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KR102735762B1 - Electrocatalyst for HMF electrochemical reduction to BHMF production and its manufacturing method - Google Patents

Electrocatalyst for HMF electrochemical reduction to BHMF production and its manufacturing method Download PDF

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KR102735762B1
KR102735762B1 KR1020220030663A KR20220030663A KR102735762B1 KR 102735762 B1 KR102735762 B1 KR 102735762B1 KR 1020220030663 A KR1020220030663 A KR 1020220030663A KR 20220030663 A KR20220030663 A KR 20220030663A KR 102735762 B1 KR102735762 B1 KR 102735762B1
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hmf
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electrocatalyst
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Abstract

본 발명은 HMF 환원반응을 통한 BHMF 생산용 전극에 있어서, 전도성 기판을 포함하고, 이 상부에는 수소 보조 전기증착 합성법을 통해 비귀금속 기반 촉매 층을 포함하며 상기 촉매 층은 나노입자로 구성된 다공성 구조인 것을 특징으로 하는 전기화학적 HMF 환원반응을 통한 BHMF 생산용 전극을 제공한다.
본 발명은 저가 금속 사용으로 전극 제조 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 고효율을 유지하여 HMF 환원반응을 통한 BHMF 합성공정의 공정 운영 비용 절감이 전망된다. 전극의 제조 시간을 단축해 제조 공정 시간 증가에 따른 비용을 절감할 수 있었으며 유기용매를 사용하지 않아 폐수 처리 비용도 절감할 수 있다.
The present invention provides an electrode for producing BHMF through an electrochemical HMF reduction reaction, comprising a conductive substrate, on the upper portion of which a non-precious metal-based catalyst layer is formed through a hydrogen-assisted electrodeposition synthesis method, and wherein the catalyst layer has a porous structure composed of nanoparticles.
The present invention not only reduces the electrode manufacturing cost by using low-priced metals, but also maintains high efficiency, thereby reducing the process operation cost of the BHMF synthesis process through the HMF reduction reaction. By shortening the electrode manufacturing time, the cost due to the increase in the manufacturing process time can be reduced, and wastewater treatment costs can also be reduced by not using organic solvents.

Description

전기화학적 환원반응을 통한 HMF으로부터 BHMF 생산용 촉매 전극 및 이의 제조방법{Electrocatalyst for HMF electrochemical reduction to BHMF production and its manufacturing method}{Electrocatalyst for HMF electrochemical reduction to BHMF production and its manufacturing method}

본 발명은 전기화학적 HMF 환원반응을 통한 BHMF 생산용 촉매 전극의 제조 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 비귀금속 기반 촉매 전극을 이용하여 수소생성반응과 부산물 생성을 억제하며 BHMF의 생산효율 및 선택성을 높인 전극의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to the manufacture of a catalyst electrode for producing BHMF through an electrochemical HMF reduction reaction and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a method for manufacturing an electrode that suppresses hydrogen production reaction and by-product production and increases the production efficiency and selectivity of BHMF by using a non-precious metal-based catalyst electrode.

화석연료 대체를 위해 보다 친환경적인 바이오매스 에너지를 활용한 연구가 증가하고 있다. 그 중에서도 바이오매스를 이용한 고질화는 바이오매스 재료를 활용해서 부가가치가 높은 탄소화합물을 합성할 수 있어 활용가치가 높다. HMF는 목질 섬유소 (lignocellulosic biomass)로 부터 얻을 수 있는 물질로 퓨란링(furan ring)에 하이드록실기 (hydroxyl group, -OH)와 카보닐기(carbonyl group, -C=O)가 연결되어 있어 산화환원 반응을 통해 다양한 화학물질로 전환할 수 있는 다이내믹한 플랫폼의 화학 물질로 알려져 있다. 특히 HMF의 2전자 환원반응을 이용해 합성할 수 있는 BHMF는 중요한 빌딩 블록 화학물질로 수지, 폴리머, 인조 섬유, 의학제품 등의 제조 산업에서 사용할 수 있다. 기존의 HMF 환원반응을 통한 BHMF 생성연구는 주로 열촉매를 사용하여 진행되었다. 이 반응은 고온 고압 조건이 필수적이며 유기용매 또는 수소가스를 환원제(프로톤 소스)로 사용하고 있다. 반면 전기화학적 촉매반응은 상온, 상압에서 진행할 수 있으며 수소 및 유기용매 대체로 물과 수소를 환원제로 사용할 수 있어 공정 가동에 대한 비용을 절감할 수 있고 현장 안전성 확보와 공정과정에서 발생하는 폐기물 처리도 용이하다. 전기화학적 HMF 환원반응을 통한 BHMF 생성연구는 은(silver) 촉매 또는 은 기반 전극(Ag/Cu, Ag/carbon paper)을 통해 주로 수행되었다. 이외에도 다른 원소를 활용한 전극으로 합성을 시도한 연구 사례가 있었지만 Bi, Sn과 같은 저가의 원소를 활용한 촉매는 선택성이 낮고 overpotential도 상대적으로 높다고 알려져 있어 많은 연구가 진행되지 않았다. 기존 연구는 HMF 초기농도 증가에 따라 BHMF 생성의 선택도가 감소되는 단점이 있기 때문에 높은 전류에서 고효율적인 BHMF 생산이 불가능하다. 또한 Bi기반 전극을 제조할 시 일반적으로 Bi 염을 유기용매에 용해시켜 전구체를 제조하였는데 이 방법을 사용할 경우 Bi 염의 용해시간이 길어져 전체 제조공정의 시간이 증가하며, 사용 후 유기용매의 폐수처리가 어렵다는 단점이 있다.Research on using more environmentally friendly biomass energy to replace fossil fuels is increasing. Among them, biomass-based nitrification has high utility because it can synthesize high value-added carbon compounds by utilizing biomass materials. HMF is a substance obtained from lignocellulosic biomass, and is known as a dynamic platform chemical substance that can be converted into various chemical substances through redox reactions because the hydroxyl group (-OH) and carbonyl group (-C=O) are connected to the furan ring. In particular, BHMF, which can be synthesized using the two-electron reduction reaction of HMF, is an important building block chemical substance that can be used in the manufacturing industries of resins, polymers, artificial fibers, and medical products. Previous studies on BHMF production through HMF reduction reaction were mainly conducted using thermal catalysts. This reaction requires high temperature and high pressure conditions, and organic solvents or hydrogen gas are used as reducing agents (proton sources). On the other hand, electrochemical catalytic reactions can be carried out at room temperature and pressure, and water and hydrogen can be used as reducing agents instead of hydrogen and organic solvents, so the cost of process operation can be reduced, and on-site safety can be secured and waste generated during the process can be easily disposed of. Research on BHMF production through electrochemical HMF reduction reaction has been mainly conducted using silver catalysts or silver-based electrodes (Ag/Cu, Ag/carbon paper). In addition, there have been research cases that attempted synthesis using electrodes utilizing other elements. Catalysts utilizing inexpensive elements such as Bi and Sn are known to have low selectivity and relatively high overpotential, so not much research has been conducted. Existing studies have a disadvantage in that the selectivity of BHMF production decreases as the initial HMF concentration increases, making it impossible to produce BHMF efficiently at high currents. In addition, when manufacturing Bi-based electrodes, the precursor is generally manufactured by dissolving Bi salts in organic solvents. However, when using this method, the dissolution time of the Bi salts becomes long, increasing the time of the overall manufacturing process, and there is a disadvantage in that wastewater treatment of the organic solvent after use is difficult.

대한민국 공개특허 제 10-2017-0088895 호Republic of Korea Publication Patent No. 10-2017-0088895

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 전기화학적 HMF 환원반응을 통한 BHMF 생산용 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention aims to provide an electrode for producing BHMF through an electrochemical HMF reduction reaction.

또한 상기 전기화학적 HMF 환원반응을 통한 BHMF 생산용 전극의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the purpose is to provide a method for manufacturing an electrode for producing BHMF through the above electrochemical HMF reduction reaction.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전도성 기판; 및 상기 전도성 기판 상부에 증착된 전기 촉매;를 포함하는 BHMF 생산용 전극으로서,In order to achieve the above object, the present invention provides an electrode for producing BHMF, comprising: a conductive substrate; and an electrocatalyst deposited on the conductive substrate;

상기 전도성 기판은 메탈 포일, 메탈 메쉬, 메탈 폼 및 다공성 탄소층으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하고,The conductive substrate is characterized by being at least one selected from the group consisting of a metal foil, a metal mesh, a metal foam, and a porous carbon layer.

상기 전기 촉매는 다공성 덴드라이트 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 BHMF 생산용 전극이 제공된다.An electrode for producing BHMF is provided, characterized in that the above electrocatalyst has a porous dendrite structure.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 0.1 내지 1M 산성 용매, 아세톤 및 에탄올을 이용해 전도성기판을 전처리하는 제 1 단계;In order to achieve the above other objects, the present invention comprises a first step of pretreating a conductive substrate using a 0.1 to 1M acidic solvent, acetone and ethanol;

0.01 내지 3M 메탈솔트를 0.1 내지 9M 산용액에 용해시키는 전기화학적 증착용 전구체를 준비하는 제 2 단계; 및A second step of preparing a precursor for electrochemical deposition by dissolving 0.01 to 3 M metal salt in a 0.1 to 9 M acid solution; and

상기 전기화학적 증착용 전구체에 상기 전도성 기판을 침지시킨 후, 전기화학적 증착법을 통해 상기 기판 상부에 0.01 A cm-2 내지 10 A cm-2 전류를 인가하여 전기촉매 입자를 전착하는 제 3 단계;를 포함하는 전기화학적 환원반응을 통한 HMF로부터 BHMF생산용 촉매 전극의 제조방법이 제공된다.A method for producing a catalyst electrode for producing BHMF from HMF through an electrochemical reduction reaction is provided, including a third step of immersing the conductive substrate in the precursor for electrochemical deposition and then applying a current of 0.01 A cm -2 to 10 A cm -2 on the substrate through an electrochemical deposition method to deposit electrocatalyst particles.

본 발명은 저가 비귀금속 촉매 전극 사용으로 전극 제조비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 고효율 및 고선택도를 유지하여 HMF환원반응을 통한 BHMF 합성공정의 공정 운영 비용 절감이 전망된다. 전극의 제조 시간을 단축시켜 제조 공정 시간 증가에 따른 비용을 절감할 수 있었으며 유기용매를 사용하지 않아 폐수 처리 비용도 절감할 수 있다.The present invention not only reduces the electrode manufacturing cost by using a low-cost non-precious metal catalyst electrode, but also maintains high efficiency and high selectivity, thereby reducing the process operation cost of the BHMF synthesis process through the HMF reduction reaction. By shortening the electrode manufacturing time, the cost due to the increase in the manufacturing process time can be reduced, and wastewater treatment costs can also be reduced by not using an organic solvent.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기증착법을 이용해 전기촉매를 제조 시 사용되는 2전극 시스템의 이미지를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 성능을 테스트할 때 사용되는 3전극 시스템의 이미지를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Bi, Sn, BiSn 전극의 전위에 따른 BHMF 페러데이 효율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 20mM HMF가 포함된 pH가 7.2인 0.5 M phosphate buffer에 -1.2 V vs. SCE (-0.5 V vs. RHE) 일정전압을 가했을 때의 전류(J) 및 BHMF의 패러데이효율(%)을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2 M HMF가 포함된 0.5 M phosphate buffer에 -2.5 V vs. SCE (-1.8 V vs. RHE) 일정전압을 가했을 때의 전류(J) 및 BHMF의 패러데이효율(%)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 30 mA cm-2 일정전류를 5 min동안 인가하여 제조된 planar Bi 전극의 SEM이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 5 A cm-2 일정전류를 10 sec동안 인가하여 제조된 다공성 Bi, Sn 및 BiSn 전극 표면의 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 BiSn전극의 EDS 및 elemental mapping 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 Bi, Sn 및 BiSn 전극의 XRD 분석 그래프이다.
FIG. 1 illustrates an image of a two-electrode system used in manufacturing an electrocatalyst using an electrodeposition method according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 illustrates an image of a three-electrode system used when testing the performance of an electrode according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the BHMF Faraday efficiency according to the potential of Bi, Sn, and BiSn electrodes according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the current (J) and the faradaic efficiency (%) of BHMF when a constant voltage of -1.2 V vs. SCE (-0.5 V vs. RHE) is applied to a 0.5 M phosphate buffer having a pH of 7.2 and containing 20 mM HMF according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the current (J) and the faradaic efficiency (%) of BHMF when a constant voltage of -2.5 V vs. SCE (-1.8 V vs. RHE) is applied to a 0.5 M phosphate buffer containing 2 M HMF according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a SEM image of a planar Bi electrode manufactured by applying a constant current of 30 mA cm -2 for 5 min according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows SEM images of the surfaces of porous Bi, Sn, and BiSn electrodes manufactured by applying a constant current of 5 A cm -2 for 10 sec according to one embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an EDS and elemental mapping graph of a porous BiSn electrode according to one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an XRD analysis graph of porous Bi, Sn, and BiSn electrodes according to one embodiment of the present invention.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.The present invention is described in more detail below.

본 발명의 일측면에 따르면, 전도성기판; 및 다공성 전기촉매;를 포함하는 HMF 환원반응을 통한 BHMF 생산용 전극에 있어서, 전도성기판은 메탈 포일, 메탈 메쉬, 메탈 폼, 다공성 탄소 포일, 다공성 탄소 메쉬 및 다공성 탄소 폼으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하고, 다공성 전기촉매는 덴드라이트 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 HMF 환원반응을 통한 BHMF 생산용 전극을 제공한다.According to one aspect of the present invention, an electrode for producing BHMF through a HMF reduction reaction, comprising: a conductive substrate; and a porous electrocatalyst; wherein the conductive substrate is characterized in that it is one selected from the group consisting of a metal foil, a metal mesh, a metal foam, a porous carbon foil, a porous carbon mesh, and a porous carbon foam, and the porous electrocatalyst is characterized in that it has a dendrite structure.

상기 전기촉매는 dynamic hydrogen bubble templating (DHBT) 합성법을 통해 짧은 시간 내에 (<1 분) 합성할 수 있다. 전기촉매의 덴드라이트 입자 직경은 10nm 내지 1000nm 덴드라이트 기공 사이즈는 5μm 내지 400μm인 것이 바람직하다. 기재한 범위를 벗어날 경우 덴드라이트 직경으로 인한 HMF 환원반응을 통해 BHMF 생산이 어려울 수 있다. 이러한 구조 (다공성 덴드라이트)를 통해 전기촉매의 전자(electron) 및 물질(mass) 전달 효율을 향상시킬 수 있다. The above electrocatalyst can be synthesized in a short time (<1 min) through a dynamic hydrogen bubble templating (DHBT) synthesis method. The dendrite particle diameter of the electrocatalyst is preferably 10 nm to 1000 nm, and the dendrite pore size is preferably 5 μm to 400 μm. If it is out of the described range, it may be difficult to produce BHMF through the HMF reduction reaction due to the dendrite diameter. Through this structure (porous dendrite), the electron and mass transfer efficiency of the electrocatalyst can be improved.

다공성 촉매는 비스무트 (Bi), 틴 (Sn), 납 (Pb), 타이타늄 (Ti), 수은 (Hg), 금 (Au), 백금 (Pt), 이리듐 (Ir), 인듐 (In), 카드뮴 (Cd), 은 (Ag), 팔라듐 (Pd), 로듐 (Rh), 갈륨 (Ga), 아연 (Zn), 구리 Cu, 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe), 알루미늄 (Al) 및 세륨 (Ce)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 하나 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 비스무트 (Bi), 틴 (Sn), 인듐 (In), 세륨 (Ce), 아연 (Zn)일 수 있다.The porous catalyst is preferably one or more than one selected from the group consisting of bismuth (Bi), tin (Sn), lead (Pb), titanium (Ti), mercury (Hg), gold (Au), platinum (Pt), iridium (Ir), indium (In), cadmium (Cd), silver (Ag), palladium (Pd), rhodium (Rh), gallium (Ga), zinc (Zn), copper Cu, nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), aluminum (Al), and cerium (Ce). More preferably, it may be bismuth (Bi), tin (Sn), indium (In), cerium (Ce), zinc (Zn).

본 발명의 전극은 전기화학적으로 HMF를 환원시 경쟁 반응인 수소생산발응을 선택적으로 억제할 수 있고 100 mA cm-2 이상인 전류 조건에서도 BHMF의 패어데이효율을 90% 이상 유지할 수 있다. 따라서, 전극의 패러데이 효율은 90 내지 100%인 것이 바람직하다.The electrode of the present invention can selectively suppress hydrogen production reaction, which is a competitive reaction when reducing HMF electrochemically, and can maintain the faradaic efficiency of BHMF at 90% or higher even under current conditions of 100 mA cm -2 or higher. Therefore, it is preferable that the faradaic efficiency of the electrode is 90 to 100%.

바람직하게 본 발명은 전기증착용 촉매 중 용해된 Bi3+: Sn2+의 몰 비율을 달리하여 같은 전기증착 조건에서 전극을 제작한다. 세 종류의 촉매를 모두 사용했으며 0:10 또는 10:0의 비율로 제작된 촉매는 단일 메탈 촉매이고 (Bi 또는 Sn), 7:3 내지 3:7 비율로 제작된 촉매는 Bi, Sn 두 가지 원소로 혼합된 바이메탈 촉매이다. 이 중에서 성능이 가장 좋은 BiSn(5:5) 과 싱글 메탈 전극 Bi 및 Sn을 선택하여 이들의 BHMF생산 성능을 비교하였을 때 뛰어난 생산성능이 관찰된다.Preferably, the present invention manufactures an electrode under the same electrodeposition conditions by changing the molar ratio of dissolved Bi 3+ : Sn 2+ among the electrodeposition catalysts. All three types of catalysts were used, and the catalyst manufactured at a ratio of 0:10 or 10:0 is a single metal catalyst (Bi or Sn), and the catalyst manufactured at a ratio of 7:3 to 3:7 is a bimetallic catalyst mixed with two elements, Bi and Sn. When BiSn (5:5), which has the best performance among these, and the single metal electrode Bi and Sn were selected and their BHMF production performances were compared, excellent productivity performance was observed.

본 발명의 HMF가 BHMF로 환원되는 화학반응은 다음과 같다.The chemical reaction by which HMF of the present invention is reduced to BHMF is as follows.

Bi, Sn 또는 바이메탈 BiSn으로 구성된 전극은 HMF환원반응의 경쟁반응인 수소생성반응(HER)을 억제할 수 있으며 BHMF생성에 대해 각 100%, 70%, 88%의 선택성을 보인다. 전해질의 pH가 중성(6~8)일 때 BiSn 전극의 BHMF 패러데이 효율은 90%이상, 100%에 가까우므로, 이는 BHMF생성 반응에 가장 적합한 pH인 것을 확인할 수 있었다(표 4참조). 또한, BiSn 다공성 바이메탈 전극은 20mM HMF가 용해된 중성 pH에서 phosphate buffer에서 30시간동안 BHMF 95% 이상의 선택도로 안정적으로 작동할 수 있으며, 2 M HMF가 포함된 phosphate buffer (pH 6~8)에서 -2.5 V vs. SCE을 인가 시 -100 ~ -200 mA cm-2 전류밀도를 유지하며 8시간동안 BHMF 거의 100%에 가까운 선택도로 안정적으로 작동할 수 있다(도 5 참조). 또한 전극의 제조 시간을 단축시켜 제조공정시간 증가에 따른 비용을 절감할 수 있었으며 유기용매를 사용하지 않아 폐수 처리 비용도 절감할 수 있다.Electrodes composed of Bi, Sn, or bimetallic BiSn can suppress the hydrogen evolution reaction (HER), which is a competitive reaction of HMF reduction reaction, and show selectivities of 100%, 70%, and 88% for BHMF production, respectively. When the pH of the electrolyte is neutral (6–8), the BHMF faradaic efficiency of the BiSn electrode is over 90% and close to 100%, which confirms that this is the most suitable pH for the BHMF production reaction (see Table 4). In addition, the BiSn porous bimetallic electrode can stably operate for 30 h in a phosphate buffer at neutral pH containing 20 mM HMF with a BHMF selectivity of over 95%, and the voltage V of -2.5 V vs. When SCE is applied, it can operate stably for 8 hours at a current density of -100 to -200 mA cm -2 and a selectivity of nearly 100% for BHMF (see Fig. 5). In addition, the electrode manufacturing time can be shortened, which reduces the cost due to the increased manufacturing process time, and wastewater treatment costs can also be reduced because no organic solvent is used.

본 발명의 다른 일측면에 따르면, 0.1 내지 1M 산성 용매, 아세톤 및 에탄올을 이용해 전도성 기판을 전처리하는 제 1 단계; 0.01 내지 3M 메탈 솔트를 0.1 내지 9M 산 용매에 용해시키는 전기화학적 증착용 전구체를 준비하는 제 2 단계; 및 상기 전기화학적 증착용 전구체에 상기 전도성 기판을 침지시킨 후, 전기화학적 증착법을 통해 상기 기판 상부에 0.01 A cm-2 내지 10 A cm-2 전류를 인가하여 전기촉매 입자를 전착하는 제 3 단계;를 포함하는 전기화학적 환원반응을 통한 HMF로부터 BHMF 생산용 촉매 전극의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a method for producing a catalyst electrode for producing BHMF from HMF through an electrochemical reduction reaction is provided, comprising: a first step of pretreating a conductive substrate using a 0.1 to 1 M acidic solvent, acetone and ethanol; a second step of preparing a precursor for electrochemical deposition by dissolving a 0.01 to 3 M metal salt in a 0.1 to 9 M acidic solvent; and a third step of immersing the conductive substrate in the precursor for electrochemical deposition and then applying a current of 0.01 A cm -2 to 10 A cm -2 onto the substrate through an electrochemical deposition method to deposit electrocatalyst particles.

제 1 단계에서 산성 용매는 0.1 내지 1M의 질산 또는 염산 용액이 바람직하다. 제 2 단계에서 전구체 준비 시 메탈 솔트를 용해시켜 전기화학적 증착용 전구체를 준비하는 것이 바람직하다. 메탈 솔트를 산성 용매에 용해시켜 솔트가 이온으로 존재하여 금속 이온으로서 존재하는 것이 바람직하다.In the first step, the acidic solvent is preferably a 0.1 to 1 M nitric acid or hydrochloric acid solution. In the second step, it is preferable to prepare a precursor for electrochemical deposition by dissolving a metal salt when preparing a precursor. It is preferable that the metal salt is dissolved in an acidic solvent so that the salt exists as an ion and thus exists as a metal ion.

제 2 단계에서 산 용매의 농도가 0.1M보다 낮으면 메탈 솔트를 용해시키기에 낮은 농도이며, 9M보다 높은 산 농도는 산 농도가 너무 높아 증착용 전구체를 준비하기에 적절하지 않다. 더욱 바람직하게는 0.1 내지 5M인 것이 바람직하다. 메탈 솔트의 농도가 0.01M 보다 낮으면 낮은 농도로 인해 전기 증착 시간이 증가하고 코팅이 어려우며, 3M 보다 높을 경우 메탈 솔트가 수소반응을 억제함으로 다공성 구조로 성장하기에 어려움이 있다. 보다 바람직하게는 0.01 내지 2M인 것이고, 가장 바람직하게는 0.01 내지 1M일 수 있다.In the second step, if the concentration of the acid solvent is lower than 0.1 M, it is a low concentration for dissolving the metal salt, and if the acid concentration is higher than 9 M, the acid concentration is too high and is not suitable for preparing a precursor for deposition. More preferably, it is 0.1 to 5 M. If the concentration of the metal salt is lower than 0.01 M, the electrodeposition time increases due to the low concentration and coating is difficult, and if it is higher than 3 M, the metal salt suppresses the hydrogen reaction, making it difficult to grow into a porous structure. More preferably, it is 0.01 to 2 M, and most preferably, it can be 0.01 to 1 M.

산성용매는 H2SO4, HCl, HClO4, HNO3, H3PO4, CH3COOH 및 HCOOH에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 산성 용매의 농도는 0.1 내지 1M인 것이 바람직하다. 산성 용매의 농도가 0.1M이하면 산으로서 전도성 기판을 전처리 하기에 산 용도가 너무 낮으며, 1M 이상일 경우 산 농도가 높아 전도성 기판을 전처리하기에는 적절하지 않다.The acidic solvent may be one or more selected from H 2 SO 4 , HCl, HClO 4 , HNO 3 , H 3 PO 4 , CH 3 COOH, and HCOOH. The concentration of the acidic solvent is preferably 0.1 to 1 M. If the concentration of the acidic solvent is less than 0.1 M, the acid utility is too low for pretreating a conductive substrate as an acid, and if it is more than 1 M, the acid concentration is high and is not suitable for pretreating a conductive substrate.

금속 이온의 농도는 0.005 M 내지 0.5 M인 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 0.01M 내지 0.5M일 수 있다. 인가 전류는 0.05 A cm-2 내지 10 A cm-2 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.1 A cm-2 내지 10 A cm-2 일 수 있다. 인가전압은 양극 선택에 따라 다를 수 있다. 상기 범위 미만일 경우에는 전극형성이 어렵고, 범위를 초과할 경우에는 다공성 전기촉매의 덴트라이트 구조의 형성이 어려울 수 있다. The concentration of the metal ion is preferably 0.005 M to 0.5 M, and more preferably 0.01 M to 0.5 M. The applied current is preferably 0.05 A cm -2 to 10 A cm -2 , and more preferably 0.1 A cm -2 to 10 A cm -2 . The applied voltage may vary depending on the selection of the anode. If it is less than the above range, electrode formation may be difficult, and if it exceeds the range, formation of the dendrite structure of the porous electrocatalyst may be difficult.

본 발명에서는 종래 Bi기반 전극을 만들 때 많이 사용되는 유기용매의 대체물질로 염산, 아세톤 및 에탄올을 사용하여 폐수 처리 시설등이 필요하지 않아 경제적이며 환경오염 문제를 해결할 수 있다. Bi3+과 Sn2+ 이온을 3:7 내지 7:3 비율로 용해시킨 후 구리기판과 백금기판으로 구성된 전극을 이용하여 일정 전류를 1분 미만으로 인가하여 구리기판 위에 다공성 덴드리틱한(dendritic) BiSn 바이메탈 촉매를 코팅한다. 제작된 전극을 세척 후 건조시킨다. Bi, Sn 단일 원소 전극을 제작할 때는 Bi3+ 또는 Sn2+ 이온만 첨가한 전기증착 전구체만 달리하여 위에 언급한 제조공정을 수행한다.In the present invention, hydrochloric acid, acetone, and ethanol are used as substitutes for organic solvents widely used in the manufacture of conventional Bi-based electrodes, so that wastewater treatment facilities are not required, and it is economical and can solve environmental pollution problems. After dissolving Bi 3+ and Sn 2+ ions in a ratio of 3:7 to 7:3, a porous dendritic BiSn bimetallic catalyst is coated on a copper substrate by applying a constant current for less than 1 minute using an electrode composed of a copper substrate and a platinum substrate. The manufactured electrode is washed and then dried. When manufacturing Bi, Sn single element electrodes, the above-mentioned manufacturing process is performed only by changing the electrodeposition precursor to which only Bi 3+ or Sn 2+ ions are added.

구조로 인한 효과를 확인하기 위하여 동일한 전구체에서 10 내지 60 mA cm-2 일정전류를 인가하여 planar형태의 Bi 또는 Sn 전극을 합성하여 다공성 덴드라이트형 전극과 비교하면, 전반적으로 다공성 구조로 생성된 전극이 동일한 전압에서 전류밀도나 BHMF 생성의 패러데이효율이 다 높게 나온것을 확인할 수 있다. 따라서 다공성 덴드리틱 구조가 촉매활동에 큰 영향을 미친다고 볼 수 있다(표 8, 도 6 참조).In order to confirm the effect due to the structure, a planar-shaped Bi or Sn electrode was synthesized by applying a constant current of 10 to 60 mA cm -2 from the same precursor and compared with the porous dendritic electrode, it was confirmed that the electrode produced with the porous structure generally showed higher current density and Faraday efficiency of BHMF production at the same voltage. Therefore, it can be seen that the porous dendritic structure has a great effect on the catalytic activity (see Table 8 and Fig. 6).

제작한 전극의 HMF환원 성능을 평가하기 위해 20 mM의 HMF가 포함 된 0.5 M borate buffer (pH 9.2) 용액에서 3전극 시스템으로 전기화학적 환원실험을 진행하였다. 제작된 전극을 작업전극(working electrode)으로, 포화칼로멜 전극 (Saturated Calomel Electrode, SCE)을 기준전극(reference electrode)으로 하며 상대전극(counter electrode)으로는 스테인리스 스틸, 흑연, 백금, 니켈 및 Ni(OH)2로 이루어진 군으로 선택되는 하나 일 수 있고, 바람직하게는 백금이나 Ni(OH)2 을 사용할 수 있다. 또한, 작업전극과 기준전극 & 상대 전극 사이에는 멤브레인(PEM) 막이 형성되어있다. To evaluate the HMF reduction performance of the fabricated electrode, an electrochemical reduction experiment was performed with a three-electrode system in a 0.5 M borate buffer (pH 9.2) solution containing 20 mM HMF. The fabricated electrode serves as the working electrode, a saturated calomel electrode (SCE) serves as the reference electrode, and the counter electrode may be one selected from the group consisting of stainless steel, graphite, platinum, nickel, and Ni(OH) 2 , preferably platinum or Ni(OH) 2 . In addition, a membrane (PEM) film is formed between the working electrode and the reference electrode & counter electrode.

본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는한 복수형도 포함한다.In this specification, when a part is said to "include" a certain component, this does not mean that other components are excluded, unless otherwise specifically stated, but that other components may be included. In addition, the terminology used in this specification is for the purpose of describing embodiments, and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated in the phrase.

본 문서에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.In this document, the expressions "A or B," "at least one of A and/or B," or "one or more of A or/and B" can include all possible combinations of the listed items. For example, "A or B," "at least one of A and B," or "at least one of A or B" can all refer to (1) including at least one A, (2) including at least one B, or (3) including both at least one A and at least one B.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of preferred embodiments. However, it will be apparent to those skilled in the art that these embodiments are intended to explain the present invention more specifically and that the scope of the present invention is not limited thereby.

<실시예><Example>

실시예 1 - 전극 시스템 제작Example 1 - Fabrication of an electrode system

구리기판을 0.5M 질산 용액에 5분 동안 침지시켜 표면 산화막을 제거하였다. 그리고 아세톤, 에탄올 용액에 각 5분 동안 침지시켜 표면 유기 오염 물질을 제거한 뒤 DI-water로 세척하였다. 다음 에어건을 이용하여 건조시켰다. 1.5M 황산용액에 Bi(NO3)35H2O 및 SnCl2H2O의 비율을 달리하여 투입하고 1분 동안 초음파처리 하였다. 이때 Bi, Sn의 비율은 10:0, 7:3, 5:5, 3:7 및 0:10의 비율로 하였고, Bi이온 및 Sn 이온의 총 농도는 0.1M이었다. Cu foil을 0.5M 염산 용액에 넣고 2분 동안 초음파 처리하고 air-gun을 이용하여 건조시켰다. Pt foil과 함께 power supply에 연결하여 30초 동안 30mA cm-2의 일정 전류를 인가한 뒤 5 A cm-2의 일정전류를 10초 동안 인가하였다. 이때 음극은 Cu foil이고, 양극은 Pt foil이다(도 1 참조). 제작된 전극은 Di-water로 세척한 뒤 상온에서 건조시켰다.The copper substrate was immersed in a 0.5 M nitric acid solution for 5 minutes to remove the surface oxide film. Then, it was immersed in acetone and ethanol solutions for 5 minutes each to remove surface organic contaminants, and then washed with DI water. Then, it was dried using an air gun. Bi( NO3 ) 35H2O and SnCl2 · 2H2O were added in different ratios to a 1.5 M sulfuric acid solution and sonicated for 1 minute. The ratios of Bi and Sn were 10:0, 7 :3, 5:5, 3:7, and 0:10, and the total concentration of Bi ions and Sn ions was 0.1 M. Cu foil was immersed in a 0.5 M hydrochloric acid solution, sonicated for 2 minutes, and dried using an air gun. A constant current of 30 mA cm -2 was applied for 30 s by connecting it to a power supply together with a Pt foil, and then a constant current of 5 A cm -2 was applied for 10 s. At this time, the cathode was Cu foil and the anode was Pt foil (see Fig. 1). The fabricated electrode was washed with di-water and then dried at room temperature.

실시예 2 - 전극 성능 분석Example 2 - Electrode Performance Analysis

(1) BHMF 생성(1) BHMF generation

3전극 시스템으로 실험 장치를 구성하고 20mM HMF가 포함된 pH 9.2, 0.5 M의 borate buffer에서 전기분해 실험을 진행하였다. 전기분해 실험 중 시간에 따라 전해질에서 일정량의 시료를 추출하여 1/10로 희석한 뒤 HPLC를 이용하여 생성물 BHMF의 양을 측정하고 패러데이 효율을 계산하였다. 효율 계산시에는 BHMF의 생성에 2 전자가 필요하므로 2를 곱하여 계산한다:The experimental device was configured with a three-electrode system and an electrolysis experiment was performed in a pH 9.2, 0.5 M borate buffer containing 20 mM HMF. During the electrolysis experiment, a certain amount of sample was extracted from the electrolyte over time, diluted to 1/10, and the amount of product BHMF was measured using HPLC and the faradaic efficiency was calculated. When calculating the efficiency, since 2 electrons are required to generate BHMF, it is calculated by multiplying by 2:

Q는 전기화학 반응 동안 흐른 전하량(C), F는 패러데이 상수(96485 C/mol), n은 생성된 BHMF의 몰수(mol)이다.Q is the amount of charge (C) flowing during the electrochemical reaction, F is the Faraday constant (96485 C/mol), and n is the number of moles of BHMF produced (mol).

(2) 전극의 전하전달저항 측정(2) Measurement of charge transfer resistance of electrodes

임피던스분광법 (Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 이용해 전기화학반응 중의 저항을 측정하였다. 위와 같은 전해질에서 0.01 ~ 100000 Hz (-1.0 V vs. SCE)에서 10mV 간격으로 측정하고 계산하였으며 전하전달저항값이 작을수록 반응이 잘 일어남을 의미한다. 아래와 같은 회로 모델을 사용하여 분석하였다.The resistance during the electrochemical reaction was measured using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). In the electrolyte above, the values were measured and calculated at 10 mV intervals from 0.01 to 100,000 Hz (-1.0 V vs. SCE), and the smaller the charge transfer resistance value, the better the reaction. The circuit model below was used for the analysis.

실시예 3 - SEM 분석Example 3 - SEM Analysis

SEM(Scanning Electron Microscope, 주사전자현미경) 분석은 FE-SEM, Hitachi S4800를 이용해 5.0 kV 의 accelerating voltage를 가하여 전극 표면의 이미지를 촬영하였다.SEM (Scanning Electron Microscope) analysis was performed using FE-SEM, Hitachi S4800, and images of the electrode surface were taken by applying an accelerating voltage of 5.0 kV.

실시예 4 - 전극의 내구성 평가Example 4 - Evaluation of durability of electrodes

20mM HMF가 포함된 0.5 M phosphate buffer (pH 7.2)에 -1.2V vs. SCE전압을 가했을 때의 전류(J) 및 패러데이효율(%) 및 2M HMF가 포함된 0.5 M phosphate buffer (pH 7.2)에 -2.5V vs. SCE전압을 가했을 때의 전류(J) 및 패러데이효율(%)을 측정하였다.The current (J) and faradaic efficiency (%) were measured when a voltage of -1.2 V vs. SCE was applied to 0.5 M phosphate buffer (pH 7.2) containing 20 mM HMF, and the current (J) and faradaic efficiency (%) were measured when a voltage of -2.5 V vs. SCE was applied to 0.5 M phosphate buffer (pH 7.2) containing 2 M HMF.

실시예 5 - EDS 및 elemental mapping 분석Example 5 - EDS and elemental mapping analysis

SEM에 부착된 OXFORD사의 Ultim Extreme, Model: SU8220 장비를 이용하여 EDS 및 elemental mapping을 진행하였다.EDS and elemental mapping were performed using OXFORD's Ultim Extreme, Model: SU8220 equipment attached to a SEM.

실시예 6 - XRD 분석Example 6 - XRD Analysis

Panalytical사의 EMPYREAN 장비를 이용하여 1.5406 Å 파장의 Cu-Kα radiation(40 kV, 30 mA)을 가하여 관찰하였다.Observations were made using the EMPYREAN equipment from Panalytical using Cu-Kα radiation (40 kV, 30 mA) at a wavelength of 1.5406 Å.

<결과 및 평가><Results and Evaluation>

Bi:Sn 몰 비율에 따른 Onset potential 및 전류크기 비교Comparison of Onset Potential and Current Size According to Bi:Sn Molar Ratio

몰비율Molar ratio HMF 포함Including HMF HMF 미포함HMF not included Bi : Sn
Bi:Sn
Onset potentialOnset potential j @ -1.4 V vs. SCE j @ -1.4 V vs. SCE Onset potentialOnset potential
0 : 10
(porous Sn)
0 : 10
(porous Sn)
-1.22 V vs. SCE-1.22 V vs. SCE -3.4 mA cm-2 -3.4 mA cm -2 -1.27 V vs. SCE-1.27 V vs. SCE
3 : 7
3 : 7
-1.18 V vs. SCE-1.18 V vs. SCE -3.6 mA cm-2 -3.6 mA cm -2 -1.28 V vs. SCE-1.28 V vs. SCE
5 : 5
(porous Bi/Sn)
5 : 5
(porous Bi/Sn)
-1.07 V vs. SCE-1.07 V vs. SCE -5.4 mA cm-5.4 mA cm -2-2 -1.23 V vs. SCE-1.23 V vs. SCE
7 : 3
7 : 3
-1.09 V vs. SCE-1.09 V vs. SCE -4.8 mA cm-2 -4.8 mA cm -2 -1.23 V vs. SCE-1.23 V vs. SCE
10 : 0
(porous Bi)
10 : 0
(porous Bi)
-1.10 V vs. SCE-1.10 V vs. SCE -4.1 mA cm-2 -4.1 mA cm -2 -1.23 V vs. SCE-1.23 V vs. SCE

표 1은 전기증착용 전구체 중 Bi, Sn의 몰 비율에 따른 Onset potential 및 전류크기를 비교한 것이다. 20 mM HMF (미)포함된 borate buffer (pH 9.2 )에서 cyclic voltammetry (CV)를 통해 onset potential과 전류크기를 비교하였다. 표 1을 참고하여 설명하면, HMF 전환효율이 가장 높은 Bi,Sn 비율은 5:5였으며 같은 전위(-1.4 V vs. SCE)에서 가장 높은 전류를 보였고 onset potential도 가장 낮은 것을 확인할 수 있었다. HMF를 포함하지 않을 경우에는 Onset potential의 전위는 큰 차이를 보이지 않았다.Table 1 shows a comparison of the onset potential and current magnitude according to the molar ratio of Bi and Sn in the electrodeposition precursors. The onset potential and current magnitude were compared through cyclic voltammetry (CV) in a borate buffer (pH 9.2) containing 20 mM HMF (not included). Referring to Table 1, the Bi and Sn ratio with the highest HMF conversion efficiency was 5:5, which showed the highest current and the lowest onset potential at the same potential (-1.4 V vs. SCE). When HMF was not included, the onset potential did not show a significant difference.

전기화학적 특성Electrochemical properties

전극electrode Rt(Ohm cm-2)Rt(Ohm cm -2 ) porous Snporous Sn 20012001 porous Biporous Bi 308308 porous Bi/Snporous Bi/Sn 255255

표 2는 EIS를 통해 세가지전극의 charge transfer resistance (R ct ) 비교 한 것이다. 이 때, 전해질로 0.5M borate buffer(pH 9.2), 20mM HMF를 포함한다. 표 2를 참고하여 설명하면, Porous Bi/Sn의 charge transfer resistance가 가장 낮았다. Charge transfer resistance가 낮으면 전하 이동이 더 원활하게 진행됨을 의미한다. 따라서, 동일한 전압을 인가할 때 porous BiSn에서 가장 많은 전하이동이 진행된 것을 알 수 있었다.Table 2 shows the charge transfer resistance ( R ct ) comparison of three electrodes through EIS. At this time, 0.5 M borate buffer (pH 9.2) and 20 mM HMF were included as electrolytes. Referring to Table 2, the charge transfer resistance of porous Bi/Sn was the lowest. A lower charge transfer resistance means that charge transfer proceeds more smoothly. Therefore, it was found that the most charge transfer occurred in porous BiSn when the same voltage was applied.

전기화학적 성능Electrochemical performance

표 3은 인가전위에 따른 생성된 BHMF의 양을 통해 촉매 성능을 비교한 것이다. 다공성 Sn, Bi, BiSn에서 각각의 인가전위에 따른 전류, BHMF 시간당 생성량, BHFM 패러데이효율 및 부분전류밀도(전류밀도×패러데이효율)을 구한 값이다. Porous BiSn의 BHMF생성 속도는 3종류 전극 중 가장 높지만 BHMF 패러데이 효율은 porous Bi에 비해 낮은 전위에서는 낮고 높은 전위에서는 (>-1.4 V vs. SCE) 높은 것을 확인하였다. Sn, Bi, BiSn 전극의 BHMF생성에 대한 가장 높은 패러데이 효율은 각각 70%, 97%, 88%인 것을 확인할 수 있었다.Table 3 shows a comparison of catalytic performance through the amount of BHMF generated according to the applied potential. The values for current, BHMF generation per hour, BHFM Faradaic efficiency, and partial current density (current density × Faradaic efficiency) according to the applied potential for porous Sn, Bi, and BiSn are shown. The BHMF generation rate of porous BiSn was the highest among the three types of electrodes, but the BHMF Faradaic efficiency was lower at low potentials and higher at high potentials (>-1.4 V vs. SCE) than that of porous Bi. The highest Faradaic efficiencies for BHMF generation of Sn, Bi, and BiSn electrodes were 70%, 97%, and 88%, respectively.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Bi, Sn, BiSn전극의 전위에 따른 BHMF 페러데이 효율을 나타내는 그래프이다. 도 3을 참고하여 설명하면, 다공성 Sn일 때보다는 다공성 BiSn이 효율이 높지만 전압이 -1.3 ~ -1.0V vs.SCE의 범위에서는 다공성 Bi의 효율이 높게 나타났다. 도 3은 표3의 패러데이 값을 그래프로 표기한 것으로, E<-1.3 V vs. SCE일 때 porous Bi전극의 패러데이 효율이 가장 높게 나왔고, E>-1.4 V vs. SCE일 때 porous BiSn 전극의 패러데이 효율이 가장 높게 나왔습니다.FIG. 3 is a graph showing the BHMF Faraday efficiency according to the potential of the Bi, Sn, and BiSn electrodes according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the efficiency of porous BiSn is higher than that of porous Sn, but the efficiency of porous Bi is higher in the voltage range of -1.3 to -1.0 V vs. SCE. FIG. 3 is a graph showing the Faraday values of Table 3, and the Faraday efficiency of the porous Bi electrode was the highest when E<-1.3 V vs. SCE, and the Faraday efficiency of the porous BiSn electrode was the highest when E>-1.4 V vs. SCE.

porous BiSn 전극을 이용한 pH에 따른 전위별 BHMF 페러데이 효율Potential-dependent BHMF faradaic efficiency as a function of pH using porous BiSn electrode

표 4는 porous Bi/Sn전극의 pH에 따른 전위별 BHMF 패러데이효율(%)을 나타낸 것이다. 전해질 pH에 따른 전극 성능을 비교하기 위해 하기 수학식 2를 통해 전위 단위를 RHE로 통일하였다.Table 4 shows the BHMF faradaic efficiency (%) at different potentials according to pH of the porous Bi/Sn electrode. In order to compare the electrode performance according to the electrolyte pH, the potential unit was unified as RHE using the following mathematical equation 2.

표 4를 참고하여 설명하면, pH 7.2 phosphate 용액에서 BHMF 패러데이 효율이 가장 높은 99.78%를 달성하였다. 이를 통해 BHMF생성반응은 중성용액에서 가장 원활하게 진행됨을 의미한다. pH 용액은 pH 2는 acid buffer (KCl, HCl), pH 5.8와 7.2는 phosphate buffer, pH 9.2는 borate buffer 및 pH 13.5 KOH 용액을 사용하였다.Referring to Table 4, the highest BHMF faradaic efficiency of 99.78% was achieved in a pH 7.2 phosphate solution. This means that the BHMF production reaction proceeds most smoothly in a neutral solution. The pH solutions used were acid buffer (KCl, HCl) at pH 2, phosphate buffer at pH 5.8 and 7.2, borate buffer at pH 9.2, and KOH solution at pH 13.5.

HMF 농도에 따른 porous BiSn 전극성능평가Evaluation of porous BiSn electrode performance according to HMF concentration

표 5, 6 및 7은 각각 HMF농도가 20mM, 200mM 및 2000mM에서 porous BiSn 전극의 전위별 전류 및 BHMF 패러데이 효율을 나타낸 것이다. 표 5, 6 및 7을 참고하여 설명하면, BHMF의 페러데이 효율 90%이상의 potential(전위) 범위가 HMF농도가 증가에 따라 향상됨을 알 수 있고, 때문에 HMF 농도를 증가하여 높은 전류조건에서 효율적으로 BHMF생산이 가능하였다. 종래 연구에서는 HMF농도 증가에 따라서 BHMF생성효율이 감소된다고 보고되어 있으며, 때문에 일반적으로 10 mA cm-2 안팎의 전류조건에서만 선택적으로 HMF를 BHMF로 전환할 수 있었다. 반면에 본 연구에서는 HMF농도에 상관없이 고효율 및 고전류 (10~150 mA cm-2)로 BHMF를 생산할 수 있었다.Tables 5, 6, and 7 show the current at different potentials and the BHMF Faraday efficiency of the porous BiSn electrode at HMF concentrations of 20 mM, 200 mM, and 2000 mM, respectively. Referring to Tables 5, 6, and 7, it can be seen that the potential range where the Faraday efficiency of BHMF is over 90% improved as the HMF concentration increased. Therefore, BHMF could be efficiently produced under high current conditions by increasing the HMF concentration. In previous studies, it was reported that the BHMF production efficiency decreased as the HMF concentration increased, and therefore, HMF could be selectively converted to BHMF only under current conditions of around 10 mA cm -2 . On the other hand, in the present study, BHMF could be produced with high efficiency and high current (10–150 mA cm -2 ) regardless of the HMF concentration.

전극 내구성 테스트Electrode durability test

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 20mM HMF가 포함된 0.5 M phosphate buffer에 -1.2V vs. SCE전압을 가했을 때의 전류(J) 및 패러데이효율(%)을 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2M HMF가 포함된 0.5 M phosphate buffer에 -2.5V vs. SCE전압을 가했을 때의 전류(J) 및 패러데이효율(%)을 나타낸 그래프이다. FIG. 4 is a graph showing the current (J) and the faradaic efficiency (%) when a voltage of -1.2 V vs. SCE is applied to 0.5 M phosphate buffer containing 20 mM HMF according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a graph showing the current (J) and the faradaic efficiency (%) when a voltage of -2.5 V vs. SCE is applied to 0.5 M phosphate buffer containing 2 M HMF according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참고하여 설명하면, 시간에 따라 HMF 농도가 지속적으로 절감하기 때문에 전류 또는 BHMF의 패러데이 효율이 감소하였다. 하지만 초기와 같은 전해질로 바꾸게 되면 초기 성능이 다시 나오는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 성능 저하가 전극이 아닌 전해질 때문이란 것을 입증할 수 있었다.Referring to Fig. 5, the current or the faradaic efficiency of BHMF decreased because the HMF concentration continuously decreased over time. However, when the electrolyte was changed to the same as the initial one, the initial performance was restored. Through this, it was possible to prove that the performance degradation was due to the electrolyte, not the electrode.

덴드라이트 구조 확인Confirming the dendrite structure

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 30 mA cm-2 일정전류를 5 min동안 인가하여 제조된 planar Bi 전극의 SEM 이미지이다.FIG. 6 is a SEM image of a planar Bi electrode manufactured by applying a constant current of 30 mA cm -2 for 5 min according to one embodiment of the present invention.

도 6을 참고하여 설명하면, 구조로 인한 효과를 확인하기 위하여 동일한 전구체에서 30 mA cm-2 일정전류를 5 min동안 인가하여 planar형태의 Bi 또는 Sn 전극을 합성하여 다공성 덴드라이트형 전극과 비교하였다. 표 8에 따르면 전반적으로 porous구조로 생성된 전극이 동일한 전압에서 전류밀도나 BHMF생성의 패러데이효율이 다 높게 나온것을 확인할 수 있었다. 따라서 다공성 덴드리틱 구조가 촉매활동에 큰 영향을 미친다고 볼 수 있었다.Referring to Fig. 6, in order to confirm the effect due to the structure, a planar-shaped Bi or Sn electrode was synthesized by applying a constant current of 30 mA cm -2 for 5 min from the same precursor, and the result was compared with a porous dendritic electrode. According to Table 8, it was confirmed that the electrode generated with a porous structure generally showed higher current density and Faraday efficiency of BHMF generation at the same voltage. Therefore, it could be seen that the porous dendritic structure had a great influence on the catalytic activity.

E(V vs. SCE)E(V vs. SCE) Porous Bi
J(mA cm-2)
Porous Bi
J(mA cm -2 )
Planar Bi
J(mA cm-2)
Planar Bi
J(mA cm -2 )
Porous Bi
FEBHMF(%)
Porous Bi
FE BHMF (%)
Planar Bi
FEBHMF(%)
Planar Bi
FE BHMF (%)
E(V vs. SCE)E(V vs. SCE) Porous Bi
J(mA cm-2)
Porous Bi
J(mA cm -2 )
Planar Bi
J(mA cm-2)
Planar Bi
J(mA cm -2 )
Porous Bi
FEBHMF(%)
Porous Bi
FE BHMF (%)
Planar Bi
FEBHMF(%)
Planar Bi
FE BHMF (%)
-1.1-1.1 -0.55-0.55 24.3924.39 -1.1-1.1 -0.67-0.67 8.278.27 -1.2-1.2 -1.83-1.83 -0.35-0.35 97.6897.68 21.5221.52 -1.2-1.2 -0.85-0.85 -0.45-0.45 23.0323.03 4.834.83 -1.3-1.3 -4.14-4.14 -1.14-1.14 97.1397.13 66.9566.95 -1.3-1.3 -2.69-2.69 -0.96-0.96 55.2155.21 39.3339.33 -1.4-1.4 -6.64-6.64 -3.38-3.38 81.4081.40 92.8192.81 -1.4-1.4 -5.30-5.30 -4.46-4.46 68.4968.49 65.0865.08 -1.5-1.5 -8.74-8.74 -4.10-4.10 62.7762.77 86.5386.53 -1.5-1.5 -6.67-6.67 -6.37-6.37 69.4069.40 64.4764.47 -1.6-1.6 -10.95-10.95 -4.57-4.57 53.8853.88 67.6867.68 -1.6-1.6 -6.86-6.86 -5.95-5.95 63.5363.53 62.8462.84

SEM 분석SEM Analysis

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 Bi, Sn 및 BiSn 전극 표면의 SEM 이미지를 도시한 것이다. 도 7을 참고하여 설명하면, 마이크로사이즈에서는 다공성의 구조를 나타내지만 나노사이즈로 확대를 하면 각각의 전극이 덴드라이트 구조를 형성하고 있는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 7 illustrates SEM images of the surfaces of Bi, Sn, and BiSn electrodes according to one embodiment of the present invention. Referring to Fig. 7, although the micro-sized electrodes exhibit a porous structure, when enlarged to the nano-sized electrodes, it was confirmed that each electrode formed a dendrite structure.

도 8을 참고하여 설명하면, EDS결과를 통해 Bi3+ : Sn2+ 몰 비율이 5:5인 용액에서 증착된 BiSn 전극에서 실제로 로딩된 원자 비율 (Bi:Sn)은 3:1인 것을 확인할 수 있었다. 또한 elemental mapping 결과를 참고하면 Bi는 고르게 코팅되어 있으며 Sn은 전반적으로 표면에 집중된 것을 확인할 수 있었다.Referring to Fig. 8, the EDS results confirmed that the actual loaded atomic ratio (Bi:Sn) in the BiSn electrode deposited from a solution with a Bi 3+ : Sn 2+ molar ratio of 5:5 was 3:1. In addition, referring to the elemental mapping results, it was confirmed that Bi was evenly coated and Sn was generally concentrated on the surface.

도9를 참고하여 설명하면, Bi, Sn 및 BiSn 전극은 다결정 0가 메탈형태로 구성되어 있다. 또한 BiSn은 Bi 및 Sn가 혼합되어 있음을 확인할 수 있었다.Referring to Figure 9, the Bi, Sn, and BiSn electrodes are composed of a polycrystalline zero-valent metal form. In addition, it was confirmed that BiSn is a mixture of Bi and Sn.

수소억제 반응 결과Hydrogen suppression reaction results

Bi, Sn 또는 바이메탈 BiSn으로 구성된 전극은 HMF 환원반응의 경쟁반응인 수소생성반응(HER)을 억제할 수 있으며 BHMF생성에 대해 각 100%, 70%, 88%의 선택성을 보인다. 전해질의 pH가 7.2일때 BiSn 전극의 BHMF 패러데이 효율은 99.78%이므로, 이는 BHMF생성 반응에 가장 적합한 pH인 것을 확인할 수 있었다(표 4참조).
또한, BiSn 다공성 바이메탈 전극은 20mM HMF가 용해된 pH 7.2인 phosphate buffer에서 30시간동안 BHMF 95% 이상의 선택도로 안정적으로 작동할 수 있으며, 2 M HMF가 포함된 phosphate buffer (pH 7.2)에서 -2.5 V vs. SCE을 인가 시 -140 mA cm-2 전류밀도를 유지하며 8시간동안 BHMF 거의 100%에 가까운 선택도로 안정적으로 작동할 수 있다(도 5 참조). 또한 전극의 제조 시간을 단축시켜 제조공정시간 증가에 따른 비용을 절감할 수 있었으며 유기용매를 사용하지 않아 폐수 처리 비용도 절감할 수 있었다.
Electrodes composed of Bi, Sn or bimetallic BiSn can suppress the hydrogen evolution reaction (HER), which is a competitive reaction of HMF reduction reaction, and show selectivity of 100%, 70% and 88% for BHMF production, respectively. When the pH of the electrolyte is 7.2, the BHMF faradaic efficiency of the BiSn electrode is 99.78%, which confirms that this is the most suitable pH for the BHMF production reaction (see Table 4).
In addition, the BiSn porous bimetallic electrode can stably operate for 30 h in a phosphate buffer (pH 7.2) containing 20 mM HMF with a BHMF selectivity of more than 95%, and can stably operate for 8 h at a BHMF selectivity of nearly 100% while maintaining a current density of -140 mA cm -2 when -2.5 V vs. SCE is applied in phosphate buffer (pH 7.2) containing 2 M HMF (see Fig. 5). In addition, the manufacturing time of the electrode was shortened, which reduced the cost due to the increased manufacturing process time, and the cost of wastewater treatment was also reduced because no organic solvent was used.

표 1에서는, HMF 미포함 용액에서의 onset potential이 HMF 포함 용액에서의 onset potential보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는 HMF 포함 전해질에서 수소생성반응보다 HMF 환원반응이 더 원활하게 진행되고 있다는 것을 의미하고 있다. 하기 표 9를 참고하여 설명하면, 20mM HMF 용해된 0.5 M borate buffer용액을 전해질로 사용했을 때 porous Bi전극에서 생성된 수소의 패러데이 효율은 1% 미만인 것을 알 수 있었다(-1.2 ~ -1.4 V vs. SCE).In Table 1, it was confirmed that the onset potential in the solution without HMF was higher than that in the solution containing HMF. This means that the HMF reduction reaction proceeds more smoothly than the hydrogen production reaction in the HMF-containing electrolyte. Referring to Table 9 below, it was found that the faradaic efficiency of hydrogen generated at the porous Bi electrode was less than 1% when a 0.5 M borate buffer solution containing 20 mM HMF was used as the electrolyte (-1.2 to -1.4 V vs. SCE).

E(V vs. SCE)E(V vs. SCE) Porous Bi
J(mA cm-2)
Porous Bi
J(mA cm -2 )
Planar Bi
J(mA cm-2)
Planar Bi
J(mA cm -2 )
-1.1-1.1 24.3924.39 -1.2-1.2 97.6897.68 0.360.36 -1.3-1.3 97.1397.13 0.270.27 -1.4-1.4 81.4081.40 0.920.92 -1.5-1.5 62.7762.77 3.223.22 -1.6-1.6 53.8853.88 7.917.91

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The foregoing has broadly described the features and technical advantages of the present invention so that the scope of the claims to be described later may be better understood. Those skilled in the art will appreciate that the present invention may be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (5)

전도성 기판; 및 상기 전도성 기판 상부에 증착된 전기 촉매;를 포함하는 BHMF 생산용 전극으로서,
상기 전도성 기판은 메탈 포일, 메탈 메쉬, 메탈 폼 및 다공성 탄소층으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상이고,
상기 전기 촉매는 비스무트 (Bi) 모노메탈이거나, 또는 비스무트 (Bi) 및 틴 (Sn)으로 이루어진 바이메탈(BiSn)이고,
상기 전기 촉매를 합성하기 위한 전기화학적 증착용 전구체 중 비스무트 (Bi)와 틴(Sn)의 몰비율은 10:0 내지 5:5이고,
상기 전기 촉매가 다공성 덴드라이트 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 BHMF 생산용 전극.
An electrode for producing BHMF, comprising: a conductive substrate; and an electrocatalyst deposited on the conductive substrate;
The above conductive substrate is at least one selected from the group consisting of a metal foil, a metal mesh, a metal foam, and a porous carbon layer,
The above electrocatalyst is a bismuth (Bi) monometal or a bimetal (BiSn) composed of bismuth (Bi) and tin (Sn),
Among the precursors for electrochemical deposition for synthesizing the above electrocatalyst, the molar ratio of bismuth (Bi) and tin (Sn) is 10:0 to 5:5.
An electrode for producing BHMF, characterized in that the electrocatalyst has a porous dendrite structure.
제 1 항에 있어서,
상기 전기 촉매의 덴드라이트 입자 직경은 10nm 내지 1000nm인 것을 특징으로 하는 BHMF 생산용 전극.
In paragraph 1,
An electrode for producing BHMF, characterized in that the dendrite particle diameter of the above electrocatalyst is 10 nm to 1000 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 전극의 BHMF패러데이 효율은 90 내지 100%인 것을 특징으로 하는 BHMF 생산용 전극.
In paragraph 1,
An electrode for producing BHMF, characterized in that the BHMF faradaic efficiency of the electrode is 90 to 100%.
0.1 내지 1M 산성 용매, 아세톤 및 에탄올을 이용해 전도성기판을 전처리하는 제 1 단계;
0.01 내지 3M의 메탈 솔트로서, 상기 메탈은 비스무트(Bi)와 틴(Sn)이고, 비스무트(Bi)와 틴(Sn)의 몰비율을 10:0 내지 5:5로 하여 0.1 내지 9M 산용액에 용해시키는 전기화학적 증착용 전구체를 준비하는 제 2 단계; 및
상기 전기화학적 증착용 전구체에 상기 전도성 기판을 침지시킨 후, 전기화학적 증착법을 통해 상기 기판 상부에 0.01 A cm-2 내지 10 A cm-2 전류를 인가하여 비스무트 (Bi) 모노메탈이거나, 또는 비스무트 (Bi) 및 틴 (Sn)으로 이루어진 바이메탈(BiSn)을 전도성 기판 표면에 전착하는 제 3 단계;를 포함하는 전기화학적 환원반응을 통한 HMF로부터 BHMF생산용 촉매 전극의 제조방법.
A first step of pretreating a conductive substrate using 0.1 to 1 M acidic solvent, acetone and ethanol;
A second step of preparing a precursor for electrochemical deposition by dissolving a metal salt of 0.01 to 3 M, wherein the metal is bismuth (Bi) and tin (Sn), and the molar ratio of bismuth (Bi) and tin (Sn) is 10:0 to 5:5 in a 0.1 to 9 M acid solution; and
A method for producing a catalyst electrode for producing BHMF from HMF through an electrochemical reduction reaction, comprising: a third step of immersing the conductive substrate in the precursor for electrochemical deposition, and then applying a current of 0.01 A cm -2 to 10 A cm -2 to the upper portion of the substrate through an electrochemical deposition method to deposit bismuth (Bi) monometal or a bimetal (BiSn) composed of bismuth (Bi) and tin (Sn) on the surface of the conductive substrate.
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