이리듐 루테늄 기반 수전해용 산화극 촉매와 그 제조방법 및 이를 이용한 수전해 장치
Iridium ruthenium-based oxidizing electrocatalysts and manufacturing methods thereof, and water electrolyzer
특허 요약
본 발명은 귀금속, 특히 이리듐과 루테늄의 로딩량을 낮추면서도 우수한 촉매 활성을 나타내고 소량의 도펀트를 도입하여 촉매 내 이리듐과 루테늄의 조성 분포에 변화를 준 이리듐 루테늄 기반 수전해용 산화극 촉매와 그 제조방법 및 이를 이용하는 수전해 장치에 관한 것으로서, 전이금속 원소의 도펀트를 도입하여 전구체의 환원 속도 조절을 통한 공동 돌기 구조를 가지는 헤테로 구조를 구현하되 입자 내 이리듐과 루테늄의 서로 다른 상이 인접해 있도록 구성함으로써 우수한 촉매 활성과 안정성을 나타내고 OER(산소발생반응)을 촉진 및 성능을 높일 수 있으며 산성(酸性; acidic) 환경에서의 OER에 대한 전기 촉매적 고효율과 고안정성을 갖게 하는 이리듐 루테늄 기반의 수전해용 산화극 촉매와 그 제조방법 및 이를 이용하는 수전해 장치를 제안한다.
청구항
번호청구항
16

제 15항에 있어서,상기 구리계 금속황화물은,Cu2S, Cu1.94S, Cu1.8S, Cu1.75S 중에서 어느 하나의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매 제조방법.

1

입자 내 서로 다른 상이 인접해 있는 헤테로 구조를 갖되, 상기 입자 내 서로 다른 상은 이리듐과 루테늄이며,금속황화물(MxS)이 전구체로 사용되어 합성되고, 전이금속 원소가 도펀트로 도입되고,상기 금속황화물(MxS)는 구리황화물을 포함하고,상기 전이금속 원소는 Mn, Fe, Ni 및 Co 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매.

2

제 1항에 있어서,상기 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매는,나노 선인장 모양의 나노입자를 갖는 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매.

3

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4

제 1항에 있어서,외형이 나노 육각판 또는 팔면체 형태이고, 결정이 면심 입방 구조(Face Centered Cubic lattice; FCC) 또는 조밀 육방 격자 구조(Hexagonal Close Packed lattice; HCP)인 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매.

5

제 1항에 있어서,상기 금속황화물(MxS)은,Cu2S, Cu1.94S, Cu1.8S, Cu1.75S 중에서 선택된 하나 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매.

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7

전이금속 원소를 도펀트로 도입하여 전구체의 환원 속도 조절을 통해 합성되는 입자 내 서로 다른 상이 인접해 있는 헤테로 구조를 갖도록 제조하되,입자 내 서로 다른 상은 이리듐과 루테늄이고,상기 전구체는 구리황화물을 포함하고,상기 전이금속 원소는 Mn, Fe, Ni 및 Co 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매 제조방법.

8

(A) 헤테로 구조를 갖는 나노입자의 합성에 사용하기 위한 전구체를 구비하는 단계;(B) 전구체와 전이금속 원소를 도펀트로 사용한 합성을 통해 헤테로 구조를 갖는 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매를 제조하는 단계; 를 포함하고,상기 전구체는 구리황화물을 포함하고,상기 전이금속 원소는 Mn, Fe, Ni 및 Co 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매 제조방법.

9

제 8항에 있어서,(C) (B)단계의 결과물을 분말화하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매 제조방법.

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11

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12

제 7항 또는 8항에 있어서,상기 구리황화물은,M이 전이금속 양이온이고, S는 황 음이온이며,외형이 나노 육각판 또는 팔면체 형태이고, 결정이 면심 입방 구조(Face Centered Cubic lattice; FCC) 또는 조밀 육방 격자 구조(Hexagonal Close Packed lattice; HCP)인 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매 제조방법.

13

제 7항 또는 8항에 있어서,상기 구리황화물은,Cu2S, Cu1.94S, Cu1.8S, Cu1.75S 중에서 선택된 하나 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매 제조방법.

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15

제 8항에 있어서,상기 (A)단계에서는,(1) 사이아나이드화 구리(CuSCN)를 올레일아민(oleylamine)에 녹이는 단계;(2) (1)단계의 결과물을 아르곤 분위기 및 120150℃의 온도 조건에서 2040분 동안 반응시켜 구리계 금속황화물을 합성하는 단계;(3) (2)단계의 결과물인 합성된 구리계 금속황화물에 톨루엔과 메탄올을 추가한 후 원심분리를 이용하여 구리계 금속황화물을 가라앉히는 단계;(4) (3)단계의 결과물로부터 상등액을 버린 후 가라앉은 입자를 건조시켜 분말로 제조하는 단계; 로 전구체를 합성하여 구비하는 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매 제조방법.

17

제 8항에 있어서,상기 (B)단계에서는,(1) 금속황화물(MxS), ruthenium acetylacetonate, iridium acetylacetonate, 전이금속물을 올레일아민(oleylamine)과 함께 반응용기에 넣는 단계;(2) (1)단계의 결과물을 진공 분위기 및 7090℃의 온도 조건에서 교반시키는 단계;(3) (2)단계의 결과물을 아르곤 분위기 및 220260℃의 온도 조건에서 40~60분 동안 반응시켜 전이금속이 도핑된 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매를 얻어내는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매 제조방법.

18

제 17항에 있어서,상기 금속황화물(MxS) : ruthenium acetylacetonate : iridium acetylacetonate : 전이금속물 = 0.51 : 715 : 1.54 : 0.10.3의 중량비로 첨가되는 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매 제조방법.

19

제 17항에 있어서,상기 (1)에서의 전이금속물은,manganese acetylacetonate, iron acetylacetonate, nickel acetylacetonate, cobalt acetylacetonate, zinc acetylacetonate 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수전해용 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매 제조방법.

20

청구항 1, 2, 4, 및 5 중 어느 한 항에 의한 이리듐 루테늄 기반 수전해용 산화극 촉매로 제작한 산소발생전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 장치.

21

청구항 7 또는 청구항 8에 의한 이리듐 루테늄 기반 산화극 촉매 제조방법에 의해 제조되는 산화극 촉매로 제작한 산소발생전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 장치.