KR20220076414A - Iridium Oxide-Based Electrocatalyst and Preparation Method Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 로드형의 결정질 산화 이리듐 및 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐의 적어도 일부의 표면에 형성된 입자형의 비정질 산화 이리듐을 포함하는 산화 이리듐계 전기화학 촉매에 관한 것이다. 본 발명의 산화 이리듐계 전기화학 촉매는 우수한 OER 성능 및 내구성을 나타낼 수 있다.The present invention relates to an iridium oxide-based electrochemical catalyst comprising rod-shaped crystalline iridium oxide and particulate amorphous iridium oxide formed on at least a portion of the rod-shaped crystalline iridium oxide. The iridium oxide-based electrochemical catalyst of the present invention may exhibit excellent OER performance and durability.

Description

산화 이리듐계 전기화학 촉매 및 그 제조방법{Iridium Oxide-Based Electrocatalyst and Preparation Method Thereof}Iridium oxide-based electrochemical catalyst and its preparation method {Iridium Oxide-Based Electrocatalyst and Preparation Method Thereof}

본 발명은 수전해 장치/반응과 같은 전기화학 반응용의 산화 이리듐계 촉매 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an iridium oxide-based catalyst for an electrochemical reaction such as a water electrolysis device/reaction and a method for preparing the same.

종래 연료 사용량의 대부분을 차지하던, 화석 연료 고갈의 우려가 지속적으로 증가함에 따라 신 재생 에너지의 연구 개발에 대한 요구가 끊임없이 대두되어 오고 있다. 이에 대한 대안으로서 청정 에너지원인 수소 에너지가 제시되고 있다. 이러한 수소 에너지를 생산하기 위한 방법으로는 탄화수소계 원료를 사용하는 수증기 개질법, 부분 산화법, 자열 개질법 및 직접 분해법과 비탄화수소계 원료를 사용하는 열화학 분해법, 생물학적 분해법, 광화학적 분해법 및 전기 분해법 등이 있다. 이 중에서도, 기술의 신뢰도와 성숙도가 높은 물 전기분해법이 가장 큰 주목을 받고 있으며, 대표적인 방법으로 알칼리 수전해법, 고온 수증기 전해법 및 양성자 교환막 수전해법이 사용되고 있다.As concerns about the depletion of fossil fuels, which accounted for most of the conventional fuel consumption, continue to increase, the demand for research and development of new and renewable energy has been constantly on the rise. As an alternative to this, hydrogen energy, which is a clean energy source, has been proposed. Methods for producing such hydrogen energy include steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming and direct cracking using hydrocarbon-based raw materials, thermochemical cracking using non-hydrocarbon-based raw materials, biological cracking, photochemical cracking, and electrolysis. . Among them, the water electrolysis method with high reliability and maturity of technology is receiving the greatest attention, and alkaline water electrolysis, high temperature steam electrolysis, and proton exchange membrane water electrolysis are used as representative methods.

특히, 양성자 교환막 수전해법(Proton Exchange Membrane(PEM) Water Electrolysis)은 다른 수전해법과 비교하여, 반응성, 에너지 밀도 및 효율이 높을 뿐만 아니라 소형화가 가능하고, 수전해 셀을 적층 형식으로도 제작이 가능하여 제작 공정을 단순화할 수 있으며, 전해액을 사용하지 않고 순수한 물을 원료로 하기 때문에 순도가 매우 높고, 전해액으로 인한 부식 문제가 없으며 작동 압력을 수백 기압으로도 설계가 가능한 장점들로 인해 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.In particular, compared to other water electrolysis methods, Proton Exchange Membrane (PEM) Water Electrolysis has high reactivity, energy density and efficiency as well as miniaturization, and water electrolysis cells can also be manufactured in a stacked type. Thus, the manufacturing process can be simplified, and since pure water is used as a raw material without using an electrolyte, the purity is very high, there is no corrosion problem due to the electrolyte, and the operating pressure can be designed even at hundreds of atmospheres. is being actively carried out.

양성자 교환막 수전해법에서는 수소 에너지의 생산을 위해 다양한 전기화학반응들이 이용된다. 그 중에서 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction, OER)에서의 느린 반응 속도는 수전해 장치 성능 저하의 주된 요소로 작용하게 되는데, 이러한 산소발생반응의 성능 향상 즉, 산소 발생 속도를 증가시키기 위해 전기화학적 촉매가 사용된다. 현재까지 오스뮴(Os), 루세늄(Ru) 및 이리듐(Ir) 금속들만이 산성의 양성자 교환막 수전해 조건 산소발생반응에 대한 촉매로서 우수한 반응성을 가지고 있는 것으로 보고되고 있다. 그러나, 오스뮴이나 루세늄은 초기 상태에서는 우수한 촉매 활성을 발휘하지만, 낮은 안정성으로 인해 장기간의 사용이 어려운 문제가 있다.In the proton exchange membrane water electrolysis method, various electrochemical reactions are used to produce hydrogen energy. Among them, the slow reaction rate in the Oxygen Evolution Reaction (OER) acts as a major factor in the degradation of the performance of the water electrolyzer. is used Until now, only osmium (Os), ruthenium (Ru) and iridium (Ir) metals have been reported to have excellent reactivity as catalysts for oxygen evolution under acidic proton exchange membrane water electrolysis conditions. However, although osmium or ruthenium exhibits excellent catalytic activity in the initial state, it is difficult to use for a long period of time due to low stability.

따라서, 산성 조건에서도 일정한 수준의 촉매 활성과 내구성을 동시에 만족하면서 내부식성이 우수한 이리듐의 적용 가능성이 더욱 부각되고 있으며, 최근에는 더욱 진일보한 촉매 활성과 안정성을 갖는 촉매를 제조하기 위해 이리듐에 대한 물질적, 구조적 특성을 조정하는 연구가 이루어지고 있다.Therefore, the possibility of applying iridium, which has excellent corrosion resistance while simultaneously satisfying a certain level of catalytic activity and durability even in acidic conditions, is being emphasized. However, studies are being conducted to adjust the structural characteristics.

예컨대, 자오(Zhao) 등은, 나노 튜브(nano tube) 형태의 1 차원 나노 구조의 산화 이리듐은 단순한 비정형(非定型) 입자 형태의 산화 이리듐보다 더욱 향상된 전자 이동성과 안정성을 갖는다고 보고한 바 있다(Journal of the electroanalytical Chemistry, 2013, 688, 269-274).For example, Zhao et al. reported that one-dimensional nanostructured iridium oxide in the form of a nanotube has improved electron mobility and stability than iridium oxide in the form of simple amorphous particles. (Journal of the electroanalytical Chemistry, 2013, 688, 269-274).

상기 제조방법에 따르면, 약 50 nm의 단면의 직경과 약 10의 최대 평균 종횡비를 갖는 나노 튜브 구조의 산화 이리듐이 제조되었지만, 종래의 비정형 입자 형태와 비교하여 전기화학적 활성화 비표면적이 작은 한계가 있다.According to the manufacturing method, a nanotube-structured iridium oxide having a cross-sectional diameter of about 50 nm and a maximum average aspect ratio of about 10 was prepared, but there is a limitation in that the electrochemically activated specific surface area is small compared to the conventional amorphous particle shape. .

따라서, 양이온 교환막 수전해 장치에 적용하기 위한 우수한 성능을 가지면서도 내구성이 강한 나노-스케일의 신규한 구조의 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 제조 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.Therefore, there is a very high need for a technology for preparing an iridium oxide-based electrochemical catalyst having a novel structure of nano-scale with excellent performance and strong durability for application to a cation exchange membrane water electrolysis device.

Electrochemical controlled synthesis and characterization of well-aligned IrO2 nano tube arrays with enhanced eletrocatalytic activity toward oxygen evolution reaction, Journal of the electroanalytical Chemistry, 2013, 688, 269-274Electrochemical controlled synthesis and characterization of well-aligned IrO2 nano tube arrays with enhanced eletrocatalytic activity toward oxygen evolution reaction, Journal of the electroanalytical Chemistry, 2013, 688, 269-274

본 발명은 위와 같은 문제를 해결하고자, 양성자 교환막 수전해 장치에 적용하기 위한, 우수한 성능을 가지면서도 내구성이 강한 신규한 구조의 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 제공하기 위한 것이다.In order to solve the above problems, the present invention is to provide an iridium oxide-based electrochemical catalyst having a novel structure having excellent performance and strong durability for application to a proton exchange membrane water electrolysis device.

본 발명은 로드형의 결정질 산화 이리듐 및 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐의 적어도 일부의 표면에 형성된 입자형의 비정질 산화 이리듐을 포함하는, 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 제공한다.The present invention provides an iridium oxide-based electrochemical catalyst comprising rod-shaped crystalline iridium oxide and particulate amorphous iridium oxide formed on the surface of at least a portion of the rod-shaped crystalline iridium oxide.

또한, 본 발명은 (a) 이리듐 전구체 화합물, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 산소산염 및 하기 화학식 (1)로 표현되는 화합물을 반응시켜 입자형의 결정질 산화 이리듐을 생성시키는 단계;In addition, the present invention comprises the steps of (a) reacting an iridium precursor compound, an oxate of an alkali metal or alkaline earth metal, and a compound represented by the following Chemical Formula (1) to produce a granular crystalline iridium oxide;

<화학식 (1)><Formula (1)>

Figure pat00001
Figure pat00001

(상기 화학식 (1)에서 A, B는 각각 독립적으로 아민기 또는 티올기이며, 서로 동일하거나 상이하고, n은 2~10의 정수이다.)(In Formula (1), A and B are each independently an amine group or a thiol group, and are the same as or different from each other, and n is an integer of 2 to 10.)

(b) 상기 입자형의 결정질 산화 이리듐을 하소시켜서 로드형의 결정질 산화 이리듐을 생성시키는 단계; 및 (c) 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐, 이리듐 전구체 화합물 및 다가 알코올을 혼합하여 가열시켜서, 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐 표면에 입자형의 비정질 산화 이리듐을 형성시키는 단계;를 포함하는, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 제조 방법을 제공한다.(b) calcining the granular crystalline iridium oxide to produce rod-shaped crystalline iridium oxide; and (c) mixing and heating the rod-shaped crystalline iridium oxide, an iridium precursor compound, and a polyhydric alcohol to form a particulate amorphous iridium oxide on the surface of the rod-shaped crystalline iridium oxide; containing, iridium oxide A method for preparing an electrochemical catalyst is provided.

본 발명의 산화 이리듐계 전기화학 촉매는 높은 전기 전도도를 가져 더욱 향상된 OER 성능을 나타낼 수 있다.The iridium oxide-based electrochemical catalyst of the present invention may exhibit improved OER performance due to high electrical conductivity.

또한, 본 발명의 산화 이리듐계 전기화학 촉매는 전류가 흐른 뒤 시간이 흘러도 구조가 유지되어 향상된 내구성을 가질 수 있고, OER 성능의 저하를 방지할 수 있다.In addition, the iridium oxide-based electrochemical catalyst of the present invention can have improved durability because the structure is maintained even after an electric current flows over time, and can prevent deterioration of OER performance.

또한, 본 발명의 산화 이리듐계 전기화학 촉매는 전기 전도도 및 내구성이 모두 우수하므로, 보다 넓은 범위의 산업에서 이용될 수 있다.In addition, since the iridium oxide-based electrochemical catalyst of the present invention is excellent in both electrical conductivity and durability, it can be used in a wider range of industries.

도 1은 본 발명의 산화 이리듐계 전기화학 촉매 및 그 제조 방법을 나타낸 도시이다.
도 2는 본 발명의 로드형의 결정질 산화 이리듐을 제조하는 방법을 나타낸 도시이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서의 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 TEM 사진을 나타낸 도시이다.
도 4는 본 발명의 비교예에서의 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 TEM 사진을 나타낸 도시이다.
도 5는 본 발명의 입자형의 비정질 산화 이리듐의 평균 직경의 분포를 나타낸 도시이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에서의 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 XRD 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에서의 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 XPS 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에서의 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 XPS 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 9은 본 발명의 실시예 및 비교예에서의 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 XPS 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 10은 본 발명의 실시예 및 비교예에서의 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 전기 전도도를 나타낸 도시이다.
도 11은 본 발명의 실시예 및 비교예에서의 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 이용한 하프셀의 전기 화학적 반응에 대한 결과를 나타낸 도시이다.
도 12는 본 발명의 실시예 및 비교예에서의 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 이용한 하프셀의 순환 전압전류법(Cyclic Voltammetry, CV)에 따른 결과를 나타낸 도시이다.
도 13은 본 발명의 실시예 및 비교예에서의 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 이용한 하프셀의 내구성을 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 14는 본 발명의 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 이용한 싱글셀 및 그 제조 방법을 나타낸 도시이다.
도 15는 본 발명의 실시예 및 비교예에서의 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 이용한 싱글셀의 전기 화학적 반응에 대한 결과 및 내구성을 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
1 is a view showing an iridium oxide-based electrochemical catalyst and a method for preparing the same according to the present invention.
2 is a view showing a method for producing a rod-shaped crystalline iridium oxide of the present invention.
3 is a view showing a TEM photograph of an iridium oxide-based electrochemical catalyst in an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a TEM photograph of an iridium oxide-based electrochemical catalyst in Comparative Example of the present invention.
5 is a view showing the distribution of the average diameter of the particle type amorphous iridium oxide of the present invention.
6 is a view showing the XRD spectrum of the iridium oxide-based electrochemical catalyst in Examples and Comparative Examples of the present invention.
7 is a view showing the XPS spectrum of the iridium oxide-based electrochemical catalyst in Examples and Comparative Examples of the present invention.
8 is a view showing the XPS spectrum of the iridium oxide-based electrochemical catalyst in Examples and Comparative Examples of the present invention.
9 is a view showing the XPS spectrum of the iridium oxide-based electrochemical catalyst in Examples and Comparative Examples of the present invention.
10 is a view showing the electrical conductivity of the iridium oxide-based electrochemical catalyst in Examples and Comparative Examples of the present invention.
11 is a view showing the results of the electrochemical reaction of the half-cell using the iridium oxide-based electrochemical catalyst in Examples and Comparative Examples of the present invention.
12 is a view showing results according to cyclic voltammetry (CV) of a half cell using an iridium oxide-based electrochemical catalyst in Examples and Comparative Examples of the present invention.
13 is a view showing the results of measuring the durability of the half cell using the iridium oxide-based electrochemical catalyst in Examples and Comparative Examples of the present invention.
14 is a view showing a single cell using the iridium oxide-based electrochemical catalyst of the present invention and a method for manufacturing the same.
15 is a view showing the results of measuring the electrochemical reaction and durability of a single cell using an iridium oxide-based electrochemical catalyst in Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that there is, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

본 발명에 있어서, "로드형(rod-like)"이란, 어느 한 축의 방향으로 긴 막대형태를 의미할 수 있고, 구체적으로 종횡비(aspect ratio, 입자 중심을 지나는 장축의 길이와, 상기 장축에 수직하며 입자 중심을 지나는 단축 길이의 비(=장축의 길이/단축의 길이))가 1 초과이고 30 이하의 것으로, 종횡비가 1 또는 이에 근사하는 구형의 입자와 구별될 수 있다. 또한, 상기 입자 중심을 지나는 장축에 수직하게 자른 면은 원형, 타원형, 다각형 등 그 형태에 제한되는 것은 아니며, 상기 로드형은 원통형(원주형), 다각기둥형, 바늘형(니들형) 등의 형상을 모두 포함하는 것을 의미할 수 있다.In the present invention, "rod-like" may mean a long rod in the direction of any one axis, and specifically, the aspect ratio (the length of the long axis passing through the center of the particle, and perpendicular to the long axis) and the ratio of the length of the minor axis passing through the center of the particle (=length of the major axis/length of the minor axis)) is greater than 1 and less than or equal to 30, and can be distinguished from spherical particles having an aspect ratio of 1 or close thereto. In addition, the plane cut perpendicular to the long axis passing through the center of the particle is not limited to the shape of a circle, an ellipse, a polygon, etc., and the rod type is cylindrical (cylindrical), polygonal column, needle (needle type), etc. It may mean including all shapes.

본 발명에 있어서, "결정질(crystalline)"이란, 복수의 원자나 분자들이 일정한 관계를 가지고 규칙적으로 배열된 것을 의미할 수 있으며, "비정질(amorphous)"이란, 복수의 원자나 분자들의 배열 상태가 주기적 규칙성이 결여되어 결정된 것을 의미할 수 있다.In the present invention, "crystalline" may mean that a plurality of atoms or molecules are regularly arranged in a certain relationship, and "amorphous" means that the arrangement state of a plurality of atoms or molecules is It may mean that it is determined due to lack of periodic regularity.

본 발명에 있어서, "전기 전도도(conductivity)"란, 산화 이리듐계 전기화학 촉매 표면에서 전류가 흐르는 정도를 나타내는 물리량을 의미하며, 구체적으로 전류 밀도를 전기장으로 나눈 수치일 수 있으며, 그 단위는 지멘스(S)/센티미터(cm)이고, 단자 측정법, 전극 측정법 등에 의해 측정되는 것일 수 있다.In the present invention, "electrical conductivity" means a physical quantity indicating the degree of current flowing on the surface of the iridium oxide-based electrochemical catalyst, and specifically, it may be a number obtained by dividing the current density by the electric field, and the unit is Siemens (S)/centimeter (cm), and may be measured by a terminal measurement method, an electrode measurement method, or the like.

본 발명의 일 측면은, 로드형의 결정질 산화 이리듐 및 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐의 적어도 일부의 표면에 형성된 입자형의 비정질 산화 이리듐을 포함하는, 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 제공한다.One aspect of the present invention provides an iridium oxide-based electrochemical catalyst comprising rod-shaped crystalline iridium oxide and particulate amorphous iridium oxide formed on at least a portion of the rod-shaped crystalline iridium oxide.

본 발명의 일 실시형태에 따른 산화 이리듐계 전기화학 촉매는, 복수의 상기 입자형의 비정질 산화 이리듐이 서로 붙은 형태 혹은 떨어진 형태로 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐의 표면에 형성될 수 있으며, 상기 입자형의 비정질 산화 이리듐 간의 거리에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 산화 이리듐계 전기화학 촉매는 독립적으로, 혹은 집단(cluster)으로 존재할 수 있으며, 그 존재 형태에 제한되는 것은 아니다.The iridium oxide-based electrochemical catalyst according to an embodiment of the present invention may be formed on the surface of the rod-shaped crystalline iridium oxide in a form in which a plurality of the particulate amorphous iridium oxide are attached to each other or separated from each other, and the particles It is not limited to the distance between the types of amorphous iridium oxide. In addition, the iridium oxide-based electrochemical catalyst may exist independently or in a cluster, but is not limited to the type of existence thereof.

본 발명에서의 로드형의 결정질 산화 이리듐과 입자형의 비정질 산화 이리듐은 단순하게 혼합되어 있는 것이 아니라, 서로 물리화학적인 상호 결합에 의해 연결되어서 단일 복합체로서 존재하고 있는 것이며, 전단력 등과 같은 각종 물리적인 힘이 가해져도 그 복합체로서의 형태를 유지할 수 있는 것이다.In the present invention, rod-shaped crystalline iridium oxide and particle-shaped amorphous iridium oxide are not simply mixed, but are connected to each other by physical and chemical mutual bonds and exist as a single complex, and various physical Even if force is applied, it can maintain its form as a complex.

상기 로드형의 결정질 산화 이리듐은 이리듐 전구체 화합물로부터 유래된 것일 수 있으며, 상기 이리듐 전구체 화합물은 플루오르화이리듐, 염화이리듐, 브롬화이리듐, 요오드화이리듐, 이리듐 아세테이트, 이리듐 아세틸 아세토네이트, 이리듐 나이트레이트 및 이들의 수화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.The rod-shaped crystalline iridium oxide may be derived from an iridium precursor compound, and the iridium precursor compound is iridium fluoride, iridium chloride, iridium bromide, iridium iodide, iridium acetate, iridium acetyl acetonate, iridium nitrate, and their It may include at least one selected from the group consisting of hydrates.

상기 로드형의 결정질 산화 이리듐은 Ir2O3, IrO2 및 IrO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 이 때 온전한 로드의 형태를 가질 수 있으며, 그 표면에 입자형의 비정질 산화 이리듐이 잘 형성되어 향상된 OER 성능 및 내구성을 나타낼 수 있다.The rod-shaped crystalline iridium oxide may include at least one selected from the group consisting of Ir 2 O 3 , IrO 2 and IrO 4 , and in this case, may have the form of a complete rod, and have a particle-like surface on the surface. Amorphous iridium oxide can be well formed to exhibit improved OER performance and durability.

상기 로드형의 결정질 산화 이리듐은 길이가 나노-스케일에 해당되는 것이라면 특별하게 제한되지는 않지만, 10 내지 120 nm, 또는 40 내지 80 nm인 것일 수 있으며, 길이 방향에서의 절단면의 평균 직경은 2 내지 5 nm인 것일 수 있다. 상기 범위의 길이 또는 평균 직경을 만족할 때 상기 산화 이리듐계 전기화학 촉매는 더욱 높은 전기화학적 활성을 띠고, 더욱 향상된 OER 성능 및 내구성을 나타낼 수 있다.The rod-shaped crystalline iridium oxide is not particularly limited as long as the length corresponds to the nano-scale, but may be 10 to 120 nm, or 40 to 80 nm, and the average diameter of the cut surface in the longitudinal direction is 2 to It may be 5 nm. When the length or average diameter in the above range is satisfied, the iridium oxide-based electrochemical catalyst may exhibit higher electrochemical activity and more improved OER performance and durability.

상기 로드형의 결정질 산화 이리듐은 평균 종횡비가 2 내지 20인 것일 수 있으며, 종횡비가 커질수록 니들형에 가까워지고 작아질수록 입자형에 가까워진다. 또한, 종횡비가 커질수록 상기 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 전기화학적 활성화 비표면적이 더욱 증가하여, 전기 전도도 및 OER 성능이 더욱 향상될 수 있다.The rod-shaped crystalline iridium oxide may have an average aspect ratio of 2 to 20, and as the aspect ratio increases, it becomes closer to a needle shape, and as it decreases, it becomes closer to a particle shape. In addition, as the aspect ratio increases, the electrochemically activated specific surface area of the iridium oxide-based electrochemical catalyst further increases, thereby further improving electrical conductivity and OER performance.

상기 입자형의 비정질 산화 이리듐은 이리듐 전구체 화합물로부터 유래된 것일 수 있으며, 상기 이리듐 전구체 화합물은 플루오르화이리듐, 염화이리듐, 브롬화이리듐, 요오드화이리듐, 이리듐 아세테이트, 이리듐 아세틸 아세토네이트, 이리듐 나이트레이트 및 이들의 수화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.The particulate amorphous iridium oxide may be derived from an iridium precursor compound, and the iridium precursor compound is iridium fluoride, iridium chloride, iridium bromide, iridium iodide, iridium acetate, iridium acetyl acetonate, iridium nitrate, and their It may include at least one selected from the group consisting of hydrates.

상기 입자형의 비정질 산화 이리듐은 IrOx(0<x<2)를 포함하는 것일 수 있고, 이리듐 원소와 산소의 결합 비가 다양한 산화 이리듐이 혼재된 상태로 존재하는 것일 수 있다. 또한, 상기 이리듐 전구체 화합물이 환원되어 형성된 것일 수 있다.The particulate amorphous iridium oxide may include IrO x (0<x<2), and iridium oxide having various bonding ratios of iridium element and oxygen is present in a mixed state. In addition, it may be formed by reducing the iridium precursor compound.

상기 입자형의 비정질 산화 이리듐은 평균 직경이 0.6 내지 1.0 nm, 또는 0.7 내지 0.9 nm인 것일 수 있고, 상기 범위의 평균 직경을 만족할 때 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐 표면에 더 많은 개수의 비정질 산화 이리듐이 형성될 수 있어 안정한 구조를 가질 수 있으며, 상기 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.The particle-shaped amorphous iridium oxide may have an average diameter of 0.6 to 1.0 nm, or 0.7 to 0.9 nm, and when the average diameter in the above range is satisfied, a larger number of amorphous iridium oxide on the surface of the rod-shaped crystalline iridium oxide This can be formed to have a stable structure, and the durability of the iridium oxide-based electrochemical catalyst can be further improved.

상기 입자형의 비정질 산화 이리듐은 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐의 표면에서 단위 면적 당 밀도가 0.01 내지 0.1 개/nm2가 되도록 형성되어 있을 수 있으며, 상기 범위의 단위 면적 당 밀도를 가질 때, 상기 산화 이리듐계 전기화학 촉매는 더욱 안정한 구조를 가질 수 있으며, OER 성능의 저하를 방지할 수 있다 (여기서의 단위 면적 당 밀도는, 로드형의 결정질 산화 이리듐이 대략적인 원통형을 나타낸다고 가정하고 당해 원통의 윗면과 아랫면을 제외한 옆면의 면적에 대하여 그 위에 존재하고 있는 입자형의 비정질 산화 이리듐의 개수를 전자 현미경으로 세어서, 산출한 것이다.).The particle-shaped amorphous iridium oxide may be formed so that the density per unit area is 0.01 to 0.1 pieces/nm 2 on the surface of the rod-shaped crystalline iridium oxide, and when it has a density per unit area in the above range, the The iridium oxide-based electrochemical catalyst can have a more stable structure, and can prevent deterioration of OER performance (here, the density per unit area is assumed to be a rod-shaped crystalline iridium oxide exhibits an approximate cylindrical shape, and the It is calculated by counting the number of particle-type amorphous iridium oxide present on the side surface excluding the top and bottom surfaces with an electron microscope).

상기 입자형의 비정질 산화 이리듐은 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐을 기준으로 10 중량% 내지 30 중량%, 또는 15 내지 25 중량%로 포함되는 것일 수 있고, 상기 범위의 함량을 만족할 때 상기 산화 이리듐계 전기화학 촉매는 더욱 높은 전기화학적 활성을 띨 수 있어 높은 전기 전도도 및 OER 성능을 나타낼 수 있고, 더욱 안정한 구조를 가질 수 있어 OER 성능의 저하를 방지할 수 있다.The particulate amorphous iridium oxide may be included in an amount of 10 wt% to 30 wt%, or 15 to 25 wt%, based on the rod-shaped crystalline iridium oxide, and when the content in the above range is satisfied, the iridium oxide-based The electrochemical catalyst may have higher electrochemical activity, thereby exhibiting high electrical conductivity and OER performance, and may have a more stable structure to prevent deterioration of OER performance.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 산화 이리듐계 전기화학 촉매는 전기 전도도가 250 내지 350 S/cm일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the iridium oxide-based electrochemical catalyst may have an electrical conductivity of 250 to 350 S/cm.

본 발명의 다른 측면은, 상기 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 포함하는 전극을 포함하는, 양이온 교환막 수전해 장치를 제공하는 것일 수 있으며, 상기 이리듐계 전기화학 촉매를 적용할 수 있는 장치 또는 분야가 제한되는 것은 아니다.Another aspect of the present invention may be to provide a cation exchange membrane water electrolysis device including an electrode including the iridium oxide-based electrochemical catalyst, and the device or field to which the iridium-based electrochemical catalyst can be applied is limited. it is not going to be

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 도 14의 c에 도시된 바와 같이, 상기 양이온 교환막 수전해 장치는 상기 산화 이리듐계 전기화학 촉매, 티타늄 펠트(felt) 및 티타늄 블록(block)을 포함하는 산화 전극부; 탄소 담지 백금 촉매를 함유하는 카본 페이퍼(carbon paper) 및 흑연 블록을 포함하는 환원 전극부; 및 전위차 조절기(potentiostat)을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 14 c, the cation exchange membrane water electrolysis device is an oxidation electrode comprising the iridium oxide-based electrochemical catalyst, titanium felt and a titanium block. wealth; A reduction electrode unit comprising a carbon paper (carbon paper) and a graphite block containing a carbon-supported platinum catalyst; and a potentiostat.

상기 산화 전극 및 환원 전극은 집전 장치를 더 포함하는 것일 수 있고, 상기 집전 장치는 티타늄 소재인 것일 수 있다.The oxidation electrode and the reduction electrode may further include a current collector, and the current collector may be made of a titanium material.

상기 양이온 교환만 수전해 장치는 상기 산화 전극 및 환원 전극 바깥쪽에 하드웨어를 더 포함하는 것일 수 있고, 상기 하드웨어는 스테인리스강 소재인 것일 수 있다.The cation exchange only water electrolysis device may further include hardware outside the oxidation electrode and the reduction electrode, and the hardware may be made of stainless steel.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 도 14의 c에 도시된 바와 같이 상기 산화 전극부에 물이 3 내지 7 mL/min, 또는 5 mL/min의 속도로 공급될 수 있고, 이 때 산화 전극부에서는 산소 기체가 발생할 수 있으며, 상기 환원 전극부에서는 수소 기체가 발생할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, water may be supplied to the oxidizing electrode part at a rate of 3 to 7 mL/min, or 5 mL/min, as shown in FIG. 14 c , at this time the oxidizing electrode part Oxygen gas may be generated in, and hydrogen gas may be generated in the reduction electrode part.

본 발명의 또다른 측면은, (a) 이리듐 전구체 화합물, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 산소산염 및 하기 화학식 (1)로 표현되는 화합물을 반응시켜 입자형의 결정질 산화 이리듐을 생성시키는 단계;In another aspect of the present invention, (a) reacting an iridium precursor compound, an oxate of an alkali metal or alkaline earth metal, and a compound represented by the following Chemical Formula (1) to generate a particulate crystalline iridium oxide;

<화학식 (1)><Formula (1)>

Figure pat00002
Figure pat00002

(상기 화학식 (1)에서 A, B는 각각 독립적으로 아민기 또는 티올기이며, 서로 동일하거나 상이하고, n은 2~10의 정수이다.)(In Formula (1), A and B are each independently an amine group or a thiol group, and are the same as or different from each other, and n is an integer of 2 to 10.)

(b) 상기 입자형의 결정질 산화 이리듐을 하소시켜서 로드형의 결정질 산화 이리듐을 생성시키는 단계; 및 (c) 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐, 이리듐 전구체 화합물 및 다가 알코올을 혼합하여 가열시켜서, 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐 표면에 입자형의 비정질 산화 이리듐을 형성시키는 단계;를 포함하는, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 제조 방법을 제공하며, 상기의 제조 방법을 도 1에 도식화하였다.(b) calcining the granular crystalline iridium oxide to produce rod-shaped crystalline iridium oxide; and (c) mixing and heating the rod-shaped crystalline iridium oxide, an iridium precursor compound, and a polyhydric alcohol to form a particulate amorphous iridium oxide on the surface of the rod-shaped crystalline iridium oxide; containing, iridium oxide A method for preparing a system electrochemical catalyst is provided, and the above preparation method is schematically illustrated in FIG. 1 .

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 (a) 단계에서 상기 이리듐 전구체 화합물은 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 산소산염으로부터 산소를 공여받아 입자형의 결정질 산화 이리듐을 형성하는 것일 수 있으며, 상기 화학식 (1)로 표시되는 화합물 중의 질소 또는 황 원자와 이리듐의 배위 결합을 통해 형성된 착체를 포함하는 것일 수 있다. 또한 상기 (a) 단계에서 상기 화학식 (1)로 표현되는 화합물을 함께 반응시키지 않으면 이후 (b) 단계에서 로드형의 결정질 산화 이리듐을 형성시킬 수 없다.According to one embodiment of the present invention, in the step (a), the iridium precursor compound may receive oxygen from an oxate of the alkali metal or alkaline earth metal to form a particle-type crystalline iridium oxide, and the formula ( In the compound represented by 1), it may include a complex formed through a coordination bond between a nitrogen or sulfur atom and iridium. In addition, if the compound represented by Formula (1) is not reacted together in step (a), rod-shaped crystalline iridium oxide cannot be formed in step (b).

상기 (a) 단계는 탈이온수를 용매로 사용하는 것을 포함할 수 있고, 60 내지 100 ℃에서 1시간 내지 3시간 동안 교반하는 단계; 및 60 내지 100 ℃에서 12시간 이상 대류식 오븐으로 건조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The step (a) may include using deionized water as a solvent, stirring at 60 to 100 °C for 1 hour to 3 hours; and drying in a convection oven at 60 to 100° C. for 12 hours or more.

상기 화학식 (1)로 표현되는 화합물은 에틸렌디아민, 에틸렌디티올, 시스테아민, 1,3-디아미노프로판, 1,3-프로판디티올, 3-아미노-1-프로판티올, 1,4-디아미노부탄, 1,4-부탄디티올 및 4-아미노-1-부탄티올로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있고, 이 때 평균 직경과 평균 종횡비가 한층 더 개선되고 균일한 로드형의 결정질 산화 이리듐을 형성할 수 있으며, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 OER 성능 및 내구성을 더 향상시킬 수 있다.The compound represented by the formula (1) is ethylenediamine, ethylenedithiol, cysteamine, 1,3-diaminopropane, 1,3-propanedithiol, 3-amino-1-propanethiol, 1,4- It may include at least one selected from the group consisting of diaminobutane, 1,4-butanedithiol, and 4-amino-1-butanethiol, and in this case, the average diameter and the average aspect ratio are further improved and uniform Rod-shaped crystalline iridium oxide can be formed, and the OER performance and durability of the iridium oxide-based electrochemical catalyst can be further improved.

상기 이리듐 전구체 화합물은 이리듐 이온을 공여할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 플루오르화이리듐, 염화이리듐, 브롬화이리듐 및 요오드화이리듐과 같은 할로겐화 이리듐 또는 이들의 수화물; 이리듐 아세테이트(예컨대, Ir(CH3COO)n으로 표시되는 화합물이고, n은 1~5의 정수일 수 있다), 이리듐 아세틸 아세토네이트 및 이들의 수화물; 및 이리듐 나이트레이트와 같은 이리듐 무기산염 또는 이들의 수화물;로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 또한 상기 염화이리듐은 IrCl2, IrCl3, IrCl4로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 물을 용매로 사용할 경우 물에 대한 용해성이 우수한 IrCl3를 사용하는 것이 더 효율적일 수 있다.The iridium precursor compound is not particularly limited as long as it can donate iridium ions, and iridium halides such as iridium fluoride, iridium chloride, iridium bromide and iridium iodide, or hydrates thereof; iridium acetate (eg, a compound represented by Ir(CH 3 COO)n, where n may be an integer of 1 to 5), iridium acetyl acetonate, and hydrates thereof; and iridium inorganic acid salts such as iridium nitrate or hydrates thereof; may include at least one selected from the group consisting of, and the iridium chloride is at least one selected from the group consisting of IrCl 2 , IrCl 3 , IrCl 4 It may include one, and when using water as a solvent, it may be more efficient to use IrCl 3 having excellent solubility in water.

상기 알칼리 금속의 산소산염은 질산나트륨, 질산칼륨, 황산나트륨, 황산칼륨, 인산나트륨 및 인산칼륨으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있고, 상기 알칼리 토금속의 산소산염은 질산칼슘, 질산마그네슘, 황산칼슘, 황산마그네슘, 인산칼슘 및 인산마그네슘으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있고, 본 발명의 일 실시예에서와 같이 강한 산화성을 갖는 질산나트륨을 포함하는 것일 수 있으나, 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 산소산염은 상기 이리듐 함유 입자를 생성시키기 위해 이리듐 원자에게 산소를 공여할 수 있는 산소산염이라면 특별히 제한되지 않는다.The oxyacid salt of the alkali metal may include at least one selected from the group consisting of sodium nitrate, potassium nitrate, sodium sulfate, potassium sulfate, sodium phosphate and potassium phosphate, and the oxyacid of the alkaline earth metal is calcium nitrate, nitrate It may include at least one selected from the group consisting of magnesium, calcium sulfate, magnesium sulfate, calcium phosphate and magnesium phosphate, and may include sodium nitrate having strong oxidizing properties as in an embodiment of the present invention. , The oxate of the alkali metal or alkaline earth metal is not particularly limited as long as it is an oxate capable of donating oxygen to an iridium atom to produce the iridium-containing particles.

상기 산소산은 붕산, 하이포아염소산, 아염소산, 과염소산, 인산, 아질산, 질산, 탄산, 아황산, 황산, 티오황산 및 옥살산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.The oxygen acid may include at least one selected from the group consisting of boric acid, hypochlorous acid, chlorous acid, perchloric acid, phosphoric acid, nitrous acid, nitric acid, carbonic acid, sulfurous acid, sulfuric acid, thiosulfuric acid and oxalic acid.

상기 (a) 단계는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 산소산염, 이리듐 전구체 화합물 및 화학식 (1)로 표시되는 화합물이 각각 10 내지 40, 0.05 내지 5, 및 0.1 내지 1의 몰비, 또는 20 내지 30, 0.1 내지 1 및 0.2 내지 0.5의 몰비로 반응시키는 것일 수 있고, 상기 수치 범위의 배합 비율로 반응시킬 때, 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐의 평균 직경과 평균 종횡비가 한층 더 개선된 구조를 갖게 할 수 있고, 결국 상기 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 OER 성능 및 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.In step (a), the oxalate of an alkali metal or alkaline earth metal, the iridium precursor compound, and the compound represented by Formula (1) are each in a molar ratio of 10 to 40, 0.05 to 5, and 0.1 to 1, or 20 to 30, 0.1 to 1 and 0.2 to 0.5, and when reacted at a compounding ratio in the above numerical range, the average diameter and average aspect ratio of the rod-shaped crystalline iridium oxide can have a further improved structure, , in turn, it is possible to further improve the OER performance and durability of the iridium oxide-based electrochemical catalyst.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 (a) 단계에서 형성된 입자형의 결정질 산화 이리듐은 상기 (b) 단계의 하소시키는 과정을 통해 평균 직경과 평균 종횡비가 한층 더 개선된 로드형의 결정질 산화 이리듐이 형성되는 것일 수 있다. 또한 상기 하소 온도 및/또는 하소 시간에 따라서도 상기 결정질 산화 이리듐의 구체적인 기하학적 형상, 전기 화학적 활성 및 안정성이 달라질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the particle-type crystalline iridium oxide formed in step (a) is rod-shaped crystalline iridium oxide whose average diameter and average aspect ratio are further improved through the calcination process of step (b). may be formed. In addition, the specific geometry, electrochemical activity and stability of the crystalline iridium oxide may vary depending on the calcination temperature and/or calcination time.

상기 (b) 단계에서의 하소는 350 내지 650 ℃, 또는 400 내지 550 ℃에서 수행되는 것일 수 있고, 20 내지 120분 동안 수행되는 것일 수 있다. 상기 범위의 온도 및/또는 시간의 조건에서 하소가 이루어질 때, 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐의 평균 직경과 평균 종횡비가 한층 더 개선된 구조를 갖게 할 수 있으며, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 OER 성능 및 내구성을 더 향상시킬 수 있다.The calcination in step (b) may be carried out at 350 to 650 °C, or 400 to 550 °C, and may be carried out for 20 to 120 minutes. When calcination is performed under the conditions of temperature and/or time in the above range, the average diameter and average aspect ratio of the rod-shaped crystalline iridium oxide can have a further improved structure, and OER performance of the iridium oxide-based electrochemical catalyst and durability may be further improved.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 (c) 단계에서 상기 다가 알코올은 상기 이리듐 전구체 화합물을 환원시키는 것일 수 있고, 이를 통해 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐 표면에 입자형의 비정질 산화 이리듐이 형성되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in step (c), the polyhydric alcohol may reduce the iridium precursor compound, through which a particulate amorphous iridium oxide is formed on the surface of the rod-shaped crystalline iridium oxide. it could be

상기 (c) 단계에서는 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐 및 상기 이리듐 전구체 화합물이 1:3 내지 1:10의 중량비로 혼합되는 것일 수 있으며, 상기 범위의 중량비를 만족하며 혼합될 때 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 OER 성능 및 내구성을 더 향상시킬 수 있다.In step (c), the rod-shaped crystalline iridium oxide and the iridium precursor compound may be mixed in a weight ratio of 1:3 to 1:10, and when mixed while satisfying the weight ratio in the above range, iridium oxide-based electrochemical The OER performance and durability of the catalyst can be further improved.

상기 (c) 단계는 15 내지 25 ℃에서 24시간 이상 교반시키는 단계; 및 70 내지 90 ℃에서 12시간 이상 건조시키는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.The step (c) is a step of stirring at 15 to 25 ℃ for 24 hours or more; and drying at 70 to 90° C. for 12 hours or more.

상기 다가 알코올은 분자 내에 히드록시기가 2개 이상 있는 알코올이면 무엇이든 가능하며, 다가의 지방족, 지환족, 또는 방향족 알코올을 포함하는 것일 수 있고, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 트리메틸올프로판, 트리메틸올에탄, 1,6-헥산디올, 디에틸렌 글리콜, 디프로필렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 1,4-부틸렌글리콜, 1,5-펜탄디올, 디트리메틸올프로판, 트리메틸올프로판, 글리세린, 펜타에리트리톨로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 다가 알코올은 2-하이드록시에틸 (메트)아크릴레이트, 2-하이드록시프로필 (메트)아크릴레이트, 하이드록시이소프로필 (메트)아크릴레이트, 부탄다이올 모노(메트)아크릴레이트, 4-하이드록시부틸 (메트)아크릴레이트, 카프로락톤 (메트)아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나로부터 유래된 것일 수 있다.The polyhydric alcohol may be any alcohol having two or more hydroxyl groups in the molecule, and may include polyvalent aliphatic, alicyclic, or aromatic alcohol, ethylene glycol, propylene glycol, trimethylolpropane, trimethylolethane, 1,6-hexanediol, diethylene glycol, dipropylene glycol, triethylene glycol, 1,3-butylene glycol, 1,4-butylene glycol, 1,5-pentanediol, ditrimethylolpropane, trimethylolpropane , glycerin, may include at least one selected from the group consisting of pentaerythritol, but is not limited thereto. In addition, the polyhydric alcohol is 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 2-hydroxypropyl (meth) acrylate, hydroxyisopropyl (meth) acrylate, butanediol mono (meth) acrylate, 4- It may be derived from at least one selected from the group consisting of hydroxybutyl (meth)acrylate and caprolactone (meth)acrylate.

상기 (c) 단계는 pH가 10 내지 14인 용액에서 이루어지는 것일 수 있고, 상기 범위의 pH에서 이루어질 때 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐 표면에 더 많은 수의 상기 입자형의 비정질 산화 이리듐이 형성될 수 있고, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 OER 성능 및 내구성을 더 향상시킬 수 있다.The step (c) may be made in a solution having a pH of 10 to 14, and when the pH is in the above range, a larger number of the particulate amorphous iridium oxide may be formed on the surface of the rod-shaped crystalline iridium oxide. And it is possible to further improve the OER performance and durability of the iridium oxide-based electrochemical catalyst.

상기 (c) 단계는 질소 분위기 하에서 이루어지는 것일 수 있고, 120 내지 200 ℃에서 이루어지는 것일 수 있으며, 2 내지 4시간 동안 이루어지는 것일 수 있다.The step (c) may be carried out under a nitrogen atmosphere, may be carried out at 120 to 200 °C, and may be carried out for 2 to 4 hours.

이하, 실시예를 들어서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, these examples are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited thereto.

산화 이리듐계 전기화학 촉매의 제조Preparation of iridium oxide-based electrochemical catalyst

<실시예 1><Example 1>

(1) 로드형의 결정질 산화 이리듐의 전구체(입자형의 결정질 산화 이리듐)의 제조(1) Preparation of rod-shaped crystalline iridium oxide precursor (granular crystalline iridium oxide)

염화이리듐(IrCl3) 수화물(Sigma Aldrich 社제) 100 mg, 질산 나트륨(NaNO3, Sigma Aldrich 社제) 2 g 및 시스테아민 염산염(cysteamine chloride, (Sigma Aldrich 社제) 50 mg을 비저항 18.3 MΩ·cm의 탈이온수(deionized water, Human Corporation 社제) 5 mL에 용해시키고, 상기 용액을 2시간 동안 80 ℃에서 교반한 후 대류식 오븐에서 12시간 이상 건조하여 물을 제거하였다.Iridium chloride (IrCl 3 ) hydrate (manufactured by Sigma Aldrich) 100 mg, sodium nitrate (NaNO 3, manufactured by Sigma Aldrich) 2 g and cysteamine chloride (manufactured by Sigma Aldrich) 50 mg resistivity 18.3 MΩ ·cm of deionized water (manufactured by Human Corporation) was dissolved in 5 mL, and the solution was stirred at 80° C. for 2 hours, and then dried in a convection oven for 12 hours or more to remove water.

(2) 로드형의 결정질 산화 이리듐의 제조(2) Preparation of rod-shaped crystalline iridium oxide

상기 용액에서 물이 제거된 파우더를 막자 사발로 곱게 분쇄하고, 분쇄한 파우더를 10 mL의 알루미나 도가니에서 5 ℃분의 속도로 550 ℃까지 승온 후, 550 ℃에서 30분 동안 하소시켰다. 이후, 하소시킨 파우더를 상온까지 냉각하고, 부흐너 플라스크 및 필터를 사용하여 과량의 탈이온수로 세정하고 건조 시켜, IrO2로 이루어진, 로드형의 결정질 산화 이리듐을 제조하였다.The powder from which water was removed from the solution was finely pulverized with a mortar, and the pulverized powder was heated to 550° C. at a rate of 5° C. in a 10 mL alumina crucible, and then calcined at 550° C. for 30 minutes. Thereafter, the calcined powder was cooled to room temperature, washed with excess deionized water using a Buchner flask and a filter, and dried, to prepare a rod-shaped crystalline iridium oxide made of IrO 2 .

상기 (1), (2) 의 로드형의 결정질 산화 이리듐 제조 방법을 도 2의 a에 도시하였다.The method for preparing rod-shaped crystalline iridium oxide of (1) and (2) is shown in FIG. 2A .

(3) 로드형의 결정질 산화 이리듐 표면에 형성된 입자형의 비정질 산화 이리듐의 제조(3) Preparation of particle-shaped amorphous iridium oxide formed on the surface of rod-shaped crystalline iridium oxide

도 2의 b에 도시된 바와 같이, 상기 (2) 에서 제조한 로드형의 결정질 산화 이리듐 200 mg을 염화이리듐 수화물 26.6 mg과 함께 pH 12의 에틸렌글리콜(Ethylene glycol, 제조사)에 용해시킨 뒤, 질소 분위기 하에서 3시간 동안 160 ℃의 온도로 가열하였다. 이후 상온에서 24시간 동안 교반시키고, 탈이온수로 세척한 뒤, 80 ℃에서 12시간 동안 건조시켰다.As shown in FIG. 2B , 200 mg of rod-shaped crystalline iridium oxide prepared in (2) was dissolved in ethylene glycol (Ethylene glycol, manufacturer) of pH 12 together with 26.6 mg of iridium chloride hydrate, followed by nitrogen It was heated to a temperature of 160 °C for 3 hours under an atmosphere. Thereafter, the mixture was stirred at room temperature for 24 hours, washed with deionized water, and dried at 80° C. for 12 hours.

상기 (1), (2), (3)을 통해, 로드형의 결정질 산화 이리듐을 기준으로 10 중량%의 IrOx(0<x<2)를 포함하는 입자형의 비정질 산화 이리듐이 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐 표면 상에 형성된, 산화 이리듐계 전기화학 촉매가 제조 되었다.Through (1), (2), and (3) above, particle-type amorphous iridium oxide containing 10 wt% of IrO x (0<x<2) based on rod-type crystalline iridium oxide is the rod-type An iridium oxide-based electrochemical catalyst formed on the surface of crystalline iridium oxide was prepared.

<실시예 2><Example 2>

상기 실시예 1의 (3) 에서 염화이리듐 수화물 26.6 mg 대신 53.3 mg을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 로드형의 결정질 산화 이리듐을 기준으로 20 중량%의 입자형의 비정질 산화 이리듐이 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐 표면 상에 형성된, 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, except that 53.3 mg of iridium chloride hydrate was used instead of 26.6 mg of iridium chloride hydrate in (3) of Example 1, 20% by weight of particle-type amorphous based on rod-type crystalline iridium oxide An iridium oxide-based electrochemical catalyst was prepared in which iridium oxide was formed on the surface of the rod-shaped crystalline iridium oxide.

<실시예 3><Example 3>

상기 실시예 1의 (3) 에서 염화이리듐 수화물 26.6 mg 대신 79.9 mg을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 로드형의 결정질 산화 이리듐을 기준으로 30 중량%의 입자형의 비정질 산화 이리듐이 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐 표면 상에 형성된, 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, except that 79.9 mg of iridium chloride hydrate was used instead of 26.6 mg of iridium chloride hydrate in (3) of Example 1, 30% by weight of particle-type amorphous based on rod-type crystalline iridium oxide An iridium oxide-based electrochemical catalyst was prepared in which iridium oxide was formed on the surface of the rod-shaped crystalline iridium oxide.

<비교예 1><Comparative Example 1>

상기 실시예 1의 (1), (2) 와 동일한 방법으로, 로드형의 결정질 산화 이리듐으로만 이루어진, 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 제조하였다.In the same manner as (1) and (2) of Example 1, an iridium oxide-based electrochemical catalyst comprising only rod-shaped crystalline iridium oxide was prepared.

<비교예 2><Comparative Example 2>

상기 실시예 1의 (3) 에서 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1의 (3)과 동일한 방법으로, 입자형의 비정질 산화 이리듐으로만 이루어진, 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 제조하였다.In the same manner as in (3) of Example 1, except that in (3) of Example 1, the rod-type crystalline iridium oxide was not used, iridium oxide consisting only of particle-type amorphous iridium oxide A system electrochemical catalyst was prepared.

<비교예 3><Comparative Example 3>

상기 실시예 1의 (1) 에서 시스테아민 염산염을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 제조하였다.An iridium oxide-based electrochemical catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that cysteamine hydrochloride was not used in (1) of Example 1.

<비교예 4><Comparative Example 4>

상기 실시예 1의 (3) 에서 염화이리듐 수화물을 사용하지 않은 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 제조하였다.An iridium oxide-based electrochemical catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that iridium chloride hydrate was not used in (3) of Example 1.

산화 이리듐계 전기화학 촉매의 구조 및 성분 관찰Observation of structure and composition of iridium oxide-based electrochemical catalyst

<실험예 1- 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 TEM 사진 관찰><Experimental Example 1- TEM photograph observation of iridium oxide-based electrochemical catalyst>

실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 4의 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 및 고해상도(HR) TEM 사진을 300 kV의 TF30 ST(Tecnai)로 촬영하여 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.TEM (Transmission Electron Microscopy) and high-resolution (HR) TEM photos of the iridium oxide-based electrochemical catalysts of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 were taken with a TF30 ST (Tecnai) of 300 kV, and the results are shown in FIGS. 3 and 4 is shown.

실시예 1(도 3의 a), 실시예 2(도 3의 b-1, b-2), 실시예 3(도 3의 c)의 TEM 사진을 참고할 때, 바늘 형상의 로드형의 결정질 산화 이리듐 상에 입자형의 비정질 산화 이리듐이 잘 형성된 것을 확인할 수 있고, 특히 실시예 2에서 가장 많은 양의 비정질 산화 이리듐이 고르게 형성된 것을 확인할 수 있다.When referring to the TEM photos of Example 1 (FIG. 3 a), Example 2 (FIG. 3 b-1, b-2), and Example 3 (FIG. 3 c), needle-shaped rod-shaped crystalline oxidation It can be seen that the particulate amorphous iridium oxide is well formed on the iridium, and in particular, it can be confirmed that the largest amount of amorphous iridium oxide is uniformly formed in Example 2.

도 4의 a-1, a-2에 도시된 바와 같이, 비교예 1의 촉매는 비정질 산화 이리듐을 형성하는 과정이 생략되어 로드형의 결정질 산화 이리듐으로만 이루어진 것을 확인할 수 있고, 도 4의 b-1, b-2에 도시된 바와 같이, 비교예 2의 촉매는 결정질 산화 이리듐을 제조하는 과정이 생략되어 입자상의 비정질 산화 이리듐으로만 이루어진 것을 확인할 수 있으며, 도 4의 c에 도시된 바와 같이, 비교예 3의 촉매는 결정질 산화 이리듐의 제조하는 과정에서 시스테아민 염산염을 사용하지 않아 그 형상이 로드형이 아닌 것을 확인할 수 있고, 도 4의 d-1, d-2에 도시된 바와 같이, 비교예 4의 촉매는 비정질 산화 이리듐 형성 과정에서 염화이리듐을 사용하지 않아 로드형의 결정질 산화 이리듐 자체의 환원이 과도하게 진행되어 실시예 1 내지 3에 비해 길이가 짧고 뭉치는 경향이 있는 것을 확인할 수 있다.As shown in a-1 and a-2 of FIG. 4, it can be seen that the catalyst of Comparative Example 1 is made of only rod-shaped crystalline iridium oxide because the process of forming amorphous iridium oxide is omitted, and in FIG. 4b As shown in -1 and b-2, it can be confirmed that the catalyst of Comparative Example 2 is made of only particulate amorphous iridium oxide because the process of preparing crystalline iridium oxide is omitted, and as shown in FIG. , the catalyst of Comparative Example 3 did not use cysteamine hydrochloride in the process of preparing crystalline iridium oxide, so it could be confirmed that the shape was not a rod type, as shown in d-1 and d-2 of FIG. , The catalyst of Comparative Example 4 did not use iridium chloride in the process of forming amorphous iridium oxide, so the reduction of rod-type crystalline iridium oxide itself proceeded excessively. can

구체적으로, 비교예 1(도 4의 a-2), 비교예 4(도 4의 d-2) 및 실시예 2(도 3의 b-2)의 HR TEM 사진을 참고할 때, 비교예 1은 lattice 구조가 선명한 바늘 형상의 로드형의 결정질 산화 이리듐이 형성되었으나 실시예 2와 같이 그 표면에 비정질 산화 이리듐이 형성되지는 않은 것을 확인할 수 있으며, 비교예 4는 로드형의 결정질 산화 이리듐의 자체적인 환원 반응으로 인해 그 표면이 손상된 것을 확인할 수 있다.Specifically, when referring to the HR TEM images of Comparative Example 1 (a-2 in FIG. 4), Comparative Example 4 (d-2 in FIG. 4), and Example 2 (b-2 in FIG. 3), Comparative Example 1 is It can be seen that, although rod-shaped crystalline iridium oxide having a clear lattice structure was formed, as in Example 2, amorphous iridium oxide was not formed on the surface, and Comparative Example 4 was a rod-shaped crystalline iridium oxide itself. It can be confirmed that the surface is damaged due to the reduction reaction.

또한, 도 3의 b-1 b-2로부터 측정된, 실시예 2의 산화 이리듐계 전기화학 촉매에서 로드형의 결정질 산화 이리듐의 평균 길이는 약 60 nm이고, 평균 직경은 약 3.5 nm이다. 또한, 도 3의 b-2로부터, 입자형의 비정질 산화 이리듐의 평균 직경을 산출하여 그 분포를 도 5에 나타내었고, 도 5에 도시된 바와 같이, 그 평균 직경은 0.8 nm 근방에 형성된 평균을 중심으로 0.3 nm 부터 1.7 nm까지 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.In addition, the average length of rod-shaped crystalline iridium oxide in the iridium oxide-based electrochemical catalyst of Example 2 was about 60 nm, and the average diameter was about 3.5 nm, as measured from b-1 b-2 of FIG. 3 . In addition, from b-2 of FIG. 3, the average diameter of particle-type amorphous iridium oxide was calculated and the distribution is shown in FIG. 5, and as shown in FIG. 5, the average diameter is the average formed around 0.8 nm. It can be seen that the distribution is from 0.3 nm to 1.7 nm in the center.

또한, 도 3으로부터 실시예 1 내지 3의 로드형의 결정질 산화 이리듐의 표면의 단위 면적 당 입자형의 비정질 산화 이리듐의 밀도를 산출해 보았을 때, 실시예 1은 0.023 개/nm2, 실시예 2는 0.070 개/nm2, 실시예 3은 0.032 개/nm2를 나타내었고, 실시예 2에서 가장 큰 밀도의 입자형의 비정질 산화 이리듐이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.In addition, when the density of particle-shaped amorphous iridium oxide per unit area of the surface of the rod-shaped crystalline iridium oxide of Examples 1 to 3 is calculated from FIG. 3, Example 1 is 0.023 pieces/nm 2 , Example 2 0.070 pieces/nm 2 , Example 3 showed 0.032 pieces/nm 2 , and it was confirmed that in Example 2, amorphous iridium oxide having the largest density was formed. The results are shown in Table 1 below.

CatalystCatalyst 로드형의 산화 이리듐의 표면의 단위 면적 당 입자형의 비정질 산화 이리듐의 밀도Density of particle-shaped amorphous iridium oxide per unit area of the surface of rod-shaped iridium oxide 실시예 1Example 1 0.023 개/nm2 0.023 pcs/nm 2 실시예 2Example 2 0.070 개/nm2 0.070 pcs/nm 2 실시예 3Example 3 0.032 개/nm2 0.032 pcs/nm 2

<실험예 2- 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 XRD 스펙트럼 관찰><Experimental Example 2- XRD spectrum observation of iridium oxide-based electrochemical catalyst>

실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 4의 XRD(X-ray Diffraction) 스펙트럼을 high resolution power x-ray diffractometer, SmartLab(RIGAKU 社제)를 사용하여 측정하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.XRD (X-ray diffraction) spectra of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 were measured using a high resolution power x-ray diffractometer, SmartLab (manufactured by RIGAKU), and the results are shown in FIG. 6 .

실시예 1 내지 3의 경우, x축(2θ)에서의 모든 피크가 선명하게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 비교예 1의 촉매도 그 구조가 실시예 1 내지 3과 유사하여 XRD 스펙트럼의 피크도 유사하게 나타난 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 2의 경우 결정질 산화 이리듐이 형성되지 않아 XRD 스펙트럼에서 피크가 전혀 형성되지 않은 것을 확인할 수 있고, 비교예 3의 촉매도 결정질 산화 이리듐이 로드형으로 형성되지 않아 (200)면, (220)면에서의 피크가 뚜렷하지 않은 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 4의 촉매는 손상된 표면으로 인해 전체적인 피크의 intensity가 실시예 1 내지 3에 비해 낮은 것을 확인할 수 있다.In the case of Examples 1 to 3, it can be seen that all peaks on the x-axis (2θ) appear clearly, and the structure of the catalyst of Comparative Example 1 is similar to Examples 1 to 3, so that the peaks of the XRD spectrum are similarly It can be seen that appeared On the other hand, in the case of Comparative Example 2, it can be confirmed that no peak is formed in the XRD spectrum because crystalline iridium oxide is not formed, and the catalyst of Comparative Example 3 also does not form crystalline iridium oxide in a rod shape (200), ( 220), it can be seen that the peak at the plane is not clear. In addition, it can be seen that the catalyst of Comparative Example 4 had a lower intensity of the overall peak compared to Examples 1 to 3 due to the damaged surface.

한편, 도 6에 도시된 XRD 스펙트럼에서, x축(2θ)에서의 (110)면은 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 길이 방향에 수직인 면에 해당되므로, 상기 (110)면에서의 피크의 크기를 비교하면, 실시예 1 내지 3에서 제조된 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 평균 직경의 상대적인 크기를 알 수 있다. XRD 스펙트럼에서 실시예 1에서 실시예 2, 실시예 3으로 갈수록 (110)면에서의 피크의 크기가 작아지는 점으로부터, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 평균 직경이 작아진다는 것을 추정할 수 있다.On the other hand, in the XRD spectrum shown in FIG. 6, the (110) plane on the x-axis (2θ) corresponds to the plane perpendicular to the longitudinal direction of the iridium oxide-based electrochemical catalyst, so the peak size on the (110) plane By comparison, it can be seen that the relative sizes of the average diameters of the iridium oxide-based electrochemical catalysts prepared in Examples 1 to 3 are compared. In the XRD spectrum, it can be estimated that the average diameter of the iridium oxide-based electrochemical catalyst decreases from the point that the size of the peak at the (110) plane decreases from Example 1 to Example 2 and Example 3.

<실험예 3- 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 XPS 스펙트럼 관찰><Experimental Example 3- Observation of XPS spectrum of iridium oxide-based electrochemical catalyst>

실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 4의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 스펙트럼을 (K-alpha, Thermo VG Scientific 社제)를 사용하여 측정하고, 그 결과를 도 7 내지 도 9에 나타내었다.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 were measured using (K-alpha, manufactured by Thermo VG Scientific), and the results are shown in FIGS. 7 to 9 .

XPS의 Ir 4f 스펙트럼(도 7의 a)을 참고할 때, 비교예 2의 피크가 가장 우측으로 형성되어 있어, 촉매 내의 이리듐의 산화수가 가장 낮아 metallic한 것을 알 수 있고, 비교예 1의 피크가 가장 좌측으로 형성되어 있어, 촉매 내의 이리듐의 산화수가 가장 높아 oxidic한 것을 알 수 있다. 또한, XPS의 O 1s 스펙트럼(도 7의 b)를 참고할 때, 실시예 1 내지 3의 피크는 약 531.6 eV에 형성된 crystalline peak 및 약 530.8 eV에 형성된 amorphous peak가 모두 뚜렷하게 형성되어, 결정질 및 비정질의 산화 이리듐이 모두 포함하고 있음을 알 수 있으나, 비교예 1, 3은 비정질 산화 이리듐에 대응되는 amorphous peak가 거의 형성되지 않은 것을, 비교예 2는 결정질 산화 이리듐에 대응되는 crystalline peak이 거의 형성되지 않은 것을 알 수 있으며, 비교예 4는 두 피크가 모두 형성되있기는 하나 실시예 1 내지 3보다는 뚜렷하지 않은 것을 알 수 있다.Referring to the Ir 4f spectrum of XPS (FIG. 7 a), the peak of Comparative Example 2 is formed on the rightmost side, so it can be seen that the oxidation number of iridium in the catalyst is the lowest, indicating that it is metallic, and the peak of Comparative Example 1 is the most Since it is formed on the left side, it can be seen that the oxidation number of iridium in the catalyst is the highest, indicating that it is oxidic. In addition, when referring to the O 1s spectrum of XPS (Fig. 7 b), the peaks of Examples 1 to 3 are both a crystalline peak formed at about 531.6 eV and an amorphous peak formed at about 530.8 eV are clearly formed, crystalline and amorphous Although it can be seen that all of iridium oxide is included, in Comparative Examples 1 and 3, an amorphous peak corresponding to amorphous iridium oxide is hardly formed, and in Comparative Example 2, a crystalline peak corresponding to crystalline iridium oxide is hardly formed. It can be seen that in Comparative Example 4, although both peaks are formed, it can be seen that it is not as clear as in Examples 1 to 3.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 비교예 1, 3은 Ir이 Ir4+로만 존재하는 것을 알 수 있는바, IrO2의 결정질 산화 이리듐만 존재하고 있는 것을 추정할 수 있으며, 실시예 1 내지 3 및 비교예 4는 Ir이 Ir3+와 Ir4+의 형태로 존재하고 있어 IrO2의 결정질 산화 이리듐 외에 비정질 산화 이리듐도 혼재하는 것을 알 수 있으며, 특히 실시예 2에서 Ir3+의 비율이 가장 높은바, 실시예 2에 비정질 산화 이리듐의 성분이 가장 많은 것으로 추정할 수 있고, 또한 이는 상기 표 1에서 실시예 2에 비정질 산화 이리듐의 개수가 가장 많은 것과 상통하는 것으로 볼 수 있다.In addition, as shown in FIG. 8 , in Comparative Examples 1 and 3, it can be seen that Ir exists only as Ir 4+ , and it can be estimated that only crystalline iridium oxide of IrO 2 exists, Examples 1 to In 3 and Comparative Example 4, Ir exists in the form of Ir 3+ and Ir 4+ , so it can be seen that amorphous iridium oxide is also present in addition to the crystalline iridium oxide of IrO 2 , and in particular, in Example 2, the ratio of Ir 3+ is As the highest bar, it can be estimated that the component of amorphous iridium oxide is the largest in Example 2, and it can be seen that this is consistent with Example 2 in Table 1 above with the largest number of amorphous iridium oxide.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 비교예 1, 3은 비정질 산화 이리듐에 대응되는 amorphous peak가 거의 형성되지 않은 것을, 비교예 2는 결정질 산화 이리듐에 대응되는 crystalline peak이 거의 형성되지 않은 것을 더 명확하게 알 수 있으며, 실시예 1 내지 3은 두 피크가 거의 대등한 높이로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 9, Comparative Examples 1 and 3 showed that almost no amorphous peak corresponding to amorphous iridium oxide was formed, and Comparative Example 2 showed that almost no crystalline peak corresponding to crystalline iridium oxide was formed. It can be clearly seen, Examples 1 to 3 can be confirmed that the two peaks are formed at almost equal heights.

산화 이리듐계 전기화학 촉매의 전기 화학적 특징 관찰Observation of electrochemical characteristics of iridium oxide-based electrochemical catalysts

<실험예 4- 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 전기 전도도 측정><Experimental Example 4- Measurement of Electrical Conductivity of Iridium Oxide-Based Electrochemical Catalyst>

산화 이리듐계 전기화학 촉매의 OER 성능을 측정하기 위해, 25 ℃에서 4 point probe method에 따라 실시예 2, 비교예 1, 비교예 3 및 비교예 4의 촉매의 전기 전도도를 측정하여, 그 결과를 도 10에 나타내었다.In order to measure the OER performance of the iridium oxide-based electrochemical catalyst, the electrical conductivity of the catalysts of Example 2, Comparative Example 1, Comparative Example 3 and Comparative Example 4 was measured at 25° C. according to the 4 point probe method, and the results were It is shown in Figure 10.

도 10에 도시된 바와 같이, 비교예 3 및 비교예 4는 150 S/cm의 전기 전도도에도 미치지 못한 반면, 실시예 2 및 비교예 1의 촉매는 각각 약 300 S/cm 및 350 S/cm의 전기 전도도를 나타내어 전기화학 촉매로서의 적합성이 더 높은 것을 알 수 있으며, 후술할 실험예 5 및 6에서는 실시예 2의 촉매로 제조한 전극의 성능이 더욱 우수한 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 10 , Comparative Examples 3 and 4 did not even reach an electrical conductivity of 150 S/cm, whereas the catalysts of Examples 2 and 1 had an electrical conductivity of about 300 S/cm and 350 S/cm, respectively. It can be seen that the electrical conductivity shows higher suitability as an electrochemical catalyst, and in Experimental Examples 5 and 6 to be described later, it can be confirmed that the performance of the electrode prepared with the catalyst of Example 2 is more excellent.

산화 이리듐계 전기화학 촉매를 포함하는 작업 전극 및 하프셀의 제조Preparation of working electrode and half cell containing iridium oxide-based electrochemical catalyst

<제조예 1-1><Preparation Example 1-1>

실시예 1의 산화 이리듐계 전기화학 촉매 24.5 mg, 이소프로판올 2.74 ml, 탈이온수 1.24 ml 및 5% Nafion 용액 20μL을 혼합하여 촉매 잉크를 준비하고, 상기 촉매 잉크 10μL를 투하하여 0.25 mg/cm2의 촉매를 GC RDE에 로딩하여 작업 전극을 제조하였다.A catalyst ink was prepared by mixing 24.5 mg of the iridium oxide-based electrochemical catalyst of Example 1, 2.74 ml of isopropanol, 1.24 ml of deionized water, and 20 μL of a 5% Nafion solution, and 10 μL of the catalyst ink was dropped to give a catalyst of 0.25 mg/cm 2 was loaded into the GC RDE to prepare a working electrode.

상기 작업 전극, Pt 와이어의 카운터 전극, 3 M NaCl Ag/AgCl (RE-5B, BASi)의 레퍼런스 전극을 포함하고, 3개의 전기 화학 전극은 유리상 탄소(glassy carbon, GC)가 디스크 전극(GC RDE, diameter: 5 mm, PINE instrument)을 회전하는 전위기(potentiostat, CHI 760E, CH instrument)를 사용하는 하프셀을 제조하였다.the working electrode, a counter electrode of Pt wire, and a reference electrode of 3 M NaCl Ag/AgCl (RE-5B, BASi), and the three electrochemical electrodes are glassy carbon (GC) disk electrodes (GC RDE). , diameter: 5 mm, PINE instrument) using a rotating potentiometer (potentiostat, CHI 760E, CH instrument) was prepared.

<제조예 1-2 내지 1-7><Preparation Examples 1-2 to 1-7>

상기 제조예 1-1에서 실시예 1의 산화 이리듐계 전기화학 촉매 대신에 각각 실시예 2, 실시예 3, 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3, 비교예 4의 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1-1과 동일한 방법으로 제조예 1-2 내지 1-7의 전극 및 하프셀을 제조하였다.Instead of the iridium oxide-based electrochemical catalyst of Example 1 in Preparation Example 1-1, the iridium oxide-based electrochemical catalyst of Examples 2, 3, Comparative Example 1, Comparative Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 4, respectively Electrodes and half cells of Preparation Examples 1-2 to 1-7 were prepared in the same manner as in Preparation Example 1-1, except that

산화 이리듐계 전기화학 촉매의 OER 성능 및 내구성 측정 (1)- 하프셀 분석Measurement of OER Performance and Durability of Iridium Oxide-Based Electrochemical Catalyst (1)- Half-cell Analysis

상기 제조예 1-1 내지 1-7의 하프셀의 전기 화학적 반응에 대한 측정을 실시하고, 그 결과를 도 11 및 도 12에 나타내었다. 이 때 전해질은 1M H2SO4 100 ml 을 사용하였고, 전기화학 셀의 온도는 수조를 사용하여 25℃로 유지하였으며, 모든 전위들은 RHE(reversible hydrogen electrode, 가역 수소 전극)를 사용하여 계측하였다. RHE는 수소로 포화된 전해질에서 백금의 회전하는 디스크 전극(Pt RDE, diameter: 5mm, PINE instrument, 1600 rpm)이 수소 발생 및 산화 반응을 수행함으로써 측정되었다. 하프셀 전기화학 반응들은 모두 Ar-포화 전해질에서 실시되었고, 측정 전, 촉매들을 500mV/s의 스캔 속도로 0.05V~1.5V의 CV(cyclic voltammetry)를 50 사이클을 실시함으로써 활성화시켰다.The electrochemical reaction of the half-cells of Preparation Examples 1-1 to 1-7 was measured, and the results are shown in FIGS. 11 and 12 . At this time, 100 ml of 1M H2SO4 was used as the electrolyte, the temperature of the electrochemical cell was maintained at 25°C using a water bath, and all potentials were measured using a reversible hydrogen electrode (RHE). RHE was measured by performing hydrogen evolution and oxidation reaction of a platinum rotating disk electrode (Pt RDE, diameter: 5 mm, PINE instrument, 1600 rpm) in an electrolyte saturated with hydrogen. All half-cell electrochemical reactions were performed in Ar-saturated electrolyte, and before measurement, catalysts were activated by performing 50 cycles of CV (cyclic voltammetry) of 0.05V to 1.5V at a scan rate of 500mV/s for 50 cycles.

하프셀의 초기 OER 성능을 선형 스위프 전압전류법(Linear Sweep Voltammetry, LSV), 전기화학 임피던스 분석법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS), 순환 전압전류법(Cyclic Voltammetry, CV)로 평가하였다.The initial OER performance of the half-cell was evaluated by Linear Sweep Voltammetry (LSV), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), and Cyclic Voltammetry (CV).

LSV는 10 mV/s 스캔 속도로 1.35V~1.7V의 범위에서 이루어졌다. 중량활성(Mass activity)은 전류 밀도를 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 질량으로 나눈 값이며, 비활성(Specific activity)은 전류 밀도를 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 비표면적으로 나눈 값인데, 0.25 mgcatalysts/cm2, Ar-saturated 1M H2SO4(aq), GC RDE with 1600 rpm rotation의 측정 조건 및 1.55V의 전압에서 측정하였다. 또한, 비전류 밀도(Specific current density)는 전류 밀도를 ECSA로 나누어 산출하였다. 중량활성, 비활성, 비전류 밀도는 촉매의 단위 질량, 단위 표면적 등에 대한 전류 밀도를 의미하는바, 촉매로서의 전기 화학적 활성, 즉 OER 성능이 우수한지 여부를 판별하는 또다른 지표로도 볼 수 있다. EIS는 1.6V, 10-2~106의 범위의 주파수에서 실시되었다.LSV was done in the range of 1.35V to 1.7V with a scan rate of 10 mV/s. Mass activity is the current density divided by the mass of the iridium oxide-based electrochemical catalyst, and specific activity is the current density divided by the specific surface area of the iridium oxide-based electrochemical catalyst, 0.25 mgcatalysts/cm 2 , Ar-saturated 1M H 2 SO 4 (aq), GC RDE with 1600 rpm rotation was measured under the measurement conditions and voltage of 1.55V. In addition, the specific current density (Specific current density) was calculated by dividing the current density by ECSA. The gravimetric activity, specific activity, and specific current density mean the current density with respect to the unit mass and unit surface area of the catalyst, and can be viewed as another indicator for determining whether the electrochemical activity as a catalyst, that is, the OER performance is excellent. EIS was performed at 1.6V, at frequencies ranging from 10 -2 to 10 6 .

CV는 8개의 서로 다른 스캔 속도(5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 mV/s)로부터 결과를 얻었고, 그로부터 전류-스캔에 대한 선형 관계가 얻어졌으며, 이 때의 기울기가 비-패러데이 전류 영역에서의 이중층의 정전용량(double layer capacitance, CDL)이다. 전기화학적 표면적(ECSA)은 CDL을 비정전용량(specific capacitance, Cs)로 나눔으로써 계산되었다(ECSA=CDL/Cs). 한편, GC RDE 전해질을 사용한 경우의 1M H2SO4(aq)에서의 Cs 값은 0.065 mF/cm2로 계산되었다.CV was obtained from 8 different scan rates (5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 mV/s), and a linear relationship for the current-scan was obtained from it, where the slope was is the double layer capacitance (C DL ) in the non-Faraday current region. The electrochemical surface area (ECSA) was calculated by dividing C DL by the specific capacitance, C s (ECSA=C DL /C s ). Meanwhile, the C s value in 1M H 2 SO 4 (aq) when the GC RDE electrolyte was used was calculated as 0.065 mF/cm 2 .

하프셀의 내구성은 크로노퍼텐셔메트리(chronopotentiometry)의 방법으로 측정되었는데, 구체적으로 10 mA/cm2의 전류 밀도에서 120분 동안 하프셀을 운전시킬 때의 과전압을 측정하였다. 또한, 상기 전류 밀도에서의 2 시간의 상기 크로노퍼텐셔메트리가 실시된 이후, 성능 변화의 측정을 위해 동일한 조건에서 LSV를 다시 측정하여, 최초의 LSV 결과와 비교하여 내구성을 측정하였다.The durability of the half-cell was measured by the method of chronopotentiometry. Specifically, the overvoltage when the half-cell was operated for 120 minutes at a current density of 10 mA/cm 2 was measured. In addition, after the chronopotentiometer measurement for 2 hours at the current density was performed, the LSV was measured again under the same conditions to measure the change in performance, and durability was measured by comparing it with the initial LSV result.

<실험예 5-1- 하프셀의 OER 성능 측정><Experimental Example 5-1-OER performance measurement of half-cell>

제조예 1-1 내지 1-7의 하프셀의 전류 밀도, 10 mA/cm2에서의 과전압(Overpotential), 중량활성(Mass activity), 비전류 밀도(Specific current density), 비활성(Specific activity)을 도 11의 a 내지 e에 나타내었다. 또한, 도 11의 a 내지 f에서 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3, 비교예 4에 해당하는 그래프는 각각 제조예 1-1, 제조예 1-2, 제조예 1-3, 제조예 1-4, 제조예 1-5, 제조예 1-6, 제조예 1-7의 하프셀의 그래프에 대응된다.The current density of the half cells of Preparation Examples 1-1 to 1-7, 10 mA/cm 2 Overpotential, mass activity, specific current density, specific activity It is shown in Figure 11 a to e. In addition, in FIGS. 11 a to f, the graphs corresponding to Example 1, Example 2, Example 3, Comparative Example 1, Comparative Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 4 are Preparation Example 1-1 and Preparation Example, respectively. It corresponds to the graph of the half cell of 1-2, Preparation Example 1-3, Preparation Example 1-4, Preparation Example 1-5, Preparation Example 1-6, Preparation Example 1-7.

도 11의 a 및 c에 도시된 바와 같이, 전류 밀도 및 중량활성의 경우 제조예 1-5가 가장 높은 LSV 기울기 및 약 120A·gcatalyst -1의 가장 높은 중량활성을 나타내었고, 제조예 1-2, 제조예 1-3, 제조예 1-1이 차례로 그 다음으로 높은 LSV 기울기 및 높은 중량활성을 나타내었다. 또한, 도 11의 d 및 e에 도시된 바와 같이, 비전류 밀도 및 비활성의 경우 제조예 1-2가 가장 높은 LSV 기울기 및 57A·gcatalyst -1의 가장 높은 비활성을 나타내었고, 제조예 1-5, 제조예 1-3, 제조예 1-1이 차례로 그 다음으로 높은 LSV 기울기 및 비활성을 나타내었다. 비전류 밀도가 제조예 1-2에서 가장 높았으나, 전류 밀도는 제조예 1-5에서 가장 높았던 것은 제조예 1-5의 전기화학적 표면적이 제조예 1-2에 비해 매우 높기 때문인 것이며, 오히려 알짜 OER 성능은 제조예 1-2가 제조예 1-5보다 우수한 것으로 볼 수 있다. 한편, 제조예 1-4, 1-6, 1-7은 전류 밀도, 비전류 밀도, 중량활성, 비활성의 측정 결과 모두 제조예 1-1 내지 1-3에 비해서 낮은 결과를 나타낸바, 그 OER 성능이 제조예 1-1 내지 1-3보다 열등한 것을 알 수 있다.11 a and c, in the case of current density and gravimetric activity, Preparation Example 1-5 exhibited the highest LSV slope and the highest gravimetric activity of about 120A g catalyst -1 , and Preparation Example 1- 2, Preparation Example 1-3, Preparation Example 1-1 showed the next highest LSV slope and high gravimetric activity in that order. In addition, as shown in d and e of FIG. 11 , in the case of specific current density and specific activity, Preparation Example 1-2 showed the highest LSV slope and the highest specific activity of 57A g catalyst -1 , and Preparation Example 1- 5, Preparation Example 1-3, Preparation Example 1-1 showed the next highest LSV slope and specific activity in that order. The specific current density was the highest in Preparation Example 1-2, but the current density was the highest in Preparation Example 1-5 because the electrochemical surface area of Preparation Example 1-5 was very high compared to Preparation Example 1-2, and rather OER performance can be seen that Preparation Example 1-2 is superior to Preparation Example 1-5. Meanwhile, in Preparation Examples 1-4, 1-6, and 1-7, the measurement results of current density, specific current density, gravimetric activity, and specific activity all showed lower results compared to Preparation Examples 1-1 to 1-3, and the OER It can be seen that the performance is inferior to Preparation Examples 1-1 to 1-3.

또한, 도 11의 d에 도시된 바와 같이, 제조예 1-7은 10 mA/cm2에서의 과전압이 약 335 mV로 가장 컸고 제조예 1-1 내지 1-3은 290 내지 305 mV로 양호한 수준을 나타낸 것을 알 수 있다. 제조예 1-7의 OER 성능이 낮게 측정된 것은 결정질 산화 이리듐 자체의 환원으로 인해 그 구조가 손상된 것에 기인한 것이다.In addition, as shown in d of FIG. 11 , Preparation Examples 1-7 had the greatest overvoltage at about 335 mV at 10 mA/cm 2 , and Preparation Examples 1-1 to 1-3 had a good level of 290 to 305 mV. It can be seen that the The low OER performance of Preparation Examples 1-7 is due to the structure being damaged due to the reduction of crystalline iridium oxide itself.

한편, 제조예 1-5의 CV(cyclic voltammetry)를 측정한 결과를 도시한 도 11의 g에 따르면, 제조예 1-5의 촉매는 입자형의 비정질 산화 이리듐(IrOx(0<x<2))을 다량으로 포함하고 있어 최초에 0.25 V 부근에서 피크를 나타내다가, CV 사이클을 진행함에 따라 IrOx가 IrO2 등으로 산화되어 0.25 V 부근의 피크가 없어지는 것을 알 수 있다.On the other hand, according to FIG. 11 g showing the measurement result of CV (cyclic voltammetry) of Preparation Example 1-5, the catalyst of Preparation Example 1-5 was a particulate amorphous iridium oxide (IrO x (0 < x < 2) ))), so it initially shows a peak near 0.25 V, and as the CV cycle proceeds, IrO x is oxidized to IrO 2 , etc., and it can be seen that the peak around 0.25 V disappears.

또한, 로드형의 결정질 산화 이리듐 상에 형성된 입자형의 비정질 산화 이리듐의 개수에 따른 전류 밀도를 측정한 결과를 도시한 도 10의 f에 따르면, 비정질 산화 이리듐이 거의 형성되지 않은 제조예 1-4 또는 제조예 1-7의 촉매에 비해, 제조예 1-1, 제조예 1-3, 제조예 1-2의 촉매가 더 높은 전류 밀도를 나타내는 것을 알 수 있고, 비정질 산화 이리듐의 개수에 대한 전류 밀도가 정비례하는 경향을 나타내는 것도 확인할 수 있다.In addition, according to FIG. 10 f showing the results of measuring the current density according to the number of particle-shaped amorphous iridium oxide formed on the rod-shaped crystalline iridium oxide, Preparation Example 1-4 in which the amorphous iridium oxide was hardly formed Alternatively, compared to the catalyst of Preparation Example 1-7, it can be seen that the catalysts of Preparation Examples 1-1, 1-3, and 1-2 exhibit higher current densities, and current with respect to the number of amorphous iridium oxide It can also be confirmed that the density shows a tendency in direct proportion.

또한, 제조예 1-1 내지 1-7의 하프셀에 대하여, 비-패러데이(non-faradaic) 전류 영역에서 서로 다른 스캔 속도(5; purple, 10; violet, 20; royal, 30; blue, 40; green, 50; yellow, 60; orange, and 70; red mV/s)로 측정한 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry)의 결과를 도 12에 나타내었고, 계산된 ECSA 값을 하기 표 2에 나타내었다.In addition, for the half cells of Preparation Examples 1-1 to 1-7, different scan rates (5; purple, 10; violet, 20; royal, 30; blue, 40) in the non-faradaic current region ; green, 50; yellow, 60; orange, and 70; red The results of cyclic voltammetry (Cyclic Voltammetry) measured with mV/s) are shown in FIG. 12, and the calculated ECSA values are shown in Table 2 below. .

CatalystCatalyst ECSA(mgcatalyst -1)ECSA(m 2 g catalyst -1 ) 제조예 1-1Preparation 1-1 166.2166.2 제조예 1-2Preparation 1-2 180.0180.0 제조예 1-3Preparation 1-3 166.2166.2 제조예 1-4Preparation Example 1-4 150.8150.8 제조예 1-5Preparation 1-5 255.4255.4 제조예 1-6Preparation 1-6 143.1143.1 제조예 1-7Preparation 1-7 255.4255.4

<실험예 5-2- 하프셀의 내구성 측정><Experimental Example 5-2-Durability Measurement of Half Cell>

제조예 1-2, 제조예 1-5 및 제조예 1-6의 하프셀에 대하여, 크로포텐셔메트리에 따라, 하프셀의 운전 시간에 따른 과전압을 측정한 결과를 도 13의 a에 나타내었고, 하프셀의 운전 전후의 LSV의 측정 결과를 도 13의 b에 나타내었다. 또한, 도 13의 a 및 b에서 실시예 2, 비교예 2, 비교예 3에 해당하는 그래프는 각각 제조예 1-2, 제조예 1-5, 제조예 1-6의 하프셀의 그래프에 대응된다.For the half cells of Preparation Examples 1-2, Preparation Examples 1-5, and Preparation Examples 1-6, the results of measuring the overvoltage according to the operating time of the half-cell according to the chromopotentiometric measurement are shown in FIG. 13A , , the measurement results of LSV before and after half-cell operation are shown in FIG. 13B . In addition, in FIGS. 13 a and b, the graphs corresponding to Example 2, Comparative Example 2, and Comparative Example 3 correspond to the graphs of the half cells of Preparation Examples 1-2, Preparation Examples 1-5, and Preparation Examples 1-6, respectively. do.

도 13의 a에 도시된 바와 같이, 제조예 1-5 및 제조예 1-6은 운전 시간이 흐를수록 과전압이 계속 증가하는 것을 알 수 있으나, 제조예 1-2는 운전 시간에 무관하게 과전압의 증가가 없음을 확인할 수 있다. 도 13의 b에 도시된 바와 같이, 제조예 1-5 및 제조예 1-6은 OER 운전 전후로 LSV의 기울기가 대폭 감소하여 그 성능이 저하된 것을 알 수 있으나, 제조예 1-2는 기울기의 감소 정도가 매우 적어 OER 성능이 유지된 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 13A , in Preparation Examples 1-5 and Preparation Examples 1-6, it can be seen that the overvoltage continues to increase as the operation time passes, but in Preparation Examples 1-2, the overvoltage is increased regardless of the operation time. It can be seen that there is no increase. As shown in b of FIG. 13 , in Preparation Examples 1-5 and Preparation Examples 1-6, it can be seen that the slope of the LSV significantly decreased before and after the OER operation, so that the performance was deteriorated, but in Preparation Example 1-2, the slope It can be seen that the degree of reduction is very small and the OER performance is maintained.

산화 이리듐계 전기화학 촉매를 포함하는 산화 전극 및 싱글셀의 제조Preparation of oxide electrode and single cell containing iridium oxide-based electrochemical catalyst

<제조예 2-1><Preparation Example 2-1>

도 14의 a에 도시된 바와 같이, 상기 실시예 1의 산화 이리듐계 전기화학 촉매 40.0 mg을 3.75 ml의 이소프로판올과 1.25 ml의 탈이온수 및 100μL의 5% Nafion 용액에 용해시켜 만든 촉매 잉크를 Nafion 212 membrane 일면에 도포한 후, 티타늄 블록을 결합시켜 산화 전극을 제조하였다. 또한, Pt/C 촉매(Premetek 社제) 40.0 mg을 3.75 ml의 이소프로판올과 1.25 ml의 탈이온수 및 60μL의 5% Nafion 용액에 용해시켜 만든 촉매 잉크를 Nafion 212 membrane 또다른 일면에 도포한 후, 카본 페이퍼(JTNG 社제)를 결합시켜 환원 전극을 제조하였다.As shown in FIG. 14 a, the catalyst ink prepared by dissolving 40.0 mg of the iridium oxide-based electrochemical catalyst of Example 1 in 3.75 ml of isopropanol, 1.25 ml of deionized water, and 100 μL of 5% Nafion solution was prepared using Nafion 212 After coating on one side of the membrane, an oxide electrode was prepared by bonding a titanium block. In addition, a catalyst ink prepared by dissolving 40.0 mg of a Pt/C catalyst (manufactured by Premetek) in 3.75 ml of isopropanol, 1.25 ml of deionized water, and 60 μL of 5% Nafion solution was applied to the other side of the Nafion 212 membrane. A reduction electrode was prepared by bonding paper (manufactured by JTNG).

그리고 도 14의 b에 도시된 바와 같이, 상기 산화 전극 및 환원 전극에 각각 스테인리스강 소재의 하드웨어를 바깥쪽에 결합시켜, 면적이 5.0 cm2인 Membrane Electrode Assembly(MEA)를 제조하였다. 상기 산화 전극 및 환원 전극의 집전 장치로 티타늄 소재를 사용하였고, 플로우 채널(flow channel)은 병렬형(parallel type)으로 제조하였다.And, as shown in FIG. 14b , the oxidation electrode and the reduction electrode were respectively coupled with stainless steel hardware to the outside to prepare a Membrane Electrode Assembly (MEA) having an area of 5.0 cm 2 . A titanium material was used as the current collector of the oxidation electrode and the reduction electrode, and the flow channel was manufactured in a parallel type.

<제조예 2-2 내지 2-7><Preparation Examples 2-2 to 2-7>

상기 제조예 2-1에서 실시예 1의 산화 이리듐계 전기화학 촉매 대신에 각각 실시예 2, 실시예 3, 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3, 비교예 4의 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 2-1과 동일한 방법으로 제조예 2-2 내지 2-7의 산화 전극 및 싱글셀을 제조하였다.In Preparation Example 2-1, instead of the iridium oxide-based electrochemical catalyst of Example 1, the iridium oxide-based electrochemical catalyst of Examples 2, 3, Comparative Example 1, Comparative Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 4, respectively Oxidized electrodes and single cells of Preparation Examples 2-2 to 2-7 were prepared in the same manner as in Preparation Example 2-1, except that

산화 이리듐계 전기화학 촉매의 OER 성능 및 내구성 측정 (2)- 싱글셀 분석Measurement of OER Performance and Durability of Iridium Oxide-Based Electrochemical Catalyst (2)- Single Cell Analysis

상기 제조예 2-1 내지 2-4, 2-6 및 2-7의 싱글셀의 전기 화학적 반응에 대한 측정을 실시하고, 그 결과를 도 15에 나타내었고, 도 15의 a 내지 d에서 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 비교예 1, 비교예 3, 비교예 4에 해당하는 그래프는 각각 제조예 2-1, 제조예 2-2, 제조예 2-3, 제조예 2-4, 제조예 2-6, 제조예 2-7의 싱글셀의 그래프에 대응된다. 전기화학 셀의 온도는 80℃를 유지하였으며, 80℃의 온도로 예열된 탈이온수를 5.0 mL/min의 속도로 산화 전극에 공급하면서 싱글셀을 운전시켰다.The electrochemical reaction of the single cells of Preparation Examples 2-1 to 2-4, 2-6 and 2-7 was measured, and the results are shown in FIG. 15, and Examples in FIGS. 15 a to d Graphs corresponding to 1, Example 2, Example 3, Comparative Example 1, Comparative Example 3, and Comparative Example 4 are, respectively, Preparation Example 2-1, Preparation Example 2-2, Preparation Example 2-3, Preparation Example 2-4 , corresponds to the graph of the single cell of Preparation Example 2-6, Preparation Example 2-7. The temperature of the electrochemical cell was maintained at 80 °C, and the single cell was operated while supplying deionized water preheated to a temperature of 80 °C to the oxidation electrode at a rate of 5.0 mL/min.

싱글셀의 초기 OER 성능을 갈바노스태틱 측정법(galvanostatic measurement)으로 평가하였고, 구체적으로, 0 내지 3A/cm2의 범위의 전류 밀도에서 0.1 A/cm2의 간격으로 전압을 각각 측정하여, 분극 곡선(polarization curve)을 얻었다. 또한, 각 전류 밀도에서의 전압은 3분 동안 측정한 값들의 평균값을 사용했다.The initial OER performance of the single cell was evaluated by galvanostatic measurement, and specifically, the voltage was measured at an interval of 0.1 A/cm 2 at a current density in the range of 0 to 3A/cm 2 , respectively, and a polarization curve (polarization curve) was obtained. In addition, as the voltage at each current density, the average value of the values measured for 3 minutes was used.

싱글셀의 내구성은 크로노퍼텐셔메트리의 방법으로 측정되었고, 구체적으로 3 A/cm2의 전류 밀도에서 90 시간 동안 싱글셀을 운전시킬 때의 과전압을 측정하였다. 또한, 상기 전류 밀도에서의 90 시간의 상기 크로노퍼텐셔메트리가 실시된 이후, 성능 변화의 측정을 위해 동일한 조건에서 분극 곡선을 다시 얻어 내어, 최초의 분극 곡선과 비교하여 그 내구성을 측정하였다.The durability of the single cell was measured by the chronopotentiometer method, and specifically, the overvoltage when the single cell was operated for 90 hours at a current density of 3 A/cm 2 was measured. In addition, after the chronopotentiometer measurement for 90 hours at the current density was performed, a polarization curve was obtained again under the same conditions for the measurement of performance change, and the durability was measured by comparing it with the original polarization curve.

<실험예 6-1- 싱글셀의 OER 성능 측정><Experimental Example 6-1- OER performance measurement of single cell>

제조예 2-1 내지 2-4, 2-6 및 2-7의 싱글셀에 대하여, 분극 곡선을 측정하여 나타낸 도 15의 a에 따르면, 제조예 2-2의 경우 2.0A/cm2에서의 전압이 약 1.65 V로 가장 낮은 전압을 나타내었고, 제조예 2-3 및 제조예 2-1이 그 다음으로 낮은 것을 확인할 수 있다. 제조예 2-7의 경우 2.0A/cm2에서의 전압이 1.80 V를 초과하여 OER 성능이 가장 열등하였다.For the single cells of Preparation Examples 2-1 to 2-4, 2-6, and 2-7, according to FIG. 15 a, which is shown by measuring the polarization curve, in the case of Preparation Example 2-2 at 2.0A/cm 2 It can be seen that the voltage was about 1.65 V, indicating the lowest voltage, and Preparation Examples 2-3 and 2-1 were the next lowest. In the case of Preparation Example 2-7, the voltage at 2.0A/cm 2 exceeded 1.80 V, and the OER performance was the most inferior.

또한, 제조예 2-1 내지 2-4, 2-6 및 2-7의 싱글셀에 대하여, 1A/cm2의 전류 밀도에서의 과전압을 측정한 결과를 나타낸 도 15의 b에 따르면, 제조예 2-1 내지 2-3의 싱글셀에서는 과전압이 375 mV 이하로 측정되어 그 정도가 양호한 것을 알 수 있으나, 제조예 2-4, 제조예 2-6 및 제조예 2-7의 싱글셀에서는 과전압이 400 mV 이상으로 측정되어 그 OER 성능이 열등한 것을 알 수 있다.In addition, with respect to the single cells of Preparation Examples 2-1 to 2-4, 2-6 and 2-7, 1A/cm 2 According to FIG. 15 b, which shows the result of measuring the overvoltage at a current density of In the single cells of 2-1 to 2-3, the overvoltage was measured to be 375 mV or less, indicating that the degree was good, but in the single cells of Preparation Examples 2-4, 2-6, and 2-7, the overvoltage was It can be seen that the OER performance is inferior when measured above 400 mV.

<실험예 6-2- 싱글셀의 내구성 측정><Experimental Example 6-2- Measurement of durability of single cells>

제조예 2-2, 제조예 2-4 및 제조예 2-6의 싱글셀에 대하여, 3A/cm2의 전류 밀도에서의 싱글셀 운전 시간에 따라 과전압을 측정한 결과를 도 15의 c에 나타내었으며, 싱글셀 운전 전후의 분극 곡선을 측정한 결과를 도 15의 d에 나타내었다.For the single cells of Preparation Example 2-2, Preparation Example 2-4, and Preparation Example 2-6, the results of measuring overvoltage according to the single cell operation time at a current density of 3A/cm 2 are shown in FIG. 15c . , and the results of measuring the polarization curves before and after single-cell operation are shown in d of FIG. 15 .

도 15의 c에 도시된 바와 같이, 제조예 2-2에서는 싱글셀 운전 시간이 90 시간을 초과하여도 전압이 1.8V 수준을 유지하여 OER 성능 및 내구성이 가장 양호한 것을 알 수 있으나, 제조예 2-4은 1.9V 수준을 유지하여 양호한 수준의 OER 성능 및 내구성을 나타내었으며, 제조예 2-6은 시간이 흐를수록 전압이 2.0V에서도 계속 증가하여 OER 성능 및 내구성이 열등한 것을 확인할 수 있다.As shown in c of FIG. 15 , in Preparation Example 2-2, the voltage was maintained at 1.8V even when the single-cell operation time exceeded 90 hours, and it was found that OER performance and durability were the best, but Preparation Example 2 -4 maintained a good level of OER performance and durability by maintaining the 1.9V level, and in Preparation Example 2-6, the voltage continued to increase even at 2.0V as time passed, confirming that the OER performance and durability were inferior.

또한, 도 15의 d에 도시된 바와 같이, 제조예 2-2는 싱글셀 운전 전후로 분극 곡선의 기울기 변화가 가장 적어 OER 성능의 저하도 매우 적은 반면, 제조예 2-6은 그 기울기 변화가 매우 커서, OER 성능의 저하가 매우 큰 것을 확인할 수 있다.In addition, as shown in d of FIG. 15 , in Preparation Example 2-2, the change in the slope of the polarization curve before and after single cell operation was the smallest, so the deterioration of OER performance was very small, whereas in Preparation Example 2-6, the slope change was very As a result, it can be seen that the degradation of OER performance is very large.

Claims (20)

로드형의 결정질 산화 이리듐 및 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐의 적어도 일부의 표면에 형성된 입자형의 비정질 산화 이리듐을 포함하는, 산화 이리듐계 전기화학 촉매.An iridium oxide-based electrochemical catalyst comprising rod-shaped crystalline iridium oxide and particulate amorphous iridium oxide formed on at least a portion of the rod-shaped crystalline iridium oxide. 청구항 1에 있어서,
상기 로드형의 결정질 산화 이리듐과 상기 입자형의 비정질 산화 이리듐이 서로 물리화학적인 상호 결합에 의해 연결된 단일 복합체로서 존재하고 있는 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매.
The method according to claim 1,
The rod-type crystalline iridium oxide and the particle-type amorphous iridium oxide exist as a single complex connected to each other by a physical and chemical mutual bond, an iridium oxide-based electrochemical catalyst.
청구항 1에 있어서,
상기 로드형의 결정질 산화 이리듐은 Ir2O3, IrO2 및 IrO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매.
The method according to claim 1,
The rod-shaped crystalline iridium oxide is Ir 2 O 3 , IrO 2 And IrO 4 The iridium oxide-based electrochemical catalyst comprising at least one selected from the group consisting of.
청구항 1에 있어서,
상기 입자형의 비정질 산화 이리듐은 IrOx(0<x<2)를 포함하는 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매.
The method according to claim 1,
The particle-type amorphous iridium oxide is IrO x (0<x<2) to include, the iridium oxide-based electrochemical catalyst.
청구항 1에 있어서,
상기 입자형의 비정질 산화 이리듐은 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐을 기준으로 10 중량% 내지 30 중량%로 포함되는 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매.
The method according to claim 1,
The particle-type amorphous iridium oxide is contained in an amount of 10% to 30% by weight based on the rod-type crystalline iridium oxide, an iridium oxide-based electrochemical catalyst.
청구항 1에 있어서,
상기 로드형의 결정질 산화 이리듐은 길이가 10 내지 120nm인 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매.
The method according to claim 1,
The rod-type crystalline iridium oxide has a length of 10 to 120 nm, an iridium oxide-based electrochemical catalyst.
청구항 1에 있어서,
상기 로드형의 결정질 산화 이리듐은 길이 방향에서의 절단면의 평균 직경이 2 내지 5nm인 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매.
The method according to claim 1,
The rod-shaped crystalline iridium oxide has an average diameter of a cut surface in the longitudinal direction of 2 to 5 nm, an iridium oxide-based electrochemical catalyst.
청구항 1에 있어서,
상기 로드형의 결정질 산화 이리듐은 평균 종횡비가 2 내지 20인 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매.
The method according to claim 1,
The rod-shaped crystalline iridium oxide has an average aspect ratio of 2 to 20, an iridium oxide-based electrochemical catalyst.
청구항 1에 있어서,
상기 입자형의 비정질 산화 이리듐은 평균 직경이 0.6 내지 1.0nm인 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매.
The method according to claim 1,
The particle-type amorphous iridium oxide has an average diameter of 0.6 to 1.0 nm, an iridium oxide-based electrochemical catalyst.
청구항 1에 있어서,
상기 입자형의 비정질 산화 이리듐은 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐의 표면의 단위 면적 당 밀도가 0.01 내지 0.1 개/nm2인 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매.
The method according to claim 1,
The particle-type amorphous iridium oxide has a density per unit area of 0.01 to 0.1 pieces/nm 2 of the surface of the rod-type crystalline iridium oxide, an iridium oxide-based electrochemical catalyst.
청구항 1에 있어서,
전기 전도도가 250 내지 350 S/cm인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매.
The method according to claim 1,
An iridium oxide-based electrochemical catalyst having an electrical conductivity of 250 to 350 S/cm.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항의 산화 이리듐계 전기화학 촉매를 포함하는 전극을 포함하는, 양이온 교환막 수전해 장치.A cation exchange membrane water electrolysis device comprising an electrode comprising the iridium oxide-based electrochemical catalyst of any one of claims 1 to 11. (a) 이리듐 전구체 화합물, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 산소산염 및 하기 화학식 (1)로 표현되는 화합물을 반응시켜 입자형의 결정질 산화 이리듐을 생성시키는 단계;
Figure pat00003

(상기 화학식 (1)에서 A, B는 각각 독립적으로 아민기 또는 티올기이며, 서로 동일하거나 상이하고, n은 2~10의 정수이다.)
(b) 상기 입자형의 결정질 산화 이리듐을 하소시켜서 로드형의 결정질 산화 이리듐을 생성시키는 단계; 및
(c) 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐, 이리듐 전구체 화합물 및 다가 알코올을 혼합하여 가열시켜서, 상기 로드형의 결정질 산화 이리듐 표면에 입자형의 비정질 산화 이리듐을 형성시키는 단계;를 포함하는, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 제조 방법.
(a) reacting an iridium precursor compound, an oxate of an alkali metal or alkaline earth metal, and a compound represented by the following Chemical Formula (1) to produce a particulate crystalline iridium oxide;
Figure pat00003

(In Formula (1), A and B are each independently an amine group or a thiol group, and are the same as or different from each other, and n is an integer of 2 to 10.)
(b) calcining the granular crystalline iridium oxide to produce rod-shaped crystalline iridium oxide; and
(c) mixing and heating the rod-shaped crystalline iridium oxide, an iridium precursor compound, and a polyhydric alcohol to form a particulate amorphous iridium oxide on the surface of the rod-shaped crystalline iridium oxide; A method for preparing an electrochemical catalyst.
청구항 13에 있어서,
상기 화학식 (1)로 표현되는 화합물은 시스테아민, 3-아미노-프로판티올 및 4-아미노-1-부탄티올로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The compound represented by Formula (1) is an iridium oxide-based electrochemical catalyst comprising at least one selected from the group consisting of cysteamine, 3-amino-propanethiol and 4-amino-1-butanethiol manufacturing method.
청구항 13에 있어서,
상기 이리듐 전구체 화합물은 플루오르화이리듐, 염화이리듐, 브롬화이리듐, 요오드화이리듐, 이리듐 아세테이트, 이리듐 아세틸 아세토네이트, 이리듐 나이트레이트 및 이들의 수화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The iridium precursor compound includes at least one selected from the group consisting of iridium fluoride, iridium chloride, iridium bromide, iridium iodide, iridium acetate, iridium acetyl acetonate, iridium nitrate, and hydrates thereof, iridium oxide A method for preparing an electrochemical catalyst.
청구항 13에 있어서,
상기 알칼리 금속의 산소산염은 질산나트륨, 질산칼륨, 황산나트륨, 황산칼륨, 인산나트륨 및 인산칼륨으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The method for producing an iridium oxide-based electrochemical catalyst, wherein the alkali metal oxyacid includes at least one selected from the group consisting of sodium nitrate, potassium nitrate, sodium sulfate, potassium sulfate, sodium phosphate and potassium phosphate.
청구항 13에 있어서,
상기 알칼리 토금속의 산소산염은 질산칼슘, 질산마그네슘, 황산칼슘, 황산마그네슘, 인산칼슘 및 인산마그네슘으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The method for producing an iridium oxide-based electrochemical catalyst, wherein the alkaline earth metal oxygenate includes at least one selected from the group consisting of calcium nitrate, magnesium nitrate, calcium sulfate, magnesium sulfate, calcium phosphate and magnesium phosphate.
청구항 13에 있어서,
상기 (b) 단계에서의 하소는 350 내지 650 ℃에서 수행되는 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The method for producing an iridium oxide-based electrochemical catalyst, wherein the calcination in step (b) is carried out at 350 to 650 ℃.
청구항 13에 있어서,
상기 (c) 단계에서의 다가 알코올은 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 트리메틸올프로판, 트리메틸올에탄, 1,6-헥산디올, 디에틸렌 글리콜, 디프로필렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 1,4-부틸렌글리콜, 1,5-펜탄디올, 디트리메틸올프로판, 트리메틸올프로판, 글리세린, 펜타에리트리톨로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The polyhydric alcohol in step (c) is ethylene glycol, propylene glycol, trimethylolpropane, trimethylolethane, 1,6-hexanediol, diethylene glycol, dipropylene glycol, triethylene glycol, 1,3-butylene glycol , 1,4-butylene glycol, 1,5-pentanediol, ditrimethylolpropane, trimethylolpropane, glycerin, will include at least one selected from the group consisting of pentaerythritol, iridium oxide-based electrochemical A method for preparing a catalyst.
청구항 13에 있어서,
상기 (c) 단계는 pH가 10 내지 14인 용액에서 이루어지는 것인, 산화 이리듐계 전기화학 촉매의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The (c) step is a method for producing an iridium oxide-based electrochemical catalyst that is made in a solution having a pH of 10 to 14.
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