KR20150015151A - Manufacturing method of zinc oxide/reduced graphite oxide composite using microwave - Google Patents

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KR20150015151A
KR20150015151A KR1020130090802A KR20130090802A KR20150015151A KR 20150015151 A KR20150015151 A KR 20150015151A KR 1020130090802 A KR1020130090802 A KR 1020130090802A KR 20130090802 A KR20130090802 A KR 20130090802A KR 20150015151 A KR20150015151 A KR 20150015151A
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남성찬
윤여일
정순관
박성열
박문규
송훈섭
안욱
정민호
에릭 크로셋
종웨이 첸
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한국에너지기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a manufacturing method of zinc oxide chemically connected to graphene oxide as a desulfurizing agent and, more specifically, a manufacturing method of zinc oxide/reduced graphene oxide compounds, which increases desulfurizing efficiency by using microwaves, comprising the steps of preparing a graphene oxide manufactured by which graphite oxidizes with use of an acid and an oxidizing agent and is peeled; mixing ethylene glycol with the graphene oxide and firstly distributing the same by using ultrasonic vibrations; mixing the mixture from the first distribution step with a sodium hydroxide (NaOH) solution and secondly distributing the same by using the ultrasonic vibrations; adding a zinc acetate (ZnAc) solution to the mixture from the second distribution step and mixing the same by using ultrasonic vibrations; adding a reducing agent to the mixture from the mixing step by using ultrasonic waves and making the same reduction through heat treatment with use of microwaves; cooling the mixture from the step of reduction via the heat treatment, washing the same with distilled water and drying the same in a frozen vacuum dryer, thereby preventing aggregation of zinc oxide generated at high temperatures and making the surface area of the zinc oxide particles become larger, leading to maximum adsorption rate of hydrogen sulfide.

Description

마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법{Manufacturing method of zinc oxide/reduced graphite oxide composite using microwave}[0001] The present invention relates to a zinc oxide / reduced graphene oxide compound,

본 발명은 탈황제로서 그래핀 옥사이드에 화학적으로 결합된 산화아연의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 마이크로웨이브를 이용하여 탈황효율을 높인 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing zinc oxide chemically bonded to graphene oxide as a desulfurizing agent, and more particularly to a method for producing desulfurization using microwave.

황화수소(H2S)는 모든 가스에서 얻어지는 황을 포함하는 가장 일반적인 물질들 중의 한 가지이다. 특히 황화수소는 독성이 있는 가스이며 산성비의 주요한 원인 물질이다. 점차적으로 강화되는 환경 규제와 분리/정제공정을 보호하기 위한 노력 때문에 점점 더 적은 황화수소 배출량이 요구되고 있다. 이러한 황화수소를 제거하는 효과적인 방법 중 하나는 흡착법이다. 흡착이란 유체 분체가 고체 표면에 접촉하여 부착되는 현상을 말하며, 계면과 특정 성분 사이의 반데르발스힘(van der waals'force) 등 물리적인 힘에 의해 흡착하는 물리흡착(physical adsorption)과 화학 결합에 의해 흡착하는 화학흡착(chemical adsorption)이 있다. 물리흡착제는 활성탄, 제올라이트 등이 있으며, 화학흡착제로는 산화금속물이 여기에 속한다. 활성탄은 다양한 세공구조를 가진 탄소로서, 활성표면의 견인력과 흡착력으로 유기물질을 제거한다. 제올라이트는 천연광물의 일종으로 특이한 흡착특성과 이온교환능력 때문에 흡습제, 세제, 촉매제등 응용범위가 매우 넓다. 금속 산화물은 산소와 결합한 각종 금속 화합물로 황의 금속 또는 산소와 상호작용하는 성질을 이용하여 황을 흡착한다. 상기 상호작용은 전자가 황화수소 오비탈에서 비점유된 금속의 오비탈로 이동하여 이루어진다. Hydrogen sulfide (H 2 S) is one of the most common materials containing sulfur from all gases. In particular, hydrogen sulfide is a toxic gas and a major source of acid rain. Increasingly stringent environmental regulations and efforts to protect the separation / refinement process are requiring less and less hydrogen sulfide emissions. One effective method for removing such hydrogen sulfide is the adsorption method. Adsorption refers to the phenomenon that a fluid powder is attached to a solid surface in contact with it. Physical adsorption and chemical bonding (adsorption) by physical forces such as van der waals' force between the interface and a specific component And adsorbed by chemical adsorption (chemical adsorption). Physical adsorbents include activated carbon, zeolite, and the like, and metal oxides such as a chemical adsorbent. Activated carbon is carbon with various pore structure, and removes organic substances by the pulling force and adsorption force of the active surface. Zeolite is a kind of natural minerals. Due to its unique adsorption properties and ion exchange ability, it has a wide range of applications such as desiccants, detergents and catalysts. Metal oxides are various metal compounds combined with oxygen to adsorb sulfur by utilizing the property of interacting with the metal or oxygen of sulfur. The interaction is formed by the transfer of electrons from the hydrogen sulphide orbital to the orbitals of the unoccupied metal.

1980년대 초반까지 여러 연구기관에서 이루어진 여러 가지 원소의 탈황실험결과를 바탕으로 Westmoreland와 Harrison은 체계적으로 28가지의 원소를 이용하여 탈황실험을 실시하였고, 유용한 10가지의 원소들(Fe, Zn, Mo, Mn, V, Ca, Sr, Ba, Cu, W)이 400 ~ 1200℃의 온도범위에서 탈황제에 적합하다는 사실을 발견하였다. (Tamhankar, S. S., Bagajewicz, M. and Gavalas, G. R., (1986) "Mixed-Oxide Sorbents for High-Temperature Removal of Hydrogen Sulfide", Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 25, 429-437) Based on the results of various desulfurization tests conducted by various research institutes until the early 1980s, Westmoreland and Harrison systematically conducted desulfurization experiments using 28 elements. Ten useful elements (Fe, Zn, Mo , Mn, V, Ca, Sr, Ba, Cu, and W) are suitable for desulfurization in the temperature range of 400 to 1200 ° C. 25, 429-437), which is an example of a mixed-oxide sorbent for high-temperature removal of hydrogensulfuric acid (Tamhankar, S., Bagajewicz, M. and Gavalas, G. R.,

이 중 아연(Zn)을 산화시킨 금속산화물인 산화아연(ZnO)은 황화수소와의 반응으로 황화아연(ZnS)을 동반한 수증기를 생성하여 매우 효과적으로 황화수소를 제거한다. 이러한 반응은 금속 황화물을 생성하며 아래의 식으로 보여진다.Among these, zinc oxide (ZnO), which is a metal oxide oxidized with zinc (Zn), generates water vapor accompanied by zinc sulfide (ZnS) by reaction with hydrogen sulfide, so that hydrogen sulfide is very effectively removed. This reaction produces a metal sulfide and is shown in the following equation.

화학식 1Formula 1

ZnO(s) + H2S(g) ZnS(s) + H2O(g) ZnO (s) + H 2 S (g) ZnS (s) + H 2 O (g)

이 황화수소 흡착 메커니즘은 일찍부터 H2S가 H+와 HS-로 분리가 된다는 사실과 함께 소개가 되었으며, 산화물 격자구조 내부로의 HS- 확산을 동반한다.This hydrogen sulfide adsorption mechanism is introduced with the fact that H 2 S is separated into H + and HS - from early on, and it is accompanied by HS - diffusion into the oxide lattice structure.

보다 높은 탈황 효과를 위해, 물리흡착제이고 활성탄과 같이 탄소로 이루어진 환원된 그래핀 옥사이드(reduced Graphene Oxide)에 화학흡착제인 산화아연을 분산시켜 각 물질의 흡착율보다 높은 흡착효과를 낼 수 있도록 산화아연과 환원된 그래핀 옥사이드 화합물이 연구되었다.In order to achieve a higher desulfurization effect, zinc oxide, which is a chemisorbing agent, is dispersed in reduced graphene oxide, which is a physical adsorbent and activated carbon, such as activated carbon, so that zinc oxide and zinc oxide Reduced graphene oxide compounds have been studied.

대한민국 공개특허 2009-0067856는 "코크오븐가스에 함유된 황화수소 제거용 아연페라이트촉매의 제조방법"에 관한 것으로, 코크오븐가스내의 함유된 황화수소를 제철냉연공정에서 생산되는 산화철(Fe2O3)과 산화아연(ZnO)을 혼합하여 반응시켜 아연페라이트(Zn-Ferrite) 결정의 촉매를 제조한 것이다. 하지만 산화철 분말과 산화아연 분말에 탄산나트륨(Na2CO3) 분말을 혼합하여 제조한 펠렛을 질소분위기에서 950~1050℃의 고온으로 열처리하여야 한다. 일반적으로 탈황을 위한 여러 다양한 금속 산화물 중에서, 산화아연이 황화수소 흡착을 위해 가장 많이 사용되며, 표면적을 넓혀 탈황효율을 높이기 위해 나노입자로 많이 제조되고 있다. 그러나 산화아연과 같은 기존의 금속산화물은 다소 높은 온도 조건이 필요하고, 고온에서 산화아연의 나노 입자들이 서로 뭉쳐서 흡착제의 표면적을 감소시키기 때문에 효율이 떨어지는 문제가 있다.
Korean Patent Publication No. 2009-0067856 discloses "a method for producing a zinc ferrite catalyst for removing hydrogen sulfide contained in a coke oven gas ", wherein hydrogen sulfide contained in the coke oven gas is mixed with iron oxide (Fe 2 O 3 ) produced in the iron- Zinc oxide (ZnO) were mixed and reacted to prepare a catalyst of zinc ferrite (Zn-ferrite) crystal. However, pellets prepared by mixing iron oxide powder and zinc oxide powder with sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) powder should be heat treated at a high temperature of 950 ~ 1050 ° C in a nitrogen atmosphere. Of the various metal oxides for desulfurization in general, zinc oxide is most widely used for adsorbing hydrogen sulfide, and many nanoparticles are being produced to increase the surface area and increase the desulfurization efficiency. However, existing metal oxides such as zinc oxide require a somewhat higher temperature condition, and the efficiency is lowered because zinc oxide nanoparticles aggregate with each other at a high temperature to reduce the surface area of the adsorbent.

대한민국 공개특허 2009-0067856Republic of Korea public patent 2009-0067856

Tamhankar, S. S., Bagajewicz, Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 25, 429-437Tamhankar, S. S., Bagajewicz, Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 25, 429-437

본 발명은 상기문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 마이크로웨이브를 이용하여 빠르고 짧은 열처리를 통해 고온에 따른 산화아연의 나노입자들의 뭉침 현상을 방지하는 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조방법을 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been devised to solve the problems described above, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a zinc oxide / reduced graphene oxide compound that prevents the aggregation of zinc oxide nanoparticles at high temperatures through a short heat treatment using microwaves .

상기 과제를 해결하기 위하여, 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조과정에서 그래핀 옥사이드를 환원시키는 과정 중에 마이크로웨이브를 이용한 빠르고 짧은 열처리를 통해 산화아연의 고온에 따른 뭉침 현상을 방지하여, 상기 화합물의 탈황 효과의 극대화를 함으로써 본 발명을 완성하였다.In order to solve the above-described problems, it is an object of the present invention to provide a zinc oxide / reduced graphene oxide compound which is capable of preventing the aggregation of zinc oxide at high temperatures through rapid and short heat treatment using microwaves during the process of reducing graphene oxide, The present invention has been accomplished by maximizing the desulfurizing effect of the compound.

본 발명은 흑연을 산과 산화제로 산화시킨 그래핀 옥사이드를 준비하는 단계; 상기 그래핀 옥사이드에 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)을 혼합 후 초음파 진동을 이용한 1차 분산 단계; 상기 1차 분산 단계를 거친 혼합액을 수산화 나트륨(sodium hydroxide, NaOH) 수용액과 혼합 후, 초음파 진동을 이용한 2차 분산 단계; 상기 2차 분산 단계를 거친 혼합액에 아연 아세테이트(Zinc Acetate, ZnAc) 수용액을 첨가하여 초음파 진동기로 혼합하는 단계; 상기 초음파 진동기로 혼합하는 단계를 거친 혼합액에 환원제를 첨가한 후 마이크로웨이브로 열처리하여 환원하는 단계; 상기 열처리하여 환원하는 단계를 거친 혼합액을 냉각하고 증류수로 세척한 후 냉동 진공건조기에서 건조시키는 단계를 포함하는, 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing graphite oxide, comprising: preparing graphene oxide obtained by oxidizing graphite with an acid and an oxidizing agent; A first dispersion step using ultrasonic vibration after mixing ethylene glycol in the graphene oxide; A second dispersion step using an ultrasonic vibration after mixing the mixed solution having undergone the first dispersion step with an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH); Adding an aqueous solution of zinc acetate (ZnAc) to the mixed solution obtained through the secondary dispersion step, and mixing with an ultrasonic vibrator; Adding a reducing agent to the mixed solution obtained through mixing with the ultrasonic vibrator, and heat-treating the mixed solution by microwave heating; And a step of cooling the mixed solution through the heat treatment and reducing step, washing with distilled water, and drying in a freeze-drier. The present invention also provides a method for producing a zinc oxide / reduced graphene oxide compound.

본 발명은 또한, 상기 산은 염화수소(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 인산(H3PO4) 중 하나 이상인, 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법을 제공한다. The invention also, the acid is hydrogen chloride (HCl), sulfuric acid (H 2 SO 4), nitric acid (HNO 3), phosphoric acid (H 3 PO 4) one or more, the production method of the zinc oxide / the reduced graphene oxide compound of to provide.

본 발명은 또한, 상기 산화제는 질산나트륨(NaNO3), 과망간산칼륨(KMnO4) 중 하나인, 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a process for preparing a zinc oxide / reduced graphene oxide compound wherein the oxidant is one of sodium nitrate (NaNO 3 ), potassium permanganate (KMnO 4 ).

본 발명은 또한, 상기 초음파 진동을 이용하여 분산 시키는 시간은 20분 내지 40분인, 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a zinc oxide / reduced graphene oxide compound, wherein the time for dispersing using the ultrasonic vibration is 20 minutes to 40 minutes.

본 발명은 또한, 상기 아연 아세테이트 수용액의 몰농도는 0.05M 내지 0.09M인, 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a process for preparing a zinc oxide / reduced graphene oxide compound wherein the zinc acetate aqueous solution has a molar concentration of 0.05M to 0.09M.

본 발명은 또한, 상기 자석교반기로 혼합하는 시간은 20분 내지 40분인,The present invention also relates to a process for producing a magnetic material, wherein the mixing time with the magnetic stirrer is 20 minutes to 40 minutes,

산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법을 제공한다.Zinc oxide / reduced graphene oxide compound.

본 발명은 또한, 상기 환원제는 수소화붕소나트륨(NaBH4), 하이드라진(hydrazine) 중 하나인, 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a process for preparing a zinc oxide / reduced graphene oxide compound, wherein the reducing agent is one of sodium borohydride (NaBH 4 ), hydrazine.

본 발명은 또한, 상기 마이크로웨이브를 이용한 열처리는 40초 내지 80초 가열 후 상기 가열시간 만큼 대기하는 공정을 2회 내지 4회 반복하는, 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법을 제공한다.
The present invention also provides a method for producing a zinc oxide / reduced graphene oxide compound by repeating the step of heating the microwave for 40 seconds to 80 seconds and then waiting for the heating time twice to four times .

본 발명이 제공하는 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법은 마이크로웨이브를 이용하여 고온에 따른 산화아연 입자들의 뭉침현상을 방지하고, 산화아연 입자들의 표면적을 넓혀 황화수소 흡착율을 극대화시킨다.
The zinc oxide / reduced graphene oxide compound manufacturing method of the present invention prevents micronized zinc oxide particles from aggregating at high temperatures and maximizes the adsorption rate of hydrogen sulfide by enlarging the surface area of the zinc oxide particles.

도 1은 본 발명에 사용한 그래핀 옥사이드 제조 과정의 개략도이다.
도 2는 도2는 (A)그래핀 옥사이드, (B)환류법을 이용한 환원된 그래핀 옥사이드, (C)마이크로웨이브를 이용한 환원된 그래핀 옥사이드, (D)환류법을 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물, (E)마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 X선 회절상 그래프이다.
도 3은 (A)그래핀 옥사이드, (B)환류법을 이용한 환원된 그래핀 옥사이드, (C)마이크로웨이브를 이용한 환원된 그래핀 옥사이드, (D)환류법을 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물, (E)마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 4a는 환류법을 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드의 전기 주사 현미경(SEM) 사진다.
도 4b는 마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드의 전기 주사 현미경(SEM) 사진이다.
도 5a는 환류법을 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드의 투과 전자 현미경(TEM)사진이다.
도 5b는 마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드의 투과 전자 현미경(TEM) 사진이다.
도 6은 (A)산화아연, (B)환류법을 이용한 산화아연/탄소나노튜브 화합물, (C)마이크로웨이브를 이용한 산화아연/탄소나노튜브 화합물, (D)환류법을 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물, (E)마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물을 황화수소 흡착실험을 실시하여 얻은 Breakthrough time의 비교 그래프이다.
도 7은 모든 화합물을 동일한 조건에서 황화수소 흡착실험을 실시한 실험 장비의 개요도이다.
1 is a schematic view of a process for producing graphene oxide used in the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the amount of zinc oxide / reduction (A) and the amount of zinc oxide / reduction (B) using graphene oxide, (B) reduced graphene oxide using the reflux method, (C) reduced graphene oxide using microwave, (E) X-ray diffraction pattern of zinc oxide / reduced graphene oxide compound using microwave.
FIG. 3 is a graph showing the results of (A) graphite oxide, (B) reduced graphene oxide using the reflux method, (C) reduced graphene oxide using microwave, (D) zinc oxide / reduced graphene (E) an FT-IR spectrum of a zinc oxide / reduced graphene oxide compound using a microwave.
4A is a scanning electron microscope (SEM) photograph of zinc oxide / reduced graphene oxide using a reflux method.
FIG. 4B is an electric scanning microscope (SEM) photograph of zinc oxide / reduced graphene oxide using a microwave.
5A is a transmission electron microscope (TEM) photograph of zinc oxide / reduced graphene oxide using a reflux method.
5B is a transmission electron microscope (TEM) photograph of zinc oxide / reduced graphene oxide using a microwave.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between zinc oxide / carbon nanotube compound (A) and zinc oxide / carbon nanotube compound using (B) reflux method, (C) zinc oxide / carbon nanotube compound using microwave, (E) Microwave-assisted zinc oxide / reduced graphene oxide compound adsorbed to hydrogen sulfide.
Fig. 7 is a schematic diagram of an experimental apparatus in which hydrogen sulfide adsorption experiments were conducted under the same conditions for all compounds.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Prior to the detailed description of the present invention, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

여기서, 본원의 실시 형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. Here, in the entire drawings for explaining the embodiments of the present application, those having the same functions are denoted by the same reference numerals, and a detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법에 관한 것이다. 탈황제로서 보다 높은 탈황 효과를 위해, 물리흡착제이고 활성탄과 같이 탄소로 이루어진 환원된 그래핀 옥사이드(reduced Graphene Oxide)에 화학흡착제인 산화아연을 분산시켜 각 물질의 흡착율보다 높은 흡착효과를 낼 수 있도록 산화아연과 환원된 그래핀 옥사이드 화합물이 연구되고 있다. The present invention relates to a process for preparing zinc oxide / reduced graphene oxide compounds using microwaves. In order to achieve a higher desulfurization effect as a desulfurizing agent, zinc oxide, which is a chemical adsorbent, is dispersed in reduced graphene oxide, which is a physical adsorbent and carbon such as activated carbon, Zinc and reduced graphene oxide compounds are being studied.

그래핀이란 탄소 원자로 만들어진 2차원 물질로 벌집 모양의 구조를 가지고 있으며 3차원으로 쌓으면 흑연(Graphite)이 되고 1차원으로 말면 탄소나노튜브 (Carbon nanotube)가 되며 공모양으로 만들면 플러렌(Fullerene)이 되는 물질이다. 구조적 화학적으로 매우 안정되어 있고 실리콘보다 100배 이상 높은 전하 이동도를 나타내며, 탄소 원자 하나의 두께(0.35 nm)에 불과하기 때문에 매우 높은 투명도를 지니고, 열적/기계적 특성도 우수할 것으로 예측되었다. 2004년 Manchester 대학의 Geim 그룹에서 최초로 흑연(graphite)으로부터 그래핀을 단층막형태로 분리해 내는데 성공하면서 높은 전하이동도, 높은 전류밀도, 뛰어난 열 전도도 및 낮은 발열량, 내화학성 및 높은 기계적 강도, 화학반응의 다양성, 간단한 패터닝 공정, 유연성, 신축성 등의 장점이 발견되었다. 특히 최근에는 대면적/대량 생산을 위한 새로운 그래핀 합성법들이 개발되면서 다양한 전자 소자로서의 응용 가능성이 한층 더 높아졌다. Graphene is a two-dimensional material made of carbon atoms. It has a honeycomb structure. When it is stacked in three dimensions, it becomes graphite. In one dimension, carbon nanotube becomes a carbon nanotube. When it is made into a ball, it becomes a fullerene. Material. It is very stable in structure and chemistry, has a charge mobility more than 100 times higher than silicon, and has a very high transparency and excellent thermal / mechanical properties because it is only one carbon atom (0.35 nm) thick. In 2004, the University of Manchester's Geim group succeeded in separating graphene from graphite for the first time, resulting in high charge mobility, high current density, excellent thermal conductivity and low calorific value, chemical and high mechanical strength, chemical A variety of reactions, simple patterning processes, flexibility, and stretchability. Recently, new graphene synthesis methods for large-area / high-volume production have been developed and the applicability as various electronic devices has further increased.

그래핀은 스카치 테입법, 화학적 합성법, CVD성장법, 에피택시(Epitaxy)합성법 등으로 합성된다. 스카치 테입법은 흑연을 스카치 테입에 올린 후 수차례 접었다 폈다를 반복하여 다층의 그래핀을 얻는 방법이다. 매우 간단한 방법이지만 이와 같은 방법으로 제조된 그래핀은 크기와 형태를 제어할 수 없기 때문에 소자로의 응용에 어려움이 있다. 화학적 합성법은 흑연을 산화시켜 분리한 후 환원하여 그래핀을 얻는 방법이다. 산과 산화제로 산화시킨 흑연은 강한 친수성으로 물분자가 면과 면 사이에 삽입되는 것이 용이하고, 이로 인해 면간 간격이 6~12Å으로 늘어나 장시간의 교반이나 초음파 분쇄기를 이용하면 쉽게 박리시킬 수 있다. 이렇게 얻어진 그래핀 옥사이드(산화된 그래핀)는 표면에 수산기와 에폭시기, 가장자리에는 카르복실기와 결합한 형태로 존재하기 때문에 그래핀 고유의 성질을 대부분 상실하게 된다. 하지만 액상 또는 기상의 하이드라진으로 상기 그래핀 옥사이드를 다시 환원시키면 대부분의 작용기가 제거되어 그래핀을 얻을 수 있고, 이 방법으로 제조된 그래핀은 환원된 그래핀 옥사이드라고 부른다. 화학적인 그래핀 합성법은 그래핀의 물성이 다른 방법에 비해 저하되는 단점이 있으나, 기능화가 용이하고 대량생산과 대면적화가 가능하며 기판의 종류나 구조에 제약을 거의 받지 않는다는 큰 장점을 가지고 있어 이를 이용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. CVD성장법은 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 사용하여, 1,000℃ 이상의 고온에서 주입된 CH4, H2, Ar의 혼합가스의 탄소가 촉매층과 반응한 후 급랭되면 촉매로부터 탄소가 떨어져 나오면서 표면에 그래핀을 성장시키는 방법이다. 에피택시 합성법은 실리콘 카바이드(SiC)와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함되어 있는 재료를 약 1,500℃의 고온 분위기에서 열처리를 하여 탄소가 표면의 결을 따라 성장하면서 그래핀층을 성장시키는 방법이다. Graphene is synthesized by Scotch tape method, chemical synthesis method, CVD growth method, epitaxy synthesis method and the like. The Scotch tape method is a method of obtaining multiple layers of graphene by repeatedly folding and folding the graphite several times on a Scotch tape. Although it is a very simple method, the graphene produced by this method can not control the size and shape, and thus it is difficult to apply the graphene to the device. The chemical synthesis method is a method of separating and reducing graphite to obtain graphene. Graphite oxidized with an acid and an oxidizing agent has strong hydrophilicity and it is easy to insert the water molecule between the surface and the surface. As a result, the interval between the surfaces increases to 6 ~ 12 Å and can be easily peeled off by using a long stirring or an ultrasonic mill. The graphene oxide (oxidized graphene) obtained in this way exists in the form of a hydroxyl group and an epoxy group on the surface and a carboxyl group on the edge, so that most of the inherent properties of graphene are lost. However, when the graphene oxide is reduced again by liquid or vapor hydrazine, most functional groups are removed to obtain graphene, and the graphene produced by this method is called reduced graphene oxide. The chemical graphene synthesis method has a disadvantage in that the physical properties of graphene are lower than those of other methods, but it has a great advantage that it can be easily functionalized, mass-produced and large-sized, and is not limited by the type and structure of the substrate. Researches are being actively pursued. The CVD growth method uses a transition metal that absorbs carbon well as a catalyst layer. When the carbon in the mixed gas of CH 4 , H 2 and Ar injected at a high temperature of 1,000 ° C. or higher reacts with the catalyst layer and then quenched, And growing graphene on the surface. The epitaxy synthesis method is a method of growing a graphene layer by growing carbon on the surface by heat treatment of a material in which carbon is adsorbed or contained in the crystal, such as silicon carbide (SiC), in a high temperature atmosphere at about 1,500 ° C.

이 중 본 발명은 그래핀의 대면적/대량 생산이라는 목표에 가장 근접해 있는 방법인 화학적 합성법을 응용하여 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드의 화합물을 제조하였다. 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조과정 중 그래핀 옥사이드를 환원시키는 과정에서 마이크로웨이브를 이용한 빠르고 짧은 열처리는 나노사이즈의 산화아연 입자들을 고정시켜주는 역할을 하는 산소작용기를 표면에 많이 남겨놓음으로써 산화아연의 고온에 따른 뭉침 현상을 방지하여, 상기 화합물의 탈황 효과의 극대화를 할 수 있다.Among them, the present invention produced a zinc oxide / reduced graphene oxide compound by applying a chemical synthesis method which is the closest to the goal of large area / mass production of graphene. In the process of reducing zinc oxide / reduced graphene oxide compounds, the rapid and short heat treatment using microwaves in the process of reducing graphene oxide leaves a large number of oxygen functional groups on the surface that serve to fix nano-sized zinc oxide particles. , It is possible to prevent aggregation of zinc oxide at high temperatures, thereby maximizing the desulfurization effect of the compound.

마이크로웨이브를 이용한 산화아연과 환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법은 다음과 같다. 본 발명은, 산과 산화제로 흑연을 산화시킴으로써, 흑연의 면간 간격을 넓혀 박리시킨 그래핀 옥사이드를 준비하는 단계; 상기 그래핀 옥사이드에 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)을 혼합 후 초음파 진동을 이용한 1차 분산 단계; 상기 1차 분산 단계를 거친 혼합액을 수산화 나트륨(sodium hydroxide, NaOH) 수용액과 혼합 후, 초음파 진동을 이용한 2차 분산 단계; 상기 2차 분산 단계를 거친 혼합액에 아연 아세테이트(Zinc Acetate, ZnAc) 수용액을 첨가하여 초음파 진동기로 혼합하는 단계; 상기 초음파 진동기로 혼합하는 단계를 거친 혼합액에 환원제를 첨가한 후 마이크로웨이브로 열처리하여 환원하는 단계; 상기 열처리하여 환원하는 단계를 거친 혼합액을 냉각하고 증류수로 세척한 후 냉동 진공건조기에서 건조시키는 단계를 포함하는, 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법을 제공한다. A method for producing zinc oxide and a reduced graphene oxide compound using microwave is as follows. The present invention relates to a method for producing graphene oxide by oxidizing graphite with an acid and an oxidizing agent, A first dispersion step using ultrasonic vibration after mixing ethylene glycol in the graphene oxide; A second dispersion step using an ultrasonic vibration after mixing the mixed solution having undergone the first dispersion step with an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH); Adding an aqueous solution of zinc acetate (ZnAc) to the mixed solution obtained through the secondary dispersion step, and mixing with an ultrasonic vibrator; Adding a reducing agent to the mixed solution obtained through mixing with the ultrasonic vibrator, and heat-treating the mixed solution by microwave heating; And a step of cooling the mixed solution through the heat treatment and reducing step, washing with distilled water, and drying in a freeze-drier. The present invention also provides a method for producing a zinc oxide / reduced graphene oxide compound.

도1은 본 발명에서 사용하는 그래핀 옥사이드 제조과정의 개략도이다. 상기 그래핀 옥사이드는 흑연을 산과 산화제로 산화 후 박리하여 준비한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 산은 염화수소(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 인산(H3PO4) 중 하나 이상을 사용할 수 있고, 상기 산화제는 질산나트륨(NaNO3), 과망간산칼륨(KMnO4) 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 준비된 그래핀 옥사이드에 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)을 혼합하고 초음파 진동을 이용하여 20분 내지 40분 동안 분산시킨 후, 수산화 나트륨(sodium hydroxide, NaOH) 수용액과 혼합하고, 초음파 진동을 이용하여 20분 내지 40분 동안 분산 시키는 단계를 거친 혼합액에 아연 아세테이트수용액을 첨가하여 초음파 진동기로 혼합하는 단계를 거친다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 아연 아세테이트 수용액의 몰농도는 0.05M 내지는 0.09M이며, 초음파 진동기로 혼합하는 시간은 20분 내지 40분이다. 상기 초음파 진동기로 혼합하는 단계를 거친 혼합물은 환원제를 첨가하고. 마이크로웨이브로 열처리하여 환원하는 단계를 거친다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 환원제는 수소화붕소나트륨(NaBH4), 하이드라진(hydrazine) 중 하나 이상을 사용하고, 상기 마이크로웨이브를 이용한 열처리는 40초 내지 80초 가열 후 상기 가열시간 만큼 대기하는 공정을 2회 내지 4회 반복한다.1 is a schematic view of a process for producing graphene oxide used in the present invention. The graphene oxide is prepared by oxidizing graphite with an acid and an oxidizing agent and then peeling the graphite oxide. In one embodiment of the present invention, the acid may use at least one of hydrogen chloride (HCl), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), nitric acid (HNO 3 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ) 3 ), and potassium permanganate (KMnO 4 ). The prepared graphene oxide was mixed with ethylene glycol and dispersed using ultrasonic vibration for 20 to 40 minutes. Then, the mixture was mixed with an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH), and ultrasonic vibration was applied thereto for 20 minutes To 40 minutes. The aqueous solution of zinc acetate is added to the mixed solution and mixed with an ultrasonic vibrator. In one embodiment of the present invention, the molar concentration of the zinc acetate aqueous solution is 0.05M to 0.09M, and the mixing time with the ultrasonic vibrator is 20 minutes to 40 minutes. The mixture that has been mixed with the ultrasonic vibrator is added with a reducing agent. And then subjected to a step of heat treatment by microwave and reduction. In one embodiment of the present invention, the reducing agent is at least one selected from the group consisting of sodium borohydride (NaBH 4 ) and hydrazine, and the heating process using the microwave is performed for 40 seconds to 80 seconds, Is repeated two to four times.

상기 마이크로웨이브를 이용한 환원법은 환류장치를 이용하여 가열하는 환류법보다 빠른 승온율을 가지며 용액 전체가 균일하게 가열되어 반응시간을 단축하여 산화아연의 입자사이즈를 줄여 황화수소를 흡착할 수 있는 표면적을 넓히는 장점이 있다. 마이크로웨이브를 이용하여 그래핀 옥사이드 환원 시 그래핀 옥사이드 표면의 산소작용기를 기존의 환류법보다 많이 남긴다. 상기 산소작용기는 환원된 그래핀 옥사이드의 표면에 산화아연을 고르게 분산시켜 고온에 따른 산화아연 입자의 뭉침 현상을 방지한다. 상기 열처리하여 환원하는 단계를 거친 혼합액을 냉각하고 증류수로 세척한 후 냉동 진공건조기에서 건조시키는 단계를 거쳐 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물을 제조한다.The microwave-assisted reduction method has a faster heating rate than the reflux heating method using a reflux apparatus, and the entire solution is uniformly heated to shorten the reaction time, thereby reducing the particle size of the zinc oxide and increasing the surface area capable of adsorbing hydrogen sulfide There are advantages. Using microwaves, graphene oxide reduces the oxygen functionality on the surface of graphene oxide more than the conventional reflux method. The oxygen functional groups uniformly disperse zinc oxide on the surface of the reduced graphene oxide to prevent aggregation of zinc oxide particles at high temperatures. The mixed solution having been subjected to the heat treatment and reduction step is cooled, washed with distilled water, and then dried in a freeze dryer to prepare zinc oxide / reduced graphene oxide compound.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, embodiments are provided to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

[실시예 1] 마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드(ZnO/rGO-M) 제조[Example 1] Production of zinc oxide / reduced graphene oxide (ZnO / rGO-M) using microwave

그래핀 옥사이드 400mg을 에틸렌 글리콜 200ml를 넣고 초음파 진동기로 30분간 1차 분산시킨 후, 수산화나트륨 0.1M 수용액 100ml와 혼합한 후 숟가락으로 저어가며 초음파 진동기로 30분간 2차 분산시켰다. 상기 분산시키는 과정을 거친 혼합액에 0.07M의 아연 아세테이트 수용액을 넣어 초음파 진동기로 30분간 혼합시켰다. 혼합 전의 용액의 색깔에 비하여, 혼합 후에는 수산화 아연(Zn(OH)2)이 생성되면서 혼탁액이 되었으며, 좀 더 강한 환원 환경을 위해 하이드라진(Hydrazine)을 300μl를 섞어 교반시킨 후, 마이크로웨이브에 넣어 가열시켰다. 너무 빠른 온도 상승을 막기 위해 1분 가열, 1분 유지를 3번 반복하였다. 마지막 가열 후, 매우 온도가 높은 상태에서는 침전물이 수면에 모두 떠오르지만, 충분한 시간동안 식히고 나면, 모든 침전물이 바닥으로 가라앉았다. 침전물이 가라앉아있는 혼합액을 증류수 세척하고 필터링을 하는 과정을 2번 실시한 후, 냉동 건조기로 건조시켜 마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드를 제조하였다.
400 mg of graphene oxide was added to 200 ml of ethylene glycol, and the mixture was first dispersed in an ultrasonic vibrator for 30 minutes. Then, the mixture was mixed with 100 ml of an aqueous solution of 0.1 M sodium hydroxide, and the mixture was stirred with a spoon and dispersed for 30 minutes in an ultrasonic vibrator. A 0.07M zinc acetate aqueous solution was added to the mixed solution after the dispersion process, and the mixture was mixed with an ultrasonic vibrator for 30 minutes. After mixing, zinc hydroxide (Zn (OH) 2 ) was produced, resulting in an opacifying solution. In order to obtain a stronger reducing environment, hydrazine (300 μl) was added to the solution and stirred. And heated. To prevent the temperature rise too fast, 1 minute heating and 1 minute maintenance were repeated 3 times. After the last heating, at very high temperatures, the precipitate floated to the surface of the water, but after cooling for a sufficient time, all of the precipitate sank to the bottom. The mixed solution, in which the precipitate was deposited, was washed twice with distilled water and filtered, and then dried with a freeze dryer to prepare zinc oxide / reduced graphene oxide using microwave.

[비교예 1] 환류법을 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드(ZnO/rGO-R) 제조[Comparative Example 1] Production of zinc oxide / reduced graphene oxide (ZnO / rGO-R) using a reflux method

그래핀 옥사이드 400mg을 에틸렌 글리콜 200ml를 넣고 초음파 진동기로 30분간 1차 분산시킨 후, 수산화나트륨 0.1M 수용액 100ml와 혼합한 후 숟가락으로 저어가며 초음파 진동기로 30분간 2차 분산시켰다. 상기 분산시키는 과정을 거친 혼합액에 0.07M의 아연 아세테이트 수용액을 넣어 초음파 진동기로 30분간 혼합시켰다. 혼합 전의 용액의 색깔에 비하여, 혼합 후에는 수산화 아연(Zn(OH)2)이 생성되면서 혼탁액이 되었으며, 좀 더 강한 환원 환경을 위해 하이드라진(Hydrazine)을 300μl를 섞어 교반시킨 후, 환류법을 이용하여 24시간동안 환원시켰다. 환원시킨 혼합액을 증류수 세척하고 필터링을 하는 과정을 2번 실시한 후, 냉동 건조기로 건조시켜 환류법을 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드를 제조하였다.
400 mg of graphene oxide was added to 200 ml of ethylene glycol, and the mixture was first dispersed in an ultrasonic vibrator for 30 minutes. Then, the mixture was mixed with 100 ml of an aqueous solution of 0.1 M sodium hydroxide, and the mixture was stirred with a spoon and dispersed for 30 minutes in an ultrasonic vibrator. A 0.07M zinc acetate aqueous solution was added to the mixed solution after the dispersion process, and the mixture was mixed with an ultrasonic vibrator for 30 minutes. After mixing, zinc hydroxide (Zn (OH) 2 ) was formed as a cloudy solution, and 300 μl of hydrazine was mixed for a stronger reducing environment. Then, Lt; / RTI > for 24 hours. The reduced mixed solution was rinsed with distilled water and filtered twice, and then dried with a freeze drier to prepare zinc oxide / reduced graphene oxide using a reflux method.

[비교예 2] 마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 탄소나노튜브(ZnO/CNT-M) 제조[Comparative Example 2] Production of zinc oxide / reduced carbon nanotube (ZnO / CNT-M) using microwave

상기 실시예 1의 그래핀 옥사이드 대신 탄소나노튜브를 에틸렌 글리콜 200ml를 넣고 초음파 진동기로 30분간 1차 분산시킨 후, 수산화나트륨 0.1M 수용액 100ml와 혼합한 후 숟가락으로 저어가며 초음파 진동기로 30분간 2차 분산시켰다. 상기 분산시키는 과정을 거친 혼합액에 0.07M의 아연 아세테이트 수용액을 넣어 초음파 진동기로 30분간 혼합시켰다. 혼합 전의 용액의 색깔에 비하여, 혼합 후에는 수산화 아연(Zn(OH)2)이 생성되면서 혼탁액이 되었으며, 좀 더 강한 환원 환경을 위해 하이드라진(Hydrazine)을 300μl를 섞어 교반시킨 후, 마이크로웨이브에 넣어 가열시켰다. 너무 빠른 온도 상승을 막기 위해 1분 가열, 1분 유지를 3번 반복하였다. 마지막 가열 후, 매우 온도가 높은 상태에서는 침전물이 수면에 모두 떠오르지만, 충분한 시간동안 식히고 나면, 모든 침전물이 바닥으로 가라앉았다. 침전물이 가라앉아있는 혼합액을 증류수 세척하고 필터링을 하는 과정을 2번 실시한 후, 냉동 건조기로 건조시켜 마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 탄소나노튜브를 제조하였다.
In place of the graphene oxide of Example 1, 200 ml of ethylene glycol was added to the carbon nanotubes, and the mixture was first dispersed in an ultrasonic vibrator for 30 minutes. Then, the mixture was mixed with 100 ml of an aqueous solution of sodium hydroxide 0.1 M and then stirred with a spoon. Lt; / RTI > A 0.07M zinc acetate aqueous solution was added to the mixed solution after the dispersion process, and the mixture was mixed with an ultrasonic vibrator for 30 minutes. After mixing, zinc hydroxide (Zn (OH) 2 ) was produced, resulting in an opacifying solution. In order to obtain a stronger reducing environment, hydrazine (300 μl) was added to the solution and stirred. And heated. To prevent the temperature rise too fast, 1 minute heating and 1 minute maintenance were repeated 3 times. After the last heating, at very high temperatures, the precipitate floated to the surface of the water, but after cooling for a sufficient time, all of the precipitate sank to the bottom. The mixed solution, in which the precipitate was deposited, was washed twice with distilled water and filtered, and then dried with a freeze dryer to prepare zinc oxide / reduced carbon nanotubes by microwave irradiation.

[비교예 3] 환류법을 이용한 산화아연/환원된 탄소나노튜브 (ZnO/CNT-R) 제조[Comparative Example 3] Production of zinc oxide / reduced carbon nanotube (ZnO / CNT-R) using a reflux method

상기 비교예 1의 그래핀 옥사이드 대신 탄소나노튜브를 에틸렌 글리콜 200ml를 넣고 초음파 진동기로 30분간 1차 분산시킨 후, 수산화나트륨 0.1M 수용액 100ml와 혼합한 후 숟가락으로 저어가며 초음파 진동기로 30분간 2차 분산시켰다. 상기 분산시키는 과정을 거친 혼합액에 0.07M의 아연 아세테이트 수용액을 넣어 초음파 진동기로 30분간 혼합시켰다. 혼합 전의 용액의 색깔에 비하여, 혼합 후에는 수산화 아연(Zn(OH)2)이 생성되면서 혼탁액이 되었으며, 좀 더 강한 환원 환경을 위해 하이드라진(Hydrazine)을 300μl를 섞어 교반시킨 후, 환류법을 이용하여 24시간동안 환원시켰다. 환원시킨 혼합액을 증류수 세척하고 필터링을 하는 과정을 2번 실시한 후, 냉동 건조기로 건조시켜 환류법을 이용한 산화아연/환원된 탄소나노튜브를 제조하였다.
In place of the graphene oxide of Comparative Example 1, carbon nanotubes were firstly dispersed in 200 ml of ethylene glycol by an ultrasonic vibrator for 30 minutes, mixed with 100 ml of 0.1 M aqueous sodium hydroxide solution, stirred with a spoon, Lt; / RTI > A 0.07M zinc acetate aqueous solution was added to the mixed solution after the dispersion process, and the mixture was mixed with an ultrasonic vibrator for 30 minutes. After mixing, zinc hydroxide (Zn (OH) 2 ) was formed as a cloudy solution, and 300 μl of hydrazine was mixed for a stronger reducing environment. Then, Lt; / RTI > for 24 hours. Reduced mixed solution was washed with distilled water and filtered twice and dried with a freeze dryer to prepare zinc oxide / reduced carbon nanotubes by a reflux method.

[비교예 4] 산화아연(ZnO) 제조[Comparative Example 4] Production of zinc oxide (ZnO)

아연 아세테이트(Zinc Actate) 0.1M 수용액 200ml와 수산화 나트륨 0.7M 수용액 200ml를 혼합시켜 수산화 아연이 생성되면서 불투명한 침전물이 생기는데, 충분한 반응을 위해 24시간 숙성시켰다. pH가 중성이 될 때까지 증류수로 세척하고 진공 건조기에서 건조시켰다. 상기 건조시킨 수산화 아연을 550℃로 2시간 소성시켜 산화아연(ZnO)을 제조하였다.
200 ml of a 0.1 M aqueous solution of zinc acetate and 200 ml of a 0.7 M aqueous solution of sodium hydroxide were mixed to produce opaque precipitates as zinc hydroxide was formed. The mixture was aged for 24 hours for sufficient reaction. washed with distilled water until the pH was neutral and dried in a vacuum dryer. The dried zinc hydroxide was fired at 550 DEG C for 2 hours to prepare zinc oxide (ZnO).

도2는 (A)그래핀 옥사이드, (B)환류법을 이용한 환원된 그래핀 옥사이드, (C)마이크로웨이브를 이용한 환원된 그래핀 옥사이드, (D)환류법을 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물, (E)마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 X선 회절상 그래프를 비교한 것이다. 상기 (A)그래핀 옥사이드가 환원되면서 결정구조 피크가 사라지고 환원된 그래핀 옥사이드에 산화아연를 올린 상기 (D), (E)의 그래프로 보아 산화아연의 입자가 환원된 그래핀 표면에 성공적으로 올라가있는 것을 확인하였다.FIG. 2 is a graph showing the relation between the amount of zinc oxide / reduced graphene (A) and the amount of zinc oxide / reduced graphene (A) by using graphene oxide, (B) reduced graphene oxide using the reflux method, (C) reduced graphene oxide using microwave, Oxide compound, and (E) a microwave-assisted zinc oxide / reduced graphene oxide compound. As shown in the graphs (D) and (E), in which (A) the graphene oxide was reduced and the crystal structure peak disappeared and the zinc oxide was added to the reduced graphene oxide, the zinc oxide particles successfully rose to the reduced graphene surface Respectively.

도3은 (A)그래핀 옥사이드, (B)환류법을 이용한 환원된 그래핀 옥사이드, (C)마이크로웨이브를 이용한 환원된 그래핀 옥사이드, (D)환류법을 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물, (E)마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 FT-IR 스펙트럼을 비교한 것이다. 상기 FT-IR 스펙트럼을 통해 환원된 그래핀 옥사이드의 표면에 산소 작용기들이 붙어 있는 것을 확인할 수 있다.FIG. 3 is a graph showing the results of (A) graphite oxide, (B) reduced graphene oxide using the reflux method, (C) reduced graphene oxide using microwave, (D) zinc oxide / reduced graphene Oxide compound, and (E) microwave-assisted zinc oxide / reduced graphene oxide compound. It can be confirmed that oxygen functional groups are attached to the surface of the reduced graphene oxide through the FT-IR spectrum.

도4a는 환류법을 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드의 전기 주사 현미경(SEM) 사진이고, 도4b는 마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드의 전기 주사 현미경(SEM) 사진이다. 도5a는 환류법을 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드의 투과 전자 현미경(TEM)사진이고, 도5b는 마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드의 투과 전자 현미경(TEM) 사진이다. 상기 전기 주사 현미경(SEM)과 투과 전자 현미경(TEM)사진으로 보아 환류법보다 마이크로웨이브를 이용한 화합물의 산화아연 입자가 작은 것을 알 수 있다. 산화아연의 입자가 작을수록 흡착할 수 있는 표면적이 넓어져 탈황 효율이 높아진다.4A is an SEM photograph of zinc oxide / reduced graphene oxide using reflux method and FIG. 4B is an SEM photograph of zinc oxide / reduced graphene oxide using microwave. 5A is a transmission electron microscope (TEM) photograph of zinc oxide / reduced graphene oxide using a reflux method, and FIG. 5B is a transmission electron microscope (TEM) photograph of zinc oxide / reduced graphene oxide using microwave. The scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM) photographs show that the zinc oxide particles of the compound using the microwave are smaller than the reflux method. The smaller the particles of zinc oxide, the wider the surface area that can be adsorbed and the higher the desulfurization efficiency.

도6은 (A)산화아연, (B)환류법을 이용한 산화아연/탄소나노튜브 화합물, (C)마이크로웨이브를 이용한 산화아연/탄소나노튜브 화합물, (D)환류법을 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물, (E)마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물을 황화수소 흡착실험을 실시하여 얻은 Breakthrough time의 비교 그래프이다. Breakthrough time란 황화수소를 투입하고 흡착제가 최대한 황화수소를 흡착한 후 다시 황화수소가 흡착되기까지의 시간을 의미하는 것으로 Breakthrough time이 길수록 흡착제가 황화수소를 흡착하는 양이 많다는 것을 의미한다. 상기 황화수소 흡착실험은 고정층 반응기에 화합물을 1cm3 부피로 채우고 위아래를 유리솜으로 고정시켰다. 가스는 건조 공기와 질소 그리고 3.01% 황화수소를 사용하였다. 일반 탈황공정과 비슷한 환경을 만들어 주기 위하여 공기가 유입되는 관의 중간에 버블러를 넣어 건조 공기를 포화공기로 만들어 주었다. 반응기 내로 공기와 황화수소만을 흘려주기 때문에 황수치가 매우 높아 질소로 희석하여 황분석기가 분석할 수 있는 농도로 낮추었다. 편류가 생기는 것을 막기 위해 알루미늄 옥사이드(알루미나)를 함께 섞었다. 또한, 가스의 갑작스런 유량 변화로 인한 샘플의 섞임을 막아 편류를 예방하기 위해 상기 화합물들을 반응기에 넣은 후에도 충분히 섞어 윗부분을 유리솜으로 고정시켰다. 상기 황화수소 흡착실험을 실시한 실험장비의 개요도를 도7에 나타내었다. 상기 황화수소 흡착실험 결과, 마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드가 가장 많은 황을 흡착한 반면, 산화아연은 가장 적은 황을 흡착하였다. 마이크로웨이브를 이용한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드와 산화아연의 황 흡착량 차이는 10배 이상 났으며. 또한, 마이크로웨이브를 이용하여 제조한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드가 환류법을 이용하여 제조한 산화아연/환원된 그래핀 옥사이드에 비해 2배 이상 많은 양의 황을 흡착하였다.FIG. 6 is a graph showing the relationship between zinc oxide / carbon nanotube compound (A) and zinc oxide / carbon nanotube compound using (B) reflux method, (C) zinc oxide / carbon nanotube compound using microwave, (E) Microwave-assisted zinc oxide / reduced graphene oxide compound adsorbed to hydrogen sulfide. Breakthrough time means the time from the introduction of hydrogen sulfide to the adsorption of the adsorbent to the adsorption of hydrogen sulfide after the adsorption of the maximum amount of hydrogen sulfide. The longer the breakthrough time, the more the adsorbent adsorbs the hydrogen sulfide. In the hydrogen sulfide adsorption test, the compound was filled in a fixed bed reactor at a volume of 1 cm 3 and the upper and lower portions were fixed with glass wool. The gases were dry air and nitrogen and 3.01% hydrogen sulphide. In order to create an environment similar to the general desulfurization process, a bubbler was placed in the middle of the pipe through which the air was introduced to make dry air into saturated air. Because only air and hydrogen sulphide are poured into the reactor, the sulfur level is very high and diluted with nitrogen to a concentration that can be analyzed by sulfur analyzer. Aluminum oxide (alumina) was mixed together to prevent drift. Further, in order to prevent the sample from mixing due to a sudden change in flow rate of the gas and prevent the drift, the above compounds were sufficiently mixed in the reactor and the upper part was fixed with glass wool. FIG. 7 shows a schematic diagram of the experimental equipment in which the hydrogen sulfide adsorption test was performed. As a result of the hydrogen sulfide adsorption experiment, microwave - assisted zinc oxide / reduced graphene oxide adsorbed the most sulfur, while zinc oxide adsorbed the least sulfur. The difference in the sulfur adsorption amount between zinc oxide / reduced graphene oxide and zinc oxide using microwave was more than 10 times. Also, zinc oxide / reduced graphene oxide prepared by microwave adsorbed more than twice as much sulfur as zinc oxide / reduced graphene oxide prepared by the reflux method.

Claims (7)

흑연을 산과 산화제로 산화 후 박리시킨 그래핀 옥사이드를 준비하는 단계;
상기 그래핀 옥사이드에 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)을 혼합 후 초음파 진동을 이용한 1차 분산 단계;
상기 1차 분산 단계를 거친 혼합액을 수산화 나트륨(sodium hydroxide, NaOH) 수용액과 혼합 후, 초음파 진동을 이용한 2차 분산 단계;
상기 2차 분산 단계를 거친 혼합액에 아연 아세테이트(Zinc Acetate, ZnAc) 수용액을 첨가하여 초음파 진동기로 혼합하는 단계;
상기 초음파 진동기로 혼합하는 단계를 거친 혼합액에 환원제를 첨가한 후 마이크로웨이브로 열처리하여 환원하는 단계;
상기 열처리하여 환원하는 단계를 거친 혼합액을 냉각하고 증류수로 세척한 후 냉동 진공건조기에서 건조시키는 단계를 포함하는,
산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법
Preparing graphene oxide by oxidizing graphite with an acid and an oxidizing agent and then peeling off;
A first dispersion step using ultrasonic vibration after mixing ethylene glycol in the graphene oxide;
A second dispersion step using an ultrasonic vibration after mixing the mixed solution having undergone the first dispersion step with an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH);
Adding an aqueous solution of zinc acetate (ZnAc) to the mixed solution obtained through the secondary dispersion step, and mixing with an ultrasonic vibrator;
Adding a reducing agent to the mixed solution obtained through mixing with the ultrasonic vibrator, and heat-treating the mixed solution by microwave heating;
And cooling the mixed solution through the heat treatment and reduction step, washing with distilled water, and drying in a freeze-drier.
Process for producing zinc oxide / reduced graphene oxide compound
제 1항에 있어서,
상기 산은 염화수소(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 인산(H3PO4) 중 하나 이상인,
산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법
The method according to claim 1,
One of the acid is hydrogen chloride (HCl), sulfuric acid (H 2 SO 4), nitric acid (HNO 3), phosphoric acid (H 3 PO 4) or more,
Process for producing zinc oxide / reduced graphene oxide compound
제 1항에 있어서,
상기 산화제는 질산나트륨(NaNO3), 과망간산칼륨(KMnO4) 중 하나인,
산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법
The method according to claim 1,
The oxidant may be one of sodium nitrate (NaNO 3 ), potassium permanganate (KMnO 4 )
Process for producing zinc oxide / reduced graphene oxide compound
제 1항에 있어서,
상기 초음파 진동을 이용한 1차 분산, 2차 분산 시간 및 혼합 시간은 20분 내지 40분인,
산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법
The method according to claim 1,
Wherein the primary dispersion using the ultrasonic vibration, the secondary dispersion time and the mixing time are 20 minutes to 40 minutes,
Process for producing zinc oxide / reduced graphene oxide compound
제 1항에 있어서,
상기 아연 아세테이트 수용액의 몰농도는 0.05M 내지 0.09M인,
산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법
The method according to claim 1,
Wherein the molar concentration of the zinc acetate aqueous solution is 0.05 M to 0.09 M,
Process for producing zinc oxide / reduced graphene oxide compound
제 1항에 있어서,
상기 환원제는 수소화붕소나트륨(NaBH4), 하이드라진(hydrazine) 중 하나인,
산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법
The method according to claim 1,
Wherein the reducing agent is one of sodium borohydride (NaBH 4 ), hydrazine,
Process for producing zinc oxide / reduced graphene oxide compound
제 1항에 있어서,
상기 마이크로웨이브를 이용한 열처리는 40초 내지 80초 가열 후 상기 가열시간 만큼 대기하는 공정을 2회 내지 4회 반복하는,
산화아연/환원된 그래핀 옥사이드 화합물의 제조 방법
The method according to claim 1,
The heat treatment using microwaves is repeated 40 seconds to 80 seconds and then the process of waiting for the heating time is repeated 2 to 4 times,
Process for producing zinc oxide / reduced graphene oxide compound
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