KR101756695B1 - Method of preparing Ni/YSZ core-shell structures by using surfactant and ultrasonication - Google Patents
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Abstract
본 발명은 계면활성제와 초음파 분산을 이용하여 고체산화물 연료전지 연료극 제조용의 니켈/이트리아 안정화 지르코니아 코어-셀 복합체의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 증류수에 0.5 ~ 1um 크기의 구형 니켈과 양이온 계면활성제를 함께 혼합하여 초음파 분산시켜 응집되어 있는 니켈 입자를 분산시키고, 니켈 표면에 양이온 계면활성제를 코팅하는 단계; 증류수에 50~100nm크기의 졸 상태 이트리아 안정화 지르코니아와 음이온 계면활성제를 함께 혼합하여 초음파 분산시켜 이트리아 안정화 지르코니아를 분산시키고, 이트리아 안정화 지르코니아 표면에 음이온 계면활성제를 코팅하는 단계; 상기 양이온 계면활성제가 코팅된 니켈과 음이온 계면활성제가 코팅된 이트리아 안정화 지르코니아를 pH 7 ~ 8 범위의 용매에서 교반하여 두 입자의 표면 전하차이에 의하여 니켈을 코어(core)로 하고, 이트리아 안정화 지르코니아를 셀(shell)로하는 코어-셀 복합체를 제조하는 단계; 및 상기 코어-셀 복합체 분말을 막대형 펠릿으로 제작한 후 고온 소결하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지 연료극용 니켈/안정화 지르코니아 코어-셀 복합체의 제조방법이 제공된다. 상기 코어-셀 복합체를 고체산화물 연료전지 연료극으로 사용하면 코어와 셀의 성분이 고르게 분포되고 결정립이 나노구조를 이루어 미세구조가 치밀하게 되면서 전기전도도 특성이 향상 된다.The present invention relates to a method for preparing a nickel / yttria stabilized zirconia core-cell composite for the production of a solid oxide fuel cell anode using a surfactant and ultrasonic dispersion. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method for preparing nickel particles, comprising: mixing distilled water with spherical nickel and a cationic surfactant having a size of 0.5 to 1 um together, dispersing the nickel particles dispersed by ultrasonic dispersion, and coating a nickel surface with a cationic surfactant; Dispersing yttria-stabilized zirconia by mixing ultrasonic dispersion of distilled water with zirconia in an amount of 50-100 nm and an anionic surfactant, and coating the surface of the yttria-stabilized zirconia with an anionic surfactant; Stabilized zirconia coated with a cationic surfactant-coated nickel and an anionic surfactant is stirred in a solvent having a pH ranging from 7 to 8, nickel is made into core by the difference in surface charge of the two particles, Preparing a core-cell composite with zirconia as a shell; And a high-temperature sintering step of producing the core-cell composite powder from the rod-shaped pellets and the high-temperature sintering. The present invention also provides a method for producing a nickel / stabilized zirconia core-cell composite for a solid oxide fuel cell anode. When the core-cell composite is used as a solid oxide fuel cell anode, the components of the core and the cell are uniformly distributed, and the crystal grains are nano-structured, and the microstructure becomes dense, thereby improving the electrical conductivity.
Description
본 발명은 계면활성제와 초음파 분산을 이용하여 고체산화물 연료전지 연료극 제조용 니켈/이트리아 안정화 지르코니아 코어-셀 복합체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 나노입자들의 분산력을 크게하고자 초음파 분산기를 사용하여 니켈과 이트리아 안정화 지르코니아를 균일하게 분산시키고, 서로 다른 계면활성제를 사용하여 니켈(Ni)에는 양의 표면전하를, 이트리아 안정화 지르코니아에는 음의 표면전하를 코팅함으로써 이들을 교반시 표면전하 차이로 인한 코어-셀 복합체를 제조하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method of preparing a nickel / yttria-stabilized zirconia core-cell composite for preparing a solid oxide fuel cell anode using a surfactant and ultrasonic dispersion, and more particularly, By uniformly dispersing nickel and yttria-stabilized zirconia and coating positive surface charge on nickel (Ni) and negative surface charge on yttria-stabilized zirconia using different surfactants, To a technique for producing a core-cell composite.
최근 화석원료가 점차 고갈됨에 따라, 새로운 에너지원에 대한 요구가 커지고 있다. 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)는 에너지 변환효율이 높고, 자체적인 내부 개질에 의해 다양한 연료의 사용이 가능하며, 가스터빈과의 하이브리드를 통하여 효율을 더욱 향상시킬 수 있어 차세대 에너지원으로 주목 받고 있다. With the recent depletion of fossil raw materials, there is a growing demand for new energy sources. Solid Oxide Fuel Cells, which convert chemical energy directly into electrical energy, have high energy conversion efficiency, can use various fuels by their own internal reforming, And is attracting attention as a next-generation energy source.
고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell)는 산화물 전해질의 높은 산소이온 전도성을 이용하고 양극을 직렬로 연결한 구조로서 전자의 이동을 이용하기 위해서는 수소와 산소의 공간적 분리가 필요하며, 수소와 산소의 화학적 결합에 의해 전자가 생성되고 이 전자를 다른 극으로 이동하게 유도함으로써 생성되는 전류를 이용하는 전지이다. 고체산화물 연료전지는 다른 연료전지에 비하여 고온(700~1000℃)에서 운전되며, 이는 높은 에너지 효율을 갖는다. 연료전지의 연료로는 수소, 메탄올, 에탄올과 천연가스 등을 사용할 수 있으며, 화석연료는 추가적인 가스화 공정을 거쳐서 연료로서 사용할 수 있다. 여기에 산소나 공기를 산화제로서 같이 사용하게 된다.Solid oxide fuel cells utilize the high oxygen ion conductivity of the oxide electrolyte and have an anode connected in series. Spatial separation of hydrogen and oxygen is required to utilize the transfer of electrons. And a current is generated by inducing electrons to move to another electrode by chemical bonding. Solid oxide fuel cells operate at high temperatures (700-1000 ° C) compared to other fuel cells, which have high energy efficiency. Hydrogen, methanol, ethanol and natural gas can be used as the fuel of the fuel cell, and the fossil fuel can be used as the fuel through the additional gasification process. Here, oxygen or air is used together as an oxidizing agent.
일반적으로, 고체산화물 연료전지는, 공기극, 고체 전해질 및 연료극이 순차적으로 적층된 구조를 가지고 있으며, 각 계면의 저항을 줄이고 활성을 더하기 위해 층과 층 사이에 기능층을 넣기도 한다. 현재 통상적으로 사용되는 고체산화물 연료전지의 연료극으로는 니켈 또는 산화니켈과 이트리아를 첨가하여 안정화시킨 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ, Yttria-stabilized zirconia)가 이용된다. 니켈은 고온 환원분위기에서 우수한 전자전도체로 전자의 이동통로의 역할을 하며, 이트리아 안정화 지르코니아는 미세구조를 유지하는 골격과 니켈입자의 조대화를 방지하고 열팽창계수가 다른 구성소재와 비슷해지도록 조절하며, 산소 이온길(path)을 형성하여 우수한 이온전도체로서 역할을 한다.In general, a solid oxide fuel cell has a structure in which an air electrode, a solid electrolyte and a fuel electrode are sequentially stacked, and a functional layer is interposed between the layers to reduce resistance and increase activity at each interface. Yttria-stabilized zirconia (YSZ) stabilized by adding nickel or nickel oxide and yttria is used as a fuel electrode of a solid oxide fuel cell which is commonly used at present. Nickel is a good electron conductor in the high-temperature reducing atmosphere, and serves as electron transfer path. Yttria-stabilized zirconia prevents the coarsening of the skeleton and nickel particles that maintain the microstructure and adjusts the thermal expansion coefficient to be similar to the constituent material , And forms an oxygen ion path, thereby acting as an excellent ion conductor.
종래 대한민국 공개특허 제2005-0004996호 "고체산화물 연료전지용 고강도 음극 지지체 제조방법"에는 '고온 연료전지용 고강도 음극지지체의 제조방법에 있어서, 몰비로 10%의 이트리아로 안정화된 지르코니아가 45∼65vol% 첨가되며, 니켈옥사이드 분말 35∼55vol%가 첨가된 혼합분말에 30∼45vol%의 기공형성제로써 활성탄 혹은 카본블랙의 탄소분말이 첨가되는 단계와, 성형보조제로써 1∼15wt%의 결합제, 1∼5wt%의 분산제, 1∼10wt%의 가소제, 1∼3wt%의 이형제와 함께 가압성형, 압출성형, 혹은 태잎 성형하여 평판형 또는 원통형으로 성형하는 단계와, 성형보조제를 제거한 후 가열에 의해 소결하는 단계를 포함하는 구성으로 이루어지는 고체산화물 연료전지용 고강도 음극 지지체 제조방법'이 개시되어 있다. In the method of manufacturing a high-strength anode support for a high-temperature fuel cell, a zirconia stabilized by 10% of yttria at a molar ratio of 45 to 65 vol% is prepared in a conventional Korean Patent Publication No. 2005-0004996 "Method for manufacturing a high strength anode support for a solid oxide fuel cell" Adding carbon powder of activated carbon or carbon black as a pore-forming agent in an amount of 30 to 45 vol% to a mixed powder to which 35 to 55 vol% of nickel oxide powder is added, and adding 1 to 15 wt% A step of molding into a flat plate or a cylindrical shape by pressure molding, extrusion molding, or tapping with 5 wt% of a dispersant, 1 to 10 wt% of a plasticizer, and 1 to 3 wt% of a release agent, and a step of sintering A method for manufacturing a high-strength cathode support for a solid oxide fuel cell, comprising the steps of:
니켈 또는 산화니켈과 이트리아 안정화 지르코니아(8mol% Y2O3, 92mol% ZrO2)의 혼합물은 건식이나 습식방법으로 간단하게 혼합 할 수 있으나, 각 분말 사이의 큰 비중차이로 인하여 기계적 혼합 시 불균일한 입자 분포구조를 가지게 된다. 또한 나노크기를 가질 때 인력이 서로 상이하므로 동일한 분산 조건에서 두 분말이 동시에 분산되지 못하고 분말들의 응집이 일어나게 된다. 특히, 불균일한 입자 분포는 소결 후 연료극의 미세구조 불균일을 초래하여 결정립의 크기가 커지고 기공의 분포가 균일하지 못해 삼상계면의 반응점이 줄어들게 된다. A mixture of nickel or nickel oxide and yttria-stabilized zirconia (8 mol% Y 2 O 3 , 92 mol% ZrO 2 ) can be easily mixed by a dry or wet method, but due to the large specific gravity difference between the powders, One particle distribution structure. In addition, when the nano-size is used, the powders are different from each other, so that the two powders can not be dispersed at the same dispersion condition and aggregation of powders occurs. Particularly, nonuniform particle distribution causes microstructure nonuniformity of the anode after sintering, so that the grain size becomes large and the pore distribution is not uniform, so that the reaction point at the three phase interface is reduced.
이러한 연료극을 구성하는 원료의 미세구조의 기하학적 형상, 크기, 응집도 등에 의한 결정립과 기공 분포의 불균일은 전기전도도, 연료투과도, 니켈의 조대화, 삼상계면 활성도 등에 악영향을 주어 단전지의 내구성 및 출력 특성을 저하시키게 된다. 연료극에서의 열 싸이클과 장기운전 그리고 산화, 환원 반응은 니켈의 조대화와 니켈, 안정화 지르코니아 및 기공으로 이루어진 삼상계면의 반응면적을 감소시키기 때문에 전기화학적 활성도가 감소한다. 결국 단전지의 출력을 저하시키는 등의 문제점이 있다.The unevenness of the crystal grains and the pore distribution due to the geometry, size, cohesion, etc. of the microstructure of the raw material constituting the fuel electrode adversely affects the electrical conductivity, fuel permeability, nickel coarsening and three phase interfacial activity, . The thermal cycling and long - term operation at the anode and the oxidation and reduction reactions reduce the electrochemical activity because they reduce the reaction area of the nickel interface, the stabilized zirconia and the pore. There is a problem that the output of the unit cell is lowered.
이와 같은 문제점을 해결하기 본 발명자들은 하이드라진 환원침전법으로 합성한 나노 크기의 구형의 니켈 금속 분말과 안정화 지르코니아 분말 그리고 계면활성제를 함께 넣어서 초음파 분산기에 넣어 코어-셀을 제조하고자 하였다.In order to solve such problems, the present inventors prepared a core-cell by adding a nano-sized spherical nickel metal powder, a stabilized zirconia powder and a surfactant synthesized by the hydrazine reduction precipitation method into an ultrasonic dispersing machine.
본 발명은 니켈과 이트리아 안정화 지르코니아가 균일하게 분포하면서 치밀한 미세구조를 가져 고체산화물 연료전지용 연료극의 전기화학적 반응 및 장기성능이 향상 되도록 하는 니켈/이트리아 안정화 지르코니아 코어-셀 복합체를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention relates to a method for producing a nickel / yttria-stabilized zirconia core-cell composite in which nickel and yttria-stabilized zirconia are distributed uniformly and have a dense microstructure to improve the electrochemical reaction and long-term performance of the anode for a solid oxide fuel cell The purpose is to provide.
본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조되는 니켈/이트리아 안정화 지르코니아 코어-셀 복합체를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a nickel / yttria stabilized zirconia core-cell composite produced by the above production method.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면 (A) 증류수에 0.5um~1um 크기의 구형 니켈과 양이온 계면활성제를 함께 혼합하여 초음파 분산시켜 응집되어 있는 니켈 입자를 분산시키고, 니켈 표면에 양이온 계면활성제를 코팅하는 단계; In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a method for producing a nickel-based electrochemical cell, comprising the steps of (A) mixing spherical nickel and a cationic surfactant having a size of 0.5 .mu.m to 1 .mu.m together with distilled water and dispersing the nickel particles by ultrasonic dispersion, ;
(B) 증류수에 50~100nm크기의 졸 상태 이트리아 안정화 지르코니아와 음이온 계면활성제를 함께 혼합하여 초음파 분산시켜 이트리아 안정화 지르코니아를 분산시키고, 이트리아 안정화 지르코니아 표면에 음이온 계면활성제를 코팅하는 단계;(B) dispersing yttria-stabilized zirconia in distilled water by mixing the zirconia stabilized zirconia with an anionic surfactant in an amount of 50 to 100 nm and dispersing the yttria-stabilized zirconia, and coating an anionic surfactant on the yttria-stabilized zirconia surface;
(C) 상기 양이온 계면활성제가 코팅된 니켈과 음이온 계면활성제가 코팅된 이트리아 안정화 지르코니아를 pH 7 ~ 8 범위의 용매에서 교반하여 두 입자의 표면 전하차이에 의하여 니켈을 코어(core)로 하고, 이트리아 안정화 지르코니아를 셀(shell)로하는 코어-셀 복합체를 제조하는 단계; 및(C) stirring the yttria-stabilized zirconia coated with the cationic surfactant-coated nickel and the anionic surfactant in a solvent in the range of pH 7 to 8 to make nickel as a core by the surface charge difference of the two particles, Preparing a core-cell composite in which yttria-stabilized zirconia is used as a shell; And
(D) 상기 코어-셀 복합체 분말을 막대형 펠릿으로 제작한 후 고온 소결하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지 연료극용 니켈/안정화 지르코니아 코어-셀 복합체의 제조방법이 제공된다.(D) preparing a core-shell composite powder as a rod-shaped pellet followed by high-temperature sintering; and (d) preparing a core / shell composite powder for a solid oxide fuel cell anode anode / stabilized zirconia core-cell composite.
상기 양이온 계면활성제로는 임계미셀농도(CMC)를 넘지 않는 양을 가지는 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드(Cetyltrimethyl ammonium bromide, CTAB)가 사용되는 것이 바람직하다. 상기 음이온 계면활성제로는 임계미셀농도(CMC)를 넘지 않는 양을 가지는 소디움 도데실 설페이트(Sodium Dodecyl Sulfate, SDS)가 사용되는 것이 바람직하다.As the cationic surfactant, it is preferable to use cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB) having an amount not exceeding the critical micelle concentration (CMC). As the anionic surfactant, sodium dodecyl sulfate (SDS) having an amount not exceeding a critical micelle concentration (CMC) is preferably used.
상기 (A), (B) 단계의 초음파 분산은 1~5초 펄스(pulse)와 1~5초 공백(space)을 갖고 10~30분 사이에서 실시하는 것이 바람직하다.The ultrasonic dispersion in the steps (A) and (B) is preferably performed for 10 to 30 minutes with a pulse of 1 to 5 seconds and a space of 1 to 5 seconds.
상기 나노구형 니켈은 출발물질로서 염화니켈(Nickel chloride, NiCl2ㆍ6H2O)을 사용하고, 환원제로서 하이드라진 수화물(N2H4ㆍH2O)을 사용하며, 침전제로서 수산화나트륨(NaOH)을 사용하여 제조되는 것으로서, 1 : 2~10 : 2~10의 몰비로 반응시켜 제조되는 것이 바람직하다.The nano-spherical nickel are nickel chloride using (Nickel chloride, NiCl 2 and 6H 2 O), uses hydrazine hydrate (N 2 H 4 and H 2 O) as a reducing agent, sodium hydroxide (NaOH) as a precipitating agent as a starting material Which is produced by reacting at a molar ratio of 1: 2 to 10: 2 to 10, is preferable.
상기 졸(sol) 상태의 이트리아 안정화 지르코니아는 수산화지르코늄(Zr(OH)4)과 질산이트륨(Y(NO3)3)을 출발물질로 하여 용매열 합성법(Solvothermal method)에 의하여 제조되는 것이 바람직하다.The yttria-stabilized zirconia in the sol state is preferably prepared by a solvent thermal method using zirconium hydroxide (Zr (OH) 4 ) and yttrium nitrate (Y (NO 3 ) 3 ) Do.
상기 (D)단계에서 고온 소결은 H2 5%, Ar 95% 기체를 사용하여 1400℃까지 분당 5℃ 승온하고 2 시간동안 열처리 유지하여 이루어진다.In the step (D), the high-temperature sintering is performed by raising the temperature by 5 ° C per minute to 1400 ° C using H 2 5% and Ar 95% gas, and maintaining the heat treatment for 2 hours.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 상기의 제조방법에 의하여 제조되는 고체산화물 연료전지 연료극용 니켈/안정화 지르코니아 코어-셀 복합체가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a nickel / stabilized zirconia core-cell composite for a solid oxide fuel cell anode, which is produced by the above production method.
본 발명의 제조방법에 따라 제조된 니켈/안정화 지르코니아 코어-셀 복합체는 SOFC 연료극으로 사용하는 경우 균일한 입자배열과 고른 분포로 인하여 니켈 입자들의 입자 연결도가 향상되고 삼상계면의 확장, 미세구조 개선, 소결성 향상, 강도 향상 등의 장점을 갖게 되어 음극의 성능 저하가 감소되고, 단전지의 출력과 장기 안정성 향상을 가져오며, 단일상으로 거동하기 때문에 슬러리 분산이 용이하여 테입 캐스팅 및 스크린 프린팅과 같은 공정에 활용되기 용이하다는 장점이 있다.The nickel / stabilized zirconia core-cell composite prepared according to the manufacturing method of the present invention has improved particle connectivity of nickel particles due to uniform particle arrangement and uniform distribution when used as an SOFC anode, , Sintering ability and strength enhancement, so that the deterioration of the cathode performance is reduced, the output of the single cell and the long-term stability are improved, and the single slurry is easily dispersed. It is easy to utilize in the process.
도 1은 계면활성제의 특성과 초음파 분산을 이용하여 니켈/안정화 지르코니아(YSZ)가 코어-셀(core-shell)구조를 형성하는 원리를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 계면활성제를 이용하여 만든 니켈/안정화 지르코니아(YSZ) 코어-셀 복합체의 주사전자현미경(SEM) 사진도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 계면활성제와 초음파 분산을 이용하여 만든 니켈/안정화 지르코니아(YSZ)의 코어-셀 복합체로 막대형 펠릿으로 성형하여 환원소결한 소결체를 제조하여 4단자 탐침법으로 전기전도도를 측정한 그래프 이다.1 is a schematic view showing the principle of forming a core-shell structure of nickel / stabilized zirconia (YSZ) using the characteristics of a surfactant and ultrasonic dispersion.
2 is a scanning electron microscope (SEM) photographic view of a nickel / stabilized zirconia (YSZ) core-cell composite made using a surfactant in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view illustrating a sintered body obtained by molding a sintered body into a rod-shaped pellet by using a nickel / stabilized zirconia (YSZ) core-cell composite made by using a surfactant and ultrasonic dispersion according to an embodiment of the present invention, As shown in FIG.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따르면, (A) 증류수에 0.5um ~ 1um 크기의 구형 니켈과 양이온 계면활성제를 함께 혼합하여 초음파 분산시켜 응집되어 있는 니켈 입자를 분산시키고, 니켈 표면에 양이온 계면활성제를 코팅하는 단계; (B) 증류수에 50~100nm크기의 졸 상태 이트리아 안정화 지르코니아와 음이온 계면활성제를 함께 혼합하여 초음파 분산시켜 이트리아 안정화 지르코니아를 분산시키고, 이트리아 안정화 지르코니아 표면에 음이온 계면활성제를 코팅하는 단계; (C) 상기 양이온 계면활성제가 코팅된 니켈과 음이온 계면활성제가 코팅된 이트리아 안정화 지르코니아를 pH 7~8 범위의 용매에서 교반하여 두 입자의 표면 전하차이에 의하여 니켈을 코어(core)로 하고, 이트리아 안정화 지르코니아를 셀(shell)로하는 코어-셀 복합체를 제조하는 단계; 및 (D) 상기 코어-셀 복합체 분말을 막대형 펠릿으로 제작한 후 고온 소결하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지 연료극용 니켈/안정화 지르코니아 코어-셀 복합체의 제조방법이 제공된다.According to the present invention, there is provided a method for preparing an aqueous coating composition, comprising the steps of: (A) mixing spherical nickel and a cationic surfactant having a size of 0.5 .mu.m to 1 .mu.m together with distilled water, dispersing the nickel particles dispersed by ultrasonic dispersion, and coating the surface of the nickel with a cationic surfactant; (B) dispersing yttria-stabilized zirconia in distilled water by mixing the zirconia stabilized zirconia with an anionic surfactant in an amount of 50 to 100 nm and dispersing the yttria-stabilized zirconia, and coating an anionic surfactant on the yttria-stabilized zirconia surface; (C) stirring the yttria-stabilized zirconia coated with the cationic surfactant-coated nickel and the anionic surfactant in a solvent in the range of pH 7 to 8 to make nickel as a core by the surface charge difference of the two particles, Preparing a core-cell composite in which yttria-stabilized zirconia is used as a shell; And (D) high-temperature sintering the core-shell composite powder in the form of a rod-shaped pellet. The method for producing a nickel / stabilized zirconia core-cell composite for a solid oxide fuel cell anode is provided.
상기 구형 니켈은 하이드라진 환원 침전법에 의하여 제조될 수 있다. 일예를 구체적으로 나타내면, 먼저, 염화니켈(NiCl2)을 출발물질로 하여 용탕에 증류수와 함께 넣어준다. 혼합물의 초기 온도와 pH를 조절해주고 하이드라진(N2H4)을 일정한 속도로 넣어준다. 그리고 수산화나트륨(NaOH)을 넣어서 니켈을 침전 시키도록 한다. 이 때 반응에 참여하는 출발물질인 염화니켈(Nickel chloride, NiCl2ㆍ6H2O), 환원제로서의 하이드라진 수화물(N2H4ㆍH2O) 및 침전제로서의 수산화나트륨(NaOH)은 1 : 2~10 : 2~10의 몰비로 반응시키는 것이 바람직하다. 이것을 탈 이온수를 이용하여 여러 번 수세하여 건조한다. The spherical nickel can be prepared by the hydrazine reduction precipitation method. As an example, nickel chloride (NiCl 2 ) is used as a starting material, and it is put into a molten metal together with distilled water. Adjust the initial temperature and pH of the mixture and add hydrazine (N 2 H 4 ) at a constant rate. Then, sodium hydroxide (NaOH) is added to precipitate nickel. At this time, the nickel chloride starting materials participating in the reaction (Nickel chloride, NiCl 2 and 6H 2 O), hydrazine hydrate (N 2 H 4 and H 2 O) as a reducing agent and sodium hydroxide (NaOH) as a precipitating agent is 1: 2 or It is preferable to carry out the reaction at a molar ratio of 10: 2 to 10. This is washed with deionized water several times and dried.
이와 같이 제조된 니켈에 양이온 계면활성제와 증류수를 혼합하여 초음파 분산을 실시한다. 이때 양이온 계면활성제는 임계미셀농도(CMC)를 넘지 않는 몰이어야 한다. 바람직하게는 상기 양이온 계면활성제는 0.3 ~ 0.8mM의 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드(Cetyltrimethyl ammonium bromide, CTAB)가 사용될 수 있다. 이와 같은 과정에서 니켈 표면이 양이온 계면활성제로 코팅되어 (+) 표면전하를 가지게 된다.The thus prepared nickel is mixed with a cationic surfactant and distilled water to perform ultrasonic dispersion. In this case, the cationic surfactant should be a mole which does not exceed the critical micelle concentration (CMC). Preferably, the cationic surfactant may be cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB) of 0.3 to 0.8 mM. In this process, the nickel surface is coated with a cationic surfactant to have (+) surface charge.
상기 졸(sol) 상태의 이트리아 안정화 지르코니아는 용매열 합성법에 의하여 제조될 수 있다. 수산화지르코늄(Zr(OH)4), 질산이트륨Y(NO3)3ㆍ6H2O, 증류수를 혼합한 후 용탕에 넣어 용매열 합성법(Hydrothermal)에 의하여 합성된 졸 상태의 이트리아 안정화 지르코니아를 만든다. 여기에 음이온 계면활성제와 혼합하여 초음파 분산을 실시한다. 음이온 계면활성제는 임계미셀농도(CMC)를 넘지 않는 몰이어야 한다. 바람직하게는 상기 음이온 계면활성제로는 0.3 ~ 0.8mM의 소디움 도데실 설페이트(Sodium Dodecyl Sulfate, SDS)가 사용될 수 있다. 이를 통해 이트리아 안정화 지르코니아에 음이온 계면활성제가 코팅되어 (-) 표면전하를 갖는 이트리아 안정화 지르코니아가 제조된다.The yttria-stabilized zirconia in the sol state can be prepared by a solvent thermo-synthetic method. Zirconium hydroxide (Zr (OH) 4 ), yttrium nitrate Y (NO 3 ) 3 · 6H 2 O and distilled water are mixed and melted to prepare zirconia stabilized zirconia which is synthesized by solvent thermal process (Hydrothermal) . The mixture is mixed with an anionic surfactant and subjected to ultrasonic dispersion. The anionic surfactant should be a mole not exceeding the critical micelle concentration (CMC). Preferably, 0.3 to 0.8 mM of sodium dodecyl sulfate (SDS) may be used as the anionic surfactant. Thus, yttria-stabilized zirconia is coated with an anionic surfactant to produce yttria-stabilized zirconia having (-) surface charge.
이와 같이 본 발명에서는 나노크기의 입자들의 응집력을 줄여주고 분산력을 크게 하고자 초음파 분산을 이용하였고, 여기에 서로 다른 표면전하를 코팅하고자 전하가 다른 계면활성제를 사용함에 특징이 있다. As described above, in the present invention, ultrasonic dispersion is used to reduce the cohesion force of nano-sized particles and to increase the dispersing power, and surfactants having different charge are used in order to coat different surface charges thereon.
상기 양이온 계면활성제가 흡착된 니켈과 음이온 계면활성제가 흡착된 이트리아 안정화 지르코니아를 교반기를 이용하여 교반한다. 이때 상기 교반은 물질의 표면전하 차이를 크게하기 위하여 pH 7의 용매를 사용하여 이루어지는 것이 더욱 바람직하다. 여기서 양의 표면전하를 갖는 니켈과 음의 표면전하를 갖는 이트리아 안정화 지르코니아는 표면 전하 차이로 인하여 흡착이 되어진다. 일정시간 교반 후 건조하면 니켈이 코어에 위치하고 이트리아 안정화 지르코니아가 셀에 위치한 코어-셀 복합체가 제조된다.The nickel adsorbed on the cationic surfactant and the yttria-stabilized zirconia adsorbed on the anionic surfactant are stirred using a stirrer. It is more preferable that the agitation is performed using a solvent having a pH of 7 in order to increase the surface charge difference of the material. Here, nickel with positive surface charge and yttria stabilized zirconia with negative surface charge are adsorbed due to surface charge difference. After stirring for a period of time, the core is placed in the core and the core-cell complex is placed where the yttria-stabilized zirconia is located in the cell.
이와 같이 제조된 고체산화물 연료전지 연료극용 니켈/안정화 지르코니아 코어-셀 복합체를 사용하여 연료극을 제조하는 경우 코어와 셀의 성분이 고르게 분포되고 결정립이 나노구조를 이루어 미세구조가 치밀하게 되면서 전기전도도 특성이 향상 되었다.
When a fuel electrode is manufactured using the nickel / stabilized zirconia core-cell composite for an anode electrode manufactured as described above, the core and the cell components are uniformly distributed, and the crystal grains are nano-structured and the microstructure becomes dense, .
[실시예][Example]
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
However, the following examples are illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.
제조예 1: (+) 표면전하를 갖는 니켈의 제조Preparation Example 1: Preparation of nickel having (+) surface charge
본 발명에서는 나노 구형의 니켈입자들의 응집현상을 줄이고 양이온 계면활성제가 니켈 입자 표면에 고르게 코팅되도록 초음파 분산기를 사용하였다. NiCl2를 출발 물질로 하여 5 mole의 하이드라진 환원제와 8 mole의 수산화나트륨 침전제로 제조한 구형의 니켈 분말과, 0.8mM의 양이온 계면활성제(Cetyltrimethyl ammonium bromide)를 증류수에 넣고 혼합하였다. 이를 초음파 분산기를 이용하여 1~5초 펄스, 1~5초 공백을 주면서 20분 작동 시켰다. 그리고 이를 교반기에서 120분 정도 교반하여 주었다.In the present invention, an ultrasonic disperser is used to reduce the agglomeration phenomenon of nanospherical nickel particles and uniformly coat the surface of the nickel particles with the cationic surfactant. NiCl 2 as a starting material, spherical nickel powder prepared with 5 mole of hydrazine reducing agent, 8 mole of sodium hydroxide precipitant, and 0.8 mM of Cetyltrimethyl ammonium bromide were mixed in distilled water and mixed. This was run for 20 minutes using an ultrasonic disperser with a pulse of 1 to 5 seconds and a blank of 1 to 5 seconds. Then, the mixture was stirred in a stirrer for about 120 minutes.
제조예 2: (-) 표면전하를 갖는 이트리아 안정화 지르코니아 제조Production Example 2: Preparation of yttria-stabilized zirconia having (-) surface charge
본 발명에서는 나노 크기의 졸 상태의 이트리아 안정화 지르코니아 입자들에 음이온 계면활성제가 입자 표면에 고르게 코팅되도록 초음파 분산기를 사용하였다. 수산화지르코늄 92 mole%와 질산이트륨 8 mole%를 출발물질로 하여 용매열 합성법을 이용하여 졸 상태의 이트리아 안정화 지르코니아를 합성하였다. 합성한 졸 상태의 이트리아 안정화 지르코니아와 0.4mM 음이온 계면활성제(Sodium Dodecyl Sulfate)를 증류수에 넣고 혼합하였다. 이를 초음파 분산기에 넣고 1~5초 펄스, 1~5초 공백을 주면서 20분 작동 시켰다. 그리고 이를 교반기에서 120분 정도 교반하여 주었다.
In the present invention, an ultrasonic disperser is used to uniformly coat an anionic surfactant on nano-sized zirconia stabilized zirconia particles. Zirconia stabilized zirconia was synthesized by solvent thermo - synthesis using 92 mole% zirconium hydroxide and 8 mole% yttrium nitrate as starting materials. Synthesized yttria stabilized zirconia and 0.4 mM anionic surfactant (Sodium Dodecyl Sulfate) were added to distilled water and mixed. This was put into an ultrasonic dispersing machine and operated for 20 minutes with 1 to 5 seconds pulse and 1 to 5 seconds blank. Then, the mixture was stirred in a stirrer for about 120 minutes.
실시예 1 : Ni-YSZ 코어-셀 복합체 분말의 제조Example 1: Preparation of Ni-YSZ core-cell composite powder
양이온 계면활성제가 흡착된 니켈과 음이온 계면활성제가 흡착된 이트리아 안정화 지르코니아를 증류수 용매에 혼합시킨다. 이때 용매는 두 입자의 표면전하차이가 가장 큰 pH 7 범위의 용매를 사용하였다. 혼합한 두 입자가 코어-셀을 이루도록 상온에서 120분 정도 교반하였다. 교반 후 입자들을 회수하여 열풍 건조기에서 24시간 건조시켜 니켈과 안정화 지르코니아가 코어-셀 구조를 갖는 복합체를 합성하였다.
Nickel adsorbed by the cationic surfactant and yttria stabilized zirconia adsorbed on the anionic surfactant are mixed in a distilled water solvent. At this time, the solvent used was a pH 7 range in which the surface charge difference of the two particles was the largest. The mixture was agitated at room temperature for 120 minutes to form a core-cell. After stirring, the particles were collected and dried in a hot air dryer for 24 hours to synthesize a composite having nickel and stabilized zirconia core-shell structure.
실시예 2 : Ni-YSZ 코어-셀 복합체 분말의 소결Example 2: Sintering of Ni-YSZ core-cell composite powder
상기 실시예 1에서 제조한 Ni-YSZ 코어-셀 복합체를 막대 형태의 몰드를 이용하여 고압 일축성형기로 막대형 펠릿을 제조한 후 환원 소결하였다. 환원소결 조건으로는 H2 5%, Ar 95% 기체를 사용하여 1400도까지 분당 5℃ 승온하고 2시간동안 열처리 유지를 하였다.
The Ni-YSZ core-cell composite prepared in Example 1 was formed into rod-shaped pellets by a high-pressure uniaxial shrinking machine using a rod-shaped mold, followed by reduction sintering. As the reducing sintering condition, 5% H 2 and 95% Ar were used to raise the temperature to 1400 ° C at a rate of 5 ° C per minute, followed by heat treatment for 2 hours.
비교예 1 : Ni-YSZ 혼합분말 시편의 제조Comparative Example 1: Preparation of Ni-YSZ mixed powder sample
상기 실시예 1에서 제조한 Ni-YSZ 코어-셀 복합체와 전기전도도 성능을 비교하고자 코어-셀 구조가 아닌 기계적으로 혼합된 Ni-YSZ 혼합분말로 시편을 제조하였다. 크기가 1um 정도의 상용 니켈 과 100nm 크기를 갖는 상용 이트리아 안정화 지르코니아를 6:4 비율로 하여 볼밀 혼합을 하였다. 이를 막대 형태의 몰드를 이용하여 고압 일축성형기로 막대형 펠릿을 제조한 후 환원 소결하였다. 환원소결 조건으로는 H2 5%, Ar 95% 기체를 사용하여 1400도까지 분당 5℃ 승온하고 2시간동안 열처리 유지를 하였다.
To compare the electrical conductivity with the Ni-YSZ core-cell composite prepared in Example 1, a specimen was prepared from a mechanically mixed Ni-YSZ mixed powder rather than a core-shell structure. Mixed with a commercially available yttria stabilized zirconia having a pore size of 1 μm and a 100 nm size in a 6: 4 ratio. The rod-shaped mold was used to produce rod-shaped pellets by a high-pressure uniaxial shrinking machine, followed by reduction sintering. As the reducing sintering condition, 5% H 2 and 95% Ar were used to raise the temperature to 1400 ° C at a rate of 5 ° C per minute, followed by heat treatment for 2 hours.
시험예 1 : 복합체의 코어-셀 구조 형성 확인Test Example 1: Confirmation of formation of core-shell structure of composite
상기 실시예에 의해 제조된 니켈과 안정화 지르코니아의 코어-셀 구조를 갖는 복합체가 코어-셀 구조를 잘 형성하였는지 확인하기 위하여 주사전자현미경(SEM)으로 분석을 실시하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 확인되는 바와 같이 니켈 주위를 이트리아 안정화 지르코니아가 흡착되어 감싸는 코어-셀 구조를 형성함을 알 수 있었다.
Cells of nickel and stabilized zirconia prepared by the above examples were analyzed by a scanning electron microscope (SEM) in order to confirm whether the core-shell structure was well formed. The results are shown in FIG. 2 . As can be seen in FIG. 2, it was found that the nickel surrounds the core-shell structure in which yttria-stabilized zirconia is adsorbed and encapsulated.
시험예 2 : 복합체의 코어-셀 구조 형성 확인Test Example 2: Confirmation of formation of core-shell structure of composite
상기 실시예에 의해 제조된 니켈과 안정화 지르코니아의 복합체의 코어-셀 구조 형성이 소결 후에 전기전도도에 미치는 영향을 확인하고자 막대형 펠릿으로 성형 후 환원소결한 시편을 4 단자 탐침법을 이용하여 전기전도도를 측정하였고 그결과를 도 3에 나타내었다. 결과적으로 상기 실시예에 따라 제조된 코어-셀 복합체를 사용하여 제조된 시편은, 상기 비교예 1에 따라 일반 기계적으로 혼합된 혼합시편에 비하여 전기전도도가 향상됨을 확인할 수 있었다.
In order to examine the effect of forming the core-cell structure of the nickel-stabilized zirconia composite prepared by the above example on the electric conductivity after sintering, the specimens formed by the pelletization of the membrane pellets were subjected to the reduction and sintering, And the results are shown in FIG. As a result, it was confirmed that the electrical conductivity of the specimen prepared using the core-cell composite prepared according to the above-mentioned example was higher than that of the general mechanically mixed specimen according to the comparative example 1.
Claims (8)
(B) 증류수에 50~100nm 크기의 졸 상태 이트리아 안정화 지르코니아와 음이온 계면활성제로서 임계미셀농도(CMC)를 넘지 않는 양의 소디움 도데실 설페이트(Sodium Dodecyl Sulfate, SDS)를 함께 혼합하여 초음파 분산시켜 이트리아 안정화 지르코니아를 분산시키고, 이트리아 안정화 지르코니아 표면에 음이온 계면활성제를 코팅하는 단계;
(C) 상기 양이온 계면활성제가 코팅된 니켈과 음이온 계면활성제가 코팅된 이트리아 안정화 지르코니아를 pH 7의 용매에서 교반하여 두 입자의 표면 전하차이에 의하여 니켈을 코어(core)로 하고, 이트리아 안정화 지르코니아를 셀(shell)로 하는 코어-셀 복합체를 제조하는 단계; 및
(D) 상기 코어-셀 복합체 분말을 막대형 펠릿으로 제작한 후, H2 5%, Ar 95% 기체를 사용하여 1400℃로 분당 5℃ 승온하고 2시간 동안 열처리 유지하는 고온 소결 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지 연료극용 니켈/안정화 지르코니아 코어-셀 복합체의 제조방법.(A) Sodium nickel of 0.5 ~ 1um in size and distilled water were mixed together with cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB) in an amount not exceeding the critical micelle concentration (CMC) as a cationic surfactant and ultrasonically dispersed to obtain aggregated nickel Dispersing the particles and coating a nickel surface with a cationic surfactant;
(B) Sodium dodecyl sulfate (SDS) in an amount of 50-100 nm in the amount of 50-100 nm in the amount of triallyl stabilized zirconia and an anionic surfactant not exceeding the critical micelle concentration (CMC) Dispersing the yttria-stabilized zirconia and coating the surface of the yttria-stabilized zirconia with an anionic surfactant;
(C) stirring the yttria-stabilized zirconia coated with the cationic surfactant-coated nickel and the anionic surfactant in a solvent of pH 7, making the nickel core a difference in surface charge difference between the two particles, Preparing a core-cell composite having zirconia as a shell; And
(D) a high-temperature sintering step in which the core-cell composite powder is formed into a rod-shaped pellet, and then heated to 1400 ° C at a temperature of 5 ° C per minute using H 2 O 5 and Ar 95% Method for manufacturing a nickel / stabilized zirconia core - cell composite for an anode fuel cell.
상기 졸 상태 이트리아 안정화 지르코니아는 수산화지르코늄(Zr(OH)4)과 질산이트륨(Y(NO3)3)을 출발물질로 하여 용매열합성법(Solvothermal method)에 의하여 제조되는 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 연료극용 니켈/안정화 지르코니아 코어-셀 복합체의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the zirconia stabilized zirconia in the sol state is produced by a solvothermal method using zirconium hydroxide (Zr (OH) 4 ) and yttrium nitrate (Y (NO 3 ) 3 ) as a starting material. Method for manufacturing nickel / stabilized zirconia core - cell composite for fuel cell anode.
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