KR20240083831A - Catalyst electrodes for electrolytes and its manufacturing methods - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 폼(Metal foam); 상기 금속 폼 상에 형성된 맥신(MXene); 및 상기 맥신 상에 형성된 전이금속황화물;을 포함하는, 전해조용 촉매 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 전해조용 촉매 전극을 이용하면, 고순도의 수소를 생산할 수 있으며, 수소생성반응(HER) 및 산소생성반응(OER) 모두에 있어서 개선된 전기화학 촉매 활성이 나타날 수 있고, 또한, 본 발명의 전해조용 촉매 전극은 적은 촉매 로딩양, 낮은 작동 온도 및 비귀금속 촉매의 사용으로 인해 소재 및 공정 비용의 절감에 도움을 줄 수 있다.The present invention relates to metal foam; MXene formed on the metal foam; and a transition metal sulfide formed on the MXene. It relates to a catalyst electrode for an electrolyzer and a method for manufacturing the same. Using the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention, high purity hydrogen can be produced, and improved electrochemical catalyst activity can be exhibited in both hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER), and further, the present invention Catalytic electrodes for electrolyzers can help reduce material and process costs due to low catalyst loading, low operating temperature, and use of non-precious metal catalysts.
Description
본 발명은 전해조용 촉매 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로, 물의 전기분해를 통하여 수소를 발생시키는 전해조에 사용 가능한 촉매 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst electrode for an electrolyzer and a method of manufacturing the same. Specifically, it relates to a catalyst electrode that can be used in an electrolyzer that generates hydrogen through electrolysis of water and a method of manufacturing the same.
산업혁명 이후, 에너지 수요가 급등함에 따라 화석 연료의 사용량이 폭발적으로 증가하고 있는 추세이다. 이러한 화석 연료의 과도한 소비는 질소 산화물, 이산화황, 이산화탄소 및 일산화탄소 등과 같은 유해가스를 대기 중으로 방출시켜 환경오염 및 호흡기 질환 등의 원인이 되며, 이산화탄소의 배출로 인한 지구온난화 문제를 가속화시킨다. 따라서 화석 연료를 대체하기 위한 에너지로 태양광, 풍력, 수소에너지 및 연료전지와 같은 신재생 에너지의 개발이 필요하다. 특히, 수소에너지는 화석 연료에 비해 에너지 밀도(~120 MJ/kg)가 높고 독성이 없으며, 연소 반응에서 공해 물질이 생성되지 않는 친환경적인 청정 에너지 자원으로 분류된다. 수소는 물과 탄화수소에 포함되어 있으며 이 물질들은 지구에서 가장 풍부한 원소이다. 따라서 수소에너지는 다양한 공급원에서 대규모로 연속적 생산 및 처리가 가능하여 지속가능한 에너지 자원으로 사용될 수 있다. Since the Industrial Revolution, as energy demand has soared, the use of fossil fuels has been explosively increasing. Excessive consumption of fossil fuels releases harmful gases such as nitrogen oxides, sulfur dioxide, carbon dioxide, and carbon monoxide into the atmosphere, causing environmental pollution and respiratory diseases, and accelerating the problem of global warming due to carbon dioxide emissions. Therefore, the development of new and renewable energy such as solar energy, wind power, hydrogen energy, and fuel cells is necessary to replace fossil fuels. In particular, hydrogen energy has a higher energy density (~120 MJ/kg) than fossil fuels, is non-toxic, and is classified as an eco-friendly clean energy resource that does not produce pollutants in combustion reactions. Hydrogen is contained in water and hydrocarbons, which are the most abundant elements on Earth. Therefore, hydrogen energy can be continuously produced and processed on a large scale from various sources and can be used as a sustainable energy resource.
수소 에너지는 천연 가스의 수증기 변성(steam reforming), 물의 열분해, 물의 전기분해 및 광분해 공정과 바이오 매스와 같은 다양한 방법으로 생산된다. 수소를 생산하고 있는 방법 중 대부분은 천연가스의 수증기 변성(steam reforming) 방법을 통해 생산되고 있기 때문에 공정 과정에서 반응 부산물로써 CO 및 CO2를 동반하게 되며 반응성이 떨어지고 환경오염을 유발시키는 등의 문제가 있다. 따라서 환경적인 방법으로 수소를 생성하기 위해 물을 전기 분해하는 수전해 기술이 최근 주목받고 있다. 물의 전기 분해는 애노드에서 환원 반응이, 캐소드에서는 산화 반응이 발생되며, 이 산화 환원 반응은 수전해를 위한 전해조에서 이루어진다. 전해조의 애노드에서 생성되는 수소는 >99.999 %까지 매우 고순도이며 무공해 방식으로 생성된다는 이점을 제공한다. 또한 수전해 시스템을 다른 신재생 에너지 전원 시스템과 결합할 경우 안정적인 에너지를 제공할 수 있다. Hydrogen energy is produced by various methods, such as steam reforming of natural gas, pyrolysis of water, electrolysis of water, and photolysis processes and biomass. Most of the methods used to produce hydrogen are produced through steam reforming of natural gas, so CO and CO 2 are accompanied as reaction by-products during the process, causing problems such as low reactivity and environmental pollution. There is. Therefore, water electrolysis technology, which electrolyzes water to generate hydrogen in an environmentally friendly way, has recently been attracting attention. In the electrolysis of water, a reduction reaction occurs at the anode and an oxidation reaction occurs at the cathode, and this oxidation-reduction reaction occurs in an electrolyzer for water electrolysis. The hydrogen produced at the anode of the electrolyzer is of very high purity, up to >99.999%, and offers the advantage of being produced in a pollution-free manner. Additionally, when the water electrolysis system is combined with other renewable energy power systems, it can provide stable energy.
수전해 시스템은 전해액의 종류에 따라 알칼라인 수전해(Alkaline electrolysis), 양성자 교환막(Proton exchange membrane, PEM) 수전해 및 음이온 교환막(Anion exchange mebrane, AEM) 수전해로 구분한다. 그 중 현재 많이 상용화된 물 전기분해 기술을 알칼리 수전해와 PEM 수전해이다.Depending on the type of electrolyte, water electrolysis systems are divided into alkaline electrolysis, proton exchange membrane (PEM) water electrolysis, and anion exchange membrane (AEM) water electrolysis. Among them, the currently most commercialized water electrolysis technologies are alkaline water electrolysis and PEM water electrolysis.
먼저 알칼라인 수전해에서 캐소드 및 애노드 재료는 각각 니켈계 산화물과 코발트계 산화물을 일반적으로 많이 사용하며, 액체 전해질로 30-40% KOH를 많이 사용한다. 알칼라인 수전해는 약 400 mA/cm2의 전류 밀도, 70-90 ℃의 비교적 낮은 작동 온도, 1.85-2.2 V 범위의 전지 전압에서 60-80%의 변환 효율을 나타낸다. 알칼라인 수전해는 귀금속 촉매가 필요하지 않고 상대적으로 낮은 온도에서 작동할 수 있는 장점이 있다. 하지만 수소 생산율이 낮고, 수소 생산을 위한 설계 시스템의 크기가 커야 한다는 문제점이 있다. 또한 액체 상태의 알칼리성 전해질은 누출되기 쉽고, 전해질의 누출은 저항을 증가시켜 전류 밀도를 감소시키며, 수전해의 효율 저하와 같은 여러 문제점을 가진다. First, in alkaline water electrolysis, nickel-based oxide and cobalt-based oxide are generally used as cathode and anode materials, respectively, and 30-40% KOH is often used as the liquid electrolyte. Alkaline water electrolysis exhibits a current density of about 400 mA/cm 2 , a relatively low operating temperature of 70-90 °C, and a conversion efficiency of 60-80% at cell voltages in the range of 1.85-2.2 V. Alkaline water electrolysis has the advantage of not requiring a precious metal catalyst and operating at relatively low temperatures. However, there is a problem that the hydrogen production rate is low and the size of the design system for hydrogen production must be large. In addition, alkaline electrolyte in liquid state is prone to leakage, and electrolyte leakage increases resistance, reduces current density, and has various problems such as reduced efficiency of water electrolysis.
PEM 수전해는 액체 전해질 대신 나피온과 같은 고체 멤브레인을 전해질로 사용하는 수전해 시스템이다. 고체 멤브레인은 액체 전해질보다 전해질이 차지하는 부피가 작기 때문에 전체적인 시스템의 크기를 줄일 수 있으며 높은 전류밀도를 제공한다. 또한, 산성 환경에서의 강한 부식성을 버티기 위해 캐소드 및 애노드 촉매로써 각각 IrO2와 Pt과 같은 귀금속을 주로 사용한다. PEM 전기분해는 90 ℃의 작동온도, 약 2.1 V에서 2000 mA/cm2의 전류밀도를 가지며, 수소와 산소 생성 반응은 알칼리 전기분해보다 빠르다. 또한 PEM 전기분해의 장점 중 하나는 애노드에서 고압을 사용할 수 있고 캐소드는 표준 기압에서 작동할 수 있다. 하지만 PEM 수전해에 사용되는 IrO2 및 Pr와 같은 귀금속과 멤브레인으로 사용되는 나피온은 고가이기 때문에 PEM 수전해의 상용화에 가장 큰 제약이 되고 있다. PEM water electrolysis is a water electrolysis system that uses a solid membrane such as Nafion as an electrolyte instead of a liquid electrolyte. A solid membrane occupies a smaller electrolyte volume than a liquid electrolyte, so it can reduce the size of the overall system and provide high current density. Additionally, in order to withstand strong corrosion in an acidic environment, noble metals such as IrO 2 and Pt are mainly used as cathode and anode catalysts, respectively. PEM electrolysis has an operating temperature of 90°C, a current density of 2000 mA/cm 2 at about 2.1 V, and the hydrogen and oxygen production reaction is faster than alkaline electrolysis. Additionally, one of the advantages of PEM electrolysis is that high pressures can be used at the anode, while the cathode can operate at standard atmospheric pressure. However, noble metals such as IrO2 and Pr used in PEM water electrolysis and Nafion used as a membrane are expensive, which is the biggest limitation to the commercialization of PEM water electrolysis.
AEM 수전해는 알칼라인 수전해와 PEM 수전해의 장점을 합친 것으로서, 고압 및 차압 운전이 용이하며 높은 전류밀도로 운전이 가능하고 장치의 소형화 또한 가능하다. 다만 AEM 수전해는 PEM 수전해와는 다르게 알칼라인 환경에서 구동되어 백금계 촉매가 아닌 비귀금속 촉매의 사용이 가능하여 소재의 저가화를 통한 그린 수소 생산 경제성 확보에 유리한 측면이 있다. 다만 AEM 수전해는 아직 연구개발 단계이며 상용화를 위해서는 음이온 교환막의 낮은 이온 전도성의 해결과 비귀금속계 촉매의 성능과 신뢰성 등에 관한 문제점들을 극복해야 한다.AEM water electrolysis combines the advantages of alkaline water electrolysis and PEM water electrolysis. It is easy to operate at high pressure and differential pressure, can be operated at high current density, and can also miniaturize the device. However, unlike PEM water electrolysis, AEM water electrolysis operates in an alkaline environment, allowing the use of non-precious metal catalysts rather than platinum-based catalysts, which is advantageous in securing the economic feasibility of green hydrogen production through lower cost of materials. However, AEM water electrolysis is still in the research and development stage, and for commercialization, problems related to the low ion conductivity of the anion exchange membrane and the performance and reliability of the non-precious metal catalyst must be overcome.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 고순도의 수소를 생산하기 위한 전해조용 촉매 전극 및 이의 제조 방법을 제시하고자 한다.The present invention was developed to solve the above problems, and aims to present a catalyst electrode for an electrolyzer for producing high purity hydrogen and a method for manufacturing the same.
상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 본 발명은 금속 폼(Metal foam); 상기 금속 폼 상에 형성된 맥신(MXene); 및 상기 맥신 상에 형성된 전이금속황화물;을 포함하는, 전해조용 촉매 전극을 제공한다.As a means to achieve the above-described object, the present invention provides a metal foam; MXene formed on the metal foam; and transition metal sulfide formed on the MXene. It provides a catalyst electrode for an electrolyzer, including a.
여기서 상기 맥신은 M2X, M3X2 및 M4X3으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질일 수 있다. Here , the MXene may be any one or more materials selected from the group consisting of M 2
여기서 상기 M은 전이금속이고, 상기 X는 C 또는 N일 수 있다. Here, M is a transition metal, and X may be C or N.
여기서 상기 맥신은 Ti2C, (Ti0.5, Nb0.5)2C, V2C, Nb2C, Mo2C, Mo2N, (Ti0.5, Nb0.5)2C, Ti2N, W1.33C, Nb1.33C, Mo1.33C, Mo1.33Y0.67C, Ti3C2, TiCN, Zr3C2, Hf3C2, Ti4N3, Nb4C3, Ta4C3, V4C3, (Mo, V)4C3, Mo4VC4, Mo2TiC2, Cr2TiC2, Mo2ScC2 및 Mo2Ti2C3으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질일 수 있다.Here, the MXene is Ti 2 C, (Ti 0.5 , Nb 0.5 ) 2 C, V 2 C, Nb 2 C, Mo 2 C, Mo 2 N, (Ti 0.5 , Nb 0.5 ) 2 C, Ti 2 N, W 1.33 C, Nb 1.33 C, Mo 1.33 C, Mo 1.33 Y 0.67 C, Ti 3 C 2 , TiCN, Zr 3 C 2 , Hf 3 C 2 , Ti 4 N 3 , Nb 4 C 3 , Ta 4 C 3 , V 4 C 3 , (Mo, V) 4 C 3 , Mo 4 VC 4 , Mo 2 TiC 2 , Cr 2 TiC 2 , Mo 2 ScC 2 and Mo 2 Ti 2 C 3 It may be any one or more materials selected from the group consisting of .
여기서 상기 전이금속황화물은 니켈철황화물(NiFeS), 코발트철황화물(CoFeS) 및 리튬철황화물(LiFeS)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질일 수 있다. Here, the transition metal sulfide may be one or more materials selected from the group consisting of nickel iron sulfide (NiFeS), cobalt iron sulfide (CoFeS), and lithium iron sulfide (LiFeS).
여기서 상기 금속 폼은 Ni 폼, Fe 폼, Cu 폼, Ag 폼 및 Ti 폼으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. Here, the metal foam may be any one or more selected from the group consisting of Ni foam, Fe foam, Cu foam, Ag foam, and Ti foam.
여기서 상기 전이금속황화물은 로딩량이 1 내지 3 mg/cm2인 것일 수 있다. Here, the transition metal sulfide may have a loading amount of 1 to 3 mg/cm 2 .
여기서 상기 전해조용 촉매 전극은 작동 온도는 40 내지 60 ℃일 수 있다.Here, the operating temperature of the catalyst electrode for the electrolyzer may be 40 to 60 °C.
여기서 상기 전해조용 촉매 전극은 물 분해반응에 있어서, 50 mA/cm2 이상의 전극 전류밀도에서 320 mV 이하의 과전위를 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다. Here, the catalyst electrode for the electrolyzer may be characterized in that it exhibits an overpotential of 320 mV or less at an electrode current density of 50 mA/cm 2 or more during a water decomposition reaction.
또한, 본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 금속 폼(Metal foam) 상에 맥신(MXene)을 형성하는 단계; 및 상기 맥신 상에 전이금속황화물을 형성하는 단계;를 포함하는, 전해조용 촉매 전극의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention, as a means to achieve the above-described object, includes forming MXene on metal foam; and forming a transition metal sulfide on the MXene.
여기서 상기 맥신을 형성하는 단계는 화학적 기상 증착법, 열증착법, 전자빔증발법, 스퍼터링법, 원자증층작법 및 전기영동증착법으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 방법에 따라 수행될 수 있다. Here, the step of forming the MXene may be performed according to one or more methods selected from the group consisting of chemical vapor deposition, thermal evaporation, electron beam evaporation, sputtering, atomic deposition, and electrophoretic deposition.
여기서 상기 전이금속황화물을 형성하는 단계는 전이금속 전구체; 및 황함유 화합물;을 포함하는 수용액에 상기 맥신이 형성된 금속 폼을 넣고 가열하는 것일 수 있다. Here, the step of forming the transition metal sulfide includes: a transition metal precursor; and a sulfur-containing compound; the metal foam formed with the MXene may be placed in an aqueous solution and heated.
여기서 상기 전이금속 전구체는 니켈(Ni), 코발트(Co), 리튬(Li) 및 철(Fe)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. Here, the transition metal precursor may include one or more selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), lithium (Li), and iron (Fe).
여기서 상기 황 함유 화합물은 L-시스테인(L-cystein), N-폼일메티오닌(N-formylmethionine), 시스타티오닌(cystathionine), 호모시스테인(homocystein), 시스테인 설핀산(cysteine sulfinic acid) 및 시스틴(cystine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 화합물일 수 있다. Here, the sulfur-containing compounds include L-cysteine, N-formylmethionine, cystathionine, homocysteine, cysteine sulfinic acid, and cystine. It may be any one or more compounds selected from the group consisting of.
여기서 상기 가열은 100 내지 200 ℃에서 수행되는 것일 수 있다.Here, the heating may be performed at 100 to 200 °C.
또한 본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 캐소드; 상기 캐소드 상에 형성된 음이온 교환막; 및 상기 음이온 교환막 상에 형성된 애노드;을 포함하고, 상기 캐소드 및 상기 애노드는 금속 폼(Metal foam), 상기 금속 폼 상에 형성된 맥신(MXene), 및 상기 맥신 상에 형성된 전이금속황화물을 포함하는 전해조용 촉매 전극인 것을 특징으로 하는, 막 전극 집합체를 제공한다.In addition, the present invention is a means for achieving the above-described object, including a cathode; An anion exchange membrane formed on the cathode; and an anode formed on the anion exchange membrane, wherein the cathode and the anode are electrolytic comprising metal foam, MXene formed on the metal foam, and transition metal sulfide formed on the MXene. A membrane electrode assembly is provided, characterized in that it is a silent catalytic electrode.
본 발명의 전해조용 촉매 전극을 이용하면, 고순도의 수소를 생산할 수 있다.Using the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention, high purity hydrogen can be produced.
또한, 본 발명의 전해조용 촉매 전극을 이용한 수분해 반응 시 수소생성반응(HER) 및 산소생성반응(OER) 모두에 있어서 개선된 전기화학 촉매 활성이 나타날 수 있다. In addition, improved electrochemical catalyst activity can occur in both hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) during water decomposition reaction using the catalyst electrode for electrolyzer of the present invention.
또한, 본 발명의 전해조용 촉매 전극은 촉매 전극은 적은 촉매 로딩양, 낮은 작동 온도 및 비귀금속 촉매의 사용으로 인해 소재 및 공정 비용의 절감에 도움을 줄 수 있다.In addition, the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention can help reduce material and process costs due to the small catalyst loading amount, low operating temperature, and use of a non-precious metal catalyst.
도 1은 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 SEM 이미지이다.
도 2는 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 TEM 이미지 및 HRTEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 원자 배열을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 TEM-EDS 이미지이다.
도 5는 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 제조 과정을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 제조 과정을 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해조용 촉매 전극의 구체적인 제조 과정을 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 수소 발생 전해조의 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전해조용 촉매 전극의 HER 평가를 수행한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전해조용 촉매 전극의 OER 평가를 수행한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음이온 교환막 전해조의 전류-전압 곡선 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음이온 교환막 전해조의 1.85V 및 1.95V에서의 전류밀도를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음이온 교환막 전해조의 장기 안정성을 평가한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음이온 교환막 전해조로부터 생성된 수소의 순도를 나타낸다.1 is an SEM image of a catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention.
Figure 2 is a TEM image and HRTEM image of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention.
Figure 3 shows the atomic arrangement of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention.
Figure 4 is a TEM-EDS image of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention.
Figure 5 is a flowchart showing the manufacturing process of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention.
Figure 6 is a schematic diagram showing the manufacturing process of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention.
Figure 7 is a schematic diagram showing a specific manufacturing process of a catalyst electrode for an electrolyzer according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a schematic diagram of a hydrogen generation electrolyzer manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a graph showing HER evaluation of a catalyst electrode for an electrolyzer manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a graph of OER evaluation of a catalyst electrode for an electrolyzer manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 is a current-voltage curve graph of an anion exchange membrane electrolyzer manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 is a graph showing the current density at 1.85V and 1.95V of the anion exchange membrane electrolyzer manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 13 is a graph evaluating the long-term stability of an anion exchange membrane electrolyzer manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 14 shows the purity of hydrogen produced from an anion exchange membrane electrolyzer manufactured according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification of the present application, when a part “includes” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.As used herein, the terms “about,” “substantially,” and the like are used to mean at or close to a numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and to aid understanding of the present application. It is used to prevent unscrupulous infringers from unfairly exploiting disclosures that contain precise or absolute figures. Additionally, throughout the specification herein, “step of” or “step of” does not mean “step for.”
본 발명의 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 요지를 통하여 다양한 응용을 할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하의 실시예로 한정되지 않는다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항을 기초로 하여 본 발명의 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 종래 기술을 이용하여 용이하게 치환 또는 변경하는 것이 자명한 부분에까지 미친다.Since those skilled in the art of the present invention can make various applications through the gist of the present invention, the scope of the present invention is not limited to the following examples. The scope of rights of the present invention extends to parts for which it is obvious that a person skilled in the art of the present invention can easily substitute or change the contents using prior art based on the matters stated in the patent claims.
이하, 필요한 경우에 첨부하는 도면을 참조하면서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings where necessary.
<전해조용 촉매 전극><Catalyst electrode for electrolyzer>
상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 본 발명은 금속 폼(Metal foam); 상기 금속 폼 상에 형성된 맥신(MXene); 및 상기 맥신 상에 형성된 전이금속황화물;을 포함하는, 전해조용 촉매 전극을 제공한다.As a means to achieve the above-described object, the present invention provides a metal foam; MXene formed on the metal foam; and transition metal sulfide formed on the MXene. It provides a catalyst electrode for an electrolyzer, including a.
본 발명의 촉매 전극은 예컨대, 음이온 교환막(Anion exchange membrane, AEM) 전해조에 이용될 수 있다. 상기 AEM 전해조는 멤브레인, 이오노머, 막 전극 집합체(Membrane electrode assembly, MEA), 가스 확산층(Gas diffusion layer, GDL)로 구성되며, 상기 막 전극 집합체는 또한, 캐소드(Cathode), 음이온 교환막(Membrane) 및 애노드(Anode)로 구성된다. 본 발명의 촉매 전극은 상기 막 전극 집합체의 캐소드 및 애노드로 활용될 수 있다. 이와 관련된 구체적인 내용은 하단의 <전해조용 촉매 전극을 포함하는 막 전극 집합체> 단락에서 보다 상세히 설명하도록 한다.The catalyst electrode of the present invention can be used, for example, in an anion exchange membrane (AEM) electrolyzer. The AEM electrolyzer consists of a membrane, an ionomer, a membrane electrode assembly (MEA), and a gas diffusion layer (GDL), and the membrane electrode assembly also includes a cathode, an anion exchange membrane (Membrane), and It consists of an anode. The catalyst electrode of the present invention can be used as a cathode and anode of the membrane electrode assembly. Specific details related to this will be explained in more detail in the <Membrane electrode assembly including catalyst electrode for electrolyzer> section below.
상기 금속 폼은 모든 기공이 연결된 완전 개방형 다공성 금속 구조체로, 다양한 기공 크기와 낮은 비중량, 높은 가공 용이성을 특징으로 한다. 여기서 상기 금속 폼은 Ni 폼, Fe 폼, Cu 폼, Ag 폼 및 Ti 폼으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The metal foam is a completely open porous metal structure in which all pores are connected, and is characterized by various pore sizes, low specific weight, and high ease of processing. Here, the metal foam may be one or more selected from the group consisting of Ni foam, Fe foam, Cu foam, Ag foam, and Ti foam, but is not limited thereto.
상기 맥신은 2차원 평면구조를 가지는 세라믹 물질로, 전이금속에 탄소 또는 질소가 결합되어 있는 원자 두께의 층으로 구성된 물질이다. 상기 맥신은 전이금속에 의한 금속성질(전도성)을 가지면서 말단에 존재하는 수산화기나 산소로 인해 친수성을 띌 수 있다. 상기 맥신은 MAX라고 불리는 결정성 물질로부터 만들어 지는데, 상기 MAX는 Mn+1AXn의 실험식을 가지는 육방정계의 층상 구조형 탄화물 또는 질화물을 의미한다. 여기서 M은 전이금속, A는 13족 또는 14족 원소, X는 탄소나 질소이며, n은 1 내지 4의 정수이다. 상기 맥신은 상기 MAX를 불산을 통한 선택적 에칭(선택적으로 A를 제거)을 통해 제조될 수 있다.The MXene is a ceramic material with a two-dimensional planar structure and is composed of an atomic-thick layer of carbon or nitrogen bonded to a transition metal. The MXene has metallic properties (conductivity) due to the transition metal and can be hydrophilic due to the hydroxyl group or oxygen present at the terminal. The MXene is made from a crystalline material called MAX, which means a hexagonal layered carbide or nitride with an empirical formula of M n+1 AX n . Here, M is a transition metal, A is a group 13 or 14 element, X is carbon or nitrogen, and n is an integer from 1 to 4. The MXene can be manufactured through selective etching of the MAX with hydrofluoric acid (selectively removing A).
여기서 상기 맥신은 M2X, M3X2 및 M4X3으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질일 수 있다(여기서 상기 M은 전이금속이고, 상기 X는 C 또는 N이다). 상기 맥신의 보다 구체적인 예시로는, Ti2C, (Ti0.5, Nb0.5)2C, V2C, Nb2C, Mo2C, Mo2N, (Ti0.5, Nb0.5)2C, Ti2N, W1.33C, Nb1.33C, Mo1.33C, Mo1.33Y0.67C, Ti3C2, TiCN, Zr3C2, Hf3C2, Ti4N3, Nb4C3, Ta4C3, V4C3, (Mo, V)4C3, Mo4VC4, Mo2TiC2, Cr2TiC2, Mo2ScC2 및 Mo2Ti2C3으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Here , the MXene may be one or more materials selected from the group consisting of M 2 More specific examples of the MXene include Ti 2 C, (Ti 0.5 , Nb 0.5 ) 2 C, V 2 C, Nb 2 C, Mo 2 C, Mo 2 N, (Ti 0.5 , Nb 0.5 ) 2 C, Ti 2 N, W 1.33 C, Nb 1.33 C, Mo 1.33 C, Mo 1.33 Y 0.67 C, Ti 3 C 2 , TiCN, Zr 3 C 2 , Hf 3 C 2 , Ti 4 N 3 , Nb 4 C 3 , Ta 4 C 3 , V 4 C 3 , (Mo, V) 4 C 3 , Mo 4 VC 4 , Mo 2 TiC 2 , Cr 2 TiC 2 , Mo 2 ScC 2 and Mo 2 Ti 2 C 3 Any one selected from the group consisting of It may be any of the above materials, but is not limited thereto.
여기서 상기 전이금속황화물은 니켈철황화물(NiFeS), 코발트철황화물(CoFeS) 및 리튬철황화물(LiFeS)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Here, the transition metal sulfide may be one or more materials selected from the group consisting of nickel iron sulfide (NiFeS), cobalt iron sulfide (CoFeS), and lithium iron sulfide (LiFeS), but is not limited thereto.
여기서 상기 전이금속황화물은 로딩량이 1 내지 3 mg/cm2인 것일 수 있다. 상기 전이금속황화물의 로딩량이 1 mg/cm2 미만인 경우, 촉매로서의 활성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 상기 로딩량이 3 mg/cm2를 초과하는 경우, 상기 맥신이 형성된 금속 폼의 기공을 막아, 전해질의 투과가 어렵게 되고, 또한 물 분해 반응을 수행하기 위한 충분한 표면적의 확보가 어려워질 수 있다. 따라서, 본 발명에 있어서, 상기 전이금속황화물의 로딩량은 1 내지 3 mg/cm2인 것이 바람직하다. Here, the transition metal sulfide may have a loading amount of 1 to 3 mg/cm 2 . If the loading amount of the transition metal sulfide is less than 1 mg/cm 2 , the problem of reduced activity as a catalyst may occur, and if the loading amount exceeds 3 mg/cm 2 , the pores of the metal foam in which the MXene is formed may be blocked. , penetration of the electrolyte becomes difficult, and it may also become difficult to secure a sufficient surface area to perform a water decomposition reaction. Therefore, in the present invention, the loading amount of the transition metal sulfide is preferably 1 to 3 mg/cm 2 .
도 1은 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 SEM 이미지이다. 도 1의 전해조용 촉매 전극은, 예컨대 금속 폼으로서 니켈 폼, 맥신으로서 Ti3C2, 전이금속황화물로서 NiFeS을 포함한다. 보다 구체적으로, 도 1a는 니켈 폼(삽도) 및 상기 니켈 폼 상에 Ti3C2이 형성된 촉매 전극을 나타내고, 도 1b는 상기 Ti3C2 상에 NiFeS이 형성된 촉매 전극을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 전해조용 촉매 전극은 거친 표면을 나타내는 니켈 폼 상에 Ti3C2를 형성함에 따라, 표면이 매끄러워진 것을 확인할 수 있다. 나아가, 상기 NiFeS는 상기 Ti3C2 상에 수직 성장을 통해 형성되는 것을 확인할 수 있다. 1 is an SEM image of a catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention. The catalyst electrode for an electrolyzer in FIG. 1 includes, for example, nickel foam as a metal foam, Ti 3 C 2 as MXene, and NiFeS as a transition metal sulfide. More specifically, FIG. 1A shows a nickel foam (inset) and a catalyst electrode in which Ti 3 C 2 is formed on the nickel foam, and FIG. 1B shows a catalyst electrode in which NiFeS is formed on the Ti 3 C 2 . Referring to FIG. 1, it can be seen that the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention has a smooth surface as Ti 3 C 2 is formed on nickel foam, which has a rough surface. Furthermore, it can be confirmed that the NiFeS is formed through vertical growth on the Ti 3 C 2 .
도 2는 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 TEM 이미지 및 HRTEM 이미지이다. 보다 구체적으로, 도 2a는 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 TEM 이미지고, 도 2b는 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 HRTEM 이미지고, 도 2c는 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 고속 푸리에 변환(FFT) 패턴을 통하여 각 결정면의 간격을 확인한 것이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 전해조용 촉매 전극은 전이금속황화물(NiFeS)이 상기 맥신(Ti3C2) 상에 수직 성장을 통해 성장함에 따라 응집되어, 꽃과 같은 구조(flower-like structures)로 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한 Ni2FeS4의 (400) 및 (533) 결정면에 0.236 및 0.144 nm의 간격을 갖는 격자 무늬 및 Ti3C2의 (006) 결정면에 0.250 nm의 격자 간격을 확인할 수 있다. Figure 2 is a TEM image and HRTEM image of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention. More specifically, Figure 2a is a TEM image of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention, Figure 2b is a HRTEM image of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention, and Figure 2c is a fast Fourier transform (FFT) of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention. ) The spacing of each crystal plane was confirmed through the pattern. Referring to FIG. 2, the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention aggregates as transition metal sulfide (NiFeS) grows through vertical growth on the MXene (Ti 3 C 2 ), forming flower-like structures. ) can be confirmed to be formed. In addition, lattice patterns with spacings of 0.236 and 0.144 nm on the (400) and (533) crystal planes of Ni 2 FeS 4 and lattice spacings of 0.250 nm on the (006) crystal plane of Ti 3 C 2 can be confirmed.
도 3은 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 원자 배열을 나타낸다. 보다 구체적으로 도 3a는 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 전체 원자 배열을 나타내고, 도 3b는 맥신(예로, Ti3C2)의 원자 배열, 도 3c는 전이금속황화물(예로, Ni2FeS4)의 원자 배열을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 전해조용 촉매 전극에서의 S 결함 (S vacancy)을 확인할 수 있다. 이러한 S 결함은 본 발명의 전해조용 촉매 전극에 있어서, Ni 및 Fe의 전자 밀도를 증가시키고 수소발생반응(Hydrogen evolution reaction, HER) 및 산소발생반응(Oxygen evolution reaction, OER) 역학을 향상시킬 수 있다. Figure 3 shows the atomic arrangement of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention. More specifically, Figure 3a shows the overall atomic arrangement of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention, Figure 3b shows the atomic arrangement of MXene (e.g., Ti 3 C 2 ), and Figure 3c shows the atomic arrangement of transition metal sulfide (e.g., Ni 2 FeS 4 ). represents the atomic arrangement of . Referring to Figure 3, S defects (S vacancy) in the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention can be confirmed. These S defects can increase the electron density of Ni and Fe and improve the hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) dynamics in the catalyst electrode for electrolyzer of the present invention. .
도 4는 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 TEM-EDS 이미지이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 EDS 원소 매핑의 결과로부터, Ti, C, Ni, Fe 및 S가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이는 즉 본 발명의 전해조용 촉매 전극이 NiFeS 및 Ti3C2을 포함하는 하이브리드 구조를 갖는 것을 의미한다. Figure 4 is a TEM-EDS image of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention. Referring to Figure 4, from the results of EDS element mapping of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention, it can be confirmed that Ti, C, Ni, Fe, and S are present. This means that the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention has a hybrid structure including NiFeS and Ti 3 C 2 .
여기서 상기 전해조용 촉매 전극은 작동 온도는 40 내지 60 ℃일 수 있다. 본 발명의 전해조용 촉매 전극은 상술한 바와 같이 낮은 작동 온도를 가짐으로써, 수분해 반응 시, 원치 않는 다양한 부반응 및 소재(애노드, 캐소드, 교환막 등)의 열화문제를 저하시켜, 촉매 전극의 내구성을 향상시키는 데 기여할 수 있다.Here, the operating temperature of the catalyst electrode for the electrolyzer may be 40 to 60 °C. As described above, the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention has a low operating temperature, thereby reducing various unwanted side reactions and deterioration problems of materials (anode, cathode, exchange membrane, etc.) during water decomposition reaction, thereby improving the durability of the catalyst electrode. It can contribute to improvement.
여기서 상기 전해조용 촉매 전극은 물 분해반응에 있어서, 50 mA/cm2 이상의 전극 전류밀도에서 320 mV 이하의 과전위를 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다. 보다 구체적으로, 20 mA/cm2의 전극 전류밀도에서 180 mV 이하, 50 mA/cm2의 전극 전류밀도에서 320 mV 이하의 과전위를 나타낼 수 있다. 상기와 관련한 보다 구체적인 내용은 하단의 {실시예 및 평가}에서 보다 상세히 설명하도록 한다.Here, the catalyst electrode for the electrolyzer may be characterized in that it exhibits an overpotential of 320 mV or less at an electrode current density of 50 mA/cm 2 or more during a water decomposition reaction. More specifically, the overpotential may be 180 mV or less at an electrode current density of 20 mA/cm 2 and 320 mV or less at an electrode current density of 50 mA/cm 2 . More specific details related to the above will be explained in more detail in {Examples and Evaluation} below.
<전해조용 촉매 전극의 제조 방법><Method for manufacturing catalyst electrode for electrolyzer>
또한, 본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 금속 폼(Metal foam)에 맥신(MXene)을 형성하는 단계; 및 상기 맥신이 형성된 금속 폼 상에 전이금속황화물을 형성하는 단계;를 포함하는, 전해조용 촉매 전극의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention, as a means to achieve the above-described object, includes the steps of forming MXene in metal foam; and forming a transition metal sulfide on the metal foam on which the MXene is formed.
도 5는 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 제조 과정을 나타내는 순서도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 제조 방법은 금속 폼(Metal foam) 상에 맥신(MXene)을 형성하는 단계; 및 상기 맥신 상에 전이금속황화물을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 확인할 수 있다. Figure 5 is a flowchart showing the manufacturing process of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention. Referring to Figure 5, the method for manufacturing a catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention includes forming MXene on metal foam; and forming a transition metal sulfide on the MXene.
상기 금속 폼에 맥신을 형성하는 단계는, 예컨대, 맥신 분말을 상기 금속 폼 상에 전기화학적으로 증착시키는 것을 통해 수행될 수 있다. 상기 전기화학적으로 증착시키는 방법으로는 화학적 기상 증착법, 열증착법, 전자빔증발법, 스퍼터링법, 원자증층작법 및 전기영동증착법으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 방법에 따라 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가장 바람직한 방법은 전기영동증착법일 수 있다. The step of forming MXene on the metal foam may be performed, for example, by electrochemically depositing MXene powder on the metal foam. The electrochemical deposition method may be performed according to one or more methods selected from the group consisting of chemical vapor deposition, thermal evaporation, electron beam evaporation, sputtering, atomic deposition, and electrophoretic deposition, but is limited thereto. That is not the case. According to one embodiment of the present invention, the most preferred method may be electrophoretic deposition.
여기서 상기 전이금속황화물을 형성하는 단계는 전이금속 전구체; 및 황 함유 화합물;을 포함하는 수용액에 상기 맥신이 형성된 금속 폼을 넣고 가열하는 것일 수 있다. Here, the step of forming the transition metal sulfide includes: a transition metal precursor; and a sulfur-containing compound; the metal foam formed with the MXene may be placed in an aqueous solution containing and heated.
여기서 상기 전이금속 전구체는 니켈(Ni), 코발트(Co), 리튬(Li) 및 철(Fe)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 전이금속 전구체는 보다 구체적으로, 질산니켈(Ni(NO3)2), 아세트산니켈(Ni(CH3COO)2), 염화니켈(NiCl2), 질산코발트·6수화물(Co(NO3)2·6H2O), 아세트산코발트(Co(CH3COO)2), 염화코발트(CoCl2), 인산리튬(LiPO4), 탄산리튬(Li2CO3), 수산화리튬(LiOH), 아세트산리튬(CH3COOLi), 질산철(Fe(NO3)3), 수산화철(Fe(OH)3), 산화철(Fe2O3) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Here, the transition metal precursor may include one or more selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), lithium (Li), and iron (Fe). More specifically, the transition metal precursor includes nickel nitrate (Ni(NO 3 ) 2 ), nickel acetate (Ni(CH 3 COO) 2 ), nickel chloride (NiCl 2 ), and cobalt nitrate hexahydrate (Co(NO 3 ). 2 ·6H 2 O), cobalt acetate (Co(CH 3 COO) 2 ), cobalt chloride (CoCl 2 ), lithium phosphate (LiPO 4 ), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium hydroxide (LiOH), lithium acetate. (CH 3 COOLi), iron nitrate (Fe(NO 3 ) 3 ), iron hydroxide (Fe(OH) 3 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), etc., but is not limited thereto.
여기서 상기 황 함유 화합물은 L-시스테인(L-cystein), N-폼일메티오닌(N-formylmethionine), 시스타티오닌(cystathionine), 호모시스테인(homocystein), 시스테인 설핀산(cysteine sulfinic acid) 및 시스틴(cystine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 화합물일 수 있다. Here, the sulfur-containing compounds include L-cysteine, N-formylmethionine, cystathionine, homocysteine, cysteine sulfinic acid, and cystine. It may be any one or more compounds selected from the group consisting of.
상기 전이금속황화물은 상기 맥신 상에 예컨대, 수열 반응을 통해 형성될 수 있다. 상기 수열 반응은 약 100 ℃, 1 기압 이상의 고온 고압하의 물이 관여하는 반응으로서, 수열 반응을 실시하기 위해서는 통상적으로 오토 클레이브라 불리는 고온 고압용기가 필요하다. 포화 증기압 하에서, 물의 밀도, 점성, 표면 장력, 유전율 등은 온도가 상승함에 따라 연속적으로 감소한다. 또한, 물의 이온적은 온도 상승에 따라 증가하여 약 270 ℃에서 극대치를 가진다. 이와 같이 고온 고압하의 물은 유기물을 용해하는 성질을 띠는 동시에 이온 반응의 적합한 반응장을 형성하여 이온이나 분자가 확산하기 쉽고 높은 반응 속도를 얻을 수 있는 용매가 될 수 있다. 상기와 같은 수열법은 다양한 세라믹 분말의 합성에 이용된다.The transition metal sulfide may be formed on the MXene through, for example, a hydrothermal reaction. The hydrothermal reaction is a reaction involving water at a high temperature and pressure of about 100° C. and 1 atm or more. To carry out the hydrothermal reaction, a high-temperature and high-pressure vessel commonly called an autoclave is required. Under saturated vapor pressure, the density, viscosity, surface tension, and dielectric constant of water decrease continuously with increasing temperature. Additionally, the ionic product of water increases with increasing temperature and reaches its maximum value at approximately 270°C. In this way, water under high temperature and pressure has the property of dissolving organic substances and at the same time forms an appropriate reaction field for ionic reactions, making it easy for ions or molecules to diffuse and becoming a solvent that can achieve high reaction rates. The hydrothermal method described above is used for the synthesis of various ceramic powders.
여기서 상기 가열은 100 내지 200 ℃에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 가열 온도가 100 ℃ 미만 200 ℃ 초과일 경우, 상기 맥신 상에 전이금속 전구체 및 황 함유 화합물의 도입이 어려운 문제가 발생할 수 있다. Here, the heating may be performed at 100 to 200 °C. If the heating temperature is less than 100°C and more than 200°C, the introduction of transition metal precursors and sulfur-containing compounds into the MXene may be difficult.
도 6은 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 제조 과정을 나타내는 모식도이다. 보다 구체적으로, 도 6a는 금속 폼으로서 니켈 폼(Ni Foam, NF)를 나타내고, 도 6b는 상기 NF 상에 맥신으로서 Ti3C2가 형성된 것을 나타내고, 도 6c는 상기 Ti3C2 상에 전이금속황화물로서 NiFeS가 형성된 것을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 전해조용 촉매 전극은 금속 폼 상에 맥신을 형성하는 단계 이후에 상기 맥신 상에 전이금속황화물을 형성하는 단계를 통하여 제조되는 것을 확인할 수 있다. Figure 6 is a schematic diagram showing the manufacturing process of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention. More specifically, Figure 6a shows nickel foam (Ni Foam, NF) as a metal foam, Figure 6b shows Ti 3 C 2 formed as MXene on the NF, and Figure 6c shows the transition on the Ti 3 C 2 It indicates that NiFeS was formed as a metal sulfide. Referring to Figure 6, it can be seen that the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention is manufactured through the step of forming MXene on metal foam followed by the step of forming transition metal sulfide on the MXene.
<전해조용 촉매 전극을 포함하는 막 전극 집합체><Membrane electrode assembly including catalyst electrode for electrolyzer>
또한 본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 캐소드; 상기 캐소드 상에 형성된 음이온 교환막; 및 상기 음이온 교환막 상에 형성된 애노드;를 포함하고, 상기 캐소드 및 상기 애노드는 금속 폼(Metal foam), 상기 금속 폼 상에 형성된 맥신(MXene), 및 상기 맥신 상에 형성된 전이금속황화물을 포함하는 전해조용 촉매 전극인 것을 특징으로 하는, 막 전극 집합체를 제공한다.In addition, the present invention is a means for achieving the above-described object, including a cathode; An anion exchange membrane formed on the cathode; and an anode formed on the anion exchange membrane, wherein the cathode and the anode include metal foam, MXene formed on the metal foam, and a transition metal sulfide formed on the MXene. A membrane electrode assembly is provided, characterized in that it is a silent catalytic electrode.
상기 막 전극 집합체는 상술한 대로, AEM 전해조의 구성요소로서, 캐소드(Cathode), 음이온 교환막(Membrane) 및 애노드(Anode)를 포함하며, 본 발명의 전해조용 촉매 전극을 포함할 수 있다. 상기 애노드에서는 수소 발생 반응(Hydrogen evolution reaction, HER)이, 캐소드에서는 산소 발생 반응(Oxygen evolution reaction, OER)이 동시에 반쪽 전지 반응으로 발생한다. 즉, 애노드에서 물이 환원되어 전자와 반응을 통해 수소 및 수산화물 이온이 형성되고, 발생된 수산화물 이온은 음이온 교환막을 통하여 캐소드로 확산되고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 전달된다. 캐소드에서 수산화물 이온은 전자를 잃어 물과 산소로 재결합되며, 전자가 캐소드 표면에서 방출되어 반응이 진행된다. 상기 애노드 및 캐소드에서 수반되는 물 분해 과정은 다음과 같다. As described above, the membrane electrode assembly is a component of an AEM electrolyzer and includes a cathode, an anion exchange membrane, and anode, and may include a catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention. Hydrogen evolution reaction (HER) occurs at the anode and oxygen evolution reaction (OER) occurs simultaneously at the cathode as a half-cell reaction. That is, water is reduced at the anode and reacts with electrons to form hydrogen and hydroxide ions, the generated hydroxide ions diffuse to the cathode through an anion exchange membrane, and electrons are transferred to the cathode through an external circuit. At the cathode, hydroxide ions lose electrons and recombine into water and oxygen, and electrons are released from the cathode surface to proceed with the reaction. The water decomposition process involved in the anode and cathode is as follows.
애노드(Anode) : 4OH- → O2 + 2H2O + 4e- E0= 0.401 VAnode: 4OH - → O 2 + 2H 2 O + 4e - E 0 = 0.401 V
캐소드(Cathode) : 4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH- E0 = -0.828 VCathode: 4H 2 O + 4e - → 2H 2 + 4OH - E 0 = -0.828 V
Overall : 2H2O → H2 + O2 E0= 1.23 VOverall: 2H 2 O → H 2 + O 2 E 0 = 1.23 V
본 발명의 막 전극 집합체를 포함하는 AEM 전해조는 캐소드 및 애노드로서, 금속 폼(Metal foam), 상기 금속 폼 상에 형성된 맥신(MXene), 및 상기 맥신 상에 형성된 전이금속황화물을 포함함에 따라, 그 내구성이 향상되어 최대 750 시간 동안의 연속 작동이 가능할 수 있다. 이와 관련된 구체적인 내용은, 이하 {실시예 및 평가}에서 상세히 설명하도록 한다.The AEM electrolyzer including the membrane electrode assembly of the present invention includes a cathode and an anode, metal foam, MXene formed on the metal foam, and transition metal sulfide formed on the MXene. Improved durability can enable continuous operation for up to 750 hours. Specific details related to this will be described in detail in {Examples and Evaluation} below.
이하, 첨부한 도면 및 실시예들을 참조하여 본 명세서가 청구하는 바에 대하여 더욱 자세히 설명한다. 다만, 본 명세서에서 제시하고 있는 도면 내지 실시예 등은 통상의 기술자에 의하여 다양한 방식으로 변형되어 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 본 발명에서의 기재사항은 본 발명을 특정 개시 형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하고 있는 것으로 보아야 한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명을 통상의 기술자로 하여금 더욱 정확하게 이해할 수 있도록 돕기 위하여 제시되는 것으로서 실제보다 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.Hereinafter, what the present specification claims will be described in more detail with reference to the accompanying drawings and examples. However, the drawings, examples, etc. presented in this specification may be modified in various ways by those skilled in the art to have various forms, and the description in the present invention does not limit the present invention to the specific disclosed form. Rather, it should be viewed as including all equivalents or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. In addition, the attached drawings are presented to help those skilled in the art understand the present invention more accurately, and may be shown exaggerated or reduced compared to reality.
{실시예 및 평가}{Examples and Evaluation}
<실시예><Example>
실시예 1Example 1
1. 맥신의 합성1. Synthesis of maxine
1 g Ti3AlC2 분말을 100 mL HF 용액에 용해하고 48시간 동안 교반하였다. 그 후, 혼합 용액을 탈이온수(DI water)로 세척하여 중화시켰다.1 g Ti 3 AlC 2 powder was dissolved in 100 mL HF solution and stirred for 48 hours. Afterwards, the mixed solution was washed with deionized (DI) water and neutralized.
2. Ti3C2 MXene/NF 제조2. Ti 3 C 2 MXene/NF fabrication
상업적으로 이용 가능한 3D-NF 시트에서 (1 Х 1) 및 (5 Х 5) cm 크기의 3D-NF 조각 몇 개를 잘라냈다. 일부 3D-NF 조각을 염산(1 M)에 담근 후 초음파 수조에서 15분간 초음파 처리하였다. 초음파 처리가 완료된 후 세척된 3D-NF를 탈이온수와 에탄올로 헹군 후 오븐에서 6시간 동안 건조하였다.Several 3D-NF pieces with sizes (1 Х 1) and (5 Х 5) cm were cut from commercially available 3D-NF sheets. Some 3D-NF pieces were soaked in hydrochloric acid (1 M) and then sonicated in an ultrasonic bath for 15 min. After sonication was completed, the washed 3D-NF was rinsed with deionized water and ethanol and dried in an oven for 6 hours.
다음으로 200 mg Ti3C2 분말을 30분간 초음파를 통해 물 100 mL에 분산시켰다. 그 후, 10 mL의 0.1 mol/dm3 NaOH를 지지 전해질로 사용하였다. 전기영동증착은 표준 2전극 H형 셀에서 22 ℃에서 수행하였다. 애노드로는 Ni 폼을 사용하였고, 캐소드로는 Pt 호일을 사용하였다. 상기 Ti3C2의 증착은 2 V의 전압을 45초 동안 인가하여 수행하였다. 두 전극 사이의 거리는 1cm였다. 증착 시 Ti3C2가 Ni 폼에 코팅되어 CTAB 용액에 의해 안정화되었다.Next, 200 mg Ti 3 C 2 powder was dispersed in 100 mL of water through ultrasound for 30 minutes. Afterwards, 10 mL of 0.1 mol/dm 3 NaOH was used as a supporting electrolyte. Electrophoretic deposition was performed at 22°C in a standard two-electrode H-type cell. Ni foam was used as the anode, and Pt foil was used as the cathode. The deposition of Ti 3 C 2 was performed by applying a voltage of 2 V for 45 seconds. The distance between the two electrodes was 1 cm. During deposition, Ti 3 C 2 was coated on Ni foam and stabilized by CTAB solution.
3. NiFeS@Ti3C2 MXene/NF의 제조3. Fabrication of NiFeS@Ti 3 C 2 MXene/NF
먼저 0.1 mmol NiCl2×2H2O, 0.07 mmol FeCl3Х6H2O 및 L-시스테인(1 g)을 30 mL 물에 혼합하고 L-시스테인이 완전히 용해될 때까지 30분간 초음파 처리하였다. 그런 다음, 상기 용액과 준비된 Ti3C2 MXene/NF 샘플을 50 mL Teflon-line 스테인리스강 오토클레이브에 옮기고, 온도를 160 ℃에서 4시간 동안 유지하였다. 시료를 상온까지 냉각시킨 후 NiFeS@Ti3C2 MXene/NF 복합체를 탈이온수와 에탄올로 세척하였다. 최종 생성물은 60°C에서 12시간 동안 건조한 후 얻어졌다. First, 0.1 mmol NiCl 2 ×2H 2 O, 0.07 mmol FeCl 3 Х6H 2 O, and L-cysteine (1 g) were mixed in 30 mL water and sonicated for 30 minutes until L-cysteine was completely dissolved. Then, the solution and the prepared Ti 3 C 2 MXene/NF sample were transferred to a 50 mL Teflon-line stainless steel autoclave, and the temperature was maintained at 160 °C for 4 hours. After cooling the sample to room temperature, the NiFeS@Ti 3 C 2 MXene/NF composite was washed with deionized water and ethanol. The final product was obtained after drying at 60°C for 12 hours.
전이금속황화물은 상기 수열 공정을 통해 하기 반응식에 따라 형성된다. Transition metal sulfide is formed according to the following reaction equation through the above hydrothermal process.
C6H14N2O4S2 = NH3 + CO2 + H2S (1)C 6 H 14 N 2 O 4 S 2 = NH 3 + CO 2 + H 2 S (1)
Ni + Fe + H2S = Ni2FeS4 (2)Ni + Fe + H 2 S = Ni 2 FeS 4 (2)
NF의 촉매 부하는 약 1.25 mg/cm2였다. 전기화학 실험 전에는 전기분해 시 촉매의 기계적 손실을 방지하기 위해 전극에 5% Nafion® 바인더를 코팅하여 0.25 mg/cm2의 로딩을 얻었다. The catalyst loading of NF was about 1.25 mg/cm 2 . Before electrochemical experiments, the electrodes were coated with 5% Nafion® binder to prevent mechanical loss of the catalyst during electrolysis, resulting in a loading of 0.25 mg/cm 2 .
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해조용 촉매 전극의 구체적인 제조 과정을 나타내는 모식도이다. 다시 말해, 도 7은 상기 실시예 1의 제조 과정을 나타낸다. 도 7 및 실시예 1에 따르면, 본 발명의 전해조용 촉매 전극은 1) 금속 폼(NF) 상에 전기영동증착법을 통하여 맥신(Ti3C2)를 증착시킨 다음, 2) 상기 맥신이 증착된 금속 폼을 전이금속 전구체(Ni 전구체 및 Fe 전구체) 및 황 함유 화합물(L-cystein)이 포함된 수용액에 담근 상태로 고온 처리하는 것을 통해 제조되는 것을 확인할 수 있다. Figure 7 is a schematic diagram showing a specific manufacturing process of a catalyst electrode for an electrolyzer according to an embodiment of the present invention. In other words, Figure 7 shows the manufacturing process of Example 1. According to Figure 7 and Example 1, the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention is 1) depositing MXene (Ti 3 C 2 ) on metal foam (NF) through electrophoretic deposition, and then 2) depositing the MXene. It can be confirmed that the metal foam is manufactured through high temperature treatment while immersed in an aqueous solution containing a transition metal precursor (Ni precursor and Fe precursor) and a sulfur-containing compound (L-cysteine).
비교예 1 (NiFeS/NF)Comparative Example 1 (NiFeS/NF)
NF에 Ti3C2를 형성하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 하여, 전해조용 촉매 전극을 제조하였다(이하 "비교예 1"이라 함).A catalyst electrode for an electrolyzer was manufactured in the same manner as Example 1, except that Ti 3 C 2 was formed in NF (hereinafter referred to as “Comparative Example 1”).
비교예 2 (TiComparative Example 2 (Ti 33 CC 22 /NF)/NF)
상기 실시예 1에서 <2. Ti3C2 MXene/NF 제조> 단계까지 수행한 것에, 5% Nafion® 바인더를 코팅하여, 전해조용 촉매 전극을 제조하였다(이하 "비교예 2"라 함).In Example 1, <2. After performing the Ti 3 C 2 MXene/NF preparation step, 5% Nafion® binder was coated to prepare a catalyst electrode for an electrolyzer (hereinafter referred to as “Comparative Example 2”).
비교예 3 (NF)Comparative Example 3 (NF)
상업적으로 이용 가능한 3D-NF 시트에서 (1 Х 1) 및 (5 Х 5) cm 크기의 3D-NF 조각 몇 개를 잘라냈다. 일부 3D-NF 조각을 염산(1 M)에 담근 후 초음파 수조에서 15분간 초음파 처리하였다. 초음파 처리가 완료된 후 세척된 3D-NF를 탈이온수와 에탄올로 헹군 후 오븐에서 6시간 동안 건조하였다.Several 3D-NF pieces with sizes (1 Х 1) and (5 Х 5) cm were cut from commercially available 3D-NF sheets. Some 3D-NF pieces were soaked in hydrochloric acid (1 M) and then sonicated in an ultrasonic bath for 15 min. After sonication was completed, the washed 3D-NF was rinsed with deionized water and ethanol and dried in an oven for 6 hours.
다음으로, 상기 NF에 5% Nafion® 바인더를 코팅하여, 전해조용 촉매 전극을 제조하였다(이하 "비교예 3"이라 함).Next, 5% Nafion® binder was coated on the NF to prepare a catalyst electrode for an electrolyzer (hereinafter referred to as “Comparative Example 3”).
비교예 4 (Pt/C/NF)Comparative Example 4 (Pt/C/NF)
상용 Pt/C 촉매와 5% Nafion®을 에탄올에 분산시켰다. 상기 에탄올에 분산된 촉매를 NF층에 적용(촉매 로딩은 약 0.3 mg/cm2) 하여, Pt/C 촉매가 코팅된 촉매 전극을 제조하였다(이하 "비교예 4"라 함).Commercial Pt/C catalyst and 5% Nafion® were dispersed in ethanol. The catalyst dispersed in ethanol was applied to the NF layer (catalyst loading was about 0.3 mg/cm 2 ) to prepare a catalyst electrode coated with a Pt/C catalyst (hereinafter referred to as “Comparative Example 4”).
비교예 5 (RuOComparative Example 5 (RuO 22 /NF)/NF)
상용 RuO2 촉매와 5% Nafion®을 에탄올에 분산시켰다. 상기 에탄올에 분산된 촉매를 NF층에 적용(촉매 로딩은 약 0.3 mg/cm2) 하여, RuO2 촉매가 코팅된 촉매 전극을 제조하였다(이하 "비교예 5"라 함).Commercial RuO 2 catalyst and 5% Nafion® were dispersed in ethanol. The catalyst dispersed in ethanol was applied to the NF layer (catalyst loading was about 0.3 mg/cm 2 ) to prepare a catalyst electrode coated with RuO 2 catalyst (hereinafter referred to as “Comparative Example 5”).
제조예Manufacturing example
캐소드 및 애노드로서 실시예 1을 사용하였고, 상기 캐소드 및 애노드 사이에 열간 프레스법(40 ℃, 2 MPa)으로 음이온 교환막(Sustainion X37-50 Grade RT)을 끼워 막 전극 조립체(MEA)를 제조하였다. 집전체 및 엔드 플레이트로는 금도금된 니켈을 사용하였다. Example 1 was used as the cathode and anode, and a membrane electrode assembly (MEA) was manufactured by inserting an anion exchange membrane (Sustainment Gold-plated nickel was used as the current collector and end plate.
도 8은 본 발명의 제조예에 따라 제조된 음이온 교환막 전해조의 모식도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 음이온 교환막 전해조는 엔드 플레이트 및 집전체(100, 300), 유동장(Flow field)(110, 310) 및 막 전극 집합체(200)를 포함하고, 상기 막 전극 집전체는 캐소드 촉매 및 가스 확산층(210), 음이온 교환막(220) 및 애노드 촉매 및 가스 확산층(230)을 포함하는 것을 확인할 수 있다. Figure 8 is a schematic diagram of an anion exchange membrane electrolyzer manufactured according to a manufacturing example of the present invention. Referring to Figure 8, the anion exchange membrane electrolyzer of the present invention includes an end plate and a current collector (100, 300), a flow field (110, 310), and a membrane electrode assembly (200), and the membrane electrode current collector It can be confirmed that it includes a cathode catalyst and gas diffusion layer 210, an anion exchange membrane 220, and an anode catalyst and gas diffusion layer 230.
이렇게 제조된 음이온 교환막 전해조(single anion-exchange membrane water electrozer, AEMWE) 셀은 1 M KOH 수성 매질을 사용하여 50°C에서 작동하였다. 전해액 성능은 인가 전위 1.5~2.0 V에서 부하 곡선을 구하여 평가하였으며, 촉매의 안정성은 일정한 인가 전위에서 알칼리성 물 전해 조건에서 평가하였다.The single anion-exchange membrane water electrozer (AEMWE) cell prepared in this way was operated at 50°C using 1 M KOH aqueous medium. Electrolyte performance was evaluated by obtaining a load curve at an applied potential of 1.5 to 2.0 V, and the stability of the catalyst was evaluated under alkaline water electrolysis conditions at a constant applied potential.
비교제조예 (RuO2/NF(+)∥Pt/C/NF(-))Comparative manufacturing example (RuO2/NF(+)∥Pt/C/NF(-))
캐소드로서 비교예 5 및 애노드로서 비교예 4를 포함시키는 것을 제외하고, 상기 제조예와 동일하게 하여, 음이온 교환막 전해조를 제조하였다(이하 "비교제조예"라 함).An anion exchange membrane electrolyzer was manufactured in the same manner as the above Preparation Example, except that Comparative Example 5 was included as the cathode and Comparative Example 4 as the anode (hereinafter referred to as “Comparative Preparation Example”).
<평가><Evaluation>
HER 및 OER 평가HER and OER evaluation
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전해조용 촉매 전극의 HER 평가를 수행한 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 9a는 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 HER 평가를 보여주는 분극 곡선이고, 도 9b는 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 전류 밀도 20 및 50 mA/cm2 에서의 HER 과전위를 나타낸다. 도 9를 참조하면, 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 대해 20 및 50 mA/cm2의 전류 밀도를 얻기 위한 필요 HER 과전위는 각각 320 및 550(비교예 2), 250 및 350(비교예 1), 180 및 320(실시예 1), 150 및 310(비교예 4) mV인 것을 확인할 수 있다. 즉, 실시예 1의 HER 과전위는 비교예 4에 비해 다소 높거나 유사한 값을 나타내나, 비교예 1 내지 2에 비해 낮은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. Figure 9 is a graph showing HER evaluation of a catalyst electrode for an electrolyzer manufactured according to an embodiment of the present invention. More specifically, Figure 9a is a polarization curve showing the HER evaluation of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention, and Figure 9b shows the HER overpotential at current densities of 20 and 50 mA/cm 2 of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention. . Referring to FIG. 9, the HER overpotentials required to obtain a current density of 20 and 50 mA/cm 2 for Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 are 320 and 550 (Comparative Example 2), 250, and 350 (Comparative Example 2), respectively. Example 1), 180 and 320 (Example 1), and 150 and 310 (Comparative Example 4) mV. That is, it can be seen that the HER overpotential of Example 1 is somewhat higher or similar to that of Comparative Example 4, but is lower than that of Comparative Examples 1 and 2.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전해조용 촉매 전극의 OER 평가를 수행한 그래프이다. 보다 구체적으로 도 10a는 본 발명의 전해조용 촉매 전극의 OER에 대한 분극 곡선이고, 도 10b는 실시예 1, 비교예 1 내지 3 및 비교예 5의 20 및 50 mA/cm2 전류 밀도에서의 OER 과전위 값을 나타낸다. 도 10을 참조하면, 실시예 1, 비교예 1 내지 3 및 비교예 5에 대해 20 및 50 mA/cm2의 전류 밀도를 얻기 위한 필요 OER 과전위는 각각 370 및 470(비교예 3), 360 및 450(비교예 2), 300 및 360(비교예 1), 290 및 330(실시예 1), 280 및 355(비교예 5) mV인 것을 확인할 수 있다. 즉, 실시예 1의 전류 밀도 20 mA/cm2를 얻기 위한 OER 과전위 값은 비교예 1 내지 3에 비해 낮은 값을 가지고, 전류 밀도 50 mA/cm2를 얻기 위한 OER 과전위 값은 가장 낮은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.Figure 10 is a graph of OER evaluation of a catalyst electrode for an electrolyzer manufactured according to an embodiment of the present invention. More specifically, Figure 10a is a polarization curve for the OER of the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention, and Figure 10b is the OER at 20 and 50 mA/cm 2 current densities of Example 1, Comparative Examples 1 to 3, and Comparative Example 5. Indicates the overpotential value. Referring to FIG. 10, the OER overpotentials required to obtain current densities of 20 and 50 mA/cm 2 for Example 1, Comparative Examples 1 to 3, and Comparative Example 5 are 370, 470 (Comparative Example 3), and 360, respectively. and 450 (Comparative Example 2), 300 and 360 (Comparative Example 1), 290 and 330 (Example 1), and 280 and 355 (Comparative Example 5) mV. That is, the OER overpotential value for obtaining a current density of 20 mA/cm 2 in Example 1 is lower than that of Comparative Examples 1 to 3, and the OER overpotential value for obtaining a current density of 50 mA/cm 2 is the lowest. You can check that it has a value.
즉 정리하자면, 본 발명의 전해조용 촉매 전극은 비교예 1 내지 3에 비해 낮은 HER 및 OER 과전위 값을 나타내며, 상용되는 Pt/C 촉매 전극 및 RuO2 촉매 전극과는 다소 높거나 유사한 과전위 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 다만, Pt 및 Ru의 경우, 귀금속 및 희유금속에 해당하여 매우 고가이므로, 본 발명의 비귀금속 촉매 전극을 활용함에 따라, 귀금속을 사용하는 촉매 전극과 유사한 과전위 값을 가짐과 동시에 소재 및 공정 비용의 저감을 도모할 수 있다.In other words, in summary, the catalyst electrode for electrolyzer of the present invention exhibits lower HER and OER overpotential values compared to Comparative Examples 1 to 3, and has slightly higher or similar overpotential values than the commercially available Pt/C catalyst electrode and RuO 2 catalyst electrode. You can see that it represents . However, in the case of Pt and Ru, they are precious metals and rare metals and are very expensive, so by using the non-precious metal catalyst electrode of the present invention, they have an overpotential value similar to that of the catalyst electrode using noble metals and at the same time, material and process costs are reduced. reduction can be achieved.
전해조 성능 평가Electrolyzer performance evaluation
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음이온 교환막 전해조의 전류-전압 곡선 그래프이다. 보다 구체적으로, 1.5 내지 2.0 V의 전해액 입력 전압 범위에서 부하 곡선을 측정하여 전해조 성능을 조사하였다. 도 11을 참조하면, 산업용 알칼라인 전해질 시스템의 표준 작동 전압인 1.85 V에서 얻어진 전류 밀도는 제조예의 경우 67.65%의 셀 효율로 401 mA/cm2, 비교제조예의 경우 452 mA/cm2을 나타내는 것을 확인할 수 있다. Figure 11 is a current-voltage curve graph of an anion exchange membrane electrolyzer manufactured according to an embodiment of the present invention. More specifically, the electrolyzer performance was investigated by measuring the load curve in the electrolyte input voltage range of 1.5 to 2.0 V. Referring to FIG. 11, it can be seen that the current density obtained at 1.85 V, which is the standard operating voltage of the industrial alkaline electrolyte system, is 401 mA/cm 2 with a cell efficiency of 67.65% for the manufacturing example, and 452 mA/cm 2 for the comparative manufacturing example. You can.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음이온 교환막 전해조의 작동 전압 1.85V 및 1.95V에서의 전류밀도를 나타내는 그래프이다. 도 12를 참조하면, 작동 전압 1.85 V에서 제조예는 401 mA/cm2, 비교제조예는 452 mA/cm2의 전류 밀도를 나타내는 것을 확인할 수 있고, 작동 전압 1.95 V에서 제조예는 605 mA/cm2, 비교제조예는 약 574 mA/cm2의 전류 밀도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 상업적인 관점에서 볼 때, 본 발명의 막 전극 집합체를 포함하는 음이온 교환막 전해조는 상용되는 막 전극 집합체와 비교했을 때, 전해조 성능이 월등히 개선되었다고 평가하긴 힘드나, 낮은 촉매 로딩량, 낮은 작동 온도 및 비귀금속 소재를 포함한다는 점에서 소재 및 공정 비용의 저가화가 가능하다는 현저한 효과를 확인할 수 있다. Figure 12 is a graph showing the current density at operating voltages of 1.85V and 1.95V of an anion exchange membrane electrolyzer manufactured according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 12, it can be seen that the current density of the manufacturing example is 401 mA/cm 2 at an operating voltage of 1.85 V, and the current density of the comparative manufacturing example is 452 mA/cm 2 , and at an operating voltage of 1.95 V, the current density of the manufacturing example is 605 mA/cm 2 cm 2 , it can be seen that the comparative manufacturing example shows a current density of about 574 mA/cm 2 . From a commercial perspective, it is difficult to evaluate that the anion exchange membrane electrolyzer containing the membrane electrode assembly of the present invention has significantly improved electrolyzer performance compared to a commercially available membrane electrode assembly, but has low catalyst loading, low operating temperature, and non-precious metal content. By including materials, a significant effect can be seen in that material and process costs can be reduced.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음이온 교환막 전해조의 장기 안정성을 평가한 그래프이다. 즉, 전해액 시스템 내 촉매 전극의 내구성 및 실험 측정의 재현성을 평가하였다. 도 13을 참조하면, 비교제조예의 경우, 1.85 V의 전위에서 시간이 지남에 따라 점점 전류 밀도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 반면에 제조예는 1.85 V 전위에서 25 시간까지 전류 밀도가 유지되어, 매우 높은 내구성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 보다 상세하게, 제조예는 1.85 V 전위에서 16 시간까지 급격한 전류밀도의 증가를 보이다, 이후 전류 밀도가 평탄화되어 0.4 mA/h의 무시할 수 있는 전류 손실을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 상기와 같은 결과로 미루어보았을 때, 본 발명의 막 전극 집합체를 포함하는 음이온 교환막 전해조는 최소 전류 밀도가 100 mA/cm2까지 감소하면서 750 시간 동안 지속적으로 작동할 수 있을 것으로 예상할 수 있다. Figure 13 is a graph evaluating the long-term stability of an anion exchange membrane electrolyzer manufactured according to an embodiment of the present invention. That is, the durability of the catalyst electrode in the electrolyte system and the reproducibility of experimental measurements were evaluated. Referring to FIG. 13, in the comparative manufacturing example, it can be seen that the current density gradually decreases over time at a potential of 1.85 V. On the other hand, it can be seen that the production example maintains the current density for up to 25 hours at a potential of 1.85 V, showing very high durability. In more detail, the manufacturing example shows a rapid increase in current density for up to 16 hours at a potential of 1.85 V, and then the current density levels off, showing a negligible current loss of 0.4 mA/h. Considering the above results, it can be expected that the anion exchange membrane electrolyzer containing the membrane electrode assembly of the present invention can operate continuously for 750 hours with the minimum current density reduced to 100 mA/cm 2 .
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음이온 교환막 전해조로부터 생성된 수소의 순도를 나타낸다. 보다 구체적으로 제조예에 따라 제조된 음이온 교환막 전해조에서 수소를 생성하였다. 도 14를 참조하면, 본 발명의 전해조용 촉매 전극을 이용하여 수분해 반응 수행시 순도 99.997%의 수소가 2.8 mL/min 생성되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 수치는 상업적으로 요구되는 수소의 순도에 매우 근접한 수치임을 확인할 수 있다. Figure 14 shows the purity of hydrogen produced from an anion exchange membrane electrolyzer manufactured according to an embodiment of the present invention. More specifically, hydrogen was generated in an anion exchange membrane electrolyzer manufactured according to the manufacturing example. Referring to FIG. 14, it can be seen that 2.8 mL/min of hydrogen with a purity of 99.997% is produced when a water decomposition reaction is performed using the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention. It can be confirmed that these values are very close to the commercially required purity of hydrogen.
본 발명의 전해조용 촉매 전극을 이용하면, 고순도의 수소를 생산할 수 있다.Using the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention, high purity hydrogen can be produced.
또한, 본 발명의 전해조용 촉매 전극을 이용한 수분해 반응 시 수소생성반응(HER) 및 산소생성반응(OER) 모두에 있어서 개선된 전기화학 촉매 활성이 나타날 수 있다. In addition, improved electrochemical catalytic activity can occur in both hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) during water decomposition reaction using the catalyst electrode for electrolyzer of the present invention.
또한, 본 발명의 전해조용 촉매 전극은 적은 촉매 로딩양 및 낮은 작동 온도로 인해 운용 비용 절감에 도움을 줄 수 있다. Additionally, the catalyst electrode for an electrolyzer of the present invention can help reduce operating costs due to a small catalyst loading amount and low operating temperature.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.The above description is merely an illustrative explanation of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations will be possible to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but are for illustrative purposes, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of rights of the present invention.
Claims (15)
상기 금속 폼 상에 형성된 맥신(MXene); 및
상기 맥신 상에 형성된 전이금속황화물;을 포함하는, 전해조용 촉매 전극.Metal foam;
MXene formed on the metal foam; and
A catalyst electrode for an electrolyzer, including a transition metal sulfide formed on the MXene.
상기 맥신은 M2X, M3X2 및 M4X3으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질인, 전해조용 촉매 전극.
(상기 M은 전이금속이고, 상기 X는 C 또는 N이다.)According to claim 1,
The MXene is a catalyst electrode for an electrolytic cell , wherein the MXene is one or more materials selected from the group consisting of M 2
(M is a transition metal, and X is C or N.)
상기 맥신은 Ti2C, (Ti0.5, Nb0.5)2C, V2C, Nb2C, Mo2C, Mo2N, (Ti0.5, Nb0.5)2C, Ti2N, W1.33C, Nb1.33C, Mo1.33C, Mo1.33Y0.67C, Ti3C2, TiCN, Zr3C2, Hf3C2, Ti4N3, Nb4C3, Ta4C3, V4C3, (Mo, V)4C3, Mo4VC4, Mo2TiC2, Cr2TiC2, Mo2ScC2 및 Mo2Ti2C3으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질인, 전해조용 촉매 전극.According to claim 1,
The MXene is Ti 2 C, (Ti 0.5 , Nb 0.5 ) 2 C, V 2 C, Nb 2 C, Mo 2 C, Mo 2 N, (Ti 0.5 , Nb 0.5 ) 2 C, Ti 2 N, W 1.33 C , Nb 1.33 C, Mo 1.33 C, Mo 1.33 Y 0.67 C, Ti 3 C 2 , TiCN, Zr 3 C 2 , Hf 3 C 2 , Ti 4 N 3 , Nb 4 C 3 , Ta 4 C 3 , V 4 C 3 , (Mo, V) 4 C 3 , Mo 4 VC 4 , Mo 2 TiC 2 , Cr 2 TiC 2 , Mo 2 ScC 2 and Mo 2 Ti 2 C 3 , for electrolyzer, which is one or more materials selected from the group consisting of Catalytic electrode.
상기 전이금속황화물은 니켈철황화물(NiFeS), 코발트철황화물(CoFeS) 및 리튬철황화물(LiFeS)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질인, 전해조용 촉매 전극.According to claim 1,
The transition metal sulfide is a catalyst electrode for an electrolyzer, wherein the transition metal sulfide is one or more materials selected from the group consisting of nickel iron sulfide (NiFeS), cobalt iron sulfide (CoFeS), and lithium iron sulfide (LiFeS).
상기 금속 폼은 Ni 폼, Fe 폼, Cu 폼, Ag 폼 및 Ti 폼으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인, 전해조용 촉매 전극.According to claim 1,
The metal foam is at least one selected from the group consisting of Ni foam, Fe foam, Cu foam, Ag foam, and Ti foam.
상기 전이금속황화물은 로딩량이 1 내지 3 mg/cm2인 것인, 전해조용 촉매 전극.According to claim 1,
The transition metal sulfide is a catalyst electrode for an electrolyzer with a loading amount of 1 to 3 mg/cm 2 .
상기 전해조용 촉매 전극은 작동 온도가 40 내지 60 ℃인 것을 특징으로 하는, 전해조용 촉매 전극.According to claim 1,
The catalyst electrode for an electrolyzer is characterized in that the operating temperature is 40 to 60 ° C.
상기 전해조용 촉매 전극은 물 분해반응에 있어서, 50 mA/cm2 이상의 전극 전류밀도에서 320 mV 이하의 과전위를 나타내는 것을 특징으로 하는, 전해조용 촉매 전극.According to claim 1,
The catalyst electrode for an electrolyzer is characterized in that it exhibits an overpotential of 320 mV or less at an electrode current density of 50 mA/cm 2 or more during a water decomposition reaction.
상기 맥신 상에 전이금속황화물을 형성하는 단계;를 포함하는, 전해조용 촉매 전극의 제조 방법.Forming MXene on metal foam; and
A method of manufacturing a catalyst electrode for an electrolyzer, comprising: forming a transition metal sulfide on the MXene.
상기 맥신을 도입하는 단계는 화학적 기상 증착법, 열증착법, 전자빔증발법, 스퍼터링법, 원자증층작법 및 전기영동증착법으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 방법에 따라 수행되는 것인, 전해조용 촉매 전극의 제조 방법.According to clause 9,
The step of introducing MXene is performed according to one or more methods selected from the group consisting of chemical vapor deposition, thermal evaporation, electron beam evaporation, sputtering, atomic vapor deposition, and electrophoretic deposition. Manufacturing method.
상기 전이금속황화물을 형성하는 단계는 전이금속 전구체; 및 황함유 화합물;을 포함하는 수용액에 상기 맥신이 형성된 금속 폼을 넣고 가열하는 것인, 전해조용 촉매 전극의 제조 방법.According to clause 9,
The step of forming the transition metal sulfide includes: a transition metal precursor; And a sulfur-containing compound; A method of manufacturing a catalyst electrode for an electrolytic cell, wherein the metal foam formed with the MXene is placed in an aqueous solution containing and heated.
상기 전이금속 전구체는 니켈(Ni), 코발트(Co), 리튬(Li) 및 철(Fe)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것인, 전해조용 촉매 전극의 제조 방법.According to claim 11,
The transition metal precursor is a method of manufacturing a catalyst electrode for an electrolytic cell, wherein the transition metal precursor includes one or more selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), lithium (Li), and iron (Fe).
상기 황 함유 화합물은 L-시스테인(L-cystein), N-폼일메티오닌(N-formylmethionine), 시스타티오닌(cystathionine), 호모시스테인(homocystein), 시스테인 설핀산(cysteine sulfinic acid) 및 시스틴(cystine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 화합물인, 전해조용 촉매 전극의 제조 방법.According to claim 11,
The sulfur-containing compounds include L-cysteine, N-formylmethionine, cystathionine, homocysteine, cysteine sulfinic acid, and cystine. A method of manufacturing a catalyst electrode for an electrolytic cell, which is one or more compounds selected from the group consisting of.
상기 가열은 100 내지 200 ℃에서 수행되는 것인, 전해조용 촉매 전극의 제조 방법.According to claim 11,
A method of manufacturing a catalyst electrode for an electrolyzer, wherein the heating is performed at 100 to 200 °C.
상기 캐소드 상에 형성된 음이온 교환막; 및
상기 음이온 교환막 상에 형성된 애노드;를 포함하고,
상기 캐소드 및 상기 애노드는 금속 폼(Metal foam), 상기 금속 폼 상에 형성된 맥신(MXene), 및 상기 맥신 상에 형성된 전이금속황화물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 막 전극 집합체.
cathode;
An anion exchange membrane formed on the cathode; and
It includes an anode formed on the anion exchange membrane,
The cathode and the anode are characterized in that they include metal foam, MXene formed on the metal foam, and transition metal sulfide formed on the MXene.
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