KR20200095606A - Method for preparing carbon-carbon nitride complex and carbon-carbon nitride complex prepared thereby - Google Patents

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KR20200095606A
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Abstract

The present invention provides a method for preparing a carbon-carbon nitride complex, comprising the steps of: preparing a mixed solution by mixing glucose, melamine, cyanuric acid, and a solvent; recovering a complex precursor from the mixed solution; and firing the complex precursor. The present invention can control a shape, size, and composition of the precursor and the carbon-carbon nitride complex.

Description

카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 카본-카본 나이트라이드 복합체{Method for preparing carbon-carbon nitride complex and carbon-carbon nitride complex prepared thereby}Method for preparing carbon-carbon nitride complex and carbon-carbon nitride complex prepared thereby

본 발명은 메조(meso)기공을 포함하는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법에 대한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 카본-카본 나이트라이드 복합체의 구조의 조절이 가능한 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a method for producing a carbon-carbon nitride composite containing meso pores. More specifically, the present invention provides a method for producing a carbon-carbon nitride composite capable of controlling the structure of a carbon-carbon nitride composite.

나노다공성 소재(nanoporous materials)는 일정한 다공성 구조를 가지는 소재로, 대개 0.4nm 내지 100nm 크기의 배열된 또는 무질서한 기공구조로 구성된다. 국제 순수응용화학연맹(IUPAC)의 정의에 따라 기공 크기별로 직경 2nm 이하의 마이크로(micro)기공, 2nm 내지 50nm의 메조(meso)기공, 50nm 이상의 마크로(macro)기공으로 구분할 수 있다.Nanoporous materials are materials having a certain porous structure, and are usually composed of ordered or disordered pore structures having a size of 0.4 nm to 100 nm. According to the definition of the International Federation of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), it can be classified into micro pores with a diameter of 2 nm or less, meso pores of 2 nm to 50 nm, and macro pores of 50 nm or more by pore size.

나노다공성 소재는 부피 대비 높은 비표면적, 높은 기공성, 유체 투과성, 규칙성 및 균일한 기공 구조로 인해 분자체, 형상선택성, 흡착성, 안정성 및 내구성 등의 다양한 특성을 보이므로, 촉매, 전기전자, 분리, 센서 등 응용범위가 매우 넓다. Nanoporous materials exhibit various properties such as molecular sieve, shape selectivity, adsorption, stability and durability due to their high specific surface area per volume, high porosity, fluid permeability, regularity and uniform pore structure. The application range of separation and sensor is very wide.

나노다공성 소재의 종류에 따라 기공의 크기, 기공도, 기공분포, 조성, 표면 특성이 달라서 응용분야에 따라 적절한 소재를 선택할 수 있다. 나노다공성 소재는 각종 분리막, 에너지절약/저장/변화소재, 화학적/전기적 활성소재, 정보/전자용 소재의 개발을 위한 핵심기술로 각광받고 있어 고부가가치의 중요한 기술로 인식되고 있다. Depending on the type of nanoporous material, the size of pores, porosity, pore distribution, composition, and surface characteristics are different, so an appropriate material can be selected according to the application field. Nanoporous materials are in the spotlight as core technologies for the development of various separators, energy saving/storage/change materials, chemical/electrical active materials, and materials for information/electronics, and are recognized as important technologies of high added value.

리튬-황 이차전지는 최근 가장 널리 사용되고 있는 리튬 이온 전지의 차세대 전지로서 가장 기대가 되고 있는 이차전지이다. 크게 양극, 음극, 분리막 그리고 전해액으로 구성되어 있는 이차전지는 전극 간의 전기적 단락과 물리적 접촉을 방지하는 분리막을 사이에 두고, 양극과 음극이 위치하고 있다. 이차전지가 갖추어야 하는 조건으로는 우선 전극 내 이온의 삽입과 탈리가 용이해야 하며, 충·방전 과정이 진행되는 동안 전극의 구조가 안정적으로 유지되어야 한다.The lithium-sulfur secondary battery is the most anticipated secondary battery as the next-generation battery of the lithium ion battery that is currently most widely used. A secondary battery largely composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte has a positive electrode and a negative electrode positioned with a separator interposed between the electrode to prevent electrical short-circuit and physical contact. As a condition that the secondary battery must have, first, the insertion and desorption of ions in the electrode must be easy, and the structure of the electrode must be stably maintained during the charging/discharging process.

리튬-황 이차전지는 1672mAh/g의 높은 이론용량과 2600Wh/kg의 에너지밀도를 갖고, 풍부한 매장량으로 인해 주변에서 쉽게 구할 수 있으며, 친환경적인 소재라는 점에서 상용화 연구 소재로써 각광받고 있다. 그러나 수많은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고, 양극 활물질에 포함되는 황의 전기전도도가 좋지 않다는 점, 양극에서 반응 후 생성되는 리튬 폴리설파이드의 용출 등, 아직 리튬-황 이차전지는 사이클 특성의 개선이 필요하다.The lithium-sulfur secondary battery has a high theoretical capacity of 1672mAh/g and an energy density of 2600Wh/kg, can be easily obtained in the vicinity due to its abundant reserves, and is in the spotlight as a commercial research material because it is an eco-friendly material. However, despite numerous studies being conducted, the electrical conductivity of sulfur contained in the positive electrode active material is not good, and the lithium-sulfur secondary battery still needs improvement of cycle characteristics, such as the elution of lithium polysulfide generated after the reaction at the positive electrode. .

특히 충·방전 중에 발생하는 리튬 폴리설파이드 중간체가 유기 전해질에 용해되어 용출되거나 불용성의 최종 생성물(Li2S)이 양극 기공 내부 및 표면에 퇴적되어 양극 활물질 감소 및 용량 감소가 발생하게 되는데, 이를 해결하기 위한 방안으로, 전도성을 가지고 환원 반응을 통해 팽창한 황을 담지 할 수 있는 메조다공성 탄소물질을 황의 지지체로 이용하는 것이 일반적이다.In particular, the lithium polysulfide intermediate generated during charging and discharging is dissolved in the organic electrolyte and eluted, or the insoluble final product (Li 2 S) is deposited inside and on the positive electrode pores, resulting in reduction of positive electrode active material and capacity reduction. As a method to do so, it is common to use a mesoporous carbon material that has conductivity and can support expanded sulfur through a reduction reaction as a support for sulfur.

단, 많은 양의 황을 담지하기 위해서는 높은 기공 부피를 가져야 하고, 이를 위해 수십 나노미터까지 탄소의 기공 직경이 증가되어야 하는 동시에, 폴리설파이드가 탄소 지지체 표면에 가깝게 위치할 수 있도록 기공 직경을 작게 만들어야 한다. 기존의 2nm 내지 50nm의 직경을 가진 메조기공을 가지면서 높은 기공 부피를 가진 탄소 지지체의 합성방법은 합성 과정이 복잡하고 유해한 독성 물질을 합성에 사용하므로, 대량생산에 용이하지 않다.However, in order to support a large amount of sulfur, it must have a high pore volume, and for this purpose, the pore diameter of carbon must be increased to several tens of nanometers, and the pore diameter must be made small so that the polysulfide can be positioned close to the surface of the carbon support. do. The conventional method for synthesizing a carbon support having mesopores having a diameter of 2 nm to 50 nm and having a high pore volume is complicated in the synthesis process and uses harmful toxic substances for synthesis, so it is not easy for mass production.

본 발명의 일 과제는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method for producing a carbon-carbon nitride composite.

본 발명의 다른 일 과제는 상기 제조방법으로 제조된 카본-카본 나이트라이드 복합체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a carbon-carbon nitride composite prepared by the above manufacturing method.

본 발명의 일 양태는 글루코즈, 멜라민, 시아누르산 및 용매를 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 상기 혼합 용액으로부터 복합체 전구체를 회수하는 단계; 및 상기 복합체 전구체를 소성하는 단계;를 포함하는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법을 제공한다.One aspect of the present invention comprises the steps of preparing a mixed solution by mixing glucose, melamine, cyanuric acid and a solvent; Recovering the composite precursor from the mixed solution; It provides a method for producing a carbon-carbon nitride composite comprising; and firing the composite precursor.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 글루코즈는 상기 멜라민 및 시아누르산의 총 중량을 기준으로 0.1배 내지 100배 일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the glucose may be 0.1 to 100 times the total weight of the melamine and cyanuric acid.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 용매는 THF, 아세토나이트릴, DMSO, DMF, HMPA 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the solvent may include any one selected from the group consisting of THF, acetonitrile, DMSO, DMF, HMPA, and combinations thereof.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 혼합 용액을 제조하는 단계는 50℃ 내지 150℃에서 수행할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of preparing the mixed solution may be performed at 50°C to 150°C.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 복합체 전구체를 회수하는 단계는 원심분리, 여과, 증발, 재결정, 침전 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법으로 수행할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of recovering the complex precursor may be performed by any one method selected from the group consisting of centrifugation, filtration, evaporation, recrystallization, precipitation, and combinations thereof.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 복합체 전구체를 회수하는 단계는 세척 및/또는 건조 과정을 추가로 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of recovering the composite precursor may further include washing and/or drying.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 복합체 전구체를 소성하는 단계는 400℃ 내지 800℃에서 수행할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the firing of the composite precursor may be performed at 400°C to 800°C.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 복합체 전구체를 소성하는 단계는 1시간 내지 20시간 동안 수행할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the firing of the composite precursor may be performed for 1 to 20 hours.

본 발명의 일 양태는 상기 제조방법으로 제조된 카본-카본 나이트라이드 복합체를 제공한다.One aspect of the present invention provides a carbon-carbon nitride composite prepared by the above manufacturing method.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 총 중량을 기준으로 20중량% 내지 50중량%의 탄소를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon-carbon nitride composite may include 20% to 50% by weight of carbon based on the total weight of the carbon-carbon nitride composite.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 대각선 길이가 2nm 내지 50nm인 기공을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon-carbon nitride composite may include pores having a diagonal length of 2 nm to 50 nm.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 총 부피가 0.1cm3/g 내지 3.0cm3/g인 기공을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon-carbon nitride composite may include pores having a total volume of 0.1cm 3 /g to 3.0cm 3 /g.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 구형일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon-carbon nitride composite may have a spherical shape.

본 발명의 일 실시예에 따른 카본-카본 나이트라이드 복합체를 제조하는 방법은 저가의 분자형태 물질들을 이용하여 용액 내에서 전구체를 손쉽게 대량 합성할 수 있다. 더하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본-카본 나이트라이드 복합체는 용액 내 분자형태 물질의 질량비율을 조절함으로써 전구체 및 카본-카본 나이트라이드 복합체의 모양, 크기, 조성의 조절이 가능하다는 장점이 있다.In the method of manufacturing a carbon-carbon nitride composite according to an embodiment of the present invention, a precursor can be easily mass-synthesized in a solution using inexpensive molecular materials. In addition, the carbon-carbon nitride complex according to an embodiment of the present invention has the advantage that the shape, size, and composition of the precursor and the carbon-carbon nitride complex can be adjusted by controlling the mass ratio of the molecular substance in the solution. .

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 카본-카본 나이트라이드 복합체의 표면을 나타내는 TEM(도 1의 a)) 및 SEM(도 1의 b) 및 c)) 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 카본-카본 나이트라이드 복합체 및 비교예의 소성공정 전과 후의 SEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 카본-카본 나이트라이드 복합체의 푸리에 변환 적외선 분광학(도 3의 a)) 및 핵자기공명(도 3의 b))의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 복합체 전구체의 소성온도에 따른 질량 비를 나타내는 그래프이다.
1 is a TEM (FIG. 1a)) and SEM (FIG. 1b) and c)) image showing the surface of a carbon-carbon nitride composite manufactured according to an embodiment of the present invention.
2 is a SEM image of a carbon-carbon nitride composite prepared according to an embodiment of the present invention and before and after a firing process of a comparative example.
3 is a graph showing the results of Fourier transform infrared spectroscopy (FIG. 3a) and nuclear magnetic resonance (FIG. 3b)) of a carbon-carbon nitride composite prepared according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a mass ratio according to a firing temperature of a composite precursor prepared according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in a number of different forms, and therefore is not limited to the embodiments described herein. In addition, parts not related to the description are omitted in the drawings to clearly describe the present invention.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, coupled)" to another part, it is not only "directly connected", but also "indirectly connected" with another member in between. "It includes the case where it is. In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further provided, not excluding other components unless otherwise specified.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. The terms used in the present specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention.

본 발명의 일 양태는 글루코즈, 멜라민, 시아누르산 및 용매를 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 상기 혼합 용액으로부터 복합체 전구체를 회수하는 단계; 및 상기 복합체 전구체를 소성하는 단계;를 포함하는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법을 제공한다.One aspect of the present invention comprises the steps of preparing a mixed solution by mixing glucose, melamine, cyanuric acid and a solvent; Recovering the composite precursor from the mixed solution; It provides a method for producing a carbon-carbon nitride composite comprising; and firing the composite precursor.

먼저, 본 발명에 따른 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법은 글루코즈, 멜라민, 시아누르산 및 용매를 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계를 포함한다. First, the method for preparing a carbon-carbon nitride composite according to the present invention includes preparing a mixed solution by mixing glucose, melamine, cyanuric acid, and a solvent.

상기 혼합 용액을 제조하는 단계는 50℃ 내지 150℃, 예를 들면, 80℃ 내지 100℃, 예를 들면, 90℃에서 수행될 수 있다. 이를 위하여, 상기 혼합 용액을 제조하는 단계는 가열하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. The step of preparing the mixed solution may be performed at 50°C to 150°C, for example 80°C to 100°C, for example 90°C. To this end, the step of preparing the mixed solution may further include heating.

상기 가열하는 단계가 50℃ 보다 낮으면, 원하는 형태의 복합체 전구체를 제작할 수 없을 수 있고, 상기 글루코즈, 멜라민, 시아누르산 및 용매가 적절히 혼합되지 않을 수 있다. 반대로, 상기 가열하는 단계가 150℃ 보다 높으면 용매의 끓는점을 상회하여 반응에 영향을 미칠 수도 있고, 부 반응이 진행되어 원하는 반응물을 수득할 수 없게 될 수 있다.If the heating step is lower than 50° C., it may not be possible to prepare a complex precursor of a desired shape, and the glucose, melamine, cyanuric acid, and solvent may not be properly mixed. Conversely, if the heating step is higher than 150° C., the reaction may be affected by exceeding the boiling point of the solvent, and a side reaction may proceed, making it impossible to obtain a desired reactant.

상기 혼합 용액을 제조하는 단계의 글루코즈, 멜라민 및 시아누르산의 첨가선후는 문제되지 않는다. 상기 혼합 용액의 제조는, 예를 들면, (i) 글루코즈, 멜라민 및 용매를 혼합한 용액, 및 시아누르산 및 용매를 혼합한 용액을 각각 가열한 후 혼합하는 방법; (ii) 글루코즈, 시아누르산 및 용매를 혼합한 용액, 및 멜라민 및 용매를 혼합한 용매를 각각 가열한 후 혼합하는 방법; 또는 (iii) 글루코즈 및 용매를 혼합한 용액, 멜라민 및 용매를 혼합한 용액 및 시아누르산 및 용매 혼합한 용액 등 세 가지 용액을 각각 가열한 후 동시에 혼합하는 방법 등을 통하여 수행될 수 있다. There is no problem before and after the addition of glucose, melamine and cyanuric acid in the step of preparing the mixed solution. Preparation of the mixed solution may include, for example, (i) heating a solution in which glucose, melamine, and a solvent are mixed, and a solution in which cyanuric acid and a solvent are mixed, respectively, followed by mixing; (ii) a method of heating a solution in which glucose, cyanuric acid and a solvent are mixed, and a solvent in which melamine and a solvent are mixed, respectively, followed by heating; Or (iii) a solution of a mixture of glucose and a solvent, a solution of a mixture of melamine and a solvent, and a solution of a mixture of cyanuric acid and a solvent, respectively, and then simultaneously mixing the three solutions.

상기 글루코즈는 상기 혼합 용액을 제조하는 단계에서 멜라민 및/또는 시아누르산과 함께 처음에 제공된다. 멜라민과 시아누르산은 혼합 용액 제조 단계에서, 수소결합을 통하여 멜라민 시아누레이트를 형성하는데, 글루코즈는 멜라민 시아누레이트의 수소결합을 방해하는 역할을 한다. 따라서, 글루코즈는 멜라민과 시아누르산의 수소결합이 시작되기 전에 첨가되는 것이 바람직하다.The glucose is initially provided together with melamine and/or cyanuric acid in the step of preparing the mixed solution. Melamine and cyanuric acid form melamine cyanurate through hydrogen bonding in the mixed solution preparation step, and glucose plays a role of interfering with the hydrogen bonding of melamine cyanurate. Therefore, it is preferable that glucose is added before the hydrogen bonding between melamine and cyanuric acid begins.

본 명세서에서 “멜라민 시아누레이트”란, 멜라민과 시아누르산이 1:1의 비율을 가지고, 수소결합하여 반응한 생성물을 의미한다. In the present specification, "melamine cyanurate" refers to a product obtained by hydrogen bonding and reacting with melamine and cyanuric acid in a ratio of 1:1.

상기 멜라민 및 시아누르산은 각각의 중량을 기준으로 1:2 내지 2:1, 예를 들면, 1:1의 몰비로 제공될 수 있다. The melamine and cyanuric acid may be provided in a molar ratio of 1:2 to 2:1, for example, 1:1 based on the weight of each.

상기 혼합 용액을 제조하는 단계에서 상기 글루코즈는 멜라민 및 시아누르산의 총 중량을 기준으로 0.1배 내지 100배, 예를 들면, 1배 내지 50배, 예를 들면, 10배 내지 20배일 수 있다. In the step of preparing the mixed solution, the glucose may be 0.1 to 100 times, for example, 1 to 50 times, for example, 10 to 20 times, based on the total weight of melamine and cyanuric acid.

상기 글루코즈의 함량은 미세구조, 조성, 기공구조, 밀도 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 조절할 수 있는 조절인자가 될 수 있다.The content of glucose may be a modulator capable of controlling any one selected from the group consisting of microstructure, composition, pore structure, density, and combinations thereof.

상기 글루코즈의 함량이 증가할수록 상기 복합체 전구체는 일정한 크기와 모양을 갖는 미세섬유를 형성하고, 형상과 크기 면에서 균일하고 밀도가 높은 구형 입자로 복합체 전구체를 형성하고 침전된다. 침전된 복합체 전구체를 고온 소성하면, 전도성 물질인 카본과 황에 접착특성이 우수한 카본 나이트라이드가 구조체 내에 균일하게 잘 분포되어 있으면서도 대량의 방전 생성물의 부피팽창을 견딜 수 있도록 중형 메조기공을 유도할 수 있다. As the amount of glucose increases, the composite precursor forms microfibers having a certain size and shape, and forms and precipitates the composite precursor into spherical particles having a uniform and high density in shape and size. When the precipitated composite precursor is fired at high temperature, it is possible to induce medium-sized mesopores to withstand the volume expansion of a large amount of discharge products while the carbon nitride, which has excellent adhesion properties to carbon and sulfur, is uniformly distributed in the structure. have.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 용매는 상기 글루코즈, 멜라민 및 시아누르산과 반응하지 않고 용해시키는 유기용매이면 제한되지 않으며, 예를 들면, THF, 아세토나이트릴, DMSO, DMF, HMPA 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나, 예를 들면 DMSO일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the solvent is not limited as long as it is an organic solvent that dissolves without reacting with the glucose, melamine and cyanuric acid, for example, THF, acetonitrile, DMSO, DMF, HMPA, and combinations thereof. Any one selected from the group consisting of, for example, may be DMSO.

상기 용매는 상기 글루코즈, 멜라민 및 시아누르산의 중량을 기준으로 1배 내지 2배, 예를 들면, 1.2배 내지 1.8배, 예를 들면, 1.5배로 포함될 수 있다. The solvent may be included in an amount of 1 to 2 times, for example, 1.2 to 1.8 times, for example, 1.5 times, based on the weight of the glucose, melamine and cyanuric acid.

상기 용매가 상기 글루코즈, 멜라민 및 시아누르산의 중량을 기준으로 1배 미만으로 포함되면 용질이 석출될 수 있고, 2배 초과로 포함되면 용해되는 용질의 양이 증가하여 복합체 전구체의 크기 및 모양이 변경될 수 있다.If the solvent is contained in an amount of less than 1 times the weight of glucose, melamine and cyanuric acid, solutes may be precipitated, and if it is contained more than 2 times, the amount of dissolved solutes increases, resulting in the size and shape of the complex precursor. can be changed.

상기 혼합액을 제조하는 단계에서 멜라민 및 시아누르산은 유기 용매 안에서 구형 결정 응집체인 멜라민 시아누레이트를 형성할 수 있다. 수소결합을 통하여 육각 패턴의 2차원 네트워크를 형성하고, 이후 이러한 2차원 육각패턴의 판들은 적층과 응집을 통해 수 마이크로에 이르는 구형태의 입자가 될 수 있다. In the step of preparing the mixed solution, melamine and cyanuric acid may form melamine cyanurate, which is a spherical crystal aggregate, in an organic solvent. After forming a two-dimensional network of hexagonal patterns through hydrogen bonding, the plates of these two-dimensional hexagonal patterns can become spherical particles reaching several microns through stacking and aggregation.

이러한 방향성 성장은 분자간 상호 작용을 수정함으로써 조절할 수 있다. 예를 들면, 약 90℃의 DMSO는 멜라민의 수소결합 수용체일 수 있고, 멜라민과 시아누르산의 수소결합을 방해할 수 있다. 이때, 2차원 네트워크 간의 반데르발스 상호작용은 그대로 유지되어 z-축 성장을 하게 되고, 이는 육각형 마이크로 섬유를 형성하게 된다. This directional growth can be controlled by modifying the intermolecular interactions. For example, DMSO at about 90° C. may be a hydrogen bond receptor for melamine, and may interfere with hydrogen bonding between melamine and cyanuric acid. At this time, the Van der Waals interaction between the two-dimensional networks is maintained as it is and z-axis growth occurs, which forms hexagonal microfibers.

상기 글루코즈는 2차원 평면을 벗어나는 트랜스(trans) 배열의 수소결합 작용기에 의해 구조 유도체로서 역할을 하고 혹은 멜라민과 시아누르산의 수소결합을 경쟁적으로 방해하여 복합체 전구체에 도입될 수 있다. The glucose can be introduced into a complex precursor by competitively interfering with hydrogen bonding between melamine and cyanuric acid or acting as a structural derivative by a hydrogen bonding functional group in a trans configuration outside the two-dimensional plane.

이때, 글루코즈의 함량은 상기 복합체 전구체의 미세구조, 조성, 기공구조, 밀도 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 조절할 수 있는 인자가 될 수 있다. At this time, the content of glucose may be a factor capable of controlling any one selected from the group consisting of the microstructure, composition, pore structure, density, and combinations thereof of the complex precursor.

다음으로, 본 발명에 따른 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법은 상기 혼합 용액으로부터 복합체 전구체를 회수하는 단계를 포함한다.Next, the method for producing a carbon-carbon nitride composite according to the present invention includes the step of recovering the composite precursor from the mixed solution.

상기 복합체 전구체를 회수하는 단계란, 상기 혼합물과 반응하지 않은 용매를 제거하여 혼합물만을 수득하는 과정을 말한다. 상기 전구체를 회수하는 단계는, 예를 들면, 원심분리, 여과, 증발, 재결정, 침전 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 공정을 의미하며, 예를 들면, 여과공정일 수 있고, 예를 들면, 감압여과공정 일 수 있다. The step of recovering the composite precursor refers to a process of removing only the mixture by removing the solvent that has not reacted with the mixture. The step of recovering the precursor means, for example, any one process selected from the group consisting of centrifugation, filtration, evaporation, recrystallization, precipitation, and combinations thereof, and may be, for example, a filtration process, For example, it may be a vacuum filtration process.

상기 감압여과공정이란 서로 섞이지 않는 고체와 액체를 분리하는 방법으로, 플라스크 내부의 압력을 감소시켜 이때 발생하는 여과액에 대한 흡인력을 이용하여 여과하는 방법이다. 예를 들면, 감압여과를 이용하여 혼합 용액에서, 용매를 분리하여, 생성된 고체상태인 복합체 전구체를 수득할 수 있다. The reduced pressure filtration process is a method of separating solids and liquids that are not mixed with each other, and is a method of reducing the pressure inside the flask and filtering by using the suction force for the filtrate generated at this time. For example, by separating the solvent from the mixed solution using vacuum filtration, the resulting solid complex precursor may be obtained.

상기 복합체 전구체를 회수하는 단계는 세척 및/또는 건조 과정을 추가로 포함할 수 있다. 상기 세척 및 건조 과정을 통하여 상기 복합체 전구체에 남아있는 용매를 추가로 제거하여 수득율을 높일 수 있다.The step of recovering the composite precursor may further include washing and/or drying. Through the washing and drying process, the yield can be increased by additionally removing the solvent remaining in the composite precursor.

다음으로, 본 발명에 따른 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법은 상기 복합체 전구체를 소성하는 단계를 포함한다.Next, the method for producing a carbon-carbon nitride composite according to the present invention includes the step of firing the composite precursor.

본 발명에서, “소성”이란, 복합체 전구체를 고온으로 가열하여 탄화(carbonization)시키는 것을 의미한다. In the present invention, "calcination" refers to carbonization by heating the composite precursor to a high temperature.

상기 소성하는 단계의 온도는 400℃ 내지 800℃, 예를 들면 450℃ 내지 750℃, 예를 들면 600℃ 일 수 있다. 소성하는 단계의 온도가 400℃ 미만이면 복합체 전구체와 유사한 분자형태를 가지는 물질 일 수 있고, 800℃ 초과이면 모든 유기물이 기체로 분해될 수 있다. The temperature of the firing step may be 400°C to 800°C, for example 450°C to 750°C, for example 600°C. If the temperature of the firing step is less than 400°C, the material may have a molecular shape similar to that of the composite precursor, and if it exceeds 800°C, all organic substances may be decomposed into gas.

상기 소성하는 단계는 1시간 내지 20시간, 예를 들면 9시간 내지 10시간 동안 수행될 수 있다. The firing step may be performed for 1 hour to 20 hours, for example 9 hours to 10 hours.

상기 소성하는 단계는 비활성기체 조건, 예를 들면, 질소 및/또는 아르곤 기체조건에서 수행될 수 있다. The firing may be performed under an inert gas condition, for example, nitrogen and/or argon gas conditions.

본 발명의 일 양태는 상기 제조방법으로 제조된 카본-카본 나이트라이드 복합체를 제공한다. One aspect of the present invention provides a carbon-carbon nitride composite prepared by the above manufacturing method.

본 명세서에서 “카본-카본 나이트라이드 복합체”란, 멜라민 및 시아누르산의 고온축합중합을 통해 생성된 카본 나이트라이드와 글루코즈가 고온에서 탄화되어 형성하는 탄소기반 물질이 복합화 된 것을 의미한다. In the present specification, “carbon-carbon nitride complex” refers to a composite of a carbon-based material formed by carbonization of carbon nitride and glucose produced through high-temperature condensation polymerization of melamine and cyanuric acid at high temperature.

상기 카본 나이트라이드(Carbon nitride)는 리튬 폴리설파이드 흡착에 유리한, 비공유 전자쌍을 가지는 질소원자를 다량 함유하고 있어, 리튬-황 이차전지에서 문제가 되는 리튬 폴리설파이드의 용출을 억제하는 역할을 할 수 있다. 다만, 카본 나이트라이드는 10-11S/m의 낮은 전도성으로 인하여, 그 자체만으로는 전지의 전극 소재로 활용하기에 한계가 있으므로, 전도성 물질과 혼합하여 전도성을 높여야 한다. 예를 들면, 분자식 C6H12O6을 가지는 글루코즈는 탄화되어 탄소 기반의 전도성 물질을 생성하므로, 상기 카본 나이트라이드와 복합화 되어, 상기 카본 나이트라이드의 전자 수송 능력을 보완하는 역할을 할 수 있다.The carbon nitride contains a large amount of nitrogen atoms having an unshared electron pair, which is advantageous for adsorption of lithium polysulfide, and thus may play a role of suppressing the elution of lithium polysulfide, which is a problem in a lithium-sulfur secondary battery. . However, due to the low conductivity of 10 -11 S/m, carbon nitride is limited in its use as an electrode material of a battery, so it must be mixed with a conductive material to increase conductivity. For example, since glucose having the molecular formula C 6 H 12 O 6 is carbonized to generate a carbon-based conductive material, it may be combined with the carbon nitride to supplement the electron transport ability of the carbon nitride. .

본 명세서에서 “폴리설파이드”는 “폴리설파이드 이온(Sx2-, x는 8, 6, 4 또는 2)” 및 “리튬 폴리설파이드(Li2Sx 또는 LiSx -, x는 8, 6, 4 또는 2)”를 모두 포함한다.In the present specification, “polysulfide” refers to “polysulfide ion (Sx 2-, x is 8, 6, 4 or 2)” and “lithium polysulfide (Li 2 S x or LiS x - , x is 8, 6, 4). Or 2)”.

상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 총 중량을 기준으로 20중량% 내지 50중량%, 예를 들면 25중량% 내지 45중량%의 탄소를 포함 할 수 있다.The carbon-carbon nitride composite may include 20% to 50% by weight, for example, 25% to 45% by weight of carbon based on the total weight.

상기 포함되는 탄소가 20중량% 미만이면, 낮은 전도성으로 황 이용 능력이 낮아질 수 있고, 50중량% 초과이면, 낮은 질소 함량으로 리튬 폴리설파이드의 흡착 능력이 낮아질 수 있다.If the contained carbon is less than 20% by weight, the sulfur utilization ability may be lowered due to low conductivity, and if it is more than 50% by weight, the adsorption capacity of lithium polysulfide may be lowered due to a low nitrogen content.

상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 기공을 포함할 수 있다.The carbon-carbon nitride composite may include pores.

상기 기공은 리튬-황 이차전지에 있어서, 황을 담지 하거나, 황의 산화-환원반응을 촉진시키는 역할을 할 수 있다. The pores may carry sulfur in a lithium-sulfur secondary battery, or may serve to promote an oxidation-reduction reaction of sulfur.

현재까지 진행된 리튬-황 이차전지 연구의 대부분은 낮은 황 함량(≤2mg/cm2)을 이용하므로, 100%의 효율을 가정하더라도 면적용량이 3.35mAh/cm2정도가 되어 기존의 리튬이온 이차전지의 최대 면적용량(약 4mAh/cm2)보다 낮다. Most of the lithium-sulfur secondary battery research conducted so far uses a low sulfur content (≤2mg/cm 2 ), so even assuming 100% efficiency, the area capacity is about 3.35mAh/cm 2 Is lower than the maximum area capacity of (about 4mAh/cm 2 ).

따라서, 고 에너지 밀도를 가지는 리튬-황 이차전지를 개발하기 위해서는 황 함량을 6mg/cm2 이상으로 하는 동시에, 양극 내의 황 활물질의 질량비율 및 황 이용률을 극대화하며, 전지 내 전해질의 질량을 최소화해야 한다. Therefore, in order to develop a lithium-sulfur secondary battery having a high energy density, the sulfur content should be 6 mg/cm 2 or more, and the mass ratio and sulfur utilization rate of the sulfur active material in the positive electrode should be maximized, and the mass of the electrolyte in the battery should be minimized. do.

리튬-황 이차전지는 방전시에 고리형의 S8이 선형 구조의 리튬 폴리설파이드 (Li2Sx, x는 1 내지 8)로 변환되고, 이 때 특정 전압에서 단계적으로 환원 거동을 보인다. 따라서, 충·방전 중에 리튬 폴리설파이드의 중간체가 형성되고, 상기 중간체가 유기 전해질에 용해되어 용출되거나 불용성의 최종생성물(Li2S)가 양극 기공 내부 및 표면에 퇴적되면 양극 활물질 감소 및 용량 감소로 이어지는 문제점이 있다.In the lithium-sulfur secondary battery, cyclic S 8 is converted into linear lithium polysulfide (Li 2 S x , x is 1 to 8) at the time of discharge, and at this time, it exhibits stepwise reduction behavior at a specific voltage. Therefore, when an intermediate of lithium polysulfide is formed during charging and discharging, and the intermediate is dissolved in an organic electrolyte and eluted, or when an insoluble final product (Li 2 S) is deposited on the inside and surface of the cathode pores, the cathode active material decreases and capacity decreases. There are subsequent problems.

이를 해결하기 위해 전도성을 가지고 환원반응을 통해 팽창한 황을 담지 할 수 있는 메조다공성 탄소물질을 황의 지지체로 이용하는 것이 일반적인 방법이다. To solve this problem, it is a common method to use a mesoporous carbon material that has conductivity and can support expanded sulfur through a reduction reaction as a support for sulfur.

상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 대각선 길이가 2nm 내지 50nm인 기공을 포함할 수 있다. The carbon-carbon nitride composite may include pores having a diagonal length of 2 nm to 50 nm.

기공의 크기가 2nm 미만이면 리튬-황 이차전지의 양극 활물질인 황을 함침하는 과정에서 기공 막힘 현상이 일어나 황이 각 기공에 균일하게 담지 되지 않을 수 있고, 기공부피의 제한으로 기공 내에 황의 담지량이 저하될 수 있다. 또한 기공의 크기가 50nm 초과이면, 리튬-황 이차전지의 충·방전 시 양극의 중간 생성물인 폴리설파이드가 용출될 수 있다. If the pore size is less than 2 nm, pore clogging may occur in the process of impregnating sulfur, the positive active material of lithium-sulfur secondary batteries, so that sulfur may not be uniformly supported in each pore, and the amount of sulfur supported in the pores decreases due to the limitation of pore volume Can be. In addition, if the pore size exceeds 50 nm, polysulfide, an intermediate product of the positive electrode, may be eluted during charging and discharging of the lithium-sulfur secondary battery.

상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 총 부피가 0.1cm3/g 내지 3.0cm3/g인 기공을 포함할 수 있다. 기공의 부피가 0.1cm3/g 미만이면 리튬-황 이차전지의 양극 활물질인 황을 함침하는 과정에서 기공 막힘 현상이 일어나 황이 각 기공에 균일하게 담지 되지 않을 수 있고, 또한, 기공의 부피 제한으로 인하여 기공 내에 황의 담지량이 저하될 수 있다. 또한 기공의 부피가 3.0cm3/g 초과이면 리튬-황 이차전지의 충·방전 시 양극의 중간 생성물인 폴리설파이드가 쉽게 용출될 수 있다. The carbon-carbon nitride composite may include pores having a total volume of 0.1cm 3 /g to 3.0cm 3 /g. If the volume of the pores is less than 0.1cm 3 /g, pore clogging may occur in the process of impregnating sulfur, which is the positive electrode active material of lithium-sulfur secondary batteries, so that sulfur may not be uniformly contained in each pore. Due to this, the amount of sulfur supported in the pores may decrease. In addition, if the volume of the pores exceeds 3.0cm 3 /g, polysulfide, an intermediate product of the positive electrode, can be easily eluted during charging and discharging of the lithium-sulfur secondary battery.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 구형, 튜브형, 선형, 평면형 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 형태, 예를 들면, 구형일 수 있다. 예를 들면, 상기 카본-카본 나이트라이드 복합체가 구형인 경우, 튜브형, 선형 또는 평면형에 비하여 상대적으로 높은 표면적을 확보하고, 상기 기공을 더욱 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the carbon-carbon nitride composite may have a shape including any one selected from the group consisting of spherical, tubular, linear, planar, and combinations thereof, for example, spherical. For example, when the carbon-carbon nitride composite has a spherical shape, it may secure a relatively high surface area compared to a tubular, linear, or planar shape, and further include the pores.

본 발명의 카본-카본 나이트라이드 복합체는 메조기공을 포함함으로써, 부피 대비 높은 비표면적, 높은 기공성, 유체 투과성, 규칙성 및 균일한 기공 구조로 인해 분자체, 형상선택성, 흡착성, 안정성 및 내구성 등의 다양한 특성을 가진다. 이로 인하여, 촉매, 전기전자, 분리, 센서 등에 응용될 수 있다. The carbon-carbon nitride composite of the present invention includes mesopores, and thus molecular sieve, shape selectivity, adsorption, stability and durability due to its high specific surface area, high porosity, fluid permeability, regularity and uniform pore structure. Has a variety of characteristics. For this reason, it can be applied to catalysts, electrical electronics, separation, sensors, and the like.

또한 본 발명의 카본-카본 나이트라이드 복합체는 구조의 조절이 가능한 바, 기공의 크기, 기공도, 기공분포, 조성, 표면 특성에 따라서 각종 분리막, 에너지절약/저장/변화소재, 화학적/전기적 활성소재, 정보/전자용 소재의 개발에 적용될 수 있다. In addition, the carbon-carbon nitride composite of the present invention is capable of controlling the structure, depending on the size of pores, porosity, pore distribution, composition, and surface characteristics, various separators, energy saving/storage/change materials, chemical/electrical active materials. , It can be applied to the development of materials for information/electronics.

본 발명의 일 양태는 상기 카본-카본 나이트라이드 복합체 및 황을 포함하는 양극 활물질을 제공한다. An aspect of the present invention provides a positive electrode active material including the carbon-carbon nitride composite and sulfur.

본 명세서에서 “양극 활물질”은 리튬-황 이차전지의 양극을 이루는 물질로, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본-카본 나이트라이드 복합체의 기공에 황을 담지한 것을 의미한다.In the present specification, the "positive electrode active material" refers to a material forming a positive electrode of a lithium-sulfur secondary battery, and means supporting sulfur in the pores of the carbon-carbon nitride composite according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에서 상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 상기 양극 활물질에 25중량% 내지 95중량%, 예를 들면, 25% 내지 35중량%로 포함될 수 있다. In an embodiment of the present invention, the carbon-carbon nitride composite may be included in an amount of 25% to 95% by weight, for example, 25% to 35% by weight in the positive active material.

카본-카본 나이트라이드 복합체가 25중량% 미만으로 포함된 경우, 충분한 황을 담지 하지 못하고, 리튬-황 이차전지의 충·방전 과정에서 황의 부피 팽창 및 낮은 전기 전도도 등이 문제될 수 있다. 반대로 95중량% 초과로 포함된 경우, 활물질로서 기능을 하지 못할 수 있다. 다만, 35중량% 초과로 포함된 경우에는 리튬-황 이차전지의 에너지 밀도가 저하될 수 있음에 유의 하여야 한다. When the carbon-carbon nitride composite is contained in an amount of less than 25% by weight, sufficient sulfur may not be supported, and volume expansion and low electrical conductivity of sulfur may be problematic during the charging and discharging process of the lithium-sulfur secondary battery. Conversely, when it is contained in an amount of more than 95% by weight, it may not function as an active material. However, it should be noted that the energy density of the lithium-sulfur secondary battery may decrease if it is contained in an amount exceeding 35% by weight.

본 발명의 일 실시예에서 상기 황은 황 원소(S8) 또는 S-S결합을 가지는 황 화합물 일 수 있다. 예를 들면, Li2Sn(n≥1), 캐솔라이트(catholyte)에 용해된 Li2Sn(n≥1), 유기황 화합물(organosulfur compound) 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n, x는 2.5 내지 50, n≥2) 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나, 예를 들면, 승화된 황(sublimed sulfur) 일 수 있다. In an embodiment of the present invention, the sulfur may be elemental sulfur (S 8 ) or a sulfur compound having an SS bond. For example, Li 2 S n (n≥1) , dissolved in the cache solrayiteu (catholyte) Li 2 S n ( n≥1), the organic sulfur compound (organosulfur compound) and a carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n , x may be any one selected from the group consisting of 2.5 to 50, n≥2), and combinations thereof, for example, sublimed sulfur.

상기 리튬-황 이차전지의 환원 반응시(방전시) S-S결합이 끊어지면서 S의 산화수가 감소하고, 산화 반응시(충전시) S의 산화수가 증가하면서 S-S결합이 다시 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기적 에너지를 저장 및 생성한다. During the reduction reaction of the lithium-sulfur secondary battery (when discharging), the oxidation number of S decreases as the SS bond is disconnected, and the oxidation number of S increases during the oxidation reaction (when charging), and an oxidation-reduction reaction in which the SS bond is formed again. To store and generate electrical energy.

본 발명의 일 실시예에서 상기 황은 상기 양극 활물질의 총 중량을 기준으로 60중량% 내지 70중량%로 포함될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the sulfur is 60% by weight based on the total weight of the positive electrode active material. It may be included in to 70% by weight.

황이 60중량% 미만으로 포함된 경우, 리튬-황 이차전지의 에너지 밀도가 저하될 수 있고, 반대로 70중량% 초과로 포함된 경우, 리튬-황 이차전지의 충·방전 과정에서 황의 부피 팽창 및 낮은 전기 전도도 등이 문제될 수 있다. When sulfur is contained in an amount of less than 60% by weight, the energy density of the lithium-sulfur secondary battery may decrease. Conversely, when it is contained in an amount of more than 70% by weight, the volume of sulfur expands and decreases during the charging and discharging process Electrical conductivity and the like can be a problem.

실시예Example

실시예 1. 카본-카본 나이트라이드 복합체 제작Example 1. Preparation of carbon-carbon nitride composite

하나의 용기 안에 멜라민 0.5g, 글루코즈 20.2g 및 DMSO 용매를 20mL 넣고, 또 다른 용기에 시아누르산 0.51g 및 DMSO 용매를 10mL를 넣었다. 상기 각각의 용기를 90℃ 오븐에서 24시간 가열한 후 혼합하고, 90℃ 오븐에서 추가로 24시간 가열하였다.In one container, 0.5 g of melamine, 20.2 g of glucose, and 20 mL of a DMSO solvent were added, and 0.51 g of cyanuric acid and 10 mL of a DMSO solvent were added to another container. Each of the containers was heated in an oven at 90° C. for 24 hours, mixed, and heated in an oven at 90° C. for an additional 24 hours.

상기 혼합물의 용매인 DMSO를 제거하기 위해 진공펌프와 셀룰로오스여과지(기공 크기: 11μm)를 사용하여 감압 여과한 후, 물질을 회수하고, 에탄올로 수 차례 세척하여 잔여 DMSO를 제거하였다. 수득한 파우더를 90℃ 오븐에서 한번 더 건조하여 분말 형태의 카본-카본 나이트라이드 복합체 전구체를 수득하였다. In order to remove DMSO, which is the solvent of the mixture, the mixture was filtered under reduced pressure using a vacuum pump and a cellulose filter paper (pore size: 11 μm), and the material was recovered and washed several times with ethanol to remove residual DMSO. The obtained powder was dried once more in an oven at 90° C. to obtain a carbon-carbon nitride composite precursor in powder form.

상기 전구체를 30℃의 온도에서 질소 분위기로 1시간 유지하고, 2.3℃/min 으로 600℃까지 가온한 후 4시간 동안 소성하여 카본-카본 나이트라이드 복합체를 수득하였다. The precursor was maintained in a nitrogen atmosphere at a temperature of 30° C. for 1 hour, heated to 600° C. at 2.3° C./min, and fired for 4 hours to obtain a carbon-carbon nitride composite.

실시예 2. 카본-카본 나이트라이드 복합체 제작Example 2. Preparation of carbon-carbon nitride composite

상기 실시예 1에서 글루코즈를 20.2g을 첨가한 것 대신 10.1g을 첨가한 것 외에는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 카본-카본 나이트라이드 복합체를 수득하였다.In Example 1, a carbon-carbon nitride complex was obtained in the same manner as in Example 1, except that 10.1 g of glucose was added instead of 20.2 g of glucose.

비교예 1. 카본 나이트라이드 제작Comparative Example 1. Preparation of carbon nitride

상기 실시예 1에서 글루코즈를 20.2g을 첨가한 것 대신 글루코즈를 첨가하지 않은 것 외에는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 카본 나이트라이드를 수득하였다. In Example 1, carbon nitride was obtained in the same manner as in Example 1, except that glucose was not added instead of adding 20.2 g of glucose.

실험예 1. 카본-카본 나이트라이드 복합체의 표면의 관찰Experimental Example 1. Observation of the surface of the carbon-carbon nitride composite

카본-카본 나이트라이드 복합체의 표면을 관찰하기 위하여, 상기 실시예 1에 의해 제조된 카본-카본 나이트라이드 복합체를 주사전자 현미경(SEM) 및 투과전자 현미경(TEM)으로 관찰하였고(도 1), 상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 의해 제조된 카본-카본 나이트라이드 복합체 전구체, 및 카본-카본 나이트라이드 복합체/카본 나이트라이드를 주사전자 현미경(SEM)으로 관찰하였다(도 2).In order to observe the surface of the carbon-carbon nitride composite, the carbon-carbon nitride composite prepared in Example 1 was observed with a scanning electron microscope (SEM) and a transmission electron microscope (TEM) (FIG. 1). The carbon-carbon nitride complex precursors prepared in Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, and the carbon-carbon nitride complex/carbon nitride were observed with a scanning electron microscope (SEM) (FIG. 2).

관찰 결과, 카본-카본 나이트라이드 복합체 전구체 및 카본-카본 나이트라이드 복합체는 구형에 가까운 형상을 가지고 있고, 상기 실시예 1에 의해 제조된 카본-카본 나이트라이드 복합체가 실시예 2에 의해 제조된 카본-카본 나이트라이드 복합체 및 비교예 1의 카본 나이트라이드보다 더욱 구형에 가깝다는 것을 알 수 있었으며, 따라서, 초기 첨가하는 글루코즈의 함량이 증가할수록 구형에 가까운 형상을 가진다는 것을 알 수 있었다. 또한, 상기 복합체는 약 40nm의 거대 메조기공을 가지고 있으며, 1.96cm3/g의 기공 부피를 가지는 것을 확인할 수 있었다. As a result of observation, the carbon-carbon nitride composite precursor and the carbon-carbon nitride composite have a shape close to a spherical shape, and the carbon-carbon nitride composite prepared according to Example 1 is carbon prepared according to Example 2. It was found that the carbon nitride composite was more spherical than the carbon nitride of Comparative Example 1, and thus, as the amount of glucose initially added increased, it was found to have a shape close to the spherical shape. In addition, it was confirmed that the composite had large mesopores of about 40 nm and a pore volume of 1.96 cm 3 /g.

실험예 2. 카본-카본 나이트라이드 복합체의 원소 분석Experimental Example 2. Elemental analysis of carbon-carbon nitride complex

카본-카본 나이트라이드 복합체의 구성 원소를 파악하기 위하여, 상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 의해 제조된 카본-카본 나이트라이드 복합체를 질량분석 하였고, 실시예 1에 의해 제조된 카본-카본 나이트라이드 복합체를 푸리에 변환 적외선 분광학(FT-IR) 및 핵자기공명(NMR) 분석 하였다. In order to determine the constituent elements of the carbon-carbon nitride composite, the carbon-carbon nitride composites prepared in Examples 1, 2 and Comparative Example 1 were subjected to mass spectrometry, and the carbon prepared in Example 1- The carbon nitride complex was analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and nuclear magnetic resonance (NMR).

실험 결과, 비교예 1의 카본 나이트라이드의 경우, 약 29중량%의 탄소를 가지는데 비해 실시예 1의 카본-카본 나이트라이드 복합체의 경우, 약 41중량%의 탄소를 가지는 것을 확인하였고, 초기 첨가되는 글루코즈 함량이 증가할수록 생성되는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 탄소 함량이 증가하는 것을 확인하였다.As a result of the experiment, it was confirmed that the carbon nitride of Comparative Example 1 had about 29% by weight of carbon, whereas the carbon-carbon nitride composite of Example 1 had about 41% by weight of carbon, and the initial addition It was confirmed that the carbon content of the resulting carbon-carbon nitride complex increased as the glucose content increased.

하기 표 1 에 질량 분석의 결과를 도시 하였다. Table 1 below shows the results of mass spectrometry.

또한, 푸리에 변환 적외선 분광학 및 핵자기공명 분석에 의하면, 글루코즈와 멜라민 시아누레이트는 독립적인 반응을 진행함을 확인하였다. 글루코즈는 폴리아로마틱 축합을 통해 비정질 탄소를 형성하고, 멜라민 시아누레이트는 트리-s-트리아진을 기본구조로 가지는 카본 나이트라이드를 각각 형성하는 것을 알 수 있었다(도 3):In addition, according to Fourier transform infrared spectroscopy and nuclear magnetic resonance analysis, it was confirmed that glucose and melamine cyanurate proceeded independently. It was found that glucose forms amorphous carbon through polyaromatic condensation, and melamine cyanurate forms carbon nitrides having tri-s-triazine as a basic structure, respectively (FIG. 3):

실시예Example 탄소(C) 함유량(중량%)Carbon (C) content (% by weight) 질소(N) 함유량(중량%)Nitrogen (N) content (% by weight) 실시예 1Example 1 41.8141.81 42.5042.50 실시예 2Example 2 33.9633.96 51.9151.91 비교예 1Comparative Example 1 29.4029.40 50.2750.27

실험예 3. 카본-카본 나이트라이드 복합체의 BET 비표면적분석Experimental Example 3. BET specific surface area analysis of carbon-carbon nitride composite

카본-카본 나이트라이드 복합체의 비표면적을 분석하기 위하여, 상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 의해 제조된 카본-카본 나이트라이드 복합체의 표면에 질소가스가 물리적으로 흡착될 때 단분자층의 부피를 측정하여 표면적을 하기의 식 1을 이용하여 계산하였다:In order to analyze the specific surface area of the carbon-carbon nitride composite, the volume of the monomolecular layer when nitrogen gas is physically adsorbed on the surface of the carbon-carbon nitride composites prepared according to Examples 1, 2, and Comparative Example 1. The surface area was calculated using Equation 1 below:

[식 1][Equation 1]

A=Vm(Na)(Am)/V0 A=V m (N a )(A m )/V 0

(상기 식에서, A는 흡착제의 표면적, Vm은 단분자층 흡착에 필요한 기체부피, V0는 흡착기체의 몰부피, Na는 아보가드로 수, Am은 기체분자의 단면적이다.) (In the above formula, A is the surface area of the adsorbent, V m is the gas volume required for adsorption of the monolayer, V 0 is the molar volume of the adsorption gas, N a is the number of Avogadro, and A m is the cross-sectional area of the gas molecule.)

실험 결과를 하기의 표 2에 도시하였다. The experimental results are shown in Table 2 below.

실험 결과, 초기에 첨가되는 글루코즈 함량이 증가할수록 생성되는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 표면적 및 기공 부피가 증가하는 것을 알 수 있었다:As a result of the experiment, it was found that the surface area and pore volume of the resulting carbon-carbon nitride complex increased as the initially added glucose content increased:

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 표면적(m2/g)Surface area (m 2 /g) 316316 303303 126126 기공부피(cm3/g)Pore volume (cm 3 /g) 2.02.0 0.70.7 0.20.2

실험예 4. 카본-카본 나이트라이드 복합체의 열질량 분석Experimental Example 4. Thermal mass spectrometry of carbon-carbon nitride composite

카본-카본 나이트라이드 복합체의 전구체를 소성하기 위한 적절한 온도를 확인하기 위해 TGA(Thermogravimetric Analysis)분석기를 사용하여 열질량 분석 하였다: N2 조건, 10℃/min.Thermal mass spectrometry was performed using a Thermogravimetric Analysis (TGA) analyzer to determine an appropriate temperature for firing the precursor of the carbon-carbon nitride composite: N 2 condition, 10° C./min.

실험 결과, 약 400℃에서 카본-카본 나이트라이드 복합체의 전구체가 카본-카본 나이트라이드 복합체로 변환되는 것을 확인 할 수 있었다(도 4).As a result of the experiment, it was confirmed that the precursor of the carbon-carbon nitride complex was converted into the carbon-carbon nitride complex at about 400°C (FIG. 4).

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. The above description of the present invention is for illustration only, and those skilled in the art to which the present invention pertains can understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative and non-limiting in all respects.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all modifications or variations derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted to be included in the scope of the present invention.

Claims (13)

글루코즈, 멜라민, 시아누르산 및 용매를 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계;
상기 혼합 용액으로부터 복합체 전구체를 회수하는 단계; 및
상기 복합체 전구체를 소성하는 단계;
를 포함하는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법.
Preparing a mixed solution by mixing glucose, melamine, cyanuric acid, and a solvent;
Recovering the composite precursor from the mixed solution; And
Firing the composite precursor;
A method for producing a carbon-carbon nitride composite comprising a.
제 1 항에 있어서,
상기 글루코즈는 상기 멜라민 및 시아누르산의 총 중량을 기준으로 0.1배 내지 100배로 제공되는 것을 특징으로 하는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing a carbon-carbon nitride composite, characterized in that the glucose is provided in an amount of 0.1 to 100 times based on the total weight of the melamine and cyanuric acid.
제 1 항에 있어서,
상기 용매는 THF, 아세토나이트릴, DMSO, DMF, HMPA 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
The solvent is THF, acetonitrile, DMSO, DMF, HMPA, and a method for producing a carbon-carbon nitride composite comprising any one selected from the group consisting of a combination thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 혼합 용액을 제조하는 단계는 50℃ 내지 150℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
The manufacturing method of the carbon-carbon nitride composite, characterized in that the step of preparing the mixed solution is carried out at 50 ℃ to 150 ℃.
제 1 항에 있어서,
상기 복합체 전구체를 회수하는 단계는 원심분리, 여과, 증발, 재결정, 침전 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
The step of recovering the composite precursor is performed by any one method selected from the group consisting of centrifugation, filtration, evaporation, recrystallization, precipitation, and combinations thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 복합체 전구체를 회수하는 단계는 세척 및/또는 건조 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
The step of recovering the composite precursor further comprises washing and/or drying a process for producing a carbon-carbon nitride composite.
제 1 항에 있어서,
상기 복합체 전구체를 소성하는 단계는 400℃ 내지 800℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
The step of firing the composite precursor is a method of producing a carbon-carbon nitride composite, characterized in that carried out at 400 ℃ to 800 ℃.
제 1 항에 있어서,
상기 복합체 전구체를 소성하는 단계는 1시간 내지 20시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
The step of firing the composite precursor is a method of producing a carbon-carbon nitride composite, characterized in that performed for 1 to 20 hours.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 카본-카본 나이트라이드 복합체.A carbon-carbon nitride composite prepared by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 8. 제 9 항에 있어서,
상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 카본-카본 나이트라이드 복합체의 총 중량을 기준으로 20중량% 내지 50중량%의 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본-카본 나이트라이드 복합체.
The method of claim 9,
The carbon-carbon nitride composite is a carbon-carbon nitride composite, characterized in that it contains 20% to 50% by weight of carbon based on the total weight of the carbon-carbon nitride composite.
제 9 항에 있어서,
상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 대각선 길이가 2nm 내지 50nm인 기공을 포함하는 것을 특징으로 하는 카본-카본 나이트라이드 복합체.
The method of claim 9,
The carbon-carbon nitride composite is a carbon-carbon nitride composite, characterized in that it comprises pores having a diagonal length of 2 nm to 50 nm.
제 9 항에 있어서,
상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 총 부피가 0.1cm3/g 내지 3.0cm3/g인 기공을 포함하는 것을 특징으로 하는 카본-카본 나이트라이드 복합체.
The method of claim 9,
The carbon-carbon nitride composite is a carbon-carbon nitride composite, characterized in that it comprises pores having a total volume of 0.1cm 3 /g to 3.0cm 3 /g.
제 9 항에 있어서,
상기 카본-카본 나이트라이드 복합체는 구형인 것을 특징으로 하는 카본-카본 나이트라이드 복합체.
The method of claim 9,
The carbon-carbon nitride composite, characterized in that the spherical carbon-carbon nitride composite.
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