KR101421104B1 - shape-controlled multi-pod nanowire structure for direct methanol fuel cell application and preparation method thereof - Google Patents

shape-controlled multi-pod nanowire structure for direct methanol fuel cell application and preparation method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR101421104B1
KR101421104B1 KR1020120157274A KR20120157274A KR101421104B1 KR 101421104 B1 KR101421104 B1 KR 101421104B1 KR 1020120157274 A KR1020120157274 A KR 1020120157274A KR 20120157274 A KR20120157274 A KR 20120157274A KR 101421104 B1 KR101421104 B1 KR 101421104B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
platinum
seed
nanowire
ruthenium
surfactant
Prior art date
Application number
KR1020120157274A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20140086590A (en
Inventor
성윤모
김주환
변영운
최종연
이우진
권순철
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020120157274A priority Critical patent/KR101421104B1/en
Publication of KR20140086590A publication Critical patent/KR20140086590A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101421104B1 publication Critical patent/KR101421104B1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

본 발명은 백금의 (100)면을 계면활성제로 캐핑하고, (111)면에 백금루테늄 나노와이어를 선택적으로 성장시킨 것으로, 백금루테늄 합금의 비표면적을 증대시켜 직접 메탄올 연료전지의 반응속도 및 효율을 증대시킨 새로운 멀티포트 나노와이어에 관한 것이다. 본 발명에 따른 멀티포트 구조의 나노와이어는 직접 메탄올 연료전지의 촉매로 사용시에 일산화탄소에 의해 피독되는 현상이 발생되지 않으며, 벌크 타입의 백금루테늄 합금에 비해 비표면적이 크게 증대되어, 적은 양의 사용에도 직접메탄올 전지의 반응속도 및 효율을 향상시킬 수 있다. The present invention relates to a direct methanol fuel cell reaction rate and efficiency by increasing the specific surface area of a platinum ruthenium alloy by capping the (100) plane of platinum with a surfactant and selectively growing the platinum ruthenium nanowire on the (111) Lt; RTI ID = 0.0 > multi-port < / RTI > nanowires. The multi-port nanowire according to the present invention is free from poisoning by carbon monoxide when used as a catalyst of a direct methanol fuel cell and has a significantly increased specific surface area as compared with the bulk type platinum ruthenium alloy, The reaction rate and efficiency of the direct methanol battery can be improved.

Description

직접 메탄올 연료전지 촉매용 멀티포트 구조의 나노 와이어 및 이의 제조방법{shape-controlled multi-pod nanowire structure for direct methanol fuel cell application and preparation method thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nanowire having a multi-port structure for a direct methanol fuel cell catalyst and a method for manufacturing the nanowire,

본 발명은 직접 메탄올 연료전지의 촉매에 관한 것으로, 백금루테늄 합금의 비표면적을 증대시켜 직접 메탄올 연료전지의 반응속도 및 효율을 증대시킨 새로운 멀티포트 나노와이어 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for a direct methanol fuel cell, and more particularly, to a novel multi-port nanowire that increases the specific surface area of a platinum ruthenium alloy to increase the reaction rate and efficiency of a direct methanol fuel cell and a method for manufacturing the same.

환경에 대한 관심이 증가하면서 에너지 효율이 높고 환경오염이 적은 연료전지를 개발 하려는 노력이 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 연료전지의 가장 큰 장점은 연료를 직접 산화시켜서 전기를 발생시키기 때문에 에너지 변환 효율이 높고, 운행 과정에서 오염물을 발생시키지 않는 깨끗한 전기를 생산한다는 것이다.With increasing interest in the environment, efforts to develop fuel cells with high energy efficiency and low environmental pollution are being actively carried out all over the world. The greatest advantage of fuel cells is that they generate electricity by directly oxidizing the fuel, producing clean electricity that has high energy conversion efficiency and does not generate pollutants during operation.

직접 메탄올 연료전지 (DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)는 1990년대가 되어서 개발하기 시작한 새로운 타입의 연료전지이다. 고체고분자형 연료전지(PEFC)가 완성되고 나서 1/4세기 지나 출현했다. 직접 메탄올 연료전지는 수소를 사용하는 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC)와 유사한 구조와 작동원리를 갖고 있으나 연료로서 수소 대신 메탄올을 연료극에 직접 공급하여 사용한다. 메탄올과 물을 주입하는 것만으로 실온에서 발전한다. Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) is a new type of fuel cell that began to develop in the 1990s. Solid polymer fuel cells (PEFCs) have been around since 1/4 century. The direct methanol fuel cell has a structure and a working principle similar to those of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) using hydrogen, but methanol is directly supplied to the fuel electrode instead of hydrogen. It only develops at room temperature by injecting methanol and water.

Figure 112012109363379-pat00001
Figure 112012109363379-pat00001

연료극에서는 메탄올과 물 분자가 반응하여 이산화탄소와 수소이온이 생성된다. 공기극 반응은 고체 고분자형 연료전지와 같다. 메탄올 분자 하나에서 6개의 전자를 빼낼 수 있으며, 게다가 표준전극전위가 수소와 거의 동일하기 때문에 이론적으로는 에너지밀도가 높은 연료전지를 만들 수 있다. 직접 메탄올 연료전지는 연료 공급체계가 단순하고 전체 장치가 간단하여 소형화가 가능하다. 또한, 메탄올만 공급해주면 사용시간을 얼마든지 늘릴 수 있어서 배터리와 같은 용량의 제한이나 충전시간에 따른 불편함이 해소될 수 있다. 직접 메탄올 연료전지는 연료인 메탄올이 가지는 높은 체적 에너지밀도와 연료저장에 있어서 안정성 그리고 수송이 용이한 장점이 있다. 직접 메탄올 연료전지는 다양한 용도로 사용이 가능하며, 특히, 1 W 정도의 소형 배터리 대체용 전원이나 500 W 이하의 휴대용 전원으로의 사용 가능성이 매우 높다. 상당한 성능 향상이 이루어진다면 자동차용 엔진으로도 사용이 가능할 것이다.At the anode, methanol and water molecules react with each other to produce carbon dioxide and hydrogen ions. The cathode reaction is the same as a solid polymer fuel cell. Six electrons can be extracted from one molecule of methanol, and the standard electrode potential is almost the same as hydrogen, so theoretically, a fuel cell with high energy density can be produced. The direct methanol fuel cell has a simple fuel supply system and a simple overall device, which enables miniaturization. In addition, if only methanol is supplied, the use time can be increased so that the limitation of the capacity such as the battery and the inconvenience due to the charging time can be solved. The direct methanol fuel cell has advantages such as high volumetric energy density of fuel, methanol, stability in fuel storage and easy transportation. Direct methanol fuel cells can be used for a variety of applications, especially for small-battery alternatives such as 1 W or portable power sources below 500 W. If significant performance improvements are made, it could be used as an automotive engine.

문제는 연료극에서의 반응속도가 느리다는 점이다. 직접 메탄올 연료전지는 음극의 손실(과전압)이 크다. 통상의 연료전지를 보면 전극에서 반응이 빠르게 발생할 수 있도록 백금촉매를 사용한다. 하지만 직접 메탄올 연료전지에서 메탄올과 같이 순수하지 않은 수소 연료를 연료극에 주입했을 때 발생하는 소량의 일산화탄소에 의해서 백금이 피독(poisoning)되는 현상이 발생한다. 일산화탄소 분자는 부분적으로 백금의 활성 자리에 강하게 흡착이 되어, 수소 흡착 자리를 막아버려서 전체적인 발생전위의 효율이 감소하는 결과가 발생한다. 이를 해결하기 위해 백금루테늄 합금을 사용한다. 백금과 산소친화적 원자(oxophilic element : 루테늄(Rh), 주석(Sn), 몰디브데넘(Mo), 오스뮴(Os) 등)와 결합하여 이종, 삼종 합금들을 만든다. 백금 루테늄이 백금을 기반으로 한 이종 합금들 중 가장 뛰어난 일산화탄소 피독 현상 저하를 유발한다. 따라서 백금촉매 대신 백금루테늄 촉매를 사용하여 연료전지의 효율 감소를 줄일 수 있다. The problem is that the reaction rate at the anode is slow. The direct methanol fuel cell has a large negative electrode loss (overvoltage). In a typical fuel cell, a platinum catalyst is used so that the reaction can occur rapidly at the electrode. However, a direct methanol fuel cell generates poisoning of platinum by a small amount of carbon monoxide generated when pure hydrogen fuel such as methanol is injected into the fuel electrode. The carbon monoxide molecules partially adsorb strongly to the active sites of the platinum, blocking the hydrogen adsorption sites, resulting in a reduction in the overall efficiency of the generated potential. To solve this problem, a platinum ruthenium alloy is used. They are combined with platinum and oxygen-friendly atoms (ruthenium (Rh), tin (Sn), molybdenum (Mo), osmium (Os), etc.) to form heterogeneous and triple alloys. Platinum ruthenium causes the highest carbon monoxide poisoning degradation among platinum-based hetero alloys. Therefore, the use of a platinum ruthenium catalyst instead of the platinum catalyst can reduce the efficiency reduction of the fuel cell.

백금루테늄 촉매의 사용으로 피독에 의한 문제는 이미 해결되었지만, 백금과 루테늄 모두 아주 비싼 물질이다. 때문에 연료전지의 효율을 최대한 높이기 위해 촉매의 나노 크기로 비표면적을 증가시킬 필요성이 있다. The problem of poisoning by using platinum ruthenium catalyst has already been solved, but both platinum and ruthenium are very expensive materials. Therefore, in order to maximize the efficiency of the fuel cell, it is necessary to increase the specific surface area by the nano-size of the catalyst.

한편, 나노와이어를 제작할 때는, 씨앗(seed)으로 작용하는 양자점(quantum dot)에 원자 간 결합력이 등방(isotropic)하게 작용하는 계가 어느 특정 1차원 방향으로만 성장하기 위해서 등방성 혹은 대칭성을 극복할 수 있는 결정성장기구가 존재해야한다. 종래의 일차원 나노템플릿을 사용하여 특정 방향에 국한된 화학반응을 유도하여 제작하는 방법은 합성이 간편하다는 장점이 있으나, 이로 인해 합성된 나노와이어가 다결정 구조를 가짐으로서, 단결정 구조의 합성물에 비해 전기비저항이 높아진다는 단점이 있다.On the other hand, when fabricating nanowires, a system in which the interatomic bonding force acts isotropically on a quantum dot acting as a seed grows in a specific one-dimensional direction, so that it can overcome isotropy or symmetry There must be a crystal growth mechanism. The method of inducing a chemical reaction confined to a specific direction using a conventional one-dimensional nano template has an advantage that it is easy to synthesize. However, since the synthesized nanowire has a polycrystalline structure, the electrical resistivity Is increased.

이에 씨앗의 결정면에 선택적으로 작용하는 표면활성물질을 사용하여 성장방향을 제한하는 방법이 주목받게 되었으며, 이를 캐핑(capping)이라고 한다. 성장환경으로 조성된 용액 내에서, 화학적 흡착 또는 표면 캐핑은 성장한 나노결정의 모양을 결정하는데 영향을 미친다. 일반적으로, 캐핑 물질의 결합 친화도는 결정면마다 다르게 작용한다. 이와 같은 성질을 통해 캐핑은 나노 입자에서 특정 결정면의 성장을 방해할 수 있게 되어 여러 결정면에의 상대적인 면적을 제어할 수 있는 수단으로 작용한다.Therefore, a method of limiting the growth direction by using a surface active material that selectively acts on the crystal face of a seed has attracted attention, which is called capping. In solutions formed in a growth environment, chemical adsorption or surface capping affects the shape of the grown nanocrystals. Generally, the binding affinity of the capping material functions differently depending on the crystal planes. By such a property, capping can prevent the growth of a specific crystal plane in the nanoparticle, and serves as a means of controlling the relative area to the various crystal planes.

따라서, 씨앗의 표면을 캐핑하여 성장시키는 방법을 이용하여 나노 구조를 구현함으로써 비표면적을 최대한 넓힐 수 있음에 착안하여 백금루테늄 촉매의 효율을 증대시킬 수 있는 본 발명을 고안하게 되었다.Accordingly, the inventors of the present invention have devised a method of increasing the efficiency of the platinum-ruthenium catalyst by focusing on the fact that the specific surface area can be maximized by implementing the nanostructure by capping and growing the seed surface.

본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 트룬케이티드 옥타헤드론 모양의 백금씨앗과 백금루테늄 합금을 반응시켜 백금씨앗의 8개 정육각면에서 백금루테늄이 성장된 멀티포트 구조의 나노와이어를 제공하는 것이다.The first problem to be solved by the present invention is to provide a multi-port nanowire having platinum ruthenium grown on eight square faces of a platinum seed by reacting a truncated octahedron-shaped platinum seed with a platinum ruthenium alloy .

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는, 상기 백금씨앗의 8개 정육각면에서 백금루테늄이 성장된 멀티포트 구조의 나노와이어의 제조방법을 제공하는 것이다.A second problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a multi-port nanowire in which platinum ruthenium is grown on eight square faces of the platinum seed.

본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, According to an exemplary aspect of the present invention,

트룬케이티드 옥타헤드론(Truncated Octahedron) 모양의 백금씨앗; 및Truncated Octahedron shaped platinum seed; And

상기 백금씨앗의 정육각면에 성장된 백금루테늄 나노와이어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어로서,And a platinum ruthenium nanowire grown on the square face of the platinum seed,

상기 트룬케이티드 옥타헤드론은 6개의 정사각면과 8개의 정육각면으로 구성되며, The truncated octahedron is composed of six regular squares and eight squared sides,

상기 백금씨앗의 8개의 정육각면에 성장된 백금루테늄 나노와이어는 단면의 지금이 1-10 nm이며, 길이가 30-200 nm인 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어를 제공한다. The platinum ruthenium nanowires grown on the eight corners of the platinum seed have a multi-port structure nanowire having a cross section of 1-10 nm now and a length of 30-200 nm.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, According to another aspect of the present invention,

(1) 트룬케이티드 옥타헤드론(Truncated Octahedron) 모양의 백금입자를 제조하고, 상기 백금입자의 정사각면을 계면활성제로 캐핑하여 백금씨앗을 제조하는 단계;(1) preparing truncated octahedron-shaped platinum particles and capping the square surfaces of the platinum particles with a surfactant to prepare platinum seeds;

(2) H2PtCl6 수용액과 RuCl3 수용액을 유기용매 상에서 반응시켜 백금루테늄 합금을 제조하는 단계; 및(2) preparing a platinum ruthenium alloy by reacting an aqueous solution of H 2 PtCl 6 and an aqueous RuCl 3 solution in an organic solvent; And

(3) 질소분위기 하에서, 상기 (1) 단계에서 제조한 상기 백금씨앗의 정육각면에 상기 (2)단계에서 제조한 상기 백금루테늄 합금을 선택적으로 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어 제조방법을 제공한다. (3) a step of selectively growing the platinum ruthenium alloy prepared in the step (2) on the square face of the platinum seed produced in the step (1) under a nitrogen atmosphere. Of the nanowire.

본 발명에 따른 백금씨앗에 백금루테늄 합금을 선택적으로 성장시킨 멀티포트 구조의 나노와이어는 트룬케이티드 옥타헤드론 구조를 가지는 백금의 (111)면에 백금루테늄 합금을 균일하게 성장시켜 나노포트를 형성한 것으로, 직접 메탄올 연료전지의 촉매로 사용시에 일산화탄소에 의해 피독되는 현상이 발생되지 않으며, 벌크 타입의 백금루테늄 합금에 비해 비표면적이 크게 증대되어, 적은 양의 사용에도 직접메탄올 전지의 반응속도 및 효율을 향상시킬 수 있어 경제적이다. 또한 본 발명에 따른 멀티포트 구조의 나노와이어는 촉매, 바이오센서, 세포이미징 및 광전소자에 광범위하게 활용될 수 있다. The multi-port nanowire selectively growing a platinum ruthenium alloy on the platinum seed according to the present invention can be obtained by uniformly growing a platinum ruthenium alloy on a (111) plane of platinum having a truncated octahedron structure to form a nanoport As a result, the specific surface area is significantly increased as compared with the bulk type platinum ruthenium alloy, so that the reaction rate of the direct methanol cell and It is economical to improve the efficiency. The nanowire of the multi-port structure according to the present invention can be widely used for a catalyst, a biosensor, a cell imaging and a photoelectric device.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 백금을 폴리아크릴산나트륨으로 캐핑하여 트룬케이티드 옥타헤드론 모양으로 제조한 백금씨앗을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 백금의 정사각면(100)에 테트라데실트리메틸암모늄 브로마이드(tetradecyltrimethylammonium bromide, TTAB) 계면활성제를 이용하여 백금루테늄이 백금의 정육각면(111)에서만 성장할 수 있도록 캐핑한 것을 도시적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 백금씨앗(Pt Seed)의 정육각면에 백금루테늄 나노와이어를 멀티포트 구조로 성장시킨 최종 모양을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 백금씨앗의 정육각면에 백금루테늄 나노와이어를 멀티포트 구조로 성장시키기 위한 흐름도이다. FIG. 1 is a view showing a platinum seed fabricated in the form of a truncated octahedron by capping platinum with sodium polyacrylate according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the results of the capping of platinum ruthenium on plated square surface 100 using tetradecyltrimethylammonium bromide (TTAB) surfactant according to an embodiment of the present invention. As shown in Fig.
FIG. 3 is a view showing a final shape in which a platinum ruthenium nanowire is grown in a multi-port structure on a square face of a platinum seed (Pt Seed) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flow chart for growing a platinum ruthenium nanowire into a multi-port structure on a square face of a platinum seed according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 직접 메탄올 연료전지의 촉매로 사용되는 백금루테늄 합금의 비표면적을 증대시켜 직접 메탄올 연료전지의 반응속도 및 효율을 증대시킨 새로운 멀티포트 나노와이어 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a new multi-port nanowire that increases the specific surface area of a platinum ruthenium alloy used as a catalyst of a direct methanol fuel cell to increase the reaction rate and efficiency of a direct methanol fuel cell and a method for manufacturing the same.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 멀티포트 구조의 나노와이어는 트룬케이티드 옥타헤드론(Truncated Octahedron) 모양의 백금씨앗; 및 상기 백금씨앗의 정육각면에 성장된 백금루테늄 나노와이어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어로서,The multi-port nanowire according to the present invention includes a truncated octahedron-shaped platinum seed; And a platinum ruthenium nanowire grown on the surface of the meat of the platinum seed,

상기 트룬케이티드 옥타헤드론 모양의 백금씨앗은 6개의 정사각면(100)과 8개의 정육각면(111)으로 구성되는 구조일 수 있다.The truncated octahedron-shaped platinum seed may have a structure composed of six regular planes 100 and eight rectangular planes 111.

상기 트룬케이티드 옥타헤드론 모양의 백금씨앗은 트룬케이티드 옥타헤드론 모양의 백금입자의 정사각면(100)을 계면활성제로 캐핑하여 제조될 수 있으며, 상기 계면활성제는 테트라데실트리메틸암모늄 브로마이드일 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.The truncated octahedron platinum seed may be prepared by capping the tetragonal octahedron-shaped platinum particle square surface (100) with a surfactant, and the surfactant may be tetradecyltrimethylammonium bromide But is not limited thereto.

상기 백금입자의 크기는 1-20 nm의 범위 일 수 있으며,The size of the platinum particles may range from 1-20 nm,

상기 백금씨앗의 8개의 정육각면에 성장된 백금루테늄 나노와이어는 단면의 지름이 1-10 nm이고, 길이가 30-200 nm의 범위일 수 있으며, The platinum ruthenium nanowires grown on the eight corners of the platinum seeds may have a cross-sectional diameter of 1-10 nm and a length of 30-200 nm,

상기 백금루테늄 나노와이어는 백금과 루테늄이 1 : 0.5-1.5 의 몰비율로 혼합된 합금일 수 있다. The platinum ruthenium nanowire may be an alloy in which platinum and ruthenium are mixed in a molar ratio of 1: 0.5-1.5.

또한, 본 발명의 다른 구체적인 구현예에 따르면, 멀티포트 구조의 나노와이어를 제조하는 아래와 같은 방법을 제공한다.According to another specific embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nanowire of a multi-port structure as follows.

본 발명의 멀티포트 구조의 나노와이어를 제조하는 방법은 (1) 트룬케이티드 옥타헤드론(Truncated Octahedron) 모양의 백금입자를 제조하고, 상기 백금입자의 정사각면(100)을 계면활성제로 캐핑하여 백금씨앗을 제조하는 단계; (2) H2PtCl6 수용액과 RuCl3 수용액을 유기용매 상에서 반응시켜 백금루테늄 합금을 제조하는 단계; 및 (3) 질소분위기 하에서, 상기 (1) 단계에서 제조한 상기 백금씨앗의 정육각면(111)에 상기 (2) 단계에서 제조한 상기 백금루테늄 합금을 선택적으로 성장시키는 단계를 포함한다.The method for producing the multi-port nanowire of the present invention comprises the steps of (1) preparing truncated octahedron-shaped platinum particles, capping the square surface 100 of the platinum particles with a surfactant Producing a platinum seed; (2) preparing a platinum ruthenium alloy by reacting an aqueous solution of H 2 PtCl 6 and an aqueous RuCl 3 solution in an organic solvent; And (3) selectively growing the platinum ruthenium alloy prepared in the step (2) on the square face 111 of the platinum seed produced in the step (1) under a nitrogen atmosphere.

본 발명의 또 다른 구체적인 구현예에 따르면, 상기 트룬케이티드 옥타헤드론 모양은 6개의 정사각면(100)과 8개의 정육각면(111)으로 구성되는 모양일 수 있다. According to another specific embodiment of the present invention, the truncated octahedron shape may be a shape consisting of six regular planes 100 and eight rectangular planes 111.

상기 (1) 단계의 트룬케이티드 옥타헤드론 모양의 백금입자는 NaBH4의 분해로 인한 수소가스의 생성에 의해 K2PtCl4가 환원시키는 단계 및 폴리아크릴산 나트륨을 이용하여 캐핑하는 단계를 수행하므로써 제조될 수 있고, The truncated octahedral platinum particles of step (1) are subjected to a step of reducing K 2 PtCl 4 by the generation of hydrogen gas due to decomposition of NaBH 4 and a step of capping using sodium polyacrylate ≪ / RTI >

상기 백금입자 크기는 1-20 nm의 범위에서 제어될 수 있으며, The platinum particle size can be controlled in the range of 1-20 nm,

상기 백금씨앗은 상기 폴리아크릴산으로 캐핑된 백금의 (100)면을 계면활성제를 이용하여 캐핑하므로써 제조될 수 있고The platinum seed may be prepared by capping the (100) face of platinum capped with the polyacrylic acid with a surfactant

상기 계면활성제는 트라데실트리메틸암모늄 브로마이드를 포함할 수 있다.The surfactant may comprise tridecyltrimethylammonium bromide.

본 발명의 또 다른 구체적인 구현예에 따르면, 상기 (2) 단계의 유기용매는 에틸렌 글리콜, 트리옥틸포스핀 및 트리옥틸포스핀 옥사이드 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며,According to another embodiment of the present invention, the organic solvent in step (2) may be at least one selected from ethylene glycol, trioctylphosphine and trioctylphosphine oxide,

상기 (2) 단계의 백금루테늄 합금은 H2PtCl6 : RuCl3이 1 : 0.5-1.5의 몰 비율로 혼합된 합금일 수 있는데, 상기 범위인 것이 메탄올을 연료전지로 사용하였을때 발생하는 일산화탄소에 의해 백금이 피독되는 현상을 최소화할 수 있어 바람직하다.The platinum ruthenium alloy in the step (2) may be an alloy in which H 2 PtCl 6 : RuCl 3 is mixed in a molar ratio of 1: 0.5-1.5. The range of the above range is the carbon monoxide generated when methanol is used as a fuel cell The phenomenon that the platinum is poisoned can be minimized.

상기 백금루테늄 합금을 합성하는데 있어서 백금과 루테늄은 각각 면심입방구조 (Face centered cubic, FCC), 육각조밀구조 (Hexagonal closed-packed structure, HCP)으로 구조가 다르지만 원자 반지름이 각각 139 pm와 134 pm로 크기가 비슷하여 치환 확산을 통해 합금을 이루며, 따라서 백금루테늄 합금은 모테인 백금의 면십입방구조를 가진다.Platinum and ruthenium in the synthesis of the platinum-ruthenium alloy have a face centered cubic (FCC) and a hexagonal closed-packed structure (HCP), respectively, but their atomic radii are 139 pm and 134 pm They are similar in size to each other and form an alloy by displacement diffusion. Therefore, the platinum ruthenium alloy has a face cubic structure of porcelain platinum.

또한, 상기 백금루테늄 합금을 합성하는데 있어서 백금의 전기음성도는 2.28 (파울링 스케일)이고, 루테늄은 2.2 (파울리 스케일)로 비슷하며, 베가스 법칙에 따라 백금과 루테늄의 비율에 따라 전기음성도는 백금과 루테늄의 중간값을 형성하여 백금씨앗과 결합이 잘 이루어진다. In the synthesis of the platinum-ruthenium alloy, the electronegativity of platinum is 2.28 (foulring scale) and that of ruthenium is similar to 2.2 (Paulish scale). According to the Vegas law, electronegativity depends on the ratio of platinum and ruthenium It forms a median value of platinum and ruthenium and bonds well with the platinum seed.

따라서, 이러한 물리적, 화학적 유사성으로 인해 백금루테늄 합금은 (1) 단계에서 제조한 계면활성제로 캐핑된 백금의 정사각면(100)을 제외한 8 개의 정육각면(111)에 선택적으로 성장할 수 있다.Therefore, due to such physical and chemical similarities, the platinum ruthenium alloy can selectively grow on the eight square faces 111 excluding the regular plane 100 of platinum capped with the surfactant prepared in the step (1).

본 발명의 또 다른 구체적인 구현예에 따르면, 상기 (3) 단계는 상기 백금입자 1 몰에 대해서 백금루테늄 합금을 1 내지 3 몰의 비율로 혼합하여 수행될 수 있는데, 백금루테늄 합금이 상기 범위를 벗어나면 백금씨앗의 계면활성제로부터 자유로운 8개의 정육각면(111)에 균일하게 나노와이어가 성장되기 어렵다.According to another embodiment of the present invention, the step (3) may be carried out by mixing the platinum ruthenium alloy with 1 to 3 moles of the platinum ruthenium alloy per mole of the platinum particles. When the platinum ruthenium alloy is out of the range It is difficult for the nanowires to uniformly grow on the eight square faces 111 free from the surfactant of the platinum seed.

상기 나노와이어는 백금씨앗의 8개 정육각면(111)에 동시다발적으로 균일하게 성장될 수 있으며, The nanowires can be uniformly grown simultaneously on the eight corners 111 of the platinum seed,

상기 백금씨앗의 8개의 정육각면(111)에 성장되는 상기 백금루테늄 나노와이어는 길이가 30-200 nm의 범위일 수 있다.The platinum ruthenium nanowires grown on the eight corners 111 of the platinum seed may range in length from 30 to 200 nm.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것 일뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as set forth in the following claims. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.

실시예Example 1. One.

0.1 mM의 K2PtCl4 수용액 250 ml와 0.1 M의 폴리아크릴산나트륨 0.2 ml를 섞고, 0.1 M 테트라데실트리메틸암모늄 브로마이드(tetradecyltrimethylammonium bromide, TTAB)를 추가한 후 아르곤 가스를 20분간 버블링시켰다. 그 다음, 수소 기체를 빠른 속도로 5 분간 버블링 시켜 Pt를 환원시킴으로써 트룬케이티드 옥타헤드론 모양의 백금씨앗을 제조하였다.
250 ml of 0.1 mM K 2 PtCl 4 aqueous solution and 0.2 ml of 0.1 M sodium polyacrylate were mixed and 0.1 M tetradecyltrimethylammonium bromide (TTAB) was added, and then argon gas was bubbled for 20 minutes. Then, hydrogen gas was bubbled at high speed for 5 minutes to reduce Pt, thereby producing a truncated octahedral rhombic platinum seed.

실시예Example 2. 2.

0.05 M의 H2PtCl6 2.0 ml 수용액과 0.05 M의 RuCl3 2 ml 수용액을 25 ml의 에틸렌글리콜이 담긴 100 ml 비이커에 넣고 마이크로웨이브 오븐에서 800 와트로 90초 동안 반응시켜 백금루테늄 합금을 합성하였다.
A 2.0 mL aqueous solution of 0.05 M H 2 PtCl 6 and a 2 mL aqueous solution of 0.05 M RuCl 3 were placed in a 100 mL beaker containing 25 mL of ethylene glycol and reacted in a microwave oven at 800 W for 90 seconds to synthesize a platinum ruthenium alloy .

실시예Example 3.  3.

0.1 M 의 트룬케이티드 옥타헤드론 모양의 백금씨앗, 0.05 M의 TTAB 계면활성제를 20 ml의 용매에 넣고 반응시켜 백금의 100 면을 TTAB 계면활성제로 캐핑시킨 후, 질소분위기 하에서, 0.1 M의 백금루테늄 합금을 첨가하여 반응시켜, 백금의 111면 8개에 동시에 백금루테늄 나노와이어를 성장시켰다.
0.1 M of truncated octahedron-shaped platinum seed and 0.05 M of TTAB surfactant were added to 20 ml of a solvent , and 100 of the platinum was capped with a TTAB surfactant. Then, 0.1 M of platinum Ruthenium alloy was added and reacted. Platinum ruthenium nanowires were simultaneously grown on the 111 sides of the platinum.

100 백금씨앗의 정사각면
111 백금씨앗의 정육각면Squares of 100 Platinum Seeds
111 Meat cutting face of platinum seed

Claims (13)

트룬케이티드 옥타헤드론(Truncated Octahedron) 모양의 백금씨앗; 및
상기 백금씨앗의 정육각면에 성장된 백금루테늄 나노와이어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어로서,
상기 트룬케이티드 옥타헤드론은 6개의 정사각면과 8개의 정육각면으로 구성되며,
상기 백금씨앗의 8개의 정육각면에 성장된 백금루테늄 나노와이어는 단면의지름이 1-10 nm이며, 길이가 30-200 nm인 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어.Truncated Octahedron shaped platinum seed; And
And a platinum ruthenium nanowire grown on the square face of the platinum seed,
The truncated octahedron is composed of six regular squares and eight squared sides,
Wherein the platinum ruthenium nanowires grown on the eight corners of the platinum seed have a cross-sectional diameter of 1-10 nm and a length of 30-200 nm. 제1항에 있어서, 상기 트룬케이티드 옥타헤드론 모양의 백금씨앗은 정사각면이 계면활성제로 캐핑된 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어.The multi-port nanowire of claim 1, wherein the truncated octahedron platinum seed is capped with a surfactant. 제2항에 있어서, 상기 계면활성제는 테트라데실트리메틸암모늄 브로마이드 인 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어.The multi-port nanowire according to claim 2, wherein the surfactant is tetradecyltrimethylammonium bromide. (1) 트룬케이티드 옥타헤드론(Truncated Octahedron) 모양의 백금입자를 제조하고, 상기 백금입자의 정사각면을 계면활성제로 캐핑하여 백금씨앗을 제조하는 단계;
(2) H2PtCl6 수용액과 RuCl3 수용액을 유기용매 상에서 반응시켜 백금루테늄 합금을 제조하는 단계; 및
(3) 질소분위기 하에서, 상기 (1) 단계에서 제조한 상기 백금씨앗의 정육각면에 상기 (2)단계에서 제조한 상기 백금루테늄 합금을 선택적으로 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어 제조방법.(1) preparing a truncated octahedron-shaped platinum particle, and capping the square surface of the platinum particle with a surfactant to prepare a platinum seed;
(2) preparing a platinum ruthenium alloy by reacting an aqueous solution of H 2 PtCl 6 and an aqueous RuCl 3 solution in an organic solvent; And
(3) a step of selectively growing the platinum ruthenium alloy prepared in the step (2) on the square face of the platinum seed produced in the step (1) under a nitrogen atmosphere. ≪ / RTI > 삭제delete 제4항에 있어서, 상기 계면활성제는 테트라데실트리메틸암모늄 브로마이드 인 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어 제조방법.5. The method of claim 4, wherein the surfactant is tetradecyltrimethylammonium bromide. 제4항에 있어서, 상기 (1)단계의 백금입자 크기는 1-20 nm인 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어 제조방법.5. The method of claim 4, wherein the platinum particle size in step (1) is 1-20 nm. 제4항에 있어서, 상기 유기용매는 에틸렌 글리콜, 트리옥틸포스핀 및 트리옥틸포스핀 옥사이드 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어 제조방법.5. The method of claim 4, wherein the organic solvent is selected from ethylene glycol, trioctylphosphine, and trioctylphosphine oxide. 제4항에 있어서, 상기 백금루테늄 합금은 H2PtCl6 : RuCl3이 1 : 0.5-1.5의 몰 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어 제조방법.5. The method of claim 4, wherein the platinum ruthenium alloy is mixed in a molar ratio of H 2 PtCl 6 : RuCl 3 of 1: 0.5-1.5. 제4항에 있어서, 상기 (3) 단계는 상기 백금입자 1 몰에 대하여 백금루테늄 합금이 1 내지 3 몰의 비율로 혼합하여 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어 제조방법.5. The method according to claim 4, wherein the step (3) comprises mixing the platinum-ruthenium alloy with the platinum-ruthenium alloy in an amount of 1 to 3 moles per mole of the platinum particles. 제4항에 있어서, 상기 백금씨앗의 정육각면에 성장된 상기 백금루테늄 나노와이어는 단면의 지름이 1-10 nm이며, 길이가 30-200 nm의 범위에서 제어되는 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어 제조방법.5. The multi-port structure according to claim 4, wherein the platinum ruthenium nanowire grown on the square face of the platinum seed has a diameter of 1-10 nm and a length of 30-200 nm. A method of manufacturing a nanowire. 제4항에 있어서, 상기 나노와이어는 백금씨앗의 8개 정육각면에 동시다발적으로 성장되는 것을 특징으로 하는 멀티포트 구조의 나노와이어 제조방법. 5. The method of claim 4, wherein the nanowires are grown simultaneously on 8 square faces of a platinum seed. 제4항에 따른 멀티포트 구조의 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 고활성 촉매.

A high activity catalyst comprising a multi-port structure nanowire according to claim 4.

KR1020120157274A 2012-12-28 2012-12-28 shape-controlled multi-pod nanowire structure for direct methanol fuel cell application and preparation method thereof KR101421104B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120157274A KR101421104B1 (en) 2012-12-28 2012-12-28 shape-controlled multi-pod nanowire structure for direct methanol fuel cell application and preparation method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120157274A KR101421104B1 (en) 2012-12-28 2012-12-28 shape-controlled multi-pod nanowire structure for direct methanol fuel cell application and preparation method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140086590A KR20140086590A (en) 2014-07-08
KR101421104B1 true KR101421104B1 (en) 2014-07-18

Family

ID=51735834

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120157274A KR101421104B1 (en) 2012-12-28 2012-12-28 shape-controlled multi-pod nanowire structure for direct methanol fuel cell application and preparation method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101421104B1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070027031A1 (en) 2003-05-02 2007-02-01 National Inst. of Adv. Indus. Science and Tech Catalyst material comprising transition metal oxide

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070027031A1 (en) 2003-05-02 2007-02-01 National Inst. of Adv. Indus. Science and Tech Catalyst material comprising transition metal oxide

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140086590A (en) 2014-07-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huang et al. Advanced platinum-based oxygen reduction electrocatalysts for fuel cells
Yang et al. Graphene-templated synthesis of palladium nanoplates as novel electrocatalyst for direct methanol fuel cell
Wang et al. Advanced platinum alloy electrocatalysts for the oxygen reduction reaction
Kakaei et al. Fabrication of Pt–CeO2 nanoparticles supported sulfonated reduced graphene oxide as an efficient electrocatalyst for ethanol oxidation
Gu et al. La2O2CO3 encapsulated La2O3 nanoparticles supported on carbon as superior electrocatalysts for oxygen reduction reaction
Liu et al. Enhancing the photocatalytic hydrogen evolution performance of a metal/semiconductor catalyst through modulation of the Schottky barrier height by controlling the orientation of the interface
Zhang et al. Solvothermal synthesis of monodisperse PtCu dodecahedral nanoframes with enhanced catalytic activity and durability for hydrogen evolution reaction
Yang et al. Surfactant-assisted synthesis of palladium nanosheets and nanochains for the electrooxidation of ethanol
Yang et al. Highly active and durable Pt–Co nanowire networks catalyst for the oxygen reduction reaction in PEMFCs
CN112103520B (en) Anode catalyst of alcohol fuel cell
Wang et al. Carbon-supported phosphatized CuNi nanoparticle catalysts for hydrazine electrooxidation
Wang et al. Ultrathin PtMo-CeOx hybrid nanowire assemblies as high-performance multifunctional catalysts for methanol oxidation, oxygen reduction and hydrogen oxidation
Liang et al. Rational fabrication of thin-layered NiCo2S4 loaded graphene as bifunctional non-oxide catalyst for rechargeable zinc-air batteries
Li et al. Excavated Rh nanobranches boost ethanol electro-oxidation
Song et al. Synthesis and electrocatalytic activities of Co 3 O 4 nanocubes
Yang et al. TePbPt alloy nanotube as electrocatalyst with enhanced performance towards methanol oxidation reaction
Sun et al. Alloyed palladium–lead nanosheet assemblies for electrocatalytic ethanol oxidation
Li et al. A review of approaches for the design of high-performance electrocatalysts for ethanol electrooxidation
Jiao et al. Optimization strategies on the advanced engineering of Co-based nanomaterials for electrochemical oxygen evolution
Shao et al. Oxygen vacancy-rich N-doped carbon encapsulated BiOCl-CNTs heterostructures as robust electrocatalyst synergistically promote oxygen reduction and Zn-air batteries
Sun et al. Interfacial electronic structure and electrocatalytic performance modulation in Cu0. 81Ni0. 19 nanoflowers by heteroatom doping engineering using ionic liquid dopant
Wang et al. Two-dimensional PdSn/TiO2-GO towards ethanol electrooxidation catalyst with high stability
Naik et al. Defect-rich black titanium dioxide nanosheet-supported palladium nanoparticle electrocatalyst for oxygen reduction and glycerol oxidation reactions in alkaline medium
He et al. PdMn and PdFe nanoparticles over a reduced graphene oxide carrier for methanol electro-oxidation under alkaline conditions
Yu et al. Boosting the OER performance of nitrogen-doped Ni nanoclusters confined in an amorphous carbon matrix

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170707

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180702

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190708

Year of fee payment: 6