KR20180038802A - Method of Preparing Heteroatom-Doped Carbon Materials Using Spent Coffee Grounds and Application of Electrode Materials Thereof - Google Patents

Method of Preparing Heteroatom-Doped Carbon Materials Using Spent Coffee Grounds and Application of Electrode Materials Thereof Download PDF

Info

Publication number
KR20180038802A
KR20180038802A KR1020160129886A KR20160129886A KR20180038802A KR 20180038802 A KR20180038802 A KR 20180038802A KR 1020160129886 A KR1020160129886 A KR 1020160129886A KR 20160129886 A KR20160129886 A KR 20160129886A KR 20180038802 A KR20180038802 A KR 20180038802A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
coffee grounds
doped
activated carbon
slurry
carbon
Prior art date
Application number
KR1020160129886A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102015119B1 (en
Inventor
이재우
김기민
우창수
Original Assignee
한국과학기술원
(주)성일에스아이엠
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원, (주)성일에스아이엠 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020160129886A priority Critical patent/KR102015119B1/en
Publication of KR20180038802A publication Critical patent/KR20180038802A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102015119B1 publication Critical patent/KR102015119B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30Active carbon
    • C01B32/312Preparation
    • C01B32/318Preparation characterised by the starting materials
    • C01B32/324Preparation characterised by the starting materials from waste materials, e.g. tyres or spent sulfite pulp liquor
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30Active carbon
    • C01B32/354After-treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30Active carbon
    • C01B32/354After-treatment
    • C01B32/372Coating; Grafting; Microencapsulation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30Active carbon
    • C01B32/354After-treatment
    • C01B32/378Purification
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/24Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/30Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32Carbon-based
    • H01G11/34Carbon-based characterised by carbonisation or activation of carbon
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/50Solid solutions
    • C01P2002/52Solid solutions containing elements as dopants
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • Y02E60/528

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

The present invention relates to a method for preparing heteroatom-doped carbon materials using spent coffee grounds, which can be used as an electrode material of a fuel cell, a super capacitor or a redox flow battery by preparing nitrogen-doped carbon materials by activating a variety of spent coffee grounds from general coffee wastes, which are daily wastes, to coffee grounds, which extracted biodiesel, or by preparing a carbon material which is doped with boron and nitrogen simultaneously and has high specific surface area by being doped with a boron precursor.

Description

폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법 및 전극물질로의 적용{Method of Preparing Heteroatom-Doped Carbon Materials Using Spent Coffee Grounds and Application of Electrode Materials Thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for preparing a hetero-element-doped carbon material,

본 발명은 폐커피(spent coffee grounds)를 이용한 붕소나 질소의 이종원소가 도핑된 탄소소재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생활 폐기물인 일반 커피 찌꺼기에서부터 지질이나 바이오디젤(biodiesel)을 추출한 커피 찌꺼기에 이르기까지 다양한 폐커피 원료를 활성화 처리를 통해 높은 비표면적(specific surface area)을 가지며 질소가 도핑(doping)되어 있거나 붕소 및 질소가 동시에 도핑된 탄소재료를 합성하여 전극물질로 사용될 수 있는 폐커피(spent coffee grounds)를 이용한 탄소소재의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing carbon material doped with boron or nitrogen hetero-element using spent coffee grounds, and more particularly to a method for producing carbon material doped with boron or nitrogen from brewer's wastes, It can be used as an electrode material by synthesizing a carbon material having a high specific surface area and being doped with nitrogen or doped with boron and nitrogen at the same time through activation treatment of various waste coffee raw materials The present invention relates to a method for producing carbon materials using spent coffee grounds.

한국인의 식생활이 점차 서구화됨에 따라 가장 비약적으로 소비량이 증가한 식재료가 바로 커피이다. 증가하는 만큼 커피 원두의 99.8%를 차지하는 커피 찌꺼기도 기하급수적으로 증가하였다. 환경부의 보도자료(2016년 4월 12일 배포)에 따르면 국내에서 연간 배출되는 커피 찌꺼기의 양은 약 10만 3천톤에 이른다. 종래의 처리 방식은 일반폐기물과 함께 종량제 봉투에 혼합하여 매립하는 것인데, 이 과정에서 종량제 봉투의 낭비와 매립지 포화 등 경제적 및 사회적 비용이 발생하게 된다.Coffee is the most abundant food ingredient in Korea, as Koreans' eating habits gradually become more westernized. Coffee beans, which account for 99.8% of coffee beans, have increased exponentially. According to the Ministry of Environment's press release (distributed on April 12, 2016), the amount of coffee waste produced annually in Korea is about 103,000 tons. Conventional disposal methods are to mix landfills with standard wastes in landfills. In this process, economic and social costs are incurred, such as the waste of landfills and landfill saturation.

이를 해결하기 위해 가장 널리 이용되고 있는 방안은 퇴비로 이용하는 것이다. 가축의 분뇨를 재활용한 퇴비의 경우 악취를 발생시킨다는 단점을 지니지만, 커피 찌꺼기를 재활용한 퇴비는 이 문제에서 자유롭다. 더군다나 질소, 인, 칼륨과 같은 성분을 갖추고 있어 친환경 퇴비로서 적합하다.The most widely used method to solve this problem is to use it as compost. Composting livestock manure has the disadvantage of producing odors, but composting recycled coffee waste is free from this problem. In addition, it has components such as nitrogen, phosphorus and potassium, making it suitable as an environmentally friendly compost.

이외에 커피 찌꺼기는 약 15%의 지질을 함유하고 있기 때문에 바이오매스 연료를 얻기에도 충분하다. 용매를 이용한 추출(extraction) 방식을 통해 바이오디젤(biodiesel)을 생산할 수 있으며, 바이오 펠릿(bio pellet) 형태로도 이용 가능하다.In addition, the coffee grounds contain about 15% lipid, which is sufficient to obtain biomass fuel. The biodiesel can be produced by a extraction method using a solvent, and it can also be used as a bio pellet.

하지만 위의 두 방안 모두 공통된 한계점을 가지고 있다. 각각 비료, 바이오매스로 사용된 뒤에 여전히 폐기물 형태의 잔여물이 남는다는 점이다. 매립에 드는 비용을 최소화하려 했지만 커피 찌꺼기를 완전하게 처리하는 근원적인 해결책이 될 수 없는 문제점이 있다.However, both of these methods have common limitations. But still remain in waste form after being used as fertilizer and biomass, respectively. We have tried to minimize the cost of landfilling, but there is a problem that can not be a fundamental solution to the complete treatment of coffee grounds.

이에, 본 발명자들은 폐커피를 재활용하는 경제적인 방법을 모색하고자 예의 노력한 결과, 생활 폐기물인 일반 커피 찌꺼기에서부터 지질이나 바이오디젤을 추출한 커피 찌꺼기에 이르기까지 다양한 폐커피 원료에 활성화제를 첨가할 경우, 높은 비표면적을 가진 붕소 및 질소의 이종원소가 도핑된 탄소소재가 제조되며, 이를 연료전지의 전극, 슈퍼커패시터 그리고 레독스 흐름전지의 전극물질로 이용할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have made extensive efforts to find an economical method for recycling waste coffee. As a result, when the activator is added to a variety of waste coffee raw materials ranging from common coffee grounds, which are municipal wastes, to coffee grounds extracted from lipids and biodiesel, It was confirmed that a carbon material doped with hetero atoms of boron and nitrogen having a high specific surface area can be prepared and used as an electrode material for an electrode, a supercapacitor and a redox flow cell of a fuel cell, thereby completing the present invention .

대한민국 등록특허 제10-1176969호(2012.08.20. 등록)Korean Registered Patent No. 10-1176969 (registered on August 20, 2012) 대한민국 등록특허 제10-0259546호(2000.03.23. 등록)Korean Registered Patent No. 10-0259546 (registered on March 23, 2000) 일본 공개특허 제2005-075686호(2003.09.01. 공개)Japanese Patent Laid-Open No. 2005-075686 (published on September 1, 2003)

본 발명의 목적은 생활 폐기물인 일반 커피 찌꺼기에서부터 지질이나 바이오디젤을 추출한 커피 찌꺼기에 이르기까지 다양한 폐커피 원료를 사용하여 커피 찌꺼기의 반영구적 활용을 가능케 하고 커피 찌꺼기의 완전하게 처리할 수 있는 질소와 붕소 등의 이종 원소가 도핑된 탄소소재를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for semi-permanent utilization of coffee grounds using a variety of waste coffee materials, from ordinary coffee grounds to coffee grounds extracted from lipids and biodiesel, And a method of manufacturing a carbon material doped with a hetero-element such as carbon.

본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법에 의하여 생성되는 질소가 도핑된 혹은 붕소 및 질소가 동시에 도핑된 탄소소재를 우수한 성능을 가진 연료전지, 슈퍼커패시터 그리고 레독스 흐름 전지의 전극물질로의 적용을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a carbonaceous material doped with nitrogen or doped with boron and nitrogen simultaneously produced by the above production method as an electrode material for a fuel cell, a super capacitor and a redox flow cell having excellent performance I have to.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 폐커피 찌꺼기를 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 인산(H3PO4) 및 염화아연(ZnCl2)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 활성화제 수용액을 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계; (b) 상기 (a)의 슬러리를 건조시키고 비활성 가스가 유입된 가열로에서 열처리하여 활성탄을 수득하는 단계; 및 (c) 상기 (b)의 활성탄을 정제 및 건조하는 단계를 포함하는 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is (a) the waste coffee grounds potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), phosphoric acid (H 3 PO 4) and one member selected from the group consisting of zinc chloride (ZnCl 2) Mixing the above activator aqueous solution to obtain a slurry; (b) drying the slurry of (a) and subjecting it to heat treatment in a furnace into which an inert gas is introduced to obtain activated carbon; And (c) purifying and drying the activated carbon of (b). The present invention also provides a method for producing a hetero-element-doped carbon material using waste coffee.

본 발명은 또한, (a) 폐커피 찌꺼기를 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 인산(H3PO4) 및 염화아연(ZnCl2)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 활성화제 수용액을 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계; (b) 상기 (a)의 슬러리를 건조시키고 비활성 가스가 유입된 가열로에서 열처리하여 활성탄을 수득하는 단계; (c) 상기 (b)의 활성탄을 정제 및 건조한 다음, 붕소 전구체를 첨가 및 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계; (d) 상기 (c)의 슬러리를 건조시키고 가스가 유입된 가열로에서 열처리하여 활성탄을 수득하는 단계; 및 (e) 상기 (d)의 활성탄을 정제하는 단계 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법을 제공한다.The invention also, (a) for the waste coffee grounds potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), phosphoric acid (H 3 PO 4) and zinc chloride (ZnCl 2) with at least one active selected from the group consisting of the aqueous solution Mixing to obtain a slurry; (b) drying the slurry of (a) and subjecting it to heat treatment in a furnace into which an inert gas is introduced to obtain activated carbon; (c) purifying and drying the activated carbon of (b), and then adding and mixing a boron precursor to obtain a slurry; (d) drying the slurry of (c) and heat-treating the slurry in the heating furnace to obtain activated carbon; And (e) purifying the activated carbon of (d). The present invention provides a method for producing a hetero-element-doped carbon material using waste coffee.

본 발명은 또한, 상기 제조방법으로 제조된 1) 질소 도핑 다공성 탄소소재 및 2) 붕소 및 질소 동시 도핑 다공성 탄소소재의 이종원소 도핑 탄소소재를 제공한다.The present invention also provides a 1) nitrogen-doped porous carbon material produced by the above process and 2) a hetero-element-doped carbon material of boron and nitrogen co-doped porous carbon material.

본 발명은 또한, 1) 질소 도핑 다공성 탄소소재 및/또는 2) 붕소 및 질소 동시 도핑 다공성 탄소소재를 포함하는 전극물질을 제공한다.The present invention also provides an electrode material comprising 1) a nitrogen doped porous carbon material and / or 2) a boron and nitrogen co-doped porous carbon material.

본 발명에 따른 제조방법은 생활 폐기물인 일반 커피 찌꺼기에서부터 지질이나 바이오디젤을 추출한 커피 찌꺼기에 이르기까지 다양한 폐커피 원료를 사용하여 고성능의 배터리 전극 물질로 활용함으로써, 종래의 커피 찌꺼기의 처리 방안이었던 비료와 바이오매스가 지녔던 일회성을 넘어선 반영구적으로 처리함과 동시에 나아가 경제적 가치를 창출할 수 있다. 또한, 붕소를 도핑시 이산화탄소를 이용하는 경우 이산화탄소환원제에 의한 탄소재료 전환으로 인한 이산화탄소 감축에도 기여할 수 있다.The manufacturing method according to the present invention uses a variety of waste coffee raw materials ranging from general coffee grounds, which are municipal wastes to coffee grounds extracted from lipids and biodiesel, as a high-performance battery electrode material, And biomass can be processed semi-permanently beyond the one-time, and at the same time, economic value can be created. In addition, when carbon dioxide is used for doping boron, it can contribute to reduction of carbon dioxide due to the carbon material conversion by the carbon dioxide reducing agent.

도 1은 본 발명의 실시예 1 및 2를 수행하기 위한 제조공정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 실시예 1에서의 활성탄의 제조과정을 촬영한 사진이다.
도 3은 실시예 1에 따른 활성탄들의 비표면적 분석 중 질소 흡착등온선 그래프를 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 1에 따른 활성탄들의 비표면적 분석 중 마이크로 세공 분포도를 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예 1에 따른 활성탄들의 주사전자현미경 촬영 사진이다.
도 6은 실시예 1 및 2에 따른 활성탄들의 CV 그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예 1 및 2에 따른 활성탄들의 성능 및 내구도를 나타낸 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view schematically showing a manufacturing process for carrying out Examples 1 and 2 of the present invention. FIG.
Fig. 2 is a photograph showing a process for producing activated carbon in Example 1. Fig.
FIG. 3 is a graph showing a nitrogen adsorption isotherm during the specific surface area analysis of activated carbon according to Example 1. FIG.
FIG. 4 is a view showing a micropore distribution in the specific surface area analysis of activated carbon according to Example 1. FIG.
5 is a scanning electron microscope photograph of activated carbons according to Example 1. Fig.
FIG. 6 is a graph showing CV graphs of activated carbons according to Examples 1 and 2. FIG.
7 is a graph showing the performance and durability of activated carbons according to Examples 1 and 2. FIG.

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 갖는다. 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 발명에서는 생활 폐기물인 일반 커피 찌꺼기에서부터 지질이나 바이오디젤을 추출한 커피 찌꺼기에 이르기까지 다양한 폐커피 원료를 활성화 처리 및 붕소나 질소의 도핑을 통해 제조된 탄소소재가 연료전지의 전극, 슈퍼커패시터 그리고 레독스 흐름전지의 전극으로 이용가능한 것을 확인하였다.In the present invention, the carbon material produced through the activation treatment and the doping of boron or nitrogen from various kinds of waste coffee raw materials ranging from common coffee grounds, which are municipal wastes, to coffee grounds extracted from lipids and biodiesel is used as an electrode, a supercapacitor, It was confirmed that the electrode can be used as an electrode of a toxic flow cell.

따라서, 본 발명은 일 관점에서 (a) 폐커피 찌꺼기를 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 인산(H3PO4) 및 염화아연(ZnCl2)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 활성화제 수용액을 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계; (b) 상기 (a)의 슬러리를 건조시키고 비활성 가스가 유입된 가열로에서 열처리하여 활성탄을 수득하는 단계; 및 (c) 상기 (b)의 활성탄을 정제 및 건조하는 단계를 포함하는 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법에 관한 것이다.Therefore, the invention in one aspect (a) the waste coffee grounds potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), phosphoric acid (H 3 PO 4) and zinc chloride (ZnCl 2) to activate at least one selected from the group consisting of Mixing the aqueous solution to obtain a slurry; (b) drying the slurry of (a) and subjecting it to heat treatment in a furnace into which an inert gas is introduced to obtain activated carbon; And (c) purifying and drying the activated carbon of (b). BACKGROUND OF THE INVENTION

본 발명의 다른 관점에서 (a) 폐커피 찌꺼기를 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 인산(H3PO4) 및 염화아연(ZnCl2)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 활성화제 수용액을 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계; (b) 상기 (a)의 슬러리를 건조시키고 비활성 가스가 유입된 가열로에서 열처리하여 활성탄을 수득하는 단계; (c) 상기 (b)의 활성탄을 정제 및 건조한 다음, 붕소 전구체를 첨가 및 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계; (d) 상기 (c)의 슬러리를 건조시키고 가스가 유입된 가열로에서 열처리하여 활성탄을 수득하는 단계; 및 (e) 상기 (d)의 활성탄을 정제하는 단계로 폐커피를 이용한 붕소 및 질소 도핑 탄소소재의 제조방법에 관한 것이다.In the present invention of (a) the waste coffee grounds potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), phosphoric acid (H 3 PO 4), and aqueous zinc chloride solution (ZnCl 2) by at least one member selected from the group consisting of activator To obtain a slurry; (b) drying the slurry of (a) and subjecting it to heat treatment in a furnace into which an inert gas is introduced to obtain activated carbon; (c) purifying and drying the activated carbon of (b), and then adding and mixing a boron precursor to obtain a slurry; (d) drying the slurry of (c) and heat-treating the slurry in the heating furnace to obtain activated carbon; And (e) purifying the activated carbon of (d). BACKGROUND OF THE INVENTION

본 발명은 폐커피 찌꺼기(spent coffee grounds)를 원료로 하여 탄소소재를 제조하는 공정과 이를 통해 생성된 탄소소재를 배터리 전극 물질로 적용한 사례에 관한 것이다. 바람직한 본 발명의 일 실시예에 의하여 생활 폐기물인 일반 커피 찌꺼기에서부터 지질이나 바이오디젤(biodiesel)을 추출한 커피 찌꺼기에 이르기까지 다양한 폐커피 원료에 수산화칼륨 활성화법(KOH activation)을 적용하여 활성탄을 제조할 수 있다. 본 발명을 통해 제조된 활성탄은 높은 비표면적(specific surface area)과 질소와 붕소가 도핑(doping)된 구조를 가지고 있기 때문에, 배터리를 위한 고품질의 전극 물질로 사용될 수 있다.The present invention relates to a process for producing a carbon material using spent coffee grounds as a raw material and a case where the carbon material produced through the process is applied as a battery electrode material. According to one preferred embodiment of the present invention, activated carbon is produced by applying potassium hydroxide activation method (KOH activation) to a variety of waste coffee raw materials ranging from general coffee grounds as municipal wastes to coffee grounds extracted from lipids and biodiesel . The activated carbon produced by the present invention has a high specific surface area and a structure doped with nitrogen and boron, and thus can be used as a high-quality electrode material for a battery.

유기 폐기물인 커피 찌꺼기의 특성상 보관 방법에 따라 곰팡이의 형성과 같은 부패의 가능성이 존재한다. 원료의 부패 상태에 상관없이 일정한 품질의 활성탄을 생산할 수 있다. 궁극적으로는, 폐기물인 커피 찌꺼기를 이용해 고성능의 전극 물질을 생산하여 경제적 가치를 창출할 수 있다.Due to the nature of coffee waste, organic waste, there is a possibility of corruption, such as the formation of molds, depending on the storage method. It is possible to produce activated carbon of a constant quality irrespective of the spoilage state of the raw material. Ultimately, coffee waste can be used to produce high-performance electrode materials to create economic value.

본 발명은 커피 찌꺼기로부터 고품질의 활성탄을 제조하기 위해 수산화칼륨 활성화법을 도입한다. 수산화칼륨 활성화법은 화학적 활성화법(chemical activation)의 일종으로 다공성 구조를 유도하기에 매우 효과적인 처리법이다.The present invention introduces potassium hydroxide activation method to produce high quality activated carbon from coffee grounds. The potassium hydroxide activation method is a kind of chemical activation method and is a very effective treatment method for inducing the porous structure.

본 발명이 제시하는 제조법은 다음의 단계를 포함할 수 있다:The recipe proposed by the present invention may comprise the following steps:

(a) 폐커피 찌꺼기를 건조하고 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 인산(H3PO4) 및 염화아연(ZnCl2)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 활성화제 수용액을 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계; (b) 상기 (a)의 슬러리를 건조시키고 비활성 가스가 유입된 가열로에서 열처리하여 활성탄을 수득하는 단계; (c) 상기 (b)의 활성탄을 정제 및 건조한 다음, 붕소 전구체를 첨가 및 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계; (d) 상기 (c)의 슬러리를 건조시키고 가스가 유입된 가열로에서 열처리하여 활성탄을 수득하는 단계; 및 (e) 상기 (d)의 활성탄을 정제하는 단계.(a) drying the waste coffee grounds, and potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), phosphoric acid (H 3 PO 4) and zinc chloride (ZnCl 2) as a slurry by mixing one or activator solution or more selected from the group consisting of ; (b) drying the slurry of (a) and subjecting it to heat treatment in a furnace into which an inert gas is introduced to obtain activated carbon; (c) purifying and drying the activated carbon of (b), and then adding and mixing a boron precursor to obtain a slurry; (d) drying the slurry of (c) and heat-treating the slurry in the heating furnace to obtain activated carbon; And (e) purifying the activated carbon of (d).

본 발명이 제시하는 제조법은 커피 찌꺼기를 건조하지 않는 경우에도 적용 가능하다: (a) 수분이 포함된 폐커피 찌꺼기를 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 인산(H3PO4) 및 염화아연(ZnCl2)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 활성화제 수용액을 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계; (b) 상기 (a)의 슬러리를 건조시키고 비활성 가스가 유입된 가열로에서 열처리하여 활성탄을 수득하는 단계; (c) 상기 (b)의 활성탄을 정제 및 건조한 다음, 붕소 전구체를 첨가 및 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계; (d) 상기 (c)의 슬러리를 건조시키고 가스가 유입된 가열로에서 열처리하여 활성탄을 수득하는 단계; 및 (e) 상기 (d)의 활성탄을 정제하는 단계.Can be the recipe for invention presented is applicable to a case that does not dry the coffee grounds: (a) potassium hydroxide that contains the water waste coffee grounds (KOH), sodium hydroxide (NaOH), phosphoric acid (H 3 PO 4), and Mixing at least one activator aqueous solution selected from the group consisting of zinc chloride (ZnCl 2 ) to obtain a slurry; (b) drying the slurry of (a) and subjecting it to heat treatment in a furnace into which an inert gas is introduced to obtain activated carbon; (c) purifying and drying the activated carbon of (b), and then adding and mixing a boron precursor to obtain a slurry; (d) drying the slurry of (c) and heat-treating the slurry in the heating furnace to obtain activated carbon; And (e) purifying the activated carbon of (d).

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 제조법은 다음과 같다:A preparation method according to a preferred embodiment of the present invention is as follows:

(a) 원료인 커피 찌꺼기를 건조하고, 건조된 커피 찌꺼기와 수산화칼륨 수용액을 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계; (b) 일부 또는 전체 건조시킨 슬러리를 질소가 흐르는 가열로(furnace)에서 열처리하는 단계; (c) 생성된 활성탄을 염산, 물, 에탄올 등으로 정제하는 단계; (d) 정제 후의 활성탄을 건조시키는 단계; (e) 질소가 도핑된 활성탄의 완성.(a) drying the coffee grounds as raw materials, mixing the dried coffee grounds with an aqueous solution of potassium hydroxide to obtain a slurry; (b) heat treating the partially or fully dried slurry in a furnace in which nitrogen flows; (c) purifying the generated activated carbon with hydrochloric acid, water, ethanol or the like; (d) drying the purified activated carbon; (e) Completion of nitrogen-doped activated carbon.

또는or

(a) 수분이 포함된 커피 찌꺼기와 수산화칼륨 수용액을 혼합하는 단계; (b) (a)에서 혼합한 슬러리(slurry)를 건조시키고, 일부 또는 전체 건조시킨 슬러리를 질소가 흐르는 가열로(furnace)에서 열처리하는 단계; (c) 생성된 활성탄을 염산, 물, 에탄올 등으로 정제하고, 건조시키는 단계; (d) 질소가 도핑된 활성탄의 완성.(a) mixing a coffee grounds containing water with an aqueous potassium hydroxide solution; (b) heat treating the slurry mixed in (a) and partially or wholly drying the slurry in a nitrogen furnace furnace; (c) purifying the generated activated carbon with hydrochloric acid, water, ethanol, and the like, and drying the activated carbon; (d) Completion of nitrogen-doped activated carbon.

본 제조법은 일반 커피 찌꺼기뿐만 아니라 지질이나 바이오디젤 추출 후의 커피 찌꺼기에도 적용이 가능한 기술이다. 이를 원료로 한 활성탄의 제조 단계는 상기의 단계와 동일하다.This recipe is applicable not only to general coffee grounds but also to coffee grounds after lipid or biodiesel extraction. The production step of the activated carbon with this raw material is the same as the above step.

유기 폐기물인 커피 찌꺼기의 특성상, 곰팡이와 같은 부패된 원료 발생이 가능하다. 부패된 원료의 경우에도 상기 제조 공정이 적용 가능하다.Due to the nature of coffee waste, organic waste, it is possible to produce spoiled raw materials such as fungi. The above manufacturing process is applicable even in the case of the raw materials.

본 발명의 (a) 단계에서 사용되는 커피 찌꺼기는 커피음료 생성 후 발생하는 일반 폐커피 찌꺼기 또는 폐커피 찌꺼기에서 벤젠, 자일렌, 클로로포름, 헥산, 에틸 아세테이트, 메탄올, 에탄올 및 사이클로헥산으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 유기용매나 스팀을 이용하여 지질을 추출하거나 트렌스화 반응을 통하여 바이오디젤을 추출한 후 발생하는 폐커피 찌꺼기일 수 있다. 즉, 통상적인 의미의 일반 커피 찌꺼기뿐만 아니라 지질이나 바이오디젤 추출을 거친 커피 찌꺼기를 포함한다. 또한, 유기 폐기물 특성 상 발생할 수 있는 부패의 여부에 관계없이 상기 제조 공정에 원료로 사용 가능하다.The coffee grounds used in the step (a) of the present invention can be recovered from common waste coffee grounds or waste coffee grounds generated after the production of coffee beverages in the group consisting of benzene, xylene, chloroform, hexane, ethyl acetate, methanol, ethanol and cyclohexane It may be a waste coffee residue generated after extracting lipids or extracting biodiesel through a transfer reaction using one or more selected organic solvents or steam. That is, it includes coffee grounds that have been subjected to lipid or biodiesel extraction as well as ordinary coffee grounds in a conventional sense. It can also be used as a raw material in the manufacturing process, regardless of whether it is corruptible due to the characteristics of the organic waste.

상기 (a) 단계에서 커피 찌꺼기를 건조하지 않고도 다음 단계로 진행이 가능하다.In the step (a), it is possible to proceed to the next step without drying the coffee grounds.

상기 (a) 단계에서 바이오디젤을 추출한 커피 찌꺼기는 추출 방법에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다: (1) 유기용매 용매 (벤젠, 자일렌, 클로로포름, 헥산, 에틸 아세테이트, 메탄올, 에탄올, 사이클로헥산 등)로 추출한 커피 찌꺼기; (2)인-시투 에스터교환(in-situ transesterification)을 거친 커피 찌꺼기; (3) 수증기(steam) 및 산 및 염기 수용액증기로 추출한 커피 찌꺼기.The coffee grounds extracted from the biodiesel in step (a) can be classified according to the extraction method as follows: (1) Organic solvent (benzene, xylene, chloroform, hexane, ethyl acetate, methanol, ethanol, cyclohexane Etc.); (2) coffee grounds through in-situ transesterification; (3) steam residue and coffee grounds extracted with acid and base water vapor.

상기 활성화제의 수용액은 농도 상으로 6몰농도 이하, 바람직하게는 0.5~6M를 사용하는 것이 바람직하다. 혼합 시, 커피 찌꺼기 원료와 활성화제의 질량비는 1:0.1 ~ 1:3인 것이 바람직하다.The aqueous solution of the activator is preferably used in a concentration of 6 mol or less, preferably 0.5 to 6M. At the time of mixing, the mass ratio of the coffee ground raw material and the activating agent is preferably 1: 0.1 to 1: 3.

상기 (a) 단계의 목적은 화학적 활성법을 통한 다공성 확보이므로, 수산화칼륨 외에 다음의 활성화제들이 사용가능하나, 이에 한정되는 것은 아니다: 수산화나트륨(NaOH), 인산(H3PO4) 및 염화아연(ZnCl2).The purpose of the step (a) is to secure the porosity through the chemical activation method. Therefore, the following activating agents may be used in addition to the potassium hydroxide but are not limited thereto: sodium hydroxide (NaOH), phosphoric acid (H 3 PO 4 ) Zinc (ZnCl 2 ).

상기 상기 (a) 및 (c) 단계의 혼합은 교반기를 통한 혼합 방법과 음파처리(sonication)를 통한 혼합 방법이 모두 가능하며, 원료의 양에 따라 혼합 시간이 달라질 수 있다. 일반적으로 30분 내지 1시간이 적당하다.The mixing of the steps (a) and (c) can be performed by a mixing method using an agitator and a sonication method, and the mixing time may vary depending on the amount of the raw material. Generally, 30 minutes to 1 hour is suitable.

상기 (a) 단계에서 수산화칼륨 등과 같은 활성화제를 수용액 상태로 혼합하는 방법 외에 활성화제를 분말 형태로 커피 찌꺼기와 혼합하는 것도 가능하다.In the step (a), the activator may be mixed with the coffee grounds in powder form in addition to mixing the activator such as potassium hydroxide in an aqueous solution.

상기 (b), (c) 또는 (d) 단계에서 150℃ 이하의 온도, 바람직하게는 50~150℃의 온도에서 건조하는 것이 바람직하다.It is preferable to dry at a temperature of 150 ° C. or lower, preferably 50 ° C. to 150 ° C. in the step (b), (c) or (d).

상기 (b) 단계의 기체는 질소나 질소가 포함된 배기가스, 아르곤과 같은 비활성 기체의 사용도 가능하다.The gas of step (b) may be an exhaust gas containing nitrogen or nitrogen, or an inert gas such as argon.

상기 (d) 단계의 열처리 시, 기체유량은 10~3000㎖min-1이 적합하고, 1~10℃min-1의 승온 속도로 400~1000℃까지 증가시킨 후 2시간 이하, 바람직하게는 1~5℃min-1의 승온 속도로 400~1000℃까지 증가시킨 후 0.5~2시간의 시간 동안 열처리할 수 있다.When the above step (d) the heat treatment, the gas flow rate was increased to 400 ~ 1000 ℃ at a heating rate of 10 ~ 3000㎖min -1 are suitable, and 1 ~ 10 ℃ min -1 2 hours or less, preferably 1 It is possible to increase the temperature to 400 ~ 1000 ° C at a heating rate of ~ 5 ° C min -1 and then heat-treat for 0.5 ~ 2 hours.

상기 (d) 단계의 열처리는 이산화탄소를 탄소로 전환시 유량은 10~3000㎖min-1이며 1~5℃min-1의 승온 속도로 500-1000℃에서 0.5~2시간을 유지할 수 있다.The heat treatment of step (d) the flow during the conversion of carbon dioxide to carbon can be maintained to 10 ~ 3000㎖min -1 is 0.5 ~ 2 hours at 500-1000 ℃ at a heating rate of 1 ~ 5 ℃ min -1.

또한, 상기 (d) 단계의 열처리는 이산화탄소를 탄소로 전환시가 아닐 경우 질소나 아르곤 가스 또는 질소가 포함된 배기가스 유량은 10~3000㎖min-1이고, 1~5℃min-1의 승온 속도로 500~1000℃에서 0.5~2시간을 유지할 수 있다.If the carbon dioxide is not converted to carbon, the flow rate of the exhaust gas containing nitrogen, argon gas or nitrogen is 10 to 3000 mlmin -1 , and the temperature of 1 to 5 ° C min -1 It can be maintained at 500 to 1000 ° C for 0.5 to 2 hours.

상기 (c) 및 (e)의 정제는 염산, 물 및 에탄올을 첨가하여 수행할 수 있다. 특히 (e) 단계의 정제는 열처리 후의 활성탄에 남아있는 염들을 제거하는 것이 주 목적이며, 이 때 염산, 증류수, 에탄올을 순차적으로 사용할 수 있다.The tablets of (c) and (e) can be carried out by adding hydrochloric acid, water and ethanol. Particularly, in the purification of step (e), the main purpose is to remove the salts remaining on the activated carbon after the heat treatment. In this case, hydrochloric acid, distilled water and ethanol can be used sequentially.

상기 붕소 전구체는 수소화붕소나트륨 외에도 다음의 전구체를 사용할 수 있다: 보론옥사이드(B2O3), 보릭에시드(H2BO3), 리튬 붕소하이드라이드(LiBH4), 칼륨 붕소하이드라이드(KBH4), 마그네슘 붕소하이드라이드(Mg(BH4)2), 칼슘 붕소하이드라이드(Ca(BH4)2), 스트론튬 붕소하이드라이드(Sr(BH4)2) 또는 암모니아보레인(NH3BH3).The boron precursor may be boron oxide (B 2 O 3 ), boric acid (H 2 BO 3 ), lithium borohydride (LiBH 4 ), potassium borohydride (KBH 4 ), Magnesium borohydride (Mg (BH 4 ) 2 ), calcium boron hydride (Ca (BH 4 ) 2 ), strontium boron hydride (Sr (BH 4 ) 2 ) or ammonia borane (NH 3 BH 3 ) .

상기 붕소 전구체 용액을 만들 시 용매는 유기용매인 다이메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide), 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide) 등이 사용 가능하며 이들은 수소화붕소나트륨과 반응하지 않는다. 위에서 언급된 다른 붕소 전구체 역시 반응하지 않는 범위에서 물, 알코올 혹은 유기 용매를 사용하여 용액을 만들 수 있다.When the boron precursor solution is prepared, organic solvents such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and the like can be used as the solvent, and they do not react with sodium borohydride. Solutions can be made using water, alcohols or organic solvents to the extent that other boron precursors mentioned above do not react either.

상기 붕소 전구체 용액의 농도는 용매에 따른 용해도에 따라 가변적일 수 있다. 일반적으로 0.5~6몰농도의 용액의 사용이 바람직하다.The concentration of the boron precursor solution may vary depending on the solubility depending on the solvent. In general, the use of a 0.5 to 6 molar solution is preferred.

본 발명은 상기에서 제시한 탄소소재의 제조방법에 후처리 공정을 추가한 양질의 탄소소재의 제조법 또한 포함한다. 상기 단계는 (i) 커피 찌꺼기를 원료로 한 질소가 도핑된 활성탄과 수소화붕소나트륨(NaBH4) 용액 등과 같은 붕소 전구체 용액을 혼합하는 단계; (ii) 혼합한 슬러리를 건조시키는 단계; (iii) 건조시킨 슬러리를 이산화탄소가 흐르는 가열로에서 열처리하는 단계; (iv) 생성된 활성탄을 염산, 물, 에탄올 등으로 정제하는 단계; (v) 정제 후의 활성탄을 건조시키는 단계; 및 (vi) 붕소와 질소가 도핑된 활성탄의 완성으로 구성될 수 있다.The present invention also includes a method for producing high-quality carbon materials by adding a post-treatment process to the above-described method for producing carbon materials. (I) mixing a boron precursor solution such as a nitrogen-doped activated carbon and a sodium borohydride (NaBH 4 ) solution with a coffee ground as a raw material; (ii) drying the mixed slurry; (iii) heat treating the dried slurry in a furnace through which carbon dioxide flows; (iv) purifying the generated activated carbon with hydrochloric acid, water, ethanol or the like; (v) drying the purified activated carbon; And (vi) completion of boron and nitrogen-doped activated carbon.

상기 (i) 단계는 교반기를 통한 혼합 방법과 음파처리(sonication)를 통한 혼합 방법이 모두 가능하며, 원료의 양에 따라 혼합 시간이 달라질 수 있다. 일반적으로 30분 내지 1시간이 적당하다.The step (i) may be performed by a mixing method using an agitator and a sonication method, and the mixing time may vary depending on the amount of the raw material. Generally, 30 minutes to 1 hour is suitable.

상기 (i) 단계에서 붕소 전구체를 수용액 상태로 혼합하는 방법 외에 분말 형태로 질소가 도핑된 활성탄과 혼합하는 것도 가능하다.In addition to the method of mixing the boron precursor in the aqueous solution state in the step (i), it may be mixed with the activated carbon doped with nitrogen in powder form.

상기 (ii) 단계는 150℃ 이하, 바람직하게는 50~150℃의 온도에서 건조하는 것이 바람직하다.The step (ii) is preferably carried out at a temperature of 150 ° C or less, preferably 50 to 150 ° C.

상기 (iii) 단계에서 붕소 전구체를 통해 이산화탄소 전환을 하는 것이다. 이 과정에서 활성탄의 탄소 구조 내에 붕소가 도핑된다. 따라서 이산화탄소에 대한 유량과 열처리 조건이 중요한데, 유량은 10~3000㎖min-1이 적합하다. 열처리의 경우 1~5℃min-1의 승온 속도로 500-1000℃에서 최대 2시간을 유지하는 것이 바람직하다.And the carbon dioxide is converted through the boron precursor in the step (iii). In this process, boron is doped in the carbon structure of the activated carbon. Therefore, the flow rate and the heat treatment condition for carbon dioxide are important, and the flow rate is preferably 10 to 3000 mlmin -1 . In the case of heat treatment, it is preferable to maintain the maximum temperature at 500-1000 ° C for 2 hours at a heating rate of 1 to 5 ° C min -1 .

또한 상기 (iii) 단계에서 이산화탄소를 탄소로 전환시키지 않을 경우 이산화탄소 이외에 다른 비활성가스나 질소 및 질소가 포함된 배기가스를 쓸 수 있다. 이에 대한 유량과 열처리 조건이 중요한데, 유량은 10~3000㎖min-1이 적합하다. 열처리의 경우 1~5℃min-1의 승온 속도로 500-1000℃에서 최대 2시간을 유지하는 것이 바람직하다.If carbon dioxide is not converted into carbon in the step (iii), an inert gas other than carbon dioxide or an exhaust gas containing nitrogen and nitrogen may be used. The flow rate and the heat treatment conditions are important, and the flow rate is preferably 10 to 3000 mlmin -1 . In the case of heat treatment, it is preferable to maintain the maximum temperature at 500-1000 ° C for 2 hours at a heating rate of 1 to 5 ° C min -1 .

상기 (iv) 단계는 열처리 후의 활성탄에 남아있는 염들을 제거하는 것이 주 목적이며, 이 때 염산, 증류수, 에탄올을 순차적으로 사용하게 된다.In the step (iv), the main purpose is to remove the salts remaining in the activated carbon after the heat treatment. In this case, hydrochloric acid, distilled water, and ethanol are sequentially used.

상기 (v) 단계는 150℃ 이하, 바람직하게는 50~150℃의 온도에서 건조하는 것이 바람직하다.The step (v) is preferably carried out at a temperature of 150 ° C or less, preferably 50 to 150 ° C.

상기 (vi) 단계에서 얻어지는 산물이 붕소와 질소가 도핑된 활성탄이며, 이 다공성 탄소 물질은 이차전지의 전극 물질로 사용될 수 있다.The product obtained in the step (vi) is activated carbon doped with boron and nitrogen, and this porous carbon material can be used as an electrode material of a secondary battery.

따라서, 본 발명의 또 다른 관점에서 상기 제조방법으로 제조된 1) 질소 도핑 다공성 탄소소재 및 2) 붕소 및 질소 동시 도핑 다공성 탄소소재의 이종원소 도핑 탄소소재에 관한 것이며 비표면적이 500~3000m2/g의 범위에 있다.Thus, in another aspect of the present invention, the present invention relates to a 1) nitrogen-doped porous carbon material and 2) a hetero-element-doped carbon material of boron and nitrogen co-doped porous carbon material produced by the above production method and having a specific surface area of 500 to 3000 m 2 / g. < / RTI >

또한, 본 발명의 또 다른 관점에서 1) 질소 도핑 다공성 탄소소재 및/또는 2) 붕소 및 질소 동시 도핑 다공성 탄소소재를 포함하는 전극물질에 관한 것이다.Still another aspect of the invention relates to an electrode material comprising 1) a nitrogen doped porous carbonaceous material and / or 2) a boron and nitrogen co-doped porous carbonaceous material.

상기 탄소소재는 슈퍼커패시터 또는 연료전지의 전극 재료로 이용하기에 적합하다. 또한 브롬 산화/환원 (Br2 + 2e- ⇔ 2Br-)에 활성을 띠므로, Zn-Br 레독스 흐름전지에서 양극의 소재로 활용할 수 있다.The carbon material is suitable for use as an electrode material for a supercapacitor or a fuel cell. In addition, since it is active on bromine oxidation / reduction (Br 2 + 2e - ⇔ 2Br - ), it can be used as anode material in Zn-Br redox flow cell.

또한, 본 발명의 폐커피를 이용한 이종원소 탄소소재의 제조방법에 의해 지질 또는 바이오디젤을 추가 생산물로 얻을 수 있다.In addition, lipid or biodiesel can be obtained as an additional product by the method of producing a hetero-carbon material using waste coffee of the present invention.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments.

[실시예][Example]

실시예Example 1: 다양한 커피 찌꺼기로부터 질소가  1: Nitrogen from various coffee grounds 도핑된Doped 활성탄의 제조 및 이의 아연-브롬  Preparation of activated carbon and its zinc-bromide 레독스흐름전지Redox flow cell (Zinc-Bromine (Zinc-Bromine RedoxRedox Flow Battery) 양극 물질로의 활용 Flow Battery) Application to anode material

전체적인 제조 공정은 도 1의 '질소가 도핑된 활성탄의 제조' 파트를 따른다.The overall manufacturing process follows the 'Production of nitrogen-doped activated carbon' part of FIG.

커피 찌꺼기의 경우 두 그룹으로 나누어 활성탄 제조를 하였다. 첫 번째 그룹은 일반 폐커피 찌꺼기이고, 두 번째 그룹은 지질이나 바이오디젤을 추출한 뒤의 폐 커피 찌꺼기이다. 지질이나 바이오디젤을 추출한 커피 찌꺼기는 사용한 추출 방법에 따라 3가지로 나뉜다: 1)클로로포름으로 추출한 커피 찌꺼기; 2)인-시투 에스터교환을 거친 커피 찌꺼기; 3)증기로 추출한 커피 찌꺼기. 따라서 폐 커피 찌꺼기에서 위의 기름성분을 추출하지 않은 것과 총 4 종류의 커피 찌꺼기에 대해 활성탄을 제조하였다.The coffee grounds were divided into two groups to produce activated carbon. The first group is regular waste coffee grounds, and the second group is waste coffee residue after extracting lipids or biodiesel. The coffee grounds extracted from lipids or biodiesel are divided into three types according to the extraction method used: 1) coffee grounds extracted with chloroform; 2) coffee residue through in-situ ester exchange; 3) Coffee grounds extracted with steam. Therefore, activated carbon was prepared for four types of coffee grounds, which were not extracted from waste coffee residue.

한 번의 실험 시에 건조된 2g의 커피 찌꺼기를 취하여, 수산화칼륨 수용액과 혼합하였다. 이 때 사용된 수용액의 농도는 6몰농도이며, 커피 찌꺼기에 대한 질량비가 1:0.5가 되도록 양을 조절하였다. 약 30분 가량 음파처리를 함으로써 수산화칼륨 이온이 커피 찌꺼기에 골고루 스며들도록 하였다.Two grams of the coffee grounds dried in one experiment were taken and mixed with an aqueous solution of potassium hydroxide. The concentration of the aqueous solution used was 6 molar, and the amount was adjusted so that the mass ratio to the coffee grounds was 1: 0.5. By sonication for about 30 minutes, potassium hydroxide ions were allowed to penetrate evenly into the coffee grounds.

음파처리가 끝나면 혼합물은 슬러리의 형태를 띠는데, 이를 도가니(crucible)에 평평하게 깔아주었다(도 2-1) 그리고 100℃로 설정한 진공오븐에서 만 하루 동안 건조시켰다(도 2-2)After sonication, the mixture was in the form of a slurry, which was laid flat on a crucible (Fig. 2-1) and dried in a vacuum oven set at 100 ° C for one day (Fig. 2-2)

건조된 슬러리를 담은 도가니를 전기로에 넣고, 전기로 내부의 산화 기체를 제거하기 위해 50㎖min-1의 질소를 흘려주며 30분간 퍼징(purging)하였다. 이후, 5℃min-1의 승온 속도로 750℃까지 가열한 뒤 1시간동안 열처리를 하며 활성화를 하였다.The crucible containing the dried slurry was placed in an electric furnace and purged for 30 minutes by flowing nitrogen at 50 mlmin -1 in order to remove the oxidizing gas inside the furnace. Thereafter, the mixture was heated to 750 ° C at a heating rate of 5 ° C min -1 , and then heat-treated for 1 hour to activate.

열처리가 끝난 활성탄은 2번의 염산(2몰농도) 처리, 2번의 증류수 처리 그리고 1번의 에탄올 처리를 거치는 정제 과정 후에 100℃로 설정한 진공오븐에서 만 하루 동안 건조시켰다. 건조 후, 최종적으로 질소가 도핑된 활성탄을 얻을 수 있었다(도 2-3)The heat-treated activated carbon was dried in a vacuum oven set at 100 ° C. for one day after two purification steps of hydrochloric acid (2 molar) treatment, two distilled water treatment and one ethanol treatment. After drying, finally activated carbon doped with nitrogen was obtained (Fig. 2-3)

본 발명을 통해 제조된 활성탄은 매우 높은 비표면적 값을 가짐을 비표적 분석(BET analysis)을 통해 확인하였다. 도 3은 각 활성탄의 질소 흡착등온선(N2 adsorption isotherms)을 나타내고, 도 4는 전기화학적 활성에 영향을 주는 마이크로 세공(micropore)의 분포도를 나타낸 것이다. 이를 바탕으로 정리한 수치를 표 1에 나타내었다.The activated carbon produced by the present invention has a very high specific surface area value through BET analysis. FIG. 3 shows the N 2 adsorption isotherms of the activated carbon, and FIG. 4 shows the distribution of micropores affecting the electrochemical activity. The results are summarized in Table 1.

SampleSample SBET
(m2/g)
SBET
(m 2 / g)
Pore volume
(cm3/g)
Pore volume
(cm < 3 > / g)
MicroporeMicropore MesoporeMesopore RatioRatio
1One 21.8921.89 0.00350.0035 -- -- -- 22 1501.681501.68 0.600.60 0.57(0.57)0.57 (0.57) 0.020.02 28.528.5 33 2300.642300.64 1.021.02 0.91(0.90)0.91 (0.90) 0.120.12 7.67.6

1: 수산화칼륨 활성화를 적용하지 않은 비교군1: Comparative group without potassium hydroxide activation

2: 일반 커피 찌꺼기를 원료로 한 활성탄2: Activated carbon from common coffee grounds

3: 바이오디젤을 추출한 커피 찌꺼기를 원료로 한 활성탄3: Activated carbon from biodiesel-extracted coffee grounds

이를 통해 커피 찌꺼기로부터 합성한 활성탄이 높은 비표면적과 수많은 마이크로 세공을 가졌음을 알 수 있다. 이는 아연-브롬 레독스 흐름전지 양극 반응에 유리한 부분으로 작용할 것이다.As a result, it can be seen that the activated carbon synthesized from the coffee grounds has a high specific surface area and numerous micro pores. This will serve as a favorable part of the zinc-bromodeoxane flow cell positive reaction.

비표면적 분석에서 파악했던 활성탄의 다공성 구조를 주사전자현미경(SEM)에서도 확인할 수 있었다(도 5). 도 5의 a는 일반 커피 찌꺼기를 원료로 한 활성탄이고, b는 바이오디젤을 추출한 커피 찌꺼기를 원료로 한 활성탄이다.The porous structure of the activated carbon as identified in the specific surface area analysis was also confirmed by scanning electron microscopy (SEM) (FIG. 5). Fig. 5 (a) shows activated carbon made from common coffee grounds, and b is activated carbon with biodiesel extracted coffee grounds as a raw material.

아연-브롬 레독스 흐름전지의 양극 반응(Br2 + e- ⇔ 2Br-)에 대한 전기화학적 활성을 측정하기 위해 QBr(Quaternary ammonium bromide)용액을 전해질로 하는 3전극 시스템에서 활성 테스트를 하였다. 각 활성탄의 활성을 CV(Cyclic voltammetry)방식의 그래프로 나타내었으며(도 6), 도 6의 a는 일반 커피 찌꺼기를 원료로 한 활성탄이고, b는 바이오디젤을 추출한 커피 찌꺼기를 원료로 한 활성탄이며, c는 실시예 2의 활성탄의 결과이다. 여기서 넓이는 활성과 비례한다. 이에 사이클에 따른 넓이 변화를 각 활성탄 별로 정리함으로써 성능과 내구도를 동시에 나타내었다(도 7)In order to measure the electrochemical activity of the anode reaction (Br 2 + e - ⇔ 2Br - ) of the zinc-bromideox flow cell, the activity test was performed in a three-electrode system using a quaternary ammonium bromide (QBr) solution as an electrolyte. The activity of each activated carbon is shown by a graph of a cyclic voltammetry (CV) method (FIG. 6). In FIG. 6, a is activated carbon made from common coffee grounds, b is activated carbon from biodiesel extracted coffee grounds , and c is the result of the activated carbon of Example 2. Here, the area is proportional to the activity. Thus, performance and durability were shown at the same time by arranging the variation of the cycle according to each activated carbon (Fig. 7)

실시예Example 2: 질소와 붕소가  2: nitrogen and boron 도핑된Doped 활성탄의 제조 및 이의 아연-브롬  Preparation of activated carbon and its zinc-bromide 레독스흐름전지Redox flow cell (Zinc-Bromine (Zinc-Bromine RedoxRedox Flow Battery) 양극 물질로의 활용 Flow Battery) Application to anode material

실시예 2는 양질의 활성탄을 얻기 위한 실시예 1의 후처리 공정으로, 도 1의 '붕소와 질소가 도핑된 활성탄의 제조' 파트를 따른다.Example 2 is a post-treatment step of Example 1 for obtaining activated carbon of good quality and follows the part of 'Production of boron and nitrogen-doped activated carbon' of FIG. 1.

실시예 1에서 제조한 활성탄 중 일반 커피 찌꺼기를 원료로 한 활성탄을 대상으로 실시예 2를 진행하였다.Example 2 was conducted on the activated carbon prepared in Example 1, and the activated carbon having the common coffee grounds as the raw material.

약 1g의 활성탄을 취하여 1몰농도의 수소화붕소나트륨 용액과 혼합하였다. 이때 사용된 용매는 다이메틸설폭사이드이며, 활성탄에 대한 질량비가 1:0.5가 되도록 투여하였다. 약 30분 가량 음파처리를 함으로써 수소화붕소나트륨 이온이 활성탄에 골고루 스며들도록 하였다.Approximately 1 g of activated carbon was taken and mixed with a 1 molar sodium borohydride solution. At this time, the solvent used was dimethylsulfoxide, and the mass ratio of activated carbon was 1: 0.5. By sonication for about 30 minutes, sodium borohydride ions were allowed to penetrate evenly into the activated carbon.

슬러리의 형태를 띤 혼합물을 도가니에 깔고 150℃에서 만 하루 동안 건조시켰다.The slurry-formulated mixture was placed in a crucible and dried at 150 ° C for one day only.

건조된 슬러리를 담은 도가니를 전기로에 넣고, 전기로 내부의 산화 기체를 제거하기 위해 50㎖min-1의 질소를 흘려주며 30분간 퍼징(purging)하였다. 이후, 5℃min-1의 승온 속도로 500℃까지 가열한 뒤 이산화탄소 기체를 투입하여 이산화탄소 전환이 일어나도록 하였다. 이때의 유량은 75㎖min-1였다. 그리고 2시간 동안 열처리를 하였다.The crucible containing the dried slurry was placed in an electric furnace and purged for 30 minutes by flowing nitrogen at 50 mlmin -1 in order to remove the oxidizing gas inside the furnace. Thereafter, the mixture was heated up to 500 DEG C at a heating rate of 5 DEG C min <" 1 & gt ;, and then carbon dioxide gas was introduced to cause carbon dioxide conversion. The flow rate at this time was 75 ml min -1 . Then, heat treatment was performed for 2 hours.

열처리가 끝난 활성탄은 2번의 염산(2몰농도) 처리, 2번의 증류수 처리 그리고 1번의 에탄올 처리를 거치는 정제 과정 후에 100℃로 설정한 진공오븐에서 만 하루 동안 건조시켰다. 건조 후, 최종적으로 붕소와 질소가 도핑된 활성탄을 얻을 수 있었다.The heat-treated activated carbon was dried in a vacuum oven set at 100 ° C. for one day after two purification steps of hydrochloric acid (2 molar) treatment, two distilled water treatment and one ethanol treatment. After drying, activated carbon doped with boron and nitrogen was finally obtained.

붕소와 질소가 도핑되었기 때문에 아연-브롬 레독스 흐름전지 양극 반응에 유리한 부분으로 작용할 것이다. 이를 파악하고자 실시예 1의 조건과 동일하게 활성 테스트를 하였다. 이에 관한 CV 그래프와 성능 및 내구도를 나타내는 그래프를 수록하였다(도 6 및 도 7).Since boron and nitrogen are doped, the zinc-bromide redox flow cell will be a favorable part of the anodic reaction. In order to grasp this, an activity test was carried out in the same manner as in Example 1. CV graphs related thereto and graphs showing performance and durability are shown (FIGS. 6 and 7).

실시예 1 및 2로부터 커피 찌꺼기로부터 질소가 도핑된 활성탄 및 질소와 붕소가 도핑된 활성탄이 제조되는 것을 확인하였으며, 이는 아연-브롬 레독스흐름전지(Zinc-Bromine Redox Flow Battery) 양극 물질로 활용 가능하다는 것을 확인하였다.From Examples 1 and 2, it was confirmed that nitrogen-doped activated carbon and nitrogen-boron-doped activated carbon were produced from coffee grounds, which can be used as a cathode material of Zinc-Bromine Redox Flow Battery .

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will readily appreciate that many modifications are possible in the exemplary embodiments without materially departing from the novel teachings and advantages of this invention. something to do. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (19)

다음 단계를 포함하는 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법:
(a) 폐커피 찌꺼기를 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 인산(H3PO4) 및 염화아연(ZnCl2)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 활성화제 수용액을 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계;
(b) 상기 (a)의 슬러리를 건조시키고 비활성 가스가 유입된 가열로에서 열처리하여 활성탄을 수득하는 단계; 및
(c) 상기 (b)의 활성탄을 정제 및 건조하는 단계.
A method for producing a hetero-element-doped carbonaceous material using waste coffee comprising the steps of:
(a) the waste coffee grounds potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), phosphoric acid (H 3 PO 4) and zinc chloride (ZnCl 2) to obtain a slurry by mixing the selected one activator aqueous solution of at least one kind from the group consisting of ;
(b) drying the slurry of (a) and subjecting it to heat treatment in a furnace into which an inert gas is introduced to obtain activated carbon; And
(c) purifying and drying the activated carbon of (b).
다음 단계를 포함하는 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법:
(a) 폐커피 찌꺼기를 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 인산(H3PO4) 및 염화아연(ZnCl2)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 활성화제 수용액을 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계;
(b) 상기 (a)의 슬러리를 건조시키고 비활성 가스가 유입된 가열로에서 열처리하여 활성탄을 수득하는 단계;
(c) 상기 (b)의 활성탄을 정제 및 건조한 다음, 붕소 전구체를 첨가 및 혼합하여 슬러리를 수득하는 단계;
(d) 상기 (c)의 슬러리를 건조시키고 가스가 유입된 가열로에서 열처리하여 활성탄을 수득하는 단계; 및
(e) 상기 (d)의 활성탄을 정제하는 단계.
A method for producing a hetero-element-doped carbonaceous material using waste coffee comprising the steps of:
(a) the waste coffee grounds potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), phosphoric acid (H 3 PO 4) and zinc chloride (ZnCl 2) to obtain a slurry by mixing the selected one activator aqueous solution of at least one kind from the group consisting of ;
(b) drying the slurry of (a) and subjecting it to heat treatment in a furnace into which an inert gas is introduced to obtain activated carbon;
(c) purifying and drying the activated carbon of (b), and then adding and mixing a boron precursor to obtain a slurry;
(d) drying the slurry of (c) and heat-treating the slurry in the heating furnace to obtain activated carbon; And
(e) purifying the activated carbon of (d).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 폐커피 찌꺼기는 커피음료 생성 후 발생하는 일반 폐커피 찌꺼기 또는 폐커피 찌꺼기에서 벤젠, 자일렌, 클로로포름, 헥산, 에틸 아세테이트, 메탄올, 에탄올 및 사이클로헥산으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 유기용매나 스팀을 이용하여 지질을 추출하거나 트렌스화 반응을 통하여 바이오디젤을 추출한 후 발생하는 폐커피 찌꺼기인 것을 특징으로 하는 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법.
The method according to claim 1 or 2, wherein the waste coffee grounds are composed of common waste coffee grounds or waste coffee grounds generated after the production of coffee beverages, which are composed of benzene, xylene, chloroform, hexane, ethyl acetate, methanol, ethanol and cyclohexane Wherein at least one organic solvent or steam selected from the group consisting of bubbles is used to extract lipids or biodiesel from the biodiesel through a diffusion reaction.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (a) 단계의 폐커피 찌꺼기를 50~150℃에서 건조한 후에 활성화제 수용액을 혼합하고, 상기 (b), (c) 또는 (d) 단계의 건조는 50~150℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 폐커피를 이용한 이종원소 탄소소재의 제조방법.
The method according to claim 1 or 2, wherein the aqueous solution of the activator is mixed after drying the waste coffee grounds of step (a) at 50 to 150 ° C, and drying of step (b), (c) Wherein the drying step is performed at a temperature of 50 to 150 ° C.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (c) 단계의 정제는 염산, 물 및 에탄올을 첨가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법.
The method of claim 1 or 2, wherein the purification of step (c) is performed by adding hydrochloric acid, water and ethanol.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 활성화제 수용액은 0.5~6M이고, 폐커피 찌꺼기와 활성화제의 질량비는 1:0.1~1:3인 것을 특징으로 하는 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법.
The method of claim 1 or 2, wherein the activator aqueous solution is 0.5 to 6M, and the mass ratio of waste coffee grounds and activator is 1: 0.1 to 1: 3. ≪ / RTI >
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (a) 및 (c) 단계의 혼합은 고체나 슬러리상태에서 교반기 또는 음파처리(sonication)를 이용하는 것을 특징으로 하는 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법.
The method of claim 1 or 2, wherein the mixing of steps (a) and (c) uses a stirrer or sonication in the solid or slurry state. Gt;
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (b) 단계의 열처리는 질소 또는 아르곤 기체나 질소가 포함된 배기가스 하에서 1~10℃min-1의 속도로 400~1000℃로 승온하여 0.5~2시간의 시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법.
The method according to claim 1 or 2, wherein the heat treatment in step (b) is performed at a temperature of 1 to 10 占 폚 min- 1 under an exhaust gas containing nitrogen or argon gas or nitrogen, Wherein the heat treatment is performed for a period of time.
제2항에 있어서, 상기 (d) 단계의 열처리는 이산화탄소를 탄소로 전환시 유량은 10~3000㎖min-1이며 1~5℃min-1의 승온 속도로 500-1000℃에서 0.5~2시간을 유지하는 것을 특징으로 하는 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법.
The method of claim 2, wherein the heat treatment in step (d) when switching the carbon dioxide in the carbon flow rate is 10 ~ 3000㎖min -1 and 1 and at a heating rate of 5 min -1 ℃ at 500-1000 ℃ 0.5 ~ 2 sigan Wherein the carbonaceous material is maintained at a temperature of < RTI ID = 0.0 > 100 C < / RTI >
제2항에 있어서, 상기 (d) 단계의 열처리는 이산화탄소를 탄소로 전환시가 아닐 경우 질소나 아르곤 가스 또는 질소가 포함된 배기가스 유량은 10~3000㎖min-1이고, 1~5℃min-1의 승온 속도로 500~1000℃에서 0.5~2시간을 유지하는 것을 특징으로 하는 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법.
The method according to claim 2, wherein the heat treatment in step (d) is performed so that the flow rate of the exhaust gas containing nitrogen, argon gas or nitrogen is 10-3000 ml min -1 when the carbon dioxide is not converted to carbon, -1 > at 500 to 1000 DEG C for 0.5 to 2 hours.
제2항에 있어서, 상기 붕소 전구체는 나트륨 붕소 하이드라이드(NaBH4), 보론옥사이드(B2O3), 보릭에시드(H2BO3), 리튬 붕소하이드라이드(LiBH4), 칼륨 붕소하이드라이드(KBH4), 마그네슘 붕소하이드라이드(Mg(BH4)2), 칼슘 붕소하이드라이드(Ca(BH4)2), 스트론튬 붕소하이드라이드(Sr(BH4)2) 및 암모니아보레인(NH3BH3)으로 구성된 군에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법.
The method of claim 2, wherein the boron precursor is sodium boron hydride (NaBH 4), boron oxide (B 2 O 3), boric Acid (H 2 BO 3), lithium-boron hydride (LiBH 4), potassium boron hydride (KBH 4), magnesium boron hydride (Mg (BH 4) 2) , calcium boron hydride (Ca (BH 4) 2) , strontium boron hydride (Sr (BH 4) 2) and ammonia borane (NH 3 BH < / RTI >< RTI ID = 0.0 > 3 ). ≪ / RTI >
제1항 또는 제2항에 있어서, 지질 또는 바이오디젤을 부산물로 수득하는 것을 특징으로 하는 폐커피를 이용한 이종원소 도핑 탄소소재의 제조방법.
The method of claim 1 or 2, wherein the lipid or biodiesel is obtained as a by-product.
제1항의 방법에 의해 제조된 탄소소재에 질소가 도핑된 것을 특징으로 하는 이종원소 도핑 탄소소재.
A hetero-element-doped carbon material characterized in that the carbon material produced by the method of claim 1 is doped with nitrogen.
제2항의 방법에 의해 제조된 탄소소재에 붕소 및 질소가 도핑된 것을 특징으로 하는 이종원소 도핑 탄소소재.
A hetero-element-doped carbon material characterized in that the carbon material produced by the method of claim 2 is doped with boron and nitrogen.
제13항의 이종원소 도핑 탄소소재를 포함하는 전극물질.
An electrode material comprising the hetero-element-doped carbon material of claim 13.
제14항의 이종원소 도핑 탄소소재를 포함하는 전극물질.
An electrode material comprising the hetero-element-doped carbon material of claim 14.
제15항 또는 제16항에 있어서, 연료전지, 슈퍼커패시터 또는 레독스 흐름전지의 전극물질인 것을 특징으로 하는 전극물질.
The electrode material according to claim 15 or 16, wherein the electrode material is a fuel cell, a supercapacitor, or a redox flow cell.
제13항의 이종원소 도핑 탄소소재 및 제13항의 이종원소 도핑 탄소소재를 포함하는 전극물질.
An electrode material comprising the hetero-element-doped carbon material of claim 13 and the hetero-element-doped carbon material of claim 13.
제18항에 있어서, 연료전지, 슈퍼커패시터 또는 레독스 흐름전지의 전극물질인 것을 특징으로 하는 전극물질.
The electrode material according to claim 18, which is an electrode material of a fuel cell, a supercapacitor or a redox flow cell.
KR1020160129886A 2016-10-07 2016-10-07 Method of Preparing Heteroatom-Doped Carbon Materials Using Spent Coffee Grounds and Application of Electrode Materials Thereof KR102015119B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160129886A KR102015119B1 (en) 2016-10-07 2016-10-07 Method of Preparing Heteroatom-Doped Carbon Materials Using Spent Coffee Grounds and Application of Electrode Materials Thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160129886A KR102015119B1 (en) 2016-10-07 2016-10-07 Method of Preparing Heteroatom-Doped Carbon Materials Using Spent Coffee Grounds and Application of Electrode Materials Thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180038802A true KR20180038802A (en) 2018-04-17
KR102015119B1 KR102015119B1 (en) 2019-08-27

Family

ID=62083302

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160129886A KR102015119B1 (en) 2016-10-07 2016-10-07 Method of Preparing Heteroatom-Doped Carbon Materials Using Spent Coffee Grounds and Application of Electrode Materials Thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102015119B1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109888314A (en) * 2019-03-13 2019-06-14 深圳市中金岭南科技有限公司 A kind of preparation method of zinc-air battery boron cobalt nitrogen-doped carbon nano material
CN110534757A (en) * 2019-09-11 2019-12-03 上海交通大学 High performance carbon electrode and preparation method thereof
CN111821949A (en) * 2020-07-21 2020-10-27 南京农业大学 Nitrogen-phosphorus co-doped peanut shell carbon and preparation method and application thereof
US11158866B2 (en) 2019-07-26 2021-10-26 National Tsing Hua University Microbial fuel cell with activated carbon anode derived from waste coffee ground and method of manufacturing the same

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100259546B1 (en) 1998-02-19 2000-06-15 김학희 The preparation of activated carbon from coffee waste
JP2005075686A (en) 2003-09-01 2005-03-24 King Car Food Industrial Co Ltd Method for producing activated carbon by using lees of coffee bean
WO2010020007A1 (en) * 2008-08-20 2010-02-25 The University Of Queensland Nanoporous carbon electrodes and supercapacitors formed therefrom
KR101176969B1 (en) 2005-04-12 2012-08-30 (주)인비트로플랜트 A process for producing activated carbon from coffee grounds
KR101340009B1 (en) * 2013-03-06 2013-12-11 한국과학기술원 Method for the synthesis of carbon materials using carbon dioxide
KR20160027425A (en) * 2014-08-29 2016-03-10 한국과학기술원 Method of preparing heteroatom-doped carbon materials using flue gas comprising carbon dioxide
WO2016157508A1 (en) * 2015-03-27 2016-10-06 Nec Corporation Boron-doped activated carbon material

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100259546B1 (en) 1998-02-19 2000-06-15 김학희 The preparation of activated carbon from coffee waste
JP2005075686A (en) 2003-09-01 2005-03-24 King Car Food Industrial Co Ltd Method for producing activated carbon by using lees of coffee bean
KR101176969B1 (en) 2005-04-12 2012-08-30 (주)인비트로플랜트 A process for producing activated carbon from coffee grounds
WO2010020007A1 (en) * 2008-08-20 2010-02-25 The University Of Queensland Nanoporous carbon electrodes and supercapacitors formed therefrom
KR101340009B1 (en) * 2013-03-06 2013-12-11 한국과학기술원 Method for the synthesis of carbon materials using carbon dioxide
KR20160027425A (en) * 2014-08-29 2016-03-10 한국과학기술원 Method of preparing heteroatom-doped carbon materials using flue gas comprising carbon dioxide
WO2016157508A1 (en) * 2015-03-27 2016-10-06 Nec Corporation Boron-doped activated carbon material

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109888314A (en) * 2019-03-13 2019-06-14 深圳市中金岭南科技有限公司 A kind of preparation method of zinc-air battery boron cobalt nitrogen-doped carbon nano material
US11158866B2 (en) 2019-07-26 2021-10-26 National Tsing Hua University Microbial fuel cell with activated carbon anode derived from waste coffee ground and method of manufacturing the same
CN110534757A (en) * 2019-09-11 2019-12-03 上海交通大学 High performance carbon electrode and preparation method thereof
CN111821949A (en) * 2020-07-21 2020-10-27 南京农业大学 Nitrogen-phosphorus co-doped peanut shell carbon and preparation method and application thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR102015119B1 (en) 2019-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105344369B (en) The nitrogen co-doped charcoal base oxygen reduction catalyst of cobalt and its preparation and application with three-dimensional graded porous structure
CN110248731B (en) Metal-free catalysts derived from waste biomass for oxygen reduction reactions
CN108529587B (en) Preparation method and application of phosphorus-doped biomass graded porous carbon material
CN108117073B (en) Method for preparing porous carbon material by using water hyacinth and application
US7799733B2 (en) Process for preparing high surface area carbon
JP5400892B2 (en) Method for producing porous activated carbon
CN102923688B (en) Preparation method and application of nitrogen-doped carbon material
KR102015119B1 (en) Method of Preparing Heteroatom-Doped Carbon Materials Using Spent Coffee Grounds and Application of Electrode Materials Thereof
CN110124713B (en) Nitrogen-doped carbon nanofiber loaded hollow structure Co3O4/CeO2Preparation method and application of nanoparticle material
JP2012507470A5 (en)
CN102247802A (en) Method for preparing activated carbon
CN106915744B (en) A kind of stalk resource utilizes method
JP2022524223A (en) How to generate a highly active monolithic net-shaped biochar
CN109850896B (en) Preparation method and application of native eichhornia crassipes biomass carbon porous electrode material
Kim et al. Spent coffee derived hierarchical porous carbon and its application for energy storage
Konwar et al. Sustainable synthesis of N and P co-doped porous amorphous carbon using oil seed processing wastes
CN107651687A (en) A kind of preparation method and applications of the Carbon Materials rich in pyridine nitrogen
KR20140036506A (en) The method for manufacturing the hard carbon and the hard carbon manufactured thereby
CN112479205A (en) Narrow-pore bamboo sheath activated carbon and preparation method thereof
CN110055556A (en) Evolving hydrogen reaction catalyst and its preparation method and application
CN108455561B (en) Preparation method of paper-based mesoporous carbon electrode material and preparation method of electrode
CN115849377A (en) Active carbon composite material and preparation method and application thereof
CN102516322A (en) Method for preparing levoglucosenone with magnetic solid phosphoric acid catalyst
CN109110758A (en) A kind of preparation method of porous carbon electrode material used for super capacitor
CN113178589B (en) Microbial fuel cell cathode, preparation method thereof and microbial fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant