KR102005410B1 - Manufacturing method of ordered mesoporous manganese oxide by electrochemical deposition - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기화학적 증착법을 이용한 정렬된 메조 포러스 구조의 망간산화물 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 망간산화물 전구체로 이루어진 전해질에 계면활성제를 첨가하여, 전기증착법을 통해, 정렬된 메조 포러스 망간산화물을 증착하여 메조 포러스 망간산화물이 형성된 전극을 얻는 기술을 제시한다.
본 발명에 따라 제조된 정렬된 메조 포러스 특징을 가지는 망간산화물은 기존의 반응 촉매 재료보다 반응물과의 접촉이 넓어 반응 촉매로써 기존 촉매보다 높은 활성을 나타낼 수 있다.
More particularly, the present invention relates to a method for preparing a manganese oxide having an ordered mesoporous structure by adding a surfactant to an electrolyte comprising a manganese oxide precursor, To obtain an electrode having mesoporous manganese oxide formed thereon.
The manganese oxide having the aligned mesoporous characteristics prepared according to the present invention can exhibit higher activity than the conventional catalyst as a reaction catalyst because the contact with the reactant is larger than that of the conventional reaction catalyst material.

Description

전기증착법을 이용한 정렬된 메조 포러스 망간 산화물의 제조 방법 {Manufacturing method of ordered mesoporous manganese oxide by electrochemical deposition}Technical Field [0001] The present invention relates to a method for preparing an ordered mesoporous manganese oxide by electrodeposition,

본 발명은 전기 증착 방법을 이용하여 정렬된 메조 포러스 구조를 갖는 망간 산화물의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a manganese oxide having an aligned mesoporous structure using an electrodeposition process.

촉매 반응이나 전기화학반응의 경우 주로 불균일 반응으로 이루어져 있다. 불균일 반응은 반응물과 반응이 일어나는 촉매의 상이 다르기 때문에 촉매 표면에서 반응이 일어나게 된다. 이때 주로 반응물은 기체나 액체인 유체이며, 유체와 고체의 접촉이 반응의 활성에 굉장히 많은 영향을 주게 되어 촉매의 표면적 또한 촉매의 활성에 영향을 주게 된다. The catalytic or electrochemical reactions are mainly heterogeneous. In the heterogeneous reaction, the reaction occurs on the catalyst surface because the reactant and the phase of the catalyst on which the reaction occurs differ. In this case, the reactant is mainly a gas or a liquid fluid, and the contact between the fluid and the solid greatly affects the activity of the reaction, so that the surface area of the catalyst also affects the activity of the catalyst.

촉매 물질에 있어서, 기공이 발달되어 있는 포러스 물질은 넓은 표면적을 가지고 있어 반응물과의 접촉이 유리하다. 포러스 물질들 중에서도 정렬된 메조 포러스구조의 물질은 기공의 크기가 2~50 nm 사이의 물질로 유체가 쉽게 침투할 수 있으면서, 전극으로 사용하였을 때, 높은 표면적으로 인해 전해질과 전극의 접촉 면적을 증가시킬 수 있는 장점이 있어서 주목받고 있다.In the catalytic material, the porous material having pores developed therein has a large surface area, so that the contact with the reactant is advantageous. Among the porous materials, the aligned mesoporous material can easily penetrate the fluid with a pore size of between 2 and 50 nm, and when used as an electrode, increases the contact area between the electrolyte and the electrode due to its high surface area It has attracted attention because of its advantages.

산화물 촉매의 표면적을 증가 시키기 위하여 일반적으로 사용되는 방법은 일차원 구조나 포러스 구조를 형성하여 표면적을 증가시키는 것이 일반적이다. 이 과정에서 일차원 구조나 포러스 구조를 형성하기 위하여 수열합성법이나 침전법을 이용하고, 이때 합성 용액 내에 계면활성제를 첨가하여 특정한 구조를 유도한다.A generally used method for increasing the surface area of an oxide catalyst is to increase the surface area by forming a one-dimensional structure or a porous structure. In this process, a hydrothermal synthesis or a precipitation method is used to form a one-dimensional structure or a porous structure, and a specific structure is induced by adding a surfactant to the synthesis solution.

구체적으로, 메조포러스 물질들은 계면활성제나 친양쪽성 고분자와 같은 유기 분자를 구조 유도 물질로 사용하여 수열반응을 통해 합성될 수 있다. 이 때, 계면활성제나 친양쪽성 고분자는 친수성의 머리 부분과 소수성의 꼬리 부분으로 이루어져 있어 수용액 내에서 자기조립 현상을 통해 다양한 구조의 마이셀 또는 액정 구조를 이루며, 이렇게 형성된 다양한 형태의 거대 분자를 템플레이트로 사용하여 원하는 형태의 메조포러스 물질을 합성할 수 있다.Specifically, mesoporous materials can be synthesized by hydrothermal reaction using organic molecules such as surfactants and ampholytic polymers as structure inducing materials. In this case, the surfactant and the ampholytic polymer are composed of a hydrophilic head and a hydrophobic tail, thereby forming a micellar or liquid crystal structure of various structures through self-assembly in an aqueous solution, Can be used to synthesize the desired mesoporous material.

또한, 계면활성제는 수용액 내에서 농도나 온도에 따라 다양한 액정 구조가 존재할 수 있기 때문에 합성 조건을 바꾸게 되면 계면활성제로부터 다양한 구조의 물질을 합성할 수 있으며, 분자의 모양에 따라서도 액정의 구조의 조절이 가능한 장점이 있다.In addition, since surfactants can have various liquid crystal structures depending on the concentration and temperature in an aqueous solution, if a synthesis condition is changed, a variety of materials can be synthesized from a surfactant, and depending on the shape of the molecules, This has the advantage.

하지만, 수열합성법은 계면활성제의 마이셀(micelle)구조가 용액 내에 고농도로 녹아 있어야 하므로 과량의 계면활성제를 필요하며, 높은 온도와 압력에서 산화물을 얻는 방법으로써 높은 열에너지를 요구하며, 합성 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.However, since the micelle structure of the surfactant must be dissolved in the solution at a high concentration in the hydrothermal synthesis method, an excessive amount of surfactant is required, and a method of obtaining an oxide at high temperature and pressure requires high heat energy, There are disadvantages.

뿐만 아니라, 수열합성법이나 침전법을 이용하여 메조포러스 물질을 합성할 경우 파우더 형태로 합성되기 때문에 전극으로 활용하기 위해서는 슬러리법이나 스프레이코팅 등의 부가적인 과정이 더 필요하다. In addition, when mesoporous materials are synthesized by hydrothermal synthesis or precipitation, they are synthesized in the form of powder. Therefore, additional processes such as slurrying and spray coating are needed to use them as electrodes.

반면, 전기증착법의 경우 이온의 산화 또는 환원 반응을 통해 증착하고자하는 물질 표면에 신속한 증착 공정이 가능하고 균일한 산화물층 도입을 가능하게 한다.On the other hand, in the case of the electrodeposition method, a rapid deposition process is possible on the surface of a substance to be deposited through the oxidation or reduction reaction of ions, and a uniform oxide layer can be introduced.

일반적으로 전이금속은 다양한 산화가를 가져 산화환원 반응에 매우 유리하여 에너지저장장치의 전극 소재 및 에너지 변환 반응의 촉매로 사용한다. 많은 전이금속 중 망간산화물은 MnO, MnO2, Mn2O3와 같은 산화물로 존재할 수 있어 반응에 높은 활성을 보이고 생산 단가가 낮고, 자연 친화적인 물질이다.In general, transition metals are very useful for redox reactions due to their various oxidation states, and they are used as catalysts for electrode materials and energy conversion reactions of energy storage devices. Among many transition metals, manganese oxides can be present as oxides such as MnO, MnO 2 , and Mn 2 O 3 , exhibiting high activity in the reaction, low production cost, and being a naturally friendly substance.

상기 이유들로 인하여 망간산화물을 제조할 수 있는 공정의 개발 및 개선에 관한 연구가 계속적으로 진행되어왔다.Due to the above-mentioned reasons, researches on the development and improvement of processes capable of producing manganese oxide have been continuously carried out.

다음으로 본 발명의 기술이 속하는 분야에 존재하는 선행기술에 대하여 간략하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행기술에 비하여 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해 설명하도록 한다.Next, a brief description will be given of the prior arts existing in the field to which the technology of the present invention belongs, and the technical matters to be differentiated from the prior arts of the present invention will be described.

먼저, 한국등록특허 제10-1424680호(2014.07.23.)은 슈퍼커패시터용 전극 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 전도성 전극기판 및 전도성 전극의 적어도 일면에 금속산화물과 보조전해질로서 황산암모늄 및 계면활성제를 첨가하여 금속전구체의 분산도를 조절하여 섬유구조의 금속산화물층을 제조하는 기술에 대한 것이다. (특허문헌 0001) Korean Patent No. 10-1424680 (Apr. 23, 2014) discloses a method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, and more particularly, to a method of manufacturing an electrode for a supercapacitor, And a method for preparing a metal oxide layer having a fiber structure by controlling the dispersion degree of a metal precursor by adding a surfactant. (Patent Document 0001)

하지만, 상기 선행기술은 상온(20 내지 30 ℃)에서 전기 증착하는 방법으로 금속산화물이 피복된 전극을 제조하고, 이로써 나타나는 금속산화물의 구조가 메조포러스 형태를 가진다는 사실이 기재되어 있지 않다.However, the prior art does not describe the fact that an electrode coated with a metal oxide is produced by a method of electro-depositing at room temperature (20 to 30 ° C), and the metal oxide structure thus obtained has a mesoporous form.

또한, 한국등록특허 제10-0819870호(2008.03.31.)은 전기화학 증착법을 이용한 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 계면활성제인 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB) 분말을 포함하는 수용액의 pH조건을 조절하여 제조된 전해질 용액을 이용하여 전기화학 증착시켜서 오산화바나듐 박막을 제조하는 공정에 관한 것이다. (특허문헌 0002)Korean Patent No. 10-0819870 (Mar. 31, 2008) is directed to a method for producing a thin film using an electrochemical deposition method, and more particularly, to an aqueous solution containing a cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) powder as a surfactant The present invention relates to a process for producing a vanadium pentoxide thin film by electrochemical deposition using an electrolyte solution prepared by controlling pH conditions of a vanadium pentoxide thin film. (Patent Document 0002)

또한, 한국등록특허 제10-0970575호(2010.07.09.)도 전기화학 증착법을 이용한 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB) 등의 계면활성제를 포함하는 전해질 용액에 기판을 침지시킨 후 전기화학적 증착법으로 중간세공 구조의 이산화루테늄 박막을 제조하는 기술에 대하여 개재되어 있다. (특허문헌 0003)Korean Patent No. 10-0970575 (July 10, 2010) also relates to a method for producing a thin film using an electrochemical vapor deposition method, and more particularly, to an electrolyte comprising a surfactant such as cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) A technique for preparing a ruthenium dioxide thin film having a mesoporous structure by an electrochemical deposition method after immersing a substrate in a solution. (Patent Document 0003)

또한, 한국등록특허 제10-0918845호(2009.09.17.)은 전기화학 증착법을 이용한 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 황산코발트 분말을 증류수에 용해 시킨후 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB) 등의 계면활성제를 구조 배양물질로 이용하여 균일한 중간세공 구조의 사산화삼코발트를 제조하는 기술에 관한 것이다. (특허문헌 0004)More specifically, cobalt sulfate powder is dissolved in distilled water and then cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) is added to the solution. ) Is used as a structural culture material to produce a cobalt tetraoxide tetraoxide having a uniform mesoporous structure. (Patent Document 0004)

상기 특허문헌 2 내지 4에서는 구조 배양물질인 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)이 첨가된 전해질을 이용하여 전기 증착하는 방법으로 금속산화물 박막을 제조하였다. 특히, 상기 특허문헌 4의 비교예 2에서 구조 배양물질로 계면활성제의 일종인 소듐도데실설페이트(SDS)가 포함된 전해질을 사용하여 전기증착법으로 제조한 사산화삼코발트 박막의 물성을 측정하였다. 그 결과 세척과정에서 형성된 중간세공구조가 무너져서 x-선 회절 분석에서 피크가 세척 후에 약화 되는 등의 문제가 발생하였다.In the above Patent Documents 2 to 4, metal oxide thin films were prepared by electro-deposition using an electrolyte added with cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), which is a structural culture material. Particularly, in Comparative Example 2 of Patent Document 4, the physical properties of a cobalt tetraoxide tetroxide film prepared by an electrodeposition method using an electrolyte containing sodium dodecylsulfate (SDS), which is a kind of surfactant, as a structural culture material were measured. As a result, the mesoporous structure formed in the washing process collapsed, causing problems such as that the peak was weakened after washing in the x-ray diffraction analysis.

이로써, 계면활성제를 구조 배양물질로 이용하여 전기증착하는 방법이 적용되는 타겟 물질에 따라서 계면활성제의 종류 및 농도, 온도 등의 변수가 다르게 설정되야함을 알고, 전기 증착을 이용한 망간산화물 박막의 제조방법에 대한 연구를 거듭한 결과 본 발명에 이르게되었다.Thus, it has been found that the parameters such as the type, concentration, and temperature of the surfactant should be set differently depending on the target material to which the method of electrodeposition using the surfactant is used as the structural culture material, and the production of the manganese oxide thin film As a result of repeated studies on the method, the present invention has been achieved.

한국등록특허 제10-1424680호Korean Patent No. 10-1424680 한국등록특허 제10-0819870호Korean Patent No. 10-0819870 한국등록특허 제10-0970575호Korean Patent No. 10-0970575 한국등록특허 제10-0918845호Korean Patent No. 10-0918845

수열합성법은 높은 온도를 요구하며, 수열합성법과 침전법을 이용할 경우 합성 시간이 오래 걸리고 파우더 형태로 합성되기 때문에 전극으로 활용하기 위해서는 슬러리법이나 스프레이코팅 등 부가적인 과정이 더 필요하다. 또한, 이 경우 과량의 계면활성제가 필요하며 이에 따라 만들 수 있는 구조의 종류가 한정적이다. The hydrothermal synthesis requires a high temperature. When the hydrothermal synthesis method and the precipitation method are used, it takes a long time to synthesize and it is synthesized in powder form. Therefore, an additional process such as slurry method or spray coating is further needed for use as an electrode. Also, in this case, an excessive amount of surfactant is required, and accordingly, the types of structures that can be formed are limited.

상기 과제를 해결하기 위하여 망간의 전구체와 템플레이트 에이전트(Templating agent)로써 계면활성제를 첨가하여 제조한 전해질을 이용한 전기증착법을 이용하여 정렬된 메조포러스 구조의 망간산화물의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, there is provided a method of preparing a mesoporous manganese oxide arranged by using an electrodeposition method using an electrolyte prepared by adding a surfactant as a precursor of manganese and a templating agent.

본 발명의 일구현예는, (a) 망간 전구체와 소듐도데실설페이트(SDS)를 증류수에 용해하여 전해질을 제조하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 제조된 전해질에 작동 전극 및 상대 전극을 포함하는 전극시스템을 이용하여 65 내지 75 ℃ 온도 범위에서 -1.0 내지 -1.8 V 범위의 전압을 가하여 수산화망간을 전기증착하는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 수산화망간이 증착된 작동 전극을 열처리하여 망간산화물이 코팅된 작동전극을 얻는 단계; (d) 상기 단계 (c)에서 수득된 작동 전극에 남아있는 불순물을 세척하여 제거하는 단계; 및 (e) 상기 단계 (d)에서 수득된 작동 전극을 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬된 메조포러스 구조를 갖는 망간산화물의 제조방법을 제공한다.One embodiment of the present invention relates to a method for preparing an electrolyte comprising: (a) dissolving a manganese precursor and sodium dodecylsulfate (SDS) in distilled water to prepare an electrolyte; (b) electrodeposition the manganese hydroxide by applying a voltage in the range of -1.0 to -1.8 V in the temperature range of 65 to 75 ° C using the electrode system including the working electrode and the counter electrode to the electrolyte prepared in the step (a) step; (c) heat treating the working electrode deposited with manganese hydroxide in the step (b) to obtain a working electrode coated with manganese oxide; (d) washing and removing impurities remaining in the working electrode obtained in the step (c); And (e) drying the working electrode obtained in the step (d). The present invention also provides a method for producing a manganese oxide having an ordered mesoporous structure.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 단계 (a)의 질산 전구체는 질산 망간(Mn(NO3)2)이고, 상기 질산 망간(Mn(NO3)2)은 0.005 내지 0.05 M 농도 범위일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the nitric acid precursor of step (a) is manganese nitrate (Mn (NO 3 ) 2 ) and the manganese nitrate (Mn (NO 3 ) 2 ) have.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 단계 (a)의 소듐도데실설페이트는 0.5 내지 3 중량% 범위 내로 첨가될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the sodium dodecyl sulfate of step (a) may be added in an amount of 0.5 to 3% by weight.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 단계 (a)에서 세틸트리메틸암모보로마이드(CTAB)를 더 포함하여 전해질을 제조하고, 상기 세틸트리메틸암모보로마이드는 0.005 내지 0.3 중량% 범위일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the electrolyte is further comprised of cetyltrimethylammonobomide (CTAB) in the step (a), and the cetyltrimethylammonobromide may range from 0.005 to 0.3 wt% .

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 단계 (a)에서 에틸렌글리콜을 더 포함하여 전해질을 제조하고, 상기 증류수에 대하여 에틸렌글리콜이 30% 중량비 이하로 첨가될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the electrolyte further comprises ethylene glycol in the step (a), and ethylene glycol may be added to the distilled water at a weight ratio of 30% or less.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 단계 (c)의 열처리 과정은 200 내지 500 °C의 온도에서 3시간 이상 수행될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the heat treatment in step (c) may be performed at a temperature of 200 to 500 ° C for 3 hours or more.

본 발명의 또 다른 실시예는, 상기 제조방법에 의해 제조되는 정렬된 메조포러스 구조를 갖는 망간산화물을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a manganese oxide having an ordered mesoporous structure produced by the above process.

상기 방법에 따라 합성된 정렬된 메조포로스 구조의 망간산화물은 정렬되지 않은 메조포로스 구조의 망간산화물보다 반응물과의 접촉이 뛰어나 반응 촉매나 전극 재료로 응용하였을 때 더 높은 활성을 보인다.The manganese oxides of the aligned mesoporous structures synthesized according to the above method are superior in contact with the reactants than the manganese oxides of the unaligned mesoporous structure and exhibit higher activity when applied to the reaction catalyst or the electrode material.

본 발명은 짧은 합성 시간을 가지며, 망간산화물을 전극 표면에 부착시키는 추가의 과정을 필요로 하지 않는다. 또한, 미량의 계면활성제를 이용해도 계면활성제의 흡착을 유도할 수 있으며, 첨가물이나 용액의 온도 등을 조절하여 다양한 형태의 포러스 구조를 합성 할 수 있다.The present invention has a short synthesis time and does not require an additional process to attach the manganese oxide to the electrode surface. In addition, adsorption of the surfactant can be induced by using a small amount of surfactant, and various types of porous structures can be synthesized by controlling the temperature of the additives and the solution.

또한, 본 발명은 표면에 흡착된 세미-마이셀을 이용하여 정렬된 메조 포러스 구조의 망간산화물을 형성하여, 다른 첨가제를 추가함으로써 구조의 변형을 유도할 수 있다. 또한, 이 구조는 표면부터 내부까지 형성되어 표면적 증가 및 전해질의 물질전달이 용이하여 전극으로써 큰 성능 향상을 기대할 수 있다.In addition, the present invention can induce deformation of the structure by forming manganese oxide of mesoporous structure aligned using semi-micelles adsorbed on the surface, and adding other additives. In addition, this structure is formed from the surface to the inside, thereby increasing the surface area and facilitating the mass transfer of the electrolyte.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 1에서 증착된 망간산화물을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 2는 실시예 2에서 증착된 망간산화물을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 3는 실시예 3에서 증착된 망간산화물을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 4는 비교예 1에서 증착된 망간산화물을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 5는 비교예 2에서 증착된 망간산화물을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 1에서 증착된 망간산화물을 저각에서 X-선회절패턴(XRD)을 관찰한 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예 2에서 증착된 망간산화물을 저각에서 X-선회절패턴(XRD)을 관찰한 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시예 3에서 증착된 망간산화물을 저각에서 X-선회절패턴(XRD)을 관찰한 사진이다.
도 9은 본 발명에 따른 비교예 1에서 증착된 망간산화물을 저각에서 X-선회절패턴(XRD)을 관찰한 사진이다.
도 10은 본 발명에 따른 비교예 2에서 증착된 망간산화물을 저각에서 X-선회절패턴(XRD)을 관찰한 사진이다.
도 11은 본 발명에 따른 실시예 1에서 증착된 망간산화물의 광전자분석기 결과를 나타낸 사진이다.
도 12은 본 발명에 따른 실시예 1,2,3과 비교예 1에서 증착된 망간산화물의 0.5 M Na2SO4에서의 cyclic voltammetry 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 실시예 1,2,3과 비교예 1에서 증착된 망간산화물의 0.5 M Na2SO4에서의 Charge-discharge curve 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a photograph of a manganese oxide deposited in Example 1 according to the present invention by a transmission electron microscope (TEM).
2 is a photograph of a manganese oxide deposited in Example 2 by a transmission electron microscope (TEM).
3 is a photograph of a manganese oxide deposited in Example 3 by a transmission electron microscope (TEM).
4 is a photograph of a manganese oxide deposited in Comparative Example 1 by a transmission electron microscope (TEM).
5 is a photograph of a manganese oxide deposited in Comparative Example 2 by a transmission electron microscope (TEM).
6 is a photograph of X-ray diffraction pattern (XRD) observed at a low angle of manganese oxide deposited in Example 1 according to the present invention.
7 is a photograph of the X-ray diffraction pattern (XRD) observed at a low angle of manganese oxide deposited in Example 2 according to the present invention.
FIG. 8 is a photograph of X-ray diffraction pattern (XRD) observed at a low angle of manganese oxide deposited in Example 3 according to the present invention.
FIG. 9 is a photograph of X-ray diffraction pattern (XRD) of manganese oxide deposited at Comparative Example 1 according to the present invention at a low angle.
10 is a photograph of X-ray diffraction pattern (XRD) observed at a low angle of manganese oxide deposited in Comparative Example 2 according to the present invention.
11 is a photograph showing the results of a photoelectron spectrometer of manganese oxide deposited in Example 1 according to the present invention.
12 is a graph showing cyclic voltammetry results of 0.5 M Na 2 SO 4 of manganese oxide deposited in Examples 1, 2 and 3 and Comparative Example 1 according to the present invention.
13 is a graph showing charge-discharge curve results of 0.5 M Na 2 SO 4 of manganese oxide deposited in Examples 1, 2 and 3 and Comparative Example 1 according to the present invention.

다른 식으로 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 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.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 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.

이하, 본 발명에 따른 정렬된 메조 포러스 망간산화물 증착 방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the aligned mesoporous manganese oxide deposition method according to the present invention will be described in detail in each step.

본 발명에 따른 정렬된 메조 포러스 망간산화물 제조 방법은 하기와 같다.The process for preparing the aligned mesoporous manganese oxide according to the present invention is as follows.

본 발명은 (a) 망간 전구체와 소듐도데실설페이트(SDS)를 증류수에 용해하여 전해질을 제조하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 제조된 전해질에 작동 전극 및 상대 전극을 포함하는 전극시스템을 이용하여 65 내지 75 ℃ 온도 범위에서 -1.0 내지 -1.8 V 범위의 전압을 가하여 수산화망간을 전기증착하는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 수산화망간이 증착된 작동 전극을 열처리하여 망간산화물이 코팅된 작동전극을 얻는 단계; (d) 상기 단계 (c)에서 수득된 작동 전극에 남아있는 불순물을 세척하여 제거하는 단계; 및 (e) 상기 단계 (d)에서 수득된 작동 전극을 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬된 메조포러스 구조를 갖는 망간산화물의 제조방법으로 이루어진다.(A) dissolving a manganese precursor and sodium dodecyl sulfate (SDS) in distilled water to prepare an electrolyte; (b) electrodeposition the manganese hydroxide by applying a voltage in the range of -1.0 to -1.8 V in the temperature range of 65 to 75 ° C using the electrode system including the working electrode and the counter electrode to the electrolyte prepared in the step (a) step; (c) heat treating the working electrode deposited with manganese hydroxide in the step (b) to obtain a working electrode coated with manganese oxide; (d) washing and removing impurities remaining in the working electrode obtained in the step (c); And (e) drying the working electrode obtained in step (d). The method of manufacturing a manganese oxide having an ordered mesoporous structure according to claim 1,

상기 계면 활성제는 템플레이트 에이전트(Templating agent)로서 사용되어 지고, 본원 발명에서 템플레이트 에이전트란, 수산화망간이 증착될 때 표면에 특정한 구조를 형성하여 망간산화물의 비표면적을 넓히는 기능을 제공해주는 물질이다. The surfactant is used as a template agent. In the present invention, a template agent is a material that provides a function of widening the specific surface area of manganese oxide by forming a specific structure on the surface when manganese hydroxide is deposited.

계면활성제의 농도와 전해질의 온도에 따라 전극 표면에 생성되는 다른 형태 및 크기의 세미-마이셀이 형성되게 되고, 전기증착 시 형성된 세미-마이셀 위로 증착이 일어나게 된다. 이후 증착 된 박막에서 세미-마이셀이 제거되면 메조 포러스 구조의 망간산화물이 수득된다. Depending on the concentration of the surfactant and the temperature of the electrolyte, other forms and sizes of semi-micelles are formed on the surface of the electrode, and deposition occurs on the semi-micelles formed during the electroplating. When the semi-micelle is removed from the deposited thin film, a mesoporous manganese oxide is obtained.

본 발명에 있어서 계면활성제로서 소듐도데실설페이트(SDS) 또는 세틸트리메틸암모늄보로마이드(CTAB)를 사용한다.In the present invention, sodium dodecyl sulfate (SDS) or cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) is used as a surfactant.

상기 단계 (a)를 설명하자면 먼저, 소듐도데실설페이트(SDS)와 망간전구체를 증류수에 순차적으로 용해시켜 전해질을 제조한다. To explain step (a), sodium dodecyl sulfate (SDS) and a manganese precursor are sequentially dissolved in distilled water to prepare an electrolyte.

먼저, 소듐도데실설페이트를 증류수에 용해시키며, 소듐도데실설페이트의 농도는 0.5 ~ 3 중량%를 첨가하는 것이 바람직하다. 소듐도데실설페이트가 0.5 중량 % 미만으로 첨가 될 경우 세미-마이셀이 형성 되지 않으며, 3 중량 % 초과시 전기증착 반응을 방해하여 망간의 증착이 제대로 일어나지 않는다.First, sodium dodecyl sulfate is dissolved in distilled water, and the concentration of sodium dodecyl sulfate is preferably 0.5-3 wt%. When sodium dodecyl sulfate is added in an amount of less than 0.5% by weight, no semi-micelles are formed. When the amount of sodium dodecyl sulfate is more than 3% by weight, deposition of manganese does not occur.

이후, 망간 전구체를 증류수에 용해시키며, 망간 전구체로서 질산 망간(Mn(NO3)2)이 바람직하다. 이때 질산 망간(Mn(NO3)2)의 농도는 0.005 ~ 0.05 M인 것이 바람직하다. 질산망간이 0.005 M 미만일 경우 증착 속도가 너무 느려 메조포러스 구조체 합성이 제대로 일어나지 않으며, 0.05 M 초과인 경우 균일한 박막의 구조체 형성이 어렵다.Thereafter, the manganese precursor is dissolved in distilled water, and manganese nitrate (Mn (NO 3 ) 2 ) is preferably used as the manganese precursor. At this time, the concentration of manganese nitrate (Mn (NO3) 2) is preferably 0.005 to 0.05M. When the manganese nitrate is less than 0.005 M, the deposition rate is too slow to synthesize the mesoporous structure. If the manganese nitrate is more than 0.05 M, it is difficult to form a uniform thin film structure.

망간의 전구체로는 질산 망간 이외에도 황산 망간, 망간 아세테이트 등을 사용 할 수 있다. 하지만, 질산 망간 이외의 전구체를 사용할 경우 환원 전위에서 하이드록사이드 이온을 생성하기 위하여 질산나트륨이나 질산 칼륨 등 질산 이온이 포함되어 있는 물질을 넣어주어야 한다. 질산 망간을 사용할 경우 부가물질이 들어가지 않기 때문에 용이하다.As the precursor of manganese, manganese sulfate, manganese acetate, etc. may be used in addition to manganese nitrate. However, when a precursor other than manganese nitrate is used, a substance containing nitrate ions such as sodium nitrate or potassium nitrate must be added in order to generate hydroxide ions at the reduction potential. Manganese nitrate is easy to use because it does not contain added substances.

또한, 상기 단계 (a)에서 세틸트리메틸암모보로마이드(CTAB)를 더 포함하여, 망간 전구체, 소듐도데실설페이트 및 세틸트리메틸암모보로마이드가 증류수에 용해된 전해질을 제조할 수 있다. 소듐도데실설페이트와 반대의 전하를 가지는 세틸트리메틸암모보로마이드이 소량 첨가됨으로써 소듐도데실설페이트와 세틸트리메틸암모보로마이드 사이에서 상호작용(interaction)이 발생하고, 이에 따라 원래 소듐도데실설페이트의 세미-마이셀 구조의 변화를 이끌어 낼 수 있다.In addition, the step (a) may further include cetyltrimethylammonobomide (CTAB) to prepare an electrolyte in which manganese precursor, sodium dodecyl sulfate and cetyltrimethylammonobromide are dissolved in distilled water. The addition of a small amount of cetyltrimethylammonobromide with charge opposite to that of sodium dodecyl sulfate results in an interaction between sodium dodecyl sulfate and cetyltrimethylammonobromide, - Can change the structure of the micelle.

부가적으로 첨가되는 세틸트리메틸암모보로마이드는 0.005 ~ 0.3 중량%를 첨가하는 것이 바람직하다. 세틸트리메틸암모보로마이드이 0.005 중량% 미만으로 첨가 될 경우 소듐도데실설페이트와 세틸트리메틸암모보로마이드 사이의 충분한 상호작용이 형성 되지 않아 구조의 변화를 유도할 수 없으며 0.3 중량% 초과시 증착반응을 방해하여 망간의 증착이 제대로 일어나지 않는다.The addition amount of cetyltrimethylammonobromide is preferably 0.005 to 0.3% by weight. When cetyltrimethylammonobromide is added at less than 0.005% by weight, insufficient interaction between sodium dodecylsulfate and cetyltrimethylammonobromide is not formed, so that it is impossible to induce a change in structure, and when 0.3% by weight is exceeded, the deposition reaction is inhibited The deposition of manganese does not occur properly.

또한, 전해질에 증류수 이외에 에틸렌글리콜을 첨가 함으로써 구조의 성장에 도움을 줄 수 있다. 전해질 용액에 추가적으로 첨가된 에틸렌글리콜은 소듐도데실설페이트의 세미-마이셀 사이로 침투하여 세미-마이셀의 구조를 변화시켜 메조포러스 구조의 망간 산화물을 얻는데 효과적이다.In addition, ethylene glycol may be added to the electrolyte in addition to distilled water to assist the growth of the structure. Ethylene glycol added to the electrolyte solution penetrates into the semi-micelles of sodium dodecyl sulfate to change the structure of the semi-micelles and is effective for obtaining manganese oxides of mesoporous structure.

이때 증류수에 대하여 에틸렌글리콜이 30% 중량비 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 에틸렌 글리콜이 30 중량 % 초과시 전해질의 점도가 높아져 망간 이온의 물질 전달 속도가 늦춰져서, 이로 인해 증착반응이 제대로 일어날 수 없다.At this time, it is preferable that ethylene glycol is added to the distilled water at a weight ratio of 30% or less. When the amount of ethylene glycol is more than 30 wt%, the viscosity of the electrolyte is increased and the mass transfer rate of manganese ions is slowed, so that the deposition reaction can not be performed properly.

상기 단계 (b)에서 작동전극은 특별히 한정하지는 않으나, 바람직하게는 ITO 유리, 스테인레스 스틸, 백금판 등을 사용할 수 있으며, 증착하고자 하는 전극을 사용하기 위해 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상대전극으로는 백금 전극, 백금 메쉬 전극, 백금 와이어 전극으로 이루어지는 군으로부터 선택한 1종을 사용 할 수 있다. 또한, 기준전극을 추가적으로 포함하여 3전극 시스템을 이용하여 전기증착을 수행할 수 있으며, 기준전극으로는 은-염화은 기준전극을 사용하는 것이 바람직하다. In the step (b), the working electrode is not particularly limited, but preferably ITO glass, stainless steel, platinum or the like may be used, and the electrode may further be washed to use an electrode to be deposited. As the counter electrode, one selected from the group consisting of a platinum electrode, a platinum mesh electrode, and a platinum wire electrode may be used. In addition, the electrodeposition may be performed using a three-electrode system including a reference electrode, and it is preferable to use a silver-silver chloride reference electrode as a reference electrode.

세척시 사용되는 용액은 C1~C4의 알콜과 아세톤의 혼합 용액를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 이소프로판올과 아세톤의 1:1로 혼합 용액을 사용할 수 있다.The solution used for washing may be a mixed solution of C 1 -C 4 alcohol and acetone, preferably a 1: 1 mixed solution of isopropanol and acetone.

상기 단계 (b)의 수산화망간을 전기증착하는 단계에서 전해질의 온도를 65 ~ 75 °C로 유지하는 것이 바람직하다. 계면활성제를 이용하여 세미-마이셀을 형성할 때에는 용액의 온도가 매우 중요한 변수이며, 구체적으로 전해질 온도가 65 °C 미만 또는 75 °C 초과시 세미-마이셀이 제대로 형성되지 않아 메조 포러스 구조가 나타나지 않는다.In the step of electrodepositing the manganese hydroxide of the step (b), the temperature of the electrolyte is preferably maintained at 65 to 75 ° C. When the electrolyte temperature is lower than 65 ° C or above 75 ° C, the semi-micelles are not properly formed and the mesoporous structure does not appear.

상기 단계 (b)에서 증착 시 전위는 -1 ~ -1.6 V(vs Ag/AgCl(3M))로 정전위법을 적용하는 것이 바람직하다. 상기 정전위법이란, 작동 전극에 전위를 시간에 따라 일정하게 주사하는 방법으로 시간에 따라 전극에 흐르는 전류가 변하게 된다. 전기 증착 시 정전위 법을 이용할 경우 작동전극에 주사되는 전위가 일정하여 증착 반응 이외의 부가반응이 적게 일어난다.In the step (b), the potential during deposition is preferably -1 to -1.6 V (vs Ag / AgCl (3M)). The electrostatic method is a method in which a potential is constantly applied to the working electrode over time, and the current flowing through the electrode changes with time. When the electrostatic deposition method is used in electrodeposition, the potential to be injected into the working electrode is constant and the addition reaction other than the deposition reaction is less.

금속 산화물을 환원전위에서 증착할 경우 전해질 내에 NO3 -가 포함되어 있는 전해질을 사용하게 되는데 이로 인해 금속 이온이 증착되기 전 증착될 물질의 표면에 OH-가 생성되게 된다. OH-가 생성되는 반응은 하기 반응식 (1)과 같다.When the metal oxide is deposited at the reduction potential, an electrolyte containing NO 3 - is used in the electrolyte, thereby generating OH - on the surface of the substance to be deposited before the metal ion is deposited. The reaction in which OH - is generated is shown in the following reaction formula (1).

OH-생성 반응식: NO3 - + 6H2O + 8e- → NO2 - + 9OH- (1)OH - Formation reaction: NO 3 - + 6H 2 O + 8e - → NO 2 - + 9OH - (1)

이후 생성된 OH-와 금속 이온이 반응하여 수산화물 형태의 금속 화합물이 전극 표면에 생성된다. 망간의 경우 반응식을 하기 반응식 (2)에 나타내었다.The resulting OH - and metal ions react with each other to form a hydroxide compound in the surface of the electrode. The reaction scheme for manganese is shown in the following reaction formula (2).

수산화망간 생성 반응식: Mn+2 + 2OH- → Mn(OH)2 (2)Manganese hydroxide formation reaction formula: Mn + 2 + 2OH - → Mn (OH) 2 (2)

생성된 수산화망간은 열처리 과정을 통하여 화합물 내의 물이 제거되면서 망간산화물이 생성되게 된다.The generated manganese hydroxide is subjected to heat treatment to remove water from the manganese oxide.

상기 단계 (c)에서는 상기 단계 (b)에서 수득된 수산화망간이 증착된 전극을 200 ~ 500 °C의 온도에서 3시간 이상의 시간에서 열처리를 진행하는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 200 °C 미만일 경우 수산화 망간의 구조 내에서 물이 제거 되지 않아 망간산화물이 생성되지 않으며, 500 °C 초과시 생성된 메조 포러스 구조가 붕괴된다.In the step (c), it is preferable that the electrode on which the manganese hydroxide obtained in the step (b) is deposited is subjected to heat treatment at a temperature of 200 to 500 ° C for 3 hours or more. When the heat treatment temperature is less than 200 ° C, manganese oxides are not formed because water is not removed in the structure of manganese hydroxide, and when the temperature exceeds 500 ° C, the mesoporous structure formed is collapsed.

상기 단계 (d)에서는 상기 단계 (c)에서 제조된 전극을 에탄올, 이소프로판올, 아세톤 등으로 이루어지는 군에서 선택한 1종에 15 ~ 24 시간 침지하여 전극 표면의 계면활성제를 제거하는 것이 바람직하다. 세척 시간이 15 시간 미만일 경우 구조 내의 잔여 계면활성제가 제거되지 않아 메조포러스 구조가 나타나지 않으며, 24시간 이상일 경우 구조의 붕괴가 일어 날 수 있다.In the step (d), the electrode prepared in the step (c) is preferably immersed in one selected from the group consisting of ethanol, isopropanol, acetone and the like for 15 to 24 hours to remove the surfactant on the electrode surface. If the cleaning time is less than 15 hours, the residual surfactant in the structure is not removed and the mesoporous structure does not appear. If the cleaning time is more than 24 hours, the structure may collapse.

상기 단계 (d)에서 세척된 전극을 건조시킴으로서 정렬된 메조포러스 구조의 망간산화물 박막이 형성된 전극을 수득할 수 있으며, 상기 제조방법에 의해 만들어진 망간산화물 전극은 비표면적 확대와 안정한 메조포러스 구조로 인해 촉매 활성을 높아지는 효과가 나타난다. In the step (d), the washed electrode is dried to obtain an electrode in which a manganese oxide thin film having an aligned mesoporous structure is formed. The manganese oxide electrode produced by the above manufacturing method has a large specific surface area and a stable mesoporous structure The effect of increasing the catalytic activity is exhibited.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하는 바이며 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.The present invention as described above is specifically explained based on the following examples, and the present invention is not limited by the following examples.

SDS(Sodium Dodecyl Sulfate)를 이용한 정렬된 메조 포러스 망간산화물 증착Aligned Mesoporous Manganese Oxide Deposition Using SDS (Sodium Dodecyl Sulfate)

단계 (a): 100 ml 증류수에 MnNO3분말 182.6 mg, SDS 251.08 mg을 칭량하여 비커에 넣고, 30분가량 교반(stirring)하여 전해질을 제조한다.Step (a): 182.6 mg of MnNO 3 powder and 251.08 mg of SDS are weighed into 100 ml of distilled water, placed in a beaker, and stirred for about 30 minutes to prepare an electrolyte.

단계 (b): 또 다른 비커에 이소프로판올 5 ml, 아세톤 5ml를 혼합하고 ITO glass를 침지하여 30분 가량 초음파 세척기(JAC, JAC-2010)를 이용하여 세척 한다.Step (b): 5 ml of isopropanol and 5 ml of acetone are mixed with another beaker, and ITO glass is immersed and cleaned using an ultrasonic cleaner (JAC, JAC-2010) for about 30 minutes.

단계 (c): 기준 전극으로는 은-염화은 전극을 사용하며, 작동전극으로 상기 단계 (b)의 세척된 ITO glass, 상대전극으로 백극 메쉬 전극으로 사용한다. 이때, 작동전극과 상대전극은 전기가 통하는 면을 서로 마주 볼 수 있도록 구성한다.Step (c): silver-silver chloride electrode is used as a reference electrode, and washed ITO glass of the step (b) is used as a working electrode, and a counter electrode is used as a counter electrode. At this time, the working electrode and the counter electrode are configured so that the surfaces through which electricity can communicate face each other.

단계 (d): 상기 단계 (c)의 전극들을 상기 단계 (a)의 전해질에 충분히 담지하고 전위 가변기(Bio-Logic SA, VSP)를 이용하여 -1.6V에서 정전위법으로 70 °C에서 증착한다.Step (d): The electrodes of step (c) are fully supported on the electrolyte of step (a) and electrostatically deposited at -1.6 V using a potentiostat (Bio-Logic SA, VSP) do.

단계 (e): 상기 단계 (d)에서 완성된 전극을 200 °C에서 3시간 동안 전기로(JISICO, J-FM38)에서 열처리하여 망간산화물을 합성한다.Step (e): The electrode completed in step (d) is heat-treated at 200 ° C for 3 hours in an electric furnace (JISICO, J-FM38) to synthesize manganese oxide.

단계 (f): 상기 단계 (e)에서 완성된 전극을 30 ml 에탄올에 18시간동안 침지하고 건조하여 정렬된 메조 포러스 망간산화물을 완성 한다.Step (f): The electrode completed in step (e) is immersed in 30 ml of ethanol for 18 hours and dried to complete the aligned mesoporous manganese oxide.

SDS(Sodium Dodecyl Sulfate)와 Ethylene glycol을 이용한 정렬된 메조 포러스 망간산화물 증착Aligned Mesoporous Manganese Oxide Deposition Using SDS (Sodium Dodecyl Sulfate) and Ethylene Glycol

단계 (a): 상기 실시예 1의 단계 (a)에서 71.94 mL의 증류수에 28.06 mL의 ethylene glycol을 첨가하고 이를 용매로 하여 실시예 1의단계 (a)와 동일하게 수행한다.Step (a): In Step (a) of Example 1, 28.06 mL of ethylene glycol was added to 71.94 mL of distilled water and the same procedure as in step (a) of Example 1 was conducted.

상기 실시예 (b) ~ (e)까지 동일하게 수행하여 정렬된 메조 포러스 망간산화물을 증착한다.The mesoporous manganese oxides deposited in the same manner as in the above Examples (b) to (e) are deposited.

SDS(Sodium Dodecyl Sulfate)와 CTAB(Cetrimonium bromide)을 이용한 정렬된 메조 포러스 망간산화물 증착Aligned Mesoporous Manganese Oxide Deposition Using SDS (Sodium Dodecyl Sulfate) and CTAB (Cetrimonium Bromide)

단계 (a): 상기 실시예 1의 단계 (a)에서 25.8 mg의 CTAB을 첨가하고 실시예 1의단계 (a)와 동일하게 수행한다.Step (a): 25.8 mg of CTAB was added in step (a) of Example 1 and the same procedure as in step (a) of Example 1 was carried out.

상기 실시예 (b) ~ (e)까지 동일하게 수행하여 정렬된 메조 포러스 망간산화물을 증착한다.The mesoporous manganese oxides deposited in the same manner as in the above Examples (b) to (e) are deposited.

<비교예 1> 계면활성제를 사용하지 않은 망간산화물 증착&Lt; Comparative Example 1 & Deposition of manganese oxide without surfactant

단계 (a): 상기 실시예 1의 단계 (a)에서 SDS를 제외하고 상기 실시예 1의 단계 (a)와 동일하게 수행한다.Step (a): The step (a) of Example 1 is carried out in the same manner as the step (a) of Example 1 except for SDS.

상기 실시예 (b) ~ (e)까지 동일하게 수행하여 망간산화물을 증착한다.Manganese oxides are deposited in the same manner as in the above examples (b) to (e).

<비교예 2> 상온에서의 SDS(Sodium Dodecyl Sulfate)를 이용한 망간 산화물 증착&Lt; Comparative Example 2 & Manganese Oxide Deposition Using Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) at Room Temperature

상기 실시예 (a) ~ (c)까지 동일하게 수행하여 전해질을 제조한다.The electrolytes are prepared in the same manner as in the above Examples (a) to (c).

단계 (d): 상기 실시예 1의 단계 (d)에서 증착 시 온도를 상온으로 하여 상기 실시예 1의 단계 (d)와 동일하게 수행한다.Step (d): In step (d) of the first embodiment, the deposition is performed at room temperature and the same procedure as in step (d) of the first embodiment is performed.

상기 실시예 (e) ~ (f)까지 동일하게 수행하여 망간산화물을 증착한다.Manganese oxides are deposited in the same manner as in the above Examples (e) to (f).

<비교예 3> 80도에서의 SDS(Sodium Dodecyl Sulfate)를 이용한 망간 산화물 증착&Lt; Comparative Example 3 & Manganese Oxide Deposition Using SDS (Sodium Dodecyl Sulfate) at 80 Degree

상기 실시예 (a) ~ (c)까지 동일하게 수행하여 전해질을 제조한다.The electrolytes are prepared in the same manner as in the above Examples (a) to (c).

단계 (d): 상기 실시예 1의 단계 (d)에서 증착 시 온도를 80도로 하여 상기 실시예 1의 단계 (d)와 동일하게 수행한다.Step (d): In the step (d) of Example 1, the deposition is performed at a temperature of 80 ° C. in the same manner as in the step (d) of Embodiment 1.

상기 실시예 (e) ~ (f)까지 동일하게 수행하여 망간산화물을 증착한다.Manganese oxides are deposited in the same manner as in the above Examples (e) to (f).

하지만 증착 시 전해질의 물이 증발하여 전해질의 양이 계속 감소하였으며, 이에 따라 전해질 내의 전구체 및 계면활성제의 농도가 변하여 일정한 조건에서의 증착이 불가능 하였다.However, the amount of electrolyte was decreased by evaporation of electrolyte water during deposition, and consequently, the concentration of the precursor and surfactant in the electrolyte changed, and deposition under a constant condition was impossible.

<비교예 4> 70도에서의 SDS(Sodium Dodecyl Sulfate)와 수열 합성법을 이용한 망간 산화물 합성&Lt; Comparative Example 4 & Synthesis of Manganese Oxide Using SDS (Sodium Dodecyl Sulfate) and Hydrothermal Synthesis at 70 ° C

단계 (a): 60 ml 증류수에 MnSO4분말 474 mg, SDS 120 mg을 칭량하여 비커에 넣고, 50도에서 하루 동안 교반(stirring)하여 용액을 제조한다.Step (a): 474 mg of MnSO 4 powder and 120 mg of SDS are weighed into 60 ml of distilled water, placed in a beaker, and stirred at 50 ° C. for one day to prepare a solution.

단계 (b): 제조된 용액을 오토클레이브에 넣고 180도에서 4시간 가량 반응 시킨다.Step (b): The prepared solution is placed in an autoclave and reacted at 180 degrees for about 4 hours.

단계 (c): 위 과정에서 만들어진 침전물을 여과한 이후 원심분리기를 이용하여 세척과정을 거쳐 망간산화물을 얻을 수 있으나 반응 온도가 낮아 아무런 침전물도 생성되지 않았다.Step (c): The precipitate produced in the above process was filtered and then washed with a centrifuge to obtain manganese oxide. However, no precipitate was formed due to a low reaction temperature.

<실험예 1> 망간산화물의 전자현미경 관찰<Experimental Example 1> Electron microscopic observation of manganese oxide

상기 실시예 1, 2, 3 과 비교예 1, 2에 의해 제조된 망간산화물의 구조를 관찰하기 위하여 투과전자현미경(JEOL, JEM-2100F)으로 제조된 망간산화물을 관찰하고, 이를 도 1, 2, 3, 4 및 5에 나타내었다.Manganese oxides prepared by transmission electron microscope (JEOL, JEM-2100F) were observed to observe the structure of the manganese oxide produced by the examples 1, 2, and 3 and the comparative examples 1 and 2, , 3, 4 and 5, respectively.

도 1과 도 4는 각각 상기 실시예 1과 비교예 1에서 증착된 정렬된 메조 포러스 망간산화물을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다. 도4에 의하면, 비교예 1에서 계면활성제 및 첨가제가 존재하지 않은 상태에서 증착된 망간산화물은 포러스구조를 보이고 있지 않다. 반면에 실시예 1에서 증착된 망간산화물은 3.47 nm에 해당하는 정렬된 메조 포러스 구조가 발달되어 있는 것을 확인할 수 있다. 도 2와 3으로부터 첨가물이 들어갔을 때에도 정렬된 메조 포러스 구조가 나타나는 것을 관찰하였다. 도5으로부터 상온에서 증착 되었을 경우 계면활성제가 포함되어있음에도 불구하고 정렬된 메조 포러스 구조는 나타나지 않는 것을 관찰 하였다.FIGS. 1 and 4 are photographs of the aligned mesoporous manganese oxide deposited in Example 1 and Comparative Example 1, respectively, by transmission electron microscopy (TEM). According to FIG. 4, the manganese oxide deposited in the state where the surfactant and the additive are not present in Comparative Example 1 does not show a porous structure. On the other hand, it can be seen that the manganese oxide deposited in Example 1 has an aligned mesoporous structure corresponding to 3.47 nm. From FIGS. 2 and 3, it was observed that an ordered mesoporous structure appeared even when the additives were introduced. From FIG. 5, it was observed that the mesoporous structure was not formed even though the surfactant was contained when the film was deposited at room temperature.

<실험예 2> X선 회절분석<Experimental Example 2> X-ray diffraction analysis

상기 실시예 1, 2, 3과 비교예 1, 2에 의해 제조된 망간산화물의 특징을 알아보기 위하여 X선 회절분석기(Rigaku, Mini flex)로 분석하여 그 결과를 도 6, 7, 8, 9 및 10에 나타내었다.The characteristics of the manganese oxides prepared by Examples 1, 2 and 3 and Comparative Examples 1 and 2 were analyzed by an X-ray diffractometer (Rigaku, Mini flex), and the results are shown in FIGS. 6, 7, 8 and 9 And 10, respectively.

도 6와 도 9은 각각 상기 실시예 1과 비교예 1에서 증착된 정렬된 메조 포러스 망간산화물을 저각에서의 X-선회절페턴(XRD)을 나타낸 것이다. 도 9에 의하면, 비교예 1에서 계면활성제가 첨가되지 않은 상태에서 전기증착된 망간산화물의 경우 저각에서 아무런 피크(peak)들이 나타나지 않는다. 반면에, 실시예 1에서 SDS가 포함된 전해질에서 증착된 망간 산화물은 저각에서 여러 피크(peak)들이 나타나게 되고 이는 정렬된 메조포로스 구조가 있다는 것을 나타낸다. FIGS. 6 and 9 show X-ray diffraction patterns (XRD) at low angles of the aligned mesoporous manganese oxide deposited in Example 1 and Comparative Example 1, respectively. According to FIG. 9, in the case of the manganese oxide electroplated in the state in which no surfactant is added in Comparative Example 1, no peaks appear at a low angle. On the other hand, the manganese oxide deposited in the electrolyte containing SDS in Example 1 exhibits several peaks at lower angles, indicating that there is an ordered mesoporous structure.

도 7과 도8 또한 실시예 2와 실시예 3으로부터 제조된 망간산화물의 저각에서의 X-선회절패턴(XRD)을 나타었으며, 각각의 실시예에서 만들진 망간산화물이 각각의 다른 피크(peak)을 보이고 있으며, 이는 각각의 실시예가 다른 구조를 가지고 있다는 것을 의미한다.FIGS. 7 and 8 also show the X-ray diffraction pattern (XRD) at low angles of the manganese oxides prepared from Example 2 and Example 3. The manganese oxide produced in each example has a different peak, , Which means that each embodiment has a different structure.

<실험예 3> 망간산화물의 구성성분의 분석<Experimental Example 3> Analysis of constituents of manganese oxide

상기 실시예 1에 의해 제조된 망간산화물의 구성성분을 알아보기 위하여 광전자분광기(X-ray photoelectron spectroscopy, SPECS, EA200)을 이용하여 분석하였다. 그 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 망간산화물의 Mn 3s 결합에너지의 피크의 간격이 6.1 eV를 나타냄으로써, 상기 박막의 화학적 결합상태가 MnO라는 것을 알 수 있다. 이는 문헌들에서 망간산화물에 대한 광전자분광기 분석 결과와 일치함을 알 수 있다( J.L. Junta, M.F. Hochella Jr., Geochimca et Cosmochimica Acta, 58 (1994) 4985-4999.)The composition of the manganese oxide prepared in Example 1 was analyzed using an X-ray photoelectron spectroscopy (SPECS, EA200). The results are shown in Fig. As shown in FIG. 11, the peak of the Mn 3s binding energy of the manganese oxide of Example 1 according to the present invention exhibits a distance of 6.1 eV, indicating that the chemical bonding state of the thin film is MnO. This is consistent with the results of photoelectron spectroscopic analysis of manganese oxides in the literature (J. L. Junta, M. F. Hochella Jr., Geochimca et Cosmochimica Acta, 58 (1994) 4985-4999.)

<실험예 4> 순환전압전류법을 통한 전기화학적 거동 분석<Experimental Example 4> Electrochemical behavior analysis by cyclic voltammetry

상기 실시예 1, 2 및 3에 의해 제조된 망간산화물의 전극촉매로써의 성능을 비교분석하기 위하여 상기 비교예1에 의해 제조된 비세공구조의 망간산화물 및 실시예 1, 2 및 3에 의해 제조된 메조 포러스 구조의 망간산화물을 이용하여 하기와 같은 실험을 진행하였다.In order to comparatively analyze the performance of the manganese oxide produced by the above Examples 1, 2 and 3 as the electrode catalyst, the manganese oxide of the non-pore structure prepared in Comparative Example 1 and the manganese oxide prepared by Examples 1, 2 and 3 The following experiment was conducted using manganese oxide having a mesoporous structure.

상기 실시예 1, 2, 3 및 비교예 1에 의해 제조된 망간산화물의 전기화학적 특성을 알아보기 위하여 포텐셔스테이트(Potentiostat, Princeton Applied Research, VSP)를 이용하여 0.5 몰의 Na2SO4전해액에서 50 mV/s의 주사속도로 순환전압전류법을 분석하였다. 그 결과를 도 12에 나타내었다.To investigate the electrochemical properties of the manganese oxides prepared in Examples 1, 2 and 3 and Comparative Example 1, 0.5 mol of Na 2 SO 4 electrolytic solution was measured using a potentiostat (Princeton Applied Research, VSP) The cyclic voltammetry method was analyzed at a scanning speed of 50 mV / s. The results are shown in Fig.

도 12을 참조하면, 본 발명의 실시예 3의 망간산화물은 단위면적당 가장 높은 전류 밀도를 나타냄으로써, 슈퍼커패시터와 같은 전기화학장치의 전극재료로 사용되었을 경우 비세공구조의 망간산화물과 비교하여 높은 전기저장용량과 빠른 충방전 속도를 가지고 있음을 알 수 있다. 또한, SDS만 첨가한 실시예 1과 에틸렌글리콜(Ethylene glycol)을 첨가한 실시예 2의 경우, 비록 합성된 중간세공구조가 안정하지 못하여 실시예 3보다 낮은 단위면적당 전류밀도를 나타내었으나, 부분적으로 존재하는 기공들로 인하여 비교예 1의 비세공구조의 망간산화물 보다 높은 전류밀도를 나타내었다. 따라서 본 발명에서 제조되는 메조 포러스 구조의 망간산화물은 전기화학장치의 전극재료로써 기존의 전극재료보다 우수한 성능을 가지고 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 12, the manganese oxide of Example 3 of the present invention exhibits the highest current density per unit area. When used as an electrode material of an electrochemical device such as a supercapacitor, the manganese oxide has a higher It has electric storage capacity and fast charging / discharging speed. In addition, in the case of Example 1 in which only SDS was added and Example 2 in which ethylene glycol was added, although the synthesized mesopore structure was not stable, the current density per unit area was lower than that in Example 3, The current density was higher than that of the non-pore structure manganese oxide of Comparative Example 1 due to the existence of pores. Therefore, it can be seen that the manganese oxide of the mesoporous structure prepared in the present invention has better performance than the conventional electrode material as the electrode material of the electrochemical device.

<실험예 5> 방전곡선(Discharge curve) 분석을 통한 전기 용량 평가EXPERIMENTAL EXAMPLE 5 Evaluation of Capacitance by Analysis of Discharge Curve

상기 실시예 1, 2 및 3에 의해 제조된 망간산화물의 초고용량 커패시터로써의 전기 용량 평가를 위하여 상기 비교예 1에 의해 제조된 비세공 구조의 망간산화물과 실시예 1, 2 및 3에 의해 제조된 메조 포러스 구조의 망간산화물을 이용하여 하기와 같은 실험을 진행하였다.In order to evaluate the electric capacity of the ultra-high-capacity capacitor of manganese oxide prepared in Examples 1, 2 and 3, the manganese oxide of the non-pore structure prepared in Comparative Example 1 and the manganese oxide prepared in Examples 1, 2 and 3 The following experiment was conducted using manganese oxide having a mesoporous structure.

상기 실시예 1, 2, 3 및 비교예 1에 의해 제조된 망간산화물의 전기 용량 평가를 위하여 포텐셔스테이트(potentiostat)를 이용하여 Na2SO4전해액에서 방전특성을 분석하였다. 1 A/g의 일정전류를 가하여 방전 용량을 측정하였고, 그 결과를 도 13에 나타내었다.Discharge characteristics of the manganese oxide prepared in Examples 1, 2 and 3 and Comparative Example 1 were analyzed using a potentiostat in a Na 2 SO 4 electrolytic solution. The discharge capacity was measured by applying a constant current of 1 A / g. The results are shown in FIG.

도 13을 참조하면, 실시예 1, 2 및 3의 메조 포러스 구조의 망간산화물은 방전시간이 각각 32 s, 35 s 및 35 s로 비교예 1의 16 s보다 약 두 배 높은 전기 용량을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 13, the manganese oxides of the mesoporous structure of Examples 1, 2, and 3 have discharge times of about 32 s, 35 s, and 35 s, respectively, and about twice the electric capacity of 16 s of Comparative Example 1 .

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적은 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 appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereto will be. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (7)

망간산화물의 제조방법에 있어서,
(a) 망간 전구체와 소듐도데실설페이트(SDS) 및 세틸트리메틸암모늄보로마이드(CTAB)를 증류수에 용해하여 전해질을 제조하는 단계;
(b) 상기 단계 (a)에서 제조된 전해질에 작동 전극 및 상대 전극을 포함하는 전극시스템을 이용하여 65 내지 75 ℃ 온도 범위에서 -1.0 내지 -1.8 V 범위의 전압을 가하여 수산화망간을 전기증착하는 단계;
(c) 상기 단계 (b)에서 수산화망간이 증착된 작동 전극을 열처리하여 망간산화물이 코팅된 작동전극을 얻는 단계;
(d) 상기 단계 (c)에서 수득된 작동 전극에 남아있는 불순물을 세척하여 제거하는 단계; 및
(e) 상기 단계 (d)에서 수득된 작동 전극을 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬된 메조포러스 구조를 갖는 망간산화물의 제조방법.
In the method for producing manganese oxide,
(a) preparing an electrolyte by dissolving a manganese precursor, sodium dodecyl sulfate (SDS) and cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB) in distilled water;
(b) electrodeposition the manganese hydroxide by applying a voltage in the range of -1.0 to -1.8 V in the temperature range of 65 to 75 ° C using the electrode system including the working electrode and the counter electrode to the electrolyte prepared in the step (a) step;
(c) heat treating the working electrode deposited with manganese hydroxide in the step (b) to obtain a working electrode coated with manganese oxide;
(d) washing and removing impurities remaining in the working electrode obtained in the step (c); And
(e) drying the working electrode obtained in step (d). &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)의 질산 전구체는 질산 망간(Mn(NO3)2)이고, 상기 질산 망간(Mn(NO3)2)은 0.005 내지 0.05 M 농도 범위인 것을 특징으로 하는 정렬된 메조포러스 구조를 갖는 망간산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the nitric acid precursor in step (a) is manganese nitrate (Mn (NO 3 ) 2 ) and the manganese nitrate (Mn (NO 3 ) 2 ) is in a concentration range of 0.005 to 0.05 M. &Lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)의 소듐도데실설페이트는 0.5 내지 3 중량% 범위 내로 첨가되며, 상기 세틸트리메틸암모늄보로마이드(CTAB)는 0.005 내지 0.3 중량% 범위로 첨가되는 것을 특징으로 하는 정렬된 메조포러스 구조를 갖는 망간산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sodium dodecyl sulfate in step (a) is added in an amount in the range of 0.5 to 3 wt%, and the cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) is added in an amount in the range of 0.005 to 0.3 wt%. &Lt; / RTI &gt;
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 에틸렌글리콜을 더 포함하여 전해질을 제조하고, 상기 증류수에 대하여 에틸렌글리콜이 30% 중량비 이하로 첨가되는 것을 특징으로 하는 정렬된 메조포러스 구조를 갖는 망간산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
The method of producing an manganese oxide having an ordered mesoporous structure according to claim 1, wherein the step (a) further comprises adding ethylene glycol to produce an electrolyte, and ethylene glycol is added to the distilled water in an amount of 30% by weight or less.
제1항에 있어서,
상기 단계 (c)의 열처리 과정은 200 내지 500 °C 의 온도에서 3시간 이상 수행되는 것을 특징으로 하는 정렬된 메조포러스 구조를 갖는 망간산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment in step (c) is performed at a temperature of 200 to 500 ° C for 3 hours or more.
삭제delete
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