KR20130045543A - Nanocomposite having ionic clathrate hydrates and clay particles and preparation method thereof - Google Patents

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KR20130045543A
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차종호
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이원희
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Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of a nanocomposite is provided to manufacture the nanocomposite with improved mechanical property by impregnating an inner layer of clay particles with ionic clathrate hydrate. CONSTITUTION: 1.5-2.5 weight% of clay particles is dispersed in ionic clathrate hydrate for a nanocomposite. The mechanical property of the nanocomposite is improved by impregnating the inner layer of the clay particles with the ion clathrate hydrate. The ion clathrate hydrate is Me4NOH·5H2O. The clay particles are any one selected from sodium montmorillonite(Na-MMT), montmorillonite magnesium, montmorillonite calcium, and montmorillonite potassium. The manufacturing method of the nanocomposite comprises the following steps: a homogeneous solution is manufactured by dispersing the clay particles in the ionic clathrate hydrate; and the solid nanocomposite is manufactured by crystallizing the homogeneous solution at room temperature.

Description

이온성 클러스레이트 하이드레이트 및 점토입자를 포함하는 나노복합체 및 이의 제조방법{Nanocomposite having ionic clathrate hydrates and clay particles and preparation method thereof}Nanocomposite having ionic clathrate hydrates and clay particles and preparation method

본 발명은 이온성 클러스레이트 하이드레이트 및 점토입자를 포함하는 나노복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a nanocomposite comprising an ionic cluster hydrate and clay particles and a method for producing the same.

나노복합체(Nanocomposites)는 둘 또는 다중상 고체물질로 정의되어있으며, 상기 상중 하나는 나노크기의 차원에서 벌크상(bulk phase)을 통하여 분산된다. 일반적으로, 물리적, 구조적 특징이 다른 벌크 매트릭스 및 나노차원의 상이 조합된 고체는, 기계적, 전기적, 광학적, 열적, 촉매적 특징과 같은 물리화학적 특징의 향상을 야기할 수 있다. 이러한 이유로, 나노복합체는 산업적 응용 및 학문적 연구 모두에 큰 관심을 받고 있다.
Nanocomposites are defined as two or multiphase solids, one of which is dispersed through the bulk phase in nanoscale dimensions. In general, solid matrixes in which physical and structural features differ in bulk matrix and in combination with nanodimensional phases can lead to improvements in physicochemical properties such as mechanical, electrical, optical, thermal, and catalytic properties. For this reason, nanocomposites are of great interest for both industrial applications and academic research.

나노복합체의 특성을 향상시키기 위해서는, 나노필러(nanofillers) 및 매트릭스가 접촉하는 대면적 사이에 호환성이 좋아야하고, 또한 나노필러의 분산성이 우수하여야 하는 것으로 알려져 있다.
In order to improve the properties of the nanocomposite, it is known that the compatibility between the nanofillers and the large area in contact with the matrix should be good and the dispersibility of the nanopillars should be excellent.

물은 다양한 종류의 무기물 또는 유기물과 결합하여 일반적인 얼음과는 다른 다양한 하이드레이트(hydrate)의 구조를 만들 수 있다. 물 분자는 수소결합으로 고체상의 격자를 이루고, 포획된 객체 분자(guest molecule)와의 반데르 발스 힘(Van der Waals force)으로 안정한 구조를 유지한다.
Water can be combined with various kinds of minerals or organics to make various structures of hydrates different from general ice. Water molecules form a lattice of solid phase by hydrogen bonds and maintain a stable structure by Van der Waals force with captured object molecules.

이때, 상기 객체 분자로서 이온성 물질을 이용하게 되면, 주체 격자(host lattice)가 이온화되어 물 분자에서 프로톤의 분리 및 이동이 쉬워지게 되고, 주체 격자와 객체 이온 간에 쿨롬 인력이 작용하면서 비이온성 수화물보다 높은 열적 안정성을 갖게 된다. 특히, 하이드록사이드 음이온이 주체 격자를 이루는 구성요소가 될 경우에는, 물 주체 격자를 통한 프로톤의 이동이 음이온성 하이드레이트 중 가장 쉽게 일어나게 나므로 높은 이온전도도(ion conductivity)와 열적 안정성을 나타내게 된다.
At this time, when the ionic material is used as the object molecule, the host lattice is ionized to facilitate the separation and movement of protons from the water molecule, and the nonionic hydrate acts as the coulomb attraction between the subject lattice and the object ion. It will have higher thermal stability. In particular, when the hydroxide anion becomes a constituent of the main lattice, the proton movement through the water main lattice occurs most easily among the anionic hydrates, and thus exhibits high ion conductivity and thermal stability.

한편, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(Me4NOH)는 대표적인 이온성 클러스레이트 하이드레이(ionic clathrate hydrate)트 형성자로서, 수화수(hydration number) 및 온도에 따라 8가지의 결정구조를 만들 수 있으며, 이중에서도 Me4NOH·10H2O, Me4NOH·7.5H2O, Me4NOH·5H2O는 낮은 활성화 에너지와 높은 이온전도도를 보이는 초이온 전도체로 알려져 있다. 또한, 이온전도도는 Me4NOH·10H2O, Me4NOH·7.5H2O, Me4NOH·5H2O의 순이며, 반대로 녹는점은 Me4NOH·5H2O, Me4NOH·7.5H2O, Me4NOH·10H2O의 순으로 알려져 있다.
Tetramethylammonium hydroxide (Me 4 NOH) is a representative ionic clathrate hydrate former, and can form eight crystal structures according to hydration number and temperature. Of these, Me 4 NOH · 10H 2 O, Me 4 NOH · 7.5H 2 O, and Me 4 NOH · 5H 2 O are known as superionic conductors with low activation energy and high ion conductivity. In addition, the ion conductivity is Me 4 NOH · 10H 2 O, Me4NOH · 7.5H 2 O, Me 4 NOH · The order of 5H 2 O, the other hand a melting point of Me 4 NOH · 5H 2 O, Me 4 NOH · 7.5H 2 O, Me 4 NOH · 10H 2 O It is known in order.

상술한 퍼알킬암모늄염(Peralkylammonium salt)은 포접화합물(inclusion compound) 구조를 형성하기 위해서 할로겐 또는 하이드록사이드의 친수성 음이온들이 물분자와 수소결합을 통해 주골격을 형성하고, 큰 양이온들은 상기 골격의 케이지에 포접되는 것으로 알려져 있다.
In the above-described peralkylammonium salt, hydrophilic anions of halogen or hydroxide form a main skeleton through hydrogen bonding with water molecules to form an inclusion compound structure, and large cations are caged in the skeleton. It is known to be enclosed in.

이때, 하이드레이트 포접화합물의 결정구조는 양이온의 크기 및 형태와 수화수에 따라 다양하게 결정된다. 이러한 이온성 클러스레이트 하이드레이트의 주목할 만한 특징 중 하나는 골격에 음이온이 결합하기 때문에, 물 골격의 프로톤이 비이온성 수화물보다 더 이동성이 뛰어난 경향을 보인다는 것이다(비특허문헌 1). 이에, 이온성 클러스레이트 하이드레이트는 지난 수십년 동안 잠재적인 프로톤 전도체로 연구되어 왔다.
At this time, the crystal structure of the hydrate clathrate compound is determined in various ways depending on the size and shape of the cation and the water of hydration. One of the notable features of such an ionic cluster hydrate is that since anions bind to the skeleton, protons in the water skeleton tend to be more mobile than nonionic hydrates (Non-Patent Document 1). Thus, ionic cholate hydrates have been studied as potential proton conductors for decades.

이온성 클러스레이트 하이드레이트의 다양한 형태 중에서, Me4NOH·5H2O는 높은 전도도 및 녹는점을 가지고 있어 프로톤 전도체로 관심을 모으고 있다(비특허문헌 2).
Among various forms of ionic cholate hydrates, Me 4 NOH.5H 2 O has high conductivity and melting point, attracting attention as a proton conductor (Non-Patent Document 2).

상술한 유익한 특성에 근거하여, 실제로 니켈-금속 배터리 시스템에 이온성 클러스레이트 하이드레이트가 프로톤 전도체로 이용가능함이 보고된바 있다(비특허문헌 3).
On the basis of the beneficial properties described above, it has been reported that ionic crate hydrate is actually available as a proton conductor in nickel-metal battery systems (Non-Patent Document 3).

특허문헌 1에서는 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 펜타하이드레이트(Me4NOH·5H2O)를 수소이온 전도체로 이용하여 수소 기체를 고감도로 감지하는 전기화학센서를 제조하는 방법에 관하여 개시하고 있다.
Patent Document 1 discloses a method for producing an electrochemical sensor that detects hydrogen gas with high sensitivity using tetramethylammonium hydroxide pentahydrate (Me 4 NOH.5H 2 O) as a hydrogen ion conductor.

테트라메틸암모늄 하이드록사이드 펜타하이드레이트(Me4NOH·5H2O)의 상술한 유익한 특성에 반하여 취성(brittleness)이 있기 때문에, 실제 장치에서 고체 전해질로 사용 시 기계적 특성을 강화하여 금이 가거나 파괴되는 문제를 예방할 필요가 있다.
Because of the brittleness contrary to the above beneficial properties of tetramethylammonium hydroxide pentahydrate (Me 4 NOH.5H 2 O), cracking or breaking may occur due to enhanced mechanical properties when used as a solid electrolyte in practical devices. There is a need to prevent problems.

이에, 본 발명자들은 이온성 클러스레이트 하이드레이트 중 하나인 Me4NOH·5H2O를 이용하되 기계적 특성이 강화된 나노복합체를 연구하던 중, 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 점토입자를 분산시킨 나노복합체가 클러스레이트 하이드레이트가 본래 가지고 있는 높은 이온전도도를 거의 동일하게 유지하면서, 점토입자 내부의 층간에 이온성 클러스레이트 하이드레이트가 높은 호환성으로 침투하여 기계적 특성이 현저히 향상될 뿐만 아니라, 상온에서도 충분히 사용가능한 녹는점을 가지는 것을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
Therefore, the present inventors used Me 4 NOH · 5H 2 O, which is one of the ionic cluster hydrates, but while studying the nanocomposite having enhanced mechanical properties, the nanocomposites in which clay particles were dispersed in the ionic cluster hydrate were clogged. While maintaining the same high ionic conductivity of slate hydrate inherently, ionic cluster hydrate penetrates into the interlayer of clay particles with high compatibility, which not only improves mechanical properties significantly but also provides a melting point that can be sufficiently used at room temperature. It has been found that the present invention has been completed.

특허문헌 1: 대한민국 특허출원 10-2009-0068582Patent Document 1: Republic of Korea Patent Application 10-2009-0068582

비특허문헌 1: Ratcliffe, C. I.; Garg, S. K.; Davidson, D. W. J. Inclusion Phenom. Mol. Recognit. Chem. 1990, 8, 159-175[Non-Patent Document 1] Ratcliffe, C. I .; Garg, S. K .; Davidson, D. W. J. Inclusion Phenom. Mol. Recognit. Chem. 1990, 8, 159-175 비특허문헌 2: Borkowska, Z.; Tymosiak, A.; Opallo, M. J. Electroanal. Chem. 1996, 406, 109-117[Non-Patent Document 2] Borkowska, Z .; Tymosiak, A .; Opallo, M. J. Electroanal. Chem. 1996, 406, 109-117 비특허문헌 3: Kuriyama, N.; Sakai, T.; Miyamura, H.; Kato, A.; Ishikawa, H. J. Electrochem. Soc. 1990, 137, 355-356[Non-Patent Document 3] Kuriyama, N .; Sakai, T .; Miyamura, H .; Kato, A .; Ishikawa, H. J. Electrochem. Soc. 1990, 137, 355-356

본 발명의 목적은 기계적 특성이 향상된 나노복합체를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide nanocomposites with improved mechanical properties.

본 발명의 다른 목적은 상기 나노복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the nanocomposite.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 나노복합체를 포함하는 수소 전기화학센서의 제조방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a hydrogen electrochemical sensor including the nanocomposite.

본 발명의 다른 목적은 상기 나노복합체를 포함하는 수소 전기화학센서를 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a hydrogen electrochemical sensor comprising the nanocomposite.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 1.5-2.5 중량%의 점토 입자가 분산되어, 이온성 클러스레이트 하이드레이트가 점토입자의 내부 층간에 침투하여 기계적 특성이 향상된 나노복합체(nanocomposite)를 제공한다.
In order to achieve the above object, the present invention is the nanocomposite (1.5-2.5% by weight of clay particles are dispersed in the ionic hydrate hydrate, the ionic hydrate hydrate penetrates into the inner layer of the clay particles and improved mechanical properties (nanocomposite) ).

또한, 본 발명은 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 1.5-2.5 중량%의 점토입자를 분산시켜 이온성 클러스레이트 하이드레이트가 점토입자의 내부 층간에 침투하여 형성된 균질한 용액을 제조하는 단계(단계 1); 및In addition, the present invention comprises the steps of preparing a homogeneous solution formed by dispersing 1.5-2.5% by weight of clay particles in the ionic cluster hydrate penetrated into the inner layer of the clay particles (step 1); And

상기 단계 1에서 제조한 균질한 용액을 상온에서 결정화하여 고체 나노복합체를 제조하는 단계(단계 2)를 포함하는 기계적 특성이 향상된 나노복합체의 제조방법을 제공한다.
It provides a method for producing a nanocomposite with improved mechanical properties, including the step (step 2) of preparing a solid nanocomposite by crystallizing the homogeneous solution prepared in step 1 at room temperature.

나아가, 본 발명은 백금 파우더(Pt black)를 증류수에 서서히 가하고 완전히 습윤시킨 다음, 나피온 용액(nafionperfluorinated resin solution)을 가하고 교반하여 분산시키는 단계(단계 1);Furthermore, the present invention comprises the steps of slowly adding a platinum powder (Pt black) to distilled water and completely wet, then adding a Nafionperfluorinated resin solution and stirring to disperse (step 1);

상기 분산액에 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)을 가하고, 교반과 초음파처리를 반복해가며 촉매입자를 잘 분산시키는 단계(단계 2);Adding isopropyl alcohol to the dispersion, dispersing the catalyst particles well by repeating stirring and sonication (step 2);

상기 분산액을 전기전도성 탄소전극의 표면에 균일하게 로딩시키고, 함께 로딩된 유기용매를 대기 중에서 증발시킨 다음, 탄소전극에 백금을 로딩함으로써 애노드를 수득하는 단계(단계 3);Uniformly loading the dispersion onto the surface of the electroconductive carbon electrode, evaporating the organic solvent loaded together in the air, and then loading platinum on the carbon electrode to obtain an anode (step 3);

상기에서 수득한 애노드를 테프론으로 만들어진 셀의 한 쪽에 위치시키고, 애노드의 반대편에는 아무런 로딩처리도 하지 않은 탄소전극을 캐소드로 하여, 상기 애노드와 캐소드를 전류계로 연결시키는 단계(단계 4); 및Placing the anode thus obtained on one side of a cell made of Teflon, and connecting the anode and the cathode with an ammeter using a carbon electrode which has not been loaded on the other side of the anode as a cathode (step 4); And

상기 테프론 셀 안의 애노드와 캐소드 사이에 상기 나노복합체를 녹는 점 이상의 온도에서 액체상태로 주입시키고, 최소한 하룻밤 동안 상온에서 결정화시켜 수소이온 전도체를 제조하는 단계(단계 5)를 포함하는 수소 전기화학센서의 제조방법을 제공한다.
Injecting the nanocomposite in the liquid state at a temperature above the melting point between the anode and the cathode in the Teflon cell, and crystallizing at room temperature for at least overnight to produce a hydrogen ion conductor (step 5) of the hydrogen electrochemical sensor It provides a manufacturing method.

또한, 본 발명은 애노드와 캐소드 사이에 고체 전해질로서 상기 나노복합체가 위치하는 것을 특징으로 하는 수소 전기화학센서를 제공한다.
The present invention also provides a hydrogen electrochemical sensor, characterized in that the nanocomposite is located as a solid electrolyte between the anode and the cathode.

본 발명에 따른 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 점토입자를 분산시킨 나노복합체는 클러스레이트 하이드레이트가 본래 가지고 있는 높은 이온전도도를 거의 동일하게 유지하면서, 점토입자 내부의 층간에 클러스레이트 하이드레이트가 높은 호환성으로 침투하여 기계적 특성이 현저히 향상될 뿐만 아니라, 상온에서도 충분히 사용가능한 녹는점을 가지므로, 프로톤 전도체로서 전기화학 시스템의 고체 전해질로 유용할 수 있다.
Nanocomposites in which clay particles are dispersed in ionic hydrate hydrates according to the present invention maintain high ionic conductivity inherent in the hydrate hydrate, while infiltrating the hydrate of the clay hydrate between layers within the clay particles with high compatibility. Not only is the mechanical properties significantly improved, but also has a melting point that is sufficiently usable at room temperature, and thus may be useful as a solid electrolyte in an electrochemical system as a proton conductor.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노복합체의 응력-변형 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 나노복합체의 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 샘플을 초박절편으로 준비하여 TEM으로 관찰한 이미지이다(도 3에서 용어 "Intercalation"은 이온성 클러스레이트 하이드레이트가 점토입자의 층간 구조에 침투하여 "삽입"되는 현상을 나타내고, 용어 "Exfoliation"은 분산과정에 의해서 점토입자가 "박리"되는 현상을 나타낸다).
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따른 샘플을 초박절편으로 준비하여 TEM으로 관찰한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 샘플들을 분말로 준비하여 PXRD로 점토입자 층간 거리를 분석한 그래프이다.
도 6은 순수 점토입자를 분말로 준비하여 PXRD로 점토입자 층간 거리를 분석한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 샘플들의 상변이 온도를 시차주사열량측정기(DSC)로 측정한 그래프이다(도 7에서 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 펜타하이드레이트(Me4NOH·5H2O)는 온도에 따라 고체-고체 상전이를 하는데, 이때 "α phase"는 일부 수소결합이 깨져 있는 상이고, "β phase"는 깨져 있던 수소결합이 이어진 상이며, "Ⅰ" 및 "Ⅱ"는 "α phase"와 "β phase" 사이에서 온도에 따라 변화하는 상을 나타낸다).
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 샘플들의 온도변화에 따른 이온전도도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 이온성 클러스레이트 하이드레이트가 점토입자의 층간 구조에 "Intercalation(삽입)"되어 있는, 그리고 분산과정에 의해서 점토입자의 층간구조가 "Exfoliation(박리)"되어 있는 나노복합체의 TEM 이미지와 이를 이미지화하여 나타낸 개략도이다.
1 is a graph showing a stress-strain curve of a nanocomposite according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the compressive strength of the nanocomposite according to an embodiment of the present invention.
3 is an image observed in a TEM by preparing a sample according to Example 2 of the present invention in ultrathin sections (in FIG. 3, the term "Intercalation" refers to the "insertion" of an ionic clathrate hydrate penetrating into the interlayer structure of clay particles). The term "Exfoliation" refers to a phenomenon in which the clay particles are "peeled" by the dispersion process).
4 is an image observed in a TEM by preparing a sample according to Example 4 of the present invention in ultrathin slices.
5 is a graph analyzing the distance between the clay particle layer by PXRD prepared with a powder according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph of the clay particle interlayer distance analysis by PXRD prepared with pure clay particles as a powder.
Figure 7 is a graph measuring the phase shift temperature of the samples according to an embodiment of the present invention by differential scanning calorimetry (DSC) (in Figure 7 tetramethylammonium hydroxide pentahydrate (Me 4 NOH.5H 2 O) Is a solid-solid phase transition depending on the temperature, where "α phase" is a phase in which some hydrogen bonds are broken, "β phase" is a phase in which hydrogen bonds are broken, and "I" and "II" are "α phase". Between " and " β phase "
8 is a graph showing the ion conductivity according to the temperature change of the samples according to an embodiment of the present invention.
9 is a TEM image of a nanocomposite in which an ionic hydrate hydrate is "intercalated" into the interlayer structure of clay particles, and the interlayer structure of the clay particles is "exfoliated" by dispersion. It is a schematic diagram which imaged.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 1.5-2.5 중량%의 점토 입자가 분산되어, 이온성 클러스레이트 하이드레이트가 점토입자의 내부 층간에 침투하여 기계적 특성이 향상된 나노복합체를 제공한다.
The present invention provides a nanocomposite having 1.5-2.5% by weight of clay particles dispersed in ionic hydrate hydrate so that the ionic hydrate hydrate penetrates into the inner layers of the clay particles, thereby improving mechanical properties.

본 발명에 따른 나노복합체에 있어서, 상기 이온성 클러스레이트 하이드레이트는 Me4NOH·5H2O, Me4NOH·7.5H2O, Me4NOH·10H2O 등을 사용할 수 있으나, 작동가능한 녹는점을 가진다는 관점에서 Me4NOH·5H2O를 사용하는 것이 바람직하다.In the nanocomposite according to the present invention, the ionic cluster hydrate may use Me 4 NOH · 5H 2 O, Me 4 NOH · 7.5H 2 O, Me 4 NOH · 10H 2 O, etc. It is preferable to use Me 4 NOH.5H 2 O from the viewpoint of having.

또한, 상기 점토는 몬트모릴로나이트 나트륨(sodium montmorillonite, Na-MMT), 몬트모릴로나이트 마그네슘, 몬트모릴로나이트 칼슘, 몬트모릴로나이트 칼륨 등과 같이 친수성을 가지는 양이온을 포함한 점토를 사용할 수 있다.In addition, the clay may be a clay containing a hydrophilic cation such as sodium montmorillonite (Na-MMT), montmorillonite magnesium, montmorillonite calcium, montmorillonite potassium.

이때, 나노복합체의 기계적 특성이 향상된다는 관점에서 점토의 함량은 1.5-2.5 중량%인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 점토의 함량은 1.8-2.2 중량%이다. 더욱 더 바람직하게는, 상기 점토의 함량은 1.9-2.1 중량%이다.At this time, from the viewpoint of improving the mechanical properties of the nanocomposite, the content of clay is preferably 1.5-2.5% by weight. More preferably, the clay content is 1.8-2.2% by weight. Even more preferably, the clay content is 1.9-2.1% by weight.

만약, 상기 점토의 함량이 1.5 중량% 미만일 경우에는 기계적 강도가 증가하지 않는 문제가 있고, 2.5 중량%를 초과할 경우에는 점토가 클러스레이트 하이드레이트에 잘 분산되지 않아 기계적 강도가 오히려 떨어짐과 동시에 전기화학적 특성까지 감소하는 문제가 있다.
If the content of the clay is less than 1.5% by weight, there is a problem that the mechanical strength does not increase. If the content of the clay is more than 2.5% by weight, the clay does not disperse well in the hydrate of the crate, and thus the mechanical strength is rather decreased and the electrochemical There is a problem of decreasing the characteristics.

본 발명에 따른 나노복합체는 이온성 클러스레이트 하이드레이트 내부에 친수성을 띠는 점토입자를 분산시켜, 점토입자 내부 층간에 클러스레이트 하이드레이트가 높은 호환성으로 침투하여 그 기계적 특성이 현저히 향상되는 것을 특징으로 한다.
The nanocomposite according to the present invention is characterized in that the hydrophilic clay particles are dispersed inside the ionic cluster hydrate, so that the clathrate hydrate penetrates with high compatibility between the inner layers of the clay particles, and the mechanical properties thereof are significantly improved.

또한, 본 발명은 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 1.5-2.5 중량%의 점토입자를 분산시켜 이온성 클러스레이트 하이드레이트가 점토입자의 내부 층간에 침투하여 형성된 균질한 용액을 제조하는 단계(단계 1); 및In addition, the present invention comprises the steps of preparing a homogeneous solution formed by dispersing 1.5-2.5% by weight of clay particles in the ionic cluster hydrate penetrated into the inner layer of the clay particles (step 1); And

상기 단계 1에서 제조한 균질한 용액을 상온에서 결정화하여 고체 나노복합체를 제조하는 단계(단계 2)를 포함하는 기계적 특성이 향상된 나노복합체의 제조방법을 제공한다.
It provides a method for producing a nanocomposite with improved mechanical properties, including the step (step 2) of preparing a solid nanocomposite by crystallizing the homogeneous solution prepared in step 1 at room temperature.

이하, 본 발명에 따른 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, the manufacturing method according to the present invention will be described step by step.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 1.5-2.5 중량%의 점토입자를 분산시켜 이온성 클러스레이트 하이드레이트가 점토입자의 내부 층간에 침투하여 형성된 균질한 용액을 제조하는 단계이다.In the manufacturing method according to the present invention, the step 1 is to prepare a homogeneous solution formed by dispersing 1.5-2.5% by weight of clay particles in the ionic cluster hydrate penetrated between the inner layer of the clay particles It's a step.

구체적으로, 점토 1.5-2.5 중량%를 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 첨가하고, 50-90 ℃에서 교반함과 동시에 20-60 kHz, 120-180 W의 조건으로 음파처리하여 균질한 용액을 제조한다.Specifically, 1.5-2.5% by weight of clay is added to the ionic cluster hydrate, and agitated at 50-90 ° C and sonicated under conditions of 20-60 kHz, 120-180 W to prepare a homogeneous solution.

이때, 상기 이온성 클러스레이트 하이드레이트는 Me4NOH·5H2O, Me4NOH·7.5H2O, Me4NOH·10H2O 등을 사용할 수 있으나, 작동가능한 녹는점을 가진다는 관점에서 Me4NOH·5H2O를 사용하는 것이 바람직하다.At this time, the ionic cluster hydrate may be used Me 4 NOH · 5H 2 O, Me 4 NOH · 7.5H 2 O, Me 4 NOH · 10H 2 O, etc., Me 4 in terms of having an operating melting point It is preferable to use NOH 5H 2 O.

또한, 상기 점토는 몬트모릴로나이트 나트륨(sodium montmorillonite, Na-MMT), 몬트모릴로나이트 마그네슘, 몬트모릴로나이트 칼슘, 몬트모릴로나이트 칼륨 등과 같이 친수성을 가지는 양이온을 포함한 점토를 사용할 수 있다.In addition, the clay may be a clay containing a hydrophilic cation such as sodium montmorillonite (Na-MMT), montmorillonite magnesium, montmorillonite calcium, montmorillonite potassium.

이때, 나노복합체의 기계적 특성이 향상된다는 관점에서 점토의 함량은 1.5-2.5 중량%인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 점토의 함량은 1.8-2.2 중량%이다. 더욱 더 바람직하게는, 상기 점토의 함량은 1.9-2.1 중량%이다.At this time, from the viewpoint of improving the mechanical properties of the nanocomposite, the content of clay is preferably 1.5-2.5% by weight. More preferably, the clay content is 1.8-2.2% by weight. Even more preferably, the clay content is 1.9-2.1% by weight.

만약, 상기 점토의 함량이 1.5 중량% 미만일 경우에는 기계적 강도가 증가하지 않는 문제가 있고, 2.5 중량%를 초과할 경우에는 점토가 클러스레이트 하이드레이트에 잘 분산되지 않아 기계적 강도가 오히려 떨어짐과 동시에 전기화학적 특성까지 감소하는 문제가 있다.
If the content of the clay is less than 1.5% by weight, there is a problem that the mechanical strength does not increase. If the content of the clay is more than 2.5% by weight, the clay does not disperse well in the hydrate of the crate, and thus the mechanical strength is rather decreased and the electrochemical There is a problem of decreasing the characteristics.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 제조한 균질한 용액을 상온에서 결정화하여 고체 나노복합체를 제조하는 단계이다.In the preparation method according to the present invention, step 2 is a step of preparing a solid nanocomposite by crystallizing the homogeneous solution prepared in step 1 at room temperature.

구체적으로, 상기 단계 1에서 제조한 균질한 액상을 원하는 모양의 주형에 붓고 상온으로 식힌 후 1-10시간 더 방치하여 결정화를 유도하여 고체 상태의 나노복합체를 제조한다.
Specifically, the homogeneous liquid prepared in step 1 is poured into a mold of a desired shape, cooled to room temperature, and left to stand for 1-10 hours to induce crystallization, thereby preparing a solid nanocomposite.

나아가, 본 발명은 백금 파우더(Pt black)를 증류수에 서서히 가하고 완전히 습윤시킨 다음, 나피온 용액(nafionperfluorinated resin solution)을 가하고 교반하여 분산시키는 단계(단계 1);Furthermore, the present invention comprises the steps of slowly adding a platinum powder (Pt black) to distilled water and completely wet, then adding a Nafionperfluorinated resin solution and stirring to disperse (step 1);

상기 분산액에 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)을 가하고, 교반과 초음파처리를 반복해가며 촉매입자를 잘 분산시키는 단계(단계 2);Adding isopropyl alcohol to the dispersion, dispersing the catalyst particles well by repeating stirring and sonication (step 2);

상기 분산액을 전기전도성 탄소전극의 표면에 균일하게 로딩시키고, 함께 로딩된 유기용매를 대기 중에서 증발시킨 다음, 탄소전극에 백금을 로딩함으로써 애노드를 수득하는 단계(단계 3);Uniformly loading the dispersion onto the surface of the electroconductive carbon electrode, evaporating the organic solvent loaded together in the air, and then loading platinum on the carbon electrode to obtain an anode (step 3);

상기에서 수득한 애노드를 테프론으로 만들어진 셀의 한 쪽에 위치시키고, 애노드의 반대편에는 아무런 로딩처리도 하지 않은 탄소전극을 캐소드로 하여, 상기 애노드와 캐소드를 전류계로 연결시키는 단계(단계 4); 및Placing the anode thus obtained on one side of a cell made of Teflon, and connecting the anode and the cathode with an ammeter using a carbon electrode which has not been loaded on the other side of the anode as a cathode (step 4); And

상기 테프론 셀 안의 애노드와 캐소드 사이에 상기 나노복합체를 녹는 점 이상의 온도에서 액체상태로 주입시키고, 최소한 하룻밤 동안 상온에서 결정화시켜 수소이온 전도체를 제조하는 단계(단계 5)를 포함하는 수소 감지센서의 제조방법을 제공한다.
Preparation of a hydrogen sensing sensor comprising the step of injecting the nanocomposite in a liquid state at a temperature above the melting point between the anode and the cathode in the Teflon cell and crystallizing at room temperature for at least one night to produce a hydrogen ion conductor (step 5). Provide a method.

또한, 본 발명은 애노드와 캐소드 사이에 고체 전해질로서 상기 나노복합체가 위치하는 것을 특징으로 하는 수소 전기화학센서를 제공한다.
The present invention also provides a hydrogen electrochemical sensor, characterized in that the nanocomposite is located as a solid electrolyte between the anode and the cathode.

본 발명에 따른 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 점토입자를 분산시킨 나노복합체는 클러스레이트 하이드레이트가 본래 가지고 있는 높은 이온전도도를 거의 동일하게 유지하면서, 점토입자 내부의 층간에 클러스레이트 하이드레이트가 높은 호환성으로 침투하여 기계적 특성이 현저히 향상될 뿐만 아니라, 상온에서도 충분히 사용가능한 녹는점을 가지므로, 프로톤 전도체로서 전기화학 시스템의 고체 전해질로 유용할 수 있다.
Nanocomposites in which clay particles are dispersed in ionic hydrate hydrates according to the present invention maintain high ionic conductivity inherent in the hydrate hydrate, while infiltrating the hydrate of the clay hydrate between layers within the clay particles with high compatibility. Not only is the mechanical properties significantly improved, but also has a melting point that is sufficiently usable at room temperature, and thus may be useful as a solid electrolyte in an electrochemical system as a proton conductor.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

<< 실시예Example 1> 이온성  1> ionic 클러스레이트Cluster 하이드레이트에 점토입자를 분산시킨 나노복합체의 제조 1 Preparation of Nanocomposites Dispersed Clay Particles in Hydrates 1

이온성 클러스레이트 하이드레이트로 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 펜타하이드레이트(tetramethylammonium hydroxide pentahydrate, Me4NOH3·5H2O)를 알드리치(Aldrich)로부터 구매하여 사용하였고, 점토로 몬트모릴로나이트 나트륨(sodium montmorillonite, Na-MMT)을 미국 소재의 퍼듀 대학교(Source Clays Repository of the Clay Minerals Society at Purdue University)로부터 공급받아 사용하였다.
Tetramethylammonium hydroxide pentahydrate (Me 4 NOH 3 · 5H 2 O) was used as an ionic cholate hydrate from Aldrich and was used as clay montmorillonite sodium. Na-MMT) was used from the Source Clays Repository of the Clay Minerals Society at Purdue University.

단계 1: 이온성 Step 1: Ionic 클러스레이트Cluster 하이드레이트에 점토입자의 분산 Dispersion of Clay Particles in Hydrates

Na-MMT 1 중량%를 액체 Me4NOH·5H2O에 첨가하고, 74 ℃에서 자석교반장치를 이용한 교반과 음파처리를(40 kHz, 150 W)를 반복하여, Me4NOH·5H2O에 Na-MMT가 분산된 균질한 액상을 제조하였다. 상기 과정은 용기의 하단에서 점토의 응집 덩어리가 육안으로 관찰되지 않을 때까지 수행하였다.
1 weight% of Na-MMT was added to the liquid Me 4 NOH · 5H 2 O, and stirring and sound wave treatment (40 kHz, 150 W) using a magnetic stirrer at 74 ° C. were repeated, followed by Me 4 NOH · 5H 2 O. A homogeneous liquid phase in which Na-MMT was dispersed was prepared. The procedure was performed until no aggregated mass of clay was visually observed at the bottom of the vessel.

단계 2: 나노복합체의 결정화Step 2: Crystallization of Nanocomposites

상기 단계 1에서 제조한 균질한 액상을 테프론 주형(내부직경 1.0 cm, 높이 4.0 cm)에 붓고 상온으로 식힌 후 1시간 더 방치하여 결정화를 유도하고, 이온성 클러스레이트 하이드레이트 및 점토를 포함하는 고체 나노복합체를 제조하였다.
The homogeneous liquid prepared in step 1 is poured into a Teflon mold (internal diameter 1.0 cm, height 4.0 cm), cooled to room temperature and left to stand for 1 hour to induce crystallization, and solid nano containing ionic cluster hydrate and clay The complex was prepared.

<< 실시예Example 2> 이온성  2> ionic 클러스레이트Cluster 하이드레이트에 점토입자를 분산시킨 나노복합체의 제조 2 Preparation of Nanocomposites Dispersed Clay Particles in Hydrates 2

실시예 1의 단계 1에서 Na-MMT 1 중량% 대신에 2 중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 이온성 클러스레이트 하이드레이트 및 점토를 포함하는 나노복합체를 제조하였다.
A nanocomposite comprising ionic cluster hydrate and clay was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2 wt% of Na-MMT was used instead of 1 wt% of Na-MMT in Step 1 of Example 1.

<< 실시예Example 3> 이온성  3> ionic 클러스레이트Cluster 하이드레이트에 점토입자를 분산시킨 나노복합체의 제조 3 Preparation of Nanocomposites Dispersed Clay Particles in Hydrates 3

실시예 1의 단계 1에서 Na-MMT 1 중량% 대신에 3 중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 이온성 클러스레이트 하이드레이트 및 점토를 포함하는 나노복합체를 제조하였다.
A nanocomposite comprising ionic cluster hydrate and clay was prepared in the same manner as in Example 1 except that 3% by weight instead of 1% by weight of Na-MMT was used in Step 1 of Example 1.

<< 실시예Example 4> 이온성  4> ionic 클러스레이트Cluster 하이드레이트에 점토입자를 분산시킨 나노복합체의 제조 4 Preparation of Nanocomposites Dispersed Clay Particles in Hydrates 4

실시예 1의 단계 1에서 Na-MMT 1 중량% 대신에 4 중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 이온성 클러스레이트 하이드레이트 및 점토를 포함하는 나노복합체를 제조하였다.
A nanocomposite including ionic cluster hydrate and clay was prepared in the same manner as in Example 1 except that 4 wt% was used instead of 1 wt% Na-MMT in Step 1 of Example 1.

<< 비교예Comparative example 1>  1> 포접화합물Clathrate compound 샘플의 준비 Preparation of the sample

실시예 1의 단계 1에서 Na-MMT를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 이온성 클러스레이트 하이드레이트 샘플을 제조하였다.
An ionic cholate hydrate sample was prepared in the same manner as in Example 1 except that Na-MMT was not used in Step 1 of Example 1.

하기 표 1에 실시예 1-4의 나노복합체 및 비교예 1의 이온성 클러스레이트 하이드레이트(Me4NOH3·5H2O)와 점토(Na-MMT)의 조성비를 나타내었다.
Table 1 shows the composition ratios of the nanocomposites of Examples 1-4 and the ionic cluster hydrate (Me 4 NOH 3 · 5H 2 O) and clay (Na-MMT) of Comparative Example 1.


Me4NOH3·5H2O(중량 %)Me 4 NOH 3 · 5H 2 O (% by weight) Na-MMT(중량%)Na-MMT (% by weight)
실시예 1
Example 1
9999 1One
실시예 2
Example 2
9898 22
실시예 3
Example 3
9797 33
실시예 4
Example 4
9696 44
비교예 1
Comparative Example 1
100100 00

<< 실험예Experimental Example 1> 기계적 특성 평가 1> Mechanical property evaluation

비교예 1에서 준비한 이온성 클러스레이트 하이드레이트와 실시예 1-4에서 제조한 나노복합체의 기계적 특성을 알아보기 위하여 다음과 같이 실험하였다.
In order to determine the mechanical properties of the ionic cluster hydrate prepared in Comparative Example 1 and the nanocomposite prepared in Examples 1-4, the following experiment was performed.

구체적으로, 비교예 1 및 실시예 1-4에서 제조한 샘플의 높이를 18.5±1.0 mm 크기로 준비한 다음, Instron 4206 압축 테스트 시스템(Instron Series IX Automated Materials Tester, version 8.28.00)을 이용하여 하중-변위(load-displacement)를 측정하였다. Specifically, the heights of the samples prepared in Comparative Example 1 and Examples 1-4 were prepared in a size of 18.5 ± 1.0 mm, and then loaded using an Instron 4206 compression test system (Instron Series IX Automated Materials Tester, version 8.28.00). Load-displacement was measured.

상기 하중-변위 평가는 -20 ℃, 상대습도 50% 조건하에서, 0.1 kN의 예압(preload)을 준 상태에서 크로스헤드(crosshead) 속도를 0.5 mm/min 설정하여 실시하였다. 오차범위를 줄이기 위해서, 상기에서 준비한 샘플을 각각 6개씩 준비하여 6회에 걸쳐 평가하였고, 그 결과를 응력-변형 곡선(stress-strain curve) 자료로 전환하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다.The load-displacement evaluation was performed by setting a crosshead speed of 0.5 mm / min under a preload of 0.1 kN under a condition of -20 ° C and a relative humidity of 50%. In order to reduce the error range, six samples each prepared above were prepared and evaluated six times, and the results were converted into stress-strain curve data, and the results are shown in FIG. 1.

상기 응력-변형 곡선에서 각 샘플의 최대 응력을 압축 강도로 나타낸 결과를 도 2에 나타내었다.
The maximum stress of each sample in the stress-strain curve is shown in FIG. 2 as a result of compressive strength.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노복합체의 응력-변형 곡선을 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing a stress-strain curve of a nanocomposite according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 나노복합체의 압축강도를 나타낸 그래프이다.
2 is a graph showing the compressive strength of the nanocomposite according to an embodiment of the present invention.

또한, 하기 표 2에 각 샘플들의 압축강도, 상기 도 1에 나타낸 응력-변형 곡선의 기울기인 영의 탄성률(young's modulus), 최대 변형(max strain)을 나타내었다.
In addition, Table 2 below shows the compressive strength of each sample, the Young's modulus, the maximum strain, which is the slope of the stress-strain curve shown in FIG. 1.


압축강도(MPa)Compressive strength (MPa) 영의 탄성률(102 MPa)Young's modulus (10 2 MPa) 최대 변형(%)% Deflection
비교예 1
Comparative Example 1
7.95±1.177.95 ± 1.17 8.98±2.448.98 ± 2.44 1.74±0.421.74 ± 0.42
실시예 1
Example 1
11.58±1.0811.58 ± 1.08 7.04±2.367.04 ± 2.36 2.50±0.592.50 ± 0.59
실시예 2
Example 2
18.25±1.3418.25 ± 1.34 14.63±5.2014.63 ± 5.20 2.74±0.402.74 ± 0.40
실시예 3
Example 3
11.89±0.6411.89 ± 0.64 8.55±0.998.55 ± 0.99 3.18±1.433.18 ± 1.43
실시예 4
Example 4
9.74±0.449.74 ± 0.44 10.54±2.1810.54 ± 2.18 2.26±0.392.26 ± 0.39

표 2 및 도 1-2에 나타난 바와 같이, 비교예 1의 이온성 클러스레이트 하이드레이트 샘플의 경우 최대 압축강도가 7.95 MPa인데 반하여, 실시예 2의 나노복합체 샘플의 경우 최대 압축강도가 18.25 MPa로 나타나 약 130% 향상되는 것을 알 수 있었다. 또한, 비교예 1에 비하여 실시예 2의 영의 탄성률이 약 63% 향상된 것을 알 수 있었다. 나아가, 비교예 1에 비하여 실시예 3의 최대변형율이 약 83% 향상된 것을 알 수 있었다.As shown in Table 2 and Figures 1-2, the maximum compressive strength is 7.95 MPa for the ionic cluster hydrate sample of Comparative Example 1, whereas the maximum compressive strength is 18.25 MPa for the nanocomposite sample of Example 2. It can be seen that about 130% improvement. In addition, it was found that the Young's modulus of Example 2 was improved by about 63% compared to Comparative Example 1. Furthermore, it was found that the maximum strain of Example 3 was improved by about 83% compared to Comparative Example 1.

상기에서 나타난 기계적 특성의 향상은 점토입자가 Na+ 이온을 가지고 있어 친수성을 나타내어 이온성 클러스레이트 하이드레이트와 호환성이 뛰어나 내부로 잘 분산되기 때문인 것으로 사료된다.
The improvement in mechanical properties indicated above is due to the fact that the clay particles have Na + ions, exhibit hydrophilicity, and are highly compatible with ionic cluster hydrates and thus are well dispersed in the interior.

따라서, 본 발명에 따른 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 점토입자를 분산시킨 나노복합체는 최적화된 점토입자의 함유량에 따라서 그 기계적 특성이 현저히 향상하므로, 프로톤 전도체로서 전기화학 시스템의 고체 전해질로 유용할 수 있다.
Therefore, the nanocomposite in which clay particles are dispersed in the ionic hydrate hydrate according to the present invention can be useful as a solid electrolyte in an electrochemical system as a proton conductor because its mechanical properties are remarkably improved depending on the content of the optimized clay particles. .

<< 실험예Experimental Example 2>  2> 포접화합물Clathrate compound 내부로 점토입자의 분산 평가 Dispersion Assessment of Clay Particles Inside

실시예 1-4에서 제조한 나노복합체의 내부에 점토입자가 잘 분산되었는지를 알아보기 위하여 다음과 같이 실험하였다.
To determine whether the clay particles were well dispersed in the nanocomposite prepared in Example 1-4, the following experiment was performed.

구체적으로, 투과전자현미경으로 나노복합체 내부를 분석하기 위해서 실시예 1-4에서 제조한 나노복합체 샘플 및 비교예 1에서 준비한 이온성 클러스레이트 하이드레이트 샘플을 -120 ℃의 질소로 냉각한 상태에서 냉각-울트라마이크로톰(cryo-ultramicrotome, 모델명: EM UC7/FC7, 제조사: Leica)과 함께 다이아몬드 칼을 사용하여 90 nm 초박절편(ultrathin section)으로 준비하였다.Specifically, in order to analyze the inside of the nanocomposite with a transmission electron microscope, the nanocomposite sample prepared in Example 1-4 and the ionic cluster hydrate sample prepared in Comparative Example 1 were cooled with nitrogen at -120 ° C.- A 90 nm ultrathin section was prepared using a diamond knife with an ultramicrotome (model: EM UC7 / FC7, manufactured by Leica).

상기에서 준비한 샘플의 초박절편을 카본 코팅된 그리드(grid)에 두고 건조한 다음 항오염기(anti-contaminator)와 조합된 투과전자현미경(TEM, 모델명: G2 Sprit Twin TEM, 제조사: Technai)으로 관찰하였다. 실시예 2의 샘플을 TEM으로 관찰한 결과를 도 3에 나타내었고, 실시예 4의 샘플을 TEM으로 관찰한 결과를 도 4에 나타내었다.
The ultrathin sections of the samples prepared above were placed on a carbon coated grid and dried and observed with a transmission electron microscope (TEM, model name: G2 Sprit Twin TEM, manufacturer: Technai) combined with an anti-contaminator. The result of observing the sample of Example 2 by TEM is shown in FIG. 3, and the result of observing the sample of Example 4 by TEM is shown in FIG.

도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 샘플을 초박절편으로 준비하여 TEM으로 관찰한 이미지이다(도 3에서 용어 "Intercalation"은 이온성 클러스레이트 하이드레이트가 점토입자의 층간 구조에 침투하여 "삽입"되는 현상을 나타내고, 용어 "Exfoliation"은 분산과정에 의해서 점토입자가 "박리"되는 현상을 나타낸다).3 is an image observed in a TEM by preparing a sample according to Example 2 of the present invention in ultrathin sections (in FIG. 3, the term "Intercalation" refers to the "insertion" of an ionic clathrate hydrate penetrating into the interlayer structure of clay particles). The term "Exfoliation" refers to a phenomenon in which the clay particles are "peeled" by the dispersion process).

도 4는 본 발명의 실시예 4에 따른 샘플을 초박절편으로 준비하여 TEM으로 관찰한 이미지이다.
4 is an image observed in a TEM by preparing a sample according to Example 4 of the present invention in ultrathin slices.

도 3-4에 나타난 바와 같이, 실시예 2에서 제조한 점토입자를 2 중량% 포함하는 샘플의 경우 점토입자 내부에 삽입된 이온성 클러스레이트 하이드레이트 및 점토입자 중 박리된 층이 골고루 분산되어 있는 것이 선명하게 나타났다. 실시예 4에서 제조한 점토입자를 4 중량% 포함하는 샘플의 경우에는 점토입자가 서로 뭉치는 것을 확인할 수 있었다. 상술한 바와 같이, 점토입자의 함량에 따라 점토입자의 분산 정도가 상이하게 나타나는 것을 알 수 있었는데, 2 중량%를 함유할 때 가장 골고루 분산되어 기계적 특성 향상에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상할 수 있었다.
As shown in Figure 3-4, in the case of the sample containing 2% by weight of the clay particles prepared in Example 2 that the delaminated layer of ionic hydrate hydrate and the clay particles inserted in the clay particles are evenly dispersed It appeared clearly. In the case of the sample containing 4% by weight of the clay particles prepared in Example 4, it was confirmed that the clay particles agglomerated with each other. As described above, it was found that the degree of dispersion of the clay particles was different depending on the content of the clay particles, and when it contained 2% by weight, it was expected to be most evenly dispersed, which would have a positive effect on the improvement of mechanical properties. .

다음으로, 실시예 1-4에서 제조한 나노복합체 내부에 분산된 점토입자의 층간 구조 형성을 알아보기 위하여 분말 X-선 회절분석기(powder X-ray diffraction, PXRD)를 이용하여 점토입자 내부에 삽입된 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 따른 점토입자 층간의 거리를 분석하였다.
Next, in order to investigate the interlayer structure formation of the clay particles dispersed in the nanocomposite prepared in Example 1-4, the powder X-ray diffraction (PXRD) was inserted into the clay particles. The distance between the clay particle layers according to the ionic cholate hydrates was analyzed.

구체적으로, 실시예 1-4에서 제조한 나노복합체들을 200 ㎛ 이하의 크기를 가지는 분말로 준비한 다음, 분말 X-선 회절분석기(모델명: D/MAX-2500, 제조사: Rigaku)로 분석하여 점토입자 내부에 삽입된 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 따른 점토입자 층간의 거리를 측정한 다음, 순수 점토입자를 상기와 같은 분말로 준비하여 동일하게 분말 X-선 회절분석기로 분석하여 순수 점토입자 층간의 거리를 측정하여 비교하여 보았다. 실시예1-4에서 제조한 샘플의 분말 X-선 회절분석 결과를 도 5에 나타내었고, 순수 점토입자의 분말 X-선 회절분석 결과를 도 6에 나타내었다.
Specifically, the nanocomposites prepared in Examples 1-4 were prepared in powder having a size of 200 μm or less, and then analyzed by a powder X-ray diffractometer (model name: D / MAX-2500, manufacturer: Rigaku), and then clay particles. After measuring the distance between the clay particle layers according to the ionic hydrate hydrate inserted therein, pure clay particles were prepared in the same powder as above, and analyzed by powder X-ray diffractometer. Measured and compared. The powder X-ray diffraction analysis results of the samples prepared in Example 1-4 are shown in FIG. 5, and the powder X-ray diffraction analysis results of the pure clay particles are shown in FIG. 6.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 샘플들을 분말로 준비하여 PXRD로 점토입자 층간 거리를 분석한 그래프이다.5 is a graph analyzing the distance between the clay particle layer by PXRD prepared with a powder according to an embodiment of the present invention.

도 6은 순수 점토입자를 분말로 준비하여 PXRD로 점토입자 층간 거리를 분석한 그래프이다.
Figure 6 is a graph of the clay particle interlayer distance analysis by PXRD prepared with pure clay particles as a powder.

도 5-6에 나타난 바와 같이, 순수 점토입자의 층간 거리는 10.05 Å인데 비하여, 실시예 1-4에서 제조한 샘플들에서 점토입자의 층간 거리는 각각 14.16 Å, 14.13 Å, 13.98 Å 및 13.90 Å으로 나타나, 점토입자의 층간에 이온성 클러스레이트 하이드레이트가 잘 침투하였음을 알 수 있었다.
As shown in Fig. 5-6, the interlayer distance of the pure clay particles is 10.05 비, whereas the interlayer distances of the clay particles are 14.16 실시, 14.13 Å, 13.98 Å and 13.90 각각 in the samples prepared in Example 1-4, respectively. It was found that the ionic cholate hydrate penetrated well between the layers of clay particles.

따라서, 본 발명에 따른 나노복합체는 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 점토입자가 높은 호환성으로 잘 분산되므로, 프로톤 전도체로서 전기화학 시스템의 고체 전해질로 유용할 수 있다.
Therefore, the nanocomposite according to the present invention can be useful as a solid electrolyte in an electrochemical system as a proton conductor because the clay particles are well dispersed in ionic cluster hydrate with high compatibility.

<< 실험예Experimental Example 3> 나노복합체의 녹는점 평가 3> Melting point evaluation of nanocomposites

실시예 1-4에서 제조한 나노복합체의 녹는점을 알아보기 위하여 시차주사열량측정기(DSC, 모델명: DSC 204 F1, 제조사: NETZSCH)를 사용하여 상변이를 관찰하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
In order to determine the melting point of the nanocomposites prepared in Examples 1-4, the phase shift was observed using a differential scanning calorimetry (DSC, model name: DSC 204 F1, manufacturer: NETZSCH), and the results are shown in FIG. It was.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 샘플들의 상변이 온도를 시차주사열량측정기(DSC)로 측정한 그래프이다(도 7에서 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 펜타하이드레이트(Me4NOH·5H2O)는 온도에 따라 고체-고체 상전이를 하는데, 이때 "α phase"는 일부 수소결합이 깨져 있는 상이고, "β phase"는 깨져 있던 수소결합이 이어진 상이며, "Ⅰ" 및 "Ⅱ"는 "α phase"와 "β phase" 사이에서 온도에 따라 변화하는 상을 나타낸다).
Figure 7 is a graph measuring the phase shift temperature of the samples according to an embodiment of the present invention by differential scanning calorimetry (DSC) (in Figure 7 tetramethylammonium hydroxide pentahydrate (Me 4 NOH.5H 2 O) Is a solid-solid phase transition depending on the temperature, where "α phase" is a phase in which some hydrogen bonds are broken, "β phase" is a phase in which hydrogen bonds are broken, and "I" and "II" are "α phase". Between " and " β phase &quot;

도 7에 나타난 바와 같이, 관찰되는 y축의 흡열 피크를 통해 다중 고체상-고체상 전이 및 고체상-액체상 전이를 확인할 수 있었다. 이때, 40 ℃에서 실시예 1-3의 샘플들은 온전한 고체상으로 남아있는 것을 알 수 있었다. 평균적으로, 실시예 1-4에서 제조한 샘플들은 약 43 ℃ 이하의 녹는점을 가지는 것을 알 수 있었다.
As shown in FIG. 7, multiple solid-solid transitions and solid-liquid transitions can be identified through the observed endothermic peaks of the y-axis. At this time, it can be seen that the samples of Example 1-3 remained intact solid phase at 40 ° C. On average, the samples prepared in Examples 1-4 have a melting point of about 43 ℃ or less.

따라서, 본 발명에 따른 나노복합체는 고체전해질로 사용하기에 충분한 녹는점을 가지므로, 프로톤 전도체로서 전기화학 시스템의 고체 전해질로 유용할 수 있다.
Therefore, the nanocomposite according to the present invention has a melting point sufficient for use as a solid electrolyte, and thus may be useful as a solid electrolyte in an electrochemical system as a proton conductor.

<< 실험예Experimental Example 4> 나노복합체의 이온전도도 평가 4> Evaluation of ion conductivity of nanocomposites

실시예 1-4에서 제조한 나노복합체의 이온전도도를 알아보기 위하여 다음과 같이 실험하였다.
In order to determine the ionic conductivity of the nanocomposite prepared in Example 1-4, the experiment was carried out as follows.

구체적으로, 실시예 1-4에서 결정화하기 전의 액체 상태의 샘플들을 2개의 SUS전극으로 이루어진 테플론으로 제작된 셀에 투입하고, 산소에 의한 전기화학 반응을 방지하기 위하여, 10분 정도 아르곤 가스를 전해질 속으로 불어주며 결정화하였다. Specifically, in Example 1-4, the liquid state samples before crystallization are introduced into a cell made of Teflon composed of two SUS electrodes, and in order to prevent electrochemical reaction by oxygen, argon gas is electrolyte for about 10 minutes. Blowed into the crystallization.

다음으로, 임피던스 스펙트럼의 벌크저항을 솔라트론(Solatron)사의 "1260 impedance/gain-phase" 분석기와 "1287 electrochemical interface"를 이용하여 온도변화를 달리하며 측정한 다음, 이로부터 이온전도도를 산출하였고, 이를 도 8에 나타내었다.
Next, the bulk resistance of the impedance spectrum was measured at different temperatures using Solartron's "1260 impedance / gain-phase" analyzer and "1287 electrochemical interface", and then the ion conductivity was calculated from this. This is shown in FIG. 8.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 샘플들의 온도변화에 따른 이온전도도를 나타낸 그래프이다.
8 is a graph showing the ion conductivity according to the temperature change of the samples according to an embodiment of the present invention.

도 8에 나타난 바와 같이, 점토 입자를 함유하지 않은 이온성 클러스레이트 하이드레이트의 경우 -30~65 ℃에서 이온전도도가 약 10-3-10-1 S·cm-1로 높게 나타났다. 이와 유사하게, 실시예 1-4에서 제조한 샘플들의 경우도 -20~40 ℃에서 이온전도도가 약 10-3.3-10-1.3 S·cm-1로 높게 나타났다.
As shown in FIG. 8, in the case of the ionic cluster hydrate containing no clay particles, the ionic conductivity was about 10 −3 −10 −1 S · cm −1 at −30 to 65 ° C. As shown in FIG. Similarly, the samples prepared in Example 1-4 also showed high ion conductivity of about 10 −3.3 −10 −1.3 S · cm −1 at −20˜40 ° C.

따라서, 본 발명에 따른 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 점토입자를 분산시킨 나노복합체는 이온전도도가 우수한 이온성 클러스레이트 하이드레이트와 비교하여 유사한 이온전도도를 나타내므로, 프로톤 전도체로서 전기화학 시스템의 고체 전해질로 유용할 수 있다.Therefore, nanocomposites in which clay particles are dispersed in ionic hydrate hydrates according to the present invention exhibit similar ionic conductivity as compared to ionic hydrate hydrates having excellent ionic conductivity, and thus are useful as solid electrolytes in electrochemical systems as proton conductors. can do.

Claims (10)

이온성 클러스레이트 하이드레이트에 1.5-2.5 중량%의 점토 입자가 분산되어, 이온성 클러스레이트 하이드레이트가 점토입자의 내부 층간에 침투하여 기계적 특성이 향상된 나노복합체.
A nanocomposite having 1.5-2.5% by weight of clay particles dispersed in an ionic cluster hydrate, whereby the ionic cluster hydrate penetrates into the inner layers of the clay particles, thereby improving mechanical properties.
제1항에 있어서,
상기 이온성 클러스레이트 하이드레이트는 Me4NOH·5H2O인 것을 특징으로 하는 나노복합체.
The method of claim 1,
The ionic cluster hydrate is Me 4 NOH · 5H 2 O characterized in that the nanocomposite.
제1항에 있어서,
상기 점토는 몬트모릴로나이트 나트륨, 몬트모릴로나이트 마그네슘, 몬트모릴로나이트 칼슘 및 몬트모릴로나이트 칼륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 나노복합체.
The method of claim 1,
And wherein said clay is one kind selected from the group consisting of montmorillonite sodium, montmorillonite magnesium, montmorillonite calcium and montmorillonite potassium.
이온성 클러스레이트 하이드레이트에 1.5-2.5 중량%의 점토입자를 분산시켜 이온성 클러스레이트 하이드레이트가 점토입자의 내부 층간에 침투하여 형성된 균질한 용액을 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 제조한 균질한 용액을 상온에서 결정화하여 고체 나노복합체를 제조하는 단계(단계 2)를 포함하는 기계적 특성이 향상된 나노복합체의 제조방법.
Dispersing 1.5-2.5% by weight of clay particles in the ionic cluster hydrate to prepare a homogeneous solution formed by the penetration of the ionic cluster hydrate into the inner layers of the clay particles (step 1); And
Method for producing a nanocomposite with improved mechanical properties comprising the step (step 2) of preparing a solid nanocomposite by crystallizing the homogeneous solution prepared in step 1 at room temperature.
제4항에 있어서,
상기 이온성 클러스레이트 하이드레이트는 Me4NOH·5H2O인 것을 특징으로 하는 나노복합체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The ionic cluster hydrate is a method for producing a nanocomposite, characterized in that Me 4 NOH.5H 2 O.
제4항에 있어서,
상기 점토는 몬트모릴로나이트 나트륨, 몬트모릴로나이트 마그네슘, 몬트모릴로나이트 칼슘 및 몬트모릴로나이트 칼륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 나노복합체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The clay is a method for producing a nanocomposite, characterized in that one kind selected from the group consisting of montmorillonite sodium, montmorillonite magnesium, montmorillonite calcium and montmorillonite potassium.
제4항에 있어서,
상기 단계 1은 점토 1.5-2.5 중량%를 이온성 클러스레이트 하이드레이트에 첨가하고, 50-90 ℃에서 교반과 음파처리를 반복하는 것을 특징으로 하는 나노복합체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Step 1 is a method for producing a nanocomposite, characterized in that 1.5-2.5% by weight of clay is added to the ionic cluster hydrate, and the stirring and sonication is repeated at 50-90 ℃.
제7항에 있어서,
상기 음파처리는 20-60 kHz, 120-180 W의 조건으로 수행하는 것을 특징으로 하는 나노복합체의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The sound wave treatment method of the nanocomposite, characterized in that carried out under the conditions of 20-60 kHz, 120-180 W.
백금 파우더(Pt black)를 증류수에 서서히 가하고 완전히 습윤시킨 다음, 나피온 용액(nafionperfluorinated resin solution)을 가하고 교반하여 분산시키는 단계(단계 1);
상기 분산액에 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)을 가하고, 교반과 초음파처리를 반복해가며 촉매입자를 잘 분산시키는 단계(단계 2);
상기 분산액을 전기전도성 탄소전극의 표면에 균일하게 로딩시키고, 함께 로딩된 유기용매를 대기 중에서 증발시킨 다음, 탄소전극에 백금을 로딩함으로써 애노드를 수득하는 단계(단계 3);
상기에서 수득한 애노드를 테프론으로 만들어진 셀의 한 쪽에 위치시키고, 애노드의 반대편에는 아무런 로딩처리도 하지 않은 탄소전극을 캐소드로 하여, 상기 애노드와 캐소드를 전류계로 연결시키는 단계(단계 4); 및
상기 테프론 셀 안의 애노드와 캐소드 사이에 제1항의 나노복합체를 녹는 점 이상의 온도에서 액체상태로 주입시키고, 최소한 하룻밤 동안 상온에서 결정화시켜 수소이온 전도체를 제조하는 단계(단계 5)를 포함하는 수소 전기화학센서의 제조방법.
Platinum powder (Pt black) was slowly added to distilled water and completely wetted, then Nafionperfluorinated resin solution was added and stirred to disperse (step 1);
Adding isopropyl alcohol to the dispersion, dispersing the catalyst particles well by repeating stirring and sonication (step 2);
Uniformly loading the dispersion onto the surface of the electroconductive carbon electrode, evaporating the organic solvent loaded together in the air, and then loading platinum on the carbon electrode to obtain an anode (step 3);
Placing the anode thus obtained on one side of a cell made of Teflon, and connecting the anode and the cathode with an ammeter using a carbon electrode which has not been loaded on the other side of the anode as a cathode (step 4); And
Hydrogen electrochemistry comprising the step of injecting the nanocomposite of claim 1 in a liquid state at a temperature above the melting point between the anode and the cathode in the Teflon cell and crystallizing at room temperature at least overnight to produce a hydrogen ion conductor (step 5). Method of manufacturing the sensor.
애노드와 캐소드 사이에 고체 전해질로서 제1항의 나노복합체가 위치하는 것을 특징으로 하는 수소 전기화학센서.Hydrogen electrochemical sensor, characterized in that the nanocomposite of claim 1 is located between the anode and the cathode as a solid electrolyte.
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