KR102596663B1 - 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 종래 사용되는 백금이나 이리듐보다 높은 성능을 보이면서도 촉매에 사용되는 귀금속 양도 훨씬 적어 경제적 가치와 보다 우수한 촉매 활성을 지닌 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 전이금속을 탄화가스 분위기에서 열처리하여 코어를 형성하고 이에 귀금속 단일원자를 증착하여 외각 쉘을 형성함으로써 기존 귀금속 기반 촉매보다 활성이 뛰어나 원가 절감에 기여할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 전이금속을 탄화가스 분위기에서 열처리하여 코어를 형성하고 이에 귀금속 단일원자를 증착하여 외각 쉘을 형성함으로써 기존 귀금속 기반 촉매보다 활성이 뛰어나 원가 절감에 기여할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 종래 사용되는 백금이나 이리듐보다 높은 성능을 보이면서도 촉매에 사용되는 귀금속 양도 훨씬 적어 경제적 가치가 높고, 보다 우수한 촉매 활성을 지닌 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 연료의 산화 환원에 의해 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 장치다. 연료전지 시스템에서 전기화학반응이 원활히 일어나기 위해서는 반응속도가 효과적으로 증가되어야 한다.
종래 연료전지 시스템에서는 이를 위해 귀금속 촉매인 백금(Pt)이 널리 사용되어 왔다. 그러나, 백금 촉매는 우수한 에너지 변환효율에도 불구하고 매우 비싸고 보급화에 문제가 있어, 신규한 저비용의 고효율 촉매의 보급이 절실한 실정이다.
이에 최근 현재의 탄소 지지체 상에 지지된 백금 전극을 대체하기 위해, 합금 나노입자 및 코어-쉘 나노입자 등 복수의 구성요소를 포함하는 나노입자(Multi- component nanoparticle)들이 연구되어 왔다.
그러나, 이러한 방법은 합성이 번거롭고 경제적이지 못하며, 촉매의 내구성 저하로 인해 내구 연한이 제한되거나, 입자 크기의 불가피한 증가와 촉매 활성을 가지는 표면적 소실이라는 부작용이 큰 문제가 있다.
한편, 암모니아 산화반응(ammonia oxidation reaction)은 재생 수소 에너지 생산 및 수송에서 에너지 밀도가 매우 낮은 수소를 대체하여 사용할 수 있는 암모니아 연료 사용에 필요한 반응이다.
암모니아 연료는 수소에 비해 부피에너지 밀도가 1000배 더 좋은 효율을 가지고 있다. 현재 암모니아 산화반응의 경우, Pt, Ir 기반 촉매가 많이 연구되고 있으며 비귀금속 기반 촉매로 Ni 등이 있으나 성능이 많이 부족하여 대체재가 시급하다.
따라서, 다양한 산업분야에서 급증하는 저비용, 고효율의 촉매에 대한 니즈를 충족하는 기술개발이 절실한 실정으로 KR10-1834486, KR10-2019-0063290 등이 그러한 일 예이나, 아직까지 전술한 바를 해결하는 개시는 찾아볼 수 없다.
이에 본 발명자는 상기 문제점을 개선하기 위해 예의 노력을 계속하던 중, 전이금속을 탄화가스 분위기에서 열처리하여 코어를 형성하고 이에 귀금속 단일원자를 증착하여 외각 쉘을 형성함으로써 기존 귀금속 기반 촉매보다 활성이 뛰어나 원가 절감에 기여할 수 있는 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 종래 사용되는 백금이나 이리듐보다 높은 성능을 보이면서도 촉매에 사용되는 귀금속 양도 훨씬 적어 경제적 가치와 보다 우수한 촉매 활성을 지닌 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전이금속을 탄화가스 분위기에서 열처리하여 코어를 형성하고 이에 귀금속 단일원자를 증착하여 외각 쉘을 형성함으로써 기존 귀금속 기반 촉매보다 활성이 뛰어나 원가 절감에 기여할 수 있는 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 하나의 관점은 전이금속을 탄화가스 분위기에서 열처리하여 코어를 형성하는 단계 및 상기 형성된 코어에 귀금속 단일원자를 증착하여 외각 쉘을 형성하는 단계를 포함하는 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 제조방법에 관한 것이다.
구체예에서, 상기 전이금속은 Ti, 상기 귀금속 단일원자는 Pt 일 수 있다.
구체예에서, 상기 탄화가스는 메탄, 부탄 또는 프로판 가스로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
구체예에서, 상기 열처리는 600 내지 800℃에서 250 내지 350초 동안 수행될 수 있다.
구체예에서, 상기 증착은 스퍼터링 증착을 통해 수행될 수 있다.
구체예에서, 상기 외각 쉘은 코어에 5nm 내지 10nm의 두께로 증착되어 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 관점은 상기 어느 하나의 방법에 의하여 제조되며, 코어는 전이금속 탄화물, 쉘은 귀금속 단일원자로 이루어진 암모니아 산화반응용 촉매에 관한 것이다.
구체예에서, 상기 전이금속 탄화물은 TiC이고, 귀금속 단일원자는 Pt 일 수 있다.
구체예에서, 상기 코어는 평균 직경이 80nm 내지 100nm이고, 상기 외각 쉘의 평균 두께는 5nm 내지 10nm일 수 있다.
본 발명에 의한 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매는 종래 사용되는 백금이나 이리듐보다 높은 성능을 보이면서도 촉매에 사용되는 귀금속 양도 훨씬 적어 경제적 가치가 높고, 보다 우수한 촉매 활성을 지닌 장점이 있다.
본 발명에 의한 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 제조방법은 전이금속을 탄화가스 분위기에서 열처리하여 코어를 형성하고 이에 귀금속 단일원자를 증착하여 외각 쉘을 형성함으로써 기존 귀금속 기반 촉매보다 활성이 뛰어나 원가 절감에 기여할 수 있는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 결정성을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 원소 분포를 나타내는 EDS 이미지이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 백금 증착량 변화에 따른 촉매 활성 정도를 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 활성 정도를 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 결정성을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 원소 분포를 나타내는 EDS 이미지이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 백금 증착량 변화에 따른 촉매 활성 정도를 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 활성 정도를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다.
또한, 설명의 편의를 위하여 구성요소의 일부만을 도시하기도 하였으나, 당업자라면 나머지 부분에 대하여도 용이하게 파악할 수 있을 것이다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위 또는 아래에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위 또는 아래에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다.
또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.
또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 방법 또는 제조 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 제조방법
본 발명의 하나의 관점인 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 제조방법은 전이금속을 탄화가스 분위기에서 열처리하여 코어를 형성하는 단계 및 상기 형성된 코어에 귀금속 단일원자를 증착하여 외각 쉘을 형성하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 제조방법은 열처리를 통한 코어 형성단계(S100) 및 스퍼터링 증착을 통한 외각 쉘 형성단계(S200)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 암모니아 산화반응용 촉매는 전이금속을 탄화처리한 전이금속 탄화물을 코어로 하고, 귀금속 단일원자를 증착하여 외각 쉘로 형성하는 코어쉘 구조를 지닌다. 이때, 증착되는 귀금속 단일원자의 두께가 5nm 내외일 경우, 촉매 particle들이 코어를 둘러싸며 표면 위에 올려진 형태를 보이고(A), 증착되는 귀금속 단일원자의 두께가 10nm 내외일 경우, 코어 표면을 모두 덮으면서 외각 쉘을 형성할 수 있다(B).
코어(Core) 형성
코어 형성단계(S100)는 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매를 제조하기 위해 전이금속을 탄화가스 분위기에서 열처리하여 코어를 형성하기 위한 목적에서 수행된다.
상기 전이금속은 본 발명의 목적을 구현할 수 있는 것이라면 그 종류에 제한없이 채택하여 사용할 수 있으나, 바람직하게는 티타늄(Ti)를 채택하는 것이 좋다. 왜냐하면, 상기 Ti은 순도 99.5% 초과의 Pure Ti로 촉매 담지체를 형성하는 지지체로 널리 사용되고 있고, 기판 역할을 수행하며 단일원자에 존재하지 않는 전기촉매 전도띠를 제공하여 전기화학촉매로도 사용가능한 장점이 있기 때문이다. 또한, 암모니아 산화반응 진행시 다른 전이금속들이 반응이 아예 없거나 금속 자체의 산화반응이 암모니아 산화반응보다 더 많이 일어나는 문제가 있는 반면에, Ti의 경우 이러한 문제 없이 전류밀도가 높게 나타나 우수한 촉매 활성을 구현할 수 있기 때문이다.
구체예에서, 상기 탄화가스는 예를들어, 메탄, 부탄 또는 프로판 가스로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 탄화가스는 전이금속을 열처리하여 전이금속 탄화물로 생성시켜 이를 코어로 형성하기 위한 목적에서 사용하는 것으로 본 발명의 목적을 구현할 수 있는 것이라면, 그 종류에 상관없이 다양하게 사용될 수 있다.
구체예에서, 상기 열처리는 600 내지 800℃에서 250 내지 350초 동안 수행될 수 있다. 바람직하게는 600 내지 800℃에서 250 내지 350초 동안 수행될 수 있다. 상기 온도, 시간 미만일 경우, 전이금속이 탄화가스에 의해 완전히 반응하기 어려워 코어(Core)인 전이금속 탄화물이 생성되기 어렵고 생성되어도 안정성이 불안할 수 있으며 촉매 활성점이 충분히 형성되지 못할 수 있다. 반면에, 상기 온도, 시간 범위 초과일 경우, 형성된 전이금속 탄화물 코어의 비표면적이 소결에 의해 감소하여 촉매 활성 등이 저하되거나 코어 구조체의 형태가 변형될 수 있는 문제가 있을 수 있다.
외각 쉘(Shell) 형성
외각 쉘 형성단계(S200)는 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매를 제조하기 위해 전술한 코어에 귀금속 단일원자를 증착하여 외각 쉘을 형성하기 위한 목적에서 수행된다.
상기 귀금속 단일원자는 예를들어, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, La, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, Bi, 란탄족 또는 악티늄족 원소 중 1종 이상의 금속 어느 하나일 수 있다. 그러나, 본 발명의 목적을 구현할 수 있는 것이라면, 귀금속 단일원자의 종류에 제한없이 다양하게 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 귀금속 단일원자는 Pt를 채택하는 것이 좋다. 왜냐하면, 상기 백금은 우수한 에너지 변환효율과 촉매활성을 지니고 있는 바, 특히 귀금속 촉매로 종래 사용되는 귀금속 단일원자 중 암모니아 산화반응시 CV 피크를 명확히 나타내면서도 촉매 자체의 산화반응이 발생되지 않고 전류밀도는 높기 때문이다. 그러나, 반면에 상기 백금은 매우 비싸고 보급화에 문제가 있는 단점도 있으나, 이는 본 발명의 한 구체예와 같이 동일 크기의 촉매 particle 하나를 비교하였을 때 티타늄 탄화물(TiC) 코어 위에 특정 두께로 백금을 외각 쉘로 증착한 암모니아 산화반응용 촉매는 순수 백금 촉매과 비교하여 약 5배 적은 양의 Pt를 사용하기 때문에 기존 백금 촉매보다 매우 저렴하면서도 보다 우수한 활성을 지니고 있어 이러한 한계를 극복할 수 있다.
구체예에서, 상기 증착은 스퍼터링 증착을 통해 수행될 수 있다.
상기 증착은 예를들어, 스퍼터링, 열 증발법(Thermal evaporation), 전자빔 증발법(E-beam) 및 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition) 중 선택되는 1종을 통해 수행될 수 있다. 바람직하게는, 상기 증착은 스퍼터링 증착을 통해 수행될 수 있다.
상기 스퍼터링 증착은, 예를들어, RF(Radio Frequency) 마그네트론 스퍼터링이고, 상기 스퍼터링 작동압력(working pressure)은 40 내지 80mTorr이고, 파워세기는 100 내지 200W일 수 있다. 상기 스퍼터링 조건은 증착 지지체와 증착률 등에 따라 조절 가능하나, 특히, 상기 범위에서, 코어에 담지되는 외각 쉘의 특성 확보가 용이하고 스퍼터링 장비가 허용하는 최대 출력 사용으로 증착 속도의 향상이 가능하다. 그러나, 본 발명의 목적을 구현할 수 있는 것이라면, 증착장비, 방법 또는 증착조건 등이 이에 제한되지 않고 사용될 수 있다.
구체예에서, 상기 외각 쉘은 코어에 5nm 내지 10nm의 두께로 증착되어 형성될 수 있다. 바람직하게는 코어에 5nm 내지 7nm의 두께로 증착되어 형성될 수 있다. 외각 쉘의 증착두께가 상기 범위 미만일 경우, 전이금속이 코어에 제대로 도포되지 않아 코어 표면 외각에 쉘이 제대로 형성되기 어렵고, 반면에, 외각 쉘의 증착두께가 상기 범위 초과일 경우, 코어 표면에 도포되는 양이 너무 많아 electronic effect가 작용하지 않아 core shell 구조의 장점을 구현하기 어려운 문제가 있다.
본 발명에 의한 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 제조방법은 전이금속을 탄화가스 분위기에서 열처리하여 코어를 형성하고 이에 귀금속 단일원자를 증착하여 외각 쉘을 형성함으로써 기존 귀금속 기반 촉매보다 활성이 뛰어나 원가 절감에 기여할 수 있는 우수한 장점이 있다.
암모니아 산화반응용 촉매
본 발명의 다른 하나의 관점인 암모니아 산화반응용 촉매는 상기 전술한 어느 하나의 방법에 의하여 제조되며, 코어는 전이금속 탄화물, 쉘은 귀금속 단일원자로 이루어진다.
구체예에서, 상기 전이금속 탄화물은 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매를 제조하기 위해 전이금속을 탄화가스로 열처리하여 형성될 수 있다. 상기 전이금속은 본 발명의 목적을 구현할 수 있는 것이라면 그 종류에 제한없이 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 전이금속은 Ti를 채택하여 사용하는 것이 좋다. 왜냐하면, 상기 Ti은 순도 99.5% 초과의 Pure Ti로 촉매 담지체를 형성하는 지지체로 널리 사용되고 있고, 기판 역할을 수행하며 단일원자에 존재하지 않는 전기촉매 전도띠를 제공하여 전기화학촉매로도 사용가능한 장점이 있기 때문이다. 또한, 암모니아 산화반응 진행시 다른 전이금속들이 반응이 아예 없거나 금속 자체의 산화반응이 암모니아 산화반응보다 더 많이 일어나는 문제가 있는 반면에, Ti의 경우 이러한 문제 없이 전류밀도가 높게 나타나 우수한 촉매 활성을 구현할 수 있기 때문이다.
구체예에서, 상기 귀금속 단일원자는 예를들어, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, La, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, Bi, 란탄족 또는 악티늄족 원소 중 1종 이상의 금속 중 어느 하나를 채택하여 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명의 목적을 구현할 수 있는 것이라면, 귀금속 단일원자의 종류에 제한없이 다양하게 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 귀금속 단일원자는 Pt를 채택하는 것이 좋다. 왜냐하면, 상기 백금은 우수한 에너지 변환효율과 촉매활성을 지니고 있는 바, 특히 귀금속 촉매로 종래 사용되는 귀금속 단일원자 중 암모니아 산화반응시 CV 피크를 명확히 나타내면서도 촉매 자체의 산화반응이 발생되지 않고 전류밀도는 높기 때문이다. 그러나, 반면에 상기 백금은 매우 비싸고 보급화에 문제가 있는 단점도 있으나, 이는 본 발명의 한 구체예와 같이 동일 크기의 촉매 particle 하나를 비교하였을 때 티타늄 탄화물(TiC) 코어 위에 특정 두께로 백금을 외각 쉘로 증착한 암모니아 산화반응용 촉매는 순수 백금 촉매과 비교하여 약 5배 적은 양의 Pt를 사용하기 때문에 기존 백금 촉매보다 매우 저렴하면서도 보다 우수한 활성을 지니고 있어 이러한 한계를 극복할 수 있다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 구조를 나타내는 모식도이다.
전술한 도 2를 다시 참조하면, 본 발명에 의한 암모니아 산화반응용 촉매는 전이금속을 탄화수소 가스 분위기에서 탄화처리한 전이금속 탄화물을 코어로 하고, 귀금속 단일원자를 증착하여 외각 쉘로 형성하는 코어쉘 구조를 지닌다. 이때, 증착되는 귀금속 단일원자의 두께가 5nm 내외일 경우, 촉매 particle들이 코어를 둘러싸며 표면 위에 올려진 형태를 보이고(A), 증착되는 귀금속 단일원자의 두께가 10nm 내외일 경우, 코어 표면을 모두 덮으면서 외각 쉘을 형성할 수 있다(B).
구체예에서, 상기 코어는 평균 직경이 80nm 내지 100nm 일 수 있다. 바람직하게는 상기 코어는 평균직경이 85nm 내지 95nm 일 수 있다. 상기 범위 미만일 경우, 촉매의 코어 안정성이 문제가 생길 수 있고, 반면에, 상기 범위 초과일 경우, 촉매의 비표면적이 감소하여 촉매활성이 저감될 수 있는 단점이 있다.
구체예에서, 상기 외각 쉘의 평균 두께는 5nm 내지 10nm일 수 있다. 바람직하게는 외각 쉘의 평균 두께는 5nm 내지 7nm일 수 있다. 외각 쉘의 평균 두께가 상기 범위 미만일 경우, 전이금속이 코어에 제대로 도포되지 않아 코어 표면 외각에 쉘이 제대로 형성되기 어렵고, 반면에, 외각 쉘의 평균 두께가 상기 범위 초과일 경우, 코어 표면에 도포되는 양이 너무 많아 코어쉘 구조체의 형태가 변형되어 촉매 활성이 구현되기 어려운 문제가 있다.
본 발명에 의해 제조된 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매는 종래 사용되는 백금이나 이리듐보다 높은 성능을 보이면서도 촉매에 사용되는 귀금속 양도 훨씬 적어 경제적 가치가 높고, 보다 우수한 촉매 활성을 지닌 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
티타늄(Ti)을 10cmol/mol 암모니아 분위기에서 300초간 열처리하여 TiN을, 10% 메탄 분위기의 600~800℃에서 300초간 열처리하여 TiC를 각 제조하였다. 또한, 티타늄을 전기화학적 방법으로 산화시켜 TiO2-x를 제조하였다.
상기 제조한 촉매에 sputter를 사용하여 Pt를 소량 증착하였다. 이때, 상기 티타늄 화합물은 직경 100nm의 지지금속 powder로 코어 형태이고, 그 위에 백금을 5nm~10nm 두께로 코팅하여 외각 shell을 형성하였다.
상기 과정을 통해 최종적으로 본 발명에 의한 코어 쉘 구조를 가지는 암모니아 산화반응 촉매를 완성하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1과 달리 Ti을 비교예 1로 설정하여 본 발명의 일구체예에 의한 암모니아 산화반응 촉매와 비교하였다.
[비교예 2]
상기 실시예 1과 달리 GC를 비교예 2로 설정하여 본 발명의 일구체예에 의한 암모니아 산화반응 촉매와 비교하였다.
[비교예 3]
상기 실시예 1과 달리 순수 Pt을 비교예 3으로 설정하여 본 발명의 일구체예에 의한 암모니아 산화반응 촉매와 비교하였다.
[실험예]
다음과 같은 방법에 의하여 촉매를 평가하였다.
제작된 촉매로 3전극 실험을 구성한 후에 상온 아르곤 분위기 조건에서 CV 그래프를 측정하였다. 그 후 암모니아 산화반응의 과전압과 전류밀도를 측정하였다.
- 전체 실험 조건
a. 작동전극(Working electrode)
- 제작된 촉매
기준전극(Reference electrode)
- Hg/HgO상대전극(Counter electrode) - Pt Wire
b. 전해질 : 1M KOH + 0.1M NH4Cl(pH 14)
c. 온도 : Room temperature (25℃)
- CV 활성 평가 실험
a. 전해질을 아르곤으로 30분간 purging
b. Scan rate : 50mV/s
c. Scan range : 0.05 V(vs RHE) ~ 1.00 V(vs RHE)
| Current Density (at 0.6V) |
Pt | GC | Ti | TiC | TiN | TiO2 |
| Pt 1nm | 0.08155 | 0.04313 | 0.02956 | 0.07487 | 0.02186 | 0.02503 |
| Pt 5nm | 0.08155 | 0.10589 | 0.11034 | 0.16719 | 0.15736 | 0.14117 |
| Pt 10nm | 0.08155 | 0.13944 | 0.20383 | 0.22686 | 0.26992 | 0.21555 |
이상과 같이 촉매 물성평가 실험을 하였고, 그 실험결과는 표 1 및 도 3~7에 개시하였다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 결정성을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 3을 참조하면 SEM 이미지상 왼쪽 위(A)에서 오른쪽 아래(D)로 갈수록 열처리 시간이 길어지는 바, 본 발명에 의한 탄화티타늄(TiC) 코어 촉매 제조시 온도가 낮거나 열처리 시간이 적다면 결정성이 좋지 않고 열처리 시간이 길어질수록 결정성이 커지는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 원소 분포를 나타내는 EDS 이미지이다.
도 4를 참조하면 EDS 이미지를 통해 Ti의 분포 위치(B) 및 TiC에서의 C 분포 위치(C) 등 특정 원소의 분포 정도를 알 수 있다 (여기서, (A)는 티타늄 탄화물 그 자체의 SEM 이미지임). 특히, 본 발명의 한 구체예에 의한 티타늄 탄화물(TiC) 코어 제조를 위한 온도, 시간 조건에서 열처리시 결정의 크기가 크게 커지지 않고 골고루 유지 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 의해 제조된 TiN, TiC 및 TiO2-x의 경우, 그 결정성이 명확히 나타남을 XRD pattern을 통해 알 수 있고, 특히 열처리 시간을 100s에서 300s로 늘렸을 때 코어 제조를 위한 열처리 조건에 의해 XRD peak가 더 선명해지는 것을 확인할 수 있다.
표 1은 백금 증착 두께에 따른 Pt, GC, Ti, TiC, TiN 및 TiO2 등 각 지지금속 원소별 성능을 비교한 표이다. 도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 백금 증착량 변화에 따른 촉매 활성 정도를 비교한 그래프이다.
표 1 및 도 6을 참조하면, Pt 증착 두께와 지지금속에 따른 성능은 Pt의 증착 두께가 두꺼워지면 촉매 활성도 좋아지는데, 다만, Pt 증착량이 너무 많아지면 원가가 비싸지고 TiC의 electronic effect가 촉매 활성에 큰 영향을 주지 못할 수 있다. 즉, 본 발명의 한 구체예에 같이, 적절한 양의 Pt와 TiC를 사용한 Core Shell 구조의 촉매를 사용하면 가격과 성능면에서 종래의 Pt보다 뛰어난 효과가 나타남을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 한 구체예에 따른 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 활성 정도를 비교한 그래프로 상기 도 6에서 특히, 백금 증착량이 5nm일 때를 확대한 것이다.
도 7을 참조하면, 순환전압전류(CV) 그래프상 x축이 potential(RHE 기준), y축이 current density/ECSA(electrochemical surface area)로 이때 측정되는 촉매의 활성은 종래 상용화된 Pt보다도 본 발명과 같이 백금을 5nm 증착한 TiC/Pt가 가장 좋은 성능을 보였다. 이를 통해, 종래의 Pt 촉매보다 귀금속을 적게 사용하면서도 Pt보다 좋은 촉매 활성을 보임을 확인할 수 있다.
즉, 동일 크기의 촉매 particle 하나를 비교하였을 때, 본 발명의 한 구체예와 같이, 티타늄 탄화물(TiC) 코어 위에 5nm 두께로 백금을 외각 쉘로 증착한 암모니아 산화반응용 촉매는 순수 백금 촉매과 비교하여 약 5배 적은 양의 Pt를 사용하기 때문에 기존 백금 촉매보다 매우 저렴하면서도 보다 우수한 활성을 지님을 알 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이, 물성평가 실험예를 통해 본 발명에 의해 제조된 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매는, 종래 발명과 대비하여 백금이나 이리듐보다 높은 성능을 보이면서도 촉매에 사용되는 귀금속 양도 훨씬 적어 경제적 가치와 보다 우수한 촉매 활성을 지니고 있음을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
S100 : 코어 쉘 구조체 형성단계
S200 : 귀금속 단일원자 증착단계
S200 : 귀금속 단일원자 증착단계
Claims (9)
- 전이금속인 티타늄(Ti)를 탄화가스 분위기에서 600 내지 800℃에서 250 내지 350초 동안 열처리하여 평균 직경이 80~100㎚인 TiC 코어를 형성하는 단계; 및
상기 형성된 TiC 코어에 귀금속 단일원자인 백금(Pt)를 5~10㎚의 두께로 스퍼터링 증착하여 외각 쉘을 형성하는 단계;
를 포함하는 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매의 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1의 방법에 의하여 제조되며,
코어는 전이금속 탄화물인 TiC로서 평균 직경이 80~100㎚이며, 쉘은 귀금속 단일원자인 백금(Pt)로 이루어지며 평균 두께가 5~10㎚인 것을 특징으로 하는 코어쉘 구조의 암모니아 산화반응용 촉매. - 삭제
- 삭제
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| KR101834486B1 (ko) | 2015-07-06 | 2018-03-05 | 서울시립대학교 산학협력단 | 코어 쉘 구조의 금속 복합 산화물 복합체, 이의 제조 방법 및 상기 복합체 에 촉매가 담지된 촉매 복합체 |
| KR102060359B1 (ko) | 2017-11-29 | 2019-12-30 | 한국에너지기술연구원 | 액상 질화 처리된 코어-쉘 촉매의 제조방법 |
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-
2021
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| M. Bayati 외, ACS Applied Energy Materials, 2020, 3, 1, 834~851 (2019.12.12.) |
| Ying Liu 외, ACS Catalysis, 2013, 3, 1184~1194 (2013.04.24.) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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