KR20220143608A - Method of cellulose surface refinement using electrochemical reactions - Google Patents

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KR20220143608A
KR20220143608A KR1020220047380A KR20220047380A KR20220143608A KR 20220143608 A KR20220143608 A KR 20220143608A KR 1020220047380 A KR1020220047380 A KR 1020220047380A KR 20220047380 A KR20220047380 A KR 20220047380A KR 20220143608 A KR20220143608 A KR 20220143608A
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노상철
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주식회사 에이엔폴리
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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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    • C08B15/00Preparation of other cellulose derivatives or modified cellulose, e.g. complexes
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    • C08B15/02Oxycellulose; Hydrocellulose; Cellulosehydrate, e.g. microcrystalline cellulose
    • C08B15/04Carboxycellulose, e.g. prepared by oxidation with nitrogen dioxide

Abstract

The present invention relates to a method for modifying the surface of cellulose, comprising the steps of: preparing a reaction solution by adding a 2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxy radical (TEMPO) catalyst to a cellulose solution; and modifying the surface of cellulose by subjecting the reaction solution to an electrochemical reaction through cyclic voltammetry, wherein the electrochemical reaction is carried out by cyclically applying a voltage in the range of -0.4 to 1.2V. The method for modifying the surface, according to the present invention, may have an electrochemical oxidation reaction index of 1.5 mmol/g cellulose or more when measured using a conductivity titration method and is performed by an eco-friendly process.

Description

전기화학 반응을 이용한 셀룰로오스 표면 개질 방법{Method of cellulose surface refinement using electrochemical reactions}Method of cellulose surface refinement using electrochemical reactions

본 발명은 전기화학 반응을 이용한 셀룰로오스 표면 개질 방법에 관한 것이다. 전해질 및 전극 선정, 전압, 전류 등 전기화학 반응 조건에 따른 표면 개질 (carboxylation) 거동을 연구하여, NaClO-NaBr 산화 반응 시스템을 대체할 수 있는 전기화학 표면 산화 공정을 개발하였다.The present invention relates to a method for modifying a cellulose surface using an electrochemical reaction. An electrochemical surface oxidation process that can replace the NaClO-NaBr oxidation reaction system was developed by studying the surface modification (carboxylation) behavior according to the electrochemical reaction conditions such as electrolyte and electrode selection, voltage, and current.

셀룰로오스는, 식물의 세포벽이나 미생물의 체외 분비물, 멍게의 외투막 등에 포함되어 있으며, 지구상에서 가장 많이 존재하는 다당류로, 생분해성을 갖고, 결정성이 높고, 안정성이나 안전성이 우수하고, 환경 배려형의 재료로서 주목받고 있다. 그 때문에, 다양한 분야로 응용 전개가 기대되고 있다.Cellulose is contained in the cell wall of plants, extracorporeal secretions of microorganisms, the mantle membrane of sea squirts, etc., and is the most abundant polysaccharide on earth, has biodegradability, high crystallinity, excellent stability and safety, It is attracting attention as a material. Therefore, application development in various fields is expected.

셀룰로오스는 분자 내의 수소 결합이 강하고, 결정성이 높다는 점에서, 물이나 일반적인 용제에는 거의 불용이기 때문에, 용해성을 향상시키는 연구가 활발히 행해지고 있다. 그 중에서도 TEMPO(2,2,6,6-테트라메틸피페리디노옥시라디칼) 촉매계를 이용하여, 셀룰로오스가 갖는 3개의 수산기 중 C6 위차의 1급 수산기만을 산화하고, 알데히드기 또는 케톤기를 거쳐서 카르복실기로 변환하는 방법은, 선택적으로 1급 수산기만을 산화할 수 있으며, 또한, 수계나 상온하 등의 온화한 조건하에 반응을 행하는 것이 가능하기 때문에 최근 매우 주목받고 있다. 또한, 천연 셀룰로오스를 이용하여 TEMPO 산화를 행하면, 셀룰로오스의 결정성을 유지하면서 나노 오더의 결정 표면만을 산화시킬 수 있다. 세정하고, 물에 분산시키고, 경미한 기계적 처리를 가하는 것만으로 미세한 개질 셀룰로오스를 수분산시킬 수 있다는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 일본 공개 특허 제2009-263652호 공보에서는, 셀룰로오스를 TEMPO 산화 반응에 의해서 산화하고, 그 후에 기계적인 처리를 가함으로써 미세한 셀룰로오스를 제조하는 방법에 관한 발명이 기재되어 있다.Cellulose has a strong intramolecular hydrogen bond and high crystallinity, and therefore is almost insoluble in water and general solvents. Therefore, studies for improving solubility have been actively conducted. Among them, by using a TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxy radical) catalyst system, only the primary hydroxyl group at the C6 position among the three hydroxyl groups of cellulose is oxidized, and is converted to a carboxyl group via an aldehyde group or a ketone group. The conversion method is attracting much attention in recent years because it can selectively oxidize only the primary hydroxyl, and it is possible to carry out the reaction under mild conditions such as water system or at room temperature. In addition, when TEMPO oxidation is performed using natural cellulose, only the nano-order crystal surface can be oxidized while maintaining the crystallinity of the cellulose. It is known that finely modified cellulose can be dispersed in water only by washing, dispersing in water, and applying a slight mechanical treatment. For example, in Unexamined-Japanese-Patent No. 2009-263652, invention regarding the method of manufacturing a fine cellulose by oxidizing a cellulose by a TEMPO oxidation reaction, and applying a mechanical treatment after that is described.

일본 공개 특허 제2009-263652호 공보Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2009-263652

본 발명의 목적은 1.5 mmol/g cellulose 이상의 높은 표면 개질률을 가지는, 전기화학 반응을 이용한 셀룰로오스 표면 개질 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a cellulose surface modification method using an electrochemical reaction having a high surface modification rate of 1.5 mmol/g cellulose or more.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명은 셀룰로오스 용액에 2,2,6,6-테트라메틸피페리디노옥시라디칼(TEMPO) 촉매를 첨가한 반응 용액을 제조하는 단계; 및The present invention comprises the steps of preparing a reaction solution in which a 2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxy radical (TEMPO) catalyst is added to a cellulose solution; and

상기 반응 용액에 순환전압전류법을 통해 전기화학 반응을 진행하여, 셀룰로오스 표면을 개질하는 단계;를 포함하고,Including; by performing an electrochemical reaction in the reaction solution through a cyclic voltammetry to modify the cellulose surface;

상기 전기화학 반응은, -0.4 내지 1.2V 의 범위에서 순환적으로 전압을 인가하여 수행되는 것인,The electrochemical reaction will be carried out by cyclically applying a voltage in the range of -0.4 to 1.2V,

셀룰로오스 표면 개질 방법을 제공한다.A method for modifying a cellulose surface is provided.

본 발명의 일구현예로, 상기 셀룰로오스 용액은, 셀룰로오스를 1g/L 내지 5g/L 로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cellulose solution may be characterized in that it contains 1 g/L to 5 g/L of cellulose.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 셀룰로오스는 직경이 20 내지 50 um인 것을 특징으로 할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the cellulose may be characterized in that the diameter is 20 to 50 um.

본 발명의 또다른 구현예로, 상기 전기화학 반응은, 전해질로 0.05 내지 0.5 M의 카보네이트 완충액을 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the electrochemical reaction may be characterized by using a carbonate buffer of 0.05 to 0.5 M as an electrolyte.

본 발명의 또다른 구현예로, 상기 전기화학 반응을 통해, 셀룰로오스 표면의 수산기(-OH)가 카르복실기(-COOH)로 카복실화되는 것으로, 전기화학 반응 후 셀룰로오스 1 g 당 카복실기의 함량(Carboxylate Contents)은 1.5 mmol/g 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.In another embodiment of the present invention, through the electrochemical reaction, the hydroxyl group (-OH) on the surface of the cellulose is carboxylated to a carboxyl group (-COOH). After the electrochemical reaction, the content of carboxyl groups per 1 g of cellulose (Carboxylate) Contents) may be characterized as 1.5 mmol/g or more.

본 발명의 또다른 구현예로, 상기 순환전압전류법은, 2000 사이클(cycle) 이상 수행되는 것이고, 1000 사이클 단위로 전해질을 보충하는 것을 특징으로 할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the cyclic voltammetry is performed for more than 2000 cycles, and may be characterized in that the electrolyte is replenished in units of 1000 cycles.

또한, 본 발명은, 본 발명에 의한 셀룰로오스 표면 개질 방법을 통해 표면이 개질된, 셀룰로오스를 제공할 수 있다.In addition, the present invention, it is possible to provide a cellulose surface modified through the cellulose surface modification method according to the present invention.

본 발명의 표면 개질 방법에 의해 전기화학 반응을 진행할 경우, Carboxylate Contents(이하 C.C)가 1.5 mmol/g Celluose 이상인 셀룰로오스 표면 카복실레이션 산화 반응을 진행할 수 있는 바, 실제 상품화가 가능한 셀룰로오스의 표면 개질 방법을 제공할 수 있다.When the electrochemical reaction is carried out by the surface modification method of the present invention, a cellulose surface carboxylation oxidation reaction having a Carboxylate Contents (hereinafter C.C) of 1.5 mmol/g Celluose or more can be performed. can provide

도 1은 종래 NaClO-NaBr 산화 반응 시스템에 따른 셀룰로오스의 표면개질 반응을 모식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에서 사용된 전기화학 반응 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 4은 실시예 1에 따른 순환전압전환 그래프를 나타낸 도면이다.
도 4은 실시예 2 및 3에 따른 순환전압전환 그래프를 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예 1, 2, 3의 반응 생성물의 건조 후 형상을 셀룰로오스 원물과 비교하여 나타낸 도면이다.
도 6은 실시예 1, 2, 3의 분광 분석 결과를 셀룰로오스 원물과 비교하여 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예 4에 따른 순환전압전환 그래프를 나타낸 도면이다.
도 8은 실시예 5에 따른 순환전압전환 그래프를 나타낸 도면이다.
도 9는, 실시예 5의 분광 분석 결과를 실시예 1 및 셀룰로오스 원물과 비교하여 나타낸 도면이다.
도 10은 실시예 6에 따른 순환전압전환 그래프를 나타낸 도면이다.
도 11은, 실시예 6의 분광 분석 결과를 실시예 5 및 셀룰로오스 원물과 비교하여 나타낸 도면이다.
도 12는 Carboxylate Contents를 측정하기 위해 실시한 전기전도도 적정법에서, 적정에 따른 전도도 변화를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명에 따른 셀룰로오스 산화 반응의 carboxylate contents 값을 확인한 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 셀룰로오스 입자 크기에 따른 카복실기의 함량을 확인한 결과를 나타낸 것이다.
1 schematically shows the surface modification reaction of cellulose according to the conventional NaClO-NaBr oxidation reaction system.
2 is a view showing the electrochemical reaction system used in the present invention.
3 is a view showing a cyclic voltage conversion graph according to the first embodiment of FIG.
4 is a view showing a cyclic voltage conversion graph according to Examples 2 and 3;
5 is a view showing the shape of the reaction products of Examples 1, 2, and 3 after drying compared with the raw cellulose material.
6 is a view showing the results of the spectroscopic analysis of Examples 1, 2, and 3 compared with the raw cellulose.
7 is a view showing a cyclic voltage conversion graph according to the fourth embodiment.
8 is a view showing a cyclic voltage conversion graph according to Example 5;
9 is a view showing the results of the spectroscopic analysis of Example 5 compared to Example 1 and the raw cellulose material.
10 is a view showing a cyclic voltage conversion graph according to Example 6.
11 is a view showing the results of the spectroscopic analysis of Example 6 compared to Example 5 and the raw cellulose material.
12 shows the results of confirming the conductivity change according to the titration in the electrical conductivity titration method performed to measure the Carboxylate Contents.
13 is a view showing the result of confirming the value of the carboxylate contents of the cellulose oxidation reaction according to the present invention.
14 shows the results of confirming the content of carboxyl groups according to the cellulose particle size.

실시예들에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세 히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. Terms used in the embodiments are selected as currently widely used general terms as possible while considering the functions in the present disclosure, which may vary depending on intentions or precedents of those of ordinary skill in the art, emergence of new technologies, and the like. In addition, in a specific case, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the terms used in the present disclosure should be defined based on the meaning of the term and the contents of the present disclosure, rather than the simple name of the term.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "… 부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. In the entire specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated. Also, terms such as “… unit” described in the specification may mean a unit for processing at least one function or operation.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 개시의 실시예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present disclosure will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present disclosure pertains can easily implement them. However, the present disclosure may be implemented in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도 1에 종래 셀룰로오스 표면 개질에 사용된, NaClO-NaBr 산화 반응 시스템을 모식화하여 나타내었다. TEMPO(2,2,6,6-테트라메틸피페리디노옥시라디칼) 촉매계를 이용한 셀룰로오스 표면 개질은 효율적으로는 우수할 수 있으나, 반응에 염소를 포함하는 산화제를 사용하는 바, 환경에 미치는 영향이 있을 수 있다.1 is a schematic representation of the NaClO-NaBr oxidation reaction system used in the conventional cellulose surface modification. Cellulose surface modification using a TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxy radical) catalyst system can be effectively excellent, but since an oxidizing agent containing chlorine is used in the reaction, the effect on the environment is low. there may be

이에 본 발명자들은, 상기 NaClO-NaBr 산화 반응 시스템 없이, TEMPO에 의해 매개된, 전기화학 반응에 의한 셀룰로오스 표면 개질 방법을 예의 연구한 결과, 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors completed the present invention as a result of earnestly studying a method for modifying a cellulose surface by an electrochemical reaction mediated by TEMPO without the NaClO-NaBr oxidation reaction system.

셀룰로오스 표면 개질을 통해 상품화가 가능하기 위해서는, 셀룰로오스 표면 카복실레이션 산화 반응이 1.5 mmol/g cellulose 이상이 되어야 하며, 반응시간이 6시간 이하이며, 중간 생성물인 -CHO (알데히드)가 최대한 적게 발생해야한다. 이에 본 발명은 상기 조건을 만족할 수 있는 표면 개질 방법을 제공하는 것이다.In order to be commercialized through cellulose surface modification, the cellulose surface carboxylation oxidation reaction should be 1.5 mmol/g cellulose or more, the reaction time should be less than 6 hours, and the intermediate product -CHO (aldehyde) should be generated as little as possible. . Accordingly, the present invention provides a surface modification method that can satisfy the above conditions.

이에, 본 발명은, 셀룰로오스 용액에 2,2,6,6-테트라메틸피페리디노옥시라디칼(TEMPO) 촉매를 첨가한 반응 용액을 제조하는 단계; 및Accordingly, the present invention, preparing a reaction solution in which a 2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxy radical (TEMPO) catalyst is added to a cellulose solution; and

상기 반응 용액에 순환전압전류법을 통해 전기화학 반응을 진행하여, 셀룰로오스 표면을 개질하는 단계;를 포함하고,Including; by performing an electrochemical reaction in the reaction solution through a cyclic voltammetry to modify the cellulose surface;

상기 전기화학 반응은, -0.4 내지 1.2V 의 범위에서 순환적으로 전압을 인가하여 수행되는 것인,The electrochemical reaction will be carried out by cyclically applying a voltage in the range of -0.4 to 1.2V,

셀룰로오스 표면 개질 방법을 제공할 수 있다.A method for modifying a cellulose surface may be provided.

상기 전기화학 반응에 사용되는 전위는, 상술한 것과 같이 -0.4 내지 1.2 V의 범위인 것이 바람직하다. 만약 1.2 V을 초과할 경우, 작업 전극의 산화 반응에 의해 전기화학 반응의 효율에 영향을 미칠 수 있다.The potential used for the electrochemical reaction is preferably in the range of -0.4 to 1.2 V as described above. If it exceeds 1.2 V, the efficiency of the electrochemical reaction may be affected by the oxidation reaction of the working electrode.

상기 전기화학 반응에는, 기준전극, 상대전극, 및 작업전극을 포함하는 3전극 시스템이 이용될 수 있다. 상기 기준전극, 상대전극 및 작업전극의 소재에는 제한이 없으나, 작업전극(Working electrode)으로 유리상 탄소(Glassy carbon), 상대전극(Counter electrode)으로 백금 와이어(Pt wire), 기준전극(Reference electrode)으로 Ag/AgCl 전극이 사용될 수 있다. 또한, 전해질로 0.05 내지 0.5 M의 카보네이트 완충액을 사용할 수 있으며 바람직하게는 0.08 내지 0.12 M의 카보네이트 완충액이 사용될 수 있다.In the electrochemical reaction, a three-electrode system including a reference electrode, a counter electrode, and a working electrode may be used. There is no limitation on the materials of the reference electrode, the counter electrode, and the working electrode, but a working electrode is glassy carbon, a counter electrode is a platinum wire (Pt wire), and a reference electrode is used. Ag/AgCl electrodes can be used as In addition, 0.05 to 0.5 M carbonate buffer may be used as the electrolyte, and preferably 0.08 to 0.12 M carbonate buffer may be used.

본 발명에서 상기 순환전압전류법은, 2000 사이클(cycle) 이상 수행되는 것이 바람직하다. 2000 사이클 이상일 때, 안정적인 전류 생성이 확인되었으며, 특히, 전기화학 반응 중 전해질 증발에 의해 전류 감소가 일어날 수 있으므로, 1000 사이클 단위로 전해질을 보충하는 것이 바람직하다.In the present invention, the cyclic voltammetry is preferably performed for 2000 cycles or more. At 2000 cycles or more, stable current generation was confirmed, and in particular, since current reduction may occur due to electrolyte evaporation during an electrochemical reaction, it is preferable to replenish the electrolyte in units of 1000 cycles.

본 발명에 의하면 상기 TEMPO 촉매의 농도는 20 내지 60 mM일 수 있으며, 바람직하게는 30 내지 50 mM이고, 보다 바람직하게는 본 발명의 실시예와 같이 35 내지 45 mM의 농도를 갖는 것이, 산화환원 반응이 효율적으로 일어나도록 할 수 있다.According to the present invention, the concentration of the TEMPO catalyst may be 20 to 60 mM, preferably 30 to 50 mM, and more preferably having a concentration of 35 to 45 mM as in the example of the present invention, redox The reaction can be made to occur efficiently.

본 발명에서 상기 셀룰로오스 용액은, 셀룰로오스를 1 g/L 내지 5g/L로 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 1 g/L 이상의 셀룰로오스 농도를 갖는 셀룰로오스 용액을 사용하여, 셀룰로오스 함량의 증가를 통해 표면 카복실레이션 산화가 보다 효과적으로 진행되었음을 확인한바 있으며, 특히, 2 g/L 내지 3 g/L(더욱 바람직하게는 2.5 g/L)의 농도에서 최적의 카복실레이션 산화 반응이 확인되었다.In the present invention, the cellulose solution may contain 1 g/L to 5 g/L of cellulose. In an embodiment of the present invention, it was confirmed that surface carboxylation oxidation was more effectively progressed through an increase in cellulose content by using a cellulose solution having a cellulose concentration of 1 g/L or more, and in particular, 2 g/L to 3 g/L An optimal carboxylation oxidation reaction was found at a concentration of L (more preferably 2.5 g/L).

상기 셀룰로오스는 직경이 20 내지 50 um이 바람직하며, 상기 셀룰로오스는 TEMPO 촉매와 반응하여, 50~100 rpm으로 교반될 때, 전기화학 반응이 원활하게 일어날 수 있다.The cellulose preferably has a diameter of 20 to 50 um, and the cellulose reacts with a TEMPO catalyst, and when stirred at 50 to 100 rpm, an electrochemical reaction may occur smoothly.

본 발명에서 상기 전기화학 반응을 통해, 셀룰로오스 표면의 수산기(-OH)가 카르복실기(-COOH)로 카복실화되는 것이다. 본 발명의 표면 개질 방법에 따르면, 상기 전기화학 반응 후 셀룰로오스 1 g 당 카복실기의 함량(Carboxylate Contents)은 1.5 mmol/g 이상으로 나타나는 것을 특징으로 한다. 보다 바람직하게는 1.8 mmol/g 이상일 수 있다.In the present invention, through the electrochemical reaction, the hydroxyl group (-OH) on the surface of the cellulose is carboxylated to a carboxyl group (-COOH). According to the surface modification method of the present invention, the content of carboxylate groups per 1 g of cellulose after the electrochemical reaction (Carboxylate Contents) is characterized in that it appears as 1.5 mmol/g or more. More preferably, it may be 1.8 mmol/g or more.

또한, 본 발명은, 상기 셀룰로오스 표면 개질 방법을 통해 표면이 개질된, 셀룰로오스를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a cellulose, the surface of which is modified through the cellulose surface modification method.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, since various changes may be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all modifications, equivalents and substitutes for the embodiments are included in the scope of the rights.

[실시예][Example]

<실시예 1><Example 1>

셀룰로오스를 3 개의 전극을 이용한 전기화학적 반응으로 표면 개질 하였다. 상기 반응을 위해, 8.5 mM TEMPO 용액, 셀룰로오스 분말 0.34 g을 준비하였고 셀룰로오스 분말을 증류수에 용해시킨 후 상기 TEMPO 용액을 첨가하여 교반해주었다.Cellulose was surface-modified by electrochemical reaction using three electrodes. For the reaction, an 8.5 mM TEMPO solution and 0.34 g of cellulose powder were prepared, and after dissolving the cellulose powder in distilled water, the TEMPO solution was added and stirred.

본 발명에서 사용된 전기화학 반응 시스템을 도 2에 나타내었다. 작업전극(Working electrode)으로 Glassy carbon을 사용하였으며, 상대전극(Counter electrode)으로 Pt wire를, 기준전극(Reference electrode)으로 Ag/AgCl 전극을 사용하였다. 전해질은 0.1 M carbonate buffer를 사용하였다.The electrochemical reaction system used in the present invention is shown in FIG. 2 . Glassy carbon was used as a working electrode, a Pt wire was used as a counter electrode, and an Ag/AgCl electrode was used as a reference electrode. As the electrolyte, 0.1 M carbonate buffer was used.

이와 같이 구성된 3전극 단자에 전원을 인가하고, 사이클 횟수(1, 10, 100, 500, 1000, 2000, 3000)에 따른 순환전압전환 그래프를 확인하여 도 3에 나타내었다. 도 3에서, -0.3 V ∼ 0.7 V 의 전압구간에 전류가 발생하여 산화반응이 일어났음을 알 수 있다. 1000 cycle 및 2000 cycle에서 전해질 증발에 의한 전류 감소가 확인되었으며, 이에 이후 실험에서는 전해질을 1000cycle 단위마다 보충해주었다. 상기 산화반응이 완료된 후, 40 ℃ 오븐에서 건조해주었다.Power was applied to the three-electrode terminal configured as described above, and a graph of cyclic voltage conversion according to the number of cycles (1, 10, 100, 500, 1000, 2000, 3000) was checked and shown in FIG. 3 . In FIG. 3 , it can be seen that the oxidation reaction occurred because a current was generated in the voltage range of -0.3 V to 0.7 V. At 1000 cycles and 2000 cycles, a decrease in current due to electrolyte evaporation was confirmed, and the electrolyte was replenished every 1000 cycles in subsequent experiments. After the oxidation reaction was completed, it was dried in an oven at 40 °C.

<실시예 2><Example 2>

실시예 1의 결과와, 기존 논문(Cellulose volume 17, pages815-824 (2010))의 결과를 바탕으로, 실시예 1과 동일한 조건으로 전기화학 반응을 수행하되, 전압 범위를 -0.3 ~ 1 V로 확장하여 실험을 진행하였다. 이에 사이클 횟수(50, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000)에 따른 순환전압전환 그래프를 확인하여 도 4에 나타내었다. 도 4에서, -0.3 V ∼ 1 V 의 전압구간에 전류가 발생하여 산화반응이 일어났음을 알 수 있다. 본 실시예 2에서는 산화반응이 완료된 후, 실시예 1과 같이 40 ℃ 오븐에서 건조해주었다.Based on the results of Example 1 and the results of existing papers (Cellulose volume 17, pages815-824 (2010)), the electrochemical reaction was performed under the same conditions as in Example 1, but the voltage range was -0.3 to 1 V. The experiment was carried out by extension. Accordingly, a graph of cyclic voltage conversion according to the number of cycles (50, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000) was confirmed and shown in FIG. 4 . In FIG. 4 , it can be seen that the oxidation reaction occurred due to the generation of a current in the voltage range of -0.3 V to 1 V. In Example 2, after the oxidation reaction was completed, it was dried in an oven at 40° C. as in Example 1.

<실시예 3><Example 3>

실시예 1의 결과와, 기존 논문(Cellulose volume 17, pages815-824 (2010))의 결과를 바탕으로, 실시예 1과 동일한 조건으로 전기화학 반응을 수행하되, 전압 범위를 -0.3 ~ 1 V로 확장하여 실험을 진행하였다. 이에 사이클 횟수(50, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000)에 따른 순환전압전환 그래프를 확인하여 도 4에 나타내었다. 도 4에서, -0.3 V ∼ 1 V 의 전압구간에 전류가 발생하여 산화반응이 일어났음을 알 수 있다. 본 실시예 3에서는 산화반응이 완료된 후, 상온의 진공 오븐에서 건조해주었다.Based on the results of Example 1 and the results of the existing paper (Cellulose volume 17, pages815-824 (2010)), the electrochemical reaction was performed under the same conditions as in Example 1, but the voltage range was changed to -0.3 to 1 V. The experiment was carried out by extension. Accordingly, a graph of cyclic voltage conversion according to the number of cycles (50, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000) was confirmed and shown in FIG. 4 . In FIG. 4 , it can be seen that the oxidation reaction occurred due to the generation of a current in the voltage range of -0.3 V to 1 V. In Example 3, after the oxidation reaction was completed, it was dried in a vacuum oven at room temperature.

<실시예 1-3의 반응 결과 확인><Confirmation of reaction result of Example 1-3>

상기 실시예 1 내지 3에서 산화반응이 완료된 셀룰로오스 용액을 건조(실시예 1,2 : 40℃ 오븐에서 건조, 실시예 3 : 상온/진공 오븐에서 건조)하여 온도에 따른 변색을 확인하여 도 5에 나타내었다.The cellulose solution in which the oxidation reaction has been completed in Examples 1 to 3 was dried (Examples 1 and 2: dried in an oven at 40 ° C., Example 3: dried in an oven at room temperature/vacuum oven) to confirm discoloration according to temperature, as shown in FIG. indicated.

도 5에 나타낸 것과 같이 1 차 실험의 경우 기존 분말 형태 유지하나, 2 차 3 차의 경우, powder 가 아닌 형태가 확인되었다.As shown in FIG. 5 , in the case of the first experiment, the existing powder form was maintained, but in the case of the second and third tests, a form other than powder was confirmed.

상기 실시예 1-3의 전기화학 반응한 셀룰로오스와, 셀룰로오스 원물(pristine)의 분광 분석을 통해 표면 개질 여부를 확인하였다. 도 6에 나타낸 것과 같이 1차 알콜, 카르복실산 작용기의 O-H 스트레칭 피크(3300-2500), 카보닐(C=O) 스트레칭 피크(1720-1706)가 존재하는 것이 확인되었다. The surface modification was confirmed through the spectroscopic analysis of the electrochemically-reacted cellulose of Example 1-3 and cellulose pristine. As shown in FIG. 6 , it was confirmed that O-H stretching peaks (3300-2500) and carbonyl (C=O) stretching peaks (1720-1706) of primary alcohol and carboxylic acid functional groups were present.

셀룰로오스 원물의 1차 알코올의 피크는 실시예 1에서 실시예 3으로 가면서 낮아지며 카르복실산 작용기의 O-H 스트레칭 피크와 카보닐 C=O 스트레칭 피크가 나타났으므로, 상기 결과를 통해 전기화학 반응에 의해 셀룰로오스 표면에 카르복실화 반응이 진행되었음을 알 수 있다.The peak of the primary alcohol of the cellulose raw material is lowered from Example 1 to Example 3, and the O-H stretching peak of the carboxylic acid functional group and the carbonyl C = O stretching peak appear. It can be seen that the carboxylation reaction has progressed on the surface.

<실시예 4><Example 4>

실시예 1 내지 3의 결과를 통해 실시예 1과 동일한 조건으로 전기화학 반응을 수행하되, 전압 범위를 -0.4 ~ 1.3 V로 확장하여 실험을 진행하였다. Through the results of Examples 1 to 3, the electrochemical reaction was performed under the same conditions as in Example 1, but the voltage range was extended to -0.4 to 1.3 V and the experiment was performed.

이에 사이클 횟수(50, 100, 500, 1000, 2000, 3000)에 따른 순환전압전환 그래프를 확인하여 도 7에 나타내었다. Accordingly, the cycle voltage conversion graph according to the number of cycles (50, 100, 500, 1000, 2000, 3000) was confirmed and shown in FIG. 7 .

그 결과, 1.2 V 에서는 Glassy carbon의 산화 과정이 일어나는 것이 확인되었다. 따라서 본 발명의 전압 범위는 1.2V 이하로 설정해야함을 알 수 있다.As a result, it was confirmed that the oxidation process of glassy carbon occurred at 1.2 V. Therefore, it can be seen that the voltage range of the present invention should be set to 1.2V or less.

<실시예 5><Example 5>

본 실시예 5에서는, 실시예 1과 동일한 조건으로 전기화학 반응을 수행하되, 셀룰로오스의 양을 0.5 g으로 증가시키고, TEMPO의 양을 25mM로 변경하였으며, 전압 범위를 -0.4 ~ 1V로하여 실험을 진행하였다. In this Example 5, the electrochemical reaction was performed under the same conditions as in Example 1, but the amount of cellulose was increased to 0.5 g, the amount of TEMPO was changed to 25 mM, and the experiment was performed with a voltage range of -0.4 to 1V. proceeded.

이에 사이클 횟수(100, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 6800)에 따른 순환전압전환 그래프를 확인하여 도 8에 나타내었다. Accordingly, the cycle voltage conversion graph according to the number of cycles (100, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 6800) was confirmed and shown in FIG. 8 .

그 결과, 1.2 V 에서는 Glassy carbon의 산화 과정이 일어나는 것이 확인되었다. 따라서 본 발명의 전압 범위는 1.2V 이하로 설정해야함을 알 수 있다.As a result, it was confirmed that the oxidation process of glassy carbon occurred at 1.2 V. Therefore, it can be seen that the voltage range of the present invention should be set to 1.2V or less.

상기 실시예 5의 반응 생성물의 분광분석을 수행하여, 실시예 1과 셀룰로오스 원물의 분광 분석 결과를 비교하여 도 9에 나타내었다.The spectroscopic analysis of the reaction product of Example 5 was performed, and the results of the spectroscopic analysis of Example 1 and the cellulose raw material were compared and shown in FIG. 9 .

그 결과 실시예 5의 생성물에서는 카르복실산 작용기의 카보닐 C=O 스트레칭 피크가 성장하는 것이 확인되었으므로, 셀룰로오스와 TEMPO 양의 증가에 의해 보다 효과적으로 카르복실화 반응이 진행되었음을 알 수 있다.As a result, since it was confirmed that the carbonyl C = O stretching peak of the carboxylic acid functional group grew in the product of Example 5, it can be seen that the carboxylation reaction proceeded more effectively by increasing the amounts of cellulose and TEMPO.

<실시예 6><Example 6>

본 실시예 6에서는, 실시예 1과 동일한 조건으로 전기화학 반응을 수행하되, 실시예 5와 같이 셀룰로오스의 양을 0.5 g으로 증가시키고, TEMPO의 양을 40 mM로 변경하였다. 역시 전압 범위를 -0.4 ~ 1.2 V로하여 전기화학 반응을 진행하였다. In this Example 6, the electrochemical reaction was performed under the same conditions as in Example 1, but as in Example 5, the amount of cellulose was increased to 0.5 g, and the amount of TEMPO was changed to 40 mM. Again, the electrochemical reaction was carried out with a voltage range of -0.4 to 1.2 V.

이에 사이클 횟수(50, 100, 500, 1000, 2000, 3000)에 따른 순환전압전환 그래프를 확인하여 도 10에 나타내었다. 안정적으로 산화 반응이 진행되는 것을 알 수 있다.Accordingly, the cycle voltage conversion graph according to the number of cycles (50, 100, 500, 1000, 2000, 3000) was confirmed and shown in FIG. 10 . It can be seen that the oxidation reaction proceeds stably.

상기 실시예 6의 반응 생성물의 분광분석을 수행하여, 실시예 5와 셀룰로오스 원물의 분광 분석 결과를 비교하여 도 11에 나타내었다.The spectroscopic analysis of the reaction product of Example 6 was performed, and the results of the spectroscopic analysis of Example 5 and the cellulose raw material were compared and shown in FIG. 11 .

그 결과 실시예 6의 생성물에서는 Primary alcohol로 추정되는 1400 cm-1 부근 peak가 감소하였고, 카르복실산 작용기의 카보닐 C=O 스트레칭 피크가 성장하는 것이 확인되었다. 따라서 TEMPO 양의 증가에 의해 보다 효과적으로 카르복실화 반응이 진행되었음을 알 수 있다.As a result, in the product of Example 6, the peak around 1400 cm -1 presumed to be primary alcohol was reduced, and it was confirmed that the carbonyl C = O stretching peak of the carboxylic acid functional group grew. Therefore, it can be seen that the carboxylation reaction proceeded more effectively by increasing the amount of TEMPO.

<Carboxylate Contents 측정><Measurement of Carboxylate Contents>

실시예 6에서 제조된 반응 생성물을 대상으로, 카복실레이트 양의 치환도를 1차, 2차 및 3차에 거쳐 확인하였다.For the reaction product prepared in Example 6, the degree of substitution of the amount of carboxylate was confirmed through the first, second and third steps.

이때 상기 치환도의 분석을 위해서 전기전도도 적정법(The Electric Conductivity Titration Method)이 사용되었다.At this time, for the analysis of the degree of substitution, the electric conductivity titration method (The Electric Conductivity Titration Method) was used.

먼저, 건조한 실시예 6의 반응 생성물 0.1g과 증류수 100 mL를 혼합하고, 초음파 처리하였으며(10min), 모두 분산이 되어 투명해졌다. 이후 0.01M NaCl 5mL를 첨가하고, stirrer로 교반하면서 0.1M HCl를 첨가하여 pH 3으로 낮춰주었다. 이후 syringe pump를 이용해 0.05M NaOH 를 0.2ml/min 속도로 주입하여 적정을 진행하였다(pH 11 까지).First, 0.1 g of the dry reaction product of Example 6 and 100 mL of distilled water were mixed, sonicated (10 min), and all were dispersed and transparent. Then, 0.01M NaCl 5mL was added, and 0.1M HCl was added while stirring with a stirrer to lower the pH to 3. Then, using a syringe pump, 0.05M NaOH was injected at a rate of 0.2ml/min to proceed with titration (up to pH 11).

적정에 따른 전도도변화를 확인하여 도 12에 나타내었다. 도 12에 나타낸 것과 같이, S1 구간에서는 pH 상승에 따라 전도도는 감소하였으며, 즉 NaOH가 -COOH보다 H+ 이온에 의해 소모되는 것을 볼 수 있다. S2 구간에서는 pH 상승에 의해 전도도가 유지되는 결과를 보여, NaOH가 -COOH에 의해 소모되는 것을 알 수 있다. S3 구간에서는, pH 상승에 따라 전도도가 증가하는 결과를 보여, NaOH가 소모되지 않고 축적되는 것을 알 수 있다. 즉 도 13에서, NaOH가 -COOH에 의해 소모되는 마지막 시점에서 사용된 NaOH의 부피인 V2에서, NaOH가 -COOH 소모되기 시작하는 시점에서 사용된 NaOH의 부피인 V1을 빼면, -COOH에 의해 소비된 NaOH의 양을 알 수 있다. The change in conductivity according to titration was confirmed and shown in FIG. 12 . As shown in FIG. 12 , in the S1 section, the conductivity decreased as the pH increased, that is, it can be seen that NaOH is consumed by H+ ions rather than -COOH. In the S2 section, it can be seen that the conductivity is maintained by increasing the pH, and NaOH is consumed by -COOH. In the S3 section, as the pH increases, the conductivity increases, and it can be seen that NaOH is accumulated without being consumed. That is, in FIG. 13, the volume of NaOH used at the last point in time when NaOH is consumed by -COOH, V2, is subtracted from V1, which is the volume of NaOH used at the time when NaOH starts to be consumed by -COOH, consumed by -COOH. The amount of NaOH can be found.

즉, NaOH와 -COOH의 당량은 동일(=1)하므로 -COOH의 몰수는 하기와 같이 계산되었다.That is, since the equivalents of NaOH and -COOH are the same (=1), the number of moles of -COOH was calculated as follows.

COOH의 몰수(mmol/g) = (V2-V1)ml x 10L/ml x 0.05M ÷ 0.1gNumber of moles of COOH (mmol/g) = (V 2 -V 1 )ml x 10L/ml x 0.05M ÷ 0.1g

상기 식에 의해 측정한 결과를 도 13에 나타내었으며, Carboxylate Contents(이하 C.C)가 셀룰로오스 1 g당 평균 1.97 mmol 로 나타났다. The results measured by the above formula are shown in FIG. 13, and the Carboxylate Contents (hereinafter C.C.) was found to be 1.97 mmol on average per 1 g of cellulose.

<셀룰로오스 파우더 입자 크기에 따른 전기화학 반응><Electrochemical reaction according to cellulose powder particle size>

본 실험에서는 실시예 1과 동일한 조건으로 전기화학 반응을 수행하되, 셀룰로오스 파우더 입자 크기에 따라 전기화학반응에 미치는 영향을 확인하였다.In this experiment, the electrochemical reaction was performed under the same conditions as in Example 1, but the effect on the electrochemical reaction according to the particle size of the cellulose powder was confirmed.

먼저 20, 30, 40, 50, 60 및 70 um의 크기를 갖는 셀룰로오스 파우더를 준비하였고, 이를 증류수에 넣고, TEMPO를 첨가하여 50~100 rpm으로 교반함으로써 전기화학반응을 진행하였다.First, cellulose powder having a size of 20, 30, 40, 50, 60 and 70 um was prepared, and this was put in distilled water, TEMPO was added, and the electrochemical reaction was performed by stirring at 50-100 rpm.

그 결과를 도 14에 나타내었으며, 전기화학반응을 원활하게 일어나게 하기 위해서 입자 크기가 20~50um이고, 50~100 rpm의 속도로 교반하는 것이 바람직하다는 것을 확인하였다.The results are shown in FIG. 14, and it was confirmed that the particle size is 20-50 μm, and stirring at a speed of 50-100 rpm is preferable to facilitate the electrochemical reaction.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited drawings, those skilled in the art may apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (8)

셀룰로오스 용액에 2,2,6,6-테트라메틸피페리디노옥시라디칼(TEMPO) 촉매를 첨가한 반응 용액을 제조하는 단계; 및
상기 반응 용액에 순환전압전류법을 통해 전기화학 반응을 진행하여, 셀룰로오스 표면을 개질하는 단계;를 포함하고,
상기 전기화학 반응은, -0.4 내지 1.2V 의 범위에서 순환적으로 전압을 인가하여 수행되는 것인,
셀룰로오스 표면 개질 방법.
preparing a reaction solution in which a 2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxy radical (TEMPO) catalyst is added to a cellulose solution; and
Including; performing an electrochemical reaction in the reaction solution through a cyclic voltammetry to modify the cellulose surface;
The electrochemical reaction will be carried out by cyclically applying a voltage in the range of -0.4 to 1.2V,
Cellulose surface modification method.
제1항에 있어서,
상기 TEMPO 촉매의 농도는 20 내지 60 mM인 것을 특징으로 하는, 셀룰로오스 표면 개질 방법.
According to claim 1,
The concentration of the TEMPO catalyst is characterized in that 20 to 60 mM, cellulose surface modification method.
제1항에 있어서,
상기 셀룰로오스 용액은, 셀룰로오스를 1 g/L 내지 5 g/L로 포함하는 것을 특징으로 하는, 셀룰로오스 표면 개질 방법.
According to claim 1,
The cellulose solution, characterized in that it contains 1 g / L to 5 g / L of cellulose, cellulose surface modification method.
제1항에 있어서,
상기 셀룰로오스는 직경이 20 내지 50 um인 것을 특징으로 하는, 셀룰로오스 표면 개질 방법.
According to claim 1,
The cellulose is characterized in that the diameter of 20 to 50 um, cellulose surface modification method.
제1항에 있어서,
상기 전기화학 반응은, 전해질로 0.05 내지 0.5 M의 카보네이트 완충액을 사용하는 것을 특징으로 하는, 셀룰로오스 표면 개질 방법.
According to claim 1,
The electrochemical reaction, characterized in that using a carbonate buffer of 0.05 to 0.5 M as an electrolyte, cellulose surface modification method.
제1항에 있어서,
상기 전기화학 반응을 통해, 셀룰로오스 표면의 수산기(-OH)가 카르복실기(-COOH)로 카복실화되는 것으로,
전기화학 반응 후 셀룰로오스 1 g 당 카복실기의 함량(Carboxylate Contents)은 1.5 mmol/g 이상인 것을 특징으로 하는, 셀룰로오스 표면 개질 방법.
According to claim 1,
Through the electrochemical reaction, the hydroxyl group (-OH) on the surface of the cellulose is carboxylated to a carboxyl group (-COOH),
After the electrochemical reaction, the content of carboxylate groups per 1 g of cellulose (Carboxylate Contents) is 1.5 mmol/g or more, cellulose surface modification method.
제1항에 있어서,
상기 순환전압전류법은, 2000 사이클(cycle) 이상 수행되는 것이고,
1000 사이클 단위로 전해질을 보충하는 것을 특징으로 하는, 셀룰로오스 표면 개질 방법.
According to claim 1,
The cyclic voltammetry is performed for more than 2000 cycles,
A method for modifying a cellulose surface, characterized in that the electrolyte is replenished every 1000 cycles.
제1항의 셀룰로오스 표면 개질 방법을 통해 표면이 개질된, 셀룰로오스.The surface is modified through the cellulose surface modification method of claim 1, cellulose.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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