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기 술 명
저가의 전이금속을 포함하는 나노섬유를 이용한 연료전지용 전이금속―탄소나노섬유 촉매 및 이의 제조방법
연 구 자
이재영(환경공학부)
등록번호
10-1314578-00-00
출원번호
10-2010-0119866
문 의 처
문희곤062-715-3077hgmoon@gist.ac.kr
발명정보

본 발명은 저가의 전이금속만을 포함하는 나노섬유를 이용한 연료전지용 전이금속-탄소나노섬유 촉매에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전이금속 및 폴리머 전구체를 포함한 용매를 전기방사법에 의해 나노섬유를 제조한 후, 산화안정화 및 탄소화 공정을 거쳐 제조된 전이금속을 포함하는 탄소나노섬유 촉매에 관한 것이다. 이를 통해 나노섬유 표면의 작용기를 효과적으로 개질시킴으로써 촉매능을 향상시킬 수 있고, 효과적으로 크기 및 두께를 조절하여 제조된 촉매 그대로 전극형태로 활용이 가능하며, 제조된 형상에 따라 볼밀 또는 초음파 분쇄 등의 미립화 공정을 추가하여 촉매로 사용할 수 있다. 상기 제조된 촉매는 백금을 비롯한 고가의 귀금속 촉매 전구체 및 환원제를 사용하지 않고 비교적 간단한 전기방사 및 열처리 공정을 활용하여 대용량으로 촉매를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 알칼리 분위기에서 산소환원반응에 대해 백금촉매에 견줄만한 전극활성 및 내구성을 보여줌으로써 가격경쟁력이 향상된 알칼리 연료전지 산소환원촉매 제조방법을 제공할 수 있다.

발명효과

본 발명에 따른 전이금속을 포함하는 나노섬유를 이용한 탄소나노섬유 촉매 및 이의 제조방법에 따르면, 나노섬유 표면의 작용기를 효과적으로 개질시킴으로써 촉매능을 향상시킬 수 있고, 또한 효과적으로 크기 및 두께를 조절하여 제조된 촉매 그대로 전극형태로 활용이 가능하며, 또한 제조된 형상에 따라 볼밀 또는 초음파 분쇄 등의 미립화 공정을 추가하여 촉매로 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 전이금속-탄소나노섬유 촉매는 백금을 비롯한 고가의 귀금속 촉매 전구체 및 환원제를 사용하지 않고 비교적 간단한 전기방사 및 열처리 공정을 활용하여 대용량으로 촉매를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 알칼리 분위기에서 산소환원반응에 대해 백금촉매에 견줄만한 전극활성 및 내구성을 보여줌으로써 가격경쟁력이 향상된 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 전이금속-탄소나노섬유 촉매 및 이의 제조방법에 따르면, 활성화 공정을 통해 비표면적을 증대시킬 수 있고, 암모니아를 이용한 질소 도핑을 통해 촉매활성과 안정성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 탄화수소를 이용한 CVD(Chemical Vapor Deoposition)를 통해 수 나노에서 수십 나노 굵기의 전이금속을 포함하는 고전기전도성 탄소 섬유가 가지처럼 뻗쳐있는 구조를 제조할 수 있는데, 이 구조는 비표면적과 촉매 이용률 그리고 촉매 전극의 전기전도도를 향상시키는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 전이금속-탄소나노섬유 촉매 및 이의 제조방법에 따르면, 볼밀 또는 초음파 분쇄 등으로 미립화하여 미세분말 형태의 촉매로 제조할 수 있으며, 이러한 형태의 촉매는 스프레이, 브러쉬, 슬러리법 등과 같은 방법을 통해 기체확산층(Gas diffusion layer)에 가압 코팅하여, 촉매 이용률이 높고 반응물의 공급이 용이한 전극 촉매층을 제조함으로써 우수한 성능을 발휘하는 연료전지 전극을 제조하는데 이용될 수 있다. 뿐만 아니라, 전기방사 및 열처리공정 즉, 비교적 간단하고 재료의 대량생산이 가능한 공정을 적용하여 생산단가를 절감할 수 있는 효과가 있다. 본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

대표청구항

(1) 유기용매에 고분자 전구체를 혼합하여 고분자 전구체 혼합물을 제조하는 단계; (2) 상기 고분자 전구체 혼합물에 전이금속 전구체를 혼합하여 방사용액을 제조하는 단계; (3) 상기 방사용액을 전기방사시켜 전이금속-나노섬유를 제조하는 단계; (4) 상기 전이금속-나노섬유를 안정화시켜 중간 전이금속-나노섬유를 얻는 단계; 및 (5) 상기 중간 전이금속-나노섬유를 탄소화처리하여 전이금속-탄소나노섬유 촉매를 수득하는 단계 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전이금속-탄소나노섬유 촉매의 제조방법으로서; (6) 상기 전이금속-탄소나노섬유 촉매를 암모니아 분위기에서 700-1500 ℃에서 1-3 시간 동안 가열하여 질소원자로 개질하고, 여기에 탄화수소를 첨가하여 탄화수소 분위기 하에서 700-1500 ℃에서 1-3 시간 동안 가열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전이금속-탄소나노섬유 촉매의 제조방법.