KR20120018786A - 기능화 기공들을 가지는 탄소-함유 성형체 - Google Patents

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KR20120018786A
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난 지앙
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Abstract

조성물은 탄소-함유 성형체를 포함한다. 탄소-함유 성형체는 흑연 결정성 탄소 재료, 탄소 분말, 인조 흑연 분말, 탄소 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 탄소질 재료로 구성된다. 또한, 탄소-함유 성형체는 다수의 기공들을 가진다. 또한 조성물은 다수의 기공들 최소한 일부 내부에 가압 배치되는 반응성 첨가제를 포함한다.

Description

기능화 기공들을 가지는 탄소-함유 성형체{CARBON-CONTAINING MATRIX WITH FUNCTIONALIZED PORES}
본 출원은 우선권을 주장하며, 2010.6.3자 출원 미국특허출원 일련번호 12/793,659와 관련되며, 이는 본원에 참조로 포함된다.
2010.6.3자 출원 미국특허출원 일련번호 12/793,659는 우선권을 주장하며, 2009.6.5자 출원 미국 가출원 일련번호 61/184,549와 관련되며, 이는 본원에 참조로 포함된다.
본 출원은 탄소-함유 성형체 기공들 기능화에 관한 것이다.
본 조성물은 탄소-함유 성형체로 구성된다.
탄소-함유 성형체는 흑연 결정성 탄소 재료, 탄소 분말, 및 인조 흑연 분말, 탄소 섬유 및 이들의 조합과 같은 최소한 일 유형의 탄소질 재료를 포함한다. 탄소-함유 성형체는 블록, 천, 막, 또는 박판으로 형성될 수 있다. 탄소-함유 성형체는 또한 무정형일 수 있다. 또한, 탄소-함유 성형체는 다수의 기공을 포함한다. 금속이 아닌 반응성 첨가제가 탄소-함유 성형체의 다수 기공들 최소한 일부 내부에 충전되고, 탄소-함유 성형체를 기능화 시킨다. 기능화 기공들을 가지는 탄소-함유 성형체는 필터로 기능하거나 또는 소성 재료들의 저장체로 유용하다.
반응성 첨가제는 탄소-함유 성형체 기공들의 최소한 일부 내부에 고압함침반응과 같은 화학반응을 통하여 배치될 수 있다. 예를들면, 하나 이상의 전구-물질들이 탄소-함유 성형체 기공들 내부에 배치되어 탄소-함유 성형체의 탄소와 반응하여 탄소-함유 성형체 기공들 내부에 반응성 첨가제를 형성한다. 압력 및/또는 열이 인가되어 하나 이상의 반응들을 개시하고 하나 이상의 전구-물질들에 기초하여 탄소-함유 성형체 기공들 내부에 반응성 첨가제를 형성할 수 있다. 반응성 첨가제는 또한 본원에 참조로 포함되는 미국특허번호 6,649,265에 기술된 고압함침공정과 같은 고압함침공정을 통하여 탄소-함유 성형체 기공들 내부에 배치될 수 있다.
상세한 설명은 첨부 도면들을 참조하여 기재된다. 도면에 있어서, 가장-좌측에 있는 도면부호 숫자(들)은 도면부호가 처음으로 나타나는 도면을 식별하는 것이다. 동일 부호들은 도면 전반에 걸쳐 유사한 특징 및 요소들을 참조하기 위하여 사용된다
도 1A 및 1B는 고 품질 침상 코크스 및 저 품질 코크스의 주사전자현미경 (SEM) 사진을 보인다.
도 2는 굵은 흑연 입자 구조 및 미세 흑연 입자 구조의SEM 사진을 보인다.
도 3은 예시적 탄소-함유 성형체 제조 방법을 보이는 흐름도이다.
도 4는 탄소-함유 성형체의 투과전자현미경 (TEM) 사진을 보인다.
도 5A 및 5B는 탄소-함유 성형체 나노흑연 판의 추가 TEM 사진을 보인다.
도 6A 및 6B는 탄소-함유 성형체의 TEM 회절무늬 및 사진을 보인다.
도 7은 화학반응을 통하여 탄소-함유 성형체 기공들 내부에 반응성 첨가제 배치 방법을 보이는 흐름도이다.
도 8은 고압함침공정을 통하여 탄소-함유 성형체 기공들 내부에 반응성 첨가제 배치 방법을 보이는 흐름도이다.
도 9는 기능화 기공들을 가지는 탄소-함유 성형체 적용을 보인다.
다공성 탄소는 다양한 용도에서 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 다공성 탄소는 필터로 사용될 수 있다. 예를들면, 참숯은 고도의 미세기공도 즉, 다공성 탄소 1 그램이 약 500 m2의 표면적을 가지도록 를 가지도록 가공될 수 있다. 많은 용도에 있어서, 다공성 탄소의 큰 표면적은 유체 및/또는 기체들을 여과시키기 위하여 활용된다.
또한, 피-여과물인 유체 및/또는 기체들로부터 불순물을 흡착하도록 다공성 탄소 표면을 양전하로 하전하여 다공성 탄소를 활성화할 수 있다. 일부 예들에서, 다공성 탄소를 형성하는 참숯을 화학적으로 처리하여 다공성 탄소의 흡착을 개선시킬 수 있다. 활성화 다공성 탄소는 천연가스 및 H2 가스를 조장하기 위한 연료 저장체로 사용될 수도 있다.
본 조성물은 최소한 일부 기공들 내부에 배치되는 반응성 첨가제를 가지는 다공성 탄소-함유 성형체를 포함한다. 본 조성물은 여러 목적으로 탄소-함유 성형체 기공들을 기능화시키는 유연성 있는 공정으로 형성될 수 있다. 예를들면, 고압 함침 반응은 많은 반응성 첨가제 전구-물질들을 적용하여 탄소-함유 성형체 기공들을 탄소-함유 성형체의 소망 기능, 예를들면 여과 또는 저장에 기초하여 특정 반응성 첨가제로 코팅할 수 있다. 다른 예에서, 고압 함침 공정이 적용되어 탄소-함유 성형체 소망 기능에 따라 특정 반응성 첨가제를 탄소-함유 성형체 기공들 내부에 배치할 수 있다.
탄소-함유 성형체 기공들 내부에 배치되는 반응성 첨가제 함량은 고압 함침 공정 또는 고압 함침 반응 과정에서 적용되는 온도, 압력 및 시간과 같은 공정 조건들에 따라 다르다. 이러한 방식으로, 기공들 코팅물 두께와 같은 기공들 내부에 배치되는 반응성 첨가제 함량은 인가되는 공정 조건들로 제어될 수 있다. 또한, 복수의 반응성 첨가제들이 탄소-함유 성형체 기공들 내부에 배치될 수 있고 각각의 반응성 첨가제는 저장 및 여과와 같은 상이한 기능을 수행할 수 있다. 또한, 각각의 반응성 첨가제는 상이한 재료들로 동일한 기능을 수행할 수 있다. 예를들면, 하나의 반응성 첨가제가 탄소-함유 성형체 기공들 내부에 배치되어 하나의 물질을 여과하고 다른 반응성 첨가제가 탄소-함유 성형체 기공들 내부에 배치되어 다른 물질을 여과할 수 있다.
탄소-함유 성형체 흑연 탄소는 산업용 코크스 제품들에 기초할 수 있다. 이러한 탄소 잔류물은 천연 공급원 또는 정제 공정들, 예를들면 석탄 및 석유 산업들로부터 얻을 수 있다. 일부 예들에서, 석유 제품들로부터 얻는 고 품질 침상 코크스가 탄소-함유 성형체를 형성하기 위하여 적용될 수 있다.
도 1A는 고 품질 침상 코크스 주사전자현미경 (SEM) 사진이며 도 1B에서의 저 품질 코크스와 대비된다. 피치/타르 역시 주로 결합체 역할로 침상 코크스에 첨가될 수 있고 2600℃ 또는 이상, 전형적으로는 3200℃ 내지 3600℃ 범위에서 가열되는 동안 흑연 탄소로 변한다. 흑연 원재료는 굵은 및 미세 흑연 입자들, 평균 크기가 내지 2mm인 입자들을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 입자들 약 10%는 타원-유사 형상을 보인다. 도 2는 “a”에서 굵은 입자 구조 및 “b”에서 화살표로 표시된 타원-유사 입자들을 가지는 미세 입자 구조의 SEM 사진을 보인다.
도 3은 탄소-함유 성형체 제조 방법 (300)을 보이는 흐름도이다. 310에서, 원재료들은 함께 혼합된다. 혼합공정에서, 3 종류의 원재료들이 사용된다 - 석유 코크스, 침상 코크스, 타르 (액체), 또는 이들의 조합. 침상 코크스는 탄소-함유 성형체 형상 제어 및 최종 탄소-함유 성형체 저항률 감소를 위하여 사용된다. 또한 액체 타르는 탄소 블록 형상 제어 및 탄소-함유 성형체 기공 충전을 위하여 사용된다. 석유 코크스 및 침상 코크스는 분쇄되고 약 10:1 비율로 혼합되나, 다른 비율이 적용될 수 있다.
이후 혼합물은 약 500℃ 또는 이상의 소성공정을 거쳐 불순물 예를들면 황을 증발시킨다. 이후 액체 타르가 혼합물에 투입된다. 침상 코크스는 석유 코크스 보다 더 높은 탄소 함량, 더 낮은 황 함량, 더 낮은 열 팽창계수, 더 높은 열전도도, 및 용이한 성형 특성으로 인하여 석유 코크스 없이 침상 코크스 및 타르가 탄소-함유 성형체 제조에 사용될 수 있다.
320에서, 본 방법 (300)은 탄소-함유 성형체에서의 열 소산 방향 결정 단계를 포함한다. 예를들면, 탄소-함유 성형체가 압출 공정을 적용하여 제조되면 탄소-함유 성형체는 Z-방향에서 열을 신속하게 소산시킨다. 다른 예에서, 탄소-함유 성형체가 고압 성형 프레스를 적용하여 제조되면 탄소-함유 성형체는 XY 방향에서 열을 신속하게 소산시킨다. XY 방향을 따른 열 소산이 특정되면, 본 방법 (300)은 330으로 이동하고, 이때 50 MPa 이상의 고압 성형 프레스에서 원재료가 탄소-함유 성형체로 형성된다. 그렇지 않다면, Z 방향을 따라 열 소산이 특정될 때는, 본 방법 (300)은 340으로 이동한다.
340에서, 석유 코크스, 침상 코크스, 및/또는 타르의 원재료 혼합물은 압출공정으로 공급되어 탄소-함유 성형체 제조에 이용되는 성형틀 형상 및 크기에 기초한 탄소블록을 형성한다. 예시적 실시예에서, 탄소 성형틀은 직경이 약 700mm 이고 길이가 약 2700mm이며 무게가 최소한 약 1 톤인 원통형일 수 있다. 그러나, 성형틀 치수는 공정 설비 능력에 따라 변경될 수 있다.
압출공정은 500℃ 내지 800℃ 온도 범위에서 진행된다. 혼합물을 기둥 형상으로 압축하는 힘은 약 3500 톤이며 약 30분 동안 인가된다. 일부 예들에서, 압출 탄소 블록은 고압 성형 프레스를 이용하여 처리된다. 탄소 블록은 냉각 수조로 옮겨져 균열을 방지하기 위하여 냉각된다.
350에서, 블록을 굽는다. 베이킹 공정은 고온에서 타르를 탄소화시키며 휘발성분들을 제거한다. 특정 실시예에서, 탄소 블록은 냉각조로부터 오븐으로 옮겨지고 약 1600℃에서 가열된다. 탄소 블록을 2 내지 3일 동안 굽는다. 베이킹 공정 이후, 탄소 블록 표면은 더욱 거칠어지고 다공질로 변한다. 또한, 탄소 블록 직경도 약 10mm 정도 줄어든다.
360에서, 탄소 블록을 3200℃ 내지 3600℃ 온도 범위에서 가열하여 흑연화가 진행된다. 일부 예들에서, 흑연화는 약 2600℃에서 개시되고 고품질 흑연은 약 3200℃에서 형성된다. 특히, 약 3000℃에서, 탄소 블록 흑연 판들 적층은 평행하게 되고 난층의 무질서가 감소되거나 제거된다.
일부 예들에서, 가열이 고압에서 진행되면 결정화 흑연을 생성하기 위하여 탄소 블록은 더 낮은 온도에서 가열될 수 있다. 탄소 블록은 약 2-3 일 동안 가열된다. 가열 공정 과정에서, 탄소 블록의 황 및 휘발 성분들이 감소되거나 완전히 제거된다.
370에서, 탄소 블록은 검사되고 소망 형상으로 가공된다. 예를들면, 다음 제조 단계로 진행되기 전에 탄소 블록의 전기적 특성이 실험되고 기계적 균열 또는 육안으로 식별되는 결점들이 검사된다. 검사된 후, 탄소-함유 성형체는 탄소 블록 용도에 따라 특정 형상으로 가공될 수 있다.
탄소-함유 성형체는 여려 형태의 탄소 및 미량의 다른 물질이 포함될 수 있다. 예를들면, 탄소-함유 성형체는 흑연 결정성 탄소 재료, 탄소 분말, 인조 흑연 분말, 탄소 섬유, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 탄소-함유 성형체 블록은 1.6 g/cm3 내지 1.9 g/cm3 범위의 밀도를 가질 수 있다. 또한, 탄소 블록 저항률은 4 uΩ m 내지 10 uΩ m 범위일 수 있다. 특정 실시예들에서, 탄소-함유 성형체 저항률은 약 5 uΩ m이다. 더 낮은 탄소 블록 저항률은 탄소-함유 성형체 흑연 시트들의 양호한 정렬을 의미하며, 또한 더 높은 열전도도를 제공할 수 있다.
도 4는 탄소-함유 성형체의 투과전자현미경 (TEM) 사진이다. 도 4에서 TEM 사진은 약 100nm 이하 크기의 흑연 판들 적층 형성을 보인다. 도 4는 약 50nm 두께를 가지는 흑연 판의 특정 예를 보인다. 높은 열전도도 방향은 도 4 화살표로 표기된 장축을 따른다.
도 5A 및 5B는 탄소-함유 성형체 나노흑연 판들 (“NGP”로 표기)의 추가 TEM 사진들이다. 판들은 대략 압출 방향 (도 5A) 및 프레스 공정 방향 (도 5B)으로 배향된다. 나노흑연 판들의 질서 있는 적층들은 판들 장축 방향에서의 효율적 열 전달을 촉진한다. 도 5A 및 5B 역시 나노공극 (“NV”로 표기) 및 나노슬릿 (“NS”로 표기)을 보이며, 이들은 탄소 기반 입자들을 사용하는 제조 공정의 인위적인 구조들이다. 도 5A 및 5B는 약 70nm 두께의 나노공극 및 약 30nm 두께의 나노슬릿을 나타낸다.
도 6A 및 6B는 탄소-함유 성형체의 TEM 회절무늬 및 사진들을 보인다. 도 6A의 TEM 회절무늬 및 도 6B의 TEM 사진은 압출 공정 과정에서 형성된 탄소-함유 성형체의 결정성 및 흑연 성질을 나타낸다. 특히, 도 6A는 전자들이 흑연 재료 결정 격자와 상호 작용할 때 형성되는 회절무늬를 보인다. 또한, 도 6B는 흑연 판들 격자 구조를 보인다.
도 7은 다수의 기공들 (704)을 가지는 탄소-함유 성형체 (702) 내부로 화학 반응을 통하여 반응성 첨가제를 배치하는 방법 (700)의 흐름도를 보인다. 탄소-함유 성형체 (702) 기공들 (704)은 부분적으로 반응성 첨가제로 충전될 수 있다. 예를들면, 반응성 첨가제는 탄소-함유 성형체 (702) 기공들 (704)에 코팅물을 형성할 수 있다.
탄소-함유 성형체 (702) 는 블록, 천, 판, 또는 막으로 형성될 수 있다. 또한, 탄소-함유 성형체 (702)는 무정형일 수 있다. 특정 예에서, 탄소-함유 성형체 (702)는 탄소 블록을 절단하여 형성되는 하나 이상의 판들을 포함할 수 있다. 판들의 두께는 약 1 mm 미만일 수 있다.
일부 예들에서, 탄소 함유 성형체 (702)는 도 3의 방법 (300)으로 생성된 탄소-함유 성형체일 수 있다. 또한, 탄소-함유 성형체 (702)는 탄소-함유 성형체 (702) 표면을 하전하여, 예를들면 탄소-함유 성형체 (702) 표면 분자들에 양전하를 부가하여 활성화될 수 있다.
706에서, 탄소-함유 성형체 (702)는 세척되고 탄소-함유 성형체 (702)의 물성 및 열적 특성이 측정된다. 예를들면, 탄소-함유 성형체 (702)는 N2 건을 이용하여 세척될 수 있다. 708에서, 탄소-함유 성형체 (702)는 예를들면 반응기 프레스 성형틀과 같은 용기 (710)에 투입되고, 712에서 반응성 첨가제 전구-물질 (714)이 용기 (710)에 투입된다. 반응성 첨가제 전구-물질 (714)은 고체, 액체, 또는 기체일 수 있다. 또한, 반응성 첨가제 전구-물질 (714)은 금속, 합금, 유기 중합체, 및 이들의 조합일 수 있다.
용기에 투입되는 반응성 첨가제 전구-물질 (714)은 탄소-함유 성형체 (702) 기공들 (704)의 소망 기능에 따라 다르다. 예를들면, 기공들 (704)이 수소 저장용으로 사용되려면, 반응성 첨가제 전구-물질 (714)은 하나 이상의 금속 수소화물 전구-물질들일 수 있다. 또한, 기공들 (704)이 필터로 사용되려면, 반응성 첨가제 전구-물질 (714)은 물에서 박테리아를 여과시키는 반응성 첨가제를 형성할 수 있는 생-반응성 전구-물질일 수 있다.
716에서, 압력 및/또는 열의 형태로 에너지가 반응성 첨가제 전구-물질 (714) 및 탄소-함유 성형체 (702)에 적용된다. 예를들면, 다이 (718)가 반응성 첨가제 전구-물질 (714) 및 탄소-함유 성형체 (702)에 가해진다. 일부 예들에서, 반응성 첨가제 전구-물질 (714)이 고체 또는 액체인 경우, 반응성 첨가제 전구-물질 (714) 및 탄소-함유 성형체 (702)에 인가되는 압력은 최소한 500 psi이상이다. 반응성 첨가제 전구-물질 (714)이 기체인 경우, 약 500 psi 미만의 압력, 예를들면 부분 진공이 반응성 첨가제 전구-물질 (714) 및 탄소-함유 성형체 (702)에 인가될 수 있다. 또한, 소정 예들에서, 반응성 첨가제 전구-물질 (714) 및 탄소-함유 성형체 (702)에 인가되는 압력은 10 MPa 내지 50 MPa이다. 반응성 첨가제 전구-물질 (714) 및 탄소-함유 성형체 (702)에 적용되는 온도는 200℃ 내지 1000℃이다.
일부 예들에서, 반응성 첨가제 전구-물질 (714)의 반응성이 용기 (710) 내부 반응성 첨가제 전구-물질 (714) 및 탄소-함유 성형체 (702)에 인가되는 압력 및/또는 온도에 영향을 미친다. 또한, 기공들 (704) 내부에 배치되는 반응성 첨가제 함량이 용기 (710) 내부 반응성 첨가제 전구-물질 (714) 및 탄소-함유 성형체 (702)에 인가되는 압력 및/또는 온도에 영향을 미친다. 반응성 첨가제 전구-물질 (714) 및 탄소-함유 성형체 (702)에 가해지는 압력 및/또는 온도 지속 시간이 반응성 첨가제로 충전되는 기공들 (704) 용적에 영향을 줄 수 있다.
압력 및/또는 온도가 탄소-함유 성형체 (702) 및 반응성 첨가제 전구-물질 (714)에 가해지는 동안, 화학반응이 일어나고 하나 이상의 반응성 첨가제를 포함한 종료 (end) 생성물들이 탄소-함유 성형체 (702) 기공들 (704) 내부에 형성되어 기능화 기공들 (720)을 가지는 탄소-함유 성형체가 생성된다. 탄소-함유 성형체 (702) 최소한 일부 기공들 (704)이 반응성 첨가제 (722)로 충전된다. 일부 예들에서, 반응성 첨가제 (722)는 금속이 아니다. 724에서, 기능화 기공들 (720)을 가지는 탄소-함유 성형체가 세척되고 경화된다.
일부 예들에서, 복수의 반응성 첨가제들 (722)이 탄소-함유 성형체 (702) 기공들 (704) 내에 배치될 수 있다. 복수의 반응성 첨가제들 (722)은 단일 반응성 첨가제 전구-물질 (714) 및 탄소-함유 성형체 (702) 탄소 사이 단일 화학 반응을 통하여 탄소-함유 성형체 (702) 기공들 (704) 내부에 배치될 수 있다. 또한 복수의 반응성 첨가제들 (722)은 복수의 반응성 첨가제 전구-물질들 (714), 탄소-함유 성형체 (702) 탄소, 및 이들의 조합이 관여하는 복수의 화학 반응들을 통하여 탄소-함유 성형체 (702) 기공들 (704) 내부에 배치될 수 있다. 각각의 화학반응은 상이한 온도 및 압력을 탄소-함유 성형체 (702) 및 반응성 첨가제 전구-물질들 (714)에 인가하여 개시될 수 있다. 일부 예들에서, 각각의 반응성 첨가제 (722)는 단일 기능을 수행하거나, 다른 예들에서 반응성 첨가제들 (722)은 복수의 기능들을 수행할 수 있다.
도 8은 다수의 기공들 (804)을 가지는 탄소-함유 성형체 (802) 내부로 고압함침공정을 통하여 반응성 첨가제를 배치하는 방법 (800)의 흐름도를 보인다. 탄소-함유 성형체 (802) 기공들 (804)은 부분적으로 반응성 첨가제로 충전될 수 있다. 예를들면, 반응성 첨가제는 탄소-함유 성형체 (802) 기공들 (804)에 코팅물을 형성할 수 있다.
탄소-함유 성형체 (802)는 블록, 판, 막, 또는 천으로 형성될 수 있다. 또한, 탄소-함유 성형체 (802)는 무정형일 수 있다. 특정 예에서, 탄소-함유 성형체 (802)는 탄소 블록을 절단하여 형성되는 하나 이상의 판들을 포함할 수 있다. 판들의 두께는 약 1 mm 미만일 수 있다. 일부 예들에서, 탄소 함유 성형체 (802)는 도 3의 방법 (300)으로 생성된 탄소-함유 성형체일 수 있다. 또한, 탄소-함유 성형체 (802)는 탄소-함유 성형체 (802) 표면을 하전하여, 예를들면 탄소-함유 성형체 (802) 표면 분자들에 양전하를 부가하여 활성화될 수 있다.
806에서, 탄소-함유 성형체 (802)는 세척되고 탄소-함유 성형체 (802)의 물성 및 열적 특성이 측정된다. 예를들면, 탄소-함유 성형체 (802)는 N2 건을 이용하여 세척될 수 있다. 808에서, 탄소-함유 성형체 (802)는 예를들면 반응기 프레스 성형틀과 같은 용기 (810)에 투입되고, 812에서 반응성 첨가제 (814)가 용기 (810)에 투입된다. 반응성 첨가제 (814)는 고체, 액체, 또는 기체일 수 있다. 반응성 첨가제 (814)는 유기 중합체와 같은 비-금속일 수 있다. 또한, 반응성 첨가제 (814)는 금속, 합금, 및 이들의 조합일 수 있다. 용기에 투입되는 반응성 첨가제 (714)는 탄소-함유 성형체 (802) 기공들 (804)의 소망 기능에 따라 다르다.
816에서, 용기 (810)가 가압되고 가열된다. 예를들면, 다이 (818)가 반응성 첨가제 (814) 및 탄소-함유 성형체 (802)에 가해진다. 반응성 첨가제 (814) 및 탄소-함유 성형체 (802)에 인가되는 압력은 10 Mpa 내지 50 Mpa이다. 반응성 첨가제 (814)가 고체 또는 액체인 경우, 반응성 첨가제 (814) 및 탄소-함유 성형체 (802)에 인가되는 압력은 최소한 500 psi이상이다. 반응성 첨가제 (814)가 기체인 경우, 약 500 psi 미만의 압력, 예를들면 부분 진공이 반응성 첨가제 (814) 및 탄소-함유 성형체 (802)에 인가될 수 있다. 또한, 소정 예들에서, 반응성 첨가제 (814) 및 탄소-함유 성형체 (802)에 인가되는 압력은 10 MPa 내지 50 MPa이다. 반응성 첨가제 (814) 및 탄소-함유 성형체 (802)에 적용되는 온도는 200℃ 내지 1000℃이다.
압력 및/또는 온도가 탄소-함유 성형체 (802) 및 반응성 첨가제 (814)에 가해지는 동안, 탄소-함유 성형체 (802) 최소한 일부 기공들 (804)이 반응성 첨가제 (814)로 충전된다. 일부 예들에서, 기공들 (804) 내부에 배치되는 반응성 첨가제(814) 함량이 용기 (810) 내부 반응성 첨가제 (814) 및 탄소-함유 성형체 (802)에 인가되는 압력 및/또는 온도에 영향을 미친다. 824에서, 기능화 기공들 (820)을 가지는 탄소-함유 성형체가 세척되고 경화된다.
또한, 복수의 반응성 첨가제들 (814)이 탄소-함유 성형체 (802) 기공들 (804) 내에 배치될 수 있다. 각각의 반응성 첨가제 (814)는 저장 또는 여과와 같은 상이한 기능을 수행할 수 있다. 또한, 반응성 첨가제들 (814)은 각각 복수의 기능들을 수행할 수 있다. 반응성 첨가제들 (814)은 상이한 재료들에 대하여 동일한 기능을 수행할 수도 있다. 예를들면, 반응성 첨가제들 (814)은 상이한 물질을 여과하는 아민 및 카르복실산과 같은 필터 재료일 수 있다. 상이한 온도 및 압력이 탄소-함유 성형체 (802) 및 반응성 첨가제들 (814)에 인가되어 각각의 반응성 첨가제 (814)를 기공들 (804) 내부에 배치할 수 있다.
도 9는 기능화 기공들을 가지는 탄소-함유 성형체 응용을 보인다. 특히, 902에서, 탄소-함유 성형체 (906) 기공들 (904)은 필터 재료로 도포된다. 필터 재료는 도 7 및 8의 반응성 첨가제들 (722, 814)을 포함할 수 있다. 또한, 필터 재료는 탄소-함유 성형체 (906) 표면에 화학적 기능기들을 배치할 수 있다. 도 9에 도시된 특정 예에서, 탄소-함유 성형체 (906)는 다수의 판들 (908)로 형성된다. 액체 (910)가 판 (908)을 통하여 방출되고 기공들 (904) 내부에 배치된 필터 재료에 따라서 소정 물질들이 액체 (910)에서 여과된다. 예를들면, 액체 (910)가 물인 경우, 염소 및 박테리아와 같은 물질들이 판 (910)에 의해 여과될 수 있다.
일부 대안적 구현에 있어서, 탄소-함유 성형체 (906)는 판 (908)으로 형성되고 탄소-함유 성형체 (906) 기공들 (904)에 도포되는 필터 재료 없이도 액체 (910)과 같은 액체에 대한 필터로 기능할 수 있다. 따라서 도 3의 방법 (300)으로 형성된 탄소-함유 성형체와 같은 나(bare) 탄소-함유 성형체가 액체 필터로 적용될 수 있다. 또한, 일부 예들에서, 나 탄소-함유 성형체는 활성 탄소를 포함할 수 있다.
912에서, 탄소-함유 성형체 (906) 기공들 (904)은 기공들 (904) 내에 H2 가스를 저장하기 위하여 금속질화물로 도포된다. 탄소-함유 성형체 (906) 시료 단면 (914)은 금속 수소화물 (918)로 코팅된 3개의 기공들 (916)을 보인다. 또한, 시료 단면 (914)은 기공들 (916) 내에 H2 가스가 저장된 것을 표시한다. 금속 수소화물 (918)은 Mg 수소화물, LiH, NaBH4, LiAlH4, LaNi5H6, TiFeH2, LiNH2, NaBH4, LiBH4, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 기공들 (904)은 H3NBH3로 도포될 수 있다.
920에서, 탄소-함유 성형체 (906) 기공들 (904)은 커패시터 전극 또는 배터리 전극으로 기능하기 위하여 전기전도체로 도포될 수 있다. 탄소-함유 성형체 (906) 시료 단면 (922)은 전기전도체 (926)로 코팅된 2개의 기공들 (924)을 보인다. 도 9에 도시된 바와 같이, 전기전도체 (926) 일부는 양전하 또는 음전하를 가질 수 있다.

Claims (23)

  1. 다수의 기공들을 가지는 탄소-함유 성형체; 및 다수의 기공들 최소한 일부 내부에 가압 배치되고 다수의 기공들 최소한 일부에 부분적으로 충전되는 반응성 첨가제를 포함하는, 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 탄소-함유 성형체는 흑연 결정성 탄소 재료, 탄소 분말, 인조 흑연 분말, 탄소 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 최소한 일 유형의 탄소질 재료로 제작되는, 조성물.
  3. 제1항에 있어서, H2 가스가 다수의 기공들 최소한 일부 내부에 저장되는, 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 반응성 첨가제는 전기전도체를 포함하는, 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 반응성 첨가제는 다수의 기공들 최소한 일부 내부에 코팅물로 배치되는, 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 탄소-함유 성형체는 활성 탄소를 포함하는, 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 반응성 첨가제는 고압 함침 반응으로 형성되는, 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 반응성 첨가제는 고압 함침에 의해 다수의 기공들 최소한 일부 내부에 배치되는, 조성물.
  9. 제1항의 조성물을 박판으로 가공하여 형성되는 제조물.
  10. 탄소-함유 성형체 및 반응성 첨가제 전구-물질을 제공하는 단계; 및
    탄소-함유 성형체 다수의 기공들 최소한 일부 내부에 반응성 첨가제를 형성하는 반응을 개시하는 단계로 구성되는, 제1항의 조성물 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 탄소-함유 성형체 및 반응성 첨가제 전구-물질은 약 500 psi 이상의 압력으로 가압되는, 조성물 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 탄소-함유 성형체 및 반응성 첨가제 전구-물질 온도를 200℃ 내지 1000℃로 상승시켜 반응이 개시되는, 조성물 제조방법.
  13. 제10항에 있어서, 탄소-함유 성형체는 다수의 판들을 포함하는, 조성물 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 다수의 판들은 약 1 mm 미만의 두께를 가지는, 조성물 제조방법.
  15. 제10항에 있어서, 제1항의 조성물을 경화하는 단계를 더욱 포함하는, 조성물 제조방법.
  16. 제10항에 있어서, 제1항의 조성물로부터 필터를 형성하는 단계를 더욱 포함하는, 조성물 제조방법.
  17. 탄소-함유 성형체 및 금속이 아닌 반응성 첨가제를 제공하는 단계; 및 탄소-함유 성형체 및 반응성 첨가제를 200℃ - 1000℃ 범위에서 약 500 psi 이상의 압력으로 가압하는 단계로 구성되는, 제1항의 조성물 제조방법.
  18. 흑연 결정성 탄소 재료, 탄소 분말, 인조 흑연 분말, 탄소 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 재료로 이루어지고, 다수의 기공들을 가지는 탄소-함유 성형체 및 다수의 반응성 첨가제 전구-물질들을 제공하는 단계; 및 금속이 아닌 다수의 반응성 첨가제를 탄소-함유 성형체 다수의 기공들 최소한 일부 내부로 배치하기 위하여, 각각의 반응이 이에 필요한 압력 및 온도를 적용하여 개시되는, 다수의 반응성 첨가제 전구-물질들, 탄소-함유 성형체의 탄소, 및 이들의 조합 간 다수의 반응들을 개시하는 단계로 구성되는 방법에 의해 제조되는 조성물.
  19. 흑연 결정성 탄소 재료, 탄소 분말, 인조 흑연 분말, 탄소 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 재료로 이루어지고, 다수의 기공들을 가지며, 액체용 필터로 형성되는 탄소-함유 성형체를 포함하는, 제조물.
  20. 제19항에 있어서, 금속이 아닌 반응성 첨가제가 탄소-함유 성형체 다수의 기공들 최소한 일부 내부에 배치되는, 제조물.
  21. 제20항에 있어서, 반응성 첨가제는 다수의 기공들 최소한 일부 내부에 코팅물로 배치되는, 제조물.
  22. 제20항에 있어서, 반응성 첨가제는 고압 함침 반응으로 형성되는, 제조물.
  23. 제20항에 있어서, 반응성 첨가제는 고압 함침으로 다수의 기공들 최소한 일부 내부에 배치되는, 제조물.
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