KR101910228B1 - 전기흡착식 담수화 장치용 전극 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 산화물이 원자막 단위로 증착된 그래핀 에어로젤을 사용하여, 높은 내구성, 표면적 및 정전 용량을 갖는 전기흡착식 담수화 장치용 전극 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

전기흡착식 담수화 장치용 전극 및 그 제조방법{An electrode for electro-adsoptive desalination device and method for preparing the same}

본 발명은 금속 산화물이 원자막 단위로 증착된 그래핀 에어로젤을 사용하여, 높은 내구성과 표면적의 구현이 가능하면서 동시에 높은 정전 용량을 갖는 전기흡착식 담수화 장치용 전극 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

담수화를 위한 전기흡착식 담수화 장치의 전극은 원수가 전극 사이를 지속적으로 지나가며 마찰과 저항을 유발하므로 내구성이 확보되어야 하며 빠른 담수화 및 높은 담수 효율을 위해 전극의 정전 용량이 높아야 하고 표면적 또한 커야한다.

하지만, 기존의 활성 탄소, 탄소 나노튜브 등의 전극 물질은 내구성이 낮아 지속적인 유지 보수를 해주어야 하고 정전 용량이 낮아 담수 효율이 낮다. 또한 기존의 전극 물질은 전기 전도도가 낮아 집전을 위한 전극이 별도로 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하여, 내구성, 표면적 및 정전 용량이 우수하여, 장시간 동안 해수, 기수 담수화를 가능하게 하며, 유지 보수 비용을 줄일 수 있으면서도, 높은 정전 용량을 갖기 때문에 담수화 속도 및 효율이 높고, 높은 전기 전도도를 보유하기 때문에 별도의 집전 전극이 필요하지 않은 전기흡착식 담수화 장치용 전극 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 금속 산화물 입자가 원자막으로 증착된 강화 그래핀 에어로젤 전극을 제공한다.

바람직하게는, 상기 금속 산화물은, Fe, Co, Pt, Mn, Ni, V, Cr, Pd, Ru, Se 및 Cu 중에서 선택되는 금속의 산화물; Fe, Co, Pt, Mn, Ni, V, Cr, Pd, Ru, Se 및 Cu 중에서 선택되는 2종 이상의 합금의 산화물; 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 강화 그래핀 에어로젤 전극을 포함하는 전기 흡착식 담수화 장치를 제공한다.

한편, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 강화 그래핀 에어로젤 전극의 제조방법을 제공한다.

(a) 그래핀 옥사이드를 물에 분산시키는 단계,

(b) 상기 분산된 그래핀 옥사이드를 기판 위에 증착시키는 단계,

(c) 상기 증착된 그래핀 옥사이드를 건조시키는 단계,

(d) 상기 건조된 그래핀 옥사이드를 액체 질소에 넣어 급속 냉결시키는 단계,

(e) 상기 급속 냉결된 그래핀 옥사이드를 동결 건조를 통해 내부 수분을 제거하는 단계,

(f) 상기 내부 수분이 제거된 그래핀 옥사이드를 환원시키는 단계.

바람직하게는, 상기 증착된 그래핀 옥사이드를 건조시키는 단계에서 건조의 정도를 조절함으로써 제조된 강화 그래핀 에어로젤 전극의 다공성을 조절할 수 있다.

바람직하게는, 상기 동결 건조는 - 50℃에서 진공 건조시킴으로써 수행될 수 있다.

바람직하게는, 상기 환원 단계는 환원 기체를 흘려주어 수행되거나 또는 열에너지를 공급함으로써 수행될 수 있다.

바람직하게는, 상기 증착 단계는 원자막 증착법 (Atomic layer deposition, ALD)에 의해서 수행될 수 있다.

바람직하게는, 상기 금속 산화물은, Fe, Co, Pt, Mn, Ni, V, Cr, Pd, Ru, Se 및 Cu 중에서 선택되는 금속의 산화물; Fe, Co, Pt, Mn, Ni, V, Cr, Pd, Ru, Se 및 Cu 중에서 선택되는 2종 이상의 합금의 산화물; 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

본 발명에 따라 금속 산화물이 원자막 단위로 증착된 강화 그래핀 에어로젤 전극은 내구성, 표면적, 정전 용량이 우수하다. 특히, 높은 내구성으로 인하여 장시간 동안의 담수화 공정이 가능하여 유지 보수 비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 또한, 높은 표면적의 그래핀 에어로젤과 높은 정전 용량의 금속 산화물 원자막으로 인하여 담수화 속도 및 효율이 더욱 우수하다. 나아가서 본 발명에 따른 그래핀 에어로젤은 높은 전기 전도도를 가지므로 별도의 집전 전극이 필요하지 않다. 따라서, 본 발명에 따른 전극은 높은 내구성, 표면적 및 정전 용량을 필요로 하는 전기흡착식 담수화 장치의 전극 및 커패시터의 전극으로서 유용하게 활용될 수 있다.

도 1a는 종래기술에 따른 에어로젤에 대한 사진이며, 도 1b는 본 발명에 따른 강화 그래핀 에어로젤에 대한 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 에어로젤의 제조 과정에서 GO 수용액의 농도 및 증발되는 물의 양을 조절하여 강화 그래핀 에어로젤의 기공 (pore) 구조를 제어하고, 이를 통해서 높은 표면적 특성 구현 및 도핑되는 금속 산화물 입자의 정전용량을 향상시킬 수 있음을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 증착 사이클에 따라서 금속 산화물에 생성되는 양자점의 개수가 달라짐을 개략적으로 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 에어로젤이 우수한 정전용량 특성을 가짐을 보여주는 그래프이다.

본 발명에서는 내구성 및 표면적을 증가시키기 위해서 원수에 노출된 부분이 강화된 강화 그래핀 에어로젤을 제조하고, 여기에 더해서 정전 용량 증가를 위해서 금속 산화물을 원자막 단위로 증착시킨 강화 그래핀 에어로젤 전극 및 그 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

제조예 1. 강화 그래핀 에어로젤의 제조

GO 수용액(8 ㎎/㎖)을 다공성 유리 위에 위치한 disk membrane(pore size < 10 ㎛)에 로딩한 후에 45 ℃ 미만에서 건조하였다. 이 과정에서 GO 수용액은 물이 증발함에 따라 sol에서 gel로 변화된다. GO gel을 액체 질소에 넣고 동결한 후에 -15 ℃ 이하에서 30분 동안 보관하였다. 동결된 GO gel을 동결건조(-30 ℃ 이하, 50 mTorr 이하)하여 GO 에어로젤 제조하였다. GO 에어로젤을 환원제(Hydrazine, HI)를 이용하여 증기상 환원법 또는 200 ℃ 이상의 열 환원법을 통하여 환원시켜 본 발명에 따른 강화 그래핀 에어로젤을 제조하였다.

이에 따라 제조된 본 발명에 따른 강화 그래핀 에어로젤은 종래 알려진 것에 비하여 기계적, 전기적 물성이 매우 우수할 뿐만 아니라, 상기 제조 과정에서 GO 수용액의 농도를 조절하여 제조된 그래핀 에어로젤의 기공(pore) 구조를 제어할 수 있으며, 증발되는 물의 양을 조절하여 제조된 그래핀 에어로젤의 기공(pore) 구조를 제어할 수 있다.

하기 도 1에서 보는 바와 같이, 도 1a는 종래의 그래핀 에어로젤로서 스폰지와 같은 구조를 갖기 때문에 굽힐 경우 조각조작 갈라져서 굽힙 특성 등의 기계적 강성 및 내구성이 매우 열악한 반면에, 본 발명에 따른 강화 그래핀 에어로젤은 골판지 형태의 구조를 갖기 때문에 높은 기계적 강도와 전기전도도를 갖는다.

또한, 하기 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 제조 과정에서 GO 수용액의 농도 및 증발되는 물의 양을 조절하여 강화 그래핀 에어로젤의 기공(pore) 구조를 제어할 수 있어 높은 표면적 특성을 구현할 수 있고, 이에 따라 도핑되는 금속 산화물 입자의 정전용량을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

제조예 2. 금속 산화물의 원자막 증착

금속 산화물 TiO₂의 프리커서 캐니스터의 온도를 프리커서의 decomposition 온도 이하로 유지하였으며, 원자막 증착 기기의 챔버 내 기판 온도를 120-200 ℃로 유지하였다.

상기 제조예에서 제조된 강화 GO 에어로젤을 원자막 증착 기기(Atomic Layer Deposition machine)의 챔버 안에 넣고, 강화 GO 에어로젤이 기판의 온도와 평형이 될 때까지 기다린 후, ALD 공정을 시작하였다. 1 cycle은 TiCl₄ 등의 프리커서가 3초간 주입되고 H₂O 등의 반응물이 3초간 주입되는 것을 포함한다. 금속 산화물 양자점 또는 얇은 막을 증착시키기 위하여 200 cycle 이하로 ALD 증착을 실시하였다.

본 발명에서는 상기 ALD Cycle 수를 조절하여 금속 산화물 양자점들을 강화 GO 에어로젤 표면 위에 고르게 코팅하였다. 금속 산화물 양자점은 반응면적이 일반 막일 때보다 크며 물질 자체의 특성으로 인해 정전용량(Capacitance)을 더욱 향상시킨다. 금속 산화물 양자점이 얇게 코팅되기에 GO 에어로젤의 반응면적을 유지할 수 있다.

하기 도 3에서 보는 바와 같이, 도 3의 (a)는 1600 cycle 이상으로 증착된 금속 산화물 막은 양자점을 갖고 있지 않지만, 도 3의 (b)는 200 cycle 이내로 증착된 금속 산화물 막은 양자점을 갖고 있다.(상기 이미지는 TiO₂ 금속 산화물 ALD 증착)

또한, 하기 도 4에서 보는 바와 같이, GO 에어로젤 + TiO₂ ALD 막은 기존의 그래핀, 카본나노튜브, 환원된 그래핀 옥사이드보다 훨씬 큰 정전 용량을 갖고 있음을 알 수 있다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. (a) 그래핀 옥사이드를 물에 분산시켜 그래핀 옥사이드 수분산액을 준비하는 단계;
   (b) 상기 그래핀 옥사이드 수용액을 다공성 기판 위에 로딩하여 그래핀 옥사이드막을 형성하는 단계;
   (c) 상기 그래핀 옥사이드막을 건조하는 단계;
   (d) 상기 건조된 그래핀 옥사이드막을 액체 질소에 넣어 급속 냉결시키는 단계;
   (e) 상기 급속 냉결된 그래핀 옥사이드막을 동결 건조를 통해 내부 수분을 제거하여 그래핀 옥사이드 에어로젤막을 형성하는 단계;
   (f) 상기 내부 수분이 제거된 그래핀 옥사이드 에어로젤막을 환원시켜 그래핀 에어로젤막을 형성하는 단계; 및
   (g) 상기 그래핀 에어로젤막 상에 금속 산화물 입자를 증착하는 단계를 포함하는 강화 그래핀 에어로젤 전극의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 그래핀 옥사이드막을 건조시키는 단계에서 건조의 정도를 조절함으로써 제조된 강화 그래핀 에어로젤 전극의 다공성을 조절하는 것을 특징으로 하는 강화 그래핀 에어로젤 전극의 제조방법.
6. 제4항에 있어서,
   상기 동결 건조는 - 50 ℃에서 진공 건조시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 강화 그래핀 에어로젤 전극의 제조방법.
7. 제4항에 있어서,
   상기 환원 단계는 환원 기체를 흘려주어 수행되거나 또는 열에너지를 공급함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 강화 그래핀 에어로젤 전극의 제조방법.
8. 제4항에 있어서,
   상기 금속 산화물 입자를 증착하는 단계는 원자막 증착법(Atomic layer deposition, ALD)에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 강화 그래핀 에어로젤 전극의 제조방법.
9. 제4항에 있어서,
   상기 금속 산화물은, Fe, Co, Pt, Mn, Ni, V, Cr, Pd, Ru 및 Cu 중에서 선택되는 금속의 산화물; 및
   Fe, Co, Pt, Mn, Ni, V, Cr, Pd, Ru 및 Cu 중에서 선택되는 2종 이상의 합금의 산화물; 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 강화 그래핀 에어로젤 전극의 제조방법.

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