KR20220127778A - Polymer electrolyte membrane water electrolysis anode and method for preparing the same using IrO₂electrodeposited porous carbon material, polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus and method using the same - Google Patents

Polymer electrolyte membrane water electrolysis anode and method for preparing the same using IrO₂electrodeposited porous carbon material, polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus and method using the same Download PDF

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장종현
이병석
김형준
디억 헨켄스마이어
유성종
김진영
류재윤
윤성필
한종희
남석우
임태훈
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Abstract

Provided are an anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane in which IrO_2 is electrolytically plated on a hydrophilic porous carbon material and manufacturing method thereof, and a device and method for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane using the same. Accordingly, as the IrO_2 loading amount used in the anode of water electrolysis of a polymer electrolyte membrane can be lowered, the amount of iridium, which is a precious metal, used can be reduced and excellent current density (excellent water electrolysis performance) can be exhibited. In addition, when applied to the anode of water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, carbon corrosion can be reduced while exhibiting good catalytic activity. Moreover, a manufacturing process is very simple compared to the prior art, and a manufacturing cost can be greatly reduced.

Description

산화이리듐이 전해 도금된 다공성 탄소 재료를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해용 애노드 및 그 제조 방법, 이를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치 및 방법{Polymer electrolyte membrane water electrolysis anode and method for preparing the same using IrO₂electrodeposited porous carbon material, polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus and method using the same}Polymer electrolyte membrane water electrolysis anode and method for preparing the same using IrO₂electrodeposited porous carbon material, polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus and method using the same}

본 명세서는 산화이리듐이 전해 도금된 다공성 탄소 재료를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해용 애노드 및 그 제조 방법, 이를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치 및 방법에 관하여 기술한다. The present specification describes an anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane using a porous carbon material electrolytically plated with iridium oxide, a manufacturing method thereof, and an apparatus and method for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane using the same.

글로벌 기후 변화와 화석 연료의 고갈에 따라, 수소 경제로의 전환이 최근 많은 주목을 받고 있다. 수소는 대체 에너지로서 많은 장점을 가지는 것으로서, 환경 오염 물질을 생산하지 않으며, 현저한 손실 없이 장기간 동안 저장될 수 있다.With global climate change and the depletion of fossil fuels, the transition to a hydrogen economy has recently received a lot of attention. Hydrogen has many advantages as an alternative energy, does not produce environmental pollutants, and can be stored for a long time without significant loss.

현재 천연 가스의 증기 개질에 의하여 수소가 생산되고 있지만, 여기서는 상당한 양의 CO2 가 함께 생산된다. 지속 가능하고 환경 친화적인 대안으로서, 풍력이나 태양 발전과 같이 재생 에너지 소스와 결합된 물 전기 분해(water electrolysis)가 수소 생산을 위한 현실적인 대안으로서 기대되고 있다. Hydrogen is currently produced by steam reforming of natural gas, but a significant amount of CO 2 is also produced here. As a sustainable and environmentally friendly alternative, water electrolysis combined with a renewable energy source such as wind or solar power is expected as a realistic alternative for hydrogen production.

그러나, 물 전기 분해에 따른 수소 생산 비용은 개질 과정과 대비할 때 2~3배 더 비싸다. 현재 약 96%의 수소가 화석 연료 기반 기술에 의하여 생산되고[천연 가스 개질 48%, 부분 산화 30%, 석탄 가스화(18%)], 총 수소 생산의 4% 만이 전기 분해에 의하여 생산된다.However, the cost of hydrogen production by water electrolysis is 2-3 times more expensive compared to the reforming process. Currently, about 96% of hydrogen is produced by fossil fuel-based technologies (natural gas reforming 48%, partial oxidation 30%, coal gasification (18%)), and only 4% of total hydrogen production is produced by electrolysis.

여러 타입의 물 전기 분해 기술 중에서, 고분자 전해질 막 물 전기 분해[polymer electrolyte membrane water electrolysis, PEMWE] 방법은 생산된 수소의 순도가 높고(약 99.99% 이상), 생산율이 높으며, 시스템 체적이 작고, 생태적으로 무해한 중성인 물(neutral water)을 사용하는 등 많은 이점이 있다.Among the various types of water electrolysis technology, the polymer electrolyte membrane water electrolysis (PEMWE) method has high purity of produced hydrogen (about 99.99% or more), high production rate, small system volume, and ecological There are many advantages, such as the use of harmless neutral water.

전형적인 PEMWE의 경우, 애노드에서는 이리듐(iridium)이나 루테늄(ruthenium) 기반의 전기 촉매(electrocatalysts)가 산소 발생 반응[oxygen evolution reaction (OER)]을 위해 사용되고(1.0 - 5.0 mg/cm2), 캐소드에서는 수소 발생 반응[hydrogen evolution reaction (HER)]을 위해 백금(platinum) 촉매가 사용되는데(0.4 - 0.8 mg/cm2), 이러한 귀금속 기반의 전기 촉매가 PEMWE의 높은 시스템 비용 중 하나의 원인이 되고 있으므로 제조 비용을 낮출 필요성이 있다.In a typical PEMWE, iridium or ruthenium-based electrocatalysts are used for the oxygen evolution reaction (OER) at the anode (1.0 - 5.0 mg/cm 2 ) and at the cathode Platinum catalysts are used for the hydrogen evolution reaction (HER) (0.4 - 0.8 mg/cm 2 ), and these noble metal-based electrocatalysts are one of the reasons for the high system cost of PEMWE. There is a need to lower the manufacturing cost.

그러나, 종래 스프레이 법[spraying method (예컨대, 비특허문헌 4, 6)] 및 스퍼터링 법[sputtering method (예컨대, 비특허문헌 7) 등으로 제조된 PEMWE 멤브레인을 사용한 MEA (membrane electrode assembly)에서는 Ir 또는 IrO2 로딩이 감소할 때 단일 셀 성능도 현저히 감소하게 되므로, Ir 또는 IrO2 로딩을 감소시키는 것도 어려운 실정이다.However, in the conventional spraying method [spraying method (eg, non-patent document 4, 6)] and sputtering method [membrane electrode assembly (MEA) using a PEMWE membrane prepared by (eg, non-patent document 7), Ir or IrO 2 As the loading decreases, the single cell performance also decreases significantly, so Ir or IrO 2 Reducing the loading is also difficult.

예컨대, 비특허문헌 6은 MEA 제조 시 막 상에 스프레이 방법(spraying)을 사용하여 IrO2을 로딩한 것인데, IrO2 로딩이 3.0 mg/cm2 에서 0.5 mg/cm2으로 감소하였을 때 1.6V에서의 전류 밀도가 1.33에서 0.67 A/cm2 로 감소하는 것을 보고하고 있다.For example, in Non-Patent Document 6, IrO 2 is loaded using a spraying method on the membrane during MEA production, and IrO 2 loading is 3.0 mg/cm 2 at 0.5 When reducing to mg/cm 2 , the current density at 1.6 V was 1.33 to 0.67 A/cm 2 is reported to decrease.

A. Marshall, S. Sunde, M. Tsypkin, R. Tunold, International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) 2320-2324.A. Marshall, S. Sunde, M. Tsypkin, R. Tunold, International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) 2320-2324. S. Song, H. Zhang, X. Ma, Z. Shao, R.T. Baker, B. Yi, International Journal of Hydrogen Energy 33 (2008) 4955-4961.S. Song, H. Zhang, X. Ma, Z. Shao, R.T. Baker, B. Yi, International Journal of Hydrogen Energy 33 (2008) 4955-4961. J. Cheng, H. Zhang, G. Chen, Y. Zhang, Electrochimica Acta 54 (2009) 6250-6256.J. Cheng, H. Zhang, G. Chen, Y. Zhang, Electrochimica Acta 54 (2009) 6250-6256. L. Ma, S. Sui, Y. Zhai, International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009) 678-684. L. Ma, S. Sui, Y. Zhai, International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009) 678-684. G. Wei, Y. Wang, C. Huang, Q. Gao, Z. Wang, L. Xu, International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 3951-3957.G. Wei, Y. Wang, C. Huang, Q. Gao, Z. Wang, L. Xu, International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 3951-3957. H. Su, B.J. Bladergroen, V. Linkov, S. Pasupathi, S. Ji, International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011) 15081-15088.H. Su, B.J. Bladergroen, V. Linkov, S. Pasupati, S. Ji, International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011) 15081-15088. E. Slavcheva, I. Radev, S. Bliznakov, G. Topalov, P. Andreev, E. Budevski, Electrochimica Acta 52 (2007) 3889-3894.E. Slavcheva, I. Radev, S. Bliznakov, G. Topalov, P. Andreev, E. Budevski, Electrochimica Acta 52 (2007) 3889-3894. V. Antonucci, A. Di Blasi, V. Baglio, R. Ornelas, F. Matteucci, J. Ledesma-Garcia, L.G. Arriaga, A.S.Arico, Electrochimica Acta 53 (2008) 7350-7356.V. Antonucci, A. Di Blasi, V. Baglio, R. Ornelas, F. Matteucci, J. Ledesma-Garcia, L. G. Arriaga, A. S. Arico, Electrochimica Acta 53 (2008) 7350-7356. Wu Xu, Keith Scotta, Suddhasatwa Basu, Journal of Power Sources 196 (2011) 8918-8924.Wu Xu, Keith Scotta, Suddhasatwa Basu, Journal of Power Sources 196 (2011) 8918-8924. V. Baglio, R.Ornelas, F.Matteucci, F.Martina, G.Ciccarella, I.Zama, L.G. Arriaga, V. Antonucci, A.S.Arico FUEL CELLS 09, 2009, No. 3, 247-252. V. Baglio, R. Ornelas, F. Matteucci, F. Martina, G. Ciccarella, I. Zama, L. G. Arriaga, V. Antonucci, A. S. Arico FUEL CELLS 09, 2009, No. 3, 247-252. Anita Skulimowska, Marc Dupont, Marta Zaton, Svein Sunde, Luca Merlo, Deborah J. Jones, Jacques Roziere, International Journal of Hydrogen Energy 39 (2014) 6307-6316.Anita Skulimowska, Marc Dupont, Marta Zaton, Svein Sunde, Luca Merlo, Deborah J. Jones, Jacques Roziere, International Journal of Hydrogen Energy 39 (2014) 6307-6316. David Aili, Martin Kalmar Hansen, Chao Pan, Qingfeng Li, Erik Christensen, Jens Oluf Jensen, Niels J. Bjerrum, International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011) 6985-6993.David Aili, Martin Kalmar Hansen, Chao Pan, Qingfeng Li, Erik Christensen, Jens Oluf Jensen, Niels J. Bjerrum, International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011) 6985-6993. Varagunapandiyan Natarajan, Suddhasatwa Basu, Keith Scott, International Journal of Hydrogen Energy 38 (2013) 16623-16630.Varagunapandiyan Natarajan, Suddhasatwa Basu, Keith Scott, International Journal of Hydrogen Energy 38 (2013) 16623-16630. Martin Kalmar Hansen, David Aili, Erik Christensen, Chao Pan, Soren Eriksen, Jens Oluf Jensen, Jens H. von Barner, Qingfeng Li, Niels J. Bjerrum, International Journal of Hydrogen Energy 37 (2012) 10992-11000. Martin Kalmar Hansen, David Aili, Erik Christensen, Chao Pan, Soren Eriksen, Jens Oluf Jensen, Jens H. von Barner, Qingfeng Li, Niels J. Bjerrum, International Journal of Hydrogen Energy 37 (2012) 10992-11000.

본 발명의 구현예들에서는, 일측면에서, 고분자 전해질 막 물 전기 분해의 애노드에 사용되는 IrO2 로딩량을 줄일 수 있으면서도 우수한 전류밀도 (우수한 물 전기 분해 성능)를 달성할 수 있는, 고분자 전해질 막 물 전기 분해용 애노드 및 그 제조 방법, 이를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치 및 방법을 제공한다.In embodiments of the present invention, in one aspect, a polymer electrolyte membrane capable of achieving excellent current density (excellent water electrolysis performance) while reducing the IrO 2 loading amount used for the anode of the polymer electrolyte membrane water electrolysis Provided are an anode for water electrolysis, a method for manufacturing the same, and an apparatus and method for water electrolysis using the same.

본 발명의 구현예들에서는, 다른 일측면에서, 고분자 전해질 막 물 전기 분해의 애노드에 적용 시 촉매 활성이 양호하고 탄소 부식을 줄일 수 있는 고분자 전해질 막 물 전기 분해용 애노드 및 그 제조 방법, 이를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치 및 방법을 제공한다.In embodiments of the present invention, in another aspect, an anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane capable of reducing carbon corrosion and having good catalytic activity when applied to the anode of water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, and a method for manufacturing the same, using the same A polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus and method are provided.

본 발명의 구현예들에서는, 다른 일측면에서, 제조 과정이 단순하며 제조 비용을 크게 절감할 수 있는, 고분자 전해질 막 물 전기 분해용 애노드 및 그 제조 방법, 이를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치 및 방법을 제공한다.In embodiments of the present invention, in another aspect, an anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane and a manufacturing method thereof, a polymer electrolyte membrane water electrolysis device using the same, and the manufacturing process is simple and the manufacturing cost can be greatly reduced provide a way

본 발명의 구현예들에서는, 친수성 다공성 탄소 재료에 IrO2 이 제공된, 특히 전해 도금으로 제공된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드를 제공한다.In embodiments of the present invention, IrO 2 in the hydrophilic porous carbon material It provides an anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, characterized in that provided, in particular, provided by electrolytic plating.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 친수성 다공성 탄소 재료에 IrO2 을 전해 도금하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드 제조 방법을 제공한다.In embodiments of the present invention, also in the hydrophilic porous carbon material IrO 2 It provides a method for producing an anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, characterized in that it comprises the step of electrolytic plating.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 고분자 전해질 막, 상기 막의 일측에 형성된 캐소드, 상기 막의 타측에 형성된 애노드를 포함하고, 상기 애노드는 친수성 다공성 탄소 재료 상에 IrO2 이 전해 도금된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 단일 셀 및 이를 포함하는 장치를 제공한다.In embodiments of the present invention, it also includes a polymer electrolyte membrane, a cathode formed on one side of the membrane, and an anode formed on the other side of the membrane, wherein the anode is IrO 2 on a hydrophilic porous carbon material. It provides a single cell water electrolysis polymer electrolyte membrane, characterized in that the electrolytic plating, and a device comprising the same.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 상기 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 방법을 제공한다.Embodiments of the present invention also provide a polymer electrolyte membrane water electrolysis method using the polymer electrolyte membrane water electrolysis device.

본 발명의 구현예들에 따르면, 고분자 전해질 막 물 전기 분해의 애노드에 사용되는 IrO2 로딩량을 낮출 수 있음에 따라 귀금속인 이리듐 사용 양을 줄일 수 있으면서도 우수한 전류 밀도(우수한 물 전기 분해 성능)을 나타낼 수 있다. 또한, 고분자 전해질 막 물 전기 분해의 애노드에 적용 시 양호한 촉매 활성을 나타낼 수 있으면서도 탄소 부식을 줄일 수 있다. 또한, 제조 과정이 종래와 대비하여 매우 단순하며 제조 비용을 크게 절감할 수 있다. According to embodiments of the present invention, the amount of IrO 2 used in the anode of the polymer electrolyte membrane water electrolysis can be lowered, so that the amount of use of iridium, a precious metal, can be reduced while providing excellent current density (excellent water electrolysis performance) can indicate In addition, when applied to the anode of the polymer electrolyte membrane water electrolysis, it can exhibit good catalytic activity and reduce carbon corrosion. In addition, the manufacturing process is very simple compared to the prior art, and the manufacturing cost can be greatly reduced.

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서, 전해 도금 용액(염화 이리듐 수화물 0.1M, 옥살산 0.04M, 과산화수소 0.01M) 및 pH가 조정된 물에서의 CP 전극에 대한 선형 전위 주사(LSV) 곡선[도 1a] 및 0.6 V, 0.7 V, 0.8 V 및 0.9 V의 일정 전위 하에서의 전해 도금 동안의 전류 밀도[도 1b]를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 있어서, 도금되지 않은 카본 페이퍼(bare carbon paper)의 SEM 이미지[도 2a], 전해 도금 전위에 따라 전해도금하여 제조된 IrO2/CP 전극의 SEM 이미지이다[도 2b (0.6V), 도 2c (0.7V), 도 2d (0.8V), 도 2e (0.9V)]. 참고로, IrO2/CP 전극에 대한 전해 도금 시간은 60초이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 있어서, 카본 페이퍼 상에 전해 도금된 IrO2의 Ir4f XPS (X-ray photoelectron spectra)를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 있어서, 1분 내지 30분의 다양한 전해 도금 시간에 대하여 0.7V에서 전해 도금하는 동안의 전류 밀도[도 4a] 및 전해 도금에 대해 전하의 함수(function of electric charge for electrodeposition)로서의 IrO2 양을 나타내는 그래프이다[도 4b].
도 5는 본 발명의 실시예에 있어서, 0.7 V에서 1분간[도 5a], 10분간[도 5b], 20분간[도 5c], 30분간[도 5d] 전해도금하여 제조된 IrO2/CP 전극의 SEM 이미지를 나타내는 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 있어서, 0.7 V에서 전해도금된 IrO2/CP 전극에 대하여, IrO2 로딩양(전해 도금 시간으로 표시)에 따른 함수로서 순환전위주사 (Cyclic voltammogram) 곡선[도 6a] 및 Ir(V) 피크 전류 감소[도 6b]를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서, IrO2/CP 애노드를 가지는 PEMWE 단일 셀의 분극 커브(polarization curves)를 나타낸다(E dep = 0.7 V; t dep = 1 ~ 30 min).
도 8은 본 발명의 실시예에 있어서, 1.45V에서의 전류 밀도 (폐쇄된 서클) 및 1.6V (오픈 서클)에서의 전류 밀도 [도 8a] 및 1.6V에서 애노드 로딩에 따른 질량당 활성(mass activity)을 나타내는 것이다[도 8b]. 도 8b에는 종래 문헌의 데이터들이 함께 표시되어 있다.
도 9는 본 실험 2에서의 실시예 및 비교예의 고온 수전해 성능을 나타내는 그래프이다. X축은 전류 밀도(Current Density; 단위 Acm- 2)를 나타내고 Y축은 전압(Voltage: 단위 V)을 나타낸다.
도 10은 본 실험 2에서 표 2의 결과를 그래프로 표시해 본 것이다. 도 10에서 X축은 로딩양 (단위: mg cm-2), Y축은 1.6V에서의 전류 밀도 (단위: A cm- 2)를 나타낸다. 도 10에는 종래 문헌의 데이터들이 함께 표시되어 있다.
1 is a linear potential scanning (LSV) curve for a CP electrode in an electrolytic plating solution (iridium chloride hydrate 0.1M, oxalic acid 0.04M, hydrogen peroxide 0.01M) and pH-adjusted water in an embodiment of the present invention [Fig. 1a] and a graph showing the current density [Fig. 1b] during electrolytic plating under constant potentials of 0.6 V, 0.7 V, 0.8 V and 0.9 V.
2 is an SEM image of a bare carbon paper that is not plated in Examples and Comparative Examples of the present invention [FIG. 2a], an SEM image of an IrO 2 /CP electrode prepared by electroplating according to the electrolytic plating potential; [Fig. 2b (0.6V), Fig. 2c (0.7V), Fig. 2d (0.8V), Fig. 2e (0.9V)]. For reference, the electrolytic plating time for the IrO 2 /CP electrode is 60 seconds.
3 is a graph showing Ir4f XPS (X-ray photoelectron spectra) of IrO 2 electrolytically plated on carbon paper in an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a function of electric charge for electroplating and current density during electroplating at 0.7 V for various electrolytic plating times from 1 minute to 30 minutes [ FIG. 4 a ] in an embodiment of the present invention; FIG. for electrodeposition) as a graph showing the amount of IrO 2 [Fig. 4b].
5 is IrO 2 /CP prepared by electroplating at 0.7 V for 1 minute [FIG. 5A], 10 minutes [FIG. 5B], 20 minutes [FIG. 5C], 30 minutes [FIG. 5D] in an embodiment of the present invention It shows the SEM image of the electrode.
Figure 6 is, in an embodiment of the present invention, IrO 2 /CP electrode electroplated at 0.7 V, IrO 2 Cyclic voltammogram curves [Fig. 6a] and Ir(V) peak current decrease [Fig. 6b] are shown as a function of loading amount (expressed as electroplating time).
7 shows the polarization curves of a PEMWE single cell having an IrO 2 /CP anode in an embodiment of the present invention ( E dep = 0.7 V; t dep = 1 ~ 30 min).
8 is a current density at 1.45V (closed circle) and 1.6V (open circle) in an embodiment of the present invention [ FIG. 8a ] and activity per mass as a function of anode loading at 1.6V (mass) activity) [Fig. 8b]. In FIG. 8B , data of the related art are also displayed.
9 is a graph showing the high-temperature water electrolysis performance of Examples and Comparative Examples in Experiment 2; The X-axis represents current density (unit Acm - 2 ) and the Y-axis represents voltage (Voltage: unit V).
10 is a graph showing the results of Table 2 in Experiment 2; In FIG. 10 , the X axis represents the loading amount (unit: mg cm −2 ), and the Y axis represents the current density at 1.6V (unit: A cm −2 ). In FIG. 10, data of the related art are also displayed.

이하 본 발명의 예시적인 구현예들을 상술한다.Exemplary embodiments of the present invention are detailed below.

본 발명자들은, 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치의 애노드 물질로서, 다공성 탄소 재료상에 IrO2 을 형성, 특히 전해 도금을 통해 형성한 재료를 사용함으로써, IrO2 로딩량을 줄여 귀금속인 이리듐 사용 함량을 현저히 줄이면서도 우수한 전류 밀도(우수한 물 전기 분해 성능)를 달성할 수 있음을 확인하였다.The present inventors, as an anode material of a polymer electrolyte membrane water electrolysis device, IrO 2 on a porous carbon material By using a material formed through the formation of, in particular, electrolytic plating, IrO 2 It was confirmed that it was possible to achieve excellent current density (excellent water electrolysis performance) while significantly reducing the content of iridium, a precious metal, by reducing the loading amount.

이에 본 발명의 구현예들에서는, 일 측면에서, 친수성 다공성 탄소 재료에 IrO2 이 제공된(존재하는) 특히 전해 도금(electrodeposition)으로 제공된(존재하는) 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드를 제공한다.Accordingly, in embodiments of the present invention, in one aspect, a hydrophilic porous carbon material is provided with IrO 2 (present), in particular, an anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, characterized in that it is provided (present) by an electrolytic plating (electrodeposition) provides

친수성 다공성 탄소 재료에 IrO2 이 전해 도금되는 경우 해당 다공성 탄소 재료에 IrO2 형성을 위한 다른 제조 방법(예컨대, 스프레이 방법이나 데칼 방법 등)을 사용한 경우와는 구별되는 전해 도금 특유의 성상(또는 몰폴로지) 내지 구조를 가지게 된다.IrO 2 in hydrophilic porous carbon material IrO 2 on the corresponding porous carbon material if it is electrolytically plated It has a characteristic (or morphology) or structure of electrolytic plating that is distinct from the case of using other manufacturing methods (eg, a spray method or a decal method) for formation.

즉, 다공성 탄소 재료에 IrO2 을 전해 도금에 의하여 형성하게 되면, IrO2 입자(예컨대 구형 입자)가 형성되기 시작하면서 다공성 탄소 재료 표면에 IrO2 입자가 생성되어 필름 형태로 성장하여 다공성 탄소 재료 표면이 IrO2 층(또는 IrO2 필름으로도 표현될 수 있다)으로 커버(즉, 표면 피복)되고, 전해 도금에 따라 더 형성된 IrO2 입자가 해당 IrO2 층에 부착(또는 deposit)된 형태(구조)를 가지게 된다.That is, IrO 2 in the porous carbon material When formed by electroplating, IrO 2 IrO 2 on the surface of the porous carbon material as particles (eg spherical particles) begin to form. Particles are generated and grown in the form of a film, so that the surface of the porous carbon material is IrO 2 layer (or IrO 2 It can also be expressed as a film) covered with (ie, surface coating), and the IrO 2 particles further formed by electroplating are the corresponding IrO 2 It has a form (structure) attached (or deposited) to the layer.

따라서, 예시적인 구현예에서, 전해 도금에 의하여 제조된 고분자 전해질 막 물 전기 분해용 애노드는, 탄소 재료 표면이 IrO2 층으로 커버되고, 해당 IrO2 층에는 IrO2 입자가 부착(또는 deposit)된 구조로 표현될 수 있다. Therefore, in an exemplary embodiment, the anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane prepared by electrolytic plating has a carbon material surface of IrO 2 covered with a layer, the corresponding IrO 2 IrO 2 in the layer It can be expressed as a structure in which particles are attached (or deposited).

예시적인 구현예에서, 상기 IrO2 층의 두께는 0.01~1㎛, 바람직하게는 10 ~ 210 nm이고, 더욱 바람직하게는 70 ~ 210 nm이며, IrO2 입자 사이즈는 0.1~3㎛, 바람직하게는 0.25 ~ 1.2 ㎛이다. In an exemplary embodiment, the IrO 2 The thickness of the layer is 0.01-1 μm, preferably 10-210 nm, more preferably 70-210 nm, IrO 2 The particle size is 0.1 to 3 μm, preferably 0.25 to 1.2 μm.

예시적인 구현예에서, 상기 다공성 탄소 재료 상의 IrO2 로딩 양은 0.01 ~ 1.00 mg cm-2 또는 0.01 ~ 0.54 mg cm-2일 수 있다.In an exemplary embodiment, IrO 2 on the porous carbon material The loading amount may be 0.01 to 1.00 mg cm -2 or 0.01 to 0.54 mg cm -2 .

한편, 촉매 활성 표면적을 높이기 위하여 탄소 재료는 다공성 재료를 사용한다. 또한, 수용액 기반 전해 도금 공정을 적용하므로 상기 다공성 탄소 재료는 친수성을 가지도록 한다. 예시적인 구현예에서, 상기 다공성 탄소 재료는 바람직하게는 카본 섬유로 이루어진 카본 페이퍼이다. On the other hand, in order to increase the catalytically active surface area, a porous material is used as the carbon material. In addition, since an aqueous solution-based electrolytic plating process is applied, the porous carbon material has hydrophilicity. In an exemplary embodiment, the porous carbon material is carbon paper, preferably composed of carbon fibers.

예시적인 구현예에서, 상기 IrO2 층이 다공성 탄소 재료의 표면을 커버하는 것이되, 다공성 탄소 재료가 노출되지 않도록 커버하는 것이 바람직하다. 즉, 바람직한 애노드 구조는 친수성 다공성 탄소 재료 표면을 IrO2 층이 커버하되 탄소 재료 노출이 없는 구조(carbon exposure free structure)이다. In an exemplary embodiment, the IrO 2 The layer covers the surface of the porous carbon material, but preferably covers such that the porous carbon material is not exposed. That is, the preferred anode structure is the IrO 2 surface of the hydrophilic porous carbon material. It is a structure that is covered by a layer but has no carbon exposure free structure.

예시적인 구현예에서, 상기 IrO2 층이 다공성 탄소 재료 표면을 커버하는 것이고, IrO2 층은 크랙이 없는(crack free) 구조를 가지는 것이 바람직하다. 즉, 바람직한 애노드 구조는 친수성 다공성 탄소 재료 표면을 IrO2 층이 커버하되 IrO2 층은 크랙이 없는 구조(crack free structure)이다. In an exemplary embodiment, the IrO 2 the layer covers the surface of the porous carbon material, and IrO 2 The layer preferably has a crack free structure. That is, the preferred anode structure is the IrO 2 surface of the hydrophilic porous carbon material. layer to cover but IrO 2 The layer is a crack free structure.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 다른 일 측면에서, 친수성 다공성 탄소 재료에 IrO2 을 전해 도금하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드 제조 방법을 제공한다.In embodiments of the present invention, in another aspect, the hydrophilic porous carbon material IrO 2 It provides a method for producing an anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, characterized in that it comprises the step of electrolytic plating.

예시적인 구현예에서, 다공성 탄소 재료 상에 전해 도금 시, 도금 전압 및 도금 시간 중 하나 이상을 조절할 수 있다.In an exemplary embodiment, when electrolytic plating on the porous carbon material, at least one of a plating voltage and a plating time may be adjusted.

예시적인 구현예에서, 상기 도금 전압은 0.6 내지 0.9 V가 바람직하다. 또한, 상기 도금 시간은 1 분 내지 30 분이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the plating voltage is preferably 0.6 to 0.9 V. In addition, the plating time is preferably 1 to 30 minutes.

한편, 본 발명의 구현예들에서는, 다른 일 측면에서, 고분자 전해질 막, 상기 막의 일측에 형성된 캐소드, 상기 막의 타측에 형성된 애노드를 포함하고, 상기 애노드는 다공성 탄소 재료 상에 IrO2 이 제공된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치를 제공한다.On the other hand, in embodiments of the present invention, in another aspect, a polymer electrolyte membrane, a cathode formed on one side of the membrane, and an anode formed on the other side of the membrane, wherein the anode is IrO 2 on a porous carbon material It provides a polymer electrolyte membrane water electrolysis device, characterized in that provided.

예시적인 구현예에서, 상기 IrO2 전기 도금된 다공성 탄소 재료(예컨대, 상기한 바와 같은 카본 페이퍼)로 된 애노드를 고분자 전해질 막(예컨대, 나피온 막)의 일측에 형성하고 타측에 캐소드(상용 캐소드를 사용할 수 있다. 예컨대, 카본 페이퍼 상에 백금을 스프레이하여 형성한 Pt/C)을 형성하여 막 전극 접합체를 제조하고, 이에 바이폴라 플레이트를 결합하고, 엔드 플레이트를 장착하여 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치(셀)을 제조할 수 있다.In an exemplary embodiment, an anode made of the IrO 2 electroplated porous carbon material (eg, carbon paper as described above) is formed on one side of a polymer electrolyte membrane (eg, Nafion membrane) and a cathode (commercial cathode) on the other side For example, a membrane electrode assembly is prepared by forming Pt/C) formed by spraying platinum on carbon paper, a bipolar plate is coupled thereto, and an end plate is mounted to a polymer electrolyte membrane water electrolysis device (cell) can be produced.

예시적인 구현예에서, 상기 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치는 작은 촉매량 (작은 IrO2 로딩양)으로도 고성능을 달성할 수 있다. In an exemplary embodiment, the polymer electrolyte membrane water electrolysis device has a small catalytic amount (small IrO 2 loading) can achieve high performance.

예컨대, IrO2 로딩양이 0.01~1.00 mg cm-2 바람직하게는 0.01 ~ 0.54 mg cm- 2 일 때, 1.6 V, 90℃, 1.0~700bar(또는 예컨대 1.0~50bar 또는 1.0~30bar 또는 1.0~2.5bar) 에서 0.33 A cm-2 ~ 1.6 A cm-2의 전류 밀도를 나타낼 수 있다. 이 경우 캐소드 및 막은 통상적인 캐소드(예컨대 Pt/C: 캐소드 촉매량도 통상적인 촉매량 예컨대, 0.4mg/cm2일 수 있다) 및 막(나피온)을 사용할 수 잇다.For example, IrO 2 When the loading amount is 0.01 to 1.00 mg cm -2 preferably 0.01 to 0.54 mg cm -2 , 0.33 at 1.6 V, 90° C., 1.0 to 700 bar (or, for example, 1.0 to 50 bar or 1.0 to 30 bar or 1.0 to 2.5 bar) It can represent a current density of A cm -2 to 1.6 A cm -2 . In this case, as the cathode and the membrane, a conventional cathode (eg, Pt/C: the cathode catalytic amount may also be a conventional catalytic amount, eg, 0.4 mg/cm 2 ) and a membrane (Nafion) may be used.

또는, 애노드 IrO2 로딩양이 0.01~1.00 mg cm-2 바람직하게는 0.01 ~ 0.54 mg cm-2 일 때, 1.6 V, 120℃, 1.0 ~ 700 bar(또는 예컨대 1.0~50bar 또는 1.0~30bar 또는 1.0~2.5bar) 에서 1.5 A cm-2 ~ 2.5 A cm-2의 전류 밀도를 나타낼 수 있다. 이 경우 캐소드 및 막은 통상적인 캐소드(예컨대 Pt/C: 캐소드 촉매량도 통상적인 촉매량 예컨대, 0.4mg/cm2일 수 있다) 및 막(나피온)을 사용할 수 있다.or, anode IrO 2 When the loading amount is 0.01 to 1.00 mg cm -2 preferably 0.01 to 0.54 mg cm -2 , at 1.6 V, 120° C., 1.0 to 700 bar (or, for example, 1.0 to 50 bar or 1.0 to 30 bar or 1.0 to 2.5 bar) It can represent a current density of 1.5 A cm -2 to 2.5 A cm -2 . In this case, as the cathode and the membrane, a conventional cathode (eg, Pt/C: the cathode catalytic amount may also be a conventional catalytic amount, eg, 0.4 mg/cm 2 ) and a membrane (Nafion) may be used.

이와 같이 본 발명의 구현예들의 애노드가 작은 촉매량으로도 고성능을 보이는 특징은 상기 온도 뿐만 아니라 더 낮은 저온, 혹은 더 높은 고온의 다양한 온도에서 발현될 수 있다.As such, the characteristic that the anode of the embodiments of the present invention exhibits high performance even with a small catalytic amount can be expressed at various temperatures of a lower low temperature or a higher high temperature as well as the above temperature.

예시적인 구현예에서, 상기 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치는 애노드 IrO2 로딩양이 0.01~1.00 mg cm-2 바람직하게는 0.01 ~ 0.54 mg cm- 2 일 때, 1.6 V, 90℃, 1.0~700bar(또는 예컨대 1.0~50bar 또는 1.0~30bar 또는 1.0~2.5bar) 에서 74.7~0.64 A mg-1의 질량당 활성(mass activity; MA)를 나타낼 수 있다. 이 경우 캐소드 및 막은 통상적인 캐소드(예컨대 Pt/C: 캐소드 촉매량도 통상적인 촉매량 예컨대, 0.4mg/cm2일 수 있다) 및 막(나피온)을 사용할 수 있다.In an exemplary embodiment, the polymer electrolyte membrane water electrolysis device is anode IrO 2 When the loading amount is 0.01 ~ 1.00 mg cm -2 preferably 0.01 ~ 0.54 mg cm -2 , 1.6 V, 90 ℃, 1.0 ~ 700 bar (or, for example, may exhibit a mass activity (MA) of 74.7 to 0.64 A mg -1 at 1.0 to 50 bar or 1.0 to 30 bar or 1.0 to 2.5 bar). In this case, as the cathode and the membrane, a conventional cathode (eg, Pt/C: the cathode catalytic amount may also be a conventional catalytic amount, eg, 0.4 mg/cm 2 ) and a membrane (Nafion) may be used.

또한, 애노드 IrO2 로딩양이 0.01~1.00 mg cm-2 바람직하게는 0.01 ~ 0.54 mg cm-2 일 때, 1.6 V, 120℃, 1.0 bar ~ 700 bar (또는 예컨대 1.0~50bar 또는 1.0~30bar 또는 1.0~2.5bar) 에서 3.2 A mg-1 ~ 117 A mg-1의 질량 당 활성을 나타낼 수 있다. 이 경우 캐소드 및 막은 통상적인 캐소드(예컨대 Pt/C: 캐소드 촉매량도 통상적인 촉매량 예컨대, 0.4mg/cm2일 수 있다) 및 막(나피온)을 사용할 수 있다.In addition, the anode IrO 2 When the loading amount is 0.01 to 1.00 mg cm -2 preferably 0.01 to 0.54 mg cm -2 , 1.6 V, 120° C., 1.0 bar to 700 bar (or, for example, 1.0 to 50 bar or 1.0 to 30 bar or 1.0 to 2.5 bar) can exhibit an activity per mass of 3.2 A mg -1 to 117 A mg -1 in In this case, as the cathode and the membrane, a conventional cathode (eg, Pt/C: the cathode catalytic amount may also be a conventional catalytic amount, eg, 0.4 mg/cm 2 ) and a membrane (Nafion) may be used.

또한, 본 발명의 구현예들에서는, 다른 일 측면에서, 상기 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치를 이용한 고분자 전해질 막 물 전기 분해 방법을 제공한다.In addition, in embodiments of the present invention, in another aspect, there is provided a method for electrolysis of water for a polymer electrolyte membrane using the water electrolysis device for a polymer electrolyte membrane.

이하, 실시예 및 실험을 통하여 더욱 상세히 설명하지만, 이하에 기재된 내용에 본 발명이 한정되지 않는다.Hereinafter, it will be described in more detail through examples and experiments, but the present invention is not limited to the contents described below.

[실험 1][Experiment 1]

애노드anode 전해 도금( electroplating ( anodicanodic electrodepositionelectrodeposition )을 통한 )through IrOIrO 22 // CPCP 제조 Produce

전해 도금 액을 준비하고자, 0.1M 염화 이리듐 수화물[iridium chloride hydrate (IrCl4·H2O)]을 탈이온수 (DI water)에 넣어 용해하고 30분간 자력 교반기에 넣어 교반/혼합하였다. 이어서 옥살산 ((COOH)2·2H2O: 5 g L-1) 및 과산화수소 (35% H2O2: 10 g L-1)를 첨가하고 얻어진 용액을 10분간 혼합하였다. 무수 포타슘 카보네이트(anhydrous potassium carbonate)를 첨가하여 용액의 pH를 10.5로 조정한 후, 전해 도금 용액(electrodeposition solution)을 교반 상태에서 안정화되도록 3일간 교반하였다.To prepare an electrolytic plating solution, 0.1M iridium chloride hydrate [iridium chloride hydrate (IrCl 4 ·H 2 O)] was dissolved in deionized water (DI water) and stirred/mixed in a magnetic stirrer for 30 minutes. Then oxalic acid ((COOH) 2 ·2H 2 O: 5 g L -1 ) and hydrogen peroxide (35% H 2 O 2 : 10 g L -1 ) were added, and the resulting solution was mixed for 10 minutes. After adjusting the pH of the solution to 10.5 by adding anhydrous potassium carbonate, the electrodeposition solution was stirred for 3 days to be stabilized under stirring.

삼극 전기화학 셀(three-electrode electrochemical cell)을 이용하여 애노드 전해 도금(anodic electrodeposition)을 수행하였다. 해당 삼극 전기화학 셀에서는 SIGNADUR® 글래시 탄소 로드 전극[glassy carbon rod electrode (diameter: 4 mm, HTW Germany)] 및 포화 카로멜 전극(SCE, Hanna instruments Ltd.)이 카운터 전극 및 레퍼런스 전극으로 각각 사용되었다. 다공성 탄소 재료인 카본 페이퍼(Carbon Paper; CP)(두께: 280 um, TGPH-090, Toray Inc.)를 전해 도금 셀의 바닥에 놓았다. An anodic electrodeposition was performed using a three-electrode electrochemical cell. In this tripolar electrochemical cell, a SIGNADUR® glassy carbon rod electrode (diameter: 4 mm, HTW Germany) and a saturated caramel electrode (SCE, Hanna instruments Ltd.) were used as counter and reference electrodes, respectively. became A porous carbon material, Carbon Paper (CP) (thickness: 280 um, TGPH-090, Toray Inc.) was placed on the bottom of the electrolytic plating cell.

일정 전위기 장비(potentiostat instrument)(AUT302N, AUTO LAB Ltd.)로 알루미늄 박을 통해 카본 페이퍼 상에 도금 전위를 가하였다. 선형 전위 주사[Linear sweep voltammetry (LSV)]를 0.2V 내지 1.4V 범위에서 도금 용액 중에 수행하였고, 스캔 속도는 50 mV s-1였다. IrO2 전해 도금을 일정 전위 (0.6 V ~ 0.9 V)를 가하여 다양한 도금 시간(1~30 min) 동안 수행하였다. A plating potential was applied on the carbon paper through an aluminum foil with a potentiostat instrument (AUT302N, AUTO LAB Ltd.). Linear sweep voltammetry (LSV) was performed in the plating solution in the range of 0.2V to 1.4V, and the scan rate was 50 mV s −1 . IrO 2 Electrolytic plating was performed for various plating times (1 to 30 min) by applying a constant potential (0.6 V to 0.9 V).

IrOIrO 22 // CPCP 전극 특성 분석 Electrode Characterization

0.1M HClO4 용액 중에서 -0.5V 내지 1.5V 범위에서 5 mV s-1 스캔 속도로 순환전위주사 [Cyclic voltammetry (CV)] (AUT302N, AUTO LAB Ltd.)를 수행하였다. Cyclic voltammetry (CV) at a scan rate of 5 mV s -1 in the range of -0.5V to 1.5V in 0.1M HClO 4 solution [Cyclic voltammetry (CV)] (AUT302N, AUTO LAB Ltd.) was performed.

IrO2/CP 전극의 몰폴로지와 성분 조성을 주사 전자 현미경(SEM, S-4100, Hitachi Ltd.) 및 유도 커플 플라즈마 매스 스팩트로스코피 [inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS, iCAP 6300 series, Thermo Ltd)]로 각각 분석하였다. 또한, 도금 조성(composition of deposits)을 Al Kα(1486.6 eV) 방사선을 사용하는 X-레이 광전자 스펙트로스코피 (XPS, PHI 5000 VersaProbe, Ulvac-PHI Ltd.)로 분석하였다. The morphology and composition of the IrO 2 /CP electrode were analyzed by scanning electron microscopy (SEM, S-4100, Hitachi Ltd.) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS, iCAP 6300 series, Thermo Ltd)], respectively. In addition, the composition of deposits was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, PHI 5000 VersaProbe, Ulvac-PHI Ltd.) using Al Kα (1486.6 eV) radiation.

IrOIrO 22 // CPCP 전극을 이용한 using an electrode PEMWEPEMWE 단일 셀 테스트 single cell test

GDL (두께: 280 um, 5% PTFE, 10 BC, SGL group) 을 가지는 IrO2/CP 애노드 및 Pt/C 캐소드를 나피온 212 막(두께: 50 um, DuPont co.).의 양 측에 놓아 고분자 전해질 막 물 전기 분해(PEMWE) 단일 셀을 제조하였다. IrO 2 /CP anode and Pt/C cathode with GDL (thickness: 280 um, 5% PTFE, 10 BC, SGL group) were placed on both sides of a Nafion 212 membrane (thickness: 50 um, DuPont co.). Polyelectrolyte membrane water electrolysis (PEMWE) single cells were fabricated.

Pt/C 양극(cathodes)은 10 BC (SGL carbon Ltd.) 상에 촉매 잉크를 스프레이로 뿌려서 제조하였다. 해당 촉매 잉크는 46.3 % Pt/C (TKK) 및 탈이온수를 혼합하고 이소프로판올 알코올 및 5wt% 나피온 이오노머(DuPont co.)를 첨가하여 제조하였다.Pt/C cathodes were prepared by spraying catalyst ink on 10 BC (SGL carbon Ltd.). The catalyst ink was prepared by mixing 46.3% Pt/C (TKK) and deionized water, and adding isopropanol alcohol and 5wt% Nafion ionomer (DuPont co.).

활성 면적은 4 cm2 이고, 캐소드 측에서의 Pt 로딩을 0.4 mg cm-2로 고정하였다. 셀 조합 후, 셀 온도를 90℃로 증가시키고 물 전기 분해(water electrolysis)에 대한 분극 곡선(polarization curve)을 측정하였다(HCP-803, Biologics Ltd.). 미리 가열된 탈이온수를 애노드 측에 주입하였고(15 mL min-1), 1.35V 에서 2.0V 까지 (0.05V 간격)의 다양한 셀 전위에서 전류가 안정화되었다. The active area was 4 cm 2 , and the Pt loading on the cathode side was fixed at 0.4 mg cm -2 . After cell combination, the cell temperature was increased to 90° C. and the polarization curve for water electrolysis was measured (HCP-803, Biologics Ltd.). Pre-heated deionized water was injected into the anode side (15 mL min −1 ), and the current was stabilized at various cell potentials from 1.35V to 2.0V (0.05V interval).

결과 및 논의Results and discussion

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서, 전해 도금 용액(염화 이리듐 수화물 0.1M, 옥살산 0.04M, 과산화수소 0.01M) 및 pH가 조정된 물에서의 CP 전극에 대한 선형전위주사(LSV) 곡선[도 1a] 및 0.6 V, 0.7 V, 0.8 V 및 0.9 V의 일정 전위 하에서의 전해 도금 동안의 전류 밀도[도 1b]를 나타내는 그래프이다.1 is a linear potential scanning (LSV) curve [Fig. 1a] and a graph showing the current density [Fig. 1b] during electrolytic plating under constant potentials of 0.6 V, 0.7 V, 0.8 V and 0.9 V.

도 1a를 참조하면, 전극 전위가 0V (스캔 속도: 50 mV s- 1)에서 애노드쪽으로 전위주사(anodically swept) 될 때, 약 0.3 V 에서 나타난 애노드 전류는 분극되면서 서서히 감소하였고, 약 0.8 V에서 급속히 증가하였다. 전해 도금 용액에서, 애노드 전류는 이리듐 착화합물(Ir complex compound) 내의 리간드(ligand)의 전기화학적 산화(electrochemical oxidation)에 기인한다. 이에 따라 CO2 및 IrO2가 형성되고 전해 도금된 IrO2의 OER (oxygen evolution reaction, 이하 OER로 칭할 수 있다)이 나타난다. 유사한 pH (pH=10.5)를 가지는 물의 경우, 별다른 전류는 관찰되지 않았다.Referring to FIG. 1a, when the electrode potential was anodically swept toward the anode at 0 V (scan speed: 50 mV s −1 ) , the anode current shown at about 0.3 V was polarized and gradually decreased, and at about 0.8 V increased rapidly. In an electrolytic plating solution, the anode current is due to electrochemical oxidation of a ligand in an Ir complex compound. Accordingly, CO 2 and IrO 2 are formed, and OER (oxygen evolution reaction, hereinafter may be referred to as OER) of the electrolytically plated IrO 2 appears. For water with a similar pH (pH=10.5), no significant current was observed.

참고로, 아래 반응식 1은 전해 도금 시의 CO2 및 IrO2 형성 반응을 나타낸다.For reference, Scheme 1 below shows CO 2 and IrO 2 during electroplating represents a formation reaction.

[반응식 1][Scheme 1]

[Ir(COO)2(OH)4]2- -> IrO2 + 2CO2 + 2H2O + 2e- [Ir(COO) 2 (OH) 4 ] 2- -> IrO 2 + 2CO 2 + 2H 2 O + 2e -

애노드 전기도금(anodic electrodeposition)을 다양한 전해 도금 전위[(E dep ) (0.6 ~ 0.9 V)]에서 60초 동안 수행하였다. Anode electroplating (anodic electrodeposition) was performed for 60 seconds at various electrolytic plating potentials [( E dep ) (0.6 ~ 0.9 V)].

도 1b에 도시된 바와 같이, 더 양(positive)의 전위 (즉, 더 큰 애노드 오버 포텐셜)에서 전류 밀도가 서서히 감소하였다: 60초 후 전류 밀도는 0.2 mA cm-2 (0.6 V) -> 1.2 mA cm-2 (0.7 V) -> 2.5 mA cm-2 (0.8 V) -> 3.8 mA cm-2 (0.9 V)이었다. 그러나, 산소 발생(oxygen evolution)도 해당 전위 범위에서 발생하면서 각 도금 전위에서의 전류 밀도[또는 애노드 전류(anodic charge)]는 IrO2의 양과는 직접적으로 상관(correlated) 되지 않았다. As shown in FIG. 1B , at more positive potentials (ie, greater anode over potential) the current density decreased slowly: after 60 seconds the current density was 0.2 mA cm −2 (0.6 V) -> 1.2 mA cm -2 (0.7 V) -> 2.5 mA cm -2 (0.8 V) -> 3.8 mA cm -2 (0.9 V). However, while oxygen evolution also occurred in the corresponding potential range, the current density (or anodic charge) at each plating potential was not directly correlated with the amount of IrO 2 .

OER이 또한 현저할 때는, 생성된 산소 버블이 전해 도금된 IrO2의 표면을 블록(block)할 수 있고 심지어 물리적으로 IrO2 박막으로부터 분리될 것으로 예상된다.When OER is also significant, it is expected that the generated oxygen bubbles may block the surface of the electrolytically plated IrO 2 and even physically separate from the IrO 2 thin film.

도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 있어서, 도금되지 않은 카본 페이퍼(bare carbon paper)(비교예)의 SEM 이미지[도 2a], 전해 도금 전위에 따라 전해도금하여 제조된 IrO2/CP 전극의 SEM 이미지이다[도 2b (0.6V), 도 2c (0.7V), 도 2d (0.8V), 도 2e (0.9V)]. 참고로, IrO2/CP 전극에 대한 전해 도금 시간은 60초이다.2 is an SEM image of an unplated bare carbon paper (comparative example) in Examples and Comparative Examples of the present invention [Fig. 2a], IrO 2 /CP prepared by electroplating according to the electrolytic plating potential SEM images of the electrodes [Fig. 2b (0.6V), Fig. 2c (0.7V), Fig. 2d (0.8V), Fig. 2e (0.9V)]. For reference, the electrolytic plating time for the IrO 2 /CP electrode is 60 seconds.

도 2를 참조하면, CP의 초기 표면 몰폴로지(도 2a 참조)와 대비하여, 0.6V 도금 전위에서의 몰폴로지 변화(morphological changes)는 현저하지 않았고 (도 2b 참조), 적은 수의 IrO2 흡착 입자(adsorbed particles)들만이 관찰되었다. 관련하여, 예컨대 스프레이 방식을 사용한다면 이미 만들어진 IrO2 입자들이 분산되는 방식이겠지만, 도금 방식을 사용하게 되면, 특정 전위에서 IrO2가 도금 용액에서 분리되어 다공성 탄소 재료 표면에 흡착 입자로 생성되고 도금 전위 증가에 의하여 이러한 흡착 입자가 더 성장하여 필름 형태를 이루게 된다. Referring to FIG. 2 , compared to the initial surface morphology of CP (see FIG. 2a ), morphological changes at 0.6V plating potential were not significant (see FIG. 2b ), and a small number of IrO 2 Only adsorbed particles were observed. In this regard, if, for example, a spray method is used, the already prepared IrO 2 Although it is a method in which the particles are dispersed, when the plating method is used, IrO 2 is separated from the plating solution at a specific potential and generated as adsorbed particles on the surface of the porous carbon material. will achieve

전해 도금 전위가 0.7V로 증가할 때(도 2c), IrO2 도금 양도 크게 증가하였고, 이는 도금 전위가 0.6V에서 0.7V로 증가할 때의 현저한 전류 증가와 부합한다. 애노드 전위 0.8V의 경우(도 2d), IrO2 커버 부분의 몰폴로지는 0.7V의 경우와 유사하였지만, 전해 도금된 IrO2 층에서 많은 수의 크랙이 관찰되었다. 비록 전체 전류 밀도가 가장 높았지만, 도금 전위가 0.9V로 증가할 때는 IrO2 입자들의 표면 커버리지는 거의 감소하였다(도 2e 참조). 이는 급속한 산소 발생(rapid oxygen evolution)에 의하여 IrO2 도금이 거의 방해 되었음을 의미한다. 즉, IrO2 도금 반응과 산소 발생 반응이 함께 일어나게 되는데, 전위가 0.9 V로 증가하게 되면 두 반응 모두 빨라지기는 하지만, 산소 발생 반응이 더욱 급격히 빨라지게 된다. 이에 따라, 산소 기포 발생이 매우 격렬하게 되어, IrO2가 도금되어야 할 표면을 차단하고, 아울러 이미 도금된 IrO2 에 물리적 충격을 가하여 전극으로부터 떨어져 나가는 두 가지 현상이 발생하는 것으로 생각된다. When the electroplating potential increases to 0.7 V (Fig. 2c), IrO 2 The plating amount also increased significantly, which coincides with a significant increase in current when the plating potential increased from 0.6V to 0.7V. In the case of an anode potential of 0.8V ( FIG. 2d ), the morphology of the IrO 2 cover portion was similar to that of 0.7 V, but the electrolytically plated IrO 2 A large number of cracks were observed in the layer. Although the overall current density was the highest, when the plating potential was increased to 0.9 V, IrO 2 The surface coverage of the particles was almost reduced (see Fig. 2e). This means that the IrO 2 plating was almost interrupted by the rapid oxygen evolution. That is, the IrO 2 plating reaction and the oxygen evolution reaction occur together. When the potential is increased to 0.9 V, both reactions are accelerated, but the oxygen evolution reaction is more rapidly accelerated. Accordingly, the generation of oxygen bubbles becomes very intense, and IrO 2 blocks the surface to be plated, and also applies a physical impact to the already plated IrO 2 , which is thought to occur in two phenomena of separation from the electrode.

한편, 여기서 전체 전류 밀도가 가장 높은 이유는, 부반응인 OER이 약 0.61V (pH 10.5 기준)부터 시작되고 전압이 커지면 이 반응이 증가하게 되므로 결국 전압 증가에 의해 도금 전류 보다 부반응인 OER이 점점 커져서 전류 밀도가 증가했기 때문이다. On the other hand, the reason why the total current density is highest here is that the side reaction OER starts from about 0.61V (based on pH 10.5) and this reaction increases as the voltage increases. This is because the current density increased.

0.7V에서 5분간 전해 도금에 의하여 제조된 샘플에 대하여, XPS 분석을 수행하였고, Ir4f 의 바인딩 에너지 영역을 도 3에 표시하였다.For the sample prepared by electroplating at 0.7V for 5 minutes, XPS analysis was performed, and the binding energy region of Ir4f is shown in FIG. 3 .

도 3은 본 발명의 실시예에 있어서, 카본 페이퍼 상에 전해 도금된 IrO2의 Ir4f XPS (X-ray photoelectron spectra)를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing Ir4f XPS (X-ray photoelectron spectra) of IrO 2 electrolytically plated on carbon paper in an embodiment of the present invention.

메이저 피크들이 65.4eV 및 62.5eV의 바인딩 에너지 주위에서 관찰되었고, 이는 4f5 /2 및 4f7 /2로 각각 할당되었다. 피크 위치로부터, 전해 도금에 의해 생성된 도금이 IrO2 임을 확인할 수 있었다. 참고로, IrO2 의 Ir4f7 /2 는 62.0 ~ 63.7 eV 에서 나타나고, Ir 금속은 60.6 eV 및 61.0 eV 에서 나타난다.Major peaks were observed around binding energies of 65.4 eV and 62.5 eV, assigned to 4f 5 /2 and 4f 7 /2 , respectively. From the peak position, it was confirmed that the plating produced by the electrolytic plating was IrO 2 . For reference, Ir4f 7 /2 of IrO 2 appears at 62.0 ~ 63.7 eV, and Ir metal appears at 60.6 eV and 61.0 eV.

E dep 를 0.7V에서 고정하고, 도금 시간(t dep )에 따른 효과를 관찰하였다(1분 ~ 30 분). E dep was fixed at 0.7V, and the effect according to the plating time ( t dep ) was observed (1 min to 30 min).

도 4는 본 발명의 실시예에 있어서, 1분 내지 30분의 다양한 전해 도금 시간에 대하여 0.7V에서 전해 도금하는 동안의 전류 밀도[도 4a] 및 전해 도금에 대해 전하의 함수(function of electric charge for electrodeposition)로서의 IrO2 양을 나타내는 그래프이다[도 4b]. FIG. 4 is a function of electric charge for electroplating and current density during electroplating at 0.7 V for various electrolytic plating times from 1 minute to 30 minutes [ FIG. 4 a ] in an embodiment of the present invention; FIG. for electrodeposition) as a graph showing the amount of IrO 2 [Fig. 4b].

도 4a를 참조하면, 전해 도금이 재생될 수 있음을 보여준다. 애노드 전류 밀도(anodic current density)는 초기에 증가하였고 5분 후 약 1.5 mA cm-2에서 안정화되었다.Referring to Figure 4a, it is shown that the electrolytic plating can be regenerated. The anodic current density initially increased and stabilized at about 1.5 mA cm -2 after 5 minutes.

다양한 도금 시간 동안 CP 상에 도금된 촉매 양을 ICP로 분석하였고, 이에 따른 IrO2로딩 양을 누적 전하 밀도(integrated electric charge density)의 함수로 플롯팅하였다(도 4b 참조).The amount of catalyst plated on CP during various plating times was analyzed by ICP, and the corresponding IrO 2 loading was plotted as a function of integrated electric charge density (see FIG. 4b ).

도금 시간이 증가함에 따라서, 로딩 양은 거의 선형적으로 증가하여 0.541 mg cm-2 (t dep = 30 min)에 이르렀다.As the plating time increased, the loading amount increased almost linearly, reaching 0.541 mg cm −2 ( t dep = 30 min).

애노드 전류는 IrO2를 형성하는데만 사용되었고, 전하(electric charge)에 대한 IrO2로딩 기울기(slope in IrO2 loading vs. electric charge)는 0.181 C mg- 1 정도로 예상되었다.The anode current was used only to form IrO 2 , and the IrO 2 loading slope with respect to electric charge (electric charge) (slope in IrO 2 ) loading vs. electric charge) was expected to be about 0.181 C mg -1 .

실험 데이터 포인트들을 선형 회귀(linear regression)를 통해 분석하였을 때, 기울기 값은 0.181 mg C-1이었고, 이는 IrO2 도금의 겉보기 쿨롱 효과(apparent coulombic efficiency)가 약 15.6%임을 나타낸다. 이는 산소 발생이 0.7V에서 현저하다는 것을 나타낸다. 또한, 전하 소모에 따라 전해 도금된 IrO2는 특히 가혹한 산소 발생 시 분리될 수 있음을 나타낸다.When the experimental data points were analyzed through linear regression, the slope value was 0.181 mg C −1 , indicating that the apparent coulombic efficiency of IrO 2 plating was about 15.6%. This indicates that oxygen evolution is significant at 0.7V. In addition, it indicates that the electrolytically plated IrO 2 according to the charge consumption can be separated, especially in the case of severe oxygen evolution.

도 5는 본 발명의 실시예에 있어서, 다양한 도금 시간 동안 전해 도금된 IrO2/CP 전극의 몰폴로지를 나타내는 것으로서, 0.7 V에서 1분간[도 5a], 10분간[도 5b], 20분간[도 5c], 30분간[도 5d] 전해도금하여 제조된 IrO2/CP 전극의 SEM 이미지를 나타낸다. 전해 도금을 1분 수행한 후, 적은 수의 입자가 존재하는 필름 형상의 IrO2 도금이 관찰되었다. 전해 도금 시간이 10분으로 증가하였을 때, 많은 수의 구형 입자들이 형성되었다. 이는 IrO2의 표면적이 증가하였음을 의미한다. 도금 시간이 더 증가할수록 입자 사이즈는 약 0.7 ㎛ (t dep = 10 min)에서 1.7 ㎛ (t dep = 30 min)로 점차 증가하였으며, 많은 크랙들이 형성되어 탄소 표면을 노출시켰다.Figure 5 shows the morphology of the IrO 2 /CP electrode electrolytically plated for various plating times in an embodiment of the present invention, at 0.7 V for 1 minute [Figure 5a], 10 minutes [Figure 5b], 20 minutes [ Figure 5c], 30 minutes [Figure 5d] shows the SEM image of the IrO 2 /CP electrode prepared by electroplating. After the electrolytic plating was performed for 1 minute, IrO 2 plating in the form of a film with a small number of particles was observed. When the electrolytic plating time was increased to 10 minutes, a large number of spherical particles were formed. This means that the surface area of IrO 2 increased. As the plating time increased, the particle size gradually increased from about 0.7 μm ( t dep = 10 min) to 1.7 μm ( t dep = 30 min), and many cracks were formed to expose the carbon surface.

도 6은 본 발명의 실시예에 있어서, 0.7 V에서 전해도금된 IrO2/CP 전극에 대하여, IrO2 로딩양(전해 도금 시간으로 표시)에 따른 함수로서 순환전위주사 (Cyclic voltammogram)[도 6a] 및 Ir(V) 피크 전류 감소[도 6b]를 나타낸 것이다.Figure 6 is, in an embodiment of the present invention, IrO 2 /CP electrode electroplated at 0.7 V, IrO 2 Cyclic voltammogram [Fig. 6a] and Ir(V) peak current decrease [Fig. 6b] are shown as a function of loading amount (expressed as electroplating time).

구체적으로, 도 6a는 0.1 M HClO4 용액 중의 IrO2/CP 전극의 CV 커브를 나타낸다. 가장 작은 IrO2 로딩(t dep = 1 min)을 가진 샘플의 경우, Ir(III)/Ir(IV) 레독스에 대한 애노드 (0.8 V 및 1.15 V) 및 캐소드 (0.75 V) 피크가 명확히 관찰되었다(도 6a, 인셋). 표면 원자 들에 대하여만 활성화하는 Ir(IV)/Ir(V) 레독스와 관련하여는, 캐소드 피크가 1.35V가 나타났다. 그러나, 대응되는 애노드 피크는 OER 피크와 상당히 중첩되었다. 따라서, 1.3~1.1V에서의 캐소드 피크의 강도가 IrO2 활성 면적의 변화를 측정하는데 사용되었다(도 6b 참조). 캐소드 전류 밀도는 10분에 이르는 도금 시간 동안 IrO2 로딩에 따라서 선형적으로 증가하였다.Specifically, FIG. 6a shows a CV curve of an IrO 2 /CP electrode in a 0.1 M HClO 4 solution. smallest IrO 2 For the sample with loading ( t dep = 1 min), anode (0.8 V and 1.15 V) and cathodic (0.75 V) peaks for the Ir(III)/Ir(IV) redox were clearly observed (Fig. 6a, inset). Regarding the Ir(IV)/Ir(V) redox, which activates only for surface atoms, the cathode peak was 1.35V. However, the corresponding anode peak overlapped significantly with the OER peak. Therefore, the intensity of the cathode peak at 1.3~1.1V is IrO 2 was used to measure the change in the active area (see Fig. 6b). The cathode current density increased linearly with IrO 2 loading for plating times up to 10 minutes.

그러나, IrO2 로딩을 추가 수행하는 경우 (t dep : 20분 및 30 분), 피크 전류 밀도의 증가는 둔화되었는데, 이는 SEM 이미지 상의 큰 입자 사이즈로부터 예상된 바와 같이, IrO2 사용이 더 작음을 나타낸다. 캐소드 피크가 중첩 (t dep = 20분 및 30분)될 때, 측정된 피크 전류는 Ir(IV)/Ir(V)에 대한 실제 전류보다 더 높다는 점이 주목되어야 한다. 더욱이, t dep 가 20분 및 30분인 IrO2/CP 샘플은 캐소드 피크 전위가 음(negative)의 방향으로 쉬프트하는 것을 보여주었다. 이는 입자 사이즈가 증가함에 따라 Ir(IV)에서 Ir(III)로의 벌크 감소에 의해 더 강하게 중첩되는 것을 의미한다.However, when additional loading of IrO 2 was performed ( t dep : 20 min and 30 min), the increase in peak current density was slowed, which, as expected from the large particle size on the SEM image, of IrO 2 indicates less use. It should be noted that when the cathode peaks overlap ( t dep = 20 min and 30 min), the measured peak current is higher than the actual current for Ir(IV)/Ir(V). Moreover, IrO 2 /CP samples with t dep of 20 min and 30 min showed that the cathode peak potential shifted in the negative direction. This means that there is a stronger overlap with the bulk decrease from Ir(IV) to Ir(III) as the particle size increases.

애노드로서 다양한 IrO2 로딩을 가진 IrO2/CP 전극을 이용하여 단일 셀을 제조하고, 물 전기 분해(water electrolysis) 성능을 측정하였다. A single cell was fabricated using an IrO 2 /CP electrode with various IrO 2 loadings as an anode, and water electrolysis performance was measured.

도 7은 본 발명의 실시예에 있어서, IrO2/CP 애노드를 가지는 PEMWE 단일 셀의 분극 커브(polarization curves)를 나타낸다(E dep = 0.7 V; t dep = 1 ~ 30 min). 7 shows the polarization curves of a PEMWE single cell having an IrO 2 /CP anode in an embodiment of the present invention ( E dep = 0.7 V; t dep = 1 ~ 30 min).

모든 셀에 대하여, 캐소드는 촉매 잉크 (상용 Pt/C 및 이오노머)를 CP 상에 스프레이로 뿌려 제조하였다. 도금 시간이 10분으로 증가함에 따라서, 전류 밀도는 점차 향상되었는데, 이는 산소 발생 반응에 대한 더 높은 촉매 활성 때문인 것으로 생각된다(도 7 참조). IrO2 로딩 양이 더 증가할 때(t dep > 10 min), 낮은 셀 전압(< 1.5 V)에서의 전류 밀도는 여전히 증가하였다. 그러나, 전형적인 작동 전압 (1.8 - 2.0 V) 에서의 성능은 오히려 감소하였다.For all cells, the cathode was prepared by spraying catalyst ink (commercial Pt/C and ionomer) onto the CP. As the plating time increased to 10 min, the current density gradually improved, which is thought to be due to the higher catalytic activity for the oxygen evolution reaction (see Fig. 7). IrO 2 When the loading amount further increased ( t dep > 10 min), the current density at low cell voltages (< 1.5 V) still increased. However, the performance at typical operating voltages (1.8 - 2.0 V) was rather reduced.

도 8은 본 발명의 실시예에 있어서, 1.45V에서의 전류 밀도 (폐쇄된 서클) 및 1.6V (오픈 서클)에서의 전류 밀도 [도 8a] 및 1.6V에서 애노드 로딩에 따른 질량당 활성(mass activity)을 나타내는 것이다[도 8b].8 is a current density at 1.45V (closed circle) and 1.6V (open circle) in an embodiment of the present invention [ FIG. 8a ] and activity per mass as a function of anode loading at 1.6V (mass) activity) [Fig. 8b].

도 8a를 먼저 참조하면, 1.45 V 및 1.60 V에서의 전류 밀도를 보여주는데, 1.45V는 활성화 과전압(activation overpotential)으로 주로 결정되는 영역이며, 1.6V는 실제 운전 전압(practical operating voltage)에 해당한다. Referring first to FIG. 8A, current densities at 1.45 V and 1.60 V are shown, where 1.45 V is a region mainly determined by activation overpotential, and 1.6 V corresponds to a practical operating voltage.

또한, 낮은 오버 포텐셜 성능은 로딩 양을 증가(도금 시간 5분으로 증가)시킴에 따라 급속하게 증가되는 것을 볼 수 있었다. 그러나, 5분보다 도금 시간이 더 긴 경우에는(즉, 로딩 양이 더 늘어나는 경우에는) 성능 향상 정도가 상대적으로 적었다. 이는, IrO2 사용이 적어졌다는 것을 의미한다. 1.6 V에서의 전류 밀도는 0.1 mg cm-2 (t dep = 10 min)의 IrO2 로딩양에서 최대를 나타내었다.In addition, it can be seen that the low overpotential performance increases rapidly with increasing the loading amount (increasing the plating time to 5 min). However, when the plating time was longer than 5 minutes (ie, when the loading amount was increased), the degree of performance improvement was relatively small. This is, IrO 2 It means less use. The current density at 1.6 V showed a maximum at an IrO 2 loading of 0.1 mg cm -2 ( t dep = 10 min).

도금 시간이 10분보다 커질 때는, IrO2 도금 사이에 노출된 탄소 기재(carbon substrates)가 높은 작동 전압에서 열화되는 것으로 보인다. 이러한 탄소 부식(carbon corrosion)의 효과는 IrO2 로딩 (t dep = 1 min)이 가장 작은 단일 셀의 경우에 보다 분명하게 관찰할 수 있었다. 따라서, IrO2 로딩이 적거나 또는 또한 많은 로딩 시의 크랙 형성에 따라 탄소가 노출되는 것을 방지하는 것이 양호한 촉매 활성과 적은 탄소 부식을 갖는 높은 셀 성능을 얻는데 매우 중요하다는 결론을 얻을 수 있다. When the plating time is greater than 10 min, IrO 2 It appears that the carbon substrates exposed between the platings degrade at high operating voltages. This effect of carbon corrosion could be observed more clearly in the case of a single cell with the smallest IrO 2 loading ( t dep = 1 min). Therefore, it can be concluded that preventing carbon exposure with crack formation at low or also high loading of IrO 2 is very important to obtain high cell performance with good catalytic activity and low carbon corrosion.

종래 문헌 결과와 대비Contrast with previous literature results

한편, IrO2 [비특허문헌 1, 2, 3, 6, 7] 및 이리듐 블랙 [비특허문헌 2, 4, 5] 애노드들에 관한 종래 문헌 보고 결과와 대비하여, 본 실시예의 전해 도금된 IrO2/CP 전극의 PEMWE 성능을 평가하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 참고로, 아래 표 중 괄호 안의 수치는 애노드 로딩(아래 애노드 부분 및 전류 밀도 부분) 또는 캐소드 로딩(아래 캐소드 부분)을 의미하며, 단위는 mg cm- 2이다. On the other hand, IrO 2 [Non-Patent Documents 1, 2, 3, 6, 7] and Iridium Black [Non-Patent Documents 2, 4, 5] In comparison with the results of prior literature reports on anodes, the electrolytically plated IrO of this embodiment 2 The PEMWE performance of the /CP electrode was evaluated and the results are shown in Table 1. For reference, the values in parentheses in the table below mean anode loading (anode portion and current density portion below) or cathode loading (cathode portion below), and the unit is mg cm - 2 .

MEA 제조 방법MEA manufacturing method 애노드anode 캐소드cathode 멤브레인membrane 온도(℃)Temperature (℃) 1.6V에서의 전류 밀도
(A cm-2)
Current density at 1.6V
(A cm -2 )
비특허
문헌 1
non-patent
Document 1
스프레이 법
(Spraying)
spray method
(Spraying)
IrO2 (2.0)IrO 2 (2.0) Pt/C (0.4)Pt/C (0.4) N115N115 8080 0.750.75
비특허 문헌 2Non-patent document 2 스프레이 법
(Spraying)
spray method
(Spraying)
Ir, IrO2 (3.0)Ir, IrO 2 (3.0) Pt/C (0.5)Pt/C (0.5) N112N112 8080 0.520.52
비특허
문헌 3
non-patent
Document 3
스프레이 법
(Spraying)
spray method
(Spraying)
IrO2 (1.5)IrO 2 (1.5) Pt/C (0.5)Pt/C (0.5) N1035N1035 8080 0.680.68
비특허 문헌 4Non-patent document 4 브러시 법
(Brushing)
brush method
(Brushing)
Ir (1.5)Ir (1.5) Pt (1.0)Pt (1.0) N112N112 8080 0.50.5
비특허 문헌 5Non-patent document 5 데칼 법
(Decal)
decal method
(Decal)
Ir (3.8)Ir (3.8) Pt (2.3)Pt (2.3) N112N112 6060 0.250.25
비특허
문헌 6
non-patent
Literature 6
스프레이 법
(Spraying)
spray method
(Spraying)
IrO2 (0.5~4.0)IrO 2 (0.5~4.0) Pt/C (0.5)Pt/C (0.5) N212N212 8080 1.32
(3.0)
1.32
(3.0)
비특허 문헌 7Non-patent document 7 스퍼터링 법
(Sputtering)
sputtering method
(Sputtering)
IrO2 (0.2)IrO 2 (0.2) Pt/C (N.A.)Pt/C (N.A.) N117N117 8080 0.30.3
실시예Example 전해 도금 법
(Electrodeposition)
electroplating method
(Electrodeposition)
IrO2 //CP
(0.01~0.54)
IrO 2 / /CP
(0.01~0.54)
Pt/C (0.4)Pt/C (0.4) N212N212 9090 1.01 (0.1)1.01 (0.1)

참고로, 위 표에 기재된 방법들을 간략히 설명하면, 스프레이 법은 전극으로 사용되는 촉매를 슬러리 형태로 만들어서 스프레이 건을 통해 막 또는 GDL에 분사 시켜 증착시키는 방법이고 브러쉬 법은 제조 된 슬러리를 브러쉬를 사용하여 막 또는 GDL에 증착 시키는 방법이다. 데칼법은 제조된 슬러리를 전사시킬 재료 (보통 테프론이나 캡톤 재료)에 블레이드로 증착 시킨 후 이를 다시 막 또는 GDL에 핫 프레싱하여 증착시키는 방법이다. 스퍼터링 법은 진공챔버에서 플라즈마를 사용하여 이온화된 아르곤 등을 타겟에 충돌시키고, 이 충돌에 의해 분출된 원자를 기판위에 증착시키는 방법이다. For reference, briefly describing the methods listed in the table above, the spray method is a method of depositing a catalyst used as an electrode in the form of a slurry and spraying it on a film or GDL through a spray gun, and the brush method is a method of depositing the prepared slurry using a brush. This is a method of depositing on a film or GDL. The decal method is a method of depositing the prepared slurry on the material to be transferred (usually Teflon or Kapton material) with a blade and then hot pressing it on a film or GDL to deposit it. The sputtering method is a method in which ionized argon or the like is collided with a target using plasma in a vacuum chamber, and atoms ejected by the collision are deposited on a substrate.

종래 문헌은, 높은 Ir 또는 IrO2 로딩 (1.5 ~3.0 mg cm- 2)의 경우에 대해 1.6V에서의 전류 밀도를 0.25 내지 1.32 A cm-2로 보고하고 있다.The prior literature reports current densities of 0.25-1.32 A cm -2 at 1.6V for the case of high Ir or IrO 2 loading ( 1.5-3.0 mg cm -2 ).

이와 대비할 때, 본 발명의 구현예들에서, IrO2 로딩이 0.1 mg cm-2로 매우 감소되었음에도 전해 도금된 IrO2/CP가 보여준 PEMWE 성능 (1.01 A cm-2 at 1.6 V)은 매우 우수한 것이며 이는 전도 유망한 결과이다. 즉 종래 상당히 많은 애노드 로딩(> 1.5 mg cm- 2)의 경우에 달성할 수 있는 PEMWE 성능을 현저히 낮은 로딩양 수준에서 달성할 수 있는 것이다.In contrast, in embodiments of the present invention, IrO 2 Although the loading was greatly reduced to 0.1 mg cm -2 , the PEMWE performance (1.01 A cm -2 at 1.6 V) of the electroplated IrO 2 /CP was very good, which is a promising result. That is, the PEMWE performance achievable in the case of a significantly higher anode loading (> 1.5 mg cm −2 ) in the prior art can be achieved at a significantly lower loading level.

한편, 1.6 V에서의 전류 밀도를 애노드 로딩에 따라 나누고 결과적인 질량당 활성(mass activity, MA)을 도 8b에 나타내었다. 도 8b에서는 상기 표에 표시한 비특허문헌 1 내지 7의 각 애노드의 질량당 활성을 함께 표시하였다. 비특허문헌 2의 경우 애노드로 Ir을 사용한 경우를 검은색 네모로 표시하고, 애노드로 IrO2를 사용한 경우를 흰색 네모로 표시하였다.Meanwhile, the current density at 1.6 V was divided according to the anode loading and the resulting mass activity (MA) is shown in FIG. 8B . In FIG. 8b, the activity per mass of each anode of Non-Patent Documents 1 to 7 shown in the table is also displayed. In the case of Non-Patent Document 2, the case of using Ir as the anode is indicated by a black square, and the case of using IrO 2 as the anode is indicated by a white square.

종래 문헌들의 경우에는 서브마이크론 단위의 애노드 로딩은 1.4 A mg-1 (0.5 mg cm-2) [비특허문헌 6] 및 1.5 A mg-1 (0.2 mg cm-2) [비특허문헌 7]의 향상된 MA를 제공하는데, 로딩 양이 작을수록 MA가 서서히 증가하였다. 반면, 본 발명 실시예의 0.03 mg cm- 2 의 IrO2 로딩 양을 가지는 IrO2/CP의 경우 20.4 A mg-1의 MA를 보여주어 안정된 셀 성능을 제공하였다. In the case of conventional documents, the anode loading in submicron units is 1.4 A mg -1 (0.5 mg cm -2 ) [Non-Patent Document 6] and 1.5 A mg -1 (0.2 mg cm -2 ) [Non-Patent Document 7] It provides improved MA, with a slow increase in MA with smaller loadings. On the other hand, in the case of IrO 2 /CP having an IrO 2 loading amount of 0.03 mg cm −2 of the example of the present invention, MA of 20.4 A mg −1 was shown to provide stable cell performance.

[실험 2][Experiment 2]

상기 실험 1에 더하여, 이번에는 고온(120℃)에서 수전해 성능을 평가해 보았다. In addition to Experiment 1, this time, water electrolysis performance was evaluated at a high temperature (120° C.).

고온(120℃) 수전해 성능을 평가한 것을 제외하고, 기타 애노드 제조 및 성능 평가 방법은 실험 1과 동일하게 하였다. 즉, 실험 1에서와 같이 전해 도금 방법으로 IrO2/CP 애노드 (E dep = 0.7 V; t dep = 10 min, 도금량: 0.1 mg cm- 2)를 가지는 PEMWE 단일 셀을 제조하고 분극 커브(polarization curves)를 120 oC에서 측정하였고 가압(1.5~2.5 bar)에 따른 성능을 관찰하였다(본 실험 2의 실시예: 도 9에서 EP로 표시됨). 그리고, 이를 스프레이 방법으로 제조된 IrO2/CP 애노드 (도금량: 2.0 mg cm- 2)를 채용한 PEMWE 단일 셀 (본 실험 2의 비교예)과 대비하여 120℃, 2.5 bar에서의 성능을 비교하였다(도 9에서 Spray로 표시됨). Except for evaluating the high temperature (120 ℃) water electrolysis performance, other anode manufacturing and performance evaluation methods were the same as in Experiment 1. That is, as in Experiment 1, a PEMWE single cell having an IrO 2 /CP anode ( E dep = 0.7 V; t dep = 10 min, plating amount: 0.1 mg cm - 2 ) was prepared by the electrolytic plating method, and the polarization curves were ) was measured at 120 o C and the performance according to pressure (1.5 to 2.5 bar) was observed (Example of this experiment 2: denoted as EP in FIG. 9). And, compared to the PEMWE single cell (Comparative Example of this experiment 2) employing IrO 2 /CP anode (plating amount: 2.0 mg cm - 2 ) prepared by the spray method, the performance at 120 ° C., 2.5 bar was compared. (marked as Spray in Figure 9).

일반적으로 수전해 성능은 온도가 올라갈수록 OER의 키네틱스가 빨라지고 Nernst 식에 의해 반응에 필요한 열역학적 에너지를 낮출 수 있어 올라가게 된다고 볼 수 있다. In general, as the temperature increases, the kinetics of OER increases and the thermodynamic energy required for the reaction can be lowered according to the Nernst equation, so that the performance of water electrolysis increases.

도 9는 본 실험 2에서의 실시예 및 비교예의 고온 수전해 성능을 나타내는 그래프이다. X축은 전류 밀도(Current Density; 단위 Acm- 2)를 나타내고 Y축은 전압(Voltage: 단위 V)을 나타낸다.9 is a graph showing the high-temperature water electrolysis performance of Examples and Comparative Examples in Experiment 2; The X-axis represents current density (unit Acm - 2 ) and the Y-axis represents voltage (Voltage: unit V).

도 9에서 알 수 있듯이, 액체로 물을 공급하기 위해 압력을 1.5 bar이상으로 높여줄 경우 성능은 1.6 V 기준으로 1.5 bar에서 1.71 A cm-2, 2.0 bar 에서 1.73 A cm-2, 2.5 bar에서 1.79 A cm-2로 크게 개선이 되어 90℃에서의 성능 (1.01 A cm-2) 보다 우수한 양상을 보이게 된다. 또한, 해당 결과는 상당히 많은 도금량인 2.0 mg cm-2의 양을 사용한 스프레이로 제조된 MEA (1.86 A cm- 2)와 비슷한 성능을 나타내었다. As can be seen in FIG. 9, when the pressure is increased to 1.5 bar or more to supply water as a liquid, the performance is 1.71 A cm -2 at 1.5 bar at 1.6 V, 1.73 A cm -2 at 2.0 bar at 2.5 bar It is greatly improved to 1.79 A cm -2 and shows a better aspect than the performance at 90° C. (1.01 A cm -2 ). In addition, the results showed similar performance to MEA (1.86 A cm -2 ) prepared by spraying using a fairly large amount of plating, 2.0 mg cm -2 .

한편, IrO2, RuO2 및 RuIrO2 애노드들에 관한 종래 문헌 보고 결과와 대비하여, 본 실시예의 전해 도금된 IrO2/CP 전극의 PEMWE 성능을 120℃에서 평가하여 그 결과를 대비하여 보았다(표 2 : 120℃에서의 수전해 성능 평가). On the other hand, IrO 2 , RuO 2 and RuIrO 2 In contrast to the results reported in the prior literature on anodes, the PEMWE performance of the electrolytically plated IrO 2 /CP electrode of this example was evaluated at 120 ° C. 2: Water electrolysis performance evaluation at 120°C).

membrane 온도(℃)Temperature (℃) 압력(bar)pressure (bar) 로딩양
(mg cm-2)
loading amount
(mg cm -2 )
1.6V에서의 전류 밀도
(A cm-2)
Current density at 1.6V
(A cm -2 )
비특허문헌 8: Antonucci et al. Non-Patent Document 8: Antonucci et al. Nafion + SiO2 Nafion + SiO 2 120120 3.03.0 IrO2
5.0
IrO 2
5.0
0.750.75
비특허문헌 9: Xu et al.Non-Patent Document 9: Xu et al. Nafion + SiO2 Nafion + SiO 2 120120 3.03.0 Ru IrO2
2.5
Ru IrO 2
2.5
1.101.10
비특허문헌 10: Baglio et al.Non-Patent Document 10: Baglio et al. Nafion + TiO2 Nafion + TiO 2 120120 3.03.0 IrO2
5.0
IrO 2
5.0
0.630.63
비특허문헌 11: Skulimowska et al.Non-Patent Document 11: Skulimowska et al. AquivionAquivion 120120 7.07.0 IrO2
2.0
IrO 2
2.0
1.241.24
비특허문헌 12: Aili et el.Non-Patent Document 12: Aili et el. PA 도핑
PBI
PA doping
PBI
130130 1.01.0 IrO2
4.0
IrO 2
4.0
0.300.30
비특허문헌 13: Natarajan et al.Non-Patent Document 13: Natarajan et al. PA 도핑
PBI
PA doping
PBI
120120 2.52.5 RuO2
1.5
RuO 2
1.5
0.450.45
비특허문헌 14: Hansel et alNon-Patent Document 14: Hansel et al PA 도핑
Aquivion
PA doping
Aquivion
130130 1.01.0 IrO2
1.0
IrO 2
1.0
0.410.41
본 실험 2의
실시예
of this experiment 2
Example
NafionNafion 120120 2.52.5 IrO2
0.1
IrO 2
0.1
1.821.82

참고로, 도 10은 본 실험 2에서 표 2의 결과를 그래프로 표시해 본 것이다. 도 10에서 X축은 로딩양 (단위: mg cm-2), Y축은 1.6V에서의 전류 밀도 (단위: A cm-2)를 나타낸다. For reference, FIG. 10 is a graph showing the results of Table 2 in Experiment 2. In FIG. 10 , the X-axis represents the loading amount (unit: mg cm -2 ), and the Y-axis represents the current density at 1.6V (unit: A cm -2 ).

표 2 및 도 10으로부터 알 수 있듯이, 종래 문헌은, 높은 IrO2, RuO2 및 RuIrO2 로딩양 (1.0 ~5.0 mg cm- 2)의 경우에 대해 1.6V, 120℃에서의 전류 밀도를 0.30 내지 1.24 A cm-2로 보고하고 있다.As can be seen from Table 2 and FIG. 10 , the conventional literature has a current density at 1.6V and 120° C. from 0.30 to 0.30 for high IrO 2 , RuO 2 and RuIrO 2 loadings (1.0 to 5.0 mg cm −2 ). It is reported as 1.24 A cm -2 .

이에 반하여, 본 발명의 구현예들에 따르면, IrO2 로딩이 0.1 mg cm-2로 매우 감소되었음에도 전해 도금된 IrO2/CP가 보여준 높은 PEMWE 성능 (1.82 A cm-2 at 1.6 V, 120℃)은 매우 우수한 것이며 이는 전도 유망한 결과이다. 즉, 저온 수전해 뿐만 아니라 고온 수전해 성능에 있어서도 마찬가지로, 종래 상당히 많은 애노드 로딩(> 2.0 mg cm- 2)의 경우에 달성할 수 있는 PEMWE 성능을 현저히 낮은 로딩양 수준에서 달성할 수 있음을 보여주는 것이다.In contrast, according to embodiments of the present invention, IrO 2 The high PEMWE performance (1.82 A cm -2 at 1.6 V, 120° C.) of the electroplated IrO 2 /CP even though the loading was greatly reduced to 0.1 mg cm -2 is very good and is a promising result. That is, the PEMWE performance achievable in the case of a significantly high anode loading (> 2.0 mg cm −2 ) can be achieved at a significantly lower loading level, similarly in the high temperature water electrolysis performance as well as the low temperature water electrolysis performance. will be.

이상과 같이 다양한 도금 전압과 도금 시간에 대하여 애노드 전해 도금을 통해 IrO2/CP 전극을 제조하였고, SEM, ICP, CV로 표면 몰폴로지와 쿨롱 효과를 분석하였다. As described above, IrO 2 /CP electrodes were manufactured through anode electroplating for various plating voltages and plating times, and surface morphology and Coulombic effect were analyzed by SEM, ICP, and CV.

본 발명의 구현예들에서는 전해 도금을 통해 다공성 탄소 재료 표면을 IrO2 이 커버하고 IrO2 입자가 형성되는 구조를 제공할 수 있었다. 일정 범위 이상의 전압과 도금 시간에서는 크랙이 형성되어 탄소 재료를 노출시켰지만, 일정 범위 내의 전압, 도금 시간에서는 크랙 형성이 없고 이에 따라 탄소 재료 노출이 없었다. 이에 따라 탄소 부식을 방지하면서 양호한 촉매 활성을 얻을 수 있다. 또한, 해당 애노드를 사용한 PEMWE 셀은 매우 적은 로딩양에도 불구하고 다양한 온도 조건들에서 모두 상당히 높은 전류 밀도를 제공하였고 질량당 활성도 매우 우수한 것을 알 수 있었다.In embodiments of the present invention, the surface of the porous carbon material through electrolytic plating is IrO 2 This covers and IrO 2 It was possible to provide a structure in which the particles were formed. At voltages and plating times above a certain range, cracks were formed to expose the carbon material, but at voltages and plating times within a certain range, cracks were not formed and thus there was no exposure of the carbon material. Thereby, good catalytic activity can be obtained while preventing carbon corrosion. In addition, it can be seen that the PEMWE cell using the anode provided a fairly high current density under various temperature conditions in spite of a very small loading amount and exhibited very good activity per mass.

이상에서 본 발명의 비제한적이고 예시적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 기술 사상은 첨부 도면이나 상기 설명 내용에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함이 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하며, 또한, 이러한 형태의 변형은 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 할 것이다. Although non-limiting and exemplary embodiments of the present invention have been described above, the technical spirit of the present invention is not limited to the accompanying drawings or the above description. It will be apparent to those skilled in the art that various types of modifications are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention, and also, such modifications will fall within the scope of the claims of the present invention.

Claims (13)

친수성 다공성 탄소 재료 표면에 IrO2 이 전해 도금된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드.
IrO 2 on the surface of the hydrophilic porous carbon material Anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, characterized in that it is electrolytically plated.
제 1 항에 있어서,
카본 페이퍼 표면에 IrO2 이 전해 도금된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드.
The method of claim 1,
IrO 2 on the carbon paper surface Anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, characterized in that it is electrolytically plated.
제 2 항에 있어서,
카본 페이퍼 표면이 IrO2 층 의하여 커버되고, 상기 IrO2 층에 IrO2 입자들이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드.
3. The method of claim 2,
Carbon paper surface is IrO 2 covered by a layer, the IrO 2 IrO 2 in the layer Polyelectrolyte membrane water electrolysis anode, characterized in that the particles are attached.
제 3 항에 있어서,
IrO2 층은 탄소 재료 노출이 없는 구조(carbon exposure free structure)를 가지는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드.
4. The method of claim 3,
IrO 2 The anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, characterized in that the layer has a carbon exposure free structure.
제 3 항에 있어서,
IrO2 층이 크랙이 없는 구조(crack free structure)를 가지는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드.
4. The method of claim 3,
IrO 2 An anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, characterized in that the layer has a crack free structure.
제 3 항에 있어서,
IrO2 층의 두께는 0.01~1㎛ 이고, IrO2 입자 사이즈는 0.1~3㎛인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드.
4. The method of claim 3,
IrO 2 The thickness of the layer is 0.01 ~ 1㎛, IrO 2 Anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, characterized in that the particle size is 0.1 ~ 3㎛.
제 2 항에 있어서,
카본 페이퍼 상의 IrO2 로딩 양은 0.01 ~ 1.00 mg cm- 2 또는 0.01 ~ 0.54 mg cm- 2 인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드.
3. The method of claim 2,
IrO 2 on carbon paper The loading amount is 0.01 ~ 1.00 mg cm - 2 or 0.01 ~ 0.54 mg cm - 2 , characterized in that the anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane.
고분자 전해질 막;
상기 막의 일측에 형성된 캐소드;
상기 막의 타측에 형성된 애노드를 포함하고,
상기 애노드는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 애노드인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 단일 셀.
polymer electrolyte membrane;
a cathode formed on one side of the film;
Comprising an anode formed on the other side of the membrane,
The anode is a polyelectrolyte membrane water electrolysis single cell, characterized in that the anode of any one of claims 1 to 7.
제 8 항의 고분자 전해질 막 물 전기 분해 단일 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 장치.
Polyelectrolyte membrane water electrolysis device according to claim 8, characterized in that it comprises a single cell for water electrolysis.
친수성 다공성 탄소 재료에 IrO2 을 전해 도금하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드 제조 방법.
IrO 2 in hydrophilic porous carbon material A method for producing an anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, comprising the step of electrolytic plating.
제 10 항에 있어서,
카본 페이퍼에 IrO2 을 전해 도금하는 것이고, 전해 도금 시, 도금 전압 및 도금 시간 중 하나 이상을 조절하되, 도금 전압은 0.6 ~ 0.8 V (vs. SCE)로 하고, 도금 시간은 3 ~ 30분으로 하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드 제조 방법.
11. The method of claim 10,
IrO 2 on carbon paper is electroplating, and during electroplating, at least one of the plating voltage and the plating time is adjusted, but the plating voltage is 0.6 to 0.8 V (vs. SCE), and the plating time is 3 to 30 minutes, characterized in that A method for preparing an anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane.
친수성 다공성 탄소 재료에 IrO2 을 전해 도금하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드의 산화이리듐 로딩양 저감 방법.
IrO 2 on hydrophilic porous carbon material A method of reducing the loading of iridium oxide of the anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, characterized in that electrolytic plating.
제 12 항에 있어서,
전해 도금 시, 도금 전압 및 도금 시간 중 하나 이상을 조절하여 크랙 형성 및 이에 따른 탄소 노출을 방지하도록 전해 도금을 수행하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 물 전기 분해 용 애노드의 산화이리듐 로딩양 저감 방법.
13. The method of claim 12,
During electrolytic plating, a method for reducing the loading of iridium oxide of an anode for water electrolysis of a polymer electrolyte membrane, characterized in that the electrolytic plating is performed to prevent crack formation and carbon exposure by controlling at least one of a plating voltage and a plating time.
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