WO2015046691A1 - 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자 및 그 제조방법, 이 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용하여 제조된 산화철/탄소 복합체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to iron oxalate hydrate particles having a shape controlled, and a method for manufacturing the same, an iron oxide / carbon composite prepared using the iron oxalate hydrate particles, and a method for producing the same. And mixed with and high temperature hydrothermal reaction to produce iron oxalate particles adjusted to various shapes, and by adjusting the shape of the iron oxalate particles without removing many carbons in the crystal through continuous high temperature firing process
- the present invention relates to a technique for producing an iron oxide / carbon composite in which small iron oxide particles are formed while maintaining the overall form of iron oxalate.
- Metal oxide particles have been widely applied mainly as adsorbents, catalysts, batteries and capacitor electrode materials.
- porous metal oxide particles have a very large surface area compared to bulk agglomerate particles, and thus exhibit much greater responsiveness in electrical and chemical applications. Because of this, porous nanomaterials have been applied to many industrial fields until now depending on the structure and size of their unique pores such as separation, adsorption, and catalyst.
- nanomaterials such as nickel and cobalt, including iron oxide, are magnetic at room temperature, and thus may be used for magnetic separation and drug delivery.
- porous metal oxide materials composed of transition metals and oxygen bases were obtained by using a polymer surfactant as a template or using a material that can be easily removed with hydrofluoric acid such as silica. However, this method was not easy to uniform pore control and size overall.
- the method for producing porous metal oxide particles has been generally obtained by various synthetic methods such as chemical vapor deposition (CVD) or solvent thermal synthesis in solution.
- a method of making a porous metal oxide structure by impregnating a metal salt using a polymer or silica material having a shape as a template and then removing the used material through a heat treatment or a chemical treatment is known. There is also.
- the metal oxalate material may be synthesized in various ways according to the characteristics of the metal.
- a commonly known method is a method of chemically reacting a metal precursor and oxalic acid together (Korean Patent Registration) 10-0555400, Method for producing composite barium titanate powder by oxalate method).
- the metal oxalate material obtained by reacting the metal precursor with oxalic acid was difficult to smoothly control the shape of the particles, and also had limitations on the particle size control.
- Patent Document 1 Domestic registered patent publication No. 10-1198489 (2012.10.31.)
- Patent Document 2 Domestic registered patent publication No. 10-0555400 (2006.02.20.)
- Patent Document 3 Domestic registered patent publication No. 10-0431176 (2004.04.30.)
- Patent Document 4 Domestic Registered Patent Publication No. 10-0692282 (2007.03.02.)
- An object of the present invention for solving the above problems is to adjust the iron oxalate particles in a variety of shapes by hydrothermal reaction of an aqueous solution of a mixture of sugars, surfactants and water to provide the iron hydrate salts carbon To provide a method of preparation and iron oxalate particles produced therefrom.
- another object of the present invention is to maintain the overall shape of the shape-controlled iron oxalate by remaining the iron oxalate particles prepared by adjusting the shape without removing all the carbon in the crystal through the high temperature firing process It is to provide a method for producing an iron oxide / carbon composite formed with particles and an iron oxide / carbon composite prepared therefrom.
- the present invention to achieve the object as described above and to perform the task for removing the conventional drawbacks comprises the steps of mixing iron hydrate salts, surfactants and sugars in distilled water and a reactor;
- the shape of the iron oxalate hydrate particle is adjusted according to the type and amount of the saccharide and the surfactant mixed with the iron hydrate salt, PVP (Polyvinylpyrrolidone) surfactant is 0.5 to 40 compared to the iron hydrate salt in a molar ratio , Sugars may be added in a weight ratio of 0.5 to 10 compared to the iron hydrate salt.
- PVP Polyvinylpyrrolidone
- the hydrothermal reaction is allowed to react for 30 minutes to 48 hours after the temperature is raised to 100 °C after stirring in an atmospheric atmosphere.
- the iron hydrate salt is Iron (III) chloride hexahydrate, Iron (II) chloride tetrahydrate, Iron (III) nitrate nonahydrate, Iron (III) sulfate hydrate, Iron (II) perchlorate hydrate, Iron (II) sulfate It may be at least one selected from hydrates.
- the saccharide may be any one or more selected from monosaccharides, disaccharides and polysaccharides.
- the monosaccharide may be any one or more selected from glucose, fructose, fructose, and fructose.
- the disaccharide may be at least one selected from sucrose, lactose, maltose, trehalose, melibiose, and cellobise.
- the polysaccharide may be any one or more selected from raffinose, stachyose, starch, dextrin glycogen, cellulose.
- the surfactant is a polymer surfactant polyvinylpyrrolidone (PVP), the weight average molecular weight may be 10,000 ⁇ 36,000.
- PVP polyvinylpyrrolidone
- the step of re-dispersion and washing with distilled water or ethanol again may further include.
- the present invention is achieved by providing the iron oxalate hydrate particles, characterized in that the shape is adjusted in the form of a cuboid or a cube in accordance with the manufacturing method.
- the present invention comprises the steps of mixing the iron hydrate salt, surfactant and saccharides in the reactor with distilled water;
- the heat treatment temperature during the high temperature firing may be 300 °C to 700 °C.
- the high temperature firing time may be heat treated for 1 to 48 hours.
- the shape of the iron oxalate hydrate particles is adjusted according to the type and amount of the saccharide and the surfactant mixed with the iron hydrate salt, PVP (Polyvinylpyrrolidone) surfactant is 0.5 to 40 compared to the iron hydrate salt in a molar ratio
- the sugar may be added so as to be 0.5 to 10 relative to the iron hydrate salt in weight ratio.
- the hydrothermal reaction is allowed to react for 30 minutes to 48 hours after the temperature is raised to 100 °C after stirring in an atmospheric atmosphere.
- the iron hydrate salt is Iron (III) chloride hexahydrate, Iron (II) chloride tetrahydrate, Iron (III) nitrate nonahydrate, Iron (III) sulfate hydrate, Iron (II) perchlorate hydrate, Iron (II) sulfate It may be at least one selected from hydrates.
- the saccharide may be any one or more selected from monosaccharides, disaccharides and polysaccharides.
- the monosaccharide may be any one or more selected from glucose, fructose, fructose, fructose.
- the disaccharide may be any one or more selected from sucrose, lactose, maltose, trehalose, melibiose, and cellobise.
- the polysaccharide may be at least one selected from raffinose, stachyose, starch, dextrin glycogen, and cellulose.
- the surfactant is a polyvinylpyrrolidone (PVP) which is a polymer surfactant, and a weight average molecular weight of 10,000 to 36,000 may be used.
- PVP polyvinylpyrrolidone
- the step of re-dispersion and washing by adding distilled water or ethanol again may further include.
- the present invention is manufactured according to the manufacturing method is characterized in that the iron oxide crystals formed during the high temperature firing in the state of maintaining the shape of the iron oxalate is adjusted in the form of a cuboid or cube shape is formed in the carbon remaining By providing an iron oxide / carbon composite using the ferrous oxalate hydrate particles.
- the present invention has the advantage that the particles obtained by synthesizing iron oxalate through a high-temperature hydrothermal reaction after mixing a surfactant and a saccharide can be more uniformly controlled in the form of a cube or a cube in comparison with the conventional method using oxalic acid.
- the iron oxalate particles thus obtained can be retained without removing many carbons in the crystal by high temperature firing in an inert atmosphere, thereby maintaining the overall form of the iron oxalate produced during synthesis, while the iron oxide / carbon in which small iron oxide particles are formed therein.
- the iron oxide / carbon composite material obtained through the synthesis of the iron oxalate whose shape is adjusted according to the above is a useful invention that can be applied to various fields such as batteries, catalysts, electrode materials and the like, the invention is expected to be greatly used in the industry.
- FIG. 1 is an exemplary view showing the step-by-step shape of the active iron oxalate particles synthesized to control the shape according to an embodiment of the present invention and the carbon-based iron oxide / carbon composite obtained therefrom,
- Figure 2 is a flow chart showing the manufacturing process of the carbon-based iron oxide / carbon composite according to an embodiment of the present invention
- Example 3 is an image and spectrum ((a) TEM picture, (bd) SEM picture, (e) XRD spectrum) showing the cubic iron oxalate structure obtained through the hydrothermal reaction according to Example 1 of the present invention. ,
- Figure 4 is a SEM image of the cubic iron oxalate particles after the reaction for 2 hours according to Example 2 of the present invention
- FIG. 5 is an image and spectrum ((a-b) TEM photograph and (c) XRD spectrum) showing FeO (OH) particles obtained by reaction excluding glucose according to Comparative Example 1 compared with Example 1 of the present invention.
- Example 6 is a SEM image ((a) low magnification and (b) high magnification SEM photograph) of iron oxalate particles according to Example 3 of the present invention
- FIG. 7 is an SEM image of iron oxalate particles obtained through a reaction except for PVP according to Comparative Example 2 compared with Example 2 of the present invention.
- Example 8 is an SEM image of iron oxalate particles obtained by reacting with disaccharide sucrose according to Example 4 of the present invention.
- Example 9 is an SEM image of iron oxalate particles obtained by reacting with a polysaccharide starch according to Example 5 of the present invention.
- FIG. 10 is a SEM image ((a) low magnification photograph, b) high magnification photograph of an iron oxide / carbon structure obtained through high temperature pyrolysis of iron oxalate particles according to Example 6 of the present invention;
- Example 11 is an XRD spectrum of an iron oxide / carbon structure obtained through high temperature pyrolysis of iron oxalate particles according to Example 6 of the present invention.
- FIG. 1 is an exemplary view showing the step-by-step shape of the active iron oxalate particles synthesized to control the shape according to an embodiment of the present invention and the carbon-based iron oxide / carbon composite obtained therefrom
- Figure 2 is an embodiment of the present invention Flow chart showing the manufacturing process of the carbon-based iron oxide / carbon composite according to.
- the present invention includes the steps of preparing the iron oxalate hydrate particles having a large shape adjustment;
- the shape produced therefrom consists of continuously adjusting the iron oxalate hydrate to produce the iron oxide / carbon composite.
- the iron oxalate hydrate particles whose shape is controlled decomposes the iron precursor through hydrothermal reaction, and controls iron oxal of various shapes and sizes by controlling the type of sugar used as a carbon resource and the amount of surfactant used together. Rate particles can be obtained.
- the step of powdering the iron oxalate particles recovered (S500); consists of.
- the method may further include redispersing and washing using distilled water or ethanol (S600).
- the iron hydrate salt is put into distilled water and refluxed at high temperature together with one of the surfactant PVP and the saccharides, that is, the monosaccharide glucose, the disaccharide sucrose, and the polysaccharide starch. Hydrothermal reactions lead to the decomposition and maturation of salts.
- the temperature is lowered to room temperature, washed with distilled water or ethanol, and then recovered through a centrifuge. Thereafter, the recovered iron oxalate particles are selectively washed again with distilled water or ethanol and dried to obtain a powdered iron oxalate.
- the molar ratio of PVP which is surfactant compared to iron hydrate salt is 0.5-40. If the molar ratio is less than 0.5, the cuboid shape is not properly formed, and if it is larger than 40, it is difficult to separate the particles after the reaction due to the excessive PVP and there is no particular improvement in the shape formation.
- the amount of sugar is also preferably in a weight ratio of 0.5 to 10 relative to the iron hydrate salt. If it is less than 0.5, iron oxalate is not formed properly, and if it is larger than 10, it is not meaningful because an excess of sugar does not participate in the reaction and is discarded as it is after the reaction.
- the iron oxalate hydrate particles in the dry powder form which have been subjected to the preparation of the iron oxalate hydrate particles, are heat-treated using a high temperature calciner under an atmosphere or an inert gas atmosphere.
- the iron hydrate salt is an iron compound capable of exhibiting acidity when dissolved in distilled water, and includes iron (III) chloride, Iron (II) chloride, Iron (III) chloride hexahydrate, Iron (II) chloride tetrahydrate, and Iron (III) nitrate. It may be a nonahydrate, Iron (III) sulfate hydrate, Iron (II) perchlorate hydrate, Iron (II) sulfate hydrate. These iron hydrate salts are acidic in aqueous solution and can act as catalysts to speed up the decomposition rate when reacting with sugars.
- the sugars include monosaccharides such as glucose, fructose, fructose, fructose, disaccharides, sucrose, lactose, maltose, trehalose, melibiose, cellobise, polysaccharides, raffinose, stachyose, starch, dextrin glycogen, cellulose, and the like. However, in view of uniformity of the particles, it is more preferable to use monosaccharides and disaccharide compounds.
- the polymer surfactant affecting the shape of the final iron oxalate particles can be used PVP (Polyvinylpyrrolidone), it is preferable to use a weight average molecular weight of 10,000 ⁇ 36,000 in consideration of viscosity and smooth separation after the reaction. .
- the shape of the particles can be changed by adjusting the amount of PVP. If the reaction proceeds in the state except PVP, it is difficult to control the uniform particle shape to be achieved in the present invention.
- the aqueous solution containing the saccharide and the iron precursor iron hydrate salt, surfactant is decomposed and the reaction proceeds from the boiling point of distilled water and the reaction time is sufficient decomposition of iron hydrate salt (iron precursor) and sugar (carbon mixture) And it is preferred to react for 30 minutes to 48 hours in consideration of the change to iron oxalate.
- the colloidal solution changed to dark yellow iron oxalate is cooled to room temperature, and then dispersed using distilled water or ethanol to easily disperse iron oxalate particles.
- iron oxalate particles can be recovered by centrifugation, then washed with distilled water or ethanol to remove contaminants, and then obtained in powder form by vacuum or atmospheric drying. have.
- the iron oxalate powder prepared to control the shape is injected into a tube-type calciner and calcined at high temperature to obtain iron oxide particles / carbon composites.
- the heat treatment temperature at the time of high temperature firing can be applied from 300 °C or more, the temperature range where the iron hydrate salt is completely decomposed, and when firing at a temperature higher than 700 °C may be disadvantageous for the application of materials such as catalyst or electrode material later Aggregation and sintering between particles occur seriously, so it is preferable to heat treatment at a temperature between 300 °C ⁇ 700 °C.
- Atmospheric, nitrogen and argon atmospheres are suitable for changing the atmosphere during the high temperature firing from iron oxalate particles to iron oxide.
- an inert gas such as nitrogen or argon because many carbons in the iron oxalate crystal are removed during the heat treatment in the air.
- the heat treatment time is preferably 1 to 48 hours for sufficient decomposition of iron oxalate particles and crystallization of iron oxide particles.
- the shape can be controlled according to the type and amount of the saccharide and the surfactant, and then pyrolysis at a temperature of 300 °C or more in the atmosphere or inert gas atmosphere While retaining the basic form originally contained in iron oxalate, small iron oxide crystals can be obtained inside large particles of carbon.
- the colloidal solution cooled at room temperature is precipitated by centrifugation at 10,000 rpm for 30 minutes by adding distilled water and ethanol solution in order.
- the final micrometer-sized iron oxalate particles can be redispersed in ethanol solution if necessary.
- the hydrothermal reaction was performed at 100 ° C. for 2 hours, and then the temperature was lowered to room temperature to terminate the reaction.
- the colloidal solution cooled at room temperature is precipitated by centrifugation at 10,000 rpm for 30 minutes while being dispersed and washed with distilled water and ethanol solution, respectively.
- distilled water was washed once and centrifuged. Then, after distilled water was discarded, ethanol was added and washed again to centrifuged.
- the SEM photograph of the iron oxalate particle obtained above is shown in FIG. 4 is an SEM image of cubic iron oxalate particles after 2 hours of reaction.
- the experiment was performed after excluding only glucose, which is a carbon precursor, under the same reaction conditions as in Example 1.
- glucose which is a carbon precursor
- elliptical non-uniform particles having a level of 500 nm were observed, and obtained through XRD analysis as shown in FIG. 5C.
- the particles were found to be FeO (OH) structure (Ferric oxyhydroxide, Goethite) rather than iron oxalate structure.
- the hydrothermal reaction was performed at 100 ° C. for 2 hours, and then the temperature was lowered to room temperature to terminate the reaction.
- the colloidal solution cooled at room temperature is precipitated by centrifugation at 10,000 rpm for 30 minutes while being dispersed and washed with distilled water and ethanol solution, respectively.
- distilled water was washed once and centrifuged. Then, after distilled water was discarded, ethanol was added and washed again to centrifuged.
- the hydrothermal reaction was performed at 100 ° C. for 2 hours, and then the temperature was lowered to room temperature to terminate the reaction.
- the colloidal solution cooled at room temperature is precipitated by centrifugation at 10,000 rpm for 30 minutes while being dispersed and washed with distilled water and ethanol solution, respectively.
- distilled water was washed once and centrifuged. Then, after distilled water was discarded, ethanol was added and washed again to centrifuged.
- the iron oxalate particles obtained above were grown on iron oxalate grains as can be seen in the SEM photograph shown in FIG. 8 when using the disaccharide sucrose unlike when glucose was used as the carbon source in Examples 1 to 3. It can be seen that it progressed in the form of a long rod-shaped cube oriented in one direction.
- the hydrothermal reaction was performed at 100 ° C. for 2 hours, and then the temperature was lowered to room temperature to terminate the reaction.
- the colloidal solution cooled at room temperature is precipitated by centrifugation at 10,000 rpm for 30 minutes while being dispersed and washed with distilled water and ethanol solution, respectively.
- distilled water was washed once and centrifuged. Then, after distilled water was discarded, ethanol was added and washed again to centrifuged.
- the iron oxalate powder obtained in Example 2 was injected into a tubular calciner, and then heat-treated at 400 ° C. for 4 hours in an inert gas atmosphere (normal pressure, flow rate of 100 to 200 mL / min) such as nitrogen or argon to produce iron oxide / carbon.
- an inert gas atmosphere normal pressure, flow rate of 100 to 200 mL / min
- nitrogen or argon such as nitrogen or argon
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Abstract
본 발명은 철수화물 염을 탄소를 제공하는 당류, 계면활성제 및 물을 혼합한 수용액을 고온 수열반응시켜 다양한 형상으로 조절한 철 옥살레이트 입자를 제조하고 이로부터 산화철/탄소 복합체를 제공하는 데 있다. 본 발명은 철 수화물염, 계면활성제 및 당류를 증류수와 반응기에서 혼합하는 단계와; 이후 승온 후 수열반응을 통해 철수화물 염을 분해시켜 형상이 조절된 철 옥살레이트 입자를 형성하는 단계와; 이후 온도를 상온까지 내린 후 증류수 또는 에탄올을 투입하여 분산 및 세척하는 단계와; 이후 원심분리기를 사용하여 철 옥살레이트 입자를 원심분리하는 단계와; 이후 건조시켜 회수된 철 옥살레이트 입자를 분말화하는 단계;로 이루어진 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조방법과 그 입자 그리고 상기 형상이 조절된 분말 상태의 철 옥살레이트 입자를 대기 또는 불활성 기체 분위기 하에서 고온 소성 과정을 통해 열분해시켜 잔류된 탄소 사이에 산화철 입자를 형성시키는 단계;로 이루어진 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법 및 그 복합체를 발명의 특징으로 한다.
Description
본 발명은 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자 및 그 제조방법, 이 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용하여 제조된 산화철/탄소 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 철수화물 염을 당류, 계면활성제와 혼합 후 고온 수열반응시켜 다양한 형상으로 조절한 철 옥살레이트 입자를 제조하는 기술과, 제조된 철 옥살레이트 입자를 연속적으로 고온 소성과정을 통해 그 결정 내부의 많은 탄소들을 제거하지 않고 잔류시켜 형상 조절된 철 옥살레이트의 전체적 형태를 유지하면서 내부에는 작은 산화철 입자들이 형성된 산화철/탄소 복합체를 제조하는 기술에 관한 것이다.
산화금속 입자는 주로 흡착제, 촉매제, 배터리 및 커패시터 전극 물질로서 많이 응용되고 있다.
특히 다공성 산화금속 입자는 그 표면적이 벌크(bulk)한 덩어리 입자에 비해 매우 크므로 전기적, 화학적 응용에 있어서 휠씬 반응성이 큰 장점을 나타낸다. 이 때문에 지금까지 다공성 나노 물질은 분리, 흡착, 촉매 등 그 고유한 기공의 구조와 크기에 따라 많은 산업 분야에 적용되어 왔다. 특히 산화철을 포함한 니켈, 코발트 등의 나노 물질 들은 상온에서 자성을 띠고 있어 자성분리나 약물전달 등에 활용될 수 있다. 또한, 전이금속 및 산소 기반으로 이루어진 다공성 산화금속물질은 고분자 계면활성제를 틀(template)로 사용 하거나 실리카와 같이 불산으로 쉽게 제거가 가능한 물질을 틀로 사용하여 얻어졌다. 하지만 이러한 방법은 전반적으로 기공의 조절 및 크기를 균일하게 만들기가 쉽지 않았다.
다공성 산화금속 입자의 제조방법은 보통 화학기상 성장법(CVD, chemical vapor deposition)이나 용액 중 용매 열합성법(solvothermal synthesis) 등 다양한 합성 방식에 의해 얻어져 왔다.
다른 방법으로는 이미 모양이 형성된 고분자 물질이나 실리카 물질을 틀(template)로서 사용하여 금속염을 함침 시킨 후, 다시 열처리나 화학적 처리를 통해 틀로 사용된 물질을 제거하여 다공성 산화금속 구조체를 만드는 방법이 알려져 있기도 하다.
또한 최근에는 또 다른 방법으로 다공성 전이금속 입자를 금속 옥살레이트(metal oxalate) 화합물 입자들로부터 열분해하여 얻는 기술들도 보고 되고 있다. 금속 옥살레이트 수화물은 300℃ 이상의 고온의 열을 가해주게 되면 금속 옥살레이트에서 결정을 이루고 있던 탄소들이 일산화탄소 및 이산화탄소 등으로 상당량 제거되면서 동시에 많은 기공들이 형성되어 다양한 산화금속 입자를 형성시키는 데 있어 핵심적 선구물질로 활용될 수 있다.(Teramae et al. Langmuir 2013, 29, 4404), (Donsheng Yan et al., Adv. Funct, 2008, 18, 1544), (대한민국 특허 등록 제 10-1198489호, 리튬철 인산염 제조용 철 소스의 제조방법 및 리튬철 인산염의 제조방법).
상기한 금속 옥살레이트 물질은 그 금속의 특성별로 다양하게 합성될 수 있는데, 보편적으로 알려진 방법은 금속 선구물질(precursor)과 옥살산(oxalic acid)을 함께 화학적으로 반응시켜 얻는 방식이다(대한민국 특허등록 제 10-0555400호, 옥살레이트법에 의한 복합티탄산바륨계 파우더의 제조방법).
하지만, 이러한 금속 선구물질과 옥살산을 반응시켜 얻어지는 금속 옥살레이트 물질은 입자의 형상 조절을 원활히 하기가 힘들었으며, 입자 크기 조절에도 한계를 가지고 있었다
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) 국내 등록특허공보 등록번호 10-1198489(2012.10.31.)
(특허문헌 2) 국내 등록특허공보 등록번호 10-0555400(2006.02.20.)
(특허문헌 3) 국내 등록특허공보 등록번호 10-0431176(2004.04.30.)
(특허문헌 4) 국내 등록특허공보 등록번호 10-0692282(2007.03.02.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 철수화물 염을 탄소를 제공하는 당류, 계면활성제 및 물을 혼합한 수용액을 고온 수열반응(hydrothermal reaction)시켜 다양한 형상으로 조절한 철 옥살레이트 입자를 제조하는 방법 및 그로부터 제조된 철 옥살레이트 입자를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 형상이 조절되어 제조된 철 옥살레이트 입자를 고온 소성과정을 통해 결정 내부의 탄소들을 모두 제거하지 않고 잔류시켜 형상 조절된 철 옥살레이트의 전체적 형태를 유지하면서도 내부에는 작은 산화철 입자들이 형성된 산화철/탄소 복합체를 제조하는 방법 및 그로부터 제조된 산화철/탄소 복합체를 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 철 수화물염, 계면활성제 및 당류를 증류수와 반응기에서 혼합하는 단계와;
이후 승온 후 수열반응을 통해 철수화물 염을 분해시켜 형상이 조절된 철 옥살레이트 입자를 형성하는 단계와;
이후 온도를 상온까지 내린 후 증류수 또는 에탄올을 투입하여 분산 및 세척하는 단계와;
이후 원심분리기를 사용하여 철 옥살레이트 입자를 원심분리하는 단계와;
이후 건조시켜 회수된 철 옥살레이트 입자를 분말화하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조방법을 제공함으로써 달성된다.
바람직한 실시예로, 철 옥살레이트 수화물 입자의 형상은 철 수화물염와 혼합되는 당류와 계면활성제의 종류 및 첨가양에 따라 조절하되, 계면활성제인 PVP(Polyvinylpyrrolidone)는 몰비로 철 수화물염 대비 0.5 ~ 40이고, 당류는 무게비로 철 수화물염 대비 0.5 ~ 10가 되도록 첨가할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 수열반응은 대기 분위기하에서 교반 후 100℃까지 승온 시킨 후 30분 ~ 48 시간 동안 반응시킬 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 철 수화물 염은 Iron(III) chloride hexahydrate, Iron(II) chloride tetrahydrate, Iron(III) nitrate nonahydrate, Iron(III) sulfate hydrate, Iron(II) perchlorate hydrate, Iron(II) sulfate hydrate 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 당류는 단당류, 이당류 및 다당류 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 단당류(monosaccharide)는 glucose, fructose, fructose, fructose 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 이당류(disaccharide)는 sucrose, lactose, maltose, trehalose, melibiose, cellobise 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 다당류(polysacharide)는 raffinose, stachyose, starch, dextrin glycogen, cellulose 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 계면활성제는 고분자 계면활성제인 PVP(Polyvinylpyrrolidone)이고, 중량 평균 분자량이 10,000 ~ 36,000일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 원심분리하는 단계 후, 증류수 또는 에탄올을 재차 투입하여 재분산 및 세척하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 다른 실시양태로, 상기 제조방법에 따라 제조되어 직육면체 또는 정육면체 형태로 형상이 조절된 것을 특징으로 하는 철 옥살레이트 수화물 입자를 제공함으로써 달성된다.
또한 본 발명은 철 수화물염, 계면활성제 및 당류를 증류수와 반응기에서 혼합하는 단계와;
이후 승온 후 수열반응을 통해 철수화물 염을 분해시켜 형상이 조절된 철 옥살레이트 입자를 형성하는 단계와;
이후 온도를 상온까지 내린 후 증류수 또는 에탄올을 투입하여 분산 및 세척하는 단계와;
이후 원심분리기를 사용하여 철 옥살레이트 입자를 원심분리하는 단계와;
이후 건조시켜 회수된 철 옥살레이트 입자를 분말화하는 단계와;
형상이 조절된 분말 상태의 철 옥살레이트 입자를 대기 또는 불활성 기체 분위기 하에서 고온 소성 과정을 통해 열분해시켜 잔류된 탄소 사이에 산화철 입자를 형성시키는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법을 제공함으로써 달성된다.
바람직한 실시예로, 상기 고온 소성시의 열처리 온도는 300 ℃ ~ 700 ℃일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 고온 소성 시간은 1 ~ 48 시간 동안 열처리 할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 철 옥살레이트 수화물 입자의 형상은 철 수화물염와 혼합되는 당류와 계면활성제의 종류 및 첨가양에 따라 조절하되, 계면활성제인 PVP(Polyvinylpyrrolidone)는 몰비로 철 수화물염 대비 0.5 ~ 40이고, 당류는 무게비로 철 수화물염 대비 0.5 ~ 10가 되도록 첨가할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 수열반응은 대기 분위기하에서 교반 후 100℃까지 승온 시킨 후 30분 ~ 48 시간 동안 반응시킬 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 철 수화물 염은 Iron(III) chloride hexahydrate, Iron(II) chloride tetrahydrate, Iron(III) nitrate nonahydrate, Iron(III) sulfate hydrate, Iron(II) perchlorate hydrate, Iron(II) sulfate hydrate 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 당류는 단당류, 이당류 및 다당류 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 단당류는 glucose, fructose, fructose, fructose 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 이당류는 sucrose, lactose, maltose, trehalose, melibiose, cellobise 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 다당류는 raffinose, stachyose, starch, dextrin glycogen, cellulose 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 계면활성제는 고분자 계면활성제인 PVP(Polyvinylpyrrolidone)이고, 중량 평균 분자량이 10,000 ~ 36,000인 것을 사용할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 원심분리 단계 후 증류수 또는 에탄올을 재차 투입하여 재분산 및 세척하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조되어 직육면체 또는 정육면체 형태로 형상이 조절된 철 옥살레이트의 형상을 유지한 상태에서 고온소성시 형성된 산화철 결정이 잔류한 탄소 내부에 형성된 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체를 제공함으로써 달성된다.
상기와 같이 본 발명은 계면활성제와 당류를 혼합 후 고온 수열 반응을 통해 철 옥살레이트를 합성함으로써 얻어진 입자가 종래 옥살산을 이용한 방식에 비해 입자의 형상을 직육면체 또는 정육면체 형태로 훨씬 균일하게 조절할 수 있다는 장점과,
또한 이를 통해 얻어진 철 옥살레이트 입자를 불활성 분위기 하에서 고온 소성함으로써 결정 내부의 많은 탄소들을 제거하지 않고 잔류시킬 수 있어서 합성시 만들어진 철 옥살레이트의 전체적 형태를 유지하면서 내부에는 작은 산화철 입자들이 형성된 산화철/탄소 복합체를 제조할 수 있다는 장점과,
또한 상기에 따라 형상이 조절된 철 옥살레이트의 합성을 통해 얻어진 산화철/탄소 복합체 소재는 배터리, 촉매, 전극 물질 등 다양한 분야에 적용이 가능한 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 형상이 조절되게 합성된 활성 철 옥살레이트 입자 및 이를 통해 얻어진 탄소기반 산화철/탄소 복합체의 단계별 형상을 보인 예시도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 탄소기반 산화철/탄소 복합체의 제조과정을 보인 순서도이고,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 수열 반응을 통해 얻어진 큐빅형태 철 옥살레이트 구조체를 보인 영상(Image) 및 스펙트럼((a) TEM 사진, (b-d) SEM 사진, (e) XRD 스펙트럼)이고,
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 2시간 반응후 큐빅형태 철 옥살레이트 입자의 SEM 영상이고,
도 5는 본 발명의 실시예 1과 대비되는 비교예 1에 따라 글루코즈를 제외한 반응을 통해 얻어진 FeO(OH) 입자를 보인 영상과 스펙트럼((a-b) TEM 사진과 (c) XRD 스펙트럼)이고,
도 6은 본 발명의 실시예 3에 따른 철 옥살레이트 입자의 SEM 영상((a)저배율 및 (b) 고배율 SEM 사진)이고,
도 7은 본 발명의 실시예 2와 대비되는 비교예 2에 따라 PVP를 제외한 반응을 통해 얻어진 철 옥살레이트 입자의 SEM 영상이고,
도 8은 본 발명의 실시예 4에 따라 이당류인 sucrose와 반응시켜 얻어진 철 옥살레이트 입자의 SEM 영상이고,
도 9는 본 발명의 실시예 5에 따라 다당류인 starch와 반응시켜 얻어진 철 옥살레이트 입자의 SEM 영상이고,
도 10은 본 발명의 실시예 6에 따라 철 옥살레이트 입자의 고온 열분해를 통해 얻은 산화철/탄소 구조체의 SEM 영상((a) 저배율 사진, b) 고배율 사진)이고,
도 11은 본 발명의 실시예 6에 따라 철 옥살레이트 입자의 고온 열분해를 통해 얻은 산화철/탄소 구조체의 XRD 스펙트럼이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 형상이 조절되게 합성된 활성 철 옥살레이트 입자 및 이를 통해 얻어진 탄소기반 산화철/탄소 복합체의 단계별 형상을 보인 예시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 탄소기반 산화철/탄소 복합체의 제조과정을 보인 순서도이다.
도시된 바와 같이 본 발명은 크게 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조하는 단계와; 이로부터 제조된 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물을 가지고 연속적으로 산화철/탄소 복합체를 제조하는 단계로 이루어진다.
즉, 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자는 수열반응을 통해 철 선구물질을 분해하고 이때 탄소의 자원으로 사용되는 당의 종류 및 함께 사용하는 계면활성제의 양을 조절해 줌으로써 다양한 형태 및 크기의 철 옥살레이트 입자를 얻을 수 있다.
이후 상기 방법에 따라 형상이 조절된 철 옥살레이트 입자를 대기 또는 불활성 기체 분위기 하에서 300도 이상의 고온 소성(Calcination) 과정을 통해 열분해시켜 줌으로써 철 옥살레이트의 분해시 탄소의 제거를 최소화시켜 형성되는 산화철 입자의 소결(sintering)을 줄임으로써 형상이 조절된 산화철/탄소 복합체를 제조하게 된다.
보다 구체적으로, 본 발명의 제조방법을 설명한다.
먼저 상기 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조 단계는,
철 수화물염, 계면활성제 및 당류를 증류수와 반응기에서 혼합하는 단계(S100)와;
이후 승온 후 수열반응을 통해 철수화물 염을 분해시켜 형상이 조절된 철 옥살레이트 입자를 형성하는 단계(S200)와;
이후 온도를 상온까지 내린 후 증류수 또는 에탄올을 투입하여 분산 및 세척하는 단계(S300)와;
이후 원심분리기를 사용하여 철 옥살레이트 입자를 원심분리하는 단계(S400)와;
이후 건조시켜 회수된 철 옥살레이트 입자를 분말화하는 단계(S500);로 이루어진다.
상기 원심분리 후 증류수 또는 에탄올을 사용하여 재분산 및 세척하는 단계(S600)를 더 포함할 수 있다.
상기와 설명과 같이 철 수화물염을 계면활성제인 PVP와 당류(saccharide), 즉 단당류인 glucose, 이당류인 sucrose, 다당류인 녹말가루(starch) 중 하나와 함께 각각 증류수에 넣고 고온으로 환류(reflux)시켜 수열반응을 통해 염을 분해하고 숙성시키케 된다. 이와 같이 충분한 숙성과정을 통해 철 옥살레이트 입자가 형성되면 온도를 상온까지 낮춘 후 증류수 또는 에탄올로 세척한 다음 원심분리기를 통해 회수하게 된다. 이후 회수된 철 옥살레이트 입자를 선택적으로 증류수 또는 에탄올로 재차 세척한 다음 건조하여 분말상태의 철 옥살레이트를 얻게 된다.
이때 철 수화물염 대비 계면활성제인 PVP의 몰비는 0.5 ~ 40인 것이 바람직하다. 몰비가 0.5 미만일 경우는 직육면체 형태의 모양이 제대로 형성 되지 않으며, 40 보다 클 경우는 과량의 PVP로 인해 반응후 입자 분리가 힘들며 또한 모양 형성에도 특별히 개선점이 없기 때문이다.
또한 당류의 양 또한 철 수화물염 대비 무게비로 0.5 ~ 10인 것이 바람직하다. 0.5 미만일 경우는 철 옥살레이트가 제대로 형성되지 않으며, 10 보다 클 경우는 과량일때는 특별히 당류가 반응에 참여하지 않고 반응후에 그대로 버려지게 되므로 의미가 없기 때문이다.
또한 상기 산화철/탄소 복합체를 제조하는 단계는 상기 건조시켜 회수된 철 옥살레이트 입자를 분말화하는 단계(S500)를 거친 후, 형상이 조절된 분말 상태의 철 옥살레이트 입자를 대기 또는 불활성 기체 분위기 하에서 고온 소성 과정을 통해 열분해시켜 잔류된 탄소 사이에 산화철 입자를 형성시키는 단계(S700)를 가지게 된다.
즉, 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조 단계를 거친 건조된 분말상태의 철 옥살레이트 수화물 입자를 대기 또는 불활성 기체 분위기하에서 고온 소성기를 이용하여 열처리하는 단계를 가진다.
상기 철 수화물 염은 증류수에 용해시에 산성을 나타낼 수 있는 철 화합물로서, Iron(III) chloride, Iron(II) chloride, Iron(III) chloride hexahydrate, Iron(II) chloride tetrahydrate, Iron(III) nitrate nonahydrate, Iron(III) sulfate hydrate, Iron(II) perchlorate hydrate, Iron(II) sulfate hydrate 등이 될 수 있다. 이러한 철 수화물 염들은 수용액 상에서 산성을 띠며 당류와 반응시에 분해 속도를 높이는 촉매 역할을 할 수 있다.
상기 당류로는 단당류(monosaccharide)인 glucose, fructose, fructose, fructose, 이당류(disaccharide)인 sucrose, lactose, maltose, trehalose, melibiose, cellobise, 다당류(polysacharide)인 raffinose, stachyose, starch, dextrin glycogen, cellulose 등이 있으나 입자의 균일성 면에서 단당류와 이당류 화합물을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
또한 최종 철 옥살레이트 입자의 모양 형성에 영향을 주는 고분자 계면활성제로는 PVP(Polyvinylpyrrolidone)를 쓸 수 있으며, 점도 및 반응 후 원활한 분리를 고려하여 중량 평균 분자량이 10,000 ~ 36,000인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 PVP 양의 조절에 따라 입자의 형상이 변할 수 있다. 만약 PVP를 제외한 상태에서 반응을 진행시에는 본 발명에서 이루고자 하는 균일한 입자형상의 조절이 어렵게 된다.
상기 당류와 철 선구물질인 철 수화물 염, 계면활성제가 포함된 수용액은 증류수가 완전히 끓은점부터 분해 및 반응이 진행되며 반응시간은 철 수화물 염(철 선구물질)과 당류(탄소 혼합물)의 충분한 분해 및 철 옥살레이트로의 변화를 고려하여 30분 ~ 48 시간 동안 반응시키는 것이 바람직하다.
반응과정 동안 짙은 노란빛의 철 옥살레이트로 변화된 콜로이드 용액은 상온까지 냉각 후, 철 옥살레이트 입자의 분산이 용이한 증류수 또는 에탄올을 사용하여 분산시킨다.
분산 후 철 옥살레이트 입자는 원심 분리 과정을 통해 회수 될 수 있으며, 이후 증류수 또는 에탄올로 세척하는 단계를 거쳐 오염물질을 제거한 다음 진공 또는 대기상태에서의 건조 과정을 통해 분말 상태(powder)로 얻을 수 있다.
상기 형상이 조절되게 제조된 철 옥살레이트 분말은 튜브형 소성기에 주입후 고온 소성하여 산화철입자/탄소 복합체를 얻게 된다.
상기 고온 소성시의 열처리 온도는 철 수화물 염이 완전히 분해되는 온도영역인 300℃ 이상부터 적용할 수 있으며, 700℃ 보다 높은 온도에서 소성시에는 추후에 촉매나 전극물질 등 소재 응용에 불리할 수 있는 입자간 뭉침과 소결(sintering)이 심각하게 발생하므로, 300 ℃ ~ 700 ℃ 사이의 온도에서 열처리 해주는 것이 바람직하다.
또한 상기 고온 소성시 분위기는 철 옥살레이트 입자로부터 산화철로 변화시킬 수 있도록 대기, 질소 및 알곤 분위기가 적합하다. 다만, 대기 중에서 열처리 시에는 철 옥살레이트 결정 속의 많은 탄소들이 제거되게 되므로 질소나 알곤 같은 불활성 기체를 쓰는 것이 보다 바람직하다.
상기 소성시간은 철 옥살레이트 결정의 분해와 산화철 입자의 형성에 영향을 주게 되므로, 철 옥살레이트 입자의 충분한 분해 및 산화철 입자의 결정화를 위해 열처리 시간은 1 ~ 48 시간 동안 하는 것이 바람직하다.
상기와 설명과 같은 단계를 수행하는 본 발명에 따른 철 옥살레이트 구조 합성시 당류와 계면활성제의 종류 및 그 첨가양에 따라 형상 조절이 가능하였고, 이후 대기 또는 불활성기체 분위기하에서 300 ℃ 이상의 온도에서 열분해를 원래 철 옥살레이트가 가지고 있던 기본 형태는 유지하면서도 작은 산화철 결정을 큰 입자인 탄소 내부에 얻을 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예이다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐,본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 제한 되는 것은 아니다.
[실시예 1] 수열 반응을 통한 큐빅 구조 철 옥살레이트 구조체 합성
Fe(NO3)39H2O염 20.0g과 계면활성제인 3당량의 PVP(Polyvinylpyrrolidone, average Mw~55,000) 16.7g을 단당류인 글루코즈(glucose) 18g과 함께 증류수 100mL 가 들어있는 플라스크에 넣고 대기 분위기하에서 교반 후 100℃까지 승온 시킨다.
승온 후 100 ℃에서 26 시간 동안 수열반응을 시킨 뒤 상온까지 온도를 내려 반응을 종료시킨다.
상온에서 식혀진 콜로이드 용액은 증류수와 에탄올 용액을 각각 순서대로 넣어 10,000 rpm에서 30분간의 원심분리를 통해 침전시킨다.
최종적으로 얻어진 마이크로 미터 크기의 철 옥살레이트 입자는 필요시 에탄올 용액에 재분산이 가능하다.
상기에서 얻어진 철 옥살레이트 입자의 투과전자현미경(transmission electron microscopy: TEM) 사진, 주사전자 현미경(scanning electron microscopy: SEM) 사진, X-선 회절법(X-ray diffraction: XRD) 분석결과를 각각 도 3의 (a) 및 도 3의 (b-d) 및 도 3의 (e)에 각각 나타내었다.
상기 분석결과로부터 10 마이크로 미터 크기의 철 옥살레이트 입자들이 생성됨을 확인 할 수 있었다. 얻어진 샘플에 대해 도 3의 (e)에서 나타난 바와 같이 XRD 분석을 통해 입자의 결정상이 철 옥살레이트 수화물(iron oxalate dehydrate, FeC2O42H2O,JCPDS#22-0635)상으로 얻어짐을 확인할 수 있었다.
[실시예 2] 수열 반응을 통한 큐빅 구조 철 옥살레이트 구조체 합성
Fe(NO3)39H2O염 10.0g과 계면활성제인 3당량의 PVP(Polyvinylpyrrolidone, average Mw~55,000) 8.35g을 단당류인 글루코즈 9.0g과 함께 증류수 50mL가 들어있는 플라스크에 넣고 대기 분위기하에서 교반 후 100℃ 까지 승온 시킨다.
승온 후 100 ℃에서 2 시간 동안 수열반응을 시킨 뒤 상온까지 온도를 내려 반응을 종료시킨다.
상온에서 식혀진 콜로이드 용액은 증류수와 에탄올 용액을 넣어 각각 분산 및 세척시키면서 10,000 rpm에서 30분간의 원심분리를 통해 침전시킨다. 즉, 증류수를 넣어 한번 세척하여 원심분리하고, 이후 증류수를 버린 후 에탄올을 넣어 다시 한번 세척하여 원심분리하였다.
최종적으로 얻어진 철 옥살레이트 입자는 필요시 에탄올 용액을 넣어 세척하여 불순물을 제거하였다.
상기에서 얻어진 철 옥살레이트 입자의 SEM 사진을 도 4에 나타내었다. 도 4는 2시간 반응후 큐빅형태 철 옥살레이트 입자의 SEM 영상이다.
그 결과, 실시예 1에서의 실험조건에 비해 합성시간 및 스케일 변화를 주었을 때도 입자의 형성에는 큰 영향이 없음을 확인 할 수 있었다.
[비교예 1] glucose를 제외한 합성 실험
실시예 1과 동일한 반응조건에서 탄소 선구물질인 글루코즈 만을 제외 시킨 후 실험을 진행하였다. 반응 결과 도 5의 (a)와 도 5의 (b)에서의 TEM 사진에서도 볼 수 있듯이 500 nm 수준의 타원형의 불균일한 입자가 관찰되었고, 도 5의 (c)에서와 같이 XRD 분석을 통해 얻어진 입자가 철 옥살레이트 구조가 아닌 FeO(OH) 구조(Ferric oxyhydroxide, Goethite) 임을 확인할 수 있었다.
[실시예 3] 과량의 PVP 존재하에서의 철 옥살레이트 구조체 합성
Fe(NO3)39H2O염 5.0g과 계면활성제인 30당량의 PVP(Polyvinylpyrrolidone, average Mw~55,000) 41.8g을 단당류인 글루코즈 4.5g과 함께 증류수 25mL 가 들어있는 플라스크에 넣고 대기 분위기하에서 교반 후 100℃ 까지 승온 시킨다.
승온 후 100 ℃에서 2 시간 동안 수열반응을 시킨 뒤 상온까지 온도를 내려 반응을 종료시킨다.
상온에서 식혀진 콜로이드 용액은 증류수와 에탄올 용액을 넣어 각각 분산 및 세척시키면서 10,000 rpm에서 30분간의 원심분리를 통해 침전시킨다. 즉, 증류수를 넣어 한번 세척하여 원심분리하고, 이후 증류수를 버린 후 에탄올을 넣어 다시 한번 세척하여 원심분리하였다.
최종적으로 얻어진 철 옥살레이트 입자의 저배율 및 고배율 SEM 사진을 각각 도 6의 (a)저배율 및 (b) 고배율 SEM 사진에 나타내었다.
SEM 분석결과 도 6의 (a)와 같이 저배율 SEM 사진에서는 길이 방향으로 20 mm 의 길이를 가지는 직육면체 입자가 형성된 것 같이 보였으나, 도 6의 (b)에서와 같이 고배율 SEM 사진에서 확인해 보았을 때 끝부분이 약간 뒤틀어져 있음을 확인 할 수 있었다.
[비교예 2] PVP 없이 철 옥살레이트 구조체 합성
실시예 2와 동일한 반응조건에서 계면활성제인 PVP만을 제외 시킨 후 실험을 진행하였다. 반응 결과 도 7에서의 SEM 사진에서도 확인 가능 하듯이 전체적으로 10 마이크로미터 정도 크기의 큐빅형태 입자의 모서리 부분이 제대로 형성되지 않음을 볼 수 있다.
[실시예 4] 이당류인 sucrose를 사용한 철 옥살레이트 구조체 합성
Fe(NO3)39H2O염 5.0g과 계면활성제인 3당량의 PVP(Polyvinylpyrrolidone, average Mw~55,000) 4.18g을 이당류인 수크로스(sucrose) 18.0g과 함께 증류수 25mL 가 들어있는 플라스크에 넣고 대기 분위기하에서 교반 후 100℃까지 승온 시킨다.
승온 후 100 ℃에서 2 시간 동안 수열반응을 시킨 뒤 상온까지 온도를 내려 반응을 종료시킨다.
상온에서 식혀진 콜로이드 용액은 증류수와 에탄올 용액을 넣어 각각 분산 및 세척시키면서 10,000 rpm에서 30분간의 원심분리를 통해 침전시킨다. 즉, 증류수를 넣어 한번 세척하여 원심분리하고, 이후 증류수를 버린 후 에탄올을 넣어 다시 한번 세척하여 원심분리하였다.
최종적으로 얻어진 철 옥살레이트 입자는 필요시 에탄올 용액을 넣어 세척하여 불순물을 제거하였다.
상기에서 얻어진 철 옥살레이트 입자는 이전 실시예 1 내지 3에서 탄소원으로서 글루코스를 사용했을 때와는 다르게 이당류인 수크로스를 사용하였을 때 도 8에 나타낸 SEM 사진에서도 확인가능 하듯이 철 옥살레이트 입자 결정 성장이 한쪽 방향으로 치우쳐진 긴 막대모양 직육면체 형태로 진행되었음을 알 수 있었다.
[실시예 5] 다당류인 starch를 사용한 철 옥살레이트 구조체 합성
Fe(NO3)39H2O염 10.0g과 계면활성제인 3당량의 PVP(Polyvinylpyrrolidone, average Mw~55,000) 8.35g을 다당류인 전분(starch) 9.0g과 함께 증류수 50mL가 들어있는 플라스크에 넣고 대기 분위기하에서 교반 후 100℃ 까지 승온 시킨다.
승온 후 100 ℃에서 2 시간 동안 수열반응을 시킨 뒤 상온까지 온도를 내려 반응을 종료시킨다.
상온에서 식혀진 콜로이드 용액은 증류수와 에탄올 용액을 넣어 각각 분산 및 세척시키면서 10,000 rpm에서 30분간의 원심분리를 통해 침전시킨다. 즉, 증류수를 넣어 한번 세척하여 원심분리하고, 이후 증류수를 버린 후 에탄올을 넣어 다시 한번 세척하여 원심분리하였다.
최종적으로 얻어진 철 옥살레이트 입자는 필요시 에탄올 용액을 넣어 세척하여 불순물을 제거하였다.
상기에서 얻어진 철 옥살레이트 입자의 SEM 분석결과, 수백 나노미터 크기의 불규칙하고 작은 입자들이 많이 생겨 입자의 질이 나빠짐을 알 수 있었다.
[실시예 6] 철 옥살레이트의 고온 열처리를 통한 산화철/탄소 구조체의 합성
실시예 2에서 얻어진 철 옥살레이트 분말을 튜브형 소성기에 주입한 후 질소나 알곤 같은 불활성(inert)기체 분위기(상압, 유속 100 ~ 200 mL/min)에서 400℃ 에서 4시간 동안 열처리를 해주어 산화철/탄소 복합체를 얻을 수 있었다.
그 결과 도 10의 (a) 저배율 SEM 사진에 나타난 바와 같이 전체 입자의 형태가 큐빅 상태임을 알 수 있었고, 10의 (b)의 고배율 SEM 사진을 통해 그 큐빅구조 내부에 수십 nm 수준의 작은 알갱이 형태가 있음을 확인할 수 있었다. 또한 도 11의 (c)에서와 같이 XRD 분석을 통해 작은 알갱이 입자가 산화철(Fe2O3)로 존재함을 알 수 있었다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
Claims (24)
- 철 수화물염, 계면활성제 및 당류를 증류수와 반응기에서 혼합하는 단계와;이후 승온 후 수열반응을 통해 철수화물 염을 분해시켜 형상이 조절된 철 옥살레이트 입자를 형성하는 단계와;이후 온도를 상온까지 내린 후 증류수 또는 에탄올을 투입하여 분산 및 세척하는 단계와;이후 원심분리기를 사용하여 철 옥살레이트 입자를 원심분리하는 단계와;이후 건조시켜 회수된 철 옥살레이트 입자를 분말화하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 철 옥살레이트 수화물 입자의 형상은 철 수화물염와 혼합되는 당류와 계면활성제의 종류 및 첨가양에 따라 조절하되, 계면활성제인 PVP는 몰비로 철 수화물염 대비 0.5 ~ 40이고, 당류는 무게비로 철 수화물염 대비 0.5 ~ 10가 되도록 첨가하는 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 수열반응은 대기 분위기하에서 교반 후 100℃까지 승온 시킨 후 30분 ~ 48 시간 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 철 수화물염은 Iron(III) chloride hexahydrate, Iron(II) chloride tetrahydrate, Iron(III) nitrate nonahydrate, Iron(III) sulfate hydrate, Iron(II) perchlorate hydrate, Iron(II) sulfate hydrate 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 당류는 단당류, 이당류 및 다당류 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서,상기 단당류는 glucose, fructose, fructose, fructose 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서,상기 이당류는 sucrose, lactose, maltose, trehalose, melibiose, cellobise 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서,상기 다당류는 raffinose, stachyose, starch, dextrin glycogen, cellulose 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 계면활성제는 고분자 계면활성제인 PVP(Polyvinylpyrrolidone)이고, 중량 평균 분자량이 10,000 ~ 36,000인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 원심분리 단계 후, 증류수 또는 에탄올을 재차 투입하여 재분산 및 세척하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자의 제조방법.
- 청구항 1 내지 10 중 어느 한항에 따른 제조방법에 따라 제조되어 직육면체 또는 정육면체 형태로 형상이 조절된 것을 특징으로 하는 철 옥살레이트 수화물 입자.
- 철 수화물염, 계면활성제 및 당류를 증류수와 반응기에서 혼합하는 단계와;이후 승온 후 수열반응을 통해 철수화물 염을 분해시켜 형상이 조절된 철 옥살레이트 입자를 형성하는 단계와;이후 온도를 상온까지 내린 후 증류수 또는 에탄올을 투입하여 분산 및 세척하는 단계와;이후 원심분리기를 사용하여 철 옥살레이트 입자를 원심분리하는 단계와;이후 건조시켜 회수된 철 옥살레이트 입자를 분말화하는 단계와;형상이 조절된 분말 상태의 철 옥살레이트 입자를 대기 또는 불활성 기체 분위기 하에서 고온 소성 과정을 통해 열분해시켜 잔류된 탄소 사이에 산화철 입자를 형성시키는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법.
- 청구항 12에 있어서,상기 고온 소성시의 열처리 온도는 300 ℃ ~ 700 ℃인 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법.
- 청구항 13에 있어서,상기 고온 소성 시간은 1 ~ 48 시간 동안 열처리 하는 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법.
- 청구항 12에 있어서,상기 철 옥살레이트 수화물 입자의 형상은 철 수화물염와 혼합되는 당류와 계면활성제의 종류 및 첨가양에 따라 조절하되, 계면활성제인 PVP(Polyvinylpyrrolidone)는 몰비로 철 수화물염 대비 0.5 ~ 40이고, 당류는 무게비로 철 수화물염 대비 0.5 ~ 10가 되도록 첨가하는 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법.
- 청구항 12에 있어서,상기 수열반응은 대기 분위기하에서 교반 후 100℃까지 승온 시킨 후 30분 ~ 48 시간 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법.
- 청구항 12에 있어서,상기 철 수화물 염은 Iron(III) chloride hexahydrate, Iron(II) chloride tetrahydrate, Iron(III) nitrate nonahydrate, Iron(III) sulfate hydrate, Iron(II) perchlorate hydrate, Iron(II) sulfate hydrate 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법.
- 청구항 12에 있어서,상기 당류는 단당류, 이당류 및 다당류 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법.
- 청구항 18에 있어서,상기 단당류(monosaccharide)는 glucose, fructose, fructose, fructose 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법.
- 청구항 18에 있어서,상기 이당류(disaccharide)는 sucrose, lactose, maltose, trehalose, melibiose, cellobise 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법.
- 청구항 18에 있어서,상기 다당류(polysacharide)는 raffinose, stachyose, starch, dextrin glycogen, cellulose 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법.
- 청구항 18에 있어서,상기 계면활성제는 고분자 계면활성제인 PVP(Polyvinylpyrrolidone)이고, 중량 평균 분자량이 10,000 ~ 36,000인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법.
- 청구항 12에 있어서,상기 원심분리 단계 후, 증류수 또는 에탄올을 재차 투입하여 재분산 및 세척하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체의 제조방법.
- 청구항 12 내지 23 중 어느 한항의 제조방법에 따라 제조되어 직육면체 또는 정육면체 형태로 형상이 조절된 철 옥살레이트의 형상을 유지한 상태에서 고온소성시 형성된 산화철 결정이 잔류한 탄소 내부에 형성된 것을 특징으로 하는 형상이 조절된 철 옥살레이트 수화물 입자를 이용한 산화철/탄소 복합체.
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