KR101100745B1 - Method for synthesizing transition metal oxide and carbon nanotube composites by using microwave-polyol process - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로웨이브-폴리올 합성법을 이용한 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 산처리한 탄소나노튜브 분말을 초음파 처리를 통해 폴리올 용매에 분산시키고, 전이금속 염 및 보호제를 첨가하여 마이크로웨이브 하에서 전이금속 산화물/탄소나노튜브 복합체를 합성함으로써, 합성시간이 단축되고, 탄소나노튜브 표면상에만 전이금속 산화물이 매우 균일한 작은 크기로 코팅되도록 하는 마이크로웨이브-폴리올 합성법을 이용한 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composites using a microwave-polyol synthesis method, and more particularly, the acid-treated carbon nanotube powder is dispersed in a polyol solvent through ultrasonication, and the transition metal By adding salts and protective agents to synthesize the transition metal oxide / carbon nanotube complex under microwave, microwave-polyols reduce the synthesis time and allow the transition metal oxide to be coated on a carbon nanotube surface in a very uniform and small size. It relates to a method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite using a synthesis method.

마이크로웨이브-폴리올 합성법, 나노크기 전이금속 산화물, 루테늄 산화물, 탄소나노튜브, 전이금속산화물/탄소나노튜브 나노 복합소재, 전이금속산화물/탄소나노튜브 혼성소재, 강제수화 Microwave-polyol synthesis method, nano-sized transition metal oxide, ruthenium oxide, carbon nanotube, transition metal oxide / carbon nanotube composite, transition metal oxide / carbon nanotube hybrid material, forced hydration

Description

마이크로웨이브-폴리올 합성법을 이용한 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법{Method for synthesizing transition metal oxide and carbon nanotube composites by using microwave-polyol process}Method for synthesizing transition metal oxide and carbon nanotube composites by using microwave-polyol process

본 발명은 마이크로웨이브-폴리올 합성법을 이용한 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 산처리한 탄소나노튜브 분말을 초음파 처리를 통해 폴리올 용매에 분산시키고, 전이금속 염 및 보호제를 첨가하여 마이크로웨이브 하에서 전이금속 산화물/탄소나노튜브 복합체를 합성함으로써, 합성시간이 단축되고, 탄소나노튜브 표면상에만 전이금속 산화물이 매우 균일한 작은 크기로 코팅되도록 하는 마이크로웨이브-폴리올 합성법을 이용한 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composites using a microwave-polyol synthesis method, and more particularly, the acid-treated carbon nanotube powder is dispersed in a polyol solvent through ultrasonication, and the transition metal By adding salts and protective agents to synthesize the transition metal oxide / carbon nanotube complex under microwave, microwave-polyols reduce the synthesis time and allow the transition metal oxide to be coated on a carbon nanotube surface in a very uniform and small size. It relates to a method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite using a synthesis method.

탄소나노튜브는 준 일차원적인 양자구조를 가지고 있어 저차원에서 특이한 여러 양자현상이 관측되며, 특히 역학적 견고성, 화학적 안정성, 열전도성이 우수할 뿐만 아니라 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 띠는 독특한 특성을 나타 낸다. Carbon nanotubes have a quasi one-dimensional quantum structure, and various quantum phenomena are observed at low levels. Especially, the carbon nanotubes have excellent mechanical robustness, chemical stability, and thermal conductivity. Indicates.

또한 전이금속이 탄소나노튜브에 부착될 경우, 탄소나노튜브가 가지는 우수한 재료 특성의 향상 또는 새로운 특성의 발현이 가능한 혼성재료로 이용될 수 있다. 전이금속산화물/탄소나노튜브 복합체는 전기화학적 에너지 저장 소재, 변환 기기용 촉매 및 전극 소재, 가스 센서, FEDs 및 전자 장치 등의 소재 등에 응용이 가능하며, 이때 탄소나노튜브 상에 전이금속 산화물 크기의 나노화 및 크기 분포 제어가 필수적이다. In addition, when the transition metal is attached to the carbon nanotubes, it can be used as a hybrid material capable of improving the excellent material properties or expression of new properties of the carbon nanotubes. The transition metal oxide / carbon nanotube composite is applicable to electrochemical energy storage materials, catalysts and electrode materials for conversion devices, gas sensors, FEDs and electronic devices, and the like. Nanonization and size distribution control are essential.

종래의 전이금속산화물/탄소나노튜브 복합체의 제조방법은 탄소나노튜브 상에 전이금속을 전기화학적 도금 (J. Am . Chem . Soc ., 127, 6146,2005) 혹은 금속 증기를 이용하는 방법(Appl . Phys . Lett., 77,3015,2005) 등의 방법으로 합성한 후 열처리를 통하여 전이금속 산화물/탄소나노튜브 복합체를 제조하는 방법이 대부분이었다. 그러나, 열처리를 통한 전이금속산화물/탄소나노튜브 합성법은 실제 응용적 관점에서 볼 때 제조공정의 복잡화로 인해 시간적 경제적 한계를 보이고 있다.Conventional methods of preparing transition metal oxide / carbon nanotube composites include electrochemical plating of transition metals on carbon nanotubes ( J. Am . Chem . Soc ., 127, 6146, 2005) or using metal vapor ( Appl . Phys . Lett ., 77,3015,2005), and the method of preparing a transition metal oxide / carbon nanotube composite through heat treatment was mostly performed. However, the method of synthesizing transition metal oxide / carbon nanotubes through heat treatment shows a time and economic limitation due to the complexity of the manufacturing process from the practical application point of view.

한편, 폴리올 프로세스(polyol process)는 수산기(OH)를 두 개 이상 포함하는 폴리올 용매를 사용한 공정으로 폴리올의 종류는 EG(Ethylene Glycol), DEG (Diethylene Glycol), TEG (Triethylene Glycol), TTEG (Tetraethylene Glycol), TtEg(Tetratethylene Glycol) 등이 있다. 폴리올 프로세스는 나노크기의 균일한 금속 혹은 금속산화물 합성을 가능하게 하며, 반응이 용액 내에서 진행되므로 solid state method 나 환원성 수소 가스 분위기의 열처리와 비교 시 낮은 온도에서 반응이 일어나기 때문에 나노크기의 금속 혹은 금속산화물의 합성에 효율적인 방법이 다(대한민국 공개특허 제2007-0053667호, 제2007-0048675호). On the other hand, the polyol process (polyol process) is a process using a polyol solvent containing at least two hydroxyl groups (OH), the polyol type of EG (Ethylene Glycol), DEG (Diethylene Glycol), TEG (Triethylene Glycol), TTEG (Tetraethylene Glycol), TetEg (Tetratethylene Glycol), and the like. The polyol process allows for the synthesis of uniform nanoscale metals or metal oxides, and because the reaction proceeds in solution, the reaction occurs at lower temperatures as compared to the solid state method or heat treatment in a reducing hydrogen gas atmosphere. It is an efficient method for the synthesis of metal oxides (Korean Patent Nos. 2007-0053667, 2007-0048675).

폴리올 프로세스에서 폴리올의 역할에 따라 합성 메커니즘 및 합성 결과물이 상이하게 된다(Journal of Solid State Chemistry 154, 405-411 (2000), Angew.Chem.2005,117,4465-4469)The synthesis mechanism and synthesis result according to the role of the polyols in the polyol process is different from (Journal of Solid State Chemistry 154, 405-411 (2000), Angew. Chem. 2005, 117, 4465-4469)

첫째, 폴리올 프로세스에서 폴리올의 역할이 환원제(reducing agent)일 경우, 합성 메커니즘은 다음과 같다.First, when the role of the polyol in the polyol process is a reducing agent, the synthesis mechanism is as follows.

<Mechanism Ⅰ><Mechanism Ⅰ>

CH2OH-CH2OH(polyol)→ CH3CHO(reductant) + H2O ‥‥(1) CH 2 OH-CH 2 OH (polyol) → CH 3 CHO (reductant) + H 2 O ‥‥ (1)

2CH3CHO + 2M+ → 2M + 2H+ +CH3COCOCH3 ‥‥(2)2CH 3 CHO + 2M + → 2M + 2H + + CH 3 COCOCH 3 ‥‥(2)

폴리올(CH2OH-CH2OH)은 고온에서 반응 (1)과 같이 탈수(dehydration)반응이 일어나 아세트알데히드 (acetealdehyde:CH3CHO)와 물로 분리된다(반응(1)). 이때 생성된 아세트알데히드는 반응(2)와 같이 금속이온의 환원제 역할을 하여 폴리올 반응 후 금속입자가 형성되게 된다. The polyol (CH 2 OH-CH 2 OH) is dehydrated at high temperature like reaction (1) to separate acetaldehyde (acetealdehyde: CH 3 CHO) and water (reaction (1)). At this time, the acetaldehyde produced acts as a reducing agent of metal ions as in reaction (2) to form metal particles after the polyol reaction.

둘째, 폴리올이 보호제(capping agent) 로 사용될 경우 금속산화물 나노입자의 합성이 가능하며 지금까지 알려진 금속산화물 종류로는 Fe2O3, TiO2, ZnO, V2O5, Mn3O4 등이 있다. 폴리올 프로세스에 의한 금속산화물의 합성 메커니즘은 다음과 같다.Second, when polyol is used as a capping agent, it is possible to synthesize metal oxide nanoparticles. Fe 2 O 3 , TiO 2 , ZnO, V 2 O 5 , Mn 3 O 4 and the like. The synthesis mechanism of the metal oxide by the polyol process is as follows.

<Mechanism Ⅱ><Mechanism II>

Figure 112008038596104-pat00001
Figure 112008038596104-pat00001

폴리올 반응 시 일정량의 H2O 첨가로 인하여 금속이온의 수화반응이 일어나고 수화된 금속이온과 폴리올이 반응하여 중간상인 금속의 하이드록사이드(hydroxide) 화합물을 합성하고 하이드록사이드 화합물에 열을 가할 경우 금속산화물로 변환된다. 위와 같이 용액 제조 시 일정량의 H2O 첨가는 폴리올 프로세스가 진행될 때 강제수화 작용을 일으켜 추가적인 열처리 단계 없이 금속산화물의 합성을 가능하게 한다(Materials Research Bulletin, Vol.40, 2153, 2005; Inorg . Chem. Vol.41, 6137, 2002).When polyol reaction, a certain amount of H 2 O is added to hydrate the metal ions, and the hydrated metal ions react with the polyol to synthesize a hydroxide compound of the intermediate metal and heat the hydroxide compound. Converted to metal oxides. As above solution H 2 O was added an amount of the preparation is to enable the synthesis of a metal oxide without an additional heat treatment causes a forced hydration when the polyol process conducted (Materials Research Bulletin , Vol. 40, 2153, 2005; Inorg . Chem . 41, 6137, 2002).

현재까지 폴리올 프로세스의 두 번째 메커니즘을 이용하여 열처리 과정 없이 금속산화물/탄소나노튜브 복합체를 제조한 예는 알려진 바 없다.To date, there are no known examples of preparing metal oxide / carbon nanotube composites without heat treatment using the second mechanism of the polyol process.

본 발명의 목적은 마이크로웨이브-폴리올 프로세스 (microwave-polyol process)를 이용하여 반응 결과물의 후처리 공정인 열처리 공정을 수행하지 않고서도 전이금속 산화물을 단시간에 합성할 수 있는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is a transition metal oxide and carbon nanotubes capable of synthesizing a transition metal oxide in a short time without performing a heat treatment process, which is a post-treatment process of a reaction product using a microwave-polyol process. It is to provide a method for producing a composite.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention

탄소나노튜브 분말을 산처리하는 단계;Acid treating the carbon nanotube powder;

폴리올(polyol) 용매에서 상기 산처리된 탄소나노튜브 분말을 분산시키는 단계;Dispersing the acid treated carbon nanotube powder in a polyol solvent;

상기 단계에서 분산된 용액, 전이금속 염 및 보호제를 혼합하는 단계; Mixing the dispersed solution, the transition metal salt and the protecting agent in the step;

상기 단계의 혼합용액에 물을 혼합하는 단계; 및 Mixing water with the mixed solution of the step; And

상기 혼합용액으로부터 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체를 제조하는 단계를 포함하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite comprising the step of preparing a transition metal oxide and carbon nanotube composite from the mixed solution.

본 발명은 또한 본 발명의 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법에 따라 제조된 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체를 제공한다.The present invention also provides a transition metal oxide and carbon nanotube composite prepared according to the method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite of the present invention.

본 발명은 또한 본 발명의 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체를 포함하는 물품을 제공한다. The present invention also provides an article comprising the transition metal oxide and carbon nanotube composite of the present invention.

본 발명은 강제수화를 통하여 열처리 공정 없이 탄소나노튜브 표면 상에 선택적으로 전이금속 산화물을 코팅함으로써 제공공정을 단순화하고, 제조시간을 단축하는 효과가 있다.The present invention has the effect of simplifying the provision process and shortening the manufacturing time by selectively coating the transition metal oxide on the surface of the carbon nanotubes without a heat treatment process through forced hydration.

또한, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체는 전이금속 산화물 입자의 크기가 매우 작고 균일하므로 표면적이 극대화된 구조로서 에너지저장소재(2차전지, 연료전지, 슈퍼캐패시터), 여과막, 화학검출기, 가스 센서 등에 적용될 수 있다. In addition, the transition metal oxide and carbon nanotube composites prepared according to the method of the present invention are very small and uniform in size, so that the surface area of the transition metal oxide and fuel cell (supercapacitor) is maximized. ), Filtration membranes, chemical detectors, gas sensors and the like.

이하, 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the structure of this invention is demonstrated concretely.

본 발명은The present invention

탄소나노튜브 분말을 산처리하는 단계;Acid treating the carbon nanotube powder;

폴리올(polyol) 용매에서 상기 산처리된 탄소나노튜브 분말을 분산시키는 단계;Dispersing the acid treated carbon nanotube powder in a polyol solvent;

상기 단계에서 분산된 용액, 전이금속 염 및 보호제를 혼합하는 단계; Mixing the dispersed solution, the transition metal salt and the protecting agent in the step;

상기 단계의 혼합용액에 물을 혼합하는 단계; 및 Mixing water with the mixed solution of the step; And

상기 혼합용액으로부터 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체를 제조하는 단계를 포함하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법에 관한 것이다.It relates to a method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite comprising the step of preparing a transition metal oxide and carbon nanotube composite from the mixed solution.

이하 첨부한 도면 1을 참조하여 본 발명의 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of preparing the transition metal oxide and carbon nanotube composite of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

상기 탄소나노튜브 분말을 산처리하는 단계(100)는 탄소나노튜브 분말을 강산의 수용액에 담금으로써 탄소나노튜브 분말 제조 시 포함된 금속 촉매를 강산으로 녹여 제거함은 물론, 물과 같은 용매에 분산되지 않는 소수성 특성을 나타내는 탄소나노튜브 분말의 표면에 관능기를 야기시켜 탄소나노튜브에 친수성을 부여하여 탄소나노튜브 분말이 용매 내에 용이하게 분산될 수 있도록 하기 위한 단계이다.Acid treatment of the carbon nanotube powder (100) by dissolving the carbon catalyst in the manufacturing of carbon nanotube powder by dissolving the carbon nanotube powder in a strong acid solution as a strong acid, as well as not dispersed in a solvent such as water It is a step for causing carbon nanotube powder to be easily dispersed in a solvent by imparting hydrophilicity to the carbon nanotubes by causing a functional group on the surface of the carbon nanotube powder exhibiting hydrophobic properties.

상기 탄소나노튜 분말을 산처리하는 단계는 다음의 단계를 포함하는 것이 바람직하다:The acid treatment of the carbon nanotube powder preferably includes the following steps:

i) 탄소나노튜브 분말을 강산 수용액에 첨가하여 60 내지 90℃ 온도 조건에서 2 내지 6시간 산처리하는 단계;i) adding carbon nanotube powder to an aqueous strong acid solution and acid-treated at 60 to 90 ° C. for 2 to 6 hours;

ii) 상기 수용액을 여과 및 세정하는 단계; 및ii) filtering and washing the aqueous solution; And

iii) 세정된 탄소나노튜브의 수분을 제거하여 분말로 제조하는 단계. iii) removing the water of the cleaned carbon nanotubes to prepare a powder.

구체적으로 설명하면, 강산의 수용액에 탄소나노튜브 분말을 넣고 열을 가하여 산처리하고, 산처리된 수용액을 여과기를 통해 여과시키고, 여과된 탄소나노튜브를 증류수를 이용하여 1 내지 수회 세정한다. 다음으로, 세정된 탄소나노튜브에 열을 가하여 수분을 증발시켜 다시 분말 상태로 만드는 것이다.Specifically, the carbon nanotube powder is added to an aqueous solution of a strong acid, followed by acid treatment with heat, the acid-treated aqueous solution is filtered through a filter, and the filtered carbon nanotubes are washed one to several times with distilled water. Next, heat is applied to the cleaned carbon nanotubes to evaporate moisture to make the powder again.

본 발명의 "탄소나노튜브 분말"은 단층 탄소나노튜브 또는 다층 탄소나노튜브 모두를 포함하는 용어로서, 일반적으로 탄소나노튜브 분말은 소수성을 나타내므로 물과 같은 수용액에 분산되지 않는 성질을 나타낸다. 따라서, 산처리를 통해 친수성을 부여하여 이후 단계의 폴리올 용매 내에서 용이하게 분산될 수 있도록 하는 것이다.The term "carbon nanotube powder" of the present invention includes both single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes. In general, carbon nanotube powders exhibit hydrophobic properties and thus are not dispersed in an aqueous solution such as water. Therefore, the hydrophilicity is given through the acid treatment so that it can be easily dispersed in the polyol solvent of the next step.

상기 탄소나노튜브에 친수성을 부여하기 위한 산처리에 사용하는 강산으로는 황산, 질산, 염산, 또는 이들의 혼합물 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. As the strong acid used in the acid treatment for imparting hydrophilicity to the carbon nanotubes, sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, or a mixture thereof may be used alone or in combination of two or more thereof.

다음 단계는 폴리올(polyol) 용매에서 상기 산처리된 탄소나노튜브 분말을 분산시키는 단계이다(200). The next step is to disperse the acid treated carbon nanotube powder in a polyol solvent (200).

즉, 분말 상태의 산처리된 탄소나노튜브에 폴리올 용매를 첨가하고, 초음파를 분사시켜 탄소나노튜브를 폴리올 용액 내에 균일하게 분산시키는 단계이다. That is, a polyol solvent is added to the acid-treated carbon nanotubes in a powder state, and ultrasonic waves are sprayed to uniformly disperse the carbon nanotubes in the polyol solution.

상기 산처리된 탄소나노튜브 분말은 상기 탄소나노튜브에 전이금속 산화물이 1layer 두께로 고르게 코팅될 수 있도록 폴리올 용매 100 중량부에 대하여 0.001 내지 0.1 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.022 중량부가 좋다. 이는 상기 함량이 0.001 중량부 미만인 경우, 반응 후 탄소나노튜브 및 전이금속산화물 복합체 내에서 탄소나노튜브 첨가에 의한 전기전도도 향상을 기대하기 어렵고, 0.1 중량부를 초과하는 경우, 탄소나노튜브 분말의 분산이 어렵기 때문이다. The acid treated carbon nanotube powder is preferably included in an amount of 0.001 to 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the polyol solvent so that the transition metal oxide may be evenly coated on the carbon nanotubes with a thickness of 1 layer. More preferably 0.022 part by weight is good. When the content is less than 0.001 parts by weight, it is difficult to expect the electrical conductivity improvement by adding carbon nanotubes in the carbon nanotubes and the transition metal oxide composite after the reaction, and when the content exceeds 0.1 parts by weight, the dispersion of the carbon nanotube powder Because it is difficult.

또한, 상기 폴리올 용매는 분자 중에 OH기를 두 개 이상 가지고 있는 물질을 말하는 것으로, EG(Ethylene Glycol), DEG (Diethylene Glycol), TEG (Triethylene Glycol), TTEG (Tetraethylene Glycol), 또는 TtEg(Tetratethylene Glycol) 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. In addition, the polyol solvent refers to a substance having two or more OH groups in a molecule, and may include ethylene glycol (EG), diethylene glycol (DEG), polyethylene glycol (TT), tetraethylene glycol (TTEG), or tetraethylethylene (TtEg). These may be used alone or in combination of two or more.

다음 단계는 상기 분산단계에서 분산된 용액, 전이금속 염 및 보호제를 혼합하는 단계이다(300). 즉, 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 용액을 초음파 처리하여 전이금속 염 및 보호제와 혼합하여 교반시킨다.The next step is to mix the solution, transition metal salt and the protective agent dispersed in the dispersion step (300). That is, the solution in which the carbon nanotubes are uniformly dispersed is subjected to ultrasonic treatment and mixed with a transition metal salt and a protecting agent.

금속산화물을 제조하기 위해 제공하는 전이금속 염은 루테늄, 니켈, 바나듐, 코발트, 망간, 또는 타이타늄 등의 염을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. As the transition metal salt provided to prepare the metal oxide, salts such as ruthenium, nickel, vanadium, cobalt, manganese, or titanium may be used alone or in combination of two or more.

상기 전이금속 염은 함량에 따라 탄소나노튜브 표면상에 증착하는 금속산화물의 증착량이 제어가능하므로 탄소나노튜브 1 중량부에 대하여 0.01 내지 0.5 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 함량이 0.01 중량부 미만인 경우, 금속산화물이 탄소나노튜브 상뿐만 아니라 균일(homogeneous) 한 전이금속산화물 입자가 합성되며, 0.5 중량부를 초과할 경우 합성 단계에서 탄소나노튜브의 분산에 어려움이 있다.The transition metal salt is preferably included in an amount of 0.01 to 0.5 parts by weight based on 1 part by weight of carbon nanotubes because the amount of deposition of the metal oxide deposited on the surface of the carbon nanotubes can be controlled according to the content. When the content is less than 0.01 parts by weight, the metal oxide is homogeneous (homogeneous) transition metal oxide particles are synthesized as well as on the carbon nanotubes, if more than 0.5 parts by weight, it is difficult to disperse the carbon nanotubes in the synthesis step.

또한, 탄소나노튜브 상에 금속산화물의 합성 시 금속산화물 입자의 응집을 효과적으로 방지하기 위해 보호제를 첨가하는데, 금속산화물 입자의 성장을 억제하여 입자 크기가 작고 입자 크기 분포가 균일한 금속산화물 입자의 합성이 가능하다.In addition, a protective agent is added to effectively prevent agglomeration of metal oxide particles when synthesizing the metal oxide on the carbon nanotubes, and inhibits the growth of the metal oxide particles to synthesize metal oxide particles having a small particle size and a uniform particle size distribution. This is possible.

상기 보호제로 PVP(polyvinylpyrrolidone), PVA (polyvinyl alcohol), PAA(polyacrylic acid), 또는 NaAc(sodium acetate) 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. As the protective agent, polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), or sodium acetate (NaAc) may be used alone or in combination of two or more.

상기 보호제의 농도는 0.01M 내지 5M인 것이 바람직하다. 이는 상기 농도가 0.01M 미만인 경우, 보호제의 양이 너무 적어 입자의 성장을 제한할 수 없고, 5M를 초과하는 경우, 보호제의 추가가 효과를 보이지 않을뿐더러 보호제의 용해와 제거가 어렵다는 단점이 있다..The concentration of the protective agent is preferably 0.01M to 5M. If the concentration is less than 0.01M, the amount of the protective agent is too small to limit the growth of the particles, if it exceeds 5M, the addition of the protective agent does not show the effect, it is difficult to dissolve and remove the protective agent. .

다음 단계는 분산용액, 전이금속 염 및 보호제의 혼합용액에 물을 혼합하는 단계이다(400). The next step is the step 400 of mixing water with the mixed solution of the dispersion solution, the transition metal salt and the protective agent.

상기 물은 전이금속 염의 완전 용해 후에 첨가하는 것이 바람직하다.The water is preferably added after complete dissolution of the transition metal salt.

분산용액, 전이금속 염 및 보호제의 혼합용액에 물을 첨가하는 것은, 금속산화물을 마이크로웨이브-폴리올 프로세스를 통해 합성할 때, 강제수화 작용을 이용하여 추가 열처리 공정 없이 금속산화물을 합성하기 위함이다.The addition of water to the mixed solution of the dispersion solution, the transition metal salt and the protective agent is intended to synthesize the metal oxide without the additional heat treatment process by using the forced hydration when the metal oxide is synthesized through the microwave-polyol process.

물은 혼합용액 100 중량부에 대하여 5 내지 90 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 함량이 5 중량부 미만인 경우는 합성 후 전이금속이 산화물이 아니라 금속의 형태로 합성이 되며, 90 중량부를 초과하는 경우, 합성된 전이금속 산화물의 합성 효율이 감소하게 되기 때문이다.Water is preferably included in 5 to 90 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed solution. If the content is less than 5 parts by weight, after synthesis, the transition metal is synthesized in the form of a metal, not an oxide, and if it exceeds 90 parts by weight, the synthesis efficiency of the synthesized transition metal oxide is reduced.

다음 단계는 상기 단계의 혼합용액으로부터 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체를 제조하는 단계이다(500).The next step is to prepare a transition metal oxide and carbon nanotube composite from the mixed solution of the step (500).

상기 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체는 혼합용액을 마이크로웨이브 하에서 2.45 내지 60 GHz로, 10 내지 60분 동안 반응시켜 합성하는 것이 바람직하다.The transition metal oxide and carbon nanotube composite is preferably synthesized by reacting the mixed solution at 2.45 to 60 GHz under microwave for 10 to 60 minutes.

상기 마이크로웨이브 가열법은 마이크로웨이브를 사용한 가열법으로서, reflux 장치를 이용한 가열법에 비해 빠른 승온율을 가지며, 용액 전체가 균일하게 가열되는 장점이 있어, 반응시간을 단축할 수 있다는 장점이 있다. The microwave heating method is a heating method using a microwave, has a faster temperature increase rate than the heating method using a reflux device, has the advantage that the entire solution is uniformly heated, there is an advantage that the reaction time can be shortened.

특히, 본 발명에서 탄소나노튜브 상에 전이금속 산화물 나노입자의 합성을 위하여 마이크로웨이브 가열법을 선택한 이유는 탄소나노튜브와 같이 전기전도도가 우수한 물질의 경우, 탄소나노튜브 내에 존재하는 자유 전자가 마이크로웨이브의 흡수를 가속화하는데 이를 마이크로웨이브의 conduction loss 작용이라고 한다. 가속된 전자는 탄소 격자의 진동을 가속화하므로, 마이크로웨이브 가열 하에서 용액 내에서 탄소나노튜브는 주변의 용액에 비하여 상대적으로 고온으로 가열된다. 따라서 마이크로웨이브 가열 분위기에서 탄소나노튜브 표면 상에만 전이금속산화물의 핵 생성이 촉진되어 불균일한 핵생성 성장이 발생하므로 탄소나노튜브 표면에만 전이금속산화물의 코팅이 가능하기 때문이다. In particular, the reason for the microwave heating method for the synthesis of the transition metal oxide nanoparticles on the carbon nanotubes in the present invention is that in the case of a material having excellent electrical conductivity such as carbon nanotubes, free electrons present in the carbon nanotubes are micro The absorption of waves is accelerated, which is called the conduction loss action of microwaves. The accelerated electrons accelerate the vibration of the carbon lattice, so that the carbon nanotubes are heated to a relatively high temperature in the solution under microwave heating compared to the surrounding solution. Therefore, since the nucleation of the transition metal oxide is promoted only on the surface of the carbon nanotube in the microwave heating atmosphere, heterogeneous nucleation growth occurs, so that the coating of the transition metal oxide is possible only on the surface of the carbon nanotube.

또한, 반응이 끝난 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체는 세척용매에서 세척한 후 상온 내지 70℃의 온도조건에서 건조시키는 단계를 추가로 실시할 수 있다(600). 이는 상기 단계의 혼합용액에서 남은 폴리올 용매 또는 부가적으로 형성될 수 있는 유기화합물을 제거하기 위함이다.In addition, after the reaction of the transition metal oxide and carbon nanotube composite is washed in a washing solvent it may be further carried out a step of drying at a temperature condition of room temperature to 70 ℃ (600). This is to remove the remaining polyol solvent or additionally formed organic compounds from the mixed solution of the above step.

상기 세척용매를 이용하여 남은 폴리올 용매 또는 유기화합물이 모두 제거될 때까지 1회 내지 수차례 반복하여 수행하는 것이 바람직하다.It is preferable to repeatedly perform one to several times until all of the remaining polyol solvent or organic compound is removed using the washing solvent.

상기 세척용매로는 에탄올, 아세톤, 또는 물 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. As the washing solvent, ethanol, acetone, or water may be used alone or in combination of two or more.

또한, 세척이 끝난 전이금속 산화물/탄소나노튜브 복합체는 상온 내지 70℃의 온도조건에서 건조시키는 것이 바람직하며, 건조방법은 특별히 제한하지 않으며, 통상의 일반 건조방법을 사용할 수 있다. In addition, the washed transition metal oxide / carbon nanotube composite is preferably dried at a temperature condition of room temperature to 70 ℃, the drying method is not particularly limited, can be used a common general drying method.

현재까지 강제수화 작용을 통하여 많은 금속산화물의 합성에 관한 수많은 연구가 이루어지고 있으나, 아직까지 루테늄 산화물 합성에 대한 연구는 알려진 바가 없다. 전이금속 산화물 중 루테늄 산화물은 높은 도전률, 높은 열안정성 및 높은 화학적 내식성 등의 장점을 가지고 있으나 가격이 비싸다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 적은 양으로 극대의 효과를 내야 하는데 바로 합성된 입자의 크기를 감소하여 표면적을 증대하는 방법이다. To date, numerous studies on the synthesis of many metal oxides through forced hydration have been made, but there are no studies on ruthenium oxide synthesis. Among the transition metal oxides, ruthenium oxide has advantages such as high conductivity, high thermal stability and high chemical corrosion resistance, but has a disadvantage of high price. In order to overcome these disadvantages, the maximum effect should be made in a small amount, which is a method of increasing the surface area by reducing the size of the synthesized particles.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법을 통해 루테늄 산화물을 효과적으로 제조할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, ruthenium oxide can be effectively produced through the method for producing the transition metal oxide and carbon nanotube composite of the present invention.

본 발명은 또한 본 발명의 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법에 따라 제조된 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체에 관한 것이다.The present invention also relates to a transition metal oxide and carbon nanotube composite prepared according to the method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite of the present invention.

본 발명의 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체는 탄소나노튜브 표면에 전이금속 산화물이 고르게 코팅되어 있고, 전이금속 산화물의 입자 입경이 1 내지 2nm인 것을 특징으로 한다. The transition metal oxide and carbon nanotube composite of the present invention is characterized in that the transition metal oxide is evenly coated on the surface of the carbon nanotube, the particle size of the transition metal oxide is 1 to 2nm.

상기 전이금속 산화물은 바람직하게는 초미세 루테늄 산화물이다. The transition metal oxide is preferably ultrafine ruthenium oxide.

본 발명은 또한 본 발명의 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체를 포함하는 물품에 관한 것이다.The present invention also relates to an article comprising the transition metal oxide and carbon nanotube composite of the present invention.

본 발명의 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체는 전이금속 산화물의 입자의 크기가 매우 작고 균일하므로 표면적이 극대화된 구조로서, 에너지 저장소재, 예를 들어 2차전지, 연료전지, 또는 슈퍼캐퍼시터, 여과막, 화학검출기, 또는 가스 센서 등에 적용할 수 있다. The transition metal oxide and carbon nanotube composite of the present invention has a structure in which the particle size of the transition metal oxide is very small and uniform, so that the surface area is maximized, and an energy storage material, for example, a secondary battery, a fuel cell, or a supercapacitor, a filtration membrane It can be applied to chemical detectors or gas sensors.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention in detail and are not intended to limit the scope of the present invention by these examples.

<실시예 1> 루테늄 산화물/탄소나노튜브 복합체의 제조Example 1 Preparation of Ruthenium Oxide / Carbon Nanotube Composites

탄소나노튜브 분말을 황산에 첨가하여 80℃에서 4시간 동안 산처리하였다. 상기 수용액을 여과기를 통해 여과하고, 여과된 탄소나노튜브를 증류수를 이용하여 수 회 세정하고, 상기 세정된 탄소나노튜브에 열을 가하여 수분을 증발시켜 분말상태로 만들었다.Carbon nanotube powder was added to sulfuric acid and acid treated at 80 ° C. for 4 hours. The aqueous solution was filtered through a filter, and the filtered carbon nanotubes were washed several times with distilled water, and heat was added to the washed carbon nanotubes to evaporate water to make powder.

상기에서 산처리된 탄소나노튜브 0.022 중량부를 디에틸렌 글리콜에 첨가하고, 40분간 초음파 처리하여 탄소나노튜브가 균일하게 분산되도록 하였다. 0.022 parts by weight of acid-treated carbon nanotubes were added to diethylene glycol and sonicated for 40 minutes to uniformly disperse the carbon nanotubes.

다음으로, 상기 분산된 용액에 30mM RuCl3·nH2O 과 0.3M sodium acetate (NaAc, > 99%)를 첨가하여 혼합한 후 교반시켜 루테늄염이 완전히 용해되도록 하였다.Next, 30mM RuCl 3 · nH 2 O and 0.3M sodium acetate (NaAc,> 99%) were added to the dispersed solution, mixed, and stirred to completely dissolve the ruthenium salt.

다음으로, 상기 혼합용액에 20 중량부의 물을 첨가하고, 200℃ 온도 조건의 마이크로웨이브 오븐에서 40GHz로 20분간 반응시켜 루테늄 산화물을 합성하였다. Next, 20 parts by weight of water was added to the mixed solution, and reacted at 40 GHz for 20 minutes in a microwave oven at 200 ° C. to synthesize ruthenium oxide.

합성된 루테늄 산화물을 수돗물을 이용하여 급냉시키고, 에탄올과 물, 아세톤을 사용하여 수차례 세척 후 60℃ 오븐에서 건조하였다. The synthesized ruthenium oxide was quenched with tap water, washed several times with ethanol, water and acetone and dried in an oven at 60 ° C.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로웨이브-폴리올 프로세스에 의해 합성된 루테늄 산화물의 Raman 분석결과를 나타낸 그래프로서, 상기 결과는 일반적으로 알려진 RuO2의 라만 형태의 그래프를 나타내고 있어 상기에서 제조된 루테늄 산화물이 생성되었음을 확인할 수 있었다.Figure 2 is a graph showing the results of Raman analysis of ruthenium oxide synthesized by the microwave-polyol process according to an embodiment of the present invention, the results show a graph of the Raman form of RuO2 generally known ruthenium prepared above It was confirmed that the oxide was produced.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 루테늄 산화물/탄소나노튜브 복합체의 FETEM 사진이고, 도 3b는 도 3a의 확대도이다. 3A is a FETEM photograph of a ruthenium oxide / carbon nanotube composite according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B is an enlarged view of FIG. 3A.

도 3a 및 도 3b에 나타난 바와 같이, 탄소나노튜브 상에 나노크기를 가지는 입자들이 형성되어 있으며, 입자들이 탄소나노튜브 상에 고르게 분포되어 있음을 알 수 있다. 입자들의 형태에 있어서 모두 구형임을 알 수 있다. 또한, 탄소나노튜브 표면상에 1∼2nm 크기의 나노입자로 구성된 루테늄 산화물 입자의 성장 상태를 확인할 수 있었다. As shown in Figure 3a and 3b, it can be seen that the particles having a nano-size is formed on the carbon nanotubes, the particles are evenly distributed on the carbon nanotubes. It can be seen that the shape of the particles are all spherical. In addition, the growth state of the ruthenium oxide particles composed of nanoparticles of 1 to 2 nm size on the carbon nanotube surface was confirmed.

도 1은 본 발명의 전이금속 산화물/탄소나노튜브 복합체의 제조공정을 간략히 도시한 공정도이다.1 is a process diagram briefly showing a manufacturing process of the transition metal oxide / carbon nanotube composite of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로웨이브-폴리올 프로세스에 의해 합성된 루테늄 산화물의 Raman 분석결과를 나타낸 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the results of Raman analysis of ruthenium oxide synthesized by the microwave-polyol process according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 루테늄 산화물/탄소나노튜브 복합체의 FETEM 사진도로, 도 3b는 도 3a의 확대도를 나타낸 것이다. 3 is a FETEM photograph of the ruthenium oxide / carbon nanotube composite according to an embodiment of the present invention, Figure 3b is an enlarged view of Figure 3a.

Claims (18)

탄소나노튜브 분말을 산처리하는 단계;Acid treating the carbon nanotube powder; 폴리올(polyol) 용매에서 상기 산처리된 탄소나노튜브 분말을 분산시키는 단계;Dispersing the acid treated carbon nanotube powder in a polyol solvent; 상기 단계에서 분산된 용액, 전이금속 염 및 보호제를 혼합하는 단계; Mixing the dispersed solution, the transition metal salt and the protecting agent in the step; 상기 단계의 혼합용액 100 중량부에 대하여 5 내지 90 중량부의 물을 혼합하는 단계; 및 Mixing 5 to 90 parts by weight of water based on 100 parts by weight of the mixed solution of the step; And 상기 혼합용액으로부터 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체를 제조하는 단계를 포함하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법.Method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite comprising the step of preparing a transition metal oxide and carbon nanotube composite from the mixed solution. 제1항에 있어서, 탄소나노튜브 분말을 산처리하는 단계는The method of claim 1, wherein the step of acid treating the carbon nanotube powder i) 탄소나노튜브 분말을 강산 수용액에 첨가하여 60 내지 90℃ 온도 조건에서 2 내지 6시간 산처리하는 단계;i) adding carbon nanotube powder to an aqueous strong acid solution and acid-treated at 60 to 90 ° C. for 2 to 6 hours; ii) 상기 수용액을 여과 및 세정하는 단계; 및ii) filtering and washing the aqueous solution; And iii) 세정된 탄소나노튜브의 수분을 제거하여 분말로 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법.iii) a method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite, comprising the step of removing the water of the cleaned carbon nanotubes to form a powder. 제2항에 있어서,3. The method of claim 2, 강산은 황산, 질산, 염산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방 법.Strong acid is a method of producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite, characterized in that at least one selected from the group consisting of sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid and mixtures thereof. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 산처리된 탄소나노튜브 분말은 초음파 처리를 통해 폴리올 용매 내에 분산되는 것을 특징으로 하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법.Acid-treated carbon nanotube powder is a method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composites, characterized in that dispersed in a polyol solvent through ultrasonication. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 산처리된 탄소나노튜브 분말은 폴리올 용매 100 중량부에 대하여 0.001 내지 0.1 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법.Acid-treated carbon nanotube powder is a method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite, characterized in that it comprises 0.001 to 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the polyol solvent. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 폴리올 용매는 EG(Ethylene Glycol), DEG (Diethylene Glycol), TEG (Triethylene Glycol), TTEG (Tetraethylene Glycol) 및 TtEg(Tetratethylene Glycol)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법.The polyol solvent is transition metal oxide and carbon nano, characterized in that at least one selected from the group consisting of ethylene glycol (EG), diethylene glycol (DEG), tetraethylene glycol (TEG), tetraethylene glycol (TTEG) and tetraethylene polyethylene (TtEg) Method for producing a tube composite. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 전이금속 염은 루테늄, 니켈, 바나듐, 코발트, 망간 및 타이타늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 염인 것을 특징으로 하는 전이금속 산화물 및 탄 소나노튜브 복합체의 제조방법.Transition metal salt is a method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube complex, characterized in that at least one salt selected from the group consisting of ruthenium, nickel, vanadium, cobalt, manganese and titanium. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 전이금속 염은 탄소나노튜브 1 중량부에 대하여 0.01 내지 0.5 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법.Transition metal salt is a method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite, characterized in that it comprises 0.01 to 0.5 parts by weight based on 1 part by weight of carbon nanotubes. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 보호제는 PVP(polyvinylpyrrolidone), PVA (polyvinyl alcohol), PAA(polyacrylic acid) 및 NaAc(sodium acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법.Protective agent is a method of producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite, characterized in that at least one selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA) and sodium acetate (NaAc). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 보호제의 농도는 0.01M 내지 5M인 것을 특징으로 하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법.The concentration of the protective agent is a method of producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite, characterized in that 0.01M to 5M. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체는 혼합용액을 마이크로웨이브 하에서 2.45 내지 60 GHz로, 10 내지 60분 동안 반응시켜 합성하는 것을 특징으로 하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법.The transition metal oxide and carbon nanotube composite is a method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite, characterized in that the mixed solution is synthesized by reacting under microwave at 2.45 to 60 GHz, for 10 to 60 minutes. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 반응이 끝난 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체를 세척용매에서 세척한 후 상온 내지 70℃의 온도조건에서 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법.A method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite further comprising the step of washing the finished transition metal oxide and carbon nanotube composite in a washing solvent after drying the reaction at room temperature to 70 ℃. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 세척용매는 에탄올, 아세톤 및 물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체의 제조방법.The washing solvent is a method for producing a transition metal oxide and carbon nanotube composite, characterized in that at least one selected from the group consisting of ethanol, acetone and water. 제1항 내지 제10항 및 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따라 제조된 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체.A transition metal oxide and carbon nanotube composite prepared according to any one of claims 1 to 10 and 12 to 14. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 전이금속 산화물의 입자 입경이 1 내지 2nm인 것을 특징으로 하는 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체.A transition metal oxide and carbon nanotube composite, wherein the particle diameter of the transition metal oxide is 1 to 2 nm. 제15항의 전이금속 산화물 및 탄소나노튜브 복합체를 포함하는 물품.An article comprising the transition metal oxide of claim 15 and a carbon nanotube composite. 제17항에 있어서,The method of claim 17, 2차전지, 연료전지, 슈퍼캐퍼시터, 여과막, 화학검출기, 또는 가스 센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 물품.An article characterized in that any one of a secondary battery, fuel cell, supercapacitor, filtration membrane, chemical detector, or gas sensor.
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