KR20230011257A - 탄소체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소체 - Google Patents
탄소체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소체 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230011257A KR20230011257A KR1020220086423A KR20220086423A KR20230011257A KR 20230011257 A KR20230011257 A KR 20230011257A KR 1020220086423 A KR1020220086423 A KR 1020220086423A KR 20220086423 A KR20220086423 A KR 20220086423A KR 20230011257 A KR20230011257 A KR 20230011257A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- carbon
- carbon body
- source
- alkali metal
- reactor
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 230
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 186
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 67
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 57
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 29
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 26
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 18
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 claims description 13
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 12
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 11
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 claims description 9
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 claims description 8
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 5
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 4
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical group [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 3
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 13
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 10
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 9
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 239000011943 nanocatalyst Substances 0.000 description 8
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 6
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 6
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 6
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000010306 acid treatment Methods 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 4
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 3
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000015067 sauces Nutrition 0.000 description 2
- NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K sodium citrate Chemical compound O.O.[Na+].[Na+].[Na+].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 239000001509 sodium citrate Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 229910000323 aluminium silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 1
- 229910021387 carbon allotrope Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 1
- 125000002843 carboxylic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 229940071264 lithium citrate Drugs 0.000 description 1
- WJSIUCDMWSDDCE-UHFFFAOYSA-K lithium citrate (anhydrous) Chemical compound [Li+].[Li+].[Li+].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O WJSIUCDMWSDDCE-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000006262 metallic foam Substances 0.000 description 1
- 239000002110 nanocone Substances 0.000 description 1
- -1 organic acid alkali metal salt Chemical class 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/158—Carbon nanotubes
- C01B32/16—Preparation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/184—Preparation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
- B01J2219/00639—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being trapped in or bound to a porous medium
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
본 발명은 탄소체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소체에 관한 것으로, 더 상세하게는 고부가가치의 탄소체를 고품질 및 대량으로 생산할 수 있는 탄소체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 고품질의 탄소체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 탄소체 제조방법은 반응기 내 다공체에 유기산-알칼리금속염 및 탄소원을 공급하여 탄소체를 성장시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 탄소체 제조방법은 반응기 내 다공체에 유기산-알칼리금속염 및 탄소원을 공급하여 탄소체를 성장시키는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 탄소체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소체에 관한 것으로, 더 상세하게는 고부가가치의 탄소체를 고품질 및 대량으로 생산할 수 있는 탄소체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 고품질의 탄소체에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon Nanotube)는 하나의 탄소 원자에 이웃하는 세 개의 탄소 원자가 결합되어 육각 환형을 이루고, 이러한 육각 환형이 벌집 형태로 반복된 평면이 말려 원통형 또는 튜브를 이룬 형태를 가진다.
이와 같은 탄소나노튜브는 그 구조에 따라 금속적인 도전성 또는 반도체적인 도전성을 나타낼 수 있는 성질의 재료로서 여러 기술 분야에 폭넓게 응용될 수 있어 미래의 신소재로 각광을 받고 있다. 예컨대, 탄소나노튜브는 이차 전지, 연료 전지 또는 수퍼 커패시터와 같은 전기 화학적 저장 장치의 전극, 전자파 차폐, 전계 방출 디스플레이, 또는 가스 센서 등에 적용 가능하다.
한편, 그래핀은 탄소원자로 이루어진 탄소 동소체 중 하나로, 탄소의 sp2 혼성으로 이루어진 2차원 단일시트(two-dimensional single sheet)를 일컫는다. 그래핀은 넓은 표면적을 가지며 기계적 강도, 열적 그리고 전기적 특성이 매우 우수하고, 유연성과 투명성을 가진다는 장점이 있다. 최근에는, 이와 같은 그래핀을 이용하여, 전자소자, 디스플레이, 센서, 에너지저장장치 또는 흡음재 등 다양한 산업에서 적용 가능하도록, 그래핀의 연속적인 삼차원(three-dimensional, 3D) 내부연결 네트워크를 구비한 그래핀폼(graphene foam, GF)에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다.
그래핀폼은 이를 구성하는 그래핀층들 사이에 접합 저항(junction resistance)이 형성되지 않으며, 그래핀층들 간에 높은 전도성을 갖는 결함이 없는 내부 연결 구조를 제공한다. 또한, 그래핀폼은 최대 99.7%에 이르는 높은 기공률(porosity)을 가질 수 있어, 다른 소재와의 복합화에 따른 시너지 효과를 목적으로 하는 스캐폴드(scaffold)로서 이상적으로 사용될 수 있다.
하지만, 탄소나노튜브 및 그래핀폼과 같은 고부가가치의 탄소체는 대량 및 고품질로 생산하기 어려워 비교적 고가에 거래됨에 따라, 다양한 산업군에 적용 가능한 우수한 물성을 가짐에도 불구하고, 비교적 산업 이용성이 떨어진다. 이에, 고부가가치의 탄소체를 대량으로 생산할 수 있는 연구가 활발히 진행되고 있다.
이처럼, 최근 들어 탄소체의 대량생산이 이슈화되면서 대량 생산에 유리한 유동층 반응기(Fluidized bed reactor)를 이용한 기술이 부각되고 있다. 유동층 반응기를 이용한 기술은 고온의 반응기 안에 금속 촉매 입자와 탄화수소 계열의 소스 가스를 분산 및 흡열반응시켜서 탄소나노튜브와 같은 탄소체를 생성하는 방식이다. 즉, 반응기 안에서 금속 촉매를 소스 가스에 의해 부유시키면서 소스 가스를 열분해시켜 금속 촉매에 탄소나노튜브를 성장시킨다.
이와 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0134241호 '유동층 반응기에서 탄소 나노튜브를 제조하는 방법'이 개시되어 있다.
이처럼 현재 탄소나노튜브를 대량으로 합성하는 경우, 철, 코발트, 니켈 등 탄소나노튜브 성장에 필요한 금속촉매들을 나노입자 형태로 만들어 담체에 담지함으로써 이들 담체로부터 탄소나노튜브를 성장시키는 방식이 주로 이루어졌으나, 금속들을 제거하기 위해 굉장히 높은 온도에서 열처리하거나, 산처리 등이 필수적으로 수행되어야 하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 고부가가치의 탄소체를 고품질 및 대량으로 생산할 수 있는 탄소체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 탄소체의 제조방법은 반응기 내 다공체에 유기산-알칼리금속염 및 탄소원을 공급하여 탄소체를 성장시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 유기산은 C4- C8의 유기산일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 다공체는 적어도 하나의 채널 및 상기 채널의 내벽에 형성된 다수의 기공을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 기공의 평균 직경은 1㎚ 내지 100㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 다공체는 서로 연결된 개방형 기공을 포함하는 발포체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 채널의 길이방향과 상기 반응기 내 유기산-알칼리금속염 및 탄소원의 이동방향이 이루는 각도는 0 내지 90°일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 유기산-알칼리금속염 및 상기 탄소원의 공급은 액상의 탄소원에 상기 유기산-알칼리금속염이 용해된 소스가 공급되어 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 소스의 공급은 상기 소스에 환원성 가스가 버블링되어 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 탄소원은 알코올일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 알코올은 에탄올이며, 상기 환원성 가스는 수소 가스일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 환원성 가스가 상기 소스에 공급되는 유량은 100 내지 2000 sccm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 유기산-알칼리금속염의 알칼리금속은 리튬, 나트륨 또는 칼륨일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 반응기 내 온도는 500 내지 900 ℃일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 탄소체를 성장시키는 단계 이전에, 상기 반응기를 300 내지 700 ℃로 열처리를 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 탄소체를 성장시키는 단계 이후에, 탄소체를 포함하는 반응기를 800 내지 1500 ℃로 열처리를 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 탄소체는 상술한 방법으로 제조된 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체에 있어서, 상기 탄소체는 분말상의 탄소나노튜브 또는 그래핀폼일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 있어서, 상기 탄소체는 알칼리금속 0.01 내지 40w%를 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소체의 제조방법은 유기산-알칼리금속염을 통해 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀폼과 같은 고부가가치의 탄소체를 우수한 품질로 대량생산 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄소체의 제조방법은 필요에 따라, 반응 온도 또는 소스의 유량 등 공정 조건을 조절하여, 제조되는 탄소체의 종류, 수율 및 특성을 조절할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 탄소체의 제조방법은 탄소체 합성 후 탄소체의 불순물을 제거하기 위해 별도의 추가적인 열처리 또는 산처리를 할 필요가 없어 연속적인 대량 생산이 가능하다.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체 제조방법을 실시하기 위한 장치의 구성도,
도 3은 실시예 1 내지 5에서 제조된 탄소체의 주사전자현미경(SEM) 사진,
도 4는 실시예 6 내지 7에서 제조된 탄소체의 SEM 사진,
도 5는 실시예 8 내지 실시예 10에서 제조된 탄소체의 SEM 사진,
도 6은 실시예 9에서 제조된 탄소체의 투과전자현미경(TEM) 사진,
도 7은 실시예 11에서 제조된 탄소체의 TEM 사진이다.
도 3은 실시예 1 내지 5에서 제조된 탄소체의 주사전자현미경(SEM) 사진,
도 4는 실시예 6 내지 7에서 제조된 탄소체의 SEM 사진,
도 5는 실시예 8 내지 실시예 10에서 제조된 탄소체의 SEM 사진,
도 6은 실시예 9에서 제조된 탄소체의 투과전자현미경(TEM) 사진,
도 7은 실시예 11에서 제조된 탄소체의 TEM 사진이다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.
본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.
본 명세서에서, '탄소체'는 탄소나노튜브, 탄소 나노파이버, 풀러렌, 탄소 나노콘, 탄소 나노호른, 탄소 나노로드 등 다양한 형상을 갖는 나노 크기의 탄소구조물을 의미한다.
탄소나노튜브 및 그래핀폼과 같은 고부가가치 탄소체는 여러 기술 분야에 폭넓게 응용될 수 있어 미래의 신소재로 각광을 받고 있다. 예컨대, 탄소나노튜브는 이차 전지, 연료 전지 또는 수퍼 커패시터와 같은 전기 화학적 저장 장치의 전극, 전자파 차폐, 전계 방출 디스플레이, 또는 가스 센서 등에 적용 가능하며, 그래핀폼은 타 소재와의 복합화에 따른 시너지 효과를 목적으로 하는 스캐폴드(scaffold)로서, 적용이 가능하다.
하지만, 현재 상기와 같은 고부가가치의 탄소체를 대량으로 합성하는 경우, 철, 코발트, 니켈 등 탄소나노튜브 성장에 필요한 금속촉매들을 나노입자 형태로 만들어 담체에 담지함으로써 이들 담체로부터 탄소나노튜브를 성장시키는 방식이 주로 이루어졌으나, 금속들을 제거하기 위해 굉장히 높은 온도에서 열처리하거나, 산처리 등이 필수적으로 수행되어야 하는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 탄소체 제조방법은 유기산-알칼리금속염을 통해 고부가가치의 탄소체를 우수한 품질로 대량생산이 가능한 것으로, 반응기 내 다공체에 유기산-알칼리금속염 및 탄소원을 공급하여 탄소체를 성장시키는 단계;를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 탄소체 제조방법은 탄소체의 제조방법은 필요에 따라, 온도 및 소스의 유량 등 간단한 공정 조건을 설계하여, 제조되는 탄소체의 종류, 수율 및 특성을 조절할 수 있으며, 나아가, 탄소체 합성 후 탄소체의 불순물을 제거하기 위해 별도의 추가적인 열처리 또는 산처리를 할 필요가 없어 연속적인 대량 생산이 가능하여, 산업상 이용가능성이 매우 높다.
구체적으로, 반응기 내 다공체에 유기산-알칼리금속염 및 탄소원을 공급할 시, 유기산-알칼리금속염은 다공체에 형성된 기공을 통해, 다공체 내에 균일하게 분산되어 위치할 수 있다. 이에, 유기산-알칼리금속염이 반응기 내 온도에 의해 기화되어 알칼리금속이 나노촉매로 응집될 시, 균일한 크기의 나노촉매로 형성될 수 있다.
반응기는 유기산-알칼리금속염 및 탄소원을 수용하여 나노촉매 존재 하 탄소원이 흡열반응할 수 있는 열에너지 및 반응공간을 제공하는 것으로, 유기산-알칼리금속염의 나노촉매화 및 탄소체의 성장 시 필요한 열에너지를 제공할 수 있는 히터 등과 같은 가열수단이 구비된 것일 수 있다. 일 예로, 대량생산에 유리하게 유동층 반응기일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
다공체는 기공이 형성된 것이라면 한정되지 않으며, 반응기에 크기 및 종류에 따라 적절히 조절될 수 있다. 다공체는 실리카, 알루미나, 알루미노실리게이트, 티타니아, 지르코니아, 실리카-알루미나, 알루미나-지르코니아, 알루미나-크로미아, 알루미나-세리아 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 금속산화물계 무기재료일 수 있으나 이에 한정되진 않는다. 구체적으로 기공의 크기는 1㎚ 내지 100㎛, 구체적으로는 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛, 더 구체적으로는 0.5 ㎛ 내지 50 ㎛, 좀 더 구체적으로는 2 ㎛ 내지 40 ㎛ 또는 10 ㎛ 내지 40 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 제조할 탄소체의 종류 및 탄소체의 물성에 따라 적절히 조절될 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 다공체는 균일한 크기의 기공이 형성된 실린더 형태의 필터일 수 있으며, 더 구체적인 일 예로, 다공성 알루미나일 수 있다.
또한, 다공체는 적어도 하나의 채널이 형성된 것으로, 내면에 다수의 기공이 형성된 것일 수 있다. 채널은 다공체를 관통하거나 또는 다공체의 일면에서 소정길이로 인입된 형상으로, 다공체 내 유기산-알칼리금속염 및 탄소원이 유동할 수 있는 공간, 즉 유로를 제공할 수 있다. 이처럼 채널이 형성된 다공체는 채널을 통해 다공체 내부로 유기산-알칼리금속염 및 탄소원이 원활히 공급되며, 유기산-알칼리금속염 및 탄소원과 다공체간의 접촉면적이 넓어짐에 따라, 탄소체가 성장할 수 있는 면적이 넓어져 더욱 더 대량생산에 유리할 수 있다. 채널의 길이방향과 유기산-알칼리금속염 및 탄소원의 이동방향이 이루는 각도는 0 내지 90° 바람직하게는 0 내지 30°, 더욱 바람직하게는 0 내지 10°인 것이, 유기산-알칼리금속염 및 탄소원의 유동이 유리하며 더욱 대량생산에 유리할 수 있다.
채널의 내경 크기는 제조될 탄소체의 직경 또는 물성 설계치에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 채널 내 기공의 크기는 1㎚ 내지 100㎛, 구체적으로는 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛, 더 구체적으로는 0.5 ㎛ 내지 50 ㎛, 좀 더 구체적으로는 2 ㎛ 내지 40 ㎛ 또는 10 ㎛ 내지 40 ㎛일 수 있으나 이에 한정되진 않는다.
또한, 다공체는 서로 연결된 개방형 기공이 형성된 발포체일 수 있다. 일 예로 오픈셀 구조의 금속폼, 구체적으로 알루미나 폼일 수 있으나 이에, 한정되지 않는다. 발포체는 40% 이상, 유리하게 60% 내지 80%의 기공율을 가지는 것이, 탄소체의 생산성에 있어서 유리할 수 있다.
이와 같은 다공체에 공급되는 유기산-알칼리금속염 및 탄소원은, 유기산-알칼리금속염 및 탄소원이 개별 공급부를 통해 반응기 내부로 각각 동시 혹은 순차적으로 공급될 수 있으나, 이와 달리, 액상의 탄소원에 유기산-알칼리금속염이 용해된 소스를 통해 공급될 수 있다.
구체적으로, 유기산-알칼리금속염은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)과 같은 금속 기반의 전이금속 촉매 대신 알칼리금속을 촉매로 사용함에 따라, 산처리 등의 추가 정제 공정이 필요 없는 탄소체를 제공할 수 있으며 2차전지의 음극재로 사용시 현저한 전기화학적 특성을 나타낼 수 있어 바람직하다. 또한, 유기산을 함유하는 유기산-알칼리금속염을 통해, 알칼리금속으로 이루어진 나노촉매를 형성함에 따라, 고수율로 탄소체의 생산이 가능하다.
유기산-알칼리금속염의 알칼리금속은 수소를 제외한 1족 알칼리금속이라면 한정되지 않으나, 바람직하게 리튬, 나트륨 또는 칼륨일 수 있으며, 보다 바람직하게 리튬 또는 나트륨일 수 있다.
유기산-알칼리금속염의 유기산은 C4- C8의 유기산, 구체적으로 2 내지 4개의 카르복실산기를 포함하는 C4- C8의 유기산일 수 있으며, 일 예로 구연산(시트르산, C6H8O7)일 수 있다.
비 한정적인 일 예로, 유기산-알칼리금속염은 구연산나트륨(C6H5Na3O7) 또는 구연산리튬(Li3C6H5O7) 일 수 있다.
탄소원은 종래 알려진 액상, 기상 또는 고상의 탄화수소계 소재라면 한정되지 않으나, 구체적으로, 탄소수 6개 이하, 또는 탄소수 4개 이하의 화합물 또는 탄소수 2개 이하의 화합물을 포함할 수 있다. 바람직하게, 탄소원은 환원성 가스에 의해 버블링되어 공급될 수 있도록 액상의 탄소원일 수 있으며, 더욱 바람직하게, 액상의 탄소원은 알코올일 수 있다. 구체적인 일 예로, 알코올은 탄소수 2의 에탄올일 수 있으며, 에탄올은 다른 탄소원에 비해 높은 수율로 탄소나노튜브의 합성이 가능하다.
상술한 바와 같이, 유기산-알칼리금속염 및 탄소원의 공급은 액상의 탄소원에 유기산 알칼리금속염이 용해된 소스가 공급되어 수행될 수 있으며, 이때, 소스의 공급은 액상의 탄소원을 함유하는 소스에 환원성 가스가 버블링되어 수행될 수 있다. 이와 같은 소스 공급방법은 환원성 가스가 캐리어 가스로서의 역할뿐만 아니라, 유기산-알칼리금속염의 환원을 더 원활하게 하여 유기산-알칼리금속염의 나노촉매화를 촉진하는 역할을 한다. 이에, 더욱 빠른 시간에 더욱 균질한 탄소체의 제조가 가능하다. 특히, 환원성 가스는 수소 가스인 것이 바람직하다. 유리한 구체예로, 소스의 공급은 에탄올에 수소가 버블링되어 수행될 수 있으며, 이와 같은 소스의 공급은 고품질의 탄소체 특히, CNT를 높은 수율로 비교적 단시간내에 제조할 수 있도록 한다.
환원성 가스가 액상의 탄소원을 함유하는 소스에 공급되는 유량은 소스의 필요량에 따라 다양하게 조절될 수 있으나, 바람직하게는 100 내지 2000sccm, 더욱 바람직하게는 400 내지 1800 sccm, 보다 더 바람직하게는 1000 내지 1800 sccm 일 수 있으나, 이에 한정되진 않는다. 다만, 환원성 가스의 일 예로, 수소 가스가 소스에 공급되는 유량을 통해 제조되는 탄소체의 종류 및 수율을 조절할 수 있다.
또한, 환원성 가스는 액상의 탄소원에 전량이 공급되어 전량이 버블링을 형성할 수 있으나, 이와 달리, 일정량은 소스에 공급되어 버블링을 형성하고 나머지 일정량은 수소 버블링된 소스를 반응기 내로 공급하는 캐리어가스 역할을 수행할 수 있다. 이때, 일정량은 제조할 탄소체의 물성에 따라 적절히 조절될 수 있다. 일 예로, 탄소나노튜브 제조 시, 반응기 내 온도가 동일한 온도 조건에서, 수소가스 전량이 소스에 공급되어 수소 버블링에 의해 소스가 반응기 내로 공급될 시 보다, 수소가스 전량에 있어서 50%는 수소 버블링되고, 나머지 50%는 캐리어 가스로서 공급될 시, 직경이 작은 탄소나노튜브를 제조할 수 있다.
수소 가스의 유량 조절 이외에, 본 발명은 필요에 따라 반응 조건 설계를 통해, 탄소체의 물성, 수율 및 탄소체의 종류를 조절할 수 있다.
액상의 탄소원을 함유하는 소스의 온도는 60 내지 120℃, 구체적으로, 70 내지 90℃일 수 있으며, 상기 범위에서 반응기 내로 소스 공급이 원활이 일어날 수 있다.
상기 반응기 내 다공체에 유기산-알칼리금속염 및 탄소원을 공급하여 탄소체를 성장시키는 단계에서, 반응기 내 온도는 900 ℃ 이하일 수 있으며, 구체적으로는 500 내지 900 ℃, 보다 구체적으로는 500 내지 800 ℃, 보다 더 구체적으로는 550 내지 700 ℃일 수 있으며, 상기 범위에서 유기산-알칼리금속염의 나노촉매화 및 탄소체의 성장 시 필요한 열에너지를 제공하여 보다 균일한 크기의 탄소체를 제조할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소체를 성장시키는 단계 이전에, 전처리 단계로서 상기 반응기를 700 ℃ 이하로 열처리를 하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 구체적으로는 300 내지 700 ℃, 보다 구체적으로는 300 내지 600 ℃일 수 있다. 이와 같이 반응기 내로 유기산-알칼리금속염 및 탄소원 또는 유기산-알칼리금속염, 탄소원 및 수소가스가 공급되기 이전에 반응기를 열처리함으로써, 반응기 내, 특히 반응기 내 다공체의 기공에 존재하는 수분, 불순물 등을 제거하여 탄소체 성장 단계를 수행할 수 있고, 이에 따라 보다 균일한 크기의 탄소체를 제조할 수 있다.
상기 전처리 단계는 보다 효과적으로 반응기 내 존재하는 수분, 불순물 등을 제거할 수 있다는 측면에서 상술한 온도 범위 및 불활성 분위기에서 수행될 수 있으며, 상기 불활성 분위기는 특별히 이에 제한되지 않으나, 일예로 질소 또는 아르곤 등과 같은 비활성 가스를 포함하는 분위기일 수 있다.
상기 전처리 단계는 제조되는 탄소체의 종류, 물성, 생산량 등에 따라 적절히 반응 조건을 변경할 수 있으며, 일예로 열처리 시간은 1분 내지 1시간, 5분 내지 1시간 또는 10분 내지 30분일 수 있으나, 이에 특별히 제한되지 않는다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소체를 성장시키는 단계 이후에, 후처리 단계로서 탄소체를 포함하는 반응기를 1500 ℃ 이하로 열처리를 하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 구체적으로는 800 내지 1500 ℃, 보다 구체적으로는 800 내지 1200 ℃일 수 있다. 이와 같이 제조된 탄소체를 수집하기 이전에 반응기를 열처리함으로써, 제조된 탄소체 내에 존재하는 불순물을 추가적으로 제거할 수 있고, 이에 따라 보다 고품질의 탄소체를 제조할 수 있다.
상기 후처리 단계는 보다 효과적으로 제조된 탄소체 내에 존재하는 불순물을 제거할 수 있다는 측면에서 상술한 온도 범위 및 불활성 분위기에서 수행될 수 있으며, 상기 불활성 분위기는 특별히 이에 제한되지 않으나, 일예로 질소 또는 아르곤 등과 같은 비활성 가스를 포함하는 분위기일 수 있다.
상기 후처리 단계는 제조되는 탄소체의 종류, 물성, 생산량 등에 따라 적절히 반응 조건을 변경할 수 있으며, 일예로 열처리 시간은 30분 내지 3시간 또는 1시간 내지 2시간일 수 있으나, 이에 특별히 제한되지 않는다.도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소체 제조방법을 실시하기 위한 제조장치의 구성도가 도시되어 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 탄소체의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 탄소체의 제조방법은 내부에 다공체가 위치하는 반응기(10), 상기 반응기(10)에 유기산-알칼리금속 및 탄소원을 함유하는 소스를 공급하는 소스공급부(50), 상기 반응기(30)로부터 생산된 탄소체를 수득하는 콜렉터부(70)를 포함하는 탄소체 제조장치를 통해 수행될 수 있다.
소스공급부(50)를 통해, 반응기(10) 내에 유기산-알칼리금속(30) 및 탄소원을 함유하는 소스를 공급할 수 있다. 소스공급부(50)는 도면에 도시된 바와 같이, 액상의 탄소원에 유기산-알칼리금속(30)이 용해된 소스가 저장된 저장조(51)와, 저장조(51)를 가열할 수 있는 가열수단(53), 저장조(51)에 환원성 가스를 공급할 수 있도록 가스탱크(54)를 포함하는 환원성가스공급부(55) 및 반응기(10)와 연결된 소스공급관(57)을 포함한다. 가열수단(53)에 의해 일정 온도로 가온된 소스에 가스탱크(54)로부터 공급된 환원성 가스가 공급되며, 소스에 환원성 가스가 버블링되고, 환원성 가스를 캐리어 가스로 소스가 소스공급관(57)을 통해 반응기 내로 공급될 수 있다.
소스가 다공체에 공급됨에 따라, 탄소체가 성장된다. 이때, 반응기(10) 내 온도에 따라, 탄소체의 종류 또는 물성을 조절할 수 있다.
구체적으로, 상술한 바와 같이 반응기(10) 내 온도가 500℃ 이상, 550 ℃ 이상 또는 600 ℃ 이상임에 따라, 다공체에 공급된 유기산-알칼리금속염은 기화되며 알칼리금속이 응집되어 나노촉매를 형성하고, 나노촉매 존재 하 탄소원이 흡열반응하여 수소를 포함하는 기상의 반응생성물과 고상의 탄소체가 생성될 수 있다. 탄소체 생성 후 반응기(10) 내 온도에 의해 나노촉매 역시 기화됨에 따라 제거될 수 있다. 제조된 탄소체는 콜렉터부(70)에 의해 수집될 수 있다.
도 2는 반응기의 다른 실시예가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면 반응기(20)는 내부에 다공체(25)가 수용된 석영관일 수 있으며, 다공체(25)는 석영관의 관로방향, 즉, 소스의 이동방향과 나란한 방향으로 관통된 1개의 관통형 채널(25a)이 형성된 다공성 알루미나관일 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 반응에 필요한 온도를 제공할 수 있도록 석영관과 인접한 히터(40)가 설치될 수 있다.
이처럼 관통형 채널(25a)이 형성된 다공체(25)를 포함하는 반응기(20)는 더욱 대량생산에 유리할 수 있다.
이상에서 설명한 제조방법을 통해 제조된 탄소체는 분말상으로 수득할 수 있다. 구체적으로 탄소체는 분말상의 탄소나노튜브 또는 그래핀폼일 수 있다.
탄소체의 크기는 제조방법의 공정 조건에 의해 다양하게 조절될 수 있으며, 구체적으로 탄소체가 탄소나노튜브일 경우, 1㎚ 내지 100㎛의 직경을 가질 수 있으며, 반응기 내 온도, 수소 주입량 및 다공체의 기공 크기 등을 통해 조절이 가능할 수 있다.
탄소체는 제조공정 시 유기산-알칼리금속염을 통해 수행 따라, 알칼리 금속으로 이루어진 나노촉매에 의해 성장되며, 제조된 탄소체는 알칼리금속을 함유할 수 있다. 구체적으로, 제조된 탄소체는 알칼리금속 0.01 내지 40 w%, 구체적으로 0.01 내지 30w%, 더욱 구체적으로, 0.05 내지 10w%를 함유할 수 있으나 이에 한정되진 않는다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
도 2에 도시된, 탄소체 제조장치를 통해, 탄소체를 제조하였다.
1개의 관통형 채널이 형성된 알루미나관 내 기공의 평균 크기는 30㎛이었다.
에탄올 1L에 구연산나트륨 4g을 혼합한 소스가 저장된 저장조에 수소가스를 1200sccm으로 주입하여 버블링하였다. 이때, 소스는 80 ℃로 유지하였다.
에탄올에 수소가스가 버블링된 소스는 소스공급관을 통해 반응기 내로 공급되었다. 이때, 반응기 내부 온도는 650℃로 유지하였으며, 반응이 끝난 후 수집된 탄소체를 상온(20±5℃)의 아르곤 가스를 통해 냉각시켰다.
(실시예 2)
실시예 1에 있어서, 상기 반응기 내 온도를 700℃로 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소체를 제조하였다.
(실시예 3)
실시예 1에 있어서, 상기 반응기 내 온도를 800℃로 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소체를 제조하였다.
(실시예 4)
실시예 1에 있어서, 상기 반응기 내 온도를 900℃로 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소체를 제조하였다.
(실시예 5)
실시예 4에 있어서, 상기 수소가스를 소스가 저장된 저장조에 수소가스를 600sccm으로 주입하고, 저장조가 아닌 수소 버블링되어 공급되는 소스 캐리어 가스로서 600sccm으로 공급한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소체를 제조하였다.
(실시예 6)
실시예 4에 있어서, 다공체의 기공의 평균 크기가 20㎛인 것을 제외하고, 실시예 4와 동일하게 수행하였다.
(실시예 7)
실시예 4에 있어서, 다공체의 기공의 평균 크기가 10㎛인 것을 제외하고, 실시예 4와 동일하게 수행하였다.
(실시예 8)
실시예 1에 있어서, 반응기 내로 소스와 수소가스를 공급하기 전, 알루미나관의 전처리 단계로 반응기 내부 온도를 아르곤 분위기에서 500℃로 5분 동안 유지한 것 및 상기 수소가스를 소스가 저장된 저장조에 800 sccm으로 주입하고, 저장조가 아닌 수소 버블링되어 공급되는 소스 캐리어 가스로서 800 sccm으로 공급한 것 을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소체를 제조하였다.
(실시예 9)
실시예 8에 있어서, 알루미나관의 전처리 단계로 반응기 내부 온도를 500℃로 10분 동안 유지한 것을 제외하고 실시예 8과 동일하게 수행하였다.
(실시예 10)
실시예 8에 있어서, 알루미나관의 전처리 단계로 반응기 내부 온도를 500℃로 20분 동안 유지한 것을 제외하고 실시예 8과 동일하게 수행하였다.
(실시예 11)
실시예 2에 있어서, 후처리 단계로서 제조된 탄소체를 반응기 내에 장입한 후 반응기 내부 온도를 아르곤 분위기에서 1000℃로 1시간 동안 유지한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 수행하였다.
도 3은 실시예 1 내지 5에서 제조된 탄소체의 주사전자현미경(SEM) 사진이 도시되어 있다. 구체적으로, 도 3(a) 내지 도3(e)는 순차적으로 실시예 1 내지 5의 SEM 사진이다.
도 3을 참조하면 본 발명의 실시예들은 고품질의 탄소나노튜브를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었으며, 반응온도 및 투입되는 수소 주입량에 따라 제조되는 탄소나노튜브의 직경 및 길이를 조절할 수 있음을 확인할 수 있었다.
구체적으로, 실시예 1 내지 5를 참조하면, 온도에 비례하여 탄소나노튜브의 직경 및 길이가 커짐을 확인할 수 있었으며, 실시예 4 내지 5를 참조하면, 투입되는 수소 가스 주입량을 통해서도 직경을 조절할 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 4는 본 발명의 실시예 6 내지 7에 따른 제조된 탄소체의 SEM 사진이 도시되어 있다. 구체적으로, 도 4A는 실시예 6, 도 4B는 실시예 7의 SEM 사진이다.
도 4를 참조하면 다공체에 형성된 기공의 크기에 따라 제조된 탄소체의 직경이 조절될 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 5는 실시예 8 내지 실시예 10에서 제조된 탄소체의 SEM 사진이 도시되어 있다. 구체적으로, 도 3의 (a) 및 도 5를 참조하면, 실시예 8 내지 실시예 10에서 제조된 탄소체는 전처리 단계를 포함함으로써, 전처리를 수행하지 않은 실시예 1의 탄소체에 비해 균일하게 성장된 탄소나노튜브를 확인할 수 있었다. 특히, 10분 이상의 전처리를 한 실시예 9 및 실시예 10에서, 균일하게 성장된 탄소나노튜브를 확인할 수 있었다.
도 6은 실시예 9에서 제조된 탄소체의 투과전자현미경(TEM) 사진이 도시되어 있고, 도 7은 실시예 11에서 제조된 탄소체의 TEM 사진이 도시되어 있다. 구체적으로 도 6 및 도 7을 참조하면, 실시예 11의 탄소체는 불활성 가스 및 고온 환경에서 후처리 단계를 포함함으로써, 후처리를 수행하지 않은 실시예 9의 탄소체에 비해 보다 뚜렷한 할로우(hollow) 구조가 형성된 탄소나노튜브를 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 반응기
50 : 소스공급부
70 : 콜렉터부
50 : 소스공급부
70 : 콜렉터부
Claims (18)
- 반응기 내 다공체에 유기산-알칼리금속염 및 탄소원을 공급하여 탄소체를 성장시키는 단계를 포함하는 탄소체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 유기산은 C4- C8의 유기산인, 탄소체의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 다공체는 적어도 하나의 채널 및 상기 채널의 내벽에 형성된 다수의 기공을 포함하는, 탄소체의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 기공의 평균 직경은 1㎚ 내지 100㎛인, 탄소체의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 다공체는 서로 연결된 개방형 기공을 포함하는 발포체인, 탄소체의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 채널의 길이방향과 상기 반응기 내 유기산-알칼리금속염 및 탄소원의 이동방향이 이루는 각도는 0 내지 90°인, 탄소체의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 유기산-알칼리금속염 및 상기 탄소원의 공급은 액상의 탄소원에 상기 유기산-알칼리금속염이 용해된 소스가 공급되어 수행되는, 탄소체의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 소스의 공급은 상기 소스에 환원성 가스가 버블링되어 수행되는, 탄소체의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 탄소원은 알코올인, 탄소체의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 탄소원은 에탄올이며, 상기 환원성 가스는 수소 가스인, 탄소체의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 환원성 가스가 상기 소스에 공급되는 유량은 100 내지 2000 sccm인, 탄소체의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 유기산-알칼리금속염의 알칼리금속은 리튬, 나트륨 또는 칼륨인, 탄소체의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 반응기 내 온도는 500 내지 900 ℃인, 탄소체의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 탄소체를 성장시키는 단계 이전에,
상기 반응기를 300 내지 700 ℃로 열처리를 하는 단계를 더 포함하는, 탄소체의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 탄소체를 성장시키는 단계 이후에,
탄소체를 포함하는 반응기를 800 내지 1500 ℃로 열처리를 하는 단계를 더 포함하는, 탄소체의 제조방법. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 탄소체.
- 제16항에 있어서,
상기 탄소체는 분말상의 탄소나노튜브 또는 그래핀폼인, 탄소체. - 제16항에 있어서,
상기 탄소체는 알칼리금속 0.01 내지 40w%를 함유하는, 탄소체.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210091674 | 2021-07-13 | ||
| KR20210091674 | 2021-07-13 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230011257A true KR20230011257A (ko) | 2023-01-20 |
Family
ID=85108725
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220086423A KR20230011257A (ko) | 2021-07-13 | 2022-07-13 | 탄소체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소체 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230011257A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180134241A (ko) | 2017-06-08 | 2018-12-18 | 에스케이이노베이션 주식회사 | 유동층 반응기에서 탄소 나노튜브를 제조하는 방법 |
-
2022
- 2022-07-13 KR KR1020220086423A patent/KR20230011257A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180134241A (ko) | 2017-06-08 | 2018-12-18 | 에스케이이노베이션 주식회사 | 유동층 반응기에서 탄소 나노튜브를 제조하는 방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6129901A (en) | Controlled synthesis and metal-filling of aligned carbon nanotubes | |
| JP4004502B2 (ja) | 極細繊維状ナノ炭素製造方法 | |
| US7687109B2 (en) | Apparatus and method for making carbon nanotube array | |
| RU2579075C2 (ru) | Углеродные наноструктуры и сетки, полученные химическим осаждением из паровой фазы | |
| JP5099300B2 (ja) | ナノ炭素材料複合体及びその製造方法 | |
| CA2815678C (en) | Process for production of carbon nanotube | |
| Gujral et al. | Mesoporous titanium carbonitride derived from mesoporous C3N5 for highly efficient hydrogen evolution reaction | |
| Lv et al. | Formation of carbon nanofibers/nanotubes by chemical vapor deposition using Al2O3/KOH | |
| Wei et al. | Recent progress in synthesis, growth mechanisms, and electromagnetic wave absorption properties of silicon carbide nanowires | |
| Liang et al. | Low-dimensional transition metal sulfide-based electrocatalysts for water electrolysis: overview and perspectives | |
| Zhu et al. | Atomic-scale insights into the formation of 2D crystals from in situ transmission electron microscopy | |
| KR101545637B1 (ko) | 탄소지지체와 탄소나노튜브가 직접 연결된 형태의 3차원 구조를 갖는 탄소 나노구조체 제조방법 | |
| Manzar et al. | Recent advancements in boron carbon nitride (BNC) nanoscale materials for efficient supercapacitor performances | |
| CN104357841A (zh) | 一种铁族碳化物纳米晶体-石墨烯纳米带复合材料、制备及其应用 | |
| CN111943722A (zh) | 一种在泡沫陶瓷表面合成碳纳米管的可控方法及其应用 | |
| KR20230011257A (ko) | 탄소체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소체 | |
| KR20190019652A (ko) | 그래핀 나노구체 제조방법 | |
| Kariim et al. | Studies on the suitability of alumina as bimetallic catalyst support for MWCNTs growth in a CVD reactor | |
| KR101679693B1 (ko) | 탄소나노튜브 제조방법 및 하이브리드 탄소나노튜브 복합체 | |
| Yang et al. | Recent progress in the synthesis of metal-organic-framework-derived carbon materials | |
| KR20120092344A (ko) | 금속유기구조체(ＭＯＦｓ)를 이용한 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 | |
| US20220388847A1 (en) | Systems and methods for making carbon nanostructures | |
| KR20220164452A (ko) | 탄소체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소체 | |
| KR101383821B1 (ko) | 금속지지체 상에 유도된 금속간화합물 나노촉매를 이용한 탄소나노튜브의 합성방법 및 이에 의하여 합성된 탄소나노튜브 구조체 | |
| JP2004324004A (ja) | カーボン繊維及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |