KR102202979B1 - Method of manufacturing dual atoms doped carbon felt - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a method for manufacturing carbon felt doped with double atoms, the method comprising: (a) a step of manufacturing the carbon felt including surface-treated carbon fiber by immersing the carbon felt including carbon fiber in a surface treating solution including compound 1 represented by chemical formula 1 below and compound 2 represented by chemical formula 2 below, and irradiating ultrasonic waves; and (b) a step of manufacturing the carbon felt including the carbon fiber doped with nitrogen atoms and sulfur atoms by heat-treating the carbon felt including the surface-treated carbon fiber. In the chemical formulas 1 and 2, R^1 is a C1 to C5 alkylene group and R^2 is a C1 to C5 alkylene group. The method for manufacturing carbon felt doped with double atoms which are the nitrogen atoms and the sulfur atoms of the present invention provides a short surface treatment process time and uniform surface treatment. A vanadium redox flow battery including the carbon felt doped with the nitrogen atoms and the sulfur atoms according to the present invention provides high energy efficiency by reversibly performing an oxidation-reduction reaction of vanadium through the surface treatment of the carbon felt.

Description

이중원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING DUAL ATOMS DOPED CARBON FELT}Manufacturing method of carbon felt doped with a double atom{METHOD OF MANUFACTURING DUAL ATOMS DOPED CARBON FELT}

본 발명은 이중원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a carbon felt doped with a double atom.

일반적으로 레독스 흐름전지(Redox flow battery)는 수명이 길고 안전하며 출력과 용량의 독립적인 설계가 가능하여 대용량화에 용이한 전기에너지 저장 시스템으로 주목 받고 있다. 특히, 바나듐 레독스 흐름전지는 양/음극 전해액에 바나듐 이온을 동일한 활물질로 사용하기 때문에 다른 종류의 레독스 흐름전지에서 문제가 되는 ion-crossover에 의한 오염문제가 없어 높은 전지효율을 나타낸다. 바나듐 레독스 흐름전지의 경우 활물질의 산화/환원 반응은 전극표면에서만 발생하기 때문에 전극반응성을 높이는 연구가 중요한 부분으로 여겨지고 있다.In general, a redox flow battery is attracting attention as an electric energy storage system that has a long life, is safe, and can be designed independently of output and capacity, and is easy to increase capacity. In particular, since vanadium redox flow batteries use vanadium ions as the same active material in the positive/negative electrode electrolyte, there is no contamination problem due to ion-crossover, which is a problem in other types of redox flow batteries, thus exhibiting high battery efficiency. In the case of a vanadium redox flow battery, since the oxidation/reduction reaction of the active material occurs only on the electrode surface, research on improving electrode reactivity is considered an important part.

특히, 바나듐 레독스 흐름전지에서 사용하는 전극은 넓은 표면적과, 높은 전기전도도, 전해액 흐름을 위한 적합한 다공성 구조 그리고 높은 바나듐 산화/환원 활성을 가지고 있어야 한다. 하지만 레독스 흐름전지는 강산 전해액을 사용하기 때문에 내산성을 가진 전극물질을 사용하여야 한다. 따라서 이러한 조건에 가장 적합한 카본펠트가 널리 사용되고 있다.In particular, the electrode used in the vanadium redox flow battery must have a large surface area, high electrical conductivity, a suitable porous structure for electrolyte flow, and high vanadium oxidation/reduction activity. However, since the redox flow battery uses a strong acid electrolyte, an electrode material having acid resistance must be used. Therefore, carbon felt that is most suitable for these conditions is widely used.

하지만 카본펠트 전극표면은 활물질에 대한 전기화학적 활성이 낮기 때문에 전지의 에너지 효율과 방전용량을 증가시키는데 한계가 있다. 이런 문제점을 해결하기 위해 카본펠트 전극 표면에 작용기를 부여하기 위해 열처리, 산처리, 산화물 코팅, 탄소 기반 물질 코팅, 질소 치환 등의 표면처리 연구가 진행되었다. However, the carbon felt electrode surface has a limitation in increasing the energy efficiency and discharge capacity of the battery because the electrochemical activity for the active material is low. In order to solve this problem, research on surface treatment such as heat treatment, acid treatment, oxide coating, carbon-based material coating, and nitrogen substitution has been conducted to impart functional groups to the surface of the carbon felt electrode.

기존에 보고된 액상의 표면처리 기술은 탄소전극을 표면처리 용액에서 교반 및 반응시켜 진행함으로써 교반 과정에서 액상의 흐름으로 인해 불균일한 표면 작용기가 발생하며, 반응 시간이 12시간 이상 소요됨으로 인해 공정 단가가 향상되는 문제점이 있다.In the previously reported liquid surface treatment technology, the carbon electrode is stirred and reacted in the surface treatment solution, resulting in uneven surface functional groups due to the flow of the liquid phase during the stirring process, and the reaction time takes more than 12 hours. There is a problem that is improved.

본 발명의 목적은 표면처리 공정 시간이 짧고, 균일한 표면처리를 통해 질소 원자 및 황 원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing carbon felt doped with nitrogen atoms and sulfur atoms through a short surface treatment process time and uniform surface treatment.

또한, 본 발명의 목적은 카본펠트의 표면처리를 통해 바나듐의 산화환원 반응이 가역적으로 잘 일어나게 하여 에너지 효율이 높은 바나듐 레독스 흐름전지를 제공하는 데 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a vanadium redox flow battery having high energy efficiency by allowing the oxidation-reduction reaction of vanadium to occur reversibly through the surface treatment of carbon felt.

본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 아래 화학식 1로 표시되는 화합물 1 및 아래 화학식 2로 표시되는 화합물 2를 포함하는 표면처리 용액에 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 담지하고 초음파 조사하여 표면처리된 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 제조하는 단계; 및 (b) 표면처리된 탄소섬유를 포함하는 상기 카본펠트를 열처리하여 질소 원자 및 황 원자가 도핑된 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 제조하는 단계;를 포함하는 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, (a) carbon felt containing carbon fibers is supported in a surface treatment solution containing compound 1 represented by formula 1 below and compound 2 represented by formula 2 below, and subjected to surface treatment by ultrasonic irradiation. Producing a carbon felt containing the carbon fiber; And (b) heat-treating the carbon felt containing surface-treated carbon fibers to produce a carbon felt containing carbon fibers doped with nitrogen and sulfur atoms; and a method for producing a double atom doped carbon felt comprising do.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019100515130-pat00001
Figure 112019100515130-pat00001

[화학식 2] [Formula 2]

Figure 112019100515130-pat00002
Figure 112019100515130-pat00002

상기 화학식 1 및 2에서, In Formulas 1 and 2,

R1은 C1 내지 C5 알킬렌기이고,R 1 is a C1 to C5 alkylene group,

R2는 C1 내지 C5 알킬렌기이다.R 2 is a C1 to C5 alkylene group.

또한 상기 표면처리된 탄소섬유는 상기 화합물 1을 중합반응시켜 상기 탄소섬유의 일부 또는 전부 상에 화합물 1 중합체를 코팅하여 상기 화합물 1 중합체가 코팅된 탄소섬유를 생성하고, 상기 탄소섬유에 코팅된 상기 화합물 1 중합체와 상기 화합물 2를 마이클 부가반응시켜 화합물 2가 그래프팅된 화합물 1 중합체로 코팅된 탄소섬유를 포함할 수 있다.In addition, the surface-treated carbon fiber polymerizes the compound 1 to coat a part or all of the carbon fiber to produce a carbon fiber coated with the compound 1 polymer, and the carbon fiber coated on the carbon fiber The compound 1 polymer and the compound 2 by Michael addition reaction may include a carbon fiber coated with the compound 1 polymer compound 2 is grafted.

또한 상기 화합물 2가 그래프팅된 화합물 1 중합체는 상기 화합물 1 중합체의 카테콜기에 상기 화합물 2의 티올기가 결합하여 상기 화합물 2가 상기 화합물 1 중합체에 그래프팅될 수 있다.In addition, in the compound 1 polymer grafted with compound 2, the thiol group of compound 2 may be bonded to the catechol group of the compound 1 polymer, so that the compound 2 may be grafted to the compound 1 polymer.

또한 상기 화학식 1에서, R1은 C2 또는 C3 알킬렌기이고, 상기 화합물 1 중합체가 자가 중합될 수 있다.In addition, in Formula 1, R 1 is a C2 or C3 alkylene group, and the compound 1 polymer may be self-polymerized.

또한 상기 화합물 1이 도파민이고, 상기 화합물 1 중합체가 상기 도파민이 자가 중합될 수 있다.In addition, the compound 1 is dopamine, and the compound 1 polymer may self-polymerize the dopamine.

또한 상기 화학식 2에서, R2는 C2 또는 C3 알킬렌기일 수 있다.In addition, in Formula 2, R 2 may be a C2 or C3 alkylene group.

또한 상기 화합물 2가 2-머캡토에탄올(2-mercaptoethanol)일 수 있다.In addition, the compound 2 may be 2-mercaptoethanol (2-mercaptoethanol).

또한 상기 초음파 처리가 20 내지 100kHz의 주파수로 수행될 수 있다.In addition, the ultrasonic treatment may be performed at a frequency of 20 to 100 kHz.

또한 상기 초음파 처리가 10 내지 120분 동안 수행될 수 있다.In addition, the ultrasonic treatment may be performed for 10 to 120 minutes.

또한 상기 표면처리 용액은 상기 화합물 1의 농도가 0.1 내지 3mM일 수 있다.In addition, the surface treatment solution may have a concentration of Compound 1 of 0.1 to 3 mM.

또한 상기 표면처리 용액은 상기 화합물 2의 농도가 5 내지 10mM일 수 있다.In addition, the surface treatment solution may have a concentration of the compound 2 of 5 to 10 mM.

또한 상기 표면처리 용액은 용매 및 완충용액을 포함할 수 있다.In addition, the surface treatment solution may include a solvent and a buffer solution.

또한 상기 용매가 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로필 알코올, tert-부탄올, 이소부탄올, 2-에틸 헥사놀 및 2-에톡시 에탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the solvent may include at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, tert-butanol, isobutanol, 2-ethyl hexanol, and 2-ethoxy ethanol.

또한 상기 표면처리 용액은 pH가 8.0 내지 9.0일 수 있다.In addition, the surface treatment solution may have a pH of 8.0 to 9.0.

또한 단계 (b)에서, 상기 열처리가 500 내지 1,000℃에서 수행될 수 있다.In addition, in step (b), the heat treatment may be performed at 500 to 1,000°C.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (1) 아래 화학식 1로 표시되는 화합물 1을 포함하는 표면처리 용액에 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 담지하고 초음파 조사하여 표면처리된 탄소섬유 1을 포함하는 카본펠트 1을 제조하는 단계; (2) 아래 화학식 2로 표시되는 화합물 2를 포함하는 표면처리 용액에 상기 카본펠트 1을 담지하고 초음파 조사하여 표면처리된 탄소섬유 2를 포함하는 카본펠트 2를 제조하는 단계; 및 (3) 상기 카본펠트 2를 열처리하여 질소 원자 및 황 원자가 도핑된 탄소섬유 3을 포함하는 카본펠트 3을 제조하는 단계;를 포함하는 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (1) carbon containing carbon fibers 1 surface-treated by supporting a carbon felt containing carbon fibers in a surface treatment solution containing compound 1 represented by Formula 1 below and irradiating with ultrasonic waves Preparing felt 1; (2) preparing carbon felt 2 including carbon fiber 2 surface-treated by supporting the carbon felt 1 in a surface treatment solution containing compound 2 represented by Formula 2 below and irradiating with ultrasonic waves; And (3) heat-treating the carbon felt 2 to prepare a carbon felt 3 including carbon fibers 3 doped with nitrogen and sulfur atoms. A method for producing a double atom doped carbon felt is provided.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019100515130-pat00003
Figure 112019100515130-pat00003

[화학식 2] [Formula 2]

Figure 112019100515130-pat00004
Figure 112019100515130-pat00004

상기 화학식 1 및 2에서, In Formulas 1 and 2,

R1은 C1 내지 C5 알킬렌기이고,R 1 is a C1 to C5 alkylene group,

R2는 C1 내지 C5 알킬렌기이다.R 2 is a C1 to C5 alkylene group.

또한 상기 표면처리된 탄소섬유 1은 상기 화합물 1을 중합반응시켜 상기 탄소섬유의 일부 또는 전부 상에 화합물 1 중합체를 코팅하여 상기 화합물 1 중합체가 코팅된 탄소섬유 1이고, 상기 표면처리된 탄소섬유 2는 상기 탄소섬유 1에 코팅된 상기 화합물 1 중합체와 상기 화합물 2를 마이클 부가반응시켜 화합물 2가 그래프팅된 화합물 1 중합체로 코팅된 탄소섬유 2일 수 있다.In addition, the surface-treated carbon fiber 1 is a carbon fiber 1 coated with the compound 1 polymer by polymerizing the compound 1 and coating a compound 1 polymer on some or all of the carbon fiber, and the surface-treated carbon fiber 2 May be carbon fiber 2 coated with compound 1 polymer coated with compound 1 and compound 2 by Michael addition reaction of compound 2 coated on carbon fiber 1 with compound 1 polymer.

또한 상기 화합물 2가 그래프팅된 화합물 1 중합체는 상기 화합물 1 중합체의 카테콜기에 상기 화합물 2의 티올기가 결합하여 상기 화합물 2가 상기 화합물 1 중합체에 그래프팅될 수 있다.In addition, in the compound 1 polymer grafted with compound 2, the thiol group of compound 2 may be bonded to the catechol group of the compound 1 polymer, so that the compound 2 may be grafted to the compound 1 polymer.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 제조방법에 의해 제조된 이중원자 도핑 카본펠트가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a double atom doped carbon felt manufactured by the above manufacturing method.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 이중원자 도핑 카본펠트를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a vanadium redox flow battery comprising the double atom doped carbon felt.

본 발명의 이중원자 즉, 질소 원자 및 황 원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법은 표면처리 공정 시간이 짧고, 균일한 표면처리가 가능한 효과가 있다.The method of manufacturing a carbon felt doped with a double atom, that is, a nitrogen atom and a sulfur atom of the present invention, has an effect of shortening the surface treatment process time and enabling a uniform surface treatment.

또한, 본 발명에 따른 질소 원자 및 황 원자가 도핑된 카본펠트를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지는 카본펠트의 표면처리를 통해 바나듐의 산화환원 반응이 가역적으로 잘 일어나게 하여 에너지 효율이 높은 효과가 있다.In addition, the vanadium redox flow battery including the carbon felt doped with nitrogen and sulfur atoms according to the present invention has a high energy efficiency effect by allowing the oxidation-reduction reaction of vanadium to occur reversibly through the surface treatment of the carbon felt.

도 1은 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 카본펠트의 SEM 분석 결과이다.
도 2는 실시예 2에 따라 제조된 카본펠트의 SEM 분석 결과이다.
도 3은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 카본펠트의 XPS 결과이다.
도 4는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 카본펠트의 Cyclic Voltammetry(CV) 분석 결과이다.
도 5는 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 카본펠트의 Cyclic Voltammetry(CV) 분석 결과이다.
도 6은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 카본펠트의 EIS 분석 결과이다.
도 7은 소자실시예 1, 소자비교예 1 및 소자비교예 2에 따라 제조된 바나듐 레독스 흐름전지의 충/방전 용량 결과이다.
도 8은 소자실시예 1, 소자비교예 1 및 소자비교예 2에 따라 제조된 바나듐 레독스 흐름전지의 전류밀도별 에너지효율 결과이다.
1 is an SEM analysis result of carbon felts prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 3.
2 is an SEM analysis result of carbon felt prepared according to Example 2.
3 is an XPS result of carbon felt prepared according to Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2.
4 is a result of Cyclic Voltammetry (CV) analysis of carbon felts prepared according to Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. FIG.
5 is a result of Cyclic Voltammetry (CV) analysis of carbon felts prepared according to Examples 1 and 2.
6 is an EIS analysis result of carbon felt prepared according to Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2.
7 is a result of charging/discharging capacity of vanadium redox flow batteries manufactured according to Device Example 1, Device Comparative Example 1, and Device Comparative Example 2. FIG.
8 is an energy efficiency result for each current density of a vanadium redox flow battery manufactured according to Device Example 1, Device Comparative Example 1, and Device Comparative Example 2. FIG.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, and in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. .

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, elements, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features or It is to be understood that the possibility of the presence or addition of numbers, steps, actions, elements, or combinations thereof is not preliminarily excluded.

이하, 본 발명의 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a double atom doped carbon felt of the present invention will be described.

먼저, 아래 화학식 1로 표시되는 화합물 1 및 아래 화학식 2로 표시되는 화합물 2를 포함하는 표면처리 용액에 First, in a surface treatment solution containing compound 1 represented by formula 1 below and compound 2 represented by formula 2 below 탄소섬유를Carbon fiber 포함하는 Included 카본펠트를Carbon felt 담지하고Carrying it 초음파 조사하여 표면처리된 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 제조한다(단계 a). By ultrasonic irradiation, a carbon felt containing the surface-treated carbon fibers is prepared (step a).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019100515130-pat00005
Figure 112019100515130-pat00005

[화학식 2] [Formula 2]

Figure 112019100515130-pat00006
Figure 112019100515130-pat00006

상기 화학식 1 및 2에서, In Formulas 1 and 2,

R1은 C1 내지 C5 알킬렌기, 바람직하게는 C2 또는 C3 알킬렌기이고,R 1 is a C1 to C5 alkylene group, preferably a C2 or C3 alkylene group,

R2는 C1 내지 C5 알킬렌기, 바람직하게는 C2 또는 C3 알킬렌기일 수 있다.R 2 may be a C1 to C5 alkylene group, preferably a C2 or C3 alkylene group.

상기 표면처리된 탄소섬유는 상기 화합물 1을 중합반응시켜 상기 탄소섬유의 일부 또는 전부 상에 화합물 1 중합체를 코팅하여 상기 화합물 1 중합체가 코팅된 탄소섬유를 생성하고, 상기 탄소섬유에 코팅된 상기 화합물 1 중합체와 상기 화합물 2를 마이클 부가반응시켜 화합물 2가 그래프팅된 화합물 1 중합체로 코팅된 탄소섬유를 포함할 수 있다.The surface-treated carbon fiber polymerizes the compound 1 to coat a part or all of the carbon fiber with a compound 1 polymer to produce a carbon fiber coated with the compound 1 polymer, and the compound coated on the carbon fiber A carbon fiber coated with the compound 1 polymer to which compound 2 is grafted by Michael addition reaction of the polymer 1 and compound 2 may be included.

상기 화합물 2가 그래프팅된 화합물 1 중합체는 상기 화합물 1 중합체의 카테콜기에 상기 화합물 2의 티올기가 결합하여 상기 화합물 2가 상기 화합물 1 중합체에 그래프팅될 수 있다.In the compound 1 polymer grafted with compound 2, the thiol group of compound 2 may be bonded to the catechol group of the compound 1 polymer, so that the compound 2 may be grafted onto the compound 1 polymer.

상기 화합물 2가 그래프팅된 화합물 1 중합체는 상기 화합물 1이 중합된 주사슬 및 상기 주사슬에 그래프팅된 화합물 2를 포함할 수 있다.The Compound 1 polymer to which Compound 2 is grafted may include a main chain in which Compound 1 is polymerized and Compound 2 grafted to the main chain.

상기 화합물 1 중합체는 자가 중합될 수 있다.The compound 1 polymer may be self-polymerized.

상기 화합물 1은 도파민이고, 상기 화합물 1 중합체는 상기 도파민이 자가 중합될 수 있다.The compound 1 is dopamine, and the compound 1 polymer may self-polymerize the dopamine.

상기 화합물 2는 2-머캡토에탄올(2-mercaptoethanol)일 수 있다.The compound 2 may be 2-mercaptoethanol (2-mercaptoethanol).

상기 초음파 처리는 20 내지 100kHz의 주파수로 수행될 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 50kHz의 주파수로 수행될 수 있다. 액체 중에 초음파를 인가했을 때 액체 내 사물의 표면에서 압축력과 팽창력에 의해 기포의 생성 및 소멸이 반복적으로 발생된다. 발생된 기포가 일정 크기 이상이 되면 기포는 수축 폭발(캐비테이션 현상)하면서 충격파와 열을 순간적으로 발생시키며 여러 가지 물리적, 화학적 반응을 일으킨다. 보통 20kHz 이상에서 캐비테이션 현상이 발생하기 때문에 주파수가 20kHz 미만이면 초음파의 의한 물리적, 화학적 반응 효과를 얻을 수 없어 바람직하지 않고, 100kHz를 초과하면 기포가 충분한 크기가 되기까지 시간적 여유가 없어 캐비테이션 현상을 효과적으로 이용하기 어렵기 때문에 바람직하지 않다.The ultrasonic treatment may be performed at a frequency of 20 to 100 kHz, and preferably may be performed at a frequency of 20 to 50 kHz. When ultrasonic waves are applied to a liquid, bubbles are repeatedly generated and destroyed by compression and expansion forces on the surface of objects in the liquid. When the generated bubbles exceed a certain size, the bubbles contract and explodes (cavitation phenomenon), instantaneously generating shock waves and heat, causing various physical and chemical reactions. Since cavitation usually occurs above 20 kHz, if the frequency is less than 20 kHz, the physical and chemical reaction effects of ultrasonic waves cannot be obtained, which is not desirable. If the frequency exceeds 100 kHz, there is no time allowance for the bubbles to become sufficiently large, thus effectively reducing the cavitation phenomenon. It is not preferable because it is difficult to use.

상기 초음파 처리는 10 내지 120분 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 40분 동안 수행될 수 있다. 초음파 처리 시간이 10분 미만이면 도파민의 중합 및 도파민과 2-머캡토에탄올의 화학반응이 충분히 일어나지 않아 바람직하지 않고, 120분을 초과하면 열 발생에 의한 용매 휘발 및 반응 제어가 쉽지 않아 바람직하지 않다.The ultrasonic treatment may be performed for 10 to 120 minutes, and preferably may be performed for 20 to 40 minutes. If the ultrasonic treatment time is less than 10 minutes, the polymerization of dopamine and the chemical reaction between dopamine and 2-mercaptoethanol do not sufficiently occur, which is not preferable. .

상기 표면처리 용액은 상기 화합물 1의 농도가 0.1 내지 3mM일 수 있다. 상기 화합물 1의 농도가 0.1mM 미만이면 카본펠트 표면에서 중합되는 양이 작아 충분한 성능을 발현할 수 없어 바람직하지 않고, 3mM을 초과하면 카본펠트 표면에 코팅된 층이 두꺼워 전기전도도를 감소시켜 바람직하지 않다.The surface treatment solution may have a concentration of Compound 1 of 0.1 to 3 mM. If the concentration of Compound 1 is less than 0.1mM, the amount of polymerization on the surface of the carbon felt is small, and sufficient performance cannot be expressed.If it exceeds 3mM, it is not preferable because the layer coated on the carbon felt is thick and the electrical conductivity is reduced. not.

상기 표면처리 용액은 상기 화합물 2의 농도가 5 내지 10mM일 수 있다. 상기 화합물 2의 농도가 5mM 미만이면 도파민에 그래프팅되는 양이 작아 성능이 좋지 않기 때문에 바람직하지 않고, 10mM을 초과하면 도파민에 충분히 그래프팅되고 남은 잔존물들끼리 응집되어 성능을 저하시키기 때문에 바람직하지 않다.The surface treatment solution may have a concentration of compound 2 of 5 to 10 mM. If the concentration of Compound 2 is less than 5mM, the amount grafted to dopamine is small, which is not preferable because the performance is poor, and if it exceeds 10mM, it is not preferable because it is sufficiently grafted to dopamine and the remaining residues aggregate to decrease performance. .

상기 표면처리 용액은 용매 및 완충용액을 포함할 수 있다.The surface treatment solution may include a solvent and a buffer solution.

상기 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로필 알코올, tert-부탄올, 이소부탄올, 2-에틸 헥사놀 및 2-에톡시 에탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 메탄올을 포함할 수 있다.The solvent may include at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, tert-butanol, isobutanol, 2-ethyl hexanol and 2-ethoxy ethanol, preferably methanol. Can include.

상기 표면처리 용액은 pH가 8.0 내지 9.0일 수 있으며, 바람직하게는 8.5일 수 있다.The surface treatment solution may have a pH of 8.0 to 9.0, and preferably 8.5.

다음으로, to the next, 표면처리된Surface treated 탄소섬유를Carbon fiber 포함하는 상기 Containing the above 카본펠트를Carbon felt 열처리하여 질소 원자 및 황 원자가 도핑된 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 제조한다(단계 b). Heat treatment is performed to prepare a carbon felt containing carbon fibers doped with nitrogen atoms and sulfur atoms (step b).

상기 열처리는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논 및 라돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 비활성 기체 분위기에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed in at least one inert gas atmosphere selected from the group consisting of nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon, and radon.

상기 열처리는 500 내지 1,000℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 600 내지 800℃에서 수행될 수 있다. 열처리 온도가 500℃ 미만이면 도파민 및 2-머캡토에탄올의 열분해가 일어나지 않아 바람직하지 않고, 1,000℃을 초과하면 열분해 후 잔존해야 하는 질소와 황 원소가 소멸되기 때문에 바람직하지 않다.The heat treatment may be performed at 500 to 1,000°C, preferably 600 to 800°C. If the heat treatment temperature is less than 500°C, thermal decomposition of dopamine and 2-mercaptoethanol does not occur, which is not preferable. If it exceeds 1,000°C, nitrogen and sulfur elements remaining after thermal decomposition disappear, which is not preferable.

이하, 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a double atom doped carbon felt according to another embodiment of the present invention will be described.

먼저, 아래 화학식 1로 표시되는 화합물 1을 포함하는 표면처리 용액에 First, in the surface treatment solution containing compound 1 represented by the following formula (1) 탄소섬유를Carbon fiber 포함하는 Included 카본펠트를Carbon felt 담지하고Carrying it 초음파 조사하여 By ultrasonic irradiation 표면처리된Surface treated 탄소섬유Carbon fiber 1을 포함하는 카본펠트 1을 제조한다(단계 1). To prepare a carbon felt 1 containing 1 (step 1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019100515130-pat00007
Figure 112019100515130-pat00007

상기 화학식 1에서, In Formula 1,

R1은 C1 내지 C5 알킬렌기이다.R 1 is a C1 to C5 alkylene group.

상기 표면처리된 탄소섬유 1은 상기 화합물 1을 중합반응시켜 상기 탄소섬유의 일부 또는 전부 상에 화합물 1 중합체를 코팅하여 상기 화합물 1 중합체가 코팅된 탄소섬유 1일 수 있다.The surface-treated carbon fiber 1 may be a carbon fiber 1 coated with the compound 1 polymer by coating the compound 1 polymer on part or all of the carbon fiber by polymerizing compound 1.

다음으로, 아래 화학식 2로 표시되는 화합물 2를 포함하는 표면처리 용액에 상기 Next, in a surface treatment solution containing compound 2 represented by Formula 2 below, 카본펠트Carbon felt 1을 1 담지하고Carrying it 초음파 조사하여 By ultrasonic irradiation 표면처리된Surface treated 탄소섬유Carbon fiber 2를 포함하는 카본펠트 2를 제조한다(단계 2). To prepare a carbon felt 2 containing 2 (step 2).

[화학식 2] [Formula 2]

Figure 112019100515130-pat00008
Figure 112019100515130-pat00008

상기 화학식 2에서, In Chemical Formula 2,

R2는 C1 내지 C5 알킬렌기이다.R 2 is a C1 to C5 alkylene group.

상기 표면처리된 탄소섬유 2는 상기 탄소섬유 1에 코팅된 상기 화합물 1 중합체와 상기 화합물 2를 마이클 부가반응시켜 화합물 2가 그래프팅된 화합물 1 중합체로 코팅된 탄소섬유 2일 수 있다.The surface-treated carbon fiber 2 may be a carbon fiber 2 coated with a compound 1 polymer coated with compound 2 by Michael addition reaction of the compound 1 polymer coated on the carbon fiber 1 and the compound 2 to be grafted.

상기 화합물 2가 그래프팅된 화합물 1 중합체는 상기 화합물 1 중합체의 카테콜기에 상기 화합물 2의 티올기가 결합하여 상기 화합물 2가 상기 화합물 1 중합체에 그래프팅될 수 있다.In the compound 1 polymer grafted with compound 2, the thiol group of compound 2 may be bonded to the catechol group of the compound 1 polymer, so that the compound 2 may be grafted onto the compound 1 polymer.

마지막으로, 상기 카본펠트 2를 열처리하여 질소 원자 및 황 원자가 도핑된 탄소섬유 3을 포함하는 카본펠트 3을 제조한다(단계 3).Finally, the carbon felt 2 is heat-treated to prepare a carbon felt 3 comprising carbon fibers 3 doped with nitrogen and sulfur atoms (step 3).

또한 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 이중원자 도핑 카본펠트를 제공한다.In addition, the present invention provides a double atom doped carbon felt prepared by the above manufacturing method.

또한 본 발명은 상기 이중원자 도핑 카본펠트를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a vanadium redox flow battery comprising the double atom doped carbon felt.

[실시예][Example]

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, this is for illustrative purposes, and the scope of the present invention is not limited thereby.

실시예Example 1: 질소 원자 및 황 원자가 1: nitrogen atom and sulfur valence 도핑된Doped 카본펠트(NSGF)의Of carbon felt (NSGF) 제조(PDA, 2-mercaptoethanol 동시투입) Manufacturing (PDA, simultaneous injection of 2-mercaptoethanol)

메탄올/Tris-buffer(50:50, v/v, pH = 8.5) 용액 100ml에 0.5mM의 도파민 하이드로클로라이드(Dopamine hydrochloride)와 6.4mM의 2-메르캅토에탄올(2-mercaptoethanol)을 첨가하여 표면처리 용액을 제조하였다.Surface treatment by adding 0.5 mM Dopamine hydrochloride and 6.4 mM 2-mercaptoethanol to 100 ml of methanol/Tris-buffer (50:50, v/v, pH = 8.5) solution The solution was prepared.

직사각형의 카본펠트(Graphite felt, GF) (50 × 50 × 4.2 mm, JNTG Co., Ltd.)를 상기 표면처리 용액에 담근 뒤, 상온에서 40분 동안 40kHz, 700W의 초음파로 소니케이션(sonication) (Powersonic 620, Hwashin Tech Co. Ltd.)하였다. After immersing the rectangular carbon felt (GF) (50 × 50 × 4.2 mm, JNTG Co., Ltd.) in the surface treatment solution, sonication with 40 kHz, 700 W ultrasonic wave at room temperature for 40 minutes (Powersonic 620, Hwashin Tech Co. Ltd.).

이때, 상기 표면처리 용액의 pH 때문에 도파민은 자가중합을 하면서 GF 표면에 붙게 되며, 동시에 2-메르캅토에탄올의 싸이올 그룹(thiol group)이 폴리도파민(PDA)의 카테콜 그룹(catechol group)과 마이클 부가(Michael addition) 반응에 의해 그래프트(graft)된다.At this time, because of the pH of the surface treatment solution, dopamine adheres to the GF surface while self-polymerizing, and at the same time, the thiol group of 2-mercaptoethanol is the catechol group of polydopamine (PDA) and It is grafted by the Michael addition reaction.

소니케이션 반응이 끝난 후 증류수를 이용해 샘플을 세척하고 80℃ 오븐에서 건조시킨 후, 아르곤(Ar) 분위기에서 700℃ 조건으로 1시간 동안 열처리하여 질소 원자 및 황 원자가 도핑된 카본펠트(NSGF)를 제조하였다.After the sonication reaction is complete, the sample is washed with distilled water, dried in an oven at 80°C, and then heat-treated at 700°C for 1 hour in an argon (Ar) atmosphere to prepare carbon felt (NSGF) doped with nitrogen and sulfur atoms. I did.

실시예Example 2: 질소 원자 및 황 원자가 2: nitrogen atom and sulfur valence 도핑된Doped 카본펠트(NSGF)의Of carbon felt (NSGF) 제조(PDA 선 투입, 2-mercaptoethanol 후 투입) Manufacturing (PDA line input, 2-mercaptoethanol then input)

메탄올/Tris buffer(50:50, v/v, pH = 8.5) 용액 100ml에 0.5mM의 도파민 하이드로클로라이드(Dopamine hydrochloride)를 첨가하여 제1 표면처리 용액을 제조하였다.A first surface treatment solution was prepared by adding 0.5 mM Dopamine hydrochloride to 100 ml of a methanol/Tris buffer (50:50, v/v, pH = 8.5) solution.

직사각형의 카본펠트(Graphite felt, GF) (50 × 50 × 4.2 mm, JNTG Co., Ltd.)를 상기 제1 표면처리 용액에 담근 뒤, 상온에서 40분 동안 40kHz, 700W의 초음파로 소니케이션(sonication) (Powersonic 620, Hwashin Tech Co. Ltd.)한 다음 GF를 증류수를 이용해 세척하였다.Rectangular carbon felt (Graphite felt, GF) (50 × 50 × 4.2 mm, JNTG Co., Ltd.) was immersed in the first surface treatment solution, and then sonicated with an ultrasonic wave of 40 kHz and 700 W for 40 minutes at room temperature ( sonication) (Powersonic 620, Hwashin Tech Co. Ltd.) and then GF was washed with distilled water.

새로운 메탄올/Tris buffer(50:50, v/v, pH = 8.5) 용액 100ml에 6.4mM의 2-메르캅토에탄올(2-mercaptoethanol)을 첨가하여 제2 표면처리 용액을 제조하였다.A second surface treatment solution was prepared by adding 6.4 mM 2-mercaptoethanol to 100 ml of a new methanol/Tris buffer (50:50, v/v, pH = 8.5) solution.

상기 증류수로 세척한 GF를 상기 제2 표면처리 용액에 담근 뒤, 상온에서 40분 동안 40kHz, 700W의 초음파로 소니케이션한 다음 증류수를 이용해 세척하고 80℃ 오븐에서 건조시킨 후, 아르곤(Ar) 분위기에서 700℃ 조건으로 1시간 동안 열처리하여 질소 원자 및 황 원자가 도핑된 카본펠트(NSGF)를 제조하였다.After immersing the GF washed with distilled water in the second surface treatment solution, sonicating at room temperature with 40 kHz, 700 W ultrasonic waves for 40 minutes, washing with distilled water and drying in an oven at 80°C, argon (Ar) atmosphere Heat treatment at 700° C. for 1 hour to prepare carbon felt (NSGF) doped with nitrogen and sulfur atoms.

비교예 1: 카본펠트(Bare GF)Comparative Example 1: Carbon Felt (Bare GF)

직사각형의 카본펠트(Graphite felt, GF) (50 × 50 × 4.2 mm, JNTG Co., Ltd.)를 비교예 1로 사용하였다.Rectangular carbon felt (Graphite felt, GF) (50 × 50 × 4.2 mm, JNTG Co., Ltd.) was used as Comparative Example 1.

비교예 2: 질소 원자가 도핑된 카본펠트(NGF)의 제조Comparative Example 2: Preparation of carbon felt (NGF) doped with nitrogen atoms

실시예 1에서 표면처리 용액에 2-메르캅토에탄올(2-mercaptoethanol)을 첨가하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질소 원자가 도핑된 카본펠트(NGF)를 제조하였다.In Example 1, a nitrogen atom-doped carbon felt (NGF) was prepared in the same manner as in Example 1, except that 2-mercaptoethanol was not added to the surface treatment solution.

비교예 3: 황 원자가 도핑된 카본펠트(SGF)의 제조Comparative Example 3: Preparation of carbon felt (SGF) doped with sulfur atoms

실시예 1에서 표면처리 용액에 도파민 하이드로클로라이드(Dopamine hydrochloride)을 첨가하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 황 원자가 도핑된 카본펠트(SGF)를 제조하였다.In Example 1, a sulfur atom-doped carbon felt (SGF) was prepared in the same manner as in Example 1, except that dopamine hydrochloride was not added to the surface treatment solution.

바나듐 레독스 흐름전지의 제조Manufacture of vanadium redox flow battery

소자실시예 1Device Example 1

실시예 1에 따라 제조된 질소 원자 및 황 원자가 도핑된 카본펠트를 바나듐 레독스 흐름전지의 전극으로 사용하였다.Carbon felt doped with nitrogen and sulfur atoms prepared according to Example 1 was used as an electrode of a vanadium redox flow battery.

엔드플레이트, 바이폴라플레이트, 유로프레임, 실시예 1에 따라 제조된 질소 원자 및 황 원자가 도핑된 카본펠트 순으로 적층하여 양극셀과 음극셀을 각각 제작하였다. 상기 양극셀과 상기 음극셀을, 이온교환막을 사이에 두고 상기 카본펠트가 서로 마주보게 적층시켜 하나의 셀로 제작하였다. 튜브를 이용해 상기 셀의 한 면에는 양극전해질 탱크, 다른 한 면에는 음극전해질 탱크를 연결시킨 후, 펌프를 이용하여 전해질이 셀 내부를 순환시키게 함으로써 바나듐 레독스 흐름전지를 제작하였다.An end plate, a bipolar plate, a flow path frame, and a carbon felt doped with a nitrogen atom and a sulfur atom prepared according to Example 1 were stacked in this order to produce an anode cell and a cathode cell, respectively. The anode cell and the cathode cell were stacked to face each other with an ion exchange membrane interposed therebetween to form one cell. A vanadium redox flow battery was manufactured by connecting a cathode electrolyte tank to one side of the cell and a cathode electrolyte tank to the other side of the cell using a tube, and then allowing the electrolyte to circulate inside the cell using a pump.

소자실시예 2Device Example 2

실시예 1에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 대신에 실시예 2에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 바나듐 레독스 흐름전지를 제조하였다.A vanadium redox flow battery was manufactured in the same manner as in Device Example 1, except for using the carbon felt prepared according to Example 2 instead of using the carbon felt prepared according to Example 1.

소자비교예 1Device Comparative Example 1

실시예 1에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 대신에 비교예 1에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 바나듐 레독스 흐름전지를 제조하였다.A vanadium redox flow battery was manufactured in the same manner as in Device Example 1, except for using the carbon felt prepared according to Comparative Example 1 instead of using the carbon felt prepared according to Example 1.

소자비교예 2Device Comparative Example 2

실시예 1에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 대신에 비교예 2에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 바나듐 레독스 흐름전지를 제조하였다.A vanadium redox flow battery was manufactured in the same manner as in Device Example 1, except for using the carbon felt prepared according to Comparative Example 2 instead of using the carbon felt prepared according to Example 1.

[시험예] [Test Example]

시험예 1: SEM(Scanning Electron Microscope) 분석Test Example 1: SEM (Scanning Electron Microscope) analysis

도 1은 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 카본펠트의 SEM 분석 결과이다. 도 1을 참조하면, 비교예 3에서 표면처리 용액에 2-머캡토에탄올만 넣고 제조한 SGF의 경우, 도파민의 부재로 마이클 부가(Michael addition) 반응이 일어나지 않아 표면에 자기들끼리 뭉쳐서 붙은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 비교예 3에 따라 제조된 SGF는 추후 분석 및 테스트에서 제외하였다. 1 is an SEM analysis result of carbon felts prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. Referring to FIG. 1, in the case of SGF prepared by adding only 2-mercaptoethanol to the surface treatment solution in Comparative Example 3, Michael addition reaction did not occur due to the absence of dopamine, so it was confirmed that they were lumped together on the surface. there was. Therefore, SGF prepared according to Comparative Example 3 was excluded from subsequent analysis and testing.

또한 도 1을 참조하면, 비교예 1의 경우 매끈한 표면을 보이는 반면 비교예 2의 경우 표면에 나노입자들이 균일하게 붙어 있는 것을 확인할 수 있었다. 실시예 1의 경우 비교예 2의 경우와 같이 카본펠트 표면에 나노입자들이 균일하게 붙어 있는 것을 확인할 수 있었다. 실시예 1의 경우, 비교예 3과 같이 2-머캡토에탄올을 투입했음에도 불구하고 비교예 3처럼 응집 현상이 없었으며, 이는 함께 넣어준 도파민에 의해 마이클 부가 반응이 일어나 탄소펠트 표면에 도파민과 2-머캡토에탄올이 균일하게 함께 붙어있음을 확인할 수 있었다.In addition, referring to FIG. 1, in the case of Comparative Example 1, a smooth surface was shown, whereas in the case of Comparative Example 2, it was confirmed that nanoparticles were uniformly attached to the surface. In the case of Example 1, as in the case of Comparative Example 2, it was confirmed that the nanoparticles were uniformly attached to the surface of the carbon felt. In the case of Example 1, even though 2-mercaptoethanol was added as in Comparative Example 3, there was no aggregation phenomenon as in Comparative Example 3, which caused Michael addition reaction by dopamine added together, and dopamine and 2 on the carbon felt surface. -It was confirmed that mercaptoethanol was evenly attached together.

도 2는 실시예 2에 따라 제조된 카본펠트의 SEM 분석 결과이다. 도 2를 참조하면, 실시예 1과 표면 모습이 유사한 것을 확인할 수 있으며, 이는 도파민과 2-머캡토에탄올 투입 방식이 크게 영향을 주지 않음을 의미한다.2 is an SEM analysis result of carbon felt prepared according to Example 2. Referring to FIG. 2, it can be seen that the surface appearance is similar to that of Example 1, which means that dopamine and 2-mercaptoethanol do not have a significant effect.

시험예 2: XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석Test Example 2: XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) analysis

도 3은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 카본펠트의 XPS 결과이다. 도 3을 참조하면, 비교예 1에서는 질소 및 황 원자가 표면에 존재하지 않는데 비해, 도파민만 넣어준 비교예 2의 경우는 질소 원자만 표면에 존재하는 것이 확인되었다. 비교예 1 및 비교예 2와 비교했을 때, 실시예 1의 경우 표면에 질소 및 황 원자 모두 존재하는 것이 확인되었으며, 이는 함께 투입한 도파민과 2-머캡토에탄올의 마이클 부가 반응에 의해 질소 및 황 원자가 탄소펠트 표면에 부여됨을 확인 할 수 있었다.3 is an XPS result of carbon felt prepared according to Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. Referring to FIG. 3, in Comparative Example 1, nitrogen and sulfur atoms were not present on the surface, whereas in Comparative Example 2 in which only dopamine was added, it was confirmed that only nitrogen atoms were present on the surface. When compared with Comparative Examples 1 and 2, in the case of Example 1, it was confirmed that both nitrogen and sulfur atoms exist on the surface, which is nitrogen and sulfur by Michael addition reaction of dopamine and 2-mercaptoethanol added together. It was confirmed that atoms were imparted to the surface of the carbon felt.

시험예 3: Cyclic Voltammetry(CV) 분석Test Example 3: Cyclic Voltammetry (CV) analysis

도 4는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 카본펠트의 Cyclic Voltammetry(CV) 분석 결과로 각 샘플의 산화 반응 peak과 환원 반응 peak을 확인할 수 있다. 도 4를 참조하면, 두 peak의 차이인 Delta Ep 값과 두 peak의 전류밀도 비율인 Ipa/Ipc 값을 확인할 수 있다. 비교예 1 대비 비교예 2의 Delta Ep 값이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, Ipa/Ipc 값이 1에 가까워 지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 카본펠트 표면에 질소를 부여함으로써 반응에 대한 저항 감소 및 산화, 환원 반응 간의 가역성이 향상됨을 의미한다. 실시예 1의 경우 비교예 2보다 Delta Ep 값이 감소하는 것을 확인 할 수 있으며, Ipa/Ipc 값이 1에 보다 가까워지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 질소와 황을 카본펠트 표면에 동시 부여하게 되면 질소 원자를 단독으로 부여하는 것보다 저항 감소 및 가역성 효과에 탁월하다는 것을 의미한다.4 is a result of Cyclic Voltammetry (CV) analysis of carbon felts prepared according to Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, showing the oxidation reaction peak and reduction reaction peak of each sample. Referring to FIG. 4, a Delta Ep value that is a difference between two peaks and an Ipa/Ipc value that is a current density ratio of the two peaks can be confirmed. It can be seen that the Delta Ep value of Comparative Example 2 decreases compared to Comparative Example 1, and it was confirmed that the Ipa/Ipc value approaches 1. This means that by imparting nitrogen to the carbon felt surface, resistance to reaction is reduced and reversibility between oxidation and reduction reactions is improved. In the case of Example 1, it can be seen that the Delta Ep value decreases compared to Comparative Example 2, and it can be confirmed that the Ipa/Ipc value is closer to 1. This means that when nitrogen and sulfur are simultaneously applied to the carbon felt surface, the resistance reduction and reversibility effect are superior to that of providing nitrogen atoms alone.

도 5는 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 카본펠트의 Cyclic Voltammetry(CV) 분석 결과이다. 도 5를 참조하면, 실시예 1과 실시예 2의 Delta Ep 값과 Ipa/Ipc 값의 차이가 거의 없는 것을 확인할 수 있으며, 이는 도파민과 2-머캡토에탄올의 투입 순서는 전극 성능에 크게 영향을 주지 않는 것을 의미한다.5 is a result of Cyclic Voltammetry (CV) analysis of carbon felts prepared according to Examples 1 and 2. Referring to FIG. 5, it can be seen that there is little difference between the Delta Ep value and the Ipa/Ipc value of Example 1 and Example 2, which is the order of dopamine and 2-mercaptoethanol addition significantly affects electrode performance. It means not to give.

시험예 4: Electrochemical impedance spectroscopy(EIS) 분석Test Example 4: Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis

도 6은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 카본펠트의 EIS 분석 결과이다. 도 6을 참조하면, 비교예 1 대비 비교예 2의 저항값이 크게 감소되는 것을 확인 할 수 있으며, 이는 카본펠트 표면에 부여된 질소가 표면 저항을 감소시키는 역할을 한 것을 의미한다. 비교예 2 대비 실시예 2의 저항값이 보다 더 감소되는 것을 확인 할 수 있으며, 이는 카본펠트 표면에 질소를 단독으로 부여하는 것보다 질소와 황을 동시 부여하는 것이 표면 저항을 줄이는 데 탁월하다는 것을 의미한다.6 is an EIS analysis result of carbon felt prepared according to Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. Referring to FIG. 6, it can be seen that the resistance value of Comparative Example 2 is significantly reduced compared to Comparative Example 1, which means that nitrogen imparted to the surface of the carbon felt plays a role in reducing the surface resistance. It can be seen that the resistance value of Example 2 is further reduced compared to Comparative Example 2, which indicates that applying nitrogen and sulfur at the same time is excellent in reducing the surface resistance rather than providing nitrogen alone to the carbon felt surface. it means.

시험예 5: 충/방전 용량 분석Test Example 5: Analysis of charge/discharge capacity

도 7은 소자실시예 1, 소자비교예 1 및 소자비교예 2에 따라 제조된 바나듐 레독스 흐름전지의 충/방전 용량 결과이다. 도 7을 참조하면, 소자비교예 1 대비 소자비교예 2의 용량이 크게 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이는 탄소펠트 표면에 부여된 질소가 촉매로써 작용해 전해액 이용율을 향상시키는데 효과가 있음을 의미한다. 소자비교예 2 대비 소자실시예 1의 용량이 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이는 카본펠트 표면에 질소를 단독으로 부여하는 것보다 질소와 황을 동시 부여하는 것이 촉매 활성을 극대화시키고 전해액 이용률을 향상시키는데 보다 탁월하다는 것을 의미한다.7 is a result of charging/discharging capacity of vanadium redox flow batteries manufactured according to Device Example 1, Device Comparative Example 1, and Device Comparative Example 2. FIG. Referring to FIG. 7, it can be seen that the capacity of Device Comparative Example 2 is significantly increased compared to Device Comparative Example 1, which means that nitrogen imparted to the surface of the carbon felt acts as a catalyst and is effective in improving the electrolyte utilization rate. . It can be seen that the capacity of Device Example 1 is increased compared to Device Comparative Example 2, which is that the simultaneous application of nitrogen and sulfur to the carbon felt surface maximizes the catalytic activity and improves the electrolyte utilization rate, rather than providing nitrogen alone. It means more excellent.

시험예 6: 전류밀도별 에너지효율 분석Test Example 6: Analysis of energy efficiency by current density

도 8은 소자실시예 1, 소자비교예 1 및 소자비교예 2에 따라 제조된 바나듐 레독스 흐름전지의 전류밀도별 에너지효율 결과이다. 도 8을 참조하면, 소자비교예 1 대비 소자비교예 2의 전류밀도별 에너지 효율이 크게 향상되는 것을 볼 수 있는데, 이는 탄소펠트 표면에 부여된 질소가 반응성 및 가역성을 향상시켜 에너지효율을 향상시키는데 효과가 있음을 의미한다. 소자비교예 2 대비 소자실시예 1의 전류밀도별 에너지 효율이 향상하는 것을 볼 수 있는데, 이는 카본펠트 표면에 질소를 단독으로 부여하는 것보다 질소와 황을 동시 부여하는 것이 반응성 및 가역성을 보다 더 향상시켜 에너지효율을 향상시키는데 보다 탁월하다는 것을 의미한다.8 is an energy efficiency result for each current density of a vanadium redox flow battery manufactured according to Device Example 1, Device Comparative Example 1, and Device Comparative Example 2. FIG. Referring to FIG. 8, it can be seen that the energy efficiency for each current density of the device comparative example 2 is significantly improved compared to that of the device comparative example 1, which improves energy efficiency by improving the reactivity and reversibility of nitrogen imparted to the carbon felt surface. It means that it works. It can be seen that the energy efficiency for each current density of Device Example 1 is improved compared to Device Comparative Example 2, which is more reactivity and reversibility when nitrogen and sulfur are simultaneously applied to the carbon felt surface than nitrogen alone. It means that it is more excellent at improving energy efficiency by improving it.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been described, but those of ordinary skill in the relevant technical field can add, change, delete or add components within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. Various modifications and changes may be made to the present invention by addition or the like, and it will be said that this is also included within the scope of the present invention. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form. The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (20)

(a) 아래 화학식 1로 표시되는 화합물 1, 아래 화학식 2로 표시되는 화합물 2, 메탄올 및 완충용액을 포함하는 표면처리 용액에 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 담지하고 초음파 조사하여 표면처리된 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 제조하는 단계; 및
(b) 표면처리된 탄소섬유를 포함하는 상기 카본펠트를 열처리하여 질소 원자 및 황 원자가 도핑된 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 초음파 처리가 20 내지 100kHz의 주파수로 수행되고,
상기 초음파 처리가 20 내지 40분 동안 수행되는 것인 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
[화학식 1]
Figure 112020102807611-pat00009

[화학식 2]
Figure 112020102807611-pat00010

상기 화학식 1 및 2에서,
R1은 C1 내지 C5 알킬렌기이고,
R2는 C1 내지 C5 알킬렌기이다.
(a) Carbon fiber surface-treated by supporting a carbon felt containing carbon fiber in a surface treatment solution containing compound 1 represented by Formula 1 below, compound 2 represented by Formula 2 below, methanol and a buffer solution, and subjected to ultrasonic irradiation Preparing a carbon felt comprising a; And
(b) heat treating the carbon felt containing surface-treated carbon fibers to prepare a carbon felt containing carbon fibers doped with nitrogen atoms and sulfur atoms; including,
The ultrasonic treatment is performed at a frequency of 20 to 100 kHz,
The method of manufacturing a double atom-doped carbon felt, wherein the ultrasonic treatment is performed for 20 to 40 minutes.
[Formula 1]
Figure 112020102807611-pat00009

[Formula 2]
Figure 112020102807611-pat00010

In Formulas 1 and 2,
R 1 is a C1 to C5 alkylene group,
R 2 is a C1 to C5 alkylene group.
제1항에 있어서,
상기 표면처리된 탄소섬유는
상기 화합물 1을 중합반응시켜 상기 탄소섬유의 일부 또는 전부 상에 화합물 1 중합체를 코팅하여 상기 화합물 1 중합체가 코팅된 탄소섬유를 생성하고, 상기 탄소섬유에 코팅된 상기 화합물 1 중합체와 상기 화합물 2를 마이클 부가반응시켜 화합물 2가 그래프팅된 화합물 1 중합체로 코팅된 탄소섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 1,
The surface-treated carbon fiber
The compound 1 is polymerized to produce a carbon fiber coated with the compound 1 polymer by coating a compound 1 polymer on part or all of the carbon fiber, and the compound 1 polymer and the compound 2 coated on the carbon fiber A method for producing a double atom-doped carbon felt, characterized in that it comprises carbon fibers coated with a compound 1 polymer to which compound 2 is grafted by Michael addition reaction.
제2항에 있어서,
상기 화합물 2가 그래프팅된 화합물 1 중합체는 상기 화합물 1 중합체의 카테콜기에 상기 화합물 2의 티올기가 결합하여 상기 화합물 2가 상기 화합물 1 중합체에 그래프팅된 것을 특징으로 하는 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 2,
The compound 1 polymer to which the compound 2 is grafted is the catechol group of the compound 1 polymer is bonded to the thiol group of the compound 2 to prepare a double atom doped carbon felt, wherein the compound 2 is grafted to the compound 1 polymer Way.
제2항에 있어서,
상기 화학식 1에서,
R1은 C2 또는 C3 알킬렌기이고, 상기 화합물 1 중합체가 자가 중합된 것을 특징으로 하는 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 2,
In Formula 1,
R 1 is a C2 or C3 alkylene group, and the compound 1 polymer is self-polymerized.
제4항에 있어서,
상기 화합물 1이 도파민이고, 상기 화합물 1 중합체가 상기 도파민이 자가 중합된 것을 특징으로 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 4,
The compound 1 is dopamine, and the compound 1 polymer is a method for producing a double atom-doped carbon felt, characterized in that the dopamine is self-polymerized.
제1항에 있어서,
상기 화학식 2에서,
R2는 C2 또는 C3 알킬렌기인 것을 특징으로 하는 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 1,
In Chemical Formula 2,
R 2 is a method for producing a double atom doped carbon felt, characterized in that a C2 or C3 alkylene group.
제6항에 있어서,
상기 화합물 2가 2-머캡토에탄올(2-mercaptoethanol)인 것을 특징으로 하는 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 6,
The method for producing a double atom doped carbon felt, characterized in that the compound 2 is 2-mercaptoethanol.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 표면처리 용액은 상기 화합물 1의 농도가 0.1 내지 3mM인 것을 특징으로 하는 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 1,
The surface treatment solution is a method of producing a double atom doped carbon felt, characterized in that the concentration of the compound 1 is 0.1 to 3mM.
제1항에 있어서,
상기 표면처리 용액은 상기 화합물 2의 농도가 5 내지 10mM인 것을 특징으로 하는 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 1,
The surface treatment solution is a method of producing a double atom doped carbon felt, characterized in that the concentration of the compound 2 is 5 to 10mM.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 표면처리 용액은 pH가 8.0 내지 9.0인 것을 특징으로 하는 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing a double atom doped carbon felt, wherein the surface treatment solution has a pH of 8.0 to 9.0.
제1항에 있어서,
단계 (b)에서,
상기 열처리가 500 내지 1,000℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 1,
In step (b),
Method for producing a double atom doped carbon felt, characterized in that the heat treatment is carried out at 500 to 1,000 ℃.
(1) 아래 화학식 1로 표시되는 화합물 1, 메탄올 및 완충용액을 포함하는 표면처리 용액에 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 담지하고 초음파 조사하여 표면처리된 탄소섬유 1을 포함하는 카본펠트 1을 제조하는 단계;
(2) 아래 화학식 2로 표시되는 화합물 2, 메탄올 및 완충용액을 포함하는 표면처리 용액에 상기 카본펠트 1을 담지하고 초음파 조사하여 표면처리된 탄소섬유 2를 포함하는 카본펠트 2를 제조하는 단계; 및
(3) 상기 카본펠트 2를 열처리하여 질소 원자 및 황 원자가 도핑된 탄소섬유 3을 포함하는 카본펠트 3을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 초음파 처리가 20 내지 100kHz의 주파수로 수행되고,
상기 초음파 처리가 20 내지 40분 동안 수행되는 것인 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
[화학식 1]
Figure 112020102807611-pat00011

[화학식 2]
Figure 112020102807611-pat00012

상기 화학식 1 및 2에서,
R1은 C1 내지 C5 알킬렌기이고,
R2는 C1 내지 C5 알킬렌기이다.
(1) Carbon felt 1 including carbon fiber 1 was prepared by supporting a carbon felt containing carbon fiber in a surface treatment solution containing compound 1 represented by the following formula (1), methanol and a buffer solution and irradiating with ultrasonic waves Step to do;
(2) preparing a carbon felt 2 including a surface-treated carbon fiber 2 by supporting the carbon felt 1 in a surface treatment solution containing compound 2 represented by Formula 2 below, methanol, and a buffer solution, followed by ultrasonic irradiation; And
(3) heat-treating the carbon felt 2 to prepare a carbon felt 3 including carbon fibers 3 doped with nitrogen and sulfur atoms; including,
The ultrasonic treatment is performed at a frequency of 20 to 100 kHz,
The method for producing a double atom-doped carbon felt, wherein the ultrasonic treatment is performed for 20 to 40 minutes.
[Formula 1]
Figure 112020102807611-pat00011

[Formula 2]
Figure 112020102807611-pat00012

In Formulas 1 and 2,
R 1 is a C1 to C5 alkylene group,
R 2 is a C1 to C5 alkylene group.
제16항에 있어서,
상기 표면처리된 탄소섬유 1은 상기 화합물 1을 중합반응시켜 상기 탄소섬유의 일부 또는 전부 상에 화합물 1 중합체를 코팅하여 상기 화합물 1 중합체가 코팅된 탄소섬유 1이고,
상기 표면처리된 탄소섬유 2는 상기 탄소섬유 1에 코팅된 상기 화합물 1 중합체와 상기 화합물 2를 마이클 부가반응시켜 화합물 2가 그래프팅된 화합물 1 중합체로 코팅된 탄소섬유 2인 것을 특징으로 하는 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 16,
The surface-treated carbon fiber 1 is a carbon fiber 1 coated with the compound 1 polymer by polymerizing the compound 1 to coat a part or all of the carbon fiber with a compound 1 polymer,
The surface-treated carbon fiber 2 is a carbon fiber 2 coated with a compound 1 polymer coated with compound 2 by Michael addition reaction of the compound 1 polymer coated on the carbon fiber 1 and the compound 2 Method for producing doped carbon felt.
제17항에 있어서,
상기 화합물 2가 그래프팅된 화합물 1 중합체는 상기 화합물 1 중합체의 카테콜기에 상기 화합물 2의 티올기가 결합하여 상기 화합물 2가 상기 화합물 1 중합체에 그래프팅된 것을 특징으로 하는 이중원자 도핑 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 17,
The compound 1 polymer to which the compound 2 is grafted is the catechol group of the compound 1 polymer is bonded to the thiol group of the compound 2 to prepare a double atom doped carbon felt, wherein the compound 2 is grafted to the compound 1 polymer Way.
제1항 또는 제16항의 제조방법에 의해 제조된 이중원자 도핑 카본펠트.The double-atom-doped carbon felt prepared by the method of claim 1 or 16. 제19항의 이중원자 도핑 카본펠트를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지.A vanadium redox flow battery comprising the double atom doped carbon felt of claim 19.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106486296A (en) * 2016-11-22 2017-03-08 福州大学 A kind of preparation method of nitrogen/nickel cobalt codope graphite felt electrode material

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