KR20190040657A - Preparation method of porous Pt thin film for fuel cell - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a porous platinum thin film for a fuel cell. More particularly, a porous copper thin film capable of forming a porous thin film is first formed using a hydrogen bubble template, and then the porous platinum thin film is manufactured by substituting copper with platinum. The manufactured platinum thin film can be applied as an electrode for a fuel cell.

Description

연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법{Preparation method of porous Pt thin film for fuel cell}[0001] The present invention relates to a porous platinum thin film for fuel cells,

본 발명은 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소거품 형판(template)을 사용하여 다공성 박막 형성이 가능한 다공성 구리 박막을 우선 형성한 후 구리를 백금으로 치환함으로써 다공성 백금 박막을 제조하고, 이를 연료전지용 전극으로 응용하는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a porous platinum thin film for a fuel cell, and more particularly, to a method for producing a porous platinum thin film for a fuel cell by forming a porous copper thin film capable of forming a porous thin film using a hydrogen bubble template, And a technique for applying the same as an electrode for a fuel cell.

백금은 귀금속 중 하나로 높은 촉매활성을 가지고 있으며 높은 산화환원전위를 가지고 있는 물질이다. 매우 높은 가격에도 불구하고 활성이 뛰어나 연료전지 촉매 등에 쓰이고 있으며 따라서 이를 이용한 촉매층 형성법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적인 촉매층 형성법으로는 분무법과 전사법이 많이 쓰이고 있으며 촉매의 입자크기 조절과 표면적의 증대를 통해 성능 및 내구성의 개선을 중점으로 연구가 진행되고 있다. 내구성을 증가시키는 방법 중에 하나도 입자가 아닌 박막 형태의 촉매층을 만드는 방법이 있으며, 대표적으로 역오팔 구조, 휘스커 구조 등이 다공성 촉매층 사례로서 제시되었지만 방법이 복잡하고 촉매층의 구조제어가 어렵다는 단점으로 인해 큰 효과를 보여주지 못하였다.Platinum is one of the noble metals and has high catalytic activity and has a high redox potential. Despite its very high price, it is excellent in activity and is used in fuel cell catalysts. Therefore, studies on the catalyst layer formation method using it have been actively conducted. As a general catalyst layer formation method, a spraying method and a transferring method are widely used, and studies are focused on improvement of performance and durability through controlling the particle size of the catalyst and increasing the surface area. One of the methods for increasing the durability is a method of making a catalyst layer in the form of a thin film rather than a particle. Typically, a reverse opal structure, a whisker structure, or the like is presented as an example of a porous catalyst layer. However, due to the complicated method and difficulty in controlling the structure of the catalyst layer, The effect was not shown.

전해도금은 기판을 금속 전구체 용액에 넣고 기판 쪽에 전자를 흘려주면 기판 표면의 전자가 근처의 금속 전구체를 만나 환원시키고 환원된 금속이 기판 위에 증착되는 것을 기본원리로 한다. 이러한 이유로 기판이 전기가 통할 수 있는 전도체여야 한다는 단점이 있지만 인가 전압 또는 전류밀도, 인가 전하량 등에 따라 전착된 박막의 모양, 두께 등을 다양하게 조절할 수 있는 것이 장점이다. 그러나 백금과 같은 촉매활성이 높은 물질의 전해도금 같은 경우 도금과 동시에 백금이 촉매로 작용하여 기존 전압대에서 일어나지 않는 수소거품 형성 등이 일어나서 전류 효율(current efficiency)이 떨어져 효과적인 박막 형성이 어렵다. 더구나 본 연구에서 형판(template)로 사용하고자 하는 수소 거품이 기판이 아닌 백금 위에서 발생하여 다공성의 백금박막 형성이 불가능하다.Electroplating is based on the principle that electrons on the surface of a substrate meet and react with a metal precursor in the vicinity of the surface of the substrate, and a reduced metal is deposited on the substrate. For this reason, there is a disadvantage that the substrate must be a conductor that can conduct electricity, but it is advantageous that the shape and thickness of the electrodeposited thin film can be variously adjusted according to the applied voltage, the current density, and the applied charge amount. However, in the case of electrolytic plating of a material having a high catalytic activity such as platinum, platinum acts as a catalyst at the same time as a catalyst to form a hydrogen bubble which does not occur in the existing voltage band, and current efficiency is lowered. Furthermore, in this study, it is impossible to form a porous platinum thin film because the hydrogen bubble to be used as a template occurs on the platinum instead of the substrate.

구리는 은 다음으로 열 전도율, 전기전도도가 좋은데 반해 가격이 싸서 실생활에 널리 쓰이는 물질로서 가장 대표적으로는 전선에 사용되고 있으며 화학반응성이 좋아 다른 금속과 합금을 이루어 각종 집기 및 주화 등으로 사용되고 있다. 구리의 전해도금은 오래 기간 연구가 이루어져왔으며 다양한 구조의 박막형성이 가능하다는 장점이 있다. 특히 전해도금을 진행할 때 큰 과전압을 가해주면 수소가 생성하는데 이를 형판으로 이용하여 다공성 박막을 형성하는 것은 널리 알려져 있다. 또한 구리는 산화환원전위가 0.34 V(vs SHE)로 백금의 산화환원전위인 0.73 V(vs SHE)보다 낮아 치환이 가능한 물질 중에 하나다. Copper silver is second most widely used material in real life because of its low thermal conductivity and good electrical conductivity, while it is good in thermal conductivity and electrical conductivity. It is chemically reactive and is used with various metals and alloys as other metals and alloys. Electrolytic plating of copper has been studied for a long period of time and has the advantage of being able to form thin films of various structures. Particularly, when electrolytic plating is performed, hydrogen is produced if a large overvoltage is applied, and it is widely known that a porous thin film is formed by using it as a template. Copper is also one of the substitutable materials because the redox potential is 0.34 V (vs SHE), which is lower than the redox potential of platinum, 0.73 V (vs SHE).

따라서, 본 발명자는 수소거품 형판(template)을 사용하여 다공성 박막 형성이 가능한 다공성 구리 박막을 우선 형성한 후 구리를 백금으로 치환함으로써 다공성 백금 박막을 제조하고, 이를 연료전지용 전극으로 응용할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
Accordingly, the present inventors have found that a porous copper thin film capable of forming a porous thin film can be formed first by using a hydrogen foam template, and then the porous platinum thin film can be prepared by replacing copper with platinum, And thus completed the present invention.

특허문헌 1. 한국 공개특허 공보 제10-2017-0004266호Patent Document 1: Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2017-0004266

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 수소거품 형판(template)을 사용하여 다공성 박막 형성이 가능한 다공성 구리 박막을 우선 형성한 후 구리를 백금으로 치환함으로써 다공성 백금 박막을 제조하고, 이를 연료전지용 전극으로 응용하고자 하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a porous platinum thin film capable of forming a porous thin film by first forming a porous copper thin film using a hydrogen bubble template, And to apply it as an electrode for a fuel cell.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 (b) 기판에 구리를 전해도금하여 다공성 구리 박막을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 다공성 구리 박막이 형성된 기판을 백금 전구체 용액에 침지하여 구리를 백금으로 치환하는 단계;를 포함하는 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법에 관한 것이다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (b) electroplating copper on a substrate to form a porous copper thin film; And (c) immersing the substrate on which the porous copper thin film has been formed in a platinum precursor solution to replace copper with platinum. The present invention also relates to a method for manufacturing a porous platinum thin film for a fuel cell.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 탄소 종이일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the substrate may be carbon paper.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계 이전에 (a) 기판을 질산 및 황산의 혼합용액에 침지한 후 초음파 조사하는 기판의 전처리 단계를 추가로 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step (b) may further include: (a) a step of pretreating the substrate by immersing the substrate in a mixed solution of nitric acid and sulfuric acid followed by ultrasonic irradiation.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 질산 및 황산의 부피비는 1 : 2 내지 4이고; 상기 초음파의 주파수는 20 내지 30 kHz이며; 상기 초음파의 출력은 50 내지 60 W이며; 상기 초음파의 조사 시간은 10 내지 20 분일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the volume ratio of nitric acid and sulfuric acid is 1: 2 to 4; The frequency of the ultrasonic waves is 20 to 30 kHz; The output of the ultrasonic waves is 50 to 60 W; The irradiation time of the ultrasonic waves may be 10 to 20 minutes.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계에서 사용되는 도금액은 0.5 내지 1 M의 구리 전구체 및 0.1 내지 1 M의 황산 용액의 혼합 용액일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the plating solution used in the step (b) may be a mixed solution of 0.5 to 1 M of copper precursor and 0.1 to 1 M of sulfuric acid solution.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계는 기판을 작동전극으로 하여 정전류 방법으로 도금하고, 인가되는 전류밀도는 3 내지 10 A/cm2, 전하량은 1 mC/cm2 내지 100 C/cm2일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the step (b), the current density is 3 to 10 A / cm 2 and the charge amount is 1 mC / cm 2 to 100 C / cm < 2 >.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계는 기판을 작동전극으로 하여 정전류 방법으로 도금하고, 인가되는 전압은 수소 기준 전극 대비 0 내지 -10 V, 전하량은 1 mC/cm2 내지 100 C/cm2일 수 있다.According to yet another embodiment of the invention, the step (b) to the substrate as a working electrode and a constant current plating method, the voltage applied to a hydrogen reference electrode than 0 to -10 V, the charge amount is 1 mC / cm 2 to 100 C / cm < 2 >.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (c) 단계는 1 μM 내지 20 mM의 백금 전구체 용액에 상기 다공성 구리 박막이 형성된 기판을 0 내지 95 ℃ 조건으로 3 내지 10 시간 동안 침지하여 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step (c) may be performed by immersing the substrate on which the porous copper thin film is formed in a platinum precursor solution of 1 [mu] M to 20 mM for 3 to 10 hours at 0 to 95 [ have.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 기판은 탄소 종이이고; 상기 (b) 단계 이전에 (a) 기판을 질산 및 황산의 혼합용액에 침지한 후 초음파 조사하는 기판의 전처리 단계를 추가로 포함하며; 상기 질산 및 황산의 부피비는 1 : 2 내지 4이며; 상기 초음파의 주파수는 20 내지 30 kHz이며; 상기 초음파의 출력은 50 내지 60 W이며; 상기 초음파의 조사 시간은 10 내지 20 분이며; 상기 (b) 단계에서 사용되는 도금액은 0.5 내지 1 M의 구리 전구체 및 0.5 내지 1 M의 황산 용액의 혼합 용액이며; 상기 (b) 단계는 기판을 작동전극으로 하여 정전류 방법으로 도금하고, 인가되는 전류밀도는 3 내지 10 A/cm2, 전하량은 1 mC/cm2 내지 30 C/cm2이며; 상기 (c) 단계는 1 μM 내지 20 mM의 백금 전구체 용액에 상기 다공성 구리 박막이 형성된 기판을 60 내지 95 ℃ 조건으로 3 내지 10 시간 동안 침지하여 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the substrate is carbon paper; (A) before the step (b), further comprising the step of pre-treating the substrate by immersing the substrate in a mixed solution of nitric acid and sulfuric acid and irradiating the substrate with ultrasonic waves; The volume ratio of nitric acid and sulfuric acid is 1: 2 to 4; The frequency of the ultrasonic waves is 20 to 30 kHz; The output of the ultrasonic waves is 50 to 60 W; The irradiation time of the ultrasonic waves is 10 to 20 minutes; The plating solution used in the step (b) is a mixed solution of 0.5 to 1 M of copper precursor and 0.5 to 1 M of sulfuric acid solution; In the step (b), the substrate is plated by a constant current method using the working electrode, the applied current density is 3 to 10 A / cm 2 , the charge amount is 1 mC / cm 2 to 30 C / cm 2 ; The step (c) may be performed by immersing the substrate on which the porous copper thin film is formed in a platinum precursor solution of 1 [mu] M to 20 mM at 60 to 95 [deg.] C for 3 to 10 hours.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 연료전지용 다공성 백금 박막은 상기 다공성 구리 박막의 표면에 다공성 백금 박막이 둘러싸인 형태로 형성될 수 있다.
According to another embodiment of the present invention, the porous platinum thin film for fuel cells may be formed in the form of a porous platinum thin film surrounded on the surface of the porous copper thin film.

본 발명에 따르면, 수소거품을 형판(template)을 사용하여 다공성 박막 형성이 가능한 다공성 구리 박막을 우선 형성한 후 구리를 백금으로 치환함으로써 다공성 백금 박막을 제조하고, 이를 연료전지용 전극으로 응용할 수 있다.
According to the present invention, a porous copper thin film capable of forming a porous thin film by using a hydrogen foam as a template is first formed, and then copper is replaced with platinum to prepare a porous platinum thin film, which can be applied as an electrode for a fuel cell.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전처리 전과 후의 탄소종이 접촉각을 나타낸 이미지이다[(a) 기판의 전처리 전 및 (b) 기판의 전처리 후].
도 2는 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 다공성 구리 박막의 주사 전자 현미경 이미지이다[(a) 스케일바 200 μm 및 (b) 스케일바 20 μm].
도 3은 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 다공성 백금 박막의 주사 전자 현미경 이미지이다[(a) 스케일바 40 μm 및 (b) 스케일바 1 μm].
도 4는 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 다공성 백금 박막를 고분자전해질막연료전지 (PEMFC)에 적용하여 얻은 배압에 따른 단위전지 성능측정 그래프다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an image showing the contact angle of carbon paper before and after the pretreatment according to Example 1 of the present invention (after (a) before pretreatment of the substrate and (b) after pretreatment of the substrate).
FIG. 2 is a scanning electron microscope image of the porous copper thin film prepared from Example 1 of the present invention ((a) scale bar 200 μm and (b) scale bar 20 μm).
FIG. 3 is a scanning electron microscope image of the porous platinum thin film prepared from Example 1 of the present invention ((a) scale bar 40 μm and (b) scale bar 1 μm).
FIG. 4 is a graph of the performance of a unit cell according to a back pressure obtained by applying the porous platinum thin film produced in Example 1 of the present invention to a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC).

본 발명은 백금의 높은 촉매활성으로 인하여 수소거품 형판(template)을 이용한 다공성 백금 박막의 형성이 어려운 종래의 문제를 해결하기 위하여, 고전류밀도 영역에서 정전류를 인가하여 수소거품 형판(template)을 이용한 다공성 구리 박막을 우선적으로 형성한 후 구리와 백금을 치환함으로써, 다공성 및 박막의 두께 제어가 가능한 다공성 백금 박막을 제공하고자 한다.In order to solve the conventional problem that it is difficult to form a porous platinum thin film using a hydrogen bubble template due to a high catalytic activity of platinum, the present invention provides a method of forming a porous platinum thin film using a hydrogen bubble template by applying a constant current in a high current density region, The present invention provides a porous platinum thin film capable of controlling porosity and thin film thickness by preferentially forming a copper thin film and then substituting copper and platinum.

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

본 발명의 일 측면은 (b) 기판에 구리를 전해도금하여 다공성 구리 박막을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 다공성 구리 박막이 형성된 기판을 백금 전구체 용액에 침지하여 구리를 백금으로 치환하는 단계;를 포함하는 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법에 관한 것이다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (b) electroplating copper on a substrate to form a porous copper thin film; And (c) immersing the substrate on which the porous copper thin film has been formed in a platinum precursor solution to replace copper with platinum. The present invention also relates to a method for manufacturing a porous platinum thin film for a fuel cell.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 탄소 종이일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the substrate may be carbon paper.

상기 기판은 탄소 종이 또는 탄소 천을 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 탄소 종이를 사용할 수 있다.The substrate may be carbon paper or carbon cloth, but is not limited thereto. Preferably, carbon paper can be used.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계 이전에 (a) 기판을 질산 및 황산의 혼합용액에 침지한 후 초음파 조사하는 기판의 전처리 단계를 추가로 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step (b) may further include: (a) a step of pretreating the substrate by immersing the substrate in a mixed solution of nitric acid and sulfuric acid followed by ultrasonic irradiation.

습윤성이 낮은 기판을 사용하여 전해도금할 경우 핵 형성 및 박막 성장이 용이하지 않기 때문에 상기 기판의 전처리 단계를 통하여 기판의 습윤성(wettability)이 증가되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 초음파 조사는 초음파 혼(ultrasound horn) 또는 초음파 세척기(ultrasonic cleaner) 등 다양한 초음파 발생장치들을 이용해 조사할 수 있다.When electroplating is performed using a substrate having low wettability, nucleation and thin film growth are not easy, so that the wettability of the substrate is increased through the pretreatment step of the substrate. The ultrasonic wave irradiation may be performed using various ultrasonic wave generating devices such as an ultrasound horn or an ultrasonic cleaner.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 질산 및 황산의 부피비는 1 : 10 내지 10 : 1, 바람직하게는 1 : 2 내지 4이고; 상기 초음파의 주파수는 20 내지 100 kHz, 바람직하게는 20 내지 30 kHz이며; 상기 초음파의 출력은 1 내지 100 W, 바람직하게는 50 내지 60 W이며; 상기 초음파의 조사 시간은 10 초 내지 2 시간, 바람직하게는 10 내지 20 분일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the volume ratio of nitric acid and sulfuric acid is 1: 10 to 10: 1, preferably 1: 2 to 4; The frequency of the ultrasonic waves is 20 to 100 kHz, preferably 20 to 30 kHz; The output of the ultrasonic waves is 1 to 100 W, preferably 50 to 60 W; The irradiation time of the ultrasonic waves may be 10 seconds to 2 hours, preferably 10 to 20 minutes.

특히, 상기 기판으로 탄소 종이를 사용함과 동시에 기판의 전처리시 상기 조건으로 초음파 조사를 수행하였을 경우에는, 연료전지의 음극으로(양극으로는 상용촉매 Pt/C 40 wt% 사용) 적용하면 다공성 백금 박막이 기판 전체 면적에 SEM으로 분간 가능한 오차 범위 내에서 기판에 균일한 두께로 담지됨을 확인하였고, 또한 500 회 cyclic voltammetry(CV) 진행 후에도 기판에 형성된 다공성 백금 박막의 유실이 전혀 관찰되지 않았다. 반면 상기 기판으로 다른 종류의 것을 사용하거나, 상기 기판으로 다른 종류의 것을 사용함과 동시에, 상기 초음파 조사의 모든 조건에서의 수치 범위를 벗어나는 경우에는 기판 상에 상기 다공성 백금 박막의 두께가 균일하지 않게 형성될 뿐만 아니라, 500 회 cyclic voltammetry(CV) 진행 후에 기판에 형성된 다공성 백금 박막의 유실이 현저하게 나타남을 확인하였다.Particularly, when the carbon paper is used as the substrate and the ultrasonic wave irradiation is performed under the above conditions during the pretreatment of the substrate, if the cathode is used as the cathode of the fuel cell (using the commercial catalyst Pt / C 40 wt% as the anode) It was confirmed that the total thickness of the substrate was supported uniformly on the substrate within an error range that can be determined by SEM, and no loss of the porous platinum thin film formed on the substrate was observed after 500 cycles of cyclic voltammetry (CV). On the other hand, when a different kind of substrate is used as the substrate, or a different kind of substrate is used as the substrate, and if the numerical range in the ultrasound irradiation is out of the numerical range, the thickness of the porous platinum thin film is formed And the loss of the porous platinum thin film formed on the substrate after 500 cycles of cyclic voltammetry (CV) was remarkably observed.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계에서 사용되는 도금액은 0.5 내지 1 M의 구리 전구체 및 0.1 내지 1 M의 황산 용액의 혼합 용액일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the plating solution used in the step (b) may be a mixed solution of 0.5 to 1 M of copper precursor and 0.1 to 1 M of sulfuric acid solution.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계는 기판을 작동전극으로 하여 정전류 방법으로 도금하고, 인가되는 전류밀도는 3 내지 10 A/cm2, 전하량은 1 mC/cm2 내지 100 C/cm2일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the step (b), the current density is 3 to 10 A / cm 2 and the charge amount is 1 mC / cm 2 to 100 C / cm < 2 >.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계는 기판을 작동전극으로 하여 정전류 방법으로 도금하고, 인가되는 전압은 수소 기준 전극 대비 0 내지 -10 V, 전하량은 1 mC/cm2 내지 100 C/cm2일 수 있다.According to yet another embodiment of the invention, the step (b) to the substrate as a working electrode and a constant current plating method, the voltage applied to a hydrogen reference electrode than 0 to -10 V, the charge amount is 1 mC / cm 2 to 100 C / cm < 2 >.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (c) 단계는 1 μM 내지 20 mM의 백금 전구체 용액에 상기 다공성 구리 박막이 형성된 기판을 0 내지 95 ℃ 조건으로 3 내지 10 시간 동안 침지하여 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step (c) may be performed by immersing the substrate on which the porous copper thin film is formed in a platinum precursor solution of 1 [mu] M to 20 mM for 3 to 10 hours at 0 to 95 [ have.

상기 백금 전구체 용액은 K2PtCl6, K2PtCl4, H2PtCl6 및 PtCl2 중에서 선택되는 1종 이상의 백금 전구체를 사용하여 제조될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 K2PtCl6를 사용할 수 있다.The platinum precursor solution may be prepared using at least one platinum precursor selected from K 2 PtCl 6 , K 2 PtCl 4 , H 2 PtCl 6, and PtCl 2 , but is not limited thereto. Preferably, K 2 PtCl 6 can be used.

특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법에 있어서, 다양한 종류의 기판에 대하여 (b) 단계 이전에 기판의 전처리 단계의 포함 여부를 달리하고, 기판 전처리 단계의 조건, 구리 도금액의 종류, 구리 전해도금시 전류밀도와 전하량 및 백금 치환 단계의 조건을 변화시켜 제조한 다공성 백금 박막에 대하여 투과전자현미경(TEM)을 통하여 그 형태를 확인하였다.Particularly, although not explicitly described in the following examples or comparative examples, in the method for producing a porous platinum thin film for a fuel cell according to the present invention, it is preferable that the pretreatment step of the substrate before step (b) The porous platinum thin films prepared by varying the conditions of the substrate pretreatment step, the type of copper plating solution, the current density and the amount of charge at the time of copper electroplating, and the conditions of the platinum substitution step were measured by transmission electron microscope (TEM) Respectively.

그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래 조건이 모두 만족하였을 때 상기 다공성 백금 박막이 다공성 구리 박막의 표면에 완전히 둘러싸인 형태로 형성(구리의 노출이 전혀 없었음)되거나 또는 구리가 모두 백금으로 치환된 형태로 형성됨을 확인하였다.As a result, unlike other conditions and other numerical ranges, when the following conditions were all satisfied, the porous platinum film was formed in a completely enclosed form on the surface of the porous copper film (no exposure of copper) As shown in Fig.

다만, 아래 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 상기 다공성 백금 박막이 다공성 구리 박막의 표면에 완전히 둘러싸이지 않고 구리가 노출된 형태로 형성되거나 또는 구리가 모두 백금으로 치환되지 않고 일부만 치환됨(다공성 백금 박막이 다공성 구리 박막의 표면으로 둘러싸인 형태는 아님)을 확인하였다.However, if any one of the following conditions is not satisfied, the porous platinum thin film is not completely surrounded by the surface of the porous copper thin film and the copper is exposed, or the copper is not substituted with all of the platinum, The platinum thin film is not surrounded by the surface of the porous copper thin film).

(ⅰ) 기판은 탄소 종이, (ⅱ) (b) 단계 이전에 기판을 질산 및 황산의 혼합용액에 침지한 후 초음파 조사하는 기판의 전처리 단계를 추가로 포함, (ⅲ) 전처리 단계에서 질산 및 황산의 부피비는 1 : 2 내지 4, (ⅳ) 전처리 단계에서 초음파의 주파수는 20 내지 30 kHz, (ⅴ) 전처리 단계에서 초음파의 출력은 50 내지 60 W, (ⅵ) 전처리 단계에서 초음파의 조사 시간은 10 내지 20 분, (ⅶ) (b) 단계에서 사용되는 도금액은 0.5 내지 1 M의 구리 전구체 및 0.1 내지 1 M의 황산 용액의 혼합 용액, (ⅷ) (b) 단계는 기판을 작동전극으로 하여 정전류 방법으로 도금하고, 인가되는 전류밀도는 3 내지 10 A/cm2, 전하량은 1 mC/cm2 내지 30 C/cm2, (ⅸ) (c) 단계는 1 μM 내지 20 mM의 백금 전구체 용액에 상기 다공성 구리 박막이 형성된 기판을 60 내지 95 ℃ 조건으로 3 내지 10 시간 동안 침지하여 수행.(I) the substrate is a carbon paper, (ii) further comprises a pretreatment step of immersing the substrate in a mixed solution of nitric acid and sulfuric acid before the step (b) and ultrasonic irradiation, (iii) (Iv) the frequency of the ultrasonic waves in the preprocessing step is 20 to 30 kHz, (v) the output of the ultrasonic waves in the preprocessing step is 50 to 60 W, (vi) the irradiation time of the ultrasonic waves in the preprocessing step is (B) is a mixed solution of a copper precursor of 0.5 to 1 M and a sulfuric acid solution of 0.1 to 1 M, (b) the plating solution used in step (b) the current density to be plated, and applying a constant current method is 3 to 10 a / cm 2, the amount of charge is platinum precursor solution of 1 mC / cm 2 to about 30 C / cm 2, (ⅸ ) (c) step is 1 μM to 20 mM The substrate having the porous copper foil formed thereon is dipped under a condition of 60 to 95 캜 for 3 to 10 hours Performed.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 연료전지용 다공성 백금 박막은 상기 다공성 구리 박막의 표면에 다공성 백금 박막이 둘러싸인 형태로 형성될 수 있다.
According to another embodiment of the present invention, the porous platinum thin film for fuel cells may be formed in the form of a porous platinum thin film surrounded on the surface of the porous copper thin film.

이하에서는 본 발명에 따른 제조예 및 실시예를 첨부된 도면과 함께 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, production examples and embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시예 1: 다공성 백금 박막의 제조Example 1: Preparation of a porous platinum thin film

1. 기판의 전처리 단계1. Pre-treatment of substrate

전해도금의 기판으로 쓰인 탄소종이는 습윤성이 낮다. 낮은 습윤성은 전해도금 시 핵형성 및 박막 성장이 용이하지 않기에 전처리를 진행하였다. 전처리는 질산과 황산의 부피비를 1:3으로 맞춘 용액을 제조하여 탄소종이를 넣은 후 초음파 세척장비로 초음파를 조사하여 진행하였다. 초음파 조사시간은 15 분으로 하였으며 조사가 끝난 후 증류수로 잔여물을 제거해주었다(초음파 주파수는 20 내지 30 kHz, 초음파 출력은 50 내지 60 W로 수행).
Carbon paper used as a substrate for electrolytic plating has low wettability. The low wettability was pre - treated because nucleation and thin film growth were not easy during electrolytic plating. The pretreatment was carried out by preparing a solution of nitric acid and sulfuric acid in a volume ratio of 1: 3, adding carbon paper, and irradiating ultrasonic waves with ultrasonic cleaning equipment. The ultrasonic irradiation time was 15 minutes. After the irradiation, the residue was removed with distilled water (the ultrasonic frequency was 20 to 30 kHz and the ultrasonic output was 50 to 60 W).

2. 수소거품 형판(template)을 이용한 구리 전해도금을 통한 다공성 구리 박막의 형성2. Formation of Porous Copper Thin Film by Copper Electroplating Using Hydrogen Bubble Template

상기와 같이 전처리된 탄소종이를 작동전극 기판, 상대전극을 구리판으로 하여 전극시스템을 구성하였다. 상대전극은 구리판으로 하고 도금액은 0.83 M CuSO4와 0.5 M H2SO4를 혼합하여 제조하였다. 도금은 정전류 방식으로 진행하며 인가전류밀도는 4 A/cm2로 설정하고 4초 동안 진행하여 16 C/cm2의 전하량이 인가되도록 한다. 이후 증류수로 세척한 후 10 내지 100 ℃의 대기 또는 진공 조건에서 건조하여 다공성 구리 박막을 형성하였다.
The electrode system was constructed by using the pretreated carbon paper as the working electrode substrate and the counter electrode as the copper plate. The counter electrode was made of copper plate and the plating solution was prepared by mixing 0.83 M CuSO 4 and 0.5 MH 2 SO 4 . The plating proceeds in a constant current mode, and the applied current density is set to 4 A / cm 2 , followed by 4 seconds to allow the charge amount of 16 C / cm 2 to be applied. Thereafter, the substrate was washed with distilled water and dried at 10 to 100 ° C under atmospheric or vacuum conditions to form a porous copper thin film.

3. 치환과정을 통한 다공성 백금 박막의 형성3. Formation of Porous Platinum Thin Film by Substitution Process

5 mM의 K2PtCl4용액을 제조하여 85 ℃로 맞춰진 항온조에 넣고 준비하였다. 상기와 같이 준비된 다공성 구리 박막을 백금 전구체 용액에 넣고 4 시간 동안 유지시켰다. 이후 증류수로 세척해주고 상온에서 건조시켜 다공성 백금 박막을 제조하였다.
A 5 mM K 2 PtCl 4 solution was prepared and placed in a thermostatic chamber set at 85 ° C. The prepared porous copper thin film was placed in a platinum precursor solution and maintained for 4 hours. After washing with distilled water and drying at room temperature, a porous platinum thin film was prepared.

실험예 1: 연료전지의 적용Experimental Example 1: Application of fuel cell

앞선 실험에서 만들어진 다공성 백금 박막을 음극으로 사용하여 막전극접합체를 제작하였다. 양극으로는 상용촉매 Pt/C 40 wt.%를 사용하고 전해질 막으로는 Nafion 212를 사용하였다. 양극에는 수소 100 ccm, 음극에는 산소 200 ccm을 주입하여 성능을 측정하였다.
The membrane electrode assembly was fabricated by using the porous platinum thin film prepared in the previous experiment as a cathode. As anode, Pt / C 40 wt.% Of commercial catalyst was used and Nafion 212 was used as electrolyte membrane. The performance was measured by injecting 100 ccm of hydrogen into the anode and 200 ccm of oxygen into the cathode.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전처리 전과 후의 탄소종이 접촉각을 나타낸 이미지이다.1 is an image showing the contact angle of carbon paper before and after pretreatment according to Example 1 of the present invention.

도 1을 참조하면, 전처리 후에 기판의 접촉각이 줄어들어 습윤성이 증가한 것을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 1, it can be seen that the contact angle of the substrate after the pretreatment is reduced and the wettability is increased.

도 2는 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 다공성 구리 박막의 주사 전자 현미경 이미지이다.2 is a scanning electron microscope image of the porous copper thin film produced from Example 1 of the present invention.

도 2를 참조하면, 수소거품 형판(template)을 이용한 구리 전해도금을 통하여 다공성이 우수한 구리 박막이 제조되었음을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 2, it can be confirmed that a copper thin film having excellent porosity was produced through copper electroplating using a hydrogen bubble template.

도 3은 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 다공성 백금 박막의 주사 전자 현미경 이미지이다. 3 is a scanning electron microscope image of the porous platinum thin film prepared from Example 1 of the present invention.

도 3을 참조하면 금속의 치환 단계 이후에도 형태의 변형 없이 다공성 높은 구조를 유지하고 있는 모습을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 3, it can be seen that the structure having a high porosity is maintained without deformation of the shape even after the metal replacement step.

도 4는 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 다공성 백금 박막를 고분자전해질막연료전지 (PEMFC)에 적용하여 얻은 배압에 따른 단위전지 성능측정 그래프다. FIG. 4 is a graph of the performance of a unit cell according to a back pressure obtained by applying the porous platinum thin film produced in Example 1 of the present invention to a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC).

도 4를 참조하면, I-V curve를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 수소거품 형판을 이용하여 얻은 다공성 백금 박막은 입자가 아닌 박막 형태를 갖기 때문에 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 배압이 걸릴수록 성능이 좋아지는 것을 확인할 수 있다. 250 kPa의 배압을 걸었을 경우 0.6 V에서 0.75 A/cm2의 성능을 보여주고 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that an IV curve can be obtained. As shown in the figure, the porous platinum thin film obtained by using the hydrogen bubble mold has a thin film shape rather than a particle shape, so that the performance is improved as the back pressure is increased. When the back pressure of 250 kPa is applied, the performance of 0.75 A / cm 2 at 0.6 V is shown.

Claims (10)

(b) 기판에 구리를 전해도금하여 다공성 구리 박막을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 다공성 구리 박막이 형성된 기판을 백금 전구체 용액에 침지하여 구리를 백금으로 치환하는 단계;를 포함하는 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법.(b) electroplating copper on the substrate to form a porous copper foil; And
(c) immersing the substrate on which the porous copper thin film is formed in a platinum precursor solution to replace copper with platinum. 제1항에 있어서,
상기 기판은 탄소 종이인 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법. The method according to claim 1,
Wherein the substrate is carbon paper. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI > 제2항에 있어서,
상기 (b) 단계 이전에 (a) 기판을 질산 및 황산의 혼합용액에 침지한 후 초음파 조사하는 기판의 전처리 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법.3. The method of claim 2,
The method of any preceding claim, further comprising: (a) before the step (b), pre-treating the substrate by dipping the substrate in a mixed solution of nitric acid and sulfuric acid followed by ultrasonic irradiation. 제3항에 있어서,
상기 질산 및 황산의 부피비는 1 : 2 내지 4이고;
상기 초음파의 주파수는 20 내지 30 kHz이며;
상기 초음파의 출력은 50 내지 60 W이며;
상기 초음파의 조사 시간은 10 내지 20 분인 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법.The method of claim 3,
The volume ratio of nitric acid and sulfuric acid is 1: 2 to 4;
The frequency of the ultrasonic waves is 20 to 30 kHz;
The output of the ultrasonic waves is 50 to 60 W;
Wherein the irradiation time of the ultrasonic waves is 10 to 20 minutes. 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 사용되는 도금액은 0.5 내지 1 M의 구리 전구체 및 0.1 내지 1 M의 황산 용액의 혼합 용액인 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the plating solution used in step (b) is a mixed solution of 0.5 to 1 M of copper precursor and 0.1 to 1 M of sulfuric acid solution. 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는 기판을 작동전극으로 하여 정전류 방법으로 도금하고, 인가되는 전류밀도는 3 내지 10 A/cm2, 전하량은 1 mC/cm2 내지 100 C/cm2인 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the step (b) comprises plating the substrate with a constant current method using the substrate as a working electrode, applying a current density of 3 to 10 A / cm 2 and a charge amount of 1 mC / cm 2 to 100 C / cm 2 (Method for producing porous platinum thin film for battery). 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는 기판을 작동전극으로 하여 정전류 방법으로 도금하고, 인가되는 전압은 수소 기준 전극 대비 0 내지 -10 V, 전하량은 1 mC/cm2 내지 100 C/cm2인 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법.The method according to claim 1,
In the step (b), the substrate is plated by a constant current method using the working electrode, and the applied voltage is 0 to -10 V with respect to the hydrogen reference electrode, and the charge amount is 1 mC / cm 2 to 100 C / cm 2 (JP) METHOD FOR PRODUCING POROUS PLATINUM FILM FOR FUEL CELL. 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는 1 μM 내지 20 mM의 백금 전구체 용액에 상기 다공성 구리 박막이 형성된 기판을 0 내지 95 ℃ 조건으로 3 내지 10 시간 동안 침지하여 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the step (c) is performed by immersing the substrate on which the porous copper thin film is formed in a platinum precursor solution of 1 [mu] M to 20 mM at 0 to 95 [deg.] C for 3 to 10 hours. Way. 제1항에 있어서,
상기 기판은 탄소 종이이고;
상기 (b) 단계 이전에 (a) 기판을 질산 및 황산의 혼합용액에 침지한 후 초음파 조사하는 기판의 전처리 단계를 추가로 포함하며;
상기 질산 및 황산의 부피비는 1 : 2 내지 4이고;
상기 초음파의 주파수는 20 내지 30 kHz이며;
상기 초음파의 출력은 50 내지 60 W이며;
상기 초음파의 조사 시간은 10 내지 20 분이며;
상기 (b) 단계에서 사용되는 도금액은 0.5 내지 1 M의 구리 전구체 및 0.1 내지 1 M의 황산 용액의 혼합 용액이며;
상기 (b) 단계는 기판을 작동전극으로 하여 정전류 방법으로 도금하고, 인가되는 전류밀도는 3 내지 10 A/cm2, 전하량은 1 mC/cm2 내지 30 C/cm2이며;
상기 (c) 단계는 1 μM 내지 20 mM의 백금 전구체 용액에 상기 다공성 구리 박막이 형성된 기판을 60 내지 95 ℃ 조건으로 3 내지 10 시간 동안 침지하여 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법.The method according to claim 1,
The substrate is carbon paper;
(A) before the step (b), further comprising the step of pre-treating the substrate by immersing the substrate in a mixed solution of nitric acid and sulfuric acid and irradiating the substrate with ultrasonic waves;
The volume ratio of nitric acid and sulfuric acid is 1: 2 to 4;
The frequency of the ultrasonic waves is 20 to 30 kHz;
The output of the ultrasonic waves is 50 to 60 W;
The irradiation time of the ultrasonic waves is 10 to 20 minutes;
The plating solution used in the step (b) is a mixed solution of 0.5 to 1 M of copper precursor and 0.1 to 1 M of sulfuric acid solution;
In the step (b), the substrate is plated by a constant current method using the working electrode, the applied current density is 3 to 10 A / cm 2 , the charge amount is 1 mC / cm 2 to 30 C / cm 2 ;
Wherein the step (c) is performed by immersing the substrate on which the porous copper thin film is formed in a platinum precursor solution of 1 [mu] M to 20 mM at 60 to 95 [deg.] C for 3 to 10 hours. Way. 제9항에 있어서,
상기 연료전지용 다공성 백금 박막은 상기 다공성 구리 박막의 표면에 다공성 백금 박막이 둘러싸인 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공성 백금 박막의 제조방법.10. The method of claim 9,
Wherein the porous platinum thin film for a fuel cell is formed in such a manner that a porous platinum thin film is surrounded on the surface of the porous copper thin film.
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