KR101598896B1 - 탄소나노섬유 복합체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

탄소나노섬유 복합체 및 그의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101598896B1
KR101598896B1 KR1020140129337A KR20140129337A KR101598896B1 KR 101598896 B1 KR101598896 B1 KR 101598896B1 KR 1020140129337 A KR1020140129337 A KR 1020140129337A KR 20140129337 A KR20140129337 A KR 20140129337A KR 101598896 B1 KR101598896 B1 KR 101598896B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cds
carbon nanofibers
particle layer
carbon
carbon nanofiber
Prior art date
Application number
KR1020140129337A
Other languages
English (en)
Inventor
김순현
김영광
황성호
임상규
Original Assignee
재단법인대구경북과학기술원
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 재단법인대구경북과학기술원 filed Critical 재단법인대구경북과학기술원
Priority to KR1020140129337A priority Critical patent/KR101598896B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101598896B1 publication Critical patent/KR101598896B1/ko

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M11/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising
    • D06M11/32—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with oxygen, ozone, ozonides, oxides, hydroxides or percompounds; Salts derived from anions with an amphoteric element-oxygen bond
    • D06M11/36—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with oxygen, ozone, ozonides, oxides, hydroxides or percompounds; Salts derived from anions with an amphoteric element-oxygen bond with oxides, hydroxides or mixed oxides; with salts derived from anions with an amphoteric element-oxygen bond
    • D06M11/44—Oxides or hydroxides of elements of Groups 2 or 12 of the Periodic System; Zincates; Cadmates
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M14/00—Graft polymerisation of monomers containing carbon-to-carbon unsaturated bonds on to fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials
    • D06M14/36—Graft polymerisation of monomers containing carbon-to-carbon unsaturated bonds on to fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials on to carbon fibres

Abstract

본 발명은 탄소나노섬유를 CdS(Cadmium sulfide) 전구체 용액에 침지시켜 탄소나노섬유 표면에 CdS 입자층을 형성하는 단계를 포함하는 탄소나노섬유 복합체 제조방법에 관한 것이다.

Description

탄소나노섬유 복합체 및 그의 제조 방법{CARBON NANOFIBER COMPOSITE AND PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 탄소나노섬유 복합체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
태양광 전환 광촉매 기술은 태양광을 흡수하여 다양한 산화, 환원 반응을 일으키는 것으로, 무엇보다도 사용되는 광촉매가 태양광선의 대부분을 차지하는 가시광 영역의 빛을 흡수할 수 있어야 한다.
광촉매 중에서 가장 널리 쓰이는 이산화티탄 광촉매는 그 띠간격(band gap)이 3.0eV 내지 3.2eV여서 태양광선의 대부분을 차지하는 가시광선 영역의 빛을 흡수하지 못하고, 태양광선 중 5% 미만으로 존재하는 자외선 영역의 빛만 흡수한다.
따라서 이산화티탄 광촉매가 가시광 영역의 빛을 흡수할 수 있게 하기 위한 방법으로 염료감응법이나 도핑법이 시도되어 왔는데, 이 중 염료감응법은 가시광을 흡수할 수 있는 염료를 이산화티탄 표면에 흡착시켜 사용하는 것으로, 염료가 가시광을 흡수하고, 여기된 염료로부터 이산화티탄의 전도대로 전자전달 과정을 거쳐 반응이 일어나도록 하는 것이다.
도핑법은 양이온이나 음이온을 이산화티탄 격자 내에 도핑시켜서 띠간격 사이에 새로운 트랩 사이트를 만들어 기존의 자외광보다 낮은 에너지인 가시광 영역의 빛을 흡수할 수 있도록 하는 것이다. 전이금속을 도핑시켜 가시광을 흡수할 수 있게 하는 연구는 1980년대부터 이뤄져 왔고, 최근 들어 금속이온이 아닌, 질소나 황과 같은 음이온을 도핑한 이산화티탄을 이용해 가시광 조사 하에서 유기물을 분해하는 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 3 ~ 4년 전부터는 기존 전이금속을 도핑하였을 때 전하 불균형으로 인해 나타나는 여러 가지 결함을 극복하고자 안티몬나 란타늄 이온 등을 도핑하여 전하 균형을 맞추면서 결함을 줄여 효율을 높이고자 하는 연구가 진행되어 왔다.
다른 한편으로는 광촉매 이산화티탄 광촉매 이외에도 띠간격이 작아 가시광선 영역의 빛을 흡수 할 수 있는 CdS, WO3, Fe3O3와 같은 광촉매들이 새롭게 주목되고 있다. 이 중 태양광 전환 수소 생성 반응을 일으킬 수 있는 광촉매로 CdS(Cadmium sulfide)가 특히 많이 연구되고 있다.
한편, 탄소나노섬유는 활성탄과 같은 흑연구조를 갖는 탄소 재료로서 큰 비표면적 및 미세한 다공구조를 가지고 있어 촉매 물질의 담체로 많이 사용되고 있다. 또한 최근에는 연료전지나 이차전지와 같은 전극 재료로서도 널리 이용되고 있다.
이와 관련하여, 한국등록특허 제10-0939938호에는 탄소나노섬유와 광촉매 물질을 복합화시켜 난분해성 유기오염물질의 흡착 및 분해 공정에 이용하기 위한 탄소나노섬유에 대해 기재되어 있다. 이들 광촉매 함유 탄소나노섬유 구조체는 광촉매를 이용한 난분해성 유기오염물질 분해를 위한 필터 소재로 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 기대가 되고 있지만 이들은 기본적으로 자외선 영역의 빛을 사용하도록 하는 것이라는 한계가 있다.
또한 한국등록특허 제10-0939938호에는 별도의 코팅 과정을 거치지 않기 위하여 탄소나노섬유를 제조할 때 이산화티탄 광촉매를 첨가한 방사용액을 만들어 전기방사를 하고, 이를 통해 이산화티탄이 포함된 복합나노섬유를 얻는 기술이 기재되어 있다. 이러한 이산화티탄 함유 탄소나노섬유 구조체는 코팅 과정이 필요 없는 장점이 있으나, 이산화티탄 광촉매가 자외선에는 감응하지만 가시광선에는 감응하지 못하기 때문에 무한한 자원인 태양광을 활용하지 못하고 있는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 태양광 조사시 가시광선에는 감응하여 수소 생성반응을 고효율로 일으킬 수 있는 CdS 입자층이 탄소나노섬유 표면에 균일하게 형성된 탄소나노섬유 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 CdS 입자층이 탄소나노섬유 표면에 형성된 탄소나노섬유 복합체와 그를 포함하는 광촉매, 필터 및 연료전지의 전극을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소나노섬유를 CdS 전구체 용액에 침지시켜 탄소나노섬유 표면에 CdS 입자층을 형성하는 단계를 포함하는 탄소나노섬유 복합체 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소나노섬유; 및 탄소나노섬유 표면에 형성된 CdS 입자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 복합체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 탄소나노섬유 복합체를 포함하는 광촉매, 필터 및 연료전지의 전극을 제공한다.
본 발명에 따른 탄소나노섬유 복합체 제조방법은, 태양광 중 가시광선에는 감응하여 수소 생성반응을 일으킬 수 있는 CdS 입자층을 탄소나노섬유 표면에 형성시켜 무한한 자원인 태양광을 고효율로 이용할 수 있는 장점이 있다.
또한 탄소나노섬유 복합체 제조에 있어서, CdS 입자층 도입 이전에 탄소나노섬유 표면을 산성 용액으로 처리하고, 소수성 CdS 전구체 용액을 사용하여, 탄소나노섬유 표면에 CdS 입자층을 보다 균일하게 형성시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 CdS 입자층이 형성된 탄소나노섬유 복합체를 후열처리함으로써 탄소나노섬유의 결정성이 향상되고, 탄소나노섬유 표면에는 CdS 입자층이 보다 균일하게 형성시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노섬유 복합체를 투과 전자 현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 2은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 탄소나노섬유 복합체의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 탄소나노섬유 복합체의 UV- VIS 확산반사 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 탄소나노섬유 복합체에 가시광선 조사로부터 3시간 후의 수소 생성량을 비교하여 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 탄소나노섬유 복합체를 제조함에 있어서, Cd2 +가 포함된 전구체 용액 및 S2 -가 포함된 전구체 용액에 침지시키는 과정의 반복횟수에 따른 수소 생성량을 비교하여 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 탄소나노섬유를 CdS(Cadmium sulfide) 전구체 용액에 침지시켜 탄소나노섬유 표면에 CdS 입자층을 형성하는 단계를 포함하는 탄소나노섬유 복합체 제조방법에 관한 것이다.
상기 탄소나노섬유는 다양한 방법으로 제조될 수 있는데, 바람직하게 상기 탄소나노섬유는 (1) 탄소섬유 전구체 재료를 포함하는 방사용액을 전기방사하여 탄소나노섬유를 수득하는 단계; (2) 상기 탄소나노섬유를 대기 중에서 가열하여 안정화시키는 산화안정화 단계; 및 (3) 상기 산화안정화된 탄소나노섬유를 불활성 분위기 하에서 가열하는 탄화 단계를 거침으로써 제조될 수 있다.
상기 탄소나노섬유의 제조방법을 단계별로 설명하면 다음과 같다.
(1) 우선, 탄소섬유 전구체 재료를 포함하는 방사 용액을 준비하고, 준비된 방사 용액을 전기방사시켜 탄소나노섬유를 수득한다.
상기 탄소섬유 전구체 재료는 폴리아크릴로니트릴(PAN, Polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌옥사이드(PEO, Polyethylene oxide), 폴리비닐디플루오라이드(Polyvinyldifluoride) 및 폴리피롤(Polypyrrole)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 전기방사는 10kV 내지 30 kV의 전기장 하에서 진행될 수 있다. 이 때, 전기장이 상기 범위보다 높을 경우 안정적인 나노섬유형태를 얻을 수 없는 문제가 있을 수 있고, 상기 범위보다 낮을 경우 실처럼 방사가 되지 않는 문제가 있을 수 있다.
(2) 다음, 상기 (1) 단계에서 제조된 탄소나노섬유를 가열하여 안정화시킨다. 이 때 가열은 대기 중에서 수행되며, 200℃ 내지 300℃의 온도로 15분 내지 45분 동안 가열하여 수행될 수 있다. 산화안정화 단계에서의 온도와 가열하는 시간이 이 범위를 벗어날 경우 이 안정화 단계를 통하여 선형의 고분자 전구체 구조에서 사다리 구조로 바뀌어 이후 탄화 단계에서 안정적인 형태의 탄소 섬유를 얻는데 문제가 있을 수 있다.
(3) 상기 (2) 단계에서 산화안정화된 탄소나노섬유를 불활성 분위기 하에서 가열하여 탄화시킨다.
예를 들어, 상기 탄화 단계는 산화안정화된 탄소나노섬유를 불활성 분위기 하에서 1차로 2℃/분 내지 10℃/분의 승온 속도로 600℃ 내지 800℃까지 높이고, 상기 1차 승온 온도에서 40분 내지 60분 동안 유지시킨 후, 2차로 2℃/분 내지 10℃/분의 승온 속도로 1000℃ 내지 1400℃까지 높이고, 상기 2차 승온 온도에서 40분 내지 60분 동안 유지시켜 수행되는 것일 수 있다.
만약 상기 승온속도가 2℃/분 미만이면, 수율에 문제가 있을 수 있고, 상기 승온속도가 10℃/분을 초과하면 비경제적인 문제가 있을 수 있다. 그리고 1차로 승온시키는 온도가 600℃ 미만이면, 반응이 이루어지지 않는 문제가 있을 수 있고, 800℃ 초과하면 C-N 구조상의 문제가 있을 수 있으며, 2차로 승온시키는 온도가 800℃ 미만이면, 질소 분자를 제거에 대한 문제가 있을 수 있고, 1200℃를 초과하면 비경제적인 문제가 있을 수 있다.
상기 (3) 단계에서 탄화된 탄소나노섬유에 CdS 입자층을 형성시키기 위하여, 탄소나노섬유를 CdS 전구체 용액에 침지시킨다.
상기 CdS 전구체 용액은 소수성인 것이 바람직한데, 이는 친수성 조건인 경우보다 소수성 조건일 때, CdS 입자층의 입자 크기가 더 작게 형성되어 CdS 입자층을 탄소나노섬유 표면에 보다 균일하게 형성시킬 수 있기 때문이다. 이 때, 상기 CdS 전구체 용액의 용매는 알코올 용매, 구체적으로는 메탄올 및 에탄올의 혼합 용매를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 CdS 전구체 용액으로 Cd2 +가 포함된 용액 및 S2 -가 포함된 용액을 따로 사용할 수 있고, 이들 용액 각각에 탄소나노섬유를 번갈아 가며 침지시켜 CdS 입자층을 형성시킬 수 있다. 이 때, Cd2 +가 포함된 전구체 용액 및 S2 -가 포함된 전구체 용액은 각각 Cd(CH3COO)2와 Na2S를 용매에 녹여 제조될 수 있고, 상기한 바와 같은 이유로 모두 소수성인 용액인 것이 바람직하다.
CdS 입자층은 Cd2 +가 포함된 용액 및 S2 -가 포함된 용액에 번갈아 가면서 침지시킴으로써 생성될 수 있는데, 침지 횟수가 5회에서 미만인 경우 가시광 조사에 따른 수소 생성량이 충분하지 않을 수 있어 5회 이상 침지시키는 것이 바람직하고, 경제성 측면까지 고려하면 5회 정도 침지시키는 것이 바람직하다. 또한 이 때의 1회당 침지 시간은 1분 내지 30분이 바람직한데, 1회당 침지시간이 상기 범위를 초과할 경우, CdS 입자층이 균일하게 형성되지 않는 문제가 있을 수 있다.
한편, 본 발명은 탄소나노섬유 표면에 CdS 입자층을 형성시키기 전에 탄소나노섬유를 산성 용액에 침지시키는 표면처리 단계가 추가로 포함할 수 있다. 이러한 표면처리를 거치면 탄소나노섬유가 카르복실기 및 하이드록시기 등의 작용기로 표면개질될 수 있다. 이 때 상기 산성 용액은 pH 3 이하의 강산성 용액인 것이 바람직한데, 강산성 용액의 pH가 3보다 높은 경우 표면 작용기가 생성되지 않는 문제가 있을 수 있다. 산성 용액으로 표면처리를 단계를 추가로 수행하면 탄소나노섬유 표면에 CdS 입자층을 보다 균일하게 형성시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 CdS 입자층이 형성된 탄소나노섬유 복합체를 가열하는 후열처리 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이 때 상기 후열처리 단계는 CdS 입자층이 형성된 탄소나노섬유 복합체를 350℃ 내지 450℃의 온도로 가열하는 것일 수 있다. 후열처리온도가 상기 범위보다 높을 경우 탄소나노섬유가 손상을 입을 문제가 있을 수 있고, 이보다 낮을 경우 CdS입자의 결정성이 낮아서 수소생성효율이 낮은 문제가 있을 수 있다. 이러한 후열처리 단계를 수행할 경우, 탄소나노섬유의 경우 결정성이 향상에 도움이 되고, CdS 입자층이 탄소나노섬유 표면에 균일하게 형성되도록 하는 장점이 있다.
다른 측면에서 본 발명은 탄소나노섬유; 및 탄소나노섬유 표면에 형성된 CdS 입자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 복합체에 관한 것이다. 이 때, 탄소나노섬유의 평균 직경은 100nm 내지 1000nm이고, CdS 입자층의 평균 두께는 10nm 내지 100nm 일 수 있다. 탄소나노섬유의 평균 직경이 상기 범위보다 두꺼운 경우 표면적이 감소하여 CdS 입자층의 생성량이 적어지는 문제가 있을 수 있고, 상기 범위보다 얇은 경우, 탄소나노섬유가 불안정한 문제가 있을 수 있다. 또한 CdS 입자층의 평균 두께가 상기 범위보다 두꺼운 경우 탄소나노섬유 표면과의 결합력이 약해지는 문제가 있을 수 있고, 상기 범위보다 얇은 경우, 수소 생성량이 적어지는 문제가 있을 수 있다.
또 다른 측면에서 본 발명에 따른 탄소나노섬유 복합체는 안정적인 지지체인 탄소나노섬유 표면에 CdS 광촉매가 균일하게 형성됨으로 인해서 태양광 조사하에서 물로부터 수소를 효율적으로 생성시킬 수 있는 기술적 장점이 있으며, 이러한 장점을 이용하여 광촉매, 필터 및 연료전지의 전극 등으로 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1
탄소섬유전구체 재료인 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)을 N, N-디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF) 용매에 10중량%로 용해하여 방사용액을 제조하였다. 제조된 PAN 전구체 방사용액을 20 kV의 전기장에서 전기방사한 다음 산소 분위기에서 250℃에서 30분 동안 가열하여 산화 안정화시켰다. 그 다음, 질소 가스를 하에서 5℃/분의 승온 속도로 750℃까지 온도를 높이고, 750℃를 유지한 상태로 1시간 동안 가열한 후, 다시 5℃의 승온 속도로 1400℃까지 온도를 높인 후, 1400℃를 유지한 상태로 1시간 동안 열을 가하는 탄화 단계를 거쳐 탄소나노섬유를 제조하였다.
탄소나노섬유 표면에 CdS 입자층을 형성시키기 위하여, 상기 제조된 탄소나노섬유를 CdS 전구체 재료인 Cd(CH3COO)2와 Na2S를 각각 물에 녹여 제조된 각각의 친수성 전구체 용액에 5분씩 순차적으로 침지시키고, 이를 5회 반복한 다음, 상온에서 건조하였다.
실시예 2
탄소나노섬유에 CdS 입자층을 형성시키기 전에 탄화된 탄소나노섬유를 염산과 질산이 3:1의 부피비로 혼합된 왕수에 30 분간 침지시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 3
CdS 전구체 재료인 Cd(CH3COO)2와 Na2S를 각각 메탄올과 에탄올 혼합 용매에 녹인 소수성 전구체 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 4
탄소나노섬유에 CdS 입자층을 형성시키기 전에 탄화된 탄소나노섬유를 염산과 질산이 3:1의 부피비로 혼합된 왕수에 30 분간 침지시킨 것과, CdS 전구체 재료인 Cd(CH3COO)2와 Na2S를 각각 메탄올과 에탄올 혼합 용매에 녹인 소수성 전구체 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 5
탄소나노섬유에 CdS 입자층을 형성시킨 다음 이를 400℃에서 30분간 가열하는 후열처리 단계를 추가로 수행한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일하게 제조하였다.
비교예
탄소나노섬유 표면에 CdS 입자층을 형성시키기 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
상기 각각의 실시예 및 비교예에서의 탄소나노섬유의 표면처리 여부, 코팅용액 용매의 종류 및 후열처리 여부를 정리하여 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예
표면처리 여부 X ○ X ○ ○ X
코팅용액 용매의 종류 물 물 알코올 알코올 알코올 X
후열처리 여부 X X X X ○ X
실험예 1. 투과 전자 현미경 관찰
상기 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 탄소나노섬유 복합체를 투과 전자 현미경으로 관찰하였다(도 1 참조).
도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 탄소나노섬유 복합체에는 약 수백 nm 직경의 탄소나노섬유 표면에 수 nm의 직경의 CdS 입자층이 형성되어 있었다.
또한 실시예 1 및 2의 경우 CdS 입자층이 친수성 조건에서 형성되어 CdS 입자들이 서로 뭉쳐지는 경향을 보였으나, 실시예 3 및 4의 경우 소수성 조건에서 형성되어 CdS 입자들은 크기가 비교적 작고 잘 분산되어 있음을 확인할 수 있었다.
한편, 전구체 CdS 입자층 형성 전에 산성 용액으로 표면처리 단계를 거친 실시예 2 및 4의 경우, 표면처리 단계를 거치지 않은 경우에 비하여 CdS 입자들이 탄소나노섬유 표면에 보다 잘 분산되어 입자층이 형성됨을 확인할 수 있었다.
실험예 2. X-선 회절 분석
상기 실시예 및 비교예 따라 제조된 탄소나노섬유 복합체의 X-선 회절 분석을 수행하였다(도 2 참조).
도 2에 도시된 바와 같이, 탄화과정을 거친 탄소나노섬유의 경우 (002)면과 (101)면 그리고 (110)면이 나타났는데, (002)면은 PAN 전구체가 탄화되면서 무정형 그래파이트(graphite)화 된 것을 나타내는 것으로 PAN 전구체가 탄소나노섬유의 원료가 됨을 확인할 수 있었다.
또한 실시예에 따른 탄소나노섬유 복합체에서 CdS 입자층이 Hexagonal 구조를 갖음을 확인할 수 있었고, 후열처리 단계를 거친 실시예 5에 따른 탄소나노섬유의 경우 결정성이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3. UV - VIS 확산반사 스펙트럼
CdS 입자층의 입자 크기를 확인하기 위하여, 상기 실시예 및 비교예 따라 제조된 탄소나노섬유 복합체의 UV-VIS 확산반사 스펙트럼 분석을 수행하였다(도 3 참조).
도 3에 도시된 바와 같이, CdS 입자층이 소수성 조건에서 형성된 실시예 3 및 4의 경우, 친수성 조건에서 형성된 실시예 1 및 2보다, 흡수 스펙트럼이 왼쪽으로 blue-shift되어 있어, 친수성 조건에서 형성된 CdS 입자층의 입자 크기가 더 작음을 확인할 수 있었다.
또한, 열처리 단계를 거친 실시예 5의 경우 열처리 단계를 거치지 않은 실시예 4에 비해 흡수 스펙트럼이 오른쪽으로 red-shift되어 있어, 열처리를 통하여 비교적 큰 입자의 크기를 가짐을 확인할 수 있었다.
실험예 4. 가시광 조사에 따른 수소 생성량 측정
상기 실시예 및 비교예 따라 제조된 탄소나노섬유 복합체에 420nm 이상의 가시광을 3시간 동안 조사한 후 발생되는 평균 수소 생성량을 측정하였다(도 4 참조).
도 4에 도시된 바와 같이, 유일하게 열처리 단계를 거친 실시예 5에서 현저히 많은 수소가 생성됨을 확인할 수 있었는데, 이는 열처리로 인하여 CdS 광촉매의 결정성이 향상했기 때문으로 생각된다.
또한 열처리를 실시하지 않은 실시예 1 내지 4 중에서는 실시예 4에서 가장 많은 수소가 생성됨을 확인할 수 있었는데, 이는 다른 실시예에 비해 CdS 입자가 탄소나노섬유 표면에 고르게 분산되어 있어서 CdS에서 탄소나노섬유로의 전자전달이 원활하게 이루어지기 때문인 것으로 생각된다.
실험예 5. 코팅용액에의 침지 횟수에 따른 수소 생성량
상기 실시예 4에 따라 탄소나노섬유 복합체를 제조함에 있어서, Cd2 +가 포함된 용액 및 S2 -가 포함된 용액에 각각 한번씩 침지시키는 과정의 반복횟수에 따른 수소 생성량을 비교하였다(도 5 참조).
도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 반복횟수가 1회, 3회, 5회, 7회인 경우 중, 5회 반복 수행했을 때의 수소 생성량이 가장 많았고 이보다 반복횟수를 증가시켜도 수소 생성량이 더 이상 증가하지는 않았다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명에 따른 탄소나노섬유 복합체는 420nm 이상의 가시광선 조사 하에서도 상당히 많은 수소를 생성시킬 수 있었다. 또한, 특히 CdS 입자층이 형성될 때 탄소나노섬유의 표면처리, CdS 전구체 용액의 물성 제어 및 후열처리의 유무에 따라 수소 생성에 더 효과적인 탄소나노섬유 복합체를 제조할 수 있음을 확인하였다. 이러한 특성은 광전기화학적 에너지 전환용 전극 등에도 폭넓게 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

Claims (16)

  1. 탄소나노섬유를 CdS(Cadmium sulfide) 전구체 용액에 침지시켜 탄소나노섬유 표면에 CdS 입자층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 CdS 입자층을 형성하는 단계는 탄소나노섬유를 Cd2+가 포함된 소수성 용액 및 S2-가 포함된 소수성 용액에 번갈아 가며 침지시키는 것인, 탄소나노섬유 복합체 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노섬유는 하기를 포함하는 제조방법을 통해 제조된 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 복합체 제조방법:
    (1) 탄소섬유 전구체 재료를 포함하는 방사용액을 전기방사하여 탄소나노 섬유를 수득하는 단계;
    (2) 상기 탄소나노섬유를 대기 중에서 가열하여 안정화시키는 산화안정화 단계; 및
    (3) 상기 산화안정화된 탄소나노섬유를 불활성 분위기 하에서 가열하는 탄화 단계.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 (3) 단계 이후에, 탄화된 탄소나노섬유를 산성 용액에 침지시키는 표면처리 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 복합체 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 산성 용액은 pH 3 이하인 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 복합체 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 CdS 전구체 용액은 소수성 용액인 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 복합체 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 CdS 전구체 용액에 함유된 용매는 알코올 용매인 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 복합체 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    Cd2+가 포함된 소수성 전구체 용액 및 S2-가 포함된 소수성 전구체 용액에 회당 1분 내지 30분씩, 5회 이상 번갈아 가며 침지시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 복합체 제조방법.
  9. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 CdS 입자층을 형성하는 단계 이후에, CdS 입자층이 형성된 탄소나노섬유 복합체를 가열하는 후열처리 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 복합체 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 후열처리는 350℃ 내지 450℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 복합체 제조방법.
  11. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 CdS 전구체 용액은 소수성 용액이고, 상기 CdS 입자층을 형성하는 단계 이후에 CdS 입자층이 형성된 탄소나노섬유 복합체를 가열하는 후열처리 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 복합체 제조방법.
  12. 탄소나노섬유; 및 탄소나노섬유 표면에 형성된 CdS 입자층을 포함하는, 제 1항의 방법에 따라 제조된 탄소나노섬유 복합체.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 탄소나노섬유의 평균 직경은 100nm 내지 1000nm이고, CdS 입자층의 평균 두께는 10nm 내지 100nm 인 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 복합체.
  14. 제 12항 또는 제 13항의 탄소나노섬유 복합체를 포함하는 광촉매.
  15. 제 12항 또는 제 13항의 탄소나노섬유 복합체를 포함하는 필터.
  16. 제 12항 또는 제 13항의 탄소나노섬유 복합체를 포함하는 연료전지의 전극.
KR1020140129337A 2014-09-26 2014-09-26 탄소나노섬유 복합체 및 그의 제조 방법 KR101598896B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140129337A KR101598896B1 (ko) 2014-09-26 2014-09-26 탄소나노섬유 복합체 및 그의 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140129337A KR101598896B1 (ko) 2014-09-26 2014-09-26 탄소나노섬유 복합체 및 그의 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101598896B1 true KR101598896B1 (ko) 2016-03-03

Family

ID=55535587

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140129337A KR101598896B1 (ko) 2014-09-26 2014-09-26 탄소나노섬유 복합체 및 그의 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101598896B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110963543A (zh) * 2018-09-30 2020-04-07 中国科学院生态环境研究中心 一种穿透式光电催化电极及其制备方法
KR20210099269A (ko) * 2020-02-04 2021-08-12 (주)디씨이솔루션 공기 청정 및 환기 장치

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100025770A (ko) * 2008-08-28 2010-03-10 인하대학교 산학협력단 전기방사에 의한 전기이중층 커패시터용 탄소나노섬유의 제조방법
KR101083060B1 (ko) * 2008-12-31 2011-11-16 전남대학교산학협력단 광촉매활성을 갖는 복합탄소나노섬유 제조방법, 그 방법으로 제조된 광촉매활성을 갖는 복합탄소나노섬유, 상기 복합탄소나노섬유를 포함하는 필터 및 상기 제조방법에 사용되는 열 안정성 광촉매 졸 용액
KR101336286B1 (ko) * 2012-11-13 2013-12-03 재단법인대구경북과학기술원 탄소나노섬유 복합체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소나노섬유 복합체

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100025770A (ko) * 2008-08-28 2010-03-10 인하대학교 산학협력단 전기방사에 의한 전기이중층 커패시터용 탄소나노섬유의 제조방법
KR101083060B1 (ko) * 2008-12-31 2011-11-16 전남대학교산학협력단 광촉매활성을 갖는 복합탄소나노섬유 제조방법, 그 방법으로 제조된 광촉매활성을 갖는 복합탄소나노섬유, 상기 복합탄소나노섬유를 포함하는 필터 및 상기 제조방법에 사용되는 열 안정성 광촉매 졸 용액
KR101336286B1 (ko) * 2012-11-13 2013-12-03 재단법인대구경북과학기술원 탄소나노섬유 복합체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소나노섬유 복합체

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110963543A (zh) * 2018-09-30 2020-04-07 中国科学院生态环境研究中心 一种穿透式光电催化电极及其制备方法
KR20210099269A (ko) * 2020-02-04 2021-08-12 (주)디씨이솔루션 공기 청정 및 환기 장치
KR102416823B1 (ko) * 2020-02-04 2022-07-05 (주)디씨이솔루션 공기 청정 및 환기 장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wei et al. Strategies for improving perovskite photocatalysts reactivity for organic pollutants degradation: A review on recent progress
Liu et al. Progress in black titania: a new material for advanced photocatalysis
Ahn et al. Bandgap-designed TiO2/SnO2 hollow hierarchical nanofibers: Synthesis, properties, and their photocatalytic mechanism
KR100939938B1 (ko) 아나타제 결정상을 갖는 이산화티탄이 함유된 탄소나노섬유 제조방법
KR101715077B1 (ko) 헤마타이트 물분해 성능의 효과적인 향상을 위한 feooh 물분해 촉매의 선택적 흡착가능한 포토 에노드 및 이의 제조방법
KR20180028765A (ko) 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체 및 이의 제조방법
CN109647377B (zh) 电化学自掺杂型WO3颗粒负载TiO2纳米管及制备方法与应用
KR101488598B1 (ko) 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유 제조방법 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지
KR101113156B1 (ko) 전기방사와 방사선 조사를 이용한 이산화티탄 나노섬유의 제조방법 및 이 방법으로 제조되는 이산화티탄 나노섬유
KR20190041570A (ko) 나노복합체 및 이의 제조방법
CN113368869A (zh) 一种可见光降解染料的纳米纤维材料、制备方法、应用
Zhao et al. Carbonized polymer dots/TiO 2 photonic crystal heterostructures with enhanced light harvesting and charge separation for efficient and stable photocatalysis
KR101598896B1 (ko) 탄소나노섬유 복합체 및 그의 제조 방법
KR100966300B1 (ko) 탄소, 질소, 붕소, 불소가 동시에 도핑된 가시광 응답형 이산화티타늄 및 그 제조방법
Plubphon et al. Rapid preparation of g-C3N4/Bi2O2CO3 composites and their enhanced photocatalytic performance
KR101409683B1 (ko) 광 산란과 표면 플라즈몬의 협력효과를 나타내는 금속 나노입자가 표면에 위치한 이산화티타늄 나노섬유를 포함하는 염료감응형 태양전지의 산화전극의 제조방법
CN113385213B (zh) 一种吸附型压电光催化复合纤维材料的制备方法
KR100852496B1 (ko) 산소 플라즈마와 급속 열처리를 이용한 산화 티타늄광촉매의 제조방법
CN108636438B (zh) 一种氧氮共掺杂石墨烯光催化剂及其制备方法和应用
KR101277279B1 (ko) 산화 티타늄 나노 튜브 재료 및 그 제조 방법
Zhang et al. Polymer nanoreactor mediated controllable synthesis of flexible semiconductor quantum dot nanofiber films
Aritonang et al. Photo-electro-catalytic performance of highly ordered nitrogen doped TiO2 nanotubes array photoanode
CN113101971A (zh) 一种PVDF/MoS2/AuNPS材料及其制备方法与应用
KR102077419B1 (ko) 이산화티탄이 고정화된 메조다공성 실리카 나노섬유 및 제조방법
KR101914954B1 (ko) 금속 나노 입자를 포함하는 광전기화학셀 전극 및 그 제조 방법

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: 20181212

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191203

Year of fee payment: 5