KR101831297B1 - Method for Preparation of Porous Carbon Membranes - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 다공성 멤브레인 제조 방법은 고분자를 용매에 용해시킨 고분자 용액을 기판 상에 도포하여 고분자 박막을 형성하는 단계, 상기 형성된 고분자 박막에 상전이를 수행하여 다공성 고분자 박막을 제조하는 단계, 상기 제조된 다공성 고분자 박막에 방사선을 조사하여 상기 다공성 고분자 박막을 가교시키는 단계 및 상기 가교된 다공성 고분자 박막을 탄화시켜 다공성 탄소 멤브레인을 제조하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 전도성 재료의 합성 공정 없이 값싼 범용 고분자를 이용하여 전도성 다공성 탄소 멤브레인을 형성시킴으로써, 저렴하고 손쉽게 다양한 모양 및 크기의 전도성 탄소 재료들을 제조할 수 있고, 가교를 위한 가교제 등과 같은 첨가물을 필요로 하지 않으며, 공정이 매우 간단하고 깨끗하다는 장점이 있다.The method for preparing a porous membrane according to the present invention comprises the steps of forming a polymer thin film by coating a solution of a polymer dissolved in a solvent on a substrate, forming a porous polymer thin film by phase transitions to the polymer thin film formed, Irradiating the porous polymer thin film with radiation to crosslink the porous polymer thin film, and carbonizing the crosslinked porous polymer thin film to produce a porous carbon membrane. According to the present invention, it is possible to manufacture conductive carbon materials of various shapes and sizes inexpensively and easily by forming a conductive porous carbon membrane using a cheap general-purpose polymer without a process of synthesizing a conductive material, and to provide an additive such as a cross- There is an advantage that the process is very simple and clean.
Description
본 발명은 다공성 탄소 멤브레인의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 범용 고분자 재료에 상전이 및 방사선 조사를 이용하여 다공성 탄소 멤브레인을 제조하는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for producing a porous carbon membrane, and more particularly, to a method for producing a porous carbon membrane using phase transformation and irradiation with a general-purpose polymer material.
생활용수와 공업용수를 대상으로 하는 물산업은 신흥공업국과 개발도상국 등의 급속한 산업화와 세계적인 기후이상으로 인한 물 부족 현상을 해결할 수 있는 21세기 핵심 산업군으로 자리매김 하고 있다. 세계 물 산업과 관련된 시장 규모는 2013년 기준 5560억 달러로 추정되며, 2018년에는 6890억 달러의 규모로 급성장 될 유망사업 분야이다. The water industry, which targets domestic water and industrial water, has become a key industrial group in the 21st century that can solve the rapid industrialization of emerging and developing countries and the global water shortage. The global water market is estimated to be worth $ 556 billion by 2013 and is expected to grow to $ 689 billion by 2018.
축전식 탈염(capacitive deionization, CDI) 기술은 높은 비표면적을 갖는 전극에 전기화학적 원리를 이용하여 이온을 흡착 및 제거하는 기술로, 비교적 낮은 전위에서 작동하여 에너지 소비가 매우 작고, 전극 재생시 산, 염기 등의 유해한 화학 시약을 사용하지 않아 매우 친환경적인 기술이다. 이러한 CDI 기술은 초순수 제조, 보일러 수 제조, 발전소 냉각수 제조, 지하수 중의 환경오염 물질 제거, 해수 담수화 등 다양한 산업에서 광범위하게 요구되는 기술이다. Capacitive deionization (CDI) technology is a technology that adsorbs and removes ions using an electrochemical principle on electrodes with a high specific surface area. It operates at a relatively low potential and has very low energy consumption. It is a very environmentally friendly technology because it does not use harmful chemical reagents such as bases. These CDI technologies are widely required technologies in various industries such as ultrapure water production, boiler water production, cooling water production of power plant, removal of environmental pollutants in ground water, and desalination of seawater.
현재 CDI용 전극 재료로는 활성 탄소가 주로 사용되고 있으며, 탄소 나노섬유, 탄소 에어로겔, 메조포러스 탄소, 탄소 나노튜브, 그래핀, 다공성 탄소 구(carbon sphere) 등의 탄소 재료도 많은 연구가 되고 있다. 그러나 연구되고 있는 탄소 재료들은 제조 공정이 어렵고, 대부분 가격이 매우 비싸고, 흡착 성능이 매우 떨어지는 등의 문제점을 가지고 있다. Carbon materials such as carbon nanofibers, carbon aerogels, mesoporous carbon, carbon nanotubes, graphene, and porous carbon spheres are being studied in a large amount. However, the carbon materials under study are difficult to manufacture, most of which are very expensive and have poor adsorption performance.
CDI 기술에서 1세대 전극은 다공성 전극을 그대로 사용하는 것으로 탈염 효율이 너무 낮은 단점이 있다. 이를 해결하기 위해서 전극 표면에 이온선택성 이온교환막을 결합한 형태(2세대 전극)가 개발되었으며, 이러한 제품의 형태가 현재 상용화되어 있다. 이러한 전극 형태는 흡착 용량을 높이고 전기 저항을 줄일 수 있으며, 가격도 낮출 수 있는 장점이 있다. In the CDI technology, the first-generation electrode has a disadvantage in that the efficiency of desalination is too low because the porous electrode is used as it is. In order to solve this problem, an ion-selective ion exchange membrane combined with the surface of the electrode (second-generation electrode) has been developed, and the form of such a product is currently commercialized. Such an electrode form has the advantage of increasing the adsorption capacity, reducing the electrical resistance, and lowering the price.
현재 주로 사용되고 있는 다공성 활성 탄소의 비표면적은 기공 크기에 큰 영향을 받으며, 활성 탄소 입자의 기공을 수 nm 이하로 제조함으로써 비표면적을 크게 높일 수 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 CDI 공정에서 이러한 미세기공은 전기장의 중첩 효과로 전기흡착용량을 증가시키는데 큰 효과가 없는 것으로 보고되고 있다. 즉, 비표면적이 높은 활성 탄소를 사용하여 전극의 축전용량을 증가시키는 데에는 한계가 있다. 따라서 고효율의 전기 흡착용 전극을 개발하기 위해서는 전극의 구성 물질에 대한 연구와 함께 전극의 표면구조를 제어하여 흡착용량을 높일 수 있는 새로운 전극 제조 방법의 개발이 필요하다. It is known that the specific surface area of the porous activated carbon which is mainly used at present is greatly influenced by the pore size and that the specific surface area can be greatly increased by manufacturing the pores of the activated carbon particles to several nm or less. However, in the CDI process, these micropores have been reported to have little effect on increasing the electroadhesion capacity due to the superposition effect of the electric field. That is, there is a limit to increase the capacitance of the electrode using activated carbon having a high specific surface area. Therefore, it is necessary to develop a new electrode manufacturing method which can increase the adsorption capacity by controlling the surface structure of the electrode as well as studying the constituent materials of the electrode in order to develop a highly efficient electrode for electro-absorption.
종래의 기술로서 하기 특허문헌 1에서는 탄소전구체 및 상기 탄소전구체와 수소 결합하는 양친매성 블록 공중합체를 반응시켜 나노 기공을 형성하는 단계, 자외선(UV)을 조사하여 상기 나노 기공 구조를 안정화시키고, 블록 공중합체의 유리전이온도(Tg)보다 20 내지 50℃ 높은 온도에서 열경화시키는 단계, 및 열경화된 화합물을 600 내지 800℃에서 탄화시켜 기공의 직경이 균일한 탄소 재료를 얻는 단계를 거쳐, 열경화 및 탄화 시 상기 나노 기공 구조가 유지되는 다공성 탄소 멤브레인 재료의 제조방법을 제공하고 있다. As a conventional technique, the following Patent Document 1 discloses a method of forming nanopores by reacting a carbon precursor and an amphipathic block copolymer that is hydrogen-bonded to the carbon precursor to form nanopores, stabilizing the nanoporous structure by irradiating ultraviolet (UV) A step of thermally curing the thermosetting compound at a temperature 20 to 50 DEG C higher than the glass transition temperature (Tg) of the copolymer, and a step of carbonizing the thermosetting compound at 600 to 800 DEG C to obtain a carbon material having uniform pore diameter, And a method of manufacturing a porous carbon membrane material in which the nanopore structure is maintained during carbonization.
상기의 방법은 특수한 양친매성 블록 공중합체를 필요로 하고, UV 조사시 박막 두께에 제한이 있으며, UV에 의하여 경화되는 재료가 매우 한정적인 단점이 있다. 또한, UV 조사 후 열경화 공정을 진행하여 기공이 막힐 가능성이 있고, 에너지 소모가 많고 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.The above method requires a special amphiphilic block copolymer, has a limitation on the thickness of the thin film upon UV irradiation, and has a disadvantage that the material to be cured by UV is very limited. Further, there is a disadvantage that the pores are clogged due to the heat curing process after UV irradiation, and the energy consumption is large and the time is long.
이에, 상기 문제점을 극복하기 위하여 본 발명자들은 방사선을 이용한 탄소 소재 개발 연구를 진행하던 중 비교적 저렴한 전구체 소재로부터 CDI용 다공성 탄소계 전극 재료를 제조할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하였다. In order to overcome the above problems, the inventors of the present invention discovered that a porous carbonaceous electrode material for CDI can be prepared from a relatively inexpensive precursor material while studying carbonaceous materials using radiation, and completed the present invention.
따라서, 본 발명의 목적은 범용 고분자 재료에 상전이 및 방사선 조사를 이용하여 다공성 전도성 탄소 멤브레인을 보다 저렴하고 손쉽게 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a porous conductive carbon membrane at low cost and with ease by using phase transformation and irradiation with a general-purpose polymeric material.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 다공성 탄소 멤브레인의 제조 방법은, 고분자를 용매에 용해시킨 고분자 용액을 기판 상에 도포하여 고분자 박막을 형성하는 단계; 상기 형성된 고분자 박막에 상전이를 수행하여 다공성 고분자 박막을 제조하는 단계; 상기 제조된 다공성 고분자 박막에 방사선을 조사하여 상기 다공성 고분자 박막을 가교시키는 단계; 및 상기 가교된 다공성 고분자 박막을 탄화시켜 다공성 탄소 멤브레인을 제조하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a porous carbon membrane, comprising: forming a polymer thin film by coating a solution of a polymer dissolved in a solvent on a substrate; Preparing a porous polymer thin film by performing phase transformation on the formed polymer thin film; Irradiating the prepared porous polymer thin film with radiation to crosslink the porous polymer thin film; And carbonizing the cross-linked porous polymer thin film to produce a porous carbon membrane.
여기서, 상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVdF), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 및 폴리설폰(polysulfone, PSF)을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.The polymer may be selected from the group consisting of polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl alcohol (PVA), polystyrene (PS), polysulfone PSF). ≪ / RTI >
상기 용매는 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 및 N-메틸피롤리돈, 톨루엔을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.The solvent may be at least one selected from the group consisting of dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, and N-methylpyrrolidone, toluene.
상기 고분자 용액은 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐피롤리돈, 및 디메틸설폰 중에서 선택된 적어도 하나의 첨가제를 더 포함할 수 있다.The polymer solution may further comprise at least one additive selected from the group consisting of polyethylene glycol, polyvinyl pyrrolidone, and dimethyl sulfone.
상기 상전이는 상기 고분자 박막이 도포된 기판을 비용매에 침지하여 수행될 수 있으며, 상기 비용매는 물, 알코올류, 또는 이들의 혼합용액일 수 있다.The phase transition may be performed by immersing the substrate coated with the polymer thin film in a non-solvent, and the solvent may be water, an alcohol, or a mixed solution thereof.
또한, 상기 상전이는 상기 비용매에 침지하기 전에 증기 유도에 의한 상전이를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.Further, the phase transition may further include performing a phase transition by steam induction before immersing in the non-solvent.
상기 기판은 비전도성 기판으로서, 실리콘 기판, 유리 기판, 또는 석영 기판일 수 있다.The substrate may be a non-conductive substrate, such as a silicon substrate, a glass substrate, or a quartz substrate.
상기 방사선은 이온빔이며, 상기 이온빔의 조사 에너지는 1 keV ~ 1 MeV이고, 총이온 조사량은 1×1010 ~ 1×1019 ions/㎠로 조절될 수 있다.The radiation is an ion beam, and the irradiation energy of the ion beam is 1 keV to 1 MeV, and the total ion dose can be adjusted to 1 × 10 10 to 1 × 10 19 ions / cm 2.
상기 방사선은 전자빔이며, 상기 전자빔의 조사 에너지는 1 keV ~ 10 MeV이고 총 전자빔 조사량은 1×1014 ~ 1×1020 electrons/㎠로 조절될 수 있다.The radiation is an electron beam, and the irradiation energy of the electron beam is 1 keV to 10 MeV and the total electron beam irradiation dose can be adjusted to 1 × 10 14 to 1 × 10 20 electrons / cm 2.
이상과 같이, 본 발명에 따른 방사선을 이용한 다공성 탄소 멤브레인 제조 방법은 다공성 전도성 탄소 재료의 합성 공정 없이 값싼 범용 고분자 재료를 이용하여 다공성 전도성 탄소 멤브레인을 저렴하고 손쉽게 제조할 수 있고, 시간 및 에너지 소모가 많은 열안정화 공정이 필요하지 않으며, 가교제 등의 유해한 첨가물을 필요로 하지 않아, 공정이 매우 간단하고 깨끗하다는 장점이 있다.As described above, the method of manufacturing a porous carbon membrane using radiation according to the present invention can manufacture a porous conductive carbon membrane inexpensively and easily by using a cheap general-purpose polymer material without synthesizing the porous conductive carbon material, There is no need for a lot of thermal stabilization processes, no harmful additives such as crosslinking agents are required, and the process is very simple and clean.
또한, 본 발명에 따르면, 방사선을 이용한 다공성 전도성 탄소 멤브레인 제조 방법에 따라 제조된 탄소 멤브레인은 CDI용 전극뿐만 아니라, 유기발광소자, 트랜지스터, 메모리소자 등과 같은 다양한 전자소자, 뉴런온칩, 바이오센서 등과 같은 바이오전자소자, 태양전지, 이차전지, 연료전지 등 에너지소자 등 다양한 분야들에도 유용하게 사용할 수 있다.In addition, according to the present invention, the carbon membrane manufactured according to the method of manufacturing a porous conductive carbon membrane using radiation can be used not only for an electrode for CDI, but also for various electronic devices such as organic light emitting devices, transistors, memory devices, It can also be used in various fields such as bio-electronic devices, solar cells, secondary batteries, fuel cells, and other energy devices.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상전이 및 방사선을 이용한 다공성 탄소 멤브레인의 제조 방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 다공성 탄소 멤브레인을 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다공성 탄소 멤브레인들에 대하여 푸리에변환 적외선 분광기(FT-IR)를 이용하여 분광 스펙트럼을 측정한 그래프이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 다공성 탄소 멤브레인들에 대한 라만 분광스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5은 실시예 1과 비교예 1에서 제조된 다공성 탄소 멤브레인들의 전도도를 측정한 그래프이다.1 is a schematic view illustrating a method of manufacturing a porous carbon membrane using phase transition and radiation according to an embodiment of the present invention.
2 is a photograph of the porous carbon membrane prepared in Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention by scanning electron microscope.
FIG. 3 is a graph of spectroscopic spectrum of porous carbon membranes prepared according to an embodiment of the present invention using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR).
4 is a graph showing a Raman spectroscopic spectrum of the porous carbon membranes prepared in Example 1. FIG.
FIG. 5 is a graph showing the conductivity of the porous carbon membranes prepared in Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, the same reference numbers are used throughout the specification to refer to the same or like parts.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout this specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다. The terms "about "," substantially ", etc. used to the extent that they are used throughout the specification are intended to be taken to mean the approximation of the manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to help prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure. The word " step (or step) "or" step "used to the extent that it is used throughout the specification does not mean" step for.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination thereof" included in the expression of the machine form means one or more combinations or combinations selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the machine form, And the like.
본 발명은 다공성 탄소 멤브레인의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 범용 고분자 재료에 상전이 및 방사선 조사를 이용하여 다공성 탄소 멤브레인을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a porous carbon membrane, and more particularly, to a method for producing a porous carbon membrane using phase transformation and irradiation with a general-purpose polymer material.
이하, 본 발명에 따른 다공성 탄소 멤브레인의 제조방법을 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 각 단계별로 구체적으로 설명하도록 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a porous carbon membrane according to the present invention will be described in detail with reference to the embodiments and examples and the drawings.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 탄소 멤브레인의 제조 방법은 고분자 용액을 기판 위에 도포하여 고분자 박막을 형성하는 단계; 상기 도포된 고분자 박막을 비용매 용액에 담가 상전이를 수행하여 다공성 고분자 박막을 제조하는 단계; 상기 제조된 다공성 고분자 박막에 방사선을 조사하여 상기 고분자 박막을 가교시키는 단계; 및 상기 제조된 가교된 다공성 고분자 박막을 탄화시켜 다공성 탄소 멤브레인을 제조 단계;를 포함할 수 있다 (도 1 참조).According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a porous carbon membrane, comprising: coating a polymer solution on a substrate to form a polymer thin film; A step of immersing the coated polymer thin film in a non-solvent to form a porous polymer thin film; Crosslinking the polymer thin film by irradiating the prepared porous polymer thin film with radiation; And carbonizing the crosslinked porous polymer thin film to produce a porous carbon membrane (see FIG. 1).
먼저, 본 발명에 일 실시예에 따르면, 기판 상에 고분자 박막을 형성하기 위하여 기판 상에 고분자 용액을 기판 위에 회전 도포한다. First, according to one embodiment of the present invention, a polymer solution is spin-coated on a substrate to form a polymer thin film on a substrate.
이때, 사용되는 고분자는 일반적으로 입수 용이한 범용 고분자로서, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVdF), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 및 폴리설폰(polysulfone, PSF)을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있고, 이러한 고분자를 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.In this case, the polymer used is a general purpose polymer which is generally available and is a polyacrylonitrile (PAN), a polyvinylidene fluoride (PVdF), a polyvinyl alcohol (PVA), a polystyrene , PS), and polysulfone (PSF). These polymers may be used singly or in combination of two or more.
상기 고분자 용액 제조시 고분자 용액의 농도는 0.1 ~ 20 중량%로 하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 고분자 용액 제조에 사용되는 용매는 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈(NMP), 톨루엔(Toluene) 등을 사용할 수 있다. The concentration of the polymer solution in the preparation of the polymer solution is preferably 0.1 to 20% by weight. The solvent used for preparing the polymer solution may include dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), dimethylsulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP), and toluene.
상기 고분자 용액 제조시 0.1 중량 % 미만의 농도로 고분자 용액을 제조할 경우 박막이 잘 형성되지 않는 문제가 발생할 수 있으며, 20 중량% 초과의 농도로 제조할 경우 용액 제조가 매우 힘들거나, 불투명한 박막이 형성되는 문제가 발생할 수 있으며, 또한 두꺼운 막이 형성되어 전자빔이나 이온빔 등의 방사선이 통과하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다. When the polymer solution is prepared at a concentration of less than 0.1% by weight, the thin film may not be formed well. If the polymer solution is prepared at a concentration of more than 20% by weight, There is a possibility that a thick film is formed and radiation such as an electron beam or an ion beam can not pass through.
한편, 상기 고분자 용액은 제조되는 탄소 멤브레인의 표면 또는 내부에 형성되는 기공의 형태와 크기를 조절하기 위하여 첨가제를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the polymer solution may further include an additive to control the shape and size of the pores formed on the surface or inside of the carbon membrane to be produced.
상기 첨가제는 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 및 디메틸설폰(DMSO2), 메틸셀로솔브(methyl cellosolve), 글리세롤, 탄소수 1 내지 10의 알킬렌 글리콜, 탄소수 1 내지 10의 알킬렌 글리콜 반복 단위를 포함한 폴리알킬렌 글리콜, LiCl, LiClO4, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤(Acetone), 인산, 프로피온산, 아세트산, 실리카(SiO2), 피리딘 및 폴리비닐피리딘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 탄소 멤브레인의 구체적인 물성이나 용도와 생성되는 기공의 크기와 분포 등을 고려하여 적절한 함량으로 사용할 수 있으며, 예를 들어 상기 고분자 수지 조성물 중 0.1 내지 90중량%로 포함될수 있다.The additive may be selected from the group consisting of polyethylene glycol (PEG), polyvinylpyrrolidone (PVP), dimethylsulfone (DMSO2), methyl cellosolve, glycerol, alkylene glycols having 1 to 10 carbon atoms, alkylene glycol repeating polyalkylene glycol containing the unit, LiCl, LiClO4, methanol, ethanol, isopropanol, acetone (acetone), phosphoric acid, propionic acid, acetic acid, silica (SiO 2), pyridine, and polyvinyl pyridine selected from the group consisting of: 1 More than two species of compounds. The additive may be used in an appropriate amount in consideration of specific physical properties and uses of the carbon membrane, size and distribution of pores to be produced, and may be included in the polymer resin composition in an amount of 0.1 to 90% by weight, for example.
상기 기판은 비전도성 기판으로서, 바람직하게는 실리콘 기판, 유리 기판, 또는 석영 기판을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The substrate may be a nonconductive substrate, preferably a silicon substrate, a glass substrate, or a quartz substrate, but is not limited thereto.
그 다음, 상기 기판 상에 도포된 고분자 박막에 상전이를 수행하여 기공 구조를 갖는 다공성 고분자 박막을 제조하게 된다.Then, the polymer thin film coated on the substrate is phase-transformed to produce a porous polymer thin film having a pore structure.
상전이는 고분자 박막이 도포된 상기 기재를 비용매에 침지하여 수행된다. 비용매에 의한 상전이는 상기 고분자의 온도 또는 비용매 (nonsolvent)등을 적절히 사용하여 고분자와 용매와의 상분리를 일으켜 기공을 형성하는 방법으로서 상분리 조건에 따라 제조된 다공성 박막의 특성이 결정된다.The phase transition is carried out by immersing the substrate coated with the polymer thin film in the non-solvent. The phase transition by the non-solvent is a method of forming pores by causing phase separation between a polymer and a solvent by appropriately using the temperature or nonsolvent of the polymer, and the characteristics of the porous thin film produced according to the phase separation conditions are determined.
비용매에 의한 상전이는 상기 기재 상에 도포된 고분자 박막을 비용매에 침지시켜서 내부 기공을 형성하여 다공성 고분자 박막을 제조하는 단계이다. 이때 사용될 수 있는 비용매로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 물, 글라이콜류, 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다.The phase transition by the non-solvent is a step of immersing the polymer thin film coated on the substrate in the non-solvent to form the inner pores to produce the porous polymer thin film. The non-solvent which can be used here includes methanol, ethanol, propanol, isopropanol, water, glycols, or a mixture of two or more thereof.
한편, 상기 비용매에 의한 상전이 이전에 증기 유도에 의한 상전이를 수행하여 고분자 박막 표면에 소정을 기공을 형성할 수 있다. 상기 기재 상에 도포된 고분자 수지 조성물을 상대 습도 10% 내지 100%의 공기에 노출하는 증기 유도 상전이 단계에서는, 상기 기재 상에 도포된 고분자 수지 조성물을 습한 공기에 노출시킴으로서 수지 조성물 표면에 소정의 기공을 형성시킬 수 있다. 상기 증기 유도 상전이 단계는 상대 습도 10% 내지 100%, 바람직하게는 50% 내지 100%에서 이루어질 수 있다. 또한, 상기 증기 유도 상전이 단계는 0 내지 300℃의 온도에서 1초 내지 10분 동안 진행될 수 있고, 0 내지 50℃의 온도에서 5분 이내의 시간 동안 진행될 수 있다.On the other hand, the phase transition by vapor induction may be performed before the phase transition by the non-solvent, so that predetermined pores can be formed on the surface of the polymer thin film. The polymer resin composition applied on the substrate is exposed to humid air to expose the polymer resin composition coated on the substrate to air at a relative humidity of 10 to 100% Can be formed. The steam-induced phase transformation step may be performed at a relative humidity of 10% to 100%, preferably 50% to 100%. Further, the steam-induced phase change step may be carried out at a temperature of 0 to 300 ° C for 1 second to 10 minutes, and at a temperature of 0 to 50 ° C for a time of 5 minutes or less.
상기 비용매에 의한 상전이는, 상기 증기 유도 상전이에 의한 결과물을 0 내지 90℃의 온도를 갖는 비용매에 10분 내지 24시간 동안 침전시키는 단계를 포함할 수 있다. The non-solvent phase transition may include precipitating the result of the vapor-induced phase transition to a non-solvent having a temperature of 0 to 90 占 폚 for 10 minutes to 24 hours.
다음으로는, 상기 상전이 수행된 다공성 고분자 박막에 방사선을 조사하여 가교시키는 단계를 수행한다. 구체적으로, 상기 제조된 다공성 고분자 박막을 이온빔, 전자빔, 감마선 등의 방사선을 조사하여 고분자 박막이 가교될 수 있도록 하며, 이에 따라 상전이에 의해 형성된 다공성 구조가 안정화된다. Next, the step of irradiating the crosslinked porous polymer thin film with crosslinking is performed. Specifically, the porous polymer thin film is irradiated with radiation such as an ion beam, an electron beam, or a gamma ray so that the polymer thin film can be crosslinked, thereby stabilizing the porous structure formed by the phase transition.
상기 방사선 조사는 고분자의 열적 변형 및 분해를 방지하기 위하여 상온에서 수행되는 것이 바람직하며, 진공, 질소 등 불활성 분위기하에서 수행되는 것이 바람직하다.The irradiation with the radiation is preferably performed at room temperature to prevent thermal deformation and decomposition of the polymer, and is preferably performed in an inert atmosphere such as vacuum or nitrogen.
상기 방사선은 이온빔, 전자빔, 감마선, 중성자빔, X-선 또는 자외선이 사용될 수 있다. The radiation may be an ion beam, an electron beam, a gamma ray, a neutron beam, an X-ray or an ultraviolet ray.
이온빔을 조사하는 경우, 주입 가스로는 수소, 헬륨, 아르곤, 네온 또는 제온 등의 가스들을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있고, 전류밀도는 1 ㎂/㎠ 이하로 조절하는 것이 바람직하다. 이온빔 조사 에너지는 1 keV ~ 1 MeV로 주입될 수 있고, 총이온 조사량은 1×1010 ~ 1×1019 ions/㎠로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 총이온 조사량이 1×1010 ions/㎠ 미만인 경우, 고분자가 충분히 가교되지 않아 탄화시 탄화수율이 매우 낮은 문제점이 있고, 1×1019 ions/㎠ 를 초과하여 조사하는 경우에는 고분자의 열적 변형 또는 분해가 발생하는 문제점이 있다.When the ion beam is irradiated, gases such as hydrogen, helium, argon, neon, or xanthan gasses may be used alone or in combination as an injection gas, and the current density is preferably adjusted to 1 ㎂ / cm 2 or less. The ion beam irradiation energy can be applied at 1 keV to 1 MeV, and the total ion dose is preferably adjusted to 1 × 10 10 to 1 × 10 19 ions / cm 2. When the total ion irradiation dose is less than 1 x 10 < 10 > ions / cm < 2 >, the polymer is not sufficiently crosslinked and the carbonylation yield is very low. In the case of irradiation exceeding 1 x 10 19 ions / Or decomposition occurs.
전자빔을 조사하는 경우, 전자빔의 에너지는 1 keV ~ 10 MeV이고 총 전자빔의 조사량은 1×1014 ~ 1×1020 electrons/㎠로 조절되는 것이 바람직하다. 총 전자빔의 조사량이 1×1014 electrons/㎠ 미만인 경우, 고분자가 충분히 가교되지 않아 탄화수율이 낮은 문제점이 있고, 1×1020 electrons/㎠을 초과하여 조사하는 경우에는 고분자의 열적 변형 또는 분해가 발생하는 문제점이 있다.When the electron beam is irradiated, the energy of the electron beam is preferably 1 keV to 10 MeV and the dose of the total electron beam is preferably adjusted to 1 × 10 14 to 1 × 10 20 electrons / cm 2. When the irradiation amount of the total electron beam is less than 1 × 10 14 electrons / cm 2, there is a problem that the polymer is not sufficiently crosslinked and the carbonization yield is low. In the case of irradiation exceeding 1 × 10 20 electrons / cm 2, There is a problem that occurs.
감마선을 조사하는 경우, 총 감마선의 조사량은 50 ~ 10,000 kGy로 조절되는 것이 바람직하다. 총 감마선 조사량이 50 kGy미만인 경우, 고분자가 충분히 가교되지 않아 탄화수율이 낮은 문제점이 있고, 10,000 kGy을 초과하여 조사하는 경우에는 고분자의 열적 변형 또는 분해가 발생하는 문제점이 있다.When the gamma ray is irradiated, the irradiation amount of the total gamma ray is preferably adjusted to 50 to 10,000 kGy. When the total gamma irradiation dose is less than 50 kGy, there is a problem in that the polymer is not sufficiently crosslinked and the yield of the carbonization is low. In the case of irradiation exceeding 10,000 kGy, the polymer is thermally deformed or decomposed.
마지막으로, 상기 가교된 다공성 고분자 박막을 탄화하여 다공성 탄소 멤브레인으로 제조하는 단계로서, 이 단계에서는 탄화반응을 통해 탄소계 재료들에서 나타나는 방향족 육각형 C=C 결합을 생성시킴으로서 다공성 탄소 멤브레인에 전도성을 부여하게 된다.Finally, the crosslinked porous polymer thin film is carbonized to form a porous carbon membrane. At this stage, carbonization causes an aromatic hexagonal C = C bond appearing in the carbon-based materials, thereby imparting conductivity to the porous carbon membrane .
구체적으로, 상기 가교된 다공성 고분자 박막을 800 ℃ ~ 1400 ℃의 비활성 분위기가 유지되는 가열로에서 탄화하여 다공성 탄소 멤브레인을 형성할 수 있다. 800 ℃ 보다 낮게 가열로가 유지되는 경우 탄화반응이 효과적으로 진행되지 않아 전기적 특성이 감소하는 문제가 발생할 수 있으며, 1400 ℃ 보다 높게 유지되는 경우 더 이상의 전기적 특성의 향상을 보이지 않는다. 상기 탄화반응에서 다공성 고분자 박막 1시간 ~ 3시간 동안 가열됨으로써 완전히 탄화시킬 수 있다. 또한, 추가적으로 탄화반응을 보다 효율적으로 하기 위해, 200 ℃ ~ 400 ℃의 온도구간에서 1시간 ~ 3시간 동안 열안정화 단계를 진행할 수 있다. 상기의 탄화반응 동안에는, 비활성 분위기를 유지하기 위하여 비활성 기체로서 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 또는 제논을 사용할 수 있으며, 전기적 특성의 향상을 위하여 2 ~ 5% 의 수소를 포함하여 사용할 수 있다. Specifically, the crosslinked porous polymer thin film may be carbonized in a heating furnace where an inert atmosphere of 800 ° C to 1400 ° C is maintained to form a porous carbon membrane. If the heating furnace is maintained at a temperature lower than 800 ° C, there is a problem that the carbonization reaction does not progress effectively and the electrical characteristics are reduced. When the heating furnace temperature is maintained higher than 1400 ° C, no further improvement in electrical characteristics is observed. In the carbonization reaction, the porous polymer thin film can be fully carbonized by being heated for 1 hour to 3 hours. Further, in order to further improve the carbonation reaction, the thermal stabilization step may be performed for 1 hour to 3 hours at a temperature range of 200 ° C to 400 ° C. During the carbonization reaction, nitrogen, helium, neon, argon or xenon may be used as an inert gas in order to maintain an inert atmosphere, and 2 to 5% of hydrogen may be used in order to improve the electrical characteristics.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.
[실시예 1] 이온빔을 이용한 폴리아크릴로니트릴로부터 다공성 탄소 멤브레인 제조 [Example 1] Production of porous carbon membrane from polyacrylonitrile using ion beam
5 g의 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 95 g의 DMF에 용해하여 5wt%의 PAN 용액을 제조하였다. 상기에서 제조한 폴리아크릴로니트릴 용액을 기판 위에 회전 도포하여 폴리아크릴로니트릴 박막을 형성하였다.5 g of polyacrylonitrile (PAN) was dissolved in 95 g of DMF to prepare a 5 wt% PAN solution. The polyacrylonitrile solution prepared above was spin-coated on the substrate to form a polyacrylonitrile thin film.
상기 제조된 폴리아크릴로니트릴 박막을 비용매인 증류수에 24시간 동안 침지하여 상전이 현상을 발생시켜 기공구조를 갖는 다공성 폴리아크릴로니트릴 박막을 제조하였다. 제조된 다공성 폴리아크릴로니트릴 박막을 증류수로 세척한 후 진공오븐에서 건조하였다. The prepared polyacrylonitrile thin film was immersed in distilled water for 24 hours to generate a phase transition phenomenon to produce a porous polyacrylonitrile thin film having a pore structure. The prepared porous polyacrylonitrile thin film was washed with distilled water and then dried in a vacuum oven.
그 다음, 상기 건조된 다공성 폴리아크릴로니트릴 박막에 수소(H+) 이온빔을 1×1015 ions/cm2, 5×1015 ions/cm2, 1×1016 ions/cm2 및 2×1016 ions/cm2의 조사량으로 조사하여 다공성 고분자 박막의 가교반응을 수행하였다. 이때, 이온빔 조사에 사용된 이온빔 장치는 최대 300 keV의 이온빔 에너지를 공급할 수 있는 장치를 사용하였다.The following, the hydrogen (H +) ion beam to the thin film acrylonitrile, the dried porous polyacrylonitrile 1 × 10 15 ions / cm 2 , 5 × 10 15 ions / cm 2, 1 × 10 16 ions / cm 2 and 2 × 10 16 ions / cm < 2 > at an irradiation dose of 10 < 6 > / cm < 2 > At this time, the ion beam apparatus used for the ion beam irradiation was a device capable of supplying ion beam energy of up to 300 keV.
다음으로는, 상기 이온빔 조사된 다공성 폴리아크릴로니트릴 박막을 튜브형 가열로에 넣고, 질소 분위기를 유지하면서 1000 ℃에서 1시간 동안 탄화반응을 수행하였다. 상기 탄화반응의 결과로서 다공성 탄소 멤브레인을 얻었다.Next, the ion beam irradiated porous polyacrylonitrile thin film was put into a tubular heating furnace, and carbonization reaction was performed at 1000 ° C for 1 hour while maintaining the nitrogen atmosphere. As a result of the carbonization reaction, a porous carbon membrane was obtained.
[실시예 2] 이온빔을 이용한 폴리설폰으로부터 다공성 탄소 멤브레인의 제조 [Example 2] Production of porous carbon membrane from polysulfone using ion beam
상기 실시예 1에서 폴리아크릴로니트릴 대신 폴리설폰을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 다공성 탄소 멤브레인을 제조하였다.A porous carbon membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that polysulfone was used instead of polyacrylonitrile.
[실시예 3] 전자빔을 이용한 폴리아크릴로니트릴로부터 다공성 탄소 멤브레인의 제조 [Example 3] Production of porous carbon membrane from polyacrylonitrile using electron beam
상기 실시예 1의 이온빔 대신 500 kGy의 조사량으로 전자빔 조사한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 다공성 탄소 멤브레인을 제조하였다.A porous carbon membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the ion beam of Example 1 was irradiated with an electron beam at an irradiation dose of 500 kGy.
[비교예 1] 열안정화 방법을 이용한 다공성 탄소 멤브레인의 제조 [Comparative Example 1] Production of porous carbon membrane using thermal stabilization method
폴리아크릴로니트릴을 DMF에 용해하여 5 중량%인 폴리아크릴로니트릴 용액을 제조하였다. 상기에서 제조한 폴리아크릴로니트릴 용액을 실리콘 기판 위에 회전 도포하여 폴리아크릴로니트릴 박막을 형성하였다. Polyacrylonitrile was dissolved in DMF to prepare a 5% by weight polyacrylonitrile solution. The polyacrylonitrile solution prepared above was spin-coated on a silicon substrate to form a polyacrylonitrile thin film.
상기 형성된 폴리아크릴로니트릴 박막을 비용매인 증류수에 24시간 동안 침지하여 상전이 현상을 발생시켜 기공구조를 갖는 다공성 고분자 박막을 제조하였다. 제조된 다공성 고분자 박막을 증류수로 세척한 후 진공오븐에서 건조하였다. The polyacrylonitrile thin film thus formed was dipped in distilled water for 24 hours to induce a phase transition phenomenon, thereby preparing a porous polymer thin film having a pore structure. The prepared porous polymer thin film was washed with distilled water and dried in a vacuum oven.
그 다음, 상기 건조된 다공성 폴리아크릴로니트릴 박막을 공기 중에서 250 ~ 300 oC에서 4시간 열처리하여 안정화시킨 다공성 폴리아크릴로니트릴 박막을 제조하였다. Then, the dried porous polyacrylonitrile thin film was heat-treated at 250 to 300 ° C for 4 hours in the air to stabilize the porous polyacrylonitrile thin film.
다음으로는, 상기 안정화된 다공성 폴리아크릴로니트릴 박막을 튜브형 가열로에 넣고, 질소분위기를 유지하면서 1000 ℃에서 1시간 동안 탄화반응을 수행하였다. 상기 탄화반응의 결과로서 다공성 탄소 멤브레인을 얻었다.Next, the stabilized porous polyacrylonitrile thin film was put into a tubular heating furnace, and carbonization reaction was performed at 1000 ° C for 1 hour while maintaining the nitrogen atmosphere. As a result of the carbonization reaction, a porous carbon membrane was obtained.
상기 실시예 및 비교예의 조건을 하기 표 1에 정리하여 나타내었다.The conditions of the above Examples and Comparative Examples are summarized in Table 1 below.
구분
division
사용한 중합체 종류
Type of polymer used
조사 에너지 (keV)Used radiation
Irradiation energy (keV)
사용한 방사선
종류
Used radiation
Kinds
방사선 조사량
Radiation dose
실시예1
Example 1
폴리아크릴로니트릴
Polyacrylonitrile
150
150
수소(H+) 이온빔
Hydrogen (H + ) ion beam
∼
5×1015 ions/cm2 2 × 10 15 ions / cm 2
~
5 × 10 15 ions / cm 2
실시예2
Example 2
폴리설폰
Polysulfone
150
150
수소(H+) 이온빔
Hydrogen (H + ) ion beam
∼
5×1015 ions/cm2 2 × 10 15 ions / cm 2
~
5 × 10 15 ions / cm 2
실시예3
Example 3
폴리아크릴로니트릴
Polyacrylonitrile
30
30
전자빔
Electron beam
∼
1×1018 electrons/cm2 1 x 10 16 electrons / cm 2
~
1 x 10 18 electrons / cm 2
비교예1
Comparative Example 1
폴레아크릴로니트릴
Polyacrylonitrile
-
-
-
-
-
-
[시험예 1] 공정 진행에 따른 폴리아크릴로니트릴의 형태학 분석 [Test Example 1] Morphological analysis of polyacrylonitrile with progress of the process
상기 실시예 1에서 5×1015 ions/cm2의 수소 이온빔을 조사하여 형성한 다공성 탄소 멤브레인을 주사전자현미경으로 분석하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.The porous carbon membrane formed by irradiating 5 × 10 15 ions / cm 2 of hydrogen ion beam in Example 1 was analyzed by a scanning electron microscope. The results are shown in FIG.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 PAN으로부터 제조된 다공성 탄소 멤브레인 및 비교에 1에서 제조된 탄소 멤브레인에 대하여 주사전자현미경(제조사: JEOL, 모델명: JSM-6390)으로 촬영한 사진들이다.2 is a photograph of a porous carbon membrane prepared from PAN in Example 1 of the present invention and a carbon membrane prepared in Comparative Example 1 by a scanning electron microscope (manufacturer: JEOL, model name: JSM-6390).
구체적으로, 도 2의 (a)는 상전이 후 다공성 PAN 박막, (b)는 수소 이온이 조사된 다공성 PAN 박막, (c) 는 수소 이온 조사된 다공성 PAN 박막의 탄화 후 주사전자현미경 사진(3000배)이다. 각 사진 안의 확대 사진은 15000배 확대하여 촬영한 사진이다. 2 (a) is a porous PAN film after phase transition, (b) is a porous PAN film irradiated with hydrogen ions, and (c) is a scanning electron micrograph )to be. The enlarged image in each photograph is a photograph taken at a magnification of 15,000 times.
도 2의 (a)로부터 상전이에 의하여 다공성 PAN 박막이 잘 형성되었음을 확이할 수 있었고, (b)로부터 수소 이온이 조사된 후에 다공성 PAN 박막이 큰 구조적 변화없이 잘 유지되고 있음을 확인하였다. 최종 (c)로부터 탄화 후에 다공성 탄소 멤브레인이 잘 형성되었음을 확인할 수 있다. From FIG. 2 (a), it can be seen that the porous PAN thin film is well formed by the phase transition, and that the porous PAN thin film is maintained well after the hydrogen ion irradiation from (b). From the final stage (c), it can be confirmed that the porous carbon membrane is well formed after carbonization.
도 2의 (d)로부터 상전이된 다공성 PAN 박막이 열안정화 과정동안 기공이 막혀버림을 확인할 수 있으며, 최종 탄화 후에 이러한 기공이 거의 없어 표면에 기공 형태만 있는 것을 확인할 수 있었다. From FIG. 2 (d), it can be seen that the phase-transformed porous PAN membrane clogged the pores during the thermal stabilization process. After the final carbonization, there was almost no such pores.
상기의 결과를 바탕으로 이온빔 조사에 의해 PAN의 가교 반응이 효과적으로 진행되어 탄화 후에 다공성 탄소 멤브레인이 잘 형성되었음을 알 수 있었으며, 기존 열안정화 방법보다 효과적으로 다공성 박막을 형성할 수 있음을 확인하였다.Based on the above results, it was found that the PAN crosslinking reaction effectively proceeded by ion beam irradiation, and the porous carbon membrane was well formed after carbonization, and it was confirmed that the porous thin film can be formed more effectively than the conventional thermal stabilization method.
[시험예 2] 이온빔이 조사된 PAN 박막의 탄화 전, 후의 화학 구조 분석 [Test Example 2] Analysis of chemical structure before and after carbonization of an ion beam irradiated PAN thin film
실시예 1에서 5×1015 ions/㎠의 이온빔을 조사하여 형성한 다공성 탄소 멤브레인의 화학 구조를 분석하기 위하여 푸리에 변환 적외선 분광기(FT-IR, 제조사: Varian, 모델명: 640-IR)로 스펙트럼을 측정하였고 그 결과를 도 3에 나타내었다.In order to analyze the chemical structure of the porous carbon membrane formed by irradiating 5 × 10 15 ions / cm 2 of ion beam in Example 1, a spectrum was measured with a Fourier transform infrared spectroscope (FT-IR, manufacturer: Varian, model name: 640-IR) And the results are shown in FIG.
도 3는 본 발명에 따라 제조된 다공성 탄소 멤브레인에 대하여 푸리에변환 적외선 분광기를 이용하여 분광 스펙트럼을 측정한 그래프이다. 구체적으로, 도 3의 (a)는 순수한 PAN의 적외선 분광 스펙트럼이고 (b)는 이온빔 조사된 PAN 박막이며 (c)는 탄화 후 박막의 적외선 분광 스펙트럼이다.FIG. 3 is a graph showing a spectroscopic spectrum of a porous carbon membrane manufactured according to the present invention using a Fourier transform infrared spectroscope. 3 (a) is an infrared spectroscopic spectrum of pure PAN, (b) is an ion beam irradiated PAN film, and (c) is an infrared spectroscopy spectrum of a carbonized thin film.
도 3의 (a)와 (b)에 나타낸 바와 같이 5×1015 ions/㎠의 이온빔을 조사한 PAN 박막의 경우 순수한 PAN과 비교했을 때, 가교구조의 형성으로 인한 C=O 피크들의 부분이 넓어짐을 제외하고는 거의 동일한 피크 특성을 보였다.As shown in Figs. 3 (a) and 3 (b), in the case of the PAN thin film irradiated with an ion beam of 5 x 10 15 ions / cm 2, the portion of the C = O peaks due to the formation of the crosslinked structure becomes wider Except for the same peak characteristics.
반면, 도 3의 (c)의 탄화 후의 적외선 분광 스펙트럼에서는, 탄소나노튜브, 흑연, 그래핀 등과 같은 탄소계 재료들에서 나타나는 방향족 육각형 C=C 결합 특성 피크가 새롭게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.On the other hand, in the infrared spectroscopic spectrum after carbonization in FIG. 3 (c), it was confirmed that an aromatic hexagonal C = C bond characteristic peak appeared in carbon-based materials such as carbon nanotubes, graphite and graphene.
상기의 결과를 바탕으로 이온빔 조사에 의하여 PAN의 가교 구조가 효과적으로 형성되었음을 확인할 수 있었고, 탄화 반응을 통해서 방향족 육각형 탄소구조가 잘 형성되었음을 증명할 수 있었다.Based on the above results, it was confirmed that the crosslinking structure of PAN was effectively formed by ion beam irradiation, and it was proved that the aromatic hexagonal carbon structure was well formed through the carbonization reaction.
[시험예 3] 이온빔 조사에 의해 형성된 다공성 탄소 멤브레인의 방향족 육각형 탄소구조의 분석 [Test Example 3] Analysis of aromatic hexagonal carbon structure of a porous carbon membrane formed by ion beam irradiation
상기 실시예 1에서 형성된 다공성 탄소 멤브레인의 방향족 육각형 탄소구조의 형성 여부를 확인하기 위해서 라만분광기(제조사: Horiba jobin-Yvon, 모델명: LabRam HR)를 이용하여 구조 분석을 실시하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. Structural analysis was performed using a Raman spectrometer (manufacturer: Horiba jobin-Yvon, model name: LabRam HR) in order to confirm whether or not an aromatic hexagonal carbon structure of the porous carbon membrane formed in Example 1 was formed. Respectively.
도 4의 (a)는 실시예 1에서 이온빔 조사를 이용하여 제조된 다공성 탄소 멤브레인과 열안정화 방법에 의해 제조된 탄소 멤브레인의 라만 분광스펙트럼이다.4 (a) is a Raman spectroscopic spectrum of a porous carbon membrane prepared using ion beam irradiation and a carbon membrane prepared by a thermal stabilization method in Example 1. FIG.
도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 제조된 탄소 멤브레인의 분광스펙트럼은 모두 1580 cm- 1와 1350 cm-1에서 피크를 가지고 있음을 확인하였다. 상기의 두 피크는 방향족 육각형 구조를 갖는 흑연계 재료들에서 존재하는 피크로 알려져 있다. 구체적으로 1580 cm-1에서의 피크(G-peak)는 전도성을 나타내는 탄소구조가 형성되었음을 의미하고, 1350 cm-1에서의 피크(D-peak)는 탄소화 과정에서 완벽한 결정구조가 아닌 무정형의 탄소구조가 형성되었음을 의미한다. As shown in Fig. 4 (a), the spectrum of the resulting carbon membrane is both 1580 cm - was confirmed that have a peak at 1 and 1350 cm -1. These two peaks are known as peaks present in graphite materials having an aromatic hexagonal structure. Specifically, the G-peak at 1580 cm -1 means that a carbon structure showing conductivity is formed, and the D-peak at 1350 cm -1 is not a perfect crystal structure in the carbonization process but an amorphous Carbon structure is formed.
상기의 결과를 통해서 다공성 탄소 멤브레인에 방향족 육각형 탄소구조가 잘 형성되었음을 확인하였다.From the above results, it was confirmed that an aromatic hexagonal carbon structure was well formed in the porous carbon membrane.
도 4의 (b)는 (a)에서 D-와 G-peak의 크기의 비(ID/IG)를 나타낸 그래프이다. 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이, (ID/IG) 값이 이온빔 조사를 하여 제조된 탄소박막의 (ID/IG) 값이 더 작음을 확인하였으며, 이러한 결과로부터 이온빔 조사 방법이 열안정화 방법보다 우수함을 확인할 수 있었다. 4 (b) is a graph showing the ratio ( D D / I G ) of the sizes of D- and G-peaks in (a). As shown in Fig. 4 (b), (I D / I G) value was determine this value (I D / I G) of the carbon films prepared by ion beam irradiation is smaller, wherein the ion beam irradiated from these results Was superior to the thermal stabilization method.
[시험예 4] 이온빔 조사에 의해 형성된 다공성 탄소 멤브레인의 전도도 측정 [Test Example 4] Measurement of conductivity of a porous carbon membrane formed by ion beam irradiation
실시예 1에서 형성된 다공성 탄소 멤브레인의 전도도를 저항측정기(제조사: Advanced Instrument Technology, 모델명: SR-1000N)를 이용하여 측정하였고 그 결과를 도 5에 나타내었다. The conductivity of the porous carbon membrane formed in Example 1 was measured using a resistance meter (manufacturer: Advanced Instrument Technology, Model: SR-1000N), and the results are shown in FIG.
도 5는 실시예 1과 비교예 1에서 형성된 다공성 탄소 멤브레인들의 전도도를 비교한 그래프이다. 도 5에 나타난 바와 같이, 비교예 1에서 열안정화 방법에 의하여 제조된 탄소 멤브레인의 전도도는 320 S/cm를 나타낸 반면, 실시예 1에 따라 형성된 다공성 탄소 멤브레인들은 보다 높은 전도성을 보였으며, 이온빔 따라 최대 430 S/cm를 나타내었다. FIG. 5 is a graph comparing the conductivities of the porous carbon membranes formed in Example 1 and Comparative Example 1. FIG. As shown in FIG. 5, the conductivity of the carbon membrane prepared by the thermal stabilization method in Comparative Example 1 was 320 S / cm, while the porous carbon membranes formed according to Example 1 showed higher conductivity, Up to 430 S / cm.
상기의 결과를 바탕으로 본 발명에 따른 다공성 탄소 멤브레인의 전도성이 향상됨을 확인하였다. Based on the above results, it was confirmed that the conductivity of the porous carbon membrane according to the present invention is improved.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.
Claims (10)
상기 형성된 고분자 박막에 상전이를 수행하여 다공성 고분자 박막을 제조하는 단계;
상기 제조된 다공성 고분자 박막에 상온에서 방사선을 조사하여 상기 다공성 고분자 박막을 가교시키는 단계; 및
상기 가교된 다공성 고분자 박막을 탄화시켜 다공성 탄소 멤브레인을 제조하는 단계를 포함하며,
상기 방사선은 이온빔이고,
상기 이온빔의 조사 에너지는 50 keV 내지 1 MeV이고, 총 이온 조사량은 1×1014 내지 1×1017 ions/㎠로 조절되는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소 멤브레인의 제조 방법.Coating a polymer solution obtained by dissolving a polymer in a solvent on a substrate to form a polymer thin film;
Preparing a porous polymer thin film by performing phase transformation on the formed polymer thin film;
Irradiating the prepared porous polymer thin film with radiation at room temperature to crosslink the porous polymer thin film; And
And carbonizing the cross-linked porous polymer thin film to produce a porous carbon membrane,
The radiation is an ion beam,
Wherein the irradiation energy of the ion beam is 50 keV to 1 MeV, and the total ion dose is adjusted to 1 x 10 14 to 1 x 10 17 ions / cm 2.
상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVdF), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 및 폴리설폰(polysulfone, PSF)을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 다공성 탄소 멤브레인의 제조 방법.The method according to claim 1,
The polymer may be selected from the group consisting of polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl alcohol (PVA), polystyrene (PS), polysulfone (PSF) Wherein the porous carbon membrane is at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes.
상기 용매는 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 및 N-메틸피롤리돈, 톨루엔을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 다공성 탄소 멤브레인의 제조 방법. The method according to claim 1,
Wherein the solvent is at least one selected from the group consisting of dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, and N-methylpyrrolidone and toluene.
상기 고분자 용액은 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐피롤리돈, 및 디메틸설폰 중에서 선택된 적어도 하나의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소 멤브레인의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the polymer solution further comprises at least one additive selected from the group consisting of polyethylene glycol, polyvinyl pyrrolidone, and dimethyl sulfone.
상기 상전이는 상기 고분자 박막이 도포된 기판을 비용매에 침지하여 수행되는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소 멤브레인의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the phase transition is performed by immersing the substrate coated with the polymer thin film in a non-solvent.
상기 비용매는 물, 알코올류, 또는 이들의 혼합용액인 것을 특징으로 하는 다공성 탄소 멤브레인의 제조 방법.6. The method of claim 5,
Wherein the non-solvent is water, an alcohol, or a mixed solution thereof.
상기 기판은 비전도성 기판으로서, 실리콘 기판, 유리 기판, 또는 석영 기판인 것을 특징으로 하는 다공성 탄소 멤브레인의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the substrate is a nonconductive substrate, which is a silicon substrate, a glass substrate, or a quartz substrate.
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