KR100599875B1 - Method of manufacturing carbon nanofibers using mechanochemically activated catalyst - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화학적으로 안정하고 균일한 구조를 갖는 고품위 탄소나노섬유의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로, 전이금속의 수산화물인 촉매 전구체와 금속의 수산화물인 담체를 메카노케미컬 처리하여 전이금속 담지 촉매를 제조하는 단계, 상기 전이금속 담지 촉매를 수소 가스로 환원시키는 단계, 및 500 내지 900℃의 온도에서 탄화수소 가스를 공급하여 상기 환원된 전이금속 담지 촉매 상에 탄소나노섬유를 성장시키는 단계를 포함하는, 화학기상증착법에 의한 탄소나노섬유의 제조방법을 제공한다. The present invention relates to a method for producing a high quality carbon nanofiber having a chemically stable and uniform structure, and specifically, to a transition metal supported catalyst by mechanochemical treatment of a catalyst precursor, which is a hydroxide of a transition metal, and a carrier, which is a hydroxide of a metal. Preparing, reducing the transition metal supported catalyst to hydrogen gas, and supplying a hydrocarbon gas at a temperature of 500 to 900 ° C. to grow carbon nanofibers on the reduced transition metal supported catalyst. Provided is a method for producing carbon nanofibers by chemical vapor deposition.

Description

촉매의 메카노케미컬 처리에 의한 탄소나노섬유의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING CARBON NANOFIBERS USING MECHANOCHEMICALLY ACTIVATED CATALYST} Method for producing carbon nanofibers by mechanochemical treatment of catalysts {METHOD OF MANUFACTURING CARBON NANOFIBERS USING MECHANOCHEMICALLY ACTIVATED CATALYST}             

도 1은 금속 촉매 전구체로서 수산화니켈, 담체로서 수산화마그네슘을 혼합하고 각각 0분, 60분, 120분, 720분간 밀링하여 기계적 화학결합(mechanochemical) 방법으로 제조한 수산화니켈/수산화마그네슘 촉매 분말의 X선 회절 분석(XDR; X-ray Diffraction) 그래프이고, 1 is a diagram of nickel hydroxide / magnesium hydroxide catalyst powder prepared by mechanical chemical bonding method by mixing nickel hydroxide as a metal catalyst precursor and magnesium hydroxide as a carrier and milling for 0, 60, 120 and 720 minutes, respectively. X-ray diffraction (XDR) graph,

도 2는 상기 수산화니켈/수산화마그네슘 촉매 분말의 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope) 사진으로서, 도 2a, 2b, 2c 및 2d는 각각 밀링 시간이 0분, 60분, 120분, 360분인 경우이고, FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the nickel hydroxide / magnesium hydroxide catalyst powder, and FIGS. 2A, 2B, 2C, and 2D show milling times of 0 minutes, 60 minutes, 120 minutes, and 360 minutes, respectively. ego,

도 3은 상기 수산화니켈/수산화마그네슘 촉매 분말을 이용하여 화학기상증착법에 의해 성장시킨 탄소나노섬유의 SEM 사진으로서, 도 3a, 3b, 3c 및 3d는 각각 탄소나노섬유의 성장온도가 600℃, 700℃, 800℃ 및 900℃인 경우이고, FIG. 3 is an SEM image of carbon nanofibers grown by chemical vapor deposition using the nickel hydroxide / magnesium hydroxide catalyst powder. FIGS. 3A, 3B, 3C, and 3D show growth temperatures of carbon nanofibers at 600 ° C. and 700, respectively. In the case of ℃, 800 ℃ and 900 ℃,

도 4는 상기 수산화니켈/수산화마그네슘 촉매 분말을 이용하여 화학기상증착법에 의해 성장시킨 탄소나노섬유의 SEM 사진으로서, 도 4a, 4b, 4c 및 4d는 각각 밀링시간이 0분, 60분, 120분 및 360분인 경우이다. FIG. 4 is an SEM image of carbon nanofibers grown by chemical vapor deposition using the nickel hydroxide / magnesium hydroxide catalyst powder, and FIGS. 4A, 4B, 4C, and 4D have milling times of 0 minutes, 60 minutes, and 120 minutes, respectively. And 360 minutes.

본 발명은 수산화기를 가진 금속촉매 전구체와 담체를 메카노케미컬 처리함으로써 전이금속 담지 촉매를 제조하고, 화학기상증착법에 의해 상기 촉매 상에 탄소나노섬유를 성장시킴으로써 화학적으로 안정하고 균일한 구조를 갖는 고품위 탄소나노섬유를 경제적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention prepares a transition metal supported catalyst by mechanochemical treatment of a metal catalyst precursor having a hydroxyl group and a carrier, and grows carbon nanofibers on the catalyst by chemical vapor deposition to have a chemically stable and uniform structure. The present invention relates to a method for producing carbon nanofibers economically.

탄소나노섬유(carbon nanofibers)는 흑연나노섬유(graphite nanofiber) 또는 탄소필라멘트(carbon filament)라고도 불리는데, 주로 탄화수소 기체와 고온의 금속 입자를 상호 반응시켜 제조된다. 1970년대 이후 본격적인 연구가 이루어지면서 탄소나노섬유의 형상, 미세 구조 및 성장 메커니즘이 밝혀졌으며, 직경의 제어 및 대량 합성에 관한 연구가 계속되고 있다. 니켈, 철, 코발트와 같은 전이금속 촉매 입자 위에서 생성된 탄소나노섬유는 매우 미세하여 직경이 약 100∼200 nm로서, 약 10 ㎛의 직경을 갖는 범용 탄소섬유에 비해 백분의 일 정도에 불과하다. 탄소나노섬유는 전기전도성, 흡착성 및 기계적 성질이 매우 뛰어나 복합재, 전극재료 등의 분야에서 응용가능성이 높은 재료로 각광받고 있다.       Carbon nanofibers, also called graphite nanofibers or carbon filaments, are mainly manufactured by interacting hydrocarbon gases with high temperature metal particles. Since the 1970s, full-scale research has revealed the shape, microstructure and growth mechanisms of carbon nanofibers, and research on the control of diameter and mass synthesis has continued. The carbon nanofibers produced on the transition metal catalyst particles such as nickel, iron, and cobalt are very fine and have a diameter of about 100 to 200 nm, which is only about one hundredth of that of general carbon fibers having a diameter of about 10 μm. Carbon nanofibers are highly regarded as materials having high applicability in fields such as composite materials and electrode materials because of their excellent electrical conductivity, adsorption and mechanical properties.

탄소나노섬유는 전기방전법, 레이저 승화법, 탄화수소의 기상 열분해법 및 전기전해법 등에 의해 제조되는데, 이들 방법은 경제성이 낮고 합성 과정에서 비정질 상태의 탄소 덩어리들을 다량으로 생성시키는 문제점을 갖는다.Carbon nanofibers are produced by an electric discharge method, a laser sublimation method, a gas phase pyrolysis method and an electrolysis method of hydrocarbons, etc. These methods have low economical efficiency and have a problem of generating a large amount of amorphous carbon agglomerates during the synthesis process.

최근에는 고품질의 탄소나노섬유를 경제적으로 대량합성하기 위한 방법으로 서 니켈, 코발트, 철 등의 전이금속 촉매 존재 하에 탄화수소를 열분해시켜 촉매 위에서 탄소나노섬유를 성장시키는 화학기상증착법이 이용되고 있다. 상기 화학기상증착법에는 다양한 종류의 전이금속 전구체와 이를 담지하는 담체를 포함하는 전이금속 담지 촉매가 사용될 수 있는데, 촉매 위에서 성장되는 탄소나노섬유의 안정성, 직경의 균일성, 형상과 구조 등은 사용되는 촉매의 종류 및 성질에 따라 크게 변한다. Recently, as a method for economically mass synthesizing high quality carbon nanofibers, a chemical vapor deposition method for growing carbon nanofibers on a catalyst by pyrolyzing hydrocarbons in the presence of transition metal catalysts such as nickel, cobalt and iron has been used. In the chemical vapor deposition method, a transition metal supported catalyst including various kinds of transition metal precursors and a carrier supporting the same may be used. The stability of carbon nanofibers grown on the catalyst, uniformity of diameter, shape and structure may be used. Varies greatly depending on the type and nature of the catalyst.

종래의 담지 촉매 제조에는 함침법이나 이온교환법을 이용하는 습식법이 주로 이용되었다. 그러나, 습식법을 이용하여 탄소나노섬유 제조를 위한 담지 촉매를 제조하는 경우에는 수소이온농도, 담체에 대한 촉매전구체의 양, 함침 시간, 용매 등 많은 변수들을 조절하는 것이 요구된다. 또한, 전구체 및 담체를 강한 교반 작용과 함께 함침시킨 후, 상당 시간을 건조시켜 분말을 얻고, 안정화된 분말을 유지하기 위해 높은 온도에서 열처리하는 등의 복잡한 단계들이 요구된다. In the conventional supported catalyst production, a wet method using an impregnation method or an ion exchange method has been mainly used. However, in the case of preparing a supported catalyst for producing carbon nanofibers by the wet method, it is required to control many variables such as hydrogen ion concentration, amount of catalyst precursor to the carrier, impregnation time, and solvent. In addition, complex steps are required, such as impregnation of the precursor and carrier with a strong stirring action, followed by drying for a considerable time to obtain a powder, heat treatment at high temperature to maintain a stabilized powder.

이에 본 발명자들은, 화학기상증착법에 의해 탄소나노섬유를 제조함에 있어, 수산화기를 갖는 금속물질의 촉매 전구체 및 담체 혼합물을 기계적으로 분쇄하여 결정 구조의 변화와 높은 표면적을 유도하는 메카노케미컬 효과를 발생시킴으로써 전이금속 담지 촉매를 간단한 건식법으로 단시간에 제조할 수 있음을 발견하고, 열화학기상증착법으로 상기 전이금속 담지 촉매에 탄소나노섬유를 성장시킨 결과, 습식법이 가지고 있는 불안정성에 비해, 균일한 고품질의 탄소나노섬유를 경제적으로 제조할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors mechanically pulverize a catalyst precursor and a carrier mixture of a metal material having a hydroxyl group to produce a carbon nanofiber by chemical vapor deposition, thereby generating a mechanochemical effect of inducing a change in crystal structure and a high surface area. By discovering that the transition metal supported catalyst can be prepared in a short time by a simple dry method, and by growing the carbon nanofibers on the transition metal supported catalyst by the thermochemical vapor deposition method, as compared to the instability of the wet method, a high quality carbon The present invention was completed by confirming that nanofibers can be economically produced.

본 발명의 목적은 기존의 함침법과 같은 습식법이 아닌 건식법을 통한 비교적 간단한 조작에 의해 경제적으로 고품질의 탄소나노섬유를 제조하는 촉매 기법을 제공하는 것이다.
An object of the present invention is to provide a catalytic technique for producing high quality carbon nanofibers economically by a relatively simple operation through a dry method rather than a wet method such as the conventional impregnation method.

목적에 따라, 본 발명은 1) 전이금속 수산화물 및 금속 담체의 혼합물을 메카노케미칼 처리하여 전이금속 담지 촉매를 제조하는 단계; 및 2) 상기 전이금속 담지 촉매를 수소 분위기 하에서 환원시키는 단계를 포함하는, 탄소나노섬유 제조를 위한 금속 촉매의 제조방법을 제공한다.According to the object, the present invention comprises the steps of 1) preparing a transition metal supported catalyst by mechanochemical treatment of a mixture of a transition metal hydroxide and a metal carrier; And 2) reducing the transition metal supported catalyst under a hydrogen atmosphere, to provide a method for producing a metal catalyst for producing carbon nanofibers.

본 발명은 상기와 같이 제조된 금속 촉매에 500 내지 900℃의 온도에서 탄화수소 가스를 공급하여 탄소나노섬유를 성장시키는 것을 포함하는 탄소나노섬유의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing carbon nanofibers, comprising growing carbon nanofibers by supplying a hydrocarbon gas at a temperature of 500 to 900 ° C. to the metal catalyst prepared as described above.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 금속 촉매 제조방법은, 전이금속 수산화물인 촉매 전구체와 금속 담체를 혼합하여 메카노케미칼 처리함으로써, 탄소나노섬유 제조를 위한 금속 촉매를 제조한다는 점에 특징을 갖는다. 상기와 같이 전이금속 수산화물 및 금속 담체의 혼합물을 메카노케미칼 처리함으로써 입자 크기가 감소할 뿐만 아니라 균일하게 혼합하고 표면 활성이 증가된 전이금속 담지 촉매를 제조할 수 있고, 바람직하게 는, 상기 전이금속 담지 촉매를 공지의 화학기상증착법에 적용함으로써 균일하고 안정적인 고품위 탄소나노섬유의 제조에 이용할 수 있다.The method for producing a metal catalyst of the present invention is characterized by producing a metal catalyst for carbon nanofiber production by mixing a catalyst precursor, which is a transition metal hydroxide, and a metal carrier with a mechanochemical treatment. By the mechanochemical treatment of the mixture of the transition metal hydroxide and the metal carrier as described above, it is possible to prepare a transition metal supported catalyst that not only reduces the particle size but also uniformly mixes and increases the surface activity, preferably, the transition metal By applying the supported catalyst to a known chemical vapor deposition method, it can be used for producing uniform and stable high quality carbon nanofibers.

본 발명의 금속 촉매 제조방법에 따른 단계 1)에서, 메카노케미컬 처리는 전이금속 수산화물과 금속 담체의 혼합물을 600 내지 1800 rpm의 속도로 15분 내지 720분 동안 기계적 분쇄(milling)하는 방법에 의해 수행될 수 있으며, 보다 바람직하게는 600 내지 1800 rpm의 속도로 60분 내지 180분 동안의 기계적 분쇄에 적용될 수 있다. 예컨대, 전이금속 수산화물과 금속 담체를 먼저 300∼600 rpm의 속도로 혼합하고, 혼합분쇄기(mixer mill)에 충진시킨 다음, 600 내지 1800 rpm의 속도로 15분 내지 720분 동안, 바람직하게는 60분 내지 180분 동안 밀링함으로써, 촉매의 결정 구조에 변화가 일어나도록 메카노케미컬 처리할 수 있다. 상기에서 기계적 분쇄 과정은 약 15분의 일정한 간격으로 약 1분의 휴지기를 두고 수행할 수 있다. 필요에 따라, 메카노케미컬 처리된 촉매를 예를 들어 약 80℃에서 약 24시간 동안 추가로 건조할 수 있고, 건조과정은 대류 오븐 등을 이용하여 수행될 수 있다. 도 2a 내지 도 2d에 나타난 바와 같이, 밀링 시간이 증가함에 따라 작은 입자들이 큰 입자들로 군집되고 60분 내지 180분 사이에서 다시 작은 입자들로 깨어지고, 다시 밀링 시간 증가에 따라 벌크 형태로 입자들이 군집되어 나타난다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 밀링 시간이 120분 이후인 경우 MgO가 나타나는데, 이는 고에너지 밀링 공정에 의해 혼합물이 분쇄되고 결정상이 변화하는 것을 보여주는 것이다. 이와 같이 메카노케미컬 처리에 의한 입경 감소 및 결정상 변화는 전이금속 담지 촉매가 작고 균일할 뿐만 아니라 활성이 증가되어 고품질의 탄소나노섬유 생 성에 유용하게 이용될 수 있음을 보여준다.In step 1) according to the method for preparing a metal catalyst of the present invention, the mechanochemical treatment is performed by mechanically milling a mixture of a transition metal hydroxide and a metal carrier for 15 to 720 minutes at a speed of 600 to 1800 rpm. It may be carried out, and more preferably may be subjected to mechanical grinding for 60 to 180 minutes at a speed of 600 to 1800 rpm. For example, the transition metal hydroxide and the metal carrier are first mixed at a speed of 300 to 600 rpm, filled into a mixer mill, and then at a speed of 600 to 1800 rpm for 15 to 720 minutes, preferably 60 minutes. By milling for from 180 minutes, the mechanochemical treatment may be such that a change in the crystal structure of the catalyst occurs. In the above mechanical grinding process may be performed with a pause of about 1 minute at regular intervals of about 15 minutes. If desired, the mechanochemically treated catalyst may be further dried, for example at about 80 ° C. for about 24 hours, and the drying process may be carried out using a convection oven or the like. As shown in Figures 2a to 2d, as the milling time is increased, the small particles cluster into larger particles and break up into smaller particles again between 60 and 180 minutes and again in bulk form as the milling time is increased. Appear crowded. In addition, according to an embodiment of the present invention, when the milling time is 120 minutes or later, MgO appears, which shows that the mixture is ground and the crystal phase is changed by the high energy milling process. As such, particle size reduction and crystal phase change by mechanochemical treatment show that the transition metal-supported catalyst is not only small and uniform, but also has increased activity, which can be usefully used for producing high quality carbon nanofibers.

본 발명에 따라 메카노케미컬 처리된 촉매는 감소된 입경을 갖는 담체의 표면 위에 100∼200 nm의 전이금속 미분체가 균일하고 단단한 상태로 고정된다. 따라서, 본 발명에서 "전이금속 담지 촉매"라 함은 상기와 같이 메카노케미컬 처리 방법에 따라 담체의 표면 위에 미세한 전이금속 미분체가 균일하고 단단하게 고정되어 탄소나노섬유의 성장과 같은 반응에 사용될 수 있도록 활성이 증가된 것을 말하고, 상기 전이금속 담지 촉매를 제조하는데 사용되는 전이금속 수산화물은 "전이금속 담지 촉매 전구체" 또는 간단히 "촉매 전구체"로 약칭한다.In the mechanochemically treated catalyst according to the present invention, the transition metal fine powder of 100 to 200 nm is fixed in a uniform and solid state on the surface of the carrier having a reduced particle size. Therefore, the term "transition metal supported catalyst" in the present invention means that the fine transition metal powder is uniformly and firmly fixed on the surface of the carrier according to the mechanochemical treatment method as described above, and thus can be used for reactions such as growth of carbon nanofibers. It is said that the activity is increased so that the transition metal hydroxide used to prepare the transition metal supported catalyst is abbreviated as "transition metal supported catalyst precursor" or simply "catalyst precursor".

화학기상증착법에 사용되는 촉매를 경제적으로 균일한 품질로 제조하기 위해 촉매를 표면적이 넓은 담체에 담지시켜 사용할 수 있는데, 이와 같이 담체를 이용함으로써 단독 촉매 금속을 사용할 경우보다 담체의 지지작용으로 인해 비교적 균일한 형상을 갖는 탄소나노섬유를 얻을 수 있고, 고온 반응시 금속 촉매들끼리 군집하여 다른 탄소 불순물이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 단독 금속 촉매를 사용하는 경우와 비교하여 탄소나노섬유의 대량 생산과 형상 제어를 동시에 수행할 수 있다는 장점을 갖는다. In order to manufacture the catalyst used in chemical vapor deposition in an economically uniform quality, the catalyst can be supported on a carrier having a large surface area. Carbon nanofibers having a uniform shape can be obtained, and the occurrence of other carbon impurities can be suppressed by clustering the metal catalysts during high temperature reaction. In addition, compared to the case of using a single metal catalyst has the advantage that the mass production of carbon nanofibers and the shape control can be performed at the same time.

본 발명에서 촉매 전구체로 사용되는 전이금속 수산화물로는 수산화니켈(Ni(OH)2), 수산화철(Fe(OH)2), 수산화코발트(Co(OH)2) 및 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 이들 촉매 전구체로부터 전이금속을 담지하는 담체로는 산화물계 또는 카보네이트계의 다양한 담체가 사용될 수 있는데, 카보네이트를 비롯한 황화물을 담체로서 사용하는 경우에는 고온 증발시 유해한 가스가 발생할 수 있다는 점에서, 금속 수산화물, 바람직하게는 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 수산화알루미늄(Al(OH)3) 및 이들의 혼합물을 사용하는 것이 보다 바람직하다. Nickel hydroxide (Ni (OH) 2 ), iron hydroxide (Fe (OH) 2 ), cobalt hydroxide (Co (OH) 2 ) and mixtures thereof may be used as the transition metal hydroxide used as the catalyst precursor in the present invention. As a carrier supporting the transition metal from these catalyst precursors, various carriers such as oxides or carbonates can be used. In the case of using sulfides including carbonates as carriers, harmful gases may be generated during high temperature evaporation. More preferably, magnesium hydroxide (Mg (OH) 2 ), aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ) and mixtures thereof are used.

상기에서, 촉매 전구체인 전이금속 수산화물과 담체인 금속 수산화물의 혼합 비율은 몰비로 1:0.1 내지 1:10, 보다 바람직하게는 1:1 내지 1:4이다.In the above, the mixing ratio of the transition metal hydroxide serving as the catalyst precursor and the metal hydroxide serving as the carrier is in a molar ratio of 1: 0.1 to 1:10, more preferably 1: 1 to 1: 4.

상기와 같이 전이금속 수산화물 촉매 전구체와 금속 담체를 메카노케미컬 처리하는 본 발명의 방법에 의해 전이금속 담지 촉매의 크기 감소와 함께 결정상 변화를 통한 표면 활성 증가의 효과를 얻을 수 있다. As described above, by the method of the present invention for mechanochemical treatment of the transition metal hydroxide catalyst precursor and the metal carrier, it is possible to obtain the effect of increasing the surface activity through the crystal phase change along with the reduction of the size of the transition metal supported catalyst.

본 발명의 촉매 제조방법의 단계 2)에서는, 상기 단계 1)에서 전이금속 수산화물과 금속 담체를 혼합하여 메카노케미컬 처리를 통해 생성된 전이금속 담지 촉매를 수소 분위기에서 환원시킴으로써 전처리한다. 예를 들어, 수소 가스 존재 하에 상기 메카노케미컬 처리된 전이금속 담지 촉매를 고순도 알루미나 보트에 넣고 석영관이 장착된 전기로를 사용하여 20∼30분간 환원 처리함으로써 촉매 입자의 표면에 미세한 그레인(grain)을 형성할 수 있다. In step 2) of the catalyst preparation method of the present invention, the transition metal supported catalyst produced by the mechanochemical treatment by mixing the transition metal hydroxide and the metal carrier in the step 1) is pretreated by reducing in a hydrogen atmosphere. For example, a fine grain is formed on the surface of the catalyst particles by placing the mechanochemically treated transition metal supported catalyst in a high purity alumina boat in the presence of hydrogen gas and reducing for 20 to 30 minutes using an electric furnace equipped with a quartz tube. Can be formed.

본 발명의 방법에 따라 제조된 전이금속 담지 촉매를 일반적인 화학기상증착법에 의한 탄소나노섬유의 제조에 이용될 수 있는데, 구체적으로, 수소 분위기 하에서 환원 처리된 전이금속 담지 촉매에 500 내지 900℃, 보다 바람직하게는 600 내지 800℃의 온도에서 탄화수소 가스를 공급하여 상기 촉매 상에 탄소나노섬유를 성장시킨다. 이때, 탄소나노섬유의 성장온도가 매우 중요한데, 성장온도가 500℃ 보다 낮으면 탄소나노섬유가 거의 성장되지 못하고, 900℃보다 높으면 탄화수소의 촉매로부터의 탈착 속도가 확산 속도보다 커져 불순물인 탄소 입자가 형성된다. 상기에서 탄화수소 가스로는 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 메탄(CH4), 프로판(C3H8) 및 프로필렌(C3H7) 등이 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 성장된 탄소나노섬유는 아르곤 분위기 하에서 냉각시키는 단계를 추가적으로 포함할 수 있는데, 예를 들어 약 4℃/min의 속도로 아르곤 분위기에서 냉각시킬 수 있다. The transition metal supported catalyst prepared according to the method of the present invention may be used for the production of carbon nanofibers by general chemical vapor deposition. Specifically, the transition metal supported catalyst reduced under a hydrogen atmosphere is 500 to 900 ° C., Preferably, carbon nanofibers are grown on the catalyst by supplying a hydrocarbon gas at a temperature of 600 to 800 ° C. At this time, the growth temperature of the carbon nanofibers is very important. If the growth temperature is lower than 500 ° C., the carbon nanofibers are hardly grown. If the growth temperature is higher than 900 ° C., the desorption rate of the hydrocarbon from the catalyst is greater than the diffusion rate. Is formed. As the hydrocarbon gas, acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), methane (CH 4 ), propane (C 3 H 8 ) and propylene (C 3 H 7 ) may be used. The carbon nanofibers grown according to the present invention may further include cooling under an argon atmosphere, for example, may be cooled under an argon atmosphere at a rate of about 4 ° C./min.

본 발명에 따라 성장된 탄소나노섬유는 100 내지 200 nm 정도의 균일한 입경 및 구조적으로 매우 안정한 형태를 가지므로, 복합재, 전극재료 등의 분야에 유용하게 이용될 수 있다.Carbon nanofibers grown in accordance with the present invention has a uniform particle size and structurally very stable form of about 100 to 200 nm, it can be usefully used in the field of composites, electrode materials and the like.

이하 본 발명을 하기 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명의 범위가 실시예에 의하여 국한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited by the embodiment.

<실시예 1> 수산화니켈/수산화마그네슘의 메카노케미컬 처리에 의한 촉매 제조Example 1 Preparation of Catalysts by Mechanochemical Treatment of Nickel Hydroxide / Magnesium Hydroxide

수산화니켈과 수산화마그네슘을 니켈과 마그네슘의 1:1 몰비로 하여 600 rpm의 속도로 균일 혼합한 후, 텅스텐 카바이드 재질의 분쇄기에 충진시키고 같은 재질의 분쇄 구슬(grinding ball)을 사용하여 1800 rpm 의 속도로 밀링하였다. 밀링 시간을 각각 15분, 30분, 60분, 120분, 240분, 360분, 720분 동안으로 나누어 수행하였으며, 15분의 일정시간 간격으로 1분의 휴지기를 가지고 밀링을 수행하였다. Nickel hydroxide and magnesium hydroxide were uniformly mixed at a speed of 600 rpm in a 1: 1 molar ratio of nickel and magnesium, and then charged into a tungsten carbide grinder and a speed of 1800 rpm using a grinding ball of the same material. Milled. The milling time was divided into 15 minutes, 30 minutes, 60 minutes, 120 minutes, 240 minutes, 360 minutes, 720 minutes, respectively, milling was carried out with a 1 minute rest at regular intervals of 15 minutes.

X선 회절 분석법(XRD) 및 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 수득된 촉매 분말 을 분석하고, XRD 결과 및 SEM 사진을 각각 도 1 및 2에 나타내었다. The obtained catalyst powder was analyzed using X-ray diffraction analysis (XRD) and scanning electron microscope (SEM), and XRD results and SEM images are shown in FIGS. 1 and 2, respectively.

도 1로부터 Ni(OH)2와 Mg(OH)2 상의 피크 변화가 관찰되었으며, 밀링 시간 120분 이후에 MgO 피크가 관찰되기 시작하였다.The peak change of Ni (OH) 2 and Mg (OH) 2 phase was observed from FIG. 1, and MgO peak began to be observed after 120 minutes of milling time.

밀링 시간이 증가함에 따라 작은 입자들이 큰 입자들로 군집되고 120분에 도달하였을 때는 다시 작은 입자들로 깨어지고 그 이후에는 입자들이 군집되어 벌크 형태의 모습을 취하였다(도 2a, 2b. 2c 및 2d).As the milling time increased, small particles clustered into large particles and when they reached 120 minutes again broken up into smaller particles, after which the particles clustered to take the form of bulk (Figs. 2a, 2b. 2c and 2d).

<실시예 2> 수산화니켈/수산화마그네슘 촉매를 이용하여 열화학기상증착법에 의한 탄소나노섬유의 제조Example 2 Preparation of Carbon Nanofibers by Thermochemical Vapor Deposition Using Nickel / Magnesium Hydroxide Catalysts

수산화니켈/수산화마그네슘을 메카노케미컬 처리하여 수득된 상기 실시예 1의 전이금속 담지 촉매 분말을 고순도 알루미나 보트에 넣고 석영관이 장착된 전기로를 사용하여 수소 분위기에서 20분 동안 환원 처리하였다. 이어, 환원 처리된 촉매 분말에 아세틸렌 가스를 공급하여 촉매 위에 탄소나노섬유를 성장시킨 후 4℃/min의 속도로 아르곤 분위기에서 냉각시켜 탄소나노섬유를 수득하였다.The transition metal-supported catalyst powder of Example 1 obtained by mechanochemical treatment of nickel hydroxide / magnesium hydroxide was placed in a high purity alumina boat and reduced in a hydrogen atmosphere for 20 minutes using an electric furnace equipped with a quartz tube. Subsequently, acetylene gas was supplied to the reduced catalyst powder to grow carbon nanofibers on the catalyst, and then cooled in an argon atmosphere at a rate of 4 ° C./min to obtain carbon nanofibers.

최적의 탄소나노섬유 성장 온도를 선택하기 위하여, 상기 열화학기상증착법의 적용시 온도를 각각 600℃, 700℃, 800℃ 및 900℃로 하여 성장시킨 탄소나노섬유를 수득하고, 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 수득된 탄소나노섬유를 분석하였다(도 3a, 3b, 3c 및 3d). 도 3a, 3b, 3c 및 3d는 120분간 밀링하여 제조한 전이금속 담지 촉매에 각각 600℃, 700℃, 800℃ 및 900℃에서 열화학기상증착시킨 탄 소나노섬유 성장 결과이다. 그 결과, 탄소나노섬유의 성장온도를 600℃로 하였을 때 고품질의 탄소나노섬유로의 가장 바람직한 성장을 유도하는 것으로 나타났다. In order to select the optimum carbon nanofiber growth temperature, the carbon nanofibers grown by applying the thermochemical vapor deposition method at 600 ° C, 700 ° C, 800 ° C and 900 ° C, respectively, were obtained, and a scanning electron microscope (SEM) The obtained carbon nanofibers were analyzed (Fig. 3a, 3b, 3c and 3d). 3a, 3b, 3c and 3d are the results of carbon nanofibers growth thermally vapor-deposited at 600 ° C., 700 ° C., 800 ° C. and 900 ° C. on transition metal supported catalysts prepared by milling for 120 minutes, respectively. As a result, when the growth temperature of the carbon nanofibers to 600 ℃ it was shown to induce the most desirable growth of high quality carbon nanofibers.

한편, 다양한 밀링 시간으로 제조된 촉매를 사용하여 600℃에서 열화학기상증착법으로 탄소나노섬유를 성장시켜 밀링 시간의 변화에 따른 탄소나노섬유의 성장 양상을 도 4에 나타내었는데, 도 4a, 4b, 4c 및 4d는 각각 밀링 시간이 0분, 60분, 120분, 360분인 촉매를 이용하여 제조한 탄소나노섬유의 SEM 사진이다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이 120분 밀링한 촉매가 가장 우수한 성장 특성을 가지고 있는 것으로 확인되었으며, 수득된 탄소나노섬유의 직경은 100∼200 nm로서 균일하였다.Meanwhile, carbon nanofibers were grown by thermochemical vapor deposition at 600 ° C. using catalysts prepared at various milling times, and the growth patterns of carbon nanofibers according to the change of milling time are shown in FIG. 4, FIGS. 4A, 4B, and 4C. And 4d are SEM images of carbon nanofibers prepared using a catalyst having milling times of 0 minutes, 60 minutes, 120 minutes, and 360 minutes, respectively. As can be seen from FIG. 4, the catalyst milled for 120 minutes was found to have the best growth characteristics, and the diameter of the carbon nanofibers obtained was uniform as 100 to 200 nm.

상기한 바와 같이, 본 발명의 방법에 의하면, 화학적으로 안정하고 구조가 균일하여 복합재, 전극 재료 등의 분야에 유용하게 사용될 수 있는 되는 고품위 탄소나노섬유를 간단한 건식법에 의해 경제적으로 제조할 수 있다.As described above, according to the method of the present invention, it is possible to economically produce high-quality carbon nanofibers which are chemically stable and uniform in structure, which can be usefully used in fields such as composite materials and electrode materials by a simple dry method.

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 1) 전이금속 수산화물 및 금속 수산화물 담체의 혼합물을 메카노케미컬 처리하여 전이금속 담지 촉매를 제조하는 단계; 및 2) 상기 전이금속 담지 촉매를 수소 분위기하에서 환원시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 금속 촉매에 500 내지 900℃의 온도에서 탄화수소 가스를 공급하여 상기 금속 촉매 상에 탄소나노섬유를 성장시키는 것을 포함하는, 탄소나노섬유의 제조방법.1) preparing a transition metal supported catalyst by mechanochemical treatment of a mixture of a transition metal hydroxide and a metal hydroxide carrier; And 2) growing carbon nanofibers on the metal catalyst by supplying a hydrocarbon gas at a temperature of 500 to 900 ° C. to the metal catalyst prepared by the method comprising reducing the transition metal supported catalyst under a hydrogen atmosphere. A method of producing carbon nanofibers, comprising. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 탄화수소 가스가 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 프로판 및 프로필렌 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노섬유의 제조방법.Hydrocarbon gas is selected from acetylene, ethylene, methane, propane and propylene, the carbon nanofiber manufacturing method. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 탄소나노섬유의 성장온도가 600 내지 800℃인 것을 특징으로 하는, 탄소나노섬유의 제조방법.Method for producing carbon nanofibers, characterized in that the growth temperature of the carbon nanofibers is 600 to 800 ℃. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 탄소나노섬유를 성장시킨 후에 아르곤 분위기 하에서 냉각시키는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노섬유의 제조방법.After the carbon nanofibers are grown, further comprising the step of cooling under an argon atmosphere, the carbon nanofibers manufacturing method.
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