KR102158638B1 - Method for preparing two-dimensional vanadium carbide for hydrogen-generating catalyst electrode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 생성을 위해 사용되는 전기화학 촉매 전극용 이차원 바나듐 탄화물의 제조방법, 상기 이차원 바나듐 탄화물을 포함하는 촉매전극에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a two-dimensional vanadium carbide for an electrochemical catalyst electrode used to generate hydrogen, and to a catalyst electrode including the two-dimensional vanadium carbide.
Description
본 발명은 수소 생성을 위해 사용되는 전기화학 촉매 전극용 이차원 바나듐 탄화물의 제조방법, 상기 이차원 바나듐 탄화물을 포함하는 촉매전극에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a two-dimensional vanadium carbide for an electrochemical catalyst electrode used to generate hydrogen, and to a catalyst electrode including the two-dimensional vanadium carbide.
그래핀과 유사한 2차원 물질로 멕신(MXene)은 층상구조의 MAX 상(phase) 물질로부터 형성된다. MAX 상 물질은 준세라믹 특성의 MX와, M과 다른 금속원소 A가 조합된 결정질로, M은 전이금속이며, A는 13족 또는 14족 원소이고, X는 탄소 및/또는 질소이다. As a two-dimensional material similar to graphene, MXene is formed from a layered MAX phase material. The MAX phase material is a crystalline substance in which MX of semi-ceramic properties and M and other metal elements A are combined, M is a transition metal, A is a group 13 or 14 element, and X is carbon and/or nitrogen.
멕신은 전기전도성, 내화학성, 가공성 등의 물성이 우수하여, 전극 분야에 응용되고 있으나, 아직까지는 박막화와 함께 전기적 특성 면에서 한계가 있다. Mexine has excellent physical properties such as electrical conductivity, chemical resistance, and processability, and thus is applied to the electrode field, but has a limitation in terms of electrical properties along with thinning.
한편, 화석 연료의 대체에너지로서 수소 에너지를 생산하는 기술이 다양한 방법으로 활발히 연구 개발되고 있다. 일예로, 물을 이용한 전기분해방법이 있다. 하지만, 수소를 생성하기 위한 공정 상 높은 온도 및 전압이 요구되거나 에너지 효율이 좋지 못해 등 실용화에 어려움을 겪고 있다. 그 중 수소생성을 위한 전극에 적용되는 전기화학 촉매 전극은 유기계 또는 무기계 촉매가 사용되고 있으나, 효율이 좋지 못하고 장기간 안정적으로 성능을 구현하는 데 미흡한 수준이다. Meanwhile, technologies for producing hydrogen energy as alternative energy for fossil fuels are actively researched and developed in various ways. As an example, there is an electrolysis method using water. However, in the process for generating hydrogen, high temperatures and voltages are required or energy efficiency is poor, making it difficult to commercialize them. Among them, an organic or inorganic catalyst is used as an electrochemical catalyst electrode applied to an electrode for generating hydrogen, but the efficiency is poor and it is insufficient to achieve stable performance for a long time.
이에, 향상된 효율을 가지며, 내구성 및 안정성을 확보할 수 있는 수소 생성용 전기화학 촉매에 적용할 수 있는 소재에 대한 연구가 필요한 실정이다.Accordingly, there is a need for research on a material that can be applied to an electrochemical catalyst for hydrogen generation that has improved efficiency and can secure durability and stability.
본 발명의 목적은 이차원의 층상 구조를 갖는 인이 도핑된 바나듐 탄화물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a method for producing phosphorus-doped vanadium carbide having a two-dimensional layered structure.
본 발명의 다른 목적은 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물을 수소생성 촉매에 적용함으로써 탁월한 수소생성 효율을 구현하고, 동시에 향상된 내구성을 가지는 촉매전극을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a catalyst electrode having excellent hydrogen generation efficiency and improved durability by applying phosphorus-doped two-dimensional vanadium carbide to a hydrogen generation catalyst.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태는,In order to achieve the above object, one aspect of the present invention,
V2AlC로부터 V2C 멕신 제조단계, V 2 C mexin production step from V 2 AlC,
상기 V2C 멕신 및 트리페닐포스핀의 혼합물을 열처리하는 단계 및 Heat-treating the mixture of the V 2 C mexine and triphenylphosphine, and
상기 열처리된 생성물을 산처리하는 단계Acid treatment of the heat-treated product
를 포함하는 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물의 제조방법을 제공하는 것이다. It is to provide a method for producing a two-dimensional vanadium carbide doped with phosphorus containing.
본 발명의 일 실시예에 따른 인이 도핑된 바나듐 탄화물의 제조방법에 있어서, 상기 열처리하는 단계는 300℃ 내지 800℃에서 실시되는 것일 수 있다. In the method for producing phosphorus-doped vanadium carbide according to an embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed at 300°C to 800°C.
본 발명의 일 실시예에 따른 인이 도핑된 바나듐 탄화물의 제조방법에 있어서, 상기 열처리하는 단계는 열처리 온도범위까지 2℃/분 내지 20℃/분의 승온속도로 승온하는 것을 포함할 수 있다. In the method for producing phosphorus-doped vanadium carbide according to an embodiment of the present invention, the step of heat-treating may include raising the temperature to a heat treatment temperature range of 2° C./min to 20° C./min.
본 발명의 일 실시예에 따른 인이 도핑된 바나듐 탄화물의 제조방법에 있어서, 상기 혼합물은 V2C 멕신 100중량부에 대하여 트리페닐포스핀을 1 내지 100중량부 포함하는 것일 수 있다. In the method for producing phosphorus-doped vanadium carbide according to an embodiment of the present invention, the mixture may include 1 to 100 parts by weight of triphenylphosphine based on 100 parts by weight of V 2 C mexine.
본 발명의 일 실시예에 따른 인이 도핑된 바나듐 탄화물의 제조방법에 있어서, 상기 V2C 멕신 제조단계는 불소 원자를 함유하는 강산으로 Al을 제거한 다음 환원제를 이용하여 환원시키는 것을 포함하는 것일 수 있다. In the method for producing phosphorus-doped vanadium carbide according to an embodiment of the present invention, the V 2 C mexine production step may include removing Al with a strong acid containing a fluorine atom and then reducing it using a reducing agent. have.
본 발명의 일 실시예에 따른 인이 도핑된 바나듐 탄화물의 제조방법에 있어서, 상기 환원제는 알칼리금속과 아민 또는 암모니아를 포함하는 것일 수 있다. In the method for producing phosphorus-doped vanadium carbide according to an embodiment of the present invention, the reducing agent may include an alkali metal and an amine or ammonia.
본 발명의 일 실시예에 따른 인이 도핑된 바나듐 탄화물의 제조방법에 있어서, 상기 산처리 단계는 염산, 황산, 질산, 인산 및 염화설폰산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 이용하여 실시되는 것일 수 있다. In the method for producing phosphorus-doped vanadium carbide according to an embodiment of the present invention, the acid treatment step is carried out using at least one selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, and chloride sulfonic acid. Can be.
본 발명의 다른 양태는 상술한 제조방법으로 제조되며 인이 3 내지 15 at.% 도핑된 이차원 층상 구조의 바나듐 탄화물을 포함하며, 전류밀도 10 mA/cm2 기준으로 과전압이 50 mV 내지 300 mV 이면서 전력소비가 3W 이하인 인이 도핑된 바나듐 탄화물을 포함하는 촉매전극을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is prepared by the above-described manufacturing method and includes a two-dimensional layered vanadium carbide doped with 3 to 15 at.% phosphorus, and an overvoltage of 50 mV to 300 mV based on a current density of 10 mA/cm 2 It is to provide a catalytic electrode including vanadium carbide doped with phosphorus having a power consumption of 3W or less.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매전극은 수소생성 전극용인 것일 수 있다.The catalyst electrode according to an embodiment of the present invention may be for a hydrogen generating electrode.
본 발명은 전기화학 촉매 전극으로서 우수한 성능을 구현하며, 특히 인 도핑 효율이 탁월하여 높은 정전용량을 비롯한 향상된 전기적 특성을 구현하는 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물을 제조할 수 있는 효과를 가진다.The present invention implements excellent performance as an electrochemical catalyst electrode, and has an effect of producing a vanadium carbide of a two-dimensional structure doped with phosphorus, which realizes improved electrical properties including high capacitance due to excellent phosphorus doping efficiency.
또한, 본 발명은 낮은 전력소비를 가지고, 효율을 극대화할 수 있으며, 내구성이 뛰어나 장기간 성능 안정성을 확보할 수 있는 수소생성 전기화학 촉매 전극을 제공할 수 있는 장점을 가진다.In addition, the present invention has the advantage of providing a hydrogen generation electrochemical catalyst electrode that has low power consumption, can maximize efficiency, has excellent durability, and can secure long-term performance stability.
도 1은 실시예 1에 따른 인(P)이 도핑된 바나듐 탄화물의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에 따른 인(P)이 도핑된 바나듐 탄화물의 TEM 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 내지 2 및 비교예 1의 바나듐 탄화물로 제조된 촉매전극의 수소 생성 반응에 따른 Tafel slope를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1의 바나듐 탄화물로 제조된 촉매전극의 수소 발생 반응에 따른 내구성 시험을 실시한 결과를 나타낸 것이다.1 shows the XRD analysis results of vanadium carbide doped with phosphorus (P) according to Example 1.
FIG. 2 shows a TEM photograph of vanadium carbide doped with phosphorus (P) according to Example 1. FIG.
Figure 3 shows the Tafel slope according to the hydrogen generation reaction of the catalyst electrode made of vanadium carbide of Examples 1 to 2 and Comparative Example 1.
Figure 4 shows the results of the durability test according to the hydrogen generation reaction of the catalyst electrode made of vanadium carbide of Example 1.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물의 제조방법, 상기 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물을 포함하는 촉매전극에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의해 보다 더 잘 이해될 수 있다. 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고, 첨부된 특허 청구범위에 의해 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어는 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다. Hereinafter, a method for producing phosphorus-doped vanadium carbide having a two-dimensional structure and a catalyst electrode including phosphorus-doped vanadium carbide having a two-dimensional structure of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention can be better understood by the following examples. The following examples are for illustrative purposes of the present invention, and are not intended to limit the scope of protection defined by the appended claims. In this case, the technical terms and scientific terms used have meanings commonly understood by those of ordinary skill in the technical field to which this invention belongs, unless otherwise defined.
본 발명의 발명자는 수소생성 전기화학 촉매로서 적용이 가능한 소재에 대한 연구를 진행하던 중, MAX 상(phase)의 V2AlC 로부터 V2C의 멕신(MXene)을 제조하고, 이를 트리페닐포스핀을 이용하여 인화 반응하여 간단한 공정으로 효율적인 인 도핑이 가능하면서도 MAX 상의 이차원 층상 구조를 유지함으로써 촉매전극에 적용 시 낮은 전력 소비에도 불구하고, 높은 반응 효율을 보일 뿐만 아니라, 향상된 전기적 특성과 우수한 내구성으로 장기간 안정적인 성능을 구현할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다. The inventors of the present invention to prepare a meksin (MXene) of V 2 C from among, V 2 AlC of the MAX phase (phase) was conducted research on the possible materials applied as a hydrogen-producing electrochemical catalyst, it triphenylphosphine In spite of low power consumption when applied to the catalytic electrode by maintaining a two-dimensional layered structure on the MAX, while enabling efficient phosphorus doping through a simple process by using the ignition reaction, it not only shows high reaction efficiency, but also has improved electrical characteristics and excellent durability. The present invention was completed by finding that stable performance for a long period of time can be implemented.
구체적으로, 본 발명의 일 양태에 따른 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물의 제조방법은,Specifically, the method for producing vanadium carbide of a two-dimensional structure doped with phosphorus according to an aspect of the present invention,
V2AlC로부터 V2C 멕신 제조단계, V 2 C mexin production step from V 2 AlC,
상기 V2C 멕신 및 트리페닐포스핀의 혼합물을 열처리하는 단계 및 Heat-treating the mixture of the V 2 C mexine and triphenylphosphine, and
상기 열처리된 생성물을 산처리하는 단계Acid treatment of the heat-treated product
를 포함한다. Includes.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 V2C 멕신 제조단계는 MAX 상(phase)의 V2AlC으로부터 선택적으로 Al을 제거하는 단계이다. According to an aspect of the present invention, the V 2 C mexine production step is a step of selectively removing Al from V 2 AlC in the MAX phase.
MAX 상은 전이금속인 M과 탄소 또는 질소의 X 및 13족 또는 14족 원소의 A의 조합된 결정질 구조물로, 흑연과 같은 이차원 물질과 달리 전이금속 카바이드 층상 간에 A 원소와 전이금속 M 사이에 약한 화학적 금속 결합으로 적층된 것이다. The MAX phase is a crystalline structure that is a combination of M, a transition metal, and A of X and Group 13 or 14 elements of carbon or nitrogen.Unlike two-dimensional materials such as graphite, there is a weak chemical between the A element and the transition metal M between the transition metal carbide layers. It is laminated with metal bonds.
본 발명에서는 MAX 상의 V2AlC를 이용, Al을 선택적으로 제거함으로써 제조된 V2C 멕신(MAXene)을 이용하여 목적하는 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물을 제조한다. V2C 멕신은 그래핀과 같은 평면상의 층상 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. In the present invention, a vanadium carbide having a target phosphorus-doped two-dimensional structure is prepared by using V 2 C mexine (MAXene) prepared by selectively removing Al using V 2 AlC on MAX. V 2 C Mexine is characterized by having a layered structure on a plane like graphene.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 MAX 상의 V2AlC로부터 Al을 제거하는 방법은 공정 후 바나듐 탄화물(V2C)이 이차원 구조를 유지할 수 있는 방법이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. According to an aspect of the present invention, the method of removing Al from V 2 AlC on the MAX may be used without limitation as long as vanadium carbide (V 2 C) can maintain a two-dimensional structure after the process.
일 양태로, MAX 상의 V2AlC을 Al과 반응할 수 있는 산으로 처리하여 V2AlC로부터 알루미늄 원자층을 에칭하여 제거할 수 있다. 이때, 산으로는 유기산 또는 무기산을 들 수 있다. 구체적으로 불소 원자를 함유하는 강산, 예를 들어 불산(HF)을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 이외에 염산, 황산, 질산 또는 이들의 혼합물 등을 혼합하여 알루미늄을 제거하는 에칭액으로 사용될 수 있다. In one aspect, the V 2 AlC on MAX may be treated with an acid capable of reacting with Al to remove the aluminum atomic layer from the V 2 AlC by etching. At this time, the acid may be an organic acid or an inorganic acid. Specifically, a strong acid containing a fluorine atom, for example, hydrofluoric acid (HF) may be used, but is not limited thereto. In addition, it may be used as an etching solution for removing aluminum by mixing hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, or a mixture thereof.
상기 V2AlC로부터 Al을 제거하는 공정은 20℃ 내지 400℃, 구체적으로 25 내지 200℃, 보다 구체적으로 30 내지 100℃에서 실시될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. The process of removing Al from the V 2 AlC may be performed at 20° C. to 400° C., specifically 25 to 200° C., and more specifically 30 to 100° C., but is not limited thereto.
V2AlC로부터 산을 이용한 알루미늄의 제거가 완료되면 원심분리 또는 여과 및 건조를 통해 알루미늄이 제거된 이차원 구조의 바나듐 탄화물(V2C)이 수득된다. 이때, 수득되는 바나듐 탄화물(V2C)은 알루미늄 제거 단계에서 실시된 산 처리 공정으로 인해 바나듐 표면에 옥사이드, 에폭사이드, 히드록사이드, 플루오라이드 등의 관능기가 포함될 수 있다. 이에, 관능기를 제거하는 환원 공정을 추가로 실시할 수 있으며, 환원 공정은 화학적 또는 열적 환원 공정으로 실시될 수 있다. When the removal of aluminum using an acid from V 2 AlC is completed, vanadium carbide (V 2 C) having a two-dimensional structure from which aluminum is removed through centrifugation or filtration and drying is obtained. At this time, the obtained vanadium carbide (V 2 C) may contain functional groups such as oxide, epoxide, hydroxide, and fluoride on the surface of the vanadium due to the acid treatment performed in the aluminum removal step. Accordingly, a reduction process for removing a functional group may be additionally performed, and the reduction process may be performed as a chemical or thermal reduction process.
환원 공정의 일 양태는 환원제를 이용하여 실시되는 것일 수 있다. 상기 환원제로는 알칼리금속과 아민 또는 암모니와의 혼합물을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 알칼리 금속은 리튬, 나트륨 및 칼륨 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 아민은 에틸렌디아민(ethylenediamine), 메틸아민(methylamine), 디이소프로필아민(diisopropylamine) 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. One aspect of the reduction process may be performed using a reducing agent. The reducing agent may be a mixture of an alkali metal and an amine or ammonia, but is not limited thereto. At this time, the alkali metal may be any one or more selected from lithium, sodium, and potassium, and the amine may be ethylenediamine, methylamine, diisopropylamine, or the like, but is limited thereto. It is not.
상기 환원공정으로 수득된 수득물은 염산 등을 이용하여 중화시키고, 이를 에탄올을 이용하여 세척, 여과 및 건조할 수 있다. The product obtained by the reduction process may be neutralized using hydrochloric acid or the like, and washed, filtered and dried using ethanol.
V2AlC로부터 Al이 선택적으로 제거되어 수득된 바나듐 탄화물인 V2C 멕신은 이차원 층상 구조의 단일 결정층이 복수개로 적층된 것일 수 있으며, 층간 결합은 반데르발스 힘으로 결합된 것일 수 있다. From V 2 AlC Al it is selectively removed by the vanadium carbide of V 2 C MEC worn obtained may be a single crystal layer of the two-dimensional layered structure stacked with a plurality of interlayer bonding can be bonded to the van der Waals forces.
상기 V2C 멕신은 입자 크기가 크게 제한되는 것은 아니지만, 0.1㎛ 내지 100㎛, 구체적으로 0.2㎛ 내지 50㎛, 보다 구체적으로 0.5㎛ 내지 20㎛인 것일 수 있다. 상기 범위 내에서 목적 달성에 유리한 효과를 가지나, 이는 비한정적인 일예일 뿐, 상기 수치범위에 제한받지 않는다. The particle size of the V 2 C mexin is not limited, but may be 0.1 μm to 100 μm, specifically 0.2 μm to 50 μm, and more specifically 0.5 μm to 20 μm. It has an advantageous effect in achieving the objective within the above range, but this is only a non-limiting example and is not limited to the above numerical range.
다음으로, 상기 V2C 멕신과 트리페닐포스핀(triphenylphosphine)의 고체상 혼합물을 제조하는 단계를 실시한다. Next, a step of preparing a solid mixture of the V 2 C mexine and triphenylphosphine is performed.
상기 고체상 혼합물을 제조하는 단계는 V2C 멕신에 인을 도핑하기 위하여 인화 반응을 유도할 수 있는 트리페닐포스핀과 혼합하여 고체상 혼합물을 제조하는 단계이다. The step of preparing the solid mixture is a step of preparing a solid mixture by mixing with triphenylphosphine capable of inducing a phosphorylation reaction in order to dope phosphorus into V 2 C mexine.
상기 트리페닐포스핀은 높은 온도에서 인화수소(PH3)로 분해되는데, 이는 일정 반응온도에서 인화반응을 유도하여 V2C 멕신에 인을 도핑하는데 유리한 효과를 가진다. V2C 멕신 표면에 바나듐과 인의 결합으로 형성된 바나듐 탄화물은 이차원의 층상구조를 유지한 채 인이 도핑되어 전기화학적 촉매로서 높은 효율, 우수한 전기적 특성 구현은 물론 내구성 및 장기성능 안정성을 확보할 수 있는 면에서 더욱 효과적이다. The triphenylphosphine is decomposed into hydrogen phosphide (PH 3 ) at a high temperature, which induces a phosphorylation reaction at a certain reaction temperature, thereby having an advantageous effect in doping V 2 C mexin with phosphorus. V 2 C Mexine vanadium carbide formed by the combination of vanadium and phosphorus on the surface of mexine is doped with phosphorus while maintaining a two-dimensional layered structure, so it is an electrochemical catalyst that can secure high efficiency, excellent electrical properties, as well as durability and long-term performance stability. It is more effective in terms of.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 트리페닐포스핀은 본 발명의 목적을 저해하지 않는 범위 내에서 그 함량이 크게 제한되는 것은 아니지만, 고체상 혼합물 내 V2C 멕신 100중량부에 대하여 1 내지 100중량부, 구체적으로 5 내지 90중량부, 보다 구체적으로 10 내지 80중량부 포함될 수 있다. 상기 범위에서 효율적인 인화 유도반응이 이루어지며, 인 도핑 효율을 높일 수 있는 점에서 효과적이다. According to one aspect of the present invention, the content of triphenylphosphine is not significantly limited within a range that does not impair the object of the present invention, but 1 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of V 2 C mexin in the solid mixture Parts, specifically 5 to 90 parts by weight, more specifically 10 to 80 parts by weight may be included. It is effective in that the phosphorus induction reaction is performed efficiently in the above range, and phosphorus doping efficiency can be increased.
다음으로, 상기 제조된 고체상 혼합물을 열처리하는 단계를 실시한다. Next, a step of heat-treating the prepared solid mixture is performed.
상기 열처리 단계는 인 도핑을 위하여 혼합물에 가열 온도 범위를 제어하고, 이를 통해 인화반응을 유도하는 공정으로, 300℃ 내지 800℃, 구체적으로 400℃ 내지 700℃에서 실시될 수 있다. 상기 범위에서 트리페닐포스핀의 분해 및 V2C 멕신에 인을 도핑하는 인화 반응 효율 면에서 효과적이다. The heat treatment step is a process of controlling the heating temperature range of the mixture for phosphorus doping and inducing a phosphorylation reaction through it, and may be performed at 300°C to 800°C, specifically 400°C to 700°C. In the above range, it is effective in terms of decomposition of triphenylphosphine and the efficiency of phosphorus doping V 2 C mexine.
또한, 상기 열처리 공정은 열처리가 실시되는 온도범위까지의 승온 과정이 2℃/분 내지 20℃/분, 구체적으로 5℃/분 내지 15℃/분의 승온 속도 범위 내에서 실시될 수 있다. 상기 범위에서 높은 효율의 인 도핑과 동시에 구조적 안정성을 확보할 수 있는 인이 도핑된 바나듐 탄화물을 수득할 수 있어 효과적이나, 이는 비한정적인 일예일 뿐, 상기 수치범위에 제한받지 않는다. In addition, the heat treatment process may be performed within a temperature increase rate range of 2° C./min to 20° C./min, specifically 5° C./min to 15° C./min. In the above range, phosphorus-doped vanadium carbide capable of securing high-efficiency phosphorus doping and structural stability at the same time can be obtained, which is effective, but this is only a non-limiting example and is not limited to the numerical range.
상기 열처리 단계 이후, 열처리가 완료된 생성물을 산 처리하는 단계를 실시한다. After the heat treatment step, a step of acid treatment is performed on the heat treated product.
산 처리 단계는 열처리 공정에서 수득된 생성물 내에 함유되어 있는 미반응 물질 혹은 이물질을 제거하는 공정이다. The acid treatment step is a step of removing unreacted substances or foreign substances contained in the product obtained in the heat treatment step.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 산 처리를 위해 사용되는 산 처리 물질로는 트리페닐포스핀을 포함한 미반응 물질 혹은 이물질을 제거하는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로, 염산, 황산, 질산, 인산 및 염화설폰산 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 들 수 있다. 보다 구체적으로, 염산을 사용할 수 있으며, 이때, 염산은 농도가 1 내지 10중량%인 것을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. According to an aspect of the present invention, the acid treatment material used for the acid treatment may be used without limitation as long as it removes unreacted substances or foreign substances including triphenylphosphine. Specifically, any one or more selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, and chlorinated sulfonic acid may be mentioned. More specifically, hydrochloric acid may be used, and in this case, hydrochloric acid having a concentration of 1 to 10% by weight may be used, but is not limited thereto.
이후, 용매를 이용하여 여과, 세척 및 건조를 실시함으로써 최종 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물을 수득할 수 있다. Thereafter, filtration, washing and drying are performed using a solvent to obtain a vanadium carbide having a final phosphorus-doped two-dimensional structure.
상기 용매로는 에탄올을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 건조는 진공 오븐을 이용하여 진공 하에서 실시될 수 있다. Ethanol may be used as the solvent, but is not limited thereto. Further, drying may be carried out under vacuum using a vacuum oven.
본 발명의 다른 양태는 상술한 제조방법으로 제조되는 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물을 포함하는 촉매전극을 제공하는 것이다. Another aspect of the present invention is to provide a catalytic electrode including vanadium carbide having a two-dimensional structure doped with phosphorus prepared by the above-described manufacturing method.
본 발명의 일 양태에 따른 촉매전극은 전류밀도 10 mA/㎠ 기준으로 과전압이 50 mV 내지 300 mV인 것일 수 있다. 또한, 전력소비가 3 W 이하, 구체적으로 0.5W 내지 3W인 것일 수 있다. 이는 전력소비가 낮음에도 불구하고 낮은 전압에서도 우수한 촉매효율을 구현하고, 수소생성 효율을 극대화할 수 있는 효과를 가진다.The catalyst electrode according to an aspect of the present invention may have an overvoltage of 50 mV to 300 mV based on a current density of 10 mA/
본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 촉매전극은 상기의 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물 및 유기용매를 포함한 전극층 형성용 조성물을 이용하여 공지의 방법으로 제조될 수 있다. 일 구체예로, 인이 도핑된 바나듐 탄화물을 나피온 (Nafion)이 분산된 에탄올에 첨가 후, 초음파 분산기를 사용하여 분산시킨 다음, 분산된 바나듐 탄화물 및 나피온의 혼합액을 흑연 전극 위에 코팅한 후 건조하여 제조될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. According to an aspect of the present invention, the catalytic electrode may be manufactured by a known method using a composition for forming an electrode layer including phosphorus-doped two-dimensional vanadium carbide and an organic solvent. In one embodiment, after adding phosphorus-doped vanadium carbide to Nafion-dispersed ethanol, dispersing it using an ultrasonic disperser, and coating a mixture of the dispersed vanadium carbide and Nafion on the graphite electrode, It may be manufactured by drying, but is not necessarily limited thereto.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 촉매전극 내 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물은 총 인의 함량이 3 내지 15 at.%, 구체적으로 4 내지 12 at.%인 것일 수 있다. 상기 범위에서 촉매전극의 효율을 극대화할 수 있으면서도 내구성 및 안정성을 확보할 수 있는 특성을 가지는 점에서 더욱 선호되지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. According to an aspect of the present invention, the vanadium carbide of a two-dimensional structure doped with phosphorus in the catalyst electrode may have a total phosphorus content of 3 to 15 at.%, specifically 4 to 12 at.%. In the above range, although it is more preferred because it has characteristics that can maximize the efficiency of the catalyst electrode and secure durability and stability, it is not necessarily limited thereto.
또한, 상기 바나듐 탄화물은 XRD 분석에 따른 0002 peak(c-lattice parameter; c-LP)가 18Å 내지 22Å, 구체적으로 19Å 내지 21Å, 보다 구체적으로 20Å 내지 21Å인 것일 수 있다.In addition, the vanadium carbide may have a 0002 peak ( c- lattice parameter; c-LP) according to XRD analysis of 18Å to 22Å, specifically 19Å to 21Å, and more specifically 20Å to 21Å.
상기의 촉매전극은 수소 생성을 위한 전극용도로 사용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. The catalytic electrode may be used as an electrode for generating hydrogen, but is not limited thereto.
본 발명의 다른 양태로, 상기의 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물을 포함하는 전극 소재를 제공한다. 이는 전기화학적 에너지 장치 등 다양한 소재로의 활용도가 높으며, 구체적으로 연료전지 또는 이차전지 등에 이용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. In another aspect of the present invention, an electrode material including vanadium carbide having a two-dimensional structure doped with phosphorus is provided. This is highly utilized for various materials such as electrochemical energy devices, and may be specifically used for fuel cells or secondary cells, but is not limited thereto.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물의 제조방법, 이로부터 제조되는 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물 및 이를 포함하는 촉매전극에 대하여 보다 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, a method for producing a phosphorus-doped two-dimensional vanadium carbide according to the present invention, a phosphorus-doped two-dimensional vanadium carbide produced therefrom, and a catalyst electrode including the same will be described in more detail through the following examples. However, the following examples are only one reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.
(실시예 1)(Example 1)
바나듐 금속분말(V, ALFA ASEAR사) 2g, 알루미늄 금속분말(Al, ALFA ASEAR사) 1.1g 및 흑연(Graphite, 325 mesh, BAY CARBON사) 1g을 볼밀링을 이용하여 24시간 동안 혼합하였다. 상기 혼합물을 알루미나 보트에 담고 아르곤(Ar) 기체 분위기 하에서 1600℃까지 10℃/분 조건으로 승온한 후, 1600℃에서 5시간 동안 소결한 다음 볼밀링으로 분말화하였다. 상기 합성한 MAX 상(phase) V2AlC 2g에 50중량% HF 100ml를 넣고 상온에서 72시간 동안 교반한 후, 수득물을 증류수에 넣어 원심분리 및 여과처리한 후 건조하였다. 이후, 건조물 1g을 리튬(Li) 금속 0.1g과 에틸렌디아민 10ml과 혼합한 후, 80℃ 질소분위기 하에서 반응시키고 얻은 수득물을 5wt% HCl 500mL로 중화하였다. 다음으로, 결과물을 에탄올을 이용하여 세척 및 여과한 다음, 100℃의 진공오븐에서 48시간 동안 건조하여 V2C 멕신을 얻었다(도 1).2 g of vanadium metal powder (V, ALFA ASEAR), 1.1 g of aluminum metal powder (Al, ALFA ASEAR), and 1 g of graphite (Graphite, 325 mesh, BAY CARBON) were mixed for 24 hours using a ball mill. The mixture was put in an alumina boat, heated to 1600° C. at 10° C./min under an argon (Ar) gas atmosphere, sintered at 1600° C. for 5 hours, and then powdered by ball milling. 100 ml of 50 wt% HF was added to 2 g of the synthesized MAX phase V 2 AlC and stirred at room temperature for 72 hours, and then the obtained product was put in distilled water, centrifuged, filtered, and dried. Thereafter, 1 g of the dried product was mixed with 0.1 g of lithium (Li) metal and 10 ml of ethylenediamine, followed by reaction under a nitrogen atmosphere at 80° C., and the obtained product was neutralized with 500 ml of 5 wt% HCl. Next, the resulting product was washed and filtered using ethanol, and then dried in a vacuum oven at 100° C. for 48 hours to obtain V 2 C mexine (FIG. 1).
수득된 V2C 멕신 200mg을 트리페닐포스핀 200mg과 질소분위기에서 직접 혼합하여 고체상 혼합물을 제조하고, 이를 500℃까지 1시간에 걸쳐 승온속도 8℃/min으로 승온하여 500℃에서 1시간 동안 반응시켰다. 200 mg of the obtained V 2 C mexin was directly mixed with 200 mg of triphenylphosphine in a nitrogen atmosphere to prepare a solid mixture, which was heated to 500° C. over 1 hour at a heating rate of 8° C./min and reacted at 500° C. for 1 hour Made it.
반응이 끝난 고체상 분말을 에탄올을 이용하여 여과한 다음 1wt%의 염산(HCl)으로 처리하고, 에탄올을 이용하여 세척 및 80℃에서 진공 건조하여 인이 도핑된 바나듐 탄화물을 제조하였다. 상기 제조된 인이 도핑된 바나듐 탄화물은 광전자 분광기 분석법(XPS)에 의해 측정된 인 도핑 함량은 3.83 at.% 이였다. After the reaction was completed, the solid powder was filtered using ethanol, treated with 1wt% hydrochloric acid (HCl), washed with ethanol, and dried under vacuum at 80°C to prepare phosphorus-doped vanadium carbide. The prepared phosphorus-doped vanadium carbide had a phosphorus doping content of 3.83 at.% as measured by photoelectron spectroscopy (XPS).
상기 제조된 인이 도핑된 바나듐 탄화물의 결정성을 확인하기 위하여, X선 회절패턴을 사용하는 RIGAKU사의 smart lab을 사용하여 XRD(X-Ray Diffractometer) 분석을 실시하였다. 분석 조건은 40 kV와 200 mA에서 구동하되, 각은 3 내지 50° 범위에서 2°/분의 속도로 0.02°씩 측정을 진행하였으며, PDXL 프로그램으로 데이터를 추출하였다. 그 결과, c-lattice parameter (c-LP) 가 20.88 Å을 나타내었다. 이는 8.48°에 회절 피크에 해당하는 것으로, 인 도핑에 따른 바나듐 탄화물(V2C)은 2차원 층상 구조를 유지한 채 층간 거리가 넓어진 것을 확인할 수 있었다.In order to confirm the crystallinity of the prepared phosphorus-doped vanadium carbide, an XRD (X-Ray Diffractometer) analysis was performed using a smart lab of RIGAKU using an X-ray diffraction pattern. Analysis conditions were driven at 40 kV and 200 mA, each of which was measured by 0.02° at a rate of 2°/min in the range of 3 to 50°, and data was extracted with the PDXL program. As a result, the c -lattice parameter ( c -LP) was 20.88 Å. This corresponds to the diffraction peak at 8.48°, and it was confirmed that the vanadium carbide (V 2 C) due to phosphorus doping had a wider interlayer distance while maintaining a two-dimensional layered structure.
또한, 도 2에서 보듯이 판상 구조들이 겹겹이 쌓여 있는 구조가 확인되는 바, 인이 도핑된 후에도 이차원 구조의 층상 구조를 유지함을 확인할 수 있었다. In addition, as shown in FIG. 2, a structure in which plate-like structures are stacked in layers was confirmed, and it was confirmed that the layered structure of the two-dimensional structure was maintained even after phosphorus was doped.
(실시예 2)(Example 2)
실시예 1에서, 수득된 V2C 멕신과 트리페닐포스핀의 고체상 혼합물의 열처리 온도 및 승온속도를 각각 400℃ 및 6℃/min로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 인이 도핑된 바나듐 탄화물을 제조하였다. 상기 제조된 인이 도핑된 바나듐 탄화물은 광전자 분광기 분석법(XPS)에 의해 측정된 인 도핑 함량은 4.05 at.% 이였다. In Example 1, it was carried out in the same manner as in Example 1, except that the heat treatment temperature and the heating rate of the obtained solid mixture of V 2 C mexine and triphenylphosphine were changed to 400°C and 6°C/min, respectively. Phosphorus-doped vanadium carbide was prepared. The prepared phosphorus-doped vanadium carbide had a phosphorus doping content of 4.05 at.% as measured by photoelectron spectroscopy (XPS).
(비교예 1)(Comparative Example 1)
실시예 1에서 합성한 MAX 상(phase) V2AlC 2g에 50중량% HF 100ml를 넣고 상온에서 72시간 동안 교반한 후, 수득물을 증류수에 넣어 원심분리 및 여과처리한 후 건조하였다. 이후, 건조물 1g을 리튬(Li) 금속 0.1g과 에틸렌디아민 10ml과 혼합한 후, 80℃ 질소분위기 하에서 반응시키고 얻은 수득물을 5wt% HCl 500mL로 중화하였다. 다음으로, 결과물을 에탄올을 이용하여 세척 및 여과한 다음, 100℃의 진공오븐에서 48시간 동안 건조하여 V2C 멕신을 얻었다. 수득된 V2C멕신을 별도로 처리하지 않고 그대로 사용하였다. 100 ml of 50 wt% HF was added to 2 g of MAX phase V 2 AlC synthesized in Example 1 and stirred at room temperature for 72 hours, and the obtained product was put in distilled water, centrifuged, filtered, and dried. Thereafter, 1 g of the dried product was mixed with 0.1 g of lithium (Li) metal and 10 ml of ethylenediamine, followed by reaction under a nitrogen atmosphere at 80° C., and the obtained product was neutralized with 500 ml of 5 wt% HCl. Next, the resultant was washed and filtered using ethanol, and then dried in a vacuum oven at 100° C. for 48 hours to obtain V 2 C mexine. The obtained V 2 C mexine was used as it was without any separate treatment.
(평가)(evaluation)
(1) 전극 특성(1) electrode characteristics
물 전기분해을 통해 수소생성 촉매전극의 효율을 시험하였다. 이를 위하여 CHI 660c 전기화학분석 장치를 사용하였으며, 전극 부착 장치로는 회전형 디스크 전극 장치를 사용하여 1600 rpm 조건에서 분석을 진행하였다. 워킹 전극(working electrode)으로는 실시예 및 비교예에서 제조한 바나듐 탄화물을 5중량% 나피온이 포함된 에탄올(1mL)에 넣어 전극슬러리를 제조한 다음, 상기 전극슬러리를 글래시 카본 위에 코팅하여 촉매층(두께 10㎛)을 형성한 것을 사용하였다. 기준 전극(reference electrode)으로는 Ag/AgCl in 3M KCl을 사용하였다. 상대 전극(counter electrode)으로는 흑연 플레이트를 사용하였다. 또한, 수소생성 촉매 특성 분석의 경우 0.5 M H2SO4를 전해질로 사용하였다. 분석은 순환전류법을 20회 이상 실시하여 전극 활성화 후에 실시하였다.The efficiency of the hydrogen generation catalyst electrode was tested through water electrolysis. To this end, a CHI 660c electrochemical analysis device was used, and as an electrode attachment device, a rotating disk electrode device was used to perform the analysis at 1600 rpm. As a working electrode, vanadium carbide prepared in Examples and Comparative Examples was added to ethanol (1 mL) containing 5% by weight of Nafion to prepare an electrode slurry, and then the electrode slurry was coated on glass carbon. What formed the catalyst layer (
(2) 촉매전극의 특성 분석(2) Characterization of catalyst electrode
상기 제조된 수소생성 촉매전극을 이용하여, 0.5 M 농도 황산 수용액에서 물 전기분해를 선형주사전위법(LSV:Linear Scan Voltammetry)을 이용하여 전극 특성을 분석하였다. 그 결과, 수소생성 촉매전극의 전압에 따른 전류밀도가 10 mA·㎠ 조건에서의 과전압을 하기 표 1에 나타내었다. 하기 표 1에서 보듯이, 실시예들은 비교예들에 비하여 과전압이 낮게 나타나 낮은 전압에서도 우수한 촉매효율을 통해 수소생성 효율을 현저히 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. Using the above prepared hydrogen generation catalyst electrode, the electrode characteristics were analyzed using a linear scan voltammetry (LSV) for water electrolysis in a 0.5 M aqueous sulfuric acid solution. As a result, the overvoltage under the condition that the current density according to the voltage of the hydrogen generation catalyst electrode is 10 mA·
도 3은 수소 생성 반응에 따른 Tafel slope를 나타낸 것으로, 실시예들은 비교예에 비하여 수소 생산에 낮은 전압이 요구되는 것을 알 수 있었다. 실시예 1의 경우는 수소생산량에 도달하는데 필요한 전압이 74mV/dec이였으며, 실시예 2의 경우는 85mV/dec인 것으로, 비교예 1의 경우 187mV/dec인 것과 비교하여 최대 60.4% 낮출 수 있었다. 이는 낮은 전력소비를 가지고 효율을 극대화할 수 있음을 보여주는 것이다.3 shows the Tafel slope according to the hydrogen generation reaction, and it was found that the examples require a lower voltage for hydrogen production compared to the comparative example. In the case of Example 1, the voltage required to reach the hydrogen production was 74 mV/dec, and in the case of Example 2, it was 85 mV/dec, and in the case of Comparative Example 1, it could be reduced by up to 60.4% compared to 187 mV/dec. . This shows that efficiency can be maximized with low power consumption.
또한, 도 4는 수소 발생 반응에 따른 실시예 1에 따른 촉매전극의 내구성 시험을 실시한 것으로, 1400 사이클 후에도 성능에 변함이 없음을 확인할 수 있었다.In addition, Figure 4 is a durability test of the catalyst electrode according to Example 1 according to the hydrogen generation reaction, it was confirmed that the performance did not change even after 1400 cycles.
상기에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 일 양태에 따른 수소생성 촉매전극은 수소 생성 면에서 탁월한 효율을 나타내었으며, 내구성 또한 우수한 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 인 도핑 효율이 2 내지 15 at.% 정도로 70 mF/cm2 이상의 정전용량 확보가 가능하여 에너지 저장 전극을 포함한 다양한 분야에 응용할 수 있는 효과를 가진다. As can be seen from the above, it was confirmed that the hydrogen generation catalyst electrode according to an aspect of the present invention exhibited excellent efficiency in terms of hydrogen generation, and also exhibited excellent durability characteristics. In addition, since the phosphorus doping efficiency is about 2 to 15 at.%, it is possible to secure a capacitance of 70 mF/cm 2 or more, so that it can be applied to various fields including energy storage electrodes.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있으며, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.Although a preferred embodiment of the present invention has been described above, it is clear that the present invention can use various changes, modifications, and equivalents, and that the above embodiment can be appropriately modified and applied in the same manner. Therefore, the above description does not limit the scope of the present invention determined by the limits of the following claims.
Claims (10)
상기 V2C 멕신 및 트리페닐포스핀의 혼합물을 열처리하는 단계 및
상기 열처리된 생성물을 산처리하는 단계
를 포함하는 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물의 제조방법. V 2 C mexin production step from V 2 AlC,
Heat-treating the mixture of the V 2 C mexine and triphenylphosphine, and
Acid treatment of the heat-treated product
Phosphorus-doped two-dimensional vanadium carbide manufacturing method comprising a.
상기 열처리하는 단계는 300℃ 내지 800℃에서 실시되는 것인 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물의 제조방법. The method of claim 1,
The heat treatment step is carried out at 300 ℃ to 800 ℃ method for producing a two-dimensional vanadium carbide doped with phosphorus.
상기 열처리하는 단계는 열처리 온도범위까지 2℃/분 내지 20℃/분의 승온속도로 승온하는 것을 포함하는 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물의 제조방법. The method of claim 1,
The step of heat-treating comprises raising the temperature at a heating rate of 2° C./min to 20° C./min up to a heat treatment temperature range, and a method for producing phosphorus-doped vanadium carbide having a two-dimensional structure.
상기 혼합물은 V2C 멕신 100중량부에 대하여 트리페닐포스핀을 1 내지 100중량부 포함하는 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물의 제조방법. The method of claim 1,
The mixture comprises 1 to 100 parts by weight of triphenylphosphine based on 100 parts by weight of V 2 C mexine. A method for producing a two-dimensional vanadium carbide doped with phosphorus.
상기 V2C 멕신 제조단계는 불소 원자를 함유하는 강산으로 Al을 제거한 다음 환원제를 이용하여 환원시키는 것을 포함하는 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물의 제조방법. The method of claim 1,
The V 2 C mexine production step is a method for producing phosphorus-doped two-dimensional vanadium carbide comprising removing Al with a strong acid containing a fluorine atom and then reducing it using a reducing agent.
상기 환원제는 알칼리금속과 아민 또는 암모니아를 포함하는 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물의 제조방법. The method of claim 5,
The reducing agent is a method of producing a two-dimensional vanadium carbide doped with phosphorus containing an alkali metal and an amine or ammonia.
상기 산처리 단계는 염산, 황산, 질산, 인산 및 염화설폰산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 이용하여 실시되는 것인 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물의 제조방법. The method of claim 1,
The acid treatment step is carried out using at least one selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid and chlorinated sulfonic acid. The method for producing phosphorus-doped two-dimensional vanadium carbide.
상기 인이 도핑된 이차원 구조의 바나듐 탄화물은 XRD 분석에 따른 0002 peak(c-LP)가 18 Å 내지 22 Å인 촉매전극. The method of claim 8,
The phosphorus-doped two-dimensional vanadium carbide has a 0002 peak (c-LP) according to XRD analysis of 18 Å to 22 Å.
상기 촉매전극은 수소생성 전극용인 촉매전극.The method of claim 8,
The catalyst electrode is a catalyst electrode for a hydrogen generating electrode.
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