KR20240006819A - Catalyst for generating double-function hydrogen and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR20240006819A
KR20240006819A KR1020220083549A KR20220083549A KR20240006819A KR 20240006819 A KR20240006819 A KR 20240006819A KR 1020220083549 A KR1020220083549 A KR 1020220083549A KR 20220083549 A KR20220083549 A KR 20220083549A KR 20240006819 A KR20240006819 A KR 20240006819A
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강미숙
박혜림
손남규
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영남대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 수전해 HER에서 백금 기반 촉매 전극을 대체할 이중 기능 수소 발생용 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카본 지지체 전극과 CoS/S-rGO 촉매 입자 간의 최적의 결합 및 접착 안정성을 위해 수열 합성법을 이용하여 카본 지지체 전극에 상기 촉매 입자를 직접 성장시켜 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 이중 기능 수소 발생용 촉매는 Co와 rGO에 S을 각각 도입하여 결정 결함을 줄이고, 촉매에 물 흡착을 용이하게 하며, 이로 인하여 더 많은 수소를 생성하게 할 수 있기 때문에 우수한 과전위 값으로 적은 에너지를 소비하여 물 분해 반응을 진행시킬 수 있고, 우수한 안정성과 내구성을 가지면서 높은 효율을 갖는 장점이 있다.
The present invention relates to a dual-functional hydrogen generation catalyst to replace platinum-based catalyst electrodes in water electrolysis HER and a method for manufacturing the same. More specifically, it relates to optimal bonding and adhesion stability between a carbon support electrode and CoS/S-rGO catalyst particles. For this purpose, the catalyst particles can be produced by directly growing them on a carbon support electrode using a hydrothermal synthesis method.
The dual-functional hydrogen generation catalyst according to the present invention reduces crystal defects by introducing S into Co and rGO respectively, facilitates water adsorption on the catalyst, and can produce more hydrogen, resulting in an excellent overpotential value. It has the advantage of being able to proceed with the water decomposition reaction by consuming little energy and having excellent stability and durability as well as high efficiency.

Description

이중 기능 수소 발생용 촉매 및 이의 제조방법{Catalyst for generating double-function hydrogen and manufacturing method thereof}Catalyst for generating double-function hydrogen and manufacturing method thereof}

본 발명은 수전해 시스템에서 수소 발생 반응(HER)을 위한 고효율, 장기 안정성을 가진 이중 기능 HER 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dual-functional HER catalyst with high efficiency and long-term stability for hydrogen evolution reaction (HER) in a water electrolysis system and a method for producing the same.

화석 연료 고갈로 인한 에너지 위기와 다양한 환경오염 물질로 인한 지구 온난화를 동시에 완화할 수 있는 신 재생에너지원의 개발은 과학적, 산업적 관심을 크게 받고 있다. 화석 연료를 대체하기 위해 친환경적이고 무한한 재생 가능 에너지원에 대한 다양한 연구가 수행되었고, 이들 중 수소 에너지는 대표적인 에너지 운반체이다. The development of new renewable energy sources that can simultaneously alleviate the energy crisis caused by fossil fuel depletion and global warming caused by various environmental pollutants is receiving great scientific and industrial attention. Various studies have been conducted on eco-friendly and infinite renewable energy sources to replace fossil fuels, and among these, hydrogen energy is a representative energy carrier.

수소는 공기 중의 산소와 반응하여 다른 오염 물질을 생성하지 않고 물만 생성한다. 수소의 질량 당 에너지 밀도는 142 kJ/g으로, 가솔린과 천연가스보다 4배 내지 3배가 높다. 수소를 생산하는 방법은 다양한 방법이 있지만 현재 수소를 생산하는 가장 대중적인 방법은 화석연료에서 수소를 추출하는 방법이다. 그러나 이 방법은 환경문제를 야기하므로 친환경적인 수소 제조 방법 중 하나는 수전해 수소 생산 방법이 있다. Hydrogen reacts with oxygen in the air to produce only water without producing any other pollutants. The energy density per mass of hydrogen is 142 kJ/g, which is 4 to 3 times higher than that of gasoline and natural gas. There are various ways to produce hydrogen, but currently the most popular way to produce hydrogen is to extract hydrogen from fossil fuels. However, this method causes environmental problems, so one of the eco-friendly hydrogen production methods is the water electrolysis hydrogen production method.

수전해 방법은 필요한 장비가 간단하고, 대량생산이 가능하며, 고순도의 수소를 생산할 수 있다. 하지만 수전해 기술은 꽤 큰 전기 에너지를 사용해야 하는 단점이 있기 때문에 수전해 시스템의 핵심은 촉매를 이용하여 물을 분해하는데 필요한 에너지를 낮추는 것이다. 수전해 시스템의 수소 발생 반응에서 가장 우수한 촉매로 꼽히는 백금(Pt)은 과전위 값과 타펠(Tafel) 기울기가 낮아 효율이 높지만, 매장량이 적고 가격이 높아 상용화 공정에 적용하기에는 어려움이 따른다. The water electrolysis method requires simple equipment, can be mass-produced, and can produce high-purity hydrogen. However, because water electrolysis technology has the disadvantage of requiring the use of a considerable amount of electrical energy, the key to the water electrolysis system is to lower the energy required to decompose water using a catalyst. Platinum (Pt), which is considered the best catalyst in the hydrogen generation reaction of water electrolysis systems, has high efficiency due to its low overpotential value and Tafel slope, but its small reserves and high price make it difficult to apply in commercialization processes.

따라서 백금을 대체할 새로운 전기 화학적 촉매를 개발하는 것이 필수적이다. 또한 최근 개발되고 있는 금속 황화물 및 인화물 기반 촉매들은 극성 용매에서 불안정하여 반응 중에 활성 성분이 용출되고 전도도가 금속 또는 합금보다 낮기 때문에 안정성이 부족하므로, 수전해 시스템에서 고효율 및 장기 안정성을 갖는 촉매 전극의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, it is essential to develop new electrochemical catalysts to replace platinum. In addition, metal sulfide and phosphide-based catalysts that have been recently developed are unstable in polar solvents, causing the active ingredients to elute during the reaction, and their conductivity is lower than that of metals or alloys, so they lack stability. Therefore, catalyst electrodes with high efficiency and long-term stability in water electrolysis systems are difficult to achieve. Development is needed.

대한민국 등록특허 제10-2201079호 (2021.01.05)Republic of Korea Patent No. 10-2201079 (2021.01.05)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 산성 및 알칼리성의 양쪽 전해질에서 안정적으로 작용하여, 수전해 시스템에서 백금 촉매를 대체할 수 있는 고효율, 장기 안정성을 가진 HER을 위한 이중 기능 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention was created to solve the above problems. It operates stably in both acidic and alkaline electrolytes, and is a dual-function catalyst for HER with high efficiency and long-term stability that can replace platinum catalysts in water electrolysis systems. The purpose is to provide a method for manufacturing the same.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 황 원소(S)가 도핑된 환원된 산화그래핀(reduced graphene oxide; rGO); 및 상기 rGO 상에 부착된 황화 코발트(CoS) 입자;를 포함하는 이중 기능 수소 발생용 촉매를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes reduced graphene oxide (rGO) doped with sulfur element (S); and cobalt sulfide (CoS) particles attached to the rGO. It provides a dual-functional catalyst for hydrogen generation comprising a.

또한, 본 발명은 베이스 기재; 및 상기 촉매를 포함하는 이중 기능 수소 발생용 전극을 제공한다.In addition, the present invention relates to a base material; and a dual-function electrode for hydrogen generation including the catalyst.

또한, 본 발명은 산화그래핀(GO)을 에틸렌글라이콜(EG)에 분산시키고 GO 분산액을 준비하는 제1단계; 상기 GO 분산액에 환원제를 첨가하고 교반하여 S-rGO 파우더를 준비하는 제2단계; 상기 S-rGO 파우더를 증류수와 혼합하여 교반한 후 S-rGO 분산용액을 준비하는 제3단계; 상기 S-rGO 분산용액에 코발트 전구체 및 설퍼 전구체를 첨가하고 교반하여 제1혼합용액을 준비하는 제4단계; 상기 제1혼합용액에 카본페이퍼(CP)를 담그고 초음파 처리하여 제2혼합용액을 준비하는 제5단계; 및 상기 CP 및 제2혼합용액을 밀봉한 후, 수열합성하여 과성장된 황 원소(S)가 도핑된 rGO에 부착된 CoS 입자(CoS/S-rGO)를 포함하는 전극을 수집하는 제6단계;를 포함하는 전극의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention includes a first step of dispersing graphene oxide (GO) in ethylene glycol (EG) and preparing a GO dispersion; A second step of preparing S-rGO powder by adding a reducing agent to the GO dispersion and stirring it; A third step of mixing the S-rGO powder with distilled water and stirring it to prepare an S-rGO dispersion solution; A fourth step of preparing a first mixed solution by adding a cobalt precursor and a sulfur precursor to the S-rGO dispersion solution and stirring; A fifth step of preparing a second mixed solution by immersing carbon paper (CP) in the first mixed solution and ultrasonicating it; And a sixth step of sealing the CP and the second mixed solution and collecting an electrode containing CoS particles (CoS/S-rGO) attached to rGO doped with elemental sulfur (S) overgrown through hydrothermal synthesis. Provides a method for manufacturing an electrode including;

본 발명에 따른 이중 기능 수소 발생용 촉매는 귀금속을 사용하지 않았음에도 불구하고 낮은 과전위 값을 나타내며, 이는 저렴한 가격으로 적은 에너지를 사용하여 수소를 생산할 수 있음을 의미한다. 또한, 상기 이중 기능 수소 발생용 촉매는 산성 및 알칼리성 전해질에서, 안정적으로 3000번의 반복적인 HER과 10시간 동안의 반응에도 우수한 안정성과 내구성을 가지면서 높은 효율로 오랫동안 사용이 가능하므로, 향후 상용화 소재로써 응용되어 매우 경제적으로 HER을 수행할 수 있을 것으로 기대된다. The dual-function hydrogen generation catalyst according to the present invention exhibits a low overpotential value even though it does not use noble metals, which means that hydrogen can be produced using little energy at a low price. In addition, the dual-functional hydrogen generation catalyst has excellent stability and durability in acidic and alkaline electrolytes, even through 3,000 repeated HER reactions for 10 hours, and can be used for a long time with high efficiency, so it can be used as a commercial material in the future. It is expected that HER can be applied very economically.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극을 알칼리성 및 산성 전해질에서 HER을 수행한 메커니즘이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 X-선 회절(XRD) 패턴, 라만 스펙트럼 및 푸리에 변환 적외선(Fourier transform intrared; FT-IR) 스펙트럼이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 이미지 및 에너지 분산 X선 분광법(EDS) 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극을 3,000 Cyclic Voltammetry(CV) 사이클 이후 관찰한 SEM 이미지이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 고해상도 투과전자현미경(HRTEM) 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)의 결과 데이터이다.
도 7은 알칼리성 및 산성 전해질에서 10시간의 HER 전후 CP로부터 긁어낸 CoS/S-rGO의 XRD 패턴, 라만 스펙트럼, X-ray 광전자 스펙트럼이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 선형주사전압전류측정법(Linear Sweep Voltammetry; LSV)의 결과 데이터이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 전기화학적 활성 표면적(ECSA), Cdl 및 Nyquist 플롯이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 chronopotentiometry, LSV 커브 및 패러데이 효율을 측정한 것이다.
도 11은 상용 Pt/Ni 폼 전극인 비교예 전극의 성능을 알칼리성 전해질의 NF에 로딩된 CoS/S-rGO와 비교하기 위한 LSV trace 및 chronopotentiometry 데이터이다.
Figure 1 is a mechanism for performing HER in alkaline and acidic electrolytes using an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows an X-ray diffraction (XRD) pattern, Raman spectrum, and Fourier transform intrared (FT-IR) spectrum of an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a scanning electron microscope (SEM) image and an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) spectrum of an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is an SEM image of an electrode according to an embodiment of the present invention observed after 3,000 Cyclic Voltammetry (CV) cycles.
Figure 5 is a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) image of an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows the result data of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows the XRD pattern, Raman spectrum, and X-ray photoelectron spectrum of CoS/S-rGO scraped from CP before and after 10 hours of HER in alkaline and acidic electrolytes.
Figure 8 shows the result data of linear sweep voltammetry (LSV) of an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is an electrochemically active surface area (ECSA), C dl , and Nyquist plot of an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 shows measured chronopotentiometry, LSV curve, and Faraday efficiency of an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 shows LSV trace and chronopotentiometry data for comparing the performance of a comparative electrode, a commercial Pt/Ni foam electrode, with CoS/S-rGO loaded in NF of an alkaline electrolyte.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명자들은 알칼리성 및 산성 전해질 모두에서 작동할 수 있는 안정적이고 내구성 있는 이중 기능 HER 전극 촉매를 개발하기 위해 예의노력한 결과, CP 전극과 촉매 입자 사이의 결합을 향상시키기 위해 수열 합성법에 의해 CP 전극에 CoS/S-rGO 접합을 통해 촉매를 성장시켰으며, 이렇게 제조한 CoS/S-rGO/CP 전극은 낮은 과전위와 낮은 Tafel 기울기로 알칼리성 및 산성 전해질에서 높은 패러데이 효율을 나타낼 뿐만 아니라, 10시간 및 3,000 선형주사전위법(linear sweep voltammetry; LSV) 주기 동안 우수한 HER 성능이 유지됨을 확인하여, 효율적이고 긴 안정성을 가지는 최적의 이중 기능 HER 전극 촉매를 개발하여 본 발명을 완성하였다.The present inventors made diligent efforts to develop a stable and durable dual-functional HER electrocatalyst that can operate in both alkaline and acidic electrolytes, and as a result, CoS was added to the CP electrode by hydrothermal synthesis to improve the bond between the CP electrode and catalyst particles. The catalyst was grown through /S-rGO junction, and the CoS/S-rGO/CP electrode prepared in this way not only exhibits high Faradaic efficiency in alkaline and acidic electrolytes with low overpotential and low Tafel slope, but also exhibits high Faradaic efficiency at 10 hours and 3,000 linear degrees. By confirming that excellent HER performance was maintained during the linear sweep voltammetry (LSV) cycle, the present invention was completed by developing an optimal dual-functional HER electrode catalyst with efficient and long stability.

이에, 본 발명은 황 원소(S)가 도핑된 환원된 산화그래핀(reduced graphene oxide; rGO); 및 상기 rGO 상에 부착된 황화 코발트(CoS) 입자;를 포함하는 이중 기능 수소 발생용 촉매를 제공한다.Accordingly, the present invention is reduced graphene oxide (rGO) doped with sulfur element (S); and cobalt sulfide (CoS) particles attached to the rGO. It provides a dual-functional catalyst for hydrogen generation comprising a.

상기 황 원소(S)가 도핑된 rGO의 XRD 결정 격자 평균 거리는 3.2 Å 내지 3.5 Å 일 수 있다.The average XRD crystal lattice distance of rGO doped with the sulfur element (S) may be 3.2 Å to 3.5 Å.

상기 입자의 모양은 제조 방법 및 구성 성분의 화학적 성질에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 입자의 모양은 제한되지 않으나, 구체적으로 구형일 수 있다.The shape of the particles can be determined by the manufacturing method and chemical properties of the constituents. Accordingly, the shape of the particle is not limited, but may specifically be spherical.

또한, 상기 입자는 비정질, 반결정질 및/또는 결정질일 수 있다. 일 실시예에서, 입자는 결정질 부분과 비결정질 부분을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 CoS 입자는 결정질일 수 있다.Additionally, the particles may be amorphous, semi-crystalline and/or crystalline. In one embodiment, the particle may include a crystalline portion and an amorphous portion. Specifically, the CoS particles may be crystalline.

본 발명의 일 실시예에서 상기 CoS 입자의 평균 직경은 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛일 수 있으며, 구체적으로 0.1 ㎛ 내지 0.2 ㎛일 수 있다. 입자의 크기가 작을수록, 표면적은 커질 것이므로, 더 큰 표면적은 전기분해 동안 촉매 입자에 대한 물의 접근을 증가시킬 수 있다. In one embodiment of the present invention, the average diameter of the CoS particles may be 0.1 ㎛ to 1 ㎛, specifically 0.1 ㎛ to 0.2 ㎛. The smaller the particle size, the larger the surface area will be, so a larger surface area can increase water access to the catalyst particles during electrolysis.

상기 CoS 입자에 있어서, Co3+:Co2+ 몰비율은 1:(1.8∼2.2), 구체적으로 1:2일 수 있다.In the CoS particles, the Co 3+ : Co 2+ molar ratio may be 1:(1.8-2.2), specifically 1:2.

상기 촉매는, 촉매 전체 중량을 기준으로 CoS 입자 98 내지 99 중량% 및 황 원소(S)가 도핑된 rGO 1 내지 2 중량%를 포함하는 것일 수 있다.The catalyst may include 98 to 99% by weight of CoS particles and 1 to 2% by weight of rGO doped with elemental sulfur (S) based on the total weight of the catalyst.

또한, 본 발명은 베이스 기재; 및 상기 촉매를 포함하는 이중 기능 수소 발생용 전극을 제공한다.In addition, the present invention relates to a base material; and a dual-function electrode for hydrogen generation including the catalyst.

상기 베이스 기재는 HER의 전극 역할을 하는 것으로, 당 분야의 공지된 전극 소재가 제한 없이 사용될 수 있으며, 공지된 전도체, 반도체 또는 부도체 등의 소재가 사용될 수 있다.The base substrate serves as an electrode for HER, and electrode materials known in the art may be used without limitation, and materials such as known conductors, semiconductors, or insulators may be used.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 베이스 기재는 탄소계 지지체일 수 있으며, 구체적으로 카본페이퍼(CP), 카본펠트, 카본블랙, 활성탄, 카본나노파이버, 니켈폼 및 구리폼으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으며, 상기 탄소계 지지체를 사용할 경우, 상기 촉매끼리 뭉치는 현상을 방지할 수 있고 전도도도 증가시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the base substrate may be a carbon-based support, and specifically, one selected from the group consisting of carbon paper (CP), carbon felt, carbon black, activated carbon, carbon nanofiber, nickel foam, and copper foam. There may be more than one species, and when the carbon-based support is used, agglomeration of the catalysts can be prevented and conductivity can also be increased.

상기 전극은 알칼리성 전해질 및 산성 전해질에서 수소 발생 반응(HER)의 활성화를 가지는 것일 수 있다.The electrode may have activation of hydrogen evolution reaction (HER) in alkaline electrolyte and acidic electrolyte.

상기 알칼리성 전해질은 KOH, NaOH 및 CsOH로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, 산성 전해질은 H2SO4, HCl, HNO3 및 HClO4로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.The alkaline electrolyte may be at least one selected from the group consisting of KOH, NaOH, and CsOH, and the acidic electrolyte may be at least one selected from the group consisting of H 2 SO 4 , HCl, HNO 3 and HClO 4 .

상기 전극의 Tafel 기울기는 1.0 M의 KOH 수용액 또는 0.5 M의 H2SO4 수용액에서 532 nm의 여기 파장에서 2000∼300 cm-1 파수 범위로 측정하는 경우, 80 mV/decade 내지 100 mV/decade인 것일 수 있다.The Tafel slope of the electrode is 80 mV/decade to 100 mV/decade when measured in a wave number range of 2000 to 300 cm -1 at an excitation wavelength of 532 nm in 1.0 M aqueous solution of KOH or 0.5 M aqueous solution of H 2 SO 4 It could be.

상기 전극의 전하이동저항(Rct) 값은 10 Ω 내지 20 Ω인 것일 수 있다.The charge transfer resistance (R ct ) value of the electrode may be 10 Ω to 20 Ω.

한편, 도 1은 상기 전극을 알칼리성 및 산성 전해질에서 HER에 대한 메커니즘이다. 상기 메커니즘은 하기 반응식 1 내지 3과 같이 나타날 수 있다.Meanwhile, Figure 1 shows the mechanism for HER using the electrode in alkaline and acidic electrolytes. The mechanism may be expressed as shown in Schemes 1 to 3 below.

[반응식 1] Volmer 단계[Scheme 1] Volmer step

H2O + e- → Hads(촉매에 흡수된 H+ 이온) + OH- H 2 O + e - → H ads (H + ion absorbed by catalyst) + OH -

[반응식 2] Heyrovsky 단계[Scheme 2] Heyrovsky step

H2O + e- + Hads → H2 + OH- H 2 O + e - + H ads → H 2 + OH -

[반응식 3] Tafel 단계[Scheme 3] Tafel step

Hads + Hads → H2 H ads + H ads → H 2

상기 반응식 1 내지 3을 참고하면, 상기 메커니즘은 물 전기분해 동안 음극에서 수소를 생성하는 핵심 반쪽 반응이며 2전자 전달 과정을 포함할 수 있다. 상기 반응식 1은 흡착된 수소를 생성하는 Volmer 단계이며, 이어서 Heyrovsky 단계 (반응식 2)또는 Tafel 단계(반응식 3)가 뒤따를 수 있다. Heyrovsky 단계 및 Tafel 단계는 동시에 진행되어 H2를 생성할 수 있다. Referring to Schemes 1 to 3 above, the mechanism is a key half reaction that generates hydrogen at the cathode during water electrolysis and may include a two-electron transfer process. Scheme 1 above is a Volmer step to produce adsorbed hydrogen, which may be followed by a Heyrovsky step (Scheme 2) or a Tafel step (Scheme 3). The Heyrovsky step and Tafel step can proceed simultaneously to produce H 2 .

상기 Heyrovsky 단계의 반응은 속도 결정 단계이며, H+은 산성 전해질의 CoS/S-rGO/CP 전극에서 S-rGO의 C-S 황 사이트에 흡착될 수 있다. 상기 H+은 내부 확산을 통해 CoS로 이동하고 Co로부터 전자를 받아 반응하여 H2 가스를 생성할 수 있다. 이때, 고전도성 CP는 외부 회로로부터 전자를 쉽게 받아 CoS 주변의 전자 밀도를 증가시켜 이 반응을 더욱 촉진시킬 수 있다. The Heyrovsky step reaction is the rate-determining step, and H + can be adsorbed to the CS sulfur site of S-rGO at the CoS/S-rGO/CP electrode in acidic electrolyte. The H + can move to CoS through internal diffusion and react by receiving electrons from Co to generate H 2 gas. At this time, the highly conductive CP can easily receive electrons from an external circuit and increase the electron density around CoS, further promoting this reaction.

한편, HER 반응은 알칼리 전해질에서도 상기 반응식 1 내지 3과 같이 3단계로 나타날 수 있다. Hads, OHads(하이드록시 흡착) 및 물을 해리시키는 것은 HER 활성을 위한 알칼리성 전해질에서 중요하며, 촉매는 H+을 잘 흡착하고 알칼리 전해질에서 물도 잘 해리해야 할 수 있다. 물의 흡착은 알칼리 전해질에서 H+ 이온이 존재하지 않기 때문에 CoS/S-rGO/CP 전극의 CoS에서 우선적으로 발생할 수 있다. 이때, 흡착된 물은 Co의 강한 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction; OER) 성능으로 인해 OH-와 H+으로 쉽게 분해될 수 있다. CoS는 환원되어 H2을 생성할 수 있다. 그러나 산성 전해액과 달리 알칼리성 전해액의 CoS에서는 물분해와 H+의 환원반응이 경쟁적으로 일어나 전체적인 반응속도가 느려질 수 있으며, H+ 이온은 환원되어 전자가 풍부한 S-rGO 표면에 흡착됨과 동시에 H2을 생성할 수 있다.Meanwhile, the HER reaction can occur in three stages as shown in Schemes 1 to 3 even in alkaline electrolytes. H ads , OH ads (hydroxy adsorption) and dissociation of water are important in alkaline electrolytes for HER activity, and the catalyst may need to be good at adsorbing H + and also dissociating water well in alkaline electrolytes. The adsorption of water may occur preferentially on CoS in the CoS/S-rGO/CP electrode due to the absence of H + ions in the alkaline electrolyte. At this time, the adsorbed water can be easily decomposed into OH - and H + due to the strong oxygen evolution reaction (OER) performance of Co. CoS can be reduced to produce H 2 . However, unlike acidic electrolytes, in CoS in alkaline electrolytes, water decomposition and H + reduction reactions occur competitively, which can slow down the overall reaction rate, and H + ions are reduced and adsorbed on the electron-rich S-rGO surface, simultaneously producing H 2 . can be created.

또한, Co2+가 CoS에 흡착된 물 분자의 분해에 의해 형성되는 OH- 이온과 강한 상호작용을 통해 부분 산화되어 Co(Ⅲ)SOH로 될 때, 알칼리성 전해질에서 HER 성능이 저하될 수 있다. HER 활성은 알칼리성 및 산성 전해질 모두에서 H+ 흡착과 관련되며, H+ 이온의 흡착 자유에너지(ΔGH)는 수소 생성에 중요한 요소로 적절한 수소 결합 에너지는 HER 과정을 도울 수 있다.In addition, when Co 2+ is partially oxidized to Co(Ⅲ)SOH through strong interaction with OH - ions formed by decomposition of water molecules adsorbed on CoS, HER performance may be reduced in alkaline electrolytes. HER activity is related to H + adsorption in both alkaline and acidic electrolytes, and the free energy of adsorption of H + ions (ΔG H ) is an important factor in hydrogen generation, and appropriate hydrogen bond energy can aid the HER process.

본 발명은 산화그래핀(GO)을 에틸렌글라이콜(EG)에 분산시키고 GO 분산액을 준비하는 제1단계; 상기 GO 분산액에 환원제를 첨가하고 교반하여 S-rGO 파우더를 준비하는 제2단계; 상기 S-rGO 파우더를 증류수와 혼합하여 교반한 후 S-rGO 분산용액을 준비하는 제3단계; 상기 S-rGO 분산용액에 코발트 전구체 및 설퍼 전구체를 첨가하고 교반하여 제1혼합용액을 준비하는 제4단계; 상기 제1혼합용액에 카본페이퍼(CP)를 담그고 초음파 처리하여 제2혼합용액을 준비하는 제5단계; 및 상기 CP 및 제2혼합용액을 밀봉한 후, 수열합성하여 과성장된 황 원소(S)가 도핑된 rGO에 부착된 CoS 입자(CoS/S-rGO)를 포함하는 전극을 수집하는 제6단계;를 포함하는 전극의 제조방법을 제공한다.The present invention includes the first step of dispersing graphene oxide (GO) in ethylene glycol (EG) and preparing a GO dispersion; A second step of preparing S-rGO powder by adding a reducing agent to the GO dispersion and stirring it; A third step of mixing the S-rGO powder with distilled water and stirring it to prepare an S-rGO dispersion solution; A fourth step of preparing a first mixed solution by adding a cobalt precursor and a sulfur precursor to the S-rGO dispersion solution and stirring; A fifth step of preparing a second mixed solution by immersing carbon paper (CP) in the first mixed solution and ultrasonicating it; And a sixth step of sealing the CP and the second mixed solution and collecting an electrode containing CoS particles (CoS/S-rGO) attached to rGO doped with elemental sulfur (S) overgrown through hydrothermal synthesis. Provides a method for manufacturing an electrode including;

상기 GO 분산액의 농도는 1 mg/mL 내지 5 mg/mL일 수 있으며, 구체적으로 1 mg/mL 내지 2 mg/mL일 수 있다.The concentration of the GO dispersion may be 1 mg/mL to 5 mg/mL, specifically 1 mg/mL to 2 mg/mL.

상기 환원제는 황화 나트륨(sodium sulfide; Na2S), 티오시안산암모늄(ammonium thiocyanate; [NH4S]CN), 티오요소(thiourea; (NH2)2CS), 이산화티오요소(thiourea dioxide;(NH)(NH2)CSO2H) 및 에탄-1,2-디티올 (1,2-Ethanedithiol; C2H4(SH)2) 으로 이루어진 군에서 선택된 중 어느 하나일 수 있으며, 구체적으로 황화 나트륨(sodium sulfide; Na2S)일 수 있다.The reducing agent includes sodium sulfide (Na 2 S), ammonium thiocyanate ([NH 4 S]CN), thiourea ((NH 2 ) 2 CS), and thiourea dioxide; (NH)(NH 2 )CSO 2 H) and ethane-1,2-dithiol (1,2-Ethanedithiol; C 2 H 4 (SH) 2 ) It may be any one selected from the group consisting of, specifically It may be sodium sulfide (Na 2 S).

상기 코발트 전구체는 코발트 클로라이드(CoCl2·6H2O), 코발트 나이트레이트(Co(NO3)2·6H2O) 및 코발트 아세테이트((CH3COO)2Co·4H2O)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 구체적으로 코발트 클로라이드(CoCl2·6H2O)일 수 있다.The cobalt precursor is selected from the group consisting of cobalt chloride (CoCl 2 ·6H 2 O), cobalt nitrate (Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O), and cobalt acetate ((CH 3 COO) 2 Co·4H 2 O) There may be one or more selected types, and specifically, it may be cobalt chloride (CoCl 2 ·6H 2 O).

상기 코발트 전구체의 농도는 0.01 mM 내지 1 mM일 수 있으며, 구체적으로 0.01 mM 내지 0.05 mM일 수 있다.The concentration of the cobalt precursor may be 0.01mM to 1mM, specifically 0.01mM to 0.05mM.

상기 설퍼 전구체는 황화나트륨(Na2S), 티오우레아(thiourea; CH4N2S), 티오시안산암모늄(ammonium thiocyanate; NH4SCN), 티오아세트아미드(thioacetamide; C2H5NS), 벤질 디설파이드(benzyl disulfide; C14H14S2), 티오핀(thiophene; C4H4S), 2,2'-다이티오펜(2,2'-dithiophene; C8H6S2), p-톨루엔설폰산(p-toluenesulfonic acid; C7H8O3S), 2-티오핀메탄올(2-thiophenemethanol; C5H6OS) 및 황 파우더(S powder)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.The sulfur precursor includes sodium sulfide (Na 2 S), thiourea (CH 4 N 2 S), ammonium thiocyanate (NH 4 SCN), thioacetamide (C 2 H 5 NS), Benzyl disulfide (C 14 H 14 S 2 ), thiophene (C 4 H 4 S), 2,2'-dithiophene (2,2'-dithiophene; C 8 H 6 S 2 ), 1 selected from the group consisting of p-toluenesulfonic acid (C 7 H 8 O 3 S), 2-thiophenemethanol (C 5 H 6 OS), and sulfur powder (S powder) It may be more than one species.

상기 제6단계에서, 수열 합성은 150 내지 200 ℃의 온도에서 8 내지 10시간 동안 수행되는 것일 수 있다.In the sixth step, hydrothermal synthesis may be performed at a temperature of 150 to 200 °C for 8 to 10 hours.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, the embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Additionally, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those with average knowledge in the relevant technical field.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples.

<실시예> HER 촉매 및 전극 제조<Example> Preparation of HER catalyst and electrode

실시예 1. Co/CP 전극의 제조Example 1. Preparation of Co/CP electrode

먼저 CP 베이스 전극에 Co 결정을 성장시켰다. CoCl2·6H2O(3.2 mmol, 99.9 %, Sigma-Aldrich)를 에틸렌글라이콜(EG, C2H6O2, 99.9 %, Sigma-Aldrich) 60 mL과 혼합하고 1시간 동안 교반한 후 분산제인 폴리(비닐폴리피롤리돈)(PVP(C6H9NO)n, Sigma-Aldrich) 1.0 g과 환원제를 1.0 mL를 첨가하고 1시간 동안 교반하였다. 이때, 상기 환원제는 히드라진 수화물(hydrazin hydrate, N2H4, 99.9 %, Sigma-Aldrich), NaBH4, 아스코르브산 및 LiAlH4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다. 이후, 카본페이퍼(CP, 1.0×2.0 cm, 15 Ω, Sigma-Aldrich)를 혼합 용액에 담그고 1시간 동안 초음파 처리한 후, 용액을 오토클레이브 용기에 옮기고 N2 가스로 3회 퍼징하여 내부 가스를 제거한 후 완전히 밀봉하였다. 오토클레이브의 온도를 10 ℃/min의 속도로 190 ℃까지 승온시킨 다음 해당 온도에서 10시간 동안 유지하였다. 상온으로 식힌 후, 용기를 개봉하여 Co-과성장된 CP 전극을 회수하여 증류수와 에탄올로 3회 세척한 후 70 ℃의 건조오븐에서 5시간 건조하여 Co/CP 전극을 수득하였다.First, Co crystals were grown on the CP base electrode. CoCl 2 ·6H 2 O (3.2 mmol, 99.9 %, Sigma-Aldrich) was mixed with 60 mL of ethylene glycol (EG, C 2 H 6 O 2 , 99.9 %, Sigma-Aldrich) and stirred for 1 hour. 1.0 g of poly(vinylpolypyrrolidone) (PVP(C 6 H 9 NO) n , Sigma-Aldrich) as a dispersant and 1.0 mL of reducing agent were added and stirred for 1 hour. At this time, the reducing agent may be one or more selected from the group consisting of hydrazin hydrate (N 2 H 4 , 99.9%, Sigma-Aldrich), NaBH 4 , ascorbic acid, and LiAlH 4 . Afterwards, carbon paper (CP, 1.0 After removal, it was completely sealed. The temperature of the autoclave was raised to 190°C at a rate of 10°C/min and then maintained at that temperature for 10 hours. After cooling to room temperature, the container was opened, the Co-overgrown CP electrode was recovered, washed three times with distilled water and ethanol, and dried in a drying oven at 70°C for 5 hours to obtain a Co/CP electrode.

실시예 2. rGO/CP 전극의 제조Example 2. Preparation of rGO/CP electrode

변형된 Hummers’ 방법에 의해 제조된 산화흑연(GO) 0.6 g을 EG 60 mL에 분산시키고 3시간 동안 교반하였다. 이어서, 환원제 1.0 mL를 첨가하고, 혼합물을 1시간 동안 초음파 처리한 후, 용액을 오토클레이브 용기에 옮기고 N2 가스로 3회 퍼징하여 내부 가스를 제거하고 완전히 밀봉하였다. 이때, 상기 환원제는 히드라진 수화물, NaBH4, 아스코르브산 및 LiAlH4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다. 이후, 오토클레이브의 온도를 분당 10 ℃에서 180 ℃까지 증가시키고 해당 온도에서 16시간 동안 유지하였다. 오토클레이브를 상온으로 냉각하고 용기를 열어 rGO-과성장된 CP 전극을 회수하고, 이를 증류수와 에탄올로 3회 이상 세척한 후 70 ℃의 오븐에서 5시간 동안 건조시켜 rGO/CP 전극을 수득하였다.0.6 g of graphite oxide (GO) prepared by modified Hummers' method was dispersed in 60 mL of EG and stirred for 3 hours. Then, 1.0 mL of reducing agent was added, and the mixture was sonicated for 1 hour, and then the solution was transferred to an autoclave vessel and purged three times with N 2 gas to remove internal gas and completely sealed. At this time, the reducing agent may be one or more selected from the group consisting of hydrazine hydrate, NaBH 4 , ascorbic acid, and LiAlH 4 . Afterwards, the temperature of the autoclave was increased from 10°C per minute to 180°C and maintained at that temperature for 16 hours. The autoclave was cooled to room temperature, the container was opened, the rGO-overgrown CP electrode was recovered, washed at least three times with distilled water and ethanol, and then dried in an oven at 70 °C for 5 hours to obtain an rGO/CP electrode.

실시예 3. S-rGO/CP 전극의 제조Example 3. Preparation of S-rGO/CP electrode

환원제로 2.0 mmol의 Na2S 0.15 g을 사용한 것을 제외하고는 rGO/CP 전극과 동일한 방법으로 S-rGO/CP 전극을 제조하였다.The S-rGO/CP electrode was prepared in the same manner as the rGO/CP electrode, except that 0.15 g of 2.0 mmol Na 2 S was used as a reducing agent.

실시예 4. CoS/CP 전극의 제조Example 4. Preparation of CoS/CP electrode

CoCl2·6H2O 3.2 mmol을 증류수 60 mL에 첨가한 후, 혼합물을 30분 동안 교반하였다. 이어서, 티오우레아(CH4N2S, 99.99 %, Sigma-Aldrich) 8.0 mmol을 첨가하고 혼합용액을 1시간 동안 교반하였다. CP를 혼합용액에 담그고 1시간 동안 초음파 처리하였다. 이어서, 혼합용액을 오토클레이브에 옮기고 N2 가스로 3회 퍼징하여 내부 가스를 제거하고 완전히 밀봉하였다. 오토클레이브의 온도를 10 ℃/min의 속도로 190 ℃까지 증가시킨 다음 해당 온도에서 24시간 동안 유지하였다. 오토클레이브를 상온으로 식힌 후, 용기를 열어 CoS 과성장된 CP 전극을 회수하고, 이를 증류수와 에탄올로 3회 이상 세척한 후 70 ℃의 건조 오븐에서 5시간 동안 건조시켜 CoS/CP 전극을 수득하였다. 3.2 mmol of CoCl 2 ·6H 2 O was added to 60 mL of distilled water, and the mixture was stirred for 30 minutes. Next, 8.0 mmol of thiourea (CH 4 N 2 S, 99.99 %, Sigma-Aldrich) was added, and the mixed solution was stirred for 1 hour. CP was immersed in the mixed solution and sonicated for 1 hour. Next, the mixed solution was transferred to an autoclave and purged three times with N 2 gas to remove internal gas and completely sealed. The temperature of the autoclave was increased to 190 °C at a rate of 10 °C/min and then maintained at that temperature for 24 hours. After the autoclave was cooled to room temperature, the container was opened to recover the CoS overgrown CP electrode, washed at least three times with distilled water and ethanol, and then dried in a drying oven at 70°C for 5 hours to obtain a CoS/CP electrode. .

실시예 5. Co/S-rGO/CP 전극의 제조Example 5. Preparation of Co/S-rGO/CP electrode

변형된 Hummers’방법에 의해 제조된 산화흑연(GO) 0.6 g을 EG 60 mL에 분산시키고 3시간 동안 교반하였다. 이어서, 2.0 mmol의 Na2S 0.15 g을 첨가하고, 혼합물을 1시간 동안 초음파 처리한 후, 용액을 오토클레이브 용기에 옮기고 N2 가스로 3회 퍼징하여 내부 가스를 제거하고 완전히 밀봉하였다. 오토클레이브의 온도를 분당 10 ℃에서 180 ℃까지 증가시키고 해당 온도에서 16시간 동안 유지하였다. 오토클레이브를 상온으로 냉각하고 용기를 열어 S-rGO 파우더를 회수하고, 이를 증류수와 에탄올로 3회 이상 세척한 후 70 ℃의 오븐에서 5시간 동안 건조시켜 S-rGO 파우더를 수득하였다. S-rGO 파우더를 EG 60 mL에 첨가한 후, 혼합물을 1시간 동안 초음파 처리하였다. 이어서, CoCl2·6H2O 3.2 mmol을 첨가하고 1시간 동안 교반한 후 분산제인 폴리(비닐폴리피롤리돈) 1.0 g과 환원제를 1.0 mL를 첨가하고 1시간 동안 교반하였다. CP를 혼합용액에 담그고 1시간 동안 초음파 처리하였다. 이어서, 혼합용액을 오토클레이브에 옮기고 N2 가스로 3회 퍼징하여 내부 가스를 제거하고 완전히 밀봉하였다. 오토클레이브의 온도를 10 ℃/min의 속도로 190 ℃까지 증가시킨 다음 해당 온도에서 24시간 동안 유지하였다. 오토클레이브를 상온으로 식힌 후, 용기를 열어 Co/S-rGO 과성장된 CP 전극을 회수하고, 이를 증류수와 에탄올로 3회 이상 세척한 후 70 ℃의 건조 오븐에서 5시간 동안 건조시켜 Co/S-rGO/CP 전극을 수득하였다. 0.6 g of graphite oxide (GO) prepared by the modified Hummers' method was dispersed in 60 mL of EG and stirred for 3 hours. Then, 0.15 g of 2.0 mmol of Na 2 S was added, and the mixture was sonicated for 1 hour, and then the solution was transferred to an autoclave vessel and purged three times with N 2 gas to remove internal gas and completely sealed. The temperature of the autoclave was increased from 10 °C per minute to 180 °C and maintained at that temperature for 16 hours. The autoclave was cooled to room temperature, the container was opened to recover the S-rGO powder, washed at least three times with distilled water and ethanol, and dried in an oven at 70°C for 5 hours to obtain S-rGO powder. After adding S-rGO powder to 60 mL of EG, the mixture was sonicated for 1 hour. Next, 3.2 mmol of CoCl 2 ·6H 2 O was added and stirred for 1 hour, then 1.0 g of poly(vinylpolypyrrolidone) as a dispersant and 1.0 mL of reducing agent were added and stirred for 1 hour. CP was immersed in the mixed solution and sonicated for 1 hour. Next, the mixed solution was transferred to an autoclave and purged three times with N 2 gas to remove internal gas and completely sealed. The temperature of the autoclave was increased to 190 °C at a rate of 10 °C/min and then maintained at that temperature for 24 hours. After cooling the autoclave to room temperature, open the container to recover the Co/S-rGO overgrown CP electrode, wash it at least three times with distilled water and ethanol, and dry it in a drying oven at 70°C for 5 hours to obtain Co/S-rGO. -rGO/CP electrode was obtained.

실시예 6. CoS/rGO/CP 전극의 제조Example 6. Preparation of CoS/rGO/CP electrode

변형된 Hummers’ 방법에 의해 제조된 산화흑연(GO) 0.6 g을 EG 60 mL에 분산시키고 3시간 동안 교반하였다. 이어서, GO 분산액을 1시간 동안 초음파 처리한 후, 용액을 오토클레이브 용기에 옮기고 N2 가스로 3회 퍼징하여 내부 가스를 제거하고 완전히 밀봉하였다. 오토클레이브의 온도를 분당 10 ℃에서 180 ℃까지 증가시키고 해당 온도에서 16시간 동안 유지하였다. 오토클레이브를 상온으로 냉각하고 용기를 열어 rGO-과성장된 CP 전극을 회수하고, 이를 증류수와 에탄올로 3회 이상 세척한 후 70 ℃의 오븐에서 5시간 동안 건조시켜 rGO/CP 전극을 수득하였다. 이어서, CoCl2·6H2O 3.2 mmol을 첨가하고 30분 교반 후 티오우레아(CH4N2S, 99.99 %, Sigma-Aldrich) 8.0 mmol을 첨가하고 혼합용액을 1시간 동안 교반하였다. rGO/CP 전극을 혼합용액에 담그고 1시간 동안 초음파 처리하였다. 이어서, 혼합용액을 오토클레이브에 옮기고 N2 가스로 3회 퍼징하여 내부 가스를 제거하고 완전히 밀봉하였다. 오토클레이브의 온도를 10 ℃/min의 속도로 190 ℃까지 증가시킨 다음 해당 온도에서 24시간 동안 유지하였다. 오토클레이브를 상온으로 식힌 후, 용기를 열어 CoS/rGO 과성장된 CP 전극을 회수하고, 이를 증류수와 에탄올로 3회 이상 세척한 후 70 ℃의 건조 오븐에서 5시간 동안 건조시켜 CoS/rGO/CP 전극을 수득하였다. 0.6 g of graphite oxide (GO) prepared by modified Hummers' method was dispersed in 60 mL of EG and stirred for 3 hours. Subsequently, the GO dispersion was sonicated for 1 hour, and then the solution was transferred to an autoclave container and purged three times with N 2 gas to remove internal gas and completely sealed. The temperature of the autoclave was increased from 10 °C per minute to 180 °C and maintained at that temperature for 16 hours. The autoclave was cooled to room temperature, the container was opened, the rGO-overgrown CP electrode was recovered, washed at least three times with distilled water and ethanol, and then dried in an oven at 70 °C for 5 hours to obtain an rGO/CP electrode. Then, 3.2 mmol of CoCl 2 ·6H 2 O was added, and after stirring for 30 minutes, 8.0 mmol of thiourea (CH 4 N 2 S, 99.99 %, Sigma-Aldrich) was added, and the mixed solution was stirred for 1 hour. The rGO/CP electrode was immersed in the mixed solution and sonicated for 1 hour. Next, the mixed solution was transferred to an autoclave and purged three times with N 2 gas to remove internal gas and completely sealed. The temperature of the autoclave was increased to 190 °C at a rate of 10 °C/min and then maintained at that temperature for 24 hours. After cooling the autoclave to room temperature, open the container to recover the CoS/rGO overgrown CP electrode, wash it at least three times with distilled water and ethanol, and dry it in a drying oven at 70°C for 5 hours to obtain CoS/rGO/CP. An electrode was obtained.

실시예 7. CoS/S-rGO/CP 전극의 제조Example 7. Preparation of CoS/S-rGO/CP electrode

변형된 Hummers’방법에 의해 제조된 산화흑연(GO) 0.6 g을 EG 60 mL에 분산시키고 3시간 동안 교반하였다. 이어서, 2.0 mmol의 Na2S 0.15 g을 첨가하고, 혼합물을 1시간 동안 초음파 처리한 후, 용액을 오토클레이브 용기에 옮기고 N2 가스로 3회 퍼징하여 내부 가스를 제거하고 완전히 밀봉하였다. 오토클레이브의 온도를 분당 10 ℃에서 180 ℃까지 증가시키고 해당 온도에서 16시간 동안 유지하였다. 오토클레이브를 상온으로 냉각하고 용기를 열어 S-rGO 파우더를 회수하고, 이를 증류수와 에탄올로 3회 이상 세척한 후 70 ℃의 오븐에서 5시간 동안 건조시켜 S-rGO 파우더를 수득하였다. S-rGO 파우더를 증류수 60 mL에 첨가한 후, 혼합물을 1시간 동안 초음파 처리하였다. 이어서, CoCl2·6H2O 3.2 mmol을 첨가하고 30분 교반 후 티오우레아(CH4N2S, 99.99 %, Sigma-Aldrich) 8.0 mmol을 첨가하고 혼합용액을 1시간 동안 교반하였다. CP를 혼합용액에 담그고 1시간 동안 초음파 처리하였다. 이어서, 혼합용액을 오토클레이브에 옮기고 N2 가스로 3회 퍼징하여 내부 가스를 제거하고 완전히 밀봉하였다. 오토클레이브의 온도를 10 ℃/min의 속도로 190 ℃까지 증가시킨 다음 해당 온도에서 24시간 동안 유지하였다. 오토클레이브를 상온으로 식힌 후, 용기를 열어 CoS/S-rGO 과성장된 CP 전극을 회수하고, 이를 증류수와 에탄올로 3회 이상 세척한 후 70 ℃의 건조 오븐에서 5시간 동안 건조시켜 CoS/S-rGO/CP 전극을 수득하였다. 0.6 g of graphite oxide (GO) prepared by the modified Hummers' method was dispersed in 60 mL of EG and stirred for 3 hours. Then, 0.15 g of 2.0 mmol of Na 2 S was added, and the mixture was sonicated for 1 hour, and then the solution was transferred to an autoclave vessel and purged three times with N 2 gas to remove internal gas and completely sealed. The temperature of the autoclave was increased from 10 °C per minute to 180 °C and maintained at that temperature for 16 hours. The autoclave was cooled to room temperature, the container was opened to recover the S-rGO powder, washed at least three times with distilled water and ethanol, and dried in an oven at 70°C for 5 hours to obtain S-rGO powder. After adding S-rGO powder to 60 mL of distilled water, the mixture was sonicated for 1 hour. Then, 3.2 mmol of CoCl 2 ·6H 2 O was added, and after stirring for 30 minutes, 8.0 mmol of thiourea (CH 4 N 2 S, 99.99 %, Sigma-Aldrich) was added, and the mixed solution was stirred for 1 hour. CP was immersed in the mixed solution and sonicated for 1 hour. Next, the mixed solution was transferred to an autoclave and purged three times with N 2 gas to remove internal gas and completely sealed. The temperature of the autoclave was increased to 190 °C at a rate of 10 °C/min and then maintained at that temperature for 24 hours. After cooling the autoclave to room temperature, open the container to recover the CoS/S-rGO overgrown CP electrode, wash it at least three times with distilled water and ethanol, and dry it in a drying oven at 70°C for 5 hours to obtain CoS/S-rGO. -rGO/CP electrode was obtained.

비교예 1Comparative Example 1

상용 촉매인 Pt/Ni 폼 전극을 준비하였다.A Pt/Ni foam electrode, a commercial catalyst, was prepared.

<실험예 1> 실시예 1 내지 7에 따른 촉매의 물리화학적 특성 평가<Experimental Example 1> Evaluation of physicochemical properties of catalysts according to Examples 1 to 7

CP 전극에서 직접 성장된 실시예 1 내지 7에 따른 촉매의 X-선 회절(XRD) 패턴은 Ni-여과된 CuKα 방사선(30.0 kV, 15.0 mA, λ=1.5419 Å)을 입사하여 10∼90° 2θ 범위에서 기록되었다. 이들 촉매의 형태는 주사전자현미경(SEM, S-4100, HITACHI, Japan)으로 조사하였으며, 원소 분석을 위해 에너지 분산 X선 분광법(energy dispersive spectroscopy; EDS)을 사용하였다. 상기 촉매의 표면 원소 조성은 A1 Kα(1486.8 eV) 방사선을 이용한 X선 광전자 분광법(XPS, AXIS-NOVA, Kratos Inc., USA)으로 측정하였다. CP 전극 위에 직접 성장한 CoS/S-rGO 촉매의 격자 구조는 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM, JEOL-7001F)을 이용하여 결정하였으며, CP 상에 직접 성장한 rGO, SrGO, CoS/S-rGO 촉매는 532 nm의 여기 파장에서 2000∼300 cm-1 파수 범위에서 라만 분광법(NRS-3300, JASCO)으로 분석하였다. 촉매의 패러데이 효율을 평가할 때, 반응기를 Ar으로 퍼지하고 발생된 가스를 열전도도 검출기를 사용하여 가스 크로마토그래피(DS-7200, DS Science, Korea)로 30분마다 분석하였다.X-ray diffraction (XRD) patterns of the catalysts according to Examples 1 to 7 grown directly on the CP electrode were obtained by incident Ni-filtered CuKα radiation (30.0 kV, 15.0 mA, λ = 1.5419 Å) at 10 to 90° 2θ. recorded in the range. The morphology of these catalysts was examined using a scanning electron microscope (SEM, S-4100, HITACHI, Japan), and energy dispersive spectroscopy (EDS) was used for elemental analysis. The surface elemental composition of the catalyst was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, AXIS-NOVA, Kratos Inc., USA) using A1 Kα (1486.8 eV) radiation. The lattice structure of the CoS/S-rGO catalyst grown directly on the CP electrode was determined using a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM, JEOL-7001F), and the rGO, SrGO, and CoS/S-rGO catalysts grown directly on the CP electrode were determined. It was analyzed by Raman spectroscopy (NRS-3300, JASCO) in the wavenumber range of 2000 to 300 cm -1 at an excitation wavelength of 532 nm. When evaluating the Faradaic efficiency of the catalyst, the reactor was purged with Ar and the generated gas was analyzed every 30 minutes by gas chromatography (DS-7200, DS Science, Korea) using a thermal conductivity detector.

1-1. 실시예 1 내지 7에 따른 전극의 XRD 패턴 관찰1-1. Observation of XRD patterns of electrodes according to Examples 1 to 7

도 2는 수열 합성으로 제조된 실시예 1 내지 7에 따른 전극의 XRD 패턴, 라만 스펙트럼 및 FT-IR 스펙트럼이다. 특히, 도 2a-1 및 2a-2는 수열 합성으로 제조된 실시예 1 내지 7에 따른 전극의 XRD 패턴이다. 모든 전극은 전형적인 육각형 흑연 CP(JDPDS#08-8812)의 (002), (100) 및 (004) 회절면에 해당하는 2θ = 26.34°, 42.5° 및 54.23°에서 피크를 나타내었다. Bragg 방정식에 따르면 O가 증가함에 따라 격자 거리(d-값)가 증가하므로, (002) 회절 피크는 S-rGO의 O가 부분적으로 S로 대체되었을 때, 더 낮은 각도로 이동하고 약간 덜 강렬해짐을 확인하였다. 더 낮은 각도의 피크는 실시예 5 및 실시예 6 전극의 XRD 패턴에서도 관찰되었다. 결정 결함으로 인한 결정 왜곡에 의하여 격자 거리 변화가 관찰되는 동안, 실시예 7 전극의 d-값이 회복되었으며, 이는 S-rGO에 결합된 CoS가 rGO의 결함을 보상했음을 의미할 수 있다. 즉, 합성 중에 CoS가 S-rGO의 추가 공석을 채워 결함이 더 적은 것일 수 있다.Figure 2 shows the XRD pattern, Raman spectrum, and FT-IR spectrum of electrodes according to Examples 1 to 7 prepared by hydrothermal synthesis. In particular, Figures 2a-1 and 2a-2 are XRD patterns of electrodes according to Examples 1 to 7 manufactured by hydrothermal synthesis. All electrodes showed peaks at 2θ = 26.34°, 42.5°, and 54.23°, corresponding to the (002), (100), and (004) diffraction planes of a typical hexagonal graphite CP (JDPDS#08-8812). According to the Bragg equation, the lattice distance (d-value) increases with increasing O, so the (002) diffraction peak shifts to a lower angle and becomes slightly less intense when O in S-rGO is partially replaced by S. was confirmed. Lower angle peaks were also observed in the XRD patterns of Example 5 and Example 6 electrodes. While lattice distance changes were observed due to crystal distortion due to crystal defects, the d-value of the electrode of Example 7 was recovered, which may mean that CoS bound to S-rGO compensated for the defects of rGO. In other words, during synthesis, CoS may fill additional vacancies in S-rGO, resulting in fewer defects.

한편, (111), (200), (220) 회절면에 해당하는 2θ=44.37°, 51.28°, 75.37°(JCPDS#01-089-4307)에서 관찰된 피크는 입방체 Co 금속은 실시예 1 및 실시예 5 전극에서 관찰되었으며, 2θ=30.47°, 35.26°, 46.66° 및 54.09°에서 피크는 (100), (101), (102), (110) 실시예 4, 실시예 6 및 실시예 7 전극에서 육각형 CoS(공간군: P63/mmc)의 회절면이 XRD 패턴에서 관찰되었다(JCPDS# 03-065-3418). 특히, rGO 및 S-rGO에 대해 관찰된 주요 (002) 회절 피크는 Co 또는 CoS가 로드된 후 훨씬 덜 강렬하였다. 또한, Co 및 CoS에 해당하는 (111) 및 (100) 회절 피크의 강도는 로딩 후 다른 피크에 비해 현저히 낮음을 알 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 Co의 (111) 평면과 CoS의 (100) 평면이 rGO 또는 S-rGO의 (001) 평면에 적재될 것으로 예측할 수 있다.Meanwhile, the peaks observed at 2θ=44.37°, 51.28°, 75.37° (JCPDS#01-089-4307) corresponding to the (111), (200), and (220) diffraction planes are the cubic Co metal in Example 1 and Example 5 Observed at the electrode, peaks at 2θ = 30.47°, 35.26°, 46.66° and 54.09° are (100), (101), (102), (110) Example 4, Example 6 and Example 7 A diffraction surface of hexagonal CoS (space group: P63/mmc) at the electrode was observed in the XRD pattern (JCPDS# 03-065-3418). In particular, the main (002) diffraction peak observed for rGO and S-rGO was much less intense after Co or CoS was loaded. Additionally, it can be seen that the intensities of the (111) and (100) diffraction peaks corresponding to Co and CoS are significantly lower than other peaks after loading. Based on these results, it can be predicted that the (111) plane of Co and the (100) plane of CoS will be loaded on the (001) plane of rGO or S-rGO.

1-2. 실시예 1 내지 7에 따른 전극의 라만 스펙트럼의 관찰1-2. Observation of Raman spectra of electrodes according to Examples 1 to 7

도 2b-1 및 2b-2는 각각 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 7 전극에서 탄소의 라만 스펙트럼과 실시예 1 및 실시예 4 전극에서 Co 및 CoS이다. 육각형 2D 흑연 탄소 스펙트럼에서 두 개의 분할 피크는 π-전자가 인접한 흑연 단위 사이에서 에너지를 분산시키는 상호 작용으로 인한 것일 수 있다. 즉, 1330 및 1600 cm-1 부근에서 관찰된 두 개의 피크는 각각 D 및 G 조밀한 밴드에 해당하는 것일 수 있다. D 밴드는 A1g 대칭을 갖는 k-포인트 광자의 운동 모드를 나타내는 반면, G 밴드는 sp2 탄소 원자에 의한 E2g 포논의 1차 산란과 관련된 것일 수 있다. 일반적으로 D 밴드는 탄소 재료의 비정질 및 준결정 형태의 무질서(결함)를 나타내는 반면, G 밴드는 흑연 결정도를 나타낼 수 있다. rGO, S-rGO 및 CoS/S-rGO의 탄소에 대한 IG/ID 강도 비율은 각각 1.06, 1.03 및 0.94으로 결정되었으며, 이는 1에 가깝고 결정성이 높은 흑연을 나타내는 것일 수 있다. 더 낮은 비율은 더 높은 탄소 결정도를 의미하는 것일 수 있다. 특히, IG/ID 강도비가 0.94인 실시예 7 전극이 가장 높은 탄소 결정성을 나타낼 수 있다. 결정질 G 밴드의 강도는 일반적으로 탄소층이 증가함에 따라 증가하는 반면, 순수한 흑연에 결함을 형성하는 물리적 또는 화학적 처리는 D 밴드의 출현으로 확인할 수 있다. 캡션의 그림과 같이 절단된 C=C 결합은 C=S 결합으로 연결되어 큰 반경을 가지는 S가 rGO의 O 사이트로 대체되어 육각형 구조를 개혁하여 결합이 부분적으로 사라질 수 있다. 또한 S-rGO의 나머지 결함 부위에서 CoS 로딩에 의해 결함 수가 더 낮아질 수 있다.Figures 2b-1 and 2b-2 are Raman spectra of carbon in Example 2, Example 3, and Example 7 electrodes and Co and CoS in Example 1 and Example 4 electrodes, respectively. The two split peaks in the hexagonal 2D graphitic carbon spectrum may be due to the interaction of π-electrons dissipating energy between adjacent graphitic units. That is, the two peaks observed around 1330 and 1600 cm -1 may correspond to the D and G dense bands, respectively. The D band represents the mode of motion of k-point photons with A 1g symmetry, while the G band may be related to the first-order scattering of E 2g phonons by sp 2 carbon atoms. Typically, the D band represents disorder (defects) in amorphous and quasicrystalline forms of carbon materials, while the G band may represent graphite crystallinity. The IG/ID intensity ratios for carbon of rGO, S-rGO, and CoS/S-rGO were determined to be 1.06, 1.03, and 0.94, respectively, which are close to 1 and may indicate highly crystalline graphite. A lower ratio may indicate higher carbon crystallinity. In particular, the electrode of Example 7 with an IG/ID intensity ratio of 0.94 can exhibit the highest carbon crystallinity. The intensity of the crystalline G band generally increases with increasing carbon layers, while physical or chemical processes that form defects in pure graphite can be identified by the appearance of the D band. As shown in the caption, the cleaved C=C bond is connected to a C=S bond, and S, which has a large radius, is replaced by the O site of rGO, reforming the hexagonal structure, allowing the bond to partially disappear. Additionally, the number of defects can be lowered by CoS loading in the remaining defect sites of S-rGO.

한편, 실시예 1 전극의 Co 스펙트럼은 Ag, Eg, F12g, F22g 및 전형적인 입방 Co 금속의 A1g 모드일 수 있다. 또한, 육각형 CoS의 Eg, F2g 및 A1g 대칭 모드에 해당하는 피크가 475, 517 및 676 cm-1에서 관찰되었다. 상기 피크는 다른 화합물에 접목될 때 더 높은 파수로 이동하는 것으로 알려져 있다. 상기 CoS 피크는 CP에 로딩될 때 더 높은 파수로 이동하는 것일 수 있다. FTIR 분광법은 S-rGO의 공유 기능을 결정하기 위한 빠르고 비파괴적인 도구일 수 있다. 도 2c에 표시된 스펙트럼은 rGO가 육각형 흑연의 고리에 해당하는 1639 및 1863∼2926 cm-1에서 C=C 및 C-H 신축 밴드를 나타냄을 보여줄 수 있다. 1086 및 1710 cm-1에서 관찰된 밴드는 각각 결함 사이트의 C-O 및 C=O 진동 모드에 해당하는 것일 수 있다. 대조적으로, S으로 치환된 S-rGO는 874 및 801 cm-1에서 밴드를 나타내었으며, 이는 각각 육각형 흑연 고리에 삽입된 C-S 부분의 신축 진동 및 환원되지 않은 O에 결합된 S과 관련된 O-S 굽힘 진동에 해당하는 것일 수 있다. 상기 피크는 다소 덜 강렬하지만 CoS/S-rGO의 스펙트럼에서도 명확하게 볼 수 있다. 이는 S-rGO의 육각 흑연 고리에서 결함이 있는 C에 S이 결합하여 도 2b-1의 캡션과 같이 C=S로 연결된 완전한 육각형 배열을 형성하는 것일 수 있다.Meanwhile, the Co spectrum of the electrode of Example 1 may be A g , E g , F 12g , F 22g and A 1g modes of typical cubic Co metal. Additionally, peaks corresponding to the E g , F 2g and A 1g symmetry modes of hexagonal CoS were observed at 475, 517 and 676 cm −1 . The peak is known to shift to higher wave numbers when grafted to other compounds. The CoS peak may shift to a higher wavenumber when loaded into CP. FTIR spectroscopy can be a fast and non-destructive tool to determine the shared functionality of S-rGO. The spectrum shown in Figure 2c can show that rGO exhibits C=C and CH stretching bands at 1639 and 1863∼2926 cm -1 , corresponding to the rings of hexagonal graphite. The bands observed at 1086 and 1710 cm -1 may correspond to the CO and C=O vibration modes of the defect site, respectively. In contrast, S-substituted S-rGO exhibited bands at 874 and 801 cm -1 , which correspond to the stretching vibration of the CS moiety inserted into the hexagonal graphite ring and the OS bending vibration associated with S bound to unreduced O, respectively. It may correspond to . The peak is also clearly visible in the spectrum of CoS/S-rGO, although somewhat less intense. This may be due to S bonding to the defective C in the hexagonal graphite ring of S-rGO, forming a complete hexagonal array connected by C=S, as shown in the caption of Figure 2b-1.

1-3. 실시예 1 내지 7에 따른 전극의 SEM 이미지 관찰1-3. SEM image observation of electrodes according to Examples 1 to 7

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 SEM 이미지 및 EDS 스펙트럼이다. 도 3a의 SEM 이미지는 CP 베이스 전극에서 성장한 rGO, S-rGO, Co, CoS, Co/S-rGO, CoS/rGO 및 CoS/S-rGO 입자의 크기와 모양이다. 실시예 2 전극은 CP에 균일하게 성장한 1.0 × 0.2 ㎛ 크기의 rGO 시트로 구성된 것으로 관찰되었다. 반면 실시예 3 전극은 CP 표면 전체를 거의 덮는 2.0 × 3.0 ㎛의 더 큰 시트로 구성되어 있는 반면, 실시예 1 전극은 CP를 균일하게 덮는 직경 500 nm의 구형 Co 입자와 12면체 바스켓으로 구성된 것일 수 있다. 실시예 4 전극에서 직경 5∼7 ㎛의 입자가 CP에서 성장한 것일 수 있다. 더욱이, 실시예 5 전극에서는 매우 작은 구형의 입자가 CP에서 균일하게 성장한 것으로 보이는 반면 실시예 6 전극은 1.0 × 4.0 ㎛ 크기의 패널이 있는 재배열된 CoS 12면체를 나타냈으며 상기 12면체는 중심에서 결합되어 십자형을 형성하여 CP를 완전히 덮는 모양일 수 있다. 마지막으로 실시예 7 전극은 CP를 덮는 꽃 모양으로 성장한 재배열된 입자로 구성되는 것일 수 있다. 그러나 CoS/rGO와 달리 이 경우 입자 접합조차도 완전히 채워져 더욱 조밀하게 나타날 수 있다.Figure 3 is an SEM image and EDS spectrum of an electrode according to an embodiment of the present invention. The SEM image in Figure 3a shows the size and shape of rGO, S-rGO, Co, CoS, Co/S-rGO, CoS/rGO, and CoS/S-rGO particles grown on CP base electrode. Example 2 The electrode was observed to be composed of rGO sheets with a size of 1.0 × 0.2 μm uniformly grown on CP. On the other hand, the Example 3 electrode consists of a larger sheet of 2.0 You can. Example 4 In the electrode, particles with a diameter of 5 to 7 ㎛ may have grown in CP. Moreover, in the Example 5 electrode, very small spherical particles appear to have grown uniformly in the CP, whereas the Example 6 electrode showed rearranged CoS dodecahedrons with panels measuring 1.0 × 4.0 μm, with the dodecahedrons centered at the center. They may be combined to form a cross shape that completely covers the CP. Finally, the electrode of Example 7 may be composed of rearranged particles that grow in a flower shape covering the CP. However, unlike CoS/rGO, in this case even the particle junctions can be completely filled and appear more dense.

1-4. 실시예 1 내지 7에 따른 전극의 EDS 스펙트럼의 관찰1-4. Observation of EDS spectra of electrodes according to Examples 1 to 7

도 3b는 실시예 1 내지 4 전극 표면에 존재하는 원소의 EDS 스펙트럼을 보여주며, 이들의 원자 조성은 하기 표 1에 나타내었다. Figure 3b shows EDS spectra of elements present on the electrode surfaces of Examples 1 to 4, and their atomic compositions are shown in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

실시예 2 전극에 대해 rGO 및 CP에 존재하는 C에 해당하는 피크가 관찰되었으며, 나머지 rGO에 존재하는 O에 해당하는 피크도 관찰되었다. C:O 비율은 85.72:14.29로 측정되었다. 실시예 3 전극은 87.35:5.11:7.54의 C:S:O 비율로 S-rGO에 존재하는 C, 소량의 S 및 비치환된 O에 해당하는 피크를 나타냈으나, 실시예 1 전극의 스펙트럼은 C와 Co, 그리고 Co는 CP에 대략 30 at%의 비율로 로딩되는 것을 결정되었다. 마지막으로 실시예 4 전극 스펙트럼에서 Co, S, C에 해당하는 피크가 관찰되었으며, Co:S 비율은 약 1:1(즉, 18.74:17.84)로 정량적으로 확인되었다. 또한, 다른 불순물은 관찰되지 않았으며, 해당 실험에 사용된 샘플이 안정적으로 합성된 것을 알 수 있다. For the Example 2 electrode, a peak corresponding to C present in rGO and CP was observed, and a peak corresponding to O present in the remaining rGO was also observed. The C:O ratio was measured as 85.72:14.29. The Example 3 electrode showed peaks corresponding to C, a small amount of S, and unsubstituted O present in S-rGO at a C:S:O ratio of 87.35:5.11:7.54, while the spectrum of the Example 1 electrode showed It was determined that C, Co, and Co were loaded into CP at a rate of approximately 30 at%. Finally, peaks corresponding to Co, S, and C were observed in the electrode spectrum of Example 4, and the Co:S ratio was quantitatively confirmed to be about 1:1 (i.e., 18.74:17.84). In addition, no other impurities were observed, and it can be seen that the sample used in the experiment was stably synthesized.

1-5. HER 전·후의 실시예 7 전극의 SEM 이미지 관찰1-5. SEM image observation of the electrode of Example 7 before and after HER

도 4는 1.0 M KOH 및 0.5 M H2SO4에서의 3,000회 CV 사이클 후 실시예 7 전극 표면의 SEM 이미지이다. 도 4를 참고하면, 알칼리성 및 산성 전해질 모두에서 3,000번의 사이클 후에도 CP 표면에서 CoS/S-rGO 촉매가 분리되지 않고, 전극에 안정적으로 붙어있는 상태를 유지함을 확인할 수 있다. 특히, 촉매는 산성 전해질에 사용된 전극에서 더욱 안정적으로 부착된 것으로 나타났으며, CP에서 새로 성장한 결정립의 클러스터가 관찰되었으며, 이는 Co의 높은 OER 활성에 기인하며, 이는 알칼리성 전해질의 강한 OH- 작용기에 의한 CoS의 Co2+가 부분 산화로 인해 Co(Ⅲ)SOH 종의 형성을 초래할 수 있으나, S-rGO는 차단층으로 작용하기 때문에 이러한 입자가 많이 생성되지 않았고, 결과적으로 HER 성능은 상당히 잘 유지되었다. 또한, 전극 표면에 존재하는 Co 및 S의 양을 측정하여 3,000 CV 사이클에 걸쳐 전극 표면에서 Co 및 S이 용출되는 여부를 확인하였다. 알칼리 전해질에 사용된 전극의 S:Co 원자비는 47.81:52.19로 나타났으며, 이는 초기 전극의 47.33:52.67 비율과 차이가 존재할 수 있다. Co의 0.52는 사이클 동안 손실되었다. 1:1.09의 Co:S 원자비는 1:1의 화학양론비가 유지되었음을 알 수 있다. 한편, S:Co 원자비는 산성 전해액에서 3,000 사이클 후 46.69:53.31로 결정되어 Co 수준이 초기값에서 약 0.44 감소하여 거의 무시할 수 있는 수준일 수 있다. 이러한 결과를 통해, CoS가 반응 동안 실시예 7 전극에서 용해되지 않음을 확인할 수 있다. Figure 4 is an SEM image of the Example 7 electrode surface after 3,000 CV cycles in 1.0 M KOH and 0.5 MH 2 SO 4 . Referring to Figure 4, it can be seen that the CoS/S-rGO catalyst is not separated from the CP surface even after 3,000 cycles in both alkaline and acidic electrolytes and remains stably attached to the electrode. In particular, the catalyst appeared to attach more stably on the electrode used in the acidic electrolyte, and clusters of newly grown grains were observed in the CP, which was attributed to the high OER activity of Co, which is associated with the strong OH - functionalization of the alkaline electrolyte. The partial oxidation of Co2 + of CoS may result in the formation of Co(Ⅲ)SOH species, but because S-rGO acts as a blocking layer, such particles are not generated in large numbers, and as a result, the HER performance is quite good. maintained. Additionally, the amounts of Co and S present on the electrode surface were measured to determine whether Co and S were eluted from the electrode surface over 3,000 CV cycles. The S:Co atomic ratio of the electrode used in the alkaline electrolyte was found to be 47.81:52.19, which may be different from the 47.33:52.67 ratio of the initial electrode. 0.52 of Co was lost during the cycle. It can be seen that the Co:S atomic ratio of 1:1.09 was maintained at a stoichiometric ratio of 1:1. Meanwhile, the S:Co atomic ratio was determined to be 46.69:53.31 after 3,000 cycles in the acidic electrolyte solution, indicating that the Co level decreased by about 0.44 from the initial value and could be almost negligible. Through these results, it can be confirmed that CoS does not dissolve in the electrode of Example 7 during the reaction.

1-6. 실시예 7에 따른 전극의 고분해능 투과전자현미경(High-resolution Transmission Electron Microscopy; HRTEM)의 관찰1-6. High-resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) observation of the electrode according to Example 7

CoS/S-rGO 입자를 실시예 7 전극에서 조심스럽게 긁어내고 HRTEM으로 검사하였고, 이를 도 5에 나타내었다. 도 5은 본 발명의 실시예 7 전극의 HRTEM 이미지이다. 도 5a를 참고하면, CoS 결정은 모양이 구형이고 크기가 약 0.1∼0.2 ㎛인 육각형임을 알 수 있다. 또한, 상기 CoS 결정은 얇은 S-rGO 시트에 3개 또는 4개의 그룹으로 모여 있는 것으로 나타나 CoS 결정이 각 S-rGO 시트에 잘 로딩되어 있음을 알 수 있다. 또한 S-rGO 시트의 (002)평면의 격자거리는 S 치환으로 인해 크게 증가하는 것으로 관찰되었다.CoS/S-rGO particles were carefully scraped from the Example 7 electrode and examined by HRTEM, as shown in Figure 5. Figure 5 is an HRTEM image of the electrode in Example 7 of the present invention. Referring to Figure 5a, it can be seen that the CoS crystal is spherical in shape and hexagonal in size about 0.1 to 0.2 ㎛. In addition, the CoS crystals appear to be gathered in groups of 3 or 4 on a thin S-rGO sheet, indicating that the CoS crystals are well loaded on each S-rGO sheet. Additionally, it was observed that the lattice distance of the (002) plane of the S-rGO sheet increased significantly due to S substitution.

도 5b는 CoS의 (100), (110), (102) 및 (101) 결정면에 각각 해당하는 2.92, 1.67, 1.94 및 2.56 Å의 격자 거리를 나타낸 것이다. 한편, 도 5c는 CoS/S-rGO의 전자회절 분석(selected area electron diffraction; SAED) 패턴이며, 이는 XRD에 의해 식별된 (100), (110), (102) 및 (101) CoS 평면의 존재를 확인하였다. 이러한 회절면에 있는 점들을 FFT에서 연결했을 때, 육각형 모양으로 얻어진 것으로부터 단결정으로 예측되었다. 한편 S-rGO 시트는 균질한 다결정을 나타내는 산란 및 고리형 패턴으로 구성된 SAED 패턴을 나타내었다. 또한, S-rGO는 3.38 Å의 XRD 결정 격자 거리를 가지며 이는 rGO(3.11 Å)보다 약간 더 클 수 있다. Figure 5b shows the lattice distances of 2.92, 1.67, 1.94, and 2.56 Å corresponding to the (100), (110), (102), and (101) crystal planes of CoS, respectively. Meanwhile, Figure 5c is the selected area electron diffraction (SAED) pattern of CoS/S-rGO, which shows the presence of (100), (110), (102), and (101) CoS planes identified by XRD. was confirmed. When the points on this diffraction surface were connected in FFT, a hexagonal shape was obtained, which was predicted to be a single crystal. Meanwhile, the S-rGO sheet showed a SAED pattern consisting of scattered and ring-shaped patterns, indicating homogeneous polycrystalline. Additionally, S-rGO has an XRD crystal lattice distance of 3.38 Å, which may be slightly larger than rGO (3.11 Å).

도 5d의 HAADF(High-angle Annular Dark field) 원소 맵은 Co 및 S 원소가 CoS 입자에 고르게 분산되어 있고 탄소 시트가 아래에 퍼져 있는 것이 명확하게 관찰됨을 보여줄 수 있다. 그러나, 이온 교환된 S의 여부는 확인하기 어려워, S-rGO 부분에만 EDS를 적용한 결과를 도 5e에 나타내었고, 이로부터 C:S 원자 비율은 95.65:4.34로 결정되었으며, S이 rGO에서 O를 부분적으로 대체한 것을 알 수 있다.The high-angle annular dark field (HAADF) elemental map in Figure 5d can show that the Co and S elements are evenly distributed in the CoS particles, and the carbon sheets are clearly observed spread below. However, it is difficult to confirm whether ion-exchanged S is present, so the results of applying EDS only to the S-rGO part are shown in Figure 5e. From this, the C:S atomic ratio was determined to be 95.65:4.34, and S is responsible for O in rGO. You can see that it has been partially replaced.

1-7. 실시예 1 내지 7에 따른 전극의 XPS 관찰1-7. XPS observation of electrodes according to Examples 1 to 7

XPS를 이용하여 전극의 구성에 따라 촉매 성분의 산화 상태가 어떻게 변화하는지 정성적으로 조사하여, 이를 도 6에 나타내었다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)의 결과 데이터이다. 도 6을 참고하면, 285.5 eV에서 숄더 피크는 CP에 rGO, S-rGO, Co 또는 CoS가 로딩되었을 때 강화되고 넓어졌으며, 이는 C 화학 환경의 변화와 일치하는 것일 수 있다. 한편, CP 스펙트럼에서 관찰된 284.8/285.5 eV split peak는 실시예 5 내지 7 전극 스펙트럼에서 더 낮은 결합 에너지에서 하나의 넓은 피크로 합쳐지는 것으로 관찰되었다. 이는 Co 또는 CoS를 rGO 및 S-rGO에 로딩하면 CP의 탄소를 추가로 감소시킨다는 것을 의미할 수 있다. 한편 286.0 eV의 피크는 rGO에 존재하는 탄소에 기인하는 반면 288.0 eV의 피크는 S-rGO에 존재하는 탄소에 해당하는 것일 수 있다. 또한, CoS를 가했을 때, 288.0 eV에서 식별하기 어려운 매우 작은 피크가 관찰되었다. 실시예 6 전극의 스펙트럼의 C(1s) 피크와 비교하여 실시예 7 전극의 스펙트럼의 rGO로 인한 해당 피크는 약간 더 높은 결합 에너지에서 관찰되었으며, 이는 rGO의 C가 CoS만 있을 때보다 CoS가 S-rGO에 로딩될 수 있다. 즉, S-rGO의 C=C 전자는 CoS로 이동하는 것일 수 있다. 반면, 실시예 3 전극과 실시예 5 전극은 C=S의 존재로 인해 169.1 eV에서 S(1s) 피크만을 나타내는 반면, 161.7 eV 및 162.7 eV에서 실시예 4, 실시예 6, 실시예 7 전극은 피크 분할을 보일 수 있다. 상기 피크는 각각 S의 2p3/2 및 2p1/2 피크에 수렴하며, CoS의 S2- 종에 기인하는 것일 수 있다. S-rGO는 로딩된 Co 금속 및 CoS에 의해 추가로 환원될 수 있다. 더욱이 CoS의 S는 더 높은 결합 에너지에 의해 입증된 바와 같이 rGO 및 S-rGO 로딩시 추가로 산화될 수 있다. 따라서, CoS의 S 전자는 rGO 및 S-rGO 로딩을 통해서 S-rGO의 C=S로 이동할 수 있다. 한편, 실시예 1 전극의 스펙트럼은 약 797.4와 796.0 eV, 781.1과 779.9 eV에서 Co 2p1/2와 2p3/2 피크가 관찰되었다. 이들은 각각 Co0 및 Co2+ 피크로 수렴하며 대부분은 Co0으로 존재할 수 있다. 이러한 피크는 실시예 5 전극 스펙트럼에서 더 높은 결합 에너지(산화)에서 관찰되었으며, 실시예 1 전극보다 Co2+가 더 풍부하여 Co 금속의 전자가 로딩을 통해 S-rGO로 전달된 것일 수 있다. 실시예 4 전극은 Co2+와 Co3+의 존재로 인해 각각 796.3 및 793.6 eV, 780.0 및 778.6 eV에서 별도의 2p1/2 및 2p3/2 피크를 나타내었다. 이러한 피크는 실시예 6 및 7의 전극 스펙트럼에서 더 낮은 결합 에너지에서 관찰되었으며, 이는 rGO 및 S-rGO의 전자가 로딩 시 CoS의 Co로 이동함을 의미하는 것일 수 있다. S-rGO의 S는 실시예 7 전극의 CoS/S-rGO 접합을 통해 CoS의 Co2+에 전자를 제공하는 반면, CoS의 S는 S-rGO의 C=S로 전자를 밀어낼 수 있다. 이는, CoS/S-rGO/CP 접합 입자의 표면에 있는 전자가 (S-rGO)C=C, CoS, S=C(S-rGO)의 순서로 움직이는 것일 수 있다. 또한, 이 때 베이스 전극인 CP를 감소시켜 전도도를 더욱 높일 수 있다. 따라서, 산성용액에서 CoS의 S로부터의 공여로 전자밀도가 더 높은 실시예 7 전극에서 S-rGO의 C=S 유황자리에 H+ 이온이 흡착되고, 전도성이 높은 CoS로부터 전자를 받아, H2의 생산이 쉽게 이루어질 수 있다. 반면, 알칼리 전해질에는 H+가 없으므로 CoS는 우선적으로 물을 흡착할 수 있다. Co-S 결합 강도는 CoS에서 S HOMO의 전자 밀도가 감소하고 LUMO의 전자 밀도가 증가함에따라 감소할 수 있다. 따라서 수분 흡착이 더욱 쉬워지고 흡착된 수분은 전도성이 높은 CP에서 전자를 받아 쉽게 분해되어 H+을 생성할 수 있다. 이러한 H+이온은 산성 용액에서와 같이 전자 밀도가 높은 S-rGO의 C=S 황 원자에 흡착되어 쉽게 환원되어 수소를 생성할 수 있다. 반면 Co/S-rGO 접합으로 인해 실시예 5의 전극에서 Co 전자가 S-rGO로 이동하여 S-rGO에서 C=S 결합의 전자밀도가 증가하여 수소결합을 통한 수분흡착이 일어날 수 있다. 그러나, Co는 금속성을 일부 상실하고 CP의 전도도는 거의 증가하지 않기 때문에, H+은 실시예 7 전극에서보다 환원하기 더욱 어려워 수소 생산성이 낮을 수 있다.Using XPS, we qualitatively investigated how the oxidation state of the catalyst component changes depending on the configuration of the electrode, and this is shown in Figure 6. Figure 6 shows the result data of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of an electrode according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 6, the shoulder peak at 285.5 eV was strengthened and broadened when CP was loaded with rGO, S-rGO, Co, or CoS, which may be consistent with the change in C chemical environment. Meanwhile, the 284.8/285.5 eV split peak observed in the CP spectrum was observed to merge into one broad peak at a lower binding energy in the electrode spectra of Examples 5 to 7. This may mean that loading Co or CoS into rGO and S-rGO further reduces the carbon of CP. Meanwhile, the peak at 286.0 eV may be due to the carbon present in rGO, while the peak at 288.0 eV may correspond to the carbon present in S-rGO. Additionally, when CoS was added, a very small peak that was difficult to identify was observed at 288.0 eV. Compared to the C(1s) peak in the spectrum of the Example 6 electrode, the corresponding peak due to rGO in the spectrum of the Example 7 electrode was observed at a slightly higher binding energy, which means that the C of rGO is higher in S than in CoS alone. -Can be loaded into rGO. In other words, the C=C electrons of S-rGO may be moving to CoS. On the other hand, the electrodes of Example 3 and Example 5 only show the S(1s) peak at 169.1 eV due to the presence of C=S, while the electrodes of Example 4, Example 6, and Example 7 show only the S(1s) peak at 161.7 eV and 162.7 eV. Peak splitting may be seen. The peaks converge to the 2p 3/2 and 2p 1/2 peaks of S, respectively, and may be due to the S 2- species of CoS. S-rGO can be further reduced by loaded Co metal and CoS. Moreover, S in CoS can be further oxidized upon loading rGO and S-rGO, as evidenced by the higher binding energy. Therefore, the S electrons of CoS can move to C=S of S-rGO through rGO and S-rGO loading. Meanwhile, in the spectrum of the electrode of Example 1, Co 2p 1/2 and 2p 3/2 peaks were observed at about 797.4 and 796.0 eV, 781.1 and 779.9 eV. These converge to Co 0 and Co 2+ peaks, respectively, and most of them may exist as Co 0 . This peak was observed at a higher binding energy (oxidation) in the electrode spectrum of Example 5, and was richer in Co 2+ than the electrode of Example 1, so the electrons of Co metal may have been transferred to S-rGO through loading. The Example 4 electrode exhibited separate 2p 1/2 and 2p 3/2 peaks at 796.3 and 793.6 eV, 780.0, and 778.6 eV, respectively, due to the presence of Co 2+ and Co 3+ . These peaks were observed at lower binding energies in the electrode spectra of Examples 6 and 7, which may mean that electrons in rGO and S-rGO move to Co in CoS upon loading. S in S-rGO donates electrons to Co 2+ in CoS through the CoS/S-rGO junction of the Example 7 electrode, while S in CoS can push electrons to C=S in S-rGO. This may be because the electrons on the surface of the CoS/S-rGO/CP bonded particles move in the following order: (S-rGO)C=C, CoS, S=C(S-rGO). Also, at this time, the conductivity can be further increased by reducing CP, which is the base electrode. Therefore, in the electrode of Example 7, which has a higher electron density due to donation from S of CoS in an acidic solution, H + ions are adsorbed on the C=S sulfur site of S-rGO, receive electrons from highly conductive CoS, and H 2 production can be easily accomplished. On the other hand, since there is no H + in alkaline electrolyte, CoS can preferentially adsorb water. The Co-S bond strength can decrease as the electron density of S HOMO decreases and the electron density of LUMO increases in CoS. Therefore, moisture adsorption becomes easier, and the adsorbed moisture receives electrons from the highly conductive CP and can be easily decomposed to generate H + . These H + ions can be easily reduced by adsorption to the C=S sulfur atom of S-rGO, which has a high electron density, as in an acidic solution, and generate hydrogen. On the other hand, due to Co/S-rGO bonding, Co electrons move from the electrode of Example 5 to S-rGO, increasing the electron density of the C=S bond in S-rGO, which may cause moisture adsorption through hydrogen bonding. However, because Co loses some of its metallic properties and the conductivity of CP hardly increases, H + is more difficult to reduce than in the Example 7 electrode, which may result in low hydrogen productivity.

1-8. CoS/S-rGO 전극 촉매의 XRD, 라만 분광법 및 XPS 데이터의 관찰1-8. Observation of XRD, Raman spectroscopy and XPS data of CoS/S-rGO electrocatalyst

도 7은 알칼리성 및 산성 전해질에서 10시간의 HER 전·후에 CP에서 긁어낸CoS/S-rGO에 대한 XRD 패턴, 라만 스펙트럼 및 XPS 데이터이다. 도 7a의 XRD 패턴은 반응 전·후의 피크 위치가 동일하여 결정 붕괴가 없으나, 반응 후에는 전체적으로 인텐시티가 감소하였다. 특히, 알칼리 전해질에서 사용 후 관찰되는 피크의 세기가 산성 전해질에서 사용 후보다 낮기 때문에 실시예 7 전극의 CoS가 알칼리성 전해질보다 산성 전해질에서 더욱 안정적인 것일 수 있다. Figure 7 shows the XRD pattern, Raman spectrum, and XPS data for CoS/S-rGO scraped from CP before and after 10 hours of HER in alkaline and acidic electrolytes. In the XRD pattern of Figure 7a, the peak positions before and after the reaction were the same, so there was no crystal collapse, but the overall intensity decreased after the reaction. In particular, because the intensity of the peak observed after use in an alkaline electrolyte is lower than after use in an acidic electrolyte, the CoS of the electrode of Example 7 may be more stable in an acidic electrolyte than in an alkaline electrolyte.

한편, 도 7b는 CoS의 특징적인 대칭모드에 해당하는 A1g, F2g, Eg 라만 피크와 S-rGO의 탄소에 해당하는 D 및 G 밴드가 여전히 관찰됨을 보여주었다. 또한, 반응 후 산성 전해질에서 HER 10시간 후에 날카로운 CoS 피크가 관찰되는 반면, S-rGO의 탄소에 해당하는 D 밴드는 반응 전과 비교하여 넓어지고, G 밴드는 샤프해지는 것을 관찰할 수 있다. 이는 CoS가 10시간의 반응 동안에도 안정적으로 결정성을 유지하는 반면 S-rGO에 존재하는 탄소 결함은 동시에 감소되었음을 나타내는 것일 수 있다. 반면, 알칼리 전해액에서 10시간 반응후 특징적은 CoS 피크의 간도가 약간 약해지고, 탄소 D 밴드가 거의 사라지고 대신 G 밴드가 날카로워져 알칼리 전해질에서 CoS가 덜 안정하게 될 수 있다. S-rGO에서 탄소의 결정성이 개선된 반면, 반응 후 실시예 7 전극의 XPS 스펙트럼인 도 9c를 참고하면, 반응 전에 관찰된 것과 비교하여 위치적으로 변하지 않는 Co2+ 및 Co3+에 대한 2p1/2 및 2p3/2 피크를 보여줄 수 있다. 반응 동안 Co2+/Co3+의 비율이 변경되었으며, 산성 전해질에 비해 알칼리성 전해질에서 반응 후 더욱 감소하였다. 즉, 알칼리성 전해질에서 반응한 전극에 Co(Ⅲ)SOH가 생성됨에 따라, Co2+가 산화되어 Co3+의 존재비가 증가하는 것일 수 있다. 결과적으로 산성 전해질에서 반응한 전극은 반응 전보다 반응 후 더 많은 Co2+를 함유하고 있는데, 이는 CoS를 환원시키는 H2 방출이 발생했기 때문일 수 있다. 한편, C-C, C-S, C-O 및 C=O 종으로 수렴하는 반응 이전의 S-rGO 스펙트럼에서 다양한 탄소종에 해당하는 C1s 피크가 관찰되었다. 이들 피크의 위치는 반응 후 거의 동일한 반면, S-rGO 내 탄소의 결정도를 나타내는 C-S 피크의 강도는 알칼리 전해질에서의 반응 후 더욱 강한 것으로 나타났다. 이는 산성 전해질에서 반응하는 동안 CoS의 S가 환원되었음을 나타낸다. 즉, 외부 회로에서 전달된 전자는 산성 전해질의 CoS에 수집되고 H+은 결국 CoS에서 환원되어 H2로 전환된다. 반면에 알칼리성 전해질에서 반응 후 더 높은 결합 에너지에서 동일한 S 2p3/2 피크가 관찰되었는데, 이는 CoS에 흡착된 잔존 CoS에서 분해된 분자수에서 생성된 OH- 때문일 수 있다. 결과적으로 Co2+에서 Co3+로 부분 산화되는 것일 수 있다. Meanwhile, Figure 7b showed that A 1g , F 2g , and E g Raman peaks corresponding to the characteristic symmetry mode of CoS and D and G bands corresponding to the carbon of S-rGO were still observed. In addition, after the reaction, a sharp CoS peak is observed 10 hours after HER in the acidic electrolyte, while the D band corresponding to the carbon of S-rGO broadens and the G band becomes sharp compared to before the reaction. This may indicate that CoS maintained its crystallinity stably even during the 10-hour reaction, while the carbon defects present in S-rGO were simultaneously reduced. On the other hand, after 10 hours of reaction in an alkaline electrolyte, the intensity of the characteristic CoS peak becomes slightly weaker, the carbon D band almost disappears, and the G band becomes sharper, which may make CoS less stable in the alkaline electrolyte. While the crystallinity of carbon in S-rGO was improved, referring to Figure 9c , which is the 2p 1/2 and 2p 3/2 peaks can be shown. The ratio of Co 2+ /Co 3+ changed during the reaction and decreased further after the reaction in the alkaline electrolyte compared to the acidic electrolyte. In other words, as Co(III)SOH is generated in the electrode reacted in the alkaline electrolyte, Co 2+ may be oxidized and the abundance ratio of Co 3+ may increase. As a result, the electrode reacted in the acidic electrolyte contains more Co 2+ after the reaction than before the reaction, which may be due to the occurrence of H 2 evolution that reduces CoS. Meanwhile, C 1s peaks corresponding to various carbon species were observed in the S-rGO spectrum before the reaction converging to CC, CS, CO, and C=O species. While the positions of these peaks were almost the same after the reaction, the intensity of the CS peak, which indicates the crystallinity of carbon in S-rGO, was found to be stronger after the reaction in alkaline electrolyte. This indicates that S in CoS was reduced during reaction in the acidic electrolyte. That is, electrons transferred from the external circuit are collected in CoS of the acidic electrolyte, and H + is eventually reduced in CoS and converted to H 2 . On the other hand, the same S 2p 3/2 peak was observed at higher binding energy after reaction in alkaline electrolyte, which may be due to OH generated from the number of molecules decomposed from the remaining CoS adsorbed on CoS. As a result, Co 2+ may be partially oxidized to Co 3+ .

<실험예 2> 실시예 1 내지 7에 따른 촉매의 전기화학적 특성 평가<Experimental Example 2> Evaluation of electrochemical properties of catalysts according to Examples 1 to 7

전기화학 실험은 상온에서 전기화학 전지 테스트 시스템(IVIUMnSTAT, Ivium Technologies, Netherlands)을 사용하여 수행되었다. 각 촉매의 전기화학적 HER 활성은 실시예 1 내지 4의 전극으로 구성된 표준 3전극 전기화학 장치를 사용하여 알칼리성(1.0M KOH) 및 산성(0.5M, H2SO4) 매질에서 측정되었다. CP, 실시예 5 내지 7의 전극을 작업 전극으로, 포화 칼로멜 전극(Hg/Hg2Cl2, SCE)을 기준 전극으로, Pt 와이어를 상대 전극으로 사용하였다. 1.0 M KOH 용액(또는 0.5 M H2SO4)을 전해질로 사용하였다. 가역적 수소 전극 전위(VRHE)는 하기 식 1을 사용하여 측정된 전위로부터 결정되었다.Electrochemical experiments were performed using an electrochemical cell test system (IVIUMnSTAT, Ivium Technologies, Netherlands) at room temperature. The electrochemical HER activity of each catalyst was measured in alkaline (1.0M KOH) and acidic (0.5M, H 2 SO 4 ) media using a standard three-electrode electrochemical apparatus consisting of the electrodes of Examples 1 to 4. CP, the electrodes of Examples 5 to 7 were used as a working electrode, a saturated calomel electrode (Hg/Hg 2 Cl 2 , SCE) was used as a reference electrode, and a Pt wire was used as a counter electrode. 1.0 M KOH solution (or 0.5 MH 2 SO 4 ) was used as electrolyte. The reversible hydrogen electrode potential (VRHE) was determined from the measured potential using Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

VRHE = VSCE + 0.241 + 0.059 × pHVRHE = VSCE + 0.241 + 0.059 × pH

전극 분극 곡선은 획득한 분극 곡선에서 파생된 Tafel 플롯과 함께 1.0 M KOH(또는 0.5 M H2SO4) 용액에서 5.0 mV/s에서 LSV에 의해 기록되었다. 각 전극의 Tafel 기울기(b)는 하기 식 2를 사용하여 각 플롯의 선형 영역에서 계산되었다.Electrode polarization curves were recorded by LSV at 5.0 mV/s in 1.0 M KOH (or 0.5 MH 2 SO 4 ) solution with Tafel plots derived from the obtained polarization curves. The Tafel slope (b) for each electrode was calculated from the linear region of each plot using Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

η=a + blogjη=a + blogj

(단, η는 전위차, j는 전류 밀도, a는 전극 재료 종속 상수, b는 Tafel 기울기임)(where η is the potential difference, j is the current density, a is the electrode material dependent constant, and b is the Tafel slope)

실시예 1 내지 7의 전극은 인가된 AC 전압 5 mV에서 100 kHz에서 0.01 Hz 주파수 범위에서 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)으로 분석하였다. 각 전극의 장기 안정성과 내구성은 100 mA/cm의 정전류 밀도에서 Chronopotentiometry로 평가하였다. 실시예 1 내지 7의 전극의 전기화학적 이중층 커패시턴스(Cdl)는 비패러데이 영역에서 20, 40, 60, 80 및 100 mV/s에서 전압 전류법(CV)으로 측정하였으며, 얻은 전기화학적 데이터는 전류 중단 iR 보상을 사용하여 자동으로 수정되었다.The electrodes of Examples 1 to 7 were analyzed by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in the frequency range from 100 kHz to 0.01 Hz at an applied AC voltage of 5 mV. The long-term stability and durability of each electrode were evaluated by chronopotentiometry at a constant current density of 100 mA/cm. The electrochemical double layer capacitance (C dl ) of the electrodes of Examples 1 to 7 was measured by voltammetry (CV) at 20, 40, 60, 80, and 100 mV/s in the non-Faraday region, and the obtained electrochemical data were calculated as the current Interruptions were automatically corrected using iR compensation.

2-1. 실시예 1 내지 7에 따른 전극의 LSV 측정2-1. LSV measurement of electrodes according to Examples 1 to 7

실시예 1 내지 7에 따른 전극의 전기화학적 성능은 1.0 M KOH 및 0.5 M H2SO4 전해질에서 평가하였다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSV의 결과 데이터이다. 도 8a는 0.2 V ∼-0.6 V 전위 범위에서 상기 전극의 LSV 의 전위주사 형태를 표시한 것이다. rGO/CP 전극에 대한 전류는 측정된 전압 범위 내에서 두 전해질 모두에서 100 mA/cm2에 도달하지 못했으며, 이는 실시예 2 전극이 촉매로서 미미한 기능을 한다는 것을 보여주는 것일 수 있다. 한편, 실시예 1 및 실시예 3 내지 7의 전극은 100 mA/cm2의 전류 밀도, 1.0 M KOH 전해질에서 각각 -0.57 V(η=685 mV), -0.35V(η = 569mV), -0.32V(η = 310mV), -0.27V(η = 248mV), -0.25V(η = 274mV), -0.22V(η = 218mV)의 과전위를 나타내었고, 이는 실시예 7 전극이 KOH에서 HER에 대해 가장 잘 수행할 수 있음을 나타낼 수 있다. 대조적으로, 상기 전극들은 100 mA/cm2의 전류 밀도, 0.5 M H2SO4 전해질에서 각각 -0.54V(η = 622mV), -0.32V(η = 540mV), -0.24V(η = 293mV), -0.29V(η = 323mV), 0.23V(η = 230mV), -0.24V(η = 244mV) 및 -0.21V(η = 203mV)의 과전위를 나타내었고, 산성 전해질에서도 실시예 7 전극이 HER에 대해 가장 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있다. 또한, 알칼리성 전해질 보다 산성 전해질에서 약간 더 낮은 과전위를 나타내어 산성 전해질에서 더욱 우수한 HER 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.The electrochemical performance of the electrodes according to Examples 1 to 7 was evaluated in 1.0 M KOH and 0.5 MH 2 SO 4 electrolyte. Figure 8 shows result data of LSV according to an embodiment of the present invention. Figure 8a shows the potential scanning form of the LSV of the electrode in the potential range of 0.2 V to -0.6 V. The current for the rGO/CP electrode did not reach 100 mA/cm 2 for both electrolytes within the measured voltage range, which may indicate that the Example 2 electrode functions only marginally as a catalyst. Meanwhile, the electrodes of Examples 1 and 3 to 7 had a current density of 100 mA/cm 2 and -0.57 V (η = 685 mV), -0.35 V (η = 569 mV), -0.32 in 1.0 M KOH electrolyte, respectively. Overpotentials of V (η = 310mV), -0.27V (η = 248mV), -0.25V (η = 274mV), and -0.22V (η = 218mV) were shown, which indicates that the electrode of Example 7 is suitable for HER in KOH. It can indicate that it can perform best. In contrast, the electrodes achieved -0.54 V (η = 622 mV), -0.32 V (η = 540 mV), -0.24 V (η = 293 mV), respectively , at a current density of 100 mA/cm 2 and 0.5 MH 2 SO 4 electrolyte. It showed overpotentials of -0.29V (η = 323mV), 0.23V (η = 230mV), -0.24V (η = 244mV), and -0.21V (η = 203mV), and the electrode of Example 7 showed HER even in acidic electrolyte. It can be confirmed that it shows the best performance. In addition, it can be confirmed that the overpotential is slightly lower in acidic electrolytes than in alkaline electrolytes, showing better HER performance in acidic electrolytes.

도 8b는 각 전극에서 LSV로 결정된 Tafel 기울기이다. 더 낮은 Tafel 기울기를 가진 전극은 일반적으로 더 낮은 교환 전류 밀도와 HER에 대한 더 낮은 과전위를 갖는 것으로 알려져 있어 촉매 성능이 향상되는 것일 수 있다. 제조예 1 내지 7에 따른 전극은 KOH 전해질에서 각각 160.1, 158.7, 128.1, 136.3, 103.6, 112.8 및 96.1 mV/dec의 Tafel 기울기를 나타내며, 실시예 7 전극은 Tafel 기울기가 가장 작아 우수한 HER 촉매 활성을 나타낼 수 있다. 반면, 제조예 1 내지 7에 따른 전극은 H2SO4 전해질에서 153.7, 147.4, 118.8, 126.2, 99.7, 101.3 및 89.2 mV/dec 의 Tafel 기울기를 나타내며, 실시예 7 전극은 산성 전해질에서도 Tafel 기울기가 가장 작은 것으로 나타났다. 특히, 산성 전해질의 Tafel 기울기는 알칼리성 전해질의 값보다 6.9 mV/dec 작으며, 이는 최고의 HER 촉매 활성을 나타낼 수 있다. Figure 8b is the Tafel slope determined by LSV at each electrode. Electrodes with lower Tafel slopes are generally known to have lower exchange current densities and lower overpotentials for HER, which may result in improved catalytic performance. The electrodes according to Preparation Examples 1 to 7 exhibit Tafel slopes of 160.1, 158.7, 128.1, 136.3, 103.6, 112.8, and 96.1 mV/dec, respectively, in KOH electrolyte, and the electrode of Example 7 has the smallest Tafel slope, showing excellent HER catalytic activity. It can be expressed. On the other hand, the electrodes according to Preparation Examples 1 to 7 exhibit Tafel slopes of 153.7, 147.4, 118.8, 126.2, 99.7, 101.3, and 89.2 mV/dec in H 2 SO 4 electrolyte, and the electrode of Example 7 has a Tafel slope even in acidic electrolyte. It was found to be the smallest. In particular, the Tafel slope of the acidic electrolyte is 6.9 mV/dec smaller than that of the alkaline electrolyte, which may indicate the highest HER catalytic activity.

2-2. 실시예 1 내지 7에 따른 전극의 전기화학적 활성 표면적(ECSA) 및 이중층 커패시턴스(C2-2. Electrochemically active surface area (ECSA) and double layer capacitance (C) of electrodes according to Examples 1 to 7 dldl )의 측정) Measurement of

도 9는 제조예 1 내지 7에 따른 전극의 ECSA, Cdl 및 Nyquist 플롯이다. Cdl은 ECSA에 비례하므로 ECSA 값에서 결정할 수 있다. 전극 촉매의 ECSA는 일반적으로 용액의 촉매 표면에서 반응이 일어나므로, 그 활성과 직접적인 관련이 있을 수 있다. Cdl은 촉매가 산화환원 화학을 거치지 않는 비패러데이 영역에서 측정되었다.Figure 9 is ECSA, C dl and Nyquist plots of electrodes according to Preparation Examples 1 to 7. Since C dl is proportional to ECSA, it can be determined from the ECSA value. The ECSA of an electrocatalyst can be directly related to its activity since the reaction generally occurs on the surface of the catalyst in solution. C dl was measured in the non-Faraday region, where the catalyst does not undergo redox chemistry.

도 9a를 참고하면, 20∼100 mV/s에서 얻은 전류 밀도(ΔJ)와 ESCA(XPS)의 차이는 선형 경향을 나타냄을 알 수 있다. 모든 전극은 알칼리성 전해질보다 산성 전해질에서 더 넓은 CV 곡선을 나타내었으며, 특히, 실시예 7 전극은 산성 및 알칼리성 전해질 모두에서 가장 넓은 CV 곡선을 나타내었다. 각 전극의 CV 곡선의 폭은 ESCA로 플롯팅하고 Cdl 값으로 표현하였다. 실시예 7 전극은 101.4 mF/cm2으로 가장 높은 Cdl 값을 보였다. 종합하면, 이러한 결과는 실시예 7 전극이 높은 이중층 커패시턴스로 인해 우수한 전기 촉매 활성을 가짐을 나타내었다.Referring to Figure 9a, it can be seen that the difference between current density (ΔJ) and ESCA (XPS) obtained at 20 to 100 mV/s shows a linear trend. All electrodes showed wider CV curves in acidic electrolytes than in alkaline electrolytes, and in particular, the Example 7 electrode showed the widest CV curves in both acidic and alkaline electrolytes. The width of the CV curve of each electrode was plotted with ESCA and expressed as C dl value. The electrode of Example 7 showed the highest C dl value of 101.4 mF/cm 2 . Taken together, these results indicated that the electrode of Example 7 had excellent electrocatalytic activity due to its high double layer capacitance.

2-3. 실시예 1 내지 7에 따른 전극의 Nyquist 플롯의 관찰2-3. Observation of Nyquist plots of electrodes according to Examples 1 to 7

도 9b는 실시예 1 내지 7에 따른 전극의 Nyquist 플롯이다. y축은 전극 내부의 전하 사이의 재결합율과 관련된 임피던스를 나타내며, 재결합 속도가 높을수록 전극 내부의 전하 손실이 커질 수 있다. 반면, x축은 전극 표면의 전하 이동과 관련된 임피던스를 나타내며, 전하 이동은 일반적으로 저항이 증가하면 방해를 받을 수 있다. 결과적으로, 더 작은 반원을 갖는 전극은 더 낮은 재결합율과 더 낮은 저항을 가지며, 이는 우수한 전기 전도성을 나타낼 수 있다. 여기서 Rs, Rct, Rdt는 각각 이중층 커패시터의 용액저항, 전하이동저항, 전하를 나타낼 수 있다. 가장 중요한 매개변수는 Nyquist 플롯에서 반원의 크기에 의해 결정되는 Rct일 수 있다. Rs는 각 전해질의 각 전극에 대해 거의 동일하지만 Rct는 변화하는 것으로 관찰되었다. 특히, 모든 전극은 알칼리성 전해질보다 산성 전해질에서 유의하게 낮은 Rct 값을 나타내었다. 실시예 1 내지 7에 따른 전극은 알칼리 전해질에서 각각 34.5, 32.0, 24.0, 23.0, 17.5, 15.5 및 13.5 Ω의 Rct 값을 나타내었고, 산성 전해질에서 30.0, 28.0, 22.0, 18.5, 14.0, 12.0 및 11.0 Ω의 Rct 값을 나타내었다. 특히, 실시예 7 전극은 알칼리성 및 산성 전해질 모두에서 가장 낮은 저항을 나타내어 가장 높은 전하이동 효율을 나타낼 수 있다.9B is a Nyquist plot of electrodes according to Examples 1 to 7. The y-axis represents impedance related to the recombination rate between charges inside the electrode, and the higher the recombination rate, the greater the loss of charge inside the electrode. On the other hand, the x-axis represents the impedance associated with charge movement on the electrode surface, and charge movement can generally be impeded by increasing resistance. As a result, electrodes with smaller semicircles have lower recombination rates and lower resistances, which can exhibit superior electrical conductivity. Here, R s , R ct , and R dt may represent the solution resistance, charge transfer resistance, and charge of the double-layer capacitor, respectively. The most important parameter may be R ct , which is determined by the size of the semicircle in the Nyquist plot. R s was observed to be approximately the same for each electrode in each electrolyte, whereas R ct varied. In particular, all electrodes showed significantly lower R ct values in acidic electrolyte than in alkaline electrolyte. The electrodes according to Examples 1 to 7 showed R ct values of 34.5, 32.0, 24.0, 23.0, 17.5, 15.5, and 13.5 Ω, respectively, in alkaline electrolyte, and 30.0, 28.0, 22.0, 18.5, 14.0, 12.0, and It showed a R ct value of 11.0 Ω. In particular, the electrode of Example 7 can exhibit the lowest resistance in both alkaline and acidic electrolytes and thus the highest charge transfer efficiency.

2-4. 실시예 1 내지 7에 따른 전극의 장기 내구성의 평가 2-4. Evaluation of long-term durability of electrodes according to Examples 1 to 7

Chronopotentiometry는 전극의 장기 내구성을 평가하는 중요한 방법이며, 시간 경과에 따른 전극 안정성의 지표를 제공할 수 있다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 chronopotentiometry, LSV 커브 및 패러데이 효율을 측정한 것이다. 도 10a는 100 mA/cm2에서 10 시간 동안 실시예 1 내지 7에 대한 시간 전위차 측정하여 비교한 그래프이다. 모든 전극은 1.0 M KOH 전해질에서 안정화하는데 최대 7,500초가 필요했으며, 그 후 일정한 과전위가 유지되었으며, 실시예 7 전극은 35,000초 동안 -0.24 V의 안정적인 과전위를 유지하는 것으로 관찰되었다. 한편, 전극은 알칼리 전해질인 KOH 보다 0.5 M H2SO4 산성 전해질에서 약간 더 빠르게 안정화되었으며, 더욱 완만한 안정화 기울기가 관찰되었다. 특히, 최고 성능의 실시예 7 전극은 실험 시작부터 35,000초까지 -0.21 V의 과전위를 유지하였다. 이러한 결과를 통해, 실시예 7 전극이 알칼리성 및 산성 전해질 모두에서 최적으로 안정함을 알 수 있다.Chronopotentiometry is an important method for assessing the long-term durability of electrodes and can provide an indicator of electrode stability over time. Figure 10 shows measured chronopotentiometry, LSV curve, and Faraday efficiency of an electrode according to an embodiment of the present invention. Figure 10a is a graph comparing the time potential difference measurements for Examples 1 to 7 at 100 mA/cm 2 for 10 hours. All electrodes required up to 7,500 seconds to stabilize in the 1.0 M KOH electrolyte, after which a constant overpotential was maintained, with the Example 7 electrode being observed to maintain a stable overpotential of -0.24 V for 35,000 seconds. Meanwhile, the electrode was stabilized slightly faster in the 0.5 MH 2 SO 4 acidic electrolyte than in the alkaline electrolyte KOH, and a more gradual stabilization slope was observed. In particular, the electrode of Example 7, which performed the best, maintained an overpotential of -0.21 V from the start of the experiment to 35,000 seconds. These results show that the electrode of Example 7 is optimally stable in both alkaline and acidic electrolytes.

도 10b는 촉매 활성이 가장 좋은 실시예 7 전극에 LSV를 반복적으로 적용한 결과이다. 전극 과전위는 처음 3,000 사이클 동안 알칼리성 전해질에서 점차적으로 왼쪽으로 이동하여 음의 값을 갖게 되며, 이 시점에서 초기 값과 -0.02 V 차이인 -0.24 V로 나타났다. 반면, 과전위는 산성 전해질에서 처음 100 사이클 동안 알칼리 전해질보다 더욱 음의 값을 나타내나, 3,000 사이클까지 -0.215 V 값에서 더 이상 증가가 관찰되지 않았다. 초기 과전위인 0.015 V와의 무시할 수 있는 차이는 실시예 7 전극이 산성 전해질에서 매우 내구성이 있음을 알 수 있다. Figure 10b shows the results of repeatedly applying LSV to the electrode of Example 7, which had the best catalytic activity. The electrode overpotential gradually shifts to the left and becomes negative in the alkaline electrolyte over the first 3,000 cycles, at which point it reaches -0.24 V, -0.02 V away from the initial value. On the other hand, the overpotential was more negative in the acidic electrolyte than in the alkaline electrolyte during the first 100 cycles, but no further increase was observed at the value of -0.215 V by 3,000 cycles. The negligible difference from the initial overpotential of 0.015 V shows that the Example 7 electrode is very durable in acidic electrolyte.

도 10c는 100 mA/cm2에서 실제 및 이론적인 수소 발생을 기반으로 알칼리 및 산성 전해질에서 실시예 7 전극에 대해 결정된 패러데이 효율이다. 이론적인 수소 발생량과 전극의 패러데이 효율은 하기 식 3과 같은 식을 이용하여 계산하였다.Figure 10c is the Faradaic efficiency determined for the Example 7 electrode in alkaline and acidic electrolytes based on actual and theoretical hydrogen evolution at 100 mA/cm 2 . The theoretical amount of hydrogen generated and the Faraday efficiency of the electrode were calculated using equations such as Equation 3 below.

[식 3][Equation 3]

패러데이 효율(Faradaic efficiency, %)=znF/It×100 %Faradaic efficiency (%)=znF/It×100 %

(단, z는 교환된 전자 수, n은 원하는 생성물의 몰 수, I는 전류, t는 물의 전기분해 반응시간, F는 패러데이 상수인 96,485.3 C/mol임)(where z is the number of exchanged electrons, n is the number of moles of the desired product, I is the current, t is the electrolysis reaction time of water, and F is the Faraday constant of 96,485.3 C/mol)

실시예 7 전극은 알칼리성 및 산성 전해질에서 각각 97.01 % 및 97.85 %의 패러데이 효율을 제공했으며, 산성 전해질에 대해 더 나은 HER 성능이 나타났다. 이는 사용된 전자의 97 % 또는 98 %가 부반응 없이 알칼리성 및 산성 전해질 모두에서 HER에 관여했음을 의미하는 것일 수 있다. The Example 7 electrode provided Faradaic efficiencies of 97.01% and 97.85% in alkaline and acidic electrolytes, respectively, with better HER performance for acidic electrolytes. This may mean that 97% or 98% of the electrons used were involved in HER in both alkaline and acidic electrolytes without side reactions.

2-5. 실시예 및 비교예에 따른 전극의 성능 평가2-5. Performance evaluation of electrodes according to examples and comparative examples

도 11은 상용 Pt/Ni 폼 전극인 비교예 전극의 성능을 알칼리성 전해질의 NF에 로딩된 CoS/S-rGO와 비교하기 위한 LSV trace 및 chronopotentiometry 데이터이다. 도 11을 참고하면, 20 % Pt이 로딩된 Pt/NF 전극이 -0.1 V의 과전위를 나타내는 반면 10 % CoS/S-rGO가 로딩된 CoS/S-rGO/NF 전극의 경우 -0.155 V로 차이가 0.055 V에 불과하다는 것을 보여주었다. CoS/S-rGO는 NF에서 잘 성장하지 않아 상기와 같은 0.055 V의 차이가 발생한 것일 수 있다. 따라서, 약 20 % CoS/S-rGO가 NF에 안정적으로 로딩되면, Pt/NF과 유사한 성능이 관찰될 것으로 예상할 수 있다. 더욱이, Chronopotentiometry는 CoS/S-rGO/NF 전극이 최대 35,000 초 동안 초기 과전위와 놀랍게도 일치하는 과전위를 나타내어 전극의 탁월한 내구성을 가지는 것을 알 수 있다. Figure 11 shows LSV trace and chronopotentiometry data for comparing the performance of a comparative electrode, a commercial Pt/Ni foam electrode, with CoS/S-rGO loaded in NF of an alkaline electrolyte. Referring to Figure 11, the Pt/NF electrode loaded with 20% Pt shows an overpotential of -0.1 V, while the CoS/S-rGO/NF electrode loaded with 10% CoS/S-rGO shows an overpotential of -0.155 V. It was shown that the difference was only 0.055 V. The above difference of 0.055 V may have occurred because CoS/S-rGO does not grow well in NF. Therefore, when about 20% CoS/S-rGO is stably loaded into NF, it can be expected that similar performance to Pt/NF will be observed. Moreover, chronopotentiometry shows that the CoS/S-rGO/NF electrode exhibits an overpotential that surprisingly matches the initial overpotential for up to 35,000 s, demonstrating excellent durability of the electrode.

알칼리성 및 산성 전해질에서 100 mA/cm2에서 10일 동안 실시예 7 전극에 대해 얻은 시간 종속 데이터를 도 S6 및 S7에 나타내었다. 도 S6은 알칼리성 전해질에서 반응 초기 단계에서 과전위가 -0.24 V에서 -0.23 V로 약간 증가했음을 나타내었다. 그러나 이틀 후 원래 값으로 돌아갔고, 그 이후에는 무시할 수 있는 변화만 관찰되었다. 과전위는 10일 후에도 여전히 초기 값인 -0.23 V와 동일하게 나타났다. 또한, 기체상 수소와 산소가 전극에서 강하게 발생하는 것이 관찰되어 실시예 7 전극은 강알칼리성 조건에서 장기가 노출되어도 우수한 내구성을 나타낼 수 있다. 이에 반해 산성 전해액의 초기 과전위는 -0.217 V로 나타나며, 시간이 지남에 따라 변하지 않아 실시예 7 전극이 강산성 조건에서 장기간 노출되어도 안정적이어서 우수한 내구성을 보장할 수 있다. 따라서, 실시예 7 전극은 알칼리성 및 산성 전해질 모두에서 매우 내구성이 있음을 확인할 수 있다.Time-dependent data obtained for the Example 7 electrode over 10 days at 100 mA/cm 2 in alkaline and acidic electrolytes are shown in Figures S6 and S7. Figure S6 showed that the overpotential slightly increased from -0.24 V to -0.23 V in the initial stage of the reaction in alkaline electrolyte. However, it returned to its original value after two days, and only negligible changes were observed after that. The overpotential was still the same as the initial value of -0.23 V even after 10 days. In addition, it was observed that gaseous hydrogen and oxygen are strongly generated in the electrode, so the electrode of Example 7 can exhibit excellent durability even when long-term exposure is carried out in strongly alkaline conditions. On the other hand, the initial overpotential of the acidic electrolyte solution is -0.217 V, and does not change over time, so the electrode of Example 7 is stable even when exposed to strong acidic conditions for a long period of time, ensuring excellent durability. Therefore, it can be confirmed that the electrode of Example 7 is very durable in both alkaline and acidic electrolytes.

Claims (18)

황 원소(S)가 도핑된 환원된 산화그래핀(reduced graphene oxide; rGO); 및
상기 rGO 상에 부착된 황화 코발트(CoS) 입자;를 포함하는 이중 기능 수소 발생용 촉매.
Reduced graphene oxide (rGO) doped with sulfur element (S); and
A catalyst for dual-function hydrogen generation comprising: cobalt sulfide (CoS) particles attached to the rGO.
청구항 1에 있어서,
상기 황 원소(S)가 도핑된 rGO의 XRD 결정 격자 평균 거리는 3.2 내지 3.5 Å 인 것을 특징으로 하는 이중 기능 수소 발생용 촉매.
In claim 1,
A dual-functional catalyst for hydrogen generation, characterized in that the average XRD crystal lattice distance of rGO doped with the sulfur element (S) is 3.2 to 3.5 Å.
청구항 1에 있어서,
상기 CoS 입자의 평균 직경은 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛인 이중 기능 수소 발생용 촉매.
In claim 1,
A dual-function catalyst for hydrogen generation wherein the CoS particles have an average diameter of 0.1 ㎛ to 1 ㎛.
청구항 3에 있어서,
상기 CoS 입자에 있어서, Co3+:Co2+ 몰비율은 1:(1.8∼2.2)인 것을 특징으로 하는 이중 기능 수소 발생용 촉매.
In claim 3,
In the CoS particles, the Co 3+ :Co 2+ molar ratio is 1: (1.8 to 2.2).
청구항 1에 있어서,
상기 촉매는, 촉매 전체 중량을 기준으로 CoS 입자 98 내지 99 중량% 및 황 원소(S)가 도핑된 rGO 1 내지 2 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 기능 수소 발생용 촉매.
In claim 1,
The catalyst is a dual-function catalyst for hydrogen generation, characterized in that it contains 98 to 99% by weight of CoS particles and 1 to 2% by weight of rGO doped with elemental sulfur (S) based on the total weight of the catalyst.
베이스 기재; 및
청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 따른 촉매를 포함하는 이중 기능 수소 발생용 전극.
Base substrate; and
A dual-function electrode for hydrogen generation comprising the catalyst according to any one of claims 1 to 5.
청구항 6에 있어서,
상기 베이스 기재는 카본페이퍼, 카본펠트, 카본블랙, 활성탄, 카본나노파이버, 니켈폼 및 구리폼으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 이중 기능 수소 발생용 전극.
In claim 6,
A dual-function electrode for hydrogen generation, characterized in that the base material is at least one selected from the group consisting of carbon paper, carbon felt, carbon black, activated carbon, carbon nanofiber, nickel foam, and copper foam.
청구항 6에 있어서,
상기 전극은 알칼리성 전해질 및 산성 전해질에서 수소 발생 반응(HER)의 활성화를 가지는 것을 특징으로 하는 이중 기능 수소 발생용 전극.
In claim 6,
The electrode is a dual-function electrode for hydrogen generation, characterized in that it has activation of hydrogen evolution reaction (HER) in an alkaline electrolyte and an acidic electrolyte.
청구항 8에 있어서,
상기 알칼리성 전해질은 KOH, NaOH 및 CsOH로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, 산성 전해질은 H2SO4, HCl, HNO3 및 HClO4로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이중 기능 수소 발생용 전극.
In claim 8,
The alkaline electrolyte is at least one selected from the group consisting of KOH, NaOH and CsOH, and the acidic electrolyte is at least one selected from the group consisting of H 2 SO 4 , HCl, HNO 3 and HClO 4 Dual function, characterized in that Electrode for hydrogen generation.
청구항 6에 있어서,
상기 전극의 타펠(Tafel) 기울기는 1.0 M의 KOH 수용액 또는 0.5 M의 H2SO4 수용액에서 532 nm의 여기 파장에서 2000∼300 cm-1 파수 범위로 측정하는 경우, 80 mV/decade 내지 100 mV/decade인 것을 특징으로 하는 이중 기능 수소 발생용 전극.
In claim 6,
The Tafel slope of the electrode is 80 mV/decade to 100 mV when measured in a 1.0 M aqueous KOH solution or a 0.5 M aqueous H 2 SO 4 wavenumber range of 2000 to 300 cm -1 at an excitation wavelength of 532 nm. A dual-function electrode for hydrogen generation, characterized in that /decade.
청구항 6에 있어서,
상기 전극의 전하이동저항(Rct) 값은 10 Ω 내지 20 Ω인 것을 특징으로 하는 이중 기능 수소 발생용 전극.
In claim 6,
A dual-function electrode for hydrogen generation, characterized in that the charge transfer resistance (R ct ) value of the electrode is 10 Ω to 20 Ω.
산화그래핀(GO)을 에틸렌글라이콜(EG)에 분산시키고 GO 분산액을 준비하는 제1단계;
상기 GO 분산액에 환원제를 첨가하고 교반하여 S-rGO 파우더를 준비하는 제2단계;
상기 S-rGO 파우더를 증류수와 혼합하여 교반한 후 S-rGO 분산용액을 준비하는 제3단계;
상기 S-rGO 분산용액에 코발트 전구체 및 설퍼 전구체를 첨가하고 교반하여 제1혼합용액을 준비하는 제4단계;
상기 제1혼합용액에 카본페이퍼(CP)를 담그고 초음파 처리하여 제2혼합용액을 준비하는 제5단계; 및
상기 CP 및 제2혼합용액을 밀봉한 후, 수열합성하여 과성장된 황 원소(S)가 도핑된 rGO에 부착된 CoS 입자(CoS/S-rGO)를 포함하는 전극을 수집하는 제6단계;
를 포함하는 전극의 제조방법.
A first step of dispersing graphene oxide (GO) in ethylene glycol (EG) and preparing a GO dispersion;
A second step of preparing S-rGO powder by adding a reducing agent to the GO dispersion and stirring it;
A third step of mixing the S-rGO powder with distilled water and stirring it to prepare an S-rGO dispersion solution;
A fourth step of preparing a first mixed solution by adding a cobalt precursor and a sulfur precursor to the S-rGO dispersion solution and stirring;
A fifth step of preparing a second mixed solution by immersing carbon paper (CP) in the first mixed solution and ultrasonicating it; and
A sixth step of sealing the CP and the second mixed solution and collecting an electrode containing CoS particles (CoS/S-rGO) attached to rGO doped with sulfur element (S) overgrown through hydrothermal synthesis;
A method of manufacturing an electrode comprising.
청구항 12에 있어서,
상기 GO 분산액의 농도는 1 mg/mL 내지 5 mg/mL인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
In claim 12,
A method for producing an electrode, characterized in that the concentration of the GO dispersion is 1 mg/mL to 5 mg/mL.
청구항 12에 있어서,
상기 환원제는 황화 나트륨(sodium sulfide; Na2S), 티오시안산암모늄(ammonium thiocyanate; [NH4S]CN), 티오요소(thiourea; (NH2)2CS), 이산화티오요소(thiourea dioxide;(NH)(NH2)CSO2H) 및 에탄-1,2-디티올 (1,2-Ethanedithiol; C2H4(SH)2)로 이루어진 군에서 선택된 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
In claim 12,
The reducing agent includes sodium sulfide (Na 2 S), ammonium thiocyanate ([NH 4 S]CN), thiourea ((NH 2 ) 2 CS), and thiourea dioxide; (NH)(NH 2 )CSO 2 H) and ethane-1,2-dithiol (1,2-Ethanedithiol; C 2 H 4 (SH) 2 ) An electrode characterized in that any one selected from the group consisting of Manufacturing method.
청구항 12에 있어서,
상기 코발트 전구체는 코발트 클로라이드(CoCl2·6H2O), 코발트 나이트레이트(Co(NO3)2·6H2O) 및 코발트 아세테이트((CH3COO)2Co·4H2O)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
In claim 12,
The cobalt precursor is selected from the group consisting of cobalt chloride (CoCl 2 ·6H 2 O), cobalt nitrate (Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O), and cobalt acetate ((CH 3 COO) 2 Co·4H 2 O) A method of manufacturing an electrode, characterized in that one or more types are selected.
청구항 15에 있어서,
상기 코발트 전구체의 농도는 0.01 mM 내지 1 mM인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
In claim 15,
A method of manufacturing an electrode, characterized in that the concentration of the cobalt precursor is 0.01mM to 1mM.
청구항 12에 있어서,
상기 설퍼 전구체는 황화나트륨(Na2S), 티오우레아(thiourea; CH4N2S), 티오시안산암모늄(ammonium thiocyanate; NH4SCN), 티오아세트아미드(thioacetamide; C2H5NS), 벤질 디설파이드(benzyl disulfide; C14H14S2), 티오핀(thiophene; C4H4S), 2,2'-다이티오펜(2,2'-dithiophene; C8H6S2), p-톨루엔설폰산(p-toluenesulfonic acid; C7H8O3S), 2-티오핀메탄올(2-thiophenemethanol; C5H6OS) 및 황 파우더(S powder)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
In claim 12,
The sulfur precursor includes sodium sulfide (Na 2 S), thiourea (CH 4 N 2 S), ammonium thiocyanate (NH 4 SCN), thioacetamide (C 2 H 5 NS), Benzyl disulfide (C 14 H 14 S 2 ), thiophene (C 4 H 4 S), 2,2'-dithiophene (2,2'-dithiophene; C 8 H 6 S 2 ), 1 selected from the group consisting of p-toluenesulfonic acid (C 7 H 8 O 3 S), 2-thiophenemethanol (C 5 H 6 OS), and sulfur powder (S powder) A method of manufacturing an electrode, characterized in that there are at least three types.
청구항 12에 있어서,
상기 제6단계에서 수열 합성은 150 내지 200 ℃의 온도에서 8 내지 10시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.

In claim 12,
In the sixth step, the hydrothermal synthesis is performed at a temperature of 150 to 200 ° C for 8 to 10 hours.

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