KR101956993B1 - 고성능 다공성 활성탄 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고성능 다공성 활성탄 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 제1측면에 따르면, 폐기 대두 식품을 준비하는 준비 단계; 상기 폐기 대두 식품으로부터 수분을 제거하는 탈수 단계; 상기 수분이 제거된 폐기 대두 식품을 150 ℃ 내지 500 ℃ 에서 가열하여 탄소 물질을 형성하는 열처리 단계; 상기 탄소 물질에 활성화제를 첨가하여 활성 재료를 형성 단계; 및 상기 활성 재료를 탄화하여 다공성 활성탄을 형성하는 활성탄 형성 단계;를 포함하는, 고성능 다공성 활성탄 제조방법을 제공하고, 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 고성능 다공성 활성탄 제조방법에 의하여 제조되고, 산화마그네슘을 포함하는 고성능 다공성 활성탄을 제공한다.

Description

고성능 다공성 활성탄 및 그의 제조방법{HIGH PERFORMANCE MESOPOROUS ACTIVATED CARBON AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 고성능 다공성 활성탄 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 유통기한이 지난 폐기 대두 식품을 활성화제와 반응시켜 탄소 물질 내부에 다공성 구조를 확보하고, 표면을 활성화시켜 전극 소재로 제조할 수 있고, 음식폐기물을 자원화할 수 있는 다공성 활성탄에 관한 것이다.
전기 이중층 수퍼 캐퍼시터(electric double layer supercapacitor, EDLC)는 충방전 시 이온의 흡착을 이용하는 것으로, 고밀도의 전하를 전기 이중층 내에 축적하여 에너지를 얻는 장치이며 분극성 전극재료가 가장 핵심이 되는 소재이다. 상기 분극성 전극재료는 전하가 전극에서 최소의 전압 강하 분포를 이루도록 전기전도성(electrical conductivity) 및 비표면적(specific surface area)이 크며, 일정 전위 하에서 산화환원반응이 발생하지 않는 즉, 전기화학적으로 안정하여야 하며, 재료의 가격이 저렴하여야 한다. 이러한 요구조건에 보편적으로 만족할 만한 소재로는 활성탄소계 전극소재를 들 수 있다. 현재, 공업적으로 생산되고 있는 전기 이중층 수퍼 캐퍼시터용 탄소재료로서 사용되는 활성탄으로는, 주로 목질계(야자곽)나 피치(pitch), 페놀수지(phenol-resin)계 등을 약품 활성화하여 비표면적이 g당 2000 ㎡ 내지 2500 ㎡ 정도인 것을 사용하는 경우가 많으며, 이를 단독 혹은 제 2 또는 제 3 성분을 혼합하여 전극을 제조하는 경우가 대부분이다. 평균 기공의 직경은 2 nm 내외의 것이 수용액계 및 유기계 캐퍼시터에서 최적의 크기로 알려져 있으며, 메조포어(meso pore)의 비율이 클 수록 고속 충방전, 고출력 캐퍼시터를 제작하는데 유리한 것으로 알려져 있다. 그러나 상기 목질계 활성탄의 경우, 비표면적을 단위 중량(g)당 2000 ㎡ 이상 증가시키는 데는 한계가 있으며, 피치나 페놀수지를 원료로 사용하는 경우, 기공 구조를 제어하는데 어려움과 원료 공급에 제약이 따르는 단점을 가지고 있다. 따라서 원료의 공급이 원활하면서 저가격, 초고비표면적, 기공 구조의 제어가 원활한 활성탄 및 제조방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
상기 활성탄은 최종형상, 활성화 방법, 용도 및 기능 등에 의해 다양한 형태로 분류할 수 있으며, 식품, 약품, 환경, 전자재료 등 모든 산업 분야에서 공업적으로 매우 중요한 탄소 물질 중의 하나이다. 상기 활성탄의 제조방법으로는 각종 활성화제(기체, 약품)가 탄소와 반응하는 조건 하에서 상기 탄소 물질을 열처리하여 제조할 수 있다. 　상기 활성탄은 초기 물질에 따라 식물계(목질, 야자곽), 석탄/석유 피치(pitch)계, 고분자계, 바이오 매스(bio-mass) 등 다종 다양한 원료에 의해 제조되며, 원료 물질 내에 탄소가 함유되어 있으면 어느 것이나 활성탄의 원료로 사용될 수 있다.
한편, 콩으로 제조되는 두부는 유통기한이 매우 짧아 유통기한이 지난 많은 양의 두부가 대량 폐기되고 있는바, 환경 오염 및 폐기 처리 비용 발생 등의 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안되는 것으로서, 본 발명의 목적은 유통기한이 짧아 대량으로 폐기되는 음식폐기물을 원료로 이용하여 음식폐기물을 자원화하여 폐기 비용 절감 및 친환경적인 고용량, 고출력을 가지는 다공성 활성탄을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1측면에 따르면, 폐기 대두 식품을 준비하는 준비 단계; 상기 폐기 대두 식품으로부터 수분을 제거하는 탈수 단계; 상기 수분이 제거된 폐기 대두 식품을 150 ℃ 내지 500 ℃ 에서 가열하여 탄소 물질을 형성하는 열처리 단계; 상기 탄소 물질에 활성화제를 첨가하여 활성 재료를 형성하는 단계; 및 상기 활성 재료를 탄화하여 다공성 활성탄을 형성하는 활성탄 형성 단계;를 포함하는, 고성능 다공성 활성탄 제조방법을 제공한다.
상기 폐기 대두 식품은 두부, 된장, 쌈장, 메주, 콩, 두유 및 비지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 활성화제는 수산화칼륨, 탄산나트륨, 수산화나트륨, 염화아연, 염화마그네슘, 인산 및 염화칼슘으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것이고, 상기 활성화제의 첨가량은 상기 폐기 대두 식품 기준 2.5중량부 내지 5.5중량부인 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 고성능 다공성 활성탄 제조방법에 의하여 제조되고, 산화마그네슘을 포함하는 고성능 다공성 활성탄을 제공한다.
상기 다공성 활성탄은, 0.1 nm 이상 2.0 nm 이하의 지름을 갖는 기공을 포함하는 것일 수 있다.
상기 다공성 활성탄은, 비표면적이 2400 m2/g 이상 3100 m2/g 이하이고, 공극 부피는 1.2 cm3/g 이상 1.6 cm3/g 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 고성능 다공성 활성탄은 폐기되는 두부를 원료로 하여 활성탄을 제조하는 것으로, 대량생산이 가능하고, 각종 악취 제거용, 수질 및 대기 정화용, 천연가스 흡착용, 전기 이중층 수퍼 캐퍼시터용, 방열소재, 촉매 담지체나 분자체 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있으며, 높은 비표면적 특성과 고성능, 고출력 및 장수명의 특성을 가지는 것으로, 버려지는 음식폐기물을 자원화하여 새로운 시장을 창출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 활성탄의 제조 공정을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1의 표면에 존재하는 화학 결합을 확인할 수 있는 XPS 이미지이다.
도 3은, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1의 산소를 함유하는 작용기의 비율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 따른 XRD 이미지이다.
도 5는, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 따른 FESEM 이미지이다.
도 6은, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 따른 TEM 이미지이다.
도 7은, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 따른 질소 흡착량과 공극 부피를 나타낸 이미지이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 기공이 형성되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 9는, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 전기화학적 특성을 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
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.
이하, 본 발명의 고성능 다공성 활성탄 및 그의 제조방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 제1측면에 따르면, 폐기 대두 식품을 준비하는 준비 단계; 상기 폐기 대두 식품으로부터 수분을 제거하는 탈수 단계; 상기 수분이 제거된 폐기 대두 식품을 300 ℃ 내지 500 ℃ 에서 가열하여 탄소 물질을 형성하는 열처리 단계; 상기 탄소 물질에 활성화제를 첨가하여 활성 재료를 형성하는 단계; 및 상기 활성 재료를 탄화하여 다공성 활성탄을 형성하는 활성탄 형성 단계;를 포함하는, 고성능 다공성 활성탄 제조방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 활성탄의 제조 공정을 나타낸 개념도이다. 도 1과 같이, 상기 폐기 대두 식품의 일 예로 두부가 이용될 수 있다. 도 1과 같이, 먼저 폐기 대두 식품의 준비단계로서 두부를 준비한 후, 상기 폐기 두부의 수분을 제거하기 위하여 탈수 단계를 수행할 수 있다. 상기 탈수 단계는 70 ℃ 내지 90 ℃ 에서 수분을 건조시키는 과정이 진행될 수 있다. 이후, 건조된 상기 폐기 두부의 유기물을 제거하는 단계가 더 포함될 수도 있다. 그 다음, 상기 폐기 두부에서 탄소 물질을 얻기 위해서 건조된 상기 폐기 두부를 가열하여 탄소 물질을 형성하는 열처리 단계를 수행할 수 있다. 상기 열처리 단계는 150 ℃ 내지 500 ℃ 에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 열처리 단계는 150분 내지 210분 동안 수행될 수 있다. 상기 열처리 단계 시 온도 범위는 열처리 온도가 증가함으로써, 결정화도 또한 증가하여 활성화도에 영향을 미칠 수 있으므로, 본 발명에서는 150 ℃ 내지 500 ℃ 에서 수행할 수 있다. 상기 열처리 단계를 수행한 후, 활성화제를 첨가하여 활성 재료를 형성하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 활성화제는 화학적 활성화제를 사용할 수 있고, 본 발명의 다공성 활성탄의 기공 구조 및 크기에 영향을 미치는 것으로, 본 발명에서는 상기 활성화제의 일 예로 수산화칼륨을 사용할 수 있다. 상기 활성화제를 상기 탄소 물질에 첨가하면, 활성탄 형성 단계에서, 상기 탄소 물질이 탄화되는 동안 상기 활성화제가 활성화되어 많은 기공이 형성된 활성탄이 활성탄으로 형성될 수 있다. 상기 활성 재료를 탄화하는 공정은 600 ℃ 내지 2700 ℃ 에서 수행되는 것일 수 있다. 또한, 상기 활성 재료를 탄화하는 공정은 질소 분위기에서 수행되는 것일 수 있다. 600 ℃ 미만에서 탄화하는 공정을 수행하면 활성화제와 탄소 물질이 충분히 반응하지 않아 활성화 반응이 일어나지 않는 문제점이 생길 수 있고, 1000 ℃ 초과에서 탄화하는 공정을 수행하면 활성화제에 의한 활성화보다는 열처리에 의한 탄화가 더 진행되어 생성된 기공끼리의 합체 또는 탄소 결정의 발달에 의해 비표면적이 감소될 수 있다. 상기 활성 재료를 탄화하여 다공성 활성탄을 형성하는 활성탄 형성단계 후 탈이온수로 여러 번 세척하는 단계, 70 ℃ 내지 80 ℃ 에서 건조시키는 단계 또는 이 둘을 더 포함하여 수행할 수도 있다.
본 발명의 고성능 다공성 활성탄은 폐기되는 두부를 원료로 하여 활성탄을 제조하는 것으로, 대량생산이 가능하고, 높은 비표면적 특성과 고성능, 고출력 및 장수명의 특성을 가지는 것으로, 버려지는 음식폐기물을 자원화하여 새로운 시장을 창출할 수 있고, 각종 악취 제거용, 수질 및 대기 정화용, 천연가스 흡착용, 전기 이중층 수퍼 캐퍼시터용, 방열소재, 촉매 담지체나 분자체 등 다양한 산업 분야에 적용이 가능하다.
상기 폐기 대두 식품은 두부, 된장, 쌈장, 메주, 콩, 두유 및 비지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 활성화제는 수산화칼륨, 탄산나트륨, 수산화나트륨, 염화아연, 염화마그네슘, 인산 및 염화칼슘으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것이고, 상기 활성화제의 첨가량은 상기 폐기 대두 식품 기준 2.5 중량부 내지 5.5 중량부인 것일 수 있다. 상기 폐기 대두 식품을 이용하여 활성탄을 제조하면 고순도, 고수율의 활성탄을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 첨가하는 활성화제의 중량부를 상기 폐기 대두 식품 기준 1 : 3, 1 : 4, 1 : 5로 상기 활성화제와 상기 폐기 대두 식품을 혼합하여 활성화 및 탄화 공정을 수행하여 실시예 1 내지 실시예 3의 다공성 활성탄을 제조하고, 활성화시키지 않은 상기 탄소 물질을 비교예 1로 정하여 다양한 실험을 통하여 본 발명의 효과를 확인할 수 있다.
실시예
실시예 1
폐기 대두 식품으로 두부를 준비하고, 상기 두부를 80 ℃ 에서 수분을 제거하기 위해 건조 및 탈수하는 단계를 진행한 후 400 ℃ 에서 3 시간 동안 열처리하는 단계를 거친다. 이어서, 탄소 물질에 활성화제를 첨가하여 활성 재료를 형성하는 단계를 거치는데, 상기 활성화제는 폐기 대두 식품 기준 3 중량부를 상기 탄소 물질과 혼합하고, 상기 혼합물을 800 ℃ 에서 2 시간 동안 질소 분위기에서 활성화하며 탄화시켜 다공성 활성탄을 제조하였다.
실시예 2
상기 첨가하는 활성화제의 첨가량이 폐기 대두 식품 기준 4 중량부인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 다공성 활성탄을 제조하였다.
실시예 3
상기 첨가하는 활성화제의 첨가량이 폐기 대두 식품 기준 5 중량부인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 다공성 활성탄을 제조하였다.
비교예
비교예 1
폐기 대두 식품으로 두부를 준비하고, 상기 두부를 80 ℃ 에서 수분을 제거하기 위해 건조 및 탈수하는 단계를 진행한 후 400 ℃ 에서 3 시간 동안 열처리하는 단계를 거쳐서 탄소 물질을 제조하였다.
비교예 2
비교예 2는 상용 활성탄을 사용하였다. 이는 본 발명의 다공성 활성탄이 일반적인 성능에 있어서 상용 활성탄과 동등 또는 그 이상의 성능을 가지는 것을 확인하기 위한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1의 표면에 존재하는 화학 결합을 확인할 수 있는 XPS 이미지이다. 도 2는 실시예 1 내지 실시예 3및 비교예 1에 따른 XPS 이미지에 관한 것으로, 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1의 표면에 존재하는 화학 결합들을 보여준다.
sample C-C(284.5 eV) C-O(285.5 eV) C=O(286.6 eV) O-C=O(288.5 eV)
비교예 1 63.1 22.5 9.4 5
실시예 1 57.2 23.1 12.6 7.1
실시예 2 52.4 25.7 12.8 9.1
실시예 3 48.1 25.2 13.1 13.4
상기 표 1은 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 표면의 산소를 함유하는 작용기의 퍼센트를 나타내는 것으로, 상기 C-O, C=O 는 수산기에 해당하고, O-C=O 는 카르복실기에 해당한다. 상기 표 1을 보면, 산소를 함유하는 작용기의 수가 비교예 1보다 실시예 1 내지 3이 더 높게 나타내는데, 이는 상기 활성화제의 활성화 이후 표면에 산소를 함유하는 작용기 수가 증가하기 때문일 수 있다.
도 3은, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1의 산소를 함유하는 작용기의 비율을 나타낸 그래프이다. 도 3을 참고하면, 활성화제가 첨가되지 않은 비교예 1보다 활성화제가 첨가되어 제조된 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3이 산소를 함유하는 작용기의 비율이 훨씬 높은 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3을 비교해보면, 실시예 1이 42.8 %, 실시예 2는 47.6 %, 실시예 3은 51.7 % 의 값을 갖는 것으로, 상기 활성화제가 첨가될수록 산소를 함유하는 작용기의 퍼센트가 점점 높아지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 C-C 그룹이 많은 비교예 1로 제조된 수퍼 캐퍼시터보다 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3으로 제조되는 수퍼 캐퍼시터가 더 높은 전기적 특성과 수행능력을 가질 수 있다. 이는 높은 전류 밀도에서 이온 수송 능력이 향상되어, 전해질의 젖음성이 우수해지기 때문일 수 있다. 상기 전해질은 리튬 이차 전지에서 리튬 이온의 매개체로, 상기 전해질의 젖음성이 우수해지면 이차 전지의 핵심소재가 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 고성능 다공성 활성탄 제조방법에 의하여 제조되고, 산화마그네슘을 포함하는 고성능 다공성 활성탄을 제공한다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 따른 XRD 이미지이다. 도 4를 참고하면, XRD 이미지의 x 축의 25 ° 에서 (002) 그래파이트에 해당하는 값이 완만한 피크를 형성하는 것을 볼 수 있다. 또한, 실시예 2와 실시예 3의 43.0 ° 와 62.5 ° 에서 회절 피크를 발견할 수 있다. 이는 두부를 제조할 때, 상기 두부를 응고시키기 위해 마그네슘이 첨가될 수 있고, 상기 마그네슘은 상기 폐기 대두 식품이 상기 탄소 물질로 가열되는 동안 산화마그네슘으로 산화되기 때문이다. 따라서, XRD 이미지의 x 축 43.0 ° 와 62.5 ° 에서 나타나는 회절 피크는 산화마그네슘의 면심입방구조에 해당하는 피크일 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 산화마그네슘과 같은 불순물이 포함될 수 있다.
상기 다공성 활성탄은, 0.1 nm 이상 2.0 nm 이하의 지름을 갖는 기공을 포함하는 것일 수 있다. 도 5는, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 따른 FESEM 이미지이다. 도 5를 참고하면, 활성화제가 첨가되지 않은 비교예 1은 5 ㎛ 내지 9 ㎛ 정도의 지름을 갖는 기공이 형성되지 않은 매끄러운 표면 구조를 가지는 활성탄을 확인할 수 있다. 하지만, 활성화제가 첨가된 실시예 1 내지 실시예 3에서는 기공이 형성된 구조의 활성탄 이미지를 확인할 수 있다. 또한, 상기 활성화제가 첨가될수록 더 많은 기공이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 상기 활성화제가 첨가될수록 더 많은 기공이 형성되는 이유는 상기 활성화제와 탄소 사이에서 발생하는 활성화 반응으로 더 많은 가스를 배출하기 때문일 수 있다. 실시예 1 내지 실시예 3에서는 0.6 nm 내지 1.2 nm 의 기공 지름을 갖는 미세 기공이 형성이 될 수 있다. 상기 미세 기공이 실시예 1 내지 실시예 3의 비표면적 값을 향상시킬 수 있다.
도 6은, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 따른 TEM 이미지이다. 도 6을 참고하면, 비교예 1은 매끄러운 표면 구조를 가지는 활성탄인 것을 확인할 수 있고, 비교예 1과 달리 활성화제가 첨가된 본 발명의 실시예 1내지 실시예 3은 미소공성의 구조가 표면에 형성되는 활성탄인 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 활성화제가 첨가된 비율이 높아짐에 따라 더 많은 미소공성의 구조가 활성탄의 표면에 형성되는 것을 볼 수 있는데, 이는 탄화되는 동안 상기 활성화제가 활성화되며 활성탄의 표면에 미소공성 구조를 형성하는 것일 수 있다. 또한, 상기 미소공성 구조가 형성됨에 따라 전극과 전해질 사이에 전기적으로 활성화된 영역이 개선되어 수퍼 캐퍼시터의 전기화학적 특성이 더 향상될 수 있다.
상기 다공성 활성탄은, 비표면적이 2400 m2/g 이상 3100 m2/g 이하이고, 공극 부피는 1.2 cm3/g 이상 1.6 cm3/g 이하인 것일 수 있다.
도 7은, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 따른 질소 흡착량과 공극 부피를 나타낸 이미지이다. 도 7 (a)를 참고하면, 이는 BET 측정장치로 측정하여, 상기 BET 측정장치로 측정한 값을 나타낸 것으로, 본 발명의 실시예 2가 제일 좋은 질소 흡착량 값을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 본 발명의 실시예 1내지 실시예 3은 비교예 1과 다르게 상대압력 0.2 P/P0 이상에서 600 cm3/g 의 공극 부피값을 넘는 것을 확인할 수 있다.
도 7 (b)를 참고하면, 하기의 표 2에 나타난 공극 부피 값에서와 같이 비교예 1은 공극이 거의 형성되지 않은 것을 확인할 수 있고, 비교예 1은 공극의 부피 값이 0.077 cm3/g, 본 발명의 실시예 1 은 1.29 cm3/g, 실시예 2는 1.47 cm3/g, 실시예 3은 1.25 cm3/g 로 실시예 2에서 제일 많은 기공이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
sample 비표면적(m2/g) 공극 부피(cm3/g) 평균 기공 지름(nm)
비교예 1 56 0.077 5.51
실시예 1 2794 1.29 1.84
실시예 2 2960 1.47 1.98
실시예 3 2444 1.25 2.05
상기 표 2는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 따른 비표면적 값과 공극 부피 및 평균 기공 지름에 관한 것이다. 상기 표 2를 참고하면, 실시예 1의 비표면적 값은 2794 m2/g 이고, 실시예 2의 비표면적 값은 2794 m2/g, 실시예 3의 비표면적 값은 2444 m2/g 으로, 상기 활성화제가 상기 폐기 대두 식품 기준 1 : 4 만큼 첨가된 실시예 2의 비표면적 값이 제일 높은 것을 확인할 수 있다. 실시예 3의 비표면적 값은 실시예 2의 비표면적 값보다는 상대적으로 낮은데, 이는 도 5에서와 같이 실시예 3의 표면에 거대 기공이 형성되어 비표면적이 다소 감소하였기 때문일 수 있다.
상기 표 2를 참고하면, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3의 평균 기공이 비교예 1의 평균 기공보다 훨씬 작은 크기를 가지는 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3으로 제조된 다공성 활성탄은 비교예 1로 제조된 활성탄에 비하여 미세한 기공을 형성하는 것을 확인할 수 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 기공이 형성되는 과정을 나타낸 도면이다. 도 8을 참고하면, 탄소 물질과 활성화제가 활성화 및 탄화되는 동안의 과정을 나타내는 것으로, 탄소 물질과 활성화제는 열분해하며 활성화하는 동안 가스를 방출하며 기공을 형성하는 것을 확인할 수 있다. 상기 기공은, 본 발명에서 활성화제로 사용되는 수산화 칼륨(KOH)이 탄소 물질(C)과 반응하여 칼륨(K), 수소(H2) 및 탄산칼륨(K2CO3)으로 분해된다. 그 후 탄산칼륨(K2CO3)은 산화칼륨(K2O)과 이산화탄소(C2O)로 분해되고, 상기 단계 이후 활성화 단계가 진행된다. 상기 활성화 단계가 진행되고 나면, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3의 표면에 미세한 기공들이 많이 생기는데, 상기 미세한 기공들은 높은 정전 용량을 가지는 활성탄을 제조하는데 중요한 역할을 할 수 있다.
도 9는, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2 에 따른 전기화학적 특성을 나타낸 그래프이다. 도 9 (a)는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 전류 퍼텐셜 곡선에 관한 것으로, 도 9 (a)를 참고하면, 실시예 2가 가장 이상적인 직사각형 곡선을 그리는 것을 확인할 수 있다. 이는 큰 비표면적 값을 가질수록 전기 이중층 영역이 증가한다는 것을 의미할 수 있다.
도 9 (b)는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 비정전용량을 측정한 값으로, 0.1 A/g 내지 5.0 A/g 의 전류 밀도에서 측정한 값이다. 상기 도 9 (b)는 상기 비정전용량 값을 측정할 때, 하기의 방정식을 이용할 수 있다.
[방정식]
Csp = 4I/(mdV/dt)
상기 방정식에서 I 는 전류(A) 값이고, m 은 활성 물질의 전체 질량(g), dV는 전압 강하, dt는 방전 시간(s)을 의미한다. 0.1 A/g 에서 본 발명의 실시예 1의 비정전용량 값은 160 F/g, 실시예 2의 비정전용량 값은 207 F/g, 실시예 3의 비정전용량 값은 157 F/g, 비교예 1의 비정전용량 값은 58 F/g, 비교예 2의 비정전용량 값은 168 F/g을 갖는다. 상기 비교예 1은 상기 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 2에 비하여 낮은 비정전용량 값이 나왔는데, 이는 낮은 비표면적 값과, 활성탄의 표면에 기공이 형성되지 않은 구조 때문일 수 있다. 상기 활성화제와 상기 탄소 물질의 활성화 단계에서 활성탄의 비용량 값이 증가하고, 활성탄의 표면이 개질되기 때문이다. 특히, 본 발명의 실시예 2에서 상당히 높은 비정전용량 값이 나왔는데, 이는 본 발명의 실시예 2가 높은 비용량 값을 가지고, 높은 비표면적 값을 가지기 때문일 수 있다. 도 9 (b)에서 비교예 2는 본 발명의 실시예 2보다 낮은 비정전용량 값을 가지는데, 이는 도 9 (a) 에서 나타난 것과 같이, 비교예 2의 전기 이중층 영역이 본 발명의 실시예 2보다 낮은 전기 이중층 영역을 가지는 것 때문일 수 있다. 따라서, 상기 비정전용량 값과 상기 전기 이중층 영역은 연관성이 있고, 상기 전기 이중층 영역은 상기 비표면적과 연관이 있을 수 있으므로, 상기 비정전용량과 상기 비표면적은 서로 연관이 있을 수 있다.
상기 그래프 상에서 비정전용량 값을 측정하는 동안 이온 확산 시간이 단축되어서 전류 밀도가 증가함에 따라, 비교예 1은 낮은 비정전용량 값을 가지는 반면에, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3은 표면의 산소를 함유하는 작용기로부터 습윤성이 향상되어 높은 저장 용량을 유지하는 탁월한 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 9 (c)는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 라곤 도표에 관한 것으로, 라곤 도표란, 축전 장치의 에너지 밀도와 출력 밀도를 한 도표에 나타낸 표로, 상기 라곤 도표에서 본 발명의 실시예 2가 가장 좋은 에너지 밀도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 9 (d)는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 순환성 안정성에 관한 것으로, 상기 본 발명의 실시예 2가 가장 좋은 순환성 안정성을 가지는 것을 확인할 수 있는 반면, 상기 본 발명의 실시예 3은 급격히 용량이 떨어지는 구간이 있는데, 이는 실시예 3 활성탄의 표면에 형성된 거대 기공 때문일 수 있다.
높은 에너지 밀도, 순환성 안정성, 비정전용량 및 비표면적 값을 가지는 다공성 활성탄을 제조하기 위해서 상기 활성화제의 첨가량은 상기 폐기 대두 식품 중량 기준 3 중량부 내지 5 중량부인 것으로 하는 것일 수 있고, 상기 제조된 다공성 활성탄은 수퍼 캐퍼시터의 전극, 리튬 이차전지의 음극 전극의 소재, 수산화 촉매 등 다양하게 응용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 제한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 폐기 두부를 준비하는 준비 단계;
    상기 폐기 두부로부터 수분을 제거하는 탈수 단계;
    상기 수분이 제거된 폐기 두부를 150 ℃ 내지 500 ℃ 에서 가열하여 탄소 물질을 형성하는 열처리 단계;
    상기 탄소 물질에 활성화제를 첨가하여 활성 재료를 형성하는 단계; 및
    상기 활성 재료를 탄화하여 다공성 활성탄을 형성하는 활성탄 형성 단계;를 포함하고,
    상기 폐기 두부로부터 유래된 산화마그네슘을 포함하는,
    고성능 다공성 활성탄 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성화제는 수산화칼륨, 탄산나트륨, 수산화나트륨, 염화아연, 염화마그네슘, 인산 및 염화칼슘으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것이고,
    상기 활성화제의 첨가량은 상기 폐기 두부 기준 2.5중량부 내지 5.5중량부인 것인,
    고성능 다공성 활성탄 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004515355A (ja) 2000-12-11 2004-05-27 ユナイテッド・ステイツ・フィルター・コーポレイション 臭気抑制用活性炭およびその製法
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KR100878262B1 (ko) * 2007-05-18 2009-01-12 주식회사 에이엠오 비지를 이용한 고성능 활성탄의 제조방법
KR101404484B1 (ko) * 2012-04-30 2014-06-10 인하대학교 산학협력단 질소를 도핑한 이산화탄소 포집용 활성탄소 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004515355A (ja) 2000-12-11 2004-05-27 ユナイテッド・ステイツ・フィルター・コーポレイション 臭気抑制用活性炭およびその製法
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