기공구조 조절 및 Pt촉매 증착을 이용한 다공성 탄소나노섬유의 수소가스 감지특성

강석창 ( Seok Chang Kang ),임지선 ( Ji Sun Im ),이영석 ( Young Seak Lee ) 한국공업화학회 2011 공업화학 Vol.22 No.3

상온에서 작동하는 고감도 수소 가스센서를 제조하기 위하여 Pt 촉매가 증착된 다공성 탄소나노섬유를 제조하였다. 나노섬유는 polyacrylonitrile을 탄소전구체로 하여 전기방사법을 이용하여 제조되었고, 탄소나노섬유의 제조를 위하여 열처리 공정을 거쳤다. 다음으로, 탄소나노섬유에 화학적 활성화 공정을 통하여 가스 흡착을 위한 높은 비표면적과 기공구조를 부여하였다. Pt는 수소가스에 대한 촉매효과를 위하여 스퍼터링법을 통해 다공성 탄소나노섬유에 증착되었다. 탄소나노섬유는 화학적 활성화 공정을 통해 비표면적이 2093 m2/g으로 100배 이상 증가하였고, 약 60 vol%의 미세기공이 부여되었다. Pt는 다공성 탄소나노섬유의 형태를 그대로 유지하면서 얇고 고르게 증착되었다. 제조된 가스센서의 반응속도와 민감도는 비표면적, 미세기공율의 증가와 Pt 증착에 의하여 증가하였다. 결과적으로 수소가스에 대한 탄소나노섬유 상온에서 감응특성은 화학적 활성화와 Pt의 촉매효과에 의하여 향상됨을 알 수 있었다. Pt deposited porous carbon nanofibers was prepared as a highly sensitive material of hydrogen gas sensor operating at room temperature. Nanofibers was obtained by electrospinning method using polyacrylonitrile as a carbon precursor and then thermally treated for carbon nanofibers. Chemical activation of carbon nanofibers was carried out to enlarge specific surface area up to 2093 m2/g. Sputtered Pt layer was uniformly distributed keeping the original shape of carbon nanofibers. The hydrogen gas sensing time and sensitivity were improved based on effects of high specific surface area, micropore structure and deposited Pt catalyst.

코팅 피치의 물성제어를 통한 흑연 음극재의 전기화학 성능 향상 연구

김보라,김지홍,강석창,임지선,Kim, Bo Ra,Kim, Ji Hong,Kang, Seok Chang,Im, Ji Sun 한국공업화학회 2022 공업화학 Vol.33 No.5

A pitch coating method was proposed for the purpose of improving the electrochemical properties of natural graphite. The synthesis conditions of pitch coating were optimized via measuring electrochemical properties of pitch-coated graphite anodes. As the synthesis temperature increased, the thermal stability was improved in addition to an increase in the softening point and residual carbon weight. However, the synthesis temperature of 430 ℃ resulted in the synthesis of a large amount of NI (NMP Insoluble) due to excessive condensation reaction. As the surface uniformity and coating thickness increased due to high thermal stability, the initial coulombic efficiency and rate capability of the pitch-coated graphite were improved. However, the graphite coated with the pitch containing excessive NI showed lower electrochemical properties than the uncoated graphite. NI had low dispersibility and formed spheres after heat treatment, so it formed the heterogeneous and thicker SEI layer. The optimum conditions for forming a uniform surface and an appropriate coating layer were investigated.

불소화 HZSM-5의 구조 및 산도가 에틸렌 방향족화에 미치는 영향

김경난 ( Kyeong Nan Kim ),강석창 ( Seok Chang Kang ),곽근재 ( Geunjae Kwak ) 한국공업화학회 2023 공업화학 Vol.34 No.1

최근, 피셔-트롭시(Fischer-Tpropsch, F-T) 합성 생성물의 단환방향족(BTEX) 수율을 향상시켜 공정 경제성 및 효율을 높이기 위한 연구가 활발하다. 본 연구에서는, F-T 유래 탄화수소의 모델로서 에틸렌을 선정하고, HZSM-5 (HZ5)의 산특성, 메조기공율 및 결정화도 변화에 따른 에틸렌으로부터 방향족 합성 반응(ethylene-to-aromatics, ETA) 거동에 대하여 조사하였다. HZ5에 몰농도를 달리한 NH₄F 수용액을 함침 및 소성하여 불소 도입 HZ5를 제조하였으며, F/HZ5의 구조 및 화학적 특성은 BET, 고체 NMR, XPS, NH₃-TPD 및 피리딘-IR 분광법을 통하여 조사되었다. ETA 반응은 673 K, 0.1 MPa의 조건에서 실시되었으며, 0.17 M NH₄F 수용액 처리에 의한 불소화 HZ5는 산특성, 메조기공율 및 결정성 향상에 기인하여 에틸렌 전환율, BTEX 선택도 및 촉매 안정성이 향상되었다. Recent studies have actively investigated ways to improve the economic feasibility and efficiency of the Fischer-Tropsch process by increasing the yields of the monocyclic aromatic compounds (BTEX). In this study, ethylene was selected as a model of F-T-derived hydrocarbons, and the ethylene-to-aromatics (ETA) reaction was investigated according to changes in acid characteristics, mesopores, and crystallinity of HZSM-5 (HZ5). Fluorinated HZ5 was prepared by calcination followed by impregnation of an aqueous NH₄F solution having different molar concentrations in HZ5, and the structural and chemical properties of F/HZ5 were investigated through Brunauer-Emmett-Teller (BET), solid-state nuclear magnetic resonance (NMR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), NH₃-temperature-programmed desorption (TPD), and pyridine-IR spectroscopy. The ETA reactions were performed at 673 K under 0.1 MPa, and fluorinating HZ5 by an aqueous NH₄F solution of 0.17 M improved ethylene conversion, BTEX selectivity, and catalytic stability due to acidity, mesopore fraction, and crystallinity.

플라이 애시와 석유계 피치를 활용한 미세먼지 제거용 활성탄소 제조 및 응용방안

서상완(Sang Wan Seo),강석창(Seok Chang Kang),임지선(Ji sun Im) 한국콘크리트학회 2021 콘크리트학회지 Vol.33 No.2

복합 정제 공정에 따른 천연 흑연의 물리화학적 특성 변화가 리튬 이온 전지의 음극재 성능에 미치는 영향

안원준 ( Won Jun Ahn ),황진웅 ( Jin Ung Hwang ),임지선 ( Ji Sun Im ),강석창 ( Seok Chang Kang ) 한국공업화학회 2021 공업화학 Vol.32 No.3

천연 흑연의 음극재 적용을 위하여 정제 공정을 실시하였으며, 공정에 따른 흑연의 구조적 변화와 불순물 함량이 음극 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 천연 흑연은 불화암모늄과 황산을 동일 비로 하여 사용량을 달리한 산처리 및 온도(800~2500 ℃)를 달리한 열처리를 통하여 화학적/물리적으로 정제되었다. 산을 이용한 불순물 제거는 한계가 있었으며, 이후 진행된 2500 ℃까지의 열처리를 통해 Si과 같은 일부 원소를 제외하고 대부분의 불순물이 전량 제거되는 것을 확인하였다. 복합 정제 공정에 따라 제조된 흑연 음극재의 특성이 향상되었으며, 구조와 불순물 함량 변화는 각각 용량 및 속도 특성과 초기 쿨롱 효율에 지배적인 영향을 미쳤다. 복합 정제 공정은 흑연 구조를 향상시켰으며, 불순물을 효율적으로 제거하여 SEI층 형성 억제 및 Li⁺ 삽입 공간 확대를 통해 리튬 이온 전지의 성능을 향상시켰다. A purification process was performed for the application of natural graphite as an anode material. The influence of the structural change and impurity content of graphite according to the process on the anode electrochemical characteristics was investigated. Natural graphite was chemically/physically purified by acid-treatment which used different amounts of solution of ammonium fluoride/sulfuric acid in the same ratio and thermal treatment used different temperatures (800~2500 ℃). Acid-treatment had limitation to remove impurities, and identified that all impurity contents was removed except some traces of atom such as Si by after progressed thermal-treatment until 2500 ℃. The anode materials characteristic of graphite treated by purification process was improved, and changes in the structure and impurity contents affected dominantly the capacity, rate property and initial Coulombic efficiency. Consequently, the complex purification process improved the graphite structure and also the performance of lithium ion battery by controlling the excessive formation of solid electrolyte interphase and expanding Li⁺ insertion space originated from the effective removal of impurities.

연구 논문 : 다공성 및 아민 작용기에 따른 탄소나노섬유의 CO2 감응특성

김종구 ( Jong Gu Kim ),강석창 ( Seok Chang Kang ),신은정 ( Eun Jeong Shin ),김다영 ( Da Young Kim ),이진희 ( Jin Hee Lee ),이영석 ( Young Seak Lee ) 한국공업화학회 2012 공업화학 Vol.23 No.1

다공성 탄소나노섬유의 아민 작용기에 따른 CO2 가스 감응특성을 고찰하고자, 아민작용기가 도입된 다공성 탄소나노섬유 기반 CO2 가스센서를 제조하였다. Polyacrylonitrile를 전구체로 하여 전기방사법을 통해 나노섬유를 제조하였으며, 열처리 및 화학적 활성화 공정, 그리고 Diethylenetriamine 액상처리법을 통하여 아민작용기가 도입된 다공성 탄소나노섬유를 제조하였다. BET 비표면적 분석결과, 화학적 활성화법에 의해 최대 2000 m 2 /g까지 탄소나노섬유의 비표면 적이 향상됨을 확인하였으며, FT-IR 분광법을 통해 아민 작용기의 도입을 확인하였다. 아민 작용기가 도입된 가스센 서의 CO2 가스 감응특성은 다공성 탄소섬유 기반 가스센서에 비해 약 4배 향상됨을 확인하였다. 결과적으로 화학적 활성화법에 의해 발달된 기공특성과 아민작용기 도입에 따른 화학흡착 유도에 의하여 감응특성이 향상되었음을 확인 하였다. Porous carbon nanofibers were prepared as a gas sensor electrode to study the CO2 sensing property based on effects of porosity and introduced amine functional groups. Electrospun fibers were obtained by using electrospinning method with polyacrylonitrile precursor and they were treated by the thermal treatment and chemical activation. Amine functional groups were introduced by the liquid state treatment using diethylenetriamine. The specific surface area increased up to 2000 m 2 /g by the chemical activation. The Introduced amine functional group was identified using FT-IR spectroscopy. CO2 gas sensing property was improved as four folds via introduced amine functional groups on the activated carbon nanofiber. In conclusion, the gas sensing property was improved based on the developed porosity by the chemical activation and the chemical attraction of CO2 gas by introduced functional groups.

메탄의 열-촉매 분해에 의한 수소 및 탄소 제조 기술 동향

홍지수 ( Jisoo Hong ),강석창 ( Seok Chang Kang ),박수열 ( Soo-youl Park ),이제욱 ( Jea Uk Lee ),임지선 ( Ji Sun Im ),전영표 ( Young-pyo Jeon ),홍진용 ( Jin-yong Hong ),이철위 ( Chul Wee Lee ) 한국공업화학회 2020 공업화학전망 Vol.23 No.4

수소는 에너지를 방출하는 과정에서 이산화탄소와 질소산화물와 같은 유해한 물질 없이 물만 부산물로 배출하기 때문에 지속 가능한 청정에너지원 중의 하나이다. 수소를 생산하는 공정 중 메탄 열-촉매 분해는 고온에서 메탄을 분해 시켜 수소와 탄소로 전환시키는 기술로서, 가장 큰 장점은 이론적으로 이산화탄소의 발생 없이 수소를 생산할 수 있기 때문에 현존하는 수소 생산 기술에서 가장 친환경적인 공정으로 알려져 있다. 최근의 연구는 메탄의 전환율을 높이기 위한 금속 및 탄소 기반 촉매에 대하여 연구하고, 생성되는 수소의 경제성 확보를 위해 부산물인 고체탄소의 고부가화에 초점이 맞추어지고 있다. 본 보문은 금속 기반 불균일 촉매의 연구 동향을 살펴보았고 촉매의 활성과 비활성화 및 재생 기술에 대하여 검토하였다. Hydrogen is one of the sustainable clean energy sources because it produces water only as a by-product without emitting toxic gases such as carbon dioxide and nitric oxides dring combustion. Thermo-catalytic decomposition (TCD) of methane is a technology that decomposes methane at high temperatures and converts it into hydrogen and solid carbon over catalysts. Theoretically, the strong point of TCD process is that hydrogen can be produced without emitting carbon dioxide, so it is known as the most environmentally friendly process among the existing hydrogen production technologies. Recent researches have focused on the development of metal and carbon-based catalysts in order to increase the conversion of methane and on the high value added product of solid carbon for enhancing the price of hydrogen produced during TCD of mathane. In this review the research trends of metal-based heterogeneous catalysts, their activity, deactivation and regeneration techniques in the field of TCD of methane were surveyed.

SiOx 함량에 따른 CB/SiOx/C 음극재의 전기화학적 특성

김경수 ( Kyung Soo Kim ),강석창 ( Seok Chang Kang ),이종대 ( Jong Dae Lee ),임지선 ( Ji Sun Im ) 한국공업화학회 2021 공업화학 Vol.32 No.1

본 연구에서는 실리콘 산화물, 소프트 카본, 카본 블랙을 혼합하여 복합체를 제조하였으며, 이차전지의 음극 특성을 고찰하였다. 이때, 소프트 카본 음극재의 용량 향상을 위하여 첨가된 실리콘 산화물 함량을 0, 6, 8, 10, 20 wt%로 달리하였으며, 카본 블랙은 실리콘 산화물의 부피 팽창 완화를 위한 구조 안정제로 첨가되었다. 제조된 CB/SiOx/C 복합체의 물리적 특성은 XRD, SEM, EDS 및 분체 저항 분석을 통하여 조사되었다. 또한 제조된 복합체의 전기화학적 특성은 리튬 이차전지의 충·방전 사이클, 율속 및 임피던스 분석을 통하여 관찰되었다. CB/SiOx/C 복합체는 카본 블랙 첨가에 의하여 실리콘 산화물의 부피 팽창을 완화시킬 수 있는 내부 공동이 형성되었으며, 카본 블랙과 실리콘 산화물입자가 고르게 분포되었다 형성된 내부 공동은 실리콘 산화물 함량이 8 wt% 미만에서는 낮은 초기 효율 보이며, 20 wt% 이상에서는 낮은 사이클 안정성을 보였다. 실리콘 산화물이 10 wt% 첨가된 CB/SiOx/C 복합체는 537 mAh/g 초기방전 용량, 88 %의 용량 유지율과 2C/0.1C에서 79 율속 특성을 보였다. 이는 소프트 카본 음극재의 용량을 향상시키기 위해 실리콘 산화물을 첨가하였고, 실리콘 산화물의 부피 변화를 완충하기 위해 구조 안정제로 카본 블랙을 첨가하였다. CB/SiOx/C 복합체를 고효율의 음극재로 사용하기 위해 최적의 실리콘 산화물 함량 및 구조 안정제로서의 카본블랙의 메커니즘을 논의하였다. In this study, the composite was prepared by mixing SiOx, soft carbon, and carbon black and the electrochemical properties of lithium ion battery were investigated. The content of SiOx added to improve the capacity of the soft carbon anode material was varied to 0, 6, 8, 10, 20 wt%, and carbon black was added as a structural stabilizer for reducing the volume expansion of SiOx. The physical properties of prepared CB/SiOx/C composite were investigated through XRD, SEM, EDS and powder resistance analysis. In addition, the electrochemical properties of prepared composite were observed through the charge/discharge capacity, rate and impedance analysis of the lithium ion battery. The prepared CB/SiOx/C composite had an inner cavity capable of mitigating the volume expansion of SiOx by adding carbon black. The formed internal cavity showed a low initial efficiency when the SiOx content was less than 8 wt%, and low cycle stability when the content of SiOx was less than 20 wt%. The CB/SiOx/C composite containing 10 wt% of SiOx showed an initial discharge capacity of 537 mAh/g, a capacity retention rate of 88%, and a rate of 79 at 2C/0.1C. SiOx was added to improve the capacity of the soft carbon anode material, and carbon black was added as a structural stabilizer to buffer the volume change of SiOx. In order to use the CB/SiOx/C composite as a high-efficiency anode material, the mechanism of the optimal SiOx and the use of carbon black as a structural stabilizer was discussed.

저온 열처리가 탄소 음극재의 물리·화학적 특성 및 이차전지 성능에 미치는 영향

황태경 ( Tae Kyung Whang ),김지홍 ( Ji Hong Kim ),임지선 ( Ji Sun Im ),강석창 ( Seok Chang Kang ) 한국공업화학회 2021 공업화학 Vol.32 No.1

본 연구에서는 저온 열처리 탄소의 물리·화학적 특성이 이차전지 음극재로서의 전기화학적 거동에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 석유계 핏치의 코크스화를 위하여 600 ℃ 열처리를 수행하였으며 제조된 코크스는 700~1500 ℃로 탄화 온도를 달리하여 저온 열처리 탄소 음극재로 제조되었다. 탄소 음극재의 물리 화학적 특성은 N2 흡·탈착 등온선, X-ray diffraction (XRD), 라만 분광(Raman spectroscopy), 원소 분석 등을 통하여 확인하였으며,저온 열처리 탄소의 음극 특성은 반쪽 전지를 통한 용량, 초기 쿨롱 효율(ICE, initial Coulomb efficiency), 율속, 수명 등의 전기화학적 특성을 통하여 고찰하였다. 저온 열처리 탄소의 결정 구조는 1500 ℃ 이하에서 결정자의 크기와 진밀도가 증가하였으며 비표면적은 감소하였다. 저온 열처리 탄소의 물리화학적 특성 변화에 따라 음극재의 전기화학 특성이 변화하였는데 수명 특성은 H/C 원소 비, 초기 쿨롱 효율은 비표면적, 율속 특성은 진밀도의 특성에 기인하는 것으로 판단되었다. In this study, effects of the physical and chemical properties of low temperature heated carbon on electrochemical behavior as a secondary battery anode material were investigated. A heat treatment at 600 ℃ was performed for coking of petroleum based pitch, and the manufactured coke was heat treated with different heat temperatures at 700~1,500 ℃ to prepare low temperature heated anode materials. The physical and chemical properties of carbon anode materials were studied through nitrogen adsorption and desorption, X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, elemental analysis. Also the anode properties of low temperature heated carbon were considered through electrochemical properties such as capacity, initial Coulomb efficiency (ICE), rate capability, and cycle performance. The crystal structure of low temperature (≤ 1500 ℃) heated carbon was improved by increasing the crystal size and true density, while the specific surface area decreased. Electrochemical properties of the anode material were changed with respect to the physical and chemical properties of low temperature heated carbon. The capacity and cycle performance were most affected by H/C atomic ratio. Also, the ICE was influenced by the specific surface area, whereas the rate performance was most affected by true density.

열분해 연료유 및 PET 기반 활성탄을 이용한 NO 가스 센서의 감도 향상 연구

곽철환 ( Cheol Hwan Kwak ),서상완 ( Sang Wan Seo ),김민일 ( Min Il Kim ),임지선 ( Ji Sun Im ),강석창 ( Seok Chang Kang ) 한국공업화학회 2021 공업화학 Vol.32 No.1

본 연구에서는 열분해 연료유를 이용하여 석유계 피치 기반 활성탄을 제조하였고, 이를 활용하여 일산화질소 가스검출 센서를 개발하였다. 피치의 분자량 증가를 위해 피치 합성 시 중합 반응을 촉진시키는 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 첨가하였다. 피치의 분자량 증가는 피치 기반 활성탄의 비표면적 및 미세기공 부피 증가에 기여하였고, 이는 활성탄 기반 센서의 일산화질소 가스 검출 특성 향상시켰다. 또한 테레프탈레이트 첨가 피치를 사용할 때 활성탄의 표면 산소 관능기 및 전도성 변화를 확인하고 테레프탈레이트 첨가가 활성탄의 물성 및 일산화질소 가스 검출 특성에 미치는 영향을 분석하였다. In this study, a sensor for detection of nitric oxide (NO) gas was developed using petroleum pitch-based activated carbon which was synthesized from pyrolysis fuel oil (PFO). Polyethylene terephthalate (PET) was added to increase molecular weight by stimulating a polymerization of components in PFO during the pitch synthesis process. The increase in the molecular weight of pitch contributed to the improvement of textural properties of activated carbon, such as the specific surface area and micropore volume. It also enhanced the sensitivity of NO gas sensor based on the activated carbon. In addition, the effect of PET addition during the pitch synthesis on the surface oxygen content and conductivity of activated carbon was investigated. Finally, the correlation of the sensitivity with physical properties of activated carbon was analyzed.