KR20120089119A - 연료 전지용 전극 촉매, 이의의 제조 방법, 촉매 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지 - Google Patents
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Abstract
연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 연료전지가 제시된다.
Description
연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함한 연료 전지가 제시된다.
연료전지는 사용되는 전해질 및 사용되는 연료의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 직접 메탄올 연료공급방식(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC), 인산 방식(PAFC), 용융탄산염 방식(MCFC), 고체 산화물 방식(SOFC) 등으로 구분 가능하다.
고분자 전해질형 연료전지 및 직접메탄올 연료전지는 통상적으로 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)로 구성된다. 연료전지의 애노드 전극에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있으며, 캐소드 전극에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있다.
통상 애노드 및 캐소드의 구성 요소로서 백금(Pt)을 활성 성분으로 하는 촉매가 주로 이용되고 있으나 백금계 촉매는 고가의 귀금속으로 실제 상업적으로 실행 가능한 연료전지의 대량생산을 위해서는 전극 촉매에 사용되는 백금의 요구량은 여전히 많아 시스템의 비용절감이 필요하게 되고 있다.
따라서 백금계 촉매를 대체하기 위한 전극촉매 개발 및 이를 적용하여 높은 전지성능을 나타내는 연료전지를 개발하려는 연구가 계속되고 있다.
본 발명의 한 측면은 우수한 촉매 활성 및 촉매 안정성을 동시에 제공할 수 있는 연료 전지용 전극 촉매 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 전극 촉매를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지를 제공하는 것이다.
일 측면에 따르면, 복수의 팔라듐 원자, 복수의 전이 금속 원자 및 상기 전이 금속의 표준 환원 전위보다 높은 표준 환원 전위를 갖는 복수의 귀금속 원자를 포함한 촉매 입자를 포함하고, 상기 모든 전이 금속 원자 각각은 상기 팔라듐 원자, 이웃하는 다른 전이 금속 원자 및 상기 귀금속 원자 중 하나 이상에 의하여 둘러싸여 있는, 연료 전지용 전극 촉매가 제공된다.
상기 전이 금속은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 아연(Zn) 중 1종 이상의 금속일 수 있다.
상기 귀금속은, 이리듐(Ir), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 은(Ag) 중 1종 이상의 금속일 수 있다.
상기 촉매 입자는 전이 금속 원자를 포함하지 않는 표면을 가질 수 있다.
상기 촉매 입자는 전이 금속 원자를 포함하지 않는 최외각 원자층을 가질 수 있다.
상기 전극 촉매는, 탄소계 담체를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 복수의 팔라듐 원자 및 복수의 전이 금속 원자를 포함한 제1촉매 입자를 포함하고, 상기 전이 금속 원자의 일부 이상은 상기 제1촉매 입자의 표면에 존재하는, 제1촉매를 제공하는 단계; 및
상기 제1촉매를 상기 전이 금속의 표준 환원 전위보다 높은 표준 환원 전위를 갖는 귀금속 전구체와 접촉시킴으로써, 상기 제1촉매를 상기 연료 전지용 전극 촉매로 변환시키는 단계;
를 포함한, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법이 제공된다.
상기 제1촉매는 탄소계 담체를 더 포함할 수 있다.
상기 제1촉매 입자는, 상기 전이 금속의 표준 환원 전위보다 높은 표준 환원 전위를 갖는 귀금속 원자를 더 포함할 수 있다.
상기 전극 촉매 제조 방법 중, 제1촉매를 상기 연료 전지용 전극 촉매로 변환시키는 단계에서, 상기 제1촉매 입자 표면의 전이 금속 원자가 상기 귀금속 전구체의 귀금속 원자로 치환될 수 있다.
상기 제1촉매를 상기 연료 전지용 전극 촉매로 변환시키는 단계는, 상기 제1촉매 및 상기 귀금속 전구체를 포함한 제2혼합물을 제공하는 공정; 및 상기 제2혼합물을 열처리하는 공정;을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제2혼합물은 글리콜계 용매 및 알코올계 용매 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 제2혼합물의 열처리 조건은 80 내지 400℃의 온도 범위 및 1시간 내지 4시간의 시간 범위 내에서 선택될 수 있다.
상기 귀금속 전구체의 함량은, 상기 귀금속 전구체 중 귀금속 함량이 상기 제1촉매 100중량부 당 0.5중량부 내지 20중량부가 되도록 하는 범위에서 선택될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면,
캐소드; 상기 캐소드와 대향하여 위치하는 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드의 사이에 위치하는 전해질막;을 포함하고, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나가, 상기 전극 촉매를 포함한, 연료 전지용 막 전극 접합체가 제공된다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 제공된다.
상기 연료 전지용 전극 촉매는 우수한 산화 환원 활성 및 촉매 안정성을 갖는 바, 상기 연료 전지용 전극 촉매를 이용하면 저비용 고품위의 연료 전지를 구현할 수 있다.
도 1은 일 구현예를 따르는 제1촉매 입자(10) 및 일 구현예를 따르는 촉매 입자(11)의 개략적 단면을 각각 도시한 도면이다.
도 2는 상기 연료전지의 일 구현예를 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 연료전지를 구성하는 막-전극 접합체(MEA)의 단면 모식도이다.
도 4는 비교예 A, B 및 C 실시예 1 및 2로부터 제조된 촉매의 X-선 회절 패턴을 나타낸 도면이다.
도 5는 비교예 A, B 및 C 실시예 1 및 2로부터 제조된 촉매를 각각 채용한 단위 전지의 전기적 특성을 나타낸 도면이다.
도 6는 실시예 2로부터 제조된 촉매를 채용한 단위 전지의 안정성에 관한 도면이다.
도 2는 상기 연료전지의 일 구현예를 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 연료전지를 구성하는 막-전극 접합체(MEA)의 단면 모식도이다.
도 4는 비교예 A, B 및 C 실시예 1 및 2로부터 제조된 촉매의 X-선 회절 패턴을 나타낸 도면이다.
도 5는 비교예 A, B 및 C 실시예 1 및 2로부터 제조된 촉매를 각각 채용한 단위 전지의 전기적 특성을 나타낸 도면이다.
도 6는 실시예 2로부터 제조된 촉매를 채용한 단위 전지의 안정성에 관한 도면이다.
상기 연료 전지용 전극 촉매(이하, "전극 촉매"라고도 함)는, 복수의 팔라듐 원자, 복수의 전이 금속 원자 및 상기 전이 금속의 표준 환원 전위보다 높은 표준 환원 전위를 갖는 복수의 귀금속 원자를 포함한 촉매 입자를 포함한다. 상기 촉매 입자 중 상기 모든 전이 금속 원자 각각은 상기 팔라듐 원자, 이웃하는 다른 전이 금속 원자 및 상기 귀금속 원자 중 하나 이상에 의하여 둘러싸여 있다. 즉, 상기 촉매 입자에 포함된 전이 금속 원자는 상기 촉매 입자 표면에 존재하여 촉매 입자 외부에 노출되어 있는 것이 아니라, 상기 촉매 입자 내부에 존재한다.
상기 팔라듐은 연료 전지용 전극 촉매용으로 사용될 수 있는 주 촉매 금속으로서, 우수한 촉매 활성을 가지며, 백금을 대체할 수 있다.
상기 전이 금속은 팔라듐과 합금화되어 팔라듐의 전자 밀도를 변화시킴으로써 산소와의 흡착 결합을 약화시켜, 촉매 활성을 향상시킬 수 있다. 상기 전이 금속은, 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 아연(Zn) 중 1종 이상의 금속일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 귀금속은 주 촉매 금속인 팔라듐과 결합하여 높은 촉매 안정성을 제공할 수 있다. 상기 귀금속은 이리듐(Ir), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 은(Ag) 중 1종 이상의 금속일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그런데, 상기 팔라듐 및 상기 전이 금속을 포함하거나, 또는 상기 팔라듐, 상기 전이 금속 및 상기 귀금속을 포함한 제1촉매 입자 중 전이 금속의 일부는, 상기 제1촉매 입자로부터 분리되어 상기 제1촉매 입자 표면에 존재하여 제1촉매 입자 외부로 노출될 수 있다. 그런데, 수소 이온이 물을 통해 전달될 수 있는 연료전지의 막 전극 접합체(MEA)내에 존재하는 수용액은 산성일 수 있으므로, 상기 제1촉매 입자 표면에 존재하는 전이 금속은, MEA에 존재하는 산성 수용액에 용해될 수 있다. 그 결과, 상기 제1촉매 입자의 촉매 활성 및 안정성이 저해될 수 있다.
도 1에는 일 구현예를 따르는 제1촉매 입자(10)의 개략적 단면이 도시되어 있다. 상기 제1촉매 입자(10)는 복수의 팔라듐 원자(13)와 복수의 전이 금속 원자(15A, 15B)를 포함한다. 여기서, 상기 제1촉매 입자(10)의 단면 중 가상의 선의 내측 및 외측 각각은, 상기 제1촉매 입자(10)의 내부 및 표면인데, 제1촉매 입자(10)에 포함된 일부 전이 금속 원자(15A)는 제1촉매 입자(10)의 내부에 존재하고, 다른 전이 금속 원자(15B)는 상기 제1촉매 입자(10) 표면에 존재한다.
본 명세서 중 "제1촉매 입자"는 상기 촉매 입자와는 달리, 입자 표면에 전이 금속 원자가 존재하는 입자를 의미한다.
본 명세서 중 "제1촉매 입자의 표면" 및 "촉매 입자의 표면"은 제1촉매 입자 또는 촉매 입자의 최외각 원자층(atomic layer)을 의미할 수 있는데, 여기서, 상기 최외각 원자층의 두께는 최외각 원자층을 이루는 원자들의 직경 중 최대 직경의 1배 내지 20배, 예를 들면, 1배 내지 10배, 예를 들면, 1배 내지 5배일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 최외각 원자층의 두께는 도 1에서와 같이, 최외각 원자층을 이루는 원자들의 직경 중 최대 직경의 1배일 수 있다. 즉, 도 1에서와 같이, 상기 최외각 원자층은 상기 촉매 입자의 최외각에 존재하는 원자들의 단일층(single layer)인 것으로 이해될 수 있다. 상기 "표면" 및 "최외각 원자층"이란 용어는, 도 1을 참조하여 보다 용이하게 이해될 수 있으며, 원자 레벨에서 정의되는 것이므로, 통상의 코어-쉘 구조에서의 쉘(예를 들면, 통상적으로 박막 필름 등으로 이해될 수 있음)과는 명백히 상이한 것이다.
본 명세서 중 "제1촉매 입자의 내부"는 제1촉매 입자 중 표면을 제외한 영역을 의미하고, "촉매 입자의 내부"는 촉매 입자 중 표면을 제외한 영역을 의미한다.
도 1 중, 팔라듐과 합금화되어 상기 제1촉매 입자(10)의 내부에 존재하는 전이 금속 원자(15A)는 촉매 활성 향상에 기여할 수 있으나, 상기 제1촉매 입자(10)의 표면에 존재하는 전이 금속 원자(15B)는, 상술한 바와 같은 이유로 촉매 안정성을 저해시킬 수 있다.
그러나, 상술한 제1촉매 입자와는 달리, 상기 촉매 입자 중 "모든" 전이 금속 각각은 상기 팔라듐 원자, 이웃하는 다른 전이 금속 원자 및 상기 귀금속 원자 중 하나 이상에 의하여 둘러싸여 있다. 즉, 상기 촉매 입자에 포함된 "모든" 전이 금속 원자는 상기 촉매 입자 표면이 아닌, 내부에 존재한다. 따라서, 상기 촉매 입자는 촉매 안정성의 저하없이 우수한 촉매 활성을 가질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 촉매 입자는, 전이 금속 원자를 포함하지 않는 표면을 가질 수 있다. 상기 "표면"의 정의는 상술한 바와 같다.
다른 구현예에 따르면, 상기 촉매 입자는, 전이 금속 원자를 포함하지 않는 최외각 원자층을 가질 수 있다. 상기 "최외각 원자층"에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
도 1에는 일 구현예를 따르는 촉매 입자(11)의 개략적 단면이 도시되어 있다. 상기 촉매 입자(11)는 복수의 팔라듐 원자(13), 복수의 귀금속 원자(17) 및 복수의 전이 금속 원자(15A)를 포함한다.
도 1의 상기 촉매 입자(11)의 단면 중 가상의 선의 내측 및 외측 각각은, 상기 촉매 입자(11)의 내부 및 표면인데, 촉매 입자(11)에 포함된 모든 전이 금속 원자(15A)는 팔라듐 원자(13)에 의하여 둘러싸여 있다. 즉, 모든 전이 금속 원자(15A)는 촉매 입자(11)의 내부에만 존재한다. 다시 말하면, 상기 촉매 입자(11)의 표면에 복수의 팔라듐 원자(13) 및 복수의 귀금속 원자(17)는 존재하나, 전이 금속 원자는 존재하지 않는다. 따라서, 상기 촉매 입자(11)는 전이 금속 원자를 포함하지 않는 표면을 갖는다. 한편, 상기 촉매 입자(11)의 표면은 원자들의 단일층으로 이루어진 원자층의 형태를 가지므로, 상기 촉매 입자(11)은 전이 금속 원자를 포함하지 않는 최외각 원자층을 갖는다. 따라서, 상기 촉매 입자(11)는 촉매 안정성 저하없이 우수한 촉매 활성을 가질 수 있다.
도 1 중 귀금속 원자(17)는 기존 전이 금속 원자 자리에 치환된 귀금속 원자(17A) 및 촉매 입자(11) 표면에 부착된 귀금속 원자(17B)를 포함한다. 이에 대한 상세한 설명은 후술될 것이다.
상기 전극 촉매의 촉매 입자 중 팔라듐, 전이 금속 및 귀금속의 함량 범위는, 공지된 범위 내에서 임의로 선택될 수 있다.
상기 전극 촉매는 상술한 바와 같은 촉매 입자 외에, 탄소계 담체를 더 포함할 수 있다. 상기 전극 촉매가 탄소계 담체를 더 포함할 경우, 상기 촉매 입자는 상기 탄소계 담체에 담지되어 있을 수 있다.
상기 탄소계 담체는 전기 전도성 물질 중에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소계 담체로는, 케첸블랙, 카본블랙, 그래파이트카본, 카본 나노튜브(carbon nanotube), 카본 파이버(carbon fiber) 등을 사용할 수 있지만 이에 한정되지 아니하며, 이들을 단독으로 사용하거나 2 이상을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.
상기 전극 촉매가 탄소계 담체를 더 포함할 경우, 상기 전극 촉매 입자의 함량은 상기 탄소계 담체를 포함한 전극 촉매 100중량부 당 30중량부 내지 70중량부, 예를 들면, 40중량부 내지 60중량부이다. 상기 전극 촉매 입자와 상기 탄소계 담체의 비율이 상술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 우수한 전극 촉매 입자의 비표면적 및 높은 담지량을 달성할 수 있다.
상기 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 복수의 팔라듐 원자 및 복수의 전이 금속 원자를 포함한 제1촉매 입자를 포함하고, 상기 전이 금속 원자의 일부 이상은 상기 제1촉매 입자의 표면에 존재하는, 제1촉매를 제공한다.
상기 제1촉매 입자에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
본 명세서 중 "제1촉매"는 상기 제1촉매 입자를 포함한 촉매를 의미하는 것으로서, 상기 연료 전지용 전극 촉매 제조 방법에 따르면, "제1촉매 입자"를 포함한 "제1촉매"가 상기 "촉매 입자"를 포함하는 "연료 전지용 전극 촉매(또는 전극 촉매)"로 변환되는 것이다.
상기 제1촉매는 공지된 다양한 방법을 이용하여 제조될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1촉매는, 팔라듐 전구체 및 전이 금속 전구체를 포함한 제1혼합물을 제공하는 공정; 및 상기 제1혼합물에 포함됨 전구체를 환원시켜 제1촉매 입자를 포함한 제1촉매를 제공하는 공정;을 포함할 수 있다.
상기 팔라듐 전구체는, 팔라듐을 포함하는 염화물, 질화물, 시안화물, 황화물, 브롬화염, 질산염, 아세테이트, 황산염, 옥시드(oxides) 및 알콕시드(alkoxide) 중 1종 이상의 화합물일 수 있다.
상기 팔라듐 전구체는, 팔라듐 질화물(palladium nitride), 팔라듐 염화물(palladium chloride), 팔라듐 황화물(palladium sulfide), 팔라듐 아세테이트(palladium acetate), 팔라듐 아세틸아세토네이트(palladium acetylacetonate), 팔라듐 시안화물(palladium cyanate), 팔라듐 이소프로필옥사이드(palladium isopropyl oxide) 및 팔라듐 부톡사이드(palladium butoxide) 중 1종 이상의 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 팔라듐 전구체는 (K2PdCl4)와 같은 팔라듐 염화물일 수 있다.
상기 전이 금속 전구체는 상술한 전이 금속을 포함하는 염화물, 질화물, 시안화물, 황화물, 브롬화염, 질산염, 아세테이트, 황산염, 옥시드(oxides) 및 알콕시드(alkoxide) 중 1종 이상의 화합물일 수 있다.
예를 들어, 상기 전이 금속 전구체는, 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 아연(Zn) 의 질화물, 염화물, 황화물, 염(예를 들면, 구리 아세테이트, 철 아세테이트, 코발트 아세테이트, 니켈 아세테이트, 구리 아세틸아세토네이트, 철 아세틸아세토네이트, 코발트 아세틸아세토네이트, 니켈 아세틸아세토네이트 등), 시안화물, 옥시드(예를 들면, 구리 이소프로필옥사이드, 철 이소프로필옥사이드, 코발트 이소프로필옥사이드, 니켈 이소프로필옥사이드 등) 및 알콕시드(구리 부톡사이드, 철 부톡사이드, 코발트 부톡사이드, 니켈 부톡사이드 등) 1종 이상의 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전이 금속이 Cu일 경우, 상기 전이 금속 전구체는 CuCl2?2H2O와 같은 Cu 염화물일 수 있다.
상기 제1혼합물은 상기 팔라듐 전구체 및 전이 금속 전구체 외에, 탄소계 담체를 더 포함할 수 있다. 상기 제1혼합물이 탄소계 담체를 더 포함할 경우, 상기 탄소계 담체 및 상기 탄소계 담체에 담지된 제1촉매 입자를 포함한 제1촉매를 수득할 수 있다.
상기 제1혼합물은 상기 팔라듐 전구체 및 전이 금속 전구체 외에, 이들을 용해시킬 수 있는 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 용매로는, 에틸렌글리콜, 1,2-프로필렌 글리콜, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 네오펜틸 글리콜, 디에틸렌글리콜, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 트리메틸올 프로판 등의 글리콜계 용매 또는 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜(IPA), 부탄올 등의 알코올계 용매를 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고, 전구체들 용해시킬 수 있는 공지된 용매라면 모두 사용할 수 있다.
상기 용매의 함량은 팔라듐 전구체 100 중량부 당 15,000 내지 100,000 중량부일 수 있다. 상기 용매의 함량이 상술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 상기 제1혼합물에 포함된 전구체의 환원시 균일한 금속 합금이 형성될 수 있고, 상기 제1혼합물이 탄소계 담체를 더 포함할 경우, 상기 탄소계 담체 중 제1촉매 입자의 분산성이 향상될 수 있다.
상기 제1혼합물은 상기 전이 금속의 표준 환원 준위보다 높은 표준 환원 준위를 갖는 귀금속 전구체를 더 포함할 수 있다. 제1혼합물에 포함될 수 있는 귀금속 전구체와 후술할 제2혼합물에 포함되는 귀금속 전구체는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 제1혼합물이 귀금속 전구체를 더 포함할 경우, 상기 제1촉매 입자는 상기 전이 금속의 표준 환원 준위보다 높은 표준 환원 준위를 갖는 귀금속 원자를 포함할 수 있다. 상기 제1촉매 입자 중 상기 귀금속 원자의 위치는 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1촉매 입자 중 귀금속 원자는 제1촉매 입자의 내부 및 표면에 모두 존재할 수 있다.
상기 제1혼합물은 팔라듐 전구체와 전이 금속 전구체(선택적으로, 귀금속 전구체도 포함함)가 동시에 환원되도록 하는 킬레이팅제(예를 들면, 에틸렌 디아민 테트라아세트산(EDTA) 등), pH 조절제(예를 들면, NaOH 수용액 등) 등을 더 포함할 수 있다.
이어서, 상기 제1혼합물 중 전구체들을 환원시켜, 상기 제1촉매 입자를 포함한 제1촉매를 제공한다. 여기서, 상기 제1혼합물이 탄소계 담체를 포함한 경우, 상기 제1촉매는 탄소계 담체에 담지되어 있을 수 있다.
상기 제1촉매를 제공하는 단계는 상기 제1혼합물에 환원제를 부가함으로써, 수행될 수 있다.
상기 환원제는, 상기 제1혼합물에 포함된 전구체들을 환원시킬 수 있는 물질 중에서 선택될 수 있는데, 예를 들면, 환원제로는 히드라진(NH2NH2), 수소화 붕소 나트륨(NaBH4), 개미산(formic acid) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 환원제의 함량은 팔라듐 전구체 1몰을 기준으로 하여 1 내지 3몰을 사용할 수 있는데, 상기 환원제의 함량이 상술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 만족스러운 환원 반응을 유도할 수 있다.
상기 제1혼합물 중 전구체들의 환원 반응은, 전구체 종류 및 함량에 따라 상이할 것이나, 예를 들면, 30℃ 내지 80℃, 예를 들면, 50℃ 내지 70℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.
상술한 바와 같은 제1촉매 제조 방법은, 용매 중 금속 전구체를 환원시킴으로써 제1촉매를 수득하는 방식을 따르므로, 제1촉매 입자의 금속 원자들은 랜덤하게 배열될 수 밖에 없다. 따라서, 예를 들면, 도 1에 도시된 제1촉매 입자(10)와 같이, 전이 금속 원자는 제1촉매 입자 내부 및 표면 모두에 존재할 수 있다.
이 후, 상기 제1촉매를 귀금속 전구체와 접촉시킴으로써, 제1촉매의 제1촉매 입자 표면의 전이 금속 원자를 귀금속 원자로 치환시켜, 상기 제1촉매를 상기 연료 전지용 전극 촉매로 변환시킨다. 상기 귀금속은 상기 전이 금속보다 높은 표준 환원 전위를 갖는 금속이므로, 상기 제1촉매 입자 표면의 전이 금속 원자는 귀금속 원자로 용이하게 치환될 수 있다. 이로써, 상술한 바와 같은 촉매 입자를 포함한 연료 전지용 전극 촉매를 수득할 수 있다.
구체적으로, 도 1을 참조하면, 제1촉매 입자(10)의 표면에 존재하는 전이 금속 원자(15B)는, 제1촉매 입자(10)와 귀금속 전구체와의 접촉 결과, 귀금속 원자(17A)로 치환되어, 촉매 입자(11)를 포함한 연료 전지용 전극 촉매를 수득할 수 있다. 제1촉매 입자(10) 표면의 전이 금속 원자(15B) 치환에 필요한 함량보다 과량의 귀금속 전구체가 사용될 경우, 귀금속 전구체가 촉매 입자(11)의 표면에서 환원되어, 촉매 입자(11) 표면에 부착된 귀금속 원자(17B)가 존재할 수도 있다. 상기 제1촉매를 상기 연료 전지용 전극 촉매로 변환시키는 단계를 상술하면 다음과 같다.
먼저, 상기 제1촉매 및 상기 귀금속 전구체를 포함한 제2혼합물을 제공한다.
상기 귀금속 전구체는 상술한 바와 같은 귀금속을 포함하는 염화물, 질화물, 시안화물, 황화물, 브롬화염, 질산염, 아세테이트, 황산염, 옥시드(oxides) 및 알콕시드(alkoxide) 중 1종 이상의 화합물일 수 있다.
예를 들어, 상기 귀금속 전구체는, 이리듐(Ir), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 은(Ag)의 질화물, 염화물, 황화물, 염(예를 들면, 이리듐 아세테이트, 금 아세테이트, 백금 아세테이트, 이리듐 아세틸아세토네이트, 금 아세틸아세토네이트, 백금 아세틸아세토네이트 등), 시안화물, 옥시드(예를 들면, 이리듐 이소프로필옥사이드, 금 이소프로필옥사이드, 백금 이소프로필옥사이드 등) 및 알콕시드(이리듐 부톡사이드, 금 부톡사이드, 백금 부톡사이드 등) 1종 이상의 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 귀금속이 Ir일 경우, 상기 귀금속 전구체는 H2IrCl2?6H2O와 같은 Ir 염화물일 수 있다.
상기 제2혼합물 중 귀금속 전구체의 함량은, 상기 귀금속 전구체 중 귀금속 함량이 상기 제1촉매 100중량부 당 0.5중량부 내지 20중량부, 예를 들면, 0.8중량부 내지 15중량부가 되도록 하는 범위에서 선택될 수 있다. 상기 귀금속 전구체 함량이 상술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 후술될 연료 전지용 전극 촉매의 촉매 활성 및 촉매 안정성 모두가 동시에 향상될 수 있다.
상기 제2혼합물은 용매, 킬레이팅제, pH 조절제 등을 더 포함할 수 있는데, 이에 대한 상세한 설명은 상기 제1혼합물에 대한 설명을 참조한다.
예를 들어, 상기 제2혼합물은 에틸렌글리콜, 1,2-프로필렌 글리콜, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 네오펜틸 글리콜, 디에틸렌글리콜, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 트리메틸올 프로판 등의 글리콜계 용매 및/또는 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜(IPA), 부탄올 등의 알코올계 용매를 포함할 수 있다. 상기 글리콜계 용매 및/또는 알코올계 용매의 히드록실기는 제2혼합물에 포함된 금속 전구체를 용해시켜, 예를 들면, 가열시, 금속 전구체를 금속으로 환원시킬 수 있다(polyol process).
이어서, 상기 제2혼합물을 열처리함으로써, 상기 제1촉매를 상기 전극 촉매로 변환시킨다.
상기 제2혼합물의 열처리 조건은, 제1촉매 입자 표면의 전이 금속 원자가 제2혼합물에 포함된 귀금속 전구체의 귀금속 원자로 치환될 수 있는 범위 내에서 선택될 수 있다. 상기 제2혼합물의 열처리 조건은 사용된 전구체의 종류 및 함량에 따라 상이할 것이나, 예를 들면, 80 내지 400℃의 온도 범위 및 1시간 내지 4시간의 시간 범위 내에서 선택될 수 있다.
상기 제1촉매의 제조 방법은 종래의 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법이라고 할 수 있다. 상기 제1촉매의 제조 방법은 용매 중 전구체를 환원시켜 금속을 합금화시키는 방식에 따르므로, 제1촉매 입자에 포함된 금속 원자들의 배열은 전혀 제어될 수 없다는 한계가 있다. 따라서, 제1촉매 입자에 포함된 전이 금속 원자는 제1촉매 입자의 내부 및 표면 모두에 랜덤하게 존재할 수 밖에 없으며(도 1 참조), 그 결과 제1촉매 입자의 표면에 존재하는 전이 금속 원자(도 1 중 참조 번호 15B 참조)에 의하여 제1촉매는 불량한 촉매 안정성을 가질 수 있다.
이에, 본 발명자들은, 상술한 바와 같이 제1촉매를 먼저 제조한 다음, 상기 제1촉매 입자 표면의 전이 금속 원자만을 귀금속 원자로 치환시킴으로써, 상기 촉매 입자 내부의 전이 금속 원자 함량은 유지하면서(도 1 중 참조 번호 15A 참조), 촉매 입자 표면의 전이 금속 원자는 제거하여(도 1 중 제1촉매 입자(10) 표면의 전이 금속 원자(15B)가 귀금속 원자(17A)로 치환됨), 촉매 입자 내부에 존재하는 전이 금속 원자에 의한 촉매 활성 향상 효과는 유지되되, 촉매 입자 표면에 존재하는 전이 금속 원자에 의한 촉매 안정성 저해 가능성은 배제된, 전극 촉매를 제공하게 되었다. 따라서, 상기 전극 촉매는, 우수한 촉매 활성 및 촉매 안정성을 "동시에" 갖는다. 나아가, 상기 전극 촉매의 촉매 입자 중 전이 금속 원자 분포 제어(즉, 촉매 입자 내부에는 전이 금속 원자가 존재하나, 촉매 입자 표면에는 전이 금속 원자가 존재하지 않는 전이 금속 원자 분포)는, 용매 중 전구체 환원 방식에 기초한 용이하고 간단한 습식 공정에 기초하여 달성될 수 있다.
상기 연료 전지용 전극 촉매는 상술한 바와 같은 제1촉매 입자 표면의 전이 금속 원자"만'을 귀금속 원자로 치환시킴으로써 제1촉매를 변환시켜 수득한 것이므로, 상기 제1촉매와 상기 전극 촉매의 유도 결합 플라즈마(ICP) 분석 데이터 및 X-선 회절(XRD) 패턴은 다음과 같은 관계를 가질 수 있다.
상기 제1촉매의 유도 결합 플라즈마(ICP) 데이터(여기서, ICP 분석된 상기 제1촉매의 중량은 A임) 중 전이 금속 및 귀금속의 함량을 각각 X1 및 Y1라 하고, 상기 연료 전지용 전극 촉매의 ICP 데이터(여기서, ICP 분석된 상기 연료 전지용 전극 촉매의 중량은 A+B이고, 상기 B는 상기 귀금속 전구체 중 귀금속 함량임) 중 전이 금속 및 귀금속의 함량을 각각 X2 및 Y2라 할 때, X1>X2이고, Y1<Y2일 수 있다. 여기서 상기 중량 및 함량의 단위는 g이고, 상기 ICP 분석 조건은 27.12MHz의 RF 소스(source) 및 0.8ml/min의 샘플 업테이크 레이트(sample uptake rate)이다.
만약, 제1촉매 입자의 전이 금속 원자가 귀금속 원자로 치환되는 것이 아니라, 제1촉매 입자에 귀금속 원자가 단순히 "부가"되는 것이라면, 대략적으로 X1=X2의 관계를 나타냈을 것이다.
한편, 상기 제1촉매의 Cu의 Ka1으로 회절시킨 XRD 패턴의 (111) 피크의 회절각(2theta)과 상기 연료 전지용 전극 촉매의 Cu의 Ka1으로 회절시킨 XRD 패턴의 (111) 피크의 회절각(2theta) 차이는 0.1 이하, 예를 들면, 0.03이하일 수 있다. 즉, 상기 제1촉매의 제1촉매 입자의 격자 구조와 상기 전극 촉매의 전극 촉매 입자의 격자 구조는 실질적으로 동일하다.
예를 들어, 만약, 제1촉매 입자의 전이 금속 원자가 귀금속 원자로 치환되되, 제1촉매 입자 내부의 전이 금속 원자까지 귀금속 원자로 치환된다면, 귀금속 원자의 입경이 팔라듐 원자 및 전이 금속 원자의 입경에 비하여 상대적으로 크므로, 촉매 입자 일부 영역에서의 격자 구조는 제1촉매 입자 일부 영역에서의 격자 구조와는 상이하게 될 수 있고, 이로써 XRD 패턴의 회절각 차이는 증가(예를 들면, 회절각 차이가 0.1 이상일 수 있음)될 것이다.
상술한 바와 같은 ICP 및 XRD 패턴 분석은 후술할 평가예에서 보다 상세시 검토될 것이다.
또 다른 측면에 따른 연료전지용 막 전극 접합체는 서로 대향하여 위치하는 캐소드와 애노드, 및 상기 캐소드와 상기 애노드의 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료전지용 막 전극 접합체(MEA)로서, 상기 캐소드가 상술한 연료전지용 전극 촉매를 포함한다.
또 다른 측면에 따른 연료전지는 상기 막 전극 접합체를 포함한다. 상기 막 전극 접합체의 양측에는 분리판이 적층되어 구비될 수 있다. 상기 막 전극 접합체는 캐소드와 애노드, 및 상기 캐소드와 애노드의 사이에 위치하는 전해질막을 구비하고, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나는 상술한 전극 촉매를 포함한다.
상기 연료전지는 예를 들면, 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)로서 구현될 수 있다.
도 2는 연료전지의 일 구현예를 나타내는 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 연료전지를 구성하는 막-전극 접합체(MEA)의 단면 모식도이다.
도 2에 나타내는 연료 전지(100)는 2개의 단위셀(111)이 한 쌍의 홀더(112,112)에 협지되어 개략 구성되어 있다. 단위셀(111)은 막-전극 접합체(110)와, 막-전극 접합체(110)의 두께 방향의 양측에 배치된 바이폴라 플레이트(120,120)로 구성되어 있다. 바이폴라 플레이트(120,120)는 도전성을 가진 금속 또는 카본 등으로 구성되어 있고, 막-전극 접합체(110)에 각각 접합함으로써, 집전체로서 기능함과 동시에, 막-전극 접합체(110)의 촉매층에 대해 산소 및 연료를 공급한다.
한편, 도 2에 나타내는 연료 전지(100)는 단위셀(111)의 수가 2개인데, 단위셀의 수는 2개에 한정되지 않고, 연료 전지에 요구되는 특성에 따라 수십 내지 수백 정도까지 늘릴 수도 있다.
막-전극 접합체(110)는 도 3에 나타내는 바와 같이, 전해질막(200)과, 전해질막(200)의 두께 방향의 양측에 배치되고 그 중 하나에 본 발명의 일구현예에 따른 전극 촉매가 적용된 촉매층(210,210')과, 촉매층(210,210')에 각각 적층된 제1 기체 확산층(221,221')과, 제1 기체 확산층(221,221')에 각각 적층된 제2 기체 확산층(220,220')으로 구성될 수 있다.
촉매층(210,210')은 연료극 및 산소극으로서 기능하는 것으로, 촉매 및 바인더가 포함되어 각각 구성되어 있으며, 상기 촉매의 전기화학적인 표면적을 증가시킬 수 있는 물질이 더 포함될 수 있다.
제1 기체 확산층(221,221') 및 제2 기체 확산층(220, 220')은 각각 예를 들면 카본 시트, 카본 페이퍼 등으로 형성될 수 있고, 바이폴라 플레이트(120, 120)를 통해 공급된 산소 및 연료를 촉매층(210,210')의 전면으로 확산시킨다.
이 막-전극 접합체(110)를 포함하는 연료전지(100)는 100 내지 300℃의 온도에서 작동하고, 한 쪽 촉매층 측에 바이폴라 플레이트(120)를 통해 연료로서 예를 들어 수소가 공급되고, 다른 쪽 촉매층 측에는 바이폴라 플레이트(120)를 통해 산화제로서 예를 들면 산소가 공급된다. 그리고 한 쪽 촉매층에 있어서 수소가 산화되어 수소이온(H+)이 생기고, 이 수소이온(H+)이 전해질막(200)을 전도하여 다른 쪽 촉매층에 도달하고, 다른 쪽 촉매층에 있어서 수소이온(H+)과 산소가 전기화학적으로 반응하여 물(H2O)을 생성함과 동시에, 전기 에너지를 발생시킨다. 또한, 연료로서 공급되는 수소는 탄화수소 또는 알코올의 개질에 의해 발생된 수소일 수도 있고, 또 산화제로서 공급되는 산소는 공기에 포함되는 상태에서 공급될 수도 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 더욱 상세하게 설명하나, 이하의 실시예는 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 것일 뿐이고 본 발명이 아래의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
비교예
A: 촉매 A(
Pd
-
Cu
)의 제조
Pd:Cu의 원자비(atomic ratio)가 5:1인 4wt% K2PdCl4 44.526g 및 4wt% CuCl2?2H2O 5.873의 혼합물 및 킬레이트제인 15wt% 에틸렌 디아민 테트라아세트산(EDTA) 수용액 34.814g을 삼구플라스크에서 혼합하여 금속 전구체 혼합물을 준비하였다. 여기에, 1M NaOH 수용액 10.5g를 첨가하고 30분간 교반하여, 금속 전구체 혼합물의 pH를 10~11로 적정하였다.
한편, 탄소계 담체인 KB (Ketjen-Black, 800m2/g) 0.665g을 H2O와 에탄올의 혼합물(H2O와 에탄올의 중량비는 50:50임) 140g에서 초음파로 30분간 분산시켜, 탄소계 담체 혼합물을 준비하였다
이어서, 상기 탄소계 담체 혼합물에 상기 금속 전구체 혼합물을 첨가하여 제1혼합물을 준비하였다.
상기 제1혼합물의 온도를 50℃로 승온시킨 후, 85% 히드라진 28g을 수용액 펌프로 4cc/분의 속도로 주입하여, 탄소계 담체 상에 Pd-Cu 촉매 입자를 환원시켰다. 이로부터 수득한 결과물을 여과/세척/건조하여 이론상 50중량%의 Pd-Cu 촉매 입자(Pd와Cu의 합금으로서, Pd:Cu의 원자비는 5:1임)가 탄소계 담체 상에 담지된 촉매 A를 수득하였다.
비교예
B: 촉매 B(
Pd
-
Ir
)의 제조
금속 전구체 혼합물 제조시 Pd:Cu의 원자비(atomic ratio)가 5:1인 K2PdCl4 및 CuCl2?2H2O의 혼합물 대신 Pd:Ir의 원자비(atomic ratio)가 5:1이 되도록 정량한 K2PdCl4 및 H2IrCl6?6H2O의 혼합물을 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 비교예 A와 동일한 방법을 이용하여, 이론상 50중량%의 Pd-Ir 촉매 입자(Pd의 Ir의 합금으로서, Pd:Ir의 원자비는 5:1임)가 탄소계 담체 상에 담지된 촉매 B를 수득하였다.
비교예
C: 촉매 C(
Pd
-
Cu
-
Ir
)의 제조
금속 전구체 혼합물 제조시 Pd:Cu의 원자비(atomic ratio)가 5:1인 K2PdCl4 및 CuCl2?2H2O의 혼합물 대신 M(M은 Pd 및 Ir의 함량으로서 Pd:Ir의 원자비는 5:1임):Cu의 원자비(atomic ratio)가 5:1이 되도록 정량한 K2PdCl4, CuCl2?2H2O 및 H2IrCl6?6H2O의 혼합물을 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 비교예 A와 동일한 방법을 이용하여, 이론상 50중량%의 Pd-Cu-Ir 촉매 입자(M(M은 Pd 및 Ir로 이루어지며, Pd:Ir의 원자비는 5:1임):Cu의 원자비는 5:1임)가 탄소계 담체 상에 담지된 촉매 C를 수득하였다.
실시예
1: 촉매 1(촉매 A로부터 제조됨)의 제조
상기 비교예 A와 동일한 방법으로 촉매 A를 제조한 후, 상기 촉매 A 0.7g을 H2O와 이소프로필알콜(IPA)의 혼합물 40g (H2O와 IPA의 질량비는 3:1임)에 첨가하고 초음파를 이용하여 분산시킨 다음, 4wt% H2IrCl6?6H2O 수용액 7.237g(Ir 함량은 0.008g임)을 첨가하고 90℃에서 2시간 동안 반응시킨 후, 상기 비교예 A에 기재된 바와 동일한 여과/세척/건조 과정을 거쳐, 촉매 1을 수득하였다.
실시예
2: 촉매 2(촉매 C로부터 제조됨)의 제조
상기 비교예 C와 동일한 방법으로 촉매 C를 제조한 후, 상기 촉매 C 0.7g을 H2O와 IPA의 혼합물 40g (H2O와 IPA의 질량비는 3:1임)에 첨가하고 초음파을 이용하여 분산시킨 다음, 1wt% H2IrCl6?6H2O 수용액 1.316g(Ir 함량은 0.08g임)첨가하고 90℃에서 2시간 반응시킨 후, 상기 비교예 A에 기재된 바와 동일한 여과/세척/건조 과정을 거쳐, 촉매 2를 수득하였다.
평가예
1
X-선 광전자 분광(X-
ray
Photoelectron
Spectroscopy
:
XPS
) 분석
촉매 C와 촉매 2 표면의 성분 분석을 위하여, XPS 분석(Micro XPS, Quantom2000, Physical Electronics / Power : 27.7W / beam size : 100㎛ / hV=1486.6eV)을 수행하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
| Cu2p (중량%) |
Pd3d (중량%) |
Ir4f (중량%) |
|
| 촉매 C | 6.217 | 26.127 | 7.825 |
| 촉매 2 (촉매 C로부터 제조됨) |
1.700 | 22.555 | 11.426 |
상기 표 1로부터, 촉매 2의 XPS 데이터 중 Cu2P 함량은 촉매 C의 XPS 데이터 중 Cu2P 함량보다 감소하였고, 촉매 2의 XPS 데이터 중 Ir4f 함량은 촉매 C의 XPS 데이터 중 Cu2P 함량보다 증가하였음을 확인할 수 있다.
유도 결합
플라즈마
(
Inductively
Coupled
Plasma
:
ICP
) 분석
촉매 A, 촉매 C, 촉매 1 및 촉매 2의 성분 분석을 위하여 ICP 분석(ICP-AES, ICPS-8100, SHIMADZU / RF source 27.12MHz / sample uptake rate 0.8ml/min)을 수행하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
| 단위 | 촉매의 중량 | Cu의 중량 | Pd의 중량 | Ir의 중량 | |
| 촉매 C (실측치) |
중량% | 100 | 4.4 | 41.4 | 9.4 |
| g | 0.7 | 0.0308 | 0.2898 | 0.0658 | |
| 1촉매 C (가정치) |
중량% | 100 | 4.4 | 40.9 | 10.4 |
| g | 0.708 | 0.0308 | 0.2898 | 0.0738 | |
| 2촉매 2 (실측치) |
중량% | 100 | 3.2 | 41 | 10.4 |
| g | 0.708 | 0.0226 | 0.29 | 0.0736 | |
| 촉매 A (실측치) |
중량% | 100 | 4.86 | 45.19 | 0 |
| g | 0.7 | 0.03402 | 0.31633 | 0 | |
| 3촉매 A (가정치) |
중량% | 100 | 4.4 | 40.6 | 10.3 |
| g | 0.78 | 0.03402 | 0.31633 | 0.08 | |
| 4촉매 1 (실측치) |
중량% | 100 | 3.6 | 40.2 | 10.2 |
| g | 0.78 | 0.02808 | 0.31356 | 0.07956 |
1: 0.7g의 촉매 C에 0.008의 이리듐이 단순 부가된 가상의 촉매
2: 촉매 C로부터 제조됨
3: 0.7g의 촉매 A에 0.08의 이리듐이 단순 부가된 가상의 촉매
4: 촉매 A로부터 제조됨
촉매 C로부터 제조된 촉매 2가, 촉매 C에 이리듐이 단순히 부가된 결과 형성된 촉매라면, 촉매 2의 구리, 팔라듐 및 이리듐 함량(g) 실측치는 촉매 C'의 구리, 팔라듐 및 이리듐 함량(g) 가정치와 동일하여야 한다. 그러나, 표 2에 따르면, 촉매 2의 구리 함량(g)은 촉매 C'의 구리 함량(g)보다 작고, 촉매 2의 팔라듐 함량(g)은 촉매 C'의 팔라듐 함량(g)과 실질적으로 동일하며, 촉매 2의 이리듐 함량(g)은 촉매 C의 이리듐 함량(g)보다 크다. 이로써, 촉매 2는 촉매 C에 포함된 구리 일부가 이리듐으로 치환된 결과물임을 알 수 있다.
마찬가지로, 촉매 A로부터 제조된 촉매 1이, 이리듐이 촉매 A에 단순히 부가된 결과 형성된 촉매라면, 촉매 1의 구리, 팔라듐 및 이리듐 함량(g) 실측치는 촉매 A'의 구리, 팔라듐 및 이리듐 함량(g) 가정치와 동일하여야 한다. 그러나, 표 2에 따르면, 촉매 1의 구리 함량(g)은 촉매 A'의 구리 함량(g)보다 작고, 촉매 1의 팔라듐 함량(g)은 촉매 A'의 팔라듐 함량(g)과 실질적으로 동일하며, 촉매 1의 이리듐 함량(g)은 촉매 A의 이리듐 함량(g)보다 크다. 이로써, 촉매 1은 촉매 A에 포함된 구리 일부가 이리듐으로 치환된 결과물임을 알 수 있다.
X-선
회절
(
XRD
) 분석
촉매 A, 촉매 B, 촉매 C, 촉매 1 및 촉매 2에 대하여 X-선 회절(XRD) 분석 (MP-XRD, Xpert PRO, Philips / Power 3kW)을 수행하여, 그 결과를 표 3 및 도 4에 나타내었다.
| 입자 크기(nm) | (111) 피크의 회절각(2theta) | |
| 촉매 A | 4.346 | 40.5553 |
| 촉매 B | 5.251 | 39.991 |
| 촉매 C | 3.908 | 40.3194 |
| 촉매 1(촉매 A로부터 제조됨) | 4.945 | 40.527 |
| 촉매 2(촉매 C로부터 제조됨) | 3.927 | 40.3177 |
상기 표 3에 따르면, 촉매 A와 촉매 1의 XRD 패턴 중 (111) 피크의 회절각(2θ) 차이는 0.0283이고, 촉매 C와 촉매 2의 XRD 패턴 중 (111) 피크의 회절각(2θ) 차이는 0.0017에 불과한 바, 촉매 A와 촉매 1의 XRD 패턴 중 (111) 피크의 회절각과 촉매 C와 촉매 2의 XRD 패턴 중 (111) 피크의 회절각은 실질적으로, 서로 동일한 것을 확인할 수 있다.
이상, 표 1 및 2을 참조하면, 촉매 A로부터 제조된 촉매 1은, 촉매 A 대비, Cu 함량은 감소하고 Ir 함량은 증가하였으므로, 촉매 A의 촉매 입자 중 Cu가 Ir으로 치환되어 촉매 1이 된 것으로 볼 수 있다. 또한, 표 3을 참조하면, 촉매 1과 촉매 A의 XRD 패턴의 (111) 피크의 회절각은 실질적으로 동일하므로, 촉매 A로부터 제조된 촉매 1의 촉매 입자와 촉매 A의 촉매 입자의 격자 구조는 실질적으로 동일함을 알 수 있다. 따라서, 촉매 A의 촉매 입자 표면의 구리가 이리듐으로 치환되어, 촉매 1이 된 것임을 확인할 수 있다. 만약, 촉매 A의 촉매 입자의 표면에 위치한 구리뿐만 아니라, 촉매 A의 촉매 입자 내부에 위치한 구리까지 이리듐으로 치환된 것이라며, 촉매 A로부터 제조된 촉매 1의 XRD 패턴의 (111) 피크의 회절각은 촉매 B의 회절각과 유사했을 것이다.
이와 동일한 논리로, 표 1 및 2을 참조하면, 촉매 C로부터 제조된 촉매 2는, 촉매 C 대비, Cu 함량은 감소하고 Ir 함량은 증가하였으므로, 촉매 C의 촉매 입자의 Cu가 Ir으로 치환되어 촉매 2가 된 것으로 볼 수 있다. 또한, 표 3을 참조하면, 촉매 2와 촉매 C의 XRD 패턴의 (111) 피크의 회절각은 실질적으로 동일하므로, 촉매 C로부터 제조된 촉매 2의 촉매 입자와 촉매 C의 촉매 입자의 격자 구조는 실질적으로 동일함을 알 수 있다. 따라서, 촉매 C의 촉매 입자 표면의 구리가 이리듐으로 치환되어, 촉매 2가 된 것임을 확인할 수 있다. 만약, 촉매 C의 촉매 입자의 표면에 위치한 구리뿐만 아니라, 촉매 C의 촉매 입자 내부에 위치한 구리까지 이리듐으로 치환된 것이라며, 촉매 C로부터 제조된 촉매 2의 XRD 패턴의 (111) 피크의 회절각은 촉매 B와 유사했을 것이다.
평가예
2
단위 전지 제작
촉매 A 1g 당 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 0.03g과 적절한 양의 용매 NMP를 혼합하여 캐소드용 슬러리를 제조하였다. 상기 캐소드용 슬러리를 미세다공층(microporous layer)이 코팅된 카본 페이퍼(carbon paper) 위에 바 코터기(bar coater)로 코팅한 후 상온부터 150℃까지 단계적으로 온도를 올리는 건조 공정을 거쳐 캐소드를 제작하였다. 캐소드에서 상기 촉매 A의 로딩량은 1.5 mg/cm2 이었다.
이와 별도로, PtRu/C 촉매 사용하여 애노드를 제작하였는데, 애노드에서 상기 PtRu/C 촉매의 로딩량은 약 0.8 mg/cm2이었다.
상기 캐소드 및 애노드 사이에 전해질막으로서 85중량% 인산이 도핑된 t-PBOA를 전해질막으로 사용하여 전극-막 접합체(MEA) A를 제조하였다.
촉매 A 대신, 촉매 B, C, 1 및 2를 각각 사용하여, 전극-막 접합체 B, C, 1 및 2를 제조하였다.
단위 전지 테스트
상기 전극-막 접합체 A, B, C, 1 및 2의 성능을 캐소드용으로 무가습 공기(250cc/min)와 애노드용으로 무가습 수소(100cc/min)를 사용하여 150℃에서 평가한 결과를 도 5 및 표 4에 나타내었다.
| 개방 회로 전압(OCV) (V) |
전위(V) @0.2 A/cm2 |
|
| 전극-막 접합체 A (비교예 A) |
0.815 | 0.467 |
| 전극-막 접합체 B (비교예 B) |
0.861 | 0.465 |
| 전극-막 접합체 C (비교예 C) |
0.854 | 0.49 |
| 전극-막 접합체 1 (실시예 1) |
0.835 | 0.51 |
| 전극-막 접합체 2 (실시예 2) |
0.941 | 0.545 |
도 5 및 표 4에 따르면, 전극-막 접합체 1 및 2는, 전극-막 접합체 A 및 C에 비하여, 각각 높은 OCV(촉매의 산소환원반응 개시전압 (oxygen reduction reaction onset potential)과 관련이 있음) 및 0.2 A/cm2에서의 전위를 가짐을 확인할 수 있다. 한편, 전극-막 접합체 B의 0.2 A/cm2에서의 전위는 전극-막 접합체 1 및 2보다 모두 불량함을 확인할 수 있는 바, 촉매 1 및 2의 우수한 성능을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 2의 전극-막 접합체 2의 시간에 따른 셀 전압을 측정하여 도 6에 나타내었다. 도 6으로부터 실시예 2의 전극-막 접합체 2는 우수한 전지 안정성을 가짐을 확인할 수 있다.
100: 연료 전지
111: 단위셀
120: 플레이트
110: 막-전극 접합체
112: 홀더
111: 단위셀
120: 플레이트
110: 막-전극 접합체
112: 홀더
Claims (19)
- 복수의 팔라듐 원자, 복수의 전이 금속 원자 및 상기 전이 금속의 표준 환원 전위보다 높은 표준 환원 전위를 갖는 복수의 귀금속 원자를 포함한 촉매 입자를 포함하고, 상기 모든 전이 금속 원자 각각은 상기 팔라듐 원자, 이웃하는 다른 전이 금속 원자 및 상기 귀금속 원자 중 하나 이상에 의하여 둘러싸여 있는, 연료 전지용 전극 촉매.
- 제1항에 있어서,
상기 전이 금속이 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 아연(Zn) 중 1종 이상의 금속인, 연료 전지용 전극 촉매. - 제1항에 있어서,
상기 귀금속이 이리듐(Ir), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 은(Ag) 중 1종 이상의 금속인, 연료 전지용 전극 촉매. - 제1항에 있어서,
상기 촉매 입자가 전이 금속 원자를 포함하지 않는 표면을 갖는, 연료 전지용 전극 촉매. - 제1항에 있어서,
상기 촉매 입자가 전이 금속 원자를 포함하지 않는 최외각 원자층을 갖는, 연료 전지용 전극 촉매. - 제1항에 있어서,
탄소계 담체를 더 포함한, 연료 전지용 전극 촉매. - 복수의 팔라듐 원자 및 복수의 전이 금속 원자를 포함한 제1촉매 입자를 포함하고, 상기 전이 금속 원자의 일부 이상은 상기 제1촉매 입자의 표면에 존재하는, 제1촉매를 제공하는 단계; 및
상기 제1촉매를 상기 전이 금속의 표준 환원 전위보다 높은 표준 환원 전위를 갖는 귀금속 전구체와 접촉시킴으로써, 상기 제1촉매를 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 연료 전지용 전극 촉매로 변환시키는 단계;
를 포함한, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1촉매가 탄소계 담체를 더 포함한, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1촉매 입자가, 상기 전이 금속의 표준 환원 전위보다 높은 표준 환원 전위를 갖는 귀금속 원자를 더 포함한, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1촉매를 상기 연료 전지용 전극 촉매로 변환시키는 단계에서, 상기 제1촉매 입자 표면의 전이 금속 원자가 상기 귀금속 전구체의 귀금속 원자로 치환되는, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1촉매를 상기 연료 전지용 전극 촉매로 변환시키는 단계를, 상기 제1촉매 및 상기 귀금속 전구체를 포함한 제2혼합물을 제공하는 공정; 및 상기 제2혼합물을 열처리하는 공정에 의하여 수행하는, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 귀금속 전구체의 함량은, 상기 귀금속 전구체 중 귀금속 함량이 상기 제1촉매 100중량부 당 0.5중량부 내지 20중량부가 되도록 하는 범위에서 선택되는, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 제2혼합물이 글리콜계 용매 및 알코올계 용매 중 1종 이상을 더 포함한, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 제2혼합물의 열처리 조건이 80 내지 400℃의 온도 범위 및 1시간 내지 4시간의 시간 범위 내에서 선택되는, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1촉매의 유도 결합 플라즈마(ICP) 데이터(여기서, ICP 분석된 상기 제1촉매의 중량은 A임) 중 전이 금속 및 귀금속의 함량을 각각 X1 및 Y1라 하고, 상기 연료 전지용 전극 촉매의 ICP 데이터(여기서, ICP 분석된 상기 연료 전지용 전극 촉매의 중량은 A+B이고, 상기 B는 상기 귀금속 전구체 중 귀금속 함량임) 중 전이 금속 및 귀금속의 함량을 각각 X2 및 Y2라 할 때, X1>X2이고, Y1<Y2이되, 여기서 상기 중량 및 함량의 단위는 g이고, 상기 ICP 분석 조건은 27.12MHz의 RF 소스(source) 및 0.8ml/min의 샘플 업테이크 레이트(sample uptake rate)인, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1촉매의 Cu의 Ka1으로 회절시킨 X-선 회절 패턴의 (111) 피크의 회절각(2theta)과 상기 전극 촉매의 Cu의 Ka1으로 회절시킨 X-선 회절 패턴의 (111) 피크의 회절각(2theta) 차이가 0.1 이하인, 연료 전지용 전극 촉매 제조 방법. - 캐소드;
상기 캐소드와 대향하여 위치하는 애노드; 및
상기 캐소드와 애노드의 사이에 위치하는 전해질막;을 포함하고,
상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나가, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 전극 촉매를 포함한, 연료 전지용 막 전극 접합체. - 제17항에 있어서,
상기 캐소드가 상기 전극 촉매를 포함한, 연료 전지용 막 전극 접합체. - 제18항에 따른 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지.
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