KR20240033364A - 수전해용 전극촉매, 이를 포함하는 수전해 전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
수전해용 전극촉매, 이를 포함하는 수전해 전지 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240033364A KR20240033364A KR1020220111917A KR20220111917A KR20240033364A KR 20240033364 A KR20240033364 A KR 20240033364A KR 1020220111917 A KR1020220111917 A KR 1020220111917A KR 20220111917 A KR20220111917 A KR 20220111917A KR 20240033364 A KR20240033364 A KR 20240033364A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- water electrolysis
- electrode catalyst
- carbon support
- layered double
- double hydroxide
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 118
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 112
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title description 9
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 title description 7
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 108
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 14
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 99
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 96
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 47
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 38
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 26
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 11
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 10
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims description 5
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 claims description 4
- IKDUDTNKRLTJSI-UHFFFAOYSA-N hydrazine hydrate Chemical compound O.NN IKDUDTNKRLTJSI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- WQGWDDDVZFFDIG-UHFFFAOYSA-N pyrogallol Chemical compound OC1=CC=CC(O)=C1O WQGWDDDVZFFDIG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 3
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011669 selenium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 3
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 3
- 239000002211 L-ascorbic acid Substances 0.000 claims description 2
- 235000000069 L-ascorbic acid Nutrition 0.000 claims description 2
- 229960005070 ascorbic acid Drugs 0.000 claims description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 2
- 229940079877 pyrogallol Drugs 0.000 claims description 2
- 239000012279 sodium borohydride Substances 0.000 claims description 2
- 229910000033 sodium borohydride Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract description 18
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract description 18
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 13
- 238000013341 scale-up Methods 0.000 abstract description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 25
- 229910002555 FeNi Inorganic materials 0.000 description 17
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 15
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 15
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 9
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 8
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000012692 Fe precursor Substances 0.000 description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 4
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 238000001350 scanning transmission electron microscopy Methods 0.000 description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 4
- 229910003266 NiCo Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 3
- 150000004679 hydroxides Chemical class 0.000 description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- -1 nickel tetrafluoroborate hexahydrate Chemical compound 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 3
- LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M Cetrimonium bromide Chemical compound [Br-].CCCCCCCCCCCCCCCC[N+](C)(C)C LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 2
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 description 2
- 239000003125 aqueous solvent Substances 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 239000007809 chemical reaction catalyst Substances 0.000 description 2
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- SWXVUIWOUIDPGS-UHFFFAOYSA-N diacetone alcohol Natural products CC(=O)CC(C)(C)O SWXVUIWOUIDPGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229940116202 nickel sulfate hexahydrate Drugs 0.000 description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 2
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 2
- SHWZFQPXYGHRKT-FDGPNNRMSA-N (z)-4-hydroxypent-3-en-2-one;nickel Chemical compound [Ni].C\C(O)=C\C(C)=O.C\C(O)=C\C(C)=O SHWZFQPXYGHRKT-FDGPNNRMSA-N 0.000 description 1
- UPPLJLAHMKABPR-UHFFFAOYSA-H 2-hydroxypropane-1,2,3-tricarboxylate;nickel(2+) Chemical compound [Ni+2].[Ni+2].[Ni+2].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O.[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O UPPLJLAHMKABPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- PVODOPAHTWFPQE-UHFFFAOYSA-L 2-methylprop-2-enoate;nickel(2+) Chemical compound [Ni+2].CC(=C)C([O-])=O.CC(=C)C([O-])=O PVODOPAHTWFPQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910021583 Cobalt(III) fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 229910021586 Nickel(II) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- MQRWBMAEBQOWAF-UHFFFAOYSA-N acetic acid;nickel Chemical compound [Ni].CC(O)=O.CC(O)=O MQRWBMAEBQOWAF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 230000001588 bifunctional effect Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 1
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000011300 coal pitch Substances 0.000 description 1
- 229940011182 cobalt acetate Drugs 0.000 description 1
- GFHNAMRJFCEERV-UHFFFAOYSA-L cobalt chloride hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[Cl-].[Cl-].[Co+2] GFHNAMRJFCEERV-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- GVPFVAHMJGGAJG-UHFFFAOYSA-L cobalt dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Co+2] GVPFVAHMJGGAJG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- QGUAJWGNOXCYJF-UHFFFAOYSA-N cobalt dinitrate hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[Co+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O QGUAJWGNOXCYJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000361 cobalt sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940044175 cobalt sulfate Drugs 0.000 description 1
- KTVIXTQDYHMGHF-UHFFFAOYSA-L cobalt(2+) sulfate Chemical compound [Co+2].[O-]S([O-])(=O)=O KTVIXTQDYHMGHF-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- MEYVLGVRTYSQHI-UHFFFAOYSA-L cobalt(2+) sulfate heptahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.O.[Co+2].[O-]S([O-])(=O)=O MEYVLGVRTYSQHI-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- DKRNQQHUMHYWSA-UHFFFAOYSA-L cobalt(2+);2-methylprop-2-enoate Chemical compound [Co+2].CC(=C)C([O-])=O.CC(=C)C([O-])=O DKRNQQHUMHYWSA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- ZBYYWKJVSFHYJL-UHFFFAOYSA-L cobalt(2+);diacetate;tetrahydrate Chemical compound O.O.O.O.[Co+2].CC([O-])=O.CC([O-])=O ZBYYWKJVSFHYJL-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- MNHUTFNEBYCZAF-UHFFFAOYSA-L cobalt(2+);difluoride;tetrahydrate Chemical compound O.O.O.O.[F-].[F-].[Co+2] MNHUTFNEBYCZAF-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- KPOBHNYTWJSVKF-UHFFFAOYSA-L cobalt(2+);diperchlorate;hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[Co+2].[O-]Cl(=O)(=O)=O.[O-]Cl(=O)(=O)=O KPOBHNYTWJSVKF-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- APMQGWUYHMFEMM-UHFFFAOYSA-L cobalt(2+);n,n-diethylcarbamodithioate Chemical compound [Co+2].CCN(CC)C([S-])=S.CCN(CC)C([S-])=S APMQGWUYHMFEMM-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- IRBDRMFJBYHCEO-UHFFFAOYSA-L cobalt(2+);prop-2-enoate Chemical compound [Co+2].[O-]C(=O)C=C.[O-]C(=O)C=C IRBDRMFJBYHCEO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- RDLMYNHWUFIVQE-UHFFFAOYSA-L cobalt(2+);trifluoromethanesulfonate Chemical compound [Co+2].[O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F.[O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F RDLMYNHWUFIVQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- SCNCIXKLOBXDQB-UHFFFAOYSA-K cobalt(3+);2-hydroxypropane-1,2,3-tricarboxylate Chemical compound [Co+3].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O SCNCIXKLOBXDQB-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- QAHREYKOYSIQPH-UHFFFAOYSA-L cobalt(II) acetate Chemical compound [Co+2].CC([O-])=O.CC([O-])=O QAHREYKOYSIQPH-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- YCYBZKSMUPTWEE-UHFFFAOYSA-L cobalt(ii) fluoride Chemical compound F[Co]F YCYBZKSMUPTWEE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- FJDJVBXSSLDNJB-LNTINUHCSA-N cobalt;(z)-4-hydroxypent-3-en-2-one Chemical compound [Co].C\C(O)=C\C(C)=O.C\C(O)=C\C(C)=O.C\C(O)=C\C(C)=O FJDJVBXSSLDNJB-LNTINUHCSA-N 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- NVUQQQYUHMEQEX-UHFFFAOYSA-L difluoroiron;tetrahydrate Chemical compound O.O.O.O.[F-].[F-].[Fe+2] NVUQQQYUHMEQEX-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- HHPKUIWWHLVHQQ-UHFFFAOYSA-L difluoronickel;tetrahydrate Chemical compound O.O.O.O.F[Ni]F HHPKUIWWHLVHQQ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 150000004687 hexahydrates Chemical class 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- FBAFATDZDUQKNH-UHFFFAOYSA-M iron chloride Chemical compound [Cl-].[Fe] FBAFATDZDUQKNH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910000358 iron sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- WXEICPMZIKLINJ-UHFFFAOYSA-L iron(2+) diacetate tetrahydrate Chemical compound O.O.O.O.[Fe+2].CC([O-])=O.CC([O-])=O WXEICPMZIKLINJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- UENYKSLRDITUNR-UHFFFAOYSA-L iron(2+) diperchlorate hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[Fe+2].[O-]Cl(=O)(=O)=O.[O-]Cl(=O)(=O)=O UENYKSLRDITUNR-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L iron(2+) sulfate (anhydrous) Chemical compound [Fe+2].[O-]S([O-])(=O)=O BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- ZWZHJDRBENYHMK-UHFFFAOYSA-L iron(2+);2-methylprop-2-enoate Chemical compound [Fe+2].CC(=C)C([O-])=O.CC(=C)C([O-])=O ZWZHJDRBENYHMK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- MVFCKEFYUDZOCX-UHFFFAOYSA-N iron(2+);dinitrate Chemical compound [Fe+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O MVFCKEFYUDZOCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GNOZLGOOOBMHRC-UHFFFAOYSA-L iron(2+);prop-2-enoate Chemical compound [Fe+2].[O-]C(=O)C=C.[O-]C(=O)C=C GNOZLGOOOBMHRC-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- WVLDCUJMGWFHGE-UHFFFAOYSA-L iron(2+);sulfate;hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[Fe+2].[O-]S([O-])(=O)=O WVLDCUJMGWFHGE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- PGJLOGNVZGRMGX-UHFFFAOYSA-L iron(2+);trifluoromethanesulfonate Chemical compound [Fe+2].[O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F.[O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F PGJLOGNVZGRMGX-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- HVENHVMWDAPFTH-UHFFFAOYSA-N iron(3+) trinitrate hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[Fe+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O HVENHVMWDAPFTH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PVFSDGKDKFSOTB-UHFFFAOYSA-K iron(3+);triacetate Chemical compound [Fe+3].CC([O-])=O.CC([O-])=O.CC([O-])=O PVFSDGKDKFSOTB-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- NPFOYSMITVOQOS-UHFFFAOYSA-K iron(III) citrate Chemical compound [Fe+3].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O NPFOYSMITVOQOS-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- SHXXPRJOPFJRHA-UHFFFAOYSA-K iron(iii) fluoride Chemical compound F[Fe](F)F SHXXPRJOPFJRHA-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- LZKLAOYSENRNKR-LNTINUHCSA-N iron;(z)-4-oxoniumylidenepent-2-en-2-olate Chemical compound [Fe].C\C(O)=C\C(C)=O.C\C(O)=C\C(C)=O.C\C(O)=C\C(C)=O LZKLAOYSENRNKR-LNTINUHCSA-N 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- WTAJDDHWXARSLK-UHFFFAOYSA-L n,n-diethylcarbamodithioate;iron(2+) Chemical compound [Fe+2].CCN(CC)C([S-])=S.CCN(CC)C([S-])=S WTAJDDHWXARSLK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- NCLUCMXMAPDFGT-UHFFFAOYSA-L n,n-diethylcarbamodithioate;nickel(2+) Chemical compound [Ni+2].CCN(CC)C([S-])=S.CCN(CC)C([S-])=S NCLUCMXMAPDFGT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- AZHYTXUTACODCW-UHFFFAOYSA-L n,n-dimethylcarbamodithioate;iron(2+) Chemical compound [Fe+2].CN(C)C([S-])=S.CN(C)C([S-])=S AZHYTXUTACODCW-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- BLCKKNLGFULNRC-UHFFFAOYSA-L n,n-dimethylcarbamodithioate;nickel(2+) Chemical compound [Ni+2].CN(C)C([S-])=S.CN(C)C([S-])=S BLCKKNLGFULNRC-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 229940078494 nickel acetate Drugs 0.000 description 1
- 229940078487 nickel acetate tetrahydrate Drugs 0.000 description 1
- QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L nickel dichloride Chemical compound Cl[Ni]Cl QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- LGQLOGILCSXPEA-UHFFFAOYSA-L nickel sulfate Chemical compound [Ni+2].[O-]S([O-])(=O)=O LGQLOGILCSXPEA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- RRIWRJBSCGCBID-UHFFFAOYSA-L nickel sulfate hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[Ni+2].[O-]S([O-])(=O)=O RRIWRJBSCGCBID-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- SSQGMBUOXDWHIJ-UHFFFAOYSA-L nickel(2+);2,2,2-trifluoroacetate;tetrahydrate Chemical compound O.O.O.O.[Ni+2].[O-]C(=O)C(F)(F)F.[O-]C(=O)C(F)(F)F SSQGMBUOXDWHIJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- OINIXPNQKAZCRL-UHFFFAOYSA-L nickel(2+);diacetate;tetrahydrate Chemical compound O.O.O.O.[Ni+2].CC([O-])=O.CC([O-])=O OINIXPNQKAZCRL-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- AOPCKOPZYFFEDA-UHFFFAOYSA-N nickel(2+);dinitrate;hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[Ni+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O AOPCKOPZYFFEDA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WHGYCGOFTBFDLW-UHFFFAOYSA-L nickel(2+);diperchlorate;hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[Ni+2].[O-]Cl(=O)(=O)=O.[O-]Cl(=O)(=O)=O WHGYCGOFTBFDLW-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- QFVGCVZHAQQIMT-UHFFFAOYSA-L nickel(2+);prop-2-enoate Chemical compound [Ni+2].[O-]C(=O)C=C.[O-]C(=O)C=C QFVGCVZHAQQIMT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- KVRSDIJOUNNFMZ-UHFFFAOYSA-L nickel(2+);trifluoromethanesulfonate Chemical compound [Ni+2].[O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F.[O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F KVRSDIJOUNNFMZ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910000363 nickel(II) sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- DBJLJFTWODWSOF-UHFFFAOYSA-L nickel(ii) fluoride Chemical compound F[Ni]F DBJLJFTWODWSOF-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- KBJMLQFLOWQJNF-UHFFFAOYSA-N nickel(ii) nitrate Chemical compound [Ni+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O KBJMLQFLOWQJNF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 239000011301 petroleum pitch Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 238000000851 scanning transmission electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 238000012916 structural analysis Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
- C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
- C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
- B01J37/0201—Impregnation
- B01J37/0207—Pretreatment of the support
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/16—Reducing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/34—Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation
- B01J37/341—Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation making use of electric or magnetic fields, wave energy or particle radiation
- B01J37/343—Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation making use of electric or magnetic fields, wave energy or particle radiation of ultrasonic wave energy
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
본 명세서는 수전해용 전극촉매, 이를 포함하는 수전해 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 구현예에 따른 수전해용 전극촉매를 포함하는 수전해 전지는 산소 발생 활성 및 내구성이 우수하며, 본 발명의 일 구현예에 따른 수전해용 전극촉매 제조방법은 대량 생산과 스케일 업이 가능하게 하는 효과를 발휘한다.
Description
본 명세서에는 수전해용 전극촉매, 이를 포함하는 수전해 전지 및 이의 제조방법이 개시된다.
화석 연료 고갈과 환경 오염을 해결할 수 있는 차세대 에너지원인 수소를 친환경적으로 생산할 수 있는 기술에 대한 중요성이 부각되고 있다. 이와 관련하여, 전기 분해 방식을 이용한 수전해(물 전기분해, water electrolysis) 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있고, 대표적인 저온 수전해 기술로는 양이온 교환막 수전해 (proton exchange membrane water electrolysis, PEMWE) 및 알칼리 수전해 (alkaline water electrolysis, AWE)가 알려져 있다. 수전해에 사용되는 대부분의 촉매는 낮은 전기 전도도 및 낮은 비표면적 문제를 해결하기 위해 전도성 산화물 지지체 또는 니켈 폼을 포함하는 구조체 전극 등이 주로 활용되고 있다. 반면, 대표적인 도전성 지지체인 탄소는 탄소 부식(Carbon corrosion)이 일어나 탄소 사용이 제한되며, 탄소 지지체 위에 담지된 촉매는 반응 중 탈착 및 응집이 일어날 수 있어 우수한 활성 및 내구성을 보이는 데에는 한계가 있다.
그 대안으로서 한국 등록특허공보 제10-2360423호는 전도성 기재를 포함하는 전극을 개시하고 있으나, 이와 같은 전도성 기재는 매우 낮은 무게당 면적으로 인하여 셀 적용에 한계가 존재하며, 탄소에 비해 여전히 낮은 전기 전도성과 촉매와의 결합력이 우수한 특정 물질만 활용 가능하다는 등의 한계도 존재한다. 이에 따라, 산소 발생 활성 및 내구성이 우수한 수전해용 전극촉매의 개발 및 대량 생산과 스케일 업이 가능한 방식을 통하여 제조가 가능한 제조방법의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 일 측면에 따른 목적은 산소 발생 활성 및 내구성이 우수한 수전해용 전극촉매 및 대량 생산과 스케일 업이 가능한 방식을 통하여 제조가 가능한 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에서, 탄소 지지체; 및 상기 탄소 지지체의 표면에 코팅된 층상 이중 수산화물(layered double hydroxide, LDH);을 포함하며, 상기 탄소 지지체는 결정화된 탄소 지지체인 수전해용 전극촉매를 제공한다.
다른 일 측면에서, 본 발명은 상기 수전해용 전극촉매를 포함하는 수전해 전지를 제공한다.
다른 일 측면에서, 본 발명은 탄소 지지체의 표면을 개질하는 단계; 및 상기 탄소 지지체의 표면에 층상 이중 수산화물(layered double hydroxide, LDH)을 코팅하는 단계;를 포함하는 수전해용 전극촉매 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 수전해용 전극촉매를 포함하는 수전해 전지는 산소 발생 활성 및 내구성이 우수하며, 본 발명의 일 구현예에 따른 수전해용 전극촉매 제조방법은 대량 생산과 스케일 업이 가능하게 하는 효과를 발휘한다.
도 1은 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 라만 산란 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 및 STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy) 이미지를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 TEM 및 EDS(에너지분산형 분광분석법) 이미지를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 원자비(atomic ratio)를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 X선 광전자 분광(XPS)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 과전압(η10) 값을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 라만 산란 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 및 STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy) 이미지를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 TEM 및 EDS(에너지분산형 분광분석법) 이미지를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 원자비(atomic ratio)를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 X선 광전자 분광(XPS)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 과전압(η10) 값을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “상에” 또는 “위에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
수전해용 전극촉매
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 탄소 지지체; 및 상기 탄소 지지체의 표면에 코팅된 층상 이중 수산화물(layered double hydroxide, LDH);을 포함하며, 상기 탄소 지지체는 결정화된 탄소 지지체인, 수전해용 전극촉매를 제공한다.
상기 ‘층상 이중 수산화물(layered double hydroxide, LDH)’은 [M2+ 1-xM3+ x(OH)2](An-)x/n·H2O의 식으로 표현되는 층상 구조를 가지는 물질이다. 여기서 M은 금속 물질을 뜻하며 각각 2가, 3가의 이온을 의미한다. An-는 각 층에 삽입되는 음이온을 의미한다. 이 구조에 사용되는 금속 이온의 종류 및 조성에 따라 다양한 촉매적 성질을 발현할 수 있는 것으로 널리 알려져 있다. 상기 층상 이중 수산화물은 표면적이 넓고, 1차원 나노 입자와 비교하여 보다 활성 사이트가 많으며, H2O의 확산 및 O2 및 H2 생성물의 방출을 용이하게 하는 계층적 기공률과 같은 몇 가지 장점으로 인해 물 산화 반응에서의 촉진제로서 연구되고 있다. 상기 층상 이중 수산화물은 유연한 구조, 손쉬운 화학적 변형 및 화학적 다양성과 같은 고유한 물리적 및 화학적 특성을 가지고 있다. 변경이 가능한 금속 종류와 층상 구조로 인하여 양성자 결합 전자 전달 프로세스 속도가 빠르며 이로 인해 층상 이중 수산화물이 물 산화 반응에 적합한 물질일 수 있다. 특히 니켈, 철, 그리고 코발트와 같은 전이금속 복합체로 제조된 물질이 산소 및 수소 발생 촉매로서 연구되고 있다.
일 구현예에서, 상기 층상 이중 수산화물은 바인더를 사용하지 않고, 상기 탄소 지지체 상에 바로(In-situ) 코팅될 수 있다.
상기 탄소 지지체는 탄소 소재를 포함하는 지지체로서, 상기 탄소 소재의 예로는 탄소 페이퍼, 탄소 천, 탄소 펠트 등을 들 수 있다. 상기 탄소 지지체는 결정화된 탄소(Graphitized carbon, GC) 지지체로서, 이러한 결정성이 높은 고결정소 탄소는 높은 전기화학적 안정성 및 높은 전기 전도도를 갖기 때문에 다양한 전기화학 촉매의 지지체로 활용하기에 적합하다. 특히, 탄소 부식으로 인하여 사용이 매우 제한되어 왔던 산소 발생 반응에서도 활용될 수 있다. 상기 결정화된 탄소 지지체는 탄소나노섬유, 탄노나노튜브 및 탄소나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 결정화된 탄소 지지체는 원통형 구조 또는 튜브형 구조를 갖는 탄소나노물질을 포함할 수 있다.
본 발명자들은 일반적인 탄소 지지체의 표면에는 표면에 핵 생성이 일어나는 자리인 결함(defect)이 적어서 균일하게 촉매를 담지하는 것이 어렵고, 촉매를 성장시키는 것이 어렵다는 문제를 인식하였고, 탄소 결함 구조가 형성된 결정화된 탄소 지지체에 상기 층상 이중 수산화물이 코팅된 수전해용 전극촉매를 사용할 경우 산소 발생 활성 및 내구성이 우수하다는 것을 지견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 용어 “탄소 결함(defect) 구조”는 완전 그래핀 구조에서, 탄소가 결실되거나 재배열되며 6각형 구조가, 5각형, 7각형 및 8각형 구조 등으로 변형된 구조를 의미한다.
일 구현예에서, 상기 탄소 지지체의 결정화도는 0.5 내지 2이다. 상기 결정화도는 라만 산란(Raman scattering) 스펙트럼에 있어서, D-밴드(1350 cm-1)와 G-밴드(1585 cm-1)의 강도비(ID/IG)에 의해 구해지는 결정화도이다. 보다 구체적으로, 상기 탄소 지지체의 결정화도는 0.5 이상, 0.6 이상, 0.7 이상, 0.76 이상, 0.79 이상, 0.8 이상, 0.88 이상; 2.0 이하, 1.9 이하, 1.8 이하, 1.7 이하, 1.6 이하, 1.5 이하, 1.4 이하, 1.3 이하, 1.2 이하, 1.1 이하, 1.0 이하, 0.9 이하, 0.88 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 높은 결정화도를 갖는 탄소 지지체는 안정한 전기화학 반응 촉매 지지체로 활용 가능하다.
일 구현예에서, 상기 층상 이중 수산화물은 니켈, 철, 코발트, 셀레늄, 텅스텐, 은, 금, 백금, 이리듐, 틴 및 스트론튬으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함한다. 일 구현예에서, 상기 층상 이중 수산화물은 니켈, 철 및 코발트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함한다. 일 구현예에서, 상기 층상 이중 수산화물은 니켈, 철 및 코발트를 포함한다.
일 구현예에서, 상기 층상 이중 수산화물의 두께는 0.1 nm 이상 내지 4.0 nm 미만이다. 보다 구체적으로, 상기 층상 이중 수산화물의 두께는 0.1 nm 이상, 0.2 nm 이상, 0.3 nm 이상, 0.4 nm 이상, 0.5 nm 이상, 0.6 nm 이상, 0.7 nm 이상, 0.8 nm 이상, 0.9 nm 이상, 1.0 nm 이상, 1.1 nm 이상, 1.2 nm 이상, 1.3 nm 이상, 1.4 nm 이상, 1.5 nm 이상, 두께는 1.6 nm 이상, 1.7 nm 이상, 1.8 nm 이상, 두께는 1.9 nm 이상, 2.0 nm 이상, 2.1 nm 이상, 2.2 nm 이상, 2.3 nm 이상, 2.4 nm 이상, 2.5 nm 이상, 2.6 nm 이상, 2.7 nm 이상, 2.8 nm 이상; 4.0 nm 미만, 3.9 nm 이하, 3.8 nm 이하, 3.7 nm 이하, 3.6 nm 이하, 3.5 nm 이하, 3.4 nm 이하, 3.3 nm 이하, 3.2 nm 이하, 3.1 nm 이하, 3.0 nm 이하, 2.9 nm 이하, 2.8 nm 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에서, 상기 층상 이중 수산화물의 로딩량은 촉매의 총 중량을 기준으로 13 중량% 내지 19 중량%이다. 상기 로딩량은 탄소 지지체의 표면에 코팅된 층상 이중 수산화물의 담지량을 의미한다. 일반적으로 수전해용 전극은 촉매를 니켈 폼 형태의 전극 위에서 형성/증착(electrodeposition)시킨 뒤, 이를 막(membrane) 위에 압착하는 방식으로 제작된다. 그러나, 이러한 방식에 의할 경우 니켈 폼 상의 촉매가 일정 수준 이상으로 두꺼워지면 전도성이 떨어지기 때문에, 실질적으로 전극의 두께 조절 내지 촉매의 로딩량 조절이 용이하지 아니하다. 또한, 위 방식에 의할 경우 니켈 폼 전극의 물리적 두께를 항상 고려해야 된다는 점에서 다양한 크기의 셀에 보편적으로 적용하기에 적합하지 아니하다. 이에 본 발명자들은 탄소 결함 구조가 형성된 결정화된 탄소 지지체에 상기 층상 이중 수산화물이 코팅된 수전해용 전극촉매를 사용할 경우 균일하게 촉매를 담지함으로써 전극에 올라가는 촉매의 양을 효과적으로 제어할 수 있다는 점을 지견하여 본 발명을 완성하였다.
보다 구체적으로, 상기 층상 이중 수산화물의 로딩량은 촉매의 총 중량을 기준으로 13 중량% 이상, 14 중량% 이상, 15 중량% 이상, 16 중량% 이상; 19 중량% 이하, 18 중량% 이하, 17 중량% 이하, 16 중량% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 층상 이중 수산화물의 두께는, 그 로딩량의 증가에 따라서 증가할 수 있다.
본 발명의 상기 수전해용 전극촉매는 물 전기 분해를 위한 고활성, 고내구성을 가지며, 산소 발생 및 수소 발생의 양기능성을 나타내므로, 물 전기 분해에 있어서, 산소 발생 전극(애노드) 및 수소 발생 전극(캐소드)에 모두 적용할 수 있다. 또한, 상기 수전해용 전극촉매는 대면적에서도 적용 가능한 간단한 전기화학적 처리법에 의하여 제조될 수 있다.
수전해 전지
본 발명의 다른 예시적인 구현예들에서는, 상기 수전해용 전극촉매를 포함하는 수전해 전지를 제공한다. 상기 수전해용 전극촉매는 수소 발생 성능뿐만 아니라 산소 발생 성능이 개선된 양기능성 전극촉매이므로, 수전해용 전극촉매를 포함하는 전극은 산소 발생 반응(OER)이 일어나는 전극 (애노드) 및 수소 발생 반응(HER)이 일어나는 전극 (캐소드) 중 어느 하나 또는 이 둘 모두에 적용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 수전해 전지는 음이온 교환막, 전극 (캐소드 및 애노드), 분리판, 가스켓, 집전체, 및 기준 전극을 포함할 수 있다. 수전해 전극에서, 전극은 실제 전기화학 반응이 일어나는 곳으로 전압에 따른 반응이 일어나 산소 및 수소를 생성한다. 음이온 교환막은 수전해 반응이 일어날 때에 이온의 이동을 통해 반응이 일어나도록 하고 전기가 전극에서 다른 전극으로 바로 넘어가지 않도록 전기를 차단하는 역학을 한다. 분리판은 전극과 전기적 연결을 함과 동시에 반응물이 물이 잘 흐를 수 있도록 유로가 파여 있어 물질 저항을 감소시킨다. 가스켓(Gasket)은 전극을 고정시키면서 전극이 적절한 압력을 받을 수 있도록 지지해준다. 집전체는 전기 도선과 분리판까지 전기가 통할 수 있게 하는 역할을 한다. 마지막으로, 기준 전극의 경우 기존 전기화학 셀에서는 2개의 전극만 있기 때문에 각각의 전극에서 실제 전압을 알기 어렵기 때문에 도입한 것으로 각각의 전극의 절대 전압을 측정하기 위해 사용된다.
수전해용 전극촉매 제조방법
도 1은 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
본 발명의 다른 예시적인 구현예들에서는, 탄소 지지체의 표면을 개질하는 단계; 및 상기 탄소 지지체의 표면에 층상 이중 수산화물(layered double hydroxide, LDH)을 코팅하는 단계;를 포함하는 수전해용 전극촉매 제조방법을 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 발명자들은 일반적인 탄소 지지체의 표면에는 표면에 핵 생성이 일어나는 자리인 결함(defect)이 적어서 균일하게 촉매를 담지하는 것이 어렵고, 촉매를 성장시키는 것이 어렵다는 문제를 인식하였고, 탄소 결함 구조가 형성된 결정화된 탄소 지지체에 상기 층상 이중 수산화물이 코팅된 수전해용 전극촉매를 사용할 경우 산소 발생 활성 및 내구성이 우수하다는 것을 지견하여 본 발명을 완성하였다. 상기 탄소 결함 구조는 표면 개질에 의하여 형성된다.
상기 탄소 지지체의 표면을 개질하는 단계는 탄소 지지체 전구체 및 계면활성제를 용매에 분산시켜 수행하는 것일 수 있다.
상기 탄소 지지체 전구체는 석유계 핏치, 석탄계 핏치, 석유계 코크스, 석탄계 코크스 및 그들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 계면활성제는 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), CTAB(cetyl trimethyl ammonium bromide) 및 SDS(sodium dodecyl sulfate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 용매는 수계 용매 및/또는 유기 용매를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 수계 용매는 물일 수 있으며, 탈이온수를 예로 들 수 있다. 또한 상기 유기 용매는 에탄올, 아세톤 및 이소프로필 알코올을 예로 들 수 있다. 즉, 상기 용매는 물, 에탄올, 아세톤 및 이소프로필 알코올로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 탄소 지지체의 표면을 개질하는 단계는 상기 탄소 지지체를 포함하는 용액에 초음파를 조사하여 수행되는 것이다. 본 발명은 초음파 화학을 활용하여 탄소 지지체의 표면에 층상 이중 수산화물을 코팅하는 방법에 관한 것으로서, 초음파 화학을 이용하면 상온에서 탄소 담지체 위에 촉매를 담지시킬 수 있다.
일 구현예에서, 상기 탄소 지지체의 표면에 층상 이중 수산화물을 코팅하는 단계는 상기 탄소 지지체를 포함하는 용액에 층상 이중 수산화물 전구체를 함침시킨 후 환원제에 의하여 환원시키는 것이다.
일 구현예에서, 상기 이중 수산화물 전구체는 니켈 전구체 화합물, 철 전구체 화합물, 코발트 전구체 화합물, 셀레늄 전구체 화합물, 텅스텐 전구체 화합물, 은 전구체 화합물, 금 전구체 화합물, 백금 전구체 화합물, 이리듐 전구체 화합물, 틴 전구체 화합물 및 스트론튬 전구체 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 니켈 전구체 화합물, 철 전구체 화합물 및 코발트 전구체 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함한다. 일 구현예에서, 니켈 전구체 화합물, 철 전구체 화합물 및 코발트 전구체 화합물을 포함한다.
상기 니켈 전구체 화합물의 예로는 시트르산니켈, 아세트산니켈, 아세트산니켈 사수화물, 아세틸아세톤산니켈, 아크릴산니켈, 염화니켈, 디에틸디티오카밤산니켈, 디메틸디티오카밤산니켈, 불화니켈, 불화니켈 사수화물, 헥사플루오로아세틸아세톤산 니켈, 메타크릴산니켈, 질산니켈 육수화물, 질산니켈, 트리플루오로메탄설폰산니켈, 트리플루오로아세트산니켈 사수화물, 테트라플루오로보론산니켈 육수화물, 과염소산니켈 육수화물, 황산니켈 및 황산니켈 육수화물 등을 들 수 있다.
상기 철 전구체 화합물의 예로는 시트르산철, 아세트산철, 아세트산철 사수화물, 아세틸아세톤산철, 아크릴산철, 염화철, 디에틸디티오카밤산철, 디메틸디티오카밤산철, 불화철, 불화철 사수화물, 헥사플루오로아세틸아세톤산철, 메타크릴산철, 질산철 구수화물, 질산철, 트리플루오로메탄설폰산철, 테트라플루오로보론산철 육수화물, 과염소산철 육수화물, 황산철 및 황산철 육수화물등을 들 수 있다.
상기 코발트 전구체 화합물의 예로는시트르산코발트, 아세트산코발트, 아세트산코발트 사수화물, 아세틸아세톤산코발트, 아크릴산코발트, 염화코발트, 염화코발트 육수화물, 디에틸디티오카밤산 코발트, 불화코발트, 불화코발트 사수화물, 헥사플루오로아세틸아세톤산코발트, 메타크릴산코발트, 질산코발트 육수화물, 트리플루오로메탄설폰산 코발트, 테트라플루오로보론산코발트 육수화물, 과염소산코발트 육수화물, 황산코발트 및 황산코발트 칠수화물 등을 들 수 있다.
일 구현예에서, 상기 환원제는 수산화칼륨, 수소화붕소나트륨, 피로갈롤(pyrogallol), L-아스코르브산 및 히드라진 일수화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상이다.
일 구현예에서, 상기 탄소 지지체의 표면에 층상 이중 수산화물을 코팅하는 단계는 3분 내지 90분 동안 수행되는 것이다. 보다 구체적으로, 상기 시간은 3분 이상, 5분 이상, 10분 이상, 15분 이상, 20분 이상, 25분 이상, 30분 이상, 35분 이상, 40분 이상, 45분 이상, 50분 이상, 55분 이상, 60분 이상; 90분 이하, 85분 이하, 80분 이하, 75분 이하, 70분 이하, 65분 이하, 60분 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에서, 제조방법은 상온에서 수행되는 것이다. 상기 제조방법에서 사용되는 초음파 화학 및 산화환원 화학을 이용하면 상온에서 탄소 담지체 위에 촉매를 담지시킬 수 있다. 본 발명에서 상온 (Room Temperature)이란 실내의 대기 온도를 의미하는 것으로, 바람직하게는 15 내지 25℃이다. 본 발명의 제조방법은 상온에서 진행되며, 대량생산이 가능한 제조방법이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
{실시예}
<제조예 1> 실시예 1에 따른 수전해용 전극촉매의 제조
결정화된 탄소(Graphitized carbon, GC) 지지체를 용매인 물과 계면활성제(Ethylene glycol, EG)가 담긴 용기에 분산시켰다. 금속 전구체로서 니켈 전구체 화합물 및 철 전구체 화합물을 주입하고 초음파 처리를 수행하였다. 이후, 환원제로서 수산화붕소나트륨(NaBH4)을 주사하여 환원시켰다. 초음파 처리를 통하여 탄소 지지체의 표면에 탄소 결함 구조가 형성된 탄소 지지체 위에 층상 이중 수산화물이 코팅되었다.
<제조예 2> 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매의 제조
금속 전구체로서 니켈 전구체 화합물, 철 전구체 화합물 및 코발트 전구체 화합물을 주입한 것 이외에는 제조예 1과 동일한 방법으로 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매를 제조하였다.
<제조예 3> 비교예 1에 따른 수전해용 전극촉매의 제조
탄소 지지체로서 Fuelcellstore로부터 구입한 상용 탄소(Vulcan carbon, VC) 지지체(Vulcan XC 72R, Cabot)를 사용한 것 이외에는 제조예 1과 동일한 방법으로 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매를 제조하였다.
<실험예 1> 수전해용 전극촉매의 결정화도 평가
1. 평가 대상
실시예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/GC), 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매(FeNiCo/GC), 비교예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/VC)를 준비하였다. 또한, 평가를 위하여 층상 이중 수산화물이 코팅되지 아니한 결정화된 탄소(Graphitized carbon, GC) 및 층상 이중 수산화물이 코팅되지 아니한 상용 탄소(Vulcan carbon, VC)를 준비하였다.
2. 평가 결과
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 결정화된 탄소(Graphitized carbon, GC)를 포함하는 경우, 약 24도에서 강한 탄소 피크를 나타내며, 이를 통해 상용 탄소(Vulcan carbon, VC)를 포함하는 경우에 비해 높은 결정화도(crystallinity)를 갖는다. 또한, 결정화된 탄소(Graphitized carbon, GC)를 포함하는 경우, 약한 (00n)면 (n=3, 6) 피크가 검출되어, 비교적 얇은 층상 이중 수산화물이 형성되었음을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 라만 산란 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. D-밴드(1350 cm-1)는 sp3-혼성화 탄소와 같은 탄소 결함 구조에서 기인하며, G-밴드(1585 cm-1)는 고순도 열분해 흑연의 접선 스트레칭 모드에 기인한다. 따라서 D-밴드와 G-밴드의 강도비(ID/IG)는 탄소 구조의 결함 밀도를 나타낸다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 결정화된 탄소(Graphitized carbon, GC)의 강도비(ID/IG)는 0.88로서, 강도비(ID/IG)가 2.13인 상용 탄소(Vulcan carbon, VC)에 비해 낮다. 즉, 높은 결정화도를 갖는다. 실시예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/GC), 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매(FeNiCo/GC)의 강도비(ID/IG)는 각각 0.79, 0.76로서, 비교예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/VC)의 강도비인 0.95보다 낮다. 즉, 실시예 1에 따른 수전해용 전극촉매 및 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매가 높은 결정화도를 가지므로 안정한 전기화학 반응 촉매 지지체로 활용 가능할 것을 알 수 있다.
<실험예 2> 수전해용 전극촉매의 구조 확인
1. 평가 대상
실시예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/GC), 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매(FeNiCo/GC), 비교예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/VC)를 준비하였다.
2. 평가 결과
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 및 STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy) 이미지를 나타낸 사진이다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 모든 샘플에서 (012)면의 면간 거리가 2.4 nm 값을 나타냄을 통해 지지체 위에 층상 이중 수산화물이 형성되었음을 확인하였다. 비교예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/VC)에서는 약 4.0 nm 정도의 층상 이중 수산화물 층이 형성되었음을 확인하였다. 반면, 실시예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/GC)의 경우 2.8 nm, 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매(FeNiCo/GC)의 경우 1.9 nm의 비교적 얇은 층상 이중 수산화물 층이 형성되었음을 확인하였다. STEM 이미지를 통해, 탄소 지지체의 표면 위에서 결정면을 따라 층상 이중 수산화물이 형성되었음을 확인하였다. 이러한 면대면(plane-to-plane) 접합은 탄소와 촉매 간 강한 상호작용을 일으켜, 높은 특성 향상 및 내구성을 이끌어낼 수 있다.
<실험예 3> 시간에 따른 수전해용 전극촉매의 구조 확인 1
1. 평가 대상
실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매(FeNiCo/GC)를 준비하였다.
2. 평가 결과
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 TEM 및 EDS(에너지분산형 분광분석법) 이미지를 나타낸 사진이다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매(FeNiCo/GC)에서 성장하는 반응 초반(3분) Fe과 Ni이 클러스터 형태로 형성되었다. 이때, Fe과 Ni은 약 97 대 3의 비율로 존재하였다. 반응 시작 10분 뒤, 층상 구조의 NiCo 층상 이중 수산화물이 형성되기 시작하였다. 탄소 지지체 위 Fe3O4 입자가 따로 존재하는 것도 확인되었다. 반응이 60분 이상 지속됨에 따라 Fe과 Ni이 점차 섞이기 시작하며, 반응이 종료되는 90분 시점에는 대부분의 층상 이중 수산화물이 Fe, Ni, Co가 섞인 상태로 존재함을 확인하였다.
<실험예 4> 시간에 따른 수전해용 전극촉매의 구조 확인 2
1. 평가 대상
실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매(FeNiCo/GC)를 준비하였다.
2. 평가 결과
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 원자비(atomic ratio)를 나타낸 그래프이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 6 및 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매(FeNiCo/GC)의 경우, 반응 초반(3분)에는 Fe과 Ni이 클러스터 형태로 형성되고, 작은 크기로 인해 XRD 구조 분석에서는 피크가 검출되지 않으며, Fe과 Ni은 약 97 대 3의 비율로 존재하였다. 반응 시작 10분 뒤, Fe 클러스터는 Fe3O4로 성장하며 NiCo 층상 이중 수산화물이 형성되었다. Fe3O4 입자는 점차 용출되며, 용출된 Fe 원자는 NiCo 층상 이중 수산화물과 섞여 FeNiCo 층상 이중 수산화물을 형성하였다.
<실험예 5> 시간에 따른 수전해용 전극촉매의 성분 확인
1. 평가 대상
실시예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/GC), 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매(FeNiCo/GC), 비교예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/VC)를 준비하였다.
2. 평가 결과
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 X선 광전자 분광(XPS)을 나타낸 그래프이다.
도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 비교예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/VC)의 경우에는 Fe은 대부분 Fe3+과 Fe2+의 형태로 존재하며, O 1s 스펙트럼에서 금속 산화물(Metal-Oxygen) 결합이 존재하는 것을 통해, 다수의 산화물 (FeOx)이 존재함을 알 수 있다. 반면, 실시예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/GC), 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매(FeNiCo/GC)에서 성장한 층상 이중 수산화물의 경우, 금속성을 나타내는 Fe가 다수 존재하였다. FeNi에는 12.4 %의 금속성의 영가철(Fe0)이 존재하며, FeNiCo에서는 21.3%의 영가철(Fe0)이 존재하였다. O 1s 스펙트럼에서도 금속 산화물(Metal-Oxygen) 관련 피크는 검출되지 않았다.
<실험예 6> 수전해용 전극촉매의 산소 발생 활성 평가
1. 평가 대상
실시예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/GC), 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매(FeNiCo/GC), 비교예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/VC)를 준비하였다.
2. 평가 결과
산소 환원 반응은 이론적으로 1.23 V 근처에서 일어나며, 실제로 반응이 일어나는 전압 값과 이론 값의 차이를 과전압(overpotential)이라고 한다. 전류 밀도 값이 10 mA/cm2일 때의 과전압(η10) 값을 촉매 간 비교 지표로 활용하였다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 전극촉매의 과전압(η10) 값을 나타낸 그래프이다. 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/GC), 실시예 2에 따른 수전해용 전극촉매(FeNiCo/GC), 비교예 1에 따른 수전해용 전극촉매(FeNi/VC)의 과전압(η10) 값은 각각 240 mV, 230 mV, 270 mV였다. 100번의 반응 사이클을 돌린 후의 과전압(η10) 값은 각각 245 mV, 235 mV, 320 mV였다. 이로부터, 상용 탄소(Vulcan carbon, VC)에 담지된 층상 이중 수산화물은 100번의 사이클 이후 활성이 크게 떨어지는 반면, 결정화된 탄소(Graphitized carbon, GC)에 담지된 층상 이중 수산화물은 사이클 이후 활성이 유지되는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 결정화된 탄소(Graphitized carbon, GC)는 산소 발생 반응이 일어나는 전기화학적 분위기에서 탄소 부식 등의 문제가 크게 발생하지 않음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 예시적인 구현예가 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 청구범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형이 포함될 것이다.
Claims (12)
- 탄소 지지체; 및
상기 탄소 지지체의 표면에 코팅된 층상 이중 수산화물(layered double hydroxide, LDH);을 포함하며,
상기 탄소 지지체는 결정화된 탄소 지지체인, 수전해용 전극촉매. - 제1항에 있어서,
상기 탄소 지지체의 결정화도는 0.5 내지 2인, 수전해용 전극촉매. - 제1항에 있어서,
상기 층상 이중 수산화물은 니켈, 철, 코발트, 셀레늄, 텅스텐, 은, 금, 백금, 이리듐, 틴 및 스트론튬으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는, 수전해용 전극촉매. - 제1항에 있어서,
상기 층상 이중 수산화물의 두께는 0.1 nm 이상 내지 4.0 nm 미만인, 수전해용 전극촉매. - 제1항에 있어서,
상기 층상 이중 수산화물의 로딩량은 촉매의 총 중량을 기준으로 13 중량% 내지 19 중량%인, 수전해용 전극촉매. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 수전해용 전극촉매를 포함하는, 수전해 전지.
- 탄소 지지체의 표면을 개질하는 단계; 및
상기 탄소 지지체의 표면에 층상 이중 수산화물(layered double hydroxide, LDH)을 코팅하는 단계;를 포함하는, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 수전해용 전극촉매 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 탄소 지지체의 표면을 개질하는 단계는 상기 탄소 지지체를 포함하는 용액에 초음파를 조사하여 수행되는 것인, 수전해용 전극촉매 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 탄소 지지체의 표면에 층상 이중 수산화물을 코팅하는 단계는 상기 탄소 지지체를 포함하는 용액에 층상 이중 수산화물 전구체를 함침시킨 후 환원제에 의하여 환원시키는 것인, 수전해용 전극촉매 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 환원제는 수산화칼륨, 수소화붕소나트륨, 피로갈롤(pyrogallol), L-아스코르브산 및 히드라진 일수화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인, 수전해용 전극촉매 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 탄소 지지체의 표면에 층상 이중 수산화물을 코팅하는 단계는 3분 내지 10분 동안 수행되는 것인, 수전해용 전극촉매 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 제조방법은 상온에서 수행되는 것인, 수전해용 전극촉매 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220111917A KR20240033364A (ko) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | 수전해용 전극촉매, 이를 포함하는 수전해 전지 및 이의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220111917A KR20240033364A (ko) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | 수전해용 전극촉매, 이를 포함하는 수전해 전지 및 이의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240033364A true KR20240033364A (ko) | 2024-03-12 |
Family
ID=90299695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220111917A KR20240033364A (ko) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | 수전해용 전극촉매, 이를 포함하는 수전해 전지 및 이의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240033364A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102360423B1 (ko) | 2019-10-04 | 2022-02-09 | 충남대학교산학협력단 | 다공성 Ni-Fe-Al 촉매층이 형성된 알칼리 수전해용 양극 및 그 제조방법 |
-
2022
- 2022-09-05 KR KR1020220111917A patent/KR20240033364A/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102360423B1 (ko) | 2019-10-04 | 2022-02-09 | 충남대학교산학협력단 | 다공성 Ni-Fe-Al 촉매층이 형성된 알칼리 수전해용 양극 및 그 제조방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Noble metal-free electrocatalytic materials for water splitting in alkaline electrolyte | |
| Feng et al. | Electron density modulation of Fe1-xCoxP nanosheet arrays by iron incorporation for highly efficient water splitting | |
| Wu et al. | CeO x-Decorated Hierarchical NiCo2S4 Hollow Nanotubes Arrays for Enhanced Oxygen Evolution Reaction Electrocatalysis | |
| Wang et al. | Self-supported NiMo-based nanowire arrays as bifunctional electrocatalysts for full water splitting | |
| Wu et al. | Metal-organic framework-derived, Zn-doped porous carbon polyhedra with enhanced activity as bifunctional catalysts for rechargeable zinc-air batteries | |
| Zhang et al. | Fe, Co, N-functionalized carbon nanotubes in situ grown on 3D porous N-doped carbon foams as a noble metal-free catalyst for oxygen reduction | |
| Dong et al. | Scalable dealloying route to mesoporous ternary CoNiFe layered double hydroxides for efficient oxygen evolution | |
| Jia et al. | Interfacial engineering of Mo 2 C–Mo 3 C 2 heteronanowires for high performance hydrogen evolution reactions | |
| Doan et al. | Rational engineering CoxOy nanosheets via phosphorous and sulfur dual‐coupling for enhancing water splitting and Zn–air battery | |
| CN110075872B (zh) | 利用电化学活化二硫化钼/碳复合材料电催化析氢的方法 | |
| Kim et al. | Crumpled rGO-supported Pt-Ir bifunctional catalyst prepared by spray pyrolysis for unitized regenerative fuel cells | |
| Wang et al. | Freestanding non‐precious metal electrocatalysts for oxygen evolution and reduction reactions | |
| Kong et al. | Plasma-assisted synthesis of nickel-cobalt nitride–oxide hybrids for high-efficiency electrochemical hydrogen evolution | |
| Li et al. | Synthesis of nitrogen-rich porous carbon nanotubes coated Co nanomaterials as efficient ORR electrocatalysts via MOFs as precursor | |
| Pan et al. | Tungsten diselenide/porous carbon with sufficient active edge-sites as a co-catalyst/Pt-support favoring excellent tolerance to methanol-crossover for oxygen reduction reaction in acidic medium | |
| KR102173226B1 (ko) | 산소 발생 촉매, 전극 및 전기화학반응 시스템 | |
| Zhu et al. | Co-CoF2 heterojunctions encapsulated in N, F co-doped porous carbon as bifunctional oxygen electrocatalysts for Zn-air batteries | |
| Loni et al. | Cobalt-based electrocatalysts for water splitting: an overview | |
| KR102111074B1 (ko) | 가역연료전지 또는 재생연료전지의 산소극 촉매용 백금 복합체 및 이의 제조방법 | |
| Wang et al. | Electronic modulation of cobalt–molybdenum oxide via Te doping embedded in a carbon matrix for superior overall water splitting | |
| Zhang et al. | Enhanced electrocatalytic performance of ultrathin PtNi alloy nanowires for oxygen reduction reaction | |
| Cai et al. | Nickel iron carbonate hydroxide hydrate decorated with CeO x for highly efficient oxygen evolution reaction | |
| Wu et al. | Self-supported hollow Co (OH) 2/NiCo sulfide hybrid nanotube arrays as efficient electrocatalysts for overall water splitting | |
| Liu et al. | N, O-codoped carbon spheres with uniform mesoporous entangled Co3O4 nanoparticles as a highly efficient electrocatalyst for oxygen reduction in a Zn-air battery | |
| Tian et al. | Rational construction of core-branch Co3O4@ CoNi-layered double hydroxide nanoarrays as efficient electrocatalysts for oxygen evolution reaction |