KR200367446Y1 - 귀금속 나노입자가 코팅된 탄소성 물질 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기분해법으로 제조한 귀금속 나노입자(Ag, Au, Pt, Pd) 콜로이드를 이용한 환경친화적인 귀금속 나노입자가 코팅된 탄소성 물질 제조방법에 관한 것이다. 상기 탄소성 물질은 귀금속이 갖는 화학적 안정성, 촉매, 높은 전기전도도등의 특이한 성질에 기인하여 이차 또는 연료전지의 도전재료나 공기청정필터로 사용된다. 전기분해법으로 제조한 나노입자 콜로이드는 분산용매가 초순수로서 유해한 물질을 전혀 포함하고 있지 않아 코팅공정이 환경친화적이다. 코팅공정은 전기분해법으로 제조한 나노입자 콜로이드를 탄소성 물질에 적시는 단계와 건조하는 단계로 이루진다. 콜로이드 분산용매인 초순수가 건조단계에서 제거되면서 나노입자는 정전기력에 의하여 탄소의 표면에 흡착되어 코팅구조를 유지한다.

Description

귀금속 나노입자가 코팅된 탄소성 물질 및 그 제조방법 {Noblemetal nano particles coated carbonaceous materials and manufacturing method thereof}

본 발명은 전극재료, 필터등에 사용되는 탄소성 물질에 귀금속 나노입자를 코팅한 탄소 복합재료의 개발에 관한 것이다. 현재, 이차전지와 연료전지에는 전극의 도전재료로서 카본블랙 또는 탄소섬유등이 사용되고 있다. 이는 탄소의 비교적 낮은 비저항과 전기화학적 안정성 때문이다. 최근 휴대용 통신기기와 대체에너지의 개발의 급속한 발전에 기인하여 2차전지 또는 Super capacitor, 연료전지의 고성능화가 요구되고 있는 실정이다. 따라서 높은 충방전 안정성 및 충전용량등이 요구되는데 이는 전극활물질사이에 존재하는 도전재료의 비저항을 낮춤으로서 가능하다. 양극의 도전재료로서 금(Au)이나 백금(Pt)을 사용할 수 있지만, 매우 고가의 소재이기 때문에 적용하기 어렵다. 또한 음극의 도전재료로서는 금, 백금, 은, 팔라듐이 사용될 수 있지만 역시 소재의 가격이 매우 높다는 것이 문제점이다. 일반 금속을 사용한다면 전기전도도를 향상시킬수는 있지만, 양극 및 음극 그리고 전해액에서 일어나는 산화반응을 피할 수 없는 것이 문제이다.

탄소성 물질이 사용되는 또 다른 분야는 공기 및 수처리 필터이다. 활성탄소섬유는 1000㎡/g 이상의 높은 비표면적을 갖기 때문에 오염물질의 흡착재료로서 사용된다. 그러나, 각종 질병을 야기하는 황색포도상구균, 대장균 같은 세균과 포름알데히드, 아세트산, 암모니아와 같은 휘발성 유기화합물을 제거하는 데에는 한계가 있다.상기 전지의 전극재료와 필터재료의 문제점을 해결하기 위해서 탄소성 물질에 은, 금, 백금, 팔라듐과 같은 귀금속을 함침하고 있다. 그러나, 출발원료가 염화물이나 질산염과 같은 독성물질을 사용할 뿐만 아니라 화학적 처리를 하면서 염소, 녹스, 산성폐수와 같은 유해물질을 방출한다.

본 발명의 개발목적은 탄소성 물질의 표면에 귀금속 나노입자를 환경친화적으로 손쉽게 코팅하여 전기전도도의 향상, 항균 및 휘발성 유기화합물 제거기능이 부여된 탄소복합재료를 공급하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 은 나노입자가 코팅된 활성탄소섬유의 주사전자현미경 사진이다.

도 2는 본 발명의 실시예2에 따라 제조된 금 나노입자가 코팅된 탄소섬유의 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.

도 3은 본 발명의 실시예3에 따라 제조된 백금 나노입자가 코팅된 활성탄소섬유의 포름알데히드 제거에 대한 시험결과이다.

도 4는 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 은과 백금 나노입자가 코팅된 활성탄소섬유의 휘발성유기화합물 제거에 대한 시험결과이다.도 5는 본 발명의 실시예 5에 따라 제조된 팔라듐 나노입자가 코팅된 활성탄소섬유의 주사전자현미경 사진이다.

본 발명은 100 nm 이하크기의 금, 은, 백금, 팔라듐 나노입자가 분산된 용액을 이용하여 탄소성 물질의 표면에 금, 은, 백금 나노입자를 코팅함으로서 기능이 향상된 탄소복합재료를 제공한다. 귀금속 나노입자가 분산된 콜로이드는 선행기술(대한민국 특허출원 10-2003-0037065) 순수 귀금속에서 직접 전기분해법으로 제조하며, 분산 용매는 초순수로서 유해물질이 전혀없다. 두가지 이상의 나노입자를 코팅하기위해서는 두가지 이상의 귀금속 나노입자가 분산된 콜로이드 용액을 사용하거나 한종류의 나노입자가 분산된 용액을 사용할 경우에는 코팅과정을 2회 이상 거치면서 가능하다. 탄소성 물질에 귀금속나노입자의 코팅원리는 탄소성 물질의 표면에 젖어있던 나노입자 분산된 용액이 건조되면서 나노입자만 잔류하며 나노입자는 정전기력에 의해 탄소성 물질에 흡착상태를 유지한다는 것이다.

(1) 실시예 1

은 나노입자 콜로이드는 100리터의 물에 환원제를 소량 첨가한 후 두개의 은판을 상기 환원제가 녹아있는 물에 담근 후 각각을 (+), (-) 전극으로 하여 직류 전압 220v와 초음파를 가하여 제조한다. 은판의 크기는 300×300×1(mm) 였으며 1시간 전압을 가하여 5-50 nm 크기의 은 입자가 1,000ppm 분산된 콜로이드를 제조하였다. 상기 콜로이드 용액을 비표면적 1,500㎡/g 의 활성탄소섬유에 충분히 적신다. 은입자가 분산된 용액으로 적셔진 활성탄소섬유를 70℃에서 건조시켜 은 나노입자가 코팅된 활성탄소섬유를 제조한다.

도 1은 실시예 1에 의해 제조된 5-50 nm 크기의 은입자가 코팅된 활성탄소섬유의 표면을 주사전자현미경(배율 5,000배)으로 관찰한 사진으로 직경 10㎛의 활성탄소섬유 표면에 5-50 nm 크기의 은 나노입자가 매우 균일하게 코팅된 것을 알 수 있다.

(2) 실시예 2

금 나노입자 콜로이드는 100리터의 물에 환원제를 소량 첨가한 후 두개의 금판을 상기 환원제가 녹아있는 물에 담근 후 각각을 (+), (-) 전극으로 하여 직류 전압 220V와 초음파를 가하여 제조한다. 금판의 크기는 300×300×0.1(mm) 였으며 10시간 전압을 가하여 약 100 nm 크기의 금 입자가 1,000ppm 분산된 콜로이드를 제조하였다. 상기 평균 100 nm 크기의 금 나노입자가 분산된 콜로이드 용액을 탄소섬유에 충분히 적신다. 금 입자가 분산된 용액으로 적셔진 탄소섬유를 70℃에서 건조시켜 금 나노입자가 코팅된 탄소섬유를 제조한다.

도 2는 실시예 2에 의해 제조된 100 nm 크기의 금 나노입자가 코팅된 탄소섬유의 표면을 주사전자현미경(배율 30,000배)으로 관찰한 사진으로 직경 200 nm 크기의 탄소섬유의 표면에 100 nm 크기의 금 나노입자 코팅된 것을 알 수 있다.

(3) 실시예 3

백금 나노입자 콜로이드는 100리터의 물에 환원제를 소량 첨가한 후 두개의 금판을 상기 환원제가 녹아있는 물에 담근 후 각각을 (+), (-) 전극으로 하여 직류 전압 220v와 초음파를 가하여 제조한다. 백금판의 크기는 300×300×0.1(mm) 였으며 20시간 전압을 가하여 백금 입자가 1,000ppm 분산된 콜로이드를 제조하였다. 상기 백금 나노입자가 분산된 콜로이드 용액을 비표면적 1,500㎡/g 의 활성탄소섬유에 충분히 적신다. 백금 입자가 분산된 용액으로 적셔진 활성탄소섬유를 70℃에서 건조시켜 백금 나노입자가 코팅된 활성탄소섬유를 제조한다.도 3은 상기 실시예 3 으로 제조된 백금 나노입자가 코팅된 활성탄소섬유의 기체상 포름알데히드의 제거성능을 시험한 결과이다. 초기 포름알데히드의 농도는 10ppm 이었다. 비교예인 순수 활성탄소섬유에 비해 백금이 코팅되면 포름알데히드의 제거 성능이 급격히 향상되는 것을 알 수 있다. 순수 활성탄소섬유는 30분이 경과하여도 제거율이 대략 60% 정도인 반면, 백금 코팅된 활성탄소섬유의 제거율은 30분 경과후 100%에 가까웠다.

(4) 실시예 4실시예 3에 따라 제조된 백금 나노입자가 분산된 콜로이드 용액을 비표면적 1,500㎡/g 의 활성탄소섬유에 충분히 적신후, 70℃에서 건조한다. 이를 다시 실시예 1에 따라 제조된 평균 5-50 nm 크기의 은 나노입자가 분산된 콜로이드 용액을 이용하여 충분히 적신 후 70℃에서 건조하여 은과 백금 나노입자가 코팅된 활성탄소섬유를 제조한다.도 4는 상기 실시예 3에 의해 제조된 은과 백금 나노입자가 코팅된 활성탄소섬유의 기체상 CH3COOH, 톨루엔, NH3, HCHO 물질에 대한 제거특성을 시험한 결과이다. 각각 기체의 초기 농도는 10ppm 이었다. 은과 백금이 코팅된 활성탄소섬유는 30분 경과후 상기 4가지 기체를 대부분 제거하는 것을 알 수 있다.(5) 실시예 5팔라듐 나노입자 콜로이드는 100리터의 물에 환원제를 소량 첨가한 후 두개의 금판을 상기 환원제가 녹아있는 물에 담근 후 각각을 (+), (-) 전극으로 하여 직류 전압 220v와 초음파를 가하여 제조한다. 팔라듐판의 크기는 300×300×0.1(mm) 였으며 20시간 전압을 가하여 팔라듐 입자가 5,000ppm 분산된 콜로이드를 제조하였다. 상기 백금 나노입자가 분산된 콜로이드 용액을 비표면적 1,500㎡/g 의 활성탄소섬유에 충분히 적신다. 팔라듐 나노입자가 분산된 용액으로 적셔진 활성탄소섬유를 70℃에서 건조시켜 팔라듐 나노입자가 코팅된 활성탄소섬유를 제조한다.도 5는 실시예 5에 의해 제조된 팔라듐 나노입자가 코팅된 활성탄소섬유의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진으로 직경 10㎛의 활성탄소섬유 표면에 팔라듐 나노입자가 매우 조밀하게 코팅된 것을 알 수 있다.

본 발명에 의하여 전기전도도 뿐만 아니라 휘발성 유기탄소 물질의 제거 성능이 향상된 탄소성 물질을 환경친화적이며 저가로 제공할 수 있다. 원재료가 고가인 귀금속은 소량 사용하면서 전기전도도가 우수한 탄소성 물질을 제공할 수 있어 2차전지, Super capacitor, 연료전지에서 전극의 도전재료로서 사용될 수 있다. 따라서, 기존 전지에 비해서 충방전 안정성과 충전용량이 향상된 전지를 제조할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 백금이 코팅된 탄소성 물질이 전지 전극의 도전재료로 사용될 경우 전지의 성능은 극대화될 것으로 기대된다. 은, 백금 또는 은-백금을 코팅된 활성탄소섬유를 제공할 수 있어 항균과 휘발성유기화합물을 제거할 수 있는 필터를 제조할 수 있다.

Claims (18)

1. 귀금속에서 직접 전기분해법으로 제조한 나노입자 콜로이드를 탄소성 물질에 적시는 단계와 건조하는 단계로 제조한 귀금속 나노입자가 코팅된 탄소성 물질
2. 제 1항에 있어서 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 중 한 종류 또는 그 이상의 나노입자를 코팅한 것을 특징으로 하는 귀금속 나노입자가 코팅된 탄소성 물질 제조방법 및 상기 방법으로 제조한 귀금속 나노입자가 코팅된 탄소성 물질
3. 제 1항에 있어서 코팅되는 탄소성 물질로서 graphite, 탄소섬유, 활성탄소섬유, 활성탄소, 카본블랙등을 사용하는 것을 특징으로 하는 귀금속 나노입자가 코팅된 탄소성 물질
4. 귀금속에서 직접 전기분해법으로 제조한 나노입자 콜로이드를 활성탄소섬유에 적시는 단계와 건조하는 단계로 제조한 귀금속 나노입자가 코팅된 공기청정필터
5. 제 4항에 있어서 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 중 한 종류 또는 그 이상의 나노입자를 코팅한 것을 특징으로 하는 귀금속 나노입자가 코팅된 공기청정필터
6. 귀금속에서 직접 전기분해법으로 제조한 나노입자 콜로이드를 탄소성 물질에 적시는 단계와 건조하는 단계로 제조한 귀금속 나노입자가 코팅된 전극재료
7. 제 6항에 있어서 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 중 한 종류 또는 그 이상의 나노입자를 코팅한 것을 특징으로 하는 귀금속 나노입자가 코팅된 전극재료
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