KR102234684B1 - Method for preparing N-doped titanium carbide and the N-doped titanium carbide obtained thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질소를 함유한 단분자의 온도에 따른 상태변화를 이용하여 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물을 제조하는 방법과, 상기의 제조방법에 의해 제조되는 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물 및 이를 포함하는 전극 소재에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing nitrogen-doped titanium carbide by using a state change according to the temperature of a nitrogen-containing single molecule, and a nitrogen-doped titanium carbide prepared by the above production method, and an electrode material comprising the same. It is about.
Description
본 발명은 질소를 함유한 단분자의 온도에 따른 상태 변화를 이용하여 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물을 제조하는 방법과, 상기의 제조방법에 의해 제조되는 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물 및 이를 포함하는 전극 소재에 관한 것이다The present invention relates to a method for producing nitrogen-doped titanium carbide by using a state change according to the temperature of a nitrogen-containing single molecule, and a nitrogen-doped titanium carbide prepared by the above production method, and an electrode material comprising the same. Is about
그래핀과 유사한 2차원의 물질로서, 멕신(MXen)은 MAX라고 불리는 층상구조로부터 형성된다. 이때 M은 전이금속, A는 13족 또는 14족 원소, X는 탄소 및/또는 질소인 것으로 준 세라믹 특성의 MX와, M과 다른 금속원소 A가 조합된 결정질이다. As a two-dimensional material similar to graphene, MXen is formed from a layered structure called MAX. At this time, M is a transition metal, A is a group 13 or 14 element, X is carbon and/or nitrogen.
멕신은 전기전도성, 내화학성, 가공성 등의 물성이 우수한 특징을 가지고 있어 전극에 활발히 응용되고 있으나, 아직까지는 사용에 제한이 있다. 특히, 이차원 재료로 사용되기 위하여 박막화하는 것과 함께 전기적 특성을 더욱 향상시키기 위한 개발이 아직 미흡한 정도이다. Mexin has excellent properties such as electrical conductivity, chemical resistance, and processability, so it is actively applied to electrodes, but its use is still limited. In particular, development to further improve electrical properties along with thinning for use as a two-dimensional material is still insufficient.
한편, 멕신의 보다 우수한 전기적 특성을 구현하기 위해 질소를 도핑하는 방법이 사용된다. 이러한 질소 도핑 방법은 주로 우레아를 이용한 수열합성법이 사용되어 왔다. 하지만, 전이금속의 경우 대기 중이나 용액 상에서 쉽게 산화되어, 공정 상 전이금속 산화물이 쉽게 형성되는 문제가 있으며, 질소 도핑률도 높지 않아 전기적 특성 구현에 한계가 있어 왔다. On the other hand, a method of doping nitrogen is used in order to realize more excellent electrical properties of mexin. As such a nitrogen doping method, a hydrothermal synthesis method using urea has been mainly used. However, transition metals are easily oxidized in the air or in a solution, and thus transition metal oxides are easily formed during the process, and the nitrogen doping rate is not high, so there has been a limitation in implementing electrical characteristics.
이에, 전이금속의 산화를 효율적으로 방지할 수 있으면서 질소의 도핑률을 보다 향상시킬 수 있는 이차원의 구조의 질소 도핑된 전이금속 탄화물의 제조방법에 대한 연구가 필요한 실정이다. Accordingly, there is a need for a study on a method for producing a nitrogen-doped transition metal carbide having a two-dimensional structure that can efficiently prevent oxidation of the transition metal and further improve the doping rate of nitrogen.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수열합성법을 이용한 질소 도핑 방법의 경우 전이금속의 산화가 쉽게 이루어지는 점을 인식하고, 간단한 공정으로 타이타늄 산화물의 형성을 방지하면서 동시에 질소의 도핑되는 함량을 크게 향상시킬 수 있는 이차원 구조를 가지는 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물을 제조하는 방법을 제공하고자 한다. The present invention has been conceived to solve the above problems, and in the case of a nitrogen doping method using a hydrothermal synthesis method, it is recognized that oxidation of a transition metal is easily performed, and a simple process prevents the formation of titanium oxide while at the same time doping with nitrogen. An object of the present invention is to provide a method for producing nitrogen-doped titanium carbide having a two-dimensional structure that can greatly improve the amount of the titanium dioxide.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되어 질소 도핑율이 높은 타이타늄 탄화물 및 이를 포함하는 전극 소재를 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a titanium carbide manufactured by the above manufacturing method and having a high nitrogen doping rate, and an electrode material including the same.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태는,In order to achieve the above object, one aspect of the present invention,
(a) Ti3C2 및 Ti2C 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 멕신(MXene) 및 시안아마이드(NH2CN)를 함유한 혼합액을 반응시키는 단계, (a) reacting a mixed solution containing at least one mexin (MXene) and cyanamide (NH 2 CN) selected from Ti 3 C 2 and Ti 2 C,
(b) 상기 반응으로 수득된 멕신-시안아마이드 생성물을 질소분위기 하, 400℃ 내지 1,200℃에서 열처리하는 단계 및(b) heat-treating the mexine-cyanamide product obtained by the above reaction at 400°C to 1,200°C under a nitrogen atmosphere, and
(c) 상기 열처리된 생성물을 산 처리하는 단계(c) acid treatment of the heat-treated product
를 포함하는 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물의 제조방법을 제공하는 것이다. It is to provide a method for producing a nitrogen-doped titanium carbide comprising a.
본 발명의 일 실시예에 따른 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물의 제조방법에 있어서, 상기 열처리는 400℃ 내지 600℃에서 10분 내지 300분 동안 온도를 유지하고, 600 내지 800℃에서 10분 내지 300분 동안 동안 온도를 유지시키는 것을 포함할 수 있다. In the method for producing nitrogen-doped titanium carbide according to an embodiment of the present invention, the heat treatment is performed at 400° C. to 600° C. for 10 to 300 minutes, and the heat treatment is performed at 600 to 800° C. for 10 to 300 minutes. It may include maintaining the temperature for a while.
본 발명의 일 실시예에 따른 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물의 제조방법에 있어서, 상기 열처리는 분당 1℃ 내지 30℃의 승온 속도로 제어되는 것일 수 있다. In the method for producing nitrogen-doped titanium carbide according to an embodiment of the present invention, the heat treatment may be controlled at a temperature increase rate of 1° C. to 30° C. per minute.
본 발명의 일 실시예에 따른 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물의 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 혼합액을 초음파 분산 및 70 내지 90℃에서 교반하는 것을 포함할 수 있다. In the method for producing nitrogen-doped titanium carbide according to an embodiment of the present invention, step (a) may include ultrasonic dispersion of the mixed solution and stirring at 70 to 90°C.
본 발명의 일 실시예에 따른 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물의 제조방법에 있어서, 상기 (c) 단계의 산 처리는 염산, 황산, 질산, 인산 및 염화설폰산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 이용하여 실시하는 것일 수 있다. In the method for producing nitrogen-doped titanium carbide according to an embodiment of the present invention, the acid treatment in step (c) is any one or more components selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, and chloride sulfonic acid. It may be carried out by using.
또한, 본 발명의 다른 양태는 상술한 제조방법으로 제조되는 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물을 제공하는 것이다. In addition, another aspect of the present invention is to provide a nitrogen-doped titanium carbide manufactured by the above-described manufacturing method.
또한, 본 발명의 다른 양태는 상술한 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물을 포함하는 전극 소재를 제공하는 것이다. In addition, another aspect of the present invention is to provide an electrode material including the above-described nitrogen-doped titanium carbide.
본 발명에 따른 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물의 제조방법은 건식 합성법을 통해 대기 중이나 용액 상에서 쉽게 산화되어 타이타늄 산화물이 형성되는 것을 효율적으로 방지할 수 있으며, 우수한 전극 특성 구현이 가능한 이차원 구조의 질소 도핑된 탄화물을 간단한 공정으로 제조하며, 이의 생산성을 향상시킬 수 있는 장점을 가진다. The method for producing nitrogen-doped titanium carbide according to the present invention can efficiently prevent the formation of titanium oxide by being easily oxidized in the atmosphere or in a solution through a dry synthesis method, and a two-dimensional nitrogen-doped structure capable of realizing excellent electrode characteristics. Carbide is manufactured by a simple process and has the advantage of improving its productivity.
나아가, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물은 높은 효율의 질소 도핑 효과를 가져 축전용량을 획기적으로 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.Further, the nitrogen-doped titanium carbide produced by the manufacturing method according to the present invention has the advantage of having a high efficiency nitrogen doping effect, thereby dramatically improving the storage capacity.
도 1은 본 발명에 따른 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물의 제조방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 온도에 따른 이차원 타이타늄 탄화물 형상의 TEM 이미지 결과((A) pristine Ti3C2, (B) 500-N-Ti3C2, (C) 700-N-Ti3C2, (D) 900-N-Ti3C2)를 나타낸 것이다.
도 3은 온도에 따른 X선 회절 패턴(XRD) 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 고분자 성장 및 열분해 특성을 분석한 TGA 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 EDS를 이용하여 질소 도핑된 타이타늄 탄화물의 원소 분석 맵핑(mapping)을 나타낸 것이다.
도 6은 비교예 1에 따른 화학적 조성 및 결정성 분석의 XRD(a) 및 XPS(b)를 나타낸 것이다.
도 7은 순환전류법을 통한 전극 실험 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도 8은 스캔한 전압에 따른 전류값을 그래프로 나타낸 것이다.
도 9는 충방전 실험 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도 10은 인가된 전류에 따른 충전 용량 값을 그래프로 나타낸 것이다. 1 schematically shows a method for producing nitrogen-doped titanium carbide according to the present invention.
2 is a TEM image result of a two-dimensional titanium carbide shape according to temperature ((A) pristine Ti 3 C 2 , (B) 500-N-Ti 3 C 2 , (C) 700-N-Ti 3 C 2 , (D ) 900-N-Ti 3 C 2 ).
3 shows the results of an X-ray diffraction pattern (XRD) according to temperature.
4 shows the results of TGA analyzing polymer growth and pyrolysis properties.
5 shows elemental analysis mapping of nitrogen-doped titanium carbide using EDS.
6 shows XRD(a) and XPS(b) of chemical composition and crystallinity analysis according to Comparative Example 1.
7 is a graph showing the electrode experiment results through the cyclic current method.
8 is a graph showing a current value according to a scanned voltage.
9 is a graph showing the results of the charging and discharging experiment.
10 is a graph showing a charging capacity value according to an applied current.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물의 제조방법, 이로부터 수득되는 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물 및 이를 포함하는 전극 소재에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의해 보다 더 잘 이해될 수 있다. 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고, 첨부된 특허 청구범위에 의해 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어는 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다. Hereinafter, a method for producing nitrogen-doped titanium carbide of the present invention, a nitrogen-doped titanium carbide obtained therefrom, and an electrode material including the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The invention can be better understood by the following examples. The following examples are for illustrative purposes of the present invention and are not intended to limit the scope of protection defined by the appended claims. In this case, the technical terms and scientific terms used have meanings that are commonly understood by those of ordinary skill in the technical field to which this invention belongs, unless otherwise defined.
본 발명의 발명자는 우수한 전극 특성을 구현하는 전이금속 탄화물을 제조함에 있어서, 전이금속이 대기 중이나 용액 상에서 쉽게 산화되어 전이금속 산화물을 형성하는 점에 주목하여 전이금속의 산화를 방지하면서 질소의 도핑 함량을 높일 수 있는 질소가 도핑된 전이금속 탄화물의 제조방법에 대한 연구를 심화하던 중, 질소를 함유하는 단분자의 온도에 따른 상태 변화를 이용하여 구조적으로 안정적인 이차원 구조를 유지하면서도 동시에 높은 함량의 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물을 제조할 수 있고, 이는 높은 축전 용량 특성과 함께 전극 효율을 향상시킬 수 있으며, 낮은 저항과 높은 전해질 이온 확산 효과를 갖는 것을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다. The inventors of the present invention note that the transition metal is easily oxidized in the air or in a solution to form a transition metal oxide in manufacturing a transition metal carbide that implements excellent electrode characteristics, thereby preventing the oxidation of the transition metal while preventing the doping content of nitrogen. While intensifying research on the production method of nitrogen-doped transition metal carbide, which can increase the amount of nitrogen, it maintains a structurally stable two-dimensional structure by using the state change according to the temperature of a single molecule containing nitrogen, while at the same time maintaining a high content of nitrogen. The present invention was completed by discovering that it is possible to prepare titanium carbide doped with T, which can improve electrode efficiency with high capacitance characteristics, and has low resistance and high electrolyte ion diffusion effect.
구체적으로, 본 발명의 일 양태에 따른 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물의 제조방법은 Specifically, the method for producing nitrogen-doped titanium carbide according to an aspect of the present invention
(a) Ti3C2 및 Ti2C 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 멕신(MXene) 및 시안아마이드(NH2CN)를 함유한 혼합액을 반응시키는 단계, (a) reacting a mixed solution containing at least one mexin (MXene) and cyanamide (NH 2 CN) selected from Ti 3 C 2 and Ti 2 C,
(b) 상기 반응으로 수득된 멕신-시안아마이드 생성물을 질소분위기 하, 800 내지 1,200℃에서 열처리하는 단계 및(b) heat-treating the mexine-cyanamide product obtained by the above reaction at 800 to 1,200°C under a nitrogen atmosphere, and
(c) 상기 열처리된 생성물을 산 처리하는 단계(c) acid treatment of the heat-treated product
를 포함한다. Includes.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 Ti3C2 및 Ti2C 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 멕신(MXene)은 그 제조방법에 크게 제한은 없으나, Tin+1ACn 조성의 무기 화합물로부터 제조되는 것일 수 있다. 이때, A는 원소주기율표의 제12족, 제13족, 제14족, 제15족 및 제16족 원소 중에서 선택되는 어느 하나이고, n은 1, 2 또는 3이다. According to an aspect of the present invention, any one or more mexins selected from Ti 3 C 2 and Ti 2 C are not limited in the preparation method, but are prepared from an inorganic compound having a Ti n+1 AC n composition. Can be. At this time, A is any one selected from Group 12, Group 13, Group 14,
일예로, 상기 멕신은 MAX 상의 층상의 육방정계의 탄화물로 정팔면체형으로 배열된 6개의 전이금속인 Ti 원자 내부에 하나의 탄소 원자가 위치된 단위 셀들이 이차원으로 배열된 Ti 탄화물층과 A 원자층이 교대로 배열하고 있는 구조를 가진다. 즉, 멕신층과 A 의 원자층이 이온성 금속 결합으로 적층되는 구조를 가지고 있다. 이러한 MAX 상으로부터 A 원자층을 선택적으로 제거하여 상기 Ti3C2 및 Ti2C 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 멕신을 수득할 수 있다. A 원자층을 선택적으로 제거하는 방법은 산 조건에서 실시될 수 있다. 상기 산은 유기산 또는 무기산일 수 있으며, 구체적으로 불소 원자를 함유하는 강산, 일예로 불산(HF)일 수 있다. A 원자층의 제거 공정은 20 내지 200℃, 구체적으로 30 내지 100℃에서 실시될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. A 원자층을 제거한 다음에는 여과 및 건조 공정을 거쳐 이차원 구조의 Mn+1XnTs를 수득할 수 있다. 이때, Ts는 멕신 층 표면에 결합되어 있는 관능기로, O, OH 또는 F일 있다. 이후, 상기 Mn+1XnTs를 환원시켜 멕신을 수득할 수 있다. 상기 멕신은 2차원 구조의 평면 구조를 가지며, 표면에 작용기가 거의 없거나 전혀 없는 것일 수 있다. For example, the mexine is a layered hexagonal carbide on MAX, and a Ti carbide layer and an A atomic layer in which unit cells in which one carbon atom is located inside Ti atoms, which are six transition metals arranged in an octahedral shape, are arranged in two dimensions. It has a structure that is arranged alternately. In other words, it has a structure in which the mexin layer and the atomic layer of A are stacked by an ionic metal bond. By selectively removing the A atomic layer from the MAX phase, any one or more mexins selected from Ti 3 C 2 and Ti 2 C may be obtained. The method of selectively removing the A atomic layer may be carried out under acidic conditions. The acid may be an organic acid or an inorganic acid, and specifically, may be a strong acid containing a fluorine atom, for example, hydrofluoric acid (HF). The process of removing the atomic layer A may be performed at 20 to 200°C, specifically 30 to 100°C, but is not limited thereto. After the atomic layer A is removed, the two-dimensional structure of M n+1 X n T s can be obtained through filtration and drying processes. At this time, T s is a functional group bonded to the surface of the mexin layer, and may be O, OH or F. Thereafter, the M n+1 X n T s may be reduced to obtain mexine. The mexin has a two-dimensional planar structure, and may have little or no functional groups on the surface.
상기 멕신은 Ti3C2 또는 Ti2C 조성의 결정층들이 서로 박리된 단일 결정층이복수개로 적층된 복수층일 수 있으며, 상기 복수층은 층간 결합이 반데르발스 힘으로 결합된 것일 수 있다. The mexine may be a plurality of layers in which a plurality of single crystal layers from which crystal layers having a composition of Ti 3 C 2 or Ti 2 C are separated from each other are stacked, and the plurality of layers may be bonded by van der Waals force.
상기 멕신은 입자 크기가 크게 제한되는 것은 아니지만, 0.1㎛ 내지 100㎛, 구체적으로 0.2㎛내지 50㎛, 보다 구체적으로 0.5㎛ 내지 20㎛인 것일 수 있다. 상기 범위 내에서 목적 달성에 유리한 효과를 가진다. The mexine is not limited in particle size, but may be 0.1 µm to 100 µm, specifically 0.2 µm to 50 µm, and more specifically 0.5 µm to 20 µm. It has an advantageous effect in achieving the object within the above range.
본 발명의 일 양태에 따른 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물의 제조방법은 먼저 상기 Ti3C2 및 Ti2C 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 멕신과 시안아마이드를 혼합하여 반응시키는 단계를 실시한다. In the method for producing nitrogen-doped titanium carbide according to an aspect of the present invention, first, a step of mixing and reacting at least one mexin selected from Ti 3 C 2 and Ti 2 C and cyanamide is performed.
상기 시안아마이드는 친핵성(Nucleophilic) 및 친전자성(electrophilic)을 동시에 가지고 있는 단분자로, 멕신 층에 삽입되어 반응 에너지에 따른 고분자화(polymerization)가 가능하며, 질소가 치환된 graphitic-C3N4(g-C3N4) 혹은 polymeric-C3N4(p-C3N4) 구조를 갖는 데 유리한 특성을 가진다.The cyanamide is a single molecule that has nucleophilic and electrophilic properties at the same time, and is inserted into the mexine layer to enable polymerization according to the reaction energy, and nitrogen-substituted graphitic-C 3 It has an advantage of having a N 4 (gC 3 N 4 ) or polymeric-C 3 N 4 (pC 3 N 4) structure.
상기 멕신과 시안아마이드의 혼합 반응 단계는 멕신과 시안아마이드를 용매에 넣고 혼합한 혼합액을 교반을 실시하면서 반응시키는 것을 포함한다. 이때, 용매는 에탄올, 아세톤 및 물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 구체적으로 에탄올을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The mixing reaction step of mexine and cyanamide includes adding mexine and cyanamide to a solvent and reacting the mixed solution while stirring. At this time, the solvent may be any one or more selected from the group consisting of ethanol, acetone, and water, and specifically, ethanol may be used, but is not limited thereto.
상기 멕신과 시안아마이드의 혼합액은 초음파 분산기를 이용하여 분산시킬 수 있다. 이때, 초음파 처리는 500 내지 5,000 Hz에서 5분 내지 1시간 동안 실시될 수 있으며, 상기 초음파 주파수 및 처리 시간은 특별히 제한되지 않고 본 발명의 목적을 달성하는 범위 내에서 조절될 수 있다. The mixture of mexin and cyanamide may be dispersed using an ultrasonic disperser. At this time, the ultrasonic treatment may be performed at 500 to 5,000 Hz for 5 minutes to 1 hour, and the ultrasonic frequency and treatment time are not particularly limited and may be adjusted within a range to achieve the object of the present invention.
상기 멕신과 시안아마이드의 혼합 반응 단계에서 반응 온도범위는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 70 내지 90℃, 구체적으로 75 내지 85℃인 것일 수 있다. 상기 범위 내에 멕신과 시안아마이드의 반응성이 좋아 멕신-시안아마이드 생성물의 수율을 높일 수 있는 면에서 효과적이다. The reaction temperature range in the mixing reaction step of mexine and cyanamide is not particularly limited, but may be 70 to 90°C, specifically 75 to 85°C. It is effective in that the reactivity of mexine and cyanamide within the above range is good, so that the yield of the mexine-cyanamide product can be increased.
상기 멕신 및 시안아마이드의 혼합액 내 멕신과 시안아마이드는 그 함량 범위가 조절될 수 있다. 구체적으로, 멕신 1몰에 대하여 시안아마이드가 0.1 내지 5몰, 보다 구체적으로 0.2몰 내지 1 몰인 것일 수 있다. 상기 범위에서 열처리 공정과의 조합으로 시안아마이드의 멕신 층간 내 삽입이 원활하며, 열처리 과정에서 질화탄소(C3N4)의 고분자화를 통해 질소의 도핑 효율을 높일 수 있는 면에서 더욱 효과적이다. The content range of mexin and cyanamide in the mixture of mexin and cyanamide may be adjusted. Specifically, cyanamide may be 0.1 to 5 moles, more specifically 0.2 to 1 mole, per 1 mole of mexin. In the above range, it is more effective in that cyanamide is smoothly inserted into the mexin layer in combination with the heat treatment process, and the doping efficiency of nitrogen can be increased through the polymerization of carbon nitride (C 3 N 4) in the heat treatment process.
또한, 상기 멕신 및 시안아마이드의 혼합액 내 용매의 함량은 반응이 원활하게 진행될 수 있는 범위 내에서 크게 제한되는 것은 아니나, 구체적으로 멕신과 시안아마이드 합계 중량이 혼합액 내 10 내지 80중량%, 구체적으로 20 내지 70중량% 범위 내에 있도록 조절될 수 있다. In addition, the content of the solvent in the mixture of mexine and cyanamide is not significantly limited within the range in which the reaction can proceed smoothly, specifically, the total weight of mexine and cyanamide is 10 to 80% by weight, specifically 20 It can be adjusted to be within the range of 70% by weight.
상기 반응이 끝난 혼합액은 용매를 이용하여 여과를 실시할 수 있다. 여과 시 사용되는 용매는 혼합액 내 용매와 동일한 것일 수 있다. 여과를 마친 다음 건조를 실시하여 분말상의 멕신-시안아마이드(MXene-NH2CN) 생성물을 수득하게 된다. 이때, 상기 건조는 진공 하에서 실시될 수 있으며, 20 내지 90℃, 구체적으로 30 내지 80℃에서 실시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The mixed solution after the reaction may be filtered using a solvent. The solvent used for filtration may be the same as the solvent in the mixed solution. After the filtration is finished, drying is performed to obtain a powdery mexine-cyanamide (MXene-NH 2 CN) product. In this case, the drying may be performed under vacuum, and may be performed at 20 to 90°C, specifically 30 to 80°C, but is not limited thereto.
다음으로, 상기 수득된 분말상의 멕신-시안아마이드 생성물을 질소분위기 하에서 열처리하는 단계를 실시한다. Next, a step of heat-treating the obtained powdery mexin-cyanamide product in a nitrogen atmosphere is carried out.
상기 열처리 공정은 400℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 실시하며, 구체적으로 800℃ 내지 1200℃ 내의 최종 온도 범위까지 온도를 올리면서 실시하는 것이다. 상기 최종 온도 범위는 구체적으로, 850℃ 내지 1150℃, 보다 구체적으로 900℃ 내지 1100℃일 수 있다. 이는 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물의 질소 함량을 극대화할 수 있으며, 안정적인 이차원 구조를 통해 전극 소재로 적용 시 탁월한 전극 특성을 구현할 수 있는 면에서 효과적이다. The heat treatment process is performed in a temperature range of 400° C. to 1200° C., and specifically, is performed while raising the temperature to a final temperature range within 800° C. to 1200° C. The final temperature range may be specifically, 850°C to 1150°C, and more specifically 900°C to 1100°C. This is effective in that the nitrogen content of nitrogen-doped titanium carbide can be maximized, and excellent electrode characteristics can be realized when applied as an electrode material through a stable two-dimensional structure.
상기 열처리 공정은 앞서 수득한 분말상의 멕신-시안아마이드 생성물을 퍼니스 챔버(furnace chamber)에 넣고 챔버 내에 질소가 흐르도록 하여 질소분위기를 만든 다음 열을 가하여 실시될 수 있다. The heat treatment process may be carried out by placing the powdery mexin-cyanamide product obtained above into a furnace chamber and allowing nitrogen to flow in the chamber to create a nitrogen atmosphere, and then applying heat.
상기 열처리 공정에서 가열은 분당 1℃ 내지 30℃, 구체적으로 분당 2℃ 내지 25℃, 보다 구체적으로 5 내지 20℃의 승온 속도의 범위 내에서 실시될 수 있다. 상기 범위 내에서 타이타늄 탄화물의 구조적 안정성을 확보할 수 있을뿐만 아니라 질소 도핑률을 높일 수 있는 면에서 효과적이다. In the heat treatment process, heating may be performed within the range of a temperature increase rate of 1°C to 30°C per minute, specifically 2°C to 25°C per minute, and more specifically 5 to 20°C. Within the above range, it is effective not only to ensure structural stability of titanium carbide, but also to increase the nitrogen doping rate.
본 발명의 바람직한 일 양태에 따르면, 상기 열처리 공정은 400 내지 600℃, 구체적으로 450℃ 내지 550℃의 온도 범위에서, 또한, 600 내지 800℃, 구체적으로 650℃ 내지 750℃의 온도 범위에서, 각각 10분 내지 300분, 구체적으로, 20 분 내지 240분, 보다 구체적으로 30분 내지 180분 동안 유지시키는 것을 포함할 수 있다. 이와 같은 온도 유지 공정은 시안아마이드가 MXene 표면에 안정적으로 화학적 결합을 형성하며, 이를 통해 멕신 층간에 고분자화된 질화탄소가 합성되는 데 효과적이다. 또한, 질화탄소가 규칙적으로 배열된 구조를 가지며 고분자화될 수 있도록 하는데 더욱 효과적이다. According to a preferred embodiment of the present invention, the heat treatment process is in a temperature range of 400 to 600°C, specifically 450°C to 550°C, and in a temperature range of 600 to 800°C, specifically 650°C to 750°C, each It may include holding for 10 minutes to 300 minutes, specifically, 20 minutes to 240 minutes, more specifically 30 minutes to 180 minutes. Such a temperature maintenance process is effective in synthesizing cyanamide to form a chemical bond stably on the MXene surface, thereby synthesizing polymerized carbon nitride between the mexin layers. In addition, it is more effective in allowing the carbon nitride to have a regularly arranged structure and to be polymerized.
본 발명의 보다 구체적인 일 양태에 따르면, 상기 열처리 공정은 단계별로 열처리를 실시하는 것일 수 있다. 일 양태로, 400℃ 내지 600℃의 제1온도범위까지 승온 시킨 다음 10분 내지 300분 동안 온도를 유지시키는 단계를 실시하고, 이후 600 내지 800℃의 제2온도범위까지 승온 시킨 다음 10분 내지 300분 동안 온도를 유지시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1온도범위와 제2온도범위는 목적하는 효과를 달성하는 범위 내에서 온도 차이를 두고 실시한다. 이러한 다단 열처리 공정은 멕신의 이차원 구조를 안정적으로 확보할 수 있는 면에서 효과적이다. 나아가, 이차원 구조의 타이타늄 탄화물에 질소 도핑율을 보다 향상시킬 수 있는 면에서 더욱 효과적이다.According to a more specific aspect of the present invention, the heat treatment process may be to perform heat treatment step by step. In one aspect, the step of raising the temperature to a first temperature range of 400° C. to 600° C. and then maintaining the temperature for 10 to 300 minutes is performed, and then raising the temperature to a second temperature range of 600 to 800° C. and then 10 minutes to It may include maintaining the temperature for 300 minutes. The first temperature range and the second temperature range are performed with a temperature difference within a range to achieve a desired effect. This multi-stage heat treatment process is effective in terms of stably securing the two-dimensional structure of Mexin. Furthermore, it is more effective in that the nitrogen doping rate can be further improved on the titanium carbide of the two-dimensional structure.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 열처리 단계는 800 내지 1200℃의 온도 범위까지의 승온 과정에서, 시안아마이드 단분자의 온도에 따른 상태 변화를 유도함으로써 멕신 내 층간에 질화탄소의 삽입, 상기 질화탄소의 고분자화를 통해 polymeric-C3N4(p-C3N4) 구조를 합성할 수 있다. 이는 이차원 구조의 타이타늄 탄화물 층간에 p-C3N4를 합성한 후 고온에서 열분해시킴으로써 질소가 도핑된 이차원 구조를 갖는 타이타늄 탄화물을 제조할 수 있도록 한다. According to an aspect of the present invention, in the heat treatment step, in the process of raising the temperature up to a temperature range of 800 to 1200°C, the carbon nitride is inserted between layers in the mexin by inducing a state change according to the temperature of the cyanamide single molecule. The polymeric-C 3 N 4 (pC 3 N 4 ) structure can be synthesized through the polymerization of. This makes it possible to prepare titanium carbide having a two-dimensional structure doped with nitrogen by synthesizing pC 3 N 4 between the two-dimensional titanium carbide layers and then thermally decomposing it at a high temperature.
상기 열처리 단계를 마친 생성물은 산 처리를 통해 미반응 물질 혹은 이물질을 제거할 수 있다. The product after the heat treatment step may remove unreacted substances or foreign substances through acid treatment.
상기 산 처리를 위해 사용되는 산 처리 물질은 시안아마이드를 포함한 미반응 물질 혹은 이물질을 제거하는 것이라면 크게 제한되는 것은 아니지만, 구체적으로, 염산, 황산, 질산, 인산 및 염화설폰산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 들 수 있다. 일예로, 1 내지 10중량%의 염산을 이용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. The acid treatment material used for the acid treatment is not largely limited as long as it removes unreacted substances or foreign substances including cyanamide, but specifically, selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, and chloride sulfonic acid. Any one or more components may be mentioned. As an example, 1 to 10% by weight of hydrochloric acid may be used, but is not limited thereto.
이후, 용매를 이용하여 여과, 세척 및 건조를 실시함으로써 최종 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물을 수득할 수 있다. Thereafter, filtration, washing, and drying are performed using a solvent to obtain final nitrogen-doped titanium carbide.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상술한 방법에 의해 제조되는 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a nitrogen-doped titanium carbide prepared by the above-described method is provided.
상기 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물은 질소 도핑 함량이 매우 높으며, 구체적으로 15원소% 이상, 보다 구체적으로 18 내지 30원소%인 것일 수 있다.The nitrogen-doped titanium carbide has a very high nitrogen doping content, specifically 15 element% or more, and more specifically 18 to 30 element%.
또한, 본 발명은 다른 양태로, 상기 제조된 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물을 포함하는 전극 소재를 제공한다. In addition, in another aspect, the present invention provides an electrode material comprising the prepared nitrogen-doped titanium carbide.
상기 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물을 포함하는 전극 소재는 일 구체예로 전기이중층 커패시터 전극 적용 시 축전 용량의 획기적인 향상을 보이며, 이외에 충방전 성능 향상, 높은 전극 효율 및 이온 확산 성능 향상 등의 우수한 전극 특성을 구현할 수 있는 효과를 가진다. 또한, 전극의 내구성을 증진시킬 수 있는 효과를 진다. The electrode material including the nitrogen-doped titanium carbide shows a remarkable improvement in the storage capacity when the electric double layer capacitor electrode is applied as a specific example, and in addition, excellent electrode characteristics such as improved charge/discharge performance, high electrode efficiency, and ion diffusion performance. It has an effect that can be implemented. In addition, it has the effect of improving the durability of the electrode.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물을 함유한 전극 소재는 전기화학적 에너지 장치 등 다양한 소재로의 활용도가 높으며, 구체적으로 연료전지 또는 이차전지 등에 이용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. The electrode material containing titanium carbide doped with nitrogen according to an aspect of the present invention has high utility for various materials such as electrochemical energy devices, and can be specifically used for fuel cells or secondary cells, and is limited thereto. no.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물의 제조방법, 이로부터 제조되는 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물 및 이를 포함하는 전극 소재에 대하여 보다 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, a method for producing nitrogen-doped titanium carbide according to the present invention, a nitrogen-doped titanium carbide produced therefrom, and an electrode material including the same will be described in more detail through the following examples. However, the following examples are only one reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.
(실시예 1) (Example 1)
MAX phase Ti3AlC2(MAXTHAL 312, KANTHAL사)를 40중량% HF에 넣고, 5시간 동안 상온에서 교반하여 제조한 멕신(Ti3C2, 입자크기: 20㎛)을 합성하였다. 상기 멕신(Ti3C2) 100㎎ 및 시안아마이드(NH2CN) 100㎎을 에탄올 100㎖에 혼합한 용액을 초음파 분산기(500Hz)에 넣고 30분 동안 분산시켰다. 상기 분산된 용액을 80℃까지 승온 시킨 다음 12시간 동안 교반하였다. MAX phase Ti 3 AlC 2 (MAXTHAL 312, KANTHAL) was added to 40 wt% HF and stirred at room temperature for 5 hours to synthesize Mexine (Ti 3 C 2 , particle size: 20 μm). A solution obtained by mixing 100 mg of mexine (Ti 3 C 2 ) and 100 mg of cyanamide (NH 2 CN) in 100 ml of ethanol was placed in an ultrasonic disperser (500 Hz) and dispersed for 30 minutes. The dispersed solution was heated to 80° C. and then stirred for 12 hours.
이후, 용액을 에탄올을 이용하여 여과한 다음 수득된 MXene-NH2CN 파우더를 80℃에서 진공 건조하였다. 건조가 완료된 MXene-NH2CN 파우더를 퍼니스 챔버에 넣고 질소분위기 하에서 분당 10℃의 승온 속도로 900℃까지 승온하되, 500℃, 700℃ 및 900℃에서 각각 60분 동안 유지하며 열처리를 실시하였다. 5중량% HCl으로 세척하여 잔여 시안아마이드를 제거한 후 에탄올을 이용하여 세척하고 80℃에서 진공 건조하여 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물을 제조하였다. 제조된 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물은 도 2 및 도 3을 통해 확인할 수 있었다. Thereafter, the solution was filtered using ethanol, and then the obtained MXene-NH 2 CN powder was vacuum-dried at 80°C. The dried MXene-NH 2 CN powder was placed in a furnace chamber and heated to 900° C. at a rate of 10° C. per minute under a nitrogen atmosphere, but heat treatment was performed while maintaining at 500° C., 700° C. and 900° C. for 60 minutes, respectively. After washing with 5% by weight HCl to remove residual cyanamide, washing with ethanol and vacuum drying at 80° C. was performed to prepare titanium carbide doped with nitrogen. The prepared nitrogen-doped titanium carbide could be confirmed through FIGS. 2 and 3.
(실시예 2)(Example 2)
실시예 1에서, 건조 완료된 MXene-NH2CN 파우더를 퍼니스 챔버에 넣고 질소분위기 하에서 열처리를 실시하는 공정에서 500℃, 700℃에서 각각 온도를 유지하는 공정을 실시하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.In Example 1, Example 1 except that the process of maintaining the temperature at 500°C and 700°C was not performed in the process of putting the dried MXene-NH 2 CN powder into the furnace chamber and performing heat treatment under a nitrogen atmosphere. It was carried out in the same way as.
(실시예 3)(Example 3)
실시예 1에서, 건조 완료된 MXene-NH2CN 파우더를 퍼니스 챔버에 넣고 질소분위기 하에서 열처리를 실시하는 공정에서 500℃, 700℃에서 각각 온도를 유지하는 시간을 5분으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.In Example 1, in the process of putting the dried MXene-NH 2 CN powder into a furnace chamber and performing heat treatment under a nitrogen atmosphere, except that the time to maintain the temperature at 500°C and 700°C, respectively, was changed to 5 minutes. It was carried out in the same manner as in Example 1.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
멕신(Ti3C2) 100㎎을 80℃에서 진공 건조한 다음 퍼니스 챔버에 넣고, 질소분위기 하에서 실시예 1과 동일한 방법으로 열처리한 다음, 수득된 생성물을 XRD와 XPS 분석을 통해 확인하였다.Mexine (Ti 3 C 2 ) 100 mg was vacuum-dried at 80° C. and then placed in a furnace chamber, and heat-treated in the same manner as in Example 1 under a nitrogen atmosphere, and the obtained product was confirmed through XRD and XPS analysis.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
멕신(Ti3C2) 500㎎을 10ml의 50중량%의 우레아 용액(aqueou solution of urea) 10ml에 넣어 혼합한 다음 24시간 동안 60℃에서 반응시켰다. 이후, 증류수를 넣고 6시간 동안 초음파 분산기(500Hz)를 이용하여 분산시킨 다음 원심분리 하였다. 다음으로, 에탄올 및 증류수를 이용하여 세척한 다음 진공 오븐(80℃)에서 24시간 동안 건조시켰다. 건조 후 수득된 Ti3C2 분말을 동일 양의 우레아와 혼합하여 질소분위기 하에서 500℃에서 탄화공정을 수행하여 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물을 수득하였다. 500 mg of mexine (Ti 3 C 2 ) was added to 10 ml of 10 ml of 50 wt% aqueou solution of urea, mixed, and then reacted at 60° C. for 24 hours. Thereafter, distilled water was added and dispersed for 6 hours using an ultrasonic disperser (500Hz), followed by centrifugation. Next, it was washed with ethanol and distilled water, and then dried in a vacuum oven (80°C) for 24 hours. Ti 3 C 2 powder obtained after drying was mixed with the same amount of urea, and carbonization was performed at 500° C. under a nitrogen atmosphere to obtain nitrogen-doped titanium carbide.
(평가)(evaluation)
(1) 전극 특성(1) electrode characteristics
전극 특성을 살펴보기 위하여, Stack cell (two-electrodes)를 제조하였다. 질소가 도핑된 멕신과 폴리바이닐리덴플로라이드 (PVDF)(95:5)의 중량 비율로 N-methyl pyrrolidone (NMP)에 초음파 분산 후 믹서를 통해 재분산하여 슬러지를 제조하였다. 제조된 슬러리를 알루미늄 호일에 바코터를 사용하여 100㎛ 두께로 코팅한 다음, 진공 오븐 80 ℃에서 5시간 동안 건조하여 전극을 제작하였다. In order to examine the electrode characteristics, a stack cell (two-electrodes) was prepared. Sludge was prepared by ultrasonically dispersing in N-methyl pyrrolidone (NMP) at a weight ratio of nitrogen-doped mexin and polyvinylidene fluoride (PVDF) (95:5), and then re-dispersing through a mixer. The prepared slurry was coated on an aluminum foil to a thickness of 100 μm using a bar coater, and then dried in a vacuum oven at 80° C. for 5 hours to prepare an electrode.
제조된 전극에 대한 특성 평가는 충방전시험기 (CHI 660D, CH Instruments, Inc)를 이용하여 순환 전류 측정(Scan rate 10 mV/s-100 mV/s, 0.0 - 0.75 V)을 실시하였다. 이때 사용된 전해질의 경우 1M KOH를 사용하였다. 또한 충방전 측정 (Current 1 A/g 0.0-0.75 V)을 실시하여 정전용량을 계산하였다. 임피던스 측정의 경우는 100kHz에서 0.01Hz의 범위에서 측정하였다. To evaluate the characteristics of the prepared electrode, a circulating current measurement (
[표 1] 질소 도핑 함량[Table 1] Nitrogen doping content
상기 표 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따른 실시예들은 질소 함량이 높게 나타났다. 특히, 실시예 1은 매우 높은 질소 도핑량을 보여주었으며, 이는 향상된 정전 용량으로 우수한 전극 특성을 가짐을 확인할 수 있다. 반면, 비교예들은 질소 도핑이 이루어지지 않거나 매우 낮은 함량으로 나타났다. As shown in Table 1, the examples according to an aspect of the present invention showed a high nitrogen content. In particular, Example 1 showed a very high amount of nitrogen doping, which can be confirmed to have excellent electrode characteristics with improved capacitance. On the other hand, the comparative examples showed no nitrogen doping or a very low content.
도 1은 본 발명의 일 양태인 실시예 1에 따른 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물의 제조방법을 개략적으로 나타낸 것이다. MAX에서 Al을 제거한 pristine MXene(1)과 시안아마이드와의 반응에 의해 멕신 표면에 시안아마이드가 화학적으로 결합된 멕신-시안아마이드 생성물(2)을 제조한다. 다음으로, 500℃에서 고분자화된 C3N4가 멕신 층간에 합성한 후(3), 700℃에서 열분해가 진행되고(4), 900℃에서 열분해가 완료되면서 질소가 타이타늄 탄화물의 탄소에 화학적으로 도핑되어 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물이 제조된다(5).1 schematically shows a method for producing nitrogen-doped titanium carbide according to Example 1, which is an aspect of the present invention. A mexine-cyanamide product (2) in which cyanamide is chemically bonded to the mexin surface is prepared by reaction of pristine MXene (1) from which Al has been removed from MAX and cyanamide. Next, after the C 3 N 4 polymerized at 500°C was synthesized between the mexin layers (3), pyrolysis proceeded at 700°C (4), and the pyrolysis was completed at 900°C. Titanium carbide doped with nitrogen is prepared by doping with (5).
도 2는 도 1에서 볼 수 있는 바와 같은 단계별 온도에 따른 이차원 타이타늄 탄화물의 형상 변화를 TEM 이미지를 통해 확인한 것으로((A) pristine Ti3C2, (B) 500-N-Ti3C2, (C) 700-N-Ti3C2, (D) 900-N-Ti3C2), 열처리 공정을 통해 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물이 제조되는 것을 확인할 수 있다.2 is a TEM image confirming the shape change of the two-dimensional titanium carbide according to the temperature at each stage as shown in FIG. 1 ((A) pristine Ti 3 C 2 , (B) 500-N-Ti 3 C 2 , (C) 700-N-Ti 3 C 2 , (D) 900-N-Ti 3 C 2 ), it can be seen that nitrogen-doped titanium carbide is produced through a heat treatment process.
도 3은 도 2에서 단계별 온도에 따른 XRD를 나타낸 것으로, 900-N-Ti3C2에서 질소가 도핑된 이층 구조의 안정적인 타이타늄 탄화물이 제조되었음을 확인할 수 있었다. 이는 도 4에서 EDS를 이용하여 질소 도핑된 타이타늄 탄화물의 원소 분석 맴핑(mapping)을 통해서도 확인할 수 있었다. 도 5는 고분자 성장 및 열분해 특성을 분석한 TGA 결과를 나타낸 것으로, 멕신(MXene) 및 시안아마이드(NH2CN)의 반응물을 확인할 수 있었다.FIG. 3 shows the XRD according to the step temperature in FIG. 2, and it was confirmed that a stable titanium carbide having a two-layer structure doped with nitrogen was prepared in 900-N-Ti 3 C 2. This could also be confirmed through elemental analysis mapping of titanium carbide doped with nitrogen using EDS in FIG. 4. 5 shows the results of TGA analyzing polymer growth and pyrolysis properties, and it was possible to confirm the reaction products of mexine (MXene) and cyanamide (NH 2 CN).
도 6은 비교예 1에 따른 화학적 조성 및 결정성 분석을 위한 XPS(a) 및 XRD(b)의 결과를 나타낸 것이다. 비교예 1은 시안아마이드의 첨가 없이 열처리를 한 경우로 타이타늄 산화물(TiO2)의 피크가 온도가 증가함에 따라 증가하였으며, 질소가 확인되지 않고 산소 피크가 온도가 증가함에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있었다.6 shows the results of XPS(a) and XRD(b) for chemical composition and crystallinity analysis according to Comparative Example 1. In Comparative Example 1, when heat treatment was performed without the addition of cyanamide , the peak of titanium oxide (TiO 2 ) increased as the temperature increased, and it was confirmed that nitrogen was not confirmed and the oxygen peak increased as the temperature increased. .
도 7 내지 도 10은 900℃에서 질소 도핑된 타이타늄 탄화물과 원재료를 포함한 다른 온도에서 형성된 물질을 비교한 전극 특성을 나타낸 것으로, 구체적으로 순환전류법을 통한 전극 실험 결과, 900℃에서 질소 도핑된 타이타늄 탄화물(900-N-Ti3C2)은 높은 커패시터를 보였으며(도 7), 스캔한 전압에 따른 전류값(R2)이 0.9999로 높은 전극 효율을 보였다(도 8). 또한, 충방전 실험 결과, 우수한 충방전 성능을 보였으며(도 9), 인가된 전류에 따른 충전 용량 값은 326 F/g에 이르렀다(도 10).7 to 10 show electrode characteristics comparing nitrogen-doped titanium carbide at 900° C. and a material formed at different temperatures including raw materials. Specifically, as a result of an electrode experiment through a cyclic current method, nitrogen doped titanium at 900° C. Carbide (900-N-Ti 3 C 2 ) showed a high capacitor (FIG. 7), and a current value (R 2 ) according to the scanned voltage was 0.9999, showing high electrode efficiency (FIG. 8). In addition, as a result of the charging and discharging experiments, excellent charging and discharging performance was shown (FIG. 9), and the charging capacity value according to the applied current reached 326 F/g (FIG. 10).
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있으며, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.Although a preferred embodiment of the present invention has been described above, it is clear that various changes, modifications, and equivalents can be used in the present invention, and the same can be applied by appropriately modifying the above embodiment. Therefore, the above description does not limit the scope of the present invention determined by the limits of the following claims.
Claims (7)
(상기 A는 원소주기율표의 제12족, 제13족, 제14족, 제15족 및 제16족 원소 중에서 선택되는 어느 하나이고, n은 1, 2 또는 3이다)A mixture of mexene and cyanamide prepared from an inorganic compound of Ti n+1 AC n is subjected to multistage heat treatment at a temperature range of 400 to 1200°C, and carbon nitride between the mexine layers at a first temperature range of 400 to 600°C. Forming a polymer in a regularly arranged structure; A step of thermal decomposition in a second temperature range of 600 to 800°C; And raising the temperature to a final temperature range of 800 to 1200° C.; the nitrogen doping content is 10.26 to 30 element%, and having a stable two-dimensional structure in the temperature range of 800 to 1200° C., nitrogen-doped titanium carbide .
(A is any one selected from Group 12, Group 13, Group 14, Group 15, and Group 16 elements of the Periodic Table of the Elements, and n is 1, 2 or 3)
상기 열처리는 400℃ 내지 600℃에서 10분 내지 300분 동안 온도를 유지하고, 600 내지 800℃에서 10분 내지 300분 동안 온도를 유지하는 것을 포함하는 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물. The method of claim 1,
The heat treatment is nitrogen-doped titanium carbide comprising maintaining the temperature at 400°C to 600°C for 10 to 300 minutes, and maintaining the temperature at 600 to 800°C for 10 to 300 minutes.
상기 열처리는 분당 1℃ 내지 30℃의 승온 속도로 제어되는 것인 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물.The method of claim 1,
The heat treatment is nitrogen-doped titanium carbide that is controlled at a temperature increase rate of 1 ℃ to 30 ℃ per minute.
상기 열처리 후, 염산, 황산, 질산, 인산 및 염화설폰산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 이용하여 산처리하는 것인 질소가 도핑된 타이타늄 탄화물.The method of claim 1,
After the heat treatment, nitrogen-doped titanium carbide is subjected to acid treatment using one or more components selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid and chlorinated sulfonic acid.
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