KR102062362B1 - Detonation nanodiamond chemical purification and recycling methods based on potassium permanganate - Google Patents

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이승환
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한국기초과학지원연구원
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Abstract

A detonation nanodiamond (DND) chemical purification and recycling process method based on potassium permanganate (KMnO_4) according to an embodiment of the present invention comprises steps of: preparing a DND powder; stirring a first solution containing the DND powder and a first strong acid; stirring a second solution containing KMnO_4 and a second strong acid; mixing the first solution and the second solution, and then heating the same for a predetermined reaction time to purify DND; and recovering a third strong acid containing the first strong acid and the second strong acid, followed by reusing the same for purification of DND. According to the present invention, it is possible to minimize the generation of waste strong acid used in purification and improve the process efficiency.

Description

과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 및 리사이클링 공정 방법{DETONATION NANODIAMOND CHEMICAL PURIFICATION AND RECYCLING METHODS BASED ON POTASSIUM PERMANGANATE}DND chemical purification and recycling process method based on potassium permanganate (KMnO4) {DETONATION NANODIAMOND CHEMICAL PURIFICATION AND RECYCLING METHODS BASED ON POTASSIUM PERMANGANATE}

과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 및 리사이클링 공정 방법이 제공된다.A potassium permanganate (KMnO 4 ) based DND chemical purification and recycling process method is provided.

폭발반응에 의한 나노 다이아몬드(DND, Detonation Nano Diamond)는 입경이 매우 작은 수nm 크기와 비표면적이 통상 다이아몬드 대비 약 수십배 내지 수백배로 크다Detonation Nano Diamond (DND) by explosion reaction has a few nanometer size and specific surface area with very small particle diameter, which is usually about tens to hundreds of times larger than diamond.

또한, DND는 생체내에서 독성이 거의 없고, 구조체의 안정성으로 인하여 생체적합성을 가지며, DND의 표면에는 다수의 친수성 작용기를 포함하고 있는 특징을 가진다. 따라서, 독특한 전기적, 화학적, 광학적 특징을 가진 DND 재료의 중요성이 커지고 있다.In addition, DND is almost non-toxic in vivo, has biocompatibility due to the stability of the structure, and the surface of the DND has a feature that contains a number of hydrophilic functional groups. Thus, the importance of DND materials with unique electrical, chemical and optical characteristics is growing.

한편, DND는 폭발반응과정이 매우 짧고 폭발과 동시에 수축이 일어나기 때문에 생성된 단일다이아몬드 입자상들이 강하게 뭉치는 현상으로 인하여 단일 또는 몇 개의 입자군집들로 분리하는 것이 매우 어려울뿐 아니라 DND 내부에 포함된 불순물도 정제하기 어렵다.On the other hand, DND is very difficult to separate into single or several particle clusters due to the strong aggregation of single diamond particles, because the explosion process is very short and shrinkage occurs simultaneously with the explosion. It is also difficult to purify.

종래 황산(H2SO4)과 KMnO4를 사용한 정제방법이 HClO4를 사용하는 방법보다 정제 비용이 약 50% 저렴하다는 연구결과가 있다. 하지만, DND 정제에 사용한 폐 황산의 경우, 황산 자체가 주요 수질 오염원으로 작용하며 높은 폐기비용이 발생된다. Previous studies have shown that the purification method using sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and KMnO 4 is about 50% cheaper than the method using HClO 4 . However, in the case of waste sulfuric acid used for DND purification, sulfuric acid itself acts as a major water pollutant and incurs high disposal costs.

또한, 정제 과정에 따라 제품의 품질에도 영향을 미치는 중요한 역할을 차지한다고 알려져 있으며, 산업적 측면에서 생산단가를 낮추는 것은 제품의 생산성 및 경쟁력을 상승시키는 중요한 요인이다. In addition, the refining process is known to play an important role in affecting the quality of the product, and in the industrial aspect, lowering the production cost is an important factor to increase the productivity and competitiveness of the product.

그러나, 종래의 정제 공정은 DND 정제 순도를 제어하기 어렵고, 폐강산의 과도한 발생으로 인한 처리비용 문제로 인해 실질적인 DND 정제 공정으로서의 이용률이 낮을 수 있다.However, the conventional purification process is difficult to control the purity of the DND purification, and due to the problem of processing cost due to excessive generation of waste strong acid, the utilization rate as a substantial DND purification process may be low.

본 발명의 한 실시예에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 및 리사이클링 공정 방법은 폭발 발생을 감소시키기 위한 것이다.Potassium permanganate (KMnO 4 ) based DND chemical purification and recycling process according to one embodiment of the present invention is to reduce the occurrence of explosion.

본 발명의 한 실시예에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 및 리사이클링 공정 방법은 부산물의 발생을 최소화시키기 위한 것이다.Potassium permanganate (KMnO 4 ) based DND chemical purification and recycling process according to one embodiment of the present invention is to minimize the generation of by-products.

본 발명의 한 실시예에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 및 리사이클링 공정 방법은 낮은 온도에서의 정제 효율을 향상시키기 위한 것이다.Potassium permanganate (KMnO 4 ) based DND chemical purification and recycling process according to one embodiment of the present invention is to improve the purification efficiency at low temperatures.

본 발명의 한 실시예에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 및 리사이클링 공정 방법은 KMnO4의 양, 온도 및 시간을 조절하여 sp3/sp2 탄소 함량, IDia/IG 비율을 조절하기 위한 것이다.Potassium permanganate (KMnO 4 ) based DND chemical purification and recycling process according to an embodiment of the present invention by adjusting the amount, temperature and time of KMnO 4 to adjust the sp 3 / sp 2 carbon content, I Dia / I G ratio It is to.

본 발명의 한 실시예에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 및 리사이클링 공정 방법은 DND의 정제 순도를 조절하기 위한 것이다.Potassium permanganate (KMnO 4 ) based DND chemical purification and recycling process according to one embodiment of the present invention is to control the purification purity of DND.

본 발명의 한 실시예에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 및 리사이클링 공정 방법은 정제에 이용된 폐강산의 발생을 최소화시키기 위한 것이다.Potassium permanganate (KMnO 4 ) based DND chemical purification and recycling process according to one embodiment of the present invention is to minimize the generation of waste strong acid used in the purification.

본 발명의 한 실시예에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 및 리사이클링 공정 방법은 폐강산의 이용률을 향상시키기 위한 것이다.Potassium permanganate (KMnO 4 ) based DND chemical purification and recycling process according to one embodiment of the present invention is to improve the utilization of waste strong acid.

본 발명의 한 실시예에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 및 리사이클링 공정 방법은 공정 효율을 향상시키기 위한 것이다.Potassium permanganate (KMnO 4 ) based DND chemical purification and recycling process according to an embodiment of the present invention is to improve the process efficiency.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다. In addition to the above object, embodiments according to the present invention can be used to achieve other objects not specifically mentioned.

본 발명의 한 실시에에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 및 리사이클링 공정 방법은 DND(detonation nano diamond) 분말을 준비하는 단계, DND 분말 및 제1 강산을 포함하는 제1 용액을 교반하는 단계, 과망간산칼륨(KMnO4) 및 제2 강산을 포함하는 제2 용액을 교반하는 단계, 제1 용액 및 제2 용액을 혼합하고 미리 설정된 반응 시간 동안 가열하여 DND를 정제하는 단계, 그리고 제1 강산 및 제2 강산을 포함하는 제3 강산을 회수하여 DND의 정제에 재이용하는 리사이클링(recycling) 공정을 포함한다.Potassium permanganate (KMnO 4 ) -based DND chemical purification and recycling process according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a detonation nano diamond (DND) powder, stirring the first solution comprising the DND powder and the first strong acid Purifying the DND by stirring a second solution comprising potassium permanganate (KMnO 4 ) and a second strong acid, mixing the first solution and the second solution and heating for a predetermined reaction time, and the first strong acid And a recycling step of recovering the third strong acid including the second strong acid and reusing the purified DND.

리사이클링 공정 단계에서, 제3 강산 및 이용되지 않은 강산이 혼합된 것을 포함할 수 있다.In the recycling process step, the third strong acid and the unused strong acid may be mixed.

강산은 황산(H2SO4), 플루오린화 수소(HF), 하이포아염소산(HClO), 염소산(HClO3), 과염소산(HClO4) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The strong acid may include at least one of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), hydrogen fluoride (HF), hypochlorous acid (HClO), chloric acid (HClO 3 ), and perchloric acid (HClO 4 ).

DND 분말 및 과망간산칼륨(KMnO4)의 양은 1:2 내지 1:6의 비율일 수 있다.The amount of DND powder and potassium permanganate (KMnO 4 ) may be in a ratio of 1: 2 to 1: 6.

과망간산칼륨(KMnO4)의 양에 따라 정제된 DND의 sp3/sp2 탄소 비율이 조절될 수 있다.Depending on the amount of potassium permanganate (KMnO 4 ), the sp 3 / sp 2 carbon ratio of the purified DND can be adjusted.

제1 용액 및 제2 용액을 혼합하고 미리 설정된 반응 시간 동안 가열하여 DND를 정제하는 단계에서, 반응 시간은 1시간 내지 24시간일 수 있다.In the step of purifying the DND by mixing the first solution and the second solution and heating for a predetermined reaction time, the reaction time may be 1 hour to 24 hours.

제1 용액 및 제2 용액을 혼합하고 미리 설정된 반응 시간 동안 가열하여 DND를 정제하는 단계에서, 가열 온도는 100℃ 내지 400℃일 수 있다.In the step of purifying the DND by mixing the first solution and the second solution and heating for a predetermined reaction time, the heating temperature may be 100 ° C to 400 ° C.

여기서, 가열 온도는 스텝 함수의 방법으로 가열될 수 있다.Here, the heating temperature can be heated by the method of step function.

본 발명의 한 실시예에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 및 리사이클링 공정 방법은 폭발 발생을 감소시킬 수 있고, 부산물의 발생을 최소화시킬 수 있으며, 낮은 온도에서의 정제 효율을 향상시킬 수 있고, KMnO4의 양, 온도 및 시간을 조절하여 sp3/sp2 탄소 함량, IDia/IG 비율을 조절할 수 있으며, DND의 정제 순도를 조절할 수 있고, 정제에 이용된 폐강산의 발생을 최소화시킬 수 있으며, 폐강산의 이용률을 향상시킬 수 있고, 공정 효율을 향상시킬 수 있다.Potassium permanganate (KMnO 4 ) based DND chemical purification and recycling process according to an embodiment of the present invention can reduce the occurrence of explosion, minimize the generation of by-products, can improve the purification efficiency at low temperature The amount, temperature and time of KMnO 4 can be adjusted to adjust the sp 3 / sp 2 carbon content, I Dia / I G ratio, the purification purity of DND, and the generation of waste strong acid used for purification. It can minimize, improve the utilization of the waste strong acid, and improve the process efficiency.

도 1은 한 실시예에 따른 DND 정제 및 리사이클링 공정의 순환 과정을 나타내는 도면이다.
도 2는 한 실시예에 따른 DND 정제 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 한 실시예에 따른 DND 정제 공정에서, 시간에 따른 가열 온도 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 4a는 실시예 1에 따른 온도에 따른 UV-Raman 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 4b는 실시예 1에 따른 온도에 따른 IDia/IG 비율을 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 5c는 실시예 1에 따른 정제한 DND의 각 층별 모습을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 6f는 실시예 1에 따른 정제한 DND의 각 층별 UV-Raman 스펙트럼 및 IDia/IG 비율을 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예 1에 따른 DND의 XRD 분석을 나타내는 도면이다.
도 8a는 실시예 2에 따른 KMnO4의 양에 따른 정제한 DND의 UV-Raman 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 8b는 실시예 2에 따른 KMnO4의 양에 따른 정제한 DND의 IDia/IG 비율을 나타내는 도면이다.
도 9은 실시예 2에 따른 DND의 XRD 분석을 나타내는 도면이다.
도 10a는 실시예 3에 따른 온도에 따른 UV-Raman 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 10b는 실시예 3에 따른 온도에 따른 IDia/IG 비율을 나타내는 도면이다.
도 11a는 실시예 4에 따른 KMnO4의 양에 따른 UV-Raman 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 11b는 실시예 4에 따른 KMnO4의 양에 따른 IDia/IG 비율을 나타내는 도면이다.
도 12a는 실시예 5에 따른 반응 시간에 따른 UV-Raman 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 12b는 실시예 5에 따른 반응 시간에 따른 IDia/IG 비율을 나타내는 도면이다.
도 13a는 실시예 6에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 0.5 g을 이용한 DND의 정제에서 H2SO4의 재이용 횟수에 따른 ICP-OES 분석 그래프이다.
도 13b는 실시예 6에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 3 g을 이용한 DND의 정제에서 H2SO4의 재이용 횟수에 따른 ICP-OES 분석 그래프이다.
도 14a는 실시예 6에 따른 리사이클링 횟수별 정제된 DND(KMnO4 0.5 g)의 UV-Raman 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 14b는 실시예 6에 따른 리사이클링 횟수별 정제된 DND(KMnO4 3 g)의 UV-Raman 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 14c는 실시예 6에 따른 리사이클링 횟수별 정제된 DND는 (KMnO4 0.5 g 및 KMnO4 3 g)의 IDia/IG 비율을 나타내는 도면이다.
1 is a view illustrating a circulation process of a DND purification and recycling process according to an embodiment.
2 is a diagram illustrating a DND purification process according to an embodiment.
3 is a graph showing a heating temperature curve over time in a DND purification process according to an embodiment.
4A is a view illustrating UV-Raman spectra with respect to temperature according to Example 1. FIG.
4B is a diagram illustrating I Dia / I G ratios according to temperature according to Example 1. FIG.
5A to 5C are diagrams showing each layer of the purified DND according to Example 1. FIG.
6A to 6F are diagrams showing UV-Raman spectra and I Dia / I G ratios for each layer of the purified DND according to Example 1. FIG.
7 is a diagram showing an XRD analysis of DND according to Example 1. FIG.
8A is a view showing UV-Raman spectra of purified DND according to the amount of KMnO 4 according to Example 2. FIG.
8B is a graph showing I Dia / I G ratios of purified DND according to the amount of KMnO 4 according to Example 2. FIG.
9 is a diagram showing an XRD analysis of DND according to Example 2. FIG.
FIG. 10A is a view illustrating UV-Raman spectra with respect to temperature according to Example 3. FIG.
FIG. 10B is a diagram illustrating I Dia / I G ratios according to temperature according to Example 3. FIG.
11A is a view showing UV-Raman spectra according to the amount of KMnO 4 according to Example 4. FIG.
FIG. 11B is a diagram showing I Dia / I G ratios depending on the amount of KMnO 4 according to Example 4. FIG.
12A is a view illustrating UV-Raman spectrum according to reaction time according to Example 5. FIG.
12B is a view showing I Dia / I G ratios according to reaction time according to Example 5. FIG.
13A is an ICP-OES analysis graph according to the number of reuse of H 2 SO 4 in the purification of DND using 0.5 g of potassium permanganate (KMnO 4 ) according to Example 6. FIG.
13B is an ICP-OES analysis graph according to the number of reuse of H 2 SO 4 in the purification of DND using 3 g of potassium permanganate (KMnO 4 ) according to Example 6. FIG.
14A is a view illustrating UV-Raman spectra of purified DND (KMnO 4 0.5 g) according to the number of recycling cycles according to Example 6. FIG.
14B is a view showing UV-Raman spectra of purified DND (KMnO 4 3 g) according to the number of recycling according to Example 6. FIG.
FIG. 14C is a graph illustrating I Dia / I G ratios of (KMnO 4 0.5 g and KMnO 4 3 g) according to the number of recycling cycles according to Example 6. FIG.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily practice the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. The drawings and description are to be regarded as illustrative in nature and not restrictive. Like reference numerals designate like elements throughout the specification. In addition, in the case of well-known technology, a detailed description thereof will be omitted.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, except to exclude other components unless specifically stated otherwise.

도 1은 DND 정제 및 리사이클링 공정의 순환 과정을 나타내는 도면이고, 도 2는 DND 정제 과정을 나타내는 도면이다.1 is a view showing a cyclic process of the DND purification and recycling process, Figure 2 is a view showing a DND purification process.

도 1 및 2를 참조하면, 실시예에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 및 리사이클링 공정 방법은, DND 분말을 준비하는 단계, DND 분말 및 제1 강산을 포함하는 제1 용액을 교반하는 단계, 과망간산칼륨 및 제2 강산을 포함하는 제2 용액을 교반하는 단계, 제1 용액 및 제2 용액을 혼합하고, 미리 설정된 반응 시간 동안 가열하여 DND를 정제하는 단계, 제3 강산을 회수하여 DND의 정제에 재사용하는 리사이클링 단계를 포함한다.1 and 2, according to the embodiment of the potassium permanganate (KMnO4) -based DND chemical purification and recycling process method, preparing a DND powder, stirring the first solution containing the DND powder and the first strong acid Stirring the second solution comprising potassium permanganate and the second strong acid, mixing the first solution and the second solution, and heating for a predetermined reaction time to purify the DND, recovering the third strong acid to recover the DND. A recycling step for reuse in purification.

우선, DND 분말을 준비하는 단계가 수행된다.First, a step of preparing the DND powder is performed.

DND(detonation nanodiamond)는 검은색 분말(black powder) 형태일 수 있으며, 폭발 방법을 이용하여 합성된 나노다이아몬드일 수 있다. 이때, 나노다이아몬드는 폭발 방법 외에도, 플라즈마 방법 또는 레이저 방법 등으로 합성될 수 있다. The detonation nanodiamond (DND) may be in the form of a black powder, and may be a nanodiamond synthesized using an explosion method. In this case, the nanodiamond may be synthesized by a plasma method or a laser method, in addition to the explosion method.

이어서, DND 분말 및 제1 강산을 포함하는 제1 용액을 교반하는 단계가 수행될 수 있다. Subsequently, the step of stirring the first solution comprising the DND powder and the first strong acid may be performed.

제1 강산은, DND 분말과 혼합되는 강산을 말한다. 제1 강산은, 예를 들어, 황산(H2SO4), 플루오린화 수소(HF), 하이포아염소산(HClO), 염소산(HClO3), 과염소산(HClO4) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The first strong acid refers to a strong acid mixed with the DND powder. The first strong acid may include, for example, at least one of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), hydrogen fluoride (HF), hypochlorous acid (HClO), chloric acid (HClO 3 ), and perchloric acid (HClO 4 ). However, the present invention is not limited thereto.

제1 용액은, DND 분말 및 제1 강산을 포함하는 용액을 말한다. 예를 들어, 제1 용액은 제1 황산 및 DND 분말을 반응장치에 넣고 약 3시간 이상 교반하여 분산시킴으로써 얻을 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 제1 황산 약 40 mL 및 DND 분말 약 1 g이 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이 단계에서, 제1 강산 내에 DND 분말이 완전히 분산되도록 충분히 교반시킬 수 있다. 완전히 분산된 DND 분말과 제2 용액과 혼합될 경우, 스파크 및 불꽃의 발생이 감소될 수 있고, 폭발과 같은 위험한 상황의 발생이 감소될 수 있다.The first solution refers to a solution containing the DND powder and the first strong acid. For example, the first solution may be obtained by adding the first sulfuric acid and the DND powder to a reactor and stirring the dispersion for about 3 hours or more, but is not limited thereto. In this case, about 40 mL of the first sulfuric acid and about 1 g of DND powder may be included, but is not limited thereto. In this step, the DND powder may be sufficiently stirred in the first strong acid to be completely dispersed. When mixed with the fully dispersed DND powder and the second solution, the generation of sparks and sparks can be reduced, and the occurrence of dangerous situations such as explosions can be reduced.

다음으로, 과망간산칼륨 및 제2 강산을 포함하는 제2 용액을 교반하는 단계가 수행된다. Next, a step of agitating the second solution comprising potassium permanganate and a second strong acid is performed.

제2 용액은, 과망간산칼륨 및 제2 강산을 포함하는 용액을 말한다. 예를 들어, 제2 용액은 제2 황산 약 40 mL와 과망간산칼륨을 섞은 후 약 1시간 이상 교반함으로써 얻을 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 제2 용액은 상온 이하로 냉각되면서, 제2 강산이 담긴 용기에 과망간산칼륨을 조금씩 첨가하는 방식으로 수행될 수 있다. 냉각 방식은, 제2 용액이 얼음이 담긴 수조 내에서 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The second solution refers to a solution containing potassium permanganate and a second strong acid. For example, the second solution may be obtained by mixing about 40 mL of the second sulfuric acid with potassium permanganate, and then stirring the mixture for about 1 hour or more, but is not limited thereto. At this time, the second solution may be performed by adding potassium permanganate little by little to a container containing the second strong acid while cooling to room temperature or less. The cooling method may be, but is not limited to, the second solution prepared in a water bath containing ice.

제2 강산은, 과망간산칼륨과 혼합되는 강산을 말한다. 제2 강산은, 황산(H2SO4), 플루오린화 수소(HF), 하이포아염소산(HClO), 염소산(HClO3), 과염소산(HClO4) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The second strong acid refers to a strong acid mixed with potassium permanganate. The second strong acid may include at least one of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), hydrogen fluoride (HF), hypochlorous acid (HClO), chloric acid (HClO 3 ), and perchloric acid (HClO 4 ), but is not limited thereto. It doesn't work.

과망간산칼륨은 산화제이며, DND 분말 및 과망간산칼륨의 중량비는 1:2 내지 1:6 일 수 있다. 예를 들어, 과망간산칼륨의 양은 2 g 내지 6 g일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 약 340℃에서 약 3시간동안 과망간산칼륨의 양에 따른 DND를 정제하는 경우, 과망간산칼륨의 양이 증가할수록 DND의 IDia/IG가 증가될 수 있다. 이는, 1325cm-1의 다이아몬드 피크의 증대 및 G-band 피크의 업시프트(upshift) 현상에 기인한 것일 수 있다.Potassium permanganate is an oxidizing agent, and the weight ratio of DND powder and potassium permanganate may be 1: 2 to 1: 6. For example, the amount of potassium permanganate may be 2 g to 6 g, but is not limited thereto. In this case, when the DND is purified according to the amount of potassium permanganate at about 340 ° C. for about 3 hours, I Dia / I G of the DND may increase as the amount of potassium permanganate increases. This may be due to an increase in the diamond peak of 1325 cm −1 and an upshift of the G-band peak.

sp3/sp2 탄소 비율은 IDia/IG 비율과 밀접한 관계가 있다. 이때, sp3 탄소는 다이아몬드일 수 있고, sp2 탄소는 그래핀, 흑연(graphite), 나노튜브(nanotube) 등을 포함할 수 있다. IDia/IG 비율은, 자외선-라만 분광학 기계(UV-Raman spectroscopy)를 이용한 1325cm-1의 다이아몬드 피크와 1590cm-1 G-밴드(band) 피크(peak)의 세기 비(Intensity ratio)이다. 이에 따라, 정제된 DND의 다이아몬드 함량은 IDia/IG 및 sp3 함량에 의해 결정될 수 있다.The sp 3 / sp 2 carbon ratio is closely related to the I Dia / I G ratio. At this time, sp 3 carbon may be a diamond, sp 2 carbon may include graphene, graphite (graphite), nanotubes (nanotube) and the like. The I Dia / I G ratio is the intensity ratio of a 1325 cm -1 diamond peak and a 1590 cm -1 G-band peak using an UV-Raman spectroscopy. Accordingly, the diamond content of the purified DND can be determined by the I Dia / I G and sp 3 content.

과망간산칼륨의 양이 증가할수록 sp3/sp2 탄소 함량이 증가하고, IDia/IG 비가 증가할 수 있으며, 정제 효율이 증가할 수 있다. 이러한 sp3/sp2 탄소 비율 및 IDia/IG 비율의 증가는, 산화제의 양이 증가할수록 비다이아몬드 탄소(non-diamond carbon)의 양이 선택적으로 제거되는 현상에 기인한 것일 수 있다.As the amount of potassium permanganate increases, the sp 3 / sp 2 carbon content may increase, the I Dia / I G ratio may increase, and the purification efficiency may increase. The increase in the sp 3 / sp 2 carbon ratio and the I Dia / I G ratio may be due to a phenomenon in which the amount of non-diamond carbon is selectively removed as the amount of the oxidant increases.

따라서, 산화제의 양을 조절하여, 정제된 DND의 sp3/sp2 탄소 함량을 조절할 수 있고, IDia/IG 비율을 조절할 수 있으며, 정제 효율을 조절할 수 있다.Therefore, by adjusting the amount of the oxidizing agent, it is possible to adjust the sp 3 / sp 2 carbon content of the purified DND, to adjust the I Dia / I G ratio, it is possible to control the purification efficiency.

이어서, 제1 용액 및 제2 용액을 혼합하고, 미리 설정된 반응 시간 동안 가열하여 DND를 정제하는 단계가 수행된다. Subsequently, a step of purifying the DND by mixing the first solution and the second solution and heating for a predetermined reaction time is performed.

DND의 정제는 색 변화를 통해 육안으로 확인할 수 있으며, 검은색 분말(black powder)이 회색(gray)으로 변하면서 정제되었음을 확인할 수 있다. 예를 들어, 과망간산칼륨 6 g, DND 분말 1 g, 가열 온도 약 330 ℃의 조건에서 정제하는 경우, 정제된 DND는 회색으로 나타날 수 있고, 불순물이 존재하지 않을 수 있다. 정제된 DND에 불순물이 포함된 경우, DND가 흑갈색(dark brown)으로 나타날 수 있다. The tablet of the DND can be visually confirmed through the color change, and it can be confirmed that the black powder is purified as it turns gray. For example, when purified under the conditions of 6 g of potassium permanganate, 1 g of DND powder, and a heating temperature of about 330 ° C., the purified DND may appear gray and no impurities may be present. If impurities are included in the purified DND, the DND may appear dark brown.

불순물은, 가열 온도에 비해 산화제가 과량 포함될 경우 발생될 수 있으며, 과망간산칼륨의 부산물인 K1. 33Mn8O16 또는 MnO2일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 종래 과염소산(HClO4) 기반 DND 정제 연구에서 IDia/IG가 낮은 DND의 경우 정제 정도에 따라 원래의 검정색 또는 검정에 가까운 회색을 나타낸 것에 비해, 과망간산칼륨을 이용한 DND의 정제에서는 IDia/IG가 낮은 DND가 흑갈색을 나타내는 것으로 보아 DND에 불순물이 포함된 것을 확인할 수 있다. Impurities may be generated when an excessive amount of oxidant is included relative to the heating temperature, and may be K 1. 33 Mn 8 O 16 or MnO 2 which is a byproduct of potassium permanganate, but is not limited thereto. In the prior perchloric acid (HClO 4), compared to that shown for base DND purified study I Dia / I G is close to gray in the original black or black, depending on the purification degree in the case of low DND in the purification of DND using potassium permanganate I Dia / I It can be seen that the DND having a low G shows dark brown color, and thus the impurities contained in the DND.

DND는 제1 용액에 제2 용액을 천천히 첨가하여 혼합시키는 공정을 통해 정제될 수 있다. 이때, 혼합 속도는 약 100mL/sec 이하일 수 있다. 혼합 속도가 약 100mL/sec 이상일 경우, 제1 용액 및 제2 용액이 발열 반응으로 인해, 온도가 급격히 상승할 수 있으며, 폭발할 수 있다. 이 단계에서, 제2 용액의 반응 용기에 제2 강산 약 20mL이 추가로 첨가될 수 있다. 추가된 제2 강산을 이용하여, 제2 용액의 반응 용기 내에 남은 용액을 헹구어 제1 용액의 반응용기에 깨끗이 투입시킬 수 있다. 이때, 제1 강산 및 제2 강산은 총 약 100mL일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 폭발은, 산화성 고체인 KMnO4와 H2SO4가 혼합되어 Mn2O7를 생성함으로써 발생할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The DND may be purified through a process of slowly adding and mixing a second solution to the first solution. In this case, the mixing speed may be about 100 mL / sec or less. When the mixing rate is about 100 mL / sec or more, the first solution and the second solution may exothermicly react, causing the temperature to rise sharply and explode. In this step, about 20 mL of the second strong acid may be further added to the reaction vessel of the second solution. Using the added second strong acid, the remaining solution in the reaction vessel of the second solution may be rinsed and cleanly added to the reaction vessel of the first solution. In this case, the first strong acid and the second strong acid may be about 100 mL in total, but are not limited thereto. Explosion may occur by mixing KMnO 4 and H 2 SO 4 , which is an oxidative solid, to generate Mn 2 O 7 , but is not limited thereto.

미리 설정된 반응 시간은, 1 시간 내지 24 시간을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응 시간을 3, 6, 12, 24 시간으로 늘리면서 정제 실험을 진행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 약 330℃에서 KMnO4 약 3g을 이용하여 반응 시간을 증가시키며 DND를 정제하는 경우, 약 3시간 정제한 DND의 IDia/IG는 약 1.11 ± 0.03, 약 6시간 반응시킨 DND의 IDia/IG는 약 1.15, 약 12시간 반응시킨 DND의 IDia/IG는 약 1.24 ± 0.02460, 약 24시간 반응시킨 DND의 IDia/IG는 약 1.24 ± 0.02190로 나타날 수 있으나, 이에 제한되지 않는다(표 2 참조). The preset reaction time may include 1 hour to 24 hours. For example, the purification experiment may be performed while increasing the reaction time to 3, 6, 12, or 24 hours, but is not limited thereto. At this time, when the reaction time was increased by using about 3 g of KMnO 4 at about 330 ° C., and the DND was purified, the I Dia / I G of the purified DND was about 1.11 ± 0.03, and the I was reacted for about 6 hours. Dia / I G is about 1.15, I Dia / I G of DND reacted for about 12 hours may be about 1.24 ± 0.02460, and I Dia / I G of DND reacted for about 24 hours may be about 1.24 ± 0.02190. (See Table 2).

따라서, 반응 시간이 증가할수록 IDia/IG가 일정 수준까지 증가할 수 있고, sp3/sp2 탄소비율이 일정 수준까지 증가할 수 있으며, 정제 효율이 증가할 수 있다. 이는, 반응 시간이 증가할수록 비다이아몬드 탄소(non-diamond carbon)의 양이 선택적으로 제거되는 현상에 기인한 것일 수 있다.Therefore, as the reaction time increases, I Dia / I G may increase to a certain level, sp 3 / sp 2 carbon ratio may increase to a certain level, and purification efficiency may increase. This may be due to the phenomenon that the amount of non-diamond carbon is selectively removed as the reaction time increases.

가열 온도는, 약 100 ℃ 내지 약 400 ℃ 범위를 포함할 수 있다. 가열 온도는 DND가 정제되는 반응온도를 말한다. 이때, 가열 온도의 증가 방식은 스텝함수를 따를 수 있다. 혼합된 용액의 가열 온도는 강산의 끓는점 근처 이하일 수 있다. 예를 들어, 혼합된 용액은 약 320 ℃ 부근에서 끓기 시작해서 약 330 ℃ 근처까지의 온도를 유지할 수 있다. 이 단계에서, 약 330 ℃는 온도 조절 장치의 설정 온도 값이고, 황산(H2SO4)의 끓는점과 일치하는 값이다.The heating temperature may include a range from about 100 ° C to about 400 ° C. The heating temperature refers to the reaction temperature at which the DND is purified. At this time, the increasing method of the heating temperature may follow the step function. The heating temperature of the mixed solution can be below the boiling point of the strong acid. For example, the mixed solution may begin to boil around about 320 ° C. and maintain a temperature up to about 330 ° C. At this stage, about 330 ° C. is the set temperature value of the thermostat and is consistent with the boiling point of sulfuric acid (H 2 SO 4 ).

가열 온도가 증가할수록 sp3/sp2 탄소 함량이 증가하고, IDia/IG 비가 증가할 수 있다. 예를 들어, 약 190 ℃, 약 230 ℃, 약 255 ℃ 및 약 330 ℃의 가열 온도에서 정제할 때, 과망간산칼륨 6 g 및 DND 분말 1 g을 포함하는 조건에서, 온도 상승에 따라 IDia/IG가 증가될 수 있다.As the heating temperature increases, the sp 3 / sp 2 carbon content may increase and the I Dia / I G ratio may increase. For example, when purified at heating temperatures of about 190 ° C., about 230 ° C., about 255 ° C., and about 330 ° C., under conditions including 6 g of potassium permanganate and 1 g of DND powder, I Dia / I with temperature rise G may be increased.

다만, 과망간산칼륨 3 g 및 DND 분말 1 g이 포함될 경우, 온도 상승에 따른 IDia/IG 변화는 나타나지 않을 수 있다. 이에 따라, 과망간산칼륨 및 DND 분말의 최적 중량비가 3:1임을 확인할 수 있다. 과망간산칼륨 및 DND 분말의 중량비가 3:1일 경우 최적화된 sp3/sp2 탄소 비율이 나타나는 것을 유추할 수 있다. However, when 3 g of potassium permanganate and 1 g of DND powder are included, the change in I Dia / I G may not appear due to an increase in temperature. Accordingly, it can be seen that the optimal weight ratio of potassium permanganate and DND powder is 3: 1. When the weight ratio of potassium permanganate and DND powder is 3: 1, it can be inferred that the optimized sp 3 / sp 2 carbon ratio appears.

따라서, 온도가 증가할수록 정제된 DND의 sp3/sp2 탄소 함량이 증가할 수 있고, IDia/IG 비율이 증가할 수 있으며, 정제 효율이 증가할 수 있다. 이는, 반응 시간이 증가할수록 비다이아몬드 탄소(non-diamond carbon)의 양이 선택적으로 제거되는 현상에 기인한 것일 수 있다.Therefore, as the temperature increases, the sp 3 / sp 2 carbon content of the purified DND may increase, the I Dia / I G ratio may increase, and the purification efficiency may increase. This may be due to the phenomenon that the amount of non-diamond carbon is selectively removed as the reaction time increases.

다음으로, 제3 강산을 회수하여 DND의 정제에 재사용하는 리사이클링(recycling) 공정 단계가 수행될 수 있다.Next, a recycling process step of recovering the third strong acid and reusing the purified DND may be performed.

제3 강산은, 제1 강산 및 제2 강산이 혼합된 강산을 말한다. 이때, 제3 강산은 DND의 정제에 이미 이용된 강산일 수 있고, 회수되어 DND의 정제에 재이용될 수 있다. The third strong acid refers to a strong acid in which the first strong acid and the second strong acid are mixed. At this time, the third strong acid may be a strong acid already used for purification of the DND, and may be recovered and reused for purification of the DND.

리사이클링 공정은, DND 화학적 정제 과정에서 사용한 제3 강산을 회수하여 앞선 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 공정을 반복하여 수행하는 공정일 수 있다. 이때, 제3 강산을 이용하여 DND를 정제하는 공정에서, DND가 불순물 없이 정제될 수 있다. 제3 강산이 재이용되는 횟수는, 최소 3번 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The recycling process may be a process of repeatedly recovering the third strong acid used in the DND chemical purification process and repeating the previous DND chemical purification process based on potassium permanganate (KMnO 4 ). At this time, in the process of purifying the DND using the third strong acid, the DND may be purified without impurities. The number of times the third strong acid is reused may be at least three times, but is not limited thereto.

도 3은 시간에 따른 가열 온도 곡선을 나타내는 그래프이다. 3 is a graph showing a heating temperature curve over time.

도 3을 참조하여, 제1 용액 및 제2 용액을 혼합하고, 미리 설정된 반응 시간 동안 가열하여 DND를 정제하는 단계에서, 가열 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 이때, 가열 방식은 스텝함수를 따를 수 있다. Referring to FIG. 3, in the step of purifying the DND by mixing the first solution and the second solution and heating for a predetermined reaction time, the heating method will be described in more detail. In this case, the heating method may follow a step function.

도 3을 참조하면, 제1 용액 및 제2 용액을 혼합한 용액은 온도 상승 구간 및 온도 유지 구간을 교대로 반복하여 반응온도까지 가열하는 스텝함수 방법으로 가열될 수 있다.Referring to FIG. 3, the solution in which the first solution and the second solution are mixed may be heated by a step function method of heating a reaction temperature by alternately repeating a temperature rising section and a temperature maintaining section.

온도 상승 구간의 온도 상승 속도는 약 10℃/분 이하일 수 있다. 상승 속도가 약 10℃/분 빠를 경우, 정제 과정에서 온도와 압력이 급격하게 상승할 수 있어 반응 중 폭발이 발생할 수 있다.The rate of temperature rise in the temperature increase section may be about 10 ° C./minute or less. If the rate of rise is about 10 ° C./minute, the temperature and pressure can rise rapidly during the purification process, causing an explosion during the reaction.

온도 유지 구간의 길이가 온도 상승 구간의 길이의 0.01배 이상일 수 있다. 예를 들어, 온도 유지 구간의 길이가 온도 상승 구간의 길이의 0.1배 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 온도 유지 구간의 길이가 온도 상승 구간의 길이의 0.01배보다 짧을 경우, 반응 중 반응 용액이 충분히 안정되지 못해 온도 상승 구간에서 폭발이 발생할 수 있다.The length of the temperature maintaining section may be at least 0.01 times the length of the temperature rising section. For example, the length of the temperature maintenance section may be at least 0.1 times the length of the temperature rising section, but is not limited thereto. If the length of the temperature holding section is shorter than 0.01 times the length of the temperature rising section, the reaction solution may not be sufficiently stabilized during the reaction, and an explosion may occur in the temperature rising section.

이 단계에서, 반응 온도는 25℃ 이상이고 사용되는 강산의 끓는점 이하인 것이 바람직하다. 강산의 끓는점은, 예를 들어, 황산의 끓는점인 약 330℃ 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In this step, the reaction temperature is preferably 25 ° C. or higher and below the boiling point of the strong acid used. The boiling point of the strong acid may be, for example, about 330 ° C. or less, which is the boiling point of sulfuric acid, but is not limited thereto.

반응온도는 사용하는 강산 또는 산화제의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 강산 또는 산화제의 산화력에 영향을 주지 않는 범위여야 한다. 반응온도가 상기 범위보다 낮을 경우 반응온도에 도달한 후 정제가 진행되는 속도가 느릴 수 있으며, 반응온도가 강산 또는 산화제의 끓는점 또는 녹는점보다 높을 경우 강산 또는 산화제가 기화되어 산화 작용을 원활하게 할 수 없고, 가열에 많은 에너지가 소모될 수 있다.The reaction temperature may vary depending on the type of strong acid or oxidizing agent used and should be in a range that does not affect the oxidizing power of the strong acid or oxidizing agent. If the reaction temperature is lower than the above range, the rate at which the purification proceeds after reaching the reaction temperature may be slow. If the reaction temperature is higher than the boiling point or melting point of the strong acid or oxidizing agent, the strong acid or oxidizing agent is vaporized to facilitate oxidation. And much energy can be consumed for heating.

정리하면, 실시예에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 공정 방법은, DND 분말 및 제1 강산을 포함하는 제1 용액, 과망간산칼륨 및 제2 강산을 포함하는 제2 용액을 각각 제조한 후, 약 100mL/sec 이하의 속도로 두 용액을 천천히 혼합하는 방식을 포함한다. 이러한 공정으로 인해, 정제 과정 중 폭발 발생을 감소시킬 수 있고, 급격한 온도 상승을 제어할 수 있다. In summary, the potassium permanganate (KMnO4) -based DND chemical purification process according to the embodiment, after preparing a first solution containing the DND powder and the first strong acid, a second solution containing potassium permanganate and the second strong acid, respectively And slowly mixing the two solutions at a rate of about 100 mL / sec or less. This process can reduce the occurrence of explosions during the purification process and control the rapid rise in temperature.

실시예에 따른 과망간산칼륨(KMnO4) 기반 DND 화학적 정제 공정 방법에서, KMnO4의 양, 온도 및 시간을 조절하여 sp3/sp2 탄소 함량, IDia/IG 비율을 조절할 수 있고, DND의 순도 및 정제 효율을 조절할 수 있으며, 낮은 정제 반응 온도에서도 DND의 불순물을 최소화할 수 있다.In the potassium permanganate (KMnO 4 ) -based DND chemical purification process according to the embodiment, the amount, temperature and time of KMnO 4 may be adjusted to adjust the sp 3 / sp 2 carbon content, the I Dia / I G ratio, and the purity of the DND. And it is possible to control the purification efficiency, it is possible to minimize the impurities of the DND even at a low purification reaction temperature.

또한, 실시예에 따른 리사이클링 공정은, DND 화학적 정제 공정에 이용한 제1 및 제2 강산을 포함하는 제3 강산으로 DND 화학적 정제 공정에 재이용하는 공정으로써, 제3 강산은 불순물을 발생시키지 않으며 최소 3번 이상 정제 공정에 재이용될 수 있고, 이로 인해 정제에 사용된 폐강산의 발생을 최소화할 수 있고, 경제적일 수 있으므로, 각종 산업에 적용이 가능할 수 있다.In addition, the recycling process according to the embodiment is a process for reuse in the DND chemical purification process with a third strong acid containing the first and second strong acids used in the DND chemical purification process, the third strong acid does not generate impurities and at least 3 It can be reused in the purification process more than once, thereby minimizing the generation of waste strong acids used in the purification and can be economical, and thus may be applicable to various industries.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following Examples are merely examples of the present invention and the present invention is not limited to the following Examples.

실시예들에서, Nabond Technologies Co., Ltd(Hong Kong)의 DND black powder(순도 = 54.50%)로 금속 불순물 1% 미만 제품을 사용한다. DND 정제를 위해 황산(J.T.Baker, 95~98%, H2SO4)과 과망간산칼륨(sigma-aldrich, 99.9%, KMnO4)을 사용한다. 100 mL 둥근바닥 3구 플라스크에 환류냉각기(Graham type)와 온도센서를 연결하고, 자동 온도 조절장치(temperature controller)와 히팅멘틀 (heating mantle)로 정제반응의 온도를 조절한다. 반응이 일어나는 공간은 전부 유리 재질로 하여 2차 금속 오염 발생을 예방하고, 온도 조절 장치의 온도 조절 프로그램을 설계하여 목표하는 반응온도 및 시간을 자동으로 조절한다. 또한, 안전을 위해 KMnO4/H2SO4 용액을 만들 때 얼음이 담긴 수조 또는 다른 방법으로도 상온 이하로 냉각하면서 H2SO4에 KMnO4를 조금씩 섞고, DND/H2SO4 용액을 따로 제조하여 각자 충분히 교반해야만 한다. H2SO4에 분산되지 않은 DND와 KMnO4/H2SO4 용액이 직접 만나는 상황을 피하며, 두 용액을 섞을 때 발열반응이 발생하므로 반응장치 내부는 교반을 유지해야 하며 용액의 온도를 확인하면서 DND 용액에 KMnO4 용액을 천천히 흘려 넣어야 한다. UV-Raman spectroscopy(InVia Raman Microscope, Renishaw)는 back-scattering geometry에서 325 nm(He-Cd laser)의 excitation frequency를 사용해서 분석을 진행하였다. 100X 렌즈를 사용하였고 노출시간 180초로 고정한다. 레이져 출력은 10% 내에서 유지한다. 백그라운드 제거는 900~2000cm-1 범위에서 fixed point subtraction 방식을 사용한다. DND의 순도는 백그라운드 제거 후 1325cm-1의 다이아몬드 피크와 1590cm-1 G-band 피크의 Intensity ratio(IDia/IG)로 평가된다. UV-Raman 분석을 위한 DND 샘플은 와류혼합기(Vortex-mixer)로 탈이온수에 5 분간 분산시키고 SiO2 웨이퍼에 용액을 Drop-casting하여 상온에서 건조시켜 준비한다. Scanning electron microscope energy dispersive spectroscopy(SEM-EDS) 분석은 Carl Zeiss Co., Ltd. SIGMA를 사용해서 15 keV 에너지빔 조건으로 조성을 분석한다. 0.026 °/s의 스캔속도로 Cu-Kα 선 (λ = 0.1540598 nm)을 사용하는 Empyrean (PANalytical, Netherlands)을 이용해 X-ray diffraction(XRD) 스펙트럼을 얻는다. Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy(ICP-OES) 분석은 군산대학교 공동실험실습관의 iCAP7400DUO (Thermo Scientific)를 사용한다. DND의 직접적인 ICP-OES 분석을 위해 EpiShear™ Probe Sonicator(120 W, 20 kHz, Active Motif Corporation)를 사용하여 DND 0.02 g을 탈이온수 20 mL에 5분(amplitude 100%)간 분산시키고 분산용액과 탈이온수를 50:50 비율로 희석한다. DND가 분산된 용액을 ICP-OES에 투입하여 DND의 금속불순물을 직접적으로 분석한다.In embodiments, less than 1% metal impurities are used as DND black powder (purity = 54.50%) of Nabond Technologies Co., Ltd. (Hong Kong). Sulfuric acid (JTBaker, 95-98%, H 2 SO 4 ) and potassium permanganate (sigma-aldrich, 99.9%, KMnO 4 ) are used for DND purification. A reflux cooler (Graham type) and a temperature sensor are connected to a 100 mL round bottom three neck flask, and the temperature of the purification reaction is controlled by a temperature controller and a heating mantle. All reaction spaces are made of glass to prevent the occurrence of secondary metal contamination, and the temperature control program of the thermostat is designed to automatically adjust the target reaction temperature and time. Also, for safety, when making KMnO 4 / H 2 SO 4 solution, mix KMnO 4 little by little with H 2 SO 4 while cooling below room temperature in an ice bath or other method, and separate the DND / H 2 SO 4 solution separately. Each must be prepared and thoroughly stirred. H 2 SO 4 solution DND with KMnO 4 / H 2 SO 4 are not dispersed in this, and to avoid direct encounter situation, since an exothermic reaction occurs when mixing the two solutions the reaction equipment are required to maintain the stirring and determine the temperature of the solution The KMnO 4 solution should be slowly poured into the DND solution. UV-Raman spectroscopy (InVia Raman Microscope, Renishaw) performed an analysis using excitation frequency of 325 nm (He-Cd laser) in the back-scattering geometry. A 100X lens was used and the exposure time was fixed at 180 seconds. The laser output is kept within 10%. Background removal uses fixed point subtraction in the range 900–2000 cm −1 . DND of purity is estimated to 1325cm -1 of the diamond peak and the G-band peak of 1590cm -1 Intensity ratio (I Dia / I G ) after removing the background. DND samples for UV-Raman analysis are prepared by dispersing in deionized water for 5 minutes with a vortex-mixer and drying at room temperature by drop-casting the solution onto a SiO 2 wafer. Scanning electron microscope energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS) analysis was performed by Carl Zeiss Co., Ltd. SIGMA is used to analyze the composition under 15 keV energy beam conditions. X-ray diffraction (XRD) spectra are obtained using Empyrean (PANalytical, Netherlands) using a Cu-Kα line (λ = 0.1540598 nm) at a scan rate of 0.026 ° / s. Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) analysis uses iCAP7400DUO (Thermo Scientific) from a joint laboratory at Kunsan National University. For direct ICP-OES analysis of DND, 0.02 g of DND was dispersed in 20 mL of deionized water for 5 minutes (amplitude 100%) using EpiShear ™ Probe Sonicator (120 W, 20 kHz, Active Motif Corporation) Dilute ionized water in 50:50 ratio. The DND-dispersed solution is introduced into ICP-OES to directly analyze the metal impurities of the DND.

실시예Example 1 -  One - DNDDND 화학적 정제 Chemical purification

DND 검은색 분말(black powder) 1 g, 과망간산칼륨 6 g 및 황산 100mL를 준비한다.Prepare 1 g of DND black powder, 6 g of potassium permanganate and 100 mL of sulfuric acid.

우선, 황산(H2SO4) 40 mL와 DND 검은색 분말(black powder) 1 g을 반응장치에 넣고 분산을 위해서 최소 3시간 이상 교반하였다. First, 40 mL of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and 1 g of DND black powder were placed in a reactor and stirred for at least 3 hours for dispersion.

다음으로, 얼음이 담긴 수조 내에서 다른 비커에 황산 40 mL와 과망간산칼륨(KMnO4) 6 g을 섞은 후 최소 1시간 이상 교반하였다. Next, 40 mL of sulfuric acid and 6 g of potassium permanganate (KMnO 4 ) were mixed in another beaker in an ice bath, followed by stirring for at least 1 hour.

이후 DND와 황산이 섞여 있는 반응기 내부 온도를 확인하면서 천천히 두 용액을 섞어주었다. 이때, DND/H2SO4 용액에 KMnO4/H2SO4 용액을 천천히 흘려 넣어준다. 100mL의 황산 중 남은 황산 20mL은 KMnO4/H2SO4 비커에 남은 용액을 DND/H2SO4 용액에 깨끗이 투입하는데 사용하였다. 두 용액이 섞일 때 발열반응이 일어나며 한 번에 많은 양이 섞이게 되면 온도가 급격히 상승할 수 있으므로 주의한다. Then, the two solutions were slowly mixed while checking the temperature inside the reactor where DND and sulfuric acid were mixed. At this time, KMnO 4 / H 2 SO 4 solution is slowly flowed into the DND / H 2 SO 4 solution. 20 mL of sulfuric acid remaining in 100 mL of sulfuric acid was used to cleanly add the remaining solution in the KMnO 4 / H 2 SO 4 beaker to the DND / H 2 SO 4 solution. When the two solutions are mixed, an exothermic reaction occurs, and if a large amount is mixed at a time, the temperature may increase rapidly, so be careful.

이어서, 190℃, 230℃, 255℃ 및 330 ℃ 온도에서, KMnO4/H2SO4 용액과 DND/H2SO4 용액을 혼합하여 3시간 동안 정제반응을 진행하였다. 용액은 320 ℃ 부근에서 끓기 시작해서 330 ℃ 사이의 온도를 유지하였다. 330 ℃는 온도 조절 장치의 설정 온도 값이며, 이는 H2SO4의 끓는점과 일치하는 값이다.Subsequently, KMnO 4 / H 2 SO 4 solution and DND / H 2 SO 4 solution were mixed at 190 ° C, 230 ° C, 255 ° C, and 330 ° C to proceed with purification for 3 hours. The solution began to boil around 320 ° C. and maintained at a temperature between 330 ° C. 330 ° C. is the set temperature value of the thermostat, which is consistent with the boiling point of H 2 SO 4 .

반응 종료 후, 용액은 상온 냉각시켜 약 8,000 rpm에서 약 20분간 원심분리하고 탈이온수(DI water)로 총 5 회 세척한 후 약 60 ℃ 진공오븐에서 건조시켰다. After the reaction was completed, the solution was cooled to room temperature, centrifuged at about 8,000 rpm for about 20 minutes, washed five times with DI water, and dried in a vacuum oven at about 60 ° C.

이때, 온도, 시간, 산화제(KMnO4) 양을 다르게 조절하여, 상기와 같은 방식으로 정제 실험을 진행할 수 있다.At this time, by adjusting the temperature, time, the amount of the oxidizing agent (KMnO4) differently, the purification experiment can be carried out in the same manner as described above.

실험예Experimental Example 1 -  One - 실시예Example 1에 따른  According to 1 DND의Of DND UV-Raman 스펙트럼 및  UV-Raman Spectrum and II DiaDia /I/ I GG 비율 분석 Ratio analysis

실시예 1에 따른 190℃, 230℃, 255℃ 및 330 ℃ 온도에서 정제한 DND를 각각 준비하고, 온도에 따른 UV-Raman 스펙트럼 및 IDia/IG 비율을 분석하였으며, 그 결과를 도 4a 및 4b에 도시하였다.Purified DND at 190 ° C., 230 ° C., 255 ° C. and 330 ° C. according to Example 1 were prepared, respectively, and UV-Raman spectra and I Dia / I G ratios were analyzed according to the temperatures. Shown in 4b.

도 4a의 가로축은 라만 시프트(Raman shift, cm-1)를 나타내고, 세로축은 온도에 따른 UV-Raman 스펙트럼의 세기(intensity)를 나타낸다.4A represents the Raman shift (cm −1 ), and the vertical axis represents the intensity of the UV-Raman spectrum with temperature.

도 4b의 가로축은 온도(temperature, ℃)을 나타내고, 세로축은 IDia/IG 세기 비율(intensity ratio, ~1325 cm-1/~1590 cm- 1)을 나타낸다.The horizontal axis of Figure 4b represents the temperature (temperature, ℃), the vertical axis Dia I / I intensity ratio G - represents a (intensity ratio, ~ 1325 cm -1 / ~ 1590 cm 1).

도 4a 및 4b를 참조하면, 반응온도 190 ℃ 및 230 ℃에서 정제된 DND의 UV-Raman 스펙트럼에서 IDia/IG를 계산한 결과가 190 ℃에서는 0.70 ± 0.095, 230 ℃에서는 1.16 ± 0.071 이었다. 반응 온도 255 ℃ 이상에서 정제된 DND는 회색을 나타내어 색 변화를 통해서도 DND가 정제되었음을 확인할 수 있었다.Referring to FIGS. 4A and 4B, I Dia / I G was calculated from UV-Raman spectra of DND purified at reaction temperatures of 190 ° C. and 230 ° C., and 0.70 ± 0.095 at 190 ° C. and 1.16 ± 0.071 at 230 ° C. The DND purified at a reaction temperature of 255 ° C. or higher showed gray color, and it was confirmed that the DND was purified through color change.

도 4b를 참조하면, 종래 과염소산(HClO4) 기반 화학적 정제 연구 결과와 비교하면, 190 ℃ 및 230 ℃에서 정제한 DND도 회색을 보여야 하는 IDia/IG 비율이지만 특이하게도 흑갈색이 나타난 것을 알 수 있었다. Referring to Figure 4b, compared with the results of the conventional perchloric acid (HClO 4 ) based chemical purification research, it was found that the DND purified at 190 ℃ and 230 ℃ is also an IDia / IG ratio that should show a gray but specifically blackish brown.

따라서, 온도에 따른 DND의 IDia/IG 값이 증가함을 알 수 있었다.Therefore, it can be seen that the I Dia / I G value of the DND increases with temperature.

실험예Experimental Example 2 - UV-Raman 스펙트럼 및  2-UV-Raman spectrum and II DiaDia /I/ I GG 비율 분석 Ratio analysis

실시예 1에 따른 190℃, 255℃ 및 330 ℃ 온도에서 정제한 DND를 각각 준비하고, 3개의 층으로 구분된 용액들의 각 층별 물질을 UV-Raman 스펙트럼 및 IDia/IG 비율을 분석하였으며, 그 결과를 도 5a 내지 5c, 도 6a 내지 도 6f에 도시하였다. Purified DND at 190 ° C., 255 ° C. and 330 ° C. according to Example 1 were prepared, and the UV-Raman spectrum and the I Dia / I G ratio of each layer of the solutions divided into three layers were analyzed. The results are shown in Figs. 5A to 5C and 6A to 6F.

이때, 흑갈색의 물질을 분리 및 분석하고, DND의 정제를 확인하기 위해서 반응 온도 190 ℃, 255 ℃ 및 330 ℃에서 다시 DND 정제 실험을 진행하였고, 정제된 DND는 반응 종료 후 24시간 정치하여 용액의 상태를 관찰된 것일 수 있다.At this time, the black-brown material was separated and analyzed, and in order to confirm the purification of the DND, the DND purification experiment was carried out again at the reaction temperatures of 190 ° C, 255 ° C, and 330 ° C. The state may have been observed.

도 5a 내지 5c는 190℃, 255℃ 및 330 ℃에서 정제한 DND 용액 각각의 (i)층, (ii)층, (iii)층을 나타내는 모습이다.5A to 5C show the (i) layer, (ii) layer, and (iii) layer of each of the DND solutions purified at 190 ° C, 255 ° C, and 330 ° C.

도 6a는 190℃에서 정제한 DND의 각 층별 UV-Raman 스펙트럼 그래프이다.Figure 6a is a UV-Raman spectrum graph of each layer of DND purified at 190 ℃.

도 6b는 255℃에서 정제한 DND의 각 층별 UV-Raman 스펙트럼 그래프이다.Figure 6b is a UV-Raman spectral graph of each layer of DND purified at 255 ℃.

도 6c는 330 ℃에서 정제한 DND의 각 층별 UV-Raman 스펙트럼 그래프이다.6c is a UV-Raman spectrum graph of each layer of DND purified at 330 ° C.

도 6d는 190℃에서 정제한 DND의 각 층별 IDia/IG 비율 그래프이다.6D is a graph of I Dia / I G ratios for each layer of DND purified at 190 ° C.

도 6e는 255℃에서 정제한 DND의 각 층별 IDia/IG 비율 그래프이다.6E is a graph of I Dia / I G ratios for each layer of DND purified at 255 ° C.

도 6f는 330 ℃에서 정제한 DND의 각 층별 IDia/IG 비율 그래프이다.Figure 6f is a graph of the I Dia / I G ratio of each layer of DND purified at 330 ℃.

도 6a 내지 6c의 가로축은 라만 시프트(Raman shift, cm-1)를 나타내고, 세로축은 각 층별 UV-Raman 스펙트럼의 세기(intensity)를 나타낸다.6A to 6C represent the Raman shift (cm −1 ), and the vertical axis represents the intensity of the UV-Raman spectrum of each layer.

도 6d 내지 6f의 가로축은 (i)층, (ii)층 및 (iii)층을 나타내고, 세로축은 IDia/IG 비율을 나타낸다. 6D to 6F show the (i) layer, the (ii) layer, and the (iii) layer, and the vertical axis represents the I Dia / I G ratio.

도 5a 내지 5c, 도 6a 내지 6f를 참조하면, 모든 용액은 3개의 층((i)층, (ii)층, (iii)층)으로 나뉘어졌고, 190 ℃에서 실험을 진행한 용액만 기존의 교반 중에는 보이지 않던 회색 물질이 확인되었다.5A to 5C and 6A to 6F, all solutions were divided into three layers ((i) layer, (ii) layer, and (iii) layer), and only the solution experimented at 190 ° C. Gray material was observed which was not visible during the stirring.

그 결과, 190 ℃ 용액 중 가장 아래층의 물질(도 5a의 (iii))을 제외한 각 층의 물질에서 정제된 DND의 UV-Raman 스펙트럼 특징인 1325cm-1의 다이아몬드 증강 피크와 1590cm-1 G-band 피크가 확인되었다. 190 ℃ 용액의 가장 아래층 물질은 1325cm-1의 다이아몬드 피크도 1590cm-1의 G-band 피크도 나타나지 않은 것으로 보아 DND가 아니라고 유추할 수 있다.As a result, a diamond-enhanced peak of 1325 cm -1 and a 1590 cm -1 G-band characterizing the UV-Raman spectrum of DND purified from the material of each layer except for the material at the bottom of the 190 ° C. solution ((iii) of FIG. 5A). The peak was confirmed. The lower level of material 190 ℃ solution may be inferred that not to be viewed as DND diamond peak of 1325cm -1 is also G-band peak of 1590cm -1 also appear.

또한, 반응 온도 상승에 따른 IDia/IG가 증가하였음을 확인할 수 있다.In addition, it can be confirmed that I Dia / I G increased as the reaction temperature increased.

실험예Experimental Example 3 -  3- XRDXRD 분석 및 EDS 조성분석 Analysis and EDS Composition Analysis

실시예 1에 따른 190℃, 230℃, 255℃ 및 330 ℃ 에서 정제한 DND를 각각 준비하고, 이들의 XRD 분석 및 EDS 조성분석을 수행하였으며, 이를 도 7 및 표 1에 도시하였다.DND purified at 190 ° C., 230 ° C., 255 ° C. and 330 ° C. according to Example 1 was prepared, and their XRD analysis and EDS composition analysis were performed, which are shown in FIG. 7 and Table 1.

도 7의 가로축은 2

Figure 112018081119126-pat00001
(degree)를 나타내고, 세로축은 세기(intensity)를 나타낸다.7 is 2
Figure 112018081119126-pat00001
(degree), and the vertical axis represents intensity.

표 1의 가로축은 C-K, O-K, Si-K, S-K, K-K, Mn-K 등의 EDS 조성을 나타내고, 세로축은 190℃, 230℃, 255℃ 및 330 ℃을 나타낸다.The horizontal axis of Table 1 shows EDS compositions, such as C-K, O-K, Si-K, S-K, K-K, Mn-K, and a vertical axis | shaft shows 190 degreeC, 230 degreeC, 255 degreeC, and 330 degreeC.

도 7을 참조하면, 정제된 DND의 XRD 패턴은 다이아몬드의 입방 상 회절 패턴(2θ = 43.8°(111), 75.2°(220))이 나타났으며, 반응 온도 190 ℃ 및 230 ℃에서 정제한 DND에서 보이는 여러 가지 피크는 ICSD(inorganic crystal structure database) 스탠다드 패턴(standard pattern) 분석을 통해 반응 온도 190 ℃에서 정제된 DND에는 KMnO4의 부산물로 K1. 33Mn8O16가 남아있고 반응 온도 230 ℃에서 정제된 DND에는 MnO2가 부산물로 존재하는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 7, the XRD pattern of the purified DND showed a diamond cubic diffraction pattern (2θ = 43.8 ° (111), 75.2 ° (220)), and the DND purified at a reaction temperature of 190 ° C. and 230 ° C. a number of peaks of DND is a by-product of KMnO 4 tablets at a reaction temperature of 190 ℃ through ICSD (inorganic crystal structure database) Standard patterns (standard pattern) analysis shown in K 1. 33 Mn 8 O 16 is left, and a reaction temperature 230 It was confirmed that MnO 2 was present as a by-product in DND purified at ℃.

표 1을 참조하면, XRD분석을 통해 확인한 바와 같이 190 ℃ 및 230 ℃에서 정제한 DND는 K, Mn, O의 원소함량이 높게 분석되어 KMnO4 잔류물이 남아있는 것을 확인할 수 있었고, 255 ℃에서 정제한 DND는 소량의 Mn이 검출됨으로써 XRD 분석에서는 확인되지 않았지만 아주 소량의 Mn 화합물이 존재한다고 추측되었다. 330 ℃에서 정제한 DND는 K, Mn이 검출되지 않았다. 이러한 결과로 인해 KMnO4 6 g, DND 1 g을 사용하여 DND를 정제할 때 330 ℃에서 화학적 정제를 수행하면 KMnO4 부산물이 정제된 DND에 잔류하지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 190 ℃에서 정제한 DND에 부산물이 존재하는 이유는, 190 ℃ 반응온도에서 모두 반응하기에는 KMnO4의 양이 많이 포함된 것임을 유추할 수 있다.Referring to Table 1, as confirmed through XRD analysis, the purified DND at 190 ° C. and 230 ° C. showed a high content of K, Mn, and O, indicating that KMnO 4 residues remained at 255 ° C. Purified DND was detected by a small amount of Mn but was not confirmed by XRD analysis, but it was assumed that a very small amount of Mn compound was present. K and Mn were not detected in DND purified at 330 ° C. As a result, when purifying DND using 6 g of KMnO 4 and 1 g of DND, it was confirmed that KMnO 4 by- products did not remain in the purified DND. At this time, the reason that the by-products are present in the DND purified at 190 ℃, it can be inferred that a large amount of KMnO 4 is included to react at all the 190 ℃ reaction temperature.

따라서, KMnO4 기반 화학적 정제를 통해 DND가 정제되는 것을 확인할 수 있었고, 온도의 상승에 따라서 IDia/IG가 높아지는 경향을 확인하였다. 또한, 연구와 같은 조건에서는 330 ℃ 온도로 반응 시 산화제(KMnO4) 부산물이 DND에 존재하지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.Therefore, it was confirmed that DND was purified through KMnO 4 based chemical purification, and it was confirmed that I Dia / I G was increased as the temperature was increased. In addition, it was confirmed that the oxidizing agent (KMnO 4 ) by-products did not exist in the DND when reacting at the temperature of 330 ° C. under the same conditions.

C-KC-K O-KO-K Si-KSi-K S-KS-K K-KK-K Mn-KMn-K 190 ℃190 ℃ 36.2836.28 40.0440.04 0.290.29 0.560.56 0.730.73 22.0922.09 230 ℃230 ℃ 76.3276.32 16.0516.05 0.460.46 0.110.11 0.070.07 6.996.99 255 ℃255 ℃ 91.2191.21 8.088.08 0.640.64 0.010.01 0.000.00 0.070.07 330 ℃330 ℃ 84.8984.89 14.7514.75 0.340.34 0.010.01 0.000.00 0.000.00

실시예Example 2 -  2 - 190 ℃에서At 190 ℃ KMnOKMnO 44 양에 따른  According to quantity DNDDND 화학적 정제 Chemical purification

DND 검은색 분말(black powder) 1 g, 과망간산칼륨 1 g 내지 5 g 및 황산 100mL를 준비한다.Prepare 1 g of DND black powder, 1 g to 5 g of potassium permanganate and 100 mL of sulfuric acid.

반응온도 190 ℃에서 KMnO4의 양을 1 g에서 5 g까지 증가시키면서 3시간 동안 정제 반응을 수행하였다. 이는, 실시예 1에서 KMnO4 6 g, DND 1 g, 반응온도 190 ℃에서 3시간 동안 반응시킨 DND는 KMnO4의 부산물이 잔류함을 확인하였고, 그 이유가 190 ℃ 반응온도에서 모두 반응하기에는 많은 양의 KMnO4를 사용한 것이라 유추하였기에 KMnO4의 양을 조절하면서 부산물의 잔류를 확인하기 위함이다.Purification reaction was carried out for 3 hours while increasing the amount of KMnO 4 from 1 g to 5 g at a reaction temperature of 190 ° C. This, in Example 1 KMnO 4 6 g, DND 1 g, DND reacted for 3 hours at a reaction temperature of 190 ℃ it was confirmed that the by-products of KMnO 4 remained, because the reason is many to react at 190 ℃ It was inferred that the amount of KMnO 4 was used to control the amount of KMnO 4 to check the residue of the by-product.

우선, 황산(H2SO4) 40 mL와 DND 검은색 분말(black powder) 1 g을 반응장치에 넣고 분산을 위해서 최소 3시간 이상 교반하였다. First, 40 mL of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and 1 g of DND black powder were placed in a reactor and stirred for at least 3 hours for dispersion.

다음으로, 얼음이 담긴 수조 내에서 다른 비커에 황산 40 mL와 과망간산칼륨(KMnO4) 1 g, 2 g, 3 g, 4 g, 5 g씩 포함하는 용액을 각각 준비하고, 최소 1시간 이상 교반하였다.Next, a solution containing 40 mL of sulfuric acid and 1 g, 2 g, 3 g, 4 g, and 5 g of potassium permanganate (KMnO 4 ) was prepared in another beaker in an ice bath containing water, and stirred for at least 1 hour. It was.

이후 DND와 황산이 섞여 있는 반응기 내부 온도를 확인하면서 천천히 두 용액을 섞어주었다. 이때, DND/H2SO4 용액에 KMnO4/H2SO4 용액을 천천히 흘려 넣어준다. 100mL의 황산 중 남은 황산 20mL은 KMnO4/H2SO4 비커에 남은 용액을 DND/H2SO4 용액에 깨끗이 투입하는데 사용하였다. 두 용액이 섞일 때 발열반응이 일어나며 한 번에 많은 양이 섞이게 되면 온도가 급격히 상승할 수 있으므로 주의한다. Then, the two solutions were slowly mixed while checking the temperature inside the reactor where DND and sulfuric acid were mixed. At this time, KMnO 4 / H 2 SO 4 solution is slowly flowed into the DND / H 2 SO 4 solution. 20 mL of sulfuric acid remaining in 100 mL of sulfuric acid was used to cleanly add the remaining solution in the KMnO 4 / H 2 SO 4 beaker to the DND / H 2 SO 4 solution. When the two solutions are mixed, an exothermic reaction occurs, and if a large amount is mixed at a time, the temperature may increase rapidly, so be careful.

이어서, KMnO4/H2SO4 용액과 DND/H2SO4 용액을 혼합하여 190 ℃에서 3시간 동안 정제반응을 진행하였다.Subsequently, a KMnO 4 / H 2 SO 4 solution and a DND / H 2 SO 4 solution were mixed to proceed with purification at 190 ° C. for 3 hours.

반응 종료 후, 용액은 상온 냉각시켜 약 8,000 rpm에서 약 20분간 원심분리하고 탈이온수(DI water)로 총 5 회 세척한 후 약 60 ℃ 진공오븐에서 건조시켰다. After the reaction was completed, the solution was cooled to room temperature, centrifuged at about 8,000 rpm for about 20 minutes, washed five times with DI water, and dried in a vacuum oven at about 60 ° C.

그 결과, 3 g의 KMnO4를 사용한 실험에서만 정제된 DND는 회색을 나타내었다. KMnO4 1 g 및 2 g을 사용하여 정제된 DND는 검정색에 가까웠고 4 g을 사용하여 정제된 DND는 위 실험과 같이 흑갈색을 나타내었다(도 7a의 바이알 병 사진 참고).As a result, the purified DND was gray only in the experiment with 3 g of KMnO 4 . DND purified using 1 g and 2 g of KMnO 4 was close to black and DND purified using 4 g was dark brown as in the above experiment (see vial bottle photo of FIG. 7a).

실험예Experimental Example 4 - 4 - DND의Of DND UV-Raman 스펙트럼 및  UV-Raman Spectrum and II DiaDia /I/ I GG 비율 분석 Ratio analysis

실시예 2에 따른 DND를 준비하고, 정제된 DND의 sp3/sp2 탄소 비율(carbon ratio)을 확인하기 위해 UV-Raman 스펙트럼을 분석하고, IDia/IG 비율을 계산하였으며, 그 결과를 도 8a 및 8b에 도시하였다.The DND according to Example 2 was prepared, UV-Raman spectra were analyzed to determine the sp 3 / sp 2 carbon ratio of the purified DND, the I Dia / I G ratio was calculated, and the results 8A and 8B.

도 8a의 가로축은 라만 시프트(Raman shift, cm-1)를 나타내고, 세로축은 KMnO4의 양에 따른 UV-Raman 스펙트럼의 세기(intensity)를 나타낸다.8A represents the Raman shift (cm −1 ), and the vertical axis represents the intensity of the UV-Raman spectrum according to the amount of KMnO 4 .

도 8b의 가로축은 KMnO4의 양(g)을 나타내고, 세로축은 IDia/IG 세기 비율(intensity ratio, ~1325 cm-1/~1590 cm- 1)을 나타낸다.The horizontal axis of Figure 8b represents the amount (g) of KMnO 4, the vertical axis Dia I / I intensity ratio G - represents a (intensity ratio, ~ 1325 cm -1 / ~ 1590 cm 1).

도 8a 및 8b를 참조하면, KMnO4 1 g 및 2 g을 사용하여 정제된 DND는 1325cm-1의 다이아몬드 피크의 증강이 관찰되지 않았으며 3 g, 4 g, 5 g을 사용하여 정제한 DND의 스펙트럼은 1325cm-1의 다이아몬드 피크의 증강 및 G-band 피크의 업시프트(upshift)도 확인되었으나 6 g을 사용하였을 때는 오히려 G-band 피크가 다운시프트(downshift)되는 스펙트럼이 확인되었다. IDia/IG 또한 4 g을 사용한 DND와 비슷한 수준 또는 더 낮은 값을 갖는 것으로 확인되었다.8A and 8B, DND purified using 1 g and 2 g of KMnO 4 had no enhancement of diamond peaks of 1325 cm −1 , and DND purified using 3 g, 4 g, and 5 g. The spectrum was confirmed to have an augmentation of a diamond peak of 1325 cm −1 and an upshift of a G-band peak, but when 6 g was used, a spectrum of a down-shift of a G-band peak was found. I Dia / I G was also found to have similar or lower values than DND using 4 g.

실험예Experimental Example 5 - 5- XRDXRD 분석 analysis

실시예 2에 따른 DND를 준비하고, XRD 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 9에 도시하였다.DND according to Example 2 was prepared, XRD analysis was performed, and the results are shown in FIG. 9.

도 9의 가로축은 2

Figure 112018081119126-pat00002
(degree)를 나타내고, 세로축은 KMnO4 양에 따른 세기(intensity)를 나타낸다.The horizontal axis of FIG. 9 is 2
Figure 112018081119126-pat00002
(degree), and the vertical axis represents intensity according to the amount of KMnO 4 .

도 9를 참조하면, DND의 폭발 그을음은 약 2θ = 26°에서 피크를 나타내며, 이는 그래파이트에 상응한다고 보고되어 있다. Referring to Figure 9, the explosion soot of the DND shows a peak at about 2θ = 26 °, which is reported to correspond to graphite.

XRD 분석결과, KMnO4 1 g 및 2 g을 사용해 정제한 DND에서 2 θ = 25° 부근에서 넓은 피크가 나타났고 정제되지 못한 그래파이트가 존재함을 알 수 있었다. KMnO4 4 g을 사용해 정제한 DND에서는 예상대로 MnO2 피크가 확인되어 정제된 DND 내 MnO2가 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 특이하게도 KMnO4 3 g을 사용해 정제한 DND에서만 잔류물과 관련된 피크도 관찰되지 않았고, 2θ = 25 ° 부근의 그래파이트 피크가 감소된 회절 패턴을 나타내었다.XRD analysis showed that DND purified using KMnO 4 1 g and 2 g showed a broad peak near 2θ = 25 ° and the presence of unrefined graphite. In the DND purified using 4 g of KMnO 4 , the MnO 2 peak was confirmed as expected and it was confirmed that MnO 2 was present in the purified DND. Specifically, no peaks related to residues were observed only in DND purified using KMnO 4 3 g, and the graphite peak near 2θ = 25 ° showed a reduced diffraction pattern.

따라서, 고온의 반응온도를 사용하지 않고도 190 ℃에서 부산물 잔류 없이 DND를 정제할 수 있음을 확인하였으며, DND와 KMnO4 산화제의 최적화된 비율이 1:3임을 확인하였다.Therefore, it was confirmed that DND can be purified without residues of by-products at 190 ° C. without using a high temperature reaction temperature, and the optimized ratio of DND and KMnO 4 oxidizer was 1: 3.

실시예Example 3 - 온도에 따른  3-depending on temperature DNDDND 화학적 정제 Chemical purification

DND 검은색 분말(black powder) 1 g, 과망간산칼륨 3 g 및 황산 100mL를 준비한다.Prepare 1 g of DND black powder, 3 g of potassium permanganate and 100 mL of sulfuric acid.

우선, 황산(H2SO4) 40 mL와 DND 검은색 분말(black powder) 1 g을 반응장치에 넣고 분산을 위해서 최소 3시간 이상 교반하였다. First, 40 mL of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and 1 g of DND black powder were placed in a reactor and stirred for at least 3 hours for dispersion.

다음으로, 얼음이 담긴 수조 내에서 다른 비커에 황산 40 mL와 과망간산칼륨(KMnO4) 3 g을 섞은 후 최소 1시간 이상 교반하였다. Next, 40 mL of sulfuric acid and 3 g of potassium permanganate (KMnO 4 ) were mixed in another beaker in an ice bath containing water, followed by stirring for at least 1 hour.

이후 DND와 황산이 섞여 있는 반응기 내부 온도를 확인하면서 천천히 두 용액을 섞어주었다. 이때, DND/H2SO4 용액에 KMnO4/H2SO4 용액을 천천히 흘려 넣어준다. 100mL의 황산 중 남은 황산 20mL은 KMnO4/H2SO4 비커에 남은 용액을 DND/H2SO4 용액에 깨끗이 투입하는데 사용하였다. 두 용액이 섞일 때 발열반응이 일어나며 한 번에 많은 양이 섞이게 되면 온도가 급격히 상승할 수 있으므로 주의한다. Then, the two solutions were slowly mixed while checking the temperature inside the reactor where DND and sulfuric acid were mixed. At this time, KMnO 4 / H 2 SO 4 solution is slowly flowed into the DND / H 2 SO 4 solution. 20 mL of sulfuric acid remaining in 100 mL of sulfuric acid was used to cleanly add the remaining solution in the KMnO 4 / H 2 SO 4 beaker to the DND / H 2 SO 4 solution. When the two solutions are mixed, an exothermic reaction occurs, and if a large amount is mixed at a time, the temperature may increase rapidly, so be careful.

이어서, 190℃, 230℃, 255℃, 310 ℃ 및 330 ℃ 온도에서, KMnO4/H2SO4 용액과 DND/H2SO4 용액을 혼합하여 3시간 동안 정제반응을 진행하였다. 용액은 320 ℃ 부근에서 끓기 시작해서 330 ℃ 사이의 온도를 유지하였다. 330 ℃는 온도 조절 장치의 설정 온도 값이며, 이는 H2SO4의 끓는점과 일치하는 값이다.Subsequently, the KMnO 4 / H 2 SO 4 solution and the DND / H 2 SO 4 solution were mixed at 190 ° C, 230 ° C, 255 ° C, 310 ° C and 330 ° C for 3 hours to proceed with purification. The solution began to boil around 320 ° C. and maintained at a temperature between 330 ° C. 330 ° C. is the set temperature value of the thermostat, which is consistent with the boiling point of H 2 SO 4 .

반응 종료 후, 용액은 상온 냉각시켜 약 8,000 rpm에서 약 20분간 원심분리하고 탈이온수(DI water)로 총 5 회 세척한 후 약 60 ℃ 진공오븐에서 건조시켰다. After the reaction was completed, the solution was cooled to room temperature, centrifuged at about 8,000 rpm for about 20 minutes, washed five times with DI water, and dried in a vacuum oven at about 60 ° C.

실험예Experimental Example 6 - 온도에 따른  6-depending on temperature DND의Of DND UV-Raman 스펙트럼 및  UV-Raman Spectrum and II DiaDia /I/ I GG 비율 분석 Ratio analysis

실시예 3에 따른 190℃, 230℃, 255℃, 310 ℃ 및 330 ℃ 온도에서 정제한 DND를 각각 준비하고, 온도에 따른 UV-Raman 스펙트럼 및 IDia/IG 비율을 분석하였으며, 그 결과를 도 10a 및 10b에 도시하였다.Purified DND was prepared at 190 ° C., 230 ° C., 255 ° C., 310 ° C. and 330 ° C. according to Example 3, and the UV-Raman spectrum and I Dia / I G ratio were analyzed according to the temperature. 10A and 10B.

도 10a의 가로축은 라만 시프트(Raman shift, cm-1)를 나타내고, 세로축은 온도에 따른 UV-Raman 스펙트럼의 세기(intensity)를 나타낸다.In FIG. 10A, the horizontal axis represents Raman shift (cm −1 ), and the vertical axis represents intensity of the UV-Raman spectrum with temperature.

도 10b의 가로축은 공정 온도(process temperature, ℃)을 나타내고, 세로축은 IDia/IG 세기 비율(intensity ratio, ~1325 cm-1/~1590 cm- 1)을 나타낸다.Figure 10b of the horizontal axis represents the processing temperature (process temperature, ℃), the vertical axis Dia I / I intensity ratio G - represents a (intensity ratio, ~ 1325 cm -1 / ~ 1590 cm 1).

도 10a 및 10b를 참조하면, 1325cm-1의 다이아몬드 피크와 1590cm-1 G-band의 세기 비율(IDia/IG)은 DND의 sp3/sp2 탄소 비율과 직접적으로 관련이 있다. 또한, 다이아몬드 함량은 XANES(X-ray absorption near-edge structure) 스펙트럼에 의해 결정된 IDia/IG 와 sp3 함량에 기초한다. Referring to Figures 10a and 10b, the diamond peak and 1590cm -1 G-band intensity ratio of 1325cm -1 (I Dia / I G ) is related to the sp 3 / sp 2 carbon ratio of DND directly. In addition, the diamond content was determined by I Dia / I G and sp 3 determined by the X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectrum. Based on the content.

분석결과, 온도상승에 따라 IDia/IG 또한 상승할 것 이라는 예상과는 다르게 KMnO4 3 g을 사용한 화학적 정제반응에서는 온도 상승에 따른 IDia/IG 변화가 일어나지 않았다.As a result of the analysis, contrary to the expectation that I Dia / I G will also increase with the temperature rise, the change of I Dia / I G did not occur in the chemical purification reaction using KMnO 4 3 g.

실시예Example 4 -  4 - 340 ℃에서At 340 ℃ KMnOKMnO 44 양에 따른  According to quantity DNDDND 화학적 정제 Chemical purification

DND 검은색 분말(black powder) 1 g, 과망간산칼륨 0.1 g 내지 6 g 및 황산 100mL를 준비한다.Prepare 1 g of DND black powder, 0.1 g to 6 g of potassium permanganate and 100 mL of sulfuric acid.

반응온도 340 ℃에서 KMnO4의 양을 0.1 g, 0.5 g, 1 g, 2 g, 3 g, 5 g, 6 g으로 조절하면서 3시간 동안 정제 반응을 수행하였다. 이는, 실시예 3에 따른 UV-Raman 스펙트럼 분석에서, KMnO4 3 g을 사용하였을 때, 온도상승에 따른 IDia/IG 변화가 없는 반면, 실시예 1에 따른 UV-Raman 스펙트럼 분석에서, KMnO4 6 g을 사용하였을 때, 반응 온도 상승에 따른 IDia/IG의 증가하였다. 따라서, 그 이유가 KMnO4의 양에 의한 것이라 유추하여 KMnO4 양에 따른 IDia/IG을 확인하기 위함에 있다.Purification reaction was performed for 3 hours while adjusting the amount of KMnO 4 to 0.1 g, 0.5 g, 1 g, 2 g, 3 g, 5 g, 6 g at a reaction temperature of 340 ° C. In the UV-Raman spectral analysis according to Example 3, when using 3 g of KMnO 4 , there is no change in I Dia / I G with temperature rise, whereas in the UV-Raman spectral analysis according to Example 1, KMnO When 4 6 g was used, I Dia / I G increased with increasing reaction temperature. Accordingly, it is intended to by analogy to the reason is due to the amount of KMnO 4 would make the Dia I / I G according to the amount of KMnO 4.

우선, 황산(H2SO4) 40 mL와 DND 검은색 분말(black powder) 1 g을 반응장치에 넣고 분산을 위해서 최소 3시간 이상 교반하였다. First, 40 mL of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and 1 g of DND black powder were placed in a reactor and stirred for at least 3 hours for dispersion.

다음으로, 얼음이 담긴 수조 내에서 다른 비커에 황산 40 mL와 과망간산칼륨(KMnO4) 0.1 g, 0.5 g, 1 g, 2 g, 3 g, 5 g, 6 g씩 포함하는 용액을 각각 준비하고, 최소 1시간 이상 교반하였다.Next, each of preparing a solution containing the ice by containing tank potassium permanganate, 40 mL of sulfuric acid and in another beaker in the (KMnO 4) 0.1 g, 0.5 g, 1 g, 2 g, 3 g, 5 g, 6 g And stirred for at least 1 hour.

이후 DND와 황산이 섞여 있는 반응기 내부 온도를 확인하면서 천천히 두 용액을 섞어주었다. 이때, DND/H2SO4 용액에 KMnO4/H2SO4 용액을 천천히 흘려 넣어준다. 100mL의 황산 중 남은 황산 20mL은 KMnO4/H2SO4 비커에 남은 용액을 DND/H2SO4 용액에 깨끗이 투입하는데 사용하였다. 두 용액이 섞일 때 발열반응이 일어나며 한 번에 많은 양이 섞이게 되면 온도가 급격히 상승할 수 있으므로 주의한다. Then, the two solutions were slowly mixed while checking the temperature inside the reactor where DND and sulfuric acid were mixed. At this time, KMnO 4 / H 2 SO 4 solution is slowly flowed into the DND / H 2 SO 4 solution. 20 mL of sulfuric acid remaining in 100 mL of sulfuric acid was used to cleanly add the remaining solution in the KMnO 4 / H 2 SO 4 beaker to the DND / H 2 SO 4 solution. When the two solutions are mixed, an exothermic reaction occurs, and if a large amount is mixed at a time, the temperature may increase rapidly, so be careful.

이어서, KMnO4/H2SO4 용액과 DND/H2SO4 용액을 혼합하여 340 ℃에서 3시간 동안 정제반응을 진행하였다.Subsequently, a KMnO 4 / H 2 SO 4 solution and a DND / H 2 SO 4 solution were mixed, and the purification reaction was performed at 340 ° C. for 3 hours.

반응 종료 후, 용액은 상온 냉각시켜 약 8,000 rpm에서 약 20분간 원심분리하고 탈이온수(DI water)로 총 5 회 세척한 후 약 60 ℃ 진공오븐에서 건조시켰다. After the reaction was completed, the solution was cooled to room temperature, centrifuged at about 8,000 rpm for about 20 minutes, washed five times with DI water, and dried in a vacuum oven at about 60 ° C.

실험예Experimental Example 7 -  7- DND의Of DND UV-Raman 스펙트럼 및  UV-Raman Spectrum and II DiaDia /I/ I GG 비율 분석 Ratio analysis

실시예 4에 따른 DND를 준비하고, UV-Raman 분석을 통해 스펙트럼을 확인하고 IDia/IG 비율을 계산하였으며, 그 결과를 도 11a 및 11b에 도시하였다.DND according to Example 4 was prepared, the spectrum was confirmed by UV-Raman analysis, and the I Dia / I G ratio was calculated, and the results are shown in FIGS. 11A and 11B.

도 11a의 가로축은 라만 시프트(Raman shift, cm-1)를 나타내고, 세로축은 KMnO4의 양에 따른 UV-Raman 스펙트럼의 세기(intensity)를 나타낸다.11A represents the Raman shift (cm −1 ), and the vertical axis represents the intensity of the UV-Raman spectrum according to the amount of KMnO 4 .

도 11b의 가로축은 KMnO4의 양(g)을 나타내고, 세로축은 IDia/IG 세기 비율(intensity ratio, ~1325 cm-1/~1590 cm- 1)을 나타낸다.The horizontal axis of FIG. 11b represents the amount (g) of KMnO 4, the vertical axis Dia I / I intensity ratio G - represents a (intensity ratio, ~ 1325 cm -1 / ~ 1590 cm 1).

도 11a 및 11b를 참조하면, KMnO4의 양이 0.1 g에서 6 g으로 증가하면서 1325cm-1의 다이아몬드 피크가 확연히 증대되었고, G-band 피크의 업시프트(upshift)도 확인할 수 있었다. 11A and 11B, the amount of KMnO 4 increased from 0.1 g to 6 g and the diamond peak of 1325 cm −1 was significantly increased, and the upshift of the G-band peak was also confirmed.

따라서, KMnO4의 양이 증가할수록 정제된 DND의 IDia/IG 또한 증가하는 결과를 확인할 수 있었다. 이에 따라, KMnO4 기반 DND의 화학적 정제에서 산화제 양을 제어 변수로 활용하면, DND의 비다이아몬드 탄소(non-diamond carbon)의 양을 선택적으로 제거하여 sp3/sp2 탄소비율을 조절할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.Therefore, as the amount of KMnO 4 increases, I Dia / I G of the purified DND also increased. Accordingly, by using the amount of oxidant as a control variable in the chemical purification of KMnO 4 based DND, the sp 3 / sp 2 carbon ratio can be controlled by selectively removing the amount of non-diamond carbon of DND. You can check it.

실시예Example 5 - 반응 시간에 따른  5-depending on the reaction time DNDDND 화학적 정제 Chemical purification

DND 검은색 분말(black powder) 1 g, 과망간산칼륨 3 g 및 황산 100mL를 준비한다.Prepare 1 g of DND black powder, 3 g of potassium permanganate and 100 mL of sulfuric acid.

우선, 황산(H2SO4) 40 mL와 DND 검은색 분말(black powder) 1 g을 반응장치에 넣고 분산을 위해서 최소 3시간 이상 교반하였다. First, 40 mL of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and 1 g of DND black powder were placed in a reactor and stirred for at least 3 hours for dispersion.

다음으로, 얼음이 담긴 수조 내에서 다른 비커에 황산 40 mL와 과망간산칼륨(KMnO4) 3 g을 섞은 후 최소 1시간 이상 교반하였다. Next, 40 mL of sulfuric acid and 3 g of potassium permanganate (KMnO 4 ) were mixed in another beaker in an ice bath containing water, followed by stirring for at least 1 hour.

이후 DND와 황산이 섞여 있는 반응기 내부 온도를 확인하면서 천천히 두 용액을 섞어주었다. 이때, DND/H2SO4 용액에 KMnO4/H2SO4 용액을 천천히 흘려 넣어준다. 100mL의 황산 중 남은 황산 20mL은 KMnO4/H2SO4 비커에 남은 용액을 DND/H2SO4 용액에 깨끗이 투입하는데 사용하였다. 두 용액이 섞일 때 발열반응이 일어나며 한 번에 많은 양이 섞이게 되면 온도가 급격히 상승할 수 있으므로 주의한다. Then, the two solutions were slowly mixed while checking the temperature inside the reactor where DND and sulfuric acid were mixed. At this time, KMnO 4 / H 2 SO 4 solution is slowly flowed into the DND / H 2 SO 4 solution. 20 mL of sulfuric acid remaining in 100 mL of sulfuric acid was used to cleanly add the remaining solution in the KMnO 4 / H 2 SO 4 beaker to the DND / H 2 SO 4 solution. When the two solutions are mixed, an exothermic reaction occurs, and if a large amount is mixed at a time, the temperature may increase rapidly, so be careful.

이어서, 반응온도 330 ℃에서, KMnO4/H2SO4 용액과 DND/H2SO4 용액을 혼합하여 반응 시간을 3시간, 6시간, 12시간, 24시간으로 증가시키며 각각 정제반응을 진행하였다.Subsequently, the reaction time was increased to 3 hours, 6 hours, 12 hours, and 24 hours by mixing the KMnO 4 / H 2 SO 4 solution and the DND / H 2 SO 4 solution at the reaction temperature of 330 ° C. .

반응 종료 후, 용액은 상온 냉각시켜 약 8,000 rpm에서 약 20분간 원심분리하고 탈이온수(DI water)로 총 5 회 세척한 후 약 60 ℃ 진공오븐에서 건조시켰다. After the reaction was completed, the solution was cooled to room temperature, centrifuged at about 8,000 rpm for about 20 minutes, washed five times with DI water, and dried in a vacuum oven at about 60 ° C.

실험예Experimental Example 8 -  8 - spsp 33 /Of spsp 22 탄소비율 분석 Carbon ratio analysis

실시예 5에 따른 3시간, 6시간, 12시간, 24시간의 반응 시간으로 정제한 DND를 각각 준비하고, 이들의 UV-Raman 분석을 실시하여 정제된 DND의 스펙트럼을 확인하고 IDia/IG를 계산하였으며, 그 결과를 도 12a, 12b 및 표 2에 도시하였다.Embodiment, each ready for 3 hours, 6 hours, 12 hours, DND purified with reaction time of 24 hours according to Example 5, confirmed the spectrum of the purified DND subjected to these UV-Raman analysis, and I Dia / I G Was calculated and the results are shown in FIGS. 12A, 12B and Table 2.

도 12a의 가로축은 라만 시프트(Raman shift, cm-1)를 나타내고, 세로축은 반응 시간에 따른 UV-Raman 스펙트럼의 세기(intensity)를 나타낸다.12A represents the Raman shift (cm −1 ), and the vertical axis represents the intensity of the UV-Raman spectrum with respect to the reaction time.

도 12b의 가로축은 반응 시간(process time, hours)를 나타내고, 세로축은 IDia/IG 세기 비율(intensity ratio, ~1325 cm-1/~1590 cm- 1)을 나타낸다.Figure 12b of the horizontal axis indicates the reaction time (process time, hours), vertical axis Dia I / I intensity ratio G - represents a (intensity ratio, ~ 1325 cm -1 / ~ 1590 cm 1).

표 2는 반응시간 증가에 따른 DND의 IDia/IG 및 표준편차를 나타낸다. Table 2 shows I Dia / I G and standard deviation of DND with increasing reaction time.

도 12a, 12b 및 표 2를 참조하면, 반응 시간에 따른 sp3/sp2 탄소 비율 변화를 확인한 결과, 기준 반응 시간인 3시간 정제한 DND의 IDia/IG는 약 1.11 ± 0.03 이었고, 6시간 반응시킨 DND의 IDia/IG는 1.15± 0.07, 12시간 반응시킨 DND의 IDia/IG는 1.24 ± 0.02460으로 분석되었다.12A, 12B and Table 2, as a result of confirming the change in the sp 3 / sp 2 carbon ratio with the reaction time, I Dia / I G of DND purified as a reference reaction time of 3 hours was about 1.11 ± 0.03, 6 I Dia / I G of time-reacted DND was 1.15 ± 0.07, and I Dia / I G of DND-reacted 12 hours was 1.24 ± 0.02460.

또한, 24시간 반응시킨 DND는 더 오랜 시간 반응시켰음에도 1.24 ± 0.02190으로 나타났으며, 12시간 반응시킨 DND와 비슷한 결과를 나타내었다. 반응시간 증가에 따른 IDia/IG 상승은 약 1.1(3시간)에서 약 1.24(12시간)까지 상승하며, 이후의 반응 시간에서는 12시간 반응시킨 DND와 비슷한 수준으로 수렴하는 결과를 얻을 수 있었다.In addition, the DND reacted for 24 hours was 1.24 ± 0.02190 even after a longer reaction, showing a similar result to the DND reacted for 12 hours. The increase in I Dia / I G with the increase of reaction time increased from about 1.1 (3 hours) to about 1.24 (12 hours), and the subsequent reaction time converged to the level similar to DND reacted for 12 hours. .

따라서, KMnO4 기반 DND의 화학적 정제에서 반응 시간을 증가시키면, 일정 수준까지는 sp3/sp2 탄소비율이 상승하는 결과를 확인할 수 있다.Therefore, increasing the reaction time in the chemical purification of KMnO 4 based DND, it can be confirmed that the sp 3 / sp 2 carbon ratio up to a certain level.

Time(hours)Time (hours) IDia/IG (average)I Dia / I G (average) IDia/IG(STDV)I Dia / I G (STDV) 33 1.1091.109 0.0340.034 66 1.1511.151 0.0730.073 1212 1.2381.238 0.0250.025 2424 1.2421.242 0.0220.022

실시예Example 6 -  6- 리사이클링Recycling 공정 fair

DND의 정제에 사용된 황산을 회수하여 준비하고, DND 검은색 분말(black powder) 1 g, KMnO4 0.5 g 및 3 g을 준비한다.The sulfuric acid used for purification of the DND is recovered and prepared, and 1 g of DND black powder, 0.5 g of KMnO 4 and 3 g are prepared.

우선, 황산(H2SO4) 40 mL와 DND 검은색 분말(black powder) 1 g을 반응장치에 넣고 분산을 위해서 최소 3시간 이상 교반하였다. First, 40 mL of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and 1 g of DND black powder were placed in a reactor and stirred for at least 3 hours for dispersion.

다음으로, 얼음이 담긴 수조 내에서 다른 비커에 황산 40 mL와 과망간산칼륨(KMnO4) 0.5 g, 3 g을 각각 비커에 섞은 후 최소 1시간 이상 교반하였다. Next, 40 mL of sulfuric acid, 0.5 g of potassium permanganate (KMnO 4 ), and 3 g were mixed in a beaker in an ice bath containing water, and then stirred for at least 1 hour.

이후 DND와 황산이 섞여 있는 반응기 내부 온도를 확인하면서 천천히 두 용액을 섞어주었다. 이때, DND/H2SO4 용액에 KMnO4/H2SO4 용액을 천천히 흘려 넣어준다. 100mL의 황산 중 남은 황산 20mL은 KMnO4/H2SO4 비커에 남은 용액을 DND/H2SO4 용액에 깨끗이 투입하는데 사용하였다. 두 용액이 섞일 때 발열 반응이 일어나며 한 번에 많은 양이 섞이게 되면 온도가 급격히 상승할 수 있으므로 주의한다. Then, the two solutions were slowly mixed while checking the temperature inside the reactor where DND and sulfuric acid were mixed. At this time, KMnO 4 / H 2 SO 4 solution is slowly flowed into the DND / H 2 SO 4 solution. 20 mL of sulfuric acid remaining in 100 mL of sulfuric acid was used to cleanly add the remaining solution in the KMnO 4 / H 2 SO 4 beaker to the DND / H 2 SO 4 solution. Note that exothermic reactions occur when the two solutions are mixed, and if a large amount is mixed at one time, the temperature may rise rapidly.

이어서, 반응온도 340 ℃에서, KMnO4/H2SO4 용액과 DND/H2SO4 용액을 혼합하여 3시간동안 각각 정제반응을 진행하였다.Subsequently, at a reaction temperature of 340 ° C., a KMnO 4 / H 2 SO 4 solution and a DND / H 2 SO 4 solution were mixed and purified for 3 hours.

반응 종료 후, 용액은 상온 냉각시켜 약 8,000 rpm에서 약 20분간 원심분리하고 탈이온수(DI water)로 총 5 회 세척한 후 약 60 ℃ 진공오븐에서 건조시켰다. After the reaction was completed, the solution was cooled to room temperature, centrifuged at about 8,000 rpm for about 20 minutes, washed five times with DI water, and dried in a vacuum oven at about 60 ° C.

정제반응 종료 후 DND 용액을 3개의 코니칼 튜브(Conical tube)에 나누어 담고 8,000 rpm에서 1시간동안 원심분리 하였다. 원심분리 된 H2SO4를 회수하고 100 mL에서 모자란 양은 사용하지 않은 황산을 추가하여 다시 DND의 정제 공정에 이용될 수 있다. 이러한 리사이클링 공정을 각각 3회씩 반복 진행하였다.After completion of the purification reaction, the DND solution was divided into three conical tubes and centrifuged at 8,000 rpm for 1 hour. The centrifuged H 2 SO 4 is recovered and the amount less than 100 mL can be used again for the purification of DND by adding unused sulfuric acid. This recycling process was repeated three times each.

정제반응 종료 후 DND 용액을 3개의 코니칼 튜브(Conical tube)에 나누어 담고 8,000 rpm에서 1시간동안 원심분리 하였다.After completion of the purification reaction, the DND solution was divided into three conical tubes and centrifuged for 1 hour at 8,000 rpm.

실험예Experimental Example 9 - ICP- 9-ICP- OESOES 분석 analysis

실시예 6에 따른 재이용된 횟수에 따른 H2SO4를 각각 준비하고, ICP-OES 분석을 통해 K 및 Mn의 농도변화를 분석하였으며, H2SO4의 재사용 가능성을 확인하였으며, 그 결과를 도 13a, 13b, 표 3에 도시하였다.H 2 SO 4 was prepared according to the number of times reused according to Example 6, and the concentration change of K and Mn was analyzed by ICP-OES analysis, and the reusability of H 2 SO 4 was confirmed. 13a, 13b, and Table 3 are shown.

도 13a는 과망간산칼륨(KMnO4) 0.5 g 사용하였을때 재사용한 H2SO4 중 K 및 Mn ICP-OES 분석결과를 나타낸다.FIG. 13a shows the results of analysis of K and Mn ICP-OES in H 2 SO 4 reused when 0.5 g of potassium permanganate (KMnO 4 ) was used.

도 13b는 과망간산칼륨(KMnO4) 3 g 사용하였을때 재사용한 H2SO4 중 K 및 Mn ICP-OES 분석결과를 나타낸다.Figure 13b shows the results of K and Mn ICP-OES in H2SO4 reused when using 3 g of potassium permanganate (KMnO 4 ).

도 13a 및 13b의 가로축은 H2SO4를 재사용한 횟수(recycling times)를 나타내고, 세로축은 K 및 Mn 금속의 농도변화를 나타낸다.13A and 13B, the horizontal axis represents recycling times of H 2 SO 4 , and the vertical axis represents changes in concentrations of K and Mn metals.

표 3은 정제하지 않은 DND 검은색 분말(Black powder)과 KMnO4 0.5 g, 3 g 및 재사용한 H2SO4를 이용해 정제한 DND의 ICP-OES 분석결과를 DND 1 g 기준으로 환산하여 정리한 표이다(단위: mg).Table 3 shows the results of ICP-OES analysis of DND purified using unrefined DND black powder, 0.5 g, 3 g of KMnO 4 and reused H 2 SO 4 in terms of DND 1 g. Table is in mg.

도 13a, 13b 및 표 4를 참조하면, 사용한 KMnO4 양에 관계없이 정제반응 후 재사용한 H2SO4에서 Mn은 아주 낮은 농도로 유지되고 K는 축적되어 증가하는 경향을 나타냈다.Referring to FIGS. 13A, 13B and Table 4, regardless of the amount of KMnO 4 used, Mn was maintained at a very low concentration and K was accumulated and increased in H 2 SO 4 reused after purification.

재사용한 H2SO4에서 K의 함량이 증가함에 따라 정제한 DND의 금속불순물 함량에 미치는 영향을 확인하기 위해서 ICP-OES를 통해 직접적으로 분석하였다. In order to confirm the effect on the metal impurity content of the purified DND as K content was increased in the reused H 2 SO 4 , it was directly analyzed by ICP-OES.

표 3을 참조하면, 전체 금속불순물의 함량변화를 살펴보면 정제하기 전 DND Black powder 1 g 중 금속불순물의 함량은 약 15.683 mg이 포함된 것으로 확인되었고, 정제 후 DND에서는 10 mg 이하의 금속불순물이 포함된 것으로 나타나 KMnO4 기반 화학적 정제를 통해 전체 금속불순물이 5.053~9.574 mg 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 재사용한 H2SO4에서는 재사용 횟수에 따라 K의 농도가 증가하는 경향을 나타내었지만, DND의 직접적인 ICP-OES 분석을 통해 정제 전 DND 검은색 분말(Black powder)과 정제 후 DND의 K 함량은 0.1 mg 수준의 미세한 차이로 나타나는 것을 확인할 수 있었고, H2SO4에서 재사용 횟수에 따라 낮은 함량을 나타내었던 Mn 또한 0.1 mg 수준의 함량차이가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 정제 시 사용한 KMnO4는 정제 전 DND 무게 대비 50% 및 300%에 해당하는 양이고 K농도가 증가된 재사용한 H2SO4을 사용했음에도 최대 0.158 mg의 K 함량의 변화는 재사용 H2SO4를 사용하여도 연구에서 확인하고자 하는 정제된 DND의 금속불순물 함량에는 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.Referring to Table 3, the contents of the total metal impurities were found to contain about 15.683 mg of the metal impurities in 1 g of DND Black powder before purification, and DND contained less than 10 mg of metal impurities in the DND after purification. KMnO 4 -based chemical purification showed that the total metal impurities were reduced 5.053 ~ 9.574 mg. In the reused H 2 SO 4 , the concentration of K increased with the number of reuse, but the DND black powder before purification and the D content after purification were 0.1 by direct ICP-OES analysis of DND. It can be seen that the difference in the mg level appeared, Mn, which showed a low content according to the number of reuse in H 2 SO 4 It was also confirmed that the content difference of 0.1 mg level occurred. KMnO 4 is purified before the amount and change of the K content of up to 0.158 mg though using re a H 2 SO 4 the K concentration is increased equal to 50% of DND weight and 300%, used at the time of purification is to re-H 2 SO 4 It was confirmed that even if used, it has little effect on the metal impurity content of the purified DND to be confirmed in the study.

따라서, 사용했던 H2SO4를 폐기하지 않고 다시 정제반응에 사용하여도 우려했던 DND의 K, Mn 또는 금속불순물 증가는 일어나지 않았고, 오히려 전체 금속불순물의 양이 줄어들어 DND의 KMnO4 기반 화학적 정제에 있어서는 제안된 재사용 프로세스로 최소 3회 H2SO4를 재사용 가능하다 판단된다.Therefore, the increase in K, Mn or metal impurities of DND did not occur even if the used H 2 SO 4 was used again in the purification reaction, but the amount of total metal impurities was reduced, and thus the KMnO 4 based chemical purification of DND was reduced. In this regard, it is determined that the proposed reuse process can reuse H 2 SO 4 at least three times.

DND
검정색 분말
DND
Black powder
KMnO4 0.5 g0.5 g of KMnO 4 KMnO4 3 gKMnO 4 3 g
Recycling
(1)
Recycling
(One)
Recycling
(2)
Recycling
(2)
Recycling
(3)
Recycling
(3)
Recycling
(1)
Recycling
(One)
Recycling
(2)
Recycling
(2)
Recycling
(3)
Recycling
(3)
NaNa 1.6921.692 1.8681.868 2.0422.042 1.5851.585 1.5321.532 1.4051.405 1.6151.615 KK 0.1120.112 0.0960.096 0.1940.194 0.0460.046 0.2150.215 0.2290.229 0.2700.270 MgMg 0.6340.634 0.1290.129 0.1190.119 0.0570.057 0.0800.080 0.0910.091 0.1440.144 CaCa 2.3872.387 0.5140.514 0.5180.518 0.4040.404 0.4230.423 0.3710.371 0.3980.398 CrCr 0.0100.010 0.0020.002 0.0020.002 0.0020.002 0.0030.003 0.0040.004 0.0040.004 MnMn 0.0270.027 0.0120.012 0.0210.021 0.0590.059 0.3320.332 0.1070.107 0.2700.270 FeFe 2.1492.149 2.6902.690 0.1970.197 1.6331.633 0.2950.295 3.0013.001 0.4940.494 CoCo 0.0010.001 0.0010.001 0.0010.001 0.0000.000 0.0010.001 0.0010.001 0.0010.001 NiNi 0.0050.005 0.0020.002 0.0010.001 0.0000.000 0.0010.001 0.0030.003 0.0020.002 CuCu 0.0220.022 0.0000.000 0.0000.000 0.0000.000 0.0000.000 0.0000.000 0.0000.000 ZnZn 0.1610.161 0.0100.010 0.0050.005 0.0030.003 0.0060.006 0.0040.004 0.0030.003 AlAl 5.5455.545 0.8740.874 0.6440.644 2.4812.481 0.6200.620 0.8000.800 0.8120.812 SiSi 2.9312.931 4.4304.430 4.0184.018 2.0842.084 2.6002.600 3.1583.158 3.3543.354 PbPb 0.0080.008 0.0020.002 0.0010.001 0.0000.000 0.0000.000 0.0000.000 0.0000.000 system 15.68315.683 10.63010.630 7.7647.764 8.3548.354 6.1096.109 9.1759.175 7.3697.369

실험예Experimental Example 10 -  10- 리사이클링Recycling 횟수별 정제된  Refined by Count DND의Of DND UV-Raman 스펙트럼 및  UV-Raman Spectrum and II DiaDia /I/ I GG

실시예 6에 따른 리사이클링 횟수별 정제된 DND를 준비하고, 이들의 UV-Raman 분석 및 IDia/IG 를 계산하여 H2SO4 재사용 프로세스로 정제된 DND의 sp3/sp2 탄소비율을 확인하였으며, 그 결과를 도 14a 내지 14c에 도시하였다.Purified DND according to the recycling number according to Example 6 was prepared, their UV-Raman analysis and I Dia / I G was calculated to determine the sp 3 / sp 2 carbon ratio of the purified DND by H 2 SO 4 reuse process And the results are shown in FIGS. 14A to 14C.

도 14a은 KMnO4 0.5 g을 사용했을 때 리사이클링 횟수별 정제된 DND의 UV-Raman 스펙트럼이다. 14A is a UV-Raman spectrum of purified DND by the number of recycling using 0.5 g of KMnO 4 .

도 14b은 KMnO4 3 g을 사용했을 때 리사이클링 횟수별 정제된 DND의 UV-Raman 스펙트럼이다. 14B is a UV-Raman spectrum of purified DND by the number of recycling when KMnO 4 3 g is used.

도 14c는 KMnO4 0.5 g 및 3 g을 사용했을 때 리사이클링 횟수별 정제된 DND의 IDia/IG 비율 그래프이다.Figure 14c is a graph of the I Dia / I G ratio of purified DND by the number of recycling when using 0.5 g and 3 g KMnO 4 .

도 14a 및 14b의 가로축은 라만 시프트(Raman shift, cm-1)를 나타내고, 세로축은 황산 재사용 횟수에 따른 UV-Raman 스펙트럼의 세기(intensity)를 나타낸다.14A and 14B, the horizontal axis represents Raman shift (cm −1 ), and the vertical axis represents intensity of the UV-Raman spectrum according to the number of sulfuric acid reuse.

도 14c의 가로축은 리사이클링 횟수를 나타내고, 세로축은 UV-Raman 스펙트럼의 세기(intensity)를 나타낸다.The horizontal axis of FIG. 14C represents the number of recycling cycles, and the vertical axis represents the intensity of the UV-Raman spectrum.

도 14a 내지 14b를 참조하면, 1325cm-1의 다이아몬드 피크의 증강이 명확하게 확인되었으며 정제한 DND는 실험별 비슷한 스펙트럼을 얻을 수 있었다. Referring to Figures 14a to 14b, the reinforcement of the diamond peak of 1325cm -1 was clearly confirmed, and purified DND was able to obtain a similar spectrum for each experiment.

도 14c를 참조하면, 정제반응에 사용한 H2SO4를 회수하여 3회 재사용하여도 정제된 DND의 IDia/IG 값은 큰 변화 없이 유지되는 것으로 보아서 제안된 H2SO4 재사용 프로세스로 DND를 정제하여도 sp3/sp2 탄소비율에 영향을 주지 않는다고 판단된다.Referring to FIG. 14c, even if the H 2 SO 4 used in the purification reaction is recovered and reused three times, the I Dia / I G value of the purified DND is maintained without significant change, and thus, the proposed H 2 SO 4 reuse process is used for DND. Purification does not affect the sp 3 / sp 2 carbon ratio.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

Claims (8)

DND(detonation nano diamond) 분말을 준비하는 단계,
상기 DND 분말 및 제1 강산을 포함하는 제1 용액을 교반하는 단계,
과망간산칼륨(KMnO4) 및 제2 강산을 포함하는 제2 용액을 교반하는 단계,
상기 제1 용액 및 상기 제2 용액을 혼합하고 미리 설정된 반응 시간 동안 가열하여 DND를 정제하는 단계, 그리고
상기 제1 강산 및 상기 제2 강산을 포함하는 제3 강산을 회수하여 DND의 정제에 재이용하는 리사이클링(recycling) 공정
을 포함하고,
상기 DND를 정제하는 단계에서, 가열 온도가 190 ℃ 내지 330 ℃이고, 상기 DND 분말 및 상기 과망간산칼륨(KMnO4)의 중량비는 1:2.5 내지 1:3.5이며, 상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 100 mL/sec 미만의 혼합 속도로 혼합하는
DND 정제방법.
Preparing a detonation nano diamond (DND) powder,
Stirring the first solution comprising the DND powder and the first strong acid,
Stirring the second solution comprising potassium permanganate (KMnO 4 ) and a second strong acid,
Mixing the first solution and the second solution and heating for a preset reaction time to purify the DND, and
Recycling process for recovering a third strong acid containing the first strong acid and the second strong acid and reused in the purification of DND
Including,
In the step of purifying the DND, the heating temperature is 190 ℃ to 330 ℃, the weight ratio of the DND powder and the potassium permanganate (KMnO 4 ) is 1: 2.5 to 1: 3.5, the first solution and the second solution Mixing at a mixing rate of less than 100 mL / sec
DND Purification Method.
제1항에서,
상기 리사이클링 공정에서, 상기 제3 강산 및 이용되지 않은 강산이 혼합된 것을 포함하는 DND 정제방법.
In claim 1,
In the recycling step, DND purification method comprising the mixture of the third strong acid and the unused strong acid.
제1항에서,
상기 제1 강산 또는 제2 강산은 황산(H2SO4), 플루오린화 수소(HF), 하이포아염소산(HClO), 염소산(HClO3), 과염소산(HClO4) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 DND 정제방법.
In claim 1,
The first strong acid or the second strong acid includes at least one of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), hydrogen fluoride (HF), hypochlorous acid (HClO), chloric acid (HClO 3 ), and perchloric acid (HClO 4 ). Purification method.
삭제delete 제1항에서,
상기 과망간산칼륨(KMnO4)의 양에 따라 정제된 DND의 sp3/sp2 탄소 비율이 조절되는 DND 정제방법.
In claim 1,
DND purification method of adjusting the sp 3 / sp 2 carbon ratio of the purified DND according to the amount of potassium permanganate (KMnO 4 ).
제1항에서,
상기 제1 용액 및 상기 제2 용액을 혼합하고 미리 설정된 반응 시간 동안 가열하여 DND를 정제하는 단계에서, 상기 반응 시간은 1시간 내지 24시간인 DND 정제방법.
In claim 1,
In the step of purifying the DND by mixing the first solution and the second solution and heating for a predetermined reaction time, the reaction time is 1 hour to 24 hours DND purification method.
삭제delete 제1항에서,
상기 가열 온도는 스텝 함수의 방법으로 가열되는 DND 정제방법.

In claim 1,
And said heating temperature is heated by a step function.

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