KR20210101354A - Growth and binding of multicomponent non noble metal nanoparticle on carbon nanofiber membrane by joule heating process and their fabrication method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 실시예는 줄히팅 공정을 통한 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 폴리아크릴로나이트릴을 용매에 용해시켜 전기방사한 멤브레인을 1차 안정화 공정 및 2차 탄화 공정을 거쳐 만든 탄소나노섬유 멤브레인 위에 비귀금속 염을 용해한 용액을 분산하여 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼을 통해 수 ~ 수 십 나노미터직경을 가지는 나노입자촉매를 성장 및 강하게 결착한 멤브레인 및 그 제조방법을 제공하여, 에너지 저장 시스템에 자기독립적으로 사용될 수 있는 촉매가 강하게 결착된 촉매-전류집전체 일체형 탄소 소재 기반 전극 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.An embodiment of the present invention relates to a multi-component crystalline non-noble metal nanoparticle growth through a Joule heating process, a carbon nanofiber membrane bound thereto, and a method for manufacturing the same. More specifically, a large-area Joule heating is performed by dispersing a solution in which a non-noble metal salt is dissolved on a carbon nanofiber membrane made by dissolving polyacrylonitrile in a solvent and electrospinning a membrane through a primary stabilization process and a secondary carbonization process. Through this possible platform, we provide a membrane in which nanoparticle catalysts having a diameter of several to tens of nanometers are grown and strongly bound, and a method for manufacturing the same, and catalyst-current in which catalysts that can be used independently in energy storage systems are strongly bound. It is possible to provide a current collector-integrated carbon material-based electrode and a method for manufacturing the same.
환경오염에 따라 청정에너지원 및 에너지 저장기술에 대한 관심이 급증하면서 여러 배기가스를 발생시키는 가솔린이 아닌 배터리를 이용해 구동되는 전기자동차 기술이 친환경 에너지 기술로써 큰 주목을 받고 있다. 특히 최근에는 리튬 이온 전지를 기반으로한 전기자동차가 상용화 되었지만, 현재의 리튬 이온 전지의 낮은 에너지 밀도로 인해 장거리 주행(400 km 이상)에는 큰 어려움이 있는 실정이다. 이에 따라, 기존의 리튬 이온 이차전지에 비해 10 배 이상 높은 에너지 밀도를 가진 리튬-공기 전지 시스템이 (가솔린의 에너지 밀도와 같은 수준) 그 대안으로 조명되고 있다. 리튬 공기전지는 대기에 존재하는 공기 성분(특히 산소) 으로부터 에너지를 저장하는 기작을 가져, 음극인 리튬이 산화하면서 리튬이온을 발생시킴과 동시에 양극 소재를 통해 유입된 산소 기체가 리튬이온과 Li2O2 형태의 산화물을 형성(방전)하고 분해(충전)되는 전기화학적 반응이 반복적으로 일어나는 시스템을 가진다.As interest in clean energy sources and energy storage technology is rapidly increasing due to environmental pollution, electric vehicle technology that uses batteries, not gasoline, which generates various exhaust gases, is receiving great attention as an eco-friendly energy technology. In particular, recently, electric vehicles based on lithium ion batteries have been commercialized, but due to the low energy density of current lithium ion batteries, long-distance driving (more than 400 km) is difficult. Accordingly, a lithium-air battery system having an
그러나, 현재 단계의 리튬공기전지는 기존의 리튬이온 이차전지에 비해 수명특성이 현저히 낮을 뿐만 아니라 실제 사용 가능한 에너지밀도가 이론적 수치와 비교하여 매우 낮은 수준에 머무르고 있는 실정이다. 더욱 자세하게는, 전지의 구동시 생성되는 방전부산물인 부도체성 리튬산화물은 충전 시에 분해되지않고 양극 표면에 적층되어 과전압 문제를 야기하며 이로 인해 가역적 충방전 및 그 효율이 퇴화되는 문제점을 보인다. 또한, 고 에너지 밀도를 가지는 탄소계 공기극을 사용할 경우 리튬 산화물이 주변 탄소원소와 반응하여 과전압을 더욱 크게 야기시키는 탄산 리튬 산화물(Li2CO3)를 형성한다는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 효과적으로 가역적 충방전 반응을 일으킬 수 있으면서 높은 수준의 에너지 밀도를 가지는 리튬 공기 전지 시스템 개발이 시급하다.However, the lithium-air battery of the current stage has significantly lower lifespan characteristics than the conventional lithium ion secondary battery, and the actual usable energy density remains at a very low level compared to the theoretical value. More specifically, non-conductive lithium oxide, which is a discharge by-product generated during battery operation, is not decomposed during charging and is laminated on the surface of the positive electrode to cause an overvoltage problem, which leads to a problem in that reversible charging and discharging and the efficiency thereof are deteriorated. In addition, when a carbon-based cathode having a high energy density is used, lithium oxide reacts with surrounding carbon elements to form lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), which causes an overvoltage to be greater. Therefore, it is urgent to develop a lithium-air battery system that can effectively cause a reversible charge-discharge reaction and has a high level of energy density.
현재 리튬 공기전지가 가지는 낮은 용량 및 비가역적 충방전 반응과 과전압 문제를 해결하기위해 Li2O2 및 Li2CO3의 생성과 분해를 원활히 일으킬 수 있는 촉매가 결착된 탄소계 공기극 소재 개발에 많은 연구들이 집중되고 있다. 현 기술 수준에서는 전지 효율 저하 문제를 극복하기 위하여, 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등의 귀금속 물질 및 귀금속 기반의 화합물이 결착된 공기전극을 사용하고 있는 실정이다. 하지만, 귀금속 물질을 촉매로 사용할 경우, 귀금속의 희소성으로 인해 고비용이 요구될 뿐만 아니라 상용화 및 고용량을 위한 대면적 전극 제작에는 매우 큰 한계점을 가지고 있다. 이를 대체하기 위해, 최근에는 셀룰로오스 및 아포페리틴과 같은 나노템플릿을 사용하여 나노입자를 형성하는 방법(제10-20190018851) 또는 비귀금속염을 함유하는 탄소구조체를 고온 열처리 하는 공정을 통해 비귀금속입자를 입성장 시키는 방법 (Carbon 2016, 329-336) 또는 고온 고압의 환경하에서 액상으로 진행되는 수열합성을 통해 비귀금속 입자를 합성하는 방법(제10-20130056852)을 통하여, 비귀금속 입자 기반의 공기전극을 개발하는 연구가 상당수 진행되었다. 나노템플릿을 사용하는 경우에는 비교적 균일하게 나노입자를 성장시킬 수 있지만 나노크기의 템플릿의 높은 원가로 인해 제조단가가 상승한다는 제한점을 가지며, 고온열처리 공정을 통한 입자 성장 방식은 최소 수시간정도의 합성 시간이 요구될 뿐만 아니라 다성분계의 비귀금속입자를 형성할시에는 상분리가 일어나 촉매의 특성이 저하된다는 한계점을 지닌다. 또한, 수열합성을 통해 여러 비귀금속 염을 성장시키는 경우에는 금속입자들의 상분리가 야기되어 다성분계 비귀금속 나노입자의 합금효과를 통한 촉매의 활성을 일으킬 수 없다는 한계점을 보인다. 이와 더불어, 기존의 기술을 통해 촉매입자를 전극에 형성시킨 경우 촉매의 탈리 문제로 인해 전극의 충방전 성능이 저하되며 전해질내에 촉매 입자가 해리되어 전해질을 부식시키는 문제점을 보인다.In order to solve the problems of the low capacity and irreversible charge/discharge reaction and overvoltage of the current lithium-air battery, there is a lot of research into the development of carbon-based cathode materials with catalysts that can smoothly generate and decompose Li 2 O 2 and Li 2 CO 3 Studies are being focused. In the current state of the art, in order to overcome the problem of lowering battery efficiency, an air electrode in which a noble metal material such as platinum (Pt), iridium (Ir), and ruthenium (Ru) and a noble metal-based compound are bound is used. However, when a noble metal material is used as a catalyst, high cost is required due to the rarity of the noble metal, and there is a very big limitation in manufacturing a large-area electrode for commercialization and high capacity. To replace this, recently, non-noble metal particles are produced by using a nano-template such as cellulose and apoferritin to form nanoparticles (No. 10-20190018851) or a high-temperature heat treatment of a carbon structure containing a non-noble metal salt. Through the method of grain growth (Carbon 2016, 329-336) or the method of synthesizing non-noble metal particles through hydrothermal synthesis proceeding in a liquid phase under a high-temperature and high-pressure environment (No. 10-20130056852), an air electrode based on non-noble metal particles was produced. A lot of research has been done to develop it. In the case of using nanotemplates, nanoparticles can be grown relatively uniformly, but there is a limitation in that the manufacturing cost increases due to the high cost of nanosized templates. Not only does it take time, but when the non-noble metal particles of a multi-component system are formed, there is a limitation in that the characteristics of the catalyst are deteriorated due to phase separation. In addition, when several non-noble metal salts are grown through hydrothermal synthesis, phase separation of the metal particles is caused, which shows a limitation in that catalyst activity cannot be caused through the alloying effect of multi-component non-noble metal nanoparticles. In addition, when catalyst particles are formed on the electrode through the conventional technology, the charge/discharge performance of the electrode is deteriorated due to the problem of desorption of the catalyst, and the catalyst particles in the electrolyte are dissociated to corrode the electrolyte.
이에 상기 제한점들을 극복하기 위해서는 낮은 원가를 가지는 비귀금속 나노입자를 상분리없이 결정형으로 성장시켜 다성분계 촉매의 합금효과를 야기할 수 있는 합성 기술과, 낮은 비용과 간단한 제조공정을 통해 공기극으로 우수하게 적용가능한 탄소나노섬유 멤브레인에 다성분계 비귀금속 나노합금입자를 강하게 결착시켜 성장시킬 수 있는 제조기술이 필요하다. 더 나아가, 이를 리튬 공기 전지 시스템에 활용하여 이론 에너지 밀도와 비슷한 수준의 높은 에너지 밀도와 뛰어난 수명특성을 제공할 수 있는 촉매 나노합금입자가 강하게 결착된 촉매-전류집전체 일체형 탄소나노섬유 멤브레인 기반의 공기극 및 그 제조기술이 절실히 필요하다. Therefore, in order to overcome the above limitations, it is excellently applied as a cathode through a synthesis technology that can cause the alloying effect of a multi-component catalyst by growing non-noble metal nanoparticles having a low cost in a crystalline form without phase separation, and a low cost and simple manufacturing process. There is a need for a manufacturing technology capable of strongly binding and growing multi-component non-precious metal nanoalloy particles on possible carbon nanofiber membranes. Furthermore, by applying this to a lithium-air battery system, a catalyst-current collector integrated carbon nanofiber membrane in which catalyst nanoalloy particles are strongly bound, which can provide high energy density similar to the theoretical energy density and excellent life characteristics, An air electrode and its manufacturing technology are desperately needed.
본 발명은 줄히팅 공정을 통한 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 탄소나노섬유 멤브레인 합성기술을 포함하여, 낮은 원가를 가지는 비귀금속 나노촉매합금입자를 탄소나노섬유 멤브레인에 짧은 공정 시간동안 성장 및 결착시킨 촉매-전류집전체 일체형 탄소나노섬유 멤브레인 공기극 및 그 제조기술을 제공한다. 본 발명에서 제안하는 탄소나노섬유 멤브레인은 회전 가능한 전도성 집전체 및 고전압 발생기를 포함하는 전기방사 장비를 활용하여 합성되어, 전도성 집전체의 회전 속도, 고전압발생기의 전압, 전기방사 노즐에서 토출되는 전기방사용액의 토출속도 등의 변수 조절을 통해 나노섬유의 종류, 두께, 밀도 등을 조절할 수 있는 기술을 포함한다. 본 발명에서 제안하는 줄히팅 공정은 종래의 줄히팅 시료 규격(1 cm × 0.2 cm)에 비해 50배만큼 넓어진 시료규격에도 안정적인 전류분배가 가능해진 플랫폼 기술을 제공하고 저온에서 생성되는 비귀금속류에 특화된 공정이라는 점에서 종래의 소면적 줄히팅과 매우 차별화된다. 뿐만 아니라, 본 발명의 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인은 수 백 ms의 짧은 공정 시간을 통해 다성분계의 결정성 비귀금속의 나노입자를 성장시킴과 동시에 탄화섬유 멤브레인 위에 결착할 수 있어 촉매의 탈리없이 촉매와 전류집전체가 일체화된 공기전극으로서 활용되는 기술을 제공한다.The present invention includes non-noble metal nano-catalyst alloy particles having a low cost, including multi-component crystalline non-noble metal nano-particle growth and carbon nano-fiber membrane synthesis technology through a Joule heating process, on a carbon nano-fiber membrane for a short process time. And it provides a catalyst-current collector integrated carbon nanofiber membrane cathode and manufacturing technology thereof. The carbon nanofiber membrane proposed in the present invention is synthesized using electrospinning equipment including a rotatable conductive current collector and a high voltage generator, and the rotation speed of the conductive current collector, the voltage of the high voltage generator, and the electrospinning nozzle discharged from the electrospinning nozzle It includes technology that can control the type, thickness, density, etc. of nanofibers by controlling variables such as the discharge speed of the liquid used. The file heating process proposed in the present invention provides a platform technology that enables stable current distribution even in a sample size that is 50 times wider than the conventional file heating sample size (1 cm × 0.2 cm), and is specialized for non-precious metals generated at low temperature. It is very different from the conventional small area Joule heating in terms of the process. In addition, the multi-component crystalline non-noble metal nanoparticles growth and the carbon nanofiber membrane bound thereto of the present invention grow and carbonize the multi-component crystalline non-noble metal nanoparticles through a short process time of several hundred ms. It provides a technology in which the catalyst and the current collector are integrated as an air electrode without desorption of the catalyst because it can be bound on the fiber membrane.
종래의 나노입자촉매들이 가지는 분산성, 균일성 또는 촉매로 사용되는 원자재의 높은 비용에 의해 생산단가의 절감이 어렵다는 점과, 기존의 줄히팅 공정을 통한 나노입자 성장 및 이를 결착한 멤브레인은 전극으로 사용하기에는 면적이 작다는 한계점을 해결하고, 대면적의 줄히팅 공정이 가능케 하므로써 저비용의 비귀금속들을 다성분계로 가지며 기존의 단원소계 비귀금속 촉매들에 비해 향상된 산소 발생/환원 반응성을 보이며 제조 후 즉시 전극으로 적용 가능한 나노입자가 결착된 전도성 탄소나노섬유 멤브레인 및 그 제조방법을 제공할 수 있으며, 실제 리튬-공기 전지 시스템의 자기독립적 공기극으로 활용되어 고용량/장수명의 리튬 공기 전지 시스템을 구현할 수 있는 양극 소재로 활용할 수 있다.The fact that it is difficult to reduce the production cost due to the dispersibility, uniformity, or high cost of raw materials used as catalysts of conventional nanoparticle catalysts, and nanoparticle growth through the conventional Zul heating process and the membrane binding it are used as electrodes. It solves the limitation that the area is small to use and enables a large-area Joule heating process, so it has low-cost non-noble metals in a multi-component system, and shows improved oxygen generation/reduction reactivity compared to existing mono-element non-noble metal catalysts, and immediately after manufacturing A positive electrode capable of providing a conductive carbon nanofiber membrane to which nanoparticles are bound as an electrode and a manufacturing method thereof can be provided, and can be used as a self-independent cathode of an actual lithium-air battery system to realize a high-capacity/long-life lithium-air battery system It can be used as a material.
특히, 기존의 전기방사 기술을 기반으로 한 탄소나노섬유 멤브레인은 리튬공기전지와 같은 차세대 양극소재로 활용되기도 하였으나, 촉매를 결착하거나 성장시키는 구조체로 사용시 나노촉매입자 크기와 분산도를 조절하기 어렵다는 한계점을 가진다. 이에 따라, 금속염과 아민의 혼합물을 가열하여 반응액을 얻고, 이를 가열하여 나노입자 슬러리를 얻는 공정이 소개되었지만, 이를 통해 만들어진 입자의 경우 구성 원소가 중심부, 표면으로 상이 분리되어 형성되어 합금적 효과를 기대할 수 없다는 제한점을 가진다. (대한민국 공개특허10-20130056852). 또한 나노입자의 형성을 돕는 유공구조 단백질분자 템플릿을 활용한 나노입자 형성 및 분산기술도 소개되었으나, 해당 공정은 단가가 높고, 추후 구조에 결착 시 단단히 고정되기 어렵다는 제한점을 가진다. (대한민국 공개특허10-20190018851). 반면, 본기술에서 제안하는 대면적 탄소나노섬유 멤브레인에 적용 가능한 줄히팅 플랫폼을 이용한 다성분계 비귀금속 나노입자촉매 제조기술은 비귀금속계 물질을 사용하며 결정성을 가지는 합금형태의 나노입자를 탄소나노섬유 멤브레인 상에 성장 및 강하게 결착시킬 수 있으며, 전구체 용액의 농도, 전류량, 전압, 공정 시간 및 횟수에 따라 나노입자의 크기와 결정성 및 분산밀도를 조절 가능하며, 바로 전극으로 적용 가능한 수준의 시료 크기를 제작 가능한 방법을 제공하여 기존의 나노입자 촉매를 제조하는 공정 및 분산 및 결착법이 가지는 한계점을 극복할 수 있다.In particular, carbon nanofiber membranes based on the existing electrospinning technology have been used as next-generation cathode materials such as lithium-air batteries. have Accordingly, a process of heating a mixture of a metal salt and an amine to obtain a reaction solution and heating it to obtain a nanoparticle slurry has been introduced. It has the limitation that it cannot be expected. (Korean Patent Publication No. 10-20130056852). In addition, nanoparticle formation and dispersion technology using a porous protein molecule template that helps in the formation of nanoparticles has also been introduced, but the process has limitations in that the unit cost is high and it is difficult to be firmly fixed when binding to the structure later. (Korean Patent Publication 10-20190018851). On the other hand, the multi-component non-noble metal nano-particle catalyst manufacturing technology using a Zul heating platform applicable to a large-area carbon nano-fiber membrane proposed in this technology uses a non-noble metal-based material and uses a non-noble metal-based material to convert crystalline alloy-type nanoparticles into carbon nanoparticles. It can grow and bind strongly on the fiber membrane, and the size, crystallinity, and dispersion density of nanoparticles can be controlled according to the concentration, current, voltage, process time and frequency of the precursor solution. By providing a method capable of producing a size, it is possible to overcome the limitations of the existing nanoparticle catalyst manufacturing process and dispersion and binding methods.
더 나아가, 기존의 균일하지 않은 입자의 크기를 가지거나, 높은 생산단가, 및 효율적 구조를 전극으로 바로 적용하기 어려웠던 방식들과 차별되는 특징을 가지는 줄히팅 공정을 통한 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인을 리튬-공기전지의 공기극으로 사용하여, 향상된 산소 발생/환원 반응과 충방전생성물의 가역적 생성/분해 반응을 유도하여 실제 대기하에서의 고용량 장수명의 리튬-공기 전지 시스템을 제공할 수 있다.Furthermore, it is a multi-component crystalline non-precious metal nano through the Zul heating process, which has characteristics that are different from the existing non-uniform particle size, high production cost, and methods that were difficult to directly apply an efficient structure as an electrode. By using particle growth and carbon nanofiber membrane bound thereto as the cathode of lithium-air battery, it induces improved oxygen generation/reduction reaction and reversible generation/decomposition reaction of charging/discharging products, so that high-capacity and long-life lithium-air battery in actual atmosphere system can be provided.
종래에 알려진 폴리아크릴로나이트릴 및 용매를 포함하는 복합방사용액을 전기방사공정과 두단계에 걸친 열처리 공정을 통해 제조한 탄소나노섬유 멤브레인을 비귀금속 전구체가 포함된 용액에 함침하여 코팅하는 방법을 포함하고, 상기 멤브레인을 기존의 시료규격에 비해 최대 50 배 증가된 넓이의 줄히팅 공정을 적용 가능케 하는 플랫폼을 포함하고, 짧은 시간동안의 열충격을 가하여 고른 분산도와 균일한 크기 및 멤브레인과의 강한 결착력을 가진 결정성을 가지는 나노입자촉매를 제조하여 향상된 산소 발생/환원 반응 촉매효과 및 자기독립적 전극으로 사용 가능한 규격의 시료를 제작 가능케 하는 것을 특징으로 하는 플랫폼 및 탄소나노섬유 멤브레인을 제공한다 A method of coating a carbon nanofiber membrane prepared through an electrospinning process and a two-step heat treatment process with a conventionally known composite spinning solution containing polyacrylonitrile and a solvent is impregnated in a solution containing a non-noble metal precursor. Including a platform that allows the membrane to apply a Joule heating process with a maximum area of 50 times increased compared to the existing sample size, and a short-time thermal shock is applied to achieve even dispersion, uniform size, and strong binding force with the membrane We provide a platform and carbon nanofiber membrane characterized in that it is possible to produce a sample of a standard that can be used as a self-independent electrode and an improved oxygen generation/reduction reaction catalytic effect by manufacturing a nanoparticle catalyst having crystallinity with
일측에 따르면, 상기 탄소나노섬유 멤브레인은 선형 화학식을 갖는 합성 반결정성 유기 중합체 수지인 폴리아크릴로나이트릴을 용매에 용해하여 10~20 kV의 전압을 인가하여 전기방사 후, 200 ~ 300 ℃의 범위에 포함되는 1차 열처리 공정을 통해 이웃한 탄소원자간 사다리 구조로 연결되는 구조안정화를 제공하고, 800 ~ 1000 ℃의 범위에 포함되는 2차 고온 열처리 공정을 통해 뛰어난 전기전도성을 제공하는 6 개의 탄소원자가 정육강형의 평면 고리구조를 이루는 공액 구조를 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one side, the carbon nanofiber membrane is electrospinning by dissolving polyacrylonitrile, which is a synthetic semi-crystalline organic polymer resin having a linear chemical formula, in a solvent and applying a voltage of 10 to 20 kV, and then in the range of 200 to 300 ° C. 6 carbon atoms that provide structural stability connected to a ladder structure between neighboring carbon atoms through the primary heat treatment process included in It may be characterized in that it provides a conjugated structure constituting a planar ring structure of a regular hexagonal shape.
다른 측면에 따르면, 상기 멤브레인은 1 차원 형상의 구조를 갖는 복수 개의 탄소나노섬유가 무작위하게 적층된 형상을 가져 좋은 전자 이동 능력을 나타내고, 상기 멤브레인의 두께는 5 μm 내지 100 μm의 범위에 포함되며, 상기 멤브레인의 면적은 1 cm2 내지 900 cm2의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다According to another aspect, the membrane has a shape in which a plurality of carbon nanofibers having a one-dimensional structure are randomly stacked and exhibits good electron mobility, and the thickness of the membrane is in the range of 5 μm to 100 μm, , the area of the membrane may be characterized in that it is included in the range of 1 cm 2 to 900 cm 2
일측에 따르면, 상기 나노입자는 다성분의 비귀금속 원소들의 전구체를 특정 비율로 포함하는 용액에 탄소나노섬유 멤브레인을 함침하여 코팅하고, 사용 용매에 따라 진공분위기에서 60 ~ 120 ℃의 범위에 포함되는 열처리를 통해 용매를 건조하고, 해당 시료를 유리판 위에 실버페이스트를 이용하여 고정하고, 구리포일을 이용하여 압착하고, 진공분위기에서 100 ~ 140 ℃의 범위에 포함되는 열처리를 통해 실버페이스트에 포함된 용매와 고분자를 제거하고, 10 ~ 30 mTorr 범위의 진공분위기 상에서 0.5 ~ 4 A 에 해당하는 전류를 1 ~ 4000 ms 범위에 해당하는 시간동안 가하여 시료에 열충격을 가하여 고른 분산도와 균일한 크기 및 멤브레인과의 강한 결착력을 가진 결정성을 가지는 나노입자촉매를 제작하는 것을 특징으로 할 수 있다. According to one side, the nanoparticles are coated by impregnating the carbon nanofiber membrane in a solution containing the precursors of multi-component non-noble metal elements in a specific ratio, and being included in the range of 60 ~ 120 ℃ in a vacuum atmosphere depending on the solvent used. The solvent is dried through heat treatment, the sample is fixed using silver paste on a glass plate, compressed using copper foil, and the solvent contained in the silver paste is subjected to heat treatment in the range of 100 to 140 ° C in a vacuum atmosphere. and polymer are removed, and a current corresponding to 0.5 to 4 A is applied for a period of time ranging from 1 to 4000 ms in a vacuum atmosphere ranging from 10 to 30 mTorr, and thermal shock is applied to the sample to ensure even dispersion, uniform size, and It may be characterized in that the nanoparticle catalyst having crystallinity with strong binding force is prepared.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복수 개의 나노입자 각각의 직경은 5 nm 내지 100 nm의 크기 범위로 조절이 가능하며, 전구체 용액에 포함된 비귀금속 이온의 농도에 연관된 조성비를 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다. According to another aspect, the diameter of each of the plurality of nanoparticles can be adjusted in a size range of 5 nm to 100 nm, and may be characterized in that it represents a composition ratio related to the concentration of non-noble metal ions contained in the precursor solution. .
또 다른 측면에 따르면, 상기 나노입자의 직경은 열처리 시간이 길어질수록 증가하며, 열처리 횟수가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the diameter of the nanoparticles increases as the heat treatment time increases, and may be characterized in that it exhibits a tendency to decrease as the number of heat treatments increases.
나노입자가 결착된 대면적 탄소나노섬유 멤브레인 제조 방법에 있어서, (a) 다성분의 비귀금속 이온이 함유된 전구체 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 제조된 전구체용액을 탄소나노섬유 멤브레인에 코팅하는 단계; (c) 진공분위기에서 60 ~ 120 ℃의 온도 범위 내에서 열처리 하는 단계; (d) 상기 시료를 실버페이스트를 부분적으로 도포한 유리판 위에 올리는 단계; (e) 상기 시료의 양단에 실버페이스트를 도포하고 구리포일로 압착하는 단계; (f) 상기 시료를 진공분위기에서 100 ~ 140 ℃의 온도 범위 내에서 열처리 하는 단계; (g) 상기 시료를 진공분위기상에서 0.5 ~ 4 A 에 해당하는 전류를 1 ~ 4000 ms 범위에 해당하는 시간동안 가하여 시료에 열충격을 가하는 단계; (h) 상기 유리판으로부터 시료를 분리하는 단계를 포함하는 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 제조방법을 제공한다. A method for manufacturing a large-area carbon nanofiber membrane to which nanoparticles are bound, the method comprising: (a) preparing a precursor solution containing multi-component non-noble metal ions; (b) coating the prepared precursor solution on a carbon nanofiber membrane; (c) heat-treating within a temperature range of 60 ~ 120 ℃ in a vacuum atmosphere; (d) placing the sample on a glass plate partially coated with silver paste; (e) applying silver paste to both ends of the sample and compressing it with copper foil; (f) heat-treating the sample within a temperature range of 100 to 140° C. in a vacuum atmosphere; (g) applying a current corresponding to 0.5 to 4 A to the sample in a vacuum atmosphere for a time in the range of 1 to 4000 ms to apply a thermal shock to the sample; (h) provides a method for producing a multi-component crystalline non-noble metal nanoparticle growth and binding carbon nanofiber membrane comprising the step of separating the sample from the glass plate.
일측에 따르면, 상기 (a) 단계에서 상기 용매는 포름산(Formic acid), 아세트산(Acetic acid), 인산(Phosphoric acid), 황산, m-크레솔, 티플루오르아세트앤하이드라이드/다이클로로메테인, 물, N-메틸모폴린 N-옥시드, 클로로폼, 테트라히드로푸란과 지방족 케톤군인 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 지방족 수산기 군인 m-부틸알콜, 이소부틸알콜, 이소프로필알콜, 메틸알콜, 에탄올, 지방족 화합물인 헥산, 테트라클로로에틸렌, 아세톤, 글리콜군으로서 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 할로겐 화합물군으로 트리크롤로에틸렌, 다이클로로메테인, 방향족 화합물 군인 톨루엔, 자일렌, 지방족 고리 화합물군으로서 사이클로헥사논, 시클로헥산과 에스테르군으로 n-부틸초산염, 초산에틸, 지방족에테르군으로 부틸셀로살브, 아세트산2-에톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 아미드로 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one side, in step (a), the solvent is formic acid, acetic acid, phosphoric acid, sulfuric acid, m-cresol, tifluoroacetandhydride/dichloromethane, Water, N-methylmorpholine N-oxide, chloroform, tetrahydrofuran and aliphatic ketone group methyl isobutyl ketone, methyl ethyl ketone, aliphatic hydroxyl group m-butyl alcohol, isobutyl alcohol, isopropyl alcohol, methyl alcohol, Ethanol, hexane as an aliphatic compound, tetrachloroethylene, acetone, propylene glycol, diethylene glycol, ethylene glycol as a glycol group, trichloroethylene, dichloromethane as a halogen compound group, toluene, xylene, aliphatic ring as a group of aromatic compounds Cyclohexanone as a compound group, n-butyl acetate as an ester group with cyclohexane, ethyl acetate as an ester group, butyl cellosalb as an aliphatic ether group, 2-ethoxyethanol acetate, 2-ethoxyethanol, dimethylformamide as an amide, dimethyl It may be characterized in that it comprises one or more solvents selected from the group consisting of acetamide and mixtures thereof.
다른 측면에 따르면, 상기 (b) 단계에서, 탄소나노섬유 멤브레인은 10 W 내지 200 W 의 세기의 O2 Plasma 공정을 거쳐 표면의 결함요소들을 증대하여 용액상 전구체들과의 결합력을 강화하는 것을 특징으로 할 수 있다. According to another aspect, in the step (b), the carbon nanofiber membrane is subjected to an O 2 plasma process with an intensity of 10 W to 200 W to increase the defect elements on the surface to strengthen the bonding force with the solution-phase precursors. can be done with
또 다른 측면에 따르면, 상기 (b) 단계에서, 용액 내 포함하는 전구체는 0.0001 M 내지 1 M 범위의 농도로 조절하고, 용액에 상기 탄소나노섬유 멤브레인을 1초 내지 24시간 함침하여 전구체를 멤브레인 표면에 균일하게 분산하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in step (b), the precursor contained in the solution is adjusted to a concentration in the range of 0.0001 M to 1 M, and the carbon nanofiber membrane is immersed in the solution for 1 second to 24 hours to apply the precursor to the membrane surface. It may be characterized in that it is uniformly dispersed in
또 다른 측면에 따르면, 상기 (c) 단계에서는, 전구체 용액의 용매를 증발하기 위한 과정으로 용매의 선택과 온도의 조절로 전구체의 최종 분산도 및 이온 환원 비율을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in step (c), it is a process for evaporating the solvent of the precursor solution, and it may be characterized in that the final dispersion degree and the ion reduction ratio of the precursor are adjusted by selecting the solvent and controlling the temperature.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (d) 단계에서 사용할 유리판의 크기는 사용할 멤브레인의 규격보다 큰 규격을 사용하며, 실버페이스트는 줄히팅 공정 실시시에 전류를 흘려보낼 집전체의 역할을 하기 위함이므로 도선을 연결할 유리판 양 끝단에 균일하게 도포하며, 도포 범위는 멤브레인 중 시료로 사용할 영역 바깥으로 한정하여 유리상에 올린 멤브레인 규격 중 시료의 영역을 규정하며 단위면적에 가해질 최대 전력량을 규정하는 것을 특징으로 할 수 있다. According to another aspect, the size of the glass plate to be used in step (d) is larger than the size of the membrane to be used, and the silver paste serves as a current collector through which current flows during the Joule heating process. It is uniformly applied to both ends of the glass plate to be connected, and the application range is limited to the outside of the area to be used as the sample in the membrane to define the sample area among the membrane specifications placed on the glass, and it can be characterized by defining the maximum amount of power to be applied to the unit area. have.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (e) 단계에서, 실버페이스트를 도포한 유리판 위에 올린 멤브레인의 양단에 유리판에 도포된 실버페이스트 영역과 연결이 될 수 있도록 실버페이스트를 균일하게 도포하며, 그 위를 구리포일을 올리고 평평한 판으로 균일하게 압착하여 멤브레인의 기공으로 실버페이스트가 균일히 잘 스며들 수 있도록 하여 전류의 이동로를 확보하여 시료 전체에 고르게 전류가 흐를 수 있도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in step (e), the silver paste is uniformly applied to both ends of the membrane placed on the glass plate coated with silver paste so that it can be connected to the silver paste area applied to the glass plate, and the copper It can be characterized in that the foil is raised and compressed uniformly with a flat plate so that the silver paste can be uniformly permeated into the pores of the membrane, thereby securing the path of current and allowing the current to flow evenly throughout the sample.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (f) 단계에서, 상기 플랫폼을 진공분위기에서 100 ~ 140 ℃의 온도 범위 및 1 ~ 24시간의 시간 범위 내에서 조절하여 상기 실버페이스트 상의 용매와 고분자 제거정도를 적절히 조절하여 멤브레인과의 밀착도 및 이후 공정 실시 시 시료의 안정성을 조절하여야 한다. 실버페이스트는 수 백 나노미터~ 수 마이크로미터의 직경을 가지는 은 입자를 α-Terpineol, IPA, 에탄올, 물 등 극성용매에 분산시킨 것으로 소량의 고분자가 첨가되어 농도를 조절한 되직한 제형의 풀을 만든다.According to another aspect, in step (f), the platform is adjusted in a vacuum atmosphere within a temperature range of 100 to 140° C. and a time range of 1 to 24 hours to appropriately control the degree of removal of the solvent and polymer from the silver paste. Therefore, it is necessary to control the adhesion to the membrane and the stability of the sample during subsequent processes. Silver paste is made by dispersing silver particles with a diameter of several hundred nanometers to several micrometers in a polar solvent such as α-Terpineol, IPA, ethanol, and water. makes
또 다른 측면에 따르면, 상기 (g) 단계에서, 상기 (f)단계를 거친 대면적 줄히팅 플랫폼을 진공 분위기 상에서 강한 전력을 공급하여 전류 흐름 방해에 의해 발생되는 열에너지를 이용하여 탄소나노섬유 멤브레인 상에 이온상태로 존재하던 비귀금속 이온들을 환원시키며, 열에너지가 가해지는 시간동안 환원된 금속원자들이 확산과정을 거쳐 탄소나노섬유 표면의 결함지점에 강하게 결착하여 나노입자를 형성하는 열처리 과정으로, 상기 플랫폼을 줄히팅 기기에 장착하고 진공분위기상에서 0.5 ~ 4 A 에 해당하는 전류를 1 ~ 4000 ms 범위 내에서 조절하여 플랫폼에 열충격을 가하여 나노입자의 크기와 분산도 및 시료의 전기전도도를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in the step (g), the large-area Joule heating platform that has undergone the step (f) is supplied with strong electric power in a vacuum atmosphere to use thermal energy generated by current flow obstruction on the carbon nanofiber membrane. A heat treatment process in which non-noble metal ions that existed in an ionic state in the It is characterized in that the size and dispersion of nanoparticles and the electrical conductivity of the sample are controlled by applying a thermal shock to the platform by installing a Zul heating device and controlling the current corresponding to 0.5 to 4 A within the range of 1 to 4000 ms in a vacuum atmosphere. can be done with
본 발명의 또 다른 해결 수단으로, 상기 (b)단계상에서 사용하는 탄소나노섬유 멤브레인의 줄히팅 공정시의 적절한 전도도를 조절하기 위해, 전기방사된 나노섬유의 직경 크기보다 작은 수준을 가지는 미량의 탄소나노튜브와 복합화 하는 방식을 포함하며, 탄소나노섬유에 의한 1 차 기공과 다른 소재로부터 파생되는 2차 기공으로 인한 계층 구조를 형성하여 기공 형태를 조절하고, 전극의 저항 및 전자이동경로의 특성을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.As another solution of the present invention, in order to control the appropriate conductivity during the Joule heating process of the carbon nanofiber membrane used in step (b), a trace amount of carbon having a level smaller than the diameter size of the electrospun nanofiber It includes a method of complexing with nanotubes, and forms a hierarchical structure due to primary pores by carbon nanofibers and secondary pores derived from other materials to control the pore shape, and to measure the resistance and electron movement path characteristics of electrodes. It may be characterized in that it is adjusted.
특히, 친환경 에너지 기술로의 적용을 위해 리튬금속음극, 분리막, 공기양극, 공기확산층으로 이루어진 리튬 공기전지에서, 본 발명에서 개발된 직교 탄소나노섬유 소재를 양극으로 활용하여 공기전지에 적합한 공기양극의 구조를 설계하는 것을 특징으로 할 수 있다.In particular, in a lithium-air battery consisting of a lithium metal cathode, a separator, an air anode, and an air diffusion layer for application to eco-friendly energy technology, the orthogonal carbon nanofiber material developed in the present invention is used as a positive electrode to form an air anode suitable for an air battery. It may be characterized by designing the structure.
본 발명은 친환경 에너지 분야에서만 활용되지 않으며, 필요에 따라서 전도성과 촉매효과를 요구하는 일체의 어떤 분야에도 응용 가능한 것을 특징으로 할 수 있다.The present invention is not utilized only in the field of eco-friendly energy, and can be characterized in that it can be applied to any field requiring conductivity and catalytic effect as needed.
본 발명은 단시간에 간단한 공정으로 비귀금속 다성분계 나노입자를 성장시키고, 그 크기와 분산도 조절이 용이한 나노입자 촉매가 결착된 대면적 탄소나노섬유 멤브레인을 제공함에 있다. 종래에 많이 사용되었던 귀금속계 촉매들을 대체할 비귀금속계 물질을 다성분계로 가지는 나노입자촉매를 원하는 농도와 분산도, 및 크기로 조절하며 결착하여 저비용으로 제작이 가능하며, 구조체를 이루고 있는 탄소나노섬유는 집전체가 필요 없는 자기독립적 전극으로 사용 가능하므로 추가 공정 없이도 촉매가 사용되는 대부분의 산업에서 요구하는 상세특성에 맞는 촉매조합을 제공 할 수 있다. 예를 들어, 산소 발생/환원 반응의 촉매개발을 위해 각각 산소발생반응 및 산소환원반응을 촉진하는 것으로 알려진 비귀금속계 촉매들을 특정 조성으로 제작하여, 가역성을 증대시킨 양방향 촉매를 제작할 수 있다. 이와 더불어, 기존의 줄히팅 공정을 통한 탄소열충격 시료 면적에 한정되지 않고 대면적 제작이 가능한 본 기술은 상용화기술로써 매우 적합하다.An object of the present invention is to provide a large-area carbon nanofiber membrane in which non-noble metal multi-component nanoparticles are grown in a short time and in a simple process, and to which a nanoparticle catalyst that can easily control the size and dispersion is bound. It is possible to manufacture at low cost by binding a nanoparticle catalyst having a multi-component non-noble metal-based material to replace the noble metal-based catalysts that have been used a lot in the past by adjusting the desired concentration, dispersion, and size, and forming a carbon nanostructure. Since the fiber can be used as a self-independent electrode that does not require a current collector, it is possible to provide a catalyst combination that meets the detailed characteristics required in most industries where catalysts are used without additional processing. For example, for the development of catalysts for oxygen generation/reduction reactions, non-noble metal-based catalysts known to promote oxygen evolution and oxygen reduction reactions, respectively, are prepared with specific compositions, thereby making a bidirectional catalyst with increased reversibility. In addition, this technology capable of producing a large area without being limited to the area of a carbon thermal shock sample through the conventional Joule heating process is very suitable as a commercialization technology.
본 발명은 많은 분야 중에서 리튬 공기전지의 과전압 개선 측면에 적합한 양극 소재로 활용될 가능성이 높을 것으로 기대 된다. 탄소 소재는 무게가 가벼우면서 높은 열적 안정성을 가지고 있어 에너지 분야에 사용하기 적합한 소재이고 본 발명의 비귀금속 다성분계 나노입자촉매는 성분과 조성을 조절함으로 특성 조절이 용이하며, 자기독립적 전극으로 즉시 적용이 가능한 규격의 시료를 제작할 수 있기 때문에 촉매 분야 새로운 연구 분야를 개척하는데 큰 도움이 될 것으로 보여진다. 이러한 에너지 분야 적용 외에도 촉매적 성능이 필요한 가스센서나 이산화탄소 환원에 대한 연구에도 적용 될 수 있을것으로 기대된다.The present invention is expected to be highly likely to be utilized as a positive electrode material suitable for overvoltage improvement of lithium-air batteries among many fields. Carbon material is light in weight and has high thermal stability, so it is suitable for use in the energy field. It is believed that it will be of great help in pioneering a new research field in the field of catalysts because it is possible to produce samples of possible specifications. In addition to these energy applications, it is expected to be applied to gas sensors and carbon dioxide reduction studies that require catalytic performance.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비귀금속 다성분계 결정형 나노입자 촉매를 결착하기 위한 대면적 줄히팅을 위한 플랫폼의 모식도이다
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다성분의 비귀금속 이온 및 용매가 혼합된 전구체용액을 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼을 이용한 열처리공정을 이용한 다성분계 결정성 나노입자 촉매를 강하게 결착한 탄소나노섬유 멤브레인 제조방법에 관한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다성분의 비귀금속 이온 및 용매가 혼합된 전구체용액을 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼을 이용한 열처리공정을 이용한 다성분계 나노입자 촉매를 강하게 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 (a) 저배율 주사전자현미경 이미지 및 (b) 고배율 주사전자현미경 이미지를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼을 이용한 열처리공정을 이용한 다성분계 결정성 나노입자 촉매를 강하게 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 투과전자현미경 이미지를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다성분의 비귀금속 이온 및 용매가 혼합된 전구체용액을 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼을 이용한 열처리공정을 이용한 다성분계 나노입자 촉매를 강하게 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 투과전자현미경 EDS 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 비교예에 따른 동일한 비귀금속 나노입자원소를 고온열처리를 통한 액상공정으로 합성한 나노입자 (참고논문:"Size and Composition Control of CoNi Nanoparticles and Their Conversion into Phosphides", Chem. Mater. 2017, 29, 7, 2739-2747)의 투과전자현미경 EDS 이미지를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼에 전류를 가하여 대면적(2 cm × 5 cm) 탄소나노섬유 멤브레인에 열충격을 가하여 전 시료 영역에 고르게 열이 발생함을 보여주는 실제 이미지이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included as a part of the detailed description to help the understanding of the present invention, provide embodiments of the present invention, and together with the detailed description, explain the technical spirit of the present invention.
1 is a schematic diagram of a platform for large-area Joule heating for binding a non-noble metal multi-component crystalline nanoparticle catalyst according to an embodiment of the present invention
2 is a carbon obtained by strongly binding a multi-component crystalline nanoparticle catalyst using a heat treatment process using a platform capable of large-area Joule heating of a precursor solution in which multi-component non-noble metal ions and solvents are mixed according to an embodiment of the present invention; It is a flowchart related to a method for manufacturing a nanofiber membrane.
3 is a carbon nanofiber in which a multi-component nano-particle catalyst is strongly bound using a heat treatment process using a platform capable of large-area Joule heating of a precursor solution in which multi-component non-noble metal ions and solvents are mixed according to an embodiment of the present invention; (a) a low magnification scanning electron microscope image and (b) a high magnification scanning electron microscope image of the membrane are shown.
4 shows a transmission electron microscope image of a carbon nanofiber membrane in which a multi-component crystalline nanoparticle catalyst is strongly bound using a heat treatment process using a platform capable of large-area Joule heating according to an embodiment of the present invention.
5 is a carbon nanofiber in which a multi-component nano-particle catalyst is strongly bound using a heat treatment process using a platform capable of large-area Joule heating of a precursor solution in which multi-component non-noble metal ions and solvents are mixed according to an embodiment of the present invention; Transmission electron microscope EDS image of the membrane.
6 is a nanoparticle synthesized by a liquid phase process through high temperature heat treatment of the same non-noble metal nanoparticle element according to a comparative example of the present invention (Reference: "Size and Composition Control of CoNi Nanoparticles and Their Conversion into Phosphides", Chem. Mater. 2017, 29, 7, 2739-2747) shows the transmission electron microscope EDS image.
7 is an actual example showing that heat is uniformly generated over the entire sample area by applying a current to a large-area Joule heating platform according to an embodiment of the present invention and applying a thermal shock to a large-area (2 cm × 5 cm) carbon nanofiber membrane. It is an image.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들이 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.The present invention can apply various transformations and can have various embodiments. Hereinafter, specific embodiments will be described in detail based on the accompanying drawings.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
제 1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms, and the terms are used only for the purpose of distinguishing one element from other elements. used
이하, 다성분의 비귀금속 이온 및 용매가 혼합된 전구체용액을 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼을 이용한 열처리공정을 통해 다성분계 나노입자 촉매를 강하게 결착한 탄소나노섬유 멤브레인 및 그 제조방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, a carbon nanofiber membrane in which a multi-component nanoparticle catalyst is strongly bound through a heat treatment process using a platform capable of large-area Joule heating of a precursor solution in which multi-component non-noble metal ions and solvents are mixed, and a method for manufacturing the same It will be described in detail with reference to the drawings.
본 발명의 실시예는 폴리아크릴로나이트릴을 포함하는 방사용액을 전기방사기기를 통해 무작위 방사된 나노섬유를 공기 분위기 하에서 실시하는 1차 안정화 공정 및 불활성 분위기 하에서 실시하는 2차 탄화공정을 거쳐 만든 탄소나노섬유에 금속 전구체 용액을 코팅한 후 열충격을 가하여 탄소나노섬유상에 코발트-니켈 등과 같은 결정성을 띄는 비귀금속 나노입자를 강하게 성장 및 결착시키는 것을 특징으로 한다. 기존의 줄히팅 시료 규격(1 cm × 0.2 cm)에 비해 획기적으로 넓어진 시료규격에도 안정적인 전류분배가 가능해진 플랫폼을 가지며, 저온에서 생성되는 비귀금속류에 특화된 공정이라는 점에서 종래의 소면적 줄히팅과 매우 차별화된다. 또한, 수백 ms의 짧은 공정 시간을 통해 다성분계의 결정성 비귀금속의 나노입자를 성장시킴과 동시에 탄화섬유 멤브레인 위에 결착할 수 있는 것을 차별점으로하여 리튬-공기 전지와 같은 전극으로서 매우 우수한 특성을 가진다. An embodiment of the present invention is carbon made through a primary stabilization process in which a spinning solution containing polyacrylonitrile is randomly spun through an electrospinning device in an air atmosphere, and a secondary carbonization process in an inert atmosphere. It is characterized in that nanofibers are coated with a metal precursor solution and then thermal shock is applied to strongly grow and bind non-noble metal nanoparticles having crystallinity such as cobalt-nickel on carbon nanofibers. Compared to the existing Joule heating sample size (1 cm × 0.2 cm), it has a platform that enables stable current distribution even with a significantly wider sample size, very differentiated In addition, it has excellent properties as an electrode such as a lithium-air battery by growing multi-component crystalline non-noble metal nanoparticles through a short process time of several hundred ms and binding on the carbonized fiber membrane at the same time. .
기존 나노입자 제조 기술 동향을 살펴보면 용액공정으로 나노입자를 제작하는 방식으로 연구들이 시도되어 왔다. 그러나, 용액공정으로 제작한 경우 긴 열처리를 하는 과정에서 입자들의 크기가 커지거나 불균일한 분포를 보이며, 다성분을 포함한 경우 상분리가 일어나는 현상을 보였다. 이는 이성분계 결정형 나노입자로 명명하기는 어려우며 합금효과로 인한 새로운 효과가 아닌 계면의 효과만을 보여준다는 제한점을 보여왔다. 이 외에도, 템플릿을 사용하여 나노입자를 합성하는 방법은 균일한 나노입자 크기와 비교적 고른 분산을 보여주지만, 아포페리틴 등 템플릿을 사용해야 된다는 점과, 이러한 단백질 구조체 물질들의 가격이 높아 제조단가가 상승한다는 제한점을 보여왔다. 이를 개선하기위해, 초단시간 열처리를 통해 나노입자를 제작하는 줄히팅 방식이 최근 연구되고 있으나, 시료의 규격이 매우 작아(0.2 cm × 1 cm) 넓은 분야에 자기독립적으로 실사용하기에 제한적이었다.Looking at the existing nanoparticle manufacturing technology trends, studies have been attempted in the method of manufacturing nanoparticles using a solution process. However, in the case of manufacturing by a solution process, the size of the particles increased or showed a non-uniform distribution during a long heat treatment process, and phase separation occurred when multi-components were included. This is difficult to name as binary crystalline nanoparticles, and has shown limitations in that it shows only the effect of the interface, not the new effect due to the alloying effect. In addition, the method of synthesizing nanoparticles using a template shows a uniform nanoparticle size and relatively even dispersion, but the use of templates such as apoferritin and the high cost of these protein structure materials increase the manufacturing cost. limitations have been shown. To improve this, a Joule heating method for producing nanoparticles through ultra-short time heat treatment has been recently studied, but the sample size is very small (0.2 cm × 1 cm), so it is limited to self-independent practical use in a wide field.
따라서, 제작된 시료의 규격이 실사용에 적합한 수준이며, 탄소나노섬유 멤브레인에 강하게 결착 된 균일한 분산도와 크기를 가진 나노입자를 합성한다면, 재현성이 우수하면서 빠른 산소 발생/환원 반응 촉매 및 차세대 에너지 시스템인 리튬-공기 전지의 공기극의 촉매로의 자기독립적으로 즉시 적용 가능한 탄소나노섬유 개발이 이루어 질 것이다. Therefore, if the size of the prepared sample is at a level suitable for practical use, and nanoparticles having a uniform dispersion and size strongly bound to the carbon nanofiber membrane are synthesized, a rapid oxygen generation/reduction reaction catalyst and next-generation energy with excellent reproducibility Carbon nanofibers that can be applied independently and immediately as a catalyst for the cathode of a lithium-air battery, a system, will be developed.
본 발명에서는 6개의 탄소원자가 평면 고리구조를 이루어 뛰어난 전기전도성 특성을 가지는 1차원 형상의 나노섬유 구조 상에 다성분계의 비귀금속 나노입자를 강하계 결착 시키므로 인해, 높은 전자 이동도를 가지는 동시에 다성분계의 비귀금속 합금효과로 인한 단성분계 비귀금속 촉매에 비해 향상된 산소 발생/환원 반응 촉매성능을 가지는 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼을 통해 수 ~ 수 십 나노미터직경을 가지는 나노입자촉매를 성장 및 강하게 결착한 멤브레인 및 그 제조방법을 제공한다. 상기의 대면적 줄히팅을 통한 나노입자 촉매 합성법은 기존의 나노입자 합성법들과 비교하여 균일한 나노입자 크기와 분산도를 제공하였다. 상기와 같은 특징을 갖는 대면적 줄히팅을 통한 나노입자 촉매를 제조하기 위하여 대면적으로 합성 가능한 효율적이고 손쉬운 플랫폼을 제시하여 매우 짧은 공정시간에도 나노입자가 균일하고 강하게 결착된 자기독립적 전극으로 사용 가능한 탄소나노섬유를 쉽게 구현하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, 6 carbon atoms form a planar ring structure and dropwise binding of multi-component non-precious metal nanoparticles on a one-dimensional nanofiber structure having excellent electrical conductivity properties, which has high electron mobility and a multi-component system Growth and strong binding of nanoparticle catalysts with diameters of several to tens of nanometers through a platform capable of large-area Joule heating with improved oxygen generation/reduction reaction catalytic performance compared to single-component non-noble metal catalysts due to the non-noble metal alloying effect of A membrane and a method for manufacturing the same are provided. The nanoparticle catalyst synthesis method through the large-area Joule heating provided uniform nanoparticle size and dispersion compared to conventional nanoparticle synthesis methods. In order to produce a nanoparticle catalyst through large-area Joule heating with the above characteristics, an efficient and easy platform capable of synthesizing a large area is presented, enabling the use of a self-independent electrode in which nanoparticles are uniformly and strongly bound even in a very short process time. It is characterized in that it is easy to implement carbon nanofibers.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실버페이스트를 도포한 유리판(100), 상기 유리팟 위에 부착한 비귀금속 전구체를 포함한 용매에 함침하여 건조한 탄소나노섬유 멤브레인(101), 양단에 실버페이스트를 도포한 시료(102), 및 양단에 구리포일을 압착한 대면적 줄히팅 플랫폼(103)의 모식도이다.1 is a glass plate 100 coated with silver paste according to an embodiment of the present invention, a carbon nanofiber membrane 101 dried by impregnating in a solvent including a non-noble metal precursor attached on the glass pot, and silver paste on both ends. It is a schematic diagram of the coated sample 102, and a large-area Joule heating platform 103 in which copper foils are pressed on both ends.
이때, 실버페이스트의 도포는 균일한 것이 바람직하다. 이후 공정에서 비귀금속 전구체를 포함한 용매에 함침하여 건조한 탄소나노섬유 멤브레인의 양단 하단부의 전자이동로를 확보하기 위함이므로 균일하게 도포하는 것이 바람직하다. 또한 바르지 않은 유리판의 영역은 이후 실제 사용 가능한 면적이 되므로 목표 영역보다 소폭 크게 설정하는 것이 바람직하다. 추가적으로, 대량생산 목표 영역을 설정시 마스킹 템플릿을 사용하여 동일 영역 위에 재현성 높은 시료들을 제작할 수 있다.At this time, it is preferable that the application of the silver paste is uniform. In the subsequent process, it is preferable to apply uniformly because it is to secure electron transfer paths at both ends of the dry carbon nanofiber membrane by impregnating it in a solvent containing a non-noble metal precursor. In addition, since the area of the unpainted glass plate becomes an area that can be actually used later, it is preferable to set it slightly larger than the target area. Additionally, it is possible to manufacture highly reproducible samples on the same area by using a masking template when setting a target area for mass production.
또한, 균일하게 비귀금속 이온들을 분산시키기 위해서는 이온들이 앙금 생성 반응을 일으키지 않아야 한다. 이를 위해 포름산(Formic acid), 아세트산(Acetic acid), 인산(Phosphoric acid), 황산, m-크레솔, 티플루오르아세트앤하이드라이드/다이클로로메테인, 물, N-메틸모폴린 N-옥시드, 클로로폼, 테트라히드로푸란과 지방족 케톤군인 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 지방족 수산기 군인 m-부틸알콜, 이소부틸알콜, 이소프로필알콜, 메틸알콜, 에탄올, 지방족 화합물인 헥산, 테트라클로로에틸렌, 아세톤, 글리콜군으로서 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 할로겐 화합물군으로 트리크롤로에틸렌, 다이클로로메테인, 향족 화합물 군인 톨루엔, 자일렌, 지방족 고리 화합물군으로서 사이클로헥사논, 클로헥산과 에스테르군으로 n-부틸초산염, 초산에틸, 지방족에테르군으로 부틸셀로살브, 아세트산2-에톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 아미드로 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 용매를 사용하여 이온들을 석출되지 않도록 방지하며 용액 내에 균일하게 분산시키는 것이 중요하다.In addition, in order to uniformly disperse the non-noble metal ions, the ions should not cause a sediment-forming reaction. For this purpose, formic acid, acetic acid, phosphoric acid, sulfuric acid, m-cresol, tifluoroacetandhydride/dichloromethane, water, N-methylmorpholine N-oxide , chloroform, tetrahydrofuran and aliphatic ketone group methyl isobutyl ketone, methyl ethyl ketone, aliphatic hydroxyl group m-butyl alcohol, isobutyl alcohol, isopropyl alcohol, methyl alcohol, ethanol, aliphatic compound hexane, tetrachloroethylene, Acetone, propylene glycol, diethylene glycol, ethylene glycol, as a group of glycols, trichloroethylene, dichloromethane as a group of halogen compounds, toluene, xylene as a group of aromatic compounds, cyclohexanone as a group of aliphatic compounds, chlorohexane and esters n-butyl acetate, ethyl acetate, aliphatic ether, butyl cellosalb, acetic acid 2-ethoxyethanol, 2-ethoxyethanol, amide selected from the group consisting of dimethylformamide, dimethylacetamide, and mixtures thereof It is important to use a solvent to prevent precipitation of ions and to disperse them uniformly in the solution.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다성분의 비귀금속 이온 및 용매가 혼합된 전구체용액을 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼을 이용한 열처리공정을 이용한 다성분계 결정성 나노입자 촉매를 강하게 결착한 탄소나노섬유 멤브레인 제조방법에 관한 순서도를 보여주고 있다. 도 2의 순서도에서 보이다시피, 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 대면적 탄소나노섬유 멤브레인의 제조방법은 나노입자가 결착된 대면적 탄소나노섬유 멤브레인 제조 방법에 있어서, (a) 다성분의 비귀금속 이온이 함유된 전구체 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 제조된 전구체용액을 탄소나노섬유 멤브레인에 코팅하는 단계; (c) 진공분위기에서 60 ~ 120 ℃의 온도 범위 내에서 열처리 하는 단계; (d) 상기 시료를 실버페이스트를 부분적으로 도포한 유리판 위에 올리는 단계; (e) 상기 시료의 양단에 실버페이스트를 도포하고 구리포일로 압착하는 단계; (f) 상기 시료를 진공분위기에서 100 ~ 140 ℃의 온도 범위 내에서 열처리 하는 단계; (g) 상기 시료를 진공분위기상에서 0.5 ~ 4 A 에 해당하는 전류를 1 ~ 4000 ms 범위에 해당하는 시간동안 가하여 시료에 열충격을 가하는 단계; (h) 상기 유리판으로부터 시료를 분리하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다. 하기에서는 상기의 각 단계에 대해서 보다 상세히 설명한다.2 is a carbon obtained by strongly binding a multi-component crystalline nanoparticle catalyst using a heat treatment process using a platform capable of large-area Joule heating of a precursor solution in which multi-component non-noble metal ions and solvents are mixed according to an embodiment of the present invention; It shows a flow chart for a method for manufacturing a nanofiber membrane. As shown in the flowchart of FIG. 2 , the method for producing multi-component crystalline non-noble metal nanoparticles and binding them to a large-area carbon nanofiber membrane is a method for manufacturing a large-area carbon nanofiber membrane to which nanoparticles are bound, (a ) preparing a precursor solution containing multi-component non-noble metal ions; (b) coating the prepared precursor solution on a carbon nanofiber membrane; (c) heat-treating within a temperature range of 60 ~ 120 ℃ in a vacuum atmosphere; (d) placing the sample on a glass plate partially coated with silver paste; (e) applying silver paste to both ends of the sample and compressing it with copper foil; (f) heat-treating the sample within a temperature range of 100 to 140° C. in a vacuum atmosphere; (g) applying a current corresponding to 0.5 to 4 A to the sample in a vacuum atmosphere for a time in the range of 1 to 4000 ms to apply a thermal shock to the sample; (h) separating the sample from the glass plate. Hereinafter, each of the above steps will be described in more detail.
첫번째로, 다성분의 비귀금속 이온이 함유된 전구체 용액을 제조하는 단계(a)를 살펴본다. 상기 비귀금속 이온의 공급원은 염화(-Cl), 아이오딘화(-I), 질산염(-NO3) 을 포함한 금속염의 형태 또는 해당 염들의 수화물(·H2O), 이외에 하기 용매들에 용해되어 이온화될 수 있는 목표 금속이온을 포함한 모든 형태의 물질을 포함한다.First, a step (a) of preparing a precursor solution containing multi-component non-noble metal ions will be described. The source of the non-noble metal ion is in the form of a metal salt including chloride (-Cl), iodide (-I), and nitrate (-NO3) or a hydrate (·H 2 O) of the salts, and is dissolved in the following solvents It includes all types of substances including target metal ions that can be ionized.
상기에서 선택된 비귀금속 이온의 공급원들을 N,N'-디메틸포름아미드(N,N'-dimethylformamide),디메틸술폭사이드(dimethylsulfoxide), N,N'-디메틸아세트아미드(N,N'dimethylacetamide),N-메틸피롤리돈(N-thylpyrrolidone), 증류수(DI water), 에탄올(Ethanol) 등과 같은 상용성 용매들을 이용하여 이온 공급 물질들을 용매에 완전히 용해하여 금속이온을 이온화시킨다.Sources of the non-noble metal ions selected above are N,N'-dimethylformamide (N,N'-dimethylformamide), dimethylsulfoxide, N,N'-dimethylacetamide (N,N'dimethylacetamide), N -Metal ions are ionized by completely dissolving the ion supply materials in the solvent using compatible solvents such as N-thylpyrrolidone, distilled water, and ethanol.
다성분의 전구체용액을 제조하기 위해서는 전구체의 총 농도는 0.005 - 0.1 M정도의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 다성분으로 전구체 용액을 구성할 때 전구체 이온들의 종류와 조성에 따라 최종 공정의 실시 이후 생성되는 나노입자의 조성을 조절할 수 있다. 상기 전구체와 용매를 호함한 용액의 교반은 상온에서 이루어지며, 충분히 교반시켜 금속이온을 포함하는 물질이 용매상에 완전하게 용해되도록 한다.In order to prepare a multi-component precursor solution, the total concentration of the precursor is preferably in the range of about 0.005-0.1 M. When composing a multi-component precursor solution, the composition of nanoparticles generated after execution of the final process can be adjusted according to the type and composition of precursor ions. The agitation of the solution containing the precursor and the solvent is performed at room temperature, and sufficiently stirred so that the material containing the metal ion is completely dissolved in the solvent.
두번째로, 상기 제조된 전구체용액을 이용하여 줄히팅을 통한 다성분계 비귀금속 나노입자 촉매가 결착된 탄소나노섬유 멤브레인의 제작이 가능한 플랫폼으로 제작하는 단계(b), (c), (d), (e) 및 (f)를 살펴본다. 우선적으로, 상기 단계(a)에서 제조한 전구체 용액을 적정 너비의 페트리디시(Petri Dish)에 옮겨 넣은후, 적당한 크기로 재단한 탄소나노섬유 멤브레인을 10 W 내지 200 W 의 세기의 O2 Plasma 공정을 거쳐 표면의 결함요소들을 증대하여 용액상 전구체들과의 결합력을 강화한다. 이후 O2 Plasma 공정이 실시된 탄소나노섬유 멤브레인을 전구체 용액이 담긴 페트리디시에 넣어 용액에 완전히 잠기게 한 후, 1초내지 24시간 함침하여 전구체를 멤브레인 표면에 균일하게 분산 코팅한다. 이후 진공분위기에서 60 ~ 120 ℃의 온도 범위 내에서 열처리 하여 상기 전구체 용액의 용매를 증발시킨다. 해당 과정에서 용매에 따라 30분 ~ 24시간 혹은 필요에 따라 그 이상 건조하여 완전히 건조시킨다. 이때, 사용된 용매에 따라 최종 공정 이후의 나노입자 분산도와 금속이온의 환원비율을 조절할 수 있다. 대면적 줄히팅을 위한 플랫폼의 구조체 역할을 수행하는 유리판은 고온에서 변성되지 않는 유리판을 사용해야하며, 그 목적이 다르지 않는 이상 2000 ℃ 이상에서 분해 및 손상되지 않아 탄소나노섬유 멤브레인에 영향을 주지 않는 어떠한 지지체를 사용하는 것을 포함한다. 유리판 지지체의 크기는 사용할 멤브레인의 규격보다 큰 규격을 사용하며, 실버페이스트는 줄히팅 공정 실시시에 전류를 흘려보낼 집전체의 역할을 하기 위함이므로 도선을 연결할 유리판 양 끝단에 균일하게 도포하며, 도포 범위는 유리판의 중앙을 기준으로 멤브레인 중 시료로 사용할 영역 외로 한정한다. 상기 실버페이스트를 도포한 유리판 상에 상기 단계(c)를 실시한 탄소나노섬유 멤브레인의 양단을 고정한다. 이후 양단에 유리판에 도포된 실버페이스트 영역과 연결이 될 수 있도록 실버페이스트를 균일하게 도포하며, 그 위를 구리포일을 올리고 평평한 판으로 균일하게 압착하여 탄소나노섬유 멤브레인의 기공으로 실버페이스트가 균일히 잘 스며들 수 있도록 하여 전류의 이동로를 확보하여 시료 전체에 고르게 전류가 흐를 수 있도록 함에 목적이 있다. 이때 구리포일은, 이후 공정에서 전류를 흘려 보내줄 때 유지되거나 유지되지 않아도 되며, 전도성이 존재하는 어느 형태의 포일 및 집전체 금속을 사용함을 포함한다. 상기 시료를 진공분위기에서 100 ~ 140 ℃의 온도 범위 및 1 ~ 24시간의 시간 범위 내에서 조절하여 상기 실버페이스트 상의 용매와 고분자 제거정도를 적절히 조절하여 멤브레인과의 밀착도 및 이후 공정 실시 시 시료의 안정성을 증가시키는 데에 목적이 있다. 실버페이스트는 수 백 나노미터~ 수 마이크로미터의 직경을 가지는 은 입자를 α-Terpineol, IPA, 에탄올, 물 등 극성용매에 분산시킨 것으로 소량의 고분자가 첨가되어 농도를 조절한 되직한 제형의 풀이며, 상기의 열처리 과정에서 고분자를 제거하고 용매를 건조하여 집전체와 탄소나노섬유 멤브레인 간의 접촉저항을 감소시킨다. 일련의 상기의 공정들을 실시함으로 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼을 제작할 수 있다.Second, using the precursor solution prepared above, the steps (b), (c), (d), Look at (e) and (f). First, the precursor solution prepared in step (a) is transferred to a Petri dish of an appropriate width, and then the carbon nanofiber membrane cut to an appropriate size is subjected to O 2 Plasma process with an intensity of 10 W to 200 W Through the process, the defect elements on the surface are increased to strengthen the bonding force with the solution precursors. After that, the carbon nanofiber membrane subjected to the O 2 plasma process is put in a Petri dish containing the precursor solution to be completely immersed in the solution, and then the precursor is uniformly dispersed and coated on the membrane surface by immersion for 1 second to 24 hours. Thereafter, the solvent of the precursor solution is evaporated by heat treatment within a temperature range of 60 to 120° C. in a vacuum atmosphere. In the process, depending on the solvent, dry completely for 30 minutes to 24 hours or longer if necessary. At this time, according to the solvent used, it is possible to control the nanoparticle dispersion and the reduction ratio of metal ions after the final process. For the glass plate that serves as the structure of the platform for large-area Joule heating, a glass plate that is not modified at high temperatures should be used, and unless the purpose is different, it is not decomposed and damaged at 2000 °C or higher, so any type of glass plate that does not affect the carbon nanofiber membrane including the use of supports. The size of the glass plate support is larger than the size of the membrane to be used, and the silver paste is to play the role of a current collector through which current flows during the Joule heating process. The range is limited outside the area to be used as a sample in the membrane based on the center of the glass plate. Both ends of the carbon nanofiber membrane subjected to step (c) are fixed on the glass plate coated with the silver paste. After that, the silver paste is uniformly applied on both ends so that it can be connected to the silver paste area applied to the glass plate. The purpose is to ensure that the current can flow evenly throughout the sample by allowing it to permeate well to secure the current path. In this case, the copper foil may be maintained or not maintained when a current flows in a subsequent process, and includes using any type of foil and current collector metal having conductivity. 100 ~ 140 of the sample in a vacuum atmosphere The purpose is to increase the degree of adhesion with the membrane and the stability of the sample during subsequent processes by appropriately controlling the degree of removal of the solvent and polymer in the silver paste by controlling the temperature range of ℃ and the time range of 1 to 24 hours. . Silver paste is made by dispersing silver particles with a diameter of several hundred nanometers to several micrometers in a polar solvent such as α-Terpineol, IPA, ethanol, and water. , to reduce the contact resistance between the current collector and the carbon nanofiber membrane by removing the polymer and drying the solvent in the heat treatment process. By performing a series of the above processes, it is possible to manufacture a platform capable of large-area Joule heating.
다음으로, 상기 시료를 진공분위기상에서 전류를 단시간동안 가하여 시료에 열충격을 가하는 단계(g)를 살펴본다. 진공 분위기 하 0.5 ~ 4 A 에 해당하는 전류를 1 ~ 4000 ms 범위에 해당하는 시간동안 가하여 시료에 열충격을 가하는 단계로서, 환원분위기 하 상기 탄소나노섬유 멤브레인에 이온상태로 존재하던 금속이온들의 확산 및 환원 과정이 일시에 발생하여 탄소나노섬유 표면 결함지점에 결정핵생성이 유도된다. 열충격에 의해 발생한 열이 충분히 발생할 경우 탄소나노섬유 멤브레인에서부터 빛이 발생하며, 온도가 저온일수록 어두운 붉은색, 온도가 높을수록 백색광에 가까운 빛이 발생한다. 열충격의 세기는 단위 면적의 탄소나노섬유에 가해진 전력양에 비례하는 특성을 보였으며, 탄소나노섬유 멤브레인의 저항치에 따라 적절한 전압값과 전류값을 인가하는 것이 바람직하다. 인가하는 전력량을 조절하여 저온에서 생성되는 비귀금속 나노입자들, 및 고온에서 생성되는 나노입자들을 성장시킬 수 있다. 전력을 가해주는 시간은 목표 분산도 및 입자의 크기에 맞춰 1 ~ 4000 ms 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하나, 필요에 의해서는 그 이상 진행함을 포함한다. 또한, 10 ~ 4000 ms 범위의 특정 시간간격을 두고 반복적 열충격 공정을 시행함으로 나노입자의 크기를 조절이 가능하다. Next, a step (g) of applying a thermal shock to the sample by applying an electric current to the sample in a vacuum atmosphere for a short time will be described. A step of applying a thermal shock to the sample by applying a current corresponding to 0.5 to 4 A in a vacuum atmosphere for a period of time in the range of 1 to 4000 ms. In a reducing atmosphere, diffusion and The reduction process occurs instantaneously, and crystal nucleation is induced at the defect point on the surface of the carbon nanofiber. When the heat generated by thermal shock is sufficiently generated, light is generated from the carbon nanofiber membrane, and the lower the temperature, the darker red, and the higher the temperature, the closer to white light. The intensity of the thermal shock showed a characteristic proportional to the amount of power applied to the carbon nanofibers of a unit area, and it is preferable to apply appropriate voltage and current values according to the resistance of the carbon nanofiber membrane. By controlling the amount of applied power, non-noble metal nanoparticles generated at low temperatures and nanoparticles generated at high temperatures can be grown. It is preferable to adjust the power application time within the range of 1 to 4000 ms according to the target dispersion degree and the size of the particles, but if necessary, it includes proceeding longer than that. In addition, it is possible to control the size of nanoparticles by repeating the thermal shock process at a specific time interval ranging from 10 to 4000 ms.
마지막으로, 상기 대면적 줄히팅 플랫폼으로부터 시료를 분리하는 단계(g)를 살펴본다. 실퍼페이스트가 도포되지 않은 탄소나노섬유 멤브레인 영역의 양단을 단면도의 넓은 날을 이용하여 한번에 눌러 절제하여 분리한다.Finally, look at the step (g) of separating the sample from the large-area Joule heating platform. Both ends of the carbon nanofiber membrane area to which the Silper Paste is not applied are removed and separated by pressing them at once using a wide blade in the cross-sectional view.
하기에서는 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 실시예 및 비교예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 하기 예에 제한되어 있는 것은 아니며 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples and Comparative Examples. Examples and comparative examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited to the following examples, and it is apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention, It goes without saying that changes and modifications fall within the scope of the appended claims.
실시예 1: 줄히팅 공정을 통한 이성분의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인Example 1: Growth of two-component crystalline non-noble metal nanoparticles through Zul heating process and carbon nanofiber membrane binding the same
도 3(a)와 도3(b)는 상기의 단계(a)부터 단계(h)를 거쳐 제조된 이성분계 니켈-코발트 결정형 합금 나노입자 촉매를 강하게 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 저배율 주사전자현미경 이미지 및 고배율 주사전자현미경 이미지를 나타낸다. 직경 600 nm ~ 1 μm의 탄소나노섬유 상에 니켈-코발트 나노입자가 균일하게 분산되어 결착되어있는 것을 특징으로 하며, 나노입자의 크기가 매우 균일하게 생성 및 결착되는 것을 특징으로 한다. 3(a) and 3(b) are low magnification scanning electron microscopes of a carbon nanofiber membrane in which a bicomponent nickel-cobalt crystalline alloy nanoparticle catalyst prepared through steps (a) to (h) is strongly bound. Images and high-magnification scanning electron microscopy images are shown. It is characterized in that nickel-cobalt nanoparticles are uniformly dispersed and bound on carbon nanofibers having a diameter of 600 nm to 1 μm, and the size of the nanoparticles is very uniformly generated and bound.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼을 이용한 열처리공정을 이용한 다성분계 결정성 나노입자 촉매를 강하게 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 투과전자현미경 이미지로, 10nm 이하의 크기로 다성분계의 비귀금속이 결정상으로 형성되어 있음을 확인할 수 있다.4 is a transmission electron microscope image of a carbon nanofiber membrane in which a multi-component crystalline nanoparticle catalyst is strongly bound using a heat treatment process using a platform capable of large-area Joule heating according to an embodiment of the present invention, the size of which is 10 nm or less. It can be confirmed that the multi-component non-noble metal is formed in a crystalline phase.
도 5는 상기의 실시예를 통한 나노입자 촉매를 강하게 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 투과전자현미경 EDS 이미지로, Co 와 Ni의 원소분포가 동일한 위치에서 있는 것으로 보아, 상분리없이 나노합금입자를 형성하였음을 확인할 수 있다. 이는 기존의 다성분계의 금속염들을 환원시킬 때 발생되는 상분리현상과 매우 차별되는 점으로 상기의 실시예를 통해 합성된 결정상의 합금입자는 촉매적 상승효과 특성이 극대화 될수 있을 것으로 보인다. 5 is a transmission electron microscope EDS image of the carbon nanofiber membrane to which the nanoparticle catalyst is strongly bound through the above example, and it is seen that the element distribution of Co and Ni is at the same position, and nanoalloy particles are formed without phase separation. can confirm. This is very different from the phase separation phenomenon that occurs when reducing metal salts of the existing multi-component system, and it is expected that the catalytic synergistic effect characteristics of the crystalline alloy particles synthesized in the above example can be maximized.
도 7(a)와 도 7(b)는 상기의 단계 (f)까지의 과정을 거쳐 제조된 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼에 1A의 전류를 가하여 대면적(2 cm × 5 cm) 탄소나노섬유 멤브레인에 열충격을 가하여 전 시료 영역에 고르게 열이 발생함을 보여주는 실제 이미지를 보여준다. 기존의 줄히팅 시료 규격(1 cm × 0.2 cm)에 비해 50배 획기적으로 넓어진 시료규격에도 안정적인 전류분배가 이루어지고 있음을 확인할 수 있다.7(a) and 7(b) show a large-area (2 cm × 5 cm) carbon nanofiber by applying a current of 1A to a platform capable of large-area Joule heating manufactured through the process up to step (f) above. A real image showing that heat is uniformly generated over the entire sample area by applying a thermal shock to the membrane is shown. It can be seen that stable current distribution is achieved even in the sample size, which is 50 times wider than the existing Joule heating sample size (1 cm × 0.2 cm).
비교예 1: 다른 제조공정으로 나노입자를 합성한 사례와 본 실시예를 적용하여 제작한 니켈-코발트를 함유하는 나노입자의 조성분포 비교Comparative Example 1: Comparison of composition distribution of nanoparticles containing nickel-cobalt prepared by applying this example with a case of synthesizing nanoparticles by other manufacturing processes
비교예 1에서는 실시예 1과 동일한 비귀금속 나노입자원소를 합성하되, 고온열처리를 통한 액상공정으로 합성한 비금귀속 나노입자 (참고논문:"Size and Composition Control of CoNi Nanoparticles and Their Conversion into Phosphides", Chem. Mater. 2017, 29, 7, 2739-2747) 합성에 대한 내용이다. In Comparative Example 1, the same non-noble metal nanoparticle elements as in Example 1 were synthesized, but non-metallic nanoparticles synthesized by a liquid phase process through high-temperature heat treatment (Reference: "Size and Composition Control of CoNi Nanoparticles and Their Conversion into Phosphides", Chem. Mater. 2017, 29, 7, 2739-2747) synthesis.
도 6은 나노입자의 중심부와 표면으로 니켈과 코발트가 분리되어 생성되는 것을 확인할 수 있다. 이는 도 5에서 보여지는 니켈-코발트가 나노입자 전반에 걸쳐 균일하게 분포하며 나노크기의 합금형태를 띄는 것과 매우 대조적이다. 이를 통해 본 실시예 1에서는, 1 ms ~ 4000 ms 이내의 짧은 열처리 공정에 의해 각 구성 원자들의 확산거리가 제한되어 높은 엔트로피상태의 나노합금입자를 만들 수 있음을 확인할 수 있다. FIG. 6 shows that nickel and cobalt are separated and formed into the center and surface of the nanoparticles. This is in stark contrast to the nickel-cobalt shown in FIG. 5, which is uniformly distributed throughout the nanoparticles and takes the form of a nano-sized alloy. Through this, in Example 1, it can be confirmed that the diffusion distance of each constituent atom is limited by a short heat treatment process within 1 ms to 4000 ms, so that nanoalloy particles in a high entropy state can be produced.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. Accordingly, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and are not limited to these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
Claims (12)
상기 제조된 전구체용액을 탄소나노섬유 멤브레인에 코팅하고 건조 열처리를 거쳐 실버페이스트를 부분적으로 도포한 유리판 상에 고정하여 양단에 실버페이스트를 도포하고 구리포일로 압착하여 건조 열처리를 거쳐 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼을 제작하는 방법을 포함하고,
상기 제조된 플랫폼을 진공분위기상에서 적정 전류를 적정 시간동안 가하여 시료에 열충격을 가하여 만들어진,
결정성을 띄는 비귀금속 나노입자를 강하게 성장 및 결착시키는 것
을 특징으로 하는,
다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인 및 그의 제조방법.It includes preparing a precursor solution containing multi-component non-noble metal ions,
The precursor solution prepared above is coated on a carbon nanofiber membrane, subjected to dry heat treatment, and fixed on a glass plate partially coated with silver paste, silver paste is applied to both ends, and compressed with copper foil to undergo dry heat treatment to perform large-area Joule heating. including how to make the platform possible;
The prepared platform was made by applying a thermal shock to the sample by applying an appropriate current for a suitable time in a vacuum atmosphere,
Strong growth and binding of crystalline non-precious metal nanoparticles
characterized by,
A multi-component crystalline non-noble metal nanoparticle growth and a carbon nanofiber membrane bound therewith, and a method for manufacturing the same.
폴리아크릴로나이트릴을 포함하는 방사용액을 전기방사기기를 통해 무작위 방사된 나노섬유를 공기 분위기 하에서 실시하는 1차 안정화 공정 및 불활성 분위기 하에서 실시하는 2차 탄화공정을 거쳐 만든 탄소나노섬유를 모체로 사용하는 것
을 특징으로 하는 탄소나노섬유에 함침하여 비귀금속 전구체 용액을 코팅하는 것
을 특징으로 하는 상기 멤브레인에 열충격을 가하여 탄소나노섬유상에 코발트-니켈 등과 같은 결정성을 띄는 비귀금속 나노입자를 강하게 성장 및 결착시키는 것
을 특징으로하는 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인.According to claim 1,
Carbon nanofibers made through a primary stabilization process in which a spinning solution containing polyacrylonitrile is randomly spun through an electrospinning device in an air atmosphere and a secondary carbonization process in an inert atmosphere are used as the matrix to do
Coating the non-noble metal precursor solution by impregnating carbon nanofibers characterized in
Strong growth and binding of crystalline non-noble metal nanoparticles such as cobalt-nickel on carbon nanofibers by applying thermal shock to the membrane, characterized in that
A multi-component crystalline non-noble metal nanoparticle growth and a carbon nanofiber membrane binding the same.
상기 탄소나노섬유위에 결착된 나노입자 각각의 직경은 5 nm 내지 100 nm의 크기 범위로 조절이 가능한 것
을 특징으로 하는 전구체 용액에 포함된 비귀금속 이온의 농도에 연관된 조성비를 나타내는 것
을 특징으로 하는 단일입자 상 성분 분포가 균일한 결정형 나노입자를 결착하는 것
을 특징으로 하는 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인.According to claim 1,
The diameter of each of the nanoparticles bound on the carbon nanofiber is adjustable in a size range of 5 nm to 100 nm
Representing the composition ratio related to the concentration of non-noble metal ions contained in the precursor solution characterized by
Binding of crystalline nanoparticles with uniform distribution of components on a single particle, characterized by
A multi-component crystalline non-noble metal nanoparticle growth and a carbon nanofiber membrane binding the same.
상기 플랫폼을 이용하여 제작가능한 멤브레인의 면적은 1 cm2 내지 900 cm2의 범위에 포함되는 것
을 특징으로 하는 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인.According to claim 1,
The area of the membrane that can be manufactured using the platform is 1 cm 2 to 900 cm 2 What is included in the range
A multi-component crystalline non-noble metal nanoparticle growth and a carbon nanofiber membrane binding the same.
(b) 상기 제조된 전구체용액을 탄소나노섬유 멤브레인에 코팅하는 단계;
(c) 진공분위기에서 60 ~ 120 ℃의 온도 범위 내에서 열처리 하는 단계;
(d) 상기 시료를 실버페이스트를 부분적으로 도포한 유리판 위에 올리는 단계;
(e) 상기 시료의 양단에 실버페이스트를 도포하고 구리포일로 압착하는 단계;
(f) 상기 시료를 진공분위기에서 100 ~ 140 ℃의 온도 범위 내에서 열처리 하는 단계;
(g) 상기 시료를 진공분위기상에서 0.5 ~ 4 A 에 해당하는 전류를 1 ~ 4000 ms 범위에 해당하는 시간동안 가하여 시료에 열충격을 가하는 단계; 및
(h) 상기 유리판으로부터 시료를 분리하는 단계를 포함하는 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 제조방법. (a) preparing a precursor solution containing multi-component non-noble metal ions;
(b) coating the prepared precursor solution on a carbon nanofiber membrane;
(c) heat-treating within a temperature range of 60 ~ 120 ℃ in a vacuum atmosphere;
(d) placing the sample on a glass plate partially coated with silver paste;
(e) applying silver paste to both ends of the sample and compressing it with copper foil;
(f) heat-treating the sample within a temperature range of 100 to 140° C. in a vacuum atmosphere;
(g) applying a current corresponding to 0.5 to 4 A to the sample in a vacuum atmosphere for a time in the range of 1 to 4000 ms to apply a thermal shock to the sample; and
(h) growth of multi-component crystalline non-noble metal nanoparticles comprising the step of separating a sample from the glass plate, and a method for producing a carbon nanofiber membrane binding the same.
상기 (a) 단계에서 상기 용매는 포름산(Formic acid), 아세트산(Acetic acid), 인산(Phosphoric acid), 황산, m-크레솔, 티플루오르아세트앤하이드라이드/다이클로로메테인, 물, N-메틸모폴린 N-옥시드, 클로로폼, 테트라히드로푸란과 지방족 케톤군인 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 지방족 수산기 군인 m-부틸알콜, 이소부틸알콜, 이소프로필알콜, 메틸알콜, 에탄올, 지방족 화합물인 헥산, 테트라클로로에틸렌, 아세톤, 글리콜군으로서 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 할로겐 화합물군으로 트리크롤로에틸렌, 다이클로로메테인, 방향족 화합물 군인 톨루엔, 자일렌, 지방족 고리 화합물군으로서 사이클로헥사논, 시클로헥산과 에스테르군으로 n-부틸초산염, 초산에틸, 지방족에테르군으로 부틸셀로살브, 아세트산2-에톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 아미드로 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매를 포함하는 것
을 특징으로 하는 상기 비귀금속 이온의 공급원은 염화(-Cl), 아이오딘화(-I), 질산염(-NO3) 을 포함한 금속염의 형태 또는 해당 염들의 수화물(·H2O), 이외에 상기 용매들에 용해되어 이온화될 수 있는 목표 금속이온을 포함한 모든 형태의 물질을 포함하는 것
을 특징으로 하는 전구체의 총 농도는 0.005 - 0.1 M정도의 범위를 갖는 것
을 특징으로 하는 전구체 이온들의 종류와 조성에 따라 최종 공정의 실시 이후 생성되는 나노입자의 조성을 조절할 수 있는 것
을 특징으로 하는 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 제조방법.6. The method of claim 5,
In step (a), the solvent is formic acid, acetic acid, phosphoric acid, sulfuric acid, m-cresol, tifluoroacetanhydride/dichloromethane, water, N- Methylmorpholine N-oxide, chloroform, tetrahydrofuran and aliphatic ketone group methyl isobutyl ketone, methyl ethyl ketone, aliphatic hydroxyl group m-butyl alcohol, isobutyl alcohol, isopropyl alcohol, methyl alcohol, ethanol, aliphatic compounds Phosphorus hexane, tetrachloroethylene, acetone, propylene glycol, diethylene glycol, ethylene glycol as the glycol group, trichloroethylene, dichloromethane as the halogen compound group, toluene, xylene as the aromatic compound group, and cyclo as the alicyclic compound group Hexanone, cyclohexane and n-butyl acetate as an ester group, ethyl acetate, butyl cellosalb as an aliphatic ether group, 2-ethoxyethanol acetate, 2-ethoxyethanol, dimethylformamide as an amide, dimethylacetamide, and these containing one or more solvents selected from the group consisting of a mixture of
The source of the non-noble metal ion, characterized in that, is in the form of a metal salt including chloride (-Cl), iodide (-I), nitrate (-NO3) or a hydrate of the salts (·H 2 O), in addition to the solvent Includes all types of substances, including target metal ions, that can be ionized by dissolving in them.
The total concentration of the precursor, characterized by having a range of about 0.005 - 0.1 M
Being able to control the composition of nanoparticles generated after the final process is carried out according to the type and composition of precursor ions characterized by
A method for producing multi-component crystalline non-noble metal nanoparticles and binding carbon nanofiber membranes, characterized in that
상기 (b) 단계에서,
적당한 크기로 재단한 탄소나노섬유 멤브레인을 10 W 내지 200 W 의 세기의 O2 Plasma 공정을 거쳐 표면의 결함요소들을 증대하여 용액상 전구체들과의 결합력을 강화한 것
을 특징으로 하는 상기에서 제조한 전구체 용액을 적정 너비의 페트리디시(Petri Dish)에 옮겨 넣어 O2 Plasma 공정이 실시된 탄소나노섬유 멤브레인을 전구체 용액이 담긴 페트리디시에 넣어 용액에 완전히 잠기게 하여 1초내지 24시간 함침하여 전구체를 멤브레인 표면에 균일하게 분산 코팅하는 것
을 특징으로하는 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 제조방법.6. The method of claim 5,
In step (b),
A carbon nanofiber membrane cut to an appropriate size is subjected to an O 2 plasma process with an intensity of 10 W to 200 W, and the defect elements on the surface are increased to strengthen the binding force with the solution precursors.
Put transferred to a Petri dish (Petri Dish) a precursor solution prepared in a proper width, characterized in O 2 Plasma process and it is fully locked and an embodiment of a carbon nano-fiber membrane in a solution put in a Petri dish The precursor solution contained 1 Uniform dispersion coating of the precursor on the membrane surface by immersion for seconds to 24 hours
A method for producing multi-component crystalline non-noble metal nanoparticles and binding carbon nanofiber membranes, characterized in that
상기 (c) 단계에서,
상기 전구체 용액을 분산코팅 한 탄소나노섬유 멤브레인을 진공분위기에서 60 ~ 120 ℃의 온도 범위 내에서 열처리 하여 상기 전구체 용액의 용매를 증발시키는 것
을 특징으로 하는 해당 과정에서 용매에 따라 30분 ~ 24시간 혹은 필요에 따라 그 이상 건조하여 완전히 건조시키는 것
을 특징으로 하는 사용된 용매에 따라 최종 공정 실시 이후의 나노입자 분산도와 금속이온의 환원비율을 조절할 수 있는 것
을 특징으로하는 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 제조방법.6. The method of claim 5,
In step (c),
Evaporating the solvent of the precursor solution by heat-treating the carbon nanofiber membrane dispersedly coated with the precursor solution within a temperature range of 60 to 120° C. in a vacuum atmosphere.
Drying completely for 30 minutes to 24 hours or longer depending on the solvent depending on the solvent in the process characterized by
According to the solvent used, characterized in that the nanoparticle dispersion and the reduction ratio of metal ions after the final process can be controlled
A method for producing multi-component crystalline non-noble metal nanoparticles and binding carbon nanofiber membranes, characterized in that
상기 (d) 단계에서,
대면적 줄히팅을 위한 플랫폼의 구조체 역할을 수행하는 유리판은 고온에서 변성되지 않는 유리판을 사용하거나 그 목적이 다르지 않는 이상 2000 ℃ 이상에서 분해 및 손상되지 않아 탄소나노섬유 멤브레인에 영향을 주지 않는 어떠한 지지체를 사용하는 것
을 특징으로 하는 유리판 지지체의 크기는 사용할 멤브레인의 규격보다 큰 규격을 사용하는 것
을 특징으로 하는 실버페이스트는 줄히팅 공정 실시시에 전류를 흘려보낼 집전체의 역할을 하기 위함이므로 도선을 연결할 유리판 양 끝단에 균일하게 도포하는 것
을 특징으로 하는 도포 범위는 유리판의 중앙을 기준으로 멤브레인 중 시료로 사용할 영역 외로 한정하는 것
을 특징으로하는 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 제조방법.6. The method of claim 5,
In step (d),
The glass plate, which serves as the structure of the platform for large-area Joule heating, is not decomposed and damaged at 2000 °C or higher, unless a glass plate that is not modified at high temperature is used or the purpose is different, any support that does not affect the carbon nanofiber membrane to use
The size of the glass plate support, characterized by using a size larger than the size of the membrane to be used
The silver paste characterized by this is to serve as a current collector through which current flows during the Joule heating process, so apply it evenly to both ends of the glass plate to which the conductor will be connected.
The application range characterized in that it is limited to the outside of the area to be used as a sample in the membrane based on the center of the glass plate.
A method for producing multi-component crystalline non-noble metal nanoparticles and binding carbon nanofiber membranes, characterized in that
상기 (e) 단계에서,
양단에 유리판에 도포된 실버페이스트 영역과 연결이 될 수 있도록 실버페이스트를 균일하게 도포하는 것
을 특징으로 하는 상기 시료 상 양단에 구리포일을 올리고 평평한 판으로 균일하게 압착하여 탄소나노섬유 멤브레인의 기공으로 실버페이스트가 균일히 잘 스며들 수 있도록 하여 전류의 이동로를 확보하여 시료 전체에 고르게 전류가 흐를 수 있도록 하는 것
을 특징으로 하는 이때 구리포일은 이후 공정에서 전류를 흘려 보내줄 때 유지되거나 유지되지 않아도 되며 전도성이 존재하는 어느 형태의 포일 및 집전체 금속을 사용함을 포함하는 것
을 특징으로하는 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 제조방법.6. The method of claim 5,
In step (e),
Applying silver paste uniformly so that it can be connected to the silver paste area applied to the glass plate on both ends
The copper foil is placed on both ends of the sample, characterized in that it is uniformly compressed with a flat plate so that the silver paste can be uniformly permeated into the pores of the carbon nanofiber membrane, thereby securing the path of current to evenly spread the current throughout the sample. to allow it to flow
At this time, characterized in that the copper foil is maintained or not maintained when passing current in the subsequent process, and includes using any type of foil and current collector metal that is conductive.
A method for producing multi-component crystalline non-noble metal nanoparticles and binding carbon nanofiber membranes, characterized in that
상기 (f) 단계에서,
상기 시료를 진공분위기에서 100 ~ 140 ℃의 온도 범위 및 1 ~ 24시간의 시간 범위 내에서 조절하여 상기 실버페이스트 상의 용매와 고분자 제거정도를 적절히 조절하여 멤브레인과의 밀착도 및 이후 공정 실시 시 시료의 안정성을 증가시키는 것
을 특징으로 하는 실버페이스트는 수 백 나노미터~ 수 마이크로미터의 직경을 가지는 은 입자를 α-Terpineol, IPA, 에탄올, 물 등 극성용매에 분산시킨 것으로 소량의 고분자가 첨가되어 농도를 조절한 되직한 제형의 풀이며, 상기의 열처리 과정에서 고분자를 제거하고 용매를 건조하여 집전체와 탄소나노섬유 멤브레인 간의 접촉저항을 감소시키는 것
을 특징으로 하는 대면적 줄히팅이 가능한 플랫폼을 제작할 수 있는 것
을 특징으로 하는 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 제조방법.6. The method of claim 5,
In step (f),
100 ~ 140 of the sample in a vacuum atmosphere Adjusting the temperature range of ℃ and within the time range of 1 to 24 hours to appropriately control the degree of removal of the solvent and polymer in the silver paste to increase the adhesion with the membrane and the stability of the sample during subsequent processes
Silver paste is characterized by dispersing silver particles with a diameter of several hundred nanometers to several micrometers in a polar solvent such as α-Terpineol, IPA, ethanol, and water. It is a formulation paste, which removes the polymer in the heat treatment process and dries the solvent to reduce the contact resistance between the current collector and the carbon nanofiber membrane.
Being able to produce a platform capable of large area juul heating characterized by
A method for producing multi-component crystalline non-noble metal nanoparticles and binding carbon nanofiber membranes, characterized in that
상기 (g) 단계 및 (h) 단계 에서,
상기 (f)단계를 거쳐 얻어진 플랫폼을 진공 분위기 하 0.5 ~ 4 A 에 해당하는 전류를 1 ~ 4000 ms 범위에 해당하는 시간동안 가하여 시료에 열충격을 가하는 것
을 특징으로 하는 환원분위기 하 상기 탄소나노섬유 멤브레인에 이온상태로 존재하던 금속이온들의 확산 및 환원 과정이 일시에 발생하여 탄소나노섬유 표면 결함지점에 결정핵생성이 유도되는 것
을 특징으로 하는 열충격에 의해 발생한 열이 충분히 발생할 경우 탄소나노섬유 멤브레인에서부터 빛이 발생하며, 온도가 저온일수록 어두운 붉은색, 온도가 높을수록 백색광에 가까운 빛이 발생하는 것
을 특징으로 하는 열충격의 세기는 단위 면적의 탄소나노섬유에 가해진 전력양에 비례하는 것
을 특징으로 하는 탄소나노섬유 멤브레인의 저항치에 따라 적절한 전압값과 전류값을 인가하는 것
을 특징으로 하는 인가하는 전력량을 조절하여 저온에서 생성되는 비귀금속 나노입자들, 및 고온에서 생성되는 나노입자들을 성장시킬 수 있는 것
을 특징으로 하는 전력을 가해주는 시간은 목표 분산도 및 입자의 크기에 맞춰 1 ~ 4000 ms 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하나, 필요에 의해서는 그 이상 진행함을 포함하는 것
을 특징으로 하는 10 ~ 4000 ms 범위의 특정 시간간격을 두고 반복적 열충격 공정을 시행함으로 나노입자의 크기를 조절이 가능한 것
을 특징으로 하는 실퍼페이스트가 도포되지 않은 탄소나노섬유 멤브레인 영역의 양단을 단면도의 넓은 날을 이용하여 한번에 눌러 절제하여 분리하는 것
을 특징으로 하는 다성분계의 결정성 비귀금속 나노입자 성장 및 이를 결착한 탄소나노섬유 멤브레인의 제조방법.6. The method of claim 5,
In steps (g) and (h),
Applying a thermal shock to the sample by applying a current corresponding to 0.5 to 4 A for a time in the range of 1 to 4000 ms to the platform obtained through step (f) in a vacuum atmosphere
Diffusion and reduction processes of metal ions existing in an ionic state in the carbon nanofiber membrane under a reducing atmosphere characterized in
When the heat generated by thermal shock is sufficiently generated, light is generated from the carbon nanofiber membrane, and the lower the temperature, the darker red, and the higher the temperature, the closer to white light.
The intensity of the thermal shock characterized by is proportional to the amount of power applied to the carbon nanofibers of the unit area.
Applying an appropriate voltage value and current value according to the resistance value of the carbon nanofiber membrane characterized in
It is possible to grow non-noble metal nanoparticles generated at low temperature, and nanoparticles generated at high temperature by controlling the amount of applied power, characterized in that
It is preferable to adjust the time to apply the power, characterized in that it is within the range of 1 to 4000 ms according to the target dispersion degree and the size of the particles, but including proceeding longer if necessary
It is possible to control the size of nanoparticles by repeating the thermal shock process at a specific time interval in the range of 10 ~ 4000 ms, characterized by
Separation by pressing both ends of the carbon nanofiber membrane area to which the Silper Paste is not applied, using a wide blade in the cross-sectional view, at once
A method for producing multi-component crystalline non-noble metal nanoparticles and binding carbon nanofiber membranes, characterized in that
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CN114284076A (en) * | 2021-12-31 | 2022-04-05 | 合肥工业大学 | Method for rapidly preparing high-activity carbon fiber supercapacitor electrode based on Joule heat at high temperature |
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- 2020-02-07 KR KR1020200014858A patent/KR20210101354A/en unknown
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CN114284076A (en) * | 2021-12-31 | 2022-04-05 | 合肥工业大学 | Method for rapidly preparing high-activity carbon fiber supercapacitor electrode based on Joule heat at high temperature |
CN114284076B (en) * | 2021-12-31 | 2023-12-01 | 合肥工业大学 | Method for rapidly preparing high-activity carbon fiber supercapacitor electrode at high temperature based on Joule heat |
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