embodiment, the first transition metal includes a body portion including a metal-organic framework (MOF); And it is provided on the outer surface of the body portion, a plurality of primary particles comprising a second transition metal; includes a hydrogen-generating catalyst composite comprising a.

일 실시예에 있어서, 상기 금속 유기 골격체는 MOF-74계이고, 상기 제1 전이금속은 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)인 것을 포함할 수 있다.In an embodiment, the metal organic framework may include MOF-74 based, and the first transition metal may include nickel (Ni) or cobalt (Co).

일 실시예에 있어서, 상기 제2 전이금속은 상기 제1 전이금속과 다른 금속으로 이루어질 수 있다.In an embodiment, the second transition metal may be formed of a metal different from the first transition metal.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 전이금속은 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)이고, 상기 제2 전이금속은 몰리브데늄(Mo) 또는 텅스텐(W)인 것을 포함할 수 있다.In an embodiment, the first transition metal may include nickel (Ni) or cobalt (Co), and the second transition metal may include molybdenum (Mo) or tungsten (W).

일 실시예에 있어서, 상기 일차입자는 MoSx를 포함하고, 상기 일차입자는 상기 바디부의 외면을 덮도록 구비되되, 상기 바디부의 적어도 일부가 외측으로 노출되도록 구비될 수 있다.In one embodiment, the primary particles include MoS x , the primary particles are provided to cover the outer surface of the body portion, at least a portion of the body portion may be provided to be exposed to the outside.

일 실시예에 있어서, 상기 바디부 100중량부를 기준으로 상기 일차입자는 20중량부 내지 60중량부로 구비될 수 있다In one embodiment, based on 100 parts by weight of the body part, the primary particle may be provided in an amount of 20 parts by weight to 60 parts by weight.

일 실시예에 있어서, 상기 바디부는 XRD 스펙트럼에 의하여 측정된 결정면 (2 -1 0) 및 (3 0 0)을 갖고, 상기 일차입자는 비결정성 구조(amorphous structure)로 이루어질 수 있다.In an embodiment, the body portion may have crystal planes (2 −1 0) and (3 0 0) measured by an XRD spectrum, and the primary particle may have an amorphous structure.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 전이금속이 코발트(Co)인 경우 상기 바디부의 형상은 로드쉐입(rod shape)로 구비되고, 상기 제1 전이금속이 니켈(Ni)인 경우 상기 바디부의 형상은 복수개의 로드쉐입(rod shape) 형상의 1차입자가 응집되어 형성된 2차입자로 구비되며, 상기 일차입자는 나노파티클(nanoparticle)로 상기 바디부의 외면에서 수직하게 고정(anchor)되어 구비될 수 있다In one embodiment, when the first transition metal is cobalt (Co), the shape of the body portion is provided with a rod shape, and when the first transition metal is nickel (Ni), the shape of the body portion is A plurality of rod-shaped primary particles are provided as secondary particles formed by agglomeration, and the primary particles are vertically anchored from the outer surface of the body part as nanoparticles.

일 실시예에 있어서, 선형 스윕 전압전류법(LSV:Linear Sweep Voltammetry)에 의한 개시전위가 상기 제1 전이금속이 Co인 경우 -280mV 내지 -140mV이고, 상기 제1 전이금속이 Ni인 경우 100mV 내지 350mV인 것을 포함할 수 있다.In one embodiment, the starting potential by linear sweep voltammetry (LSV) is -280mV to -140mV when the first transition metal is Co, and 100mV to when the first transition metal is Ni 350mV may be included.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 전이금속은 Co 또는 Ni이고, 상기 제2 전이금속은 Mo이며, 상기 수소생성 촉매용 복합체는 5wt% 내지 40wt%의 CoMoS 상 또는 NiMoS 상을 포함할 수 있다.In an embodiment, the first transition metal is Co or Ni, the second transition metal is Mo, and the composite for the hydrogen generation catalyst may include 5 wt% to 40 wt% of a CoMoS phase or a NiMoS phase.

일 실시예에 있어서, 상기 바디부는 비표면적이 300㎡/g 내지 500㎡/g일 수 있다.In one embodiment, the body portion may have a specific surface area of 300 m 2 /g to 500 m 2 /g.

일 실시예에 있어서, 제1 전이금속을 포함하는 제1 용액을 이용하여 제1 온도 및 제1 시간 동안 반응시켜 바디부를 제조하는 단계; 상기 바디부를 제2 전이금속을 포함하는 제2 용액과 혼합하고, 제3 용액을 첨가하여 제2 온도 및 제2 시간 동안 반응시켜 상기 바디부의 외면에 제2 전이금속을 포함하는 복수개의 일차입자를 코팅시키는 단계;를 포함하고, 상기 금속 유기 골격체는 MOF-74계이고, 상기 제1 전이금속은 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)인 것을 포함하는 수소생성 촉매용 복합체의 제조방법을 포함한다.In one embodiment, using a first solution containing a first transition metal to react for a first temperature and a first time to prepare a body portion; The body part is mixed with a second solution containing a second transition metal, and a third solution is added to react for a second temperature and a second time to form a plurality of primary particles containing a second transition metal on the outer surface of the body part. It includes; a method for producing a composite for a hydrogen generation catalyst comprising: the metal-organic framework is MOF-74-based, and the first transition metal is nickel (Ni) or cobalt (Co). .

일 실시예에 있어서, 상기 제1 용액은 Co(NO3)2.6H2O 또는 Ni(NO3)2.6H2O이고, 상기 제1 온도는 80 ℃ 내지 120 ℃이고, 상기 제1 시간은 20시간 내지 30시간이고, 상기 제2 용액은 (NH4)2MoS4이고, 상기 제3 용액은 히드라진 하이드레이트이고, 상기 제2 온도는 200 ℃ 내지 300 ℃이고, 상기 제2 시간은 8시간 내지 15시간일 수 있다.In one embodiment, the first solution is Co(NO 3 ) 2 .6H 2 O or Ni(NO 3 ) 2 .6H 2 O, the first temperature is 80 ℃ to 120 ℃, the first time is 20 hours to 30 hours, the second solution is (NH 4 ) 2 MoS 4 , the third solution is hydrazine hydrate, the second temperature is 200° C. to 300° C., and the second time is 8 hours. to 15 hours.

이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 물 분해시 사용하는 고가의 백금을 대처할 수 있는 금속 유기 골격체를 포함하는 수소생성 촉매용 복합체 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.According to the present invention as described above, it is possible to provide a composite for a hydrogen production catalyst including a metal-organic framework capable of coping with expensive platinum used in water decomposition, and a method for producing the same.

또한, 본 발명에 따르면 저가의 비용으로 높은 수율을 갖는 금속 유기 골격체를 포함하는 수소생성 촉매용 복합체 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a composite for a hydrogen production catalyst including a metal-organic framework having a high yield at a low cost and a method for preparing the same.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생성 촉매용 복합체의 형상을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1c는 본 발명의 수소생성 촉매용 복합체에 의하여 수소가 생성되는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a는 MoSx/Co-MOF-74 복합체의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2b는 MoSx/Ni-MOF-74 복합체의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a는 40% MoSx/Co-MOF-74의 파우더 XRD 스펙트럼이다.
도 3b는 Co-MOF-74의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 3c는 Co-MOF-74 및 40% MoSx/Co-MOF-74의 질소 흡착 및 탈착을 나타낸 그래프이다.
도 4은 (a) Co-MOF-74, (b) 20% MoSx/Co-MOF-74, (c) 40% MoSx/Co-MOF-74, (d) 60% MoSx/Co-MOF-74, (e) 80% MoSx/Co-MOF-74, 및 (f) MoSx의 SEM 이미지이다.
도 5는 (a) 및 (d) Co-MOF-74, (b) 및 (e) MoSx, (c) 및 (f) 40% MoSx/Co-MOF-74 각각의 TEM 이미지이다.
도 6는 Co-MOF-74 및 40% MoSx/Co-MOF-74의 XPS 스펙트럼으로, (a)는 Co 2p, (b)는 Mo 3d 및 S 2s, (c)는 S 2p를 각각 나타내었다.
도 7은 Co-MOF-74 및 20-100% MoSx/Co-MOF-74의 (a)분극곡선, (b) 타펠 기울기(Tafel slope), (c) EIS 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot), (d) Cd 및 40% MoSx/Co-MOF-74 (e) 1000 사이클 진행 후 사이클 테스트, (f) 고정전위 0.197 V에서의 시간대전류측정 커브(Chronoamperometric curve)를 나타낸 그래프이다.
도 8a는 40% MoSx/Ni-MOF-74의 파우더 XRD 스펙트럼이다.
도 8b는 Ni-MOF-74의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 8c는 Ni-MOF-74 및 40% MoSx/Ni-MOF-74의 질소 흡착 및 탈착을 나타낸 그래프이다.
도 9는 (a) Ni-MOF-74, (b) 20% MoSx/Ni-MOF-74, (c) 40% MoSx/Ni-MOF-74, (d) 60% MoSx/Ni-MOF-74, (e) 80% MoSx/Ni-MOF-74, 및 (f) MoSx의 SEM 이미지이다.
도 10은 (a) 및 (d) Ni-MOF-74, (b) 및 (e) MoSx, (c) 및 (f) 40% MoSx/Ni-MOF-74 각각의 TEM 이미지이다.
도 11은 Ni-MOF-74 및 40% MoSx/Ni-MOF-74의 XPS 스펙트럼으로, (a)는 Ni 2p, (b)는 Mo 3d 및 S 2s, (c)는 S 2p를 각각 나타내었다.
도 12는 Ni-MOF-74 및 20-100% MoSx/Ni-MOF-74의 (a)분극곡선, (b) 타펠 기울기(Tafel slope), (c) EIS 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot), (d) 40% MoSx/Ni-MOF-74의 2000 사이클 진행 후 사이클 테스트를 나타낸 그래프이다.
1A and 1B are diagrams schematically showing the shape of a composite for a hydrogen production catalyst according to an embodiment of the present invention.
1c is a view schematically showing how hydrogen is generated by the complex for a hydrogen production catalyst of the present invention.
Figure 2a is a diagram schematically showing a method of manufacturing a MoS x /Co-MOF-74 composite.
Figure 2b is a view schematically showing a method of manufacturing the MoS x /Ni-MOF-74 composite.
Figure 3a is a powder XRD spectrum of 40% MoS x /Co-MOF-74.
3b is an FT-IR spectrum of Co-MOF-74.
Figure 3c is a graph showing the nitrogen adsorption and desorption of Co-MOF-74 and 40% MoS x /Co-MOF-74.
4 shows (a) Co-MOF-74, (b) 20% MoS x /Co-MOF-74, (c) 40% MoS x /Co-MOF-74, (d) 60% MoS x /Co- SEM images of MOF-74, (e) 80% MoS x /Co-MOF-74, and (f) MoS x .
5 is a TEM image of (a) and (d) Co-MOF-74, (b) and (e) MoS x , (c) and (f) 40% MoS x /Co-MOF-74, respectively.
6 is an XPS spectrum of Co-MOF-74 and 40% MoS x /Co-MOF-74, (a) is Co 2 p, (b) is Mo 3 d and S 2 s, (c) is S 2 p is shown, respectively.
7 is (a) polarization curve, (b) Tafel slope, (c) EIS Nyquist plot of Co-MOF-74 and 20-100% MoS x /Co-MOF-74 , (d) C d and 40% MoS x /Co-MOF-74 (e) A cycle test after 1000 cycles, (f) A graph showing a chronoamperometric curve at a fixed potential of 0.197 V.
Figure 8a is a powder XRD spectrum of 40% MoS x /Ni-MOF-74.
8B is an FT-IR spectrum of Ni-MOF-74.
8c is a graph showing nitrogen adsorption and desorption of Ni-MOF-74 and 40% MoS x /Ni-MOF-74.
9 shows (a) Ni-MOF-74, (b) 20% MoS x /Ni-MOF-74, (c) 40% MoS x /Ni-MOF-74, (d) 60% MoS x /Ni- SEM images of MOF-74, (e) 80% MoS x /Ni-MOF-74, and (f) MoS x .
10 is a TEM image of (a) and (d) Ni-MOF-74, (b) and (e) MoS x , (c) and (f) 40% MoS x /Ni-MOF-74, respectively.
11 is an XPS spectrum of Ni-MOF-74 and 40% MoS x /Ni-MOF-74, (a) is Ni 2 p, (b) is Mo 3 d and S 2 s, (c) is S 2 p is shown, respectively.
12 is (a) polarization curve, (b) Tafel slope, (c) EIS Nyquist plot of Ni-MOF-74 and 20-100% MoS x /Ni-MOF-74 , (d) is a graph showing the cycle test after 2000 cycles of 40% MoS x /Ni-MOF-74.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.The details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 달리 명시되지 않는 한, 본 발명에 성분, 반응 조건, 성분의 함량을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in a variety of different forms, and unless otherwise specified in the following description, the components, reaction conditions, and content of components are expressed in the present invention. It is to be understood that all numbers, values and/or expressions are modified in all instances by the term "about," as these numbers are inherently approximations reflecting the various uncertainties of measurement arising out of obtaining such values, among other things. . Also, when numerical ranges are disclosed in this description, such ranges are continuous and inclusive of all values from the minimum to the maximum inclusive of the range, unless otherwise indicated. Furthermore, when such ranges refer to integers, all integers inclusive from the minimum to the maximum inclusive are included, unless otherwise indicated.

또한, 본 발명에서 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들 뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.Also, when a range is recited for a variable in the present invention, it will be understood that the variable includes all values within the recited range, including the recited endpoints of the range. For example, a range of “5 to 10” includes the values of 5, 6, 7, 8, 9, and 10, as well as any subranges such as 6 to 10, 7 to 10, 6 to 9, 7 to 9, etc. It will be understood to include any value between integers that are appropriate for the scope of the recited range, such as 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 to 8.5 and 6.5 to 9, and the like. For example, a range of “10% to 30%” includes values such as 10%, 11%, 12%, 13%, and all integers up to and including 30%, as well as 10% to 15%, 12% to 18%. It will be understood to include any subranges such as %, 20% to 30%, and the like, and also include any value between reasonable integers within the scope of the recited range, such as 10.5%, 15.5%, 25.5%, and the like.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생성 촉매용 복합체의 형상을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1c는 본 발명의 수소생성 촉매용 복합체에 의하여 수소가 생성되는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.1A and 1B are diagrams schematically showing the shape of a composite for a hydrogen production catalyst according to an embodiment of the present invention. 1c is a view schematically showing how hydrogen is generated by the complex for a hydrogen production catalyst of the present invention.

본 발명의 일 실시예는 제1 전이금속이 금속 유기 골격체(metal-organic framework; MOF)를 포함하는 바디부; 및 상기 바디부의 외면에 구비되고, 제2 전이금속을 포함하는 복수개의 일차입자;를 포함하는 수소생성 촉매용 복합체를 포함한다. 상기 바디부는 결정성 구조를 포함하고, 상기 일차입자는 비결정성의 나노크기의 입자일 수 있다. 또한, 상기 제2 전이금속은 상기 제1 전이금속과 다른 금속으로 이루어질 수 있다.One embodiment of the present invention includes a body in which the first transition metal includes a metal-organic framework (MOF); And it is provided on the outer surface of the body portion, a plurality of primary particles comprising a second transition metal; includes a hydrogen-generating catalyst composite comprising a. The body portion may include a crystalline structure, and the primary particles may be amorphous nano-sized particles. In addition, the second transition metal may be formed of a metal different from the first transition metal.

상기 금속 유기 골격체는 MOF-74계이고, 상기 제1 전이금속은 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)인 것을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전이금속은 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)이고, 상기 제2 전이금속은 몰리브데늄(Mo) 또는 텅스텐(W)인 것을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 전이금속은 MoSx 또는 WSx의 황화합물의 형태로 제공될 수 있다.The metal organic framework may be MOF-74 based, and the first transition metal may include nickel (Ni) or cobalt (Co). Specifically, the first transition metal may include nickel (Ni) or cobalt (Co), and the second transition metal may include molybdenum (Mo) or tungsten (W). In this case, the second transition metal is MoS x or It may be provided in the form of a sulfur compound of WS x .

상기 일차입자는 MoSx를 포함하고, 상기 일차입자는 상기 바디부의 외면을 덮도록 구비되되, 상기 바디부의 적어도 일부가 외측으로 노출되도록 구비될 수 있다.The primary particles may include MoS x , and the primary particles may be provided to cover the outer surface of the body portion, and at least a portion of the body portion may be exposed to the outside.

통상, 결정질 이황화 몰리브덴 (c-MoS2)은 수소발생반응(Hydrogen evolution reaction, HER)에서 전기촉매 및 광촉매로 이용된다. 또한, MoS2를 가반으로 한 촉매 전기촉매 HER에서도 우수한 성능을 나타낸다. 예를 들면, 폴리피롤에 전착된 MoS2는 수소제조용 양극(cathode)으로 사용되고, 이는 사용화된 Pt촉매와 유사한 성능을 나타내는, 29 mV decade-1의 낮은 타펠(Tafel) 기울기를 나타낸다. 수소화탈황(hydrodesulfurization) 및 산소발생반응(Oxygen evolution reaction, OER)의 경우, 전이금속(예 : Co, Ni, Cu 및 Fe)의 도핑이 전이금속 디칼코게나이드(Transition metal dichalcogenide, TMD)에서 수행되었으며, Co-S-W, Co-S-Mo, 및 Ni-S-W 등과 같이 황 결합을 통하여 바이메탈 활성중심을 형성하여 화학구조 및 형태 등을 변형해왔다. MoS2 격자에 Co 이온의 도핑은 Rct를 감소시키고, 더 많은 활성 자리를 형성하도록 촉진하여 물분리 성능을 향상시킨다. HER에서 M-도핑 MoS2 (M = Co, Ni, Fe, Cu)의 수소흡수자유에너지(

Figure pat00001
GH)의 계산은 수소생성에서 베어(bare) MoS2보다는 Co-도핑 MoS2 및 Fe-도핑 MoS2이 더 우수하다. 또한, Co, Ni, Fe 이온이 MoS3 필름 성장을 촉진시켜, 표면적을 증가시키고 이에 의하여 수소생성 성능을 향상시킬 수 있다. TiO2 나노튜브 어레이에 전착된 MoSxCoy는 Mo-S-Co 결합을 형성하여 활성중심(불포화 Mo 및 S 자리)의 형성을 향상시키고, HER에서 MoSx에서 전기촉매 활성을 향성시킨다. 이는 CoMoS 상이 형성되어, MoS2의 S-에지에서의 Rct
Figure pat00002
GH가 감소되었기 때문으로, HER 수율의 향상은 구조 내에서 Co-S-W 상이 형성된 M 도핑 WSx (M = Co, Ni)에서도 유사하게 발생한다.In general, crystalline molybdenum disulfide (c-MoS 2 ) is used as an electrocatalyst and a photocatalyst in a hydrogen evolution reaction (HER). In addition, excellent performance is also exhibited in the catalytic electrocatalyst HER containing MoS 2 as a carrier. For example, MoS 2 electrodeposited on polypyrrole is used as a cathode for hydrogen production, and it shows a low Tafel slope of 29 mV decade -1 , which shows similar performance to the used Pt catalyst. In the case of hydrodesulfurization and oxygen evolution reaction (OER), doping of transition metals (eg, Co, Ni, Cu and Fe) was performed on transition metal dichalcogenide (TMD). , Co-SW, Co-S-Mo, and Ni-SW, such as by forming a bimetal active center through a sulfur bond, the chemical structure and shape have been modified. Doping of Co ions into the MoS 2 lattice reduces R ct , and promotes the formation of more active sites to improve water separation performance. Hydrogen absorption free energy of M-doped MoS 2 (M = Co, Ni, Fe, Cu) in HER (
Figure pat00001
Calculation of G H ) is better for Co-doped MoS 2 and Fe-doped MoS 2 than for bare MoS 2 in hydrogen production. In addition, Co, Ni, Fe ions promote the growth of the MoS 3 film, thereby increasing the surface area and thereby improving the hydrogen production performance. MoS x Co y electrodeposited on the TiO 2 nanotube array improves the formation of active centers (unsaturated Mo and S sites) by forming Mo-S-Co bonds, and enhances the electrocatalytic activity in MoS x in HER. This is due to the formation of a CoMoS phase, which at the S-edge of MoS 2 R ct and
Figure pat00002
Because G H was decreased, The improvement of HER yield similarly occurred in M-doped WS x (M = Co, Ni) where Co-SW phase was formed in the structure.

금속 유기 골격체(Metal-organic frameworks, MOFs)는 다공성 재료 제품의 일종으로금속 클러스터/이온과 같은 유기링커로 구성되며 군의 새로운 구성원입니다. 그것들은 금속 클러스터/이온과 유기 링커로 구성되며 2차구조물(Secondary building units, SBUs)로 언급된다. MOF의 구조는 화학성분을 조정할 수 있으므로 변형이 가능하고, SBU의 선택은 특정 응용프로그램에 의한다. MOF는 가스 흡수, 촉매, 센서, 약물 전달 등과 같이 다양한 범위에서 사용되고 있다. MOF는 높은 표면적과 높은 다공성을 가지고 있어 촉매에서도 다양하게 적용되고 있다.Metal-organic frameworks (MOFs) are a class of porous material products, composed of organic linkers such as metal clusters/ions, and are a new member of the family. They consist of metal clusters/ions and organic linkers and are referred to as secondary building units (SBUs). The structure of the MOF can be modified because the chemical composition can be adjusted, and the choice of SBU depends on the specific application. MOFs are used in a wide range of applications, such as gas absorption, catalysis, sensors, and drug delivery. Since MOF has a high surface area and high porosity, it is widely applied in catalysts.

반면, 이들 MoS2 MOF만으로는 물 분해를 이용하여 수소생성를 하는 반응에서 상용화된 Pt보다는 성능이 낮다는 문제가 있다.On the other hand, these MoS 2 and MOF alone has a problem in that the performance is lower than that of commercially available Pt in a reaction for generating hydrogen using water decomposition.

본 발명의 실시예에서는, MoS2 MOF를 이용하되 이들을 개질함으로써, MoS2 MOF보다 더 좋은 성능을 갖고 상용화된 Pt를 대체할 수 있는 수소생성 촉매용 복합체를 제공할 수 있다.In an embodiment of the present invention, MoS 2 and By using MOF but modifying them, MoS 2 and It is possible to provide a composite for a hydrogen production catalyst that has better performance than MOF and can replace commercially available Pt.

구체적으로는, 상기 MOF로는 제1 전이금속으로 변형시켜 바디부를 제조한 후, 상기 제1 전이금속을 포함하는 바디부의 외면에서 제어된 크기 및 형태의 제2 전이금속을 포함하는 황화합물을 구비시킴으로써, 수소생성 촉매용 복합체에서의 수소생성 수율을 보다 향상시킬 수 있다.Specifically, the MOF is transformed into a first transition metal to prepare a body part, and then by providing a sulfur compound containing a second transition metal of a controlled size and shape on the outer surface of the body part including the first transition metal, It is possible to further improve the yield of hydrogen production in the composite for a hydrogen production catalyst.

상기 제1 전이금속은 코발트 또는 니켈일 수 있으며, 상기 제2 전이금속은 상기 제2 전이금속과 상이한 전이금속을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 제2 전이금속은 몰리브데늄일 수 있다. 또한, 상기 MOF는 MOF-74계를 포함할 수 있다.The first transition metal may be cobalt or nickel, and the second transition metal may include a different transition metal from the second transition metal. More specifically, the second transition metal may be molybdenum. In addition, the MOF may include a MOF-74 series.

상기 제1 전이금속이 코발트(Co)인 경우 상기 바디부의 형상은 로드쉐입(rod shape)로 구비되고, 상기 제1 전이금속이 니켈(Ni)인 경우 상기 바디부의 형상은 복수개의 로드쉐입(rod shape) 형상의 1차입자가 응집되어 형성된 2차입자로 구비될 수 있다. 또한, 상기 일차입자는 나노파티클(nanoparticle)로 상기 바디부의 외면에서 수직하게 고정(anchor)되어 구비될 수 있다.When the first transition metal is cobalt (Co), the body portion has a rod shape. When the first transition metal is nickel (Ni), the body portion has a plurality of rod shapes. shape) may be provided as secondary particles formed by agglomeration of primary particles of the shape. In addition, the primary particles may be provided by being vertically anchored from the outer surface of the body part as nanoparticles.

상기 바디부 100중량부를 기준으로 상기 일차입자는 20중량부 내지 60중량부로 구비될 수 있는데, 상기 일차입자가 20중량부 미만이면 Mo-S-Co 또는 Mo-S-Ni 결합에 의한 상이 형성되지 않아 촉매활성이 저하되고, 60중량부 초과이면 상기 일차입자가 상기 바디부를 전체적으로 덮어 물분해 수율이 저하될 수 있다.Based on 100 parts by weight of the body part, the primary particles may be provided in 20 parts by weight to 60 parts by weight, and when the primary particles are less than 20 parts by weight, a phase by Mo-S-Co or Mo-S-Ni bonding is not formed. Therefore, the catalytic activity is reduced, and when it exceeds 60 parts by weight, the primary particles cover the body as a whole, and the water decomposition yield may be reduced.

구체적으로, 상기 제1 전이금속은 Co 또는 Ni이고, 상기 제2 전이금속은 Mo이며, 상기 수소생성 촉매용 복합체는 5wt% 내지 40wt%의 CoMoS 상 또는 NiMoS 상을 포함할 수 있다. 상기 수소생성 촉매용 복합체에서, CoMoS 상 또는 NiMoS 상의 함량이 5wt% 미만이면 촉매활성이 낮아 문제되고, 40wt% 초과이면 상대적으로 내구성이 저하될 수 있어 문제된다.Specifically, the first transition metal may be Co or Ni, the second transition metal may be Mo, and the composite for the hydrogen generation catalyst may include 5 wt% to 40 wt% of a CoMoS phase or a NiMoS phase. In the composite for the hydrogen generation catalyst, if the content of the CoMoS phase or the NiMoS phase is less than 5 wt%, the catalytic activity is low, and if it exceeds 40 wt%, the durability may be relatively reduced.

또한, 상기 바디부는 비표면적이 300㎡/g 내지 500㎡/g일 수 있는데, 300㎡/g 미만이면 상기 일차입자의 부착양이 낮아 문제되고 500㎡/g 초과이면 일차입자가 균일하게 부착되기 어려워 문제된다.In addition, the body portion may have a specific surface area of 300 m / g to 500 m / g, and if it is less than 300 m / g, the adhesion amount of the primary particles is low, and if it exceeds 500 m / g, the primary particles are uniformly attached. difficult and problematic

선형 스윕 전압전류법(LSV:Linear Sweep Voltammetry)에 의한 개시전위가 상기 제1 전이금속이 Co인 경우 -280mV 내지 -140mV이고, 상기 제1 전이금속이 Ni인 경우 100mV 내지 350mV일 수 있다. 상기 제1 전이금속의 종류에 따른 선형 스윕 전압전류법에 대한 개시전위를 제어할 수 있으므로, 본 실시예에 따른 수소생성 촉매용 복합체의 용도를 보다 다양하게 적용시킬 수 있다.An onset potential by a linear sweep voltammetry (LSV) may be -280mV to -140mV when the first transition metal is Co, and 100mV to 350mV when the first transition metal is Ni. Since the initiation potential for the linear sweep voltammetry can be controlled according to the type of the first transition metal, the use of the hydrogen-generating catalyst composite according to the present embodiment can be more diversely applied.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 제1 전이금속을 포함하는 제1 용액을 이용하여 제1 온도 및 제1 시간 동안 반응시켜 바디부를 제조하는 단계; 및 상기 바디부를 제2 전이금속을 포함하는 제2 용액과 혼합하고, 제3 용액을 첨가하여 제2 온도 및 제2 시간 동안 반응시켜 상기 바디부의 외면에 제2 전이금속을 포함하는 복수개의 일차입자를 코팅시키는 단계;를 포함하고, 상기 금속 유기 골격체는 MOF-74계이고, 상기 제1 전이금속은 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)인 것을 포함하는 수소생성 촉매용 복합체의 제조방법을 포함한다.According to another aspect of the present invention, the present invention comprises the steps of using a first solution containing a first transition metal to react for a first temperature and a first time to prepare a body portion; and a plurality of primary particles containing a second transition metal on the outer surface of the body by mixing the body with a second solution containing a second transition metal, adding a third solution, and reacting at a second temperature and for a second time Including; and, the metal organic framework is MOF-74-based, and the first transition metal is nickel (Ni) or cobalt (Co). do.

상기 수소생성 촉매용 복합체의 제조방법은 용매열 합성법을 이용할 수 있으며, 상기 제1 용액은 Co(NO3)2.6H2O 또는 Ni(NO3)2.6H2O이고, 상기 제1 온도는 80

Figure pat00003
내지 120
Figure pat00004
이고, 상기 제1 시간은 20시간 내지 30시간이고, 상기 제2 용액은 (NH4)2MoS4이고, 상기 제3 용액은 히드라진 하이드레이트이고, 상기 제2 온도는 200
Figure pat00005
내지 300
Figure pat00006
이고, 상기 제2 시간은 8시간 내지 15시간일 수 있다.The method for preparing the composite for the hydrogen generation catalyst may use a solvothermal synthesis method, and the first solution is Co(NO 3 ) 2 .6H 2 O or Ni(NO 3 ) 2 .6H 2 O, and the first temperature is 80
Figure pat00003
to 120
Figure pat00004
and the first time is 20 to 30 hours, the second solution is (NH 4 ) 2 MoS 4 , the third solution is hydrazine hydrate, and the second temperature is 200
Figure pat00005
to 300
Figure pat00006
and the second time period may be 8 hours to 15 hours.

상기 제1 온도 및 제1 시간과, 제2 온도 및 제2 시간이 전술한 범위 내에서 수행되어야, 반응이 완결되며 원하는 형태의 결정성을 갖는 수소생성 촉매용 복합체를 제조할 수 있다.When the first temperature and the first time period, and the second temperature and the second time period are performed within the above-described ranges, the reaction is completed and a complex for a hydrogen generating catalyst having a desired crystallinity can be prepared.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명의 권리 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, Examples and Comparative Examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

1. 수소생성 촉매용 복합체의 제조1. Preparation of composite for hydrogen production catalyst

재료ingredient

이하에서, 본 실험에서 사용된 재료는 다음과 같은 업체에서 구매하여 사용하였다.In the following, the materials used in this experiment were purchased from the following companies.

Co(NO3)2.6H2O, H4DHBDC, 5% 나피온 용액(Nafion solution), 하이드라진하이드레이트(hydrazine hydrate), 및 (NH4)2MoS4는 시그마 알드리치에서 구매하였고, DMF는 대한화학 주식회사(Daihan Chemical Co. Ltd.)에서 구매하여 사용하였다. 에탄올, 메탄올은 대정 주식회사(Daejung Co. Ltd.)구매하였고, 탈이온수는 밀리포어 밀리-Q 장치(Milipore Mili-Q machine)를 이용하여 제조하였다.Co(NO 3 ) 2 .6H 2 O, H 4 DHBDC, 5% Nafion solution, hydrazine hydrate, and (NH 4 ) 2 MoS 4 were purchased from Sigma Aldrich, DMF was It was purchased from Daihan Chemical Co. Ltd. and used. Ethanol and methanol were purchased from Daejung Co. Ltd., and deionized water was prepared using a Millipore Mili-Q machine.

제조예 1 (Co-MOF-74의 제조)Preparation Example 1 (Preparation of Co-MOF-74)

3 mL N, N-디메틸포름아미드 (N, N-dimethylformamide), 3 mL 에탄올 및 3 mL 탈이온수(DI water)의 혼합용매 중에 0.1 mmol Co(NO3)2.6H2O(Cobalt nitrate hexahydrate), 0.05 mmol H4DHBDC산(2,5-dihydroxybenzenedicarboxylic acid)을 첨가하여 반응혼합물을 제조하였다. 제조된 반응혼합물은 30분 동안 교반 한 후, 유리 바이알(10 mL)로 옮겨서 100 ℃ 오븐 내에서 24시간 동안 반응시켰다. 반응이 완료된 후, 유리 바이알을 상온으로 냉각시켰고, 원심분리하여 진한 보라색 결정을 얻었다. 얻어진 결정을 메탄올로 여러회 세척한 후, 250 ℃에서 진공건조하여 Co-MOF-74를 제조한 후, 유리 바이알에서 보관하였다.0.1 mmol Co(NO 3 ) 2.6H 2 O(Cobalt nitrate hexahydrate) in a mixed solvent of 3 mL N,N-dimethylformamide, 3 mL ethanol and 3 mL DI water , 0.05 mmol H 4 DHBDC acid (2,5-dihydroxybenzenedicarboxylic acid) was added to prepare a reaction mixture. The prepared reaction mixture was stirred for 30 minutes, transferred to a glass vial (10 mL), and reacted in an oven at 100° C. for 24 hours. After the reaction was completed, the glass vial was cooled to room temperature and centrifuged to obtain dark purple crystals. The obtained crystals were washed several times with methanol and then vacuum dried at 250° C. to prepare Co-MOF-74, and then stored in a glass vial.

제조예 2 내지 제조예 5 (MoSx/Co-MOF-74 복합체의 제조)Preparation Examples 2 to 5 (Preparation of MoS x /Co-MOF-74 composite)

제조예 1에 의하여 제조된 100㎎ Co-MOF-74을 하기 표 1과 같이 함량범위를 다르게 한 (NH4)2MoS4(Ammonium tetrathiomolybdate)과 혼합한 후, DMF (100 mL)를 첨가하여 혼합물을 제조하였다. 제조된 혼합물을 마그네틱으로 교반하면서, 상부에서 1 mL 히드라진 하이드레이트(hydrazine hydrate)를 1시간 동안 적가하여 화합물을 제조하였다. 이어서, 제조된 화합물을 테프론으로 처리된 스테인리스 스틸 오토크레이브에 넣고 200 ℃에서 10시간 동안 유지하였다. 마지막으로, 생성물을 분리하고 탈이온수로 세척한 후, 60 ℃ 진공 오븐에서 건조시켰다. 도 2a는 MoSx/Co-MOF-74 복합체의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.100 mg Co-MOF-74 prepared in Preparation Example 1 was mixed with (NH 4 ) 2 MoS 4 (Ammonium tetrathiomolybdate) with different content ranges as shown in Table 1 below, and then DMF (100 mL) was added to the mixture was prepared. While the prepared mixture was magnetically stirred, 1 mL of hydrazine hydrate was added dropwise from the top for 1 hour to prepare a compound. Then, the prepared compound was placed in a stainless steel autoclave treated with Teflon and maintained at 200° C. for 10 hours. Finally, the product was isolated, washed with deionized water, and dried in a vacuum oven at 60 °C. Figure 2a is a diagram schematically showing a method of manufacturing a MoS x /Co-MOF-74 composite.

구분division 제조예 2Preparation 2 제조예 3Preparation 3 제조예 4Preparation 4 제조예 5Preparation 5 20% MoSx/Co-MOF-7420% MoS x /Co-MOF-74 40% MoSx/Co-MOF-7440% MoS x /Co-MOF-74 60% MoSx/Co-MOF-7460% MoS x /Co-MOF-74 80% MoSx/Co-MOF-7480% MoS x /Co-MOF-74 MoSx 함량MoS x content 20wt%20 wt% 40wt%40wt% 60wt%60wt% 80wt%80 wt%

제조예 6(Ni-MOF-74의 제조)Production Example 6 (Preparation of Ni-MOF-74)

Ni-MOF-74는 용매열 합성방법을 사용하였다. DMF, 탈이온수 및 C2H5OH (vol%, 1:1:1)로 혼합된 용매 100mL에 1g Ni(NO3)2.6H2O 및 0.2g H4DHBDC 산을 넣고 교반하여 반응혼합물로 제조하였다. 제조된 반응혼합물을 1 시간 동안 교반하고 테프론으로 처리된 스테인리스 스틸 오토크레이브로 구성된 반응기에 넣었다. 이 반응기를 오븐으로 옮기고 100 ℃에서 24시간 동안 유지하였다. 이어서, 25 ℃로 냉각한 후, 원심분리기를 이용하여 황갈색 분말을 포함하는 생성물을 분리하였다. 분리된 생성물을 메탄올로 4회 헹구어 잔류물을 제거하고 진공 오븐에서 170 ℃, 5시간 동안 건조하여 Ni-MOF-74를 제조하였고 이를 유리 바이알에서 보관하였다.For Ni-MOF-74, a solvothermal synthesis method was used. 1 g Ni(NO 3 ) 2 .6H 2 O and 0.2 g H 4 DHBDC acid were added to 100 mL of a solvent mixed with DMF, deionized water and C 2 H 5 OH (vol%, 1:1:1) and stirred to obtain a reaction mixture was prepared with The prepared reaction mixture was stirred for 1 hour and placed in a reactor composed of a stainless steel autoclave treated with Teflon. The reactor was transferred to an oven and maintained at 100° C. for 24 hours. Then, after cooling to 25 ℃, a product containing yellowish-brown powder was separated using a centrifuge. The separated product was rinsed 4 times with methanol to remove residue, and dried in a vacuum oven at 170° C. for 5 hours to prepare Ni-MOF-74, which was stored in a glass vial.

제조예 7 내지 제조예 10 (MoSx/Ni-MOF-74 복합체의 제조)Preparation Examples 7 to 10 (Preparation of MoS x /Ni-MOF-74 composite)

제조예 6에 의하여 제조된 100㎎ Ni-MOF-74을 하기 표 2와 같이 함량범위를 다르게 한 (NH4)2MoS4과 혼합한 후, DMF (100 mL)를 첨가하여 혼합물을 제조하였다. 제조된 혼합물을 마그네틱으로 교반하면서, 상부에서 1mL 히드라진 하이드레이트(hydrazine hydrate)를 1시간 동안 적가하여 화합물을 제조하였다. 이어서, 제조된 화합물을 테프론으로 처리된 스테인리스 스틸 오토크레이브에 넣고 200 ℃에서 10시간 동안 유지하였다. 마지막으로, 생성물을 분리하고 탈이온수로 세척한 후, 60 ℃ 진공 오븐에서 건조시켰다. 도 2b는 MoSx/Co-MOF-74 복합체의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.100 mg Ni-MOF-74 prepared in Preparation Example 6 was mixed with (NH 4 ) 2 MoS 4 having different content ranges as shown in Table 2 below, and then DMF (100 mL) was added to prepare a mixture. While the prepared mixture was magnetically stirred, 1 mL of hydrazine hydrate was added dropwise from the top for 1 hour to prepare a compound. Then, the prepared compound was placed in a stainless steel autoclave treated with Teflon and maintained at 200° C. for 10 hours. Finally, the product was isolated, washed with deionized water, and dried in a vacuum oven at 60 °C. Figure 2b is a diagram schematically showing a method of manufacturing a MoS x /Co-MOF-74 composite.

구분division 제조예 7Preparation 7 제조예 8Preparation 8 제조예 9Preparation 9 제조예 10Preparation 10 20% MoSx/Ni-MOF-7420% MoS x /Ni-MOF-74 40% MoSx/Ni-MOF-7440% MoS x /Ni-MOF-74 60% MoSx/Ni-MOF-7460% MoS x /Ni-MOF-74 80% MoSx/Ni-MOF-7480% MoS x /Ni-MOF-74 MoSx 함량MoS x content 20wt%20 wt% 40wt%40wt% 60wt%60wt% 80wt%80 wt%

2. 수소생성 촉매용 복합체의 평가2. Evaluation of composites for hydrogen production catalysts

전기화학 성능평가Electrochemical performance evaluation

제조된 수소생성 촉매용 복합체의 수소생성반응 전기촉매 활성(HER electrocatalytic activity)는 3전극 시스템으로, 전기화학분석기(Ivium potentiostat V55630)를 이용하여 상온에서 평가하였다. 여기서, 샘플은 작업전극인 GCE(glassy carbon electrode) (0.2 mg cm-2)에 코팅되고, 카운터전극으로는 그라파이트 로드, 기준전극으로는 Hg/Hg2Cl2 (포화 KCl) 또는 RHE(reversible hydrogen electrode)를 이용하고, 및 전해액으로는 0.5 M H2SO4를 사용하였다. The HER electrocatalytic activity of the prepared hydrogen-generating catalyst complex was evaluated at room temperature using a three-electrode system and an electrochemical analyzer (Ivium potentiostat V55630). Here, the sample is coated on a working electrode, a glassy carbon electrode (GCE) (0.2 mg cm -2 ), a graphite rod as a counter electrode, and Hg/Hg 2 Cl 2 (saturated KCl) or RHE (reversible hydrogen) as a reference electrode. electrode), and 0.5 MH 2 SO 4 was used as the electrolyte.

제조에 1 내지 제조예 5와 관련된 작업전극으로는, 촉매가 전극에 부착되는 것을 막기 위하여, 1 mg 촉매, 1 μL DMF, 및 80 μL 나피온(Nafion, 5%)을 이용하여 혼합물로 제조하여 사용하였다. 0.5 μL 혼합물을 1시간 동안 초음파 처리한 후, 3mm 직경의 GCE로 코팅하여 제조하였다.As the working electrode related to Preparation 1 to 5 in preparation, in order to prevent the catalyst from adhering to the electrode, 1 mg catalyst, 1 μL DMF, and 80 μL Nafion (Nafion, 5%) were used to prepare a mixture using was used. 0.5 μL of the mixture was sonicated for 1 hour, and then coated with 3 mm diameter GCE.

얻어진 전위(vs. Hg/Hg2Cl2)은 하기 식 1을 이용하여 RHE(Real Hydrogen Electrode)로 변환하였다.The obtained potential (vs. Hg/Hg 2 Cl 2 ) was converted to a Real Hydrogen Electrode (RHE) using Equation 1 below.

(식 1) E(RHE) = E(Hg/Hg2Cl2) + 0.059 pH + E0(Hg/Hg2Cl2)(Equation 1) E(RHE) = E(Hg/Hg 2 Cl 2 ) + 0.059 pH + E 0 (Hg/Hg 2 Cl 2 )

제조예 6 내지 제조예 10과 관련된 작업전극으로는, 4 mg 촉매, 1 μL DMF 및 80μL 나피온(Nafion, 5 %)을 이용하여 혼합물로 제조하여 제조하였다.As a working electrode related to Preparation Examples 6 to 10, a mixture was prepared using 4 mg catalyst, 1 μL DMF, and 80 μL Nafion (Nafion, 5%).

얻어진 전위(vs. RHE)는 하기 식 2을 이용하여 RHE(Real Hydrogen Electrode)로 변환하였다.The obtained potential (vs. RHE) was converted to RHE (Real Hydrogen Electrode) using Equation 2 below.

(식 2) E (RHE) = E0 (SCE) + E (SCE) + 0.059pH(Equation 2) E (RHE) = E 0 (SCE) + E (SCE) + 0.059 pH

LSV(linear sweep voltammetry) 방법은 10 mV/s의 스캔속도로 수행하였으며, EIS(Electrochemical impedance spectroscopy)는 0.2 V (vs. RHE)로, 주파수 범위는 100000 Hz 내지 0.1 Hz로 하였다. 촉매 안정성은 50 mV/s 스캔속도로 순환전류전압(cyclic voltammetry) 및 -0.197 V의 정전압법(Chronoamperometry)으로 확인하였다. LSV (linear sweep voltammetry) method was performed at a scan rate of 10 mV/s, EIS (electrochemical impedance spectroscopy) was 0.2 V (vs. RHE), and the frequency range was 100000 Hz to 0.1 Hz. Catalyst stability was confirmed by cyclic voltammetry at a scan rate of 50 mV/s and chronoamperometry at -0.197 V.

물질 특성평가Material characterization

각 물질의 상(pahse)는 XRD(D8-Advance/Bruker-AXS, Cu Kα radiation)로 측정하였다. 물질의 표면적인 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 방법으로 확인하였고, Perkin Elmer Spectrum GX1 분광기를 이용하여 FT-IR 스펙트럼을 얻었다. SIGMA/Carl Zeiss으로 SEM 이미지를 얻었고, JEOL-2100F (Japan)으로 HR-TEM 이미지를 얻었으며, Mg Kα 소스 및 패스에너지 40 eV 또는 50 eV를 이용하여 높은 진공상태에서 XPS를 확인하였다.The phase of each material was measured by XRD (D8-Advance/Bruker-AXS, Cu Ka radiation). The surface area of the material was confirmed by BET (Brunauer-Emmett-Teller) method, and an FT-IR spectrum was obtained using a Perkin Elmer Spectrum GX1 spectrometer. SEM images were acquired with SIGMA/Carl Zeiss, HR-TEM images were acquired with JEOL-2100F (Japan), and XPS was confirmed under high vacuum using a Mg Kα source and pass energy of 40 eV or 50 eV.

3. 평가결과3. Evaluation result

(1) 제조예 1 내지 제조예 5의 평가(1) Evaluation of Preparation Examples 1 to 5

도 3a는 40% MoSx/Co-MOF-74의 파우더 XRD 스펙트럼이고, 도 3b는 Co-MOF-74의 FT-IR 스펙트럼이며, 도 3c는 Co-MOF-74 및 40% MoSx/Co-MOF-74의 질소 흡착 및 탈착을 나타낸 그래프이다.Figure 3a is the powder XRD spectrum of 40% MoS x /Co-MOF-74, Figure 3b is the FT-IR spectrum of Co-MOF-74, Figure 3c is Co-MOF-74 and 40% MoS x /Co- It is a graph showing the nitrogen adsorption and desorption of MOF-74.

도 3a는 XRD를 확인한 40% MoSx/Co-MOF-74의 결정성을 나타내었다. 2θ = 6.8o 및 2θ = 11.7o에서 Co-MOF-74의 두 타입의 피크를 측정하였고, 각각 (2 -1 0)면 및 (3 0 0)면으로 확인하였다. 이는 Co-MOF-74가 성공적으로 합성되었음을 의미한다. 도 3b는 제조예 1에 따른 활성 Co-MOF-74의 포메이션을 FT-IR 스펙트럼으로 확인한 결과이다. 1662 cm-1에서의 매우 낮은 진동 시그널 강도는 DMF 용매에 의한 것으로 판단된다. 열 활성에 의하여 Co 열린 자리(open site)로부터 제거된 다수의 게스트 분자가 나타났다. 또한, 1554 cm-1 및 1409 cm-1에서의 밴드는 각각 유기 링커의 C=O (-COOH) 및 C=C (aromatic ring)결합의 신축진동(stretching vibrations)으로 판단된다. 도 3c는 제조예 1(Co-MOF-74)에 따른 질소 흡착등온선(N2 sorption isotherm)으로 평가한 기공 특성이다. 구체적으로, Co-MOF-74는 비표면적이 335.4 m2/g, 기공부피는 0.021 cm3/g 및 기공의 평균크기는 3.06 nm로 나타났다. Co-MOF-74과 40wt% MoSx를 혼합한 후, 40% MoSx/Co-MOF-74의 표면적은 126.6m2/g로 감소하였다. 기공 부피는 변하지 않고 유지되었으며(0.022cm3/g), 기공의 평균크기는 7.39nm로 증가하였다.Figure 3a shows the crystallinity of 40% MoS x /Co-MOF-74 confirmed by XRD. Two types of peaks of Co-MOF-74 were measured at 2θ = 6.8 o and 2θ = 11.7 o , and were identified as (2 -1 0) plane and (3 0 0) plane, respectively. This means that Co-MOF-74 was successfully synthesized. Figure 3b is a result of confirming the formation of the active Co-MOF-74 according to Preparation Example 1 by FT-IR spectrum. The very low vibration signal intensity at 1662 cm -1 is considered to be due to the DMF solvent. A number of guest molecules were removed from the Co open site by thermal activity. In addition, the bands at 1554 cm -1 and 1409 cm -1 are, respectively, of the organic linker. It is judged as stretching vibrations of C=O (-COOH) and C=C (aromatic ring) bonds. 3c is a pore characteristic evaluated by a nitrogen adsorption isotherm (N 2 sorption isotherm) according to Preparation Example 1 (Co-MOF-74). Specifically, Co-MOF-74 had a specific surface area of 335.4 m 2 /g, a pore volume of 0.021 cm 3 /g, and an average pore size of 3.06 nm. After mixing Co-MOF-74 and 40wt% MoS x , the surface area of 40% MoS x /Co-MOF-74 was reduced to 126.6 m 2 /g. The pore volume remained unchanged (0.022 cm 3 /g), and the average pore size increased to 7.39 nm.

도 4은 (a) Co-MOF-74, (b) 20% MoSx/Co-MOF-74, (c) 40% MoSx/Co-MOF-74, (d) 60% MoSx/Co-MOF-74, (e) 80% MoSx/Co-MOF-74, 및 (f) MoSx의 SEM 이미지이다.4 shows (a) Co-MOF-74, (b) 20% MoS x /Co-MOF-74, (c) 40% MoS x /Co-MOF-74, (d) 60% MoS x /Co- SEM images of MOF-74, (e) 80% MoS x /Co-MOF-74, and (f) MoS x .

도 4의 (a) 내지 (f)는 Co-MOF-74과, 0 내지 100wt%의 각각 다른 함량의 (NH4)2MoS4를 이용하여 제조된 MoSx/Co-MOF-74의 모폴로지를 나타낸 SEM 이미지이다. 도 4을 참조하면, (a)에서 (e)로 갈 수록 Co-MOF-74의 외면에 MoSx가 점점 증가되는 것을 관찰할 수 있었다. 반면, 저함량인 20% (NH4)2MoS4를 이용한 경우, Co-MOF-74 결정의 작은 부분에서 코팅되지 않음을 확인할 수 있었다. 고함량에서 Co-MOF-74는 외면이 뒤 덮여졌고, 이에 의하여 MoSx/Co-MOF-74 복합체가 성공적으로 합성되었음을 확인할 수 있었다. 도 4(c)를 참조하면, 40% MoSx는 Co-MOF-74를 전체적으로 덮기에 충분하지만, Co-MOF-74 외면에 MoSx (>40%)를 과부화시키면 CoMoS 상을 형성을 방해하여, 복합체 촉매의 활성을 감소로 이어질 수 있다.4 (a) to (f) is a morphology of MoS x /Co-MOF-74 prepared using Co-MOF-74 and (NH 4 ) 2 MoS 4 of different contents of 0 to 100 wt%. SEM image shown. Referring to FIG. 4 , it was observed that MoS x on the outer surface of Co-MOF-74 gradually increased from (a) to (e). On the other hand, when a low content of 20% (NH 4 ) 2 MoS 4 was used, it was confirmed that a small portion of the Co-MOF-74 crystal was not coated. At a high content, the outer surface of Co-MOF-74 was covered, thereby confirming that the MoS x /Co-MOF-74 complex was successfully synthesized. Referring to FIG. 4(c), 40% MoS x is sufficient to completely cover Co-MOF-74, but overloading MoSx (>40%) on the outer surface of Co-MOF-74 prevents the formation of the CoMoS phase, The complex may lead to a decrease in the activity of the catalyst.

도 5는 (a) 및 (d) Co-MOF-74, (b) 및 (e) MoSx, (c) 및 (f) 40% MoSx/Co-MOF-74 각각의 TEM 이미지이다. 도 5(a) 및 도4(b)를 참조하면, Co-MOF-74는 로드쉐입 형태로 나타나며, MoSx는 나노파티클(nanoparticle)의 형태로 관찰되었다. 도 5(c)에서, 40% MoSx/Co-MOF-74의 TEM 이미지는 MoSx가 Co-MOF-74의 외면에서 수직하게 고정됨을 나타내었다.5 is a TEM image of (a) and (d) Co-MOF-74, (b) and (e) MoS x , (c) and (f) 40% MoS x /Co-MOF-74, respectively. 5(a) and 4(b), Co-MOF-74 appeared in the form of a rod shape, and MoS x was observed in the form of nanoparticles. In Fig. 5(c), a TEM image of 40% MoS x /Co-MOF-74 showed that MoS x was vertically fixed on the outer surface of Co-MOF-74.

도 6는 Co-MOF-74 및 40% MoSx/Co-MOF-74의 XPS 스펙트럼으로, (a)는 Co 2p, (b)는 Mo 3d 및 S 2s, (c)는 S 2p를 각각 나타내었다.6 is an XPS spectrum of Co-MOF-74 and 40% MoS x /Co-MOF-74, (a) is Co 2 p, (b) is Mo 3 d and S 2 s, (c) is S 2 p is shown, respectively.

도 6(a)를 참조하면, Co 2p의 XPS 스펙트럼에서 Co2+ 2p 1/2 및 Co2+ 2p 3/2에 대응하는 두개의 피크는 각각 797.6 eV 및 781.8 eV의 결합에너지로 나타났고, MoSx/Co-MOF-74 복합체에 대한 Co 2p의 XPS 스펙트럼에서 나타났다. 또한, 포화 Co에 대한 779.2 eV 및 793.9 eV의 두 개의 새로운 피크는 CoMoS 상의 존재함을 의미한다. Referring to FIG. 6(a), the two peaks corresponding to Co 2+ 2 p 1/2 and Co 2+ 2 p 3/2 in the XPS spectrum of Co 2 p have binding energies of 797.6 eV and 781.8 eV, respectively. appeared in the XPS spectrum of Co 2 p for the MoS x /Co-MOF-74 complex. In addition, two new peaks at 779.2 eV and 793.9 eV for saturated Co indicate the presence of the CoMoS phase.

일반적으로 열린 금속 자리(open metal site, OMS) (Co 사이트)를 갖는 Co-MOF-74에는 이종 원자와 쉽게 상호 작용할 수 있다. 따라서, Co 자리는 MoSx의 S (또는 Mo) 원자와 상호 작용하여 CoMoS 상을 형성하는 것으로 예측된다. 상기 40% MoSx/Co-MOF-74 복합체에서 CoMoS 상의 함량은 18.9 %로 추정되고, 이는 도 6(b)의 고해상도 Mo 3d 및 S 2s에 나타났다. 228.8eV 및 231.9eV의 두 개의 피크는 Mo4+에 의하고, 235.8eV 및 232.7eV에 나타난 피크는 Mo5+에 의한다. 164.1 eV 및 162.9 eV에서 S 2p 피크는 이황화 S2 2-에 의하고, 2가 황화물 이온 (S2-)은 162.7 eV 및 161.5 eV에서 피크에 의한다(도 6(c)).Co-MOF-74, which normally has an open metal site (OMS) (Co site), can easily interact with heteroatoms. Therefore, the Co site is predicted to interact with the S (or Mo) atom of MoSx to form the CoMoS phase. The content of the CoMoS phase in the 40% MoS x /Co-MOF-74 composite was estimated to be 18.9%, which was shown in high-resolution Mo 3 d and S 2 s in FIG. 6(b). The two peaks at 228.8 eV and 231.9 eV are due to Mo 4+ , and the peaks at 235.8 eV and 232.7 eV are due to Mo 5+ . The S 2p peaks at 164.1 eV and 162.9 eV are due to disulfide S 2 2- , and the divalent sulfide ion (S 2- ) is due to peaks at 162.7 eV and 161.5 eV ( FIG. 6(c) ).

도 7은 Co-MOF-74 및 20-100% MoSx/Co-MOF-74의 (a)분극곡선, (b) 타펠 기울기(Tafel slope), (c) EIS 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot), (d) Cd 및 40% MoSx/Co-MOF-74 (e) 1000 사이클 진행 후 사이클 테스트, (f) 고정전압 0.197 V에서의 시간대전류측정 커브(Chronoamperometric curve)를 나타낸 그래프이다. 7 is (a) polarization curve, (b) Tafel slope, (c) EIS Nyquist plot of Co-MOF-74 and 20-100% MoS x /Co-MOF-74 , (d) C d and 40% MoS x /Co-MOF-74 (e) A cycle test after 1000 cycles, (f) A graph showing a chronoamperometric curve at a fixed voltage of 0.197 V.

도 7에서는 Co-MOF-74, MoSx/Co-MOF-74 및 상용성의 Pt/C에 대한 HER(수소발생반응)의 전기촉매 특성을 나타냈다. 도 7(a)를 참조하면, 선형 스윕 전압전류법(LSV: Linear Sweep Voltammetry)에서, Pt/C의 촉매활성이 ~ 0mV의 개시전위(onset potential)에서 가장 좋은 결과를 나타냈다. 또한, 20, 40, 60, 80% (NH4)2MoS4를 갖는 MoSx/Co-MOF-74의 개시전위는 각각 -287, -147, -188, -189 mV로 나타났고, Co-MOF-74 및 MoSx의 개시전위는 각각 -589 및 -177 mV로 나타났다. 여기서, 40%MoSx/Co-MOF-74이 가장 좋은 값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 도 7(b)에 나타낸 타펠 기울기는 도 7(a)에 의하여 얻어진 결과이다.7 shows the electrocatalytic properties of HER (hydrogenation reaction) for Co-MOF-74, MoS x /Co-MOF-74, and compatible Pt/C. Referring to FIG. 7( a ), in linear sweep voltammetry (LSV), the catalytic activity of Pt/C exhibited the best results at an onset potential of ~ 0mV. In addition, the onset potentials of MoS x /Co-MOF-74 having 20, 40, 60, 80% (NH 4 ) 2 MoS 4 were -287, -147, -188, and -189 mV, respectively, and Co- The onset potentials of MOF-74 and MoS x are respectively -589 and -177 mV. Here, it was confirmed that 40%MoS x /Co-MOF-74 exhibited the best value. The Tafel slope shown in Figure 7 (b) is a result obtained by Figure 7 (a).

촉매로 Co-MOF-74는 타펠 기울기가 수소생산에서 249.2 mV decade-1으로 상대적으로 높은 값을 나타내었다. 또한, MoSx에 의하여 개질된 Co-MOF-74에서는 MoSx의 함량이 증가할수록 타펠 기울기가 감소하는 경향을 나타냈다. 40%MoSx/Co-MOF-74은 68.3mV decade-1으로 가장 낮은 타펠 기울기가 나타났고, 20%MoSx/Co-MOF-74은 132.6mV decade-1으로 가장 높은 타펠 기울기가 나타났다. 타펠 기울기에서, 60%MoSx/Co-MOF-74, 80%MoSx/Co-MOF-74 및 MoSx는 각각 68.8, 70.5 및 70.2mV decade-1로 낮은 값을 나타내었다. 즉, 40%MoSx/Co-MOF-74가 수소 흡수 자유에너지를 감소시키는 CoMoS 상이 형성되었기 때문으로 판단되며, Co-MOF-74의 촉매활성을 개선하기 위한 최적 함량임을 나타낸다. 또한, MoSx는 HER 성능에서 중요한 기능을 한다. 첫째로는, Mo4+ 및 Mo5+와 같이 불포화 분위기를 갖는 복합체에서 조촉매로 작용하고, S2 2-는 HER 촉매활성의 중심으로 작용한다. 둘째로, MoSx는 CoMoS 상을 생성하여 MoSx/Co-MOF-74 복합체의 HER 성능을 향상시킬 수 있다. 타펠 기울기값은 불머(Volmer) (120 mV decade-1), 헤이로브스키(Heyrovsky) (40 mV decade-1), 및 타펠(Tafel) (30 mV decade-1)를 포함하는 HER 메커니즘과 관련되어 있다. 통상, 산성 매질에서 물이 분리되어 수소가 생성되는 두가지의 메커니즘이 있는데, Volmer-Heyrovsky 반응과, Volmer-Tafel 반응으로 이루어지며, 하기 식 (1) 내지 (3)으로 표현된다.As a catalyst, Co-MOF-74 showed a relatively high Tafel slope of 249.2 mV decade -1 in hydrogen production. In addition, in Co-MOF-74 modified by MoS x , the Tafel slope showed a tendency to decrease as the content of MoS x increased. 40%MoS x /Co-MOF-74 showed the lowest Tafel slope at 68.3mV decade -1 , and 20%MoS x /Co-MOF-74 showed the highest Tafel slope at 132.6mV decade -1 . In the Tafel slope, 60%MoS x /Co-MOF-74, 80%MoS x /Co-MOF-74 and MoS x showed low values at 68.8, 70.5 and 70.2 mV decade -1 , respectively. That is, it is judged that 40%MoS x /Co-MOF-74 is due to the formation of a CoMoS phase that reduces the hydrogen absorption free energy, indicating that it is an optimal content to improve the catalytic activity of Co-MOF-74. In addition, MoS x plays an important function in HER performance. First, it acts as a co-catalyst in a complex having an unsaturated atmosphere, such as Mo 4+ and Mo 5+ , and S 2 2- acts as the center of HER catalytic activity. Second, MoS x can generate a CoMoS phase to improve the HER performance of the MoS x /Co-MOF-74 composite. Tafel slope values are associated with HER mechanisms, including Volmer (120 mV decade -1 ), Heyrovsky (40 mV decade -1 ), and Tafel (30 mV decade -1 ). have. In general, there are two mechanisms by which water is separated from an acidic medium to generate hydrogen, which consists of a Volmer-Heyrovsky reaction and a Volmer-Tafel reaction, and is expressed by the following formulas (1) to (3).

볼머(Volmer) 반응: H3O+ + e- → H* + H2O (1)Volmer reaction: H 3 O + + e - → H* + H 2 O (1)

헤이로브스키(Heyrovsky) 반응: H3O+ + e- + H* → H2 + H2O (2)Heyrovsky reaction: H 3 O + + e - + H* → H 2 + H 2 O (2)

타펠(Tafel) 반응: H* + H* → H2 (3)Tafel reaction: H* + H* → H 2 (3)

MoSx에 의하여 개질된 Co-MOF-74 복합체 68 ~ 133mV decade-1 범위의 타펠 기울기가 나타나며, Volmer-Heyrovsky 반응에 대응하는 HER 메커니즘으로, 방전과정과 전기화학적 탈착을 포함한다.The Co-MOF-74 complex modified by MoS x exhibits a Tafel slope in the range of 68 to 133 mV decade -1 , and is a HER mechanism corresponding to the Volmer-Heyrovsky reaction, including the discharge process and electrochemical desorption.

도 7(c)를 참조하면, 산성용액(0.5 M H2SO4)에서 0.2V로 EIS를 측정하여 HER 수율을 확인하였다. 등가회로에는 Rs(Internal resistance), Rct(Charge-transfer resistance) 및 CPE(Constant phase element)가 포함된다(도 7(c)의 내부도면). GCE (R1)의 촉매저항 및 전해액의 촉매저항을 포함하는 시편의 Rct는 하기 표 3에 나타내었다.Referring to FIG. 7(c), the HER yield was confirmed by measuring EIS at 0.2 V in an acidic solution (0.5 MH 2 SO 4 ). The equivalent circuit includes R s ( internal resistance), R ct (charge-transfer resistance) and CPE (constant phase element) (internal view of FIG. 7(c)). R ct of the specimen including the catalyst resistance of GCE (R 1 ) and the catalyst resistance of the electrolyte is shown in Table 3 below.

SampleSample RS(Ω)R S (Ω) R1(Ω)R 1 (Ω) R2(Ω)R 2 (Ω) Co-MOF-74Co-MOF-74 21.721.7 1139011390 33753375 20% MoSx/Co-MOF-7420% MoS x /Co-MOF-74 13.513.5 285.8285.8 101.7101.7 40% MoSx/Co-MOF-7440% MoS x /Co-MOF-74 12.0812.08 44.844.8 9.759.75 60% MoSx/Co-MOF-7460% MoS x /Co-MOF-74 17.817.8 58.658.6 21.521.5 80% MoSx/Co-MOF-7480% MoS x /Co-MOF-74 11.911.9 73.173.1 28.128.1 MoSx MoS x 21.421.4 34.134.1 15.615.6

전술한 바와 같이 Co-MOF-74는 높은 타펠 기울기를 갖고, 11390 Ω의 높은 R1으로 낮은 전기촉매 활성을 갖는다. MoSx의 비율이 증가할수록, MoSx/Co-MOF-74 복합체의 Rct가 크게 감소함을 확인할 수 있었다. 이 중 R1과 R2가 각각 44.8 Ω과 9.75 Ω인 40% MoSx/Co-MOF-74가 가장 우수함을 확인할 수 있었다. 또한, 전기화학적 활성 표면적과 관련된 이중층 커패시턴스 (Cdl)를 확인하기 위하여, 0.1 ~ 0.2V (vs. RHE)의 전위범위에서 다양한 스캔속도에서 CV 측정한 결과, Cdl 값은 MoSx가 포함된 복합체에서 증감함을 확인할 수 있었다. 특히, 40% MoSx/Co-MOF-74는 0.84 mF/㎠로 가장 높은 Cdl을 나타내었고, MoSx는 Cdl가 0.43 mF/㎠로 낮은 값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 즉, 다른 복합체에 비하여 MoSx/Co-MOF-74가 우수한 촉매활성을 가짐을 확인할 수 있었다. As described above, Co-MOF-74 has a high Tafel slope and low electrocatalytic activity with a high R 1 of 11390 Ω. As the ratio of MoS x increased, it was confirmed that the Rct of the MoS x /Co-MOF-74 composite was significantly reduced. Among them, it was confirmed that 40% MoS x /Co-MOF-74 with R1 and R2 of 44.8 Ω and 9.75 Ω, respectively, was the best. In addition, in order to confirm the double-layer capacitance (C dl ) related to the electrochemically active surface area, CV was measured at various scan rates in the potential range of 0.1 to 0.2V (vs. RHE ). As a result, the C dl value was It was confirmed that the increase and decrease in the complex. In particular, it was confirmed that 40% MoS x /Co-MOF-74 showed the highest C dl at 0.84 mF/cm 2 , and MoS x had a low C dl of 0.43 mF/cm 2 . That is, it was confirmed that MoS x /Co-MOF-74 had excellent catalytic activity compared to other composites.

40% MoSx/Co-MOF-74의 촉매로서의 내구성은 전류밀도-전압을 시간전류법으로 확인하였다. 도 7(e)를 참조하면, 1000 사이클 후 편광곡선에서 거의 변화가 없음을 확인할 수 있었고, 전류밀도 역시 12시간 이후에도 변화하지 않음을 확인할 수 있었다(도 7(f)). 즉, 40% MoSx/Co-MOF-74가 높은 촉매활성 및 안정성을 나타내며, HER 촉매로 우수한 능력을 나타냄을 의미한다.The durability of 40% MoS x /Co-MOF-74 as a catalyst was confirmed by the current density-voltage method. Referring to FIG. 7(e), it was confirmed that there was almost no change in the polarization curve after 1000 cycles, and it could be confirmed that the current density also did not change even after 12 hours (FIG. 7(f)). That is, it means that 40% MoS x /Co-MOF-74 shows high catalytic activity and stability, and shows excellent ability as a HER catalyst.

전술한 바와 같이, Co-MOF-74 단독으로 이루어진 촉매활성과, Co-MOF-74에 (NH4)2MoS4를 전구체로 이용하여 개질된 Co-MOF-74의 촉매활성을 확인하여, HER 성능을 확인하였다. 로드쉐입 형태의 Co-MOF-74는 용매열 방법에 의하여 제조하였고, 표면적은 335.4 m2/g였다. 40% MoSx/Co-MOF-74의 촉매는 타펠 기울기 68 mV decade-1와, 개시전위 -147 mV로 수소생성에서 가장 효과적으로 작용함을 확인할 수 있었다. 또한, 40% MoSx/Co-MOF-74는 1000사이클 진행 후에도 높은 내구성을 나타내었으며, 이는 CoMoS 상에 의하여 촉매활성 중심을 촉진하고 Co-MOF-74의 전자전달 저항을 감소시키기 때문으로 판단된다.As described above, the catalytic activity consisting of Co-MOF-74 alone, and (NH 4 ) 2 MoS 4 in Co-MOF-74 were modified using MoS 4 as a precursor. By confirming the catalytic activity of Co-MOF-74, the HER performance was confirmed. Co-MOF-74 in the form of a rod shape was prepared by a solvothermal method, and the surface area was 335.4 m 2 /g. The catalyst of 40% MoS x /Co-MOF-74 has a Tafel slope of 68 mV decade -1 and an onset potential At -147 mV, it was confirmed that it works most effectively in hydrogen generation. In addition, 40% MoS x /Co-MOF-74 showed high durability even after 1000 cycles, which is thought to be because the CoMoS phase promotes the catalytically active center and reduces the electron transfer resistance of Co-MOF-74. .

(2) 제조예 6 내지 제조예 10의 평가(2) Evaluation of Preparation Examples 6 to 10

도 8a는 40% MoSx/Ni-MOF-74의 파우더 XRD 스펙트럼이고, 도 8b는 Ni-MOF-74의 FT-IR 스펙트럼이다. 도 8c는 Ni-MOF-74 및 40% MoSx/Ni-MOF-74의 질소 흡착 및 탈착을 나타낸 그래프이다.Figure 8a is a powder XRD spectrum of 40% MoS x /Ni-MOF-74, Figure 8b is an FT-IR spectrum of Ni-MOF-74. 8c is a graph showing nitrogen adsorption and desorption of Ni-MOF-74 and 40% MoS x /Ni-MOF-74.

도 8a를 참조하면, Ni-MOF-74 및 40% MoSx/Ni-MOF-74의 결정상은 XRD 스펙트럼으로 확인한 결과, Ni-MOF-74의 결정면 (2 -1 0) 및 (3 0 0) 각각을 나타내는 대략 2

Figure pat00007
= 6.8o 및 11.7o의 두개의 피크가 나타났고, 이는 Ni-MOF-74가 잘 합성되었음을 의미한다. 40% MoSx/Ni-MOF-74는 MoSx가 장착되어 결정도가 상대적으로 감소하였으나, 전체적으로 Ni-MOF-74의 결정 격자는 변하지 않음을 확인할 수 있었다. 이는 MoSx가 비결정성 구조(amorphous structure)이기 때문으로 판단된다. 도 8b를 참조하면, 열방법에 의하여 활성화된 Ni-MOF-74는 1662 cm-1 에서 낮은 진동 시그널 강도를 갖고, 이는 Ni 자리 활성화 과정에서 용매 분자가 현저하게 제거되었기 때문이다. 또한, C-O (H) 결합이 1193 cm-1의 진동 주파수로 나타나는 과정에서, C=O (-COOH)의 비대칭 및 대칭 신축진동(stretching vibrations) 주파수는 각각 1557 cm-1 및 1417 cm-1이였다. 도 8c에서는 질소 흡착등온선(N2 sorption isotherm)으로 평가한 기공 특성을 평가하였다. Ni-MOF-74는 435㎡/g의 상대적으로 높은 표면적으로 나타내고, 이에 의하여 상기 Ni-MOF-74의 표면에 MoSx가 용이하게 고정되도록 할 수 있다. 또한, 40% MoSx/Ni-MOF-74의 표면적은 Ni-MOF-74보다 더 크게 나타났는데, 이는 표면에 고정된 MoSx의 분포에 기인하는 것으로 판단된다. Referring to FIG. 8a , the crystal phases of Ni-MOF-74 and 40% MoS x /Ni-MOF-74 were confirmed by XRD spectra, the crystal planes of Ni-MOF-74 (2 -1 0) and (3 0 0) about 2 representing each
Figure pat00007
= 6.8 o and 11.7 o appeared, indicating that Ni-MOF-74 was well synthesized. 40% MoS x /Ni-MOF-74 was equipped with MoS x and the crystallinity was relatively decreased, but it was confirmed that the crystal lattice of Ni-MOF-74 was not changed as a whole. This is considered to be because MoS x has an amorphous structure. Referring to FIG. 8b , Ni-MOF-74 activated by the thermal method has a low vibrational signal intensity at 1662 cm −1 , because solvent molecules are remarkably removed during the Ni site activation process. In addition, in the process where the CO (H) bond appeared with a vibration frequency of 1193 cm -1 , the asymmetric and symmetric stretching vibrations frequencies of C=O (-COOH) were 1557 cm -1 and 1417 cm -1 , respectively. . In FIG. 8c, the pore characteristics evaluated by the nitrogen adsorption isotherm (N 2 sorption isotherm) were evaluated. Ni-MOF-74 exhibits a relatively high surface area of 435 m 2 /g, whereby MoS x can be easily fixed to the surface of the Ni-MOF-74. In addition, the surface area of 40% MoS x /Ni-MOF-74 was larger than that of Ni-MOF-74, which is considered to be due to the distribution of MoSx immobilized on the surface.

도 9는 (a) Ni-MOF-74, (b) 20% MoSx/Ni-MOF-74, (c) 40% MoSx/Ni-MOF-74, (d) 60% MoSx/Ni-MOF-74, (e) 80% MoSx/Ni-MOF-74, 및 (f) MoSx의 SEM 이미지이다.9 shows (a) Ni-MOF-74, (b) 20% MoS x /Ni-MOF-74, (c) 40% MoS x /Ni-MOF-74, (d) 60% MoS x /Ni- SEM images of MOF-74, (e) 80% MoS x /Ni-MOF-74, and (f) MoS x .

도 9를 참조하면, Ni-MOF-74는 로드 쉐입 형태의 결정의 1차입자가 형성된 후 이들 1차입자가 응집되어 꽃과 같은 구조의 2차입자를 형성함을 확인할 수 있었다. Ni-MOF-74의 표면에서 MoSx가 점차적으로 고정되는 형태를 참조하면, 20% MoSx/Ni-MOF-74에서는 Ni-MOF-74 표면의 일부가 비어있는 형태로 MoSx가 Ni-MOF-74에 구비됨을 확인할 수 있었다. 반면, MoSx의 함량을 증가한 경우에는 Ni-MOF-74 결정의 표면에 수직하게 고정됨을 확인할 수 있었다. 반면, MoSx의 함량이 과도하게 증가하는 경우에는 NiMoS 상 형성을 방해하여 전기 촉매 HER 수율을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 40% MoSx/Ni-MOF-74가 바람직할 수 있다.Referring to FIG. 9 , it was confirmed that Ni-MOF-74 formed secondary particles having a flower-like structure by aggregating the primary particles after the formation of rod-shaped crystal primary particles. Referring to the form in which MoSx is gradually fixed on the surface of Ni-MOF-74, at 20% MoS x /Ni-MOF-74, a part of the surface of Ni-MOF-74 is vacant, and MoS x becomes Ni-MOF- It was confirmed that it was provided in 74. On the other hand, when the content of MoS x was increased, it was confirmed that the Ni-MOF-74 crystal was fixed perpendicularly to the surface. On the other hand, when the content of MoS x is excessively increased, it may interfere with the formation of the NiMoS phase, thereby reducing the electrocatalytic HER yield. In an embodiment of the present invention, 40% MoS x /Ni-MOF-74 may be preferred.

도 10은 (a) 및 (d) Ni-MOF-74, (b) 및 (e) MoSx, (c) 및 (f) 40% MoSx/Ni-MOF-74 각각의 TEM 이미지이다.10 is a TEM image of (a) and (d) Ni-MOF-74, (b) and (e) MoS x , (c) and (f) 40% MoS x /Ni-MOF-74, respectively.

도 10을 참조하면, Ni-MOF-74 결정의 크기는 대략 300nm이고, MoSx의 직경은 150nm임을 확인할 수 있었다. 도 10(c)에서는 Ni-MOF-74 표면에 MoSx가 고정되었음을 확인할 수 있었다. HR-TEM 이미지는 Ni-MOF-74의 (5-10) 평면을 나타내는 0.197 nm의 격자 무늬를 나타냈고, 이는 표면에 MoSx가 고정된 후에도 Ni-MOF-74의 결정이 유지되었음을 의미한다(도 10(d), (f)). 여기서, MoSx는 비결정성 구조이므로 HR-TEM 이미지에 나타나지 않았다(도 10(e)).Referring to FIG. 10 , it was confirmed that the size of the Ni-MOF-74 crystal was approximately 300 nm, and the diameter of MoS x was 150 nm. In FIG. 10(c), it was confirmed that MoS x was fixed to the surface of Ni-MOF-74. The HR-TEM image showed a lattice pattern of 0.197 nm representing the (5-10) plane of Ni-MOF-74, which means that the crystals of Ni-MOF-74 were maintained even after MoS x was fixed on the surface ( 10(d), (f)). Here, since MoS x has an amorphous structure, it did not appear in the HR-TEM image (Fig. 10(e)).

도 11은 Ni-MOF-74 및 40% MoSx/Ni-MOF-74의 XPS 스펙트럼으로, (a)는 Ni 2p, (b)는 Mo 3d 및 S 2s, (c)는 S 2p를 각각 나타내었다.11 is an XPS spectrum of Ni-MOF-74 and 40% MoS x /Ni-MOF-74, (a) is Ni 2 p, (b) is Mo 3 d and S 2 s, (c) is S 2 p is shown, respectively.

도 11에서는, Ni-MOF-74 및 40% MoSx/Ni-MOF-74의 화학적 상태를 확인하기 위하여 XPS 스펙트럼을 확인하였다. 도 11(a)는 Ni 2p의 XPS 스펙트럼을 나타내는데, 874.0.6 eV 및 856.3 eV에서 두 개의 피크가 나타났고, 이는 각각 Ni2+ 2p1/2 및 Ni2+ 2p3/2를 나타낸다. 반면, 포화 Ni는 880.2 eV 및 861.9 eV에서 나타난다. 이러한 피크는 40% MoSx/Ni-MOF-74에서도 관찰되었고, 이는 안정적인 Ni-MOF-74 구조를 형성함을 의미한다. 또한, 871.6 eV 및 853.7 eV에서 두 개의 새로운 작은 피크는 NiMoS 상의 존재에 의한다. NiMoS 상은 MoSx에서 Ni 열린 자리(open site)와 S (또는 Mo) 원자 사이 상호 작용에 의하여 형성된다. 도 11(b)에서, 235.9 eV에서 피크가 확인되었으며, 232.8 eV는 Mo5+의 산화 상태를 의미하고, Mo4+ 3d3/2 및 Mo4+ 3d5/2의 산화 상태는 각각 231.9 eV 및 228.8 eV에서 나타났다. 이황화 이온(S2 2-)의 피크는 163.9eV 및 162.7eV, 2가 황화물 이온(S2-) 의 피크는 162.5eV 및 161.3eV에서 나타났다(도 11(c)).In FIG. 11, the XPS spectrum was confirmed to confirm the chemical state of Ni-MOF-74 and 40% MoS x /Ni-MOF-74. 11 (a) shows the XPS spectrum of Ni 2p, two peaks appeared at 874.0.6 eV and 856.3 eV, respectively, indicating Ni 2+ 2p 1/2 and Ni 2+ 2p 3/2 . On the other hand, saturated Ni appears at 880.2 eV and 861.9 eV. This peak was also observed at 40% MoS x /Ni-MOF-74, indicating that a stable Ni-MOF-74 structure was formed. In addition, two new small peaks at 871.6 eV and 853.7 eV are attributed to the presence of the NiMoS phase. The NiMoS phase is formed by the interaction between Ni open sites and S (or Mo) atoms in MoS x . In FIG. 11(b), a peak was confirmed at 235.9 eV, 232.8 eV means the oxidation state of Mo 5+ , and the oxidation state of Mo 4+ 3d 3/2 and Mo 4+ 3d 5/2 is 231.9 eV, respectively. and 228.8 eV. The peaks of disulfide ions (S 2 2- ) were 163.9 eV and 162.7 eV, and the peaks of divalent sulfide ions (S 2- ) were 162.5 eV and 161.3 eV ( FIG. 11( c )).

도 12는 Ni-MOF-74 및 20-100% MoSx/Ni-MOF-74의 (a)분극곡선, (b) 타펠 기울기(Tafel slope), (c) EIS(Electro-impedance spectroscopy) 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot), (d) 40% MoSx/Ni-MOF-74의 2000 사이클 진행 후 사이클 테스트를 나타낸 그래프이다. Figure 12 is Ni-MOF-74 and 20-100% MoS x /Ni-MOF-74 of (a) polarization curve, (b) Tafel slope (Tafel slope), (c) EIS (Electro-impedance spectroscopy) Niqui Nyquist plot, (d) A graph showing the cycle test after 2000 cycles of 40% MoS x /Ni-MOF-74.

도 12에서는 Ni-MOF-74, 20% MoSx/Ni-MOF-74, 40% MoSx/Ni-MOF-74, 60% MoSx/Ni-MOF-74, 80% MoSx/Ni-MOF-74, 및 MoSx의 HER 전기촉매 활성을 나타내었다. 또한, 비교하기 위하여 상용성의 Pt/C 촉매를 이용하여 수소생성 성능을 함께 평가하였다. 도 12(a)는 LSV(Linear sweep voltammetry) 플롯을 나타낸다. 현재, Pt는 수소생성에서 가장 좋은 촉매로 간주되고 있는데, Pt/C 전극은 ~ 0mV의 최저 개시전위를 나타내었고, Ni-MOF-74는 320mV의 가장 높은 개시전위를 나타냈다. 반면, Ni-MOF-74에 MoSx를 고정시킨 MoSx/Co-MOF-74 촉매활성이 크게 향상됨을 확인할 수 있었다. 특히, 20%, 40%, 60%, 80%의 MoSx를 가진 촉매인 20% MoSx/Ni-MOF-74, 40% MoSx/Ni-MOF-74, 60% MoSx/Ni-MOF-74, 80% MoSx/Ni-MOF-74 복합체는 각각 302, 117, 120, 191mV의 개시전위를 나타낸 반면, MoSx는 153mV의 개시전위를 나타냈다. 특히, 40% MoSx/Ni-MOF-74는 10mA/㎠의 전류밀도를 생성하기 위해 167mV의 낮은 과전압만을 필요로 함을 확인할 수 있었다. 12, Ni-MOF-74, 20% MoS x /Ni-MOF-74, 40% MoS x /Ni-MOF-74, 60% MoS x /Ni-MOF-74, 80% MoS x /Ni-MOF -74, and HER electrocatalytic activity of MoS x were shown. In addition, for comparison, hydrogen production performance was evaluated using a compatible Pt/C catalyst. 12( a ) shows a linear sweep voltammetry (LSV) plot. Currently, Pt is considered as the best catalyst for hydrogen production. The Pt/C electrode showed the lowest onset potential of ~ 0 mV, and Ni-MOF-74 showed the highest onset potential of 320 mV. On the other hand, it was confirmed that the catalytic activity of MoS x /Co-MOF-74 in which MoS x was immobilized on Ni-MOF-74 was greatly improved. In particular, catalysts with 20%, 40%, 60%, 80% MoS x are 20% MoS x /Ni-MOF-74, 40% MoS x /Ni-MOF-74, 60% MoS x /Ni-MOF -74 and 80% MoS x /Ni-MOF-74 complexes exhibited an onset potential of 302, 117, 120, and 191 mV, respectively, whereas MoSx exhibited an onset potential of 153 mV. In particular, it was confirmed that 40% MoS x /Ni-MOF-74 requires only a low overvoltage of 167mV to generate a current density of 10mA/cm2.

도 12(b)는 과전압 대 로그(전류밀도)의 선형플롯에 의한 촉매의 타펠 기울기 값을 나타냈다. Ni-MOF-74 촉매는 전하전달 저항이 높아 115.4mV dec-1의 가장 큰 타펠 기울기를 나타낸 반면, 40% MoSx/Ni-MOF-74은 53.1mV dec-1으로 가장 낮은 타펠 기울기로, 수소생성 속도가 가장 빠름을 의미한다. 60% MoSx/Ni-MOF-74(60.3mV dec-1), 80% MoSx/Ni-MOF-74(60.7mV dec-1)은 MoSx보다 작은 타펠 기울기를 나타내었다. 이는 40% MoSx/Ni-MOF-74가 전기화학적 방법을 통한 HER에서 가장 높은 수율을 나타냄을 의미하는 데, 40% MoSx/Ni-MOF-74는 두 가지 유형의 활성부위를 포함하기 때문으로 판단된다. 첫째는 NiMoS 모이어티(moiety)가 수소흡착 자유에너지를 감소시켰기 때문이고, 둘째는 Ni-MOF-74 템플릿에서 성장한 MoSx는 불포화 Mo 및 S의 활성중심을 제공했기 때문이다. 또한 NiMoS 상의 형성은 이중층 커패시턴스 (Cdl)에서 결정된 복합재의 전기화학적 표면적을 증가시켰다. 특히, Cdl에서 40% MoSx/Ni-MOF-74는 2.77 mF/㎠인 반면, Ni-MOF-74 및 MoSx는 각각 0.26 mF/㎠ 및 0.91 mF/㎠로 낮은 값을 나타냄을 확인할 수 있었다.Fig. 12(b) shows the Tafel slope value of the catalyst by a linear plot of overvoltage versus log (current density). The Ni-MOF-74 catalyst exhibited the largest Tafel slope of 115.4 mV dec-1 due to its high charge transfer resistance, whereas 40% MoS x /Ni-MOF-74 had the lowest Tafel slope of 53.1 mV dec-1, with hydrogen It means the fastest generation speed. 60% MoS x /Ni-MOF-74 (60.3mV dec-1), 80% MoS x /Ni-MOF-74 (60.7mV dec-1) showed a smaller Tafel slope than MoS x . This means that 40% MoS x /Ni-MOF-74 shows the highest yield in HER through electrochemical methods, since 40% MoS x /Ni-MOF-74 contains two types of active sites. is judged as First, the NiMoS moiety reduced the free energy of hydrogen adsorption, and secondly, MoS x grown on the Ni-MOF-74 template provided active centers for unsaturated Mo and S. In addition, the formation of the NiMoS phase increased the electrochemical surface area of the composite as determined in the double-layer capacitance (C dl ). In particular, it can be seen that 40% MoS x /Ni-MOF-74 at C dl is 2.77 mF/cm 2 , whereas Ni-MOF-74 and MoS x show low values of 0.26 mF/cm 2 and 0.91 mF/cm 2 , respectively. there was.

통상, 타펠 기울기는 HER 반응 속도 및 반응 메커니즘과 관련된다. 얻어진 타펠 기울기를 기반으로 MoSx/Ni-MOF-74 복합체를 촉매로 이용하였을 때 수소가 생성되는 것은 하기 식 (1) 및 (2)에 의한 것과 같이 Volmer 반응과 Heyrovsky 반응이 조합되어 형성됨을 확인할 수 있다.In general, the Tafel slope is related to the HER reaction rate and reaction mechanism. Based on the obtained Tafel gradient, it was confirmed that the generation of hydrogen when using the MoS x /Ni-MOF-74 complex as a catalyst is formed by combining the Volmer reaction and the Heyrovsky reaction as shown by the following formulas (1) and (2). can

H3O+ + e- → H* + H2O (1)H 3 O + + e - → H* + H 2 O (1)

H3O+ + e- + H* → H2 + H2O (2)H 3 O + + e - + H* → H 2 + H 2 O (2)

EIS 측정은 HER 속도를 평가하기 위하여 수행되었으며, H2SO4 (0.5 M) 용액에서 200mV의 과전압으로 진행하였다. 도 12(c)를 참조하면, 직렬저항(Rs), 전하전달저항 (Rct) 및 CPE(constant phase element)를 포함하는 전기회로를 포함하는, EIS 나이퀴스트 플롯을 나타내었다. 표 3을 참조하면, Ni-MOF-74는 8375 Ω의 상대적으로 큰 Rct를 나타내어 수소생산 수율이 낮음을 확인할 수 있었고, MoSx가 고정된 Ni-MOF-74는 Ni-MOF-74에 비하여 전하전달저항이 감소함을 확인할 수 있었다.EIS measurement was performed to evaluate the HER rate, and was performed with an overvoltage of 200 mV in H 2 SO 4 (0.5 M) solution. Referring to FIG. 12( c ), an EIS Nyquist plot including an electric circuit including a series resistance (Rs), a charge transfer resistance (Rct) and a constant phase element (CPE) is shown. Referring to Table 3, Ni-MOF-74 exhibited a relatively large Rct of 8375 Ω, confirming that the hydrogen production yield was low. It was confirmed that the resistance decreased.

SampleSample RS(Ω)R S (Ω) Rct(Ω)R ct (Ω) Ni-MOF-74Ni-MOF-74 12.712.7 83758375 20%MoSx/Ni-MOF-7420%MoS x /Ni-MOF-74 14.614.6 289.2289.2 40%MoSx/Ni-MOF-7440%MoS x /Ni-MOF-74 16.516.5 40.440.4 60%MoSx/Ni-MOF-7460%MoS x /Ni-MOF-74 16.616.6 59.659.6 80%MoSx/Ni-MOF-7480%MoS x /Ni-MOF-74 16.716.7 79.379.3 MoSx MoS x 16.416.4 125.0125.0

40% MoSx/Ni-MOF-74는 40.4 Ω의 Rct로 MoSx보다 낮은 전기전도도를 나타냈고, 이는 NiMoS 상이 나타났기 때문으로 판단된다. 또한, 산업용으로 적용이 적절한지 확인하기 위하여 내구성을 확인한 결과, 전기 촉매로서 40% MoSx/Ni-MOF-74의 안정성은 도 12(d)와 같이 CV 방법으로 확인하였다. 2000사이클 후 과전압(10mA/㎠의 전류 밀도)이 167에서 170mV로 증가하였고, 이는 촉매활성이 감소됨을 의미하고, 이는 S2 2-의 양이 감소했기 때문으로 판단된다.40% MoS x /Ni-MOF-74 exhibited lower electrical conductivity than MoSx with an Rct of 40.4 Ω, which is considered to be due to the appearance of the NiMoS phase. In addition, as a result of confirming the durability to confirm that the application is suitable for industrial use, the stability of 40% MoS x /Ni-MOF-74 as an electrocatalyst was confirmed by the CV method as shown in FIG. 12(d). After 2000 cycles, the overvoltage (current density of 10 mA/cm 2 ) increased from 167 to 170 mV, which means that the catalytic activity was reduced, which is thought to be due to the decrease in the amount of S 2 2- .

전술한 바와 같이, Ni-MOF-74 및 MoSx/Ni-MOF-74 복합체는 용매열 합성방법에 의하여 성공적으로 제조할 수 있었으며, 이들의 성능은 물 전기분해에 의한 수소생성으로 확인하였다. 40% MoSx/Ni-MOF-74(575㎡/g)는 Ni-MOF-74(435㎡/g)보다 높은 표면적을 나타내었으며, 40% MoSx/Ni-MOF-74는 타펠 기울기 53mV dec-1와, 개시전위 -114mV로 복합체 중에서 40wt%의 MoS2를 포함할 때, 수소생성 촉매로 가장 효율적임을 확인할 수 있었다. 또한, MoSx/Ni-MOF-74는 2000 사이클에서도 높은 안정성을 나타내었으며, 이는 NiMoS 상의 형성과, 전기화학적 표면적 및 수소흡수를 감소시키는 데 기인한 넓은 표면적을 가졌기 때문으로 판단된다. As described above, Ni-MOF-74 and MoS x /Ni-MOF-74 composites could be successfully prepared by solvothermal synthesis, and their performance was confirmed by hydrogen generation by water electrolysis. 40% MoS x /Ni-MOF-74 (575m2/g) showed a higher surface area than Ni-MOF-74 (435m2/g), and 40% MoS x /Ni-MOF-74 had a Tafel slope 53mV dec It was confirmed that the most effective hydrogen production catalyst was found when 40wt% of MoS 2 was included in the complex at -1 and the initiation potential of -114 mV. In addition, MoS x /Ni-MOF-74 showed high stability even at 2000 cycles, which is thought to be due to the formation of the NiMoS phase and the large surface area due to reduced electrochemical surface area and hydrogen absorption.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts are included in the scope of the present invention. should be interpreted

Claims (13)

제1 전이금속이 금속 유기 골격체(metal-organic framework; MOF)를 포함하는 바디부; 및
상기 바디부의 외면에 구비되고, 제2 전이금속을 포함하는 복수개의 일차입자;를 포함하는 수소생성 촉매용 복합체.
a body portion in which the first transition metal includes a metal-organic framework (MOF); and
A composite for a hydrogen production catalyst comprising a; a plurality of primary particles provided on the outer surface of the body portion and containing a second transition metal.
제1항에 있어서,
상기 금속 유기 골격체는 MOF-74계이고, 상기 제1 전이금속은 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)인 것을 포함하는 수소생성 촉매용 복합체.
According to claim 1,
The metal-organic framework is a MOF-74 system, and the first transition metal is nickel (Ni) or cobalt (Co).
제1항에 있어서,
상기 제2 전이금속은 상기 제1 전이금속과 다른 금속으로 이루어지는 것인 수소생성 촉매용 복합체.
According to claim 1,
The second transition metal is a composite for a hydrogen generation catalyst consisting of a metal different from the first transition metal.
제3항에 있어서,
상기 제1 전이금속은 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)이고,
상기 제2 전이금속은 몰리브데늄(Mo) 또는 텅스텐(W)인 것을 포함하는 수소생성 촉매용 복합체.
4. The method of claim 3,
The first transition metal is nickel (Ni) or cobalt (Co),
The second transition metal is molybdenum (Mo) or tungsten (W).
제1항에 있어서,
상기 일차입자는 MoSx를 포함하고,
상기 일차입자는 상기 바디부의 외면을 덮도록 구비되되, 상기 바디부의 적어도 일부가 외측으로 노출되도록 구비되는 수소생성 촉매용 복합체.
According to claim 1,
The primary particles include MoS x ,
The primary particles are provided to cover the outer surface of the body portion, the composite for hydrogen generation catalyst is provided so that at least a portion of the body portion is exposed to the outside.
제5항에 있어서,
상기 바디부 100중량부를 기준으로 상기 일차입자는 20중량부 내지 60중량부로 구비되는 수소생성 촉매용 복합체.
6. The method of claim 5,
Based on 100 parts by weight of the body part, the primary particle is 20 parts by weight to 60 parts by weight of the hydrogen-generating catalyst composite.
제5항에 있어서,
상기 바디부는 XRD 스펙트럼에 의하여 측정된 결정면 (2 -1 0) 및 (3 0 0)을 갖고, 상기 일차입자는 비결정성 구조(amorphous structure)로 이루어지는 수소생성 촉매용 복합체.
6. The method of claim 5,
The body portion has crystal planes (2 −1 0) and (3 0 0) measured by XRD spectrum, and the primary particle is a composite for a hydrogen production catalyst consisting of an amorphous structure.
제1항에 있어서,
상기 제1 전이금속이 코발트(Co)인 경우 상기 바디부의 형상은 로드쉐입(rod shape)로 구비되고, 상기 제1 전이금속이 니켈(Ni)인 경우 상기 바디부의 형상은 복수개의 로드쉐입(rod shape) 형상의 1차입자가 응집되어 형성된 2차입자로 구비되며,
상기 일차입자는 나노파티클(nanoparticle)로 상기 바디부의 외면에서 수직하게 고정(anchor)되어 구비되는 수소생성 촉매용 복합체.
According to claim 1,
When the first transition metal is cobalt (Co), the body portion has a rod shape. When the first transition metal is nickel (Ni), the body portion has a plurality of rod shapes. shape) is provided as secondary particles formed by agglomeration of primary particles,
The primary particles are nanoparticles (nanoparticles) vertically fixed (anchor) on the outer surface of the body portion for a hydrogen-generating catalyst composite.
제1항에 있어서,
선형 스윕 전압전류법(LSV:Linear Sweep Voltammetry)에 의한 개시전위가 상기 제1 전이금속이 Co인 경우 -280mV 내지 -140mV이고, 상기 제1 전이금속이 Ni인 경우 100mV 내지 350mV인 것을 포함하는 수소생성 촉매용 복합체.
According to claim 1,
The starting potential by linear sweep voltammetry (LSV) is -280mV to -140mV when the first transition metal is Co, and 100mV to 350mV when the first transition metal is Ni. Hydrogen including Composites for production catalysts.
제1항에 있어서,
상기 제1 전이금속은 Co 또는 Ni이고, 상기 제2 전이금속은 Mo이며, 상기 수소생성 촉매용 복합체는 5wt% 내지 40wt%의 CoMoS 상 또는 NiMoS 상을 포함하는 수소생성 촉매용 복합체.
According to claim 1,
The first transition metal is Co or Ni, the second transition metal is Mo, and the composite for the hydrogen production catalyst is a composite for a hydrogen production catalyst comprising 5 wt% to 40 wt% of a CoMoS phase or a NiMoS phase.
제1항에 있어서,
상기 바디부는 비표면적이 300㎡/g 내지 500㎡/g인 수소생성 촉매용 복합체.
According to claim 1,
The body portion has a specific surface area of 300 m / g to 500 m / g of a hydrogen-generating catalyst composite.
제1 전이금속을 포함하는 제1 용액을 이용하여 제1 온도 및 제1 시간 동안 반응시켜 바디부를 제조하는 단계; 및
상기 바디부를 제2 전이금속을 포함하는 제2 용액과 혼합하고, 제3 용액을 첨가하여 제2 온도 및 제2 시간 동안 반응시켜 상기 바디부의 외면에 제2 전이금속을 포함하는 복수개의 일차입자를 코팅시키는 단계;를 포함하고,
상기 금속 유기 골격체는 MOF-74계이고, 상기 제1 전이금속은 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)인 것을 포함하는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 수소생성 촉매용 복합체의 제조방법.
preparing a body part by reacting it using a first solution containing a first transition metal at a first temperature and for a first time; and
The body part is mixed with a second solution containing a second transition metal, and a third solution is added to react for a second temperature and a second time to form a plurality of primary particles containing a second transition metal on the outer surface of the body part. Including; coating;
The metal-organic framework is MOF-74 based, and the first transition metal is nickel (Ni) or cobalt (Co). manufacturing method.
제12항에 있어서,
상기 제1 용액은 Co(NO3)2.6H2O 또는 Ni(NO3)2.6H2O이고,
상기 제1 온도는 80 ℃ 내지 120 ℃이고,
상기 제1 시간은 20시간 내지 30시간이고,
상기 제2 용액은 (NH4)2MoS4이고,
상기 제3 용액은 히드라진 하이드레이트이고,
상기 제2 온도는 200 ℃ 내지 300 ℃이고,
상기 제2 시간은 8시간 내지 15시간인 수소생성 촉매용 복합체의 제조방법.
13. The method of claim 12,
The first solution is Co(NO 3 ) 2 .6H 2 O or Ni(NO 3 ) 2 .6H 2 O,
The first temperature is 80 ℃ to 120 ℃,
The first time is 20 to 30 hours,
The second solution is (NH 4 ) 2 MoS 4 ,
The third solution is hydrazine hydrate,
The second temperature is 200 ℃ to 300 ℃,
The second time is a method for producing a complex for a hydrogen production catalyst that is 8 hours to 15 hours.
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