KR101865993B1 - Nitrogen and Metal doped Porous Carbon Materials and Method of Manufacturing the Same - Google Patents

Nitrogen and Metal doped Porous Carbon Materials and Method of Manufacturing the Same Download PDF

Info

Publication number
KR101865993B1
KR101865993B1 KR1020150033171A KR20150033171A KR101865993B1 KR 101865993 B1 KR101865993 B1 KR 101865993B1 KR 1020150033171 A KR1020150033171 A KR 1020150033171A KR 20150033171 A KR20150033171 A KR 20150033171A KR 101865993 B1 KR101865993 B1 KR 101865993B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon material
nitrogen
porous carbon
doped
polymer
Prior art date
Application number
KR1020150033171A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20160110649A (en
Inventor
이재우
김기민
박재현
Original Assignee
한국과학기술원
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 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020150033171A priority Critical patent/KR101865993B1/en
Publication of KR20160110649A publication Critical patent/KR20160110649A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101865993B1 publication Critical patent/KR101865993B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30Active carbon
    • C01B32/306Active carbon with molecular sieve properties
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/20Graphite
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30Active carbon
    • C01B32/312Preparation
    • C01B32/318Preparation characterised by the starting materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30Active carbon
    • C01B32/312Preparation
    • C01B32/342Preparation characterised by non-gaseous activating agents
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L33/00Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides or nitriles thereof; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L33/18Homopolymers or copolymers of nitriles
    • C08L33/20Homopolymers or copolymers of acrylonitrile
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L79/00Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon only, not provided for in groups C08L61/00 - C08L77/00
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/30Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32Carbon-based
    • H01M12/005
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96Carbon-based electrodes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/50Solid solutions
    • C01P2002/52Solid solutions containing elements as dopants
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/16Pore diameter
    • C01P2006/17Pore diameter distribution
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40Electric properties
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)

Abstract

본 발명은 질소 함유 고분자를 간단한 공정을 통해 질소와 금속이 동시 도핑된 다공성 탄소 소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의해 제조된 탄소 소재는 전기에너지 전환장치인 연료 전지 (Fuel cell)의 양극(Cathode) 재료와 전기에너지 저장장치인 슈퍼커패시터 (Supercapacitor)의 전극 재료로 사용될 수 있다
The present invention relates to a porous carbon material in which a nitrogen-containing polymer is simultaneously doped with a nitrogen and a metal through a simple process, and a production method thereof.
The carbon material produced by the present invention can be used as a cathode material of a fuel cell which is an electric energy conversion device and an electrode material of a supercapacitor which is an electric energy storage device

Description

질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소 소재 및 그 제조방법{Nitrogen and Metal doped Porous Carbon Materials and Method of Manufacturing the Same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a porous carbon material doped with nitrogen and a metal, and a method of manufacturing the porous carbon material.

본 발명은 질소와 금속이 동시 도핑된 다공성 탄소 소재 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의해 제조된 탄소 소재는 전기에너지 전환장치인 연료 전지 (Fuel cell)의 양극(Cathode) 재료와 전기에너지 저장장치인 슈퍼커패시터 (Supercapacitor)의 전극 재료로 사용될 수 있다The present invention relates to a porous carbon material in which nitrogen and metal are simultaneously doped, and a method of manufacturing the same. The carbon material produced by the present invention can be used as a cathode material of a fuel cell which is an electric energy conversion device and an electrode material of a supercapacitor which is an electric energy storage device

고도의 문명을 이룩한 현대 사회는 환경오염과 같은 잠재적 위협을 안고 있으며 그 심각성이 점차 대두되고 있다. 이를 대처하기 위한 방안인 재생 가능 에너지(Renewable energy)의 중요성이 부각되고 있으며, 관련 연구는 활발히 이뤄지고 있는 실정이다. 특히 이들 연구 분야 중, 연료의 화학에너지를 전기에너지로 친환경적으로 전환하는 연료전지와 전기에너지 저장장치로써 전기 용량을 고도로 특화 시킨 슈퍼커패시터 분야에서 주목할만한 성과들을 보여주고 있다.Modern society, which has achieved a high level of civilization, has potential threats such as environmental pollution, and its seriousness is increasing. The importance of renewable energy, which is a measure to cope with this problem, has been emphasized, and related researches are actively conducted. In particular, among these research areas, fuel cells that convert environmentally friendly chemical energy of fuels into electric energy, and super capacitors, which are highly specialized in electric capacity as electric energy storage devices, show remarkable achievements.

첫째로, 연료전지의 경우 양극에 쓰이는 전기화학촉매 연구가 가장 활발히 이루어지고 있다. 이는 양극에서 일어나는 산소환원반응 (ORR: Oxygen Reduction Reaction)의 반응속도가 느리므로, 효과적인 촉매가 필요한 까닭이다. 현재 상용화 되고 있는 백금 기반의 촉매는 가격이 높은 편이므로, 연료전지의 상업화를 위해 비백금계의 촉매를 개발하려는 연구 또한 오랜 시간 진행돼왔다. 대표적으로 질소 혹은 붕소 원자가 도핑된 탄소 소재가 이에 해당되며, 특히 질소 도핑된 탄소 소재의 우수성이 발표된 바 있다(Bashyam, R. & Zelenay, P., Nature, 2006, 443:63). 이외에도 각광받는 탄소 소재 중 하나인 그래핀(Graphene)에 질소를 도핑시키고, 금속산화물 (metal oxide)의 도입을 통해 혼성체(hybrid)를 형성함으로써 향상된 전도성 및 촉매 활성을 보여주었다(Liang, Y. Y.et al., Nat Mater, 2011, 10:780).First, in the case of fuel cells, electrochemical catalysts used in the anode are most actively studied. This is because the reaction rate of the oxygen reduction reaction (ORR: Oxygen Reduction Reaction) occurring at the anode is slow, which is why an effective catalyst is required. Platinum-based catalysts, which are currently being commercialized, are expensive, and research for developing non-whitening catalysts for the commercialization of fuel cells has been conducted for a long time. This is particularly true for carbon materials doped with nitrogen or boron atoms, and particularly the superiority of nitrogen-doped carbon materials has been disclosed (Bashyam, R. & Zelenay, P., Nature, 2006, 443: 63). In addition, it showed improved conductivity and catalytic activity by doping nitrogen with Graphene, which is one of the most popular carbon materials, and forming a hybrid through the introduction of a metal oxide (Liang, YYet al., Nat Mater, 2011, 10: 780).

둘째로, 슈퍼커패시터의 핵심인 저장용량은 두 판 사이의 거리에 반비례하고 면적에 비례한다. 따라서, 두 판 사이의 거리가 고정돼있다면 면적이 저장용량을 결정하게 된다. 하지만 겉면적이 커지게 되면 전체 슈퍼커패시터의 크기가 커지기 때문에, 겉면적이 아닌 유효 면적이 넓어야 보다 효율적이다. 이를 반영하여 대다수의 연구가 표면적이 넓은 다공성 탄소 물질을 중심으로 진행돼왔다. 특히 탄소 전구체(Precursor)를 고온에서의 열처리를 통해 제조한 활성탄(Activated carbon)은 슈퍼커패시터에 상업적으로 사용되고 있다(Pandolfo et al, Journal of Power Sources, 2006, 157:11). Second, the storage capacity, which is the core of the supercapacitor, is inversely proportional to the distance between the plates and proportional to the area. Thus, if the distance between two plates is fixed, the area determines the storage capacity. However, since the size of the entire supercapacitor becomes larger when the surface area is larger, it is more effective to have a larger effective area than the surface area. In light of this, the majority of studies have focused on porous carbon materials with a wide surface area. In particular, activated carbon prepared by heat treatment of carbon precursor at high temperature is commercially used in supercapacitors (Pandolfo et al, Journal of Power Sources, 2006, 157: 11).

이처럼 연료전지 양극의 촉매활성과 슈퍼커패시터의 저장용량에는 표면적과 도핑된 이종 원소의 종류가 지대한 영향을 미치게 된다. 우선, 이들 탄소 소재의 표면적을 넓히는 방법은 크게 2가지로 분류할 수 있다. 첫째는 물리적 활성화로, 고온에서 산화제로 작용하는 기체를 이용하는 방법이다. 기체 반응을 통해 탄소 소재에 존재하는 기공의 부피와 표면적을 매우 크게 늘릴 수 있으며, 온도와 반응 시간이 중요한 변수로 작용한다. 둘째는 화학적 활성화로, 이는 물리적 활성화보다 낮은 온도에서 진행되며, 유지 시간이 짧고 수율이 비교적 높다는 장점이 있다. 수산화칼륨(KOH), H3PO4, ZnCl2 등의 시약들이 화학적 활성화에 주로 사용된다. 이들 중 수산화칼륨은 매우 작은 기공과 높은 표면적을 조성하므로 널리 사용되고 있다(Wang et al, Journal of Materials Chemistry, 2012, 22:23710).In this way, the surface area and the kind of the doped hetero element have a great influence on the catalytic activity of the fuel cell anode and the storage capacity of the supercapacitor. First of all, there are two main ways to increase the surface area of these carbon materials. The first is physical activation, which utilizes a gas that acts as an oxidant at high temperatures. The gas reaction can greatly increase the volume and surface area of the pores present in the carbon material, and temperature and reaction time are important parameters. The second is chemical activation, which proceeds at a lower temperature than the physical activation, and has the advantage of a shorter holding time and a relatively high yield. Potassium hydroxide (KOH), H3PO4, ZnCl2 and other reagents are mainly used for chemical activation. Of these, potassium hydroxide is widely used because it forms very small pores and high surface area (Wang et al, Journal of Materials Chemistry, 2012, 22: 23710).

탄소 소재에 이종 원소를 도핑시키는 방법에는 특정 기체 (일반 공기, 아르곤, 질소 등)를 흘려주며 열처리를 시키는 접근법이 널리 쓰인다. 이는 공정 자체가 간단할 뿐만 아니라, 열처리를 받고 생성된 이종 원소 도핑 탄소 소재의 성능과 안전성이 뛰어나기 때문이다 (Gupta, S., Tryk, D., Bae, I., Aldred, W. & Yeager, E., J Appl Electrochem 1989, 19:19).A method of doping a carbon material with a hetero-element is widely used in which a specific gas (general air, argon, nitrogen, etc.) is flowed and subjected to heat treatment. This is because not only the process itself is simple but also the performance and safety of the hetero-element doped carbon material produced by heat treatment is excellent (Gupta, S., Tryk, D., Bae, I., Aldred, W. & Yeager , E., J. Appl Electrochem 1989, 19:19).

과학계는 앞서 언급한 접근법에 다양한 탄소 소재를 적용하여 연료전지와 슈퍼커패시터 연구를 진행해왔다. 특히, 유망한 탄소 소재로 주목 받은 탄소나노튜브 (CNT: Carbon Nano Tube)와 그래핀을 기반으로 이뤄지는 연구가 가장 활발한 움직임을 보여주고 있다. 탄소나노튜브와 그래핀은 다른 탄소 소재와 달리 모든 탄소원자가 표면에 노출되어 있어 유효 표면적이 넓다. 또한, 전기전도도가 기존의 활성탄보다 높기 때문에 전기화학에 사용될 소재로써 강점을 지닌다. 이러한 장점에도 불구하고 대량 생산의 어려움이 있기 때문에 상용화에 추가 연구가 필요한 실정이다.The scientific community has been studying fuel cells and supercapacitors by applying a variety of carbon materials to the aforementioned approach. In particular, studies based on carbon nanotubes (CNTs) and graphene, which have attracted attention as promising carbon materials, are showing the most active movements. Unlike other carbon materials, carbon nanotubes and graphenes have a wide effective surface area because all carbon atoms are exposed on the surface. In addition, since the electric conductivity is higher than that of the existing activated carbon, it has a strong point as a material to be used in electrochemistry. Despite these advantages, there is a need for additional research in commercialization due to the difficulty of mass production.

대량생산이 힘들고 제조 단가가 크다는 점에 주목한 본 발명자들은 이 문제를 해결하고자 그래핀이 아닌 공정 용이성과 단가가 뛰어난 다공성 탄소 물질 개발에 초점을 맞추었다. 이에, 질소가 포함된 고분자인 폴리아크릴로니트릴 (PAN: Polyacrylonitrile)에 수산화칼륨 활성화를 접목시키면 질소 전구체 없이도 질소 도핑된 다공성 탄소 물질을 얻게 된다는 것을 확인하였다. 또한, 이 질소 도핑된 다공성 탄소 물질에 함침법으로 코발트 전구체를 혼합하고 열처리할 경우 산화코발트의 형태로 도핑이 된 다공성 탄소를 제조할 수 있고 연료전지의 양극 촉매와 슈퍼커패시터 전극으로 쓰일 수 있다는 발명을 하게 되었다.The present inventors paid attention to the fact that mass production is difficult and the manufacturing cost is large. In order to solve this problem, the present inventors focused on the development of a porous carbon material excellent in processability and unit price, not graphene. Thus, it has been confirmed that when potassium hydroxide activation is applied to polyacrylonitrile (PAN), which is a polymer containing nitrogen, a nitrogen-doped porous carbon material is obtained without a nitrogen precursor. In addition, it is possible to produce porous carbon doped in the form of cobalt oxide when the cobalt precursor is mixed with the nitrogen-doped porous carbon material by the impregnation method, and can be used as the anode catalyst and the super capacitor electrode of the fuel cell .

대한민국 공개특허 제10-2005-0063501호는 폴리아크릴로니트릴이 슈퍼커패시터의 전극재료로 사용할 수 있도록, 간단한 화학적, 물리적 활성화 처리를 하여, 비표면적이 크며 축전용량이 증대된 활성탄소섬유를 제조하는 방법을 제공한 바 있다. 하지만, 이는 폴리아크릴로니트릴 고분자 자체를 가공한 것이 아닌 폴리아크릴로니트릴 고분자로부터 섬유를 만들고 그것을 원료로 하여 불필요한 과정과 비용이 추가되는 한계를 지니고 있다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2005-0063501 discloses a method of producing activated carbon fibers having a large specific surface area and increased storage capacity by carrying out a simple chemical and physical activation treatment so that polyacrylonitrile can be used as an electrode material of a supercapacitor Method. However, this is not a process of processing the polyacrylonitrile polymer itself, but has a limitation in that unnecessary processes and costs are added to the polyacrylonitrile polymer as a raw material.

본 발명의 목적은 대량 생산이 가능한 질소와 금속이 동시 도핑된 다공성 탄소 소재의 제조방법을 제공하는데 있다. 또한, 본 발명은 연료 전지의 양극 소재와 슈퍼커패시터로 사용될 수 있는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for producing a porous carbon material in which nitrogen and metal are simultaneously doped, which can be mass-produced. The present invention also provides a porous carbon material doped with nitrogen and metal which can be used as a cathode material and a super capacitor of a fuel cell.

본 발명의 다른 목적은 연료전지의 양극 소재나 슈퍼커패시터로 우수한 성능을 보여줄 수 있도록 전구체나 첨가물의 최적 함량비를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an optimal content ratio of a precursor or an additive so as to exhibit excellent performance as a positive electrode material or a super capacitor of a fuel cell.

하나의 양상에서 본 발명은 질소를 함유한 고분자를 공기와 접촉하여 안정화시키는 단계 ;In one aspect, the present invention provides a method comprising: stabilizing a nitrogen-containing polymer in contact with air;

상기 안정화된 고분자를 활성화제와 혼합하는 단계 ; Mixing the stabilized polymer with an activator;

상기 활성화제와 혼합된 고분자를 탄소화시켜 질소가 도핑된 다공성 탄소소재를 제조하는 단계 ; Carbonizing the polymer mixed with the activating agent to produce a nitrogen-doped porous carbon material;

질소 도핑된 상기 다공성 탄소 소재를 금속 염과 혼합하는 단계;Mixing the nitrogen-doped porous carbon material with a metal salt;

상기 금속염을 상기 탄소소재에 함침(Impregnation)시키는 단계 ;Impregnating the carbonaceous material with the carbonaceous material;

상기 금속염이 함침된 탄소 소재를 열처리(탄소화)시키는 단계를 포함하는 질소 와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법에 관계한다.And then heat-treating (carbonizing) the carbonaceous material impregnated with the metal salt. The present invention also relates to a method for producing a porous carbon material doped with nitrogen and metal.

또 다른 양상에서, 본 발명은 의해 제조된 다공성의 그래파이트 구조로서, 질소와 금속이 상기 그래파이트 구조에 동시 도핑된 다공성 탄소에 관계한다.In another aspect, the present invention relates to a porous graphite structure made by the method, wherein nitrogen and metal are co-doped with the graphite structure.

본 발명은 질소를 함유한 고분자를 이용하고, 비교적 단가가 저렴한 시약 (수산화칼륨 및 코발트 아세트산염 등)을 사용하기 때문에 제조 단가를 효과적으로 줄일 수 있다. 또한, 본 발명은 질소 함유 고분자를 산화, 열처리 하여 다공성 탄소소재를 제공할 수 있으므로 대량 생산도 가능하다. 또한, 본 발명의 탄소소재는 코발트 등의 도핑 과정에서 기존에 도핑되어 있던 질소 작용기의 형태를 유익하게 변화시킴으로써 종래의 그래핀 혹은 백금 기반의 소재에 상응하는 전류밀도나 정전 용량을 보여준다. 이러한 특성에 근거하여, 본 발명은 연료 전지 양극 및 슈퍼커패시터 소재의 대량생산 및 상용화에 기여할 것으로 판단된다.Since the present invention uses a polymer containing nitrogen and uses relatively inexpensive reagents (such as potassium hydroxide and cobalt acetate), the production cost can be effectively reduced. In addition, since the present invention can provide a porous carbon material by oxidizing and heat-treating a nitrogen-containing polymer, mass production is also possible. In addition, the carbon material of the present invention exhibits current density or capacitance corresponding to conventional graphene or platinum-based materials by beneficially changing the shape of a previously doped nitrogen functional group in a doping process such as cobalt. Based on these characteristics, it is believed that the present invention will contribute to the mass production and commercialization of fuel cell anodes and supercapacitor materials.

도 1은 본 발명의 질소와 금속이 동시 도핑된 다공성 탄소를 제조하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 2는 안정화 단계에서 발생하는 화학구조의 변이를 나타낸 것이다.
도 3은 탄소화시키는 단계에서 발생하는 화학구조의 변이를 나타낸 것이다.
도 4는 질소 도핑된 다공성 탄소 물질 합성 시, 생겨날 수 있는 질소의 특이적 구조를 나타낸다. 각 질소 구조의 명칭은 회색 글 상자에 표기하였다.
도 5는 질소 도핑된 다공성 탄소 물질의 합성 과정을 촬영한 것이다. (a: 안정화 단계를 거친 폴리아크릴로니트릴, b: 폴리아크릴로니트릴과 수산화칼륨을 혼합하기 전, c: 합성이 완료되고 수득한 폴리아크릴로니트릴 기반의 질소 도핑 다공성 탄소 물질)
도 6은 수산화칼륨 활성화에 따른 탄소 구조의 표면 변화를 보여주는 이미지이다.
도 7은 질소 도핑된 다공성 탄소 물질에 코발트 전구체 (아세트산코발트)를 혼합하고, 음파처리를 가해 함침시키는 과정을 촬영한 것이다.
도 8은 코발트 도핑에 의한 표면 구조 변화를 보여주는 이미지 사진이다.
도 9는 합성된 질소 및 코발트 도핑 다공성 탄소 물질의 연료전지 양극 소재로써 성능을 측정한 것이다. 측정 시, 회전 - 링 디스크 전극 (Rotating ring-disk electrode) 측정법을 사용하였다.
도 10은 합성된 질소 및 코발트 도핑 다공성 탄소 물질의 슈퍼커패시터로써의 성능을 측정한 것이다.
도 11은 수산화칼륨 처리량과 코발트 도핑량에 따른 정전용량값을 나타낸다.
FIG. 1 is a flow chart showing a step of producing a porous carbon in which nitrogen and metal are simultaneously doped according to the present invention.
Figure 2 shows the variation of the chemical structure occurring in the stabilization step.
Figure 3 shows the variation of the chemical structure resulting from the carbonization step.
Fig. 4 shows the specific structure of nitrogen that can be generated when synthesizing a nitrogen-doped porous carbon material. The name of each nitrogen structure is shown in a gray box.
5 is a photograph of the synthesis process of the nitrogen-doped porous carbon material. (a: polyacrylonitrile subjected to a stabilization step, b: polyacrylonitrile and potassium hydroxide before mixing, c: polyacrylonitrile-based nitrogen-doped porous carbon material after synthesis)
Fig. 6 is an image showing the surface change of the carbon structure due to activation of potassium hydroxide. Fig.
FIG. 7 is a photograph showing a process of mixing a nitrogen-doped porous carbon material with a cobalt precursor (cobalt acetate) and impregnating the mixture with a sound wave treatment.
8 is an image showing the change in surface structure due to cobalt doping.
FIG. 9 shows the performance of the synthesized nitrogen and cobalt-doped porous carbon material as a fuel cell cathode material. For the measurement, a rotating ring-disk electrode measurement method was used.
Fig. 10 shows the performance of the synthesized nitrogen and cobalt-doped porous carbon material as a supercapacitor.
Fig. 11 shows capacitance values according to potassium hydroxide throughput and cobalt doping amount.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

도 1은 본 발명의 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소를 제조하는 단계를 나타낸 순서도이다. 도 2는 안정화 단계에서 발생하는 화학구조의 변이를 나타낸 것이다. 도 3은 탄소화시키는 단계에서 발생하는 화학구조의 변이를 나타낸 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a flow chart showing steps of producing the porous carbon doped with nitrogen and metal of the present invention. Fig. Figure 2 shows the variation of the chemical structure occurring in the stabilization step. Figure 3 shows the variation of the chemical structure resulting from the carbonization step.

도 1을 참고하면, 본 발명은 안정화 단계, 활성화제와 혼합하는 단계, 탄소화 단계, 금속염과 혼합단계, 함침단계 및 열처리(탄소화) 단계를 포함한다.Referring to FIG. 1, the present invention includes a stabilization step, mixing with an activator, a carbonization step, a metal salt mixing step, an impregnation step and a heat treatment (carbonization) step.

상기 안정화 단계는 질소를 함유한 고분자를 공기와 접촉시켜 반응하는 단계이다. The stabilization step is a step of reacting the nitrogen-containing polymer with air.

도 2를 참고하면, 상기 안정화 단계는 질소를 함유하는 상기 고분자를 산화반응시켜 고리화하는 단계일 수 있다. 상기 안정화 단계에서 상기 고분자는 고리화되면서 안정화되고, 또한, 상기 질소가 고리화된 탄화수소 구조에 포함되어 기공 표면에 질소의 함유량이 증가된다. Referring to FIG. 2, the stabilization step may be a step of cyclizing the polymer containing nitrogen by an oxidation reaction. In the stabilization step, the polymer is stabilized while being cyclized, and the nitrogen is included in the cyclized hydrocarbon structure to increase the nitrogen content on the pore surface.

도 2를 참고하면, 상기 안정화 단계는 탈수반응과 고리화 반응을 포함하여 수행되며, 그 결과 안정화된 고분자는 고리 구조에 질소를 상당량 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the stabilization step is performed including a dehydration reaction and a cyclization reaction. As a result, the stabilized polymer may contain a considerable amount of nitrogen in the ring structure.

상기 질소 함유 고분자는 질소를 포함하고 있으며, 탄화 공정 (carbonization) 을 통해서 탄소물질로 변화가 가능한 탄소 전구체 (carbon precursor) 로 사용이 가능한 고분자라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 본 발명에서는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리아닐린(polyaniline, PANI), 폴리피롤(polypyrrole, PPy) 및 폴리로다닌(polyrhodanine)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자인 것이 바람직하다. 또한, PAN을 단독으로 사용하거나, PANI 또는 PPy를 1 ~ 90%의 무게비로 PAN에 혼합하여 사용할 수 있다. The nitrogen-containing polymer includes nitrogen and is not particularly limited as long as it is a polymer which can be used as a carbon precursor which can be changed into a carbon material through carbonization. In the present invention, polyacrylonitrile ( polyacrylonitrile (PAN), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), and polyrhodanine. PAN may be used alone, or PANI or PPy may be mixed with PAN at a weight ratio of 1 to 90%.

상기 안정화 단계는 1 ~ 20℃/min의 속도로 승온하여 250 ~ 300℃에서 1 ~ 3 시간 동안 열처리할 수 있다. 승온 속도가 1/min 미만일 경우 소요 시간이 오래 걸리고, 20/min을 초과할 경우 반응이 급격하게 일어나 안정화에 문제가 있다. 안정화 시키는 온도가 250 미만일 경우 안정화 시간이 오래 걸리며, 300를 초과할 경우 고분자가 녹을 가능성이 있다. The stabilization step may be performed at a temperature of 1 to 20 ° C / min and at a temperature of 250 to 300 ° C for 1 to 3 hours. If the rate of temperature rise is less than 1 / min, the time required takes a long time. If the rate is more than 20 / min, the reaction occurs sharply and there is a problem in stabilization. If the stabilizing temperature is less than 250, the stabilization time is long. If the stabilizing temperature is more than 300, the polymer may melt.

이때 공급되는 공기의 유량은 50 ~ 200 ㎖/min이 바람직하며, 이에 미달할 경우 안정화 시 필요한 산소가 부족할 수 있다. 반면, 초과할 경우 고분자가 안정화되지 않고, 타 버릴 수 있는 문제가 있다. 고분자가 산소에 의해 산화됨에 따라, 더 안정한 화학적 구조로 변환이 일어나며, 다량의 질소를 표면으로 노출시키게 된다. 따라서, 연료 전지의 전극이나 슈퍼커패시터에 이용할 수 있는 장점이 있다. At this time, the flow rate of the supplied air is preferably 50 to 200 ml / min. If the flow rate is less than this, the oxygen required for stabilization may be insufficient. On the other hand, when the amount is exceeded, there is a problem that the polymer is not stabilized and burned. As the polymer is oxidized by oxygen, conversion to a more stable chemical structure occurs, exposing a large amount of nitrogen to the surface. Therefore, there is an advantage that it can be used for an electrode of a fuel cell or a supercapacitor.

상기 혼합단계는 안정화된 고분자를 활성화제와 혼합하는 단계이다.The mixing step is a step of mixing the stabilized polymer with an activator.

상기 활성화제는 수산화칼륨, 수산화나트륨, H3PO4, ZnCl2일 수 있다.The activating agent may be potassium hydroxide, sodium hydroxide, H3PO4, ZnCl2.

상기 활성화제가 처리된 고분자는 탄소화 단계에서 탄소 소재의 표면적을 넓히고, 기공의 수를 증가시킬 수 있다.The polymer treated with the activator can broaden the surface area of the carbon material in the carbonization step and increase the number of pores.

상기 고분자와 수산화칼륨의 혼합 비율은 1:0.5 ~ 1:5가 바람직하다. 이때, 고체인 수산화칼륨을 직접 고분자와 혼합할 수도 있으며, 물, 알코올 또는 유기용매에 수산화칼륨을 용해시킨 후, 이를 고분자와 혼합한 뒤 증발시키는 것도 가능하다. 상기 알코올은 에탄올 또는 C1 ~ C7 알코올을 사용할 수 있으며, 상기 유기용매는 THF, 아세톤 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. The mixing ratio of the polymer and potassium hydroxide is preferably 1: 0.5 to 1: 5. At this time, the solid potassium hydroxide may be directly mixed with the polymer, or potassium hydroxide may be dissolved in water, alcohol or an organic solvent, followed by mixing with the polymer and then evaporating. The alcohol may be ethanol or a C1-C7 alcohol, and the organic solvent may be THF, acetone, etc., but is not limited thereto.

상기 탄소화 단계는 상기 활성화제와 혼합된 고분자를 탄소화시켜 질소가 도핑된 다공성 탄소소재를 제조하는 단계이다. The carbonization step is a step of carbonizing the polymer mixed with the activating agent to prepare a nitrogen-doped porous carbon material.

상기 탄소화 단계는 비활성 기체 존재하의 열처리를 통해 고리화된 고분자들을 결합시켜 그래파이트 구조로 전이시키는 단계이다. 도 3을 참고하면, 온도 증가에 따라 고리화된 고분자가 인접 고분자와 결합되어 질소 함유된 다공성 그래파이트 구조를 나타내는 탄소소재로 전이된다.The carbonization step is a step of transferring the cyclized polymers to a graphite structure by heat treatment in the presence of an inert gas. Referring to FIG. 3, as the temperature increases, the cyclized polymer binds to the adjacent polymer and is transferred to a carbon material exhibiting a nitrogen-containing porous graphite structure.

상기 탄소화 단계는 비활성 기체하에서 1 ~ 10℃/min의 속도로 승온하여 600 ~ 1300℃에서 일정시간 동안 유지한다. 승온 속도는 1 ~ 10/min가 적절하며, 600 ~ 1300℃에서 일정시간 동안 유지하게 되면 활성화는 성공적으로 일어난다. 승온 속도가 1/min 미만이면 열처리 시간이 불필요하게 증가하게 되며, 승온 속도가 10/min를 초과하면 기공이 충분히 발달하지 않는 문제가 있다. 또한, 온도 측면에서 열처리 온도가 600℃ 미만이면 고분자의 표면적이 감소하며, 1300℃를 초과하면 수율이 감소하고 열처리 장치의 부식이 심해져 내구성에 영향을 준다. 이때, 고분자가 산화되어 소멸하는 것을 방지하기 위하여, 질소 혹은 아르곤 같은 비활성 기체 하에서 반응을 수행하며, 고분자에 추가적인 반응을 위하여 이산화탄소(CO2) 등의 기타 기체를 더 포함할 수 있다.The carbonization step is carried out at a rate of 1 ~ 10 ° C / min under an inert gas and maintained at 600 ~ 1300 ° C for a predetermined time. The heating rate is suitably from 1 to 10 / min. When the temperature is maintained at 600 to 1300 ° C for a predetermined time, the activation is successful. If the heating rate is less than 1 / min, the heat treatment time is unnecessarily increased. If the heating rate is more than 10 / min, the pores are not sufficiently developed. If the heat treatment temperature is lower than 600 ° C, the surface area of the polymer decreases. If the temperature exceeds 1300 ° C, the yield decreases and the corrosion of the heat treatment apparatus becomes more severe, thereby affecting the durability. At this time, in order to prevent the polymer from being oxidized and disappearing, the reaction is performed under an inert gas such as nitrogen or argon, and further gas such as carbon dioxide (CO2) may be added to the polymer for further reaction.

또한, 상기 탄소화 단계는 상기 활성화제가 상기 탄소소재 골격을 형성하는 탄소 일부와 반응하여 상기 다공성을 형성하는 반응을 포함한다.In addition, the carbonization step includes a reaction in which the activator reacts with a part of carbon forming the carbon material skeleton to form the porosity.

상기 탄소화 단계에서 활성화제로서 수산화칼륨을 사용하는 경우 다공성을 형성하는 과정은 하기 반응식과 같다.When potassium hydroxide is used as the activating agent in the carbonization step, the process of forming the porosity is as shown in the following reaction formula.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

4KOH + C ↔ 4K+CO2+2H20 (1)4KOH + C? 4K + CO 2 + 2H 2 0 (1)

4KOH + 2CO2 ↔ 2K2CO3 + 2H20 (2) 4KOH + 2CO 2 ↔ 2K 2 CO 3 + 2H 2 0 (2)

탄소가 수산화칼륨과 반응하며 1차적으로 그래파이트 구조를 무너뜨리고, 그 과정에서 생성되는 기체(이산화탄소 및 수증기)가 추가적인 다공성을 형성한다(1). 또한, 그 외의 고체 부산물 (K, K2CO3 등)이 형성된 구멍을 확장시키는 역할을 한다(2). 위 세 단계를 거치면서, 본 발명에서는 다공성과 그래파이트의 특성을 동시에 지니는 질소가 도핑된 다공성 탄소소재를 제조할 수 있다.Carbon reacts with potassium hydroxide, primarily destroying the graphite structure, and the gases (carbon dioxide and water vapor) produced in the process form additional porosity (1). In addition, it plays a role in expanding the holes formed by other solid by-products (K, K 2 CO 3, etc.) (2). Through the above three steps, a nitrogen-doped porous carbon material having both porosity and graphite characteristics can be produced in the present invention.

상기 방법은 질소가 도핑된 다공성 탄소소재를 제조하는 단계 이후에 산처리를 수행하여 미반응 잔류물을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.The method may further comprise the step of performing the acid treatment after the step of producing the nitrogen-doped porous carbon material to remove unreacted residues.

즉, 탄소화 단계 후에 미반응 잔여물 (잔류 활성화제, 수산화칼륨 등)을 제거하기 위하여 중화반응을 시킨다. 중화반응은 염산(HCl), 과염소산(HClO4), 질산(HNO3) 또는 황산(H2SO4)으로 이루어진 군에서 선택된 강산으로 수행할 수 있다. 이 때, 강산의 농도는 0.1 ~ 10M인 것이 바람직하며, 강산의 농도가 0.1M 미만인 경우 잔여물을 제거하기에 역부족이며, 10M을 초과하는 경우 산 세척 이후의 단계인 물 세척 단계에서 산이 탄소에 남아 있을 수 있는 문제가 있다.That is, after the carbonization step, a neutralization reaction is carried out to remove unreacted residues (residual activator, potassium hydroxide, etc.). The neutralization reaction may be carried out with a strong acid selected from the group consisting of hydrochloric acid (HCl), perchloric acid (HClO4), nitric acid (HNO3) or sulfuric acid (H2SO4). In this case, the concentration of the strong acid is preferably 0.1 to 10M, and when the concentration of the strong acid is less than 0.1M, the residue is insufficient to remove the residue. If the concentration exceeds 10M, There is a problem that can remain.

본 발명은 상기 질소 도핑된 상기 다공성 탄소 소재를 금속 염과 혼합하는 단계를 포함한다. 상기 금속염으로는 금속염은 코발트 염, 니켈 염, 철 염 그리고 망간 염과 같은 전이금속 기반의 염일 수 있다.The present invention includes the step of mixing the nitrogen-doped porous carbon material with a metal salt. As the metal salt, the metal salt may be a transition metal-based salt such as cobalt salt, nickel salt, iron salt, and manganese salt.

상기 코발트염으로는 아세트산 코발트, 질산 코발트 등이 있다.Examples of the cobalt salt include cobalt acetate and cobalt nitrate.

상기 탄소 소재와 금속염의 혼합 비율은 1:0.05 ~ 1:0.5, 바람직하게는 1: 0.05~0.2일 수 있다.The mixing ratio of the carbon material to the metal salt may be 1: 0.05 to 1: 0.5, preferably 1: 0.05 to 0.2.

상기 함침 단계는 금속염을 다공성 탄소소재의 기공에 주입하는 단계이다.The impregnating step is a step of injecting the metal salt into the pores of the porous carbon material.

상기 함침단계는 금속염을 용매(물 또는 에탄올 등)에 녹여 액상으로 만드는 단계 및 금속염 용액과 고분자의 혼합물을 교반하는 단계를 포함한다. 상기 교반은 초음파 처리를 시켜준다. 초음파처리를 통해 코발트 이온의 운동성을 증가시킬 수 있기 때문에, 다공성 탄소의 기공에 안착시키기 용이해진다. 이 과정은 자석을 이용한 교반으로 대체할 수 있다. 처리가 끝난 생성물에서 용매를 제거해야 하므로, 100℃이상의 고온에서 건조시켜준다.The impregnating step includes a step of dissolving the metal salt in a solvent (such as water or ethanol) to form a liquid phase, and a step of stirring a mixture of the metal salt solution and the polymer. The stirring is performed by ultrasonic treatment. Since the mobility of the cobalt ions can be increased through the ultrasonic treatment, it becomes easy to settle in the pores of the porous carbon. This process can be replaced by agitation using a magnet. Since the solvent must be removed from the treated product, it is dried at a high temperature of 100 ° C or higher.

상기 열처리 단계는 비활성 기체 하에서 1 ~ 10℃/min의 속도로 승온하여 800 ~ 900℃에서 1 ~ 3시간 동안 열처리할 수 있다. The heat treatment step may be performed at a temperature of 1 to 10 ° C / min under an inert gas atmosphere and then heat-treated at 800 to 900 ° C for 1 to 3 hours.

좀 더 상세하게는, 초음파 처리 후 건조가 완료된 혼합물은 분말의 형태이며, 800℃ 이상의 열처리를 통해 금속 도핑을 하게 된다. 상기 열처리는 800℃이상의 온도에서 처리할 경우, 예를 들면, Co3O4의 형태로 코발트 도핑이 이뤄지게 된다. 이후, 미반응 잔여물 (코발트 이온)을 제거하기 위해 물과 에탄올을 이용해 여과 과정을 거치게 된다. 마찬가지로, 용매를 증발시키면 고운 분말 형태의 질소 및 금속 동시 도핑 다공성 탄소 물질을 얻게 된다.More specifically, the mixture after the ultrasonic treatment has been dried is in the form of a powder, which is subjected to metal doping through heat treatment at 800 ° C or higher. When the heat treatment is performed at a temperature of 800 ° C or higher, cobalt doping is performed, for example, in the form of Co 3 O 4 . Thereafter, filtration is performed using water and ethanol to remove unreacted residues (cobalt ions). Likewise, evaporation of the solvent results in a coarse doped porous carbon material in the form of fine powder.

본 발명은 코발트 도핑과정에서 산화코발트(Co3O4)의 형태로 도핑되면서 새로운 활성부위로써 작용한다. 또한, 코발트 도핑 과정에서 질소 구조에 변화를 줌으로써 활성에 영향을 준다. 이렇게 소재에 반영된 특성들에 의해 연료전지 양극 소재로써는 그래핀 및 백금 기반의 소재에 상응하는 성능을 보여주고, 슈퍼커패시터 소재로써 300F/g의 고정전용량을 가지게 된다The present invention serves as a new active site while being doped in the form of cobalt oxide (Co 3 O 4 ) in a cobalt doping process. It also affects the activity by changing the nitrogen structure in the cobalt doping process. Due to the characteristics reflected in the material, the anode material of the fuel cell shows a performance equivalent to that of graphene and platinum based materials, and has a fixed capacitance of 300 F / g as a super capacitor material

다른 양상에서, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된 다공성의 탄소소재로서, 질소와 금속이 동시 도핑된 다공성 탄소를 제공한다. In another aspect, the present invention is a porous carbonaceous material prepared according to the method, which provides a porous carbon in which nitrogen and metal are co-doped.

본 발명의 탄소소재는 다공성의 그래파이트 구조를 가지며, 질소와 금속이 동시 도핑되어 있다.The carbon material of the present invention has a porous graphite structure and is simultaneously doped with nitrogen and metal.

상기 다공성 탄소소재는 연료전지 양극 소재로써 사용하는 경우, 0.825 ~ 0.839V (표준수소전극 기준)의 반파 전위 (Half wave potential)와 약 4mA/cm2의 전류밀도 (0.7V, 표준수소전극 기준)를 보여준다.The porous carbon material has a half wave potential of 0.825 to 0.839 V (standard hydrogen electrode standard) and a current density (0.7 V, standard hydrogen electrode standard) of about 4 mA / cm 2 when used as a fuel cell anode material Show.

상기 다공성 소재는 슈퍼커패시터 전극으로써 사용할 경우 정전용량이 100~300F/g 범위를 가질 수 있다.When the porous material is used as a supercapacitor electrode, the capacitance may range from 100 to 300 F / g.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

실시예Example 1: 질소와 코발트가 동시 도핑 다공성 탄소소재의 제조 1: Preparation of Co-doped Porous Carbon Material with Nitrogen and Cobalt

PAN을 안정화시키는 단계Stabilizing the PAN

본 발명의 일 실시예에 따른 질소 도핑 다공성 탄소소재를 제조하는 방법에 관한 순서도를 도 1에 도시하였다. 하기의 구조식을 가지는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)을 가공하지 않은 상태로 고르게 핀 다음, 2/min의 승온 속도로, 280까지 온도를 상승시켰다.A flow diagram of a method for producing a nitrogen-doped porous carbon material according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. Polyacrylonitrile (PAN) having the following structural formula was uniformly peened without being processed, and then the temperature was raised to 280 at a heating rate of 2 / min.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112015023326118-pat00001
Figure 112015023326118-pat00001

그 후 이를 2시간 동안 일정한 온도로 유지시키면서, 공기(air)를 100㎖/min의 유속으로 계속해서 흘려주었다. 목표한 시간이 지난 다음, 공기를 지속적으로 흘려주면서 식혀주었다. 그 결과 하얀색의 PAN이 검정색이나 갈색으로 변한 것을 확인할 수 있었다(도 5의 a). 안정화 과정에서 발생하는 화학구조의 변이는 도 2에 나타낸 바와 같다.The air was then continuously pumped at a flow rate of 100 ml / min while maintaining it at a constant temperature for 2 hours. After the target time has passed, the air has been poured continuously and cooled. As a result, it was confirmed that the white PAN changed to black or brown (Fig. 5 (a)). The variation of the chemical structure occurring in the stabilization process is as shown in Fig.

수산화칼륨과 혼합하는 단계Mixing with potassium hydroxide

수산화칼륨 팰릿을 분쇄하여 가루로 만든 후, 상기 안정화시킨 PAN과 수산화칼륨 분말을 1:3(PAN: 수산화칼륨)의 질량비로 혼합하였다(도 5의 b).The potassium hydroxide pellets were pulverized into powders, and the stabilized PAN and potassium hydroxide powders were mixed in a mass ratio of 1: 3 (PAN: potassium hydroxide) (FIG. 5B).

탄소화시키는Carbonated 단계 step

골고루 섞은 샘플을 5/min의 승온 속도로 750까지 가열한 다음, 1시간 동안 유지시키고 샘플을 식혀주었다. 그리고, 아르곤 기체(Argon gas)를 50㎖/min의 유속으로 지속적으로 흘려주었다. 탄소화 과정에서 발생하는 화학구조의 변이는 도 3에 나타낸 바와 같다. 또한, 질소가 포함된 탄소 고리의 구조 역시 다양화되어 나타나는데, 이는 도4에 나타낸 바와 같다.The evenly mixed sample was heated to 750 at a heating rate of 5 / min, held for 1 hour, and cooled. Then, argon gas (argon gas) was continuously flowed at a flow rate of 50 ml / min. The variation of the chemical structure occurring in the carbonization process is as shown in Fig. In addition, the structure of the carbon ring containing nitrogen is also diversified, as shown in FIG.

수산화칼륨 제거 단계Potassium hydroxide removal step

반응이 끝난 뒤, 샘플에 남아있는 수산화칼륨을 제거하기 위하여 5M의 염산을 사용하였다. 수산화칼륨과 염산의 중화 반응이 완료되면, 끓는 물로 여러 차례 씻어서 잔류 수산화칼륨과 염산을 제거하여 중성으로 만들었다. 최종적으로 수득한 생성물을 도 5의 c에 나타내었다.After the reaction was completed, 5M hydrochloric acid was used to remove residual potassium hydroxide in the sample. After the neutralization reaction of potassium hydroxide and hydrochloric acid was completed, the solution was washed several times with boiling water to remove residual potassium hydroxide and hydrochloric acid to neutralize. The finally obtained product is shown in Fig. 5 (c).

질소 도핑 다공성 탄소를 Nitrogen-doped porous carbon 아세트산코발트와Cobalt acetate and 혼합하는 단계 Mixing step

질소 도핑 다공성 탄소 소재를 기반으로 하여, 아세트산코발트 분말을 혼합해준다. 혼합 비율은, 탄소 질량 대비 20%의 아세트산코발트를 혼합해주었다. (도 7의 a)Based on a nitrogen-doped porous carbon material, cobalt acetate powder is mixed. The mixing ratio was 20% of cobalt acetate based on the carbon mass. (A in Fig. 7)

함침시키는Impregnated 단계 step

상기 과정의 혼합물을 20ml의 바이알에 담아 물을 가해, 액상으로 만들어준다. 그 뒤, 음파처리 (Sonication)장치에서 1시간 동안, 음파처리를 시킴으로써 코발트 이온을 효과적으로 함침 (Impregnation)시킨다. 함침시킨 후, 용매인 물을 증발시키기 위해서 120℃의 진공 오븐에서 건조를 실시한다.The mixture of the above process is put into a 20 ml vial, and water is added to make a liquid. Thereafter, the cobalt ions are effectively impregnated by sonication in a sonication apparatus for 1 hour. After impregnation, drying is carried out in a vacuum oven at 120 DEG C to evaporate water as a solvent.

열처리 단계Heat treatment step

건조 후 얻은 혼합물 분말을 아르곤 기체를 흘려주며 5/min의 승온 속도로 800까지 온도를 상승시켰다. 이때, 아르곤 기체의 유량은 50㎖/min으로 유지하였다. 목표한 온도에 도달한 후, 1시간 동안 열처리를 시켰다.After drying, the mixture powder was poured with argon gas and the temperature was raised to 800 at a rate of 5 / min. At this time, the flow rate of argon gas was maintained at 50 ml / min. After reaching the target temperature, heat treatment was performed for 1 hour.

미반응 잔여물 제거하는 단계Step of removing unreacted residue

반응이 종료된 뒤, 샘플에 남아있는 코발트 이온과 같은 미반응 잔여물을 제거하기 위하여 물과 에탄올을 차례로 사용하여 여과시켰다. 여과시킨 후, 진공 오븐에서 건조시킴에 따라 얻은 최종 수득물을 도 7의 b에 나타내었다.After completion of the reaction, water and ethanol were successively filtered to remove unreacted residues such as cobalt ions remaining in the sample. The final product obtained by filtration and drying in a vacuum oven is shown in Figure 7b.

코발트 도핑에 의한 표면 구조 변화를 도 8에 나타내었다.The change in the surface structure due to cobalt doping is shown in FIG.

도 8을 참고하면, 좌측은 질소 도핑된 탄소소재를 나타내고, 우측은 여기에 코발트가 추가로 도핑된 탄소소재이다. 우측 사진을 보면, 코발트 산화물들이 검은 점으로 관찰된다. Referring to FIG. 8, the left side shows a nitrogen doped carbon material, and the right side is a carbon material doped with cobalt. In the right picture, cobalt oxides are observed as black spots.

[시험예][Test Example]

정전 용량 및 분극곡선 (Polarization curve)측정: 정전 용량과 분극곡선을 측정하기 위해 사용된 장비는 Biologic 사에서 제조한 VSP model로써, 전기화학적인 반응을 이용하여 물질의 화학적 성질 및 물리적 성질을 측정하여 데이터를 얻고 분석하여 시료의 전극가능성을 파악하였다.Electrostatic Capacity and Polarization Curve Measurements: The instrument used to measure capacitance and polarization curves was the VSP model manufactured by Biologic, Inc. The electrochemical reaction was used to measure the chemical and physical properties of the material Data were obtained and analyzed to determine the electrode potential of the sample.

연료전지 양극으로써 성능 평가 시, 측정한 반응은 산소환원반응 (ORR: Oxygen reduction reaction)으로 분극곡선의 개형으로 나타나게 된다. (도 9) 측정 전위의 범위는 0 ~ -1V, 주사 속도는 10mV/s 그리고 전극의 회전 속도를 1600RPM으로 설정하여 측정하였다. 또한, 실험은 산소 포화가 된 1M의 수산화나트륨 수용액 상에서 실시되었다. 분극곡선 상에서 전류가 급격히 증가하는 부분을 개시 전위 (Onset potential) 혹은 반파 전위로 나타내는데, 도 9에서 나타내듯이 질소 및 코발트 도핑된 다공성 탄소 소재 (도 9에서 PANKCo2로 표기)는 백금 기반의 탄소 소재에 상응하는 개시 전위를 보여준다. 개시 전위가 빠르게 나타날수록 산소환원반응에 대한 활성이 높다는 뜻이므로, 이는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 탄소 소재의 우수성을 나타낸다. 또한, 전압이 높아짐에 따른 전류의 세기가 백금 기반의 탄소 소재보다 높다는 점에서 양극 소재로써 장점을 지닌다. 이외에도, 비교예(도 9에서 p-PAN으로 표기)와 질소 도핑된 탄소소재(도 9에서 PANK2로 표기)와 비교했을 때, 본 발명의 실시예를 적용함으로써 성능이 크게 향상되었음을 알 수 있다.During the performance evaluation as a fuel cell anode, the measured reaction appears as an opening of the polarization curve by an oxygen reduction reaction (ORR). (FIG. 9) The measurement potential range was 0 to -1 V, the scanning speed was 10 mV / s, and the rotation speed of the electrode was set to 1600 RPM. In addition, the experiment was carried out on an oxygen saturation aqueous solution of 1M sodium hydroxide. As shown in FIG. 9, the nitrogen and cobalt-doped porous carbon material (denoted by PANKCo2 in FIG. 9) is a platinum-based carbonaceous material, as shown in FIG. 9, in which the current rapidly increases on the polarization curve is represented by an onset potential or a half- Showing the corresponding initiation potential. The higher the initiation potential is, the higher the activity toward the oxygen reduction reaction is, which indicates the superiority of the carbon material produced by the embodiment of the present invention. In addition, as the voltage increases, the strength of the current is higher than that of the platinum-based carbon material, which is advantageous as the anode material. In addition, it can be seen that performance is greatly improved by applying the embodiment of the present invention, as compared to the comparative example (denoted as p-PAN in FIG. 9) and the nitrogen doped carbon material (denoted as PANK2 in FIG. 9).

또한, 슈퍼커패시터 전극으로써 실험 시 측정 전위의 범위는 0 ~ -1V, 주사 속도는 20mV/s로 측정한 순환전압 전류법 그래프를 도 10에 나타내었다. 실험은 6M의 수산화칼륨 수용액 상에서 진행되었다. 그래프의 면적은 정전 용량에 비례하므로, 본 발명의 실시예 1(질소 코발트 동시 도핑된 탄소소재, PANKCO3로 표시함)를 적용한 소재의 정전 용량이 제조법을 적용하기 전(p-PAN), 그리고 질소만 도핑된 소재(PANK3) 보다 향상된 결과를 보여줌을 확인할 수 있다.FIG. 10 is a graph of a cyclic voltammetry measured as a supercapacitor electrode at a measurement potential range of 0 to -1 V and a scan speed of 20 mV / s. The experiment was carried out in a 6M aqueous solution of potassium hydroxide. Since the area of the graph is proportional to the electrostatic capacity, the capacitance of the material to which the embodiment 1 (co-doped with nitrogen cobalt, denoted as PANKC O 3) of the present invention is applied (p-PAN) (PANK3), and the results are better than those of nitrogen doped material (PANK3).

도 11은 수산화칼륨 처리량(PAN: KOH = 1: 1, 폴리아닐린과 수산화칼륨 비가 1: 1을 의미함), 코발트 도핑량(5wt% Co doping은 코발트가 5wt% 도핑된 것을 의미함)에 따른 정전용량값을 나타낸다. 도 11을 참고하면, 수산화칼륨의 값이 일정한 경우에도 코발트 도핑량에 따라 정전용량이 증가함을 알 수 있다. 또한, 도 11을 참고하면, 코발트 도핑량이 10wt%일 때 최대 정전용량을 가짐을 확인할 수 있다. Fig. 11 is a graph showing the relationship between the amount of potassium hydroxide treated (PAN: KOH = 1: 1, the ratio of polyaniline and potassium hydroxide being 1: 1) and the amount of cobalt doping (5 wt% Co doping means doping cobalt 5 wt% Quot; Referring to FIG. 11, it can be seen that the capacitance increases with the amount of cobalt doping even when the value of potassium hydroxide is constant. Also, referring to FIG. 11, it can be confirmed that the maximum capacitance is obtained when the doping amount of cobalt is 10 wt%.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will readily appreciate that many modifications are possible in the exemplary embodiments without materially departing from the novel teachings and advantages of this invention. something to do. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (21)

질소를 함유한 고분자를 공기와 접촉하여 안정화시키는 단계 ;
상기 안정화된 고분자를 활성화제와 혼합하는 단계 ;
상기 활성화제와 혼합된 고분자를 탄소화시켜 질소가 도핑된 다공성 탄소소재를 제조하는 단계 ;
질소 도핑된 상기 다공성 탄소 소재를 금속 염과 혼합하는 단계;
상기 금속염을 상기 탄소소재에 함침(Impregnation)시키는 단계 ;
상기 금속염이 함침된 탄소 소재를 열처리시키는 단계를 포함하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.
Stabilizing the nitrogen-containing polymer by contact with air;
Mixing the stabilized polymer with an activator;
Carbonizing the polymer mixed with the activating agent to produce a nitrogen-doped porous carbon material;
Mixing the nitrogen-doped porous carbon material with a metal salt;
Impregnating the carbonaceous material with the carbonaceous material;
And heat treating the carbonaceous material impregnated with the metal salt to form a porous carbon material.
제 1항에 있어서, 상기 질소를 함유한 고분자는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리아닐린(polyaniline, PANI), 폴리피롤(polypyrrole, PPy) 및 폴리로다닌(polyrhodanine)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자인 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.The method of claim 1, wherein the nitrogen-containing polymer is at least one selected from the group consisting of polyacrylonitrile (PAN), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), and polyuronan A method for producing a porous carbon material doped with nitrogen and metal, characterized in that the porous carbon material is a polymer. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 질소가 도핑된 다공성 탄소소재를 제조하는 단계 이후에 산처리를 수행하여 미반응 잔류물을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.The method of claim 1, wherein the method further comprises the step of performing an acid treatment after removing the unreacted residue to produce a nitrogen-doped porous carbon material. A method for producing a porous carbon material. 제 1항에 있어서, 상기 안정화 단계는 상기 고분자를 산화반응시켜 고리화하는 단계인 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.The method of claim 1, wherein the stabilizing step comprises cyclizing the polymer by an oxidation reaction. 제 1항에 있어서, 상기 안정화 단계는 1 ~ 20℃/min의 속도로 승온하여 250 ~ 300℃에서 1 ~ 3 시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.The method of claim 1, wherein the stabilizing step is performed at a temperature ranging from 1 to 20 ° C / min and a heat treatment is performed at 250 to 300 ° C for 1 to 3 hours. 제 1항에 있어서, 상기 안정화 단계는 공기를 50 ~ 200 ㎖/min으로 공급하는 하는 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.2. The method of claim 1, wherein the stabilizing step comprises supplying air at a rate of 50 to 200 ml / min. 제 1항에 있어서, 상기 고분자와 활성화제의 혼합 비율은 무게비로 1:0.5 ~ 1:5인 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.The method of claim 1, wherein the mixing ratio of the polymer and the activator is 1: 0.5 to 1: 5 by weight. 제 1항에 있어서, 상기 활성화제는 수산화칼륨, 수산화나트륨, H3PO4, ZnCl2인 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.2. The method of claim 1, wherein the activator is potassium hydroxide, sodium hydroxide, H3PO4, ZnCl2. 제 1항에 있어서, 상기 탄소화 단계는 비활성 기체 하에서 1 ~ 10℃/min의 속도로 승온하여 600 ~ 1300℃에서 일정 시간 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.The method of claim 1, wherein the carbonization step comprises raising the temperature at a rate of 1 to 10 ° C / min under an inert gas, and maintaining the mixture at 600 to 1300 ° C for a predetermined period of time. . 제 1항에 있어서, 상기 탄소화 단계는 비활성 기체 존재 하의 열처리를 통해 고리화된 고분자들을 결합시켜 그래파이트로 전이시키는 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.2. The method of claim 1, wherein the carbonizing step is performed by heat treatment in the presence of an inert gas to bind the cyclized polymer to the graphite. 제 10항에 있어서, 상기 탄소화 단계는 상기 활성화제가 상기 그래파이트 골격을 형성하는 탄소 일부와 반응하여 상기 그래파이트에 다공성을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.11. The method of claim 10, wherein the carbonizing step is a step of reacting the activating agent with a part of carbon forming the graphite skeleton to form porosity on the graphite. 제 3항에 있어서, 상기 산은 염산(HCl), 과염소산(HClO4), 질산(HNO3) 또는 황산(H2SO4)으로 이루어진 군에서 선택된 강산인 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.4. The method of claim 3, wherein the acid is a strong acid selected from the group consisting of hydrochloric acid (HCl), perchloric acid (HClO4), nitric acid (HNO3), and sulfuric acid (H2SO4). 제 3항에 있어서, 상기 산의 농도는 0.1 ~ 10M인 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.4. The method of claim 3, wherein the concentration of the acid is 0.1 to 10M. 제 1항에서, 상기 금속염은 전이금속 기반의 염인 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.The method of claim 1, wherein the metal salt is a transition metal-based salt. 제 14항에서, 상기 전이금속 기반의 염이 코발트 염, 니켈 염, 철 염 및 망간 염의 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.15. The method of claim 14, wherein the transition metal-based salt is selected from the group of cobalt salts, nickel salts, iron salts, and manganese salts. 제 1항에서, 상기 탄소 소재와 금속염의 혼합 비율(중량)은 1:0.05 ~ 1:0.5인 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.The method of claim 1, wherein the mixing ratio (weight) of the carbon material to the metal salt is 1: 0.05 to 1: 0.5. 제 1항에서, 상기 함침 단계는 상기 탄소소재와 금속염을 용해하는 단계 및 초음파처리(Sonication) 단계 또는 자석 막대를 이용한 교반 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.The method according to claim 1, wherein the impregnating step includes a step of dissolving the carbon material and a metal salt, a step of sonication, or a stirring step using a magnet rod. . 제 1항에 있어서, 상기 열처리 단계는 비활성 기체 하에서 1 ~ 10℃/min의 속도로 승온하여 800 ~ 900℃에서 1 ~ 3시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소소재 제조 방법.2. The method of claim 1, wherein the heat treatment step is performed at a temperature of 1 to 10 DEG C / min under an inert gas atmosphere, and then heat-treated at 800 to 900 DEG C for 1 to 3 hours to produce a porous carbon material doped with nitrogen and metal. Way. 제 1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따라 제조된 다공성의 그래파이트 구조로서, 질소와 금속이 상기 그래파이트 구조에 동시 도핑된 다공성 탄소 소재.18. A porous graphite structure produced according to any one of claims 1 to 18, wherein the nitrogen and metal are simultaneously doped to the graphite structure. 제 19항에 있어서, 상기 탄소소재는 산소환원반응의 반파 전위 (Half wave potential)가 0.825 ~ 0.839V (표준수소전극 기준)이고, 0.7V (표준수소전극 기준)에서 전류 밀도가 4mA/cm2에 준하는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소 소재.The method of claim 19, wherein the carbon material has a half-wave potential of 0.825 to 0.839 V (standard hydrogen electrode standard) in an oxygen reduction reaction, a current density of 4 mA / cm 2 at 0.7 V (standard hydrogen electrode standard) Wherein the porous carbon material is a porous carbon material. 제 19항에 있어서, 상기 탄소소재는 정전 용량이 100~300F/g인 것을 특징으로 하는 다공성 탄소 소재.
The porous carbon material according to claim 19, wherein the carbon material has an electrostatic capacity of 100 to 300 F / g.
KR1020150033171A 2015-03-10 2015-03-10 Nitrogen and Metal doped Porous Carbon Materials and Method of Manufacturing the Same KR101865993B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150033171A KR101865993B1 (en) 2015-03-10 2015-03-10 Nitrogen and Metal doped Porous Carbon Materials and Method of Manufacturing the Same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150033171A KR101865993B1 (en) 2015-03-10 2015-03-10 Nitrogen and Metal doped Porous Carbon Materials and Method of Manufacturing the Same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160110649A KR20160110649A (en) 2016-09-22
KR101865993B1 true KR101865993B1 (en) 2018-06-11

Family

ID=57102676

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150033171A KR101865993B1 (en) 2015-03-10 2015-03-10 Nitrogen and Metal doped Porous Carbon Materials and Method of Manufacturing the Same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101865993B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200030168A (en) 2018-09-12 2020-03-20 한국세라믹기술원 Method for preparing carbon materials functionalized with chlorine atoms

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109473634B (en) * 2017-09-07 2021-05-04 南京理工大学 Method for solid-phase co-thermal synthesis of molybdenum diselenide/nitrogen-doped carbon rod
CN110741497B (en) 2017-09-19 2022-07-05 株式会社Lg化学 Method for preparing catalyst for fuel cell and catalyst for fuel cell prepared thereby
KR102567960B1 (en) * 2017-12-07 2023-08-16 주식회사 엘지에너지솔루션 A seperator for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery comprising the same
CN108199052B (en) * 2017-12-28 2021-09-07 东华大学 Fe-N-C composite material based on metal organogel and preparation method thereof
CN108649237B (en) * 2018-04-27 2021-08-10 东华大学 Gel pyrolysis-based cobalt-nitrogen doped carbon composite material and preparation method and application thereof
CN108899555B (en) * 2018-06-20 2021-03-05 东华大学 Preparation method of iron-doped composite electro-catalytic material constructed by hydrogel
KR102102865B1 (en) * 2018-11-29 2020-04-22 고려대학교 세종산학협력단 Doped mesoporous carbon material and preparing method thereof
KR102158638B1 (en) * 2019-01-28 2020-09-22 한국화학연구원 Method for preparing two-dimensional vanadium carbide for hydrogen-generating catalyst electrode
KR102066844B1 (en) * 2019-05-17 2020-01-17 한국과학기술연구원 Methods for manufacturing catalysts for producing hydrogen peroxide, and catalysts for producing hydrogen peroxide manufactured by thereof
KR102286177B1 (en) * 2019-10-30 2021-08-04 한국세라믹기술원 Manufacturing method of porous active carbon, manufacturing method of supercapacitor electrode using the porous active carbon and supercapacitor using the supercapacitor electrode
KR102338571B1 (en) * 2021-03-19 2021-12-15 이흥우 Heat exchange tube of ammonia refrigerator for marine vessel and manufacturing method thereof
KR102603475B1 (en) * 2021-07-29 2023-11-16 인하대학교 산학협력단 Manufacturing method of n-doped highly graphitic nanoshell and use thereof
CN114643074B (en) * 2022-04-28 2023-10-27 扬州工业职业技术学院 Nitrogen-doped composite carbon material and application thereof
CN115448310B (en) * 2022-09-23 2024-03-29 国网河北能源技术服务有限公司 Nitrogen-containing porous carbon material and preparation method and application thereof

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Current Applied Physics. 2010, Vol. 10, pp. 947-951 (2009.11.29.) *
Current Applied Physics. 2010, Vol. 10, pp. 947-951 (2009.11.29.) 1부. *
Current Applied Physics. 2010, Vol. 10, pp. 947-951 (2009.11.29.)*
J. Phys. Chem. C. 2014, Vol. 118, pp. 9357-9367 (2014.04.14.) *
J. Phys. Chem. C. 2014, Vol. 118, pp. 9357-9367 (2014.04.14.) 1부. *
J. Phys. Chem. C. 2014, Vol. 118, pp. 9357-9367 (2014.04.14.)*

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200030168A (en) 2018-09-12 2020-03-20 한국세라믹기술원 Method for preparing carbon materials functionalized with chlorine atoms

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160110649A (en) 2016-09-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101865993B1 (en) Nitrogen and Metal doped Porous Carbon Materials and Method of Manufacturing the Same
Bi et al. One-pot microwave synthesis of NiO/MnO2 composite as a high-performance electrode material for supercapacitors
Wang et al. Functionalized highly porous graphitic carbon fibers for high-rate supercapacitive electrodes
Kim et al. Heteroatom-doped porous carbon with tunable pore structure and high specific surface area for high performance supercapacitors
KR101946446B1 (en) Method of Preparing Porous Carbon Materials Co-Doped with Boron and Nitrogen
Biemolt et al. Boosting the Supercapacitance of Nitrogen‐Doped Carbon by Tuning Surface Functionalities
CN110117009B (en) Preparation method of iron-nitrogen co-doped magnetic porous graphitized nano carbon aerogel
CN110467182B (en) Reaction template-based hierarchical porous carbon-based material and preparation method and application thereof
Talapaneni et al. Bottom-up synthesis of fully sp 2 hybridized three-dimensional microporous graphitic frameworks as metal-free catalysts
CN106517136A (en) Method for preparing iron/nitrogen-codoped ordered mesoporous carbon material
CN102923688A (en) Preparation method and application of nitrogen-doped carbon material
KR101630933B1 (en) Method of preparing heteroatom-doped carbon materials using flue gas comprising carbon dioxide
CN105314614A (en) Nitrogen-doped porous carbon nanotube material and its preparation method and use in super capacitor electrode
JP2017528401A (en) Applications of tungsten-containing materials
CN104900423A (en) Preparing method for doped carbon material of super-capacitor
CN105931855A (en) Synthesizing method of nitrogen and sulfur co-doped carbon/polyaniline composite material and application to supercapacitor
CN111359651B (en) Transition metal-nitrogen coordinated carbon gel electrocatalyst and preparation method and application thereof
Song et al. Effect of heteroatom doping on the charge storage and operating voltage window of nickel-based sulfide composite electrodes in alkaline electrolytes
Sharma et al. Facile synthesis and electrochemical performance of Mg-substituted Ni1-xMgxCo2O4 mesoporous nanoflakes for energy storage applications
CN106582766A (en) Preparation for transition metal and nitrogen co-doped two-dimensional graphene through confinement micro-reactor
CN106783199B (en) A kind of infiltration has high temperature pyrolysis product of hollow carbon sphere of melamine and preparation method thereof
KR101969970B1 (en) Method of Synthesizing Boron-Doped Carbon Materials from Carbon Dioxide by Impregnation of Transition Metal Oxide
Li et al. Electrochemical performance improvement of N-doped graphene as electrode materials for supercapacitors by optimizing the functional groups
Liu et al. Modulating pore nanostructure coupled with N/O doping towards competitive coal tar pitch-based carbon cathode for aqueous Zn-ion storage
KR101478139B1 (en) Manufacturing method of activated carbons

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right