KR20240010241A - Fabrication of porous carbonized wood framworks for electrocatalytic water splitting - Google Patents

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송성호
이성애
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Abstract

본 발명에 의한 수전해 촉매는 탄화 목재; 상기 탄화목재 상에 분포하는 니켈 입자; 및 상기 니켈 입자를 전기적으로 연결하는 그래핀층;를 포함하는 것을 특징으로 한다. The water electrolysis catalyst according to the present invention includes carbonized wood; Nickel particles distributed on the carbonized wood; And a graphene layer electrically connecting the nickel particles.

Description

다공성 탄화목재를 포함하는 수전해 촉매 및 이의 제조방법{Fabrication of porous carbonized wood framworks for electrocatalytic water splitting}Water electrolysis catalyst containing porous carbonized wood and method for manufacturing the same {Fabrication of porous carbonized wood framworks for electrocatalytic water splitting}

본 발명은 다공성 탄화목재를 포함하는 수전해 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a water electrolysis catalyst comprising porous carbonized wood and a method for manufacturing the same.

에너지 수요가 증가함에 따라, 저비용 고효율의 대체 에너지 개발이 필요한 실정이다. 최근 대체 에너지로 가장 각광 받는 것은 수소이며, 이러한 수소를 지속적으로 공급하기 위하여 수전해를 통해 물을 분해하여 수소 및 산소를 생성하는 촉매 재료의 개발이 활발히 이루어지고 있다. As energy demand increases, there is a need to develop low-cost, high-efficiency alternative energy. Hydrogen has recently received the most attention as an alternative energy, and in order to continuously supply this hydrogen, the development of catalyst materials that generate hydrogen and oxygen by decomposing water through water electrolysis is being actively conducted.

수전해는 환원극에서 일어나는 수소 발생 반응(HER, Hydrogen evolution reaction) 및 산화극에서 일어나는 산소 발생 반응(OER, Oxygen evolution reaction)으로 나뉠 수 있다. Water electrolysis can be divided into a hydrogen evolution reaction (HER) that occurs at the cathode and an oxygen evolution reaction (OER) that occurs at the oxidation electrode.

이론상 물은 1.23 V의 전압이 가해지면 분해가 일어나지만, 실제 분해반응에서는 여러 가지 요인에 의하여 1.23 V 보다 높은 전압이 가해져야 분해가 발생하며, 이때 물의 분해를 위해 추가적으로 필요로 하는 전압을 과전압(overpotential)이라 한다. In theory, water decomposition occurs when a voltage of 1.23 V is applied, but in actual decomposition reactions, decomposition occurs only when a voltage higher than 1.23 V is applied due to various factors. In this case, the additional voltage required for water decomposition is called overvoltage (overvoltage). It is called overpotential.

현재 알려진 수전해 촉매로 가장 효율이 높고 과전압이 낮은 촉매는 환원극에서는 백금 또는 백금족 원소, 산소극에서는 산화 이리듐 또는 산화 루테늄이며, 이러한 물질들을 촉매로 이용하는 경우 낮은 과전압을 나타내는 장점이 있다. 그러나, 백금 또는 백금족 원소와 귀금속 산화물들은 단가가 매우 높기 때문에, 수전해 장치의 대량 생산 및 상용화에는 적용이 어려운 한계가 있다. Currently known water electrolysis catalysts with the highest efficiency and lowest overvoltage are platinum or platinum group elements at the cathode and iridium oxide or ruthenium oxide at the oxygen electrode. Using these materials as a catalyst has the advantage of low overvoltage. However, since platinum or platinum group elements and noble metal oxides have very high unit costs, they have limitations that make them difficult to apply to mass production and commercialization of water electrolysis devices.

이에, 생산단가가 낮으면서도 높은 촉매 효율을 가지는 비귀금속 기반의 수전해 촉매 개발이 필요한 실정이다. Accordingly, there is a need to develop a non-precious metal-based water electrolysis catalyst that has low production costs and high catalytic efficiency.

미국 공개특허공보 제2022-0002887호U.S. Patent Publication No. 2022-0002887 미국 등록특허공보 제10815580호US Patent Publication No. 10815580

본 발명의 목적은 목재를 포함하여 친환경적이며, 생산단가가 낮은 수전해 촉매를 제공하는 것이다. The purpose of the present invention is to provide a water electrolysis catalyst that is environmentally friendly, including wood, and has a low production cost.

본 발명에 의한 수전해 촉매는 탄화 목재; 상기 탄화목재 상에 분포하는 니켈 입자; 및 상기 니켈 입자를 전기적으로 연결하는 그래핀층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.The water electrolysis catalyst according to the present invention includes carbonized wood; Nickel particles distributed on the carbonized wood; And a graphene layer electrically connecting the nickel particles.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매에서 상기 탄화목재는 길이방향에 수직으로 절단된 판형 목재를 탄화한 것을 특징으로 할 수 있다. In the water electrolysis catalyst according to an embodiment of the present invention, the carbonized wood may be characterized by carbonizing plate-shaped wood cut perpendicular to the longitudinal direction.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매는 상기 탄화목재는 목재를 800 내지 1200 ℃에서 30분 내지 300분간 열처리한 것을 특징으로 할 수 있다. The water electrolysis catalyst according to an embodiment of the present invention may be characterized in that the carbonized wood is heat-treated at 800 to 1200 ° C. for 30 to 300 minutes.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매에서 상기 니켈 입자는 도금을 통해 제조된 것을 특징으로 할 수 있다. In the water electrolysis catalyst according to an embodiment of the present invention, the nickel particles may be manufactured through plating.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매에서 상기 도금은 니켈 전구체를 포함하는 도금 용액에서 -0.9 내지 -1.2 V의 전압을 인가하는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다. In the water electrolysis catalyst according to an embodiment of the present invention, the plating may be characterized as a step of applying a voltage of -0.9 to -1.2 V in a plating solution containing a nickel precursor.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매에서 상기 니켈 입자는 평균 입경이 120 내지 300 ㎚인 것을 특징으로 할 수 있다. In the water electrolysis catalyst according to an embodiment of the present invention, the nickel particles may have an average particle diameter of 120 to 300 nm.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매에서 상기 수전해 촉매는 수소 발생 반응에서 10 mA/㎠ 기준 과전압이 0.4 V 이하인 것을 특징으로 할 수 있다. In the water electrolysis catalyst according to an embodiment of the present invention, the water electrolysis catalyst may be characterized as having an overvoltage of 0.4 V or less based on 10 mA/cm2 in the hydrogen generation reaction.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매는 산소 발생 반응에서 10 mA/㎠ 기준 과전압이 2 V 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.The water electrolysis catalyst according to an embodiment of the present invention may be characterized by an overvoltage of 2 V or less based on 10 mA/cm2 in the oxygen generation reaction.

본 발명은 또한 수전해 촉매 제조방법을 제공하며, 본 발명에 의한 수전해 촉매 제조방법은 목재를 탄화하여 탄화목재를 제조하는 제 1단계;The present invention also provides a method for producing a water electrolysis catalyst, which includes a first step of carbonizing wood to produce carbonized wood;

상기 탄화목재에 도금으로 니켈 입자층을 형성하는 제 2단계; 및A second step of forming a nickel particle layer on the carbonized wood by plating; and

상기 니켈 입자층 상에 증착으로 그래핀층을 형성하는 제 3단계;를 포함한다.It includes a third step of forming a graphene layer by deposition on the nickel particle layer.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매 제조방법에서 상기 제 1단계는 800 내지 1200 ℃에서 30분 내지 300분간 열처리하는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다. In the water electrolysis catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the first step may be characterized as a step of heat treatment at 800 to 1200 ° C. for 30 to 300 minutes.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매 제조방법에서 상기 제 2단계는 -0.9 내지 -1.2 V의 전압을 인가하는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다. In the water electrolysis catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the second step may be characterized as applying a voltage of -0.9 to -1.2 V.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매 제조방법에서 상기 제 2단계는 5 내지 20분간 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the water electrolysis catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the second step may be performed for 5 to 20 minutes.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매 제조방법에서 상기 금속 입자는 평균 입경이 150 내지 400㎚인 것을 특징으로 할 수 있다. In the water electrolysis catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the metal particles may have an average particle diameter of 150 to 400 nm.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매 제조방법에서 상기 제 3단계는 800 내지 1200 ℃의 온도에서 메탄을 20 내지 80 sccm으로 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the method for producing a water electrolysis catalyst according to an embodiment of the present invention, the third step may include the step of injecting methane at a rate of 20 to 80 sccm at a temperature of 800 to 1200 °C.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매 제조방법에서 상기 수전해 촉매는 수소 생성반응 또는 산소 생성반응용인 것을 특징으로 할 수 있다. In the method for producing a water electrolysis catalyst according to an embodiment of the present invention, the water electrolysis catalyst may be used for a hydrogen production reaction or an oxygen production reaction.

본 발명에 의한 수전해 촉매는 탄화 목재; 상기 탄화목재 상에 분포하는 니켈 입자; 및 상기 니켈 입자를 전기적으로 연결하는 그래핀층;을 포함하여 친환경적이며, 생산단가가 낮은 장점이 있다. The water electrolysis catalyst according to the present invention includes carbonized wood; Nickel particles distributed on the carbonized wood; And a graphene layer that electrically connects the nickel particles; it is environmentally friendly and has the advantage of low production cost.

도 1 내지 3은 탄화목재에 니켈 도금 시 전압을 달리하여 도금한 결과를 SEM으로 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 4는 니켈이 도금된 탄화목재에 그래핀을 형성한 후 이를 SEM으로 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 샘플에 대하여 XRD 분석을 수행하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 샘플에 대하여 라만 스펙트럼 분석을 수행하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 7은 실시예 및 비교예의 샘플에 대하여 순환전압 전류법을 이용하여 전기화학 활성을 분석하고 이를 도시한 것이다.
Figures 1 to 3 show the results of nickel plating on carbonized wood observed at different voltages using an SEM.
Figure 4 shows graphene formed on nickel-plated carbide wood and observed with an SEM.
Figure 5 shows the results of XRD analysis performed on samples prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention.
Figure 6 shows the results of Raman spectrum analysis performed on samples prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention.
Figure 7 shows the analysis of electrochemical activity of samples of Examples and Comparative Examples using cyclic voltammetry.

본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the embodiments of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. The present embodiments are merely provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to be understood by those skilled in the art. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing embodiments of the present invention, if a detailed description of a known function or configuration is judged to unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. The terms described below are terms defined in consideration of functions in the embodiments of the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

본 발명에 의한 수전해 촉매는 탄화 목재;The water electrolysis catalyst according to the present invention includes carbonized wood;

상기 탄화목재 상에 분포하는 니켈 입자; 및 Nickel particles distributed on the carbonized wood; and

상기 니켈 입자를 전기적으로 연결하는 그래핀층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 촉매. A water electrolysis catalyst comprising a graphene layer electrically connecting the nickel particles.

종래 알려진 수전해 촉매는 귀금속을 포함하여 생산단가가 현저히 높고 매장량이 한정되어 상용화에 한계가 있다. 이에, 비귀금속 원소를 포함하는 수전해 촉매의 개발이 필요한 실정이다. Conventionally known water electrolysis catalysts contain precious metals, so their production costs are significantly high, and their reserves are limited, which limits their commercialization. Accordingly, there is a need to develop a water electrolysis catalyst containing non-precious metal elements.

본 발명에 의한 수전해 촉매는 탄화목재의 천연 구조를 이용하며, 귀금속을 포함하지 않아 생산 단가가 저렴하며, 쉽게 대량 생산이 가능한 장점이 있다. 또한, 촉매 활성을 갖지만 낮은 전기전도도를 갖는 니켈 입자의 한계를 그래핀층을 형성하여 보완함으로써 전도도 저하에 따른 촉매활성 저하를 예방할 수 있는 장점이 있다. The water electrolysis catalyst according to the present invention uses the natural structure of carbonized wood and does not contain precious metals, so the production cost is low and it can be easily mass-produced. In addition, there is an advantage in preventing a decrease in catalytic activity due to a decrease in conductivity by supplementing the limitations of nickel particles, which have catalytic activity but low electrical conductivity, by forming a graphene layer.

구체적으로, 상기 탄화목재는 길이방향에 수직으로 절단된 판형 목재를 탄화한 것일 수 있으며, 길이방향에 수직으로 절단한 목재를 이용함으로써, 목재에 자연적으로 형성된 관형 구조의 단면이 노출되어 다공 구조를 형성할 수 있으며, 길이 방향으로 절단한 목재 대비 표면에 더 많은 기공이 형성되는 장점이 있다. Specifically, the carbonized wood may be carbonized plate-shaped wood cut perpendicular to the longitudinal direction, and by using wood cut perpendicular to the longitudinal direction, the cross section of the tubular structure naturally formed in the wood is exposed, creating a porous structure. It has the advantage of forming more pores on the surface compared to wood cut lengthwise.

상기 탄화 목재는 두께가 0.4 내지 1.5 ㎜일 수 있으며, 두께가 지나치게 두꺼운 경우 전도도 저하에 의한 촉매활성 저하를 유발할 수 있으며, 두께가 지나치게 얇은 경우 충분한 지지가 어렵고 촉매 내구도가 저하될 수 있다. The carbonized wood may have a thickness of 0.4 to 1.5 mm. If the thickness is too thick, it may cause a decrease in catalytic activity due to a decrease in conductivity, and if the thickness is too thin, sufficient support may be difficult and catalyst durability may be reduced.

상기 탄화목재는 800 내지 1200 ℃에서 30분 내지 300분, 구체적으로 900 내지 1150 ℃에서 40분 내지 90분간 수행될 수 있으며, 아르곤과 같은 불활성 기체 분위기 상에서 수행될 수 있다. The carbonization of wood may be carried out at 800 to 1200°C for 30 to 300 minutes, specifically at 900 to 1150°C for 40 to 90 minutes, and may be carried out in an inert gas atmosphere such as argon.

상기 니켈 입자는 평균 입경이 150 내지 400 ㎚, 좋게는 180 내지 350 ㎚일 수 있으며, 니켈 입자의 평균 입경이 작은 경우 니켈 입자의 응집이 발생할 수 있으며, 니켈 입자의 평균 입경이 큰 경우 표면적 저하로 촉매활성 저하를 유발할 수 있다. The nickel particles may have an average particle diameter of 150 to 400 ㎚, preferably 180 to 350 ㎚. If the average particle diameter of the nickel particles is small, agglomeration of nickel particles may occur, and if the average particle diameter of the nickel particles is large, the surface area decreases. It may cause a decrease in catalytic activity.

상기 니켈 입자는 도금을 통해 제조된 것일 수 있으며, 상기 도금은 상기 니켈 전구체를 포함하는 도금 용액에서 -0.9 내지 -1.2 V의 전압을 인가하여 수행될 수 있으며, 이러한 범위에서 니켈 입자의 우수한 촉매 활성을 확보할 수 있다. The nickel particles may be manufactured through plating, and the plating may be performed by applying a voltage of -0.9 to -1.2 V in a plating solution containing the nickel precursor, and in this range, the excellent catalytic activity of the nickel particles can be secured.

상기 수전해 촉매는 니켈 입자를 5 내지 20 중량%, 구체적으로 7 내지 15 중량%, 더욱 구체적으로 8 내지 12.5 중량% 포함할 수 있으며, 이러한 범위에서 니켈의 촉매활성을 확보하면서도 그래핀층에 의한 전도도 향상 효과를 극대화할 수 있다. The water electrolysis catalyst may contain 5 to 20% by weight of nickel particles, specifically 7 to 15% by weight, and more specifically 8 to 12.5% by weight, and within this range, the catalytic activity of nickel is secured while the conductivity by the graphene layer is maintained. The improvement effect can be maximized.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매는 수전해에 있어서, 수소 발생 반응 및 산소 발생 반응 모두에 적용이 가능하며, 구체적으로, 상기 수전해 촉매는 수소 발생 반응에서 10 mA/㎠ 기준 과전압이 0.4 V 이하, 구체적으로 0.39 V 이하인 것을 특징으로 하며, 산소 발생 반응에서 10 mA/㎠ 기준 과전압이 2 V 이하, 구체적으로 1.8 V 이하인 것을 특징으로 할 수 있다. The water electrolysis catalyst according to an embodiment of the present invention can be applied to both hydrogen generation reaction and oxygen generation reaction in water electrolysis. Specifically, the water electrolysis catalyst has an overvoltage of 10 mA/cm2 in the hydrogen generation reaction. It may be characterized as being 0.4 V or less, specifically 0.39 V or less, and the overvoltage based on 10 mA/cm2 in the oxygen evolution reaction may be characterized as being 2 V or less, specifically 1.8 V or less.

본 발명은 또한 수전해 촉매 제조방법을 제공하며, 본 발명에 의한 수전해 촉매 제조방법은 목재를 탄화하여 탄화목재를 제조하는 제 1단계;The present invention also provides a method for producing a water electrolysis catalyst, which includes a first step of carbonizing wood to produce carbonized wood;

상기 탄화목재에 도금으로 니켈 입자층을 형성하는 제 2단계; 및A second step of forming a nickel particle layer on the carbonized wood by plating; and

상기 니켈 입자층 상에 증착으로 그래핀층을 형성하는 제 3단계;를 포함한다. It includes a third step of forming a graphene layer by deposition on the nickel particle layer.

본 발명에 의한 수전해 촉매 제조방법은 상술한 제 1 단계 내지 제 3단계를 포함함으로써, 간단한 방법으로 친환경적인 수전해 촉매를 제조할 수 있는 장점이 있다. The method for producing a water electrolysis catalyst according to the present invention has the advantage of producing an environmentally friendly water electrolysis catalyst in a simple method by including the first to third steps described above.

구체적으로, 상기 목재는 목재를 길이 방향에 수직으로 절단하여 판형으로 가공한 것일 수 있으며, 길이방향에 수직으로 절단하여 목재의 관형 구조 단면이 노출되어 다공성을 높일 수 있다. Specifically, the wood may be processed into a plate shape by cutting the wood perpendicular to the longitudinal direction, and by cutting perpendicular to the longitudinal direction, the cross section of the tubular structure of the wood may be exposed to increase porosity.

본 발명에 의한 수전해 촉매 제조방법에서 상기 제 1단계는 탄화를 통하여 목재에서 불필요한 성분을 제거하고 탄소 골격만 잔류하도록 할 수 있으며, 탄소 배열에 의한 전기 전도도를 확보할 수 있다. In the water electrolysis catalyst manufacturing method according to the present invention, in the first step, unnecessary components can be removed from wood through carbonization, only the carbon skeleton can remain, and electrical conductivity can be secured by carbon arrangement.

상기 제 1단계는 800 내지 1200 ℃에서 30분 내지 300분, 구체적으로 900 내지 1150 ℃에서 40분 내지 90분간 수행될 수 있으며, 온도가 낮거나 열처리 시간이 짧은 경우 충분한 전도도 확보가 어려우며, 온도가 높거나 열처리 시간이 긴 경우 전도도 상승량 대비 에너지 소비가 커져 효율성이 극히 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 아울러 상기 제 1단계는 아르곤 등과 같은 불활성 기체 분위기 하에서 수행될 수 있다. The first step may be performed at 800 to 1200°C for 30 to 300 minutes, specifically at 900 to 1150°C for 40 to 90 minutes. When the temperature is low or the heat treatment time is short, it is difficult to secure sufficient conductivity, and the temperature If the heat treatment time is high or the heat treatment time is long, energy consumption may increase compared to the increase in conductivity, which may cause a problem of extremely low efficiency. Additionally, the first step may be performed under an inert gas atmosphere such as argon.

상기 도금층은 금속 도금층은 좋게는 니켈을 포함할 수 있으며, 니켈 도금으로 수전해 촉매 활성을 확보할 수 있다. 구체적으로, 상기 도금은 니켈 전구체를 포함하는 도금 용액에 탄화목재를 작업 전극으로 설치하고, 상대전극을 설치한 뒤 전압을 인가하여 수행될 수 있으며, 이때 인가되는 전압은 0.9 내지 1.2 V, 구체적으로 0.95 내지 1.15 V일 수 있다. 인가되는 전압이 낮은 경우 니켈 도금층이 충분히 형성되기 어렵고, 전압이 높은 경우 니켈 입자가 지나치게 커져 촉매활성이 저하될 수 있다. The metal plating layer may preferably contain nickel, and water electrolysis catalyst activity can be secured by nickel plating. Specifically, the plating may be performed by installing carbonized wood as a working electrode in a plating solution containing a nickel precursor, installing a counter electrode, and then applying a voltage. At this time, the applied voltage is 0.9 to 1.2 V, specifically. It may be 0.95 to 1.15 V. If the applied voltage is low, it is difficult to sufficiently form a nickel plating layer, and if the voltage is high, the nickel particles may become too large and catalytic activity may decrease.

이때 상대전극은 통상 도금에 이용되는 상대전극인 경우 제한없이 이용이 가능하며, 구체적이고 비한정적인 일예로 상기 상대전극은 Ag/AgCl일 수 있다. At this time, the counter electrode can be used without limitation if it is a counter electrode normally used for plating. As a specific and non-limiting example, the counter electrode may be Ag/AgCl.

상기 도금 용액에 포함된 니켈 전구체는 니켈아세테이트, 황산니켈, 염화니켈, 탄산니켈, 질산니켈 및 이들의 수화물에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으며, 좋게는 상기 니켈 전구체는 염화니켈 또는 염화니켈 수화물일 수 있다. 또한 상기 도금 용액은 상기 니켈 전구체 이외에 전도도 확보를 위하여 염화나트륨, 염화칼륨 등의 염을 더 포함할 수 있다. The nickel precursor contained in the plating solution may include one or two or more selected from nickel acetate, nickel sulfate, nickel chloride, nickel carbonate, nickel nitrate, and hydrates thereof. Preferably, the nickel precursor is nickel chloride or nickel chloride. It may be nickel hydrate. In addition, the plating solution may further include salts such as sodium chloride and potassium chloride to ensure conductivity in addition to the nickel precursor.

구체적으로, 상기 도금 용액은 상기 니켈 전구체를 0.05 내지 2 M의 농도로 포함할 수 있으며, 상기 염을 0.05 내지 2 M의 농도로 포함할 수 있다. 니켈 전구체의 농도가 낮은 경우 도금 효율이 낮아지고, 니켈 도금층 형성이 어려워지는 문제가 있으며, 니켈 전구체 농도가 높은 경우 생성되는 니켈 입자의 크기가 지나치게 커지는 문제가 발생할 수 있다. Specifically, the plating solution may include the nickel precursor at a concentration of 0.05 to 2 M and the salt at a concentration of 0.05 to 2 M. If the concentration of the nickel precursor is low, plating efficiency may decrease and formation of a nickel plating layer may become difficult, and if the nickel precursor concentration is high, the size of the nickel particles generated may become excessively large.

또한 상기 제 2단계는 5 내지 20분간 수행될 수 있으며, 도금 시간이 짧은 경우 또한 니켈 도금층이 충분히 형성되기 어렵고, 도금시간이 긴 경우 니켈 입자의 크기가 지나치게 커져 오히려 촉매활성 저하를 나타낼 수 있다. Additionally, the second step may be performed for 5 to 20 minutes. If the plating time is short, it is difficult to sufficiently form a nickel plating layer, and if the plating time is long, the size of the nickel particles may become excessively large, which may lead to a decrease in catalytic activity.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 촉매 제조방법으로 제조된 수전해 촉매는 니켈을 5 내지 20 중량%, 구체적으로 7 내지 15 중량%, 더욱 구체적으로 8 내지 12.5 중량% 포함할 수 있으며, 니켈을 소량 포함하는 경우 촉매활성 저하가 발생할 수 있으며, 니켈을 다량 포함하는 경우 그래핀에 의한 전기적 연결 효과를 나타내기 어려운 문제점이 있다. The water electrolysis catalyst prepared by the water electrolysis catalyst manufacturing method according to an embodiment of the present invention may contain 5 to 20% by weight, specifically 7 to 15% by weight, and more specifically 8 to 12.5% by weight, nickel. If it contains a small amount, a decrease in catalytic activity may occur, and if it contains a large amount of nickel, there is a problem in that it is difficult to demonstrate the electrical connection effect by graphene.

상기 제 3단계에서 그래핀층은 증착, 구체적으로 화학 기상 증착을 통해 형성될 수 있다. 이때 화학 기상 증착은 그래핀 층을 형성하기 위하여 통상적으로 이용되는 조건에서 수행될 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적이고 비한정적인 일예로 상기 제 3단계는 800 내지 1200 ℃, 구체적으로 900 내지 1100 ℃의 온도로 가열한 이후 수소를 주입한 뒤, 이후 메탄을 주입하는 단계를 포함하여 수행될 수 있다. 이때 수소는 10 내지 40 sccm의 주입 속도로 주입될 수 있으며, 메탄은 20 내지 80 sccm, 좋게는 24 내지 55 sccm의 속도로 15 내지 25분간 주입될 수 있다. In the third step, the graphene layer may be formed through deposition, specifically chemical vapor deposition. At this time, chemical vapor deposition may be performed under conditions commonly used to form a graphene layer, and the present invention is not limited thereto. As a specific and non-limiting example, the third step may be performed including heating to a temperature of 800 to 1200 ° C, specifically 900 to 1100 ° C, then injecting hydrogen, and then injecting methane. At this time, hydrogen may be injected at an injection rate of 10 to 40 sccm, and methane may be injected at a rate of 20 to 80 sccm, preferably 24 to 55 sccm, for 15 to 25 minutes.

상기 제 3단계 완료 후, 수전해 촉매는 탄화목재, 탄화목재 상에 분포하는 니켈입자 및 이러한 니켈입자를 전기적으로 연결하는 그래핀층이 형성된 특징이 있다. After completing the third step, the water electrolysis catalyst is characterized by the formation of carbonized wood, nickel particles distributed on the carbonized wood, and a graphene layer that electrically connects these nickel particles.

상기 금속 입자는 평균 입경이 150 내지 400 ㎚, 좋게는 180 내지 350 ㎚일 수 있으며, 이러한 범위에서 우수한 촉매활성을 확보하고, 그래핀층에서 니켈이 쉽게 이탈되지 않을 수 있다. The metal particles may have an average particle diameter of 150 to 400 nm, preferably 180 to 350 nm, and within this range, excellent catalytic activity can be secured and nickel may not be easily separated from the graphene layer.

본 발명의 일 실시예에 의한 제조방법으로 제조된 수전해 촉매는 수소 발생 반응 및 산소 발생 반응 모두에 적용이 가능하며, 양쪽 모두 높은 촉매 활성 및 낮은 과전압으로 높은 수소 생산 효율을 확보할 수 있다. The water electrolysis catalyst prepared by the manufacturing method according to an embodiment of the present invention can be applied to both hydrogen generation reaction and oxygen generation reaction, and both can secure high hydrogen production efficiency with high catalytic activity and low overvoltage.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 아래 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples and comparative examples. The examples below are only intended to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the examples below.

[실시예][Example]

1. 탄화목재 제조1. Carbonized wood manufacturing

나무를 성장방향의 수직으로 절단하여 판형 목재를 제조하였으며, 상기 판형 목재를 아르곤 분위기하에서 1시간 동안 열처리 하였으며, 열처리 온도에 따른 전도도를 측정하고 그 결과를 표 1로 나타내었다. Wood was cut perpendicular to the growth direction to produce plate-shaped wood. The plate-shaped wood was heat-treated for 1 hour under an argon atmosphere. The conductivity was measured according to the heat treatment temperature, and the results are shown in Table 1.

열처리 온도(℃)Heat treatment temperature (℃) 500 이하500 or less 600600 700700 800800 900900 10001000 전도도conductivity -- 3.627μS3.627μS 3.639 mS3.639 mS 29.76mS29.76mS 58.82mS58.82mS 67.57mS67.57mS

표 1을 참고하면, 열처리 온도가 600 ℃ 미만인 경우 전도도가 거의 나타나지 않는 것을 확인할 수 있으며, 1000 ℃에서 전도도가 가장 높은 것을 확인할 수 있다. Referring to Table 1, it can be seen that conductivity is almost non-existent when the heat treatment temperature is less than 600 ℃, and the conductivity is highest at 1000 ℃.

아울러, 두께 3 ㎜의 판형 목재를 1000 ℃에서 탄화하였으며, 탄화 후 수축한 목재의 두께는 약 2 ㎜ 전후이다. 탄화 후 수축한 목재를 연마하여 1 ㎜ 두께로 가공한 뒤 이를 실험에 이용하였다. In addition, plate-shaped wood with a thickness of 3 mm was carbonized at 1000°C, and the thickness of the wood shrunk after carbonization was around 2 mm. The wood that shrank after carbonization was ground and processed to a thickness of 1 mm, and then used in the experiment.

2. 니켈 도금2. Nickel plating

1000 ℃에서 탄화를 수행하여 제작한 탄화목재를 니켈 도금에 이용하였다. 구체적으로, Ag/AgCl을 기준 전극으로, 탄화 목재를 작업 전극으로 하며, 0.1 M NiCl2와 0.1 M NaCl을 만족하는 용액을 도금용액으로 하고, -0.8 V, -0.9 V, -1.1 V의 전압을 각각 인가하여 니켈 도금을 수행하였다. Carbonized wood produced by carbonization at 1000°C was used for nickel plating. Specifically, Ag/AgCl is used as the reference electrode, carbonized wood is used as the working electrode, a solution satisfying 0.1 M NiCl 2 and 0.1 M NaCl is used as the plating solution, and voltages of -0.8 V, -0.9 V, and -1.1 V are used. was applied to each to perform nickel plating.

도 1 내지 3은 니켈 도금 결과를 SEM으로 관찰하고 이를 도시한 것이다. 도 1 내지 3을 참고하면, 니켈 도금 후, 탄화목재의 기공에 니켈 입자가 채워진 것을 확인할 수 있다. 또한 -1.1 V의 전압을 인가한 경우 균일하고 밀도 높은 니켈 도금층이 형성되는 것을 확인할 수 있다. Figures 1 to 3 show the nickel plating results observed by SEM. Referring to Figures 1 to 3, it can be seen that nickel particles are filled in the pores of the carbonized wood after nickel plating. In addition, it can be seen that when a voltage of -1.1 V is applied, a uniform and high-density nickel plating layer is formed.

또한, 최초 탄화목재 무게와 니켈 도금된 탄화목재 무게를 대비하여 니켈이 전체 대비 약 10 중량%인 것을 확인하였다. In addition, by comparing the weight of the initial carbonized wood and the weight of the nickel-plated carbonized wood, it was confirmed that nickel was about 10% by weight of the total weight.

3. 그래핀층 형성3. Graphene layer formation

-1.1 V로 니켈 도금한 탄화목재 상에 화학기상증착법을 이용하여 그래핀층을 형성하였다. 구체적으로, 니켈이 도금된 탄화목재를 석영관에 넣고 분당 20 ℃의 승온 속도로 1000 ℃ 까지 가열하면서 수소를 20 sccm의 속도로 주입하였다. 이후, 1000 ℃에서 30분간 유지한후 메탄을 40 sccm의 속도로 20분간 주입하여 니켈이 도금된 탄화목재 상에 그래핀층을 형성하였다.A graphene layer was formed using chemical vapor deposition on carbonized wood plated with nickel at -1.1 V. Specifically, nickel-plated carbonized wood was placed in a quartz tube and heated to 1000°C at a temperature increase rate of 20°C per minute while hydrogen was injected at a rate of 20 sccm. After maintaining the temperature at 1000°C for 30 minutes, methane was injected at a rate of 40 sccm for 20 minutes to form a graphene layer on the nickel-plated carbonized wood.

도 4는 그래핀층 형성으로 최종적으로 제조된 수전해 촉매를 SEM으로 관찰하고 이를 도시한 것이다. 도 4를 참고하면, 탄화목재 상에 평균 입경이 275 ㎚인 니켈 입자가 고르게 분포하는 것을 확인할 수 있다. Figure 4 shows the water electrolysis catalyst finally prepared by forming a graphene layer observed by SEM. Referring to Figure 4, it can be seen that nickel particles with an average particle diameter of 275 nm are evenly distributed on the carbonized wood.

[비교예 1][Comparative Example 1]

나무를 성장방향의 수직으로 절단하고, 1000 ℃에서 탄화하여 이를 실험에 이용하였다. The tree was cut perpendicular to the growth direction, carbonized at 1000°C, and used in the experiment.

[비교예 2][Comparative Example 2]

비교예 1에서 제조된 탄화목재에 실시예 1과 같은 방법으로, -1.1V 전압을 인가하여 니켈을 도금하여 실험에 이용하였다. Nickel was plated on the carbonized wood prepared in Comparative Example 1 by applying a voltage of -1.1 V in the same manner as in Example 1, and used in the experiment.

XRD 분석XRD analysis

실시예 및 제조예의 샘플에 대한 XRD(X-ray Diffraction) 분석을 수행하고 그 결과를 도 5로 나타내었다. XRD (X-ray Diffraction) analysis was performed on the samples of Examples and Preparation Examples, and the results are shown in Figure 5.

도 5를 참고하면, 실시예에 의해 제조된 샘플에 나타난 ~22° 및 ~43°에 위치한 회절 피크는 각각 탄소의 (002) 및 (100) 결정면에 해당하며, 금속성 니켈의 특징적인 피크와 탄소의 약하고 넓은 피크를 확인할 수 있으며, 화학기상증착 후 약 26°에서 얻은 그래핀의 전형적인 피크와 니켈 피크의 감도가 증가하였다. Referring to FIG. 5, the diffraction peaks located at ~22° and ~43° shown in the sample prepared according to the example correspond to the (002) and (100) crystal planes of carbon, respectively, and the characteristic peaks of metallic nickel and carbon A weak and broad peak can be confirmed, and the sensitivity of the typical peak of graphene and the nickel peak obtained at about 26° after chemical vapor deposition increased.

라만 스펙트럼 분석Raman spectral analysis

실시예 및 제조예의 샘플에 대하여 라만 스펙트럼 분석을 수행하고 그 결과를 도 6으로 나타내었다. Raman spectrum analysis was performed on the samples of Examples and Preparation Examples, and the results are shown in FIG. 6.

도 6을 참고하면 506cm-1, 688cm-1 및 1064cm-1의 피크는 각각 NiOOH에서 Ni-O 결합, Ni(OH)2 및 O-O 스트레칭 모드에 해당하며, 화학기상증착 처리 후 2D 피크는 2691.8 cm-1 위치에 나타났다. Referring to Figure 6, the peaks at 506 cm -1 , 688 cm -1 , and 1064 cm -1 correspond to Ni-O bonding, Ni(OH) 2 , and OO stretching modes in NiOOH, respectively, and the 2D peak after chemical vapor deposition treatment is 2691.8 cm. It appeared at position -1 .

이중층 커패시턴스 확인Check double layer capacitance

실시예 및 비교예에서 제조된 샘플에 대하여 순환 전압 전류법(CV)를 이용하여 5 내지 100 mV/s의 스캔속도에서 스캔을 수행하고, 그 결과를 도 7로 나타내었다. The samples prepared in Examples and Comparative Examples were scanned using cyclic voltammetry (CV) at a scan rate of 5 to 100 mV/s, and the results are shown in FIG. 7.

도 7에서 a는 비교예 1, b는 비교예 2, c는 실시예이며, d는 스캔속도 차이에 따른 전류 밀도 차이를 계산하고 이를 도시한 것이다. 도 7을 참고하면, 실시예에 의한 촉매가 비교예 2의 니켈만 도금한 경우 대비 1.5배 이상, 비교예 1의 탄화목재 대비하면 17배 이상 높은 이중층 커패시턴스를 갖는 것을 확인할 수 있다. In Figure 7, a is Comparative Example 1, b is Comparative Example 2, c is an example, and d shows the calculated current density difference according to the scan speed difference. Referring to FIG. 7, it can be seen that the catalyst according to the example has a double layer capacitance that is more than 1.5 times higher than the nickel-only plated case of Comparative Example 2 and more than 17 times higher than the carbonized wood of Comparative Example 1.

전기화학활성 분석Electrochemical activity analysis

비교예 1 및 실시예에 의한 샘플에 대하여 수소 발생 반응(HER) 및 산소 발생 반응(OER)에서 전기 화학 활성을 분석하고 그 결과를 도 8로 나타내었다. 이때 전기 화학 활성은 1M KOH 전해질 및 가역적 수소전극을 이용하였다. The electrochemical activities of the samples according to Comparative Example 1 and Examples were analyzed in hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER), and the results are shown in FIG. 8. At this time, electrochemical activity was performed using 1M KOH electrolyte and a reversible hydrogen electrode.

도 8을 참고하면, 비교예 1의 탄화 목재는 전기 화학 활성이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있으며, 실시예에 의한 촉매의 경우 수소 발생 반응 및 산소 발생 반응 모두에서 촉매 활성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8, it can be seen that the carbonized wood of Comparative Example 1 does not exhibit electrochemical activity, and the catalyst according to the example shows catalytic activity in both the hydrogen evolution reaction and the oxygen evolution reaction.

구체적으로, 실시예에 의한 촉매의 경우 수소 발생 반응에서 10 mA/㎠ 기준 과전압이 약 0.32 V로 0.4 V 이하의 과전압을 나타내며, 산소 발생 반응에서 10 mA/㎠ 기준 과전압이 약 1.66 V로 2 V 이하, 구체적으로 1.8 V 이하의 과전압을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 이를 토대로 본 발명의 실시예에 의한 촉매가 산소 발생반응 및 수소 발생반응에 모두 사용 가능함을 확인할 수 있다. Specifically, in the case of the catalyst according to the example, the overvoltage based on 10 mA/cm2 in the hydrogen evolution reaction is about 0.32 V, which represents an overvoltage of 0.4 V or less, and in the oxygen evolution reaction, the overvoltage based on 10 mA/cm2 is about 1.66 V, which is 2 V. Below, it can be confirmed that the overvoltage is specifically 1.8 V or less, and based on this, it can be confirmed that the catalyst according to the embodiment of the present invention can be used in both oxygen evolution reaction and hydrogen evolution reaction.

Claims (15)

탄화 목재;
상기 탄화목재 상에 분포하는 니켈 입자; 및
상기 니켈 입자를 전기적으로 연결하는 그래핀층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 촉매.
carbonized wood;
Nickel particles distributed on the carbonized wood; and
A water electrolysis catalyst comprising a graphene layer electrically connecting the nickel particles.
제 1항에 있어서,
상기 탄화목재는 길이방향에 수직으로 절단된 판형 목재를 탄화한 것을 특징으로 하는 수전해 촉매.
According to clause 1,
The carbonized wood is a water electrolysis catalyst characterized in that it is carbonized plate-shaped wood cut perpendicular to the longitudinal direction.
제 2항에 있어서,
상기 탄화목재는 목재를 800 내지 1200 ℃에서 30분 내지 300분간 열처리한 것을 특징으로 하는 수전해 촉매.
According to clause 2,
The carbonized wood is a water electrolysis catalyst characterized in that wood is heat-treated at 800 to 1200 ° C. for 30 to 300 minutes.
제 1항에 있어서,
상기 니켈 입자는 도금을 통해 제조된 것을 특징으로 하는 수전해 촉매.
According to clause 1,
A water electrolysis catalyst, wherein the nickel particles are manufactured through plating.
제 4항에 있어서,
상기 도금은 니켈 전구체를 포함하는 도금 용액에서 -0.9 내지 -1.2 V의 전압을 인가하는 단계인 것을 특징으로 하는 수전해 촉매.
According to clause 4,
The water electrolysis catalyst is characterized in that the plating is a step of applying a voltage of -0.9 to -1.2 V in a plating solution containing a nickel precursor.
제 1항에 있어서,
상기 니켈 입자는 평균 입경이 150 내지 400 ㎚인 것을 특징으로 하는 수전해 촉매.
According to clause 1,
A water electrolysis catalyst wherein the nickel particles have an average particle diameter of 150 to 400 nm.
제 1항에 있어서,
상기 수전해 촉매는 수소 발생 반응에서 10 mA/㎠ 기준 과전압이 0.4 V 이하인 것을 특징으로 하는 수전해 촉매.
According to clause 1,
The water electrolysis catalyst is characterized in that the overvoltage is 0.4 V or less based on 10 mA/cm2 in the hydrogen generation reaction.
제 1항에 있어서,
상기 수전해 촉매는 산소 발생 반응에서 10 mA/㎠ 기준 과전압이 2 V 이하인 것을 특징으로 하는 수전해 촉매.
According to clause 1,
The water electrolysis catalyst is characterized in that the overvoltage is 2 V or less based on 10 mA/cm2 in the oxygen generation reaction.
목재를 탄화하여 탄화목재를 제조하는 제 1단계;
상기 탄화목재에 도금으로 니켈 입자층을 형성하는 제 2단계; 및
상기 니켈 입자층 상에 증착으로 그래핀층을 형성하는 제 3단계;를 포함하는 수전해 촉매 제조방법.
A first step of carbonizing wood to produce carbonized wood;
A second step of forming a nickel particle layer on the carbonized wood by plating; and
A water electrolysis catalyst manufacturing method comprising a third step of forming a graphene layer by deposition on the nickel particle layer.
제 9항에 있어서,
상기 제 1단계는 800 내지 1200 ℃에서 30분 내지 300분간 열처리하는 단계인 것을 특징으로 하는 수전해 촉매 제조방법.
According to clause 9,
The first step is a method of producing a water electrolysis catalyst, characterized in that heat treatment at 800 to 1200 ° C. for 30 to 300 minutes.
제 9항에 있어서,
상기 제 2단계는 -0.9 내지 -1.2 V의 전압을 인가하는 단계인 것을 특징으로 하는 수전해 촉매 제조방법.
According to clause 9,
The second step is a method of producing a water electrolysis catalyst, characterized in that the step of applying a voltage of -0.9 to -1.2 V.
제 11항에 있어서,
상기 제 2단계는 5 내지 20분간 수행되는 것을 특징으로 하는 수전해 촉매 제조방법.
According to claim 11,
A method for producing a water electrolysis catalyst, wherein the second step is performed for 5 to 20 minutes.
제 13항에 있어서,
상기 니켈 입자는 평균 입경이 150 내지 400 ㎚인 것을 특징으로 하는 수전해 촉매 제조방법.
According to clause 13,
A method for producing a water electrolysis catalyst, wherein the nickel particles have an average particle diameter of 150 to 400 nm.
제 1항에 있어서,
상기 제 3단계는 800 내지 1200 ℃의 온도에서 메탄을 20 내지 80 sccm으로 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 촉매 제조방법.
According to clause 1,
The third step is a water electrolysis catalyst manufacturing method comprising the step of injecting methane at 20 to 80 sccm at a temperature of 800 to 1200 ° C.
제 9항에 있어서,
상기 수전해 촉매는 수소 생성반응 또는 산소 생성반응용인 것을 특징으로 하는 수전해 촉매 제조방법.
According to clause 9,
A method of producing a water electrolysis catalyst, characterized in that the water electrolysis catalyst is for a hydrogen production reaction or an oxygen production reaction.
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