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산소 플라즈마를 이용하여 율속 성능이 개선된 불화탄소 기반 리튬 일차전지의 제조 및 전기 화학적 특성
천서영 ( Seoyeong Cheon ),하나은 ( Naeun Ha ),임채훈 ( Chaehun Lim ),명성재 ( Seongjae Myeong ),이인우 ( In Woo Lee ),이영석 ( Young-seak Lee ) 한국공업화학회 2023 공업화학 Vol.34 No.5
일차전지 환원극의 활물질로 널리 사용되고 있는 불화탄소는 낮은 전기 전도도, 표면 에너지 및 전해질 투과도 등의 요인에 의하여 Li/CF<sub>X</sub> 일차전지의 율속 성능 저하를 초래한다. 따라서 본 연구에서는 산소 플라즈마를 이용한 표면처리를 통하여 표면이 개질된 불화탄소를 리튬 일차전지의 환원극으로 사용하여 전지 성능을 향상시키고자 하였다. XPS 및 XRD 분석을 통해 산소 플라즈마 처리에 의해 변화된 불화탄소의 표면 화학적 특성 및 결정 구조 변화를 분석하였으며, 이에 따른 리튬 일차전지의 전기 화학적 특성에 대한 변화를 분석하고 고찰하였다. 그 결과, 탄소 대 불소비율(F/C) 비율이 가장 낮은 산소 플라즈마 처리 조건(7.5 min)에서 반이온성 C-F 결합이 가장 많이 형성되었다. 또한, 이 조건에서 제조된 불화탄소를 환원극의 활물질로 사용한 일차전지는 가장 높은 3 C의 율속 특성을 보였으며, 고율 속에서도 비교적 높은 용량(550 mAh/g)을 유지하였다. 본 연구를 통하여, 산소 플라즈마 처리를 통해 불화탄소의 불소 함량 및 탄소-불소 간의 결합 유형을 조정하여 고율속 성능을 가진 리튬 일차전지를 제조할 수 있었다. The high-rate performance is limited by several factors, such as polarization generation, low electrical conductivity, low surface energy, and low electrolyte permeability of CF<sub>X</sub>, which is widely used as a cathode active material in the lithium primary battery. Therefore, in this study, we aimed to improve the battery performance by using carbon fluoride modified by surface treatment using oxygen plasma as a cathode for lithium primary batteries. Through XPS and XRD analysis, changes in the surface chemical characteristics and crystal structure of CF<sub>X</sub> modified by oxygen plasma treatment were analyzed, and accordingly, the electrochemical characteristics of lithium-ion primary batteries were analyzed and discussed. As a result, the highest number of semi-ionic C-F bonds were formed under the oxygen plasma treatment condition (7.5 minutes) with the lowest fluorine to carbon (F/C) ratio. In addition, the primary cell prepared under this condition using carbon fluoride as the active material of the cathode showed the highest 3 F/C(3 C rate-performance) rate-performance and maintained a relatively high capacity (550 mAh/g) even at high rates. In this study, it was possible to produce lithium primary batteries with high-rate performance by adjusting the fluorine contents of carbon fluoride and the type of carbon-fluorine bonding through oxygen plasma treatment.
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질소 플라즈마 처리된 활성탄소를 이용한 테트라사이클린의 물리 및 화학 흡착 특성
이인우 ( In Woo Lee ),명성재 ( Seongjae Myeong ),민충기 ( Chung Gi Min ),하성민 ( Seongmin Ha ),천서영 ( Seoyeong Cheon ),이영석 ( Young-seak Lee ) 한국공업화학회 2024 공업화학 Vol.35 No.1
본 연구에서는 활성탄소의 테트라사이클린 흡착성능을 향상시키기 위해 5, 10, 및 15분의 시간에 따른 질소 플라즈마 처리를 실시하였다. 모든 질소 플라즈마 처리된 활성탄소는 미처리 활성탄소와 비교하여 테트라사이클린 흡착성능이 개선되었다. 이는 활성탄소에 도입된 질소 작용기가 테트라사이클린과 π-π 상호작용 및 수소 결합을 통하여 화학 흡착을 야기하기 때문이다. 특히, 80 W 및 50 kHz의 질소 플라즈마 처리에서, 10분 동안 처리된 활성탄소가 가장 우수한 흡착성능을 가졌다. 이 때, 활성탄소 표면의 질소 함량은 2.03%이며 비표면적은 1,483 ㎡/g까지 증가하였다. 이렇게 질소플라즈마 처리에 의해 개선된 활성탄소는 물리 및 화학 흡착성능이 향상되었다. 또한, 흡착 실험 결과가 Langmuir 흡착등온식과 유사 2차 반응속도식에 잘 부합하므로, 질소 플라즈마 처리된 활성탄소의 테트라사이클린 흡착은 단분자층으로 이루어지는 화학 흡착이 주도적으로 일어나는 것으로 판단하였다. 결과적으로, 질소 플라즈마 처리된 활성탄소는 주도적인 화학 흡착과 더불어 물리 흡착의 시너지 효과로 수중에서 테트라사이클린을 효율적으로 제거하는 흡착재로 사용될 수 있다. In this study, nitrogen plasma treatment was performed in 5, 10, and 15 minutes to improve the tetracycline adsorption performance of activated carbon. All nitrogen plasma-treated activated carbons showed improved tetracycline adsorption compared to untreated activated carbons. The nitrogen functional groups in activated carbon lead to chemisorption with tetracycline via π-π interactions and hydrogen bonding. In particular, in the nitrogen plasma treatment at 80 W and 50 kHz, the activated carbon treated for 10 minutes had the best adsorption performance. At this time, the nitrogen content on the surface of the activated carbon was 2.03% and the specific surface area increased to 1,483 ㎡/g. As a result, nitrogen plasma treatment of activated carbon improved its physical and chemical adsorption capabilities. In addition, since the adsorption experimental results were in good agreement with the Langmuir isotherm and pseudo-second order model, it was determined that the adsorption of tetracycline on the nitrogen plasma-treated activated carbon was dominated by chemical adsorption through a monolayer. As a result, nitrogen plasma-treated activated carbon can be used as an adsorbent to efficiently remove tetracycline from water due to the synergistic effect of physical adsorption and proactive chemical adsorption.
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