KR102375865B1 - Metal organic frameworks comprising nikel, and Preparation method thereof, Electrode and Energy storage device comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 지지체 상에 성장된, 니켈을 포함하는 금속-유기 골격체로서, 계면활성제를 이용하여 제조된 것이며, 황화니켈을 포함하고, 표면에 탄소 껍질이 형성된 것을 특징으로 하는, 금속-유기 골격체 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 금속-유기 골격체 전극 및 에너지 저장 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 금속-유기 골격체는 전기 전도도 및 비전기용량의 향상뿐만 아니라 장시간 충-방전하여도 안정성을 유지할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.The present invention is a metal-organic framework grown on a support, containing nickel, prepared using a surfactant, containing nickel sulfide, and characterized in that a carbon shell is formed on the surface, a metal-organic framework It relates to a framework and a method for manufacturing the same, to a metal-organic framework electrode and an energy storage device including the same. The metal-organic framework according to the present invention can exhibit the effect of not only improving electrical conductivity and specific electric capacity, but also maintaining stability even after long-time charge-discharge.

Description

니켈을 포함하는 금속-유기 골격체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전극 및 에너지 저장 장치{Metal organic frameworks comprising nikel, and Preparation method thereof, Electrode and Energy storage device comprising the same}A metal-organic framework comprising nickel, a method for manufacturing the same, and an electrode and an energy storage device including the same

본 발명은 니켈을 포함하는 금속-유기 골격체 및 이의 제조방법, 그리고 이를 포함하는 전극 및 고용량·고출력을 나타내는 에너지 저장장치에 대한 것이다.The present invention relates to a metal-organic framework containing nickel, a method for manufacturing the same, an electrode including the same, and an energy storage device having high capacity and high output.

가속되는 지구 온난화와 에너지 자원 고갈로 인하여, 에너지 저장 장치에 대한 필요성이 점점 증가하고 있다. 여러 에너지 저장 장치 중에서, 슈퍼 커패시터는 빠른 충-방전 특징, 기존 커패시터보다 높은 에너지 밀도 및 배터리보다 높은 출력 밀도, 낮은 유지 비용, 넓은 작동 온도 범위 등의 다양한 이유로 최근 활발히 연구되고 있는 추세이다. Due to accelerating global warming and depletion of energy resources, the need for energy storage devices is increasing. Among various energy storage devices, supercapacitors are being actively studied for various reasons such as fast charge-discharge characteristics, higher energy density than conventional capacitors and higher power density than batteries, lower maintenance cost, and wide operating temperature range.

슈퍼커패시터는 전기 이중 층 커패시터와 유사 커패시터로 크게 나뉘는데, 유사 커패시터가 전기 이중층 커패시터보다 비전기용량 (specific capacitance) 및 에너지 밀도 (energy density)가 상대적으로 높다는 장점이 있으며, 유사 커패시터와 관련하여, 전극을 구성하는 물질로 전이 금속 산화물, 전도성 고분자 등이 자주 보고되어왔으나, 최근에는 금속-유기 골격체를 활용한 연구가 주목받고 있다.Supercapacitors are largely divided into electric double-layer capacitors and pseudo-capacitors. The pseudo-capacitor has the advantage of having relatively higher specific capacitance and energy density than the electric double-layer capacitor. Transition metal oxides, conductive polymers, etc. have been frequently reported as materials constituting these materials, but recently, studies using metal-organic frameworks are attracting attention.

금속-유기 골격체(MOF)는 금속과 유기 연결체(혹은 유기 리간드)가 유기적, 규칙적으로 연결되어 있는 골격 구조체로써, 비표면적이 넓고 다공성이며 기공 크기의 조절이 용이하다는 특징을 가진다. A metal-organic framework (MOF) is a framework structure in which a metal and an organic linkage (or organic ligand) are organically and regularly connected, and has a large specific surface area, porosity, and easy control of pore size.

한편, 전이금속 중 하나인 니켈은 3000 F/g 이상의 높은 이론적인 커패시턴스 (capacitance, 혹은 전기 용량) 를 가지고, 니켈-카드뮴 전지 등 2차 전지로 활용될 만큼 전기 화학적 특성이 매우 우수한 특징을 가지고 있다. 이에, 많은 연구진들이 이를 기반으로 한 금속-유기 골격체에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다.On the other hand, nickel, one of the transition metals, has a high theoretical capacitance (capacitance, or electric capacity) of 3000 F/g or more, and has excellent electrochemical properties enough to be used as secondary batteries such as nickel-cadmium batteries. . Accordingly, many researchers are actively conducting research on metal-organic frameworks based on this.

하지만, 현재 개발된 니켈 기반의 금속-유기 골격체는 충분한 전기전도도를 제공하지 못하고 장시간 충-방전 시 불안정하여 유사 커패시터의 전극 소재로 사용하기에는 아직 제한이 있었다. However, the currently developed nickel-based metal-organic framework does not provide sufficient electrical conductivity and is unstable during charging and discharging for a long time, so there is still a limit to its use as an electrode material for similar capacitors.

따라서, 상기 문제를 해결하기 위해 전기전도도를 향상시키면서 장시간 충-방전하여도 안정적인 니켈 기반의 금속-유기 골격체에 대한 연구가 필요한 실정이다. Therefore, in order to solve the above problem, there is a need for research on a nickel-based metal-organic framework that is stable even after charging and discharging for a long time while improving electrical conductivity.

본 발명의 목적은 금속-유기 골격체의 전기 전도도 및 비전기용량를 개선시키며, 장시간 충-방전에도 안정성을 유지할 수 있는 금속-유기 골격체 및 이의 제조 방법을 제공하고, 이를 포함하는 금속-유기 골격체 전극 및 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a metal-organic framework capable of improving electrical conductivity and specific electric capacity of a metal-organic framework and maintaining stability even during long-time charge-discharge, and a method for manufacturing the same, and a metal-organic framework comprising the same To provide a sieve electrode and an energy storage device.

본 발명은, The present invention is

지지체 상에 성장된, 니켈을 포함하는 금속-유기 골격체로서, A metal-organic framework comprising nickel, grown on a support, comprising:

계면활성제를 이용하여 제조된 것이며,It is prepared using a surfactant,

황화니켈을 포함하고, 표면에 탄소 껍질이 형성된 것을 특징으로 하는, 금속-유기 골격체를 제공한다.Provided is a metal-organic framework comprising nickel sulfide, characterized in that a carbon shell is formed on the surface.

또한, 본 발명은, 니켈 전구체, 유기 리간드 전구체 및 계면활성제를 포함하는 수용액과 지지체를 수열 반응시켜 금속-유기 골격체를 제조하는 제1단계; 및 제조된 금속-유기 골격체를 비활성 기체 분위기에서 250℃ 내지 500℃ 의 온도에서 0.5 내지 3시간동안 황화 소성하는 제2단계를 포함하는, 금속-유기 골격체의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a first step of preparing a metal-organic framework by hydrothermal reaction of an aqueous solution containing a nickel precursor, an organic ligand precursor, and a surfactant and a support; and a second step of sulfiding calcining the prepared metal-organic framework in an inert gas atmosphere at a temperature of 250° C. to 500° C. for 0.5 to 3 hours.

본 발명에 따른 금속-유기 골격체는 계면활성제를 사용하고 고온의 황화 소성 공정을 거친 제조 방법을 통해, 황화니켈 및 탄소껍질을 포함함으로써, 전기 전도도 및 비전기용량의 향상뿐만 아니라 장시간 충-방전하여도 안정성을 유지할 수 있다.The metal-organic framework according to the present invention includes nickel sulfide and carbon shell through a manufacturing method that uses a surfactant and undergoes a high-temperature sulfide firing process, thereby improving electrical conductivity and specific electric capacity as well as long-term charge-discharge Even so, stability can be maintained.

또한, 본 발명에 따른 금속-유기 골격체는 지지체 상에 인-시츄(in-situ) 로 성장시키는 방법을 통해, 전도성 물질이나 결합제의 사용을 피하여 비용 절감, 공정의 단순화 및 결합제의 저항으로 인한 성능 저하를 막을 수 있다.In addition, the metal-organic framework according to the present invention can be grown in-situ on a support, avoiding the use of conductive materials or binders to reduce costs, simplify the process, and reduce the resistance of the binder. performance degradation can be prevented.

도 1은 본 발명에 따른 금속-유기 골격체를 제조하는 과정을 나타낸 모식도(도 1 의 (a) 및 (c))와 비교예 1 및 실시예 1 및 2에 따라 제조된 금속-유기 골격체를 포함하는 전극 사진(도 1 의 (b))이다.
도 2 및 도 3은 비교예 1 및 실시예 1 및 2에 따라 제조된 금속-유기 골격체를 FE-SEM으로 촬영한 이미지이다.
도 4는 비교예 1 및 실시예 1 및 2에 따라 제조된 금속-유기 골격체를 HR-TEM 으로 촬영한 이미지이다.
도 5는 비교예 1 및 실시예 1 및 2에 따라 제조된 금속-유기 골격체를 FT-IR으로 분석한 결과이다.
도 6은 비교예 1 및 실시예 1 및 2에 따라 제조된 금속-유기 골격체를 X선 광전자 분광분석(XPS)으로 분석한 결과이다.
도 7은 비교예 1 및 실시예 1 및 2에 따라 제조된 금속-유기 골격체를 대상으로 전기화학 특성을 측정한 결과이다.
1 is a schematic view showing a process for preparing a metal-organic framework according to the present invention (FIG. 1 (a) and (c)) and a metal-organic framework prepared according to Comparative Examples 1 and 1 and 2 It is an electrode photograph (FIG. 1 (b)) including.
2 and 3 are images taken by FE-SEM of the metal-organic frameworks prepared according to Comparative Example 1 and Examples 1 and 2;
4 is an image taken by HR-TEM of the metal-organic frameworks prepared according to Comparative Example 1 and Examples 1 and 2;
5 is a result of FT-IR analysis of the metal-organic frameworks prepared according to Comparative Example 1 and Examples 1 and 2;
6 is a result of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of the metal-organic frameworks prepared according to Comparative Example 1 and Examples 1 and 2;
7 is a result of measuring the electrochemical properties of the metal-organic frameworks prepared according to Comparative Example 1 and Examples 1 and 2;

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and will be described in detail in the detailed description.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명의 제 1 양태로, 본 발명은 지지체 상에 성장된, 니켈을 포함하는 금속-유기 골격체로서, 계면활성제를 이용하여 제조된 것이며, 황화니켈을 포함하고, 표면에 탄소 껍질이 형성된 것을 특징으로 하는, 금속-유기 골격체에 관한 것이다.In a first aspect of the present invention, the present invention is a metal-organic framework including nickel grown on a support, prepared using a surfactant, containing nickel sulfide, and having a carbon shell formed on the surface characterized, to a metal-organic framework.

본 발명에서 언급되는 "금속-유기 골격체(metal-organic framework)"는 금속에 유기 리간드가 공유 및 배위 결합되어 있으며, 소정 크기의 기공(pore)이 형성되어 있는 구조체를 의미한다.The "metal-organic framework" referred to in the present invention refers to a structure in which an organic ligand is covalently and coordinately bonded to a metal, and pores of a predetermined size are formed.

상기 황화니켈은 본 발명의 금속-유기 골격체 제조시 황화 소성 반응을 통해 금속-유기 골격체에 포함되어 있는 유기 리간드의 탄소가 황으로 치환되어 형성될 수 있다.The nickel sulfide may be formed by substituting sulfur for carbon of an organic ligand included in the metal-organic framework through a sulfide calcination reaction when manufacturing the metal-organic framework of the present invention.

상기 유기 리간드는 이 분야에서 통상적으로 사용되는 유기 리간드이면 제한 없이 사용할 수 있으며, 구체적으로는 테레프탈산, 트라이메스산 (1,3,5-Benzenetricarboxylic acid), 2-메틸이미다졸, 다브코 (1,4-diazabicyclo[2.2.2]-octane, DABCO) 또는 헥사메틸렌테트라아민 (HMT) 일 수 있다.The organic ligand may be used without limitation as long as it is an organic ligand commonly used in this field, and specifically, terephthalic acid, trimesic acid (1,3,5-Benzenetricarboxylic acid), 2-methylimidazole, Dabco (1 ,4-diazabicyclo[2.2.2]-octane, DABCO) or hexamethylenetetraamine (HMT).

상기 지지체는 니켈 폼, 코발트 폼, 구리 폼, 카본 클로스 (carbon cloth), 또는 탄소 섬유 종이 (carbon fiber paper) 일 수 있으며, 구체적으로 니켈 폼일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The support may be nickel foam, cobalt foam, copper foam, carbon cloth, or carbon fiber paper, and specifically may be nickel foam, but is not limited thereto.

본 발명에 따른 금속-유기 골격체는 인-시츄(in-situ) 방법을 통해 지지체 상에 바로 성장될 수 있다.The metal-organic framework according to the present invention can be directly grown on a support through an in-situ method.

상기 탄소 껍질은 비정질일 수 있으며, 금속-유기 골격체에 포함된 유기 리간드에 의해 생성될 수 있다. 하나의 예로, 본 발명에 따른 금속-유기 골격체의 제조 시, 황화 소성 공정으로 황화니켈을 형성하는 과정에서, 금속-유기 골격체의 유기 리간드 내에 있던 탄소가 껍질 형태로 금속-유기 골격체의 표면에 형성된 것일 수 있다.The carbon shell may be amorphous, and may be generated by an organic ligand included in the metal-organic framework. As an example, in the preparation of the metal-organic framework according to the present invention, in the process of forming nickel sulfide through the sulfide calcination process, carbon in the organic ligand of the metal-organic framework forms a shell of the metal-organic framework. It may be formed on the surface.

이러한 탄소 껍질은 전기 전도도가 낮은 금속-유기 골격체의 단점을 극복 시킬 뿐 아니라, 장시간 충-방전 시 발생 하는 부가적인 부피 증가 현상(swelling effect)을 억제 시켜 전극 안정성을 향상시킬 수 있다.This carbon shell not only overcomes the disadvantages of the metal-organic framework with low electrical conductivity, but also suppresses the swelling effect that occurs during long-time charge-discharge, thereby improving electrode stability.

본 발명의 금속-유기 골격체는 계면활성제를 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 금속-유기 골격체를 제조하는 과정에서 계면활성제를 금속-유기 골격체의 전구체들과 함께 혼합한 후 용매에 용해시키거나, 용매에 전구체들을 먼저 용해시킨 후 연속적으로 첨가할 수 있다.상기 계면활성제는 요소, 폴리바이닐 알코올, 폴리비닐피롤리돈 및 플루로닉 P123으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.The metal-organic framework of the present invention can be prepared using a surfactant. For example, in the process of preparing the metal-organic framework, a surfactant may be mixed with the precursors of the metal-organic framework and then dissolved in a solvent, or the precursors may be first dissolved in the solvent and then added continuously. .The surfactant may be at least one selected from the group consisting of urea, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, and pluronic P123.

상기 계면활성제는 금속-유기 골격체의 반응 메커니즘은 변화시키지 않으면서, 금속-유기 골격체의 형성 과정에서 핵 형성 및 성장 과정에 영향을 미쳐 형태학적 변화를 이끌 수 있고, 이에 따라 커패시턴스 향상, 장시간 충-방전에도 안정성의 유지 등과 같은 효과를 나타낼 수 있다.The surfactant may lead to a morphological change by influencing the nucleation and growth process during the formation of the metal-organic framework, without changing the reaction mechanism of the metal-organic framework, thus improving capacitance, long-term It can exhibit effects such as maintaining stability even during charge-discharge.

본 발명의 하나의 예로서, 본 발명의 금속-유기 골격체의 두께는 600nm 내지 700nm일 수 있다. 계면활성제를 이용하지 않은 금속-유기 골격체는 200 내지 400 nm 의 두께를 가진다는 점에서 제조 과정에서 첨가된 계면활성제에 의해 두께가 증가한다.As an example of the present invention, the thickness of the metal-organic framework of the present invention may be 600 nm to 700 nm. In that the metal-organic framework without using a surfactant has a thickness of 200 to 400 nm, the thickness is increased by the surfactant added during the manufacturing process.

본 발명의 하나의 예로서, 금속-유기 골격체는 나노 시트가 다층으로 형성된 구조일 수 있으며, 구체적으로 나노 시트가 다층으로 형성된 라멜라(lamellar) 구조일 수 있다. 상기와 같은 구조는 가짐으로써 금속-유기 골격체는 넓은 표면적을 가질 수 있다.As an example of the present invention, the metal-organic framework may have a structure in which nanosheets are formed in multiple layers, and specifically, may have a lamellar structure in which nanosheets are formed in multiple layers. By having the above structure, the metal-organic framework may have a large surface area.

본 발명의 제 2 양태로, 본 발명은, 니켈 전구체, 유기 리간드 전구체 및 계면활성제를 포함하는 수용액과 지지체를 수열 반응시켜 금속-유기 골격체를 제조하는 제1단계; 및 제조된 금속-유기 골격체를 비활성 기체 분위기에서 250℃ 내지 500℃ 의 온도에서 0.5 내지 3시간동안 황화 소성하는 제2단계를 포함하는 금속-유기 골격체의 제조 방법에 관한 것이다.In a second aspect of the present invention, the present invention provides a first step of preparing a metal-organic framework by hydrothermal reaction of an aqueous solution containing a nickel precursor, an organic ligand precursor, and a surfactant with a support; and a second step of sulfiding calcining the prepared metal-organic framework at a temperature of 250° C. to 500° C. for 0.5 to 3 hours in an inert gas atmosphere.

상기 니켈 전구체는 질산 니켈 수화물, 염화 니켈 수화물 또는 니켈 아세트산일 수 있으며, 예를 들어, 질산 니켈 수화물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The nickel precursor may be nickel nitrate hydrate, nickel chloride hydrate, or nickel acetic acid, for example, nickel nitrate hydrate, but is not limited thereto.

상기 유기 리간드 전구체는 테레프탈산, 트라이메스산 (1,3,5-Benzenetricarboxylic acid), 2-메틸이미다졸, 다브코 (1,4-diazabicyclo[2.2.2]-octane, DABCO) 또는 헥사메틸렌테트라아민 (HMT) 일 수 있으며, 구체적으로는 테레프탈산일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The organic ligand precursor is terephthalic acid, trimesic acid (1,3,5-Benzenetricarboxylic acid), 2-methylimidazole, Dabco (1,4-diazabicyclo[2.2.2]-octane, DABCO) or hexamethylenetetra It may be an amine (HMT), specifically terephthalic acid, but is not limited thereto.

상기 계면활성제는 요소(urea), 폴리바이닐 알코올(PVA), 폴리비닐피로리돈 (PVP), 또는 플루로닉 P123 (pluronic P123) 일 수 있으며, 구체적으로 요소 또는 폴리바이닐 알코올일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The surfactant may be urea, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylpyrrolidone (PVP), or pluronic P123, specifically urea or polyvinyl alcohol, but is limited thereto. it is not going to be

제 1 단계에서 니켈 전구체, 유기 리간드 전구체 및 계면활성제를 용해하기 위해 용매를 사용할 수 있으며, 상기 용매는 디메틸폼아마이드(DMF), 이소프로필알코올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 아세토니트릴, 메틸렌클로라이드, 클로로폼, 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 테트라히드로퓨란(THF), 증류수 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.A solvent may be used to dissolve the nickel precursor, the organic ligand precursor and the surfactant in the first step, the solvent being dimethylformamide (DMF), isopropyl alcohol, methanol, ethanol, butanol, acetonitrile, methylene chloride, chloro It may be any one selected from the group consisting of foam, toluene, benzene, acetone, tetrahydrofuran (THF), distilled water, and combinations thereof, but is not limited thereto.

제 1 단계의 하나의 예로, 금속 전구체와 유기 리간드 전구체를 용매에 용해시킨 후 계면활성제를 추가로 첨가하고 용해 및 교반시킨 다음, 제조된 용액과 지지체를 수열반응시킬 수 있다.As an example of the first step, after dissolving the metal precursor and the organic ligand precursor in a solvent, a surfactant may be further added, dissolved and stirred, and then the prepared solution and the support may be hydrothermally reacted.

제 1 단계에서 니켈 전구체 및 유기 리간드 외에 계면활성제를 추가로 첨가함으로써 금속-유기 골격체의 핵 형성과 성장 과정의 속도를 조절하거나 특정 결정면 방향의 성장을 유도 또는 저해하는 등의 효과를 통해 금속-유기 골격체가 다양한 형태를 나타낼 수 있다. 즉, 금속-유기 골격체의 크기 변화, 표면적 변화 또는 포어 크기 (pore size) 변화가 발생할 수 있고, 이는 슈퍼 커패시터 작동에 매우 중요한 전하 전달 (charge transfer)의 촉진, 전해질 이온의 침투 및 접근성 향상, 내부 저항 (internal resistance) 감소 등에 긍정적 영향을 미칠 수 있다.In the first step, by additionally adding a surfactant in addition to the nickel precursor and organic ligand, the metal-organic framework nucleation and the rate of growth process are controlled, or through effects such as inducing or inhibiting growth in a specific crystal plane direction, metal- The organic framework may exhibit various forms. That is, a change in the size of the metal-organic framework, a change in the surface area, or a change in the pore size may occur, which may promote charge transfer, which is very important for supercapacitor operation, improve the penetration and accessibility of electrolyte ions, It can have a positive effect, such as reducing internal resistance.

제 1 단계의 수열 반응은 100℃ 내지 180℃의 온도에서 18시간 이상 가열하여 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 수열 반응은 100℃ 내지 180℃, 100℃ 내지 150℃, 또는 110℃ 내지 140℃ 의 온도에서 18시간 내지 30시간, 20시간 내지 28시간 또는 20시간 내지 26시간 동안 가열하여 수행할 수 있다. The hydrothermal reaction of the first step may be performed by heating at a temperature of 100° C. to 180° C. for 18 hours or more. Specifically, the hydrothermal reaction may be performed by heating at a temperature of 100°C to 180°C, 100°C to 150°C, or 110°C to 140°C for 18 hours to 30 hours, 20 hours to 28 hours, or 20 hours to 26 hours. can

제 1 단계의 수열 반응을 통해 제조된 금속-유기 골격체는 나노 시트가 적층된 층상 구조를 나타낼 수 있다.The metal-organic framework prepared through the hydrothermal reaction of the first step may exhibit a layered structure in which nanosheets are stacked.

본 발명에 따른 금속-유기 골격체의 제조방법은 금속-유기 골격체를 제조한 후 비활성 기체 분위기에서 250℃ 내지 500℃의 온도로 0.5 내지 3시간 동안 황화 소성시키는 제2단계를 추가로 포함한다.The method for producing a metal-organic framework according to the present invention further comprises a second step of sulfidation firing for 0.5 to 3 hours at a temperature of 250°C to 500°C in an inert gas atmosphere after preparing the metal-organic framework. .

구체적으로, 상기 황화 소성시키는 단계는 질소 혹은 아르곤 분위기에서 250℃ 내지 450℃, 250℃ 내지 400℃, 300℃ 내지 380℃ 의 온도로 0.5시간 내지 3시간, 0.5시간 내지 2시간 또는 0.5시간 내지 1.5시간 동안 소성하여 수행할 수 있으며, 예를 들어, 질소 혹은 아르곤 분위기에서 350 ℃ 의 온도로 1시간 소성하여 수행할 수 있다.Specifically, the sulfiding calcination step is performed in a nitrogen or argon atmosphere at a temperature of 250°C to 450°C, 250°C to 400°C, 300°C to 380°C for 0.5 hours to 3 hours, 0.5 hours to 2 hours, or 0.5 hours to 1.5 hours. It can be carried out by calcining for a period of time, for example, it can be carried out by calcining at a temperature of 350 ℃ in nitrogen or argon atmosphere for 1 hour.

황화 소성시키는 제2단계는, 비활성 기체 분위기에서 황에 추가로 인 (phosphate), 또는 셀레늄 (selenium) 을 첨가하여 소성될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The second step of calcining sulfide may be calcined by adding phosphorus or selenium to sulfur in an inert gas atmosphere, but is not limited thereto.

황화 소성시키는 제2단계로, 본 발명은 금속-유기 골격체에 포함된 유기 리간드의 탄소가 황으로 치환되어 황화니켈을 형성할 수 있으며, 금속-유기 골격체의 표면에 탄소 껍질이 형성될 수 있다.As the second step of sulfidation calcination, the present invention is that carbon of an organic ligand included in the metal-organic framework may be substituted with sulfur to form nickel sulfide, and a carbon shell may be formed on the surface of the metal-organic framework. there is.

본 발명은, 제 1 단계 및 제 2 단계를 통해 지지체 상에 금속-유기 골격체를 바로 성장시키는 인 시츄(in-situ) 방법으로 전극 제조 공정을 단순화하여 비용을 절감할 수 있으며, 전도성 물질 및 결합제의 사용을 피하여 결합제의 저항으로 인한 성능 저하를 막을 수 있을 뿐만 아니라 전극 물질과 지지체 사이의 긴밀한 접촉으로 보다 원활한 전자 전달을 이끌어 전기전도도를 향상시킬 수 있다.The present invention can reduce costs by simplifying the electrode manufacturing process by an in-situ method of directly growing a metal-organic framework on a support through the first step and the second step, and the conductive material and By avoiding the use of a binder, performance degradation due to the resistance of the binder can be prevented, and electrical conductivity can be improved by inducing smoother electron transfer due to the close contact between the electrode material and the support.

또한, 본 발명은 상기 서술한 금속-유기 골격체와 지지체를 포함하는 금속-유기 골격체 전극을 제공하고, 이러한 전극을 포함하는 에너지 저장 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides a metal-organic framework electrode including the above-described metal-organic framework and a support, and provides an energy storage device including such an electrode.

구체적으로, 상기 에너지 저장 장치는 수소 생산 및 저장연료 전지, 리튬 이온 전지, 태양 전지 또는 슈퍼 커패시터일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 에너지 저장 장치는 슈퍼 커패시터일 수 있다.Specifically, the energy storage device may be a hydrogen production and storage fuel cell, a lithium ion cell, a solar cell, or a supercapacitor. More specifically, the energy storage device may be a supercapacitor.

하나의 예로서, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치는 상기 서술한 금속-유기 골격체 전극과 상대전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상대전극은 Pt/C, 또는 활성화된 탄소(Activated carbon)일 수 있다. 이때, 상대전극은 금속-유기 골격체 전극에 사용한 지지체와 동일한 지지체 상에 형성된 것일 수 있고, 일정 압력으로 압축시킨 것일 수 있다.As an example, the energy storage device according to the present invention may include the above-described metal-organic framework electrode and a counter electrode. For example, the counter electrode may be Pt/C or activated carbon. In this case, the counter electrode may be formed on the same support as the support used for the metal-organic framework electrode, or may be compressed under a certain pressure.

구체적으로, 상기 금속-유기 골격체 전극과 상대전극 사이에 전해질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전해질은 수산화 칼륨 기반의 전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속-유기 골격체 전극과 상대전극을 접합해주는 역할을 할 수 있다.Specifically, an electrolyte may be included between the metal-organic framework electrode and the counter electrode. More specifically, the electrolyte may include a potassium hydroxide-based electrolyte. For example, it may serve to bond the metal-organic framework electrode and the counter electrode.

이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples and the like according to the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the Examples presented below.

실시예Example

실시예 1Example 1

제조예 1 - 니켈 기반의 금속-유기 골격체(Ni-MOF)의 합성Preparation Example 1 - Synthesis of nickel-based metal-organic framework (Ni-MOF)

니켈 기반의 금속-유기 골격체 (Ni-MOF)를 합성하기 위하여, 0.72 g의 질산 니켈 6수화물 (Nickel(II) nitrate hexahydrate) 와 0.42 g의 테레프탈산 (terephthalic acid)을 증류수와 디메틸포름아마이드의 혼합 용매 60 ml (증류수 : 디메틸포름아마이드(부피비) = 1 : 2)에 균일하게 용해시켰다. 이때 (c) 계면활성제로써 0.132 g의 요소 (urea)를 첨가하여, 상기 용액과 함께 균일하게 용해되도록 교반시켰다. To synthesize a nickel-based metal-organic framework (Ni-MOF), 0.72 g of nickel nitrate hexahydrate (Nickel(II) nitrate hexahydrate) and 0.42 g of terephthalic acid were mixed with distilled water and dimethylformamide. It was uniformly dissolved in 60 ml of a solvent (distilled water: dimethylformamide (volume ratio) = 1: 2). At this time, (c) 0.132 g of urea as a surfactant was added, and stirred so as to be uniformly dissolved together with the solution.

잘 용해된 상기 용액과 (d) 전극 물질 지지체로서 니켈 폼(Ni foam)을 테플론 재질의 오토 클레이브에 옮겨 24시간 동안 130℃에서 수열 반응을 진행하였다. 니켈 폼위에 성장된 Ni-MOF에서 잔여물을 제거하기 위하여 에탄올로 여러 차례 세척 후 50 ℃ 진공 오븐에서 건조하여 금속-유기 골격체를 제조하였다.The well-dissolved solution and (d) nickel foam as an electrode material support were transferred to a Teflon autoclave and hydrothermal reaction was performed at 130° C. for 24 hours. In order to remove the residue from the Ni-MOF grown on the nickel foam, it was washed several times with ethanol and dried in a vacuum oven at 50° C. to prepare a metal-organic framework.

제조예 2 - 고온의 황화 (sulfurization) 소성 (calcination)Preparation Example 2 - High-temperature sulfurization (calcination)

제조예 1에서 제조된 금속-유기 골격체를 비활성 기체 분위기 (질소 혹은 아르곤)의 튜브 퍼니스 (Tube furnace)에서 (a) 황 가루와 함께 1시간 동안 350 ℃ 고온 소성하였다. 이때 온도 상승 속도는 5 ℃이였다. 반응이 끝난 후 실온까지 자연스럽게 냉각시켰다.The metal-organic framework prepared in Preparation Example 1 was calcined at 350° C. for 1 hour together with (a) sulfur powder in a tube furnace in an inert gas atmosphere (nitrogen or argon). At this time, the rate of temperature increase was 5 °C. After the reaction was completed, it was naturally cooled to room temperature.

실시예 2Example 2

제조예 1에서 (c) 계면활성제로 폴리바이닐 알코올 (polyvinyl alcohol, PVA) 0.132g을 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 제조 방법으로 금속-유기 골격체를 제조하였다. In Preparation Example 1 (c), a metal-organic framework was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.132 g of polyvinyl alcohol (PVA) was used as a surfactant.

비교예 1Comparative Example 1

제조예 1에서 (c) 계면활성제를 첨가하는 단계를 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 금속-유기 골격체를 제조하였다.A metal-organic framework was prepared in the same manner as in Example 1 except for the step of (c) adding a surfactant in Preparation Example 1.

실험예 1 - 제조된 전극의 형태 확인Experimental Example 1 - Confirmation of the shape of the prepared electrode

도 2는 고온 황 소성 처리 전의 금속-유기 골격체의 전계방출 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM) 이미지이다. 구체적으로 도 2 (a) 및 (b)는 고온 황 소성 처리 전 비교예 1의 FE-SEM 이미지이고, (c) 및 (d)는 고온 황 소성 처리 전 실시예 1의 FE-SEM 이미지이며, (e) 및 (f)는 고온 황 소성 처리 전 실시예 2의 FE-SEM 이미지이다.2 is a Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) image of the metal-organic framework before high-temperature sulfur calcination treatment. Specifically, FIGS. 2 (a) and (b) are FE-SEM images of Comparative Example 1 before high temperature sulfur calcination treatment, (c) and (d) are FE-SEM images of Example 1 before high temperature sulfur calcination treatment, (e) and (f) are FE-SEM images of Example 2 before high temperature sulfur calcination treatment.

도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 고온·고압의 수열반응을 통하여, 비교예 1은 나노 시트가 적층된 층상 구조를 보였고(도 2의 (a) 및 (b)), 실시예 1은 비교예 1보다 두께가 증가하였으며(도 2의 (c) 및 (d)), 실시예 2는 라멜라 구조를 형성하였다(도 2의 (e) 및 (f)).As can be seen in FIG. 2, through the hydrothermal reaction of high temperature and high pressure, Comparative Example 1 showed a layered structure in which nanosheets were stacked ((a) and (b) of FIG. 2), and Example 1 was a comparative example The thickness was increased than 1 ((c) and (d) of Fig. 2), and Example 2 formed a lamellar structure ((e) and (f) of Fig. 2).

이는 제조예 1에 따라 금속-유기 골격체가 형성되는 과정에서 첨가된 계면활성제가 핵 형성과 성장 과정에 상호 작용을 일으켜 첨가된 계면활성제의 종류에 따라 각기 다른 형태를 형성하기 때문이다. This is because, according to Preparation Example 1, the surfactant added during the formation of the metal-organic framework interacts with the nucleation and growth process to form different shapes depending on the type of the added surfactant.

구체적으로, 실시예 1의 요소는 유기 리간드를 단단히 결합시키기 위해 작용기가 다른 계면활성제와 상호작용하는 자가 인지 특성(self-recognition behavior) 때문에 금속-유기 골격체의 두께가 증가하였다. 실시예 2의 폴리바이닐 알코올은 Ni2+이온과 킬레이트화를 통하여 PVA-Ni2+ 복합체를 형성할 수 있고, 이는 구조 유도제 (structure-directing agent) 역할을 하여 나노시트 사이의 간격을 형성하여 라멜라 구조를 유도할 수 있다.Specifically, the element of Example 1 increased the thickness of the metal-organic framework due to the self-recognition behavior of the functional group interacting with other surfactants to tightly bind the organic ligand. The polyvinyl alcohol of Example 2 can form a PVA-Ni 2+ complex through chelation with Ni 2+ ions, which acts as a structure-directing agent to form a gap between the nanosheets to form a lamellar structure can be derived.

도 3은, 고온 황 소성 처리 후 비교예 1, 실시예 1 및 2의 금속-유기 골격체의 FE-SEM 이미지를 나타낸 것이다. 구체적으로 도 3의 (a) 및 (b)는 비교예 1의 FE-SEM 이미지이고, 도 3의 (c) 및 (d)는 실시예 1의 FE-SEM 이미지이며, 도 3의 (e) 및 (f)는 실시예 2의 FE-SEM 이미지이다. 3 shows FE-SEM images of the metal-organic frameworks of Comparative Examples 1, 1 and 2 after high-temperature sulfur calcination treatment. Specifically, FIGS. 3 (a) and (b) are FE-SEM images of Comparative Example 1, FIGS. 3 (c) and (d) are FE-SEM images of Example 1, and FIG. 3 (e) and (f) are FE-SEM images of Example 2.

도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 350℃의 고온 소성 과정 후에도 각각의 금속-유기 골격체는 큰 구조 변형 없이 기존의 형태를 유지하였다.As can be seen in FIG. 3 , each metal-organic framework maintained its original shape without significant structural deformation even after the high-temperature sintering process at 350°C.

도 4는 제조예 2에 따라 고온 황 소성 처리 후의 비교예 1, 실시예 1 및 2의 금속-유기 골격체의 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지이다. 구체적으로 도 4의 (a) 및 (b)는 비교예 1의 HR-TEM 이미지이고, 도 4의 (c) 및 (d)는 실시예 1의 HR-TEM 이미지이며, 도 4의 (e) 및 (f) 는 실시예 2의 HR-TEM 이미지이다. 4 is a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image of the metal-organic frameworks of Comparative Examples 1, 1 and 2 after high-temperature sulfur calcination according to Preparation Example 2; Specifically, FIGS. 4(a) and (b) are HR-TEM images of Comparative Example 1, FIGS. 4(c) and (d) are HR-TEM images of Example 1, FIG. 4(e) and (f) are HR-TEM images of Example 2.

도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 비교예 1 및 실시예 1 및 2는 금속-유기 골격체의 내부에 결정성이 뚜렷한 형태를 유지하면서(도 4의 빨간 화살표 부분) 금속-유기 골격체의 표면에는 비결정성의 탄소 껍질이 형성되었다. As can be seen in FIG. 4 , in Comparative Examples 1 and 1 and 2, the surface of the metal-organic framework was maintained while maintaining a clearly crystalline form inside the metal-organic framework (red arrow portion in FIG. 4). An amorphous carbon shell was formed.

도 5는 비교예 1, 실시예 1 및 2의 푸리에변환 적외선 분광분석(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR) 스펙트라(spectra)이다. 도 5에 나타난 바와 같이, 비교예 1, 실시예 1 및 2 모두 피크 간 이동(shift) 없이 서로 동일한 위치에서 동일한 결과가 나왔다. 이로부터 실시예 1 및 2는 수열 반응을 통하여 금속-유기 골격체가 잘 합성되었을 뿐만 아니라 실시예 1 및 2에서 계면 활성제로 첨가된 Urea와 PVA가 금속-유기 골격체의 자체 형성 메커니즘을 변화시키지 않고, 오직 금속-유기 골격체의 형태만 변화시켰음을 알 수 있다.5 is a Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectra of Comparative Examples 1, 1, and 2; As shown in FIG. 5 , the same results were obtained at the same positions as in Comparative Example 1, Examples 1 and 2 without any shift between peaks. From this, in Examples 1 and 2, the metal-organic framework was well synthesized through the hydrothermal reaction, and Urea and PVA added as surfactants in Examples 1 and 2 did not change the self-forming mechanism of the metal-organic framework. , it can be seen that only the morphology of the metal-organic framework was changed.

실험예 2 -금속-유기 골격체의 화학적 상태 및 전기화학적 성능 측정Experimental Example 2 -Measurement of chemical state and electrochemical performance of metal-organic framework

비교예 1, 실시예 1 및 2의 X선 광전자 분광분석(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)를 측정하여 각 비교예 1, 실시예 1 및 2의 금속-유기 골격체의 화학적 상태를 조사하였으며, 그 결과를 도 6 및 표 1에 나타내었다. The chemical states of the metal-organic frameworks of Comparative Examples 1, 1 and 2 were investigated by measuring X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of Comparative Examples 1, 1 and 2, The results are shown in FIG. 6 and Table 1.

도 6(a)의 XPS 에서 확인할 수 있는 바와 같이, 비교예 1, 실시예 1 및 2의 금속-유기 골격체 모두에서 니켈 (Ni), 산소 (O), 탄소 (C), 황 (S) 등의 원소가 발견되었다. As can be seen from the XPS of FIG. 6(a), in all of the metal-organic frameworks of Comparative Examples 1, 1 and 2, nickel (Ni), oxygen (O), carbon (C), sulfur (S) elements were found.

도 6(b)는 산화-환원 반응(redox reaction)의 주요 원소인 Ni 2p에 대한 XPS로써, 873.4 eV와 855.9 eV에서 각각 Ni 2p1/2 와 Ni 2p3/2에 해당하는 피크가 발견되었다. 또한, 디콘볼루션 (deconvolution) 결과, Ni 2p는 Ni3+(855.9 eV)와 Ni2+(853.1 eV)로 구성되어 있으며, 비교예 1, 실시예 1 및 2 의 금속-유기 골격체 모두에서 그 넓이 비율이 모두 1:1로 동일하였다. 이를 통하여 실시예 1 및 2가 계면활성제로 인한 추가적인 산화-환원 반응은 발생하지 않았고, 오로지 금속-유기 골격체의 형태만 변화시킴을 다시 한번 확인할 수 있었다. Figure 6(b) is an oxidation-reduction reaction (redox reaction) as XPS for Ni 2p, a main element, peaks corresponding to Ni 2p 1/2 and Ni 2p 3/2 were found at 873.4 eV and 855.9 eV, respectively. . In addition, as a result of deconvolution, Ni 2p is composed of Ni 3+ (855.9 eV) and Ni 2+ (853.1 eV), and in both the metal-organic frameworks of Comparative Examples 1, 1 and 2, All of the area ratios were the same at 1:1. Through this, it could be confirmed once again that no additional oxidation-reduction reaction occurred due to the surfactants of Examples 1 and 2, and only the form of the metal-organic framework was changed.

도 6(c)는 O 1s에 대한 XPS로써, 전형적인 금속-산소 결합(529.7 eV), 금속 탄산염 상태(metal carbonate state)(531.2 eV), 유기적인 탄소-산소 (C-O) 결합(532.6 eV) 등이 발견되었다. Figure 6(c) is XPS for O 1s, typical metal-oxygen bond (529.7 eV), metal carbonate state (531.2 eV), organic carbon-oxygen (CO) bond (532.6 eV), etc. This was discovered.

도 6(d)는 S 2p에 대한 XPS로써, 161.5 eV와 162.6 eV에서 각각 S 2p3/2와 S 2p1/2 피크가 디콘볼루션(deconvolution)되어 나뉘어져있고, 고온 황 처리를 통하여 황이 Ni-MOF에 2가 양이온 상태로 잘 유지되고 있음을 확인할 수 있었다.Figure 6(d) is XPS for S 2p, S 2p 3/2 and S 2p 1/2 peaks at 161.5 eV and 162.6 eV, respectively, are deconvolutionally divided and divided, and sulfur is Ni through high-temperature sulfur treatment. It was confirmed that -MOF was well maintained in a divalent cation state.

도 6(e)는 N 1s에 대한 XPS이며, 질소의 일반적인 화학 상태인 397 eV의금속 질화물, 400 eV의 C-NH2 결합, 그리고 405 eV의 질화물 등의 피크 없이 해상도(resolution) 이내의 값이 측정되었다. 이를 통하여 비교예 1, 실시예 1 및 2의 금속-유기 골격체에서 질소가 존재하지 않는다는 것을 알 수 있고, 특히 질소를 포함한 요소가 첨가된 실시예 1의 MOF에서 질소가 발견되지 않았음이 주목할 만하다. Figure 6(e) is XPS for N 1s, the general chemical state of nitrogen, metal nitride of 397 eV, C-NH 2 bond of 400 eV, and a value within resolution without peaks such as nitride of 405 eV This was measured. Through this, it can be seen that nitrogen is not present in the metal-organic frameworks of Comparative Examples 1, 1 and 2, and it is noteworthy that nitrogen was not found in the MOF of Example 1, in which nitrogen-containing urea was added. be worth.

도 6(f)는 C 1s에 대한 XPS로써, O-C=O(288.5 eV), C-O-C(286 eV), C-C(284.8 eV) 결합에 해당하는 피크가 발견되어 Ni-MOF의 유기 리간드가 서로 잘 연결되어있음을 확인하였다. 6(f) is XPS for C 1s. Peaks corresponding to OC = O (288.5 eV), COC (286 eV), and CC (284.8 eV) bonds were found, so that the organic ligands of Ni-MOF are well connected to each other. It has been confirmed that

더불어 하기 표 1에 XPS 원소 비율%(atomic ratio%)를 정리하였다. 유사 커패시터의 산화-환원 반응이 전극 표면에서 대부분 발생한다는 점을 감안하면, Ni의 원소 비율이 가장 높은 실시예 1의 전기 화학적 반응이 가장 빠를 것이라고 예상할 수 있다.In addition, XPS element ratio % (atomic ratio%) is summarized in Table 1 below. Considering that the oxidation-reduction reaction of the pseudo-capacitor mostly occurs on the electrode surface, it can be expected that the electrochemical reaction of Example 1, in which the element ratio of Ni is the highest, is the fastest.

원소 비율%element percentage 원소element 비교예 1Comparative Example 1 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 S 2pS 2p 7.497.49 6.316.31 6.026.02 C 1sC 1s 46.5446.54 40.9240.92 53.3853.38 N 1sN 1s 0.860.86 0.840.84 0.210.21 O 1sO 1s 30.5130.51 34.6434.64 29.1129.11 Ni 2pNi 2p 14.614.6 17.2917.29 11.2711.27 100100 100100 99.9999.99

본 실험예 2에서는 상기 소재 분석에 이어, 슈퍼 커패시터로써 소자 분석을 위하여 전기화학적 측정을 진행하였다. In Experimental Example 2, following the material analysis, electrochemical measurements were performed for device analysis as a supercapacitor.

도 7의 (a)는 50 mV/s에서 비교예 1, 실시예 1 및 2의 CV 그래프이고, 도 7의 (b)는 5-100 mV/s 에서 실시예 1의 CV 이며, 도 7의 (c)는 5 A/g에서 비교예 1, 실시예 1 및 2의 GCD 그래프이고, 도 7의 (d)는 1-10 A/g에서 실시예 1의 GCD 그래프이며, 도 7의 (e)는 실시예 2의 사이클 안정성 테스트(cycle stability test) 결과 그래프이다.Figure 7 (a) is a CV graph of Comparative Examples 1, 1 and 2 at 50 mV / s, Figure 7 (b) is the CV of Example 1 at 5-100 mV / s, Figure 7 (c) is a GCD graph of Comparative Example 1, Examples 1 and 2 at 5 A/g, (d) of FIG. 7 is a GCD graph of Example 1 at 1-10 A/g, FIG. 7(e) ) is a graph of the cycle stability test result of Example 2.

도 7(a)는 동일한 스캔 속도(scan rate)인 50 mV/s에서 CV(cyclic voltammetry)를 측정하였을 때, 비교예 1, 실시예 1 및 2 모두 뚜렷한 산화-환원 피크가 나타나 유사 커패시터의 특징을 잘 나타냈고, 실시예 2의 면적이 가장 넓어 비 전기 용량(specific capacitance)가 가장 높다는 것을 알 수 있다.7(a) shows that when cyclic voltammetry (CV) was measured at the same scan rate of 50 mV/s, clear oxidation-reduction peaks were observed in Comparative Examples 1, 1, and 2, indicating characteristics of similar capacitors. , and it can be seen that Example 2 has the largest area and thus the highest specific capacitance.

Figure 112020096945548-pat00001
Figure 112020096945548-pat00001

상기 식 1에서 ∫I dv는 CV 그래프의 면적, v는 스캔 속도 (scan rate), m은 활성 물질 무게, V는 전압 범위 (potential window)이다. In Equation 1, ∫I dv is the area of the CV graph, v is the scan rate, m is the weight of the active material, and V is the voltage range (potential window).

상기 식 1을 통하여 비 전기 용량을 계산한 결과, 비교예 1, 실시예 1 및 2는 50 mV/s에서 각각 188.8, 206.2, 394.2 F/g이 나왔다. As a result of calculating the specific capacitance through Equation 1, Comparative Examples 1, 1, and 2 showed 188.8, 206.2, and 394.2 F/g at 50 mV/s, respectively.

도 7(b)는 실시예 2를 5-100 mV/s의 다양한 스캔 속도에서 CV를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 이를 통하여 본 발명의 전극 물질이 높은 스캔 속도에서도 산화-환원이 잘 유지되고 있음을 확인하였다. 7(b) shows the results of measuring CV in Example 2 at various scan rates of 5-100 mV/s. Through this, it was confirmed that oxidation-reduction of the electrode material of the present invention was well maintained even at a high scan rate.

상기 식 1을 통하여 계산하였을 때, 실시예 2는 5 mV/s, 10 mV/s, 20 mV/s, 50 mV/s, 100 mV/s의 스캔 속도에서 각각 3193.3, 1730.0, 940.4, 394.0, 211.9 F/g의 비 전기 용량을 보였다. When calculated through Equation 1, Example 2 is 3193.3, 1730.0, 940.4, 394.0, respectively at scan rates of 5 mV/s, 10 mV/s, 20 mV/s, 50 mV/s, and 100 mV/s It showed a specific capacitance of 211.9 F/g.

도 7(c)는 동일한 5 A/g의 전류 밀도(current density)에서 충전-방전을 반복한 정전류 충방전(Galvanostatic charge-discharge, GCD) 결과를 나타낸 것이다. 도 7(a)와 마찬가지로, 동일한 전류 밀도에서 실시예 2의 방전 시간이 가장 길기 때문에 가장 높은 비 전기 용량을 가짐을 예상할 수 있다.7( c ) shows the results of galvanostatic charge-discharge (GCD) in which charge-discharge is repeated at the same current density of 5 A/g. As in Fig. 7(a) , it can be expected that the discharge time of Example 2 is the longest at the same current density, so it has the highest specific electric capacity.

Figure 112020096945548-pat00002
Figure 112020096945548-pat00002

상기 식 (2)에서 I는 전류 밀도(current density), t는 방전 시간(discharging time), m은 활성 물질 무게, V는 전압 범위(potential window)이다. 상기 식 (2)를 통하여 비 전기 용량 (specific capacitance)을 계산한 결과, 비교예 1, 실시예 1 및 2는 5 A/g에서 각각 806.0, 872.0, 1926.0 F/g이 나왔다. 도 7(d)는 실시예 2를 2-10 A/g의 다양한 전류 밀도에서 GCD를 측정한 결과이다. 이를 통하여 본 발명의 전극 물질이 높은 전류 밀도에서도 산화-환원이 잘 유지되고 있음을 확인하였다. 상기 식 2를 통하여 계산하였을 때, 실시예 2는 2 A/g, 3 A/g, 4 A/g, 5 A/g, 10 A/g의 전류 밀도에서 각각 2780.0, 2184.0, 2036.0, 1926.0, 987.0 F/g의 우수한 비전기용량을 보였다. In Equation (2), I is a current density, t is a discharging time, m is an active material weight, and V is a voltage range (potential window). As a result of calculating the specific capacitance through Equation (2), Comparative Examples 1, 1, and 2 yielded 806.0, 872.0, and 1926.0 F/g at 5 A/g, respectively. 7(d) is a result of GCD measurement of Example 2 at various current densities of 2-10 A/g. Through this, it was confirmed that oxidation-reduction was well maintained even at high current density in the electrode material of the present invention. When calculated through Equation 2, Example 2 is 2780.0, 2184.0, 2036.0, 1926.0 at current densities of 2 A/g, 3 A/g, 4 A/g, 5 A/g, and 10 A/g, respectively, It showed excellent specific electric capacity of 987.0 F/g.

한편, 전극의 성능 평가에서 비전기용량뿐만 아니라 장시간 운용 가능한지도 중요한 요인이다. On the other hand, in evaluating the performance of the electrode, not only the specific capacitance but also the long-term operation is an important factor.

비교예 1, 실시예 1 및 2 중 가장 좋은 성능을 보인 실시예 2가 성장된 전극의 장시간 반복 안정성 테스트(stability test)를 평가하기 위해 50A/g의 일정한 전류 밀도로 GCD cycle을 반복 진행하였으며, 그 결과를 도 7(e)에 나타내었다. 실시예 2가 성장된 전극은 15,000 번의 사이클을 반복하였을 때도 처음 사이클과 비교하여 88% 성능이 유지되었다. In order to evaluate the long-term repeated stability test of the electrode in which Example 2, which showed the best performance among Comparative Examples 1, 1 and 2, was grown, the GCD cycle was repeated at a constant current density of 50 A/g, The results are shown in FIG. 7(e). The electrode grown in Example 2 maintained 88% performance compared to the first cycle even when 15,000 cycles were repeated.

이처럼, 실시예 2를 사용한 전극이 높은 비전기용량를 가질 뿐 아니라 이를 장시간 동안 운용이 가능함을 확인할 수 있다.As such, it can be confirmed that the electrode using Example 2 not only has a high specific capacitance, but can also be operated for a long time.

Claims (13)

지지체 상에 성장된, 니켈을 포함하는 금속-유기 골격체로서,
계면활성제를 이용하여 제조된 것이며,
황화니켈을 포함하고, 황화 소성 공정을 통해 표면에 탄소 껍질이 형성된 것을 특징으로 하는, 금속-유기 골격체.
A metal-organic framework comprising nickel, grown on a support, comprising:
It is prepared using a surfactant,
A metal-organic framework comprising nickel sulfide, characterized in that a carbon shell is formed on the surface through a sulfide calcination process.
제 1 항에 있어서,
상기 지지체는 니켈 폼, 코발트 폼, 구리 폼, 카본 클로스 또는 탄소 섬유 종이인 금속-유기 골격체.
The method of claim 1,
wherein the support is nickel foam, cobalt foam, copper foam, carbon cloth or carbon fiber paper.
제 1 항에 있어서,
상기 계면활성제는 요소, 폴리바이닐 알코올, 폴리비닐피롤리돈 및 플루로닉 P123으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 금속-유기 골격체.
The method of claim 1,
The surfactant is at least one metal-organic framework selected from the group consisting of urea, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, and pluronic P123.
제 1 항에 있어서,
상기 금속-유기 골격체는 시트가 다층으로 형성된 라멜라 구조를 가지는 금속-유기 골격체.
The method of claim 1,
The metal-organic framework is a metal-organic framework having a lamellar structure in which sheets are formed in multiple layers.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소 껍질은 금속-유기 골격체에 포함된 유기 리간드에 의해 생성된 것인 금속-유기 골격체.
The method of claim 1,
wherein the carbon shell is generated by an organic ligand included in the metal-organic framework.
니켈 전구체, 유기 리간드 전구체 및 계면활성제를 포함하는 수용액과 지지체를 수열 반응시켜 지지체 상에 성장된 금속-유기 골격체를 제조하는 제1단계; 및
제조된 금속-유기 골격체를 비활성 기체 분위기에서 250℃ 내지 500℃ 의 온도에서 0.5 내지 3시간동안 황화 소성하는 제2단계를 포함하는 금속-유기 골격체의 제조 방법.
A first step of preparing a metal-organic framework grown on the support by hydrothermal reaction of an aqueous solution containing a nickel precursor, an organic ligand precursor, and a surfactant and a support; and
A method for producing a metal-organic framework, comprising a second step of sulfiding calcining the prepared metal-organic framework in an inert gas atmosphere at a temperature of 250°C to 500°C for 0.5 to 3 hours.
제 6 항에 있어서,
금속-유기 골격체를 제조하는 제1단계는 100℃ 내지 180℃ 의 온도에서 18 내지 30 시간동안 수열 반응을 하는 것을 특징으로 하는 금속-유기 골격체의 제조 방법.
7. The method of claim 6,
The first step of preparing the metal-organic framework is a method for producing a metal-organic framework, characterized in that the hydrothermal reaction is performed at a temperature of 100°C to 180°C for 18 to 30 hours.
제 6 항에 있어서,
금속-유기 골격체를 제조하는 제1단계에서 상기 유기 리간드 전구체는 테레프탈산, 트라이메스산, 2-메틸이미다졸, 다브코(1,4-diazabicyclo[2.2.2]-octane, DABCO) 및 헥사메틸렌테트라아민으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 금속-유기 골격체의 제조 방법.
7. The method of claim 6,
In the first step of preparing the metal-organic framework, the organic ligand precursor is terephthalic acid, trimesic acid, 2-methylimidazole, dabco (1,4-diazabicyclo[2.2.2]-octane, DABCO) and hexa A method for producing at least one metal-organic framework selected from the group consisting of methylenetetraamine.
제 6 항에 있어서,
금속-유기 골격체를 제조하는 제1단계에서 상기 계면활성제는 요소, 폴리바이닐 알코올, 폴리비닐피롤리돈 및 플루로닉 P123으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 금속-유기 골격체의 제조 방법.
7. The method of claim 6,
In the first step of preparing the metal-organic framework, the surfactant is at least one selected from the group consisting of urea, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, and pluronic P123. Method for producing a metal-organic framework.
제 6 항에 있어서,
황화 소성하는 제2단계로 금속-유기 골격체에 탄소 껍질 및 황화 니켈을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속-유기 골격체의 제조 방법.
7. The method of claim 6,
A method for producing a metal-organic framework, comprising forming a carbon shell and nickel sulfide on the metal-organic framework as a second step of sulfidation firing.
제 6 항에 있어서,
황화 소성하는 제2단계는 인 또는 셀레늄을 추가로 첨가하여 소성하는 것을 특징으로 하는 금속-유기 골격체의 제조 방법.
7. The method of claim 6,
The second step of sulfide calcination is a method for producing a metal-organic framework, characterized in that the calcination is carried out by additionally adding phosphorus or selenium.
제1항에 따른 금속-유기 골격체 및 지지체를 포함하는 금속-유기 골격체 전극.A metal-organic framework electrode comprising the metal-organic framework according to claim 1 and a support. 제12항에 따른 금속-유기 골격체 전극을 포함하는 에너지 저장 장치.An energy storage device comprising the metal-organic framework electrode according to claim 12 .
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Layered nickel metal-organic framework for high performance alkaline battery-supercapacitor hybrid devices
Metal-organic frameworks derived hierarchical nickel-cobalt sulfide nanosheets array on Ni foam with enhanced electrochemical performance for supercapacitor
Ultrathin two-dimensional cobalt-organic frameworks nanosheets for electrochemical energy storage

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