KR102289201B1 - Graphene synthesis apparatus and graphene synthesis method by electrochemical treatment - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기 화학적 처리에 의한 그래핀 합성 장치 및 그래핀 합성 방법에 관한 것으로, 상세하게는 복수의 작동 전극을 활용하여 전기 화학적 처리에 의한 그래핀의 합성 장치 및 합성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for synthesizing graphene by electrochemical treatment and a method for synthesizing graphene, and more particularly, to an apparatus and method for synthesizing graphene by electrochemical treatment using a plurality of working electrodes.
그래핀(graphene)은 벌집 구조의 sp2 탄소로 구성되어 원자의 두께를 갖는 2차원 시트이다. 2004년에 처음으로 Geim 교수 그룹에 의해 그래핀이 단리된 이후 관련 분야의 연구는 급속히 증가해왔다. 그러나 이러한 그래핀 제조 관련 기술의 상당 부분은 실제 단층 그래핀에 대한 것이 아니라 2 내지 10개의 그래핀 층 두께를 갖는 수개 층 그래핀에 대한 것이거나 그래핀을 만드는데 이용되는 박리(exfoliation) 공정에서 다량으로 산화된 그래핀 산화물(GO)에 대한 것이 대부분이다.Graphene is a two-dimensional sheet composed of sp 2 carbon having a honeycomb structure and having an atomic thickness. Since graphene was first isolated by Professor Geim's group in 2004, research in related fields has rapidly increased. However, a significant portion of these graphene manufacturing-related technologies are not for the actual single-layer graphene, but for several-layer graphene having a thickness of 2 to 10 graphene layers, or a large amount in the exfoliation process used to make graphene. Most of it is about graphene oxide (GO) oxidized with
이러한 나노미터 크기의 탄소 재료의 제조 상의 문제점을 해결하기 위하여 저가의 천연 흑연을 물리적ㆍ화학적 방법을 통해서 직접 박리함으로써 그래핀과 유사한 특성을 갖는 마이크로미터 크기(micrometer scale)의 박리 흑연(exfoliated graphite)을 제조하는 연구가 활발히 진행되었다.In order to solve the problems in the production of these nanometer-sized carbon materials, exfoliated graphite of micrometer scale having properties similar to graphene by directly exfoliating low-cost natural graphite through physical and chemical methods. Research on manufacturing has been actively carried out.
최근에 독일 막스 플랑크(Max flanck) 연구소의 밀렌(mullen) 교수 연구팀에서 단순한 전기 화학적인 공정을 통하여 특별한 물리적 압력이나 황산ㆍ질산 같은 유독한 강산을 사용하지 않고도, 단시간에 고품질의 박리 흑연을 대량으로 생산할 수 있는 제조 공정을 개발(Mullen et al., J. Am. Chem. Sos. 2014, 135, 6083.)하였다. 이와 관련된 특허 기술로는 한국 공개특허 제2013-0087018호에는 프로필렌 카보네이트, 디메틸포름아미드 등의 유기 용매와 리튬염과 초음파를 이용한 흑연 박리에 대한 기술이 공지되어 있고, 한국 공개특허 제2016-0079115호에는 전기 화학 반응을 통한 박리 방법으로 바람직한 수준의 산화를 유지하면서 적합한 수율 및 두께로 산화 그래핀을 제조할 수 있는 기술로 시트르산 나트륨을 전해질로 사용하는 기술이 개재되어 있다.Recently, Professor Mullen's research team at the Max Planck Institute in Germany produced high-quality exfoliated graphite in a short time in a short time without using special physical pressure or toxic strong acids such as sulfuric acid and nitric acid through a simple electrochemical process. A manufacturing process that can be produced has been developed (Mullen et al., J. Am. Chem. Sos. 2014, 135, 6083.). As a related patent technology, Korean Patent Application Laid-Open No. 2013-0087018 discloses a technique for exfoliating graphite using an organic solvent such as propylene carbonate and dimethylformamide, lithium salt, and ultrasonic waves, and Korean Patent Application Laid-Open No. 2016-0079115 discloses a technology using sodium citrate as an electrolyte as a technology capable of producing graphene oxide in a suitable yield and thickness while maintaining a desired level of oxidation by an exfoliation method through an electrochemical reaction.
그러나 통상적으로 현재까지 대부분의 전기 화학적 반응에서 사용하는 백금(Pt) 전극은 전기 활성이 우수하고 부식에 강한 장점이 있기는 하지만 매우 고가이다. 특히 고품질의 박리 흑연을 생산함에 있어서 경제성을 높이기 위해서는 단시간에 많은 양을 생산해야 하고 이러한 경우 전기 화학적 반응 장치 등의 구성에 있어서 백금(Pt) 전극의 고가의 가격과 모양 및 크기 등의 형태 조절의 어려움은 해당 공정을 통한 대량 생산 및 상업화에 큰 장애가 되고 있다.However, the platinum (Pt) electrode, which is generally used in most electrochemical reactions up to now, is very expensive, although it has excellent electrical activity and strong corrosion resistance. In particular, in producing high-quality exfoliated graphite, it is necessary to produce a large amount in a short time in order to increase economic feasibility. The difficulty is a major obstacle to mass production and commercialization through the process.
본 발명은 비교적 저렴한 비용으로 대량의 그래핀을 신속하게 생산할 수 있는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method capable of rapidly producing a large amount of graphene at a relatively low cost.
본 발명의 일 측면은 그래핀이 합성되는 공간을 정의하는 반응 챔버;One aspect of the present invention is a reaction chamber defining a space in which graphene is synthesized;
상기 반응 챔버 내부에 배치되는 제1 상대 전극;a first counter electrode disposed inside the reaction chamber;
상기 반응 챔버 내부에 상기 제1 상대 전극에 대향하도록 배치되는 제2 상대 전극; 및a second counter electrode disposed inside the reaction chamber to face the first counter electrode; and
상기 제1 상대 전극과 제2 상대 전극 사이에 소정의 간격을 두고 배치된 N개(단, N은 2 이상의 정수)의 작동 전극을 포함하고,including N working electrodes (wherein N is an integer of 2 or more) disposed with a predetermined interval between the first counter electrode and the second counter electrode;
상기 N개의 작동 전극은 서로 독립적으로, 제1 상대 전극과 제2 상대 전극에 각각 전기 화학적으로 연결되고, 상기 작동 전극 상에 그래핀이 합성되는, 그래핀 합성 장치를 제공하는 것이다.The N working electrodes are each independently electrochemically connected to the first counter electrode and the second counter electrode, and graphene is synthesized on the working electrode to provide a graphene synthesizing apparatus.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제1 상대 전극은 N개의 작동 전극에 각각 전기 화학적으로 연결되고, 상기 제2 상대 전극은 N개의 작동 전극에 각각 전기 화학적으로 연결될 수 있다.In one specific example, the first counter electrode may be each electrochemically connected to the N working electrodes, and the second counter electrode may be each electrochemically connected to the N working electrodes.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제1 상대 전극 및 제2 상대 전극은 서로 독립적으로, 금속 전극 또는 흑연 전극일 수 있다.In one specific example, the first counter electrode and the second counter electrode may each independently be a metal electrode or a graphite electrode.
하나의 구체적인 예에서, 상기 N개의 작동 전극은 흑연 전극일 수 있다.In one specific example, the N working electrodes may be graphite electrodes.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제1 상대 전극, 제2 상대 전극, 및 N개의 작동 전극은 서로 독립적으로, 시트(sheet), 호일(foil) 또는 판상(plate) 형태일 수 있다.In one specific example, the first counter electrode, the second counter electrode, and the N working electrodes may each independently be in the form of a sheet, a foil, or a plate.
하나의 구체적인 예에서, 상기 반응 챔버 내부에 전해질을 더 포함할 수 있다.In one specific example, an electrolyte may be further included in the reaction chamber.
예를 들어, 상기 전해질은 음이온계 전해질, 양이온계 전해질, 이온 액체(ionic liquids), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.For example, the electrolyte may include an anionic electrolyte, a cationic electrolyte, ionic liquids, or a combination thereof.
예를 들어, 상기 음이온계 전해질은 황산염(SO4 2-), 질산염(NO3 -), 인산염(PO4 3-), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.For example, the anionic electrolyte may include sulfate (SO 4 2- ), nitrate (NO 3 - ), phosphate (PO 4 3- ), or a combination thereof.
예를 들어, 상기 양이온계 전해질은 금속 할라이드일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 할라이드는 Li+, Na+, K+ 등을 포함하는 할로겐염일 수 있고, 예를 들어, 상기 금속 할라이드는 LiCl일 수 있다.For example, the cationic electrolyte may be a metal halide. For example, the metal halide may be a halogen salt including Li + , Na + , K + , and the like, for example, the metal halide may be LiCl.
예를 들어, 상기 이온 액체는 음이온계 이온 액체, 양이온계 이온 액체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 양이온계 이온 액체는 암모늄계 이온 액체, 이미다졸륨계 이온 액체, 피롤리디늄계 이온 액체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.For example, the ionic liquid may include an anionic ionic liquid, a cationic ionic liquid, or a combination thereof. For example, the cationic ionic liquid may include an ammonium-based ionic liquid, an imidazolium-based ionic liquid, a pyrrolidinium-based ionic liquid, or a combination thereof.
본 발명의 다른 일 측면은 반응 챔버 내에 전해질을 투입하는 단계;Another aspect of the present invention comprises the steps of introducing an electrolyte into the reaction chamber;
상기 전해질 내에 제1 상대 전극 및 제2 상대 전극을 서로 대향하도록 배치하는 단계;disposing a first counter electrode and a second counter electrode to face each other in the electrolyte;
상기 제1 상대 전극과 제2 상대 전극 사이에 소정의 간격을 두고 N개(단, N은 2 이상의 정수)의 작동 전극을 배치하는 단계;disposing N working electrodes (wherein N is an integer of 2 or more) with a predetermined interval between the first counter electrode and the second counter electrode;
상기 N개의 작동 전극을 서로 독립적으로, 제1 상대 전극과 제2 상대 전극에 각각 전기 화학적으로 연결하는 단계; 및electrochemically connecting the N working electrodes independently of each other to a first counter electrode and a second counter electrode, respectively; and
상기 제1 상대 전극, 제2 상대 전극 및 N개의 작동 전극에 전압을 인가하여, 작동 전극 상에 그래핀을 합성하는 단계;를 포함하는, 그래핀 합성 방법을 제공한다.Applying a voltage to the first counter electrode, the second counter electrode, and the N number of working electrodes to synthesize graphene on the working electrode; provides a graphene synthesis method comprising a.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전압을 인가하여, 0.1 내지 5A의 직류(direct current)가 흐를 수 있다.In one specific example, by applying the voltage, a direct current of 0.1 to 5A may flow.
본 발명의 그래핀 합성 장치는 2개의 상대 전극을 포함함으로써, 그래핀이 합성되는 작동 전극의 양쪽 면에서 모두 그래핀의 합성 반응이 일어나, 생산 속도 및 생산량이 증가할 수 있다.Since the graphene synthesis apparatus of the present invention includes two counter electrodes, the synthesis reaction of graphene occurs on both surfaces of the working electrode where graphene is synthesized, and thus the production rate and production can be increased.
또한, 동일한 크기의 장치 내 포함되는 작동 전극의 개수를 종래에 비해 늘림으로써, 동일한 양의 그래핀을 합성하는데 필요한 공정 공간을 줄일 수 있고, 생산량 및 생산 속도 또한 증가할 수 있다.In addition, by increasing the number of working electrodes included in the device of the same size as compared to the prior art, the process space required for synthesizing the same amount of graphene can be reduced, and the production rate and production speed can also be increased.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀 합성 장치의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 기존의 멀티 전극 시스템을 도입한 그래핀 합성 장치의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀 합성 장치 및 그래핀 합성 과정을 나타낸 사진이다.1 is a schematic diagram showing the structure of a graphene synthesis apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing the structure of a graphene synthesis device incorporating a conventional multi-electrode system.
3A to 3D are photographs showing a graphene synthesis apparatus and a graphene synthesis process according to an embodiment of the present invention.
이하에서 본 발명의 구체적인 실시형태에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed subject matter may be thorough and complete, and that the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated.
일반적으로 금속 전극(상대 전극)과 흑연 전극(작동 전극) 한 쌍의 전기 화학적 박리 공정을 통해서 제조되는 그래핀(박리 흑연)의 양은 제한적일 수 밖에 없고, 여러 배치(batch)에서 제조된 그래핀의 품질(quality)을 일정하게 조절하기도 어렵기 때문에 한 번의 전기 화학 배치에서 많은 양의 그래핀을 제조하는 것은 저가 대량 생산 공정에서 매우 중요한 요소이다. 따라서 그래핀의 단일 배치 생산량을 높이기 위하여 우선 금속 전극과 흑연 전극의 면적을 확대하는 것이 필요하나, 흑연 전극의 사이즈가 커지면 박리 공정의 시간이 길어지고, 장시간의 전기 화학 반응으로 전기 산화가 발생 가능성이 커짐에 따라 공정성과 생산된 그래핀의 품질이 떨어지게 된다.In general, the amount of graphene (exfoliated graphite) produced through an electrochemical exfoliation process of a pair of a metal electrode (counter electrode) and a graphite electrode (working electrode) is inevitably limited, and the amount of graphene produced in several batches is limited. Since it is difficult to uniformly control the quality, manufacturing a large amount of graphene in one electrochemical batch is a very important factor in a low-cost mass production process. Therefore, in order to increase the single batch production of graphene, it is necessary to first enlarge the area of the metal electrode and the graphite electrode. However, if the size of the graphite electrode increases, the time of the exfoliation process becomes longer, and electrochemical reaction for a long time may cause electrooxidation. As this size increases, the fairness and the quality of the produced graphene deteriorate.
이를 해결하기 위한 방법으로, 흑연 전극과 금속 전극의 개수를 늘린 멀티 전극 시스템이 제시되었다.As a method to solve this problem, a multi-electrode system in which the number of graphite electrodes and metal electrodes is increased has been proposed.
도 2는 기존의 멀티 전극 시스템을 도입한 그래핀 합성 장치의 구조를 나타낸 모식도이다.2 is a schematic diagram showing the structure of a graphene synthesis device incorporating a conventional multi-electrode system.
도 2를 참조하면, 기존의 그래핀 합성 장치(20)는 작동 전극인 흑연 전극(221, 222, 223)을 사이에 두고, 상대 전극인 금속 전극(211, 212, 213, 214)을 양면에 배치하고, 전해질(230)을 투입한 후, 전기를 걸어주어, 흑연 전극(221, 222, 223)의 양면에서 박리 현상을 발생시킨다. Referring to FIG. 2 , the conventional
즉, 기존의 그래핀 합성 장치(20)는 N개의 흑연 전극(221, 222, 223)을 사이에 두고, N+1개의 금속 전극(211, 212, 213, 214)을 포함한 것으로, 흑연 전극(221, 222, 223)의 양면에서 그래핀을 생산함으로써, 종래보다 시간 대비 생산량을 증가시킬 수 있었다.That is, the conventional
그럼에도 불구하고, 여전히 보다 빠른 속도로 더 많은 양의 그래핀을 합성하는 것에 대한 요구가 있었다.Nevertheless, there is still a need for synthesizing a larger amount of graphene at a faster rate.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀 합성 장치의 구조를 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram showing the structure of a graphene synthesis apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 그래핀 합성 장치(10)는 그래핀이 합성되는 공간을 정의하는 반응 챔버(100); 상기 반응 챔버(100) 내부에 배치되는 제1 상대 전극(111); 상기 반응 챔버(100) 내부에 상기 제1 상대 전극(111)에 대향하도록 배치되는 제2 상대 전극(112); 및 상기 제1 상대 전극(111)과 제2 상대 전극(112) 사이에 소정의 간격을 두고 배치된 N개(단, N은 2 이상의 정수)의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)을 포함하고, 상기 N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)은 서로 독립적으로, 제1 상대 전극(111)과 제2 상대 전극(112)에 각각 전기 화학적으로 연결되고, 상기 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125) 상에 그래핀이 합성된다.Referring to FIG. 1 , the
도 1에서는 N은 5인 경우가 나타났으나, 이에 한정되는 것이 아니며, N이 5 이상의 정수인 경우 또한 해당될 수 있다.In FIG. 1 , the case where N is 5 is shown, but the present invention is not limited thereto, and the case where N is an integer of 5 or more may also be applied.
즉, 도 1에 나타난 그래핀 합성 장치(10)는 도 2에 나타난 기존의 그래핀 합성 장치(20)와 비교하여, 작동 전극 개수를 늘리더라도, 상대 전극 개수의 변화 없이 상대 전극 개수를 2개로 유지하면서도, 양 쪽에 배치된 제1 상대 전극(111)과 제2 상대 전극(112) 사이에 배치된 N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)들의 제1 상대 전극(111)과 제2 상대 전극(112)에 대한 전기 화학적 연결을 통해, 전압 인가시 N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)들의 양면에 그래핀을 합성할 수 있다.That is, the
따라서, 동일한 크기의 장치 내 포함되는 작동 전극의 개수를 종래에 비해 늘림으로써, 동일한 양의 그래핀을 합성하는데 필요한 공정 공간을 줄일 수 있고, 생산량 및 생산 속도 또한 증가할 수 있다.Therefore, by increasing the number of working electrodes included in the device of the same size compared to the prior art, the process space required to synthesize the same amount of graphene can be reduced, and the production volume and production speed can also be increased.
예를 들어, 상기 제1 상대 전극(111)은 N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)에 각각 전기 화학적으로 연결되고, 상기 제2 상대 전극(112)은 N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)에 각각 전기 화학적으로 연결될 수 있다.For example, the
본 명세서 중 "전기 화학적으로 연결"은 예를 들어, 전기적 연결을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 상대 전극 및 제2 상대 전극은 음극일 수 있고, 상기 N개의 작동 전극은 양극일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 상대 전극 및 제2 상대 전극은 양극일 수 있고, 상기 N개의 작동 전극은 음극일 수 있다.In the present specification, "electrochemically connected" may mean, for example, electrical connection. For example, the first counter electrode and the second counter electrode may be negative electrodes, and the N working electrodes may be positive electrodes. For example, the first counter electrode and the second counter electrode may be positive electrodes, and the N working electrodes may be negative electrodes.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1 상대 전극(111) 및 상기 제2 상대 전극(112)에는 전기적 연결을 위한 단자가 배치될 수 있다.For example, as shown in FIG. 1 , terminals for electrical connection may be disposed on the
도 3a 내지 3d는 본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀 합성 장치 및 그래핀 합성 과정을 나타낸 사진이다.3A to 3D are photographs showing a graphene synthesis apparatus and a graphene synthesis process according to an embodiment of the present invention.
구체적으로, 도 3a는 그래핀 합성 반응 전 단계로, 반응 챔버 내에 전해질을 투입하고, 상기 전해질 내에 제1 상대 전극 및 제2 상대 전극을 서로 대향하도록 배치하고, 상기 제1 상대 전극과 제2 상대 전극 사이에 소정의 간격을 두고 N개의 작동 전극을 배치하고, 상기 N개의 작동 전극을 서로 독립적으로, 제1 상대 전극과 제2 상대 전극에 각각 전기 화학적으로 연결한 상태이다. 이어서, 상기 제1 상대 전극, 제2 상대 전극 및 N개의 작동 전극에 전압을 인가하여, 작동 전극 상에 그래핀을 합성하는 반응이 진행되는데, 도 3b 및 도 3c는 반응 중 단계이고, 도 3d는 그래핀 합성 반응 종료 단계이며, 도 3a 내지 3d는 반응 순서를 나타낸다.Specifically, Figure 3a is a step before the graphene synthesis reaction, an electrolyte is introduced into a reaction chamber, a first counter electrode and a second counter electrode are arranged to face each other in the electrolyte, and the first counter electrode and the second counter electrode The N working electrodes are disposed with a predetermined interval between the electrodes, and the N working electrodes are each independently electrochemically connected to the first counter electrode and the second counter electrode. Subsequently, a reaction of synthesizing graphene on the working electrode by applying a voltage to the first counter electrode, the second counter electrode, and the N working electrodes proceeds. FIGS. 3B and 3C are a stage during the reaction, and FIG. 3D is the end stage of the graphene synthesis reaction, and FIGS. 3A to 3D show the reaction sequence.
도 1과 함께 도 3a 내지 3d를 참조하면, 상기 제1 상대 전극(111)은 N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)에 각각 전기 화학적으로 연결되고, 상기 제2 상대 전극(112)은 N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)에 각각 전기 화학적으로 연결되는 것을 구체적으로 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 3A to 3D together with FIG. 1 , the
예를 들어, 상기 제1 상대 전극(111) 및 제2 상대 전극(112)은 서로 독립적으로, 금속 전극 또는 흑연 전극일 수 있다. For example, the
예를 들어, 상기 금속 전극은 스테인리스 스틸, 니켈, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.For example, the metal electrode may include stainless steel, nickel, or a combination thereof.
예를 들어, 상기 흑연 전극은 서로 독립적으로, 하드카본, 소프트카본, 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 흑연화 메조카본마이크로비드, 석유코크스, 수지소성체, 탄소섬유, 열분해 탄소, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.For example, the graphite electrode may be independently of each other, hard carbon, soft carbon, artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fiber, graphitized mesocarbon microbead, petroleum coke, plastic resin, carbon fiber, pyrolytic carbon, or combinations thereof may be included.
예를 들어, 상기 제1 상대 전극(111) 및 제2 상대 전극(112)은 금속 전극일 수 있다.For example, the
예를 들어, 상기 제1 상대 전극(111) 및 제2 상대 전극(112)은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.For example, the
예를 들어, 상기 N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)은 흑연 전극일 수 있다.For example, the
예를 들어, 상기 N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)은 서로 독립적으로, 하드카본, 소프트카본, 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 흑연화 메조카본마이크로비드, 석유코크스, 수지소성체, 탄소섬유, 열분해 탄소, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.For example, the
예를 들어, 상기 N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.For example, the
전술한 바와 같이, 그래핀의 단일 배치 생산량을 높이기 위하여 금속 전극과 흑연 전극의 면적을 확대하는 것이 필요하므로, 상기 제1 상대 전극(111), 제2 상대 전극(112), 및 N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)이 시트, 호일, 또는 판상의 형태일 수 있다.As described above, since it is necessary to enlarge the areas of the metal electrode and the graphite electrode in order to increase the production amount of graphene in a single batch, the
상기 그래핀 합성 장치(10)는 반응 챔버(100) 내부에 전해질(130)을 더 포함할 수 있다.The
상기 전해질(130)은 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 음이온계 전해질, 양이온계 전해질, 이온 액체(ionic liquids), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The
예를 들어, 상기 음이온계 전해질은 황산염(SO4 2-), 질산염(NO3 -), 인산염(PO4 3-), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.For example, the anionic electrolyte may include sulfate (SO 4 2- ), nitrate (NO 3 - ), phosphate (PO 4 3- ), or a combination thereof.
예를 들어, 상기 황산염은 황산암모늄((NH4)2SO4), 황산칼륨(K2SO4) 및 황산나트륨(Na2SO4) 중 선택된 하나 이상일 수 있다.For example, the sulfate may be one or more selected from ammonium sulfate ((NH 4 ) 2 SO 4 ), potassium sulfate (K 2 SO 4 ), and sodium sulfate (Na 2 SO 4 ).
예를 들어, 상기 질산염은 질산암모늄((NH4)NO3), 질산칼륨(KNO3) 및 질산나트륨(NaNO3) 중 선택된 하나 이상일 수 있다.For example, the nitrate may be at least one selected from ammonium nitrate ((NH 4 )NO 3 ), potassium nitrate (KNO 3 ), and sodium nitrate (NaNO 3 ).
예를 들어, 상기 인산염은 인산암모늄((NH4)3PO4), 인산칼륨(K3PO4) 및 인산나트륨(Na3PO4) 중 선택된 하나 이상일 수 있다.For example, the phosphate salt may be at least one selected from ammonium phosphate ((NH 4 ) 3 PO 4 ), potassium phosphate (K 3 PO 4 ), and sodium phosphate (Na 3 PO 4 ).
예를 들어, 상기 양이온계 전해질은 금속 할라이드일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 할라이드는 Li+, Na+, K+ 등을 포함하는 할로겐염일 수 있고, 예를 들어, 상기 금속 할라이드는 LiCl일 수 있다.For example, the cationic electrolyte may be a metal halide. For example, the metal halide may be a halogen salt including Li + , Na + , K + , and the like, for example, the metal halide may be LiCl.
예를 들어, 상기 이온 액체는 음이온계 이온 액체, 양이온계 이온 액체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 양이온계 이온 액체는 암모늄계 이온 액체, 이미다졸륨계 이온 액체, 피롤리디늄계 이온 액체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.For example, the ionic liquid may include an anionic ionic liquid, a cationic ionic liquid, or a combination thereof. For example, the cationic ionic liquid may include an ammonium-based ionic liquid, an imidazolium-based ionic liquid, a pyrrolidinium-based ionic liquid, or a combination thereof.
본 발명의 다른 일 측면은 반응 챔버(100) 내에 전해질(130)을 투입하는 단계; 상기 전해질(130) 내에 제1 상대 전극(111) 및 제2 상대 전극(112)을 서로 대향하도록 배치하는 단계; 상기 제1 상대 전극(111)과 제2 상대 전극(112) 사이에 소정의 간격을 두고 N개(단, N은 2 이상의 정수)의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)을 배치하는 단계; 상기 N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)을 서로 독립적으로, 제1 상대 전극(111)과 제2 상대 전극(112)에 각각 전기 화학적으로 연결하는 단계; 및 상기 제1 상대 전극(111), 제2 상대 전극(112) 및 N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125)에 전압을 인가하여, 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125) 상에 그래핀을 합성하는 단계;를 포함하는, 그래핀 합성 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention includes the steps of introducing the
상기 제1 상대 전극(111), 제2 상대 전극(112), N개의 작동 전극(121, 122, 123, 124, 125), 및 전해질(130) 등에 대한 설명은 상술한 바를 참조한다.The descriptions of the
예를 들어, 상기 전압을 인가하여, 0.1 내지 5A의 직류(direct current)가 흐를 수 있다. 예를 들어, 상기 전압 인가 시, 정전류(constant current)를 사용하여, 전압 값은 전류에 따라 달라질 수 있다.For example, by applying the voltage, a direct current of 0.1 to 5A may flow. For example, when the voltage is applied, the voltage value may vary according to the current by using a constant current.
이하에서, 실시예를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성 장치의 효과를 설명한다.Hereinafter, the effect of the graphene synthesizing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described through examples.
실시예Example
실시예 1Example 1
작동 전극(working electrode)으로 흑연 전극을 2개, 상대 전극(counter electrode)으로 스테인리스 스틸 전극을 2개를 사용하여, 2개의 상대 전극 사이에 작동 전극을 배치한 후 전해질은 0.1M (NH4)2SO4를 사용하였다. 각각의 전극을 전해질에 담그고 전극 간 거리는 2.5cm로 유지한 상태로 흑연 전극에 0.5A의 정전류를 2시간 동안 가하여 흑연을 박리한 후 진공 여과 장치를 이용하여 필터 및 세척하였다. 이 결과, 총 4개의 전극을 통해, 2.1 g의 박리 흑연을 얻을 수 있었다.Using two graphite electrodes as working electrodes and two stainless steel electrodes as counter electrodes, placing the working electrodes between the two counter electrodes, the electrolyte was 0.1M (NH 4 ) 2 SO 4 was used. Each electrode was immersed in the electrolyte, and a constant current of 0.5A was applied to the graphite electrode for 2 hours while the distance between the electrodes was maintained at 2.5 cm to peel the graphite, followed by filtering and washing using a vacuum filtration device. As a result, 2.1 g of exfoliated graphite was obtained through a total of four electrodes.
실시예 2Example 2
작동 전극으로 흑연 전극을 3개, 상대 전극으로 스테인리스 스틸 전극을 2개를 사용하여, 2개의 상대 전극 사이에 작동 전극을 배치한 후 전해질은 0.1M (NH4)2SO4를 사용하였다. 각각의 전극을 전해질에 담그고 전극 간 거리는 2.5cm로 유지한 상태로 흑연 전극에 0.5A의 정전류를 2시간 동안 가하여 흑연을 박리한 후 진공 여과 장치를 이용하여 필터 및 세척하였다. 이 결과, 총 5개의 전극을 통해, 3.1 g의 박리 흑연을 얻을 수 있었다.Three graphite electrodes were used as working electrodes, and two stainless steel electrodes were used as counter electrodes, and after disposing the working electrode between the two counter electrodes, 0.1M (NH 4 ) 2 SO 4 was used as the electrolyte. Each electrode was immersed in the electrolyte, and a constant current of 0.5A was applied to the graphite electrode for 2 hours while the distance between the electrodes was maintained at 2.5 cm to peel the graphite, followed by filtering and washing using a vacuum filtration device. As a result, 3.1 g of exfoliated graphite was obtained through a total of 5 electrodes.
실시예 3Example 3
작동 전극으로 흑연 전극을 4개, 상대 전극으로 스테인리스 스틸 전극을 2개를 사용하여, 2개의 상대 전극 사이에 작동 전극을 배치한 후 전해질은 0.1M (NH4)2SO4를 사용하였다. 각각의 전극을 전해질에 담그고 전극 간 거리는 2.5cm로 유지한 상태로 흑연 전극에 0.5A의 정전류를 2시간 동안 가하여 흑연을 박리한 후 진공 여과 장치를 이용하여 필터 및 세척하였다. 이 결과, 총 6개의 전극을 통해, 4.2 g의 박리 흑연을 얻을 수 있었다.Four graphite electrodes were used as working electrodes and two stainless steel electrodes were used as counter electrodes, and after disposing the working electrode between the two counter electrodes, 0.1M (NH 4 ) 2 SO 4 was used as the electrolyte. Each electrode was immersed in the electrolyte, and a constant current of 0.5A was applied to the graphite electrode for 2 hours while the distance between the electrodes was maintained at 2.5 cm to peel the graphite, followed by filtering and washing using a vacuum filtration device. As a result, 4.2 g of exfoliated graphite was obtained through a total of 6 electrodes.
실시예 4Example 4
작동 전극으로 흑연 전극을 5개, 상대 전극으로 스테인리스 스틸 전극을 2개를 사용하여, 2개의 상대 전극 사이에 작동 전극을 배치한 후 전해질은 0.1M (NH4)2SO4를 사용하였다. 각각의 전극을 전해질에 담그고 전극 간 거리는 2.5cm로 유지한 상태로 흑연 전극에 0.5A의 정전류를 2시간 동안 가하여 흑연을 박리한 후 진공 여과 장치를 이용하여 필터 및 세척하였다. 이 결과, 총 7개의 전극을 통해, 5.2 g의 박리 흑연을 얻을 수 있었다.Five graphite electrodes were used as working electrodes, and two stainless steel electrodes were used as counter electrodes, and after disposing the working electrodes between the two counter electrodes, 0.1M (NH 4 ) 2 SO 4 was used as the electrolyte. Each electrode was immersed in the electrolyte, and a constant current of 0.5A was applied to the graphite electrode for 2 hours while the distance between the electrodes was maintained at 2.5 cm to peel the graphite, followed by filtering and washing using a vacuum filtration device. As a result, 5.2 g of exfoliated graphite was obtained through a total of 7 electrodes.
비교예 1Comparative Example 1
작동 전극으로 흑연 전극을 2개, 상대 전극으로 스테인리스 스틸 전극을 3개를 사용하여, 3개의 상대 전극과 2개의 작동 전극을 서로 번갈아가며 배치한 후 전해질은 0.1M (NH4)2SO4를 사용하였다. 각각의 전극을 전해질에 담그고 전극 간 거리는 2.5cm로 유지한 상태로 흑연 전극에 0.5A의 정전류를 2시간 동안 가하여 흑연을 박리한 후 진공 여과 장치를 이용하여 필터 및 세척하였다. 이 결과, 총 5개의 전극을 통해, 2.0 g의 박리 흑연을 얻을 수 있었다.Using two graphite electrodes as working electrodes and three stainless steel electrodes as counter electrodes, three counter electrodes and two working electrodes were alternately arranged, and the electrolyte was 0.1M (NH 4 ) 2 SO 4 . was used. Each electrode was immersed in the electrolyte, and a constant current of 0.5A was applied to the graphite electrode for 2 hours while the distance between the electrodes was maintained at 2.5 cm to peel the graphite, followed by filtering and washing using a vacuum filtration device. As a result, through a total of five electrodes, 2.0 g of exfoliated graphite was obtained.
비교예 2Comparative Example 2
작동 전극으로 흑연 전극을 3개, 상대 전극으로 스테인리스 스틸 전극을 4개를 사용하여, 4개의 상대 전극과 3개의 작동 전극을 서로 번갈아가며 배치한 후 전해질은 0.1M (NH4)2SO4를 사용하였다. 각각의 전극을 전해질에 담그고 전극 간 거리는 2.5cm로 유지한 상태로 흑연 전극에 0.5A의 정전류를 2시간 동안 가하여 흑연을 박리한 후 진공 여과 장치를 이용하여 필터 및 세척하였다. 이 결과, 총 7개의 전극을 통해, 2.9 g의 박리 흑연을 얻을 수 있었다.Using 3 graphite electrodes as working electrodes and 4 stainless steel electrodes as counter electrodes, 4 counter electrodes and 3 working electrodes were alternately arranged, and the electrolyte was 0.1M (NH 4 ) 2 SO 4 . was used. Each electrode was immersed in the electrolyte, and a constant current of 0.5A was applied to the graphite electrode for 2 hours while the distance between the electrodes was maintained at 2.5 cm to peel the graphite, followed by filtering and washing using a vacuum filtration device. As a result, 2.9 g of exfoliated graphite was obtained through a total of 7 electrodes.
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에서 사용된 전극의 개수와 얻어진 박리 흑연의 양을 비교하여, 하기 표 1에 나타내었다.The number of electrodes used in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 and the amount of exfoliated graphite obtained were compared and shown in Table 1 below.
(작동 전극 수)number of electrodes
(Number of working electrodes)
(작동 전극 수)number of electrodes
(Number of working electrodes)
상기 표 1을 참조하면, 동일한 전극 개수를 사용한 실시예 2와 비교예 1, 그리고 실시예 3과 비교예 2를 비교했을 때, 각각 실시예 2 및 실시예 3에서 얻어진 박리 흑연의 양이 현저히 많음을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, when Example 2 and Comparative Example 1, and Example 3 and Comparative Example 2 using the same number of electrodes were compared, the amount of exfoliated graphite obtained in Examples 2 and 3, respectively, was significantly higher can confirm.
뿐만 아니라, 비교예 1보다 전극의 개수가 더 적은 실시예 1은 박리 흑연의 양이 비교예 1보다 더 많았고, 비교예 2보다 전극의 개수가 더 적은 실시예 2 및 3 또한 박리 흑연의 양이 비교예 2보다 더 많았다.In addition, in Example 1, in which the number of electrodes was smaller than in Comparative Example 1, the amount of exfoliated graphite was greater than in Comparative Example 1, and Examples 2 and 3, in which the number of electrodes were smaller than in Comparative Example 2, also showed the amount of exfoliated graphite more than in Comparative Example 2.
나아가, 작동 전극 수가 동일한 실시예 1과 비교예 1, 그리고 실시예 2와 비교예 2를 비교하더라도, 총 전극의 수가 더 적은 실시예 1 및 실시예 2에서 얻어진 박리 흑연의 양이 더 많음을 확인할 수 있다.Furthermore, even when comparing Example 1 and Comparative Example 1 with the same number of working electrodes, and Example 2 and Comparative Example 2, it was confirmed that the amount of exfoliated graphite obtained in Examples 1 and 2 with a smaller total number of electrodes was larger. can
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described with reference to limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical spirit of the present invention and the following by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It goes without saying that various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
Claims (9)
상기 반응 챔버 내부에 배치되는 제1 상대 전극;
상기 반응 챔버 내부에 상기 제1 상대 전극에 대향하도록 배치되는 제2 상대 전극; 및
상기 제1 상대 전극과 제2 상대 전극 사이에 소정의 간격을 두고 배치된 N개(단, N은 2 이상의 정수)의 작동 전극을 포함하고,
상기 제1 상대 전극은 상기 N개의 작동 전극에 각각 전기 화학적으로 연결되고,
상기 제2 상대 전극은 상기 N개의 작동 전극에 각각 전기 화학적으로 연결되고, 상기 작동 전극 상에 그래핀이 합성되는, 그래핀 합성 장치.a reaction chamber defining a space in which graphene is synthesized;
a first counter electrode disposed inside the reaction chamber;
a second counter electrode disposed inside the reaction chamber to face the first counter electrode; and
including N working electrodes (wherein N is an integer of 2 or more) disposed with a predetermined interval between the first counter electrode and the second counter electrode;
the first counter electrode is electrochemically connected to each of the N working electrodes;
The second counter electrode is electrochemically connected to each of the N working electrodes, and graphene is synthesized on the working electrode.
상기 제1 상대 전극 및 제2 상대 전극은 서로 독립적으로, 금속 전극 또는 흑연 전극인, 그래핀 합성 장치.According to claim 1,
The first counter electrode and the second counter electrode are, independently of each other, a metal electrode or a graphite electrode, a graphene synthesis device.
상기 N개의 작동 전극은 흑연 전극인, 그래핀 합성 장치.According to claim 1,
The N working electrodes are graphite electrodes, graphene synthesis device.
상기 제1 상대 전극, 제2 상대 전극, 및 N개의 작동 전극은 서로 독립적으로, 시트(sheet), 호일(foil) 또는 판상(plate) 형태인, 그래핀 합성 장치.According to claim 1,
The first counter electrode, the second counter electrode, and the N working electrodes are, independently of each other, in the form of a sheet, a foil or a plate, graphene synthesis apparatus.
상기 반응 챔버 내부에 전해질을 더 포함하는, 그래핀 합성 장치.According to claim 1,
Further comprising an electrolyte inside the reaction chamber, graphene synthesis device.
상기 전해질은 황산염(SO4 2-), 질산염(NO3 -), 인산염(PO4 3-), 금속 할라이드, 이온 액체(ionic liquids), 또는 이들의 조합을 포함하는, 그래핀 합성 장치.7. The method of claim 6,
The electrolyte is sulfate (SO 4 2- ), nitrate (NO 3 - ), phosphate (PO 4 3- ), metal halide, ionic liquids (ionic liquids), or a combination thereof, graphene synthesis device comprising.
상기 전해질 내에 제1 상대 전극 및 제2 상대 전극을 서로 대향하도록 배치하는 단계;
상기 제1 상대 전극과 제2 상대 전극 사이에 소정의 간격을 두고 N개(단, N은 2 이상의 정수)의 작동 전극을 배치하는 단계;
상기 제1 상대 전극을 상기 N개의 작동 전극에 각각 전기 화학적으로 연결하고, 상기 제2 상대 전극을 상기 N개의 작동 전극에 각각 전기 화학적으로 연결하는 단계; 및
상기 제1 상대 전극, 제2 상대 전극 및 N개의 작동 전극에 전압을 인가하여, 작동 전극 상에 그래핀을 합성하는 단계;를 포함하는, 그래핀 합성 방법.introducing an electrolyte into the reaction chamber;
disposing a first counter electrode and a second counter electrode to face each other in the electrolyte;
disposing N working electrodes (wherein N is an integer of 2 or more) with a predetermined interval between the first counter electrode and the second counter electrode;
electrochemically connecting the first counter electrode to each of the N working electrodes and electrochemically connecting the second counter electrode to each of the N working electrodes; and
synthesizing graphene on the working electrode by applying a voltage to the first counter electrode, the second counter electrode, and the N working electrodes.
상기 전압을 인가하여, 0.1 내지 5A의 직류(direct current)가 흐르는, 그래핀 합성 방법.9. The method of claim 8,
By applying the voltage, a direct current of 0.1 to 5A flows, graphene synthesis method.
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