KR20170063113A - Method for Manufacturing Three-Dimension Porous Graphene - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 다공성 그래핀의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)와 아민기를 포함하는 유기연결체를 용매에 분산시킨 다음, 반응시키는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 3차원 다공성 그래핀의 제조방법은 유기연결체의 길이에 따라 그래핀의 층간거리를 제어할 수 있어 그래핀 구조체의 비표면적을 결정할 수 있다. 아울러 유기연결체의 아민기와 그래핀 옥사이드의 에스터기가 반응하여 형성되는 벤조이미다졸 구조는 현재까지 이산화탄소 및 수소를 저장하는데 가장 용이한 화학구조로 알려져 있다. 상기 제조방법은 반응물들을 하나의 반응기에서 반응시키는 원 포트 반응(One-pot reaction)이며, 환경오염을 야기시키거나 합성비용을 증가시키는 촉매 및 계면활성제와 같은 첨가제를 사용하지 않아 친환경적이며 제조비용을 절감시키는 효과가 있다.The present invention relates to a method for producing a three-dimensional porous graphene, and more particularly, to a method for producing a three-dimensional porous graphene by graphene oxide (GO-ester) containing an ester group and an organic linking material containing an amine group To a method for producing a three-dimensional porous graphene. According to the method for producing a three-dimensional porous graphene according to the present invention, the interlayer distance of graphene can be controlled according to the length of the organic binder, and the specific surface area of the graphene structure can be determined. In addition, the benzoimidazole structure in which an amine group of an organic linking group and an ester group of a graphene oxide are formed by reaction is known to be the easiest chemical structure to store carbon dioxide and hydrogen to date. The preparation method is a one-pot reaction in which reactants are reacted in a single reactor, and is environmentally friendly because it does not use additives such as a catalyst and a surfactant that cause environmental pollution or increase synthesis cost, There is a saving effect.

Description

3차원 다공성 그래핀의 제조방법{Method for Manufacturing Three-Dimension Porous Graphene}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a three-dimensional porous graphene,

본 발명은 3차원 다공성 그래핀의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)와 아민기를 포함하는 유기연결체를 용매에 분산시킨 다음, 반응시키는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a three-dimensional porous graphene, and more particularly, to a method for producing a three-dimensional porous graphene by graphene oxide (GO-ester) containing an ester group and an organic linking material containing an amine group To a method for producing a three-dimensional porous graphene.

그래핀은 단일 원자 두께의 2차원 탄소계 거대분자로써, 뛰어난 기계적 특성(물리적 안정성), 화학적 특성 및 전기적 특성으로 최근에 상당한 주목을 받고 있으며, 에너지 저장장치, 나노일렉트로닉스, 촉매, 센서, 오염물질의 정화 및 가스 저장 등 다양한 응용분야에 적용 가능한 나노물질이다. Graphene is a two-dimensional carbon-based macromolecule with a single atomic thickness, which has received considerable attention in recent years due to its excellent mechanical properties (physical stability), chemical properties and electrical properties, and is being used for energy storage devices, nanoelectronics, Is a nanomaterial that can be applied to various applications such as purification and gas storage.

2차원 그래핀 시트는 표면의 π-π 공명구조로 인해 기체분자들이 잘 흡착되는 장점을 가지고 있지만, 그래핀 시트 전체의 π-π 공명구조 간 반데르발스(van der waals) 상호 작용에 의해 각각의 그래핀 시트가 응집해 버리는 단점이 있다. 따라서, 그래핀으로 기체의 흡착량을 높이기 위해서는 그래핀 시트의 표면적을 증가시키고 2차원의 그래핀 시트를 3차원 구조를 갖는 그래핀을 제조하는 연구가 필요하고, 그래핀 나노물질의 표면적을 증가시키고 높은 기공율을 갖기 위해서는 그래핀 시트의 층간 거리를 제어하는 것이 중요한 과제이다. The two-dimensional graphene sheet has the advantage that the gas molecules are adsorbed well due to the π-π resonance structure of the surface. However, due to the van der waals interaction between the π-π resonance structures of the graphene sheet as a whole, The graphene sheet of the present invention coagulates. Therefore, in order to increase the amount of adsorbed gas by graphene, it is necessary to increase the surface area of the graphene sheet and to study the production of graphene having a three-dimensional structure in a two-dimensional graphene sheet, In order to have a high porosity, it is important to control the interlayer distance of the graphene sheet.

종래 기술로는, 한국등록특허 제1273495호에는 흑연분말을 이용하여 제조된 그래핀 옥사이드에 이산화탄소 가스를 주입하여 그래핀 옥사이드의 층간 거리를 조절하는 방법이 공지되어 있다. In the prior art, Korean Patent No. 1273495 discloses a method of controlling the interlayer distance of graphene oxide by injecting carbon dioxide gas into graphene oxide produced using graphite powder.

또한, 3차원 구조를 갖는 그래핀을 제조하기 위해 금속 촉매를 이용하여 다공성 그래핀을 합성하는 방법이 공지되어 있으나, 고가의 팔라듐 촉매와 계면활성제를 필요로 하고(Rao et al., Chem. Commun., 50:2015, 2014), 그래핀 옥사이드와 유기연결체를 금속 촉매를 사용하여 탄소-탄소 결합(CC coupling reaction)을 하여 다공성 그래핀 구조체를 형성하는 경우 그래핀 표면에 다량의 산소 관능기(Oxygen Functional Group)들이 남게 되는 것을 확인할 수 있다. In addition, although a method of synthesizing porous graphene using a metal catalyst to produce graphene having a three-dimensional structure is known, an expensive palladium catalyst and a surfactant are required (Rao et al., Chem. Commun In the case of forming a porous graphene structure by performing a CC coupling reaction using graphene oxide and an organic coupling agent using a metal catalyst, a large amount of oxygen functional groups (for example, Oxygen Functional Groups).

촉매를 사용하지 않고 그래핀 옥사이드에 다이아민기를 갖는 유기연결체를 연결하는 경우, 벤조 이미다졸 구조를 형성할 수 있지만 그래핀 옥사이드와 유기연결체를 바로 반응시켜 제조한 것으로 그래핀의 표면에 산소 관능기(Oxygen Functional Group)가 많이 남아 있어 이산화탄소 흡착량 및 흡착열이 낮음을 확인할 수 있다(Y. Cui et al., Nanoscale 5:8367, 2013).In the case of connecting an organic linkage having a diamine group to a graphene oxide without using a catalyst, it is possible to form a benzimidazole structure, but the graphene oxide is directly reacted with an organic linkage, (Y. Cui et al., Nanoscale 5: 8367, 2013) can be confirmed by the fact that a large amount of functional groups (Oxygen Functional Group) remain.

이에, 본 발명자들은 환경오염을 야기시키거나 합성비용을 증가시키는 촉매 및 계면활성제와 같은 첨가제를 사용하지 않으면서 그래핀 시트의 층간거리를 제어할 수 있는 그래핀을 제조하기 위하여, 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)와 아민기를 포함하는 유기연결체를 용매에 분산시킨 다음 반응시켜 3차원 그래핀을 수득하는 경우, 그래핀 옥사이드 표면의 -OH기를 -COO-로 전환시킴으로써 그래핀 옥사이드(GO)가 아닌 환원된 그래핀 옥사이드(RGO)를 수득하여 넓은 π-π 비표면적을 얻음과 동시에 그래핀 표면에 다량의 에스터기를 형성할 수 있고, 그래핀의 층간 거리와 비표면적을 조절할 수 있으며, 이에 따라 수소 및 이산화탄소의 흡착(저장) 능력도 조절할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the present inventors have found that the use of a catalyst containing an ester group to produce graphene capable of controlling the interlayer distance of the graphene sheet without using additives such as catalysts and surfactants that cause environmental pollution or increase the synthesis cost When an organic linking material containing graphene oxide (GO-ester) and an amine group is dispersed in a solvent and then reacted to obtain three-dimensional graphene, graphene oxide is produced by converting the -OH group on the surface of graphene oxide to -COO- (RGO) other than GO to obtain a large π-π specific surface area and simultaneously form a large amount of ester group on the graphene surface, and to control the interlayer distance and specific surface area of graphene And it is confirmed that the adsorption (storage) ability of hydrogen and carbon dioxide can be controlled thereby, and the present invention has been completed.

본 발명의 목적은 유기연결체의 길이에 따라 그래핀의 층간거리를 제어할 수 있고, 촉매 및 계면활성제와 같은 첨가제를 사용하지 않고도 3차원 다공성 그래핀을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a method for producing a three-dimensional porous graphene capable of controlling the interlayer distance of graphene according to the length of an organic connecting body and without using an additive such as a catalyst and a surfactant.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)와 아민기를 포함하는 유기연결체를 용매에 분산시킨 다음, 반응시키는 단계를 포함하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a process for preparing a three-dimensional porous graphene comprising dispersing an organic linking material containing graft-oxide (GO-ester) containing an ester group and an amine group in a solvent and then reacting ≪ / RTI >

본 발명은 또한, 상기 방법으로 제조되고, 비표면적이 400 ~ 800 m2/g인 3차원 다공성 그래핀을 제공한다.The present invention also provides a three-dimensional porous graphene produced by the above method and having a specific surface area of 400 to 800 m 2 / g.

본 발명은 또한, 상기 3차원 다공성 그래핀을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착방법을 제공한다.The present invention also provides a method of adsorbing carbon dioxide (CO 2 ) using the three-dimensional porous graphene.

본 발명은 또한, 상기 3차원 다공성 그래핀을 함유하는 이산화탄소(CO2) 흡착제를 제공한다.The present invention also provides a carbon dioxide (CO 2 ) adsorbent containing the three-dimensional porous graphene.

본 발명은 또한, 상기 3차원 다공성 그래핀을 이용한 수소(H2) 저장방법을 제공한다.The present invention also provides a method for storing hydrogen (H 2 ) using the three-dimensional porous graphene.

본 발명은 또한, 상기 3차원 다공성 그래핀을 함유하는 수소(H2) 흡착제를 제공한다.The present invention also provides a hydrogen (H 2 ) adsorbent containing the three-dimensional porous graphene.

본 발명에 따른 3차원 다공성 그래핀의 제조방법은 유기연결체의 길이에 따라 그래핀의 층간거리를 제어할 수 있어 그래핀 구조체의 비표면적을 결정할 수 있다. 아울러 유기연결체의 아민기와 그래핀 옥사이드의 에스터기가 반응하여 형성되는 벤조이미다졸 구조는 현재까지 이산화탄소 및 수소를 저장하는데 가장 용이한 화학구조로 알려져 있다. 상기 제조방법은 반응물들을 하나의 반응기에서 반응시키는 원 포트 반응(One-pot reaction)이며, 환경오염을 야기시키거나 합성비용을 증가시키는 촉매 및 계면활성제와 같은 첨가제를 사용하지 않아 친환경적이며 제조비용을 절감시키는 효과가 있다.According to the method for producing a three-dimensional porous graphene according to the present invention, the interlayer distance of graphene can be controlled according to the length of the organic binder, and the specific surface area of the graphene structure can be determined. In addition, the benzoimidazole structure in which an amine group of an organic linking group and an ester group of a graphene oxide are formed by reaction is known to be the easiest chemical structure to store carbon dioxide and hydrogen to date. The preparation method is a one-pot reaction in which reactants are reacted in a single reactor, and is environmentally friendly because it does not use additives such as a catalyst and a surfactant that cause environmental pollution or increase synthesis cost, There is a saving effect.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 다공성 그래핀의 제조하는 방법을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 그래핀의 FTIR(Fourier transform infrared spectroscopy) 분석결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 그래핀의 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 그래핀의 PXRD(Powder X-Ray Diffraction) 분석결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 그래핀의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 그래핀의 TGA(Thermogravimeteric analysis) 분석결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 그래핀의 PSD(pore-size distribution) 분석결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 그래핀의 BET(Brunauer Emmett Teller) 분석결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 다공성 그래핀을 이용한 기체 흡탈착 등온선 분석결과이다.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a method of manufacturing a three-dimensional porous graphene according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis result of a three-dimensional porous graphene according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis result of a three-dimensional porous graphene according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a PXRD (Powder X-Ray Diffraction) analysis result of a three-dimensional porous graphene according to an embodiment of the present invention.
5 is an SEM (Scanning Electron Microscope) image of a three-dimensional porous graphene according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a TGA (thermogravimetric analysis) analysis result of a three-dimensional porous graphene according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a pore-size distribution (PSD) analysis result of a three-dimensional porous graphene according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a BET (Brunauer Emmett Teller) analysis result of a three-dimensional porous graphene according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing gas absorption / desorption isotherms of a three-dimensional porous graphene according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체적인 예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.The present invention can be all accomplished by the following description. It is to be understood that the following description is only illustrative of preferred embodiments of the invention, but the invention is not necessarily limited thereto. It is to be understood that the accompanying drawings are included to provide a further understanding of the invention and are not to be construed as limiting the present invention. The details of the individual components may be properly understood by reference to the following detailed description of the related description.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

본 명세서에서 사용되는 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.The terms used in this specification can be defined as follows.

"층간 거리”는 그래핀 시트와 시트 사이의 거리를 의미한다. "Interlayer distance " means the distance between the graphen sheet and the sheet.

"유기 연결체"는 그래핀 시트와 시트 사이에 삽입되는 유기 물질로서 그래핀들의 층간 거리를 조절한다. "Organic linkages" control the interlayer distance of graphenes as an organic material that is inserted between the graphene sheet and the sheet.

"기체 선택도(Selectivity)"는 흡착제가 혼합 가스 중 특정 기체만을 얼마나 선택적으로 흡착할 수 있는지에 대한 지표이다."Selectivity" is an index of how selectively adsorbent can adsorb only a specific gas in a mixed gas.

본 발명에서는 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)와 아민기를 포함하는 유기연결체를 용매에 분산시켜 3차원 다공성 그래핀을 제조할 경우, 유기연결체의 길이에 따라 그래핀의 층간 거리를 제어할 수 있으며, 환경오염을 야기시키거나 합성비용을 증가시키는 촉매 및 계면활성제와 같은 첨가제를 사용하지 않고 3차원 다공성 그래핀을 제조할 수 있음을 확인하였다. In the present invention, when three-dimensional porous graphene is prepared by dispersing an organic linking material containing an ester group and an amine group in a solvent, the distance between layers of graphene And it is confirmed that three-dimensional porous graphene can be produced without using additives such as catalyst and surfactant which cause environmental pollution or increase synthesis cost.

도 1에 나타난 바와 같이, 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)와 아민기를 포함하는 유기연결체를 이용하여 3차원 다공성 그래핀을 수득하였다. As shown in Fig. 1, a three-dimensional porous graphene was obtained by using an organic linking material containing an ester group and an amine group, such as graft-oxide (GO-ester) containing an ester group.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)와 아민기를 포함하는 유기연결체를 용매에 분산시킨 다음, 반응시키는 단계를 포함하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법에 관한 것이다. Accordingly, in one aspect, the present invention relates to a method for producing a three-dimensional porous graphene comprising the step of dispersing an organic linking material containing graft-oxide (GO-ester) containing an ester group and an amine group in a solvent, .

본 발명에 있어서, 그래핀 옥사이드의 에스터기와 유기연결체의 아민기가 반응하여 벤조이미다졸(Benzimidazole) 구조를 형성할 수 있다. In the present invention, the ester group of the graphene oxide and the amine group of the organic linkage may react to form a benzimidazole structure.

본 발명에 있어서, 촉매 및 계면활성제를 포함하지 않는 것이 바람직하다. In the present invention, it is preferable not to include a catalyst and a surfactant.

본 발명에 있어서, 아민기를 포함하는 유기연결체는 3,3‘,4,4’-테트라아미노비페닐(3,3‘,4,4’-tetraaminobiphenyl), 3,3‘,4,4’-테트라아미노터페닐(3,3‘,4,4’-tetraaminoterphenyl), 벤지딘(benzidine), 1,5-디아미노나프탈렌(1,5-diaminonaphthalene), (E)-4,4'-(디아젠-1,2-디일)디아닐린((E)-4,4'-(diazene-1,2-diyl)dianiline) 또는 다이아민기를 갖는 유기연결체로 에틸렌다이아민(Ethylenediamine), 1,6-다이아미노헥세인(1,6-Diaminohexane), 1,8-다이아미노옥테인(1,8-Diaminooactne)인 것이 바람직하다.In the present invention, the organic linking material containing an amine group is preferably selected from the group consisting of 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl (3,3', 4,4'-tetraaminobiphenyl) (3,3 ', 4,4'-tetraaminoterphenyl), benzidine, 1,5-diaminonaphthalene, (E) -4,4'- (E) -4,4 '- (diazene-1,2-diyl) dianiline or an organic linkage having a diamine group such as ethylenediamine, 1,6- 1,6-diaminohexane, and 1,8-diaminooctein are preferable.

이하, 상기 아민기를 포함하는 유기연결체의 화학식을 나타낸다. Hereinafter, the formula of the organic linkage containing the amine group is shown.

3,3‘,4,4’-테트라아미노비페닐3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl

Figure pat00001
Figure pat00001

3,3‘,4,4’-테트라아미노터페닐3,3 ', 4,4'-tetraaminophenyl

Figure pat00002
Figure pat00002

벤지딘Benzidine

Figure pat00003
Figure pat00003

1,5-디아미노나프탈렌1,5-diaminonaphthalene

Figure pat00004
Figure pat00004

(E)-4,4'-(디아젠-1,2-디일)디아닐린(E) -4,4 '- (Diazene-1,2-diyl) dianiline

Figure pat00005
Figure pat00005

다이아민기를 갖는 유기연결체 (n = 2, 6, 8, 에틸렌다이아민 (Ethylenediamine), 1,6-다이아미노헥세인(1,6-Diaminohexane), 1,8-다이아미노옥테인(1,8-Diaminooactne))(N = 2, 6, 8, Ethylenediamine, 1,6-Diaminohexane, 1,8-diaminooctane (1, 8-Diaminoacetyl))

Figure pat00006
Figure pat00006

본 발명에 있어서, 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)와 아민기를 포함하는 유기연결체는 산소의 몰 비율이 1:0.1 ~ 1:5인 것이 바람직하고, 1:1인 것이 가장 바람직하다. In the present invention, it is preferable that the molar ratio of oxygen is 1: 0.1 to 1: 5, and most preferably 1: 1, for graphene oxide (GO-ester) containing an ester group and an organic linking material containing an amine group Do.

본 발명에 있어서, 용매는 DMF(dimethylformamide), THF(tetrahydrofuran), 증류수, 디옥산(dioxane), 에탄올 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. In the present invention, the solvent may be DMF (dimethylformamide), THF (tetrahydrofuran), distilled water, dioxane, ethanol or a mixture thereof.

본 발명에 있어서, 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)는 그래핀 옥사이드(Graphene oxide)와 트리에틸올쏘아세테이트(Triethyl orthoacetate)를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 파라톨루엔설폰산(p-Toluenesufonic acid)에 분산시켜 수득할 수 있다. 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)는 그래핀 옥사이드(GO)를 Johnson-Claisen rearrangement를 통해 -OH기를 -COO-(에스터기)로 전환시킨 것으로, 단순히 그래핀 옥사이드(GO)와 유기연결체를 사용하는 것보다 더 환원된 RGO를 수득할 수 있고, 더 넓고 많은 π-π 공명구조를 얻을 수 있으며, 아민기를 포함하는 유기연결체와 반응을 통해 벤조이미다졸(Benzimidazole) 구조를 형성한다.In the present invention, graphene oxide (GO-ester) containing an ester group is obtained by mixing graphene oxide and triethyl orthoacetate; And dispersing the mixture in p-toluenesufonic acid. Graft-oxide (GO-ester) containing an ester group is obtained by converting graphene oxide (GO) to -COO- (ester group) through a Johnson-Claisen rearrangement and merely converting graphene oxide (GO) It is possible to obtain more reduced RGO than using a linker, obtain a wider and more π-π resonance structure, and form a benzimidazole structure through reaction with an organic linkage containing an amine group do.

본 발명에 있어서, 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)와 아민기를 포함하는 유기연결체를 유기용매에 분산시킨 후, 60 ~ 150℃에서 3 ~ 5일 동안 반응하여 제조할 수 있으며, 원 포트 반응(One-pot Reaction)으로 3차원 다공성 그래핀을 제조할 수 있다. 상기 온도는 사용된 용매의 끓는점을 기준으로 적용된 반응온도이며, 반응시간은 3일 보다 짧을 경우 3차원 구조체가 형성되지 않으며, 5일 이상 반응이 되면 비표면적이 감소한다.In the present invention, graphene oxide (GO-ester) containing an ester group and an organic linking material containing an amine group may be dispersed in an organic solvent and reacted at 60 to 150 ° C for 3 to 5 days. Three-dimensional porous graphene can be produced by one-pot reaction. When the reaction time is shorter than 3 days, the three-dimensional structure is not formed. When the reaction time is more than 5 days, the specific surface area decreases.

또한, 상기 혼합물을 냉각, 여과, 세척, 및 건조단계를 더 포함하여 3차원 다공성 그래핀을 제조할 수 있다. Further, the mixture may be further cooled, filtered, washed, and dried to produce three-dimensional porous graphene.

또한, 본 발명에서는 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)와 아민기를 포함하는 유기연결체를 용매에 분산시켜 수득된 3차원 다공성 그래핀으로 이산화탄소 또는 수소를 흡착할 수 있음을 확인하였다. Also, in the present invention, it was confirmed that carbon dioxide or hydrogen can be adsorbed by the three-dimensional porous graphene obtained by dispersing an organic linking material containing an ester group and an amine group containing an ester group in a solvent.

도 2 내지 8은 본 발명의 3차원 다공성 그래핀의 특성 분석 결과이며, 도 9는 본 발명의 3차원 다공성 그래핀을 이용한 기체 흡탈착 등온선 분석 결과이다. FIGS. 2 to 8 are results of analyzing characteristics of the three-dimensional porous graphenes of the present invention, and FIG. 9 are graphs of gas absorption / desorption isotherms of the three-dimensional porous graphenes of the present invention.

따라서, 본 발명은 다른 관점에서, 상기 제조방법으로 제조되고, 비표면적은 400 ~ 800 m2/g인 3차원 다공성 그래핀에 관한 것이다. Accordingly, the present invention, in another aspect, relates to a three-dimensional porous graphene produced by the above production method and having a specific surface area of 400 to 800 m 2 / g.

본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 3차원 다공성 그래핀을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for adsorbing carbon dioxide (CO 2 ) using the three-dimensional porous graphene.

본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 3차원 다공성 그래핀을 함유하는 이산화탄소(CO2) 흡착제를 제공한다.The invention also provides in another aspect, the carbon dioxide (CO 2) containing the three-dimensional porous graphene adsorbent.

본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 3차원 다공성 그래핀을 이용한 수소(H2) 저장방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for storing hydrogen (H 2 ) using the three-dimensional porous graphene.

본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 3차원 다공성 그래핀을 함유하는 수소(H2) 흡착제를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a hydrogen (H 2 ) adsorbent containing the three-dimensional porous graphene.

본 발명의 3차원 다공성 그래핀은 이산화탄소 또는 수소를 흡착할 수 있다. 그래핀 옥사이드의 에스터기와 유기연결체의 아민기가 반응하여 벤조이미다졸(Benzimidazole) 구조를 형성하게 되는데, 벤조이미다졸 구조는 현재까지 이산화탄소와 수소 저장에 용이한 화학구조로 알려져 왔다. The three-dimensional porous graphene of the present invention can adsorb carbon dioxide or hydrogen. The ester group of graphene oxide reacts with the amine group of the organic linkage to form a benzimidazole structure. To date, the benzimidazole structure has been known to have an easy chemical structure for storing carbon dioxide and hydrogen.

본 발명의 3차원 다공성 그래핀은 273K에서 3.75 mmol/g의 이산화탄소 흡착량을 나타내었으며, 최대 31.7 kJ/mol의 이산화탄소 흡착열(물리적 흡착)을 나타내었다. 또한, 3차원 다공성 그래핀의 수소 저장 능력은 77K에서 1.2 wt%의 수소 흡착량 및 7.3 kJ/mol의 수소 흡착열(물리적 흡착)을 나타내었다.The three-dimensional porous graphene of the present invention exhibited a carbon dioxide adsorption amount of 3.75 mmol / g at 273 K and a maximum adsorption heat of chemical absorption (physical adsorption) of 31.7 kJ / mol. In addition, the hydrogen storage capacity of the 3D porous graphene showed hydrogen adsorption amounts of 77 wt% and 1.2 wt% and hydrogen adsorption heat (physical adsorption) of 7.3 kJ / mol.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It will be apparent to those skilled in the art that these embodiments are merely illustrative of the present invention and that the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

실시예Example 1: 에스터기를 포함하는  1: containing an ester group 그래핀Grapina 옥사이드(GO-ester)의Of oxide (GO-ester) 제조 Produce

그래핀 옥사이드(Graphene Oxide, GO) 200 mg과 트리에틸 올쏘아세테이트(triethyl orthoacetate, 98%) 156.7 mL 을 200 mL 둥근 바닥 플라스크에 넣은 다음 10분 동안 초음파 처리한다. 상기 혼합물에 파라톨루엔설폰산(p-toluenesulfonic acid, >97%) 7.1 mg을 추가한다. 상기 반응 혼합물은 130℃에서 36시간동안 환류되어 black solution을 수득하였다. 상온까지 냉각시킨 후, 상기 혼합물은 아세톤 40 mL에 초음파 세척기를 이용하여 10분 동안 분산시킨 다음, 원심 분리(7800rpm, 20분)하여 침전물을 수득하였다. 상기 아세톤에 분산시킨 다음 원심분리 하는 단계를 2회 반복하였다. 또한, 반응하지 않은 출발물질과 불순물을 제거하기 위하여 상기와 같은 방법으로 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran, THF)에 분산시킨 다음 원심분리 하는 단계를 2회 반복하였다. 부유물과 투명액체는 그때마다 폐기되었다. 최종 침전물은 진공 분위기에서 건조시켰으며, 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester) 150 mg을 수득하였다. 200 mg of graphene oxide (GO) and 156.7 mL of triethyl orthoacetate (98%) are placed in a 200 mL round bottom flask and sonicated for 10 minutes. 7.1 mg of p-toluenesulfonic acid (> 97%) is added to the mixture. The reaction mixture was refluxed at 130 DEG C for 36 hours to obtain a black solution. After cooling to room temperature, the mixture was dispersed in 40 mL of acetone for 10 minutes using an ultrasonic washing machine, and then centrifuged (7800 rpm, 20 minutes) to obtain a precipitate. The step of dispersing in acetone and then centrifuging was repeated twice. In order to remove unreacted starting materials and impurities, the step of dispersing in tetrahydrofuran (THF) in the same manner as above was repeated twice. Suspended and clear liquids were discarded each time. The resulting precipitate was dried in a vacuum atmosphere, and 150 mg of graphene oxide (GO-ester) containing an ester group was obtained.

실시예Example 2: GO-ester를 이용한 다공성  2: Porosity using GO-ester 그래핀의Grapina 제조 Produce

실시예 1에서 제조된 GO-Ester 50 mg과 유기연결체인 3,3',4,4'-테트라아미노바이페닐(3,3',4,4'-tetraaminobiphenyl) 128.6 mg을 준비된 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF) 25 mL에 넣은 다음 10분 동안 초음파 처리한다. 이때 GO-ester와 테트라아미노바이페닐의 함량은 산소의 몰비가 1:1인 것이며, 상기 반응은 150℃에서 4일동안 반응을 진행하였다. 상기 반응 혼합물을 상온까지 냉각시킨 후 생성된 침전물을 원심분리 하고 에탄올(100 mL*3회)과 THF(100 mL*3회)로 여러 번 세척한 다음, 추가 정제를 위하여 속슬렛 추출(Soxhlet extraction)법으로 에탄올과 THF를 각각 24시간 추출하였다. 최종 생성물은 검정 고체(black solid)로 분리되었으며, 상기와 같이 제조된 다공성 그래핀을 'PGN-1'로 표기한다. 50 mg of GO-Ester prepared in Example 1 and 128.6 mg of 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl (3,3', 4,4'-tetraaminobiphenyl) as an organic linker were dissolved in dimethylformamide dimethylformamide, DMF) and sonicated for 10 minutes. At this time, the content of GO-ester and tetraaminobiphenyl was in a molar ratio of 1: 1, and the reaction was carried out at 150 ° C for 4 days. After cooling the reaction mixture to room temperature, the resulting precipitate was centrifuged and washed several times with ethanol (100 mL * 3 times) and THF (100 mL * 3 times), and then subjected to Soxhlet extraction ) Ethanol and THF were extracted for 24 hours, respectively. The final product was separated into a black solid and the porous graphene thus prepared was designated 'PGN-1'.

다른 방법으로, 상기 'PGN-1'의 제조방법 중 유기연결체인 3,3',4,4'-테트라아미노터페닐(3,3',4,4'-tetraaminoterphenyl) 262 mg을 넣은 것을 제외하고는 동일한 방법으로 제조하였으며, 상기와 같이 제조된 다공성 그래핀을 'PGN-2'로 표기한다. Alternatively, except for the addition of 262 mg of 3,3 ', 4,4'-tetraaminoterphenyl (3,3', 4,4'-tetraaminoterphenyl) as an organic linker in the above-mentioned 'PGN-1' The porous graphene thus prepared was designated as 'PGN-2'.

실시예Example 3: 다공성  3: Porosity 그래핀의Grapina 특성 분석 Character analysis

도 2-(a)는 다공성 그래핀의 FTIR 분석결과로, 물질의 표면 관능기(functional group)를 확인하기 위한 것이다. GO의 경우 3345 cm-1에서 넓은 peak을 보이는데 이는 다량의 -OH기를 함유하는 것을 의미하고, 1725 cm-1 peak은 에스터기(-COO-)를 나타내며 GO 표면에 에스터기가 거의 없는 것을 확인할 수 있으며, 1619 cm-1 peak은 C=C 결합을 의미한다. GO-ester의 경우, 3345 cm-1에서 peak(-OH)이 줄어들고, 1725 cm-1 peak(-COO-)이 증가한 것을 확인할 수 있으며, 이는 그래핀 표면의 -OH가 -COO-기로 전환되었음을 알 수 있다. 또한, 1619 cm-1 peak의 증가로 GO가 RGO로 환원되었음을 확인할 수 있다. PGN-1 및 PGN-2 의 경우, 1724 cm-1 peak이 사라진 것을 통해 GO-ester의 -COO-가 유기연결체의 다이아민(diamine)과 반응했음을 예상할 수 있다. 또한, 도 2-(b)는 확장된 FTIR 분석결과로, 각각 표시된 peak는 벤조이미다졸(benzimidazole)의 특성 peak로서, PGN-1 및 PGN-2의 경우, 그래핀 시트와 유기연결체 사이에 벤조이미다졸 구조가 형성되었음을 확인하였다. 2- (a) is a result of FTIR analysis of porous graphene to confirm the surface functional group of the material. GO shows a broad peak at 3345 cm -1 , which means that it contains a large amount of -OH groups, 1725 cm -1 peak indicates an ester group (-COO-), and there is little ester group on the GO surface , 1619 cm -1 peak means C = C bond. In the case of the GO-ester, the peak (-OH) decreased at 3345 cm -1 and the 1725 cm -1 peak (-COO-) increased, indicating that the -OH of the graphene surface was converted to the -COO- group Able to know. In addition, it can be confirmed that GO is reduced to RGO by increasing the peak at 1619 cm -1 . In the case of PGN-1 and PGN-2, it can be expected that the -COO- of the GO-ester reacted with the diamine of the organic linkage through the disappearance of the 1724 cm -1 peak. In addition, Fig. 2- (b) shows the results of the extended FTIR analysis. As a characteristic peak of each of the benzimidazole peaks, PGN-1 and PGN-2 show peaks between the graphene sheet and the organic coupler Benzoimidazole structure was formed.

도 3 및 표 1은 다공성 그래핀의 XPS 분석결과로, 원소와 원소 사이에 결합되는 양(그래프의 면적을 비교)을 측정하기 위한 것이며, 각각의 결합마다 bonding energy가 다르게 나타난다. GO가 GO-ester로 변형되는 경우, C-OH 결합은 감소하고 O-C=O 결합이 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있으며, C-C 결합이 증가하여 GO가 환원되었음을 알 수 있다. PGN-1 및 PGN-2의 경우, C-C 결합의 증가와 더불어 C-N 결합이 생성되었음을 확인할 수 있으며, O-C=0 결합이 감소한 것을 통해 벤조이미다졸 구조가 형성되었음을 확인하였다.FIG. 3 and Table 1 are for measuring the amount of bonding between the element and the element (comparing the area of the graph) as a result of XPS analysis of the porous graphene, and the bonding energy is different for each bonding. When GO is modified to GO-ester, it can be seen that the C-OH bond is reduced and the O-C = O bond is abruptly increased, and that the GO is reduced by increasing the C-C bond. In the case of PGN-1 and PGN-2, it was confirmed that the C-N bond was formed together with the increase of the C-C bond, and it was confirmed that the benzimidazole structure was formed by the decrease of the O-C = 0 bond.

Figure pat00007
Figure pat00007

표 2는 다공성 그래핀의 원소분석결과로, 시료를 태워 구성성분을 알아보는 분석법이다. GO와 GO-ester의 산소함량을 비교하면 GO-ester로 전환되면서 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 그래핀 옥사이드가 환원되어 π-π 공명구조를 확보한 것을 의미한다. GO-ester가 PGN-1, PGN-2로 전환되면서 질소함량(아민)이 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 3차원 다공성 그래핀 구조체 내에 벤조이미다졸 구조가 형성되었음을 나타내는 것이다.Table 2 shows the results of elemental analysis of porous graphene. When the GO content of the GO-ester was compared with that of the GO-ester, it was found that the content of GO-ester decreased rapidly, indicating that the graphene oxide was reduced to secure the π-π resonance structure. As the GO-ester was converted to PGN-1 and PGN-2, the nitrogen content (amine) increased sharply. This indicates that a benzimidazole structure is formed in the three-dimensional porous graphene structure.

Figure pat00008
Figure pat00008

도 4는 다공성 그래핀의 PXRD(Powder X-Ray Diffraction) 분석결과로, 그래핀의 층간 거리를 측정하기 위한 것이다. GO의 경우, graphite로부터 각각의 그래핀 시트를 산화시켜 분리하여 약 0.816 nm에 해당하는 층간거리를 확인할 수 있었고, GO-ester로 전환되었을 경우, GO 표면의 -OH기들이 -COO-로 전환됨에 따라 층간 거리가 약 1.3 nm로 증가했음을 확인하였다. 또한, 각기 다른 길이의 유기연결체를 이용하여 제조된 PGN-1, PGN-2는 GO-ester보다 긴 층간 거리를 갖는 것을 확인하였으며, 넓은 형태의 peak를 통해 비정질 구조를 갖는다는 것을 확인하였다.4 is a graph showing the PXRD (Powder X-Ray Diffraction) analysis of porous graphene to measure the interlayer distance of graphene. In the case of GO, each graphene sheet was oxidized and separated from graphite to confirm the interlayer distance of about 0.816 nm. When converted to GO-ester, the -OH groups on the GO surface were converted to -COO- It was confirmed that the interlayer distance increased to about 1.3 nm. In addition, PGN-1 and PGN-2 prepared by using organic linkers of different lengths have longer interlayer distances than GO-ester, and it was confirmed that they have an amorphous structure through wide-shaped peaks.

도 5는 다공성 그래핀의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지로, GO와 GO-Ester의 단면 SEM 이미지들은 그래핀 시트들의 층간 거리가 증가했음을 보여준다. PGN-1,PGN-2의 경우 그래핀 시트들이 각기 다른 방향으로 적층되어 3차원 다공성 구조체를 형성하였음을 확인하였다. FIG. 5 is an SEM (Scanning Electron Microscope) image of a porous graphene, and cross-sectional SEM images of GO and GO-Ester show that the interlayer distance of graphene sheets is increased. In the case of PGN-1 and PGN-2, it was confirmed that graphene sheets were laminated in different directions to form a three-dimensional porous structure.

도 6은 다공성 그래핀의 TGA(Thermogravimeteric analysis) 분석결과로, 온도가 증가함에 따라 시료의 열분해도를 측정하는 것이다. 도 6-(a)는 Air 분위기에서, 도 6-(b)는 N2 분위기에서 분석을 진행하였으며, GO 및 GO-ester는 200℃ 정도에서 분해되는 것에 비해, PGN-1 및 PGN-2의 경우에는 350℃까지 안정적인 것을 확인하였다.FIG. 6 is a graph showing the results of TGA (thermogravimetric analysis) analysis of porous graphene, and the degree of thermal decomposition of the sample is measured as the temperature increases. Fig. 6- (a) is from Air atmosphere, Fig. 6- (b) was conducted an analysis in N 2 atmosphere, GO and GO-ester was compared to the decomposition at about 200 ℃, the PGN PGN-1 and-2 It was confirmed that it was stable up to 350 ° C.

도 7은 다공성 그래핀의 PSD(pore-size distribution) 분석결과로, 시료의 기공 크기와 분포 정도를 확인하기 위한 것이다. PGN-1의 경우 평균 지름이 0.58 nm크기의 기공들이 주로 분포되었으며, PGN-2 는 PGN-1에 비해 0.58 nm 크기의 기공들이 적게 분포된 것을 확인하였다. 이는 PGN-2를 제조할 때 사용된 유기연결체(3,3',4,4'-테트라아미노터페닐)가 PGN-1을 제조할 때 사용된 유기연결체(3,3',4,4'-테트라아미노바이페닐)에 비해 길어 그래핀의 층간 사이에 기울어진 형태로 연결되어 이 같은 결과가 나온 것을 확인하였다. FIG. 7 shows the pore size distribution and the degree of distribution of the sample as a result of the PSD (pore-size distribution) analysis of the porous graphene. In the case of PGN-1, pores with an average diameter of 0.58 nm were mainly distributed, and PGN-2 showed less pores of 0.58 nm than PGN-1. (3,3 ', 4,4'-tetraaminopurphenyl) used in the preparation of PGN-2 was replaced with the organic linker (3,3', 4,4'- 4'-tetraaminobiphenyl), which is longer than that of the graphene layer.

도 8 및 표 3은 다공성 그래핀의 BET(Brunauer Emmett Teller) 측정결과로, 시료의 비표면적을 확인하기 위한 것이다. GO-Ester, PGN-1 및 PGN-2의 비표면적은 각각 76 m2/, 732 m2/g, 416 m2/g으로 확인되었으며, 도 8에서PGN-1 및 PGN-2는 상대압력 0.0 ~ 0.1 사이에서 마이크로 크기의 기공이 분포하는 것을 확인하였다. 이는GO-Ester 시트가 아민기를 갖는 유기 연결체와 반응하여 3차원 다공성 그래핀을 형성하였음을 나타낸다. 또한, 유기연결체의 길이가 짧을수록 비표면적이 넓은 것을 확인하였다. 이는 그래핀 시트와 에스터기 사이 α 탄소의 유연성 때문인데, 긴 유기연결체가 그래핀 옥사이드 시트 사이에 기울어진 형태로 연결되어 있음을 의미한다.8 and Table 3 are for checking the specific surface area of the sample as a result of measurement of the BET (Brunauer Emmett Teller) of the porous graphene. The specific surface areas of GO-Ester, PGN-1 and PGN-2 were 76 m 2 /, 732 m 2 / g and 416 m 2 / g, respectively. PGN-1 and PGN- It was confirmed that micro-sized pores were distributed in the range of 0.1 to 0.1. This indicates that the GO-Ester sheet reacted with an organic linkage having an amine group to form a three-dimensional porous graphene. Also, it was confirmed that the shorter the length of the organic connecting material, the larger the specific surface area. This is due to the flexibility of the alpha carbon between the graphene sheet and the ester group, which means that the long organic linkages are tilted between the graphene oxide sheets.

Figure pat00009
Figure pat00009

실시예Example 4: 다공성  4: Porosity 그래핀의Grapina 기체  gas 흡착능Adsorption capacity 분석 analysis

도 9는 다공성 그래핀의 기체 흡탈착 등온선을 나타낸 것이며, 표 4는 도 9를 바탕으로 흡착량 및 흡착열, 선택도를 측정한 결과이다. 이산화탄소 흡착량 측정은 각각 273 K, 298 K에서 실시되었으며, 앞에 서술한 바와 같이 가장 큰 비표적을 갖는 PGN-1이 가장 높은 이산화탄소 흡착량(3.75 mmolg-1, 273 K, 1.1 bar)및 수소 흡착량 (1.2 wt% 77K 1.1 bar)을 나타내었다. FIG. 9 shows the gas absorption / desorption isotherm of the porous graphene, and Table 4 shows the adsorption amount, adsorption heat, and selectivity based on FIG. Carbon dioxide adsorption amount was measured at 273 K and 298 K, respectively. As described above, PGN-1 having the largest specific target had the highest amount of carbon dioxide adsorption (3.75 mmol g -1 , 273 K, 1.1 bar) and hydrogen adsorption (1.2 wt% 77K 1.1 bar).

흡착열은 Clausius-Clapeyron Equation 을 이용하여 계산하였다. Adsorption heat was calculated using Clausius-Clapeyron Equation.

Figure pat00010
Figure pat00010

P = 압력, △Hν = 흡착열, R = 기체상수, T = 온도P = pressure, ΔHν = heat of adsorption, R = gas constant, T = temperature

특히 PGN-1, PGN-2는 31.0 KJmol-1, 31.7 KJmol-1의 높은 이산화탄소 흡착열(물리적 흡착)을 나타내었는데, 이는 PGN-1, PGN-2의 벤조이미다졸 구조의 높은 이산화탄소 친화력 때문이다. 이는 또한 높은 수소 흡착열(PGN-1; 7.3 KJmol-1, PGN-2; 7.3 KJmol-1)에 기여한다.In particular PGN-1, PGN-2 is 31.0 KJmol -1, -1 31.7 KJmol eotneunde indicate high carbon dioxide adsorption (physisorption), which is due to the high affinity of the carbon dioxide-benzoimidazole structure of the PGN-1, PGN-2. It also contributes to high hydrogen adsorption heat (PGN-1; 7.3 KJmol- 1 , PGN-2; 7.3 KJmol- 1 ).

기체 선택도 (Selectivity)는 흡착제가 혼합 가스 중 특정 기체만을 얼마나 선택적으로 흡착할 수 있는지에 대한 지표이다. 온도 273 K혼합 기체 (이산화탄소, 질소 분율 0.15:0.85)에서 PGN-1, PGN-2는 GO-Ester와 비교하였을 때 뛰어난 이산화탄소 기체 선택도를 나타낸다(GO-Ester 56, PGN-1 130, PGN-2 103). 이는 벤조 이미다졸 구조에 의해 PGN-1, PGN-2가 극성 분자인 이산화탄소를 더 잘 흡착하기 때문이다.Gas selectivity is an indicator of how selectively adsorbent can adsorb specific gases in the mixed gas. PGN-1 and PGN-2 exhibit excellent carbon dioxide gas selectivity when compared to GO-Ester in a 273 K gas mixture (carbon dioxide, nitrogen fraction 0.15: 0.85) (GO-Ester 56, PGN- 2 103). This is because PGN-1 and PGN-2 are more adsorbed by the benzimidazole structure than the polar molecules, carbon dioxide.

Figure pat00011
Figure pat00011

표 5는 본 발명의 3차원 다공성 그래핀(PGN-1)과 공지된 다공성 그래핀의 특성을 비교한 것으로, PGF-1 및 PGF-2는 Pd촉매를 사용하여 제조된 다공성 그래핀이고(R. Kumaret al., Chem. Commun., 50:2015, 2014), sGOBIN-1DMF는 그래핀 옥사이드와 다이아민기를 갖는 유기연결체를 사용하여 제조된 것이다(Y. Cui et al., Nanoscale, 5:8367, 2013).Table 5 compares the characteristics of the three-dimensional porous graphene (PGN-1) of the present invention and the known porous graphene, wherein PGF-1 and PGF-2 are porous graphene prepared using Pd catalyst (Y. Cui et al., Nanoscale, 5 (2001), 5, 2015, 2014), sGOBIN-1 DMF was prepared using an organic linker having graphene oxide and a diamine group : 8367, 2013).

팔라듐(Pd) 촉매를 사용하여 제조된 PGF-1 및 PGF-2의 경우, 이산화탄소 흡착량이 각각 273K에서 1.64 mmol g-1, 1.76 mmol g-1, 298K에서 1.26 mmol g-1, 1.43 mmol g- 1으로, PGN-1의 이산화탄소 흡착량이 더 우수함을 확인하였으며(273K에서 3.75 mmol g-1, 298K에서 2.36 mmol g-1), 흡착열도 PGN-1(31.0 kJ mol- 1)이 PGF-1(27.4 kJ mol-1) 및 PGF-2(27.7 kJ mol-1)보다 더 높은 것을 확인하였다. Palladium (Pd) and the case of the PGF-1-PGF 2 produced by using a catalyst, respectively, the amount of carbon dioxide adsorbed at 273K 1.64 mmol g -1, 1.76 mmol g -1, 1.26 mmol g -1 at 298K, 1.43 mmol g - 1 (31.0 kJ mol - 1 ) was higher than that of PGF-1 (3.75 mmol g -1 at 273 K and 2.36 mmol g -1 at 298 K) 27.4 kJ mol -1 ) and PGF-2 (27.7 kJ mol -1 ).

촉매의 사용 없이, 그래핀 옥사이드와 다이아민기를 갖는 유기연결체를 사용하여 제조된 sGOBIN의 이산화탄소 흡착량은 273K에서 3.22 mmol g-1로 같은 조건에서 PGN-1이 더 많은 이산화탄소를 흡착할 수 있으며, 흡착열 또한 PGN-1이 31.0 kJ mol-1로 sGOBIN 25.0 kJ mol-1보다 더 높은 흡착열을 갖는 것을 확인하였다. 상기 sGOBIN은 본 발명의 PGN-1과 같이 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드가 아닌 그래핀 옥사이드와 다이아민기를 갖는 유기연결체를 바로 반응시킨 것으로, 그래핀 표면에 Oxygen 그룹이 많이 남아 있다. 따라서, sGOBIN 및 PGN-1은 모두 벤조이미다졸 구조를 갖고 있지만, PGN-1이 상대적으로 적은 비표면적을 갖고 있음에도 불구하고 높은 이산화탄소 흡착량과 흡착열을 갖는 것을 확인할 수 있다.Without using a catalyst, the amount of carbon dioxide adsorbed by sGOBIN prepared using an organic linker having graphene oxide and a diamine group was 3.22 mmol g -1 at 273 K. Under the same conditions, PGN-1 could adsorb more carbon dioxide , And the adsorption heat also showed that the adsorption heat of PGN-1 was 31.0 kJ mol -1 higher than that of sGOBIN 25.0 kJ mol -1 . The sGOBIN is obtained by directly reacting an organic linkage having a diamine group with graphene oxide, which is not graphene oxide containing an ester group like the PGN-1 of the present invention, and many Oxygen groups remain on the graphene surface. Therefore, although both sGOBIN and PGN-1 have a benzimidazole structure, it can be confirmed that PGN-1 has a high specific surface area and a high carbon dioxide adsorption amount and adsorption heat.

Figure pat00012
Figure pat00012

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

Claims (16)

에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)와 아민기를 포함하는 유기연결체를 용매에 분산시킨 다음, 반응시키는 단계를 포함하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법.
Dispersing an organic linking material containing graft-oxide (GO-ester) containing an ester group and an amine group in a solvent, and reacting the grafted oxide with an organic solvent.
제1항에 있어서, 상기 그래핀 옥사이드의 에스터기와 유기연결체의 아민기의 반응에 의해 벤조이미다졸(Benzimidazole) 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법.
The method of claim 1, wherein a benzimidazole structure is formed by reacting an ester group of the graphene oxide and an amine group of an organic linking agent.
제1항에 있어서, 상기 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)는 그래핀 옥사이드(Graphene oxide)와 트리에틸올쏘아세테이트(Triethyl orthoacetate)를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 파라톨루엔설폰산(p-Toluenesufonic acid)에 분산시켜 수득하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법.
2. The method of claim 1, wherein the grafting oxide (GO-ester) comprising the ester group comprises: mixing graphene oxide and triethyl orthoacetate; And dispersing the mixture in p-toluenesufonic acid to obtain a three-dimensional porous graphene.
제1항에 있어서, 상기 아민기를 포함하는 유기연결체는 3,3‘,4,4’-테트라아미노비페닐(3,3‘,4,4’-tetraaminobiphenyl), 3,3‘,4,4’-테트라아미노터페닐(3,3‘,4,4’-tetraaminoterphenyl), 벤지딘(benzidine), 1,5-디아미노나프탈렌(1,5-diaminonaphthalene), (E)-4,4'-(디아젠-1,2-디일)디아닐린((E)-4,4'-(diazene-1,2-diyl)dianiline), 에틸렌다이아민(Ethylenediamine), 1,6-다이아미노헥세인(1,6-Diaminohexane), 1,8-다이아미노옥테인(1,8-Diaminooactne)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법.
2. The organic electroluminescent device according to claim 1, wherein the organic linking group containing the amine group is at least one selected from the group consisting of 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl (3,3', 4,4'-tetraaminobiphenyl) 4'-tetraaminoterphenyl, benzidine, 1,5-diaminonaphthalene, (E) -4,4'- (Diazene-1,2-diyl) dianiline, ethylenediamine, 1,6-diaminohexane ((E) 1,8-diaminohexane, 1,8-diaminohexane, and 1,8-diaminooctane. The method of manufacturing a three-dimensional porous graphene according to claim 1,
제1항에 있어서, 상기 에스터기를 포함하는 그래핀 옥사이드(GO-ester)와 아민기를 포함하는 유기연결체는 산소의 몰 비율이 1:0.1 ~ 1:5인 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법.
[3] The method according to claim 1, wherein the grafting oxide (GO-ester) containing the ester group and the organic linking material containing an amine group have a molar ratio of oxygen of 1: 0.1 to 1: ≪ / RTI >
제1항에 있어서, 상기 용매는 DMF(dimethylformamide), THF(tetrahydrofuran), 증류수, 디옥산(dioxane) 및 에탄올로 구성된 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the solvent is at least one selected from the group consisting of dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran (THF), distilled water, dioxane, and ethanol.
제1항에 있어서, 촉매 및 계면활성제를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the catalyst and the surfactant are not contained.
제1항에 있어서, 상기 반응을 60 ~ 150℃에서 3 ~ 5일 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the reaction is carried out at 60 to 150 ° C for 3 to 5 days.
제1항에 있어서, 상기 반응은 원 포트 반응(One-pot Reaction)인 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the reaction is a one-pot reaction.
제1항에 있어서, 상기 반응 종료 후, 냉각, 여과, 세척, 및 건조단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 그래핀의 제조방법.
The method of claim 1, further comprising cooling, filtrating, washing, and drying after completion of the reaction.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되고, 비표면적이 400 ~ 800 m2/g인 3차원 다공성 그래핀.
10. A three-dimensional porous graphene produced by the method of any one of claims 1 to 10 and having a specific surface area of 400 to 800 m 2 / g.
제11항에 있어서, 상기 3차원 다공성 그래핀은 이산화탄소 흡착용인 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 그래핀.
12. The three-dimensional porous graphene according to claim 11, wherein the three-dimensional porous graphene is for adsorbing carbon dioxide.
제11항의 3차원 다공성 그래핀을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착방법.
A method for adsorbing carbon dioxide (CO 2 ) using the three-dimensional porous graphene of claim 11.
제11항의 3차원 다공성 그래핀을 함유하는 이산화탄소(CO2) 흡착제.
Claim 11 3D Yes porous carbon containing a pin (CO 2) absorbent.
제11항의 3차원 다공성 그래핀을 이용한 수소(H2) 저장방법.
A method for storing hydrogen (H 2 ) using the three-dimensional porous graphene of claim 11.
제11항의 3차원 다공성 그래핀을 이용한 수소(H2) 흡착제.A hydrogen (H 2 ) adsorbent using the three-dimensional porous graphene of claim 11.
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