KR20240081263A - Oxidation resistant catalyst for fuel cell, manufacturing method thereof and fuel cell comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 내산화성 촉매, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 본 발명에 따른 연료전지 촉매는 탄소 지지체의 전기전도도는 유지하면서 금속 산화물의 내산화성 특징을 가진다. 이에 따라 연료전지의 활성점인 백금 입자의 촉매 활성을 향상시킬 수 있으며, 금속 산화물이 백금 입자가 탄소 지지체와 직접 상호 작용하는 것을 방지하여 백금/탄소 계면에서 발생하는 탄소 부식 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to an oxidation-resistant catalyst for fuel cells, a method of manufacturing the same, and a fuel cell containing the same. The fuel cell catalyst according to the present invention has the characteristic of oxidation resistance of metal oxide while maintaining the electrical conductivity of the carbon support. Accordingly, the catalytic activity of platinum particles, which are the active point of the fuel cell, can be improved, and the metal oxide prevents the platinum particles from directly interacting with the carbon support, which has the advantage of solving the carbon corrosion problem that occurs at the platinum/carbon interface. There is.
Description
본 발명은 내산화성 촉매에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연료전지 응용에 적합한 촉매 지지체로서 촉매 지지체의 전기전도도가 우수한 내산화성 연료전지용 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to an oxidation-resistant catalyst, and more specifically, to a catalyst support suitable for fuel cell applications, an oxidation-resistant fuel cell catalyst with excellent electrical conductivity of the catalyst support, a manufacturing method thereof, and a fuel cell using the same.
차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있는 수소는 수소 경제 사회로의 전환을 이끄는 동력원으로 주목받고 있으며, 이러한 동력원 중 하나인 고분자 전해질 분리막 연료전지(PEMFC; Polymer electrolyte membrane fuel cell)은 연료인 수소와 산소의 결합과정에서 발생하는 전기를 이용하여, 수송 및 건물 발전용으로 사용할 수 있는 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 에너지 변환 장치이다.Hydrogen, which is in the spotlight as a next-generation eco-friendly energy source, is attracting attention as a power source that leads the transition to a hydrogen economic society, and one of these power sources, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), is a fuel cell that combines hydrogen and oxygen as fuel. It is an energy conversion device that can convert chemical energy that can be used for transportation and building power generation into electrical energy by using the electricity generated during the combining process.
연료전지의 작동 원리는 연료(수소, 메탄올 등)가 애노드에 공급되어 촉매 작용에 의해 연료가 산화되는 동시에 전자가 방출되어 외부 부하를 통해 캐소드로 전도되고, 캐소드에서는 다시 촉매 작용으로 산화제가 환원되어 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 것이다(비특허문헌, Yun Wang et al., Applied Energy 88 (2011) 981-1007).The operating principle of a fuel cell is that fuel (hydrogen, methanol, etc.) is supplied to the anode, the fuel is oxidized by a catalyst action, electrons are released and conducted to the cathode through an external load, and at the cathode, the oxidant is reduced again by a catalyst action. Electricity is generated while generating water (non-patent literature, Yun Wang et al., Applied Energy 88 (2011) 981-1007).
연료전지 촉매의 주된 연구 분야는 촉매의 활성을 높이기 위해 수 나노미터 크기로 제조하는 연구와, 이를 높은 비표면적을 가지는 탄소 담지체에 고르게 담지하여 물질 이동을 고효율로 반응하게 하는 연구이다. 이때 탄소 담지체는 촉매 활성점인 백금 나노 입자의 고분산 담지를 유도하여 반응 효율을 극대화하는 역할과 촉매 반응으로 생성되는 전자를 출력 장치에 원활히 전달하는 역할을 한다.The main research areas of fuel cell catalysts are research on manufacturing them at a size of several nanometers to increase catalyst activity and research on supporting them evenly on a carbon support with a high specific surface area to enable mass transfer and reaction with high efficiency. At this time, the carbon support serves to maximize reaction efficiency by inducing highly dispersed support of platinum nanoparticles, which are catalytic active sites, and to smoothly transfer electrons generated by the catalytic reaction to the output device.
일반적으로 탄소 담지체로는 카본 블랙(Carbon black)이 사용되고 있다. 그러나 연료전지 구동 시 시동 및 정지 과정에서 전극으로 유입된 외부 공기가 연료인 수소와 혼재되어 1.2V 이상의 고전위가 탄소에 영향을 미치게 되고, 탄소의 산화 표준 전위인 0.207V 보다 높은 전위로 인해 탄소 부식을 야기한다. 이로 인해 연료전지의 성능과 수명이 단축된다.Carbon black is generally used as a carbon carrier. However, when driving a fuel cell, the external air flowing into the electrode during the start and stop process mixes with the hydrogen, which is the fuel, and a high potential of 1.2V or higher affects the carbon. Due to a potential higher than 0.207V, which is the standard oxidation potential of carbon, the carbon causes corrosion. This shortens the performance and lifespan of the fuel cell.
이에 대한 대책으로, 고온 흑연화에 의한 탄소 담지체 표면의 결정성을 증가시켜 본래 탄소가 가지고 있는 산화 개시 온도를 높이고, 이에 따라 연료전지 전극 열화에 의한 부식을 억제하려는 시도가 이루어지고 있다.As a countermeasure to this, attempts are being made to increase the crystallinity of the surface of the carbon support through high-temperature graphitization to increase the oxidation initiation temperature of the original carbon, thereby suppressing corrosion caused by fuel cell electrode deterioration.
또 다른 방법으로는 산화에 대한 내성이 높은 금속 산화물인 CeO2, SiO2, NiO, SnO2, TiO2, ZrO2, Ga2O2 등이 탄소 지지체의 대안으로 여겨지고 있으며, 그 중 TiO2는 저가, 풍부함, 무독성, 산염기에 대한 높은 안정성 때문에 촉매 지지체로 많은 연구가 진행되고 있다.As another method, metal oxides with high resistance to oxidation, such as CeO 2 , SiO 2 , NiO, SnO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , Ga 2 O 2 , etc. are considered as alternatives to carbon supports, of which TiO 2 is Much research is being conducted as a catalyst support because of its low cost, abundance, non-toxicity, and high stability against acid and base.
특히 TiO2 담지된 Pt 촉매는 TiO2의 높은 내산화성 특징으로 인하여 촉매 열화 프로토콜 진행 후 탄소계 담지 촉매 대비 높은 촉매 안정성을 보여주며 TiO2지지체가 궁극적으로 전기화학적 내구성을 증가시키는 소재로 여겨지고 있다.In particular, TiO 2 -supported Pt catalysts show higher catalytic stability compared to carbon-based supported catalysts after catalyst deterioration protocols due to the high oxidation resistance of TiO 2 , and TiO 2 supports are considered to be a material that ultimately increases electrochemical durability.
그러나 Pt/TiO2 촉매는 낮은 산소환원반응 활성을 보이고 있는데, 이는 TiO2의 절연 특징의 낮은 전기 전도도에 따른 산소환원반응 시 생성되는 전자의 이동 흐름 억제에 기인한 것으로 보인다.However, the Pt/TiO 2 catalyst shows low oxygen reduction reaction activity, which appears to be due to the inhibition of the flow of electrons generated during the oxygen reduction reaction due to the low electrical conductivity of the insulating characteristics of TiO 2 .
이에 TiO2의 절연 특징을 보완하기 위해 전도성이 상대적으로 높은 탄소를 TiO2와 물리적으로 혼합하여 전자 이동 효율을 높이는 연구가 진행되고 있으나, 마이크론 크기의 TiO2와 탄소 응집체가 불균일하게 혼재되어 전극 내 전자 이동 통로의 결손을 야기하고 결국 막전극접합체의 성능 저하를 유발하는 문제가 있다. Accordingly, in order to complement the insulating characteristics of TiO 2 , research is being conducted to increase electron transfer efficiency by physically mixing carbon with relatively high conductivity with TiO 2 , but micron-sized TiO 2 and carbon aggregates are mixed unevenly, creating a problem within the electrode. There is a problem that it causes defects in the electron transfer path and ultimately causes the performance of the membrane electrode assembly to deteriorate.
본 발명의 일 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위해 촉매 지지체의 전기전도도가 우수한 내산화성 연료전지용 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.One purpose of the present invention is to provide a catalyst for oxidation-resistant fuel cells with excellent electrical conductivity of the catalyst support and a method for manufacturing the same in order to solve the above problems.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소 지지체 분산 용액을 형성하는 단계, 상기 탄소 지지체 분산 용액에 제1 금속 전구체 용액을 혼합하여 제1 금속 전구체 혼합 용액을 형성하는 단계, 상기 제1 금속 전구체 혼합 용액에 전자빔을 조사하여 제1 금속을 담지하는 단계, 상기 제1 금속이 담지된 혼합 용액에 제2 금속 전구체를 주입하는 단계, 상기 제2 금속 전구체가 주입된 혼합 용액에 전자빔을 조사하여 제2 금속을 담지하는 단계, 및 상기 제2 금속이 담지된 탄소 지지체를 수득하는 단계를 포함하는 연료전지 촉매의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes the steps of forming a carbon support dispersion solution, mixing a first metal precursor solution with the carbon support dispersion solution to form a first metal precursor mixed solution, and mixing the first metal precursors. Supporting a first metal by irradiating an electron beam to a solution, injecting a second metal precursor into the mixed solution containing the first metal, irradiating an electron beam to the mixed solution into which the second metal precursor is injected to form a second metal. A method for producing a fuel cell catalyst is provided, including the steps of supporting a metal and obtaining a carbon support on which the second metal is supported.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 탄소 지지체가 환원된 그래핀 옥사이드, 그래핀, 그래파이트, 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 탄소 나노혼, 탄소 나노섬유, 아세틸렌 블랙, 및 퍼니스 블랙에서 선택되는 하나 이상의 탄소 지지체를 포함하는 연료전지 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides that the carbon support is selected from reduced graphene oxide, graphene, graphite, single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, carbon nanohorns, carbon nanofibers, acetylene black, and furnace black. A method for manufacturing a fuel cell catalyst comprising one or more carbon supports is provided.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 제1 금속 전구체가 금속 산화물의 전구체로서, TiO2, SnO2, ZnO, VO2, In2O2, NiO, MoO2, WO2, 및 CuO에서 선택되는 산화물의 전구체를 하나 이상 포함하는 연료전지 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides that the first metal precursor is a metal oxide precursor, and is an oxide selected from TiO 2 , SnO 2 , ZnO, VO 2 , In 2 O 2 , NiO, MoO 2 , WO 2 , and CuO A method for manufacturing a fuel cell catalyst including one or more precursors is provided.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 제1 금속 전구체가 TiCl4, C12H28O4Ti, Ti(OC2H5)4, Ti(OBu)4, C12H28O4Ti, 및 [(CH3)2CHO]2Ti(C5H7O2)2에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 연료전지 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides that the first metal precursor is TiCl 4 , C 12 H 28 O 4 Ti, Ti(OC 2 H 5 ) 4 , Ti(OBu) 4 , C 12 H 28 O 4 Ti, and [( CH 3 ) 2 CHO] 2 Ti(C 5 H 7 O 2 ) 2 A method for producing a fuel cell catalyst containing one or more selected from the group is provided.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 제1 금속 전구체 혼합 용액을 형성하는 단계에서 제1 금속 전구체 혼합 용액의 pH는 염기성으로 조절되는 연료전지 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method of manufacturing a fuel cell catalyst in which the pH of the first metal precursor mixed solution is adjusted to be basic in the step of forming the first metal precursor mixed solution.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 제1 금속을 담지하는 단계에서 전자빔을 조사하는 시간은 30분 이하인 연료전지 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for manufacturing a fuel cell catalyst in which the electron beam irradiation time in the step of supporting the first metal is 30 minutes or less.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 제1 금속을 담지하는 단계에서 담지된 제1 금속의 크기는 50 nm 이하인 연료전지 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method of manufacturing a fuel cell catalyst in which the size of the supported first metal in the step of supporting the first metal is 50 nm or less.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 제2 금속 전구체가 백금(Pt) 전구체인 연료전지 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for manufacturing a fuel cell catalyst in which the second metal precursor is a platinum (Pt) precursor.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 제2 금속 전구체가 in-situ 방법으로 주입되는 연료전지 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for manufacturing a fuel cell catalyst in which the second metal precursor is injected by an in-situ method.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 제2 금속 전구체를 주입하는 단계에서 혼합 용액의 pH는 염기성으로 조절되는 연료전지 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method of manufacturing a fuel cell catalyst in which the pH of the mixed solution is adjusted to basic in the step of injecting the second metal precursor.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 제2 금속을 담지하는 단계에서 전자빔을 조사하는 시간은 20분 이하인 연료전지 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for manufacturing a fuel cell catalyst in which the electron beam irradiation time in the step of supporting the second metal is 20 minutes or less.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 제2 금속이 담지된 탄소 지지체를 수득하는 단계가 상기 전자빔이 조사된 혼합 용액을 여과한 후 건조하는 것을 포함하는 연료전지 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for producing a fuel cell catalyst wherein the step of obtaining the carbon support on which the second metal is supported includes filtering the mixed solution irradiated with the electron beam and then drying it.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되는 연료전지 촉매를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a fuel cell catalyst manufactured by the above manufacturing method.
또 다른 측면에서, 본 발명은 상기 연료전지 촉매를 포함하는 연료전지를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a fuel cell including the fuel cell catalyst.
본 발명에 따른 연료전지 촉매는 탄소 지지체의 전기전도도는 유지하면서 금속 산화물의 내산화성 특징을 가진다. 이에 따라 연료전지의 활성점인 백금 입자의 촉매 활성을 향상시킬 수 있으며, 금속 산화물이 백금 입자가 탄소 지지체와 직접 상호 작용하는 것을 방지하여 백금/탄소 계면에서 발생하는 탄소 부식 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.The fuel cell catalyst according to the present invention has oxidation resistance characteristics of metal oxides while maintaining the electrical conductivity of the carbon support. Accordingly, the catalytic activity of platinum particles, which are the active point of the fuel cell, can be improved, and the metal oxide prevents the platinum particles from directly interacting with the carbon support, which has the advantage of solving the carbon corrosion problem that occurs at the platinum/carbon interface. There is.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 촉매의 제조방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 2는 기존의 연료전지 촉매와 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 촉매를 간략하게 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 촉매와 기존 연료전지 촉매에 대한 투과 전자 현미경(TEM; Transmission Electron Microscope) 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 TiO2가 담지된 탄소 지지체에 대한 X선 회절 패턴 분석(XRD; X-ray diffraction) 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 TiO2가 담지된 탄소 지지체에 대한 열중량분석(TGA; Thermogravimetric analysis) 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 상용 카본 블랙과 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 촉매에 대한 열중량분석 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 촉매와 기존 연료전지 촉매의 성능을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 TiO2가 담지된 탄소 지지체와 기존의 탄소 지지체에 TiO2이 담지된 혼합물의 전기 전도도를 평가한 결과를 나타낸 것이다.1 is a flowchart sequentially showing a method for manufacturing a fuel cell catalyst according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 briefly shows a conventional fuel cell catalyst and a fuel cell catalyst according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows transmission electron microscope (TEM) images of a fuel cell catalyst according to an embodiment of the present invention and a conventional fuel cell catalyst.
Figure 4 shows the results of X-ray diffraction pattern analysis (XRD) for a carbon support on which TiO 2 was supported according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the results of thermogravimetric analysis (TGA) on a carbon support on which TiO 2 was supported according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows the results of thermogravimetric analysis of commercial carbon black and a fuel cell catalyst according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows the results of analyzing the performance of the fuel cell catalyst according to an embodiment of the present invention and the existing fuel cell catalyst.
Figure 8 shows the results of evaluating the electrical conductivity of a mixture of TiO 2 supported on a carbon support and an existing carbon support according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예가 첨부 도면에 도시되었다. 그러나 본 창의적 사상은 많은 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시가 철저하고 완전하게 이루어질 수 있도록 제공되며, 기술분야에서 통상의 지식을 가진 이들에게 본 창의적 사상의 범위를 충분히 전달할 것이다. 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.One embodiment of the present invention is shown in the accompanying drawings. However, this creative idea can be embodied in many different forms, and should not be construed as limited to the embodiments described in this specification. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the present creative idea to those skilled in the art. Like reference numerals refer to like elements.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정한 실시예만을 설명하기 위한 것이며 본 창의적 사상을 제한하려는 것은 아니다. 본원에서 사용된 단수 형태는 내용이 명확하게 달리 지시하지 않는 한 "적어도 하나"를 포함하는 복수 형태를 포함하고자 한다. "적어도 하나"는 단수로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "및/또는"의 용어는 목록 항목 중 하나 이상의 임의의 모든 조합을 포함한다. 상세한 설명에서 사용된 "포함한다" 및/또는 "포함하는"의 용어는 명시된 특징, 영역, 정수, 단계, 동작, 구성 요소 및/또는 성분의 존재를 특정하며, 하나 이상의 다른 특징, 영역, 정수, 단계, 동작, 구성 요소, 성분 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terms used in this specification are intended to describe only specific embodiments and are not intended to limit the creative idea. As used herein, the singular forms “a,” “an,” and “the” are intended to include the plural forms, including “at least one,” unless the content clearly dictates otherwise. “At least one” should not be construed as limiting to the singular. As used herein, the term “and/or” includes any and all combinations of one or more of the listed items. As used in the detailed description, the terms "comprise" and/or "comprising" specify the presence of a specified feature, area, integer, step, operation, component and/or component, and one or more other features, areas, integers, or elements. , does not exclude the presence or addition of steps, operations, components, ingredients and/or groups thereof.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학 용어 포함)는 본 개시가 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 이에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 바와 같은 용어는 관련 기술 및 본 개시 내용의 문맥 내의 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 이상화되거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 함이 또한 이해될 것이다. Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification have the same meaning as commonly understood by those skilled in the art to which this disclosure pertains. Additionally, it is also understood that terms as defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having meanings consistent with their meanings within the context of the related art and present disclosure, and should not be interpreted in an idealized or overly formal sense. It will be.
특정한 실시예가 기술되었지만, 현재 예상되지 않거나 예상할 수 없는 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적인 균등물이 출원인 또는 당업자에게 발생할 수 있다. 따라서 출원되고 수정될 수 있는 첨부된 청구범위는 그러한 모든 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적 균등물을 포함하는 것으로 의도된다.Although specific embodiments have been described, alternatives, modifications, variations, improvements, and substantial equivalents not currently contemplated or foreseen may occur to applicants or those skilled in the art. Accordingly, the appended claims, as filed and as modified, are intended to cover all such alternatives, modifications, variations, improvements and substantial equivalents.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. In the following embodiments, terms such as first and second are used not in a limiting sense but for the purpose of distinguishing one component from another component.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. In the following examples, singular terms include plural terms unless the context clearly dictates otherwise.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다. In cases where an embodiment can be implemented differently, a specific process sequence may be performed differently from the described sequence. For example, two processes described in succession may be performed substantially at the same time, or may be performed in an order opposite to that in which they are described.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 촉매의 제조방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.1 is a flow chart sequentially showing a method for manufacturing a fuel cell catalyst according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명은 탄소 지지체 분산 용액을 형성하는 단계 (S100), 제1 금속 전구체 혼합 용액을 형성하는 단계(S200), 제1 금속을 담지하는 단계(S300), 제2 금속 전구체를 주입하는 단계(S400), 제2 금속을 담지하는 단계(S500), 및 상기 제2 금속이 담지된 탄소 지지체를 수득하는 단계(S600)를 포함하는 연료전지 촉매의 제조방법을 제공한다.Referring to Figure 1, the present invention includes forming a carbon support dispersion solution (S100), forming a first metal precursor mixed solution (S200), supporting the first metal (S300), and second metal precursor. A method for producing a fuel cell catalyst is provided, including the steps of injecting (S400), supporting a second metal (S500), and obtaining a carbon support on which the second metal is supported (S600).
본 발명의 일 실시예에서 탄소 지지체 분산 용액을 형성하는 단계(S100)는 탄소 지지체를 용매에 분산시키는 단계이다.In one embodiment of the present invention, the step of forming a carbon support dispersion solution (S100) is a step of dispersing the carbon support in a solvent.
상기 탄소 지지체는 환원된 그래핀 옥사이드, 그래핀, 그래파이트, 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 탄소 나노혼, 탄소 나노섬유, 아세틸렌 블랙, 및 퍼니스 블랙에서 선택되는 하나 이상의 탄소 지지체를 포함할 수 있다.The carbon support includes one or more carbon supports selected from reduced graphene oxide, graphene, graphite, single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, carbon nanohorns, carbon nanofibers, acetylene black, and furnace black. can do.
상기 용매는 물과 알코올의 혼합 용매일 수 있다. 상기 용매에 포함하는 알코올은 다가 알코올인 것이 바람직하며 아세톤, 에탄올, 이소프로필 알코올, 에탄올, n-프로필 알코올, 부탄올, 에틸렌 글라이콜, 디에틸렌 글라이콜 및 글리세롤에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.The solvent may be a mixed solvent of water and alcohol. The alcohol contained in the solvent is preferably a polyhydric alcohol, and one or more selected from acetone, ethanol, isopropyl alcohol, ethanol, n-propyl alcohol, butanol, ethylene glycol, diethylene glycol, and glycerol can be used. there is.
상기 탄소 지지체 분산 용액을 제조하기 위하여 통상적으로 이용되는 분산 공정을 이용할 수 있으며, 예를 들어 초음파 분산 공정을 통해 제조될 수 있다. 본 분산 과정은 3초 가동-1초 정지, Amplitude intensity 50 % 이하의 조건으로 시행될 수 있다. To prepare the carbon support dispersion solution, a commonly used dispersion process may be used, for example, it may be produced through an ultrasonic dispersion process. This dispersion process can be carried out under the conditions of 3 seconds on and 1 second off and Amplitude intensity of 50% or less.
제1 금속 전구체 혼합 용액을 형성하는 단계(S200)는 상기 탄소 지지체 분산 용액에 제1 금속 전구체 용액을 혼합하여 제1 금속 전구체 혼합 용액을 형성하는 단계이다. The step of forming a first metal precursor mixed solution (S200) is a step of forming a first metal precursor mixed solution by mixing the first metal precursor solution with the carbon support dispersion solution.
상기 제1 금속 전구체는 금속 산화물의 전구체로서, TiO2, SnO2, ZnO, VO2, In2O2, NiO, MoO2, WO2, 및 CuO에서 선택되는 산화물의 전구체를 하나 이상 포함할 수 있으며, 구체적으로 상기 제1 금속 전구체는 TiCl4, C12H28O4Ti, Ti(OC2H5)4, Ti(OBu)4, C12H28O4Ti, 및 [(CH3)2CHO]2Ti(C5H7O2)2에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The first metal precursor is a metal oxide precursor and may include one or more oxide precursors selected from TiO 2 , SnO 2 , ZnO, VO 2 , In 2 O 2 , NiO, MoO 2 , WO 2 , and CuO. Specifically, the first metal precursor is TiCl 4 , C 12 H 28 O 4 Ti, Ti(OC 2 H 5 ) 4 , Ti(OBu) 4 , C 12 H 28 O 4 Ti, and [(CH 3 ) 2 CHO] 2 Ti(C 5 H 7 O 2 ) 2 It may include one or more selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
상기 제1 금속 전구체 혼합 용액은 상기 탄소 지지체 분산 용액에 제1 금속 전구체 용액을 주입하여 형성될 수 있다. 주입되는 속도는 5 내지 20 mL/분일 수 있다.The first metal precursor mixed solution may be formed by injecting the first metal precursor solution into the carbon support dispersion solution. The rate of infusion may be 5 to 20 mL/min.
한편, 상기 제1 금속 전구체 혼합 용액의 pH는 염기성으로 조절될 수 있다.Meanwhile, the pH of the first metal precursor mixed solution may be adjusted to be basic.
이때 pH를 조절할 수 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않으며, pH 조절제를 정량 주입하여 pH를 조절할 수 있다. NaOH, KOH, 암모니아수와 같은 통상적인 pH 조절제 중에서 적어도 하나가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, pH 범위는 pH 7 내지 14일 수 있다. 바람직하게는, 1 M NaOH를 사용하여 pH 7 내지 8로 조절할 수 있다. At this time, there is no particular limitation as long as the method can adjust the pH, and the pH can be adjusted by injecting a fixed amount of a pH adjuster. At least one of common pH adjusters such as NaOH, KOH, and aqueous ammonia may be used, but the pH is not limited thereto, and the pH range may be pH 7 to 14. Preferably, pH can be adjusted to 7 to 8 using 1 M NaOH.
제1 금속을 담지하는 단계(S300)는 상기 제1 금속 전구체 혼합 용액에 전자빔을 조사하는 단계이다. The step of supporting the first metal (S300) is a step of irradiating an electron beam to the first metal precursor mixed solution.
상기 전자빔은 0.1 내지 2 MeV 에너지를 가질 수 있고, 인가 전류는 0.1 내지 20 mA일 수 있다. 상기 조건 하에 전자빔을 조사하면 제1 금속의 이온이 환원되어 탄소 지지체에 제1 금속이 담지된다. The electron beam may have energy of 0.1 to 2 MeV, and the applied current may be 0.1 to 20 mA. When an electron beam is irradiated under the above conditions, ions of the first metal are reduced and the first metal is supported on the carbon support.
전자빔을 조사하는 시간은 1분 이상 30분 이하; 1분 이상 25분 이하; 1분 이상 20분 이하; 1분 이상 15분 이하; 1분 이상 10분 이하 또는 1분 이상 5분 이하일 수 있으며, 바람직하게는 1분 이상 5분 이하일 수 있다.The electron beam irradiation time is not less than 1 minute but not more than 30 minutes; Not less than 1 minute but not more than 25 minutes; More than 1 minute and less than 20 minutes; More than 1 minute and less than 15 minutes; It may be 1 minute or more and 10 minutes or less, or 1 minute or more and 5 minutes or less, and preferably 1 minute or more and 5 minutes or less.
전자빔을 조사하는 단계는 제1 금속의 종류에 따라 적절한 시간 동안 전자빔을 조사할 수 있다.In the step of irradiating the electron beam, the electron beam may be irradiated for an appropriate time depending on the type of the first metal.
상기 제1 금속을 담지하는 단계에서 담지된 제1 금속의 크기는 1 내지 50 nm; 1 내지 40 nm; 1 내지 30 nm; 1 내지 20 nm; 1 내지 10 nm; 5 내지 50 nm; 5 내지 40 nm; 5 내지 30 nm; 5 내지 20 nm; 5 내지 10 nm; 10 내지 50 nm; 10 내지 40 nm; 10 내지 30 nm; 10 내지 20 nm; 15 내지 50 nm; 15 내지 40 nm; 15 내지 30 nm 또는 15 내지 20 nm일 수 있다. In the step of supporting the first metal, the size of the supported first metal is 1 to 50 nm; 1 to 40 nm; 1 to 30 nm; 1 to 20 nm; 1 to 10 nm; 5 to 50 nm; 5 to 40 nm; 5 to 30 nm; 5 to 20 nm; 5 to 10 nm; 10 to 50 nm; 10 to 40 nm; 10 to 30 nm; 10 to 20 nm; 15 to 50 nm; 15 to 40 nm; It may be 15 to 30 nm or 15 to 20 nm.
제1 금속이 상기와 같은 크기로 담지되면 탄소 지지체와 물리적 거리가 가까워지며, 전자의 이동 거리가 단축되어 제1 금속이 가지고 있는 낮은 전기전도도 문제를 해결할 수 있다.When the first metal is supported in the above-mentioned size, the physical distance from the carbon support becomes closer, and the movement distance of electrons is shortened, thereby solving the problem of low electrical conductivity of the first metal.
제2 금속 전구체를 주입하는 단계(S400)는 상기 제1 금속이 담지된 제1 금속 전구체 혼합 용액에 제2 금속 전구체를 주입하는 단계이다.The step of injecting the second metal precursor (S400) is a step of injecting the second metal precursor into the first metal precursor mixed solution carrying the first metal.
상기 제2 금속 전구체는 백금(Pt) 전구체일 수 있다. 상기 백금 전구체로는 H2PtCl6, H6Cl2N2Pt, PtCl2, PtBr2, 백금 아세틸아세토네이트(platinum acetylacetonate), K2(PtCl4), H2Pt(OH)6, Pt(NO3)2, [Pt(NH3)4]Cl2, [Pt(NH3)4](HCO3)2, [Pt(NH3)4](OAc)2, (NH4)2PtBr6, (NH3)2PtCl6 및 이들의 수화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The second metal precursor may be a platinum (Pt) precursor. The platinum precursors include H 2 PtCl 6 , H 6 Cl 2 N 2 Pt, PtCl 2 , PtBr 2 , platinum acetylacetonate, K 2 (PtCl 4 ), H 2 Pt(OH) 6 , Pt ( NO 3 ) 2 , [Pt(NH 3 ) 4 ]Cl 2 , [Pt(NH 3 ) 4 ](HCO 3 ) 2 , [Pt(NH 3 ) 4 ](OAc) 2 , (NH 4 ) 2 PtBr 6 At least one selected from the group consisting of , (NH 3 ) 2 PtCl 6 and their hydrates may be used, but is not limited thereto.
상기 제2 금속 전구체를 주입하는 단계는 in-situ 방법으로 주입될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 주입되는 속도는 5 내지 20 mL/분일 수 있다.The step of injecting the second metal precursor may be performed using an in-situ method, but is not limited thereto. The rate of infusion may be 5 to 20 mL/min.
일 실시예에 따라 in-situ로 백금 이온을 주입하면, 지속적으로 생성되는 가속화된 전자에 의해 백금의 환원을 유도함으로써 단시간에 내산화성 촉매 지지체를 합성하여 고내구성 연료전지 촉매를 제조할 수 있다.According to one embodiment, when platinum ions are injected in-situ, a highly durable fuel cell catalyst can be manufactured by synthesizing an oxidation-resistant catalyst support in a short time by inducing reduction of platinum by continuously generated accelerated electrons.
상기 제2 금속 전구체를 주입하는 단계는 상기 혼합 용액의 pH를 염기성으로 조절하는 것을 포함할 수 있다. 이때 pH를 조절할 수 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않으며, pH 조절제를 정량 주입하여 pH를 조절할 수 있다. NaOH, Na2CO3, KOH, K2CO3, H2SO4와 같은 통상적인 pH 조절제 중에서 적어도 하나가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, pH 범위는 pH 7 내지 14일 수 있다. 바람직하게는, 1 M NaOH를 사용하여 pH 10 내지 11로 조절할 수 있다. The step of injecting the second metal precursor may include adjusting the pH of the mixed solution to basic. At this time, there is no particular limitation as long as the method can adjust the pH, and the pH can be adjusted by injecting a fixed amount of a pH adjuster. At least one of common pH adjusters such as NaOH, Na 2 CO 3 , KOH, K 2 CO 3 and H 2 SO 4 may be used, but is not limited thereto, and the pH range may be pH 7 to 14. Preferably, pH can be adjusted to 10 to 11 using 1 M NaOH.
제2 금속을 담지하는 단계(S500)는 상기 제2 금속 전구체가 주입된 혼합 용액에 전자빔을 조사하여 제2 금속을 합금화하는 단계이다.The step of supporting the second metal (S500) is a step of alloying the second metal by irradiating an electron beam to the mixed solution into which the second metal precursor is injected.
상기 전자빔은 0.1 내지 2 MeV 에너지를 가질 수 있고, 인가 전류는 0.1 내지 20 mA일 수 있다. 상기 조건 하에 전자빔을 조사하면 제2 금속의 이온이 환원되어 탄소 지지체에 제2 금속이 합금화된다. The electron beam may have energy of 0.1 to 2 MeV, and the applied current may be 0.1 to 20 mA. When an electron beam is irradiated under the above conditions, ions of the second metal are reduced and the second metal is alloyed into the carbon support.
전자빔을 조사하는 시간은 10초 이상 20분 이하; 10초 이상 15분 이하; 10초 이상 10분 이하; 10초 이상 5분 이하 또는 10초 이상 1분 이하일 수 있으며, 바람직하게는 1분 이하일 수 있다. 제2 금속의 종류에 따라 적절한 시간 동안 전자빔을 조사할 수 있다.The electron beam irradiation time is 10 seconds or more and 20 minutes or less; More than 10 seconds and less than 15 minutes; More than 10 seconds and less than 10 minutes; It may be 10 seconds or more and 5 minutes or less, or 10 seconds or more and 1 minute or less, and preferably 1 minute or less. Depending on the type of second metal, the electron beam can be irradiated for an appropriate amount of time.
제2 금속이 담지된 탄소 지지체를 수득하는 단계(S600)는 상기 제2 금속이 담지된 연료전지 촉매를 수득하는 단계이다. 본 단계는 상기 전자빔이 조사된 전구체 혼합 용액을 여과한 후 건조하는 것을 포함할 수 있다. 여과하는 방법이라면 특별히 제한되지 않으나, 진공 필터로 여과할 수 있다. 건조하는 방법이라면 특별히 제한되지 않고, 오븐에서 건조할 수 있다. 일 실시예로서 오븐에서 건조하는 경우, 100℃ 이하의 온도에서 건조할 수 있으며, 바람직하게는 60℃인 것이 좋다. Obtaining the carbon support on which the second metal is supported (S600) is a step of obtaining a fuel cell catalyst on which the second metal is supported. This step may include filtering and drying the precursor mixture solution irradiated with the electron beam. There is no particular limitation as to the method of filtration, but filtration may be performed using a vacuum filter. There is no particular limitation as to the drying method, and drying may be performed in an oven. As an example, when drying in an oven, drying can be done at a temperature of 100°C or lower, preferably 60°C.
도 2의 (a) 내지 (c)는 기존의 연료전지 촉매와 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 촉매를 간략하게 나타낸 도면이다. 도 2의 (a)는 기존의 백금/탄소 촉매, (b)는 물리적으로 혼합된 TiO2/탄소 지지체에 백금이 담지된 촉매, (c)는 본 발명에 따른 연료전지 촉매이다.Figures 2 (a) to (c) are diagrams briefly showing a conventional fuel cell catalyst and a fuel cell catalyst according to an embodiment of the present invention. In Figure 2, (a) is a conventional platinum/carbon catalyst, (b) is a catalyst in which platinum is supported on a physically mixed TiO 2 /carbon support, and (c) is a fuel cell catalyst according to the present invention.
도 2의 (a)에 따른 백금/탄소 촉매는 가속 열화 시 탄소 지지체의 산화에 의해 백금 금속이 용출되고 응집되어, 백금 이용률 및 성능 저하를 가속화하는 것으로 알려져 있다.The platinum/carbon catalyst according to (a) of FIG. 2 is known to have platinum metal eluted and aggregated due to oxidation of the carbon support during accelerated deterioration, accelerating the decline in platinum utilization and performance.
도 2의 (b)는 마이크론 크기의 거대 TiO2 응집체를 탄소 지지체와 단순 혼합한 뒤 백금을 담지한 촉매이다. 탄소와 TiO2 응집체간 불균일하게 혼재되어 있어 절연체로 여겨지는 TiO2 응집체에 의해 산소환원반응시 발생하는 전자의 이동 통로가 억제되고, 성능 저하를 야기할 수 있다. Figure 2 (b) is a catalyst in which platinum is supported after simply mixing micron-sized giant TiO 2 aggregates with a carbon support. Since carbon and TiO 2 aggregates are unevenly mixed, the electron movement path generated during the oxygen reduction reaction is suppressed by the TiO 2 aggregates, which are considered insulators, and may cause performance degradation.
반면, 도 2의 (c)와 같이 본 발명의 일 실시예에 따라 전자빔 조사에 의해 제조된 연료전지 촉매는 TiO2 입자가 나노화되어 탄소와의 물리적 거리가 가까워지고, 이는 전자 이동 거리를 단축시키는 효과를 통해 TiO2가 가지고 있는 낮은 전기전도도를 해결할 수 있다. 또한 백금 입자가 탄소 지지체와 직접 상호 작용하는 것을 방지하여 기존 촉매의 내구성을 감소시키는 것으로 알려져 있는 백금/탄소 계면에서 일어나는 탄소 부식 문제를 해결할 수 있다.On the other hand, as shown in (c) of FIG. 2, in the fuel cell catalyst manufactured by electron beam irradiation according to an embodiment of the present invention, TiO 2 particles are nanosized and the physical distance from carbon becomes closer, which shortens the electron transfer distance. Through this effect, the low electrical conductivity of TiO 2 can be solved. Additionally, by preventing platinum particles from interacting directly with the carbon support, it can solve the problem of carbon corrosion occurring at the platinum/carbon interface, which is known to reduce the durability of existing catalysts.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 제조방법으로 제조되는 연료전지 촉매 및 상기 연료전지 촉매를 포함하는 연료전지를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a fuel cell catalyst manufactured by the above manufacturing method and a fuel cell including the fuel cell catalyst.
상기 연료전지는 고분자 전해질 연료전지일 수 있으며, 고분자 전해질 연료전지의 막전극접합체는 애노드, 캐소드, 및 이들 사이의 고분자 전해질막을 포함하되, 상기 애노드와 캐소드 중 적어도 하나는 본 발명의 촉매를 포함할 수 있다.The fuel cell may be a polymer electrolyte fuel cell, and the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell includes an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane between them, and at least one of the anode and the cathode may contain the catalyst of the present invention. You can.
이하, 본 발명을 실험예를 통해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through experimental examples.
단, 후술하는 실험예는 본 발명을 일 측면에서 구체적으로 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.However, the experimental examples described below only specifically illustrate the present invention from one aspect, and the present invention is not limited thereto.
<실험예 1> 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope) 분석<Experimental Example 1> Transmission Electron Microscope (TEM) Analysis
50 nm 이상 크기의 TiO2와 탄소 지지체를 물리적으로 혼합한 후 백금을 담지한 연료전지 촉매(비교예)와 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 촉매(실시예)에 대하여 TEM을 분석하였다.After physically mixing TiO 2 with a size of 50 nm or more and a carbon support, TEM was analyzed for a platinum-supported fuel cell catalyst (comparative example) and a fuel cell catalyst according to an embodiment of the present invention (example).
실험 결과는 비교예의 경우 도 3의 (a), (b)에, 실시예의 경우 도 3의 (c), (d)에 나타내었다.The experimental results are shown in Figures 3 (a) and (b) for the comparative examples, and in Figures 3 (c) and (d) for the examples.
도 3의 (a), (b)를 보면, 마이크론 크기의 TiO2이 탄소 지지체에 혼재되어 있고, 백금 입자들이 TiO2 및 탄소 표면에 불균일하게 담지되어 있다. 이는 결국 도 2의 (b)에 나타낸 것처럼 절연체 특성을 갖는 TiO2 표면에 담지된 백금 촉매는 산소환원반응시 생성되는 전자의 이동 통로가 억제되어 전기화학적 성능 손실을 가져올 것으로 여겨진다. Looking at Figures 3 (a) and (b), micron-sized TiO 2 is mixed in the carbon support, and platinum particles are supported unevenly on the TiO 2 and carbon surfaces. Ultimately, as shown in (b) of FIG. 2, it is believed that the platinum catalyst supported on the surface of TiO 2 , which has insulating properties, will result in loss of electrochemical performance due to the inhibition of the movement path of electrons generated during the oxygen reduction reaction.
반면, 도 3의 (c), (d)를 보면, 약 10 nm 크기의 TiO2 나노 입자가 탄소 지지체에 균일하게 혼재되어 있고, 백금 입자 또한 나노화된 TiO2/C 복합체에 균일하게 담지되어 있는 것으로 관찰된다. 도 2의 (c)에 나타낸 것처럼 TiO2이 균일하게 담지되어 있어, 백금 촉매 제조 시 금속 간의 응집을 억제할 수 있다. 또한 TiO2의 입자 크기를 나노화하여 백금 표면에서 산소환원반응시 생성되는 전자의 이동 통로를 단축시켜 전기적 저항을 낮추고, 전기화학적 성능 손실을 억제할 것으로 기대된다.On the other hand, looking at (c) and (d) of Figure 3, TiO 2 nanoparticles of about 10 nm in size are uniformly mixed in the carbon support, and platinum particles are also uniformly supported on the nanosized TiO 2 /C composite. It is observed that As shown in (c) of FIG. 2, TiO 2 is supported uniformly, thereby suppressing agglomeration between metals when manufacturing a platinum catalyst. In addition, by nano-izing the particle size of TiO 2 , it is expected to shorten the path of electrons generated during the oxygen reduction reaction on the platinum surface, thereby lowering electrical resistance and suppressing electrochemical performance loss.
<실험예 2> X선 회절 패턴 분석(XRD)<Experimental Example 2> X-ray diffraction pattern analysis (XRD)
본 발명의 일 실시예에 따라 TiO2가 담지된 탄소 지지체(TiO2/C)에 대하여 X선 회절 패턴 분석을 수행하였으며, 실험 방법은 다음과 같다.According to an embodiment of the present invention, X-ray diffraction pattern analysis was performed on a carbon support (TiO 2 /C) on which TiO 2 was supported, and the experimental method was as follows.
탄소 지지체를 Rigaku 1200와 Cu-Kα 광원, Ni β-필터를 사용하여 40 kV, 20 mA에서 X선 회절 패턴 분석을 수행하였다. 흑연 격자면에 대한 2θ 반사 피크로부터 Debye-Scherer 식을 이용하여 탄소의 평균 결정립 크기를 결정하였다.X-ray diffraction pattern analysis was performed on the carbon support using Rigaku 1200, Cu-Kα light source, and Ni β-filter at 40 kV and 20 mA. The average grain size of carbon was determined from the 2θ reflection peak for the graphite lattice plane using the Debye-Scherer equation.
실험 결과는 도 4에 나타내었다. 도 4를 보면, 합성된 TiO2/C 복합체는 Anatase TiO2의 상을 확인할 수 있으며, 백금 담지 후(Pt/TiO2/C) 39.6o, 46.1o, 67.1o, 80.9o에서 백금의 면심입방 구조(fcc; face-centered cubic)가 관찰되었다.The experimental results are shown in Figure 4. Looking at Figure 4, the synthesized TiO 2 /C composite can be confirmed as an anatase TiO 2 phase, and after platinum loading (Pt/TiO 2 /C), the face-centered cubic shape of platinum is observed at 39.6 o , 46.1 o , 67.1 o , and 80.9 o. The structure (fcc; face-centered cubic) was observed.
<실험예 3> 열중량분석(TGA; Thermogravimetric analysis)<Experimental Example 3> Thermogravimetric analysis (TGA)
본 발명의 일 실시예에 따라 TiO2가 담지된 탄소 지지체(TiO2/C)에 대하여 TiO2의 함량을 조절하며 열중량분석을 수행하였으며, 실험 결과는 도 5에 나타내었다. 도 5를 보면, 각각 2.05 wt%, 3.14 wt%, 5.1 wt% 이산화티타늄이 담지된 것을 확인할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, thermogravimetric analysis was performed on a carbon support (TiO 2 /C) on which TiO 2 was supported by adjusting the content of TiO 2 , and the results of the experiment are shown in FIG. 5. Looking at Figure 5, it can be seen that 2.05 wt%, 3.14 wt%, and 5.1 wt% titanium dioxide were supported, respectively.
한편, 상용 카본 블랙과, 본 발명에 따라 TiO2/C 복합체에 50 wt%의 백금을 담지한 촉매에 대하여 열중량분석을 수행하였으며, 실험 결과는 도 6에 나타내었다. TiO2/C 복합체는 3wt%의 TiO2을 함유하고 있는 지지체를 사용하였으며, 도 6을 보면 백금 담지 후 금속 담지량이 53.05%로 확인되었다.Meanwhile, thermogravimetric analysis was performed on commercial carbon black and a catalyst carrying 50 wt% of platinum on a TiO 2 /C composite according to the present invention, and the results of the experiment are shown in FIG. 6. The TiO 2 /C composite used a support containing 3 wt% of TiO 2 , and looking at Figure 6, the metal loading amount after platinum loading was confirmed to be 53.05%.
<실험예 4> 연료전지 촉매의 성능 평가<Experimental Example 4> Performance evaluation of fuel cell catalyst
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 촉매(실시예, 50wt% Pt/TiO2/C)와 기존 탄소 담지체에 백금이 담지된 기존 연료전지 촉매(비교예, 50wt% Pt/C)에 대하여 단위 셀의 성능을 순환전압전류법으로 비교 분석하였다.Regarding the fuel cell catalyst according to an embodiment of the present invention (Example, 50 wt% Pt/TiO 2 /C) and the existing fuel cell catalyst with platinum supported on an existing carbon support (comparative example, 50 wt% Pt/C) The performance of the unit cells was compared and analyzed using cyclic voltammetry.
실험 결과는 도 7에 나타내었다. 도 7을 보면, 실시예와 비교예는 초기 ECSA 성능이 각각 94.2 m2/g, 95.8 m2/g으로 유사한 것으로 확인되었으며, 이는 절연성 TiO2이 존재함에도 백금 이용률이 유지되는 것으로 예상된다.The experimental results are shown in Figure 7. Looking at FIG. 7, the initial ECSA performance of the Example and Comparative Example was confirmed to be similar at 94.2 m 2 /g and 95.8 m 2 /g, respectively, which is expected to maintain the platinum utilization rate even in the presence of insulating TiO 2 .
이후 추가적으로 촉매 열화 평가 후 초기 ECSA성능 대비 성능의 감소율은 실시예 28.3%, 비교예 53.8%였다. 이는 나노화된 내산화성 TiO2가 열화 중 발생되는 탄소의 부식을 억제하고, 백금 입자의 분산성을 유지하면서 막전극접합체의 내구성을 향상시킨 것으로 판단된다.After further evaluation of catalyst deterioration, the reduction rate of performance compared to the initial ECSA performance was 28.3% in Example and 53.8% in Comparative Example. This is believed to be because the nano-oxidation-resistant TiO 2 suppresses corrosion of carbon generated during deterioration and improves the durability of the membrane electrode assembly while maintaining the dispersibility of platinum particles.
<실험예 5> 나노화된 TiO<Experimental Example 5> Nanoscale TiO 22 /탄소 복합체 전기 전도도 평가/Evaluation of carbon composite electrical conductivity
본 발명의 일 실시예에 따른 나노화된 TiO2/탄소 복합체(전자빔 기반 합성된 복합체, 실시예)와 기존 탄소 지지체에 TiO2이 담지된 혼합물(탄소-TiO2 단순 혼합물, 비교예)에 대하여 four-probe conductivity로 비교 분석하였다.Four for the nano-ized TiO 2 /carbon composite (electron beam-based synthesized composite, Example) and the mixture in which TiO 2 was supported on an existing carbon support (carbon-TiO 2 simple mixture, comparative example) according to an embodiment of the present invention -Comparative analysis was conducted using probe conductivity.
실험 결과는 도 8에 나타내었다. 각 촉매 담지체의 전기 전도도는 인가 압력을 증가함에 따라 분석하였다. 도 8을 보면, TiO2 산화물의 전기 전도도는 초기 2.33 x 10-5 S/cm에서 압력이 증가함에도 8.86 x 10-5 S/cm로 유사함을 확인하였으며, 이는 절연성 TiO2에 의한 것으로 분석된다. The experimental results are shown in Figure 8. The electrical conductivity of each catalyst support was analyzed as the applied pressure increased. Looking at Figure 8, the electrical conductivity of TiO 2 oxide was confirmed to be similar to 8.86 x 10 -5 S/cm even as the pressure increased from the initial 2.33 x 10 -5 S/cm, which is analyzed to be due to insulating TiO 2 .
실시예와 비교예는 초기 전도도가 각각 0.52, 0.17 S/cm 로 확인되었으며, 압력이 20 MPa로 증가하였을 때는 각각 9.63, 5.11 S/cm였다. 절연성 TiO2가 존재함에도 전기 전도도가 향상된 것은 탄소가 담지체 내에 혼재되어 있는 것에 기인한다. 특히, 비교예와 비교하여 실시예에서 전기 전도도 향상은 나노화된 TiO2에 의해 전기적 저항 거리를 줄여 전기 전도도의 향상을 가져온 것으로 판단된다.The initial conductivity of the Example and Comparative Example was confirmed to be 0.52 and 0.17 S/cm, respectively, and when the pressure increased to 20 MPa, it was 9.63 and 5.11 S/cm, respectively. The improvement in electrical conductivity despite the presence of insulating TiO 2 is due to the fact that carbon is mixed in the support. In particular, it is believed that the improvement in electrical conductivity in the Examples compared to the Comparative Examples was caused by reducing the electrical resistance distance due to nano-sized TiO 2 .
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.As such, the present invention has been described with reference to an embodiment shown in the drawings, but this is merely illustrative and those skilled in the art will understand that various modifications and variations of the embodiment are possible therefrom. . Therefore, the true scope of technical protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the attached patent claims.
Claims (14)
상기 탄소 지지체 분산 용액에 제1 금속 전구체 용액을 혼합하여 제1 금속 전구체 혼합 용액을 형성하는 단계;
상기 제1 금속 전구체 혼합 용액에 전자빔을 조사하여 제1 금속을 담지하는 단계;
상기 제1 금속이 담지된 혼합 용액에 제2 금속 전구체를 주입하는 단계;
상기 제2 금속 전구체가 주입된 혼합 용액에 전자빔을 조사하여 제2 금속을 담지하는 단계; 및
상기 제2 금속이 담지된 탄소 지지체를 수득하는 단계를 포함하는, 연료전지 촉매의 제조방법.
forming a carbon support dispersion solution;
mixing a first metal precursor solution with the carbon support dispersion solution to form a first metal precursor mixed solution;
supporting a first metal by irradiating an electron beam to the first metal precursor mixed solution;
Injecting a second metal precursor into the mixed solution containing the first metal;
supporting a second metal by irradiating an electron beam to the mixed solution into which the second metal precursor is injected; and
A method for producing a fuel cell catalyst, comprising obtaining a carbon support on which the second metal is supported.
상기 탄소 지지체는 환원된 그래핀 옥사이드, 그래핀, 그래파이트, 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 탄소 나노혼, 탄소 나노섬유, 아세틸렌 블랙, 및 퍼니스 블랙에서 선택되는 하나 이상의 탄소 지지체를 포함하는, 연료전지 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
The carbon support includes one or more carbon supports selected from reduced graphene oxide, graphene, graphite, single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, carbon nanohorns, carbon nanofibers, acetylene black, and furnace black. Method for producing a fuel cell catalyst.
상기 제1 금속 전구체는 금속 산화물의 전구체로서,
TiO2, SnO2, ZnO, VO2, In2O2, NiO, MoO2, WO2, 및 CuO에서 선택되는 산화물의 전구체를 하나 이상 포함하는, 연료전지 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
The first metal precursor is a precursor of a metal oxide,
A method for producing a fuel cell catalyst, comprising at least one oxide precursor selected from TiO 2 , SnO 2 , ZnO, VO 2 , In 2 O 2 , NiO, MoO 2 , WO 2 , and CuO.
상기 제1 금속 전구체는 TiCl4, C12H28O4Ti, Ti(OC2H5)4, Ti(OBu)4, C12H28O4Ti, 및 [(CH3)2CHO]2Ti(C5H7O2)2에서 선택되는 하나 이상을 포함하는, 연료전지 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
The first metal precursor is TiCl 4 , C 12 H 28 O 4 Ti, Ti(OC 2 H 5 ) 4 , Ti(OBu) 4 , C 12 H 28 O 4 Ti, and [(CH 3 ) 2 CHO] 2 A method for producing a fuel cell catalyst, comprising at least one selected from Ti(C 5 H 7 O 2 ) 2 .
상기 제1 금속 전구체 혼합 용액을 형성하는 단계에서 제1 금속 전구체 혼합 용액의 pH는 염기성으로 조절되는, 연료전지 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of forming the first metal precursor mixed solution, the pH of the first metal precursor mixed solution is adjusted to be basic.
상기 제1 금속을 담지하는 단계에서 전자빔을 조사하는 시간은 30분 이하인, 연료전지 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing a fuel cell catalyst, wherein the time for irradiating the electron beam in the step of supporting the first metal is 30 minutes or less.
상기 제1 금속을 담지하는 단계에서 담지된 제1 금속의 크기는 50 nm 이하인, 연료전지 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of supporting the first metal, the size of the supported first metal is 50 nm or less.
상기 제2 금속 전구체는 백금(Pt) 전구체인, 연료전지 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing a fuel cell catalyst, wherein the second metal precursor is a platinum (Pt) precursor.
상기 제2 금속 전구체는 in-situ 방법으로 주입되는, 연료전지 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing a fuel cell catalyst, wherein the second metal precursor is injected by an in-situ method.
상기 제2 금속 전구체를 주입하는 단계에서 혼합 용액의 pH는 염기성으로 조절되는, 연료전지 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of injecting the second metal precursor, the pH of the mixed solution is adjusted to be basic.
상기 제2 금속을 담지하는 단계에서 전자빔을 조사하는 시간은 20분 이하인, 연료전지 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing a fuel cell catalyst, wherein the time for irradiating the electron beam in the step of supporting the second metal is 20 minutes or less.
상기 제2 금속이 담지된 탄소 지지체를 수득하는 단계는 상기 전자빔이 조사된 혼합 용액을 여과한 후 건조하는 것을 포함하는, 연료전지 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
The step of obtaining the carbon support on which the second metal is supported includes filtering and then drying the mixed solution irradiated with the electron beam.
A fuel cell catalyst manufactured by the manufacturing method of any one of claims 1 to 12.
상기 연료전지 촉매를 포함하는, 연료전지.
According to claim 13,
A fuel cell comprising the fuel cell catalyst.
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