KR102287366B1 - Pt-based core-shell nanoparticle, method of preparing the same and catalyst comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 백금계 코어-쉘 나노 입자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 촉매에 관한 것이다. 구체적으로, 수소 발생 반응 촉매활성이 우수한 백금계 코어-쉘 나노 입자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to platinum-based core-shell nanoparticles, a method for preparing the same, and a catalyst comprising the same. Specifically, it relates to platinum-based core-shell nanoparticles having excellent hydrogen evolution catalytic activity, a method for preparing the same, and a catalyst including the same.
전기 화학 장치에서의 에너지 운반체 및 연료로서의 이용으로 인해 수소 (H2) 가스가 많은 관심을 끌었기 때문에, 산성 및 알칼리성 전해조에서 수소 발생 반응 (HER)을 통한 생산은 실용적으로 집중적으로 연구되어 왔다. 알칼리성 전해조는 장기적인 안정성, 비용 절감 및 대규모 수소 생산 시스템으로 인해 전세계 수소 스테이션에 주로 설치되었지만 알칼리성 HER의 느린 동역학 및 높은 전력 소비가 장애물로 떠오르고 있다. 따라서, 금속 촉매에 대한 H 흡착 강도를 최적화하기 위해 HER 메커니즘(볼머-헤이로브스키-타펠, Volmer-Heyrovsky-Tafel)을 기반으로 하는 전기 촉매의 합리적인 설계가 제안되었으나, 이를 만족하는 촉매가 없어 이러한 촉매의 개발이 필요한 실정이다. Because hydrogen (H 2 ) gas has attracted much attention due to its use as an energy carrier and fuel in electrochemical devices, its production via hydrogen evolution reaction (HER) in acidic and alkaline electrolysers has been intensively studied practically. Alkaline electrolyzers have been mainly installed in hydrogen stations around the world due to their long-term stability, cost savings and large-scale hydrogen production systems, but the slow kinetics and high power consumption of alkaline HERs are emerging as obstacles. Therefore, a rational design of an electrocatalyst based on a HER mechanism (Volmer-Heyrovsky-Tafel) has been proposed to optimize the H adsorption strength for a metal catalyst, but there is no catalyst that satisfies this. There is a need to develop a catalyst.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수소 발생 반응 촉매활성이 우수한 백금계 코어-쉘 나노 입자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 촉매를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide platinum-based core-shell nanoparticles having excellent hydrogen evolution catalytic activity, a method for preparing the same, and a catalyst including the same.
본 발명의 일 측면에 따르면, 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자; 및 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 상에 위치하는 백금층을 포함하고, 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자의 모서리(edge)의 평균 길이가 5 내지 10 nm 인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자가 제공된다. According to one aspect of the present invention, octahedral palladium-containing nanoparticles; and a platinum layer positioned on the octahedral palladium-containing nanoparticles, wherein the average length of the edges of the octahedral palladium-containing nanoparticles is 5 to 10 nm. Octahedral platinum-based core-shell nanoparticles are provided do.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액을 제조하는 단계; 및 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액과 백금 전구체를 포함하는 분산액을 혼합한 다음 가열하는 단계; 를 포함하고, 상기 가열하는 단계는 일산화탄소 기체를 1 내지 10 cm3/분의 유량으로 주입하면서 승온 가열하는 단계;를 포함하는 것인 상기 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, preparing an octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion; and mixing the octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion with the dispersion containing the platinum precursor and then heating; Including, wherein the heating includes the step of heating the temperature elevated while injecting carbon monoxide gas at a flow rate of 1 to 10 cm 3 / min; .
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 탄소계 담지체; 및 상기 탄소계 담지체에 담지된 상기 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자를 포함하는 촉매가 제공된다.According to another aspect of the present invention, a carbon-based carrier; and the octahedral platinum-based core-shell nanoparticles supported on the carbon-based support.
본 발명의 일 구현예에 따른 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자는 크기가 작아 표면적이 넓고, 촉매 활성이 우수하며 장시간 활성이 안정적일 수 있다. The octahedral platinum-based core-shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention may have a large surface area due to a small size, excellent catalytic activity, and stable activity for a long time.
본 발명의 다른 측면에 따른 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법은 크기가 매우 작은 나노 입자 상에 백금층을 형성하여 코어-쉘 구조를 형성함으로써, 상기 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자를 제공할 수 있다. In a method for manufacturing an octahedral platinum-based core-shell nanoparticle according to another aspect of the present invention, a platinum layer is formed on the nanoparticles having a very small size to form a core-shell structure, whereby the octahedral platinum-based core-shell nanoparticle is formed. particles can be provided.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 촉매는 수소 발생 반응의 활성이 우수하고, 전기화학적 특성이 우수한 효과가 있다. The catalyst according to another aspect of the present invention has an excellent effect in the activity of the hydrogen evolution reaction and excellent electrochemical properties.
도 1i 내지 도 1j는 제조예 1, 제조예 2, 실시예 1 내지 6, 비교예 1, 비교예 2에서 제조한 나노 입자의 TEM 이미지 및, HRTEM 이미지 또는 HAADF-STEM 이미지이다.
도 2a 및 도 2b는 실시예 3 및 실시예 6에서 제조한 나노 입자의 EDS 원소 맵핑 데이터 이미지이다.
도 3a 내지 도 3d는 제조예 1, 제조예 2, 실시예 3 및 실시예 6에서 제조한 나노 입자의 크기 분포 그래프이다.
도 4는 제조예 1, 제조예 2, 실시예 3 및 실시예 6에서 제조한 나노 입자의 XRD 패턴이다.
도 5는 실시예 3 및 실시예 6에서 제조한 나노 입자의 XAS 데이터이다.
도 6a 내지 도 6c는 실시예 1-1 내지 6-1 및 비교예 2-1에서 제조한 촉매의 TEM 이미지이다.
도 7은 실시예 1-2 내지 6-2 및 비교예 2-2의 셀의 CV 볼타모그램이다.
도 8은 실시예 1-2 내지 6-2 및 비교예 2-2의 셀로 수행한 CO 탈거 프로파일 및 ECSA이다.
도 9는 실시예 1-2 내지 6-2 및 비교예 2-2의 셀로 수행한 HER 분극 곡선이다.
도 10a 및 도 10b는 실시예 1-2 내지 6-2 및 비교예 2-2의 셀에 대하여, 각각 아르곤 포화 전해질에서의 타펠 플롯, 수소 포화 전해질에서의 타펠 플롯이고, 도 10 c는 상기 타펠 플롯으로부터 계산된 j0 값을 나타낸 표이다. 1i to 1j are TEM images and HRTEM images or HAADF-STEM images of nanoparticles prepared in Preparation Example 1, Preparation Example 2, Examples 1 to 6, Comparative Example 1, and Comparative Example 2;
2A and 2B are EDS element mapping data images of nanoparticles prepared in Examples 3 and 6;
3a to 3d are graphs of the size distribution of nanoparticles prepared in Preparation Example 1, Preparation Example 2, Example 3, and Example 6.
4 is an XRD pattern of nanoparticles prepared in Preparation Example 1, Preparation Example 2, Example 3, and Example 6.
5 is XAS data of nanoparticles prepared in Examples 3 and 6.
6A to 6C are TEM images of catalysts prepared in Examples 1-1 to 6-1 and Comparative Example 2-1.
7 is a CV voltammogram of the cells of Examples 1-2 to 6-2 and Comparative Example 2-2.
8 is a CO stripping profile and ECSA performed with the cells of Examples 1-2 to 6-2 and Comparative Example 2-2.
9 is a HER polarization curve performed with the cells of Examples 1-2 to 6-2 and Comparative Example 2-2.
10A and 10B are Tafel plots in an argon-saturated electrolyte and a Tafel plot in a hydrogen-saturated electrolyte, respectively, for the cells of Examples 1-2 to 6-2 and Comparative Example 2-2, and FIG. 10C is the Tafel plot. Table showing j 0 values calculated from the plot.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자; 및 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 상에 위치하는 백금층을 포함하고, 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자의 모서리(edge)의 평균 길이가 5 내지 10 nm 인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자가 제공된다. According to an embodiment of the present invention, octahedral palladium-containing nanoparticles; and a platinum layer positioned on the octahedral palladium-containing nanoparticles, wherein the average length of the edges of the octahedral palladium-containing nanoparticles is 5 to 10 nm. Octahedral platinum-based core-shell nanoparticles are provided do.
본 발명의 일 구현예에 따른 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자는 모서리(edge)의 평균 길이가 5 내지 10 nm 또는 7 내지 8 nm 로 매우 작은 크기를 가짐에 따라 비표면적이 넓고, 수소 발생 반응의 촉매로서 우수한 활성을 가질 수 있다. 즉, 같은 비표면적을 갖는 입자를 제조하기 위하여 필요한 백금 및 팔라듐의 양을 저감할 수 있어 경제적일 수 있다. The octahedral platinum-based core-shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention have a very small size with an average length of an edge of 5 to 10 nm or 7 to 8 nm, and thus have a large specific surface area and generate hydrogen It can have excellent activity as a catalyst for the reaction. That is, it is possible to reduce the amount of platinum and palladium required to prepare particles having the same specific surface area, which can be economical.
상기 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 코어에 해당하는 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자는 팔면체의 형태를 가짐으로써 표면 에너지가 낮아, 촉매 반응 중에도 형태가 크게 변하지 않으며 안정적일 수 있다. The octahedral palladium-containing nanoparticles corresponding to the core of the octahedral platinum-based core-shell nanoparticles have an octahedral shape, and thus have a low surface energy, so that the shape does not change significantly during the catalytic reaction and may be stable.
상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자는 팔라듐 또는 수소화팔라듐을 포함할 수 있고, 바람직하게는 팔라듐을 포함할 수 있다. 팔라듐 또는 수소화팔라듐은 백금과 면간거리가 매우 유사해서 결정성 역시 유사하여 백금 쉘 내부에 백금 지지체로서 적합할 수 있다. The octahedral palladium-containing nanoparticles may include palladium or palladium hydride, preferably palladium. Palladium or palladium hydride has a very similar interplanar distance to platinum, so its crystallinity is also similar, making it suitable as a platinum support inside a platinum shell.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 백금층은 1층 내지 5층의 백금 원자층을 포함할 수 있다. 상기 백금층은 백금 원자층 수가 많을수록 전기적 특성이 우수할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the platinum layer may include one to five platinum atomic layers. The platinum layer may have excellent electrical properties as the number of platinum atomic layers increases.
상기 백금층의 두께는 0.2 내지 1 nm 일 수 있다. 구체적으로, 1층의 백금 원자층을 포함하는 경우 백금층의 두께는 약 0.2 내지 0.3 nm일 수 있고, 2층 또는 3층의 백금 원자층을 포함하는 경우 백금층의 두께는 약 0.55 내지 0.65 nm일 수 있으며, 4층 또는 5층의 백금 원자층을 포함하는 경우 백금층의 두께는 0.9 내지 1nm 일 수 있다. 백금층이 상기 범위 내의 두께를 갖는 경우, 제조 원가가 낮을 수 있고, 촉매 활성이 우수할 수 있다. The thickness of the platinum layer may be 0.2 to 1 nm. Specifically, when including one layer of platinum atomic layers, the thickness of the platinum layer may be about 0.2 to 0.3 nm, and when including two or three layers of platinum atomic layers, the thickness of the platinum layer is about 0.55 to 0.65 nm may be, and when including 4 or 5 platinum atomic layers, the thickness of the platinum layer may be 0.9 to 1 nm. When the platinum layer has a thickness within the above range, the manufacturing cost may be low and the catalytic activity may be excellent.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액을 제조하는 단계; 및 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액과 백금 전구체를 포함하는 분산액을 혼합한 다음 가열하는 단계; 를 포함하고, 상기 가열하는 단계는 일산화탄소 기체를 1 내지 10 cm3/분의 유량으로 주입하면서 승온 가열하는 단계;를 포함하는 것인 상기 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법이 제공된다. According to another embodiment of the present invention, preparing an octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion; and mixing the octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion with the dispersion containing the platinum precursor and then heating; Including, wherein the heating includes the step of heating the temperature elevated while injecting carbon monoxide gas at a flow rate of 1 to 10 cm 3 / min; .
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액을 제조하는 단계는 팔라듐 전구체 용액 및 제1 환원제를 혼합하고 1차 가열하여 팔면체형 팔라듐 나노 입자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기와 같이 팔라듐 전구체 용액과 환원제를 혼합하고, 팔라듐 양이온을 환원하여 팔면체형 팔라듐 나노 입자를 제조하는 경우, 별도의 팔라듐 시드(seed)를 사용하지 않아 보다 작은 크기의 팔면체형 팔라듐 나노 입자를 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자는 모서리(edge)의 평균 길이가 3 내지 10 nm일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the step of preparing the octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion may include mixing a palladium precursor solution and a first reducing agent and first heating to form octahedral palladium nanoparticles. . As described above, when the palladium precursor solution and the reducing agent are mixed and the palladium cation is reduced to prepare octahedral palladium nanoparticles, a smaller size octahedral palladium nanoparticles can be prepared without using a separate palladium seed. can Specifically, the octahedral palladium-containing nanoparticles may have an average length of an edge of 3 to 10 nm.
상기 팔라듐 전구체 용액 및 제1 환원제를 혼합하는 단계는, 팔라듐 전구체 용액과 제1 환원제 용액을 혼합하는 것일 수 있고, 제1 환원제 용액은 제1 환원제를 포함하고, 용매 및 고분자 물질 중 1종 이상을 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 용매는 특별히 제한되지 않으며, 물과 같은 수계 용매, 에탄올과 같은 유기 용매 등을 사용할 수 있다. 상기 고분자 물질은 제조되는 나노 입자의 크기 조절을 위해 첨가될 수 있으며, 예를 들어 폴리비닐피롤리돈, 세틸트라이에틸 암모늄 브로마이드(CTAB), 세틸트라이에틸 암모늄 클로라이드(CTAC), 폴리비닐카프로락탐(PVCL), 폴리N,N-다이메틸아크릴아마이드(PDMAm), 폴리비닐피롤리돈-폴리비닐아세테이트(PVP-PVAc), 폴리아크릴릭에시드(PAA) 등을 예로 들 수 있다. The step of mixing the palladium precursor solution and the first reducing agent may include mixing the palladium precursor solution and the first reducing agent solution, the first reducing agent solution includes a first reducing agent, and at least one of a solvent and a polymer material It may include more. The solvent is not particularly limited, and an aqueous solvent such as water or an organic solvent such as ethanol may be used. The polymer material may be added to control the size of the nanoparticles to be prepared, for example, polyvinylpyrrolidone, cetyltriethyl ammonium bromide (CTAB), cetyltriethyl ammonium chloride (CTAC), polyvinylcapro Lactam (PVCL), polyN,N-dimethylacrylamide (PDMAm), polyvinylpyrrolidone-polyvinylacetate (PVP-PVAc), polyacrylic acid (PAA), and the like can be exemplified.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 팔라듐 전구체는 소듐 테트라클로로 팔라데이트, 팔라듐 아세틸아세토네이트, 포타슘 테트라클로로 팔라데이트, 팔라듐 클로라이드, 팔라듐 나이트레이트 및 팔라듐 브로마이드 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 제1 환원제는 시트르산, 아스코르브산, 에틸렌 글라이콜, 디에틸렌 글라이콜, 소디움 보로하이드라이드 및 하이드라진 하이드레이트 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 상기 열거한 화합물로 제한되지 않는다. According to one embodiment of the present invention, the palladium precursor may include at least one of sodium tetrachloro palladate, palladium acetylacetonate, potassium tetrachloro palladate, palladium chloride, palladium nitrate and palladium bromide, The first reducing agent may include, but is not limited to, one or more of citric acid, ascorbic acid, ethylene glycol, diethylene glycol, sodium borohydride and hydrazine hydrate.
상기 제1 환원제는 팔라듐 전구체와 1:1 내지 1:20 의 몰비가 되도록 혼합될 수 있다. 상기 범위 내의 비율로 제1 환원제를 첨가하는 경우, 팔라듐 전구체를 원활하게 환원시키면서도 부반응은 발생하지 않을 수 있다. The first reducing agent may be mixed with the palladium precursor in a molar ratio of 1:1 to 1:20. When the first reducing agent is added in a ratio within the above range, a side reaction may not occur while smoothly reducing the palladium precursor.
상기 고분자 물질은 팔라듐 전구체와 1:1 내지 1:10 의 중량비가 되도록 혼합될 수 있다. 상기 범위 내의 비율로 고분자 물질을 첨가하는 경우, 목적하는 크기의 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자를 성공적으로 제조할 수 있다. The polymer material may be mixed with the palladium precursor in a weight ratio of 1:1 to 1:10. When the polymer material is added in a ratio within the above range, octahedral palladium-containing nanoparticles of a desired size can be successfully prepared.
상기 1차 가열은 70 내지 100 ℃의 온도에서 약 2 내지 4 시간동안 수행될 수 있으며, 교반하면서 수행될 수 있다. 상기 온도 및 시간 범위 내로 1차 가열하는 경우 팔면체형 팔라듐 나노 입자가 성공적으로 형성될 수 있다. The primary heating may be performed at a temperature of 70 to 100° C. for about 2 to 4 hours, and may be performed while stirring. In the case of primary heating within the above temperature and time range, octahedral palladium nanoparticles may be successfully formed.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액을 제조하는 단계는 상기 팔면체형 팔라듐 나노 입자를 형성하는 단계 이후에, 상기 팔면체형 팔라듐 나노 입자를 수소화제와 혼합하고, 상기 1차 가열 온도보다 더 높은 온도에서 2차 가열하여 팔면체형 수소화팔라듐 나노 입자를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기와 같은 방법으로 팔면체형 팔라듐 나노 입자를 더 환원시켜 팔면체형 수소화팔라듐 나노 입자로 변환시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, in the step of preparing the octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion, after forming the octahedral palladium nanoparticles, the octahedral palladium nanoparticles are mixed with a hydrogenating agent, and the 1 It may further include the step of forming octahedral palladium hydride nanoparticles by secondary heating at a temperature higher than the primary heating temperature. In the same manner as described above, the octahedral palladium nanoparticles can be further reduced to be converted into octahedral palladium hydride nanoparticles.
상기 팔면체형 팔라듐 나노 입자를 수소화제와 혼합하는 단계는, 팔면체형 팔라듐 나노 입자 분산액과 수소화제 용액을 혼합하는 것일 수 있고, 수소화제 용액은 수소화제를 포함하고, 용매 및 고분자 물질 중 1종 이상을 더 포함하는 것일 수 있다. 용매 및 고분자 물질에 대하여는 상술한 바와 같다. The step of mixing the octahedral palladium nanoparticles with the hydrogenating agent may include mixing the octahedral palladium nanoparticle dispersion and the hydrogenating agent solution, and the hydrogenating agent solution includes a hydrogenating agent, and at least one of a solvent and a polymer material may further include. The solvent and the polymer material are the same as described above.
상기 수소화제는 디메틸포름아미드, 포름알데하이드, 아세트알데하이드, n-뷰틸아민, n-헥실아민, n-옥틸아민 및 n-도데실아민 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 수소화제의 환원력이 제1 환원제보다 더 강할 수 있으며, 이에 따라 수소화제는 팔라듐을 수소화팔라듐으로 전환시킬 수 있다. The hydrogenating agent may include at least one of dimethylformamide, formaldehyde, acetaldehyde, n-butylamine, n-hexylamine, n-octylamine and n-dodecylamine. The reducing power of the hydrogenating agent may be stronger than that of the first reducing agent, and thus the hydrogenating agent may convert palladium to palladium hydride.
상기 2차 가열은 1차 가열보다 높은 온도에서 수행될 수 있고, 구체적으로는 150 내지 200 ℃의 온도에서 약 15 내지 20 시간동안 수행될 수 있다. 팔라듐 양이온을 팔라듐으로 환원시키는 경우보다 팔라듐을 수소화팔라듐으로 환원시키는 것에 보다 많은 에너지가 필요하므로, 더 강한 환원을 위해 수소화제를 사용하고 더 높은 온도로 더 긴 시간동안 2차 가열이 수행될 수 있다. The secondary heating may be performed at a higher temperature than the primary heating, and specifically, may be performed at a temperature of 150 to 200° C. for about 15 to 20 hours. Since more energy is required to reduce palladium to palladium hydride than to reduce palladium cations to palladium, secondary heating can be performed at a higher temperature and for a longer period of time using a hydrogenating agent for stronger reduction. .
상기 제1 환원제 용액 및 수소화제 용액은 팔라듐 전구체 용액 및 팔면체형 팔라듐 나노 입자 분산액과 혼합되기 전에 가열 온도로 약 10분간 예열될 수 있다. 예열을 통해 반응 개시 지점 및 반응 진행 시간을 정확하게 제어할 수 있다. The first reducing agent solution and the hydrogenating agent solution may be preheated to a heating temperature for about 10 minutes before being mixed with the palladium precursor solution and the octahedral palladium nanoparticle dispersion. Preheating allows precise control of the reaction initiation point and reaction duration.
상기 과정을 통해 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자를 형성한 후, 원심분리를 통해 분리할 수 있다. 1차 가열 또는 2차 가열을 거친 후, 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자는 용매 및 고분자 등이 포함되어 있는 혼합물에 분산된 상태로 형성된다. 따라서 원심분리하여 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자만을 분리할 수 있다. After forming the octahedral palladium-containing nanoparticles through the above process, they can be separated by centrifugation. After primary heating or secondary heating, octahedral palladium-containing nanoparticles are formed in a dispersed state in a mixture containing a solvent and a polymer. Therefore, only octahedral palladium-containing nanoparticles can be separated by centrifugation.
분리된 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자를 백금층 형성을 위해 벤질알코올과 같은 용매에 재분산시켜 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액을 제조할 수 있다. The separated octahedral palladium-containing nanoparticles may be redispersed in a solvent such as benzyl alcohol to form a platinum layer to prepare an octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion.
이렇게 제조된 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액과 백금 전구체를 포함하는 분산액을 혼합한다.The octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion prepared in this way and the dispersion containing the platinum precursor are mixed.
상기 백금 전구체를 포함하는 분산액은 백금 전구체를 포함하고, 용매, 제2 환원제 및 안정제 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 특히 제2 환원제를 첨가하는 경우, 제2 환원제는 백금 양이온을 환원시켜 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 상에 백금층을 형성할 수 있다. 상기 제2 환원제는 올레일 아민, 1,2-헥산다이올, n-옥틸아민, 펜타데실아민 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 안정제로는 올레익산, 헥사데시노익산, 옥타데시노익산 및 옥타데카디오닉산 중 1종 이상을 포함할 수 있다. The dispersion including the platinum precursor includes the platinum precursor, and may further include a solvent, a second reducing agent, and one or more stabilizers. In particular, when the second reducing agent is added, the second reducing agent may reduce the platinum cation to form a platinum layer on the octahedral palladium-containing nanoparticles. The second reducing agent may include at least one of oleyl amine, 1,2-hexanediol, n-octylamine, and pentadecylamine. The stabilizer may include at least one of oleic acid, hexadecinoic acid, octadecinoic acid, and octadecadionic acid.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 백금 전구체는 플래티늄 아세틸아세토네이트, 포타슘 테트라클로로플래티네이트, 플래티늄 클로라이드, 소듐 테트라클로로플래티네이트, 테트라 아민 플래티늄 나이트레이트 및 클로로 플라티닉 애시드 중 1종 이상을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the platinum precursor may include at least one of platinum acetylacetonate, potassium tetrachloroplatinate, platinum chloride, sodium tetrachloroplatinate, tetraamine platinum nitrate and chloroplatinic acid. can
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액 및 상기 백금 전구체를 포함하는 분산액은, 상기 백금 전구체에 포함된 백금 대 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자의 중량비가 1:1 내지 1:10가 되도록 혼합될 수 있다. 상기 범위 내의 비율로 백금 전구체 및 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자가 혼합되는 경우, 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 상에 백금층이 성공적으로 형성될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, in the dispersion containing the octahedral palladium-containing nanoparticles and the platinum precursor, the weight ratio of platinum contained in the platinum precursor to the octahedral palladium-containing nanoparticles is 1:1 to 1 : 10 can be mixed. When the platinum precursor and the octahedral palladium-containing nanoparticles are mixed in a ratio within the above range, a platinum layer may be successfully formed on the octahedral palladium-containing nanoparticles.
또한, 백금 전구체의 첨가량을 조절하여 백금층에 포함되는 백금 원자층의 수를 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 백금 전구체의 함량이 많을수록 백금 원자층의 수가 많아질 수 있으며, 백금 원자층의 수가 많아질수록 본 발명의 일 구현예에 따른 백금계 코어-쉘 나노 입자의 촉매 특성이 우수할 수 있다. In addition, the number of platinum atomic layers included in the platinum layer may be controlled by adjusting the amount of the platinum precursor added. Specifically, as the content of the platinum precursor increases, the number of platinum atomic layers may increase, and as the number of platinum atomic layers increases, the catalytic properties of the platinum-based core-shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention may be excellent. there is.
그러나 백금 전구체의 첨가량이 과도하게 많아지는 경우, 백금은 원자층 형태로 형성되지 않고 입자 형태로 응집하게 되므로 적정량의 백금 전구체를 첨가하는 것이 바람직하다. However, when the amount of the platinum precursor is excessively increased, platinum is not formed in the form of an atomic layer but aggregates in the form of particles, so it is preferable to add an appropriate amount of the platinum precursor.
그 다음, 혼합물을 가열하여 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 상에 백금층을 형성할 수 있다. 상기 가열하는 단계는 일산화탄소 기체를 1 내지 10 cm3/분의 유량으로 주입하면서 승온하며 가열하는 단계;를 포함할 수 있고, 구체적으로 상기 가열하는 단계는 예열 단계, 승온 가열 단계 및 추가 가열 단계를 포함하는 하기의 3단계로 수행될 수 있다.Then, the mixture can be heated to form a platinum layer on the octahedral palladium-containing nanoparticles. The heating step may include; heating while increasing the temperature while injecting carbon monoxide gas at a flow rate of 1 to 10 cm 3 /min. It can be carried out in the following three steps including.
예열 단계는 비활성 기체 분위기에서 100 내지 150 ℃의 온도까지 승온하여 수행될 수 있다. 예열 단계에서는 아르곤, 네온, 제논 등의 비활성 기체 분위기에서 승온하여 가열함으로써 부반응에 따른 부산물 형성을 억제할 수 있다. The preheating step may be performed by raising the temperature to a temperature of 100 to 150 °C in an inert gas atmosphere. In the preheating step, by heating by raising the temperature in an inert gas atmosphere such as argon, neon, or xenon, the formation of by-products due to side reactions can be suppressed.
승온 가열 단계는 일산화탄소 기체를 1 내지 10 cm3/분의 유량으로 주입하면서 승온하며 수행될 수 있고, 구체적으로 일산화탄소 기체를 약 1 내지 10 cm3/분의 유량으로 주입하면서 5 내지 10 ℃/분의 속도로 승온하여 180 내지 220 ℃의 온도 및 0.05 내지 0.5 atm의 일산화탄소 분압에 도달하도록 일산화탄소 기체를 주입하면서 승온 가열할 수 있다. 승온 가열 단계에서는 일산화탄소 기체를 주입하며 가열하여 일산화탄소 분위기를 형성할 수 있다. Elevated temperature heating step may be performed and temperature rise were injected at a flow rate of 3 / min of carbon monoxide gas from 1 to 10 cm, and specifically introduced into the carbon monoxide gas at a flow rate of about 1 to 10 cm 3 / min from 5 to 10 ℃ / min It can be heated while injecting carbon monoxide gas to reach a temperature of 180 to 220 °C and a partial pressure of carbon monoxide of 0.05 to 0.5 atm by increasing the temperature at a rate of . In the heating step of increasing the temperature, carbon monoxide gas may be injected and heated to form a carbon monoxide atmosphere.
추가 가열 단계는 일산화탄소 기체의 주입을 중단하고 온도를 유지하며 가열되어 수행될 수 있다. 일산화탄소 기체가 승온 가열 단계에서 주입되어 약 0.05 내지 0.5 atm의 분압에 도달하는 경우, 온도는 더 이상 승온시키지 않고 일산화탄소 기체의 주입을 중단한 시점의 온도, 즉 180 내지 220 ℃의 온도를 유지하며 30 내지 60 분 동안 가열될 수 있다. 제3 가열 단계에서 일산화탄소 기체는 별도의 백금 입자가 형성되지 않으면서 백금층이 균일한 형태로 형성되도록 할 수 있고, 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 구조가 성공적으로 형성될 수 있다. The additional heating step may be performed by stopping the injection of carbon monoxide gas, maintaining the temperature, and heating. When the carbon monoxide gas is injected in the heating step to increase the temperature and reaches a partial pressure of about 0.05 to 0.5 atm, the temperature is not raised further and the temperature at the point when the injection of the carbon monoxide gas is stopped, that is, the temperature of 180 to 220 ℃ is maintained 30 to 60 minutes. In the third heating step, the carbon monoxide gas may allow the platinum layer to be formed in a uniform shape without forming separate platinum particles, and the structure of the octahedral platinum-based core-shell nanoparticles may be successfully formed.
상기 가열 후, 상온으로 냉각된 후 용매를 첨가하고 원심분리하여 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자를 얻을 수 있다. 상기 가열 단계에서 혼합 용액에 포함되어 있던 용매가 증발할 수 있고, 이러한 증발로 인해 가열 후의 결과물은 고상 물질로서 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자와 다른 불순물들을 포함할 수 있다. 따라서, 용매에 재분산시킨 후 원심분리하여 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자만을 수득할 수 있다. After the heating, after cooling to room temperature, a solvent is added and centrifuged to obtain octahedral platinum-based core-shell nanoparticles. In the heating step, the solvent included in the mixed solution may be evaporated, and due to this evaporation, the resultant after heating may include octahedral platinum-based core-shell nanoparticles and other impurities as a solid material. Therefore, only octahedral platinum-based core-shell nanoparticles can be obtained by centrifugation after redispersing in a solvent.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 탄소계 담지체; 및 상기 탄소계 담지체에 담지된 제1항에 따른 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자를 포함하는 촉매가 제공될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a carbon-based carrier; And it may be provided with a catalyst comprising the octahedral platinum-based core-shell nanoparticles according to
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 촉매는 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자를 탄소계 담지체에 담지하여 제조되는 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the catalyst may be prepared by supporting octahedral platinum-based core-shell nanoparticles on a carbon-based support.
본 발명의 일 구현예에 따른 촉매는 상기 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자 분산액 및 탄소계 담지체를 산 용액에 첨가하여 초음파 처리함으로써 제조될 수 있다. The catalyst according to an embodiment of the present invention may be prepared by adding the octahedral platinum-based core-shell nanoparticle dispersion and the carbon-based support to an acid solution and ultrasonicating them.
구체적으로, 상기 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자 분산액 및 탄소계 담지체를 산 용액에 첨가하여 분산시킴으로써 나노 입자 표면의 유기 오염물 등을 세척하여 제거할 수 있다. Specifically, by adding and dispersing the octahedral platinum-based core-shell nanoparticle dispersion and the carbon-based carrier to an acid solution, organic contaminants on the surface of the nanoparticles may be washed and removed.
그 다음, 초음파 처리하여 탄소계 담지체에 상기 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자를 담지할 수 있다. 초음파 처리는 약 1 내지 3시간, 바람직하게는 2시간 수행할 수 있다. 담지 후 제조된 촉매는 에탄올과 같은 용매로 2회 이상 세척할 수 있고, 세척 후 비활성 기체 분위기에서 건조될 수 있다. Then, the octahedral platinum-based core-shell nanoparticles may be supported on the carbon-based support by ultrasonication. Sonication may be performed for about 1 to 3 hours, preferably 2 hours. After being supported, the prepared catalyst may be washed twice or more with a solvent such as ethanol, and may be dried in an inert gas atmosphere after washing.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소계 담지체는 카본 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 분말, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 탄소나노혼 및 풀러렌 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 탄소계 담지체에 상기 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자가 담지되는 경우, 촉매 표면적이 극대화되어 촉매 활성이 우수할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the carbon-based carrier may be any one selected from carbon black, Ketjen black, acetylene black, activated carbon powder, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nanohorn, and fullerene. When the octahedral platinum-based core-shell nanoparticles are supported on the carbon-based support, the catalyst surface area is maximized, so that the catalytic activity may be excellent.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 촉매는 전기화학적 표면적(Elctro Chemical Surface Area; ECSA)이 25 내지 60 m2/gpt 일 수 있다. 전기화학적 표면적은 넓을수록 촉매 활성 사이트가 많아지므로, 넓을수록 촉매 특성에 유리하다. 본 발명의 일 구현예에 따른 촉매는 상기 범위 내의 ECSA를 가짐으로써 기존의 백금 촉매보다 촉매 활성이 더 우수할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the catalyst may have an electrochemical surface area (ECSA) of 25 to 60 m 2 /g pt . The larger the electrochemical surface area, the more catalytically active sites. The catalyst according to an embodiment of the present invention may have better catalytic activity than a conventional platinum catalyst by having an ECSA within the above range.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 구현예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 구현예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 구현예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 구현예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, embodiments will be described in detail to describe the present invention in detail. However, the embodiments according to the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not to be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art.
제조예 1: 팔면체형 팔라듐 나노 입자의 제조Preparation Example 1: Preparation of octahedral palladium nanoparticles
탈이온수(저항 18.2 MΩ) 5 ml, 에탄올(Duksan) 3 ml, 시트르산(Sigma Aldrich, 99%) 180 mg, 폴리비닐피롤리돈(이하, PVP)(분자량 약 55,000, Sigma Aldrich) 105 mg을 포함하는 환원제 용액을 제조하고, 80 ℃의 온도로 오일 배스에서 마그네틱 교반하며 10분간 예열하였다. 물 3 ml 및 Na2PdCl4(II)(Sigma Aldrich, 98%) 57 mg을 포함하는 용액을 제조한 후, 상기 환원제 용액에 첨가하고 80℃의 온도로 3시간동안 유지하여 열처리하였다. 그 다음, 12,000 rpm으로 10분간 원심분리하여 팔면체형 팔라듐 나노 입자를 수득하였다. Contains 5 ml of deionized water (resistance 18.2 MΩ), 3 ml of ethanol (Duksan), 180 mg of citric acid (Sigma Aldrich, 99%), 105 mg of polyvinylpyrrolidone (hereinafter, PVP) (molecular weight about 55,000, Sigma Aldrich) A reducing agent solution was prepared, and it was preheated for 10 minutes with magnetic stirring in an oil bath at a temperature of 80 °C. After preparing a solution containing 3 ml of water and 57 mg of Na 2 PdCl 4 (II) (Sigma Aldrich, 98%), it was added to the reducing agent solution and heated at 80° C. for 3 hours. Then, centrifuged at 12,000 rpm for 10 minutes to obtain octahedral palladium nanoparticles.
제조예 2: 팔면체형 수소화팔라듐 나노 입자의 제조Preparation Example 2: Preparation of octahedral palladium hydride nanoparticles
제조예 1에서 제조한 10 mg의 팔면체형 팔라듐 입자를 N,N-디메틸포름아마이드(이하, DMF)(Sigma Aldrich, 99%) 15 ml 및 PVP 30 mg을 포함하는 혼합물에 분산시켜 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 160 ℃의 온도로 오일 배스에서 마그네틱 교반하며 16 시간동안 가열하고, 원심분리하여 팔면체형 수소화팔라듐 나노 입자를 수득하였다. A mixture was prepared by dispersing 10 mg of the octahedral palladium particles prepared in Preparation Example 1 in a mixture containing 15 ml of N,N-dimethylformamide (hereinafter, DMF) (Sigma Aldrich, 99%) and 30 mg of PVP. . The mixture was heated for 16 hours with magnetic stirring in an oil bath at a temperature of 160° C., and centrifuged to obtain octahedral palladium hydride nanoparticles.
실시예 1(Pd@PtExample 1 (Pd@Pt) 1L1L ))
제조예 1에서 수득한 팔면체형 팔라듐 나노 입자 10 mg 을 벤질 알코올(Sigma Aldrich, 99%) 7 ml에 재분산시켜 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액을 제조하였다. 10 mg of the octahedral palladium nanoparticles obtained in Preparation Example 1 were redispersed in 7 ml of benzyl alcohol (Sigma Aldrich, 99%) to prepare an octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion.
플래티늄(II) 아세틸아세토네이트(Alfa Aesar, 플래티늄 48%) 3 mg, 올레일아민(Sigma Aldrich, 70%) 2 ml, 올레익산(Sigma Aldrich, 90%) 1 ml를 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액에 첨가하여 혼합하고 아르곤 분위기에서 마그네틱 교반하며 130℃까지 가열하였다. 온도가 130 ℃에 도달한 후, 아르곤 퍼징을 중단하고 일산화탄소 기체를 5 cm3/min의 유량으로 주입하며 7℃/min의 속도로 승온하며 200 ℃까지 가열하였다. 온도가 200 ℃에 도달한 후, 일산화탄소 퍼징을 중단하고 40분간 추가 가열하였다. 이후 상온으로 냉각하고 에탄올 5 ml 및 n-헥산 15 ml 를 첨가하고 3,000 rpm으로 10 분간 원심분리하여 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자를 제조하였다. Platinum (II) acetylacetonate (Alfa Aesar, platinum 48%) 3 mg, oleylamine (Sigma Aldrich, 70%) 2 ml, oleic acid (Sigma Aldrich, 90%) 1 ml of the octahedral palladium-containing nanoparticles It was added to the dispersion, mixed, and heated to 130° C. with magnetic stirring in an argon atmosphere. After the temperature reached 130 °C, argon purging was stopped, carbon monoxide gas was injected at a flow rate of 5 cm 3 /min, and the temperature was raised at a rate of 7 °C/min and heated to 200 °C. After the temperature reached 200 °C, the carbon monoxide purging was stopped and heating was further performed for 40 minutes. After cooling to room temperature, 5 ml of ethanol and 15 ml of n-hexane were added and centrifuged at 3,000 rpm for 10 minutes to prepare octahedral platinum-based core-shell nanoparticles.
실시예 2(Pd@PtExample 2 (Pd@Pt) 2-3L2-3L ))
실시예 1에서, 플래티늄(II) 아세틸아세토네이트를 6 mg 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자를 제조하였다. In Example 1, octahedral platinum-based core-shell nanoparticles were prepared in the same manner as in Example 1, except that 6 mg of platinum (II) acetylacetonate was used.
실시예 3(Pd@PtExample 3 (Pd@Pt) 4-5L4-5L ))
실시예 1에서, 플래티늄(II) 아세틸아세토네이트를 10 mg 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자를 제조하였다. In Example 1, octahedral platinum-based core-shell nanoparticles were prepared in the same manner as in Example 1, except that 10 mg of platinum (II) acetylacetonate was used.
실시예 4(PdH@PtExample 4 (PdH@Pt) MLML ))
실시예 1에서, 제조예 2에서 수득한 팔면체형 수소화팔라듐 나노 입자 10 mg을 벤질 알코올 7 ml에 재분산시켜 분산액을 제조하여 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자를 제조하였다. In Example 1, in the same manner as in Example 1, except that 10 mg of the octahedral palladium hydride nanoparticles obtained in Preparation Example 2 were redispersed in 7 ml of benzyl alcohol and used to prepare a dispersion, the octahedral platinum-based core- Shell nanoparticles were prepared.
실시예 5(PdH@PtExample 5 (PdH@Pt) 2-3L2-3L ))
실시예 4에서, 플래티늄(II) 아세틸아세토네이트를 6 mg 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자를 제조하였다. In Example 4, octahedral platinum-based core-shell nanoparticles were prepared in the same manner as in Example 4, except that 6 mg of platinum (II) acetylacetonate was used.
실시예 6(PdH@PtExample 6 (PdH@Pt) 4-5L4-5L ))
실시예 4에서, 플래티늄(II) 아세틸아세토네이트를 6 mg 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자를 제조하였다. In Example 4, octahedral platinum-based core-shell nanoparticles were prepared in the same manner as in Example 4, except that 6 mg of platinum (II) acetylacetonate was used.
비교예 1Comparative Example 1
실시예 1에서, 플래티늄(II) 아세틸아세토네이트를 15 mg 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 팔면체형 나노 입자를 제조하였다. In Example 1, octahedral nanoparticles were prepared in the same manner as in Example 1, except that 15 mg of platinum (II) acetylacetonate was used.
비교예 2Comparative Example 2
플래티늄(II) 아세틸아세토네이트 20 mg, PVP 105 mg을 벤질알코올 10 ml에 첨가하고 오일 배스에서 마그네틱 교반하며 200 ℃의 온도에서 1 시간동안 가열하고, 3,000 rpm으로 10 분간 원심분리하여 팔면체형 백금 나노 입자를 제조하였다. Platinum (II) acetylacetonate 20 mg and PVP 105 mg were added to 10 ml of benzyl alcohol, heated in an oil bath with magnetic stirring at 200 ° C for 1 hour, and centrifuged at 3,000 rpm for 10 minutes to obtain octahedral platinum nanoparticles. Particles were prepared.
실험예 1: TEM 이미지의 분석 Experimental Example 1: Analysis of TEM images
HT-7700 현미경(HITACHI 社)을 이용하여, 100 kV의 조건에서 탄소 코팅된 구리 그리드에 제조예 1, 제조예 2, 실시예 1 내지 6, 비교예 1, 2에서 제조한 나노 입자를 각각 드롭 캐스팅으로 분산시키고 건조시켜 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 촬영하였다. Using an HT-7700 microscope (HITACHI), the nanoparticles prepared in Preparation Examples 1, 2, Examples 1 to 6, and Comparative Examples 1 and 2 were dropped on a carbon-coated copper grid under a condition of 100 kV, respectively. It was dispersed by casting and dried, and transmission electron microscopy (TEM) images were taken.
Titan G2 ChemiSTEM Cs Prope 현미경을 이용하여 제조예 1 및 제조예 2에서 제조한 나노 입자의 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지를 촬영하였다. A high-resolution TEM (HRTEM) image of the nanoparticles prepared in Preparation Examples 1 and 2 was taken using a Titan G2 ChemiSTEM Cs Prope microscope.
또한 Double Cs-corrected Titan3 G2 60-300 S/TEM 장비를 이용하여 실시예 1 내지 6에서 제조한 나노 입자의 고각 환형 암시야 주사 TEM(High-Angle Annular Dark-Field Scanning TEM; HAADF-STEM) 이미지를 촬영하였다. In addition, High-Angle Annular Dark-Field Scanning TEM (HAADF-STEM) images of nanoparticles prepared in Examples 1 to 6 using Double Cs-corrected Titan3 G2 60-300 S/TEM equipment was photographed.
도 1a 내지 도 1h에 제조예 1, 제조예 2 및 실시예 1 내지 6에서 제조한 나노 입자의 TEM 이미지(좌) 및, HRTEM 이미지 또는 HAADF-STEM 이미지(우)를 나타내고, 도 1i 및 도 1j에 비교예 1 및 2에서 제조한 나노 입자의 TEM 이미지를 나타내었다. 1a to 1h show TEM images (left) and HRTEM images or HAADF-STEM images (right) of nanoparticles prepared in Preparation Example 1, Preparation Example 2 and Examples 1 to 6, FIGS. 1i and 1j TEM images of nanoparticles prepared in Comparative Examples 1 and 2 are shown.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 제조예 1 및 제조예 2에서 제조한 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자는 팔면체 형태인 것을 확인할 수 있고, 팔면체의 꼭지점 방향인 수직 방향에서 촬영된 경우 사각형 형태로도 보이는 것을 확인할 수 있다. 1A and 1B, it can be seen that the octahedral palladium-containing nanoparticles prepared in Preparation Examples 1 and 2 have an octahedral shape. that can be checked
도 1c 내지 도 1h를 참조하면, 백금이 팔라듐보다 원자 번호가 커서 원자 질량도 더 큼에 따라 백금층은 더 밝은 빛으로 나타난 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1 및 실시예 4, 실시예 2 및 실시예 5, 실시예 3 및 실시예 6 순으로 두꺼운 쉘을 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉, 백금 전구체의 첨가량이 증가할수록 더 두꺼운 백금층을 갖는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 1C to 1H , as platinum has a larger atomic number than palladium and thus has a larger atomic mass, it can be seen that the platinum layer appears brighter. In addition, it can be seen that Example 1 and Example 4, Example 2 and Example 5, and Example 3 and Example 6 have a thick shell in the order. That is, as the amount of the platinum precursor increases, it can be confirmed that the platinum layer is thicker.
그러나 도 1i 및 도 1j를 참조하면, 백금 전구체의 함량이 과다한 경우 백금층 대신 백금 입자가 형성되는 것을 확인할 수 있고, 팔라듐 없이 백금만을 사용하여 팔면체를 제조하는 경우라도 팔면체 형태가 제조되는 것을 확인할 수 있다. However, referring to FIGS. 1i and 1j, when the content of the platinum precursor is excessive, it can be confirmed that platinum particles are formed instead of the platinum layer, and even when an octahedron is manufactured using only platinum without palladium, it can be confirmed that an octahedral shape is produced. there is.
실험예 2: 원소맵핑 분석 Experimental Example 2: Element Mapping Analysis
Chemi-STEM 테크놀로지의 FEI Double Cs-보정된 Titan3 G2 60-300S/TEM 기기 및 Titan Probe Cs TEM 300 kV를 사용하는 Eindhoven의 FEI Nanoport 를 이용하여, 실시예 3 및 실시예 6에서 제조한 나노 입자의 에너지 분산형 X선 분석(EDS)을 수행하였다. Using an FEI Double Cs-calibrated Titan3 G2 60-300S/TEM instrument from Chemi-STEM Technology and an FEI Nanoport from Eindhoven using a Titan Probe Cs TEM 300 kV, the nanoparticles prepared in Examples 3 and 6 were Energy dispersive X-ray analysis (EDS) was performed.
고효율 탐지 시스템인 Super-X detector(XFEG 社)를 이용하여 EDS 원소 맵핑 데이터를 도출하였다.EDS element mapping data was derived using Super-X detector (XFEG), a high-efficiency detection system.
도 2a 및 도 2b에 실시예 3 및 실시예 6에서 제조한 나노 입자의 EDS 원소 맵핑 데이터 이미지를 팔라듐 및 백금에 대하여 나타내었다. 2A and 2B show EDS element mapping data images of nanoparticles prepared in Examples 3 and 6 for palladium and platinum.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 팔라듐은 나노 입자 내부 쪽에 대부분 위치하고, 백금은 나노 입자 외부 쪽에 대부분 위치하여 팔라듐이 코어에 주로 포함되어 있고, 백금이 쉘에 주로 포함되어 있는 구조인 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 2A and 2B , palladium is mostly located inside the nanoparticles, and platinum is mostly located outside the nanoparticles, so that it can be confirmed that palladium is mainly contained in the core and platinum is mainly contained in the shell. .
실험예 3: 입도분석Experimental Example 3: Particle Size Analysis
도 1의 TEM 사진을 통해 제조예 1, 제조예 2, 실시예 3 및 실시예 6에서 제조한 나노 입자의 크기 분포를 분석하였다. The size distribution of the nanoparticles prepared in Preparation Example 1, Preparation Example 2, Example 3 and Example 6 was analyzed through the TEM photograph of FIG. 1 .
도 3a 내지 도 3d에 제조예 1, 제조예 2, 실시예 3 및 실시예 6에서 제조한 나노 입자의 크기 분포를 각각 나타내었다. 3A to 3D show the size distribution of the nanoparticles prepared in Preparation Example 1, Preparation Example 2, Example 3, and Example 6, respectively.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 제조예 1에서 제조된 팔면체형 팔라듐 나노 입자는 6.0 ± 0.7 nm의 평균 모서리 길이를 가지고, 제조예 2에서 제조된 팔면체형 수소화팔라듐 나노 입자는 6.2 ± 0.7 nm의 평균 모서리 길이를 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉, 수소가 함입됨으로써 입자 크기가 약간 증가하는 것을 확인할 수 있다. 3A and 3B, the octahedral palladium nanoparticles prepared in Preparation Example 1 have an average edge length of 6.0 ± 0.7 nm, and the octahedral palladium hydride nanoparticles prepared in Preparation Example 2 have an average edge length of 6.2 ± 0.7 nm. It can be seen that it has an average edge length. That is, it can be seen that the particle size slightly increases due to the incorporation of hydrogen.
도 3c 및 도 3d를 참조하면, 실시예 3에서 제조된 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자는 7.8 ± 0.7 nm의 평균 모서리 길이를 가지고, 실시예 6에서 제조된 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자는 7.9 ± 0.5 nm의 평균 모서리 길이를 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉, 더 큰 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자를 포함하는 경우, 최종적으로 생성되는 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 크기도 더 큰 것을 확인할 수 있다. 3c and 3d, the octahedral platinum-based core-shell nanoparticles prepared in Example 3 have an average edge length of 7.8 ± 0.7 nm, and the octahedral platinum-based core-shell nanoparticles prepared in Example 6 It can be seen that the particles have an average edge length of 7.9 ± 0.5 nm. That is, when the larger octahedral palladium-containing nanoparticles are included, it can be confirmed that the size of the finally produced octahedral platinum-based core-shell nanoparticles is also larger.
실험예 4: XRD 분석Experimental Example 4: XRD analysis
X선 회절분석기(PANalytical X'pert PRO-MPD/MRD)를 Cu-Ka 라디에이션을 사용하여 40 kV, 25 mA 조건에서 제조예 1, 제조예 2, 실시예 3 및 실시예 6에서 제조한 나노 입자의 XRD 패턴을 얻었다. X-ray diffraction analyzer (PANalytical X'pert PRO-MPD/MRD) using Cu-Ka radiation under the conditions of 40 kV, 25 mA in Preparation Example 1, Preparation Example 2, Example 3, and Example 6 nano-prepared An XRD pattern of the particles was obtained.
도 4에는 제조예 1(붉은 점선), 제조예 2(푸른 점선), 실시예 3 (붉은 실선) 및 실시예 6(푸른 실선)에서 제조한 나노 입자의 XRD 패턴을 나타내었다. 또한 37 내지 42 ° 범위의 피크를 확대하여 나타내었다. 4 shows the XRD patterns of the nanoparticles prepared in Preparation Example 1 (red dotted line), Preparation Example 2 (blue dotted line), Example 3 (red solid line), and Example 6 (blue solid line). Also, the peaks in the range of 37 to 42 ° were enlarged.
도 4를 참조하면, 제조예 1 및 제조예 2의 나노 입자 데이터에 있어, (111) 평면에서 제조예 2의 팔라듐 피크가 제조예 1의 팔라듐 피크보다 더 낮은 방향으로 시프팅된 것을 확인할 수 있다. 이는 팔라듐이 수소화물과 혼합되어 있어 생기는 시프팅인 것으로 보인다. 4, in the nanoparticle data of Preparation Example 1 and Preparation Example 2, it can be confirmed that the palladium peak of Preparation Example 2 is shifted in a lower direction than the palladium peak of Preparation Example 1 on the (111) plane. . This appears to be the shifting caused by the mixing of the palladium with the hydride.
또한 실시예 3 및 실시예 6의 나노 입자 데이터에 있어, (111) 평면의 피크가 팔라듐 피크 및 백금 피크로 나누어질 수 있고, 팔라듐(검정) 및 백금(초록) 피크를 각각 나누어 표시한 것을 우측 도면으로 확인할 수 있다. In addition, in the nanoparticle data of Examples 3 and 6, the (111) plane peak can be divided into a palladium peak and a platinum peak, and the palladium (black) and platinum (green) peaks are displayed separately on the right. It can be confirmed by drawing.
도 4의 우측 도면을 참조하면, 실시예 6의 백금 피크가 실시예 3의 백금 피크보다 더 낮은 방향으로 시프팅된 것을 확인할 수 있다. 이는 수소화팔라듐 나노 입자 상에 형성된 백금층의 격자가 팽창한다는 것을 나타낸다. Referring to the right drawing of FIG. 4 , it can be seen that the platinum peak of Example 6 is shifted in a lower direction than the platinum peak of Example 3. This indicates that the lattice of the platinum layer formed on the palladium hydride nanoparticles expands.
실험예 5: XAS 분석Experimental Example 5: XAS analysis
실시예 3 및 실시예 6에서 제조한 나노 입자의 X-ray Absorption near edge Structure(이하, XAS) 는 포항 액셀러레이터 실험실(한국)에서 8C 빔라인으로 수행되었으며, 표준 공정으로 XAS 데이터 수득 및 분석을 수행하였다. The X-ray Absorption near edge Structure (hereinafter, XAS) of the nanoparticles prepared in Examples 3 and 6 was performed with an 8C beamline in Pohang Accelerator Laboratory (Korea), and XAS data acquisition and analysis were performed by a standard process. .
또한, 광역 X선 흡수 미세 구조(Extended X-ray Absorption Fine Structure; EXAFS)분석을 수행하였다. In addition, Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) analysis was performed.
도 5에 실시예 3 및 실시예 6에서 제조한 나노 입자의 XAS 데이터를 나타내었다. 구체적으로, 도 5의 (a) 및 (b)는 각각 팔라듐 K 모서리 및 백금 L3 모서리에 대한 XAS 스펙트럼 데이터이고, (c) 및 (d) 는 각각 팔라듐 K 모서리 및 백금 L3 모서리에 대한 EXAFS 스펙트럼 데이터이고, (e) 및 (f)는 각각 팔라듐 K 모서리 및 백금 L3 모서리에 대하여 푸리에 변환된 EXAFS 스펙트럼 데이터이다. 5 shows the XAS data of the nanoparticles prepared in Examples 3 and 6. Specifically, (a) and (b) of FIG. 5 are XAS spectral data for a palladium K edge and a platinum L3 edge, respectively, (c) and (d) are EXAFS spectral data for a palladium K edge and a platinum L3 edge, respectively and (e) and (f) are Fourier-transformed EXAFS spectral data for the palladium K edge and the platinum L3 edge, respectively.
또한 하기 표 1에 도 5의 (a) XAS 스펙트럼 데이터의 피크 포지션 및 에너지 차이, 피크 높이 비율을 나타내었다. In addition, the peak position, energy difference, and peak height ratio of the XAS spectrum data of FIG. 5 (a) are shown in Table 1 below.
도 5의 (a)를 참조하면, 팔라듐 1s 에서 빈 5p 및 4f 오비탈로 전자가 이동하여 두 개의 피크가 생기는 것을 확인할 수 있다. 또한 실시예 6의 두번째 피크는 실시예 3 및 팔라듐의 두번째 피크보다 낮은 위치에 형성된 것을 확인할 수 있는데, 이는 수소화 팔라듐이 형성되었기 때문이다.Referring to (a) of FIG. 5 , it can be seen that electrons move from palladium 1s to vacant 5p and 4f orbitals to generate two peaks. In addition, it can be confirmed that the second peak of Example 6 was formed at a lower position than the second peak of Example 3 and palladium, because palladium hydrogenated was formed.
도 5의 (b)를 참조하면, 실시예 3 및 실시예 6의 백금층이 금속 구조를 가지므로 대체로 백금과 피크가 일치하는 것을 확인할 수 있다. Referring to (b) of FIG. 5 , since the platinum layers of Examples 3 and 6 have a metal structure, it can be confirmed that the peaks of platinum and platinum generally coincide.
도 5의 (c) 및 (d)를 참조하면, 실시예 3의 상이 및 실시예 6의 상과 약간 다른 것을 확인할 수 있다, 이는 실시예 3의 나노 입자와 실시예 6의 나노 입자가 다른 원자 구조를 갖는 것에 기인한 것으로 보인다. Referring to (c) and (d) of Figure 5, it can be seen that the difference of Example 3 and the phase of Example 6 are slightly different, which is that the nanoparticles of Example 3 and the nanoparticles of Example 6 are different atoms It seems to be due to having a structure.
도 5의 (e)를 참조하면, 피크 위치는 팔라듐 원자간 간격에 해당하고, 수소화팔라듐 형성으로 인해 실시예 6의 피크 위치, 즉 팔라듐 원자간 거리가 2.52 으로 실시예 3의 거리인 2.48 및 팔라듐의 거리인 2.45 보다 큰 것을 확인할 수 있다. 또한 실시예 6의 피크 높이가 실시예 3보다 낮은 것은 수소 리간드에 의해 형성된 비정렬 결정 구조의 수소화팔라듐 코어 때문인 것으로 보인다. Referring to (e) of FIG. 5, the peak position corresponds to the palladium interatomic spacing, and the peak position of Example 6, that is, the palladium interatomic distance is 2.52 due to the formation of palladium hydride. to 2.48, the distance in Example 3 and 2.45, the distance in palladium larger can be seen. In addition, the lower peak height of Example 6 than Example 3 appears to be due to the palladium hydride core having an unordered crystal structure formed by hydrogen ligands.
도 5의 (f)를 참조하면, 피크 위치는 백금 원자간 간격에 해당하고, 수소화팔라듐 코어 상에 위치하는 백금층의 인장 응력에 의해, 실시예 6의 피크 위치, 즉 백금 원자간 거리가 2.82 으로 실시예 3의 거리인 2.79 및 백금의 거리인 2.64 보다 큰 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5(f), the peak position corresponds to the platinum interatomic spacing, and the peak position of Example 6, that is, the platinum interatomic distance, is 2.82 due to the tensile stress of the platinum layer located on the palladium hydride core. to 2.79, the distance in Example 3 and 2.64, the distance of platinum larger can be seen.
또한 상기 표 1을 참조하면, 실시예 6의 피크 2가 수소화팔라듐에 의해 실시예 6 및 팔라듐의 피크보다 더 낮은 에너지를 갖는 것을 확인할 수 있다.In addition, referring to Table 1, it can be confirmed that the
실시예 1-1 내지 6-1: 촉매의 제조Examples 1-1 to 6-1: Preparation of catalyst
실시예 1에서 제조한 나노 입자 15 mg 및 Vulcan XC-72R 카본 블랙 60 mg을 에탄올 15 ml 및 아세트산 5ml의 혼합 용매에 분산시켜 혼합물을 제조함으로써 나노 입자 표면의 오염물을 세척하였다. 상기 혼합물을 2시간동안 초음파 처리하여 촉매를 제조하고, 원심분리하여 촉매를 수득한 후 에탄올로 3회 세척하고 아르곤 분위기에서 건조하여 실시예 1-1의 촉매를 제조하였다. Contaminants on the surface of the nanoparticles were washed by dispersing 15 mg of the nanoparticles prepared in Example 1 and 60 mg of Vulcan XC-72R carbon black in a mixed solvent of 15 ml of ethanol and 5 ml of acetic acid to prepare a mixture. The mixture was sonicated for 2 hours to prepare a catalyst, centrifuged to obtain a catalyst, washed with ethanol three times, and dried in an argon atmosphere to prepare the catalyst of Example 1-1.
실시예 2-1 내지 6-1의 촉매도 각각 실시예 2 내지 6에서 제조한 나노 입자를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 제조하였다. The catalysts of Examples 2-1 to 6-1 were prepared in the same manner except that the nanoparticles prepared in Examples 2 to 6 were used, respectively.
비교예 2-1: 촉매의 제조Comparative Example 2-1: Preparation of catalyst
비교예 2에서 제조한 나노 입자 10 mg 을 에탄올 15 ml에 분산시킨 후, Vulcan XC-72R 카본 블랙 40 mg을 첨가하여 2시간 동안 초음파 처리하여 촉매를 제조하고, 원심분리하여 촉매를 수득한 후 에탄올로 3회 세척하고 아르곤 분위기에서 건조하여 비교예 2-1의 촉매를 제조하였다. After 10 mg of the nanoparticles prepared in Comparative Example 2 were dispersed in 15 ml of ethanol, 40 mg of Vulcan XC-72R carbon black was added and sonicated for 2 hours to prepare a catalyst, followed by centrifugation to obtain a catalyst, followed by ethanol The catalyst of Comparative Example 2-1 was prepared by washing with a
실험예 6: 촉매의 TEM 이미지Experimental Example 6: TEM image of catalyst
HT-7700 현미경(HITACHI 社)을 이용하여, 100 kV의 조건에서 탄소 코팅된 구리 그리드에 실시예 1-1 내지 6-1 및 비교예 2-1에서 제조한 촉매를 각각 드롭 캐스팅으로 분산시키고 건조시켜 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 촬영하였다. Using a HT-7700 microscope (HITACHI), the catalysts prepared in Examples 1-1 to 6-1 and Comparative Example 2-1 were dispersed in a carbon-coated copper grid under a condition of 100 kV by drop casting, respectively, and dried. and a transmission electron microscope (TEM) image was taken.
도 6a에 실시예 1-1 내지 6-1 에서 제조한 촉매의 TEM 이미지를 나타내고, 구체적으로, 도 6a에 실시예 1-1(상단 좌측), 실시예 2-1(상단 중간), 실시예 3-1(상단 우측), 실시예4-1(하단 좌측), 실시예 5-1(하단 중간) 및 실시예 6-1(하단 우측)에서 제조한 촉매의 TEM 이미지를 나타내었다. 도 6b에 비교예 2-1에서 제조한 촉매의 TEM 이미지를 나타내었다. 6A shows TEM images of the catalysts prepared in Examples 1-1 to 6-1, specifically, Example 1-1 (upper left), Example 2-1 (upper middle), and Example in FIG. 6A TEM images of the catalysts prepared in 3-1 (top right), Example 4-1 (bottom left), Example 5-1 (bottom middle) and Example 6-1 (bottom right) are shown. 6b shows a TEM image of the catalyst prepared in Comparative Example 2-1.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 탄소에 나노 입자가 담지되어 촉매를 형성한 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 6A and 6B , it can be seen that the nanoparticles are supported on carbon to form a catalyst.
실시예 1-2 내지 6-2 및 비교예 2-2: 셀 형성Examples 1-2 to 6-2 and Comparative Example 2-2: cell formation
흑연 막대를 상대 전극으로 하고, Ag/AgCl을 기준 전극으로 하며, 직경 3 mm의 글래시 카본 회전 디스크 전극(A-011169, ALS)이 작동 전극으로 적용되는 3전극 시스템을 이용하여 셀을 형성하였다. 실시예 1-1에서 제조한 촉매 5 mg을 이소프로필 알코올 및 5 중량% Nafion 용액을 포함하는 수용액에 분산시켜 촉매 잉크를 준비하였다. 박막 전극은 촉매 잉크를 0.071 cm2의 면적을 갖는 글래시 카본(금속 로딩 7.5μg/cm2) 상에 피펫으로 드롭하여 제조되었다. 전해질로는 탈이온수(>18.2 MΩ, Arium mini®, Satorius) 및 KOH(99.99%, Sigma Aldrich)로 제조된 0.1M KOH 용액으로서, 아르곤 또는 수소로 포화된 용액을 사용하여 실시예 1-2의 셀을 형성하였다. A cell was formed using a three-electrode system in which a graphite rod was used as a counter electrode, Ag/AgCl was used as a reference electrode, and a glassy carbon rotating disk electrode (A-011169, ALS) with a diameter of 3 mm was applied as a working electrode. . A catalyst ink was prepared by dispersing 5 mg of the catalyst prepared in Example 1-1 in an aqueous solution containing isopropyl alcohol and 5 wt% Nafion solution. Thin-film electrodes were prepared by pipetting drop of catalyst ink onto glassy carbon (metal loading 7.5 μg/cm 2 ) having an area of 0.071 cm 2 . As the electrolyte, 0.1M KOH solution prepared with deionized water (>18.2 MΩ, Arium mini ® , Satorius) and KOH (99.99%, Sigma Aldrich) was used as the electrolyte of Example 1-2 using a solution saturated with argon or hydrogen. cells were formed.
실시예 2-1 내지 6-1 및 비교예 2-1에서 제조된 촉매를 사용하여 촉매 잉크를 준비한 것을 제외하고는 상기와 동일하게 하여, 실시예 2-2 내지 실시예 6-2 및 비교예 2-2의 셀을 형성하였다. Examples 2-2 to 6-2 and Comparative Examples were carried out in the same manner as above, except that catalyst inks were prepared using the catalysts prepared in Examples 2-1 to 6-1 and Comparative Example 2-1. 2-2 cells were formed.
전기화학적 특성평가Electrochemical characterization
모든 전압은 RHE 스케일로 변환된 것이고, 전기화학적 분석 이전에 촉매는 모두 0.05 내지 1 VRHE 의 전압 범위에서 200 mV/s의 주사 속도로 50 사이클의 사이클릭 볼타메트리(Cyclic Voltametry, CV)를 수행하여 전기화학적으로 청징되었다.All voltages were converted to RHE scale, and prior to electrochemical analysis, all catalysts were subjected to 50 cycles of Cyclic Voltametry (CV) at a scan rate of 200 mV/s in a voltage range of 0.05 to 1 V RHE. was electrochemically clarified.
표면 재정렬(re-ordefing)을 방지하기 위해 최대 전압 한계(Upper Potential Limit; UPL)는 1.00 VRHE 로 제한하였다.To prevent surface re-ordefing, the Upper Potential Limit (UPL) was limited to 1.00 V RHE.
실험예 7: CV 곡선Experimental Example 7: CV curve
아르곤 포화 0.1 M KOH 용액을 전해질로 하여 0.05 내지 0.4 VRHE 의 전압 범위에서 50 mV/s의 주사 속도로 CV를 수행하였다. CV was performed at a scan rate of 50 mV/s in a voltage range of 0.05 to 0.4 V RHE using an argon-saturated 0.1 M KOH solution as an electrolyte.
도 7에 동일한 백금 원자층 수를 갖는 실시예끼리 비교하여 실시예 1-2 내지 6-2 및 비교예 2-2의 셀의 CV 볼타모그램을 나타내었고, 구체적으로 실시예 1-2, 실시예 4-2 및 비교예 2-2의 셀의 CV 볼타모그램(상단), 실시예 2-2, 실시예 5-2 및 비교예 2-2의 셀의 CV 볼타모그램(중간), 실시예 3-2, 실시예 6-2 및 비교예 2-2의 셀의 CV 볼타모그램(하단)을 나타내었다. 7 shows the CV voltammograms of the cells of Examples 1-2 to 6-2 and Comparative Example 2-2 by comparing Examples having the same number of platinum atomic layers, specifically Examples 1-2, CV voltammogram of the cell of Example 4-2 and Comparative Example 2-2 (top), Example 2-2, Example 5-2 and CV voltamogram of the cell of Comparative Example 2-2 (middle), Example CV voltammograms (bottom) of the cells of Example 3-2, Example 6-2 and Comparative Example 2-2 are shown.
도 7을 참조하면, 백금층에 포함된 백금 원자층 수가 더 적을수록 CV 볼타모그램이 더 비교예 2-2의 볼타모그램 형태와 상이한 모양인 것을 확인할 수 있다. 즉, 백금 원자층 수가 적을수록 코어인 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자가 백금 쉘의 촉매적 활성을 효과적으로 조절할 수 있다는 점을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7 , as the number of platinum atomic layers included in the platinum layer is smaller, it can be confirmed that the CV voltammogram has a shape different from that of the voltammogram of Comparative Example 2-2. That is, as the number of platinum atomic layers decreases, it can be confirmed that the octahedral palladium-containing nanoparticles as the core can effectively control the catalytic activity of the platinum shell.
실험예 8: ECSA 측정 Experimental Example 8: ECSA measurement
전기화학적 CO 탈거법(stripping)에 따라 ECSA를 분석하였다. 실시예 1-2 내지 6-2 및 비교예 2-2의 셀에 대하여, 0.05 VRHE 에서의 CO 흡착 및 전해질 내 CO의 연속적인 제거 후, 0.05 sowl 1.20 VRHE 의 전압 범위에서 50 mv/s 의 주사 속도로 2 사이클의 CV가 수행되었다. 상기 UPL을 1 VRHE로 제한하였으나, CO의 CO2로의 완전산화를 위해 1.2 VRHE의 최대 전압으로 수행하였다. ECSA was analyzed according to electrochemical CO stripping. For the cells of Examples 1-2 to 6-2 and Comparative Example 2-2, after CO adsorption at 0.05 V RHE and continuous removal of CO in the electrolyte, 50 mv/s at a voltage range of 0.05 bowl 1.20 V RHE Two cycles of CV were performed at a scan rate of Although the UPL was limited to 1 V RHE , it was performed at a maximum voltage of 1.2 V RHE for complete oxidation of CO to CO 2 .
도 8에 실시예 1-2 내지 6-2 및 비교예 2-2의 셀로 수행한 CO 탈거 프로파일을 나타내고, 이로부터 도출한 ECSA를 삽입 표로 나타내었다. 8 shows the CO stripping profile performed with the cells of Examples 1-2 to 6-2 and Comparative Example 2-2, and ECSA derived therefrom is shown as an insert table.
도 8을 참조하면, 백금층에 포함된 백금 원자층 수가 적을수록 ECSA가 높으며, 비교예 2-2의 ECSA인 23±1 m2/gPt 보다 실시예 1-2 내지 6-2의 ECSA가 28±2 m2/gPt 이상으로 월등히 높은 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8 , the smaller the number of platinum atomic layers included in the platinum layer, the higher the ECSA, and the ECSA of Examples 1-2 to 6-2 was higher than the ECSA of 23±1 m 2 /g Pt of Comparative Example 2-2. It can be confirmed that it is significantly higher than 28±2 m 2 /g Pt.
실험예 9: HER 분극곡선 Experimental Example 9: HER polarization curve
실시예 1-2 내지 6-2 및 비교예 2-2의 셀에 대하여, 수소 포화 0.1 M KOH 용액을 전해질로 하여, 1600 rpm 의 회전 속도 및 5 mV/s의 주사 속도로 수소 발생 반응(HER) 분극 곡선을 분석하였다. For the cells of Examples 1-2 to 6-2 and Comparative Example 2-2, a hydrogen-saturated 0.1 M KOH solution was used as an electrolyte, and the hydrogen evolution reaction (HER) was performed at a rotation speed of 1600 rpm and a scanning rate of 5 mV/s. ) polarization curves were analyzed.
또한 HER 분극 곡선을 상기 ECSA로 보정한 데이터도 도출하였다. In addition, data obtained by correcting the HER polarization curve with the ECSA.
도 9의 (a)에는 실시예 1-2 내지 6-2 및 비교예 2-2의 셀로 수행한 HER 분극 곡선을 나타내었다. 도 9의 (b)에는 실시예 1-2 내지 6-2 및 비교예 2-2의 셀로 수행한 HER 분극 곡선을 ECSA로 보정한 곡선을 나타내었다. 9A shows HER polarization curves performed with the cells of Examples 1-2 to 6-2 and Comparative Example 2-2. Figure 9 (b) shows the HER polarization curves performed with the cells of Examples 1-2 to 6-2 and Comparative Example 2-2 were corrected by ECSA.
도 9를 참조하면, 실시예 1-2 내지 3-2가 실시예 4-2 내지 실시예 6-2보다 HER 촉매 활성이 약간 우수한 것을 확인할 수 있다. 즉, 코어가 팔면체형 팔라듐 나노 입자인 것이 팔면체형 수소화팔라듐 나노 입자인 것보다 촉매 활성이 우수한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9 , it can be seen that Examples 1-2 to 3-2 have slightly superior HER catalytic activity than Examples 4-2 to 6-2. That is, it can be confirmed that the octahedral palladium nanoparticles having the core have superior catalytic activity than the octahedral palladium hydride nanoparticles.
실험예 10: 타펠 플롯의 분석Experimental Example 10: Analysis of Tafel Plot
실시예 1-2 내지 6-2 및 비교예 2-2의 셀에 대하여, 아르곤 포화 0.1 M KOH 용액 또는 수소 포화 0.1 M KOH 용액을 전해질로 하여, 5 mV/s의 주사 속도로 타펠 플롯 데이터를 도출하였다. For the cells of Examples 1-2 to 6-2 and Comparative Example 2-2, using an argon-saturated 0.1 M KOH solution or a hydrogen-saturated 0.1 M KOH solution as an electrolyte, the Tafel plot data were obtained at a scanning rate of 5 mV/s. derived.
또한 하기 식 1로 교환 전류 밀도(j0)를 계산하였다. In addition, the exchange current density (j 0 ) was calculated by the following
[식 1][Equation 1]
상기 식 1에서 jk 는 ECSA 보정된 키네틱 전류 밀도, α 는 비대칭 인자, F는 파라데이 상수, η는 과전압, R은 기체상수, T는 온도이다. In
도 10a 내지 c에는 실시예 1-2 내지 6-2 및 비교예 2-2의 셀에 대하여, 각각 아르곤 포화 전해질에서의 타펠 플롯, 수소 포화 전해질에서의 타펠 플롯 및 타펠 플롯으로부터 계산된 j0 값을 나타내었다. 10A to 10C show the values of j 0 calculated from the Tafel plot in the argon-saturated electrolyte, the Tafel plot in the hydrogen-saturated electrolyte, and the Tafel plot for the cells of Examples 1-2 to 6-2 and Comparative Example 2-2, respectively. was shown.
도 10a를 참조하면, 팔면체형 팔라듐 나노 입자를 포함하는 실시예 1-2 내지 3-2와 팔면체형 수소화팔라듐 나노 입자를 포함하는 실시예 4-2 내지 6-2의 타펠 플롯 기울기는, 백금 원자층 수가 같은 경우 거의 차이가 나지 않는 것을 확인할 수 있다. 즉, 코어의 종류는 타펠 플롯에는 영향을 크게 미치지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한, 백금 원자층 수가 증가할수록 타펠 플롯 기울기는 감소하여 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 10a, the slope of the Tafel plot of Examples 1-2 to 3-2 containing octahedral palladium nanoparticles and Examples 4-2 to 6-2 containing octahedral palladium hydride nanoparticles is a platinum atom It can be seen that there is almost no difference when the number of floors is the same. In other words, it can be seen that the type of core does not significantly affect the Tafel plot. In addition, as the number of platinum atomic layers increases, the slope of the Tafel plot decreases, confirming that the characteristics are excellent.
도 10b는 수소 발생 반응뿐만 아니라 수소 산화 반응(HOR)도 포함하여 버틀러-볼머 피팅(ButlerVolmer fitting)을 한 타펠 플롯에 해당한다. 도 10b을 통해 j0 값을 얻을 수 있다. FIG. 10b is a Tafel plot with Butler-Volmer fitting including hydrogen oxidation reaction (HOR) as well as hydrogen evolution reaction. A value of j 0 can be obtained through FIG. 10B .
도 10c를 참조하면, 백금 원자층 수가 많아질수록 j0가 높고, 코어가 팔라듐인 경우가 수소화팔라듐인 경우보다 조금 더 높은 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 10C , as the number of platinum atomic layers increases, j 0 is higher, and it can be seen that the case where the core is palladium is slightly higher than the case where palladium hydride is used.
상기 내용을 종합하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 팔면체형 백금 코어-쉘 나노 입자는 크기가 작아 ECSA가 높고, 수소 발생 반응에 촉매 활성이 우수하며, 교환 전류 밀도가 높은 등으로 전기화학적 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. Taken together, the octahedral platinum core-shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention have electrochemical properties such as small size, high ECSA, excellent catalytic activity for hydrogen evolution, and high exchange current density. It can be seen that this is excellent.
Claims (17)
상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액과 백금 전구체를 포함하는 분산액을 혼합한 다음 가열하는 단계; 를 포함하고,
상기 가열하는 단계는 일산화탄소 기체를 1 내지 10 cm3/분의 유량으로 주입하면서 승온 가열하는 단계;를 포함하는 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법으로서,
상기 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자는,
팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자; 및 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 상에 위치하는 백금층을 포함하고,
상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자의 모서리(edge)의 평균 길이가 5 내지 10 nm 인 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법.
Preparing an octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion; and
mixing the octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion with a dispersion containing a platinum precursor and then heating; including,
The heating step includes the step of heating the temperature elevated while injecting carbon monoxide gas at a flow rate of 1 to 10 cm 3 /min;
The octahedral platinum-based core-shell nanoparticles,
octahedral palladium-containing nanoparticles; and a platinum layer positioned on the octahedral palladium-containing nanoparticles,
The average length of the edge of the octahedral palladium-containing nanoparticles is 5 to 10 nm of the octahedral platinum-based core-shell nanoparticle manufacturing method.
상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액을 제조하는 단계는
팔라듐 전구체 용액 및 제1 환원제를 혼합하고 1차 가열하여 팔면체형 팔라듐 나노 입자를 형성하는 단계를 포함하는 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The step of preparing the octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion is
A method for producing octahedral platinum-based core-shell nanoparticles comprising the step of mixing a palladium precursor solution and a first reducing agent and heating the first to form octahedral palladium nanoparticles.
상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액을 제조하는 단계는 상기 팔면체형 팔라듐 나노 입자를 형성하는 단계 이후에,
상기 팔면체형 팔라듐 나노 입자를 수소화제와 혼합하고, 상기 1차 가열 보다 더 높은 온도에서 2차 가열하여 팔면체형 수소화팔라듐 나노 입자를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The step of preparing the octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion is after the step of forming the octahedral palladium nanoparticles,
The octahedral type platinum-based core-shell nanoparticles further comprising the step of mixing the octahedral palladium nanoparticles with a hydrogenating agent, and performing secondary heating at a higher temperature than the primary heating to form octahedral palladium hydride nanoparticles A method of making the particles.
상기 팔라듐 전구체는 소듐 테트라클로로 팔라데이트, 팔라듐 아세틸아세토네이트, 포타슘 테트라클로로 팔라데이트, 팔라듐 클로라이드, 팔라듐 나이트레이트 및 팔라듐 브로마이드 중 1종 이상을 포함하는 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The palladium precursor is octahedral platinum-based core-shell nanoparticles comprising at least one of sodium tetrachloro palladate, palladium acetylacetonate, potassium tetrachloro palladate, palladium chloride, palladium nitrate and palladium bromide method.
상기 제1 환원제는 시트르산, 아스코르브산, 에틸렌 글라이콜, 디에틸렌 글라이콜, 소디움 보로하이드라이드 및 하이드라진 하이드레이트 중 1종 이상을 포함하는 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The first reducing agent will include at least one of citric acid, ascorbic acid, ethylene glycol, diethylene glycol, sodium borohydride, and hydrazine hydrate.
상기 수소화제는 디메틸포름아미드, 포름알데하이드, 아세트알데하이드, n-뷰틸아민, n-헥실아민, n-옥틸아민 및 n-도데실아민 중 1종 이상을 포함하는 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법.
7. The method of claim 6,
The hydrogenating agent is an octahedral platinum-based core-shell comprising at least one of dimethylformamide, formaldehyde, acetaldehyde, n-butylamine, n-hexylamine, n-octylamine and n-dodecylamine. Methods of making nanoparticles.
상기 백금 전구체를 포함하는 분산액은 제2 환원제를 더 포함하는 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The dispersion containing the platinum precursor will further include a second reducing agent octahedral platinum-based core-shell nanoparticle manufacturing method.
상기 제2 환원제는 올레일 아민, 1,2-헥산다이올, n-옥틸아민, 펜타데실아민 중 1종 이상을 포함하는 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The second reducing agent will include at least one of oleylamine, 1,2-hexanediol, n-octylamine, and pentadecylamine.
상기 백금 전구체는 플래티늄 아세틸아세토네이트, 포타슘 테트라클로로플래티네이트, 플래티늄 클로라이드, 소듐 테트라클로로플래티네이트, 테트라 아민 플래티늄 나이트레이트 및 클로로 플라티닉 애시드 중 1종 이상을 포함하는 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The platinum precursor is an octahedral platinum-based core-shell comprising at least one of platinum acetylacetonate, potassium tetrachloroplatinate, platinum chloride, sodium tetrachloroplatinate, tetraamine platinum nitrate and chloroplatinic acid Methods of making nanoparticles.
상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자 분산액 및 상기 백금 전구체를 포함하는 분산액은, 상기 백금 전구체에 포함된 백금 대 상기 팔면체형 팔라듐 함유 나노 입자의 중량비가 1:1 내지 1:10가 되도록 혼합되는 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 결정의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The octahedral palladium-containing nanoparticle dispersion and the dispersion containing the platinum precursor are mixed so that the weight ratio of platinum contained in the platinum precursor to the octahedral palladium-containing nanoparticles is 1:1 to 1:10 Octagonal A method for preparing body-shaped platinum-based core-shell nanocrystals.
상기 승온 가열하는 단계는 180 내지 220 ℃까지 승온하여 수행되는 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The heating step is performed by increasing the temperature to 180 to 220 ℃ octahedral platinum-based core-shell nanoparticle manufacturing method.
상기 가열하는 단계는 상기 승온 가열하는 단계 이후, 일산화탄소 기체 주입을 중단하고 추가 가열하는 단계를 더 포함하는 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 결정의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
After the heating step, the heating step further comprises stopping the injection of carbon monoxide gas and further heating the octahedral platinum-based core-shell nanocrystals.
상기 추가 가열하는 단계는 180 내지 220 ℃의 온도에서 30 내지 60분 동안 수행되는 것인 팔면체형 백금계 코어-쉘 나노 입자의 제조 방법.
16. The method of claim 15,
The additional heating step is performed for 30 to 60 minutes at a temperature of 180 to 220 ℃ octahedral platinum-based core-shell nanoparticle manufacturing method.
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