KR102219873B1 - Manufacturing Method of Graphene Coated Carbon Ultra-Thin Film and Graphene Coated Carbon Ultra-Thin film by same the method - Google Patents

Manufacturing Method of Graphene Coated Carbon Ultra-Thin Film and Graphene Coated Carbon Ultra-Thin film by same the method Download PDF

Info

Publication number
KR102219873B1
KR102219873B1 KR1020190053192A KR20190053192A KR102219873B1 KR 102219873 B1 KR102219873 B1 KR 102219873B1 KR 1020190053192 A KR1020190053192 A KR 1020190053192A KR 20190053192 A KR20190053192 A KR 20190053192A KR 102219873 B1 KR102219873 B1 KR 102219873B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphene
ultra
carbon film
coated
thin carbon
Prior art date
Application number
KR1020190053192A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20200128957A (en
Inventor
박지웅
남준식
샴슈딘 모하메드
Original Assignee
광주과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광주과학기술원 filed Critical 광주과학기술원
Priority to KR1020190053192A priority Critical patent/KR102219873B1/en
Publication of KR20200128957A publication Critical patent/KR20200128957A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102219873B1 publication Critical patent/KR102219873B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
    • C01B32/194After-treatment
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/18Carbon
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/0009Use of binding agents; Moulding; Pressing; Powdering; Granulating; Addition of materials ameliorating the mechanical properties of the product catalyst
    • B01J37/0018Addition of a binding agent or of material, later completely removed among others as result of heat treatment, leaching or washing,(e.g. forming of pores; protective layer, desintegrating by heat)
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0215Coating
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/08Heat treatment
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/16Reducing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/12Surface area
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/16Pore diameter

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예는 메조기공 및 마이크로기공을 포함하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법 및 그 제조방법 의해 제조된 탄소초박막이 코팅된 그래핀을 제공한다.An embodiment of the present invention provides a method of manufacturing graphene coated with an ultrathin carbon film including mesopores and micropores, and graphene coated with an ultrathin carbon film prepared by the method.

Description

탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 탄소초박막이 코팅된 그래핀{Manufacturing Method of Graphene Coated Carbon Ultra-Thin Film and Graphene Coated Carbon Ultra-Thin film by same the method}Manufacturing method of graphene coated with an ultra-thin carbon film and graphene coated with an ultra-thin carbon film produced by the method {Manufacturing Method of Graphene Coated Carbon Ultra-Thin Film and Graphene Coated Carbon Ultra-Thin film by same the method}

본 발명은 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법 및 그 제조방법 의해 제조된 탄소초박막이 코팅된 그래핀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메조 및 마이크로 사이즈의 기공을 포함하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법 및 그 제조방법의해 제조된 탄소초박막이 코팅된 그래핀에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing graphene coated with an ultra-thin carbon film and to graphene coated with an ultra-thin carbon film prepared by the method, and more particularly, to a graphene coated with an ultra-thin carbon film including meso and micro-sized pores. It relates to a method of manufacturing a pin and graphene coated with an ultra-thin carbon film manufactured by the method.

그래핀(Graphene)은 탄소 원자들의 sp2 결합으로 이루어진 벌집모양의 2차원 평면 구조 탄소 동소체이다. 탄소 원자에 있는 4개의 최외각 전자들 중에 3개의 전자는 육각형의 구조를 이루기 위해 σ-결합을 형성하고, 남은 1개의 전자들이 이루는 긴 범위의 π공액구조(π로 그래핀은 2차원 평면상에서 자유롭게 이동하며 우수한 물리적, 전기적 특성을 가지게 된다. 그래핀은 반도체 소재의 주 원료인 실리콘보다 100배 이상의 높은 전자이동도 및 구리보다 100배 이상의 전기전도도를 갖는다. 인장 강도는 강철의 200배 이상이며, 신축성이 좋아 10% 이상 면적을 늘리거나 구부려도 전기전도도가 감소하지 않는다. 또한 현존하는 물질 중 가장 높은 열전도도를 가지는 다이아몬드보다 2배 이상 높은 열전도성을 지닌다.Graphene is a honeycomb-shaped two-dimensional planar carbon allotrope composed of sp2 bonds of carbon atoms. Of the four outermost electrons in the carbon atom, three electrons form a σ-bond to form a hexagonal structure, and a long range of π-conjugated structures formed by the remaining one electron (as π, graphene is It moves freely and has excellent physical and electrical properties Graphene has more than 100 times higher electron mobility than silicon, which is the main raw material for semiconductor materials, and more than 100 times more electrical conductivity than copper, and has a tensile strength of more than 200 times that of steel. The electrical conductivity does not decrease even if the area is stretched or bent more than 10% because of its high elasticity, and it has more than twice the thermal conductivity of diamond, which has the highest thermal conductivity among existing materials.

이러한 물리화학적 특성을 이용하여 연료전지, 투명전극, 차세대 반도체, 초경량 소재, 해수담수화 분야, 유기 태양전지 속의 금속 및 합금의 보호 등과 같은 다양한 분야에서 보호코팅제 등으로 적용되기도 하며, 특히 연료전지의 촉매로서 이용될 수 있다.Using these physicochemical properties, it is also applied as a protective coating agent in various fields such as fuel cells, transparent electrodes, next-generation semiconductors, ultra-light materials, seawater desalination, and protection of metals and alloys in organic solar cells. Can be used as

연료전지용 촉매의 필요조건에는 높은 반응성과 표면적이 있으며 간소화된 제조방법과 가격경쟁력이 요구된다. 연료전지의 촉매 중 가장 우수한 재료로 백금이 활용되었으나 가격적인 문제로 상용화에 큰 어려움을 겪고 있다. 따라서, 백금을 대체할 수 있는 우수한 성능 및 저가 촉매의 발명이 요구되고 있다.The requirements for fuel cell catalysts require high reactivity and surface area, and a simplified manufacturing method and price competitiveness are required. Platinum was used as the most excellent material among catalysts for fuel cells, but it is experiencing great difficulty in commercialization due to price issues. Accordingly, there is a need for an excellent performance and low cost catalyst that can replace platinum.

이의 대안으로 유기물 기반의 촉매가 꾸준히 개발되고 있으나 합성과정이 길고 복잡하여 가격상승이 불가피하거나, 성능이 낮아 다량의 촉매가 사용되어야 하는 문제점이 있었다. 이를 보완하고자 합성이 간편하고, 가격이 합리적이며, 소량의 촉매로도 성능이 우수한 소재를 개발하고자 하였다.As an alternative to this, organic material-based catalysts have been steadily developed, but there is a problem in that the synthesis process is long and complicated, so that an increase in price is inevitable, or a large amount of catalyst has to be used due to low performance. To compensate for this, we attempted to develop a material that is simple to synthesize, has a reasonable price, and has excellent performance even with a small amount of catalyst.

KR 제2017-0116842호KR No. 2017-0116842

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 합성 과정이 복잡하지 않고 제작비용을 절감할 수 있는 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법을 제공하는 것이다 The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for producing graphene coated with an ultra-thin carbon film that can reduce the production cost without complicating the synthesis process.

또한, 그 제조방법 의해 제조되어 우수한 촉매 성능을 가지는 탄소초박막이 코팅된 그래핀 을 제공하는 것이다.In addition, it is to provide a graphene coated with an ultra-thin carbon film, which is manufactured by the method and has excellent catalytic performance.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems that are not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the following description. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 나노 크기의 고분자우레아겔을 포함하는 유기물 용액을 준비하는 단계, 상기 유기물 용액 내에 그래핀산화물을 혼합 반응시켜 상기 그래핀산화물 표면에 고분자우레아겔층을 형성시키는 단계, 상기 그래핀산화물을 환원시켜 고분자우레아겔층이 코팅된 그래핀을 형성하는 단계, 상기 고분자우레아겔층이 코팅된 그래핀을 1차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층 내에 메조기공을 형성하는 단계 및 상기 고분자우레아겔층이 코팅된 그래핀을 2차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층을 탄화시켜 탄소초박막을 형성하는 단계를 포함하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention is to prepare an organic material solution containing a nano-sized polymer urea gel, by mixing and reacting the graphene oxide in the organic material solution to the polymer urea on the surface of the graphene oxide. Forming a gel layer, reducing the graphene oxide to form graphene coated with a polymer urea gel layer, forming mesopores in the polymer urea gel layer by primary heat treatment of graphene coated with the polymer urea gel layer It provides a method of producing graphene coated with an ultra-thin carbon film, comprising: forming an ultra-thin carbon film by carbonizing the polymeric urea gel layer by secondary heat treatment of the graphene coated with the polymer urea gel layer.

또한, 상기 나노 크기의 고분자우레아겔은 표면이 아민 또는 이소시아네이트 작용기로 둘러 쌓인 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the nano-sized polymer urea gel may be characterized in that the surface is surrounded by amine or isocyanate functional groups.

또한, 상기 1차 열처리 온도는 230℃ 내지 400℃ 인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the first heat treatment temperature may be characterized in that 230 ℃ to 400 ℃.

또한, 상기 2차 열처리 온도는 600℃ 내지 1000℃인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the secondary heat treatment temperature may be characterized in that 600 ℃ to 1000 ℃.

또한, 상기 탄소초박막을 형성하는 단계에서, 상기 고분자우레아겔층이 탄화되면서 탄소초박막 내에 마이크로기공이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, in the step of forming the ultrathin carbon film, micropores may be formed in the ultrathin carbon film as the polymeric urea gel layer is carbonized.

또한, 상기 고분자우레아겔층이 코팅된 그래핀을 형성하는 단계에서, 상기 고분자우레아겔층이 코팅된 그래핀 총 중량 대비 그래핀은 5wt% 내지 40wt%인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, in the step of forming graphene coated with the polymer urea gel layer, graphene may be 5 wt% to 40 wt% based on the total weight of graphene coated with the polymer urea gel layer.

또한, 상기 탄소초박막을 형성하는 단계에서, 상기 탄소초박막이 코팅된 그래핀 총 중량 대비 그래핀의 비율은 10wt% 내지 50wt%인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, in the step of forming the ultra-thin carbon film, a ratio of graphene to the total weight of graphene coated with the ultra-thin carbon film may be 10 wt% to 50 wt%.

또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 그래핀 및 상기 그래핀 표면에 코팅된 탄소초박막을 포함하고, 상기 탄소초박막 내부에 메조기공 및 마이크로기공이 형성된 것을 특징으로 하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀을 제공한다.In addition, in order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention includes graphene and a carbon ultra-thin film coated on the graphene surface, and mesopores and micropores are formed inside the carbon ultra-thin film. Provides ultra-thin coated graphene.

또한, 상기 탄소초박막이 코팅된 그래핀은 질소를 2wt% 내지10wt%를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the graphene coated with the ultra-thin carbon film is characterized in that it contains 2wt% to 10wt% nitrogen.

또한, 상기 탄소초박막이 코팅된 그래핀 내에 피리딘 또는 피롤을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, it may be characterized in that it contains pyridine or pyrrole in the graphene coated with the ultra-thin carbon film.

또한, 상기 탄소초박막의 두께는 10㎚ 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the thickness of the ultra-thin carbon film may be characterized in that 10 nm or less.

또한, 상기 탄소초박막은 상기 그래핀의 한쪽 또는 양쪽 면에 코팅된 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the ultra-thin carbon film may be coated on one or both sides of the graphene.

또한, 상기 마이크로기공과 메조기공을 포함한 기공의 총 표면적은 50 ㎡/g 내지 1000 ㎡/g 인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the total surface area of the pores including the micropores and mesopores may be 50 ㎡/g to 1000 ㎡/g.

또한, 상기 탄소초박막이 코팅된 그래핀은 우수한 산소흡착 특성을 가진 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the graphene coated with the ultra-thin carbon film may be characterized by having excellent oxygen adsorption properties.

본 발명의 실시예에 따르면, 그래핀의 표면에 코팅된 탄소초박막은 메조기공 및 마이크로기공이 형성되어 있어 다량의 활성 장소 개방으로 표면적이 넓으며 산소흡착성이 매우 뛰어나다. According to an exemplary embodiment of the present invention, since the ultra-thin carbon film coated on the surface of graphene has mesopores and micropores, it has a large surface area and excellent oxygen adsorption by opening a large amount of active sites.

또한, 백금보다 저렴한 유기물 기반 촉매임에도 이에 못지 않은 높은 환원성 및 반응성을 가지는 촉매를 제작할 수 있다. In addition, even though it is an organic material-based catalyst that is cheaper than platinum, it is possible to manufacture a catalyst having as high a reduction property and reactivity as this.

또한, 탄소층 형성을 위한 공정을 용액공정으로 진행하여 제작비용을 절감할 수 있다. In addition, it is possible to reduce the manufacturing cost by proceeding the process for forming the carbon layer as a solution process.

백금보다 저렴하나 그 보다 높은 안전성 및 전류밀도를 가지고 있어 상용화에 적합한 촉매를 제작 및 활용할 수 있다.It is cheaper than platinum, but has higher safety and current density, so it is possible to manufacture and utilize a catalyst suitable for commercialization.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법의 제조순서에 따른 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 탄소초박막 두께를 확인할 수 있는 SEM사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자우레아겔이 부착된 그래핀 및 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 형태를 확인할 수 있는 SEM사진이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 XPS 분석 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀산화물, 고분자우레아겔층이 코팅된 그래핀 및 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 비표면적 분석 BET그래프 이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀산화물, 고분자우레아겔, 고분자우레아겔층이 코팅된 그래핀 및 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 기공분산도를 분석한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막이 코팅된 그래핀(제조예 1 내지 제조예 4)의 메조기공과 마이크로기공 분산도를 확인 할 수 있는 그래프이다.
도 8는 Pt/C 및 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막이 코팅된 그래핀(제조예 1 내지 제조예 4)의 산소흡착성능 특성을 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막이 코팅된 그래핀(제조예 1 내지 제조예 4)의 전기전도도를 확인할 수 있는 그래프이다.
도 10은 Pt/C 및 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막이 코팅된 그래핀(제조예 1 내지 제조예 4)의 촉매활성 특성을 분석한 그래프이다.
도 11은 Pt/C 및 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막이 코팅된 그래핀(제조예 1 내지 제조예 4)의 전자이동수를 분석한 그래프이다.
도 12는 Pt/C 및 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막이 코팅된 그래핀 중 가장 우수한 특성이 나타나는 제조예3의 에탄올 내성을 비교한 그래프이다.
도 13은 Pt/C 및 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막이 코팅된 그래핀 중 가장 우수한 특성이 나타나는 제조예3의 수명특성을 분석한 그래프이다.
1 is a conceptual diagram according to a manufacturing sequence of a method of manufacturing graphene coated with an ultra-thin carbon film according to an embodiment of the present invention.
2 is an SEM photograph showing the thickness of the ultra-thin carbon film of graphene coated with the ultra-thin carbon film according to an embodiment of the present invention.
3 is a SEM photograph showing the shape of graphene to which a polymer urea gel is attached and graphene coated with an ultra-thin carbon film according to an embodiment of the present invention.
4 is an XPS analysis graph of graphene coated with an ultra-thin carbon film according to an embodiment of the present invention.
5 is a BET graph for analyzing specific surface areas of graphene oxide, graphene coated with a polymer urea gel layer, and graphene coated with an ultra-thin carbon film according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph analyzing the pore dispersion of reduced graphene oxide, polymer urea gel, graphene coated with a polymer urea gel layer, and graphene coated with an ultra-thin carbon film according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph for confirming the mesopores and micropore dispersion of graphene coated with an ultra-thin carbon film (Preparation Examples 1 to 4) according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing oxygen adsorption performance characteristics of Pt/C and graphene coated with an ultra-thin carbon film according to an embodiment of the present invention (Preparation Examples 1 to 4).
9 is a graph showing the electrical conductivity of graphene coated with an ultra-thin carbon film (Preparation Examples 1 to 4) according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph analyzing the catalytic activity characteristics of Pt/C and graphene coated with an ultra-thin carbon film according to an embodiment of the present invention (Preparation Examples 1 to 4).
11 is a graph analyzing the number of electron transfers of graphene (Preparation Examples 1 to 4) coated with Pt/C and an ultra-thin carbon film according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph comparing ethanol resistance of Preparation Example 3 showing the best properties among graphene coated with Pt/C and an ultra-thin carbon film according to an embodiment of the present invention.
13 is a graph analyzing the life characteristics of Preparation Example 3 showing the best characteristics among graphene coated with Pt/C and an ultra-thin carbon film according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and therefore is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, bonded)" with another part, it is not only "directly connected", but also "indirectly connected" with another member in the middle. "Including the case. In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further provided, rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present specification 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 this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

나노다공성 소재(nanoporous materials)는 일정한 다공성 구조를 가지는 소재로, 대개 0.4 내지 100 nm 크기로 배열 또는 무질서한 기공구조로 구성된 분말, 박막/후막 및 벌크 형태의 소재를 말한다. 따라서, 본 발명에 따른 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법 및 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 설명을 위해 나노다공성 소재인 탄소초박막의 기공 사이즈를 구별하여 용어를 지칭하고자 한다.Nanoporous materials are materials having a certain porous structure, and generally refer to materials in the form of powders, thin films/thick films, and bulk materials that are arranged in a size of 0.4 to 100 nm or composed of disordered pore structures. Therefore, in order to describe the method of manufacturing graphene coated with an ultra-thin carbon film and graphene coated with an ultra-thin carbon film according to the present invention, the pore size of the ultra-thin carbon film, which is a nanoporous material, is distinguished to refer to the term.

본 명세서에서 사용되는 용어 마이크로 및 메조기공은 나노사이즈의 기공크기를 구별하여 사용하는 용어로써, 상기 용어는 기공 사이즈를 크기 별로 구분하여 칭하는 용어임을 이해할 수 있다. 여기서, 직경 2nm 이하를 마이크로(micro)기공, 2nm 내지50nm범위의 기공을 메조(meso)기공 또한 50nm 이상의 기공은 마크로(macro)기공을 의미한다. As used herein, the terms micro and mesopores are terms used to distinguish nano-sized pore sizes, and it can be understood that the term is a term for dividing pore sizes by size. Here, micro pores having a diameter of 2 nm or less, meso pores having a diameter of 2 nm to 50 nm, and pores having a diameter of 50 nm or more refer to macro pores.

또한, 명료한 설명을 위하여 본 명세서에서 하기에 사용되는 용어를 다음과 같이 축약하여 사용할 수 있다. 그래핀산화물은 (Graphene Oxide; GO), 고분자우레아겔(Urea Network; UN), 고분자우레아겔층이 코팅된 그래핀(Urea Network Coated Graphene; UNG), 탄소초박막이 코팅된 그래핀 (Pyrolyzed Urea Network Carbon film Graphene; PUNG) 등.In addition, for clarity, terms used in the specification may be abbreviated as follows. Graphene oxide (GO), high molecular weight urea gel (Urea Network; UN), high molecular weight urea gel layer coated graphene (Urea Network Coated Graphene; UNG), carbon ultra thin film coated graphene (Pyrolyzed Urea Network Carbon) film Graphene; PUNG), etc.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)의 제조방법을 설명한다.A method of manufacturing the graphene 31 coated with the ultrathin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)의 제조방법의 제조순서에 따른 개념도이다.1 is a conceptual diagram according to a manufacturing sequence of a method of manufacturing a graphene 31 coated with an ultra-thin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention.

도1을 참조하면, 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)의 제조방법은 나노 크기의 고분자우레아겔(10)을 포함하는 유기물 용액(20)을 준비하는 단계, 상기 유기물 용액(20) 내에 그래핀산화물(30)을 혼합 반응시켜 상기 그래핀산화물(30) 표면에 고분자우레아겔층(40)을 형성시키는 단계, 상기 그래핀산화물(30)을 환원시켜 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 형성하는 단계, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 1차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층(40) 내에 메조기공(41)을 형성하는 단계 및 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 2차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층(40)의 탄화로 마이크로기공(51)이 형성된 탄소초박막(50)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the method of manufacturing graphene 31 coated with an ultra-thin carbon film 50 includes preparing an organic material solution 20 containing a nano-sized polymer urea gel 10, the organic material solution 20 ) Forming a polymer urea gel layer 40 on the surface of the graphene oxide 30 by mixing and reacting the graphene oxide 30, the polymer urea gel layer 40 is coated by reducing the graphene oxide 30 Forming the graphene 31, forming the mesopores 41 in the polymer urea gel layer 40 by primary heat treatment of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40, and the Secondary heat treatment of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 may include forming an ultra-thin carbon film 50 in which micropores 51 are formed by carbonization of the polymer urea gel layer 40 .

도 1의 첫 번째 순서인 a를 참조하면, 나노 크기의 고분자우레아겔(10)을 포함하는 유기물 용액(20)을 준비한다. Referring to the first step a of FIG. 1, an organic material solution 20 including a nano-sized polymer urea gel 10 is prepared.

이때, 고분자우레아겔(10)은 Tetrakis (4-aminophenyl) methane(TAPM)과 Hexamethylene diisocyanate (HDI)를 용액 상태에서 내부가 우레아(Urea)작용기로 연결되어 있는 분자 네트워크를 가진 나노 크기의 고분자겔이다.At this time, the polymer urea gel 10 is a nano-sized polymer gel having a molecular network in which Tetrakis (4-aminophenyl) methane (TAPM) and Hexamethylene diisocyanate (HDI) are connected to a urea functional group in a solution state. .

고분자우레아겔(10)(UN)은 표면이 아민(amine) 또는 이소시아네이트(isocynate) 작용기로 둘러 쌓여있는 형태이다. Polymer urea gel (10) (UN) is a form in which the surface is surrounded by amine or isocyanate functional groups.

상기 고분자우레아겔(10)이 용액 내부에 녹아 균일하게 존재하는 유기물 용액(20)을 제작한다.The polymer urea gel 10 is dissolved in the solution to prepare an organic material solution 20 uniformly present.

다음으로 도 1의 b를 참조하면, 상기 유기물 용액(20)에 그래핀산화물(30)를 투입한다. 이때, 나노 크기의 고분자우레아겔(10)이 분산된 유기물 용액(20)에 그래핀산화물(30)을 혼합 반응 시키며, 고분자우레아겔(10)의 표면 작용기와 그래핀산화물(30)의 표면 작용기가 반응하여 공유결합으로 그래핀산화물(30)의 표면에 고분자우레아겔(10)이 고르게 펴지며 부착되게 된다. 이와 같은 용액공정을 통해, 그래핀산화물(30)의 표면에 고분자우레아겔층(40)을 형성시킬 수 있다. Next, referring to b of FIG. 1, graphene oxide 30 is added to the organic material solution 20. At this time, the graphene oxide 30 is mixed and reacted with the organic material solution 20 in which the nano-sized polymer urea gel 10 is dispersed, and the surface functional groups of the polymer urea gel 10 and the surface functional groups of the graphene oxide 30 The polymer urea gel 10 is evenly spread and adhered to the surface of the graphene oxide 30 through a covalent bond. Through such a solution process, a polymer urea gel layer 40 may be formed on the surface of the graphene oxide 30.

이후, 상기 고분자우레아겔층(40)이 형성된 그래핀산화물(30)을 환원시켜 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 형성할 수 있다. Thereafter, the graphene oxide 30 on which the polymer urea gel layer 40 is formed may be reduced to form the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40.

이때, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31) 총 중량 대비 그래핀(31)은 5wt%내지 40wt%인 것을 특징으로 할 수 있다. At this time, the graphene 31 may be characterized in that 5wt% to 40wt% relative to the total weight of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40.

이와 같은 비율로 제조할 경우, 하기 서술될 본 발명에 따른 탄소초막박이 코팅된 그래핀(31)의 산소흡착성능에 최적화된 상태일 수 있다. When prepared in such a ratio, it may be in a state optimized for the oxygen adsorption performance of the graphene 31 coated with a carbon ultra-thin film according to the present invention to be described below.

다음으로 도 1의 c를 참조하면, 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 1차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층(40) 내에 메조기공(41)을 형성한다.Next, referring to FIG. 1C, the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 is first heat-treated to form mesopores 41 in the polymer urea gel layer 40.

이때, 1차 열처리 온도는 230℃ 내지 400℃ 이상일 수 있으며, 1차 열처리를 통해 형성되는 메조기공(41)은 상기 고분자우레아겔(10)에 포함된 알킬사슬을 내놓으며 형성될 수 있다.In this case, the first heat treatment temperature may be 230° C. to 400° C. or higher, and the mesopores 41 formed through the first heat treatment may be formed by disposing an alkyl chain included in the polymer urea gel 10.

본 발명의 메조기공(41) 형성의 설명은 하기 반응식 1 및 반응식 2를 참고하여 설명하고자 한다. The description of the formation of the mesopores 41 of the present invention will be described with reference to Scheme 1 and Scheme 2 below.

여기서, 반응식의 R은 탄소 수 1 내지 100의 유기기를 의미한다. Here, R in the reaction formula means an organic group having 1 to 100 carbon atoms.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112019046490131-pat00001
Figure 112019046490131-pat00001

[반응식 2][Scheme 2]

Figure 112019046490131-pat00002
Figure 112019046490131-pat00002

폴리우레아 다공질체의 열 처리를 통해 우레아 그룹을 분해하여 아민 화합물과 이소시아네이트 화합물을 생성시킬 수 있다. 분해를 위한 적정 열처리 온도는 230℃ 내지 400℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 같은 분해 메커니즘은 상기 반응식 1로 표현될 수 있다. The urea group can be decomposed through heat treatment of the porous polyurea body to produce an amine compound and an isocyanate compound. An appropriate heat treatment temperature for decomposition may be 230° C. to 400° C., but is not limited thereto. Such a decomposition mechanism can be expressed by Scheme 1.

보다 자세하게는, 반응식 1의 (a)와 같이 표현될 수 있는 폴리우레아 다공질체 내의 우레아 그룹은 반응식 1의 (b)와 같이 다양한 형태로 분해될 수 있다. 여기서 분해되어 제거되는 부분은 상대적으로 가볍고 휘발성이 있는 R2 가 포함된 부분이다.In more detail, the urea group in the porous polyurea material, which may be expressed as in Scheme 1(a), may be decomposed into various forms as in Scheme 1(b). The part that is decomposed and removed here is a part containing R 2 which is relatively light and volatile.

이와 같이 폴리우레아 다공질체의 분해를 통해 생성된 이소시아네이트 화합물을 열처리하여 재배열함으로써 이소시아누레이트 결합으로 가교구조 형성될 수 있다. 이와 같은 가교구조를 형성하는 반응을 반응식 2로 표현할 수 있다. 즉, 분해를 통해 생성된 이소시아네이트 화합물 간의 이중고리화, 삼중고리화등의 반응이 일어나 열에 안정한 이소시아누레이트 결합을 포함하는 새로운 가교 구조가 형성 되므로 상기 이소시아누레이트 중합체는 상기 고리 화합물이 반복 연결된 환상 구조를 이룰 수 있으며, 3차원 네트워크를 형성할 수 있다. 또한, 상기 분해와 재배열은 폴리우레아 네트워크의 내부에서뿐만 아니라 네트워크 외부에서도 발생하여 전체적인 구조가 하나의 단일체로서 열적 재배열이 된 유기분자 네트워크 (Rearranged urea Molecular Networks) 구조가 만들어진다.As described above, the isocyanate compound generated through decomposition of the porous polyurea body may be heat-treated and rearranged, thereby forming a crosslinked structure with an isocyanurate bond. The reaction for forming such a crosslinked structure can be expressed by Scheme 2. That is, reactions such as dicyclic and tricyclic between isocyanate compounds generated through decomposition occur to form a new crosslinked structure containing an isocyanurate bond that is stable to heat, so that the isocyanurate polymer repeats the cyclic compound. It can form a connected annular structure, and can form a three-dimensional network. In addition, the decomposition and rearrangement occur not only inside the polyurea network, but also outside the network, so that the overall structure is a single entity, resulting in a thermal rearrangement of organic molecular networks (Rearranged urea Molecular Networks).

상기 재배열을 위한 열처리 온도는 230℃ 내지 400℃가 적당하다. The heat treatment temperature for the rearrangement is preferably 230°C to 400°C.

다음으로 도 1의d를 참조하면, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 2차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층(40)의 탄화로 마이크로기공(51)이 형성된 탄소초박막(50)을 형성한다.Next, referring to FIG. 1D, the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 is subjected to secondary heat treatment to carbonize the polymer urea gel layer 40 to form an ultra-thin carbon film ( 50).

여기서, 2차 열처리 온도는 600℃ 이상까지 승온하여 상기 고분자우레아겔층(40)을 탄화시킨다. Here, the secondary heat treatment temperature is raised to 600° C. or higher to carbonize the polymer urea gel layer 40.

이 과정에서, 상기 고분자우레아겔층(40)이 탄화되면서 탄소초박막(50) 내에 마이크로기공(51)이 형성될 수 있다. 또한, 그래핀(31)의 표면과 공유결합으로 연결된 고분자우레아겔(10)은 응집되거나 분리되지 않고 상기 그래핀(31)의 표면에 고정이 된다. 또한, 증발한 유기물로 인해서 그래핀(31)의 표면에 마이크로 및 메조기공(41)을 함유한 탄소초박막(50)을 형성 시킬 수 있다. In this process, as the polymer urea gel layer 40 is carbonized, micropores 51 may be formed in the ultra-thin carbon film 50. In addition, the polymer urea gel 10 covalently connected to the surface of the graphene 31 is not aggregated or separated and is fixed to the surface of the graphene 31. In addition, it is possible to form an ultra-thin carbon film 50 containing micro- and mesopores 41 on the surface of the graphene 31 due to the evaporated organic matter.

마이크로기공(51)은 메조기공(41)의 형성 원리와 유사하게 기공이 발달하나 우레아겔 표면에 있는 기공은 오랜 시간 반응하여 상대적으로 지름이 큰 메조기공(41)이 형성되고 겔 내부에 존재하는 겔은 반응시간이 짧아 작은 기공이 형성 될 수 있다. 또한 탄화과정에서 발생하는 그래핀화로 인해 마이크로기공(51)이 생긴다.The micropores 51 develop pores similar to the principle of formation of the mesopores 41, but the pores on the surface of the urea gel react for a long time to form mesopores 41 with a relatively large diameter. The gel has a short reaction time, so small pores can be formed. In addition, micropores 51 are generated due to grapheneization occurring in the carbonization process.

또한, 상기 마이크로기공(51)과 메조기공(41)을 포함한 기공의 총 표면적은 50 ㎡/g 내지 1000 ㎡/g 일 수 있다.In addition, the total surface area of the pores including the micropores 51 and mesopores 41 may range from 50 ㎡/g to 1000 ㎡/g.

따라서, 상기 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)은 우수한 산소흡착 특성을 가진 것을 특징으로 할 수 있다. Accordingly, the graphene 31 coated with the ultra-thin carbon film 50 may be characterized by having excellent oxygen adsorption properties.

이렇게 형성된 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)을 (Pyrolyzed Urea Network Carbon film Graphene; PUNG)라고 명명한다.The graphene 31 coated with the ultrathin carbon film 50 thus formed is referred to as (Pyrolyzed Urea Network Carbon film Graphene; PUNG).

이때, 상기 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31) 총 중량 대비 그래핀(31)의 비율은 10wt% 내지 50wt%인 것을 특징으로 할 수 있다. At this time, the ratio of the graphene 31 to the total weight of the graphene 31 coated with the ultrathin carbon film 50 may be 10wt% to 50wt%.

상기와 같은 비율로 제조할 경우 기공특성을 최적화 할 수 있어 넓은 표면적과 함께 원활한 산소흡착성능을 가질 수 있다. When prepared in the above ratio, the pore characteristics can be optimized, and thus, oxygen adsorption performance can be obtained with a large surface area.

또한, 탄소초박막(50)은 질소를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 이러한 질소는 탄소초박막(50) 또는 그래핀(31) 내에 포함될 수 있다.In addition, the ultra-thin carbon film 50 may be characterized in that it contains nitrogen. For example, such nitrogen may be included in the ultra-thin carbon film 50 or graphene 31.

이러한 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)에 포함된 질소 원소의 함량은 2 wt% 내지 10wt%을 가질 수 있다.The content of the nitrogen element contained in the graphene 31 coated with the ultra-thin carbon film 50 may be 2 wt% to 10 wt%.

또한, 상기 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31) 내에 피리딘 또는 피롤을 포함할 수 있다. 이는 후술하는 도 4를 참조하면, 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)에 포함된 질소는 피리딘 또는 피롤 형태로 존재함을 확인 할 수 있다.In addition, pyridine or pyrrole may be included in the graphene 31 coated with the ultra-thin carbon film 50. Referring to FIG. 4 to be described later, it can be seen that the nitrogen contained in the graphene 31 coated with the ultrathin carbon film 50 is present in the form of pyridine or pyrrole.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)(PUNG)을 설명한다.The graphene 31 (PUNG) coated with the ultra-thin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention will be described.

이 때, 도 1의 d를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)(PUNG)을 설명한다.At this time, the graphene 31 (PUNG) coated with the ultrathin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to d of FIG. 1.

탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)(PUNG)의 구성은 그래핀(31) 및 상기 그래핀(31) 표면에 코팅된 탄소초박막(50)을 포함하고, 상기 탄소초박막(50) 내부에 메조기공(41) 및 마이크로기공(51)이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.The configuration of the graphene 31 (PUNG) coated with the ultrathin carbon film 50 includes graphene 31 and the ultrathin carbon film 50 coated on the surface of the graphene 31, and the ultrathin carbon film 50 Mesopores 41 and micropores 51 may be formed therein.

그래핀(31) 표면에 코팅된 탄소초박막(50)은 상기 제조기술에서 설명한 바와 같이 고분자우레아겔(10)과 그래핀(31)의 공유결합에 의해 접합된 후에, 증발한 유기물로 인해서 그래핀(31)의 표면은 나노사이즈의 얇은 탄소초박막(50)으로 코팅되어 있을 수 있다. The carbon ultra-thin film 50 coated on the surface of the graphene 31 is bonded by covalent bonding between the polymer urea gel 10 and the graphene 31 as described in the above manufacturing technology, and then graphene due to the evaporated organic matter. The surface of (31) may be coated with a nano-sized thin carbon ultra-thin film (50).

이때의 상기 탄소초박막(50)의 두께는 10㎚ 이하인 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 탄소초박막(50)의 두께는 1 ㎚ 내지 10㎚일 수 있다.At this time, the thickness of the ultra-thin carbon film 50 is 10 nm or less. For example, the thickness of the ultra-thin carbon film 50 may be 1 nm to 10 nm.

또한, 탄소초박막(50)은 질소를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 이러한 질소는 탄소초박막(50) 또는 그래핀(31) 내에 포함될 수 있다.In addition, the ultra-thin carbon film 50 may be characterized in that it contains nitrogen. For example, such nitrogen may be included in the ultra-thin carbon film 50 or graphene 31.

이러한 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)에 포함된 질소 원소의 함량은 2 wt% 내지 10wt%을 가질 수 있다.The content of the nitrogen element contained in the graphene 31 coated with the ultra-thin carbon film 50 may be 2 wt% to 10 wt%.

또한, 상기 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31) 내에 피리딘 또는 피롤을 포함할 수 있다. 이는 후술하는 도 4를 참조하면, 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)에 포함된 질소는 피리딘 또는 피롤 형태로 존재함을 확인 할 수 있다.In addition, pyridine or pyrrole may be included in the graphene 31 coated with the ultra-thin carbon film 50. Referring to FIG. 4 to be described later, it can be seen that the nitrogen contained in the graphene 31 coated with the ultrathin carbon film 50 is present in the form of pyridine or pyrrole.

상기 탄소초박막(50)은 상기 그래핀(31)의 한쪽 또는 양쪽 면에 코팅된 것을 특징으로 할 수 있다. The ultra-thin carbon film 50 may be coated on one or both surfaces of the graphene 31.

상기 마이크로기공(51)과 메조기공(41)을 포함한 기공의 총 표면적은 50 ㎡/g 내지 1000 ㎡/g 인 것을 특징으로 한다.The total surface area of the pores including the micropores 51 and mesopores 41 is characterized in that 50 ㎡/g to 1000 ㎡/g.

또한 상기 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀은 우수한 산소흡착 특성을 가진 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the graphene coated with the ultra-thin carbon film 50 may be characterized by having excellent oxygen adsorption properties.

하기 제조예들은 상업용 연료전지 촉매로 사용되고 있는 백금-탄소(Pt/C)촉매와 비교 실험하였다.The following preparation examples were compared with a platinum-carbon (Pt/C) catalyst used as a commercial fuel cell catalyst.

후술할 표1에 기재된 내용과 같이 Pt/C의 표면적은 161㎡/g, 메조기공(41) 표면적은 61㎡/g, 마이크로기공(51) 표면적은 100㎡/g 이다.As shown in Table 1 to be described later, the surface area of Pt/C is 161 m 2 /g, the surface area of the mesopores 41 is 61 m 2 /g, and the surface area of the micropores 51 is 100 m 2 /g.

제조예1Manufacturing Example 1 (( PUNGPUNG -1)-One)

나노 크기의 고분자우레아겔(10)을 포함하는 유기물 용액(20)을 준비하는 단계를 수행한다. A step of preparing an organic material solution 20 including the nano-sized polymer urea gel 10 is performed.

다음으로, 상기 유기물 용액(20) 내에 그래핀산화물(30)을 혼합 반응시켜 상기 그래핀산화물(30) 표면에 고분자우레아겔층(40)을 형성시키는 단계를 수행한다.Next, a step of forming a polymer urea gel layer 40 on the surface of the graphene oxide 30 by mixing and reacting the graphene oxide 30 in the organic material solution 20 is performed.

이후, 상기 그래핀산화물(30)을 환원시켜 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 형성하는 단계를 수행한다.Thereafter, the step of forming the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 by reducing the graphene oxide 30 is performed.

이때, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31) 총 중량 대비 그래핀(31)의 중량이 차지하는 비율을 7.6wt%로 하였다.At this time, the ratio of the weight of the graphene 31 to the total weight of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 was 7.6 wt%.

이후, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 1차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층(40) 내에 기공(41)을 형성하는 단계를 수행한다.Thereafter, the first heat treatment of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 is performed to form pores 41 in the polymer urea gel layer 40.

여기서, 1차 열처리 온도는 230℃ 내지 400℃에서 승온하며 수행하였으며, 열처리를 수행하는 과정에서 고분자우레아겔(10)의 분자 네트워크상에 포함된 알킬사슬이 사라지고 기공이 형성된다. 이때, 기공은 주로 메조사이즈의 기공이 형성될 수 있다.Here, the first heat treatment temperature was carried out while raising the temperature at 230°C to 400°C. In the process of performing the heat treatment, the alkyl chains contained in the molecular network of the polymer urea gel 10 disappear and pores are formed. At this time, the pores may be mainly meso-sized pores.

마지막으로, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 2차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층(40)을 탄화시켜 탄소초박막(50)을 형성하는 단계를 수행한다.Finally, a step of forming the ultra-thin carbon film 50 by carbonizing the polymer urea gel layer 40 by secondary heat treatment of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 is performed.

이때, 2차 열처리 온도는 600℃ 이상으로 승온하여 수행하였고, 고분자우레아겔층(40)이 탄화되면서 유기물은 완전 증발하지 않고 그래핀(31) 표면에 고정이 되며, 탄소초박막(50)이 형성된다.At this time, the secondary heat treatment temperature was performed by raising the temperature to 600°C or higher, and as the polymer urea gel layer 40 is carbonized, the organic matter is not completely evaporated but is fixed on the surface of the graphene 31, and an ultrathin carbon film 50 is formed. .

또한, 탄화되면서 기공이 형성되며 이때의 기공은 마이크로기공(51)이 형성될 수 있다. In addition, pores are formed while being carbonized, and micropores 51 may be formed as pores at this time.

이때, 상기 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31) 총 중량 대비 그래핀(31)의 중량이 차지하는 비율을 20wt%로 하였다.At this time, the ratio of the weight of the graphene 31 to the total weight of the graphene 31 coated with the ultrathin carbon film 50 was 20wt%.

1차 열처리 후 형성되는 메조기공(41)의 표면적은 39 ㎡/g이며, 2차 열처리 후 형성되는 마이크로기공(51)의 표면적은 170㎡/g으로 전체 기공의 표면적은 209㎡/g 이다. The surface area of the mesopores 41 formed after the first heat treatment is 39 ㎡/g, and the surface area of the micropores 51 formed after the second heat treatment is 170 ㎡/g, and the surface area of the total pores is 209 ㎡/g.

제조예Manufacturing example 2( 2( PUNGPUNG -2)-2)

나노 크기의 고분자우레아겔(10)을 포함하는 유기물 용액(20)을 준비하는 단계를 수행한다. A step of preparing an organic material solution 20 including the nano-sized polymer urea gel 10 is performed.

다음으로, 상기 유기물 용액(20) 내에 그래핀산화물(30)을 혼합 반응시켜 상기 그래핀산화물(30) 표면에 고분자우레아겔층(40)을 형성시키는 단계를 수행한다.Next, a step of forming a polymer urea gel layer 40 on the surface of the graphene oxide 30 by mixing and reacting the graphene oxide 30 in the organic material solution 20 is performed.

이후, 상기 그래핀산화물(30)을 환원시켜 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 형성하는 단계를 수행한다.Thereafter, the step of forming the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 by reducing the graphene oxide 30 is performed.

이때, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31) 총 중량 대비 그래핀(31)의 중량이 차지하는 비율을 14.2wt%로 하였다.At this time, the ratio of the weight of the graphene 31 to the total weight of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 was 14.2 wt%.

이후, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 1차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층(40) 내에 메조기공(41)을 형성하는 단계를 수행한다.Thereafter, a step of forming the mesopores 41 in the polymer urea gel layer 40 by first heat treatment of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 is performed.

여기서, 1차 열처리 온도230℃ 내지 400℃에서 승온하며 수행하였으며, 열처리를 수행하는 과정에서 고분자우레아겔(10)의 분자 네트워크상에 포함된 알킬사슬이 사라지고 기공이 형성된다. 이때, 기공은 메조사이즈의 기공이 형성될 수 있다.Here, the first heat treatment was performed while raising the temperature at 230°C to 400°C, and in the process of performing the heat treatment, the alkyl chains contained in the molecular network of the polymer urea gel 10 disappear and pores are formed. At this time, the pores may be meso-sized pores.

마지막으로, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 2차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층(40)을 탄화시켜 탄소초박막(50)을 형성하는 단계를 수행한다.Finally, a step of forming the ultra-thin carbon film 50 by carbonizing the polymer urea gel layer 40 by secondary heat treatment of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 is performed.

이때, 2차 열처리 온도는 600℃ 이상으로 승온하여 수행하였고, 고분자우레아겔층(40)이 탄화되면서 유기물은 완전 증발하지 않고 그래핀(31) 표면에 고정이 되며, 탄소초박막(50)이 형성된다.At this time, the secondary heat treatment temperature was performed by raising the temperature to 600°C or higher, and as the polymer urea gel layer 40 is carbonized, the organic matter is not completely evaporated but is fixed on the surface of the graphene 31, and an ultrathin carbon film 50 is formed. .

또한, 탄화되면서 기공이 형성되며 이때의 기공은 마이크로사이즈의 기공이 형성될 수 있다. In addition, pores are formed while being carbonized, and the pores at this time may be micro-sized pores.

이때, 상기 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31) 총 중량 대비 그래핀(31)의 중량이 차지하는 비율은 33wt%였다.At this time, the ratio of the weight of the graphene 31 to the total weight of the graphene 31 coated with the ultrathin carbon film 50 was 33wt%.

1차 열처리 후 형성되는 메조기공(41)의 표면적은 27 ㎡/g이며, 2차 열처리 후 형성되는 마이크로기공(51)의 표면적은 236㎡/g으로 전체 기공의 표면적은 263㎡/g 이다. The surface area of the mesopores 41 formed after the first heat treatment is 27 ㎡/g, and the surface area of the micropores 51 formed after the second heat treatment is 236㎡/g, and the surface area of the total pores is 263㎡/g.

제조예Manufacturing example 3( 3( PUNGPUNG -3)-3)

나노 크기의 고분자우레아겔(10)을 포함하는 유기물 용액(20)을 준비하는 단계를 수행한다. A step of preparing an organic material solution 20 including the nano-sized polymer urea gel 10 is performed.

다음으로, 상기 유기물 용액(20) 내에 그래핀산화물(30)을 혼합 반응시켜 상기 그래핀산화물(30) 표면에 고분자우레아겔층(40)을 형성시키는 단계를 수행한다.Next, a step of forming a polymer urea gel layer 40 on the surface of the graphene oxide 30 by mixing and reacting the graphene oxide 30 in the organic material solution 20 is performed.

이후, 상기 그래핀산화물(30)을 환원시켜 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 형성하는 단계를 수행한다.Thereafter, the step of forming the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 by reducing the graphene oxide 30 is performed.

이때, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31) 총 중량 대비 그래핀(31)의 중량이 차지하는 비율을 20wt%로 하였다.At this time, the ratio of the weight of the graphene 31 to the total weight of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 was 20wt%.

이후, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 1차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층(40) 내에 메조기공(41)을 형성하는 단계를 수행한다.Thereafter, a step of forming the mesopores 41 in the polymer urea gel layer 40 by first heat treatment of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 is performed.

여기서, 1차 열처리 온도230℃ 내지400℃에서 승온하며 수행하였으며, 열처리를 수행하는 과정에서 고분자우레아겔(10)의 분자 네트워크상에 포함된 알킬사슬이 사라지고 기공이 형성된다. 이때, 기공은 메조사이즈의 기공이 형성될 수 있다.Here, the first heat treatment was performed by raising the temperature at 230°C to 400°C, and in the process of performing the heat treatment, the alkyl chains contained in the molecular network of the polymer urea gel 10 disappear and pores are formed. At this time, the pores may be meso-sized pores.

마지막으로, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 2차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층(40)을 탄화시켜 탄소초박막(50)을 형성하는 단계를 수행한다.Finally, a step of forming the ultra-thin carbon film 50 by carbonizing the polymer urea gel layer 40 by secondary heat treatment of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 is performed.

이때, 2차 열처리 온도는 600℃ 이상으로 승온하여 수행하였고, 고분자우레아겔층(40)이 탄화되면서 유기물은 완전 증발하지 않고 그래핀(31) 표면에 고정이 되며, 탄소초박막(50)이 형성된다.At this time, the secondary heat treatment temperature was performed by raising the temperature to 600°C or higher, and as the polymer urea gel layer 40 is carbonized, the organic matter is not completely evaporated but is fixed on the surface of the graphene 31, and an ultrathin carbon film 50 is formed. .

또한, 탄화되면서 기공이 형성되며 이때의 기공은 마이크로사이즈의 기공이 형성될 수 있다. In addition, pores are formed while being carbonized, and the pores at this time may be micro-sized pores.

이때, 상기 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31) 총 중량 대비 그래핀(31)의 중량이 차지하는 비율은 43wt%였다.At this time, the ratio of the weight of the graphene 31 to the total weight of the graphene 31 coated with the ultrathin carbon film 50 was 43wt%.

1차 열처리 후 형성되는 메조기공(41)의 표면적은 106㎡/g이며, 2차 열처리 후 형성되는 마이크로기공(51)의 표면적은 300㎡/g으로 전체 기공의 표면적은 406㎡/g 이다. The surface area of the mesopores 41 formed after the first heat treatment is 106㎡/g, and the surface area of the micropores 51 formed after the second heat treatment is 300㎡/g, and the surface area of the total pores is 406㎡/g.

제조예Manufacturing example 4( 4( PUNGPUNG -4)-4)

나노 크기의 고분자우레아겔(10)을 포함하는 유기물 용액(20)을 준비하는 단계를 수행한다. A step of preparing an organic material solution 20 including the nano-sized polymer urea gel 10 is performed.

다음으로, 상기 유기물 용액(20) 내에 그래핀산화물(30)을 혼합 반응시켜 상기 그래핀산화물(30) 표면에 고분자우레아겔층(40)을 형성시키는 단계를 수행한다.Next, a step of forming a polymer urea gel layer 40 on the surface of the graphene oxide 30 by mixing and reacting the graphene oxide 30 in the organic material solution 20 is performed.

이후, 상기 그래핀산화물(30)을 환원시켜 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 형성하는 단계를 수행한다.Thereafter, the step of forming the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 by reducing the graphene oxide 30 is performed.

이때, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31) 총 중량 대비 그래핀(31)의 중량이 차지하는 비율은 25wt%였다.At this time, the ratio of the weight of the graphene 31 to the total weight of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 was 25 wt%.

이후, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 1차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층(40) 내에 메조기공(41)을 형성하는 단계를 수행한다.Thereafter, a step of forming the mesopores 41 in the polymer urea gel layer 40 by first heat treatment of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 is performed.

여기서, 1차 열처리 온도는 230℃ 내지 400℃에서 승온하며 수행하였으며, 열처리를 수행하는 과정에서 고분자우레아겔(10)의 분자 네트워크상에 포함된 알킬사슬이 사라지고 기공이 형성된다. 이때, 기공은 메조사이즈의 기공이 형성될 수 있다.Here, the first heat treatment temperature was carried out while raising the temperature at 230°C to 400°C. In the process of performing the heat treatment, the alkyl chains contained in the molecular network of the polymer urea gel 10 disappear and pores are formed. At this time, the pores may be meso-sized pores.

마지막으로, 상기 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)을 2차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층(40)을 탄화시켜 탄소초박막(50)을 형성하는 단계를 수행한다.Finally, a step of forming the ultra-thin carbon film 50 by carbonizing the polymer urea gel layer 40 by secondary heat treatment of the graphene 31 coated with the polymer urea gel layer 40 is performed.

이때, 2차 열처리 온도는 600℃ 이상으로 승온하여 수행하였고, 고분자우레아겔층(40)이 탄화되면서 유기물은 완전 증발하지 않고 그래핀(31) 표면에 고정이 되며, 탄소초박막(50)이 형성된다.At this time, the secondary heat treatment temperature was performed by raising the temperature to 600°C or higher, and as the polymer urea gel layer 40 is carbonized, the organic matter is not completely evaporated but is fixed on the surface of the graphene 31, and an ultrathin carbon film 50 is formed. .

또한, 탄화되면서 기공이 형성되며 이때의 기공은 마이크로사이즈의 기공이 형성될 수 있다. In addition, pores are formed while being carbonized, and the pores at this time may be micro-sized pores.

이때, 상기 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31) 총 중량 대비 그래핀(31)의 중량이 차지하는 비율은 50wt%였다.At this time, the ratio of the weight of the graphene 31 to the total weight of the graphene 31 coated with the ultrathin carbon film 50 was 50wt%.

1차 열처리 후 형성되는 메조기공(41)의 표면적은 30 ㎡/g이며, 2차 열처리 후 형성되는 마이크로기공(51)의 표면적은 68㎡/g으로 전체 기공의 표면적은 98㎡/g 이다. The surface area of the mesopores 41 formed after the first heat treatment is 30 ㎡/g, and the surface area of the micropores 51 formed after the second heat treatment is 68㎡/g, and the surface area of the total pores is 98㎡/g.

실험예Experimental example

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)의 탄소초박막(50) 두께를 확인할 수 있는 SEM사진이다.2 is an SEM photograph showing the thickness of the ultra-thin carbon film 50 of the graphene 31 coated with the ultra-thin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention.

여기서, 도 2를 참조하면, 그래핀(31)이 접혀있는 부분을 관찰하여 탄소초박막(50)의 두께는 4 또는 5나노미터 정도임을 확인 할 수 있다.Here, referring to FIG. 2, it can be confirmed that the thickness of the ultrathin carbon film 50 is about 4 or 5 nanometers by observing the portion where the graphene 31 is folded.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)의 제조방법의 마지막 단계인 2차 열처리인 탄화처리를 통해 그래핀(31) 표면의 유기물이 탄화되며 나노사이즈의 얇은 초박막이 형성될 수 있다.The organic matter on the surface of the graphene 31 is carbonized through carbonization treatment, which is a secondary heat treatment, which is the last step of the method for producing the graphene 31 coated with the ultra-thin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention. A thin ultra-thin film can be formed.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자우레아겔(10)이 부착된 그래핀(31) 및 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)의 형태를 확인할 수 있는 SEM사진이다.3 is an SEM photograph showing the shape of the graphene 31 coated with the polymer urea gel 10 and the graphene 31 coated with the ultra-thin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, GO와 UNG-3을 비교하면, 고분자우레아겔(10)이 포함된 유기물 용액(20)에 코팅된 그래핀(31)인 UNG는 그 표면에 고분자 입자가 올라가 있음을 확인할 수 있다.3, when comparing GO and UNG-3, it was confirmed that UNG, which is graphene 31 coated on the organic material solution 20 containing the polymer urea gel 10, has polymer particles on its surface. I can.

또한, 2차 열처리로 탄화된 제조예 3(PUNG-3) 사진에서 다공성 탄소 언덕이 얇고 고르게 분산된 형태를 확인 할 수 있다.In addition, in the photograph of Preparation Example 3 (PUNG-3) carbonized by the secondary heat treatment, it can be seen that the porous carbon hills are thin and evenly dispersed.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)의 XPS 분석 그래프이다.4 is an XPS analysis graph of graphene 31 coated with an ultra-thin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, XPS분석을 통해 피리딘 또는 피롤의 질소원자에 해당하는 peak가 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 따라서, 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)(PUNG)에서 적절한 질소 도핑이 된 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be confirmed that a peak corresponding to the nitrogen atom of pyridine or pyrrole appears through XPS analysis. Accordingly, it can be seen that the graphene 31 (PUNG) coated with the ultra-thin carbon film 50 is doped with appropriate nitrogen.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀산화물(30), 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31) 및 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)의 표면적 분석 BET그래프 이다.5 is a graphene oxide 30 according to an embodiment of the present invention, graphene 31 coated with a high molecular weight urea gel layer 40, and graphene 31 coated with an ultrathin carbon film 50 BET It is a graph.

이때, 표면적을 확인을 위해 질소의 흡착 및 탈착을 실험에 이용하였다.At this time, adsorption and desorption of nitrogen were used in the experiment to confirm the surface area.

도 5를 참조하면, 그래핀산화물(30)(rGO)의 표면적은 274 ㎡/g, 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31)(UNG-3)은 44 ㎡/g 이며, 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)(제조예3)의 표면적은 406 ㎡/g로 기공의 총 표면적이 제조예 1(PUNG-1) 내지 제조예 4(PUNG-4) 중 가장 큰 것을 확인 할 수 있다. Referring to FIG. 5, the graphene oxide 30 (rGO) has a surface area of 274 ㎡/g, a polymer urea gel layer 40 coated graphene 31 (UNG-3) is 44 ㎡/g, and carbon The surface area of the graphene 31 (Preparation Example 3) coated with the ultra-thin film 50 was 406 ㎡/g, and the total surface area of the pores was the largest among Preparation Examples 1 (PUNG-1) to 4 (PUNG-4). You can check it.

따라서, 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31) (PUNG)의 흡착 및 탈착이 더 이루어지고, 산소흡착성능이 우수함을 미루어 짐작 할 수 있다.Therefore, it can be assumed that the adsorption and desorption of the graphene 31 (PUNG) coated with the ultra-thin carbon film 50 is further performed, and the oxygen adsorption performance is excellent.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀산화물(30), 고분자우레아겔(10), 고분자우레아겔층(40)이 코팅된 그래핀(31) 및 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)의 기공분산도를 분석한 그래프이다.6 is a graphene 31 coated with a reduced graphene oxide 30, a polymer urea gel 10, a polymer urea gel layer 40, and an ultra-thin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention. It is a graph analyzing the pore dispersion degree of the graphene 31.

도 6을 참조하면, UNG는 rGO에서 나타나는 기공 분산도와는 다르게 나타나고 UN과 유사하게 메조기공(41)을 가진다. Referring to FIG. 6, UNG appears different from the degree of pore dispersion in rGO and has mesopores 41 similar to UN.

이를 통해, 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)(PUNG)은 기공의 지름이 0.4 ㎚내지 5㎚ 수치로 분포되어 있으며, 메조기공(41) 및 마이크로기공(51)이 다량 생성되어 분포되어 있는 것을 확인 할 수 있다. 다량의 메조기공(41) 및 마이크로기공(51)이 형성되어 표면적이 증가하여 높은 산소 흡착성능을 보일 수 있다.Through this, the graphene 31 (PUNG) coated with the ultrathin carbon film 50 has a pore diameter of 0.4 nm to 5 nm, and a large amount of mesopores 41 and micropores 51 are generated. It can be confirmed that it is distributed. A large amount of mesopores 41 and micropores 51 are formed to increase the surface area, thereby exhibiting high oxygen adsorption performance.

탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)(PUNG)은 상기 PUNG 의 총 중량 대비 그래핀(31)이 차지하는 중량 비율에 따라 제조예 1(PUNG-1) 내지 제조예 4(PUNG-4)로 구분하였다. The graphene 31 (PUNG) coated with the ultra-thin carbon film 50 was prepared in Preparation Examples 1 (PUNG-1) to 4 (PUNG-4) according to the weight ratio of the graphene 31 to the total weight of the PUNG. ).

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)(제조예 1 내지 제조예 4)의 메조기공(41)과 마이크로기공(51) 분산도를 확인 할 수 있는 그래프이다. 7 is a graphene 31 (Preparation Examples 1 to 4) coated with an ultra-thin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention to confirm the dispersibility of the mesopores 41 and micropores 51 It can be a graph.

또한, 도 8은 Pt/C 및 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)(제조예 1 내지 제조예 4)의 산소흡착성능 특성을 보여주는 그래프이다.In addition, FIG. 8 is a graph showing oxygen adsorption performance characteristics of graphene 31 (Preparation Examples 1 to 4) coated with Pt/C and an ultra-thin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention.

도 7 및 도 8을 참조하면, PUNG-3이 메조기공(41)과 마이크로기공(51)으로 분포됨과 함께 Pt/C보다 높은 산소흡착성으로 높으며, 제조예 1(PUNG-1) 내지 제조예 4(PUNG-4) 중 산소흡착성능이 가장 우수한 것을 확인 할 수 있다. 7 and 8, PUNG-3 is distributed into mesopores 41 and micropores 51, and has higher oxygen adsorption than Pt/C, and Preparation Examples 1 (PUNG-1) to 4 Among (PUNG-4), it can be confirmed that the oxygen adsorption performance is the most excellent.

하기 표 1은 비교예(Pt/C)와 제조예들을 비교하는 표로, 제조예 1 내지 제조예 4의 경우 PUNG 의 총 중량 대비 그래핀(31)의 혼합비율에 따른 메조기공(41)과 마이크로기공(51)의 비율을 확인하는 표이다.Table 1 below is a table comparing Comparative Examples (Pt/C) and Preparation Examples. In Preparation Examples 1 to 4, the mesopores 41 and micro pores according to the mixing ratio of graphene 31 to the total weight of PUNG It is a table to confirm the ratio of pores (51).

MaterialMaterial Surface area (㎡/g)Surface area (㎡/g) MesoporeMesopore surface area (㎡/g) surface area (㎡/g) MicroporeMicropore surface area (㎡/g) surface area (㎡/g) Pt/CPt/C 161161 6161 100100 PUNG-1PUNG-1 209209 3939 170170 PUNG-2PUNG-2 263263 2727 236236 PUNG-3PUNG-3 406406 106106 300300 PUNG-4PUNG-4 9898 3030 6868

도 7, 도 8 및 표1를 참조하면, 제조예 2((PUNG-2) 내지 제조예 4(PUNG-4)에서 원활한 산소 흡착성이 나타날 수 있다. 7, 8 and Table 1, in Preparation Example 2 ((PUNG-2) to Preparation Example 4 (PUNG-4), smooth oxygen adsorption may be exhibited.

제조예 2(PUNG-2) 및 제조예 3(PUNG-3) 은 마이크로기공(51)의 표면적이 넓어 성능이 우수할 수 있다. Preparation Example 2 (PUNG-2) and Preparation Example 3 (PUNG-3) may have excellent performance due to the large surface area of the micropores 51.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)(제조예 1 내지 제조예 4)의 전기전도도를 확인할 수 있는 그래프이다.9 is a graph showing the electrical conductivity of the graphene 31 (Preparation Examples 1 to 4) coated with the ultra-thin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 전기 전도도 특성이 제조예 2(PUNG-2) 내지 제조예 4(PUNG-4)에서 높은 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 9, it can be seen that the electrical conductivity characteristics are high in Preparation Example 2 (PUNG-2) to Preparation Example 4 (PUNG-4).

도 10은 Pt/C 및 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)(제조예 1 내지 제조예 4)의 촉매활성 특성을 분석한 그래프이다.10 is a graph analyzing the catalytic activity characteristics of graphene 31 (Preparation Examples 1 to 4) coated with Pt/C and an ultra-thin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, Pt/C와 본 발명의 제조예1(PUNG-1) 내지 제조예 4 (PUNG-4)의 촉매 활성반응을 비교할 수 있다. Referring to Figure 10, it is possible to compare the catalytic activity reactions of Pt/C and Preparation Examples 1 (PUNG-1) to 4 (PUNG-4) of the present invention.

Pt/C촉매의 경우 가격이 비싸다는 단점이 있으나, 성능 면에서 가장 좋은 촉매로 알려져 있어 우수한 촉매활성 성능을 갖는 것을 알 수 있으며, 이와 비교하여 본 발명의 제조예가 유사한 성능을 나타냄을 그래프를 통해 알 수 있다.In the case of Pt/C catalyst, there is a disadvantage that the price is expensive, but it is known that it is the best catalyst in terms of performance, so it can be seen that it has excellent catalytic activity performance. Able to know.

여기서, 상기 표1을 참조하면, 상기 탄소초박막(50)wt% 대비 그래핀(31)의 비율이 33wt% 내지 43wt%일 때 백금과 유사한 성능이 나타나는 것을 확인 할 수 있다. Here, referring to Table 1, it can be seen that when the ratio of the graphene 31 to the ultra-thin carbon film 50 wt% is 33 wt% to 43 wt%, similar performance to platinum is exhibited.

이는, 제조예 2(PUNG-2) 및, 제조예 3(PUNG-3)로써, 상기 표1을 통해 그 수치를 명확히 확인 할 수 있다. 특히 Pt보다 전류 밀도 면에서 월등한 성능을 보여주며 이런 높은 전류밀도를 보이는 이유는 탄소초박막(50)의 생성과 그의 높은 산소 친화도로 인한 것이다.These are Preparation Example 2 (PUNG-2) and Preparation Example 3 (PUNG-3), and the numerical values can be clearly confirmed through Table 1 above. In particular, it shows superior performance in terms of current density than Pt, and the reason for this high current density is due to the generation of the ultra-thin carbon film 50 and its high oxygen affinity.

도 11은 Pt/C 및 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)(제조예 1 내지 제조예 4)의 전자이동수를 분석한 그래프이다.11 is a graph analyzing the number of electron transfers of graphene 31 (Preparation Examples 1 to 4) coated with Pt/C and the ultra-thin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 전도도가 우수한 백금과 유사한 것은 상기 탄소초박막(50)wt% 대비 그래핀(31)의 비율이 33wt% 내지 43wt%일 때로 이는 제조예 2(PUNG-3) 및 제조예 3(PUNG-4)로써, 상기 표1을 통해 그 수치를 명확히 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 11, similar to platinum having excellent conductivity is when the ratio of graphene 31 to the carbon ultra-thin film 50 wt% is 33 wt% to 43 wt%, which is Preparation Example 2 (PUNG-3) and Preparation Example 3 As (PUNG-4), the numerical value can be clearly confirmed through Table 1 above.

도 12는 Pt/C 및 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31) 중 가장 우수한 특성이 나타나는 제조예3의 에탄올 내성을 비교한 그래프이다.12 is a graph comparing the ethanol resistance of Preparation Example 3 showing the best properties among graphene 31 coated with Pt/C and the ultra-thin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention.

도 12를 참조하면, 백금의 경우 가로축의 시간 상 100s에 에탄올을 첨가하면 활성이 낮아지는 것을 볼 수 있으나, 본 발명에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)은 에탄올에 대한 내성이 강해 300s시간이 지나도 상대 전류가 높은 상태를 유지하는 것을 확인 할 수 있다. Referring to Figure 12, in the case of platinum, it can be seen that the activity decreases when ethanol is added to 100 s on the horizontal axis, but the graphene 31 coated with the ultrathin carbon film 50 according to the present invention is resistant to ethanol. It can be confirmed that the relative current maintains a high state even after 300 s of strength elapses.

도 13은 Pt/C 및 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31) 중 가장 우수한 특성이 나타나는 제조예3의 수명특성을 분석한 그래프이다.13 is a graph analyzing the life characteristics of Preparation Example 3 in which Pt/C and the graphene 31 coated with the ultrathin carbon film 50 according to an embodiment of the present invention exhibit the most excellent characteristics.

도 13을 참조하면, 백금의 경우 시간이 흐를수록 상대전류가 급격히 떨어지는 반면 본 발명에 따른 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)은 오랜 시간 동안 상대전류값이 처음과 크게 다르지 않게 유지되면서 떨어지는 것을 확인 할 수 있다. 그래프를 보면, 9시간 동안 백금의 상대전류값이 31.3% 하락하는 동안 탄소초박막(50)이 코팅된 그래핀(31)은 8.9% 하락하는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 13, in the case of platinum, the relative current rapidly decreases as time passes, whereas the graphene 31 coated with the ultra-thin carbon film 50 according to the present invention maintains the relative current value not significantly different from the initial value for a long time. As you can see it falls. Looking at the graph, it was confirmed that the graphene 31 coated with the ultrathin carbon film 50 decreased by 8.9% while the relative current value of platinum decreased by 31.3% for 9 hours.

따라서, 백금촉매(Pt/C)와 비교하였을 때 우수한 성능뿐만 아니라 안전성, 수명, 전류밀도가 더 높다는 것을 실험을 통해 확인 할 수 있었다.Therefore, it was confirmed through an experiment that safety, life, and current density are higher as well as excellent performance when compared to platinum catalyst (Pt/C).

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting. 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.

본 발명의 범위는 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.The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later, 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.

10: 고분자우레아겔
20: 유기물 용액
30: 그래핀산화물
31: 그래핀
40: 고분자우레아겔층
41: 메조기공
50: 탄소초박막
51: 마이크로기공
10: high molecular weight urea gel
20: organic matter solution
30: graphene oxide
31: graphene
40: polymer urea gel layer
41: mesopores
50: carbon ultra-thin film
51: micropore

Claims (13)

나노 크기의 고분자우레아겔을 포함하는 유기물 용액을 준비하는 단계;
상기 유기물 용액 내에 그래핀산화물을 혼합 반응시켜 상기 그래핀산화물 표면에 고분자우레아겔층을 형성시키는 단계;
상기 그래핀산화물을 환원시켜 고분자우레아겔층이 코팅된 그래핀을 형성하는 단계;
상기 고분자우레아겔층이 코팅된 그래핀을 1차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층 내에 메조기공을 형성하는 단계; 및
상기 고분자우레아겔층이 코팅된 그래핀을 2차 열처리하여 상기 고분자우레아겔층을 탄화시켜 탄소초박막을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 1차 열처리를 수행하는 과정에서 고분자우레아겔의 분자 네트워크상에 포함된 알킬사슬이 사라지고 메조기공이 형성되는 것을 특징으로 하고,
상기 탄소초박막을 형성하는 단계에서, 상기 고분자우레아겔층이 탄화되면서 탄소초박막 내에 마이크로기공이 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법.
Preparing an organic material solution containing a nano-sized polymer urea gel;
Forming a polymer urea gel layer on the surface of the graphene oxide by mixing and reacting graphene oxide in the organic material solution;
Reducing the graphene oxide to form graphene coated with a polymer urea gel layer;
Forming mesopores in the polymer urea gel layer by first heat treating the graphene coated with the polymer urea gel layer; And
Forming an ultra-thin carbon film by carbonizing the polymer urea gel layer by secondary heat treatment of the graphene coated with the polymer urea gel layer;
Including,
In the process of performing the first heat treatment, the alkyl chain contained in the molecular network of the polymer urea gel disappears and mesopores are formed,
In the step of forming the ultra-thin carbon film, a method of producing graphene coated with an ultra-thin carbon film, wherein micropores are additionally formed in the ultra-thin carbon film as the polymer urea gel layer is carbonized.
제1항에 있어서,
상기 나노 크기의 고분자우레아겔은 표면이 아민 또는 이소시아네이트 작용기로 둘러 쌓인 것을 특징으로 하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법.
The method of claim 1,
The nano-sized polymer urea gel is a method of producing graphene coated with an ultra-thin carbon film, characterized in that the surface is surrounded by amine or isocyanate functional groups.
제1항에 있어서,
상기 1차 열처리 온도는 230℃ 내지 400℃ 인 것을 특징으로 하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법.
The method of claim 1,
The first heat treatment temperature is a method of producing graphene coated with an ultra-thin carbon film, characterized in that 230 ℃ to 400 ℃.
제1항에 있어서,
상기 2차 열처리 온도는 600℃ 내지 1000℃인 것을 특징으로 하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법.
The method of claim 1,
The second heat treatment temperature is 600 ℃ to 1000 ℃ method for producing a graphene coated with an ultra-thin carbon film, characterized in that.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 고분자우레아겔층이 코팅된 그래핀을 형성하는 단계에서,
상기 고분자우레아겔층이 코팅된 그래핀 총 중량 대비 그래핀은 5wt% 내지 40wt%인 것을 특징으로 하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step of forming graphene coated with the polymer urea gel layer,
The method for producing graphene coated with an ultra-thin carbon film, wherein graphene is 5 wt% to 40 wt% based on the total weight of graphene coated with the polymer urea gel layer.
제1항에 있어서,
상기 탄소초박막을 형성하는 단계에서,
상기 탄소초박막이 코팅된 그래핀 총 중량 대비 그래핀의 비율은 10wt% 내지 50wt%인 것을 특징으로 하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step of forming the ultra-thin carbon film,
A method of producing graphene coated with an ultra-thin carbon film, wherein the ratio of graphene to the total weight of the graphene coated with the ultra-thin carbon film is 10 wt% to 50 wt%.
그래핀; 및
상기 그래핀 표면에 코팅된 탄소초박막을 포함하고,
상기 탄소초박막 내부에 메조기공 및 마이크로기공이 형성된 것을 특징으로 하고,
상기 탄소초박막의 두께는 10㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀.
Graphene; And
Including a carbon ultra-thin film coated on the graphene surface,
It is characterized in that mesopores and micropores are formed in the carbon ultra-thin film,
Graphene coated with an ultra-thin carbon film, characterized in that the thickness of the ultra-thin carbon film is 10 nm or less.
제8항에 있어서,
상기 탄소초박막이 코팅된 그래핀은 질소를 2wt% 내지 10wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀.
The method of claim 8,
The graphene coated with the ultra-thin carbon film is graphene coated with an ultra-thin carbon film, characterized in that it contains 2wt% to 10wt% of nitrogen.
제8항에 있어서,
상기 탄소초박막이 코팅된 그래핀 내에 피리딘 또는 피롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀.
The method of claim 8,
Graphene coated with an ultra-thin carbon film, comprising pyridine or pyrrole in the graphene coated with the ultra-thin carbon film.
삭제delete 제8항에 있어서,
상기 탄소초박막은 상기 그래핀의 한쪽 또는 양쪽 면에 코팅된 것을 특징으로 하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀.
The method of claim 8,
The ultra-thin carbon film is graphene coated with an ultra-thin carbon film, characterized in that coated on one or both sides of the graphene.
제8항에 있어서,
상기 마이크로기공과 메조기공을 포함한 기공의 총 표면적은 50 ㎡/g 내지 1000 ㎡/g 인 것을 특징으로 하는 탄소초박막이 코팅된 그래핀.
The method of claim 8,
Graphene coated with an ultrathin carbon film, characterized in that the total surface area of the pores including the micropores and mesopores is 50 ㎡/g to 1000 ㎡/g.
KR1020190053192A 2019-05-07 2019-05-07 Manufacturing Method of Graphene Coated Carbon Ultra-Thin Film and Graphene Coated Carbon Ultra-Thin film by same the method KR102219873B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190053192A KR102219873B1 (en) 2019-05-07 2019-05-07 Manufacturing Method of Graphene Coated Carbon Ultra-Thin Film and Graphene Coated Carbon Ultra-Thin film by same the method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190053192A KR102219873B1 (en) 2019-05-07 2019-05-07 Manufacturing Method of Graphene Coated Carbon Ultra-Thin Film and Graphene Coated Carbon Ultra-Thin film by same the method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200128957A KR20200128957A (en) 2020-11-17
KR102219873B1 true KR102219873B1 (en) 2021-02-25

Family

ID=73642266

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190053192A KR102219873B1 (en) 2019-05-07 2019-05-07 Manufacturing Method of Graphene Coated Carbon Ultra-Thin Film and Graphene Coated Carbon Ultra-Thin film by same the method

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102219873B1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5761131B2 (en) 2012-06-21 2015-08-12 株式会社豊田中央研究所 Fluorescent probe

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101117175B1 (en) * 2009-07-27 2012-03-07 광주과학기술원 Polyurea porous materials and method for fabricating the same
KR101121557B1 (en) * 2010-05-19 2012-03-06 한국과학기술원 Porous Graphene Film and Method for Preparing the Same
KR101794440B1 (en) * 2016-03-08 2017-11-07 한국과학기술원 Method of manufacturing coated porous material, coated porous material and electrode comprising the coated porous material
KR102074545B1 (en) 2016-04-12 2020-02-06 주식회사 엘지화학 Graphene oxide-carbon complex and method for manufacturing the same
KR20180024975A (en) * 2016-08-31 2018-03-08 대주전자재료 주식회사 Nitrogen Doped Graphene Electrodes for Dye-sensitized Solar Cell, method for preparing the same and Dye-sensitized Solar Cell comprising the Same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5761131B2 (en) 2012-06-21 2015-08-12 株式会社豊田中央研究所 Fluorescent probe

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Scientific Reports. 2013, Vol. 3, Article No. 1408 (2013.03.11.)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200128957A (en) 2020-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Osadchii et al. Revisiting nitrogen species in covalent triazine frameworks
Pavlenko et al. A comprehensive review of template-assisted porous carbons: Modern preparation methods and advanced applications
Dai et al. Metal-free catalysts for oxygen reduction reaction
Li et al. Direct transformation from graphitic C3N4 to nitrogen-doped graphene: an efficient metal-free electrocatalyst for oxygen reduction reaction
Zhang et al. Carbon materialization of ionic liquids: from solvents to materials
KR100708730B1 (en) Mesoporous carbon, manufacturing method thereof, and fuel cell using the same
JP4410775B2 (en) Mesoporous carbon composite, process for producing the same, supported catalyst containing the same, and fuel cell using the same
Chae et al. p-Type doping of graphene with cationic nitrogen
KR20070056434A (en) Mesoporous carbon including heteroatom, manufacturing method thereof , and fuel cell using the same
KR101977951B1 (en) Method for producing nitrogen-doped porous carbon
KR20080063196A (en) Mesoporous carbon including sulfur, manufacturing method thereof, and fuel cell using the same
JP2009208061A5 (en)
CN103429531A (en) Porous carbon and method for producing same
KR20080053470A (en) Carbon nanostructures manufactured from catalytic templating nanoparticles
KR20130015719A (en) A complex comprising a mesoporous silicon oxide and a graphene, and method for preparing the same
KR20120052483A (en) Preparation method for meso-porous carbon material and the fuel cell catalyst support manufactured by using the same
Li et al. Three dimensional nanosuperstructures made of two-dimensional materials by design: Synthesis, properties, and applications
KR100846477B1 (en) Carbon-metal composite material and process for preparing the same
Chandrasekaran et al. Dual heteroatom-doped carbon monoliths derived from catalyst-free preparation of porous polyisocyanurate for oxygen reduction reaction
KR101691196B1 (en) Method for preparation of N-doped graphene and N-doped graphene prepared thereby
Cao et al. Optimal structuring of nitrogen-doped hybrid-dimensional nanocarbons for high-performance flexible solid-state supercapacitors
KR102219873B1 (en) Manufacturing Method of Graphene Coated Carbon Ultra-Thin Film and Graphene Coated Carbon Ultra-Thin film by same the method
KR20150070765A (en) Method for preparing water-dispersible graphene
KR101410251B1 (en) Porous two-dimentional crystalline graphene comprising nitrogen and method for preparing the same
Kijima et al. Efficient thermal conversion of polyyne-type conjugated polymers to nano-structured porous carbon materials

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right