KR20180123698A - 이온 분리 매체 및 이의 적용 - Google Patents

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Abstract

열전 재료 및 아키텍처를 사용하는 이온 분리 매체가 본원에 기재된다. 일부 양태에서, 이온 분리 매체는 열 구배의 존재하에 층의 표면을 따라 액체 매질에서 이온성 종을 수송하기에 충분한 제벡 계수를 갖는 무기 나노입자의 층을 포함한다.

Description

이온 분리 매체 및 이의 적용
관련출원 데이터
본 출원은 2016년 3월 16일자로 출원된 미국 가특허원 제62/309,098호에 대한 35 U.S.C. § 119(e)에 따른 우선권을 주장하며, 이의 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다.
분야
본 발명은 액체 매질에서 이온성 종(ionic species)을 분리하기 위한 매체, 특히 열 구배하에 다양한 표면을 따라 이온성 종을 수송하기에 충분한 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 갖는 열전 아키텍처(thermoelectric architecture)를 사용하는 매체에 관한 것이다.
열전 재료(thermoelectric material) 및 장치는 열 공급원으로부터 전기를 발생시키기 위해 널리 사용된다. 열전 장치는, 예를 들어, 다양한 산업 분야에서 발생된 폐열로부터 전기를 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 열전 효율은 성능 지수 ZT로 정량화된다.
보다 높은 ZT 값을 나타내는 열전 재료가 보다 높은 열전 효율을 갖는다. 적당한 ZT 값을 갖는 열전 재료를 제조하는 것은 종종 어렵고/거나 비용이 많이 든다. 비스무트 칼코게나이드(Bismuth chalcogenide)는, 예를 들어, 0.7 내지 1.0 범위의 ZT와 함께 우수한 열전 특성을 제공한다. 이들 재료는 나노구조화되어 교호하는 Bi2Te3 및 Bi2Se3 층의 초격자(superlattice) 구조를 제조할 수 있고, 수용가능한 전기 전도성 및 불량한 열 전도성을 갖는 재료를 생성한다. 그럼에도 불구하고, 이들 재료의 제조는 시간 소모적이고 비용이 많이 들 수 있다.
더구나, 제조 요건 및 기타 재료 내성(tolerance)의 결과, 다수의 열전 재료는 그들 자체가 집열 및 발전용의 다양한 장치에 쉽게 통합되도록 하지 못한다. 이들 단점은 열전 재료의 새로운 용도를 요구한다.
하나의 측면에서, 본원에 기재된 열전 재료 및 아키텍처는 액체 매질에서 이온성 종의 분리시 사용될 수 있다. 이러한 열전 아키텍처는 물 담수화, 다양한 센서 및/또는 분자 정제 시스템을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 각종 분야에서 사용될 수 있다. 일부 양태에서, 본원에 기재된 이온 분리 매체는 열 구배의 존재하에 층의 표면을 따라 액체 매질에서 이온성 종을 수송하기에 충분한 제벡 계수를 갖는 무기 나노입자의 층을 포함한다. 상기 무기 나노입자의 층은, 일부 양태에서, 다공성이며, 이에 의해 이온성 종은 상기 층을 통해 수송될 수 있다. 본원에 기재된 분리 매체에 의해 수송된 이온성 종은 염, 전이금속, 생물학적 분자, 유기 분자 또는 이들의 혼합물의 양이온 및 음이온을 포함할 수 있다.
또 다른 측면에서, 이온 펌프(ion pump)가 제공된다. 이온 펌프는, 일부 양태에서, 이온성 종을 포함하는 액체 매질을 수용하기 위한 분석물 구획(analyte compartment)을 포함한다. 이온 수집 구획(ion collection compartment)은 열 구배의 존재하에 분석물 구획으로부터 이온 수집 구획으로 이온성 종을 수송하기에 충분한 제벡 계수를 갖는 무기 나노입자의 층을 통해 분석물 구획과 이온 소통한다.
또 다른 양태에서, 이온 펌프는 액체 매질에서 제1 이온성 종 및 제2 이온성 종을 포함하는 혼합물을 수용하기 위한 분석물 구획을 포함한다. 제1 이온 수집 구획은 열 구배의 존재하에 분석물 구획으로부터 제1 이온 수집 구획으로 제1 이온성 종을 수송하기에 충분한 제벡 계수를 갖는 무기 나노입자의 층을 통해 분석물 구획과 이온 소통한다. 제2 이온 수집 구획 또한 무기 나노입자의 층을 통해 분석물 구획과 이온 소통하고, 여기서, 제벡 계수는 열 구배의 존재하에 분석물 구획으로부터 제2 이온 수집 구획으로 제2 이온성 종을 수송하기에 충분하다.
이들 및 기타 양태가 다음 상세한 설명에서 추가로 설명된다.
도 1은 본원에 기재된 일부 양태에 따른 MoS2 나노입자의 판상 모폴로지(platelet morphology)를 나타낸다.
도 2는 본원에 기재된 하나의 양태에 따른 MoS2 나노입자의 층의 일부분의 광학 현미경사진이다.
도 3은 본원에 기재된 일부 양태에 따른 이온 펌프를 나타낸다.
도 4는 본원에 기재된 일부 양태에 따른 이온 펌프의 전압 특성을 나타낸다.
본원에 기재된 양태들은 다음 상세한 설명 및 실시예 및 이들의 이전 및 다음 설명을 참조하여 보다 쉽게 이해될 수 있다. 그러나, 본원에 기재된 요소, 장치 및 방법은 상세한 설명 및 실시예에서 제시된 특정 양태들로 제한되지 않는다. 이들 양태들은 단지 본 발명의 원리를 예시할 뿐임을 인지하여야 한다. 다수의 변화 및 변형이 발명의 취지 및 범위를 벗어남이 없이 가능함은 당업자에게 자명할 것이다.
I. 이온 분리 매체
열전 재료 및 아키텍처를 사용하는 이온 분리 매체가 본원에 기재된다. 일부 양태에서, 이온 분리 매체는 열 구배의 존재하에 층의 표면을 따라 액체 매질에서 이온성 종을 수송하기에 충분한 제벡 계수를 갖는 무기 나노입자의 층을 포함한다. 열 구배하에 이온 수송에 충분한 제벡 계수를 갖는 층을 제공할 수 있는 어떠한 무기 나노입자도 사용될 수 있다. 적합한 무기 나노입자는 전이금속 칼코게나이드, 예를 들면, 전이금속 디칼코게나이드(MX2)를 포함할 수 있다. 전이금속 디칼코게나이드의 구체적인 예로는 MoS2, TiS2 및 WS2가 있지만 이들로 제한되지 않는다. 무기 나노입자는 또한 3원 전이 금속 칼코게나이드, 4원 금속 칼코게나이드 또는 이들의 혼합물로 형성될 수 있다. 추가의 양태에서, 무기 나노입자는 전이금속 나노입자, 세라믹 나노입자 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 전이금속 나노입자는, 일부 양태에서, 주기율표의 VIIB족, VIIIB족, IB족 및/또는 IIB족 금속을 포함한다. 또한, 세라믹 나노입자는 전이금속 산화물, 탄화물 및/또는 질화물을 포함할 수 있다.
무기 나노입자는 본 발명의 목적에 상반되지 않는 임의의 모폴로지를 가질 수 있다. 예를 들면, 무기 나노입자는 판상 모폴로지를 가질 수 있다. 또는, 무기 나노입자는 와이어 또는 침상 모폴로지를 가질 수 있다. 도 1은 본원에 기재된 일부 양태에 따른 MoS2 나노입자의 판상 모폴로지를 나타낸다. 추가로, 무기 나노입자는 본 발명의 목적에 상반되지 않는 임의의 크기를 가질 수 있다. 일반적으로, 무기 나노입자는 100 nm 미만의 적어도 하나의 치수를 갖는다. 판상 모폴로지의 경우, 무기 나노입자는 두께가 1 내지 50 nm이고 직경이 100 nm 이상일 수 있다.
무기 나노입자는 다양한 기술에 의해 모여서 층으로 될 수 있다. 일부 양태에서, 무기 나노입자를 표면에 침착시키고 층으로 압축한다. 예를 들면, 무기 나노입자를 금형에 넣고 임의의 목적하는 형태의 층으로 압축할 수 있다. 대안적으로, 무기 나노입자를 호스트 재료(host material)에 부가하여 층을 형성할 수 있다. 일부 양태에서, 하나 이상의 중합체성 재료와 같은 유기 호스트 재료가 사용될 수 있다. 적합한 중합체성 종은 하나 이상의 플루오로중합체를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 플루오로중합체는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌(PVDF-TFE), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 또는 이들의 혼합물 또는 공중합체를 포함한다. 호스트 중의 무기 나노입자의 부하량은 일반적으로 생성된 층의 약 50중량% 내지 99중량%의 범위일 수 있다. 일부 양태에서, 무기 나노입자의 부하량은 60 내지 80중량% 범위이다. 도 2는 본원에 기재된 하나의 양태에 따른 MoS2 나노입자의 층의 일부분의 광학 현미경사진을 나타낸다.
무기 나노입자의 층은 본 발명의 목적에 상반되지 않는 임의의 두께를 가질 수 있다. 일부 양태에서, 무기 나노입자의 층은 표 I로부터 선택된 두께를 갖는다.
표 I - 무기 나노입자 층 두께(μm)
Figure pct00001
추가로, 무기 나노입자의 층은 다공성일 수 있다. 본원에 추가로 상세화되어 있는 바와 같이, 상기 층의 다공성은 상기 무기 나노입자의 층이 열 구배에 놓일 때 상기 층을 통해 이온성 종을 수송할 수 있도록 하여 이온성 종의 분리를 향상시킬 수 있다. 일부 양태에서, 무기 나노입자의 층은 표 II로부터 선택된 다공도를 갖는다.
표 II - 무기 나노입자 층 다공도(체적%)
Figure pct00002
더구나, 상기 무기 나노입자의 층은, 일부 양태에서, 1 μm 미만의 평균 기공 크기를 갖는다. 무기 나노입자의 층의 평균 기공 크기는, 예를 들면, 50 nm 내지 500 nm의 범위일 수 있다. 일부 양태에서, 무기 나노입자의 층은 100 내지 750 nm의 평균 기공 크기를 가질 수 있다. 다른 양태에서, 무기 나노입자의 층은 1 μm 이상, 예를 들면 1 내지 10 μm의 평균 기공 크기를 가질 수 있다.
일부 양태에서, 무기 나노입자의 층은 열 구배의 방향으로 소수성 영역으로 전이하는 친수성 영역을 갖는다. 무기 나노입자 층의 친수성 영역 및 소수성 영역은 본 발명의 목적에 상반되지 않는 어떠한 기술에 따라서도 형성될 수 있다. 일부 양태에서, 무기 나노입자의 친수성 또는 소수성 특성은 변할 수 있다. 예를 들면, MoS2 판이 침착되어 층을 형성할 수 있다. MoS2 층의 영역을 150℃로 가열하여 1T-MoS2로부터 2H-MoS2로 형태적 구조를 국소적으로 변화시킨다. 이러한 형태 변화는 소수성 2H-MoS2 영역을 확립한다. 상기 층의 가열되지 않은 영역(들)은 친수성 1T-MoS2로 남는다. 다른 양태에서, 무기 나노입자의 캐리어(carrier)가 친수성 및 소수성 특성의 영역을 제공할 수 있다. 추가의 양태에서, 무기 나노입자의 표면을 다양한 종, 예를 들면, 리간드로 개질하여 친수성 및 소수성 특성의 영역을 부여할 수 있다. 표면 리간드는 또한 무기 입자의 층에 의해 수송된 이온성 종을 포획하기 위해 사용될 수 있고, 이에 의해 본원에 기재된 매체의 이온 분리 특성을 향상시킬 수 있다.
위에서 기재한 바와 같이, 무기 나노입자의 층은 액체 매질에서 이온성 종을 수송하기에 충분한 제벡 계수를 갖는다. 일부 양태에서, 무기 나노입자의 층은 표 III으로부터 선택된 제벡 계수를 갖는다.
표 III - 제벡 계수(298K에서 μV/K)
Figure pct00003
표 IV는 본원에 기재된 하나의 양태에 따른 비-탈이온수 하의 1T-MoS2 나노판 층의 열전 특성 및 전도 특성을 제공한다.
표 IV - MoS2 층의 특성
Figure pct00004
또한, 무기 나노입자 층은 온도 변동에 민감하고, 이온성 종의 수송을 개시하기 위해서 비교적 작은 열 구배를 요구할 뿐이다. 일부 양태에서, 적어도 0.5℃의 열 구배가 무기 나노입자의 층의 표면을 따라서 이온 수송을 야기할 수 있다. 일부 양태에서, 적합한 열 구배는 표 V로부터 선택된다.
표 V - 열 구배(℃)
Figure pct00005
II. 이온 펌프
또 다른 측면에서, 이온 펌프가 제공된다. 이온 펌프는, 일부 양태에서, 이온성 종을 포함하는 액체 매질을 수용하기 위한 분석물 구획을 포함한다. 이온 수집 구획은 열 구배의 존재하에 분석물 구획으로부터 이온 수집 구획으로 이온성 종을 수송하기에 충분한 제벡 계수를 갖는 무기 나노입자의 층을 통해 분석물 구획과 이온 소통한다.
또 다른 양태에서, 이온 펌프는 액체 매질에 제1 이온성 종 및 제2 이온성 종을 포함하는 혼합물을 수용하기 위한 분석물 구획을 포함한다. 제1 이온 수집 구획은 열 구배의 존재하에 분석물 구획으로부터 제1 이온 수집 구획으로 제1 이온성 종을 수송하기에 충분한 제벡 계수를 갖는 무기 나노입자의 층을 통해 분석물 구획과 이온 소통한다. 제2 이온 수집 구획은 또한 무기 나노입자의 층을 통해 분석물 구획과 이온 소통하고, 여기서, 제벡 계수는 열 구배의 존재하에 분석물 구획으로부터 제2 이온 수집 구획으로 제2 이온성 종을 수송하기에 충분하다.
무기 나노입자의 층은 본원의 섹션 I에서 기재된 임의의 구성 및/또는 특성을 가질 수 있다. 도 3은 본원에 기재된 일부 양태에 따른 이온 펌프 구성을 나타낸다. 이온 펌프(30)는 제1 및 제2 이온성 종의 혼합물을 수용하기 위한 분석물 구획(31)을 포함한다. 제1 이온 수집 구획(32)은 무기 나노입자의 층(33)을 통해 분석물 구획(31)과 이온 소통한다. 또한, 제2 이온 수집 구획(34)는 무기 나노입자의 층(33)을 통해 분석물 구획과 이온 소통한다. 도 3의 양태에서, 무기 나노입자의 층(33)은 상기 구획들 각각을 통과하는 로드(35)의 외부 표면에 침착된다. O-링(36)은 혼합을 방지하기 위해 상기 구획들 사이에 위치한다. 열수가 제1 이온 수집 구획(32)로 유동하고, 냉수가 제2 이온 수집 구획(34)로 유동하여 열 구배를 이룰 수 있다. 열 구배가 이루어지면, 분석물 구획(31) 내의 제1 이온성 종은 무기 입자의 층(33)의 표면을 따라 제1 이온 수집 구획(32)으로 수송될 수 있다. 무기 나노입자의 층(33)은 다공성이고, 이에 의해 제1 이온성 종은 층(33)을 통해 O-링(36) 하에 이동하여 제1 구획(32)에 도달할 수 있다. 유사하게, 제2 이온성 종은 무기 나노입자의 층(33)을 통해 수송되어 제2 이온 수집 구획(34)에 도달한다. 이온 수송을 향상시키기 위해서, 무기 나노입자의 층은 제1 이온 수집 구획(32)에서 소수성일 수 있고, 제2 이온 수집 구획에서 친수성일 수 있거나, 그 반대일 수 있다. 제1 및 제2 이온성 종이 분석물 구획(31) 외부로 수송됨에 따라, 제1 및 제2 이온성 종의 신선한 혼합물이 추가의 이온 분리를 위해 분석물 구획(31)로 부가될 수 있다.
도 3의 구조를 갖는 이온 펌프는 도 2에 나타낸 모폴로지를 갖는 MoS2의 층으로 구성되었다. 상기 MoS2는 제1 이온 수집 구획에서 소수성 2H였고 제2 이온 수집 구획에서 친수성 1T였다. 염수(NaCl)를 분석물 구획에 부가하고, 도 3에서와 같이 열 구배를 확립했다. Cl-가 제1 이온 구획으로 수송되었고, Na+가 제2 이온 구획으로 수송되었다. 이러한 이온 유동은 분석물 구획에서 물을 정제하였다. △T당 초당 정제된 물의 리터[L/(s△T)]의 면에서, 이는 NaCl 농도에 의존한다. 예측치는 △T당 초(sec)당 제거된 이온 1 x 107이다. 염수로부터 이온 제거를 도 4에 나타낸다. 염수가 열 구배하에 MoS2 나노입자의 층과 처음으로 접촉할 때, 큰 전압 상승이 일어난다. 분석물 챔버 외부로의 수송으로 인해 이온 농도가 감소함에 따라, 전압은 저하하고 영(0)으로 돌아간다.
본 발명의 다양한 양태들이 본 발명의 다양한 목적의 달성으로 기재되었다. 이들 양태들은 본 발명의 원리를 예시할 뿐임을 인지하여야 한다. 이의 다수의 변화 및 변형이 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어남이 없이 가능함을 당업자에게는 자명할 것이다.

Claims (31)

  1. 열 구배의 존재하에 층의 표면을 따라 액체 매질에서 이온성 종을 수송하기에 충분한 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 갖는 무기 나노입자의 층을 포함하는 이온 분리 매체(ion separation medium).
  2. 제1항에 있어서, 상기 무기 나노입자의 층이 다공성인, 이온 분리 매체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 무기 나노입자의 층이 50체적% 이하의 다공도를 갖는, 이온 분리 매체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이온성 종이 염, 전이금속, 생물학적 분자, 유기 분자 또는 이들의 혼합물의 양이온 및 음이온을 포함하는, 이온 분리 매체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 무기 나노입자의 층이 상기 열 구배의 방향으로 소수성 영역으로 전이하는 친수성 영역을 갖는, 이온 분리 매체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 무기 나노입자가 하나 이상의 전이금속 칼코게나이드(transition metal chalcogenide)를 포함하는, 이온 분리 매체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 무기 나노입자가 이황화몰리브덴을 포함하는, 이온 분리 매체.
  8. 제6항에 있어서, 상기 무기 나노입자가 판상 모폴로지(platelet morphology)를 갖는, 이온 분리 매체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 무기 나노입자의 적어도 일부분이 카운터이온성 종(counterionic species)으로 관능화되는, 이온 분리 매체.
  10. 제5항에 있어서, 상기 친수성 영역이 1T-MoS2 나노입자를 포함하고, 상기 소수성 영역이 2H-MoS2 나노입자를 포함하는, 이온 분리 매체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 무기 나노입자의 층이 298K의 온도에서 적어도 40 μV/K의 제벡 계수를 갖는, 이온 분리 매체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 온도 구배가 0.5℃ 내지 30℃의 범위인, 이온 분리 매체 .
  13. 이온성 종을 포함하는 액체 매질을 수용하기 위한 분석물 구획(analyte compartment); 및
    이온 수집 구획(ion collection compartment)으로서, 열 구배의 존재하에 상기 분석물 구획으로부터 상기 이온 수집 구획으로 이온성 종을 수송하기에 충분한 제벡 계수를 갖는 무기 나노입자의 층을 통해 상기 분석물 구획과 이온 소통하는, 상기 이온 수집 구획
    을 포함하는 이온 펌프(ion pump).
  14. 제13항에 있어서, 상기 무기 나노입자의 층이 다공성인, 이온 펌프.
  15. 제14항에 있어서, 상기 무기 나노입자의 층이 50체적% 이하의 다공도를 갖는, 이온 펌프.
  16. 제13항에 있어서, 상기 이온성 종이 염, 전이금속, 생물학적 분자, 유기 분자 및 이들의 혼합물의 양이온 및 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 이온 펌프.
  17. 제15항에 있어서, 상기 이온성 종이 상기 무기 나노입자의 층의 기공 구조를 통해 상기 이온 수집 챔버로 수송되는, 이온 펌프.
  18. 제13항에 있어서, 상기 무기 나노입자의 층이 상기 열 구배의 방향으로 소수성 영역으로 전이하는 친수성 영역을 갖는, 이온 펌프.
  19. 제13항에 있어서, 상기 무기 나노입자가 하나 이상의 전이금속 칼코게나이드를 포함하는, 이온 펌프.
  20. 제19항에 있어서, 상기 무기 나노입자가 이황화몰리브덴을 포함하는, 이온 펌프.
  21. 제19항에 있어서, 상기 무기 나노입자가 판상 모폴로지를 갖는, 이온 펌프.
  22. 제13항에 있어서, 상기 무기 나노입자의 적어도 일부분이 카운터이온성 종으로 관능화되는, 이온 펌프.
  23. 액체 매질에 제1 이온성 종 및 제2 이온성 종을 포함하는 혼합물을 수용하기 위한 분석물 구획; 및
    제1 이온 수집 구획으로서, 열 구배의 존재하에 상기 분석물 구획으로부터 상기 제1 이온 수집 구획으로 제1 이온성 종을 수송하기에 충분한 제벡 계수를 갖는 무기 나노입자의 층을 통해 상기 분석물 구획과 이온 소통하는, 상기 제1 이온 수집 구획
    을 포함하는 이온 펌프.
  24. 제23항에 있어서, 상기 무기 나노입자의 층이 다공성인, 이온 펌프.
  25. 제23항에 있어서, 상기 무기 나노입자의 층이 50체적% 이하의 다공도를 갖는, 이온 펌프.
  26. 제24항에 있어서, 제1 이온성 종이 상기 나노입자의 층의 기공 구조를 통해 제1 이온 수집 챔버로 수송되는, 이온 펌프.
  27. 제23항에 있어서, 상기 이온 펌프가 상기 무기 나노입자의 층을 통해 상기 분석물 구획과 이온 소통하는 제2 이온 수집 구획을 추가로 포함하고, 여기서, 제벡 계수가 상기 열 구배의 존재하에 상기 분석물 구획으로부터 상기 제2 이온 수집 구획으로 제2 이온성 종을 수송하기에 충분한, 이온 펌프.
  28. 제27항에 있어서, 상기 무기 나노입자의 층이 상기 열 구배의 방향으로 소수성 영역으로 전이하는 친수성 영역을 갖는, 이온 펌프.
  29. 제28항에 있어서, 상기 친수성 영역이 상기 제1 이온 수집 구획으로 연장하고, 상기 소수성 영역이 상기 제2 이온 수집 구획으로 연장하는, 이온 펌프.
  30. 제23항에 있어서, 상기 무기 나노입자가 하나 이상의 전이금속 칼코게나이드를 포함하는, 이온 펌프.
  31. 제30항에 있어서, 상기 무기 나노입자가 이황화몰리브덴을 포함하는, 이온 펌프.
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