KR101571244B1 - 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 - Google Patents

탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101571244B1
KR101571244B1 KR1020140065131A KR20140065131A KR101571244B1 KR 101571244 B1 KR101571244 B1 KR 101571244B1 KR 1020140065131 A KR1020140065131 A KR 1020140065131A KR 20140065131 A KR20140065131 A KR 20140065131A KR 101571244 B1 KR101571244 B1 KR 101571244B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
conductive polymer
coated
nanoparticles
iron oxide
polymer nanoparticles
Prior art date
Application number
KR1020140065131A
Other languages
English (en)
Inventor
장정식
이준섭
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020140065131A priority Critical patent/KR101571244B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101571244B1 publication Critical patent/KR101571244B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/36—Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/48—Conductive polymers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은 탄소막이 코팅된 산화철 침상이 부착된 탄소 나노입자의 제조와 슈퍼커패시터로의 응용에 관한 것으로, 수열합성을 통해 전도성 고분자 나노입자 표면에 산화수산화철 침상을 올린 후, 전도성 고분자 단량체의 액상중합을 이용하여 침상에 전도성 고분자 코팅막을 제조한 후, 탄화공정을 이용하여 복합 탄소 나노입자를 제조하는 방법을 제공하며, 슈퍼커패시터 전극으로 이용되었을 경우 높은 단위 질량당 커패시턴스를 보임으로 차세대 슈퍼커패시터 전극 물질로의 가능성을 제시하였다.
본 발명에 따르면, 간단하고 저렴한 수열합성, 액상중합을 이용하여 복합 탄소 나노입자를 제조할 수 있는 장점을 가진다. 더욱이, 본 발명에서 제조될 수 있는 탄소 나노 복합체는 침상의 밀도, 크기, 나노입자의 지름에 구애되지 않을 뿐 만 아니라, 전해질의 종류에 관계없이 우수한 커패시터 성능을 보인다.

Description

탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 {Fabrication of carbon layer coated iron oxide nanoneedle decorated carbon nanoparticles for supercapacitor electrode}
본 발명은 산화수산화철(FeOOH) 전구체 수용액에 분산된 전도성 고분자 나노입자를 수열합성하여 생성된 산화수산화철 침상이 부착된 전도성 고분자 나노입자를 기상증착중합을 이용하여 침상에 전도성 고분자 막을 코팅한 후, 탄화공정을 통해 탄소막이 코팅된 산화철(Fe3O4) 나노침상이 부착된 탄소나노입자를 제조하는 방법, 그 방법으로 제조된 복합 탄소 나노입자를 슈퍼커패시터 전극으로의 적용에 대한 것이다.
수 나노미터에서 수백나노미터 사이의 크기를 가지는 탄소나노입자는 넓은 표면적과 큰 기공 부피, 탄소 자체의 기계적, 화학적 안정성과 전기 전도성을 가지며, 다양한 전기적, 화학적, 물리적 특성을 나타낸다. 또한 수 나노미터 수준의 기공을 구조안에 가지고 있기에 벌크 상 소재에 비하여 매우 큰 기공 부피와 넓은 표면적을 가지게 된다.
이러한 다양한 특성을 가지는 탄소 나노입자는 촉매 나노 입자를 첨가하여 촉매 담체의 역할을 수행하기도 하며, 백금이나 루테늄 계열의 금속 나노입자를 첨가하여 연료전지에 사용하기도 하는 등 광범위한 영역에서 사용된다. 또한 최근에 들어 부각되고 있는 전기화학적인 응용의 한가지인 슈퍼커패시터 전극에 많이 연구되고 있다. 특별히 수퍼커패시터는 전기화학적인 응용의 대표적인 예이며 최근에 전자기기의 발달과 전기 자동차의 개발과 더불어 다양한 방법으로의 연구가 진행되고 있다. 에너지 밀도가 우수하다는 장점으로 인하여 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 있어서 이용이 가능하다. 또한 소형 전자기기에서도 기존의 커패시터를 대체할 수 있다는 장점을 가지며 수명과 신뢰성에 있어서도 장점을 가지고 있다.
그러나 탄소 나노입자의 표면은 일반적으로 특별한 관능기가 없기에 슈퍼커패시터 전극으로 적용시 낮은 전기화학적 성능을 보이므로 이를 극복하고자 전기화학적 성능이 좋은 물질의 도입이 요구되고 있다. 이를 개선하기 위한 방법으로써 탄소나노입자 표면에 금속산화물 나노입자를 도입하거나 전도성 고분자 막으로 코팅하는 방법을 통하여 전기화학적 성능을 향상시키는 방법들이 많이 연구되어 왔다. 그러나 지금까지의 탄소 나노입자 표면에 도입되었던 물질은 전기화학 반응이 진행되면서 구조가 무너지는 단점을 가지고 있다.
따라서, 전기화학적 성능이 우수하고 안정성이 뛰어난 물질을 탄소나노입자에 도입하는 것이 탄소나노입자의 전기화학적인 슈퍼커패시터 전극으로 응용을 고려할때 강력히 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 이러한 종래기술의 문제점들을 일거에 해결하고자, 산화수산화철 전구체 수용액에 분산된 전도성 나노입자를 수열합성을 이용하여 산화수산화철 침상을 표면에 부착한 후, 액상의 무극성 유기용매에서 산화중합을 통한 전도성 고분자 막이 코팅된 침상을 제조한 후, 이를 탄화하여 탄소막으로 코팅된 산화철 침상이 부착된 탄소나노입자를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 또 다른 기술적 과제는 상기 복합 탄소 나노입자가 종래의 기술에 따른 슈퍼커패시터 전극에 비하여 높은 공정성과 우수한 에너지 저장 능력을 가지는 유.무기 복합 나노재료를 제공하는 데 있다.
본 발명자들은 수많은 실험과 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 이제껏 알려진 방법과는 전혀 다른 방법, 수열합성을 이용하여 전도성 고분자 표면에 침상이 부착되고, 상기 침상을 액상중합을 이용하여 코팅하고, 탄화를 거쳐 표면적이 극대화된 슈퍼커패시터 전극에 적용되는 복합 탄소 나노입자가 생성될 수 있음을 확인하였다. 또한 상기 제조된 복합 탄소 나노입자가 기존에 사용되는 것에 비하여 에너지 저장능력이 현저히 향상된 것을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명은 전도성 고분자 나노입자에 수열합성을 이용하여 표면에 산화수산화철 침상을 올린 후, 액상중합을 이용하여 침상에 전도성 고분자막을 코팅하고 이를 탄화를 통하여 상변화를 유도하여 탄소막이 코팅된 산화철 침상이 코팅된 탄소나노입자를 제조하고 이를 슈퍼커패시터 전극으로 적용하는 것을 내용으로 한다.
본 발명에 따른 탄소막이 코팅된 산화철 침상이 코팅된 탄소나노입자를 슈퍼커패시터 전극으로 적용하는 방법은,
(A) 전도성 고분자 나노입자가 분산된 염화철 수용액의 수열합성을 이용하여 산화수산화철 침상이 전도성 고분자 나노입자 표면에 부착되는 단계;
(B) 상기 산화수산화철 침상을 전도성 고분자 단량체의 액상중합법을 통해 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철 침상이 부착된 전도성 고분자 나노입자 제조단계; 및
(C) 상기 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철이 부착된 전도성 고분자 나노입자를 탄화공정을 이용하여 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자가 제조되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극을 제조하는 단계로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 산화수산화철 전구체 수용액에 분산된 전도성 고분자 나노입자를 수열합성을 통해 표면에 산화수산화철 침상을 도입하는 방법은 이제껏 보고된 바가 없는 전혀 새로운 방법으로서, 교반을 통한 화학반응을 통하여 제조하였을 때보다 입자의 뭉침현상 없이 단일 나노입자를 쉽게 제조할 수 있다.
또한 간단한 액상중합을 통하여 침상 표면에 전도성 고분자 막을 코팅하여 표면적이 극대화된 전도성 고분자 나노입자를 제조할 수 있다.
상기 표면적이 극대화된 전도성 고분자 나노입자를 탄화공정을 이용하여 전도성 고분자의 상변화를 유도하여 탄소막이 코팅된 산화철 침상이 올라간 탄소 나노입자를 쉽게 제조 가능하다.
이는 1차원 구조의 침상이 구 모양의 나노입자에 부착되면서 입자의 표면적을 극대화하고 이를 이용하여 슈퍼커패시터 전극으로 적용하는 방법을 제공한다.
도 1은 발명의 실시예 1에서 제조된 산화수산화철 침상에 폴리피롤 막이 코팅된 성게모양의 폴리피롤 나노입자의 투과전자현미경 (TEM) 사진이고;
도 2는 발명의 실시예 4에서 제조된 산화수산화철 침상 표면에 폴리피롤 막이 코팅된 성게모양의 폴리피롤 나노입자의 투과전자현미경 (TEM) 사진이고;
도 3은 발명의 실시예 4에서 제조된 폴리피롤 막으로 코팅된 산화수산화철의 고배율 투과전자현미경 (HR-TEM) 사진이고;
도 4는 발명의 실시예 7에서 제조된 탄소막이 코팅된 산화철 침상이 부착된 탄소 나노입자의 투과전자현미경 (TEM) 사진이고;
도 5는 발명의 실시예 7에서 제조된 탄소막이 코팅된 산화철 침상의 고배율 투과전자현미경 (HR-TEM) 사진이고;
도 6은 발명의 실시예 7에서 제조된 탄소막이 코팅된 산화철 침상이 부착된 탄소나노입자의 순환전류법을 이용한 전압-전류를 도시한 그래프이다.
본 명세서에서 특별히 명시되지 않는 한, 온도, 함량, 크기 등의 수치 범위는 본 발명의 제조방법을 최적화할 수 있는 범위를 의미한다.
단계 (A)에서는 산화수산화철 전구체 수용액에 분산된 전도성 고분자 나노입자를 수열합성하여 전도성 고분자 표면에 산화수산화철 침상이 균일하게 부착된다.
사용되는 전도성 고분자의 경우 폴리 씨오펜 (polythiophene), 폴리피롤 (polypyrrole), 폴리아닐린 (polyaniline)으로 한정되는 것은 아니며, 공액이중결합을 가진 다른 고분자도 가능하다. 그 중에서도, 폴리에틸렌디옥시씨오펜 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), 폴리페닐렌 (polyphenylene) 등과 같은 고분자가 바람직하다.
사용되는 전도성 고분자 나노입자의 입경의 경우 특별히 제한되는 것은 아니며, 본 발명에서는 20 나노미터 에서부터 500 나노미터 사이가 바람직하다. 20 나노미터 미만에서는 침상구조가 표면에 부착되지 않고, 500 나노미터 초과에서는 부착되는 침상이 균일하지 않다.
산화수산화철 전구체는 특별히 한정되는 것은 아니며, 수용액 상에서 철 이온으로 분해되는 금속염인 것이 가능하다. 그 중에서도, 삼염화철 (FeCl3), 삼질산철 (Fe(NO3)3) 등과 같은 무기염이 바람직하다.
사용되는 산화수산화철 전구체 수용액의 농도는 0.1 M 에서 2 M 인 것이 바람직 하지만, 특별히 제한되는 것은 아니다.
전도성 고분자 나노입자의 산화수산화철 전구체 수용액에 분산되는 양은 특별히 제한되는 것은 아니며, 본 발명에서는 수용액 대비 0.5 wt% 에서 5 wt% 사이가 바람직하다.
전도성 고분자 나노입자를 산화수산화철 전구체 수용액에 분산시키는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니며, 본 발명에서는 초음파 처리를 이용하는 것이 바람직하다. 분산시 적용되는 초음파 처리 시간은 10분 에서 50분 사이가 바람직하다.
수열합성에 가해지는 압력은 1-5 기압 (atm), 온도는 섭씨 50-500 도 사이 인 것이 바람직 하지만, 특별히 제한되는 것은 아니다.
수열합성 시간은 1-12 시간이 바람직하지만 상기 범위보다 높거나 낮을 수 있다.
단계 (B)에서는 전도성 고분자 표면에 부착된 산화수산화철 침상에 금속이온 산화제를 부착시켜 이를 액상의 전도성 고분자 단량체가 분산된 유기용매에 탐지하여 산화중합을 통한 균일한 전도성 고분자 코팅막이 생성되도록 한다.
액상중합시 사용하는 용매는 상온에서 액체 인 것이 가능하다. 그 중에서도 헥산, 벤젠 등과 같은 유기용매가 바람직하다.
사용되는 전도성 고분자 단량체는 특별히 한정되는 것은 아니며, 본 발명에서는 피롤, 아닐린, 씨오펜 이 바람직하다. 용매에 분산되는 전도성 고분자 단량체는 용매 대비 0.1 wt% 에서 5 wt% 인 것이 바람직하다.
액상중합시 사용하는 개시제는 특별히 제한되는 것은 아니며, 삼염화철 (FeCl3), 이염화구리 (CuCl2) 등과 같은 금속 산화제가 바람직하다.
액상중합시 온도는 섭씨 20 도 에서 70 도, 시간은 1 분에서 30 분 사이 인것이 바람직하나 이에 국한되는 것은 아니다.
단계 (C)에서는 성게모양의 전도성 고분자 나노입자를 산소를 차단한 후 탄화과정을 이용하여 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자를 제조하고 이를 수퍼커패시터 전극으로 적용하는 과정이다. 산소를 차단하여 열을 가해주면 전도성 고분자는 탄소로, 산화수산화철은 산화철로 상변화가 일어난다. 이 과정을 거치면서 생성되는 산화철은 상변화 중 물분자가 빠져나와 침상에서 3 나노미터 에서 5 나노미터 지름의 구멍이 생성된다.
산소를 차단시켜 주는 가스로 질소를 사용하는 것이 바람직하지만 이에 국한되지 않고 일반적인 불활성 기체는 적용가능하다. 그중에서도, 아르곤, 네온 등과 같은 불활성 기체가 바람직하다.
산소를 차단시켜 열처리를 하는 온도는 섭씨 200 도 에서 800 도, 시간은 1 시간 에서 10 시간 적용하는 것이 바람직하지만 이에 국한되는 것은 아니다. 200 도 미만에서는 전도성 고분자가 탄소로 변화하지 못하며, 800 도 초과에서는 전도성 고분자가 열분해되어 탄소입자가 생성되지 않는다.
본 발명은 또한 상기 방법에 의해 제조된 에너지 저장능력이 우수한 복합 탄소 나노소재의 슈퍼커패시터로의 응용에 관한 것이다. 본 발명에 의해 제조된 복합 탄소 나노소재는 입자표면에 탄소 코팅이된 산화철침상이 부착된 구조적인 장점이 있다. 특히 산화철 침상이 탄소입자 표면에 부착되면서 표면적이 증대된 점과 탄소막 코팅을 통한 산화철 침상의 안정성 증가로 인해 슈퍼커패시터의 향상된 성능을 가진다. 또한 전도성 고분자와 산화수산화철의 상변화로 인한 추가적인 미세기공 형성으로 인하여 전해질 이온의 흡ㆍ탈착 속도가 증대하여 신속한 충ㆍ방전 성능을 가진다. 그러나 본 발명에따른 복합 탄소 나노소재는 이 예시적인 용도에 한정됨이 없이 추후 예상되는 다양한 용도에 적용될 수 있으며, 이들의 용도가 본 발명의 범주를 벗어나는 것은 아니다.
[실시예]
이하 실시예를 들어 본 발명에 대한 구체적인 예를 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
60 나노미터 직경의 폴리피롤 나노입자 1 g 을 1 M 삼염화철 수용액 100 ml 에 30 분 동안 초음파처리를 하여 분산시킨다. 그런다음 분산용액을 섭씨 100 도, 2 기압 (atm) 의 반응기에서 수열합성을 4시간 반응시켜 표면에 산화수산화철 침상이 부착된 폴리피롤 나노입자를 얻을 수 있다.
도 1에서는 수열반응을 통해 산화수산화철 침상이 표면에 부착된 폴리피롤 나노입자의 투과전자현미경 (TEM) 사진이 개시되었다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 산화수산화철 침상이 균일하게 엄김현상 없이 표면에 부착된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 동일한 방법으로 실험하되, 산화수산화철 전구체 수용액을 1 M 삼질산철 수용액 100 ml로 실시하였다. 그 결과 실시예 1과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
실시예 1과 동일한 방법으로 실험하되, 60 나노미터 직경의 폴리아닐린 나노입자 1 g 을 사용하여 실시하였다. 그 결과 실시예 1과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
산화수산화철 침상에 전도성 고분자 막이 코팅된 성게모양의 전도성 고분자 나노입자를 제조하기 위하여 실시예 1 방법에 의한 산화수산화철 침상이 부착된 폴리피롤 나노입자를 삼염화철에 탐지한후, 피롤 단량체가 헥산용매에 1 wt% 의 질량비로 분산된 용액에 섭씨 50 도, 10 분간 산화중합을 실시하였다.
도 2에서는 본 실시예에서 제조된 산화수산화철 침상에 폴리피롤막이 코팅된 성게모양의 폴리피롤 나노입자의 투과전자현미경 (TEM) 사진이 개시되어 있다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 입자의 엉김현상없이 성게모양을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
도 3은 폴리피롤 막으로 코팅된 산화수산화철의 고배율 투과전자현미경 (HR-TEM) 사진이 개시되어 있다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 2 나노미터의 폴리피롤 막이 균일하게 산화수산화철 표면에 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
산화수산화철 침상에 전도성 고분자 막이 코팅된 성게모양의 전도성 고분자 나노입자를 제조하기 위하여 실시예 2 방법에 의한 산화수산화철 침상이 부착된 폴리피롤 나노입자를 실시예 4 방법으로 실험하되, 이산화구리를 액상중합 산화제로 사용하였다. 그 결과 실시예 4 와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
산화수산화철 침상에 전도성 고분자 막이 코팅된 성게모양의 전도성 고분자 나노입자를 제조하기 위하여 실시예 3 방법에 의한 산화수산화철 침상이 부착된 폴리아닐린 나노입자를 실시예 4 방법으로 실험하되, 아닐린 단량체를 액상중합 전도성 고분자 단량체로 사용하였다. 그 결과 실시예 4 와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
탄소막이 코팅된 산화철 침상이 부착된 탄소 나노입자를 제조하고 이를 슈퍼커패시터 전극으로 적용하기 위하여 실시예 4 방법으로 제조된 성게모양 폴리피롤 나노입자를 질소를 이용해 산소를 차단한 상태에서 섭씨 400 도 의 온도에서 2시간 탄화해 준다. 산소를 차단하여 열을 가해주면 폴리피롤이 탄소로 산화수산화철이 산화철로 상변화가 일어난다. 또한 이 과정을 거치면서 산화수산화철에서 물분자가 빠져나와 산화철 침상에서 구멍이 생성된다.
도 4에서는 탄소막이 코팅된 산화철 침상이 부착된 탄소 나노입자의 투과전자현미경 (TEM) 사진이 개시되어 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 지름이 5-10 나노미터 길이가 30-40 나노미터의 침상이 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있었다.
도 5에서는 탄소막이 코팅된 산화철 침상의 고배율 투과전자현미경 (HR-TEM) 사진이 개시되어 있다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 5 나노미터의 구멍을 가지고 있는 산화철 침상에 2 나노미터의 탄소 막이 균일하게 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
탄소막이 코팅된 산화철 침상이 부착된 탄소 나노입자를 제조하고 이를 슈퍼커패시터 전극으로 적용하기 위하여 실시예 5 방법으로 제조된 성게모양 폴리피롤 나노입자를 실시예 7 방법으로 실험하되, 아르곤을 이용하여 산소를 차단하였다. 그 결과 실시예 7과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
탄소막이 코팅된 산화철 침상이 부착된 탄소나노입자를 제조하고 이를 슈퍼커패시터 전극으로 적용하기 위하여 실시예 6 방법으로 제조된 성게모양 폴리아닐린 나노입자를 실시예 7 방법으로 실험하여 실시예 7과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
상기 실시예 7 에서 제시된 방법에 따라 제조된 복합 탄소 나노입자 2 mg, 전도성 카본 (carbon black) 0.25 mg, 바인더인 폴리테트라플루오르에틸렌 (polytetrafluoroethylene) 0.25 mg 을 혼합하고, 이소프로필 알코올 (isopropyl alcohol)을 이용하여 슬러리를 제조하여 집전체인 (current collector)인 스테인레스 스틸 메쉬 (stainless steel mesh)에 코팅 후 섭씨 60 도의 진공오븐에 12시간 동안 건조하여 슈퍼커패시터 전극으로 제조하였다.
상기 제조된 전극을 0.2 M 황산 (H2SO4) 수용액 전해질을 사용하여 기준전극 (Ag/AgCl), 카운터 전극 (Pt)과 함께 3전극 시스템을 구성하여 순환전압 전류법 (Cyclic Voltammetry, CV) 방법으로 200 mV s-1 의 주사속도를 이용하여 성능을 측정하였다.
도 6은 복합 탄소 나노입자와 탄소 나노입자의 순환전류법을 이용한 전압-전류를 도시한 그래프로 복합 탄소 나노입자가 탄소 나노입자 대비 350 %의 대면적을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
또한 상기 그래프를 계산하여 단위 질량당 캐퍼시턴스 (비정적용량)를 비교한 결과 복합 탄소 나노입자 (457 F/g)가 탄소 나노입자 (152 F/g) 보다 350 %의 우수한 성능을 가지고 있음을 확인하였다.
상기 실시예 8에서 제시된 방법에 따라 제조된 복합 탄소 나노입자를 실시예 10 방법을 이용하여 실험하였다. 그 결과 실시예 10과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
상기 실시예 9에서 제시된 방법에 따라 제조된 복합 탄소 나노입자를 실시예 10 방법을 이용하여 실험하였다. 그 결과 실시예 10과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
본 발명에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.
없음.

Claims (16)

  1. 전도성 고분자 나노입자가 분산된 삼염화철 수용액을 수열합성을 이용하여 산화수산화철 침상이 전도성 고분자 나노입자 표면에 부착되는 단계;
    상기 산화수산화철 침상을 전도성 고분자 단량체의 액상중합법을 통해 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철이 부착된 전도성 고분자 나노입자 제조단계; 및
    상기 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철 침상이 부착된 전도성 고분자 나노입자를 탄화공정을 이용하여 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자가 제조되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법에 있어서, 전도성 고분자 나노입자를 삼염화철 수용액에 분산시키는데 있어 초음파 처리를 이용하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  2. 전도성 고분자 나노입자가 분산된 삼염화철 수용액을 수열합성을 이용하여 산화수산화철 침상이 전도성 고분자 나노입자 표면에 부착되는 단계;
    상기 산화수산화철 침상을 전도성 고분자 단량체의 액상중합법을 통해 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철이 부착된 전도성 고분자 나노입자 제조단계; 및
    상기 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철 침상이 부착된 전도성 고분자 나노입자를 탄화공정을 이용하여 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자가 제조되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법에 있어서, 전도성 고분자 나노입자가 분산된 삼염화철 수용액을 수열합성 하는데 있어 온도를 섭씨 50 도 에서 500 도 사이 인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  3. 전도성 고분자 나노입자가 분산된 삼염화철 수용액을 수열합성을 이용하여 산화수산화철 침상이 전도성 고분자 나노입자 표면에 부착되는 단계;
    상기 산화수산화철 침상을 전도성 고분자 단량체의 액상중합법을 통해 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철이 부착된 전도성 고분자 나노입자 제조단계; 및
    상기 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철 침상이 부착된 전도성 고분자 나노입자를 탄화공정을 이용하여 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자가 제조되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법에 있어서, 전도성 고분자 나노입자가 분산된 삼염화철 수용액을 수열합성 하는데 있어 압력을 1 기압(atm) 에서 5 기압 사이 인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  4. 전도성 고분자 나노입자가 분산된 삼염화철 수용액을 수열합성을 이용하여 산화수산화철 침상이 전도성 고분자 나노입자 표면에 부착되는 단계;
    상기 산화수산화철 침상을 전도성 고분자 단량체의 액상중합법을 통해 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철이 부착된 전도성 고분자 나노입자 제조단계; 및
    상기 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철 침상이 부착된 전도성 고분자 나노입자를 탄화공정을 이용하여 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자가 제조되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법에 있어서, 전도성 고분자 나노입자가 분산된 삼염화철 수용액을 수열합성 하는데 있어 반응시간을 1 시간에서 12 시간 사이 인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  5. 전도성 고분자 나노입자가 분산된 삼염화철 수용액을 수열합성을 이용하여 산화수산화철 침상이 전도성 고분자 나노입자 표면에 부착되는 단계;
    상기 산화수산화철 침상을 전도성 고분자 단량체의 액상중합법을 통해 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철이 부착된 전도성 고분자 나노입자 제조단계; 및
    상기 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철 침상이 부착된 전도성 고분자 나노입자를 탄화공정을 이용하여 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자가 제조되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법에 있어서, 전도성 고분자 단량체의 액상중합을 하는데 있어 사용되는전도성 고분자 단량체는 피롤, 아닐린, 씨오펜 단량체 중에서 선택된 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  6. 전도성 고분자 나노입자가 분산된 삼염화철 수용액을 수열합성을 이용하여 산화수산화철 침상이 전도성 고분자 나노입자 표면에 부착되는 단계;
    상기 산화수산화철 침상을 전도성 고분자 단량체의 액상중합법을 통해 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철이 부착된 전도성 고분자 나노입자 제조단계; 및
    상기 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철 침상이 부착된 전도성 고분자 나노입자를 탄화공정을 이용하여 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자가 제조되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법에 있어서, 전도성 고분자 단량체의 액상중합을 하는데 있어 개시제는 삼염화철, 이염화구리 중에서 선택된 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  7. 전도성 고분자 나노입자가 분산된 삼염화철 수용액을 수열합성을 이용하여 산화수산화철 침상이 전도성 고분자 나노입자 표면에 부착되는 단계;
    상기 산화수산화철 침상을 전도성 고분자 단량체의 액상중합법을 통해 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철이 부착된 전도성 고분자 나노입자 제조단계; 및
    상기 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철 침상이 부착된 전도성 고분자 나노입자를 탄화공정을 이용하여 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자가 제조되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법에 있어서, 전도성 고분자 단량체의 액상중합을 하는데 있어 용매는 벤젠, 핵산 중에서 선택된 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  8. 전도성 고분자 나노입자가 분산된 삼염화철 수용액을 수열합성을 이용하여 산화수산화철 침상이 전도성 고분자 나노입자 표면에 부착되는 단계;
    상기 산화수산화철 침상을 전도성 고분자 단량체의 액상중합법을 통해 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철이 부착된 전도성 고분자 나노입자 제조단계; 및
    상기 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철 침상이 부착된 전도성 고분자 나노입자를 탄화공정을 이용하여 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자가 제조되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법에 있어서, 전도성 고분자 단량체의 액상중합을 하는데 있어 용매에 분산된 전도성 고분자 단량체는 0.1 wt% 에서 5 wt% 사이 인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  9. 전도성 고분자 나노입자가 분산된 삼염화철 수용액을 수열합성을 이용하여 산화수산화철 침상이 전도성 고분자 나노입자 표면에 부착되는 단계;
    상기 산화수산화철 침상을 전도성 고분자 단량체의 액상중합법을 통해 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철이 부착된 전도성 고분자 나노입자 제조단계; 및
    상기 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철 침상이 부착된 전도성 고분자 나노입자를 탄화공정을 이용하여 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자가 제조되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법에 있어서, 전도성 고분자 단량체의 액상중합을 하는데 있어 중합시간을 1 분 에서 30 분 사이 인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  10. 전도성 고분자 나노입자가 분산된 삼염화철 수용액을 수열합성을 이용하여 산화수산화철 침상이 전도성 고분자 나노입자 표면에 부착되는 단계;
    상기 산화수산화철 침상을 전도성 고분자 단량체의 액상중합법을 통해 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철이 부착된 전도성 고분자 나노입자 제조단계; 및
    상기 전도성 고분자 막이 코팅된 산화수산화철 침상이 부착된 전도성 고분자 나노입자를 탄화공정을 이용하여 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자가 제조되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법에 있어서, 전도성 고분자 단량체의 액상중합을 하는데 있어 중합온도를 섭씨 20 도 에서 70 도 사이 인 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 전극의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
KR1020140065131A 2014-05-29 2014-05-29 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 KR101571244B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140065131A KR101571244B1 (ko) 2014-05-29 2014-05-29 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140065131A KR101571244B1 (ko) 2014-05-29 2014-05-29 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101571244B1 true KR101571244B1 (ko) 2015-11-24

Family

ID=54845157

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140065131A KR101571244B1 (ko) 2014-05-29 2014-05-29 탄소막이 코팅된 산화철 나노침상이 부착된 탄소 나노입자를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101571244B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101963038B1 (ko) * 2017-09-19 2019-03-27 서울대학교산학협력단 폴리피롤 나노입자 기반 전도성 페이스트 제조 및 스마트 기저귀용 전극 제조방법
WO2022115059A1 (en) * 2020-11-29 2022-06-02 Istanbul Universitesi Cerrahpasa Rektorlugu Ozel Kalem An electrode providing high energy and power density and supercapacitors containing the same
WO2024106628A1 (ko) * 2022-11-17 2024-05-23 한국재료연구원 경-연자성 복합 자성 입자 및 이의 제조방법, 이를 포함하는 영구자석

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
D.Kim et al.,'Synthesis and Electrochemical Performance of Polypyrrole-Coated Iron Oxide/Carbon Nanotube Composites,' 2012, Carbon Letters, volume 13, Issue 3, Pages 157-160 (2012.)
J. Lee et al., 'Fe2O4/Carbon Hybrid Nanoparticle Electrodes for High-Capacity Electrochemical Capacitors,' June 2014 (pulbished online on 6 April 2014), ChemSusChem, Voume 7, Issue 6, pages 1676-1683)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101963038B1 (ko) * 2017-09-19 2019-03-27 서울대학교산학협력단 폴리피롤 나노입자 기반 전도성 페이스트 제조 및 스마트 기저귀용 전극 제조방법
WO2022115059A1 (en) * 2020-11-29 2022-06-02 Istanbul Universitesi Cerrahpasa Rektorlugu Ozel Kalem An electrode providing high energy and power density and supercapacitors containing the same
WO2024106628A1 (ko) * 2022-11-17 2024-05-23 한국재료연구원 경-연자성 복합 자성 입자 및 이의 제조방법, 이를 포함하는 영구자석

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xiu et al. Aggregation-resistant 3D MXene-based architecture as efficient bifunctional electrocatalyst for overall water splitting
He et al. MOF-derived hierarchical MnO-doped Fe3O4@ C composite nanospheres with enhanced lithium storage
Fan et al. A nanoporous MXene film enables flexible supercapacitors with high energy storage
Sun et al. Template-free fabrication of nitrogen-doped hollow carbon spheres for high-performance supercapacitors based on a scalable homopolymer vesicle
Liu et al. Facile synthesis of graphitic carbon nitride/nanostructured α-Fe2O3 composites and their excellent electrochemical performance for supercapacitor and enzyme-free glucose detection applications
Wang et al. Three-dimensional macroporous carbon/Fe3O4-doped porous carbon nanorods for high-performance supercapacitor
Abouali et al. Electrospun carbon nanofibers with in situ encapsulated Co3O4 nanoparticles as electrodes for high-performance supercapacitors
Wang et al. Highly stable three-dimensional nickel–cobalt hydroxide hierarchical heterostructures hybridized with carbon nanotubes for high-performance energy storage devices
Song et al. Hollow carbon nanopolyhedra for enhanced electrocatalysis via confined hierarchical porosity
Misnon et al. High performance MnO2 nanoflower electrode and the relationship between solvated ion size and specific capacitance in highly conductive electrolytes
Xu et al. One-step strategy to graphene/Ni (OH) 2 composite hydrogels as advanced three-dimensional supercapacitor electrode materials
Bayatsarmadi et al. Soft‐Templating Synthesis of N‐Doped Mesoporous Carbon Nanospheres for Enhanced Oxygen Reduction Reaction
Tiwari et al. Three-dimensional porous carbonaceous network with in-situ entrapped metallic cobalt for supercapacitor application
Movassagh-Alanagh et al. Fabrication of a ternary PANI@ Fe3O4@ CFs nanocomposite as a high performance electrode for solid-state supercapacitors
Fahimi et al. Fabrication of ZnO@ C foam: A flexible free-standing electrode for energy storage devices
Hu et al. LaNiO 3/NiO hollow nanofibers with mesoporous wall: a significant improvement in NiO electrodes for supercapacitors
Encalada et al. Combined effect of porosity and surface chemistry on the electrochemical reduction of oxygen on cellular vitreous carbon foam catalyst
Hassan et al. Polyaniline–derived metal–free hollow nitrogen–doped carbon microspheres as an efficient electrocatalyst for supercapacitors and oxygen reduction
Palsaniya et al. Hierarchical Nylon-6/reduced graphene oxide/polyaniline nanocomposites with enhanced dielectric properties for energy storage applications
Duraisamy et al. N-doped hollow mesoporous carbon nanospheres for oxygen reduction reaction in alkaline media
Li et al. Ultrathin carbon gauze for high-rate supercapacitor
El-Gendy et al. Green, single-pot synthesis of functionalized Na/N/P co-doped graphene nanosheets for high-performance supercapacitors
KR101888743B1 (ko) 다공성 그래핀 및 탄소질을 포함하는 복합체
Mu et al. Synthesis of polyaniline/carbon black hybrid hollow microspheres by layer-by-layer assembly used as electrode materials for supercapacitors
Li et al. Synthesis and electrochemical properties of nickel–manganese oxide on MWCNTs/CFP substrate as a supercapacitor electrode

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181101

Year of fee payment: 4