KR100251294B1 - 염기성 금속 산화물 담지 철족 전이 금속 촉매를 이용한 미세 탄소 섬유의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 저가의 저 표면적 담체를 사용하여 다량의 철족 전이 금속을 미세하게 담지시켜, 높은 수율로 고 표면적인 미세 탄소 섬유를 저온에서 제조 할 수 있는 촉매를 제공하는 것이다. 아울러, 제조된 미세 탄소 섬유 용도의 제한을 두지 않기 위해 미세 탄소 섬유상에 잔류되어 있는 촉매를 제거하는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 이러한 촉매를 이용하여 산업상 유용한 미세 탄소 섬유를 제조하는 방법을 제공한다.

Description

염기성 금속 산화물 담지 철족 전이 급속 촉매를 이용한 미세 탄소 섬유의 제조 방법

본 발명은 염기성 금속산화물 담지 철족 전이금속 촉매 및 이러한 담지촉매에 의한 미세 탄소섬유의 제조 방법에 관한 것이다.

플라스틱 및 고무는 우리 생활의 여러 분야에 광범위하게 이용되고 있으나 그 특성상 전기 전도성을 나타내지 않는다. 이를 위해 전도도를 가진 물질을 플라스틱및 고무에 혼입하여 전도성을 향상시켜, 전자파 차폐제, 대전방지 물질 등으로 이용하는데, 이 경우에 가장 많이 사용되는 물질이 카본블랙이다. 카본 블랙을 수지에 혼입할 경우 어느 정도의 함량에서 전도도가 급격히 증가하는데 이 함량을 퍼코레인션 포인트(percoration point)라 하며, 이 퍼코레인션 포인트는 카본 블랙의 표면적이 클 경우 작아진다. 따라서, 고가의 XE-2, Ketjen Black과 같은 표면적이 큰 고전도성 카본블랙을 사용한다. 그러나, 어스팩트비가 큰 미세탄소 섬유를 사용하면, 구형의 입자가 포도송이 형태로 응집된 카본블랙에 비해 적은 양을 사용하면서도 전도도의 향상을 가져오게 되어 퍼코레이션 포인트가 낮아지므로 이러한 미세 탄소 섬유를 개발하려는 시도가 행해지고 있다.

필라멘트 카본이라고도 불리우는 미세 탄소 섬유는 일산화탄소 또는 탄화수소 분위기하에서 철 또는 철의 합금 재질의 반응기에서 탄소의 증착으로 인한 부식 발생이 문제가 됨에 따라 널리 알려지게 된 물질로(Corrosion, 1959, 15, 627), 담지 금속 촉매의 탄소에 의한 비활성화와 같은 산업상 중요한 응용 가능성에 따라 석유의 열분해 반응, 수첨반응과 관련하여 많은 연구가 진행되어 왔다. 그리고 미세 탄소섬유의 산업상 이용과 관련하여 제조 방법, 형성과정의 반응기구 이해에 대한 연구도 1970년대 이후 활발하게 진행되어왔다(Chem. Phys. Carbon. 1978, 14, 83;Appl. Phys. Lett. 1983, 42, 616; Ind. Eng. Chem. Res. 1994, 33, 1363).

철을 600℃정도에서 일산화탄소, 메탄 등에 노출시켜 50∼100nm 직경의 내 부가 비거나 또는 채워진 미세 탄소 섬유를 얻거나, 철을 1100℃에서 벤젠에 노출시켜 2∼50nm 직경의 내부가 빈 미세 탄소 섬유를 얻거나(J. Cryst. Growth, 1976, 32, 335), 실리카 등에 담지된 철-니켈막을 800℃ 에서 아세틸렌과 반응시켜 직경 5∼300nm, 길이 0.1∼100nm인 미세 탄소 섬유를 얻거나(J. Catal. 1980, 64, 464), 니켈막을 600℃에서 아세틸렌에 노출시켜 직경 30nm, 길이 500∼1100nm인 미세 탄소 섬유를 철, 니켈, 코발트 등의 금속촉매와 탄화수소를 고온에서 반응시켜 형성 할수 있음이 잘 알려져 있다(J. Mater. Res. 1993, 8, 3233, Carbon, 1989, 27, 315). 또한, 미세 탄소 섬유와 유사한 형상 및 구조를 지닌 기상증착법에 의해 주로 생성되는 카본 휘스커(J. Chem. Eng. Japan, 25, 450), 직류방전법에 의해 상성되는 카본나노튜브(Mat. Sci. Eng, 1993, B19, 172)에 관한 연구도 꾸준히 진행되어 왔다.

이러한 물질의 상업적인 생산과 관련해서는 100㎡/g 정도의 고표면적 알루미나 담체를 사용하여 철족 전이 금속을 미세하게 분산시킨 후 이를 환원 분위기에서 처리하고, 에틸렌 및 기타 탄화수소와 850∼1200℃ 정도의 고온에서 접촉시켜 미세 탄소 섬유를 얻는 방법(미합중국 특허 제 4,662,330 호)와 철족의 유기금속 화합물과 탄화수소 화함물을 1100℃고온의 영역을 지나가게 하면서 카본 휘스커를 얻는 방법(JP 소62-49363)등에 의해 제조되고 있다. 전자의 경우 표면적이 큰 미세 탄소섬유를 높은 수율로 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 철족 전이 금속을 미세하게 분산시키기 위한 고가의 고표면적 담체가 요구된다는 단점과 탄소 성분 이외의 불순물인 알루미나 및 철을 제거하기가 용이하지 않아 용도에 제한이 있다. 반면, 후자의 경우 고순도의 결정성이 좋은 카본 휘스커를 얻기에는 용이하지만, 수율이 낮고, 표면적을 얻을 수 없다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 저가의 저 표면적 담체를 사용하여 다량의 철족 전이 금속을 미세하게 담지시켜, 높은 수율로 고 표면적의 미세 탄소 섬유를 저온에서 제조 할 수 있는 촉매를 제공하는 것이다. 아울러, 제조된 미세 탄소 섬유 용도 제한을 두지 않기 위해 미세 탄소 섬유상에 잔류되어 있는 촉매를 제거하는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 이러한 촉매를 이용하여 산업상 유용한 미세 탄소 섬유를 제조하는 방법을 제공한다.

제1도는 미세 탄소 섬유 제조에 쓰이는 장치의 개략도.

제2도는 미세 탄소 섬유 제조에 쓰이는 촉매의 건조, 환원 후의 X선 회절 스펙트럼이다.

제3도는 미세 탄소 섬유의 투과전자 현미경 사진이다.

제4도는 분무 건조 방법으로 제조한 철족 전이 급속 담지 촉매를 이용하여 제조된 미세 탄소 섬유 응집제의 주사 전자현미경 사진이다.

제5도는 1차 정제 미세 탄소 섬유의 열처리(1500℃) 전, 후의 공기하에서의 열분석 스펙트럼이다.

본 발명은 염기성 금속 산화물의 수중 분산액에 철족 전이 금속염과 IA 또는 ⅢA족 금속염의 수용액을 pH=6∼10이 유지되도록 가하여 반응시켜 형성된 화합물 슬러리를 건조시키고 공기중에서 소성시킴을 특징으로 하는 미세 탄소 섬유 제조용 담지 촉매의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 염기성 금속 산화물의 수중 분산액에 철족 전이 금속염과 IA 또는 ⅢA족 금속염의 수용액을 pH=6∼10이 유지되도록 가하여 반응을 통해 형성된 화합물 슬러리를 건조시키고 공기중에서 소성시켜 제조되어지는 촉매를 탄소 공급원과 접촉시킴을 특징으로 하는 미세 탄소 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 탄소 공급원을 전이 급속 촉매와 접촉시켜 미세 탄소 섬유를 제조함에 있어서, 미세 탄소 섬유내에 잔류하는 촉매를 제거하기 위해 산으로 세척하여 어스펙트비 100∼10000, 직경 10∼100㎛, 내경이 직경의 1/3∼2/3인 미세 탄소 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 전술한 방법에 의해 제조된 미세 탄소섬유 제조용 담지촉매 및 미세 탄소섬유에 관한 것이다.

이하 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

미세탄소 섬유의 형성과정은 탄화수소가 전이 금속 입자의 표면에 흡착, 분해하여 생성된 탄소원자가 금속 입자를 통해 전이 금속 입자의 반대편으로 확산하여 이루어지는 것으로, 미세 탄소섬유 생성 반응 시점에서 전이 금속 입자의 크기가 중요하다. 미세하게 분산된 전이 금속 입자를 얻기 위해서는 일차적으로 담체가 중요하다. 담체 그 자체는 반응에 참여하지 않지만, 촉매인 철족 금속을 미세한 입자로 분산시켜 직경이 작은 고 표면적의 미세 탄소 섬유를 제조하는데 있어 담체가 중요한 역할을 한다.

알루미나를 담체로하여 탄소 섬유를 제조할 경우 산성 산화물인 알루미나가 제거되지 않고 미세 탄소 섬유상에 불순물로 남는 것을 방지하기 위해서, 본 발명에서는 알루미나 대신에 묽은 산에서도 쉽게 제거되는 염기성 금속 산화물인 마그네시아, 칼시아, 수산화 마그네슘, 수산화 칼슘 등을 사용하여 미세 탄소 섬유를 제조하는 방법을 제공한다 염기성 금속 산화물은 탄산마그네슘, 탄산칼슘 등을 열처리하여 얻은 것을 사용할 수도 있다. 그리고, 촉매를 미세한 입자로 분산시키기 위해 필요한 고 표면적의 담체를 제공하기 위해, 염기성 금속 산화물에 철족 전이 금속을 단지 담지시키는 것이 아니라 염기 성 금속 산화물에 산성인 철족 전이금속염 용액을 가하여 반응을 일으켜 화합물을 형성하고, 이를 건조, 소성, 환원 과정을 통해 저 표면적의 염기성 산화물 담체에 철족 전이 금속이 미세하게 분산된 고 표면적의 담지 촉매를 제조하는 방법을 사용함으로써, 담체에 일반적으로 요구되는 사항인 고 표면적을 값싼 저 표면적의 염기성 금속 산화물을 이용하여 해결한다. 또한, 염기성 금속산화물은 탈 수소화 반응의 촉매로 사용되므로 지지체로 염기성 산화물을 사용할 경우 탄화수소에서 생성되는 수소가 수 nm의 전이 금속 산화물을 미세 탄소 섬유의 형성반응에 필요한 활성입자, 즉 전이금속으로 용이하게 환원시키므로 별도의 환원과정 없이 미세 탄소섬유의 저온 제조를 가능하게 한다.

위와 같은 세가지의 주요한 특성을 지닌 마그네시아를 비롯한 염기성 금속 산화물 담체를 액상에 분산시킨 후, 철, 니켈, 코발트 등의 철족 전이 금속과 리튬, 나트륨, 칼륨의 IA족 금속염 또는 알루미늄의 ⅢA족 금속염의 혼합 수용액을 형성하고 이를 공기 분위기에서 건조하여 소성시키고, 수소 분위기에서 환원하는 과정을 거쳐, 철족 전이 금속이 미세하게 분산된 고 표면적의 담지 촉매를 얻는다. 이 때, 염기성 금속산화물의 분산액에 철족 전이 금속염과 IA족 또는 ⅢA족 금속염의 혼합 용액을 천천히 가하여, pH를 6∼10내에서 유지되도록 한다. 철족 전이 금속염으로는 질산염, 염화염, 황산염 등을 사용할 수 있다. 그리고, 염기성 금속 산화물의 수중 분산시간, 혼합 금속용액의 혼입시간, 혼합 금속용액 혼입후 교반 시간을 조절하여 고 표면적의 담지 촉매가 형성되도록 한다.

한편, 형성되는 미세 탄소섬유의 직경은 주로 담지 촉매상의 분산된 철족전이 금속 입자의 크기에 관계되므로, 담지체에 분산된 철족 전이 금속 입자의 크기를 조절하기 위해서 IA족, ⅢA족 원소의 사용, 철족 전이 금속의 함량 조절, 소성 및 환원 조건을 조절한다. 담지 촉매는 염기성 금속 산화물 1몰당 철족 전이 금속 0.02몰∼0.4몰, IA족, ⅢA족 원소 0.005∼0.1몰을 함유한다. 그리고, 이와같은 방법으로 제조된 촉매를 이용하여 도 1과 같은 반응로를 이용하여 500∼700℃사이의 저온에서 촉매를 이용하여 C4 성분의 Raffinate Ⅱ과 접촉, 분해 반응시켜 내부가 비어있거나, 비 흑연상으로 채워져 있는 어스펙트비 100∼1000, 직경 10∼100nm, 내경이 직경의 1/3∼2/3 정도이고 탄소함량이 80∼99wt.%인 고표면적의 미세 탄소섬유를 제조한다.

형성된 미세탄소의 표면적은 60∼500㎡/g인데, 통상 고표면적의 미세탄소는 150㎡/g 이상의 표면적을 가지므로 이 이상의 표면적을 가지는 탄소섬유를 수지에 혼합시키면 기존의 고 전도성 카본 블랙의 전도성을 가지게 된다. 탄화수소류와 반응시키는 철족 전이 금속 카본블랙의 전도성을 가지게 된다. 탄화수소류와 반응시키는 철족 전이 금속 담지촉매로는 건조 촉매를 400∼600℃ 온도 영역에서 공기하에 소성한 소성촉매를 직접 이용하기도 하고, 소성후 400∼600℃ 온도 영역에서 수소하에 별도의 환원과정을 거친 환원 촉매를 이용하기도 한다. 이때, 탄소원인 탄화수소의 기체분자가 촉매표면, 즉 철족 전이금속 표면과의 반응을 통한 흡착, 분해 과정을 거쳐 미세 탄소 섬유가 형성되는데, 이 과정에서 탄화수소 기체분자 끼리의 충돌에 의해 분해 반응이 많아지면, 촉매인 철족 전이금속이 비흑연상 탄소로 덮어져 미세 탄소 섬유로의 성장이 이루어지지 않거나, 타르를 형성하게 된다.

이러한 부반응을 줄이기 위해서는 미세 탄소 섬유 제조반응의 온도를 반응기체의 열분해 온도 이하에서 행하여야 한다고 알려져 있다(미국 특허 제 4,663,230호, 유럽특허 공개 번호 제 56004호). RaffinateⅡ의 경우 500℃ 정도에서 열분해가 일어나지만 600℃ 에서도 부반응 없으나, 표면적이 적을 경우에는 500℃ 에서도 고표면적의 미세 탄소 섬유 형성 없이 부반응만이 주로 일어남을 확인할 수 있었다. 본 발명자들은, 탄소수류와 흡착, 분해반응이 시작되는 시점에서 담지체에 분산된 철촉 전이 금속 입자의 크기가 고표면적의 미세 탄소 섬유 형성 반응의 주요 인자임을 알 수 있었다. 반응시점에서의 절촉 전이 금속의 크기를 측정한다는 것은 어려운 문제이므로 반응에 사용되는 소성촉매 또는 환원 촉매의 표면적을 측정하여 간접적 기준으로 이용하였다. 본 발명에 이용되는 염기성 금속 산화물의 표면적은 0.5∼20㎡/g, 부반응 없이 고표면적의 미세 탄소 섬유를 제조하는데 사용되는 소성촉매의 표면적은 80∼200㎡/g 환원 촉매의 표면적은 40∼90㎡/g이다. 또한, 탄소원의 유량조절과 함께 반응로 내의 압력을 주요 반응 조절 변수로 이용한다. 그리고 이와같이 부반응 없이 고 표면적의 미세탄소가 형성되는 경우, 탄소원의 미세 탄소 섬유로의 전환율은 20∼70%이다.

제조된 미세 탄소 섬유는 제조과정에서 미세 탄소 섬유의 응집체를 형성하게 되는데, 이러한 미세 탄소 섬유의 응집체의 형태는 응용 물성 및 작업성, 제품 관리 등 여러 측면에 영향을 미치게 된다. 미세 탄소 섬유의 응집 형태는 주로 미세 탄소 섬유 제조용 촉매의 건조 방법과 분쇄 방법에 영향을 받는다. 반응을 통해 형성된 촉매 화합물의 슬러리를 원심 분리기를 이용하여 분리하고 이를 건조후, 볼 분쇄하여 건조 촉매를 얻을 경우, 촉매 응집체는 1∼100㎛의 불규칙한 형태를 가지게 된다. 이러한 형태의 촉매를 이용하여 미세 탄소 섬유를 제조할 경우, 미세 탄소 섬유는 1∼500㎛의 불규칙한 덩어리를 형성하게 된다. 반면, 반응을 통해 형성된 촉매화합물의 슬러리를 분무 건조기를 이용하여 미분의 건조 촉매를 제조할 경우, 이렇게 제조된 건조 촉매는 10∼100㎛의 구형 응집체를 형성하여 미세탄소 섬유가 30∼500㎛직경의 구형의 덩어리를 형성하게 된다.

그리고, 미세 탄소섬유의 고순도화를 위해 묽은 산, 예를 들면, 초산용액을 이용하여 염기성 금속산화물과 철족 전이 금속을 제거한다. 이 과정에서 발생한 초산, 염기성 금속, 철족 전이금속, IA족 또는 ⅢA족 원소가 함유된 여과액은 담지 촉매의 제조에 이용된다. 구체적으로 염기성 금속, 철족 전이금속, IA족 또는 ⅢA족 원소의 조성비가 유지되도록 여과액에 염기성 금속염, 철족 전이 금속염, IA족염, 또는 ⅢA족염을 가한 혼합 금속염 용액을 회전 증류 방법으로 건조하여 담지 촉매를 제조하거나, 수산화나트륨, 수산화칼륨과 같은 수산화 알칼리금속 수용액이나 암모니아수를 가하여 공침시키고 여과한 후 건조시켜 담지촉매를 제조한다. 아울러 염기성 금속, 철족 전이금속염, IA족 또는 ⅢA족원소의 조성비가 유지되도록 여과액을 제조하고 이를 염기성 금속산화물의 분산액에 가하여 반응을 통해 담지촉매를 제조하는 방법으로 미세 탄소섬유의 1차 정제시 발생한 여과액을 이용한다.

한편, 초산에 의해 완전히 제거되지 않는 미량의 철족 전이 금속의 제거 또는 미세 탄소 섬유의 물성 변화를 위해 질소 및 아르곤 분위기하에서 1500℃이상, 바람직하게는 1800℃이상의 온도로 열처리한다.

본 발명에 따르면, 상기와 같이 제조된 담지 촉매를 탄소공급원과 접촉시켜 미세 탄소섬유를 제조한다. 탄소 공급원으로 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부텐, 이소부텐, t-부텐, 사이클로헥산, 노말헥산, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 이들의 혼합물 또는 납사 열분해 공정에서 생성되는 C₄성분의 라피네이트(Raffinate)Ⅱ를 사용한다.

본 발명에 의해 제조된 미세 탄소 섬유는 전도성을 부여하기 위한 첨가제, 전지 및 전자재료용 소재 등에 유용하게 사용될 수 있다

[실시예 1]

표면적 3.5㎡/g 의 마그네시아 100g을 0.76리터의 증류수에 가한 후 상온에서 10분간 교반하고, 여기에 질산알루미늄 수화물 18.6g과 질산철 수화물 181g을 증류수 334g에 녹여 만든 용액을 30분 동안에 걸쳐 가하고 20분간 더 교반하였다. 이러한 반응 슬러리를 원심 분리법을 이용하여 세척하고 100℃오븐에서 24시간 건조한 후에 알루미나 볼을 이용하여 2시간 볼밀하여 건조 촉매를 얻었다. 그리고, 이 건조 촉매를 파이렉스 용기에 담고, 염기성 용액의 트랩(trap)하에 튜브 가열로(tube furnace)에서 공기 분위기하에 500℃, 0.2시간 소성하여 소성 촉매 α를 제조하였다. 아울러, 상기 촉매제조 과정 가운데, 마그네시아의 교반 시간을 10분에서 240분으로 증가시킨 방법으로 소성 촉매를 β를 제조하고, 전이 금속화합물 수용액의 첨가시간을 30분에서 180분으로 증가시키는 방법으로 소성 촉매 γ를 제조하고, 전이 금속화합물 수용액의 첨가후 교반시간을 20분에서 300분으로 증가시키는 방법으로 소성 촉매 δ를 제조하였다. 이렇게 제조된 소성 촉매 α, β, γ, δ의 표면적은 각각 153㎡/g, 150㎡/g, 154㎡/g, 146㎡/g 이었다.

[실시예 2]

표면적 3.5㎡/g의 마그네시아 300g을 1리터의 증류수에 가한 후 상온에서 10분간 교반하고, 여기에 질산알루미늄 수화물 55.8g과 질산철 수화물 542.4g을 증류수에 녹여 만든 1리터의 용액을 20분 동안에 걸쳐 가하고 60분간 더 교반하였다. 이러한 반응 슬러리를 원심 분리법을 이용하여 세척하고 100℃오븐에서 24시간 건조한 후에 테프론 불을 이용하여 2시간 볼밀하여 건조 촉매를 얻었다. 그리고, 이 건조 촉매를 파이렉스 용기에 담고, 염기성 용액의 트립하에 튜브 가열로에서 공기 분위기하에 500℃, 3시간 소성하여 소성 촉매를 제조하고 다시 이를 그라포일^TM용기에 담고 석영튜브 반응로에서 수소 분위기하게 3시간 환원하여 환원 촉매를 얻었다. 이 때 얻어진 소성 촉매, 환원 촉매의 질소 흡착에 의한 표면적은 104㎡/g, 50㎡/g, 건조촉매, 환원촉매의 X선 회절 스펙트럼은 도 2와 같다.

[실시예 3]

실시예 2에서 제조된 환원 촉매 14g 을 도 1과 같이 두 층으로 나누어진 그라포일 용기에 담고 이를 석영튜브(quartz tube) 반응로에 넣은 후에 질소 분위기하에서 600℃까지 분당 20℃으로 승온하고, 600℃ 도달 시점에서 RaffinateⅡ가스를 분당 0.9 리터로 흘려주고 200 간 반응하여 미세 탄소섬유 177g을 얻었다. 이 때 얻어진 미세 탄소 섬유의 형상은 도 3과 같으며, 질소 흡착에 의해 측정한 표면적은 310㎡/g, X선 회절법에 의해 구한 격자상수 Ac는 0.344nm, Sherrer 식에 의해 구한 C방향의 층두께는 2.8nm이고, 투사 전자현미경에 의해 구한 직경은 15nm, 벌크밀도는 0.085g/㎖, 진밀도는 1.78g/㎖이었다.

[실시예 4]

마그네시아 5.91kg을 45kg의 증류수에 가한 후 상온에서 10분간 교반하고, 여기에 질산알루미늄 수화물 2.2kg과 질산철 수화물 21.37kg을 증류수 395kg에 녹여 만든 수용액을 30분 동안에 걸쳐 가하고 20분간 더 교반하였다. 이러한 반응 슬러리를 약 30분간 방치한 후 상등액 14리터를 제거하고 교반을 행하면서 분무건조를 행하였다. 분무 건조기는주식회사동진기연의 회전식 분무건조기로 atomizer의 rpm은 11000이며 온도는 180℃이었고, 반응 슬러리는 분당 50g씩 정량 펌프로 가하였다. 이러한 방법으로 직경 60∼80㎛의 구형 응집제인 건조촉매를 얻었고, 이를 공기 분위기하에 450℃ 온도에서 소성하여 소성촉매를 제조하였다. 그리고 도 1과 같은 반응로에서 상기와 같은 방법으로 얻어진 소성촉매 14g을 반응온도 520℃에서, RaffinateⅡ를 유량 0.95ℓ/min로 가하며 3시간 반응하여 미세 탄소섬유 140g을 얻었다. 이때, 얻어진 미세 탄소섬유는 도 4와 같이 구형의 응집제 형태였다.

[실시예 5]

탄소 함유량이 91/5wt%인 메세 탄소 섬유 100g을, 초산 42.5㎖을 가한 상온의 2리터 수용액에 분산시킨 뒤 2시간 교반하였다. 그리고, 이것을 여과하고 메탄올로 씻은 다음 100℃ 오븐에서 24시간 건조하여, 1차 정제된 미세 탄소 섬유를 얻었는데, 표면적은 328㎡/g, 공기하의 열분석법으로 구한 탄소섬유량은 99.2wt%이다. 한편 이렇게 얻은 1차 정제 미세 탄소섬유를 아르곤 가스 분위기에서 1500℃, 2300℃, 3000℃에서 30분 열처리하였는데, 이 경우 물성변화는 아래의 표와 같으며, 1차 정제, 1500℃ 열처리시료의 공기분위기하의 열분석 스펙트럼은 도 5와 같았다.

[실시예 6]

표면적 3.5㎡/g의 마그네시아 100g을 0.76 리터의 증류수에 가한 후 상온에서 10분간 교반하고, 여기에 질산알루미늄 수화물 18.6g과 질산철 수화물 181g을 미세 탄소 섬유를 1차 정제하는 과정에서 얻어진 아세테이트 14wt.%, 마그네시아 0.24wt%, 철 0.12wt.%, 알루미늄 65ppm 함유의 여과액(filtrate) 400g에 녹여 만든 용액을 30분 동안 가하고 20분간 더 교반하였다. 이러한 반응 슬러리를 원심 분리법을 이용하여 상등액을 분리하고, 침강물을 100℃오븐에서 24시간 건조한 후에 알루미나 볼을 이용하여 2시간 볼 분쇄하여 건조 촉매를 얻었다. 그리고, 이 건조 촉매를 파이렉스 용기에 담고, 염기성 용액의 트립하에 튜브 가열로에서 공기 분위기하에 500℃, 0.2시간 소성하여 소성 촉매를 제조하였다. 그리고, 이러한 소성 촉매 14g을 도 1과 같이 두 층으로 나누어진 그라포일 용기(grafoil crucible) 에 담고 이를 석영튜브 반응로에 넣은 후에 질소 분위기하에서 520℃ 까지 분당 20℃로 승온하고, 520℃ 도달 시점에서 RaffinateⅡ 가스를 분당 0.96 리터로 흘려 주고 155분간 반응하여 미세 탄소 섬유 173g을 얻었다.

[실시예 7]

표면적 19.4㎡/g의 마그네시아 5g을 10㎖의 증류수에 분산시킨 후 여기에 0.3몰농도의 질산철 수화물 30㎖를 가하고 20분 교반시킨 후에 증발기를 이용하여건조하였다. 이 건조 촉매를 공기분위기하에서 500℃, 2시간 소성한 후, 이 소성 촉매 0.5g을 알루미나 보트에 담고, 수소 540㎖/min 유량으로 석영튜브 반응에서 700℃, 1시간 환원하였다. 그리고나서, 수소를 상온의 노말-헥산이 담긴 버블러를 통과시켜 1시간 반응하여, 미세 탄소섬유 1.45g을 얻고, 이를 묽은 초산 수용액으로 세척하여, 표면적 138㎡/g, 격자상수 Ac 0.348nm, C축 방향의 층두께 4.8nm, 직경 25nm 탄소 함유량 99.3wt%인 1차 정제 미세 탄소섬유를 얻었다.

[실시예 8]

마그네시아 3g을 증류수 80㎖에 분산한 후 초산 9㎖를 가하여 완전히 녹인 다음 1몰 농도의 수산화나트륨 수용액 1.5㎖를 가하고 상온에서 10분간 교반한 후, 암모니아수 5㎖를 천천히 가하여 침전을 형성시킨 다음 회전식 증발기로 건조하고 이를 공기 분위기하에서 500℃, 1시간 소성하였다. 여기서 얻어진 시료 2g을 증류수 50㎖에 분산시키고, 0.3몰 농도의 질산철 수화물 12㎖를 가하고 20분간 더 교반 한 후, 회전식 증발기를 이용하여 건조시키고, 이 건조 촉매를 공기 분위기하에서 500℃, 1시간 소성한 후, 이 소성촉매 0.5g을 알루미나 보트에 담고, 수소 540㎖/min 유량으로 석영튜브 반응로에서 700℃, 1시간 환원하였다. 그리고 나서, 수소를 상온의 벤젠이 담긴 버블러를 통과시켜 700℃에서 2시간 반응하여, 격자상수 Ac 0.345nm, C축 방향의 층두께 6.1nm, 직경 35nm인 미세 탄소섬유 3.35g을 얻었다.

[실시예 9]

탄산칼슘 20g을 820℃에서 1시간 처리한 후 이것을 20㎖의 증류수에 분산시킨 후 여기에 36g의 질산철 수화물을 녹인 수용액 100㎖를 가하고 60분 교반시킨 후에 회전식 증발기를 이용하여 건조하였다. 이 건조 촉매를 공기 분위기하에서 300℃, 30분 소성한 후, 이 소성 촉매 0.1g을 알루미나 보트에 담고, 수소 40㎖/min 유량으로 석영 튜브반응로에서 700℃, 30분 환원하였다. 그리고 나서, 수소를 130㎖/min의 유량으로 상온의 벤젠이 담긴 버블러를 통과시켜 1시간 반응하여, 미세 탄소 섬유 0.43g을 얻고, 이를 묽은 초산 수용액으로 세척하여, 격자상수 Ac 0.343nm, C축 방향의 층두께 7.3nm, 직경 40nm인 탄소함유량 98.1 wt%인 1차 정제 미세 탄소섬유를 얻었다.

[실시예 10]

실시예 1에서 제조된환원 촉매 14g을 두 층으로 나누어진 그라포일^TM용기에 담고 이를 스테인레스 스틸 304으로 제작된 튜브 반응로에 넣은 후 질소 분위기에서 630℃까지 분당 20℃로 승온하고, 630℃도달 시점에서 RaffinateⅡ 가스를 분당 1.5리터로 흘려주고, 반응기체 배출구의 밸브를 조절하여 반응로 내부의 압력을 변화시키고, 140분간 반응하여 미세 탄소섬유를 얻었다. 이때 얻어진 미세 탄소 섬유 양은 다음과 같다.

Claims (25)

1. 염기성 금속산화물의 수중 분산액에 철족 전이 금속염과 ⅠA 또는 ⅢA족 금속염의 수용액을 pH=6∼10이 유지되도록 가하여 반응시켜 형성된 화합물 슬러리를 건조시키고 공기중에서 소성시킴을 특징으로 하는 미세 탄소섬유 제조용 담지촉매의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 염기성 금속 산화물이 마그네시아, 칼시아, 수산화마그네슘 또는 수산화칼슘을 주성분으로 하며, 또한 탄산마그네슘, 탄산칼슘 등의 열처리를 통해 얻어지는 촉매의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서, 염기성 금속 산화물이 ⅠA족 또는 ⅢA족 원소를 0.1∼10mol%함유하도록 알카리 토금속염용액과 ⅠA족 또는 ⅢA족 금속염 용액으로부터 침전반응을 통해 얻어지는 촉매의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 철족 전이 금속이 철, 니켈 또는 코발트이고, 철족 전이 금속염이 질산염, 염화염 또는 황산염인 촉매의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, ⅠA족 금속은 리튬, 나트륨 또는 칼륨인 촉매의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, ⅢA족 금속이 알루미늄인 촉매의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 공기중에서 소성시킨 후에 수소하에서 환원시키는 단계를 추가로 포함하는 미세 탄소섬유 제조용 담지 촉매의 제조방법.
8. 염기성 금속 산화물의 수중 분산액에 철족 전이 금속염과 ⅠA 또는 ⅢA족 금속 염의 수용액을 pH=6∼10이 유지되도록 가하여 반응을 통해 형성된 화합물 슬러리를 건조시키고 공기중에서 소성시켜 제조되어지는 촉매를 탄소 공급원과 접촉시킴을 특징으로 하는 미세 탄소섬유의 제조방법.
9. 제8항에 있어서, 미세 탄소 섬유내에 잔류하는 촉매를 제거하기 위해 초산으로 세척하는 미세 탄소 섬유의 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 미세 탄소섬유내의 촉매제거용 세척액인 초산, 염기성 금속, 철족 전이 금속, ⅠA족 또는 ⅢA족 원소가 함유된 여과액을 재순환하는 미세 탄소 섬유의 제조방법.
11. 제10항에 있어서, 염기성 금속, 철족 전이 금속, ⅠA 족 또는 ⅢA족 또는 원소의 조성비가 유지되도록 여과액에 염기성 금속염, 철족 전이 금속염, ⅠA족염 또는 ⅢA족염을 가한 혼합금속염 용액을 회전증류방법으로 건조하는 미세 탄소섬유의 제조방법.
12. 제10항에 있어서, 염기성 금속, 철족 전이 금속, ⅠA족 또는 ⅢA족 또는 원소의 조성비가 유지되도록 여과액에 염기성 금속염, 칠족 전이 금속염, ⅠA족 또는 ⅢA족염을 가한 혼합 금속염용액에 수산화알칼리금속 수용액이나 암모니아수를 가하여 공침시키고 여과한 후 건조시켜 미세 탄소섬유를 제조하는 방법
13. 제10항에 있어서, 염기성 금속, 철족 전이 금속, ⅠA족 또는 ⅢA족 또는 원소의 조성비가 유지되도록 여과액에 철족 전이 금속염, ⅠA족 금속염 또는 ⅢA족 금속염을 가하여 혼합 금속염용액을 제조하고 이를 염기성 금속산화물의 분산액에 가하여 반응을 통해 미세 탄소섬유를 제조하는 방법.
14. 제8항에 있어서, 상기 미세 탄소 섬유를 아르곤 분위기하에서 1800℃ 이상으로 열처리하여 미량 철족 전이금속을 제거하고 결정성을 향상시키는 미세 탄소 섬유의 제조방법.
15. 제8항에 있어서, 탄소 공급원으로 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부텐, 이소부텐, t-부텐, 사이클로헥산, 노말헥산, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 이들의 혼합물 또는 납사 열분해 공정에서 생성되는 C₄성분의 라피네이트(Raffinate)Ⅱ를 사용하는 미세 탄소섬유의 제조 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 탄소 공급원이 질소, 수소를 추가로 포함하는 미세 탄소섬유의 제조 방법.
17. 제8항에 있어서, 상기 촉매와 접촉하는 탄소 공급원의 압력을 상압 내지 상압 +300mbar로 유지하는 미세 탄소섬유 제조 방법.
18. 제8항에 있어서, 상기 촉매와 탄소 공급원의 접촉시 온도를 500∼700℃로 하는 미세 탄소섬유의 제조 방법.
19. 제8항에 있어서, 상기 촉매와 접촉한 탄소공급원의 미세 탄소 섬유로의 전환률이 20∼70%인 미세 탄소섬유의 제조방법.
20. 제8항에 있어서, 생성되어진 미세 탄소 섬유가 직경이 1∼500㎛인 불규칙한 형태의 응집체인 미세 탄소섬유의 제조방법.
21. 제8항에 있어서, 생성된 미세 탄소 섬유가 직경이 30∼500㎛인 구형의 응집체이고 표면적이 150∼500㎡/g인 미세 탄소섬유의 제조방법.
22. 제8항에 있어서, 공기종에서 소성시킨 후에 수소하에서 환원시키는 단게를 포함하는 미세 탄소섬유의 제조방법.
23. 탄소 공급원을 전이금속 촉매와 접촉시켜 미세 탄소 섬유를 제조함에 있어서, 미세 탄소섬유내에 잔류하는 촉매를 제거하기 위해 산으로 세척하여 어스펙트비 100∼10000, 직경 10∼100㎛, 내경이 직경의 1/3∼2/3인 미세 탄소 섬유를 제조하는 방법.
24. 제1항, 2항, 3항 내지 6항 및 7항중 어느 하나에 정의된 방법에 의해 제조된 미세 탄소섬유 제조용 담지촉매.
25. 제8항 내지 22항중 어느 하나에 정의된 방법에 의해 제조된 미세 탄소섬유.

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