KR101340009B1 - Method for the synthesis of carbon materials using carbon dioxide - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이산화탄소로부터 붕소 및/또는 질소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온/고압의 초임계 공정이 아닌 상압의 온건한 조건에서 이산화탄소로부터 탄소소재를 합성하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for preparing boron and / or nitrogen doped carbon material from carbon dioxide, and more particularly, to a method for synthesizing a carbon material from carbon dioxide under moderate conditions of normal pressure, not a high temperature / high pressure supercritical process. will be.
이산화탄소는 기후변화에 중요한 영향을 미치는 온실가스의 주범으로 대부분 화석연료를 이용하고 있는 산업, 자동차 및 가정에서 발생한다. 최근 전 세계적으로 기후변화대응을 위한 현실적인 대안으로 이산화탄소를 분리하여 포집하는 상업적인 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 분리와 포집만으로는 현재 전세계에서 연간 배출되는 20 GT(gigaton)이상의 이산화탄소를 처리하기가 어려운 상태이다. 이산화탄소를 해양에 포집할 경우, 해양의 pH가 변하여 해양생태계에 파괴될 수 있는 우려가 있으며, 해저에 저장한다 해도 지진이나 해일에 의해 저장되어있던 이산화탄소가 분출되는 위험성을 갖고 있다. 또한, 토양이나 터널에 저장된다 하더라도 누출의 위험성을 항상 있다. 따라서, 이산화탄소를 처리하기 위한 지속가능하고 가장 경제적인 방법은 이산화탄소를 원료로 하여 부가가치가 높은 제조공정을 개발하는 것과 동시에 그 이산화탄소를 원료로 이용하는 제조공정이 기존의 공정에 비하여 에너지 사용으로 인한 이산화탄소 발생이 적은 공정이어야 하는 것이 필수적이다. Carbon dioxide is the main culprit of greenhouse gases that have a significant impact on climate change, and occurs mostly in industries, cars, and homes that use fossil fuels. Recently, commercial researches to separate and capture carbon dioxide have been actively conducted as a realistic alternative to coping with climate change. However, separation and capture alone are currently difficult to handle more than 20 GT (gigaton) of carbon dioxide emitted annually from around the world. If carbon dioxide is collected in the ocean, there is a risk that the pH of the ocean may change and be destroyed in the marine ecosystem, and even if stored on the ocean floor, there is a risk that the carbon dioxide stored by the earthquake or tsunami is ejected. In addition, there is always a risk of leakage, even if stored in soil or tunnels. Therefore, a sustainable and most economical method for treating carbon dioxide is to develop a high value-added manufacturing process using carbon dioxide as a raw material, and at the same time, the production process using the carbon dioxide as a raw material generates carbon dioxide due to the use of energy compared to the existing process. It is essential that this less process be.
이산화탄소를 원료로 하여 부가가치가 높은 탄소소재를 생산하는 공정은 일반적으로 고온/고압의 초임계공정을 이용한다. 순수한 알카리족 금속(Li, Na)을 이용하여 500 ℃, 300 기압 이상의 압력으로 이산화탄소로부터 다공성 탄소를 합성하는 방법이 보고되었다(J. Am. Ceram. Soc., 94:3078, 2011). 또한, 순수 나트륨을 이용하여 440 ℃, 800 기압에서 이산화탄소를 다이아몬드로 전환하는 공정이 발표되었다(J. Am. Chem. Soc., 125:9302, 2003). 하지만, 상기와 같은 고온/고압의 초임계 공정은 에너지가 많이 드는 단점이 있다. The process of producing high value-added carbon materials using carbon dioxide as a raw material generally uses high temperature / high pressure supercritical processes. A method of synthesizing porous carbon from carbon dioxide using a pure alkali metal (Li, Na) at a pressure of 500 ° C. or more and at least 300 atm has been reported (J. Am. Ceram. Soc., 94: 3078, 2011). In addition, a process for converting carbon dioxide to diamond at 440 ° C. and 800 atm using pure sodium has been published (J. Am. Chem. Soc., 125: 9302, 2003). However, the high temperature / high pressure supercritical process as described above has the disadvantage of high energy.
이산화탄소 전환공정을 통하여 합성된 탄소소재는 실제 연료전지의 전극이나 Supercapacitor의 전극으로 이용할 수 있다. 이산화탄소로부터 합성된 탄소소재는 연료전지의 전극, 대부분의 산소환원반응이 일어나는 양전극(Cathode)에 사용될 수 있으며, 특히 고가의 백금촉매를 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 또한, 합성된 다공성 탄소소재는 차세대 에너지 저장매체인 Supercapacitor의 전극으로도 사용될 수 있으며, 촉매의 담체 혹은 가스분리 매체로도 사용될 수 있다. The carbon material synthesized through the carbon dioxide conversion process can be used as an electrode of a fuel cell or a supercapacitor. Carbon materials synthesized from carbon dioxide can be used in the electrodes of fuel cells, cathodes where most of the oxygen reduction reactions occur, and have the potential to replace expensive platinum catalysts. In addition, the synthesized porous carbon material may be used as an electrode of a supercapacitor, which is a next-generation energy storage medium, and may be used as a catalyst carrier or a gas separation medium.
이에, 본 발명자들은 온건한 조건에서 이산화탄소로부터 붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 부가가치가 높은 탄소소재로 합성하기 위해 예의 노력한 결과, 기존의 고온/고압의 초임계 공정이 아닌 상압의 온건한 조건에서 이산화탄소로부터 탄소소재를 합성하는 것을 확인하였고, 아울러 합성된 탄소소재를 후처리하여 연료전지 전극이나 Supercapacitor의 전극에 적용할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
Accordingly, the present inventors have made diligent efforts to synthesize high value-added carbon materials from boron hydride reducing agents from carbon dioxide under moderate conditions. It was confirmed that the synthesis of the carbon material, and also confirmed that it can be applied to the fuel cell electrode or the electrode of the supercapacitor by post-processing the synthesized carbon material, the present invention was completed.
본 발명의 목적은 상압의 온건한 조건에서 붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소로부터 붕소 및/또는 질소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
It is an object of the present invention to provide a method for producing boron and / or nitrogen doped carbon materials from carbon dioxide using a boron hydride reducing agent under moderate conditions of normal pressure.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 탄소소재로 전환시키는 단계를 포함하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법을 제공한다. 또한, 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계를 추가로 포함하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법을 제공한다.
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide comprising the step of converting carbon dioxide to a carbon material using a boron hydride reducing agent. In addition, the step of treating the boron-doped carbon material obtained with an acidic solution or hot water; And it provides a method for producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide further comprising the step of drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water.
본 발명은 또한, 붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 탄소소재로 전환시키는 단계; 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 붕소 도핑 탄소소재를 붕소 함유 전구체 물질로 처리하는 단계; 및 열처리하는 단계를 포함하는 붕소 도핑 탄소소재의 제조방법을 제공하고, 상기 제조방법에 의해 제조되고, peak 전위 값이 -0.35 V 내지 -0.15 V인 다공성 붕소 도핑 탄소소재를 제공한다.
The present invention also comprises the steps of converting carbon dioxide to a carbon material using a boron hydride reducing agent; Treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water; And treating the boron-doped carbon material prepared by the method of any one of the steps of drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water with a boron-containing precursor material. And it provides a method for producing a boron-doped carbon material comprising the step of heat treatment, and provides a porous boron-doped carbon material prepared by the above method, the peak potential value is -0.35 V to -0.15 V.
본 발명은 또한, 붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 탄소소재로 전환시키는 단계; 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 붕소 도핑 탄소소재를 질소 함유 전구체 물질로 처리하는 단계; 및 열처리하는 단계를 포함하는 붕소 및 질소 도핑 탄소소재의 제조방법을 제공한다.
The present invention also comprises the steps of converting carbon dioxide to a carbon material using a boron hydride reducing agent; Treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water; And treating the boron-doped carbon material prepared by the method of any one of the steps of drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water with a nitrogen-containing precursor material. And it provides a method for producing a boron and nitrogen doped carbon material comprising the step of heat treatment.
본 발명은 또한, 붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 탄소소재로 전환시키는 단계; 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 붕소 도핑 탄소소재를 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법을 제공하고, 상기 제조방법에 의해 제조되고, peak 전위 값이 -0.35 V 내지 -0.15 V인 다공성 붕소 도핑 탄소소재를 제공한다.
The present invention also comprises the steps of converting carbon dioxide to a carbon material using a boron hydride reducing agent; Treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water; And heat-treating the boron-doped carbon material prepared by the method of any one of the steps of drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water. The present invention provides a porous boron doped carbon material prepared by the above method and having a peak potential value of -0.35 V to -0.15 V.
본 발명은 또한, 붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 탄소소재로 전환시키는 단계; 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 붕소 도핑 탄소소재를 염기성 물질 또는 이산화탄소로 처리하는 단계; 및 열처리하는 단계를 포함하는 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법을 제공하고, 상기 제조방법에 의해 제조되고, Capacitance 값이 50 F/g 내지 150 F/g인 다공성 붕소 도핑 탄소소재를 제공한다.
The present invention also comprises the steps of converting carbon dioxide to a carbon material using a boron hydride reducing agent; Treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water; And treating the boron-doped carbon material prepared by the method of any one of the steps of drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water with a basic substance or carbon dioxide. And it provides a method for producing a boron-doped carbon material comprising the step of heat treatment, and provides a porous boron-doped carbon material prepared by the above method, Capacitance value is 50 F / g to 150 F / g.
본 발명에 따른 이산화탄소를 이용하여 합성된 탄소소재는 기존의 이산화탄소를 원료로 하여 탄소소재를 생산하는 고온/고압의 초임계공정이 아닌, 상압의 온건한 조건에서 이산화탄소로부터 탄소소재를 합성함으로써 기존의 제조공정보다 에너지를 절감할 수 있는 경제적인 공정이다. 본 발명의 이산화탄소를 이용하여 합성된 탄소소재는 연료전지의 양극에서 일어나는 산소환원반응(ORR, Oxidation Reduction Reaction)의 촉매로 사용 될 수 있으며, 고가의 백금촉매를 대체할 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 또한, 본 발명의 이산화탄소를 이용하여 합성된 탄소소재는 차세대 에너지 저장매체인 Supercapacitor에도 적용될 수 있으며, 촉매의 담체나 가스분리 매체로도 사용될 수 있다.
The carbon material synthesized using carbon dioxide according to the present invention is not a high temperature / high pressure supercritical process for producing carbon material using carbon dioxide as a raw material, but by synthesizing a carbon material from carbon dioxide under moderate conditions of normal pressure. It is an economical process that saves energy than the manufacturing process. The carbon material synthesized using the carbon dioxide of the present invention can be used as a catalyst for oxygen reduction reaction (ORR) occurring at the anode of a fuel cell, and has the potential to replace expensive platinum catalysts. In addition, the carbon material synthesized using the carbon dioxide of the present invention can be applied to a supercapacitor, which is a next-generation energy storage medium, and can also be used as a catalyst carrier or a gas separation medium.
도 1은 BPC(boron-doped porous carbon)의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 NaBH4와 CO2의 반응으로 생성된 BPC 시료의 사진이다.
도 3은 BPC의 NaBH4 처리방법을 나타낸 것이다.
도 4는 NaBH4 처리에 따른 순환전압전류법 측정 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는 BPC의 열처리방법을 나타낸 것이다.
도 6은 열처리 온도에 따른 순환전압전류법 측정 그래프를 나타낸 것이다.
도 7은 BPC의 KOH 처리방법을 나타낸 것이다.
도 8은 KOH 처리에 따른 순환전압전류법 측정 그래프를 나타낸 것이다.
도 9는 KOH 처리에 따른 Capacitance 측정 그래프를 나타낸 것이다.Figure 1 shows a method for producing a boron-doped porous carbon (BPC).
2 is a photograph of a BPC sample produced by the reaction of NaBH 4 and CO 2 .
Figure 3 shows the method of NaBH 4 treatment of BPC.
4 shows a cyclic voltammetry measurement graph according to NaBH 4 treatment.
Figure 5 shows the heat treatment method of the BPC.
Figure 6 shows a cyclic voltammetry measurement graph according to the heat treatment temperature.
Figure 7 shows the KOH treatment method of BPC.
8 shows a cyclic voltammetry measurement graph according to KOH treatment.
9 shows a graph of capacitance measurement according to KOH treatment.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.
본 발명은 일 관점에서, 붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 탄소소재로 전환시키는 단계를 포함하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계를 추가로 포함하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법에 관한 것이다.In one aspect, the present invention relates to a method for producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide comprising converting carbon dioxide to a carbon material using a boron hydride reducing agent. In addition, the step of treating the boron-doped carbon material obtained with an acidic solution or hot water; And it relates to a method for producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide further comprising the step of drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water.
보다 구체적으로, 본 발명에 사용되는 이산화탄소는 순수한 이산화탄소 또는 공장, 발전소 및 자동차 등에서 배출되는 이산화탄소를 사용할 수 있으며, 이산화탄소를 포함하고 있는 혼합가스는 상기 언급한 것에 제한되지 않고 사용될 수 있다. More specifically, the carbon dioxide used in the present invention may use pure carbon dioxide or carbon dioxide emitted from factories, power plants and automobiles, and the mixed gas containing carbon dioxide may be used without limitation.
본 발명에 사용되는 붕소 하이드라이드 환원제는 리튬 붕소하이드라이드(LiBH4), 나트륨 붕소하이드라이드(NaBH4), 칼륨 붕소하이드라이드(KBH4), 마그네슘 붕소하이드라이드(Mg(BH4)2), 마그네슘 하이드라이드(MgH2), 칼슘 붕소하이드라이드(Ca(BH4)2), 스트론튬 붕소하이드라이드(Sr(BH4)2) 및 암모니아보레인(NH3BH3)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다. The boron hydride reducing agent used in the present invention is lithium boron hydride (LiBH 4 ), sodium boron hydride (NaBH 4 ), potassium boron hydride (KBH 4 ), magnesium boron hydride (Mg (BH 4 ) 2 ), Magnesium hydride (MgH 2 ), calcium boron hydride (Ca (BH 4 ) 2 ), strontium boron hydride (Sr (BH 4 ) 2 ) and ammonia borane (NH 3 BH 3 ) It features.
상기 이산화탄소를 붕소 도핑 탄소소재로 전환시키는 단계는 1 내지 100 기압에서 수행되고, 100 ℃ 내지 1000 ℃에서 수행되는 것이 바람직하고, 500 ℃의 상압에서 수행되는 것이 가장 바람직하다. The step of converting the carbon dioxide to the boron-doped carbon material is carried out at 1 to 100 atm, preferably at 100 to 1000 ℃, most preferably at a normal pressure of 500 ℃.
또한, 본 발명의 붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 붕소 도핑 탄소소재로 전환시키는 단계에서 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계는 수득된 탄소소재에 포함된 염을 제거하기 위함이며, Na2CO3, NaBO2등과 같은 물질을 제거할 수 있다. 상기 산성용액은 HCl, H2SO4, HNO3 및 HClO4로 이루어진 군에서 선택되고, Cl이온이 탄소재료의 불순물과 반응하여 염을 만들어 물에 의해 쉽게 제거되기 때문에 HCl을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 또한, 온수로 처리하는 단계는 40 ℃ 내지 90 ℃에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계는 110 ℃ 내지 130 ℃의 오븐에서 1~2일 건조하는 것이 바람직하다. In addition, the step of treating the boron-doped carbon material obtained in the step of converting carbon dioxide to a boron-doped carbon material by using the boron hydride reducing agent of the present invention to remove the salt contained in the carbon material obtained This is for removing Na 2 CO 3 , NaBO 2 and the like. The acidic solution is selected from the group consisting of HCl, H 2 SO 4 , HNO 3 and HClO 4 , it is most preferable to use HCl because Cl ions react with impurities of the carbon material to form salts and are easily removed by water. Do. In addition, the step of treating with hot water is preferably carried out at 40 ℃ to 90 ℃. The drying of the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water is preferably performed in an oven at 110 ° C. to 130 ° C. for 1 to 2 days.
본 발명은 다른 관점에서, 붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 붕소 도핑 탄소소재로 전환시키는 단계; 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 붕소 도핑 탄소소재를 붕소 함유 전구체 물질로 처리하는 단계; 및 열처리하는 단계를 포함하는 붕소 도핑 탄소소재의 제조방법에 관한 것이다.In another aspect, the present invention comprises the steps of converting carbon dioxide to a boron doped carbon material using a boron hydride reducing agent; Treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water; And treating the boron-doped carbon material prepared by the method of any one of the steps of drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water with a boron-containing precursor material. And it relates to a method for producing a boron doped carbon material comprising the step of heat treatment.
붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 붕소 도핑 탄소소재로 전환시키는 단계; 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계는 상기 기재된 내용과 동일하다. Converting carbon dioxide to a boron doped carbon material using a boron hydride reducing agent; Treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water; And drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water is the same as described above.
보다 구체적으로, 본 발명에 사용되는 붕소 함유 전구체 물질은 보론옥사이드(B2O3), 보릭에시드(H2BO3), 리튬 붕소하이드라이드(LiBH4), 나트륨 붕소하이드라이드(NaBH4), 칼륨 붕소하이드라이드(KBH4), 마그네슘 붕소하이드라이드(Mg(BH4)2), 칼슘 붕소하이드라이드(Ca(BH4)2), 스트론튬 붕소하이드라이드(Sr(BH4)2) 및 암모니아보레인(NH3BH3)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다.More specifically, the boron-containing precursor material used in the present invention is boron oxide (B 2 O 3 ), boric acid (H 2 BO 3 ), lithium boron hydride (LiBH 4 ), sodium boron hydride (NaBH 4 ), Potassium boron hydride (KBH 4 ), magnesium boron hydride (Mg (BH 4 ) 2 ), calcium boron hydride (Ca (BH 4 ) 2 ), strontium boron hydride (Sr (BH 4 ) 2 ) and ammonia bore It is characterized in that it is selected from the group consisting of phosphorus (NH 3 BH 3 ).
붕소 도핑 탄소소재를 붕소 함유 전구체 물질로 처리하고, 열처리하는 단계에서, 상기 열처리는 비활성가스 또는 혼합가스 분위기에서 700 ℃ 내지 1500 ℃에서 수행되고, 850 ℃ 내지 1050 ℃에서 수행되는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 비활성가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되고, 혼합가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나와 1 vol% 내지 30 vol%의 이산화탄소를 혼합한 것을 사용할 수 있다. In the step of treating the boron-doped carbon material with a boron-containing precursor material and heat treatment, the heat treatment is performed at 700 ° C. to 1500 ° C. in an inert gas or mixed gas atmosphere, and more preferably at 850 ° C. to 1050 ° C. In addition, the inert gas is selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas, the mixed gas is any one selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas and carbon dioxide of 1 vol% to 30 vol% A mixture of these may be used.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조되고, peak 전위 값이 -0.35 V 내지 -0.15 V인 다공성 붕소 도핑 탄소소재에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a porous boron doped carbon material prepared by the above production method, the peak potential value is -0.35 V to -0.15 V.
상기 제조방법에 의해 제조된 붕소 도핑 탄소소재의 전기화학적 특성을 분석을 하기 위하여 순환전압전류법 측정하였으며, Glassy carbon을 자동전극, 백금 wire를 상대전극, Ag/AgCl을 기준전극으로 사용하고, 염기성 전해질인 1 M의 NaOH 수용액하에서 산소환원반응에 대한 촉매의 활성을 측정하였다. 순환전압전류법에서 전극과 용액 계면에 전압이 걸리면 산화/환원 반응이 진행되고, 반응이 이루어지면 반응에 대한 peak이 관찰되게 된다. 본 발명에서 제조된 탄소소재를 산소환원반응 촉매로서의 활성을 측정하기 위해서 반응이 일어나는 시작점인 전위 시작값과 반응이 일어났을 때의 전위 peak값을 평가할 수 있다. 이중 전위 시작값은 구별해 내는 것이 정확하지 않기 때문에 peak 전위값을 통해 반응에 대한 활성을 평가하는 것이 바람직하다. 전위 peak값이 더 빨리 나타날수록 반응이 빨리 진행된다는 것을 의미하므로 전위가 음의 방향으로 진행하는 환원반응에서는 더 높은 전위 peak값을 가질수록 촉매로서의 활성이 우수함을 확인할 수 있다.
In order to analyze the electrochemical characteristics of the boron-doped carbon material prepared by the above method, cyclic voltammetry was performed, and glassy carbon was used as an automatic electrode, platinum wire as a counter electrode, and Ag / AgCl as a reference electrode. The activity of the catalyst for the oxygen reduction reaction was measured in an aqueous 1 M NaOH solution. In the cyclic voltammetry, when a voltage is applied between the electrode and the solution, an oxidation / reduction reaction proceeds, and when the reaction occurs, a peak for the reaction is observed. In order to measure the activity of the carbon material prepared in the present invention as an oxygen reduction catalyst, the potential starting value, which is the starting point of the reaction, and the potential peak value when the reaction occurs can be evaluated. Since it is not accurate to distinguish the double potential starting value, it is desirable to evaluate the activity for the reaction through the peak potential value. The faster the potential peak value, the faster the reaction proceeds. Thus, in the reduction reaction where the potential proceeds in the negative direction, the higher the potential peak value, the better the activity as a catalyst.
본 발명은 또 다른 관점에서, 붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 붕소 도핑 탄소소재로 전환시키는 단계; 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 붕소 도핑 탄소소재를 질소 함유 전구체 물질로 처리하는 단계; 및 열처리하는 단계를 포함하는 붕소 및 질소 도핑 탄소소재의 제조방법에 관한 것이다.In another aspect, the present invention, the step of converting carbon dioxide to a boron doped carbon material using a boron hydride reducing agent; Treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water; And treating the boron-doped carbon material prepared by the method of any one of the steps of drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water with a nitrogen-containing precursor material. And it relates to a method for producing a boron and nitrogen doped carbon material comprising the step of heat treatment.
붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 붕소 도핑 탄소소재로 전환시키는 단계; 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계는 상기 기재된 내용과 동일하다. Converting carbon dioxide to a boron doped carbon material using a boron hydride reducing agent; Treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water; And drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water is the same as described above.
보다 구체적으로, 본 발명에 사용되는 질소 함유 전구체 물질은 폴리파이롤((C4H2NH)n), 폴리아닐린 (polyaniline), 멜라민(C3H6N6), PDI(N,N'-bis(2,6-diisopropyphenyl)-3,4,9,10-perylenetetracarboxylic diimide), Polyacrylonitrile (PAN), 요소(CO(NH2)2), 암모니아(NH3), 하이드라진(N2H4) 및 암모니아보레인(NH3BH3)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다.More specifically, the nitrogen-containing precursor material used in the present invention is polypyrrole ((C 4 H 2 NH) n), polyaniline (polyaniline), melamine (C 3 H 6 N 6 ), PDI (N, N'- bis (2,6-diisopropyphenyl) -3,4,9,10-perylenetetracarboxylic diimide), Polyacrylonitrile (PAN), urea (CO (NH 2 ) 2 ), ammonia (NH 3 ), hydrazine (N 2 H 4 ) and Ammonia borane (NH 3 BH 3 ) It is characterized in that it is selected from the group consisting of.
붕소 도핑 탄소소재를 질소 함유 전구체 물질로 처리하고, 열처리하는 단계에서, 상기 열처리는 비활성가스 또는 혼합가스 분위기에서 700 ℃ 내지 1500 ℃에서 수행되고, 850 ℃ 내지 1050 ℃에서 수행되는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 비활성가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되고, 혼합가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나와 1 vol% 내지 30 vol%의 이산화탄소를 혼합한 것을 사용할 수 있다.
In the step of treating the boron doped carbon material with a nitrogen-containing precursor material and heat treatment, the heat treatment is performed at 700 ° C. to 1500 ° C. in an inert gas or mixed gas atmosphere, and more preferably at 850 ° C. to 1050 ° C. In addition, the inert gas is selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas, the mixed gas is any one selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas and carbon dioxide of 1 vol% to 30 vol% A mixture of these may be used.
또 다른 관점에서, 본 발명은 붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 붕소 도핑 탄소소재로 전환시키는 단계; 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 붕소 도핑 탄소소재를 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 상기 제조방법에 의해 제조되고, peak 전위 값이 -0.35 V 내지 -0.15 V인 다공성 붕소 도핑 탄소소재에 관한 것이다.In another aspect, the present invention comprises the steps of converting carbon dioxide to a boron doped carbon material using a boron hydride reducing agent; Treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water; And heat-treating the boron-doped carbon material prepared by the method of any one of the steps of drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water. It is about. In addition, the present invention relates to a porous boron doped carbon material prepared by the above method and having a peak potential value of -0.35 V to -0.15 V.
붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 붕소 도핑 탄소소재로 전환시키는 단계; 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계는 상기 기재된 내용과 동일하다. Converting carbon dioxide to a boron doped carbon material using a boron hydride reducing agent; Treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water; And drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water is the same as described above.
또한, 건조단계 이후 추가 열처리 단계는 비활성가스 또는 혼합가스 분위기에서 700 ℃ 내지 1500 ℃에서 수행되고, 850 ℃ 내지 1050 ℃에서 수행되는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 비활성가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되고, 혼합가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나와 1 vol% 내지 30 vol%의 이산화탄소를 혼합한 것을 사용할 수 있다.
Further, the further heat treatment step after the drying step is carried out at 700 ℃ to 1500 ℃ in an inert gas or mixed gas atmosphere, it is more preferably carried out at 850 ℃ to 1050 ℃. In addition, the inert gas is selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas, the mixed gas is any one selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas and carbon dioxide of 1 vol% to 30 vol% A mixture of these may be used.
또 다른 관점에서, 본 발명은 붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 붕소 도핑 탄소소재로 전환시키는 단계; 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 붕소 도핑 탄소소재를 염기성 물질 또는 이산화탄소로 처리하는 단계; 및 열처리하는 단계를 포함하는 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법에 관한 것이다. In another aspect, the present invention comprises the steps of converting carbon dioxide to a boron doped carbon material using a boron hydride reducing agent; Treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water; And treating the boron-doped carbon material prepared by the method of any one of the steps of drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water with a basic substance or carbon dioxide. And it relates to a method for producing a boron doped carbon material comprising the step of heat treatment.
붕소 하이드라이드 환원제를 이용하여 이산화탄소를 붕소 도핑 탄소소재로 전환시키는 단계; 상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계; 및 상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계는 상기 기재된 내용과 동일하다. Converting carbon dioxide to a boron doped carbon material using a boron hydride reducing agent; Treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water; And drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water is the same as described above.
보다 구체적으로, 상기 붕소 도핑 탄소소재를 염기성 물질로 처리하는 단계는 염기성 물질을 증류수 또는 에탄올에 녹여 탄소소재를 처리하거나, 염기성 물질과 탄소소재를 기계적으로 혼합하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 염기성 물질은 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 및 수산화리튬(LiOH)로 이루어진 군에서 선택된다. 또한, 상기 붕소 도핑 탄소소재를 이산화탄소 처리하는 단계는 CO2가스 또는 CO2혼합가스 분위기에서 수행되고, CO2혼합가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 가스와 5 vol% 내지 100 vol%의 이산화탄소가 혼합된 혼합가스인 것이 바람직하다. More specifically, the step of treating the boron-doped carbon material with a basic material is characterized by dissolving the basic material in distilled water or ethanol to treat the carbon material, or mechanically mixing the basic material and the carbon material. In addition, the basic material is selected from the group consisting of potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH) and lithium hydroxide (LiOH). In addition, the carbon dioxide treatment of the boron doped carbon material is carried out in a CO 2 gas or CO 2 mixed gas atmosphere, the CO 2 mixed gas and any one gas selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas It is preferable that it is a mixed gas which mixed 5 vol%-100 vol% of carbon dioxide.
붕소 도핑 탄소소재를 염기성 물질 또는 이산화탄소로 처리하고, 열처리하는 단계는 비활성가스 또는 혼합가스 분위기에서 700 ℃ 내지 1500 ℃에서 수행되고, 850 ℃ 내지 1050 ℃에서 수행되는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 비활성가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되고, 혼합가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나와 1 vol% 내지 30 vol%의 이산화탄소를 혼합한 것을 사용할 수 있다. The boron-doped carbon material is treated with a basic material or carbon dioxide, and the heat treatment is performed at 700 ° C. to 1500 ° C. in an inert gas or mixed gas atmosphere, and more preferably at 850 ° C. to 1050 ° C. In addition, the inert gas is selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas, the mixed gas is any one selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas and carbon dioxide of 1 vol% to 30 vol% A mixture of these may be used.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조되고, Capacitance 값이 50 F/g 내지 150 F/g 인 다공성 붕소 도핑 탄소소재에 관한 것이다. 본 발명을 통해 생성된 탄소소재는 커패시터에 적용될 수 있다. 커패시터는 '전기를 저장할 수 있는 장치'이며, 우리말로는 축전기라고 한다. 커패시터는 기본적으로 2장의 전극판을 평행하게 마주 보게 배열된 구조로 되어 있으며 q/E=C(q: 커패시터의 전하, E: 커패시터의 전압, C: 커패시턴스)의 식을 따른다. 즉, 직류전압이 걸리면 각 전극에 전하가 이 식을 충족할 때까지 축적된다. 커패시터의 성능은 전적으로 커패시턴스에 의해 좌우되기 때문에 커패시턴스의 값이 높을수록 높은 성능을 보인다.
In addition, the present invention relates to a porous boron doped carbon material prepared by the above method, and has a capacitance value of 50 F / g to 150 F / g. The carbon material produced through the present invention can be applied to a capacitor. A capacitor is a device that can store electricity. Capacitors are basically arranged so as to face two electrode plates in parallel and follow the formula q / E = C (q: charge of capacitor, E: voltage of capacitor, C: capacitance). In other words, when a DC voltage is applied, charges are accumulated on each electrode until this expression is satisfied. Capacitor performance is entirely dependent on capacitance, so the higher the value of capacitance, the higher the performance.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples.
붕소가 Boron 도핑된Doped 다공성 탄소( Porous carbon ( BPCBPC )의 제조방법Manufacturing method
이산화탄소를 이용하여 붕소가 도핑된 다공성 탄소의 제조방법을 도 1을 참고하여 다음과 같이 구체적으로 기재한다. 붕소 하이드라이드 환원제는 나트륨 붕소하이드라이드(NaBH4)를 사용하였으며(>99%, Fluka), 순도 99.8%이상의 이산화탄소(CO2)가스를 사용하였다. A method of preparing boron-doped porous carbon using carbon dioxide will be described in detail with reference to FIG. 1. As the boron hydride reducing agent, sodium boron hydride (NaBH 4 ) was used (> 99%, Fluka), and carbon dioxide (CO 2 ) gas having a purity of 99.8% or more was used.
도가니에 NaBH4 4 g을 담아 Furnace 반응기에 넣고 1 bar의 CO2가스를 76 cm3/min의 유속으로 흘려준다. 이때, 반응온도는 5 ℃/min으로 500 ℃까지 승온시키고 2~3시간 동안 500 ℃를 유지시킨다. 이렇게 생성된 카본물질은 5 M의 HCl처리 또는 온수처리과정을 거치게 된다. 5 M의 HCl처리과정은 다음과 같다. 생성된 카본물질 8 g을 250 ml 비커에 넣고 5 M의 HCl용액 200 ml를 붓고 24시간 후에 가라앉은 카본물질 위에 남은 용액을 따라서 제거한다. 비커에 남아있는 카본물질에 증류수(DIW, DeIonized Water) 200 ml를 붓고 카본물질이 가라앉은 후 용액을 따라서 버리고, 상기와 같은 증류수 세척과정을 2회 더 반복한다. 상기와 같은 과정을 거친 카본물질이 남아있는 비커에 마지막으로 에탄올 200 ml를 붓고 카본물질이 가라앉은 후 용액을 따라서 제거한다. Put 4 g of NaBH 4 in the crucible into the Furnace reactor and
또한, 카본물질의 온수처리과정은 다음과 같다. 카본물질 8 g을 250 ml 비커에 넣고 200 ml의 증류수를 붓고 85 ℃에서 4시간 동안 260 rpm으로 교반시킨다. 교반 후 카본물질이 가라앉으면 용액을 따라 버리고, 상기 HCl처리과정의 증류수 세척과정을 5회 반복한 후, 마지막으로 에탄올 200 ml를 붓고 카본물질이 가라앉은 후 용액을 따라서 제거한다. 5 M의 HCl처리 또는 온수처리과정을 거친 카본물질은 120 ℃의 오븐에서 24시간 건조시켜 카본물질에 남아 있는 수분을 제거한다. In addition, the hot water treatment process of the carbon material is as follows. 8 g of carbonaceous material is placed in a 250 ml beaker and 200 ml of distilled water is poured and stirred at 260 rpm for 4 hours at 85 ° C. If the carbon material sinks after stirring, the solution is discarded. The distilled water washing process of the HCl treatment is repeated five times. Finally, 200 ml of ethanol is poured and the carbon material is settled and then removed along the solution. The carbon material after 5 M HCl treatment or hot water treatment is dried in an oven at 120 ° C. for 24 hours to remove moisture remaining in the carbon material.
상기와 같이 이산화탄소와 나트륨 붕소하이드라이드(NaBH4)로부터 생성된 카본물질에 HCl 혹은 온수처리과정 및 건조과정을 거쳐 최종적으로 붕소가 도핑된 다공성 탄소(BPC, boron-doped porous carbon)를 제조할 수 있다(도 2).
As described above, boron-doped porous carbon (BPC) may be finally manufactured by HCl or hot water treatment and drying on carbon material generated from carbon dioxide and sodium boron hydride (NaBH 4 ). (FIG. 2).
BPCBPC 의 of NaBHNaBH 44 처리 process
실시예 1에서 제조된 BPC에 추가로 나트륨 붕소하이드라이드(NaBH4) 처리를 하여 연료전지의 전극에 사용될 수 있는 탄소소재를 제조하는 방법에 관한 것이며, 실험에 사용된 나트륨 붕소하이드라이드(NaBH4)는 실시예 1에서 사용된 것과 동일하며, 순도 99.9%이상의 아르곤(Ar)가스를 사용하였다. Example 1 In addition to the manufacturing BPC from relates to a method for producing a carbon material which can be used in the electrode of the fuel cell to the sodium boron hydride (NaBH 4) treatment, the sodium boron used in the experiment hydride (NaBH 4 ) Is the same as that used in Example 1, and argon (Ar) gas having a purity of 99.9% or more was used.
도 3을 참고로 하여, NaBH4 처리과정을 보다 상세히 설명한다. NaBH4 0.118 g을 6 cm3의 에탄올에 녹인 후, 그 중 1.5 cm3을 피펫으로 취해 실시예 1에서 제조된 BPC 0.1 g에 첨가한다. 2~3일 동안 vial 뚜껑을 상온에서 열어두어 에탄올이 모두 증발될 수 있도록 한다. 상기와 같이 NaBH4가 처리된 BPC 0.1663 g을 도가니에 담아 Furnace 반응기에 넣고 1bar의 Ar가스를 50 cm3/min의 유속으로 흘려준다. 이때, 반응온도는 25 ℃에서 100 ℃까지 20분 동안 승온시키고(3.75 ℃/min), 100 ℃에서 1시간 동안 유지시킨다. 그 후, 850 ℃까지 75분 동안 승온시키고(10 ℃/min), 850 ℃에서 2시간 동안 유지시킨 후 상온으로 식힌다. Referring to Figure 3, the NaBH 4 process will be described in more detail. 0.118 g of NaBH 4 is dissolved in 6 cm 3 of ethanol, 1.5 cm 3 of which is then pipetted and added to 0.1 g of BPC prepared in Example 1. Leave the vial lid at room temperature for 2-3 days to allow all of the ethanol to evaporate. As described above, 0.1663 g of BPC treated with NaBH 4 was placed in a crucible and placed in a Furnace reactor to flow 1 bar of Ar gas at a flow rate of 50 cm 3 / min. At this time, the reaction temperature was raised to 25 ℃ 100 ℃ 20 minutes (3.75 ℃ / min), and maintained at 100 ℃ for 1 hour. Thereafter, the temperature was raised to 850 ° C. for 75 minutes (10 ° C./min), and maintained at 850 ° C. for 2 hours, followed by cooling to room temperature.
열처리가 끝난 후의 BPC는 5 M의 HCl용액에 의해 산 처리 과정 또는 온수처리과정을 거친다. 산 처리 과정은 vial에 상기 열처리가 끝난 후의 BPC 0.1151 g과 5 M의 HCl용액 20 ml를 첨가하고 5일 동안 밀폐시켜 상온에서 보관한다. 5일이 지난 후 BPC가 가라앉으면 위에 떠있는 용액을 따라서 제거하고, 증류수 20 ml를 vial에 다시 붓고 24시간 후 용액을 제거하는 과정을 거친다. 그리고 마지막으로 에탄올 20 ml를 vial에 붓고 24시간 후 용액을 제거하는 과정을 반복하고 상온에서 3시간 동안 뚜껑을 열어 두고, 120 ℃의 오븐에서 24시간 건조시켜 BPC에 남아 있는 수분을 제거한다. After the heat treatment, BPC is subjected to acid treatment or hot water treatment with 5 M HCl solution. For acid treatment, add 0.1151 g of BPC and 20 ml of 5 M HCl solution to the vial and seal for 5 days at room temperature. After 5 days, when the BPC has settled, remove the solution along the floating solution, pour 20 ml of distilled water back into the vial and remove the solution after 24 hours. Finally, 20 ml of ethanol is poured into the vial, and after 24 hours, the solution is repeated, the lid is opened at room temperature for 3 hours, and dried in an oven at 120 ° C. for 24 hours to remove water remaining in the BPC.
또한, 온수처리과정은 상기 열처리가 끝난 후의 BPC를 250 ml 비커에 0.1151 g을 넣고 200 ml의 증류수를 붓고 85 ℃에서 4~5시간 동안 260 rpm으로 교반시킨다. 교반 후 BPC가 가라앉으면 용액을 따라 버리고, 비커에 남아있는 BPC에 증류수 200 ml를 붓고 BPC가 가라앉은 후 용액을 따라서 버리고, 상기와 같은 증류수 세척과정을 5회 반복한다. 마지막으로 증류수 세척과 동일한 방법으로 에탄올 세척과정을 거치며, 120 ℃의 오븐에서 24시간 건조시켜 BPC에 남아 있는 수분을 모두 제거한다. In addition, in the hot water treatment process, the BPC after the heat treatment is put 0.1151 g in a 250 ml beaker, 200 ml of distilled water is poured and stirred at 260 rpm for 4-5 hours at 85 ℃. When the BPC sinks after stirring, discard the solution, pour 200 ml of distilled water into the remaining BPC in the beaker, and after the BPC has settled, discard the solution along the solution, and repeat the above distilled water washing process five times. Finally, the ethanol washing process is performed in the same manner as the distilled water washing, and dried in an oven at 120 ° C. for 24 hours to remove all remaining water in the BPC.
상기와 같이 실시예 1에서 제조된 BPC에 NaBH4(Sodium Borohydride)처리 및 열처리 후, 5 M의 HCl 또는 온수처리과정을 거친 BPC는 SB-BPC로 명명하였으며, 연료전지의 양극에서 일어나는 산소환원반응(ORR, Oxidation Reduction Reaction)의 촉매로 사용될 수 있다. Glassy carbon을 자동전극, 백금 wire를 상대전극, Ag/AgCl을 기준전극으로 사용하고, 염기성 전해질인 1 M의 NaOH 수용액하에서 산소환원반응에 대한 촉매의 활성을 측정하였다(도 4). 실시예 1에서 제조된 BPC, 실시예 2에서 제조된 SB-BPC, 및 가장 많이 사용되고 있는 상용 촉매(Pt-AC)의 활성을 비교하였다. 실험에 사용된 상용촉매는 10 wt%의 Pt(Platinum)이 담지되어 있는 Activated Carbon을 사용하였다(Sigma-Aldrich).As described above, after the BPC prepared in Example 1 was treated with NaBH 4 (Sodium Borohydride) and subjected to heat treatment, the BPC which had undergone 5 M HCl or hot water treatment was named SB-BPC, and an oxygen reduction reaction occurred at the anode of the fuel cell. It can be used as a catalyst for (ORR, Oxidation Reduction Reaction). Using glassy carbon as an automatic electrode, a platinum wire as a counter electrode, and Ag / AgCl as a reference electrode, the activity of the catalyst for oxygen reduction reaction was measured in a basic electrolyte of 1 M NaOH solution (FIG. 4). The activity of the BPC prepared in Example 1, the SB-BPC prepared in Example 2, and the most commonly used commercial catalyst (Pt-AC) was compared. The commercial catalyst used in the experiment was activated carbon having 10 wt% of Pt (Platinum) supported (Sigma-Aldrich).
도 4는 순환전압전류법(CV, Cyclic Voltammographs)측정 그래프를 나타낸 것으로, 전류가 최대가 되는 전위는 BPC를 사용했을 때 -0.31 V, SB-BPC를 사용했을 때 -0.21 V로 각각 나타났다. 산소환원반응에 대한 peak이 더 큰 값을 보일수록 산소환원반응에 대한 높은 활성을 보이므로 BPC에 비해 SB-BPC가 반응에 대한 활성이 더 우수함을 확인할 수 있다. NaBH4 처리를 통하여 C=C π bond가 더 넓어지고, BPC 표면에 주로 존재하는 B4C가 NaBH4처리를 함으로써, B4C의 양은 줄어들고 BCO2의 형태가 증가된 것으로 판단되고, 이러한 두 가지 물성 변화가 연료전지의 촉매로써의 활성을 증가시킨 요인 중 하나로 판단된다.
Figure 4 shows a cyclic voltammetry (CV) measurement graph, the maximum potential of the current was -0.31 V when using the BPC, -0.21 V when using the SB-BPC, respectively. As the peak of the oxygen reduction reaction shows a higher value, the higher activity of the oxygen reduction reaction shows that the SB-BPC has better activity than the BPC. NaBH 4 treatment resulted in a wider C = C π bond, and B 4 C, which is mainly present on the surface of BPC, was treated with NaBH 4 to reduce the amount of B 4 C and increase the BCO 2 morphology. Eggplant property change is considered to be one of the factors that increased the activity of the fuel cell as a catalyst.
BPCBPC 의 열처리Heat treatment
실시예 1에서 제조된 BPC에 추가로 열 처리를 하여 연료전지의 전극에 사용될 수 있는 탄소소재를 제조하는 방법에 관한 것이며, 도 5를 참고로 하여, 열처리과정을 보다 상세히 설명한다. 열처리 온도는 750 ℃, 850 ℃, 1050 ℃이고, 실시예 1에서 제조된 BPC 0.1 g을 도가니에 담아 Furnace 반응기에 넣고 1bar의 Ar가스를 50 cm3/min의 유속으로 흘려준다. 이때, 반응온도는 25 ℃에서 100 ℃까지 20분 동안 승온시키고(3.75 ℃/min), 100 ℃에서 1시간 동안 유지시킨다. 그 후, 10 ℃/min의 속도로 750 ℃(65 min), 850 ℃(75 min), 1050 ℃(95 min)까지 각각 승온시키고 2시간 동안 유지시킨 후 상온으로 식힌다. The present invention relates to a method of manufacturing a carbon material that can be used for an electrode of a fuel cell by further heat treating the BPC prepared in Example 1, and the heat treatment process will be described in more detail with reference to FIG. 5. The heat treatment temperature is 750 ° C, 850 ° C, 1050 ° C, 0.1 g of BPC prepared in Example 1 was placed in a crucible and placed in a Furnace reactor to flow 1 bar of Ar gas at a flow rate of 50 cm 3 / min. At this time, the reaction temperature was raised to 25 ℃ 100 ℃ 20 minutes (3.75 ℃ / min), and maintained at 100 ℃ for 1 hour. Thereafter, the temperature was raised to 750 ° C. (65 min), 850 ° C. (75 min), and 1050 ° C. (95 min) at a rate of 10 ° C./min, and maintained for 2 hours, followed by cooling to room temperature.
상기와 같이 실시예 1에서 제조된 BPC에 열처리과정을 거친 BPC를 T-BPC로 명명하였으며, 열처리 온도에 따라 T-BPC(750), T-BPC(850), T-BPC(1050)로 명명하였다. 실시예 3에서 제조된 T-BPC는 연료전지의 양극에서 일어나는 산소환원반응(ORR, Oxidation Reduction Reaction)의 촉매로 사용 될 수 있으며, Glassy carbon을 자동전극, 백금 wire를 상대전극, Ag/AgCl을 기준전극으로 사용하고, 염기성 전해질인 1 M의 NaOH 수용액하에서 산소환원반응에 대한 촉매의 활성을 측정하였다(도 6).The BPC that has undergone heat treatment on the BPC prepared in Example 1 was named T-BPC, and according to the heat treatment temperature, it was named T-BPC (750), T-BPC (850), and T-BPC (1050). It was. The T-BPC prepared in Example 3 may be used as a catalyst for oxygen reduction reaction (ORR) occurring at the anode of a fuel cell, and glassy carbon is used as an automatic electrode, platinum wire as a counter electrode, and Ag / AgCl. Using the reference electrode, the activity of the catalyst for the oxygen reduction reaction in a 1 M NaOH aqueous solution of a basic electrolyte was measured (Fig. 6).
도 6은 열처리온도에 따른 순환전압전류법 측정 그래프를 나타낸 것으로, 열처리 온도가 높아질수록 전류가 최대가 되는 peak 전위가 증가함을 확인하였다. 즉, T-BPC(750), T-BPC(850), T-BPC(1050)의 peak 전위 값이 각각 -0.233 V, -0.217 V, -0.213 V로 T-BPC(1050)이 가장 높은 값을 보임을 알 수 있다. 또한, T-BPC(850), T-BPC(1050)을 비교했을 때 peak 전위가 큰 차이를 보이지 않는 반면, T-BPC(750), T-BPC(850)를 비교했을 때 산소환원반응에 대한 활성이 비교적 크게 증가함을 확인할 수 있었다.
6 shows a cyclic voltammetry measurement graph according to the heat treatment temperature. As the heat treatment temperature increases, the peak potential at which the current is maximum increases. That is, the peak potential values of the T-
BPCBPC 의 of KOHKOH 처리process
실시예 1에서 제조된 BPC에 추가로 수산화칼륨(KOH) 처리를 하여 연료전지의 전극 또는 Supercapacitor의 전극에 사용될 수 있는 탄소재료를 제조하는 방법에 관한 것이며, 순도 99%의 수산화칼륨(KOH)을 사용하였다(Sigma-aldrich). The present invention relates to a method for producing a carbon material which can be used for the electrode of a fuel cell or the electrode of a supercapacitor by further treating potassium hydroxide (KOH) to the BPC prepared in Example 1, and having 99% pure potassium hydroxide (KOH). Used (Sigma-aldrich).
도 7을 참고로 하여, KOH 처리과정을 보다 상세히 설명한다. 적당량의 KOH를 6 cm3의 에탄올에 녹인 후, 그 중 1.5 cm3을 피펫으로 취해 실시예 1에서 제조된 BPC 0.1 g에 첨가한다. KOH는 2.4 g, 1.2 g, 0.68 g, 0.4 g을 사용하였으며, 각각 독립적으로 반응이 진행된다. 2~3일 동안 각각의 vial 뚜껑을 상온에서 열어두어 에탄올이 모두 증발될 수 있도록 한다. 상기와 같이 KOH가 처리된 BPC 0.1g, 0.0744g, 0.2475g, 0.44g, 0.4912g(0.0:1, 0.1:1, 1.0:1, 1.7:1, 3.0:1)를 각각 도가니에 담아 Furnace 반응기에 넣고 1 bar의 Ar가스를 50 cm3/min의 유속으로 흘려준다. 이때, 반응온도는 25 ℃에서 100 ℃까지 20분 동안 승온시키고(3.75 ℃/min), 100 ℃에서 1시간 동안 유지시킨다. 그 후, 850 ℃까지 75분 동안 승온시키고(10 ℃/min), 850 ℃에서 2시간 동안 유지시킨 후 상온으로 식힌다. Referring to Figure 7, the KOH process will be described in more detail. An appropriate amount of KOH is dissolved in 6 cm 3 of ethanol, 1.5 cm 3 of which is then pipetted and added to 0.1 g of BPC prepared in Example 1. KOH was used in 2.4 g, 1.2 g, 0.68 g, 0.4 g, respectively, the reaction proceeds independently. Keep each vial lid open at room temperature for a few days to allow the ethanol to evaporate. Furnace reactor containing 0.1 g, 0.0744 g, 0.2475 g, 0.44 g, 0.4912 g (0.0: 1, 0.1: 1, 1.0: 1, 1.7: 1, 3.0: 1) treated with KOH as above. 1 bar of Ar gas at a flow rate of 50 cm 3 / min. At this time, the reaction temperature was raised to 25 ℃ 100 ℃ 20 minutes (3.75 ℃ / min), and maintained at 100 ℃ for 1 hour. Thereafter, the temperature was raised to 850 ° C. for 75 minutes (10 ° C./min), and maintained at 850 ° C. for 2 hours, followed by cooling to room temperature.
열처리가 끝난 후의 BPC는 5 M의 HCl용액에 의해 산 처리 과정 또는 온수처리과정을 거친다. 산 처리 과정은 상기 열처리가 끝난 후의 BPC 0.0555 g, 0.0537 g, 0.1162 g, 0.1506 g, 0.0661 g(0.0:1, 0.1:1, 1.0:1, 1.7:1, 3.0:1)를 vial에 각각 담고, 5 M의 HCl용액 20 ml를 첨가하고 5일 동안 밀폐시켜 상온에서 보관한다. 5일이 지난 후 BPC가 가라앉으면 위에 떠있는 용액을 따라서 제거하고, 증류수 20 ml를 vial에 다시 붓고 24시간 후 용액을 제거하는 과정을 거친다. 그리고 마지막으로 에탄올 20 ml를 vial에 붓고 24시간 후 용액을 제거하는 과정을 반복하고 상온에서 3시간 동안 뚜껑을 열어 두고, 120 ℃의 오븐에서 24시간 건조시켜 BPC에 남아 있는 수분을 제거한다. After the heat treatment, BPC is subjected to acid treatment or hot water treatment with 5 M HCl solution. The acid treatment process contained BPC 0.0555 g, 0.0537 g, 0.1162 g, 0.1506 g, 0.0661 g (0.0: 1, 0.1: 1, 1.0: 1, 1.7: 1, 3.0: 1) after each heat treatment. 20 ml of 5 M HCl solution are added and sealed for 5 days and stored at room temperature. After 5 days, when the BPC has settled, remove the solution along the floating solution, pour 20 ml of distilled water back into the vial and remove the solution after 24 hours. Finally, 20 ml of ethanol is poured into the vial, and after 24 hours, the solution is repeated, the lid is opened at room temperature for 3 hours, and dried in an oven at 120 ° C. for 24 hours to remove water remaining in the BPC.
또한, 온수처리과정은 상기 열처리가 끝난 후의 BPC를 250 ml 비커에 BPC 0.0555 g, 0.0537 g, 0.1162 g, 0.1506 g, 0.0661 g(0.0:1, 0.1:1, 1.0:1, 1.7:1, 3.0:1)을 넣고 200 ml의 증류수를 붓고 85 ℃에서 4~5시간 동안 260 rpm으로 교반시킨다. 교반 후 BPC가 가라앉으면 용액을 따라 버리고, 비커에 남아있는 BPC에 증류수 200 ml를 붓고 BPC가 가라앉은 후 용액을 따라서 버리고, 상기와 같은 증류수 세척과정을 5회 반복한다. 마지막으로 증류수 세척과 동일한 방법으로 에탄올 세척과정을 거치며, 120 ℃의 오븐에서 24시간 건조시켜 BPC에 남아 있는 수분을 모두 제거한다. In addition, the hot water treatment process is the BPC after the heat treatment in a 250 ml beaker BPC 0.0555 g, 0.0537 g, 0.1162 g, 0.1506 g, 0.0661 g (0.0: 1, 0.1: 1, 1.0: 1, 1.7: 1, 3.0 : 1) Pour 200 ml of distilled water and stir at 260 rpm for 4-5 hours at 85 ℃. When the BPC sinks after stirring, discard the solution, pour 200 ml of distilled water into the remaining BPC in the beaker, and after the BPC has settled, discard the solution along the solution, and repeat the above distilled water washing process five times. Finally, the ethanol washing process is performed in the same manner as the distilled water washing, and dried in an oven at 120 ° C. for 24 hours to remove all remaining water in the BPC.
상기와 같이 실시예 1에서 제조된 BPC에 KOH처리를 거친 BPC를 KOH-BPC로 명명하였으며, 반응에 사용된 KOH와 BPC(Porous carbon)의 중량비에 따라 KOH-BPC(0.0:1), KOH-BPC(0.1:1), KOH-BPC(1.0:1), KOH-BPC(1.7:1), KOH-BPC(3.0:1)로 명명하였다. KOH-BPC(0.0:1)은 KOH처리를 하지 않은 BPC로 실시예 1에서 제조된 순수한 BPC와 동일하고, KOH-BPC(0.1:1)은 0.4 g의 KOH를 사용하여 최종 생성된 샘플이다. KOH-BPC(1.0:1), KOH-BPC(1.7:1), KOH-BPC(3.0:1)은 각각 0.68 g, 1.2 g, 2.4 g의 KOH를 사용하여 최종 생성된 샘플이다. KPC treated with BOH prepared in Example 1 BPC as described above was named KOH-BPC, KOH-BPC (0.0: 1), KOH- according to the weight ratio of KOH and BPC (Porous carbon) used in the reaction BPC (0.1: 1), KOH-BPC (1.0: 1), KOH-BPC (1.7: 1), KOH-BPC (3.0: 1). KOH-BPC (0.0: 1) is the same as pure BPC prepared in Example 1 with BPC without KOH treatment, and KOH-BPC (0.1: 1) is the final sample produced using 0.4 g of KOH. KOH-BPC (1.0: 1), KOH-BPC (1.7: 1), KOH-BPC (3.0: 1) are the final produced samples using 0.68 g, 1.2 g and 2.4 g KOH, respectively.
실시예 4에서 제조된 KOH-BPC는 연료전지의 양극에서 일어나는 산소환원반응(ORR, Oxidation Reduction Reaction)의 촉매로 사용 될 수 있다. Glassy carbon을 자동전극, 백금 wire를 상대전극, Ag/AgCl을 기준전극으로 사용하고, 염기성 전해질인 1 M의 NaOH 수용액하에서 산소환원반응에 대한 촉매의 활성을 측정하였다(도 8). The KOH-BPC prepared in Example 4 may be used as a catalyst for Oxidation Reduction Reaction (ORR) occurring at the anode of a fuel cell. Using glassy carbon as an automatic electrode, a platinum wire as a counter electrode, and Ag / AgCl as a reference electrode, the activity of the catalyst for oxygen reduction reaction was measured in a basic electrolyte of 1 M NaOH solution (FIG. 8).
도 8는 KOH 처리 비율에 따른 순환전압전류법 측정 그래프를 나타낸 것으로, KOH-BPC(0.0:1)에서 가장 높은 활성을 보였으며, KOH-BPC(0.1:1), KOH-BPC(1.0:1), KOH-BPC(1.7:1), KOH-BPC(3.0:1)의 순으로 KOH 처리 비율이 높을수록 활성이 감소하는 것을 확인하였다. 각 샘플에 대한 peak 전위값은 KOH-BPC(0.0:1), KOH-BPC(0.1:1), KOH-BPC(1.0:1), KOH-BPC(1.7:1), KOH-BPC(3.0:1)의 순으로 -0.213V, -0.221V, -0.236V, -0.242V, -0.232V이다. 하지만, 곡선의 넓이에 해당하는 capacitance는 KOH-BPC(3.0:1), KOH-BPC(1.7:1), BPC(1.0:1), KOH-BPC(0.1:1), KOH-BPC(0.0:1)의 순으로 KOH 처리비율이 가장 높은 KOH-BPC(3.0:1)이 가장 높은 값을 보였다. 따라서, BPC에 KOH를 처리하는 것은 연료전지의 산소환원반응 보다 Supercapacitor의 적용하는 것이 바람직하다. 8 shows a cyclic voltammetry measurement graph according to the KOH treatment ratio, showing the highest activity in KOH-BPC (0.0: 1), KOH-BPC (0.1: 1), KOH-BPC (1.0: 1) ), KOH-BPC (1.7: 1), KOH-BPC (3.0: 1) in the order of higher KOH treatment rate was confirmed that the activity is reduced. The peak potential values for each sample were KOH-BPC (0.0: 1), KOH-BPC (0.1: 1), KOH-BPC (1.0: 1), KOH-BPC (1.7: 1) and KOH-BPC (3.0: The order of 1) is -0.213V, -0.221V, -0.236V, -0.242V, -0.232V. However, the capacitances corresponding to the area of the curve are KOH-BPC (3.0: 1), KOH-BPC (1.7: 1), BPC (1.0: 1), KOH-BPC (0.1: 1), and KOH-BPC (0.0: In the order of 1), KOH-BPC (3.0: 1) showed the highest KOH treatment ratio. Therefore, the treatment of KOH in the BPC is preferably applied to the supercapacitor rather than the oxygen reduction reaction of the fuel cell.
도 9는 KOH 처리에 따른 Capacitance 측정결과를 나타낸 것으로, KOH-BPC(1.7:1)를 실시예 1에서 제조된 BPC와 Meso-porous Carbon(MC, ordered mesoporous carbon CMK-3, ACS MATERIALS®의 Capacitance 측정결과를 비교하였다. 전기화학적 성능은 1 M의 Na2SO4 수용액에서 3전극셀(Ag/AgCl-기준전극)을 이용하여 20mV/s의 스캔속도에서 측정되었다. KOH가 처리된 KOH-BPC(1.7:1)의 경우 대략 직사각형 형태의 모양을 보여 이상적인 전기 이중층 커패시터(EDLC)의 모양에 가깝다는 것을 확일 할 수 있다. 그래프의 곡선안의 넓이가 Capacitance에 해당하고, KOH-BPC(1.7:1)가 133 F/g값을 보였다. 이 값은 도 9에서 보인 BPC의 CV 곡선에서의 면적과 비교하여 훨씬 더 향상된 값이며, 비교를 위해 사용된 MC의 값인 120 F/g와 비교했을 때도 더 높은 값이다. 따라서, KOH 처리를 하면 다공성 카본 물질의 성능이 크게 향상됨을 확인하였다.
Figure 9 shows the results of Capacitance measurement according to the KOH treatment, KOH-BPC (1.7: 1) was prepared in Example 1 BPC and Meso-porous Carbon (MC, ordered mesoporous carbon CMK-3, Capacitance of ACS MATERIALS ® The electrochemical performance was measured at a scan rate of 20 mV / s using a 3-electrode cell (Ag / AgCl-reference electrode) in an aqueous solution of Na 2 SO 4 at 1 M. KOH-treated KOH-BPC In the case of (1.7: 1), it can be confirmed that the shape of the rectangular shape is close to the shape of the ideal electric double layer capacitor (EDLC) .The area in the curve of the graph corresponds to the capacitance and KOH-BPC (1.7: 1). ) Showed a value of 133 F / g, which is a much better value compared to the area of the BPC CV curve shown in Figure 9, and even better compared to 120 F / g, the value of MC used for comparison. High value, therefore, KOH treatment greatly improves the performance of porous carbon materials Confirmed.
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Claims (43)
Method of producing a boron doped carbon material from carbon dioxide comprising the step of converting carbon dioxide to a carbon material using a boron hydride reducing agent.
이산화탄소는 순수한 이산화탄소, 또는 공장, 발전소 및 자동차로 이루어진 군에서 선택되는 곳에서 배출되는 이산화탄소를 포함한 배기가스 또는 이들의 혼합가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
The method of claim 1,
Carbon dioxide is a method of producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that using the exhaust gas containing carbon dioxide, or carbon dioxide emitted from the group selected from the group consisting of factories, power plants and automobiles, or a mixture thereof.
상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계를 추가로 포함하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
The method of claim 1,
Method of producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide further comprising the step of treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water.
상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계를 추가로 포함하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
The method of claim 3, wherein
Method of producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide further comprising the step of drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water.
상기 붕소 하이드라이드는 리튬 붕소하이드라이드(LiBH4), 나트륨 붕소하이드라이드(NaBH4), 칼륨 붕소하이드라이드(KBH4), 마그네슘 붕소하이드라이드(Mg(BH4)2), 칼슘 붕소하이드라이드(Ca(BH4)2), 스트론튬 붕소하이드라이드(Sr(BH4)2) 및 암모니아보레인(NH3BH3)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
The method of claim 1,
The boron hydride is lithium boron hydride (LiBH 4 ), sodium boron hydride (NaBH 4 ), potassium boron hydride (KBH 4 ), magnesium boron hydride (Mg (BH 4 ) 2 ), calcium boron hydride ( Ca (BH 4 ) 2 ), strontium boron hydride (Sr (BH 4 ) 2 ) and ammonia borane (NH 3 BH 3 ) A method for producing a boron doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that selected from the group consisting of .
상기 이산화탄소를 붕소 도핑 탄소소재로 전환시키는 단계는 1 내지 100 기압에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
The method of claim 1,
Converting the carbon dioxide into the boron-doped carbon material is a method for producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that carried out at 1 to 100 atm.
상기 이산화탄소를 붕소 도핑 탄소소재로 전환시키는 단계는 100 ℃ 내지 1000 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
The method of claim 1,
Converting the carbon dioxide to a boron doped carbon material is a method for producing a boron doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that carried out at 100 ℃ to 1000 ℃.
Treating the boron-doped carbon material prepared by the method of any one of claims 1 to 4 with a boron-containing precursor material; And a method for producing a boron doped carbon material comprising the step of heat treatment.
상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계를 추가로 포함하는 붕소 도핑 탄소소재의 제조방법.
The method of claim 8,
Method for producing a boron-doped carbon material further comprising the step of treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water.
상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계를 추가로 포함하는 붕소 도핑 탄소소재의 제조방법.
The method of claim 9,
Method for producing a boron-doped carbon material further comprising the step of drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water.
상기 붕소 함유 전구체 물질은 보론옥사이드(B2O3), 보릭에시드(H2BO3), 리튬 붕소하이드라이드(LiBH4), 나트륨 붕소하이드라이드(NaBH4), 칼륨 붕소하이드라이드(KBH4), 마그네슘 붕소하이드라이드(Mg(BH4)2), 칼슘 붕소하이드라이드(Ca(BH4)2), 스트론튬 붕소하이드라이드(Sr(BH4)2) 및 암모니아보레인(NH3BH3)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 붕소 도핑 탄소소재의 제조방법.
The method of claim 8,
The boron-containing precursor material is boron oxide (B 2 O 3 ), boric acid (H 2 BO 3 ), lithium boron hydride (LiBH 4 ), sodium boron hydride (NaBH 4 ), potassium boron hydride (KBH 4 ) , Magnesium boron hydride (Mg (BH 4 ) 2 ), calcium boron hydride (Ca (BH 4 ) 2 ), strontium boron hydride (Sr (BH 4 ) 2 ) and ammonia borane (NH 3 BH 3 ) Method for producing a boron doped carbon material, characterized in that selected from the group consisting of.
상기 열처리는 비활성가스 또는 혼합가스 분위기에서 700 ℃ 내지 1500 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 붕소 도핑 탄소소재의 제조방법.
The method of claim 8,
The heat treatment is a method of producing a boron-doped carbon material, characterized in that carried out at 700 ℃ to 1500 ℃ in an inert gas or mixed gas atmosphere.
상기 열처리는 850 ℃ 내지 1050 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 붕소 도핑 탄소소재의 제조방법.
13. The method of claim 12,
The heat treatment is a method of producing a boron doped carbon material, characterized in that carried out at 850 ℃ to 1050 ℃.
상기 비활성가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 붕소 도핑 탄소소재의 제조방법.
13. The method of claim 12,
The inert gas is a method of producing a boron-doped carbon material, characterized in that selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas.
상기 혼합가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나와 이산화탄소의 혼합가스인 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
13. The method of claim 12,
The mixed gas is a method for producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that the mixed gas of any one selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas and carbon dioxide.
Treating the boron doped carbon material prepared by the method of any one of claims 1 to 4 with a nitrogen-containing precursor material; And a heat treatment step of producing a boron and nitrogen doped carbon material.
상기 수득된 붕소 및 질소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계를 추가로 포함하는 붕소 및 질소 도핑 탄소소재의 제조방법.
18. The method of claim 17,
Method for producing a boron and nitrogen-doped carbon material further comprising the step of treating the obtained boron and nitrogen-doped carbon material with an acidic solution or hot water.
상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 및 질소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계를 추가로 포함하는 붕소 및 질소 도핑 탄소소재의 제조방법.
19. The method of claim 18,
Method for producing a boron and nitrogen-doped carbon material further comprising the step of drying the boron and nitrogen-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water.
상기 질소 함유 전구체 물질은 폴리파이롤((C4H2NH)n), 폴리아닐린 (polyaniline), 멜라민(C3H6N6), PDI(N,N'-bis(2,6-diisopropyphenyl)-3,4,9,10-perylenetetracarboxylic diimide), Polyacrylonitrile (PAN), 요소(CO(NH2)2), 암모니아(NH3), 하이드라진(N2H4) 및 암모니아보레인(NH3BH3)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 붕소 및 질소 도핑 탄소소재의 제조방법.
18. The method of claim 17,
The nitrogen-containing precursor material is polypyrrole ((C 4 H 2 NH) n), polyaniline (polyaniline), melamine (C 3 H 6 N 6 ), PDI (N, N'-bis (2,6-diisopropyphenyl) -3,4,9,10-perylenetetracarboxylic diimide), Polyacrylonitrile (PAN), urea (CO (NH 2 ) 2 ), ammonia (NH 3 ), hydrazine (N 2 H 4 ) and ammonia borane (NH 3 BH 3 Method for producing a boron and nitrogen doped carbon material, characterized in that selected from the group consisting of.
상기 열처리는 비활성가스 또는 혼합가스 분위기에서 700 ℃ 내지 1500 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 붕소 및 질소 도핑 탄소소재의 제조방법.
18. The method of claim 17,
The heat treatment is a method of producing a boron and nitrogen doped carbon material, characterized in that carried out at 700 ℃ to 1500 ℃ in an inert gas or mixed gas atmosphere.
상기 열처리는 850 ℃ 내지 1050 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 붕소 및 질소 도핑 탄소소재의 제조방법.
22. The method of claim 21,
The heat treatment is a method for producing a boron and nitrogen doped carbon material, characterized in that carried out at 850 ℃ to 1050 ℃.
상기 비활성가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 붕소 및 질소 도핑 탄소소재의 제조방법.
22. The method of claim 21,
The inert gas is a method of producing a boron and nitrogen doped carbon material, characterized in that selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas.
상기 혼합가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나와 이산화탄소의 혼합가스인 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 및 질소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
22. The method of claim 21,
The mixed gas is a method of producing a boron and nitrogen-doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that the mixed gas of any one selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas and carbon dioxide.
A method of producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide, further comprising the step of heat-treating the boron-doped carbon material prepared by the method of any one of claims 1 to 4.
상기 열처리는 비활성가스 또는 혼합가스 분위기에서 700 ℃ 내지 1500 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
26. The method of claim 25,
The heat treatment is a method for producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that carried out at 700 ℃ to 1500 ℃ in an inert gas or mixed gas atmosphere.
상기 열처리는 850 ℃ 내지 1050 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
27. The method of claim 26,
The heat treatment is a method for producing a boron doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that performed at 850 ℃ to 1050 ℃.
상기 비활성가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
27. The method of claim 26,
The inert gas is a method for producing a boron doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas.
상기 혼합가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나와 이산화탄소의 혼합가스인 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
27. The method of claim 26,
The mixed gas is a method for producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that the mixed gas of any one selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas and carbon dioxide.
Treating the boron doped carbon material prepared by the method of any one of claims 1 to 4 with a basic material or carbon dioxide; And a method for producing a boron doped carbon material from carbon dioxide comprising the step of heat treatment.
상기 수득된 붕소 도핑 탄소소재를 산성용액 또는 온수로 처리하는 단계를 추가로 포함하는 붕소 도핑 탄소소재의 제조방법.
32. The method of claim 31,
Method for producing a boron-doped carbon material further comprising the step of treating the obtained boron-doped carbon material with an acidic solution or hot water.
상기 산성용액 또는 온수로 처리된 붕소 도핑 탄소소재를 건조하는 단계를 추가로 포함하는 붕소 도핑 탄소소재의 제조방법.
33. The method of claim 32,
Method for producing a boron-doped carbon material further comprising the step of drying the boron-doped carbon material treated with the acidic solution or hot water.
염기성 물질로 처리하는 단계는 염기성 물질을 증류수 또는 에탄올에 녹여 탄소소재를 처리하는 것을 특징으로 하는 붕소 도핑 탄소소재의 제조방법.
32. The method of claim 31,
The step of treating with a basic material is a method of producing a boron-doped carbon material, characterized in that to dissolve the basic material in distilled water or ethanol to treat the carbon material.
염기성 물질로 처리하는 단계는 염기성 물질과 탄소소재를 기계적으로 혼합하는 것을 특징으로 하는 붕소 도핑 탄소소재의 제조방법.
35. The method of claim 34,
The step of treating with a basic material is a method of producing a boron doped carbon material, characterized in that the mechanical mixing of the basic material and the carbon material.
염기성 물질은 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 및 수산화리튬(LiOH)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 붕소 도핑 탄소소재의 제조방법.
36. The method of claim 35,
The basic material is a method of producing a boron-doped carbon material, characterized in that selected from the group consisting of potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH) and lithium hydroxide (LiOH).
상기 열처리는 비활성가스 또는 혼합가스 분위기에서 700 ℃ 내지 1500 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
32. The method of claim 31,
The heat treatment is a method for producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that carried out at 700 ℃ to 1500 ℃ in an inert gas or mixed gas atmosphere.
상기 열처리는 850 ℃ 내지 1050 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
39. The method of claim 37,
The heat treatment is a method for producing a boron doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that performed at 850 ℃ to 1050 ℃.
상기 비활성가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
39. The method of claim 37,
The inert gas is a method for producing a boron doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas.
상기 혼합가스는 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나와 이산화탄소의 혼합가스인 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
39. The method of claim 37,
The mixed gas is a method for producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that the mixed gas of any one selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas and helium gas and carbon dioxide.
이산화탄소 처리는 CO2가스 또는 CO2혼합가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.
32. The method of claim 31,
Carbon dioxide treatment is a method for producing a boron doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that performed in a CO 2 gas or CO 2 mixed gas atmosphere.
CO2혼합가스는 5 vol% 내지 100 vol%의 이산화탄소와 질소가스, 아르곤가스 및 헬륨가스로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 혼합가스인 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 붕소 도핑 탄소소재를 제조하는 방법.43. The method of claim 42,
CO 2 mixed gas is a method for producing a boron-doped carbon material from carbon dioxide, characterized in that any one selected from the group consisting of 5 vol% to 100 vol% carbon dioxide and nitrogen gas, argon gas and helium gas.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020130023866A KR101340009B1 (en) | 2013-03-06 | 2013-03-06 | Method for the synthesis of carbon materials using carbon dioxide |
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KR1020130023866A KR101340009B1 (en) | 2013-03-06 | 2013-03-06 | Method for the synthesis of carbon materials using carbon dioxide |
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