KR20230145954A - Carbon electrode with multiple dimples and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기화학 반응성을 향상시키기 위하여 다수의 홈이 형성된 탄소 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon electrode having multiple grooves to improve electrochemical reactivity and a method of manufacturing the same.
화석연료의 사용으로 환경문제와 연료고갈이 대두되고 있는 시점에 인구 증가, 산업 기술 개발 및 생활수준 향상에 따른 에너지 수요의 증가로 화석 연료에 대한 대체 에너지의 필요성이 증가하고 있는 실정이다. At a time when environmental problems and fuel depletion are emerging due to the use of fossil fuels, the need for alternative energy to fossil fuels is increasing due to increased energy demand due to population growth, industrial technology development, and improved living standards.
친환경 연료를 사용한 차세대 동력원에 대한 연구는 지속적으로 이루어지고 있으며, 오염배출물질과 소음이 거의 없고 한 단계 에너지 변환 과정을 통해 전기에너지를 생산할 수 있는 연료전지가 주목받고 있다. 또한 수소가 재생 에너지원에 대한 잠재적 에너지 전달체로 부상하고 있기 때문에 녹색 수소 생산 기술이 주목을 받고 있다.Research on next-generation power sources using eco-friendly fuels is continuously being conducted, and fuel cells, which produce almost no pollutants and noise and can produce electrical energy through a one-step energy conversion process, are attracting attention. Additionally, green hydrogen production technology is attracting attention as hydrogen is emerging as a potential energy carrier for renewable energy sources.
수전해 기술을 통한 녹색 수소 생산을 위하여 폴리머 전해질 막 전해조셀을 이용한 전기분해가 미래 수소 생산에 주목받는 기술로서, 일반적으로 이러한 시스템의 성능은 촉매가 형성된 전극에서의 반응속도, 전해질막을 통한 양성자의 이동 및 물질 전달 속도 등에 의해 결정된다.In order to produce green hydrogen through water electrolysis technology, electrolysis using a polymer electrolyte membrane electrolyzer cell is a technology that is attracting attention for future hydrogen production. In general, the performance of such a system is determined by the reaction rate at the electrode on which the catalyst is formed and the proton flow through the electrolyte membrane. It is determined by the speed of movement and mass transfer, etc.
막 전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)는 이러한 시스템의 에너지 효율과 전기화학 반응 성능을 증가시킬 수 있는 핵심부품이며, 이러한 부품 중 전극은 간단한 공정으로 표면의 구조적 변형을 일으켜 촉매 활성 증가로 인한 막 전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly) 성능을 향상시킬 수 있다. Membrane Electrode Assembly (MEA) is a key component that can increase the energy efficiency and electrochemical reaction performance of these systems. Among these components, electrodes cause structural modification of the surface through a simple process, resulting in increased catalytic activity. The performance of the electrode assembly (MEA, Membrane Electrode Assembly) can be improved.
그러나, 전도유망한 연료전지 또는 수전해 기술 개발을 위한 다양한 전극의 개발에도 불구하고, 전극 표면 처리를 통한 효율 개선의 노력은 부족한 실정이며, 이에 대한 기술이 필요한 실정이다.However, despite the development of various electrodes for the development of promising fuel cell or water electrolysis technologies, efforts to improve efficiency through electrode surface treatment are insufficient, and technology for this is needed.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 표면적을 향상시켜 화학 반응 효율 및 MEA의 성능을 향상시킬 수 있는 탄소 전극 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a carbon electrode and a method of manufacturing the same that can improve chemical reaction efficiency and MEA performance by improving the surface area.
본 발명의 일 실시예는 표면에 다수의 홈이 형성된 탄소 전극이다.One embodiment of the present invention is a carbon electrode with a plurality of grooves formed on the surface.
상기 홈의 밀도는 0.8cm2 dimple/cm2 전극이하일 수 있다.The density of the grooves may be less than 0.8cm 2 dimple /cm 2 electrode .
상기 탄소 전극은 다수의 홈이 형성된 표면이 촉매로 코팅될 수 있다.The carbon electrode may have a surface with multiple grooves coated with a catalyst.
상기 촉매는 전이금속 디칼코게나이드 또는 백금족 원소일 수 있고, 상기 촉매의 입자 크기는 0.5~2㎛일 수 있다.The catalyst may be a transition metal dichalcogenide or a platinum group element, and the particle size of the catalyst may be 0.5 to 2 μm.
상기 촉매는 상기 탄소 전극 1cm2당 0.01~0.03g이 코팅될 수 있다.The catalyst may be coated in an amount of 0.01 to 0.03 g per 1 cm 2 of the carbon electrode.
본 발명의 다른 실시예는 탄소 전극 표면에 레이저 플라즈마를 이용하여 다수의 홈을 형성하는 단계; 및 상기 다수의 홈이 형성된 탄소 전극 표면에 코팅용액을 분사하여 코팅하는 단계;를 포함하는 탄소 전극 제조방법이다.Another embodiment of the present invention includes forming a plurality of grooves on the surface of a carbon electrode using laser plasma; And a step of coating the surface of the carbon electrode on which the plurality of grooves are formed by spraying a coating solution.
상기 레이저 플라즈마의 파워는 80~120mJ일 수 있고, 진동수는 5~15Hz일 수 있다.The power of the laser plasma may be 80 to 120 mJ, and the frequency may be 5 to 15 Hz.
상기 레이저 플라즈마는 광원에서 발생되고, 볼록렌즈를 통과하여 탄소 전극에 조사될 수 있다.The laser plasma may be generated from a light source, pass through a convex lens, and be irradiated to the carbon electrode.
상기 홈의 밀도는 0.8cm2 dimple/cm2 전극이하일 수 있다.The density of the grooves may be less than 0.8cm 2 dimple /cm 2 electrode .
상기 코팅용액은 촉매를 포함할 수 있다.The coating solution may contain a catalyst.
상기 촉매는 전이금속 디칼코게나이드 또는 백금족 원소일 수 있고, 상기 촉매의 입자 크기는 0.5~2㎛일 수 있다.The catalyst may be a transition metal dichalcogenide or a platinum group element, and the particle size of the catalyst may be 0.5 to 2 μm.
상기 촉매는 상기 탄소 전극 1cm2당 0.01~0.03g이 코팅될 수 있다.The catalyst may be coated in an amount of 0.01 to 0.03 g per 1 cm 2 of the carbon electrode.
본 발명은 탄소 전극 표면에 다수의 홈이 형성됨으로써 표면적이 증가되고, 탄소 전극 표면에 불규칙한 형상의 촉매 물질이 전극의 내부까지 고르게 코팅되며, 이에 따라 촉매 활성이 개선되어 탄소 전극의 전기화학 반응성이 향상될 수 있다.In the present invention, the surface area is increased by forming a large number of grooves on the surface of the carbon electrode, and the irregularly shaped catalyst material is evenly coated on the surface of the carbon electrode to the inside of the electrode, thereby improving the catalytic activity and increasing the electrochemical reactivity of the carbon electrode. It can be improved.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 전극을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 코팅된 탄소 전극 표면을 SEM으로 찍은 사진이다.
도 3은 본 발명의 탄소 전극 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 탄소 전극의 표면에 홈을 형성하는 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 탄소 전극의 홈 밀도에 따른 전류 밀도 및 저항 값을 나타낸 그래프이다.Figure 1 is a photograph showing a carbon electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a photograph taken by SEM of the surface of the coated carbon electrode of the present invention.
Figure 3 is a flow chart showing the carbon electrode manufacturing method of the present invention.
Figure 4 is a diagram showing a device for forming grooves on the surface of a carbon electrode of the present invention.
Figure 5 is a graph showing current density and resistance values according to the groove density of the carbon electrode.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. Throughout the specification, similar parts are given the same reference numerals.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 전극을 나타낸 사진이다. Figure 1 is a photograph showing a carbon electrode according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예는 표면에 다수의 홈(110)이 형성된 탄소 전극(100)이다.Referring to Figure 1, one embodiment of the present invention is a carbon electrode 100 with a plurality of grooves 110 formed on the surface.
본 발명에서 상기 탄소 전극(100) 표면에 다수의 홈(110)이 형성됨으로써 탄소 전극(100)의 표면적이 증가되고, 이에 따라 탄소 전극(100) 표면에 촉매(120) 물질이 고르게 코팅된다. 또한, 탄소 전극(100) 표면에 불규칙한 형상의 촉매(120) 물질이 전극의 내부까지 고르게 코팅됨으로써 촉매 활성이 개선되고, 이에 따라 탄소 전극(100)의 전기화학 반응성이 향상된다. In the present invention, a plurality of grooves 110 are formed on the surface of the carbon electrode 100 to increase the surface area of the carbon electrode 100, and thus the catalyst 120 material is evenly coated on the surface of the carbon electrode 100. In addition, the irregularly shaped catalyst 120 material is evenly coated on the surface of the carbon electrode 100 to the inside of the electrode, thereby improving catalytic activity and thereby improving the electrochemical reactivity of the carbon electrode 100.
상기 홈(110)의 밀도는 0.8cm2 dimple/cm2 전극 이하일 수 있으며, 바람직하게는 0.01~0.8cm2 dimple/cm2 전극일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.12~0.3cm2 dimple/cm2 전극일 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.16cm2 dimple/cm2 전극일 수 있다.The density of the groove 110 is 0.8cm 2 dimple /cm 2 electrode It may be less than or equal to 0.01~0.8cm 2 dimple /cm 2 electrode , more preferably 0.12~0.3cm 2 dimple /cm 2 electrode , and most preferably 0.16cm 2 dimple /cm 2 It could be an electrode .
본 발명에서 상기 홈(110)의 밀도가 0.8cm2 dimple/cm2 전극을 초과하면, 전기화학 반응 영역 내의 홈(110) 모양이 독립적이지 않고, 연결된 선으로 형성될 수 있어 전기화학 반응성이 감소할 수 있다. 또한, 상기 홈(110)의 밀도가 0.01cm2 dimple/cm2 전극 미만이면, 저항 증가로 인하여 전류 값이 낮아 전기 화학 반응성이 저하될 수 있다.In the present invention, if the density of the grooves 110 exceeds 0.8 cm 2 dimple / cm 2 electrode , the shape of the grooves 110 in the electrochemical reaction region is not independent and may be formed as a connected line, thereby reducing electrochemical reactivity. can do. Additionally, if the density of the grooves 110 is less than 0.01 cm 2 dimple /cm 2 electrode , the current value may be low due to increased resistance, which may reduce electrochemical reactivity.
도 2는 본 발명의 코팅된 탄소 전극 표면을 SEM으로 찍은 사진이다.Figure 2 is a photograph taken by SEM of the surface of the coated carbon electrode of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 탄소 전극(100)은 다수의 홈(110)이 형성된 표면이 촉매(120)로 코팅될 수 있고, 상기 촉매(120)는 전이금속 디칼코게나이드 또는 백금족 원소일 수 있으며, 바람직하게는 전이금속 디칼코게나이드일 수 있다. 또한, 상기 촉매의 입자 크기는 0.5~2㎛일 수 있다.Referring to FIG. 2, the surface of the carbon electrode 100 of the present invention on which a plurality of grooves 110 are formed may be coated with a catalyst 120, and the catalyst 120 may be a transition metal dichalcogenide or a platinum group element. It may be a transition metal dichalcogenide. Additionally, the particle size of the catalyst may be 0.5 to 2 μm.
본 발명에서 상기 전이금속 디칼코게나이드는 전이금속 원소와 칼코겐 원소들의 조합에 따른 반도체적 특성을 갖는 재료로서, 구체적으로 MoS2, MoTe2, WS2, InS2, InSe2, MoSe2 또는 WSe2 일 수 있고, 바람직하게는 MoS2(이산화황몰리브드늄)일 수 있다.In the present invention, the transition metal dichalcogenide is a material having semiconductor properties based on a combination of transition metal elements and chalcogen elements, specifically MoS 2 , MoTe 2 , WS 2 , InS 2 , InSe 2 , and MoSe 2 Or it may be WSe 2 , and preferably MoS 2 (molybdenum sulfur dioxide).
또한, 상기 백금족 원소는 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐 또는 백금일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.Additionally, the platinum group element may be ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, or platinum, but is not limited thereto.
상기 촉매(120)는 탄소 전극(100) 표면에 코팅될 수 있으며, 탄소 전극(100) 표면이 촉매(120)로 코팅됨으로써 탄소 전극(100)의 전기화학 반응성을 향상시킬 수 있다.The catalyst 120 can be coated on the surface of the carbon electrode 100, and the electrochemical reactivity of the carbon electrode 100 can be improved by coating the surface of the carbon electrode 100 with the catalyst 120.
상기 촉매(120)의 입자 크기는 0.5~2㎛일 수 있고, 평균 입자 크기는 0.8~1.2㎛일 수 있다. 상기 촉매(120) 입자는 기하학적으로 불규칙한 크기와 형상을 갖기에 상기 범위를 벗어나는 경우 다공성 탄소 전극 내부까지 불균일한 촉매 코팅이 발생할 수 있다.The particle size of the catalyst 120 may be 0.5 to 2 ㎛, and the average particle size may be 0.8 to 1.2 ㎛. Since the catalyst 120 particles have a geometrically irregular size and shape, if it is outside the above range, uneven catalyst coating may occur even inside the porous carbon electrode.
또한, 촉매(120)는 상기 탄소 전극 1cm2당 0.01~0.03g이 코팅될 수 있다. 상기 촉매(120)가 상기 탄소 전극 1cm2당 0.01g 미만으로 코팅되거나, 상기 탄소 전극 1cm2당 0.03g을 초과하여 오버코팅되면, 탄소 전극 표면에 고르게 코팅되지 않고 촉매 입자끼리 서로 응집되는 등 균일하지 못한 촉매 코팅으로 전기화학 반응성의 향상도가 저하될 수 있다.Additionally, 0.01 to 0.03 g of catalyst 120 may be coated per 1 cm 2 of the carbon electrode. If the catalyst 120 is coated with less than 0.01 g per 1 cm 2 of the carbon electrode or overcoated with more than 0.03 g per 1 cm 2 of the carbon electrode, the catalyst 120 is not evenly coated on the surface of the carbon electrode and the catalyst particles agglomerate with each other. Poor catalyst coating may reduce the improvement in electrochemical reactivity.
도 3은 본 발명의 탄소 전극 제조 방법을 나타낸 순서도이다.Figure 3 is a flow chart showing the carbon electrode manufacturing method of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예는 탄소 전극(100) 표면에 레이저 플라즈마(220)를 이용하여 다수의 홈(110)을 형성하는 단계 및 상기 다수의 홈(110)이 형성된 탄소 전극(100) 표면에 코팅용액을 분사하여 코팅하는 단계를 포함하는 탄소 전극 제조방법이다.Referring to FIG. 3, another embodiment of the present invention includes forming a plurality of grooves 110 on the surface of a carbon electrode 100 using laser plasma 220, and forming a plurality of grooves 110 on the surface of the carbon electrode 110. (100) This is a carbon electrode manufacturing method that includes the step of spraying and coating the surface with a coating solution.
도 3을 참조하면, 본 발명에서 탄소 전극(100) 표면에 다수의 홈(110)을 형성하는 단계는 레이저 플라즈마(220)를 이용하여 수행된다.Referring to FIG. 3, in the present invention, the step of forming a plurality of grooves 110 on the surface of the carbon electrode 100 is performed using laser plasma 220.
상기 레이저 플라즈마(220)의 파워는 80~120mJ일 수 있고, 바람직하게는 90~110mJ일 수 있으며, 상기 레이저 플라즈마(220)의 진동수는 5~15Hz일 수 있고, 바람직하게는 8~12Hz일 수 있다. 상기 레이저 플라즈마(220)의 파워가 80mJ 미만이거나, 진동수가 5Hz 미만이면, 탄소 전극 표면(100)에 홈을 형성하는 것이 용이하지 않고, 상기 레이저 플라즈마(220)의 파워가 120mJ을 초과하거나, 진동수가 15Hz를 초과하면 탄소 전극 표면에 홈의 깊이가 커져 촉매 손실 또는 전기화학 반응성의 향상 효과가 상실될 수 있다.The power of the laser plasma 220 may be 80 to 120 mJ, preferably 90 to 110 mJ, and the frequency of the laser plasma 220 may be 5 to 15 Hz, preferably 8 to 12 Hz. there is. If the power of the laser plasma 220 is less than 80 mJ or the frequency is less than 5 Hz, it is not easy to form a groove on the carbon electrode surface 100, and if the power of the laser plasma 220 exceeds 120 mJ or the frequency is If exceeds 15Hz, the depth of the groove on the surface of the carbon electrode may increase, resulting in loss of catalyst or loss of the effect of improving electrochemical reactivity.
도 5는 본 발명의 탄소 전극(100)의 표면에 홈(110)을 형성하는 장치를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에서 상기 레이저 플라즈마(220)는 광원(210)에서 발생되고, 볼록렌즈(240)를 통과하여 탄소 전극(100)에 조사될 수 있다.Figure 5 is a diagram showing a device for forming grooves 110 on the surface of the carbon electrode 100 of the present invention. Referring to FIG. 5, in the present invention, the laser plasma 220 is generated from a light source 210, passes through a convex lens 240, and can be irradiated to the carbon electrode 100.
구체적으로, 상기 레이저 플라즈마(220)는 광원(210)에서 발생되어, 1 이상의 라인 거울(230, line mirros)에서 반사되어 평면 볼록 렌즈(240)를 통과한 후, 탄소 전극(100) 표면에 도달하고, 이에 따라 탄소 전극(100) 표면에 다수의 홈(110)이 형성된다.Specifically, the laser plasma 220 is generated from the light source 210, is reflected from one or more line mirrors 230, passes through the plano-convex lens 240, and then reaches the surface of the carbon electrode 100. And, accordingly, a plurality of grooves 110 are formed on the surface of the carbon electrode 100.
상기 홈(110)의 밀도는 0.8cm2 dimple/cm2 전극 이하일 수 있으며, 바람직하게는 0.01~0.8cm2 dimple/cm2 전극일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.12~0.3cm2 dimple/cm2 전극일 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.16cm2 dimple/cm2 전극일 수 있다.The density of the groove 110 is 0.8cm 2 dimple /cm 2 electrode It may be less than or equal to 0.01~0.8cm 2 dimple /cm 2 electrode , more preferably 0.12~0.3cm 2 dimple /cm 2 electrode , and most preferably 0.16cm 2 dimple /cm 2 It could be an electrode .
본 발명에서 상기 홈(110)의 밀도가 0.8cm2 dimple/cm2 전극을 초과하면, 전기화학 반응 영역 내의 홈(110) 모양이 독립적이지 않고, 연결된 선으로 형성될 수 있어 전기화학 반응성이 감소할 수 있다. 또한, 상기 홈(110)의 밀도가 0.01cm2 dimple/cm2 전극 미만이면, 저항 증가로 인하여 전류 값이 낮아 전기 화학 반응성이 저하될 수 있다.In the present invention, if the density of the grooves 110 exceeds 0.8 cm 2 dimple / cm 2 electrode , the shape of the grooves 110 in the electrochemical reaction region is not independent and may be formed as a connected line, thereby reducing electrochemical reactivity. can do. Additionally, if the density of the grooves 110 is less than 0.01 cm 2 dimple /cm 2 electrode , the current value may be low due to increased resistance, which may reduce electrochemical reactivity.
본 발명에서 다수의 홈(110)이 형성된 탄소 전극(100) 표면에 코팅용액을 분사하여 코팅하는 단계는 탄소 전극(100)의 전기화학 반응성을 향상시키기 위한 단계이다. 상기 코팅용액은 촉매(120)를 포함할 수 있고, 상기 촉매(120)는 전이금속 디칼코게나이드 또는 백금족 원소일 수 있으며, 바람직하게는 전이금속 디칼코게나이드일 수 있다. 또한, 상기 촉매의 입자 크기는 0.5~2㎛일 수 있다.In the present invention, the step of spraying and coating the surface of the carbon electrode 100 on which the plurality of grooves 110 are formed is a step to improve the electrochemical reactivity of the carbon electrode 100. The coating solution may include a catalyst 120, and the catalyst 120 may be a transition metal dichalcogenide or a platinum group element, preferably a transition metal dichalcogenide. Additionally, the particle size of the catalyst may be 0.5 to 2 μm.
본 발명에서 상기 전이금속 디칼코게나이드는 전이금속 원소와 칼코겐 원소들의 조합에 따른 반도체적 특성을 갖는 재료로서, 구체적으로 MoS2, MoTe2, WS2, InS2, InSe2, MoSe2 또는 WSe2 일 수 있고, 바람직하게는 MoS2(이산화황몰리브드늄)일 수 있다.In the present invention, the transition metal dichalcogenide is a material having semiconducting properties depending on the combination of transition metal elements and chalcogen elements, specifically MoS 2 , MoTe 2 , WS 2 , InS 2 , InSe 2 , MoSe 2 Or it may be WSe 2 , and preferably MoS 2 (molybdenum sulfur dioxide).
또한, 상기 백금족 원소는 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐 또는 백금일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.Additionally, the platinum group element may be ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, or platinum, but is not limited thereto.
상기 촉매(120)는 탄소 전극(100) 표면에 코팅될 수 있으며, 탄소 전극(100) 표면이 촉매(120)로 코팅됨으로써 탄소 전극(100)의 전기화학 반응성을 향상시킬 수 있다.The catalyst 120 can be coated on the surface of the carbon electrode 100, and the electrochemical reactivity of the carbon electrode 100 can be improved by coating the surface of the carbon electrode 100 with the catalyst 120.
상기 촉매(120)의 입자 크기는 0.5~2㎛일 수 있고, 평균 입자 크기는 0.8~1.2㎛일 수 있다. 상기 촉매(120) 입자는 기하학적으로 불규칙한 크기와 형상을 갖기에 상기 범위를 벗어나는 경우 다공성 탄소 전극 내부까지 불균일한 촉매 코팅이 발생할 수 있다.The particle size of the catalyst 120 may be 0.5 to 2 ㎛, and the average particle size may be 0.8 to 1.2 ㎛. Since the catalyst 120 particles have a geometrically irregular size and shape, if it is outside the above range, uneven catalyst coating may occur even inside the porous carbon electrode.
또한, 촉매(120)는 상기 탄소 전극 1cm2당 0.01~0.03g이 코팅될 수 있다. 상기 촉매(120)가 상기 탄소 전극 1cm2당 0.01g 미만으로 코팅되거나, 상기 탄소 전극 1cm2당 0.03g을 초과하여 오버코팅되면, 탄소 전극 표면에 고르게 코팅되지 않고 촉매 입자끼리 서로 응집되는 등 균일하지 못한 촉매 코팅으로 전기화학 반응성의 향상도가 저하될 수 있다.Additionally, 0.01 to 0.03 g of catalyst 120 may be coated per 1 cm 2 of the carbon electrode. If the catalyst 120 is coated with less than 0.01 g per 1 cm 2 of the carbon electrode or overcoated with more than 0.03 g per 1 cm 2 of the carbon electrode, the catalyst 120 is not evenly coated on the surface of the carbon electrode and the catalyst particles agglomerate with each other. Poor catalyst coating may reduce the improvement in electrochemical reactivity.
상기 코팅 용액은 촉매, 알코올, 증류수 및 나피온 용액을 혼합하여 제조될 수 있다.The coating solution can be prepared by mixing a catalyst, alcohol, distilled water, and Nafion solution.
본 발명에서 상기 탄소 전극이 코팅되면, 코팅되지 않은 면은 실리콘이 도포될 수 있으며, 이에 따라 불필요한 전기화학적 영향을 방지할 수 있다.In the present invention, when the carbon electrode is coated, silicon can be applied to the uncoated side, thereby preventing unnecessary electrochemical effects.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 실시예를 들어 설명한다.Hereinafter, specific embodiments according to the present invention will be described.
실시예Example
마이크로미터(micrometer)로 제어되는 플레이트(Plate) 상에 위치한 탄소 전극(1cm2 탄소 가스 확산 전극(GDE, Toray TGP-H-090))에 광원에서 발생된 레이저 플라즈마를 이용하여 유효 면적(0.75cm2)에 일정한 간격으로 미세하게 가공하여, 15개의 다른 홈의 밀도(0.80 cm2 dimple/cm2 전극 이하)를 가진 탄소 전극을 제조하였다.The effective area (0.75 cm) is measured using laser plasma generated from a light source on a carbon electrode (1 cm 2 carbon gas diffusion electrode (GDE, Toray TGP-H-090)) located on a plate controlled by a micrometer. 2 ), finely processed at regular intervals, the density of 15 different grooves (0.80 cm 2 dimple /cm 2 electrode A carbon electrode with (hereinafter) was manufactured.
이때, 레이저 플라즈마는 광원(Q-Switched 1064nm Nd:YAG pulse laser(Quantel, Brilliant b))에서 발생되고, 다수의 라인 거울(line mirror)을 거쳐, 블록 렌즈(Plano convex lens)를 통해 탄소 전극에 조사되었다.At this time, the laser plasma is generated from a light source (Q-Switched 1064nm Nd:YAG pulse laser (Quantel, Brilliant b)), passes through a number of line mirrors, and is directed to the carbon electrode through a block lens (Plano convex lens). was investigated.
이후, MoS2 촉매 240mg(입자크기 0.8~1.2μm, 평균 입자 크기 1μm)를 이소프로필 알코올 14.4 mL, 증류수 14.4 mL, 나피온 용액 240μL(Dupont, 1100EW 5w%)에 혼합하여 코팅 용액(0.15 mol% MoS2)을 제조하였다. 상기 제조된 코팅 용액을 홈이 형성된 탄소 전극 표면에 0.1mL분사한 후, 300W의 고온 할로겐 램프 아래에서 5회 건조하였다. 이후, 홈이 형성되지 않은 반대면에 실리콘을 1μm로 도포하고, 상온에서 5시간 동안 건조시켜 탄소 전극을 제조하였다(MoS2의 함량, 탄소전극 1cm2당 0.02g).Afterwards, 240 mg of MoS 2 catalyst (particle size 0.8-1.2 μm, average particle size 1 μm) was mixed with 14.4 mL of isopropyl alcohol, 14.4 mL of distilled water, and 240 μL of Nafion solution (Dupont, 1100EW 5w%) to form a coating solution (0.15 mol%). MoS 2 ) was prepared. 0.1 mL of the prepared coating solution was sprayed on the surface of the grooved carbon electrode, and then dried five times under a 300W high-temperature halogen lamp. Afterwards, silicon was applied to the opposite side where the groove was not formed to a thickness of 1 μm and dried at room temperature for 5 hours to prepare a carbon electrode (MoS 2 content, 0.02 g per 1 cm 2 of carbon electrode).
실험예Experiment example
상기 실시예에서 제조된 탄소 전극의 홈 밀도에 따른 전류 밀도 변화율을 확인하기 위해 50mV/s의 스캔 속도와 1.5V의 환원 전위창에서 선형 주사 전위법을 사용했고, 촉매층으로부터의 전하 전달과 이중 층 캐패시턴스 간의 관계를 파악하기 위해 0-106 Hz의 주파수 범위에서 전기화학 임피던스 분광법을 사용하여 탄소 전극 표면에 코팅된 이산화황몰리브드늄 촉매의 전하 전달 저항을 측정하였으며, 이에 대한 결과를 도 5에 나타내었다.To confirm the current density change rate according to the groove density of the carbon electrode prepared in the above example, a linear scanning potential method was used at a scan rate of 50 mV/s and a reduction potential window of 1.5 V, and charge transfer from the catalyst layer and the double layer To determine the relationship between capacitances, the charge transfer resistance of the molybdenum sulfur dioxide catalyst coated on the surface of the carbon electrode was measured using electrochemical impedance spectroscopy in the frequency range of 0-10 6 Hz, and the results are shown in Figure 5. It was.
도 5를 참조하면, 전극 표면의 홈의 밀도 0.02 cm2 dimple/cm2 전극에서 0.16 cm2 dimple/cm2 전극까지 전류 밀도가 약 8mA/cm2 만큼 빠르게 증가한 것을 확인할 수 있으며, 0.8cm2 dimple/cm2 전극까지 불규칙하게 증가한 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 5, it can be seen that the current density increased rapidly by about 8 mA/cm 2 from the groove density of the electrode surface of 0.02 cm 2 dimple /cm 2 to the 0.16 cm 2 dimple /cm 2 electrode , and 0.8 cm 2 dimple . It can be seen that the electrode has increased irregularly to /cm 2 .
다만, 0.16 cm2 dimple/cm2 전극를 초과하는 홈의 밀도에서는 전류는 더 이상 크게 증가하지 않았으며, 이는 홈의 밀도가 임계값에 도달했음을 나타낸다. 전하 전달 저항은 홈의 밀도 임계값까지 반비례적으로 감소하는 경향이 있지만, 임계값 이후에는 큰 변화 없이 거의 일정하게 유지된다.However, at groove densities exceeding 0.16 cm 2 dimple /cm 2 electrode , the current no longer increased significantly, indicating that the groove density had reached a critical value. The charge transfer resistance tends to decrease inversely up to the groove density threshold, but remains almost constant after that threshold without significant change.
또한, 0.6 cm2 dimple/cm2 전극 전극의 홈 밀도에서 전류 밀도가 가장 높은 것을 알 수 있으나, 0.16 cm2 dimple/cm2 전극에서 면적당 홈 밀도의 전류 밀도가 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the current density is highest at the groove density of the 0.6 cm 2 dimple /cm 2 electrode , but it can be seen that the current density of the groove density per area is relatively high at the 0.16 cm 2 dimple /cm 2 electrode .
이와 같이, 본 발명에 따른 탄소 전극의 경우, 상기 실험예에서 알 수 있듯이, 탄소 전극 표면에 다수의 홈이 형성됨으로써 표면적이 증가되고, 탄소 전극 표면에 불규칙한 형상의 촉매 물질이 전극의 내부까지 고르게 코팅되며, 이에 따라 촉매 활성이 개선되어 탄소 전극의 전기화학 반응성이 향상될 수 있다.In this way, in the case of the carbon electrode according to the present invention, as can be seen in the above experimental example, the surface area is increased by forming a large number of grooves on the surface of the carbon electrode, and the irregularly shaped catalyst material is spread evenly to the inside of the electrode. It is coated, and as a result, the catalytic activity can be improved and the electrochemical reactivity of the carbon electrode can be improved.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also possible. falls within the scope of rights.
100 : 탄소 전극 110 : 홈
120 : 촉매 210 : 광원
220 : 레이저 플라즈마 230 : 라인거울
240 : 볼록 렌즈 100: carbon electrode 110: groove
120: catalyst 210: light source
220: Laser Plasma 230: Line Mirror
240: convex lens
Claims (6)
상기 홈의 밀도는 0.12~0.3cm2 dimple/cm2 전극이고,
상기 표면은 촉매, 이소프로필 알코올, 증류수 및 나피온 용액을 포함하는 코팅용액으로 코팅되고,
상기 탄소전극 표면에 도포된 촉매의 함량은 탄소 전극의 표면 1cm2당 0.01~0.03g인 것을 특징으로 하는 탄소 전극.A carbon electrode with a plurality of grooves formed on the surface.
The density of the groove is 0.12~0.3cm 2 dimple /cm 2 electrode ,
The surface is coated with a coating solution containing a catalyst, isopropyl alcohol, distilled water, and Nafion solution,
A carbon electrode, characterized in that the amount of catalyst applied to the surface of the carbon electrode is 0.01 to 0.03 g per 1 cm 2 of the surface of the carbon electrode.
상기 촉매는 전이금속 디칼코게나이드 또는 백금족 원소이고, 상기 촉매의 입자 크기는 0.5~2㎛인 것을 특징으로 하는 탄소 전극.According to paragraph 1,
The catalyst is a transition metal dichalcogenide or a platinum group element, and the catalyst has a particle size of 0.5 to 2㎛.
상기 다수의 홈이 형성된 탄소 전극 표면에 코팅용액을 분사하여 코팅하는 단계;
를 포함하는 탄소 전극 제조방법으로서,
상기 홈의 밀도는 0.12~0.3cm2 dimple/cm2 전극이고,
상기 코팅용액은 촉매, 이소프로필알코올, 증류수 및 나피온 용액을 포함하고,
상기 탄소전극 표면에 도포된 촉매의 함량은 탄소 전극의 표면 1cm2당 0.01~0.03g인 것을 특징으로 하는 탄소 전극 제조방법.Forming a plurality of grooves on the surface of the carbon electrode using laser plasma; and
Coating the surface of the carbon electrode on which the plurality of grooves are formed by spraying a coating solution;
A carbon electrode manufacturing method comprising:
The density of the groove is 0.12~0.3cm 2 dimple /cm 2 electrode ,
The coating solution includes a catalyst, isopropyl alcohol, distilled water, and Nafion solution,
A method of manufacturing a carbon electrode, characterized in that the amount of catalyst applied to the surface of the carbon electrode is 0.01 to 0.03 g per 1 cm 2 of the surface of the carbon electrode.
상기 레이저 플라즈마의 파워는 80~120mJ이고, 진동수는 5~15Hz인 것을 특징으로 하는 탄소 전극 제조방법.According to paragraph 3,
A method of manufacturing a carbon electrode, characterized in that the power of the laser plasma is 80 to 120 mJ and the frequency is 5 to 15 Hz.
상기 레이저 플라즈마는 광원에서 발생되고, 볼록렌즈를 통과하여 탄소 전극에 조사되는 것을 특징으로 하는 탄소 전극 제조방법.According to paragraph 3,
A method of manufacturing a carbon electrode, characterized in that the laser plasma is generated from a light source, passes through a convex lens, and is irradiated to the carbon electrode.
상기 촉매는 전이금속 디칼코게나이드 또는 백금족 원소이고, 상기 촉매의 입자 크기는 0.5~2㎛인 것을 특징으로 하는 탄소 전극 제조방법.According to paragraph 3,
The catalyst is a transition metal dichalcogenide or a platinum group element, and the particle size of the catalyst is 0.5 to 2㎛.
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2023
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