KR100635715B1 - Method of producing carbon aerogel for water purifier using capacitive deionization - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소 에어로겔의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 레조시놀과 포름알데히드를 소정 비율로 혼합하고, 여기에 9중량%의 고체분율로 증류수를 첨가하고 촉매비 100이하로 염기성 촉매를 첨가하여 레조시놀-포름알데히드 졸 용액을 형성하는 단계와, 상기 레조시놀-포름알데히드 졸 용액을 탄소지에 함침한 후 상기 탄소지를 고압용기에 넣고 질소 분위기 하에서 대기압 이상의 압력 및 75∼85℃의 온도에서 상기 레조시놀-포름알데히드 졸을 겔화하는 단계; 및 질소 분위기 하에서 700∼1000℃ 온도 범위 내에서 열분해하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method for producing a carbon airgel, wherein the method mixes resorcinol and formaldehyde in a predetermined ratio, adds distilled water in a solid fraction of 9% by weight, and adds a basic catalyst at a catalyst ratio of 100 or less. Forming a resorcinol-formaldehyde sol solution, impregnating the resorcinol-formaldehyde sol solution into a carbon paper, and then placing the carbon paper in a high pressure vessel under a atmospheric pressure and a temperature of 75 to 85 ° C. Gelling the resorcinol-formaldehyde sol in a solution; And pyrolyzing in a temperature range of 700 to 1000 ° C. under a nitrogen atmosphere.

탄소 에어로겔, 레조시놀, 포름알데히드, Carbon aerogels, resorcinol, formaldehyde,

Description

하전 탈이온형 정수기용 탄소 에어로겔의 제조방법{Method of producing carbon aerogel for water purifier using capacitive deionization}Method of producing carbon aerogel for charged deionized water purifier {Method of producing carbon aerogel for water purifier using capacitive deionization}

도 1은 촉매비와 겔화온도가 BET 비표면적에 미치는 영향을 나타낸 그래프.1 is a graph showing the effect of the catalyst ratio and gelation temperature on the BET specific surface area.

도 2는 탄소지의 밀도가 BET 비표면적에 미치는 영향을 나타낸 그래프.2 is a graph showing the effect of the density of carbon paper on the BET specific surface area.

도 3은 제조조건을 달리하여 제조된 탄소 에어로겔의 정전용량을 측정한 그래프.Figure 3 is a graph measuring the capacitance of the carbon airgel prepared by varying the manufacturing conditions.

본 발명은 탄소 에어로겔의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하전 탈이온형 정수기에 사용되는 탄소 에어로겔 전극의 정전 용량을 향상시킬 수 있는 탄소 에어로겔을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a carbon airgel, and more particularly, to a method for producing a carbon airgel which can improve the capacitance of a carbon airgel electrode used in a charged deionized water purifier.

하전 탈이온(capacitive deionization) 정수기술은 1960년대에 처음 연구되기 시작하였으며 최근에 새로운 다공성 탄소전극이 개발되면서 다시 각광을 받고 있다. 그 원리는 매우 간단하여 2개의 다공성 전극에 전압을 가하면서 이온이 함유된 물을 상기 전극들 사이로 흘려보내면 양이온은 음극에 음이온은 양극의 표면에 모이게 되어 물 속의 이온이 제거된다. 즉, 전기적인 힘을 이용한 이온의 흡착 원 리를 이용하는 방법이다. 일단 이온으로 포화된 전극은 반대 전하를 가하면 이온이 쉽게 떨어져 나오므로 전극 재생을 위해 H2SO4 또는 H2NO3과 같은 산세정 및 NaOH 등의 염기 또는 염용액을 사용할 필요가 없으므로 2차 오염이 발생하지 않는다. 하전 탈이온 정수기술은 막의 부식 및 오염의 우려가 없고 고압펌프도 사용하지 않으므로 역삼투법에 비해 필요한 에너지가 적음과 동시에 그 유지도 손쉽다는 이점이 있다.Capacitive deionization water purification technology first began to be studied in the 1960s and has recently been in the spotlight with the development of new porous carbon electrodes. The principle is so simple that when a voltage containing two porous electrodes is flowed, water containing ions flows between the electrodes, whereby cations are collected at the cathode and negative ions at the surface of the anode, thereby removing ions in the water. In other words, it uses a principle of adsorption of ions using electrical force. Once the electrode is saturated with ions, the ions easily come off when the opposite charge is applied, so there is no need to use an acid wash such as H 2 SO 4 or H 2 NO 3 and a base or salt solution such as NaOH for electrode regeneration. This does not happen. Charged deionized water purification technology does not have the risk of corrosion and contamination of the membrane and does not use a high-pressure pump, so compared with reverse osmosis, it requires less energy and is easier to maintain.

하전 탈이온 정수기술에 대한 최초의 연구결과는 1960년대 초 오클라호마 대학에서 발표되었으며 염수에서의 탈염과정에 관한 것이었다[B. B. Arnold and G. W. Murphy, J. Phys. Chem. 65, 1961, 135-8]. "카우딜" 등의 보고서에는 기공이 있는 활성화 탄소 전극을 가진 유체 투과형(flow-through) 축전기에 대해 자세히 기술되어 있다[D. D. Caudle, J. H. Tucker, J. L. Cooper, B. B. Arnold and A. Papastamataki, "Electrochemical Demineralization of Water with Carbon Electrodes", Research and Development Progress Report 188, US Department of the Interior, May, 1996]. 미국특허 제3,515,664호에는 활성화 탄소를 가지고 비슷한 연구를 수행된 내용이 기재되어 있으며, 존슨 등이 행한 실험과정에는 공정에 대한 이론적 근거의 증명, 파라미터의 변화에 대한 영향 연구, 여러 전극 후보물질에 대한 평가가 포함되어 있다.The first findings of charged deionized water purification technology were published at the University of Oklahoma in the early 1960s and related to the desalination process in brine [B. B. Arnold and G. W. Murphy, J. Phys. Chem. 65, 1961, 135-8]. Reports such as "Caudil" describe in detail a flow-through capacitor with pore activated carbon electrodes [D. D. Caudle, J. H. Tucker, J. L. Cooper, B. B. Arnold and A. Papastamataki, "Electrochemical Demineralization of Water with Carbon Electrodes", Research and Development Progress Report 188, US Department of the Interior, May, 1996]. U.S. Patent No. 3,515,664 describes a similar study conducted with activated carbon, and Johnson et al.'S experimental process demonstrates the rationale for the process, studies on the effects of changing parameters, and studies on various electrode candidates. Evaluation is included.

"뉴만"은 존슨의 영향을 받아 기공이 있는 탄소 전극의 축전 현상에 대한 포괄적인 이론적 모델을 개발하였다[A. M. Johnson and J. Newman, J. Electrochem. Soc. 118, 1971, 510-7]. "뉴만"의 분석은 일반적인 구조의 모든 하전 탈이온 정수 시스템에 적용될 수 있다. "존슨"은 기능저하가 없는 전극 등과 같은 여러 가지 문제점들로 인하여 하전 탈이온 정수를 중단했으나, 이전의 가격 연구에 의하면 적절한 전극 내구성만 얻는다면 이 기술에 근거한 효율적이며 낮은 가격의 탈염 공정을 얻을 수 있다. 탄소 에어로겔 전극을 발명하기 전에 이러한 작업이 이루어졌기 때문에 그런 물질들은 연구에 포함되지 않았다."Newman" developed a comprehensive theoretical model for the storage of pore carbon electrodes under Johnson's influence [A. M. Johnson and J. Newman, J. Electrochem. Soc. 118, 1971, 510-7. The analysis of "Newman" can be applied to all charged deionized water purification systems of general structure. Johnson stopped charging deionized water because of a number of problems, such as electrodes without deterioration, but previous price studies have shown that an efficient, low-cost desalination process based on this technology can be achieved if only proper electrode durability is achieved. Can be. Such work was not included in the study because this work was done before the invention of the carbon airgel electrode.

몇 년 후에 이스라엘에서 하전 탈이온 정수에 대한 연구가 수행되었다[Idem, J. Appl. Electrochem. 13, 1983, 473-87]. 두 개의 분리된 수직 활성탄층으로 칼럼을 만들었는데 하나는 양극, 하나는 음극으로 작용하며 칼럼의 입구와 출구에서의 농도비는 1/100이었다.A few years later a study of charged deionized water was performed in Israel [Idem, J. Appl. Electrochem. 13, 1983, 473-87. The column was made of two separate vertical activated carbon layers, one acting as an anode and one as a cathode, with a concentration ratio of 1/100 at the inlet and outlet of the column.

미국특허 제5,415,768호 및 제5,360,540호는 활성탄소 전극을 이용하는 하전 탈이온 정수기술을 제안하고 있다. 미국의 L. L. N. L(Lawrence Livermor National Laboratory)는 미국특허 제5,425,858호에서 탄소 에어로겔을 이용한 하전 탈이온 정수에 대하여 개시하고 있다.U.S. Patents 5,415,768 and 5,360,540 propose charged deionized water purification techniques using activated carbon electrodes. Lawrence Livermor National Laboratory (L. L. N. L) of the United States discloses charged deionized water using carbon aerogels in US Pat. No. 5,425,858.

이와 같은 정수기술의 핵심은 탄소 전극의 물성에 의하여 많은 영향을 받게 된다. 그러나 이들의 기술 결과에서는 정량적으로 탄소 전극의 물성과 전극의 정전 용량과의 상관관계가 명시되어 있지 않다.The core of water purification technology is affected by the physical properties of the carbon electrode. However, these technical results do not quantitatively indicate the correlation between the physical properties of the carbon electrode and the capacitance of the electrode.

탄소 에어로겔 전극은 탄소 에어로겔 복합체를 이용하여 제조되는데, 유기물을 출발물질로 하여 졸-겔 공정과 건조과정을 거쳐서 얻어진 유기 에어로겔을 열분해(pyrolysis)하여 탄화된 다공성 탄소 에어로겔을 얻어낸다. 대표적인 유기 에어로겔은 미국의 L. L. N. L의 "페칼라" 등에 의하여 제안된 방법이 일반적으로 사용된다[R. W. Pekala, S. T. Mayer, J. F. Poco, and J. L. Kaschmitter, "Novel forms of carbon II", (edited by C. Renschler, D. M. Cox, J. J. Pouch and Y. Achiba), MRS Symp, Proc., 349, 79, 1994]. 정수용 탄소 전극에는 레조시놀(Resorcinol)과 포름알데히드(Formaldehyde)를 원료 물질로 사용하고 있다.Carbon aerogel electrode is prepared using a carbon aerogel composite, pyrolysis of the organic aerogel obtained through the sol-gel process and drying process using the organic material as a starting material to obtain a carbonized porous carbon aerogel. Representative organic aerogels are generally used by the methods proposed by L. L. N. L, “Pecalar” and the like [R. W. Pekala, ST Mayer, JF Poco, and JL Kaschmitter, "Novel forms of carbon II", (edited by C. Renschler, DM Cox, JJ Pouch and Y. Achiba), MRS Symp, Proc., 349, 79, 1994]. Resorcinol and formaldehyde are used as raw materials for the carbon electrode for water purification.

탄소 에어로겔 전극의 제조방법은 우선 레조시놀과 포름알데히드의 축합으로부터 얻어지는 졸(sol) 용액을 탄소지(carbon paper, 예를 들면 미국의 "린달(Lyndall)사 제품인 Technical Papers)에 함침시킨 후, 레조시놀-포름알데히드/탄소지의 증발을 방지하기 위하여 유리판 사이에 놓고 겔화를 진행한 후 아세톤 등으로 겔 내의 물을 치환하여 탄소지에 함침된 에어로겔 복합체를 얻어낸다. 이를 다시 질소 분위기 하에서 고온 열분해함으로써 겉보기 밀도가 약 0.8g/㎤ 정도인 박막(약 150㎛)을 얻어낼 수 있다. 이를 티타늄 전류 집적기에 연결하여 가압함으로써 탄소 에어로겔 전극이 제조된다. 이러한 발포체 형태의 탄소 에어로겔 전극은 높은 다공성과 비표면적 그리고 초미세기공 구조의 특성을 갖게 된다.The method for producing a carbon airgel electrode is first impregnated with a sol solution obtained from condensation of resorcinol and formaldehyde on carbon paper (eg, Technical Papers, manufactured by Lyndall, USA). In order to prevent the evaporation of the synol-formaldehyde / carbon paper, it is placed between glass plates and subjected to gelation. Subsequently, water in the gel is substituted with acetone to obtain an aerogel complex impregnated with carbon paper. A thin film (about 150 μm) with a density of about 0.8 g / cm 3 can be obtained, which is connected to a titanium current integrator and pressurized to produce a carbon aerogel electrode, which is a foamed carbon aerogel electrode with high porosity and specific surface area. And it has the characteristics of ultra-mini-century structure.

하지만 레조시놀-포름알데히드 졸 용액을 함침시킨 탄소지를 유리판 사이에 넣고 건조시키는 방법은 겔의 구조가 치밀해져서 밀도가 높아지고 이로 인하여 비표면적이 감소하는 문제점이 있다.However, the method of drying a carbon paper impregnated with a resorcinol-formaldehyde sol solution between glass plates and drying it has a problem that the density of the gel becomes high and the specific surface area is reduced.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고, 탄소 에어로겔 전극의 정 전 용량을 향상시킬 수 있는 비표면적과 평균기공 크기를 갖는 탄소 에어로겔을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a carbon airgel having a specific surface area and an average pore size that can solve the above problems and improve the capacitance of the carbon airgel electrode.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 탄소 에어로겔의 제조방법은,In order to achieve the above object, the method for producing a carbon airgel according to the present invention,

레조시놀과 포름알데히드를 소정 비율로 혼합하고, 여기에 9중량%의 고체분율로 증류수를 첨가하고 촉매비 100이하로 염기성 촉매를 첨가하여 레조시놀-포름알데히드 졸 용액을 형성하는 단계와,Mixing resorcinol and formaldehyde in a predetermined ratio, adding distilled water at a solid fraction of 9% by weight and adding a basic catalyst at a catalyst ratio of 100 or less to form a resorcinol-formaldehyde sol solution,

상기 레조시놀-포름알데히드 졸 용액을 탄소지에 함침한 후 상기 탄소지를 고압용기에 넣고 질소 분위기 하에서 대기압 이상의 압력 및 75∼85℃의 온도에서 상기 레조시놀-포름알데히드 졸을 겔화하는 단계; 및Impregnating the resorcinol-formaldehyde sol solution into a carbon paper, and then placing the carbon paper in a high pressure vessel and gelling the resorcinol-formaldehyde sol under a nitrogen atmosphere at a pressure above atmospheric pressure and a temperature of 75 to 85 ° C .; And

질소 분위기 하에서 700∼1000℃ 온도 범위 내에서 열분해하는 단계를 포함한다.Pyrolysis in a temperature range of 700 to 1000 ° C. under a nitrogen atmosphere.

수용액에서 염기성 촉매, 예를 들면 탄산나트륨(sodium carbonate)의 존재 하에서 소정 비율의 레조시놀과 포름알데히드를 혼합한 후 온도를 올려 충분한 시간 동안 반응시키면 레조시놀-포름알데히드 겔이 형성된다. 레조시놀과 포름알데히드는 일반적으로 1:2의 몰비로 반응하여 겔을 형성하는데, 이는 레조시놀은 2,4,6 링 위치가 활성화된 삼관능성(trifunctional)이며, 포름알데히드는 이관능성(bifunctional)이기 때문이다.Resorcinol-formaldehyde gel is formed by mixing a predetermined ratio of resorcinol and formaldehyde in an aqueous solution in the presence of a basic catalyst such as sodium carbonate and raising the temperature to react for a sufficient time. Resorcinol and formaldehyde generally react at a molar ratio of 1: 2 to form a gel, which is resorcinol which is trifunctional with 2,4,6 ring positions activated, and formaldehyde is difunctional ( bifunctional).

본 발명에서는 레조시놀-포름알데히드 졸-겔 공정의 변수를 변화시켜 각각의 레조시놀-포름알데히드 졸 용액을 제조하여 이를 밀도가 다른 탄소지에 함침시켜 건조하였다. 이때 유리판 사이에 넣고 건조시키는 기존의 방법과는 달리 밀폐가 가능한 용기를 사용하여 겔화를 진행하였다. 즉, 레조시놀-포름알데히드 졸 용액을 함침한 탄소지를 사각형의 금속 용기에 넣고 질소 가스를 주입하여 용기 내의 압력을 대기압 이상, 예를 들면 1.5 기압으로 유지시켜 밀봉한 후 항온조에서 일정 온도를 유지하면서 겔화를 유도하였다. 이러한 방법으로 겔화 반응을 수행하면 종래 유리판을 사용하여 건조시킬 때 겔의 구조가 치밀해져 밀도가 높아지고 이로 인하여 비표면적이 감소하는 현상을 방지할 수 있다.In the present invention, each of the resorcinol-formaldehyde sol solutions was prepared by changing the parameters of the resorcinol-formaldehyde sol-gel process and dried by impregnation with carbon paper having different densities. At this time, unlike the conventional method of putting between the glass plate and dried, the gelation was performed using a container that can be sealed. That is, the carbon paper impregnated with the resorcinol-formaldehyde sol solution is placed in a rectangular metal container, and nitrogen gas is injected to maintain the pressure in the container above atmospheric pressure, for example, 1.5 atm, and then maintain a constant temperature in a thermostat. Gelation was induced. When the gelation reaction is carried out in this way, the structure of the gel becomes dense when it is dried using a conventional glass plate, thereby increasing the density, thereby preventing the phenomenon of decreasing the specific surface area.

정전 용량이 큰 전극을 얻기 위해서는 전기전도성이 좋고 비표면적이 큰 물질을 전극 재료로 사용하는 것이 좋다. 따라서 탄소 에어로겔은 그 비표면적이 클수록 바람직하다. 탄소 에어로겔의 비표면적, 평균 기공 크기 및 겔화속도는 촉매비와 고체분율과 겔화 온도에 따라서 크게 달라지므로, 이들 조건을 최적화하는 것이 필요하다.In order to obtain an electrode with a large capacitance, it is preferable to use a material having good electrical conductivity and a large specific surface area as the electrode material. Therefore, carbon aerogels are preferable as their specific surface area is larger. Since the specific surface area, average pore size and gelation rate of the carbon aerogels vary greatly depending on the catalyst ratio, the solid fraction and the gelation temperature, it is necessary to optimize these conditions.

여기서 "촉매비"라 함은 레조시놀의 무게를 촉매의 무게로 나눈 값이고, "고체분율"이라 함은 레조시놀의 무게를 전체 용액의 무게로 나눈 값이다.Here, the "catalyst ratio" is the weight of resorcinol divided by the weight of the catalyst, and the "solid fraction" is the weight of resorcinol divided by the weight of the total solution.

일반적으로 레조시놀-포름알데히드 졸 용액의 겔화시간은 촉매의 양이 많아질수록, 즉 촉매비의 값이 작아질수록 빨라지며, 희석제의 양이 많을수록, 즉 고체분율이 낮을수록 빨라진다.In general, the gelation time of the resorcinol-formaldehyde sol solution is faster the greater the amount of catalyst, that is, the smaller the value of the catalyst ratio, the faster the greater the amount of diluent, that is, the lower the solid fraction.

본 발명의 일 실시예에서, 고체분율을 9중량%로 하고, 촉매비와 겔화온도를 달리하여 얻어진 레조시놀-포름알데히드 겔의 비표면적을 측정한 결과, 촉매비 100이하, 겔화온도를 75∼85℃, 특히 80℃로 하였을 때, 비표면적이 높게 나타났다.In an embodiment of the present invention, the solid fraction is 9% by weight, and the specific surface area of the resorcinol-formaldehyde gel obtained by varying the catalyst ratio and the gelation temperature is measured. As a result, the catalyst ratio is 100 or less and the gelation temperature is 75. When it was -85 degreeC, especially 80 degreeC, the specific surface area showed high.

본 발명에서 사용된 탄소지는 에어로겔을 지지하는 일종의 지지체이다. 에어로겔은 초 저밀도 물질이기 때문에 강도가 다소 약해서 얇은 필름 형태로 제조하는 경우 쉽게 파손될 우려가 있으므로 전극의 강도를 높여주기 위하여 지지체를 사용하는데 지지체의 종류에 따라서 제조된 탄소 에어로겔 전극의 물성이 달라지게 된다. 탄소 에어로겔의 비표면적을 고려하였을 때 바람직한 탄소지의 밀도는 0.1∼0.4g/㎠이며, 더욱 바람직하게는 탄소지의 밀도가 034g/㎠이었을 때 비표면적이 가장 큰 탄소 에어로겔을 얻을 수 있다.The carbon paper used in the present invention is a kind of support for supporting an airgel. Since airgel is a very low density material, the strength is somewhat weak, so it may be easily broken when manufactured in the form of a thin film. Therefore, a support is used to increase the strength of the electrode, but the physical properties of the manufactured carbon airgel electrode vary according to the type of support. . Considering the specific surface area of the carbon airgel, the preferred carbon paper density is 0.1 to 0.4 g / cm 2, and more preferably, the carbon airgel having the largest specific surface area can be obtained when the carbon paper density is 034 g / cm 2.

겔화된 레조시놀-포름알데히드 탄소지는 질소 분위기 하에서 열분해하여 탄화시킨다. 이때, 고체분율 9중량%, 최종 열분해온도 700∼1000℃, 승온속도 5∼20℃/min으로 하여 반응을 진행하면, 정전 용량이 향상된, 비표면적이 600∼700㎡/g이고, 그 평균 기공 크기는 4∼6nm인 탄소 에어로겔을 얻을 수 있다.Gelled resorcinol-formaldehyde carbon paper is carbonized by thermal decomposition under a nitrogen atmosphere. At this time, when the reaction proceeds at a solid fraction of 9% by weight, a final pyrolysis temperature of 700 to 1000 ° C., and a temperature increase rate of 5 to 20 ° C./min, the specific surface area is 600 to 700 m 2 / g with an improved capacitance, and the average porosity thereof. Carbon aerogels of 4-6 nm in size can be obtained.

이하에서 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 하지만, 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것이 아님은 당업자에게 자명한 사실이다.The present invention will be described in more detail with reference to the following Examples. However, it is apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to these examples.

실시예 1Example 1

레조시놀과 포름알데히드를 1:2의 몰비로 혼합한 후, 여기에 증류수를 첨가하여 고체분율을 9중량%로 맞추고 촉매비를 50, 100, 200, 300, 및 500으로 달리하여 탄산나트륨을 각각 첨가하였다. 레조시놀-포름알데히드 졸 용액을 균일하게 혼합한 후 탄소지를 상기 용액에 넣고 충분히 함침시켰다. 레조시놀-포름알데히드 졸 용액이 함침된 탄소지를 고압용기에 넣고 질소가스를 주입하여 1.5 기압을 유지하여 밀봉하였다. 상기 용기를 항온조에서 겔화온도를 25, 50, 및 80℃로 달리하여 겔화를 진행시켰다. 이때 겔화시간은 겔화온도가 50℃이하인 경우 약 18시간이 소요되었고, 80℃에서는 약 8시간이 소요되었다. 이렇게 촉매비와 겔화 온도를 달리하여 얻어진 레조시놀-포름알데히드 에어로겔의 BET 비표면적을 측정하여, 그 결과를 도 1에 도시하였다.Resorcinol and formaldehyde were mixed in a molar ratio of 1: 2, and then distilled water was added to adjust the solid fraction to 9% by weight, and the catalyst ratio was changed to 50, 100, 200, 300, and 500, respectively. Added. The resorcinol-formaldehyde sol solution was uniformly mixed and the carbon paper was added to the solution and sufficiently impregnated. The carbon paper impregnated with the resorcinol-formaldehyde sol solution was placed in a high pressure container and sealed by maintaining 1.5 atm by injecting nitrogen gas. The vessel was subjected to gelation by varying the gelation temperature at 25, 50, and 80 ° C. in a thermostat. At this time, the gelation time was about 18 hours when the gelation temperature is less than 50 ℃, it was about 8 hours at 80 ℃. Thus, the BET specific surface area of the resorcinol-formaldehyde aerogel obtained by varying the catalyst ratio and the gelling temperature was measured, and the results are shown in FIG. 1.

도 1은 고체분율 9중량%에서 겔화온도와 촉매비가 에어로겔의 BET 비표면적에 미치는 영향을 나타낸 그래프로서, 촉매비에 의해 BET 비표면적이 크게 영향을 받으며 촉매비가 작을수록 비표면적이 커지는 것을 알 수 있었다. 비표면적을 크게 하기 위해서는 겔화온도 80℃, 촉매비는 100이하로 하는 것이 바람직하다. 1 is a graph showing the effect of the gelation temperature and the catalyst ratio on the BET specific surface area of the aerogel at 9% by weight of the solid fraction, it can be seen that the BET specific surface area is largely influenced by the catalyst ratio, the smaller the specific catalyst ratio increases there was. In order to enlarge a specific surface area, it is preferable to make gelation temperature 80 degreeC and catalyst ratio 100 or less.

실시예 2Example 2

실시예 1의 방법에 따라서 고체분율 9중량%, 촉매비 100으로 하여 레조시놀-포름알데히드 졸 용액을 제조하여 밀도가 0.17, 0.34, 및 0.68g/㎠로 각기 다른 탄소지에 함침시켜서 80℃에서 겔화한 후, 최종 열분해온도 700∼1000℃에서, 20℃/min의 승온속도로 열분해하였다. 이렇게 탄소지의 밀도를 달리하여 얻어진 탄소 에어로겔의 BET 비표면적을 측정하여, 그 결과를 도 2에 도시하였다.According to the method of Example 1, a resorcinol-formaldehyde sol solution was prepared at a solid fraction of 9% by weight and a catalyst ratio of 100, and impregnated with different carbon papers having density of 0.17, 0.34, and 0.68 g / cm 2 at 80 ° C. After gelation, pyrolysis was carried out at a temperature increase rate of 20 ° C / min at a final pyrolysis temperature of 700 to 1000 ° C. Thus, the BET specific surface area of the carbon aerogel obtained by changing the density of carbon paper was measured, and the result is shown in FIG.

도 2는 촉매비 100, 승온속도 20℃/min 에서 탄소지의 밀도와 탄소 에어로겔의 BET 비표면적과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 2의 그래프에 잘 나타나 있듯이, 최종 열분해온도가 증가할수록 비표면적이 증가하였고 탄소지의 밀도가 0.34g/㎠일 때 비표면적이 가장 높게 나타났다.2 is a graph showing the relationship between the density of carbon paper and the BET specific surface area of carbon aerogels at a catalyst ratio of 100 and a heating rate of 20 ° C./min. As shown in the graph of FIG. 2, as the final pyrolysis temperature increases, the specific surface area increases, and the specific surface area is highest when the density of the carbon paper is 0.34 g / cm 2.

실시예 3Example 3

실시예 1 및 실시예 2의 방법과 동일하게, 표 1에 나타낸 조건으로 레조시놀-포름알데히드 졸 용액을 만든 후 0.34g/㎠의 탄소지에 함침하여 80℃에서 겔화하고, 최종 열분해온도와 승온속도를 달리하여 열분해시켜 제조한 탄소 에어로겔의 정전 용량(capacitance)을 측정하여, 그 결과를 도 3에 도시하였다.In the same manner as in Example 1 and Example 2, a resorcinol-formaldehyde sol solution was prepared under the conditions shown in Table 1, and then impregnated in 0.34 g / cm 2 carbon paper and gelled at 80 ° C. Capacitance of carbon aerogels prepared by pyrolysis at different speeds was measured, and the results are shown in FIG. 3.

도 3은 제조 조건을 달리하여 제조된 탄소 에어로겔의 정전 용량을 주파수 변화에 따라 측정한 그래프이다. 도 3의 그래프에서 알 수 있듯이, 비표면적이 600∼700㎡/g이고 평균기공 크기가 4∼6nm인 시료 1 내지 3의 정전 용량이 상대적으로 높게 나타났다.Figure 3 is a graph measuring the capacitance of the carbon airgel prepared by changing the manufacturing conditions according to the frequency change. As can be seen in the graph of FIG. 3, the capacitance of Samples 1 to 3 having a specific surface area of 600 to 700 m 2 / g and an average pore size of 4 to 6 nm was relatively high.

시료 (Sample)Sample 비표면적 (㎡/g)Specific surface area (㎡ / g) 평균기공 크기(nm)Average pore size (nm) 최종 열분해온도(℃)Final pyrolysis temperature (℃) 승온속도 (℃/min)Temperature rise rate (℃ / min) 고체분율 (중량%)Solid fraction (% by weight) 시료 1Sample 1 653.7653.7 5.13815.1381 700700 1010 99 시료 2Sample 2 695.4695.4 5.51435.5143 800800 2020 99 시료 3Sample 3 708.8708.8 4.89524.8952 10001000 55 99 시료 4Sample 4 294.2294.2 6.34736.3473 10001000 2020 66 시료 5Sample 5 332.1332.1 6.41226.4122 10001000 2020 99 시료 6Sample 6 564.7564.7 5.89535.8953 10001000 2020 1212 시료 7Sample 7 328.5328.5 7.11977.1197 10001000 2020 1515

이와 같이, 본 발명에 따른 방법은 특정한 조건에서 유기 졸을 합성하고 이를 겔화시키고 열분해하여 탄소 전극으로 사용하기에 적합한 높은 비표면적을 갖는 탄소 에어로겔을 제공할 수 있으며, 특히 탄소 전극의 정전 용량을 향상시킬 수 있는 비표면적과 기공크기를 갖는 탄소 에어로겔을 제공할 수 있다.As such, the process according to the invention can provide a carbon aerogel having a high specific surface area suitable for use as a carbon electrode by synthesizing, gelling and pyrolysing an organic sol under certain conditions, in particular improving the capacitance of the carbon electrode. It is possible to provide a carbon aerogel having a specific surface area and pore size.

Claims (6)

레조시놀과 포름알데히드를 1:2 몰비로 혼합하고, 여기에 9중량%의 고체분율로 증류수를 첨가하고 촉매비 100이하로 염기성 촉매를 첨가하여 레조시놀-포름알데히드 졸 용액을 형성하는 단계와,Mixing resorcinol and formaldehyde in a 1: 2 molar ratio, to which distilled water is added at a solid fraction of 9% by weight, and a basic catalyst is added at a catalyst ratio of 100 or less to form a resorcinol-formaldehyde sol solution. Wow, 상기 레조시놀-포름알데히드 졸 용액을 밀도가 0.1∼0.4g/㎠인 탄소지에 함침한 후 상기 탄소지를 고압용기에 넣고 질소 분위기 하에서 대기압 이상의 압력 및 75∼85℃의 온도에서 상기 레조시놀-포름알데히드 졸을 겔화하는 단계; 및The resorcinol-formaldehyde sol solution was impregnated in a carbon paper having a density of 0.1 to 0.4 g / cm 2, and then the carbon paper was placed in a high pressure vessel, and the resorcinol-at a pressure of atmospheric pressure or higher and a temperature of 75 to 85 ° C. under a nitrogen atmosphere. Gelling the formaldehyde sol; And 질소 분위기 하에서 700∼1000℃ 온도 범위 내에서 열분해하는 단계를 포함하는 탄소 에어로겔의 제조방법.Method of producing a carbon airgel comprising the step of pyrolysis in a temperature range of 700 ~ 1000 ℃ under a nitrogen atmosphere. 제 1 항에 있어서, 상기 염기성 촉매는 탄산나트륨임을 특징으로 하는 탄소 에어로겔의 제조방법.The method of claim 1, wherein the basic catalyst is sodium carbonate. 제 1 항에 있어서, 상기 열분해 온도의 승온속도는 5∼20℃/min인 것을 특징으로 하는 탄소 에어로겔의 제조방법.The method of claim 1, wherein the temperature increase rate of the pyrolysis temperature is 5 ~ 20 ℃ / min. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 에어로겔은 비표면적이 600∼700㎡/g이고, 평균 기공 크기는 4∼6nm인 것을 특징으로 하는 탄소 에어로겔의 제조방법.The method of claim 1, wherein the carbon airgel has a specific surface area of 600 to 700 m 2 / g and an average pore size of 4 to 6 nm. 삭제delete 삭제delete
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