KR20140087248A - 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 제조방법 및 이 방법에 의해 제조되는 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 - Google Patents
염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 제조방법 및 이 방법에 의해 제조되는 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 제조방법 및 이 방법에 의해 제조되는 고순도 이온성 액체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알킬 아이오다이드;와
알킬 피리딘 또는 알킬 이미다졸;의 반응물을 상기 반응물 전체중량에 대해 일정량의 중량비율을 갖는 비극성 용제에 투입하여 대기압의 조건에서 일정온도, 일정시간 동안 반응시킨 후,
반응을 통해 합성된 이온성 액체와 비극성 용제를 층 분리한 다음,
비극성 용제를 층 분리한 이온성 액체를 감압증류하여 미제거된 비극성 용제와 미반응물을 제거하여 순수한 이온성 액체를 제조하는 것임을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 제조방법 및 이 방법에 의해 제조되는 고순도 이온성 액체에 관한 것이다.
알킬 피리딘 또는 알킬 이미다졸;의 반응물을 상기 반응물 전체중량에 대해 일정량의 중량비율을 갖는 비극성 용제에 투입하여 대기압의 조건에서 일정온도, 일정시간 동안 반응시킨 후,
반응을 통해 합성된 이온성 액체와 비극성 용제를 층 분리한 다음,
비극성 용제를 층 분리한 이온성 액체를 감압증류하여 미제거된 비극성 용제와 미반응물을 제거하여 순수한 이온성 액체를 제조하는 것임을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 제조방법 및 이 방법에 의해 제조되는 고순도 이온성 액체에 관한 것이다.
Description
본 발명은 염료 감응형 태양전지 전해질에 사용되는 고순도 이온성 액체의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조되는 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체에 관한 것으로서,
염료 감응형 태양전지의 전해질 조성물에서 상대전극의 백금 촉매에 의한 I-/I3 - 산화/환원 반응에 적합한 알킬 아이오다이드를 사용하여 고순도 이온성 액체를 제조하고,
고순도 이온성 액체를 제조함에 있어, 최종 합성된 이온성 액체와 분리되는 성질을 갖는 n-부탄, n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, n-옥탄, n-노난, n-데칸 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합으로 조성된 비극성 용제를 사용함으로써 고순도의 이온성 액체의 제조가 가능하며 부가적인 반응물의 생성을 억제하여 색상 또한 탁하지 않은 밝은 노란색 또는 밝은 갈색의 이온성 액체의 제조가 가능하도록 한다.
최근 들어 에너지 문제를 해결하기 위해 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 다양한 연구가 진행되고 있다. 수십 년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다.
이와 같은 이유로 태양전지 시장은 전 세계적인 대체 에너지 산업의 발굴 및 녹색 성장 정책에 맞물려 급속한 속도로 성장하고 있다. 그 중 Michael Gratzel group에 의해 1991년에 소개된 염료 감응형 태양전지(Dye Sensitized Solar Cell, DSSC)는 낮은 공정 가격과 높은 에너지 효율로 미래 태양전지의 유력한 후보로 여겨진다.
염료 감응형 태양전지는 나노 입자(TiO2)에 흡착된 Ru-complex 염료(dye)가 빛을 받아 전자를 생성하고 전해질에 있는 산화환원 물질(주로 I-/I3 -)에 의해 환원되는 것을 반복하여 빛으로부터 전기를 생성할 수 있다.
염료 감응형 태양전지에서 전해질은 주로 아세트나이트릴을 많이 쓰는데 이물질은 효율은 높지만 끓는점이 낮아 태양열 아래에서 증발하기 때문에 염료 감응형 태양전지의 지속성 문제를 야기한다.
또 다른 전해질로 무기 고체 전해질(Langmuir 19,3572(2003)), 고분자 고체 전해질(Electrochemica Acta 47, 2801 (2002)), 겔 전해질(J.Phys.Chem. B 107,4374 (2003))등의 연구가 진행되고 있으나, 무기, 고분자, 겔 전해질의 경우 산화-환원 종의 움직임이 둔화되어 에너지 변환 효율에 나쁜 영향을 준다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명은 비휘발성이고 상온에서 액상인 이온성 액체를 개발하였다.
이온성 액체는 유기 양이온과 유/무기 음이온으로 이루어진 물질로서 금속 양이온과 비금속 음이온으로 이루어진 이온성 염화합물이 통상 800℃ 이상의 고온에서 녹는 것과는 달리 상온이나 100℃ 이하에서 액체 상태로 존재한다.
이온성 액체는 비휘발성, 무독성 비가연성이며 화학적 안정성, 비교적 넓은 전위창을 가지는 전기화학적 안정성, 높은 이온전도도, 저융점, 열안정성 등의 특성을 나타내고 있다. 이와 같은 특성이 있는 이온성 액체는 점차 국내뿐만 아니라 해외에서도 여러 산업 분야에 걸쳐 응용이 진행 중이다.
특히 미국 특허 US 2005/0205468 A1에서는 천연가스에서 불순물을 제거하는 정제용으로 적용을 하였으며 US 2006/0135839 A1에서는 올레핀의 알킬레이션 공정에 촉매로서 사용되었다. 또 다른 예로서는 US 6673737 B2에서는 각종 화학 반응을 위한 촉매로서의 응용을 나타내고 있다.
이온성 액체의 제조 방법을 일본 특허 2005-232077에서 언급한 것을 간단히 살펴 보면 1차 반응으로 알킬 할라이드를 이용하여 피리딘과 용제로 아세트나이트릴을 이용하여 80℃ 이상에서 8시간 교반하여 반응을 유도하고 감압을 통하여 용제와 미반응 원료들을 제거하였으며 잔류물에 대하여 다시 감압하여 건조하였다, 이에 대한 정제는 활성탄을 사용하였으며 순수에 1차 반응물을 넣고 활성탄과 더불어 1시간 이상 교반 후 여과하였다. 이렇게 합성된 알킬 피리디니윰 할라이드는 2차 반응에서 유기 또는 무기 이온성 물질이 수용액 상태로 반응하여 에틸아세테이트로 추출 분액하여 순수로 2회 수세한 후 에틸 아세테이트를 감압 제거한 후 이온성 액체를 제조하고 있다.
또한 미국 특허 US 2006/0135839 A1에서는 2차 반응에서 유기 용제를 사용하지 않고 고온(140℃)에서 12시간 이상 가압 장치를 통하여 반응하여 감압을 통하여 미반응 원료를 제거하는 공정을 도입하였으며, 뜨거운 아세톤을 이용하여 순수한 물질을 얻었다.
위의 예시로 나타낸 특허에서는 1차 반응에서 한 물질을 과량으로 사용하고 이를 제거하기 위하여 감압을 하게 되는데 이는 어느 쪽을 과량으로 사용하더라도 수율에서 큰 영향을 미치게 되며 저 비점 물질의 경우 합성이 어려우며 또한 합성 공정에서 140℃의 고온에서 진행되고 반응 시간이 장시간 소요되는 단점이 발생하게 된다. 또한 위의 예시에 명시된 이온성 액체는 물에 용해되지 않는 불용성으로 순수를 이용하여 수세를 하거나 극성 용매를 이용하여 정제를 하였다.
상기의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 염료 감응형 태양전지의 전해질 조성물에서 상대전극의 백금 촉매에 의한 I-/I3 - 산화/환원 반응에 적합한 알킬 아이오다이드를 사용하여 이온성 액체를 제조하고,
또한 이온성 액체를 제조함에 있어, 최종 합성된 이온성 액체와 분리되는 성질을 갖는 n-부탄, n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, n-옥탄, n-노난, n-데칸 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합으로 조성된 비극성 용제를 사용함으로써 알킬 아이오다이드;와 알킬 이미다졸 또는 알킬 피리딘;과의 반응 수율을 향상시키고, 미반응 물질의 잔류를 최소화하며, 고순도의 수용성 이온성 액체를 제조할 수 있는 방법의 제공 및 이 방법에 의해 제조되는 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체를 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 알킬 아이오다이드;와
알킬 피리딘 또는 알킬 이미다졸;의 반응물을 상기 반응물 전체중량에 대해 15~40wt%의 중량비율을 갖는 비극성 용제에 투입하여 대기압의 조건에서 25~100℃로 3~10시간 동안 반응시킨 후,
반응을 통해 합성된 이온성 액체와 비극성 용제를 층 분리한 다음,
비극성 용제를 층 분리한 이온성 액체를 감압증류하여 미제거된 비극성 용제와 미반응물을 제거하여 순수한 이온성 액체를 제조하는 것임을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 제조방법;과,
상기 제조방법으로 제조된 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체;를 주요 기술구성으로 한다.
상기, R1은 C1~C12를 포함하는 선형알킬 또는 가지형 알킬이며; R2, R3, R4, R5, R6는 H 또는 C1~C12 중에 선택되는 선형알킬 또는 가지형 알킬이며; R7, R8, R9, R10, R11은 H 또는 C1~C12를 포함하는 선형알킬 또는 가지형 알킬임.
본 발명에 따른 고순도 이온성 액체는 염료 감응형 태양전지의 전해질 조성물에서 상대전극의 백금 촉매에 의한 I-/I3 - 산화/환원 반응에 적합한 알킬 아이오다이드를 사용하여 제조함으로써 염료 감응형 태양전지 전해질에 적합하게 사용될 수 있으며,
알킬 아이오다이드;와 알킬 피리딘 또는 알킬 이미다졸;의 반응에 의해 최종 생성되는 이온성 액체와 분리되는 성질을 갖는 비극성 용제를 사용함으로써, 고순도의 이온성 액체의 제조가 가능하고, 부가적인 반응물의 생성을 억제하여 색상 또한 탁하지 않은 밝은 노란색 또는 밝은 갈색의 이온성 액체를 제조할 수 있다.
또한 대기압의 조건하에서 이온성 액체를 간단하게 합성할 수 있기 때문에 생산성 향상과 비용절감의 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 비극성 용매를 사용하여 제조된 고순도 이온성 액체의 사진(a: 밝은 노란색)과 극성 용매를 사용하여 제조된 이온성 액체(비교예-b: 진갈색)의 비교사진.
도 2는 본 발명에 따른 비극성 용매를 사용하여 제조된 고순도 이온성 액체의 사진(a: 밝은 갈색)과 극성 용매를 사용하여 제조된 이온성 액체(비교예-b:진갈색)의 다른 비교사진.
도 2는 본 발명에 따른 비극성 용매를 사용하여 제조된 고순도 이온성 액체의 사진(a: 밝은 갈색)과 극성 용매를 사용하여 제조된 이온성 액체(비교예-b:진갈색)의 다른 비교사진.
이하, 상기의 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 살펴보고자 한다.
이온성 액체는 최근 친환경 청정 용매, 2차 전지 전해질, 전기 도전재료 등 많은 분야에서 활발히 연구가 진행되고 있으며, 본 발명은 염료 감응형 태양전지 전해질에 사용되는 고순도 이온성 액체에 관한 것이다.
상기한 바와 같이,
본 발명에 따른 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 제조방법은 알킬 아이오다이드;와 알킬 피리딘 또는 알킬 이미다졸;을 비극성 용제에 투입하여 대기압의 조건에서 25~100℃로 3~10시간 동안 반응시킨 후,
반응을 통해 합성된 이온성 액체와 비극성 용제를 층 분리한 다음,
상기 비극성 용제를 제거함으로써 이루어진다.
염료감응 태양전지의 전해질 조성물에 있어, 상대전극의 백금 촉매에 의한 I-/I3 - 산화환원 반응은 중요하며, 이러한 반응에는 요오드를 함유한 알킬 아이오다이드가 적합하다.
상기 알킬 아이오다이드는 1-메틸 아이오다이드, 1-에틸 아이오다이드, 1-프로필 아이오다이드, 1-부틸 아이오다이드, 1-헥실 아이오다이드, 1-옥틸 아이오다이드, 1-데실 아이오다이드, 1-도데실 아이오다이드 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합인 것으로서, 알킬 피리딘 또는 알킬 이미다졸과의 반응을 위해 0.8~1.2mole을 사용한다.
상기 알킬 아이오다이드의 사용량이 0.8mole 미만인 경우에는 반응 수율에 있어 경제성이 떨어지며, 1.2mole을 초과하게 되는 경우에는 미 반응물을 제거하기 위한 추가 공정시간이 발생하거나, 불순물로 잔존할 수 있으므로 상기 알킬 아이오다이드의 사용량은 0.8~1.2mole의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 알킬 피리딘은 1-에틸 피리디니윰 아이오다이드, 1- 프로필 피리디니윰 아이오다이드, 1-부틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-헥실 피리디니윰 아이오다이드, 1-옥틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-도데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-메틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-에틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-프로필 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-부틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-헥실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-옥틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-도데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-메틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-에틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-프로필 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-부틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-헥실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-옥틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-도데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-메틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-에틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-프로필 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-부틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-헥실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-옥틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-도데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-프로필 피리디니윰 아이오다이드, 1-부틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-헥실 피리디니윰 아이오다이드, 1-옥틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-도데실 피리디니윰 아이오다이드 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합으로 이루어지는 피리디니윰아이오다이드 계열을 사용하며,
상기 알킬 이미다졸은 하기 화학식 3 또는 화학식 4 중에서 선택되는 것을 사용한다.
상기, R1은 C1~C12를 포함하는 선형알킬 또는 가지형 알킬이며; R2, R3, R4, R5, R6는 H 또는 C1~C12 중에 선택되는 선형알킬 또는 가지형 알킬이며; R7, R8, R9, R10, R11은 H 또는 C1~C12를 포함하는 선형알킬 또는 가지형 알킬이다.
보다 구체적으로는, 1-메틸 이미다졸, 1-에틸 이미다졸, 1-프로필 이미다졸, 1-부틸 이미다졸, 1-헥실 이미다졸, 1-옥틸 이미다졸, 1-데실 이미다졸, 1-도데실 이미다졸, 1-메틸 2-에틸 이미다졸, 1-메틸 2-프로필 이미다졸, 1-메틸 2-부틸 이미다졸, 1-메틸 2-헥실 이미다졸, 1-메틸 2-옥틸 이미다졸, 1-메틸 2-데실 이미다졸, 1-메틸 2-도데실 이미다졸 중 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하며, 알킬 피리딘은 피리딘, 2-메틸 피리딘, 2-프로필 피리딘, 2-부틸 피리딘, 2-헥실 피리딘, 2-옥틸 피리딘, 2-데실 피리딘, 2-도데실 피리딘, 3-메틸 피리딘, 3-프로필 피리딘, 3-부틸 피리딘, 3-헥실 피리딘, 3-옥틸 피리딘, 3-데실 피리딘, 3-도데실 피리딘, 4-메틸 피리딘, 4-프로필 피리딘, 4-부틸 피리딘, 4-헥실 피리딘, 4-옥틸 피리딘, 4-데실 피리딘, 4-도데실 피리딘 중 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것을 사용한다.
그리고, 상기 알킬 피리딘 또는 알킬 이미다졸은 알킬 아이오다이드와의 반응을 위해 0.8~1.0mole을 사용하며, 이때 사용량이 0.8mole 미만인 경우에는 반응 수율에 있어 경제성이 떨어지며, 1.0mole을 초과하게 되는 경우에는 미 반응물을 제거하기 위한 추가 공정시간이 발생하거나, 불순물로 잔존할 수 있으므로 상기 알킬 피리딘 또는 알킬 이미다졸의 사용량은 0.8~1.0mole의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 비극성 용제는 n-부탄, n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, n-옥탄, n-노난, n-데칸 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합으로 조성된 것을 사용한다.
상기 비극성 용제는 본 발명의 목적을 달성함에 있어 중요 기능을 하는 것으로서, 상기 비극성 용제를 사용하게 되면, 알킬 아이오다이드;와 알킬 이미다졸 또는 알킬 피리딘;은 상기 비극성 용제에 용해가 되나, 알킬 아이오다이드;와 알킬 이미다졸 또는 알킬 피리딘;의 합성에 의해 생성되는 이온성 액체는 상기 비극성 용제와 분리되는 성질을 가지게 된다.
이와 같은 성질로 인해, 비극성 용제의 제거가 용이하여 고순도의 이온성 액체의 제조가 가능하며 부가적인 반응물의 생성을 억제하여 색상 또한 탁하지 않고 밝은 노란색 또는 밝은 갈색의 이온성 액체의 제조가 가능하다.
여기에서, 만일 비극성 용제를 사용하지 않고, 극성 유기용제를 사용하게 되면 이온성 액체와 용해되어 반응하지 않은 알킬 아이오다이드; 알킬 피리딘 또는 알킬 이미다졸의 제거가 어렵기 때문에 정제과정이 용이하지 않으며, 부가 반응물도 생성되어 색상도 진갈색으로 탁하여 고순도의 이온성 액체의 제조에 어려움이 크다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 비극성 용제를 이용하여 제조된 이온성 액체는 밝은 노란색 또는 밝은 갈색(a)의 색상을 보이나, 극성 용제를 이용하여 제조된 이온성 액체는 진갈색(b)의 색상을 보인다.
이와 같은 이유로, 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 상기에 제시된 비극성 용제를 사용하여야 하며, 그 사용량은 알킬 아이오다이드;와 알킬 피리딘 또는 알킬 이미다졸;의 전체 중량 10~60wt%의 범위 내로 한정하여 사용한다.
상기 비극성 용매의 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 합성 반응 후 미 반응물의 제거가 어려워 고순도 이온성 액체 합성이 어려울 수 있으며, 60wt%를 초과하게 되는 경우에는 반응 속도가 느려지고 경제성이 저하되는 문제점이 발생하기 때문에 상기 비극성 용매의 사용량은 10~60wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 15~40wt%의 범위 내로 한정하는 것이다.
상기 이온성 액체의 제조를 위한 반응은 대기압의 조건에서 25~100℃로 3~10시간 동안 반응시킴으로써 이루어진다.
이때, 반응온도가 25℃ 미만인 경우에는 반응 속도가 느리게 되어 반응 시간이 길어지게 되고, 100℃ 이상인 경우에는 용제가 끓는점 이상이 되어 반응률이 저하되고 색상이 탁하게 되므로 25~100℃를 유지하는 것이 좋으며, 더 바람직하게는 50~80℃를 유지하는 것이 좋다.
그리고, 반응 시간이 3시간 미만인 경우에는 반응 수율이 낮고, 10시간을 초과하게 되는 경우에는 반응이 거의 완결된 후 반응 수율이 추가로 증진되지 않아 공정비 낭비가 있을 수 있으므로 3~10시간을 유지하는 것이 바람직하다.
이와 같은 반응과정을 거친 후에는 합성된 이온성 액체와 비극성 용제를 층 분리하게 되며, 최종적으로 이온성 액체를 감압증류하여 미제거된 비극성 용제와 미반응물을 제거하여 순수한 이온성 액체를 제조한다.
이때, 감압증류는 진공 감압 증류로서 0~200℃의 감압온도로 실시하며, 진공압은 0~760 mmHg로 실시한다.
상기 감압 온도가 0℃ 미만인 경우에는 미제거된 비극성 용제와 미반응물의 제거가 용이하지 않고, 200℃를 초과하게 되는 경우에는 미반응물에 의한 제품의 변색이 유발되므로 0~200℃를 유지하는 것이 좋으며, 바람직하게는 20~100℃를 유지하고, 더욱 바람직하게는 30~100℃로 유지하는 것이 좋다.
그리고, 상기 진공압이 0mmHg 미만인 경우에는 용제와 불순물의 제거가 수월하게 진행되나 제조상의 고가의 추가 설비가 필요하게 되어 경제성이 없고, 760mmHg를 초과하게 되는 경우에는 미제거된 비극성 용제와 미반응물의 제거가 용이하지 않기 때문에 상기 진공압은 0~760mmHg를 유지하는 것이 좋으며, 바람직하게는 0~500 mmHg를 유지하고, 더 바람직하게는 0 ~ 100mmHg로 유지하는 것이 좋다.
이와 같은 반응을 통해 최종적으로 얻어지는 이온성 액체는 하기의 화학식 1 또는 화학식 2로 표현된다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기, R1은 C1~C12를 포함하는 선형알킬 또는 가지형 알킬이며, R2, R3, R4, R5, R6는 H 또는 C1~C12 중에 선택되어 지는 선형알킬 또는 가지형 알킬이다.
R7, R8, R9, R10, R11은 H 또는 C1~C12를 포함하는 선형알킬 또는 가지형 알킬이며, 구체적으로는 1-에틸 3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드, 1-프로필 3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드, 1-부틸 3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드, 1-헥실 3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드, 1-도데실 3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-프로필 이미다졸리니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-부틸 이미다졸리니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-헥실 이미다졸리니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-도데실 이미다졸리니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-프로필-3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드, 1-프로필 2-프로필-3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드, 1-부틸 2-프로필-3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드, 1-헥실 2-프로필-3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드, 1-도데실 2-프로필-3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드가 제조된다.
이하, 상기한 구성을 실시 예를 통해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명은 실시 예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
99% 이상 순도의 1-프로필 아이오다이드 203.99g(1.2 mole)과 시약급 1-메틸 이미다졸 82.1g(1 mole), 용제로 n-헵탄 86g을 혼합하여, 도 1의 반응기에 투입한 후 반응온도를 50℃가 유지되도록 제어하고 자력식 교반기를 이용하여 교반하여 총 반응시간이 10시간이 되도록 진행하였다.
반응 종결은 총아민가를 바탕으로 실시하였으며 총아민가의 수치가 5mg KOH/g 이하일 경우 반응을 종결하였다. 반응 종결 후 분리조로 이송하여 정치하였다. 정지 5분 이내에 하부에는 이온성 액체층과 상부에는 n-헵탄 용제와 상분리가 진행되며 하부 이온성 액체층만 분리하고 3회 더 n-헵탄을 이용하여 불순물을 제거한다.
분리된 이온성 액체 용액을 감압 증류를 통하여 반응물에 존재하는 용제와 미반응물을 제거하여 순수한 액상의 1-프로필 3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드 255g(수율 89%)을 얻을 수 있었다.
열적 안정성을 확인하기 위해 순수한 1-프로필 3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드의 TGA 측정한 결과 5% 감소 시의 온도는 270℃ 이상임을 확인할 수 있었다.
99% 이상 순도의 1-에틸 아이오다이드 187.16g(1.2 mole)과 시약급 1-메틸 이미다졸 82.1g(1 mole), 용제로 n-헵탄 80g을 혼합하여, 도 1의 반응기에 투입한 후 반응온도를 50℃가 유지되도록 제어하고 자력식 교반기를 이용하여 교반하였으며 총 반응시간이 10시간이 되도록 진행하였다.
반응 종결은 총아민가를 바탕으로 실시하였으며 총아민가의 수치가 5mg KOH/g 이하일 경우 반응을 종결하였다. 반응 종결 후 분리조로 이송하여 정치하였다. 정지 5분 이내에 하부에는 이온성 액체층과 상부에는 n-헵탄 용제와 상분리가 진행되며 하부 이온성 액체층만 분리하고 3회 더 헥산을 이용하여 불순물을 제거한다.
분리된 이온성 액체 용액을 감압 증류를 통하여 반응물에 존재하는 용제와 미 반응물을 제거하여 순수한 1-에틸 3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드 230g (수율 85.4%)을 얻을 수 있었다.
1-에틸 3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드는 1-프로필 3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드와 달리 상온에서 고상임을 확인할 수 있었으며, 또한 열적 안정성을 확인하기 위해 순수한 1-에틸 3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드의 TGA 측정한 결과 5% 감소 시의 온도는 270℃ 이상임을 확인할 수 있었다.
99% 이상 순도의 1-에틸 아이오다이드 187.16g(1.2 mole)과 시약급 피리딘 79.1g(1 mole), 용제로 n-헵탄 80g을 혼합하여, 도 1의 반응기에 투입한 후 반응온도를 50℃가 유지되도록 제어하고 자력식 교반기를 이용하여 교반하였으며 총 반응 시간은 10시간이 되도록 진행하였다.
반응 종결은 총아민가를 바탕으로 실시하였으며 총아민가의 수치가 5mg KOH/g 이하일 경우 반응을 종결하였다. 반응 종결 후 분리조로 이송하여 정치하였다. 정지 5분 이내에 하부에는 이온성 액체층과 상부에는 n-헵탄 용제와 상분리가 진행되며 하부 이온성 액체층만 분리하고 3회 더 헥산을 이용하여 불순물을 제거한다.
분리된 이온성 액체 용액을 감압 증류를 통하여 반응물에 존재하는 용제와 미 반응물을 제거하여 순수한 1-에틸 피리디늄 아이오다이드 195g(수율 83%)을 얻을 수 있었다.
또한 열적 안정성을 확인하기 위해 순수한 1-에틸 3-메틸 이미다졸리니윰 아이오다이드의 TGA 측정한 결과 5% 감소 시의 온도는 280℃ 이상임을 확인할 수 있었다.
99% 이상 순도의 1-프로필 아이오다이드 203.99g(1.2 mole)과 시약급 피리딘 79.1g(1 mole), 용제로 n-헵탄 80g을 혼합하여 도 1의 반응기에 투입한 후 반응온도를 50℃가 유지되도록 제어하고 자력식 교반기를 이용하여 교반하였으며 총 반응 시간은 10시간이 되도록 진행하였다.
반응 종결은 총아민가를 바탕으로 실시하였으며 총아민가의 수치가 5 mg KOH/g 이하일 경우 반응을 종결하였다. 반응 종결 후 분리조로 이송하여 정치하였다. 정지 5분 이내에 하부에는 이온성 액체층과 상부에는 n-헵탄 용제와 상분리가 진행되며 하부 이온성 액체층만 분리하고 3회 더 헥산을 이용하여 불순물을 제거한다.
분리된 이온성 액체 용액을 감압 증류를 통하여 반응물에 존재하는 용제와 미반응물을 제거하여 순수한 1-프로필 피리디늄 아이오다이드 213.64g(수율 85.8%)을 얻을 수 있었다.
또한 열적 안정성을 확인하기 위해 순수한 1-프로필 피리디늄 아이오다이드의 TGA 측정한 결과 5% 감소 시의 온도는 275℃ 이상임을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 고순도 이온성 액체는 염료 감응형 태양전지 전해질용으로 사용하기에 적합하며, 또한 제조과정에 있어서 비극성 용제를 사용하여 최종 생성된 이온성 액체와 비극성 용제의 분리가 쉽게 이루어짐으로써 제조가 용이하여 산업상 이용가능성이 크다.
Claims (6)
- 알킬 아이오다이드;와
알킬 피리딘 또는 알킬 이미다졸;의 반응물을 상기 반응물 전체중량에 대해 15~40wt%의 중량비율을 갖는 비극성 용제에 투입하여 대기압의 조건에서 25~100℃로 3~10시간 동안 반응시킨 후,
반응을 통해 합성된 이온성 액체와 비극성 용제를 층 분리한 다음,
비극성 용제를 층 분리한 이온성 액체를 감압증류하여 미제거된 비극성 용제와 미반응물을 제거하여 순수한 이온성 액체를 제조하는 것임을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
알킬 아이오다이드는 1-메틸 아이오다이드, 1-에틸 아이오다이드, 1-프로필 아이오다이드, 1-부틸 아이오다이드, 1-헥실 아이오다이드, 1-옥틸 아이오다이드, 1-데실 아이오다이드, 1-도데실 아이오다이드 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합인 것임을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
알킬 피리딘은 1-에틸 피리디니윰 아이오다이드, 1- 프로필 피리디니윰 아이오다이드, 1-부틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-헥실 피리디니윰 아이오다이드, 1-옥틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-도데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-메틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-에틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-프로필 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-부틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-헥실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-옥틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 2-도데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-메틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-에틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-프로필 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-부틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-헥실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-옥틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 3-도데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-메틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-에틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-프로필 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-부틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-헥실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-옥틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-에틸 4-도데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-프로필 피리디니윰 아이오다이드, 1-부틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-헥실 피리디니윰 아이오다이드, 1-옥틸 피리디니윰 아이오다이드, 1-데실 피리디니윰 아이오다이드, 1-도데실 피리디니윰 아이오다이드 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합인 것임을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
알킬 이미다졸은 하기 화학식 3 또는 화학식 4 중에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 제조방법.
[화학식 3]
[화학식 4]
상기, R1은 C1~C12를 포함하는 선형알킬 또는 가지형 알킬이며; R2, R3, R4, R5, R6는 H 또는 C1~C12 중에 선택되는 선형알킬 또는 가지형 알킬이며; R7, R8, R9, R10, R11은 H 또는 C1~C12를 포함하는 선형알킬 또는 가지형 알킬임.
- 청구항 1에 있어서,
비극성 용제는 n-부탄, n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, n-옥탄, n-노난, n-데칸 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합으로 조성된 것임을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체 제조방법.
- 청구항 1의 제조방법으로 제조된 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 이온성 액체임을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 전해질용 고순도 이온성 액체.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기, R1은 C1~C12를 포함하는 선형알킬 또는 가지형 알킬이며; R2, R3, R4, R5, R6는 H 또는 C1~C12 중에 선택되는 선형알킬 또는 가지형 알킬이며; R7, R8, R9, R10, R11은 H 또는 C1~C12를 포함하는 선형알킬 또는 가지형 알킬임.
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