KR20220128961A - Method for manufacturing electrode for water electrolysis and electrode for water electrolysis therefrom - Google Patents

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KR20220128961A
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KR1020220032258A
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최승목
명신우
박서현
양주찬
이지훈
정재훈
권채연
이주영
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한국재료연구원
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Abstract

The present invention provides a method for manufacturing a water electrolysis electrode having excellent durability and a water electrolysis electrode manufactured therefrom. The method for manufacturing a water electrolysis electrode of the present invention includes the steps of: forming a coating layer including a metal hydroxide on a metal substrate; and converting the metal hydroxide into a metal oxide.

Description

수전해 전극의 제조방법 및 이로부터 제조된 수전해 전극{METHOD FOR MANUFACTURING ELECTRODE FOR WATER ELECTROLYSIS AND ELECTRODE FOR WATER ELECTROLYSIS THEREFROM}Method for manufacturing a water electrolytic electrode and a water electrolytic electrode manufactured therefrom

본 명세서는 2021년 3월 15일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2021-0033600호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 발명에 포함된다.This specification claims the benefit of the filing date of Korean Patent Application No. 10-2021-0033600 filed with the Korean Intellectual Property Office on March 15, 2021, the entire contents of which are included in the present invention.

본 발명은 수전해 전극의 제조방법 및 이로부터 제조된 수전해 전극에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a water electrolytic electrode and a water electrolytic electrode manufactured therefrom.

탄소 기반 에너지 저장 장치 사용에 의해 야기되는 지구 온난화의 가속화로 인하여 신 재생 에너지에 대한 요구가 증가하고 있다. 특히, 물의 전기 분해를 이용하여 수소를 전기화학적으로 생산하는 방법이 광범위하게 연구되어 왔고, 여기서 생산된 수소는 연료 전지나 수소터빈 및 혼소발전 등과 같은 직접 연소 기관 등에 사용될 수 있다.The demand for renewable energy is increasing due to the acceleration of global warming caused by the use of carbon-based energy storage devices. In particular, a method for producing hydrogen electrochemically by using electrolysis of water has been extensively studied, and the hydrogen produced here can be used in a fuel cell, a direct combustion engine such as a hydrogen turbine and a co-fired power generation.

전기화학적 물 분해는 두 가지 반응으로 일어나는데, 수소 발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER)이다. 수전해는 이상적으로는 1.23V의 전압을 가해주는 경우 반응이 진행될 수 있다. 그러나, 실제로는 표면 저항 등의 영향으로 인해 수전해를 통해 수소를 생산하기 위해서는 1.23V 이상의 과전압이 가해져야 한다. 따라서, 전기에너지 비용을 줄여 물 전기문해 효율을 상승시키기 위해서는 물 전기분해를 위한 과전압을 줄여야 되기 때문에 수소발생 반응과 산소발생 반응에서 과전압을 줄일 수 있는 촉매가 각각 필요하다. Electrochemical water splitting occurs in two reactions: the hydrogen evolution reaction (HER) and the oxygen evolution reaction (OER). Ideally, the reaction can proceed when a voltage of 1.23V is applied to water electrolysis. However, in reality, an overvoltage of 1.23V or more must be applied in order to produce hydrogen through water electrolysis due to the effect of surface resistance. Therefore, in order to increase the efficiency of water electrolysis by reducing the cost of electric energy, it is necessary to reduce the overvoltage for water electrolysis. Therefore, a catalyst capable of reducing the overvoltage in the hydrogen generation reaction and the oxygen generation reaction is required, respectively.

수전해를 위한 비 귀금속 전극 촉매를 개발하는 궁극적인 목표는 수소(H2) 생산을 위한 대규모 산업 응용에의 적용이다. 산업용으로 사용하기 위해서는 1.8 ~ 2.4 V에서 물을 분리할 때 높은 전류 밀도(≥ 500mA/cm2)가 필요하다. The ultimate goal of developing non-precious metal electrode catalysts for water electrolysis is their application to large-scale industrial applications for hydrogen (H 2 ) production. For industrial use, high current densities (≥ 500 mA/cm2) are required for water separation at 1.8 to 2.4 V.

중요한 것은 촉매 규모의 성능뿐만 아니라 실제 작동 조건 하에서 양성자 교환막 수전해 장치 (PEMWE) 및 음이온 교환막 수전해 장치 (AEMWE)와 같은 상용 장치의 성능을 보장해야 한다는 것이다. 상업용 수전해 장치에서 캐소드에서의 수소 가스 (H2)의 생성은 애노드에서의 산소 발생 반응 (OER, 4OH → O2 + 2H2O + 4e-)의 느린 반응 역학에 의해 심각하게 제한된다. OER의 중요성에도 불구하고, OER의 높은 과전압은 여전히 속도 결정 단계(R.D.S)로서 작용하고 수전해 반응 효율을 감소시킨다. What is important is to ensure the performance of commercial devices such as proton exchange membrane water electrolyzers (PEMWE) and anion exchange membrane water electrolyzers (AEMWE) under real operating conditions as well as catalyst scale performance. The production of hydrogen gas (H 2 ) at the cathode in commercial water electrolysis devices is severely limited by the slow reaction kinetics of the oxygen evolution reaction (OER, 4OH → O 2 + 2H 2 O + 4e ) at the anode. Despite the importance of OER, the high overvoltage of OER still acts as a rate-determining step (RDS) and reduces the efficiency of the water electrolysis reaction.

따라서, 에너지 효율을 높이기 위해서는 고효율 OER 전극 촉매를 개발하여야 한다.Therefore, in order to increase energy efficiency, it is necessary to develop a high-efficiency OER electrode catalyst.

최근에, 많은 OER 전극 촉매는 전이금속 황화물(TMS), 전이금속 인산염(TMP), 층상 이중 수산화물(LDH) 및 전이금속 산화물과 같은 우수한 활성을 갖는 비 귀금속으로 구성되어 있다. 보고된 OER 전기화학 촉매는 우수한 내구성과 함께 매우 낮은 과전압 (10 mA/cm2에서 300 mV 이하)을 가졌으므로, 곧 상업용 수전해 장치에서 사용할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나, 대부분의 연구는 상용 장치의 성능을 보고하고 있지는 않다. 이것은 촉매 연구와 달리, 전극 제작을 위한 촉매 슬러리 제조 조건, 막 전극 접합체 (MEA)의 제조 조건, 전지 작동 온도, 전해질 유속 및 전지 제조 압력 등 다양한 변수가 존재하기 때문이다. Recently, many OER electrode catalysts are composed of non-noble metals with excellent activity such as transition metal sulfide (TMS), transition metal phosphate (TMP), layered double hydroxide (LDH) and transition metal oxide. The reported OER electrochemical catalyst has a very low overvoltage (below 300 mV at 10 mA/cm 2 ) with excellent durability, so it is expected that it will soon be used in commercial water electrolysis devices. However, most studies do not report the performance of commercial devices. This is because, unlike catalyst research, there are various variables such as catalyst slurry preparation conditions for electrode fabrication, membrane electrode assembly (MEA) manufacturing conditions, battery operating temperature, electrolyte flow rate, and battery manufacturing pressure.

일반적으로 전극 또는 MEA 제작 시 촉매 합성 - 열처리 - 슬러리 제작 - 코팅 - 건조 단계를 거치게 되는 데 이는 단계가 많고 복잡하여 제어해야 하는 변수가 많으며 핵심 구성요소의 변경이 자유롭지 않은 측면이 있다. 따라서 전극 제조 공정을 단순화하여 공정 신뢰성을 확복하고 전극 제조 단가를 줄일 필요가 있다. In general, when manufacturing an electrode or MEA, catalyst synthesis - heat treatment - slurry preparation - coating - drying steps are performed, which are many and complicated, so there are many variables to be controlled, and there is an aspect that changes to key components are not free. Therefore, it is necessary to simplify the electrode manufacturing process to improve process reliability and reduce the electrode manufacturing cost.

또한, 여전히 대면적 전극 제조를 위한 전착 또는 부식과 같은 방법이 요구되는 실정이다. In addition, there is still a need for a method such as electrodeposition or corrosion for manufacturing a large-area electrode.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 내구성이 우수한 수전해 전극의 제조방법 및 이로부터 제조된 수전해 전극을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a water electrolytic electrode having excellent durability and a water electrolytic electrode manufactured therefrom.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시상태는, 금속 기재 상에 금속 수산화물을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 코팅층이 형성된 금속 기재를 핫프레싱하고 열처리하여, 상기 금속 수산화물을 금속 산화물로 변환하는 단계;를 포함하는 수전해 전극의 제조 방법을 제공한다.One embodiment of the present invention comprises the steps of forming a coating layer comprising a metal hydroxide on a metal substrate; and converting the metal hydroxide into metal oxide by hot-pressing and heat-treating the metal substrate on which the coating layer is formed.

또한, 본 발명의 일 실시상태는, 상기 방법으로 제조되고, 복수의 금속 산화물 입자를 포함하는 촉매층을 포함하는 수전해 전극을 제공한다. In addition, an exemplary embodiment of the present invention provides an electrolytic electrode prepared by the above method and including a catalyst layer including a plurality of metal oxide particles.

본 발명의 일 실시상태에 따른 수전해 전극의 제조방법은 전극 제조 공정을 단순화하고, 전극의 성능과 신뢰성을 확보함과 동시에 전극 제조 단가를 감소시킬 수 있다.The method of manufacturing an electrolytic electrode according to an exemplary embodiment of the present invention can simplify the electrode manufacturing process, secure the performance and reliability of the electrode, and reduce the electrode manufacturing cost.

본 발명의 일 실시상태에 따른 수전해 전극의 제조방법은 내구성이 우수한 수전해 전극을 제공할 수 있다. The method for manufacturing a water electrolytic electrode according to an exemplary embodiment of the present invention can provide a water electrolytic electrode having excellent durability.

본 발명의 일 실시상태에 따른 수전해 전극의 제조방법은 간단한 방법으로 수전해 전극을 제공할 수 있다. The method for manufacturing a water electrolytic electrode according to an exemplary embodiment of the present invention may provide a water electrolytic electrode in a simple manner.

본 발명의 일 실시상태에 따른 수전해 전극은 내구성이 우수하여 고전류밀도에서도 성능을 장시간 유지하며 구동될 수 있다. The water electrolytic electrode according to an exemplary embodiment of the present invention has excellent durability and can be driven while maintaining performance even at high current density for a long time.

본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the present specification.

도 1a는 참조예 1 내지 참조예 4에서 제조한 수전해전극의 사진 및 하이록스 현미경 이용하여 촬영한 사진이고, 도 1b는 실시예 1에서 제조한 수전해전극의 하이록스 현미경 이용하여 촬영한 사진이고, 도 1c는 참조예 5 내지 참조예 9에서 제조한 수전해전극의 사진 및 하이록스 현미경 이용하여 촬영한 사진이고, 도 1d는 실시예 3 내지 실시예 6에서 제조한 수전해전극의 사진 및 하이록스 현미경 이용하여 촬영한 사진이다.
도 2는 제조예 1의 Co 수산화물과, 참조예 3 및 실시예 1에서 제조한 수전해전극의 표면 SEM 이미지이다.
도 3은 제조예 1의 Co 수산화물과, 참조예 3 및 실시예 1에서 제조한 수전해전극의 XRD 패턴이다.
도 4는 참조예 2, 참조예 3 및 실시예 1에서 제조한 전극의 가해준 전압에 대한 전류 밀도에 해당하는 LSV 분극 곡선이다.
도 5는 실시예 2에서 제조한 전극의 가해준 전압에 대한 전류 밀도에 해당하는 LSV 분극 곡선이다.
도 6은 참조예 7 내지 참조예 10에서 제조한 전극 및 제조예 2에서 제조한 분말을 이용한 전극의 가해준 전압에 대한 전류 밀도에 해당하는 LSV 분극 곡선이다.
도 7은 참조예 9 및 비교예 1에서 제조한 전극의 가해준 전압에 대한 전류 밀도에 해당하는 LSV 분극 곡선이다.
도 8은 참조예 2, 참조예 3 및 실시예 1에서 제조한 전극의 내구성 평가 결과이다.
도 9는 실시예 2에서 제조한 전극의 내구성 평가 결과이다.
도 10은 참조예 7 내지 참조예 10에서 제조한 전극 및 제조예 2에서 제조한 분말을 이용한 전극의 내구성 평가 결과이다.
도 11은 참조예 9 및 비교예 1에서 제조한 전극의 내구성 평가 결과이다.
도 12는 실시예 1의 전극의 내구성 평가 후의 SEM 이미지이다.
1A is a photograph of the water electrolytic electrode prepared in Reference Examples 1 to 4 and a photograph taken using a Hyrox microscope, and FIG. 1B is a photograph taken using a Hyrox microscope of the water electrolytic electrode prepared in Example 1 1C is a photograph of the water electrolytic electrode prepared in Reference Examples 5 to 9 and a photograph taken using a Hyrox microscope, and FIG. 1D is a photograph of the water electrolytic electrode prepared in Examples 3 to 6 and This picture was taken using a Hyrox microscope.
2 is a SEM image of the surface of the Co hydroxide of Preparation Example 1 and the water electrolytic electrodes prepared in Reference Examples 3 and 1;
3 is an XRD pattern of the Co hydroxide of Preparation Example 1 and the water electrolytic electrodes prepared in Reference Examples 3 and 1;
4 is an LSV polarization curve corresponding to the current density with respect to the applied voltage of the electrodes prepared in Reference Example 2, Reference Example 3, and Example 1. FIG.
5 is an LSV polarization curve corresponding to a current density with respect to an applied voltage of the electrode prepared in Example 2. FIG.
6 is an LSV polarization curve corresponding to the current density with respect to the applied voltage of the electrode prepared in Reference Examples 7 to 10 and the electrode using the powder prepared in Preparation Example 2;
7 is an LSV polarization curve corresponding to the current density with respect to the applied voltage of the electrodes prepared in Reference Example 9 and Comparative Example 1. Referring to FIG.
8 is a durability evaluation result of electrodes manufactured in Reference Example 2, Reference Example 3, and Example 1. FIG.
9 is a durability evaluation result of the electrode prepared in Example 2.
10 is a durability evaluation result of the electrode prepared in Reference Examples 7 to 10 and the electrode prepared in Preparation Example 2 using the powder.
11 is a durability evaluation result of electrodes prepared in Reference Example 9 and Comparative Example 1.
12 is an SEM image after durability evaluation of the electrode of Example 1. FIG.

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.

본원 명세서 전체에서, 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.Throughout this 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.

본원 명세서 전체에서, 단위 "중량부"는 각 성분간의 중량의 비율을 의미할 수 있다.Throughout this specification, the unit “part by weight” may mean a ratio of weight between each component.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"는 "A 및 B, 또는 A 또는 B"를 의미한다.Throughout this specification, "A and/or B" means "A and B, or A or B."

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 실시상태는, 금속 기재 상에 금속 수산화물을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 코팅층이 형성된 금속 기재를 핫프레싱하고 열처리하여, 상기 금속 수산화물을 금속 산화물로 변환하는 단계;를 포함하는 수전해 전극의 제조 방법을 제공한다. 즉, 금속 기재 상에 금속 산화물을 포함하는 촉매층을 형성하여, 금속 기재 및 촉매층을 포함하는 수전해 전극을 제조할 수 있다.One embodiment of the present invention comprises the steps of forming a coating layer comprising a metal hydroxide on a metal substrate; and converting the metal hydroxide into metal oxide by hot-pressing and heat-treating the metal substrate on which the coating layer is formed. That is, by forming a catalyst layer including a metal oxide on a metal substrate, a water electrolysis electrode including the metal substrate and the catalyst layer may be manufactured.

본 발명의 일 실시상태에 따른 수전해 전극의 제조방법은 전극 제조 공정을 단순화하고, 전극의 성능과 신뢰성을 확보함과 동시에 전극 제조 단가를 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 수전해 전극의 제조방법은 내구성이 우수한 수전해 전극을 제공할 수 있다. 또한, 상기 수전해 전극의 제조방법은 간단한 방법으로 내구성이 우수한 수전해 전극을 제공할 수 있다. The method of manufacturing an electrolytic electrode according to an exemplary embodiment of the present invention can simplify the electrode manufacturing process, secure the performance and reliability of the electrode, and reduce the electrode manufacturing cost. In addition, the manufacturing method of the water electrolytic electrode may provide a water electrolytic electrode having excellent durability. In addition, the manufacturing method of the water electrolytic electrode can provide a water electrolytic electrode excellent in durability by a simple method.

이하, 시간 순서에 따라 본 발명의 일 실시상태에 따른 수전해 전극의 제조 방법을 상세히 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing an electrolytic electrode according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail in chronological order.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 금속 기재 상에 금속 수산화물을 포함하는 코팅층을 형성하여 코팅된 금속 기재를 제조한다. According to an exemplary embodiment of the present invention, a coated metal substrate is manufactured by forming a coating layer including a metal hydroxide on the metal substrate.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 기재는 해당 기술 분야에서 일반적으로 전극 소재로 활용되는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어 상기 금속 기재는 Ni 폼(foam), Fe 폼, Cu 폼, Ag 폼 및 Ti 폼 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the metal substrate may be used as an electrode material in general in the technical field, for example, the metal substrate may be Ni foam, Fe foam, Cu foam, Ag foam and at least one of Ti foam.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 수산화물은 Cu, Co, Ni 및 Mn 중 적어도 하나의 금속을 함유하는 수산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 수산화물은 Cu 수산화물, Co 수산화물, Ni 수산화물 및 Mn 수산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, Cu-Co 수산화물과 같이 2 이상의 금속을 함유하는 수산화물을 포함할 수도 있다. 상기 금속 수산화물은 금속 기재 상에 도포되고 추후 공정을 통해 수전해 촉매의 역할을 하는 전구체인 것으로서, 제조하고자 하는 촉매의 조성에 따라 그 종류 및 함량이 선택되는 것일 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the metal hydroxide may include a hydroxide containing at least one metal of Cu, Co, Ni, and Mn. Specifically, the metal hydroxide may include at least one of Cu hydroxide, Co hydroxide, Ni hydroxide, and Mn hydroxide, and may include a hydroxide containing two or more metals, such as Cu—Co hydroxide. The metal hydroxide is a precursor that is applied on a metal substrate and serves as a water electrolysis catalyst through a subsequent process, and the type and content thereof may be selected according to the composition of the catalyst to be prepared.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 코팅층을 형성하는 단계는 금속 수산화물의 종류에 따라, 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 입자 형상의 금속 수산화물을 이용하는 경우, 금속 수산화물 입자를 포함하는 슬러리를 이용할 수도 있고, 부식 메커니즘을 통한 금속 기재를 금속 수산화물 전구체 용액에 침지하여 금속 기재 표면에서 금속 수산화물을 포함하는 코팅층을 성장시킬 수도 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the step of forming the coating layer may be performed in various ways depending on the type of the metal hydroxide. When using a particle-shaped metal hydroxide, a slurry containing metal hydroxide particles may be used, or a coating layer containing metal hydroxide may be grown on the surface of the metal substrate by immersing the metal substrate through a corrosion mechanism in a metal hydroxide precursor solution. .

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 코팅층을 형성하는 단계는, 예를 들어 금속 기재 상에 금속 수산화물을 포함하는 슬러리를 상기 금속 기재의 일면 상에 도포하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, forming the coating layer may include, for example, applying a slurry including a metal hydroxide on a metal substrate on one surface of the metal substrate.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 수산화물을 포함하는 슬러리는 금속 수산화물 외에 바인더, 포어 포머(pore former), 도전재 등을 포함할 수 있으며, 이들을 혼합하여 제조되는 것일 수 있다. 이 중 바인더에 대하여는 후술하기로 한다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the slurry including the metal hydroxide may include a binder, a pore former, a conductive material, etc. in addition to the metal hydroxide, and may be prepared by mixing them. Among them, the binder will be described later.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 슬러리 100 중량부 기준으로, 상기 금속 수산화물의 함량은 10 중량부 이상 30 중량부 이하일 수 있다. 상기 금속 수산화물의 함량이 전술한 범위 내인 경우, 적절한 점도를 가지는 슬러리의 제조가 가능하여 제조 효율을 향상시킬 수 있고, 제조되는 수전해 전극의 내구성, 품질 등을 효과적으로 증가시킬 수 있다. 한편, 상기 슬러리에 포함되는 상기 금속 수산화물의 함량은 제조하고자 하는 촉매의 조성에 따라 함량이 다양하게 설정될 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, based on 100 parts by weight of the slurry, the content of the metal hydroxide may be 10 parts by weight or more and 30 parts by weight or less. When the content of the metal hydroxide is within the above range, it is possible to prepare a slurry having an appropriate viscosity, thereby improving manufacturing efficiency, and effectively increasing durability and quality of the manufactured water electrolytic electrode. On the other hand, the content of the metal hydroxide contained in the slurry may be variously set according to the composition of the catalyst to be prepared.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 슬러리는 바인더를 더 포함하는 것일 수 있다. 바인더는 추후 형성되는 금속 산화물 입자들이 더 잘 결합되어 있을 수 있도록 하기 위해 포함되는 것일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the slurry may further include a binder. The binder may be included so that the metal oxide particles to be formed later can be better combined.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 바인더는 고분자 화합물일 수 있으며, 구체적으로 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), p-페닐렌디아민(PDA), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 천연 고무(SMR) 및 폴리비닐알콜(PVA) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the binder may be a polymer compound, and specifically, polytetrafluoroethylene (PTFE), p-phenylenediamine (PDA), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), natural rubber (SMR), and may include at least one of polyvinyl alcohol (PVA).

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 수산화물 100 중량부에 대하여, 상기 바인더의 함량은 5 중량부 이상 15 중량부 이하일 수 있다. 바인더가 상기 범위 내의 함량으로 슬러리에 포함되는 경우, 수전해 전극이 셀에 도입되어 구동되는 경우의 촉매층의 열화를 방지할 수 있는 효과가 있을 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, based on 100 parts by weight of the metal hydroxide, the content of the binder may be 5 parts by weight or more and 15 parts by weight or less. When the binder is included in the slurry in an amount within the above range, there may be an effect of preventing deterioration of the catalyst layer when the water electrolytic electrode is introduced into the cell and driven.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 슬러리는 상기 금속 기재의 일면 상에 도포되는 것일 수 있다. 즉, 판상의 금속 기재에 대하여, 유동성이 있는 슬러리가 금속 기재의 일면 상에 부어진 후 균일한 두께를 갖도록 도포되는 것일 수 있다. 상기 도포 방법은 특별히 제한되지 않으며, 나이프 코터 코팅, 스프레이 닥터 블레이드 코팅, 드라이 코팅 등을 이용하여 수행되는 것일 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the slurry may be applied on one surface of the metal substrate. That is, with respect to the plate-shaped metal substrate, the fluid slurry may be poured onto one surface of the metal substrate and then applied to have a uniform thickness. The coating method is not particularly limited, and may be performed using knife coater coating, spray doctor blade coating, dry coating, or the like.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 슬러리는 상기 수전해 전극이 1 mg/cm2 내지 100 mg/cm2, 1 mg/cm2 내지 80 mg/cm2, 1 mg/cm2 내지 60 mg/cm2, 10 mg/cm2 내지 40 mg/cm2, 15 mg/cm2 내지 40 mg/cm2, 15 mg/cm2 내지 35 mg/cm2, 20 mg/cm2 내지 35 mg/cm2, 또는 30 mg/cm2 내지 35 mg/cm2 의 양으로 로딩되도록 도포되는 것일 수 있다. 상기 범위 내의 로딩양을 갖도록 슬러리가 도포되는 경우, 제조되는 수전해 전극은 단위셀 운전조건에서 물질전달저항이 감소되고, 충분한 활성점을 제공할 수 있어 수소 발생성능이 우수할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, in the slurry, the water electrolytic electrode is 1 mg/cm 2 to 100 mg/cm 2 , 1 mg/cm 2 to 80 mg/cm 2 , 1 mg/cm 2 to 60 mg/ cm 2 , 10 mg/cm 2 to 40 mg/cm 2 , 15 mg/cm 2 to 40 mg/cm 2 , 15 mg/cm 2 to 35 mg/cm 2 , 20 mg/cm 2 to 35 mg/cm 2 , or 30 mg/cm 2 to 35 mg/cm 2 It may be applied to be loaded in an amount. When the slurry is applied to have a loading amount within the above range, the produced water electrolytic electrode may have reduced mass transfer resistance under unit cell operating conditions, and may provide sufficient active points, so that hydrogen generation performance may be excellent.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 슬러리가 도포된 금속 기재를 핫프레싱하여 상기 금속 수산화물을 금속 산화물로 변환한다. 구체적으로, 금속 수산화물을 포함하는 슬러리가 도포된 금속 기재를 고온에서 가압하는 핫프레싱하여 금속 수산화물을 금속 산화물로 변환시킬 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the metal hydroxide is converted into a metal oxide by hot pressing the metal substrate coated with the slurry. Specifically, the metal hydroxide may be converted into a metal oxide by hot-pressing the metal substrate coated with the slurry containing the metal hydroxide at a high temperature.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 핫프레싱은 150 ℃ 이상 200 ℃ 미만, 또는 150 ℃ 이상 195 ℃ 이하의 온도에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 핫프레싱 온도 범위는 금속 수산화물의 종류에 따라 조절될 수 있으며, 예를 들어 금속 수산화물이 Co 수산화물을 포함하는 경우 약 190 ℃ 내지 195 ℃의 온도 범위에서 핫프레싱을 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 범위 내의 온도에서 핫프레싱을 수행하는 경우, 금속 수산화물이 금속 산화물로 산화되어 변환될 수 있다. 또한, 핫프레싱 온도가 너무 낮아 형성되는 촉매층이 금속 기재 상에 접착되지 않아 쉽게 탈리되는 문제 및 금속 수산화물이 금속 산화물로 전환되지 않는 문제를 방지할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the hot pressing may be performed at a temperature of 150 ℃ or more and less than 200 ℃, or 150 ℃ or more and 195 ℃ or less. The hot pressing temperature range may be adjusted according to the type of metal hydroxide. For example, when the metal hydroxide includes Co hydroxide, it may be preferable to perform hot pressing in a temperature range of about 190°C to 195°C. When hot pressing is performed at a temperature within the above range, the metal hydroxide may be oxidized and converted into a metal oxide. In addition, it is possible to prevent the problem that the catalyst layer formed because the hot pressing temperature is too low to be easily detached because it is not adhered to the metal substrate and the problem that the metal hydroxide is not converted to the metal oxide.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 핫프레싱은 5 분 내지 150 분 또는 10 분 내지 120 분 동안 수행되는 것일 수 있다. 상기 핫프레싱이 수행되는 시간이 전술한 범위 내인 경우, 형성되는 촉매층이 금속 기재 상에 효과적으로 접착될 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the hot pressing may be performed for 5 minutes to 150 minutes or 10 minutes to 120 minutes. When the time during which the hot pressing is performed is within the above-described range, the formed catalyst layer may be effectively adhered to the metal substrate.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 핫프레싱은 100 kg/cm2 내지 1,000 kg/cm2 또는 130 kg/cm2 내지 500 kg/cm2 의 하중을 가하여 수행되는 것일 수 있다. 상기 범위 내의 하중으로 핫프레싱을 수행하는 경우, 금속 수산화물로부터 금속 산화물로 상(phase)을 효과적으로 전환하여, 제조되는 촉매의 활성 및 내구성을 향상시킬 수 있고, 산소 발생 반응에 의하여 촉매층이 탈리되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the hot pressing may be performed by applying a load of 100 kg/cm 2 to 1,000 kg/cm 2 or 130 kg/cm 2 to 500 kg/cm 2 . When hot pressing is performed with a load within the above range, it is possible to effectively convert a phase from a metal hydroxide to a metal oxide, thereby improving the activity and durability of the prepared catalyst, and preventing the catalyst layer from being detached by an oxygen evolution reaction can be effectively suppressed.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 코팅층이 형성된 금속 기재를 핫프레싱한 후, 열처리를 수행한다. 상기 열처리는 당업계에서 이용되는 수단을 통해 수행될 수 있으며, 예를 들어 노(furnace)를 이용하여 상기 열처리를 수행할 수 있다. 상기 열처리는 200 ℃ 내지 350 ℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 범위 내의 온도로 열처리를 수행함으로써, 핫프레싱 수행 후에 완벽하게 금속 산화물로 전환되지 않은 금속 수산화물을 금속 산화물로 안정적으로 전환시킬 수 있다. 이를 통해, 제조되는 수전해 전극의 활성 및 내구성을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 슬러리에 바인더가 포함되는 경우, 상기 열처리를 통해 바인더를 안정화시켜 금속 산화물 촉매 간의 접착력을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 수전해 전극의 성능을 증가시킬 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, after hot-pressing the metal substrate on which the coating layer is formed, heat treatment is performed. The heat treatment may be performed by means used in the art, for example, the heat treatment may be performed using a furnace. The heat treatment may be performed at a temperature of 200 °C to 350 °C. By performing the heat treatment at a temperature within the above range, it is possible to stably convert a metal hydroxide that is not completely converted to a metal oxide into a metal oxide after performing hot pressing. Through this, it is possible to effectively improve the activity and durability of the manufactured water electrolytic electrode. In addition, when the binder is included in the slurry, adhesion between the metal oxide catalysts may be improved by stabilizing the binder through the heat treatment, thereby increasing the performance of the water electrolytic electrode.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 열처리는 1 시간 내지 5 시간동안 수행되는 것일 수 있다. 상기 범위 내의 시간동안 열처리를 수행하는 경우, 핫프레싱 수행 후에 완벽하게 금속 산화물로 전환되지 않은 금속 수산화물을 금속 산화물로 안정적으로 전환시킬 수 있다. 또한, 상기 슬러리에 바인더가 포함되는 경우, 상기 열처리를 통해 바인더를 효과적으로 안정화시킬 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed for 1 hour to 5 hours. When the heat treatment is performed for a time within the above range, it is possible to stably convert a metal hydroxide that is not completely converted to a metal oxide into a metal oxide after performing hot pressing. In addition, when the binder is included in the slurry, the binder can be effectively stabilized through the heat treatment.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 열처리는, 핫프레싱된 코팅층이 형성된 금속 기재에 대하여 추가적인 핫프레싱을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 즉, 상기 열처리로서 노(furnace)를 이용하는 대신에, 핫프레싱을 통해 수행될 수 있다. 상기 열처리를 추가의 핫프레싱으로 수행함으로써, 금속 수산화물로부터 전환된 금속 산화물을 포함하는 촉매층과 상기 금속 기재 간의 접착력을 향상시켜, 제조되는 수전해 전극의 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the heat treatment may include performing additional hot pressing on the metal substrate on which the hot-pressed coating layer is formed. That is, instead of using a furnace as the heat treatment, it may be performed through hot pressing. By performing the heat treatment by additional hot pressing, the adhesion between the catalyst layer including the metal oxide converted from the metal hydroxide and the metal substrate may be improved, thereby further improving the durability of the manufactured water electrolytic electrode.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 추가의 핫프레싱은 200 ℃ 내지 350 ℃, 예를 들어 250 ℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 범위 내의 온도에서 추가 핫프레싱을 수행하는 경우, 금속 산화물로 전환되지 않은 금속 수산화물을 안정적으로 금속 산화물로 전환시킬 수 있고, 형성되는 촉매층을 금속 기재 상에 효과적으로 접착시킬 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the additional hot pressing may be performed at a temperature of 200 °C to 350 °C, for example, 250 °C. When additional hot pressing is performed at a temperature within the above range, the metal hydroxide that is not converted to the metal oxide can be stably converted to the metal oxide, and the formed catalyst layer can be effectively adhered to the metal substrate.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 추가의 핫프레싱은 1,000 kg/cm2 내지 6,000 kg/cm2의 하중을 가하여 수행되는 것일 수 있다. 상기 범위 내의 하중으로 추가 핫프레싱을 수행하는 경우, 금속 수산화물로부터 전환된 금속 산화물을 포함하는 촉매층과 상기 금속 기재 간의 접착력을 향상시켜, 제조되는 수전해 전극의 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the additional hot pressing may be performed by applying a load of 1,000 kg/cm 2 to 6,000 kg/cm 2 . When additional hot pressing is performed with a load within the above range, the adhesion between the catalyst layer including the metal oxide converted from the metal hydroxide and the metal substrate may be improved, thereby further improving the durability of the manufactured water electrolytic electrode.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 추가 핫프레싱은 1 시간 내지 5 시간동안 수행되는 것일 수 있다. 상기 범위 내의 시간동안 추가의 핫프레싱을 수행하는 경우, 전환되지 않은 금속 수산화물을 금속 산화물로 안정적으로 전환시킬 수 있고, 전환된 금속 산화물을 포함하는 촉매층과 상기 금속 기재 간의 접착력을 향상시킬 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the additional hot pressing may be performed for 1 hour to 5 hours. When additional hot pressing is performed for a time within the above range, the unconverted metal hydroxide can be stably converted into a metal oxide, and adhesion between the catalyst layer including the converted metal oxide and the metal substrate can be improved.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 추가의 핫프레싱은 핫프레싱보다 높은 온도 및 높은 하중으로 수행되는 것일 수 있다. 보다 가혹한 조건으로 핫프레싱을 추가적으로 수행함으로써, 산화물로 변환되지 않고 잔존하고 있는 금속 수산화물을 산화물로 변환시킬 수 있고, 형성되는 촉매층을 금속 기재 상에 효과적으로 접착시켜 수전해 전극의 내구성을 향상시킬 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the additional hot pressing may be performed at a higher temperature and a higher load than hot pressing. By additionally performing hot pressing under harsher conditions, the metal hydroxide remaining without being converted to oxide can be converted to oxide, and the formed catalyst layer can be effectively adhered to the metal substrate to improve the durability of the electrolytic electrode. .

본 발명의 일 실시상태는, 상기 방법으로 제조되고, 복수의 금속 산화물 입자를 포함하는 촉매층을 포함하는 수전해 전극을 제공한다. An exemplary embodiment of the present invention provides a water electrolysis electrode manufactured by the above method and including a catalyst layer including a plurality of metal oxide particles.

본 발명의 일 실시상태에 따른 수전해 전극은 내구성이 우수하여 고전류밀도에서도 성능을 장시간 유지하며 구동될 수 있다. The water electrolytic electrode according to an exemplary embodiment of the present invention has excellent durability and can be driven while maintaining performance even at high current density for a long time.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 수전해 전극은 복수의 금속 산화물 입자를 포함하는 촉매층을 포함한다. 구체적으로, 상기 수전해 전극은 금속 기재 및 상기 금속 기재의 일면 상에 구비된 촉매층을 포함할 수 있고, 상기 촉매층은 복수의 금속 산화물 입자를 포함할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the electrolytic electrode includes a catalyst layer including a plurality of metal oxide particles. Specifically, the electrolytic electrode may include a metal substrate and a catalyst layer provided on one surface of the metal substrate, and the catalyst layer may include a plurality of metal oxide particles.

상기 수전해 전극의 제조 공정에 있어, 핫프레싱 공정에서 금속 수산화물은 금속 산화물로 산화되어 변환되면서 입자를 형성할 수 있다. 슬러리 내에서는 분산되어 있던 금속 수산화물이, 핫프레싱 공정에 따라 금속 산화물로 변환되는 과정에서 응집되어 클러스터를 형성하고 이에 따라 금속 산화물 입자를 형성할 수 있다. In the manufacturing process of the electrolytic electrode, in the hot pressing process, the metal hydroxide may be oxidized and converted to a metal oxide to form particles. Metal hydroxides dispersed in the slurry may aggregate to form clusters while being converted into metal oxides according to a hot pressing process, thereby forming metal oxide particles.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 복수의 금속 산화물 입자는 개별적으로 분리되어서 상기 촉매층에 포함된 것일 수도 있지만, 일부의 금속 산화물 입자는 넥킹된 구조를 갖는다. 넥킹(necking)이란, 한 입자가 다른 입자와 브릿지(bridge) 형태로 연결된 형상을 의미할 수 있다. 상기 넥킹 구조를 가짐으로써, 수전해 전극의 성능 및 내구성이 향상될 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the plurality of metal oxide particles may be individually separated and included in the catalyst layer, but some of the metal oxide particles have a necked structure. The necking may refer to a shape in which one particle is connected to another particle in a bridge form. By having the necking structure, the performance and durability of the water electrolytic electrode may be improved.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 수전해 전극은 비교적 대면적일 수 있다. 예를 들어, 상기 수전해 전극은 약 70 cm2 이상의 대면적을 가지면서도 장기 내구성이 우수할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the electrolytic electrode may have a relatively large area. For example, the water electrolytic electrode may have a large area of about 70 cm 2 or more and have excellent long-term durability.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be given to describe the present invention in detail. However, the embodiments according to the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not to be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art.

실시예Example

제조예 1 (Co 수산화물의 제조)Preparation Example 1 (Preparation of Co hydroxide)

4 L의 증류수에 Co(NO3)2·6H2O(Sigma Aldrich) 100 mM을 넣고 30분 동안 용해시킨 후, 암모니아 용액(NH4OH, 28-30 %)을 사용하여 공침하였다. 용액의 pH를 9.5로 고정하고 암모니아 용액을 5 ml/min의 속도로 주입하였다. 공침 후, 전구체 용액을 3시간 동안 교반하고 안정화를 위해 1시간 동안 에이징(aging)하였다. 안정화 과정이 완료된 후 원심분리기(HERMLE, X36HK)를 통해 침전물을 용액에서 분리하고 액체 질소를 사용하여 빠르게 냉각하고 -95 ℃에서 24시간 동안 동결 건조하여, Co 수산화물(Co(OH)2)를 제조하였다.Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O(Sigma Aldrich) 100 mM was added to 4 L of distilled water and dissolved for 30 minutes, followed by co-precipitation using ammonia solution (NH 4 OH, 28-30%). The pH of the solution was fixed at 9.5, and the ammonia solution was injected at a rate of 5 ml/min. After co-precipitation, the precursor solution was stirred for 3 hours and aged for 1 hour for stabilization. After the stabilization process is completed, the precipitate is separated from the solution through a centrifuge (HERMLE, X36HK), rapidly cooled using liquid nitrogen, and freeze-dried at -95 ° C. for 24 hours to prepare Co hydroxide (Co(OH) 2 ) did.

제조예 2 (Cu-Co 수산화물의 제조)Preparation Example 2 (Preparation of Cu—Co hydroxide)

4 L의 증류수에 CuSO4·5H2O (Sigma Aldrich) 100 mM과 Co(NO3)2·6H2O (Sigma Aldrich) 100 mM을 넣고 30분 동안 용해시킨 후, 암모니아 용액(NH4OH, 28-30 %)을 사용하여 공침하였다. 용액의 pH를 9.5로 고정하고 암모니아 용액을 5 ml/min의 속도로 주입하였다. 공침 후, 전구체 용액을 3시간 동안 교반하고 안정화를 위해 1시간 동안 에이징(aging)하였다. 안정화 과정이 완료된 후 원심분리기(HERMLE, X36HK)를 통해 침전물을 용액에서 분리하고 액체 질소를 사용하여 빠르게 냉각하고 -95 ℃에서 24시간 동안 동결 건조하여, Cu-Co 수산화물을 제조하였다.In 4 L of distilled water, CuSO 4 ·5H 2 O (Sigma Aldrich) 100 mM and Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O (Sigma Aldrich) 100 mM were added and dissolved for 30 minutes, followed by an ammonia solution (NH 4 OH, 28-30%) was used for co-precipitation. The pH of the solution was fixed at 9.5, and the ammonia solution was injected at a rate of 5 ml/min. After co-precipitation, the precursor solution was stirred for 3 hours and aged for 1 hour for stabilization. After the stabilization process was completed, the precipitate was separated from the solution through a centrifuge (HERMLE, X36HK), rapidly cooled using liquid nitrogen, and freeze-dried at -95 ° C. for 24 hours to prepare Cu—Co hydroxide.

Co 수산화물 사용Use of Co hydroxide

참조예 1Reference Example 1

제조예 1에서 제조된 Co 수산화물, 바인더로서 PTFE 및 탈이온수(DI water)를 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이때, 슬러리 100 중량부 기준으로, Co 수산화물의 함량은 약 18.9 중량부이었다. 또한, Co 수산화물 100 중량부에 대하여, 바인더의 함량은 6 중량부이었다.A slurry was prepared by mixing the Co hydroxide prepared in Preparation Example 1, PTFE and deionized water (DI water) as a binder. At this time, based on 100 parts by weight of the slurry, the content of Co hydroxide was about 18.9 parts by weight. In addition, based on 100 parts by weight of Co hydroxide, the content of the binder was 6 parts by weight.

상기 슬러리를 7.065cm2 크기의 니켈 폼의 일면 상에 도포하였다. 슬러리가 도포된 니켈 폼에 대하여 190 ℃의 온도에서 10 분 동안 500 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하여 로딩양이 15.7 mg/cm2 인 수전해전극을 제조하였다. The slurry was applied on one side of a nickel foam having a size of 7.065 cm 2 . The nickel foam coated with the slurry was subjected to hot pressing by applying a load of 500 kg/cm 2 at a temperature of 190° C. for 10 minutes to prepare a water electrolytic electrode having a loading amount of 15.7 mg/cm 2 .

참조예 2Reference Example 2

상기 참조예 1에 있어서, 핫프레싱을 120 분 동안 수행하고, 로딩양이 14.68 mg/cm2 인 수전해전극을 제조한 것을 제외하고는 참조예 1과 동일한 방법으로 수전해전극을 제조하였다. In Reference Example 1, a water electrolytic electrode was manufactured in the same manner as in Reference Example 1, except that hot pressing was performed for 120 minutes and a water electrolytic electrode having a loading amount of 14.68 mg/cm 2 was prepared.

참조예 3Reference Example 3

상기 참조예 1에 있어서, 바인더의 함량을 Co 수산화물 100 중량부에 대하여 10 중량부로 조절하고, 로딩양이 17.55 mg/cm2 인 수전해전극을 제조한 것을 제외하고는 참조예 1과 동일한 방법으로 수전해전극을 제조하였다.In Reference Example 1, the content of the binder was adjusted to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of Co hydroxide, and the same method as in Reference Example 1, except that a water electrolytic electrode having a loading amount of 17.55 mg/cm 2 was prepared. A water electrolytic electrode was prepared.

참조예 4Reference Example 4

상기 참조예 1에 있어서, 바인더의 함량을 Co 수산화물 100 중량부에 대하여 10 중량부로 조절하고, 78.5 cm2 크기의 니켈 폼을 사용하고, 130 kg/cm2의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하여 로딩양이 24.8 mg/cm2 인 수전해전극을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수전해 전극을 제조하였다.In Reference Example 1, the content of the binder is adjusted to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of Co hydroxide, using a nickel foam having a size of 78.5 cm 2 , and performing hot pressing by applying a load of 130 kg/cm 2 Loading A water electrolytic electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that a water electrolytic electrode having an amount of 24.8 mg/cm 2 was prepared.

참조예 1Reference Example 1 참조예 2Reference Example 2 참조예 3Reference Example 3 참조예 4Reference Example 4 니켈 폼의 크기 (cm2)Size of Nickel Foam (cm 2 ) 7.0657.065 7.0657.065 7.0657.065 78.578.5 바인더 함량 (중량부)Binder content (parts by weight) 66 66 1010 1010 핫프레싱hot pressing 온도 (℃)Temperature (℃) 190190 190190 190190 190190 시간 (분)time (minutes) 1010 120120 1010 1010 하중 (kg/cm2)load (kg/cm 2 ) 500500 500500 500500 130130 로딩양 (mg/cm2)Loading amount (mg/cm 2 ) 15.715.7 14.6814.68 17.5517.55 24.824.8

상기 표 1에서, 바인더의 함량은 금속 수산화물 100 중량부에 대한 것(중량부)이다.In Table 1, the content of the binder is based on 100 parts by weight of the metal hydroxide (parts by weight).

실시예 1Example 1

제조예 1에서 제조된 Co 수산화물, 바인더로서 PTFE 및 탈이온수(DI water)를 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이때, 슬러리 100 중량부 기준으로, Co 수산화물의 함량은 약 18.9 중량부이었다. 또한, Co 수산화물 100 중량부에 대하여, 바인더의 함량은 10 중량부이었다.A slurry was prepared by mixing the Co hydroxide prepared in Preparation Example 1, PTFE and deionized water (DI water) as a binder. At this time, based on 100 parts by weight of the slurry, the content of Co hydroxide was about 18.9 parts by weight. In addition, the content of the binder was 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the Co hydroxide.

상기 슬러리를 7.065cm2 크기의 니켈 폼의 일면 상에 도포하였다. 슬러리가 도포된 니켈 폼에 대하여 190 ℃의 온도에서 10 분 동안 500 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하였다.The slurry was applied on one side of a nickel foam having a size of 7.065 cm 2 . Hot pressing was performed by applying a load of 500 kg/cm 2 to the nickel foam coated with the slurry at a temperature of 190° C. for 10 minutes.

이후, 추가적으로 250 ℃의 온도에서 3 시간동안 열처리를 수행하여 로딩양이 17.54 mg/cm2 인 수전해전극을 제조하였다. Thereafter, an additional heat treatment was performed at a temperature of 250° C. for 3 hours to prepare a water electrolytic electrode having a loading amount of 17.54 mg/cm 2 .

실시예 2Example 2

상기 실시예 1에서 제조된 슬러리를 준비하였다. 상기 슬러리를 78.5cm2 크기의 니켈 폼의 일면 상에 도포하였다. 슬러리가 도포된 니켈 폼에 대하여 190 ℃의 온도에서 10 분 동안 130 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하였다.The slurry prepared in Example 1 was prepared. The slurry was applied on one side of a nickel foam having a size of 78.5 cm 2 . Hot pressing was performed by applying a load of 130 kg/cm 2 for 10 minutes at a temperature of 190° C. to the nickel foam coated with the slurry.

이후, 추가적으로 250 ℃의 온도에서 3 시간동안 열처리를 수행하여 로딩양이 24.8 mg/cm2 인 수전해전극을 제조하였다. Thereafter, heat treatment was additionally performed at a temperature of 250° C. for 3 hours to prepare a water electrolytic electrode having a loading amount of 24.8 mg/cm 2 .

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 니켈 폼의 크기 (cm2)Size of Nickel Foam (cm 2 ) 7.0657.065 78.578.5 바인더 함량 (중량부)Binder content (parts by weight) 1010 1010 핫프레싱hot pressing 온도 (℃)Temperature (℃) 190190 190190 시간 (분)time (minutes) 1010 1010 하중 (Kg/cm2)Load (Kg/cm 2 ) 500500 130130 열처리heat treatment 온도 (℃)Temperature (℃) 250250 250250 시간 (분)time (minutes) 180180 180180 로딩양 (mg/cm2)Loading amount (mg/cm 2 ) 17.5417.54 24.824.8

상기 표 2에서, 바인더의 함량은 금속 수산화물 100 중량부에 대한 것(중량부)이다.In Table 2, the content of the binder is based on 100 parts by weight of the metal hydroxide (parts by weight).

Cu-Co 수산화물 사용Using Cu-Co hydroxide

참조예 5 (바인더 미포함)Reference Example 5 (without binder)

제조예 2에서 제조된 Cu-Co 수산화물 및 탈이온수(DI water)를 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이때, 슬러리 100 중량부 기준으로, Cu-Co 수산화물의 함량은 약 28.6 중량부이었다.A slurry was prepared by mixing Cu—Co hydroxide prepared in Preparation Example 2 and deionized water (DI water). At this time, based on 100 parts by weight of the slurry, the content of Cu—Co hydroxide was about 28.6 parts by weight.

상기 슬러리를 7.065cm2 크기의 니켈 폼의 일면 상에 도포하였다. 슬러리가 도포된 니켈 폼에 대하여 150 ℃의 온도에서 120 분 동안 150 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하여 로딩양이 22.7 mg/cm2 인 수전해전극을 제조하였다. The slurry was applied on one side of a nickel foam having a size of 7.065 cm 2 . Hot pressing was performed by applying a load of 150 kg/cm 2 to the nickel foam coated with the slurry at a temperature of 150° C. for 120 minutes to prepare a water electrolytic electrode having a loading amount of 22.7 mg/cm 2 .

참조예 6Reference Example 6

제조예 2에서 제조된 Cu-Co 수산화물, 바인더로서 PTFE 및 탈이온수(DI water)를 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이때, 슬러리 100 중량부 기준으로, Cu-Co 수산화물의 함량은 약 18.9 중량부이었다. 또한, Cu-Co 수산화물 100 중량부에 대하여, 바인더의 함량은 6 중량부이었다.A slurry was prepared by mixing the Cu—Co hydroxide prepared in Preparation Example 2, PTFE and deionized water (DI water) as a binder. At this time, based on 100 parts by weight of the slurry, the content of Cu—Co hydroxide was about 18.9 parts by weight. In addition, the content of the binder was 6 parts by weight based on 100 parts by weight of Cu—Co hydroxide.

상기 슬러리를 7.065cm2 크기의 니켈 폼의 일면 상에 도포하였다. 슬러리가 도포된 니켈 폼에 대하여 190 ℃의 온도에서 10 분 동안 150 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하여 로딩양이 19.25 mg/cm2 인 수전해전극을 제조하였다. The slurry was applied on one side of a nickel foam having a size of 7.065 cm 2 . The nickel foam coated with the slurry was subjected to hot pressing by applying a load of 150 kg/cm 2 at a temperature of 190° C. for 10 minutes to prepare a water electrolytic electrode having a loading amount of 19.25 mg/cm 2 .

참조예 7Reference Example 7

상기 참조예 6에 있어서, 500 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하여 로딩양이 30.51 mg/cm2 인 수전해전극을 제조한 것을 제외하고는 참조예 6과 동일한 방법으로 수전해전극을 제조하였다. In Reference Example 6, the water electrolytic electrode was performed in the same manner as in Reference Example 6, except that the water electrolytic electrode having a loading amount of 30.51 mg/cm 2 was manufactured by performing hot pressing by applying a load of 500 kg/cm 2 . was prepared.

참조예 8Reference Example 8

상기 참조예 6에 있어서, 500 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하여 로딩양이 17.21 mg/cm2 인 수전해전극을 제조한 것을 제외하고는 참조예 6과 동일한 방법으로 수전해전극을 제조하였다. In Reference Example 6, the water electrolysis electrode was performed in the same manner as in Reference Example 6, except that a load of 500 kg/cm 2 was applied and hot pressing was performed to prepare a water electrolytic electrode having a loading amount of 17.21 mg/cm 2 . was prepared.

참조예 9Reference Example 9

상기 참조예 6에 있어서, 120 분 동안 500 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하여 로딩양이 17.46 mg/cm2 인 수전해전극을 제조한 것을 제외하고는 참조예 6과 동일한 방법으로 수전해전극을 제조하였다. In the same manner as in Reference Example 6, except that in Reference Example 6, a water electrolytic electrode having a loading amount of 17.46 mg/cm 2 was prepared by hot pressing by applying a load of 500 kg/cm 2 for 120 minutes. A water electrolytic electrode was prepared.

참조예 10Reference Example 10

상기 참조예 9에 있어서, 120 분 동안 1,000 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하여 로딩양이 17.46 mg/cm2 인 수전해전극을 제조한 것을 제외하고는 참조예 6과 동일한 방법으로 수전해전극을 제조하였다. In Reference Example 9, in the same manner as in Reference Example 6, except that a water electrolytic electrode having a loading amount of 17.46 mg/cm 2 was prepared by performing hot pressing by applying a load of 1,000 kg/cm 2 for 120 minutes. A water electrolytic electrode was prepared.

참조예
5
Reference example
5
참조예
6
Reference example
6
참조예
7
Reference example
7
참조예
8
Reference example
8
참조예
9
Reference example
9
참조예
10
Reference example
10
니켈 폼의 크기 (cm2)Size of Nickel Foam (cm 2 ) 7.0657.065 7.0657.065 7.0657.065 7.0657.065 7.0657.065 7.0657.065 바인더 함량 (중량부)Binder content (parts by weight) -- 66 1010 1010 1010 1010 핫프레싱hot pressing 온도 (℃)Temperature (℃) 150150 190190 190190 190190 190190 190190 시간 (분)time (minutes) 120120 1010 1010 1010 120120 120120 하중 (Kg/cm2)Load (Kg/cm 2 ) 150150 150150 500500 500500 500500 1,0001,000 로딩양 (mg/cm2)Loading amount (mg/cm 2 ) 22.722.7 19.2519.25 30.5130.51 17.2117.21 17.4617.46 17.4617.46

상기 표 3에서, 바인더의 함량은 금속 수산화물 100 중량부에 대한 것(중량부)이다.In Table 3, the content of the binder is based on 100 parts by weight of the metal hydroxide (parts by weight).

실시예 3Example 3

참조예 6에서 제조된 슬러리를 준비하였다. 상기 슬러리를 7.065cm2 크기의 니켈 폼의 일면 상에 도포하였다. 슬러리가 도포된 니켈 폼에 대하여 190 ℃의 온도에서 10 분 동안 150 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하였다.The slurry prepared in Reference Example 6 was prepared. The slurry was applied on one side of a nickel foam having a size of 7.065 cm 2 . Hot pressing was performed by applying a load of 150 kg/cm 2 for 10 minutes at a temperature of 190° C. to the nickel foam coated with the slurry.

이후, 추가적으로 250 ℃의 온도에서 2 시간동안 열처리를 수행하여 로딩양이 17.54 mg/cm2 인 수전해전극을 제조하였다. Thereafter, heat treatment was additionally performed at a temperature of 250° C. for 2 hours to prepare a water electrolytic electrode having a loading amount of 17.54 mg/cm 2 .

실시예 4Example 4

상기 참조예 6에 있어서, 바인더의 함량을 Cu-Co 수산화물 100 중량부에 대하여 10 중량부로 조절한 것을 제외하고, 상기 참조예 6과 동일한 방법으로 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 7.065cm2 크기의 니켈 폼의 일면 상에 도포하였다. 슬러리가 도포된 니켈 폼에 대하여 190 ℃의 온도에서 10 분 동안 500 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하였다.In Reference Example 6, a slurry was prepared in the same manner as in Reference Example 6, except that the content of the binder was adjusted to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of Cu—Co hydroxide. The slurry was applied on one side of a nickel foam having a size of 7.065 cm 2 . Hot pressing was performed by applying a load of 500 kg/cm 2 to the nickel foam coated with the slurry at a temperature of 190° C. for 10 minutes.

이후, 250 ℃의 온도에서 180 분 동안 5,600 kg/cm2 의 하중을 가하여 추가의 핫프레싱을 수행하여, 로딩양이 17.68 mg/cm2 인 수전해전극을 제조하였다. Thereafter, additional hot pressing was performed by applying a load of 5,600 kg/cm 2 at a temperature of 250° C. for 180 minutes to prepare a water electrolytic electrode having a loading amount of 17.68 mg/cm 2 .

실시예 5Example 5

참조예 6에서 제조된 슬러리를 준비하였다. 상기 슬러리를 78.5cm2 크기의 니켈 폼의 일면 상에 도포하였다. 슬러리가 도포된 니켈 폼에 대하여 190 ℃의 온도에서 10 분 동안 130 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하였다.The slurry prepared in Reference Example 6 was prepared. The slurry was applied on one side of a nickel foam having a size of 78.5 cm 2 . Hot pressing was performed by applying a load of 130 kg/cm 2 for 10 minutes at a temperature of 190° C. to the nickel foam coated with the slurry.

이후, 250 ℃의 온도에서 180 분 동안 5,600 kg/cm2 의 하중을 가하여 추가의 핫프레싱을 수행하여, 로딩양이 23.15 mg/cm2 인 수전해전극을 제조하였다. Thereafter, additional hot pressing was performed by applying a load of 5,600 kg/cm 2 at a temperature of 250° C. for 180 minutes to prepare a water electrolytic electrode having a loading amount of 23.15 mg/cm 2 .

실시예 6Example 6

실시예 4에서 제조된 슬러리를 준비하였다. 상기 슬러리를 78.5cm2 크기의 니켈 폼의 일면 상에 도포하였다. 슬러리가 도포된 니켈 폼에 대하여 190 ℃의 온도에서 10 분 동안 130 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하였다.The slurry prepared in Example 4 was prepared. The slurry was applied on one side of a nickel foam having a size of 78.5 cm 2 . Hot pressing was performed by applying a load of 130 kg/cm 2 for 10 minutes at a temperature of 190° C. to the nickel foam coated with the slurry.

이후, 250 ℃의 온도에서 180 분 동안 5,600 kg/cm2 의 하중을 가하여 추가의 핫프레싱을 수행하여, 로딩양이 23.88 mg/cm2 인 수전해전극을 제조하였다. Thereafter, additional hot pressing was performed by applying a load of 5,600 kg/cm 2 at a temperature of 250° C. for 180 minutes to prepare a water electrolytic electrode having a loading amount of 23.88 mg/cm 2 .

실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 실시예 6Example 6 니켈 폼의 크기 (cm2)Size of Nickel Foam (cm 2 ) 7.0657.065 7.0657.065 78.578.5 78.578.5 바인더 함량 (중량부)Binder content (parts by weight) 66 1010 66 1010 핫프레싱hot pressing 온도 (℃)Temperature (℃) 190190 190190 190190 190190 시간 (분)time (minutes) 1010 1010 1010 1010 하중 (Kg/cm2)Load (Kg/cm 2 ) 150150 500500 130130 130130 열처리heat treatment 온도 (℃)Temperature (℃) 250250 -- -- -- 시간 (분)time (minutes) 120120 -- -- -- 추가의
핫프레싱
additional
hot pressing
온도 (℃)Temperature (℃) -- 250250 250250 250250
시간 (분)time (minutes) -- 180180 180180 180180 하중 (Kg/cm2)Load (Kg/cm 2 ) -- 5,6005,600 5,6005,600 5,6005,600 로딩양 (mg/cm2)Loading amount (mg/cm 2 ) 17.5417.54 17.6817.68 23.1523.15 23.8823.88

상기 표 4에서, 바인더의 함량은 금속 수산화물 100 중량부에 대한 것(중량부)이다.In Table 4, the content of the binder is based on 100 parts by weight of the metal hydroxide (parts by weight).

비교예 1Comparative Example 1

하기의 방법에 따라 Cu-Co 산화물 촉매 전극을 제조하였다. A Cu—Co oxide catalyst electrode was prepared according to the following method.

제조예 2에서 제조된 Cu-Co 수산화물 분말을 준비하였다. 이후, Cu-Co 수산화물 분말을 막자 사발을 이용하여 분쇄 후, 공기 분위기에서 5 ℃/min의 승온 속도로 300 ℃에서 4시간 열처리를 진행하여 Cu-Co 산화물을 합성하였다.The Cu—Co hydroxide powder prepared in Preparation Example 2 was prepared. Thereafter, Cu-Co hydroxide powder was pulverized using a mortar and bowl, and then heat treatment was performed at 300 °C for 4 hours at a temperature increase rate of 5 °C/min in an air atmosphere to synthesize Cu-Co oxide.

상기에서 제조된 Cu-Co 산화물, 바인더로서 PTFE 및 탈이온수(DI water)를 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이때, 슬러리 100 중량부 기준으로, Cu-Co 산화물의 함량은 약 18.9 중량부이었다. 또한, Cu-Co 산화물 100 중량부에 대하여, 바인더의 함량은 6 중량부이었다.A slurry was prepared by mixing the Cu-Co oxide prepared above, PTFE and deionized water (DI water) as a binder. At this time, based on 100 parts by weight of the slurry, the content of Cu-Co oxide was about 18.9 parts by weight. In addition, the content of the binder was 6 parts by weight based on 100 parts by weight of the Cu—Co oxide.

상기 슬러리를 7.065 cm2 크기의 니켈 폼의 일면 상에 도포하였다. 슬러리가 도포된 니켈 폼에 대하여 250 ℃의 온도에서 10 분 동안 100 kg/cm2 의 하중을 가하여 핫프레싱을 수행하고, 350 ℃에서 1시간 동안 열처리하여, Cu-Co 산화물 촉매 전극을 제조하였다.The slurry was applied on one side of a nickel foam having a size of 7.065 cm 2 . Hot pressing was performed by applying a load of 100 kg/cm 2 to the nickel foam coated with the slurry at a temperature of 250 ° C. for 10 minutes, and heat treatment was performed at 350 ° C. for 1 hour to prepare a Cu—Co oxide catalyst electrode.

실험예 1: 수전해전극의 외관 관찰Experimental Example 1: Observation of the appearance of the water electrolytic electrode

도 1a는 참조예 1 내지 참조예 4에서 제조한 수전해전극의 사진 및 하이록스 현미경 이용하여 촬영한 사진이고, 도 1b는 실시예 1에서 제조한 수전해전극의 하이록스 현미경 이용하여 촬영한 사진이고, 도 1c는 참조예 5 내지 참조예 9에서 제조한 수전해전극의 사진 및 하이록스 현미경 이용하여 촬영한 사진이고, 도 1d는 실시예 3 내지 실시예 6에서 제조한 수전해전극의 사진 및 하이록스 현미경 이용하여 촬영한 사진이다.1A is a photograph of the water electrolytic electrode prepared in Reference Examples 1 to 4 and a photograph taken using a Hyrox microscope, and FIG. 1B is a photograph taken using a Hyrox microscope of the water electrolytic electrode prepared in Example 1 1C is a photograph of the water electrolytic electrode prepared in Reference Examples 5 to 9 and a photograph taken using a Hyrox microscope, and FIG. 1D is a photograph of the water electrolytic electrode prepared in Examples 3 to 6 and This picture was taken using a Hyrox microscope.

도 1a 내지 도 1d를 참고하면, 본 발명의 실시예 1, 실시예 3 내지 실시예 6에서 제조한 수전해전극의 경우, 촉매층이 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 1A to 1D , in the case of the electrolytic electrodes prepared in Examples 1 and 3 to 6 of the present invention, it can be seen that the catalyst layer is uniformly formed.

실험예 2: 수전해전극의 미세구조 관찰Experimental Example 2: Observation of the microstructure of the water electrolytic electrode

제조예 1의 Co 수산화물과, 참조예 3 및 실시예 1에서 제조한 수전해전극의 표면을 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 이미지를 촬영하였다. Images were taken of the Co hydroxide of Preparation Example 1 and the surfaces of the aqueous electrolytic electrodes prepared in Reference Examples 3 and 1 using a scanning electron microscope (SEM).

도 2에 제조예 1의 Co 수산화물과, 참조예 3 및 실시예 1에서 제조한 수전해전극의 표면 SEM 이미지를 나타내었다.FIG. 2 shows surface SEM images of the Co hydroxide of Preparation Example 1 and the water electrolytic electrodes prepared in Reference Examples 3 and 1, respectively.

도 2를 참조하면, 약 300 um 크기의 나노월로 형성된 Co 수산화물이 핫프레싱 및 열처리를 통해, 수십 um 크기의 입자형상의 Co 산화물로 변화하였고, Co 산화물 간에 넥킹이 형성된 것을 확인하였다.Referring to FIG. 2, it was confirmed that Co hydroxide formed into nanowalls with a size of about 300 um was changed to Co oxide in the form of particles with a size of several tens of um through hot pressing and heat treatment, and necking was formed between Co oxides.

실험예 3: 수전해전극의 XRD 분석Experimental Example 3: XRD analysis of water electrolytic electrode

제조예 1의 Co 수산화물과, 참조예 3 및 실시예 1에서 제조한 수전해전극의 X선 회절분석(XRD)을 수행하였다. X-ray diffraction analysis (XRD) of the Co hydroxide of Preparation Example 1 and the aqueous electrolytic electrodes prepared in Reference Examples 3 and 1 was performed.

도 3에 제조예 1의 Co 수산화물과, 참조예 3 및 실시예 1에서 제조한 수전해전극의 XRD 패턴을 나타내었다. FIG. 3 shows XRD patterns of the Co hydroxide of Preparation Example 1 and the water electrolytic electrodes prepared in Reference Examples 3 and 1.

도 3을 참조하면, 제조예 1의 Co 수산화물에서 관찰되는 α-Co(OH)2 피크는, 참조예 3에서 핫프레싱을 수행한 후 사라지며 대신 Co3O4 피크가 형성되고, 약 19°에서 β-Co(OH)2 피크가 형성된 것을 확인할 수 있다. 즉, 핫프레싱 공정에 의하여 Co 수산화물이 Co 산화물로 대체로 변환되거나 결정구조가 변화된 것을 확인할 수 있다. 한편, 핫프레싱 및 열처리를 모두 수행한 실시예 1의 수전해전극은 β-Co(OH)2 피크도 사라져 Co 수산화물이 Co 산화물로 완전히 변환된 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3 , the α-Co(OH) 2 peak observed in the Co hydroxide of Preparation Example 1 disappears after performing hot pressing in Reference Example 3, and a Co 3 O 4 peak is formed instead, and about 19° β-Co(OH) 2 It can be seen that a peak is formed. That is, it can be confirmed that the Co hydroxide is generally converted to Co oxide or the crystal structure is changed by the hot pressing process. On the other hand, in the electrolytic electrode of Example 1 in which both hot pressing and heat treatment were performed, the β-Co(OH) 2 peak also disappeared, confirming that Co hydroxide was completely converted into Co oxide.

실험예 4: 수전해전극의 특성 평가Experimental Example 4: Characteristic evaluation of water electrolytic electrode

실시예 2 내지 5, 10 내지 12, 17 에서 제조한 수전해전극, 비교예 1의 전극 및 참조예 1의 시편을 각각 애노드로 하고, 미세다공성 탄소층(CeTech Co., Ltd.)으로 코팅된 탄소 천 위에 나피온 바인더(40 wt.%, HISPEC 4000, Johnson Matthey)와 함께, Pt의 로딩량이 약 1.0 ± 0.05 mg/cm2이 되도록 제조한 Pt/C를 캐소드로 사용하였다. 상기 애노드 및 캐소드와, 음이온 교환막(AEM, X37-50 Grade T, Dioxide Materials), 다공성 수송층(PTL, Ti 펠트, Bekaert), 집전체(스테인리스 스틸) 및 전해질(0.1 M KOH)로 셀을 구성하였다. The water electrolytic electrode prepared in Examples 2 to 5, 10 to 12, and 17, the electrode of Comparative Example 1, and the specimen of Reference Example 1 were used as an anode, respectively, and coated with a microporous carbon layer (CeTech Co., Ltd.). Pt/C prepared so as to have a loading amount of Pt of about 1.0 ± 0.05 mg/cm 2 along with a Nafion binder (40 wt.%, HISPEC 4000, Johnson Matthey) on a carbon cloth was used as a cathode. A cell was constructed with the anode and cathode, an anion exchange membrane (AEM, X37-50 Grade T, Dioxide Materials), a porous transport layer (PTL, Ti felt, Bekaert), a current collector (stainless steel), and an electrolyte (0.1 M KOH). .

상기와 같이 구성한 셀에 있어, 1 mV/s 의 주사 속도로 선형주사전위법(LSV)으로 포텐시오스탯을 사용하여 1.3 V 내지 1.9 V 범위의 전압을 가하여 분극 곡선을 도출하였다. In the cell configured as described above, a polarization curve was derived by applying a voltage in the range of 1.3 V to 1.9 V using a potentiostat using a linear scanning potential (LSV) at a scanning rate of 1 mV/s.

도 4에 참조예 2, 참조예 3 및 실시예 1에서 제조한 전극의 가해준 전압에 대한 전류 밀도에 해당하는 LSV 분극 곡선을 나타내었고, 도 5에 실시예 2에서 제조한 전극의 가해준 전압에 대한 전류 밀도에 해당하는 LSV 분극 곡선을 나타내었고, 도 6에 참조예 7 내지 참조예 10에서 제조한 전극 및 제조예 2의 분말을 이용하여 제조한 전극의 가해준 전압에 대한 전류 밀도에 해당하는 LSV 분극 곡선을 나타내었고, 도 7에 참조예 9 및 비교예 1에서 제조한 전극의 가해준 전압에 대한 전류 밀도에 해당하는 LSV 분극 곡선을 나타내었다.4 shows the LSV polarization curves corresponding to the current density with respect to the applied voltage of the electrodes prepared in Reference Example 2, Reference Example 3, and Example 1, and FIG. 5 shows the applied voltage of the electrodes prepared in Example 2 The LSV polarization curve corresponding to the current density for 7, the LSV polarization curve corresponding to the current density with respect to the applied voltage of the electrodes prepared in Reference Example 9 and Comparative Example 1 is shown in FIG.

실험예 5: 수전해전극의 안정성 평가Experimental Example 5: Stability evaluation of water electrolytic electrode

실험예 4에서 구성한 셀에 있어, 500 mA/cm2의 일정 전류밀도로 80 시간, 200 시간 또는 1000 시간동안 내구성을 평가하였다.In the cell constructed in Experimental Example 4, durability was evaluated for 80 hours, 200 hours, or 1000 hours at a constant current density of 500 mA/cm 2 .

도 8에 참조예 2, 참조예 3 및 실시예 1에서 제조한 전극의 내구성 평가 결과를 나타내었고, 도 9에 실시예 2에서 제조한 전극의 내구성 평가 결과를 나타내었고, 도 10에 참조예 7 내지 참조예 10에서 제조한 전극 및 제조예 2의 분말을 이용하여 제조한 전극의 내구성 평가 결과를 나타내었고, 도 11에 참조예 9 및 비교예 1에서 제조한 전극의 내구성 평가 결과를 나타내었다.8 shows the durability evaluation results of the electrodes prepared in Reference Example 2, Reference Example 3 and Example 1, FIG. 9 shows the durability evaluation results of the electrodes prepared in Example 2, and FIG. 10 shows Reference Example 7 to the electrode prepared in Reference Example 10 and the electrode prepared by using the powder of Preparation Example 2 were shown, and the durability evaluation result of the electrode prepared in Reference Example 9 and Comparative Example 1 is shown in FIG. 11 .

도 8을 참조하면, 실시예 1의 전극은 80 시간의 구동에도 0.1 V 미만의 셀 전압 증가만을 나타내는 바, 전극의 내구성이 우수한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8 , the electrode of Example 1 exhibits only an increase in cell voltage of less than 0.1 V even after 80 hours of driving, confirming that the electrode has excellent durability.

도 9를 참조하면, 실시예 2의 전극은 대면적 전극이면서 1000 시간의 장기간 구동에도 셀 전압이 거의 상승하지 않은 형태의 그래프를 확인할 수 있는 바, 내구성이 매우 우수하며 상용 기준을 만족하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9 , the electrode of Example 2 is a large-area electrode and a graph of a form in which the cell voltage hardly rises even after a long-term operation of 1000 hours can be confirmed. can

도 10을 참조하면, 핫프레싱 수행 시간이 짧은 경우에 금속 수산화물이 완전히 산화되지 않아, 제조되는 전극의 성능이 열등한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10 , when the hot-pressing time is short, the metal hydroxide is not completely oxidized, and it can be seen that the performance of the manufactured electrode is inferior.

도 11을 참조하면, 종래 기술에 해당하는 비교예 1의 수전해 전극은 구동을 시작한 직후부터 빠르게 셀 전압이 상승하는 바, 내구성이 열등한 것을 확인할 수 있는 반면, 참조예 9의 수전해 전극은 200 시간의 구동에도 셀 전압이 0.1 V 미만의 양으로 미미하게 증가한 것을 확인하였다.Referring to FIG. 11 , it can be seen that the water electrolytic electrode of Comparative Example 1 corresponding to the prior art has inferior durability as the cell voltage rises rapidly immediately after starting the driving, whereas the water electrolytic electrode of Reference Example 9 has 200 It was confirmed that the cell voltage slightly increased to an amount less than 0.1 V even with time driving.

또한, 실시예 1의 전극에 대하여 500 mA/cm2 의 전류밀도로 1000 시간동안 내구성 평가를 진행한 후, SEM 이미지를 촬영하여 전극 표면을 관찰하였다. In addition, the electrode of Example 1 was evaluated for durability for 1000 hours at a current density of 500 mA/cm 2 , and then an SEM image was taken to observe the electrode surface.

도 12에 실시예 1의 전극의 내구성 평가 후의 SEM 이미지를 나타내었다. 도 12를 참조하면, 내구성 평가 이후 표면에 일부 갈라짐이 형성되었지만, 미세 구조가 크게 붕괴되지 않고 유지된 형태인 것을 확인할 수 있다.12 shows an SEM image of the electrode of Example 1 after durability evaluation. Referring to FIG. 12 , although some cracks are formed on the surface after the durability evaluation, it can be confirmed that the microstructure is maintained without greatly collapsing.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.In the above, although the present invention has been described by way of limited examples, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and patents to be described below by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains It goes without saying that various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims.

Claims (15)

금속 기재 상에 금속 수산화물을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 코팅층이 형성된 금속 기재를 핫프레싱하고 열처리하여, 상기 금속 수산화물을 금속 산화물로 변환하는 단계;를 포함하는 수전해 전극의 제조 방법.
forming a coating layer including a metal hydroxide on a metal substrate; and
The method of manufacturing an electrolytic electrode comprising a; hot-pressing and heat-treating the metal substrate on which the coating layer is formed to convert the metal hydroxide into a metal oxide.
제1항에 있어서,
상기 금속 기재는 Ni 폼, Fe 폼, Cu 폼, Ag 폼 및 Ti 폼 중 적어도 하나를 포함하는 것인 수전해 전극의 제조 방법.
According to claim 1,
The metal substrate is a method of manufacturing a water electrolytic electrode comprising at least one of Ni foam, Fe foam, Cu foam, Ag foam, and Ti foam.
제1항에 있어서,
상기 금속 수산화물은 Cu, Co, Ni 및 Mn 중 적어도 하나의 금속을 함유하는 수산화물을 포함하는 것인 수전해 전극의 제조 방법.
According to claim 1,
The metal hydroxide is a method of manufacturing a water electrolytic electrode comprising a hydroxide containing at least one metal of Cu, Co, Ni, and Mn.
제1항에 있어서,
상기 코팅층을 형성하는 단계는,
상기 금속 수산화물을 포함하는 슬러리를 상기 금속 기재의 일면 상에 도포하는 단계;를 포함하는 것인 수전해 전극의 제조 방법.
According to claim 1,
The step of forming the coating layer,
The method of manufacturing a water electrolytic electrode comprising a; applying a slurry containing the metal hydroxide on one surface of the metal substrate.
제4항에 있어서,
상기 슬러리 100 중량부 기준으로, 상기 금속 수산화물의 함량은 10 중량부 이상 30 중량부 이하인 것인 수전해 전극의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Based on 100 parts by weight of the slurry, the content of the metal hydroxide is 10 parts by weight or more and 30 parts by weight or less.
제4항에 있어서,
상기 슬러리는 바인더를 더 포함하며,
상기 금속 수산화물 100 중량부에 대하여, 상기 바인더의 함량은 5 중량부 이상 15 중량부 이하인 것인 수전해 전극의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The slurry further comprises a binder,
Based on 100 parts by weight of the metal hydroxide, the content of the binder is 5 parts by weight or more and 15 parts by weight or less.
제4항에 있어서,
상기 슬러리는 상기 수전해 전극이 1 mg/cm2 내지 100 mg/cm2의 양으로 로딩되도록 도포되는 것인 수전해 전극의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The slurry is applied so that the water electrolytic electrode is loaded in an amount of 1 mg/cm 2 to 100 mg/cm 2 A method of manufacturing a water electrolytic electrode.
제1항에 있어서,
상기 핫프레싱은 150 ℃ 이상 200 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 것인 수전해 전극의 제조 방법.
According to claim 1,
The hot pressing is a method of manufacturing a water electrolytic electrode that is performed at a temperature of 150 ℃ or more and less than 200 ℃.
제1항에 있어서,
상기 핫프레싱은 5 분 내지 150 분 동안 수행되는 것인 수전해 전극의 제조 방법.
According to claim 1,
The hot pressing is a method of manufacturing a water electrolytic electrode that is performed for 5 minutes to 150 minutes.
제1항에 있어서,
상기 핫프레싱은 100 kg/cm2 내지 1,000 kg/cm2 의 하중을 가하여 수행되는 것인 수전해 전극의 제조 방법.
According to claim 1,
The hot pressing is 100 kg/cm 2 to 1,000 kg/cm 2 A method of manufacturing a water electrolytic electrode that is performed by applying a load.
제1항에 있어서,
상기 열처리는 200 ℃ 내지 350 ℃의 온도에서 수행되는 것인 수전해 전극의 제조 방법.
According to claim 1,
The heat treatment is a method of manufacturing a water electrolytic electrode that is performed at a temperature of 200 ℃ to 350 ℃.
제1항에 있어서,
상기 열처리는 1 시간 내지 5 시간동안 수행되는 것인 수전해 전극의 제조 방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a water electrolytic electrode wherein the heat treatment is performed for 1 hour to 5 hours.
제1항에 있어서,
상기 열처리는,
핫프레싱된 코팅층이 형성된 금속 기재에 대하여 추가적인 핫프레싱을 수행하는 것을 포함하는 것인 수전해 전극의 제조 방법.
According to claim 1,
The heat treatment is
A method of manufacturing a water electrolytic electrode comprising performing additional hot pressing on a metal substrate having a hot-pressed coating layer formed thereon.
제13항에 있어서,
상기 추가의 핫프레싱은 1,000 kg/cm2 내지 6,000 kg/cm2의 하중을 가하여 수행되는 것인 수전해 전극의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The additional hot pressing is 1,000 kg/cm 2 to 6,000 kg/cm 2 A method of manufacturing a water electrolytic electrode that is performed by applying a load.
제1항에 따른 방법으로 제조되며,
복수의 금속 산화물 입자를 포함하는 촉매층을 포함하는 수전해 전극.
It is prepared by the method according to claim 1,
A water electrolytic electrode comprising a catalyst layer including a plurality of metal oxide particles.
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