금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체, 이의 제조방법 및 상기 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체를 포함하는 수소발생반응용 촉매
A metal hydroxide layer/tungsten carbide nanowire composite, a method for manufacturing the same, and a catalyst for hydrogen generation reaction comprising the metal hydroxide layer/tungsten carbide nanowire composite
특허 요약
본 발명은 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체, 이의 제조방법 및 상기 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체를 포함하는 수소발생반응용 촉매에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 상에 수직으로 성장된 텅스텐 카바이드 나노선의 표면 전체 또는 일부분에 금속 수산화물층이 형성된 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체를 제조함으로써 이를 촉매로 적용 시 금속 수산화물층이 물 분해를 촉진하여 물 분해 시 에너지 장벽을 감소시킬 수 있다. 또한 물 분해에 의해 형성된 수소 중간체를 넓은 표면적을 갖는 텅스텐 카바이드 나노선이 흡착하여 수소기체를 생성시킴으로써 염기성 전해질에서의 수소발생반응 성능을 현저히 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라 값비싼 백금 촉매 대신 비귀금속계 금속을 사용함으로 인해 제조원가를 절감할 수 있으며, 물리적 및 전기화학적 안정성이 우수하고, 낮은 과전압과 향상된 전류밀도를 가질 수 있다.
청구항
번호청구항
1

기판;상기 기판 상에 수직으로 성장되어, 정렬된 복수의 텅스텐 카바이드 나노선; 및상기 텅스텐 카바이드 나노선의 표면 전체 또는 일부분에 형성된 금속 수산화물층;을 포함하는 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체로서,상기 금속 수산화물층은 두께가 3 내지 20 nm이고,상기 금속 수화물층의 로딩량은 상기 기판의 총 기하학적 표면적에 대하여 0.1 내지 10 mg/cm2이고,상기 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체는 XPS 분석 결과, 결합 에너지가 ① 31 내지 32 eV, ② 33.5 내지 34.5 eV, ③ 34.5 내지 35.5 eV 및 ④ 36.5 내지 37.5 eV에서 각각 제1 유효 피크, 제2 유효 피크, 제3 유효 피크 및 제4 유효 피크를 보이고,상기 (제1 유효 피크)/(제2 유효 피크)의 세기(intensity) 비율은 1.09 내지 1.13이고, 상기 (제2 유효 피크)/(제3 유효 피크)의 세기 비율은 2.14 내지 2.29이며, 상기 (제3 유효 피크)/(제4 유효 피크)의 세기 비율은 0.84 내지 1.17이고, 상기 (제1 유효 피크)/(제3 유효 피크)의 세기 비율은 2.33 내지 2.57이고, 상기 (제2 유효 피크)/(제4 유효 피크)의 세기 비율은 1.8 내지 2.67인 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체.

2

제1항에 있어서,상기 기판은 니켈 폼인 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체.

3

제1항에 있어서,상기 텅스텐 카바이드 나노선은 나노와이어, 나노튜브 또는 나노막대 형태인 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체.

4

제1항에 있어서,상기 텅스텐 카바이드 나노선은 평균길이가 50 내지 300 ㎛인 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체.

5

제1항에 있어서,상기 텅스텐 카바이드 나노선은 WC, W2C 또는 이들의 혼합물인 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체.

6

제1항에 있어서,상기 금속 수산화물층은 Ni(OH)2, Co(OH)2 또는 이들의 혼합물인 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체.

7

삭제

8

삭제

9

제1항 내지 제6항 중에서 선택된 어느 한 항의 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체를 포함하는 수소발생반응용 촉매.

10

제9항의 수소발생반응용 촉매를 포함하는 전극.

11

제10항의 전극, 상대전극, 및 전해질 또는 이온화 액체를 포함하는 수소발생장치.

12

기판과 텅스텐 전구체를 투입하여 기판 상에 수직한 방향을 따라 정렬된 복수의 텅스텐 옥사이드 나노선을 성장시키는 단계;상기 텅스텐 옥사이드 나노선 상에 멜라민을 투입하고, 불활성 분위기 하에 열처리하여 텅스텐 옥사이드 나노선을 텅스텐 카바이드 나노선으로 변환시키는 단계; 및상기 텅스텐 카바이드 나노선이 형성된 기판 상에 금속수산화물 전구체를 투입하고, 전기증착하여 상기 텅스텐 카바이드 나노선의 표면 전체 또는 일부분에 금속 수산화물층이 형성된 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체를 형성하는 단계;를 포함하고,상기 금속 수산화물층은 두께가 3 내지 20 nm이고,상기 금속 수화물층의 로딩량은 상기 기판의 총 기하학적 표면적에 대하여 0.1 내지 10 mg/cm2이고,상기 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체는 XPS 분석 결과, 결합 에너지가 ① 31 내지 32 eV, ② 33.5 내지 34.5 eV, ③ 34.5 내지 35.5 eV 및 ④ 36.5 내지 37.5 eV에서 각각 제1 유효 피크, 제2 유효 피크, 제3 유효 피크 및 제4 유효 피크를 보이고,상기 (제1 유효 피크)/(제2 유효 피크)의 세기(intensity) 비율은 1.09 내지 1.13이고, 상기 (제2 유효 피크)/(제3 유효 피크)의 세기 비율은 2.14 내지 2.29이며, 상기 (제3 유효 피크)/(제4 유효 피크)의 세기 비율은 0.84 내지 1.17이고, 상기 (제1 유효 피크)/(제3 유효 피크)의 세기 비율은 2.33 내지 2.57이고, 상기 (제2 유효 피크)/(제4 유효 피크)의 세기 비율은 1.8 내지 2.67인 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체의 제조방법.

13

제12항에 있어서,상기 기판 상에 수직한 방향을 따라 정렬된 복수의 텅스텐 옥사이드 나노선을 성장시키는 단계는 열 증착(thermal Evaporation)법에 의해 수행되는 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체의 제조방법.

14

제13항에 있어서,상기 열 증착법은 15 내지 20 ℃/min의 가열속도로 30분 내지 2 시간 동안 900 내지 1200 ℃까지 가열하여 수행되는 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체의 제조방법.

15

제12항에 있어서,상기 텅스텐 옥사이드 나노선을 텅스텐 카바이드 나노선으로 변환시키는 단계는 열 증착(thermal Evaporation)법, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition) 또는 스퍼터링(Sputtering)법에 의해 열처리가 수행되는 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체의 제조방법.

16

제15항에 있어서,상기 텅스텐 옥사이드 나노선을 텅스텐 카바이드 나노선으로 변환시키는 단계는 화학기상증착법에 의해 수행되고,상기 화학기상증착법은 13 내지 17 ℃/min의 가열속도로 1 내지 5 시간 동안 600 내지 1000 ℃까지 가열하여 수행되는 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체의 제조방법.

17

제12항에 있어서,상기 금속수산화물 전구체는 NiCl2・6H2O, CoCl2・6H2O 또는 이들의 혼합물인 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체의 제조방법.

18

제12항에 있어서,상기 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체를 형성하는 단계는 210 내지 380초 동안 전기 증착법을 수행하는 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체의 제조방법.

19

삭제

20

제12항에 있어서,상기 기판은 니켈 폼이고,상기 기판 상에 수직한 방향을 따라 정렬된 복수의 텅스텐 옥사이드 나노선을 성장시키는 단계는 열 증착법에 의해 수행되고,상기 열 증착법은 17 내지 18 ℃/min의 가열속도로 50분 내지 70분 동안 1040 내지 1060 ℃까지 가열하여 수행되는 것이고,상기 텅스텐 옥사이드 나노선을 텅스텐 카바이드 나노선으로 변환시키는 단계는 화학기상증착법에 의해 수행되고,상기 화학기상증착법은 14.5 내지 15 ℃/min의 가열속도로 2.5 내지 3.5 시간 동안 760 내지 840 ℃까지 가열하여 수행되는 것이고,상기 금속수산화물 전구체는 NiCl2・6H2O이고,상기 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체를 형성하는 단계는 290 내지 310초 동안 전기 증착법을 수행하는 것이고,상기 금속 수산화물층의 로딩량은 상기 기판의 총 기하학적 표면적(geometric surface area)에 대하여 1.3 내지 2.5 mg/cm2이고,상기 텅스텐 카바이드 나노선은 평균길이가 120 내지 180 ㎛인 WC 나노와이어이고,상기 금속 수산화물층은 Ni(OH)2이고,상기 금속 수산화물층은 두께가 5 내지 10 nm인 것인 금속 수산화물층/텅스텐 카바이드 나노선 복합체의 제조방법.