KR100825688B1 - 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매 및 그의 제조방법 - Google Patents
나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매 및 그의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 연료전지의 전극으로 활용될 수 있는 나노다공성의 텅스텐 카바이드 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 텅스텐 카바이드 결정 입자를 포함하며, 평균지름이 2 nm 내지 5 nm 정도이고 촉매 1g당 부피가 0.08 내지 0.25 cm3인 세공을 포함하는 다공성 텅스텐 카바이드 촉매 및 그의 제조방법, 상기 촉매를 적용한 전극 및 상기 촉매를 적용한 직접 메탄올 연료전지 또는 고분자 전해질막 연료전지 등의 연료전지에 관한 것이다.
본 발명의 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매 또는 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매에 금속 활성 성분을 담지한 촉매는 전기화학반응의 활성이 높고 일산화탄소에 대한 내피독성이 뛰어나 연료전지의 전극에 장기간 사용하더라도 높은 활성을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 표면적이 넓고 금속 활성 성분을 잘 분산시킬 수 있어서 종래의 귀금속 촉매보다 더 적은 양의 금속 활성 성분을 사용하고도 더 높은 촉매 활성을 얻을 수 있어 연료전지용 전극과 이를 채용한 연료전지를 더욱 저렴하게 제조할 수 있게 하는 효과가 있다.
텅스텐 카바이드, 고분자, 텅스텐 전구체, 수열합성, 나노다공성, 내피독성
Description
도 1은 실시예 1의 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매에 대한 X-레이 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1의 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매에 대한 질소 흡·탈착 등온선과 등온선으로부터 계산된 세공크기 분포 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1의 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 고배율 투과현미경 사진(HRTEM)이다.
도 4는 실시예 1의 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 선택적 면적 전자 회절(SAED) 분석 결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에서 제조된 백금이 담지된 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 고배율 투과현미경 사진이다.
도 6은 실시예 3, 비교예 2 및 비교예 3의 촉매에 대한 사이클릭 볼타메트리 시험의 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 전기화학 활성이 높고 일산화탄소에 대한 내피독성이 뛰어나 연료전지의 전극에 장기간 사용하더라도 높은 활성을 유지할 수 있고, 종래의 귀금속 촉매보다 더 적은 양의 금속 활성 성분을 사용하고도 더 높은 촉매 활성을 얻을 수 있는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소, 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유, 바이오매스가스, 매립지 가스 등)와 산화제(산소, 공기 등)를 전기화학적으로 반응시켜 그 반응 에너지를 전기로 직접 변환하는 전지로서 1960년대 미국에서 우주항공 프로그램을 추진하면서 우주선의 동력원으로 개발된 이래 발전용, 가정용, 운송용, 이동용 전원 등 다양한 응용을 위해 세계 각국에서 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 연료전지는 90%의 높은 에너지 효율을 얻을 수 있음으로서 종래의 발전 기술에 비해 현저히 높은 에너지 효율을 얻을 수 있는 것이 최대의 특징이며, NOx 및 SOx를 배출하지 않는 무공해 발전 장치이다.
연료전지에서 수소 또는 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하여, 애노드 전극과 캐소드 전극의 전기화학반응에 의하여 전기를 생성한다. 애노드에서 수소 또는 유기 원료의 산화 반응이 일어나고, 캐소드에서 산소의 환원 반응이 일어나 두 전극 간의 전압차를 발생시키게 된다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell: PAFC), 용융 탄산염형 연료전지(molten carbonate fuel cell: MCFC), 고체 산화물형 연료전지(solid oxide fuel cell: SOFC), 고분자 전해질형 연료전지(proton electrolyte membrane fuel cell: PEMFC) 또는 알칼리형 연료전지(alkaline fuel cell: AFC), 직접메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell: DMFC) 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 에너지 밀도가 높고, 작동온도가 낮으며 액체인 메탄올 연료의 취급이 용이하여 주로 소형 통신기기나 컴퓨터의 이동전원으로의 활용이 기대된다. 또한, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용범위가 넓은 장점을 가진다.
연료전지에 이용되는 캐소드 및 애노드용 전극은 일반적으로 탄소 담체에 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 합금 내지는 다른 여러 활성 금속의 합금으로 구성되는 촉매 금속을 담지시켜 제조한다. 특히, 이들 전극은 귀금속 촉매를 이용하기 때문에 고가이고, 일산화탄소와 같은 촉매독에 의한 피독으로 인해 효율이 낮아지는 단점이 따른다.
또한, 연료전지의 다른 부품과는 달리 전극은 귀금속 촉매를 이용하기 때문에 대량 생산이 된다고 하더라도 가격이 저렴해질 여지가 거의 없으므로 이들을 대체할만한 저렴한 활성 성분을 개발하거나, 상기 귀금속의 유효 표면적을 최대화시 켜 이들의 활용을 극대화하는 방법이 요구된다.
텅스텐 카바이드는 산성용액 속에서 음극 전위(anodic potential)에 대한 안정성과 일산화탄소에 대한 내피독성을 가지기 때문에 전극촉매로 이용하기 위하여 많은 연구가 있었다. 그러나 텅스텐 카바이드 단독으로는 일산화탄소에 대한 높은 내피독성에도 불구하고 매우 낮은 전기촉매적 활성을 보이는 문제가 있었다.
따라서, 촉매적 활성을 향상시켜 전극 촉매로 활용하기 위한 텅스텐 카바이드의 다양한 합성 방법이 개발되고 또한 알려져 있다. 본 발명자들은 고표면적과 특히 높은 흡착능력을 가지며 여기에 다른 금속 활성 성분을 담지시켜 전극 촉매를 제조하여 상기 직접 메탄올 연료전지(DMFC)나 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC) 등의 연료전지에 활용하는 방법에 대하여 이미 보고한 바 있다(대한민국 특허출원: 제10-2005-0061149호).
그러나, 더욱 안정한 전기적 활성 및 일산화탄소에 대한 내피독성을 갖는 텅스텐카바이드 촉매 및 금속 활성 성분을 담지시킨 전극 촉매에 대한 연구의 필요성은 여전히 크다고 할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 전기화학적 활성과 일산화탄소에 대한 내피독성이 우수하고 더욱더 안정한 단일상의 결정을 형성하여, 적은 금속 활성 성분의 담지량으로도 높은 활성을 나타낼 수 있는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 나노다공성 텅스텐 카 바이드 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드를 포함하는 연료전지용 전극을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 네 번째 기술적 과제는 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은
텅스텐 카바이드 결정 입자를 포함하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매로서, 상기 촉매의 세공의 평균지름이 2 nm 내지 5 nm이고, 상기 촉매 1g당 상기 세공의 부피가 0.08 내지 0.25 cm3인 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매를 제공한다.
상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은
(a) 고분자로 중합 가능한 단량체 및 텅스텐 전구체를 용매에 용해시킨 용액을 계면활성제 용액과 혼합하는 단계;
(b) 상기 혼합물을 수열합성하여 상기 단량체가 중합되어 생성된 고분자 및 텅스텐 전구체가 결합한 텅스텐-고분자 복합체를 제조하는 단계; 및
(c) 상기 텅스텐-고분자 복합체를 분리하여 소성하는 단계를 포함하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법을 제공한다.
상기 세 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매를 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.
본 발명은 상기 네 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 촉매층과 확산층을 포함하는 캐소드; 촉매층과 확산층을 포함하는 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료전지로서, 상기 캐소드 및 상기 애노드 중의 적어도 하나가 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.
이하에서, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 제1태양은 텅스텐 카바이드 결정 입자를 포함하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매로서, 상기 촉매의 세공의 평균지름이 2 nm 내지 5 nm이고, 상기 촉매 1g당 상기 세공의 부피가 0.08 내지 0.25 cm3인 나노다공성 텅스텐 카바이드(tungsten carbide) 촉매를 제공한다. 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매는 연료전지의 전극에 촉매로서 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매는 다른 금속 활성 성분을 표면에 담지하여, 상기 금속 활성 성분에 대하여 담체의 역할을 할 수도 있다.
본 발명의 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매는 미세한 텅스텐 카바이드 결정 입자가 모여서 이루어진 것으로서, 상기 텅스텐 카바이드 결정 입자는 대부분 WC 단일상으로 이루어지고 W2C, WC1 -x, 또는 WO3 상은 거의 나타나지 않는다(여기에서, x는 0과 1사이의 임의의 실수로서 제조 조건에 따라 변화하는 상수이다).
본 발명에서, 전체 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매에 있어서 텅스텐 : 탄소 : 산소의 원자비는 1 : m : n이고, 0.4 ≤ m ≤ 1, 0 ≤ n ≤ 0.1인 것이 바람직하다. 상기 m의 값이 0.4보다 작으면 탄소와 결합하지 않은 금속상의 텅스텐이 존재할 수 있고, 상기 m의 값이 0.1보다 크면 텅스텐과 결합하지 않는 유리 탄소가 존재하여 활성이 낮아진다. 또, 상기 n의 값이 1보다 크면 산소가 표면에 머무르지 않고 본체에 혼입되어 역시 활성을 낮춘다. 상기 n의 값이 0인 경우는 산소가 결합하지 않은 경우를 의미한다.
또한, 본 발명에서 상기 텅스텐 카바이드 결정 입자는 탄소에 의하여 서로 연결됨으로써 텅스텐 카바이드 촉매 입자를 이룬다. 상기와 같이 탄소가 텅스텐 카바이드 결정 입자를 연결하는 양상은, 예를 들면, 탄소로 이루어진 틀(template)에 상기 텅스텐 카바이드 결정 입자가 박혀서 텅스텐 카바이드 촉매 입자를 이루는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명에서 상기 텅스텐 카바이드 결정 입자의 크기는 특별히 한정하지 않으며, 다만 상기 텅스텐 카바이드 결정 입자로 이루어진 텅스텐 카바이드 촉매는 평균 입경이 0.01 내지 100 ㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 50 ㎛이다. 상기 텅스텐 카바이드 촉매의 평균 입경이 0.01 ㎛보다 작으면 입자들끼리 쉽게 응집되는 경향이 있어서 촉매 입자로서 바람직하지 않고, 100 ㎛를 초과하면 비표면적이 작아져서 촉매 활성이 저하하는 문제가 있어 바람직하지 않다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매는 다른 금속 활성 성분을 표면에 담지함으로써, 상기 금속 활성 성분에 대하여 담체의 역할을 할 수 있다. 이 때에도, 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매는 촉매로서의 활성을 그대로 유지하며, 표면에 담지된 금속 활성 성분과 함께 전체적으로 더욱 향상된 촉매 활성을 나타내게 된다.
본 발명에서, 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매에 담지되는 상기 금속 활성 성분은 특히 한정되는 것은 아니며, 연료전지용 전극의 산화 환원 반응에 대하여 촉매역할을 할 수 있는 금속이면 된다. 이러한 금속의 비한정적인 예를 들면, 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 또는 알루미늄(Al) 등을 들 수 있다. 또한, 이들 중 2 이상의 금속 원소를 임의로 선택하여 합금 형태로 만든 것 또한 여기에 포함된다.
본 발명의 제2태양은 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법은
(a) 고분자로 중합 가능한 단량체 및 텅스텐 전구체를 용매에 용해시킨 용액을 계면활성제 용액과 혼합하는 단계(반응물 혼합 단계);
(b) 상기 혼합물을 수열합성하여 상기 단량체가 중합되어 생성된 고분자 및 텅스텐 전구체가 결합한 텅스텐-고분자 복합체를 제조하는 단계(수열합성 단계); 및
(c) 상기 텅스텐-고분자 복합체를 분리하여 소성하는 단계(소성 단계)를 포함한다.
이하, 상기 각 단계별로 나누어 더욱 구체적으로 설명한다.
(a) 반응물 혼합 단계
본 단계에서 상기 고분자로 중합 가능한 단량체는 적절한 온도 범위에서 중 합할 수 있는 단량체면 되고 특별히 한정되지 않는다. 상기 단량체는 예를 들면, 레소시놀(resorcinol)/포름알데히드; 페놀/포름알데히드, 피롤(pyrrole), 티오펜(thiophene), 아크로네이트(acronate), 염화비닐(vinyl chloride) 등을 들 수 있지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 단량체가 고분자로 중합되는 양상은 개시제, 빛 또는 열에 의해 개시되는 라디칼 중합일 수도 있고, 이온 중합일 수도 있으며 특별히 한정되지 않는다. 특히, 상기 단량체로서 레소시놀과 포름알데히드를 사용하는 경우 이들은 탈수 축합 반응을 통해 공중합체를 형성한다.
또한, 본 단계에서 상기 텅스텐 전구체는 텅스텐 원자를 포함하면서 소성에 의해 텅스텐 원자를 공급할 수 있는 화합물이면 되고 특별히 한정되지 않는다. 특히, 상기 텅스텐 전구체는 텅스텐산염(tungstate)인 것이 바람직하다. 상기 텅스텐산염은 과도하게 가혹한 조건이 아니어도 텅스텐 원자를 원활하게 공급할 수 있기 때문이다. 상기 텅스텐산염의 보다 구체적인 예를 들면, 암모늄 메타 텅스테이트(ammonium meta tungstate: AMT), 암모늄 텅스테이트(ammonium tungstate), 소디움 텅스테이트(sodium tungstate), 텅스텐 클로라이드(tungsten chloride), 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 단계에서 상기 용매는 극성 용매인 것이 바람직하며, 예를 들면 물 또는 알코올계 용매가 바람직하지만 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 알코올계 용매로는 예를 들면, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올과 같은 프로판올, 부탄올, 펜탄올 등을 들 수 있다. 또한, 상기 물은 특히 탈이온수인 것이 바람직하다.
상기 텅스텐 전구체와 상기 단량체의 상대적인 함량은 몰수를 기준으로 1 : 5 내지 1 : 200인 것이 바람직하다. 만일 단량체의 함량이 상기 범위에 미달하여 너무 적으면 유리 탄소의 함량이 과다해지고, 만일 단량체의 함량이 상기 범위를 초과하여 너무 많으면 탄소가 결핍된 텅스텐 카바이드가 생성되어 바람직하지 않다.
또한, 상기 텅스텐 전구체와 상기 용매의 상대적인 함량은 몰수를 기준으로 1 : 500 내지 1 : 3000인 것이 바람직하다. 만일 용매의 함량이 상기 범위에 미달하여 너무 적으면 반응물의 충분한 혼합이 어렵고, 만일 용매의 함량이 상기 범위를 초과하여 너무 많으면 반응물의 농도가 너무 낮아져서 반응이 원활하게 진행되기 어렵다.
또한, 본 단계에서 상기 계면활성제 용액에 사용되는 계면활성제는 기공을 형성할 수 있는 계면활성제이면 되고 특별히 한정되지 않는다. 본 발명에서 상기 계면활성제는 상기 텅스텐 전구체의 분산도를 증대시키고, 상기 텅스텐 전구체와 상기 단량체로부터 형성된 고분자로 이루어진 텅스텐-고분자 복합체 형성시 이들을 둘러쌈으로써 더욱 크기가 작은 입자를 형성할 수 있도록 하는 역할을 한다. 상기 크기가 작은 입자들은 높은 표면에너지로 인하여 서로 뭉쳐지게 되는데 이때 계면활성제에 의하여 내부 공간이 더 커지게 되고 최종적으로 소성단계에서 이들이 빠져 나감으로서 기공을 형성할 수 있게 된다.
상기 계면활성제의 구체적인 예를 들면, CH3(CH2)n-1N(CH3)3Br(여기서, n=10, 12, 14 또는 16)와 같은 양이온 계면활성제, CH3(CH2)n-1COOH(여기서, n=11, 13 또는 15)과 같은 음이온 계면활성제, CH3(CH2)n-1NH2(여기서, n=12 또는 16)과 같은 중성 계면활성제, CH3(CH2)15N(PEO)nOH(여기서, n=2 또는 20이고, PEO는 polyethylene oxide)과 같은 비이온성 계면활성제 등을 들 수 있지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.
본 단계에서 상기 계면활성제 용액은 상기 계면활성제를 물, 알콜 등의 용매에 용해시켜 제조할 수 있으며, 특별히 한정하지 않는다.
본 단계에서 상기 텅스텐 전구체와 상기 계면활성제의 상대적인 함량은 몰수를 기준으로 1 : 0.5 내지 1 : 3 인 것이 바람직하다. 계면활성제의 함량이 상기 범위에 미달하여 너무 적으면 다공성 물질 형성이 어려우며, 계면활성제의 함량이 상기 범위를 초과하여 너무 많으면 세공크기가 너무 큰 텅스텐 카바이드가 생성되어 바람직하지 않다.
상기 텅스텐 전구체, 단량체, 용매 및 계면활성제 용액은 한꺼번에 혼합할 수도 있지만, 고체인 텅스텐 전구체를 먼저 용매에 용해시키거나 분산시킨 후, 그 분산액을 액체인 단량체 및 계면활성제 용액과 혼합시키는 것이 균일한 혼합을 위해 바람직하다.
(b) 수열합성 단계
본 발명에서 수열합성이란 초임계 또는 아임계 상태의 수용액을 이용하여 무기산화물을 용해도가 낮은 무기 산화물로 석출시키는 방법으로서 1단계의 단순한 공정에 의해 입도분포가 균일한 고순도의 단결정 산화물을 합성할 수 있는 방법을 말한다.
본 발명에서 상기 반응 혼합물의 수열합성은 100 ℃에서 300 ℃의 온도 조건하에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 반응온도가 100 ℃이하의 범위에서는 물의 끓는점 보다 낮아서 반응이 일어나지 않을 수 있고 300 ℃ 이상의 반응온도에서는 생성물의 입경이 너무 커지는 단점이 있다. 또한, 본 발명에서 상기 수열합성의 반응시간은 10시간 내지 36시간이 적당하다. 10시간 이하일 경우 반응물의 합성이 이루어지지 않을 수 있고 36시간 이상에서는 입경이 크고 세공구조가 깨어질 수 있다.
상기와 같이 수열합성 과정에서 상기 단량체가 중합된다. 본 발명에서 상기 수열합성 과정에는 상기 단량체의 중합을 용이하게 하기 위하여 중합개시제가 추가로 포함될 수 있다. 본 단계에서 추가로 포함될 수 있는 중합개시제로는 과황산소다, 과황산칼륨, 염화철 등을 들 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
본 단계에서 단량체가 중합되면서 생성된 고분자는 용매 내에서 겔 상(gel phase)을 띠게 되고, 상기 고분자 내에 텅스텐 전구체가 포함되면서 비중이 커져 침전으로 가라앉게 된다.
(c) 소성 단계
본 단계는 상기 과정에서 생성된 침전물을 여과 등의 방법으로 분리하여 불활성 분위기에서 소성(calcination)하여 나노다공성 텅스텐 카바이드를 형성하는 단계이다.
본 단계에서 상기 침전물의 분리 방법은 여과지에 의해 여과시키는 방법을 사용할 수 있으며, 특별히 제한하지 않는다.
또한, 본 단계에서 상기 불활성 분위기를 위해서는 질소, 아르곤 가스 등을 사용할 수 있으며, 특별히 제한하지 않는다.
본 단계에서 상기 소성은 예를 들면, 오븐 또는 가열로와 같이 가열공간을 갖는 가열장치에서 수행할 수 있다. 상기 소성 온도는 500 내지 1400 ℃에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 소성 온도가 500 ℃보다 낮으면 텅스텐 카바이드가 생성되지 않고, 상기 소성 온도가 1400 ℃보다 높으면 제조된 텅스텐 카바이드의 표면적이 소결 현상에 의해 감소하는 단점이 있다.
상기와 같이 소성을 하면 상기 고분자가 탄화되면서 텅스텐 전구체와 결합하고, 이때 결합하지 않은 고분자 및 계면활성제가 차지하고 있던 부분이 소성 과정에서 공간으로 형성됨으로써 미세한 공극을 가진 나노다공성의 텅스텐 카바이드 촉매를 얻을 수 있다.
본 발명에서 제조된 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매는 그 자체로 연료전지 전극의 활성 촉매로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 (c)단계에서 생성된 입자 표면에 다른 금속 활성 성분을 담지하는 단계를 더 포함함으로써 상기 금속 활성 성분에 대하여 담체의 역할을 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매를 제조할 수도 있다. 상기 금속 활성 성분을 본 발명의 고표면적 텅스텐 카바이드 촉매에 담지시키는 방법은 특별히 한정되지 않고, 일반적인 촉매 담체, 예를 들면 실리카(SiO2) 담체 상에 귀금속 촉매를 담 지시키는 방법 등을 이용할 수 있다.
본 발명의 제3태양은 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매를 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.
상기 전극을 제조하는 방법은 연료전지용 전극의 제조방법으로서 알려진 통상의 방법에 의할 수 있으며 특별히 한정되지 않는다. 상기 제조방법의 비한정적인 일구현예를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매와 바인더를 용매에 분산시켜 슬러리상으로 만든다. 상기 바인더로는 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴, 페놀수지, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 셀룰로오스아세테이트 등의 물질을 사용할 수 있고, 용매로는 물, 알코올(메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등의 물질을 사용할 수 있다. 상기와 같이 제조한 슬러리를 전극 기재에 코팅하여 건조시킨다. 코팅방법은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법 등이 사용될 수 있으며, 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 전극 기재는 예를 들면, 카본페이퍼, 더욱 바람직하게는 발수처리된 카본페이퍼, 더더욱 바람직하게는 발수처리된 카본블랙층이 도포된 발수처리된 카본페이퍼 또는 카본 클로스(carbon cloth)일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니 다. 상기 전극 기재는 연료전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 반응 가스를 확산시켜 촉매층으로 반응 기체가 쉽게 접근할 수 있는 기체 확산층으로서의 역할을 한다.
상기 전극은 기체확산층과 촉매층 사이에 기체 확산 효과를 더욱 증진시키기 위하여, 미세 다공층(microporous layer)을 더 포함할 수도 있다. 상기 미세 다공층은, 예를 들면, 탄소 분말, 카본블랙, 활성탄소, 아세틸렌 블랙 등의 도전성 물질, PTFE와 같은 바인더 및 필요에 따라 이오노머를 포함하는 조성물을 도포하여 형성될 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 제4태양은 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매를 포함하는 연료전지를 제공한다. 즉, 촉매층과 확산층을 포함하는 캐소드; 촉매층과 확산층을 포함하는 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료전지에 있어서, 상기 캐소드 및 상기 애노드 중의 적어도 하나가 본 발명에 따른 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.
본 발명의 연료전지는, 예를 들면, 인산형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등에 적용될 수 있으며, 특히 DMFC에 더욱 유리하게 적용될 수 있다. 이러한 연료전지의 제조는, 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용할 수 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예
실시예
1
계면활성제로서 세틸 트리 메틸 암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide: CTABr)를 물에 용해시켜 수용액을 제조하였다. 또한 암모늄 메타 텅스테이트 5 g을 물에 분산시킨후, 레소시놀 1.2 g과 30% 포름알데히드 1.8 ml를 혼합한 용액에 넣어 균일하게 분산되도록 교반하였다.
상기 용액을 고압 반응기에 탑재한 후 150 ℃에서 2일 동안 수열합성 하였다. 상기 고체 반응생성물을 여과하여 110 ℃에서 하루 동안 건조하였다. 상기 건조된 반응생성물을 불활성 분위기로 900 ℃에서 1 시간 동안, 수소 분위기에서 2시간 동안 가열하였다.
상기와 같이 제조한 텅스텐 카바이드 촉매에 대하여 XRD 분석(Philips사에서 제조된 CM-200모델을 이용하여 200 kV에서 분석함)을 수행한 결과 본 발명의 텅스텐 카바이드 촉매가 대부분 WC의 단일 상으로 구성되어 있음을 알 수 있었다. 그리고 소량의 W2C 및 WC1 -x의 상이 관찰되었으나, WO3 상은 관찰되지 않았다(도 1).
또, 상기와 같이 제조한 텅스텐 카바이드에 대하여 등온선 분석(Micromeritics사의 ASAP 2010 모델 이용)을 실시하였다. 상기 분석에 의한 흡착등온선 결과는 합성된 텅스텐카바이드가 미세세공을 형성하고 있는 것을 나타내었 으며(도 2의 외부그래프), 세공크기 분포도 결과(도 2의 내부그래프)는 상기 제조된 텅스텐 카바이드가 메소다공성 구조 형태이고 대부분의 세공크기가 평균직경 2 내지 5 nm임을 나타내었다. 그리고 제조된 텅스텐 카바이드의 세공 부피는 촉매 1g당 약 0.24 cm3이었다.
상기와 같이 제조한 텅스텐 카바이드에 대하여 더욱 정확한 분석을 위해 고배율 투과현미경(HRTEM) 분석(JEO사에서 제조된 JEM 2010F모델 이용)을 수행한 결과 수열합성에 의한 다공성 텅스텐 카바이드는 탄소가 풍부한 외부껍질에 잡혀있는 텅스텐 카바이드 나노입자들의 집합체로 구성되었음을 알 수 있었다(도 3). 격자 주름이 약 0.25 nm로 이는 간단한 텅스텐 카바이드 6방정계의 (100) 격자면의 내부 격자간 거리와 일치하였다.
또한, 상기와 같이 제조한 텅스텐 카바이드에 대한 선택적 면적 전자 회절(SAED : Selected Area Electron Diffraction) 분석(JEOL사에서 제조된 JEM 2010F모델 이용) 결과 나노다공성 텅스텐 카바이드가 결정성이 뛰어남을 알 수 있었다(도 4).
상기와 같이 제조한 텅스텐 카바이드의 일산화탄소에 대한 내피독성을 알아보기 위하여 일산화탄소의 최대침적량을 측정하였다. 측정 방법은 승온탈착법(TPD: Temperature Programmed Desorption)을 이용하였다. 승온 탈착법이란 흡착물을 흡착제 표면에 흡착시킨 다음 일정하게 온도를 승온시키면서 탈착되는 물질을 분석하는 방법으로서, 이 분석방법을 통해서 흡착물의 탈착온도를 알 수 있으므로 흡착물 이 흡착제에 물리흡착을 하였는지 화학흡착을 하였는지 알 수 있으며, 이 흡착물이 표면과 결합하는 결합에너지도 알 수 있다. 본 실시예에서는 Mass Selective Detector(HP사의 5973)가 탑제된 HP사의 6890 GC 모델을 이용하여 탈착량까지 정량하였다. 측정된 일산화탄소의 최대침적값은 106 μmol/g이었으며, 이는 상기와 같이 제조한 텅스텐 카바이드 중 총 텅스텐 원자들의 10%에 해당한다.
실시예
2
증류수 25 ml에 NaOH 0.29 g을 용해시킨 후 NaBH4 0.64 g을 용해시키고 상기 실시예 1에서 제조한 다공성 텅스텐 카바이드 촉매 0.6 g을 상기 용액에 넣고 교반하여 잘 분산시켰다. 그런 후 상기 용액에 H2PtCl6 1ml를 넣고 30분 동안 추가적으로 교반한 후 원심분리 및 건조를 통해 7.5% Pt/텅스텐 카바이드 촉매를 제조하였다.
상기 제조된 Pt/텅스텐 카바이드 촉매에 대하여 등온선 분석, 고배율 투과현미경 분석 및 선택적면적 전자회절 분석을 실시하였다.
상기 분석 결과로부터 백금을 담지한 상기 Pt/텅스텐 카바이드 촉매의 경우도 상기 실시예 1의 경우와 비슷한 결과를 보임을 확인하였다.
실시예
3
H2PtCl6를 1 ml 대신 0.47 ml를 넣은 것을 제외하고는 상기 실시예 2에서와 동일한 방법으로 Pt/텅스텐 카바이드 촉매를 제조하였다.
상기 실시예 3에서 제조된 Pt/텅스텐 카바이드 촉매에 대한 고배율 투과현미 경 사진을 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타난 바와 같이 나노다공성 텅스텐 카바이드에 담지된 백금 입자가 매우 잘 분산되었으며, 평균 입경이 약 2nm 정도인 것을 알 수 있다.
비교예
1
계면활성제를 사용하지 않고, 암모늄 메타 텅스테이트 2.4 g을 물에 분산시킨 후, 레소시놀 1.2 g과 30% 포름알데히드 1.8 ml를 혼합한 용액에 넣어 균일하게 분산되도록 교반하였다. 상기와 같이 교반한 혼합물을 용기에 넣고 94 ℃를 유지하면서 24시간 동안 반응하도록 방치하였다.
24 시간이 경과한 후 상기 용기의 바닥에 겔 상태의 텅스텐 전구체-고분자의 복합체가 침전되었다. 상기 침전을 여과하여 불활성 분위기로 900 ℃에서 3 시간 동안 소성하여 구형 텅스텐 카바이드 촉매를 제조하였다.
비교예
2
상기 실시예 1에서 제조한 다공성 텅스텐 카바이드 촉매 0.6g 대신 상기 비교예 1에서 제조한 구형 텅스텐 카바이드 촉매 0.6g을 넣은 것을 제외하고는 상기 실시예 2에서와 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다.
비교예
3
기존의 상품화된 촉매인 20% Pt-Ru/카본블랙 촉매(E-TEK사 제조, Vulcan-XC 72R)를 이용하였다.
상기 실시예 2 내지 3 및 비교예 2 내지 3의 촉매를 메탄올의 전기화학적 산화반응에 적용하였다. 먼저, 수소 흡탈착 방법을 이용하여 여러 촉매의 비활성 및 질량활성을 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 이용하여 분석하였다. 상기 사이클릭 볼타메트리 분석을 위하여 전기화학적 측정을 위한 작업 전극(working electrode)으로 1ml 증류수와 5wt%의 나피온(Nafion) 용액10㎕에 촉매가 지지된 백금을 잘 분산시켜 제작하였다. 분산은 15분간 울트라 초음파 분해를 이용하였고, 알려진 일정량의 부유물질을 글래시 탄소(glassy carbon) 위에 첨가한 다음 천천히 증발시켰다. 5wt%의 나피온(Nafion) 용액10㎕를 코팅된 면 위에 다시 첨가하고 천천히 증발시켰다. 그리고 카운터 전극으로는 백금 포일을 기준전극으로는Ag/AgC/3M NaCl을 사용하였다. 전기화학 연구를 위하여 1M H2SO4와 1M CH3OH 용액을 사용하였다. 전기화학적 실험을 위해서 프린스턴 어플라이드 리서치 볼타메트리(Princeton Applied Research(PAR) Voltammetry)에서 제조된 263A model을 사용하여 상기 촉매들의 0.75 V에서의 비활성 및 질량활성을 측정하였다. 상기 사이클릭 볼타메트리를 이용한 비활성 및 질량활성의 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 금속성분 | 지지체 종류 | 비활성(0.75 V기준) (mA/cm2) | 질량활성(0.75 V기준) (mA/mg Pt) |
| 실시예 2 | 7.5% Pt | WC | 294 | 1373 |
| 실시예 3 | 3.5% Pt | WC | 185.1 | 1851 |
| 비교예 2 | 7.5% Pt | W2C | 156 | 728 |
| 비교예 3 | 7.5% Pt | 카본블랙 | 114 | 307 |
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 나노다공성 구조를 갖는 텅스텐 카바이드에 백금을 담지한 촉매인 실시예 2 및 실시예 3의 경우는, 나노다공성 구조를 갖지 않는 비교예 2 및 3의 경우에 비하여 비활성 및 질량활성이 높음을 확인할 수 있다. 따라서, 동일량의 백금을 담지할 경우 촉매의 활성이 높음을 알 수 있다. 또한, 실시예 2 및 실시예 3의 결과로부터 본 발명에 따른 나노다공성 구조를 갖는 텅스텐 카바이드에 백금을 담지한 촉매는 백금의 양이 절반으로 줄어도 촉매활성의 감소폭이 작음을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 나노다공성 구조를 갖는 촉매는 적은 양의 귀금속 촉매를 담지할 경우에도 촉매 활성이 높은 연료전지의 제조가 가능함을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예 2, 비교예 2 및 비교예 3의 촉매에 대하여 1M 황산-1M 메탄올 용액 중에서 메탄올 산화반응을 연속적으로 수행하였다. 약 30회 정도 반복 후 사이클릭 볼타메트리의 면적이 안정화 되어 거의 변화가 없었으며, 이는 촉매 표면에 산소가 생성된 후 전이영역에서 없어진 것으로 판단된다. 한번 정상상태에 도달후 100회의 반복에도 불구하고 촉매의 활성저하가 없었다. 도 6에 나타낸 바와 같이 실시예 3의 텅스텐 카바이드 물질(도 6의 a)에 있어서 앞방향과 뒷방향의 피크 전위의 차이가 비교예 2(도 6의 b) 및 비교예 3(도 6의 c)의 것보다 작음을 확인 할 수 있었으며, 이는 텅스텐 카바이드를 함유하고 있는 물질의 일산화탄소에 대한 높은 내성을 나타낸다. 그리고 실시예 2의 촉매의 메탄올 산화반응 피크 전위가 나머지 촉매들 보다 더 적은 값으로 이동하였다. 이의 결과로부터 실시예 2의 백금/ 텅스텐 카바이드 촉매는 루테늄이 없음에도 불구하고 일산화탄소의 피독현상을 줄이고 메탄올의 전기적 산화반응에 대한 활성이 증가함을 확인할 수 있다. 이는 고표면적 텅스텐 카바이드 촉매가 직접 메탄올의 분해반응에 참여하여, 물을 활성화시켜 히드록시기(-OH)를 생성시킴으로서, 촉매독이 되는 일산화탄소를 제거시키는 데 기인하는 것으로 판단된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
본 발명의 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매 또는 상기 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매에 금속 활성 성분을 담지한 촉매는 전기화학 활성과 일산화탄소에 대한 내피독성이 매우 높아 연료전지의 전극에 장기간 사용하더라도 높은 활성을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 세공의 크기가 작고 세공 체적이 커 금속 활성 성분을 잘 분산시킬 수 있어서 종래의 귀금속 촉매보다 더 적은 양의 금속 활성 성분을 사용하고도 더 높은 촉매 활성을 얻을 수 있으므로 연료전지용 전극과 이를 채용한 연료전지를 더욱 저렴하게 제조할 수 있게 하는 효과가 있다.
Claims (22)
- 텅스텐 카바이드 결정 입자를 포함하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매로서,상기 촉매의 세공의 평균지름이 2 nm 내지 5 nm이고, 상기 촉매 1g당 상기 세공의 부피가 0.08 내지 0.25 cm3인 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매.
- 제 1 항에 있어서,상기 텅스텐 카바이드 결정 입자에서 텅스텐 : 탄소 : 산소의 원자비가 1 : m : n이고, 0.4 ≤ m ≤ 1, 0 < n ≤ 0.1인 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매.
- 제 1 항에 있어서,상기 텅스텐 카바이드 결정 입자가 탄소에 의하여 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매.
- 제 1 항에 있어서,상기 텅스텐 카바이드 결정 입자로 이루어진 텅스텐 카바이드 촉매의 평균 입경이 0.01 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매.
- 제 1 항에 있어서,표면에 담지된 금속 활성 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매.
- 제 5 항에 있어서,상기 금속 활성 성분이 백금, 루테늄, 오스뮴, 코발트, 팔라듐, 갈륨, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 니켈, 구리, 아연 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매.
- (a) 고분자로 중합 가능한 단량체 및 텅스텐 전구체를 용매에 용해시킨 용액을 계면활성제 용액과 혼합하는 단계;(b) 상기 혼합물을 수열합성하여 상기 단량체가 중합되어 생성된 고분자 및 상기 텅스텐 전구체가 결합한 텅스텐 고분자 복합체를 제조하는 단계; 및(c) 상기 텅스텐-고분자 복합체를 분리하여 소성하는 단계를 포함하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 (a)단계의 상기 고분자로 중합 가능한 단량체가 레소시놀/포름알데히드; 페놀/포름알데히드, 피롤, 티오펜, 아크로네이트 및 염화비닐로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 (a)단계의 상기 텅스텐 전구체가 텅스텐산염(tungstate)인 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 텅스텐산염이 암모늄 메타 텅스테이트, 암모늄 텅스테이트, 소디움 텅스테이트 및 텅스텐 클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 (a)단계의 상기 용매가 물 또는 알코올계 용매인 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 알코올계 용매가 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 펜탄올로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 (a)단계의 상기 계면활성제가 양이온 계면활성제, 음이온 계면활성제, 중성 계면활성제 및 비이온성 계면활성제로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 (a)에서 텅스텐 전구체와 단량체의 몰비가 1 : 5 내지 1 : 200이고, 상기 텅스텐 전구체와 용매의 몰비가 1 : 500 내지 1 : 3000이며, 상기 텅스텐 전구체와 계면활성제의 몰비가 1 : 0.5 내지 1 : 3인 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 (b)단계에서 상기 수열합성이 100 내지 300℃의 온도 조건에서 10시간 내지 36시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 (b)단계에 중합개시제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 중합개시제가 과황산소다, 과황상칼륨 또는 염화철인 것을 특징으로 하 는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 (c)단계의 상기 소성이 500 ℃ 내지 1400 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 (c)단계 후에 생성된 입자 표면에 금속 활성 성분을 담지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 따른 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매를 포함하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)용 또는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)용 전극.
- 촉매층과 확산층을 포함하는 캐소드; 촉매층과 확산층을 포함하는 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료전지에 있어서, 상기 캐소드 및 상기 애노드 중의 적어도 하나가 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 따른 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC).
- 촉매층과 확산층을 포함하는 캐소드; 촉매층과 확산층을 포함하는 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료전지에 있어서, 상기 캐소드 및 상기 애노드 중의 적어도 하나가 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 따른 나노다공성 텅스텐 카바이드 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC).
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