KR20240015979A - Macroporous cathode design for anion-exchange membrane water electrolyzer and fabrication method thereof - Google Patents

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KR20240015979A
KR20240015979A KR1020220093938A KR20220093938A KR20240015979A KR 20240015979 A KR20240015979 A KR 20240015979A KR 1020220093938 A KR1020220093938 A KR 1020220093938A KR 20220093938 A KR20220093938 A KR 20220093938A KR 20240015979 A KR20240015979 A KR 20240015979A
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Abstract

본 발명에 의한 수전해용 케소드 전극은 2개 이상의 탄소나노튜브 어레이가 수직 방향으로 교차하여 적층된 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 포함하며, 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체에 포함된 거대 기공에 의해 생성된 기체의 배출이 용이하며, 저항이 낮고 촉매활성이 우수한 장점이 있다. The cathode electrode for water electrolysis according to the present invention includes a carbon nanotube array stacked structure in which two or more carbon nanotube arrays are stacked crossing each other in the vertical direction, and the carbon nanotube array stacked structure generates macropores. It has the advantages of easy gas discharge, low resistance, and excellent catalytic activity.

Description

거대 기공을 포함하는 음이온 교환 막 수전해용 케소드 전극 및 이의 제조방법{Macroporous cathode design for anion-exchange membrane water electrolyzer and fabrication method thereof}Macroporous cathode design for anion-exchange membrane water electrolyzer and fabrication method thereof}

본 발명은 거대 기공을 포함하는 수전해용 케소드 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a cathode electrode for water electrolysis containing macropores and a method of manufacturing the same.

물의 전기분해를 통해 생산되는 그린수소는 에너지밀도가 높고 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 탄소 배출을 줄이기 위한 유망한 대체에너지 중 하나이다. Green hydrogen produced through electrolysis of water is one of the promising alternative energies for reducing carbon emissions because it has high energy density and does not emit carbon dioxide.

이러한 그린수소의 상용화를 위하여 수소 생산단가를 낮추기 위한 다양한 방법이 연구되고 있으며, 개발된 방법 중 양이온 교환막 물 전기분해는 고순도의 수소를 생산하는 고효율 공정이다. 이러한 양이온 교환막 물 전기분해는 산성 전해질로 수행되기 때문에, 이리듐 및 백금과 같은 귀금속이 각각 산소 발생반응(OER) 및 수소 발생 반응(HER)의 촉매로 사용된다. 이러한 귀금속은 양이온 교환막 물 전기분해 장치의 생산 단가를 높이는데 가장 큰 기여를 하는 요소 중 하나이다. In order to commercialize green hydrogen, various methods are being studied to lower the hydrogen production cost, and among the developed methods, cation exchange membrane water electrolysis is a highly efficient process that produces high purity hydrogen. Since this cation exchange membrane water electrolysis is performed with an acidic electrolyte, noble metals such as iridium and platinum are used as catalysts for the oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER), respectively. These precious metals are one of the factors that contribute most to increasing the production cost of cation exchange membrane water electrolysis devices.

이러한 양이온 교환막 물 전기분해의 단점을 해결하기 위하여, 전해질로 음이온 교환막을 이용하는 음이온 교환막 물 전기분해가 개발되었다. 음이온 교환막 물 전기분해의 경우 알칼리 전해질을 사용하기 때문에 산소 발생반응 및 수소 발생반응에서 귀금속 촉매 대신 니켈, 구리, 코발트 등과 같은 비귀금속 촉매를 사용할 수 있으며, 이러한 촉매의 대체로 수소 생산 비용을 현저히 낮출 수 있다. To solve these shortcomings of cation exchange membrane water electrolysis, anion exchange membrane water electrolysis using an anion exchange membrane as an electrolyte was developed. In the case of anion exchange membrane water electrolysis, an alkaline electrolyte is used, so non-precious metal catalysts such as nickel, copper, cobalt, etc. can be used instead of noble metal catalysts in the oxygen evolution reaction and hydrogen evolution reaction, and replacement of these catalysts can significantly lower the hydrogen production cost. there is.

그러나, 음이온 교환막 물 전기분해에서도, 산소 발생반응에 이용되는 비귀금속 촉매는 귀금속 촉매와 활성이 비슷한 수준을 나타내지만, 수소 발생반응에서는 여전히 귀금속 촉매와 대비하여 현저히 낮은 촉매활성을 나타내는 한계가 있다. However, even in anion exchange membrane water electrolysis, the non-precious metal catalyst used in the oxygen evolution reaction shows a similar level of activity as the noble metal catalyst, but in the hydrogen evolution reaction, there is still a limitation of showing significantly lower catalytic activity compared to the noble metal catalyst.

구체적으로 개발된 니켈 기만 수소 발생반응 촉매는 10 mA/㎠의 전류밀도에서 과전압이 80 내지 120 mV 수준으로, 백금 촉매의 15 내지 50 mV와 대비하여 현저히 높은 과전압을 나타내는 한계가 있다. Specifically, the developed nickel-based hydrogen generation reaction catalyst has an overvoltage of 80 to 120 mV at a current density of 10 mA/cm2, which is significantly higher than the 15 to 50 mV of the platinum catalyst.

아울러, 개발된 대부분의 비귀금속 수소 발생반응 촉매는 반쪽 전지테스트에서만 이용되었으며, 실제 음이온 교환막 물 전기분해에 적용하는 경우 종래 귀금속 촉매와 대비하여 더욱 낮은 촉매효율을 나타내는 한계가 있다. In addition, most of the developed non-precious metal hydrogen generation reaction catalysts were used only in half-cell tests, and when applied to actual anion exchange membrane water electrolysis, they have the limitation of showing lower catalytic efficiency compared to conventional noble metal catalysts.

종래 방식으로 제조된 수전해 촉매는 촉매 입자를 빽빽하게 쌓은 구조로 촉매의 활성점(active site)를 막기 때문에 촉매의 이용률이 떨어지며 반응물과 활성점의 접촉이 어려운 문제점이 있으며, 이러한 문제점으로 많은 양의 촉매를 이용해야 하는 문제가 있다. 또한, 종래 수전해 촉매의 경우 물질전달이 원활하지 않아 생성된 수소 또는 산소 배출이 어려우며, 배출되지 못한 수소 또는 산소는 촉매활성을 저하시키는 또 다른 원인이 될 수 있다. Water electrolysis catalysts manufactured using conventional methods have a structure in which catalyst particles are densely stacked, blocking the active sites of the catalyst, which reduces catalyst utilization and makes it difficult to contact the reactants with the active sites. Due to these problems, a large amount of There is a problem with using a catalyst. In addition, in the case of conventional water electrolysis catalysts, mass transfer is not smooth, so it is difficult to discharge the generated hydrogen or oxygen, and hydrogen or oxygen that cannot be discharged can be another cause of reduced catalytic activity.

이에, 다공성이 높아 촉매의 활성점과 반응물의 접촉 비율을 높이고, 생성된 수소 또는 산소가 원활하게 배출됨으로써 촉매 활성을 현저히 증가시킬 수 있는 수전해 촉매의 개발이 필요한 실정이다. Accordingly, there is a need to develop a water electrolysis catalyst that can significantly increase catalytic activity by increasing the contact ratio between the active site of the catalyst and the reactants due to its high porosity and smoothly discharging the generated hydrogen or oxygen.

미국 공개특허공보 제2016-0289849호U.S. Patent Publication No. 2016-0289849 미국 공개특허공보 제2021-0189574호U.S. Patent Publication No. 2021-0189574 일본 공개특허공보 제2020-513064호Japanese Patent Publication No. 2020-513064

본 발명의 목적은 촉매활성이 우수한 수전해용 케소드 전극을 제공하는 것이다. The purpose of the present invention is to provide a cathode electrode for water electrolysis with excellent catalytic activity.

본 발명의 다른 목적은 거대 기공을 포함하여 생성된 기체의 배출이 용이한 수전해용 케소드 전극을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a cathode electrode for water electrolysis that contains macropores and facilitates discharge of the generated gas.

본 발명에 의한 수전해용 케소드 전극은 2개 이상의 탄소나노튜브 어레이가 수직 방향으로 교차하여 적층된 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 포함한다.The cathode electrode for water electrolysis according to the present invention includes a carbon nanotube array stacked structure in which two or more carbon nanotube arrays are stacked in a vertical direction.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 수전해용 케소드 전극은 상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체의 일면에 형성된 베이스 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the cathode electrode for water electrolysis may further include a base substrate formed on one surface of the carbon nanotube array stacked structure.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 수전해용 케소드 전극은 상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체에 도입된 촉매 입자를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the cathode electrode for water electrolysis may include catalyst particles introduced into the carbon nanotube array stacked structure.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 수전해용 케소드 전극은 활성면적 1 ㎠ 당 0.5 내지 5 ㎎의 촉매 입자를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the cathode electrode for water electrolysis may be characterized as containing 0.5 to 5 mg of catalyst particles per 1 cm 2 of active area.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 촉매 입자는 백금, 루테늄, 로늄, 팔라듐, 오스뮴 및 이리듐에서 선택되는 1종 이상의 귀금속 또는 귀금속 합금을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the catalyst particles may include one or more noble metals or noble metal alloys selected from platinum, ruthenium, rhonium, palladium, osmium, and iridium.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극은 상기 촉매 입자로 상기 귀금속 또는 귀금속 합금을 포함하는 촉매를 도입한 경우 전기화학 활성면적이 0.5 ㎡/g 이상일 수 있다. The cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention may have an electrochemical active area of 0.5 m2/g or more when a catalyst containing the noble metal or noble metal alloy is introduced as the catalyst particle.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 촉매 입자는 니켈, 코발트, 몰리브덴, 구리, 철, 셀레늄, 크롬, 바륨, 탄탈럼, 갈륨, 주석 및 아연에서 선택되는 1종 이상 금속의 합금, 산화물, 인화물, 황화물 및 질화물;에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the catalyst particles are made of one or more metals selected from nickel, cobalt, molybdenum, copper, iron, selenium, chromium, barium, tantalum, gallium, tin, and zinc. It may be characterized as containing one or two or more selected from alloys, oxides, phosphides, sulfides, and nitrides.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 촉매 입자는 평균 입경이 100 ㎚ 이하인 것을 특징으로 할 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the catalyst particles may have an average particle diameter of 100 nm or less.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 탄소나노튜브 어레이는 탄소나노튜브가 한 방향으로 일정하게 정렬된 탄소나노튜브 단일 층인 것을 특징으로 할 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the carbon nanotube array may be characterized as a single layer of carbon nanotubes in which carbon nanotubes are uniformly aligned in one direction.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체는 상기 탄소나노튜브 어레이를 5 내지 30층 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the carbon nanotube array stacked structure may include 5 to 30 layers of the carbon nanotube array.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체는 홀수층의 탄소나노튜브 어레이와 짝수층의 탄소나노튜브 어레이가 서로 수직으로 교차하여 적층된 것을 특징으로 할 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the carbon nanotube array stacked structure may be characterized in that odd-layer carbon nanotube arrays and even-layer carbon nanotube arrays are stacked vertically crossing each other. there is.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체는 70 내지 300 ㎚의 기공크기를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the carbon nanotube array stacked structure may be characterized as having a pore size of 70 to 300 nm.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 탄소나노튜브 어레이에 포함된 탄소나노튜브는 단면 직경이 5 내지 100 ㎚인 것을 특징으로 할 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the carbon nanotubes included in the carbon nanotube array may have a cross-sectional diameter of 5 to 100 nm.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 탄소나노튜브 어레이는 수직 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 포레스트로부터 유래된 것일 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the carbon nanotube array may be derived from a carbon nanotube forest aligned in the vertical direction.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극은 상기 수전해용 케소드 전극을 수전해 장치에 적용한 경우, 동일한 촉매를 바인더와 혼합하여 제조된 케소드와 대비하여 -10mA/㎠ 기준 과전압이 5% 이상 낮아지는 것을 특징으로 할 수 있다. When the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention is applied to a water electrolysis device, the overvoltage based on -10 mA/cm2 is 5 compared to the cathode manufactured by mixing the same catalyst with a binder. It can be characterized as being lowered by more than %.

본 발명은 또한 수전해용 케소드 전극 제조방법을 제공하며, 본 발명에 의한 수전해용 케소드 전극 제조방법은 탄소나노튜브 포레스트로부터 제 1탄소나노튜브 어레이를 추출하여 베이스기판에 적층하는 제 1단계; The present invention also provides a method of manufacturing a cathode electrode for water electrolysis. The method of manufacturing a cathode electrode for water electrolysis according to the present invention includes a first step of extracting a first carbon nanotube array from a carbon nanotube forest and stacking it on a base substrate;

상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 제 2 탄소나노튜브 어레이를 추출하여 상기 제 1탄소나노튜브 어레이와 수직방향으로 적층하는 제 2단계; A second step of extracting a second carbon nanotube array from the carbon nanotube forest and stacking it in a vertical direction with the first carbon nanotube array;

상기 제 2단계를 탄소나노튜브 어레이가 5 내지 30층 적층될 때 까지 반복하여 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 제조하는 제 3단계; 및 A third step of manufacturing a carbon nanotube array stacked structure by repeating the second step until 5 to 30 layers of the carbon nanotube array are stacked; and

상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체에 촉매 입자를 도입하는 제 4단계;를 포함한다.It includes a fourth step of introducing catalyst particles into the carbon nanotube array stacked structure.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극 제조방법에서 상기 베이스 기판은 스테인레스스틸인 것을 특징으로 할 수 있다. In the method of manufacturing a cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the base substrate may be stainless steel.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극 제조방법에서 상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체는 70 내지 300 ㎚의 기공크기를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. In the method of manufacturing a cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the carbon nanotube array stacked structure may be characterized as having a pore size of 70 to 300 nm.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극 제조방법에서 상기 제 4단계는 촉매 입자를 포함하는 촉매 잉크를 상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체에 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the method for manufacturing a cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the fourth step may include applying a catalyst ink containing catalyst particles to the carbon nanotube array stacked structure.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극 제조방법에서 상기 촉매 잉크는 촉매 입자를 5 내지 15 중량% 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the method of manufacturing a cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the catalyst ink may be characterized in that it contains 5 to 15% by weight of catalyst particles.

본 발명은 또한 음이온 교환막 수전해 장치를 제공하며, 본 발명에 의한 음이온 교환막 수전해 장치는 본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극을 포함한다. The present invention also provides an anion exchange membrane water electrolysis device, and the anion exchange membrane water electrolysis device according to the present invention includes a cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 의한 수전해용 케소드 전극은 2개 이상의 탄소나노튜브 어레이가 수직 방향으로 교차하여 적층된 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 포함하여 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체에 형성된 거대 기공에 의해 생성된 기체의 배출이 용이하며, 비표면적이 넓어 촉매의 활성점과 반응물의 접촉이 용이하며, 촉매활성이 우수한 장점이 있다. The cathode electrode for water electrolysis according to the present invention includes a carbon nanotube array stacked structure in which two or more carbon nanotube arrays are stacked crossing each other in the vertical direction, and the gas generated by the macro pores formed in the carbon nanotube array stacked structure is It is easy to discharge, has a large specific surface area, facilitates contact between the active site of the catalyst and reactants, and has the advantage of excellent catalytic activity.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 포함하는 케소드를 관찰하고 이를 라만 및 XRD로 분석한 결과를 도시한 것이다.
도 2는 종래 제조방법으로 제조된 수전해 촉매의 케소드와 본 발명의 실시예에 의한 케소드의 물리적 특성을 대비하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 3은 종래 제조방법으로 제조된 제소드와 본 발명의 실시예에 의한 케소드의 전기화학 활성면적을 측정하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 4는 NiFeOx 나노입자가 도입된 제조예 및 비교예의 촉매에 관한 전기화학적 특성을 비교하고 이를 도시한 것이다.
도 5는 Pt 나노입자가 도입된 제조예 및 비교예의 촉매에 관한 전기화학적 특성을 비교하고 이를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 의한 수전해용 케소드 전극의 성능을 개발중이거나 상용 전극과 대비하고, 내구성을 측정한 결과를 도시한 것이다.
Figure 1 shows the results of observing a cathode including a carbon nanotube array stacked structure according to an example of the present invention and analyzing it through Raman and XRD.
Figure 2 compares the physical properties of a cathode of a water electrolysis catalyst prepared by a conventional manufacturing method and a cathode according to an embodiment of the present invention and shows the results.
Figure 3 shows the results of measuring the electrochemical active area of a cathode manufactured by a conventional manufacturing method and a cathode according to an example of the present invention.
Figure 4 compares and illustrates the electrochemical properties of catalysts of Preparation Examples and Comparative Examples into which NiFeO x nanoparticles were introduced.
Figure 5 illustrates and compares the electrochemical properties of catalysts of Preparation Examples and Comparative Examples into which Pt nanoparticles were introduced.
Figure 6 shows the results of measuring the durability of the performance of the cathode electrode for water electrolysis according to the present invention compared to that of an electrode under development or commercially available.

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 수전해용 케소드 전극은 2개 이상의 탄소나노튜브 어레이가 수직 방향으로 교차하여 적층된 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하여, 탄소나노튜브의 높은 전기 전도도에 의하여 전극 저항에 따른 에너지 손실을 예방하며 높은 촉매활성을 나타내고, 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체에 포함된 거대 기공에 의하여 생성된 기체의 빠른 배출이 가능한 장점이 있다. The cathode electrode for water electrolysis according to the present invention is characterized in that it includes a carbon nanotube array stacked structure in which two or more carbon nanotube arrays are stacked crossing each other in the vertical direction, and the electrode resistance is increased by the high electrical conductivity of the carbon nanotubes. It has the advantage of preventing energy loss, exhibiting high catalytic activity, and allowing rapid discharge of gas generated by the macro pores contained in the carbon nanotube array stacked structure.

구체적으로, 상기 수전해용 케소드 전극은 격자 형상으로 적층된 탄소나노튜브층에 도입된 촉매 입자를 포함할 수 있으며, 격자 형상으로 적층된 탄소나노튜브 층에 촉매 입자를 도입함으로써, 촉매의 활성점(active site)이 반응물과 접촉하기 용이하며 이에 따라 높은 촉매활성을 확보할 수 있다. Specifically, the cathode electrode for water electrolysis may include catalyst particles introduced into a carbon nanotube layer laminated in a lattice shape, and by introducing the catalyst particles into the carbon nanotube layer laminated in a lattice shape, the active site of the catalyst (active site) is easy to contact with reactants and thus high catalytic activity can be secured.

이때 상기 촉매 입자는 평균 입경이 100 ㎚ 이하, 구체적으로 50 ㎚ 이하, 더욱 구체적으로 30 ㎚ 이하인 나노 스케일의 촉매 입자일 수 있다. At this time, the catalyst particles may be nanoscale catalyst particles having an average particle diameter of 100 nm or less, specifically 50 nm or less, and more specifically 30 nm or less.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 촉매입자는 백금, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴 및 이리듐에서 선택되는 1종 이상의 귀금속 또는 귀금속 합금일 수 있다. 상기 촉매 입자로 귀금속 또는 귀금속 합금을 이용하는 경우, 상기 수전해용 케소드 전극은 전기화학 활성면적이 0.5 ㎡/g 이상, 구체적으로 0.6 내지 1 ㎡/g일 수 있으며, 이러한 높은 전기화학 활성면적은 동일한 촉매입자를 바인더를 이용하여 전극에 적용한 경우와 대비하여 2.5배, 좋게는 3배 이상 높은 수치를 나타내며, 이러한 높은 전기화학 활성면적은 촉매의 활성점과 반응물의 접촉률을 높여 촉매활성을 현저히 향상시키는 요인이 될 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, the catalyst particles may be one or more noble metals or noble metal alloys selected from platinum, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, and iridium. When using a noble metal or noble metal alloy as the catalyst particle, the cathode electrode for water electrolysis may have an electrochemical active area of 0.5 m2/g or more, specifically 0.6 to 1 m2/g, and this high electrochemical active area may be the same Compared to the case where the catalyst particles are applied to the electrode using a binder, the value is 2.5 times, or at best, more than 3 times higher. This high electrochemical active area significantly improves the catalytic activity by increasing the contact rate between the active site of the catalyst and the reactants. It could be a factor.

본 발명의 다른 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 촉매입자는 니켈, 코발트, 몰리브덴, 구리, 철, 셀레늄, 크롬, 바륨, 탄탈럼, 갈륨, 주석 및 아연에서 선택되는 1종 이상 금속의 산화물, 인화물, 황화물 및 질화물에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 좋게는 금속의 합금, 산화물, 인화물, 황화물 및 질화물은 니켈, 철, 몰리브덴, 구리, 코발트 및 크롬에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금, 산화물, 인화물, 황화물 또는 질화물일 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to another embodiment of the present invention, the catalyst particles are one or more metals selected from nickel, cobalt, molybdenum, copper, iron, selenium, chromium, barium, tantalum, gallium, tin, and zinc. It may be one or two or more selected from oxides, phosphides, sulfides and nitrides, and preferably the alloys, oxides, phosphides, sulfides and nitrides of metals are one or two or more selected from nickel, iron, molybdenum, copper, cobalt and chromium. It may be an alloy, oxide, phosphide, sulfide or nitride.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극은 활성면적 1 ㎠ 당 0.5 내지 5 ㎎, 좋게는 1 내지 4 ㎎의 촉매 입자를 포함할 수 있으며, 촉매입자의 함량이 낮은 경우 촉매활성이 충분히 나타나기 어렵고, 촉매입자의 함량이 높은 경우 촉매활성이 향상되지 않으면서 기공 크기가 줄어들어 오히려 수전해 효율 저하를 유발할 수 있다. The cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention may contain 0.5 to 5 mg, preferably 1 to 4 mg, of catalyst particles per 1 cm2 of active area, and when the content of catalyst particles is low, the catalytic activity is not sufficient. It is difficult to appear, and if the content of catalyst particles is high, the catalytic activity is not improved and the pore size is reduced, which may actually cause a decrease in water electrolysis efficiency.

본 발명에 의한 수전해용 케소드 전극에서 상기 탄소나노튜브 어레이는 탄소나노튜브가 한 방향으로 일정하게 정렬된 탄소나노튜브 단일층일 수 있으며, 이러한 탄소나노튜브 어레이는 수직방향으로 정렬된 탄소나노튜브 포레스트로부터 탄소나노튜브 단일층을 추출한 것일 수 있다. In the cathode electrode for water electrolysis according to the present invention, the carbon nanotube array may be a single layer of carbon nanotubes in which carbon nanotubes are consistently aligned in one direction, and this carbon nanotube array may be a carbon nanotube forest aligned in the vertical direction. A carbon nanotube single layer may have been extracted from.

상기 탄소나노튜브 어레이에 포함된 탄소나노튜브는 단면 직경이 10 내지 20 ㎚인 것을 이용할 수 있으며, 이러한 직경 범위를 만족하는 탄소나노튜브를 이용하여 전극 구조체의 내구성을 확보하며 높은 전기전도도를 나타내어 전극 저항에 의한 수전해 효율 저하를 예방할 수 있다. The carbon nanotubes included in the carbon nanotube array can have a cross-sectional diameter of 10 to 20 nm. By using carbon nanotubes that satisfy this diameter range, the durability of the electrode structure is secured and the electrode exhibits high electrical conductivity. Deterioration in water electrolysis efficiency due to resistance can be prevented.

상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체는 상기 탄소나노튜브 어레이를 5 내지 30층, 좋게는 7 내지 25층 적층하여 생성된 것일 수 있으며, 적층된 층이 5층 이하인 경우 촉매입자를 충분히 도입하기 어려울 수 있으며, 적층된 층이 30층 이상인 경우 비표면적 향상효과가 미미하면서도 생산 단가가 높아지는 문제가 발생할 수 있다. The carbon nanotube array stacked structure may be produced by stacking 5 to 30 layers of the carbon nanotube array, preferably 7 to 25 layers. If the stacked layer is 5 or less, it may be difficult to sufficiently introduce catalyst particles. , if the number of laminated layers is 30 or more, the effect of improving the specific surface area may be minimal, but the production cost may increase.

상세하게는 상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체는 홀수층의 탄소나노튜브 어레이와 짝수층의 탄소나노튜브 어레이가 서로 수직으로 교차하여 적층된 것일 수 있으며, 이러한 교차 구조로 인하여 상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체는 70 내지 300 ㎚, 좋게는 80 내지 250 ㎚ 크기의 기공을 포함할 수 있다. 이러한 거대 기공을 포함하여 촉매의 활성점과 반응물의 접촉 면적을 높이고 생성된 기체가 용이하게 배출될 수 있다. In detail, the carbon nanotube array stacked structure may be a stack of odd-layer carbon nanotube arrays and even-layer carbon nanotube arrays crossing each other perpendicularly, and due to this crossing structure, the carbon nanotube array stacked structure May include pores with a size of 70 to 300 nm, preferably 80 to 250 nm. By including these large pores, the contact area between the active site of the catalyst and the reactant is increased, and the generated gas can be easily discharged.

상기 수전해용 케소드 전극은 상기 탄소나노튜브 층 일면에 형성된 베이스 기판을 더 포함할 수 있으며, 이러한 베이스 기판에 의하여 탄소나노튜브 층을 지지하고 전극 구조체의 안정성을 높일 수 있다. 구체적인 일예로 상기 베이스 기판은 스테인레스 스틸 기판을 이용할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. The cathode electrode for water electrolysis may further include a base substrate formed on one side of the carbon nanotube layer, and this base substrate can support the carbon nanotube layer and increase the stability of the electrode structure. As a specific example, the base substrate may be a stainless steel substrate, but the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극은 동일한 촉매를 바인더와 혼합하여 제조된 케소드와 대비하여 -10mA/㎠ 기준 과전압이 5% 이상 낮아지는 장점이 있다. 이때 과전압은 음이온 교환막을 전해질로 하여 제조된 음이온 교환막 수전해 단일셀을 기준으로 한 것일 수 있다. The cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention has the advantage of reducing overvoltage by more than 5% based on -10 mA/cm2 compared to a cathode manufactured by mixing the same catalyst with a binder. At this time, the overvoltage may be based on a single anion exchange membrane water electrolysis cell manufactured using an anion exchange membrane as an electrolyte.

본 발명은 또한 수전해용 케소드 전극 제조방법을 제공한다. The present invention also provides a method for manufacturing a cathode electrode for water electrolysis.

본 발명에 의한 수전해용 케소드 전극 제조방법은 탄소나노튜브 포레스트로부터 제 1탄소나노튜브 어레이를 추출하여 베이스기판에 적층하는 제 1단계; The method for manufacturing a cathode electrode for water electrolysis according to the present invention includes a first step of extracting a first carbon nanotube array from a carbon nanotube forest and stacking it on a base substrate;

상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 제 2 탄소나노튜브 어레이를 추출하여 상기 제 1탄소나노튜브 어레이와 수직방향으로 적층하는 제 2단계; A second step of extracting a second carbon nanotube array from the carbon nanotube forest and stacking it in a vertical direction with the first carbon nanotube array;

상기 제 2단계를 탄소나노튜브 어레이가 5 내지 30층 적층될 때 까지 반복하여 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 제조하는 제 3단계; 및 A third step of manufacturing a carbon nanotube array stacked structure by repeating the second step until 5 to 30 layers of the carbon nanotube array are stacked; and

상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체에 촉매 입자를 도입하는 제 4단계;를 포함한다. It includes a fourth step of introducing catalyst particles into the carbon nanotube array stacked structure.

본 발명에 의한 수전해용 케소드 전극 제조방법을 통해 제조된 수전해용 케소드 전극은 촉매 활성이 우수하고, 생성된 기체의 배출이 용이한 장점이 있다. The cathode electrode for water electrolysis manufactured through the cathode electrode manufacturing method for water electrolysis according to the present invention has the advantage of excellent catalytic activity and easy discharge of the generated gas.

본 발명에 의한 수전해용 케소드 전극 제조방법의 베이스 기판, 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체 및 촉매는 상술한 본 발명의 일 실시예에 의한 수전해용 케소드 전극에 포함된 베이스 기판, 탄소나노튜브 어레이 적층구조체 및 촉매와 같을 수 있으며, 중복 기재를 피하기 위하여 상세한 설명은 생략한다. The base substrate, carbon nanotube array lamination structure, and catalyst of the method for manufacturing a cathode electrode for water electrolysis according to the present invention are the base substrate, carbon nanotube array lamination included in the cathode electrode for water electrolysis according to an embodiment of the present invention described above. The structure and catalyst may be the same, and detailed descriptions are omitted to avoid redundant description.

본 발명에 의한 수전해용 케소드 전극 제조방법에서 상기 제 4단계는 촉매 입자를 포함하는 촉매 잉크를 상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체에 도포하는 단계를 포함한다. 구체적으로 상기 촉매 잉크는 촉매 입자를 5 내지 15 중량%, 좋게는 7 내지 12 중량% 포함할 수 있으며, 촉매 입자를 소량 포함할 경우 전극 구조체에 도입되는 촉매 양이 지나치게 적어질 수 있으며, 촉매 입자를 다량 포함할 경우 촉매가 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체의 기공을 막아 비표면적이 낮아질 수 있다. In the method of manufacturing a cathode electrode for water electrolysis according to the present invention, the fourth step includes applying a catalyst ink containing catalyst particles to the carbon nanotube array stack structure. Specifically, the catalyst ink may contain 5 to 15% by weight of catalyst particles, preferably 7 to 12% by weight, and if it contains a small amount of catalyst particles, the amount of catalyst introduced into the electrode structure may be excessively small, and the catalyst particles If it contains a large amount, the catalyst may block the pores of the carbon nanotube array stacked structure, lowering the specific surface area.

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.

[제조예 1][Production Example 1]

1. 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체의 제조1. Manufacturing of carbon nanotube array layered structure

먼저 SUS 박판을 에탄올로 세척한 뒤, 높이가 약 300 ㎛인 탄소나노튜브 포레스트(A-tech 社)로부터 탄소나노튜브 어레이를 추출하여 SUS 상에 적층하였으며, 홀수층 탄소나노튜브 어레이와 짝수층 탄소나노튜브 어레이는 서로 수직으로 교차하도록 적층하여, 총 10층의 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 제조하였다. First, the SUS thin plate was washed with ethanol, and then a carbon nanotube array was extracted from a carbon nanotube forest (A-tech) with a height of about 300 ㎛ and laminated on the SUS. The odd-layer carbon nanotube array and the even-layer carbon The nanotube arrays were stacked to intersect each other perpendicularly to produce a 10-layer carbon nanotube array stacked structure.

2. 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 포함하는 케소드의 제조2. Manufacture of cathode containing carbon nanotube array stacked structure

제조된 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체에 NiFeOx 또는 백금 촉매 나노입자를 도입하였다. 구체적으로, 3 ㎖ 에탄올에 10 중량%가 되도록 각각 촉매 나노입자를 혼합하여 잉크를 제조한 뒤, 드롭와이즈(drop-wise) 방법으로 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체에 촉매를 도입하였다. 이때 촉매는 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체 1㎠ 당 2.0 ㎎가 도입되도록 하였다. 촉매 도입 후, 에탄올을 증발시켜 최종적으로 촉매가 도입된 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 제조하였다. 이하 본 발명에서 NiFeOx가 도입된 촉매는 NiFeOx_CNTS라 하며, 백금이 도입된 촉매는 Pt_CNTS라 한다. NiFeO x or platinum catalyst nanoparticles were introduced into the manufactured carbon nanotube array stacked structure. Specifically, ink was prepared by mixing each catalyst nanoparticle to 10% by weight in 3 ml ethanol, and then the catalyst was introduced into the carbon nanotube array stacked structure using a drop-wise method. At this time, 2.0 mg of catalyst was introduced per 1 cm2 of the carbon nanotube array stacked structure. After introducing the catalyst, ethanol was evaporated to finally prepare a carbon nanotube array stacked structure into which the catalyst was introduced. Hereinafter, in the present invention, the catalyst into which NiFeO x is introduced is referred to as NiFeO x _CNTS, and the catalyst into which platinum is introduced is referred to as Pt_CNTS.

3. 수전해 단위셀의 제조 3. Manufacturing of water electrolysis unit cell

FumapemTM을 음이온 교환 막으로 사용하고, 양극은 SUS 기판에 NiFe 촉매를 전기전착법을 이용하여 도금한 전극을 사용하였다. 이때 전기전착은 3 mM 니켈 나이트레이트, 3 mM 철 나이트레이트와 boric acid를 포함하는 도금용액에 SUS 박판을 침지하고 -50 mA의 전류를 600 초 동안 인가하여 제조한 것을 이용하였다.Fumapem TM was used as an anion exchange membrane, and the anode was an electrode in which NiFe catalyst was plated on a SUS substrate using an electrodeposition method. At this time, the electrodeposition was prepared by immersing a SUS thin plate in a plating solution containing 3mM nickel nitrate, 3mM iron nitrate, and boric acid and applying a current of -50 mA for 600 seconds.

앞서 제조된 케소드를 포함하며, 음이온 교환막을 전해질로, 전기전착으로 NiFe가 도입된 기판을 애노드으로 하여 수전해 단위 셀을 제조하였다. A water electrolysis unit cell was manufactured including the previously prepared cathode, an anion exchange membrane as an electrolyte, and a substrate into which NiFe was introduced by electrodeposition as an anode.

[비교예 1][Comparative Example 1]

1. 종래 방식의 케소드 및 이를 도입한 수전해 단위 셀의 제조1. Manufacturing of a conventional cathode and a water electrolysis unit cell incorporating the same

SUS 박판에 스프레이 방식을 이용하여 NiFeOx 또는 백금 촉매 나노입자를 도입하였다. 구체적으로, 이소프로판올 용매에 이오노머(FAA-3-Br, Fumatech Co., Germany), 물 및 NiFeOx 또는 백금 촉매 나노입자를 투입하여 촉매 잉크를 제조하였으며, 이때 이오노머는 촉매 중량의 20%가 되도록 투입하였다. 제조된 촉매 잉크를 에탄올로 세척된 SUS 박판에 스프레이하여 촉매를 도입하였으며, 촉매 도입량은 제조예와 동일하게 1㎠ 당 2.0 ㎎이 되도록 스프레이 하였다. 이하 본 발명에서 NiFeOx가 도입된 촉매는 NiFeOx_NP라 하며, 백금이 도입된 촉매는 Pt_NP라 한다. NiFeO x or platinum catalyst nanoparticles were introduced into a SUS sheet using a spray method. Specifically, catalyst ink was prepared by adding ionomer (FAA-3-Br, Fumatech Co., Germany), water, and NiFeO did. The prepared catalyst ink was sprayed on a SUS thin plate washed with ethanol to introduce the catalyst, and the amount of catalyst introduced was 2.0 mg per 1 cm 2 in the same manner as in the preparation example. Hereinafter, in the present invention, the catalyst into which NiFeO x is introduced is referred to as NiFeO x _NP, and the catalyst into which platinum is introduced is referred to as Pt_NP.

이후, 수전해 단위 셀을 제조예 1과 같은 방법으로 제조하되, 케소드를 종래 종래 방식으로 제조된 케소드로 치환하여 수전해 단위 셀을 제조하였다. Thereafter, a water electrolysis unit cell was manufactured in the same manner as Preparation Example 1, except that the cathode was replaced with a cathode manufactured in a conventional manner.

제조예에서 제조된 케소드의 관찰Observation of the cathode prepared in the preparation example

도 1의 a 는 본 발명에 의한 촉매가 도입된 케소드 구조체의 형상을 이미지로 도시한 것이며, b는 탄소나노튜브 케소드 구조체의 제조과정을 대략적으로 도시한 것이다. Figure 1a shows an image of the shape of the cathode structure into which the catalyst according to the present invention is introduced, and b roughly shows the manufacturing process of the carbon nanotube cathode structure.

도 1의 c는 탄소나노튜브 어레이를 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 관찰하고 그 결과를 도시한 것으로, 탄소나노튜브 어레이가 수직방향으로 적층됨에 따라, 정사각형 형상의 거대 기공이 있는 탄소나노튜브 전극이 형성된 것을 확인할 수 있다. Figure 1c shows the results of observing a carbon nanotube array with a SEM (Scanning Electron Microscope). As the carbon nanotube array is stacked in the vertical direction, a carbon nanotube electrode with square-shaped macro pores is formed. formation can be confirmed.

도 1의 d 내지 g는 탄소나노튜브 어레이에 촉매를 도입한 후, SEM 및 TEM(Transmission Electron Microscope)으로 이를 관찰하고 도시한 것이다. 도 1의 d 내지 g를 참고하면, 수백 나노미터 크기로 응집된 촉매가 탄소나노튜브 어레이에 분산되어 다공특성을 나타냄을 확인할 수 있다. Figures 1d to 1g illustrate introduction of a catalyst into a carbon nanotube array and observation using SEM and TEM (Transmission Electron Microscope). Referring to Figures d to g of Figure 1, it can be seen that the catalyst aggregated to a size of hundreds of nanometers is dispersed in the carbon nanotube array and exhibits porous characteristics.

도 1의 h는 촉매를 라만 분광법으로 분석한 것이며, i는 촉매를 XRD(X-ray Diffraction)로 분석하고 이를 도시한 것이다. 도 1의 h를 참고하면 D(~1350 ㎝-1) 및 G(~1590 ㎝-1) 밴드로 인덱싱 될 수 있는 두 개의 피크가 관찰됨을 확인할 수 있으며, 두 촉매 모두 D 밴드에 비해 G 밴드의 intensity가 높은 점을 바탕으로 탄소나노튜브 어레이가 잘 흑연화 된 것을 확인할 수 있다. In Figure 1, h shows the catalyst analyzed by Raman spectroscopy, and i shows the catalyst analyzed by XRD (X-ray Diffraction). Referring to h in Figure 1, it can be seen that two peaks that can be indexed into D (~1350 cm-1) and G (~1590 cm-1) bands are observed, and for both catalysts, the G band is higher than the D band. Based on the high intensity, it can be confirmed that the carbon nanotube array has been well graphitized.

도 1의 i를 참고하면, NiFeOx_CNTS의 경우 NiFe2O4(JCPDS: 10-0325) 및 흑연(JCPDS: 75-2087) 피크가 관찰되며, Pt_CNTS의 경우 Pt(JCPDS: 04-0802) 및 흑연 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있고, 나머지 피크는 SUS 박판으로부터 비롯된 것으로 볼 수 있다. 이러한 XRD 분석 결과를 바탕으로 각 촉매 나노입자가 탄소나노튜브에 잘 도입된 것을 확인할 수 있다. Referring to i in Figure 1 , for NiFeO It can be seen that a graphite peak is observed, and the remaining peaks can be seen as originating from the SUS thin plate. Based on these XRD analysis results, it can be confirmed that each catalyst nanoparticle was well introduced into the carbon nanotube.

비교예에서 제조된 케소드의 관찰 및 제조예와 비교Observation of the cathode prepared in the comparative example and comparison with the manufacturing example

도 2의 a 및 b는 제조예의 케소드와 비교예의 케소드를 SEM으로 관찰하고 이를 대비한 것이다. 도 2의 a 및 b를 참고하면, 제조예의 케소드는 다공성 탄소나노튜브 어레이에 촉매 나노파티클이 분산되어 있는 반면, 비교예의 케소드는 큰 기공 없이 조밀하게 패킹된 촉매 나노입자를 확인할 수 있다. Figures 2a and b show the comparison between the cathode of the manufacturing example and the cathode of the comparative example observed by SEM. Referring to Figures 2 a and b, the cathode of the preparation example has catalytic nanoparticles dispersed in a porous carbon nanotube array, while the cathode of the comparative example has densely packed catalytic nanoparticles without large pores.

제조예와 비교예에서 제조된 케소드에 대하여 수은 기공 측정기(PM33GT, Quantachrome, USA)를 이용하여 기공 분포를 관찰하고 그 결과를 도 2의 c로 나타내었다. 도 2의 c를 참고하면, 제조예에서 제조된 NiFeOx_CNTS 및 Pt_CNTS는 주로 100 내지 200 ㎚ 크기의 거대 기공을 다수 포함하는 것을 확인할 수 있으며, 비교예에서 제조된 NiFeOx_NP 및 Pt_NP는 거대기공이 거의 나타나지 않음을 확인할 수 있다. 아울러, 제조예에서 제조된 케소드의 기공률은 77.3%이며, 비교예에서 제조된 케소드의 기공률은 67.1%로 확인되었다. The pore distribution of the cathodes prepared in the Preparation Examples and Comparative Examples was observed using a mercury porosity meter (PM33GT, Quantachrome, USA), and the results are shown in Figure 2c. Referring to c in FIG . 2, it can be seen that NiFeO You can see that this hardly appears. In addition, the porosity of the cathode manufactured in the preparation example was confirmed to be 77.3%, and the porosity of the cathode manufactured in the comparative example was confirmed to be 67.1%.

도 2의 d는 제조예 및 비교예에서 제조된 각 전극의 전기 저항을 관찰하여 이를 도시한 것이며, 도 2의 e는 각 전극의 수접촉각을 측정하고 이를 도시한 것이다. 도 2의 d를 참고하면, 제조예의 전기 저항이 현저히 낮은 것을 확인할 수 있으며, 비교예에 포함된 비전도성 이오노머 및 탄소나노튜브의 높은 전기전도도에 의한 것으로 볼 수 있다. 도 2의 e는 각 케소드의 접촉각을 측정하고 이를 도시한 것으로, 접촉각은 도입된 촉매 나노입자의 종류에 따라 달라짐을 확인할 수 있다. Figure 2d shows the observed electrical resistance of each electrode manufactured in Production Examples and Comparative Examples, and Figure 2e shows the water contact angle of each electrode measured. Referring to d in FIG. 2, it can be seen that the electrical resistance of the preparation example is significantly low, which can be seen to be due to the high electrical conductivity of the non-conductive ionomer and carbon nanotubes included in the comparative example. Figure 2e shows the contact angle of each cathode measured, and it can be seen that the contact angle varies depending on the type of catalyst nanoparticle introduced.

도 3은 제조예 및 비교예에서 제조된 촉매의 전기화학 활성면적(ECSA, Electrochemically Active Surface Area)를 측정하고 그 결과를 도시한 것이다. 도 3을 참고하면, 탄소나노튜브 어레이에 촉매 입자를 도입한 경우 전기화학 활성면적이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 백금 나노입자를 도입한 경우의 전기화학 활성면적을 대비하고 하기 표 1로 나타내었다. Figure 3 shows the results of measuring the electrochemically active surface area (ECSA) of catalysts prepared in Preparation Examples and Comparative Examples. Referring to Figure 3, it can be seen that the electrochemical active area increases when catalyst particles are introduced into the carbon nanotube array. Specifically, the electrochemical active area when platinum nanoparticles were introduced was compared and shown in Table 1 below.

제조예Manufacturing example 비교예Comparative example Pt_CNTSPt_CNTS Pt_NPPt_NP ECSA(㎡/g)ECSA(㎡/g) 0.7310.731 0.1940.194

표 1을 참고하면, 탄소나노튜브 어레이에 귀금속인 백금 나노 입자를 도입한 제조예의 경우 비교예와 대비하여 2배 이상, 구체적으로 3 내지 5배 높은 전기화학활성면적을 갖는 것을 확인할 수 있다. Referring to Table 1, it can be seen that the production example in which platinum nanoparticles, a noble metal, are introduced into the carbon nanotube array has an electrochemical active area that is more than two times, specifically 3 to 5 times higher, compared to the comparative example.

제조된 케소드의 전기화학적 특성 확인Confirmation of electrochemical properties of manufactured cathode

제조예 및 비교예의 케소드는 3전극 시스템으로 평가되었다. 구체적으로 각 촉매 전극은 활성면적이 1 ㎠이며, 흑연봉을 상대전극으로, Ag/AgCl을 기준전극으로 하였다. 수소 발생 반응 촉매 활성을 확인하기 위하여, 1 M KOH 용액에서 LSV(Linear Sweep Voltammetry)로 평가를 수행했으며, -0.5에서 0 V의 전압 범위에서 초당 5 mV의 스캔 속도로 스캔을 수행하였다. 또한, 촉매 안정성은 50시간 동안 -10 mA/㎠의 전류밀도 조건에서 측정을 수행하였다. The cathodes of Preparation Examples and Comparative Examples were evaluated as a three-electrode system. Specifically, each catalyst electrode had an active area of 1 cm2, and a graphite rod was used as a counter electrode and Ag/AgCl was used as a reference electrode. To confirm the catalytic activity of the hydrogen evolution reaction, evaluation was performed by linear sweep voltammetry (LSV) in 1 M KOH solution, and scans were performed at a scan rate of 5 mV per second in the voltage range of -0.5 to 0 V. In addition, catalyst stability was measured at a current density of -10 mA/cm2 for 50 hours.

도 4는 NiFeOx를 포함하는 NiFeOx_CNTS 및 NiFeOx_NP에 대하여 전기화학활성을 측정하고 그 결과를 도시한 것이고, 도 5는 Pt_CNTS 및 Pt_NP에 대한 전기화학 활성을 측정하고 그 결과를 도시한 것이다. Figure 4 includes NiFeO x The electrochemical activity was measured for NiFeO

도 4 및 5의 a 내지 c를 참고하면, 제조예에서 제조되며, 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 포함하는 NiFeOx_CNTS 및 Pt_CNTS의 수전해 촉매 활성이 더욱 높은 것을 확인할 수 있다. Referring to Figures 4 and 5, a to c, it can be seen that the water electrolysis catalyst activity of NiFeO

구체적으로, 도 4 및 도 5에서 -10mA/㎠ 전류밀도를 기준으로 한 과전압 및 Tafel 기울기를 측정하고 그 결과를 하기 표 2로 나타내었다. Specifically, the overvoltage and Tafel slope were measured based on a current density of -10 mA/cm2 in Figures 4 and 5, and the results are shown in Table 2 below.

제조예Manufacturing example 비교예Comparative example NiFeOx_CNTS NiFeOx_CNTS Pt_CNTSPt_CNTS NiFeOx_NP NiFeOx_NP Pt_NPPt_NP -10mA/㎠ 과전압(mV)-10mA/㎠ overvoltage (mV) 208208 38.938.9 246246 42.242.2 Tafel 기울기(mV/dec)Tafel slope (mV/dec) 49.6149.61 6.096.09 60.4160.41 5.355.35

표 2를 참고하면, 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 포함하는 케소드의 경우 비교예와 대비하여 낮은 과전압을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 NiFeOx_CNTS의 경우 -10mA/㎠ 기준 과전압이 230 mV 이하, 구체적으로 220 mV 이하인 것을 확인할 수 있으며, Pt_CNTS의 경우 -10mA/㎠ 기준 과전압이 50 mV 이하, 45 mV 이하인 것을 확인할 수 있다. Referring to Table 2, it can be seen that the cathode including the carbon nanotube array stacked structure shows a lower overvoltage compared to the comparative example. Specifically, in the case of NiFeO

Tafel 기울기의 경우 NiFeOx를 도입한 케소드에서 현저한 차이를 나타내며, Pt를 도입한 케소드의 경우 차이가 미미한 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 NiFeOx를 도입한 케소드의 경우 Tafel 기울기가 55 mV/dec이하일 수 있다. In the case of Tafel slope, there is a significant difference in the cathode incorporating NiFeO Specifically, in the case of a cathode incorporating NiFeO x , the Tafel slope may be less than 55 mV/dec.

과전압 및 Tafel 기울기 모두 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 포함하는 케소드의 과전압 및 Tafel 기울기가 낮은 것을 확인할 수 있으며, 동일한 촉매 입자를 사용하고, 촉매 도입량을 동일하게 설정하였음에도 이러한 차이를 나타내는 것은 상술한 전기화학 활성면적 차이에 의한 것으로 판단된다. It can be seen that both the overvoltage and Tafel slope of the cathode containing the carbon nanotube array stacked structure are low, and this difference occurs even though the same catalyst particles are used and the catalyst introduction amount is set to the same, as described above. It is believed to be due to differences in chemical activity area.

도 4 및 도 5의 c는 50시간 동안 촉매 안정성을 관찰하고 이를 도시한 것이다. NiFeOx_CNTS의 경우 NiFeOx_NP와 대비하여 현저히 높은 안정성을 나타내며, Pt_CNTS와 Pt_NP는 비슷한 수준의 안정성을 나타냄을 확인할 수 있다. Figures 4 and 5c show catalyst stability observed for 50 hours. It can be seen that NiFeO x _CNTS shows significantly higher stability compared to NiFeO x _NP, and Pt_CNTS and Pt_NP show similar levels of stability.

제조된 케소드의 음이온 교환막 수전해 단일 셀 테스트Anion exchange membrane water electrolysis single cell test of manufactured cathode

제조된 케소드를 음이온 교환막 수전해 단일셀에 적용하여 CV(Cyclic voltammogram)를 통해 성능을 확인하였다. 제조된 케소드를 작업 전극으로 이용하였으며, 1 ㎠ 당 0.2 ㎎의 백금 촉매가 로딩되며, 30 중량%의 이오노머 함량을 갖는 촉매 잉크를 분무하여 제조된 40 중량% Pt/C 전극을 상대전극으로 이용하였다. CV는 초당 5 mV의 속도로 0.05 내지 1.2 V 범위에서 스캔되었으며, 셀 온도는 30 ℃를 유지하였다. The manufactured cathode was applied to an anion exchange membrane water electrolysis single cell and its performance was confirmed through CV (Cyclic voltammogram). The prepared cathode was used as a working electrode, 0.2 mg of platinum catalyst was loaded per 1 cm2, and a 40% by weight Pt/C electrode prepared by spraying a catalyst ink with an ionomer content of 30% by weight was used as a counter electrode. did. CV was scanned in the range 0.05 to 1.2 V at a rate of 5 mV per second, and the cell temperature was maintained at 30 °C.

음이온 교환막 수전해 단일 셀의 성능 내구성은 단일 셀 테스트를 기반으로 하였다. 구체적으로 SUS 기반 양극판을 애노드으로 이용하였으며, 제조된 케소드에 다공성 수송층을 결합하여 케소드로 이용하였다. 음이온 교환막은 두께 50 ㎛의 FAA-3-50 멤브레인을 이용하였으며, 멤브레인은 1 M KOH 용액으로 30분동안 전처리한 뒤, 탈이온수로 세척한 것을 이용하였다. 이때 양극의 촉매 로딩량은 1 ㎎/㎠로 하였으며, 열압착 공정 없이 막-전극 접합체를 제조하였다. The performance durability of the anion exchange membrane water electrolysis single cell was based on single cell testing. Specifically, a SUS-based positive electrode plate was used as an anode, and a porous transport layer was combined with the manufactured cathode to use it as a cathode. The anion exchange membrane used was a FAA-3-50 membrane with a thickness of 50 ㎛, and the membrane was pretreated with 1 M KOH solution for 30 minutes and then washed with deionized water. At this time, the catalyst loading amount of the anode was set to 1 mg/cm2, and the membrane-electrode assembly was manufactured without a heat compression process.

음이온 교환막 수전해 수전해 단일셀의 분극 곡선은 초당 5 mV의 스캔 속도에서 1.35 내지 2.15 V의 전압 스윕법을 이용하였다. 60 ℃로 예열된 1 M KOH 용액을 분당 1 ㎖의 유속으로 양극과 케소드에 반응물로 공급하였으며, 셀 온도는 70 ℃로 유지하였다. 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 이용하여 전하 이동, 옴 및 질량수송저항을 측정하였으며, Nyquist 플롯은 1.9 V에서 50 mV 진폭으로 측정하였으며, 셀의 내구성은 40시간 동안 250, 500 및 1000 mA/㎠의 정전류밀도에서 작동되는 chronopotentiometry를 이용하였다. The polarization curve of the anion exchange membrane water electrolysis single cell was determined using a voltage sweep method of 1.35 to 2.15 V at a scan rate of 5 mV per second. A 1 M KOH solution preheated to 60°C was supplied as a reactant to the anode and cathode at a flow rate of 1 mL per minute, and the cell temperature was maintained at 70°C. Charge transfer, ohmic and mass transport resistance were measured using electrochemical impedance spectroscopy (EIS), Nyquist plot was measured at 1.9 V with 50 mV amplitude, and cell durability was measured at 250, 500, and 1000 mA/㎠ for 40 hours. Chronopotentiometry, which operates at a constant current density of , was used.

도 4 및 도 5의 d 내지 f는 음이온 교환막을 적용한 단일 셀의 성능을 평가하고 이를 도시한 것이다. 도 4 및 도 5의 d는 제조예 및 비교예에서 제조된 전극의 음이온 교환막 수전해 수전해 단일셀 성능을 평가하고 이를 도시한 것이다. 도 4의 d를 참고하면 동일한 촉매 로딩량을 갖는 제조예 빛 비교예의 케소드가 성능 차이를 나타냄을 확인할 수 있으며, 구체적으로 2.05 V에서 NiFeOx_CNTS를 적용한 셀의 전류밀도가 1480 mA/㎠으로 NiFeOx_NP를 적용한 셀의 전류밀도인 584 mA/㎠ 보다 높은 것을 확인할 수 있으며, NiFeOx_CNTS를 적용한 셀의 전류밀도가 NiFeOx_NP를 적용한 셀의 전류밀도 보다 약 2.53배 높은 결과를 나타내었다. Figures 4 and 5 d to f illustrate the evaluation of the performance of a single cell using an anion exchange membrane. Figures 4 and 5d illustrate the evaluation of the anion exchange membrane water electrolysis single cell performance of the electrodes manufactured in Preparation Examples and Comparative Examples. Referring to Figure 4d, it can be seen that the cathode of the production example and comparative example with the same catalyst loading amount shows a difference in performance. Specifically, the current density of the cell applying NiFeO x _CNTS at 2.05 V is 1480 mA/cm2. It can be confirmed that the current density of the cell using NiFeO

도 5의 d를 참고하면 1.9 V에서 Pt_CNTS를 적용한 셀의 전류밀도가 4000 mA/㎠으로 Pt_NP를 적용한 셀의 전류밀도인 2486 mA/㎠와 대비하여 현저히 높은 것을 확인할 수 있으며, Pt_CNTS를 적용한 셀의 전류밀도가 Pt_NP를 적용한 셀의 전류밀도 보다 약 1.6배 높은 결과를 나타내었다. Referring to d in Figure 5, it can be seen that the current density of the cell to which Pt_CNTS is applied at 1.9 V is 4000 mA/cm2, which is significantly higher than the current density of 2486 mA/cm2 to that of the cell to which Pt_NP is applied. The current density was about 1.6 times higher than that of the cell using Pt_NP.

도 4 및 도 5의 e는 Nyquist 플롯을 도시한 것으로, Nyquist 플롯의 전하 이동 저항은 촉매 활성과 관련이 있으며, 도 4 및 5에서 각 케소드의 옴저항을 하기 표 4으로 나타내었다. Figures 4 and 5 e show Nyquist plots. The charge transfer resistance of the Nyquist plot is related to catalytic activity, and the ohmic resistance of each cathode in Figures 4 and 5 is shown in Table 4 below.

제조예Manufacturing example 비교예Comparative example NiFeOx_CNTS NiFeOx_CNTS Pt_CNTSPt_CNTS NiFeOx_NP NiFeOx_NP Pt_NPPt_NP 옴 저항(mΩ cm2)Ohm resistance (mΩ cm 2 ) 6565 7575 126126 9999

표 3을 참고하면, 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 포함하는 제조예의 옴 저항이 현저히 낮은 것을 확인할 수 있으며, 구체적으로 제조예 케소드의 옴저항이 비교예 케소드의 옴저항과 대비하여 최소 20% 이상 낮은 특징이 있으며, 구체적으로 NiFeOx_CNTS의 경우 옴 저항이 80 mΩ cm2이하, 더욱 구체적으로 70 mΩ cm2이하일 수 있으며, Pt_CNTS의 경우 옴 저항이 85 mΩ cm2 이하, 구체적으로 80 mΩ cm2 이하일 수 있다. 이러한 옴저항 차이는 제조예의 케소드 전극이 전자 수송을 촉진하고 물질 수송 저항이 감소하여 나타나는 결과로 볼 수 있다. Referring to Table 3, it can be seen that the ohmic resistance of the production example including the carbon nanotube array stacked structure is significantly low, and specifically, the ohmic resistance of the production example cathode is at least 20% compared to the ohmic resistance of the comparative example cathode. Specifically , in the case of NiFeO It may be 2 or less. This difference in ohmic resistance can be seen as a result of the cathode electrode in the manufacturing example promoting electron transport and reducing material transport resistance.

도 4 및 도 5의 f는 일정한 전류밀도에서 각 케소드의 시간 전위차 측정 결과를 도시한 것이다. 도 4의 f를 참고하면, NiFeOx_NP 전극의 초기 전압과 최종 전압은 각각 1.963 V와 1.976 V로 나타났으며, 이를 통해 도출한 평균 열화율은 시간당 4.3 mV로 나타났다. 반면, NiFeOx_CNTS에서는 전압 손실이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 NiFeOx_CNTS 전극이 내구성이 우수함을 확인할 수 있다. 도 5의 f를 참고하면 Pt가 도입된 두 전극은 10800초 동안 전압 손실이 나타나지 않으며, 안정한 것을 확인할 수 있다. Figures 4 and 5f show the results of measuring the time potential difference of each cathode at a constant current density. Referring to Figure 4f, the initial and final voltages of the NiFeO On the other hand, it can be seen that no voltage loss occurs in NiFeO x _CNTS, and this confirms that the NiFeO x _CNTS electrode has excellent durability. Referring to Figure 5f, it can be seen that the two electrodes into which Pt was introduced showed no voltage loss for 10800 seconds and were stable.

다른 전극과 비교 및 내구성 평가Comparison with other electrodes and durability evaluation

도 6의 a는 음이온 교환막 수전해 단일셀에 본 발명의 제조예에 의한 케소드를 적용하여 성능을 측정한 결과와 개발중이거나 상용 전극을 사용한 성능 측정 결과를 비교하고 이를 도시한 것이다. NiFeOx_CNTS는 2.05 V에서 전류밀도가 1480 mA/㎠으로 비귀금속 촉매 중 가장 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, Pt_CNTS는 1.9 V에서 전류밀도가 4000 mA/㎠으로 개발중이거나 상용 전극들 중 가장 높은 값을 나타냄을 확인할 수 있다. Figure 6a shows a comparison between the performance measurement results of applying the cathode according to the manufacturing example of the present invention to an anion exchange membrane water electrolysis single cell and the performance measurement results using under-development or commercially available electrodes. It can be seen that NiFeOx_CNTS has a current density of 1480 mA/cm2 at 2.05 V, the highest value among non-precious metal catalysts, and Pt_CNTS has a current density of 4000 mA/cm2 at 1.9 V, the highest value among electrodes under development or commercially available. It can be confirmed that it represents .

도 6의 b는 본 발명의 제조예에 의한 케소드를 포함하는 음이온 교환막 수전해 단일 셀의 내구성을 40시간 동안 테스트하고 그 결과를 도시한 것이다. 도 6의 b를 참고하면, NiFeOx_CNTS의 경우 무시할 수 있을 정도로 미미하게 손실이 발생하였으며, Pt_CNTS의 경우 안정적인 성능을 보여주는 것을 확인할 수 있다. Figure 6b shows the results of testing the durability of an anion exchange membrane water electrolysis single cell containing a cathode according to a production example of the present invention for 40 hours. Referring to b in FIG. 6, it can be seen that in the case of NiFeO

Claims (21)

2개 이상의 탄소나노튜브 어레이가 수직 방향으로 교차하여 적층된 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 포함하는 수전해용 케소드 전극. A cathode electrode for water electrolysis comprising a carbon nanotube array stacked structure in which two or more carbon nanotube arrays are stacked crossing each other in the vertical direction. 제 1항에 있어서,
상기 수전해용 케소드 전극은 상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체의 일면에 형성된 베이스 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 1,
The cathode electrode for water electrolysis further includes a base substrate formed on one surface of the carbon nanotube array stacked structure.
제 1항에 있어서,
상기 수전해용 케소드 전극은 상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체에 도입된 촉매 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 1,
The cathode electrode for water electrolysis is characterized in that it includes catalyst particles introduced into the carbon nanotube array stacked structure.
제 3항에 있어서,
상기 수전해용 케소드 전극은 활성면적 1 ㎠ 당 0.5 내지 5 ㎎의 촉매 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 3,
The cathode electrode for water electrolysis is characterized in that it contains 0.5 to 5 mg of catalyst particles per 1 cm 2 of active area.
제 3항에 있어서,
상기 촉매 입자는 백금, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴 및 이리듐에서 선택되는 1종 이상의 귀금속 또는 귀금속 합금인 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 3,
A cathode electrode for water electrolysis, wherein the catalyst particles are one or more noble metals or noble metal alloys selected from platinum, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, and iridium.
제 5항에 있어서,
상기 수전해용 케소드 전극은 전기화학 활성면적이 0.5 ㎡/g 이상인 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 5,
The cathode electrode for water electrolysis is characterized in that the cathode electrode for water electrolysis has an electrochemical active area of 0.5 m2/g or more.
제 3항에 있어서,
상기 촉매 입자는 니켈, 코발트, 몰리브덴, 구리, 철, 셀레늄, 크롬, 바륨, 탄탈럼, 갈륨, 주석 및 아연에서 선택되는 1종 이상 금속의 산화물, 인화물, 황화물 및 질화물에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 3,
The catalyst particle is one or two or more selected from oxides, phosphides, sulfides and nitrides of one or more metals selected from nickel, cobalt, molybdenum, copper, iron, selenium, chromium, barium, tantalum, gallium, tin and zinc. A cathode electrode for water electrolysis, comprising:
제 3항에 있어서,
상기 촉매 입자는 평균 입경이 100 ㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 3,
A cathode electrode for water electrolysis, wherein the catalyst particles have an average particle diameter of 100 nm or less.
제 1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 어레이는 탄소나노튜브가 한 방향으로 일정하게 정렬된 탄소나노튜브 단일 층인 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 1,
The carbon nanotube array is a cathode electrode for water electrolysis, characterized in that it is a single layer of carbon nanotubes in which carbon nanotubes are uniformly aligned in one direction.
제 1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체는 상기 탄소나노튜브 어레이를 5 내지 30층 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 1,
The carbon nanotube array stacked structure is a cathode electrode for water electrolysis, characterized in that it includes 5 to 30 layers of the carbon nanotube array.
제 10항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체는 홀수층의 탄소나노튜브 어레이와 짝수층의 탄소나노튜브 어레이가 서로 수직으로 교차하여 적층된 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 10,
The carbon nanotube array stacked structure is a cathode electrode for water electrolysis, wherein odd-layer carbon nanotube arrays and even-layer carbon nanotube arrays are stacked vertically crossing each other.
제 1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체는 70 내지 300 ㎚의 기공크기를 갖는 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 1,
A cathode electrode for water electrolysis, wherein the carbon nanotube array stacked structure has a pore size of 70 to 300 nm.
제 1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 어레이에 포함된 단일 탄소나노튜브는 단면 직경이 5 내지 100 ㎚인 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 1,
A cathode electrode for water electrolysis, characterized in that the single carbon nanotube included in the carbon nanotube array has a cross-sectional diameter of 5 to 100 nm.
제 1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 어레이는 수직 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 포레스트로부터 유래된 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 1,
A cathode electrode for water electrolysis, wherein the carbon nanotube array is derived from a vertically aligned carbon nanotube forest.
제 1항에 있어서,
상기 수전해용 케소드를 포함하는 경우, 동일한 촉매를 바인더와 혼합하여 제조된 케소드와 대비하여 -10mA/㎠ 기준 과전압이 5% 이상 낮아지는 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극.
According to clause 1,
A cathode electrode for water electrolysis, characterized in that when it includes the cathode for water electrolysis, the overvoltage based on -10 mA/cm2 is lowered by more than 5% compared to a cathode manufactured by mixing the same catalyst with a binder.
탄소나노튜브 포레스트로부터 제 1탄소나노튜브 어레이를 추출하여 베이스기판에 적층하는 제 1단계;
상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 제 2 탄소나노튜브 어레이를 추출하여 상기 제 1탄소나노튜브 어레이와 수직방향으로 적층하는 제 2단계;
상기 제 2단계를 탄소나노튜브 어레이가 5 내지 30층 적층될 때 까지 반복하여 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 제조하는 제 3단계; 및
상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체에 촉매 입자를 도입하는 제 4단계;를 포함하는 수전해용 케소드 전극 제조방법.
A first step of extracting a first carbon nanotube array from the carbon nanotube forest and stacking it on a base substrate;
A second step of extracting a second carbon nanotube array from the carbon nanotube forest and stacking it in a vertical direction with the first carbon nanotube array;
A third step of manufacturing a carbon nanotube array stacked structure by repeating the second step until 5 to 30 layers of the carbon nanotube array are stacked; and
A method of manufacturing a cathode electrode for water electrolysis comprising a fourth step of introducing catalyst particles into the carbon nanotube array stacked structure.
제 16항에 있어서,
상기 베이스 기판은 스테인레스스틸인 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극 제조방법.
According to clause 16,
A method of manufacturing a cathode electrode for water electrolysis, wherein the base substrate is stainless steel.
제 16항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체는 70 내지 300 ㎚의 기공크기를 갖는 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극 제조방법.
According to clause 16,
A method of manufacturing a cathode electrode for water electrolysis, wherein the carbon nanotube array stacked structure has a pore size of 70 to 300 nm.
제 16항에 있어서,
상기 제 4단계는 촉매 입자를 포함하는 촉매 잉크를 상기 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체에 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극 제조방법.
According to clause 16,
The fourth step is a method of manufacturing a cathode electrode for water electrolysis, characterized in that it includes applying a catalyst ink containing catalyst particles to the carbon nanotube array stacked structure.
제 19항에 있어서,
상기 촉매 잉크는 촉매 입자를 5 내지 15 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 케소드 전극 제조방법.
According to clause 19,
A method of manufacturing a cathode electrode for water electrolysis, wherein the catalyst ink contains 5 to 15% by weight of catalyst particles.
제 1항 내지 제 15항에서 선택되는 수전해용 케소드 전극을 포함하는 음이온 교환막 수전해 장치.An anion exchange membrane water electrolysis device comprising a cathode electrode for water electrolysis selected from claims 1 to 15.
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