KR20200013950A - Method for manufacturing a diameter-controllable spinel lithium manganese oxide nanofiber via electrospinning, and spinel lithium manganese oxide nanofiber manufactured by the same - Google Patents

Method for manufacturing a diameter-controllable spinel lithium manganese oxide nanofiber via electrospinning, and spinel lithium manganese oxide nanofiber manufactured by the same Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a spinel lithium manganese oxide nanofiber via electrospinning, wherein the method for manufacturing a spinel lithium manganese oxide nanofiber controls the viscosity, electric conductivity, and surface tension of a spinning solution comprising PVP, a lithium precursor, and a manganese precursor to manufacture a nanofiber having a diameter of 30 to 50 nm; and a spinel lithium manganese oxide nanofiber manufactured by the same. The spinel lithium manganese oxide nanofiber of the present invention can be an excellent lithium absorbent which can selectively separate lithium ions from salt water and seawater.

Description

전기방사를 통한 직경이 조절된 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버의 제조방법 및 이에 따라 제조한 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버{Method for manufacturing a diameter-controllable spinel lithium manganese oxide nanofiber via electrospinning, and spinel lithium manganese oxide nanofiber manufactured by the same}Method for manufacturing a diameter-controllable spinel lithium manganese oxide nanofiber via electrospinning, and spinel lithium manganese oxide nanofiber manufactured by the same}

본 발명은 전기방사를 통한 직경이 조절된 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버의 제조방법 및 이에 따라 제조한 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기방사시 방사 용액의 점도, 전기전도도, 표면장력과 같은 용액화학특성을 조절함으로써, 직경이 조절된 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버의 제조방법 및 이에 따라 제조한 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing spinel lithium manganese oxide nanofibers with a diameter controlled through electrospinning and spinel lithium manganese oxide nanofibers prepared according to the present invention, and more particularly, to the viscosity, electrical conductivity, The present invention relates to a method for preparing spinel lithium manganese oxide nanofibers whose diameter is controlled by adjusting solution chemical properties such as surface tension, and spinel lithium manganese oxide nanofibers prepared accordingly.

리튬 자원에 대한 수요는 전세계의 많은 산업에서 증가하고 있다. 그러나 리튬에 대한 기존 자원은 매우 제한적이며 공급 재료의 저급 및/또는 복잡성으로 인해 자원을 확보하기가 더욱 어려워지고 있다. 따라서, 수성 리튬 자원으로부터 리튬을 얻는 데 많은 노력이 기울여져왔다. 수성 리튬 공급원으로부터 리튬을 회수하기 위해 태양 증발, 공침전 및 용매 추출과 같은 몇 가지 방법이 제안되었지만 사용에는 한계가 있다. 시간이 많이 걸리고, 온도, pH 및 Mg/Li 비율과 같은 조건이 필요하다. LIS(lithium ion-sieve) 물질은 염수 및 해수로부터 리튬 이온을 선택적으로 분리할 수 있는 독특한 화학 구조로 인해 우수한 리튬 흡착제로 간주된다. 또한 독성이 낮고 비용이 저렴하며 화학적 안정성이 뛰어나 LIS는 수성 리튬 자원으로부터의 리튬 회수에 적합하다. 산 처리에 의해 스피넬 구조로부터 리튬을 추출한 후 스피넬 리튬 망간 옥사이드(LiMn2O4)로부터 유도된 스피넬 수화 망간 산화물(HMn2O4)이 가장 널리 연구되고 있다. The demand for lithium resources is increasing in many industries around the world. However, existing resources for lithium are very limited, and the low and / or complexity of the feedstock makes it more difficult to secure resources. Thus, much effort has been devoted to obtaining lithium from aqueous lithium resources. Several methods have been proposed to recover lithium from an aqueous lithium source, such as solar evaporation, coprecipitation and solvent extraction, but use is limited. This is time consuming and requires conditions such as temperature, pH and Mg / Li ratio. Lithium ion-sieve (LIS) materials are considered good lithium adsorbents because of their unique chemical structure that can selectively separate lithium ions from brine and seawater. In addition, its low toxicity, low cost and excellent chemical stability make LIS suitable for the recovery of lithium from aqueous lithium resources. Spinel hydrated manganese oxide (HMn 2 O 4 ) derived from spinel lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) after extraction of lithium from the spinel structure by acid treatment is the most widely studied.

스피넬 리튬망간산화물은 리튬이온의 출입이 용이하고 구조상 리튬에 대한 높은 선택성을 갖는 특징이 있어 리튬이차전지의 양극소재, 리튬 회수용 흡착제 등에 적용되고 있다. 스피넬 리튬망간산화물은 리튬이온의 출입 효율을 증대시키기 위해 다양한 형태로 제조되고 있으며 특히 구형나노입자, 튜브형나노입자, 나노와이어, 막대형나노입자, 나노파이버와 같은 높은 비표면적의 특성을 지닌 1차원 나노구조가 주목받고 있다. 구형나노입자, 튜브형나노입자, 막대형 나노입자와 같은 길이/너비 비가 작을 경우, 나노입자의 특성상 입자간 응집이 쉽게 일어나 높은 비표면적을 갖는 1차원 나노구조 특징이 저하될 수 있으나 나노파이버는 길이/너비 비가 매우 커 응집되지 않고 매트 형태로 존재하여 1차원 나노구조의 특징을 온전히 가질 수 있다. Spinel lithium manganese oxides are easily applied to lithium ions and have high selectivity to lithium in structure, and thus they are applied to cathode materials of lithium secondary batteries and adsorbents for lithium recovery. Spinel lithium manganese oxide is manufactured in various forms to increase the access efficiency of lithium ions. Especially, spinel lithium manganese oxide has a high specific surface area such as spherical nanoparticles, tubular nanoparticles, nanowires, rod nanoparticles, and nanofibers. Nanostructures are attracting attention. When the length / width ratio is small, such as spherical nanoparticles, tubular nanoparticles, and rod-shaped nanoparticles, agglomeration between particles may easily occur due to the characteristics of the nanoparticles, thereby degrading one-dimensional nanostructure characteristics having a high specific surface area. The / width ratio is very large and can be present in the form of a mat without agglomeration, so that one-dimensional nanostructures can be fully characterized.

스피넬 리튬망간산화물 나노파이버는 2005년 최초로 제조되었다. 이후 나노파이버의 1차원 나노구조의 특성이 대두되면서 연구가 진행되었으나 제조시 어려움으로 끊어진 형태의 나노파이버를 제조하거나 고분자 지지대에 나노입자를 삽입한 형태의 나노파이버가 제조되었고, 최근 2015년 약 170nm까지의 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버가 제조되고 있으나, 아직 안정한 형태의 초미세 스피넬 리튬망간산화물 나노파이어는 개발되지 않고 있다.Spinel lithium manganese oxide nanofibers were first manufactured in 2005. Subsequently, research was conducted as the characteristics of the one-dimensional nanostructure of the nanofibers emerged. However, nanofibers in which the nanofibers were formed by inserting nanoparticles into the polymer support or the nanofibers that were broken due to difficulties in manufacturing were manufactured. Until now, spinel lithium manganese oxide nanofibers have been manufactured, but stable microfine spinel manganese oxide nanofibers have not been developed.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 직경이 작은 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버를 안정된 형태로 제조하는 방법을 제공하는 것이다. The problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a small diameter spinel lithium manganese oxide nanofiber in a stable form.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제1 양태는 전기방사를 이용하여 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버를 제조하되, PVP, 리튬 전구체 및 망간 전구체를 포함하는 방사용액의 점도, 전기전도도 및 표면장력을 제어하여, 직경 50 nm 이하의 나노파이버를 제조하는 것을 특징으로 하는 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the first aspect of the present invention is to produce a spinel lithium manganese oxide nanofiber using the electrospinning, the viscosity, electrical conductivity and surface tension of the spinning solution containing PVP, lithium precursor and manganese precursor By controlling, it provides a method for producing a spinel lithium manganese oxide nanofiber, characterized in that to produce a nanofiber of 50 nm or less in diameter.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 방사용액의 점도는 80~100cp로 조절되고, 전기전도도는 2.5~4.0mS/cm로 조절되고, 표면장력은 15~25dynes/cm로 조절된다.In one embodiment of the present invention, the viscosity of the spinning solution is adjusted to 80 ~ 100cp, the electrical conductivity is adjusted to 2.5 ~ 4.0mS / cm, the surface tension is adjusted to 15 ~ 25 dynes / cm.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 PVP의 농도는 3~10 중량%로 조절된다.In one embodiment of the present invention, the concentration of PVP is adjusted to 3 to 10% by weight.

본 발명의 일 실시예에서, 전기방사시 전압은 12~16 kV, 작업거리는 5~20 cm, 수집판 회전속도는 200~600 rpm, 방사 유량은 0.1~1ml/h로 조절된다.In one embodiment of the present invention, the electrospinning voltage is 12 ~ 16 kV, the working distance is 5 ~ 20 cm, the collecting plate rotation speed is 200 ~ 600 rpm, the spinning flow rate is adjusted to 0.1 ~ 1ml / h.

본 발명의 일 실시예에서, 나노파이버는 300~500℃로 3~5시간 소결한 후, 550~700℃로 3~5시간 더 소결하여 무기화된다.In one embodiment of the present invention, the nanofiber is sintered at 300 ~ 500 ℃ for 3 to 5 hours, and then sintered at 550 ~ 700 ℃ for 3 to 5 hours to be inorganicized.

본 발명의 제2 양태는 본 발명의 제조방법에 의하여 제조되어 50nm 이하의 직경을 갖는 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버를 제공한다.A second aspect of the present invention provides a spinel lithium manganese oxide nanofiber prepared by the production method of the present invention having a diameter of 50nm or less.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버는 해수로부터 리튬을 회수하기 위한 리튬 흡착제로 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the spinel lithium manganese oxide nanofibers may be used as a lithium adsorbent for recovering lithium from seawater.

본 발명에 따르면 50 nm 이하의 직경을 갖는 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버를 안정된 형태로 제조할 수 있다. According to the present invention, spinel lithium manganese oxide nanofibers having a diameter of 50 nm or less can be manufactured in a stable form.

본 발명의 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버는 직경이 작아 비표면적이 증가하여 특이영역(specific area)이 증가하고 활성화된 흡착자리가 증가하여 높은 흡착율을 갖는 리튬 회수용 흡착제로 유리하게 사용될 수 있다. 특히, 염수 및 해수로부터 리튬 이온을 선택적으로 분리할 수 있는 우수한 리튬 흡착제로 사용될 수 있다. Spinel lithium manganese oxide nanofibers of the present invention can be advantageously used as a lithium recovery adsorbent having a high adsorption rate by increasing the specific area and the activated adsorption site by increasing the specific surface area is small diameter. In particular, it can be used as an excellent lithium adsorbent capable of selectively separating lithium ions from brine and sea water.

도 1은 본 발명에 따른 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버 제조 과정을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 용액 성분의 함량과 LiNO3/Mn(CH3CO2)3/PVP 방사 용액의 점도의 관계를 나타낸 것이다.
도 3은 용액 성분의 함량과 LiNO3/Mn(CH3CO2)3/PVP 방사 용액의 전기 전도도의 관계를 나타낸 것이다.
도 4는 용액 성분의 함량과 LiNO3/Mn(CH3CO2)3/PVP 방사 용액의 표면 장력의 관계를 나타낸 것이다.
도 5는 용액 성분의 함량과 LiNO3/Mn(CH3CO2)3/PVP 전기 방사 용액의 직경의 관계를 나타낸 것이다.
도 6은 4시간 동안 (a)550, (b)600, (c)650, (d)700℃에서 두 번 하소된LiMn2O4 나노파이버의 FE-SEM 이미지이다(하소의 가열속도는 2℃ min-1 . LMO 나노파이버를 PVP 5% 및 BYK-377 0.5% 하에서 제조하였다).
도 7은 온도에 따른 하소된 LiMn2O4 나노파이버의 XRD 패턴이다(PVP 5% 및 BYK-377 0.5% 하에 LMO 나노파이버를 제조하였다).
도 8은 DOE 및 금속염 농도의 결과에 따라 다른 직경으로 600℃에서 4시간 동안 하소된 LiMn2O4 나노파이버의 FE-SEM 이미지이다((a) PVP 7%; (+--), (b) PVP 5% 및 BYK-377 0.5%; (--+),PVP 5% 및 BYK-377 0.5% 하에 (c) 금속염 농도 50%, (d) 금속염 농도 25%).
도 9는 DOE 및 금속염 농도의 결과에 따라 다른 직경을 갖는 LiMn2O4 나노파이버의 직경의 누적 분포도이다(PVP 7%; (+++), PVP 5% 및 BYK-377 0.5%; (--+), PVP 5% 및 BYK-377 0.5% 하에 금속염 농도 50% 및 25%. 나노파이버의 평균직경은 203.1±50.9, 147.2±36.3, 88.9±19.8, 44.3±11.7 nm).
도 10은 LiMn2O4 및 추출된 HMn2O4 나노파이버의 XRD 패턴이다.
도 11은 다른 직경을 갖는 HMn2O4 나노파이버의 리튬 이온 흡수 능력을 나타낸 것이다.
Figure 1 schematically shows a spinel lithium manganese oxide nanofiber manufacturing process according to the present invention.
Figure 2 shows the relationship between the content of the solution component and the viscosity of LiNO 3 / Mn (CH 3 CO 2 ) 3 / PVP spinning solution.
3 shows the relationship between the content of the solution component and the electrical conductivity of the LiNO 3 / Mn (CH 3 CO 2 ) 3 / PVP spinning solution.
4 shows the relationship between the content of the solution component and the surface tension of the LiNO 3 / Mn (CH 3 CO 2 ) 3 / PVP spinning solution.
5 shows the relationship between the content of the solution component and the diameter of the LiNO 3 / Mn (CH 3 CO 2 ) 3 / PVP electrospinning solution.
6 is an FE-SEM image of LiMn 2 O 4 nanofibers calcined twice at (a) 550, (b) 600, (c) 650 and (d) 700 ° C. for 4 hours (heating rate of calcination is 2 ℃ min -1. LMO Nanofibers were prepared under 5% PVP and 0.5% BYK-377).
7 is an XRD pattern of calcined LiMn 2 O 4 nanofibers over temperature (LMO nanofibers were prepared under PVP 5% and BYK-377 0.5%).
FIG. 8 is an FE-SEM image of LiMn 2 O 4 nanofibers calcined at 600 ° C. for 4 hours at different diameters as a result of DOE and metal salt concentrations ((a) PVP 7%; (+-), (b A) PVP 5% and BYK-377 0.5%; (-+), PVP 5% and BYK-377 0.5% (c) metal salt concentration 50%, (d) metal salt concentration 25%).
9 is a cumulative distribution of the diameters of LiMn 2 O 4 nanofibers with different diameters as a result of DOE and metal salt concentrations (PVP 7%; (+++), PVP 5% and BYK-377 0.5%; (- -+), 50% and 25% metal salt concentrations under 5% PVP and 0.5% BYK-377.The average diameter of the nanofibers is 203.1 ± 50.9, 147.2 ± 36.3, 88.9 ± 19.8, 44.3 ± 11.7 nm).
10 is an XRD pattern of LiMn 2 O 4 and extracted HMn 2 O 4 nanofibers.
Figure 11 shows the lithium ion absorption capacity of HMn 2 O 4 nanofibers having different diameters.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided as examples to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below and may be embodied in other forms. In the drawings, widths, lengths, thicknesses, and the like of components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout the specification.

본 발명자들은 직경이 작고 안정한 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버를 제조하기 위해 전기방사용액의 용액화학 특성을 파악하고 조건 설정을 위한 체계적인 연구를 진행하여, 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버의 직경은 실험 설계를 통해 용액 특성을 제어함으로써 40nm에서 200nm까지 조정될 수 있음을 발견했다. 또한, 리튬 흡착 용량은 나노파이버의 직경과 역의 선형 관계를 나타내므로, 나노파이버의 직경을 감소시켜 리튬 흡착 성능을 향상시킬 수 있음을 발견하였다. 본 발명은 이에 기초한 것이다.The present inventors conducted a systematic study to determine the solution chemistry of electrospinning solution and set the conditions in order to manufacture a stable and stable spinel lithium manganese oxide nanofiber, and the diameter of the spinel lithium manganese oxide nanofiber was measured through an experimental design. It was found that by controlling the solution properties can be adjusted from 40nm to 200nm. In addition, since the lithium adsorption capacity exhibits an inverse linear relationship with the diameter of the nanofibers, it has been found that the lithium adsorbing performance can be improved by reducing the diameter of the nanofibers. The present invention is based on this.

본 발명은 리튬망간산화물 나노파이버의 전기방사시 방사 용액의 점도, 전기전도도, 표면장력과 같은 용액화학특성을 조절하여 50 nm 이하의 직경을 갖는 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버를 제조하는 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized in that the spinel lithium manganese oxide nanofibers having a diameter of 50 nm or less by controlling the solution chemical properties such as the viscosity, electrical conductivity, surface tension of the spinning solution during electrospinning of lithium manganese oxide nanofibers .

본 발명에서 전기방사용액은 PVP, 리튬 전구체 및 망간 전구체를 포함한다.In the present invention, the electrospinning solution includes PVP, lithium precursor and manganese precursor.

나노파이버를 소결하는 과정에서 지지체 역할을 하는 PVP와 같은 유기물질이 연소되면서 작은 직경을 갖는 나노파이버의 형태가 불안정해질 수 있다. 따라서 직경이 작은 나노파이버를 제조하기 위해선 전기방사용액 전구체와 PVP의 조성을 조절하는 것이 중요하다.In the process of sintering the nanofiber, as the organic material such as PVP, which serves as a support, is burned, the shape of the nanofiber having a small diameter may become unstable. Therefore, it is important to control the composition of the electrospinning solution precursor and PVP in order to manufacture a small diameter nanofiber.

본 발명에서, PVP의 농도는 3~10 중량%로 조절된다. PVP 농도는 나노파이버의 직경에 큰 영향을 줄 수 있다. PVP 농도가 증가함에 따라 용액의 점도는 증가했기 때문이다(도 2 참조). In the present invention, the concentration of PVP is adjusted to 3 to 10% by weight. PVP concentrations can have a significant effect on the diameter of nanofibers. This is because the viscosity of the solution increased with increasing PVP concentration (see FIG. 2).

또한, 용액의 점도가 증가함에 따라 나노파이버의 직경은 증가했다(표 2 참조). 본 발명에서 PVP의 농도가 10 중량%를 초과하면 본 발명이 얻고자 하는 직경 50 nm의 나노파이버를 얻을 수 없으며, 3중량% 미만인 경우 전기방사가 잘 이루어지지 않을 수 있다.In addition, as the viscosity of the solution increased, the diameter of the nanofibers increased (see Table 2). When the concentration of PVP in the present invention exceeds 10% by weight, the nanofibers having a diameter of 50 nm to be obtained by the present invention cannot be obtained, and when less than 3% by weight, electrospinning may not be achieved.

본 발명에서, 방사용액의 점도는 80~100cp로 조절되는 것이 바람직하다.In the present invention, the viscosity of the spinning solution is preferably adjusted to 80 ~ 100cp.

리튬 전구체는 LiOH, LiNO3, Li2CO3, Li2SO4 및 LiCH3CO2로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The lithium precursor may be any one selected from the group consisting of LiOH, LiNO 3 , Li 2 CO 3 , Li 2 SO 4, and LiCH 3 CO 2 , but is not limited thereto.

망간 전구체는 MnSO4, Mn(NO3)2, Mn(CH3COO)2 및 MnCl2 로 구성된 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는, 아세트산망간(4수화물)(Mn(CH3COO)2·4H2O)을 사용할 수 있다.The manganese precursor may be any one selected from the group consisting of MnSO 4 , Mn (NO 3 ) 2 , Mn (CH 3 COO) 2, and MnCl 2 , but is not limited thereto. Preferably, manganese acetate (tetrahydrate) (Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O) can be used.

본 발명자들은 전기방사용액 중 금속염 농도가 감소함에 따라 전기 전도도가 급격히 감소하였고, 그 결과, 나노파이버의 직경이 감소됨을 확인하였다(표 3 참조).The inventors confirmed that the electrical conductivity drastically decreased as the metal salt concentration in the electrospinning solution decreased, and as a result, the diameter of the nanofibers decreased (see Table 3).

본 발명에서, 방사용액의 전기전도도는 2.5~3.5mS/cm로 조절된다. In the present invention, the electrical conductivity of the spinning solution is adjusted to 2.5 ~ 3.5mS / cm.

방사용액의 전기 전도도는 LiNO3/Mn(CH3CO2)3/PVP 방사 용액의 전구체(금속염)의 양을 조절함으로써 제어될 수 있다. 표 2에서 보는 바와 같이, 방사용액의 전기 전도도는 금속염 농도가 감소함에 따라 급격히 감소하였고, 그 결과, 나노파이버의 직경이 감소됨을 알 수 있다.The electrical conductivity of the spinning solution can be controlled by adjusting the amount of precursor (metal salt) of the LiNO 3 / Mn (CH 3 CO 2 ) 3 / PVP spinning solution. As shown in Table 2, the electrical conductivity of the spinning solution rapidly decreased as the metal salt concentration decreased, and as a result, the diameter of the nanofibers was reduced.

본 발명에서, 금속염 농도는 20~40%로 제어되는 것이 바람직하다. In the present invention, the metal salt concentration is preferably controlled to 20 to 40%.

본 발명에서, 금속염 농도의 100%는 PVP/에탄올 용액에서 0.183 mol/L의 LiNO3를 나타낸다. 모든 용액에서 Li:Mn의 몰비는 1:2로 고정된다.In the present invention, 100% of the metal salt concentration represents 0.183 mol / L of LiNO 3 in PVP / ethanol solution. The molar ratio of Li: Mn in all solutions is fixed at 1: 2.

본 발명에서, 방사용액의 표면장력은 15~25dynes/cm로 조절된다. 표면장력은 나노파이버의 직경에 영향을 주지는 않지만, 표면장력이 감소하면 비드 밀도가 감소할 수는 있다(표 2 참조).In the present invention, the surface tension of the spinning solution is adjusted to 15 ~ 25 dynes / cm. Surface tension does not affect the diameter of the nanofibers, but bead density may decrease as surface tension decreases (see Table 2).

본 발명에서, 전기방사시 전압은 12~16 kV, 작업거리는 5~20 cm, 수집판 회전속도는 200~600 rpm, 방사 유량은 0.1~1ml/h로 조절된다.In the present invention, the electrospinning voltage is 12 ~ 16 kV, the working distance is 5 ~ 20 cm, the collecting plate rotation speed is 200 ~ 600 rpm, the spinning flow rate is adjusted to 0.1 ~ 1ml / h.

본 발명에서는, 나노파이버는 300~500℃로 3~5시간 소결한 후, 550~700℃로 3~5시간 더 소결하여 무기화된다. 첫번째 소결 과정에서 PVP 중합체가 제거되고, 두번째 소결 과정에서 Li/Mn 전구체는 LiMn2O4 나노파이버로 결정화된다.In the present invention, the nanofibers are sintered at 300 to 500 ° C. for 3 to 5 hours, and then sintered at 550 to 700 ° C. for 3 to 5 hours to be inorganicized. In the first sintering process, the PVP polymer is removed, and in the second sintering process, the Li / Mn precursor crystallizes into LiMn 2 O 4 nanofibers.

본 발명의 제조방법에 따르면, 직경 50nm 이하의, 바람직하게는 30~50 nm 의 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버를 제조할 수 있다.According to the production method of the present invention, spinel lithium manganese oxide nanofibers having a diameter of 50 nm or less, preferably 30 to 50 nm can be prepared.

상기 스피넬 리튬망간산화물은 해수로부터 리튬을 회수하기 위한 리튬 흡착제로 사용될 수 있다. The spinel lithium manganese oxide may be used as a lithium adsorbent for recovering lithium from seawater.

본 발명에 따라 제조한 44.3 nm의 직경을 갖는 나노파이버는 이론적인 흡착 용량 값의 89.1%에 달하는 흡착 용량을 나타냄을 확인하였다(도 11). 따라서, 본 발명의 스피넬 리튬망간산화물은, 해수로부터 리튬을 회수하기 위한 리튬 흡착제로서 유리하게 사용할 수 있다.It was confirmed that the nanofibers having a diameter of 44.3 nm prepared according to the present invention exhibited adsorption capacities up to 89.1% of the theoretical adsorption capacity value (FIG. 11). Accordingly, the spinel lithium manganese oxide of the present invention can be advantageously used as a lithium adsorbent for recovering lithium from seawater.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명에 따른 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버의 제조방법에 대하여 살펴보기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing spinel lithium manganese oxide nanofibers according to the present invention through a preferred embodiment of the present invention. However, it is presented as a preferred example of the present invention and should not be construed as limiting the present invention by any means. Details that are not described herein will be omitted because those skilled in the art can sufficiently infer technically.

재료 및 방법Materials and methods

LiMn2O4 나노파이버(이하 LMO 나노파이버)의 합성에 질산리튬(LiNO3, Sigma-Aldrich, Reagentplus), 아세트산망간 4수화물(Mn(CH3CO2)3·4H2O, Sigma-Aldrich, 99% 이상), 폴리비닐피롤리돈(PVP, Mw ~ 1,300,000 g/mol)을 사용하였다. LiMn 2 O 4 nano fiber nitric acid in the synthesis of (the LMO nanofibers) lithium (LiNO 3, Sigma-Aldrich, Reagentplus), manganese acetate tetrahydrate (Mn (CH 3 CO 2) 3 · 4H 2 O, Sigma-Aldrich, 99% or more), polyvinylpyrrolidone (PVP, Mw ~ 1,300,000 g / mol) was used.

피리디늄 포르메이트 완충액(PF, Fluka 분석, HPLC), BYK-377(BYK Korea, LLC)을 사용하여 용액 전기 전도도 및 표면 장력을 나타냈다. Pyridinium formate buffer (PF, Fluka assay, HPLC), BYK-377 (BYK Korea, LLC) was used to show solution electrical conductivity and surface tension.

리튬 흡착 시험에는 수산화리튬(LiOH, Sigma-Aldrich, =98%)을 사용했다. 고도로 탈이온화된 물을 모든 실험에 사용하였다.Lithium hydroxide (LiOH, Sigma-Aldrich, = 98%) was used for the lithium adsorption test. Highly deionized water was used for all experiments.

LiNO3/Mn(CH3CO2)3/PVP의 용액 특성은 점도계(Brookfield, LVDV2T-CP), 전도도 계측기(Thermo scientific, Orion 4), 장력계(SEO, DST60)를 사용하여 특성화시켰다. Solution characteristics of LiNO 3 / Mn (CH 3 CO 2 ) 3 / PVP were characterized using a viscometer (Brookfield, LVDV2T-CP), a conductivity meter (Thermo scientific, Orion 4), and a tension meter (SEO, DST60).

실시예 1 내지 4: LiMnExamples 1-4: LiMn 22 OO 44 나노파이버의 제조 Fabrication of Nanofibers

방사 용액의 점도, 전기전도도, 표면장력과 같은 용액화학특성을 하기 표 1과 같이 조절하며 전기방사 기술을 이용하여 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버를 제조하였다.Spinel lithium manganese oxide nanofibers were prepared by controlling the solution chemistry such as viscosity, electrical conductivity, and surface tension of the spinning solution as shown in Table 1 below using electrospinning technology.

Figure pat00001
Figure pat00001

방사 용액이 상기 표 1에 기재된 용액화학특성을 가질 수 있도록, 1:2 몰비의 질산리튬과 아세트산 망간, 탈이온수 및 지정된 PVP/에탄올 용액을 혼합하였다. 혼합 용액을 1 시간 이상 동안 교반한 후, 첨가제(즉, 전기 전도성 및 표면 장력 조절제)를 첨가하였다. 또한 전기 방사(electrospinning) 용액에서 LiNO3/Mn(CH3CO2)3 (금속염) 농도를 조절하여 전기 전도도를 조절하였다. Lithium nitrate and manganese acetate, deionized water, and a designated PVP / ethanol solution were mixed in a 1: 2 molar ratio so that the spinning solution could have the solution chemical properties listed in Table 1 above. The mixed solution was stirred for at least 1 hour and then additives (ie, electrical conductivity and surface tension regulators) were added. In addition, the electrical conductivity was controlled by adjusting the concentration of LiNO 3 / Mn (CH 3 CO 2 ) 3 (metal salt) in the electrospinning solution.

400rpm으로 회전하는 드럼 수집기에서 12cm 떨어진 위치에 바늘(25G)을 놓았다. 전압은 12 kV이고 공급 속도는 0.4 ml/h였다. 전기방사의 주위 조건은 습도/온도 20%/30℃로 유지하였다.The needle (25G) was placed 12 cm away from the drum collector rotating at 400 rpm. The voltage was 12 kV and the feed rate was 0.4 ml / h. The ambient conditions of electrospinning were maintained at humidity / temperature 20% / 30 ° C.

LiNO3/Mn (CH3CO2)3/PVP 나노파이버를 400 ℃에서 4 시간 동안 소성하였고 가열 속도는 1 ℃/min이었다. 이어서, 제1 소성된 나노 섬유는 550 내지 700 ℃에서 4 시간 동안 소성되었고 가열 속도는 2℃/분이었다. 소성 공정으로 PVP 중합체를 제거하고, Li/Mn 전구체를 LiMn2O4 나노파이버로 결정화하였다.LiNO 3 / Mn (CH 3 CO 2 ) 3 / PVP nanofibers were calcined at 400 ° C. for 4 hours and the heating rate was 1 ° C./min. The first fired nanofibers were then fired at 550-700 ° C. for 4 hours and the heating rate was 2 ° C./min. The PVP polymer was removed by the calcination process and the Li / Mn precursor was crystallized with LiMn 2 O 4 nanofibers.

실험예 1; 실험 설계 (DOE)Experimental Example 1; Experimental Design (DOE)

나노파이버의 직경을 조정하기 위해, 실험 설계를 통해 방사 용액의 특성을 조절하여 LiNO3/Mn(CH3CO2)3/PVP 나노파이버를 체계적으로 제조하였다. 각 DOE 조건 하에서 점도, 전기 전도도 및 표면 장력을 측정하고 용액 특성 및 나노파이버의 직경에 대한 각 파라미터의 영향을 관찰하여 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.In order to adjust the diameter of the nanofibers, the experimental design to control the properties of the spinning solution to prepare a LiNO 3 / Mn (CH 3 CO 2 ) 3 / PVP nanofibers systematically. Viscosity, electrical conductivity and surface tension were measured under each DOE condition and the results of each parameter on the solution properties and the diameter of the nanofibers were observed and the results are summarized in Table 1 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

도 2 내지 4은 용액의 농도 등의 변수가 용액 점도, 전기 전도도 및 표면 장력에 미치는 영향을 각각 보여준다. 점도는 PVP 농도가 증가함에 따라 증가함을 알 수 있다. 전기 전도도는 주로 PF 농도가 증가함에 따라 증가하고, 표면 장력은 BYK-377 농도가 증가함에 따라 감소함을 알 수 있다.2-4 show the effect of variables such as concentration of solution on solution viscosity, electrical conductivity and surface tension, respectively. It can be seen that the viscosity increases with increasing PVP concentration. It can be seen that the electrical conductivity mainly increases with increasing PF concentration, and the surface tension decreases with increasing BYK-377 concentration.

도 5는 용액의 농도 등의 변수가 나노파이버의 직경에 미치는 영향을 보여준다. PVP 농도는 나노파이버의 직경에 큰 영향을 주었는데, 즉 나노파이버의 직경은 PVP 농도가 증가함에 따라 증가했다. 이는 PVP 농도가 증가하여 용액의 점도가 증가했기 때문이다. 또한, 전기 전도도는 직경에 작은 영향을 미친다. 표면 장력은 직경에 영향을 주지 않지만, 표 1은 표면 장력의 감소가 비드 밀도를 감소시킨다는 것을 보여준다.5 shows the effect of variables such as the concentration of the solution on the diameter of the nanofiber. PVP concentrations had a significant effect on the diameter of nanofibers, ie the diameter of nanofibers increased with increasing PVP concentration. This is because the concentration of the PVP increased and the viscosity of the solution increased. In addition, electrical conductivity has a small effect on the diameter. Surface tension does not affect diameter, but Table 1 shows that decreasing surface tension reduces bead density.

상기 표 2의 결과를 통해 용액의 전기 전도도가 감소함에 따라 나노파이버의 직경이 감소하는 경향이 있음을 확인하였다. The results of Table 2 confirm that the diameter of the nanofibers tends to decrease as the electrical conductivity of the solution decreases.

하기 표 2는 금속염 농도에 따른 나노파이버의 전도도 및 직경의 변화를 보여준다. Table 2 below shows the change of the conductivity and diameter of the nanofiber according to the metal salt concentration.

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 표 3에서 보는 바와 같이, 금속염 농도가 감소함에 따라 전기 전도도가 급격히 감소하였고, 그 결과, 나노파이버의 직경이 감소됨을 알 수 있다.As shown in Table 3, as the metal salt concentration decreases, the electrical conductivity sharply decreased, as a result, it can be seen that the diameter of the nanofiber is reduced.

실험예 2: LiMnExperimental Example 2: LiMn 22 OO 44 나노파이버의 형태 및 크기 분석 Shape and size analysis of nanofibers

550-700℃에서 4 시간 동안 두 번째 소성된 LiMn2O4 나노파이버를 FE-SEM 이미징하여 그 결과를 도 6에 나타냈다. 650℃에서 하소된 나노파이버는 나노파이버의 형태를 유지하기에 불안정했으며 형태는 700℃에서 유지되지 않았다. 550℃에서 소성한 나노파이버는 여전히 중합체가 남아있는 것처럼 보인다. FE-SEM imaging of the second calcined LiMn 2 O 4 nanofibers at 550-700 ° C. for 4 hours is shown in FIG. 6. The nanofibers calcined at 650 ° C. were unstable to maintain the shape of the nanofibers and the shape was not maintained at 700 ° C. Nanofibers fired at 550 ° C. still appear to have polymer remaining.

X-선 회절분석(XRD, PANalytical X'pert Pro Powder)에 의해 LiMn2O4 나노파이버의 결정 구조 및 결정 크기를 분석하였다. 도 7은 하소 온도에 따른 LiMn2O4 나노파이버의 XRD 패턴을 보여준다. 550℃에서 하소된 나노 파이버는 잔류 고분자로 인해 LMO의 결정성이 낮았다. LMO의 모든 결정성은 600℃에서 관찰할 수 있다. 결과적으로 두 번째 하소 온도는 600℃에서 결정되었다. The crystal structure and crystal size of LiMn 2 O 4 nanofibers were analyzed by X-ray diffraction analysis (XRD, PANalytical X'pert Pro Powder). 7 shows the XRD pattern of LiMn 2 O 4 nanofibers with calcination temperature. Nanofibers calcined at 550 ° C. had low crystallinity of LMO due to residual polymer. All crystallinity of the LMO can be observed at 600 ° C. As a result, the second calcination temperature was determined at 600 ° C.

도 8은 네 가지 직경을 가진 나노파이버( (a) PVP 7%; (b) PVP 5% 및 BYK-377 0.5%; PVP 5% 및 BYK-377 0.5% 하에 (c) 금속염 농도 50%, (d) 금속염 농도 25%)의 형태를 도시하고 있다. 도 9는 도 8의 나노파이버의 직경을 누적 분포로 나타낸 것으로, 금속염의 농도가 25%인 경우 약 50 nm 미만의 직경을 갖는 나노파이버가 얻어짐을 알 수 있다. 8 shows nanofibers with four diameters ((a) PVP 7%; (b) PVP 5% and BYK-377 0.5%; PVP 5% and BYK-377 0.5%, (c) metal salt concentration 50%, ( d) form of metal salt concentration 25%). 9 shows the cumulative distribution of the diameters of the nanofibers of FIG. 8, and it can be seen that nanofibers having a diameter of less than about 50 nm are obtained when the metal salt concentration is 25%.

실험예 3: 리튬 이온 흡착 실험Experimental Example 3: Lithium Ion Adsorption Experiment

리튬액체 자원에서 상이한 직경을 갖는 HMn2O4 나노파이버의 향상된 리튬이온 흡착 특성을 조사하였다.The improved lithium ion adsorption characteristics of HMn 2 O 4 nanofibers with different diameters in lithium liquid resources were investigated.

흡착제로서의 흡착 실험에 사용된 나노파이버는 0.5 M HCl로부터 탈리튬되었고, HMn2O4의 XRD 패턴은 도 10에 도시되어있다. HMO 피크는 약간 오른쪽으로 시프트되어 수소 이온이 리튬 이온 사이트에서 대체되었음을 나타낸다.The nanofibers used in the adsorption experiment as adsorbent were delithiated from 0.5 M HCl and the XRD pattern of HMn 2 O 4 is shown in FIG. 10. The HMO peak shifted slightly to the right, indicating that hydrogen ions were replaced at the lithium ion sites.

실온에서 200 ppm의 LiOH 용액(10 ml)에서, 샘플(10 mg)의 리튬 이온 흡착 특성을 직경에 따라 평가하였다. 샘플은 24 시간의 흡착 후 리튬의 평형 상태를 유지했다. 모든 흡착 실험은 100 rpm에서 교반하면서 pH 12에서 24 시간 동안 모든 샘플에서 수행되었다. 유도 결합 플라즈마 발광 분광계 (ICPOES; Thermo Scientific ICAP 7000 시리즈)를 사용하여 흡착 후의 리튬 용액의 리튬 이온 농도를 측정하여 그 결과를 도 11에 나타냈다.In a 200 ppm LiOH solution (10 ml) at room temperature, the lithium ion adsorption characteristics of the sample (10 mg) were evaluated according to diameter. The sample maintained the equilibrium of lithium after 24 hours of adsorption. All adsorption experiments were performed on all samples for 24 hours at pH 12 with stirring at 100 rpm. The lithium ion concentration of the lithium solution after adsorption was measured using an inductively coupled plasma emission spectrometer (ICPOES; Thermo Scientific ICAP 7000 series), and the results are shown in FIG. 11.

도 11에 나타낸 바와 같이, 203.1, 147.2, 88.9 및 44.3 nm의 나노파이버는 각각 20.44, 27.05, 31.15 및 34.21 mg/g의 흡착 용량을 가지는 것으로 나타났다. 이론 계산에서 LiMn2O4 1g은 리튬 38.38mg을 함유한다. 결론적으로, 본 발명에 따라 제조한 44.3 nm의 직경을 갖는 나노파이버는 이론적인 흡착 용량 값의 89.1%에 달하는 흡착 용량을 나타낼 수 있음을 알 수 있다. As shown in FIG. 11, nanofibers of 203.1, 147.2, 88.9 and 44.3 nm were found to have adsorption capacities of 20.44, 27.05, 31.15 and 34.21 mg / g, respectively. In theoretical calculations, 1 g of LiMn 2 O 4 contains 38.38 mg of lithium. In conclusion, it can be seen that nanofibers having a diameter of 44.3 nm prepared according to the present invention can exhibit adsorption capacities up to 89.1% of the theoretical adsorption capacity value.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.While the above has been shown and described with respect to preferred embodiments of the invention, the invention is not limited to the specific embodiments described above, it is usually in the technical field to which the invention belongs without departing from the spirit of the invention claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or prospect of the present invention.

Claims (7)

전기방사를 이용하여 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버를 제조하되,
PVP, 리튬 전구체 및 망간 전구체를 포함하는 방사용액의 점도, 전기전도도 및 표면장력을 제어하여, 직경 50nm 이하의 나노파이버를 제조하는 것을 특징으로 하는 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버의 제조방법.
Spinel lithium manganese oxide nanofibers were prepared using electrospinning,
A method for producing spinel lithium manganese oxide nanofibers, comprising: controlling nanoparticles having a diameter of 50 nm or less by controlling the viscosity, electrical conductivity, and surface tension of a spinning solution including PVP, lithium precursor, and manganese precursor.
제1항에 있어서, 상기 방사용액의 점도를 80~100cp로 조절하고, 전기전도도를 2.5~3.5mS/cm로 조절하고, 표면장력을 15~25dynes/cm로 조절하는 것을 특징으로 하는 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버의 제조방법. The spinel lithium manganese according to claim 1, wherein the spinning solution has a viscosity of 80 to 100 cps, an electric conductivity of 2.5 to 3.5 mS / cm, and a surface tension of 15 to 25 dynes / cm. Method for producing oxide nanofibers. 제1항에 있어서, 상기 PVP의 농도는 3~10 중량%로 조절되는 것을 특징으로 하는 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버의 제조방법.The method of claim 1, wherein the concentration of PVP is adjusted to 3 to 10% by weight of the spinel lithium manganese oxide nanofiber manufacturing method. 제1항에 있어서, 전기방사시 전압은 12~16 kV, 작업거리는 5~20 cm, 수집판 회전속도는 200~600 rpm, 방사 유량은 0.1~1ml/h로 조절되는 것을 특징으로 하는 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버의 제조방법.The spinel lithium of claim 1, wherein the electrospinning voltage is 12-16 kV, the working distance is 5-20 cm, the collecting plate rotation speed is 200-600 rpm, and the spinning flow rate is controlled at 0.1-1 ml / h. Method of manufacturing manganese oxide nanofibers. 제1항에 있어서, 나노파이버는 300~500℃로 3~5시간 소결한 후, 550~700℃로 3~5시간 더 소결하여 무기화된 것을 특징으로 하는 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버의 제조방법. The method of claim 1, wherein the nanofibers are sintered at 300 to 500 ° C. for 3 to 5 hours, and then sintered at 550 to 700 ° C. for 3 to 5 hours to be inorganicized. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조되어 50nm 이하의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버. A spinel lithium manganese oxide nanofiber, which is manufactured by the manufacturing method of any one of claims 1 to 5 and has a diameter of 50 nm or less. 제6항에 있어서, 상기 스피넬 리튬망간산화물은 해수로부터 리튬을 회수하기 위한 리튬 흡착제로 사용되는 것인 스피넬 리튬망간산화물 나노파이버.The spinel lithium manganese oxide nanofiber of claim 6, wherein the spinel lithium manganese oxide is used as a lithium adsorbent for recovering lithium from seawater.
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