KR20240015995A - Oxide containing a hydroxyl group prepared through a hydrothermal synthesis process - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수열합성 공정을 통하여 제조된 수산화기를 포함하는 산화물에 관한 것으로서, 상세하게는 수열합성을 통하여 산소빈자리에 수산화기가 치환되는 것이 아니라 수산화기가 직접 도핑된 산화물에 관한 것이다.
본 발명의 용매열에 의한 OH이온의 직접 도핑기법은 기존에 보고가 되지 않았던 새로운 원천기술로서 개발기술을 활용하여 기존에 수소이온전도체로 여겨지지 않았었던 페로브스카이트 소재들을 새롭게 발견할 수 있고, 널리 이용되고 있던 BaZrO3와 같은 소재에 대해서도 더 높은 수화력을 제공함으로써 수소이온전도도를 향상시키는데 기여할 수 있다. 또한, 제조방법이 간단하며 페로브스카이트 소재뿐만 아니라 다양한 세라믹 소재에 대해서도 적용이 가능하여 응용분야로 활용가능하다.
The present invention relates to an oxide containing a hydroxyl group prepared through a hydrothermal synthesis process, and more specifically, to an oxide in which a hydroxyl group is directly doped rather than a hydroxyl group being substituted for an oxygen vacancy through hydrothermal synthesis.
The solvothermal direct doping technique of OH ions of the present invention is a new source technology that has not previously been reported, and by utilizing the developed technology, perovskite materials that were not previously considered hydrogen ion conductors can be newly discovered, It can also contribute to improving hydrogen ion conductivity by providing higher hydration power for materials such as BaZrO3, which has been widely used. In addition, the manufacturing method is simple and can be applied not only to perovskite materials but also to various ceramic materials, making it applicable to many applications.

Description

수열합성 공정을 통하여 제조된 수산화기를 포함하는 산화물{Oxide containing a hydroxyl group prepared through a hydrothermal synthesis process}Oxide containing a hydroxyl group prepared through a hydrothermal synthesis process}

본 발명은 수열합성 공정을 통하여 제조된 수산화기를 포함하는 산화물에 관한 것으로서, 상세하게는 수열합성을 통하여 산소빈자리에 수산화기가 치환되는 것이 아니라 수산화기가 직접 도핑된 산화물에 관한 것이다.The present invention relates to an oxide containing a hydroxyl group prepared through a hydrothermal synthesis process, and more specifically, to an oxide in which a hydroxyl group is directly doped rather than a hydroxyl group being substituted for an oxygen vacancy through hydrothermal synthesis.

전 세계적으로 탄소중립에 대한 정책들이 시행되면서 2050년까지 탄소배출 제로를 달성하기 위해 관련 연구들에 많은 투자가 진행되고 있다. 수소에너지는 이러한 탄소배출 제로를 달성하기 위한 궁극적인 방안으로 여겨지고 있지만 아직까지 CO2의 배출 없이 수소를 생산할 수 있는 그린수소생산에 대한 높은 비용과 수소를 활용하여 다른 에너지로 변환할 수 있는 에너지 변환 장치들에 대한 낮은 효율과 내구성으로 이러한 부분들을 개선하기 위해 많은 연구개발이 진행되고 있다.As policies for carbon neutrality are implemented around the world, a lot of investment is being made in related research to achieve zero carbon emissions by 2050. Hydrogen energy is considered the ultimate way to achieve zero carbon emissions, but the cost of producing green hydrogen, which can produce hydrogen without CO2 emissions, is still high and the energy conversion device that can convert hydrogen into other energy is still high. Much research and development is underway to improve these aspects due to low efficiency and durability.

연료전지는 화학적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 대표적인 에너지 변환장치로서 수소를 연료로 이용하였을 때 전기를 생산하며 부산물로 물을 생산하게 된다. 반대로 전기를 가해주는 전해전지에서는 물을 분해하여 수소를 생산할 수 있기 때문에 탄소배출 제로를 달성하기 위한 필수 에너지 변환장치라 할 수 있습니다. 특히, 고체산화물 연료/전해전지는 알칼라인 연료/전해전지 1세대와 고분자 연료/전해전지 2세대에 이은 3세대 연료/전해전지로서 고온에서 운전되어 값싼 전이금속류를 촉매로 활용할 수 있을 뿐만 아니라 열에너지를 활용하면 약 90%에 가까운 에너지 효율을 보여주어 차세대 연료/전해전지로 여겨지고 있다.A fuel cell is a representative energy conversion device that can convert chemical energy into electrical energy. It produces electricity when hydrogen is used as a fuel and produces water as a by-product. Conversely, electrolytic cells that apply electricity can produce hydrogen by decomposing water, so they can be considered an essential energy conversion device to achieve zero carbon emissions. In particular, solid oxide fuel/electrolytic cells are the 3rd generation fuel/electrolytic cells following the 1st generation alkaline fuel/electrolytic cells and the 2nd generation polymer fuel/electrolytic cells. They operate at high temperatures and can not only utilize cheap transition metals as catalysts, but also use heat energy as a catalyst. When used, it shows energy efficiency of close to 90% and is considered a next-generation fuel/electrolytic cell.

수소이온전도형 고체산화물 연료/전해전지는 산소이온 전도형과는 다르게 상대적으로 낮은 450-600℃의 중온에서 운전이 가능하며 전해전지의 구동 시 수소가 물이 공급되는 전극의 반대 전극에서 생산이 되기 때문에 높은 순도의 수소를 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이러한 형태의 고체산화물 연료/전해전지의 핵심소재는 전해질로 사용되는 수소이온전도체로서 주로 perovskite구조를 가지는 산화물들로 이루어져 있다.Unlike the oxygen ion conduction type, the hydrogen ion conduction type solid oxide fuel/electrolytic cell can be operated at a relatively low medium temperature of 450-600℃, and when the electrolytic cell is operated, hydrogen is produced at the electrode opposite to the electrode supplied with water. Therefore, it has the advantage of being able to produce high purity hydrogen. The core material of this type of solid oxide fuel/electrolytic cell is a hydrogen ion conductor used as an electrolyte and is mainly composed of oxides with a perovskite structure.

페로브스카이트 소재는 ABO3 화학식을 가지는 산화물로서 A-site와 B-site에 존재하는 이온의 종류에 따라 다양한 특성을 보여주며, 산화/환원에 대한 강한 내성을 가지고 있기 때문에 전해질 소재를 포함한 많은 분야에서 활용되고 있다. 수소이온전도체의 전도도는 소재의 수화특성에 비례하기 때문에 수화력 향상이 매우 중요하다 할 수 있다. Perovskite 수소이온전도체에서도 마찬가지로 구조 내에 수산화물의 농도에 따라 수소이온전도도가 의존하게 되며, 이러한 수산화물의 농도를 증가시키는 기존의 방법은 B-site에 산화수가 낮은 전이금속이온을 도핑하여 강제로 산소이온빈자리를 형성하는 것이다. Perovskite material is an oxide with the chemical formula ABO3 and shows various properties depending on the type of ion present in the A-site and B-site. Since it has strong resistance to oxidation/reduction, it is used in many fields including electrolyte materials. It is being used in. Since the conductivity of a hydrogen ion conductor is proportional to the hydration characteristics of the material, improving hydration power is very important. Likewise, in perovskite hydrogen ion conductors, hydrogen ion conductivity depends on the concentration of hydroxide in the structure, and the existing method of increasing the concentration of hydroxide is to dope the B-site with a transition metal ion with a low oxidation number to force oxygen ion vacancies. is to form.

2Bx B+Ox O+M2O3=2MB +V O+2BO2 2B x B +O x O +M 2 O 3 =2M B +V O +2BO 2

기존 기술인 도핑에 의한 산소빈자리 형성은 효율적인 방법이지만 대부분의 페로브스카이트 소재가 도핑이온의 낮은 용해도를 가지고 있거나 전혀 도핑이 되지 않기 때문에 산소빈자리의 형성에 한계가 있다. 즉, 낮은 산소이온빈자리 농도는 낮은 수화력을 동반하며 결과적으로 수소이온전도도의 향상에 한계를 가지게 된다.Forming oxygen vacancies by doping, which is an existing technology, is an efficient method, but there are limits to the formation of oxygen vacancies because most perovskite materials have low solubility of doping ions or are not doped at all. In other words, low oxygen ion vacancy concentration is accompanied by low hydration power, and as a result, there is a limit to the improvement of hydrogen ion conductivity.

대한민국 등록특허 제 10-2215719 호Republic of Korea Patent No. 10-2215719

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 수산화기가 직접 도핑된 산화물을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the purpose of the present invention is to provide an oxide directly doped with a hydroxyl group.

또한 상기 수산화기가 직접 도핑된 산화물의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object is to provide a method for producing an oxide directly doped with the hydroxyl group.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 하기 화학식 1로 표기되는 수산화물이 도핑된 고온형 세라믹 수소이온전도체를 제공한다:In order to achieve the above object, the present invention provides a high-temperature ceramic hydrogen ion conductor doped with hydroxide represented by the following formula (1):

[화학식 1][Formula 1]

A1-xBzO3-yC2y A 1-x B z O 3-y C 2y

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

A 및 B는 각각 독립적으로 금속양이온이며,A and B are each independently a metal cation,

C는 1가 음이온이며,C is a monovalent anion,

x, y 및 z는 각각 0<x≤1, 0<y≤2, 0<z≤1이다.x, y and z are 0<x≤1, 0<y≤2, 0<z≤1, respectively.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 용매에 질산염, 염화물 또는 아세테이트(acate) 중에서 하나 이상을 포함하는 제 1 전구체, 알콕사이드(alkoxide)를 포함하는 제 2 전구체, 및 광화제(Mineralizer)를 넣고 교반하여 합성반응 진행하는 제 1 단계;In order to achieve the above other object, the present invention includes adding a first precursor containing at least one of nitrate, chloride, or acetate, a second precursor containing an alkoxide, and a mineralizer to a solvent. A first step of conducting a synthesis reaction by stirring;

합성반응 후 상온까지 쿨링하여 상등액과 분리하는 제 2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 수소이온전도체 제조방법을 제공한다.A method for producing a ceramic hydrogen ion conductor is provided, which includes a second step of cooling to room temperature after the synthesis reaction and separating it from the supernatant.

본 발명의 용매열에 의한 OH이온의 직접 도핑기법은 기존에 보고가 되지 않았던 새로운 원천기술로서 개발기술을 활용하여 기존에 수소이온전도체로 여겨지지 않았었던 페로브스카이트 소재들을 새롭게 발견할 수 있고, 널리 이용되고 있던 BaZrO3와 같은 소재에 대해서도 더 높은 수화력을 제공함으로써 수소이온전도도를 향상시키는데 기여할 수 있다. 또한, 제조방법이 간단하며 페로브스카이트 소재뿐만 아니라 다양한 세라믹 소재에 대해서도 적용이 가능하여 응용분야로 활용가능하다.The solvothermal direct doping technique of OH ions of the present invention is a new source technology that has not previously been reported, and by utilizing the developed technology, perovskite materials that were not previously considered hydrogen ion conductors can be newly discovered, It can also contribute to improving hydrogen ion conductivity by providing higher hydration power for materials such as BaZrO 3 , which has been widely used. In addition, the manufacturing method is simple and can be applied not only to perovskite materials but also to various ceramic materials, making it applicable to many applications.

개발된 수소이온전도체는 고체산화물 연료/전해전지의 전해질로 사용될 수 있으며, 고순도 수소생산을 위한 수소분리막, 수소센서, 수소이온전도도를 요구하는 촉매분야로 확장될 수 있다. 또한 최근 대체연료로 각광을 받고 있는 암모니아를 직접 연료전지에 적용 시 생성물인 물에 희석 없이 연료를 활용할 수 있다. The developed hydrogen ion conductor can be used as an electrolyte for solid oxide fuel/electrolytic cells, and can be expanded to hydrogen separation membranes for high-purity hydrogen production, hydrogen sensors, and catalyst fields that require hydrogen ion conductivity. In addition, when ammonia, which has recently been in the spotlight as an alternative fuel, is directly applied to a fuel cell, the fuel can be used without diluting the product with water.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수산화물이 직접 도핑된 Ca1-xTiO3-y(OH)2y의 SEM이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 TGA에 의해 분석된 3가지 시료의 질량감소를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 비중병(pycnometer)에 의해 분석된 밀도와 중성자 회절 분석에 의해 계산된 밀도의 비교 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스(impedance)분석을 통한 수소이온전도도를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 회절(neutron diffraction) 분석에 의한 수소이온의 동위원소인 중수소를 포함하는 결정구조를 보여주는 것으로, (a)는 일반적인 고상법에 의해 합성된 CaTiO3(CTO(SS))의 중성자 회절 패턴(neutron diffraction pattern)을 보여주며 (b)는 중수소가 직접 도핑된 Ca1-xTiO3-y(OD)2y(CTO(ST))의 중성자 회절 패턴(neutron diffraction pattern)을 보여준다. (c)는 중수소의 직접 도핑에 의해 B-site의 8면체의(octahedral)구조에서 c축 방향으로 Ti이온과 O이온의 거리가 늘어나고 b축 방향으로는 Ti이온과 O이온의 거리가 줄어드는 것을 보여주는 이미지이며, (d)는 상기 (c)에서의 구조적인 변화에 의해 기존의 사방정계(orthorhombic)구조를 가지는 CaTiO3에서 수산화물 직접 도핑에 의해 정방정계(tetragonal)구조에 가깝게 결정구조가 변화되는 것을 보여주며, (e)는 중성자 회절을 바탕으로 시뮬레이션된 Ca1-xTiO3-y(OD)2y(CTO(ST))의 결정구조를 나타내는 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 TGA-mass에 의해 분석된 중수소가 직접 도핑된 Ca1-xTiO3-y(OD)2y(CTO(ST)의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 OH이온과 OD이온이 직접 도핑된 Ca1-xTiO3-y(OH)2y와 Ca1-xTiO3-y(OD)2y의 수소이온전도도를 보여주는 그래프이다.
Figure 1 is an SEM image of Ca 1-x TiO 3-y (OH) 2y directly doped with hydroxide according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the mass reduction of three samples analyzed by TGA according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph comparing the density analyzed by a gas pycnometer and the density calculated by neutron diffraction analysis according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph showing hydrogen ion conductivity through impedance analysis according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows a crystal structure containing deuterium, an isotope of hydrogen ion, by neutron diffraction analysis according to an embodiment of the present invention, (a) is CaTiO 3 (CaTiO 3 synthesized by a general solid-phase method) (b) shows the neutron diffraction pattern of CTO(SS)), and (b) shows the neutron diffraction pattern of Ca 1-x TiO 3-y (OD) 2y (CTO(ST)) directly doped with deuterium. diffraction pattern). (c) shows that the distance between Ti ions and O ions increases in the c-axis direction and decreases the distance between Ti ions and O ions in the b-axis direction in the octahedral structure of the B-site by direct doping of deuterium. (d) is an image showing that the crystal structure is changed from CaTiO 3 , which has an existing orthorhombic structure, to a tetragonal structure by direct doping with hydroxide due to the structural change in (c). (e) is an image showing the crystal structure of Ca 1-x TiO 3-y (OD) 2y (CTO(ST)) simulated based on neutron diffraction.
Figure 6 is a graph of Ca 1-x TiO 3-y (OD) 2y (CTO(ST)) directly doped with deuterium analyzed by TGA-mass according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows the hydrogen ion conductivity of Ca 1-x TiO 3-y (OH) 2y and Ca 1-x TiO 3-y (OD) 2y directly doped with OH ions and OD ions according to an embodiment of the present invention. This is the graph that shows it.

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

본 발명의 일측면에 따르면, 하기 화학식 1로 표기되는 수산화물이 도핑된 고온형 세라믹 수소이온전도체를 제공한다:According to one aspect of the present invention, a high-temperature ceramic hydrogen ion conductor doped with hydroxide represented by the following formula (1) is provided:

[화학식 1][Formula 1]

A1-xBzO3-yC2y A 1-x B z O 3-y C 2y

상기 화학식 1에서, A 및 B는 각각 독립적으로 금속 양이온이며, C는 1가 음이온이며, x, y 및 z는 각각 0<x≤1, 0<y≤1, 0<z≤1이다.In Formula 1, A and B are each independently a metal cation, C is a monovalent anion, and x, y, and z are 0<x≤1, 0<y≤1, and 0<z≤1, respectively.

상기 A는 1족 금속, 2족 금속, 유기 양이온, 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 양이온인 것이 바람직하고, 알칼리 토금속, 희토류 금속일 수 있다.The A is preferably one or more cations selected from the group consisting of Group 1 metals, Group 2 metals, organic cations, and combinations thereof, and may be an alkaline earth metal or rare earth metal.

B는 Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, Zn, Zr, Ce, Yb, Cr, Mn 및 Si으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.B is preferably at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, Zn, Zr, Ce, Yb, Cr, Mn and Si.

C는 수산화기인 것이 바람직하고, 수산화기의 수소는 수소의 동위원소를 모두 포함하는 것이 더욱 바람직하다.C is preferably a hydroxyl group, and it is more preferable that the hydrogen of the hydroxyl group contains all isotopes of hydrogen.

상기 화학식은 ABO3의 페로브스카이트에 수산화기가 도핑되는 것이나, x 또는 z가 0일 경우 화학식이 ABO3가 아닌 AO 또는 BO2의 산화물에 수산화기가 도핑되는 것을 포함할 수 있다.The above chemical formula may include doping a hydroxyl group into the perovskite of ABO 3 , but when x or z is 0, the chemical formula may include doping an oxide of AO or BO 2 rather than ABO 3 with a hydroxyl group.

본 발명의 페로브스카이트 산화물의 양성자 전도도는 2 X 10-4 내지 0.5 X 10-5 Scm-1인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게 양성자 전도도는 2 X 10-4 내지 1.5 X 10-5 Scm-1인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 수산화물이 직접 도핑된 A1-xBzO3-yC2y 은 약 300 내지 700nm의 큐브형태의 형상이다(도 1 참조).The proton conductivity of the perovskite oxide of the present invention is preferably 2 X 10 -4 to 0.5 X 10 -5 Scm -1 . More preferably, the proton conductivity is 2 × 10 -4 to 1.5 × 10 -5 Scm -1 . In addition, A 1-x B z O 3-y C 2y directly doped with the hydroxide of the present invention has a cube-shaped shape of about 300 to 700 nm (see Figure 1).

본 발명의 페로브스카이트 산화물의 밀도는 A1-xBzO3-yC2y (용매열): 3.7 내지 4.01 g cm-3 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게 밀도는 3.8 내지 4.0 g cm-3 일 수 있다.The density of the perovskite oxide of the present invention is preferably A 1-x B z O 3-y C 2y (solvothermal): 3.7 to 4.01 g cm -3 , more preferably 3.8 to 4.0 g cm It could be -3 .

본 발명의 다른 일측면에 따르면, 용매에 질산염, 염화물 또는 아세테이트(acate) 중에서 하나 이상을 포함하는 제 1 전구체, 알콕사이드(alkoxide)를 포함하는 제 2 전구체, 및 광화제(Mineralizer)를 넣고 교반하여 합성반응 진행하는 제 1 단계; 및 합성반응 후 상온까지 쿨링하여 상등액과 분리하는 제 2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 수소이온전도체 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a first precursor containing at least one of nitrate, chloride, or acetate, a second precursor containing an alkoxide, and a mineralizer are added to the solvent and stirred. A first step of conducting a synthesis reaction; and a second step of cooling to room temperature after the synthesis reaction and separating it from the supernatant.

제 1 단계의 합성방법은 용매열합성 또는 수열합성인 것이 바람직하고, 제 1 단계의 용매는 물 또는 다가 알코올인 것이 바람직하다. 또한, 제 1 단계의 광화제는 수산화물인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 NaOH, KOH, Ca(OH)2, LiOH, RbOH, CsOH, Mg(OH)2 중에서 하나 이상을 사용할 수 있다.The first step synthesis method is preferably solvothermal synthesis or hydrothermal synthesis, and the first step solvent is preferably water or a polyhydric alcohol. In addition, the mineralizer in the first step is preferably a hydroxide, and more preferably one or more of NaOH, KOH, Ca(OH) 2 , LiOH, RbOH, CsOH, and Mg(OH) 2 can be used.

본 발명은 용매열법을 활용하여 페로브스카이트(ABO3)소재의 합성시 수산화물 이온의 직접 도핑이 가능한 것을 증명하고 최종적으로 수화된 A1-xBzO3-yC2y를 제작하는 과정을 포함한다.The present invention demonstrates that direct doping of hydroxide ions is possible when synthesizing perovskite (ABO3) material using the solvothermal method and ultimately involves the process of producing hydrated A 1-x B z O 3-y C 2y . Includes.

용매는 물을 활용하여 수열합성법으로 활용될 수 있고, 본 발명에서와 같이 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG)을 활용한 용매열법으로 활용할 수 있다. 상기 용매로 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 이소프로필알코올(iso-prophyl alcohol), N,N-디메틸포름아미드(N, N-Dimethylformamide), 중수(deuterium oxide) 단일 또는 2종 이상 더 사용할 수 있다. The solvent can be used by a hydrothermal synthesis method using water, or by a solvothermal method using polyethylene glycol (PEG) as in the present invention. Ethanol, methanol, isopropyl alcohol, N, N-dimethylformamide, and deuterium oxide can be used alone or in combination with two or more of the above solvents. You can.

전구체는 질산염, 염화물 또는 아세테이트(acate)계 전구체와 알콕사이드(alkoxide)계 전구체를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게 알콕사이드계 전구체는 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide), 티타늄 에톡사이드(titanium ethoxide) 및 티타늄 부톡사이드(titanium butoxide)중 어느 하나의 알콕사이드가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.It is preferable to use a nitrate, chloride, or acetate-based precursor and an alkoxide-based precursor as the precursor, and more preferably, the alkoxide-based precursor is titanium isopropoxide or titanium ethoxide. and titanium butoxide, any one alkoxide may be used, but is not limited thereto.

본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는한 복수형도 포함한다.In this specification, when a part “includes” a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. And the terms used in this specification are for describing embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated in the phrase.

본 문서에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.In this document, expressions such as “A or B,” “at least one of A or/and B,” or “one or more of A or/and B” may include all possible combinations of the items listed together. . For example, “A or B,” “at least one of A and B,” or “at least one of A or B” includes (1) at least one A, (2) at least one B, or (3) it may refer to all cases including both at least one A and at least one B.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, these examples are for illustrating the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예><Example>

시약reagent

질산칼슘 4수화물 Ca(NO3)2·4H2O(Alfa Aesar,>99%), titanium(IV) 이소프록사이드 isopropoxide (Aldrich, >97 %), 폴리에틸렌글리콜 polyethylene glycol 300 (20 mL, PEG-300, Aldrich), 탄산칼슘 CaCO3(Aldrich,>99.0%), 이산화티타늄 TiO2(Alfa Aesar,>99.6%), 수산화나트륨NaOH (Sigma Aldrich), 중수 D2O(Aldrich,>99.9%), 산화칼슘 CaO (Aldrich, >99.9%), 중수산화 나트륨 NaOD mineralizer (Aldrich, 40 wt. % in D2O,99at.%D), 아세트산 acetic acid (Aldrich), 디클로로메탄 Dichloromethane (Sigma Aldrich, CH2Cl2,1.33gcm-3)를 사용하였으며, 하기 실시예에 사용되는 모든 시료들은 상업적으로 판매되는 시약들을 사용하였고 각 시약들은 별도로 정제하지 않고 사용하였다.Calcium nitrate tetrahydrate Ca(NO 3 ) 2 4H 2 O (Alfa Aesar, >99%), titanium(IV) isopropoxide (Aldrich, >97 %), polyethylene glycol 300 (20 mL, PEG- 300, Aldrich), calcium carbonate CaCO 3 (Aldrich,>99.0%), titanium dioxide TiO 2 (Alfa Aesar,>99.6%), sodium hydroxide NaOH (Sigma Aldrich), heavy water D 2 O (Aldrich,>99.9%), Calcium oxide CaO (Aldrich, >99.9%), sodium deuterium oxide NaOD mineralizer (Aldrich, 40 wt. % in D 2 O,99at.%D), acetic acid (Aldrich), dichloromethane (Sigma Aldrich, CH 2 Cl 2 , 1.33 gcm -3 ) was used, and all samples used in the following examples were commercially available reagents, and each reagent was used without separate purification.

<실시예 1> 수산화물이 직접 도핑된 Ca<Example 1> Ca directly doped with hydroxide 1-x1-x TiOTiO 3-y3-y (OH)(OH) 2y2y 제조 manufacturing

Ca1-xTiO3-y(OH)2y입자는 용매열 합성법(solvothermal)에 의해 제조하였다. 구체적으로 설명하면 30 mL 테프론(Teflon)용기에 PEG-300을 20 mL 채우고 titanium isopropoxide (0.005 mol), Ca(NO3)4H2O (0.005 mol), NaOH (0.7 g)을 첨가하여 1시간 교반하였다. 교반 후 상기 테프론(Teflon)용기를 SUS용기에 넣은 후 밀봉하여 190℃ 오븐에서 20시간 동안 반응시킨 다음 상온까지 쿨링되었다. 다음 3500 rpm에서 10분간 원심분리하여 상등액을 분리하고 희석된 아세트산으로 한번 DI-water로 2번 세척하여 원심분리한 다음 80 °C 오븐에서 1일 동안 건조하였다. Ca 1-x TiO 3-y (OH) 2y particles were prepared by solvothermal synthesis. Specifically, fill 20 mL of PEG-300 in a 30 mL Teflon container and add titanium isopropoxide (0.005 mol), Ca(NO 3 ) 4H 2 O (0.005 mol), and NaOH (0.7 g) to make 1 It was stirred for some time. After stirring, the Teflon container was placed in a SUS container, sealed, reacted in an oven at 190°C for 20 hours, and then cooled to room temperature. Next, the supernatant was separated by centrifugation at 3500 rpm for 10 minutes, washed once with diluted acetic acid and twice with DI-water, centrifuged, and dried in an oven at 80 °C for 1 day.

<실시예 2> 기존의 CaTiO<Example 2> Conventional CaTiO 33 와 수화된 CaTiOand hydrated CaTiO 33 (hydrated) 제조(hydrated) manufacturing

기존의 CaTiO3는 고상법에 의해 제조하였다. 100 mL 비커에 acetone 50 mL를 채우고 CaCO3(0.005 mol)와 TiO2(0.005 mol)를 첨가한 후 acetone이 모두 휘발될 때까지 교반하였다. 교반된 분말을 알루미나 도가니에 옮긴 후 전기로를 이용하여 1100 ℃에서 calcination하였다. Calcination된 분말을 13 mm지름의 펠렛으로 가압하여 제작한 후 1350 ℃에서 12시간 동안 소결하여 제조하였다. 수화된 CaTiO3(hydrated)는 상기 제작된 펠렛을 분쇄하여 수열합성 용기에 DI-water와 함께 넣은 후 200 ℃에서 24시간 수화하였다.Existing CaTiO 3 was manufactured by a solid-phase method. 50 mL of acetone was filled in a 100 mL beaker, CaCO3 (0.005 mol) and TiO2 (0.005 mol) were added, and the mixture was stirred until all acetone was volatilized. The stirred powder was transferred to an alumina crucible and calcinated at 1100°C using an electric furnace. The calcined powder was pressed into pellets with a diameter of 13 mm and then sintered at 1350°C for 12 hours. Hydrated CaTiO 3 (hydrated) was prepared by crushing the pellets, placing them in a hydrothermal synthesis vessel with DI-water, and hydrating them at 200°C for 24 hours.

<실시예 3> 중수소가 도핑된 Ca<Example 3> Deuterium-doped Ca 1-x1-x TiOTiO 3-y3-y (OD)(OD) 2y2y 제조 manufacturing

30 mL 테프론(Teflon)용기에 PEG-300을 20 mL 채우고 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide) 0.005 mol, 건조된 CaO 0.005 mol, 중수소나트륨(NaOD) 0.7 g을 첨가하여 1시간 교반하였다. 교반 후 상기 테프론 용기를 SUS용기에 넣은 후 밀봉하여 190 ℃ 오븐에서 20시간 동안 반응시킨 다음 상온까지 쿨링시켰다. 다음 3500 rpm에서 10분간 원심분리하여 상등액을 분리하고 희석된 acetic acid로 한번 D2O로 2번 세척하여 원심분리한 다음 80 ℃ 오븐에서 1일 동안 건조하였다.20 mL of PEG-300 was filled in a 30 mL Teflon container, 0.005 mol of titanium isopropoxide, 0.005 mol of dried CaO, and 0.7 g of sodium deuterium (NaOD) were added and stirred for 1 hour. After stirring, the Teflon container was placed in a SUS container, sealed, reacted in an oven at 190°C for 20 hours, and then cooled to room temperature. Next, the supernatant was separated by centrifugation at 3500 rpm for 10 minutes, washed once with diluted acetic acid and twice with D 2 O, centrifuged, and dried in an oven at 80°C for 1 day.

<실시예 4> 수소이온전도도 측정을 위한 시료 제조<Example 4> Sample preparation for measuring hydrogen ion conductivity

수화된 CaTiO3(hydrated)와 수산화물이 직접 도핑된 Ca1-xTiO3-y(OH)2y 분말을 각각 PTFE 10 wt.%를 첨가하여 교반하였다. 각각의 분말은 13 mm 펠렛형태로 가압하여 성형하고 양쪽 면에 Ag paste를 1 cm지름의 원형으로 도포하여 전극으로 활용하였다. Hydrated CaTiO 3 (hydrated) and Ca 1-x TiO 3-y (OH) 2y powder directly doped with hydroxide were each added with 10 wt.% of PTFE and stirred. Each powder was pressed and molded into a 13 mm pellet shape, and Ag paste was applied to both sides in a circle with a diameter of 1 cm to be used as an electrode.

<실험예 1> 수화도 분석<Experimental Example 1> Hydration degree analysis

TGA분석은 Stanton Redcroft TG1000M: TGA 장비를 활용하였고 건조공기 분위기에서 페로브스카이트 구조 내의 OH이온을 분석하였다. 상온에서 100 ℃까지 승온 후 30분 동안 표면에 흡작된 수분을 제거하는 과정을 수행하였다. 이후 분당 5℃로 900 ℃까지 승온하여 결정구조 내에 존재하는 OH이온이 제거되는 온도범위와 질량을 분석하였다.TGA analysis used Stanton Redcroft TG1000M: TGA equipment and analyzed OH ions in the perovskite structure in a dry air atmosphere. After raising the temperature from room temperature to 100°C, a process was performed to remove moisture adsorbed to the surface for 30 minutes. Afterwards, the temperature was raised to 900°C at 5°C per minute, and the temperature range and mass over which OH ions present in the crystal structure were removed were analyzed.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 TGA에 의해 분석된 3가지 시료의 질량감소를 보여주는 그래프이다. 도 2를 참고하여 설명하면, CTO는 일반적인 고상법에 의해 합성되고 아무런 처리가 되지 않은 CaTiO3 페로브스카이트 소재이다. CTO(hydrated)는 상기 고상법에 의해 합성된 CaTiO3소재를 200도에서 수화한 소재이다. CTO(ST)는 본 발명의 용매열법에 의해 수산화물이 직접 도핑된 Ca1-xTiO3-y(OH)2y 소재이다. 질량감소는 페로브스카이트 구조 내 수산화물 이온의 증발에 의한 것이며 본 발명의 수산화물이 직접 도핑된 소재가 기존의 소재들과 비교하여 약 10배에 가까운 수산화물 이온을 포함하고 있다는 것을 알 수 있었으며, 이는 감소되는 질량의 OH이온을 몰 비로 확인할 수 있다. Figure 2 is a graph showing the mass reduction of three samples analyzed by TGA according to an embodiment of the present invention. As explained with reference to FIG. 2, CTO is a CaTiO3 perovskite material synthesized by a general solid-state method and without any treatment. CTO (hydrated) is a material obtained by hydrating the CaTiO3 material synthesized by the solid phase method above at 200 degrees. CTO(ST) is a Ca 1-x TiO 3-y (OH) 2y material directly doped with hydroxide by the solvothermal method of the present invention. The mass loss is due to the evaporation of hydroxide ions in the perovskite structure, and it was found that the material directly doped with hydroxide of the present invention contains about 10 times more hydroxide ions compared to existing materials, which means The decreasing mass of OH ions can be confirmed by the molar ratio.

200~500 ℃사이에 질량감소가 나타나는 것으로 보아 결정구조 내의 OH이온이 제거되면서 질량감소가 나타난 것으로 확인되었다. 본 발명의 수산화물이 직접 도핑된 소재는 0.15의 OH이온이 제거된 것에 반해 기존의 소재들은 0.015의 OH이온이 제거된 것을 확인하였다. 결과로서, 수산화물 직접도핑에 의해 약 10배에 가까운 수화력 향상을 이끌어 낼 수 있었다. It was confirmed that mass loss occurred between 200 and 500 ℃ as OH ions in the crystal structure were removed. It was confirmed that 0.15 OH ions were removed from the material directly doped with hydroxide of the present invention, whereas 0.015 OH ions were removed from the existing materials. As a result, it was possible to improve the hydration power by about 10 times by direct hydroxide doping.

<실험예 2> 밀도 분석<Experimental Example 2> Density analysis

밀도 분석은 비중병(pycnometer) 플라스크를 이용하여 수행하였다. 비중병(Pycnometer)를 세척하여 완전히 건조시킨 후 기존의 CaTiO3, 수산화물이 도핑된 Ca1-xTiO3-y(OH)2y 분말들과 디클로로메탄(Dichloromethane, CH2Cl2, 1.33gcm-3)을 이용하여 하기 식에 의해 밀도를 계산하였다.Density analysis was performed using a pycnometer flask. After washing and completely drying the pycnometer, existing CaTiO 3 , hydroxide-doped Ca 1-x TiO 3-y (OH) 2y powder and dichloromethane (CH 2 Cl 2 , 1.33gcm -3 ) The density was calculated using the formula below.

[수학식 1][Equation 1]

ρ s = m s/V s ρ s = m s / V s

ρ s: 샘플의 밀도 (g cm-3) ρ s : Density of sample (g cm -3 )

m s: 샘플의 질량 (g) m s : mass of sample (g)

V s: 샘풀의 부피 (cm3) V s : volume of sample (cm 3 )

[수학식 2][Equation 2]

V s = V 0-V w V s = V 0 - V w

V 0: 빈 비중병(pycnometer)의 부피 (cm3) V 0 : Volume of empty pycnometer (cm 3 )

V w: 작동유체의 부피 (cm3) V w : Volume of working fluid (cm 3 )

[수학식 3][Equation 3]

V w = {(m 0+m s+m w)-(m 0+m s)}/ρ s V w = {( m 0 + m s + m w )-( m 0 + m s )}/ ρ s

m 0: 빈 비중병(pycnometer)의 질량 (g) m 0 : Mass of empty pycnometer (g)

m w: 작동유체의 질량 (g) m w : mass of working fluid (g)

ρ s: 작동유체의 밀도 (1.33 g cm-3) ρ s : Density of working fluid (1.33 g cm -3 )

중성자 회절에 의해 분석된 데이터는 GASAII 소프트웨어를 이용한 개량에 의해 해석되었고 밀도가 계산되었다.The data analyzed by neutron diffraction were interpreted by modification using GASAII software and the density was calculated.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 비중병(pycnometer)에 의해 분석된 밀도와 중성자 회절 분석에 의해 계산된 밀도의 비교 그래프이다. 도 3을 참고하여 설명하면, CTO(SS)는 일반적인 고상법에 의해 합성된 CaTiO3를 나타내며 CTO(ST)는 본 발명의 수산화물이 직접 도핑된 본 발명의 Ca1-xTiO3-y(OH)2y를 나타낸다. CNTO(ST)는 수산화물과 Ni이온이 동시에 도핑된 것을 나타낸다. 그래프에서 수산화물이 직접 도핑되었을 때 density의 감소는 상기 식에서 보여주는 것과 같이 수산화물 이온이 도핑되면서 A-site Ca이온의 자리에 빈자리가 형성되는 것으로 설명된다. 이 때의 밀도는 Ca1-xTiO3-y(OH)2y (용매열): 3.914±0.02 g cm-3 CaTiO3 (고체,solid-state): 4.005±0.03 g cm-3이었다.Figure 3 is a graph comparing the density analyzed by a gas pycnometer and the density calculated by neutron diffraction analysis according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, CTO(SS) represents CaTiO 3 synthesized by a general solid-phase method, and CTO(ST) represents Ca 1-x TiO 3-y (OH) of the present invention directly doped with the hydroxide of the present invention. ) represents 2y . CNTO(ST) indicates that hydroxide and Ni ions are simultaneously doped. In the graph, the decrease in density when hydroxide is directly doped is explained by the formation of a vacancy in the place of the A-site Ca ion as the hydroxide ion is doped, as shown in the equation above. The density at this time was Ca 1-x TiO 3-y (OH) 2y (solvothermal): 3.914±0.02 g cm -3 CaTiO 3 (solid-state): 4.005±0.03 g cm -3 .

<실험예 3> 격자부피 증가<Experimental Example 3> Increase in grid volume

X-ray 회절은 상온에서 PANalytical Empyrean Diffractometer with filtered and monochromated CuKa1 radiation를 사용하여 상온에서 분석되었으며 분석조건은 다음과 같다. 2θ=10°~90°, 0.02° 스텝사이즈, 1시간 콜렉션타임으로 설정하였다. 소재들에 대한 결정구조와 격자부피는 WinXPow 소프트웨어를 이용하여 개량에 의해 결정되었고 결과를 하기 표 1에 나타내었다:X-ray diffraction was analyzed at room temperature using a PANalytical Empyrean Diffractometer with filtered and monochromated CuKa1 radiation, and the analysis conditions were as follows. 2θ=10°~90°, 0.02° step size, and 1 hour collection time were set. The crystal structure and lattice volume of the materials were determined by refinement using WinXPow software and the results are shown in Table 1 below:

상기 표 1은 XRD에 의해 분석된 단위격자 부피를 보여주는 표이다. CTO(SS)는 일반적인 고상법에 의해 합성된 CaTiO3를 나타내며 CTO(ST)는 수산화물이 직접 도핑된 본 발명의Ca1-xTiO3-y(OH)2y를 나타낸다. 수산화물 이온이 직접 도핑되면서 단위격자의 부피가 커지는 것으로 수산화물 이온의 직접 도핑이 된 것을 설명할 수 있다. Table 1 above is a table showing the unit cell volume analyzed by XRD. CTO(SS) represents CaTiO 3 synthesized by a general solid-state method, and CTO(ST) represents Ca 1-x TiO 3-y (OH) 2y of the present invention directly doped with hydroxide. Direct doping of hydroxide ions can be explained by the fact that the volume of the unit lattice increases as hydroxide ions are directly doped.

표 1에서 Ca1-xTiO3-y(OH)2y 소재의 격자부피가 기존의 CaTiO3에 비하여 크게 증가하는 것을 알 수 있으며, 이는 결정구조 내 OH이온이 직접 도핑된 결과로서 얻어진다. From Table 1, it can be seen that the lattice volume of the Ca 1-x TiO 3-y (OH) 2y material increases significantly compared to the existing CaTiO 3 , and this is obtained as a result of direct doping of OH ions in the crystal structure.

<실험예 4> 수소이온전도도 분석<Experimental Example 4> Hydrogen ion conductivity analysis

수소이온전도도는 Pt wire로 연결된 AC impedance spectroscopy (Solartron Analytical 1260A)를 사용하여 1 Hz to 1 MHz 주파수 범위에서 분석하였다. 13 mm지름과 1.5 mm 두께를 가지는 원형 펠렛을 제작하여 Ag 페이스트를 양면에 도포한 전극을 가지는 시료에 대해 분석하였다. 임피던스는 150℃에서 400℃까지 50℃의 간격으로 측정되었으며 가습(humidified) Ar가스(p(H2O)

Figure pat00002
0.03atm)를 흘려보내며 측정하였다.Hydrogen ion conductivity was analyzed in the frequency range of 1 Hz to 1 MHz using AC impedance spectroscopy (Solartron Analytical 1260A) connected to a Pt wire. A circular pellet with a diameter of 13 mm and a thickness of 1.5 mm was manufactured and a sample with electrodes coated with Ag paste on both sides was analyzed. Impedance was measured at intervals of 50°C from 150°C to 400°C using humidified Ar gas (p(H2O)).
Figure pat00002
It was measured while flowing 0.03 atm.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스(impedance)분석을 통한 수소이온전도도를 보여주는 그래프이다. 도 4를 참고하여 설명하면, CTO는 일반적인 고상법에 의해 합성된 CaTiO3를 나타내며 수소이온전도도는 10-6 Scm-1을 보여준다. CTO(ST)는 수산화물이 직접 도핑된 Ca1-xTiO3-y(OH)2y를 나타내며 10-4 Scm-1의 수소이온전도도를 보여주어 수산화물 직접도핑에 의해 2 오더(order)가 높은 수소이온전도도를 얻을 수 있다. Figure 4 is a graph showing hydrogen ion conductivity through impedance analysis according to an embodiment of the present invention. When explained with reference to FIG. 4, CTO represents CaTiO 3 synthesized by a general solid-phase method and has a hydrogen ion conductivity of 10 -6 Scm -1 . CTO(ST) represents Ca1-xTiO3-y(OH)2y directly doped with hydroxide and shows a hydrogen ion conductivity of 10 -4 Scm -1 , resulting in a hydrogen ion conductivity that is 2 orders of magnitude higher due to direct hydroxide doping. You can get it.

도 4에서 기존의 CaTiO3는 200℃에서 1.4x10-6 Scm-1의 수소이온전도도를 보여 주었지만 수산화물이 직접 도핑된 Ca1-xTiO3-y(OH)2y는 3.4x10-5 Scm-1로 약 2 오더(order)가 높은 수소이온전도도를 보여주었다.In Figure 4, conventional CaTiO 3 showed a hydrogen ion conductivity of 1.4x10 -6 Scm -1 at 200℃, but Ca 1-x TiO 3-y (OH) 2y directly doped with hydroxide had 3.4x10 -5 Scm - It showed hydrogen ion conductivity that was about 2 orders of magnitude higher than 1 .

도 7은 OH이온과 OD이온이 직접 도핑된 Ca1-xTiO3-y(OH)2y와 Ca1-xTiO3-y(OD)2y의 수소이온전도도를 보여주는 그래프이다. 도 7을 참고하여 설명하면, OH이온과 OD의 이온질량 차이로 인해 양성자(proton)의 전도도가 중수소(deuteron)의 전도도보다 약 1.6배 빠르게 나타난다. 따라서 결정구조 내에 수산화물 이온의 직접 도핑이 가능하다는 것을 알 수 있었다. Figure 7 is a graph showing the hydrogen ion conductivity of Ca 1-x TiO 3-y (OH) 2y and Ca 1-x TiO 3-y (OD) 2y directly doped with OH ions and OD ions. As explained with reference to FIG. 7, the conductivity of protons appears about 1.6 times faster than that of deuterons due to the difference in ionic mass between OH ions and OD. Therefore, it was found that direct doping of hydroxide ions within the crystal structure was possible.

<실험예 5> 중성자 회절 분석<Experimental Example 5> Neutron diffraction analysis

중성자 회절은 ISIS의 time-of-flight high-resolution powder diffractometer (HRPD)를 활용하여 상온에서 분석되었다. 실린더 형태의 바나듐 캔을 시료 홀더로 활용하였으며, 전체 강도 프로파일은 센터 2θ=168°의 후방산란 검출기 뱅크(backscattering deterctor bank)를 사용하여 dhkl=0.65 A~2.6 A범위에서 기록되었다. 데이터는 시료 하나에 6시간 동안 수집되었으며 총 3번 수집하여 흡착보정(adsorption correction)을 통해 통합 및 보정되었다. HRPD 패턴은 GSAS II 소프트웨어를 통해 개량되었고 결정구조, 격자상수, 중수소의 위치, 위치 점유(site occupancies), 원자 등방성 유효거리계수(atomic isotropic displacement factor)등이 결정되었다. 계량에 있어서 실험 백그라운드(background)는 12 계수를 가지는 체비세프 다항식(Chebyshev polynomial)모델을 사용하여 결정되었으며, 회절 피크들은 유사 포크트 윤곽(pseudo-Voigt) 프로파일을 사용하여 피팅되었다. 도 5 (a)와 (b)에서 Rwp=4.53%과 goodnessoffit(GOF)=2.94를 기존의 CaTiO3 시료에 대해 얻었고, Rwp=~6.12%와 GOF=~4.89를 수산화물이 직접 도핑된 Ca1-xTiO3-y(OH)2y에 대해 얻어 신뢰성이 있다 할 수 있다. 중수소의 위치는 차이밀도맵(difference Fourier map)을 수행하여 추정되었다.Neutron diffraction was analyzed at room temperature using an ISIS time-of-flight high-resolution powder diffractometer (HRPD). A cylindrical vanadium can was used as a sample holder, and the overall intensity profile was recorded in the range d hkl = 0.65 A to 2.6 A using a backscattering detector bank with a center of 2θ = 168°. Data was collected for 6 hours per sample, collected three times in total, integrated and corrected through adsorption correction. The HRPD pattern was refined through GSAS II software, and the crystal structure, lattice constant, location of deuterium, site occupancies, and atomic isotropic displacement factor were determined. For metering, the experimental background was determined using a Chebyshev polynomial model with 12 coefficients, and the diffraction peaks were fitted using a pseudo-Voigt profile. In Figure 5 (a) and (b), Rwp = 4.53% and goodnessoffit (GOF) = 2.94 were obtained for the existing CaTiO 3 sample, and Rwp = ~6.12% and GOF = ~4.89 were obtained for the hydroxide directly doped Ca 1- x TiO 3-y (OH) 2y can be said to be reliable. The location of deuterium was estimated by performing a difference Fourier map.

도 5는 중성자 회절 분석에 의한 수소이온의 동위원소인 중수소를 포함하는 결정구조를 보여주는 것이다. 도 5를 참고하여 설명하면, (a)는 일반적인 고상법에 의해 합성된 CaTiO3(CTO(SS))의 중성자 회절 패턴을 보여주며 (b)는 중수소가 직접 도핑된 Ca1-xTiO3-y(OD)2y(CTO(ST)의 중성자 회절 패턴을 보여준다. (c)는 중수소의 직접 도핑에 의해 B-site의 8면체의(octahedral)구조에서 c축 방향으로 Ti이온과 O이온의 거리가 늘어나고 b축 방향으로는 Ti이온과 O이온의 거리가 줄어드는 것을 보여준다. (d)는 상기 (c)에서의 구조적인 변화에 의해 기존의 사방정계(orthorhombic)구조를 가지는 CaTiO3에서 수산화물 직접 도핑에 의해 정방정계(tetragonal)구조에 가깝게 결정구조가 변화되는 것을 보여준다. (e)는 중성자 회절을 바탕으로 시뮬레이션된 Ca1-xTiO3-y(OD)2y(CTO(ST))의 결정구조로서 Ti이온과 O이온의 짧아진 거리에 의해 분자 내 양성자(intra-proton)전달이 용이해지고 A-site빈자리에 의해 분자 간 양성자(inter-proton)전달 역시 용이해져 수소이온전도도가 증가되는 현상이 나타난다. Figure 5 shows a crystal structure containing deuterium, an isotope of hydrogen ion, based on neutron diffraction analysis. Referring to Figure 5, (a) shows the neutron diffraction pattern of CaTiO 3 (CTO(SS)) synthesized by a general solid-phase method, and (b) shows the neutron diffraction pattern of Ca 1-x TiO 3- directly doped with deuterium. y (OD) 2y (shows the neutron diffraction pattern of CTO(ST). (c) is the distance between Ti ions and O ions in the c-axis direction in the octahedral structure of the B-site by direct doping of deuterium. increases and the distance between Ti ions and O ions decreases in the b-axis direction. (d) shows direct doping of hydroxide in CaTiO 3 having an existing orthorhombic structure due to the structural change in (c) above. It shows that the crystal structure changes closer to the tetragonal structure. (e) shows the crystal structure of Ca 1-x TiO 3-y (OD) 2y (CTO(ST)) simulated based on neutron diffraction. As a result, the shortened distance between Ti ions and O ions facilitates intra-molecular proton transfer, and the A-site vacancy also facilitates inter-molecular proton transfer, resulting in an increase in hydrogen ion conductivity. appear.

도 6은 TGA-mass에 의해 분석된 중수소가 직접 도핑된 Ca1-xTiO3-y(OD)2y(CTO(ST)의 그래프이다. 도 6을 참고하여 설명하면, H의 동위원소인 D를 도핑하였을 때 OH에 대한 이온 전류값은 나타나지 않고 OD에 대한 이온 전류 값이 질량 감소 구간에 나타나는 것으로 결정구조 내에 직접 OD이온이 도핑된 것을 알 수 있다. 중성자 회절에 의해 시뮬레이션 된 OD이온의 함량과 TGA-mass 분석에 의해 측정된 OD이온의 함량을 하기 표 2에 나타내었다:Figure 6 is a graph of Ca 1-x TiO 3-y (OD) 2y (CTO(ST)) directly doped with deuterium analyzed by TGA-mass. When explained with reference to Figure 6, D, an isotope of H When doped, the ion current value for OH does not appear and the ion current value for OD appears in the mass reduction section, indicating that OD ions are doped directly within the crystal structure. Content of OD ions simulated by neutron diffraction The content of OD ions measured by TGA-mass analysis is shown in Table 2 below:

따라서, 본 발명에 의한 수산화기가 직접 도핑된 산화물은 양이온과 산소사이의 거리가 짧아짐에 따라, 분자 내(intra) 양성자전달 및 분자 간(inter) 양성자 전달이 모두 용이하며 고상법에 의해 페로브스카이트를 합성할 때 보다 Rwp값과, GOF값이 증가함을 알 수 있었다. 또한, 밀도, 격자부피 및 수소이온전도도에서도 종래기술보다 개선됨을 확인할 수 있었다.Therefore, in the oxide directly doped with a hydroxyl group according to the present invention, as the distance between the cation and oxygen is shortened, both intra-molecular and inter-molecular proton transfer are facilitated, and perovskite transfer is facilitated by the solid-state method. It was found that the Rwp value and GOF value increased compared to when synthesizing . In addition, it was confirmed that density, lattice volume, and hydrogen ion conductivity were improved compared to the prior art.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The foregoing has described, rather broadly, the features and technical advantages of the present invention to enable a better understanding of the claims described below. A person skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modified forms derived from the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (9)

하기 화학식 1로 표기되는 수산화물이 도핑된 고온형 세라믹 수소이온전도체:
[화학식 1]
A1-xBzO3-yC2y
상기 화학식 1에서,
A 및 B는 각각 독립적으로 금속양이온이며,
C는 1가 음이온이며,
x, y 및 z는 각각 0<x≤1, 0<y≤2, 0<z≤1 이다.
A high-temperature ceramic hydrogen ion conductor doped with hydroxide represented by the following formula (1):
[Formula 1]
A 1-x B z O 3-y C 2y
In Formula 1,
A and B are each independently a metal cation,
C is a monovalent anion,
x, y and z are 0<x≤1, 0<y≤2, 0<z≤1, respectively.
제 1 항에 있어서,
상기 화학식은 1족 금속, 2족 금속, 희토류금속, 유기 양이온 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 양이온인 것을 특징으로 하는 수산화물이 도핑된 고온형 세라믹 수소이온전도체.
According to claim 1,
A high-temperature ceramic hydrogen ion conductor doped with hydroxide, characterized in that the formula is one or more cations selected from the group consisting of Group 1 metals, Group 2 metals, rare earth metals, organic cations, and combinations thereof.
제 2 항에 있어서,
상기 A는 알칼리 토금속, 희토류 금속인 것을 특징으로 하는 수산화물이 도핑된 고온형 세라믹 수소이온전도체.
According to claim 2,
A is a hydroxide-doped high-temperature ceramic hydrogen ion conductor, characterized in that A is an alkaline earth metal or a rare earth metal.
제 1 항에 있어서,
상기 B는 Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, Zn, Zr, Ce, Yb, Cr, Mn 및 Si으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수산화물이 도핑된 고온형 세라믹 수소이온전도체.
According to claim 1,
wherein B is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Pb, Bi, Ge, Ti, Zn, Zr, Ce, Yb, Cr, Mn and Si. type ceramic hydrogen ion conductor.
제 1 항에 있어서,
상기 C는 수산화기인 것을 특징으로 하는 수수산화물이 도핑된 고온형 세라믹 수소이온전도체.
According to claim 1,
A high-temperature ceramic hydrogen ion conductor doped with hydroxide, wherein C is a hydroxyl group.
제 5 항에 있어서,
상기 수산화기의 수소는 수소의 동위원소를 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 수산화물이 도핑된 고온형 세라믹 수소이온전도체.
According to claim 5,
A high-temperature ceramic hydrogen ion conductor doped with hydroxide, wherein the hydrogen of the hydroxyl group contains all isotopes of hydrogen.
용매에 질산염, 염화물 또는 아세테이트(acate) 중에서 하나 이상을 포함하는 제 1 전구체, 알콕사이드(alkoxide)를 포함하는 제 2 전구체, 및 광화제(Mineralizer)를 넣고 교반하여 합성반응 진행하는 제 1 단계;
합성반응 후 상온까지 쿨링하여 상등액과 분리하는 제 2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 수소이온전도체 제조방법.
A first step of performing a synthesis reaction by adding a first precursor containing at least one of nitrate, chloride, or acetate, a second precursor containing an alkoxide, and a mineralizer to a solvent and stirring;
A method for manufacturing a ceramic hydrogen ion conductor comprising a second step of cooling to room temperature after the synthesis reaction and separating it from the supernatant.
제 7 항에 있어서,
상기 제 1 단계의 합성방법은 용매열합성 또는 수열합성인 것을 특징으로 하는 세라믹 수소이온전도체 제조방법.
According to claim 7,
A method of producing a ceramic hydrogen ion conductor, characterized in that the first step synthesis method is solvothermal synthesis or hydrothermal synthesis.
제 8 항에 있어서,
제 1 단계의 광화제는 수산화물인 것을 특징으로 하는 세라믹 수소이온전도체 제조방법.
According to claim 8,
A method for manufacturing a ceramic hydrogen ion conductor, wherein the mineralizer in the first step is hydroxide.
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KR20170099195A (en) * 2016-02-23 2017-08-31 한국과학기술원 Method of improving proton conductivity of the Proton Ceramic Fuel Cell electrolyte
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