KR20220065608A - Enhancement of Thermal Conductivity of Graphene Derivative-Magnesium Crystal Nanocomposite for High-Performance Solid-State Hydrogen Storage - Google Patents

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Abstract

Provided is a graphene derivative-magnesium nanocrystal composite, which is the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite wherein the content of a graphene derivative is less than 10 wt% based on a total weight of the composite. The graphene derivative-magnesium nanocrystal composite of one embodiment has excellent hydrogen storage capacity and thermal conductivity, thereby being able to be advantageously used as a hydrogen storage medium.

Description

고성능 고체수소저장을 위한 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 열전도성 개선{Enhancement of Thermal Conductivity of Graphene Derivative-Magnesium Crystal Nanocomposite for High-Performance Solid-State Hydrogen Storage}Improvement of Thermal Conductivity of Graphene Derivative-Magnesium Crystal Nanocomposite for High-Performance Solid-State Hydrogen Storage

고성능 고체수소저장을 위한 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 열전도도 성질 개선에 관한 것이다. It relates to the improvement of thermal conductivity properties of graphene derivative-magnesium nanocrystal composites for high-performance solid hydrogen storage.

최근, 수소가 저탄소 연료로서 각광받고 있음에 따라, 효과적인 수소 저장 방법, 특히, 수소 자동차의 신속한 충전을 가능하게 하는 수소 저장 시스템에 대한 연구가 행해지고 있다. 전기차의 배터리 충전 방식과 비교하여, 수소 연료 전지 기반 차량은 고출력을 가지며, 충전 시간이 짧을 것으로 예상되기 때문에, 트럭이나 버스와 같은 상용차(commercial vehicle)에 특히 유리하다.In recent years, as hydrogen has been spotlighted as a low-carbon fuel, research on an effective hydrogen storage method, in particular, a hydrogen storage system enabling rapid charging of a hydrogen vehicle is being conducted. Compared to the battery charging method of electric vehicles, the hydrogen fuel cell-based vehicle has a high output and is expected to have a short charging time, so it is particularly advantageous for commercial vehicles such as trucks and buses.

하지만, 현재 수소 저장 시스템은 부피 저장 밀도가 제한되고, 안전 문제에 의해 압축 가스를 저장하는 것이 어려운 문제가 있다. 또한, 액화 수소 사용시 기체 상태의 수소보다 약 12.8%의 잠재 효율의 손실이 발생한다.However, the current hydrogen storage system has a limited volumetric storage density, and it is difficult to store compressed gas due to safety concerns. In addition, when liquid hydrogen is used, a loss of potential efficiency of about 12.8% occurs compared to gaseous hydrogen.

따라서, 금속 수소화물과 같은 고체 상태에서 수소를 저장하는 방법이 저장 용량이 높고, 안전성도 높아 액화 수소의 대안으로 각광받고 있고, 금속 중 마그네슘은 높은 저장 용량과 가역성으로 인해 유망한 수소 저장 물질 중 하나이다.Therefore, a method of storing hydrogen in a solid state such as metal hydride has a high storage capacity and high safety, so it is in the spotlight as an alternative to liquid hydrogen, and magnesium among metals is one of the promising hydrogen storage materials due to its high storage capacity and reversibility. .

그러나, 수소화 마그네슘(MgH2)은 느린 수소 흡수/방출 속도 특성을 가지고, 열역학적으로 안정하여 수소화/탈수소화시 높은 온도를 요구하고 긴 충전 시간을 필요로 하는 문제가 있다. However, magnesium hydride (MgH 2 ) has a slow hydrogen absorption/release rate characteristic, and is thermodynamically stable, so there is a problem in that it requires a high temperature during hydrogenation/dehydrogenation and requires a long charging time.

이러한 단점을 해소하기 위해, 탄소 스캐폴드(scaffold) 또는 전이 금속 등을 사용하는 나노구조의 마그네슘 복합체를 사용하는 것이 연구되고 있다. 특히 이 중 탄소 스캐폴드의 경우, 촉매 및 나노구속 효과를 보임과 동시에 수소 흡수/방출 과정에서 열전도를 향상시킬 수 있다. 이러한 이유로 다양한 탄소 물질 (CNT, Graphite) 들이 열전도도 향상을 위해 사용되었는데, 단순히 물리적인 방법으로 첨가할 경우, 수소 흡수/방출 과정 중의 마그네슘 구조 붕괴로 인해 효과적인 열전도가 이루어지기 어렵다. In order to solve these drawbacks, research is being conducted on using a nanostructured magnesium composite using a carbon scaffold or a transition metal. In particular, in the case of a double carbon scaffold, it is possible to exhibit catalytic and nanoconfinement effects, and at the same time improve heat conduction in the hydrogen absorption/release process. For this reason, various carbon materials (CNT, Graphite) have been used to improve thermal conductivity. When simply added by a physical method, effective thermal conduction is difficult to achieve due to the collapse of the magnesium structure during the hydrogen absorption/release process.

또한, 기존에 이러한 탄소 물질을 첨가하여 복합체의 열전도도를 분석한 연구가 있지만, 벌크 형태의 마그네슘 복합체 구조내에 존재하는 탄소물질에 의한 열전도 효과 분석에 그쳤을 뿐, 마그네슘 나노 입자 간의 열전달 특성을 구체적으로 분석한 연구는 없다. In addition, although there have been studies that have analyzed the thermal conductivity of the composite by adding such a carbon material, it has only been limited to the analysis of the thermal conductivity effect by the carbon material present in the structure of the bulk magnesium composite. There are no studies analyzed.

이러한 문제를 해결할 수 있는 물질로,그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체가 수소 저장 매체로 각광받고 있다. 이 경우 마그네슘 입자가 그래핀 층 사이에 나노 크기로 존재하게 되는데, 수소 흡수/방출 과정 중에 구조적인 안정성을 가질 수 있다. 하지만, 수소저장물질의 열전달 성능이 수소의 흡수/방출 반응 제어에 매우 중요함에도 불구하고, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 열전달 성능에 대한 연구는 충분히 이루어지지 않았다.As a material that can solve this problem, a graphene derivative-magnesium nanocrystal composite is spotlighted as a hydrogen storage medium. In this case, the magnesium particles exist in the nano size between the graphene layers, and may have structural stability during the hydrogen absorption/release process. However, although the heat transfer performance of the hydrogen storage material is very important for controlling the absorption/release reaction of hydrogen, studies on the heat transfer performance of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite have not been sufficiently conducted.

그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체 내 그래핀 유도체의 함량을 조절하여, 열전도성이 우수한 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체를 제공한다.By controlling the content of the graphene derivative in the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite, a graphene derivative-magnesium nanocrystal composite having excellent thermal conductivity is provided.

일 구현예는 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체로서, 상기 복합체의 총 중량을 기준으로 그래핀 유도체의 함량이 10 중량% 미만인 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체를 제공한다.One embodiment provides a graphene derivative-magnesium nanocrystal composite, wherein the content of the graphene derivative is less than 10% by weight based on the total weight of the composite.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 헬륨 분위기 하에서의 유효 열전도도는 0.3 W/m·K 이상일 수 있다.The effective thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite under a helium atmosphere may be 0.3 W/m·K or more.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 아르곤 분위기 하에서의 유효 열전도도는 0.1 W/m·K 이상일 수 있다.The effective thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite under an argon atmosphere may be 0.1 W/m·K or more.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 공극률은 0.9 이상일 수 있다.The graphene derivative-magnesium nanocrystal composite may have a porosity of 0.9 or more.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 총 중량을 기준으로, 상기 그래핀 유도체의 함량은 1 중량% 내지 8 중량%일 수 있다.Based on the total weight of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite, the content of the graphene derivative may be 1 wt% to 8 wt%.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 총 중량을 기준으로, 상기 그래핀 유도체의 함량은 2 중량% 내지 6 중량%일 수 있다.Based on the total weight of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite, the content of the graphene derivative may be 2 wt% to 6 wt%.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 총 중량을 기준으로, 상기 그래핀 유도체의 함량은 2 중량%일 수 있다.Based on the total weight of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite, the content of the graphene derivative may be 2% by weight.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체는 그래핀 유도체의 다중층을 포함하고, 및 상기 마그네슘 나노결정은 상기 그래핀 유도체의 다중층 사이에 끼어 있을 수 있다.The graphene derivative-magnesium nanocrystal composite may include multiple layers of a graphene derivative, and the magnesium nanocrystals may be sandwiched between multiple layers of the graphene derivative.

상기 그래핀 유도체 중 다중층을 가지는 그래핀 유도체의 비율은 1% 내지 20%일 수 있다.The ratio of the graphene derivative having a multilayer among the graphene derivatives may be 1% to 20%.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 수소 저장 용량은, 상기 복합체의 총 중량을 기준으로 6.5 중량% 이상일 수 있다.The hydrogen storage capacity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite may be 6.5 wt% or more based on the total weight of the composite.

다른 일 구현예는 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체를 포함하는 수소 저장 장치를 제공한다.Another embodiment provides a hydrogen storage device including a graphene derivative-magnesium nanocrystal composite.

일 구현예의 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체는 수소 저장 능력 및 열전도성이 우수하여 수소 저장 매체로서 유리하게 사용될 수 있다.The graphene derivative-magnesium nanocrystal composite of one embodiment has excellent hydrogen storage capacity and thermal conductivity, and thus can be advantageously used as a hydrogen storage medium.

도 1은 헬륨 및 아르곤 기체 분위기, 및 진공에서 각각 측정한 실시예 1 및 비교예 1에 따른 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 유효 열전도도를 나타낸 것이다.
도 2는 헬륨 및 아르곤 기체 분위기, 및 진공에서 각각 측정한 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 유효 열전도도를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 내지 3에 따른 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 유효 열전도도 측정을 위한 열 전달 2D 모델을 나타낸 것이다.
도 4는 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 그래핀 유도체의 중량에 따른 복합체의 열전도도를 나타낸 것이다.
도 5는 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체 적층 베드(packed bed) 내 그래핀 유도체의 중량에 따른 유효 열전도도를 나타낸 것이다.
1 shows the effective thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite according to Example 1 and Comparative Example 1, respectively, measured in helium and argon gas atmospheres and vacuum.
2 is a graph showing the effective thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite according to Examples 1 to 3, respectively, measured in a helium and argon gas atmosphere, and in a vacuum.
3 shows a heat transfer 2D model for measuring the effective thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite according to Examples 1 to 3;
4 is a graph showing the thermal conductivity of the composite according to the weight of the graphene derivative of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite.
5 is a graph showing the effective thermal conductivity according to the weight of the graphene derivative in the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite stacked bed (packed bed).

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, and the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the appended claims.

기존의 금속 수소화물(metal hydride)들은 탄소대체재로서 적합한 특성을 가지고 있지만, 강한 결합 엔탈피, 긴수소 확산 거리, 산소에 대한 높은 반응성들이 그들을 대체 에너지로서의 장기 목표가 되는 것에 대한 걸림돌로 작용하고 있다. 하지만, 최근 개발된 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체는 이러한 금속 수소화물의 단점들이 개선되어, 기체 선택적이며, 외기의 수분으로부터 수소저장합금을 보호하고, 또한, 그래핀 유도체가 촉매 효과 또한 가지므로, 기존의 수소저장합금보다 상대적으로 높은 수소저장 밀도를 가진다.Existing metal hydrides have properties suitable as carbon substitutes, but their strong bonding enthalpy, long hydrogen diffusion distance, and high reactivity to oxygen act as obstacles to becoming a long-term target as an alternative energy. However, the recently developed graphene derivative-magnesium nanocrystal composite has improved the disadvantages of such metal hydrides, is gas-selective, protects the hydrogen storage alloy from moisture in the outside air, and the graphene derivative also has a catalytic effect. , has a relatively higher hydrogen storage density than conventional hydrogen storage alloys.

한편, 수소저장합금의 열전달 성능이 수소의 흡수/방출 반응 제어에 매우 중요함에도 불구하고, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 열전달 성능에 대한 연구는 충분히 이루어지지 않았다.On the other hand, although the heat transfer performance of the hydrogen storage alloy is very important for controlling the absorption/release reaction of hydrogen, studies on the heat transfer performance of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite have not been sufficiently conducted.

본원 발명자들은 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 제조 과정 중 첨가되는 그래핀 산화물의 양에 따른 그래핀 유도체-마그네슘의 유효 열전도도를 측정함으로써 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 열적 및 구조적 특성이 수소 저장 성능에 주는 영향에 대해 분석하였다. 그 결과, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 총 중량을 기준으로 10 중량% 미만의 그래핀 유도체를 포함하는 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체가 우수한 열전도도 및 그에 따른 우수한 수소저장 능력을 가질 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.The present inventors measured the effective thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium according to the amount of graphene oxide added during the manufacturing process of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite to determine the thermal and structural properties of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite. The effect on hydrogen storage performance was analyzed. As a result, the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite containing less than 10% by weight of the graphene derivative based on the total weight of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite may have excellent thermal conductivity and thus excellent hydrogen storage capacity. By confirming that there is, the present invention was completed.

여기서, 용어 “유효 열전도도”는 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체와 기체로 구성되어 있는 다공성 물질의 열전도도를 의미한다.Here, the term “effective thermal conductivity” refers to the thermal conductivity of a porous material composed of a graphene derivative-magnesium nanocrystal composite and a gas.

따라서, 일 구현예는 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체로서, 상기 복합체의 총 중량을 기준으로 그래핀 유도체의 함량이 10 중량% 미만인 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체를 제공한다.Accordingly, one embodiment provides a graphene derivative-magnesium nanocrystal composite, wherein the content of the graphene derivative is less than 10% by weight based on the total weight of the composite.

상기 그래핀 유도체는 환원된 산화 그래핀일 수 있다.The graphene derivative may be reduced graphene oxide.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체 내 그래핀 유도체의 함량은, 상기 복합체의 총 중량을 기준으로, 예를 들어, 1 중량% 이상, 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 4 중량% 이상, 5 중량% 이상, 6 중량% 이상, 7 중량% 이상, 8 중량% 이상, 또는 9 중량% 이상, 및 10 중량% 미만, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량% 이하, 6 중량% 이하, 5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3 중량% 이하, 2 중량% 이하, 또는 1 중량% 이하일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 그래핀 유도체의 함량은 1 중량%, 2 중량%, 3 중량%, 4 중량%, 5 중량%, 6 중량%, 7 중량%, 8 중량%, 또는 9 중량%일 수 있다. 상기 중량 범위에서 상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 유효 열전도도가 우수하고, 그에 따라 상기 복합체의 수소 저장 능력이 향상될 수 있다.The content of the graphene derivative in the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite is, based on the total weight of the composite, for example, 1 wt% or more, 2 wt% or more, 3 wt% or more, 4 wt% or more, 5 wt% or more, 6 wt% or more, 7 wt% or more, 8 wt% or more, or 9 wt% or more, and less than 10 wt%, 9 wt% or less, 8 wt% or less, 7 wt% or less, 6 wt% or less, 5 wt% or less, 4 wt% or less, 3 wt% or less, 2 wt% or less, or 1 wt% or less. In one embodiment, the content of the graphene derivative may be 1 wt%, 2 wt%, 3 wt%, 4 wt%, 5 wt%, 6 wt%, 7 wt%, 8 wt%, or 9 wt% there is. In the above weight range, the effective thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite may be excellent, and thus the hydrogen storage capacity of the composite may be improved.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 헬륨 분위기 하에서의 유효 열전도도는 0.3 W/m·K 이상, 아르곤 분위기 하에서의 유효 열전도도는 0.1 W/m·K 이상으로 높은 유효 열전도도를 가질 수 있다.The graphene derivative-magnesium nanocrystal composite may have an effective thermal conductivity of 0.3 W/m·K or more in a helium atmosphere, and an effective thermal conductivity of 0.1 W/m·K or more in an argon atmosphere, which may have high effective thermal conductivity.

그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 유효 열전도도는 상기 복합체 내 그래핀 유도체의 함량 외에도 여러 가지 요인에 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 상기 복합체의 공극률, 상기 복합체의 구조, 그래핀 유도체 내 다중층 등이 그것이다.The effective thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite may be affected by various factors in addition to the content of the graphene derivative in the composite. For example, the porosity of the composite, the structure of the composite, and multiple layers in the graphene derivative are those.

이러한 관점에서, 상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 공극률은 0.9 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 공극률은 0.9 이상, 0.91 이상, 0.92 이상, 0.93 이상, 0.94 이상, 또는 0.95 이상일 수 있다. From this point of view, the porosity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite may be 0.9 or more. For example, the porosity may be 0.9 or more, 0.91 or more, 0.92 or more, 0.93 or more, 0.94 or more, or 0.95 or more.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 상기 그래핀 유도체는 다중층 구조일 수 있고, 상기 다중층 구조의 층간에 상기 마그네슘의 나노결정들이 배치될 수 있다. 이 때, 상기 그래핀 유도체 중 다중층을 가지는 그래핀 유도체의 비율은 1% 내지 20%일 수 있다. 상기 다중층을 가지는 그래핀 유도체가 상기 범위로 포함됨으로써, 이를 포함하는 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 유효 열전도도가 향상될 수 있다. The graphene derivative of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite may have a multilayer structure, and the magnesium nanocrystals may be disposed between the layers of the multilayer structure. In this case, the ratio of the graphene derivative having a multilayer among the graphene derivatives may be 1% to 20%. As the graphene derivative having the multilayer is included in the above range, the effective thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite including the same may be improved.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 수소 저장 용량은 상기 복합체의 총 중량을 기준으로 6.5 중량% 이상일 수 있다.The hydrogen storage capacity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite may be 6.5% by weight or more based on the total weight of the composite.

일 구현예에 따른 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체는 공지된 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 제조 방법을 사용하여 용이하게 제조할 수 있다. 예를 들어, 산화 그래핀을 환원제와 접촉시켜 그래핀 유도체를 제조하고, 상기 그래핀 유도체와 마그네슘 전구체를 공-환원(co-reduce)시켜 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체를 제조하되, 상기 그래핀 유도체의 함량이 상기 복합체의 총 중량을 기준으로 10 중량% 미만이 되도록, 상기 그래핀 유도체와 마그네슘 전구체를 공환원시키는 단계에서, 그래핀 유도체의 함량을 조절함으로써 용이하게 제조할 수 있다.The graphene derivative-magnesium nanocrystal composite according to an embodiment can be easily prepared using a known method for preparing a graphene derivative-magnesium nanocrystal composite. For example, a graphene derivative is prepared by contacting graphene oxide with a reducing agent, and the graphene derivative and a magnesium precursor are co-reduced to prepare a graphene derivative-magnesium nanocrystal composite, It can be easily prepared by adjusting the content of the graphene derivative in the step of co-reducing the graphene derivative and the magnesium precursor so that the content of the pin derivative is less than 10% by weight based on the total weight of the composite.

상기 제조 방법에서 사용 가능한 마그네슘 전구체로는 비스(사이클로펜타디에닐)마그네슘(bis(cyclopentadienyl) magnesium), 염화마그네슘(magnesium chloride), 디-n-부틸마그네슘(di-n-butyl magnesium), 또는 이들의 조합을 들 수 있고, 이들에 제한되지 않는다.As a magnesium precursor usable in the manufacturing method, bis(cyclopentadienyl) magnesium, magnesium chloride, di-n-butyl magnesium, or these a combination of, but not limited to.

상기 제조 방법에서 사용되는 환원제, 및 환원 방법 등도 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자들에게 알려진 환원제 및 환원 방법을 사용할 수 있으며, 이에 특별한 제한은 없다.The reducing agent and the reducing method used in the preparation method may also use a reducing agent and a reducing method known to those skilled in the art, and there is no particular limitation thereto.

다른 일 구현예는 일 구현예에 따른 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체를 포함하는 수소 저장 장치를 제공한다. Another embodiment provides a hydrogen storage device including the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite according to the embodiment.

이하에서 실시예를 통하여 일 구현예에 따른 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 제조, 및 제조된 복합체 내 환원된 산화 그래핀의 함량에 따른 열전도도 및 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 구조 변화 등을 보다 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.Hereinafter, through Examples, the preparation of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite according to an embodiment, and the thermal conductivity and graphene derivative-magnesium nanocrystal composite according to the content of reduced graphene oxide in the prepared composite, and the structural change of the magnesium nanocrystal composite etc. will be described in more detail. These examples are for illustrative purposes and are not intended to limit the present invention.

실시예Example

실시예 1 Example 1

그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체 제조Preparation of Graphene Derivative-Magnesium Nanocrystal Composite

아르곤 글로브 박스 내에서, 리튬 0.144g(0.02 mol) 및 나프탈렌 1.92g(0.015 mol)을 THF(96mL)에 투입한 후, 3시간 동안 교반하여 용해시켰다. 이후 1.5 시간동안 초음파 처리로 분산된 산화 그래핀 용액 (5 mg/10 ml THF)에 Cp2Mg 1.848 g(0.012 mol)을 투입시키고 30분 동안 교반하였다. 이후 혼합 용액을 리튬 나프탈레나이드 용액에 투입한 뒤 2시간 동안 교반하였다. 교반한 용액을 10,000rpm의 속도로 20분 동안 원심 분리한 뒤 이를 THF를 이용하여 세척하는 과정을 반복하여, 반응하지 않은 리튬 나프탈레나이드를 제거하였다. 이후, 이를 진공 하에서 완전 건조하여, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체를 수득하였다.In an argon glove box, lithium 0.144 g (0.02 mol) and naphthalene 1.92 g (0.015 mol) were added to THF (96 mL), and then dissolved by stirring for 3 hours. Then, 1.848 g (0.012 mol) of Cp 2 Mg was added to a graphene oxide solution (5 mg/10 ml THF) dispersed by sonication for 1.5 hours and stirred for 30 minutes. Then, the mixed solution was added to the lithium naphthalenide solution and stirred for 2 hours. After centrifuging the stirred solution at a speed of 10,000 rpm for 20 minutes, washing with THF was repeated to remove unreacted lithium naphthalenide. Then, it was completely dried under vacuum to obtain a graphene derivative-magnesium nanocrystal composite.

상기 복합체는, 그래핀 유도체인 환원된 산화 그래핀이 복합체의 총 중량에 대하여 2 중량%로 포함되었고. 이 때, 복합체의 공극률은 92% 내지 94%이었다.In the composite, reduced graphene oxide, which is a graphene derivative, was included in an amount of 2% by weight based on the total weight of the composite. At this time, the porosity of the composite was 92% to 94%.

실시예 2 Example 2

산화 그래핀 투입량을 10 mg/20 ml THF로 하여 복합체 총 중량에 대하여 4 중량%로 포함되도록 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 복합체를 제조하였다. 이 때, 복합체의 공극률은 92% 내지 94%이었다.A composite was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of graphene oxide input was 10 mg/20 ml THF to be included in 4 wt% based on the total weight of the composite. At this time, the porosity of the composite was 92% to 94%.

실시예 3 Example 3

산화 그래핀 투입량을 20 mg/40 ml THF 로 하여 복합체 총 중량에 대하여 8 중량%로 포함되도록 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 복합체를 제조하였다. 이 때, 복합체의 공극률은 92% 내지 94%이었다.A composite was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of graphene oxide input was 20 mg/40 ml THF to be included in 8% by weight based on the total weight of the composite. At this time, the porosity of the composite was 92% to 94%.

비교예 1Comparative Example 1

환원된 산화 그래핀을 사용하지 않고, H2 energy 社의 직경이 65㎛인 수소화 마그네슘 복합체를 이용하였다. 상기 수소화 마그네슘의 공극률은 58%이었다.Without using reduced graphene oxide, a magnesium hydride composite having a diameter of 65 μm from H2 Energy was used. The porosity of the magnesium hydride was 58%.

평가예evaluation example

평가예 1. 유효 열전도도 측정Evaluation Example 1. Measurement of Effective Thermal Conductivity

보호열판법(Guarded hot-plate method)을 통해 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1의 복합체의 열전도도를 측정하였다. 보호열판 장치는 고온 및 저온 어셈블리 및 고온 어셈블리 및 저온 어셈블리 사이에 위치한 샘플 홀더로 구성된다. 상기 고온 어셈블리는 메인 플레이트 및 가드 플레이트를 포함하고, 상기 가드 플레이트는 메인 플레이트의 열 감소를 완화시킨다. 그래핀 유도체-마그네슘 나노복합체 분말을 상기 샘플 홀더에 위치시켜 열전도도를 측정하였고, 보호 열판 장치를 압력이 3 mtorr 이하로 유지되는 진공 챔버 내부에 위치시켜 고온 어셈블리의 플레이트의 열 손실을 최소화하였다.The thermal conductivity of the composites of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was measured through a guarded hot-plate method. The protective hot plate device consists of a high-temperature and low-temperature assembly and a sample holder positioned between the high-temperature assembly and the low-temperature assembly. The high temperature assembly includes a main plate and a guard plate, wherein the guard plate mitigates heat loss of the main plate. Graphene derivative-magnesium nanocomposite powder was placed in the sample holder to measure thermal conductivity, and a protective hot plate device was placed inside a vacuum chamber where the pressure was maintained at 3 mtorr or less to minimize heat loss of the plate of the high-temperature assembly.

열전도도는 푸리에 법칙(Fourier's law)에 따라 고온 어셈블리의 메인 플레이트-샘플 홀더-저온 어셈블리로 1차원 축열(one-dimensional axial heat)이 발생하는 것을 가정하여 계산하였다.The thermal conductivity was calculated on the assumption that one-dimensional axial heat was generated from the main plate-sample holder-low temperature assembly of the high temperature assembly according to Fourier's law.

유효 열전도도(ks)는 하기 식 1에 따라 계산하였다.The effective thermal conductivity (k s ) was calculated according to Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

Qs: 메인 플레이트에서 저온 어셈블리로 흐르는 열량Q s : amount of heat flowing from the main plate to the low temperature assembly

ksc: 샘플 홀더의 열전도도 (0.15 W/m

Figure pat00002
K)k sc : thermal conductivity of the sample holder (0.15 W/m
Figure pat00002
K)

tsc: 샘플 홀더의 두께t sc : thickness of the sample holder

tsp: 샘플의 두께t sp : thickness of the sample

T-m: 메인 플레이트의 온도T- m : temperature of main plate

Tc: 저온 어셈블리의 온도T c : temperature of the low temperature assembly

Am: 메인 플레이트의 넓이A m : width of main plate

유효 열전도도 측정은 헬륨 및 아르곤 기체 분위기, 및 진공에서 각각 측정하였고, 상기 헬륨 및 아르곤의 열전도도는 각각 0.15 W/m·K, 0.018 W/m·K이었다.Effective thermal conductivity was measured in helium and argon gas atmosphere and vacuum, respectively, and the thermal conductivity of helium and argon was 0.15 W/m·K and 0.018 W/m·K, respectively.

측정 결과를 도 1에 나타내었다. 실시예 1의 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 유효 열전도도가 헬륨 및 아르곤 기체 분위기, 및 진공에서 비교예 1의 수소화 마그네슘 복합체보다 높았다. 이러한 결과는, 환원된 산화 그래핀, 즉 그래핀 유도체가 복합체의 총 중량을 기준으로 10 중량% 미만으로 포함된 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체가, 환원된 산화 그래핀을 포함하지 않는 수소화 마그네슘 복합체보다 유효 열전도도가 우수하다는 것을 나타낸다.The measurement results are shown in FIG. 1 . The effective thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite of Example 1 was higher than that of the magnesium hydride composite of Comparative Example 1 in helium and argon gas atmospheres and vacuum. These results show that the reduced graphene oxide, that is, the graphene derivative containing less than 10% by weight based on the total weight of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite, is magnesium hydride that does not contain reduced graphene oxide. It shows that the effective thermal conductivity is superior to that of the composite.

또한, 상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체 내 환원된 산화 그래핀의 중량%에 따른 유효 열전도도를 측정한 결과를 도 2에 나타내었다. In addition, the result of measuring the effective thermal conductivity according to the weight % of the reduced graphene oxide in the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite is shown in FIG. 2 .

유효열전도도의 차이는 기체의 열전도도가 클수록 증가하였고, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체 내 환원된 산화 그래핀의 함량이 낮기 때문에, 입자 구조의 영향이 적은 진공에서는 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 환원된 산화 그래핀의 함량에 따른 유효열전도도 변화가 작았다.The difference in effective thermal conductivity increased as the thermal conductivity of the gas increased, and since the content of reduced graphene oxide in the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite was low, in a vacuum where the particle structure was less affected, the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite The change in effective thermal conductivity according to the content of reduced graphene oxide of the composite was small.

또한, 실시예 1 내지 3의 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체 모두 헬륨 분위기 하에서 0.3 W/m·K 이상의 우수한 유효 열전도도를 나타내었고, 아르곤 분위기 하에서 0.1 W/m·K 이상의 우수한 유효 열전도도를 나타내었다. 또한, 상기 헬륨 및 아르곤 분위기에서, 환원된 산화 그래핀이 2 중량% 포함되는 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 유효열전도도가 가장 크고, 환원된 산화 그래핀이 4 중량% 포함된 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 유효 열전도도가 가장 작았으며, 환원된 산화 그래핀이 8 중량% 포함된 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체는 유효 열전도도가 환원된 산화 그래핀이 4 중량% 포함된 경우보다 증가하여, 환원된 산화 그래핀의 함량이 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 유효 열전도도와 비례하지 않는다는 것을 알 수 있었다.In addition, all of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composites of Examples 1 to 3 exhibited excellent effective thermal conductivity of 0.3 W/m·K or more under a helium atmosphere, and excellent effective thermal conductivity of 0.1 W/m·K or more under an argon atmosphere. indicated. In addition, in the helium and argon atmosphere, the effective thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite containing 2 wt% of reduced graphene oxide is the greatest, and the graphene derivative containing reduced graphene oxide of 4 wt% -Magnesium nanocrystal composite had the lowest effective thermal conductivity, and the graphene derivative containing reduced graphene oxide in 8 wt% - Magnesium nanocrystal composite contained 4 wt% reduced graphene oxide in effective thermal conductivity More increased, it was found that the content of the reduced graphene oxide is not proportional to the effective thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite.

평가예 2. 다중층 형성이 열전도도에 끼치는 영향 평가Evaluation Example 2. Evaluation of the effect of multilayer formation on thermal conductivity

측정 방법How to measure

다중층 형성이 열전도도에 끼치는 영향을 평가하기 위해, 도 3와 같이 2D 모델을 구성하였다. 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체 입자의 열전도도를 추산하기 위해, 도 3과 같이 병렬 열저항을 구성하였고, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체 내의 마그네슘 나노입자의 수 (i.e., Mg =95)와 환원된 산화 그래핀(그래핀 유도체) 층의 길이 (i.e., rGO =1 μm)는 고정하였다. 환원된 산화 그래핀 층 수 (rGO)는 환원된 산화 그래핀의 중량%를 통하여 하기 식 2와 같이 계산된다.In order to evaluate the effect of multilayer formation on thermal conductivity, a 2D model was constructed as shown in FIG. 3 . To estimate the thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite particles, parallel thermal resistance was constructed as shown in FIG. 3, and the number of magnesium nanoparticles in the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite (i.e., Mg = 95) and The length (i.e., rGO = 1 μm) of the reduced graphene oxide (graphene derivative) layer was fixed. The reduced number of graphene oxide layers (rGO) is calculated as in Equation 2 below through the weight% of the reduced graphene oxide.

[식 2][Equation 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, ρrGO =0.26 g/cm3 [ACS materials], rGO=0.9 nm (2.5 layers of rGO), Mg = 15 nm [Cho et al., 2016]로 하였다. 식 (1)에 의해 환원된 산화 그래핀 층 수(rGO)가 계산되며, 마그네슘 나노결정 입자 간의 평균 간격(Mg)을 하기 식 3에 따라 계산하였다.Here, ρrGO = 0.26 g/cm 3 [ACS materials], rGO = 0.9 nm (2.5 layers of rGO), and Mg = 15 nm [Cho et al., 2016]. The number of reduced graphene oxide layers (rGO) was calculated by Equation (1), and the average spacing ( Mg ) between the magnesium nanocrystal particles was calculated according to Equation 3 below.

[식 3][Equation 3]

Figure pat00004
Figure pat00004

또한, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체에서 총 환원된 산화 그래핀 중 다중층을 가지는 환원된 산화 그래핀의 비율이 α일 때, 마그네슘 나노결정이 캡슐화되는 층의 수가 (1-α)nrGO -1로 변한다.In addition, when the ratio of reduced graphene oxide having multiple layers among the total reduced graphene oxide in the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite is α, the number of layers in which the magnesium nanocrystals are encapsulated is (1-α)n rGO change to -1.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 열전도도 계산 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 표시된 γ는 다중층을 가지는 환원된 산화 그래핀의 비율 α와 그래핀 중량%의 비율을 의미한다. 즉, 예를 들어 상기 복합체에서 상기 환원된 산화 그래핀의 중량%가 2 중량%인 경우, γ가 2이면, 다중층을 가지는 산화 그래핀의 비율이 4%라는 의미이다. 다중충 산화 그래핀의 비율 α는 환원된 산화 그래핀 중량%과 선형적 관계를 가지며, 다중층의 비율이 높아질수록, 우수한 열전도도 값을 나타내었다.The thermal conductivity calculation result of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite is shown in FIG. 4 . γ indicated in FIG. 4 means the ratio of reduced graphene oxide having multiple layers α and graphene weight %. That is, for example, when the weight% of the reduced graphene oxide in the composite is 2% by weight, if γ is 2, it means that the ratio of graphene oxide having multiple layers is 4%. The ratio α of multilayered graphene oxide has a linear relationship with the reduced graphene oxide weight%, and the higher the ratio of the multilayer, the better the thermal conductivity value.

상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체 적층 베드(packed bed)의 유효 열전도도 계산 결과를 도 5에 나타내었다. 상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체와 마찬가지로, 상기 복합체가 적층 베드 형태인 경우에도, 다중층을 가지는 환원된 산화 그래핀의 비율 α이 환원된 산화 그래핀 중량%에 선형적으로 비례하고, 다중층의 비율이 증가할수록, 높은 유효열전도도 값을 나타내었다. 이러한 결과는 다중층을 가지는 환원된 산화 그래핀의 비율 α이 환원된 산화 그래핀 중량%에 선형적으로 비례하고, 유효 열전도도가 우수하다는 것을 나타낸다.The result of calculating the effective thermal conductivity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite packed bed is shown in FIG. 5 . Like the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite, even when the composite is in the form of a stacked bed, the ratio α of reduced graphene oxide having multiple layers is linearly proportional to the weight% of reduced graphene oxide, and As the ratio of the layers increased, a higher effective thermal conductivity value was exhibited. These results indicate that the ratio α of the reduced graphene oxide having multiple layers is linearly proportional to the weight% of the reduced graphene oxide, and the effective thermal conductivity is excellent.

이상에서 본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.In the above, the present invention has been described through preferred embodiments as described above, but the present invention is not limited thereto and various modifications and variations are possible without departing from the concept and scope of the following claims. Those skilled in the art to which the invention pertains will readily understand.

Claims (11)

그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체로서,
상기 복합체의 총 중량을 기준으로 그래핀 유도체의 함량이 10 중량% 미만인,
그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체.
A graphene derivative-magnesium nanocrystal composite comprising:
Based on the total weight of the composite, the content of the graphene derivative is less than 10% by weight,
Graphene derivative-magnesium nanocrystal composite.
제1항에서, 상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 헬륨 분위기 하에서의 유효 열전도도가 0.3 W/m·K 이상인, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체.The graphene derivative-magnesium nanocrystal composite of claim 1, wherein the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite has an effective thermal conductivity of 0.3 W/m·K or more in a helium atmosphere. 제1항에서, 상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 아르곤 분위기 하에서의 유효 열전도도가 0.1 W/m·K 이상인, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체.The graphene derivative-magnesium nanocrystal composite of claim 1, wherein the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite has an effective thermal conductivity of 0.1 W/m·K or more under an argon atmosphere. 제1항에서,
상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 공극률은 0.9 이상인, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체.
In claim 1,
The graphene derivative-magnesium nanocrystal composite has a porosity of 0.9 or more, the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite.
제1항에서,
상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 총 중량을 기준으로, 상기 그래핀 유도체의 함량이 1 중량% 내지 8 중량%인, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체.
In claim 1,
Based on the total weight of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite, the content of the graphene derivative is 1 wt% to 8 wt%, the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite.
제1항에서,
상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 총 중량을 기준으로, 상기 그래핀 유도체의 함량이 2 중량% 내지 6 중량%인, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체.
In claim 1,
The graphene derivative-magnesium nanocrystal composite, wherein the content of the graphene derivative is 2 wt% to 6 wt%, based on the total weight of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite.
제1항에서,
상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 총 중량을 기준으로, 상기 그래핀 유도체의 함량이 2 중량%인, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체.
In claim 1,
Based on the total weight of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite, the content of the graphene derivative is 2% by weight, the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite.
제1항에 있어서,
그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체는 다중층을 가지는 그래핀 유도체를 포함하고, 및 상기 마그네슘 나노결정은 상기 그래핀 유도체의 다중층 사이에 끼어 있는, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체.
The method of claim 1,
The graphene derivative-magnesium nanocrystal composite comprises a graphene derivative having multiple layers, and the magnesium nanocrystals are sandwiched between the multiple layers of the graphene derivative.
제8항에 있어서,
상기 그래핀 유도체 중 다중층을 가지는 그래핀 유도체의 비율은 1% 내지 20%인, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체.
9. The method of claim 8,
The ratio of the graphene derivative having multiple layers among the graphene derivative is 1% to 20%, the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite.
제1항에 있어서,
상기 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체의 수소 저장 용량은, 상기 복합체의 총 중량을 기준으로 6.5 중량% 이상인, 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체.
The method of claim 1,
The hydrogen storage capacity of the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite is 6.5 wt% or more based on the total weight of the composite, the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite.
제1항 내지 제10항의 그래핀 유도체-마그네슘 나노결정 복합체를 포함하는, 수소 저장 장치.A hydrogen storage device comprising the graphene derivative-magnesium nanocrystal composite of any one of claims 1 to 10.
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