KR101484174B1 - 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리아닐린계 수소 저장물질과 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 나노 복합체는 환경 친화적이며 비용 효율적으로 제조될 수 있으며, 높은 수소 저장 능력을 보일 수 있다.

Description

할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체 및 이의 제조방법{Composite comprising halloysite nanotube and conductive polymer}
본 발명은 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
화석연료의 사용 증가에 따른 환경오염의 증가와 천연자원의 고갈은 에너지 위기를 앞당기고 있다. 세계적인 인구의 증가와 생활수준의 향상, 그리고 화석연료 자원의 부족으로 인해 친환경적인 재생에너지의 개발에 대한 요구가 지속되고 있다. 수소는 매우 풍부하고 질량에 비해 높은 화학에너지를 가지며 물을 생성물로 하는 친환경적인 반응에 의해 에너지를 방출한다. 따라서, 수소는 에너지 위기를 해결해 줄 수 있는, 재생 가능하며 유망한 대체 에너지원으로 여겨진다.
그러나, 연료로서의 수소의 사용은 부피 대비 낮은 화학에너지로 인해 제약되므로, 이 점과 관련하여 많은 연구가 진행되었다. 자동차 및 휴대용 전자기기에서 수소를 사용하기 위해서는 안전하며 효과적인 수소 저장물질이라는 기술적 과제가 해결되어야 한다.
따라서, 안전하고 비용 효율적이며 효과적인 고체 상태의 수소 저장물질이 요구된다. 미세다공성 물질, 제올라이트, 탄소, 금속-유기 구조체(MOF), 탄소 나노튜브, 금속수소화물, 나노 복합체, 내재적 미세다공성 폴리머 등과 같은 다양한 물질이 수소 저장과 관련하여 연구되었다.
한편, 나노물질은 여러 분야에서 이용되고 있으며 크기 및 형태 면에서의 특징으로 인해 벌크와 구별되는 화학적, 물리적 성질을 보인다. 또한, 나노 복합체 물질은 실온 및 낮은 압력 하에서 수소 저장용으로 사용하기에 적합한 구조와 화학조성을 가지도록 변형될 수 있다.
할로이사이트 나노튜브(HNT)는 점토광물로서 2층 구조를 가지는 알루미노실리케이트이다. 이 물질은 화학적으로 카올린과 유사하며 대체로 마이크로미터 이하 크기의 속이 빈 튜브형 구조를 보인다. 알루미나의 8면체 시트와 이에 결합된 실리카의 4면체 시트의 정렬이 불일치하거나 수화에 의한 물분자에 의해 패킹이 무질서하게 되면서 벽면이 굽어져 할로이사이트가 형성된다. 할로이사이트는 천연적으로 풍부한 물질로, 광물의 형태로 채광된다. 할로이사이트 튜브의 길이는 1-15 ㅅm 범위이며, 내부의 투명한 루멘의 직경은 대개 10-150 nm 범위이다. 이러한 할로이사이트 나노튜브는 흡착제, 나노 복합체 물질, 나노템플릿 및 나노규모의 반응 용기와 같은 다양한 용도로 사용되고 있다.
이와 같이, 미세다공성 물질, 제올라이트, 탄소, 금속-유기 구조체(MOF), 탄소 나노튜브, 금속수소화물, 나노 복합체, 내재적 미세다공성 폴리머 등과 같은 다양한 물질이 수소 저장과 관련하여 연구되고는 있으나, 현재까지 안전하고 비용 효율적으로 제조될 수 있으며 높은 수소 저장능력을 효과적으로 보이는 고체 상태의 수소 저장 물질이 개발되지 않아, 이에 대한 개발이 시급한 실정이다.
따라서, 본 발명은 안전하고 비용 효율적으로 제조될 수 있으며 높은 수소 저장능력을 효과적으로 보일 수 있는 복합체과 이를 포함하는 수소 저장 물질, 및 이의 제조방법을 제시하고자 한다.
본 발명의 대표적인 일 측면은 할로이사이트 나노튜브(HNT)와 전도성 고분자를 포함하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체에 관한 것에 관한 것이다.
본 발명의 다른 대표적인 일 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체를 포함하는 수소 저장체에 관한 것이다.
본 발명의 여러 구현예에 따른 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체 및 이를 포함하는 수수 저장 물질은 안전하고 비용 효율적으로 제조될 수 있으며 높은 수소 저장능력 보인다.
도 1(a)와 도 1(b)는 각각 PANI의 SEM 및 TEM 이미지이고, 도 1(c)와 도 1(d)는 각각 순수한 HNT의 SEM 및 TEM 이미지이다. c의 삽입도면은 고해상도 이미지이다.
도 2는 HNT-PANI 나노 복합체의 고체 상태 제조방법의 개요도이다.
도 3은 (a) 순수한 HNT와 (b) HNT-PANI-0.2 나노 복합체, (c) HNT-PANI-0.5나노 복합체, (d) HNT-PANI-1 나노 복합체 및 (e) HNT-PANI-2 나노 복합체의 XRD 패턴을 보여준다.
도 4a와 도 4b는 각각 HNT-PANI-0.2의 SEM 및 TEM 이미지이다.
도 5는 나노 복합체의 PANI 함량(중량%)과 수소 저장 능력의 상관도이다.
도 6은 실온에서 고표면적 물질의 BET 비표면적에 따른 수소 저장 능력을 보여준다. 삽입 도면은 BET 비표면적에 따른 HNT-PANI 나노 복합체의 수소 흡장능력을 보여준다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면은 할로이사이트 나노튜브(HNT)와 전도성 고분자를 포함하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체에 관한 것이다.
본 발명에서와 같이 할로이사이트 나노튜브와 전도성 고분자를 사용하여 제조한 복합체는 각각의 수소 저장 능력의 합보다 더 높은 수소 저장 능력을 보이는 반면, 본 발명에서와 달리 할로이사이트 나노튜브 외에 다른 물질, 예를 들어 미세다공성 물질, 제올라이트, 탄소, 금속-유기 구조체(MOF), 탄소 나노튜브, 금속수소화물, 나노 복합체, 내재적 미세다공성 폴리머 등을 사용하는 경우에는 각각 수소 저장 능력의 합 정도 또는 그보다도 더 낮은 정도의 수소 저장 능력을 보이는 수준에 불과함을 확인하였다.
일 구현예에 있어서, 상기 할로이사이트 나노튜브는 내부에 길이 방향으로 길게 형성되어 있는 내부 채널과 상기 내부 채널을 이루는 벽으로 구성되며, 상기 벽은 복수 개의 할로이사이트 층으로 구성된 것을 특징으로 하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체가 개시된다.
본 발명에 있어서, 상기 할로이사이트는 복수 개의 알루미노 실리케이트가 적층된 구조를 갖는 통상의 물질이다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 복합체는 할로이사이트 나노튜브를 포함하고, 이러한 할로이사이트 나노튜브는 내부에 길이 방향으로 길게 터널 모양의 내부 공간을 포함하도록 실린더 모양의 벽으로 구성되어 있는데, 이 실린더 모양의 벽은 복수 개의 할로이사이트 층으로 구성되어 있다.
다른 구현예에 에 있어서, 상기 전도성 고분자는 상기 할로이사이트 나노튜브의 외벽 표면, 상기 내부 채널의 내벽 표면, 상기 복수 개의 할로이사이트 층간 공간에 포집되어 있는 것을 특징으로 하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체가 개시된다.
즉, 본 발명의 일 구현예에 따른 복합체에서 전도성 고분자는 위에서 언급한 실리더 모양의 할로이사이트 벽의 외부 표면과 내부 표면에 포집되어 있을 뿐만 아니라, 상기 실린더 모양의 벽을 구성하는 복수 개의 할로이사이트 층간 공간에 포집되어 있게 된다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체가 개시된다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린인 것을 특징으로 하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체가 개시된다. 특히 전도성 고분자 중에서도 폴리아닐린을 사용하는 경우에 할로이사이트의 외벽, 내벽 및 복수 개의 할로이사이트 층간 공간에 효과적으로 포집되어 수소 저장 능력이 크게 향상될 뿐만 아니라, 특히 일단 수소가 저장된 후에 압력과 온도 등 외부 조건의 조절을 통해서 저장된 수소를 쉽게 분리해낼 수 있어, 영구적인 수소 저장체가 아니라, 일시적으로 수소를 저장하여 다른 장치에 필요에 따라서 수소를 제공할 수도 있는 선택적인 수소 저장체로서의 역할을 우수하게 수행할 수 있음을 확인하였다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체는 상기 할로이사이트 나노튜브와 상기 폴리아닐린을 볼 밀링 방법으로 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체가 개시된다.
즉, 할로이사이트 나노튜브와 폴리아닐린은 화학적 방법이나 용액법 등을 이용하여 서로 복합화시킬 수도 있으나, 볼 밀링 방법으로 혼합하여 제조하는 경우에, 특히 복수 개의 할로이사이트 층간 공간에 효과적으로 포집되어 수소 저장 능력이 크게 향상될 수 있음을 확인하였고, 이와 같은 제조방법에 따른 층간 공간 내 포집 정도의 차이는 특히 사용된 전도성 고분자가 폴리아닐린의 경우에 더욱 크게 현저해짐을 확인하였다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체는 상기 할로이사이트 나노튜브와 상기 폴리아닐린을 1 : 0.4-0.6 중량비로 혼합하여 제조되고, 상기 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체 내에 상기 할로이사이트 나노튜브와 상기 폴리아닐린이 65-75 : 25-35 중량비로 존재하는 것을 특징으로 하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체가 개시된다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 할로이사이트 나노튜브는 길이가 1-15 μm이고, 상기 내부 터널(lumen)의 직경은 10-150 nm, 상기 할로이사이트 터널의 벽에는 3-10개의 할로이사이트가 적층되어 있는 것을 특징으로 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체가 개시된다.
또 다른 구현예에 있어서, XRD 측정 결과 2 theta 값이 10-15에서 관측되는 순수 할로이사이트 나노튜브의 피크가 상기 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체에서는 좌측으로 이동되어 관측되는 것을 특징으로 하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체가 개시된다.
사용된 전도성 고분자가 폴리아닐린이 아니거나, 또는 볼 밀링 방법 이외의 방법에 의해 제조된 복합체는 위와 같은 XRD 결과가 관찰되지 않음을 확인하였으며, 따라서 제조된 복합체의 XRD 값이 위와 같은 결과를 보인다면 우수한 수소 저장 능력을 보일 수 있는 본 발명의 일 구현예에 따른 복합체 또는 수소 저장체라고 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체를 포함하는 수소 저장체에 관한 것이다.
삭제
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백하다.
실시예
HNT의 양을 고정시킨 채 전도성 폴리머 폴리아닐린(PANI)의 양을 달리하여 HNT와 PANI의 질량비를 1:0.2, 1:0.5, 1:1 및 1:2로 하였다. 이들 물질을 두 개의 강철구와 볼밀링 장치가 구비된 강철 캡슐에 넣었다. 혼합물을 공기 분위기 하, 주위온도에서 고속 진동분쇄에 의해 격렬하게 혼합하여 폴리아닐린-할로이사이트 나노튜브 나노 복합체 샘플 HNT-PANI-0.2, HNT-PANI-0.5, HNT-PANI-1 및 HNT-PANI-2를 제조하였다.
도 1(a, b)의 SEM 및 TEM 이미지에서 보듯이, 순수한 전도성 폴리머(PANI)는 나노크기의 나노로드 형태이다. 고체 상태 고속 진동분쇄 방법을 이용하여 기계화학반응에 의해 무기 나노튜브-PANI 복합체의 제조과정을 도 2에 도시하였다. 체를 이용하여 정제한 순수한 할로이사이트 나노튜브(HNT)의 형태를 도 1(c, d)에 도시하였다. 도 1(c)에서 보듯이, HNT는 다양한 길이를 가지고 구조가 일부 불규칙하며 수평 방향으로 응집된 것을 알 수 있다. 그러나, HNT 나노튜브의 고해상도 SEM 이미지인 도 1(c)의 삽입도면을 보면 순수한 HNT의 표면이 매끄러운 것을 알 수 있는데, 이 점은 도 1 (d)의 TEM 이미지로부터도 확인된다. HNT 나노튜브는 벽이 여러 층으로 이루어지고 원통형 모양을 가지며, 내부의 투명한 루멘의 직경은 약 20 nm이다.
도 2와 같이 고체 상태 진동분쇄 방법을 이용하여 HNT-PANI 나노 복합체를 제조하였다. 이 방법을 통해 역학적 에너지에 의해 활성 중심부를 형성할 수 있으며, 또한 튜브의 길이를 줄일 수 있다. 나노 복합체 제조과정에서 HNT 대비 PANI 함량을 변화시키되 제조시간과 진동주파수는 일정하게 하여 HNT의 튜브 형태를 유지하였다. 도 2에서 보듯이, PANI의 사슬이 튜브의 표면을 둘러쌀 뿐 아니라 HNT의 층간 공간 내로 삽입되고 나노튜브의 빈 루멘을 관통하였다. 이로 인해 HNT와 PANI의 질량비 변화에 따라 루멘 공간의 직경이 감소하였다.
HNT의 층간 공간에서 PANI 층의 위치를 XRD에 의해 확인하였다. 순수한 HNT와 나노 복합체 샘플들의 XRD 패턴을 도 3(a-e)에 도시하였다. 도 3(a)는 HNT의 XRD 패턴으로서 종래의 보고와 일치한다. 순수한 HNT는 2θ = 12.12°에서 회절피크를 가지는데, 이는 0.732 nm의 d-간격과 (001) 면에 해당한다. 이것은 HNT가 튜브 형태로서, 무질서도가 크고 결정크기가 작기 때문이며 또한 다양한 수화상태에 따른 층간 삽입 때문이기도 하다. 이에 반해, 도 3(b)에서 보듯이 HNT-PANI-0.2 나노 복합체의 (001) 면 피크는 순수한 HNT에 비해 2θ = 11.90°로 이동하였는데, 이는 0.746 nm의 d-간격에 해당한다. 도 3(c)에서 보듯이, HNT 대비 PANI의 질량비가 증가함에 따라 HNT-PANI-0.5 나노 복합체의 (001) 면 피크는 2θ = 11.83°로 더 낮게 이동하였는데, 이는 0.750 nm의 d-간격에 해당한다. 마찬가지로 도 3(d)에서 보듯이, PANI의 비율이 더 증가함에 따라 HNT의 층간 공간 내 PANI 층의 삽입이 더 증가하면서, HNT-PANI-1 나노 복합체의 (001) 면 피크는 2θ = 11.36°로 더 낮게 이동하였는데, 이는 0.781 nm의 d-간격에 해당한다. 도 3(e)에서 보듯이, HNT-PANI-2의 경우, 나노 복합체의 (001) 면 피크는 2θ = 10.90°로 더 낮게 이동하였는데, 이는 HNT의 층간 공간 팽창에 의한 것으로서 0.814 nm의 d-간격에 해당한다.
도 4(a-b)의 SEM 이미지에서 보듯이, HNT와 PANI의 질량비가 1:0.2인 HNT-PANI-0.2의 경우, PANI가 HNT를 완전히 둘러싸고 있으며, 각 성분의 볼밀링에 의한 고체 상태 기계화학반응의 결과 고체 상태에서 역학적 에너지에 의해 활성 중심부가 생성되었다. 그 결과, 컨주게이션된 π 결합으로 구성되는 PANI 골격이 HNT의 외부표면과 상호작용하게 되는데, 이 상호작용은 초분자 상호작용으로 생각된다. 층간 공간 내로의 삽입과 루멘 내로의 PANI 사슬의 침투에 의해 내부표면의 수산화기와의 반응이 일어난다. HNT의 외부표면에는 실록산(Si-O-Si) 기가 존재하고 내부표면에는 알루미놀(Al-OH) 기가 존재한다. 한편, HNT-PANI-0.5의 경우 HNT 대비 PANI의 질량비가 1:0.5로 증가함에 따라, PANI 층이 HNT의 표면을 덮고 튜브 형태의 HNT-PANI-0.5의 외부직경이 증가하였는데, 이는 XRD 데이터로부터 확인된 바와 같이 층간 공간 내로의 삽입이 증가하고 루멘 내로의 침투가 증가하여 루멘 공간의 직경이 감소하는 것과 일치되는 결과이다. HNT-PANI-1의 경우 PANI의 양이 더 증가하여 질량비가 1:1이 되자, PANI 층이 HNT를 완전히 덮었으며, XRD 데이터로부터 확인된 바와 같이 삽입이 더 증가하고 루멘 내로의 PANI 층 침투가 루멘의 크기가 증가하였다. HNT와 PANI의 질량비가 1:2인 HNT-PANI-2의 경우, PANI가 HNT 튜브를 덮었고 삽입이 더 증가하였으며 루멘 내로의 PANI 사슬 침투가 최대로 되었다.
실온 하, 압력 5 bar에서 순수한 PANI의 수소 저장 능력은 0.05 중량%이었는데, 이는 PANI 표면 상의 화학흡착부 및 물리흡착부를 통한 H2의 흡착에 의한 것이다. 실온 및 낮은 압력(5 bar) 하에서 수소 흡착능력이 이처럼 낮게 나타난 것은 종래의 보고와 일치하는 결과이다. 한편, 같은 조건에서 HNT의 수소 저장/방출능력 역시 매우 낮았으므로 수소 대신 D2 기체를 사용하였다. 물리흡착만에 의한 D2 저장 능력은 0.019 중량%이었으며 챔버 내 수분에 의한 효과는 없었다. HNT의 수소 흡착능력이 이처럼 낮은 이유는 HNT 루멘의 직경이 20 nm로 크기 때문이며, 따라서 HNT는 실온 및 낮은 압력 하에서 수소의 흡장에는 부적합하다고 할 수 있다. 고체 상태 방법에 의해 제조된 HNT-PANI-0.2 나노 복합체의 경우, 순수한 HNT 및 PANI보다 높은 0.43 중량%의 수소 흡장능력을 보였다(표 1).
Sample Code PANI Mass Ratio Hydrogen Storage (중량%)
HNT - <0.019
PANI - 0.05
HNT-PANI-0.2 0.2 0.43
HNT-PANI-0.5 0.5 0.78
HNT-PANI-1 1 0.37
HNT-PANI-2 2 0.22
상기 표 1은 0.5 MPa, 실온에서 PANI 질량비에 따른 순수한 샘플 및 나노 복합체 샘플의 수소 저장 능력을 보여준다.
순수한 HNT 및 PANI에 비해 나노 복합체 물질의 수소 저장 능력이 크게 증가한 이유는 표면적 증가 때문이 아니다. 순수한 HNT 및 PANI 역시 나노크기였으며 사용된 HNT의 표면적은 26.6 m2/g로 매우 낮았으므로 표면적은 별다른 영향을 미치지 못한다. 두 번째 요인은 PANI 층의 삽입에 의한 HNT 층간 공간의 팽창인데, 이 점이 어느 정도 영향을 미치기는 하지만 아래에서 설명하겠는바 주된 요인은 아니다. 본 연구에서 PANI를 선택한 이유는 PANI가 도핑된 PANI(암녹색 염)의 골격에 존재하는 전하를 띤 아민의 질소기를 이용한 상호작용을 통해 수소를 저장할 수 있고, 이후 H2 결합이 분리되고 PANI 사슬의 아민 질소에 새로운 새로운 N-H 결합이 형성된 후, 이웃하는 아민의 질소기들 사이에 전하가 전달되면서 불안정한 중성의 암모늄기가 형성되고, 이것이 분해되어 폴라론으로 도핑된 PANI가 생성되면서 수소가 방출된다고 보고되었기 때문이다. 수소 저장 능력이 크게 증가한 주된 이유는 두 가지인데, 첫째로 PANI와 무기 나노튜브의 고체 상태 고속 진동분쇄 과정에서 PANI 골격 상에 수소 저장 능력을 가지는 다수의 화학흡착부가 형성되었기 때문인데, 이 경우 표 1에서 보듯이 어느 정도 비가역적인 수소 저장특성이 나타난다. HNT 대비 PANI의 질량비(HNT: PANI)가 작은 (1: 0.2) 경우가 이런 경우이다. 두 번째 이유는 HNT의 루멘 직경이 수소 저장에 적합한 크기로 감소하기 때문이다. 이론적으로, 세공 직경이 0.7 nm에 가까울 때 수소 흡착이 최대로 되고, 수소 흡착능력은 세공의 부피에 따라 달라지게 된다. 한편, PANI의 질량비가 증가하고 루멘의 크기가 감소함에 따라 화학흡착부가 증가하여 수소의 저장에 적합한 상태가 되며 이 경우 가역적인 수소 저장특성이 나타난다. 이때, 수소 저장 능력은 표 1에서 보듯이 0.78 중량%이었다. HNT-PANI-1의 경우 PANI의 질량비가 증가함에 따라 화학흡착부의 생성이 감소하였고 가역적인 수소 저장특성이 유지되었으며 루멘의 크기는 더 감소하였다. 그 결과, 수소 저장 능력은 0.37 중량%로 감소하였다(표 1). PANI의 질량비가 더 증가함에 따라 화학흡착부의 생성이 더 감소하였으며 비가역적인 수소 저장특성이 다시 나타났다(HNT-PANI-2). 이로 인해 수소 저장 능력이 0.22 중량%로 감소하였는데, HNT-PANI-2의 경우 수소 저장 능력은 첫 번째 수소 저장/방출 사이클에서 0.22 중량%이었고 두 번째 사이클에서는 0.15 중량%이었다(표 1). 그러므로, 나노 복합체 내 PANI의 함량(중량%)이 수소 화학흡착부의 생성과, 수소 저장 능력의 가역성 및 루멘 크기의 감소에 영향을 미치고, 이로 인해 PANI 함량이 증가함에 따라 수소 저장 능력이 최대로 되었다가 다시 감소하는 결과가 나타나는 것이다(도 5).
본 발명에서는 고체 상태 방법에 의해 무기 나노튜브-전도성 폴리머 나노 복합체 물질을 제조하였다. 전도성 폴리머 층이 외부표면을 덮고 HNT의 층간 공간 내로 삽입되며, 루멘 내로 침투하여 루멘의 크기를 수소의 저장에 적합한 크기로 감소시킨다. 폴리아닐린과 HNT의 고체 상태 분쇄에 의해 수소 저장 능력을 가지는 다수의 화학흡착부가 생성된다. 이러한 화학흡착부의 생성과 루멘 직경의 감소로 인해 나노 복합체는 실온 및 0.5 MPa 압력 하에서 1중량%에 가까운 수소 저장 능력을 갖게 된다. 형태와 물성의 조절이 가능한 이러한 나노 복합체 물질은 고체 상태 수소 저장에 매우 유용할 것으로 기대된다.
이와 같이, 본 발명은 폴리아닐린계 수소 저장물질과 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 나노 복합체는 무기 나노튜브와 폴리아닐린으로 구성되는데, 폴리아닐린이 나노튜브의 표면을 둘러싸고, 층간 공간 내로 삽입되며 나노튜브의 빈 루멘을 관통하는 구조로 되어 있다. 환경 친화적이며 비용 효율적인 본 발명의 방법에 의해 제조되는 무기 나노튜브-전도성 폴리머 물질은 실온 하, 5 bar의 낮은 압력에서 약 1 중량%의 수소 저장 능력을 보임을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 낮은 압력(5 bar) 및 실온 하에서 1 중량%의 수소를 가역적으로 저장하는 수소 저장용 무기 나노튜브-전도성 폴리머 나노 복합체 물질을 제공한다. 이 나노 복합체 물질은 가격이 경제적이며(4 $/kg) 입수가 용이한(연간 생산량 50,000 톤) 장점을 가지는, 내부 공간을 갖는 무기 나노튜브 물질을 사용하여 제조된다.

Claims (11)

  1. 할로이사이트 나노튜브(HNT)와 전도성 고분자를 포함하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체로서,
    상기 할로이사이트 나노튜브는 내부에 길이 방향으로 길게 형성되어 있는 내부 채널과 상기 내부 채널을 형성하는 벽으로 구성되고,
    상기 벽은 복수 개의 할로이사이트 층으로 구성되며,
    상기 전도성 고분자는 상기 할로이사이트 나노튜브의 외벽 표면, 상기 내부 채널의 내벽 표면, 상기 복수 개의 할로이사이트 층간 공간에 포집되어 있는 것을 특징으로 하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린인 것을 특징으로 하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체는 상기 할로이사이트 나노튜브와 상기 폴리아닐린을 볼 밀링 방법으로 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체는 상기 할로이사이트 나노튜브와 상기 폴리아닐린을 1 : 0.4-0.6 중량비로 혼합하여 제조되고,
    상기 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체 내에 상기 할로이사이트 나노튜브와 상기 폴리아닐린이 65-75 : 25-35 중량비로 존재하는 것을 특징으로 하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 할로이사이트 나노튜브는 길이가 1-15 μm이고,
    상기 할로이사이트 나노튜브 내부에 위치한 터널(lumen)의 직경은 10-150 nm이며,
    상기 할로이사이트의 벽에는 3-10개의 할로이사이트 층이 적층되어 있는 것을 특징으로하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체.
  9. 제8항에 있어서, XRD 측정 결과 2 theta 값이 10-15에서 관측되는 순수 할로이사이트 나노튜브의 피크가 상기 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체에서는 좌측으로 이동되어 관측되는 것을 특징으로 하는 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체.
  10. 제1항 및 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 할로이사이트 나노튜브-전도성 고분자 복합체를 포함하는 수소 저장체.
  11. 삭제
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