KR20240010240A - 결함을 갖는 2차원 나노물질을 이용한 이온 수송 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 추출 장치 - Google Patents
결함을 갖는 2차원 나노물질을 이용한 이온 수송 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 추출 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 결함을 갖는 2차원 나노물질을 이용한 이온 수송 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 추출 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 결함을 갖는 2차원 나노물질 멤브레인 상에 결함을 덮는 나노플레이크가 성장된 구조를 이용함으로써 양이온의 일방향 수송이 가능하고 크기가 제어된 이온 채널을 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이온 수송 구조체는 이온 수송성 및 선택성이 우수하여 이온의 선택적 수송이 필요한 다양한 분야에 유용하게 적용될 수 있다. 특히, 본 발명을 이용하여 리튬이온 수송 구조체를 제조하고 리튬 추출 장치의 분리막에 적용할 경우 고순도의 리튬을 효율적으로 추출할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이온 수송 구조체는 이온 수송성 및 선택성이 우수하여 이온의 선택적 수송이 필요한 다양한 분야에 유용하게 적용될 수 있다. 특히, 본 발명을 이용하여 리튬이온 수송 구조체를 제조하고 리튬 추출 장치의 분리막에 적용할 경우 고순도의 리튬을 효율적으로 추출할 수 있다.
Description
본 발명은 결함을 갖는 2차원 나노물질을 이용한 이온 수송 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 추출 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2차원 나노물질 멤브레인의 결함 상에 나노플레이크 형태의 나노물질이 성장된 구조를 통해 이온 수송성 및 선택성이 향상된 이온 수송 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 추출 장치에 관한 것이다.
리튬이온 배터리(lithium-ion battery, LIB)는 휴대용 전자 장치, 전기 자동차 및 대용량 에너지 저장 시스템에 광범위하게 사용되고 있으며, 시장 규모가 매우 빠르게 성장하고 있다. 이러한 리튬이온 배터리 시장의 높은 성장으로 인해 리튬이온 배터리의 원료가 되는 리튬(Li)에 대한 수요가 급등하면서, 리튬 추출에 대한 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
대표적인 리튬의 공급원으로는 페탈라이트(petalite, LiAl(Si2O5)2)와 같은 광물이 있으며, 이들을 Li2CO3, LiCl 및 Li(OH)와 같이 화학적으로 전환 가능한 화합물로 변환하는 방법으로 리튬을 추출한다. 예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2021-0080058호에서는 리튬 함유 광석을 염화시켜 염화물을 수득하고, 리튬 염화물에 선택적인 용해도를 가지는 유기용매에 염화물을 용해시켜 불순물을 제거하여 리튬을 추출하는 방법을 기재하고 있다. 그러나 광물을 이용하는 경우 부유선별과 같은 공정을 거쳐야 하기 때문에 공정이 복잡하며, 리튬 광물은 특정 국가에 집중적으로 매장되어 있기 때문에 원활한 공급이 어렵다는 한계가 있다.
또한, 리튬 공급원으로서 리튬을 함유한 암염이 녹아 있는 염수(brine)를 이용하는 기술이 개발된 바 있다. 이러한 기술의 일 예로서, 대한민국 등록특허공보 제10-1321070호는 염수로부터 고순도의 인산리튬을 추출하는 방법을 기재하고 있으며, 구체적으로 염수에 수산화 음이온을 투입하여 불순물을 제거하고, 여액에 인 공급 물질을 투입하여 리튬을 인산리튬으로 석출시키는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술의 경우 자원을 그대로 이용하기 어렵고, 염수의 경우에도 전세계 염수의 약 70%가 남미대륙에 편중되어 있으므로 용이하게 입수하기 어려운 문제가 있다.
이에 따라, 입수가 용이한 리튬 공급원으로부터 리튬을 추출하기 위한 기술이 개발되고 있으며, 대표적으로 해수(seawater)로부터 리튬을 추출하는 기술이 주목받고 있다. 해수에는 육지에 비해 리튬의 양이 2,400배 많고 특정 지역에만 편중되어 있지 않아, 리튬 공급원의 입수가 용이하며 해수에서 리튬을 선택적으로 추출하는 시스템을 이용하면 다량의 리튬을 수득할 수 있을 것으로 기대된다.
이와 같이 해수로부터 리튬을 추출하는 방법으로는 흡착제가 포함된 회수장치를 해수에 투입하여 리튬을 선택적으로 흡착시킨 후 산 처리하여 리튬을 추출하는 기술이 주로 사용되나, 이 경우 추출 효율이 낮아 경제성이 좋지 않다는 단점이 있었다. 또한 리튬을 추출하기 위해 다공성 멤브레인을 이용하는 기술이 제안되었으나, 다공성 멤브레인의 경우 공극의 정밀한 제어가 어렵기 때문에, 해수에 존재하는 다양한 양이온 중 리튬 이온만을 선택적으로 추출하기 어렵다는 문제가 있었다.
이와 같이 다양한 리튬 공급원을 이용하여 리튬을 추출하는 기술이 개발되었으나, 자원의 입수 또는 이용이 어렵거나 리튬의 높은 반응성으로 인해 취급에 어려움이 있으며, 리튬 외에 다양한 양이온이 존재하는 공급원을 이용하는 경우 고순도의 리튬을 수득하기 어렵다는 한계가 있었다. 따라서, 입수가 용이한 리튬 공급원을 이용하여 고순도의 리튬을 효율적으로 추출할 수 있는 기술의 개발이 필요한 상황이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 이온 수송성 및 선택성이 우수한 이온 수송 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 이온 수송 구조체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 이온 수송 구조체를 포함하는 리튬 추출 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 결함(defect)을 갖는 2차원 나노물질로 이루어진 멤브레인(membrane); 및 상기 멤브레인의 일면에 위치하며, 상기 결함을 덮도록 형성된 나노플레이크(nanoflake)를 포함하는 이온 수송 구조체를 제공한다.
본 발명에서, 상기 이온 수송 구조체는 상기 결함에 의해 형성된 1차 이온 채널, 및 상기 멤브레인 및 나노플레이크 간의 층간 간격(interlayer gap)에 의해 형성된 2차 이온 채널을 가질 수 있다.
본 발명에서, 상기 멤브레인 및 나노플레이크는, 각각 독립적으로, 그래핀(graphene), 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMD), 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN) 및 할로겐화 페로브스카이트(halide perovskite)로 구성된 군에서 선택되는 나노물질로 이루어질 수 있다.
본 발명에서, 상기 결함은 공공(vacancy) 및 결정립계(grain boundary)에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 결함은 음전하(negative charge)를 띨 수 있다.
본 발명에서, 상기 멤브레인은 2 내지 20층의 2차원 나노물질을 포함하는 다층 구조일 수 있다.
본 발명에서, 상기 1차 이온 채널의 크기는 1 내지 100nm일 수 있다.
본 발명에서, 상기 2차 이온 채널의 크기는 0.2 내지 1nm일 수 있다.
본 발명에서, 상기 이온 수송 구조체는 리튬이온 수송 구조체일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이온 수송 구조체를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 이온 수송 구조체 제조방법은, 기판 상에 제1 나노물질을 증착시켜 결함을 갖는 2차원 나노물질로 이루어진 멤브레인을 형성하는 단계; 및 상기 멤브레인 상에 제2 나노물질을 증착시켜, 상기 결함 상에 나노플레이크를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 제1 나노물질의 증착 및 제2 나노물질의 증착은 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)으로 수행될 수 있다.
본 발명에서, 상기 제1 나노물질의 증착은 800 내지 1,200℃의 온도에서 수행되고, 상기 제2 나노물질의 증착이 500 내지 900℃의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이온 수송 구조체를 포함하는 리튬 추출 장치를 제공한다.
본 발명에서, 상기 리튬 추출 장치는 산화전극(anode) 및 리튬이온 함유 용액을 포함하는 산화전극 셀(anodic cell); 환원전극(cathode) 및 산성 용액을 포함하는 환원전극 셀(cathodic cell); 및 상기 산화전극 셀 및 환원전극 셀 사이에 개재된 이온 수송 구조체를 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 환원전극 셀의 산성 용액의 수위(solution level)는 산화전극 셀의 리튬이온 함유 용액의 수위보다 낮은 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 리튬이온 함유 용액은 해수(seawater) 또는 염수(brine)를 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 산성 용액은 염산(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3) 및 인산(H2PO4)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 산을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 결함을 갖는 2차원 나노물질 멤브레인 상에 결함을 덮는 나노플레이크가 성장된 구조를 이용함으로써 양이온의 일방향 수송이 가능하고 크기가 제어된 이온 채널을 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이온 수송 구조체는 이온 수송성 및 선택성이 우수하여 이온의 선택적 수송이 필요한 다양한 분야에 유용하게 적용될 수 있다. 특히, 본 발명을 이용하여 리튬이온 수송 구조체를 제조하고 리튬 추출 장치의 분리막에 적용할 경우 고순도의 리튬을 효율적으로 추출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 수송 구조체의 제조방법 및 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 수송 구조체의 이온 채널 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제작한 리튬 추출 장치의 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층을 이용하여 제작된 분리막의 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 제작한 리튬 추출 장치의 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 라만 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 선택영역회절(SAED) 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 암시투과전자현미경(DF-TEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 전해액 침투 실험 방법을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 전해액 침투 실험 결과를 나타낸 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 이온수송 거동을 시험하기 위한 시스템 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 이온수송 실험을 통해 얻은 시간대전류법(chronoamperometry) 그래프를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 이온수송 실험 결과 각 전해액의 이온 수송 비율을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에서 제작한 리튬 추출 장치에 대한 시간대전류법 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에서 제작한 리튬 추출 장치를 구동한 다음, 공급조의 용액에 대해 유도결합 플라즈마 발광 분광법(ICP-OES)을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에서 제작한 리튬 추출 장치를 구동한 다음, 수집조에서 다른 양이온에 대한 Li+의 농도비를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 수송 구조체의 이온 채널 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제작한 리튬 추출 장치의 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층을 이용하여 제작된 분리막의 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 제작한 리튬 추출 장치의 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 라만 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 선택영역회절(SAED) 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 암시투과전자현미경(DF-TEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 전해액 침투 실험 방법을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 전해액 침투 실험 결과를 나타낸 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 이온수송 거동을 시험하기 위한 시스템 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 이온수송 실험을 통해 얻은 시간대전류법(chronoamperometry) 그래프를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에서 제조한 리튬이온 수송층의 이온수송 실험 결과 각 전해액의 이온 수송 비율을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에서 제작한 리튬 추출 장치에 대한 시간대전류법 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에서 제작한 리튬 추출 장치를 구동한 다음, 공급조의 용액에 대해 유도결합 플라즈마 발광 분광법(ICP-OES)을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에서 제작한 리튬 추출 장치를 구동한 다음, 수집조에서 다른 양이온에 대한 Li+의 농도비를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 구체적인 양태에 대해서 보다 상세히 설명한다. 다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명은 양이온을 수송할 수 있는 이온채널을 갖는 이온 수송 구조체에 관한 것이다.
본 발명에서는 2차원 나노물질 멤브레인의 결함 상에 나노플레이크 형태의 나노물질이 성장된 구조를 이용함으로써, 양이온의 일방향 수송이 가능하며 크기가 제어된 이온 채널을 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이온 수송 구조체는 이온의 선택적 수송이 필요한 다양한 분야에 유용하게 적용될 수 있으며, 특히 본 발명을 이용하여 제조된 리튬이온 수송 구조체를 리튬 추출 장치의 분리막에 적용할 경우 고순도의 리튬을 효율적으로 추출할 수 있다.
본 발명에 따른 이온 수송 구조체는, 결함(defects)을 갖는 2차원 나노물질로 이루어진 멤브레인(membrane); 및 상기 멤브레인의 일면에 위치하며, 상기 결함을 덮도록 형성된 나노플레이크(nanoflake)를 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 멤브레인은 2차원 나노물질로 형성된 판상의 층을 의미하며, 상기 나노플레이크는 나노물질로 형성된 조각 형태를 의미한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 상기 멤브레인 및 나노플레이크를 구성하는 나노물질은 각각 제1 나노물질 및 제2 나노물질로 구분하여 지칭될 수 있다.
본 발명에서, "나노물질"이란 외형 치수 중 최소 1차원 이상이 100nm 이하의 나노스케일을 갖는 물질을 의미하며, "2차원 나노물질"이란 나노스케일의 두께를 갖는 단일층 또는 다층 물질을 의미한다.
본 발명에서 상기 나노플레이크는 멤브레인의 일면에 형성되어 이온의 일방향 수송이 가능하도록 구성되며, 층간 간격을 일정하게 형성하기 위해서는 제1 나노물질 및 제2 나노물질로서 2차원 나노물질을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 제1 나노물질 및 제2 나노물질은 각각 독립적인 것으로, 동일하거나 상이할 수 있다. 본 발명에서, 상기 나노물질로는 그래핀(graphene), 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMD), 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN), 할로겐화 페로브스카이트(halide perovskite) 등을 이용할 수 있다.
상기 전이금속 디칼코게나이드는 MX2의 구조식을 갖는 것으로, 상기 식에서 M은 전이금속 원소를 의미하고 X는 칼코겐 원소를 의미한다. 상기 전이금속 원소는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니오븀(Nb) 등일 수 있고, 칼코겐 원소는 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 전이금속 디칼코게나이드로는 MoS2 및 WS2가 주로 사용될 수 있다.
상기 할로겐화 페로브스카이트는 A2BX4, ABX4 또는 An-1BnX3n+1의 구조식을 갖는 2차원 물질일 수 있으며, 상기 식에서 A는 1가의 알칼리금속 원소이고, B는 금속 원소이며, X는 할로겐 원소를 의미한다. 예를 들어, 상기 알칼리금속 원소는 루비듐(Rb), 세슘(Cs) 또는 프랑슘(Fr)일 수 있고, 금속 원소는 납(Pd), 구리(Cu), 망간(Mn), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 크롬(Cr), 카드뮴(Cd) 또는 이터븀(Yb)일 수 있으며, 할로겐 원소는 플루오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I)일 수 있다.
본 발명에서 사용되는 멤브레인은 결함을 갖는 것을 특징으로 한다. 결함은 나노물질의 불완전성에 의해 일부 원자가 소실된 영역을 의미하는 것으로, 대표적으로 공공(vacancy), 결정립계(grain boundary) 등이 예시될 수 있다. 상기 결함은 멤브레인의 수직 방향으로 통로를 형성하여 이온의 이동이 가능한 채널을 제공하며, 본 발명을 설명함에 있어서, 상기 결함에 의해 형성되는 채널을 1차 이온 채널이라 지칭할 수 있다.
본 발명에서, 상기 1차 이온 채널은 결함에 의해 형성되는 통로이므로 크기가 불균일한 특징을 가지며, 예를 들어 1차 이온 채널의 크기는 약 1 내지 100nm일 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 이온 채널의 크기란 해당 이온 채널을 통과할 수 있는 이온의 최대 직경으로 정의될 수 있다.
상기 결함에 의해 형성되는 1차 이온 채널은 음전하(negative charge)를 띠는 특성을 갖는다. 이 경우, 음전하에 의한 디바이 길이(Debye length)의 중첩에 따라 양이온의 이동이 촉진되어 우수한 이온 수송성을 나타낼 수 있다. 상기 결함의 크기는 소재 및 제조 방법에 따라 다를 수 있으며, 일반적으로 양이온 수화물의 통과가 가능하여 이온의 이동 통로를 형성할 수 있는 크기를 갖는다. 예를 들어, 상기 결함이 공공인 경우 평균 직경은 1 내지 100nm의 범위에 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 멤브레인은 2차원 나노물질을 1층 이상, 바람직하게 2층 이상 포함하여 이온의 이동 통로를 제공할 수 있으며, 예를 들어 2 내지 20층의 다층 구조일 수 있다. 일 예로서, 다층 그래핀(multi-layer graphene)이 적합하게 사용될 수 있다.
본 발명에서, 상기 멤브레인 상에 제2 나노물질을 성장시켜 나노플레이크를 형성함으로써 추가적인 이온 채널을 형성한다. 이 때, 멤브레인에 존재하는 결함으로 인해 제2 나노물질 성장 시 원자 흡착이 용이하고, 결함이 핵 생성 및 물질 성장에 유리하게 작용한다. 이에 따라 제2 나노물질이 멤브레인의 결함을 덮는 형태로 형성되는 결함 치유(defect healing) 현상이 일어날 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 수송 구조체의 제조방법 및 구조를 모식적으로 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 결함을 갖는 멤브레인에 나노물질을 성장시켜 결함을 덮는 나노플레이크를 형성한다. 상기 구조에 따르면 나노플레이크가 결함에 비해 넓은 면적을 갖게 되고, 멤브레인과 나노플레이크가 중첩되는 영역에 균일하고 적절한 크기의 반데르발스 층간 간격(interlayer gap)이 형성된다.
상기 층간 간격은 멤브레인과 나노플레이크 사이의 거리로 정의될 수 있으며, 결함에 의해 형성된 1차 이온 채널을 통과한 이온이 상기 층간 간격을 통해 수송될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 상기 층간 간격에 의해 형성되는 채널을 2차 이온 채널이라 지칭할 수 있다.
본 발명에서, 상기 2차 이온 채널의 크기, 즉 층간 간격은 수송 대상이 되는 양이온의 종류에 따라 조절될 수 있으며, 예를 들어 0.2 내지 1nm, 바람직하게 0.2 내지 0.5nm일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 수송 구조체의 채널 구조를 모식적으로 나타낸 것이다. 도 2의 (a)는 다층 그래핀 멤브레인의 결함에 의한 이온의 이동을 나타낸 것으로, 결함이 형성하는 이온 채널의 음전하 특성에 따라 양이온 수송이 가능하다. 다만, 결함을 통한 이온 채널은 결함의 크기 및 불균일성으로 인해 정밀한 이온 선택성을 나타내기 어렵다. 그러나, 도 2의 (b)와 같이 다층 그래핀의 결함 상에 나노플레이크 형태의 MoS2를 성장시키는 경우, 상기 결함을 통과한 양이온 중에서 층간 간격을 통과할 수 있는 크기를 갖는 이온만이 이동할 수 있으므로 선택적인 양이온 수송이 가능하다.
본 발명의 이온 수송 구조체는 멤브레인 및 나노플레이크를 구성하는 각 나노물질의 소재에 따라 층간 간격이 달라질 수 있다. 따라서, 수송 대상이 되는 양이온의 크기에 따라 적합한 소재를 채용하여 층간 간격을 제어함으로써 이온 선택성의 조절이 가능하다.
본 발명의 일 실시 형태에서, 상기 이온 수송 구조체는 리튬이온 수송용 구조체일 수 있다. 이 때, 상기 층간 간격은 단일 수화층을 갖는 리튬이온을 통과시키기 위해 0.3nm 이상, 예를 들어 0.32nm 이상인 것을 이용할 수 있으며, 다른 양이온의 통과를 방지하여 리튬 선택성을 확보하기 위해 층간 간격은 0.5nm 이하, 바람직하게는 0.4nm 이하, 예를 들어 0.36nm 이하일 수 있다. 관련하여, 본 발명의 일 실시예에서는 멤브레인의 나노물질로 다층 그래핀을 이용하고 나노플레이크로서 전이금속 디칼코게나이드인 MoS2를 이용하는 경우 약 0.34nm의 층간 간격이 형성되어, 리튬이온의 선택적 수송을 위한 최적의 이온 채널이 구현되는 것을 확인하였다.
본 발명에 따른 이온 수송 구조체는, 기판 상에 제1 나노물질을 증착시켜 결함을 갖는 2차원 나노물질로 이루어진 멤브레인을 형성하는 단계; 및 상기 멤브레인 상에 제2 나노물질을 증착시켜, 상기 결함 상에 나노플레이크를 형성하는 단계를 통해 제조될 수 있다.
본 발명에서, 상기 제1 나노물질의 증착 및 제2 나노물질의 증착은 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)으로 수행될 수 있다. 화학기상증착은 고온 조건에서 원료 기체의 반응에 의해 물질을 증착시키는 공정으로서, 멤브레인 형성 단계에 이용되는 기판으로는 금속 호일(metal foil), 예를 들어 니켈 호일, 구리 호일과 같은 촉매 금속 호일을 이용할 수 있다.
상기 멤브레인을 형성한 다음, 멤브레인의 일면에 보호층을 형성한 후 기판을 제거할 수 있다. 상기 보호층으로는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 등의 고분자층을 이용할 수 있으며, 기판은 식각액을 이용하여 제거할 수 있다. 또한, 나노플레이크를 형성하기 전에, 보호층이 형성된 멤브레인을 다른 기판에 전사하고 보호층을 제거한 다음 공정을 수행할 수 있다.
이와 같이 화학기상증착으로 형성된 멤브레인 형태의 2차원 나노물질은 선천적 결함을 포함할 수 있다. 상기 결함은 음전하(negative charge)를 띠는데, 이에 의해 추가적인 나노물질 형성 시 원자 흡착이 용이하며 핵 생성 및 물질 성장이 유리한 효과를 나타낸다. 따라서 멤브레인 상에 나노물질을 성장시키는 경우 멤브레인의 결함을 덮는 나노플레이크 형태로 성장될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 형태에서, 나노물질로서 그래핀을 이용하는 경우 800 내지 1,200℃의 온도에서 탄소 공급원인 메탄(CH4) 가스를 주입하여 그래핀을 증착할 수 있다. 이 때, 압력 조건으로는 3 x 10-3torr 이하의 진공 조건을 유지할 수 있다. 또한, 나노물질로서 MoS2와 같은 전이금속 칼코게나이드를 이용하는 경우 500 내지 900℃의 온도에서 전이금속 및 칼코겐 전구체를 주입하여 화학기상증착 공정을 수행할 수 있으며, 반응 시 압력 조건은 5 내지 20torr, 예를 들어 8 내지 15torr로 유지할 수 있다.
본 발명의 이온 수송 구조체는 양이온 수송성이 우수하며, 멤브레인과 나노플레이크의 층간 간격이 형성하는 통로 크기에 따라 선택적인 양이온 수송이 가능하다. 따라서 본 발명은 리튬이온, 나트륨이온, 마그네슘이온, 칼슘이온, 나트륨이온, 칼륨이온 다양한 이온 수송층 개발에 광범위하게 적용될 수 있으며, 특히 리튬이온과 같이 크기가 작은 양이온의 일방향 수송에 유용하게 사용될 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 또한, 상기 이온 수송 구조체를 포함하는 리튬 추출 장치를 제공할 수 있다.
상기 리튬 추출 장치는 산화전극 셀(anodic cell) 및 환원전극 셀(cathodic cell)을 포함하고, 상기 산화전극 셀 및 환원전극 셀 사이에 리튬이온 추출용 분리막으로서 본 발명의 이온 수송 구조체가 개재된 구조를 가질 수 있다.
상기 리튬 추출 장치에서, 산화전극 셀은 산화전극(anode) 및 리튬이온 함유 용액을 포함할 수 있고, 환원전극 셀은 환원전극(cathode) 및 산성 용액을 포함할 수 있으며, 상기 리튬 추출 장치에 전압을 인가하여 산화전극 셀의 리튬이온을 환원전극 셀로 이동시킴으로써 리튬을 추출할 수 있다.
상기 산화전극 셀에 적용되는 리튬이온 함유 용액으로는, 리튬이온을 함유하여 리튬의 공급원이 될 수 있는 용액, 예를 들어 천연 자원인 해수(seawater), 염수(brine) 등을 이용할 수 있다. 본 발명의 이온 수송 구조체를 이용하면, 리튬이온 외에 다른 양이온을 다량 포함하는 천연 자원으로부터 고순도의 리튬을 추출할 수 있다.
상기 환원전극 셀에 적용되는 산성 용액은 염산(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3) 및 인산(H2PO4)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 산을 포함하는 용액일 수 있다. 이와 같이 환원전극 셀에 산성 용액을 적용하는 경우, 리튬이온의 이동에 의해 셀 간의 전기적 불균형이 발생하는 경우 수소이온을 소비하여 전기적으로 중성이 유지되도록 조절할 수 있다. 이에 따라 리튬이온이 산화전극 셀에서 환원전극 셀로 지속적으로 이동할 수 있고, 환원전극 셀에서 수소 기체가 발생되어 추가적인 에너지 자원을 동시에 확보할 수 있다.
본 발명의 리튬 추출 장치에서, 산화전극 셀과 환원전극 셀이 접하는 면에 리튬 추출용 분리막이 개재되고, 산화전극 셀의 리튬이온 함유 용액에서 환원전극 셀의 산성 용액으로 리튬이온이 이동되도록 구성할 수 있다면 그 구조는 제한되지 않는다. 예를 들어, 산화전극 셀 및 환원전극 셀은 수평 방향으로 배열될 수 있고, 또는 산화전극 셀 내에 환원전극 셀이 위치하도록 구성하는 것도 가능하다.
본 발명에서, 상기 환원전극 셀의 산성 용액의 수위는 산화전극 셀의 리튬이온 함유 용액의 수위보다 낮은 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 용액 수위차는 0.1 내지 10cm, 바람직하게 0.3 내지 1cm일 수 있다.
바람직하게, 산성 용액의 수위는 리튬이온 함유 용액의 수위와 비교하여 2 내지 20%, 예를 들어 3 내지 10% 만큼 낮을 수 있다. 이와 같이 산성 용액의 수위가 낮은 경우 용액의 수위차에 의해 막횡단 수압(transmembrane hydraulic pressure, TMHP)이 작용하므로, 수위차가 없는 경우에 비해 낮은 전압에서도 장치의 구동이 가능하여 적은 양의 전기 에너지로도 리튬을 효율적으로 추출할 수 있다. 예를 들어, 상기 수위차에 의해 1.5V 이하, 바람직하게 1.4V 이하의 전압을 인가하는 경우에도 장치의 리튬 추출이 가능하다.
본 발명에서, 상기 수위차에 의해 발생하는 막횡단 수압은 예를 들어 5 내지 500Pa, 구체적으로는 20 내지 100Pa일 수 있다.
본 발명의 리튬 추출 장치에서 산화전극 셀 및 환원전극 셀이 수평 방향으로 배치되는 경우, 용액의 수위를 다르게 하기 위해서는 수면 부근에서 용액이 이동할 수 없도록 구획되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 상기 리튬 추출 장치에서, 분리막의 길이가 상기 산화전극 셀 및 환원전극 셀의 높이에 비해 짧고, 산화전극 셀 및 환원전극 셀 간에 이온채널이 개재되지 않은 영역은 리튬이온이 이동할 수 없도록 구획된 것이 바람직하다.
구체적으로, 산화전극 셀 및 환원전극 셀이 구획된 구조에서 리튬 추출용 분리막 자체를 짧게 하거나 분리막의 가장자리를 불투과성 소재로 몰딩함으로써 이온이 통과할 수 있는 영역의 길이가 상기 산화전극 셀 및 환원전극 셀의 높이에 비해 짧도록 구성할 수 있으며, 용액의 수면이 위치하는 셀 상부는 리튬이온이 이동할 수 없도록 구획되어 있는 구조로 장치를 제작할 수 있다. 예를 들어, 별개의 산화전극 셀 및 환원전극 셀 사이에 높이가 낮은 통로가 형성되고 통로 내에만 분리막이 개재된 구조를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서, 상기 리튬 추출 장치는 산화전극 셀과 연결되는 공급조(feeding counterpart, FC), 및 환원전극 셀과 연결되는 수집조(collecting counterpart, CC)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 공급조는 내부에 리튬이온 함유 용액을 수용하고, 산화전극 셀과 리튬이온 용액이 이동 가능하도록 연결되며, 상기 수집조는 내부에 산성 용액을 수용하고, 환원전극 셀과 산성 용액이 이동 가능하도록 연결될 수 있다.
이러한 구조에서, 산화전극 셀과 공급조 간 용액이 순환되어 산화전극 셀에 리튬이온이 지속적으로 공급될 수 있으며, 환원전극 셀과 수집조 간 용액 순환에 의해 환원전극 셀에 추출된 리튬이온은 수집조로 이동하면서 수집조의 산성 용액에 의해 수소이온이 지속적으로 공급될 수 있다. 이 때, 용액 순환을 위해 산화전극 셀과 공급조, 및 환원전극 셀과 수집조는 각각 유체 이송 펌프로 연결될 수 있으며, 장치는 상기 펌프를 구동하기 위한 구동부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 이온 수송 구조체는 이온 수송성 및 선택성이 우수하므로, 이를 리튬 추출 장치의 분리막으로 적용하는 경우 해수, 염수와 같이 다양한 이온을 포함하는 용액으로부터 고순도의 리튬을 효율적으로 추출할 수 있다.
실시예
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위하여 일부 실험방법과 조성을 나타낸 것으로, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 제한되는 것은 아니다.
제조예 1: 리튬이온 수송층 제조
리튬이온 수송층 제조를 위해 다층 그래핀 멤브레인(multi-layer graphene, MGM)의 결함 영역(defect site) 상에 선택적으로 MoS2 나노플레이크를 성장시켰다.
고순도의 Ni 호일(99.99%, 시그마 알드리치)를 CVD 반응기에 로딩한 후, 3 x 10-3torr 이하의 진공을 유지하고 반응기를 1,000℃ 이상으로 가열하였다. 30분간 열처리한 다음 Ar/H2 (10:1) 혼합물 및 CH4 가스를 반응기에 주입하고, 2분 후 반응기를 실온으로 냉각시켜 Ni 호일 상에 다층 그래핀 멤브레인(MGM)을 형성하였다.
다음으로, MGM의 일면에 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 코팅하고, MGM 하부 니켈을 Ni 식각액(UN2796 황산, Transene Company, Inc.)으로 식각하였다. PMMA로 지지된 MGM을 SiO2/Si 웨이퍼에 전사하고 아세톤을 이용하여 PMMA를 제거한 후 샘플을 MoS2 MOCVD 반응기에 로딩한 다음, Ar 가스로 몰리브덴 및 황 전구체를 주입하고 압력 및 온도를 10torr 및 650℃로 유지하여, MGM의 결함 부위 상에 나노플레이크 형태의 MoS2를 성장시켜 이온 수송 구조체(MFs-on-MGM)를 제작하였다.
제조예 2: 리튬이온 수송층을 이용한 리튬 추출 장치 제작
제조예 1의 리튬이온 수송층을 이용하여, 도 3의 구조를 갖는 리튬 추출 장치를 제작하였다.
제조예 1에서 제조한 리튬이온 수송층을 산화전극 알루미나(anodic aluminum oxide, AAO) 지지체에 상기 분리막을 전사하여 안정성을 확보하고, 도 4와 같이 Li+ 수송창의 직경 0.5cm를 제외한 가장자리 부분을 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 몰딩하여 분리막을 제조하였다.
상기 분리막을 전기화학 셀의 산화전극 셀 및 환원전극 셀 사이에 개재시키고, 산화전극 셀에 리튬 농도가 20ppm인 인공해수를 투입하고 환원전극 셀에 5mM의 HCl 용액을 투입하였으며, 각 셀에 전극을 위치시킨 후 두 전극을 외부 전압 바이어스로 연결하였다. 산화전극 및 환원전극으로는 백금(Pt) 와이어를 이용하였다.
또한, 산화전극 셀과 해수 순환이 가능한 공급조(feeding counterpart, FC) 및 환원전극 셀과 산성 용액 순환이 가능한 수집조(collecting counterpart, CC)를 각 셀에 연결하였으며 용액 순환을 위한 유체 이송 펌프(fluidic pump)를 도입하였다. 상기 공급조 및 수집조에 각각 약 1L의 해수 및 HCl 용액을 채워 리튬 추출 시스템을 제작하고, H-type 전기화학 셀을 이용하여 제작된 리튬 추출 시스템의 사진을 도 5에 나타내었다.
실험예 1: 주사전자현미경을 통한 리튬이온 수송층의 구조 분석
제조예 1의 리튬이온 수송층에 대해, JSM-7600(JEOL Ltd.)을 이용하여 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 분석을 수행하였다.
도 6의 좌측 이미지는 다층 그래핀 멤브레인(MGM)의 SEM 이미지를 나타낸 것으로, Ni 호일 상에 CVD로 성장시킨 MGM의 경우 표면에서 선형 네트워크 구조를 확인할 수 있다. 상기 MGM에 Ni 식각액을 적용한 경우 선형 네트워크 아래로 식각액이 침투하였으며, 이를 통해 상기 네트워크 구조가 MGM의 결정립계(grain boundary) 결함을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.
한편, 도 6의 우측 이미지는 MGM에 MoS2 나노플레이크를 성장시킨 후의 SEM 이미지를 나타낸다. 이를 참조하면, MoS2 나노플레이크의 성장이 대부분 MGM의 네트워크를 따라 이루어지고, 밀접하게 연결되어 선형을 이루는 것을 확인할 수 있다. 또한, 각 나노플레이크는 한 변의 길이가 일반적으로 80 내지 120nm인 삼각형 형상을 갖는 것으로 확인되었다.
도 7은 상기 리튬이온 수송층의 라만 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 것으로, 2D 및 G의 강도비(I2D/IG)가 0.63인 결과가 확인되었으며 이로부터 MGM이 10층 이하의 구조를 갖는 것을 알 수 있었다. 또한, E1 2g 모드(383.6cm-1)와 A1g 모드(406.1cm-1)의 차이가 22.5cm-1인 결과를 통해, MoS2 나노플레이크가 결정성을 나타내고 대부분 단층 또는 2층 구조임을 알 수 있었다.
실험예 2: 투과전자현미경을 통한 리튬이온 수송층의 구조 분석
제조예 1의 리튬이온 수송층에 대해, JEM-2100F(JEOL Ltd.)을 이용하여 투과전자현미경(TEM) 이미지를 얻고, 선택영역회절(selected area electron diffraction, SAED)을 통해 결정 구조를 분석하였다.
도 8은 리튬이온 수송층의 TEM 이미지를 나타낸 것으로, MoS2 나노플레이크가 점선으로 표시한 부분을 따라 연결되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 도 8에 붉은색으로 표시한 영역에 대한 선택영역회절 결과를 나타낸 것으로, 여러 쌍의 6각 패턴이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 상기 결정학적 분석 결과를 참조하면, 청색 및 적색 선으로 표시된 6-fold 대칭형 도트 패턴은 그래핀의 육방 허니콤 격자(hexagonal honeycomb lattice)에 대응되며, 황색 선으로 표시된 다른 육방 패턴은 MoS2를 나타낸다. 이로부터, MGM의 결정립계에 대응되는 것을 확인할 수 있다.
또한, MoS2 회절 패턴으로부터 얻은 도 10의 암시투과전자현미경(dark-field TEM, DF-TEM) 이미지를 참조하면, MGM의 결정립계가 대부분 MoS2 나노플레이크로 덮인 것을 확인할 수 있다.
이러한 선택적 성장 결과로부터, 그래핀의 결함이 Mo 및 S 흡착원자(adatom)의 흡착과 핵 생성 및 나노플레이크 성장에 유리하게 작용하고, 일부 분리된 나노플레이크가 그래핀의 공공(vacancy)과 같은 결함을 덮는 것으로 확인할 수 있다.
실험예 3: 리튬이온 수송층의 물질수송 특성 분석
제조예 1의 리튬이온 수송층에 대해 전해액 침투 실험을 수행하여 물질 수송 특성을 확인하였다.
물질의 이동량을 측정하기 위해, 도 11과 같이 전해액에 다층 그래핀 멤브레인(MGM) 및 제조예 1에서 제조한 이온 수송층(MFs-on-MGM)을 띄우고 0.1M LiCl 액적 10μL의 침투(permeation) 시간을 기록하였다. 액적 증발에 의한 감소를 고려하여, SiO2/Si 웨이퍼를 비교 샘플로 이용하였으며, 실험 사진을 도 12에 나타내었다.
도 12의 상단은 나노플레이크가 형성되지 않은 다층 그래핀 멤브레인에 대한 실험 사진으로, 다층 그래핀 상에 적하한 액적은 멤브레인을 통해 점차 침투하여 18분 내에 완전히 사라지는 결과를 보였다. 한편, 도 12 하단을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬이온 수송층 상의 액적은 SiO2/Si 기판 상의 액적과 같이 거의 침투하지 않고 원래의 크기가 유지되는 결과를 보였다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따라 제조한 이온 수송층의 경우 다층 그래핀의 결함 상에 나노플레이크가 성장되어 무분별한 물질 수송을 방지할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 4: 시간대전류법을 통한 리튬이온 수송층의 이온수송 특성 분석
시간대전류법(chronoamperometry, CA) 측정을 통해 제조예 1의 이온 수송층에 대한 이온수송 거동을 관찰하였다.
LiCl, NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2, NiCl2 및 CoCl2 전해액에 도 13과 같이 비활성 그래파이트 전극을 위치시키고 제조예 1의 이온 수송층을 분리막으로 적용하였으며, 전극간 바이어스 전압을 인가하여 시간대전류 그래프를 얻었다.
도 14의 시간대전류 그래프를 참조하면, 각 바이어스 스텝에서 전류가 순간적으로 증가하고 점차 특정 값으로 포화됨을 확인할 수 있다. 이와 같은 전류 스파이크는 그래파이트 전극의 전기이중층(EDL) 내의 이온 축적/방출에 의해 발생하는 용량 전류(Ic)에 대응되는 것이다. 반면, 전류가 특정 값으로 포화되는 현상은, 분리막을 통한 지속적인 이온 수송을 의미한다. 전해액별 커브를 비교하면, 다른 전해액들에 비해 LiCl 전해액의 이온수송 특성이 매우 우수함을 확인할 수 있다.
도 15는 IM 플롯 및 바이어스 전압에 따른 LiCl 및 다른 전해액의 상대 비율(즉, 리튬이온 선택성)을 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 제조예 1의 이온 수송층이 매우 우수한 리튬이온 선택성을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 음의 전압을 걸어 양이온이 1차 이온 채널 및 2차 이온 채널을 순차적으로 통과하도록 하는 경우 이온 선택성이 더욱 우수한 결과가 나타났다.
실험예 5: 시간대전류법을 통한 리튬 추출 확인
제조예 2의 리튬 추출 시스템에 대하여, 셀 전압 -1.5V 조건에서 시간대전류법(chronoamperometry)을 수행한 결과를 도 16에 나타내었다.
도 16을 참조하면, 리튬 추출 시스템의 수집조(CC)에서 연속적으로 리튬이온(Li+)이 추출되는 것을 확인할 수 있다. 또한 고순도의 Li+ 용액을 확보하기 위해 공급조(FC)의 용액을 이전 추출 공정에서 수득한 수집조(CC)의 용액으로 변경하는 방법으로 20시간 동안 Li+ 추출을 2회, 3회 및 4회 반복한 결과, 공급조(FC)의 몰농도 감소로 인하여 시간 및 횟수에 따라 점차 전류가 감소하기는 하지만 수치에 큰 변화는 없었다.
이를 통해, 본 발명의 이온 수송층을 리튬 추출 시스템에 적용하는 경우 이온수송 및 물분해 반응이 안정적으로 수행되며, 연속적인 반복 추출을 하는 경우에도 시스템이 안정적으로 구동되어 고순도 리튬 추출이 가능함을 확인할 수 있었다.
실험예 6: 유도결합 플라즈마 발광 분광법을 통한 리튬 추출 확인
제조예 2의 리튬 추출 시스템을 구동시켜 리튬이온(Li+)을 추출하고, 이 과정에서 유도결합 플라즈마 발광 분광법(ICP-OES)을 이용하여 공급조(FC) 및 수집조(CC)에서 용액의 조성 변화를 확인하였다.
도 17은 상기 ICP-OES 결과를 나타낸 것으로, 공급조(FC)의 인공해수에서 리튬이온(Li+) 농도가 23.4ppm에서 1.6ppm까지 약 95% 감소하는 결과가 나타났으며, 이로부터 수집조(CC)에 Li+이 추출됨을 확인할 수 있었다. 한편, 다른 양이온들도 소량 수집조(CC) 측으로 이동하였으나, 그 변화량은 매우 작은 것으로 확인되었다.
또한, 도 18은 수집조(CC)에서 다른 양이온에 대한 Li+의 농도비를 나타낸 그래프로서, 모든 원소가 10배 이상 감소하며, 추출 4회차에서는 Na+에 대한 Li+의 농도비가 1,672에서 0.11로 감소하고 다른 양이온은 검출되지 않는 결과가 나타났다.
상기 실험 결과로부터, 본 발명의 리튬 추출 시스템을 이용하면 고순도의 리튬을 효율적으로 추출할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상으로 본 발명의 내용의 특정부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 형태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (15)
- 결함(defect)을 갖는 2차원 나노물질로 이루어진 멤브레인(membrane); 및 상기 멤브레인의 일면에 위치하며, 상기 결함을 덮도록 형성된 나노플레이크(nanoflake)를 포함하고,
상기 결함에 의해 형성된 1차 이온 채널, 및 상기 멤브레인 및 나노플레이크 간의 층간 간격(interlayer gap)에 의해 형성된 2차 이온 채널을 갖는, 이온 수송 구조체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 멤브레인 및 나노플레이크가, 각각 독립적으로, 그래핀(graphene), 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMD), 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN) 및 할로겐화 페로브스카이트(halide perovskite)로 구성된 군에서 선택되는 나노물질로 이루어진, 이온 수송 구조체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 결함이 공공(vacancy) 및 결정립계(grain boundary)에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 이온 수송 구조체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 결함이 음전하(negative charge)를 띠는, 이온 수송 구조체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 멤브레인이 2 내지 20층의 2차원 나노물질을 포함하는 다층 구조인, 이온 수송 구조체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 1차 이온 채널의 크기가 1 내지 100nm인, 이온 수송 구조체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 2차 이온 채널의 크기가 0.2 내지 1nm인, 이온 수송 구조체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 이온이 리튬이온인, 이온 수송 구조체.
- 기판 상에 제1 나노물질을 증착시켜 결함을 갖는 2차원 나노물질로 이루어진 멤브레인을 형성하는 단계; 및
상기 멤브레인 상에 제2 나노물질을 증착시켜, 상기 결함 상에 나노플레이크를 형성하는 단계를 포함하는, 이온 수송 구조체 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제1 나노물질의 증착 및 제2 나노물질의 증착이 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)으로 수행되는, 이온 수송 구조체 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제1 나노물질의 증착이 800 내지 1,200℃의 온도에서 수행되고,
상기 제2 나노물질의 증착이 500 내지 900℃의 온도에서 수행되는, 이온 수송 구조체 제조방법.
- 산화전극(anode) 및 리튬이온 함유 용액을 포함하는 산화전극 셀(anodic cell);
환원전극(cathode) 및 산성 용액을 포함하는 환원전극 셀(cathodic cell); 및
상기 산화전극 셀 및 환원전극 셀 사이에 개재된, 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 이온 수송 구조체를 포함하는, 리튬 추출 장치.
- 제 12 항에 있어서,
상기 환원전극 셀의 산성 용액의 수위(solution level)가 산화전극 셀의 리튬이온 함유 용액의 수위보다 낮은, 리튬 추출 장치.
- 제 12 항에 있어서,
상기 리튬이온 함유 용액이 해수(seawater) 또는 염수(brine)를 포함하는, 리튬 추출 장치.
- 제 12 항에 있어서,
상기 산성 용액이 염산(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3) 및 인산(H2PO4)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 산을 포함하는, 리튬 추출 장치.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220087539A KR20240010240A (ko) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 결함을 갖는 2차원 나노물질을 이용한 이온 수송 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 추출 장치 |
| PCT/KR2023/010198 WO2024014936A1 (ko) | 2022-07-15 | 2023-07-17 | 결함을 갖는 2차원 나노물질을 이용한 이온 수송 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 추출 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220087539A KR20240010240A (ko) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 결함을 갖는 2차원 나노물질을 이용한 이온 수송 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 추출 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20240010240A true KR20240010240A (ko) | 2024-01-23 |
Family
ID=89537147
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220087539A KR20240010240A (ko) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 결함을 갖는 2차원 나노물질을 이용한 이온 수송 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 추출 장치 |
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-
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| WO2024014936A1 (ko) | 2024-01-18 |
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