KR102459845B1 - Method for preparing core-shell catalyst comprising platinum layer using surface hydrogen oxidation reaction - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (a) 탄소 지지체에 담지된 전이금속을 준비하는 단계; (b) 탄소 지지체에 담지된 전이금속을 암모니아 분위기에서 열처리하여 탄소 지지체에 담지된 전이금속 질화물을 제조하는 단계; 및 (c) 탄소 지지체에 담지된 전이금속 질화물에 백금 전구체와 함께 수소기체를 가하여 반응시킴으로써, 전이금속 질화물의 표면에 백금층을 형성하여 전이금속 질화물 코어-백금 쉘 촉매를 제조하는 단계;를 포함하는 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법에 관한 것이다. 이에 의하여, 종래 열적 또는 전기화학적 반응에 비해 간단한 습식 화학 공정에 따라 생산하므로 촉매의 대량 합성이 가능할 뿐 아니라, 화학적 환원제를 사용하지 않고 수소공급으로 백금 환원을 수행하므로 친환경적이다.The present invention comprises the steps of (a) preparing a transition metal supported on a carbon support; (b) heat-treating the transition metal supported on the carbon support in an ammonia atmosphere to prepare a transition metal nitride supported on the carbon support; and (c) reacting by adding hydrogen gas together with a platinum precursor to the transition metal nitride supported on the carbon support to form a platinum layer on the surface of the transition metal nitride to prepare a transition metal nitride core-platinum shell catalyst; It relates to a method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer. As a result, mass synthesis of the catalyst is possible because it is produced according to a simple wet chemical process compared to the conventional thermal or electrochemical reaction, and it is environmentally friendly because platinum reduction is performed by supplying hydrogen without using a chemical reducing agent.

Description

표면 수소산화반응을 이용한 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법{METHOD FOR PREPARING CORE-SHELL CATALYST COMPRISING PLATINUM LAYER USING SURFACE HYDROGEN OXIDATION REACTION}Method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer using a surface hydrogen oxidation reaction

본 발명은 연료전지의 전극용으로 사용되는 촉매의 제조방법에 관한 것으로, 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a catalyst used for an electrode of a fuel cell, and to a method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer.

연료 전지의 높은 효율을 위해 필요한 백금 촉매의 높은 가격은 수소 연료 전지 가격 상승의 요인으로 작용하고 있다. 연료 전지에 들어가는 백금의 양을 줄이기 위해서는 백금의 무게당 고유 촉매 활성을 향상시킬 필요성이 있으며, 이를 위해 백금 원자의 활용 효율을 최대화할 필요성이 있다. The high price of a platinum catalyst required for high efficiency of a fuel cell is acting as a factor in an increase in the price of a hydrogen fuel cell. In order to reduce the amount of platinum entering the fuel cell, it is necessary to improve the intrinsic catalytic activity per weight of platinum, and for this, it is necessary to maximize the utilization efficiency of platinum atoms.

일반적인 백금 나노입자 촉매의 경우 반응에 참여할 수 있는 백금 원자는 표면에 존재하는 백금 원자로 나노입자 안에 존재하는 백금들은 촉매 반응에 참여할 수 없다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 코어 쉘 구조를 갖는 촉매가 특별한 관심을 끌고 있으며, 상대적으로 가격이 저렴한 전이금속으로 코어를 형성하고 코어 표면에 서브나노미터(sub-nanometer) 수준의 백금층을 형성함으로써 반응에 참여하지 않는 백금의 양을 획기적으로 줄일 수 있다. 이와 같은 코어 쉘 구조의 촉매를 통해 백금 고유 활성을 향상시키기 위해서는 두 가지 조건이 필요하다. 첫 번째, 적절한 코어 지지체를 선택함으로써 백금층을 안정적으로 지지할 수 있어야 하고, 두 번째 충분히 얇은 서브나노미터 수준의 백금 원자의 층을 형성할 수 있어야 한다.In the case of a general platinum nanoparticle catalyst, platinum atoms that can participate in the reaction are platinum atoms present on the surface, and platinum present in the nanoparticles cannot participate in the catalytic reaction. In order to solve this problem, a catalyst having a core-shell structure is attracting special attention, and by forming a core with a relatively inexpensive transition metal and forming a sub-nanometer level platinum layer on the surface of the core, The amount of platinum that does not participate in the reaction can be drastically reduced. In order to improve platinum intrinsic activity through a catalyst having such a core-shell structure, two conditions are required. First, it should be possible to stably support the platinum layer by selecting an appropriate core support, and second, it should be possible to form a sufficiently thin layer of platinum atoms on the sub-nanometer level.

일반적인 용액 기반 나노 구조체의 합성 방법에서 나노 입자는 용액 상의 균일 반응에 의해 형성되는 것에 반해, 코어 쉘 나노 구조체 형성을 위해서는 코어가 되는 입자 표면에서만 선택적으로 반응하는 불균일 반응이 일어나야 하기 때문에 더욱 정교한 반응 제어가 필요하다. 이와 같은 정교한 반응 제어를 위하여 전기화학적 방법을 이용한 백금층 형성 방법이 많이 응용되고 있으며, 전기화학 반응은 전극 표면에서만 일어나기 때문에 불균일 반응을 효율적으로 유도할 수 있다. In the general method for synthesizing solution-based nanostructures, nanoparticles are formed by a homogeneous reaction in the solution phase, whereas in order to form a core-shell nanostructure, a heterogeneous reaction that selectively reacts only on the surface of the core particle must occur, so more sophisticated reaction control is needed In order to control such a sophisticated reaction, a method of forming a platinum layer using an electrochemical method is widely applied, and since the electrochemical reaction occurs only on the electrode surface, a heterogeneous reaction can be efficiently induced.

그러나, 전기화학적 방법에 의한 코어 쉘 구조의 촉매 합성은 전극 및 전기화학적 장비가 요구되는 공정의 복잡성 때문에 인해 실용화 규모로 대량의 촉매 생산이 어려운 문제점이 있다.However, the synthesis of a catalyst having a core-shell structure by an electrochemical method has a problem in that it is difficult to produce a large amount of catalyst on a practical scale due to the complexity of the process requiring electrodes and electrochemical equipment.

한국등록특허공보 제10-1639724호Korean Patent Publication No. 10-1639724

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로써 종래 열적 또는 전기화학적 방법에 비하여 공정이 간단하고, 대량합성이 가능하도록 습식 화학 경로를 이용하는 것으로, 전이금속 질화물 코어의 표면에 전이금속 질화물에 의해 촉진되는 표면 수소산화반응을 환원력으로 이용하여 서브 나노미터 수준의 균일한 백금층을 형성함으로써 전이금속 질화물 코어-백금 쉘 구조의 촉매를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to solve the above problems, and the process is simple compared to the conventional thermal or electrochemical method, and a wet chemical route is used to enable mass synthesis. An object of the present invention is to provide a method for preparing a catalyst having a transition metal nitride core-platinum shell structure by forming a sub-nanometer-level uniform platinum layer using the promoted surface hydrogenation reaction as a reducing power.

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

(a) 탄소 지지체에 담지된 전이금속을 준비하는 단계;(a) preparing a transition metal supported on a carbon support;

(b) 상기 탄소 지지체에 담지된 전이금속을 암모니아 분위기에서 열처리하여 탄소 지지체에 담지된 전이금속 질화물을 제조하는 단계; 및(b) heat-treating the transition metal supported on the carbon support in an ammonia atmosphere to prepare a transition metal nitride supported on the carbon support; and

(c) 상기 탄소 지지체에 담지된 전이금속 질화물에 백금 전구체와 함께 수소기체를 가하여 반응시킴으로써, 상기 전이금속 질화물의 표면에 백금층을 형성하여 전이금속 질화물 코어-백금 쉘 촉매를 제조하는 단계;를 포함하는 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법이 제공된다.(c) reacting by adding hydrogen gas together with a platinum precursor to the transition metal nitride supported on the carbon support to form a platinum layer on the surface of the transition metal nitride to prepare a transition metal nitride core-platinum shell catalyst; A method for preparing a catalyst having a core-shell structure including a platinum layer is provided.

상기 탄소 지지체는 카본블랙, 그래파이트, 그래핀, 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The carbon support may be any one selected from carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes and carbon nanofibers.

상기 전이금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir) 및 로듐(Rh) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The transition metal may be any one selected from nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), ruthenium (Ru), palladium (Pd), iridium (Ir), and rhodium (Rh). .

단계 (b)에서, 상기 열처리는 250 내지 350℃에서 수행될 수 있다.In step (b), the heat treatment may be performed at 250 to 350 °C.

단계 (b)에서, 상기 열처리는 7 내지 20시간 동안 수행될 수 있다.In step (b), the heat treatment may be performed for 7 to 20 hours.

단계 (b)에서, 상기 열처리 후 100 내지 200℃의 온도로 낮추고, 상온으로 냉각시키는 단계를 추가로 수행할 수 있다.In step (b), after the heat treatment, lowering to a temperature of 100 to 200° C. and cooling to room temperature may be additionally performed.

상기 100 내지 200℃의 온도로 낮출 때 비활성 분위기로 바꿀 수 있다.When lowered to a temperature of 100 to 200 ℃ can be changed to an inert atmosphere.

단계 (c)에서, 상기 백금 전구체는 PtCl4, K2PtCl4, PtCl2, PtBr2, H2PtCl6 및 K2PtCl6 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.In step (c), the platinum precursor may be any one selected from PtCl 4 , K 2 PtCl 4 , PtCl 2 , PtBr 2 , H 2 PtCl 6 and K 2 PtCl 6 .

단계 (c)에서, 상기 백금 전구체는 백금 전구체 수용액 상태로 사용할 수 있다.In step (c), the platinum precursor may be used in an aqueous solution of the platinum precursor.

상기 백금 전구체 수용액은 백금(Pt) 함량이 5 내지 15wt% 일 수 있다.The platinum precursor aqueous solution may have a platinum (Pt) content of 5 to 15 wt%.

단계 (c)에서, 상기 탄소 지지체에 담지된 니켈 질화물은 산 또는 중성의 수용액에 분산시킨 상태에서 반응시킬 수 있다.In step (c), the nickel nitride supported on the carbon support may be reacted in a dispersed state in an acid or neutral aqueous solution.

상기 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법은 단일 반응기에서 수행될 수 있다.The method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer may be performed in a single reactor.

상기 백금층은 0.1 내지 2nm의 두께로 형성될 수 있다.The platinum layer may be formed to a thickness of 0.1 to 2 nm.

상기 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매는 직경이 5 내지 30nm인 구형입자일 수 있다.The catalyst having a core-shell structure having the platinum layer may be spherical particles having a diameter of 5 to 30 nm.

상기 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매는 연료전지 전극용 촉매일 수 있다.The catalyst having a core-shell structure having the platinum layer may be a catalyst for a fuel cell electrode.

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

상기 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법을 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법이 제공된다.There is provided a method for manufacturing an electrode for a fuel cell including a method for preparing a catalyst having a core-shell structure having the platinum layer.

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

상기 제조된 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매가 제공된다.A catalyst having a core-shell structure having the prepared platinum layer is provided.

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

상기 제조된 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매를 포함하는 연료전지용 전극이 제공된다.There is provided an electrode for a fuel cell including the prepared catalyst having a core-shell structure having a platinum layer.

본 발명의 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법은 복잡한 열적 또는 전기화학적 반응에 비해 간단한 습식 화학 공정을 통해 촉매의 대량 합성이 가능할 뿐 아니라, 백금 전구체의 환원에 의한 백금층 형성에 통상적으로 사용되는 보로하이드리드(borohydride), 아스코르브산(ascorbic acid), 하이드라진(hydrazine)과 같은 환원제를 사용하지 않고, 수소 기체를 공급하는 상대적으로 간단한 방법을 사용하기 때문에 공정에 필요한 화학물질을 최소화할 수 있어서 친환경적인 효과가 있다.The method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer of the present invention not only enables mass synthesis of the catalyst through a simple wet chemical process compared to a complicated thermal or electrochemical reaction, but is also common in the formation of a platinum layer by reduction of a platinum precursor. Because it uses a relatively simple method of supplying hydrogen gas without using a reducing agent such as borohydride, ascorbic acid, or hydrazine, it is possible to minimize the chemicals required for the process. It has an eco-friendly effect.

도 1은 본 발명의 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법의 공정을 순차적으로 나타낸 개략도이다.
도 2는 실험예 1에 따른 비교예 1의 촉매에 대한 TEM 및 EDS 분석 결과이다.
도 3은 실험예 1에 따른 실시예 1의 촉매에 대한 TEM 및 EDS 분석 결과이다.
도 4는 실험예 2에 따른 X선 회절 분석 결과이다.
도 5는 실험예 3에 따른 산소환원반응에 대한 전기화학적 특성의 분석 결과이다.1 is a schematic diagram sequentially showing the process of a method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer of the present invention.
2 is a TEM and EDS analysis result of the catalyst of Comparative Example 1 according to Experimental Example 1.
3 is a TEM and EDS analysis results of the catalyst of Example 1 according to Experimental Example 1.
4 is an X-ray diffraction analysis result according to Experimental Example 2.
5 is an analysis result of the electrochemical properties for the oxygen reduction reaction according to Experimental Example 3.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and when it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention in describing the present invention, the detailed description thereof will be omitted. .

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is used only to describe specific embodiments, and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, element, or combination thereof described in the specification exists, but is one or more other features or It should be understood that the possibility of the presence or addition of numbers, steps, acts, elements, or combinations thereof is not precluded in advance.

도 1은 본 발명의 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법을 순차로 나타낸 공정의 개략도이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법에 대해 설명하도록 한다.1 is a schematic diagram of a process sequentially illustrating a method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer of the present invention. Hereinafter, a method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer according to the present invention will be described with reference to FIG. 1 .

먼저, 탄소 지지체에 담지된 전이금속을 준비한다(단계 a).First, a transition metal supported on a carbon support is prepared (step a).

상기 탄소 지지체는 카본블랙, 그래파이트, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 등일 수 있으며, 바람직하게는 카본블랙일 수 있다.The carbon support may be carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, or the like, preferably carbon black.

상기 전이금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir) 및 로듐(Rh) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 철(Fe) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 더욱 바람직하게는 니켈(Ni) 일 수 있다. 니켈(Ni)을 사용하는 경우 제조비용이 절감되며, 백금층의 형성도 잘 이루어질 수 있다.The transition metal may be any one selected from nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), ruthenium (Ru), palladium (Pd), iridium (Ir), and rhodium (Rh), and , preferably any one selected from nickel (Ni), cobalt (Co) and iron (Fe), and more preferably nickel (Ni). When nickel (Ni) is used, the manufacturing cost is reduced, and the platinum layer can be formed well.

다음으로, 상기 탄소 지지체에 담지된 전이금속을 암모니아 분위기에서 열처리하여 탄소 지지체에 담지된 전이금속 질화물을 제조한다(단계 b).Next, the transition metal supported on the carbon support is heat-treated in an ammonia atmosphere to prepare a transition metal nitride supported on the carbon support (step b).

상기 열처리는 250 내지 400℃에서 수행하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 270 내지 350℃, 더욱 더 바람직하게는 280 내지 320℃에서 수행할 수 있다. 250℃ 미만에서 열처리하는 경우 질화 반응이 충분하게 일어나지 못하여 전이금속 질화물의 형성이 제대로 일어나지 못하고, 전이금속 질화물 종류에 따라 분해 온도가 다를 수 있으나 통상적으로 400℃ 보다 높은 경우에는 불필요한 공정 비용이 발생하거나, 질화물의 분해가 일어날 수 있다.The heat treatment is preferably performed at 250 to 400 °C, more preferably at 270 to 350 °C, even more preferably at 280 to 320 °C. In the case of heat treatment at less than 250°C, the nitridation reaction does not occur sufficiently so that the formation of transition metal nitride does not occur properly, and the decomposition temperature may be different depending on the type of transition metal nitride. , the decomposition of nitrides may occur.

또한, 상기 열처리는 상기 온도 범위에서 수행될 때 7 내지 20시간 동안 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 8 내지 17시간 동안, 더욱 더 바람직하게는 10 내지 15시간 동안 수행할 수 있다. 열처리를 7시간 미만으로 수행할 경우 질화 반응이 충분하게 일어나지 못하여 전이금속 질화물의 형성이 제대로 일어나지 못할 수 있고, 20시간을 초과하는 경우에는 불필요한 공정 비용이 발생할 수 있다.In addition, the heat treatment is preferably performed for 7 to 20 hours when performed in the above temperature range, more preferably for 8 to 17 hours, even more preferably for 10 to 15 hours. If the heat treatment is performed for less than 7 hours, the nitridation reaction may not occur sufficiently, so that the formation of a transition metal nitride may not occur properly, and if it exceeds 20 hours, unnecessary process costs may occur.

마지막으로, 상기 탄소 지지체에 담지된 전이금속 질화물에 백금 전구체와 함께 수소기체를 가하여 반응시킴으로써, 상기 전이금속 질화물의 표면에 백금층을 형성하여 전이금속 질화물 코어-백금 쉘 촉매를 제조한다(단계 c).Finally, by reacting by adding hydrogen gas together with a platinum precursor to the transition metal nitride supported on the carbon support, a platinum layer is formed on the surface of the transition metal nitride to prepare a transition metal nitride core-platinum shell catalyst (step c) ).

상기 백금 전구체는 PtCl4, K2PtCl4, PtCl2, PtBr2, H2PtCl6 및 K2PtCl6 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 K2PtCl6 일 수 있다.The platinum precursor is preferably any one selected from PtCl 4 , K 2 PtCl 4 , PtCl 2 , PtBr 2 , H 2 PtCl 6 and K 2 PtCl 6 , and more preferably K 2 PtCl 6 .

상기 백금 전구체는 백금 전구체 수용액 상태로 사용할 수 있고, 경우에 따라 극성 유기용매에 녹인 용액을 사용할 수 있다. The platinum precursor may be used in an aqueous solution of the platinum precursor, and in some cases, a solution dissolved in a polar organic solvent may be used.

상기 극성 유기용매는 메탄올, 에탄올, 에틸렌글리콜, MMF 등을 사용할 수 있다.The polar organic solvent may be methanol, ethanol, ethylene glycol, MMF, or the like.

상기 백금 전구체 수용액은 백금(Pt) 함량이 5 내지 15wt%인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 7 내지 13wt%, 더욱 더 바람직하게는 8 내지 12wt% 일 수 있다. 백금 함량이 5wt% 미만인 경우 전이금속 질화물의 표면에 백금층이 균일하게 형성되기 어렵고, 백금 함량이 15wt%를 초과하는 경우에는 전이금속 질화물 표면에 백금층이 두껍게 형성되어 백금 원자의 활용 효율이 저하되어 비용이 증가되는 문제가 발생할 수 있다.The platinum precursor aqueous solution may preferably have a platinum (Pt) content of 5 to 15 wt%, more preferably 7 to 13 wt%, and even more preferably 8 to 12 wt%. When the platinum content is less than 5 wt%, it is difficult to form a uniform platinum layer on the surface of the transition metal nitride, and when the platinum content exceeds 15 wt%, the platinum layer is thickly formed on the surface of the transition metal nitride, and the utilization efficiency of platinum atoms is lowered This can cause problems that increase costs.

상기 백금층은 0.1 내지 2nm의 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 0.2 내지 1nm로 형성될 수 있다. 0.1nm 미만의 두께는 기술적으로 형성하기 어려울 뿐 아니라 백금 촉매 활성이 저하될 수 있고, 2nm를 초과하는 경우에는 내부에 촉매로 사용되지 않는 백금 원자의 양이 많아지므로, 본 발명의 백금 원자의 활용 효율을 최대화하는 목적에 부합하지 않는다.The platinum layer may be formed to a thickness of 0.1 to 2 nm, preferably 0.2 to 1 nm. A thickness of less than 0.1 nm is not only technically difficult to form, but also platinum catalytic activity may be reduced. It does not serve the purpose of maximizing efficiency.

상기 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매는 직경이 5 내지 30nm인 구형 입자일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 25nm, 더욱 바람직하게는 15 내지 20nm의 구형 입자일 수 있다. 직경이 5nm 미만인 경우에는 코어-쉘 입자가 지나치게 작아 백금층이 균일하게 형성되기 어렵고, 30nm를 초과하는 경우에는 입자의 크기가 커서 촉매로서 전극에 적용하기에 부적합하다.The catalyst having a core-shell structure having a platinum layer may be spherical particles having a diameter of 5 to 30 nm, preferably 10 to 25 nm, more preferably 15 to 20 nm. When the diameter is less than 5 nm, the core-shell particles are too small to form a uniform platinum layer, and when the diameter exceeds 30 nm, the size of the particles is large, which is not suitable for application to electrodes as catalysts.

상기 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조는 단일 반응기(one-pot)에서 수행되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 단일 반응기에서 수행함으로써 탄소 지지체에 담지된 전이금속 또는 열처리 이후 생성되는 탄소 지지체에 담지된 전이금속 질화물이 공기에 노출되는 것을 방지할 수 있다.The preparation of the catalyst having a core-shell structure having the platinum layer is preferably performed in a single reactor (one-pot). Because, by carrying out in a single reactor, it is possible to prevent the transition metal supported on the carbon support or the transition metal nitride supported on the carbon support generated after heat treatment from being exposed to air.

상기 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매는 연료전지 전극용 촉매로 사용될 수 있다.The catalyst having a core-shell structure having the platinum layer may be used as a catalyst for a fuel cell electrode.

본 발명은 상술한 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법을 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for manufacturing an electrode for a fuel cell including the above-described method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매를 제공한다.In addition, the present invention provides a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer prepared according to the above preparation method.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매를 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.In addition, the present invention provides an electrode for a fuel cell comprising a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer prepared according to the above manufacturing method.

특히, 하기 실시예에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 다중공 금속황화물 나노입자의 제조방법에 있어서, 단계 (a)에서, 탄소 지지체 종류, 담지된 전이금속의 종류, 단계 (b)에서, 열처리 온도 및 시간, 단계 (c)에서 백금 전구체 종류, 백금 전구체 수용액의 농도를 달리하면서 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매를 제조하였다. In particular, although not explicitly described in the following examples, in the method for producing multi-porous metal sulfide nanoparticles according to the present invention, in step (a), the type of carbon support, the type of the supported transition metal, the step (b) In, a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer was prepared while varying the heat treatment temperature and time, the type of the platinum precursor and the concentration of the platinum precursor aqueous solution in step (c).

이와 같이 제조된 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매에 대하여 코어-쉘 구조의 형태 및 산소환원반응에 대한 전기화학적 특성을 평가하였다. 그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래의 조건을 모두 만족하는 경우에만, 코어-쉘 구조 촉매의 백금층이 균일하면서도 두께가 1nm에 가깝게 형성되고, 촉매 입자의 크기 또한 균일하여 백금 원자의 활용 효율이 최대화되고, 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매의 활성이 현저히 높게 측정된다. 이와 같은 제조조건은 아래와 같다.For the catalyst having a core-shell structure having a platinum layer prepared as described above, the shape of the core-shell structure and electrochemical properties for oxygen reduction reaction were evaluated. As a result, unlike other conditions and other numerical ranges, only when all of the following conditions are satisfied, the platinum layer of the core-shell structure catalyst is formed uniformly and close to 1 nm in thickness, and the size of the catalyst particles is also uniform, so that platinum atoms The utilization efficiency is maximized, and the activity of the catalyst having a core-shell structure having a platinum layer is measured to be remarkably high. Such manufacturing conditions are as follows.

단계 (a)에서, 탄소 지지체는 카본 블랙, 담지된 전이금속은 니켈(Ni)이고, 단계 (b)에서, 열처리 온도는 280 내지 320℃, 열처리 시간은 10 내지 15시간이고, 단계 (c)에서 백금 전구체는 K2PtCl6, 백금 전구체 수용액의 농도는 8 내지 12wt%인 경우이다.In step (a), the carbon support is carbon black, the supported transition metal is nickel (Ni), in step (b), the heat treatment temperature is 280 to 320° C., the heat treatment time is 10 to 15 hours, step (c) In the platinum precursor K 2 PtCl 6 , the concentration of the platinum precursor aqueous solution is 8 to 12 wt%.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 들어 구체적으로 설명하도록 한다. Hereinafter, examples according to the present invention will be described in detail.

[실시예][Example]

실시예 1: 니켈 질화물 코어-백금 쉘의 코어쉘 구조의 촉매 합성Example 1: Catalyst synthesis of core-shell structure of nickel nitride core-platinum shell

먼저 탄소 지지체에 담지된 니켈(Ni/C)을 아래의 방법으로 제조하였다.First, nickel (Ni/C) supported on a carbon support was prepared by the following method.

500㎖ 둥근 1구 플라스크에 50㎖ 아세톤과 AT-vulcan carbon을 넣고 30분 동안 초음파 처리(sonication)하였다. 이후 니켈나이트라이드(II) 1g과 10㎖의 아세톤 희석용액을 제조하고, 그 희석용액을 1.24㎖를 플라스크에 주입하여 추가적으로 10분 동안 초음파 처리하였다. 이후 용액을 회전증발기를 이용하여 60℃, 진공에서 용매를 증발시킨 후 80℃ 오븐에서 12시간 동안 건조하였다. 플라스크에서 회수된 carbon은 tubular furnace를 이용하여 10vol% H2 분위기에서 300℃로 1시간 동안 처리하여 20wt% Ni/C를 제조하였다. 이때, 상기 AT-vulcan carbon은 cabot 사의 2g vulcan XC-72 carbon을 3.4M H2SO4, 1.9M HNO3 희석용액(542㎖)에서 90℃로 3시간 동안 오일 배쓰를 이용하여 산처리한 후, 3L의 3차 증류수로 여과 및 세척하고 80℃ 오븐에서 12시간 동안 건조하여 제조한 것이다.50ml acetone and AT-vulcan carbon were put into a 500ml round one-necked flask, followed by sonication for 30 minutes. After that, 1 g of nickel nitride (II) and 10 ml of a diluted acetone solution were prepared, and 1.24 ml of the diluted solution was injected into the flask and sonicated for additional 10 minutes. After evaporating the solvent in a vacuum at 60° C. using a rotary evaporator, the solution was dried in an oven at 80° C. for 12 hours. Carbon recovered from the flask was treated at 300° C. for 1 hour in a 10 vol% H 2 atmosphere using a tubular furnace to prepare 20 wt% Ni/C. At this time, the AT-vulcan carbon was acid-treated with cabot's 2g vulcan XC-72 carbon in 3.4MH 2 SO 4 , 1.9M HNO 3 diluted solution (542ml) at 90°C for 3 hours using an oil bath, It was prepared by filtration and washing with 3L of tertiary distilled water and drying in an oven at 80° C. for 12 hours.

다음으로, 탄소 지지체에 담지된 니켈 질화물 형성을 위하여 30mg의 탄소 지지체에 담지된 니켈(Ni/C)을 암모니아 분위기에서 300℃로 12시간 동안 열처리 후, 150℃에서 아르곤 분위기로 바꿔주고, 상온까지 냉각하여 탄소 지지체에 담지된 니켈질화물(Ni3N/C)을 제조하였다. Next, in order to form nickel nitride supported on the carbon support, nickel (Ni/C) supported on 30 mg of the carbon support was heat-treated at 300° C. in ammonia atmosphere for 12 hours, then changed to an argon atmosphere at 150° C., and up to room temperature. After cooling, nickel nitride (Ni 3 N/C) supported on a carbon support was prepared.

다음으로, 상온에서 50㎖의 DI water에 먼저 Ni3N/C을 분산시킨 후, Pt 전구체 K2PtCl6 수용액을 전체 반응시 10wt%의 Pt 중량(3.33mg Pt)이 되도록 Pt 전구체 수용액 50㎖를 적가하면서, Pt 전구체의 환원 반응을 위하여 Pt 전구체 수용액 용액 주입시 수소기체(H2)를 불어 넣어 주었다. 이때, Ni/C 및 열처리 이후 생성되는 Ni3N/C를 공기 중에 노출시키지 않기 위하여 상술한 반응은 단일반응기에서 진행하였다.Next, after first dispersing Ni 3 N/C in 50 ml of DI water at room temperature, 50 ml of Pt precursor aqueous solution such that the Pt precursor K 2 PtCl 6 aqueous solution becomes 10 wt% of Pt weight (3.33 mg Pt) during the entire reaction While adding dropwise, hydrogen gas (H 2 ) was blown in when the Pt precursor aqueous solution was injected for the reduction reaction of the Pt precursor. At this time, in order not to expose Ni/C and Ni 3 N/C generated after heat treatment to air, the above-described reaction was performed in a single reactor.

비교예 1Comparative Example 1

Pt 전구체 수용액 용액 주입시 수소 가스(H2)를 불어 넣는 것 대신에, 질소 분위기 아래에서 Ni3N/C를 백금 전구체 용액과 반응시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 합성하였다.A catalyst was synthesized in the same manner as in Example 1, except that Ni 3 N/C was reacted with a platinum precursor solution under a nitrogen atmosphere instead of blowing hydrogen gas (H 2 ) when the Pt precursor aqueous solution was injected. .

비교예 2Comparative Example 2

종래 사용되는 상용 백금 촉매로서 premetek 사의 Vulcan XC-72에 20wt% Pt 담지된 촉매를 준비하였다.As a conventionally used commercial platinum catalyst, a catalyst supported by 20wt% Pt on Vulcan XC-72 manufactured by Premetek was prepared.

[실험예][Experimental example]

실험예 1: TEM 및 EDS 분석Experimental Example 1: TEM and EDS analysis

실시예 1 및 비교예 1에 따라 각각 제조된 촉매에 대하여 투과전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM) 분석, 및 에너지 분산 X 선 분광법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS) 분석을 수행하였다. 비교예 1의 촉매에 대한 TEM 및 EDS 분석 결과를 도 2에 나타내었고, 실시예 1의 촉매에 대한 TEM 및 EDS 분석 결과를 도 3에 나타내었다.Transmission electron microscopy (TEM) analysis and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) analysis were performed on the catalysts prepared according to Example 1 and Comparative Example 1, respectively. The TEM and EDS analysis results of the catalyst of Comparative Example 1 are shown in FIG. 2 , and the TEM and EDS analysis results of the catalyst of Example 1 are shown in FIG. 3 .

이에 따르면, 수소산화반응을 이용하지 않고 질소 분위기에서 니켈질화물을 백금전구체와 반응시킨 비교예 1의 촉매의 경우 도 2의 EDS 분석 상에서 표면에 존재하는 백금이 거의 존재하지 않는 것으로 나타났다. 이에 반해 수소산화반응을 하도록 수소를 불어 넣어주며 니켈질화물과 백금전구체를 반응시킨 실시예 1의 촉매의 경우에는 니켈 질화물 표면에 수소산화반응에 의해 백금층을 잘 형성되었음을 확인할 수 있다.According to this, in the case of the catalyst of Comparative Example 1 in which nickel nitride was reacted with a platinum precursor in a nitrogen atmosphere without using the hydrogen oxidation reaction, it was found that platinum present on the surface was hardly present on the EDS analysis of FIG. 2 . On the other hand, in the case of the catalyst of Example 1 in which the nickel nitride and the platinum precursor were reacted with hydrogen by blowing hydrogen for the hydrogen oxidation reaction, it can be confirmed that the platinum layer was well formed by the hydrogen oxidation reaction on the surface of the nickel nitride.

실험예 2: X선 회절 분석Experimental Example 2: X-ray diffraction analysis

X선 회절 (X-ray diffraction, XRD)을 이용하여 실시예 1 및 비교예 1에 따라 각각 제조된 촉매의 결정성을 분석하여 그 결과를 도 4에 나타내었다.The crystallinity of each of the catalysts prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 was analyzed using X-ray diffraction (XRD), and the results are shown in FIG. 4 .

이에 따르면, 비교예 1의 촉매의 경우 니켈질화물 및 탄소 지지체에 의한 XRD 피크만 나타나고, 백금과 관련된 결정 구조가 관찰되지 않았다. 이에 반해, 실시예 1의 촉매의 경우 백금의 기본 결정 구조인 면심입방격자(FCC) 및 니켈질화물의 결정 구조의 피크를 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 니켈질화물의 표면수소산화 반응에 의해 백금 쉘의 형성 반응이 잘 유도되었음을 나타낸다.According to this, in the case of the catalyst of Comparative Example 1, only the XRD peak by the nickel nitride and the carbon support appeared, and the crystal structure related to platinum was not observed. In contrast, in the case of the catalyst of Example 1, peaks of the face-centered cubic lattice (FCC), which are the basic crystal structures of platinum, and the crystal structures of nickel nitride, were confirmed. These results indicate that the platinum shell formation reaction was well induced by the surface hydrogenation reaction of nickel nitride.

실험예 3: 산소환원반응에 대한 전기화학적 특성 분석Experimental Example 3: Electrochemical Characterization of Oxygen Reduction Reaction

선형주사전위법(Linear Sweep Voltammetry, LSV)을 이용하여 실시예 1과 비교예 1에 따라 제조된 촉매의 산소환원반응에 대한 촉매 활성을 분석하여 그 결과를 도 5에 나타내었다. 비교예 1의 촉매의 경우 백금 쉘이 제대로 형성되지 않아 낮은 전기화학적 활성을 보여주는 것에 반해, 표면수소산화 반응을 이용하여 백금 쉘이 잘 형성된 실시예 1의 촉매는 상대적으로 높은 산소환원반응 특성을 나타내었고, 비교예 2의 상용백금촉매와 비교하여서도 약간 더 높은 산소환원반응 특성을 나타내었다.The catalytic activity for the oxygen reduction reaction of the catalysts prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 was analyzed using Linear Sweep Voltammetry (LSV), and the results are shown in FIG. 5 . In the case of the catalyst of Comparative Example 1, the platinum shell was not properly formed and showed low electrochemical activity, whereas the catalyst of Example 1 in which the platinum shell was well formed using the surface hydrogenation reaction showed relatively high oxygen reduction reaction characteristics. and showed slightly higher oxygen reduction reaction characteristics compared to the commercial platinum catalyst of Comparative Example 2.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.In the above, although embodiments of the present invention have been described, those of ordinary skill in the art can add, change, delete or add components within the scope that does not depart from the spirit of the present invention described in the claims. The present invention may be variously modified and changed by such as, and it will be said that it is also included within the scope of the present invention.

Claims (18)

(a) 탄소 지지체에 담지된 전이금속을 준비하는 단계;
(b) 상기 탄소 지지체에 담지된 전이금속을 암모니아 분위기에서 열처리하여 탄소 지지체에 담지된 전이금속 질화물을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 탄소 지지체에 담지된 전이금속 질화물에 백금 전구체와 함께 수소기체를 가하여 반응시킴으로써, 상기 전이금속 질화물의 표면에 백금층을 형성하여 전이금속 질화물 코어-백금 쉘 촉매를 제조하는 단계;를 포함하고,
단계 (a)에서, 탄소 지지체는 카본 블랙, 담지된 전이금속은 니켈(Ni)이고,
단계 (b)에서, 열처리 온도는 280 내지 320℃, 열처리 시간은 10 내지 15시간이고,
단계 (c)에서, 백금 전구체는 K2PtCl6, 백금 전구체 수용액의 농도는 8 내지 12wt%이고,
산소환원반응용인 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법.(a) preparing a transition metal supported on a carbon support;
(b) heat-treating the transition metal supported on the carbon support in an ammonia atmosphere to prepare a transition metal nitride supported on the carbon support; and
(c) reacting by adding hydrogen gas together with a platinum precursor to the transition metal nitride supported on the carbon support to form a platinum layer on the surface of the transition metal nitride to prepare a transition metal nitride core-platinum shell catalyst; including,
In step (a), the carbon support is carbon black, the supported transition metal is nickel (Ni),
In step (b), the heat treatment temperature is 280 to 320 ℃, the heat treatment time is 10 to 15 hours,
In step (c), the platinum precursor is K 2 PtCl 6 , the concentration of the platinum precursor aqueous solution is 8 to 12 wt%,
A method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer for oxygen reduction reaction. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
단계 (b)에서, 상기 열처리 후 100 내지 200℃의 온도로 낮추고, 상온으로 냉각시키는 단계를 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법.According to claim 1,
In step (b), after the heat treatment, lowering the temperature to 100 to 200° C., and cooling to room temperature. 제6항에 있어서,
상기 100 내지 200℃의 온도로 낮출 때 비활성 분위기로 바꾸는 것을 특징으로 하는 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법.7. The method of claim 6,
A method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer, characterized in that when the temperature is lowered to 100 to 200° C., it is changed to an inert atmosphere. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
단계 (c)에서, 상기 탄소 지지체에 담지된 니켈 질화물은 산 또는 중성의 수용액에 분산시킨 상태에서 반응시키는 것을 특징으로 하는 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법.According to claim 1,
In step (c), the nickel nitride supported on the carbon support is reacted in a dispersed state in an acid or neutral aqueous solution. 제1항에 있어서,
상기 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법은 단일 반응기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법.According to claim 1,
The method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer is a method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer, characterized in that it is performed in a single reactor. 제1항에 있어서,
상기 백금층은 0.1 내지 2nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법.According to claim 1,
The platinum layer is a core-shell structure catalyst manufacturing method having a platinum layer, characterized in that formed to a thickness of 0.1 to 2nm. 제1항에 있어서,
상기 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매는 직경이 5 내지 30nm인 구형입자인 것을 특징으로 하는 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법.According to claim 1,
The method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer, characterized in that the catalyst having a core-shell structure having a platinum layer is spherical particles having a diameter of 5 to 30 nm. 제1항에 있어서,
상기 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매는 연료전지 전극용 촉매인 것을 특징으로 하는 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법.According to claim 1,
The method for preparing a catalyst having a core-shell structure having a platinum layer, characterized in that the catalyst having a core-shell structure having a platinum layer is a catalyst for a fuel cell electrode. 제1항, 제6항, 제7항, 및 제11항 내지 제15항 중에서 선택된 어느 한 항의 백금층을 갖는 코어-쉘 구조의 촉매 제조방법을 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법.Claims 1, 6, 7, and claim 11 to claim 15, wherein any one of the platinum layer having a core-shell structure catalyst manufacturing method comprising a method of manufacturing a fuel cell electrode. 삭제delete 삭제delete
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