원자층 증착법을 통한 M/TiX 기반 단일원자촉매 제조 방법
A Method For Manufacturing Single Atom Catalysts Based On M/TiX Using Atomic Layer Deposition
특허 요약
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 촉매의 제조방법은, (a) Ti 기반의 (C, N, O-doped titanium) 담지체(support)를 제작하기 위한 열화학적 준비 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)의 결과물을 원자층 증착기법을 위한 장비를 사용, 50 사이클 이하의 과정을 진행하여 담지체 표면 상에 귀금속 단일원자를 증착시키는 단계를 포함한다. 이 경우, 본 발명에 따른 원자층 증착법을 이용한 단일원자 촉매는 이산화탄소 환원 반응, 염소 발생 반응, 산소 발생 반응에 사용할 수 있으며, 귀금속 사용량을 최소화하면서도 우수한 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다.
청구항
번호청구항
1

고성능 전기화학 촉매에 있어서,Ti 필렛(pellet)을 퍼니스(furnace)에 넣고 600℃ 내지 800℃의 온도 범위 내에서 분당 500ml의 유량으로 반응시켜 생성된 TiX 필렛(X=C, O, N)에 대해 주사전자현미경 및 X선 반사측정을 이용하여 생성된 산화물 TiX(X=C, O, N) 담지체; 및원자층 증착기법에 의해 상기 TiX 담지체 상에 증착되는 단일원자;를 포함하고,상기 원자층 증착기법은 상기 단일원자의 귀금속 종류에 따라 해당되는 전구체 물질을 사용하고 상기 전구체 물질의 증발이 일어나는 증착 온도 조건에서 실시되는, 전기화학 촉매.

2

제1항에 있어서,상기 단일원자는 전기화학 활성도가 높은 귀금속 물질인 Au, Ru 및 Ir를 포함하는, 전기화학 촉매.

3

제2항에 있어서,상기 담지체 표면에 금속 원자가 증착될 수 있도록 상기 원자층 증착기법은 상기 Au에 대해 Me2Au(S2CNEt2)를 상기 전구체 물질로 사용하며 220℃이상의 상기 증착 온도 조건에서 실시되는, 전기화학 촉매.

4

제2항에 있어서,상기 담지체 표면에 금속 원자가 증착될 수 있도록 상기 원자층 증착기법은 상기 Ru에 대해 Ru(EtCp)2를 상기 전구체 물질로 사용하며 230℃ 이상의 상기 증착 온도 조건에서 실시되는, 전기화학 촉매.

5

제2항에 있어서,상기 담지체 표면에 금속 원자가 증착될 수 있도록 상기 원자층 증착기법은 상기 Ir에 대핸 Ir(acac)3를 상기 전구체 물질로 사용하며 300℃이상의 상기 증착 온도 조건에서 실시되는, 전기화학 촉매.

6

제2항에 있어서,상기 전기화학 촉매는 상기 TiX 담지체 상에 상기 단일원자가 증착된 M/TiX 형태(M=Au, Ru, Ir, X= C, O, N)의 촉매로 구성되는, 전기화학 촉매.

7

제6항에 있어서,상기 전기화학 촉매는 벌크(bulk) Au 촉매에 비해 귀금속 사용량이 95% 이상 감소되어 이산화탄소 환원 반응 효율을 증가시킨 Au/TiC 단일원자촉매를 포함하는, 전기화학 촉매.

8

제6항에 있어서,상기 전기화학 촉매는 벌크(bulk) Ru 촉매에 비해 염소 발생 반응 효율을 96% 이상 증가시킨Ru/TiO2 단일원자촉매를 포함하는, 전기화학 촉매.

9

제6항에 있어서,상기 전기화학 촉매는 벌크(bulk) Ir 촉매의 산소 발생 반응 효율만큼 산소 발생 반응 효율이 90% 이상이며 귀금속 사용량을 99% 감소시킨 Ir/TiN 단일원자촉매를 포함하는, 전기화학 촉매.

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전기화학 촉매의 제조방법에 있어서,Ti 필렛(pellet)을 퍼니스(furnace)에 넣고 600℃ 내지 800℃의 온도 범위 내에서 분당 500ml의 유량으로 반응시켜 TiX 필렛(X=C, O, N)을 생성하는 단계;상기 TiX 필렛에 대해 주사전자현미경 및 X선 반사측정을 이용하여 산화물 TiX(X=C, O, N) 담지체를 생성하는 단계; 및원자층 증착기법에 의해 상기 TiX 담지체 상에 귀금속 단일원자를 증착시켜 단일원자촉매를 생성하는 단계;를 포함하는, 전기화학 촉매 제조 방법.

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제10항에 있어서,상기 단일원자촉매를 생성하는 단계는 촉매의 반응 효율을 향상시키도록 수소 10vol% (질소 90 vol%) 환원제, NaBH4, 포름산(formic acid) 환원제, 에틸렌글리콜(ethyleneglycol) 환원제, 올레일아민(oleyl amine) 환원제, 올레산(oleic acid) 환원제 및 테트라에틸렌글리콜(tetraethylene glycol) 환원제를 사용하는, 전기화학 촉매 제조 방법.

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제10항에 있어서,상기 전기화학 촉매는 상기 TiX 담지체 상에 상기 단일원자가 증착된 M/TiX 형태(M=Au, Ru, Ir, X= C, O, N)의 촉매로 구성되는, 전기화학 촉매 제조 방법.

13

제12항에 있어서,상기 전기화학 촉매는 벌크(bulk) Au 촉매에 비해 귀금속 사용량이 95% 이상 감소되어 이산화탄소 환원 반응 효율을 증가시킨 Au/TiC 단일원자촉매를 포함하는, 전기화학 촉매 제조 방법.

14

제12항에 있어서,상기 전기화학 촉매는 벌크(bulk) Ru 촉매에 비해 염소 발생 반응 효율을 96% 이상 증가시킨Ru/TiO2 단일원자촉매를 포함하는, 전기화학 촉매 제조 방법.

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제12항에 있어서,상기 전기화학 촉매는 벌크(bulk) Ir 촉매의 산소 발생 반응 효율만큼 산소 발생 반응 효율이 90% 이상이며 귀금속 사용량을 99% 감소시킨 Ir/TiN 단일원자촉매를 포함하는, 전기화학 촉매 제조 방법.

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제12항에 있어서,상기 원자층 증착기법은 상기 귀금속의 종류에 따라 해당되는 전구체 물질을 사용하고 상기 전구체 물질의 증발이 일어나는 증착 온도 조건에서 실시되는, 전기화학 촉매 제조 방법.