KR101448211B1 - 질소 도핑 다공성 탄소소재 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질소를 함유한 고분자를 이용하여 간단한 공정을 통해 질소가 도핑된 다공성 탄소소재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의해 제조된 탄소소재는 슈퍼커패시터 또는 연료전지의 전극재료 등 기타 여러 분야에서 이용될 수 있다.
Description
본 발명은 질소 도핑 다공성 탄소소재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 질소를 함유한 고분자를 이용하여 간단한 공정을 통해 질소가 도핑된 다공성 전도성 탄소소재를 제조하는 방법 및 이에 의하여 제조된 질소 도핑 다공성 전기에너지 저장 및 전환용 탄소소재에 관한 것이다.
현대 사회에서 재생 가능한 에너지원은 중요한 문제로 인식되고 있고, 이에 따라 효율적이고 지속 가능한 에너지 저장 기술에 대한 요구 또한 증가하고 있다. 특히, 에너지 저장체의 또 다른 형태인 슈퍼커패시터(supercapacitor)는 커패시터의 성능 중 전기 용량의 성능을 중점적으로 강화한 것으로, 전지의 목적에 사용하도록 한 부품이다.
슈퍼커패시터의 전극 재료를 제조하는 방법에 대해서는 많은 연구가 이루어지고 있다. 슈퍼커패시터의 저장용량은 두 판 사이의 거리에 반비례하고 면적에 비례하기 때문에, 만일 두 판 사이의 거리가 고정된 경우라면 면적을 늘리면 된다. 하지만 겉면적이 커지게 되면 슈퍼커패시터의 크기 또한 커지기 때문에, 겉면적이 아닌 유효 면적이 넓어야 한다. 따라서 유효 면적을 넓히기 위해 다공성 물질인 탄소가 주로 사용되어 왔다. 탄소는 그 특성에 따라 다공성 활성탄, 탄소나노튜브, 그래핀, 이물질을 포함하는 탄소 등으로 구분될 수 있다.
다공성 활성탄은 탄소 전구체를 높은 열에서 반응시켜 만들어 내는 것으로, 정연된 다공성 탄소(ordered porous carbon), 활성화된 탄소 섬유(activated carbon fibers), 카바이드(carbide-deprived carbons), 에어로겔(carbon aerogels) 등으로 구분될 수 있다. 그리고 상기 방법으로 제조한 활성탄은 이미 상업적으로 슈퍼커패시터, 촉매, 기체 저장, 분리막 등을 만들기 위한 재료로서 이용되고 있다(Pandolfo et al , Journal of Power Sources, 2006, 157:11). 슈퍼커패시터 전극의 표면적을 넓히는 방법은 통상적으로 2가지로 분류할 수 있는데, 첫째는 열적 활성화 또는 물리적 활성화로, 높은 온도에서 산화를 시킬 수 있는 기체를 이용하는 방법이다. 기체 반응은 탄소 물질의 구멍의 부피와 표면적을 매우 크게 늘릴 수 있으며, 온도 조절과 유지 시간이 중요한 변수이다. 둘째는 화학적 활성화로, 이는 물리적 활성화보다 비교적 낮은 온도에서 수행되며, 짧은 유지 시간, 높은 수율의 장점이 있다. 화학적 활성화는 수산화칼륨, H3PO4, ZnCl2 등의 여러 시약이 함께 사용된다. 특히 수산화칼륨(KOH)은 매우 작은 기공과 매우 높은 표면적을 가능하게 하므로 주로 사용된다(Wang et al, Journal of Materials Chemistry, 2012).
탄소나노튜브와 그래핀을 제조하는 방법은 이들이 가진 특별한 성질을 이용한다. 탄소나노튜브와 그래핀은 다른 탄소물질과는 달리 모든 탄소원자가 표면에 노출되어 있어 유효 표면적이 넓고, 전기전도도 또한 기존의 활성탄보다 뛰어나기 때문에 고출력을 내는데 도움이 된다. 따라서 저항이 적고 에너지 저장 효율을 높일 수 있는 슈퍼커패시터를 만들 수 있으나, 아직까지 대량 생산의 어려움이 있다.
이물질을 포함하는 탄소를 제조하는 방법은, 탄소 내에 질소, 산소 또는 붕소 등의 원소를 포함하여 전해질과 전극 사이에 특별한 반응을 추가적으로 일으키는 방법이다. 주로 질소를 도입하는 방법이 이용되며, 전기적 특성뿐 아니라, 이산화탄소(CO2)와 반응, 이산화탄소 포집, 산소 환원 반응의 전기촉매 활성(electrocatalytic activity), 슈퍼커패시터의 효율을 개선시키는 역할을 가능하게 한다.
또한, 활성탄을 유기고분자와 수산화칼륨의 반응으로 제조하는데 있어, 많은 방식이 제안되었다. 수산화칼륨과 일반적인 고분자를 반응시키거나, 전도성 고분자를 이용하여 저항을 줄이는 방법, 그래핀 또는 탄소나노튜브를 첨가하여 효율을 높이는 방법이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2005-0063501호는 슈퍼커패시터의 전극재료로 사용할 수 있도록, 간단한 화학적, 물리적 활성화 처리를 통하여 폴리아크릴로니트릴로부터 비표면적이 크며 축전용량이 증대된 활성탄소섬유를 제조하는 방법을 제공한 바 있으나, 이는 폴리아크릴로니트릴 고분자 자체를 가공한 것이 아닌 폴리아크릴로니트릴 고분자로부터 섬유를 만들고 그것을 원료로 하여 불필요한 과정과 비용이 추가되는 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 질소를 함유한 고분자나 전도성 고분자를 이용하면 추가적인 질소의 도핑 과정을 거치지 않고도 간단하게 질소 도핑 다공성 탄소를 제조할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 슈퍼커패시터 또는 연료전지의 전극 재료로 이용되는 질소가 도핑된 다공성 탄소소재를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법에 의하여 제조되는 질소 도핑 다공성 탄소소재로 뛰어난 저장 능력을 보이는 슈퍼커패시터를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리아닐린(polyaniline, PANI) 또는 폴리피롤(polypyrrole, PPy)로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 그 이상의 고분자를 공기와 접촉하여 안정화시키는 단계; (b) 상기 안정화된 고분자를 수산화칼륨과 혼합하는 단계; (c) 상기 (b)단계의 혼합물을 탄소화시켜 질소 도핑 다공성 탄소소재를 제조하는 단계; 및 (d) 중화반응을 이용하여 잔여 수산화칼륨을 제거하는 단계를 포함하는, 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리아닐린(polyaniline, PANI) 또는 폴리피롤(polypyrrole, PPy)로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 그 이상의 고분자를 수산화칼륨과 혼합하는 단계; (b) 상기 (a)단계의 혼합물을 공기와 접촉하여 안정화시키는 단계; (c) 상기 (b)단계의 생성물을 탄소화시켜 질소 도핑 다공성 탄소소재를 제조하는 단계; 및 (d) 중화반응을 이용하여 잔여 수산화칼륨을 제거하는 단계를 포함하는, 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기의 방법에 의해 제조되고, 정전용량이 150 ~ 310F/g인 질소 도핑 다공성 탄소소재를 제공한다.
본 발명에 따른 제조방법은 질소를 함유한 고분자를 이용하여 간단한 공정으로 질소 도핑 다공성 탄소소재를 제조할 수 있으며, 종래의 방법에 비해 시간과 비용을 절감할 수 있고, 정전용량이 뛰어나며, 이를 슈퍼커패시터 또는 연료전지의 전극 재료로 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 그 밖에도 질소가 포함된 탄소소재를 필요로 하는 촉매, 가스흡착 및 분리에도 이용할 수 있어 특히 유용하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 도핑 다공성 탄소를 제조하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 2는 안정화시키는 단계에서 발생하는 화학구조의 변이를 나타낸 것이다.
도 3은 탄소화시키는 단계에서 발생하는 화학구조의 변이를 나타낸 것이다.
도 4의 a는 안정화된 PAN을 나타낸 것이고, b는 PAN과 수산화칼륨을 섞기 전 사진을 나타낸 것이고, c는 최종적으로 수득한 다공성 PAN을 나타낸 것이다.
도 5는 질소 도핑 다공성 탄소를 전극으로 이용하여 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry)에 의한 전류 전위 곡선을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 질소 도핑 다공성 탄소를 제조하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 7의 a는 PAN과 수산화칼륨을 혼합한 후를 나타낸 것이고, b는 최종적으로 수득한 다공성 PAN을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 질소 도핑 다공성 탄소소재를 연료전지 양극물질로 사용하여 실시한 산소환원반응의 전류-전위 그래프이다.
도 2는 안정화시키는 단계에서 발생하는 화학구조의 변이를 나타낸 것이다.
도 3은 탄소화시키는 단계에서 발생하는 화학구조의 변이를 나타낸 것이다.
도 4의 a는 안정화된 PAN을 나타낸 것이고, b는 PAN과 수산화칼륨을 섞기 전 사진을 나타낸 것이고, c는 최종적으로 수득한 다공성 PAN을 나타낸 것이다.
도 5는 질소 도핑 다공성 탄소를 전극으로 이용하여 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry)에 의한 전류 전위 곡선을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 질소 도핑 다공성 탄소를 제조하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 7의 a는 PAN과 수산화칼륨을 혼합한 후를 나타낸 것이고, b는 최종적으로 수득한 다공성 PAN을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 질소 도핑 다공성 탄소소재를 연료전지 양극물질로 사용하여 실시한 산소환원반응의 전류-전위 그래프이다.
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.
본 발명은 일 관점에서, (a) 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리아닐린(polyaniline, PANI) 또는 폴리피롤(polypyrrole, PPy)로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 그 이상의 고분자를 공기와 접촉하여 안정화시키는 단계; (b) 상기 안정화된 고분자를 수산화칼륨과 혼합하는 단계; (c) 상기 (b)단계의 혼합물을 탄소화시켜 질소 도핑 다공성 탄소소재를 제조하는 단계; 및 (d) 중화반응을 이용하여 잔여 수산화칼륨을 제거하는 단계를 포함하는, 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 정전용량이 150 ~ 310F/g인 질소 도핑 다공성 탄소소재에 관한 것이다.
본 발명에서는 공기와 접촉시켜 고분자를 안정화 시키는 과정에서 함유된 질소가 고리 탄화수소(cyclic hydrocarbon)의 고리 구조에 포함되어 기공표면에 질소의 함유량이 증가되고 다음 단계의 수산화칼륨 처리시에도 기공의 표면적은 늘어나면서 질소가 제거되지 않고 남아서 정전효율을 높이는 결과를 얻게 된다.
또한, 본 발명은 다른 관점에서, (a) 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리아닐린(polyaniline, PANI) 또는 폴리피롤(polypyrrole, PPy)로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 그 이상의 고분자를 수산화칼륨과 혼합하는 단계; (b) 상기 (a)단계의 혼합물을 공기와 접촉하여 안정화시키는 단계; (c) 상기 (b)단계의 생성물을 탄소화시켜 질소 도핑 다공성 탄소소재를 제조하는 단계; 및 (d) 중화반응을 이용하여 잔여 수산화칼륨을 제거하는 단계를 포함하는, 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 정전용량이 150 ~ 310F/g인 질소 도핑 다공성 탄소소재에 관한 것이다.
본 발명에서 사용하는 고분자는 질소를 함유한 일반 고분자인 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN) 및 전도성 고분자인 폴리아닐린(polyaniline, PANI) 또는 폴리피롤(polypyrrole, PPy)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자를 사용할 수 있으며, PAN을 단독으로 사용하거나, PANI 또는 PPy를 1 ~ 90%의 무게비로 PAN에 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 고분자 또는 수산화칼륨과 혼합한 고분자를 안정화시키는 단계는, 1 ~ 20℃/min의 승온 속도로 승온하여 250 ~ 300℃에서 1 ~ 3시간 동안 열처리를 수행하는 것이 바람직하다. 승온 속도가 1℃/min 미만일 경우 시간이 오래 걸리며, 20℃/min를 초과할 경우 반응이 급격하게 일어나 안정화에 문제가 있다. 안정화 온도 유지 시간이 250℃ 미만일 경우 안정화 시간이 오래 걸리며, 300℃를 초과할 경우 고분자가 녹을 염려가 있다.
이때 공기의 유속은 50 ~ 200 ㎖/min이 바람직하며, 미만시 안정화시 필요한 산소가 부족할 수 있으며 문제가 있으며, 초과시 안정화되지 않을 뿐만 아니라 타 버릴 수 있는 문제가 있다. 고분자가 공기 중의 산소와 접촉함에 따라, 더 안정한 화학적 구조로 변환이 일어나며, 다량의 질소를 포함하는 탄소로 변하게 되기 때문에 질소의 도핑 효과가 요구되는 연료 전지의 전극이나 슈퍼커패시터에 이용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서는 탄소소재의 표면적을 넓히고, 기공을 증가시키기 위하여 수산화칼륨으로 고분자를 처리하는 것을 특징으로 한다. 고분자와 수산화칼륨의 혼합 비율은 1:0.5 ~ 1:5가 바람직하다. 이때, 고체인 수산화칼륨을 직접 고분자와 혼합할 수도 있으며, 물, 알코올 또는 유기용매에 수산화칼륨을 용해시킨 후, 이를 고분자와 혼합한 뒤 증발 시키는 것도 가능하다. 상기 알코올은 에탄올 또는 C1 ~ C7 알코올을 사용할 수 있으며, 상기 유기용매는 THF, 아세톤 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 (c) 단계에서는 상기 (b) 단계의 생성물을 1 ~ 10℃/min의 승온 속도로 승온하여 600 ~ 1200℃에서 일정 시간 동안 유지함으로써 탄소화시키는 것을 특징으로 한다. 승온 속도가 1℃/min 미만이면 열처리 시간이 불필요하게 증가하게 되며, 승온 속도가 10℃/min를 초과하면 기공이 충분히 발달하지 않는 문제가 있다.
또한, 열처리 온도가 600℃ 미만이면 고분자의 표면적이 감소하며, 열처리 온도가 1200℃를 초과하면 수율이 감소되고 열처리 장치의 부식이 심하게 발생하게 된다.
이때, 탄소화 과정에서 고분자가 산화되어 소멸하는 것을 방지하기 위하여, 질소, 아르곤 등의 불활성 기체 하에서 반응을 수행하며, 고분자에 추가적인 반응을 위하여 이산화탄소(CO2) 등의 기타 기체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 (d) 단계에서는 잔여 수산화칼륨을 제거하기 위하여 중화반응을 이용하는 것을 특징으로 하며, 상기 중화반응은 염산(HCl), 과염소산(HClO4), 질산(HNO3) 또는 황산(H2SO4)으로 이루어진 군에서 선택된 강산으로 수행할 수 있다. 이 때, 강산의 농도는 0.1 ~ 10M인 것이 바람직하며, 강산의 농도가 0.1M 미만인 경우 잔여 수산화칼륨을 제거하기에 역부족이며, 10M을 초과하는 경우 산 세척 이후의 단계인 물 세척 단계에서 산이 탄소에 남아 있을 수 있는 문제가 있다.
본 발명에 따른 방법을 이용하여 제조된 질소 도핑 다공성 탄소소재는 정전용량이 150 ~ 310F/g이거나 산소환원반응의 피크전위(peak potential)가 - 0.15 ~ - 0.4 V로 슈퍼커패시터 또는 연료전지의 전극 재료로 이용하기에 적합하다.
[실시예]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예
1: 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조
1-1:
PAN
을 안정화시키는 단계
본 발명의 일 실시예에 따른 질소 도핑 다공성 탄소소재를 제조하는 방법에 관한 순서도를 도 1에 도시하였다. 하기의 구조식을 가지는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)을 가공하지 않은 상태로 고르게 핀 다음, 1분마다 온도를 2℃씩 서서히 올려, 280℃까지 올려주었다.
[화학식 1]
그 후 이를 2시간 동안 일정한 온도로 유지시키면서, 공기(air)를 100㎖/min의 유속으로 계속해서 흘려주었다. 목표한 시간이 지난 다음, 공기를 지속적으로 흘려주면서 식혀주었다. 그 결과 하얀색의 PAN이 검정색이나 갈색으로 변한 것을 확인할 수 있었다(도 4의 a). 안정화 과정에서 발생하는 화학구조의 변이는 도 2에 나타낸 바와 같다.
1-2: 수산화칼륨과 혼합하는 단계
수산화칼륨 팰릿을 분쇄하여 가루로 만든 후, 상기 안정화시킨 PAN과 수산화칼륨 분말을 1:3(PAN:수산화칼륨)의 무게비로 혼합하였다(도 4의 b).
1-3:
탄소화시키는
단계
골고루 섞은 샘플을 5℃/min의 속력으로 800℃까지 가열한 다음, 1시간 동안 유지시키고 샘플을 식혀주었다. 그리고, 아르곤 기체(Argon gas)를 50㎖/min의 유속으로 지속적으로 흘려주었다. 탄소화 과정에서 발생하는 화학구조의 변이는 도 3에 나타낸 바와 같다.
1-4: 수산화칼륨 제거 단계
반응이 끝난 뒤, 샘플에 남아있는 수산화칼륨을 제거하기 위하여 염산(10wt%)을 사용하였다. 수산화칼륨과 염산의 중화 반응이 완료되면, 끓는 물로 여러 차례 씻어서 잔류 수산화칼륨과 염산을 제거하여 중성으로 만들었다. 최종적으로 수득한 생성물을 도 4의 c에 나타내었다.
실시예
2: 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조
1-1:
PAN
을 수산화칼륨과 혼합하는 단계
본 발명의 다른 실시예에 따른 질소 도핑 다공성 탄소소재를 제조하는 방법에 관한 순서도를 도 6에 도시하였다. 수산화칼륨(KOH) 팰릿을 분쇄하여 가루로 만들어주었다. 수산화칼륨 분말과 PAN을 1:3(PAN:수산화칼륨)의 무게비로 혼합하였다(도 7의 a).
1-2: 안정화시키는 단계
수산화칼륨과 혼합한 PAN을 고르게 펴서, 1분마다 2℃씩 온도를 올려, 280℃까지 올려주었다. 그리고 2시간 동안 일정한 온도로 유지시키면서, 공기(air)를 100㎖/min의 유속으로 계속해서 흘려주었다. 안정화 과정에서 발생하는 화학구조의 변이는 도 2에 나타낸 바와 같다.
1-3:
탄소화시키는
단계
2시간 동안 유지시킨 후, 상기 안정화시킨 생성물을 5℃/min의 속력으로 800℃까지 가열하였다. 온도를 올리기 전에, 공기를 아르곤 기체(Argon gas)로 변경하여 50㎖/min으로 지속적으로 흘려주었다. 목표한 온도에 도달한 후, 1시간 동안 일정한 온도에서 유지시킨 다음 샘플을 식혀주었다. 탄소화 과정에서 발생하는 화학구조의 변이는 도 3에 나타낸 바와 같다.
1-4: 수산화칼륨 제거 단계
반응이 종료된 뒤, 샘플에 남아있는 수산화칼륨을 제거하기 위하여 염산(10wt%)을 사용하였다. 수산화칼륨과 염산의 중화 반응이 완료되면, 끓는 물로 여러 차례 씻어서 잔류 수산화칼륨과 염산을 제거하여 중성의 상태로 만들었다. 최종적으로 수득한 생성물을 도 7의 b에 나타내었다.
[시험예]
* 정전 용량 및 피크전위(peak potential) 측정: 정전 용량 및 피크전위를 측정하기 위해 사용된 장비는 CH Instrument에서 제조한 CHI 6002D model로 전기화학적인 반응을 이용하여 물질의 화학적 성질 및 물리적 성질을 측정하여 데이터를 얻고 분석하여 시료의 전극가능성을 알 수 있게 한다.
실시예 1에서 순환전류에서 사용된 포텐셜 윈도우(potential window)의 값은 KOH 수용성 전해질(aqueous electrolyte)에 의해 -1~0V로 제한되었으며, 실시예 2 또한 NaOH 수용성 전해질을 사용하여 같은 윈도우(window)를 사용하였다. 실시예1에서 정전용량은 그래프에 나타난 면적과 비례하여 면적이 클수록 저장할 수 있는 에너지량이 많아지게 된다. 실시예 2에서는 피크(peak)가 의미하는 것은 산소가 환원될 수 있는 환원전위를 나타내는 것으로서, 피크가 포지티브(positive)쪽으로 가까울수록 연료전지로 사용시 쉽게 전류가 발생하게 된다.
상기 실시예 1 및 2에서 수득한 질소 도핑 다공성 탄소를 니켈에 부착하여 정전 용량(capacitance)을 측정한 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 정전 용량이 150 ~ 310 F/g이었다.
또한, 질소 도핑 다공성 탄소소재의 연료전지 양극으로 사용될 때의 산소활성 반응을 실시하였다. 도 8은 상기 실시예 1 및 2에서 제조된 질소 도핑 다공성 탄소소재를 이용하여 연료전지 양극물질로 사용하기 위해 산소환원반응을 실시한 것을 보여주었다. 질소 도핑 탄소재료의 산소환원반응의 활성을 결정하는 피크전위(peak potential)가 약 -0.19V로 다른 유사재료인 그래핀보다 훨씬 우수한 활성을 보여주었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (13)
- 다음의 단계를 포함하는, 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법:
(a) 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리아닐린(polyaniline, PANI) 또는 폴리피롤(polypyrrole, PPy)로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 그 이상의 고분자를 공기와 접촉하여 안정화시키는 단계;
(b) 상기 안정화된 고분자를 수산화칼륨과 혼합하는 단계;
(c) 상기 (b)단계의 혼합물을 탄소화시켜 질소 도핑 다공성 탄소소재를 제조하는 단계; 및
(d) 중화반응을 이용하여 잔여 수산화칼륨을 제거하는 단계.
- 다음의 단계를 포함하는, 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법:
(a) 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리아닐린(polyaniline, PANI) 또는 폴리피롤(polypyrrole, PPy)로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 그 이상의 고분자를 수산화칼륨과 혼합하는 단계;
(b) 상기 (a)단계의 혼합물을 공기와 접촉하여 안정화시키는 단계;
(c) 상기 (b)단계의 생성물을 탄소화시켜 질소 도핑 다공성 탄소소재를 제조하는 단계; 및
(d) 중화반응을 이용하여 잔여 수산화칼륨을 제거하는 단계.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 안정화시키는 단계는 1 ~ 20℃/min의 승온 속도로 승온하여 250 ~ 300℃에서 1 ~ 3 시간 동안 열처리하는 것임을 특징으로 하는 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 안정화시키는 단계에서 공기의 유속은 50 ~ 200 ㎖/min인 것을 특징으로 하는 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고분자와 수산화칼륨의 혼합 비율은 1:0.5 ~ 1:5의 무게비인 것을 특징으로 하는 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소화는 1 ~ 10℃/min의 승온 속도로 승온하여 600 ~ 1200℃에서 일정 시간 동안 유지하는 것임을 특징으로 하는 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소화는 비활성 기체 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중화반응은 염산(HCl), 과염소산(HClO4), 질산(HNO3) 또는 황산(H2SO4)으로 이루어진 군에서 선택된 강산을 이용하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 강산의 농도는 0.1 ~ 10M인 것을 특징으로 하는 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 질소 도핑 다공성 탄소소재의 정전용량은 150 ~ 310F/g인 것을 특징으로 하는, 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 질소 도핑 다공성 탄소소재의 산소환원반응의 피크전위(peak potential)가 - 0.15 ~ - 0.4 V인 것을 특징으로 하는 질소 도핑 다공성 탄소소재의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항의 방법에 의해 제조되고, 정전용량이 150 ~ 310F/g인 질소 도핑 다공성 탄소소재.
- 제1항 또는 제2항의 방법에 의해 제조되고, 산소환원반응의 피크전위(peak potential)가 - 0.15 ~ - 0.4 V인 것을 특징으로 하는 질소 도핑 다공성 탄소소재.
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