KR100913998B1 - Macro-porous honeycomb carbon structure and the method for preparing it - Google Patents

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Abstract

Macro-porous honeycomb carbon structure and a method for manufacturing the same are provided to produce carbon structure having adjustable and uniform macro-pores, and to offer simple function and reproducibility. A manufacturing method of macro-porous honeycomb carbon structure includes the following steps of: injecting a nano silica particle of 200~700nm size in which a metallic catalyst is dipped in a polymer resin having a diameter of 0.5~15 mm and apparent density of 0.1~0.5 g/cc; gaining carbon structure having a void of 200~700 nm size in which the silica particle is removed; and exposing the void by exploding the surface of the carbon structure. The diameter of the polymer resin is 1~4 mm. The metallic catalyst is selected from a group consisting of aluminum, Cu, Fe, Ni, Co, Mn, Mo, Pd, Ag, Au, Ru, and Rh.

Description

대기공 벌집형 탄소구조체 및 그 제조방법 {Macro-porous honeycomb carbon structure and the method for preparing it}Atmospheric honeycomb carbon structure and its manufacturing method {Macro-porous honeycomb carbon structure and the method for preparing it}

본 발명은 다공성 탄소구조체에 관한 것으로, 특히 수백 마이크로미터에서 밀리미터 수준의 크기를 가지면서 100 ㎚ 이상의 균일한 매크로포어를 갖는 탄소구조체에 관한 것이다.The present invention relates to a porous carbon structure, and more particularly to a carbon structure having a uniform macropore of 100 nm or more while having a size on the order of hundreds of micrometers to millimeters.

다공성 물질은 포어(pore)의 직경 크기에 따라 보통 2 ㎚ 이상의 마이크로포어(micropore), 2~50 ㎚의 메조포어(mesopore) 및 50 ㎚ 이상의 매크로포어(macropore)로 나뉘어진다. 다공성 물질로는 여러 무기물질, 금속, 폴리머 등이 있으나 그중 다공성 탄소구조체는 우수한 화학적, 물리적, 기계적 특성으로 다양한 분야에서 활용되고 있다. Porous materials are usually divided into micropores of 2 nm or more, mesopores of 2-50 nm, and macropores of 50 nm or more, depending on the diameter size of the pores. Porous materials include various inorganic materials, metals, polymers, etc. Among them, porous carbon structures are used in various fields due to their excellent chemical, physical, and mechanical properties.

다공성 탄소구조체를 제조하는 중요한 기술로, 중형 다공성 실리카 분자체(MCM-48 물질)를 템플릿으로 하여 탄소전구체를 주입하고, 이어서 비산화 조건 하에서 탄소전구체를 탄화시킨 후 HF 또는 NaOH 용액 등으로 실리카 템플릿을 용해시켜 제거함으로써 다공성 탄소구조체를 제조하는 방법이 제안되었다. 또한, 대한 민국 등록특허 제10-0481736호, 제10-0551602호, 제 10-0438210호 및 제10-0574030호 등에서는 나노크기 수준의 탄소캡슐을 제조하는 여러 기술들을 제시하고 있다. 이렇게 상호 연결된 균일한 다공성 구조를 갖는 탄소구조체를 제조하기 위해 다양한 방법이 제안되었고, 계속적인 개선이 이루어지고 있으나, 상호연결된 균일한 다공성 구조를 갖는 탄소구조체를 제조하는 것은 여전히 용이하지 않다. 그리고 이렇게 얻어지는 탄소구조체는 대부분 나노 수준에서 수 마이크로미터 정도의 크기로, 성능이나 기능적인 면에서 나노 수준의 크기가 요구되는 분야가 아니라면 오히려 분진 등의 문제가 기존의 입상 활성탄보다 더욱 심하게 대두될 수 있다. 특히, 탄소구조체가 악취 및 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 필터 등에 적용되는 경우라면 마이크로 수준 이상의 크기가 더 유용하다. 대부분의 분말형태의 흡착제들은 펠릿 타입으로 제작하여 크기를 밀리미터 수준으로 하는 경우가 많다. 따라서 탄소구조체의 크기를 밀리미터 수준에 근접하게 할 수 있다면 이러한 흡착제로의 활용에 매우 유리하다.As an important technique for producing porous carbon structures, carbon precursors are injected using a medium porous silica molecular sieve (MCM-48 material) as a template, followed by carbonization of carbon precursors under non-oxidizing conditions, followed by silica template with HF or NaOH solution. A method of producing a porous carbon structure by dissolving and removing it has been proposed. In addition, Korean Patent Registration Nos. 10-0481736, 10-0551602, 10-0438210, and 10-0574030, etc., propose various techniques for preparing nano-sized carbon capsules. Various methods have been proposed for producing a carbon structure having a homogeneous porous structure interconnected, and continuous improvements have been made, but it is still not easy to produce a carbon structure having an interconnected uniform porous structure. And most of the carbon structures thus obtained are in the order of nanometers to a few micrometers, and dust and other problems may be more severe than conventional granular activated carbon unless the nanoscale size is required in terms of performance and functionality. have. In particular, when the carbon structure is applied to a filter for removing odors and volatile organic compounds, the micro level or more is more useful. Most powdered adsorbents are often manufactured in pellet form to size in millimeters. Therefore, if the size of the carbon structure can be approximated to the millimeter level, it is very advantageous to use as an adsorbent.

대한민국 특허공고 특1982-0000986호, 등록특허 제10-0450642호, 등록특허 제10-0438210호 등에서는 탄소전구체인 핏치나 고분자 수지를 이용하여 마이크로 수준 이상의 크기를 갖는 구형 탄소구조체를 제조하는 방법들을 제시하고 있다. 그러나 이러한 방법으로 제조된 탄소구조체들은 기공성이 존재하기는 하나 기공의 크기가 작아 마이크로 수준 이상의 크기를 갖는다고 해도 속이 밀집된 탄소덩어리 형태에 불과하다. Korean Patent Publication No. 1982-0000986, Patent No. 10-0450642, Patent No. 10-0438210, and the like, methods for producing spherical carbon structures having a micro level or more using pitches or polymer resins, which are carbon precursors, are described. Suggesting. However, the carbon structures manufactured by this method have porosity, but even though the pores are small in size, they are only in the form of dense carbon masses.

탄소구조체의 제조에 관해 다양한 기술들이 제안되어 왔으나, 수백 마이크로 미터에서 밀리미터 수준의 크기를 가지면서 100 ㎚ 이상의 균일하면서도 크기 조절이 가능한 매크로포어를 갖는 탄소구조체를 재현성 있는 간단한 방법으로 제조하는 것은 여전히 용이하지 않은 일이다. 또한, 이러한 탄소구조체를 고체상의 고분자수지와 고체상의 나노실리카를 이용하여 간단하게 제조할 수 있는 방법에 대해서는 아직까지 알려진 바가 없다. Various techniques have been proposed for the fabrication of carbon structures, but it is still easy to produce carbon structures with uniform, scalable macropores of 100 nm or more with dimensions on the order of hundreds of micrometers to millimeters. I didn't do it. In addition, it is not known yet how to easily prepare such a carbon structure using a solid polymer resin and a solid nanosilica.

본 발명에서는 직경 수백 마이크로미터 내지 밀리미터 크기 수준으로 100 ㎚ 이상의 매크로 포어를 가지면서 또 이러한 기공들이 서로 연결되고 표면으로 노출된 네트워크 조합체로서의 벌집형 탄소구조체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.  It is an object of the present invention to provide a honeycomb carbon structure as a network combination having macropores of 100 nm or more at a level of several hundred micrometers to millimeters in diameter and in which these pores are connected to each other and exposed to the surface, and a method of manufacturing the same.

또한, 본 발명에서는 수백 마이크로미터에서 밀리미터 수준의 크기를 가지면서 100 ㎚ 이상의 균일하면서도 크기 조절이 가능한 매크로포어를 갖는 탄소구조체를 제조하는 간단하면서도 재현성 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 본 발명은 고체상의 고분자수지 입자와 고체상의 나노실리카 입자를 이용하여 매크로포어를 갖는 탄소구조체를 제조하는 간단하고 재현성 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a simple and reproducible method for producing a carbon structure having a uniform pore size and macropores of 100 nm or more while having a size on the order of several hundred micrometers. In particular, it is an object of the present invention to provide a simple and reproducible method for producing a carbon structure having macropores using solid polymer resin particles and solid nanosilica particles.

기타 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 더 잘 알게 될 것이다.Other objects and advantages of the present invention will be described below and will be better understood by practice of the present invention.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는,In the present invention to achieve the above object,

겉보기밀도가 0.1~0.5 g/cc이고 직경 0.5~15 ㎜인 벌크한 고분자수지 입자 내부에 200~700 ㎚ 크기의 나노실리카 입자를 주입한 후 탄화시키고 에칭하여 상기 실리카 입자가 제거된 200~700 ㎚ 크기의 대기공을 갖는 탄소구조체를 얻은 후 이 탄소구조체의 표면을 파열시켜 상기 대기공을 외부로 노출시킨 벌집형 탄소구조체가 제공된다.200-700 ㎚ in which the silica particles were removed by injecting carbonized nanoetched particles of 200-700 nm in the bulk polymer resin particles having an apparent density of 0.1-0.5 g / cc and a diameter of 0.5-15 mm. After obtaining a carbon structure having air holes of a size, the surface of the carbon structure is ruptured to provide a honeycomb carbon structure in which the air holes are exposed to the outside.

또한 본 발명에서는, In the present invention,

(a) 겉보기밀도가 0.1~0.5 g/cc이고 직경 0.5~15 ㎜ 크기인 벌크한 고분자수지 입자의 내부에 200~700 ㎚의 나노실리카 입자를 주입하는 단계; (a) injecting 200-700 nm nanosilica particles into the bulk polymeric resin particles having an apparent density of 0.1-0.5 g / cc and a diameter of 0.5-15 mm;

(b) 나노실리카 입자가 주입된 고분자-실리카 복합체 비드를 탄화시킨 후 실리카 부분을 에칭하여 200~700 ㎚ 크기의 대기공을 갖는 탄소구조체를 얻는 단계; 및 (b) carbonizing the polymer-silica composite beads into which the nanosilica particles are injected, and then etching the silica portion to obtain a carbon structure having an air hole having a size of 200 to 700 nm; And

(c) 상기 대기공을 갖는 탄소구조체의 표면을 파열시켜 상기 대기공을 외부로 노출시키는 단계를 포함하는 벌집형 탄소구조체의 제조 방법이 제공된다.(C) there is provided a method for producing a honeycomb carbon structure comprising rupturing the surface of the carbon structure having the air hole to expose the air hole to the outside.

본 발명에서는 간단하면서도 재현성 있는 방법으로 100 ㎚ 이상의 균일하면서도 크기 조절이 가능한 매크로포어를 갖는 직경 수백 마이크로미터에서 밀리미터 수준의 탄소구조체를 제조한다. 특히 본 발명의 제조방법은 고분자 단량체와 가교제 및 촉매 등을 이용하여 액상이나 기상에서 무기재료의 표면에 반응시키던 기존 의 제조방법과 달리, 고체상의 고분자 수지 입자와 고체상의 나노실리카 입자를 직접 사용하여 균일하면서도 기공의 크기 조절이 가능한 대기공 탄소구조체를 제조한다. 본 발명의 제조방법은 공정진행이 간단하고 효율적이며 생산 수율 또한 높아 양산공정에도 직접 적용할 수 있다.In the present invention, a carbon structure on the order of millimeters at several hundred micrometers in diameter having a macropore with a uniform and adjustable size of 100 nm or more is produced by a simple and reproducible method. In particular, the manufacturing method of the present invention, unlike the conventional manufacturing method that reacted to the surface of the inorganic material in the liquid phase or gas phase using a polymer monomer, a crosslinking agent and a catalyst, using a solid polymer resin particles and a solid nanosilica particles directly Produces atmospheric air carbon structure with uniform pore size control. The production method of the present invention can be directly applied to the mass production process is simple and efficient process and high production yield.

본 발명에 따른 탄소구조체는 단순한 캡슐 타입이 아닌 벌집형 구조로, 대기공이 외부로까지 노출되고 내부의 대기공들은 평균 100 ㎚ 정도의 기공으로 연결된 네트워크구조를 갖는다. 따라서 본 발명의 탄소구조체는 20~100 ㎚ 크기의 무기입자나 고분자 물질 또는 바이러스, 세균, 박테리아 등을 흡착하는데 매우 유용하며, 또 나노입자 크기의 촉매들을 담지하는 지지체로도 유용하다. 기존에 보고되어 있는 나노크기의 캡슐형 탄소구조체들은 흡착에 관여하지 않는 크기의 기공들이 많이 존재하므로 흡착제나 지지체로서 비효과적인 면이 있었다. 그러나 본 발명의 탄소구조체의 경우에는 기존의 활성탄 구조에서는 찾아 볼 수 없는 대기공의 벌집형 구조로서 200~700 ㎚의 대기공이 균일하게 형성되어 있으면서 대기공이 외부로도 노출되어 있고 또한 대기공 간에 대기공 크기의 1/5 정도 크기의 기공으로 상호 연결되어 벌집 형태로 발달된 구조이므로, 흡착에 관여할 수 있는 적정 크기 이상의 기공들로만 이루어진 효과적인 최적의 구조가 될 수 있다. Carbon structure according to the present invention is not a simple capsule type honeycomb structure, the air hole is exposed to the outside and the inner air hole has a network structure connected by pores of about 100 nm on average. Therefore, the carbon structure of the present invention is very useful for adsorption of inorganic particles, high molecular materials, viruses, bacteria, bacteria, etc. of 20-100 nm in size, and is also useful as a support for carrying catalysts of nanoparticle size. Previously reported nano-sized encapsulated carbon structures have many pores of a size that are not involved in adsorption, and thus were ineffective as adsorbents or supports. However, the carbon structure of the present invention is a honeycomb structure of air holes, which are not found in the existing activated carbon structure, and the air holes are exposed to the outside while the air holes of 200 to 700 nm are formed uniformly. Since the structure is developed in a honeycomb form by interconnecting the pores of about 1/5 the size of the pore size, it can be an effective optimal structure consisting of pores of the appropriate size or more to be involved in the adsorption.

본 발명에서는 200 ㎚이상의 벌크한 공간을 제공하면서 동시에 탄소전구체의 역할을 할 수 있는 고분자수지 입자를 출발물질로 한다. 고분자수지 입자는 겉보기 밀도 0.1~0.5 g/cc 정도, 직경 0.5~15 ㎜ 정도의 벌크한 고분자수지 비드가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 직경 1~4 ㎜이다. 이러한 고분자수지 비드는 고분자의 종류에는 제한이 없다. 고분자수지 비드는 종래에 알려져 있는 공지의 방법으로 제조할 수 있다. 일예로, 한국 특허공고 특1982-0000986호, 등록특허 제10-0450642호, 등록특허 제10-0438210호 등에 공지된 방법으로 벌크한 고분자수지 비드를 제조할 수 있다. 구체적인 예로, 졸-겔 중합반응이 가능한 히드록실기 또는 아민기를 포함하는 유기 단량체와 알데히드 및 계면활성제를 물에 용해시킨 후 일정 온도에서 중합시켜 고분자수지 비드를 얻을 수 있다. 이때 계면활성제에 의해 형성된 구형의 유기층에서 단량체와 알데히드의 중합반응이 진행됨으로써 구형의 벌크한 고분자수지 비드를 얻을 수 있게 된다. 또는 비슷한 조건으로 히드록실기 또는 아민기를 포함하는 유기 단량체와 포름알데히드를 반응시켜 구형의 벌크한 고분자수지 비드를 얻을 수도 있다. 이렇게 제조된 고분자수지 비드는 체망을 이용하여 원하는 크기로 준비할 수 있다. In the present invention, a polymer resin particle that can serve as a carbon precursor while providing a bulk space of 200 nm or more is used as a starting material. The polymer resin particles are preferably bulk polymer resin beads having an apparent density of about 0.1 to 0.5 g / cc and a diameter of about 0.5 to 15 mm, more preferably 1 to 4 mm in diameter. The polymer resin beads are not limited in kind to the polymer. Polymer resin beads can be produced by a known method known in the art. For example, bulk polymer resin beads may be manufactured by a method known in Korea Patent Publication No. 1982-0000986, Registration No. 10-0450642, Registration No. 10-0438210, and the like. As a specific example, a polymer resin bead may be obtained by dissolving an organic monomer, an aldehyde and a surfactant, including a hydroxyl group or an amine group capable of sol-gel polymerization in water, and then polymerizing at a predetermined temperature. At this time, since the polymerization reaction of the monomer and the aldehyde proceeds in the spherical organic layer formed by the surfactant, it is possible to obtain the spherical bulk polymer resin beads. Alternatively, spherical bulk polymer resin beads may be obtained by reacting formaldehyde with an organic monomer containing a hydroxyl group or an amine group under similar conditions. The polymer resin beads thus prepared may be prepared in a desired size using a sieve network.

나노실리카 입자는 공지된 졸-겔 방법(Journal of Colloid and Interface Science 227, 301-315(2000))으로 제조할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 나노실리카 입자는 200~700 ㎚가 바람직하다. 바람직하게는 나노실리카 입자에 금속촉매를 담지시켜 사용한다. 금속촉매로는 알루미늄이나 전이금속류인 Cu, Fe, Ni, Co, Mn, Mo나 귀금속류인 Pd, Ag, Au, Ru, Rh 등을 사용할 수 있다. 금속촉매가 담지된 나노실리카 입자를 사용하는 이유는 최종적으로 탄소구조체의 대기공들이 서로 연결된 구조를 만들기 위한 것으로, 상기 소성단계에서 나노실리카 입자간의 결합 을 유도할 수 있다. 또, 담지된 금속촉매는 산점을 제공하여 탄화도중 탄소체가 실리카표면과 밀착되는 것을 방지하여 후차적으로 에칭단계에서 에칭효율을 높일 수 있다.Nanosilica particles can be prepared by known sol-gel methods (Journal of Colloid and Interface Science 227, 301-315 (2000)). The nanosilica particles used in the present invention are preferably 200 to 700 nm. Preferably, the metal silica is supported on the nanosilica particles. As the metal catalyst, Cu, Fe, Ni, Co, Mn, Mo, which are aluminum or transition metals, or Pd, Ag, Au, Ru, Rh, which is a noble metal, can be used. The reason for using the nano-silica particles loaded with a metal catalyst is to finally make a structure in which the air holes of the carbon structure are connected to each other, and may induce bonding between the nano-silica particles in the firing step. In addition, the supported metal catalyst may provide an acid point to prevent the carbon body from being in close contact with the silica surface during the carbonization, thereby increasing the etching efficiency in the subsequent etching step.

본 발명에서는 나노실리카 입자가 상기 벌크한 고분자수지 비드의 내부에까지 들어갈 수 있도록 나노실리카 입자를 벌크한 고분자수지 비드에 주입한다. 주입하는 방법으로는, 바람직하게는 고분자수지 비드와 나노실리카 입자를 수용액 중에 함께 담지한 후 감압 조건에서 온도를 상승시켜 수용액을 증발 건조시킨다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 고분자수지 비드 100 중량부와 나노실리카 입자 1~100 중량부를 수용액 200~300 중량부에 담지하고, 이를 진공펌프를 이용하여 감압하면서 온도를 80~90℃로 상승시켜 수용액을 증발 건조시킨다.In the present invention, the nano-silica particles are injected into the bulk polymer resin beads so that the nano-silica particles can enter the inside of the bulk polymer resin beads. As a method of injecting, preferably, the polymer resin beads and the nanosilica particles are supported together in an aqueous solution, and then the temperature is raised under reduced pressure to evaporate and dry the aqueous solution. According to a preferred embodiment of the present invention, 100 parts by weight of polymer resin beads and 1 to 100 parts by weight of nanosilica particles are supported on 200 to 300 parts by weight of an aqueous solution, and the temperature is raised to 80 to 90 ° C. while reducing the pressure using a vacuum pump. The solution is evaporated to dryness.

나노실리카 입자가 담지된 고분자-실리카 복합체 비드를 탄화시켜 탄소구조체를 제조한다. 이때 바람직하게는 두 단계의 열처리 과정을 거친다. 먼저 복합체 비드를 300~400℃ 정도에서 열처리하여 고분자수지를 수축시킴으로써 고분자 비드의 수지부분이 나노실리카 표면과 밀착되도록 유도한다. 탄소전구체 종류별로 조금씩 조건이 다를 수 있으나, 대부분의 고분자 수지들은 상기와 같은 조건에서 열분해와 동시에 수축이 이루어진다. 이러한 단계를 거치지 않고 고온에서 직접 탄화시키게 되면 주입된 나노실리카 표면에 고분자가 균일하게 밀착되지 못하므로, 최종적으로 얻어지는 탄소구조체에 대기공이 일정하고 균일하게 형성되기 어렵다. 또, 첫 번째 단계에서 고분자 수지의 전체 크기가 수축하여 작아지게 되므로 출발물질인 고분자수지의 크기는 최종적으로 얻고자 하는 탄소구조체의 크기보다 30~40% 정도 큰 크기의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이후 두 번째 단계에서는 불활성가스 분위기에서 800~1000℃ 정도로 고분자수지의 탄화가 진행될 수 있도록 열처리하여 최종적으로 나노실리카 입자를 둘러싼 탄소구조체를 제조한다. 이 단계에서는 고분자 수지의 열분해를 가속화시켜 탄화도를 증진시키고, 탄소성분을 탄소자체 중량비 대비 90% 이상의 조성으로 제조할 수 있다. Carbon structures are prepared by carbonizing the polymer-silica composite beads on which nanosilica particles are supported. In this case, preferably, two steps of heat treatment are performed. First, the composite beads are heat treated at about 300 to 400 ° C. to shrink the polymer resin, thereby inducing the resin portion of the polymer beads to be in close contact with the surface of the nanosilica. Conditions may vary slightly depending on the type of carbon precursor, but most polymer resins shrink under thermal decomposition under the same conditions. When directly carbonized at a high temperature without going through such a step, the polymer is not uniformly adhered to the surface of the injected nanosilica, and thus air holes are difficult to be uniformly and uniformly formed in the finally obtained carbon structure. In addition, since the overall size of the polymer resin shrinks in the first step, the size of the polymer resin, which is a starting material, is preferably 30-40% larger than the size of the carbon structure to be finally obtained. Thereafter, in the second step, the carbon structure is finally heat-treated to allow carbonization of the polymer resin at about 800 to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere to finally prepare a carbon structure surrounding the nano silica particles. In this step, the thermal decomposition of the polymer resin may be accelerated to increase carbonization, and the carbon component may be prepared in a composition of 90% or more relative to the carbon weight ratio.

이렇게 탄화과정을 거쳐 얻어진 실리카-탄소 복합체는 불산 수용액이나 수산화나트륨 수용액 등으로 처리하여 실리카 부분을 에칭 제거함으로써 200~700 ㎚ 크기의 대기공을 갖는 탄소구조체를 얻는다. 그리고 최종적으로 이 대기공을 갖는 탄소구조체의 표면, 즉 외피를 파열시켜 대기공을 외부로 노출시킨 본 발명의 벌집형 탄소구조체를 얻는다. 탄소구조체 표면의 탄소 부분 파열은 바람직하게는 과산화수소수 등의 산화제를 사용하여 수행할 수 있다. The silica-carbon composite obtained through the carbonization process is treated with hydrofluoric acid solution or aqueous sodium hydroxide solution to etch away the silica portion to obtain a carbon structure having an air hole having a size of 200 to 700 nm. Finally, the surface of the carbon structure having the air holes, that is, the outer shell is broken to obtain the honeycomb carbon structure of the present invention in which the air holes are exposed to the outside. The partial rupture of carbon on the surface of the carbon structure can be preferably performed using an oxidizing agent such as hydrogen peroxide.

이하, 본 발명의 벌집형 탄소구조체의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing the honeycomb carbon structure of the present invention will be described in detail for each step.

벌크한 고분자수지 비드에 나노실리카 입자를 주입하는 단계Injecting nanosilica particles into bulk polymer resin beads

겉보기밀도가 0.1~0.5 g/cc이고 직경 0.5~15 ㎜인 벌크한 고분자수지 비드와 나노실리카 입자를 수용액 중에 함께 담지한 후 감압 조건에서 온도를 상승시켜 수용액을 증발 건조시켜 고분자수지 비드에 나노실리카 입자를 주입한다. 바람직하게는, 고분자수지 비드 100 중량부와 나노실리카 입자 1~100 중량부를 수용액 200~300 중량부에 담지하고, 이를 진공펌프를 이용하여 감압하면서 온도를 80~90℃ 로 상승시켜 수용액을 증발 건조시킨다. 이때 수용액으로는 알코올류나 증류수 등이 사용될 수 있다.The bulk polymer resin beads and nanosilica particles having an apparent density of 0.1 to 0.5 g / cc and a diameter of 0.5 to 15 mm are supported together in an aqueous solution, and then the temperature is increased under reduced pressure to evaporate and the aqueous solution is evaporated to dry. Inject the particles. Preferably, 100 parts by weight of the polymer resin beads and 1 to 100 parts by weight of the nano-silica particles are immersed in 200 to 300 parts by weight of the aqueous solution, and the temperature is raised to 80-90 ° C. under reduced pressure using a vacuum pump to evaporate and dry the aqueous solution. Let's do it. In this case, as the aqueous solution, alcohols or distilled water may be used.

상기 나노실리카 입자는 바람직하게는 금속촉매를 담지시킨 나노실리카 입자이다. 나노실리카 입자에 금속촉매를 담지시키는 방법으로는, 바람직하게는 나노실리카와 금속촉매를 수용액 중에 함께 담지한 후 수용액을 증발시키고 이를 다시 소성로에서 소성시킨다. 이때 수용액으로는 알코올류나 이차 증류수 등을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는, 나노실리카 100 중량부와 금속촉매 1~5 중량부를 수용액 100~200 중량부 중에서 함께 담지하여 10~48 시간 상온에서 방치한 후 100℃ 이상, 바람직하게는 100~120℃ 정도에서 수용액을 증발시킨 후 이를 다시 소성로에서 450~650℃ 정도로 3~7시간 정도 소성시켜 금속촉매가 담지된 나노실리카 입자를 얻는다. The nano silica particles are preferably nano silica particles on which a metal catalyst is supported. As a method of supporting the metal catalyst on the nanosilica particles, preferably, the nanosilica and the metal catalyst are supported together in an aqueous solution, and then the aqueous solution is evaporated and then calcined again in a calcination furnace. At this time, alcohol, secondary distilled water, or the like can be used as the aqueous solution. More preferably, 100 parts by weight of the nanosilica and 1 to 5 parts by weight of the metal catalyst are supported together in 100 to 200 parts by weight of an aqueous solution and left at room temperature for 10 to 48 hours, and then at 100 ° C. or higher, preferably at about 100 to 120 ° C. After evaporating the aqueous solution, the resultant is calcined for about 3 to 7 hours at about 450 to 650 ° C. in the kiln to obtain nanosilica particles loaded with a metal catalyst.

고분자-실리카 복합체 비드의 탄화 및 실리카 에칭 단계Carbonization and Silica Etching Steps of Polymer-Silica Composite Beads

상기 단계에서 얻은 나노실리카 입자가 주입된 고분자-실리카 복합체 비드를 탄화시킨 후 실리카 부분을 에칭하여 200~700 ㎚ 크기의 대기공을 갖는 탄소구조체를 얻는다. After carbonizing the polymer-silica composite beads in which the nanosilica particles obtained in the above step are carbonized, the silica portion is etched to obtain a carbon structure having an air hole having a size of 200 to 700 nm.

이때 탄화는 최종적으로 얻어지는 탄소구조체에 일정하고 균일하게 대기공을 형성시키기 위해 바람직하게는 다음의 두 단계를 거치게 된다. 첫 번째 단계는 공기분위기에서 승온속도 1~3℃/min으로 승온하여 300~400℃에서 1~3 시간 유지한다. 이 과정에서 복합체 비드의 고분자수지 부분이 수축되면서 나노실리카 표면과 밀착 되게 된다. 이후 두 번째 단계에서는 불활성가스 분위기에서 1~10℃/min의 승온 속도로 800~1000℃로 상승시켜 5~10시간 유지시켜 고분자수지의 탄화를 진행시킨다. 불활성가스로는 아르곤, 헬륨, 질소 등이 사용될 수 있다. 이렇게 두 단계를 거쳐 나노실리카 입자와 그 외각을 둘러싼 탄소구조체, 즉 실리카-탄소 복합체를 제조한다.In this case, carbonization is preferably performed through the following two steps to form air holes uniformly and uniformly in the finally obtained carbon structure. In the first stage, the temperature is raised to 1 ~ 3 ℃ / min in the air atmosphere and maintained at 300 ~ 400 ℃ for 1 ~ 3 hours. In this process, the polymer resin part of the composite bead is contracted to be in close contact with the surface of the nanosilica. Thereafter, in the second step, the carbonization of the polymer resin proceeds by increasing the temperature to 800-1000 ° C. at a temperature rising rate of 1-10 ° C./min in an inert gas atmosphere for 5-10 hours. Argon, helium, nitrogen and the like may be used as the inert gas. In this manner, the nano-silica particles and the carbon structure surrounding the outer shell, that is, silica-carbon composite are manufactured.

이렇게 얻어진 실리카-탄소 복합체에서 실리카 부분을 에칭하여 200~700 ㎚ 크기의 대기공을 갖는 탄소구조체를 얻는다. 에칭은 다공성 탄소구조체 제조과정에서 사용되는 공지된 통상의 방법으로 수행될 수 있다. 바람직하게는 제조된 실리카-탄소 복합체를 불산 수용액이나 수산화나트륨 수용액으로 처리한다. 보다 바람직하게는 20~50% 불산 수용액이나 30~50% 수산화나트륨 수용액 100 중량부에 실리카-탄소 복합체 10~30 중량부를 담지하여 30~80℃에서 10~24시간 반응시킨다. 반응이 끝나면 필터막 등을 이용하여 고형분을 분리한 후 100℃에서 완전히 건조시킨다.The silica portion is etched from the silica-carbon composite thus obtained to obtain a carbon structure having air holes of 200 to 700 nm in size. Etching may be performed by known conventional methods used in the manufacture of porous carbon structures. Preferably, the prepared silica-carbon composite is treated with aqueous hydrofluoric acid solution or aqueous sodium hydroxide solution. More preferably, 10 to 30 parts by weight of the silica-carbon composite is loaded on 100 parts by weight of 20 to 50% hydrofluoric acid solution or 30 to 50% sodium hydroxide aqueous solution and reacted at 30 to 80 ° C. for 10 to 24 hours. After the reaction is completed, the solids are separated using a filter membrane or the like and completely dried at 100 ° C.

탄소구조체의 외피 파열 단계Sheath rupture stage of carbon structure

상기 단계에서 얻은 대기공을 갖는 탄소구조체의 표면을 파열시켜 대기공을 외부로 노출시킨다. 탄소구조체의 표면, 즉 탄소 외피부분 파열에는 바람직하게는 산화제를 사용한다. 산화제로는 과산화이황산암모늄((NH4)2S2O8), 과산화수소(H2O2), 질산, 황산, 하이포염소산(HClO)과 그 염, 과망간산(HMnO4), 크로뮴산(H2CrO4)과 그 염 등이 사용될 수 있으며, 특히 30~50% 과산화수소수가 사용될 수 있다. 보다 바람직하게는 30~50% 과산화수소수 100 중량부에 탄소구조체 10 중량부를 담지하여 30~80℃에서 10~24시간 방치하여 탄소구조체 표면의 탄소 부분을 파열시킨다. 그런 다음 필터막을 이용하여 여과하고 건조한다.The surface of the carbon structure having the air pores obtained in the step is ruptured to expose the air pores to the outside. An oxidizing agent is preferably used for the surface of the carbon structure, that is, the breakage of the carbon shell. Oxidizing agents include ammonium persulfate ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), nitric acid, sulfuric acid, hypochloric acid (HClO) and salts thereof, permanganic acid (HMnO 4 ), and chromic acid (H 2 CrO 4 ) and salts thereof may be used, in particular 30 to 50% hydrogen peroxide water. More preferably, 10 parts by weight of the carbon structure is supported on 100 parts by weight of 30-50% hydrogen peroxide solution and left at 30 to 80 ° C. for 10 to 24 hours to rupture the carbon portion of the surface of the carbon structure. Then, filtered and dried using a filter membrane.

본 발명에 따른 대기공 벌집형 탄소구조체는 고분자 수지 내에 주입된 나노실리카 입자 크기인 200~700 ㎚의 대기공이 균일하게 형성되어 있으면서 대기공이 외부로도 노출되어 있고 또한 대기공 간에 대기공 크기의 1/5 정도 크기의 기공으로 상호 연결되어 벌집 형태로 발달된 탄소구조체이다. 본 발명의 벌집형 탄소구조체는 20~100 ㎚의 무기입자나 고분자 화합물 또는 균, 박테리아, 바이러스 등을 흡착하거나 수십 ㎚ 단위의 촉매 등을 담지 시키는 지지체 등으로 유용하게 활용될 수 있다. In the air hole honeycomb carbon structure according to the present invention, the air holes are exposed to the outside while the air holes of 200-700 nm, which are nano-silica particle sizes injected into the polymer resin, are uniformly formed. It is a carbon structure developed in honeycomb form by interconnecting with pores of about 5 size. The honeycomb carbon structure of the present invention may be usefully used as a support for adsorbing inorganic particles or polymer compounds of 20 to 100 nm or bacteria, bacteria, viruses, or the like, or supporting catalysts in units of tens of nm.

[실시예]EXAMPLE

이하 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 다음의 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 물론이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, the scope of the present invention is not limited by the following examples, and those skilled in the art to which the present invention pertains should be within the equivalent scope of the technical concept of the present invention and the claims to be described below. Of course, various modifications and variations are possible.

실시예 1Example 1

(1) 평균직경 약 300 ㎚ 정도의 나노실리카 입자 100 중량부와 AlNO3 ·6H2O 3 중량부를 70% 에탄올 150 중량부 중에 동시에 담지시킨 후 상온에서 24시간 교반한 다음, 100℃로 승온하여 수분을 증발 건조시켜 고형분말 형태의 금속촉매가 담지된 나노실리카 입자를 얻었다.(1) 100 parts by weight of nanosilica particles having an average diameter of about 300 nm and AlNO 3 · 6H 2 O 3 parts by weight were simultaneously supported in 150 parts by weight of 70% ethanol, stirred at room temperature for 24 hours, and then heated to 100 ° C. Water was evaporated to dryness to obtain nanosilica particles loaded with a metal catalyst in the form of a solid powder.

(2) 직경 1~2 ㎜의 고분자수지 비드 100 중량부와 상기에서 얻은 금속촉매가 담지된 나노실리카 입자 50 중량부를 2차 증류수 200 중량부 중에 동시에 담지하여 상온에서 1시간 교반한 다음, 진공펌프를 이용하여 감압하면서 온도를 80℃까지 승온시키고 수분이 완전히 증발될 때까지 유지시켜 고분자수지 비드 내부로 나노실리카 입자가 주입되도록 하였다. (2) 100 parts by weight of polymer resin beads having a diameter of 1 to 2 mm and 50 parts by weight of the nano-silica particles on which the metal catalyst was obtained were simultaneously loaded in 200 parts by weight of secondary distilled water and stirred at room temperature for 1 hour, followed by a vacuum pump. The temperature was raised to 80 ° C. under reduced pressure and maintained until the water was completely evaporated to inject nanosilica particles into the polymer resin beads.

(3) 상기 나노실리카 입자가 주입된 고분자 비드를 온도조절이 가능하고 1000℃까지 가열할 수 있는 탄화로 안에서 공기를 50 ㎖/min으로 불어 넣어 주면서 승온속도를 1℃/min로 하여 300℃까지 상승시킨 후 1시간 유지하고, 다시 질소가스를 불어 넣어 불활성 분위기를 유지하면서 승온속도 3℃/min으로 승온하여 900℃에서 5시간 유지시킨 후 냉각하여 탄소구조체와 나노실리카 복합체를 만들었다.(3) While blowing the polymer beads into which the nanosilica particles are injected can be controlled at a temperature and heated to 1000 ° C. while blowing air at 50 ml / min, the temperature increase rate is 1 ° C./min to 300 ° C. After raising for 1 hour, while maintaining the inert atmosphere by blowing nitrogen gas again, the temperature was raised to 3 ° C./min and maintained at 900 ° C. for 5 hours, followed by cooling to form a carbon structure and a nanosilica composite.

(4) 25% 불산 수용액 100 중량부에 상기 제조된 탄소구조체와 나노실리카 복합체 10 중량부를 담지하여 상온에서 24시간 방치하여 실리카 부분을 에칭한 후, 여과하여 건조하였다.(4) 10 parts by weight of the carbon structure and the nanosilica composite prepared above were loaded on 100 parts by weight of 25% hydrofluoric acid aqueous solution, and left at room temperature for 24 hours to etch the silica portion, followed by filtration and drying.

(5) (4)에서 얻은 탄소구조체 10 중량부를 30% 과산화수소수 100 중량부에 담지하여 상온에서 24시간 방치하여 탄소구조체 표면의 탄소를 파열시킨 후 여과 건조하여, 대기공을 갖는 벌집형 탄소구조체를 얻었다. (5) 10 parts by weight of the carbon structure obtained in (4) was immersed in 100 parts by weight of 30% hydrogen peroxide solution and left at room temperature for 24 hours to rupture the carbon on the surface of the carbon structure, followed by filtration and drying to form a honeycomb carbon structure having atmospheric pores. Got.

이렇게 제조된 벌집형 탄소구조체의 SEM(scanning electron microscope) 이미지를 도 1에 나타내었다. SEM 이미지로부터 평균 기공 직경이 약 300 ㎚인 대기공이 벌집형으로 발달된 탄소구조체임을 확인할 수 있다.A scanning electron microscope (SEM) image of the honeycomb carbon structure thus prepared is shown in FIG. 1. From the SEM image, it can be seen that the air pores having an average pore diameter of about 300 nm are carbon structures that have been developed in a honeycomb form.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 1에서 (5) 탄소구조체 표면의 탄소를 파열시키는 과정을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 탄소구조체를 제조하였다. 제조된 탄소구조체의 SEM 이미지를 도 2에 나타내었다. SEM 이미지로부터 탄소구조체가 평균 기공직경이 약 300 ㎚인 기공을 갖고 있으나 기공이 표면으로 드러나지 않은 형태임을 확인할 수 있다.In Example 1 (5) except that the process of rupturing the carbon on the surface of the carbon structure was carried out in the same manner as in Example 1 to prepare a carbon structure. An SEM image of the prepared carbon structure is shown in FIG. 2. From the SEM image, it can be seen that the carbon structure has pores having an average pore diameter of about 300 nm, but the pores are not exposed to the surface.

본 발명의 벌집형 탄소구조체는 20~100 ㎚의 무기입자나 고분자 화합물 또는 균, 박테리아, 바이러스 등을 흡착하거나 수십 ㎚ 단위의 촉매 등을 담지 시키는 지지체 등으로 유용하게 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 벌집형 탄소구조체는 차량용 필터, 공기청정기 필터 등에 사용될 수 있으며, 새집증후군, 새차증후군흥군, 새가구증후군 등의 방지제품, 냉장고 탈취제, 발냄새, 땀냄새 제거제, 곰팡이 냄새 제거제 등의 탈취분야, 친환경 인테리어 자재, 옷, 이불, 침대, 신발 안감 등의 소재 분야를 비롯한 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 수 있다.The honeycomb carbon structure of the present invention may be usefully used as a support for adsorbing inorganic particles or polymer compounds of 20 to 100 nm or bacteria, bacteria, viruses, or the like, or for supporting catalysts of several tens of nm. In particular, the honeycomb carbon structure of the present invention can be used for vehicle filters, air purifier filters, etc., and preventive products such as sick house syndrome, new car syndrome, new furniture syndrome, refrigerator deodorant, foot odor, sweat odor remover, mold odor remover, etc. It can be widely used in various fields including material deodorization, environmentally friendly interior materials, clothes, duvet, bed, shoe lining and so on.

도 1은 실시예 1에 따라 제조된 본 발명의 벌집형 탄소구조체의 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다. 1 is a scanning electron microscope (SEM) image of a honeycomb carbon structure of the present invention prepared according to Example 1. FIG.

도 2는 비교예 1에 따라 제조된 탄소구조체의 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다. FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) image of a carbon structure prepared according to Comparative Example 1. FIG.

Claims (10)

겉보기밀도가 0.1~0.5 g/cc이고 직경 0.5~15 ㎜인 벌크한 고분자수지 입자 내부에, 금속촉매가 담지된 200~700 ㎚ 크기의 나노실리카 입자를 주입한 후, 탄화시키고 에칭하여 상기 실리카 입자가 제거된 200~700 ㎚ 크기의 대기공을 갖는 탄소구조체를 얻은 후, 이 탄소구조체의 표면을 파열시켜 상기 대기공을 외부로 노출시킨 벌집형 탄소구조체.Inside the bulk polymer resin particles having an apparent density of 0.1 to 0.5 g / cc and a diameter of 0.5 to 15 mm, nano-silica particles of 200 to 700 nm size with a metal catalyst were injected therein, followed by carbonization and etching. After obtaining a carbon structure having the air hole of 200 ~ 700 nm size is removed, the surface of the carbon structure is ruptured honeycomb carbon structure exposing the air hole to the outside. 제1항에 있어서, 상기 고분자수지 입자는 직경 1~4 ㎜인 벌집형 탄소구조체.The honeycomb carbon structure according to claim 1, wherein the polymer resin particles have a diameter of 1 to 4 mm. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 금속촉매는 알루미늄; Cu; Fe; Ni; Co; Mn; Mo; Pd; Ag; Au; Ru; 및 Rh로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 벌집형 탄소구조체.The method of claim 1, wherein the metal catalyst is aluminum; Cu; Fe; Ni; Co; Mn; Mo; Pd; Ag; Au; Ru; And Rh honeycomb carbon structure is selected from the group consisting of. (a) 겉보기밀도가 0.1~0.5 g/cc이고 직경 0.5~15 ㎜ 크기인 벌크한 고분자수지 입자 100 중량부와 200~700 ㎚의 나노실리카 입자 1~100 중량부를 수용액 200~300 중량부 중에 담지한 후, 감압하면서 온도를 80~90℃로 상승시켜 수용액을 증발 건조시켜 상기 고분자수지 입자의 내부에 상기 나노실리카 입자를 주입하는 단계; (a) 100 parts by weight of bulk polymer resin particles having an apparent density of 0.1 to 0.5 g / cc and a diameter of 0.5 to 15 mm and 1 to 100 parts by weight of 200 to 700 nm nanosilica particles in 200 to 300 parts by weight of an aqueous solution. Thereafter, the temperature is raised to 80-90 ° C. under reduced pressure to evaporate and dry the aqueous solution to inject the nanosilica particles into the polymer resin particles. (b) 나노실리카 입자가 주입된 고분자-실리카 복합체 비드를 탄화시킨 후 실리카 부분을 에칭하여 200~700 ㎚ 크기의 대기공을 갖는 탄소구조체를 얻는 단계; 및 (b) carbonizing the polymer-silica composite beads into which the nanosilica particles are injected, and then etching the silica portion to obtain a carbon structure having an air hole having a size of 200 to 700 nm; And (c) 상기 대기공을 갖는 탄소구조체의 표면을 파열시켜 상기 대기공을 외부로 노출시키는 단계를 포함하는 벌집형 탄소구조체의 제조 방법.(C) a method of producing a honeycomb carbon structure comprising the step of rupturing the surface of the carbon structure having the air hole to expose the air hole to the outside. 삭제delete 제5항에 있어서, 상기 나노실리카 입자는 금속촉매가 담지된 나노실리카 입자이며, 상기 (a)단계에 앞서 나노실리카 100 중량부와 금속촉매 1~5 중량부를 수용액 100~200 중량부 중에 담지하여 10~48 시간 상온에서 방치한 후 100~120℃로 승온하여 수용액을 증발시키고 이를 다시 소성로에서 450~650℃로 3~7시간 소성시켜 금속촉매가 담지된 나노실리카 입자를 얻는 단계를 더 포함하는 벌집형 탄소구조체의 제조 방법.According to claim 5, The nano-silica particles are nano-silica particles loaded with a metal catalyst, prior to the step (a) by supporting 100 parts by weight of nano-silica and 1 to 5 parts by weight of the metal catalyst in 100 to 200 parts by weight of an aqueous solution 10 to 48 hours at room temperature and then heated to 100-120 ° C. to evaporate the aqueous solution and calcining it again at 450-650 ° C. for 3-7 hours to obtain nanosilica particles loaded with a metal catalyst. Method for producing honeycomb carbon structure. 제5항에 있어서, 상기 (b)단계의 탄화는 (ⅰ) 공기분위기에서 승온속도 1~3℃/min으로 승온하여 300~400℃에서 1~3 시간 유지하는 과정과; (ⅱ) 불활성가스 분위기에서 1~10℃/min의 승온 속도로 800~1000℃로 상승시켜 5~10시간 유지시키는 과정을 포함하는 벌집형 탄소구조체의 제조 방법.The method of claim 5, wherein the carbonization of step (b) comprises the steps of: (i) increasing the temperature at a temperature increase rate of 1 to 3 ℃ / min in the air atmosphere for 1 to 3 hours at 300 ~ 400 ℃; (Ii) A method for producing a honeycomb carbon structure comprising the step of raising to 800 ~ 1000 ℃ at a temperature rising rate of 1 ~ 10 ℃ / min in an inert gas atmosphere for 5 to 10 hours. 제5항에 있어서, 상기 탄소구조체의 표면을 파열시키는 단계는 과산화이황산암모늄; 과산화수소수; 질산; 황산; 하이포염소산 및 그 염; 과망간산(HMnO4); 크로뮴산 및 그 염으로 구성된 군으로부터 선택된 산화제와 탄소구조체를 반응시키는 것을 포함하는 벌집형 탄소구조체의 제조 방법.The method of claim 5, wherein the rupturing of the surface of the carbon structure comprises ammonium persulfate; Hydrogen peroxide solution ; nitric acid; Sulfuric acid; Hypochloric acid and salts thereof; Permanganic acid (HMnO 4 ); A method for producing a honeycomb carbon structure comprising reacting a carbon structure with an oxidant selected from the group consisting of chromic acid and salts thereof. 제5항에 있어서, 상기 탄소구조체의 표면을 파열시키는 단계는 30~50% 과산화수소수 100 중량부에 탄소구조체 10 중량부를 담지하여 30~80℃에서 10~24시간 방치하는 것을 포함하는 벌집형 탄소구조체의 제조 방법.The method of claim 5, wherein the rupturing of the surface of the carbon structure comprises 10 parts by weight of the carbon structure in 100 parts by weight of 30 to 50% hydrogen peroxide solution and left for 10 to 24 hours at 30 to 80 ℃ Method of making a structure.
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