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KR102435218B1 - 수전해용 촉매 및 그의 제조방법 - Google Patents

수전해용 촉매 및 그의 제조방법 Download PDF

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KR102435218B1
KR102435218B1 KR1020200080237A KR20200080237A KR102435218B1 KR 102435218 B1 KR102435218 B1 KR 102435218B1 KR 1020200080237 A KR1020200080237 A KR 1020200080237A KR 20200080237 A KR20200080237 A KR 20200080237A KR 102435218 B1 KR102435218 B1 KR 102435218B1
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iridium
catalyst
water electrolysis
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acetate
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박찬호
백채경
이승우
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광주과학기술원
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Abstract

본 발명의 일실시예는 금속 이리듐(Ir), 이리듐(III)-산화물(Ir2O3) 및 이리듐(IV)-산화물(IrO2) 중에 선택되는 2종 이상의 물리적 혼합에 의하여 형성된 이리듐 혼합상을 포함하고, 상기 이리듐 혼합상으로 구성된 나노 시트들이 적층된 구조를 갖는 수전해용 촉매를 제공한다. 상기 수전해용 촉매는 물 전기 분해에서 산소발생반응에 대하여 높은 활성과 높은 안정성을 가질 수 있다.

Description

수전해용 촉매 및 그의 제조방법{Water electrolysis catalyst and manufacturing method thereof}
본 발명은 수전해용 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이리듐을 포함하는 수전해용 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
기존의 화석연료를 대체할 수 있는 에너지로 최근 수소에너지가 각광받고 있다. 수소에너지는 물을 전기 분해하여 쉽게 얻을 수 있으며, 연소를 하면 물이 생성되기 때문에 친환경적이다.
수전해는 두 가지의 반쪽 전지 반응으로 구분될 수 있는데, 그 중 한 가지는 환원전극에서 일어나는 수소 발생 반응 (Hydrogen evolution reaction (HER))이며, 또 다른 한 가지는 산화전극에서 일어나는 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction (OER))이다.
물 전기분해는 이론적으로는 pH에 관계없이 1.23V에서 일어나지만, 실제로는 1.23V에서는 반응속도가 매우 느려서 1.23V 이상의 과전압(overpotential)이 필요하다. 과전압이 높을수록 더 많은 양의 산소 및 수소를 생산할 수 있지만 그만큼 전기 에너지 비용도 증가한다는 문제가 발생하는데, 이 때 각 전극의 반쪽 반응에 필요한 과전압을 줄일 수 있다면 낮은 과전압에서도 충분한 양의 산소 및 수소를 생산해 낼 수 있다.
이러한 이유로 산소 발생 반응 및 수소 발생 반응에서 과전압을 줄일 수 있는 촉매로 종래에 Ir, Pd, Pt, Au 및 Ru와 같은 귀금속이 전극으로 사용되어 연료 전지, 수전해 및 배터리에 대해 효율을 높이고 있었다.
그러나, 이들 금속은 비싸기 때문에 보다 적은 양으로도 최대한의 촉매 활성을 갖는 촉매를 연구하는 것이 필요하다.
대한민국 등록특허공보 제10-2014-0135306호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수전해용 촉매 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 수전해용 촉매를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서 수전해용 촉매는, 금속 이리듐(Ir), 이리듐(III)-산화물(Ir2O3) 및 이리듐(IV)-산화물(IrO2) 중에 선택되는 2종 이상의 물리적 혼합에 의하여 형성된 이리듐 혼합상을 포함하고, 상기 이리듐 혼합상으로 구성된 나노 시트들이 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 이리듐 혼합상에 포함되는 0가 이리듐, +3가 이리듐 및 +4가 이리듐의 몰비는 76:0:24 내지 0:39:61일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 금속 이리듐의 함량은, 이리듐의 총원자퍼센트 대비 76at% 이하일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 X선 회절(XRD) 분석에서 2θ 회절각이 9.26±0.1°, 19.01±0.1°, 29.64±0.1°, 37.64±0.1°, 56.79±0.1°, 67.50±0.1° 및 79.81±0.1°인 회절 패턴을 가지고, 금속 이리듐(Ir), 이리듐(III)-산화물(Ir2O3) 및 이리듐(IV)-산화물(IrO2) 중에 선택되는 2종 이상의 물리적 혼합에 의하여 형성된 이리듐 혼합상을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 수전해용 촉매 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 수전해용 촉매 제조방법은, 용매에 산소제공 첨가제를 첨가하여 제1 혼합물을 형성하는 단계; 상기 제1 혼합물에 환원제 및 이리듐 전구체를 포함하는 용액을 넣어서 제2 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 제2 혼합물을 열처리하여 산화환원 반응시키는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 용매는 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 디에틸렌글리콜(Diethylene glycol) 및 트리에틸렌글리콜(Triethylene glycol)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 산소제공 첨가제는 아세트산 나트륨(Sodium acetate), 아세트산 포타슘 (Potassium Acetate), 아세트산 리튬 (Lithium Acetate), 아세트산 마그네슘 (Magnesium Acetate) 및 아세트산 칼슘 (Calcium acetate)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 환원제는 포름산(formic acid), 포름산 나트륨(Sodium formate), 포름알데히드(formaldehyde), 아세트알데히드(acetaldehyde), 벤즈알데히드(Benzaldehyd), 프로피온알데히드(Propionaldehyde), 뷰틸알데히드(Butyraldehyde) 및 글리옥살(glyoxal)로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 이리듐 전구체 용액은 플루오르화이리듐(Iridium fluoride), 염화이리듐(Iridium chloride), 브롬화이리듐(Iridium bromide), 요오드화이리듐(Iridium iodide), 이리듐 아세테이트(Iridium acetate), 이리듐 아세틸아세토네이트(Iridium acetylacetonate) 및 이리듐 나이트레이트(Iridium nitrate) 및 이들의 수화물로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 이리듐 전구체 및 상기 산소제공 첨가제를 1:0 내지 1:14.6 몰비로 반응시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 열처리는 100℃ 내지 200℃의 온도로 1시간 내지 24시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 물 전기 분해에서 산소발생반응에 대하여 우수한 활성 및 우수한 안정성을 갖는 수전해용 촉매를 제공할 수 있다.
기존 촉매 제조 대비 낮은 온도 조건에서 제조가 가능하여 경제적이고 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매의 TEM 이미지이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매의 XRD 회절 패턴이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매 제조방법의 순서도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매 제조방법의 모식도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 비교예 및 실시예의 XRD 회절 패턴이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매의 XPS(광전자분광법)의 스펙트럼이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매의 10mA cm-2에서의 산소발생반응(OER)에 대한 활성 및 안정성 측정 그래프이다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매의 전해질로의 금속 용해속도를 측정한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 촉매를 설명한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매의 TEM 이미지이다.
도1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 촉매는, 금속 이리듐(Ir), 이리듐(III)-산화물(Ir2O3) 및 이리듐(IV)-산화물(IrO2) 중에 선택되는 2종 이상의 물리적 혼합에 의하여 형성된 이리듐 혼합상을 포함하고, 상기 이리듐 혼합상으로 구성된 나노 시트들이 적층된 구조를 갖는다.
상기 이리듐 혼합상은, 예를 들어, 금속 이리듐(Ir) 및 이리듐(IV)-산화물(IrO2)을 포함할 수 있고, 또는 이리듐(III)-산화물(Ir2O3) 및 이리듐(IV)-산화물(IrO2)을 포함할 수도 있다.
상기 이리듐 혼합상은 나노시트를 구성하고, 상기 이리듐 혼합상으로 구성된 나노시트가 적층되어 본 발명의 촉매 구조가 된다.
상기 금속 이리듐(Ir)의 산화수는 0가 이고, 이리듐(III)-산화물(Ir2O3)의 이리듐 산화수는 +3가 이고, 이리듐(IV)-산화물(IrO2)의 이리듐 산화수는 +4가 이다.
상기 이리듐 혼합상에 포함되는 0가 이리듐, +3가 이리듐 및 +4가 이리듐의 몰비는 76:0:24 내지 0:39:61일 수 있다.
상기 몰비를 벗어날 경우에는 산소발생반응시 전자의 움직임이 제약되거나 불안정한 상들이 존재하여 촉매 활성 또는 안정성이 감소할 수 있다.
즉, 상기 금속 이리듐(Ir)의 함량은, 이리듐의 총원자퍼센트 대비 76at% 이하일 수 있다.
상기 금속 이리듐(Ir)의 함량이 76at% 초과인 경우에는 불안정한 상들이 존재하여 촉매 활성이 감소할 수 있다.
또한, 상기 +4가 이리듐의 함량은 61at% 이하일 수 있다.
상기 +4가 이리듐의 함량이 61at% 초과인 경우에는 산소발생반응시 전자의 움직임이 제약되어 촉매 활성이 감소할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 수전해용 촉매는 물 전기 분해에서 높은 산소발생반응 활성 및 안정성을 가질 수 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매의 XRD 회절 패턴이다.
도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 촉매는 X선 회절(XRD) 분석에서 2θ 회절각이 9.26±0.1°, 19.01±0.1°, 29.64±0.1°, 37.64±0.1°, 56.79±0.1°, 67.50±0.1° 및 79.81±0.1°인 회절 패턴을 가지고, 금속 이리듐(Ir), 이리듐(III)-산화물(Ir2O3) 및 이리듐(IV)-산화물(IrO2) 중에 선택되는 2종 이상의 물리적 혼합에 의하여 형성된 이리듐 혼합상을 포함하고, 상기 이리듐 혼합상으로 구성된 나노 시트들이 적층된 구조를 가진다.
XRD(X-ray diffraction) 분석은 X선을 조사하여 시료의 구조를 분석하기 위한 방법으로, X선이 결정에 부딪히게 하면 그 중 일부가 회절을 일으키는데 그 회절각과 강도는 물질마다 고유한 값을 나타내므로 이 회절선에 의해 결정성 물질의 구조, 종류와 양에 관한 정보를 알 수 있다.
상기 회절 패턴은 기존의 이리듐 메탈(Ir) 구조 또는 이리듐 산화물 구조와 일치하지 않아서, 새로운 형태의 신규 구조를 가진 이리듐 혼합상 임을 확인할 수 있다.
상기 회절 패턴 9.26±0.1°은 층상 함수 시트(layered hydrous sheet) 형상에 의해 나타난 것일 수 있다.
상기 층상 함수 시트(layered hydrous sheet) 형상은 자가 조립된 적층된 나노 시트의 형상을 의미한다.
특히, 19.01±0.1°, 29.64±0.1°, 37.64±0.1° 에 해당하는 피크들은 적층 (라멜라, lamella) 구조에 의해서 나타나는 특성에 의한 것일 수 있다.
라멜라 구조(lamella structure)란 일반적으로 지질 이분자층막이 층층이 쌓여있는 입체 구조로 바깥쪽에 극성기, 안쪽에는 지방사슬을 가지는 구조를 의미하는데, 본 발명에서는 일정한 층간 간격을 지닌 새로운 구조를 의미한다.
상기 XRD 회절 패턴을 측정하는 XRD 스펙트럼의 측정 조건은 예를 들어, 다음과 같을 수 있다.
1) 장치: MAX Ultima III, Rigaku, Japan / X 선원: Cu Kα radiation source
2) 관 전압: 40KV / 관 전류: 40mA
3) 발산 슬릿: 2/3° / 산란 슬릿: 2/3° / 수광 슬릿: 0.3mm
4) 주사 범위: 2내지 ~90° 2θ
5) 스캔 속도: 2°/분
본 발명의 다른 실시예에 따른 수전해용 촉매 제조방법을 설명한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매 제조방법의 순서도이다.
도4은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매 제조방법의 모식도이다.
도3 및 도4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수전해용 촉매 제조방법은, 용매에 산소제공 첨가제를 첨가하여 제1 혼합물을 형성하는 단계(S100); 상기 제1 혼합물에 환원제 및 이리듐 전구체를 포함하는 용액을 넣어서 제2 혼합물을 형성하는 단계(S200); 및 상기 제2 혼합물을 열처리하여 산화환원 반응시키는 단계(S300); 를 포함한다.
첫째 단계에서, 용매에 산소제공 첨가제를 첨가하여 제1 혼합물을 형성한다(S100).
상기 용매는 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌글리콜(Diethylene glycol) 및 트리에틸렌글리콜(Triethylene glycol)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 용매는 이리듐 전구체, 산소제공 첨가제 및 환원제를 용해시켜서 반응에 적절한 상태가 되도록 충분히 공급해 주는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 용매 및 이리듐 전구체의 비율은 전구체 중 금속 중량 0.1g당 용매 100 ~ 500 mL로 하는 것이 바람직하다. 100 mL 미만일 경우에는 합성 시에 나노 입자간 응집현상이 발생하여 입자의 분산에 안 좋은 영향을 미칠 수 있고, 500 mL 이상으로 과량의 용매를 사용하게 될 경우에는 반응 용액의 농도가 너무 묽어져서 반응시간이 길어질 뿐만 아니라 전구체가 충분히 산화되지 않게 될 수 있다.
또한, 상기 용매에 산소제공 첨가제를 미리 용해시킴으로써, 이후 단계에서 전구체 및 환원제를 첨가할 때의 부반응을 사전 예방할 수 있다.
상기 산소제공 첨가제는 아세트산 나트륨(Sodium acetate), 아세트산 포타슘 (Potassium Acetate), 아세트산 리튬 (Lithium Acetate), 아세트산 마그네슘 (Magnesium Acetate) 및 아세트산 칼슘 (Calcium acetate)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 산소제공 첨가제는 아세트산 나트륨(Sodium acetate)일 수 있다.
상기 산소제공 첨가제는 다음 단계에서 이리듐 전구체를 산화환원 시키며 반응하여 최종 생성물의 산화수를 변화시키므로, 산소제공 첨가제를 알맞게 조절하여 원하는 촉매 활성을 구현할 수 있다.
예를 들어, 에틸렌 글리콜 170g, 아세트산 나트륨 2g을 넣고 실온에서 3시간 동안 저어서 제1 혼합물을 형성할 수 있다.
둘째 단계에서, 상기 제1 혼합물에 환원제 및 이리듐 전구체를 포함하는 용액을 넣어서 제2 혼합물을 형성한다(S200).
혼합 및 반응을 용이하게 하기 위해 상기 제2혼합물을 실온에서 5분정도 저어줄 수 있다.
상기 환원제는 포름산(formic acid), 포름산 나트륨 (Sodium formate), 포름알데히드(formaldehyde), 아세트알데히드(acetaldehyde), 벤즈 알데히드(Benzaldehyd), 프로피온알데히드(Propionaldehyde), 뷰틸알데히드(Butyraldehyde) 및 글리옥살(glyoxal)로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 환원제는 포름산(formic acid)일 수 있다.
상기 환원제는 이리듐을 환원시키고, 분해되어 일산화탄소를 배출하며 배출된 이산화탄소가 환원된 Ir 금속 표면에 붙어, 층상 함수 시트(layered hydrous sheet) 와 적층(라멜라) 구조를 형성하는 데 기여할 수 있다.
상기 환원제는 이리듐 전구체 대비 과량을 사용할 수 있다.
상기 이리듐 전구체 용액은 플루오르화이리듐(Iridium fluoride), 염화이리듐(Iridium chloride), 브롬화이리듐(Iridium bromide), 요오드화이리듐(Iridium iodide), 이리듐 아세테이트(Iridium acetate), 이리듐 아세틸아세토네이트(Iridium acetylacetonate), 이리듐 나이트레이트(Iridium nitrate) 및 이들의 수화물로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 이리듐 전구체 화합물은 이리듐 이온을 제공할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 플루오르화이리듐, 염화이리듐, 브롬화이리듐 및 요오드화이리듐과 같은 할로겐화 이리듐 또는 이들의 수화물; 이리듐 아세테이트 (예컨대, Ir(CH3COO)n으로 표시되는 화합물이고, n은 1~5의 정수일 수 있다), 이리듐 아세틸 아세토네이트와 같은 이리듐 유기산염 또는 이들의 수화물 및 이리듐 나이트레이트(nitrate)와 같은 이리듐 무기산염 또는 이들의 수화물 등으로부터 선택될 수 있다.
또한, 상기 염화이리듐은 IrCl2, IrCl3, IrCl4로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으며 본 발명의 일 실시예에서는 물에 대한 용해성이 우수한 IrCl3을 사용하였다.
예를 들어, 상기 제1 혼합물에 포름산 207g 및 8wt% IrCl3수용액 12.5g을 첨가한 후 실온에서 5분동안 저어서 제2혼합물을 형성할 수 있다.
상기 이리듐 전구체 및 상기 산소제공 첨가제를 1:0 내지 1:14.6 몰비로 반응시킬 수 있다.
상기 몰비가 1:14.6 초과인 경우에는 본 발명의 수전해용 촉매의 X선 회절(XRD) 패턴에서 2θ 회절각이 9.26±0.1°, 19.01±0.1°, 29.64±0.1°, 37.64±0.1°, 56.79±0.1°, 67.50±0.1° 및 79.81±0.1°인 회절 피크(main peak)를 가지지 않을 수 있다.
특히, 37.64±0.1°의 회절 피크(main peak)를 가지지 않을 수 있다.
상기 이리듐 전구체는 산소제공 첨가제와 반응하여, 최종 생성물의 이리듐 촉매의 산화수를 조절할 수 있고, 이때, 상기 산소제공 첨가제는 한계 반응물로서 작용할 수 있다.
예를 들어, 상기 이리듐 전구체 및 산소제공 첨가제를 1:1.8 몰비로 반응시켰을 때의 최종 생성물(실시예4)은 산화수 0가 이리듐(Ir0) 10at%, 산화수 +3가 이리듐(Ir3+) 63at% 및 산화수 +4 가 이리듐(Ir4+) 27at%를 포함할 수 있다. 또한, 상기 이리듐 전구체 및 산소제공 첨가제를 1:7.3 몰비로 반응시켰을 때의 최종 생성물(실시예2)은 산화수 +3가 이리듐(Ir3+) 57at% 및 산화수 +4가 이리듐(Ir+4) 43at%를 포함할 수 있다. 이리듐의 산화수가 달라지면 촉매 활성의 변화가 생기므로 이리듐의 산화수를 이리듐 전구체 및 산소제공 첨가제의 반응 몰비로써 조절할 수 있다.
셋째 단계에서, 상기 제2 혼합물을 열처리하여 산화환원 반응시켜서 수전해용 촉매를 제조한다(S300).
상기 열처리 초기에는 이리듐이 금속 이리듐으로 환원되고, 입자의 성장 및 적층이 시작될 때, 표면에 산화된 이리듐이 성장한다.
상기 열처리는 100℃ 내지 200℃의 온도로 1시간 내지 24시간 동안 수행될 수 있다.
상기 온도가 100℃ 미만인 경우에는 반응이 용이하게 일어나지 않을 수 있고, 200℃ 초과인 경우에는 최종 생성물이 혼합상이 아닌 산화수 +4가 이리듐(Ir+4)의 단일상으로 존재하여 촉매 활성이 감소할 수 있다.
예를 들어, 제2 혼합물을 120℃에서 5시간 동안 반응시킨 후 세척 및 건조하여 수전해용 촉매를 제조할 수 있다.
상기 열처리 온도 등의 조건은 기존의 촉매의 제조 온도 대비 상당히 완화된 조건이라서 제조비용 등을 감소시킬 수 있다.
8wt% IrCl3 수용액 12.5g일 때, 아세트산 나트륨 첨가량(g) IrCl3 : 아세트산 나트륨(몰비)
실시예1 4 g 1 : 14.6
실시예2 2 g 1 : 7.3
실시예3 1 g 1 : 3.6
실시예4 0.5 g 1 : 1.8
실시예5 0.25 g 1 : 0.9
실시예6 0 g 1 : 0
실시예1에틸렌 글라이콜(Ethylene hlycol, EG) 170g에 아세트산 나트륨(sodium acetate)를 4g 첨가하고 실온에서 3시간 동안 저어주었다. 다음으로, 포름산(formic acid) 207.4g 및 8wt%의 IrCl3 수화물 12.5g을 넣고 실온에서 5분 동안 저어주었다. 다음으로, 393K 에서 5시간 동안 반응시킨후, 세척후 건조하여 실시예1의 수전해용 촉매를 제조하였다(상기 표1참조).
실시예2 내지 6
상기 실시예1에 있어서, 아세트산 나트륨을 2g, 1g, 0.5g, 0.67g 및 0g을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일한 조건으로, 실시예2, 실시예3, 실시예4, 실시예5 및 실시예6의 수전해용 촉매를 제조하였다(상기 표1참조).
비교예1
아담스 퓨전(Adams' fusion)법을 적용하여 IrO2를 제조하였다.
상기 합성법의 경우, IrCl3 금속 전구체 0.1g에 질산 나트륨 2g 그리고 물 5g을 첨가 및 교반 후 건조된 파우더를 450℃에서 30분간 열처리하여 준비하였다.
비교예2
상용 IrO2 수화물(Sigma Aldrich)을 구입하였다.
비교예3
상용 IrO2 Black(Alfa Aesar)_300H2을 구입하였다
비교예4
상용 IrO2(Alfa Aesar)을 구입하였다.
실험예
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매의 TEM 이미지이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 수전해용 촉매가 나노 시트 형태로 적층된 형상을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매의 XRD 회절 패턴이다.
도2를 참조하면, 2θ 회절각이 9.26±0.1°, 19.01±0.1°, 29.64±0.1°, 37.64±0.1°, 56.79±0.1°, 67.50±0.1° 및 79.81±0.1°의 회절 피크를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 비교예 및 실시예의 XRD 회절 패턴이다.
도5를 참조하면, 실시예는 다른 비교예들과 패턴이 일치하지 않으며, 기존의 이리듐 금속 구조 또는 이리듐 산화물 구조와 일치하지 않아서 새로운 형태의 신규 화합물 임을 확인할 수 있다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매의 XPS(광전자분광법)의 스펙트럼이다.
도6을 참조하면, XPS그래프에서 peak fitting을 통해서 이리듐 원자의 산화수를 결정할 수 있고 면적비를 통해서 몰비를 계산할 수 있는데, XPS에서 금속 이리듐(Ir)의 산화수 0가의 위치는 ~61.2 eV 에 해당하며, 3가의 경우 62.5 ~ 63 eV, 4가의 경우 61.5 eV ~ 62.3 eV or 63.5 eV 결합에너지 범위에 해당한다. 그래서, 도6에서 실시예2의 0가, 3가 및 4가 이리듐의 함량을 확인 할 수 있다. 각 실시예 및 비교예들의 함량을 하기 표2에 나타내었다.
단위 at% Ir0(산화수 0가) Ir3+(산화수 +3가) Ir4+(산화수 +4가)
실시예1 - 39 61
실시예2 - 57 43
실시예3 - 63 37
실시예4 10 63 27
실시예5 69 - 31
실시예6 76 - 24
비교예2 - 54 46
비교예3 83 17 -
표2을 참조하면, 아세트산 나트륨(sodium acetate) 첨가에 따라 금속 상태의 Ir 의 산화수의 몰비가 변화되는 경향성을 확인할 수 있다.도7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매의 10mA cm-2에서의 산소발생반응(OER)에 대한 활성 및 안정성 측정 그래프이다.
도7을 참조하면, 10mA cm-2에서 과전압(mVRHE) 측정 시 대부분의 실시예가 300mV 이하로 촉매 활성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 정전류 인가 후 일정 시간 전후로 과전위가 얼마나 변하는지 측정하여 안정성을 평가하였는데, 정전류(10mA cm-2)를 6시간 동안 인가한 후에도 대부분의 실시예가 300mV 정도의 과전위를 나타내어 안정하다는 것을 알 수 있다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 수전해용 촉매의 전해질로의 금속 용해속도를 측정한 그래프이다.
도8를 참조하면, 아세트산 나트륨의 양이 증가할수록 이리듐 +4가의 비율이 높아져, 촉매의 용출량이 적어져서 소재의 전기화학적 안정성이 높아짐을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 물 전기 분해에서 높은 산소발생반응 활성 및 높은 산소발생반응 안정성을 갖는 수전해용 촉매를 제공할 수 있다.
기존 촉매 제조 대비 낮은 온도 조건에서 제조가 가능하여 경제적이고 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
삭제

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. X선 회절(XRD) 분석에서 2θ 회절각이 9.26±0.1°, 19.01±0.1°, 29.64±0.1°, 37.64±0.1°, 56.79±0.1°, 67.50±0.1° 및 79.81±0.1°인 회절 패턴을 가지고,
    금속 이리듐(Ir), 이리듐(III)-산화물(Ir2O3) 및 이리듐(IV)-산화물(IrO2) 중에 선택되는 2종 이상의 혼합에 의하여 형성된 이리듐 혼합상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 촉매.
  5. 용매에 산소제공 첨가제를 첨가하여 제1 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 제1 혼합물에 환원제 및 이리듐 전구체를 포함하는 용액을 넣어서 제2 혼합물을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 혼합물을 열처리하여 산화환원 반응시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 이리듐 전구체 용액은 플루오르화이리듐(Iridium fluoride), 염화이리듐(Iridium chloride), 브롬화이리듐(Iridium bromide), 요오드화이리듐(Iridium iodide), 이리듐 아세테이트(Iridium acetate), 이리듐 아세틸아세토네이트(Iridium acetylacetonate), 이리듐 나이트레이트(Iridium nitrate) 및 이들의 수화물로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 산소제공 첨가제는 아세트산 나트륨(Sodium acetate), 아세트산 포타슘 (Potassium Acetate), 아세트산 리튬 (Lithium Acetate), 아세트산 마그네슘 (Magnesium Acetate) 및 아세트산 칼슘 (Calcium acetate)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 이리듐 전구체 및 상기 산소제공 첨가제를 1:0.9 내지 1:14.6 몰비로 반응시키는 것을 특징으로 하고,
    상기 열처리는 100℃ 내지 200℃의 온도로 1시간 내지 24시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 수전해용 촉매 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 용매는 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 디에틸렌글리콜(Diethylene glycol) 및 트리에틸렌글리콜(Triethylene glycol)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 촉매 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 환원제는 포름산(formic acid), 포름산 나트륨(Sodium formate), 포름알데히드(formaldehyde), 아세트알데히드(acetaldehyde), 벤즈알데히드(Benzaldehyd), 프로피온알데히드(Propionaldehyde), 뷰틸알데히드(Butyraldehyde) 및 글리옥살(glyoxal)로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 촉매 제조방법.
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