KR102142568B1 - Method for Forming Catalyst Support for Fuel Cell and Electrode for Fuel Cell - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 촉매지지체 형성 방법은 탄소-탄소 결합을 포함하는 탄소구조체를 제공하는 과정; 및 상기 탄소구조체 표면에 전기전도성의 금속 산화물층을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.Method for forming a catalyst support for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a process for providing a carbon structure comprising a carbon-carbon bond; And forming an electrically conductive metal oxide layer on the surface of the carbon structure.

Description

연료전지용 촉매지지체 형성방법 및 연료전지용 전극{Method for Forming Catalyst Support for Fuel Cell and Electrode for Fuel Cell}Method for forming catalyst support for fuel cell and electrode for fuel cell {Method for Forming Catalyst Support for Fuel Cell and Electrode for Fuel Cell}

본 발명은 연료전지용 촉매지지체 형성방법 및 연료전지용 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소구조체와 금속산화물층으로 이루어진 연료전지용 촉매지지체를 형성하는 방법 및 연료전지용 전극에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a catalyst support for a fuel cell and an electrode for a fuel cell, and more particularly, to a method for forming a catalyst support for a fuel cell comprising a carbon structure and a metal oxide layer, and a fuel cell electrode.

연료전지의 주요 구성요소는 전극, 전해질 막, 분리판으로 이루어져 있다. 전극은 촉매로 인한 연료 및 공기의 분해 및 산화, 환원반응이 일어나며, 전해질 막은 저온형 연료전지에서는 고분자로 이루어져 있으며 전극의 촉매에 의해 분해된 연료 및 공기의 이온이 이동하게 된다. 분리판은 전기 전도성을 나타내는 판으로 표면의 미세유로를 통한 연료 및 공기가 흐르는 통로를 제공한다. 이 중 전극과 고분자를 이용한 전해질 막을 부착시킨 전해질-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)가 핵심요소로 알려져 있다. The main components of the fuel cell consist of an electrode, an electrolyte membrane, and a separator. The electrode undergoes decomposition, oxidation and reduction of fuel and air due to the catalyst, and the electrolyte membrane is composed of a polymer in a low-temperature fuel cell, and ions of fuel and air decomposed by the catalyst of the electrode move. The separator is a plate that exhibits electrical conductivity, and provides a passage through which fuel and air flow through the microchannel on the surface. Among them, an electrolyte-electrode assembly (MEA) to which an electrolyte membrane is attached using an electrode and a polymer is known as a key element.

연료전지의 핵심 소재인 전극의 촉매는 수소산화 및 산소환원반응에 적합한 백금,아연, 주석, 구리 니켈, 은 ,바륨, 갈륨, 알루미늄, 인듐 등을 주로 사용한다. 하지만 연료전지의 장시간 운전은 촉매의 용출과 탄소 지지체의 부식과 같은 촉매 열화 문제를 야기시키고, 촉매의 활성면적이 급격히 감소하여 연료전지의 수명이 짧아지는 문제점이 있다. The catalyst of the electrode, which is the core material of the fuel cell, mainly uses platinum, zinc, tin, copper nickel, silver, barium, gallium, aluminum, and indium suitable for hydrogen oxidation and oxygen reduction reactions. However, long-term operation of the fuel cell causes catalyst deterioration problems such as elution of the catalyst and corrosion of the carbon support, and there is a problem in that the life of the fuel cell is shortened because the active area of the catalyst is rapidly reduced.

이러한 이유로 연료분해 및 산소환원 촉매 활성의 증대와 더불어 장시간 안정성과 내구성을 강화하는 것이 절실히 요구되며, 이는 연료전지의 상용화에 있어서 최대 관건이다. 촉매의 안정성과 활성 표면적을 증대시키기 위한 탄소 소재의 촉매 지지체를 주로 이용하고, 카본블랙과 같은 비표면적이 큰 탄소재료가 주로 촉매 지지체로 사용된다. 위의 촉매 담지를 위한 탄소 계열의 촉매지지체는 다른 전도성 소재들에 비해 비교적 높은 전기 전도도 및 비표면적을 가지지만, 연료전지가 작동함에 따라 생기는 물이 있는 환경과 연료전지의 작동 전압 범위 내인 약 1.1V이상의 전압 에서는 탄소 계열의 촉매 지지체가 분해되는 문제점이 발생한다. 이로 인해 탄소-탄소 결합 중 일부가 끊어져 분해되면서 촉매가 촉매 지지체로부터 떨어져나가 촉매 활성 면적 감소 및 연료전지 성능의 감소가 발생하게 된다. For this reason, it is desperately required to increase fuel decomposition and oxygen reduction catalyst activity, and to enhance stability and durability for a long time, which is a key factor in the commercialization of fuel cells. A catalyst support made of a carbon material is mainly used to increase the stability and active surface area of the catalyst, and a carbon material having a large specific surface area such as carbon black is mainly used as a catalyst support. The carbon-based catalyst support for supporting the above catalyst has a relatively high electrical conductivity and specific surface area compared to other conductive materials, but it is about 1.1, which is within the operating voltage range of the fuel cell and the environment with water generated by the operation of the fuel cell. At a voltage above V, a problem occurs in that the carbon-based catalyst support is decomposed. As a result, some of the carbon-carbon bonds are broken and decomposed, and the catalyst is separated from the catalyst support, resulting in a reduction in the catalyst active area and a decrease in fuel cell performance.

공개특허공보 제10-2000-0058668호Patent Publication No. 10-2000-0058668

본 발명은 연료전지용 촉매지지체를 형성시 탄소 구조체 상에 금속 산화물층을 형성하여 촉매지지체가 분해되는 것을 방지하는 연료전지용 촉매지지체 형성방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a method for forming a catalyst support for a fuel cell that prevents the catalyst support from decomposing by forming a metal oxide layer on the carbon structure when forming the catalyst support for a fuel cell.

본 발명은 위의 촉매지지체 형성방법으로 형성된 촉매지지체를 이용하여 성능이 향상된 연료전지용 전극을 제공하는 것이다.The present invention provides an electrode for a fuel cell having improved performance by using a catalyst support formed by the above method for forming a catalyst support.

탄소-탄소 결합을 포함하는 탄소구조체를 제공하는 과정; 및 상기 탄소구조체 표면에 전기전도성의 금속 산화물층을 형성하는 과정;을 포함할 수 있다.Providing a carbon structure comprising a carbon-carbon bond; And forming an electrically conductive metal oxide layer on the surface of the carbon structure.

상기 금속 산화물층을 형성하는 과정은, 상기 탄소구조체와 금속 산화물 전구체를 용매에 분산하여 용액을 제조하는 과정; 상기 용액내에서 상기 탄소구조체의 표면상에 금속산화물이 고화되는 과정; 및 상기 용액으로부터 표면상에 상기 금속산화물이 고화된 상기 탄소구조체를 여과하는 과정을 포함할 수 있다.The process of forming the metal oxide layer may include dispersing the carbon structure and the metal oxide precursor in a solvent to prepare a solution; A process in which a metal oxide is solidified on the surface of the carbon structure in the solution; And filtering the carbon structure in which the metal oxide is solidified on the surface from the solution.

상기 금속 산화물 전구체는 상기 용매에 용해될 수 있다.The metal oxide precursor may be dissolved in the solvent.

상기 금속 산화물 전구체는, 상기 용매에 용해가 가능한 작용기를 포함하거나 수화물 형태일 수 있다.The metal oxide precursor may include a functional group soluble in the solvent or may be in a hydrate form.

상기 작용기는 -OH, -NO3, -SO4, 및 -OCxH2x +1(1≤x≤7) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.The functional group may be at least one of -OH, -NO 3 , -SO 4 , and -OC x H 2x +1 (1≤x≤7).

상기 금속 산화물 전구체는 Zn, Ti, Sn, Cu, Ni, Ag, Ba, Ga, Al, In 중 적어도 어느 하나의 금속을 포함할 수 있다.The metal oxide precursor may include at least one metal of Zn, Ti, Sn, Cu, Ni, Ag, Ba, Ga, Al, In.

상기 탄소구조체 표면상의 탄소-탄소 결합의 적어도 일부를 끊는 표면처리를 하는 과정을 더 포함할 수 있다.It may further include a surface treatment process to break at least a portion of the carbon-carbon bond on the surface of the carbon structure.

상기 금속 산화물층을 형성하는 과정은, 상기 용매에 계면 활성제를 첨가하여 분산하는 과정을 더 포함할 수 있다.The process of forming the metal oxide layer may further include dispersing by adding a surfactant to the solvent.

상기 계면 활성제를 첨가하여 분산하는 과정은, 상온(25℃)보다 낮은 온도에서 수행할 수 있다.The process of adding and dispersing the surfactant may be performed at a temperature lower than room temperature (25°C).

상기 계면활성제는 beznyl alcohol, 2-aminoethanol, glycerin, 1-heptanol, ethylene glycol, 1-octanol, diethylene glycol, i-butanol 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The surfactant may include at least one of beznyl alcohol, 2-aminoethanol, glycerin, 1-heptanol, ethylene glycol, 1-octanol, diethylene glycol, and i- butanol.

상기 용매는 물, 에탄올, 메탄올, isopropyl alcohol, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), acetonitrile (MeCN) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 극성 용매일 수 있다.The solvent may be a polar solvent containing at least one of water, ethanol, methanol, isopropyl alcohol, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), acetonitrile (MeCN).

탄소-탄소 결합을 포함하는 탄소구조체와 상기 탄소구조체 상에 형성된 전기 전도성의 금속 산화물층으로 이루어진 촉매지지체; 상기 촉매지지체 상에 담지되는 촉매; 및 상기 촉매지지체 및 촉매를 지지하고, 상기 촉매지지체 및 촉매가 전기적으로 연결되는 전류집전체를 포함할 수 있다.A catalyst support composed of a carbon structure including a carbon-carbon bond and an electrically conductive metal oxide layer formed on the carbon structure; A catalyst supported on the catalyst support; And a current collector supporting the catalyst support and the catalyst and electrically connecting the catalyst support and the catalyst.

상기 촉매지지체는, 청구항 1항 내지 청구항 10항의 연료전지용 촉매지지체 형성방법으로 형성될 수 있다.The catalyst support may be formed by a method of forming a catalyst support for a fuel cell according to claim 1.

상기 금속 산화물층은 아연산화물, 티타늄산화물, 주석산화물, 구리산화물, 니켈산화물, 은산화물, BaSnO3, Ga-doped ZnO, Al-doped ZnO, In2O3-doped SnO2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The metal oxide layer is zinc oxide, titanium oxide, tin oxide, copper oxide, nickel oxide, silver oxide, BaSnO 3 , It may include at least one of Ga-doped ZnO, Al-doped ZnO, In 2 O 3 -doped SnO 2 .

상기 탄소구조체는 탄소나노튜브, 그래핀, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, Vulcan XC 72 중 적어도 어느 하나일 수 있다.The carbon structure may be at least one of carbon nanotubes, graphene, acetylene black, carbon black, and Vulcan XC 72.

본 발명에 따른 연료전지용 촉매지지체를 형성하는 방법 및 연료전지용 전극은 촉매지지체를 구성하는 탄소구조체에 전기전도성 금속산화물층을 형성함으로써 연료전지 가동시 전극의 촉매지지체가 분해되는 것을 방지할 수 있고, 동시에 촉매지지체의 전기전도도가 향상 됨으로써 촉매의 산화·환원 반응이 촉진 되어 연료전지용 전극의 성능이 향상되는 연료전지용 촉매지지체 형성방법 및 연료전지용 전극을 제공할 수 있다.The method for forming a catalyst support for a fuel cell and the electrode for a fuel cell according to the present invention can prevent the catalyst support of the electrode from being decomposed when the fuel cell is operated by forming an electrically conductive metal oxide layer on the carbon structure constituting the catalyst support, At the same time, by improving the electrical conductivity of the catalyst support, it is possible to provide a method for forming a catalyst support for a fuel cell and an electrode for a fuel cell in which the oxidation and reduction reaction of the catalyst is promoted to improve the performance of the electrode for the fuel cell.

또한, 탄소구조체 상에 전기전도성 금속산화물층을 형성 할 때 용액공정을 통해 금속산화물층을 형성함으로써 탄소구조체의 모양이나 형태에 제한되지 않고 탄소구조체의 모양이나 형태를 따라 고르게 균일한 두께로 금속산화물층을 형성할 수 있다.In addition, by forming a metal oxide layer through a solution process when forming an electrically conductive metal oxide layer on the carbon structure, the metal oxide is uniformly uniform in thickness along the shape or form of the carbon structure without being limited to the shape or form of the carbon structure. Layers can be formed.

한편, 연료전지용 전극 상에 전도성 금속산화물층이 형성될 때 금속산화물층이 잘 형성되게 하기 위해 촉매지지체의 탄소구조체 표면에 탄소-탄소 결합의 일부를 끊는 표면처리를 통해 불포화 결합(dangling bond) 등의 결함을 형성시킨 후 용액공정을 통해 탄소구조체 상에 금속 산화물층을 형성할 때 탄소구조체의 불포화 결합 등의 결함 부위에 금속 산화물 전구체의 금속이온이 물리적 결합을 더 용이하게 하여 더욱 신속하고 안정적으로 금속산화물층이 탄소구조체 전체에 균일하게 형성 될 수 있다.On the other hand, when the conductive metal oxide layer is formed on the electrode for the fuel cell, in order to make the metal oxide layer well formed, a surface of the carbon structure of the catalyst support is cut through a part of the carbon-carbon bond, such as an unsaturated bond (dangling bond). When the metal oxide layer is formed on the carbon structure through the solution process after forming the defect of the metal ion of the metal oxide precursor at the defect site such as the unsaturated bond of the carbon structure to facilitate physical bonding more quickly and stably The metal oxide layer can be formed uniformly over the entire carbon structure.

더해서 탄소구조체와 금속산화물층 사이에 접착력을 향상시키고 금속산화물의 입자 크기를 제어 할 수 있는 계면활성제를 용매에 첨가하여 용액공정을 진행 함으로써 금속산화물층이 탄소구조체 상에 계면활성제의 접착 작용으로 인하여 탄소구조체와 금속산화물층 사이에 안정적이고 결합력이 강한 촉매지지체를 형성 할 수 있다.In addition, by improving the adhesion between the carbon structure and the metal oxide layer and adding a surfactant capable of controlling the particle size of the metal oxide to the solvent, the solution process is performed, thereby causing the metal oxide layer to adhere to the surfactant on the carbon structure. It is possible to form a stable and strong catalyst support between the carbon structure and the metal oxide layer.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 촉매지지체를 형성하는 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소구조체에 금속산화물층을 형성하는 방법을 나타낸 순서도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소구조체에 금속산화물층이 형성되어 촉매를 담지한 연료전지용 전극의 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 촉매지지체에 따른 전기화학 특성 평가 중 chronoamperometry의 측정 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 금속산화물층이 형성된 촉매지지체와 종래기술의 촉매지지체를 이용한 MEA 제작을 통한 단위셀 평가 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 탄소구조체 표면에 금속산화물층이 형성된 TEM 이미지, High-Resolution TEM 이미지를 나타낸 사진.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 금속산화물층이 형성된 탄소구조체의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 금속산화물층이 형성된 탄소구조체의 TGA 분석 결과를 나타낸 그래프.1 is a flow chart showing a method of forming a catalyst support for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flow chart showing a method of forming a metal oxide layer on a carbon structure according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of an electrode for a fuel cell carrying a catalyst by forming a metal oxide layer on a carbon structure according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph of measurement of chronoamperometry during electrochemical property evaluation according to a catalyst support according to an embodiment of the present invention.
5 is a unit cell evaluation graph through the production of MEA using a catalyst support formed with a metal oxide layer according to an embodiment of the present invention and a catalyst support of the prior art.
6 is a photograph showing a TEM image and a High-Resolution TEM image of a metal oxide layer formed on the surface of a carbon structure according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the results of XRD analysis of a carbon structure on which a metal oxide layer is formed according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the results of TGA analysis of a carbon structure on which a metal oxide layer is formed according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only the present embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and the scope of the invention to those skilled in the art is completely It is provided to inform you. In the description, the same reference numerals are assigned to the same components, and the drawings may be exaggerated in size in order to accurately describe the embodiments of the present invention, and the same reference numerals in the drawings refer to the same elements.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 촉매지지체를 형성하는 방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소구조체(100)에 금속산화물층(200)을 형성하는 방법을 나타낸 순서도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소구조체에 금속산화물층이 형성되어 촉매(300)를 담지한 연료전지용 전극의 단면도이다.1 is a flow chart showing a method of forming a catalyst support for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a method of forming a metal oxide layer 200 on the carbon structure 100 according to an embodiment of the present invention 3 is a cross-sectional view of an electrode for a fuel cell carrying a catalyst 300 by forming a metal oxide layer on a carbon structure according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 3를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 촉매지지체 형성방법에 대해서 설명하기로 한다.1 to 3, a method of forming a catalyst support for a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 촉매지지체 형성방법은 탄소-탄소 결합을 포함하는 탄소구조체(100)를 제공하는 과정(S100); 및 상기 탄소구조체(100) 표면에 전기전도성의 금속 산화물층(200)을 형성하는 과정(S200);을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a method for forming a catalyst support for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a process of providing a carbon structure 100 including a carbon-carbon bond (S100); And forming an electrically conductive metal oxide layer 200 on the surface of the carbon structure 100 (S200).

먼저, 탄소-탄소 결합을 포함하는 탄소구조체(100)를 제공하는 과정을 진행한다(S100). 탄소구조체(100)는 후술할 금속산화물층(200)을 지지하는 역할로써 다른 소재에 비해 높은 전기 전도도와 비표면적을 가지고 있어 연료저지용 전극에 활용하기 좋다. 또한, 탄소구조체(100)에 사용되는 재료로는 탄소나노튜브, 그래핀, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, Vulcan XC 72 등이 있을 수 있다. First, a process of providing a carbon structure 100 including a carbon-carbon bond is performed (S100). The carbon structure 100 serves to support the metal oxide layer 200, which will be described later, and thus has higher electrical conductivity and specific surface area than other materials, and thus is useful for the electrode for fuel blocking. In addition, materials used for the carbon structure 100 may include carbon nanotubes, graphene, acetylene black, carbon black, and Vulcan XC 72.

다음으로, 상기 탄소구조체(100) 표면에 전기전도성의 금속 산화물층(200)을 형성하는 과정을 진행한다(S200).Next, a process of forming an electrically conductive metal oxide layer 200 on the surface of the carbon structure 100 is performed (S200).

탄소구조체(100) 표면에 전기전도성의 금속 산화물층(200)이 형성됨으로써 물리적으로 탄소구조체(100)의 탄소-탄소 결합이 끊어지지 않게 되어 촉매지지체 상에 담지된 촉매(300)가 유실되지 않아 성능이 향상 될 수 있다. Since the electrically conductive metal oxide layer 200 is formed on the surface of the carbon structure 100, the carbon-carbon bond of the carbon structure 100 is not physically broken, so that the catalyst 300 supported on the catalyst support is not lost. Performance can be improved.

탄소구조체(100)는 상술 했듯이 탄소계열의 구조체로써 다른 전도성 소재들에 비해 비교적 높은 전기 전도도 및 비표면적을 가진다. 연료전지를 가동할 때 연료인 수소가 연료극에서 분해되어 전자를 잃고 수소이온의 형태로 공기극으로 이동하면 공기극에서는 공기 중 산소와 수소이온이 만나 환원반응을 일으켜 최종적으로 물이 생성되게 된다. 종래의 기술로 형성된 탄소 소재의 촉매지지체에 촉매(300)를 담지하여 제조된 전극은 연료전지가 가동함으로써 생성되는 물이 있는 환경에서 연료전지의 전압범위가 약 1.1v이상의 범위가 되면, 탄소-탄소 결합을 포함하는 탄소구조체가 탄소-탄소 결합 중 일부가 끊어지는 문제점이 발생하게 된다. 이로 인해 탄소구조체 위에 담지되어 있던 촉매(300)는 탄소구조체의 탄소-탄소 결합이 끊어짐으로써 탄소구조체로부터 분리가 되어 촉매(300) 활성 면적이 감소 하고 이로 인해 연료전지의 성능이 감소하는 문제점이 발생하게 된다.As described above, the carbon structure 100 is a carbon-based structure and has a relatively high electrical conductivity and specific surface area compared to other conductive materials. When the fuel cell is operated, hydrogen, which is fuel, decomposes at the anode, loses electrons, and moves to the cathode in the form of hydrogen ions. At the cathode, oxygen and hydrogen ions in the air meet to cause a reduction reaction, and finally water is generated. The electrode manufactured by supporting the catalyst 300 on a catalyst support made of a carbon material formed by a conventional technique is carbon- when the voltage range of the fuel cell is about 1.1v or more in an environment where water is generated by operating the fuel cell. A problem occurs in that a carbon structure including a carbon bond is partially disconnected from the carbon-carbon bond. Due to this, the catalyst 300 supported on the carbon structure is separated from the carbon structure by breaking the carbon-carbon bond of the carbon structure, thereby reducing the active area of the catalyst 300, thereby reducing the performance of the fuel cell. Is done.

본 발명은 위와 같은 문제점을 극복하기 위해 촉매지지체를 이루는 탄소구조체(100) 상에 전도성 금속 산화물층(200)을 형성하여 탄소구조체(100)를 코팅함으로써 물이 있는 환경에서 연료전지를 가동시, 연료전지의 전압범위가 약 1.1v이상이 되더라도 탄소구조체(100)의 탄소-탄소 결합이 분해가 일어나지 않아 담지 되어 있던 촉매(300)가 유실되지 않을 수 있다. 이로 인하여 촉매(300) 반응이 유지가 되고, 더해서 촉매지지체의 전기전도성의 금속 산화물층에 의해 전기전도성 성질이 더욱 좋아짐으로써 촉매(300)의 전기화학반응이 더욱 촉진 됨으로 인하여 연료전지 성능에 향상에 기여하는 연료전지용 촉매지지체 형성방법을 제공한다. In order to overcome the above problems, the present invention forms a conductive metal oxide layer 200 on the carbon structure 100 constituting the catalyst support to coat the carbon structure 100 to operate the fuel cell in an environment with water, Even if the voltage range of the fuel cell is about 1.1v or more, the carbon-carbon bond of the carbon structure 100 may not be decomposed so that the supported catalyst 300 may not be lost. Due to this, the reaction of the catalyst 300 is maintained, and the electrical conductivity of the catalyst support is further improved by the electroconductive metal oxide layer, so that the electrochemical reaction of the catalyst 300 is further promoted, thereby improving fuel cell performance. It provides a method of forming a catalyst support for a contributing fuel cell.

한편, 촉매지지체의 탄소구조체(100)상에 탄소구조체(100)를 보호하기 위해 금속산화물층이 아닌 금속이나 전도성 고분자를 코팅할 수도 있는데 금속은 시간이 갈 수록 산화가 일어나 그 특성이 변화 하여 연료전지를 운용함에 따라 불안정하게 되며 전도성 고분자는 연료전지를 운용함에 따라 화학반응이 일어나며 그로 인한 온도 상승으로 인하여 전도성 고분자가 열화되어 전극의 성능이 떨어지는 문제점이 있다. 하지만 본 발명의 실시예인 금속산화물은 시간이 지나더라도 상대적으로 물리적, 화학적으로 안정하여 연료전지를 가동할 때 안정적으로 운용할 수 있다는 장점이 있다. 그렇기 때문에 물이 있는 환경에서도 금속산화물층이 유지 됨으로써 직접적으로 탄소구조체(100)가 물과 접촉하지 않아 탄소-탄소 결합이 끊어지는 문제점이 발생하지 않음으로 인하여 오랜기간 동안 안정적으로 연료전기의 전극을 사용할 수 있는 장점이 있다.On the other hand, to protect the carbon structure 100 on the carbon structure 100 of the catalyst support, it may be coated with a metal or a conductive polymer, rather than a metal oxide layer. As the cell is operated, it becomes unstable, and the conductive polymer undergoes a chemical reaction as the fuel cell is operated. As a result, the conductive polymer deteriorates due to an increase in temperature, thereby deteriorating electrode performance. However, the metal oxide, which is an embodiment of the present invention, has an advantage that it is relatively physically and chemically stable over time and can be stably operated when the fuel cell is operated. Therefore, since the metal oxide layer is maintained even in an environment where water is present, the carbon structure 100 does not directly contact the water, so that the problem of breaking the carbon-carbon bond does not occur. There is an advantage that can be used.

탄소구조체(100)상에 금속산화물층(200)이 형성되는 위의 과정들을 더 자세히 알아보기 위해 도 2를 참조하면, 상기 금속 산화물층을 형성하는 과정은, 상기 탄소구조체와 금속 산화물 전구체를 용매에 분산하여 용액을 제조하는 과정; 상기 용액내에서 상기 탄소구조체의 표면상에 금속산화물이 고화되는 과정; 및 상기 용액으로부터 표면상에 상기 금속산화물이 고화된 상기 탄소구조체를 여과하는 과정을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 to find out in detail the above processes in which the metal oxide layer 200 is formed on the carbon structure 100, the process of forming the metal oxide layer is a solvent for the carbon structure and the metal oxide precursor. Dispersing to prepare a solution; A process in which a metal oxide is solidified on the surface of the carbon structure in the solution; And filtering the carbon structure in which the metal oxide is solidified on the surface from the solution.

먼저, 상기 탄소구조체(100)와 금속 산화물 전구체를 용매에 분산하여 용액을 제조하는 과정을 진행한다(S210).First, a process of preparing a solution by dispersing the carbon structure 100 and the metal oxide precursor in a solvent is performed (S210).

본 발명의 실시예로써 상기 탄소구조체(100)를 용매인 에탄올 용액에 첨가 후 상온에서 초음파 처리를 통하여 분산을 시켜 용액을 제조한다. 그런 후 탄소구조체(100)가 분산된 용액에 금속 산화물 전구체를 순차적으로 첨가하여 교반을 통하여 용액에 분산시킨다. 또한, 위의 과정은 하나의 용매에 탄소구조체(100)와 금속 산화물 전구체를 동시에 넣고 교반하여 분산 시킬 수도 있고, 제 1용매에 탄소구조체(100)를 첨가하여 분산시킨 후 제 1 용액을 만들고, 제 2 용매에 탄소구조체(100)를 첨가하여 분산시킨 후 제 2 용액을 만들어 제 1 용액에 제 2 용액을 시간당 일정한 양만큼 첨가할 수도 있다. As an embodiment of the present invention, the carbon structure 100 is added to an ethanol solution as a solvent and then dispersed through ultrasonic treatment at room temperature to prepare a solution. Then, the metal oxide precursor is sequentially added to the solution in which the carbon structure 100 is dispersed, and then dispersed in the solution through stirring. In addition, the above process may be performed by simultaneously dispersing the carbon structure 100 and the metal oxide precursor in one solvent and then dispersing them, or by adding and dispersing the carbon structure 100 in the first solvent to make a first solution, After dispersing by adding the carbon structure 100 to the second solvent, a second solution may be prepared, and the second solution may be added to the first solution in an amount per hour.

본 발명의 실시예에서 탄소구조체(100)는 탄소나노튜브(CNT)일 수 있는데 그 중 본 발명은 예를 들어 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)를 사용할 수 있다. 탄소구조체(100)를 제 1 용매인 에탄올에 첨가하여 분산시켜 제 1 용액을 만들고, 금속 산화물 전구체 (Titanium Butoxide)와 제 2용매인 에탄올을 각각 첨가하여 제 2 용액을 만들어 제 1 용액에 제 2용액을 시간당 원하는 양으로 첨가할 수 있다. 이는 탄소구조체(100)에 금속산화물을 형성할 때 원하는 두께 만큼 형성하기 위함이다. In the embodiment of the present invention, the carbon structure 100 may be a carbon nanotube (CNT), of which the present invention may use, for example, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). The carbon structure 100 is added to the first solvent, ethanol, and dispersed to form a first solution, and a second solution is added to the first solution by adding a metal oxide precursor (Titanium Butoxide) and a second solvent, ethanol, respectively. The solution can be added in the desired amount per hour. This is to form a metal oxide on the carbon structure 100 to a desired thickness.

다음으로 상기 용액내에서 상기 탄소구조체(100) 표면상에 금속산화물이 고화되는 과정을 진행한다(S220).Next, a metal oxide is solidified on the surface of the carbon structure 100 in the solution (S220).

상기 금속 산화물 전구체는 상기 용매에 용해될 수 있다. 금속 산화물 전구체가 용해되지 않고 단순히 분산되어 중력의 힘 등을 이용하여 탄소구조체(100) 표면상에 안착 후 결합을 하고 금속 산화물 전구체의 금속부분을 제외한 나머지 부분이 떨어져 나갈 수도 있다. 하지만 이렇게 분산되어 결합되면 탄소구조체(100)와의 결합력도 약하고 또한 분산되는 위치에서만 결합이 일어나므로 고르게 탄소구조체(100)와 결합을 할 수 없게 된다. 하지만 금속 산화물 전구체가 용매에 용해가 된다면 용매 전체로 고르게 금속 양이온이 섞이게 되므로 상대적으로 빠르게 탄소구조체(100) 표면상에 결합이 가능하며 용액속에 금속 양이온이 존재하기 때문에 탄소구조체(100)에 해당하는 어느 부분에서도 결합이 일어날 수 있다.The metal oxide precursor may be dissolved in the solvent. The metal oxide precursor is not dissolved and is simply dispersed, and after being seated on the surface of the carbon structure 100 using the force of gravity, etc., the bond may be performed, and the rest of the metal oxide precursor may be detached. However, when it is dispersed and combined, the bonding force with the carbon structure 100 is also weak, and since the bonding occurs only at the dispersed position, it cannot be evenly combined with the carbon structure 100. However, if the metal oxide precursor is dissolved in a solvent, the metal cations are evenly mixed with the entire solvent, so it is possible to bond on the surface of the carbon structure 100 relatively quickly, and because the metal cations exist in solution, it corresponds to the carbon structure 100. Bonding can occur anywhere.

용매에 분산된 금속 산화물 전구체는 용매에 용해되어 양이온 금속 입자와 음이온의 전구체 이온들로 분리가 된다. 이후 양이온의 금속 입자가 탄소구조체(100)에 물리적 또는 화학적으로 결합을 하게 되고 이후 수열합성법, 마이크로웨이브법, 침전법, 분산법등의 용액공정을 통해 금속산화물로 고화된다. 이 금속산화물이 탄소구조체(100)에 적어도 부분적으로 또는 전체에 생기게 된다. The metal oxide precursor dispersed in the solvent is dissolved in a solvent and separated into precursor ions of cationic metal particles and anions. Thereafter, the metal particles of the cation are physically or chemically bound to the carbon structure 100, and then solidified into a metal oxide through solution processes such as hydrothermal synthesis, microwave, precipitation, and dispersion. The metal oxide is produced at least partially or entirely on the carbon structure 100.

본 발명의 실시예로써 금속 산화물을 형성 할 때 금속산화물 전구체와 탄소구조체(100)를 액상에서 진행되는 용액 공정등을 통해 금속산화물을 형성함으로써 탄소구조체(100) 표면 전체에 또는 적어도 부분적으로 탄소구조체(100)의 형태나 모양에 상관없이 탄소구조체(100)의 형태나 모양에 따라 금속산화물이 생성 될 수 있어 탄소구조체(100)의 비표면적의 장점을 유지하면서도 금속산화물을 균일하게 도포할 수 있는 장점이 있다.As an embodiment of the present invention, when forming a metal oxide, the metal oxide precursor and the carbon structure 100 are formed on the entire surface of the carbon structure 100 or at least partially by forming the metal oxide through a solution process or the like that proceeds in the liquid phase. Regardless of the shape or shape of (100), the metal oxide can be generated according to the shape or shape of the carbon structure (100), so that the metal oxide can be uniformly applied while maintaining the advantages of the specific surface area of the carbon structure (100). There are advantages.

또한, 금속 산화물 전구체는 처음에는 전기 전도도가 없는 금속 물질이 포함된 금속 산화물 전구체인데 위의 용액공정을 통해 금속 산화물 전구체를 반응 및 합성 과정을 통해 상 형성(Phase Formation)이 되게 함으로써 전기 전도도를 가지는 전도성 산화물로 바뀌게 된다.In addition, the metal oxide precursor is a metal oxide precursor containing a metal material having no electrical conductivity at first, and has a electrical conductivity by allowing the metal oxide precursor to be phase-formed through reaction and synthesis through the above solution process. It turns into a conductive oxide.

다음으로 상기 용액으로부터 표면에 상기 금속산화물이 고화된 상기 탄소구조체(100)를 여과하는 과정(S230)을 진행한다.Next, a process of filtering the carbon structure 100 in which the metal oxide is solidified on the surface from the solution (S230) is performed.

탄소구조체(100) 상에 금속산화물이 고화된 촉매지지체를 감압여과를 하여 걸러내고 이를 세척 및 건조를 하여 탄소구조체(100) 상에 금속산화물층(200)이 형성된 촉매지지체를 최종적으로 얻을 수 있다. The catalyst support having the metal oxide solidified on the carbon structure 100 is filtered through reduced pressure, washed and dried to obtain the catalyst support having the metal oxide layer 200 formed on the carbon structure 100. .

본 발명의 실시예로써는 촉매지지체를 감압여과 한 후 에탄올을 이용하여 세척을 진행하고 그 후 오븐에서 진공 건조를 하여 휘발성분 등을 제거한 탄소구조체(100) 상에 금속산화물층(200)이 형성된 촉매지지체를 얻을 수 있다.In an embodiment of the present invention, after the catalyst support is filtered under reduced pressure, washing is performed using ethanol, and then vacuum dried in an oven to remove the volatile components and the like, and a catalyst having a metal oxide layer 200 formed on the carbon structure 100 A support can be obtained.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예인 탄소구조체(100)에 금속산화물층(200)이 형성된 것을 볼 수 있다. 상기와 같이 액상에서 탄소구조체(100)에 금속산화물층(200)을 형성하는 과정(S200)을 진행하면 상술했듯이 복잡한 구조의 탄소구조체(100)의 일부분에만 금속산화물층(200)이 형성되는 것이 아닌 탄소구조체(100) 전체에 균일하게 형성되는 것을 알 수가 있다. 또한, 탄소구조체(100)의 형태나 모양에 제한되지 않고 그 형태나 모양을 따라 금속산화물층이 형성되어 종래기술의 탄소구조체(100)의 장점인 비표면적 등을 그대로 유지할 수 있어 연료전지용 전극의 성능이 향상 될 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the metal oxide layer 200 is formed on the carbon structure 100 as an embodiment of the present invention. As described above, when the process of forming the metal oxide layer 200 on the carbon structure 100 in the liquid phase proceeds (S200), the metal oxide layer 200 is formed only on a part of the carbon structure 100 having a complex structure as described above. It can be seen that the carbon structure 100 is uniformly formed. In addition, it is not limited to the shape or shape of the carbon structure 100, and a metal oxide layer is formed along the shape or shape to maintain the specific surface area, which is the advantage of the carbon structure 100 of the prior art, so that the electrode of the fuel cell electrode is maintained. Performance can be improved.

상기 용매는 물, 에탄올, 메탄올, isopropyl alcohol, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), acetonitrile (MeCN) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 극성 용매일 수 있다. 금속 산화물 전구체는 극성용매에 잘 용해되어야 용액공정을 통해 금속 산화물층(200)을 형성 할 때 탄소구조체(100) 상에 탄소구조체(100)의 모양이나 형태에 관계없이 균일하게 코팅될 수가 있다.The solvent may be a polar solvent containing at least one of water, ethanol, methanol, isopropyl alcohol, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), acetonitrile (MeCN). When the metal oxide precursor 200 is formed through a solution process, the metal oxide precursor must be well dissolved in a polar solvent to be uniformly coated on the carbon structure 100 regardless of the shape or shape of the carbon structure 100.

하지만 단순히 위의 실시예처럼 탄소구조체(100)와 금속 산화물 전구체를 분산시에는 무조건 극성용매에서 진행되는것이 아닌 무극성 용매에서도 진행 할 수도 있다.However, simply dispersing the carbon structure 100 and the metal oxide precursor, as in the above embodiment, may also be performed in a non-polar solvent, rather than unconditionally in a polar solvent.

상기 금속 산화물 전구체는, 상기 용매에 용해가 가능한 작용기를 포함하거나 수화물 형태일 수 있다.The metal oxide precursor may include a functional group soluble in the solvent or may be in a hydrate form.

상기 작용기는 -OH, -NO3, -SO4, 및 -OCxH2x +1(1≤x≤7) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.The functional group may be at least one of -OH, -NO 3 , -SO 4 , and -OC x H 2x +1 (1≤x≤7).

상기 금속 산화물 전구체는 Zn, Ti, Sn, Cu, Ni, Ag, Ba, Ga, Al, In 중 적어도 어느 하나의 금속을 포함할 수 있다.The metal oxide precursor may include at least one metal of Zn, Ti, Sn, Cu, Ni, Ag, Ba, Ga, Al, In.

본 발명의 실시예로써 사용되는 금속 산화물 전구체는 극성 용매에 잘 용해가 되는 특징을 가지고 있다. 이를 위해서는 극성 용매에 용해가 가능한 작용기를 포함하거나 수화물 형태의 금속 산화물 전구체 형태이어야 한다. 일단 극성 용매에 용해가 가능한 작용기는 -OH, -NO3, -SO4, 및 -OCxH2x +1(1≤x≤7)로써, 그 예로는 -(OH)2, -(OH)4, -(NO3)4, -(SO4)2, -(NO3)2, -SO4, 등이 있을 수 있다. The metal oxide precursor used as an embodiment of the present invention has a characteristic of being well soluble in a polar solvent. To do this, it must contain a functional group that can be dissolved in a polar solvent or be in the form of a metal oxide precursor in the form of a hydrate. The functional groups that can be dissolved in a polar solvent are -OH, -NO 3 , -SO 4 , and -OC x H 2x +1 (1≤x≤7), for example -(OH) 2 , -(OH) 4 , -(NO 3 ) 4 , -(SO 4 ) 2 , -(NO 3 ) 2 , -SO 4 , There may be a back.

-OCxH2x + 1(1≤x≤7)는 그 형태가 -OCH3, -OC2H5, -OC3H8, -OC4H9 , -(OCH3)4, -(OCH3)2, -(OC2H5)4, -(OC3H7)4, -(OC4H9)4 등이 있을 수 있다. -OC x H 2x + 1 (1≤x≤7) has the form -OCH 3 , -OC 2 H 5 , -OC 3 H 8 , -OC 4 H 9 , -(OCH 3 ) 4 , -(OCH 3 ) 2 , -(OC 2 H 5 ) 4 , -(OC 3 H 7 ) 4 , -(OC 4 H 9 ) 4, and the like.

또한, 수화물 형태의 금속 산화물 전구체는 -(H2O)x (x≥1)인 형태로써, 그 예로는 SnCl2·2H2O, Zn(NO3)2·6H2O 등이 있을 수 있다. In addition, the metal oxide precursor in the hydrate form is -(H 2 O) x (x≥1), and examples thereof include SnCl 2 ·2H 2 O, Zn(NO 3 ) 2 ·6H 2 O, and the like. .

상기 금속 산화물 전구체는 여러 금속 소재를 포함 할 수 있는데 Zn, Ti, Sn, Cu, Ni, Ag, Ba, Ga, Al, In 등 중 적어도 어느 하나의 금속을 포함하여 금속 산화물 전구체를 형성할 수 있다. 그 예로 Ti(OH)2, Ti(OH)4, Ti(NO3)4, Ti(SO4)2, Ti(OCH3)4, Ti(OC2H5)4, Ti(OC3H7)4, Ti(OC4H9)4, Sn(OH)2, Sn(OH)4, Zn(OH)2, Zn(NO3)2, AgSO4, Cu(OCH3)2, SnCl2·2H2O, Zn(NO3)2·6H2O 등이 있을 수 있다.The metal oxide precursor may include various metal materials, and may include a metal at least one of Zn, Ti, Sn, Cu, Ni, Ag, Ba, Ga, Al, and In to form a metal oxide precursor. . Examples include Ti(OH) 2 , Ti(OH) 4 , Ti(NO 3 ) 4 , Ti(SO 4 ) 2 , Ti(OCH 3 ) 4 , Ti(OC 2 H 5 ) 4 , Ti(OC 3 H 7 ) 4 , Ti(OC 4 H 9 ) 4 , Sn(OH) 2 , Sn(OH) 4 , Zn(OH) 2 , Zn(NO 3 ) 2 , AgSO 4 , Cu(OCH 3 ) 2 , SnCl 2 · 2H 2 O, Zn(NO 3 ) 2 ·6H 2 O, and the like.

한편, 용해란 고체, 액체, 기체 등의 용질이 용액 또는 용매에 고르게 퍼져 균일하게 섞일 때를 지칭한다. 용해된 금속 산화물 전구체는 용매에 고르게 섞여 탄소구조체(100) 표면상에 결합을 하고 화학적 작용 등에 따라 -OH(히드록시기)와 수화가 가능한 작용기 또는 수화물의 형태의 전구체의 결합 중에서 산소부분과 금속부분을 남기고 수소 등이 떨어져 나가 탄소구조체(100) 표면상에 산화물 형태인 금속산화물이 형성될 수 있다. 이렇게 용해가 됨으로써 안정적으로 결합이 가능하고 비교적 짧은 시간안에 금속산화물층(200)을 형성할 수 있게 된다.On the other hand, dissolving refers to when a solute such as a solid, liquid, gas, etc. spreads evenly over a solution or a solvent and uniformly mixed. The dissolved metal oxide precursor is evenly mixed with the solvent to bond on the surface of the carbon structure 100 and, depending on chemical action, -OH (hydroxy group) and hydration functional group or hydrate form the precursor of the oxygen and metal parts of the bond. Metal oxides in the form of oxides may be formed on the surface of the carbon structure 100 by leaving hydrogen and the like away. By dissolving in this way, it is possible to stably bond and to form the metal oxide layer 200 in a relatively short time.

상기 탄소구조체(100) 표면상의 탄소-탄소 결합의 적어도 일부를 끊는 표면처리를 하는 과정을 더 포함할 수 있다. 탄소-탄소 결합을 포함하는 탄소구조체(100)를 제공하는 과정(S100)에서 탄소구조체(100)의 탄소-탄소 결합의 적어도 일부분의 결합을 끊는 표면처리 과정을 진행함으로써 결함을 생성 할 수 있다. 이는 탄소-탄소 결합이 끊어짐으로써 불포화 결합(dangling bond)등이 생성되고 이 불안정한 불포화 결합은 안정화 되기 위해 금속산화물 전구체의 금속 양이온과 물리적으로 결합을 하기가 용이해진다. 또한, 이렇게 결함을 생성함으로써 후에 금속산화물 전구체와 결함이 있는 탄소구조체(100)가 용매에 분산될 때, 금속산화물 전구체가 용해되어 분리된 양이온 금속 입자가 탄소 구조체(100)에 물리적으로 결합을 하게 되며 이때 표면처리를 하지 않는 탄소구조체보다 더 효과적으로 탄소 구조체(100)의 표면과 결함부위에 양이온 금속 입자가 비교적 짧은 시간 안에 물리적 결합을 함으로써 분산 시간을 줄일 수 있게 된다. The carbon structure 100 may further include a surface treatment process that breaks at least a portion of the carbon-carbon bond on the surface. In the process of providing the carbon structure 100 including the carbon-carbon bond (S100), defects may be generated by performing a surface treatment process of breaking at least a portion of the carbon-carbon bond of the carbon structure 100. This causes the carbon-carbon bond to be broken, thereby generating a dangling bond, etc., and this unstable unsaturated bond is facilitated to physically bond with the metal cation of the metal oxide precursor in order to be stabilized. In addition, when the metal oxide precursor and the defective carbon structure 100 are dispersed in a solvent by generating the defect in this way, the metal oxide precursor is dissolved to physically bond the separated cationic metal particles to the carbon structure 100. In this case, it is possible to reduce the dispersion time by physically bonding the cationic metal particles to the surface and the defective portion of the carbon structure 100 in a relatively short time than the carbon structure without surface treatment.

위의 표면처리를 하는 방법은 산용액을 이용한 표면처리, 마이크로웨이브를 이용한 표면처리, 플라즈마를 이용한 표면처리, 초음파를 이용한 표면처리 등이 있다. The above methods of surface treatment include surface treatment using acid solution, surface treatment using microwave, surface treatment using plasma, and surface treatment using ultrasonic waves.

본 발명의 일실시예로써 산용액을 이용한 표면처리방법을 사용하는데 탄소구조체(100)를 표면처리 하기 위해 질산용액에 탄소구조체(100)를 첨가하여 고온에서 환류를 진행한다. 그 후 표면처리를 끝낸 탄소구조체(100)를 물 또는 증류수를 이용하여 세척하고 오븐에서 진공 건조를 하여 탄소-탄소 결합이 적어도 일부분 끊어져 결함이 생성된 탄소구조체(100)를 얻을 수 있다. 위와 같이 산성 용액을 이용한 표면처리 방법을 이용하여 탄소구조체(100) 표면에 결함을 생성 할 때 많은 결함이 발생 할 수 있도록 다양한 산 종류, 반응온도, 반응시간등을 조절하여 결함수를 조절 할 수도 있다.As an embodiment of the present invention, a surface treatment method using an acid solution is used. In order to surface-treat the carbon structure 100, the carbon structure 100 is added to the nitric acid solution to perform reflux at high temperature. Thereafter, the carbon structure 100 after the surface treatment is washed with water or distilled water and vacuum-dried in an oven to at least partially break the carbon-carbon bond to obtain a carbon structure 100 having defects. As described above, the number of defects can be controlled by adjusting various acid types, reaction temperature, reaction time, etc. so that many defects can occur when creating defects on the surface of the carbon structure 100 using a surface treatment method using an acidic solution. have.

상기 금속 산화물층(200)을 형성하는 과정(S200)은, 상기 용매에 계면 활성제를 첨가하여 분산하는 과정을 더 포함할 수 있다.The process of forming the metal oxide layer 200 (S200) may further include a process of dispersing by adding a surfactant to the solvent.

상기 계면 활성제를 첨가하여 분산하는 과정은, 상온(25℃)보다 낮은 온도에서 수행할 수 있다.The process of adding and dispersing the surfactant may be performed at a temperature lower than room temperature (25°C).

상기 탄소구조체(100)와 금속 산화물 전구체를 용매에 분산하는 과정(S210)을 진행 할 때 계면 활성제도 순차적으로 첨가하여 분산 할 수 있다. 또한, 위의 실시예와 같이 용매에 탄소구조체(100), 금속 산화물 전구체 및 계면활성제를 동시에 넣고 분산할 수도 있고, 탄소구조체(100)를 용매에 분산시킨 후 계면활성제를 첨가하여 분산시키고 그 후 금속산화물전구체를 첨가하여 분산할 수도 있다. 또한, 제 1 용매에 탄소구조체(100)를 분산시킨 후 그 용액에 계면활성제를 분산하여 제 3 용액을 형성한 후 제 2 용매에 금속 산화물 전구체를 첨가하여 제 2 용액을 형성하여 제 3 용액에 제 2 용액을 첨가하여 분산하는 방법도 가능하다.In the process of dispersing the carbon structure 100 and the metal oxide precursor in a solvent (S210), surfactants may also be sequentially added and dispersed. In addition, the carbon structure 100, a metal oxide precursor, and a surfactant may be simultaneously added and dispersed in a solvent, as in the above embodiment, and the carbon structure 100 is dispersed in a solvent, followed by dispersion by addition of a surfactant. It can also be dispersed by adding a metal oxide precursor. In addition, after dispersing the carbon structure 100 in the first solvent, a surfactant is dispersed in the solution to form a third solution, and then a metal oxide precursor is added to the second solvent to form a second solution to form the third solution. A method of dispersing by adding a second solution is also possible.

계면 활성제를 첨가함으로써 표면처리를 한 탄소구조체(100) 표면 또는 결함부위에 용매에 용해된 금속 산화물 전구체의 금속 양이온이 계면 활성제와 함께 탄소구조체(100)의 표면 및 결함 부위에 물리적으로 결합이 더욱 용이하게 해주고 그로 인하여 분산 시간을 단축 할 수 있다. 이는 용매에 용해된 양이온의 금속 입자 주변에 계면활성제(300)가 붙게 되고, 계면활성제(300)의 접착력으로 인하여 탄소구조체(100) 표면 및 탄소-탄소 결합이 끊어진 결함 부분에 결합함으로써 안정적으로 물리적 결합이 이루어지게 되고 또한 상대적으로 빠른 시간안에 붙게 되어 분산 시간을 줄일 수 있게 된다. By adding surfactant, the metal cation of the metal oxide precursor dissolved in the solvent on the surface or the defective portion of the surface of the carbon structure 100 is physically bonded to the surface and the defective portion of the carbon structure 100 together with the surfactant. It facilitates and shortens the dispersion time. This is because the surfactant 300 is attached to the metal particles of the cation dissolved in the solvent, and the surface of the carbon structure 100 and the carbon-carbon bond are broken due to adhesion of the surfactant 300, thereby stably physically bonding Bonding is also achieved, and it is possible to reduce dispersion time by sticking in a relatively fast time.

본 발명의 실시예로써 탄소구조체(100)를 에탄올 용액에 첨가 후 상온에서 초음파 처리를 통하여 분산 시킨 후 위의 분산된 용액에 계면활성제(benzyl alcohol)와 물 또는 증류수를 첨가 후 상온에서 초음파 처리를 통하여 분산 시킨다. As an embodiment of the present invention, after adding the carbon structure 100 to the ethanol solution and dispersing it through ultrasonic treatment at room temperature, after adding surfactant (benzyl alcohol) and water or distilled water to the dispersed solution, ultrasonic treatment is performed at room temperature. Disperse through.

이 때 계면 활성제(300)가 첨가된 용액을 분산 할때 상온(25℃)보다 낮은 저온의 온도에서 분산시키는데, 이는 탄소구조체(100)와 계면활성제(benzyl alchol)이 결합이나 응집이 심화되지 않도록 하기 위해서다. 그리하여 본 발명의 실시예에서는 탄소구조체(100)와 계면활성제(300)를 분산시 0℃ 및 N2 분위기에서 자기교반을 시켰다. 그리고 상술 했듯이 탄소구조체(100)와 계면활성제(benzyl alchol)가 분산된 용액에 titanium butoxide와 에탄올이 각각 첨가된 용액을 시간당 알맞은 양을 첨가하였다. 그렇게 하여 최종적으로 titanium butoxide : benzyl alchol : 에탄올 : 물 또는 증류수 비율이 1 : 3 : 76 : 5가 되도록 하였다. At this time, when dispersing the solution to which the surfactant 300 has been added, it is dispersed at a temperature lower than the normal temperature (25°C), so that the carbon structure 100 and the surfactant (benzyl alchol) are not bound or aggregated. To do it. Thus, in the embodiment of the present invention, when the carbon structure 100 and the surfactant 300 were dispersed, magnetic stirring was performed at 0°C and N 2 atmosphere. And, as described above, a solution in which titanium butoxide and ethanol were added to the solution in which the carbon structure 100 and the surfactant (benzyl alchol) were dispersed was added in an appropriate amount per hour. Thus, finally, the ratio of titanium butoxide:benzyl alcohol:ethanol:water or distilled water was 1:3:76:5.

계면활성제를 사용하여 금속 산화물이 탄소구조체(100) 표면 및 결함에 결합할 때 접착력을 향상 시킬 수 있고 금속 산화물의 입자 크기를 제어할 수 있다. 또한, 전도성 금속산화물 형성을 위하여 반응온도, 반응시간, 용액 pH 등을 조절하여 다양한 금속 산화물 전구체에 맞추어 전도성 산화물을 형성할 수 있다. 그리고 계면활성제의 접착력을 더 좋게 하기 위해 점도가 높은 계면활성제를 사용할 수 있다.When the metal oxide is bonded to the surface and defects of the carbon structure 100 by using a surfactant, the adhesion can be improved and the particle size of the metal oxide can be controlled. In addition, in order to form a conductive metal oxide, the reaction temperature, reaction time, solution pH, etc. can be adjusted to form a conductive oxide according to various metal oxide precursors. In addition, a surfactant having a high viscosity may be used to improve adhesion of the surfactant.

상기 계면활성제는 beznyl alcohol, 2-aminoethanol, glycerin, 1-heptanol, ethylene glycol, 1-octanol, diethylene glycol, i-butanol 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The surfactant may include at least one of beznyl alcohol, 2-aminoethanol, glycerin, 1-heptanol, ethylene glycol, 1-octanol, diethylene glycol, and i- butanol.

탄소구조체(100)를 표면처리 하는 과정과 계면 활성제를 첨가하여 분산하는 과정을 종합하여 연료전지용 촉매지지체를 형성하는 방법을 정리해 보면, 탄소구조체(100)를 산용액 등 표면처리를 할 수 있는 방법을 통해 탄소-탄소 결합을 끊는 과정을 진행 한 후 표면처리된 탄소구조체(100)와 계면활성제를 용매에 분산시키고, 금속산화물 전구체를 첨가하여 최종적으로 용액공정을 통해 탄소구조체(100)상에 금속산화물층(200)이 형성하는 과정이다. 이렇게 탄소복합체(100)상에 금속산화물층(200)을 형성함으로써 탄소복합체(100)의 모양과 형태의 관계없이, 금속산화물층(200)이 탄소복합체(100)의 모양이나 형태를 따라 형성됨으로써 종래기술의 탄소복합체(100)가 가지고 있는 비표면적 등이 넓다는 장점 등이 상쇄되지 않고 그 장점을 살리면서 연료전지용 촉매지지체를 형성할 수 있다.Summarizing the method of forming the catalyst support for a fuel cell by synthesizing the surface treatment of the carbon structure 100 and the process of adding and dispersing a surfactant, a method for surface treatment of the carbon structure 100, such as an acid solution, etc. After performing the process of breaking the carbon-carbon bond through, the surface-treated carbon structure 100 and the surfactant are dispersed in a solvent, and a metal oxide precursor is added to the metal structure on the carbon structure 100 through a solution process. This is a process in which the oxide layer 200 is formed. By forming the metal oxide layer 200 on the carbon composite 100 as described above, regardless of the shape and shape of the carbon composite 100, the metal oxide layer 200 is formed according to the shape or shape of the carbon composite 100. The advantages of the specific surface area and the like of the carbon composite 100 of the prior art are not offset, and the catalyst support for the fuel cell can be formed while taking advantage of the advantages.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 촉매지지체 형성 방법을 정리하면 산성 용액을 이용하여 탄소구조체(100)(이하 MWCNTs)의 표면처리를 위해 질산에 MWCNTs의 비율로 첨가를 한 후 고온에서 환류를 진행하고, 표면처리를 끝낸 MWCNTs를 물 또는 증류수를 이용하여 세척 및 오븐에서 진공건조를 한다. 그런 후 MWCNTs를 에탄올 용액에 첨가 후 상온에서 초음파 처리를 통하여 분산을 시킨다. MWCNTs가 분산된 용액에 계면활성제(Benzyl alcohol)와 물 또는 증류수를 첨가 후 상온에서 초음파 처리를 통해 분산시킨다. 이 때 MWCNTs와 계면활성제가 첨가된 용액을 분산 시킬 때 0℃ 및 N2 분위기에서 자기교반을 시킨다. 이렇게 분산된 MWCNTs와 계면활성제가 분산된 용액에 금속 산화물 전구체(200)(Titanium butoxide)와 에탄올이 각각 첨가된 용액을 시간당 알맞은 양으로 첨가하여 탄소구조체(100) 상에 계면활성제의 도움을 받아 금속산화물층(200)을 형성 한다.In summary, the method for forming a catalyst support for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is refluxed at high temperature after addition of MWCNTs to nitric acid for the surface treatment of the carbon structure 100 (hereinafter MWCNTs) using an acidic solution. Then, the surface-treated MWCNTs are washed with water or distilled water and vacuum dried in an oven. Then, MWCNTs are added to the ethanol solution, and then dispersed through ultrasonic treatment at room temperature. The surfactant (Benzyl alcohol) and water or distilled water are added to the solution in which MWCNTs are dispersed, and then dispersed through ultrasonic treatment at room temperature. At this time, when dispersing the solution to which MWCNTs and surfactant are added, magnetic stirring is performed at 0°C and N 2 atmosphere. A metal oxide precursor (200) (Titanium butoxide) and ethanol were added to the solution in which the dispersed MWCNTs and surfactant were dispersed in an appropriate amount per hour, and the metal was supported by the surfactant on the carbon structure (100). The oxide layer 200 is formed.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예인 연료전지용 전극은 탄소-탄소 결합을 포함하는 탄소구조체(100)와, 상기 탄소구조체(100) 상에 형성된 전기 전도성의 금속 산화물층(200)으로 이루어진 촉매지지체; 상기 촉매지지체 상에 담지되는 촉매(300); 및 상기 촉매지지체 및 촉매(300)를 지지하고, 상기 촉매지지체 및 촉매(300)가 전기적으로 연결되는 전류집전체;를 포함할 수 있다.On the other hand, another embodiment of the present invention for a fuel cell electrode is a catalyst support consisting of a carbon structure 100 including a carbon-carbon bond, and an electrically conductive metal oxide layer 200 formed on the carbon structure 100; A catalyst 300 supported on the catalyst support; And a current collector supporting the catalyst support and the catalyst 300 and electrically connecting the catalyst support and the catalyst 300.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소구조체에 금속산화물층이 형성되어 촉매(300)를 담지한 연료전지용 전극의 단면도이다. 3 is a cross-sectional view of an electrode for a fuel cell carrying a catalyst 300 by forming a metal oxide layer on a carbon structure according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 촉매지지체는 전기전도성이 비교적 높고 비표면적이 큰 탄소구조체(100)와 위 탄소구조체(100) 상에 형성된 전기 전도성 금속 산화물층(200)으로 이루어진 2중 구조를 가지고 있다. 또한, 상기 촉매지지체는 상술한 연료전지용 촉매지지체 형성방법으로 형성된 촉매지지체로써 촉매지지체의 형태와 모양에 상관 없이 균일한 두께로 탄소구조체(100)상에 금속산화물층(200)이 형성된 촉매지지체 이다.Referring to FIG. 3, the catalyst support has a double structure composed of a carbon structure 100 having a relatively high electrical conductivity and a large specific surface area and an electrically conductive metal oxide layer 200 formed on the carbon structure 100. In addition, the catalyst support is a catalyst support formed by the above-described method for forming a catalyst support for a fuel cell, and is a catalyst support having a metal oxide layer 200 formed on the carbon structure 100 with a uniform thickness regardless of the shape and shape of the catalyst support. .

본 발명은 연료전지에 적용되기 위해 전기 전도도 및 기계적 특성이 향상된 촉매지지체를 이용하여 제조된 연료전지용 전극에 관한 것으로, 촉매지지체를 이루는 탄소구조체(100) 상에 전기 전도성을 나타내는 산화물계 물질을 코팅하여 연료 전지 가동 중에도 탄소구조체(100)가 분해되지 않고, 또한 전기전도성 금속 산화물층(200)에 의해 전기적 특성이 향상되어 연료전지용 전극의 성능이 향상된 발명이다.The present invention relates to an electrode for a fuel cell manufactured by using a catalyst support having improved electrical conductivity and mechanical properties to be applied to a fuel cell, and coating an oxide-based material exhibiting electrical conductivity on the carbon structure (100) constituting the catalyst support Therefore, the carbon structure 100 is not decomposed even during the operation of the fuel cell, and the electrical properties are improved by the electrically conductive metal oxide layer 200, thereby improving the performance of the electrode for the fuel cell.

상술 했듯이 탄소구조체(100)에 금속산화물층(200)이 형성됨으로써 연료전지 가동 중 생기는 물이 있는 환경에서 연료전지의 전압 범위가 약 1.1v이상이 되면 종래의 탄소구조체는 탄소구조체의 탄소-탄소 결합이 끊어져 촉매가 유실되지만 본 발명의 금속산화물층(200)이 형성된 탄소구조체(100)는 연료전지의 전압 범위가 약 1.1v이상의 범위에서도 금속산화물층(200) 때문에 탄소-탄소 결합이 끊어지지 않아 촉매(300)가 유실되지 않고 그 성능을 유지할 수 있다.As described above, when the metal oxide layer 200 is formed on the carbon structure 100, when the voltage range of the fuel cell is about 1.1v or more in an environment with water generated during operation of the fuel cell, the conventional carbon structure is carbon-carbon of the carbon structure. Although the bond is lost and the catalyst is lost, the carbon structure 100 on which the metal oxide layer 200 of the present invention is formed does not break the carbon-carbon bond due to the metal oxide layer 200 even when the voltage range of the fuel cell is about 1.1v or more. Because the catalyst 300 is not lost, it can maintain its performance.

또한, 연료전지를 이루는 촉매(300)의 전기화학반응을 잘 일어나게 하기 위해서는 촉매(300) 주변의 전기 전도도를 높여 주면 되는데, 본 발명의 실시예인 금속 산화물층(200)은 전기전도성을 나타내기 때문에 촉매지지체의 전기전도도가 향상 됨으로써 전자의 이동이 매우 빨라진다. 이는 촉매(300) 반응에서 전자나 hole 등의 charge carrier를 주고받기 쉬운 것과 관련이 있어, 촉매(300)의 반응 속도를 높여 주어 산소 분자가 전자를 더 많이 받아서 산소 환원반응이 잘 일어나는 촉매(300) 반응이 더 활성화 됨으로써 더 많은 전기를 생성하여 연료전지의 성능 향상이 가능한 장점이 있다.In addition, in order to facilitate the electrochemical reaction of the catalyst 300 constituting the fuel cell, it is necessary to increase the electrical conductivity around the catalyst 300, since the metal oxide layer 200, which is an embodiment of the present invention, exhibits electrical conductivity. As the electrical conductivity of the catalyst support is improved, electrons move very quickly. This is related to the easy exchange of charge carriers such as electrons and holes in the catalyst 300 reaction, thereby increasing the reaction rate of the catalyst 300 so that oxygen molecules receive more electrons and the oxygen reduction reaction takes place well (300 ) As the reaction is further activated, more electricity is generated to improve the performance of the fuel cell.

상기 금속산화물층(200)은 아연산화물, 티타늄산화물, 주석산화물, 구리산화물, 니켈산화물, 은산화물, BaSnO3, Ga-doped ZnO, Al-doped ZnO, In2O3-doped SnO2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The metal oxide layer 200 is zinc oxide, titanium oxide, tin oxide, copper oxide, nickel oxide, silver oxide, BaSnO 3 , It may include at least one of Ga-doped ZnO, Al-doped ZnO, In 2 O 3 -doped SnO 2 .

본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물층(200)은 티타늄 산화물인 TiOx (1≤x<2)로써 전기 전도성을 띄는 금속 산화물이다. 여기서 TiOx(1≤x<2)는 비화학량론(nonstoichiometry) 조성으로서 x가 1이상 2미만이면 전기전도성을 띄는 특징을 가지고 있다. 이하의 내용에서도 TiOx(1≤x<2)는 비화학량론 조성으로 구성된다. 또한, 금속 산화물층(200)의 예로써 ZnO, SnO2, CuO, NiO, AgO, BaSnO3 등의 다양한 금속 산화물과 Ga, Al, Sn 등 금속 소재 및 앞서 나타낸 전도성 산화물 소재가 도핑된 Ga-doped ZnO, Al-doped ZnO, In2O3-doped SnO2 등 다양한 전도성 금속 산화물일 수 있다.The metal oxide layer 200 according to an embodiment of the present invention is a metal oxide having electrical conductivity as TiO x (1≤x<2), which is titanium oxide. Here, TiO x (1≤x<2) is a nonstoichiometry composition, and has an electric conductivity characteristic when x is 1 or more and less than 2. Even in the following, TiO x (1≤x<2) is composed of a non-stoichiometric composition. In addition, as an example of the metal oxide layer 200, various metal oxides such as ZnO, SnO 2 , CuO, NiO, AgO, and BaSnO 3 and metal materials such as Ga, Al, and Sn, and Ga-doped doped with the aforementioned conductive oxide material It may be various conductive metal oxides such as ZnO, Al-doped ZnO, In 2 O 3 -doped SnO 2 .

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 촉매지지체의 전기화학 특성 평가 중 chronoamperometry 측정 그래프이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 금속산화물층이 형성된 촉매지지체와 종래기술의 촉매지지체를 이용한 MEA 제작을 통한 단위셀 평가 그래프이다. 이때, 전류밀도를 측정하는 방법은 I-V Curve 측정을 통해 각각의 전압구간에서 전류밀도를 측정을 하고, 이후 전류밀도와 전압을 곱하여 전력밀도를 측정 하였다.4 is a graph of chronoamperometry measurement during the evaluation of the electrochemical properties of a catalyst support according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a graph of evaluating unit cells through MEA fabrication using a catalyst support having a metal oxide layer formed according to an embodiment of the present invention and a catalyst support of the prior art. At this time, the current density was measured by measuring the current density in each voltage section through I-V Curve measurement, and then multiplying the current density by the voltage to measure the power density.

도 4 내지 도 5를 참조하면, 탄소구조체(100) 상에 형성된 금속산화물층(200)이 전기전도도를 띄면 촉매지지체의 전류밀도와 촉매(300)가 담지된 연료전지 전극의 전력밀도가 향상 되는 것을 알 수 있다. 이를 자세히 더 알아보면 도 4는 본 발명의 또다른 실시예인 금속산화물층(200)이 아연산화물(ZnO)로 형성된 탄소구조체(100)(이하 ZnO@MWCNTs)와 금속산화물층이 형성되지 않은 탄소구조체(이하 MWCNTs)의 전류밀도를 나타낸 그래프이다. 시간이 지남에 따라 MWCNTs와 ZnO@MWCNTs 촉매지지체의 전류밀도가 안정화 되는 것을 확인 할 수 있으며 ZnO@MWCNTs가 종래기술의 MWCNTs에 비해 높은 전류밀도를 가지는 것을 확인할 수 있다.4 to 5, when the metal oxide layer 200 formed on the carbon structure 100 exhibits electrical conductivity, the current density of the catalyst support and the power density of the fuel cell electrode carrying the catalyst 300 are improved. You can see that In more detail, FIG. 4 shows a carbon structure 100 in which the metal oxide layer 200, which is another embodiment of the present invention, is formed of zinc oxide (ZnO) (hereinafter, ZnO@MWCNTs) and a carbon structure in which the metal oxide layer is not formed. It is a graph showing the current density (hereinafter referred to as MWCNTs). It can be seen that over time, the current densities of the catalyst supports MWCNTs and ZnO@MWCNTs are stabilized, and it can be seen that ZnO@MWCNTs have a higher current density than MWCNTs of the prior art.

또한, 도 5를 보면, 종래기술의 MWCNTs와 본 발명의 또 다른 실시예인 금속산화물층(200)이 아연산화물(ZnO)로 형성된 탄소구조체(100)(이하 ZnO@MWCNTs)로써 각각의 촉매지지체 표면에 Ni, Cu의 2성분계 금속 촉매(300)를 분산하여 전해질-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly,MEA)를 제작 후 단위셀 별로 전력밀도를 나타내는 그래프이다. 도 5(a)를 보면, 종래기술의 MWCNTs의 전력밀도는 20℃에서는 11.24 mW㎝-2를 50℃에선 22.11 mW㎝-2를 나타낸 반면에, 도 5(b)를 보면, ZnO@MWCNTs의 전력밀도는 20℃에서는 26.9 mW㎝-2를 50℃에선 44.36 mW㎝-2를 나타내 종래기술의 MWCNTs에 비하여 ZnO@MWCNTs의 전력밀도는 약 1.7배 이상의 높은 전력밀도를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 상온에서 연료전지를 가동하는것 보다는 약 50℃의 부근의 온도에서 연료전지를 가동하는 것이 연료전지의 성능을 더 향상시키는 것을 알 수 있다.5, the surface of each catalyst support as a carbon structure 100 (hereinafter referred to as ZnO@MWCNTs) in which the MWCNTs of the prior art and the metal oxide layer 200 which is another embodiment of the present invention are formed of zinc oxide (ZnO) It is a graph showing the power density for each unit cell after the production of an electrolyte-electrode assembly (MEA) by dispersing a two-component metal catalyst 300 of Ni and Cu in. 5(a), the power density of the prior art MWCNTs is 11.24 mWcm -2 at 20°C and 22.11 mWcm -2 at 50°C, while in FIG. 5(b), ZnO@MWCNTs the power density is shown for the 20 ℃ 26.9 mW㎝ -2 44.36 mW㎝ -2 in 50 ℃ power density of the ZnO @ MWCNTs compared to MWCNTs of the prior art it can be seen that exhibits a high power density of at least about 1.7 times. In addition, it can be seen that operating the fuel cell at a temperature around 50°C rather than operating the fuel cell at room temperature further improves the performance of the fuel cell.

촉매(300)는 연료전지에서 주입되는 연료 및 공기로부터 산화·환원반응에 의한 전기화학반응을 촉진시켜 빠르게 전류를 발생시키는 역할을 한다. 연료전지에서 사용되는 촉매지지체 상에 담지 되는 촉매(300)의 금속 입자 종류는 대부분 전이금속으로 촉매(300) 입자로의 성장을 통하여 촉매(300)로서의 역할을 하게 된다. 다만, 금속 촉매(300) 입자의 담지량이 증가함에 따라 오스활드 효과(Ostwald ripening effect)에 의해서 입자 크기가 커지게 될 수도 있지만, 본 발명의 실시예에 따른 촉매지지체 표면의 탄소-탄소 결합이 끊어진 곳에 촉매(300) 입자가 성장하게 되어 금속 촉매(300) 입자의 크기 증가를 제한 시킬 수 있다. The catalyst 300 promotes an electrochemical reaction by oxidation and reduction reactions from fuel and air injected from the fuel cell, and serves to rapidly generate electric current. Most of the metal particle types of the catalyst 300 supported on the catalyst support used in the fuel cell are transition metals, and thus serve as the catalyst 300 through growth of the catalyst 300 particles. However, as the supported amount of the metal catalyst 300 increases, the particle size may increase due to the Ostwald ripening effect, but the carbon-carbon bond on the surface of the catalyst support according to the embodiment of the present invention is broken. Where the catalyst 300 particles are grown, it is possible to limit the increase in the size of the metal catalyst 300 particles.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 촉매(300)는 탄소구조체(100) 상에 형성된 금속산화물층(200) 위에 담지되는 촉매(300)로써 단순히 탄소구조체(100)상에 담지되어 결합하는것 보다 금속산화물층(200)과 촉매(300)의 결합력이 상대적으로 강하여 더 안정적으로 촉매(300)를 지지할 수 있게 됨으로써 연료전지 성능이 향상 될 수 있다. 이에 대해 더 자세히 알아보면 전기전도성을 띄는 금속산화물층(200)에서 부분적으로 산화·환원 반응이 발생할 수 있고 이 반응이 발생하는 지점에 용매에 분산된 금속 촉매(300) 입자가 물리적으로 붙게 되며, 이후 전도성 산화물층(200) 표면에서 금속 촉매(300)로 성장을 할 수 있습니다. 위와 같이 촉매(300)를 합성 시키기 위해 폴리올 과정과 같은 콜로이드제조법, 강한 환원제를 이용한 화학적 환원법, 초음파 합성법, 수열합성법, 마이크로웨이브법, 침전법, 전기방사법 등이 사용 될 수 있다.In addition, the catalyst 300 according to an embodiment of the present invention is a catalyst 300 supported on the metal oxide layer 200 formed on the carbon structure 100, rather than being simply supported on the carbon structure 100 and combined. Since the bonding strength between the oxide layer 200 and the catalyst 300 is relatively strong, the fuel cell performance can be improved by being able to more stably support the catalyst 300. In more detail, an oxidation/reduction reaction may partially occur in the metal oxide layer 200 having electrical conductivity, and particles of the metal catalyst 300 dispersed in the solvent may be physically attached to the point where the reaction occurs. Subsequently, the surface of the conductive oxide layer 200 may be grown with the metal catalyst 300. In order to synthesize the catalyst 300 as described above, a colloidal production method such as a polyol process, a chemical reduction method using a strong reducing agent, an ultrasonic synthesis method, a hydrothermal synthesis method, a microwave method, a precipitation method, and an electrospinning method may be used.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 전극은 수소 이온이 이동하는 양이온 교환 연료전지 전극(연료극)과 수산화 이온이 이동하는 음이온 교환 연료전지 전극(공기극)에 모두 적용할 수 있다. 여기서 양이온 연료전지 전극(연료극)의 촉매(300)는 Pt/C, Pt-Ru/C, Pt-Ru-Ni/C 등 백금 기반의 단일 성분계 또는 다성분계 촉매(300)를 사용할 수 있고 음이온 교환 연료전지 전극(공기극)의 촉매(300)는 Ni/C, Pd-Ni/C 등 비백금계 기반의 단일성분계 또는 다성분계 촉매(300)를 사용할 수 있다.The electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention can be applied to both a cation exchange fuel cell electrode (fuel electrode) in which hydrogen ions move and an anion exchange fuel cell electrode (air electrode) in which hydroxide ions move. Here, the catalyst 300 of the cation fuel cell electrode (anode) can use platinum-based single-component or multi-component catalyst 300 such as Pt/C, Pt-Ru/C, Pt-Ru-Ni/C, and anion exchange As the catalyst 300 of the fuel cell electrode (air electrode), a non-platinum-based mono- or multi-component catalyst 300 such as Ni/C or Pd-Ni/C may be used.

전류집전체는 촉매지지체와 촉매(300)를 지지하고 전기화학반응을 통한 산화,환원 반응에 의해 발생된 전류를 모을 수 있다. 또한 연료전지 내부의 전기저항을 감소 시킬 수 있어 연료전지의 성능이 증대 될 수 있다.The current collector supports the catalyst support and the catalyst 300 and can collect current generated by oxidation and reduction reactions through an electrochemical reaction. In addition, since the electrical resistance inside the fuel cell can be reduced, the performance of the fuel cell may be increased.

상기 탄소구조체(100)는 탄소나노튜브, 그래핀, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, Vulcan XC 72 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 이는 연료전지용 전극의 다른 전도성 소재들에 비해 비교적 높은 전기전도도와 비표면적을 가지고 있어 연료전지용 전극을 형성할 때 적합하다. 본 발명의 실시예에 따른 탄소구조체(100)는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)일 수 있다.The carbon structure 100 may be at least one of carbon nanotubes, graphene, acetylene black, carbon black, and Vulcan XC 72. This is suitable for forming a fuel cell electrode because it has a relatively high electrical conductivity and specific surface area compared to other conductive materials of the fuel cell electrode. The carbon structure 100 according to an embodiment of the present invention may be multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs).

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 탄소구조체 표면에 금속산화물층이 형성된 TEM 이미지, High-Resolution TEM 이미지를 나타낸 사진.6 is a photograph showing a TEM image and a High-Resolution TEM image of a metal oxide layer formed on the surface of a carbon structure according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 형성된 연료전지용 촉매지지체를 이루는 탄소지지체(MWCNTs) 상에 금속 산화물층(200)이 TiOx(1≤x<2)로된 금속산화물층(200)이 형성되어 전체적으로 촉매지지체(MWCNTs)의 모양과 형태에 관계 없이 금속산화물층(200)이 고르게 형성된 것을 확인 할 수 있다. 상술 했듯이 여기서 TiOx(1≤x<2)는 비화학량론(nonstoichiometry) 조성으로서 x가 1이상 2미만이면 전기전도성을 띄는 특징을 가지고 있다. 이하에서도 마찬가지로 TiOx(1≤x<2)는 비화학량론 조성으로 구성된다6, the metal oxide layer 200 is TiO x (1≤x<2) on the carbon support (MWCNTs) constituting the catalyst support for the fuel cell formed by the method according to the embodiment of the present invention 200 is formed, it can be seen that the metal oxide layer 200 is evenly formed regardless of the shape and shape of the catalyst supports (MWCNTs). As described above, TiO x (1≤x<2) is a nonstoichiometry composition, and has an electric conductivity characteristic when x is 1 or more and less than 2. Similarly in the following, TiO x (1≤x<2) is composed of a non-stoichiometric composition.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 금속산화물이 형성된 탄소구조체의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the results of XRD analysis of a carbon structure on which metal oxide is formed according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 금속산화물층이 TiOx(1≤x<2)로 형성된 탄소구조체(100)(TiOx@MWCNTs)의 XRD 분석 결과를 보면 비정질의 TiOx(1≤x<2) 및 MWCNTs의 결정성을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 7, when the XRD analysis results of the carbon structure 100 (TiO x @MWCNTs) in which the metal oxide layer is formed of TiO x (1≤x<2) according to an embodiment of the present invention, amorphous TiO x (1 ≤x<2) and the crystallinity of MWCNTs can be confirmed.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 금속산화물이 형성된 탄소구조체의 TGA 분석 결과를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the results of TGA analysis of a carbon structure on which metal oxide is formed according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 금속산화물층(200)이 TiOx(1≤x<2)로 형성된 탄소구조체(100)(TiOx@MWCNTs)의 TGA 분석 결과를 보면 30~180℃에서는 잔여 물 또는 용매 제거에 의한 질량 감소(약 10 wt%)를 보이고, 180~460℃에서는 탄소구조체(100) 내부의 잔여물 제거에 의한 질량 감소(약 5 wt%)를 보이며, 460~660℃에서는 MWCNTs의 연소에 의한 질량 감소(약 15 wt%)를 보이는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 8, when the TGA analysis results of the carbon structure 100 (TiO x @MWCNTs) in which the metal oxide layer 200 is formed of TiO x (1≤x<2) according to an embodiment of the present invention are 30 to 180 At ℃ ℃ shows a mass reduction (about 10 wt%) due to removal of residual water or solvent, and at 180 to 460 ℃ shows a mass reduction (about 5 wt%) due to removal of residue inside the carbon structure (100), 460 to It can be seen that at 660° C., mass reduction due to combustion of MWCNTs (about 15 wt%) is shown.

본 발명은 탄소구조체(100) 상에 전기전도성 금속산화물층(200)을 용액공정을 통해 형성하여 탄소구조체(100) 모양이나 형태에 제한되지 않고 균일한 금속산화물층을 형성할 수 있다. 또한, 연료전지 가동시 생성되는 물이 있는 환경에서 연료전지의 전압범위가 약 1.1v 이상의 전압범위가 되면 전도성 고분자층이나 금속층이 분해 등이 일어나 탄소구조체가 물과 접촉이 일어나는 분해되는 다른 전도성 고분자층이나 금속층으로 이루어진 촉매지지체와는 달리 탄소구조체(100)가 금속산화물층(200)에 의해 보호되어 물에 접촉되지 않아 분해가 일어나지 않아 촉매가 안정적으로 지지되어 연료전지를 오랜시간 안정적으로 가동할 수 있는 장점이 있다. 더해서 탄소구조체(100) 상에 형성된 금속산화물층(200)은 전기전도성을 가지고 있어 촉매의 산화·환원 반응이 더욱 촉진되어 더 많은 전류를 발생 시킬 수 있는 연료전지용 전극을 제조할 수 있다.The present invention can form a uniform metal oxide layer without being limited to the shape or shape of the carbon structure 100 by forming the electrically conductive metal oxide layer 200 on the carbon structure 100 through a solution process. In addition, when the voltage range of the fuel cell reaches a voltage range of about 1.1v or more in an environment where water is generated when the fuel cell is operated, the conductive polymer layer or the metal layer is decomposed and other conductive polymers in which the carbon structure decomposes in contact with water Unlike the catalyst support made of a layer or a metal layer, the carbon structure 100 is protected by the metal oxide layer 200 so that it does not come into contact with water, so decomposition does not occur, and the catalyst is stably supported to operate the fuel cell stably for a long time. There is an advantage. In addition, since the metal oxide layer 200 formed on the carbon structure 100 has electrical conductivity, an oxidation/reduction reaction of the catalyst is further promoted to produce an electrode for a fuel cell capable of generating more current.

이와 같이, 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 아래에 기재될 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. As described above, although specific embodiments have been described in the description of the present invention, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined not only by the claims described below, but also by the claims and equivalents.

100 : 탄소구조체
200 : 금속 산화물층
300 : 촉매100: carbon structure
200: metal oxide layer
300: catalyst

Claims (15)

탄소-탄소 결합을 포함하는 탄소구조체를 제공하는 과정; 및
상기 탄소구조체 표면에 전기전도성의 금속 산화물층을 형성하는 과정;을 포함하고,
상기 금속 산화물층을 형성하는 과정은,
탄소구조체를 용매에 분산시키는 과정;
탄소구조체가 분산된 용매에 계면 활성제를 첨가하여 제1 용액을 제조하는 과정;
상기 제1 용액과 별도로, 금속 산화물 전구체를 용매에 용해시켜 상기 금속 산화물 전구체가 금속 이온과 전구체 이온으로 분리된 제2 용액을 제조하는 과정;
상기 제1 용액에 상기 제2 용액을 첨가하여, 탄소구조체의 표면 상에 금속산화물을 고화시키는 과정; 및
금속산화물이 고화된 탄소구조체를 여과하는 과정;을 포함하는 연료전지용 촉매지지체 형성방법.
Providing a carbon structure comprising a carbon-carbon bond; And
Including the process of forming an electrically conductive metal oxide layer on the surface of the carbon structure;
The process of forming the metal oxide layer,
Dispersing the carbon structure in a solvent;
Preparing a first solution by adding a surfactant to a solvent in which the carbon structure is dispersed;
Preparing a second solution in which the metal oxide precursor is separated into a metal ion and a precursor ion by dissolving a metal oxide precursor in a solvent separately from the first solution;
Solidifying a metal oxide on the surface of the carbon structure by adding the second solution to the first solution; And
A method of forming a catalyst support for a fuel cell, including; filtering the carbon structure in which the metal oxide is solidified.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 금속 산화물 전구체는,
상기 용매에 용해가 가능한 작용기를 포함하거나 수화물 형태인 연료전지용 촉매지지체 형성방법.
According to claim 1,
The metal oxide precursor,
Method for forming a catalyst support for a fuel cell comprising a functional group that is soluble in the solvent or in the form of a hydrate.
제 4항에 있어서,
상기 작용기는 -OH, -NO3, -SO4, 및 -OCxH2x +1(1≤x≤7) 중 적어도 어느 하나인 연료전지용 촉매지지체 형성방법.
The method of claim 4,
The functional group is at least one of -OH, -NO 3 , -SO 4 , and -OC x H 2x +1 (1≤x≤7).
제 5항에 있어서,
상기 금속 산화물 전구체는 Zn, Ti, Sn, Cu, Ni, Ag, Ba, Ga, Al, In 중 적어도 어느 하나의 금속을 포함하는 연료전지용 촉매지지체 형성방법.
The method of claim 5,
The metal oxide precursor is Zn, Ti, Sn, Cu, Ni, Ag, Ba, Ga, Al, In at least any one of metals to form a catalyst support for a fuel cell.
제 1항에 있어서,
상기 탄소구조체 표면상의 탄소-탄소 결합의 적어도 일부를 끊는 표면처리를 하는 과정을 더 포함하는 연료전지용 촉매지지체 형성방법.
According to claim 1,
A method of forming a catalyst support for a fuel cell further comprising the step of surface-treating at least a portion of the carbon-carbon bond on the surface of the carbon structure.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 제1 용액을 제조하는 과정은,
상온(25℃)보다 낮은 온도에서 수행하는 연료전지용 촉매지지체 형성방법.
According to claim 1,
The process of preparing the first solution,
Method for forming a catalyst support for a fuel cell performed at a temperature lower than room temperature (25°C).
제 1항에 있어서,
상기 계면활성제는 beznyl alcohol, 2-aminoethanol, glycerin, 1-heptanol, ethylene glycol, 1-octanol, diethylene glycol, i-butanol 중 적어도 어느 하나를 포함하는 연료전지용 촉매지지체 형성방법.
According to claim 1,
The surfactant is beznyl alcohol, 2-aminoethanol, glycerin, 1-heptanol, ethylene glycol, 1-octanol, diethylene glycol, i- butanol at least one of the catalyst support method for forming a catalyst support.
제 1항에 있어서,
상기 용매는 물, 에탄올, 메탄올, isopropyl alcohol, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), acetonitrile (MeCN) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 극성 용매인 연료전지용 촉매지지체 형성방법.
According to claim 1,
The solvent is a polar solvent containing at least one of water, ethanol, methanol, isopropyl alcohol, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), acetonitrile (MeCN) method for forming a catalyst support for a fuel cell.
탄소-탄소 결합을 포함하는 탄소구조체와, 상기 탄소구조체 상에 형성된 전기 전도성의 금속 산화물층으로 이루어진 촉매지지체;
상기 촉매지지체 상에 담지되는 촉매; 및
상기 촉매지지체 및 촉매를 지지하고, 상기 촉매지지체 및 촉매가 전기적으로 연결되는 전류집전체를 포함하고,
상기 촉매지지체는,
제 1항, 제 4항 내지 제 7항, 제 9항 내지 제11항 중 어느 한 항의 연료전지용 촉매지지체 형성방법으로 형성된 연료전지용 전극.
A catalyst support composed of a carbon structure including a carbon-carbon bond and an electrically conductive metal oxide layer formed on the carbon structure;
A catalyst supported on the catalyst support; And
It supports the catalyst support and the catalyst, and includes a current collector to which the catalyst support and the catalyst are electrically connected,
The catalyst support,
An electrode for a fuel cell formed by the method for forming a catalyst support for a fuel cell according to any one of claims 1, 4 to 7, and 9 to 11.
삭제delete 제 12항에 있어서,
상기 금속 산화물층은 아연산화물, 티타늄산화물, 주석산화물, 구리산화물, 니켈산화물, 은산화물, BaSnO3, Ga-doped ZnO, Al-doped ZnO, In2O3-doped SnO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 연료전지용 전극.
The method of claim 12,
The metal oxide layer is zinc oxide, titanium oxide, tin oxide, copper oxide, nickel oxide, silver oxide, BaSnO 3 , A fuel cell electrode comprising at least one of Ga-doped ZnO, Al-doped ZnO, and In 2 O 3 -doped SnO 2 .
제 12항에 있어서,
상기 탄소구조체는 탄소나노튜브, 그래핀, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, Vulcan XC 72 중 적어도 어느 하나인 연료전지용 전극.








The method of claim 12,
The carbon structure is at least one of carbon nanotubes, graphene, acetylene black, carbon black, and Vulcan XC 72.








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