KR20190111394A - 메조다공성 탄화물 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메조다공성 탄화물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 산화 아연(ZnO) 입자와, 단백질 함유 재료를 혼합하여 혼합재료를 준비하는 단계; 상기 혼합재료를 건조하는 단계; 상기 건조된 혼합재료를 열처리하는 단계; 및 상기 산화 아연으로부터 유래된 아연을 제거하는 단계;를 포함하는, 메조다공성 탄화물의 제조방법 및 이를 통해 제조된 메조다공성 탄화물에 관한 것이다.

Description

메조다공성 탄화물 및 이의 제조방법 {MESOPOROUS CARBON MATERIALS AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 메조다공성 탄화물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
활성탄은 특유의 기공특성으로 인하여 환경 정화 및 에너지 저장 등에 주요하게 적용되는 소재이다. 이러한 기존의 활성탄은 전구체 및 활성화 공정에만 연구가 집중되어 있었다. 하지만, 활성화 공정은 흑연 결정립을 산화하여 기공을 생성되는 것으로 활성탄의 결정성에 영향을 주는 전구체뿐만 아니라 탄화공정에 대한 연구가 필요하다. 활성탄은 출발물질에 따라 식물계(목질, 야자곽), 석탄/석유 피치(pitch)계, 고분자계, 바이오매스(bio-mass) 등 다종다양한 원료에 의해 제조되며, 출발물질 내에 탄소가 함유되어 있으면 어느 것이나 활성탄의 원료로 사용될 수 있다. 그러나, 보다 저렴하면서 비표면적과 세공구조가 효과적으로 제어된 활성탄 제조는 공업적인 면에서 매우 중요한 위치에 있다.
한편, 단백질 함유 제품(두부, 폐두부, 계란, 닭고기, 음식물쓰레기 등)은 유통기한이 매우 짧아 유통기한이 지난 많은 양의 두부가 대량 폐기되고 있는 바, 환경 오염 및 폐기 처리 비용 발생 등의 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 단백질 함유 제품, 특히 유통기한이 짧아 대량으로 폐기되는 두부 또는 폐두부를 원료로 이용하여 제조된, 메조다공성 탄화물 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메조다공성 탄화물의 제조방법은, 산화 아연(ZnO) 입자와, 단백질 함유 재료를 혼합하여 혼합재료를 준비하는 단계; 상기 혼합재료를 건조하는 단계; 상기 건조된 혼합재료를 열처리하는 단계; 및 상기 산화 아연으로부터 유래된 아연을 제거하는 단계; 를 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 단백질 함유 재료는, 두부, 폐두부, 계란, 닭고기 및 음식물쓰레기로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 단백질 함유 재료는, 두부, 폐두부 또는 이 둘을 포함하는 것이고, 상기 메조다공성 탄화물은 두부 유례 메조다공성 탄화물인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 메조다공성 탄화물은 2 nm 내지 80 nm인 기공을 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 메조다공성 탄화물의 메조기공 공극부피분율(Pore volume fraction)은 10 % 내지 60 %인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 산화 아연 입자의 크기는 1 nm 내지 300 nm인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 혼합재료 중, 상기 산화 아연 입자는 5 중량% 내지 30 중량%인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 건조는, 40 ℃ 내지 200 ℃의 온도에서 24 시간 내지 100 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 건조는, 열풍건조기, 기류건조기, 케이크 드라이어 및 링 드라이어로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 건조기에서 수행되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 건조된 혼합재료를 열처리하는 단계는, 상기 건조된 혼합재료를 비활성 기체 분위기 하에서 탄화하는 단계, 및 상기 탄화된 혼합재료를 비활성 기체 분위기 하에서 수산화칼륨(KOH) 활성화시키는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄화는, 300 ℃ 내지 1500 ℃의 온도에서 30분 내지 10 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄화는, 상기 건조된 혼합재료 중, 상기 단백질 함유 재료의 탄화 및 상기 복합화된 산화 아연 입자의 용융 및 기화를 통하여 탄화된 생성물에 메조 기공을 형성하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 수산화칼륨(KOH) 활성화는, 300 ℃ 내지 1500 ℃의 온도에서 0.5 시간 내지 10 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 비활성 기체는, 질소(N2) 기체인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 아연의 제거는, 염산, 질산, 황산, 초산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 사용하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메조다공성 탄화물은, 2 nm 내지 80 nm 크기의 메조기공을 포함하고, 메조기공 공극부피분율(Pore volume fraction)은 10 % 내지 60 %인 것이다.
일 측면에 따르면, 상기 메조다공성 탄화물은, 본 발명의 일 실시예에 따른 메조다공성 탄화물의 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 메조다공성 탄화물은 크기가 50 nm 내지 30 ㎛인 입자인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 메조다공성 탄화물의 제조방법에 의하여 메조기공을 가지는 메조다공성 탄화물을 구현할 수 있으며, 메조 기공의 양, 크기, 분포 등을 쉽게 제어 할 수 있다.
또한, 종래의 약품활성화제와 같은 화학약품을 사용하지 않으므로 친환경적일 뿐만 아니라 활성탄을 저렴하게 제조할 수 있다. 또한, 폐기되는 두부를 원료로 하여 탄화물을 제조하는 것으로서, 폐기 비용이 절감되고, 버려지는 음식폐기물을 자원화하여 새로운 시장을 창출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메조다공성 탄화물은 종래 상용화된 활성탄에 비해 더 높은 기공특성, 높은 비표면적 특성 및 전기화학적 특성을 구현할 수 있으므로 리튬이차전지, 수퍼커패시터와 같은 전기화학축전기용 전극소재, 수소저장용 전극소재, 이산화탄소 저장소재 등의 에너지 저장 및 환경정화용 소재로서 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메조다공성 탄화물을 포함하는 음극 활물질을 포함하는 리튬이차전지는, 특히 뛰어난 충방전 특성을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메조다공성 탄화물의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메조다공성 탄화물의 제조방법 중 건조된 혼합재료를 열처리하는 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예를 통해 제조된 탄화물의 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2를 통해 제조된 메조다공성 탄화물의 TEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예를 통해 제조된 탄화물을 포함하는 음극 활물질을 포함하는 리튬이차전지의 전기 화학적 특성을 측정한 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 메조다공성 탄화물 및 이의 제조방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메조다공성 탄화물의 제조방법을 설명하는 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 메조다공성 탄화물의 제조방법은, 산화 아연(ZnO) 입자와, 단백질 함유 재료를 혼합하여 혼합재료를 준비하는 단계(S100); 상기 혼합재료를 건조하는 단계(S200); 상기 건조된 혼합재료를 열처리하는 단계(S300); 및 상기 산화 아연으로부터 유래된 아연을 제거하는 단계(S400); 를 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 단백질 함유 재료는, 두부, 폐두부, 계란, 닭고기 및 음식물쓰레기로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 단백질 함유 재료는, 두부, 폐두부 또는 이 둘을 포함하는 것이고, 상기 메조다공성 탄화물은 두부 유례 메조다공성 탄화물인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 메조다공성 탄화물의 제조방법에 의하여 종래의 약품활성화제와 같은 화학약품을 사용하지 않으므로 친환경적일 뿐만 아니라 활성탄을 저렴하게 제조할 수 있다. 또한, 폐기되는 두부를 원료로 하여 탄화물을 제조하는 것으로서, 폐기 비용이 절감되고, 버려지는 음식폐기물을 자원화하여 새로운 시장을 창출할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 메조다공성 탄화물은 2 nm 내지 80 nm인 기공을 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 메조다공성 탄화물의 메조기공 공극부피분율(Pore volume fraction)은 10 % 내지 60 %인 것일 수 있다. 현재까지, 탄소 소재의 메조 기공을 형성하는 공정이 존재하지 않았으며, 일반적으로 메조기공을 포함하는 탄화물의 경우에도 메조기공 공극부피분율(Pore volume fraction)이 10% 미만이었다. 반면, 본 발명에 따르면 산화 아연(ZnO) 입자와, 두부 또는 폐두부를 혼합하고 열처리 하는 간단한 방법으로 메조기공 공극부피분율(Pore volume fraction)이 10 % 내지 60 %인 메조다공성 탄화물을 제조할 수 있다.
일 측면에 따르면, 혼합재료를 준비하는 단계(S100)에서, 혼합되는 산화 아연 입자의 크기는 1 nm 내지 300 nm인 것일 수 있다. 혼합되는 산화 아연 입자의 크기를 1 nm 내지 300 nm로 제어함으로써, 최종적으로 생성되는 메조다공성 탄화물의 기공 크기를 제어할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 혼합재료 중, 상기 산화 아연 입자는 5 중량% 내지 30 중량%인 것일 수 있다. 바람직하게는 15 중량% 내지 30 중량%의 산화 아연 입자를 혼합하는 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는 20 중량%의 산화 아연 입자를 혼합하는 것일 수 있다. 산화 아연 입자를 5 중량% 미만으로 혼합할 경우 최종적으로 생성되는 메조다공성 탄화물의 메조기공 공극부피분율(Pore volume fraction)이 낮아지는 문제점이 발생할 수 있고, 산화 아연 입자를 30 중량% 초과하여 혼합할 경우 최종적으로 생성되는 메조다공성 탄화물의 구조가 붕괴되어 비표면적이 매우 낮아지는 문제점이 발생할 수 있다.
즉, 혼합재료를 준비하는 단계(S100)에서, 혼합되는 산화 아연 입자의 크기와 중량을 조절하여 최종적으로 생성되는 메조다공성 탄화물의 메조 기공의 양, 크기, 분포 등을 쉽게 제어 할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 혼합재료를 건조하는 단계(S200)는, 두부 또는 폐두부를 건조하는 것일 수 있다. 두부는 재료 특성상 수분 함유율이 높기 때문에 두부 또는 폐두부의 수분을 제거하기 위해 건조단계를 수행하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 건조는, 40 ℃ 내지 200 ℃의 온도에서 24 시간 내지 100 시간 동안 수행하는 것일 수 있다. 이때 잔류수분이 10 % 미만이 되도록 건조 시키는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 건조는, 열풍건조기, 기류건조기, 케이크 드라이어 및 링 드라이어로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 건조기에서 수행되는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 건조는 열풍건조기로 40 ℃ 내지 200 ℃의 열풍 가열로 이루어질 수 있으며, 열풍의 속도는 3 m/sec 내지 15 m/sec일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 측면에 따르면, 상기 건조된 혼합재료를 열처리하는 단계(S300)는, 상기 건조된 혼합재료를 비활성 기체 분위기 하에서 탄화하는 단계, 및 상기 탄화된 혼합재료를 비활성 기체 분위기 하에서 수산화칼륨(KOH) 활성화시키는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메조다공성 탄화물의 제조방법 중 건조된 혼합재료를 열처리하는 단계를 설명하기 위한 개념도이다. 도 2 (a)는 건조된 혼합재료를 비활성 기체 분위기 하에서 탄화하는 단계를 설명하기 위한 개념도이고, 도 2 (b)는 탄화된 혼합재료를 비활성 기체 분위기 하에서 수산화칼륨(KOH) 활성화시키는 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2 (a) 및 (b)를 참조하면, 탄화를 통해 메조기공을 포함하는 탄화물이 형성되는 것을 알 수 있으며, 수산화칼륨(KOH) 활성화를 통해 탄화물의 표면에 메조크기의 기공이 형성되는 것을 알 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄화는, 300 ℃ 내지 1500 ℃의 온도에서 30분 내지 10 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄화는, 상기 건조된 혼합재료 중, 상기 단백질 함유 재료의 탄화 및 상기 복합화된 산화 아연 입자의 용융 및 기화를 통하여 탄화된 생성물에 메조 기공을 형성하는 것일 수 있다. 더욱 자세하게, 비활성 기체 분위기에서 탄화하는 동안 상기 혼합재료에 포함 된 산화 아연(ZnO) 입자는 아연(Zn)으로 환원되어 용융되며, 용융된 아연은 부분적으로 증발된다. 그 결과 탄화된 생성물 내부에 메조 기공이 형성된다.
실험을 통해 419.5 ℃ 이상에서 산화 아연(ZnO) 입자가 Zn으로 환원되어 용융되는 것을 확인하였으며, 500 ℃ 이상의 온도 조건에서 탄화를 수행할 때, 산화 아연 입자가 환원되어 용융되는 것과 두부 또는 폐두부의 탄화가 동시에 진행되는 것을 확인하였다.
일 측면에 따르면, 상기 수산화칼륨(KOH) 활성화는, 300 ℃ 내지 1500 ℃의 온도에서 0.5 시간 내지 10 시간 동안 수행하는 것일 수 있다. 수산화칼륨(KOH) 활성화를 통해 탄화물의 표면에 메조크기의 기공이 형성된다.
일 측면에 따르면, 상기 비활성 기체는, 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne), 크립톤(Kr) 및 제논(Xe)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있으며, 특히 질소(N2) 기체인 것일 수 있다. 질소(N2) 분위기 하에서 상기 탄화단계 및 상기 수산화칼륨(KOH) 활성화 단계가 수행될 경우, 질소 도핑된 탄화물이 형성된다. 즉, 별도의 질소 도핑과정 없이 전기전도도가 높고, 물리적/화학적으로 안정된 질소 도핑된 탄화물을 제조할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 산화 아연으로부터 유래된 아연을 제거하는 단계(S400)를 통해, 상기 열처리 단계에서 증발되지 못한 아연이 제거되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 아연의 제거는, 염산, 질산, 황산, 초산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 사용하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메조다공성 탄화물은, 2 nm 내지 80 nm 크기의 메조기공을 포함하고, 메조기공 부피분율은 10 % 내지 60 %인 것이다. 본 발명의 메조다공성 탄화물이 2 nm 내지 80 nm 크기의 메조기공을 포함하고, 높은 메조기공 공극부피분율(Pore volume fraction)을 가짐으로써, 사이클링 중 짧은 이온 확산 경로를 제공할 수 있으며, 이를 통해 매우 향상된 충방전 특성을 구현할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 메조다공성 탄화물은, 본 발명의 일 실시예에 따른 메조다공성 탄화물의 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 메조다공성 탄화물은 탄화물은 크기가 50 nm 내지 30 ㎛이고, 300 m2 g-1 내지 3000 m2 g-1의 비표면적을 가지는 것일 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
100 nm 이하의 크기를 가지는 산화 아연 입자 10 중량% 및 두부를 혼합하여 혼합재료를 준비하였다. 상기 혼합재료를 100 ℃의 오븐에서 건조시켜 탈수시켰다. 탈수된 혼합재료를 질소 분위기하에서 800 ℃의 온도 조건으로 탄화시킨 후, 질소 분위기하에서 400 ℃의 온도 조건으로 수산화칼륨(KOH) 활성화시켰다. 그 후 염산을 통해 남아있는 아연을 제거하여 두부 유래 메조다공성 탄화물을 제조하였다. (이하에서는 실시예 1에 따라 제조된 메조다공성 탄화물을 'Meso-AC 10'으로 표기한다.)
실시예 2
100 nm 이하의 크기를 가지는 산화 아연 입자 20 중량% 및 두부를 혼합하여 준비된 혼합재료를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법을 통해 두부 유래 메조다공성 탄화물을 제조하였다. (이하에서는 실시예 2에 따라 제조된 메조다공성 탄화물을 'Meso-AC 20'으로 표기한다.)
실시예 3
100 nm 이하의 크기를 가지는 산화 아연 입자 30 중량% 및 두부를 혼합하여 준비된 혼합재료를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법을 통해 두부 유래 메조다공성 탄화물을 제조하였다. (이하에서는 실시예 3에 따라 제조된 메조다공성 탄화물을 'Meso-AC 30'으로 표기한다.)
비교예
산화 아연을 포함하지 않는 두부를 100 ℃의 오븐에서 건조시켜 탈수시켰다. 탈수된 두부를 질소 분위기하에서 800 ℃의 온도 조건으로 탄화시킨 후, 질소 분위기하에서 800 ℃의 온도 조건으로 수산화칼륨(KOH) 활성화하여 탄화물을 제조하였다. (이하에서는 비교예에 따라 제조된 탄화물을 'AC'로 표기한다.)
아래의 표 1은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예를 통해 제조된 탄화물의 기공부피분율(Pore volume fraction)을 비교한 표이다.
Samples Pore volume fraction
Vmicro (%) Vmeso (%)
AC 92 8
Meso-AC 10 71 29
Meso-AC 20 49 51
Meso-AC 30 58 42
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 탄화물의 탄화물의 메조기공 공극부피분율(Pore volume fraction)은 20 % 내지 60 %인 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 산화 아연(ZnO) 입자와, 두부 또는 폐두부를 혼합하고 열처리 하는 간단한 방법으로 메조기공 공극부피분율(Pore volume fraction)이 20% 내지 60%인 메조다공성 탄화물을 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예를 통해 제조된 탄화물의 SEM 이미지이다. 더욱 자세하게 도 3 (a) 및 (e)는 AC의 SEM 이미지이고, 도 3 (b) 및 (f)는 Meso-AC 10의 SEM 이미지이며, 도 3 (c) 및 (g)는 Meso-AC 20의 SEM 이미지이고, 도 3 (d) 및 (h)는 Meso-AC 30의 SEM 이미지이다.
도 3을 참조하면, 비교예에 따라 제조된 AC (도 2a 및 e 참조)는 중간 공극 없이 매끄러운 표면을 나타내는 것을 알 수 있다. 반면, 실시예에 따라 제조된 Meso-AC 10, Meso-AC 20 및 Meso-AC 30은, 중간 공극이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 산화 아연 나노 입자의 상대적인 양이 증가함에 따라 기공의 양이 증가되는 것을 알 수 있다. 특히, Meso-AC 20의 경우 다공성 벌집과 흡사 한 최적화 된 메조다공성 구조를 나타내는 것을 알 수 있다. 그러나 과도한 양의 산화 아연 나노 입자를 포함하는 Meso-AC 30의 경우 비교적 평탄한 표면을 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, 산화 아연 입자를 30 중량% 초과하여 혼합할 경우 최종적으로 생성되는 메조다공성 탄화물의 구조가 붕괴되어 비표면적이 낮아지는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예 2를 통해 제조된 메조다공성 탄화물의 TEM 이미지이다.
도 4를 참조하면, 산화 아연 입자를 20 중량% 포함하는 Meso-AC 20의 경우 51 nm 내지 73 nm의 크기를 가지는 기공을 포함하는 것을 알 수 있고, 벌집모양의 메조다공성 구조를 가지는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예를 통해 제조된 탄화물을 포함하는 음극 활물질을 포함하는 리튬이차전지의 전기 화학적 특성을 측정한 그래프이다.
더욱 자세하게, 개방회로 전위(open-circuit potential)에서의 나이퀴스트 플롯(Nyquist plots) 데이터를 통해 탄화물의 이온 확산 성능을 평가하였다.
도 5를 참조하면, Meso-AC 20의 경우 다른 전극보다 기울기가 큰 것을 알 수 있으며, 이는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 두부 유래 메조다공성 탄화물을 적용한 전극이 매우 빠른 충방전 특성을 나타냄을 의미한다.
본 발명의 메조다공성 탄화물이 2 nm 내지 80 nm 크기의 메조기공을 포함하고, 높은 메조기공 공극부피분율(Pore volume fraction)을 가짐으로써, 사이클링 중 짧은 이온 확산 경로를 제공할 수 있으며, 이를 통해 매우 향상된 충방전 특성을 구현할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (18)

  1. 산화 아연(ZnO) 입자와, 단백질 함유 재료를 혼합하여 혼합재료를 준비하는 단계;
    상기 혼합재료를 건조하는 단계;
    상기 건조된 혼합재료를 열처리하는 단계; 및
    상기 산화 아연으로부터 유래된 아연을 제거하는 단계;
    를 포함하는,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단백질 함유 재료는, 두부, 폐두부, 계란, 닭고기 및 음식물쓰레기로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단백질 함유 재료는, 두부, 폐두부 또는 이 둘을 포함하는 것이고,
    상기 메조다공성 탄화물은 두부 유례 메조다공성 탄화물인 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메조다공성 탄화물은 2 nm 내지 80 nm인 기공을 포함하는 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메조다공성 탄화물의 메조기공 공극부피분율(Pore volume fraction)은 10 % 내지 60 %인 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화 아연 입자의 크기는 1 nm 내지 300 nm인 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 혼합재료 중, 상기 산화 아연 입자는 5 중량% 내지 30 중량%인 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 건조는, 40 ℃ 내지 200 ℃의 온도에서 24 시간 내지 100 시간 동안 수행하는 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 건조는, 열풍건조기, 기류건조기, 케이크 드라이어 및 링 드라이어로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 건조기에서 수행되는 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 건조된 혼합재료를 열처리하는 단계는,
    상기 건조된 혼합재료를 비활성 기체 분위기 하에서 탄화하는 단계, 및
    상기 탄화된 혼합재료를 비활성 기체 분위기 하에서 수산화칼륨(KOH) 활성화시키는 단계를 포함하는 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 탄화는, 300 ℃ 내지 1500 ℃의 온도에서 30분 내지 10 시간 동안 수행하는 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 탄화는, 상기 건조된 혼합재료 중, 상기 단백질 함유 재료의 탄화 및 상기 복합화된 산화 아연 입자의 용융 및 기화를 통하여 탄화된 생성물에 메조 기공을 형성하는 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 수산화칼륨(KOH) 활성화는, 300 ℃ 내지 1500 ℃의 온도에서 0.5 시간 내지 10 시간 동안 수행하는 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 비활성 기체는, 질소(N2) 기체인 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 아연의 제거는, 염산, 질산, 황산, 초산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 사용하는 것인,
    메조다공성 탄화물의 제조방법.
  16. 2 nm 내지 80 nm 크기의 메조기공을 포함하고,
    메조기공 공극부피분율(Pore volume fraction)은 10 % 내지 60 %인 것인,
    메조다공성 탄화물.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 메조다공성 탄화물은, 제1항의 메조다공성 탄화물의 제조방법에 의해 제조된 것인,
    메조다공성 탄화물.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 메조다공성 탄화물은 크기가 50 nm 내지 30 ㎛인 입자인 것인,
    메조다공성 탄화물.

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