KR101854736B1 - Catalyst and method of producing catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 촉매 및 촉매 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전이금속 산화물을 이용한 염소 산화 반응을 촉진할 수 있는 촉매 및 촉매 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst and a catalyst preparation method. More particularly, the present invention relates to a catalyst capable of promoting a chlorine oxidation reaction using a transition metal oxide and a method for producing the catalyst.
염소는 플라스틱, 화학물질 재료, 펄프 생산, 물 소독 등 다양한 분야에서 핵심 원료로 사용되며, 전세계적으로 거대한 시장 규모를 가진 화학 원료이다. 특히, 선박평형수(Ballast water)의 이동에 따른 해양생태게 파괴와 교란을 방지하기 위해 선박평형수 처리 장치가 필수적이고, 선박평형수 관리 협약에 따른 국제적 수요와 관심으로 인해 수십억 달러 규모의 선박평형수 처리시장이 새롭게 형성될 것으로 예측되는 가운데, 염소를 사용한 선박평형수 처리 방식이 세계 선박평형수 처리시장을 주도할 것으로 예상되면서 염소 생산에 대한 중요성이 대두되고 있다. Chlorine is used as a core raw material in various fields such as plastics, chemical materials, pulp production and water disinfection, and it is a chemical raw material with huge market scale around the world. In particular, ship ballast water treatment equipment is essential to prevent marine ecosystem destruction and disturbance due to the movement of ballast water. Due to the international demand and interest pursuant to the Convention on Ballast Water Management, multi - billion - dollar vessels As the ballast water treatment market is expected to be newly formed, the importance of chlorine production is emerging as the ballast water treatment system using chlorine is expected to lead the global ship equilibrium water treatment market.
현재 산업계에서는 소금물(brine)을 전기화학적으로 산화시켜 염소를 생산하고 있다. 염소 산화반응은 물 산화반응 중 하나인 산소 발생반응(Oxygen evolution reaction)과 경쟁관계에 있기 때문에 때문에 효율적이고 안정적인 염소 생산을 위해서는 산소 발생반응을 억제하는 동시에 염소 산화반응을 촉진하는 촉매 개발이 필수적이다.Currently, industry produces chlorine electrochemically by oxidizing brine. Since the chlorine oxidation reaction is in competition with the oxygen evolution reaction (Oxygen evolution reaction), it is necessary to develop a catalyst that suppresses the oxygen generation reaction and promotes the chlorine oxidation reaction for efficient and stable chlorine production .
염소 산화반응을 촉진하는 촉매로서, 현재 산업계에서는 Ru, Pt, Ir 등 귀금속 기반 촉매를 사용하고 있다. 염소 산화 촉매반응을 위한 귀금속 기반의 산화물촉매는 좋은 특성을 보이지만 희소성으로 인해 비싼 가격을 형성하고 있다. 따라서, 가격 경쟁 및 시장 선점을 위해서는, 상대적으로 저렴한 원료를 이용하여 제조한 염소 산화 촉매 개발이 필요한 실정이다.As a catalyst promoting the chlorine oxidation reaction, currently industrial noble metal-based catalysts such as Ru, Pt and Ir are used. Precious metal based oxide catalysts for chlorine oxidation catalysis show good properties but are expensive due to scarcity. Therefore, in order to compete for price and to preoccupy the market, it is necessary to develop a chlorine oxidation catalyst manufactured using relatively inexpensive raw materials.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 높은 안정성과 염소를 생성하는 다양한 화학반응에 활용가능하며, 높은 촉매 효율을 지니며, 경제성이 높은 촉매 및 촉매 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a catalyst and a catalyst production method which have high stability and can be utilized for various chemical reactions to produce chlorine, .
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, (a) 전이금속 산화물 나노입자를 제조하는 단계; 및 (b) 전도성 기판 상에 상기 전이금속 산화물 나노입자로 구성되는 층을 복수로 적층하는 단계를 포함하는, 촉매 제조 방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) preparing transition metal oxide nanoparticles; And (b) laminating a plurality of layers composed of said transition metal oxide nanoparticles on a conductive substrate.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a) 단계는, (a1) 전이금속 이온 공급물질과 지방산 계면활성제를 포함하는 제1 용액을 제조하는 단계; (a2) 알코올 계면활성제를 포함하는 제2 용액을 제조하는 단계; (a3) 상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 각각 소정 온도에서 숙성하는 단계; (a4) 상기 제2 용액을 상기 제1 용액에 투입하여 상기 전이금속 산화물 나노입자를 제조하는 단계; (a5) 상기 전이금속 산화물 나노입자를 소정 온도에서 숙성하는 단계; 및 (a6) 상기 전이금속 산화물 나노 입자를 표면 처리하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step (a) includes the steps of: (a1) preparing a first solution containing a transition metal ion supplying material and a fatty acid surfactant; (a2) preparing a second solution comprising an alcohol surfactant; (a3) aging the first solution and the second solution at a predetermined temperature; (a4) introducing the second solution into the first solution to prepare the transition metal oxide nanoparticles; (a5) aging the transition metal oxide nanoparticles at a predetermined temperature; And (a6) surface-treating the transition metal oxide nanoparticles.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계는, (b1) 상기 전이금속 산화물 나노입자와 카본 첨가물 및 고분자 바인더를 혼합하여 촉매 혼합물를 제조하는 단계; (b2) 상기 촉매 혼합물을 유기 용매에 분산한 제3 용액을 제조하는 단계; 및 (b3) 상기 제3 용액을 상기 전도성 기판 상에 도포하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step (b) includes the steps of: (b1) preparing a catalyst mixture by mixing the transition metal oxide nanoparticles with a carbon additive and a polymeric binder; (b2) preparing a third solution in which the catalyst mixture is dispersed in an organic solvent; And (b3) applying the third solution onto the conductive substrate.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 카본 첨가물은, 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbon Nanotube), 탄소섬유(Carbon Fiber), 인조흑연(Artificial Graphite), 카본블랙(Carbon Black), 활성탄소(Activated Carbon) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon additive may be at least one selected from the group consisting of Graphene, Carbon Nanotube, Carbon Fiber, Artificial Graphite, Carbon Black, , Activated carbon (activated carbon), or the like.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 바인더는, PVDF(Polyvinylidene fluoride)일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the polymer binder may be PVDF (polyvinylidene fluoride).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (b1) 단계에서, 상기 전이금속 산화물 나노입자, 상기 카본 첨가물, 상기 고분자 바인더를 각각 X : X : Y 비율(2X + Y = 1)로 혼합하여 상기 촉매 혼합물을 제조할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the step (b1), the transition metal oxide nanoparticles, the carbon additive, and the polymeric binder are mixed at an X: X: Y ratio (2X + Y = 1) The catalyst mixture can be prepared.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 Y는 0.1 내지 0.9의 값을 가질 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, the Y may have a value of 0.1 to 0.9.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (b2) 단계에서, 상기 유기 용매는 NMP(N-methyl-2-prrolidone), 에탄올, 메탄올 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the step (b2), the organic solvent may include at least one of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethanol and methanol.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계에서, 상기 적층하는 두께는, 70nm 내지 600nm 일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the step (b), the thickness of the layer to be laminated may be 70 nm to 600 nm.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, (c) 상기 전도성 기판을 금속 이온 용액에 침지하는 단계; 및 (d) 소정 온도에서 상기 전도성 기판이 침지된 상기 금속 이온 용액을 숙성하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is also provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of: (c) immersing the conductive substrate in a metal ion solution; And (d) aging the metal ion solution immersed in the conductive substrate at a predetermined temperature.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 이온 용액은 이리듐(Ir), 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 중 적어도 하나의 양이온을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal ion solution may include iridium (Ir), cobalt (Co), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), chromium (Cr), ruthenium , Gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd) and rhodium (Rh).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전이금속 산화물 나노입자는 3가의 전이금속을 포함하며, A1- δO (A는 전이금속, 0 < δ < 0.5)로 표시되는 비화학양론적(non-stoichiometric) 전이금속 산화물 나노입자 일 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, the transition metal oxide nanoparticles include a trivalent transition metal, and may be non-stoichiometric (expressed as A 1 隆 O (A is a transition metal, 0 & non-stoichiometric transition metal oxide nanoparticles.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전이금속 산화물의 표면에는 상기 3가의 전이금속 및 2가의 전이금속이 위치할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the trivalent transition metal and the divalent transition metal may be positioned on the surface of the transition metal oxide.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 전도성 기판 상에 형성되며, 상기 전이금속 산화물 나노입자로 구성되는 층이 복수로 적층된 형태를 가지는, 촉매가 제공된다.According to an aspect of the present invention for solving the above problems, there is provided a catalyst formed on a conductive substrate and having a plurality of layers composed of the transition metal oxide nanoparticles stacked.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 촉매는 상기 어느 한 촉매 제조 방법을 사용하여 제조할 수 있다.According to an aspect of the present invention for solving the above problems, the catalyst can be produced using any one of the catalyst production methods described above.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 전도성 기판; 및 상기 전도성 기판 상에 형성되며, 상기 전이금속 산화물 나노입자로 구성되는 층이 복수로 적층된 형태의 촉매를 포함하는, 전극이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a conductive substrate; And a catalyst formed on the conductive substrate, the catalyst comprising a plurality of stacked layers of the transition metal oxide nanoparticles.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 전도성 기판 및 상기 전도성 기판 상에 형성되며 상기 전이금속 산화물 나노입자로 구성되는 층이 복수로 적층된 형태의 촉매를 포함하는 전극을 애노드(Anode)로 사용하는, 전기화학반응 시스템이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating an electrode including a conductive substrate and a catalyst formed on the conductive substrate and including a plurality of layers of the transition metal oxide nanoparticles stacked in layers, Is used as an anode in an electrochemical reaction system.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은 안정성과 염소를 생성하는 다양한 화학반응에 활용가능하며, 높은 촉매 효율을 지니며, 경제성이 높은 효과가 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention as described above, the present invention can be applied to various chemical reactions for generating high stability and chlorine, has high catalytic efficiency, and has high economic efficiency. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매를 제조하고 염소를 생성하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 기판 상에 금속 산화물 나노입자를 코팅하는 것을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매 제조 과정을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 산화물을 포함하는 나노 구조물의 개략적인 사시도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 산화물의 TEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 산화물을 포함하는 나노 구조물의 TEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 기판 상에 금속 산화물 나노입자를 코팅한 것을 정면에서 나타내는 TEM 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 기판 상에 금속 산화물 나노입자를 코팅한 것을 단면에서 나타내는 TEM 사진이다.
도 9 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 산화물 나노입자 층들의 촉매 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 여러 실시예에 따른 금속 산화물 나노입자 층들의 촉매 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매를 포함하는 염소 생성 전기화학반응 시스템의 개략도이다.FIG. 1 is a flowchart illustrating a process of producing a catalyst and generating chlorine according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 2 is a schematic view showing coating of metal oxide nanoparticles on a conductive substrate according to an embodiment of the present invention. FIG.
3 is a schematic view illustrating a catalyst manufacturing process according to another embodiment of the present invention.
4 is a schematic perspective view of a nanostructure containing a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention.
5 is a TEM photograph of a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention.
6 is a TEM photograph of a nanostructure containing a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention.
7 is a TEM photograph showing a metal oxide nanoparticle coated on a conductive substrate according to an embodiment of the present invention in front view.
FIG. 8 is a cross-sectional TEM image of metal oxide nanoparticles coated on a conductive substrate according to an embodiment of the present invention.
9 to 13 are graphs showing catalyst characteristics of metal oxide nanoparticle layers according to an embodiment of the present invention.
14 is a graph showing the catalytic properties of the metal oxide nanoparticle layers according to various embodiments of the present invention.
15 is a schematic diagram of a chlorine generating electrochemical reaction system comprising a catalyst according to an embodiment of the present invention.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views, and length and area, thickness, and the like may be exaggerated for convenience.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.
전이금속 산화물, 촉매 제조Transition metal oxide, catalyst production
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매를 제조하고 염소를 생성하는 과정을 나타내는 흐름도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 기판 상에 금속 산화물 나노입자를 코팅하는 것을 나타내는 개략도이다.FIG. 1 is a flowchart illustrating a process of producing a catalyst and generating chlorine according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. FIG. 2 is a schematic view showing coating of metal oxide nanoparticles on a conductive substrate according to an embodiment of the present invention. FIG.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 제조 방법은, (a) 전이금속 산화물 나노입자(100)를 제조하는 단계(S10) 및 (b) 전도성 기판(10) 상에 전이금속 산화물 나노입자(100)로 구성되는 층을 복수로 적층(20)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 이 촉매를 사용하여 전기화학반응 시스템에서 염소를 생성하는 것을 특징으로 한다(S30).The method of manufacturing a catalyst according to an embodiment of the present invention includes the steps of: (a) preparing a transition
먼저, (a) 전이금속 산화물 나노입자(100)를 제조한다(S10).First, (a) the transition
전이금속 산화물 나노입자(100)는 제조하는 과정은, (a1) 전이금속 이온 공급물질과 지방산 계면활성제를 포함하는 제1 용액을 제조하는 단계, (a2) 알코올 계면활성제를 포함하는 제2 용액을 제조하는 단계, (a3) 제1 용액과 제2 용액을 각각 소정 온도에서 숙성하는 단계, (a4) 제2 용액을 제1 용액에 투입하여 전이금속 산화물 나노입자를 제조하는 단계, (a5) 전이금속 산화물 나노입자를 소정 온도에서 숙성하는 단계, 및 (a6) 전이금속 산화물 나노 입자를 표면 처리하는 단계를 포함할 수 있다.The process for preparing the transition
전이금속은 Mn, Co, Cu, Ni, Fe 중 어느 하나일 수 있다. 이하에서는, 망간 산화물 나노입자(100)를 주된 예로 상정하여 설명한다.The transition metal may be any one of Mn, Co, Cu, Ni, and Fe. Hereinafter, description will be made assuming that the
전이금속 이온 공급물질과 지방산 계면활성제를 포함하는 제1 용액을 제조하는 단계(S11)에서, 전이금속 이온 공급물질과 지방산 계면활성제는 유기 용매에서 혼합되어 제1 용액이 제조될 수 있다. 지방산 계면활성제는 전이금속 이온 공급물질의 용해를 돕고, 후속의 S14 단계에서 형성되는 전이금속 산화물 나노 입자의 분산에 이용될 수 있다.In step S11 of producing a first solution containing a transition metal ion supplying material and a fatty acid surfactant, the transition metal ion supplying material and the fatty acid surfactant may be mixed in an organic solvent to prepare a first solution. The fatty acid surfactant assists dissolution of the transition metal ion supply material and can be used for dispersion of the transition metal oxide nanoparticles formed in the subsequent step S14.
지방산 계면활성제는 예를 들어, 미리스트산(myristic acid), 스테아르산(stearic acid), 올레산(oleic acid) 등일 수 있으며, 농도가 0.1 M 내지 0.5 M인 용액 상태일 수 있다. 전이금속 이온 공급물질은 전이금속 아세테이트(Transition Metal Acetate)로서, 예를 들어, 망간 아세테이트를 사용하여 망간 이온을 공급할 수 있다. 제1 용액은 양이온 용액일 수 있으며, 양이온의 농도는 0.5 mM 내지 2 mM일 수 있다.The fatty acid surfactant may be, for example, myristic acid, stearic acid, oleic acid, etc., and may be in a solution state having a concentration of 0.1 M to 0.5 M. The transition metal ion supplying material may be a transition metal acetate, for example, manganese acetate may be used to supply manganese ions. The first solution may be a cationic solution, and the concentration of the cation may be 0.5 mM to 2 mM.
알코올 계면활성제를 포함하는 제2 용액을 제조하는 단계(S12)에서, 알코올 계면활성제는 예를 들어, 데카놀(decanol), 미리스틸알코올(myristyl alcohol), 스테아릴알코올(stearyl alcohol) 등 일 수 있으며, 유기 용매에 혼합되어 제2 용액이 제조될 수 있다. 알코올 계면 활성제는 핵 생성 및 성장에 관여할 수 있다. 상기 S11 및 S12 단계에서, 유기 용매는 예를 들어, 옥타데켄(octadecene) 또는 헥사데실아민(hexadecylamine) 일 수 있다.In a step (S12) of preparing a second solution comprising an alcohol surfactant, the alcohol surfactant may be, for example, decanol, myristyl alcohol, stearyl alcohol, And may be mixed with an organic solvent to prepare a second solution. Alcohol surfactants may be involved in nucleation and growth. In steps S11 and S12, the organic solvent may be, for example, octadecene or hexadecylamine.
제1 및 제2 용액을 숙성시키는 단계(S13)는 각각 250 ℃ 내지 300 ℃의 온도에서 수행될 수 있고, 숙성기간 동안 온도는 일정하게 유지될 수 있다. 숙성 시간은 예를 들어, 각각 1 시간 내외일 수 있다.The step of aging the first and second solutions (S13) may be carried out at a temperature of 250 ° C to 300 ° C, respectively, and the temperature may be kept constant during the ripening period. The aging time can be, for example, about one hour each.
제2 용액을 제1 용액에 투입하여 전이금속 산화물 나노 입자를 형성하는 단계(S14)에서, 고열 주입법(hot injection) 및 열분해에 의해 전이금속 산화물 나노 입자가 형성될 수 있다. 본 단계는 250 ℃ 내지 300 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.Transition metal oxide nanoparticles may be formed by hot injection and pyrolysis in a step of injecting the second solution into the first solution to form transition metal oxide nanoparticles (S14). This step can be carried out at a temperature of 250 ° C to 300 ° C.
전이금속 산화물 나노 입자를 소정 온도에서 숙성시키는 단계(S15)는, 제2 용액의 투입 후 1 분 내지 24시간동안 수행될 수 있으며, 숙성 시간의 조절을 통해 제조되는 전이금속 산화물 나노 입자의 크기가 제어될 수 있다. 전이금속 산화물 나노 입자의 크기는, 예를 들어, 1 nm 내지 100 nm일 수 있다. 일 실시예에서, 망간 산화물 나노 입자의 크기는 망간 이온 공급물질과 지방산 계면활성제의 비율에 따라 결정될 수도 있으며, 비율은 예를 들어, 1:2 내지 1:6의 범위일 수 있다. 지방산 계면활성제의 비율이 낮을수록, 망간 산화물 나노 입자의 크기는 작아질 수 있다.The step (S15) of aging the transition metal oxide nanoparticles at a predetermined temperature may be performed for 1 minute to 24 hours after the second solution is introduced, and the size of the transition metal oxide nanoparticles prepared through the aging time adjustment is Lt; / RTI > The size of the transition metal oxide nanoparticles may be, for example, 1 nm to 100 nm. In one embodiment, the size of the manganese oxide nanoparticles may be determined by the ratio of the manganese ion feed material to the fatty acid surfactant, and the ratio may range, for example, from 1: 2 to 1: 6. The lower the ratio of the fatty acid surfactant, the smaller the size of the manganese oxide nanoparticles.
전이금속 산화물 나노 입자를 표면 처리하는 단계(S16)는, 전이금속 산화물 나노 입자 표면의 리간드를 제거하기 위한 단계일 수 있다. 리간드는 지방산 계면 활성제가 전이금속 산화물 나노 입자의 표면에 흡착되어 형성되어 전도성이 떨어지므로, 전이금속 산화물 나노 입자를 촉매로 이용하기 위해서 이를 제거할 필요가 있다. 본 단계는, 예를 들어, 암모니아수(NH4OH), 수산화나트륨(NaOH) 등과 같은 염기성 용액에, 제조된 전이금속 산화물 나노 입자를 침지함으로써 수행될 수 있다. 또는, 본 단계는, 열처리에 의해 수행될 수도 있다. 특히, 본 단계에 의해 전이금속 산화물 나노 입자의 표면이 부분적으로 산화되어, 전이금속 산화물 나노 입자는 3가의 망간(MnⅢ)을 포함하게 될 수 있다.The step (S16) of surface-treating the transition metal oxide nanoparticle may be a step for removing the ligand on the surface of the transition metal oxide nanoparticle. Since the ligand is formed by adsorbing a fatty acid surfactant on the surface of the transition metal oxide nanoparticles and the conductivity is deteriorated, it is necessary to remove the transition metal oxide nanoparticles as a catalyst. This step, for example, be carried out in a basic solution such as ammonia water (NH 4 OH), sodium hydroxide (NaOH), by immersing the prepared transition metal oxide nanoparticles. Alternatively, this step may be performed by heat treatment. In particular, the surface of the transition metal oxide nanoparticles may be partially oxidized by this step, and the transition metal oxide nanoparticles may include trivalent manganese (Mn Ⅲ ).
본 실시예에 의해 제조된 전이금속 산화물(100)은 비화학양론적(non-stiochiometric) 조성을 가질 수 있으며, 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.The
[화학식 1][Chemical Formula 1]
A1-δOA 1-隆 O
상기 화학식 1에서, A는 전이금속으로 Mn, Co, Cu, Ni, Fe 중 어느 하나이며, δ는 0 < δ < 0.5을 만족한다.In the above formula (1), A is any one of Mn, Co, Cu, Ni and Fe as a transition metal, and δ satisfies 0 <δ <0.5.
비화학양론적 조성이라고 함은, 전이금속과 산소로 구성되는 화합물(100)에서 전이금속과 산소의 열역학적으로 안정적인 양적 관계를 제외하는 의미로 이해될 수 있다. 일 예로, 망간 산화물의 경우, 화학양론적인 망간 산화물은 MnO, Mn3O4, Mn2O3 및 MnO2를 포함할 수 있다. 따라서, 망간 산화물은, 구체적으로, δ가 0.25 및 1/3인 경우를 제외한 조성일 수 있다. 즉, δ는, 0 < δ < 0.25, 0.25 < δ < 1/3, 1/3 < δ < 0.5의 범위를 만족할 수 있다.Nonstoichiometric composition can be understood to mean a thermodynamically stable quantitative relationship of the transition metal and oxygen in the compound (100) composed of a transition metal and oxygen. For example, in the case of manganese oxide, the stoichiometric manganese oxide may include MnO, Mn 3 O 4, Mn 2 O 3 and MnO 2. Therefore, the manganese oxide can be specifically a composition except for the case where? Is 0.25 and 1/3. That is,? Can satisfy the range of 0 <? <0.25, 0.25 <? <1/3, 1/3 <? <0.5.
전이금속 산화물(100)은 3가의 전이금속(일 예로, 3가의 망간 MnⅢ)을 포함할 수 있으며, 3가의 전이금속은 전이금속 산화물의 표면 상에 위치할 수 있다. 전이금속 산화물(100)의 표면에 위치하는 3가의 전이금속은 열역학적으로 불안정한 상태일 수 있다. 또한, 전이금속 산화물(100)의 표면에 위치하는 3가의 전이금속은 격자 구조 내에 위치하지 않는 일종의 결함(defect)의 형태일 수 있다. 전이금속 산화물(100)의 표면에는 3가의 전이금속 및 2가의 전이금속이 모두 위치할 수 있다.The
다음 단계로, 도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 전이금속 산화물 나노입자(100)를 제조한 후, 전이금속 산화물 나노입자(100)를 전도성 기판(10) 상에 코팅할 수 있다(S20). 이때, 전이금속 산화물 나노입자(100)로 구성되는 층(layer)들을 복수로 적층할 수 있다.1 and 2, the transition
전이금속 산화물 나노입자(100)로 구성되는 층(layer)들을 복수로 적층하는 과정은, (b1) 전이금속 산화물 나노입자(100)와 카본 첨가물 및 고분자 바인더를 혼합하여 촉매 혼합물를 제조하는 단계(S21), (b2) 촉매 혼합물을 유기 용매에 분산한 제3 용액을 제조하는 단계(S22), 및 (b3) 제3 용액을 전도성 기판(10) 상에 도포하는 단계(S23)을 포함할 수 있다.The process of laminating a plurality of layers composed of the transition
전이금속 산화물 나노입자(100)와 카본 첨가물 및 고분자 바인더를 혼합하여 촉매 혼합물를 제조하는 단계(S21)에서, 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbon Nanotube), 탄소섬유(Carbon Fiber), 인조흑연(Artificial Graphite), 카본블랙(Carbon Black), 활성탄소(Activated Carbon) 등에서 어느 하나를 포함하는 카본 첨가물을 사용할 수 있다. 카본 첨가물을 나노 단위의 입자로 이루어진 것이 바람직하다. 그리고, 고분자 바인더는, PVDF(Polyvinylidene fluoride) 등을 사용할 수 있다.A carbon nanotube, a carbon fiber, an artificial graphite, a carbon nanotube, a carbon nanotube, a carbon nanotube, and a carbon nanotube are mixed in a step S21 of preparing a catalyst mixture by mixing the transition
촉매 혼합물은 전이금속 산화물 나노입자(100), 카본 첨가물, 고분자 바인더를 각각 X : X : Y 중량비로 혼합하여 제조할 수 있다. 이때, 2X + Y = 1을 만족하며, Y는 0.1 내지 0.9의 값을 가지도록 혼합할 수 있다.The catalyst mixture can be prepared by mixing the transition metal oxide nanoparticles (100), the carbon additive, and the polymer binder in the weight ratio of X: X: Y, respectively. At this time, 2X + Y = 1 is satisfied, and Y is mixed so as to have a value of 0.1 to 0.9.
촉매 혼합물을 유기 용매에 분산한 제3 용액을 제조하는 단계(S22)에서, 촉매 혼합물은 NMP(N-methyl-2-prrolidone), 에탄올, 메탄올 등의 유기 용매에 분산시킬 수 있다.In the step S22 of preparing the third solution in which the catalyst mixture is dispersed in the organic solvent, the catalyst mixture may be dispersed in an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethanol or methanol.
제3 용액을 전도성 기판(10) 상에 도포하는 단계(S23)에서, 스핀 코팅(Spin coating)을 사용하는 것이 바람직하다. 이 외에, 촉매 혼합물을 페이스트로 제작하여 도포하거나, 잉크로 제조하여 드랍캐스팅(Drop casting)하는 방법 등을 사용할 수도 있다. 제3 용액을 전도성 기판(10) 상에 도포함으로써, 전이금속 산화물 나노입자(100)로 구성되는 층(layer)들을 복수로 적층(20)할 수 있다. 전이금속 산화물 나노입자(100)는 조밀 구조(close packing)를 이루며 적층될 수 있다.In step S23 of applying the third solution on the
이때, 적층되는 두께(t)는, 70nm 내지 600nm 일 수 있다. 스핀 코팅 또는 드랍캐스팅 하는 과정에서, 제3 용액에 포함된 전이금속 산화물 나노입자(100)의 농도를 조절함에 따라 적층되는 두께(t)를 조절할 수 있다. 농도는 0.01g/ml 내지 50g/ml로 조절할 수 있다.At this time, the thickness t to be laminated may be 70 nm to 600 nm. In the course of spin coating or drop casting, the thickness t of the deposited
전이금속 산화물 나노입자(100)의 적층체(20)에서 전자는 전이금속 산화물 나노입자(100)들의 표면을 따라 이동할 수 있다. 그리고, 촉매 반응 중에는 전자와 전해질에 존재하는 수소 양이온 입자가 커플링되어 함께 이동할 수 있다. 이렇게, 전도성 기판(10) 및 전도성 기판(10) 상에 복수의 층으로 적층된 전이금속 산화물 나노입자 층의 결합체가 촉매로서 사용될 수 있다.Electrons can move along the surface of the transition metal oxide nanoparticles (100) in the layered body (20) of the transition metal oxide nanoparticles (100). During the catalytic reaction, the electrons and the hydrogen cation particles existing in the electrolyte are coupled and can move together. Thus, a combination of the conductive metal oxide nanoparticle layers laminated on the
다음 단계로, 촉매를 사용하여 전기화학반응 시스템에서 염소를 생성할 수 있다(S30).As a next step, chlorine can be produced in the electrochemical reaction system using a catalyst (S30).
전도성 기판(10) 상에 형성되며, 전이금속 산화물 나노입자(100)로 구성되는 층이 복수로 적층된 형태를 가지는 촉매는 전기화학반응 시스템에서 전극으로 사용될 수 있고, 이 전극은 애노드(Anode)로서 기능할 수 있다. 전해질은 NaCl, NaClO4 등, Cl을 포함하는 혼합용액으로 구성될 수 있다. 일 예로, NaCl(x M)과 NaClO4(4-x M)의 혼합용액으로 구성되고, x = 10mM ~ 6M 일 수 있다.A catalyst formed on the
애노드에서는 산화 반응이 일어나서 염소(Cl2), 차아염소산(HOCl), 차아염소산염(OCl-) 등이 생성되며, 캐소드(Cathode)에서는 환원 반응이 일어나서 수소가 생성될 수 있다. 이를 반응식으로 나타내면 아래와 같다.In the anode, an oxidation reaction occurs to generate chlorine (Cl 2 ), hypochlorous acid (HOCl), hypochlorite (OCl - ), and the like, and a reduction reaction occurs in the cathode to generate hydrogen. The reaction formula is as follows.
(ⅰ) 2Cl- -> Cl2 + 2e- (I) 2Cl - -> Cl 2 + 2e -
(ⅱ) Cl2 + H2O -> H+ + HOCl + Cl- (Ii) Cl 2 + H 2 O -> H + + HOCl + Cl -
(ⅲ) HOCl + H2O -> OCl- + H3O+ (Iii) HOCl + H 2 O -> OCl - + H 3 O +
위 (ⅰ), (ⅱ), (ⅲ)을 통해 생성되는 염소(Cl2), 차아염소산(HOCl), 차아염소산염(OCl-)이 소독작용을 일으킬 수 있다.Chlorine (Cl 2 ), hypochlorous acid (HOCl), hypochlorite (OCl - ) produced through the above (i), (ii) and (iii) can cause disinfection.
한편, 캐소드에서는 수소가 발생되면서 OH- 종이 부산물로 생산될 수 있다. 이는 전체 전기화학 셀들의 pH 를 높이는 역할을 하여 Cl2 발생을 저해하는 현상을 유발할 수 있다. 따라서 본 발명의 전기화학반응 시스템에는 필수적으로 양극과 음극 사이의 분리막이 들어간다. 분리막의 구성성분은 나피온(Nafion), 양이온 교환 막(Cation exchange membrane) 등이 될 수 있다.On the other hand, OH - paper can be produced as a byproduct while generating hydrogen at the cathode. This can increase the pH of all electrochemical cells and cause a phenomenon of inhibiting Cl 2 generation. Therefore, in the electrochemical reaction system of the present invention, a separation membrane between the anode and the cathode is essentially required. The constituents of the membrane may be Nafion, cation exchange membrane, and the like.
이 외에도 본 발명의 촉매는 산화/환원 반응 등 다양한 전기화학 반응에서 촉매로 사용될 수 있다.In addition, the catalyst of the present invention can be used as a catalyst in various electrochemical reactions such as oxidation / reduction reactions.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매 제조 과정을 나타내는 개략도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 산화물을 포함하는 나노 구조물의 개략적인 사시도이다.3 is a schematic view illustrating a catalyst manufacturing process according to another embodiment of the present invention. 4 is a schematic perspective view of a nanostructure containing a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매 제조 과정은, 상기 S10 단계 및 S20 단계 이후, (c) 전도성 기판(10)을 금속 이온 용액에 침지하는 단계(S21) 및 (d) 소정 온도에서 전도성 기판(10)이 침지된 금속 이온 용액을 숙성하는 단계(S22)를 더 포함할 수 있다.(C) immersing the
전도성 기판(10)을 금속 이온 용액에 침지하는 단계(S21)에서, 금속 이온 용액은 이리듐(Ir), 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 중 적어도 하나의 양이온을 포함할 수 있다. 금속 이온 용액은 아세테이트, 나이트레이트(nitrate), 클로라이드(chloride) 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 금속 이온 용액 내의 금속 양이온의 농도는 1 mM 내지 50 mM일 수 있다.In the step S21 of immersing the
소정 온도에서 전도성 기판(10)이 침지된 금속 이온 용액을 숙성하는 단계(S22)를 통해, 전이금속 산화물 나노입자(110) 표면(또는, 전이금속 산화물 나노입자의 적층체 표면)에 금속 나노 입자(120)가 형성될 수 있다.(Or the surface of the layered body of transition metal oxide nanoparticles) of the transition
도 4를 참조하면, 상기 실시예에 의해, 3가의 망간을 포함하는 망간 산화물 나노 입자인 나노 코어(110) 및 나노 코어(110)의 표면에 흡착된 금속 나노 입자(120)를 포함하는 나노 구조물(100')이 제조될 수 있다.Referring to FIG. 4, according to the embodiment,
나노 코어(110)는 비화학양론적 조성을 가질 수 있으며, 상기 [화학식 1]로 표시될 수 있다. 일 예로, 나노 코어(110)는 표면에 3가의 망간(MnⅢ)을 포함할 수 있다.The
금속 나노 입자들(120)은, 이리듐(Ir), 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 이의 합금들 중 적어도 하나일 수 있다.The
하나의 나노 코어(110)의 표면에 복수의 금속 나노 입자들(120)이 형성될 수 있다. 나노 코어(110)의 크기(D1)는 20 nm 이하, 특히 10 nm 이하일 수 있으며, 금속 나노 입자(120)의 크기(D2)는 1 nm 내지 10 nm, 특히 3nm 이하일 수 있다.A plurality of
전이금속 산화물, 촉매의 구조Transition metal oxide, structure of catalyst
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 산화물의 TEM 사진이다.5 is a TEM photograph of a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention.
도 5의 (a)를 참조하면, 도 1 의 실시예의 S10(S11-S16) 단계에 따라 제조된 망간 산화물 나노 입자가 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)에 의해 분석되었다. 이에 의하면, 망간 산화물 나노 입자는 10nm 이하의 크기를 갖는다. 또한, TEM에 의한 회절 패턴(diffraction pattern) 분석 결과에 따르면, MnO의 조성을 갖는 망간 산화물의 결정면인 (200)면 및 (111)면이 인덱싱될 수 있다.Referring to FIG. 5A, the manganese oxide nanoparticles prepared according to steps S10 (S11-S16) of the embodiment of FIG. 1 were analyzed by a transmission electron microscope (TEM). According to this, the manganese oxide nanoparticles have a size of 10 nm or less. Further, according to the result of the diffraction pattern analysis by TEM, the (200) plane and the (111) plane which are the crystal planes of the manganese oxide having the composition of MnO can be indexed.
도 5의 (b) 를 참조하면, 도 1의 실시예의 S10(S11-S16) 단계에 따라 제조된 망간 산화물 나노 입자가 TEM에 의해 분석되었다. 구체적으로, 분석에 사용된 망간 산화물 나노 입자는, S16 단계에서, 암모니아수(NH4OH)에 의해 1시간 동안 처리되었다. 도 5의 (b)에 의하면, 망간 산화물 나노 입자는 10 nm 이하의 크기를 가질 수 있다. 또한, TEM에 의한 회절 패턴 분석 결과에 따르면, Mn3O4의 조성을 갖는 망간 산화물의 결정면인 (10-1)면 및 (-112)면이 MnO의 조성을 갖는 망간 산화물의 결정면인 (200)면 및 (111)면과 함께 인덱싱될 수 있다. 따라서, S16 단계에 의해, 제조된 망간 산화물 나노 입자의 표면이 부분적으로 산화됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 5 (b), manganese oxide nanoparticles prepared according to the step S10 (S11-S16) of the embodiment of FIG. 1 were analyzed by TEM. Specifically, the manganese oxide nanoparticles used in the analysis were treated with ammonia water (NH 4 OH) for 1 hour in step S16. According to Fig. 5 (b), the manganese oxide nanoparticles may have a size of 10 nm or less. Further, according to the results of the TEM diffraction pattern analysis, the (10-1) plane and the (-112) plane, which are the crystal planes of the manganese oxide having the composition of Mn3O4, ) Plane. ≪ / RTI > Therefore, it can be seen that the surface of the produced manganese oxide nanoparticles is partially oxidized by the step S16.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 산화물을 포함하는 나노 구조물의 TEM 사진이다.6 is a TEM photograph of a nanostructure containing a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention.
도 6의 (a) 및 도 6의 (b)를 참조하면, 도 3 및 도 4의 실시예에 따라 제조된 망간 산화물을 포함하는 나노 구조물(100')이 TEM에 의해 분석되었다. 나노 구조물(100')은 망간 산화물의 나노 코어(110) 및 나노 코어 상에 흡착된 금속 나노 입자들(120)을 포함할 수 있다. 금속 나노 입자들(120)은 나노 코어(110)의 표면 상에 실질적으로 균일하게 흡착될 수 있다. 특히, 본 실시예에서, 금속 나노 입자들(120)은 이리듐(Ir)을 포함할 수 있다.Referring to Figures 6 (a) and 6 (b), nanostructures 100 'comprising manganese oxide prepared according to the embodiment of Figures 3 and 4 were analyzed by TEM. The nanostructure 100 'may include a
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 기판(10) 상에 금속 산화물 나노입자(100)[적층체(20)]를 코팅한 것을 정면에서 나타내는 TEM 사진이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 기판(10) 상에 금속 산화물 나노입자(100)[적층체(20)]를 코팅한 것을 단면에서 나타내는 TEM 사진이다.7 is a TEM photograph showing a metal oxide nanoparticle 100 (laminate 20) coated on a
도 7의 (a)를 참조하면 금속 산화물 나노입자(100)들이 균일한 배열을 이루고 전도성 기판(10) 상에 형성된 것을 확인할 수 있다. 그리고, 도 7의 (b)를 참조하면, 각각의 층 내에서 금속 산화물 나노입자(100)들이 균일한 배열을 이루고, 각각의 층들이 조밀하게 적층(20)된 상태로 전도성 기판(10) 상에 형성된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7 (a), it is confirmed that the
도 8의 (a)는 70nm 두께, 도 8의 (b)는 150nm 두께, 도 8의 (c)는 300nm 두께, 도 8의 (d)는 600nm 두께로 금속 산화물 나노입자(100)들의 적층체(20)를 형성한 단면 사진을 나타낸다. 각각의 경우, 두께가 비교적 균일한 상태로 적층체(20)를 형성하였음을 확인할 수 있다.8 (a), 8 (b), and 8 (c) show the thicknesses of the
촉매 특성 분석Analysis of catalyst characteristics
도 9 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 산화물 나노입자 층들의 촉매 특성을 나타내는 그래프이다.9 to 13 are graphs showing catalyst characteristics of metal oxide nanoparticle layers according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 촉매 특성은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 약 10nm 크기의 전이금속 산화물 나노입자(100)를 탄소 첨가물과 혼합하고 이를 건조하여 분말을 형성한 후, 전도성 기판(10) 상에 분말을 적층체(20)를 형성하도록 코팅하여 전극을 제조하여 전기화학 특성을 측정함으로써 수행되었다.Hereinafter, the catalytic characteristics are obtained by mixing the transition
상기 분말은 예를 들어, 스핀 코팅에 의해 전도성 기판(10) 상에 코팅될 수 있으며, 이 경우 회전 속도는 2000rpm 내지 4000 rpm의 범위일 수 있다. 또한, 코팅 시간은 10 초 내지 60 초의 범위일 수 있고, 시간 내지 반복 회수를 조절하여 적층체(20)의 두께를 조절할 수 있다. 전기화학 특성은 버퍼 전해질 수용액이 채워진 3-전극 셀(3-electrode cell) 또는 2 전극 셀 (2-electrode cell)을 사용하여 측정할 수 있다. 구체적으로 3-전극 셀의 경우, 촉매가 코팅된 작업 전극(working electrode), 백금(Pt) 와이어 또는 백금(Pt) 플레이트로 구성된 상대 전극(counter electrode) 및 은/염화은(Ag/AgCl)의 기준 전극(reference electrode)으로 구성될 수 있으며, 2-전극 셀은 기준 전극 없이 작업 전극과 상대 전극으로 구성될 수 있다. 상기 버퍼 전해질 수용액으로는 pH 7.8의 인산나트륨(sodium phosphate) 또는 인산칼륨(potassiumphosphate) 용액을 사용하였다.The powder may be coated on the
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 산화물 나노입자(100)의 적층체(20)를 사용한 경우, 적층체(20) 두께에 따른 순환 전류-전압 곡선(cyclic voltammogram)이 표준 수소 전극(Normal Hydrogen Electrode, NHE) 대비 도시된다.9, when the
적층체(20)의 두께가 70nm일때는 가장 낮은 특성을 나타내었고, 두께가 이보다 두꺼워질수록 우수한 특성을 나타내었다. 다만, 300nm까지는 특성이 향상되다가 이를 초과하는 두께에서는 다시 특성이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이들의 수치는 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)계 고체상 촉매들과 비교할 때 높은 활성도를 나타낸다.When the thickness of the
도 9 및 도 10을 참조하면, 타펠(Tafel) 경사의 측정 결과를 나타낸다. 타펠 경사는 전극 활성도의 기준이 되며, 전류가 10배 증가하기 위해 필요한 전압을 나타낸다. 본 실시예의 경우, 전기화학 반응 속도를 나타내는 타펠 경사는 적층체(20)의 두께에 따라, 약 85 mV/decade (70nm), 약 70 mV/decade (150nm), 약 67 mV/decade (300nm), 약 82 mV/decade (600nm)로 측정되었다. 이는 약 120 mV/decade의 타펠 경사를 갖는 다른 망간 산화물들(MnO, Mn3O4, Mn2O3 및 MnO2)과 비교하여 낮은 값으로, 본 실시예의 망간 산화물 나노 입자의 적층체가 높은 활성도를 가짐을 알 수 있다. 특히, 300nm 두께의 적층체에서 우수한 활성도를 나타냄을 확인할 수 있다.Referring to Figs. 9 and 10, measurement results of Tafel inclination are shown. Tapsel slope is a measure of electrode activity and represents the voltage required to increase the current by 10 times. In the case of this embodiment, the inclination of the Tappel indicating the electrochemical reaction rate is about 85 mV / decade (70 nm), about 70 mV / decade (150 nm), about 67 mV / decade , And about 82 mV / decade (600 nm). This other manganese oxide having a tapel slope of about 120 mV / decade (MnO, Mn 3
도 12를 참조하면, 단층(Monolayer) 또는 적층체(20)의 두께에 따른 임피던스의 측정 결과를 나타낸다. 단층으로 전이금속 산화물 나노입자(100)를 배열한 것에 비해, 300nm, 600nm의 두께로 적층체(20)를 형성한 것이 낮은 임피던스를 나타내는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 12, measurement results of impedance according to the thickness of a monolayer or
도 13을 참조하면, 적층체(200)의 두께에 대한, pH 의존성을 나타낸다. pH가 높을수록 동일한 전위에서의 전류 밀도가 높게 나타났다. 이는 양성자(proton)이 전기화학 반응에 관여하기 때문일 수 있다. 또한, 중성 조건인 pH 7.0에서도 상대적으로 우수한 촉매 특성을 가짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 13, the pH dependency of the thickness of the laminate 200 is shown. The higher the pH, the higher the current density at the same potential. This may be because the proton is involved in the electrochemical reaction. It is also found that the catalyst has relatively excellent catalytic properties even at pH 7.0, which is a neutral condition.
도 14는 본 발명의 여러 실시예에 따른 금속 산화물 나노입자 층들의 촉매 특성을 나타내는 그래프이다.14 is a graph showing the catalytic properties of the metal oxide nanoparticle layers according to various embodiments of the present invention.
전이금속 산화물 나노입자(100)를 MnO, CoO를 적층체(20)로 형성한 촉매, Ir를 금속 나노 입자(120)로서 전이금속 산화물 나노입자(110) 표면 상에 형성한 나노 구조물(100') 촉매를 준비하였다. 이를 스핀코팅을 통해 FTO, ITO, Carbon paper 등의 전도성 기판(10) 위에 적층하였다. Cl2 발생을 위한 전해질로는 4M NaCl을 사용하고 NaClO4는 비교용으로 사용하였다. 구동 장치로는 H-Cell을 사용하고, 분리막으로는 Nafion을 사용하였다.A catalyst in which transition
도 14를 참조하면, 측정 수치 대부분이 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)계 고체상 촉매들과 비교할 때 높은 활성도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 특히, 금속 나노 입자(120)를 전이금속 산화물 나노입자(110) 표면 상에 형성한 나노 구조물(100') 촉매가 더 높은 활성도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 14, it can be seen that most of the measured values show high activity as compared with manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) and copper (Cu) In particular, it can be seen that the nanostructure (100 ') catalyst in which the
전기화학반응 시스템 적용예Electrochemical reaction system application example
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매를 포함하는 염소 생성 전기화학반응 시스템의 개략도이다.15 is a schematic diagram of a chlorine generating electrochemical reaction system comprising a catalyst according to an embodiment of the present invention.
도 15를 참조하면, 소금물(Brine) 분해 시스템(200)은, 전해조(210), 버퍼 전해질 수용액(220), 제1 전극(anode)(230) 및 제2 전극(cathode)(240)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극(230, 240)은 전원에 의하여 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 물 분해 시스템(200)은 제1 및 제2 전극(230, 240)의 사이에 이온 교환부가 더 배치될 수 있다.15, a
제1 및 제2 전극(230, 240)은 각각 반도체 또는 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 특히, 제1 전극(230)은 상술한 전도성 기판(10)이 채용될 수 있고, 염소 발생 촉매(260)는 도 1 내지 도 14를 참조하여 상술한 본 발명의 실시예에 따른, 전이금속 산화물 나노 입자 적층체(200)[또는, 나노 구조물(100') 적층체]를 포함할 수 있다. 또는 제1 전극(230)을 별도로 구성하고, 전도성 기판(10) 및 적층체(20)를 제1 전극(230) 일면에 연결하여 사용할 수도 있다.The first and
전해조(210)에는 입수관 및 배수관과 같은 유입부 및 배출부가 더 형성될 수 있다.The
버퍼 전해질 수용액(220)은 소금물 분해 반응에 사용되는 소금물의 공급원 및 소금물 분해 반응 시 생성되는 양성자의 수용체로서의 역할을 수행할 수 있다. 버퍼 전해질 수용액(220)은, 예를 들어, KH2PO4, K2HPO4, K3PO4 또는 이들의 혼합물과 같은 인산칼륨 및 인산나트륨 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 버퍼 전해질 수용액(220)의 pH는 2 내지 14일 수 있다. 특히, 본 발명의 염소 발생 촉매(260)를 이용하는 경우, 버퍼 전해질 수용액(220)은 중성조건을 가질 수 있다. 양성자의 수용체로서의 역할을 위해, 버퍼 전해질 수용액(220)은 양성자 수용성 음이온(proton-accepting anion)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 소금물 분해 반응이 진행됨에 따라 양성자(H+)의 생성량이 증가하더라도 양성자 수용성 음이온이 이러한 양성자의 적어도 일부를 수용하여, 버퍼 전해질 수용액(220)의 pH 감소율을 낮출 수 있다. 양성자 수용성 음이온은 포스페이트 이온, 아세테이트 이온, 보레이트 이온 및 플루오라이드 이온 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The buffer electrolyte
소금물 분해 시스템(200)에서 제1 및 제2 전극(230, 240)의 사이에 전압이 인가되면, 제1 전극(230)에서 염소가 발생하고, 제2 전극(240)에서 수소가 발생하는 반응이 일어나게 된다. 각 반쪽 반응은 하기와 같은 반응식 1 및 2로 표현될 수 있다.When a voltage is applied between the first and
[반응식 1] 2Cl- -> Cl2 + 2e- [Reaction 1] 2Cl - -> Cl 2 + 2e -
[반응식 2] Cl2 + H2O -> H+ + HOCl + Cl- Cl 2 + H 2 O -> H + + HOCl + Cl -
2H+ + 2e- → H2 2H + + 2e - > H 2
본 발명의 실시예에 따른 염소 발생 촉매(260)는 상기 반응식 1으로 표현되는 제1 전극(230)에서의 반응에 관여할 수 있다. 이에 의해, 소금물 분해 반응이 중성 조건 하에서도 낮은 과전위로 이루어질 수 있다. 한편, 염소와 산소는 모두 애노드에서 산화 반응을 일으키며 생성될 수 있다. 소금물 분해에서 염소를 발생시키기 위해 사용되는 전압은 1.36V, 물 분해에서 산소를 발생시키기 위해 사용되는 전압은 1.23V이지만, 물 분해에서 산소 발생을 위해서는 4개의 전자가 관여하게 된다. 따라서, 열역학적으로 염소, 산소 반응의 경쟁관계에서 염소가 발생될 가능성이 높게 되며, 본 발명은 경쟁반응에서 염소를 발생시킬 수 있는 촉매를 제공할 수 있다.The
본 발명의 실시예에 따른 염소 발생 촉매를 포함하는 시스템으로, 소금물 분해 시스템을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다양한 전기화학반응 시스템들에 이용될 수 있을 것이다.Although the system including the chlorine generating catalyst according to the embodiment of the present invention has been exemplarily described as a brine decomposition system, the present invention is not limited thereto and may be used in various electrochemical reaction systems.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken in conjunction with the present invention. Variations and changes are possible. Such variations and modifications are to be considered as falling within the scope of the invention and the appended claims.
10: 전도성 기판
20: 전이금속 산화물 나노입자 층들의 적층체
100: 전이금속 산화물 나노입자
100': 전이금속 산화물 나노입자의 표면에 금속 나노 입자가 형성된 나노 구조물10: Conductive substrate
20: A laminate of transition metal oxide nanoparticle layers
100: transition metal oxide nanoparticles
100 ': nanostructure in which metal nanoparticles are formed on the surface of transition metal oxide nanoparticles
Claims (17)
(b) 전도성 기판 상에 상기 전이금속 산화물 나노입자로 구성되는 층을 복수로 적층하는 단계
를 포함하고,
상기 전이금속 산화물 나노입자는 3가의 전이금속을 포함하며,
A1-δO (A는 전이금속, 0 < δ < 0.25, 0.25 < δ <1/3, 1/3 < δ < 0.5)
로 표시되는 비화학양론적(non-stoichiometric) 전이금속 산화물 나노입자인, 촉매 제조 방법.(a) preparing transition metal oxide nanoparticles; And
(b) stacking a plurality of layers made of said transition metal oxide nanoparticles on a conductive substrate
Lt; / RTI >
Wherein the transition metal oxide nanoparticles comprise a trivalent transition metal,
A 1-δ O (A is a transition metal, 0 <δ <0.25, 0.25 <δ <1/3, 1/3 <δ <0.5)
Wherein the catalyst is a non-stoichiometric transition metal oxide nanoparticle represented by the following formula (1).
상기 (a) 단계는,
(a1) 전이금속 이온 공급물질과 지방산 계면활성제를 포함하는 제1 용액을 제조하는 단계;
(a2) 알코올 계면활성제를 포함하는 제2 용액을 제조하는 단계;
(a3) 상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 각각 소정 온도에서 숙성하는 단계;
(a4) 상기 제2 용액을 상기 제1 용액에 투입하여 상기 전이금속 산화물 나노입자를 제조하는 단계;
(a5) 상기 전이금속 산화물 나노입자를 소정 온도에서 숙성하는 단계; 및
(a6) 상기 전이금속 산화물 나노 입자를 표면 처리하는 단계
를 포함하는, 촉매 제조 방법.The method according to claim 1,
The step (a)
(a1) preparing a first solution comprising a transition metal ion supply material and a fatty acid surfactant;
(a2) preparing a second solution comprising an alcohol surfactant;
(a3) aging the first solution and the second solution at a predetermined temperature;
(a4) introducing the second solution into the first solution to prepare the transition metal oxide nanoparticles;
(a5) aging the transition metal oxide nanoparticles at a predetermined temperature; And
(a6) a step of surface-treating the transition metal oxide nanoparticles
≪ / RTI >
상기 (b) 단계는,
(b1) 상기 전이금속 산화물 나노입자와 카본 첨가물 및 고분자 바인더를 혼합하여 촉매 혼합물를 제조하는 단계;
(b2) 상기 촉매 혼합물을 유기 용매에 분산한 제3 용액을 제조하는 단계; 및
(b3) 상기 제3 용액을 상기 전도성 기판 상에 도포하는 단계
를 포함하는, 촉매 제조 방법.The method according to claim 1,
The step (b)
(b1) preparing a catalyst mixture by mixing the transition metal oxide nanoparticles with a carbon additive and a polymeric binder;
(b2) preparing a third solution in which the catalyst mixture is dispersed in an organic solvent; And
(b3) applying the third solution onto the conductive substrate
≪ / RTI >
상기 카본 첨가물은, 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbon Nanotube), 탄소섬유(Carbon Fiber), 인조흑연(Artificial Graphite), 카본블랙(Carbon Black), 활성탄소(Activated Carbon) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 촉매 제조 방법.The method of claim 3,
The carbon additive may be at least one selected from the group consisting of Graphene, Carbon Nanotube, Carbon Fiber, Artificial Graphite, Carbon Black and Activated Carbon. ≪ / RTI >
상기 고분자 바인더는, PVDF(Polyvinylidene fluoride)인, 촉매 제조 방법.The method of claim 3,
Wherein the polymer binder is PVDF (polyvinylidene fluoride).
상기 (b1) 단계에서,
상기 전이금속 산화물 나노입자, 상기 카본 첨가물, 상기 고분자 바인더를 각각 X : X : Y 중량비(2X + Y = 1, Y는 0.1 내지 0.9의 값을 가짐)로 혼합하여 상기 촉매 혼합물을 제조하는, 촉매 제조 방법.The method of claim 3,
In the step (b1)
Wherein the transition metal oxide nanoparticles, the carbon additive, and the polymer binder are mixed at an X: X: Y weight ratio (2X + Y = 1, and Y has a value of 0.1 to 0.9) Gt;
상기 (b2) 단계에서, 상기 유기 용매는 NMP(N-methyl-2-prrolidone), 에탄올, 메탄올 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 촉매 제조 방법.The method of claim 3,
In the step (b2), the organic solvent includes at least one of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethanol and methanol.
상기 (b) 단계에서, 상기 적층하는 두께는, 70nm 내지 600nm인, 촉매 제조 방법.The method according to claim 1,
In the step (b), the thickness to be laminated is 70 nm to 600 nm.
(c) 상기 전도성 기판을 금속 이온 용액에 침지하는 단계; 및
(d) 소정 온도에서 상기 전도성 기판이 침지된 상기 금속 이온 용액을 숙성하는 단계
를 더 포함하는, 촉매 제조 방법.The method according to claim 1,
(c) immersing the conductive substrate in a metal ion solution; And
(d) aging the metal ion solution in which the conductive substrate is immersed at a predetermined temperature
≪ / RTI >
상기 금속 이온 용액은 이리듐(Ir), 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 중 적어도 하나의 양이온을 포함하는, 촉매 제조 방법.11. The method of claim 10,
The metal ion solution may be at least one selected from the group consisting of Ir, Co, Cu, Ni, Fe, Cr, Ru, Au, Wherein the catalyst comprises at least one cation selected from the group consisting of palladium (Pd) and rhodium (Rh).
상기 전이금속 산화물의 표면에는 상기 3가의 전이금속 및 2가의 전이금속이 위치하는, 촉매 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the trivalent transition metal and the divalent transition metal are located on the surface of the transition metal oxide.
상기 전이금속 산화물 나노입자는 3가의 전이금속을 포함하며,
A1-δO (A는 전이금속, 0 < δ < 0.25, 0.25 < δ <1/3, 1/3 < δ < 0.5)
로 표시되는 비화학양론적(non-stoichiometric) 전이금속 산화물 나노입자인, 촉매.A plurality of layers of transition metal oxide nanoparticles formed on a conductive substrate,
Wherein the transition metal oxide nanoparticles comprise a trivalent transition metal,
A 1-δ O (A is a transition metal, 0 <δ <0.25, 0.25 <δ <1/3, 1/3 <δ <0.5)
Wherein the catalyst is a non-stoichiometric transition metal oxide nanoparticle.
상기 전도성 기판 상에 형성되며, 전이금속 산화물 나노입자로 구성되는 층이 복수로 적층된 형태의 촉매
를 포함하고,
상기 전이금속 산화물 나노입자는 3가의 전이금속을 포함하며,
A1-δO (A는 전이금속, 0 < δ < 0.25, 0.25 < δ <1/3, 1/3 < δ < 0.5)
로 표시되는 비화학양론적(non-stoichiometric) 전이금속 산화물 나노입자인, 전극.Conductive substrate; And
A catalyst formed on the conductive substrate, in which a plurality of layers of transition metal oxide nanoparticles are stacked
Lt; / RTI >
Wherein the transition metal oxide nanoparticles comprise a trivalent transition metal,
A 1-δ O (A is a transition metal, 0 <δ <0.25, 0.25 <δ <1/3, 1/3 <δ <0.5)
Wherein the non-stoichiometric transition metal oxide nanoparticles are represented by the following formula (1).
상기 전이금속 산화물 나노입자는 3가의 전이금속을 포함하며,
A1-δO (A는 전이금속, 0 < δ < 0.25, 0.25 < δ <1/3, 1/3 < δ < 0.5)
로 표시되는 비화학양론적(non-stoichiometric) 전이금속 산화물 나노입자인, 전기화학반응 시스템.An electrode comprising a conductive substrate and a catalyst formed on the conductive substrate in the form of a plurality of stacked layers of transition metal oxide nanoparticles is used as an anode,
Wherein the transition metal oxide nanoparticles comprise a trivalent transition metal,
A 1-δ O (A is a transition metal, 0 <δ <0.25, 0.25 <δ <1/3, 1/3 <δ <0.5)
Wherein the electrochemical reaction system is a non-stoichiometric transition metal oxide nanoparticle.
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