KR102562397B1 - Highly porous carbon with controlled pore size via hydrothermal carbonization and the method for manufacturing thereof - Google Patents

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KR102562397B1 KR1020210004694A KR20210004694A KR102562397B1 KR 102562397 B1 KR102562397 B1 KR 102562397B1 KR 1020210004694 A KR1020210004694 A KR 1020210004694A KR 20210004694 A KR20210004694 A KR 20210004694A KR 102562397 B1 KR102562397 B1 KR 102562397B1
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Abstract

본 발명은 수열 탄화를 이용한 기공 크기 조절이 용이한 다공성 탄소 및 이의 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 바이오매스 전구체, 활성화제 및 물을 혼합하여 혼합물질을 제공하는 단계; 급속 승온 및 급속 냉각 중 하나를 적용하여 미리 설정된 시간 동안 상기 혼합물질을 수열 탄화한 후 냉각하는 단계; 상기 수열 탄화 및 냉각에 의해 고체를 건조하는 단계; 및 상기 고체를 활성화하는 단계를 포함하되, 상기 급속 승온은 반응기를 미리 설정된 온도까지 승온한 후 상기 반응기에 상기 혼합물질을 투입하는 것이며, 상기 급속 냉각은 상기 수열 탄화가 완료된 고체를 냉각수에 투입하는 것인 다공성 탄소 제조 방법이 제공된다. The present invention discloses porous carbon with easy pore size control using hydrothermal carbonization and a method for preparing the same. According to the present invention, mixing a biomass precursor, an activator and water to provide a mixture; hydrothermal carbonizing the mixture for a preset time by applying one of rapid heating and rapid cooling, followed by cooling; drying the solid by the hydrothermal carbonization and cooling; And a step of activating the solid, wherein the rapid temperature raising is to inject the mixture into the reactor after raising the temperature of the reactor to a preset temperature, and the rapid cooling is to inject the hydrothermal carbonized solid into cooling water A method for producing porous carbon is provided.

Description

수열 탄화를 이용한 기공 크기 조절이 용이한 다공성 탄소 및 이의 제조 방법{Highly porous carbon with controlled pore size via hydrothermal carbonization and the method for manufacturing thereof}Highly porous carbon with controlled pore size via hydrothermal carbonization and the method for manufacturing thereof}

본 발명은 수열 탄화를 이용한 기공 크기 조절이 용이한 다공성 탄소 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표적 기공 크기(controlled pore size)를 갖는 바이오매스 기반 다공성 탄소 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to porous carbon with easy pore size control using hydrothermal carbonization and a method for producing the same, and more particularly, to biomass-based porous carbon having a controlled pore size and a method for producing the same.

다공성 탄소 또는 활성탄은 탄소 성분을 포함한 모든 물질로부터 제조가 가능하여 소재의 접근성이 뛰어나고 생산 비용이 매우 저렴하다는 장점이 있어 다양한 분야에 활발히 적용되고 있다. Porous carbon or activated carbon is actively applied in various fields because it can be manufactured from all materials including carbon components, has excellent material accessibility, and has the advantage of very low production cost.

이러한 다공성 탄소는 일반적으로 500 °C 이상의 온도에서 탄소 사슬에 포함되어 있는 휘발성 물질을 제거하는 탄화 과정, 내부 기공의 형성을 더 촉진시키는 활성화 과정으로 이루어진다. Such porous carbon is generally composed of a carbonization process that removes volatile substances contained in the carbon chain at a temperature of 500 °C or higher and an activation process that further promotes the formation of internal pores.

바이오매스는 지구에서 풍부하게 이용할 수 있는 원료로 단순히 목재나 식물 외에도 커피 찌꺼기와 같은 도시 쓰레기도 다공성 탄소의 원료가 될 수 있다.Biomass is a raw material that can be used in abundance on Earth. In addition to simple wood and plants, urban waste such as coffee grounds can also be a raw material for porous carbon.

이미 사용이 되었거나 효용 가치가 없다고 여겨지는 물질을 사용하기 때문에 바이오매스는 친환경적이며 경제적인 원료가 될 수 있다. 그러나 이를 활용하여 다공성 탄소를 제조할 경우 비표면적이나 기공 발달 정도를 조절하기 어렵다는 단점이 있다.Biomass can be an eco-friendly and economical raw material because it uses materials that have already been used or are considered useless. However, when porous carbon is produced using this, it is difficult to control the specific surface area or the degree of pore development.

대한민국등록특허공보 10-1565036Korean Registered Patent Publication 10-1565036

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 친환경적으로 최적 기공 크기를 쉽게 조절할 수 있는 다공성 탄소 및 이의 제조 방법을 제안하고자 한다. In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present invention proposes an environmentally friendly porous carbon and a method for manufacturing the same, which can easily control the optimal pore size.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 바이오매스 전구체, 활성화제 및 물을 혼합하여 혼합물질을 제공하는 단계; 급속 승온 및 급속 냉각 중 하나를 적용하여 미리 설정된 시간 동안 상기 혼합물질을 수열 탄화한 후 냉각하는 단계; 상기 수열 탄화 및 냉각에 의해 고체를 건조하는 단계; 및 상기 고체를 활성화하는 단계를 포함하되, 상기 급속 승온은 반응기를 미리 설정된 온도까지 승온한 후 상기 반응기에 상기 혼합물질을 투입하는 것이며, 상기 급속 냉각은 상기 수열 탄화가 완료된 고체를 냉각수에 투입하는 것인 다공성 탄소 제조 방법. In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention, providing a mixture by mixing a biomass precursor, an activator and water; hydrothermal carbonizing the mixture for a preset time by applying one of rapid heating and rapid cooling, followed by cooling; drying the solid by the hydrothermal carbonization and cooling; And a step of activating the solid, wherein the rapid temperature raising is to inject the mixture into the reactor after raising the temperature of the reactor to a preset temperature, and the rapid cooling is to inject the hydrothermal carbonized solid into cooling water A method for producing porous carbon.

상기 바이오매스 전구체는 셀룰로오스, 리그닌(lignin), 키토산(chitosan), 석탄, 코크 및 플라스틱 중 적어도 하나일 수 있다. The biomass precursor may be at least one of cellulose, lignin, chitosan, coal, coke, and plastic.

상기 활성화제는 염화아연, 수산화칼륨 및 탄산칼륨 중 적어도 하나일 수 있다. The activator may be at least one of zinc chloride, potassium hydroxide and potassium carbonate.

상기 바이오매스 전구체는 물에 0.15 g/L 내지 0.2 g/L 비율로 혼합될 수 있다. The biomass precursor may be mixed with water at a ratio of 0.15 g/L to 0.2 g/L.

상기 바이오매스 전구체와 상기 활성화제는 1:1.5 내지 1:2.5 중량퍼센트로 혼합될 수 있다. The biomass precursor and the activator may be mixed in a weight percent of 1:1.5 to 1:2.5.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기한 방법으로 제조되는 다공성 탄소가 제공된다. According to another aspect of the present invention, porous carbon produced by the above method is provided.

본 발명에 따르면, 수열 탄화 반응의 승온 및 냉각 과정의 변화를 통해 기공 크기를 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, there is an advantage in that the pore size can be easily controlled by changing the temperature raising and cooling processes of the hydrothermal carbonization reaction.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수열 탄화를 이용한 다공성 탄소 제조 방법의 모식도이다.
도 2는 수열 탄화 과정의 세분화 방법에 대한 모식도이다.
도 3은 물리적 특성 비교를 위해 합성한 다공성 탄소의 질소 흡탈착 등온선을 나타낸 것이다.
도 4는 수열 탄화 과정에 따른 다공성 탄소의 기공 분포도를 나타낸 것이다.
도 5는 최종 활성화 후, 작용기가 생성이 되었는지를 확인해보기 위해 분석한 IR의 스펙트라를 나타낸 도면이다.
도 6은 염화아연을 수열 탄화 과정에 미리 첨가하고 활성화한 소재와 수열 탄화 과정 후 염화아연을 별도로 첨가한 후 최종적으로 활성화한 소재의 질소 흡탈착 등온선을 나타낸 도면이다.
도 7은 염화아연의 첨가 순서에 따른 다공성 탄소의 기공 분포도를 나타낸 도면이다.
도 8은 리그닌을 전구체로 하여 염화아연과의 혼합비율을 다르게 하여 실험한 결과를 나타낸 도면이다.
1 is a schematic diagram of a method for producing porous carbon using hydrothermal carbonization according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a subdivision method in a hydrothermal carbonization process.
3 shows nitrogen adsorption and desorption isotherms of porous carbon synthesized for comparison of physical properties.
Figure 4 shows the pore distribution of porous carbon according to the hydrothermal carbonization process.
5 is a diagram showing spectra of IR analyzed to determine whether a functional group has been generated after final activation.
6 is a view showing nitrogen adsorption and desorption isotherms of a material activated after adding zinc chloride in advance in a hydrothermal carbonization process and a material finally activated after separately adding zinc chloride after the hydrothermal carbonization process.
7 is a diagram showing the pore distribution of porous carbon according to the order of addition of zinc chloride.
8 is a view showing the results of an experiment using lignin as a precursor and varying the mixing ratio of zinc chloride.

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

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 should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

수열 합성은 다른 유기용매를 사용하지 않고 물을 사용을 하기 때문에 비교적 환경친화적이며, 탄화 과정에 적용 시 탄소 소재의 표면 개질이 용이하다는 장점이 있다. 그러나 수열 탄화 과정에서 승온 및 냉각 과정에 대한 영향이 보고된 바 없어 아직까지 획일적인 기공 분포를 갖는 다공성 탄소만이 제조되었으며, 이로 인해 다양한 분야에의 적용이 어려운 실정이다. Hydrothermal synthesis is relatively environmentally friendly because it uses water instead of other organic solvents, and has the advantage of being easy to modify the surface of carbon materials when applied to the carbonization process. However, only porous carbon having a uniform pore distribution has been produced so far because no effect on the temperature raising and cooling process has been reported in the hydrothermal carbonization process, which makes it difficult to apply to various fields.

본 발명에서는 수열 탄화를 이용하여 다공성 탄소의 효율적인 적용을 위해 원하는 기공 크기를 갖도록 하는 제조 방법을 제시한다. The present invention proposes a manufacturing method for having a desired pore size for efficient application of porous carbon using hydrothermal carbonization.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수열 탄화를 이용한 다공성 탄소 제조 방법의 모식도이다. 1 is a schematic diagram of a method for producing porous carbon using hydrothermal carbonization according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 바이오매스 전구체, 활성화제 및 물을 혼합하여 혼합물질을 제공한다(단계 100).Referring to FIG. 1, a mixture material is provided by mixing a biomass precursor, an activator, and water (step 100).

여기서, 바이오매스 전구체는 셀룰로오스, 리그닌(lignin), 키토산(chitosan), 석탄, 코크 및 플라스틱 중 적어도 하나일 수 있다. Here, the biomass precursor may be at least one of cellulose, lignin, chitosan, coal, coke, and plastic.

또한, 활성화제는 염화아연, 수산화칼륨 및 탄산칼륨 중 적어도 하나일 수 있다. Also, the activator may be at least one of zinc chloride, potassium hydroxide and potassium carbonate.

바람직하게, 바이오매스 전구체는 물에 0.15 g/L 내지 0.2 g/L 비율로 혼합될 수 있다. 보다 바람직하게는 0.16 g/L의 비율로 혼합될 수 있다. Preferably, the biomass precursor may be mixed with water at a ratio of 0.15 g/L to 0.2 g/L. More preferably, they may be mixed at a ratio of 0.16 g/L.

다공성 탄소의 비표면적 및 기공 부피를 촉진하기 위해, 바이오매스 전구체와 활성화제는 1:1.5 내지 1:2.5 중량퍼센트로 혼합될 수 있고, 보다 바람직하게는 1:2 비율로 혼합될 수 있다. In order to promote the specific surface area and pore volume of the porous carbon, the biomass precursor and the activator may be mixed at a weight percent of 1:1.5 to 1:2.5, more preferably at a ratio of 1:2.

단계 100과 같이 제공된 혼합물질에 대해, 급속 승온 및 급속 냉각 중 하나를 적용하여 미리 설정된 시간 동안 상기 혼합물질을 수열 탄화한 후 냉각한다(단계 102).For the mixture provided in step 100, one of rapid heating and rapid cooling is applied to hydrothermal carbonize the mixture for a preset time, and then it is cooled (step 102).

단계 102에서, 급속 승온은 반응기를 미리 설정된 온도까지 승온한 후 수열 탄화 온도까지 승온된 반응기에 상기 혼합물질을 투입하는 것이다.In step 102, the rapid temperature increase is to raise the temperature of the reactor to a preset temperature and then introduce the mixture into the reactor heated to the hydrothermal carbonization temperature.

여기서, 미리 설정된 온도는 수열 탄화 온도로서, 예를 들어, 230 °C일 수 있다. Here, the preset temperature is a hydrothermal carbonization temperature, and may be, for example, 230 °C.

급속 냉각은 수열 탄화가 완료된 고체를 냉각수에 투입하여 냉각하는 것이다. Rapid cooling is cooling by putting the hydrothermal carbonized solid into cooling water.

상기한 급속 승온과 달리 자연 승온은 반응기에 혼합물질을 투입한 후 서서히 수열 탄화 온도까지 올리는 것으로 예를 들어, 60 °C에서 230 °C까지 120분의 시간동안 승온시키는 것을 의미할 수 있다. Unlike the rapid temperature increase described above, the natural temperature increase may mean that the mixture is introduced into the reactor and then gradually raised to the hydrothermal carbonization temperature, for example, from 60 °C to 230 °C for 120 minutes.

또한, 자연 냉각은 수열 탄화에 의해 수득된 고체를 냉각수에 투입하지 않고 자연적으로 60 °C까지 냉각하는 과정으로 정의될 수 있다. In addition, natural cooling can be defined as a process of naturally cooling the solid obtained by hydrothermal carbonization to 60 °C without introducing it into cooling water.

본 실시예에 따르면, 급속 승온 및 급속 냉각 중 하나를 적용하여 수열 탄화 및 냉각 과정을 수행한 이후에, 수득된 고체를 건조하고(단계 104), 건조한 고체를 활성화 온도(예를 들어, 800 °C)에서 활성화한다(단계 106). 활성화된 고체를 세척하여 다양한 기공이 형성된 다공성 탄소를 제조한다(단계 108).According to this embodiment, after carrying out the hydrothermal carbonization and cooling process by applying one of rapid heating and rapid cooling, the obtained solid is dried (step 104), and the dried solid is subjected to an activation temperature (eg, 800 ° C). C) is activated (step 106). The activated solid is washed to prepare porous carbon in which various pores are formed (step 108).

본 실시예에 따르면, 수열 탄화 공정에서 승온 및 냉각 과정을 세분화하여 수열 탄화 과정 중 혼합물질이 높은 온도에 갑자기 노출되었을 때와 서서히 노출되었을 때, 또 냉각 과정에서 급속 냉각을 진행하는 경우와 자연적으로 온도를 식힐 때 그 차이가 다공성 탄소에 주는 영향을 파악한다. According to this embodiment, by subdividing the temperature raising and cooling process in the hydrothermal carbonization process, when the mixture material is suddenly exposed to high temperature during the hydrothermal carbonization process, when it is slowly exposed, and when rapid cooling is performed during the cooling process, naturally As the temperature cools, determine the effect the difference has on the porous carbon.

실시예: 셀룰로오스 및 염화아연을 이용한 다공성 탄소 제조Example: Preparation of Porous Carbon Using Cellulose and Zinc Chloride

바이오매스 중 하나인 셀룰로오스를 전구체로 하여 염화아연 및 물과 혼합하여 다공성 탄소를 제조하였다. Porous carbon was prepared by mixing cellulose, one of biomass, with zinc chloride and water as a precursor.

셀룰로오스와 염화아연의 혼합비는 1:2로 하였고, 셀룰로오스 0.167 g 당 물 1 L를 섞어 밀폐된 반응기에 넣고 수열 탄화를 진행하였다. The mixing ratio of cellulose and zinc chloride was set to 1:2, and 0.167 g of cellulose was mixed with 1 L of water, put into a sealed reactor, and hydrothermal carbonization was performed.

도 2는 수열 탄화 과정의 세분화 방법에 대한 모식도이다. 2 is a schematic diagram of a subdivision method in a hydrothermal carbonization process.

도 2는 승온 및 냉각 속도를 4가지로 세분화한 것으로서, 이하에서는 명명법을 통해 승온 및 냉각 속도 차이에 따른 다공성 탄소의 제조 방법을 상세하게 설명한다. FIG. 2 subdivides the temperature raising and cooling rates into four types. Hereinafter, a method for producing porous carbon according to a difference in temperature raising and cooling rates will be described in detail through nomenclature.

우선, 도 2a는 자연 승온 및 자연 냉각을 통한 수열 탄화 과정을 나타낸 것이다. First, FIG. 2a shows a hydrothermal carbonization process through natural temperature increase and natural cooling.

도 2a를 참조하면, 자연 승온 및 자연 냉각을 통한 수열 탄화 과정에서 셀룰로오스, 염화아연 및 물을 혼합한 물질을 반응기에 넣고 상온에서 수열 탄화 온도인 230 °C까지 서서히 승온시키고, 230 °C에 도달 후 4 시간 동안의 수열 탄화 반응이 완료되고 상온으로 서서히 냉각을 시켜주었다. Referring to Figure 2a, in the process of hydrothermal carbonization through natural temperature increase and natural cooling, a mixture of cellulose, zinc chloride, and water was put into the reactor and gradually heated from room temperature to 230 ° C, which is the temperature of hydrothermal carbonization, and reached 230 ° C After completion of the hydrothermal carbonization reaction for 4 hours, it was gradually cooled to room temperature.

수열 탄화 후 고체를 회수하여 110 °C에서 건조하였다. After hydrothermal carbonization, the solid was recovered and dried at 110 °C.

건조가 완료된 고체를 막자사발로 곱게 갈아준 뒤, 퍼니스에서 이산화탄소 기체를 활성화 기체로 흘려주며 800 °C에서 2 시간 동안의 열처리를 통해 활성화를 진행하였다. After finely grinding the dried solid in a mortar, activation was carried out through heat treatment at 800 °C for 2 hours while flowing carbon dioxide gas as an activation gas in a furnace.

활성화 후의 소재를 1 M 농도의 염산으로 씻어준 뒤 산성이 중화될 때까지 필터링 과정을 거쳤다. After the activation, the material was washed with 1 M hydrochloric acid and filtered until the acidity was neutralized.

최종적으로 110 °C에서 건조 후 다공성 탄소를 제조하였다.Finally, porous carbon was prepared after drying at 110 °C.

이와 같이 자연 승온과 자연 냉각을 통한 수열 탄화 과정을 거쳐 합성한 다공성 탄소를 ZHTP로 명명하였다.The porous carbon synthesized through the hydrothermal carbonization process through natural temperature increase and natural cooling was named ZHTP.

도 2b는 자연 승온 및 급속 냉각을 통한 수열 탄화 과정을 나타낸 것이다. Figure 2b shows the hydrothermal carbonization process through natural heating and rapid cooling.

도 2b와 같이, 수열 탄화 과정 이후 상온으로 서서히 냉각을 시키지 않고 냉각수를 사용하여 급격하게 온도를 낮추어 다공성 탄소를 합성하였다. As shown in FIG. 2B, porous carbon was synthesized by rapidly lowering the temperature using cooling water instead of slowly cooling to room temperature after the hydrothermal carbonization process.

자연 승온 및 급속 냉각을 통해 합성한 다공성 탄소를 ZHTP_c로 명명하였다. The porous carbon synthesized through natural temperature increase and rapid cooling was named ZHTP_c.

여기서, 수열 탄화 후 수득된 고체의 건조, 활성화 및 필터링은 ZHTP의 제조와 동일하며, 이하에서도 마찬가지이다. Here, the drying, activation and filtering of the solid obtained after hydrothermal carbonization are the same as for the production of ZHTP, and the same applies hereafter.

도 2c는 급속 승온 및 자연 냉각을 통한 수열 탄화 과정을 나타낸 것이다. Figure 2c shows the hydrothermal carbonization process through rapid temperature increase and natural cooling.

도 2c와 같이, 수열 탄화 온도까지 반응기를 승온시킨 후, 혼합물질을 반응기에 투입하여 수열 탄화 반응을 진행 후 자연 냉각을 거쳐 다공성 탄소를 합성하였다. As shown in FIG. 2c, after raising the temperature of the reactor to the hydrothermal carbonization temperature, the mixture was introduced into the reactor to undergo a hydrothermal carbonization reaction, followed by natural cooling to synthesize porous carbon.

이렇게 합성한 다공성 탄소를 ZHTP_h로 명명하였다. The porous carbon thus synthesized was named ZHTP_h.

도 2d는 급속 승온 및 급속 냉각을 통한 수열 탄화 과정을 나타낸 것이다. Figure 2d shows the hydrothermal carbonization process through rapid heating and rapid cooling.

도 2d와 같이, 수열 탄화 전 승온 과정과 냉각 과정 모두 변화를 주어 급속 승온과 급속 냉각 과정을 통해 다공성 탄소를 제조하였다. As shown in FIG. 2d, porous carbon was prepared through a rapid heating and cooling process by changing both the heating process and the cooling process before hydrothermal carbonization.

이렇게 합성한 다공성 탄소를 ZHTP_h-c로 명명하였다. The porous carbon thus synthesized was named ZHTP_h-c.

도 3은 물리적 특성 비교를 위해 합성한 다공성 탄소의 질소 흡탈착 등온선을 나타낸 것이다. 3 shows nitrogen adsorption and desorption isotherms of porous carbon synthesized for comparison of physical properties.

질소 흡탈착 등온선에서의 실험 결과를 통해 다공성 탄소의 비표면적과 기공 부피를 계산하였으며 이를 아래의 표 1에 나타내었다. The specific surface area and pore volume of the porous carbon were calculated through the experimental results in the nitrogen adsorption and desorption isotherms, which are shown in Table 1 below.

SampleSample SBET
(m2/g)
S BET
(m 2 /g)
Vtotal
(cm3/g)
V total
(cm 3 /g)
Vmicro
(cm3/g)
V micro
(cm 3 /g)
Vmeso
(cm3/g)
V meso
(cm 3 /g)
Vmeso
/Vtotal (%)
V meso
/V total (%)
ZHTPZHTP 19261926 0.9320.932 0.7160.716 0.2160.216 23.223.2 ZHTP_cZHTP_c 24772477 1.3351.335 0.9190.919 0.4160.416 31.331.3 ZHTP_hZHTP_h 27802780 2.0672.067 1.0571.057 1.011.01 48.948.9 ZHTP_h-cZHTP_h-c 682682 0.4070.407 0.2490.249 0.1580.158 38.838.8

표 1을 참조하면, 기공 발달을 촉진시키는 활성화 과정은 동일하고, 활성화 과정 이전의 수열 탄화에서 승온 및 냉각 속도만 변경하였음에도 불구하고 기공의 형성 양상에 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. Referring to Table 1, it can be seen that the activation process for promoting pore development is the same, and there is a difference in the formation of pores even though only the temperature raising and cooling rates are changed in the hydrothermal carbonization before the activation process.

자연 승온 및 자연 냉각을 통해 탄화한 ZHTP는 2000 m2/g에 가까운 높은 비표면적을 가지고 있으며 미세 기공 중심의 기공이 발달된 것을 질소 흡탈착 개형을 통해 확인할 수 있다. ZHTP carbonized through natural temperature increase and natural cooling has a high specific surface area close to 2000 m 2 /g, and it can be confirmed through nitrogen adsorption and desorption opening that pores in the center of micropores are developed.

자연 승온 및 급속 냉각을 통해 탄화한 ZHTP_c 소재의 경우, 흡탈착 개형은 ZHTP와 유사하나 이보다 더 발달한 비표면적과 기공 부피를 갖고 있다. In the case of ZHTP_c material carbonized through natural temperature increase and rapid cooling, the adsorption/desorption opening is similar to that of ZHTP, but has a more developed specific surface area and pore volume.

급속 승온과 자연 냉각을 통해 탄화한 ZHTP_h 소재는 앞선 두 소재보다 더 증진된 2780 m2/g 이란 표면적을 갖고 있다.ZHTP_h material carbonized through rapid temperature increase and natural cooling has a surface area of 2780 m 2 /g, which is more improved than the previous two materials.

특히 ZHTP_h는 흡탈착 개형에서 히스테리시스 루프를 가져 다른 소재들에 비해 중기공이 많이 형성된 것을 확인할 수 있다. 또한, 2.067 cm3/g란 큰 기공 부피를 갖고 있어 활용하는 분야에 따라서 큰 기공 부피가 요구될 경우 위와 같은 합성 방법이 유용할 것으로 파악된다. In particular, it can be confirmed that ZHTP_h has a hysteresis loop in the adsorption-and-desorption open form, and more mesopores are formed than other materials. In addition, since it has a large pore volume of 2.067 cm 3 /g, it is understood that the above synthesis method will be useful when a large pore volume is required depending on the field of use.

기존의 자연 승온과 자연 냉각 과정과 차이를 두어 급속 승온과 급속 냉각 중 하나를 통해 제조된 다공성 탄소는 모두 기존 방법으로 합성한 다공성 탄소(ZHTP)보다 더 증진된 비표면적과 기공 부피를 가진다. Unlike conventional natural temperature raising and natural cooling processes, porous carbon produced through either rapid heating or rapid cooling has a higher specific surface area and pore volume than porous carbon (ZHTP) synthesized by conventional methods.

반면, 급속 승온과 급속 냉각을 동시에 진행한 ZHTP_h-c는 오히려 제일 낮은 비표면적을 나타내었다. On the other hand, ZHTP_h-c, which was rapidly heated and cooled simultaneously, showed the lowest specific surface area.

ZHTP_h-c는 급격한 승온 후 급격한 냉각 과정을 거치기 때문에 반응기 내에서 반응하는 시간이 다른 소재들보다 상대적으로 짧다. 따라서 휘발성 물질이 다른 소재에 비해 많이 남아있어 최종 활성화 후에도 상대적으로 기공이 많이 발달하지 못한 것으로 해석할 수 있다. Since ZHTP_h-c goes through a rapid cooling process after a rapid temperature increase, the reaction time in the reactor is relatively shorter than other materials. Therefore, since more volatile substances remain than other materials, it can be interpreted that pores are not developed relatively much after final activation.

표 1에서 다공성 탄소의 전체 기공 부피와 이 중 미세 기공과 중기공의 형성 정도를 확인하였을 때 비표면적의 크기와 무관하게 ZHTP_h, ZHTP_h-c와 같이 수열 탄화 전 온도를 급속히 승온시켰을 경우 상대적으로 중기공이 발달되는 것을 알 수 있다. When the total pore volume of porous carbon and the degree of formation of micropores and mesopores were confirmed in Table 1, regardless of the size of the specific surface area, when the temperature before hydrothermal carbonization was rapidly raised, such as ZHTP_h and ZHTP_h-c, it was relatively intermediate You can see that the ball develops.

도 4는 수열 탄화 과정에 따른 다공성 탄소의 기공 분포도를 나타낸 것이다. Figure 4 shows the pore distribution of porous carbon according to the hydrothermal carbonization process.

앞서 설명한 바와 같이, 서로 다른 승온 및 냉각 과정을 통해 제조된 다공성 탄소의 물리적 특성이 다르기 때문에 기공 분포도 또한 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.As described above, it can be confirmed that the pore distribution is also different because the porous carbon produced through different heating and cooling processes has different physical properties.

자연 승온과 자연 냉각을 통해 탄화한 다공성 탄소(ZHTP)는 미세 기공 영역 범위인 2 nm 미만에서의 기공이 발달한 것을 확인하였고 특히 0.7 nm 부근에서의 기공이 많이 발달하였다. Porous carbon (ZHTP) carbonized through natural temperature increase and natural cooling was confirmed to have developed pores in the micropore area range of less than 2 nm, especially around 0.7 nm.

그에 비해 자연 승온과 급속 냉각을 통해 탄화한 다공성 탄소(ZHTP_c)는 중기공 영역 범위인 2~3 nm에서의 기공이 발달된 것을 확인하였다. In contrast, porous carbon (ZHTP_c) carbonized through natural temperature increase and rapid cooling was confirmed to have developed pores in the mesopore range of 2-3 nm.

급속 승온과 자연 냉각을 통해 탄화한 다공성 탄소(ZHTP_h)는 질소 흡탈착 등온선에서 중기공이 많이 형성되었고 이를 기공 분포도에서도 확인할 수 있다. In the porous carbon (ZHTP_h) carbonized through rapid temperature increase and natural cooling, many mesopores were formed in the nitrogen adsorption and desorption isotherm, which can be confirmed in the pore distribution map.

표 1에서 확인한 48.3%의 중기공 형성 정도를 고려하였을 때, 중기공 영역에서 다른 소재들에 비해 좀 더 넓은 범위에서 기공이 발달된 것을 볼 수 있다. Considering the degree of mesopore formation of 48.3% confirmed in Table 1, it can be seen that pores developed in a wider range than other materials in the mesopore area.

급속 승온과 급속 냉각을 통해 탄화한 다공성 탄소(ZHTP_h-c)는 소재 자체의 표면적이 높지 않아 다른 소재들과 비교하였을 때 기공 발달이 안 된 것처럼 보이지만, ZHTP_h와 마찬가지로 1~2 nm 영역대에서의 기공 발달이 세분화되는 것을 확인할 수 있다. Porous carbon (ZHTP_h-c) carbonized through rapid temperature increase and rapid cooling does not appear to have developed pores compared to other materials because the surface area of the material itself is not high. It can be seen that stomatal development is segmented.

도 5는 최종 활성화 후, 작용기가 생성이 되었는지를 확인해보기 위해 분석한 IR의 스펙트라를 나타낸 도면이다. 5 is a diagram showing spectra of IR analyzed to determine whether a functional group has been generated after final activation.

일반적인 다공성 탄소 같은 경우는 탄화와 활성화 과정에서 휘발성 물질이 사라지며 탄소만 남게 되기 때문에 작용기를 확인할 수 없다. In the case of general porous carbon, volatile substances disappear during carbonization and activation and only carbon remains, so functional groups cannot be identified.

그러나 수열 탄화 과정을 거치게 되면 물과의 반응으로 산소나 수소와의 작용기가 생길 수 있다. However, when hydrothermal carbonization is performed, a functional group with oxygen or hydrogen may be generated through a reaction with water.

본 실시예에 따른 다공성 탄소에서도 1700 cm-1, 1370 cm-1, 1210 cm-1 부근에서의 특정 피크가 생겼다는 점을 통해 카보닐기가 형성됐음을 알 수 있다.It can be seen that a carbonyl group was formed through the fact that specific peaks occurred around 1700 cm -1 , 1370 cm -1 , and 1210 cm -1 in the porous carbon according to the present embodiment.

그러나 수열 탄화 과정에서의 세분화에 따라서 그 정도가 달라지게 되는데, 중기공이 발달하고 비표면적이 높은 ZHTP_c의 경우 이러한 작용기가 아주 강하게 붙어있는 것을 확인할 수 있다. However, the degree varies depending on the subdivision in the hydrothermal carbonization process. In the case of ZHTP_c with developed mesopores and a high specific surface area, it can be confirmed that these functional groups are very strongly attached.

그에 비해 ZHTP의 경우 카보닐기가 형성이 되었지만 그 정도가 낮다. In contrast, in the case of ZHTP, a carbonyl group was formed, but the degree was low.

급속 승온을 진행한 ZHTP_h와 ZHTP_h-c의 경우 카보닐기의 형성이 거의 이루어지지 않았음을 알 수 있다. In the case of ZHTP_h and ZHTP_h-c subjected to rapid temperature increase, it can be seen that carbonyl groups were hardly formed.

즉, 바이오매스, 염화아연 그리고 물로 구성된 혼합 원료를 서서히 승온을 시켜 탄화 반응이 원활하게 이루어지게 하고, 급속 냉각을 시켜 수열 탄화 반응을 종료시킬 경우에는 이러한 카보닐기가 뚜렷하게 형성된다. 그러나 급속 승온 과정에서는 반응이 공격적으로 진행이 되어 카보닐기의 형성이 어려운 것으로 이해할 수 있다. That is, when the temperature of the mixed raw material composed of biomass, zinc chloride, and water is gradually raised so that the carbonization reaction is smoothly performed, and the hydrothermal carbonization reaction is terminated by rapid cooling, such a carbonyl group is clearly formed. However, it can be understood that it is difficult to form a carbonyl group because the reaction proceeds aggressively in the process of rapid temperature increase.

도 6은 염화아연을 수열 탄화 과정에 미리 첨가하고 활성화한 소재와 수열 탄화 과정 후 염화아연을 별도로 첨가한 후 최종적으로 활성화한 소재의 질소 흡탈착 등온선을 나타낸 도면이다. 6 is a view showing nitrogen adsorption and desorption isotherms of a material activated after adding zinc chloride in advance in a hydrothermal carbonization process and a material finally activated after separately adding zinc chloride after the hydrothermal carbonization process.

염화아연을 수열 탄화 과정이 끝난 고체와 혼합한 후 활성화를 진행해준 탄소를 HTZP_h로 명명한다. After mixing zinc chloride with the hydrothermal carbonization solid, the activated carbon is named HTZP_h.

염화아연과 수열 탄화 반응이 서로에게 미치는 영향을 확인하기 위하여 수열 탄화 후 별도로 염화아연을 첨가하여 활성화한 다공성 탄소의 질소 흡탈착 등온선을 확인하였다. In order to confirm the effect of zinc chloride and hydrothermal carbonization on each other, nitrogen adsorption and desorption isotherms of porous carbon activated by adding zinc chloride separately after hydrothermal carbonization were confirmed.

HTZP_h는 상대적으로 비표면적이 낮고 미세 기공 위주로 발달한다는 것을 알 수 있다. It can be seen that HTZP_h has a relatively low specific surface area and develops mainly in micropores.

ZHTP_h와 HTZP_h의 두 다공성 탄소의 특징의 차이를 통해 염화아연을 수열 탄화 전에 첨가하였을 경우, 최종 활성화 과정에서 기공 발달이 더 촉진되는 것으로 파악할 수 있다. Through the difference in the characteristics of the two porous carbons, ZHTP_h and HTZP_h, it can be seen that when zinc chloride is added before hydrothermal carbonization, pore development is further promoted during the final activation process.

특히 이와 같은 합성 방법은 수열 탄화 과정에서 염화아연이란 활성화제가 충분히 혼합이 되기 때문에 추후 함침법과 같은 별도의 활성화제 첨가 방법을 도입하지 않아도 되어 제조 과정의 이점이라고 볼 수 있다.In particular, in this synthesis method, since the activator of zinc chloride is sufficiently mixed in the hydrothermal carbonization process, there is no need to introduce a separate activator addition method such as an impregnation method later, which can be seen as an advantage in the manufacturing process.

도 7은 염화아연의 첨가 순서에 따른 다공성 탄소의 기공 분포도를 나타낸 도면이다. 7 is a diagram showing the pore distribution of porous carbon according to the order of addition of zinc chloride.

염화아연을 수열 탄화 과정에 미리 첨가하고 활성화한 ZHTP_h은 2 nm 이후에서의 영역에서도 기공이 분포되어 있는 것을 확인할 수 있지만, 염화아연을 수열 탄화 후 별도로 함침하여 최종 활성화한 소재인 HTZP_h는 중기공 영역에서의 기공 발달 정도를 확인할 수 없다. ZHTP_h, which was activated by adding zinc chloride in advance to the hydrothermal carbonization process, can confirm that pores are distributed even in the area beyond 2 nm, but HTZP_h, which is a material that is separately impregnated and finally activated after zinc chloride is hydrothermal carbonized, has medium pores. The degree of stomatal development could not be ascertained.

그 대신 0.7 nm 부근에서의 미세 기공이 크게 발달된 것을 확인할 수 있다. Instead, it can be confirmed that micropores around 0.7 nm are greatly developed.

단순히 염화아연의 첨가 순서를 다르게 함으로써 미세 기공 혹은 중기공이 다르게 발달한 소재를 얻을 수 있다.A material with differently developed micropores or mesopores can be obtained by simply changing the order of addition of zinc chloride.

도 8은 리그닌을 전구체로 하여 염화아연과의 혼합비율을 다르게 하여 실험한 결과를 나타낸 도면이고, 표 2는 염화아연의 혼합비율 및 첨가 순서에 따른 다공성 탄소의 비표면적과 기공 부피를 나타낸 것이다. 8 is a view showing the results of experiments using lignin as a precursor and different mixing ratios of zinc chloride, and Table 2 shows the specific surface area and pore volume of porous carbon according to the mixing ratio of zinc chloride and the order of addition.

SampleSample SBET
(m2/g)
S BET
(m 2 /g)
Vtotal
(cm3/g)
V total
(cm 3 /g)
Vmicro
(cm3/g)
V micro
(cm 3 /g)
Vmeso
(cm3/g)
V meso
(cm 3 /g)
Vmeso
/Vtotal (%)
V meso
/V total (%)
HTZP[2]_lig4hHTZP[2]_lig4h 16451645 0.8080.808 0.6130.613 0.1950.195 24.124.1 HTZP[3]_lig4hHTZP[3]_lig4h 14291429 0.7590.759 0.5320.532 0.2270.227 29.9129.91 ZHTP[2]_lig4hZHTP[2]_lig4h 852852 0.3580.358 0.340.34 0.0180.018 5.035.03 ZHTP[3]_lig4hZHTP[3]_lig4h 176176 0.0770.077 0.0710.071 0.0060.006 8.178.17

도 8 및 표 2를 참조하면, 염화아연의 양을 2배에서 3배로 늘렸을 경우, 수열 탄화 전후의 혼합 순서에 무관하게 표면적이나 기공 부피가 크게 무너지는 것으로 파악된다. Referring to FIG. 8 and Table 2, when the amount of zinc chloride is increased from 2 to 3 times, it is understood that the surface area or pore volume greatly collapses regardless of the mixing order before and after hydrothermal carbonization.

이러한 현상은 염화아연의 과도한 첨가로 인하여 최종 활성화 과정에서 기공 발달이 과하게 촉진되어 기공이 무너지는 것으로 판단되며, 바이오매스 전구체와 활성화제의 혼합비율은 1:2인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. This phenomenon is judged to be due to excessive addition of zinc chloride, which excessively accelerates the development of pores during the final activation process and collapses the pores, and it can be seen that the mixing ratio of the biomass precursor and the activator is preferably 1:2.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The embodiments of the present invention described above have been disclosed for illustrative purposes, and those skilled in the art having ordinary knowledge of the present invention will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and such modifications, changes, and additions will be considered to fall within the scope of the following claims.

Claims (6)

(a) 바이오매스 전구체, 활성화제 및 물을 혼합하여 혼합물질을 제공하는 단계;
(b) 급속 승온 및 급속 냉각 중 하나를 적용하여 미리 설정된 시간 동안 상기 혼합물질을 수열 탄화한 후 냉각하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계에 의해 수득된 고체를 건조하는 단계; 및
(d) 상기 고체를 활성화하는 단계를 포함하되,
상기 (b) 단계는, 중기공(meso 기공) 생성을 위해, 반응기를 수열 탄화 온도까지 승온시키고 상기 수열 탄화 온도로 승온된 반응기 내부에 상기 혼합물질을 투입하여 미리 설정된 시간 동안 수열 탄화 반응시키는 급속 승온에 의한 수열 탄화 반응 후 상기 급속 승온에 의한 수열 탄화 반응에 의해 수득된 고체를 미리 설정된 시간 동안 자연 냉각하는 단계 및 상기 혼합물질을 상기 반응기에 투입하여 미리 설정된 시간 동안 상기 제1 온도에서 상기 수열 탄화 온도까지 승온시키고 미리 설정된 시간 동안 수열 탄화 반응시키는 자연 승온에 의한 수열 탄화 반응 후 상기 자연 승온에 의한 수열 탄화 반응에 의해 수득된 고체를 냉각수에 투입하여 급속 냉각하는 단계 중 하나를 포함하며,
상기 바이오매스 전구체와 상기 활성화제는 1:1.5 내지 1:2.5 중량퍼센트로 혼합되는 다공성 탄소 제조 방법.
(a) mixing a biomass precursor, an activator and water to provide a mixture;
(b) hydrothermal carbonizing the mixture for a preset time by applying one of rapid heating and rapid cooling, followed by cooling;
(c) drying the solid obtained by step (b); and
(d) activating the solid;
In the step (b), in order to generate mesopores, the temperature of the reactor is raised to the hydrothermal carbonization temperature, and the mixture is introduced into the reactor heated to the hydrothermal carbonization temperature to perform a rapid hydrothermal carbonization reaction for a predetermined time. After the hydrothermal carbonization reaction by raising the temperature, naturally cooling the solid obtained by the hydrothermal carbonization reaction by the rapid temperature increase for a preset time, and introducing the mixture into the reactor to heat the solid at the first temperature for a preset time. After the hydrothermal carbonization reaction by the natural temperature increase in which the temperature is raised to the carbonization temperature and the hydrothermal carbonization reaction is carried out for a predetermined time, the solid obtained by the hydrothermal carbonization reaction by the natural temperature increase is put into cooling water to rapidly cool,
The method for producing porous carbon wherein the biomass precursor and the activator are mixed in a weight percent of 1:1.5 to 1:2.5.
제1항에 있어서,
상기 바이오매스 전구체는 셀룰로오스, 리그닌(lignin), 키토산(chitosan), 석탄, 코크 및 플라스틱 중 적어도 하나인 다공성 탄소 제조 방법.
According to claim 1,
The biomass precursor is at least one of cellulose, lignin, chitosan, coal, coke, and plastic.
제1항에 있어서,
상기 활성화제는 염화아연, 수산화칼륨 및 탄산칼륨 중 적어도 하나인 다공성 탄소 제조 방법.
According to claim 1,
Wherein the activator is at least one of zinc chloride, potassium hydroxide and potassium carbonate.
제1항에 있어서,
상기 바이오매스 전구체는 물에 0.15 g/L 내지 0.2 g/L 비율로 혼합되는 다공성 탄소 제조 방법.


According to claim 1,
The method for producing porous carbon wherein the biomass precursor is mixed with water at a ratio of 0.15 g / L to 0.2 g / L.


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