KR20240091470A - A method for designing low-dimensional complex materials using crystalline growth and chemical reaction analysis - Google Patents

A method for designing low-dimensional complex materials using crystalline growth and chemical reaction analysis Download PDF

Info

Publication number
KR20240091470A
KR20240091470A KR1020220174411A KR20220174411A KR20240091470A KR 20240091470 A KR20240091470 A KR 20240091470A KR 1020220174411 A KR1020220174411 A KR 1020220174411A KR 20220174411 A KR20220174411 A KR 20220174411A KR 20240091470 A KR20240091470 A KR 20240091470A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nio
rgo
dimensional
crystal growth
heat treatment
Prior art date
Application number
KR1020220174411A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
안해준
허승헌
Original Assignee
한국세라믹기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국세라믹기술원 filed Critical 한국세라믹기술원
Priority to KR1020220174411A priority Critical patent/KR20240091470A/en
Publication of KR20240091470A publication Critical patent/KR20240091470A/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G53/00Compounds of nickel
    • C01G53/04Oxides; Hydroxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
    • C01B32/194After-treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
    • C01B32/198Graphene oxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/80Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
    • C01P2002/88Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70 by thermal analysis data, e.g. TGA, DTA, DSC

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본 발명은 차원이 다른 저차원(0차원, 2차원) 혼합소재에서 혼합조건 및 열처리에 따른 결정성장과 화학반응을 함께 측정하여, 결정성장, 화학반응이 서로 다른 새로운 복합소재를 설계하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 「(a) 2차원의 그래핀 소재와 0차원의 금속산화물 나노분말을 혼합한 혼합물을 얻는 단계; (b) 상기 혼합물을 비산화 분위기에서 열처리하는 단계; (c) 상기 혼합물을 열처리 함에 따른 그래핀 소재와 금속산화물 나노분말 각각의 성장도와, 소재간 상호 화학반응도를 동시에 측정하는 단계; 및 (d) 상기 (c)단계에서 측정된 데이터를 기반으로 그래핀-금속산화물 복합체를 설계하는 단계; 를 포함하는 결정성장과 화학반응 분석을 통한 저차원 복합소재 설계 방법」을 제공한다.
The present invention is a method of designing new composite materials with different crystal growth and chemical reactions by measuring crystal growth and chemical reactions according to mixing conditions and heat treatment in low-dimensional (0-dimensional, 2-dimensional) mixed materials of different dimensions. It's about.
The present invention includes the steps of “(a) obtaining a mixture of a two-dimensional graphene material and a zero-dimensional metal oxide nanopowder; (b) heat treating the mixture in a non-oxidizing atmosphere; (c) simultaneously measuring the growth rate of each graphene material and metal oxide nanopowder and the mutual chemical reactivity between the materials as a result of heat treatment of the mixture; and (d) designing a graphene-metal oxide composite based on the data measured in step (c); Provides a “low-dimensional composite material design method through crystal growth and chemical reaction analysis, including .”

Description

결정성장과 화학반응 분석을 통한 저차원 복합소재 설계 방법{A method for designing low-dimensional complex materials using crystalline growth and chemical reaction analysis}{A method for designing low-dimensional complex materials using crystalline growth and chemical reaction analysis}

본 발명은 차원이 다른 저차원(0차원, 2차원) 혼합소재에서 혼합조건 및 열처리에 따른 결정성장과 화학반응을 함께 측정하여, 결정성장, 화학반응이 서로 다른 새로운 복합소재를 설계하는 방법에 관한 것이다.The present invention is a method of designing new composite materials with different crystal growth and chemical reactions by measuring crystal growth and chemical reactions according to mixing conditions and heat treatment in low-dimensional (0-dimensional, 2-dimensional) mixed materials of different dimensions. It's about.

CTR(Carbothermal Reduction)은 탄소계 소재를 산화제로 하여 열처리를 통해 금속 산화물을 환원시키는 방법이다. Carbothermal Reduction (CTR) is a method of reducing metal oxides through heat treatment using a carbon-based material as an oxidizing agent.

그래핀 제조법의 발전과 더불어 최근에는 기존 탄소계 소재 대신 그래핀을 산화제로 사용하는 방법이 도출되었는 바 이를 GTR(Graphenothermal Reduction)이라 한다. CTR/GTR은 순수한 금속을 얻고 에너지 관련 응용 분야에 중요하다는 결과들이 발표되고 있으며[선행기술문헌 중 비특허문헌 1~3] 특히, 그래핀/NiO의 나노 혼합상은 바인더가 없는 전극, 리튬 이온 배터리, 전기화학 촉매에 사용될 수 있다. 이들 CTR/GTR 연구 대부분은 반응 온도를 낮추거나, 단순 혼합물(고도로 복합화된 소재가 아님)에 대한 응용성에만 초점을 맞추고 있다(선행기술문헌 중 비특허문헌 1~6]).With the development of graphene manufacturing methods, a method of using graphene as an oxidizing agent instead of existing carbon-based materials has recently been developed, which is called GTR (Graphenothermal Reduction). Results have been published showing that CTR/GTR is important for obtaining pure metals and for energy-related applications [non-patent documents 1 to 3 among prior art documents]. In particular, the nano mixed phase of graphene/NiO is used as a binder-free electrode and lithium ion battery. , can be used in electrochemical catalysts. Most of these CTR/GTR studies focus only on lowering the reaction temperature or applicability to simple mixtures (not highly complex materials) (non-patent documents 1 to 6 among prior art documents).

그러나 GTR에 대한 정확한 분석결과를 토대로 나노 수준의 프로세스/메커니즘를 제안하는 경우는 거의 없으며, 메카니즘 분석에 따른 다변화된 복합소재 디자인 가능성을 보여주지 못하고 있다. 이 분야는 아직 기술 개발 초기단계이므로, 본 발명의 결과를 통해 크게 활성화될 것으로 기대하고 있다.However, there are few cases where nano-level processes/mechanisms are proposed based on accurate analysis results for GTR, and the possibility of diversified composite material design based on mechanism analysis is not shown. Since this field is still in the early stages of technological development, it is expected that it will be greatly revitalized through the results of this invention.

1. 공개특허 10-2020-0121088 "그래핀-금속산화물 나노입자 복합소재의 제조방법"1. Publication Patent No. 10-2020-0121088 “Method for manufacturing graphene-metal oxide nanoparticle composite material” 2. 등록특허 10-1595625 "금속산화물/그래핀 복합 마이크로입자 및 이를 포함하는 리튬 이차전지용 양극"2. Registered Patent 10-1595625 “Metal oxide/graphene composite microparticles and anode for lithium secondary battery containing same” 3. 등록특허 10-1406371 "3차원 구조의 금속 또는 금속산화물/그래핀 나노복합체 및 이의 제조 방법"3. Registered Patent 10-1406371 “Three-dimensional metal or metal oxide/graphene nanocomposite and method of manufacturing the same” 4. 등록특허 10-1622099 "그래핀-금속산화물 나노입자 하이브리드 소재 제조 방법"4. Registered Patent 10-1622099 “Method for manufacturing graphene-metal oxide nanoparticle hybrid material”

1. S. Vijayan, R. Narasimman, K. Prabhakaran, Mater. Lett. 181 (2016) 268-271.1. S. Vijayan, R. Narasimman, K. Prabhakaran, Mater. Lett. 181 (2016) 268-271. 2. S. Bakhshandeh, N. Setoudeh, M. Ali Askari Zamani, A. Mohassel, J. Min. Metall. Sect. B-Metal 54 (2018) 313-322.2. S. Bakhshandeh, N. Setoudeh, M. Ali Askari Zamani, A. Mohassel, J. Min. Metall. Sect. B-Metal 54 (2018) 313-322. 3. H. Pant, S. Petnikota, V.S.S.S. Vadali, ECS J. Solid State Sci. and Technol. 10 (2021) 031002-031007.3. H. Pant, S. Petnikota, V.S.S.S. Vadali, ECS J. Solid State Sci. and Technol. 10 (2021) 031002-031007. 4. E.S. Agudosi, E.C. Abdullah, A. Numan, N.M. Mubarak, S.R.Aid.R. Benages-Vilau, P. Gomez-Romero, et al. Nature 10 (2020) 11214.4. E.S. Agudosi, E.C. Abdullah, A. Numan, N.M. Mubarak, S.R.Aid.R. Benages-Vilau, P. Gomez-Romero, et al. Nature 10 (2020) 11214. 5. F. Li, X. Jiang, J. Zhao, S. Zhang, Nano Energy 16 (2015) 488.5. F. Li, X. Jiang, J. Zhao, S. Zhang, Nano Energy 16 (2015) 488. 6. K. Chu, Y-P. Liu, J. Wang, H. Zhang, Appl. Energy Mater. 2 (2019) 2288-2295.6. K. Chu, Y-P. Liu, J. Wang, H. Zhang, Appl. Energy Mater. 2 (2019) 2288-2295. 7. S.H. Huh, Physics and Applications of Graphene (INTECH), Chapter 5 (2011) 73-90.7. S.H. Huh, Physics and Applications of Graphene (INTECH), Chapter 5 (2011) 73-90. 8. H.-M. Ju, S.H. Huh, S.-H. Choi, H.-L. Lee, Mater. Lett. 64 (2010) 357.8. H.-M. Ju, S.H. Huh, S.-H. Choi, H.-L. Lee, Mater. Lett. 64 (2010) 357. 9. D. Losic, F. Farivar, P.L. Yap, A. Karami, Anal. Chem. 93 (2021) 11859-11867.9. D. Losic, F. Farivar, P.L. Yap, A. Karami, Anal. Chem. 93 (2021) 11859-11867. 10. F. Farivar, P.L. Yap, K. Hassan, T.T. Tung, D.N.H. Tran, A.J. Pollard, D. Losic, Carbon 179 (2021) 505-513.10. F. Farivar, P.L. Yap, K. Hassan, T.T. Tung, D.N.H. Tran, A.J. Pollard, D. Losic, Carbon 179 (2021) 505-513. 11. F. Farivar, P.L. Yap, R.U. Karunagaran, D. Losic, J. Carbon Research C 7 (2021) 41.11. F. Farivar, P.L. Yap, R.U. Karunagaran, D. Losic, J. Carbon Research C 7 (2021) 41. 12. A.I. Rusanov, Surf. Sci. Rep. 69 (2014) 296.12. A.I. Rusanov, Surf. Sci. Rep. 69 (2014) 296. 13. S.H. Huh, Carbon 78 (2014) 617.13. S.H. Huh, Carbon 78 (2014) 617. 14. T.O. Drews, M. Tsapatsis, Microporous and Mesoporous Mater. 101 (2007) 97-107.14.T.O. Drews, M. Tsapatsis, Microporous and Mesoporous Mater. 101 (2007) 97-107. 15. T.J. Woehl, C. Park, J.E. Evans, I. Arslan, W.D. Ristenanoparticleart, N.D. Browning, Nano Lett. 14 (2014) 373-378.15. T.J. Woehl, C. Park, J.E. Evans, I. Arslan, W.D. Ristenanoparticleart, N.D. Browning, Nano Lett. 14 (2014) 373-378. 16. M. Zhang, M.Y. Efremov, F. Schiettekatte, E.A. Olson, A.T. Kwan, S.L. Lai, et al. Phys. Rev. B 62 (2000) 10548.16. M. Zhang, M.Y. Efremov, F. Schiettekatte, E.A. Olson, A.T. Kwan, S.L. Lai, et al. Phys. Rev. B 62 (2000) 10548.

본 발명은 저차원 나소소재(2차원 그래핀 소재 및 0차원 금속산화물 나노분말) 혼합물을 열처리하여 복합소재를 제조함에 있어, 결정성장 및 화학반응에 관한 정밀 측정, 평가 기술을 적용함으로써 파악되는 차원(dimension)이 다른 소재의 조건별(소재 조성, 열처리 온도 등) 변화 상태 데이터에 기반하여, 산업상 필요에 따라 복합소재를 설계할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.The present invention manufactures a composite material by heat-treating a mixture of low-dimensional nanomaterials (2-dimensional graphene material and 0-dimensional metal oxide nanopowder), and determines the dimension by applying precise measurement and evaluation technology regarding crystal growth and chemical reaction. The purpose is to be able to design composite materials according to industrial needs based on change state data for each material condition (material composition, heat treatment temperature, etc.) of different dimensions.

전술한 과제 해결을 위해 본 발명은 「(a) 2차원의 그래핀 소재와 0차원의 금속산화물 나노분말을 혼합한 혼합물을 얻는 단계; (b) 상기 혼합물을 비산화 분위기에서 열처리하는 단계; (c) 상기 혼합물을 열처리 함에 따른 그래핀 소재와 금속산화물 나노분말 각각의 성장도와, 소재간 상호 화학반응도를 동시에 측정하는 단계; 및 (d) 상기 (c)단계에서 측정된 데이터를 기반으로 그래핀-금속산화물 복합체를 설계하는 단계; 를 포함하는 결정성장과 화학반응 분석을 통한 저차원 복합소재 설계 방법」을 제공한다.In order to solve the above-mentioned problem, the present invention includes the steps of “(a) obtaining a mixture of a two-dimensional graphene material and a zero-dimensional metal oxide nanopowder; (b) heat treating the mixture in a non-oxidizing atmosphere; (c) simultaneously measuring the growth rate of each graphene material and metal oxide nanopowder and the mutual chemical reactivity between the materials as a result of heat treatment of the mixture; and (d) designing a graphene-metal oxide composite based on the data measured in step (c); Provides a “low-dimensional composite material design method through crystal growth and chemical reaction analysis, including .”

상기 (a)단계에서는 RGO(Reduced Graphene Oxide) 및 NiO 나노분말을 혼합하고, 상기 (b)단계에서는 380℃ 이상으로 열처리할 수 있다.In step (a), RGO (Reduced Graphene Oxide) and NiO nanopowder are mixed, and in step (b), heat treatment can be performed at 380°C or higher.

이에 따라 상기 (a)단계에서는 RGO 대비 NiO 나노분말을 30 wt% 이하(0wt% 제외) 혼합하고, 상기 (c)단계에서는 열처리에 따른 RGO 두께 성장, NiO 결정 성장 및 NiO의 부분적 환원반응을 측정하거나,Accordingly, in step (a), 30 wt% or less (excluding 0 wt%) of NiO nanopowder compared to RGO was mixed, and in step (c), RGO thickness growth, NiO crystal growth, and partial reduction reaction of NiO were measured according to heat treatment. do or,

상기 (a)단계에서는 RGO 대비 NiO 나노분말을 30~75 wt% 혼합하고, 상기 (c)단계에서는 열처리에 따른 RGO 두께 감소, NiO 결정 성장 및 NiO의 부분적 환원반응을 측정하거나,In step (a), 30 to 75 wt% of NiO nanopowder is mixed with RGO, and in step (c), the RGO thickness reduction, NiO crystal growth, and partial reduction reaction of NiO due to heat treatment are measured, or

상기 (a)단계에서는 RGO 대비 NiO 나노분말을 75 wt% 이상 혼합하고, 상기 (c)단계에서는 열처리에 따른 RGO 두께 감소, NiO 결정 직경 감소 및 환원된 Ni 생성량을 측정할 수 있다.In step (a), more than 75 wt% of NiO nanopowder compared to RGO is mixed, and in step (c), the decrease in RGO thickness, decrease in NiO crystal diameter, and amount of reduced Ni produced due to heat treatment can be measured.

상기 (c)단계에서는 열중량 분석(TGA, thermogravimetric analysis) 및 XRD 분석을 함께 적용할 수 있다.In step (c), thermogravimetric analysis (TGA) and XRD analysis can be applied together.

종래에 의도적으로 특정 물성 발현을 위한 복합소재 설계는 불가능했으나,Previously, it was impossible to intentionally design composite materials to express specific physical properties.

본 발명에 따르면 전극, 리튬 이온 배터리, 전기화학 촉매 분야에서 요구되는 다양한 스펙에 맞춘 복합소재 타겟 설계가 가능하다.According to the present invention, it is possible to design a composite material target tailored to various specifications required in the fields of electrodes, lithium-ion batteries, and electrochemical catalysts.

[도 1]은 열처리 전·후 샘플들의 FE-SEM 이미지를 나타낸 것이다.
[도 2]는 RGOII/NiOII-5 샘플 FE-SEM 이미지의 배율을 높여 다공성 구조 및 RGO 표면에 단단히 결합된 나노입자를 나타낸 것이다..
[도 3]은 열처리 전·후 샘플들의 XRD 패턴 변화를 나타낸 것이다.
[도 4]는 열중량 분석(TGA)에 따른 TGA 곡선 및 DTA 곡선을 나타낸 것이다.
[도 5]는 RGO 대비 NiO의 중량비에 따른 RGO와 NiO의 XRD 데이터들을 나타낸 것이다.
[Figure 1] shows FE-SEM images of samples before and after heat treatment.
[Figure 2] shows the porous structure and nanoparticles tightly bound to the RGO surface by increasing the magnification of the FE-SEM image of the RGO II /NiO II -5 sample.
[Figure 3] shows changes in XRD patterns of samples before and after heat treatment.
[Figure 4] shows the TGA curve and DTA curve according to thermogravimetric analysis (TGA).
[Figure 5] shows XRD data of RGO and NiO according to the weight ratio of NiO to RGO.

본 발명은 「(a) 2차원의 그래핀 소재와 0차원의 금속산화물 나노분말을 혼합한 혼합물을 얻는 단계; (b) 상기 혼합물을 비산화 분위기에서 열처리하는 단계; (c) 상기 혼합물을 열처리 함에 따른 그래핀 소재와 금속산화물 나노분말 각각의 성장도와, 소재간 상호 화학반응도를 동시에 측정하는 단계; 및 (d) 상기 (c)단계에서 측정된 데이터를 기반으로 그래핀-금속산화물 복합체를 설계하는 단계; 를 포함하는 그래핀-금속산화물 복합체 설계 방법」을 제공한다.The present invention includes the steps of “(a) obtaining a mixture of two-dimensional graphene material and zero-dimensional metal oxide nanopowder; (b) heat treating the mixture in a non-oxidizing atmosphere; (c) simultaneously measuring the growth rate of each graphene material and metal oxide nanopowder and the mutual chemical reactivity between the materials as a result of heat treatment of the mixture; and (d) designing a graphene-metal oxide composite based on the data measured in step (c); Provides a “graphene-metal oxide composite design method including.”

상기 (a)단계는 2차원의 그래핀 소재와 0차원의 금속산화물 나노분말을 혼합한 혼합물을 얻는 단계이다.Step (a) is a step of obtaining a mixture of two-dimensional graphene material and zero-dimensional metal oxide nanopowder.

본 발명에서 2차원의 그래핀 소재는 그래핀 층의 적층수가 적어 판형을 이루고 있는 소재를 의미하며, 10층 이하로 적층된 RGO(Reduced Graphene Oxide)를 예시할 수 있다. RGO에는 황(S), 질소(N)와 같은 도핑원소가 포함될 수 있으며, 도핑원소에는 알카리 이온, 음이온들이 일부 포함될 수 있다. 본 발명에 적용되는 2차원 그래핀 소재에는 전술한 도핑원소들이 포함된 그래핀 소재도 포함될 수 있다. In the present invention, a two-dimensional graphene material refers to a material that forms a plate shape with a small number of graphene layers, and an example may be RGO (Reduced Graphene Oxide) stacked with 10 or less layers. RGO may contain doping elements such as sulfur (S) and nitrogen (N), and the doping elements may include some alkaline ions and anions. The two-dimensional graphene material applied to the present invention may also include graphene material containing the above-described doping elements.

0차원의 금속산화물 나노분말은 NiO 나노분말을 예시할 수 있으며, 설계하고자 하는 복합체의 요구 물성에 따라 다양한 금속산화물 나노분말을 본 발명에 적용할 수 있다.An example of a zero-dimensional metal oxide nanopowder is NiO nanopowder, and various metal oxide nanopowders can be applied to the present invention depending on the required physical properties of the composite to be designed.

2차원 그래핀 소재 중량을 기준으로 금속산화물 나노분말의 혼합량을 필요에 따라 조절할 수 있으며, 반대로 금속산화물 나노분말 중량을 기준으로 2차원 그래핀 소재를 혼합할 수 있다. The mixing amount of metal oxide nanopowder can be adjusted as needed based on the weight of the two-dimensional graphene material, and conversely, the two-dimensional graphene material can be mixed based on the weight of the metal oxide nanopowder.

상기 (b)단계는 상기 혼합물을 비산화 분위기에서 열처리하는 단계이다. 본 (b)단계에서는 열처리는 반응 챔버 내에 질소를 주입하는 등으로 산소를 차단된 상태로 온도를 높여주는 방식으로 진행할 수 있으며, GTR(graphenothemal reduction) 반응이 시작되는 380℃ 이상으로 열처리가 이루어지도록 할 수 있다. 일반적인 CTR(Cabothermal reduction) 반응을 참고하여, 2차원 그래핀 소재와 금속산화물 나노분말의 종류와 함량에 따라 열처리 온도를 1,500℃까지 높일 수 있다.Step (b) is a step of heat treating the mixture in a non-oxidizing atmosphere. In this step (b), heat treatment can be carried out by increasing the temperature while blocking oxygen, such as by injecting nitrogen into the reaction chamber. can do. Referring to the general CTR (Cathermal reduction) reaction, the heat treatment temperature can be increased to 1,500°C depending on the type and content of the two-dimensional graphene material and metal oxide nanopowder.

상기 (c)단계는 혼합물을 열처리 함에 따른 그래핀 소재와 금속산화물 나노분말 각각의 성장도와, 소재간 상호 화학반응도를 동시에 측정하는 단계이다. 본 발명에서의 "성장도"는 성장과 감소를 모두 포함하는 개념이다.Step (c) is a step of simultaneously measuring the growth rate of each graphene material and metal oxide nanopowder and the mutual chemical reactivity between the materials as the mixture is heat treated. “Growth” in the present invention is a concept that includes both growth and decline.

그래핀 소재의 성장/감소는 두께(층수) 성장/두께(층수) 감소를 의미하는 것이며, 금속산화물 나노분말의 성장은 결정 크기(직경) 성장/결정 크기(직경) 감소를 의미하는 것이다. 본 명세서에서는 그래핀 소재의 두께와 금속산화물 결정 크기를 모두 Dsize로 표기한다. 열처리 온도 및 소재 혼합비에 따라 그래핀 소재와 금속산화물의 성장도와 소재간 상호 화학반응도가 달라질 수 있으며, 조건에 따라 그래핀 소재의 두께 성장 또는 감소, 금속산화물 나노분말의 결정 크기 성장 또는 감소가 이루어질 수 있다. Growth/decrease of graphene material means growth/decrease in thickness (number of layers), and growth of metal oxide nanopowder means growth/decrease in crystal size (diameter). In this specification, both the thickness of the graphene material and the metal oxide crystal size are expressed as D size . Depending on the heat treatment temperature and material mixing ratio, the growth rate of the graphene material and the metal oxide and the mutual chemical reactivity between the materials may vary. Depending on the conditions, the thickness of the graphene material may grow or decrease, and the crystal size of the metal oxide nanopowder may grow or decrease. You can.

본 (c)단계에서는 열중량 분석(TGA, thermogravimetric analysis) 및 XRD 분석을 함께 적용하여 상기 성장도와 화학반응도를 동시 측정할 수 있다. 이에 관한 구체적 사항은 시험예와 함께 설명하기로 한다.In this step (c), thermogravimetric analysis (TGA) and XRD analysis can be applied together to simultaneously measure the growth rate and chemical reactivity. Specific details regarding this will be explained along with test examples.

상기 (d)단계는 상기 (c)단계에서 측정된 데이터를 기반으로 그래핀-금속산화물 복합체를 설계하는 단계이다. 상기 (c)단계에서 열처리 온도, 소재 혼합비, 소재간 상호 화학반응 등에 따라 혼합된 소재들의 성장도 및 화학반응도를 측정하여 측정된 데이터를 레퍼런스로 하여, 2차전지, 배터리 등 산업계의 다양한 소요 물성에 맞추어 그래핀-금속산화물 복합체를 설계할 수 있다. Step (d) is a step of designing a graphene-metal oxide composite based on the data measured in step (c). In step (c) above, the growth rate and chemical reactivity of the mixed materials are measured according to the heat treatment temperature, material mixing ratio, and mutual chemical reaction between materials, and the measured data is used as a reference to determine various physical properties required in the industry such as secondary cells and batteries. A graphene-metal oxide composite can be designed according to this.

구체적 시험데이터와 함께 후술하겠으나, 상기 (a)단계에서 RGO 대비 NiO 나노분말을 30 wt% 이하(0wt% 제외) 혼합하는 경우, 380℃ 이상의 열처리를 진행하여 RGO 두께 성장, NiO 결정 성장 및 NiO의 부분적 환원반응이 이루어지고, 상기 (c)단계에서는 이들의 데이터를 측정하여 관련 레퍼런스를 얻을 수 있다. As will be described later with specific test data, when mixing 30 wt% or less (excluding 0 wt%) of NiO nanopowder compared to RGO in step (a), heat treatment at 380°C or higher is performed to achieve RGO thickness growth, NiO crystal growth, and NiO A partial reduction reaction occurs, and in step (c), the relevant reference can be obtained by measuring the data.

또한, 상기 (a)단계에서 RGO 대비 NiO 나노분말을 30~75 wt% 혼합하는 경우, 380℃ 이상의 열처리를 진행하여 RGO 두께 감소, NiO 결정 성장 및 NiO의 부분적 환원반응이 이루어지고, 상기 (c)단계에서는 이들의 데이터를 측정하여 관련 레퍼런스를 얻을 수 있다. In addition, when mixing 30 to 75 wt% of NiO nanopowder compared to RGO in step (a), heat treatment at 380 ° C or higher is performed to reduce the thickness of RGO, grow NiO crystals, and partially reduce NiO, and (c) ) step, these data can be measured to obtain relevant references.

또한, 상기 (a)단계에서 RGO 대비 NiO 나노분말을 75 wt% 이상 혼합하는 경우, 380℃ 이상의 열처리를 진행하여 RGO 두께 감소, NiO 결정 감소 및 환원된 Ni가 생성되고, 상기 (c)단계에서는 이들의 데이터를 측정하여 관련 레퍼런스를 얻을 수 있다. In addition, when 75 wt% or more of NiO nanopowder compared to RGO is mixed in step (a), heat treatment at 380°C or higher is performed to reduce the thickness of RGO, reduce NiO crystals, and generate reduced Ni, and in step (c), By measuring their data, relevant references can be obtained.

이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail along with specific examples.

1. 샘플 제작1. Sample production

2차원 그래핀 소재로는 두께가 10층 이하인 RGO(Reduced Graphene Oxide)를 적용하고, 0차원 금속산화물 나노분말로는 직경 50~200 nm의 NiO 나노입자를 적용하였다(직경은 결정 크기(crystalline size)와 다를 수 있음). As a two-dimensional graphene material, RGO (Reduced Graphene Oxide) with a thickness of 10 layers or less was used, and as a zero-dimensional metal oxide nanopowder, NiO nanoparticles with a diameter of 50 to 200 nm were used (the diameter is the crystalline size). ) may be different).

상기 RGO는 그래핀 옥사이드(GO : Graphene Oxide)를 화학적으로 환원시켜 제조한 것으로, ZrO2-볼 밀링에 의해 이소프로필 알코올에 분산시켰다. 이후 상기 NiO 나노입자를 RGO 분산액에 혼합하여 분산시키고 0.5시간 동안 초음파 처리하였다. The RGO was manufactured by chemically reducing graphene oxide (GO), and was dispersed in isopropyl alcohol by ZrO 2 -ball milling. Afterwards, the NiO nanoparticles were mixed and dispersed in the RGO dispersion and sonicated for 0.5 hours.

순수한 열화학 반응에 의한 결정성장과 화학환원 반응을 모니터링 하기 위해 분산제나 계면활성제는 전혀 사용하지 않았다. 그러나 결정성장과 화학환원 반응에 관한 정확한 메카니즘이 규명된 이후에는 분산성을 향상시키기 위해 분산제, 계면활성제, 기타 첨가제, 용매들을 첨가하거나 변화시킬 수 있다.To monitor crystal growth and chemical reduction reactions by pure thermochemical reactions, no dispersants or surfactants were used. However, after the exact mechanism of crystal growth and chemical reduction reaction is identified, dispersants, surfactants, other additives, and solvents can be added or changed to improve dispersibility.

RGO와 NiO의 중량비에 따라 아래 [표 1]과 같은 샘플을 제작하였다.Samples as shown in [Table 1] below were produced according to the weight ratio of RGO and NiO.

열처리 전 샘플군은 전술한 바와 같이 초음파 처리된 분산액을 30℃에서 10시간 동안 진공 건조한 것이고, 열처리 후 샘플은 비산화분위기에서 600℃까지 승온 가열한 것이다. 열중량 분석(TGA : thermogravimetric analysis)을 위한 TGA 분석기는 DTG(derivative TG) 분석 기능을 갖추고 있으며, 비산화성 분위기를 위해 질소가스를 분당 20 ㎖ 투여하였다. 승온 속도는 분당 10℃로 설정하였다. 열처리 전·후 각 샘플에 대해서는 X선 회절(XRD), 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM) 및 X선 분산 분광법(EDS)으로 분석하였다.The sample group before heat treatment was the sonicated dispersion as described above and vacuum-dried at 30°C for 10 hours, and the sample after heat treatment was heated to 600°C in a non-oxidizing atmosphere. The TGA analyzer for thermogravimetric analysis (TGA) is equipped with a derivative TG (DTG) analysis function, and nitrogen gas was administered at 20 ml per minute to create a non-oxidizing atmosphere. The temperature increase rate was set at 10°C per minute. Each sample before and after heat treatment was analyzed by X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), and X-ray dispersive spectroscopy (EDS).

2. FE-SEM 및 EDS 분석2. FE-SEM and EDS analysis

[도 1]은 열처리 전·후 샘플들의 FE-SEM 이미지를 나타낸 것이다. [Figure 1] shows FE-SEM images of samples before and after heat treatment.

NiO 나노입자의 양을 늘리면 응집이 촉진된다. NiO 나노입자 응집 상태는 [도 1]에서 화살표로 지시한 부분에서 확인할 수 있다.Increasing the amount of NiO nanoparticles promotes aggregation. The state of NiO nanoparticle aggregation can be confirmed at the part indicated by the arrow in [Figure 1].

열처리 전 샘플인 RGOI, RGOI/NiOI-1은 편평한 형태를 나타내는 반면, 대응하는 열처리 후 샘플인 RGO, RGO/NiO-1에서는 주름이 관찰된다. The samples before heat treatment, RGO I and RGO I /NiO I -1, show a flat shape, while wrinkles are observed in the corresponding samples after heat treatment, RGO and RGO /NiO -1.

한편, EDS에 따른 관찰 결과, 산소의 몰 함량이 열처리 전 8.6%(RGOI: C91.4O8.6)에서 열처리 후 3.3%(RGO: C96.7O3.3)로 감소한 것으로 나타났다. 열처리에 따라 RGO에서 잔류 산소 작용기(Oxygen functional group)가 제거되기 때문이다.Meanwhile, the observation results according to EDS showed that the molar content of oxygen decreased from 8.6% (RGO I : C 91.4 O 8.6 ) before heat treatment to 3.3% (RGO II : C 96.7 O 3.3 ) after heat treatment. This is because residual oxygen functional groups are removed from RGO following heat treatment.

[도 2]는 RGO/NiO-5 샘플 FE-SEM 이미지의 배율을 높인 것으로 CO, CO2 가스 방출에 따라 형성된 다공성 구조와 급격한 화학 반응으로 RGO 표면에 단단히 결합된 나노입자를 보여준다. [Figure 2] is an increased magnification of the FE-SEM image of the RGO /NiO -5 sample, showing the porous structure formed by the release of CO and CO 2 gases and the nanoparticles tightly bound to the RGO surface through rapid chemical reaction.

3. XRD 패턴 분석3. XRD pattern analysis

[도 2]는 열처리 전·후 샘플들의 XRD 패턴 변화를 나타낸 것이다. [Figure 2] shows the change in XRD patterns of samples before and after heat treatment.

가열 후 RGOI 및 NiOI 피크는 어닐링에 의한 결정 성장으로 인해 더 높은 2θ 값으로 이동하고 FWHM(full width at half maximum)은 좁아진 형태를 보여준다.After heating, the RGO I and NiO I peaks shift to higher 2θ values due to crystal growth by annealing, and the full width at half maximum (FWHM) shows a narrowed form.

RGO/NiO-5에서는 새롭게 형성된 Ni 금속 피크가 관찰된다.In RGO II /NiO II -5, a newly formed Ni metal peak is observed.

4. TGA 및 DTA 곡선4. TGA and DTA curves

[도 3]은 열중량 분석(TGA)에 따른 중량 손실율 및 DTA 곡선을 나타낸 것이다.[Figure 3] shows the weight loss rate and DTA curve according to thermogravimetric analysis (TGA).

RGOI 샘플을 열처리하여 RGO가 될 때, 중량 손실율이 9.4%인 반면, RGOI/NiOI-1 내지 RGOI/NiOI-5를 열처리하여 RGO/NiO-1 내지 RGO/NiO-5가 될 때의 중량 손실율은 각각 19.5%, 20.5%, 21%, 20% 및 25.4%로 나타났다.When the RGO I sample is heat treated to become RGO II , the weight loss rate is 9.4%, while RGO I /NiO I -1 to RGO I /NiO I -5 are heat treated to become RGO /NiO -1 to RGO /NiO The weight loss rates at -5 were 19.5%, 20.5%, 21%, 20%, and 25.4%, respectively.

RGO의 DTG 곡선은 180~200℃ 구간 및 380~460℃ 구간에서 잔류 산소 작용기 및 불안정한 탄소 종의 제거에 해당하는 두 개의 특성화된 피크(P1, P2)를 보여준다. 45~100℃ 구의 S1 피크는 잔류 용매의 기화에 따라 나타난 것이다.The DTG curve of RGO shows two characterized peaks (P 1 , P 2 ) corresponding to the removal of residual oxygen functional groups and unstable carbon species in the 180–200°C region and 380–460°C region. The S 1 peak in the 45~100℃ sphere appears due to evaporation of residual solvent.

RGO를 NiO와 혼합하면 460~585℃ 구간에서 추가로 나타나는 피크(P3)가 관찰되며, RGOI/NiOI-5 샘플을 열처리하여 RGO/NiO-5가 되는 과정에서는 568.4℃ 이하 구간에서 고유의 샤프한 피크(P4)가 나타난다. When RGO is mixed with NiO, an additional peak (P 3 ) is observed in the range of 460 to 585 ℃, and in the process of heat treating the RGO I /NiO I -5 sample to become RGO /NiO -5, the peak is observed in the range below 568.4 ℃. A unique sharp peak (P 4 ) appears.

P3는 RGO의 탄소 및 NiO의 산소 부분에서 중량 손실이 발생함에 따라 나타난 것으로 해석할 수 있으며, P4는 급격한 중량 감소와 아울러 [도 3]의 XRD 패턴에서 확인되는 바와 같이 Ni 형성에 의해 나타난 것으로 해석할 수 있다.P 3 can be interpreted as appearing due to weight loss occurring in the carbon of RGO and the oxygen portion of NiO, and P 4 appears due to rapid weight loss and Ni formation as confirmed in the XRD pattern in [Figure 3]. It can be interpreted as

[도 4]의 (f)에서 300~360℃ 구간에서 관찰되는 피크(P5)는 P1의 GTR 프로세스의 영향으로 설명할 수 있다. 본 발명에서 GTR 온도(568.4℃)는 일반적인 온도보다 상대적으로 매우 낮다. [도 4]는 P2 반응이 일어날 때 NiO에서도 비슷한 반응이 일어날 수 있음을 보여준다. P2 시작점은 380℃이며, 온도가 점점 올라가면서 P2가 종료되며 P3가 시작되는 460℃가 본격적인 GTR 반응의 시작점임을 알려준다. 즉, GTR 반응의 시작은 380℃ 이상이되, 활성화되는 온도는 460℃ 이상이 된다. 최대 온도범위는 일반적인 CTR 온도를 적용할 경우 900~1,500℃까지 가능하다.The peak (P 5 ) observed in the 300-360°C section in (f) of [Figure 4] can be explained by the influence of the GTR process of P 1 . In the present invention, the GTR temperature (568.4°C) is relatively much lower than the general temperature. [Figure 4] shows that a similar reaction can occur in NiO when the P 2 reaction occurs. The starting point of P 2 is 380℃, and as the temperature gradually increases, 460℃, where P 2 ends and P 3 begins, is the starting point for the full-scale GTR reaction. In other words, the start of the GTR reaction is above 380°C, but the activation temperature is above 460°C. The maximum temperature range is 900~1,500℃ when applying general CTR temperature.

5. XRD 데이터 및 조성에 따른 변화5. Changes according to XRD data and composition

XRD 피크로부터 GTR 프로세스의 상세한 메카니즘 분석을 위해 로렌치안(Lorentzian) 함수를 피팅하여 2θ값, d값, FWHM 및 결정립 크기(Dsize)를 구하였다. RGO 두께에 관련된 레이어 수(층수: NRGO)는 아래 [식 1]을 적용하여 계산하였다.For detailed mechanism analysis of the GTR process from the XRD peak, the 2θ value, d value, FWHM, and grain size (D size ) were obtained by fitting the Lorentzian function. The number of layers (number of layers: N RGO ) related to RGO thickness was calculated by applying [Equation 1] below.

[식 1] NRGO = D002/d002 [Equation 1] N RGO = D 002 /d 002

D002 : RGO 두께, d002 : 층간간격D 002 : RGO thickness, d 002 : Spacing between floors

얻어낸 XRD 데이터 값들은 [표 2]에 요약하였고, RGO 대비 NiO의 중량비에 따른 XRD 데이터들은 [도 5]에 나타내었다.The obtained XRD data values are summarized in [Table 2], and the XRD data according to the weight ratio of NiO to RGO are shown in [Figure 5].

RGO/NiO 샘플군을 600℃로 가열하면 RGO의 d 값이 3.678 Å에서 3.406 Å 내지 454 Å으로 크게 감소하고([도 5]의 (a) 참조), FWHM은 3.96°에서 1.25° 내지 l.69°로 크게 감소한다([도 5]의 (b) 참조). 또한 NRGO 값은 5.5에서 13.8~18.9로 증가하여 흑연으로 성장하는 패턴을 보여준다([도 5]의 (c) 참조). When the RGO/NiO sample group is heated to 600°C, the d value of RGO decreases significantly from 3.678 Å to 3.406 Å to 454 Å (see (a) in Figure 5), and the FWHM decreases from 3.96° to 1.25° to l. It decreases significantly to 69° (see (b) in [Figure 5]). Additionally, the N RGO value increases from 5.5 to 13.8 to 18.9, showing a graphite growth pattern (see (c) in [Figure 5]).

가열 후 NiO의 d 값은 2.089 Å에서 2.081 Å 내지 2.083 Å으로 약간 감소하였고([도 4]의 (d) 참조), FWHM은 RGOII/NIOII-5 샘플에서 1.153°로 나타난 것을 제외하고 1.12°에서 0.46° 내지 0.49°로 감소하였다([도 4]의 (e) 참조). NiO의 Dsize는 75.5 Å에서 가열시 172.6 Å 내지 183.9 Å으로 증가하지만 RGO/NiO-5 샘플의 Dsize는 73.5 Å으로 상당히 감소한다([도 5]의 (f) 참조). After heating, the d value of NiO slightly decreased from 2.089 Å to 2.081 Å to 2.083 Å (see (d) in Figure 4), and the FWHM was 1.12 except for the RGO II /NIO II -5 sample, which was 1.153°. ° decreased from 0.46° to 0.49° (see (e) in [Figure 4]). The D size of NiO increases from 172.6 Å to 183.9 Å upon heating at 75.5 Å, but the D size of the RGO /NiO -5 sample decreases significantly to 73.5 Å (see (f) in Figure 5).

결정질 RGO는 NiO 함량에 관계없이 열처리 중에 성장하였으며, 이는 잔류 산소 및 불안정한 탄소 종(Nonbasal carbon or dangling carbon)의 제거로 촉진된 계면 접촉 개선으로 인해 발생한다. Crystalline RGO grew during heat treatment regardless of NiO content, which resulted from improved interfacial contact promoted by the removal of residual oxygen and unstable carbon species (nonbasal carbon or dangling carbon).

RGO에 대한 NiO 함량이 25 wt%보다 큰 경우, 그래핀 개별 층 사이에 놓인 증가된 NiO 양이 RGO 성장을 방해하며, NiO 함량이 많아질수록 RGO의 두께(Dsize)는 감소한다. [도 5]의 (f)에 나타난 바와 같이 열처리가 NiO의 결정성장을 유도하지만, 2θ, d, FWHM 및 Dsize와 같은 결정성을 나타내는 요인은 RGO에 대한 NiO 함량이 75 wt% 보다 클 때 갑자기 변하게 된다. NiO 함량이 75 wt%에서 100 wt%로 증가하면 NiO의 Dsize는 183.9 Å 에서 73.5 Å으로 급격히 감소한다.When the NiO content for RGO is greater than 25 wt%, the increased amount of NiO placed between individual graphene layers hinders RGO growth, and the thickness (D size ) of RGO decreases as the NiO content increases. As shown in (f) of [Figure 5], heat treatment induces crystal growth of NiO, but factors indicating crystallinity such as 2θ, d, FWHM, and D size change when the NiO content for RGO is greater than 75 wt%. It suddenly changes. When the NiO content increases from 75 wt% to 100 wt%, the D size of NiO rapidly decreases from 183.9 Å to 73.5 Å.

RGO/NiO-5 샘플의 XRD 패턴은 화학반응을 통해 새롭게 생성된 Ni 금속의 피크([도 3]의 (l)에 나타난 111, 200)를 추가로 보여준다. 더 높은 비율의 NiO 함량은 0차원 소재인 NiO 간의 접촉 수를 증가시키고 NiO 나노입자들이 응집되어 더 큰 결정으로 성정해 나갈 수 있게 한다. The XRD pattern of the RGO II /NiO II -5 sample additionally shows peaks of Ni metal (111, 200 shown in (l) of Figure 3) newly generated through chemical reaction. A higher ratio of NiO content increases the number of contacts between NiO, a zero-dimensional material, and allows NiO nanoparticles to aggregate and grow into larger crystals.

위의 [표 2]에 나타난 바와 같이 Ni의 Dsize는 292.9 Å으로 NiO의 가장 큰 Dsize인 183.9 Å보다 1.6배 더 크다. 따라서 하나의 Ni 입자를 형성하기 위해서는 많은 수의 NiO 나노입자가 필요함을 알 수 있으며, 단일 NiO 입자에서 완전한 GTR이 발생하면 더 작은 크기의 Ni 입자가 형성되므로, 열역학적으로 바람직하지 않다. 이는 NiO 함량이 임계값보다 높을 때 Ni 형성이 가능함을 의미한다. 이론적으로 NiO 대 Ni 나노입자의 중량비는 1:0.78이고 NiO와 Ni의 부피는 각각 6.67 g/cm3 , 8.91 g/cm3으로 나노입자의 부피비는 1:0.59이다. 따라서 위의 조건에서 하나의 Ni 나노입자(292.9 Å)를 형성하기 위해서는 적어도 6.6 개의 NiO 나노입자(75.5 Å) 가 필요하다.As shown in [Table 2] above, the D size of Ni is 292.9 Å, which is 1.6 times larger than the largest D size of NiO, which is 183.9 Å. Therefore, it can be seen that a large number of NiO nanoparticles are required to form one Ni particle, and if complete GTR occurs in a single NiO particle, smaller-sized Ni particles are formed, which is thermodynamically unfavorable. This means that Ni formation is possible when the NiO content is higher than the critical value. In theory, the weight ratio of NiO to Ni nanoparticles is 1:0.78, the volumes of NiO and Ni are 6.67 g/cm 3 and 8.91 g/cm 3 , respectively, and the volume ratio of nanoparticles is 1:0.59. Therefore, in order to form one Ni nanoparticle (292.9 Å) under the above conditions, at least 6.6 NiO nanoparticles (75.5 Å) are required.

NiO 함량에 따른 그래핀 복합체의 화학 반응 및 결정 성장은 저차원(low dimension) 모양 및 반응성과 관련된 복잡한 현상이지만 나노 접촉 모델을 사용하여 단순화할 수 있다. 저차원 그래핀/NiO 혼합물의 화학반응 촉진을 위해 2D/0D face-to-point contact 들이 많아져야 한다. 따라서 많은 수의 NiO 나노입자(0D)가 2D RGO에 잘 분산되어야 한다. 하지만 동시에 더 큰 Ni 나노 입자를 형성하기 위해 NiO 나노입자들은 서로 밀집되어 응집되어 있어야 한다(0D/0D point-to-point contact). 결정성장 측면에서 보면, 2D/2D 계면접촉도는 NiO 함량이 증가할수록 (0D/0D 접촉 증가) 감소한다. 비산화 분위기에서 열처리를 진행함에 따라 서로 다른 저차원 소재간 결정성장과 화학반응 사이의 경쟁적이고 모순적인 상황은 다음과 같은 3가지 농도의존적인 성질로 나타날 수밖에 없다.The chemical reaction and crystal growth of graphene composites depending on NiO content is a complex phenomenon related to low-dimensional shape and reactivity, but can be simplified using a nanocontact model. To promote the chemical reaction of low-dimensional graphene/NiO mixtures, the number of 2D/0D face-to-point contacts must be increased. Therefore, a large number of NiO nanoparticles (0D) should be well dispersed in 2D RGO. However, at the same time, to form larger Ni nanoparticles, NiO nanoparticles must be closely aggregated with each other (0D/0D point-to-point contact). In terms of crystal growth, the 2D/2D interface contact decreases as the NiO content increases (0D/0D contact increases). As heat treatment is performed in a non-oxidizing atmosphere, the competitive and contradictory situation between crystal growth and chemical reactions between different low-dimensional materials is bound to appear in the following three concentration-dependent properties.

(1) 그래핀 소재 대비 NiO 함량 30 wt% 이하 : 그래핀, NiO 결정성장 및 부분적인 GTR 반응(결정구조 변화 없음)(1) NiO content 30 wt% or less compared to graphene material: Graphene, NiO crystal growth and partial GTR reaction (no change in crystal structure)

(2) 그래핀 소재 대비 NiO 함량 30~75 wt% : 그래핀 결정성장 저해, NiO 결정성장, 부분적인 GTR(결정구조 변화 없음)(2) NiO content 30-75 wt% compared to graphene material: Inhibition of graphene crystal growth, NiO crystal growth, partial GTR (no change in crystal structure)

(3) 그래핀 소재 대비 NiO 함량이 75 wt% 이상 : 그래핀 및 NiO 결정성장 저해, GTR 반응(Ni 형성)(3) NiO content greater than 75 wt% compared to graphene material: Inhibition of graphene and NiO crystal growth, GTR reaction (Ni formation)

다양한 저차원 소재간 차원이 서로 다른 GTR 프로세스, 즉 2차원 그래핀 소재와 0차원 금속산화물의 혼합물에는 결정성장/결정성장 저해/화학반응/농도의존성 정도와 반응온도의 차이는 있을 수 있지만, 본 발명의 기본적인 원리는 그대로 적용할 수 있다.Although there may be differences in the degree of crystal growth/crystal growth inhibition/chemical reaction/concentration dependence and reaction temperature in the GTR process with different dimensions between various low-dimensional materials, that is, a mixture of 2-dimensional graphene material and 0-dimensional metal oxide, The basic principles of the invention can be applied as is.

XRD 및 열분석을 통해 그래핀 소재와 금속산화물 나노분말 각각의 성장도와, 소재간 상호 화학반응를 검토 가능한 최소 범위는 그래핀 소재 대비 금속산화물의 상대 중량비는 1 wt% 내지 10,000 wt% 이다.The minimum range in which the growth rate of each graphene material and metal oxide nanopowder and the mutual chemical reaction between the materials can be examined through XRD and thermal analysis is a relative weight ratio of metal oxide to graphene material of 1 wt% to 10,000 wt%.

이상에서 본 발명에 대하여 구체적인 시험예와 함께 상세하게 살펴보았다. 그러나 본 발명은 위의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니며 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위에서 수정 및 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이와 같은 수정 및 변형을 포함한다. Above, the present invention was examined in detail along with specific test examples. However, the present invention is not limited to the above examples and may be modified and modified without departing from the gist of the present invention. Accordingly, the scope of the claims of the present invention includes such modifications and variations.

해당 없음Not applicable

Claims (6)

(a) 2차원의 그래핀 소재와 0차원의 금속산화물 나노분말을 혼합한 혼합물을 얻는 단계;
(b) 상기 혼합물을 비산화 분위기에서 열처리하는 단계;
(c) 상기 혼합물을 열처리 함에 따른 그래핀 소재와 금속산화물 나노분말 각각의 성장도와, 소재간 상호 화학반응도를 동시에 측정하는 단계; 및
(d) 상기 (c)단계에서 측정된 데이터를 기반으로 그래핀-금속산화물 복합체를 설계하는 단계; 를 포함하는 결정성장과 화학반응 분석을 통한 저차원 복합소재 설계 방법.
(a) obtaining a mixture of two-dimensional graphene material and zero-dimensional metal oxide nanopowder;
(b) heat treating the mixture in a non-oxidizing atmosphere;
(c) simultaneously measuring the growth rate of each graphene material and metal oxide nanopowder and the mutual chemical reactivity between the materials as a result of heat treatment of the mixture; and
(d) designing a graphene-metal oxide composite based on the data measured in step (c); Low-dimensional composite material design method through crystal growth and chemical reaction analysis, including.
제1항에서,
상기 (a)단계에서는 RGO(Reduced Graphene Oxide) 및 NiO 나노분말을 혼합하고,
상기 (b)단계에서는 380℃ 이상으로 열처리하는 것을 특징으로 하는 결정성장과 화학반응 분석을 통한 저차원 복합소재 설계 방법.
In paragraph 1:
In step (a), RGO (Reduced Graphene Oxide) and NiO nanopowder are mixed,
In step (b), a low-dimensional composite material design method through crystal growth and chemical reaction analysis, characterized by heat treatment at 380 ℃ or higher.
제2항에서,
상기 (a)단계에서는 RGO 대비 NiO 나노분말을 30 wt% 이하(0wt% 제외) 혼합하고,
상기 (c)단계에서는 열처리에 따른 RGO 두께 성장, NiO 결정 성장 및 NiO의 부분적 환원반응을 측정하는 것을 특징으로 하는 결정성장과 화학반응 분석을 통한 저차원 복합소재 설계 방법.
In paragraph 2,
In step (a), 30 wt% or less (excluding 0 wt%) of NiO nanopowder compared to RGO is mixed,
In step (c), a low-dimensional composite material design method through crystal growth and chemical reaction analysis is characterized by measuring RGO thickness growth, NiO crystal growth, and partial reduction reaction of NiO according to heat treatment.
제2항에서,
상기 (a)단계에서는 RGO 대비 NiO 나노분말을 30~75 wt% 혼합하고,
상기 (c)단계에서는 열처리에 따른 RGO 두께 감소, NiO 결정 성장 및 NiO의 부분적 환원반응을 측정하는 것을 특징으로 하는 결정성장과 화학반응 분석을 통한 저차원 복합소재 설계 방법.
In paragraph 2,
In step (a), 30 to 75 wt% of NiO nanopowder compared to RGO is mixed,
In step (c), a low-dimensional composite material design method through crystal growth and chemical reaction analysis is characterized by measuring the RGO thickness reduction, NiO crystal growth, and partial reduction reaction of NiO due to heat treatment.
제2항에서,
상기 (a)단계에서는 RGO 대비 NiO 나노분말을 75 wt% 이상 혼합하고,
상기 (c)단계에서는 열처리에 따른 RGO 두께 감소, NiO 결정 직경 감소 및 환원된 Ni 생성량을 측정하는 것을 특징으로 하는 결정성장과 화학반응 분석을 통한 저차원 복합소재 설계 방법.
In paragraph 2,
In step (a), more than 75 wt% of NiO nanopowder compared to RGO is mixed,
In step (c), a low-dimensional composite material design method through crystal growth and chemical reaction analysis is characterized by measuring the RGO thickness reduction, NiO crystal diameter reduction, and reduced Ni production amount due to heat treatment.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,
상기 (c)단계에서는 열중량 분석(TGA, thermogravimetric analysis) 및 XRD 분석을 함께 적용하는 것을 특징으로 하는 결정성장과 화학반응 분석을 통한 저차원 복합소재 설계 방법.



In any one of paragraphs 1 to 5,
In step (c), a low-dimensional composite material design method through crystal growth and chemical reaction analysis is characterized by applying thermogravimetric analysis (TGA) and XRD analysis together.



KR1020220174411A 2022-12-14 2022-12-14 A method for designing low-dimensional complex materials using crystalline growth and chemical reaction analysis KR20240091470A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220174411A KR20240091470A (en) 2022-12-14 2022-12-14 A method for designing low-dimensional complex materials using crystalline growth and chemical reaction analysis

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220174411A KR20240091470A (en) 2022-12-14 2022-12-14 A method for designing low-dimensional complex materials using crystalline growth and chemical reaction analysis

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240091470A true KR20240091470A (en) 2024-06-21

Family

ID=91700633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220174411A KR20240091470A (en) 2022-12-14 2022-12-14 A method for designing low-dimensional complex materials using crystalline growth and chemical reaction analysis

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20240091470A (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101406371B1 (en) 2012-11-29 2014-06-16 연세대학교 산학협력단 Metal or Metal oxide/Graphene self-assembly Nanocomposite of Three-dimensional structure and Method of preparing the same
KR101595625B1 (en) 2013-11-26 2016-02-18 지에스에너지 주식회사 Transition metal oxidegraphene composite microparticle and cathode for lithium secondary battery comprising the same
KR101622099B1 (en) 2014-08-28 2016-05-18 주식회사 크레진 Preparation method of hybrid materials of graphene and metal oxide nanoparticle
KR20200121088A (en) 2019-04-15 2020-10-23 주식회사 크레진 Preparation method of hybrid materials of graphene and metal oxide nanoparticle

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101406371B1 (en) 2012-11-29 2014-06-16 연세대학교 산학협력단 Metal or Metal oxide/Graphene self-assembly Nanocomposite of Three-dimensional structure and Method of preparing the same
KR101595625B1 (en) 2013-11-26 2016-02-18 지에스에너지 주식회사 Transition metal oxidegraphene composite microparticle and cathode for lithium secondary battery comprising the same
KR101622099B1 (en) 2014-08-28 2016-05-18 주식회사 크레진 Preparation method of hybrid materials of graphene and metal oxide nanoparticle
KR20200121088A (en) 2019-04-15 2020-10-23 주식회사 크레진 Preparation method of hybrid materials of graphene and metal oxide nanoparticle

Non-Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. S. Vijayan, R. Narasimman, K. Prabhakaran, Mater. Lett. 181 (2016) 268-271.
10. F. Farivar, P.L. Yap, K. Hassan, T.T. Tung, D.N.H. Tran, A.J. Pollard, D. Losic, Carbon 179 (2021) 505-513.
11. F. Farivar, P.L. Yap, R.U. Karunagaran, D. Losic, J. Carbon Research C 7 (2021) 41.
12. A.I. Rusanov, Surf. Sci. Rep. 69 (2014) 296.
13. S.H. Huh, Carbon 78 (2014) 617.
14. T.O. Drews, M. Tsapatsis, Microporous and Mesoporous Mater. 101 (2007) 97-107.
15. T.J. Woehl, C. Park, J.E. Evans, I. Arslan, W.D. Ristenanoparticleart, N.D. Browning, Nano Lett. 14 (2014) 373-378.
16. M. Zhang, M.Y. Efremov, F. Schiettekatte, E.A. Olson, A.T. Kwan, S.L. Lai, et al. Phys. Rev. B 62 (2000) 10548.
2. S. Bakhshandeh, N. Setoudeh, M. Ali Askari Zamani, A. Mohassel, J. Min. Metall. Sect. B-Metal 54 (2018) 313-322.
3. H. Pant, S. Petnikota, V.S.S.S. Vadali, ECS J. Solid State Sci. and Technol. 10 (2021) 031002-031007.
4. E.S. Agudosi, E.C. Abdullah, A. Numan, N.M. Mubarak, S.R.Aid.R. Benages-Vilau, P. Gomez-Romero, et al. Nature 10 (2020) 11214.
5. F. Li, X. Jiang, J. Zhao, S. Zhang, Nano Energy 16 (2015) 488.
6. K. Chu, Y-P. Liu, J. Wang, H. Zhang, Appl. Energy Mater. 2 (2019) 2288-2295.
7. S.H. Huh, Physics and Applications of Graphene (INTECH), Chapter 5 (2011) 73-90.
8. H.-M. Ju, S.H. Huh, S.-H. Choi, H.-L. Lee, Mater. Lett. 64 (2010) 357.
9. D. Losic, F. Farivar, P.L. Yap, A. Karami, Anal. Chem. 93 (2021) 11859-11867.

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wen et al. A facile fluorine-mediated hydrothermal route to controlled synthesis of rhombus-shaped Co 3 O 4 nanorod arrays and their application in gas sensing
Wang et al. NiO nanorings and their unexpected catalytic property for CO oxidation
Jankovský et al. Towards highly electrically conductive and thermally insulating graphene nanocomposites: Al 2 O 3–graphene
Scheffler et al. Nickel-catalyzed in situ formation of carbon nanotubes and turbostratic carbon in polymer-derived ceramics
Yu et al. Single-source-precursor synthesis of porous W-containing SiC-based nanocomposites as hydrogen evolution reaction electrocatalysts
WO2010143585A1 (en) Carbon nanotubes and process for producing same
TWI679288B (en) Chromium-containing powder or powder granulate
Bai et al. Preparation of reduced graphene oxide/Co 3 O 4 composites and sensing performance to toluene at low temperature
Fu et al. Synthesis of uniform porous NiO nanotetrahedra and their excellent gas-sensing performance toward formaldehyde
Brar et al. Evolution of structural and thermal properties of carbon-coated TaC nanopowder synthesized by single step reduction of Ta-ethoxide
Rezlescu et al. Comparative study between catalyst properties of simple spinel ferrite powders prepared by self-combustion route
Tao et al. Morphology control of Ce0. 9Gd0. 1O1. 95 nanopowder synthesized by sol–gel method using PVP as a surfactant
Hu et al. Catalytic effect of dopants on microstructure and performance of MCMB-derived carbon laminations
Dimesso et al. Synthesis of nanocrystalline Mn-oxides by gas condensation
Mandal et al. Nanocrystalline Nd2–yGdyZr2O7 pyrochlore: facile synthesis and electrical characterization
JP7027196B2 (en) Manufacturing method of aluminum nitride powder
JP6964448B2 (en) Mold carbon material for fuel cell catalyst carrier, catalyst layer for fuel cell, and fuel cell
Wang et al. Effect mechanism of arsenic on the growth of ultrafine tungsten carbide powder
Thomas et al. Synthesis of strontium zirconate as nanocrystals through a single step combustion process
KR20240091470A (en) A method for designing low-dimensional complex materials using crystalline growth and chemical reaction analysis
Devaraju et al. Solvothermal synthesis and characterization of ceria–zirconia mixed oxides for catalytic applications
Zhang et al. Citrate gel synthesis and characterization of (ZrO2) 0.85 (REO1. 5) 0.15 (RE= Y, Sc) solid solutions
Nayak Effect of catalytic activities of mixed nano ferrites of zinc and copper on decomposition kinetics of lanthanum oxalate hydrate
Brar et al. The role of carbon in structural evolution during single step synthesis of nano tantalum carbide
Cardenas-Flechas et al. Effect of Calcination Temperature on the Behavior of the Agglomerated Co _ 3 O _ 4 Co 3 O 4 Nanoparticles Obtained Through the Sol–Gel Method