KR20220100538A - Oxygen evolution reaction catalyst for seawater electrolysis and preparation method thereof - Google Patents

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KR20220100538A
KR20220100538A KR1020220002706A KR20220002706A KR20220100538A KR 20220100538 A KR20220100538 A KR 20220100538A KR 1020220002706 A KR1020220002706 A KR 1020220002706A KR 20220002706 A KR20220002706 A KR 20220002706A KR 20220100538 A KR20220100538 A KR 20220100538A
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울산과학기술원
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Abstract

The present invention relates to an oxygen generation reaction catalyst for seawater electrolysis and a preparation method thereof, and more specifically, to an oxygen generation reaction catalyst for seawater electrolysis comprising a metal oxide having an atomic-scale gap and a preparation method thereof. When the oxygen generation reaction catalyst for seawater electrolysis of the present invention is used at the anode during seawater electrolysis, the oxygen generation reaction catalyst exhibits the effect of generating oxygen by selectively proceeding an oxygen generation reaction more predominantly between a chlorine generation reaction and the oxygen generation reaction which can occur at the anode.

Description

해수 전기분해용 산소발생반응 촉매 및 이의 제조방법{OXYGEN EVOLUTION REACTION CATALYST FOR SEAWATER ELECTROLYSIS AND PREPARATION METHOD THEREOF} OXYGEN EVOLUTION REACTION CATALYST FOR SEAWATER ELECTROLYSIS AND PREPARATION METHOD THEREOF

본 발명은 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 원자-단위 간극(atomic-scale gap)이 형성된 금속 산화물을 포함하는 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis and a method for preparing the same, and more particularly, to an oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis comprising a metal oxide having an atomic-scale gap formed therein, and production thereof it's about how

초기 해수전해 공정은 염소 생산에 국한되어 진행되어 왔다. 그러나 현재 대기 중으로 염소 가스 방출이 오존을 파괴하고 지구온난화를 가속시키기 때문에 해수전해에 의한 염소 생산은 금지되어 있는 상황이다. 일반적으로 염소는 아염소산의 형태로 소독·표백제 등의 용도로 사용되고 있지만, 염소 가스에 의한 국부 부식 및 인체 유독성 등으로 인해 실용상에 심각한 문제점을 가지고 있다.The initial seawater electrolysis process has been limited to chlorine production. However, chlorine production by seawater electrolysis is currently prohibited because the release of chlorine gas into the atmosphere destroys ozone and accelerates global warming. In general, chlorine in the form of chlorous acid is used for disinfection and bleaching, but has serious problems in practical use due to local corrosion and human toxicity due to chlorine gas.

종래의 해수전해 반응 시, 양극에서 염소 이온을 산화시켜 염소를 발생시키고, 이 염소와 음극에서 생성시킨 수산화나트륨과의 반응에 의해 해수 멸균용 차아염소산나트륨을 제조하는 것을 목적으로 하였다. 양극은 염소발생 전극 촉매활성이 우수하고, 산소발생이 낮은 활물질을 적용해 왔다. 염소발생 양극 활물질에 대한 연구는, 고농도 식염수로부터 염소를 제조하는 소다(soda) 전해용 양극을 포함한 다수의 연구가 진행되었다. 백금족 금속 및 합금과 백금족 산화물을 Ti 기판에 피복한 전극이 선택적으로 염소를 우선 발생시키는 특성을 가지는 것이 확인되었고, 실용화되어 있다.In the conventional seawater electrolysis reaction, chlorine ions are oxidized at the anode to generate chlorine, and sodium hypochlorite for seawater sterilization is prepared by reacting this chlorine with sodium hydroxide generated at the cathode. For the positive electrode, an active material with excellent chlorine-generating electrode catalytic activity and low oxygen generation has been applied. Research on chlorine-generating positive electrode active material, a number of studies including a positive electrode for soda (soda) electrolysis for producing chlorine from high-concentration saline has been conducted. It has been confirmed that an electrode coated with a platinum group metal, alloy, and platinum group oxide on a Ti substrate has a characteristic of selectively generating chlorine first, and has been put to practical use.

중성 용액에서 산소 발생 평형 전위는 약 0.7V이고, 이것은 염소 발생 평형 전위보다 낮다. 그러나 염소 발생은 간단한 반응인데 비해, 산소 발생은 염소 발생 반응에 비해 복잡한 반응이다. 그리고 해수 전해에 있어서 실제 산소 발생 전위는 염소 발생 전위보다 높기 때문에 해수전해 반응에서는 염소 가스가 우선적으로 발생하게 된다. 해수전해 반응 시, 양극에서 발생하는 염소 가스 발생을 억제하기 위하여 이산화망간 산화물 전극을 사용하고 있다. 이산화망간 산화물은 염소 발생 과전압보다 낮은 산소 발생 과전압을 가지기 때문에 최근에 해수 전해용 양극 전극으로 적용되고 있다. 또한 산소 발생 효율 향상을 위해 다양한 원소를 첨가하는 연구가 시도되고 있다.The oxygen evolution equilibrium potential in a neutral solution is about 0.7 V, which is lower than the chlorine evolution equilibrium potential. However, whereas chlorine evolution is a simple reaction, oxygen evolution is a complex reaction compared to chlorine evolution. And since the actual oxygen generation potential is higher than the chlorine generation potential in seawater electrolysis, chlorine gas is preferentially generated in the seawater electrolysis reaction. In order to suppress the generation of chlorine gas generated at the anode during seawater electrolysis, a manganese dioxide electrode is used. Manganese dioxide oxide has recently been applied as an anode electrode for seawater electrolysis because it has an oxygen generation overvoltage lower than that of chlorine generation. In addition, research into adding various elements to improve oxygen generation efficiency is being attempted.

대한민국 등록특허 제10-0383269호Republic of Korea Patent Registration No. 10-0383269

본 발명은 해수 전해 시 염소생성이 억제된 조건에서 선택적으로 산소 발생 반응의 효율을 증가시킬 수 있는 촉매를 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a catalyst capable of selectively increasing the efficiency of an oxygen evolution reaction under conditions in which chlorine production is suppressed during seawater electrolysis.

본 발명의 일 실시 예에서는 원자-단위 간극(atomic-scale gap)이 형성된 금속 산화물을 포함하는 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매를 제공한다. An embodiment of the present invention provides an oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis comprising a metal oxide having an atomic-scale gap formed therein.

상기 촉매는 해수 전기분해용 양극 촉매로, 해수 전해시 염소발생반응 및 산소발생반응 중 선택적으로 산소발생반응의 효율을 증가시키는 것을 특징으로 한다. The catalyst is an anode catalyst for seawater electrolysis, characterized in that it selectively increases the efficiency of the oxygen generation reaction among chlorine generation reaction and oxygen generation reaction during seawater electrolysis.

상기 원자-단위 간극의 평균은 5 ~ 11Å이나, 이에 제한되지 않는다. The average of the atom-unit gaps is 5 to 11 Å, but is not limited thereto.

상기 금속 산화물은 MOx(0<x≤4)의 형태로 이루어지며, 상기 M은 Mg, Al, Au, Ag, Cd, Co, Cr, Cu, In, Ir, Mo, Nb, Ni, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, V, W, Zn, Sc, Y, Zr, Hf, Ta, Mn, Fe, Tc, 및 Re로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이다. The metal oxide is made in the form of MO x (0<x≤4), wherein M is Mg, Al, Au, Ag, Cd, Co, Cr, Cu, In, Ir, Mo, Nb, Ni, Os, At least one selected from the group consisting of Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, V, W, Zn, Sc, Y, Zr, Hf, Ta, Mn, Fe, Tc, and Re.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 산소발생반응 촉매를 포함하는 해수 전기분해용 양극을 제공한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided an anode for seawater electrolysis comprising the oxygen evolution reaction catalyst.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 해수 전기분해용 양극을 포함하는 해수 전기분해 시스템을 제공한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a seawater electrolysis system including the anode for seawater electrolysis.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매 제조방법을 제공하며, 상기 제조방법은 1) 금속 산화물을 전기화학적 리튬화시키는 단계;및 2) 상기 리튬화된 금속 산화물을 탈리튬화시키는 단계를 포함한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for preparing an oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis, the method comprising the steps of: 1) electrochemically lithiating a metal oxide; and 2) removing the lithiated metal oxide. lithiation.

상기 리튬화는 전기화학적 셀(cell)을 이용하여 정전류 및 0 V 내지 3 V 의 컷-오프 전압을 인가하는 것을 포함할 수 있다. The lithiation may include applying a constant current and a cut-off voltage of 0 V to 3 V using an electrochemical cell.

상기 탈리튬화는 리튬화된 금속 산화물을 산 용액으로 세척하는 단계 또는 리튬화가 수행된 직후, 전압을 3 V까지 높이는 단계를 포함할 수 있다.The delithiation may include washing the lithiated metal oxide with an acid solution or raising the voltage to 3 V immediately after lithiation is performed.

상기 금속 산화물은 MOx(0<x≤4)의 형태로 이루어지며, 상기 M은 Mg, Al, Au, Ag, Cd, Co, Cr, Cu, In, Ir, Mo, Nb, Ni, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, V, W, Zn, Sc, Y, Zr, Hf, Ta, Mn, Fe, Tc, 및 Re로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이다. The metal oxide is made in the form of MO x (0<x≤4), wherein M is Mg, Al, Au, Ag, Cd, Co, Cr, Cu, In, Ir, Mo, Nb, Ni, Os, At least one selected from the group consisting of Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, V, W, Zn, Sc, Y, Zr, Hf, Ta, Mn, Fe, Tc, and Re.

본 발명의 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매는 해수 전기분해시 양극에 사용되는 경우, 양극에서 일어날 수 있는 염소발생반응과 산소발생반응 중 선택적으로 산소발생반응을 더 우세하게 진행시켜 산소를 생성할 수 있는 효과를 나타낸다.When the oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis of the present invention is used for the anode during seawater electrolysis, it is possible to produce oxygen by selectively advancing the oxygen evolution reaction among the chlorine evolution reaction and the oxygen evolution reaction that may occur at the anode. show possible effects.

도 1(a)는 RuO2의 리튬화 공정의 전압 프로파일 및 리튬 이온과의 반응 중 원자-단위 간극 형성의 개략도이고, 도b-e는 단일 RuO2 입자의 리튬화 과정의 실시간 투과전자현미경(TEM) 이미지이고 도f-i는 전압 프로파일(a)에서 초기, I, II 및 III 상태에 해당하는 RuO2 입자 클러스터의 실시간 TEM 분석 이미지이다.
도 2(a)는 실시간 TEM 분석에서 리튬화 시 단일 RuO2 입자의 격자 확장 그래프이고, 도 2(b)는 TEM 관찰에 의해 측정된 평균 입자 크기, 도 2(c)는 TEM 관찰에 의해 측정된 평균 격자간 간격의 통계 분석 그래프이다.
도 3은 리튬화 방법을 통해 처리된 촉매군들의 리튬화 각 단계 별 TEM 이미지(좌)와 그에 따른 간극의 통계 그래프(우)이다. 각 이미지 당 150개 이상의 간극을 조사하여 통계를 냈으며, 그에 따른 대표값을 간극의 이름으로 설정하였다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬화된 RuOx 나노입자의 0.1 M HClO4의 산 조건에서 전류 밀도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 4(b)는 BET 표면적을 나타내는 그래프이다.
도 5는 산소 발생반응에 대한 전기화학적 평가 그래프로 (a) 산성, 바닷물, 염기성 수용액에서의 산소 발생 반응에 대한 선형주사 전위법(LSV)을 통한 전기화학적 평가 결과 그래프; (b) 각 수용액에서의 선형주사전위법을 통해 평가된 전기화학적 특성의 변화를 Tafel 도시화; (c) 이에 따른 특성의 증가 정도를 정리한 표이고, (d)는 전기화학적 커패시턴스(EDLC: electrical double layer capacitance) 경향성과 촉매능의 경향성 비교를 통해 주황색 구역의 경향성에서 어긋나는 지점을 통해 원자-단위 간극이 성능 향상에 역할을 하였음을 보여준다.
도 6은 해수 전기분해시 전위-pH선도(Pourbaix diagram) 그래프이다.
도 7(a)는 전기화학적 방법을 활용한 산소와 염소 발생 반응의 전류 분리 그래프로, 0.5M NaCl을 포함한 산 용액에서 회전 링-디스크 전극 (RRDE)을 활용하여 디스크 전극에서 발생한 산소와 염소 중 링에서 염소만을 선별적으로 분리하며, 이에 따른 전압별 산소/염소의 선택성을 나타낸다; (b)는 산소와 염소의 선택도를 패러데이 효율(faradaic efficiency)로 비교한 그래프이고; (c)는 실제 바닷물을 활용하여 저전류(10mA cm-2) 및 고전류(100mA cm-2) 구간에서의 바닷물-전해조 결과와 이에 따른 산소 발생량 조사한 그래프이다.
1(a) is a schematic diagram of the voltage profile of the lithiation process of RuO 2 and the formation of atom-unit gaps during reaction with lithium ions, and FIG. 1 is a real-time transmission electron microscope (TEM) of the lithiation process of single RuO 2 particles. Fig. fi is a real-time TEM analysis image of RuO 2 particle clusters corresponding to the initial, I, II and III states in the voltage profile (a).
FIG. 2(a) is a lattice expansion graph of single RuO 2 particles upon lithiation in real-time TEM analysis, FIG. 2(b) is the average particle size measured by TEM observation, and FIG. 2(c) is measured by TEM observation. It is a statistical analysis graph of the average inter-lattice spacing.
3 is a TEM image (left) for each stage of lithiation of catalyst groups treated through the lithiation method and a statistical graph (right) of the resulting gap. More than 150 gaps were investigated for each image and statistics were generated, and representative values were set as the names of gaps.
Figure 4 (a) is a graph showing the result of measuring the current density in the acid condition of 0.1 M HClO 4 of the lithiated RuOx nanoparticles according to an embodiment of the present invention, Figure 4 (b) is a BET surface area It is a graph.
5 is an electrochemical evaluation graph for the oxygen evolution reaction (a) a graph of the electrochemical evaluation result through the linear scanning potential (LSV) for the oxygen evolution reaction in acidic, seawater, and basic aqueous solution; (b) Tafel plotting the change of electrochemical properties evaluated through linear scanning potential method in each aqueous solution; (c) This is a table summarizing the degree of increase in properties, and (d) is a comparison of the tendency of electrical double layer capacitance (EDLC) and catalytic activity. It shows that the unit gap played a role in improving the performance.
6 is a seawater electrolysis potential-pH diagram (Pourbaix diagram) graph.
7(a) is a current separation graph of the reaction of oxygen and chlorine generation using an electrochemical method. Among the oxygen and chlorine generated from the disk electrode using a rotating ring-disk electrode (RRDE) in an acid solution containing 0.5 M NaCl, FIG. It selectively separates only chlorine from the ring, and thus shows the selectivity of oxygen/chlorine by voltage; (b) is a graph comparing the selectivity of oxygen and chlorine in terms of faradaic efficiency; (c) is a graph using actual seawater to investigate the results of seawater-electrolyzer and the amount of oxygen generated in the low current (10mA cm -2 ) and high current (100mA cm -2 ) sections.

본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.In the present specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only a case in which a member is in contact with another member but also a case in which another member is present between the two members.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 발명의 일 실시 예에서는 원자-단위 간극(atomic-scale gap)이 형성된 금속 산화물을 포함하는 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매를 제공하며, 상기 촉매는 해수 전기분해용 양극 촉매로, 해수 전해시 염소발생반응 및 산소발생반응 중 선택적으로 산소발생반응의 효율을 증가시키는 것을 특징으로 한다. In an embodiment of the present invention, there is provided an oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis comprising a metal oxide having an atomic-scale gap formed, wherein the catalyst is an anode catalyst for seawater electrolysis, It is characterized by selectively increasing the efficiency of the oxygen evolution reaction among the chlorine evolution reaction and the oxygen evolution reaction.

해수의 전기분해에 있어서 양극에서 염소가스나 산소가 발생된다. 음극에서는 수소가 발생한다. 전기분해 반응기 내의 두 전극에서 일어나는 전극 반응은 아래와 같다;In the electrolysis of seawater, chlorine gas or oxygen is generated at the anode. Hydrogen is generated at the cathode. The electrode reaction taking place at the two electrodes in the electrolysis reactor is as follows;

[양극][anode]

2Cl- → Cl2(g) 1.358 V vs. RHE2Cl - → Cl 2 (g) 1.358 V vs. RHE

2H2O → O2(g) + 4H+ + 4e- 1.299 V vs. RHE2H2O → O2(g) + 4H+ + 4e- 1.299 V vs. RHE

[음극][cathode]

2H2O + 2e- → H2(g) + 2OH- 0 V vs. RHE2H2O + 2e- → H2(g) + 2OH- 0 V vs. RHE

해수 전해에 있어서 실제 산소 발생 전위는 염소 발생 전위보다 높기 때문에 해수전해 반응에서는 염소 가스가 우선적으로 발생하게 된다.In seawater electrolysis, since the actual oxygen generation potential is higher than the chlorine generation potential, chlorine gas is preferentially generated in the seawater electrolysis reaction.

본 발명의 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매는 해수 전기분해용 양극에 사용하는 경우에 선택적으로 산소발생반응의 효율을 증가시켜 산소를 발생시킬 수 있는 효과를 나타낸다. The oxygen generation reaction catalyst for seawater electrolysis of the present invention exhibits an effect of selectively increasing the oxygen generation reaction efficiency when used in an anode for seawater electrolysis to generate oxygen.

상기 금속 산화물의 원자-단위 간극(atomic-scale gap)은 금속 산화물의 전기화학적 리튬화 및 탈리튬화 공정에 의하여 형성되고, 상기 원자-단위 간극의 평균은 5 ~ 11Å, 더욱 바람직하게는 6 ~ 8Å이나, 이에 제한되지 않는다.The atomic-scale gap of the metal oxide is formed by electrochemical lithiation and delithiation processes of the metal oxide, and the average of the atomic-scale gap is 5 to 11 Å, more preferably 6 to 8 Å, but not limited thereto.

상기 금속 산화물은 MOx(0<x≤4)의 형태로 이루어지며, 상기 M은 Mg, Al, Au, Ag, Cd, Co, Cr, Cu, In, Ir, Mo, Nb, Ni, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, V, W, Zn, Sc, Y, Zr, Hf, Ta, Mn, Fe, Tc, 및 Re로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이다. The metal oxide is made in the form of MO x (0<x≤4), wherein M is Mg, Al, Au, Ag, Cd, Co, Cr, Cu, In, Ir, Mo, Nb, Ni, Os, At least one selected from the group consisting of Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, V, W, Zn, Sc, Y, Zr, Hf, Ta, Mn, Fe, Tc, and Re.

상기 리튬화가 진행될수록, 즉 전기화학적 리튬화시키는 과정의 컷오프 전압이 커질수록 상기 원자-단위 간극은 커지며, 원자-단위 간극이 6 ~ 8Å인 경우에 산소발생반응의 최적의 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. As the lithiation proceeded, that is, as the cut-off voltage of the electrochemical lithiation process increased, the atom-unit gap increased, and it was confirmed that the optimum efficiency of the oxygen evolution reaction was exhibited when the atom-unit gap was 6 to 8 Å. .

상기 원자-단위 간극(atomic-scale gap)은 원자스케일 크기로 형성된 공간으로서 규칙적이거나 불규칙적인 형상을 포함할 수 있으며, 서로 분리되거나 연결될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The atomic-scale gap is a space formed in an atomic-scale size, and may include a regular or irregular shape, and may be separated or connected to each other, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 산소발생반응 촉매를 포함하는 해수 전기분해용 양극을 제공한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided an anode for seawater electrolysis comprising the oxygen evolution reaction catalyst.

상기 산소발생반응 촉매는 집전체에 의하여 고정될 수 있으며, 상기 집전체는 (i) 탄소계 담체, (ii) 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 실리카, 세리아 등의 다공성 무기산화물, (iii) 제올라이트 등에서 선택될 수 있다. 상기 탄소계 담체는 카본블랙(carbon black), 다공성탄소(porous carbon), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT), 탄소나노혼(carbonnano horn), 그래핀(graphene), 수퍼피(super P), 탄소섬유(carbon fiber), 탄소시트(carbon sheet), 케첸블랙(Ketjen Black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 탄소구체(carbon sphere), 탄소리본(carbon ribbon), 풀러렌(fullerene), 활성탄소 및 이들의 둘 이상의 조합에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술 분야에서 사용 가능한 집전체는 제한 없이 사용될 수 있다.The oxygen evolution catalyst may be fixed by a current collector, and the current collector is selected from (i) a carbon-based carrier, (ii) a porous inorganic oxide such as zirconia, alumina, titania, silica, ceria, and (iii) zeolite. can be The carbon-based carrier is carbon black (carbon black), porous carbon (porous carbon), carbon nano tube (carbon nano tube, CNT), carbon nano horn (carbonnano horn), graphene (graphene), super P (super P) , carbon fiber, carbon sheet, Ketjen Black, acetylene black, carbon sphere, carbon ribbon, fullerene, activated carbon And it may be selected from a combination of two or more thereof, but is not limited thereto, and current collectors usable in the technical field of the present invention may be used without limitation.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 해수 전기분해용 양극을 포함하는 해수 전기분해 시스템을 제공한다. 상기 해수 전기분해 시스템은 음극 및 전해질을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 음극, 이온교환막 및 전해질은 해수 전기분해 시스템의 기술 분양에서 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a seawater electrolysis system including the anode for seawater electrolysis. The seawater electrolysis system may further include a negative electrode and an electrolyte, and the negative electrode, the ion exchange membrane and the electrolyte may be those commonly used in the technical distribution of the seawater electrolysis system, and are not particularly limited.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매 제조방법을 제공하며, 상기 제조방법은 1) 금속 산화물을 전기화학적 리튬화시키는 단계;및 2) 상기 리튬화된 금속 산화물을 탈리튬화시키는 단계를 포함한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for preparing an oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis, the method comprising the steps of: 1) electrochemically lithiating a metal oxide; and 2) removing the lithiated metal oxide. lithiation.

상기 금속 산화물은 MOx(0<x≤4)의 형태로 이루어지며, 상기 M은 Mg, Al, Au, Ag, Cd, Co, Cr, Cu, In, Ir, Mo, Nb, Ni, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, V, W, Zn, Sc, Y, Zr, Hf, Ta, Mn, Fe, Tc, 및 Re로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이다. 바람직하게 상기 금속 산화물은 RuO2이다. The metal oxide is made in the form of MO x (0<x≤4), wherein M is Mg, Al, Au, Ag, Cd, Co, Cr, Cu, In, Ir, Mo, Nb, Ni, Os, At least one selected from the group consisting of Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, V, W, Zn, Sc, Y, Zr, Hf, Ta, Mn, Fe, Tc, and Re. Preferably, the metal oxide is RuO 2 .

상기 리튬화 이전에 금속 산화물을 100 ~ 200℃의 온도에서 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include drying the metal oxide at a temperature of 100 to 200° C. before the lithiation.

상기 리튬화는 전기화학적 셀(cell)을 이용하여 정전류 및 0 V 내지 3 V 의 컷-오프 전압을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 상기 컷-오프 전압은 바람직하게는 0.5 V 내지 3 V, 더욱 바람직하게는 0.5 V 내지 2 V일 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 본 발명자의 실험에 의하면, 컷-오프 전압이 0.8 V인 경우에 약 6~8Å 수준의 원자-단위 간극이 형성되고, 상기 수준의 원자-단위 간극에서 가장 높은 산소발생반응 활성을 나타내는 것을 확인하였다. The lithiation may include applying a constant current and a cut-off voltage of 0 V to 3 V using an electrochemical cell. The cut-off voltage may be preferably 0.5 V to 3 V, more preferably 0.5 V to 2 V, but is not limited thereto. According to the present inventor's experiment, it was confirmed that, when the cut-off voltage was 0.8 V, an atomic-unit gap of about 6-8 Å was formed, and the highest oxygen evolution reaction activity was exhibited at the atomic-unit gap of this level. .

상기 금속 산화물의 원자-단위 간극(atomic-scale gap)은 금속 산화물 입자를 전기화학적 리튬화시키는 과정의 컷오프 전압에 의하여 조절될 수 있다. 이는 구체적으로 정전류 방전(리튬화)시의 컷-오프 전압, 즉, 리튬화가 중단되는 전압에 의해 원자-단위 간극이 조절될 수 있는 것을 의미한다.An atomic-scale gap of the metal oxide may be controlled by a cut-off voltage of a process of electrochemically lithiating the metal oxide particles. This specifically means that the atom-unit gap can be controlled by the cut-off voltage during constant current discharge (lithiation), that is, the voltage at which lithiation is stopped.

상기 정전류 조건의 리튬화 과정에서 금속 산화물 입자 표면 전 영역에서 균질하게 리튬화가 수행되며 급격하고 부분적인 리튬화에 의해 루테늄 금속이 나노입자 표면에서 탈리되어 제거되는 것을 방지하기 위하여, 저전류 리튬화가 수행되는 것이 유리하다. 구체적인 일 예로, 저전류 리튬화시 전류는 약 1 mA/g 내지 약 20 mA/g인 것이 바람직하다.In the lithiation process under the constant current condition, lithiation is uniformly performed on the entire surface of the metal oxide particle, and in order to prevent the ruthenium metal from being desorbed and removed from the surface of the nanoparticles due to rapid and partial lithiation, low current lithiation is performed It is advantageous to be As a specific example, the low current lithiation current is preferably about 1 mA/g to about 20 mA/g.

구체적으로 리튬화 단계는 a) 집전체상에 상기 루테늄 산화물이 포함되는 물질층이 형성된 제1전극, 금속 리튬의 제2전극, 제1전극과 제2전극 사이에 위치하는 분리막 및 전해질을 포함하는 전기화학 셀을 제조하는 단계; 및 b) 제조된 전기화학 셀을 이용하여 정전류 및 0 V 내지 약 3 V 이하의 컷-오프 전압을 인가하여 리튬화를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.Specifically, the lithiation step includes a) a first electrode in which a material layer containing the ruthenium oxide is formed on a current collector, a second electrode of metallic lithium, a separator positioned between the first electrode and the second electrode, and an electrolyte manufacturing an electrochemical cell; and b) performing lithiation by applying a constant current and a cut-off voltage of 0 V to about 3 V or less using the prepared electrochemical cell.

a) 단계의 전기화학 셀은 금속 산화물을 활물질로 한 통상의 리튬 반쪽 전지에 상응할 수 있으며, 상기 b) 단계의 리튬화는 통상의 리튬 반쪽 전지에서의 정전류 방전 과정에 상응할 수 있다. 이에 따라, 상기 컷-오프 전압은 Li/Li+에 기준한 전압일 수 있음은 물론이다. The electrochemical cell of step a) may correspond to a conventional lithium half-cell using a metal oxide as an active material, and the lithiation of step b) may correspond to a constant current discharge process in a conventional lithium half-cell. Accordingly, it goes without saying that the cut-off voltage may be a voltage based on Li/Li + .

상기 제1전극은 금속 산화물과 유기 바인더를 포함하는 슬러리를 집전체 상에 도포한 후 건조하여 제조될 수 있다. 유기 바인더는 리튬 이차전지의 전극에 통상적으로 사용되는 물질이면 사용 가능하며, 전해액과 화학적으로 반응하지 않는 고분자이면 족하다. 상기 제2전극은 금속 리튬의 막(film)이나 호일(foil)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 분리막은 통상의 리튬 이차전지에서 사용되는 미세 다공막이면 사용될 수 있다.The first electrode may be prepared by applying a slurry including a metal oxide and an organic binder on a current collector and then drying the slurry. The organic binder can be used as long as it is a material commonly used in electrodes of lithium secondary batteries, and any polymer that does not chemically react with the electrolyte is sufficient. The second electrode may be a film or foil of metallic lithium, but is not limited thereto. In addition, the separator may be used as long as it is a microporous membrane used in a typical lithium secondary battery.

상기 전해질은 통상의 리튬 이차전지에서, 리튬 이온을 원활히 전도시키는 통상의 비수계 전해질이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 전해질의 용매는 일반적으로 리튬 이차전지에서 비수계 전해액으로 사용되는 용매이면 제한 없이 사용될 수 있다.The electrolyte may be used without limitation as long as it is a conventional non-aqueous electrolyte that smoothly conducts lithium ions in a conventional lithium secondary battery, and the solvent of the electrolyte is generally used as a non-aqueous electrolyte in a lithium secondary battery. have.

상기 b) 단계의 리튬화가 수행된 후, 제1전극으로부터 리튬화된 나노입자를 회수하는 단계가 더 수행될 수 있음은 물론이며, 회수는 제1전극의 유기 바인더를 용해하는 용매 및 고액 분리를 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Of course, after the lithiation of step b) is performed, the step of recovering the lithiated nanoparticles from the first electrode may be further performed, and the recovery is a solvent and solid-liquid separation for dissolving the organic binder of the first electrode. It may be performed using, but is not limited to.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 탈리튬화시키는 단계는 산 수세를 통해 이루어질 수 있으며(화학적 탈리튬화), 산 수세의 산은 산화 리튬 및/또는 리튬을 선택적으로 제거하는데 사용되는 통상적인 산이면 제한 없이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 산은 포름산 또는 아세트산 등을 들 수 있으나, 산 수세에 사용되는 산의 종류에 의해 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the delithiation step may be performed through acid water washing (chemical delithiation), and the acid of acid water washing is limited as long as it is a conventional acid used to selectively remove lithium oxide and/or lithium. It may be used without, but is not limited to. For example, the acid may include formic acid or acetic acid, but is not limited by the type of acid used for acid washing.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 탈리튬화 단계는 상기 b) 단계의 리튬화가 수행된 직후, 전압을 3 V까지 높이는 단계에 의하여 수행될 수 있다(전기화학적 탈리튬화).In another embodiment of the present invention, the delithiation step may be performed by raising the voltage to 3 V immediately after the lithiation of step b) is performed (electrochemical delithiation).

상기 탈리튬화 단계는 화학적 탈리튬화 또는 전기화학적 탈리튬화에 의하여 수행될 수 있으며, 화학적 탈리튬화 및 전기화학적 탈리튬화가 함께 수행될 수도 있다.The delithiation step may be performed by chemical delithiation or electrochemical delithiation, and chemical delithiation and electrochemical delithiation may be performed together.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples according to the gist of the present invention. .

<실시예> 리튬 이온 코인셀을 활용한 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매 제조<Example> Preparation of Oxygen Generation Reaction Catalyst for Seawater Electrolysis Using Lithium Ion Coin Cell

Ar 분위기에서 섭씨 150도 이내에서 RuO2 파우더를 3시간 건조하였다. 상기 RuO2 파우더, 바인더(5wt% PVDF)를 NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone)에 분산시켜 슬러리를 제조하였다. 고순도 Cu foil(99.9999%)에 상기 슬러리를 도포하고 진공오븐에서 80℃의 온도로 하루 동안 건조하였다. The RuO 2 powder was dried for 3 hours at 150 degrees Celsius in an Ar atmosphere. The RuO 2 powder and binder (5wt% PVDF) were dispersed in NMP (N-methyl-2-pyrrolidinone) to prepare a slurry. The slurry was applied to high-purity Cu foil (99.9999%) and dried in a vacuum oven at a temperature of 80° C. for one day.

상기 건조한 RuO2 전극을 한쪽 극으로, 고순도 Li foil(99.9999%)를 반대극으로 사용하고, 전해액으로는 1M LiPF6 를 1:1 부피비로 섞은 EC(ethyl carbonate)와 DEC(diethyl carbonate)에 녹인 것을 사용하여 코인셀을 제조하였다. OCV(Open Circuit Voltage)는 약 3 V 이상의 값을 나타내었다.The dried RuO 2 electrode was used as one electrode and high purity Li foil (99.9999%) was used as the opposite electrode, and 1M LiPF 6 as an electrolyte was dissolved in EC (ethyl carbonate) and DEC (diethyl carbonate) mixed in a 1:1 volume ratio. A coin cell was manufactured using OCV (Open Circuit Voltage) showed a value of about 3 V or more.

리튬화 공정은 약 3 mA의 전류를 가하며 충전 방전 과정을 수행하였다. I state는 1.6 V 까지(실시예 1), II state는 0.8 V 까지(실시예 2), III state는 0 V 까지(실시예 3)의 리튬화 과정을 수행하였다.In the lithiation process, a charging/discharging process was performed by applying a current of about 3 mA. The lithiation process was performed for the I state to 1.6 V (Example 1), the II state to 0.8 V (Example 2), and the III state to 0 V (Example 3).

상기 리튬화 공정이 수행된 후, 모두 3 V까지 전압을 높여 탈리튬화를 진행하고, 각 공정 단계의 결과 샘플들은 아세톤, 물, 및 1mM 아세트산 용액으로 세척되어, 잔류 전해질, Li2O, 및 고상 전해질 인터레이어들을 제거하였다.After the lithiation process is performed, delithiation is performed by increasing the voltage to 3 V in all, and the resultant samples of each process step are washed with acetone, water, and 1 mM acetic acid solution, residual electrolyte, Li 2 O, and The solid electrolyte interlayers were removed.

<실험예><Experimental example>

1. 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매의 형태 분석1. Morphological analysis of oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis

배터리 물질 중 금속산화물, 특히 변환 재료(Cnversion Material)라고 불리는 촉매들에 대한 리튬화 반응은 다음과 같다:The lithiation reaction for metal oxides in battery materials, especially catalysts called conversion materials, is as follows:

{MxRy + (y.n)A -> xM + yAnR}{MxRy + (y.n)A -> xM + yAnR}

이 때, A = Li, Na 이며, M = 전이 금속, 그리고 R = O, S, Se, P, H 등임. Here, A = Li, Na, M = transition metal, and R = O, S, Se, P, H, etc.

리튬화(lithiation)가 진행되는 경우 물질에 따라 일부의 차이가 있지만 금속산화물을 예로 들어보면, 금속산화물에서 금속까지의 변환(Conversion) 반응이 일어날 때, [LixMyOz]와 같은 중간 생성물이 형성된다. In the case of lithiation, there are some differences depending on the material, but taking a metal oxide as an example, an intermediate product such as [LixMyOz] is formed when the conversion reaction from a metal oxide to a metal occurs.

도 1a를 참고하면, RuO2에 전류를 인가하지 않았을 경우 RuO2 그대로 존재하게 되며(bare), 리튬화가 진행되는 경우 [LixRuyOz](여기서, x, y, z는 독립적으로 0.1 ~ 3의 실수이다.)가 형성되며(I state, 실시예 1 및 2), 리튬화가 더 진행되면 Ru metal이 형성된다(II→III state, 실시예 3). 즉 I→II→III으로 진행될수록 리튬화가 더 많이 진행된 것이다. 도 1a에서 X축은 specific capacity 혹은 리튬화 정도 혹은 리튬화 공정의 시간 모두로 사용될 수 있다. Referring to FIG. 1A , when no current is applied to RuO 2 , RuO 2 remains as it is (bare), and when lithiation proceeds [LixRuyOz] (where x, y, and z are independently real numbers of 0.1 to 3) .) is formed (I state, Examples 1 and 2), and as lithiation proceeds further, Ru metal is formed (II→III state, Example 3). That is, the more progressed I→II→III, the more lithiation proceeded. In FIG. 1A , the X-axis may be used as both a specific capacity, a degree of lithiation, or a time of a lithiation process.

리튬화 과정에서의 루테늄 산화물은 두 개의 전압 안정기(plateau)를 보여주었다. 첫 번째의 전압대는 리튬 대비 2V 정도이며 두 번째는 1V 내외의 전압대를 나타내었다(도 1a).Ruthenium oxide during lithiation showed two voltage plateaus. The first voltage band was about 2V compared to lithium, and the second voltage range was around 1V (Fig. 1a).

첫 번째 구간에서는 RuO2로의 리튬 삽입에 대한 페러데이 반응이고, 두 번째 구간은 Ru metal로의 conversion 구간으로, 본 발명자는 두 번째 구간에서 원자단위 간극이 형성되는 것을 확인하였다. The first section is a Faraday reaction for lithium insertion into RuO 2 , and the second section is a conversion section to Ru metal, and the present inventors confirmed that an atomic gap was formed in the second section.

모든 샘플은 각 전압 단계로 리튬화 후 중단되었고, 촉매 내부에 잔류하는 Li 이온을 제거하기 위해 전기화학적 탈리튬화(delithiation)를 수행하였다. All samples were stopped after lithiation at each voltage step, and electrochemical delithiation was performed to remove Li ions remaining inside the catalyst.

리튬화 공정 중 RuO2 나노 입자의 실시간 변화를 확인하기 위해 TEM 내부의 나노 배터리 구성을 사용하여 in-situ TEM 분석 통하여, 격자 팽창 및 결정립계 형성을 포함한 구조적 변화를 실시간으로 관측하였으며(도 1b-i 및 도 2), 각 단계에서 생성된 틈을 통계를 내어 이를 분석하여 대표값을 원자단위 간극의 이름으로 사용하였다(도 3); 0-RuO2, 7-RuO2, 11-RuO2, 14-RuO2.In order to confirm the real-time change of RuO 2 nanoparticles during the lithiation process, structural changes including lattice expansion and grain boundary formation were observed in real time through in-situ TEM analysis using a nano battery configuration inside the TEM (Fig. 1b-i). and FIG. 2), statistically analyzing the gaps created in each step, and using a representative value as the name of the gaps in the atomic unit (FIG. 3); 0-RuO 2 , 7-RuO 2 , 11-RuO 2 , 14-RuO 2 .

도 2를 참고하면, TEM 이미지 분석 결과 입자의 평균 크기는 50nm 이내로 각 단계에서 큰 차이를 보이지 않았으며, Ru 금속으로 변환(conversion)되는 구간 이후에는 부피 팽창과 함께 비정질의 영향으로 RuO2의 극적인 구조적 변화를 통해 리튬화가 진행됨을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 2 , as a result of TEM image analysis, the average size of the particles did not show a significant difference within 50 nm at each stage, and after the conversion to Ru metal, the volume expansion and the amorphous effect of RuO 2 resulted in dramatic changes in RuO 2 . It was confirmed that lithiation proceeded through structural changes.

상기 결과를 요약하면, 1) 초기 금속산화물 촉매가 쪼개져 작은 입자를 형성하며 표면적이 증가하고(도 4의 EDLC 결과 표면적 증가 확인 가능) 2) 쪼개진 금속산화물 촉매의 면과 면 사이에 원자 단위의 간극(Atomic scale gap) 형성이 가능(도 1 및 2의 TEM 이미지 확인)하며, 원자 단위의 간극 크기는 sub-nanometer (<1 nm)로, 구체적으로 이는 OER 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 금속산화물 촉매의 면과 면 사이 거리인 약 6~8Å 수준의 3차원 채널의 형성이 가능하다.To summarize the above results, 1) the initial metal oxide catalyst is cleaved to form small particles, and the surface area increases (the increase in surface area can be confirmed as a result of the EDLC in FIG. 4) 2) The atomic unit gap between the faces of the cleaved metal oxide catalyst (Atomic scale gap) can be formed (check the TEM images in FIGS. 1 and 2), and the atomic-scale gap size is sub-nanometer (<1 nm), specifically, metal oxide that can dramatically improve OER performance It is possible to form a three-dimensional channel with a level of about 6-8 Å, which is the distance between the surface of the catalyst.

상기 리튬화에 의하여 형성된 원자-단위 간극은 해수 전기분해시 산소발생반응을 획기적으로 개선하는 것으로 아래 실험에 의하여 확인하였다. The atom-unit gap formed by the lithiation was confirmed by the experiment below to dramatically improve the oxygen evolution reaction during seawater electrolysis.

2. 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매의 전기화학적 특성 평가2. Evaluation of electrochemical properties of oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis

해수 전기분해용 산소발생반응 촉매의 전기화학 특성 평가는 RRDE(Rotating Ring Disk Electrode) 장비를 통해 측정하였다. 반쪽 전지 셀로 테스트를 하였으며, 전극으로는 glassy carbon electrode를 사용하였다. The electrochemical characteristic evaluation of the oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis was measured using a Rotating Ring Disk Electrode (RRDE) equipment. A half battery cell was tested, and a glassy carbon electrode was used as an electrode.

10 mg의 촉매를 100 ul의 바인더(10wt% Nafion solution)와 900 ul의 에탄올 + IPA의 용매에 녹여서 사용하였다. 이 잉크 형태의 촉매를 glassy carbon 전극에 올린 후 건조시킨 후 전기화학특성 측정을 하였다. 10 mg of the catalyst was dissolved in 100 ul of binder (10wt% Nafion solution) and 900 ul of ethanol + IPA solvent. This ink-type catalyst was placed on a glassy carbon electrode, dried, and then electrochemical properties were measured.

상대 전극으로는 백금 와이어를 사용하였으며, 기준전극의 경우 산, 중성의 경우 Ag/AgCl 전극을 염기의 경우 Hg/HgO 전극을 사용했다. A platinum wire was used as the counter electrode, and an acid, neutral Ag/AgCl electrode, and a base, Hg/HgO electrode were used as the reference electrode.

산소 발생반응(Oxygen evolution reaction, OER)과 염소 발생반응(Chlorine evolution reaction, CER)의 경우 모두 Ar 가스를 셀에 퍼징한 후 측정하였다. Both the oxygen evolution reaction (OER) and the chlorine evolution reaction (CER) were measured after purging the cell with Ar gas.

도 3의 전기화학 특성을 나타내는 실험의 경우, 0.1 M HClO4의 산 조건에서 실험을 진행하였다. 기준전극으로는 Ag/AgCl을 사용, 1600rpm으로 RRDE 전극을 회전시키며 실험을 진행하였다. 실험에서의 전위 범위는 [1.1 V, 1.4 V]의 범위를 10 mV/s으로 스캔하여 순환전류법으로 측정했다. In the case of the experiment showing the electrochemical properties of FIG. 3 , the experiment was performed in an acid condition of 0.1 M HClO 4 . Ag/AgCl was used as the reference electrode, and the experiment was performed while rotating the RRDE electrode at 1600 rpm. The potential range in the experiment was measured by the cyclic amperometric method by scanning the range of [1.1 V, 1.4 V] at 10 mV/s.

도 4(a)를 참고하면, 실시예 1 및 실시예 2의 촉매는 리튬화를 진행하지 않은 RuO2(bare) 및 실시예 3에 비하여, 약 2 ~ 6배의 증가된 전류 밀도를 나타냈으며, 이는 실시예 1 및 실시예 2는 큰 전기화학적 표면적을 갖는다는 것을 의미하며, 이는 도 4(b)의 표면적 측정 결과와 일치한다. Referring to FIG. 4(a), the catalysts of Examples 1 and 2 were RuO 2 (bare) without lithiation. and an increased current density of about 2 to 6 times compared to Example 3, which means that Examples 1 and 2 have a large electrochemical surface area, which is the surface area measurement of FIG. 4(b). consistent with the result.

하지만 실시예 3의 경우 실시예 1 및 실시예 2와 비교하여 도 4(b)의 표면적은 증가하였으나 도 4(a)의 전기화학적 활성은 오히려 감소한 것을 나타낸다. 이는 촉매의 표면적과 전기화학적 활성에서 선형적 상관관계가 없으며, 오히려 전기화학적 활성은 실시예 1 또는 2에서 생성된 원자-단위 간극에 영향을 받는 것을 의미한다.However, in the case of Example 3, compared with Examples 1 and 2, the surface area of FIG. 4(b) was increased, but the electrochemical activity of FIG. 4(a) was rather decreased. This means that there is no linear correlation between the surface area of the catalyst and the electrochemical activity, but rather the electrochemical activity is affected by the atom-unit gaps produced in Examples 1 or 2.

3. 해수 전기분해시 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매의 산소발생반응 확인3. Confirmation of oxygen evolution reaction of oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis during seawater electrolysis

Vos et al.(2018) 논문에서 언급한 *OOH 중간체의 바인딩 에너지가 안정화되며, 원자단위의 간극에서 *OOH 중간체의 H가 수소결합을 형성하는 메커니즘을 토대로 추론할 시, 반응속도 결정단계(RDS: rate determining step)는 액상에 상관없이 *OOH의 탈착 단계이다. As mentioned in Vos et al. (2018), the binding energy of the OOH intermediate is stabilized, and when inferred based on the mechanism in which H of the OOH intermediate forms a hydrogen bond in the atomic gap, the reaction rate determining step (RDS) : rate determining step) is the desorption step of * OOH regardless of the liquid phase.

본 발명자는 선형주사 전위법(LSV: linear sweep voltammetry)를 활용하여 산성, 바닷물(pH=7.8), 염기성에서 전기화학적 평가를 통해 원자단위 간극이 산소 발생반응의 향상을 야기함을 확인하였다(도 5a). The present inventors used linear sweep voltammetry (LSV) to conduct electrochemical evaluation in acidity, seawater (pH=7.8), and basicity to confirm that the atomic gap causes improvement in the oxygen evolution reaction (Fig. 5a).

도 5a를 참고하면, 7-RuO2, 즉 원자-단위 간극이 7 옴스트롱(< 1nm) 일 때, 가장 높은 활성의 증가를 나타내었다. 이와 같은 경향성은 서로 다른 pH의 수용액에서 공통적으로 나타났다. 또한 가장 많은 개선의 정도를 보인 것은 염기성 수용액에서 앞서 언급한 150mV의 개선을 달성한 것이다. Referring to FIG. 5A , 7-RuO 2 , that is, when the atom-unit gap is 7 angstroms (< 1 nm), the highest increase in activity was exhibited. This tendency was common in aqueous solutions of different pH. In addition, what showed the greatest degree of improvement was the improvement of 150 mV mentioned above in basic aqueous solution.

나아가 LSV의 전기화학적 성능을 바탕으로 타펠(Tafel analysis) 분석을 실시하였다(도 5b). 로그(전류밀도) 대비 과전압을 도시화하여 비교함으로 그 기울기가 작으면 페러데이 반응의 개선과 RDS의 개선을 보여준다. Further, Tafel analysis was performed based on the electrochemical performance of the LSV (FIG. 5b). By plotting and comparing overvoltage versus log (current density), when the slope is small, the improvement of the Faraday response and the improvement of RDS are shown.

도 5b를 참고하면, 0-RuO2일 때에 비해 7-RuO2에서 감소된 타펠 기울기를 확인할 수 있었으며, 이는 pH에 관계없이 동일한 경향을 보인다.Referring to Figure 5b, 0-RuO 2 Compared to when 7-RuO 2 It could be confirmed that the reduced Tafel slope, which shows the same trend regardless of the pH.

앞선 결과에서 언급한 것처럼 리튬화를 진행하게 된 촉매의 경우, 표면적의 증가를 보이며, 단순 표면적 증가만의 영향이라면 전기화학적 캐퍼시턴스(EDLC: electric double layer capacitance)가 증가하면 활성도 역시 증가하여야 한다. 하지만 14-RuO2에서 이러한 경향성을 벗어나는 경우를 확인하였으며 이는 BET의 결과와 일치한다. As mentioned in the previous results, in the case of a catalyst that undergoes lithiation, the surface area increases, and if the effect of a simple surface area increase is only an increase in the electrochemical capacitance (EDLC: electric double layer capacitance), the activity should also increase. . However, in 14-RuO 2 , a case was confirmed that deviated from this tendency, which is consistent with the results of BET.

4. 해수 전기분해시 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매의 산소 및 염소 발생반응의 선택도 변화 4. Change in selectivity of oxygen and chlorine generation reaction of oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis during seawater electrolysis

원자수준 거리 두기를 통해 만든 촉매로 궁극적으로는 바닷물에서의 물 분해를 통해 수소와 산소를 생산하는 것이 가능하다. 그러나 바닷물의 성분으로 고농도의 염소이온이 존재하며, 산소발생반응과 염소 발생 반응은 유사한 산화반응 이론 전위를 나타낸다(도 6). Catalysts made through atomic-level spacing can ultimately produce hydrogen and oxygen through the splitting of water in seawater. However, a high concentration of chlorine ions is present as a component of seawater, and the oxygen evolution reaction and the chlorine evolution reaction show similar oxidation reaction theoretical potentials (FIG. 6).

이 때, 2전자 반응인 염소 발생반응은 4전자 반응인 산소발생반응에 비해 비교적 낮은 과전압이 발생하여, 두 경쟁반응 중 하나의 반응만을 선택적인 분리하는 것은 매우 어려운 과제이다. 또한, 이 두 반응은 중간체 및 활성 부위(active site)의 공유로 인해 일종의 상관관계를 가지고 있는 것으로 알려져 있다. At this time, the chlorine evolution reaction, which is a two-electron reaction, generates a relatively low overvoltage compared to the oxygen evolution reaction, which is a four-electron reaction, so it is very difficult to selectively separate only one reaction among the two competing reactions. In addition, it is known that these two reactions have a kind of correlation due to the sharing of an intermediate and an active site.

해수의 pH는 약 7-8 정도이며, 전해반응을 시작할 경우 산화반응이 일어나는 전극표면 및 전해조는 산화반응의 부산물로 생성된 [H+] 농도가 증가하여 pH가 낮아지게 된다. The pH of seawater is about 7-8, and when the electrolytic reaction starts, the [H + ] concentration generated as a by-product of the oxidation reaction increases and the pH is lowered on the electrode surface and the electrolyzer where the oxidation reaction occurs.

이 경우 도 6의 해수 전기분해시 전위-pH선도(Pourbaix diagram, K.S. Exner et al./Electrochimica Acta 120 (2014) 460-466)에서와 같이 Cl-의 산화반응에서 pH가 높은 조건에서 생성되는 HOCl의 생성 경로가 억제되며, Cl2가 선택적으로 생성되는 CER 반응이 우세하게 된다.In this case, as in the electric potential-pH diagram of seawater electrolysis of FIG. 6 (Pourbaix diagram, KS Exner et al./Electrochimica Acta 120 (2014) 460-466), HOCl produced under high pH conditions in the oxidation reaction of Cl is inhibited, and the CER reaction in which Cl 2 is selectively generated is dominant.

[산소발생반응(OER)][Oxygen evolution reaction (OER)]

2H2O → O2(g) + 4H+ + 4e-

Figure pat00001
= (1.229 + 0.059 pH) V vs. RHE2H 2 O → O 2 (g) + 4H + + 4e -
Figure pat00001
= (1.229 + 0.059 pH) V vs. RHE

[염소발생반응(CER)][Chlorine evolution reaction (CER)]

2Cl- → Cl2(g)

Figure pat00002
= (1.358 + 0.059 pH) V vs. RHE2Cl - → Cl 2 (g)
Figure pat00002
= (1.358 + 0.059 pH) V vs. RHE

염소발생반응은 *Cl와 *Cl의 결합을 통해 진행되며, 이는 산소 발생반응에서의 *OOH와 비교하여 반응 중간생성물의 크기가 작다. The chlorine evolution reaction proceeds through the combination of * Cl and * Cl, and the size of the reaction intermediate is small compared to * OOH in the oxygen evolution reaction.

따라서 리튬화(lithiation)를 통해 원자수준 거리 두기를 적용한 촉매를 염소 발생반응에 적용할 경우, 리튬화에 의하여 형성된 원자-단위 간극(약 5 ~ 11Å)에 의하여, OER에서 *OOH 중간 생성물의 반응에너지가 낮아질 수 있으나, *Cl의 반응에너지는 개선되지 않는 것으로 판단된다. Therefore, when a catalyst with atomic-level spacing through lithiation is applied to chlorine evolution, the reaction of * OOH intermediate products in OER due to the atomic-unit gap (about 5 to 11 Å) formed by lithiation. Although the energy can be lowered, it is judged that the reaction energy of * Cl is not improved.

이는 도 7a의 그래프에서 산소 및 염소의 부분전류를 통해 알 수 있다. This can be seen through the partial currents of oxygen and chlorine in the graph of FIG. 7A.

산소와 염소의 부분전류의 분리에 있어서는 회전 링-디스크 전극(RRDE: rotating ring-disk electrode)를 활용한 전기화학적 분석을 도입하였다. 디스크 전극에서 발생한 산소와 염소 중 다시 링 전극에서 염소만을 환원시켜 생성된 염소의 양을 추적하였다. 이 때의 염소의 전류와 산소의 전류를 나누어 두 경쟁반응의 전류를 분리해 냄으로 인해 비교를 진행하였다(도 7a). In the separation of partial currents of oxygen and chlorine, electrochemical analysis using a rotating ring-disk electrode (RRDE) was introduced. Of the oxygen and chlorine generated at the disk electrode, only chlorine was reduced at the ring electrode, and the amount of chlorine generated was tracked. At this time, the comparison was performed by dividing the current of chlorine and the current of oxygen to separate the currents of the two competing reactions (FIG. 7a).

상기 실험을 통하여 산소 발생 반응의 비교(실선)을 통해 원자사이 간극의 도입에 따라 산소가 선별적으로 그 발생이 향상되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 이 때의 선택도를 패러데이 효율(faradaic efficiency)로 비교할 시, 원자 사이 간극 도입으로 인한 산소발생은 기존 60~65%에서 80%로 증가함을 확인할 수 있으며, 염소 발생의 경우 그 선택도가 35%에서 20%로 감소함을 확인할 수 있었다(도 7b). Through the above experiment, it was confirmed that the generation of oxygen was selectively improved according to the introduction of the interatomic gap through the comparison (solid line) of the oxygen evolution reaction. In addition, when the selectivity at this time is compared with the faradaic efficiency, it can be seen that the oxygen generation due to the introduction of interatomic gaps increases from 60 to 65% to 80%, and in the case of chlorine generation, the selectivity was confirmed to be reduced from 35% to 20% (FIG. 7b).

따라서 본 발명 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매의 경우, 산소 발생반응의 촉매반응 효율은 원자수준 거리 두기의 영향으로 인해 증가하나, 염소 발생반응의 경우 그렇지 않음을 확인할 수 있었다. Therefore, in the case of the oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis of the present invention, it was confirmed that the catalytic reaction efficiency of the oxygen evolution reaction increased due to the effect of atomic-level distance, but not in the case of the chlorine evolution reaction.

이는 바닷물 전해 시 염소생성이 억제된 조건에서 선택적으로 산소 발생 반응의 효율 증가가 가능함을 의미한다. This means that it is possible to selectively increase the efficiency of the oxygen evolution reaction under the condition that chlorine production is suppressed during seawater electrolysis.

따라서 리튬화에 의하여 원자 단위 간극이 형성된 루테늄 산화물은 해수 전지용 전극, 구체적으로 양극에 적용하는 경우에 염소발생반응과 산소발생반응 중 선택적으로 산소발생반응을 더 우세하게 진행시킬 수 있는 효과를 나타낸다.Therefore, when ruthenium oxide with atomic unit gaps formed by lithiation is applied to an electrode for a seawater battery, specifically, a positive electrode, it exhibits an effect of selectively preferentially promoting an oxygen evolution reaction among a chlorine evolution reaction and an oxygen evolution reaction.

실제 바닷물을 활용한 바닷물-전해조를 구성하여 산소와 염소의 발생에 대한 것을 평가하였다. 저전류(10mA/cm2) 가압 구간에서의 전압과 그에 따른 산소 생산량을 비교할 수 있다(도 7c). The generation of oxygen and chlorine was evaluated by constructing a seawater-electrolyzer using actual seawater. Low current (10mA/cm 2 ) It is possible to compare the voltage in the pressurized section and the resulting oxygen production ( FIG. 7c ).

원자-단위 간극을 도입함으로 낮아진 전해조의 전압대를 확인할 수 있었으며, 산소 발생의 경우 70~80%의 선택도를 보여줌으로 이는 반쪽반응에서의 전기화학평가의 결과(도 7a)와 오차범위 이내의 것임을 확인할 수 있었다.It was possible to confirm the voltage band of the electrolyzer lowered by introducing the atom-unit gap, and in the case of oxygen generation, it showed a selectivity of 70 to 80%, which was within the error range of the electrochemical evaluation result in the half reaction (Fig. 7a). could confirm that it was.

고전류(100mA/cm2)을 인가함으로 이는 고 전류 영역대에서도 동일한 경향성을 보임을 확인하였다. 따라서, 본 기술의 도입으로 인해 실제 바닷물-전해에서의 효율적인 산소 발생의 가능성을 확인할 수 있다.By applying a high current (100 mA/cm 2 ), it was confirmed that the same tendency was observed even in the high current region. Therefore, it is possible to confirm the possibility of efficient oxygen generation in actual seawater-electrolysis due to the introduction of the present technology.

Claims (10)

원자-단위 간극(atomic-scale gap)이 형성된 금속 산화물을 포함하는 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매.
A catalyst for oxygen evolution for seawater electrolysis comprising a metal oxide having an atomic-scale gap.
제1항에 있어서,
상기 촉매는 해수 전기분해용 양극 촉매로, 해수 전해시 염소발생반응 및 산소발생반응 중 선택적으로 산소발생반응의 효율을 증가시키는 산소발생반응 촉매.
According to claim 1,
The catalyst is an anode catalyst for seawater electrolysis, an oxygen evolution catalyst that selectively increases the efficiency of an oxygen evolution reaction among a chlorine evolution reaction and an oxygen evolution reaction during seawater electrolysis.
제1항에 있어서,
상기 원자-단위 간극의 평균은 5 ~ 11Å인 산소발생반응 촉매.
According to claim 1,
The average of the atom-unit gap is 5 to 11 Å of the oxygen evolution reaction catalyst.
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물은 MOx(0<x≤4)의 형태로 이루어지며, 상기 M은 Mg, Al, Au, Ag, Cd, Co, Cr, Cu, In, Ir, Mo, Nb, Ni, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, V, W, Zn, Sc, Y, Zr, Hf, Ta, Mn, Fe, Tc, 및 Re로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 산소발생반응 촉매.
According to claim 1,
The metal oxide is made in the form of MO x (0<x≤4), wherein M is Mg, Al, Au, Ag, Cd, Co, Cr, Cu, In, Ir, Mo, Nb, Ni, Os, At least one oxygen evolution catalyst selected from the group consisting of Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, V, W, Zn, Sc, Y, Zr, Hf, Ta, Mn, Fe, Tc, and Re.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 촉매를 포함하는 해수 전기분해용 양극.
The anode for seawater electrolysis comprising the catalyst of any one of claims 1 to 4.
제5항의 해수 전기분해용 양극을 포함하는 해수 전기분해 시스템.
Seawater electrolysis system comprising the anode for seawater electrolysis of claim 5.
1) 금속 산화물을 전기화학적 리튬화시키는 단계;및
2) 상기 리튬화된 금속 산화물을 탈리튬화시키는 단계를 포함하는 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매 제조방법.
1) electrochemical lithiation of the metal oxide; and
2) A method for preparing an oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis, comprising the step of delithiating the lithiated metal oxide.
제7항에 있어서,
상기 리튬화는 전기화학적 셀(cell)을 이용하여 정전류 및 0 V 내지 3 V 의 컷-오프 전압을 인가하는 것을 포함하는 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매 제조방법.
8. The method of claim 7,
The lithiation is a method for producing an oxygen evolution catalyst for seawater electrolysis comprising applying a constant current and a cut-off voltage of 0 V to 3 V using an electrochemical cell.
제7항에 있어서,
상기 탈리튬화는 리튬화된 금속 산화물을 산 용액으로 세척하는 단계 또는 또는 리튬화가 수행된 직후, 전압을 3 V까지 높이는 단계를 포함하는 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매 제조방법.
8. The method of claim 7,
The delithiation includes washing the lithiated metal oxide with an acid solution or immediately after lithiation is performed, increasing the voltage to 3 V.
제7항에 있어서,
상기 금속 산화물은 MOx(0<x≤4)의 형태로 이루어지며, 상기 M은 Mg, Al, Au, Ag, Cd, Co, Cr, Cu, In, Ir, Mo, Nb, Ni, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, V, W, Zn, Sc, Y, Zr, Hf, Ta, Mn, Fe, Tc, 및 Re로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 해수 전기분해용 산소발생반응 촉매 제조방법.
8. The method of claim 7,
The metal oxide is made in the form of MO x (0<x≤4), wherein M is Mg, Al, Au, Ag, Cd, Co, Cr, Cu, In, Ir, Mo, Nb, Ni, Os, Oxygen generation reaction for seawater electrolysis at least one selected from the group consisting of Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, V, W, Zn, Sc, Y, Zr, Hf, Ta, Mn, Fe, Tc, and Re Catalyst preparation method.
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