KR20220162191A - 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 및 그 제조방법 - Google Patents
산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 및 그 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20220162191A KR20220162191A KR1020210068911A KR20210068911A KR20220162191A KR 20220162191 A KR20220162191 A KR 20220162191A KR 1020210068911 A KR1020210068911 A KR 1020210068911A KR 20210068911 A KR20210068911 A KR 20210068911A KR 20220162191 A KR20220162191 A KR 20220162191A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- catalyst
- orbital
- metal
- generation reaction
- oxygen generation
- Prior art date
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 133
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 61
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 61
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims abstract description 61
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 60
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 26
- 230000008569 process Effects 0.000 title description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 103
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 103
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 44
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 35
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 25
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical group [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 23
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 22
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 14
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 10
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 claims description 10
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 8
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 abstract description 15
- 239000000543 intermediate Substances 0.000 abstract description 11
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 abstract description 7
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 abstract description 6
- 238000010517 secondary reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 238000003795 desorption Methods 0.000 abstract description 4
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 abstract description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 27
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 7
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 6
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 6
- 239000000047 product Substances 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 239000010944 silver (metal) Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052768 actinide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001255 actinides Chemical class 0.000 description 2
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 description 2
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052713 technetium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052716 thallium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical compound C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N dioxoiridium Chemical compound O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 229910000457 iridium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002127 nanobelt Substances 0.000 description 1
- 239000002116 nanohorn Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N perchloric acid Chemical compound OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 1
- 238000002230 thermal chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
- B01J23/46—Ruthenium, rhodium, osmium or iridium
- B01J23/468—Iridium
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
- B01J21/06—Silicon, titanium, zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
- B01J21/06—Silicon, titanium, zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
- B01J21/063—Titanium; Oxides or hydroxides thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
- B01J23/42—Platinum
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
- B01J23/44—Palladium
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
- B01J23/46—Ruthenium, rhodium, osmium or iridium
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
- B01J23/46—Ruthenium, rhodium, osmium or iridium
- B01J23/462—Ruthenium
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
- B01J23/46—Ruthenium, rhodium, osmium or iridium
- B01J23/464—Rhodium
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/48—Silver or gold
- B01J23/50—Silver
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/48—Silver or gold
- B01J23/52—Gold
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
- B01J37/0215—Coating
- B01J37/0217—Pretreatment of the substrate before coating
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/34—Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/34—Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation
- B01J37/348—Electrochemical processes, e.g. electrochemical deposition or anodisation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
- C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
- C23C14/30—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation by electron bombardment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
본 발명은 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 촉매 담지체(p-블럭원소)의 p-오비탈과 귀금속계 금속(d-블럭원소)의 d-오비탈간 혼성화를 통해 귀금속 담지량 대비 산소발생반응 효율이 증가하고, 귀금속 촉매의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의할 경우, 혼성화된 단일원자촉매를 통해 중간체의 흡착과 생성물의 탈착간 스케일링 한계를 극복하고 촉매 활성면에서 불필요하게 발생하는 이차반응 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 의할 경우, 혼성화된 단일원자촉매를 통해 중간체의 흡착과 생성물의 탈착간 스케일링 한계를 극복하고 촉매 활성면에서 불필요하게 발생하는 이차반응 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있다.
Description
본 발명은 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 촉매 담지체(p-블럭원소)의 p-오비탈과 귀금속계 금속(d-블럭원소)의 d-오비탈간 혼성화를 통해 산소발생반응 효율이 증가하고 귀금속 촉매 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고성능 촉매개발은 P2G 기술의 에너지변환 효율을 향상시키는 가장 확실한 방법으로 현재 가장 활발히 진행되고 있는 에너지변환 촉매연구는 금속나노입자 촉매(Nanoparticle Catalyst, NPC) 분야에 대한 연구이다.
이는 촉매 구성원소의 조성 및 미세 전자구조 제어에 관한 것으로, 입자크기 100nm 이하인 NPC 입자 크기를 줄여 활성 표면적을 증가시키고 이를 통해 촉매의 단위 활성표면적 대비 활성을 향상시키는 프로세스가 이용된다.
한편, 촉매의 반응 메커니즘은 촉매 입자가 반응물 및 중간체를 흡착하고 반응 생성물을 탈착하는 과정을 포함하고, 촉매의 활성을 높이기 위해서는 중간체의 흡착 세기는 강하면서도 생성물의 탈착이 원활하게 이루어져야 한다.
그러나, 실제 반응에서는 반응물과 생성물 등 중간체들이 서로 같은 증감 경향성을 갖는 스케일링 관계(scaling relation)의 태생적 촉매 활성 한계가 존재하여, 이를 해결하기 위해 활성 최적점에 관한 촉매 연구개발이 진행되고 있다.
종래의 다원자 촉매는 여러 촉매원자가 반응대상 물질과 상호작용하여 의도치 않은 이차반응(secondary reaction)을 일으킬 수 있고, 이로 인해 촉매반응의 효율감소 및 불필요한 생성물로 인한 촉매 손상 등 부작용이 발생하고 있다.
이를 해결하기 위해 단일원자촉매(Single Atom Catalysts)가 대안으로 제기되고 있으나, 이 또한 고가금속의 표면적을 극대화시켜 촉매효율을 증대시키고 동시에 촉매 반응에서의 활성과 선택성을 개선시킴에 많은 한계가 있다.
따라서, 다양한 산업분야에서 급증하는 저비용, 고효율의 단일원자촉매에 대한 니즈를 충족하는 기술개발이 절실한 실정으로 KR10-1736065 및 KR10-1505285 등이 그러한 일 예이나, 아직까지 전술한 바를 해결하는 개시는 찾아볼 수 없다.
이에 본 발명자는 상기 문제점을 개선하기 위해 예의 노력을 계속하던 중 촉매 담지체(p-블럭원소)의 p-오비탈과 귀금속계 금속(d-블럭원소)의 d-오비탈간 혼성화를 통해 산소발생반응 효율이 증가하고 귀금속 촉매의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 촉매 담지체(p-블럭원소)의 p-오비탈과 귀금속계 금속(d-블럭원소)의 d-오비탈간 혼성화를 통해 산소발생반응 효율이 증가하고 귀금속 촉매의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 혼성화된 단일원자촉매를 통해 중간체 흡착과 생성물 탈착간의 스케일링 한계를 극복하고 촉매 활성면에서 불필요하게 발생하는 이차반응 문제를 해결할 수 있는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 하나의 관점은, 금속 물질에 p-블럭원소(p-block element)가 도핑되어 형성된 촉매 담지체 및 상기 촉매 담지체의 표면에 형성된 단일금속원자층을 포함하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매에 관한 것이다.
구체예에서, 상기 촉매 담지체를 형성하는 금속 물질은 티타늄이며, 상기 p-블럭원소(p-block element)는 탄소, 질소 및 산소 중 어느 하나일 수 있다.
구체예에서, 상기 단일금속원자층을 형성하는 물질은 귀금속계 금속일 수 있다.
구체예에서, 상기 귀금속계 금속은 금, 은, 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐 중 어느 하나일 수 있다.
구체예에서, 상기 단일금속원자층의 두께는 0.1nm 내지 2nm 일 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 관점은, 금속 물질에 p-블럭원소(p-block element)를 도핑하여 촉매 담지체를 형성하는 단계 및 상기 촉매 담지체에 귀금속계 금속을 증착시켜 0.1nm 내지 2nm 두께의 단일금속원자층을 형성하는 단계를 포함하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 제조방법에 관한 것이다
구체예에서, 상기 촉매 담지체를 형성하는 금속 물질은 티타늄이며, 상기 p-블럭원소(p-block element)는 탄소, 질소 및 산소 중 어느 하나일 수 있다.
구체예에서, 상기 단일금속원자층을 형성하는 물질은 귀금속계 금속일 수 있다.
구체예에서, 상기 귀금속계 금속은 금, 은, 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐 중 어느 하나일 수 있다.
구체예에서, 상기 촉매담지체를 형성하는 단계는, 상기 금속물질이 티타늄이며, p-블록원소(p-block element)가 탄소인 경우, 상기 티타늄 금속을 히터를 통해 메탄 분위기하에서 가열하여 표면에 티타늄 카바이드(TiC)를 생성시킬 수 있다.
구체예에서, 상기 단일금속원자층을 형성하는 단계는, 상기 금속물질이 티타늄이며, p-블록원소(p-block element)가 탄소인 경우, 티타늄 카바이드가 표면에 도핑된 티타늄으로 이루어진 촉매담지체에 이리듐을 증착시켜 단일금속원자층을 형성할 수 있다.
구체예에서, 상기 단일금속원자층을 형성하는 단계에서 증착된 이리듐으로 이루어진 단일금속원자층의 두께는 0.1nm 내지 2nm일 수 있다.
본 발명에 의한 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매는 촉매 담지체(p-블럭원소)의 p-오비탈과 귀금속계 금속(d-블럭원소)의 d-오비탈간 혼성화를 통해 귀금속 담지량 대비 산소발생반응효율이 증가하고, 귀금속 촉매 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의한 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 제조방법은 촉매 중간체 흡착과 생성물 탈착간의 스케일링 한계를 극복하고, 촉매 활성면에서 불필요하게 발생하는 이차반응 문제를 해결할 수 있다는 다른 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매의 LSV 분극곡선 그래프이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매의 LSV 분극곡선 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다.
또한, 설명의 편의를 위하여 구성요소의 일부만을 도시하기도 하였으나, 당업자라면 구성요소의 나머지 부분에 대하여도 용이하게 파악할 수 있을 것이다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위 또는 아래에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위 또는 아래에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.
또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, ‘포함하다’ 또는 ‘가지다’ 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 방법 또는 제조 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 하나의 관점인 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매는 금속 물질에 p-블럭원소(p-block element)가 도핑되어 형성된 촉매 담지체 및 상기 촉매 담지체의 표면에 형성된 단일금속원자층을 포함한다. 본 발명의 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매는 촉매 담지체(p-블럭원소)의 p-오비탈과 귀금속계 금속(d-블럭원소)의 d-오비탈간 혼성화를 통해 귀금속 담지량 대비 산소발생반응 효율이 증가하고, 귀금속 촉매의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다.
구체예에서, 상기 촉매 담지체를 형성하는 금속 물질은 티타늄이며, 상기 p-블럭원소(p-block element)는 탄소, 질소 및 산소 중 어느 하나일 수 있다.
상기 금속 물질은 예를들어, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, La, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, Bi, 란탄족 및 악티늄족 원소 중 1종 이상의 금속 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 바람직하게는 Ti(티타늄) 금속을 포함할 수 있다.
상기 Ti(티타늄) 금속은 순도 99.5% 초과의 Pure Ti로 촉매 담지체를 형성하는 지지체로 사용될 수 있다. 상기 Ti(티타늄) 금속은 기판 역할을 수행하며 단일원자에 존재하지 않는 전기촉매 전도띠를 제공하여 전기화학촉매로 사용 가능할 수 있다.
상기 p-블럭원소(p-block element)는 상기 금속물질에 도핑시 사용하는 물질로 p-오비탈을 갖고 있어 단일금속원자층 형성시 귀금속계 금속의 d-오비탈과 오비탈 혼성화를 통해 촉매 중간체의 흡착세기를 독립적으로 제어하고 스케일링 한계를 벗어나게 할 수 있다.
상기 p-블럭원소(p-block element)는 부피가 가벼워 기체를 통한 도핑이 가능한 C(탄소), N(질소) 및 O(산소) 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 예를들어, TiX (TiC, TiN, TiO2) 지지체를 형성할 수 있다. 더욱 바람직하게는 C를 포함하여 TiC(티타늄 카바이드) 지지체를 형성할 수 있다.
구체예에서, 상기 단일금속원자층을 형성하는 물질은 귀금속계 금속일 수 있다. 또한, 상기 귀금속계 금속은 금, 은, 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐 중 어느 하나일 수 있다.
상기 귀금속계 금속은 상기 촉매 담지체에 증착시 사용하는 물질로 d-오비탈을 갖고 있어 단일금속원자층 형성시, 촉매 담지체의 p-오비탈과 오비탈 혼성화를 통해 촉매 중간체의 흡착세기를 독립적으로 제어하고 스케일링 한계를 벗어나게 할 수 있다.
상기 귀금속계 금속인 d-블럭원소(d-block element)는 예를들어, 금, 은, 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐 중 어느 하나일 수 있다. 상기 귀금속계 금속은 d-블럭원소(d-block element)로 d-오비탈을 갖고 있고, p-블럭원소(p-block element)와의 오비탈 혼성시 원소 조합에 따라 다양한 특성을 나타낼 수 있다. 예를들어, 특유의 전도대, 가전도대 전자구조 등을 알 수 있고, 산소발생반응 과전압 향상 등 고효율의 산소발생반응 특성을 구현하며, 귀금속 촉매의 사용량을 줄일 수 있다.
구체예에서, 상기 단일금속원자층의 두께는 0.1nm 내지 2nm 일 수 있다. 바람직하게는 0.2nm 내지 1.9nm의 두께로, 더욱 바람직하게는 0.3nm 내지 1.8nm의 두께로 증착할 수 있다. 상기 증착두께 범위일 때, 산소발생반응 과전압의 향상 등 고효율의 산소발생반응 특성을 구현할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의한 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매는 촉매 담지체(p-블럭원소)의 p-오비탈과 귀금속계 금속(d-블럭원소)의 d-오비탈간 혼성화를 통해 귀금속 담지량 대비 산소발생반응효율이 증가하고, 귀금속 촉매 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 관점인 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 제조방법은 금속 물질에 p-블럭원소(p-block element)를 도핑하여 촉매 담지체를 형성하는 단계(S100) 및 상기 촉매 담지체에 귀금속계 금속을 증착시켜 0.1nm 내지 2nm 두께의 단일금속원자층을 형성하는 단계(S200)를 포함한다.
도 1은 본 발명에 의한 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 단일원자촉매의 제조방법은 촉매 담지체 형성단계(S100) 및 단일금속원자층 형성단계(S200)를 포함한다.
촉매 담지체 형성단계(S100)는 금속 물질에 p-블럭원소(p-block element)를 도핑하여 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매의 촉매 담지체를 형성하기 위한 목적에서 수행된다.
구체예에서, 상기 촉매 담지체를 형성하는 금속 물질은 티타늄이며, 상기 p-블럭원소(p-block element)는 탄소, 질소 및 산소 중 어느 하나일 수 있다.
상기 금속 물질은 예를들어, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, La, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, Bi, 란탄족 및 악티늄족 원소 중 1종 이상의 금속 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 바람직하게는 Ti(티타늄) 금속을 포함할 수 있다.
상기 Ti(티타늄) 금속은 순도 99.5% 초과의 Pure Ti로 촉매 담지체를 형성하는 지지체로 사용될 수 있다. 상기 Ti(티타늄) 금속은 기판 역할을 수행하며 단일원자에 존재하지 않는 전기촉매 전도띠를 제공하여 전기화학촉매로 사용 가능할 수 있다.
상기 p-블럭원소(p-block element)는 상기 금속물질에 도핑시 사용하는 물질로 p-오비탈을 갖고 있어 단일금속원자층 형성시 귀금속계 금속의 d-오비탈과 오비탈 혼성화를 통해 촉매 중간체의 흡착세기를 독립적으로 제어하고 스케일링 한계를 벗어나게 할 수 있다.
상기 p-블럭원소(p-block element)는 예를들어, 부피가 가벼워 기체를 통한 도핑이 가능한 C(탄소), N(질소), O(산소)를 포함할 수 있고, 예를들어, TiX (TiC, TiN, TiO2) 지지체를 형성할 수 있다. 바람직하게는 C를 포함할 수 있고, 예를 들어, TiC(티타늄 카바이드) 지지체를 형성할 수 있다.
구체예에서, 상기 촉매 담지체를 형성하는 단계는, 상기 금속물질이 티타늄이며, p-블록원소(p-block element)가 탄소인 경우, 상기 티타늄 금속을 히터를 통해 메탄 분위기하에서 가열하여 표면에 티타늄 카바이드(TiC)를 생성시킬 수 있다.
상기 티타늄 카바이드(TiC)는 1000 내지 1200℃에서, 200 내지 400초간 열처리하여 형성할 수 있다. 바람직하게는 1050 내지 1150℃에서, 250 내지 350초간 열처리하여 형성할 수 있다. 상기 조건 범위에서 열처리시, 별도의 후공정을 필요로 하지 않고 불순물을 제거하여 도핑이 표면에 고르게 잘될 수 있다.
상기 촉매 담지체는 넓은 비표면적을 갖고 결정성이 높은 탄소 담지체(TiC)일 수 있다. 예를들어, 상기 촉매 담지체는 탄소 담지체로써, 그래핀(graphene), 그래핀 산화물(graphene oxide), 플러렌(fullerene), 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(carbon nanofiber), 탄소나노벨트(carbon nanobelt), 탄소나노양파(carbon nanoonion), 탄소나노뿔(carbon nanohorn), 활성탄소 (activated carbon), 흑연 (graphite) 등을 포함할 수 있다. 그러나, 반드시 이들로 한정되지 않고 당해 기술분야에서 탄소 담지체로 사용될 수 있는 것이라면 모두 포함할 수 있다.
상기 촉매 담지체는 구형, 막대형, 튜브형, 뿔형 또는 판상형 등의 구조를 포함할 수 있다. 그러나, 반드시 이러한 구조로 한정되지 않고 당해 기술 분야에서 촉매 담지체로 사용할 수 있는 구조라면 모두 포함할 수 있다.
상기 촉매 담지체는 다공성일 수 있다. 예를들어, 상기 촉매 담지체는 넓은 비표면적과 기공을 가지는 다공성 탄소재료일 수 있다. 예를들어, 상기 촉매 담지체는 메조다공성일 수 있다. 예를들어, 상기 촉매 담지체는 상술한 다양한 형태의 촉매 담지체의 일부 또는 전부가 다공성일 수 있다.
단일금속원자층 형성단계(S200)는 상기 촉매 담지체에 귀금속계 금속을 증착하여 p-오비탈과 d-오비탈간 오비탈 혼성화를 통해 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매를 형성하기 위한 목적에서 수행된다.
구체예에서, 상기 단일금속원자층을 형성하는 물질은 귀금속계 금속일 수 있다. 또한, 상기 귀금속계 금속은 금, 은, 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐 중 어느 하나일 수 있다. 상기 귀금속계 금속은 d-오비탈을 갖고 있어 단일금속원자층 형성시, 촉매 담지체의 p-오비탈과 오비탈 혼성화를 통해 촉매 중간체의 흡착세기를 독립적으로 제어하고 스케일링 한계를 벗어나게 할 수 있다.
상기 귀금속계 금속인 d-블럭원소(d-block element)는 예를들어, 금, 은, 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐 중 어느 하나일 수 있다. 상기 귀금속계 금속은 d-블럭원소(d-block element)로 d-오비탈을 갖고 있고, p-블럭원소와의 오비탈 혼성시 원소 조합에 따라 다양한 특성을 나타낼 수 있다. 예를들어, 오비탈 혼성화로 특유의 전도대, 가전도대 전자구조 등을 알 수 있고, 또한, 산소발생반응 과전압 향상 등 고효율의 산소발생반응 특성을 구현하고 귀금속 촉매의 사용량을 줄일 수 있다.
구체예에서, 상기 단일금속원자층을 형성하는 단계는, 상기 금속물질이 티타늄이며, p-블록원소(p-block element)가 탄소인 경우, 티타늄 카바이드가 표면에 도핑된 티타늄으로 이루어진 촉매 담지체에 이리듐을 증착시켜 단일금속원자층을 형성할 수 있다.
상기 증착은 예를들어, 아크방전(arc discharge), 열화학기상증착법(thermal chemical vapor deposition), 플라즈마 합성법(plasma synthesis), 고온 플라즈마(high temperature plasma), 플라즈마화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition), 레이저 증착법(laser evaporation), 레이저 어블레이션(laser ablation), 기상합성법(vapor phase growth) 또는 진공증착법(electronic-beam evaporator) 중 적어도 하나의 공정에 의해 수행할 수 있다. 바람직하게는 진공증착법(electronic-beam evaporator) 공정에 의해 수행할 수 있다.
상기 증착은 20 내지 30℃에서 0.1 내지 0.5Å/s로 증착할 수 있다. 바람직하게는, 23 내지 27℃에서 0.2 내지 0.4Å/s로 증착할 수 있다. 상기 온도, 속도 범위에서 증착될 때, 일정한 속도로 증착반응이 균일하게 일어나 목표로 하는 단일금속원자층이 잘 형성될 수 있다.
구체예에서, 상기 단일금속원자층을 형성하는 단계에서 증착된 이리듐으로 이루어진 단일금속원자층의 두께는 0.1nm 내지 2nm일 수 있다. 상기 증착두께 범위일 때, 산소발생반응 과전압의 향상 등 고효율의 산소발생반응 특성을 구현할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 제조방법에 의해 제조된 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매는 촉매담지체(p-블럭원소)의 p-오비탈과 귀금속계 금속(d-블럭원소)의 d-오비탈간 오비탈 혼성화를 통해 산소발생반응 과전압의 향상 등 고효율의 산소발생반응 특성을 구현하고 귀금속 촉매의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 우수한 특징이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
Ti 금속에 p-블럭원소(p-block element) 탄소(C)를 도핑하여 촉매 담지체인 티타늄 카바이드를 제조하였다. 이때, 인덕션 히터(induction)를 사용하여 메탄(C4H4) 분위기에서 1100℃, 300초 동안 열처리하여 제조하였다.
그 다음, 상기 티타늄 카바이드 담지체에 E-beam을 사용하여 귀금속계 금속인 d-블럭원소(d-block element) 이리듐(Ir)을 증착하여 단일금속원자층을 형성하였다. 이때, 증착은 상온에서 0.3Å/s로 조절하여 진행하였고 그 두께는 0.5nm로 증착하였다.
상기 과정을 통해 최종적으로 본 발명에 의한 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매(TiC-ir)를 완성하였다 (0.5nm 증착된 TiC-Ir).
실시예 2는 단일원자촉매 형성시 Ir(이리듐)을 촉매 담지체에 1.0nm 두께로 증착한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 단일원자촉매를 완성하였다 (1nm 증착된 TiC-Ir).
실시예 3은 단일원자촉매 형성시 Ir(이리듐)을 촉매 담지체에 1.5nm 두께로 증착한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 단일원자촉매를 완성하였다 (1.5nm 증착된 TiC-Ir).
실시예 4는 실시예 1 내지 3에 대한 비교예로서, 단일원자촉매를 사용하지 않고 상용촉매인 Bulk Ir을 사용하였다 (Bulk Ir).
이후, 상기 실시예 1 내지 3에 의한 본 발명의 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 및 비교예로서 제시한 실시예 4에 의한 기존의 상용촉매에 대해, 아래와 같이 OER 활성평가를 수행하였다.
우선, 상기 각 실시예에 의해 제작된 촉매를 이용하여 RDE 실험을 위한 3전극 셀을 구성하고 상온, 상압 조건하에서 OER 분극곡선을 측정하였다. 그 다음, 얻어진 분극곡선으로부터 일정 전류밀도(10mA/cm2)에서의 전위를 측정하였다.
전체 실험조건은 다음과 같다. 작동전극(Working electrode)은 Rotating Disk Electrode(RDE), 기준전극(Reference electrode)은 Ag/AgCl, 상대전극(Counter electrode)은 Pt Wire를 사용하였다. 이때, 전해질은 0.1 M HClO4 (pH 1), 온도는 상온 25℃ 조건에서 수행하였다.
또한, OER 활성평가를 위해 다음 조건에서 실험을 수행하였다. 전해질을 아르곤으로 30분간 purging하고, OER에서의 산소 제거를 위해 작동전극을 1600rpm로 회전하였다. 이때, Scan rate는 10mV/s, Scan range는 0.05 V(vs RHE) 내지 2.00 V (vs RHE)를 유지하였고, 각 실험마다 1회부터 10회까지 반응을 반복 실시하였다.
이에 대한 실험 결과는 하기 표 1 및 도 2에 구체적으로 개시하였다.
| 샘플 명 | 과전압 (첫번째 분극곡선) |
과전압 (열번째 분극곡선) |
|
| 실시예1 | Bulk Ir | 1.652 | · |
| 실시예2 | Ir 0.5 nm on TiC | 1.604 V vs RHE | 측정불가 |
| 실시예3 | Ir 1 nm on TiC | 1.592 V vs RHE | 1.571 V vs RHE |
| 실시예4 | Ir 2 nm on TiC | 1.557 V vs RHE | 1.534 V vs RHE |
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매의 LSV 분극곡선 그래프이다.
도 2를 참조하면, 종래의 상용촉매인 이리듐 벌크(Bulk Ir)와 비교하여 이리듐 0.5nm를 증착한 샘플은 전류밀도 10 mAcm-2에서 2.99% 산소발생반응 과전압 증가를 보였으나, 반응을 반복할수록 과전압이 감소해 열번째 실험에서는 10mAcm-2에서 과전압을 읽을 수 없었다.
또한, 이리듐 1nm를 증착한 샘플은 약 3.63%, 2nm를 증착한 샘플은 약 5.75% 과전압이 향상되었고 산소발생반응 실험을 반복함에 따라 이리듐층이 산화되어 이리듐 옥사이드가 되었다. 그 결과, 산소발생반응의 과전압이 점차 증가하였고 이리듐이 전부 산화된 후에는 과전압 값이 더이상 증가하지 않고 유지되었다.
이를 통해, 본 발명과 같이 촉매 담지체(p-블럭원소)의 p-오비탈과 귀금속계 금속(d-블럭원소)의 d-오비탈간 오비탈 혼성화를 이룬 단일원자촉매에 의할 경우, 산소발생반응 과전압의 향상 등 고효율의 산소발생반응 특성을 구현하고 나아가 귀금속 촉매의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 우수한 특징을 확인할 수 있었다.
이상 살펴본 바와 같이, 물성평가 실험예를 통해 본 발명에 의한 단일원자촉매는 종래 발명과 대비하여 오비탈 혼성화된 p-d 오비탈 혼성 단일원자촉매를 사용함으로써, 촉매 중간체 흡착과 생성물 탈착간의 스케일링 한계를 극복하고, 촉매 활성면에서 불필요하게 발생하는 이차반응(secondary reaction) 문제를 해결할 수 있는 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
한편, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
S100 : 촉매 담지체 형성단계
S200 : 단일금속원자층 형성단계
S200 : 단일금속원자층 형성단계
Claims (12)
- 금속 물질에 p-블럭원소(p-block element)가 도핑되어 형성된 촉매 담지체; 및
상기 촉매 담지체의 표면에 형성된 단일금속원자층;을 포함하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매. - 청구항 1에 있어서,
상기 촉매 담지체를 형성하는 금속 물질은 티타늄이며,
상기 p-블럭원소(p-block element)는 탄소, 질소 및 산소 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매. - 청구항 1에 있어서,
상기 단일금속원자층을 형성하는 물질은 귀금속계 금속인 것을 특징으로 하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매. - 청구항 3에 있어서,
상기 귀금속계 금속은 금, 은, 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매. - 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단일금속원자층의 두께는 0.1nm 내지 2nm인 것을 특징으로 하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매. - 금속 물질에 p-블럭원소(p-block element)를 도핑하여 촉매 담지체를 형성하는 단계; 및
상기 촉매 담지체에 귀금속계 금속을 증착시켜 0.1nm 내지 2nm 두께의 단일금속원자층을 형성하는 단계;를 포함하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 제조방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 촉매 담지체를 형성하는 금속 물질은 티타늄이며,
상기 p-블럭원소(p-block element)는 탄소, 질소 및 산소 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 제조방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 단일금속원자층을 형성하는 물질은 귀금속계 금속인 것을 특징으로 하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 제조방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 귀금속계 금속은 금, 은, 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 제조방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 촉매 담지체를 형성하는 단계는,
상기 금속물질이 티타늄이며, p-블록원소(p-block element)가 탄소인 경우,
상기 티타늄 금속을 히터를 통해 메탄 분위기하에서 가열하여 표면에 티타늄 카바이드(TiC)를 생성시키는 것을 특징으로 하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 제조방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 단일금속원자층을 형성하는 단계는,
상기 금속물질이 티타늄이며, p-블록원소(p-block element)가 탄소인 경우,
티타늄 카바이드가 표면에 도핑된 티타늄으로 이루어진 촉매 담지체에 이리듐을 증착시켜 단일금속원자층을 형성하는 것을 특징으로 하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 제조방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 단일금속원자층을 형성하는 단계에서 증착된 이리듐으로 이루어진 단일금속원자층의 두께는 0.1nm 내지 2nm인 것을 특징으로 하는 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 제조방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210068911A KR102604417B1 (ko) | 2021-05-28 | 2021-05-28 | 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매의 제조방법 |
| PCT/KR2022/005761 WO2022250299A1 (ko) | 2021-05-28 | 2022-04-22 | 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210068911A KR102604417B1 (ko) | 2021-05-28 | 2021-05-28 | 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매의 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220162191A true KR20220162191A (ko) | 2022-12-08 |
| KR102604417B1 KR102604417B1 (ko) | 2023-11-22 |
Family
ID=84228264
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210068911A KR102604417B1 (ko) | 2021-05-28 | 2021-05-28 | 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매의 제조방법 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102604417B1 (ko) |
| WO (1) | WO2022250299A1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101505285B1 (ko) | 2012-05-29 | 2015-03-24 | 현대중공업 주식회사 | 산소환원 반응 촉매 제조 방법 및 그 촉매, 이를 이용한 금속-공기 전지용 전극 |
| KR101736065B1 (ko) | 2015-01-29 | 2017-05-17 | 한국과학기술연구원 | 산소 환원 반응용 촉매 및 이의 제조방법 |
| KR20200126681A (ko) * | 2019-04-30 | 2020-11-09 | 포항공과대학교 산학협력단 | 원자층 증착법을 통한 M/TiX 기반 단일원자촉매 제조 방법 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100576607B1 (ko) * | 2004-01-30 | 2006-05-04 | 아주대학교산학협력단 | 티타늄계 제품의 표면에 탄화수소 가스 반응에 의한티타늄 카바이드층의 형성 방법 및 그 제품 |
| KR102457845B1 (ko) * | 2015-12-02 | 2022-10-25 | 한국과학기술원 | 백금 단일원자 촉매 및 이의 용도 |
| KR101809595B1 (ko) * | 2015-12-18 | 2017-12-19 | 한국과학기술원 | 탄화티타늄에 담지된 과산화수소 생산용 백금 단일 원자 촉매, 이를 포함하는 막전극 접합체 및 상기 촉매의 제조방법 |
| KR102293767B1 (ko) * | 2019-11-26 | 2021-08-26 | 한국과학기술연구원 | 금속 단일원자 촉매의 제조방법 |
-
2021
- 2021-05-28 KR KR1020210068911A patent/KR102604417B1/ko active IP Right Grant
-
2022
- 2022-04-22 WO PCT/KR2022/005761 patent/WO2022250299A1/ko unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101505285B1 (ko) | 2012-05-29 | 2015-03-24 | 현대중공업 주식회사 | 산소환원 반응 촉매 제조 방법 및 그 촉매, 이를 이용한 금속-공기 전지용 전극 |
| KR101736065B1 (ko) | 2015-01-29 | 2017-05-17 | 한국과학기술연구원 | 산소 환원 반응용 촉매 및 이의 제조방법 |
| KR20200126681A (ko) * | 2019-04-30 | 2020-11-09 | 포항공과대학교 산학협력단 | 원자층 증착법을 통한 M/TiX 기반 단일원자촉매 제조 방법 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| D.J.Hagen et al., Atomic layer deposition of metals: Precursors and film growth, Applied Physics Reviews 6, 041309 (2019) * |
| Dongxiao Kan et al., Screening effective single-atom ORR and OER ~ by first-principles calculations, J. Mater. Chem. A, 2020,8, 17065-17077, 2020.7.21.발행 * |
| Lirong Ma et al., Preparation and characterization of Ir/TiC catalyst for oxygen evolution, 2007.12.7.발행 * |
| Roderick E. Fuentes et al., Pt-Ir/TiC Electrocatalysts for PEM Fuel Cell/Electrolyzer Process, Journal of The Electrochemical Society, 161 (1), F77~F82쪽, 2013.11.21.발행* * |
| Seoin Back et al., TiC- and TiN-Supported Single-Atom Catalysts ~ Electrochemical Reduction to CH4, ACS Energy Lett. 2017, 2, 5, 969-975, 2017.4.5.발행 * |
| Titta Aaltonen et al, Atomic Layer Deposition of Iridium Thin Films, J. Electrochem. Soc. 151(8), G489, 2004.6.17.발행 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102604417B1 (ko) | 2023-11-22 |
| WO2022250299A1 (ko) | 2022-12-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | Recent advances in MXene-based nanoarchitectures as electrode materials for future energy generation and conversion applications | |
| Wang et al. | Recent advances in structural engineering of MXene electrocatalysts | |
| Chen et al. | High‐entropy intermetallic PtRhBiSnSb nanoplates for highly efficient alcohol oxidation electrocatalysis | |
| CN101024495B (zh) | 碳纳米管、含它的担载催化剂及采用该催化剂的燃料电池 | |
| EP1655266B1 (en) | Method of preparing a carbon nanosphere having at least one opening, impregnated catalyst comprising the carbon nanosphere and fuel cell using this catalyst | |
| KR101231006B1 (ko) | 전도성 고분자 보호코팅을 이용한 합금 촉매의 제조방법 | |
| US10141579B2 (en) | Metal oxide-carbon nanomaterial composite, method of preparing the same, catalyst, method of preparing the same, and catalyst layer for fuel cell electrodes | |
| KR20090038638A (ko) | 복합 중형 다공성 탄소, 그 제조방법 및 이를 이용한연료전지 | |
| CA2420315A1 (en) | Graphite nanofiber catalyst systems for use in fuel cell electrodes | |
| US9849445B2 (en) | Subnanometer to nanometer transition metal CO oxidation catalysts | |
| US9666877B2 (en) | Metal-oxide catalysts for fuel cells | |
| KR20190065997A (ko) | 다양한 지지체 표면에 나노 구조 촉매 입자의 직접 합성 방법, 이에 의해 제조된 촉매 구조체 | |
| US7723260B2 (en) | Methanol oxidation catalyst | |
| JP2007027096A (ja) | 燃料電池用白金又は白金ルテニウム合金触媒の製造方法 | |
| KR20130067476A (ko) | 연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지 | |
| KR20220103288A (ko) | 인터메탈릭 촉매 및 이의 제조 방법 | |
| US20120270727A1 (en) | Catalyst | |
| US20220336821A1 (en) | Transition metal electrochemical catalyst prepared using ultrafast combustion method, and synthesis method therefor | |
| JP2011014475A (ja) | 燃料電池用電極触媒、並びにその製造方法及び固体高分子型燃料電池 | |
| Laishram et al. | 2D transition metal carbides (MXenes) for applications in electrocatalysis | |
| JP2007042519A (ja) | 燃料電池用触媒及びその製造方法並びに燃料電池用電極及び燃料電池 | |
| EP2747887B1 (en) | Plate-shaped catalyst product and method for manufacturing same | |
| KR102604417B1 (ko) | 산소발생반응용 p-d 오비탈 혼성 형태의 단일금속원자촉매의 제조방법 | |
| Zhang et al. | Structural design of metal catalysts based on ZIFs: From nanoscale to atomic level | |
| KR102551698B1 (ko) | 증착제어가 가능한 수소발생반응용 단일원자촉매의 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |