WO2013066105A1 - 이중벽 탄소나노튜브 및 그 제조방법 - Google Patents

이중벽 탄소나노튜브 및 그 제조방법 Download PDF

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reactor
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염경태
김병열
이영실
임보경
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Definitions

  • the present invention relates to double-walled carbon nanotubes. More specifically, the present invention relates to a double-walled carbon nanotube having high purity, high selectivity, low defects, and high crystallinity among the synthesized carbon nanotubes, and a method of manufacturing the same.
  • the present invention also includes a supported catalyst having excellent synthetic yield for producing the double-walled carbon nanotubes of the present invention.
  • Carbon nanotubes are carbon allotrope in which a hexagonal honeycomb graphite plate composed of sp 2 carbon is wound in a cylindrical shape having a nano size diameter.
  • the circumference of the carbon nanotubes consists of only a few dozen carbon atoms, while the length is several micro ( ⁇ m), indicating an ideal one-dimensional structure with a very high aspect ratio. Due to this structure, carbon nanotubes have excellent mechanical, electrical, magnetic, optical and thermal properties.
  • Carbon nanotubes include single-walled nanotubes (SWNT) with a single wall, double-walled nanotubes (DWNT) with two walls and multi-walled nanotubes with three or more walls ( MWNT; multi-wall nanotube).
  • SWNT single-walled nanotubes
  • DWNT double-walled nanotubes
  • MWNT multi-walled nanotubes with three or more walls
  • MWNT multi-wall nanotube
  • double-walled carbon nanotubes can exhibit both the advantages of single-walled carbon nanotubes and the advantages of multi-walled carbon nanotubes, and are used in electronic devices, sensors, and high-strength composite materials.
  • carbon nanotubes are usually expensive, it is required to synthesize carbon nanotubes in large quantities inexpensively in order to be usefully applied to various fields.
  • carbon nanotubes having high purity and high productivity are required, and the development of a catalyst for this is also important.
  • the electric discharge method and the laser deposition method have advantages in that the principle is simple and easy to apply, but it contains a lot of impurities during synthesis and is not suitable for mass production.
  • thermochemical vapor deposition is known as a synthesis method for synthesizing high purity carbon nanotubes inexpensively and in large quantities.
  • This thermochemical vapor deposition method has a variety of products and raw materials, is suitable for synthesizing high purity materials, and has the advantage of controlling the microstructure.
  • the yield of the double-walled carbon nanotubes is very low, and the diameters of the synthesized carbon nanotubes are not uniform.
  • Korean Patent Publication No. 2007-71177 discloses a method for synthesizing single-walled carbon nanotubes using a glass substrate to improve the uniformity of the carbon nanotube diameter.
  • this method requires a complicated process such as deposition of a buffer layer, deposition of a catalytic metal, etc., and has a problem in that an apparatus capable of maintaining a vacuum is required.
  • catalysts play a very important role. This is because the growth of carbon nanotubes depends on the type and composition ratio of the transition metal and the size of the metal particles.
  • Fe, Co, Ni, and the like are used as the transition metal, and synthesized by supporting it on a carrier.
  • the catalyst material is uniformly dissolved in an aqueous solution, and the coprecipitation method or the dissolved solution, which is supported on the carrier by adjusting the pH, is dried and then polished for uniform support of the metal catalyst.
  • combines by baking for 6 to 10 hours at high temperature of 700-900 degreeC for a long time, etc. is mentioned. However, this method is time consuming and yields are not suitable for mass production.
  • the present inventors have developed a method of synthesizing a double-walled carbon nanotube of high purity by specifying the synthesis conditions such as the type and amount of the injected gas and the synthesis temperature in the carbon nanotube synthesis step.
  • An object of the present invention is to provide a new method for producing carbon nanotubes using a supported catalyst having excellent synthesis yield of carbon nanotubes.
  • Another object of the present invention is to provide a method for producing high purity carbon nanotubes.
  • Still another object of the present invention is to provide a method for producing carbon nanotubes having high selectivity of double-walled carbon nanotubes among synthesized carbon nanotubes.
  • Still another object of the present invention is to provide a method for producing carbon nanotubes having few defects and high crystallinity.
  • Still another object of the present invention is to provide a new supported catalyst used in the production of carbon nanotubes according to the present invention.
  • preparing a supported catalyst inserting the supported catalyst into a reactor and simultaneously injecting hydrocarbon gas and hydrogen gas, raising the reactor temperature to 900 to 1000 ° C. to synthesize carbon nanotubes. It consists of an elevated temperature step, and a temperature reduction step for synthesizing carbon nanotubes by injecting only hydrogen gas after the reactor temperature is lowered to room temperature to 200 °C.
  • the supported catalyst is prepared by calcining a catalyst aqueous solution in which the metal catalyst and the carrier having the following molar ratio are mixed in a reactor at a temperature of 500 to 800 ° C. for 20 to 60 minutes.
  • Carrier [Mg]: Metal catalyst [Co]: Molybdenum activator [Mo] 0.99: x: 0.025
  • the supported catalyst is a metal catalyst supported on a porous amorphous carrier, and the size of the metal catalyst is preferably 5 nm or less.
  • the supported catalyst may be one in which the calcined supported catalyst is increased to increase the surface area of the catalyst.
  • the temperature of the reactor is increased to 900 to 1000 ° C. and the hydrocarbon gas and hydrogen gas are injected to maintain the temperature of the reactor for 30 to 90 minutes to synthesize carbon nanotubes.
  • Hydrocarbon gas is injected at a rate of 200 to 300 sccm, and hydrogen gas is injected at a rate of 700 to 900 sccm.
  • the hydrocarbon is methane, ethylene, acetylene, LPG, or a mixture of these.
  • hydrogen gas is injected at a rate of 700 to 900 sccm.
  • the yield according to the production method of the double-walled carbon nanotubes of the present invention is 100% or more per 1 g of the supported catalyst.
  • the carbon nanotubes thus prepared have a C-purity of 50% or more, an intensity ratio (ID / IG) of D band to G band through Raman spectroscopy is less than 0.15, in the region of RBM mode. There are two pairs of peaks.
  • the method of manufacturing double-walled carbon nanotubes according to the present invention is high purity using a supported catalyst having excellent synthetic yield, high selectivity of double-walled carbon nanotubes among the synthesized carbon nanotubes, and fewer defects and high crystallinity. It has the effect of providing the invention.
  • Figure 2 is a SEM photograph of the carbon nanotubes prepared in Example 1.
  • FIG. 3 is a TEM photograph of the carbon nanotubes prepared in Example 1.
  • Figure 4 (a) is a Raman spectrograph of the carbon nanotubes prepared in Example 1
  • Figure 4 (b) is an enlarged view of the RBM region of the Raman spectrograph.
  • FIG. 5 is a Raman spectrograph of carbon nanotubes prepared by Comparative Example 1.
  • the present invention relates to a double-walled carbon nanotubes, and to a method of manufacturing double-walled carbon nanotubes having high purity and high selectivity, low defects, and high crystallinity among the synthesized carbon nanotubes.
  • the double-walled carbon nanotube manufacturing method according to the present invention is for producing high-quality double-walled carbon nanotubes with a uniform diameter, and is manufactured by a thermochemical vapor deposition method.
  • the method for producing double-walled carbon nanotubes of the present invention comprises the steps of preparing a supported catalyst, charging the supported catalyst in the reactor, injecting hydrocarbon gas and hydrogen gas, and raising the reactor temperature, and injecting only hydrogen gas and reactor temperature. It is made to reduce the temperature.
  • each step will be described in detail.
  • the catalyst solution is put in a boat, and the metal catalyst and the support are simultaneously fired in a reactor, thereby carrying a pore of the support. Allow the metal catalyst particles to be loaded therein.
  • the supported catalyst of the present invention preferably has the following molar ratio.
  • the molar ratio of the supported catalyst is as follows, the content of the double-walled carbon nanotubes is possible in the content of the synthesized carbon nanotubes of 50% or more, preferably 60% or more, more preferably 70% or more.
  • a molybdenum (Mo) -based activator such as ammonium molybdate tetrahydrate can be added to the supported catalyst to prevent agglomeration between nano-sized metal catalysts during firing at a high temperature.
  • Activators such as citric acid can also be used.
  • the metal catalyst and the support are dissolved in water and mixed in an aqueous solution.
  • the aqueous catalyst solution mixed with the metal catalyst and the support is completely dissociated through stirring.
  • the metal catalyst and the support are calcined.
  • the calcining is carried out in a boat with an aqueous catalyst solution comprising a metal catalyst and a support, and calcined in a reactor for 20 to 90 minutes, preferably 20 to 60 minutes, at a temperature of 500 to 800 ° C. Formation of the metal catalyst particles and the supporting process of the mother are simultaneously carried out through the calcination process, so that the catalyst can be formed within a short time.
  • the supported catalyst of the present invention is a metal catalyst supported on a porous amorphous carrier, and the size of the metal catalyst is preferably 5 nm or less.
  • 1 shows a TEM photograph of a cross section of a supported catalyst according to the present invention.
  • the supported catalyst of the present invention may be used by grinding or grinding to increase the surface area of the catalyst.
  • the prepared supported catalyst is charged into the reactor, the hydrocarbon gas and the hydrogen gas are injected at the same time, and the reactor temperature is raised to 900 to 1000 ° C. to synthesize the carbon nanotubes.
  • the reactor temperature is increased to 900 to 1000 °C and maintaining the reactor temperature for 30 to 90 minutes to synthesize carbon nanotubes.
  • the preferred injection rate of hydrocarbon gas in the temperature increase step is 200 to 300 sccm
  • the preferred injection rate of hydrogen gas is 700 to 900 sccm.
  • hydrocarbon gas methane, ethylene, acetylene, LPG, or a mixed gas thereof may be used, but is not limited thereto.
  • the temperature reduction step of synthesizing the carbon nanotubes only hydrogen gas is injected into the carbon nanotubes subjected to the temperature raising step, and the carbon nanotubes are synthesized by lowering the reactor temperature from room temperature to 200 ° C.
  • the carbon source can be removed by injecting only hydrogen gas.
  • the preferred injection rate of hydrogen gas in the temperature reduction step is 700 to 900 sccm.
  • the yield according to the production method of the double-walled carbon nanotubes of the present invention is 100% or more per 1 g of the supported catalyst, preferably 150%.
  • the orientation and crystallinity of carbon nanotubes can be determined using a Raman spectrometer that can react sensitively to the difference in the direction of CC bonds. You can check it.
  • the intensity ratio (ID / IG) of the D band to the G band through Raman spectroscopy is less than 0.15, preferably less than 0.12, and more preferably less than 0.1.
  • the carbon nanotubes of the present invention are double-walled carbon nanotubes, and there are two peaks paired in the region of the RBM mode.
  • Figure 4 is a Raman spectrograph of the carbon nanotubes prepared in Example 1, (b) is an enlarged RBM region of (a).
  • the degree of crystallinity of the carbon nanotubes may be represented by using an intensity ratio of the G band appearing in the 1580 cm ⁇ 1 region and the D band appearing near 1350 cm ⁇ 1 .
  • the RBM mode which appears below 400 cm ⁇ -1> is a peak regarding the diameter of a carbon nanotube. In general, single-walled carbon nanotubes have only one peak, whereas double-walled carbon nanotubes have two walls, so two characteristic peaks appear in pairs.
  • the double-walled carbon nanotubes of the present invention may further include a supported catalyst.
  • the supported catalyst of the present invention is a metal catalyst supported on a porous amorphous carrier, and the size of the metal catalyst is preferably 5 nm or less.
  • Carrier [Mg]: Metal catalyst [Co]: Molybdenum activator [Mo] 0.99: x: 0.025
  • 0.03 g of the metal catalyst particles prepared above were placed in a boat and placed in a reactor. While raising the temperature inside the reactor to 1000 °C, 200 sccm of hydrocarbon gas methane and 800 sccm of hydrogen gas are injected. When the temperature inside the reactor reaches 1000 °C it is maintained for 30 minutes. After 30 minutes of synthesis, methane is removed and the reactor is cooled down with 800 sccm of hydrogen gas.
  • 0.03 g of the prepared metal catalyst particles are mounted in a boat and placed in a reactor. While raising the temperature inside the reactor to 900 °C, 200 sccm of hydrocarbon gas methane and 800 sccm of hydrogen gas are injected. When the temperature inside the reactor reaches 900 °C it is maintained for 60 minutes. After 60 minutes of synthesis, methane is removed and the reactor is cooled down with 800 sccm of hydrogen gas.
  • Example 1 0.03 g of the same metal catalyst particles as in Example 1 were synthesized in the same manner as in Example 2 except that the metal catalyst particles were loaded in a boat and then put in a reactor.
  • Example 1 0.03 g of the same metal catalyst particles as in Example 1 were placed in a boat and placed in a reactor. While raising the temperature inside the reactor to 900 °C, 200 sccm of hydrocarbon gas methane and 800 sccm of hydrogen gas are injected. When the temperature inside the reactor reaches 900 °C it is maintained for 90 minutes. After 90 minutes of synthesis, methane is removed and the reactor is cooled down with 800 sccm of hydrogen gas.
  • Example 1 0.03 g of the same metal catalyst particles as in Example 1 were placed in a boat and placed in a reactor. 500 sccm of argon gas, one of inert gases, was injected while raising the temperature inside the reactor to 1000 ° C. When the temperature inside the reactor reaches 1000 °C, argon gas is removed, and then 200 sccm of hydrocarbon gas methane and 800 sccm of hydrogen gas are injected. After maintaining the temperature at 1000 ° C. for 30 minutes, the injection of methane gas and hydrogen gas was stopped and the reactor temperature was lowered while injecting 500 sccm of argon gas.
  • argon gas one of inert gases
  • Magnesium raw material Mg (NO 3 ) 2 .6H 2 O, Sigma Aldrich
  • Cobalt Raw Material Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O
  • Citric acid starting material C 6 H 8 O 7 ⁇ H 2 O (Citric acid monohydrate, 99.5%), chemical Samchun
  • Molybdenum raw materials NH 4 ⁇ 6Mo 7 O 24 .4H 2 O (Ammonium molybdate 99.6%), chemical Samchun
  • TGA C purity and D / G ratio were measured using a thermogravimetric analyzer of Q5000IR of TA instrument.
  • Table 1 summarizes the catalyst composition and reaction conditions of the Examples and Comparative Examples
  • Table 2 shows the purity (C-purity), D / G ratio of the carbon nanotubes prepared by the Examples and Comparative Examples, and The result of the yield (%) per g catalyst is shown.
  • the yield per g of the supported catalyst prepared with the catalyst composition of Table 1 is 150% or more, it can be seen that the synthesis efficiency of carbon nanotubes is improved.
  • the carbon nanotubes prepared according to Examples 1 to 5 have an excellent purity (C-purity) of 60% or more, an intensity ratio (ID / IG) of less than 0.12, and as shown in FIG. It can be seen that the peaks appear in pairs.
  • Example 1 when comparing Example 1 and Comparative Example 1, the carbon nanotubes prepared in Example 1, the intensity ratio (ID / IG) of the D band to the G band is 0.0712, but the intensity ratio in Comparative Example 1 It can be seen that it increased to 0.106.
  • the comparative example 1 has a lower crystallinity of the carbon nanotubes due to the large amount of disordered graphite and amorphous carbon generally associated with the carbon nanotubes in the chemical vapor deposition process compared to Example 1.
  • Figure 5 it can be seen that only a single peak is expressed in the RBM mode.
  • Carbon nanotubes according to Comparative Example 2 can be seen that the yield and the purity of the carbon sharply reduced compared to Example 1.
  • the intensity ratio (ID / IG) to Raman spectroscopy was also greatly increased to 0.209.
  • Example 2 Compared with Example 1, the carbon nanotubes of Comparative Example 3 were reduced to less than 20%, and the Raman spectral data also showed that the intensity ratio (ID / IG) greatly increased to 0.220.

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Abstract

본 발명은 담지촉매를 준비하는 단계, 상기 담지촉매를 반응기에 장입 후 탄화 수소 가스 및 수소 가스를 동시에 주입하며 반응기 온도를 900 내지 1000 ℃까지 상승시켜 탄소나노튜브를 합성시키는 승온단계, 및 반응기 온도를 상온 내지 200 ℃까지 하강시킨 후 수소 가스만을 주입하며 탄소나노튜브를 합성시키는 감온단계로 이루어지는 탄소나노튜브의 제조방법에 관한 것으로, 상기 제조방법에 의하여 제조된 탄소나노튜브는 고순도이며 이중벽 탄소나노튜브의 선택도가 우수하다.

Description

이중벽 탄소나노튜브 및 그 제조방법
본 발명은 이중벽 탄소나노튜브에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고순도이고, 합성된 탄소나노튜브 중 이중벽 탄소나노튜브의 선택도가 높으며, 결함이 적고 결정화도가 높은 이중벽 탄소나노튜브 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 본 발명의 상기 이중벽 탄소나노튜브를 제조하기 위한 합성수율이 우수한 담지촉매도 포함한다.
탄소나노튜브는 sp2 탄소로 구성된 육각 벌집 구조의 흑연판이 나노 사이즈의 직경을 갖는 실린더 형태로 감겨져 있는 탄소 동소체이다. 탄소나노튜브의 원주는 불과 수십 개의 탄소 원자로 이루어지는 반면, 길이는 수 마이크로(㎛)에 달하므로, 종횡비가 매우 큰 이상적인 일차원 구조를 나타낸다. 이러한 구조로 인하여 탄소나노튜브는 우수한 기계적, 전기적, 자기적, 광학적, 열적 특성을 가진다.
탄소나노튜브는 하나의 벽을 갖는 단일벽 나노튜브(SWNT; single-wall nanotube), 2개의 벽을 갖는 이중벽 나노튜브(DWNT; double-wall nanotube) 그리고 3개 이상의 벽을 갖는 다중벽 나노튜브(MWNT; multi-wall nanotube)로 나눌 수 있다. 이 중에서 이중벽 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브의 장점과 다중벽 탄소나노튜브의 장점을 함께 나타낼 수 있으므로, 전자소자, 센서 고강도 복합소재 등에 사용된다.
탄소나노튜브는 통상 고가이기 때문에, 다양한 분야에 유용하게 적용하기 위해서는 탄소나노튜브를 값싸게 대량으로 합성할 것이 요구된다. 그러나 적은 함량의 탄소나노튜브로 원하는 전기전도성을 얻기 위해서는 수지의 특성 및 가공조건 뿐만 아니라 사용하는 탄소나노튜브 자체의 특성을 고려하여야 한다. 또한 고순도의 높은 생산성을 갖는 탄소나노튜브가 요구되며, 이를 위한 촉매의 개발도 중요하다.
탄소나노튜브를 합성하는 방법으로는 일반적으로 전기방전법, 레이저 증착법, 고압기상법, 상압 열화학기상법 등이 있다. 이 중에서 전기방전법과 레이저 증착법은 원리가 간단하여 적용하기 쉬운 장점은 있으나, 합성시 불순물이 많이 포함되며 대량생산에는 적합하지 않은 단점이 있다.
이에 반해 고순도 탄소나노튜브를 값싸게 대량으로 합성하기 위한 합성방법으로 열화학 기상증착법이 알려져 있다. 이 열화학 기상증착법은 생성물이나 원료가 다양하고, 고순도 물질을 합성하기에 적합하며, 미세구조를 제어할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 이제까지 알려진 열화학 기상증착법에 의하여 이중벽 탄소나노튜브를 합성할 경우, 이중벽 탄소나노튜브의 수율이 매우 낮고, 합성된 탄소나노튜브의 직경이 균일하지 못한 문제점을 가진다.
한국특허공개 제2007-71177호는 탄소나노튜브 직경의 균일성을 향상시키기 위하여 유리기판을 이용하여 단일벽 탄소나노튜브를 합성하는 방법을 개시한다. 그러나 이 방법은 버퍼층의 증착, 촉매 금속의 증착 등과 같은 복잡한 공정이 요구되며, 진공을 유지시킬 수 있는 기기가 필요하다는 문제점을 가진다.
열화학 기상증착법을 통해 나노튜브를 합성할 경우, 촉매가 매우 중요한 역할을 하게 된다. 이는 전이금속의 종류와 조성비, 금속입자의 크기에 따라 탄소나노튜브의 성장이 달라지기 때문이다. 상기 전이금속으로는 Fe, Co, Ni 등이 사용되며 이를 담지체에 담지시킴으로써 합성하게 된다. 합성방법에는 촉매물질을 수용액상에서 균일하게 용해시키고, 이를 pH의 조절을 통하여 담지체에 담지시키는 공침법 또는 용해시킨 용액을 건조 과정을 거친 후 다시 금속촉매의 균일한 담지를 위하여 연마시키고, 이를 다시 700 내지 900 ℃의 고온에서 6 내지 10시간의 장시간 소성(Calcination)시켜 합성하는 함침법 등이 있다. 그러나, 이러한 방법은 시간이 많이 걸리고 수율이 낮아 대량생산에는 적합하지 않다.
이에 본 발명자들은 탄소나노튜브의 합성단계에서 주입가스의 종류와 양 및 합성온도 등의 합성조건을 특정함으로써, 고순도의 이중벽 탄소나노튜브를 합성하는 방법을 개발하기에 이른 것이다.
본 발명의 목적은 탄소나노튜브의 합성수율이 우수한 담지촉매를 이용하여 탄소나노튜브를 제조하는 새로운 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고순도 탄소나노튜브의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 합성된 탄소나노튜브 중 이중벽 탄소나노튜브의 선택도가 높은 탄소나노튜브의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 결함이 적고 결정화도가 높은 탄소나노튜브의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 본 발명에 따른 탄소나노튜브 제조에 사용되는 새로운 담지촉매를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법은 담지촉매를 준비하는 단계, 담지촉매를 반응기에 장입 후 탄화수소가스 및 수소가스를 동시에 주입하며 반응기 온도를 900 내지 1000 ℃까지 상승시켜 탄소나노튜브를 합성시키는 승온단계, 및 반응기 온도를 상온 내지 200 ℃까지 하강시킨 후 수소가스만을 주입하여 탄소나노튜브를 합성시키는 감온단계로 이루어진다.
담지촉매는 하기의 몰비를 갖는 금속촉매 및 담지체가 혼합된 촉매 수용액을 반응기 내에서 500 내지 800 ℃의 온도에서 20 내지 60분 동안 소성시켜 제조한다.
담지체[Mg] : 금속촉매[Co] : 몰리브덴계 활성제[Mo] = 0.99 : x : 0.025
(상기에서, 0.05≤x≤0.075임)
상기 담지촉매는 다공성 무정형 담지체에 금속촉매가 담지된 것으로, 금속촉매의 크기는 5 nm 이하인 것이 바람직하다. 담지촉매는 소성된 담지촉매를 그라인딩하여 촉매의 표면적을 증가시킨 것을 사용할 수 있다.
승온단계에서 반응기의 온도를 900 내지 1000 ℃까지 상승시키고 30 내지 90분 동안 반응기의 온도를 유지하여 탄화수소가스와 수소가스를 주입시켜 탄소나노튜브를 합성한다. 탄화수소가스는 200 내지 300 sccm의 속도로 주입하며, 수소가스는 700 내지 900 sccm의 속도로 주입한다. 상기 탄화수소는 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, LPG, 또는 이들의 혼합가스이다.
감온단계에서 수소가스는 700 내지 900 sccm의 속도로 주입한다.
본 발명의 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법에 따른 수율은 담지촉매의 1 g 당 100% 이상이다. 이렇게 제조된 탄소나노튜브는 순도(C-purity)가 50% 이상으로, 라만 분광을 통한 G 밴드에 대한 D 밴드의 강도비(ID/IG)가 0.15 미만이며, RBM 모드(mode)의 영역에서 쌍을 이루는 2개의 피크가 존재한다.
이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 구체적인 내용을 하기에 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법은 합성수율이 우수한 담지촉매를 이용하여 고순도이고, 합성된 탄소나노튜브 중 이중벽 탄소나노튜브의 선택도가 높으며, 결함이 적고 결정화도가 높은 이중벽 탄소나노튜브를 제공하는 발명의 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 담지촉매 단면을 촬영한 TEM 사진이다.
도 2는 실시예 1에 의하여 제조된 탄소나노튜브의 SEM 사진이다.
도 3는 실시예 1에 의하여 제조된 탄소나노튜브의 TEM 사진이다.
도 4(a)는 실시예 1에 의하여 제조된 탄소나노튜브의 라만 분광그래프이며, 도 4(b)는 상기 라만 분광그래프의 RBM 영역을 확대 도시한 것이다.
도 5는 비교예 1에 의하여 제조된 탄소나노튜브의 라만 분광그래프이다.
본 발명은 이중벽 탄소나노튜브에 관한 것으로, 고순도이고, 합성된 탄소나노튜브 중 이중벽 탄소나노튜브의 선택도가 높으며, 결함이 적고 결정화도가 높은 이중벽 탄소나노튜브를 제조하는 방법에 관한 것이다.
이중벽 탄소나노튜브의 제조방법
본 발명에 따른 이중벽 탄소나노튜브 제조방법은 직경이 균일한 양질의 이중벽 탄소나노튜브를 제조하기 위한 것으로, 열화학 기상증착법에 의하여 제조된다. 구체적으로, 본 발명의 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법은 담지촉매의 준비단계, 반응기 내에 담지촉매를 장입하고 탄화수소가스와 수소가스를 주입하며 반응기 온도를 승온시키는 단계, 및 수소가스만을 주입하며 반응기 온도를 감온시키는 단계로 이루어진다. 이하, 각 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.
(A) 담지촉매의 준비단계
본 발명의 담지촉매의 준비단계는, 금속촉매 및 담지체가 혼합된 촉매 수용액을 준비한 후 상기 촉매 수용액을 보트에 담고, 반응기 내에서 금속촉매와 담지체를 동시에 소성시켜, 담지체의 포어(pore) 내에 금속촉매 입자가 담지되도록 한다.
본 발명의 담지촉매는 하기 몰비를 갖는 것이 바람직하다. 담지촉매의 몰비가 하기와 같은 경우 합성된 탄소나노튜브의 함량 중에서 이중벽 탄소나노튜브의 함량이 50% 이상 가능하며, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상 가능하다.
담지체(Mg) : 금속촉매(Co) : 몰리브덴계 활성제(Mo) = 0.99 : x : 0.025
(상기에서, x는 0.05 내지 0.075임)
본 발명에서는, 상기 담지촉매에 몰리브덴산암모늄 사수화물(Ammonium Molybdate Tetrahydrate)과 같은 몰리브덴(Mo)계 활성제를 넣어, 고온에서의 소성과정 동안 나노 크기의 금속촉매 간의 뭉침을 방지할 수 있다. 구연산(citric acid)과 같은 활성화제도 사용할 수 있다.
금속촉매와 담지체는 각각 물에 용해시켜 수용액상으로 혼합된다. 금속촉매 및 담지체가 혼합된 촉매 수용액는 교반을 통해 완전히 해리된다.
상기 교반이 완료되면, 금속촉매와 담지체를 소성시킨다. 소성은 금속촉매와 담지체를 포함하는 촉매 수용액을 보트에 담고, 반응기 내에서 500 내지 800 ℃의 온도에서 20 내지 90분 동안, 바람직하게는 20 내지 60분 동안 소성시킨다. 금속촉매입자의 형성과 모체의 담지과정은 소성과정을 통해 동시에 진행되므로, 짧은 시간 내에 촉매의 형성이 가능하다.
본 발명의 담지촉매는 다공성 무정형 담지체에 금속촉매가 담지된 것으로, 금속촉매의 크기는 5 nm 이하인 것이 바람직하다. 도 1에는 본 발명에 따른 한 담지촉매의 단면을 촬영한 TEM 사진을 도시한다.
본 발명의 담지촉매는 촉매의 표면적을 넓히기 위하여 그라인딩 하거나 분쇄하여 사용할 수도 있다.
(B) 승온단계
탄소나노튜브를 합성하는 승온단계는, 상기 준비된 담지촉매를 반응기 내에 장입한 후, 탄화수소가스와 수소가스를 동시에 주입하며, 반응기 온도를 900 내지 1000 ℃까지 상승시켜 탄소나노튜브를 합성한다. 승온단계에서 반응기 온도는 900 내지 1000 ℃까지 상승시키고 30 내지 90분 동안 상기 반응기 온도를 유지하여 탄소나노튜브를 합성한다.
승온단계에서 탄화수소가스와 수소가스를 동시에 주입함으로서 금속촉매의 환원효과를 저지하고, 촉매반응의 종결을 저지하여, 탄소나노튜브의 합성이 지속되도록 할 수 있다. 승온단계에서 탄화수소가스의 바람직한 주입속도는 200 내지 300 sccm이며, 수소가스의 바람직한 주입속도는 700 내지 900 sccm이다.
탄화수소가스로는 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, LPG 또는 이들의 혼합가스가 사용될 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
(C) 감온단계
탄소나노튜브를 합성하는 감온단계는, 상기 승온단계를 거친 탄소나노튜브에 수소가스만을 주입하며, 반응기 온도를 상온 내지 200 ℃까지 하강시켜 탄소나노튜브를 합성한다. 감온단계에서는 수소가스만을 주입함으로써 탄소 공급원을 제거할 수 있다. 감온단계에서 수소가스의 바람직한 주입속도는 700 내지 900 sccm이다.
이중벽 탄소나노튜브
상기 방법에 따라, 탄소나노튜브의 전체 함량 중에 이중벽 탄소나노튜브의 함량이 50% 이상인 고순도의 이중벽 탄소나노튜브를 제조할 수 있다. 본 발명의 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법에 따른 수율은 담지촉매의 1 g 당 100% 이상으로, 바람직하게는 150%도 가능하다.
합성된 탄소나노튜브는 전체가 C-C 결합으로 구성되어 있고, 그 방향성(Orientation)만 다르므로, C-C 결합의 방향성 차이에 민감하게 반응할 수 있는 라만 분광기를 사용하여, 탄소나노튜브의 방향성 및 결정화도를 확인할 수 있다. 본 발명의 탄소나노튜브는 라만 분광을 통한 G 밴드에 대한 D 밴드의 강도비(ID/IG)가 0.15 미만으로, 바람직하게는 0.12 미만도 가능하고, 더욱 바람직하게는 0.1 미만도 가능하다. 또한, 본 발명의 탄소나노튜브는 이중벽 탄소나노튜브로 RBM 모드(mode)의 영역에서 쌍을 이루는 2개의 피크가 존재한다.
도 4는 실시예 1에 의하여 제조된 탄소나노튜브의 라만 분광그래프로서, (b)는 (a)의 RBM 영역을 확대한 것이다. 도 4에서 보듯이, 1580 cm-1 영역에 나타나는 G 밴드와 1350 cm-1 부근에 나타나는 D 밴드의 강도(intensity) 비를 이용하여 탄소나노튜브의 결정화도를 나타낼 수 있다. 라만 분광을 통한 G 밴드에 대한 D 밴드의 강도비(ID/IG)가 작으면 작을수록 탄소나노튜브는 결함이 적고, 결정화도가 높다. 또한, 400 cm-1 이하에서 나타나는 RBM 모드는, 탄소나노튜브의 직경에 관한 피크이다. 일반적으로 단일벽 탄소나노튜브는 단 하나의 피크만이 나타남에 반하여, 이중벽 탄소나노튜브는 2개의 벽을 가지고 있으므로 그에 따라 특징적인 2개의 피크들이 쌍을 이루어 나타나는 것을 알 수 있다.
본 발명의 이중벽 탄소나노튜브는 하기 담지촉매를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 담지촉매는 다공성 무정형 담지체에 금속촉매가 담지된 것으로, 금속촉매의 크기는 5 nm 이하인 것이 바람직하다.
담지체[Mg] : 금속촉매[Co] : 몰리브덴계 활성제[Mo] = 0.99 : x : 0.025
(상기에서, 0.05≤x≤0.075임)
본 발명은 하기의 실시예에 의해 보다 구체화될 것이나, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 사용될 뿐이며 본 발명의 보호범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
마그네슘 원료물질 2.534 g과 구연산 원료물질(citric acid) 1.9 g을 탈이온수 10 ml에 녹인다. 그리고 코발트 원료물질 0.22 g을 녹인 후 몰리브덴 원료물질을 0.044 g 첨가하며 교반시킨다(몰비 Mg:Co;Mo = 0.99:0.075:0.025). 금속촉매입자 용액이 균일하게 용해된 후 상기의 용액을 보트에 담고 550 ℃를 유지하고 있는 오븐에 넣는다. 550 ℃에서 20분간 유지시켜 금속촉매입자와 담지체를 동시에 소성시켜 담지체의 포어(pore) 내에 금속촉매입자가 담지되도록 한다. 이어서 소성된 금속촉매가 함유된 모체 파우더를 살짝 그라인딩하여 금속촉매입자의 표면적이 넓어지도록 한다.
상기 제조된 금속촉매입자 0.03 g을 보트에 장착 후 반응기에 넣는다. 반응기 내부의 온도를 1000 ℃로 올리면서 탄화수소가스인 메탄 200 sccm과 수소가스 800 sccm를 주입한다. 반응기 내부의 온도가 1000 ℃에 다다르면 30분간 유지시킨다. 30분의 합성시간이 끝난 후 메탄가스를 제거하고 수소가스 800 sccm을 주입하면서 반응기의 온도를 내린다.
상기 이중벽 탄소나노튜브에 대한 SEM 사진 및 TEM 사진을 촬영하여 각각 도 2, 3에 나타내었다. 제조된 탄소나노튜브의 결정화도를 알기 위해 라만 분광도 및 탄소에 대한 순도를 측정하기 위해 열중량분석기를 사용하였다. 라만 분광을 통해 G 밴드에 대한 D 밴드의 강도비(ID/IG)는 0.0712이고 RBM 모드(mode)의 영역을 살펴보면 이중벽 탄소나노튜브의 특징인 쌍을 이루는 피크들이 보이는 것을 확인할 수 있다.
실시예 2
마그네슘 원료물질 2.534 g과 구연산 원료물질 1.9 g을 탈이온수 10 ml에 녹인다. 그리고 코발트 원료물질 0.147 g을 녹인 후 몰리브덴 원료물질을 0.044 g 첨가하며 교반시킨다(Mg:Co;Mo = 0.99:0.05:0.025 몰비). 금속촉매입자 용액이 균일하게 용해된 후 상기의 용액을 보트에 담고 550 ℃를 유지하고 있는 오븐에 넣는다. 550 ℃에서 20분간 유지시켜 금속촉매입자와 담지체를 동시에 소성시켜 담지체의 기공 내에 금속촉매입자가 담지되도록 한다. 이어서 소성된 금속촉매가 함유된 모체 파우더를 살짝 그라인딩하여 금속촉매입자의 표면적이 넓어지도록 한다.
그리고 제조된 금속촉매입자 0.03 g을 보트에 장착 후 반응기에 넣는다. 반응기 내부의 온도를 900 ℃로 올리면서 탄화수소가스인 메탄 200 sccm과 수소가스 800 sccm를 주입한다. 반응기 내부의 온도가 900 ℃에 다다르면 60분간 유지시킨다. 60분의 합성시간이 끝난 후 메탄가스를 제거하고 수소가스 800 sccm을 주입하면서 반응기의 온도를 내린다.
실시예 3
실시예 1과 동일한 금속촉매입자 0.03 g을 보트에 장착 후 반응기에 넣는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 합성하였다.
실시예 4
실시예 1과 동일한 금속촉매입자 0.03 g을 보트에 장착 후 반응기에 넣는다. 반응기 내부의 온도를 900 ℃로 올리면서 탄화수소가스인 메탄 200 sccm과 수소가스 800 sccm를 주입한다. 반응기 내부의 온도가 900 ℃에 다다르면 90분간 유지시킨다. 90분의 합성시간이 끝난 후 메탄가스를 제거하고 수소가스 800 sccm을 주입하면서 반응기의 온도를 내린다.
실시예 5
마그네슘 원료물질 2.534 g과 구연산 원료물질 1.9 g을 탈이온수 10 ml에 녹인다. 그리고 코발트 원료물질 0.22 g을 녹인 후 몰리브덴 원료물질을 0.044 g 첨가하며 교반시킨다(Mg:Co;Mo = 0.99:0.075:0.025 몰비). 금속촉매입자 용액이 균일하게 용해된 후 상기의 용액을 보트에 담고 550 ℃를 유지하고 있는 오븐에 넣는다. 550 ℃에서 30분간 유지시켜 금속촉매입자와 담지체를 동시에 소성시켜 담지체의 기공 내에 금속촉매입자가 담지되도록 한다. 이어서 소성된 금속촉매가 함유된 모체 파우더를 살짝 그라인딩하여 금속촉매입자의 표면적이 넓어지도록 한다. 합성과정은 실시예 1과 동일하다.
비교예 1
마그네슘 원료물질 2.534 g과 구연산 원료물질 1.9 g을 탈이온수 10 ml에 녹인다. 그리고 코발트 원료물질 0.367 g을 녹인 후 몰리브덴 원료물질을 0.044 g 첨가하며 교반시킨다(Mg:Co;Mo = 0.99:0.125:0.025 몰비). 그 다음의 일련의 과정은 실시예 1과 동일하다.
비교예 2
실시예 1과 동일한 금속촉매입자 0.03 g을 보트에 장착 후 반응기에 넣는다.반응기 내부의 온도를 1000 ℃로 올리면서 비활성기체 중 하나인 아르곤 가스 500 sccm을 주입한다. 반응기 내부의 온도가 1000 ℃에 다다르면 아르곤 가스를 제거한 뒤 탄화수소가스인 메탄 200 sccm과 수소가스 800 sccm을 주입한다. 1000 ℃의 온도에서 30분간 유지한 뒤 메탄가스와 수소가스의 주입을 중단 한 뒤 아르곤 가스 500 sccm을 주입하면서 반응기의 온도를 내린다.
비교예 3
마그네슘 원료물질 2.534 g과 구연산 원료물질 1.9 g을 탈이온수 10 ml에 녹인다. 그리고 철 원료물질 0.303 g을 녹인 후 몰리브덴 원료물질을 0.044 g 첨가하며 교반시킨다(Mg:Fe:Mo = 0.99:0.075:0.025). 그 다음의 일련의 과정은 실시예 1과 동일하다.
실시예에서 사용된 각 성분의 구체적인 설명
마그네슘 원료물질 : Mg(NO3)2.6H2O, 시그마 알드리치
코발트 원료물질 : Co(NO3)2.6H2O
구연산 원료물질 : C6H8O7·H2O(Citric acid monohydrate, 99.5%), 삼전화학
몰리브덴 원료물질 : NH4·6Mo7O24.4H2O(Ammonium molybdate 99.6%), 삼전화학
측정 방법
SEM: HITACHI사의 S-4800을 이용하여 측정하였다
TEM: Field Emission Transmission Electron Microscopy를 이용하여 측정하였다.
TGA: TA instrument사의 Q5000IR의 열중량분석기를 사용하여 C purity 및 D/G ratio를 측정하였다.
촉매 1 g 당 수율(%): (총무게-사용한 촉매의 무게)/(사용한 촉매의 무게)* 100으로 계산하였다.
하기 표 1은 상기 실시예 및 비교예의 촉매조성과 반응조건을 정리한 것이며, 하기 표2는 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 탄소나노튜브의 순도(C-purity), D/G ratio, 및 촉매 1 g 당 수율(%)의 결과값을 나타낸 것이다.
표 1
Figure PCTKR2012009185-appb-T000001
표 2
Figure PCTKR2012009185-appb-T000002
상기 표 1 및 2에서와 같이, 표 1의 촉매 조성으로 제조된 담지촉매의 1 g 당 수율은 150% 이상으로서 탄소나노튜브의 합성 효율이 개선된 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 1 내지 5에 의하여 제조된 탄소나노튜브는 순도(C-purity)가 60% 이상으로 우수하고, 강도비(ID/IG)가 0.12 미만이며, 도 4에서 보듯이 RBM 모드에서 2개의 피크들이 쌍을 이루어 나타나는 것을 확인할 수 있다.
반면, 실시예 1과 비교예 1을 비교해보면, 실시예 1을 통해 제조된 탄소나노튜브의 경우 G 밴드에 대한 D 밴드의 강도비(ID/IG)는 0.0712이지만 비교예 1의 경우 상기 강도비가 0.106로 증가한 것을 알 수 있다. 이것은 비교예 1의 경우 실시예 1에 비해 화학증착 과정에서 탄소나노튜브에 일반적으로 수반되는 비정렬 그라파이트(disordered graphite)와 비정질 탄소가 많아 탄소나노튜브의 결정화도가 낮다는 것을 의미한다. 또한, 도 5에서와 같이 RBM 모드에서 단일 피크만이 발현되는 것을 확인할 수 있다.
비교예 2에 의한 탄소나노튜브는 실시예 1과 비교할 때 수율과 탄소에 대한 순도가 급감한 것을 알 수 있다. 또한 라만 분광에 대한 강도비(ID/IG) 또한 0.209로 크게 증가하였다.
비교예 3에 의한 탄소나노튜브는 실시예 1과 비교할 때 수율이 20%에도 미치지 못할 정도로 저하되며 라만 분광 데이터에 있어서도 강도비(ID/IG)가 0.220로 크게 증가하는 것을 알 수 있다.

Claims (17)

  1. 담지촉매를 준비하는 단계;
    상기 담지촉매를 반응기에 장입 후 탄화수소가스 및 수소가스를 동시에 주입하며 반응기 온도를 900 내지 1000 ℃까지 상승시켜 탄소나노튜브를 합성시키는 승온단계; 및
    반응기 온도를 상온 내지 200 ℃까지 하강시킨 후 수소가스만을 주입하여 탄소나노튜브를 합성시키는 감온단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 담지촉매는 하기의 몰비를 갖는 금속촉매 및 담지체가 혼합된 촉매 수용액을 반응기 내에서 500 내지 800 ℃의 온도로 소성시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법:
    담지체[Mg] : 금속촉매[Co] : 몰리브덴계 활성제[Mo] = 0.99 : x : 0.025
    상기에서, 0.05≤x≤0.075임.
  3. 제2항에 있어서, 상기 담지촉매는 다공성 무정형 담지체에 금속촉매가 담지된 것으로, 상기 금속촉매의 크기는 5 nm 이하인 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 500 내지 800 ℃의 온도로 20 내지 60분 동안 소성시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 소성된 담지촉매를 그라인딩하여 촉매의 표면적을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 승온단계에서 반응기의 온도를 900 내지 1000 ℃까지 상승시키고 30 내지 90분 동안 반응기의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 승온단계에서 탄화수소가스의 주입속도는 200 내지 300 sccm이며, 승온단계 및 감온단계에서 수소가스의 주입속도는 700 내지 900 sccm인 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 탄화수소는 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, LPG, 및 이들의 혼합가스로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 담지촉매의 1 g 당 수율이 100% 이상인 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브의 제조방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 탄소나노튜브 제조방법에 의하여 제조된 이중벽 탄소나노튜브.
  11. 제10항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 순도(C-purity)가 50% 이상인 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브.
  12. 제10항에 있어서, RBM 모드(mode)의 영역에서 쌍을 이루는 2개의 피크가 존재하는 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브.
  13. 제10항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 라만 분광을 통한 G 밴드에 대한 D 밴드의 강도비(ID/IG)가 0.15 미만인 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브.
  14. 라만 분광을 통한 G 밴드에 대한 D 밴드의 강도비(ID/IG)가 0.15 미만이고, RBM 모드(mode)의 영역에서 쌍을 이루는 2개의 피크가 존재하는 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브.
  15. 제14항에 있어서, 하기 담지촉매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브:
    담지체[Mg] : 금속촉매[Co] : 몰리브덴계 활성제[Mo] = 0.99 : x : 0.025
    상기에서, 0.05≤x≤0.075임.
  16. 제15항에 있어서, 상기 담지촉매는 다공성 무정형 담지체에 금속촉매가 담지된 것으로, 상기 금속촉매의 크기는 5 nm 이하인 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브.
  17. 제14항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 순도(C-purity)가 50% 이상인 것을 특징으로 하는 이중벽 탄소나노튜브.
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