KR102535864B1 - Manufacturing method of noble metal-free catalysts for water electrolysis - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비-귀금속계 수전해용 촉매의 제조방법에 관한 것으로, 탄소나노물질 0.01 내지 0.1 중량부와 폴리올 용매 100 중량부를 혼합하여 혼합액을 제조하고, 제조된 혼합액에 초음파를 인가하는 단계, 혼합액에 니켈 전구체와 PH조절제를 혼합하고 분산시키는 단계, 혼합액에 마이크로 웨이브를 조사하는 단계 및 혼합액으로부터 촉매를 얻는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method for preparing a non-noble metal catalyst for water electrolysis, which comprises preparing a mixture by mixing 0.01 to 0.1 parts by weight of carbon nanomaterials and 100 parts by weight of a polyol solvent, applying ultrasonic waves to the mixture, and It includes mixing and dispersing the nickel precursor and the pH regulator, irradiating the mixture with microwaves, and obtaining a catalyst from the mixture.

Description

비-귀금속계 수전해용 촉매의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF NOBLE METAL-FREE CATALYSTS FOR WATER ELECTROLYSIS}Manufacturing method of non-precious metal catalyst for water electrolysis {MANUFACTURING METHOD OF NOBLE METAL-FREE CATALYSTS FOR WATER ELECTROLYSIS}

본 발명은 비-귀금속계 수전해용 촉매의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수전해 반응에서 전기화학적 활성이 뛰어나고, 내구성이 우수한 비-귀금속계 수전해용 촉매를 제조할 수 있는 비-귀금속계 수전해용 촉매의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing a non-noble metal catalyst for water electrolysis, and more particularly, to a method for preparing a non-noble metal catalyst for water electrolysis having excellent electrochemical activity and durability in a water electrolysis reaction. It relates to a method for preparing a catalyst for water electrolysis.

화석연료를 대체하고 청정하면서 지속 가능한 에너지원을 찾기 위한 노력은 최근 수십 년 동안 전 세계가 안고 있는 과제였으며, 최근 원자력 발전의 방사선 및 방사선 폐기물의 위험성과 온실가스에 의한 지구 온난화 문제로 이는 더 큰 이슈로 부각되고 있다.Efforts to replace fossil fuels and find clean and sustainable energy sources have been challenges facing the world in recent decades, and with the recent problems of radiation and radiation waste from nuclear power generation and global warming caused by greenhouse gases, this has become a bigger problem. is emerging as an issue.

이러한 측면에서 신재생 에너지를 활용한 수전해 반응은 청정 에너지원인 수소를 생산하여 오염물이 없고 자가 방전 없는 에너지원 또는 화학원료로 사용할 수 있다는 많은 장점을 가지고 있다.In this respect, the water electrolysis reaction using renewable energy has many advantages in that it produces hydrogen, which is a clean energy source, and can be used as a pollutant-free energy source or chemical raw material without self-discharge.

그러나 수전해 반응의 산소발생반응(oxygen evolution reaction, OER)은 반응 속도가 매우 느려 수전해 시스템의 정상적 구동을 위해 많은 과전압을 공급해야 하기 때문에 에너지 측면에서 많은 손실을 야기하고, 산소발생반응에서 통상적으로 촉매로 이용되는 루테늄(Ruthenium), 이리듐(Iridium) 등은 귀금속으로 수전해 시스템의 가격 상승 요인으로 작용하고 있다.However, the oxygen evolution reaction (OER) of the water electrolysis reaction has a very slow reaction rate, so a lot of overvoltage must be supplied for normal operation of the water electrolysis system, causing a lot of energy loss. Ruthenium and iridium, which are used as catalysts, are precious metals and act as a factor in increasing the price of water electrolysis systems.

또한, 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction, HER) 촉매의 경우 백금이 널리 사용되고 있으나, 백금이 귀금속임에 따라 수전해 시스템의 가격 상승 요인으로 작용하고 있다. 또한, 일반적으로 수소 발생 반응에서 백금을 이용한 촉매는 백금입자가 카본블랙에 담지됨에 따라, 카본블랙으로 인해 촉매의 내구성이 떨어지는 문제가 있었다.In addition, in the case of a hydrogen evolution reaction (HER) catalyst, platinum is widely used, but since platinum is a noble metal, it acts as a factor in increasing the price of a water electrolysis system. In addition, in general, catalysts using platinum in a hydrogen generation reaction have a problem in that the durability of the catalyst is deteriorated due to the carbon black as the platinum particles are supported on the carbon black.

이에, 전술한 수전해 시스템에서 산소발생반응과 수소 발생 반응에서의 문제를 해결하기 위해 전기화학적 활성도가 높으면서 내구성이 우수한 비-귀금속 기반의 수전해 촉매 전극의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, in order to solve the problems in the oxygen generation reaction and the hydrogen generation reaction in the above-described water electrolysis system, it is necessary to develop a non-noble metal based water electrolysis catalyst electrode having high electrochemical activity and excellent durability.

대한민국 등록특허공보 제10-1733492호, 2017.04.28.자 등록Republic of Korea Patent Registration No. 10-1733492, registered on April 28, 2017

본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전술한 산소발생반응과 수소발생반응에서의 반응 속도 문제와 촉매의 가격과 내구성으로 인한 문제를 해결할 수 있도록 수전해 반응에서 전기화학적 활성 및 내구성이 뛰어난 비-귀금속계 수전해용 촉매의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to solve the above problems, and to solve the above-described reaction rate problems in the oxygen generation reaction and hydrogen generation reaction and the problems caused by the price and durability of the catalyst, electrochemical activity and durability in the water electrolysis reaction Its object is to provide a method for producing this excellent non-noble metal catalyst for water electrolysis.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood from the description below.

전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일면에 따른 비-귀금속계 수전해용 촉매의 제조방법은 탄소나노물질 0.01 내지 0.1 중량부와 폴리올 용매 100 중량부를 혼합하여 혼합액을 제조하고 제조된 혼합액에 초음파를 인가하는 단계, 혼합액에 니켈 전구체와 PH조절제를 혼합하고 분산시키는 단계, 혼합액에 마이크로 웨이브를 조사하는 단계 및 혼합액으로부터 촉매를 얻는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a method for preparing a non-noble metal-based catalyst for water electrolysis according to an aspect of the present invention is to prepare a mixed solution by mixing 0.01 to 0.1 parts by weight of carbon nanomaterials and 100 parts by weight of a polyol solvent, and ultrasonic waves are applied to the prepared mixture. , mixing and dispersing the nickel precursor and the PH regulator in the mixed solution, irradiating the mixed solution with microwaves, and obtaining a catalyst from the mixed solution.

상기한 구성에 의한 본 발명의 실시예에 따른 비-귀금속계 수전해용 촉매의 제조방법은 하기와 같은 효과를 기대할 수 있다.The method for preparing a non-noble metal-based catalyst for water electrolysis according to an embodiment of the present invention according to the above configuration can expect the following effects.

탄소나노물질에 비-귀금속계 입자가 담지된 수전해용 촉매를 제조할 수 있어 귀금속계 물질을 사용하지 않고 수전해 반응에서 전기화학적 활성이 뛰어난 수전해용 촉매를 제조할 수 있다.Since a catalyst for water electrolysis in which non-noble metal particles are supported on carbon nanomaterials can be prepared, a catalyst for water electrolysis having excellent electrochemical activity in a water electrolysis reaction can be prepared without using a precious metal-based material.

또한, 비귀금속계 입자가 카본블랙이 아닌 탄소나노물질에 담지됨에 따라 보다 내구성이 뛰어난 수전해용 촉매를 제조할 수 있다.In addition, as the non-noble metal-based particles are supported on carbon nanomaterials instead of carbon black, a more durable catalyst for water electrolysis can be produced.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비-귀금속계 수전해용 촉매의 제조방법의 순서를 나타낸 순서도이다.
도 2는 실시예 1과 실시예 2에 따른 촉매의 제조시 사용되는 탄소나노물질을 시험예 1에 따른 라만분광법으로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 1 내지 4와 비교예 1에 따른 촉매를 이용하여 수소발생반응에서의 LSV커브를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 2에 따른 촉매를 이용하여 산소발생반응에서의 LSV커브를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예 3에 따른 촉매의 시험예 3에 따른 시험결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행하기 전 실시예 1에 따른 촉매를 투과전자현미경으로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행한 후 실시예 1에 따른 촉매를 투과전자 현미경으로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행하기 전 실시예 3에 따른 촉매를 투과전자현미경으로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행한 후 실시예 3에 따른 촉매를 투과전자현미경으로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 10 내지 13은 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행하기 전 실시예 3에 따른 촉매를 주사투과전자현미경으로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 실시예 3에 따른 촉매의 시험예 5에 따른 내구성 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 15는 실시예 1 내지 4에 따른 촉매를 시험예 6에 따른 열중량측정법으로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 16는 실시예 1과 실시예 3에 따른 촉매를 시험예 7에 따른 XPS 분석 결과를 나타낸 도면이다.
1 is a flow chart showing the sequence of a method for preparing a non-noble metal-based catalyst for water electrolysis according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing the results of analyzing carbon nanomaterials used in the preparation of catalysts according to Examples 1 and 2 by Raman spectroscopy according to Test Example 1.
3 is a view showing the results of measuring LSV curves in the hydrogen generation reaction using the catalysts according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.
4 is a view showing the results of measuring LSV curves in the oxygen generation reaction using the catalysts according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2.
5 is a view showing test results according to Test Example 3 of the catalyst according to Example 3;
6 is a view showing the results of analyzing the catalyst according to Example 1 with a transmission electron microscope before conducting 1000 hydrogen generation reactions by the cyclic potential method according to Test Example 3.
7 is a view showing the results of analyzing the catalyst according to Example 1 with a transmission electron microscope after performing 1000 hydrogen generation reactions by the cyclic potential method according to Test Example 3.
8 is a view showing the results of analyzing the catalyst according to Example 3 with a transmission electron microscope before performing the hydrogen generation reaction 1000 times by the cyclic potential method according to Test Example 3.
9 is a view showing the results of analyzing the catalyst according to Example 3 with a transmission electron microscope after performing 1000 hydrogen generation reactions by the cyclic potential method according to Test Example 3.
10 to 13 are diagrams showing the results of analyzing the catalyst according to Example 3 with a scanning transmission electron microscope before hydrogen generation reaction was performed 1000 times by the cyclic potential method according to Test Example 3.
14 is a view showing durability measurement results according to Test Example 5 of the catalyst according to Example 3;
15 is a view showing the results of analyzing the catalysts according to Examples 1 to 4 by thermogravimetry according to Test Example 6.
16 is a view showing the results of XPS analysis of catalysts according to Examples 1 and 3 according to Test Example 7;

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, only the present embodiments make the disclosure of the present invention complete, and those skilled in the art in the art to which the present invention belongs It is provided to fully inform the person of the scope of the invention. Meanwhile, terms used in this specification are for describing embodiments, and are not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase.

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

도 1을 참조하면, 본 발명의 비-귀금속계 수전해용 촉매의 제조방법은 혼합액 제조단계(S100), 전구체 혼합단계(S200), 조사단계(S300) 및 촉매 완성단계(S400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the method for preparing a non-noble metal-based catalyst for water electrolysis of the present invention may include a mixture preparation step (S100), a precursor mixing step (S200), an irradiation step (S300), and a catalyst completion step (S400). there is.

먼저, 탄소나노물질과 폴리올 용매를 혼합하여 혼합액을 제조하고, 제조된 혼합액에 초음파를 인가한다(S100).First, a mixed solution is prepared by mixing carbon nanomaterials and a polyol solvent, and ultrasonic waves are applied to the prepared mixed solution (S100).

혼합액 제조단계(S100)에서 혼합액의 제조시 폴리올 용매와 혼합되는 탄소나노물질은 산화그래핀(graphene oxide, GO)과 환원된 산화그래핀(reduced graphene oxide, rGO) 중에 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.In the mixed solution manufacturing step (S100), the carbon nanomaterial mixed with the polyol solvent when preparing the mixed solution includes at least one selected from graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) it could be

혼합액 제조단계(S100)에서 혼합액의 제조시 폴리올 용매와 혼합되는 탄소나노물질로 산화그래핀(GO)과 환원된 산화그래핀(rGO) 중에 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 사용하면 후술할 조사단계(S300)에서 탄소나노물질에 니켈입자가 효과적으로 담지될 수 있다.In the mixed solution preparation step (S100), when a carbon nanomaterial mixed with a polyol solvent is used to include at least one selected from graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) during preparation of the mixed solution, an investigation step to be described below is used. In (S300), the nickel particles can be effectively supported on the carbon nanomaterial.

한편, 산화그래핀(GO)과 환원된 산화그래핀(rGO)은 그래핀(graphene)에 비해 상대적으로 표면에 결함이 많은 것으로 알려져 있고, 혼합액 제조단계(S100)에서 그래핀(graphene)이 아닌 산화그래핀(GO)과 환원된 산화그래핀(rGO)을 탄소나노물질로 사용함으로써 후술할 조사단계(S300)에서 산화그래핀(GO)과 환원된 산화그래핀(rGO) 중에 선택되는 적어도 하나의 결함에 니켈입자가 효과적으로 담지될 수 있다.On the other hand, graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) are known to have relatively more defects on the surface than graphene, and in the mixed solution preparation step (S100), graphene is not By using graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) as carbon nanomaterials, at least one selected from graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) in the irradiation step (S300) to be described later. Nickel particles can be effectively supported on the defects of

바람직하게, 혼합액 제조단계(S100)에서 혼합액의 제조시 폴리올 용매와 혼합되는 탄소나노물질은 산화그래핀(GO)과 환원된 산화그래핀(rGO) 중에 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 환원된 산화그래핀(rGO)일 수 있다.Preferably, the carbon nanomaterial mixed with the polyol solvent during the preparation of the mixed solution in the mixed solution preparation step (S100) may be at least one selected from graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO), and more preferably may be reduced graphene oxide (rGO).

한편, 그래핀, 산화그래핀(GO), 환원된 산화그래핀(rGO) 및 탄소나노튜브를 포함하는 탄소물질에 있어서, 라만분광법(Raman spectroscopy)으로 측정되는 라만스펙트럼의 1350cm-1 부근의 피크세기(ID)와 1580cm-1 부근의 피크세기(IG)의 비는 ID/IG 표시하고, 탄소물질의 결함정도를 나타내는 척도로 알려져 있다.On the other hand, in carbon materials including graphene, graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (rGO) and carbon nanotubes, the peak around 1350 cm -1 of the Raman spectrum measured by Raman spectroscopy The ratio of the intensity (I D ) and the peak intensity (I G ) around 1580cm -1 is I D /I G It is known as a scale indicating the degree of defects in carbon materials.

혼합액 제조단계(S100)에서 혼합액의 제조시 폴리올 용매와 혼합되는 탄소나노물질의 ID/IG는 0.94 내지 1.75일 수 있고, 바람직하게는 1.22 내지 1.71일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1.55일 수 있다.In preparing the mixed solution (S100), I D / I G of the carbon nanomaterial mixed with the polyol solvent may be 0.94 to 1.75, preferably 1.22 to 1.71, and more preferably 1.55. there is.

혼합액 제조단계(S100)에서 혼합액의 제조시 폴리올 용매와 혼합되는 탄소나노물질의 ID/IG가 0.94 미만이면 탄소나노물질의 결함정도가 낮아 후술할 조사단계(S300)에서 탄소나노물질에 니켈입자가 효과적으로 담지되지 않을 수 있고, ID/IG가 1.75를 초과하면 탄소나노물질의 결함정도가 과해 본 발명의 실시예에 따른 제조방법으로 제조되는 촉매의 내구성이 떨어질 수 있다.When the I D / I G of the carbon nanomaterial mixed with the polyol solvent is less than 0.94 during the preparation of the mixed solution in the mixed solution preparation step (S100), the degree of defects of the carbon nanomaterial is low, and in the irradiation step (S300) to be described later, nickel is added to the carbon nanomaterial. Particles may not be effectively supported, and if I D /I G exceeds 1.75, the degree of defects of the carbon nanomaterial may be excessive, and thus the durability of the catalyst prepared by the manufacturing method according to the embodiment of the present invention may deteriorate.

혼합액 제조단계(S100)에서 폴리올 용매는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol) 및 테트라에틸렌 글리콜(tetraethylene glycol) 중에 선택되는 적어도 하나일 수 있고, 바람직하게는 디에틸렌 글리콜일 수 있다.In the mixed solution preparation step (S100), the polyol solvent may be at least one selected from ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, and tetraethylene glycol, preferably Preferably it may be diethylene glycol.

혼합액 제조단계(S100)는 폴리올 용매 100 중량부에 탄소나노물질 0.01 내지 0.1 중량부를 혼합하여 혼합액을 제조하고, 제조된 혼합액에 초음파를 인가하는 단계일 수 있다.The mixture solution preparation step (S100) may be a step of preparing a mixture solution by mixing 0.01 to 0.1 parts by weight of a carbon nanomaterial with 100 parts by weight of a polyol solvent, and applying ultrasonic waves to the prepared mixture solution.

혼합액 제조단계(S100)에서 혼합액의 제조시 폴리올 용매 100 중량부에 혼합되는 탄소나노물질이 0.01 중량부 미만이면 한 번에 제조되는 본 발명의 실시예에 따른 제조방법으로 제조되는 촉매의 양이 적어 생산성이 떨어질 수 있고, 0.1 중량부를 초과하면 폴리올 용매에 비해 탄소나노물질의 양이 과도하여 폴리올 용매 내에서 탄소나노물질의 분산이 효과적으로 이루어지지 않을 수 있다.When the mixed solution is prepared in the mixed solution preparation step (S100), when the amount of carbon nanomaterials mixed with 100 parts by weight of the polyol solvent is less than 0.01 parts by weight, the amount of the catalyst produced by the manufacturing method according to the embodiment of the present invention is small. Productivity may decrease, and if the amount exceeds 0.1 parts by weight, the amount of carbon nanomaterials may be excessive compared to the polyol solvent, and the carbon nanomaterials may not be effectively dispersed in the polyol solvent.

바람직하게, 혼합액 제조단계(S100)는 폴리올 용매 100 중량부에 혼합되는 탄소나노물질은 0.01 내지 0.04 중량부일 수 있고, 보다 바람직하게 0.014 내지 0.021 중량부일 수 있다.Preferably, in the mixed solution preparation step (S100), the carbon nanomaterial mixed with 100 parts by weight of the polyol solvent may be 0.01 to 0.04 parts by weight, more preferably 0.014 to 0.021 parts by weight.

혼합액 제조단계(S100)에서 초음파는 혼합액 내에 탄소나노물질이 균일하게 분산되도록 하기 위해 혼합액에 인가되는 것일 수 있다.In the mixture solution preparation step (S100), ultrasonic waves may be applied to the mixture solution to uniformly disperse the carbon nanomaterials in the mixture solution.

혼합액 제조단계(S100)에서 혼합액의 제조시 인가되는 초음파의 출력은 100 내지 1200W일 수 있고, 바람직하게는 400 내지 900W일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 600 내지 800W일 수 있다.In the mixed solution preparation step (S100), the power of ultrasonic waves applied when preparing the mixed solution may be 100 to 1200W, preferably 400 to 900W, and more preferably 600 to 800W.

혼합액 제조단계(S100)에서 제조된 혼합액에 인가되는 초음파의 출력이 100W 미만이면 초음파의 출력이 너무 약해 폴리올 용매 내에 탄소나노물질의 분산이 효과적으로 이루어지지 않을 수 있고, 1200W를 초과하면 초음파의 출력이 너무 강해 탄소나노물질이 인가되는 초음파에 의해 손상을 입을 수 있다.If the output of ultrasonic waves applied to the mixed solution prepared in the mixed solution preparation step (S100) is less than 100 W, the output of ultrasonic waves is too weak, and the dispersion of carbon nanomaterials in the polyol solvent may not be effectively achieved. If it exceeds 1200 W, the output of ultrasonic waves is It is so strong that carbon nanomaterials can be damaged by the applied ultrasound.

혼압액 제조단계(S100)에서 초음파의 인가 시간은 120 내지 240분일 수 있으며, 바람직하게는 150 내지 210분일 수 있다.In the mixed pressure solution preparation step (S100), the application time of ultrasonic waves may be 120 to 240 minutes, preferably 150 to 210 minutes.

혼합액 제조단계(S100)에서 제조되는 혼합액에 초음파가 인가되는 시간이 120분 미만이면 혼합액 내에서 탄소나노물질의 분산이 충분히 이루어지지 않을 수 있고, 240분을 초과하면 혼합액 내에 탄소나노물질의 분산이 충분히 이루어져 더 이상의 초음파 인가가 의미가 없을 수 있다.If the time for which ultrasonic waves are applied to the mixed solution prepared in the mixed solution preparation step (S100) is less than 120 minutes, the carbon nanomaterials may not be sufficiently dispersed in the mixed solution, and if it exceeds 240 minutes, the dispersion of the carbon nanomaterials in the mixed solution may be difficult. If enough is done, further application of ultrasound may be meaningless.

혼합액 제조단계(S100)에서 얻어지는 혼합액에 니켈 전구체와 PH조절제를 혼합하고 분산한다(S200).The nickel precursor and the PH regulator are mixed and dispersed in the mixed solution obtained in the mixed solution preparation step (S100) (S200).

전구체 혼합단계(S200)에서 혼합되는 니켈 전구체는 니켈(Ⅱ) 나이트레이트 헥사하이드레이트(nickel nitrate hexahydrate), 니켈(Ⅱ) 클로라이드 헥사하이드레이트(nickel chloride hexahydrate), 니켈(Ⅱ) 아세테이트 테트라하이드레이트(nickel acetate tetrahydrate) 및 니켈(Ⅱ) 브로마이드 하이드레이트(nickel bromide hydrate) 중에 선택되는 적어도 하나일 수 있고, 바람직하게는 니켈(Ⅱ) 클로라이드 헥사하이드레이트(nickel chloride hexahydrate)일 수 있다.The nickel precursors mixed in the precursor mixing step (S200) include nickel (II) nitrate hexahydrate, nickel (II) chloride hexahydrate, and nickel (II) acetate tetrahydrate. ) and nickel (II) bromide hydrate, preferably nickel (II) chloride hexahydrate.

전구체 혼합단계(S200)에서 혼합액 제조단계(S100)에서 얻어지는 혼합액에 혼합되는 니켈 전구체의 양은 혼합액 제조단계(S100)에서 혼합액의 제조시 폴리올 용매에 혼합되는 탄소나노물질 100 중량부에 대해 90 내지 150 중량부일 수 있고, 바람직하게는 110 내지 130 중량부일 수 있다.In the precursor mixing step (S200), the amount of the nickel precursor mixed in the mixed solution obtained in the mixed solution preparation step (S100) is 90 to 150 based on 100 parts by weight of the carbon nanomaterial mixed in the polyol solvent when preparing the mixed solution in the mixed solution preparation step (S100). It may be parts by weight, preferably 110 to 130 parts by weight.

전구체 혼합단계(S200)에서 혼합되는 니켈 전구체의 양이 혼합액 제조단계(S100)에서 혼합액의 제조시 폴리올 용매에 혼합되는 탄소나노물질 100 중량부에 대해 90 중량부 미만이면 후술할 조사단계(S300)에서 탄소나노물질에 담지되는 니켈입자의 양이 적어 본 발명의 실시예에 따라 제조되는 촉매의 활성도가 떨어질 수 있다. If the amount of the nickel precursor mixed in the precursor mixing step (S200) is less than 90 parts by weight relative to 100 parts by weight of the carbon nanomaterial mixed in the polyol solvent when preparing the mixed solution in the mixed solution preparation step (S100), an irradiation step (S300) to be described later The activity of the catalyst prepared according to the embodiment of the present invention may be reduced because the amount of nickel particles supported on the carbon nanomaterial is small.

전구체 혼합단계(S200)에서 혼합되는 니켈 전구체의 양이 혼합액 제조단계(S100)에서 혼합액의 제조시 폴리올 용매에 혼합되는 탄소나노물질 100 중량부에 대해 150 중량부를 초과하면 후술할 조사단계(S300)에서 탄소나노물질에 담지되는 니켈입자의 양이 충분하여 더 이상의 니켈 전구체의 양의 증가가 의미가 없을 수 있다. When the amount of the nickel precursor mixed in the precursor mixing step (S200) exceeds 150 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon nanomaterial mixed in the polyol solvent when preparing the mixed solution in the mixed solution preparation step (S100), an irradiation step (S300) to be described later Since the amount of nickel particles supported on the carbon nanomaterial is sufficient, it may be meaningless to further increase the amount of the nickel precursor.

한편, 후술할 조사단계(S300)에서 니켈입자의 합성은 전구체 혼합단계(S200)에서 혼합되는 니켈 전구체가 환원됨에 따라 이루어지는 것일 수 있다.Meanwhile, synthesis of nickel particles in the irradiation step (S300) to be described later may be performed as the nickel precursor mixed in the precursor mixing step (S200) is reduced.

전구체 혼합단계(S200)에서 PH조절제는 조사단계(S300)에서 니켈입자의 합성 및 니켈입자의 탄소나노물질로의 담지가 원활하게 이루어지도록 혼합액의 PH를 조절하여 니켈 전구체의 환원이 원활하게 이루어지도록 하기 위해 혼합액에 혼합되는 것일 수 있다.In the precursor mixing step (S200), the PH regulator adjusts the PH of the mixed solution so that the nickel particles are synthesized and the nickel particles are supported on the carbon nanomaterial in the irradiation step (S300) so that the nickel precursor is smoothly reduced. It may be mixed with the mixed solution to do so.

전구체 혼합단계(S200)에서 혼합액에 혼합되는 PH조절제는 종래기술에 따른 알칼리성 PH조절제일 수 있고, 예를 들어, 암모니아, 우레아, 수산화나트륨 및 수산화칼륨 중에 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 바람직하게는 수산화나트륨일 수 있다.In the precursor mixing step (S200), the pH adjusting agent mixed in the mixed solution may be an alkaline pH adjusting agent according to the prior art, and may be, for example, at least one selected from ammonia, urea, sodium hydroxide, and potassium hydroxide. It may be sodium hydroxide.

전구체 혼합단계(S200)에서 PH조절제의 혼합에 따라 조절되는 혼합액의 PH는 9 내지 11일 수 있다.In the precursor mixing step (S200), the pH of the mixed solution adjusted according to the mixing of the PH regulator may be 9 to 11.

전구체 혼합단계(S200)에서 니켈 전구체와 PH조절제가 혼합된 혼합액의 분산은 혼합액에 초음파를 인가함으로써 이루어질 수 있다.In the precursor mixing step (S200), dispersion of the mixed solution in which the nickel precursor and the PH regulator are mixed may be performed by applying ultrasonic waves to the mixed solution.

전구체 혼합단계(S200)는 혼합액에 니켈 전구체와 PH 조절제를 혼합한 후 니켈 전구체가 혼합액 내에서 균일하게 분산될 수 있도록 혼합액에 200 내지 400W의 출력을 갖는 초음파를 30 내지 90분동안 인가하여 분산시키는 단계일 수 있다.In the precursor mixing step (S200), after mixing the nickel precursor and the PH regulator in the mixed solution, ultrasonic waves having an output of 200 to 400W are applied to the mixed solution for 30 to 90 minutes to disperse the nickel precursor so that the nickel precursor is uniformly dispersed in the mixed solution. may be a step.

전구체 혼합단계(S200)에서 니켈 전구체와 PH 조절제를 혼합한 후 혼합액에 인가되는 초음파의 출력이 200W 미만이면 초음파의 출력이 너무 약해 니켈 전구체가 혼합액 내에서 효과적으로 분산되지 않을 수 있고, 400W를 초과하면 니켈 전구체를 분산하기 위한 초음파의 출력이 충분하여 더 이상의 출력 증가가 의미가 없을 수 있다.After mixing the nickel precursor and the PH regulator in the precursor mixing step (S200), if the ultrasonic power applied to the mixed solution is less than 200W, the ultrasonic output is too weak and the nickel precursor may not be effectively dispersed in the mixed solution, and if it exceeds 400W The output of the ultrasonic wave for dispersing the nickel precursor is sufficient, so further increase in output may not be meaningful.

전구체 혼합단계(S200)에서 니켈 전구체와 PH 조절제를 혼합한 후 혼합액에 초음파가 인가되는 시간이 30분 미만이면 혼합액 내에서 니켈 전구체의 분산이 충분히 이루어지지 않을 수 있고, 90분을 초과하면 혼합액 내에 니켈 전구체의 분산이 충분히 이루어져 더 이상의 초음파 인가가 의미가 없을 수 있다.After mixing the nickel precursor and the PH regulator in the precursor mixing step (S200), if the ultrasonic wave is applied to the mixed solution for less than 30 minutes, the nickel precursor may not be sufficiently dispersed in the mixed solution, and if it exceeds 90 minutes, the nickel precursor may not be sufficiently dispersed in the mixed solution. Since the nickel precursor is sufficiently dispersed, further application of ultrasonic waves may be meaningless.

전구체 혼합단계(S200)에서 얻어지는 혼합액에 마이크로웨이브를 조사한다(S300).Microwaves are irradiated to the mixed solution obtained in the precursor mixing step (S200) (S300).

조사단계(S300)는 혼합액 내에서 니켈 전구체로부터 니켈입자가 합성되고, 탄소나노물질에 니켈입자가 화학적으로 담지되도록 하기 위해 전구체 혼합단계(S200)에서 얻어지는 혼합액에 마이크로웨이브(microwave)를 조사하는 단계일 수 있다.The irradiation step (S300) is a step of irradiating microwaves to the mixed solution obtained in the precursor mixing step (S200) so that nickel particles are synthesized from the nickel precursor in the mixed solution and the nickel particles are chemically supported on the carbon nanomaterial. can be

조사단계(S300)에서 혼합액에 마이크로 웨이브를 조사함에 따라 혼합액이 균일하게 가열될 수 있고, 혼합액이 균일하게 가열됨에 따라 혼합액 내에서 니켈 이온이 환원되면서 니켈 입자가 합성될 수 있으며, 합성되는 니켈 입자가 탄소나노물질에 담지될 수 있다.In the irradiation step (S300), as the mixed solution is irradiated with microwaves, the mixed solution can be uniformly heated, and as the mixed solution is uniformly heated, nickel particles can be synthesized while nickel ions are reduced in the mixed solution, and the synthesized nickel particles may be supported on the carbon nanomaterial.

조사단계(S300)는 혼합액에 조사되는 마이크로웨이브의 주파수는 1 내지 5 GHz일 수 있다.In the irradiation step (S300), the frequency of the microwave irradiated to the liquid mixture may be 1 to 5 GHz.

조사단계(S300)에서 혼합액에 조사되는 마이크로웨이브의 주파수가 1 GHz 미만이면 혼합액의 가열이 충분히 이루어지지 않아 니켈입자의 합성 및 담지가 원활하게 이루어지지 않을 수 있고, 5 GHz를 초과하면 혼합액이 과하게 가열됨으로 인한 안전상의 문제가 발생할 수 있다.If the frequency of the microwave irradiated to the mixed solution in the irradiation step (S300) is less than 1 GHz, the mixture may not be sufficiently heated, so that the nickel particles may not be synthesized and supported smoothly. Safety problems may occur due to heating.

바람직하게, 조사단계(S300)는 혼합액에 조사되는 마이크로웨이브의 주파수는 2 내지 3 GHz일 수 있다.Preferably, in the irradiation step (S300), the frequency of the microwave irradiated to the liquid mixture may be 2 to 3 GHz.

조사단계(S300)는 혼합액에 조사되는 마이크로웨이브의 출력은 400 내지 1000W일 수 있다.In the irradiation step (S300), the output of the microwave irradiated to the mixture may be 400 to 1000W.

조사단계(S300)에서 혼합액에 조사되는 마이크로웨이브의 출력이 400W 미만이면 혼합액의 가열이 충분히 이루어지지 않아 니켈입자의 합성 및 담지가 원활하게 이루어지지 않을 수 있고, 1000W를 초과하면 혼합액이 과하게 가열됨으로 인한 안전상의 문제가 발생할 수 있다.If the output of the microwave irradiated to the mixture in the irradiation step (S300) is less than 400W, the mixture may not be sufficiently heated, so that the nickel particles may not be smoothly synthesized and supported. If it exceeds 1000W, the mixture is overheated. Safety problems may arise as a result.

바람직하게, 조사단계(S300)는 혼합액에 조사되는 마이크로웨이브의 출력은 600 내지 800W일 수 있다.Preferably, in the irradiation step (S300), the power of the microwave irradiated to the mixture may be 600 to 800W.

조사단계(S300)에서 혼합액에 조사되는 마이크로웨이브의 조사시간은 80 내지 160초일 수 있다.In the irradiation step (S300), the irradiation time of the microwave irradiated to the mixture may be 80 to 160 seconds.

조사단계(S300)에서 마이크로웨이브의 조사시간이 80초 미만이면 혼합액의 가열이 충분히 이루어지지 않아 니켈입자의 합성 및 담지가 충분히 이루어지지 않을 수 있고, 160초를 초과하면 혼합액의 가열시간이 충분하여 니켈입자의 합성 및 담지가 이미 충분히 이루어져 더 이상의 가열이 의미가 없을 수 있다.In the irradiation step (S300), if the microwave irradiation time is less than 80 seconds, the mixture may not be sufficiently heated, so that nickel particles may not be sufficiently synthesized and supported. If the microwave irradiation time exceeds 160 seconds, the mixture is heated sufficiently Synthesis and support of the nickel particles have already been sufficiently performed, and further heating may be meaningless.

조사단계(S300)에서 얻어지는 혼합액으로부터 촉매를 얻는다(S400).A catalyst is obtained from the mixture obtained in the irradiation step (S300) (S400).

촉매 완성단계(S400)는 분리단계(S410)과 세척단계(S420)를 포함할 수 있다.The catalyst completion step (S400) may include a separation step (S410) and a washing step (S420).

분리단계(S410)는 조사단계(S300)에서 얻어지는 혼합액을 원심분리하여 상층액과 침전물로 상분리하는 단계일 수 있다.The separation step (S410) may be a step of phase-separating the mixed solution obtained in the irradiation step (S300) into a supernatant and a precipitate by centrifuging.

분리단계(S410)에서 혼합액의 원심분리시 회전속도는 7000 내지 9000RPM일 수 있고, 원심분리시간은 30 내지 60분일 수 있다.In the separation step (S410), the rotational speed of centrifugation of the mixed solution may be 7000 to 9000 RPM, and the centrifugation time may be 30 to 60 minutes.

바람직하게, 분리단계(S410)는 혼합액의 상분리가 충분히 이루어질 수 있도록 조사단계(S300)에서 얻어지는 혼합액을 8000RPM으로 50분동안 원심분리하여 혼합액을 상층액과 침전물로 상분리하는 단계일 수 있다.Preferably, the separation step (S410) may be a step of centrifuging the mixed solution obtained in the irradiation step (S300) for 50 minutes at 8000 RPM to separate the mixed solution into a supernatant and a precipitate so that the mixed solution can be phase-separated sufficiently.

세척단계(S420)는 분리단계(S410)에서 상분리된 혼합액의 상층액을 제거하여 침전물을 촉매로 수득하고, 수득된 촉매를 세척용매로 세척한 후 세척된 촉매를 건조하여 촉매를 얻는 단계일 수 있다.The washing step (S420) may be a step of obtaining a catalyst by removing the supernatant of the mixed liquid phase separated in the separation step (S410) to obtain a precipitate as a catalyst, washing the obtained catalyst with a washing solvent and then drying the washed catalyst. there is.

세척단계(S420)에서 수득된 촉매의 세척시 세척용매는 일반적으로 수득물의 세척시 사용되는 용매를 사용할 수 있고, 예를 들어 증류수, 아세톤 및 에탄올 중에 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용매를 사용할 수 있다.When washing the catalyst obtained in the washing step (S420), a solvent generally used for washing the obtained product may be used as a washing solvent, and for example, a solvent containing at least one selected from distilled water, acetone, and ethanol may be used. .

세척단계(S420)에서 세척된 촉매의 건조는 진공 조건에서 40 내지 80℃에서 이루어질 수 있고, 건조 시간은 6 내지 24시간일 수 있다.Drying of the washed catalyst in the washing step (S420) may be performed at 40 to 80 ° C. in a vacuum condition, and the drying time may be 6 to 24 hours.

본 발명의 실시예에 따른 비-귀금속계 수전해용 촉매의 제조방법은 열처리 단계(S500)를 더 포함하는 것일 수 있다.The method for preparing a non-noble metal-based catalyst for water electrolysis according to an embodiment of the present invention may further include a heat treatment step (S500).

열처리 단계(S500)는 촉매 완성단계(S400)에서 얻어지는 촉매를 열처리하는 단계일 수 있다.The heat treatment step (S500) may be a step of heat-treating the catalyst obtained in the catalyst completion step (S400).

한편, 조사단계(S300)에서 합성 및 탄소지지체에 담지되는 니켈입자는 니켈산화물(nickel oxide)에 대응되는 부분과 금속성 니켈(metallic nickel)에 대응되는 부분을 포함할 수 있고, 니켈산화물에 대응되는 부분이 차지하는 분율이 높으면 본 발명의 실시예에 따라 제조되는 촉매의 전기화학적 활성이 떨어질 수 있다.On the other hand, the nickel particles synthesized and supported on the carbon support in the irradiation step (S300) may include a part corresponding to nickel oxide and a part corresponding to metallic nickel, and a part corresponding to nickel oxide If the fraction occupied by the part is high, the electrochemical activity of the catalyst prepared according to the embodiment of the present invention may be reduced.

열처리 단계(S500)는 촉매 완성단계(S400)에서 얻어지는 촉매의 표면에 담지되는 니켈 입자의 순도를 높이기 위해 촉매 완성단계(S400)에서 얻어지는 촉매를 열처리하는 단계일 수 있다.The heat treatment step (S500) may be a step of heat-treating the catalyst obtained in the catalyst completion step (S400) to increase the purity of the nickel particles supported on the surface of the catalyst obtained in the catalyst completion step (S400).

더욱 상세하게, 열처리 단계(S500)는 촉매 완성단계(S400)에서 얻어지는 촉매의 표면에 담지되는 니켈 입자에 포함되는 니켈산화물에 대응되는 부분을 환원시켜 금속성 니켈에 대응되는 부분이 차지하는 분율을 높여 본 발명의 실시예에 따라 제조되는 촉매의 전기화학적 활성을 향상시키기 위해 촉매 완성단계(S400)에서 얻어지는 촉매를 열처리하는 단계일 수 있다.More specifically, the heat treatment step (S500) reduces the portion corresponding to nickel oxide contained in the nickel particles supported on the surface of the catalyst obtained in the catalyst completion step (S400) to increase the fraction occupied by the portion corresponding to metallic nickel. In order to improve the electrochemical activity of the catalyst prepared according to an embodiment of the invention, the catalyst obtained in the catalyst completion step (S400) may be heat-treated.

즉. 열처리 단계(S500)는 본 발명의 실시예에 따라 제조되는 촉매의 수전해 반응에서 전기화학적 활성을 향상시키기 위해 촉매 완성단계(S400)에서 얻어지는 촉매를 열처리하는 단계일 수 있다.in other words. The heat treatment step (S500) may be a step of heat-treating the catalyst obtained in the catalyst completion step (S400) to improve the electrochemical activity of the catalyst prepared according to the embodiment of the present invention in the electrochemical reaction.

열처리 단계(S500)는 수소와 아르곤을 포함하는 혼합가스 대기조건과 350 내지 450℃ 온도조건에서 촉매 완성단계(S400)에서 얻어지는 촉매를 120 내지 240분 동안 열처리하는 단계일 수 있다.The heat treatment step (S500) may be a step of heat-treating the catalyst obtained in the catalyst completion step (S400) for 120 to 240 minutes under atmospheric conditions of a mixed gas containing hydrogen and argon and a temperature of 350 to 450 ° C.

열처리 단계(S500)에서 열처리 온도가 350℃ 미만이면 열처리 온도가 낮아 촉매 완성단계(S400)에서 얻어지는 촉매의 열처리가 원활하게 이루어지지 않을 수 있고, 450℃를 초과하면 열처리 온도가 이미 충분하여 더 이상의 열처리 온도 증가가 의미가 없을 수 있고, 열처리 온도가 과도하게 높을 경우 니켈 입자가 서로 응집되어 결과적으로 수전해 반응에서 반응 표면적이 감소하여 본 발명의 실시예에 따라 제조되는 촉매의 전기화학적 활성이 저하될 수 있다.If the heat treatment temperature is less than 350 ° C in the heat treatment step (S500), the heat treatment temperature of the catalyst obtained in the catalyst completion step (S400) may not be performed smoothly because the heat treatment temperature is low, and if it exceeds 450 ° C, the heat treatment temperature is already sufficient and further An increase in the heat treatment temperature may not be meaningful, and when the heat treatment temperature is excessively high, nickel particles aggregate with each other, resulting in a decrease in the reaction surface area in the water electrolysis reaction, thereby lowering the electrochemical activity of the catalyst prepared according to the embodiment of the present invention. It can be.

열처리 단계(S500)에서 열처리 시간이 120분 미만이면 열처리 시간이 짧아 촉매 완성단계(S400)에서 얻어지는 촉매의 열처리가 원활하게 이루어지지 않을 수 있고, 240분을 초과하면 열처리 시간이 이미 충분하여 더 이상의 열처리 시간 증가가 의미가 없을 수 있고, 열처리 시간이 과도하게 길 경우 니켈 입자가 서로 응집되어 결과적으로 수전해 반응에서 반응 표면적이 감소하여 본 발명의 실시예에 따라 제조되는 촉매의 전기화학적 활성이 저하될 수 있다.If the heat treatment time is less than 120 minutes in the heat treatment step (S500), the heat treatment time of the catalyst obtained in the catalyst completion step (S400) may not be smoothly performed due to the short heat treatment time, and if it exceeds 240 minutes, the heat treatment time is already sufficient and further An increase in the heat treatment time may not be meaningful, and if the heat treatment time is excessively long, the nickel particles aggregate with each other, resulting in a decrease in the reaction surface area in the water electrolysis reaction, thereby reducing the electrochemical activity of the catalyst prepared according to the embodiment of the present invention. It can be.

더욱 자세하게, 열처리 단계(S500)는 촉매 완성단계(S400)에서 얻어지는 촉매를 튜브 가열로(tube furnace)의 튜브에 인입한 후 튜브 가열로의 대기조건과 온도조건을 진공조건과 350 내지 450℃ 온도조건으로 하고, 튜브 내에 아르곤 가스와 수소 가스를 각각 분당 80 내지 120ml, 분당 60 내지 120ml의 투입 속도로 투입하면서 촉매 완성단계(S400)에서 얻어지는 촉매를 열처리하는 것일 수 있다.In more detail, in the heat treatment step (S500), the catalyst obtained in the catalyst completion step (S400) is introduced into a tube of a tube furnace, and then the atmospheric conditions and temperature conditions of the tube furnace are vacuum conditions and a temperature of 350 to 450 ° C. Under the condition, the catalyst obtained in the catalyst completion step (S400) may be heat-treated while introducing argon gas and hydrogen gas into the tube at an input rate of 80 to 120 ml per minute and 60 to 120 ml per minute, respectively.

바람직하게, 열처리 단계(S500)는 촉매 완성단계(S400)에서 얻어지는 촉매를 튜브 가열로(tube furnace)의 튜브에 인입한 후 튜브 가열로의 대기조건과 온도조건을 진공조건과 400℃ 온도조건으로 하고, 튜브 내에 아르곤 가스와 수소 가스를 각각 분당 100ml, 분당 80ml의 투입 속도로 투입하면서 촉매 완성단계(S400)에서 얻어지는 촉매를 열처리하는 것일 수 있다.Preferably, in the heat treatment step (S500), the catalyst obtained in the catalyst completion step (S400) is introduced into a tube of a tube furnace, and then the atmospheric conditions and temperature conditions of the tube heating furnace are vacuum conditions and 400 ° C temperature conditions. And, it may be to heat-treat the catalyst obtained in the catalyst completion step (S400) while introducing argon gas and hydrogen gas into the tube at an input rate of 100 ml per minute and 80 ml per minute, respectively.

<실시예 1><Example 1>

먼저, 탄소나노물질 10mg을 폴리올 용매 56g을 50ml 유리병(vial)에 투입 및 혼합하여 혼합액을 제조하고, 제조된 혼합액에 700W 출력을 갖는 초음파를 180분동안 인가하였다. 이 때, 탄소나노물질로는 환원된 산화그래핀(rGO)를 사용하였고, 폴리올 용매로는 디에틸렌 글리콜을 사용하였다.First, 10 mg of carbon nanomaterials and 56 g of polyol solvent were put into and mixed in a 50 ml vial to prepare a mixed solution, and ultrasonic waves having a power of 700 W were applied to the mixed solution for 180 minutes. At this time, reduced graphene oxide (rGO) was used as the carbon nanomaterial, and diethylene glycol was used as the polyol solvent.

초음파 인가 후 얻어지는 혼합액에 니켈 전구체인 니켈(Ⅱ) 클로라이드 헥사하이드레이트(Nickel chloride heahydrate) 12mg을 혼합하고, PH 조절제로 0.5M 수산화나트륨 1ml를 혼합하여 혼합액의 PH를 조절하였다. PH가 조절된 혼합액에 300W 세기를 갖는 초음파를 60분동안 인가하였다.12 mg of nickel (II) chloride hexahydrate, a nickel precursor, was mixed with the mixed solution obtained after application of ultrasonic waves, and 1 ml of 0.5M sodium hydroxide was mixed as a pH adjusting agent to adjust the pH of the mixed solution. Ultrasonic waves having an intensity of 300 W were applied to the pH-adjusted mixed solution for 60 minutes.

다음으로, 혼합액에 2.45GHz의 주파수와 700W의 출력을 갖는 마이크로웨이브를 120초동안 가하였다.Next, microwaves having a frequency of 2.45 GHz and an output of 700 W were applied to the mixture for 120 seconds.

이후, 혼합액을 상온까지 냉각시키고, 냉각된 혼합액을 8000RPM으로 50분동안 원심분리하여 상층액과 침전물로 상분리하였다.Thereafter, the mixture was cooled to room temperature, and the cooled mixture was centrifuged at 8000 RPM for 50 minutes to separate the supernatant and the precipitate.

상분리된 혼합액의 상층액을 제거하고, 침전물을 아세톤으로 세척하여 촉매를 수득하였다. 수득된 촉매를 진공 오븐(vacuum oven)을 이용하여 진공 조건에서 60℃로 12시간동안 건조하여 촉매를 완성하였다.The supernatant of the phase-separated mixed solution was removed, and the precipitate was washed with acetone to obtain a catalyst. The obtained catalyst was dried at 60° C. for 12 hours in a vacuum condition using a vacuum oven to complete the catalyst.

<실시예 2><Example 2>

실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 탄소나노물질로서 환원된 산화그래핀(rGO) 대신 산화그래핀(GO)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다.A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that graphene oxide (GO) was used instead of reduced graphene oxide (rGO) as a carbon nanomaterial.

<실시예 3><Example 3>

실시예 1에서 얻어지는 촉매를 튜브 가열로(tube furnace)의 튜브에 인입한 후 튜브 가열로의 튜브 내부의 공기를 제거하여 튜브 내부를 진공 상태로 조성하였다. 이후 튜브 내부에 아르곤 가스와 수소 가스를 각각 분당 100ml, 분당 80ml의 투입 속도로 투입하여 튜브 내부를 아르곤 가스와 수소 가스를 포함하는 혼합가스 대기조건으로 조성한 후 400℃ 온도조건에서 실시예 1에서 얻어지는 촉매를 180분동안 열처리하였다After introducing the catalyst obtained in Example 1 into a tube of a tube furnace, air inside the tube of the tube furnace was removed to create a vacuum inside the tube. Thereafter, argon gas and hydrogen gas were injected into the tube at an input rate of 100 ml per minute and 80 ml per minute, respectively, to create an atmospheric condition for a mixed gas containing argon gas and hydrogen gas, and then the obtained in Example 1 at a temperature of 400 ° C. The catalyst was heat treated for 180 min.

<실시예 4><Example 4>

실시예 2에서 얻어지는 촉매를 튜브 가열로(tube furnace)의 튜브에 인입한 후 튜브 가열로의 튜브 내부의 공기를 제거하여 튜브 내부를 진공 상태로 조성하였다. 이후 튜브 내부에 아르곤 가스와 수소 가스를 각각 분당 100ml, 분당 80ml의 투입 속도로 투입하여 튜브 내부를 아르곤 가스와 수소 가스를 포함하는 혼합가스 대기조건으로 조성한 후 400℃ 온도조건에서 실시예 2에서 얻어지는 촉매를 180분동안 열처리하였다After introducing the catalyst obtained in Example 2 into a tube of a tube furnace, air inside the tube of the tube furnace was removed to form a vacuum inside the tube. Thereafter, argon gas and hydrogen gas were injected into the tube at an input rate of 100 ml per minute and 80 ml per minute, respectively, to create an atmospheric condition for a mixed gas containing argon gas and hydrogen gas inside the tube, and then the obtained in Example 2 at a temperature of 400 ° C. The catalyst was heat treated for 180 min.

<비교예 1><Comparative Example 1>

백금 입자가 카본 블랙에 담지된 촉매(제품명: Platinum, nominally 20% on carbon black; Alfa Aesar사 공급)를 구입하여 준비하였다.A catalyst (product name: Platinum, nominally 20% on carbon black; supplied by Alfa Aesar) in which platinum particles are supported on carbon black was purchased and prepared.

<비교예 2><Comparative Example 2>

이리듐 입자가 카본 블랙에 담지된 촉매(제품명: 20% iridium on vulcan; PK Catalyst사 제조; Fuel cell store사 공급)를 구입하여 준비하였다.A catalyst in which iridium particles are supported on carbon black (product name: 20% iridium on vulcan; manufactured by PK Catalyst; supplied by Fuel Cell Store) was purchased and prepared.

<시험예 1><Test Example 1>

시험예 1에서는 실시예 1과 실시예 2에 따른 촉매의 제조시 사용되는 탄소나노물질을 라만분광법(raman spectroscopy)을 이용해 분석하였다.In Test Example 1, carbon nanomaterials used in the preparation of catalysts according to Examples 1 and 2 were analyzed using Raman spectroscopy.

분석 결과를 도 2에 도시하였다.The analysis results are shown in FIG. 2 .

도 2는 실시예 1과 실시예 2에 따른 촉매의 제조시 사용된 탄소나노물질의 시험예 1에 따른 라만분광법으로 분석한 결과를 나타낸 도면이고, 실시예 1에서 촉매 제조시 사용된 탄소나노물질에 따른 라만스펙트럼(101)과 실시예 2에서 촉매 제조시 사용된 탄소나노물질에 따른 라만 스펙트럼(103)을 도시한 것이다.2 is a view showing the results of analyzing the carbon nanomaterials used in the preparation of the catalysts according to Examples 1 and 2 by Raman spectroscopy according to Test Example 1, and the carbon nanomaterials used in the preparation of the catalysts in Example 1 A Raman spectrum 101 according to and a Raman spectrum 103 according to the carbon nanomaterial used in preparing the catalyst in Example 2 are shown.

도 2를 참조하면, 실시예 1에 따른 탄소나노물질(rGO)의 ID/IG가 1.55이고, 실시예 2에 따른 탄소나노물질(GO)의 ID/IG가 0.94인 것을 확인할 수 있고, 이는 실시예 1에 따른 촉매의 제조시 사용된 탄소나노물질(rGO)의 결함 정도가 실시예 2에 따른 촉매의 제조시 사용된 탄소나노물질(GO)보다 높은 것을 확인할 수 있는 결과이다.Referring to FIG. 2, it can be confirmed that the I D /I G of the carbon nanomaterial (rGO) according to Example 1 is 1.55 and the I D /I G of the carbon nanomaterial (GO) according to Example 2 is 0.94. This is a result confirming that the degree of defects of the carbon nanomaterial (rGO) used in the preparation of the catalyst according to Example 1 is higher than that of the carbon nanomaterial (GO) used in the preparation of the catalyst according to Example 2.

<시험예 2><Test Example 2>

시험예 2에서는 수전해 반응인 수소발생반응과 산소발생반응에서 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 2에 따른 촉매의 성능을 비교하기 위해 작업 전극을 제조하고, 선형주사전위법(Linear Sweep Voltammetry, LSV)으로 제조된 각각의 작업 전극에 대하여 수소발생반응과 산소발생반응에서의 개시전위를 측정하였다.In Test Example 2, a working electrode was prepared to compare the performance of the catalysts according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 in the hydrogen evolution reaction and the oxygen evolution reaction, which are water electrolysis reactions, and linear sweep voltammetry , LSV), the onset potentials in the hydrogen evolution reaction and oxygen evolution reaction were measured for each working electrode.

1. 실험 방법1. Experiment method

1) 작업 전극 제조1) Manufacture of the working electrode

실시예 1에 따른 촉매 4mg, 에탄올 1ml, 술폰화 테트라 플루오로 에틸렌 기반 플루오로 폴리머-공중합체(상품명: Nafion) 80㎕를 혼합한 후 초음파 분산기를 이용하여 30분간 균질화하여 잉크(ink)를 제조하였다. 제조된 잉크 15㎕를 글래시 카본(glassy carbon)에 도포한 후 상온에서 10분동안 건조하여 작업 전극을 제조하였다.4 mg of the catalyst according to Example 1, 1 ml of ethanol, and 80 μl of a sulfonated tetrafluoroethylene-based fluoropolymer-copolymer (trade name: Nafion) were mixed and homogenized for 30 minutes using an ultrasonic disperser to prepare ink did 15 μl of the prepared ink was applied to glassy carbon and then dried at room temperature for 10 minutes to prepare a working electrode.

실시예 2 내지 4, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 촉매로 상기 방법을 이용해 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2 각각에 해당하는 작업 전극을 제조하였다.Using the catalysts according to Examples 2 to 4 and Comparative Example 1 and Comparative Example 2, working electrodes corresponding to Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively, were prepared using the above method.

2) 전기화학반응2) Electrochemical reaction

전해질로 질소 기체를 60초동안 주입한 1M KOH 용액, 작업 전극으로 1)에서 제조된 작업 전극, 상대 전극과 기준 전극으로 각각 백금 카운터 전극(Platinum counter electrode)과 수은-산화수은 전극(Hg/HgO Electrode)을 사용하여 산소발생반응과 수소발생반응 각각에 대한 LSV 커브를 측정하였다.A 1M KOH solution in which nitrogen gas was injected for 60 seconds as an electrolyte, a working electrode prepared in 1) as a working electrode, a platinum counter electrode and a mercury-mercury oxide electrode (Hg/HgO Electrode) as counter and reference electrodes, respectively. ) was used to measure the LSV curves for each of the oxygen evolution reaction and the hydrogen evolution reaction.

단, 산소발생반응에 대한 LSV 커브의 측정시 실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 2에 따른 촉매로 제조된 작업 전극에 대해 LSV 커브 측정을 수행하였고, 수소발생반응에 대한 LSV 커브의 측정시 실시예 1 내지 4, 비교예 1에 따른 촉매로 제조된 작업 전극에 대해 LSV 커브 측정을 수행하였다.However, when measuring the LSV curve for the oxygen evolution reaction, the LSV curve was measured for the working electrodes made of the catalysts according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2, and when measuring the LSV curve for the hydrogen evolution reaction LSV curve measurements were performed on working electrodes prepared with the catalysts according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.

산소발생반응과 수소발생반응에서 얻어지는 데이터를 표준수소전극에 대한 데이터로 변환하였다.The data obtained from the oxygen evolution reaction and the hydrogen evolution reaction were converted into data for the standard hydrogen electrode.

3) 실험 결과3) Experimental results

도 3는 수소발생반응에서 측정된 LSV 커브로 도시한 것으로, 실시예 1에 해당하는 LSV 커브(201), 실시예 2에 해당하는 LSV 커브(203), 실시예 3에 해당하는 LSV 커브(205), 실시예 4에 해당하는 LSV 커브(207), 비교예 1에 해당하는 LSV 커브(209)를 도시한 것이다.FIG. 3 shows LSV curves measured in the hydrogen generation reaction, LSV curve 201 corresponding to Example 1, LSV curve 203 corresponding to Example 2, and LSV curve 205 corresponding to Example 3 ), an LSV curve 207 corresponding to Example 4, and an LSV curve 209 corresponding to Comparative Example 1 are shown.

도 4는 산소발생반응에서 측정된 결과를 LSV 커브로 도시한 것으로, 실시예 1에 대응되는 LSV 커브(301), 실시예 2에 대응되는 LSV 커브(303), 실시예 3에 해당하는 LSV 커브(305), 실시예 4에 해당하는 LSV 커브(307), 비교예 1에 대응되는 LSV 커브(309) 및 비교예 2에 대응되는 커브(311)을 도시한 것이다.4 shows the results measured in the oxygen generation reaction as LSV curves, LSV curve 301 corresponding to Example 1, LSV curve 303 corresponding to Example 2, and LSV curve corresponding to Example 3 305, an LSV curve 307 corresponding to Example 4, an LSV curve 309 corresponding to Comparative Example 1, and a curve 311 corresponding to Comparative Example 2 are shown.

도 3 내지 4를 참조하여, 수소발생반응의 음극 전류밀도 10 mA/cm2에서의 과전압을 η1로 하고, 산소발생반응에서의 전류밀도 10 mA/cm2에서의 1.23V을 기준으로 초과하는 과전압을 η2로 표시하여 표 1에 정리하였다.3 and 4, the overvoltage at the cathode current density of 10 mA/cm 2 in the hydrogen evolution reaction is η 1 , and the current density in the oxygen evolution reaction exceeds 1.23V at 10 mA/cm 2 . The overvoltage was expressed as η 2 and summarized in Table 1.

η1(mV)η 1 (mV) η2(mV)η 2 (mV) 실시예 1Example 1 353353 369369 실시예 2Example 2 453453 625625 실시예 3Example 3 201201 398398 실시예 4Example 4 274274 465465 비교예 1Comparative Example 1 2121 450450 비교예 2Comparative Example 2 -- 332332

한편, 수소발생반응과 산소발생반응에 있어서 각각 음극 전류밀도와 전류밀도 10 mA/cm2에서 낮은 과전압을 나타낼수록 촉매가 우수한 성능을 나타내는 것으로 알려져 있다.On the other hand, it is known that the catalyst exhibits excellent performance as the overvoltage is low at the cathode current density and the current density of 10 mA/cm 2 in the hydrogen generation reaction and the oxygen generation reaction, respectively.

먼저, 수소발생반응을 살펴보면 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 음극 전류밀도 10 mA/cm2에서 과전압이 353, 453 및 21mV로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 비교예 1, 실시예 1, 실시예 2에 따른 촉매 순으로 수소발생반응에서 우수한 전기화학적 활성을 나타내는 것을 확인할 수 있는 결과이다.First, looking at the hydrogen generation reaction, it can be seen that overvoltages of 353, 453, and 21 mV were observed at a cathode current density of 10 mA/cm 2 in Examples 1, 2, and Comparative Example 1. This is a result confirming that the catalysts according to Comparative Example 1, Example 1 and Example 2 exhibit excellent electrochemical activity in the hydrogen generation reaction in that order.

산소발생반응을 살펴보면 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 촉매를 사용한 산소발생반응 전류밀도 10 mA/cm2에서의 1.23V을 기준으로 초과하는 과전압은 각각 369, 625, 450 및 332mV로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 비교예 2, 실시예 1, 비교예 1, 실시예 2에 따른 촉매 순으로 산소발생반응에서 우수한 전기화학적 활성을 띄는 것을 나타내는 결과이다.Looking at the oxygen generation reaction, the oxygen generation reaction using the catalysts according to Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the overvoltages exceeding 1.23V at a current density of 10 mA/cm 2 were 369 and 625, respectively. , 450 and 332 mV, respectively. This is a result showing that the catalysts according to Comparative Example 2, Example 1, Comparative Example 1, and Example 2 showed excellent electrochemical activity in the oxygen generation reaction in that order.

수소발생반응에서는 비교예 1에 따른 촉매의 성능이 가장 뛰어난 것을 확인할 수 있고, 산소발생반응에서는 비교예 1보다 실시예 1에 따른 촉매의 성능이 뛰어난 것을 확인할 수 있다.In the hydrogen generation reaction, it can be confirmed that the performance of the catalyst according to Comparative Example 1 is the most excellent, and in the oxygen generation reaction, it can be confirmed that the catalyst according to Example 1 has better performance than Comparative Example 1.

다만, 수전해 반응에서 산소발생반응이 반응속도 결정 단계(rate determining step, rds)인 것으로 알려져 있다.However, it is known that the oxygen generation reaction in the water electrolysis reaction is a rate determining step (rds).

즉, 비교예 1에 따른 촉매의 경우 실시예 1과 실시예 2에 따른 촉매에 비해 수소발생반응에서 전기화학적 활성이 뛰어나나, 산소발생반응에서 실시예 1에 따른 촉매의 성능이 실시예 2와 비교예 1에 따른 촉매에 비해 뛰어난 것과 수전해 반응에서 산소발생반응이 반응속도 결정 단계인 것을 고려하면, 실시예 1에 따른 촉매가 실시예 2와 비교예 1에 따른 촉매에 비해 수전해 반응에서 우수한 전기화학적 활성을 나타내는 것을 알 수 있다.That is, in the case of the catalyst according to Comparative Example 1, compared to the catalysts according to Examples 1 and 2, the electrochemical activity is excellent in the hydrogen generation reaction, but the performance of the catalyst according to Example 1 is superior to that of Example 2 in the oxygen generation reaction. Considering that it is superior to the catalyst according to Comparative Example 1 and that the oxygen generation reaction in the water electrolysis reaction is the reaction rate determining step, the catalyst according to Example 1 is superior to the catalysts according to Example 2 and Comparative Example 1 in the water electrolysis reaction. It can be seen that it exhibits excellent electrochemical activity.

한편, 산소발생반응에서 비교예 2에 따른 촉매에 비해 실시예 1에 따른 촉매의 전기화학적 활성이 다소 떨어지는 것을 확인할 수 있으나, 도 4를 참조하면 산소발생반응에서 비교예 2에 따른 촉매를 이용할 때와 실시예 1에 따른 촉매를 이용할 때의 과전압의 차이가 그리 크지 않은 것을 확인할 수 있다.On the other hand, it can be seen that the electrochemical activity of the catalyst according to Example 1 is slightly lower than that of the catalyst according to Comparative Example 2 in the oxygen generation reaction, but referring to FIG. 4, when the catalyst according to Comparative Example 2 is used in the oxygen generation reaction It can be seen that the difference between the overvoltage when using the catalyst according to Example 1 and that of Example 1 is not very large.

즉, 종합하자면, 실시예 1에 따른 촉매가 비교예 1에 따른 촉매에 비해 수전해 반응에서 전기화학적 활성이 뛰어나고 비교예 2에 따른 촉매와 산소발생반응에서 과전압의 차이가 다소 크지 않은 것을 고려하면, 추후에 수전해 시스템을 구성할 때 실시예 1에 따른 촉매를 이용하면 환원전극과 산화전극에 서로 다른 귀금속 촉매를 적용할 필요없이 환원전극과 산화전극 모두 실시예 1에 따른 촉매를 적용할 수 있어 보다 간편하게 수전해 시스템을 구성할 수 있는 효과가 있는 것으로 판단된다.That is, considering that the catalyst according to Example 1 has excellent electrochemical activity in the water electrolysis reaction compared to the catalyst according to Comparative Example 1 and the overvoltage difference between the catalyst according to Comparative Example 2 and the oxygen generation reaction is not large , If the catalyst according to Example 1 is used when constructing a water electrolysis system later, the catalyst according to Example 1 can be applied to both the reduction and oxidation electrodes without the need to apply different noble metal catalysts to the reduction and oxidation electrodes. It is judged that there is an effect that can more conveniently configure the water electrolysis system.

또한, 실시예 1에 따른 촉매와 실시예 1에 따른 촉매를 열처리한 실시예 3을 살펴보면, 수소발생반응에서는 전기화학적 활성이 다소 향상된 것을 확인할 수 있다.In addition, looking at Example 3 in which the catalyst according to Example 1 and the catalyst according to Example 1 were heat-treated, it can be seen that the electrochemical activity is somewhat improved in the hydrogen generation reaction.

아울러, 실시예 2에 따른 촉매와 실시예 2에 따른 촉매를 열처리한 실시예 4를 살펴보면, 수소발생반응과 산소발생반응에서 전기화학적 활성이 향상된 것을 확인할 수 있다.In addition, looking at Example 4 in which the catalyst according to Example 2 and the catalyst according to Example 2 were subjected to heat treatment, it can be confirmed that the electrochemical activity is improved in the hydrogen generation reaction and the oxygen generation reaction.

<시험예 3><Test Example 3>

시험예 3에서는 촉매의 내구성을 테스트하였다.In Test Example 3, the durability of the catalyst was tested.

더욱 자세하게, 작업 전극으로 실시예 3에 따른 촉매를 이용하여 시험예 2의 1)의 방법으로 제조되는 작업 전극, 상대 전극과 기준 전극으로 각각 백금 카운터 전극(Platinum counter electrode)과 수은-산화수은 전극(Hg/HgO Electrode)을 사용하여 순환전위법(Cyclic voltammetry, CV)으로 수소발생반응을 1000회 수행하기 전과 후의 LSV 커브를 측정하였다.In more detail, a working electrode prepared by the method of 1) of Test Example 2 using the catalyst according to Example 3 as a working electrode, a platinum counter electrode and a mercury-mercury oxide electrode as a counter electrode and a reference electrode, respectively ( Hg / HgO Electrode) was used to measure LSV curves before and after hydrogen generation reaction was performed 1000 times by cyclic voltammetry (CV).

도 5는 실시예 3에 따른 촉매에 대한 시험예 3에 따른 시험결과를 나타낸 그래프이고, 더욱 자세하게는 수소발생반응을 1000회 수행하기 전의 실시예 3에 따른 커브(601)와 수소발생반응을 1000회 수행한 후의 실시예 3에 따른 커브(603)를 도시한 것이다.5 is a graph showing the test results according to Test Example 3 for the catalyst according to Example 3, and more specifically, the curve 601 according to Example 3 before performing the hydrogen generation reaction 1000 times and the hydrogen generation reaction 1000 It shows the curve 603 according to Example 3 after performing it twice.

도 5를 참조하면, 실시예 3에 따른 촉매는 수소발생반응을 1000회 수행하기 전과 1000회 수행한 이후의 LSV 커브의 변화가 무의미한 수준으로 나타난 것을 확인할 수 있고, 이는 실시예 3에 따른 촉매가 수전해 반응에서 내구성이 우수하다는 것을 확인할 수 있는 결과이다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the catalyst according to Example 3 showed a meaningless change in the LSV curve before and after performing 1000 hydrogen generation reactions, which indicates that the catalyst according to Example 3 This result confirms that the durability is excellent in the water electrolysis reaction.

<시험예 4><Test Example 4>

시험예 4에서는 실시예 1과 실시예 3에 따른 촉매를 투과전자현미경(TEM)으로 분석하였다.In Test Example 4, the catalysts according to Examples 1 and 3 were analyzed by transmission electron microscopy (TEM).

더욱 자세하게, 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행하기 전과 후의 실시예 1과 실시예 3에 따른 촉매를 투과전자현미경으로 분석하였다.In more detail, the catalysts according to Examples 1 and 3 before and after carrying out the hydrogen generation reaction 1000 times by the cyclic potential method according to Test Example 3 were analyzed with a transmission electron microscope.

또한, 시험예 4에서는 실시예 3에 따른 촉매를 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행하기 전 고해상도 투과전자현미경을 이용하여 고속 푸리에 변환(Fast Fourier transform, FFT)으로 분석하였다.In addition, in Test Example 4, the catalyst according to Example 3 was analyzed by Fast Fourier transform (FFT) using a high-resolution transmission electron microscope before hydrogen generation reaction was performed 1000 times by the cyclic potential method according to Test Example 3. did

시험예 4에 따른 분석 결과를 도 6 내지 11에 나타내었다.The analysis results according to Test Example 4 are shown in FIGS. 6 to 11.

도 6은 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행하기 전 실시예 1에 따른 촉매를 투과전자현미경으로 분석한 결과이고, 도 7은 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행한 후 실시예 1에 따른 촉매를 투과전자 현미경으로 분석한 결과이다.6 is the result of analyzing the catalyst according to Example 1 with a transmission electron microscope before performing 1000 hydrogen generation reactions by the cyclic potential method according to Test Example 3, and FIG. 7 is the hydrogen generation reaction by the cyclic potential method according to Test Example 3 This is the result of analyzing the catalyst according to Example 1 with a transmission electron microscope after performing the reaction 1000 times.

도 8은 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행하기 전 실시예 3에 따른 촉매를 투과전자현미경으로 분석한 결과이고, 도 9는 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행한 후 실시예 3에 따른 촉매를 투과전자 현미경으로 분석한 결과이다.8 is a result of analyzing the catalyst according to Example 3 with a transmission electron microscope before performing 1000 hydrogen generation reactions by the cyclic potential method according to Test Example 3, and FIG. This is the result of analyzing the catalyst according to Example 3 with a transmission electron microscope after performing the reaction 1000 times.

도 6을 참조하면, 실시예 1에 따른 촉매는 탄소지지체에 니켈입자가 전체적으로 균일하게 담지된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6, in the catalyst according to Example 1, it can be seen that the nickel particles are uniformly supported on the carbon support as a whole.

도 6과 도 7을 참조하면, 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행하기 전과 후의 실시예 1에 따른 촉매의 표면과 구조의 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있고, 이는 실시예 1에 따른 촉매의 내구성이 우수한 것을 확인할 수 있는 결과이다.6 and 7, it can be seen that there is almost no change in the surface and structure of the catalyst according to Example 1 before and after performing 1000 hydrogen generation reactions by the cyclic potential method according to Test Example 3. This result confirms that the durability of the catalyst according to Example 1 is excellent.

도 8과 도 9를 참조하면, 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행하기 전과 후의 실시예 3에 따른 촉매의 표면과 구조의 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있고, 이는 실시예 3에 따른 촉매의 내구성이 우수한 것을 확인할 수 있는 결과이다.8 and 9, it can be seen that there is almost no change in the surface and structure of the catalyst according to Example 3 before and after performing 1000 hydrogen generation reactions by the cyclic potential method according to Test Example 3. This result confirms that the durability of the catalyst according to Example 3 is excellent.

도 10 내지 13은 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행하기 전 실시예 3에 따른 촉매를 주사투과전자현미경으로 분석한 결과이다.10 to 13 are the results of analyzing the catalyst according to Example 3 with a scanning transmission electron microscope before performing the hydrogen generation reaction 1000 times by the cyclic potential method according to Test Example 3.

더욱 상세하게는, 도 10 내지 11은 실시예 3에 따른 촉매를 시험예 3에 따른 순환전위법으로 수소발생반응을 1000회 수행하기 전 주사투과전자현미경으로 측정한 이미지이고, 도 12와 도 13은 각각 도 11에 표시된 사각형 영역 1과 영역 2에 대하여 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 수행하여 획득한 이미지이다.In more detail, FIGS. 10 and 11 are images measured by a scanning transmission electron microscope before performing 1000 hydrogen generation reactions on the catalyst according to Example 3 by the cyclic potential method according to Test Example 3, and FIGS. 12 and 13 is an image obtained by performing Fast Fourier Transform (FFT) on area 1 and area 2 of the rectangle shown in FIG. 11, respectively.

도 10 내지 13을 참조하면, 실시예 3에 따른 촉매는 금속성 니켈에 대응되는 부분과 니켈 산화물에 대응되는 부분이 모두 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명의 실시예에 따라 제조되는 촉매의 열처리시 니켈 산화물에 대응되는 부분이 환원되어 금속성 니켈에 대응되는 부분이 형성되는 것을 확인할 수 있는 결과이다.10 to 13, it can be confirmed that the catalyst according to Example 3 has both a portion corresponding to metallic nickel and a portion corresponding to nickel oxide. This is a result confirming that, during heat treatment of the catalyst prepared according to the embodiment of the present invention, a portion corresponding to nickel oxide is reduced to form a portion corresponding to metallic nickel.

<시험예 5><Test Example 5>

시험예 5에서는 시간대전류법(Chronoamperometry, CA)을 이용하여 실시예 3에 따른 촉매의 내구성을 측정하였다.In Test Example 5, the durability of the catalyst according to Example 3 was measured using chronoamperometry (CA).

더욱 상세하게, 작업 전극으로 실시예 3에 따른 촉매를 이용하여 1)의 방법으로 제조되는 작업 전극, 상대 전극과 기준 전극으로 각각 백금 카운터 전극(Platinum counter electrode)과 수은-산화수은 전극(Hg/HgO Electrode)을 사용하여 수소발생반응에서 소정 시간동안 기준전위 대비 -0.3V의 환원 전압을 인가하였을 때 발생되는 전류를 측정하였다.More specifically, a working electrode prepared by the method of 1) using the catalyst according to Example 3 as a working electrode, a platinum counter electrode and a mercury-mercury oxide electrode (Hg/HgO) as a counter electrode and a reference electrode, respectively. Electrode) was used to measure the current generated when a reduction voltage of -0.3V compared to the reference potential was applied for a predetermined time in the hydrogen generation reaction.

측정 결과를 도 14에 나타내었다.The measurement results are shown in FIG. 14 .

도 14는 실시예 3에 따른 촉매의 시험예 5에 따른 내구성 측정 결과를 나타낸 도면이다.14 is a view showing durability measurement results according to Test Example 5 of the catalyst according to Example 3;

도 14를 참조하면, 실시예 3에 따른 촉매 모두 수소발생반응에서 12시간동안 기준전위 대비 -0.3V의 환원 전압을 인가하였을 때 발생되는 전류가 거의 일정한 것을 확인할 수 있다. 이는 실시예 3에 따른 촉매의 내구성이 우수한 것을 확인할 수 있는 결과이다.Referring to FIG. 14, it can be seen that the current generated when a reduction voltage of -0.3V compared to the reference potential is applied for 12 hours in the hydrogen generation reaction for all catalysts according to Example 3 is almost constant. This is a result confirming that the durability of the catalyst according to Example 3 is excellent.

<시험예 6><Test Example 6>

시험예 6은 실시예 1 내지 4에 따른 촉매에 담지된 니켈 입자의 양을 정량적으로 측정하기 위해 실시예 1 내지 4에 따른 촉매를 열중량측정법(Thermogravimetric analysis, TGA)으로 분석하였다.In Test Example 6, the catalysts according to Examples 1 to 4 were analyzed by thermogravimetric analysis (TGA) to quantitatively measure the amount of nickel particles supported on the catalysts according to Examples 1 to 4.

도 15에 분석 결과를 나타내었다.15 shows the analysis results.

도 15는 실시예 1 내지 4에 따른 촉매를 시험예 6에 따른 열중량측정법으로 분석한 결과를 나타낸 도면이고, 실시예 1에 따른 TGA 커브(701), 실시예 2에 따른 TGA 커브(703), 실시예 3에 따른 TGA 커브(705), 실시예 4에 따른 TGA 커브(707)를 도시한 것이다.15 is a view showing the results of analyzing catalysts according to Examples 1 to 4 by thermogravimetric method according to Test Example 6, TGA curve 701 according to Example 1 and TGA curve 703 according to Example 2 , TGA curve 705 according to Example 3 and TGA curve 707 according to Example 4 are shown.

도 15를 참조하면, 실시예 1에 따른 촉매에서 탄소 지지체에 니켈 입자가 담지된 양은 촉매 전체 중량에 대하여 10.92wt%인 것을 확인할 수 있고, 실시예 2에 따른 촉매에서 탄소 지지체에 니켈 입자가 담지된 양은 촉매 전체 중량에 대하여 10.48wt%인 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 15, it can be seen that in the catalyst according to Example 1, the amount of nickel particles supported on the carbon support was 10.92 wt% with respect to the total weight of the catalyst, and in the catalyst according to Example 2, nickel particles were supported on the carbon support. It can be seen that the amount of the catalyst is 10.48wt% based on the total weight of the catalyst.

또한, 실시예 3과 실시예 4에 따른 촉매의 경우 각각 탄소 지지체에 니켈 입자가 담지된 양은 촉매 전체 중량에 대하여 각각 13.9, 16.3wt%인 것을 확인할 수 있는데, 이는 실시예 1과 실시예 2에 따른 촉매의 열처리시 탄소와 산소 원자가 차지하는 분율이 감소함에 따라 상대적으로 금속성 니켈에 대응되는 부분이 차지하는 분율의 증가하는 것에 의한 것으로 파악된다.In addition, in the case of the catalysts according to Examples 3 and 4, it can be confirmed that the amount of nickel particles supported on the carbon support was 13.9 and 16.3 wt%, respectively, based on the total weight of the catalyst, which is consistent with Example 1 and Example 2. It is understood that this is due to the fact that the fraction occupied by the part corresponding to metallic nickel relatively increases as the fraction occupied by carbon and oxygen atoms decreases during heat treatment of the catalyst according to the present invention.

<시험예 7><Test Example 7>

시험예 7은 실시예 1과 실시예 3에 따른 촉매를 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy)로 분석한 실험이다.Test Example 7 is an experiment in which the catalysts according to Examples 1 and 3 were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy.

분석 결과를 도 16에 나타내었다.The analysis results are shown in FIG. 16 .

도 16은 실시예 1과 실시예 3에 따른 촉매를 시험예 7에 따른 XPS 분석 결과를 나타낸 도면이고, 'NiO/rGO'에 대한 그래프는 실시예 1에 따른 촉매의 그래프이고, 'A-NiO/rGO'에 대한 그래프는 실시예 3에 따른 촉매의 그래프를 나타낸 것이다.16 is a diagram showing the results of XPS analysis of the catalysts according to Examples 1 and 3 according to Test Example 7, and the graph for 'NiO/rGO' is a graph of the catalyst according to Example 1, and 'A-NiO The graph for /rGO' shows the graph of the catalyst according to Example 3.

도 16을 참조하면, 실시예 1에 따른 촉매의 그래프에서는 금속성 니켈에 대응되는 피크인 'Ni 2p3/2' 피크가 관찰되지 않는 반면에 실시예 3에 따른 촉매의 그래프에서는 금속성 니켈에 대응되는 피크인 'Ni 2p3/2'에 대한 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 16, in the graph of the catalyst according to Example 1, the 'Ni 2p 3/2 ' peak corresponding to metallic nickel is not observed, whereas in the graph of the catalyst according to Example 3, the peak corresponding to metallic nickel is not observed. It can be confirmed that the peak for 'Ni 2p 3/2 ', which is the peak, is observed.

이는 실시예 1에 따른 촉매에는 탄소지지체에 담지된 니켈입자 중 금속성 니켈에 대응되는 부분보다 니켈 산화물에 대응되는 부분이 너무 큰 것으로 인한 것으로 파악되고, 실시예 1에 따른 촉매를 열처리함으로써 니켈 산화물에 대응되는 부분이 환원되어 금속성 니켈에 대응되는 부분이 차지하는 분율이 증가함에 따라 금속성 니켈에 대응되는 피크인 'Ni 2p3/2'에 대한 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있는 결과이다.This is found to be due to the fact that the portion corresponding to nickel oxide is too large in the catalyst according to Example 1 than the portion corresponding to metallic nickel among the nickel particles supported on the carbon support. As the corresponding portion is reduced and the fraction occupied by the portion corresponding to metallic nickel increases, a peak corresponding to metallic nickel, 'Ni 2p 3/2 ', is observed.

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 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be embodied in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting. The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the scope of the claims and equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

S100: 혼합액 제조단계,
S200: 전구체 혼합단계,
S300: 조사단계,
S400: 촉매 완성단계,
S410: 분리단계, S420: 세척단계,
S500: 열처리 단계.
S100: mixed solution preparation step,
S200: precursor mixing step,
S300: investigation step,
S400: catalyst completion step,
S410: separation step, S420: washing step,
S500: heat treatment step.

Claims (4)

ID/IG가 1.22 내지 1.71인 환원된 산화그래핀 0.01 내지 0.1 중량부와 폴리올 용매 100 중량부를 혼합하여 혼합액을 제조하고, 제조된 상기 혼합액에 100 내지 1200W 출력을 갖는 초음파를 120 내지 240분동안 인가하는 단계;
상기 혼합액에 니켈 전구체와 PH조절제를 혼합하고 200 내지 400W의 출력을 갖는 초음파를 30 내지 90분동안 인가하여 분산하는 단계;
상기 혼합액에 1 내지 5 GHz 주파수와 400 내지 1000W의 출력을 갖는 마이크로웨이브를 80 내지 160초동안 조사하는 단계;
상기 혼합액으로부터 촉매를 얻는 단계; 및
상기 촉매를 튜브 가열로의 튜브에 인입한 후 튜브 가열로의 대기조건과 온도조건을 각각 진공 조건과 350 내지 450℃로 하고, 아르곤 가스와 수소 가스를 각각 분당 80 내지 120ml와 60 내지 120ml의 투입 속도로 투입하여 수소와 아르곤을 포함하는 혼합가스 대기조건과 350 내지 450℃ 온도조건에서 상기 촉매를 120 내지 240분 동안 열처리하는 단계;를 포함하는 것
인 비-귀금속계 수전해용 촉매의 제조방법.
A mixed solution was prepared by mixing 0.01 to 0.1 parts by weight of reduced graphene oxide having an I D /I G of 1.22 to 1.71 and 100 parts by weight of a polyol solvent, and ultrasonic waves having an output of 100 to 1200 W were applied to the mixture for 120 to 240 minutes. applying while;
Mixing a nickel precursor and a PH regulator in the mixture and dispersing by applying ultrasonic waves having a power of 200 to 400 W for 30 to 90 minutes;
irradiating the mixture with microwaves having a frequency of 1 to 5 GHz and an output of 400 to 1000 W for 80 to 160 seconds;
obtaining a catalyst from the mixture; and
After the catalyst is introduced into the tube of the tube heating furnace, the atmospheric conditions and temperature conditions of the tube heating furnace are vacuum and 350 to 450 ° C, respectively, and argon gas and hydrogen gas are injected at 80 to 120 ml and 60 to 120 ml per minute, respectively. Injecting at a rate and heat-treating the catalyst for 120 to 240 minutes under atmospheric conditions of a mixed gas containing hydrogen and argon and a temperature condition of 350 to 450 ° C.;
Method for preparing a phosphorus non-noble metal catalyst for water electrolysis.
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