KR20140144900A - 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유 제조방법 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 - Google Patents
이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유 제조방법 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 전기 전도성이 높은 그래핀을 이산화티타늄 나노섬유에 도입하여 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 이는 기존의 이산화티타늄 나노섬유보다 전자 전달 속도가 더 빨라질 뿐만 아니라, 산화그래핀 내의 수산기, 카르복실기에서의 이산화티타늄의 추가적인 결정핵 생성에 의해 이산화티타늄의 낱알의 개수가 증가하고 이산화티타늄의 낱알 크기가 감소함으로써 나노섬유의 표면적이 획기적으로 향상되어 염료의 흡착량이 증가할 수 있음을 확인하였다. 이를 염료감응형 태양전지에 적용시 광전극의 태양광 이용률과 광전환 효율의 향상을 기대할 수 있게 하였다.
Description
본 발명은 다공성 구조를 가지는 이산화티타늄-그래핀 나노섬유의 제조에 관한 것으로서, 전기 방사 방법을 통해 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유를 제조한 후 산화그래핀의 수산기, 카르복실기를 이산화티타늄의 추가적인 결정핵 생성 위치로 적용하여 기존의 이산화티타늄 나노섬유보다 표면적을 크게 향상시키고 이후 열처리를 통해 anatase의 결정성을 가지는 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 제조하는 방법을 제시한다.
일반적으로 염료감응형 태양전지는 이산화티타늄 나노입자의 다공성 망을 기반으로 이루어져 있다. 그리고 그 표면에 광 감응체로써 염료가 이산화티타늄 나노입자 표면에 흡착되어 있는 구조이다. 그러나 이러한 나노입자 기반 구조에서는 전자 이동이 제한된 확산에 의해 느려지게 되어 전자의 재결합이 증가하고, 또한 상대전극에서 전자가 수집되기 전에 낱알 경계에서 재결합이 되어버려 낮은 효율을 초래한다. 이러한 근본적인 염료감응형 태양전지의 문제점인 느린 전하 전달과, 낮은 수집 효율을 향상시키기 위한 우수한 광전극 소재의 제조가 강력히 요구되고 있다.
이러한 염료감응형 태양전지의 효율 감소 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나는 나노입자 기반 구조 대신 1차원 나노구조를 구현, 즉 나노섬유를 광전극에 도입하는 것이다. 이러한 구조는 전자가 빠르게 수집되도록 직접적인 경로를 제공하고, 나노입자 기반 구조보다 낱알 경계 개수가 적어 전자가 재결합이 될 확률을 감소시켜준다. 또한 이러한 1차원 나노구조 소재는 태양광을 산란시켜 광흡수율을 향상시키는 것이 가능하다. 그러나 1차원 나노구조는 나노입자 구조보다 표면적이 상대적으로 좁아서 광전극의 염료 흡착량이 나노입자 기반의 염료감응형 태양전지에 비해 적다는 단점이 존재한다. 그리하여 이러한 1차원 나노구조 소재의 좁은 표면적 문제를 해결하기 위해 계면활성제, 실리카 나노입자, 블록 공중합체 등을 이산화티타늄 전구체 혼합 용액에 도입하여 전기 방사한 후 열처리를 하거나 에칭하는 방법 등이 제시되어 왔으나 비용이 많이 들고, 방법이 복잡하거나 환경친화적이지 않은 단점이 있었다.
또 다른 방법으로는 높은 전기 전도도를 가진 소재, 예를 들면 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 흑연, 그래핀 등을 광전극에 도입하는 것이 있다. 이러한 전기 전도성 소재는 들뜬 전자의 전달 속도를 증가시켜서 전자의 수명을 늘리고 전자가 재결합이 되기 전에 상대전극에서 수집될 수 있도록 한다. 그래핀은 탄소 원자들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열되어있는 2차원 구조 물질인데, 0.2 나노미터의 얇은 두께에도 불구하고 물리적, 화학적 안정성이 매우 높을 뿐만 아니라 강도가 세고 열전도도와 전자 이동 속도도 빠른 장점을 가지고 있다. 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동이 빠르기 때문에 이를 염료감응형 태양전지의 광전극에 도입한다면 전자의 수집 효율을 높일 수 있을 것이라 기대된다.
본 발명의 목적은 이러한 종래기술의 문제점을 일거에 해결하고자 이산화티타늄 나노섬유에 그래핀을 도입하여 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 이를 염료감응형 태양전지의 광전극에 도입하게 되면 1차원 나노구조와 전기 전도성 물질의 장점, 즉 전자의 직접적인 경로 제공, 향상된 광산란, 그리고 전자의 전달 속도 증가를 동시에 이용하여 염료감응형 태양전지 광전극의 태양광 이용률과 광전환 효율의 향상을 기대할 수 있다.
본 발명가들은 수많은 실험과 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 이제껏 알려진 방법과는 전혀 다른 방법, 즉 이산화티타늄 전구체 용액에 산화그래핀을 분산시킨 후 이를 전기 방사하여 산화그래핀의 수산기, 카르복실기를 이산화티타늄의 추가적인 결정핵 생성 위치로 적용하였다. 이후 열처리를 통해 anatase의 결정성을 가지는 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 그 결과, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유는 기존의 이산화티타늄 나노섬유보다 전자의 전달 속도 증가 효과 뿐만 아니라 표면적이 확연하게 증가하는 것을 확인하였다. 이는 본 발명에서 도입한 산화그래핀에서 이산화티타늄의 추가적인 결정핵이 생성되어 나노섬유에서 이산화티타늄의 낱알개수가 증가하고 낱알 크기는 감소하기 때문이다. 이는 1차원 나노구조의 단점인 좁은 표면적 문제를 해결할 수 있도록 한다. 이를 염료감응형 태양전지에 광전극에 도입함으로써 기존 이산화티타늄 나노섬유에 비해 향상된 전자 전달 속도와 향상된 표면적을 동시에 이용하여 염료감응형 태양전지 광전극의 태양광 이용률과 광전환 효율이 향상을 기대할 수 있음을 확인하고 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명은 이산화티타늄 나노섬유에 그래핀을 도입한 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조함으로써, 기존의 이산화티타늄 나노섬유에 비해 향상된 전자 전달 속도와 넓어진 표면적을 통해 광전극의 염료 흡착량을 늘려 염료감응형 태양전지에 적용시 광전환 효율의 향상을 기대할 수 있게 하였다.
본 발명은
(A) 이산화티타늄 전구체, 고분자, 아세트산, 산화그래핀 혼합 용액을 만드는 단계; 및,
(B) 상기 혼합 용액을 전기 방사를 이용하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유를 제조하는 단계; 및,
(C) 상기 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유의 대기중 수분에 의한 가수분해 및 산화그래핀에서의 축합반응에 의한 추가적인 결정핵 생성을 유도하여 티타늄-산소-티타늄 공유결합을 형성하는 단계; 및,
(D) 상기 공유결합이 형성된 아산화티타늄-산화그래핀-고분자 나노섬유를 열처리 과정을 통해 anatase 결정성을 가지게 하여 전자 전달 속도가 우수하고 표면적이 증대된 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하는 단계로 구성되어진다.
본 발명에 따른 그래핀이 도입된 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유는 이제껏 보고된 바가 없는 전혀 새로운 방법으로써, 이산화티타늄 나노섬유의 크기와 구조로 인한 빛의 산란 효과가 일어나며, 이산화티타늄 나노섬유에 도입된 그래핀으로 인해 전자 전달 속도가 증가할 뿐만 아니라, 기존의 이산화티타늄 나노섬유에 비해 산화그래핀에서의 추가적인 결정핵 생성으로 인해서 표면적이 향상되어 염료의 흡착량이 증가한다. 이러한 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 염료감응형 태양전지용 광전극에 도입함으로써 일반적인 이산화티타늄 나노섬유로 구성된 광전극에 비해 향상된 전자 수집 효율을 가지고 광전환 효율이 높은 염료감응형 태양전지를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 전기 방사 후 500 ℃ 열처리한 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 투과전자현미경 사진이고;
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 전기 방사 후 500 ℃ 열처리한 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 전기 방사 후 500 ℃ 열처리한 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
본 발명은 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유에서 500 나노미터의 직경을 가진 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 전기방사를 통해 제조하는 것을 내용으로 한다. 단계 (A)에서 사용되는 그래핀은 공지된 방법, 예를 들면 기존문헌 (X. L. Li, X. R. Wang, L. Zhang, S. W. Lee, H. J. Dai, Science 2008, 319, 1229-1232.) 등에 개시된 제조방법을 통해 산화그래핀 형태로 제조한 후 단계 (D)에서의 열처리 과정을 통해 그래핀으로 환원되는 과정을 거친다. 산화그래핀의 부가량은 단계 (A)에서의 혼합 용액 100 중량부에 대하여 0.1 내지 ~ 1 중량부이나 이로 한정되지 않는다.
단계 (A) 에서 고분자를 녹인 용매에 있어서 고분자의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니며, 유기용매에 녹는 폴리스티렌, 폴리메틸메타아크릴레이드, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌옥사이드 등의 고분자가 바람직하다.
고분자를 용매에 녹일 때, 고분자의 부가량은 고분자를 녹이는 용매 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부이고, 온도는 30 내지 80 ℃가 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니며, 고분자의 종류에 따라서 상기범위보다 높거나 낮을 수 있다.
이산화티타늄 전구체의 종류는 특정 종류에 한정된 것이 아니며 티타늄 테트라아이소프로폭사이드, 티타늄 부톡사이드, 티타늄 에톡사이드, 티타늄 옥시설페이트, 티타늄 클로라이드가 사용될 수 있다.
이산화티타늄 전구체의 부가량은 고분자 용액 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부까지 첨가 가능하며 이산화티티늄 전구체 중량부가 10 이상이면 열처리 과정을 거친 후 섬유가 잘 형성되는 것을 관찰할 수 있으나 10 미만이면 나노섬유를 형성하는데 있어서 문제가 발생한다.
아세트산 용액의 부가량은 단계 (A)에서의 전체 혼합용액 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 30 중량부인 것이 바람직하다. 아세트산의 부가량이 30 중량부 이상이면 혼합용액은 점도가 낮아 구슬모양을 가지는 불규칙적이게 섬유가 형성된다.
단계 (B)에서 전기 방사법은 고분자를 녹일 수 있는 용매에 상용 고분자를 녹여 상기 고분자 용액을 전기 방사하여 고분자 나노섬유를 제조하는 것을 말하며, 사용되는 상용 분자의 분자량 범위는 9,000 내지 1,300,000 이 바람직하다.
전기 방사시, 전자기장의 세기는 1 kV 내지 60 kV 이며, 1 kV 보다 낮은 전압에서는 고분자 용액의 고유한 표면장력보다 낮아 고분자 섬유가 형성되지 않고 방울 형태로 고분자가 사출되며, 60 kV 보다 높은 전압에서는 높은 전압으로 인하여 제조되는 고분자 나노섬유가 연속성이 없거나 엉기거나 형태가 불규칙적이다.
전기 방사를 통해 제조되는 고분자 나노섬유는 용매의 농도, 점도, 가해지는 전압의 크기의 변수에 의해서 10 나노미터에서 수 마이크로미터 범위로 직경을 조절할 수 있다. 고분자의 부가량은 용매 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부이다.
단계 (C) 에서 전기 방사로 제조된 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유는 대기 중의 수분과 반응하여 이산화티타늄 전구체가 가수분해된다. 이때 형성된 수산기들의 축합반응에 의해 티타늄-산소-티타늄 공유결합이 형성되면서 나노 섬유 내 전반에 걸쳐서 결정핵이 생성되고 이 결정핵이 공유결합이 계속 진행됨에 따라 이산화티타늄 낱알이 된다. 이 때 산화그래핀의 수산기, 카르복실기는 이산화티타늄 나노섬유에서만 생성되는 결정핵 이외에도 추가적인 결정핵 생성 위치로 작용한다. (X. Li, W. Qi, D. Mei, M. L. Sushko, I. Aksay, J. Liu, Advanced Materials, 2012, 24, 5136-5141.) 이로 인해 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유는 그래핀이 없는 이산화티타늄 나노섬유보다 공기 중에서 가수분해 및 축합반응 시 결정핵이 더 많이 존재하게 된다. 그로 인해 나노섬유 내 한정된 이산화티타늄 전구체 하에서 이산화티타늄의 낱알 개수는 늘어나지만 낱알 크기가 더 작아지게 되어 결국 나노섬유의 표면적이 더 넓어지게 된다.
이때 가수분해 및 축합반응은 상온이 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니며, 이산화티타늄 전구체의 종류에 따라서 상기 범위보다 높거나 낮아질 수 있다. 가수분해 및 축합반응 시간은 특별히 제한적이지 않으나 30분 내지 3 시간 동안 진행된다.
단계 (D)에서 이산화티타늄-그래핀-고분자 나노섬유를 공기에서 열처리시 이산화티타늄은 anatase의 결정구조를 형성하게 되어 광 활성을 갖게 되며, 산화그래핀은 열처리시 그래핀으로 환원된다. 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 열처리의 온도는 400 내지 550 ℃ 가 바람직하나, 이보다 높거나 낮을 수 있다. 열처리 시간은 2시간 내지 8 시간이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따르는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 2 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경과 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 직경 150 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다. (도 1, 도 2)
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 350,000 의 폴리메틸메타아크릴레이트 2 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해 및 축합반응한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 150 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 50,000 의 셀룰로오스 아세테이트 2 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해 및 축합반응한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 150 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 1,300,000 의 폴리비닐피롤리돈 2 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해 및 축합반응한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 150 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 50,000 의 셀룰로오스 아세테이트 2 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해 및 축합반응한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 150 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 70,000 의 폴리카프로락톤 2 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해 및 축합반응한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 150 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 70,000 의 폴리에틸렌옥사이드 2 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해 및 축합반응한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 150 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 2 g, 티타늄 부톡사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해 및 축합반응한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 150 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 2 g, 티타늄 에톡사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해 및 축합반응한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 150 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 2 g, 티타늄 옥시설페이트 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해 및 축합반응한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 150 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 2 g, 티타늄 클로라이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해 및 축합반응한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 150 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 2 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3.5 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 200 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 2 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 4 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 250 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 2 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 150 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 3 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 200 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 3 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 200 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 4 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1.25 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 250 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 2 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1.5 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 15 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 100 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 2 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 10 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 200 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 다이메틸포름아마이드 4 g, 분자량 35,000 의 폴리스티렌 2 g, 티타늄 테트라아이소프로폭사이드 3 g, 아세트산 1 g, 그래핀 0.05 g 의 혼합용액을 20 kV 에서 전기방사를 통하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유 섬유를 제조하였으며, 수분이 존재하는 대기 하에서 30 분 동안 가수분해한 뒤, 500 ℃ 에서 2 시간 열처리를 함으로써, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유를 제조하였다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과 직경 100 나노미터의 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.
상기 실시예 1에서 제시된 방법에 따라서 제조된 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유와 이산화티타늄 나노섬유의 표면적 BET 분석을 통해을 비교해본 결과, 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유가 이산화티타늄 나노섬유에 비해 표면적이 83.4 %증가했음을 확인하였다. (표 1)
| BET 표면적 (m2/g) |
평균 공극 지름 (nm) |
총 공극 부피 (cm3/g) |
|
| 이산화티타늄 나노섬유 | 45.2 | 11.9 | 0.15 |
| 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유 | 82.9 | 15.4 | 0.34 |
없음.
Claims (10)
- (A) 이산화티타늄 전구체, 고분자, 아세트산, 산화그래핀 혼합 용액을 만드는 단계;
(B) 상기 혼합 용액을 전기 방사를 이용하여 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유를 제조하는 단계; 및,
(C) 상기 이산화티타늄 전구체-산화그래핀-고분자 나노섬유의 대기중 수분에 의한 가수분해 및 산화그래핀에서의 축합반응에 의한 추가적인 결정핵 생성을 유도하여 티타늄-산소-티타늄 공유결합을 형성하는 단계; 및,
(D) 상기 공유결합이 형성된 아산화티타늄-산화그래핀-고분자 나노섬유를 열처리 과정을 통해 anatase 결정성을 가지게 하여 전자 전달 속도가 우수하고 표면적이 증대된 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유 제조방법. - 제 1항에 있어서, 상기 고분자의 종류는 폴리스티렌, 폴리메틸메타아크릴레이트, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리카프로락톤, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌옥사이드 중 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 고분자의 분자량은 9,000 내지 1,300,000 인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 고분자의 부가량은 용매 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 이산화티타늄 전구체는 테트라아이소프로폭사이드, 티타늄 부톡사이드, 티타늄 에톡사이드, 티타늄 옥시설페이트, 티타늄 클로라이드 중 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 이산화티타늄 전구체의 부가량은 용매 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 아세트산 용액의 부가량은 용매 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 전기 방사 시 전압의 세기가 1kV 내지 60 kV 인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 가수분해 및 축합반응 시간은 30 분 내지 3 시간인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 열처리 온도의 범위가 400 ℃ 내지 550 ℃ 인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄-그래핀 다공성 나노섬유의 제조방법.
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