KR20200082885A - Catalyst having heterogeneous structure and water splitting apparatus containing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이종구조를 가지는 촉매 및 이를 포함하는 물 분해 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst having a heterogeneous structure and an apparatus for decomposing water containing the same.
바람, 조수, 지열, 원자력, 바이오 매스 등 신재생 에너지에 대한 관심이 높이지고 있고, 귀금속 기반 촉매를 이용한 수소 제조에 대한 관심이 높아지고 있다. 수소는 화학 에너지 캐리어가 많은 에너지를 저장하는데 유리하고 청정 에너지연료인 수소의 생산을 위해 생산 효율 및 비용의 경제성을 확보하기 위한 노력이 이루어지고 있다.Interest in renewable energy such as wind, tide, geothermal energy, nuclear energy, and biomass is increasing, and interest in hydrogen production using a precious metal-based catalyst is increasing. Hydrogen is a chemical energy carrier that is advantageous for storing a lot of energy, and efforts are being made to secure production efficiency and cost economy for the production of hydrogen, a clean energy fuel.
물분해(water splitting)는 지구 상에 풍부한 물로부터 전자를 얻어내 다양한 화학물질(수소, formate, methanol 등)을 합성할 수 있는 광전기화학 또는 전기화학적 반응이다.Water splitting is a photoelectrochemical or electrochemical reaction capable of synthesizing various chemicals (hydrogen, formate, methanol, etc.) by obtaining electrons from abundant water on the earth.
물분해 과정에서 양쪽 전극(산소발생전극, 수소발생전극)은, 충전 중에 고전위에서 산소분위기에 노출되기 때문에 촉매 및 전극재료에서 높은 내산화성이 요구된다. 그러나, 청정 에너지원인 수소를 생산하기 위한 물 분해 촉매 중에 가장 성능이 우수하다고 알려진 귀금속 기반 촉매는 안정성에서 단점을 가진다. 또한, 귀금속 기반 촉매는 합성법이 복잡하고 환경에 악영향을 끼치며 경제성의 개선이 필요하다.In the process of water decomposition, both electrodes (oxygen generating electrode and hydrogen generating electrode) are exposed to an oxygen atmosphere at a high potential during charging, and thus high oxidation resistance is required in the catalyst and electrode material. However, a noble metal based catalyst known to have the best performance among water decomposition catalysts for producing hydrogen, which is a clean energy source, has a disadvantage in stability. In addition, the noble metal-based catalyst has a complicated synthesis method, adversely affects the environment, and needs to improve economic efficiency.
따라서, 이를 해결하기 위해 귀금속 촉매에 견줄 만한 우수한 물 분해 성능을 가지고, 동시에 경제성 및 뛰어난 안정성을 확보한 물 분해 촉매에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Therefore, in order to solve this, studies on a water decomposition catalyst having excellent water decomposition performance comparable to a noble metal catalyst and at the same time securing economic efficiency and excellent stability are being actively conducted.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 귀금속 촉매에 견줄 만한 우수한 물 분해 성능을 가지고, 동시에 경제성 및 뛰어난 안정성을 확보한 물 분해 촉매를 제공하는 것이며, 우수한 물 분해 성능 및 안정성을 기반으로 수소를 에너지원으로 사용하는 에너지 변환장치의 상용화 가능성을 제시하는 것이다.The present invention is to solve the above-described problems, the object of the present invention is to provide a water decomposition catalyst having excellent water decomposition performance comparable to a noble metal catalyst, and at the same time securing economic efficiency and excellent stability, excellent water decomposition performance And the possibility of commercialization of an energy converter using hydrogen as an energy source based on stability.
구체적으로, 페로브스카이트 구조의 화합물 (La0.5Sr0.5CoO3- δ , LSC)과 전이금속 칼코겐 화합물의 한 종류인 몰리브덴 다이셀레나이드 (MoSe2)의 구조를 모두 포함하는 이종구조 촉매를 제공하는 것이다.Specifically, a heterostructure catalyst comprising both the structure of a perovskite compound (La 0.5 Sr 0.5 CoO 3- δ , LSC) and a molybdenum diselenide (MoSe 2 ), which is a type of transition metal chalcogen compound Is to provide.
또한, 상기 물 분해 촉매를 적용한 물 분해 장치를 제공하는 것이다.In addition, to provide a water decomposition device to which the water decomposition catalyst is applied.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매는, 페로브스카이트 구조를 가지는 금속 화합물; 및 상기 금속 화합물과 혼합된 전이금속 칼코겐 화합물;을 포함하고, 상기 금속 화합물과 상기 전이금속 칼코겐 화합물은 이종구조를 형성하는 것이다.Catalyst according to an embodiment of the present invention, a metal compound having a perovskite structure; And a transition metal chalcogen compound mixed with the metal compound; and the metal compound and the transition metal chalcogen compound form a heterogeneous structure.
일 측면에 따르면, 상기 페로브스카이트 구조를 가지는 금속 화합물은, 란타늄 스트론튬 코발트 옥사이드 (Lanthanum Strontium Cobalt oxide, LSC), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum Strontium Ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum Strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite, LSCF), 칼슘 티타네이트 페라이트(Calcium Titanate Ferrite, CTF, CaTiFeO3), 바륨 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium Cobalt Ferrite, BSCF), 스트론튬 티타네이트 페라이트(Strontium Titanate Ferrite, STF), 란타늄 스트론튬 니켈 아이런 옥사이드 (Lanthanum Strontium Nickel Iron Oxide, LSNFO) 및 스트론튬 코발트 아이런 텅스텐 옥사이드 (Strontium Cobalt Iron Tungsten Oxide, SCFWO) 으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the metal compound having a perovskite structure, Lanthanum Strontium Cobalt Oxide (LSC), Lanthanum Strontium Ferrite (LSF), Lanthanum Strontium Ferrite (LSF), Lanthanum Strontium Manganite (Lanthanum strontium Manganite, LSM), Lanthanum Strontium Chromite (LSCr), Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite (LSCF), Calcium Titanate Ferrite, CTF, CaTiFeO 3 , Barium Strontium Cobalt Sodium Barium Sodium Cobalt Ferrite (BSCF), Strontium Titanate Ferrite (STF), Lanthanum Strontium Nickel Iron Oxide (LSNFO) and Strontium Cobalt Iron Tungsten Oxide, consisting of the SCFWO It may be to include at least one selected from.
일 측면에 따르면, 상기 전이금속 칼코겐 화합물은, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, TiS2, VS2, CrS2, MnS2, FeS2, NiS2, ZrS2, TiSe2, VSe2, CrSe2, MnSe2, FeSe2, NiSe2, ZrSe2, TiTe2, VTe2, CrTe2, MnTe2, FeTe2, NiTe2 및 ZrTe2으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the transition metal chalcogenide compound, MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 , WSe 2 , TiS 2 , VS 2 , CrS 2 , MnS 2 , FeS 2 , NiS 2 , ZrS 2 , TiSe 2 , VSe 2 , CrSe 2 , MnSe 2 , FeSe 2 , NiSe 2 , ZrSe 2 , TiTe 2 , VTe 2 , CrTe 2 , MnTe 2 , FeTe 2 , NiTe 2 and may include at least one selected from the group consisting of ZrTe 2 .
일 측면에 따르면, 상기 촉매의 비 표면적은, 페로브스카이트 단일 구조를 가지는 금속 화합물 비표면적 대비 3 배 이상인 것일 수 있다.According to one aspect, the specific surface area of the catalyst may be three times or more compared to the specific surface area of the metal compound having a single perovskite structure.
일 측면에 따르면, 상기 촉매는, 상기 금속 화합물의 결정구조 및 상기 전이금속 칼코겐 화합물의 결정구조를 모두 포함하는 것일 수 있다.According to an aspect, the catalyst may include both the crystal structure of the metal compound and the crystal structure of the transition metal chalcogen compound.
일 측면에 따르면, 상기 촉매는, 금속성인 것일 수 있다.According to one aspect, the catalyst may be metallic.
일 측면에 따르면, 상기 전이금속 칼코겐 화합물의 위상(phase)은, 2H 위상(2H phase, 반도체성) 및 1T 위상(1T phase, 금속성)를 포함하는 것일 수 있다.According to an aspect, the phase of the transition metal chalcogen compound may include 2H phase (2H phase, semiconducting) and 1T phase (1T phase, metallic).
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 제조방법은, 전이금속 칼코겐 화합물 파우더를 준비하는 단계; 페로브스카이트 구조를 가지는 금속 화합물 파우더를 준비하는 단계; 상기 전이금속 칼코겐 화합물 파우더 및 상기 금속 화합물 파우더를 포함하는 분산용액을 제조하는 단계; 및 상기 분산용액을 습식 볼밀 방법을 통해 합성하는 단계; 를 포함한다.Method for preparing a catalyst according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a transition metal chalcogenide compound powder; Preparing a metal compound powder having a perovskite structure; Preparing a dispersion solution containing the transition metal chalcogen compound powder and the metal compound powder; And synthesizing the dispersion solution through a wet ball mill method. It includes.
일 측면에 따르면, 상기 분산용액은, 상기 전이금속 칼코겐 화합물 파우더 및 상기 금속 화합물 파우더가 1 : 1.5 내지 1 : 2.5 중량비율로 혼합된 것일 수 있다.According to one aspect, the dispersion solution, the transition metal chalcogenide compound powder and the metal compound powder may be a mixture of 1: 1.5 to 1: 2.5 weight ratio.
본 발명의 일 실시예에 따른 물 분해 장치는, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매; 산화 전극; 및 환원 전극;을 포함한다.Water decomposition apparatus according to an embodiment of the present invention, the catalyst according to an embodiment of the present invention; Oxide electrode; And a reduction electrode.
일 측면에 따르면, 상기 촉매는, 상기 산화 전극, 상기 환원 전극 또는 둘 다에 적용되는 것일 수 있다.According to one aspect, the catalyst may be applied to the oxidation electrode, the reduction electrode, or both.
일 측면에 따르면, 100 mA cm-2의 전기 분해 조건에서, 1000 시간 이상 전체 물 분해 반응(overall water splitting)의 성능을 유지하는 것일 수 있다.According to one aspect, in the electrolysis condition of 100 mA cm -2 , it may be to maintain the performance of the overall water splitting reaction (overall water splitting) for 1000 hours or more.
본 발명에 따르면, 페로브스카이트 구조의 화합물과 전이금속 칼코겐 화합물 이종구조를 가지는 촉매를 통해, 귀금속 촉매에 견줄 만한 우수한 물 분해 성능을 가지고, 동시에 경제성 및 뛰어난 안정성을 확보한 물 분해 촉매를 구현할 수 있다.According to the present invention, through a catalyst having a heterogeneous structure of a perovskite compound and a transition metal chalcogen compound, a water decomposition catalyst having excellent water decomposition performance comparable to a noble metal catalyst and at the same time securing economic efficiency and excellent stability Can be implemented.
또한, 상기 물 분해 촉매를 기반으로 수소를 에너지원으로 사용하는 에너지 변환장치의 상용화를 구현할 수 있다. In addition, commercialization of an energy conversion device using hydrogen as an energy source may be implemented based on the water decomposition catalyst.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매를 나타낸 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 XRD 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 수소발생반응 및 산소발생반응 성능을 확인하고, 비교하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매 및 MoSe2 단일 촉매의 UV-vis NIR 분석결과이다.
도 6 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매 및 LSC 단일 촉매의 TGA 분석결과이다.
도 6 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매 및 LSC 단일 촉매의 UPS 분석결과이다.
도 6 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매 및 LSC 단일 촉매의 EIS 분석결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 HR-TEM 이미지 및 이를 확대한 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 MoSe2와 LSC간의 상호작용에 대한 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매를 산화 전극 및 환원 전극에 적용하여 전체 물 분해 반응 (overall water splitting)을 진행한 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매와 다른 문헌들에 보고된 1M KOH 전해질에서의 전체 물 분해 반응을 위한 촉매들과의 안정성을 비교한 데이터이다.1 is an image showing an LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention.
2 is an XRD graph of a LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention.
3 is a result of BET (Brunauer-Emmett-Teller) analysis of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph for confirming and comparing the hydrogen generation reaction and oxygen generation reaction performance of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention.
5 is a result of UV-vis NIR analysis of a LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst and a MoSe2 single catalyst according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6(a) shows the TGA analysis results of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst and the LSC single catalyst according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 (b) is a UPS analysis of the LSC & MoSe 2 heterostructure catalyst and LSC single catalyst according to an embodiment of the present invention.
6 (c) is an EIS analysis result of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst and the LSC single catalyst according to an embodiment of the present invention.
7 is an HR-TEM image of an LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention and an enlarged image thereof.
8 is a schematic diagram for explaining a mechanism for interaction between MoSe 2 and LSC of an LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention.
9 is a view showing the results of the overall water decomposition reaction (overall water splitting) by applying the LSC & MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention to the oxidation electrode and the reduction electrode.
FIG. 10 is data comparing stability of LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention with catalysts for total water decomposition reaction in 1M KOH electrolyte reported in other documents.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms used in the present specification are terms used to appropriately represent a preferred embodiment of the present invention, which may vary depending on a user, an operator's intention, or a custom in the field to which the present invention pertains. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification. The same reference numerals in each drawing denote the same members.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when one member is positioned “on” another member, this includes not only the case where one member abuts another member, but also the case where another member exists between the two members.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part “includes” a certain component, it means that the other component may be further included instead of excluding the other component.
이하, 본 발명의 이종구조를 가지는 촉매 및 이를 포함하는 물 분해 장치에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a catalyst having a heterogeneous structure of the present invention and a water decomposition device including the same will be described in detail with reference to examples and drawings. However, the present invention is not limited to these examples and drawings.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매는, 페로브스카이트 구조를 가지는 금속 화합물; 및 상기 금속 화합물과 혼합된 전이금속 칼코겐 화합물;을 포함하고, 상기 금속 화합물과 상기 전이금속 칼코겐 화합물은 이종구조를 형성하는 것이다.Catalyst according to an embodiment of the present invention, a metal compound having a perovskite structure; And a transition metal chalcogen compound mixed with the metal compound; and the metal compound and the transition metal chalcogen compound form a heterogeneous structure.
본 발명에 따르면, 페로브스카이트 구조의 화합물과 전이금속 칼코겐 화합물 이종구조를 가지는 촉매를 통해, 귀금속 촉매에 견줄 만한 우수한 물 분해 성능을 가지고, 동시에 경제성 및 뛰어난 안정성을 확보한 물 분해 촉매를 구현할 수 있다.According to the present invention, through a catalyst having a heterogeneous structure of a perovskite compound and a transition metal chalcogen compound, a water decomposition catalyst having excellent water decomposition performance comparable to a noble metal catalyst and at the same time securing economic efficiency and excellent stability Can be implemented.
일 측면에 따르면, 상기 페로브스카이트 구조를 가지는 금속 화합물은, 란타늄 스트론튬 코발트 옥사이드 (Lanthanum Strontium Cobalt oxide, LSC), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum Strontium Ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum Strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite, LSCF), 칼슘 티타네이트 페라이트(Calcium Titanate Ferrite, CTF, CaTiFeO3), 바륨 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium Cobalt Ferrite, BSCF), 스트론튬 티타네이트 페라이트(Strontium Titanate Ferrite, STF), 란타늄 스트론튬 니켈 아이런 옥사이드 (Lanthanum Strontium Nickel Iron Oxide, LSNFO) 및 스트론튬 코발트 아이런 텅스텐 옥사이드 (Strontium Cobalt Iron Tungsten Oxide, SCFWO) 으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the metal compound having a perovskite structure, Lanthanum Strontium Cobalt Oxide (LSC), Lanthanum Strontium Ferrite (LSF), Lanthanum Strontium Ferrite (LSF), Lanthanum Strontium Manganite (Lanthanum strontium Manganite, LSM), Lanthanum Strontium Chromite (LSCr), Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite (LSCF), Calcium Titanate Ferrite, CTF, CaTiFeO 3 , Barium Strontium Cobalt Sodium Barium Sodium Cobalt Ferrite (BSCF), Strontium Titanate Ferrite (STF), Lanthanum Strontium Nickel Iron Oxide (LSNFO) and Strontium Cobalt Iron Tungsten Oxide, consisting of the SCFWO It may be to include at least one selected from.
일 측면에 따르면, 상기 전이금속 칼코겐 화합물은, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, TiS2, VS2, CrS2, MnS2, FeS2, NiS2, ZrS2, TiSe2, VSe2, CrSe2, MnSe2, FeSe2, NiSe2, ZrSe2, TiTe2, VTe2, CrTe2, MnTe2, FeTe2, NiTe2 및 ZrTe2 으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the transition metal chalcogenide compound, MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 , WSe 2 , TiS 2 , VS 2 , CrS 2 , MnS 2 , FeS 2 , NiS 2 , ZrS 2 , TiSe 2 , VSe 2 , CrSe 2 , MnSe 2 , FeSe 2 , NiSe 2 , ZrSe 2 , TiTe 2 , VTe 2 , CrTe 2 , MnTe 2 , FeTe 2 , NiTe 2 and may include at least one selected from the group consisting of ZrTe 2 .
일 측면에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매는 LSC&MoSe2 이종구조 촉매인 것일 수 있다.According to one aspect, the catalyst according to an embodiment of the present invention may be a LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매를 나타낸 이미지이다. 구체적으로, 도 1 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 TEM 이미지이고, 도 1 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 STEM-HAADF 이미지 및 STEM-EDS 성분 mapping 이미지이며, 도 1 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 HR-TEM 이미지 및 MoSe2의 FFT 이미지이고, 도 1 (d)는 LSC의 HR-TEM 이미지 및 FFT 이미지이다.1 is an image showing an LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention. Specifically, Figure 1 (a) is a TEM image of the LSC & MoSe 2 heterostructure catalyst according to one embodiment of the invention, and Fig. 1 (b) is a STEM-HAADF of LSC & MoSe 2 heterostructure catalyst according to one embodiment of the present invention Image and STEM-EDS component mapping image, Figure 1 (c) is an HR-TEM image of the LSC & MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention and FFT image of MoSe 2 , Figure 1 (d) is an LSC HR-TEM image and FFT image.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 구조적 특징은 TEM (transmission electron microscopy)과 STEM-HAADF (scanning transmission electron microscopy-high angle annular dark field)를 통하여 분석할 수 있으며, 도 1 (a) 및 (b)를 참조하면, LSC와 MoSe2가 혼합된 벌크 형태를 이루고 있으며 STEM-EDS (energy dispersive spectrometer) 분석을 통하여 상기 합성된 LSC&MoSe2는 La, Sr, Co, O, Mo, Se, C 성분들이 고르게 잘 분포되어 있음을 확인 할 수 있다. 또한, 도 1 (c) 및 (d)를 참조하면, HR (high resolution)-TEM 과 FFT (fast Fourier transform) 분석을 통하여 LSC와 MoSe2 결정구조 역시 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1, structural characteristics of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention can be analyzed through transmission electron microscopy (TEM) and scanning transmission electron microscopy-high angle annular dark field (STEM-HAADF). 1, (a) and (b), LSC and MoSe 2 form a mixed bulk, and the synthesized LSC&MoSe 2 through STEM-EDS (energy dispersive spectrometer) analysis is La, Sr, Co, It can be seen that the O, Mo, Se, and C components are evenly distributed. In addition, referring to FIGS. 1(c) and 1(d), LSC and MoSe 2 crystal structures can also be confirmed through HR (high resolution)-TEM and FFT (fast Fourier transform) analysis.
즉, 본 발명에 따른 이종구조를 가지는 촉매는 페로브스카이트 구조를 가지는 금속 화합물과 전이금속 칼코겐 화합물이 이종구조를 형성하여 구성되는 것이며, 이를 통해 귀금속 촉매에 견줄 만한 우수한 물 분해 성능을 가지고, 동시에 경제성 및 뛰어난 안정성을 확보한 물 분해 촉매를 구현할 수 있다.That is, the catalyst having a heterogeneous structure according to the present invention is formed by forming a heterogeneous structure of a metal compound having a perovskite structure and a transition metal chalcogen compound, thereby having excellent water decomposition performance comparable to a precious metal catalyst. At the same time, it is possible to implement a water decomposition catalyst that secures economic efficiency and excellent stability.
일 측면에 따르면, 상기 촉매는, 상기 금속 화합물의 결정구조 및 상기 전이금속 칼코겐 화합물의 결정구조를 모두 포함하는 것일 수 있다.According to an aspect, the catalyst may include both the crystal structure of the metal compound and the crystal structure of the transition metal chalcogen compound.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 XRD 그래프이다.2 is an XRD graph of a LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, XRD (X-ray diffraction) 분석을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매는 LSC와 MoSe2의 각각의 결정구조를 모두 가지고 있는 것을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 2, it can be confirmed that the XSC (X-ray diffraction) analysis shows that the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention has both crystal structures of LSC and MoSe 2 .
일 측면에 따르면, 상기 촉매의 비표면적은, 페로브스카이트 단일 구조를 가지는 금속 화합물 비표면적 대비 3 배 이상인 것일 수 있다.According to one aspect, the specific surface area of the catalyst may be three times or more compared to the specific surface area of the metal compound having a single perovskite structure.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 분석 결과이다.3 is a result of BET (Brunauer-Emmett-Teller) analysis of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, BET (Brunauer-Emmett-Teller) 분석을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매는 LSC 단일 촉매에 비하여 약 3배 증가된 비표면적 (specific surface area)을 가지는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention through a BET (Brunauer-Emmett-Teller) analysis has a specific surface area (specific surface area) that is increased by about 3 times compared to an LSC single catalyst. You can see that
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 수소발생반응 및 산소발생반응 성능을 확인하고, 비교하기 위한 그래프이다. 4 is a graph for confirming and comparing the hydrogen generation reaction and oxygen generation reaction performance of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention.
더욱 자세하게, 도 4 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매, Pt/C 촉매, LSC 단일 촉매 및 MoSe2 단일 촉매의 수소발생반응 분극 곡선이고, 도 4 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매, Pt/C 촉매, LSC 단일 촉매 및 MoSe2 단일 촉매의 수소발생반응 타펠 기울기이며, 도 4 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매, IrO2 촉매, LSC 단일 촉매 및 MoSe2 단일 촉매의 산소발생반응 분극 곡선이고, 도 4 (d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매, IrO2 촉매, LSC 단일 촉매 및 MoSe2 단일 촉매의 산소발생반응 타펠 기울기이다.More specifically, Figure 4 (a) is a LSC & MoSe 2 heterostructure catalyst, Pt / C catalyst, LSC single catalyst and MoSe 2 single catalyst hydrogen generation reaction polarization curve according to an embodiment of the present invention, Figure 4 (b) is Hydrogen generation reaction of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst, Pt/C catalyst, LSC single catalyst, and MoSe 2 single catalyst according to an embodiment of the present invention is sloped, and FIG. 4(c) is LSC&MoSe according to an embodiment of the present invention 2 heterostructure catalyst, IrO 2 catalyst, LSC single catalyst and MoSe 2 single catalyst is the polarization curve of the oxygen generation reaction, Figure 4 (d) LSC & MoSe 2 heterostructure catalyst, IrO 2 catalyst, LSC according to an embodiment of the present invention The slope of the Tafel slope for the oxygenation of a single catalyst and a MoSe 2 single catalyst.
도 4 (a) 내지 (d)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 1 M KOH에서 수소발생반응 (hydrogen evolution reaction, HER)과 산소발생반응 (oxygen evolution reaction, OER) 성능을 확인한 결과 LSC&MoSe2이종구조 촉매의 HER 성능은 LSC 단일 촉매와 MoSe2 단일 촉매 각각의 성능보다 우수한 개시 전위(onset potential)를 보이는 것을 알 수 있으며, Tafel slope 값에서도 Pt/C에 근접한 아주 작은 값을 보이는 것을 알 수 있다.4 (a) to (d), the hydrogen evolution reaction (hydrogen evolution reaction, HER) and oxygen evolution reaction (oxygen evolution reaction) in 1 M KOH of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention, As a result of confirming the performance of OER), it can be seen that the HER performance of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst shows an onset potential superior to that of the LSC single catalyst and the MoSe 2 single catalyst, and is close to Pt/C even at the Tafel slope value. You can see that it shows a very small value.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 OER 성능은 LSC 단일 촉매, MoSe2 단일 촉매 각각의 성능보다 우수하고 IrO2 촉매에 근접한 개시 전위를 보여주는 것을 알 수 있으며, Tafel slope 값에서도 IrO2과 비슷한 값을 보이는 것을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the OER performance of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention is superior to the performance of each of the LSC single catalyst and the MoSe 2 single catalyst and shows a starting potential close to the IrO 2 catalyst, and the Tafel slope value. Also, it can be seen that it shows a value similar to IrO 2 .
즉, 본 발명에 따른 이종구조를 가지는 촉매는 페로브스카이트 구조를 가지는 금속 화합물과 전이금속 칼코겐 화합물이 이종구조를 형성하여 구성되는 것이며, 전이금속 칼코겐 화합물로 인하여 페로브스카이트 단일 촉매에 비하여 비표면적이 크게 증가하고, 이에 따라 표면 흡착 능력이 향상되며, Volmer-Tafel 반응성 증대, 전해질과 촉매 사이의 전하 이동 저항 감소 효과를 발생시켜 물 분해 성능 향상을 구현할 수 있다.That is, the catalyst having a heterogeneous structure according to the present invention is composed of a metal compound having a perovskite structure and a transition metal chalcogen compound forming a heterogeneous structure, and a perovskite single catalyst due to the transition metal chalcogen compound Compared to this, the specific surface area is greatly increased, and thus the surface adsorption capacity is improved, and the effect of water decomposition performance can be improved by increasing the Volmer-Tafel reactivity and reducing the charge transfer resistance between the electrolyte and the catalyst.
일 측면에 따르면, 상기 촉매는, 금속성인 것일 수 있다.According to one aspect, the catalyst may be metallic.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매 및 MoSe2 단일 촉매의 UV-vis NIR 분석결과이다. 더욱 자세하게 도 5 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 MoSe2 단일 촉매의 UV-vis NIR 분석결과이고, 도 5 (b)는 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 UV-vis NIR 분석결과이다.5 is a result of UV-vis NIR analysis of a LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst and a MoSe2 single catalyst according to an embodiment of the present invention. In more detail, FIG. 5(a) is a UV-vis NIR analysis result of a MoSe 2 single catalyst according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5(b) is a UV-vis NIR analysis result of a LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst.
도 5 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매는 금속성임을 알 수 있고, MoSe2 단일 촉매는 반도체성임을 알 수 있다. 이러한 결과는 구성 물질 간의 전자이동 때문이며, 본 발명에 따른 이종구조를 가지는 촉매는 페로브스카이트 구조를 가지는 금속 화합물과 전이금속 칼코겐 화합물이 이종구조를 형성하여 금속성을 가지는 것일 수 있다.5 (a) and (b), it can be seen that the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention is metallic and the MoSe 2 single catalyst is semiconducting. These results are due to the electron transfer between the constituent materials, and the catalyst having a heterogeneous structure according to the present invention may be a metal compound having a perovskite structure and a transition metal chalcogen compound forming a heterogeneous structure and having metallic properties.
도 6 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매 및 LSC 단일 촉매의 TGA 분석결과이다. TGA 분석은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매 및 LSC 단일 촉매를 24 시간 동안 습식환경에 노출시킨 후 진행하였다.FIG. 6(a) shows the TGA analysis results of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst and the LSC single catalyst according to an embodiment of the present invention. TGA analysis was performed after exposing the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst and the LSC single catalyst according to an embodiment of the present invention to a wet environment for 24 hours.
도 6 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매 및 LSC 단일 촉매의 UPS 분석결과이다.Figure 6 (b) is a UPS analysis of the LSC & MoSe 2 heterostructure catalyst and LSC single catalyst according to an embodiment of the present invention.
도 6 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매 및 LSC 단일 촉매의 EIS 분석결과이다.6 (c) is an EIS analysis result of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst and the LSC single catalyst according to an embodiment of the present invention.
도 6 (a)를 참조하면, TGA (thermal gravimetric analysis) 분석은 24 시간 동안 습식환경에 노출된 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 질량감소율이 LSC 단일 촉매에 비하여 크며 이는 본 발명에 따른 LSC&MoSe2이종구조 촉매가 더 많은 표면 흡착 능력을 가짐을 의미한다.Referring to FIG. 6 (a), the thermal gravimetric analysis (TGA) analysis shows that the mass reduction rate of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst exposed to the wet environment for 24 hours is greater than that of the LSC single catalyst, which is the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to the present invention. It means that it has more surface adsorption ability.
도 6 (b)를 참조하면, UPS (ultraviolet photoelectron spectroscopy) 분석은 MoSe2 첨가에 의하여 LSC&MoSe2이종구조 촉매의 일함수가 LSC 단일 촉매에 비해 증가함을 보여주며, 이는 LSC&MoSe2이종구조 촉매에서 MoSe2가 교환전류밀도를 증가시켜 LSC 보다 HER 성능이 더 우수함을 의미한다.Referring to Figure 6 (b), a UPS (ultraviolet photoelectron spectroscopy) analysis of the work function of the LSC & MoSe 2 heterostructure catalyst by MoSe 2 was added show that the increase compared with the LSC single catalyst, which MoSe in LSC & MoSe 2 heterostructure catalyst 2 means that HER performance is better than LSC by increasing exchange current density.
도 6 (c)를 참조하면, EIS (electrochemical impedance spectroscopy) 분석은 LSC&MoSe2이종구조 촉매가 LSC 단일 촉매 보다 더 낮은 계면저항을 가짐을 보여주며, 이는 MoSe2가 전해질과 촉매 사이의 전하이동저항을 감소시킬 수 있음을 의미한다.Referring to FIG. 6(c), EIS (electrochemical impedance spectroscopy) analysis shows that the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst has a lower interface resistance than the LSC single catalyst, and MoSe 2 shows the charge transfer resistance between the electrolyte and the catalyst. It can be reduced.
일 측면에 따르면, 상기 전이금속 칼코겐 화합물의 위상(phase)은, 2H 위상(2H phase, 반도체성) 및 1T 위상(1T phase, 금속성)를 포함하는 것일 수 있다.According to an aspect, the phase of the transition metal chalcogen compound may include 2H phase (2H phase, semiconducting) and 1T phase (1T phase, metallic).
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 HR-TEM 이미지 및 이를 확대한 이미지이다. 더욱 자세하게, 도 7 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 HR-TEM 이미지이고, 도 7 (b)는 2H-MoSe2 격자 구조 부분을 확대한 이미지이며, 도 7 (c)는 1T-MoSe2 격자 구조 부분을 확대한 이미지이다.7 is an HR-TEM image of an LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention and an enlarged image thereof. More specifically, FIG. 7 (a) is an HR-TEM image of the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 (b) is an enlarged image of a 2H-MoSe 2 lattice structure part, FIG. 7 (c) is an enlarged image of the 1T-MoSe 2 lattice structure.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매의 MoSe2와 LSC간의 상호작용에 대한 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다. 더욱 자세하게, 도 8 (a)는 전자 이동에 따른 지역적 상 변화 모식도이고. 도 8 (b)는 전자 이동에 따른 Mo와 Co 특성 변화 모식도이다.8 is a schematic diagram for explaining a mechanism for interaction between MoSe 2 and LSC of an LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 8(a) is a schematic diagram of regional phase change according to electron movement. 8(b) is a schematic diagram of changes in Mo and Co characteristics according to electron movement.
도 7 및 도 8을 참조하면, LSC의 Co에서 MoSe2의 Mo로의 전자이동은 MoSe2의 국부적인 상변화를 유발함을 알 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2이종구조 촉매에는 2H-MoSe2 (semiconducting, trigonal prismatic)과 1T-MoSe2 (metallic, octahedral)가 공존하고 있음을 HR-TEM을 통해 확인할 수 있다. Co에서의 Mo로의 전자이동은 Mo의 4d 오비탈 재배치를 유발하여 MoSe2의 국부적인 상 변화 및 Co의 OH- 등의 흡착능력을 증가시켜 HER, OER 성능 향상에 도움을 줄 수 있다.Referring to FIGS. 7 and 8, it can be seen that electron transfer from Co of LSC to MoSe 2 to Mo causes a local phase change of MoSe 2 . It can be confirmed through HR-TEM that 2H-MoSe 2 (semiconducting, trigonal prismatic) and 1T-MoSe 2 (metallic, octahedral) coexist in the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention. Electromigration from Co to Mo can cause the 4d orbital relocation of Mo to increase the local phase change of MoSe 2 and adsorption capacity of Co, such as OH-, to help improve HER and OER performance.
즉 , 본 발명에 따른 이종구조를 가지는 촉매는 페로브스카이트 화합물과 전이금속 칸코겐 화합물 간의 전자이동을 통하여 국부적인 상 변화가 발생하고, 촉매 활성도가 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 전자이동 전과 비교하여 더욱 전자친화적이 되어서 산소발생반응에 도움을 주는 O, OH의 흡착양을 증가시킬 수 있다.That is, it can be seen that the catalyst having a heterogeneous structure according to the present invention has a local phase change through electromigration between the perovskite compound and the transition metal canogen compound, and the catalyst activity is increased. In addition, compared to before electron transfer, it becomes more electron-friendly and can increase the adsorption amount of O and OH to help the oxygen generation reaction.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 제조방법은, 전이금속 칼코겐 화합물 파우더를 준비하는 단계; 페로브스카이트 구조를 가지는 금속 화합물 파우더를 준비하는 단계; 상기 전이금속 칼코겐 화합물 파우더 및 상기 금속 화합물 파우더를 포함하는 분산용액을 제조하는 단계; 및 상기 분산용액을 습식 볼밀 방법을 통해 합성하는 단계; 를 포함한다.Method for preparing a catalyst according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a transition metal chalcogenide compound powder; Preparing a metal compound powder having a perovskite structure; Preparing a dispersion solution containing the transition metal chalcogen compound powder and the metal compound powder; And synthesizing the dispersion solution through a wet ball mill method. It includes.
즉, 단순 볼밀 만으로 페로브스카이트 구조 및 전이금속 칼코겐 화합물 구조를 포함하는 이종구조 촉매를 구현할 수 있다.That is, a heterostructure catalyst including a perovskite structure and a transition metal chalcogen compound structure can be implemented only by using a simple ball mill.
일 측면에 따르면, 상기 분산용액은, 상기 전이금속 칼코겐 화합물 파우더 및 상기 금속 화합물 파우더가 1 : 1.5 내지 1 : 2.5 중량비율로 혼합된 것일 수 있다. 혼합 중량 비율이 상기 중량비율을 벗어날 경우, 물 분해 성능 (HER, OER)을 저하 시킬 수 있는 문제점이 발생할 수 있다.According to one aspect, the dispersion solution, the transition metal chalcogenide compound powder and the metal compound powder may be a mixture of 1: 1.5 to 1: 2.5 weight ratio. When the mixed weight ratio is out of the weight ratio, a problem that may degrade water decomposition performance (HER, OER) may occur.
상기 전이금속 칼코겐 화합물 파우더의 혼합 중량비율이 상기 중량비율을 초과할 경우 LSC&MoSe2의 자체의 금속성이 감소하여 물 분해 성능이 저하되는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 금속 화합물 파우더의 혼합 중량비율이 상기 중량비율을 초과할 경우 촉매의 비 표면적 감소로 인하여 전기화학적 활성 면적이 감소 되어 물 분해 성능이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.When the mixed weight ratio of the transition metal chalcogen compound powder exceeds the weight ratio, there may be a problem that the decomposition performance of water decreases due to a decrease in the metallicity of LSC&MoSe 2 itself, and the mixed weight ratio of the metal compound powder is When the weight ratio is exceeded, an electrochemically active area is reduced due to a decrease in the specific surface area of the catalyst, which may cause a problem that water decomposition performance is deteriorated.
일 측면에 따르면, 상기 분산용액을 습식 볼밀 방법을 통해 합성하는 단계는, 준비 된 LSC 300 mg, MoSe2 150 mg, Ketjenblack carbon 50 mg을 에탄올에 분산 시킨는 단계; LSC, MoSe2, KB가 분산 된 용액을 습식 볼 밀링 장비에 넣고 7 mm 지르코니아 볼을 이용하여 400 rpm으로 2 시간동안 볼밀 공정을 진행하는 단계; 볼밀 공정이 끝난 뒤 얻어진 파우더를 70 ℃에서 2시간 동안 건조하는 단계를 포함한다. 준비 된 파우더의 크기는 수백 나노미터 (nm) 수준으로 합성이 된다. 상기의 조건에서 벗어나게 되면 LSC&MoSe2의 크기, 형태, 조성비, 비표면적 등이 변화 될 수 있으며, 이는 물 분해 성능 저하를 초래할 수 있다.According to one aspect, the step of synthesizing the dispersion solution through a wet ball mill method comprises: dispersing 300 mg of prepared LSC, 150 mg of MoSe2, and 50 mg of Ketjenblack carbon in ethanol; Putting a solution in which LSC, MoSe2, and KB are dispersed in a wet ball milling equipment and performing a ball mill process at 400 rpm for 2 hours using a 7 mm zirconia ball; After the ball mill process is completed, the step of drying the powder obtained at 70 ℃ for 2 hours. The size of the prepared powder is synthesized at the level of hundreds of nanometers (nm). If it deviates from the above conditions, the size, shape, composition ratio, specific surface area, etc. of LSC&MoSe 2 may be changed, which may result in deterioration of water decomposition performance.
본 발명의 일 실시예에 따른 물 분해 장치는, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매; 산화 전극; 및 환원 전극;을 포함한다.Water decomposition apparatus according to an embodiment of the present invention, the catalyst according to an embodiment of the present invention; Oxide electrode; And a reduction electrode.
일 측면에 따르면, 상기 촉매는, 상기 산화 전극, 상기 환원 전극 또는 둘 다에 적용되는 것일 수 있다.According to one aspect, the catalyst may be applied to the oxidation electrode, the reduction electrode, or both.
일 측면에 따르면, 100 mA cm-2의 전기 분해 조건에서, 1000 시간 이상 전체 물 분해 반응(overall water splitting)의 성능을 유지하는 것일 수 있다.According to one aspect, in the electrolysis condition of 100 mA cm -2 , it may be to maintain the performance of the overall water splitting reaction (overall water splitting) for 1000 hours or more.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매를 산화 전극 및 환원 전극에 적용하여 전체 물 분해 반응 (overall water splitting)을 진행한 결과를 나타낸 도면이다. 9 is a view showing the results of the overall water decomposition reaction (overall water splitting) by applying the LSC & MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention to the oxidation electrode and the reduction electrode.
더욱 자세하게, 도 9 (a)는 실제 전체 물 분해 측정 실험 시의 이미지이고, 도 9 (b)는 1M KOH 에서의 전체 물 분해 성능을 나태내는 분극 곡선이며, 도 9 (c)는 안정성을 평가한 그래프이다.More specifically, Figure 9 (a) is an image of the actual total water decomposition measurement experiment, Figure 9 (b) is a polarization curve showing the total water decomposition performance in 1M KOH, Figure 9 (c) evaluates the stability It is a graph.
도 9 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매를 산화, 환원전극에 모두 적용하여 전체 물 분해 반응 (overall water splitting)을 진행할 경우, 산화전극(anode)에서는 산소가 발생되고 환원전극 (cathode)에서는 수소가 발생되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 9 (a), when the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention is applied to both an oxidation and a reduction electrode, an overall water splitting process is performed. It can be seen that oxygen is generated and hydrogen is generated at the cathode.
도 9 (b) 및 (c)를 참조하면, LSC&MoSe2 || LSC&MoSe2의 전체 물 분해 반응 (overall water splitting) 성능은 Pt/C || IrO2와 상응할 만한 우수한 성능을 보여주는 것을 알 수 있으며, 1,000 시간이 넘는 매우 우수한 안정성을 보이는 것을 알 수 있다. 이는 현재까지 보고 된 안정성 결과 중 가장 가혹한 조건 (100 mA cm-2)에서 가장 우수한 안정성을 보여주는 것을 의미한다.9 (b) and (c), LSC&MoSe 2 || The overall water splitting performance of LSC&MoSe 2 is Pt/C || It can be seen that it shows excellent performance comparable to IrO 2, and it shows excellent stability over 1,000 hours. This means that it shows the best stability under the harshest conditions (100 mA cm -2 ) among the stability results reported to date.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매와 다른 문헌들에 보고된 1M KOH 전해질에서의 전체 물 분해 반응을 위한 촉매들과의 안정성을 비교한 데이터이다.FIG. 10 is data comparing stability of LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention with catalysts for total water decomposition reaction in 1M KOH electrolyte reported in other documents.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LSC&MoSe2 이종구조 촉매는 1000 시간이 넘는 매우 우수한 안정성을 보이는 것을 알 수 있다.Referring to Figure 10, it can be seen that the LSC&MoSe 2 heterostructure catalyst according to an embodiment of the present invention exhibits very good stability over 1000 hours.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.As described above, although the embodiments have been described by a limited embodiment and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, even if the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components are combined or combined in a different form from the described method, or replaced or replaced by another component or equivalent Appropriate results can be achieved. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
Claims (12)
상기 금속 화합물과 혼합된 전이금속 칼코겐 화합물;을 포함하고,
상기 금속 화합물과 상기 전이금속 칼코겐 화합물은 이종구조를 형성하는 것인,
촉매.
A metal compound having a perovskite structure; And
Including; a transition metal chalcogen compound mixed with the metal compound;
The metal compound and the transition metal chalcogen compound to form a heterogeneous structure,
catalyst.
상기 페로브스카이트 구조를 가지는 금속 화합물은,
란타늄 스트론튬 코발트 옥사이드 (Lanthanum Strontium Cobalt oxide, LSC), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum Strontium Ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum Strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite, LSCF), 칼슘 티타네이트 페라이트(Calcium Titanate Ferrite, CTF, CaTiFeO3), 바륨 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium Cobalt Ferrite, BSCF), 스트론튬 티타네이트 페라이트(Strontium Titanate Ferrite, STF), 란타늄 스트론튬 니켈 아이런 옥사이드 (Lanthanum Strontium Nickel Iron Oxide, LSNFO) 및 스트론튬 코발트 아이런 텅스텐 옥사이드 (Strontium Cobalt Iron Tungsten Oxide, SCFWO) 으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
촉매.
According to claim 1,
The metal compound having the perovskite structure,
Lanthanum Strontium Cobalt Oxide (LSC), Lanthanum Strontium Ferrite (LSF), Lanthanum Strontium Cobalt Oxide (LSF), Lanthanum Strontium Ferrite (LSF), Lanthanum Strontium Cobalt Oxide (Lanthanum Strontium Cobalt Oxide) Cobalt Ferrite (Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite, LSCF), Calcium Titanate Ferrite (CTF, CaTiFeO 3 ), Barium Strontium Cobalt Ferrite (BSCF), Strontium Titanate Ferrite, STF , Comprising at least one selected from the group consisting of Lanthanum Strontium Nickel Iron Oxide (LSNFO) and Strontium Cobalt Iron Tungsten Oxide (SCFWO),
catalyst.
상기 전이금속 칼코겐 화합물은,
MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, TiS2, VS2, CrS2, MnS2, FeS2, NiS2, ZrS2, TiSe2, VSe2, CrSe2, MnSe2, FeSe2, NiSe2, ZrSe2, TiTe2, VTe2, CrTe2, MnTe2, FeTe2, NiTe2 및 ZrTe2 으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
촉매.
According to claim 1,
The transition metal chalcogenide compound,
MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 , WSe 2 , TiS 2 , VS 2 , CrS 2 , MnS 2 , FeS 2 , NiS 2 , ZrS 2 , TiSe 2 , VSe 2 , CrSe 2 , MnSe 2 , FeSe 2 , NiSe 2 , ZrSe 2 , TiTe 2 , VTe 2 , CrTe 2 , MnTe 2 , FeTe 2 , containing at least one selected from the group consisting of NiTe 2 and ZrTe 2 ,
catalyst.
상기 촉매의 비표면적은,
페로브스카이트 단일 구조를 가지는 금속 화합물 비표면적 대비 3 배 이상인 것인,
촉매.
According to claim 1,
The specific surface area of the catalyst,
Perovskite metal compound having a single structure is three times or more compared to the specific surface area,
catalyst.
상기 촉매는,
상기 금속 화합물의 결정구조 및 상기 전이금속 칼코겐 화합물의 결정구조를 모두 포함하는 것인,
촉매.
According to claim 1,
The catalyst,
It includes both the crystal structure of the metal compound and the crystal structure of the transition metal chalcogen compound,
catalyst.
상기 촉매는,
금속성인 것인,
촉매.
According to claim 1,
The catalyst,
Metallic,
catalyst.
상기 전이금속 칼코겐 화합물의 위상(phase)은,
2H 위상(2H phase, 반도체성) 및 1T 위상(1T phase, 금속성)를 포함하는 것인,
촉매.
According to claim 1,
The phase of the transition metal chalcogenide compound,
Including 2H phase (2H phase, semiconducting) and 1T phase (1T phase, metallic),
catalyst.
페로브스카이트 구조를 가지는 금속 화합물 파우더를 준비하는 단계;
상기 전이금속 칼코겐 화합물 파우더 및 상기 금속 화합물 파우더를 포함하는 분산용액을 제조하는 단계; 및
상기 분산용액을 습식 볼밀 방법을 통해 합성하는 단계; 를 포함하는,
촉매 제조방법.
Preparing a transition metal chalcogen compound powder;
Preparing a metal compound powder having a perovskite structure;
Preparing a dispersion solution containing the transition metal chalcogen compound powder and the metal compound powder; And
Synthesizing the dispersion solution through a wet ball mill method; Containing,
Catalyst manufacturing method.
상기 분산용액은,
상기 전이금속 칼코겐 화합물 파우더 및 상기 금속 화합물 파우더가 1 : 1.5 내지 1 : 2.5 중량비율로 혼합된 것인,
촉매 제조방법.
The method of claim 8,
The dispersion solution,
The transition metal chalcogenide compound powder and the metal compound powder is mixed in a weight ratio of 1: 1.5 to 1: 2.5,
Catalyst manufacturing method.
산화 전극; 및
환원 전극;을 포함하는
물 분해 장치.
The catalyst of any one of claims 1 to 7;
Oxide electrode; And
Reduction electrode; containing
Water decomposition device.
상기 촉매는,
상기 산화 전극, 상기 환원 전극 또는 둘 다에 적용되는 것인,
물 분해 장치.
The method of claim 10,
The catalyst,
It is applied to the oxidation electrode, the reduction electrode, or both,
Water decomposition device.
100 mA cm-2의 전기 분해 조건에서,
1000 시간 이상 전체 물 분해 반응(overall water splitting)의 성능을 유지하는 것인,
물 분해 장치.The method of claim 10,
Under electrolysis conditions of 100 mA cm -2 ,
Maintaining the performance of overall water splitting for over 1000 hours,
Water decomposition device.
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