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KR20220039356A - Electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising nitrogen-doped carbonized polydopamine structure - Google Patents

Electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising nitrogen-doped carbonized polydopamine structure Download PDF

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KR20220039356A
KR20220039356A KR1020200122386A KR20200122386A KR20220039356A KR 20220039356 A KR20220039356 A KR 20220039356A KR 1020200122386 A KR1020200122386 A KR 1020200122386A KR 20200122386 A KR20200122386 A KR 20200122386A KR 20220039356 A KR20220039356 A KR 20220039356A
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South Korea
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polydopamine
film
electrocatalyst
nitrogen
hydrogen generation
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김정규
도수예
나득진
심수현
노승훈
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전남대학교산학협력단
성균관대학교산학협력단
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Abstract

One embodiment of the present invention provides an electrocatalyst for a hydrogen generation reaction which comprises a nitrogen-doped polydopamine carbide nanocarbon structure. The polydopamine carbide nano carbon structure is calcined under a nitrogen atmosphere using polydopamine as a precursor to be nitrogen-doped and carbonized. According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide the efficient electrocatalyst for a hydrogen generation reaction which can be manufactured through a simple process and has high electrochemical performance.

Description

질소 도핑된 탄화 폴리도파민 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매{Electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising nitrogen-doped carbonized polydopamine structure}Electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising nitrogen-doped carbonized polydopamine structure

본 발명은 수소 발생 반응용 전기 촉매에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리도파민을 전구체로 하여 질소 분위기하에서 하소시킴으로써 질소 도핑 및 탄화된 폴리도파민을 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to an electrocatalyst for hydrogen generation reaction, and more particularly, to an electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising polydopamine doped with nitrogen and carbonized polydopamine by calcining in a nitrogen atmosphere using polydopamine as a precursor.

한정된 화석연료와 유가 상승, 지구온난화 문제로 전 세계가 친환경 에너지 개발에 적극 나서고 있다. 그 중에서 물을 원료로 하는 수소를 에너지원으로 사용할 경우 화석연료가 가진 환경 문제 뿐 아니라 에너지 고갈 문제도 해결할 수 있다. 비화석연료로부터 수소를 제조하는 기술로는 '물의 전기분해'가 가장 잘 알려져 있으며, 이러한 수소 발생 반응(hydrogen-evolution reaction, HER)을 위한 효율적 수소 생산을 위한 과전압을 낮추는 촉매 개발이 활발하게 이루어지고 있다. Due to limited fossil fuels, rising oil prices, and global warming, the world is actively developing eco-friendly energy. Among them, if hydrogen, which uses water as a raw material, is used as an energy source, not only the environmental problem of fossil fuels but also the energy depletion problem can be solved. 'Electrolysis of water' is the most well-known technology for producing hydrogen from non-fossil fuels, and catalysts that lower the overvoltage for efficient hydrogen production for this hydrogen-evolution reaction (HER) have been actively developed. is losing

현재 HER을 위한 촉매로는 백금(Pt) 이외에도 전이금속 황화물, 탄화물, 인화물, 붕화물 등이 많이 사용되고 있다. 그러나 백금은 귀금속에 속하고 수요량도 많아 상용화하기에 가격 부담이 있고 백금의 낮은 안정성 또한 개선이 필요한 부분으로 남아있다.Currently, as a catalyst for HER, in addition to platinum (Pt), a transition metal sulfide, carbide, phosphide, boride, etc. are widely used. However, platinum belongs to a precious metal and there is a large demand for it, so it is expensive to commercialize, and the low stability of platinum also remains an area that needs improvement.

이를 해결하기 위하여, 최근에는 비금속 이종 원자로 도핑된 탄소 재료가 물 분해를 위한 전기 촉매로 연구되고 있다. 탄소 기반 촉매는 이종 원자의 도핑 유형, 면적 및 정도를 달리 조절하여 특정 전기 촉매 반응에 대한 특정 촉매 능력을 보이도록 가공될 수 있다는 점이 주목할 만하다.In order to solve this problem, recently, carbon materials doped with non-metal heteroatoms have been studied as electrocatalysts for water decomposition. It is noteworthy that carbon-based catalysts can be engineered to exhibit specific catalytic capabilities for specific electrocatalytic reactions by varying the type, area and degree of doping of heteroatoms.

이러한 탄소 재료들이 HER 촉매로 활발히 연구되고 있으나, 종래의 탄소 기반 전기 촉매들은 합성 과정에 있어 한계를 보인다. 예를 들어, CVD-그래핀 기반의 촉매는 고가이며, 합성 후 압력 조절과 전이 공정을 하는데 여러 가스 원을 필요로 하므로 번거로운 공정을 요한다는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위하여 산화된 그래핀 기반의 촉매가 대체재 후보로 연구되고 있으나 합성에 많은 시간이 소모되고, 독성을 가지며, 발열이 높다는 문제점이 있어, 효율적인 탄소 기반 HER 촉매 개발을 위한 여전히 많은 도전과 장애가 있는 실정이다. Although these carbon materials are being actively studied as HER catalysts, conventional carbon-based electrocatalysts show limitations in the synthesis process. For example, CVD-graphene-based catalysts are expensive, and there is a problem in that a cumbersome process is required because several gas sources are required to control the pressure and transfer process after synthesis. To solve this problem, oxidized graphene-based catalysts are being studied as alternative candidates, but there are still many challenges and obstacles for the development of efficient carbon-based HER catalysts because of the problems that synthesis takes a lot of time, has toxicity, and has high heat generation. there is a situation.

대한민국 등록특허 제10-1860763호Republic of Korea Patent No. 10-1860763

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래 고가의 귀금속 촉매의 대체가 가능하면서도 종래 탄소 기반 촉매의 문제점들을 해결한, 간단한 공정을 통해 제조가 가능하면서도 높은 전기화학적 특성을 갖는 수소 발생 반응용 전기 촉매 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is an electrocatalyst for hydrogen generation reaction having high electrochemical properties while being able to be manufactured through a simple process that can replace the conventional expensive noble metal catalyst and solve the problems of the conventional carbon-based catalyst, and To provide a manufacturing method thereof.

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.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매를 제공한다.In order to achieve the above technical object, an embodiment of the present invention provides an electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising a nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure.

상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 폴리도파민을 전구체로 하여 질소 분위기 하에서 하소되어 질소 도핑 및 탄화된 것을 특징으로 할 수 있다. The carbonized polydopamine nano-carbon structure may be calcined under a nitrogen atmosphere using polydopamine as a precursor, and nitrogen-doped and carbonized.

상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 하기 화학식 1로 표시되는 부분 구조를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The carbonized polydopamine nano-carbon structure may include a partial structure represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 층 간 거리 0.1nm 내지 1nm로 다층 적층된 필름 형태를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. The carbonized polydopamine nano carbon structure may be characterized in that it has a multi-layered film form with an interlayer distance of 0.1 nm to 1 nm.

상기 필름은, 두께 5nm 내지 40nm를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. The film may have a thickness of 5 nm to 40 nm.

상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 10mA/cm2 이상의 전극 전류 밀도에서 151mV 이하의 과전위로 물로부터 수소 기체를 생성할 수 있게 하는 것을 특징으로 할 수 있다. The polydopamine carbide nano-carbon structure may be characterized in that it is possible to generate hydrogen gas from water with an overpotential of 151 mV or less at an electrode current density of 10 mA/cm 2 or more.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical object, another embodiment of the present invention provides a method for producing an electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising a nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure.

상기 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매의 제조방법은, 기판 상에 도파민을 자기 중합시킴으로써 폴리도파민 필름을 형성하는 폴리도파민 필름 중합 단계; 상기 중합된 폴리도파민 필름을 질소 분위기 하에서 하소하여 질소 도핑 및 탄화시키는 폴리도파민 필름 탄화 단계; 상기 탄화된 폴리도파민 필름을 웨이퍼로 전사시키는 탄화 폴리도파민 필름 웨이퍼 전사 단계; 및 상기 전사된 탄화 폴리도파민 필름을 수득하는 탄화 폴리도파민 나노 카본 필름 수득 단계;를 포함할 수 있다. The method for producing an electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising the nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure comprises: polymerizing a polydopamine film to form a polydopamine film by self-polymerizing dopamine on a substrate; Carbonizing the polydopamine film by calcining the polymerized polydopamine film under a nitrogen atmosphere to dope nitrogen and carbonize; a carbonized polydopamine film wafer transfer step of transferring the carbonized polydopamine film to a wafer; and obtaining a carbonized polydopamine nano-carbon film to obtain the transferred carbonized polydopamine film.

상기 폴리도파민 필름 중합 단계의 상기 기판은, 구리, 철, 알루미늄, 은, 금, 니켈, 주석, 팔라듐 및 백금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 기판인 것을 특징으로 할 수 있다. The substrate of the polydopamine film polymerization step may be a metal substrate including at least one selected from the group consisting of copper, iron, aluminum, silver, gold, nickel, tin, palladium, and platinum.

상기 폴리도파민 필름 중합 단계에서는, 하기 반응식 1의 반응을 통해 폴리도파민이 중합되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the polydopamine film polymerization step, it may be characterized in that polydopamine is polymerized through the reaction of Scheme 1 below.

[반응식 1] [Scheme 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 폴리도파민 필름 탄화 단계는, 질소 분위기 하에서 500℃ 내지 1000℃로 가열하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다. The polydopamine film carbonization step may be characterized in that it is carried out by heating to 500 ℃ to 1000 ℃ under a nitrogen atmosphere.

상기 폴리도파민 필름 탄화 단계에서는, 하기 반응식 2의 반응을 통해 폴리도파민이 탄화되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the carbonizing step of the polydopamine film, it may be characterized in that polydopamine is carbonized through the reaction of Scheme 2 below.

[반응식 2] [Scheme 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 탄화 폴리도파민 필름 웨이퍼 전사 단계의 상기 웨이퍼는, 사파이어(Al2O3), 실리콘, 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN) 및 질화아연(ZnN)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The wafer of the polydopamine carbide film wafer transfer step is sapphire (Al 2 O 3 ), silicon, gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN) and zinc nitride (ZnN) any one or more selected from the group consisting of It may be characterized by including.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 간단한 공정 과정을 통해 제조가 가능하면서도, 전기화학적 특성이 우수한 효율적인 수소 발생 반응용 전기 촉매 및 이의 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide an efficient electrocatalyst for hydrogen generation reaction and a method for preparing the same, which can be produced through a simple process and have excellent electrochemical properties.

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.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매의 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1에 따른 PDA 필름 및 실시예 1에 따른 C-PDA 필름의 광학 이미지 및 태핑모드 원자현미경(AFM) 이미지를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 C-PDA 필름의 고해상도 투과전자현미경(TEM) 이미지를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1에 따른 PDA 필름 및 실시예 1에 따른 C-PDA 필름의 라만 스펙트럼 및 X선 광전자 분광분석 측량 그래프이다.
도 5는 상기 각각의 촉매를 이용한 3 전극 시스템에서의 수소 발생 반응 분극 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 6은 상기 각각의 촉매를 이용한 3 전극 시스템에서의 10mA/cm2에서의 과전위값을 나타내는 그래프이다.
도 7은 상기 각각의 촉매를 이용한 3 전극 시스템에서의 타펠(Tapel) 기울기를 나타내는 그래프이다.
도 8은 10시간 동안 측정한 -0.15 V와 -0.20 V 각각 vs. RHE 에서의 C-PDA 전기촉매의 시간대전류법을 나타내는 그래프이다.
1 is a flowchart schematically illustrating a method for preparing an electrocatalyst for hydrogen generation reaction including a nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure according to another embodiment of the present invention.
2 is a view showing an optical image and a tapping mode atomic force microscope (AFM) image of the PDA film according to Comparative Example 1 and the C-PDA film according to Example 1 of the present invention.
3 is a view showing a high-resolution transmission electron microscope (TEM) image of the C-PDA film according to Example 1 of the present invention.
4 is a Raman spectrum and X-ray photoelectron spectroscopy measurement graph of a PDA film according to Comparative Example 1 and a C-PDA film according to Example 1 of the present invention.
5 is a graph showing a hydrogen evolution reaction polarization curve in a three-electrode system using each of the catalysts.
6 is a graph showing an overpotential value at 10 mA/cm 2 in a three-electrode system using each of the catalysts.
7 is a graph showing a Tapel slope in a three-electrode system using each of the catalysts.
8 shows -0.15 V and -0.20 V vs. -0.20 V measured for 10 hours, respectively. A graph showing the chronoamperometric method of the C-PDA electrocatalyst in RHE.

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.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in several different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

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.Throughout the specification, when a part is said to be “connected (connected, contacted, coupled)” with another part, it is not only “directly connected” but also “indirectly connected” with another member interposed therebetween. "Including cases where In addition, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further provided, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

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.The terminology used herein is used only to describe specific embodiments, and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 반응용 전기 촉매를 설명한다.An electrocatalyst for hydrogen generation reaction according to an embodiment of the present invention will be described.

본 발명에 있어서, 상기 수소 발생 반응용 전기 촉매는, 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the electrocatalyst for the hydrogen generation reaction is characterized in that it comprises a nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure.

이때, 상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 폴리도파민을 전구체로 하여 질소 분위기 하에서 하소(calcination)되어 질소 도핑 및 탄화된 것을 특징으로 할 수 있다. At this time, the carbonized polydopamine nano-carbon structure may be characterized in that it is nitrogen-doped and carbonized by calcination in a nitrogen atmosphere using polydopamine as a precursor.

또한, 상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 하기 화학식 1로 표시되는 부분 구조를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the carbonized polydopamine nano-carbon structure may be characterized in that it includes a partial structure represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

n은 1 이상의 자연수이다.n is a natural number greater than or equal to 1.

상기 본 발명의 수소 발생 반응용 전기 촉매의 전구체로 사용된 폴리도파민(polydopamin)은, 도파민(dopamin)의 자체 중합된 중합체로, 상기 도파민은 자연계의 홍합에서 볼 수 있는 접착성 물질을 모방한 생체친화적 고분자 물질이다. 도파민은 접착단백질에서 접착력을 나타내는 중요한 화학적 작용기인 카테콜(catechol)과 아민(amine)을 모두 가지고 있어 유기 및 무기 물질에 대한 강한 접착력을 갖는다. 따라서 도파민은 많은 활용에 대한 기능을 할 뿐만 아니라 탄소 기반의 재료를 제조하는데 좋은 탄소 원으로서도 역할을 할 수 있다. Polydopamine used as a precursor of the electrocatalyst for the hydrogen generation reaction of the present invention is a self-polymerized polymer of dopamine, and the dopamine is a living body that mimics the adhesive material found in mussels in nature. It is a friendly polymer material. Dopamine has both catechol and amine, which are important chemical functional groups that show adhesion in adhesive proteins, and thus has strong adhesion to organic and inorganic substances. Thus, dopamine not only functions for many applications, but can also serve as a good carbon source for manufacturing carbon-based materials.

이에 착안하여, 본 발명의 발명자들은, 상기의 부착성 높은 생체 친화적 물질인 폴리도파민을 이용하여, 이를 질소 분위기 하에서 하소함으로써 질소 도핑 및 탄화시킴으로써 전기화학적 특성이 우수하며 효율적인 수소 발생 반응용 촉매를 발명하기에 이르렀다. Paying attention to this, the inventors of the present invention use polydopamine, which is a biocompatible material with high adhesion, and calcinate it in a nitrogen atmosphere to doping and carbonizing it with nitrogen, thereby inventing an efficient catalyst for hydrogen generation reaction with excellent electrochemical properties came to

전술한 바와 같이, 종래의 수소 발생 반응용 탄소 기반 촉매는 화학적 증착(chemical vapor deposition, CVD)을 기반으로 하는 그래핀 소재가 주로 이용되었는데, 이는 고가일 뿐만 아니라 합성 후 압력 조절과 전이 공정을 하는데 여러 가스 원을 필요로 하므로 번거로운 공정을 요한다는 점에서 효율적인 수소 발생을 위한 촉매로 활용되기에는 많은 제약 사항이 존재했다. As described above, as the conventional carbon-based catalyst for hydrogen generation reaction, graphene material based on chemical vapor deposition (CVD) was mainly used, which is not only expensive, but also for pressure control and transfer process after synthesis. Since it requires several gas sources, a cumbersome process is required, so there are many restrictions to be used as a catalyst for efficient hydrogen generation.

이와 달리, 본 발명의 촉매 제조를 위해 사용되는 도파민은, 수용액 조건에서 자체적으로 중합하여 폴리도파민을 형성 가능하므로 종래 탄소 기반 촉매보다 상당히 손쉬운 공정을 통해 제조될 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 폴리도파민은 수용액 상태에서 도파민을 기판에 증착하는 디핑(dipping) 공정을 통하여 도파민이 자체 중합됨으로써 필름 형태의 폴리도파민 나노 카본 구조체로 형성될 수 있다. 이러한 과정에서 상기 폴리도파민 나노 카본 구조체 필름은, 다층의 층상 구조로 적층된 형태를 갖도록 기판 상에 형성되게 된다. In contrast, dopamine used for the preparation of the catalyst of the present invention can be prepared through a considerably easier process than the conventional carbon-based catalyst because it can form polydopamine by self-polymerizing in aqueous solution conditions. More specifically, the polydopamine may be formed into a polydopamine nano-carbon structure in the form of a film by self-polymerizing dopamine through a dipping process of depositing dopamine on a substrate in an aqueous solution state. In this process, the polydopamine nano carbon structure film is formed on the substrate to have a laminated form in a multi-layered structure.

이때, 상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체 필름은, 층 간 거리가 0.1nm 내지 1nm로 다층 적층된 것을 특징으로 할 수 있다.In this case, the carbonized polydopamine nano carbon structure film may be characterized in that the interlayer distance is multi-layered to 0.1 nm to 1 nm.

상기 층 간 거리가 0.1nm 미만이면, 촉매특성이 저하됨으로 바람직하지 않다.If the interlayer distance is less than 0.1 nm, it is not preferable because the catalyst properties are deteriorated.

상기 층 간 거리가 1nm 초과이면, 촉매 간 전하전달이 어려우므로 바람직하지 않다. If the interlayer distance is more than 1 nm, it is not preferable because charge transfer between catalysts is difficult.

따라서, 상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체 필름은, 층 간 거리가 0.1nm 내지 1nm로 다층 적층된 것이 본 발명의 효과 면에서 가장 바람직하다.Therefore, the carbonized polydopamine nano-carbon structure film is most preferably multi-layered with an interlayer distance of 0.1 nm to 1 nm in view of the effect of the present invention.

또한, 상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 도파민이 기판상에 증착되는 공정 중의 증착 시간을 조절 및 상기 탄화 공정 조건을 조절함으로써, 상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는 나노 크기의 얇은 두께를 갖도록 그 두께가 자유롭게 제어될 수 있는 것을 특징으로 한다. 따라서, 상기의 탄화 공정을 통해 얇은 두께를 갖도록 제조된 초박형 구조의 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 벌크 물질로부터 표면에 위치한 반응 위치로 전하 이동을 위한 더 짧은 경로를 제공 가능하므로, 전하 운반체는 물질 및 표면에서 더욱 빠르게 이동하여 활성 부위에 도달 가능하므로 전기 촉매의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, the carbonized polydopamine nano-carbon structure, by controlling the deposition time during the process in which dopamine is deposited on the substrate and controlling the carbonization process conditions, the carbonized polydopamine nano-carbon structure has a thin thickness of the nano-sized thickness. can be freely controlled. Therefore, the ultra-thin carbonized polydopamine nano-carbon structure manufactured to have a thin thickness through the above carbonization process can provide a shorter path for charge transfer from the bulk material to the reaction site located on the surface, so the charge carrier is a material And since it is possible to reach the active site by moving more rapidly from the surface, there is an effect of improving the efficiency of the electrocatalyst.

더욱 자세하게는, 상기 폴리도파민 나노 카본 구조체 필름은, 두께 5nm 내지 40nm를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.More specifically, the polydopamine nano carbon structure film may be characterized in that it has a thickness of 5 nm to 40 nm.

상기 필름 두께가 5nm 미만이면, 필름의 두께가 너무 얇아 촉매의 내구성 등 기계적 안정성이 저하될 수 있으므로 바람직하지 않다.If the thickness of the film is less than 5 nm, it is not preferable because the thickness of the film is too thin and mechanical stability such as durability of the catalyst may be deteriorated.

상기 필름 두께가 40nm 초과이면, 전술한 촉매 효율 향상을 위한 충분한 짧은 거리를 제공할 수 없어 바람직하지 않다.If the film thickness is more than 40 nm, it is not preferable because a short enough distance for improving the above-described catalyst efficiency cannot be provided.

따라서, 상기 폴리도파민 나노 카본 구조체 필름은, 두께 5nm 내지 40nm를 갖는 것이 본 발명의 효과 면에서 가장 바람직하다.Therefore, the polydopamine nano carbon structure film, it is most preferable in terms of the effect of the present invention to have a thickness of 5nm to 40nm.

따라서, 본 발명의 폴리도파민 나노 카본 구조체 필름은, 전술한 바와 같은 나노 크기의 두께 제어를 통한 다층 구조의 형성이 가능하므로 종래 탄소 기반 촉매와 비교하여 전기적 특성의 성능 향상의 폭을 넓힐 수 있는 특징을 갖는다.Therefore, the polydopamine nano-carbon structure film of the present invention enables the formation of a multi-layer structure through the nano-sized thickness control as described above, so it is possible to broaden the scope of performance improvement in electrical properties compared to the conventional carbon-based catalyst. has

또한, 상기 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 상기와 같이 도파민을 이용하여 중합된 후 질소 분위기 하에서 하소, 즉 열처리 됨으로써 질소 도핑 및 탄화된 것을 특징으로 한다.In addition, the polydopamine nano carbon structure is characterized in that it is nitrogen-doped and carbonized by being polymerized using dopamine as described above and then calcined under a nitrogen atmosphere, that is, heat-treated.

상기와 같이 질소 분위기 하에서 하소 된 본 발명의 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 종래의 그래핀을 질소 도핑하여 사용하는 탄소 촉매와 비교하여 더 높은 질소 함량을 가진다. 따라서, 촉매의 활성 사이트를 크게 증가시킬 수 있으므로 전술한 것과 같이 낮은 과전위에서도 수소 기체의 생성이 가능한 효율적이고 전기적 특성이 우수한 촉매로서의 역할이 가능하다.The carbonized polydopamine nano-carbon structure of the present invention calcined under a nitrogen atmosphere as described above has a higher nitrogen content compared to a carbon catalyst using conventional graphene doping nitrogen. Therefore, since the active site of the catalyst can be greatly increased, as described above, it is possible to serve as an efficient catalyst capable of generating hydrogen gas even at a low overpotential and having excellent electrical properties.

더욱 구체적으로는, 상기와 같이 질소 도핑 및 탄화 된 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 본 발명의 수소 발생 반응용 전기 촉매가 10mA/cm2 이상의 전극 전류 밀도에서 151mV 이하의 낮은 과전위로 물로부터 수소 기체를 생성할 수 있도록 한다.More specifically, in the polydopamine nano-carbon structure doped with nitrogen and carbonized as described above, the electrocatalyst for hydrogen generation reaction of the present invention has a low overpotential of 151 mV or less at an electrode current density of 10 mA/cm 2 or more. to be able to create

상기와 같은 구성적 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 간단한 공정 과정을 통해 제조가 가능하면서도, 전기화학적 특성이 우수한 효율적인 수소 발생 반응용 전기 촉매를 제공할 수 있는 효과가 있다.Due to the above structural characteristics, according to an embodiment of the present invention, it is possible to provide an efficient electrocatalyst for hydrogen generation reaction having excellent electrochemical properties while being able to be manufactured through a simple process.

본 발명의 다른 실시예에 따른 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매의 제조 방법을 설명한다. A method of manufacturing an electrocatalyst for hydrogen generation reaction including a nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure according to another embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매의 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.1 is a flowchart schematically illustrating a method for preparing an electrocatalyst for hydrogen generation reaction including a nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure according to another embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매의 제조 방법은, 기판 상에 도파민을 자기 중합시킴으로써 폴리도파민 필름을 형성하는 폴리도파민 필름 중합 단계(S100); 상기 중합된 폴리도파민 필름을 질소 분위기 하에서 하소하여 질소 도핑 및 탄화시키는 폴리도파민 필름 탄화 단계(S200); 상기 탄화된 폴리도파민 필름을 웨이퍼로 전사시키는 탄화 폴리도파민 필름 웨이퍼 전사 단계(S300); 및 상기 전사된 탄화 폴리도파민 필름을 수득하는 탄화 폴리도파민 나노 카본 필름 수득 단계(S400);를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , in the method for preparing an electrocatalyst for hydrogen generation reaction including a nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure according to another embodiment of the present invention, a polydopamine film is formed by self-polymerizing dopamine on a substrate. Polydopamine film polymerization step (S100); carbonizing the polydopamine film by calcining the polymerized polydopamine film under a nitrogen atmosphere to dope nitrogen and carbonize the polydopamine film (S200); a carbonized polydopamine film wafer transfer step of transferring the carbonized polydopamine film to a wafer (S300); and a carbonized polydopamine nano-carbon film obtaining step (S400) of obtaining the transferred carbonized polydopamine film.

상기 폴리도파민 필름 중합 단계(S100)는, 도파민을 포함하는 수용액의 준비 단계; 및 상기 수용액에 기판을 디핑(dipping)하는 단계;를 포함할 수 있다.The polydopamine film polymerization step (S100) is a preparation step of an aqueous solution containing dopamine; and dipping the substrate in the aqueous solution.

더욱 자세하게는, 상기 폴리도파민 필름 중합 단계(S100)에서는, 하기 반응식 1의 반응을 통해 폴리도파민이 중합되는 것을 특징으로 할 수 있다.More specifically, in the polydopamine film polymerization step (S100), it may be characterized in that polydopamine is polymerized through the reaction of Scheme 1 below.

[반응식 1] [Scheme 1]

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 폴리도파민 중합을 위해 사용된 도파민은, 수용액 조건에서 별도의 기계적 교반 없이도 자체적으로 중합 가능한 것을 특징으로 하므로, 상기와 같이 도파민을 포함하는 수용액을 제조하고, 상기 도파민이 중합될 기판을 디핑(dipping)하기만 하면, 실온에서 별도의 기계적 교반 없이도 도파민이 상기 기판에 자체적으로 중합된다. 따라서, 상기와 같은 구성적 특징으로 인하여, 종래 탄소 기반 촉매의 제조에 요구되는 번거로운 공정 없이도 손쉽게 본 발명 촉매의 제조를 위한 탄소 전구체를 준비할 수 있는 효과가 있다. Since dopamine used for polymerization of polydopamine is characterized in that it can be polymerized by itself without mechanical stirring in aqueous solution conditions, an aqueous solution containing dopamine is prepared as described above, and the substrate on which dopamine is to be polymerized is dipping (dipping). ), dopamine self-polymerizes on the substrate at room temperature without additional mechanical stirring. Therefore, due to the above structural characteristics, there is an effect that it is possible to easily prepare a carbon precursor for the preparation of the catalyst of the present invention without the cumbersome process required for the preparation of the conventional carbon-based catalyst.

이때, 상기 폴리도파민 필름 중합 단계의 상기 기판은, 구리, 철, 알루미늄, 은, 금, 니켈, 주석, 팔라듐 및 백금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 기판이라면 제한 없이 이용될 수 있다.At this time, if the substrate of the polydopamine film polymerization step is a metal substrate including at least one selected from the group consisting of copper, iron, aluminum, silver, gold, nickel, tin, palladium and platinum, it can be used without limitation. there is.

상기 폴리도파민 필름 탄화 단계(S200)는, 질소 분위기 하에서 500℃ 내지 1000℃로 가열하여 수행될 수 있으며, 가장 바람직하게는, 800℃로 가열하여 수행될 수 있다.The polydopamine film carbonization step (S200) may be performed by heating at 500° C. to 1000° C. under a nitrogen atmosphere, and most preferably, heating at 800° C. may be performed.

더욱 자세하게는, 상기 폴리도파민 필름 탄화 단계에서는, 하기 반응식 2의 반응을 통해 폴리도파민이 탄화될 수 있다. More specifically, in the step of carbonizing the polydopamine film, polydopamine may be carbonized through the reaction of Scheme 2 below.

[반응식 2] [Scheme 2]

Figure pat00006
Figure pat00006

상기와 같이 상기 폴리도파민 필름 중합 단계(S200)에서 간단하게 자체 중합 된 상기 폴리도파민 필름을, 상기와 같이 질소 분위기 하에서 열처리하여 하소함으로써, 종래 탄소 기반 촉매가 여러 가스원을 필요로 하는 복잡한 공정 과정을 요하는 것과 달리 간단한 공정 과정을 통하여도 종래 촉매보다 더 높은 질소 함량을 갖도록 제조될 수 있다. 따라서, 촉매의 활성 사이트를 크게 증가시킬 수 있으므로, 낮은 과전위, 구체적으로는 10mA/cm2 이상의 전극 전류 밀도에서 151mV 이하의 과전위에서도 수소 기체의 생성이 가능한 효율적이고 전기적 특성이 우수한 촉매의 제조가 가능하다.As described above, by calcining the polydopamine film self-polymerized in the polydopamine film polymerization step (S200) by heat treatment in a nitrogen atmosphere as described above, the conventional carbon-based catalyst is a complex process that requires several gas sources. Contrary to requiring a catalyst, it can be prepared to have a higher nitrogen content than a conventional catalyst even through a simple process. Therefore, since the active site of the catalyst can be significantly increased, it is possible to produce hydrogen gas at a low overpotential, specifically, an overpotential of 151 mV or less at an electrode current density of 10 mA/cm 2 or more, and it is possible to produce a catalyst with efficient and excellent electrical properties. possible.

상기 탄화 폴리도파민 필름 웨이퍼 전사 단계(S300)는, 상기 폴리도파민 필름 중합 단계에서 상기 폴리도파민 필름이 중합된 상기 기판상에, PMMA를 포함하는 고분자 화합물을 스핀 코팅하는 단계; 및 상기 고분자 화합물이 스핀 코팅된 상기 폴리도파민 필름이 중합된 기판을 산성 용액에 침지시켜, 기판을 제거하는 단계; 상기 기판이 제거된 고분자 화합물이 스핀 코팅된 상기 폴리도파민 필름을 웨이퍼상에 증착하는 단계; 상기 고분자 화합물을 유기 용매를 이용하여 제거하는 단계; 및 상기 고분자 화합물이 제거되고 남은 상기 폴리도파민 필름이 증착된 웨이퍼를 수득하는 단계;를 포함할 수 있다. The carbonized polydopamine film wafer transfer step (S300), spin coating a polymer compound containing PMMA on the substrate on which the polydopamine film is polymerized in the polydopamine film polymerization step; and immersing the substrate on which the polydopamine film on which the polymer compound is spin-coated is polymerized in an acidic solution to remove the substrate; depositing the polydopamine film spin-coated with the polymer compound from which the substrate has been removed on a wafer; removing the polymer compound using an organic solvent; and obtaining a wafer on which the polydopamine film remaining after removing the polymer compound is deposited.

이때, 상기 탄화 폴리도파민 필름 웨이퍼 전사 단계의 상기 웨이퍼는, 사파이어(Al2O3), 실리콘, 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN) 및 질화아연(ZnN)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. At this time, the wafer of the polydopamine carbide film wafer transfer step is sapphire (Al 2 O 3 ), silicon, gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN) and zinc nitride (ZnN) any one selected from the group consisting of may include more than one.

상기와 같은 구성적 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 간단한 공정을 요하면서도 전기화학적 특성이 우수한 효율적인 수소 발생 반응용 전기 촉매 및 이의 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있다. Due to the above structural characteristics, according to an embodiment of the present invention, there is an effect that it is possible to provide an efficient electrocatalyst for hydrogen generation reaction that requires a simple process and has excellent electrochemical properties and a method for preparing the same.

이하에서는 제조예, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 제조예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Preparation Examples, Comparative Examples and Experimental Examples. However, the present invention is not limited to the following Preparation Examples and Experimental Examples.

<제조예 1><Production Example 1>

본 발명의 일실시예에 따른 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매를 제조하였다. An electrocatalyst for hydrogen generation reaction including nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure according to an embodiment of the present invention was prepared.

상기 촉매는 이하와 같은 방법으로 제조되었다. The catalyst was prepared in the following way.

먼저, 아세톤, 이소프로판올, 정제수(deionized water, DI water)에 초음파 세척을 한 구리박 기판을, 2mg의 도파민 클로라이드를 함유하는 45ml의 트리스 완충액(Tris buffer, tris (hydroxymethyl) aminomethane solution, 10mM)에 디핑(dipping)하였다. 상기 트리스 완충액의 pH 값을 HCl을 사용하여 8.5로 조정 하고 기계적 중합 없이25℃에서 코팅 중합을 수행하였다. 1 시간 후, 기판을 꺼내 정제수로 세척하고 70 ℃ 오븐에서 밤새 건조시켜 폴리도파민 필름이 증착된 구리 기판(PDA/copper)을 수득하였다. First, a copper foil substrate ultrasonically cleaned in acetone, isopropanol, and deionized water (DI water) was dipped in 45 ml of Tris buffer (Tris buffer, tris (hydroxymethyl) aminomethane solution, 10 mM) containing 2 mg of dopamine chloride. (dipping). The pH value of the Tris buffer was adjusted to 8.5 using HCl, and coating polymerization was performed at 25° C. without mechanical polymerization. After 1 hour, the substrate was taken out, washed with purified water, and dried in an oven at 70° C. overnight to obtain a copper substrate (PDA/copper) on which a polydopamine film was deposited.

상기 PDA/copper를 튜브 퍼니스(tube furnace)를 사용하여 흐르는 질소 하에서 10℃/min 의 속도로 열처리하였다. 상기 열처리는 800 ℃에서 1시간 동안 진행하였으며, 이후 자연적으로 실온으로 냉각시켜 상기 폴리도파민을 탄화시킴으로써 탄화 폴리도파민 필름이 증착된 구리 기판(C-PDA/copper)을 수득하였다. The PDA/copper was heat-treated at a rate of 10° C./min under flowing nitrogen using a tube furnace. The heat treatment was performed at 800° C. for 1 hour, and then naturally cooled to room temperature to carbonize the polydopamine to obtain a copper substrate (C-PDA/copper) on which a carbonized polydopamine film was deposited.

그 다음, 폴리메틸메타크릴산(PMMA)를 상기 C-PDA/copper에 스핀 코팅하였다. 상기 PMMA가 스핀 코팅된 PMMA/C-PDA/copper 기판을 희석된 과황산암모늄용액 0.2M에 증착하여, 구리 기판을 제거하였다. 상기 구리 기판이 제거된 PMMA/C-PDA를 정제수로 세척한 후, Si 웨이퍼에 증착하였다. 이후 아세톤을 이용하여 상기 PMMA를 제거함으로써, Si 웨이퍼 상에 증착된 본 발명의 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체, 즉 C-PDA 필름을 제조하였다.Then, polymethylmethacrylic acid (PMMA) was spin-coated on the C-PDA/copper. The PMMA/C-PDA/copper substrate on which the PMMA was spin-coated was deposited in a diluted ammonium persulfate solution of 0.2M to remove the copper substrate. The PMMA/C-PDA from which the copper substrate was removed was washed with purified water and then deposited on a Si wafer. Then, by removing the PMMA using acetone, the nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure of the present invention deposited on a Si wafer, that is, a C-PDA film was prepared.

<비교예 1><Comparative Example 1>

상기 제조예 1에 있어서, 상기 PDA/copper를 탄화시키는 과정을 생략하고 곧바로 Si 웨이퍼에 전이시킨 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 과정을 통하여 PDA 필름을 제조하였다. In Preparation Example 1, a PDA film was manufactured through the same process as in Preparation Example 1, except that the process of carbonizing the PDA/copper was omitted and immediately transferred to a Si wafer.

<실험예 1><Experimental Example 1>

본 발명의 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체의 형태 및 구조 분석을 위하여, 상기 비교예 1 및 제조예 1을 통해 제조된 PDA 필름 및 C-PDA 필름의 광학 이미지, 태핑모드(Tapping-mode) 원자현미경(AFM) 이미지 및 C-PDA 필름의 고해상도 투과전자현미경(TEM) 이미지를 촬영하여 분석하였다.In order to analyze the shape and structure of the nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure doped with nitrogen of the present invention, optical images of the PDA film and C-PDA film prepared in Comparative Example 1 and Preparation Example 1, tapping mode (Tapping-mode) An atomic force microscope (AFM) image and a high-resolution transmission electron microscope (TEM) image of the C-PDA film were taken and analyzed.

도 2는 본 발명의 비교예 1에 따른 PDA 필름 및 실시예 1에 따른 C-PDA 필름의 광학 이미지 및 태핑모드 원자현미경(AFM) 이미지를 나타내는 도면이다.2 is a view showing an optical image and a tapping mode atomic force microscope (AFM) image of the PDA film according to Comparative Example 1 and the C-PDA film according to Example 1 of the present invention.

도 2의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 비교예 1에 따른 PDA 필름의 광학 이미지 및 태핑모드 원자현미경 (AFM) 이미지를 나타내는 도면이다.2 (a) to (c) are views showing an optical image and a tapping mode atomic force microscope (AFM) image of the PDA film according to Comparative Example 1 of the present invention.

도 2의 (d) 내지 (f)는 본 발명의 실시예 1에 따른 PDA 필름의 광학 이미지 및 태핑모드 원자현미경(AFM) 이미지를 나타내는 도면이다.2 (d) to (f) are views showing an optical image and a tapping mode atomic force microscope (AFM) image of the PDA film according to Example 1 of the present invention.

도 2의 (g) 및 (h)는 본 발명의 실시예 1에 따른 PDA 필름의 고해상도 투과전자현미경(TEM) 이미지를 나타내는 도면이다. 2 (g) and (h) are views showing a high-resolution transmission electron microscope (TEM) image of the PDA film according to Example 1 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 C-PDA 필름의 고해상도 투과전자현미경(TEM) 이미지를 나타내는 도면이다.3 is a view showing a high-resolution transmission electron microscope (TEM) image of the C-PDA film according to Example 1 of the present invention.

도 2 및 도 3을 참조하면, 비교예 1에 따른 PDA 필름은 약 31nm의 두께로 Si 기판 상에 균일한 코팅을 형성하는 것과 달리, 이를 탄화시킨 본 발명의 제조예 1에 따른 C-PDA 필름은 약 12nm로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 제조예 1에 따른 C-PDA 필름은 TEM 이미지의 여러 가지 어두운 영역의 분포를 보아 층상 구조를 가지며, 상기 층 사이의 거리는 약 0.34nm임을 확인할 수 있다. 2 and 3, the PDA film according to Comparative Example 1 has a thickness of about 31 nm, unlike the formation of a uniform coating on the Si substrate, the C-PDA film according to Preparation Example 1 of the present invention in which it is carbonized It can be seen that decreases to about 12 nm. In addition, it can be seen that the C-PDA film according to Preparation Example 1 of the present invention has a layered structure by looking at the distribution of various dark regions in the TEM image, and the distance between the layers is about 0.34 nm.

이로 인하여 본 발명의 층상 구조의 필름은 높은 전도성을 갖는 지지층으로써 기능할 뿐만 아니라, 탄화 처리된 C-PDA 필름은 필름 평면 내에 균일한 미세 공극을 함유할 것을 예상할 수 있다. 따라서, 이러한 구조를 갖는 본 발명의 C-PDA는 전기 촉매로서 물질 전달 및 기체 확산에 유리할 것이다. 뿐만 아니라, 상기의 탄화 공정을 통해 얇은 두께를 갖게 되므로 이러한 초박형 구조의 C-PDA는 벌크 물질로부터 표면에 위치한 반응 위치로 전하 이동을 위한 더 짧은 경로를 제공하므로, 전하 운반체는 물질 및 표면에서 더욱 빠르게 이동하여 활성 부위에 도달 가능하므로 전기 촉매의 효율을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.Due to this, it can be expected that the layered film of the present invention not only functions as a support layer having high conductivity, but also contains uniform micropores in the film plane of the carbonized C-PDA film. Therefore, the C-PDA of the present invention having such a structure will be advantageous for mass transfer and gas diffusion as an electrocatalyst. In addition, since it has a thin thickness through the above carbonization process, this ultra-thin C-PDA provides a shorter path for charge transfer from the bulk material to the reaction site located on the surface, so that the charge carriers are more It can be confirmed that the efficiency of the electrocatalyst can be improved because it can move rapidly to reach the active site.

<실험예 2><Experimental Example 2>

본 발명의 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체의 구조 및 전자적 특성 분석을 위하여, 라만 스펙트럼(Raman spectra) 및 X선 광전자 분광분석(XPS)을 수행하는 실험을 진행하였다. In order to analyze the structure and electronic properties of the nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure of the present invention, an experiment was performed with Raman spectra and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

도 4는 본 발명의 비교예 1에 따른 PDA 필름 및 실시예 1에 따른 C-PDA 필름의 라만 스펙트럼 및 X선 광전자 분광분석 측량 그래프이다.4 is a Raman spectrum and X-ray photoelectron spectroscopy measurement graph of a PDA film according to Comparative Example 1 and a C-PDA film according to Example 1 of the present invention.

도 4를 참조하면, PDA가 C-PDA가 질소 분위기 하에서 하소되며 헤테로 원자, 즉 질소로 도핑된 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이러한 도핑된 질소는, 높은 전기 음성도를 가지므로 수소 생성에 유리한 특성을 갖는다. 따라서, 본 발명의 C-PDA 필름은 향상된 전기 촉매적 특성을 가질 것임을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4 , it can be confirmed that the PDA has a structure in which C-PDA is calcined under a nitrogen atmosphere and doped with a hetero atom, that is, nitrogen. Such doped nitrogen has a high electronegativity and thus has advantageous properties for hydrogen production. Therefore, it can be confirmed that the C-PDA film of the present invention will have improved electrocatalytic properties.

<실험예 3><Experimental Example 3>

본 발명의 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매의 전기화학적 성능을 분석해보는 실험을 진행하였다. 이를 위하여, 전기 화학 측정은 standard 3-electrode cell을 사용하는 CHI 780 전기 화학 분석기(CHInstruments, Inc. Austin, TX, USA)를 사용했다. 이때, 백금박과 Ag/AgCl(3M NaCl)을 각각 상대전극과 기준전극으로 사용하였으며, 작업 전극은 rotating disk electrode(RDE, 5 mV/s속도로 1000 rpm으로 수행)의 유리질 탄소(GC) tip (직경 5.0 mm)을 이용하였다. An experiment was conducted to analyze the electrochemical performance of the electrocatalyst for hydrogen generation reaction including the nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure of the present invention. For this, electrochemical measurements were performed using a CHI 780 electrochemical analyzer (CHInstruments, Inc. Austin, TX, USA) using a standard 3-electrode cell. At this time, platinum foil and Ag/AgCl (3M NaCl) were used as a counter electrode and a reference electrode, respectively, and the working electrode was a glassy carbon (GC) tip of a rotating disk electrode (RDE, performed at 1000 rpm at a rate of 5 mV/s). (5.0 mm in diameter) was used.

상기 GC에 PDA 및 C-PDA 각각을 0.13mg/cm2의 촉매 로딩으로 침착하여 이를 작업전극으로 하여 3 전극 시스템으로 분석하였다. Each of PDA and C-PDA was deposited on the GC at a catalyst loading of 0.13 mg/cm 2 , and analyzed by a three-electrode system using this as a working electrode.

이에 더하여, 비교를 위하여 촉매를 로딩하지 않은 유리상 탄소(bare CG) 및 Pt/C를 NAFION 용액 (5 중량 %, Alfa, Seoul, Korea)과 혼합하여 잘 분산된 촉매 잉크를 형성하여 10μl를 유리상 탄소(glassy carbon, GC)의 끝(tip)에 드롭-캐스팅하여 제조한 것을 작업 전극으로 하여 마찬가지로 3 전극 시스템으로 분석하였다. In addition, for comparison, free catalyst-free carbon (bare CG) and Pt/C were mixed with a NAFION solution (5 wt %, Alfa, Seoul, Korea) to form a well-dispersed catalyst ink, and 10 μl of free carbon A work electrode prepared by drop-casting on the tip of (glassy carbon, GC) was similarly analyzed with a three-electrode system.

도 5는 상기 각각의 촉매를 이용한 3 전극 시스템에서의 수소 발생 반응 분극 곡선을 나타내는 그래프이다. 5 is a graph showing a hydrogen evolution reaction polarization curve in a three-electrode system using each of the catalysts.

도 5를 참조하면, 개시 과전위(즉, 1.0mA/cm2에서의 과전위)의 경우, PDA는 176mV의 높은 값을 나타내고, 이는 bare CG의 과전위 값 203mV와 유사하다. 이와 달리, C-PDA의 개시 과전위는 68mV으로 매우 낮은 값을 가지므로, C-PDA는 산성 매질에서 사용되기 매우 적합한 촉매적 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, C-PDA의 작동 전위 또한 -0.13V로 PDA의 -0.28V 보다 매우 낮은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5 , in the case of an initial overpotential (ie, overpotential at 1.0mA/cm 2 ), the PDA shows a high value of 176mV, which is similar to the overpotential value of 203mV of the bare CG. On the other hand, since the onset overpotential of C-PDA has a very low value of 68 mV, it can be confirmed that C-PDA has very suitable catalytic properties for use in an acidic medium. In addition, it can be seen that the operating potential of the C-PDA is also -0.13V, which is much lower than the -0.28V of the PDA.

도 6은 상기 각각의 촉매를 이용한 3 전극 시스템에서의 10mA/cm2에서의 과전위값을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing an overpotential value at 10 mA/cm 2 in a three-electrode system using each of the catalysts.

도 6을 참조하면, 10mA/cm2에서 PDA 및 C-PDA의 과전위는 각각 306mV 및 151mV로, C-PDA가 PDA와 비교하여 매우 낮은 과전위값을 가지는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6 , the overpotentials of the PDA and C-PDA at 10 mA/cm 2 are 306 mV and 151 mV, respectively, confirming that the C-PDA has a very low overpotential value compared to the PDA.

도 7은 상기 각각의 촉매를 이용한 3 전극 시스템에서의 타펠(Tapel) 기울기를 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing a Tapel slope in a three-electrode system using each of the catalysts.

도 7을 참조하면, C-PDA는 45mV/decade의 낮은 Tafel 기울기 값을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 이는 PDA(74mV/decade)보다 작으며 Pt/C(42mV/decade)의 값과 다소 비슷한 것을 확인할 수 있으므로, 본 발명의 C-PDA 촉매는 귀금속 백금 촉매에 준하는 낮은 Tafel 기울기 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7 , it can be seen that C-PDA has a low Tafel slope value of 45 mV/decade, which is smaller than PDA (74 mV/decade) and somewhat similar to the value of Pt/C (42 mV/decade). Therefore, it can be confirmed that the C-PDA catalyst of the present invention has a low Tafel slope value comparable to that of the noble metal platinum catalyst.

도 8은 10시간 동안 측정한 -0.15V와 -0.20V 각각 vs. RHE 에서의 C-PDA 전기촉매의 시간대전류법을 나타내는 그래프이다. 8 shows -0.15V and -0.20V vs. each measured for 10 hours. A graph showing the chronoamperometric method of C-PDA electrocatalyst in RHE.

도 8을 참조하면, 본 발명의 C-PDA 전기 촉매는 10시간동안 초기 전류 밀도 값을 약 -20mA/cm2의 80% 이상을 유지하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 본 발명의 C-PDA 전기 촉매가 매우 안정적인 장기 내구성을 갖는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8 , it can be seen that the C-PDA electrocatalyst of the present invention maintains an initial current density value of about -20 mA/cm 2 or more of 80% for 10 hours, which is the C-PDA electrocatalyst of the present invention It can be seen that has very stable long-term durability.

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.The above description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.

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.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (12)

질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매.
An electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising a nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure.
제1항에 있어서,
상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 폴리도파민을 전구체로 하여 질소 분위기 하에서 하소되어 질소 도핑 및 탄화된 것을 특징으로 하는 수소 발생 반응용 전기 촉매.
According to claim 1,
The carbonized polydopamine nano carbon structure is an electrocatalyst for hydrogen generation reaction, characterized in that it is calcined in a nitrogen atmosphere using polydopamine as a precursor, and is nitrogen-doped and carbonized.
제1항에 있어서,
상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 하기 화학식 1로 표시되는 부분 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 반응용 전기 촉매.
[화학식 1]
Figure pat00007

상기 화학식 1에서,
n은 1 이상의 자연수이다.
According to claim 1,
The carbide polydopamine nano-carbon structure, an electrocatalyst for hydrogen generation reaction, characterized in that it comprises a partial structure represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Figure pat00007

In Formula 1,
n is a natural number greater than or equal to 1.
제1항에 있어서,
상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 층 간 거리 0.1nm 내지 1nm로 다층 적층된 필름 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 수소 발생 반응용 전기 촉매.
According to claim 1,
The carbonized polydopamine nano carbon structure is an electrocatalyst for hydrogen generation reaction, characterized in that it has a multi-layered film form with an interlayer distance of 0.1 nm to 1 nm.
제4항에 있어서,
상기 필름은, 두께 5nm 내지 40nm를 갖는 것을 특징으로 하는 수소 발생 반응용 전기 촉매.
5. The method of claim 4,
The film is an electrocatalyst for hydrogen generation reaction, characterized in that it has a thickness of 5 nm to 40 nm.
제1항에 있어서,
상기 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체는, 10mA/cm2 이상의 전극 전류 밀도에서 151mV 이하의 과전위로 물로부터 수소 기체를 생성할 수 있게 하는 수소 발생 반응용 전기 촉매.
According to claim 1,
The carbonized polydopamine nano-carbon structure is an electrocatalyst for hydrogen generation reaction that enables generation of hydrogen gas from water with an overpotential of 151 mV or less at an electrode current density of 10 mA/cm 2 or more.
기판 상에 도파민을 자기 중합시킴으로써 폴리도파민 필름을 형성하는 폴리도파민 필름 중합 단계;
상기 중합된 폴리도파민 필름을 질소 분위기 하에서 하소하여 질소 도핑 및 탄화시키는 폴리도파민 필름 탄화 단계;
상기 탄화된 폴리도파민 필름을 웨이퍼로 전사시키는 탄화 폴리도파민 필름 웨이퍼 전사 단계; 및
상기 전사된 탄화 폴리도파민 필름을 수득하는 탄화 폴리도파민 나노 카본 필름 수득 단계;를 포함하는 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매의 제조 방법.
Polydopamine film polymerization step of forming a polydopamine film by self-polymerizing dopamine on a substrate;
carbonizing the polydopamine film by calcining the polymerized polydopamine film under a nitrogen atmosphere to dope nitrogen and carbonize;
a carbonized polydopamine film wafer transfer step of transferring the carbonized polydopamine film to a wafer; and
A method for producing an electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising a nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure comprising a;
제7항에 있어서,
상기 폴리도파민 필름 중합 단계의 상기 기판은, 구리, 철, 알루미늄, 은, 금, 니켈, 주석, 팔라듐 및 백금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 기판인 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The substrate of the polydopamine film polymerization step is nitrogen doped, characterized in that it is a metal substrate comprising at least one selected from the group consisting of copper, iron, aluminum, silver, gold, nickel, tin, palladium and platinum. A method for producing an electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising a carbonized polydopamine nano-carbon structure.
제7항에 있어서,
상기 폴리도파민 필름 중합 단계에서는, 하기 반응식 1의 반응을 통해 폴리도파민이 중합되는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매의 제조 방법.
[반응식 1]
Figure pat00008

8. The method of claim 7,
In the polydopamine film polymerization step, polydopamine is polymerized through the reaction of Scheme 1 below.
[Scheme 1]
Figure pat00008

제7항에 있어서,
상기 폴리도파민 필름 탄화 단계는, 질소 분위기 하에서 500℃ 내지 1000℃로 가열하여 수행되는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The polydopamine film carbonization step is a method of producing an electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising a nitrogen-doped polydopamine nano-carbon structure, characterized in that it is carried out by heating to 500 ℃ to 1000 ℃ under a nitrogen atmosphere.
제7항에 있어서,
상기 폴리도파민 필름 탄화 단계에서는, 하기 반응식 2의 반응을 통해 폴리도파민이 탄화되는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매의 제조 방법.
[반응식 2]
Figure pat00009

8. The method of claim 7,
In the carbonization of the polydopamine film, the method for producing an electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising a nitrogen-doped carbonized polydopamine nano-carbon structure, characterized in that polydopamine is carbonized through the reaction of Scheme 2 below.
[Scheme 2]
Figure pat00009

제7항에 있어서,
상기 탄화 폴리도파민 필름 웨이퍼 전사 단계의 상기 웨이퍼는, 사파이어(Al2O3), 실리콘, 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN) 및 질화아연(ZnN)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 탄화 폴리도파민 나노 카본 구조체를 포함하는 수소 발생 반응용 전기 촉매의 제조 방법.

8. The method of claim 7,
The wafer of the polydopamine carbide film wafer transfer step includes at least one selected from the group consisting of sapphire (Al2O3), silicon, gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), and zinc nitride (ZnN). Method for producing an electrocatalyst for hydrogen generation reaction comprising a nitrogen-doped polydopamine carbide nano-carbon structure, characterized in that.

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