KR102201079B1 - The method of generating oxygen vacancies in nickel-iron oxide catalyst for oxygen evolution reaction and the nickel-iron oxide catalyst manufactured thereby - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수열합성법을 이용하여 전기 화학적 촉매로써 활성이 좋은 니켈-철 산화물을 합성한 후, 수소와 아르곤 기체가 일정 비율로 혼합된 혼합 가스 분위기 하에서 부분환원반응을 수행하여 니켈-철 산화물 구조체내 산소 결핍을 발생시켜 산소발생 반응의 활성을 향산된 니켈-철 산화물 촉매의 제조 방법 및 이에 따른 니켈-철 산화물 촉매를 제공한다.
본 발명에 따르면 낮은 온도에서도 산소결핍을 생성할 수 있으며, 이로 인해 제조된 른 방법은 합성된 산소 결핍결함이 발생된 니켈-철 산화물이 기존의 니켈-철 산화물보다 촉매 표면에서의 수산화기 흡착능이 향상되어 전기 화학적 활성이 증가하고 산소 환원용 촉매로의 사용이 유용하다.The present invention synthesizes nickel-iron oxide having good activity as an electrochemical catalyst using a hydrothermal synthesis method, and then performs a partial reduction reaction in a mixed gas atmosphere in which hydrogen and argon gas are mixed at a certain ratio to A method for producing a nickel-iron oxide catalyst in which oxygen depletion occurs to enhance the activity of an oxygen evolution reaction, and a nickel-iron oxide catalyst according to the method are provided.
According to the present invention, oxygen deficiency can be generated even at a low temperature, and in this other method, the synthesized nickel-iron oxide with oxygen-deficiency defects is more capable of adsorbing hydroxyl groups on the catalyst surface than the conventional nickel-iron oxide. As a result, the electrochemical activity increases, and it is useful as a catalyst for oxygen reduction.
Description
본 발명은 산소발생용 니켈-철 산화물 구조체내 산소 결핍의 유도 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 니켈-철 산화물 구조체의 부분환원반응을 수행하여 니켈-철 산화물 내부 또는 표면상에 산소 결핍을 생성하여 높은 산소발생 활성을 가지는 촉매를 제조하는 방법 및 이에 의한 니켈-철 산화물 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a method for inducing oxygen starvation in a nickel-iron oxide structure for generating oxygen, and more particularly, to generate oxygen starvation inside or on the surface of nickel-iron oxide by performing a partial reduction reaction of the nickel-iron oxide structure. Thus, the present invention relates to a method for producing a catalyst having a high oxygen generation activity, and a nickel-iron oxide catalyst thereby.
최근 화석연료의 자원고갈과 환경오염이 심각하여 이를 해결하기 위하여 에너지 관련 분야의 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중에서도 금속-공기 전지(metal-air cell), 연료전지, 물 전해조 등은 여러 가지 장점 때문에 미래의 에너지 장치로서 주목을 받고 있다. 상기와 같은 에너지 장치들의 공통점은 산소 분자를 환원시키거나 발생시키는 일련의 과정을 포함하고 있다는 것인데, 이러한 환원의 발생 과정은 높은 전압을 필요로 하는 부진한 반응이기 때문에 효율적인 촉매가 필요하다.Recently, fossil fuel resource depletion and environmental pollution are serious, and many studies in energy related fields are being conducted to solve this problem. Among them, metal-air cells, fuel cells, and water electrolyzers are attracting attention as future energy devices due to their various advantages. The common point of the above energy devices is that they include a series of processes of reducing or generating oxygen molecules. Since the process of generating such reduction is a sluggish reaction requiring a high voltage, an efficient catalyst is required.
한편, 지구상에서 가장 풍부한 물질인 물을 원료로 사용한다는 점이나 수소 연소시 오염물질이 발생하지 않는 깨끗한 에너지원이라는 점, 나아가 에너지 저장 매체 기능을 담당한다는 점에서 가장 주목받는 것이 수소 에너지이다. 수소는 상기한 바와 같이 그 자체로 청정 연료가 될 수 있음은 물론, 다수의 화학반응과 공정에서 필요로 한다. On the other hand, hydrogen energy attracts the most attention in that it uses water, the most abundant material on the planet, as a raw material, is a clean energy source that does not generate pollutants during hydrogen combustion, and also functions as an energy storage medium. Hydrogen can itself be a clean fuel as described above, and is required in many chemical reactions and processes.
또한 최근 들어 수소에너지는 청정 연료로서 더욱 필요하다. 수소에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는 에너지원이다. 그 중 물을 전기분해해 수소를 바로 발생시켜 공급하는 수소 스테이션 방법은 고순도의 수소를 환경피해 없이 생산할 수 있는 장점을 제공한다.In addition, in recent years, hydrogen energy is more needed as a clean fuel. Hydrogen energy is an energy source that is in the spotlight as the next-generation energy because it is environmentally friendly and there is no limit in the amount of mining and local ubiquity. Among them, the hydrogen station method, which directly generates and supplies hydrogen by electrolyzing water, provides the advantage of producing high-purity hydrogen without environmental damage.
물의 전기분해 반응은 환원극에서 일어나는 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction: HER) 반응과 산화극에서 일어나는 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction: OER)으로 나눌 수 있다. The electrolysis reaction of water can be divided into a hydrogen evolution reaction (HER) reaction that occurs in a reduction electrode and an oxygen evolution reaction (OER) that occurs in an oxidation electrode.
- 환원극(cathode) : 4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH- -Reduction electrode (cathode): 4H 2 O + 4e - → 2H 2 + 4OH -
- 산화극(anode) : 4OH- → O2 + 2H2O + 4e- -
전체 전기분해 반응 중 수소 발생에 가장 중요한 속도를 결정하는 단계가 양극에서 일어나는 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction)이다. 산소 발생 반응(OER)은 O-H 결합을 끊고, O-O 결합 형성하기 위한 에너지가 필요하므로 음극의 수소 발생반응과 비교했을 때 속도가 훨씬 느리기 때문이다. 이런 이유로 산소 발생에 있어 높은 추가 전압(과전압)과 에너지를 주입해주어야 하는 문제점이 있다.The oxygen evolution reaction that takes place at the anode is the step that determines the most important rate for hydrogen evolution among the total electrolysis reaction. This is because the oxygen evolution reaction (OER) requires energy to break O-H bonds and form O-O bonds, so the rate is much slower compared to the hydrogen evolution reaction at the cathode. For this reason, there is a problem in that a high additional voltage (overvoltage) and energy must be injected in oxygen generation.
이러한 산소 발생용 전극 재료로 가장 널리 알려진 루테늄(Ru)은 고가이면서 산성 분위기에 취약하여 용출되는 현상을 나타나는 문제점이 있어, 이를 저가의 전이금속 산화물 촉매로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 전이금속을 기반으로 하는 금속산화물은 다양한 산화가를 가져 산화환원 반응에 매우 유리하여 에너지 변환 반응의 촉매물질로 사용된다. Ruthenium (Ru), which is most widely known as such an electrode material for generating oxygen, is expensive and has a problem in that it elutes because it is vulnerable to an acidic atmosphere, and studies to replace it with a low-cost transition metal oxide catalyst are actively being conducted. In general, metal oxides based on transition metals have various oxidation values and are very advantageous for redox reactions and are used as catalyst materials for energy conversion reactions.
전이금속 중에서도 두 가지 금속으로 이루어진 스피넬 구조 산화물(spinel-type oxide)의 경우 전기화학반응에서 높은 활성을 나타내며, 이들을 합성하기 위한 다양한 합성법과 도핑(doping), 탄소 물질과 복합체 형성 등을 통해 개시 전위를 낮추고 전류 밀도를 높임으로써 더 높은 활성을 가지는 양극 촉매를 개발하고자 하는 시도가 진행되고 있다. Among the transition metals, spinel-type oxides composed of two metals exhibit high activity in electrochemical reactions, and the initiation potential through various synthesis methods and doping to synthesize them, and formation of a complex with carbon materials. Attempts to develop a cathode catalyst having a higher activity by lowering and increasing the current density are being conducted.
한국등록특허 제10-1774154호(공고일자: 2017.09.13)에서는 스피넬 결정형 물질과 산소결핍이 존재하는 페로브스카이트 결정형 물질을 함유하는 산소발생 또는 산소환원 촉매를 제조하는 방법이 개시되어 있으며, 한국공개특허 제10-2018-0012468호(공개일자:2018.02.06.)에서는 전이금속 양이온에 의하여 도핑된 금속 산화물 나노구조체를 포함하는 산소 발생 반응용 촉매를 제조하는 기술에 대하여 기재되어 있다.Korean Patent Registration No. 10-1774154 (announcement date: 2017.09.13) discloses a method of preparing an oxygen generation or oxygen reduction catalyst containing a spinel crystalline material and a perovskite crystalline material in which oxygen deficiency exists, Korean Patent Publication No. 10-2018-0012468 (published date: 2018.02.06.) describes a technology for preparing a catalyst for oxygen generation reaction including a metal oxide nanostructure doped by a transition metal cation.
그러나, 상기 선행문헌을 포함하는 종래기술에서 전기화학적 촉매를 제조하기 위한 다양한 종류의 방법이 시도되었음에도 불구하고 아직도 보다 개선된 산소발생용 촉매에 대한 개발의 필요성은 지속적으로 요구되고 있는 실정이다. However, despite the attempts of various types of methods for preparing electrochemical catalysts in the prior art including the prior art, the need for the development of more improved catalysts for generating oxygen is continuously required.
본 발명의 주된 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 니켈-철 산화물에 일정 비율의 수소 가스를 포함하는 혼합 가스 분위기 하에서 부분환원반응을 수행하여 니켈-철 산화물 내부 혹은 표면상에 산소 원자 결핍을 발생시켜 향상된 산소발생반응의 활성을 갖는 촉매의 제조방법 및 이에 의한 촉매를 제공하는 것이다.The main object of the present invention is to solve the above-described problems, by performing a partial reduction reaction in a mixed gas atmosphere including a certain ratio of hydrogen gas in nickel-iron oxide, and oxygen atom depletion inside or on the surface of nickel-iron oxide. It is to provide a method for producing a catalyst having improved oxygen generation reaction activity by generating and a catalyst thereby.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는, (a) 니켈 전구체와 철 전구체를 증류수에 용해시켜 전구체 수용액을 제조하는 단계; (b) 상기 전구체 용액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 조절하여 염기성의 전구체 수용액을 제조하는 단계; (c) 상기 염기성의 전구체 수용액을 수열합성하는 단계; (d) 상기 수열 합성 방법에 의해 합성된 결과물을 세척 및 건조하는 단계; (e) 수소(H2) 기체와 비활성 기체의 혼합 가스 분위기 하에서 부분환원반응을 수행하여 상기 니켈-철 산화물내 산소결핍을 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 (e) 단계는 8 ~ 15 vol%의 수소(H2) 기체를 포함하는 혼합가스 분위기 하에서 80 ~ 150 ℃ 온도 범위에서 부분환원반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 산소발생용 촉매의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention, (a) dissolving a nickel precursor and an iron precursor in distilled water to prepare an aqueous precursor solution; (b) adding a basic solution to the precursor solution to adjust the pH to prepare a basic aqueous precursor solution; (c) hydrothermal synthesis of the basic aqueous precursor solution; (d) washing and drying the resultant product synthesized by the hydrothermal synthesis method; (e) generating oxygen deficiency in the nickel-iron oxide by performing a partial reduction reaction under a mixed gas atmosphere of hydrogen (H 2 ) gas and an inert gas; and, step (e) includes 8 to 15 vol It provides a method for producing a catalyst for generating oxygen, characterized in that performing a partial reduction reaction at a temperature range of 80 ~ 150 ℃ in a mixed gas atmosphere containing% of hydrogen (H 2 ) gas.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (a) 단계에서 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)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the nickel precursor in step (a) is nickel (II) nitrate hexahydrate, nickel (II) chloride hexahydrate (Nickel Chloride Hexahydrate), nickel (II) acetate It may be at least one selected from the group consisting of tetrahydrate (Nickel Acetate Tetrahydrate) and nickel (II) bromide hydrate (Nickel Bromide Hydrate).
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (a) 단계에서 철 전구체는 아이언(Ⅲ)나이트레이트 노나하이드레이트(Iron Nitrate Nonahydrate), 아이언(Ⅲ)클로라이드 헥사하이드레이트(Iron Chloride Hexahydrate), 아이언(Ⅱ)아세테이트 테트라하이드레이트(Iron Acetate Tetrahydrate) 및 아이언(Ⅱ)브로마이드 하이드레이트(Iron bromide Hydrate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the iron precursor in step (a) is iron (III) nitrate nonahydrate, iron (III) chloride hexahydrate (Iron Chloride Hexahydrate), iron (II) acetate It may be one or more selected from the group consisting of tetrahydrate (Iron Acetate Tetrahydrate) and iron (II) bromide hydrate (Iron bromide Hydrate).
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (b) 단계에서 염기성 용액에서의 염기성 물질은 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화바륨(Ba(OH)2) 및 수산화암모늄(NH4OH) 중에서 선택된 하나 또는 하나 이상의 혼합물일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the basic material in the basic solution in step (b) is potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), barium hydroxide (Ba(OH) 2 ) It may be one or a mixture of one or more selected from ammonium hydroxide (NH 4 OH).
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (b) 단계에서 pH 범위가 12 ~ 14일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the pH range in step (b) may be 12 to 14.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (c) 단계에서 수열합성 온도는 100 ~ 250 ℃일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the temperature for hydrothermal synthesis in step (c) may be 100 to 250°C.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (e) 단계에서 비활성 기체는 아르곤 기체일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the inert gas in step (e) may be argon gas.
또한, 본 발명의 다른 구현예에서, 본 발명은 상기 중 어느 하나의 방법으로 제조되며, 표면상에 산소결핍이 존재하는 니켈-철 산화물을 포함하는 산소발생용 촉매를 제공한다.In addition, in another embodiment of the present invention, the present invention provides a catalyst for generating oxygen including nickel-iron oxide prepared by any one of the above methods and having oxygen deficiency on the surface.
또한, 본 발명의 다른 구현예에서, 본 발명은 상기 산소발생용 촉매를 포함하는 전기화학적 물분해 장치를 제공한다.In addition, in another embodiment of the present invention, the present invention provides an electrochemical water decomposition apparatus including the catalyst for generating oxygen.
본 발명의 부분환원반응 조건에 따라 부분환원반응을 실시하면, 낮은 온도에서도 부분환원 반응이 용이하게 진행되며, 부분환원반응을 통해 생성된 니켈-철 산화물 촉매는 전기전도도가 높아 더 낮은 개시 전위와 높은 전류 밀도를 나타내어 산소 발생 반응의 촉매로써 높은 활성을 보인다.If the partial reduction reaction is performed according to the partial reduction reaction conditions of the present invention, the partial reduction reaction proceeds easily even at a low temperature, and the nickel-iron oxide catalyst produced through the partial reduction reaction has high electrical conductivity and a lower initiation potential and It shows a high current density and shows high activity as a catalyst for oxygen evolution.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조의 니켈-철 산화물을 X-선회절패턴(XRD)으로 관찰한 사진이다.
도 2은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조의 니켈-철 산화물을 특정 각에서 확대한 X-선회절패턴(XRD)으로 관찰한 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조의 니켈-철 산화물을 광전자분석기(XPS) 결과를 나타낸 사진이다.
도 4은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조의 니켈-철 산화물의 선형주사전압법 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조의 니켈-철 산화물의 주사속도에 따른 전류밀도 플롯 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 6 내지 7에 의해 제조된 스피넬 구조의 니켈-철 산화물의 선형주사전압법 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a photograph of a nickel-iron oxide having a spinel structure prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 according to the present invention as an X-ray diffraction pattern (XRD).
FIG. 2 is a photograph of a nickel-iron oxide having a spinel structure prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 according to the present invention, observed with an X-ray diffraction pattern (XRD) magnified at a specific angle.
3 is a photograph showing a result of a photoelectron analyzer (XPS) of nickel-iron oxide having a spinel structure prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 according to the present invention.
4 is a graph showing the results of a linear scanning voltage method of nickel-iron oxide having a spinel structure prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 according to the present invention.
5 is a graph showing a current density plot result according to a scanning speed of a spinel structure of nickel-iron oxide prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 according to the present invention.
6 is a graph showing the results of the linear scanning voltage method of nickel-iron oxide having a spinel structure prepared according to Example 1 and Comparative Examples 6 to 7 according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 따른 산소발생반응용 촉매의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, to describe in detail a preferred embodiment of a method for producing a catalyst for oxygen evolution according to the present invention so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. do.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the principles of the preferred embodiments of the present invention in detail, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.In addition, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention, and do not represent all the technical spirit of the present invention, so various alternatives that can be replaced at the time of application It should be understood that there may be equivalents and variations.
본 발명은 수소 가스와 비활성 가스를 포함하는 혼합 가스 분위기 하에서 부분환원반응을 통해 기존의 니켈-철 산화물보다 낮은 과전압과 높은 한계 전류 밀도로 더욱 우수한 전기적 활성을 나타내는 산소발생반응용 촉매의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 (a) 니켈 전구체와 철 전구체를 증류수에 용해시켜 전구체 수용액을 제조하는 단계; (b) 상기 전구체 용액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 조절하여 염기성의 전구체 수용액을 제조하는 단계; (c) 상기 염기성의 전구체 수용액을 수열합성하는 단계; (d) 상기 수열 합성 방법에 의해 합성된 결과물을 세척 및 건조하는 단계; (e) 수소(H2) 기체와 비활성 기체의 혼합 가스 분위기 하에서 부분환원반응을 수행하여 상기 니켈-철 산화물내 산소결핍을 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 (e) 단계는 8 ~ 15 vol%의 수소(H2) 기체를 포함하는 혼합가스 분위기 하에서 80 ~ 150 ℃ 온도 범위에서 부분환원반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 산소발생용 촉매의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a method for producing a catalyst for oxygen generation reaction that exhibits more excellent electrical activity with lower overvoltage and higher limiting current density than conventional nickel-iron oxide through partial reduction reaction in a mixed gas atmosphere containing hydrogen gas and inert gas. Specifically, (a) dissolving a nickel precursor and an iron precursor in distilled water to prepare an aqueous precursor solution; (b) adding a basic solution to the precursor solution to adjust the pH to prepare a basic aqueous precursor solution; (c) hydrothermal synthesis of the basic aqueous precursor solution; (d) washing and drying the resultant product synthesized by the hydrothermal synthesis method; (e) generating oxygen deficiency in the nickel-iron oxide by performing a partial reduction reaction under a mixed gas atmosphere of hydrogen (H 2 ) gas and an inert gas; and, step (e) includes 8 to 15 vol It provides a method for producing a catalyst for generating oxygen, characterized in that performing a partial reduction reaction at a temperature range of 80 ~ 150 ℃ in a mixed gas atmosphere containing% of hydrogen (H 2 ) gas.
이하, 본 발명에 따른 산소 결핍을 가진 니켈-철 산화물의 제조 방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for producing a nickel-iron oxide having oxygen deficiency according to the present invention will be described in detail for each step.
상기 단계 (a)를 설명하자면 먼저, 니켈 전구체와 철 전구체를 적절한 비율로, 예를 들어 1:2의 비율로 증류수에 용해시켜 전구체 수용액을 제조하는 단계이다.To explain step (a), first, a nickel precursor and an iron precursor are dissolved in distilled water in an appropriate ratio, for example, 1:2 to prepare an aqueous precursor solution.
상기 니켈 전구체인 니켈 화합물로서는 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)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것이 바람직하며, 니켈(Ⅱ)클로라이드 헥사하이드레이트(Nickel Chloride Hexahydrate)를 사용하는 것이 더욱 바람직하지만, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.As the nickel precursor, the nickel compound is nickel (II) nitrate hexahydrate, nickel (II) chloride hexahydrate, nickel (II) acetate tetrahydrate (Nickel Acetate Tetrahydrate) and nickel (II) ) It is preferably at least one selected from the group consisting of bromide hydrate, and it is more preferable to use nickel (II) chloride hexahydrate, but the scope of the present invention is not limited thereto. .
상기 철 전구체인 철 화합물로서는 아이언(Ⅲ)나이트레이트 노나하이드레이트(Iron Nitrate Nonahydrate), 아이언(Ⅲ)클로라이드 헥사하이드레이트(Iron Chloride Hexahydrate), 아이언(Ⅱ)아세테이트 테트라하이드레이트(Iron Acetate Tetrahydrate) 및 아이언(Ⅱ)브로마이드 하이드레이트(Iron bromide Hydrate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것이 바람직하며, 아이언(Ⅲ)클로라이드 헥사하이드레이트(Iron Chloride Hexahydrate)를 사용하는 것이 더욱 바람직하지만, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Iron (III) nitrate nonahydrate (Iron Nitrate Nonahydrate), iron (III) chloride hexahydrate (Iron Chloride Hexahydrate), iron (II) acetate tetrahydrate (Iron Acetate Tetrahydrate) and iron (II) as the iron precursor iron compound ) It is preferably at least one selected from the group consisting of bromide hydrate, and it is more preferable to use iron (III) chloride hexahydrate, but the scope of the present invention is not limited thereto. .
이어서 상기 단계 (b)는 상기 (a) 단계에서 제조된 전구체 수용액에 염기성 용액을 첨가하여 전구체 수용액의 pH를 조절하여 염기성의 전구체 수용액을 제조하는 단계이다. Subsequently, step (b) is a step of preparing a basic aqueous precursor solution by adding a basic solution to the aqueous precursor solution prepared in step (a) to adjust the pH of the aqueous precursor solution.
상기 단계 (a) 및 (b)에 대해 더욱 자세히 설명하자면 먼저, 니켈 전구체와 철 전구체를 증류수에 용해시켜 전구체 수용액을 제조한다. 그리고 염기성 물질이 증류수에 용해된 염기성 수용액을 상기 전구체 수용액에 첨가하여 상기 전구체 수용액의 pH를 조절한다. 이 때 침전되어 생기는 반응물의 색이 파란색이 될 때까지 pH를 조절해야 한다. 이후 파란색의 반응물이 침전된 용액은 잘 분산되어 합성이 될 수 있도록 2시간 이상 강하게 교반을 시켜주어 분산시킨다. 이때 pH 범위는 12 ~ 14인 것이 바람직하다.To describe the steps (a) and (b) in more detail, first, an aqueous precursor solution is prepared by dissolving a nickel precursor and an iron precursor in distilled water. Then, a basic aqueous solution in which a basic substance is dissolved in distilled water is added to the precursor aqueous solution to adjust the pH of the precursor aqueous solution. At this time, the pH must be adjusted until the color of the reactant formed by precipitation turns blue. After that, the solution in which the blue reactant has precipitated is dispersed by vigorous stirring for 2 hours or more so that it can be well dispersed and synthesized. At this time, the pH range is preferably 12 to 14.
상기 (b) 단계에서 염기성 용액에서의 염기성 물질은 특별히 제한되지 않으며, 유기 및 무기 염기성 물질로부터 선택될 수 있다. 상기 염기성 물질은 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화바륨(Ba(OH)2) 및 수산화암모늄(NH4OH) 중에서 선택된 하나 또는 하나 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이러한 염기성 물질은 수용액상으로 전구체 용액에 첨가되어 전구체 용액의 pH를 조절한다. The basic material in the basic solution in step (b) is not particularly limited, and may be selected from organic and inorganic basic materials. The basic material is one or more mixtures selected from potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), barium hydroxide (Ba(OH) 2 ) and ammonium hydroxide (NH 4 OH) It may be used, but is not limited thereto. These basic substances are added to the precursor solution in an aqueous solution to adjust the pH of the precursor solution.
또한 상기 단계 (c)는 상기 단계 (b)에서 제조된 상기 염기성의 전구체 수용액을 수열합성하는 단계이며, 구체적으로 염기성의 전구체 수용액을 오토클레이브(autoclave)에 넣어 100 ~ 250℃, 바람직하게는 150 ~ 250℃에서 4시간 ~ 24시간 동안, 바람직하게는 8~16 시간 동안 반응을 시킨다. 이와 같은 온도와 시간의 조절은 입자의 응집을 막고 고르게 분산되어 합성이 이루어지도록 유도한다. 반응 시간이 끝난 후에 오븐에서 오토클레이브를 꺼낸 후 자연 상태에서 식힌다.In addition, the step (c) is a step of hydrothermally synthesizing the basic aqueous precursor solution prepared in step (b), and specifically, the basic aqueous precursor solution is put into an autoclave to 100 to 250° C., preferably 150 The reaction is performed at ~ 250° C. for 4 hours to 24 hours, preferably for 8 to 16 hours. Such control of temperature and time prevents the agglomeration of particles and induces the synthesis to be evenly dispersed. After the reaction time has ended, remove the autoclave from the oven and let it cool to its natural state.
이어서 상기 단계 (d)는 상기 단계 (c)에서 합성한 결과물을 세척 및 건조하는 과정이다. 상기 단계 (c)에서 수열 합성이 끝난 결과물은 나트륨 및 염소 등의 불순물들이 섞여있기 때문에 이러한 불순물을 제거하기 위한 과정이다. 구체적으로 증류수를 이용하여 8000rpm으로 5회 정도 원심 분리를 시켜준다. 원심 분리 후 침전된 결과물을 60 ℃에서 바람직하게는 12~24시간, 더욱 바람직하게는 20~24시간 동안 건조시켜 불순물이 제거 된 상태의 니켈-철 산화물을 수득한다.Subsequently, step (d) is a process of washing and drying the resultant product synthesized in step (c). The result of hydrothermal synthesis in step (c) is a process for removing impurities such as sodium and chlorine because impurities such as sodium and chlorine are mixed. Specifically, centrifugation is performed 5 times at 8000 rpm using distilled water. After centrifugation, the precipitated product is dried at 60° C. for preferably 12 to 24 hours, more preferably 20 to 24 hours to obtain nickel-iron oxide in a state in which impurities are removed.
또한 상기 단계 (e)는 상기 단계 (d)에서 수득한 니켈-철 산화물의 전기 화학적 촉매로의 활성을 높이기 위해 부분환원반응을 통해서 산소 결핍을 생성하는 단계이다.In addition, the step (e) is a step of generating oxygen deficiency through a partial reduction reaction in order to increase the activity of the nickel-iron oxide obtained in step (d) as an electrochemical catalyst.
구체적으로, 먼저 튜브 퍼니스에 20~40분 동안 비활성기체를 흘려주어 퍼니스 내부를 비활성기체로 포화시켜 다른 부가 반응이 일어나지 않는 상태로 만들어 준다. 그 후 변경하는 타겟온도로 승온시키는데 5~20 ℃/min의 속도로 온도를 올려준다. 목표로 했던 온도까지 올라갔을 때 수소 (H2) 기체를 비활성 기체와 일정 부피비가 되도록 혼합하여 흘려주어 부분환원반응을 수행하여 니켈-철 산화물 구조체의 내부 혹은 표면상에 산소결핍을 생성할 수 있다.Specifically, first, an inert gas is flowed into the tube furnace for 20 to 40 minutes to saturate the inside of the furnace with an inert gas, thereby making it a state in which no additional reaction occurs. Then, the temperature is raised to the target temperature to be changed, and the temperature is raised at a rate of 5 to 20 ℃/min. When the temperature rises to the target, hydrogen (H 2 ) gas is mixed with an inert gas in a certain volume ratio and flowed to perform a partial reduction reaction to create oxygen deficiency on the inside or surface of the nickel-iron oxide structure. .
또한 상기 (e) 단계에서 혼합가스 내 수소(H2) 기체는 전체 혼합 가스에 대하여 8 ~ 15 vol% 로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 수소(H2) 기체가 전체 혼합 가스에 대하여 15 vol%를 초과할 경우 산소 결핍의 양이 과량으로 형성되어 비정질의 형성 및 격자의 붕괴에 따라 전기화학적 활성이 떨어질 수 있으며, 수소(H2) 기체가 전체 혼합 가스에 대하여 8 vol% 미만으로 첨가될 경우 니켈-철 산화물 내부 혹은 표면상에 산소 결핍을 도입하기 위한 많은 에너지를 필요로 한다.In addition, in step (e), the hydrogen (H 2 ) gas in the mixed gas is preferably added in an amount of 8 to 15 vol% based on the total mixed gas. When the hydrogen (H 2 ) gas exceeds 15 vol% of the total mixed gas, the amount of oxygen depletion may be excessively formed, resulting in a decrease in electrochemical activity due to the formation of amorphous and the collapse of the lattice, and hydrogen (H 2 ) When the gas is added in less than 8 vol% of the total gas mixture, it requires a lot of energy to introduce oxygen deficiency inside or on the surface of nickel-iron oxide.
또한 상기 (e) 단계에서 부분환원온도는 니켈-철 산화물 구조체의 내부 혹은 표면상에 산소결핍을 효과적으로 생성하는 측면에서 80 ~ 150 ℃ 범위인 것이 바람직하다.In addition, the partial reduction temperature in step (e) is preferably in the range of 80 to 150° C. in terms of effectively generating oxygen deficiency on the inside or the surface of the nickel-iron oxide structure.
상기 부분환원온도가 80 ℃ 미만인 경우에는 니켈-철 산화물 내 금속 원자와 산소 원자의 결합을 끊어낼 에너지가 부족하여 니켈-철 산화물 내부 혹은 표면상에 산소 결핍의 생성이 부족하고, 부분환원온도가 150 ℃를 초과할 경우 부분 환원을 통해 산소 결핍이 생성된 니켈-철 산화물의 일부 또는 전부의 물질의 상이 니켈 금속으로 변하여 니켈-철 산화물 구조체의 전기화학적 활성을 잃게될 가능성이 있다.When the partial reduction temperature is less than 80°C, the energy to break the bond between the metal atom and the oxygen atom in the nickel-iron oxide is insufficient, and the generation of oxygen deficiency inside or on the nickel-iron oxide is insufficient, and the partial reduction temperature is When it exceeds 150° C., there is a possibility that the phase of the material of some or all of the nickel-iron oxide generated by oxygen deficiency through partial reduction is changed to nickel metal, and the electrochemical activity of the nickel-iron oxide structure is lost.
상기 (e) 단계에서 부분환원반응 동안 튜브 퍼니스 내부의 온도 및 기체 분위기는 항상 일정하게 유지시키며, 부분환원반응은 2~10 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.During the partial reduction reaction in step (e), the temperature and gas atmosphere inside the tube furnace are always kept constant, and the partial reduction reaction is preferably performed for 2 to 10 hours.
또한 본 발명은 상기 방법 중 어느 하나의 방법으로 제조되며, 표면상에 산소결핍이 존재하는 니켈-철 산화물을 포함하는 산소발생반응용 촉매를 제공한다.In addition, the present invention provides a catalyst for an oxygen evolution reaction comprising a nickel-iron oxide prepared by any one of the above methods and having oxygen deficiency on the surface.
또한 본 발명은 상기 산소발생반응용 촉매를 포함하는 전기화학적 물분해 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides an electrochemical water decomposition apparatus including the catalyst for oxygen generation reaction.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하는 바이며 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.The present invention as described above is described in detail based on the following examples, and the present invention is not limited by the following examples.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, these examples are for explaining the present invention in more detail, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not limited thereto.
실시예 1Example 1
단계 (a): 60 ml 증류수에 NiCl2 0.3 g, FeCl3 0.6 g을 정량하여 비커에 넣고, 30분가량 교반(stirring)하여 전구체 용액을 제조한다.Step (a): 0.3 g of NiCl 2 and 0.6 g of FeCl 3 were quantified in 60 ml distilled water, put into a beaker, and stirred for about 30 minutes to prepare a precursor solution.
단계 (b): 1 M 수산화나트륨 용액을 제조하고, 상기 단계 (a)에서 제조된 전구체 용액에 1 M 수산화나트륨 15 ml를 혼합한 후 교반(stirring)하여 염기성의 전구체 용액을 제조한다.Step (b): A 1 M sodium hydroxide solution is prepared, 15 ml of 1 M sodium hydroxide is mixed with the precursor solution prepared in step (a), followed by stirring to prepare a basic precursor solution.
단계 (c): 상기 단계 (b)에서 제조된 염기성의 전구체 용액을 오토클레이브에 넣고 200℃에서 12시간 동안 가열하여 반응시킨다.Step (c): The basic precursor solution prepared in step (b) is put into an autoclave and heated at 200° C. for 12 hours to react.
단계 (d): 상기 단계 (c)에서 만들어진 결과물을 여과한 이후 원심분리기를 이용하여 세척과정을 거쳐 분말을 얻는다.Step (d): After filtering the resultant obtained in step (c), a washing process is performed using a centrifuge to obtain powder.
단계 (e): 상기 단계 (d)에서 수득된 세척물을 튜브 퍼니스(tube furnace)에 넣고 100℃ 온도에서 약 5시간 동안 부분환원반응을 실시하여 산소결함을 가지는 스피넬 구조의 니켈-철 산화물을 제조하였다. 이때, 타겟 온도에 이르기까지 승온 속도는 10 ℃/min이며, 부분환원반응 중 수소가스와 아르곤가스의 혼합비율은 1:9로 유지하였다.Step (e): Put the washing product obtained in step (d) into a tube furnace and perform partial reduction reaction at 100°C for about 5 hours to obtain a spinel structure nickel-iron oxide having oxygen defects. Was prepared. At this time, the rate of heating up to the target temperature was 10°C/min, and the mixing ratio of hydrogen gas and argon gas during the partial reduction reaction was maintained at 1:9.
비교예 1Comparative Example 1
상기 실시예 1의 단계 (e)에서 200 ℃ 온도에서 부분환원반응을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.It is the same as in Example 1, except that the partial reduction reaction was performed at 200°C in step (e) of Example 1 above.
비교예 2Comparative Example 2
상기 실시예 1의 단계 (e)에서 300 ℃ 온도에서 부분환원반응을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.It is the same as in Example 1, except that the partial reduction reaction was performed at 300°C in step (e) of Example 1 above.
비교예 3Comparative Example 3
상기 실시예 1의 단계 (e)에서 50 ℃ 온도에서 부분환원반응을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.It is the same as in Example 1, except that the partial reduction reaction was performed at a temperature of 50 °C in step (e) of Example 1 above.
비교예 4Comparative Example 4
상기 실시예 1의 단계 (e)의 부분환원반응을 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.It is the same as Example 1, except that the partial reduction reaction of step (e) of Example 1 was not performed.
비교예 5Comparative Example 5
상기 실시예 1의 단계 (e)에서 수소와 아르곤 기체의 혼합 가스 분위기 대신에 공기 분위기 하에서 부분환원반응을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.It is the same as in Example 1, except that in step (e) of Example 1, a partial reduction reaction was performed in an air atmosphere instead of a mixed gas atmosphere of hydrogen and argon gas.
비교예 6Comparative Example 6
상기 실시예 1의 단계 (e)에서 수소와 아르곤 기체의 부피비를 5 : 95로 주입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.It is the same as in Example 1, except that in step (e) of Example 1, the volume ratio of hydrogen and argon gas was injected at 5:95.
비교예 7Comparative Example 7
상기 실시예 1의 단계 (e)에서 수소와 아르곤 기체의 부피비를 2 : 8로 주입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.It is the same as in Example 1, except that in step (e) of Example 1, a volume ratio of hydrogen and argon gas was injected at a volume ratio of 2:8.
또한, 하기 표 1에 상기 비교예 1 내지 3, 비교예 5 내지 7, 실시예 1에서의 부분환원 조건을 정리하여 나타내었다.In addition, the partial reduction conditions in Comparative Examples 1 to 3, Comparative Examples 5 to 7, and Example 1 are summarized and shown in Table 1 below.
실험예 1. 스피넬 구조 산화물의 X선 회절분석Experimental Example 1. X-ray diffraction analysis of spinel structure oxide
상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 특징을 알아보기 위하여 X선 회절분석기(Rigaku, Mini flex)로 분석하여 그 결과를 도 1과 2에 나타내었다.In order to examine the characteristics of the spinel structure oxides prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, an X-ray diffraction analyzer (Rigaku, Mini flex) was used to analyze the results, and the results are shown in FIGS. 1 and 2.
도 1은 상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에서 제조된 스피넬 구조 산화물의 X-선회절패턴(XRD)을 나타낸 것이다. 도 1에 의하면, 실시예 1과 비교예 1 내지 4에서 모두 스피넬 구조 산화물 피크(peak)가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 제조된 스피넬 구조 산화물이 수소분위기에서 추가 열처리 후에도 결정구조 변화없이 스피넬 구조를 유지하는 것을 의미한다.1 shows an X-ray diffraction pattern (XRD) of the spinel structure oxides prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 above. Referring to FIG. 1, it can be seen that a spinel structure oxide peak appears in both Example 1 and Comparative Examples 1 to 4. This means that the produced spinel structure maintains the spinel structure without changing the crystal structure even after additional heat treatment in a hydrogen atmosphere.
도 2는 상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에서 제조된 스피넬 구조 산화물의 상기 도 1의 결과로부터 32에서 39도 부분을 확대하여 X-선회절패턴(XRD)을 나타낸 것이다. 도 2에 의하면, 실시예1에서 제조된 스피넬 구조 산화물은 피크(peak)가 이동한 것을 확인할 수 있다. 이는 구조적 결함에 의해 스피넬 구조가 수축하였다는 것을 나타낸다.FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern (XRD) of the spinel structure oxides prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 in an enlarged range from 32 to 39 degrees from the result of FIG. 1. 2, it can be seen that the peak of the spinel structure oxide prepared in Example 1 shifted. This indicates that the spinel structure contracted due to structural defects.
실험예 2. 스피넬 구조 산화물의 산화상태 분석Experimental Example 2. Analysis of oxidation state of spinel structure oxide
상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 산화상태를 알아보기 위하여 광전자분광기(X-ray photoelectron spectroscopy, SPECS, EA200)을 이용하여 분석하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.In order to investigate the oxidation state of the spinel structure oxides prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, it was analyzed using an X-ray photoelectron spectroscopy (SPECS, EA200). The results are shown in FIG. 3.
도 3은 각각 상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 산소의 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 3에 의하면, 산소 피크(peak)는 총 네 개의 결합으로 분리가 되는데 낮은 구간부터 산소 원소와 금속 원소의 결합(OM), 산소 원소 내부의 수산화 그룹의 결합(OOH), 산소 결핍(OV), 공기 중 수분과의 화학적인 결합(OC)에 의한 피크(peak)로 나뉜다. 이 때 본 발명에 따른 실시예 1에서 산소 결핍(OV)으로 인한 피크의 면적 비가 증가하는 것으로 부분 환원을 통해 산소 결핍이 발생한 것을 알 수 있다. 상기 값들을 측정하여 표 2에 나타내었다.3 shows the oxygen spectrum of the spinel structure oxides prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, respectively. According to Figure 3, the oxygen peak (peak) is separated into a total of four bonds, from a low section, the bond between the oxygen element and the metal element (O M ), the bond of the hydroxyl group inside the oxygen element (O OH ), oxygen deficiency ( It is divided into a peak due to O V ) and chemical bonding with moisture in the air (O C ). At this time, in Example 1 according to the present invention, as the area ratio of the peak due to oxygen deficiency (O V ) increases, it can be seen that oxygen depletion occurs through partial reduction. The values were measured and shown in Table 2.
표 2에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1과 비교예 6, 7의 산소 피크 내 산소 결핍(OV)에 의한 피크의 면적 비를 비교해보면 수소의 비율이 높을수록 산소 결핍의 양이 많아지는 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 2, when comparing the area ratio of the peak due to oxygen deficiency (O V ) in the oxygen peaks of Example 1 and Comparative Examples 6 and 7, it was found that the higher the ratio of hydrogen, the greater the amount of oxygen deficiency. I can confirm.
실시예1과 비교예 1 내지 비교예3을 대비하여 보면, 부분환원반응온도가 50℃인 비교예 3은 산소결핍이 별로 발생하지 않으며, 100℃에서 최대이며, 200℃나 300℃로 반응온도를 증가시킬 경우 오히려 산소결핍 양이 줄어듬을 알 수 있다.In comparison between Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, in Comparative Example 3 having a partial reduction reaction temperature of 50°C, oxygen deficiency did not occur very much, and the reaction temperature was maximum at 100°C and 200°C or 300°C. It can be seen that the amount of oxygen deficiency is rather reduced when is increased.
실험예 3. 스피넬 구조 산화물의 전기화학적 활성 분석Experimental Example 3. Electrochemical Activity Analysis of Spinel Structure Oxide
상기 실시예 1과 비교예 1 내지 7에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 산소발생반응용 전극촉매로써의 성능을 비교분석하기 위하여 하기와 같은 실험을 진행하였다.In order to compare and analyze the performance of the spinel structure oxides prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 7 as an electrode catalyst for oxygen generation reaction, the following experiment was conducted.
상기 실시예 1과 비교예 1 내지 7에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 전기화학적 특성을 알아보기 위하여 포텐셔스테이트(Potentiostat, Princeton Applied Research, VSP)를 이용하여 1 몰의 KOH 전해액에서 5 mV/s의 주사속도로 선형전압전류법을 분석하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다. 측정된 전류밀도가 높다는 것은 그만큼 전기화학반응이 활발하다는 것이며, 따라서 산소발생반응의 활성이 높다는 것을 의미한다.In order to investigate the electrochemical properties of the spinel structure oxides prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 7, 5 mV/s in 1 mol of KOH electrolyte using a potentiostat (Princeton Applied Research, VSP). The linear voltammetry was analyzed at the scanning speed of. The results are shown in FIG. 4. The high measured current density means that the electrochemical reaction is active, and thus the activity of the oxygen generating reaction is high.
도 4에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1의 스피넬 구조 산화물은 단위면적당 가장 높은 전류 밀도를 나타냄으로써, 산소발생반응용 전극촉매재료로 사용되었을 경우 산소결함이 적은 스피넬 구조 산화물과 비교하여 높은 전기화학적 활성을 가지고 있음을 알 수 있었다. As shown in FIG. 4, the spinel structure oxide of Example 1 of the present invention exhibits the highest current density per unit area, and thus, when used as an electrode catalyst material for oxygen generation reaction, it is higher than that of the spinel structure oxide with less oxygen defects. It was found that it has electrochemical activity.
상기 한계전류밀도의 순서는 도 4에서 확인되듯이 실시예 1 > 비교예 1 > 비교예 5 비교예 7 비교예 6 > 비교예 2 > 비교예 3 비교예 4 의 순으로 나타나고 있어, 산소 결핍의 정도의 순인 비교예 7 > 실시예 1 > 비교예 6 비교예 1 > 비교예 2 비교예 5 > 비교예 3 > 비교예 4와 대비하여 보면, 대체적으로 산소 결핍의 정도가 클수록 한계전류밀도 역시 증가되기는 하나, 완전히 일치하지는 않음을 알 수 있다.The order of the limiting current density is shown in Fig. 4, Example 1> Comparative Example 1> Comparative Example 5 Comparative Example 7 Comparative Example 6> Comparative Example 2> Comparative Example 3 It is shown in the order of Comparative Example 4, in order of the degree of oxygen deficiency Comparative Example 7> Example 1> Comparative Example 6 Comparative Example 1> Comparative Example 2 Comparative Example 5> Comparative Example 3> Compared with Comparative Example 4, it can be seen that although the limiting current density also increases as the degree of oxygen deficiency increases, it is not completely consistent.
비교예 2의 경우 비교예 5보다 산소결핍은 크나 오히려 한계전류밀도는 떨어지며, 특히 비교예 7의 경우는 가장 큰 산소결핍 수치를 가짐에도 오히려 비교예1보다도 한계전류밀도가 높지 않았다.In the case of Comparative Example 2, the oxygen deficiency was greater than that of Comparative Example 5, but the limiting current density was lower. In particular, the limiting current density was not higher than that of Comparative Example 1 even though Comparative Example 7 had the largest oxygen deficiency value.
이로 보아, 한계전류밀도에는 산소결핍이라는 요인 외에도 다른 요인이 영향을 미치는 것임을 알 수 있다.From this, it can be seen that in addition to the factor of oxygen deficiency, other factors affect the limiting current density.
실험예 4. 순환전압전류법을 통한 전기화학적 면적 평가Experimental Example 4. Evaluation of electrochemical area through cyclic voltammetry
상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 산소발생반응용 전극촉매로써의 성능을 비교분석하기 위하여 하기와 같은 실험을 진행하였다.In order to compare and analyze the performance of the spinel structure oxides prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 as an electrode catalyst for oxygen generation reaction, the following experiment was conducted.
상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4에 의해 제조된 스피넬 구조 산화물의 전기화학적 특성을 알아보기 위하여 포텐셔스테이트(Potentiostat, Princeton Applied Research, VSP)를 이용하여 1 몰의 KOH전해액에서 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 및 100 mV/s의 주사속도로 순환전압전류법을 통해 그래프를 얻은 후에 각각의 주사속도에서 0.95 V에서의 전류밀도에 관해 플롯하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다. In order to examine the electrochemical properties of the spinel-structured oxides prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, 10, 20, in 1 mol of KOH electrolyte using a potentiostat (Princeton Applied Research, VSP). Graphs were obtained through cyclic voltammetry at scan rates of 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 and 100 mV/s, and then plotted for the current density at 0.95 V at each scan rate. The results are shown in FIG. 5.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예 1의 스피넬 구조 산화물은 선형 플롯에서 이중층 커패시턴스가 가장 높은 것을 확인하였다. 실시예 1의 커패시턴스가 상당히 높다는 것은 전기 화학적 표면적이 높고 표면 거칠기가 높음을 나타낸다. 전기 화학적 표면적이 높을 경우 전기화학 반응에 용이한 촉매임을 나타내므로 실시예1의 값이 가장 높은 이중층 커패시턴스를 보이는 것으로 보아 상기 한계전류밀도의 결과와도 일치한다.5, it was confirmed that the spinel structure oxide of Example 1 of the present invention had the highest double-layer capacitance in a linear plot. The significantly high capacitance of Example 1 indicates a high electrochemical surface area and a high surface roughness. When the electrochemical surface area is high, it indicates that the catalyst is easy for the electrochemical reaction, and thus the value of Example 1 shows the highest double-layer capacitance, which is consistent with the result of the limiting current density.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적은 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As the specific parts of the present invention have been described in detail above, it will be apparent to those of ordinary skill in the art that these specific descriptions are only preferred embodiments, and the scope of the present invention is not limited thereby. will be. Accordingly, it will be said that the substantial scope of the present invention is defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (8)
(a) 염화니켈(Ⅱ)(NiCl2)과 염화철(Ⅲ)(FeCl3)을 증류수에 용해시켜 전구체 수용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 전구체 용액에 염기성 용액을 파란색의 침전물을 얻어질 때까지 첨가하여 pH를 12 ~ 14의 범위로 조절하는 염기성 전구체 수용액을 제조하는 단계;
(c) 상기 염기성의 전구체 수용액을 150 ~ 250℃의 온도에서 수열합성하는 단계;
(d) 상기 수열 합성 방법에 의해 합성된 결과물을 세척 및 건조하는 단계;
(e) 수소(H2) 기체와 비활성 기체의 혼합 가스 분위기 하에서 부분환원반응을 수행하여 상기 니켈-철 산화물내 산소결핍을 생성하는 단계;를 포함하며,
상기 (e) 단계는 8 ~ 15 vol%의 수소(H2) 기체를 포함하는 혼합가스 분위기 하에서 80 ~ 150 ℃ 온도 범위에서, 2 ~ 10시간 부분환원반응을 수행함으로서, 산소 발생용 촉매로서 산소결함을 가지는 스피넬 구조의 니켈-철 산화물을 얻는 것을 특징으로 하는 산소발생반응용 촉매의 제조방법.In the production method of the catalyst for oxygen evolution,
(a) dissolving nickel (II) chloride (NiCl 2 ) and iron (III) chloride (FeCl 3 ) in distilled water to prepare an aqueous precursor solution;
(b) adding a basic solution to the precursor solution until a blue precipitate is obtained to prepare an aqueous basic precursor solution to adjust the pH in the range of 12 to 14;
(c) hydrothermal synthesis of the basic aqueous precursor solution at a temperature of 150 to 250°C;
(d) washing and drying the resultant product synthesized by the hydrothermal synthesis method;
(e) performing a partial reduction reaction in a mixed gas atmosphere of hydrogen (H 2 ) gas and an inert gas to generate oxygen deficiency in the nickel-iron oxide; and,
In the step (e), by performing a partial reduction reaction for 2 to 10 hours at a temperature range of 80 to 150° C. in a mixed gas atmosphere containing 8 to 15 vol% of hydrogen (H 2 ) gas, oxygen as a catalyst for generating oxygen A method for producing a catalyst for oxygen evolution, characterized in that to obtain a nickel-iron oxide having a spinel structure having a defect.
상기 (b) 단계에서 염기성 용액에서의 염기성 물질은 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화바륨(Ba(OH)2) 및 수산화암모늄(NH4OH) 중에서 선택된 하나 또는 하나 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 산소발생반응용 촉매의 제조방법.The method of claim 1,
The basic substances in the basic solution in the step (b) are potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), barium hydroxide (Ba(OH) 2 ) and ammonium hydroxide (NH 4 OH). ). Method for producing a catalyst for oxygen evolution, characterized in that one or a mixture of one or more selected from.
상기 (e) 단계에서 비활성 기체는 아르곤 기체인 것을 특징으로 하는 산소발생반응용 촉매의 제조방법.The method of claim 1,
In the step (e), the inert gas is argon gas.
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