KR20090108331A - Process for preparing nanocrystalline manganese oxide having supercapacitor electrode property - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A process for preparing nanocrystalline manganese oxide is provided to allow potassium permanganate to react to 3~4.5M ethylene glycol to produce spheral manganese dioxide nanoparticles. CONSTITUTION: A process for preparing nanocrystalline manganese oxide comprises the following step of allowing potassium permanganate to react to 3~4.5M ethylene glycol. The manganese oxide nanoparticles contain 0-45% moisture. The manganese oxide nanoparticles have second hollows. The specific surface area of the manganese oxide nanoparticles is 230m^2/g±10%. The average particle size of the manganese oxide nanoparticles is 8~15nm.

Description

초고용량 전극 특성을 갖는 망간산화물 나노입자의 제조방법 {PROCESS FOR PREPARING NANOCRYSTALLINE MANGANESE OXIDE HAVING SUPERCAPACITOR ELECTRODE PROPERTY}Manufacturing Method of Manganese Oxide Nanoparticles with Ultra-High Capacity Electrode Characteristics {PROCESS FOR PREPARING NANOCRYSTALLINE MANGANESE OXIDE HAVING SUPERCAPACITOR ELECTRODE PROPERTY}

본 발명은 초고용량 전극 특성을 갖는 망간산화물 나노입자의 제조방법에 관한 것이다. 더 상세히는 과망간산칼륨에 대해 3몰비 이상, 바람직하기로는 3.5 내지 4.5 몰비로 에틸렌글리콜을 반응시킴으로서 큰 비표면적(230㎡/g±10%)의 구형 형태의 망간산화물 이산화망간 나노입자를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing manganese oxide nanoparticles having ultra-high electrode characteristics. More specifically, a method for producing spherical manganese oxide manganese dioxide nanoparticles having a large specific surface area (230 m 2 / g ± 10%) by reacting ethylene glycol at a molar ratio of at least 3, preferably 3.5 to 4.5, with respect to potassium permanganate. It is about.

최근 나노 입자의 망간산화물이 고용량의 전극으로서 우수함이 알려지게 됨에 따라 나노입자의 망간산화물을 제조하기 위하여 이 분야에 전문가들은 연구를 거듭하고 있는 실정이다. 특히 나노입자의 이산화망간을 제조하기 위하여 과망간산칼륨 등을 망간염(Mn+2)과 반응시켜 제조하는 것이 유리함을 보고하고 있다(참조: 비특허문헌 1∼5). 또한, 산화망간과 탄소나노튜브 복합체 전극의 제조방법에 관한 몇 개의 특허도 보인다(참조: 특허문헌 1∼2).As manganese oxide of nanoparticles is known to be excellent as a high-capacity electrode recently, experts in this field have been continuously researching to manufacture manganese oxide of nanoparticles. In particular, it is reported that it is advantageous to prepare potassium permanganate by reacting with manganese salt (Mn + 2 ) in order to prepare manganese dioxide of nanoparticles (Non-Patent Documents 1 to 5). Moreover, several patents regarding the manufacturing method of a manganese oxide and a carbon nanotube composite electrode are also shown (refer patent document 1-2).

그러나, 상기 비특허문헌에 나타난 망간산화물은 일정 전류밀도에서 일정 횟수의 싸이클 후 초기용량에 대비해 용량 감소가 일어나, 충/방전 특성을 가지는 망간 산화물로서 만족스럽지 못하고, 또한 상기 특허문헌에 기재된 발명은 나노입자의 망간산화물로서 특성을 가지는 것에 기재되어 있지 않고, 이에 대한 연구는 기재되어 있지 못한 실정이다. However, the manganese oxide shown in the non-patent document has a decrease in capacity relative to the initial capacity after a certain number of cycles at a constant current density, and is not satisfactory as a manganese oxide having charge / discharge characteristics, and the invention described in the patent document Manganese oxides of nanoparticles are not described as having properties, and studies on them have not been described.

[특허문헌 1] 대한민국 특허등록 제 10-0666778호[Patent Document 1] Republic of Korea Patent Registration No. 10-0666778

[특허문헌 2] 대한민국 특허등록 제 10-0622737호[Patent Document 2] Republic of Korea Patent Registration No. 10-0622737

[비특허문헌 1] Journal of the Electrochemical Society, 149 (11) A1419-A1422(2002)[Non-Patent Document 1] Journal of the Electrochemical Society, 149 (11) A1419-A1422 (2002)

[비특허문헌 2] Journal of Power Sources 124 (2003) 330-337[Non-Patent Document 2] Journal of Power Sources 124 (2003) 330-337

[비특허문헌 3] Journal of the Electrochemical Society, 154 (2) A80-A88 (2007)[Non-Patent Document 3] Journal of the Electrochemical Society, 154 (2) A80-A88 (2007)

[비특허문헌 4] Journal of the Electrochemical Society, 154 (10) A901-A909 (2007)[Non-Patent Document 4] Journal of the Electrochemical Society, 154 (10) A901-A909 (2007)

[비특허문헌 5] Journal of Solid State Chemistry 144, 220-223 (1999)[Non-Patent Document 5] Journal of Solid State Chemistry 144, 220-223 (1999)

전술한 바와 같이, 망간산화물이 초고용량 전극 특성을 갖는 망간 산화물로서의 가능성은 이미 알려져 있으나, 이를 이용하여 충/방전 실험을 하여 보면, 일 정의 충/방전 후, 방전용량 감소가 일어나 실용화에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 특히, 비특허문헌 등에 나타난 바와 같이, 나노입자의 망간산화물을 얻기 위하여 과망간산칼륨을 붕화수소칼륨, 디티오산나트륨, 차아인산나트륨 등의 무기물을 사용하여 환원시켜 나노입자의 망간 산화물을 제조하였으나, 이들 망간산화물은 80∼300 F/g 정도의 용량을 가지고 있으나, 이들 나노입자 망간산화물의 1000 사이클 후, 초기 용량에 대해 약 5∼50%의 용량 감소를 보이고 있다. As described above, the possibility of manganese oxide as a manganese oxide having ultra-high capacity electrode characteristics is already known, but when the charge / discharge experiments are conducted using the same, the discharge capacity decreases after a certain charge / discharge cycle, which makes it difficult to use. I'm experiencing it. In particular, as shown in the non-patent literature and the like, in order to obtain manganese oxide of nanoparticles, potassium permanganate was reduced by using inorganic materials such as potassium hydrogen boride, sodium dithioate, sodium hypophosphite, to prepare manganese oxide of nanoparticles. The manganese oxide has a capacity of about 80 to 300 F / g, but after 1000 cycles of these nanoparticle manganese oxides, the capacity decrease is about 5 to 50% with respect to the initial capacity.

본 발명자는 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구한 결과, 과망간산칼륨을 과량의 에틸렌글리콜로 환원시키면, 에틸렌글리콜의 점도 때문에 환원되는 반응물의 분산 상수를 조절할 수 있으며, 입자 사이에서 에틸렌글리콜이 환원제 역할을 하여 과망간산칼륨의 거의 대부분이 나노입자의 이산화망간으로 환원되고, 얻어진 나노입자의 이산화망간을 세척함으로서 에틸렌글리콜은 제거되고, 입자사이에 존재하는 2차 동공이 생성되어 초고용량 전극으로서 매우 적합함을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다. The present inventors earnestly studied to solve the above-mentioned conventional problems, and as a result of reducing potassium permanganate to an excess of ethylene glycol, the dispersion constant of the reactant to be reduced due to the viscosity of ethylene glycol can be adjusted, and As a reducing agent, almost all of potassium permanganate is reduced to manganese dioxide of nanoparticles, and ethylene glycol is removed by washing the obtained manganese dioxide of nanoparticles, and secondary pores existing between particles are formed, making it very suitable as an ultra high capacity electrode. The present invention was completed.

본 발명에 의해 얻어지는 나노입자(평균)의 망간산화물은 평균 입경 10∼13nm의 2차 동공을 갖고 있기 때문에 큰 비표면적(230㎡/g±10%)과 망간산화 물[KxMnO2·yH2O]의 식중 y값이 0 내지 0.425인 수분량을 갖는 구형 형태이며, 초고용량 전극특성을 평가한 결과, 0.5 mA/㎠ 전류밀도에서 1,000회 싸이클 후에도 초기용량을 그대로 보존하고 있다. 따라서, 망간이온을 함유한 출발물질과 환원제를 실온에서 비이커만을 이용한 단순혼합반응 과정을 통한 망간산화물 나노입자 합성법은 우수한 싸이클 용량보존 특성을 갖는 초고용량 전극물질을 경제적이고도, 대량으로 생성하는데 매우 유용하다.Manganese oxide of the nanoparticles (average) obtained by the present invention has a large specific surface area (230 m 2 / g ± 10%) and manganese oxide [K x MnO 2 · yH because of having secondary pupils having an average particle diameter of 10 to 13 nm. 2 O] is a spherical form having a water content of y to 0 to 0.425, and the ultracapacity electrode characteristics were evaluated, and the initial capacity was preserved as it is even after 1,000 cycles at 0.5 mA / cm 2 current density. Therefore, the synthesis of manganese oxide nanoparticles through a simple mixing process using manganese ions and a reducing agent at room temperature using only a beaker is very useful for economically and in large quantities to produce ultra-high capacity electrode materials having excellent cycle capacity retention characteristics. Do.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다. 또한, 실시예에 의해 얻어진 나노입자의 망간산화물의 확인을 위하여 측정한 결과를 나타낸 첨부도면도 아울러 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail. In addition, the accompanying drawings showing the results measured for the confirmation of the manganese oxide of the nanoparticles obtained by the examples will also be described.

본 발명은 과망간산칼륨을 에틸렌글리콜로 환원시켜 망간산화물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 대부분의 무기화합물의 산화환원반응, 특히 이온반응은 화학양론적으로 반응하나, 무기화합물과 유기화합물의 반응은 그렇지 않은 경우가 많은 것으로 알려져 있다. 본원 발명에서도 과망간산칼륨을 유기화합물인 에틸렌글리콜과 환원 반응시키면 화학양론적으로 진행하는 것으로 볼 수 없고, 상온, 대기압에서 반응시키는 경우, The present invention relates to a method for producing manganese oxide by reducing potassium permanganate with ethylene glycol. It is known that the redox reaction of most inorganic compounds, especially the ionic reaction, is stoichiometric, but the reaction of inorganic and organic compounds is not. In the present invention, when the reduction reaction of potassium permanganate with ethylene glycol which is an organic compound is not seen to proceed stoichiometrically, when reacting at room temperature and atmospheric pressure,

KxMnO2·yH2OK x MnO 2 yH 2 O

[식중, 0.176 내지 0.293이고, y는 0 내지 0.425이다.][Wherein, 0.176 to 0.293, y is 0 to 0.425]

의 화학식으로 표시되는 화합물이 얻어진다.The compound represented by the chemical formula of is obtained.

상기에서, y값은 망간 격자 층 안에 안정화되어 있는 물의 양이다. 만약 x와 y값이 위 최적 조건의 값에서 ±25%내에 있다면 본 발명의 범주에 있는 것으로 간주하여야 한다. 즉, 상기 x 및 y값을 정하는 것은 실험적인 계산에 의한다. 전술한 y값은 시료 표면에 있는 물과 격자 내에 있는 물의 합한 양이다. 격자내 존재하는 물은 이중 약 6%이다. 이것을 비례식으로 계산하게 되면 y값이 얻어지게 된다. 그리고 x값은 ICP 원소 분석기에 의해 측정된 값이다. 이 값은 기계 작동 및 샘플분석자 및 K가 격자 속에 안정화 되어 있지 않고, 입자 표면에도 존재할 수 있기 때문에 오차범위를 감안하여야 한다. 이 값들은 기존 망간산화물 격자 속에 존재하는 값들과 비교했을 때 합리적인 값들이다. 이 화합물 중의 x와 y의 수치는 본원 명세서에서는 언급하지 않고 단순히 망간산화물이라고 칭한다. In the above, the y value is the amount of water stabilized in the manganese lattice layer. If x and y values are within ± 25% of the above optimum conditions, they should be regarded as within the scope of the present invention. In other words, the x and y values are determined by experimental calculations. The y value described above is the sum of the water in the sample surface and the water in the lattice. Water present in the lattice is about 6%. If you calculate this proportionally, you get the y value. And x value is the value measured by ICP element analyzer. This value should take into account the margin of error since the machine operation and the sample analyzer and K are not stabilized in the lattice but may also be present on the particle surface. These values are reasonable when compared to the values present in the existing manganese oxide lattice. The numerical values of x and y in these compounds are not referred to herein and are simply referred to as manganese oxides.

과망간산칼륨과 에틸렌글리콜의 환원 반응에서 당량비로 반응시키면 충분히 환원반응이 완료될 수 없으므로, 과망간산칼륨을 충분히 산화시킬 수 있을 정도의 과량의 에틸렌글리콜, 예컨대, 과망간산칼륨에 대해 약 3몰비 이상, 바람직하기로는 3.5∼4.5몰비가 바람직하다. 과망간산칼륨과 에틸렌글리콜의 반응은 과망간산칼륨 수용액을 실온(15∼25℃)에서 약 30분 정도 교반하면서 서서히 에틸렌글리콜을 가하면 보라색에서 갈색으로 변하게 되면 반응을 종료시키고, 반응혼합물을 물 및 저급 알코올로 세정, 여과하여 얻어진 망간산화물을 통상의 방법, 예컨대 공기분위기하의 고온에서, 예건대 100℃ 이하에서 건조함으로서 넓은 비표면적과 적당한 수분을 포함하는, 구형 형태의 망간산화물 나노입자가 제조된다.In the reduction reaction of potassium permanganate and ethylene glycol, the reduction reaction cannot be completed sufficiently. Therefore, the amount of potassium permanganate is about 3 mol or more, preferably, relative to an excess of ethylene glycol, for example, potassium permanganate, which is sufficient to oxidize potassium permanganate. Is preferably from 3.5 to 4.5 molar ratios. The reaction of potassium permanganate with ethylene glycol is terminated when the solution of potassium permanganate is gradually changed from purple to brown with stirring of aqueous solution of potassium permanganate at room temperature (15 ~ 25 ℃) for about 30 minutes, and the reaction mixture is replaced with water and lower alcohol. Spherical manganese oxide nanoparticles containing a large specific surface area and adequate moisture are prepared by drying the manganese oxide obtained by washing and filtration at a high temperature in an air atmosphere, for example, 100 ° C. or lower.

상기에서 세정 후의 망간산화물중의 에틸렌글리콜의 잔존 여부는 CHNS를 이용하여 확인할 수 있다. 이러한 반응의 결과, 얻어지는 망간산화물의 색상이 갈색을 띄는 것은 망간(Mn)이 3가와 4가 화합물이 혼합된 KxMnO4·yH2O (식중, x는 0.176 내지 0.293이고, y는 0 내지 0.425이며, y값은 망간 격자 층 안에 안정화되어 있는 물의 양이다.)의 형태로 얻어지기 때문이며, 이 화합물은 확인은 XANES, Power XRD, ICP, TG-DTA 등으로 행할 수 있다.The remaining of ethylene glycol in the manganese oxide after washing can be confirmed using CHNS. As a result of this reaction, the color of the obtained manganese oxide is brown, which is K x MnO 4 · yH 2 O in which manganese (Mn) is mixed with a trivalent and tetravalent compound (wherein x is 0.176 to 0.293 and y is 0 to 0). 0.425, and the y value is the amount of water stabilized in the manganese lattice layer.) This compound can be identified by XANES, Power XRD, ICP, TG-DTA, or the like.

즉, 식중, K값은 ICP측정에 기인한 것이고 H2O값은 TG데이터의 값을 가지고 비례식으로 얻을 수 있고, 또한 물의 양(y값)은 (K0.234MnO2질량+물질량18x)/100=물의질량(18x)/TG데이터로부터 120~250℃ 사이에서 얻어진 물의 %를 계산하면 얻어질 수 있다. That is, in the formula, the K value is due to ICP measurement and the H 2 O value can be obtained proportionally with the value of TG data, and the amount of water (y value) is (K 0.234 MnO 2 mass + mass 18x) / 100 This can be obtained by calculating the% of water obtained between 120 and 250 ° C. from the mass of water (18 ×) / TG data.

실시예에서 얻어진 생성물의 성분을 EDS 다이어그램을 측정하여 보면, 도 2에 나타난 바와 같이, 칼륨, 망간, 산소 이외에 어떠한 불순물도 존재하지 않음을 알 수 있으며, 또한 도 4에 나타난 바와 같이, XANES 그래프로부터 δ-MnO2 구조와 흡사한 스펙트럼을 가짐을 알 수 있다.As a result of measuring the EDS diagram of the components of the product obtained in the example, it can be seen that there are no impurities other than potassium, manganese and oxygen, as shown in Figure 2, and also from the XANES graph, as shown in Figure 4 It can be seen that it has a spectrum similar to the δ-MnO 2 structure.

특히, 본 발명에서는 과망간산칼륨의 환원제로서 점성의 에틸렌글리콜을 이용하기 때문에 환원되는 반응물의 분산상수를 조절할 수 있게 되며, 입자사이에서 에틸렌글리콜이 환원작용을 한 후, 세척과정에서 제거되기 때문에 입자사이에 2차 동공이 생성되는 것으로 생각된다. In particular, in the present invention, since the use of viscous ethylene glycol as a reducing agent of potassium permanganate, it is possible to control the dispersion constant of the reactant to be reduced, since the ethylene glycol is reduced in the particles, and then removed in the washing process between the particles It is believed that secondary pupils are produced at.

본 발명의 망간산화물의 나노입자의 제조방법에 따라 얻어지는 일 실시예에 의해 얻어진 망간산화물은 도 1 및 도 6에 나타난 바와 같이, 입경 10∼15nm의 2차 동공(Secondary pores)을 갖고 있고, 수분 함량은 도 5의 TG 다이어그램에 나타난 바와 같이, 총 생성물 중량의 약 14%이며(입자 표면과 격자 속에 존재하는 물을 합한 양), 질소 흡/탈착 실험을 통해서 비표면적 값이 230㎡/g±10%임을 확인하였다. 도 9에서 나타난 바와 같이, BET 곡선에서 히스테리시스가 있음을 확인할 수 있는데, 이는 얻어진 망간산화물에 동공이 존재함을 의미한다. 이 히스테리시스를 토대로 동공 사이즈 분포도 분석을 수행한 결과 14.5 nm 크기를 주로 하는 동공이 존재한다는 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 도 1의 SEM 사진의 결과와 잘 일치한다. 다만 상기의 수분 함량은 하나의 실시예이며, 상기 값에 한정되는 것은 아니다. As shown in FIGS. 1 and 6, the manganese oxide obtained by the example of the method for preparing the nanoparticles of the manganese oxide of the present invention has secondary pores having a particle diameter of 10 to 15 nm and has moisture. The content is about 14% of the total product weight (the sum of the particle surface and the water present in the lattice), as shown in the TG diagram of FIG. 5, and the specific surface area value is 230 m 2 / g ± Confirmed to be 10%. As shown in Figure 9, it can be seen that there is a hysteresis in the BET curve, which means that the pupil is present in the obtained manganese oxide. As a result of performing a pore size distribution analysis based on this hysteresis, it can be confirmed that a pupil mainly having a size of 14.5 nm exists. This result is in good agreement with the results of the SEM photograph of FIG. 1. However, the above moisture content is one embodiment, and is not limited to the above value.

이렇게 얻어지는 물질은 기존의 개발된 망간 산화물 나노구조체에서 수 백 충/방전 싸이클 이내에 뚜렷하게 나타나는 용량감소와는 달리, 1,200싸이클 후 초기용량을 그대로 유지함을 도 7 내지 도 8에 의해 확인할 수 있다. Thus obtained material can be seen in Figures 7 to 8 to maintain the initial capacity after 1,200 cycles, unlike the capacity reduction that is clearly seen within a few hundred charge / discharge cycle in the conventionally developed manganese oxide nanostructures.

이하 실시예를 들어 본 발명을 더 상세히 설명한다. 그러나, 이 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited by this embodiment.

실시예 1Example 1

과망간산칼륨(KMnO4: A.C.S. 시약, Sigma사 제) 3.16 g(0.02 mol)을 200 mL의 증류수에 용해하고, 이 과망간산칼륨 수용액에 5ml의 에틸렌글리콜(0.09 mol)을 혼합한 후, 유리막대로 서서히 약 30분간 교반하였다. 교반하면서 반응물의 색상이 보라색에서 갈색으로 변하면 반응을 중지하고, 얻어진 침전물을 여과, 분리한 후, 얻어진 생성물을 증류수 및 에탄올로 수회 세척한 다음, 60℃에서 약 24시간 건조시켜 나노입자의 망간산화물을 얻었다. 3.16 g (0.02 mol) of potassium permanganate (KMnO 4 : ACS reagent, manufactured by Sigma) is dissolved in 200 mL of distilled water, and 5 ml of ethylene glycol (0.09 mol) is mixed with this aqueous potassium permanganate solution, and slowly Stir for 30 minutes. When the color of the reaction product changed from purple to brown while stirring, the reaction was stopped, and the obtained precipitate was filtered and separated, and then the obtained product was washed several times with distilled water and ethanol, and dried at 60 ° C. for about 24 hours to obtain manganese oxide of nanoparticles. Got.

상기에서 얻어진 망간산화물의 물성을 측정하기 위해 하기 실험을 실시하였다. The following experiment was conducted to measure the physical properties of the manganese oxide obtained above.

실험예 1 Experimental Example 1

이하, 상기에서 얻어진 망간산화물을 전자현미경, EDS 다이어그램, X레이 회절분석기, XANES, 열중량분석기(TG) 등을 실험한 결과를 나타낸다. Hereinafter, the results of experiments of the manganese oxide obtained above by electron microscope, EDS diagram, X-ray diffractometer, XANES, thermogravimetric analyzer (TG) and the like.

(전자현미경 사진)(Electron micrograph)

상기에서 얻어진 망간산화합물을 전자현미경으로 촬영한 결과를 도 1에 나타낸다. The result of image | photographing the manganese acid compound obtained above with the electron microscope is shown in FIG.

도 1에 나타난 바와 같이, 망간산화물의 형상은 거의 구형이며, 입경은 80∼15nm이다. As shown in Fig. 1, the shape of the manganese oxide is almost spherical, and the particle diameter is 80 to 15 nm.

(TEMEDX에 의한 측정) (Measurement by TEMEDX)

상기에서 얻어진 망간산화합물을 TEMEDX로 측정하여 얻어진 EDS 다이어그램을 도 2에 나타내었다. 이 다이어그램으로부터 최종 생성물은 칼륨, 망간, 산소이외에 어떠한 다른 물질은 없음이 확인되었다. (도중, Cu는 기판인 Cu grid에서 나온 것으로 본 발명의 물질과는 관련이 없음). An EDS diagram obtained by measuring the manganese acid compound obtained above with TEMEDX is shown in FIG. 2. From this diagram it was confirmed that the final product was free of any other substances other than potassium, manganese and oxygen. (In the meantime, Cu comes from the Cu grid as the substrate and is not related to the material of the present invention).

(X레이 회절분석기에 의한 측정)(Measurement by X-ray diffractometer)

실시예에서 얻어진 본 발명의 망간산화물 시료 그 자체를 X레이 회절분석기로 측정하였을 때와, 300℃에서 5시간 처리 후의 측정하였을 때의 패턴을 도 3에 나타내었다. The pattern when the manganese oxide sample itself of the present invention obtained in the Example was measured with an X-ray diffractometer and after 5 hours of treatment at 300 ° C. is shown in FIG. 3.

이 도면으로부터, XRD 패턴 도 3a는 본 발명의 망간산화물이며, XRD에 거의 무결정형이다. 초고용량 전극이 작동할 때 전극안의 온도가 여러 가지 이유로 인해 250oC 근처까지 갈 수 때문에 본 발명의 망간산화물에 250oC 이상의 온도에서 안정성을 평가하였다. 도 3b는 본 발명의 망간산화물을 300oC에서 5시간 열처리한 후 XRD를 측정한 결과이며, 도식에서 나타난 바와 같이, 열처리 전후에 XRD패턴 상의 변화는 거의 없었다. 이는 본 발명에서 개발된 망간산화물이 full cell 실험시 요구되는 열적안정성에도 매우 우수함을 확인할 수 있다. From this figure, the XRD pattern FIG. 3A is the manganese oxide of the present invention and is almost amorphous in XRD. The stability of the manganese oxide of the present invention was evaluated at a temperature above 250 ° C. because the temperature in the electrode could go to around 250 ° C. for a variety of reasons when the ultracapacitive electrode was operating. Figure 3b is the result of measuring the XRD after the heat treatment of the manganese oxide of the present invention at 300 ° C for 5 hours, as shown in the diagram, there was little change in the XRD pattern before and after the heat treatment. This can be confirmed that the manganese oxide developed in the present invention is also very excellent in the thermal stability required during full cell experiments.

(XANES 분광기에 의한 측정)(Measurement by XANES spectrometer)

망간 이온 주위의 산화상태 및 국부구조를 조사하기 위하여 Mn K-흡수단 XANES 스펙트럼을 조사하기 위하여 상기 실시예에서 얻어진 본 발명의 망간산화물 시료와(실선), 그리고 표준물질인 Mn2O3(대시-점선), δ-MnO2(점선) 및 α-MnO2(대시선)의 스펙트럼을 비교하여 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타난 바와 같이, 모든 시료는 흡수단 이전의 영역(pre-edge region)에서 1s 오비탈에서 3d 오비탈로의 전이에 해당하는 피크 P와 P'가 보이는데, 이들 피크의 세기는 모두 작다. 이는 전이가 2중격자 전이규칙(dipolar selection rule)에 의해 허용되지 않는 전이이기 때문 에 d-p 오비탈 사이의 혼합이 일어날 수 있는 반전중심이 없는 사면체 경우가 아니면 피크의 세기가 작다는 사실이 잘 알려져 있다. 따라서 도 4의 모든 시료에서 망간 이온이 망간이온이 +3가 산화상태를 갖는 8면체 자리에 안정화되어 있다는 사실을 알 수 있다. 그리고 또한, 망간이온이 +3가 산화상태를 갖는 경우는 하나의 피크 P를 보이며 평균 망간의 산화상태가 +3가 이상인 경우에서는 2개의 피크 P와 P'가 보이며, +4가 망간이온의 함량이 증가할수록 P'피크의 세기가 커진다는 사실이 알려져 있다. 도 4에서 관찰되는 바와 같이, 실시예에서 얻어진 시료에서 2개의 P와 P'가 관찰되며, 이 때, 피크 P' 망간 +4가 이온의 표준물질인 MnO2에 비해 작은 피크 세기를 보인다. 이 사실은 이들 망간 산화물 내의 망간이온이 +3/+4 혼합원자가의 상태를 가짐을 나타낸다. 이러한 결론으로부터 시료의 망간 산화물의 주흡수단(main absorption edge)의 위치가 표준물질인 Mn2O3와 MnO2 사이에 위치한다는 점을 뒷받침한다.To examine the Mn K-absorbing means XANES spectrum to investigate the oxidation state and local structure around manganese ions, the manganese oxide sample of the present invention obtained in the above example (solid line), and the standard Mn 2 O 3 (dash) - dotted lines), is shown in δ-MnO 2 (dashed line) and α-MnO 2 4 compares the spectrum of a (dashed line). As shown in FIG. 4, all samples showed peaks P and P ′ corresponding to the transition from the 1s orbital to the 3d orbital in the pre-edge region, all of which are small in intensity. It is well known that since the transition is a transition that is not permitted by the dipolar selection rule, the peak intensity is small unless there is a tetrahedron without inversion center where mixing between dp orbitals can occur. . Therefore, it can be seen that in all samples of FIG. 4, manganese ions are stabilized at octahedral sites having +3 oxidation state. In addition, when the manganese ion has an oxidation state of +3, one peak P is shown; when the oxidation state of average manganese is +3 or more, two peaks P and P 'are shown, and the content of +4 is manganese ion. It is known that as this increases, the intensity of the P 'peak increases. As observed in FIG. 4, two P and P ′ are observed in the sample obtained in the example, wherein the peak P ′ manganese +4 shows a small peak intensity compared to MnO 2 , which is a standard of ions. This fact indicates that manganese ions in these manganese oxides have a state of + 3 / + 4 mixed atoms. These conclusions support that the location of the main absorption edge of manganese oxide in the sample lies between the standard Mn 2 O 3 and MnO 2 .

주흡수단자 영역(mainedge region)에서 표준 시료는 1s 오비탈에서 비어있는 4p 오비탈로의 허용전이에 해당하는 몇 가지 피크들을 보인다. 이들 중에 피크B는 모든 시료에 대해 관찰되는 데 이전의 연구로부터 이 피크는 MnO6 8면체가 모서리 공유로만 이루어진 구조에서 크고 날카로운 모양을 나타냄이 보고되어 있다. 도 4에 나타난 바와 같이, 실시예에서 제조된 망간산화물 시료와 표준물질 δ-MnO2는 날카로운 피크B가 관찰되는데 반해 α-MnO2 표준물질에서는 이 피크의 세기가 다소 감 소함을 볼 수 있다. 이는 화합물은 모서리 공유 MnO6 8면체로 이루어진 층상구조를 지니며 표준물질 α-MnO2는 MnO6 8면체들이 모서리 공유와 꼭지점 공유가 혼합되어 있는 구조를 지님을 확인해 준다. In the mainedge region, the standard sample shows several peaks corresponding to the allowable transition from the 1s orbital to the empty 4p orbital. Among them, peak B is observed for all samples, and previous studies have reported that the peak shows a large and sharp shape in a structure in which MnO 6 octahedron is composed only of edge sharing. As shown in FIG. 4, the sharp peak B is observed in the manganese oxide sample prepared in Example and the standard δ-MnO 2 , whereas the intensity of the peak is slightly decreased in the α-MnO 2 standard. This confirms that the compound has a layered structure consisting of corner covalent MnO 6 octahedron, and the standard α-MnO 2 has a structure in which MnO 6 octahedrons are mixed with corner covalent and vertex covalent.

전체적인 스펙트럼의 모양으로도 국부구조에 대한 간접적인 정보를 알 수 있는데, 실시예에서 제조된 망간산화물은 층상구조 δ-MnO2 구조와 아주 흡사한 스펙트럼 모양을 보였다. 이는 비록 XRD 분석으로부터 망간산화물 시료에 대한 그 결정구조를 규명할 수는 없으나, δ-MnO2 시료와 유사한 스펙트럼을 보인다는 사실로부터 국부적으로는 δ-MnO2 구조로 결정화 되어 있음을 확인할 수 있다.Indirect information on the local structure can also be seen from the shape of the overall spectrum. The manganese oxide prepared in Example showed a spectrum shape very similar to that of the layered δ-MnO 2 structure. Although the crystal structure of the manganese oxide sample cannot be identified from the XRD analysis, it can be confirmed that the crystal is locally crystallized to the δ-MnO 2 structure from the fact that it shows a spectrum similar to that of the δ-MnO 2 sample.

(초고용량 전극 특성에 관한 실험)(Experiment on Ultra High Capacity Electrode Characteristics)

Potentiostat/Galvonostat(모델 PGS201T)를 이용하여 초고용량 전극 특성을 측정하여 그 결과를 표 7에 나타내었다. Potentiostat / Galvonostat (model PGS201T) was used to measure the ultracapacitive electrode characteristics and the results are shown in Table 7.

즉, 스테인리스 스틸(SS) 포일을 전류 컬렉터(current collector)로 사용하였다. SS는 에머리(emery) 종이로 활물질 코팅하는 부분에 접착력을 증가시키기 위해 거칠게 만들었으며, 이후 세정제와 2차 증류수로 잘 세척했다. 전극은 75중량%의 MnO2, 20중량%의 아세틸렌 블랙(acetylene black, AB) 그리고 5중량%의 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 혼합하여 모르타르에서 1시간 잘 간 다음, 수 방울의 n-메틸피롤리돈(NMP)을 모르타르에 떨어뜨려 슬러리로 만든다. 이 슬러리 혼합물을 상기 SS 포일에 코팅한 후, 100℃도 진공분위기에서 12시간 건조시킨다. 이렇게 합 성된 전극의 전기화학특성평가를 3극 전극셀 타입으로 측정하였다. 3극 셀은 상기 실시예에서 얻은 망간산화물 시료를 작용전극(working electrode), 백금 포일을 상대전극, Hg/HgO를 표준전극(reference electrode)으로 하였다.That is, stainless steel (SS) foil was used as a current collector. SS was roughened to increase adhesion to the active material coated with emery paper, and then washed well with a detergent and secondary distilled water. The electrode was mixed with 75% by weight of MnO 2 , 20% by weight of acetylene black (AB) and 5% by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) for 1 hour in mortar, followed by several drops of n- Methylpyrrolidone (NMP) is dropped into mortar to make a slurry. The slurry mixture is coated on the SS foil and then dried at 100 ° C. in a vacuum atmosphere for 12 hours. The electrochemical characterization of the electrodes thus synthesized was measured with a three-pole electrode cell type. In the three-pole cell, the manganese oxide sample obtained in the above example was a working electrode, a platinum foil as a counter electrode, and Hg / HgO as a reference electrode.

전기화학 특성 평가는 0.1M Na2SO4 전해질을 이용하여 0 에서 1V로 윈도우 전위 영역에서 10 mV/s로 사이클로볼타모그램(Cyclovoltammogram)을 측정하였으며, 이는 제 7도에 나타난 바와 같이, 0.5mA/㎠ 전류밀도에서 1200회 사이클 후에도 초기 용량에 대비하여 용량 감소는 일어나지 않았다. 도 8에서는 0.5 mA/㎠의 전류밀도로 전압을 0V 내지 1V에서 번갈아 가면서 측정하였다. 이렇게 측정된 제조된 물질의 용량은 다음 식에 의해 산출하였다. Electrochemical characterization was performed using a 0.1 M Na 2 SO 4 electrolyte to measure cyclovoltammogram at 0 mV / s at 10 mV / s in the window potential region, as shown in FIG. There was no capacity reduction compared to the initial capacity even after 1200 cycles at / cm 2 current density. In FIG. 8, voltages were alternately measured at 0 V to 1 V at a current density of 0.5 mA / cm 2. The capacity of the material thus measured was calculated by the following equation.

Specific Capacitance (SC) = [I(A)t(s)]/[m(g)E(1)], Specific Capacitance (SC) = [I (A) t (s)] / [m (g) E (1)],

[식중, I는 전류(암페어), t는 시간(초), m은 실제로 반응에 사용된 활물질의 양(그램), E는 충/방전 싸이클의 범위(V)를 의미한다.][Wherein I is the current (amps), t is the time (seconds), m is the amount of active material (grams) actually used in the reaction, and E is the range of charge / discharge cycles (V).]

실시예 1에서 제조된 최종 생성물을 전자현미경으로 관찰한 사진들을 도 3에 나타내었으며, 이들에 대해서는 분말 X선 회절분석 및 화학분석을 병행한 후 구조 분석 및 성분 분석을 행한 결과, 제조된 망간산화물은 입자와 입자사이에 14.5 nm 정도의 주 동공과 230㎡/g±10%의 비표면적을 갖고 있음과 동시에 X-ray에 거의 무결정이며 국부적으로는 δ-MnO2 구조를 갖는 망간산화물 K0 .234MnO2 ·0.340H2O 임을 확인하였다. The photographs of the final product prepared in Example 1 by electron microscopy are shown in FIG. 3, which were prepared by performing powder X-ray diffraction and chemical analysis followed by structural analysis and component analysis. Manganese oxide K 0, which has a main pupil of about 14.5 nm and a specific surface area of 230 m 2 / g ± 10%, is almost amorphous to X-ray and has a δ-MnO 2 structure between silver particles and particles. it was confirmed that the .234 MnO 2 · 0.340H 2 O.

상기 실시예 1과 2에 따라 제조된 적당량의 수분과 넓은 비표면적을 갖는 구형 형태의 망간산화물 나노입자는 초고용량 전극물질 및 산화환원 촉매 등으로 사용될 수 있다.Spherical manganese oxide nanoparticles having an appropriate amount of water and a large specific surface area prepared according to Examples 1 and 2 may be used as an ultra high capacity electrode material and a redox catalyst.

이상에서 설명된 본 발명의 최적 실시예 하나만을 예로 들었다. 다수의 망간산화물을 제조하여 실험한 바, 발명의 설명에 기재된 범위의 화합물을 얻었으나, 이를 모두 실험한 결과를 기재하는 것은 수많은 도면이 요구되어 이를 생략한다. Only one exemplary embodiment of the present invention described above has been exemplified. When a large number of manganese oxides were prepared and tested, compounds of the range described in the description of the present invention were obtained.

또한, 여기서 사용되는 특정한 용어들은 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다. Also, the specific terms used herein are merely used for the purpose of describing the present invention in detail to those skilled in the art, but are not used to limit the scope of the present invention as defined in the claims or the claims.

도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 망간산화물의 결정형태를 전자현미경으로 관찰한 사진이다.1 is a photograph observing the crystal form of the manganese oxide prepared in Example 1 of the present invention with an electron microscope.

도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 망간산화물을 TEMEDX로 측정한 EDS 다이어그램을 나타낸다. Figure 2 shows the EDS diagram of the manganese oxide prepared in Example 1 of the present invention measured by TEMEDX.

도 3는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 망간산화물을 X레이 회절분석기로 측정한 XRD 패턴을 나타낸다. Figure 3 shows the XRD pattern of the manganese oxide prepared in Example 1 of the present invention by X-ray diffractometer.

도 4는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 망간산화물을 XANES로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 제조된 망간산화물은 실선, Mn2O3은 대시-점선, MnIVO2는 대시-점-점선, δ-MnO2는 점선, 및 α-MnO2는 대시선으로 나타내었다. Figure 4 is a graph showing the results of measuring the manganese oxide prepared in Example 1 of the present invention by XANES. The prepared manganese oxide is represented by a solid line, Mn 2 O 3 is a dashed-dotted line, Mn IV O 2 is a dashed-dotted-dotted line, δ-MnO 2 is a dashed line, and α-MnO 2 is represented by a dashed line.

도 5는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 망간산화물의 수분 함유량을 열분석기(TGA)로 측정한 결과이다. TG 곡석과 DTA 패턴을 함께 나타내었다.5 is a result of measuring the moisture content of the manganese oxide prepared in Example 1 of the present invention by a thermal analyzer (TGA). The TG grains and the DTA pattern are shown together.

도 6은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 망간산화물을 질소 흡탈착 실험을 통해서 비표면적과 동공 사이즈 분포도를 나타낸 도식이다.(왼쪽 : BET 곡선, 오른쪽 : 동공 분포도) 6 is a diagram showing the specific surface area and the pupil size distribution of the manganese oxide prepared in Example 1 of the present invention through a nitrogen adsorption and desorption experiment (left: BET curve, right: pupil distribution).

도 7은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 망간산화물을 Potentiostat/Galvonostat를 이용하여 Cyclo-voltammogram 특성을 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing the results of measuring the cyclo-voltammogram characteristics of the manganese oxide prepared in Example 1 of the present invention using Potentiostat / Galvonostat.

도 8은 도7의 결과로부터 초고용량 전극으로서 보이는 충/방전 용량을 계산 되어진 도식이다.FIG. 8 is a diagram in which charge / discharge capacities seen as ultracapacitive electrodes are calculated from the result of FIG. 7.

Claims (3)

과망간산칼륨에 대하여 약 3몰비 이상, 4.5몰비 이하의 에틸렌글리콜을 반응시킴을 특징으로 하는, 총시료 중량에 대하여 0 내지 45%의 수분함량과 2차 동공을 가지며, 230㎡/g±10%의 비표면적을 가지며, 평균 입경이 8∼15nm인 망간산화물 나노입자의 제조방법.It has a water content of 0 to 45% and a secondary pupil with respect to the total sample weight, characterized by reacting at least about 3 molar ratios and 4.5 molar ratios of ethylene glycol with respect to potassium permanganate, and having 230 ㎡ / g ± 10% A method for producing manganese oxide nanoparticles having a specific surface area and an average particle diameter of 8 to 15 nm. 제1항에 있어서, 얻어지는 망간산화물의 조성이 KxMnO2ㅇyH2O(식중, x는 0.01 내지 0.38이고, y는 0 내지 0.425임)의 일반식을 갖는 것을 특징으로 하는 망간산화물 나노입자의 제조 방법.The manganese oxide nanoparticles according to claim 1, wherein the composition of the obtained manganese oxide has a general formula of K x MnO 2 -yH 2 O (wherein x is 0.01 to 0.38 and y is 0 to 0.425). Method of preparation. 제1항 또는 제 2항에 있어서, 비표면적이 230cm3/g±10%)이고, 평균입경이 8 내지 -15nm인 망간산화물 나노입자의 제조 방법.The method for producing manganese oxide nanoparticles according to claim 1 or 2, wherein the specific surface area is 230 cm 3 / g ± 10%) and the average particle diameter is 8 to -15 nm.
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