저분자 유기물질과 금속염의 배위결합 기반 메조구조 기공성탄소의 제조

변진슬 인하대학교 대학원 2020 국내석사

다공성 탄소는 높은 비 표면적과 우수한 접근성을 가진 소재로 에너지저장, 여과, 흡착 등의 소재로 응용되어왔다. 최근 나노탄소재료의 연구에 대한 발전과 더불어 탄소 재료의 한계점을 보완하는 방법들이 연구됨에 따라 점차 응용 분야를 넓히고 있다. 하지만 기존 다공성 탄소 재료와 비교하면 나노탄소재료는 복잡한 공정과 추가공정의 필요성, 비싼 전구체의 사용 때문에 생산성과 접근성이 떨어진다는 한계점을 가지고 있다. 본 연구에서는 유무기 배위결합을 기반으로 하는 간단한 공정방법으로 독특한 모양의 메조 구조를 갖는 다공성 탄소의 제조법을 제시한다. 일반적으로 탄소 전구체로 사용되기 어려웠던 저분자 유기물의 탄화 메커니즘을 제시하여 전구체의 접근성을 높였으며, 하나의 메커니즘에 다양한 전구체 조합을 적용할 수 있다. 저분자 유기물과 유무기 배위결합이 가능한 아연 염을 전구체로 함께 사용하면 고온의 열처리를 거쳐 다소 불규칙한 유사 유무기 배위결합을 유도된다. 이 결합으로 인해 한 단계의 열처리 과정만으로 유기물과 아연 염의 종류에 따라 독특한 메조-구조를 갖는 다공성 탄소를 수득 할 수 있다. 메조 구조는 다공성 탄소에서 거대공처럼 작용해물질수송의 통로가 되고 에너지저장 소재로의 응용 가능성을 높여준다. 합성된 다공성 탄소 중 높은 미세공 부피와 메조 구조를 동시에 갖는 샘플은 리튬 황 전지의 다공성 탄소-황 복합재 양극으로의 활용 가능성을 확인할 수 있다.

다공성 실리카를 주형제로 이용한 이중 다공성 탄소의 합성

신인선 韓南大學校 大學院 2002 국내석사

본 연구는 메조크기의 다공성 벽으로 둘러싸인 규칙적으로 3차원 배열을 이루는 매크로구조의 탄소를 합성하는 것이다. 탄소의 합성은 주형제로 사용된 메조구조의 벽으로 이루어진 매크로포러스 실리카를 복제, 제거함으로써 이루어 졌고 또한, 매크로포러스 실리카는 규칙적인 배열을 이루는 구형의 폴리스타이렌을 주형제로 사용하여 합성했다. 그 결과로 생긴 다공성의 탄소는, 폴리스틸렌 구들을 제거함으로써 생기는 매크로포어뿐 아니라 실리카 입자들을 제거함으로써 생기는 메조포어를 갖는다. 그러므로 두 가지의 다공성은 폴리스틸렌과 실리카 입자들의 크기를 조절하면 쉽게 조작된다. 이러한 3차원의 다공성 탄소는, 두 가지 다른 크기의 다공성으로 인해 효과적인 물질이동과 고도의 표면 영역을 겸비하는 최첨단 촉매로서 응용될 수 있다. 이외에도 다공성 탄소는 전극의 원료, 흡착과 분리, 감지제, 광 결정과 광 저장 등 그 잠재적인 응용 가능성이 광범위하다. In this research, the fabrication of the highly ordered three-dimensionally interconnected macrostructured carbons surrounded by the mesostructured wall. carbon was were performed by template replication of removable macroporous silica hosts with mesoporous wall, which were also templated by ordered arrays of polystyrene spheres. The resultant porous carbon has the mesopores generated from the removal of silica particles as well as the macropores from the removal of polystyrene spheres. Thus the bimodal porosity can be easily manipulated by controlling the size of the polystyrene and silica particles. The three-dimensional porous carbons have potential applications in advanced catalysis, where the hierarchical porosity provides efficient transport and high surface area. Besides the porous carbons can have wide range of potentially usable applications such as electrode materials, adsorption and separation, sensor, photonic crystals and storage materials.

石炭系 Pitch의 酸化 特性을 移用한 高强度 自己 潤滑劑 및 多孔性 炭素材 開發

조광연 明知大學校 大學院 2004 국내석사

탄소재료의 출발원료인 피치(pitch)는 낮은 연화점, 낮은 용융점도 그리고 높은 탄화수율 및 뛰어난 흑연화성을 갖는다. 그리고 열처리에 의해 중축합, 분해 그리고 분자구조의 재배열이 이루어지고 400℃를 넘어서면서 0.1㎛정도의 구체가 형성된다. 이들 작은 구체는 어느 정도의 크기로 성장하다가 다른 구체와 합체 성장을 반복하면서 전체적으로 흐름상을 갖는 이방성의 액정(liquid crystal)이 된다. 이 액정은 코크스(Cokes)의 전단계로서 메조페이스(Meso phase)라 한다. 메조페이스는 방향성 및 이방성의 특성을 갖으며 코크스의 성질에 큰 영향을 끼치게 된다. 메조페이스피치는 탄화와 흑연화시 휘발분의 적절한 제거와 흐름상을 갖는 액정들이 용이한 중축합으로 인해 배열이 이루어져 치밀한 구조의 흑연구조를 이룬다. 450℃이상에서 용융상의 피치는 서서히 코크스로 전환되며 500~1000℃에서 작은 방향족 구조가 서로 결합하고 2500℃이상의 흑연화 처리를 통하여 최종적으로 흑연구조를 형성한다. 이러한 탄소재료는 내열성, 윤활성, 화학적 안정성, 가공성 등이 뛰어나 각종 펌프나 기계, 유체들의 이송장치에 부착되어 사용되는 이상적인 자기윤활성용 구조재료로 평가되며 또한 동시에 공유결합이 큰 a-b면을 따라 우수한 열전도도, 전기전도도를 나타내 방열재료로서 이상적인 재료로 평가되고 있다. 이러한 탄소재의 특성은 독특한 미세구조에 기인하는데 탄소재의 미세구조는 제조공정상에 원료인 피치의 열처리 조건과 성형조건, 산화안정화조건, 탄화, 흑연화 조건에 따라 매우 다양하게 변하며, 이에 따라 반도체용, 초전도체용, 생체재료용, 필터용 재료로 그 사용이 광범위하다. 피치는 다양한 형태의 고분자로 이루어져 열처리과정 동안 일어나는 피치의 중축합반응 및 탄화 거동은 아직 완벽하게 규명되지는 않고 있다. 최근에는 방향족 모델 화합물의 탄화기구가 점차적으로 밝혀지고 있다. 본 연구에서는 원료인 석탄계 피치를 활용하여 탄소재의 독특한 물성을 강화한 고기능성 탄소재를 제조하고자 하였다. 원료인 피치의 열처리에 따른 중축합반응과 피치의 기능기(functional group)의 변화를 관찰하고 성형된 시편의 산화안정화를 통해 메칠렌기, 메칠기 등의 변화에 따른 치수안정성 등 미세구조와 물성이 어떻게 영향을 받는지 탄화거동을 규명하였다. 또한 탄화시 온도, 승온속도, 압력에 따른 기공생성과 성장을 관찰하고 미세구조가 어떻게 변화는지 규명하여 자기윤활성, 내열성, 내화학성, 고강도의 기계구조용 탄소재와 우수한 열전도도, 삼차원적으로 상호 연결된 개기공으로 비표면적이 기하급수적으로 확대된 고효율 방열재용 탄소재를 제조하였다. 본 실험의 결과 피치의 중축합반응이 온도와 시간에 비례하여 활발하게 진행되며 탄소벤젠고리들이 중축합되면서 고분자화가 진행되고 동시에 판상으로 배열이 되면서 이방성 특성을 나타내고 있는 것을 확인하였다. 온도별로 열처리된 피치를 비교해 볼 때 높은 온도에서 제조된 메조페이스 피치 일수록 수산기와 카르보닐기의 강도가 점차 세어졌고, 메칠렌기의 강도는 약화되었다. 이는 열처리온도에 따라 메칠기와 메칠렌기 등의 기능기가 분해와 동시에 휘발되면서 수산기, 카르보닐기가 생성된 것으로 판단된다. 열처리시 교반속도의 증가에 따라 표면의 메칠기와 메칠렌기 등이 열에 의한 분해속도가 증가되어 수산기와 카르보닐기의 강도가 세어져 관능기들의 탈수소반응이 촉진된 것으로 판단되며, 피치의 열처리 온도가 높을수록 산화안정화시 휘발성 기능기들의 분해가 적어 낮은 온도와 짧은 시간에 치수안정성이 확보되는 산화안정화가 완료될 수 있을 것으로 확인하였다. 500℃에서 1시간동안 열처리한 피치의 경우 d(002) 값은 3.354Å에 근접하였고, 흑연화성을 나타내는 Lc 값은 가장 큰 204Å을 나타내었다. 이는 500℃에서 1시간동안 열처리한 피치의 경우 적절한 QI 함량으로 탄화공정에서 열유동성에 의해 결정이 발달된 것으로 확인하였으며, 기계적물성은 피치의 열처리 조건에 따라 탄화시 미세조직이 어떻게 형성되느냐에 따라 변하였다. 이는 미세조직의 상태에 의해 균열 생성 및 균열 전파의 원인으로 작용하여 물성에 영향을 미친 것으로 사료된다. 치밀화가 우수한 시편의 경우 안정적인 마모가 일어나 낮고 안정적인 마찰특성을 나태내며, 반면에 미세조직이 치밀하지 못한 시편은 마찰마모시 경도가 낮은 매트릭스에서 입자의 파임과 뜯김이 발생하는 grooving 현상이 발생하여 불안정한 마찰거동 발생한 것으로 확인하였다. 시편의 내식성은 조직이 치밀하고 기계적물성이 높은 재료일수록 내식성이 우수하였다. 그러나 흑연과 비교하여서는 다소 내식성이 떨어졌다. 이는 탄화만을 거쳐 흑연에 비해 상대적으로 결정이 발달되지 않은 것에 기인한다. 1단계 열처리온도 200℃~300℃에서의 QI함량은 증가하지 않았으나 300~400℃에서의 QI함량은 증가하였다. 이는 피치 내 중축합시 저온에서의 열처리는 오히려 점도를 증가시켜 중축합을 방해한 결과이다. 열처리 온도 450, 460℃인 피치는 200~250℃부근에서 열유동성을 띠기 시작했고 열처리 온도 470℃인 피치는 340℃부근에서 열유동성을 띠었다. 승온속도가 증가함에 따라 피치들은 열유동성이 부여되는 온도에서 기공간의 합체가 충분히 진행되지 못하여 전반적으로 ligament가 얇고 기공의 크기가 작았다. 압력이 증가할수록 열처리 온도가 높은 피치는 열유동성이 떨어져 치밀화가 이루어지지 않아 불균일한 조직의 Foam이 형성되었다. 또한 기공의 합체가 이루어지지 않아 기공이 작았다. 반면 열유동성이 상대적으로 좋은 250℃ 열처리 피치의 경우 치밀화가 이루어져 밀도값이 높았고 휘발분에 의한 가스압이 외부압력이 대치하면서 기공 ligament에 응력이 집중하여 기공이 균일하고 크기가 작았다. 탄소재 폼의 탄화후와 흑연화후의 XRD자료에서 압력에 비례하여 흑연결정의 정도가 우수하였다. 탄화후 XRD에서 피크의 차이가 그리 확연하지는 않았으나 흑연화후 XRD자료에서 002면의 피크의 차이가 매우 확연하게 세기가 커졌고 주피크의 반가폭이 매우 작아졌다. 탄소재폼의 d(002)값이 3.354nm에 가까워지고 결정의 두께(Lc)가 커졌다. 전반적으로 압력에 비례하여 흑연화 정도는 확연히 상승하였고 열전도도 또한 매우 우수하였다. 결론적으로 석탄계 피치를 활용하여 산화안정화를 통한 피치내의 기능기 제어를 통한 미세구조 제어가 가능했으며 탄화시 온도와 승온속도, 압력변화에 의해 기능성이 부가된 자기윤활성이 뛰어난 기계구조용 탄소재 와 고효율 방열재용 탄소재를 제조하였다. The pitch as a starting material in carbon-related materials has the lower softening point, lower melting viscosity, and the high yields of carbonization, graphitization. The pitch formed a 0.1㎛ of spherical particle through the rearrangement of the polymeric condensation and thermal decomposition over 400℃. These small particles were converted to the anisotropic liquid crystal through the self-growing and merging each other, in which the liquid crystal is called as mesophase. Mesophase has an aromatic and anisotropic characteristics, which could be affected on the cokes property. Mesophase pitch is easily converted to a dense graphite structure by the rearrangement of flow type of liquid crystal in the carbonization and graphitization. The molten pitch was converted to cokes slowly over 450C, and small aromatic ring combined each other at 500-1000℃. The graphitization is obtained subsequently by the thermal process over 2500℃. The mesophase pitch is appropriated for the structured materials such as pumps, machine, and fluid carriers attributing the good lubrication, heat-resistance, chemical stability, and mechanability. Moreover, the mesophase pitch is evaluated for heat radiation materials due to the good heat and electrical conductivity. This properties are based on the particular microstructure of the graphite, in which the micerostructure could be easily changed by the thermal treatment, forming process, oxi-stabilization, carbonization, and graphitization of raw pitch. Consequently, the use of carbon materials are wide in semiconductor, superconductor, biocompatitable and filter materials. The behavior study of pitch in polymeric condensation and carbonization reaction is not perfectly elucidated because of the variety of polymers. Recently, the mechanism study on carbonization has been reported with aromatic compounds model. The work describes the demonstration of carbonization behavior from oxi-stabilization with change of functional group such as methylene/methyl, and polymeric condensation with thermal treatment of raw pith. Moreover, we developed the high performance carbon materials using a coal tar pitch, in which they have the 3D-interconnected porous structures, and high surface areas attributing a microstructural change. From the results, the anisotropic characteristics was confirmed by the rearrangement of aromatic carbons to laminar structure when their polymeric condensation is depend on the reaction time and temperatures of the pitch. The pitch treated at high temperature shows the new hydroxy and carbonyl peaks in FT-IR, in which the thermal decomposition of methylene and methyl group give rise to form a new hydroxy and carbonyl group. On heat treatment, the increase in stirring speed accelerated the decomposition of the methyl and methylene groups in pitch, which resulted in the intensity increase of the hydroxyl and carbonyl groups. As the temperature for pitch treatment increased, the degradation of the volatile functional groups during oxistabilization became lowered. Subsequently, it could be confirmed that oxistabilization leading to size-stability could be completed at the low temperature as well as in the short time period. Pitch heat treated at 500 ℃ for 1 hr, the d(002) value of the sample approximately reached 3.354 Å, and the Lc value representing graphitization showed 204 Å. In the case of the sample that has the dense microstructure, stable wear property was observed, whereas the sample with the rough microstructure was found to exhibit unstable wear behavior. The property of the latter one was due to grooving phenomenon, in which the digging and tearing of the particles occurred in the matrix of low hardness during wear abrasion. Anti-corrosive property was excellent for the specimen, which has better mechanical property and the more densely packed microstructure. This is ascribed to the premature crystalline structure of carbon, as compared with the graphite only treated with graphitization. The QI content in the 1st step heat treatment of 200~300 ℃ did not increase, whereas its increase was observed at the heat treatment of 300~400 ℃. Pitch heat treated at 450, 460 ℃ showed thermal fluidity in the range 200~250 ℃, and pitch treated at 470 ℃ exhibited thermal fluidity at around 340 ℃. As the heating rate increased, pitch had the thin ligament and the small size pore, since interconnection between the pores was not expressed high enough. As the pressure increased, pitch heat treated at the high temperature could not form the homogeneous microstructure because its bad heat fluidity disturbed the formation of the dense structure. Besides, it resulted in the small pore size because the combination of the pores was not made. On the other hand, pitch treated at 250 ℃ showed high density through close-packing. Besides, the concentrated stress to the ligament led to the formation of the small and homogeneous pores while the gas pressure of the volatile components confronted the external pressure. In general, the degree of graphitization was enhanced in proportion to the foaming pressure, and Heat conductivity of carbon faom was estimated to be also very excellent. In conclusion, oxistabilization by the structure of coal tar pitch could control the functional groups of pitch as well as the microstructure of carbon, and the control of the heating temperature, the heating rate, and the pressure made it possible to manufacture not only good lubricity structural carbon but also high effective irradiation carbon.

환원제를 사용하지 않고 백금 나노입자를 담지한 직접메탄올 연료전지용 다공성탄소

이창호 충남대학교 대학원 2008 국내석사

Platinum nanoparticles loading on carbon nanotube and activated carbonfiber were carried out by impregnation of hexachloro platinate (IV) from hydrogen hexachloro platinate hydrate dissolved solution without using reduction agents, and heating the hexachloro platinate (IV) impregnated carbons up to 400 ℃. When the initial platinum content was controlled to 1000 ppm in the solution, the adsorption capacities of hexachloro platinate(IV) on carbon nanotube, activated carbon and activated carbon fiber were 24, 47, and 76%, respectively at the equilibrium state. The adsorption isotherm type of hexachloro platinate(IV) on carbon nanotube was two-step linear and quite different from Langmuir model of activated carbon fiber due to the uniformly developed cylindrical pore structure and size distribution. The TG, XRD, and TEM analysis were performed to confirm the platinum particles loading and distribution on porous carbons. The average platinum particles size on porous carbons was under 2 nm by heating the hexachloro platinate(IV) up to 400 ℃ in spite of non-using reduction agents, while the average size increased due to the agglomeration of some particles by heating them up to 800 ℃. Therefore, uniformly distributed platinum nanoparticles loading on porous carbons can be obtained from simple impregnation of hexachloro platinate(IV) from solution and heating it up to 400 ℃.

Fabrication of Honeycomb Structure Films by Various Polymers and Their Composites

장혁철 부산대학교 2013 국내석사

다공성 탄소는 촉매를 포함하는 영역이나 전기화학장치를 위한 흡수 재료로써 널리 이용되는 중요한 물질이다. 다공성 탄소의 이러한 특징은 기공 구조에 큰 영향을 주기 때문에 크기 조절과 기공 방식으로써의 탄소 모형의 다양 한 방법으로 합성된다. 이러한 목적을 위해, 잘짜여진 고체판을 이용하여 다공성 탄소를 합성하는 것은 널리 연구되어져 왔다. 판표면의 구조적 성질은 탄소화에 의해 알려진 탄소전구체로써 판을 채움을 통한 탄소 재료로 해석된다. 제올라이트, 메조포러스 실리카, 콜로이드 결정은 판으로 널리 사용되어져 왔다. 최근 “Breath Figure (BF)" 방법은 원하는 다공성 고분자 필름을 얻기 위해 가장 잘 알려진 방법이다. 1994년 Widawski, Rawiso, Francois는 카본다이설파이드 용액 에서 한방울 떨어뜨려 자가 조립된 벌집모형의 형태가 이루어지는 스타형 폴리스타이렌과 폴리파라페닐렌블록폴리스타이렌이 고분자의 형태, 기판의 친수성, 다른 기공배열과 같은 연구되어진 많은 이러한 요소에 대해 습한 공기에 노출시켰다. BF 방법은 간단하고 빠르고 싸지만 자세한 메카니즘은 알려져 있지 않다. 그럼에도 불구하고 다른 고분자와 나노 입자를 이용하여 유용한 필름을 만드는 방법은 매우 유용한 방법이다. BF 방법을 이용하여 마이크로제작 공정을 하였고, 석영판에 폴리카보네이트와 그 유도체들을 이용하여 잘짜여진 벌집 모형을 이루는 방법을 발견하였다. 특히 바륨 타이타네이트, 구리, 니켈과 같은 무기 물질을 폴리카보네이트와 혼합물을 만들어 태우고 신터링을 하여 유기 필름을 만들 수 있었다.

고성능 슈퍼커패시터 전극재료로서 극 교차 결합된 p-xylene 다공성 탄소 합성에 관한 연구

김상효 부산대학교 2023 국내박사

본 학위 논문에서는 고성능 슈퍼커패시터 전극재료를 위한 Fridel-Crafts 알킬화 후 탄화를 통해 p-xylene 극 교차결합으로부터 유도된 높은 다공성을 가진 탄소 합성을 처음으로 보고한다. P-xylene 에서의 극 교차결합의 형성은 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 분광법에 의해 확인되었다. 합성물질인 극 교차결합된 p-xylene(Hypercross-linked p-xylene, HCP-pXy) 및 열분해된 HCP-pXy(HCP-pXy-800)는 주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM), 질소 흡착 등온선 및 분말 x-ray 회절 패턴 분석(XRD)에 의해 연구되었다. 3전극 시스템에서 HCP-pXy-800 전극은 3M KOH 수성 전해질 내 1.25Ag-1 전류 밀도에서 242.5Fg-1의 비정전용량을 나타냈다. 또한, 해당 전극은 1.25Ag-1의 전류밀도에서 2000번의 충방전 사이클 이후에도 95.18%의 비정전용량을 유지하여 그 다공성 탄소 전극의 우수한 충방전 사이클 안정성을 보여준다.

복소캐패시턴스법에 의한 다공성 탄소재료의 EDLC 전극특성 연구

장종현 서울대학교 2004 국내박사

리튬-황 전지용 양극화합물 합성과 전기화학적 특성 연구

김준기 동아대학교 대학원 2018 국내석사

지난 30년 동안 리튬-황전지를 개발하는데 큰 장점들이 있으며 많은 연구가 진행되어 왔다. 황은 1675mAh/g의 높은 이론용량과 2600Wh/kg의 에너지밀도로 차세대 이차전지로써 큰 관심을 받고 있다. 하지만 낮은 전기전도도, 유기 전해질에 리튬폴리설파이드 중간체의 용해 및 부피 팽창과 같은 리튬-황전지의 상용화에는 몇 가지 문제가 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 접근 가능성, 생산성, 전기화학적 불활성 및 넓은 온도범위 등의 우수성을 지닌 탄소 나노튜브, 그래핀 및 활성탄소와 같은 황 및 탄소 복합기술에 대한 광범위한 연구가 수행되었다. 추가적으로 질소, 황, 붕소 및 인과 같은 헤테로원자로 도핑된 탄소재료가 전기전도성 및 전기화학적 활성을 추가로 향상시킨다는 여러 연구가 있다. 본 연구에서는 전기전도도를 향상시키고 리튬폴리설파이드의 용해를 제어하기 위해 바이오매스인 박주가리를 사용하였다. 박주가리의 탄화 및 활성화에 의해 hollow carbon nano-scrap (HCNS)와 sulfur-hollow carbon nano-scrap (S-HCNS)을 각각 합성하였다. 826.9282m2/g의 표면적을 갖는 HCNS는 용해성 폴리설파이드 중간체를 잡아주며, 전극의 전기 전도도를 향상시키는데 훌륭하다. S-HCNS는 다양한 황 함량으로 제조되며 80%황 화합물(8S-HCNS)는 가장 우수한 사이클 성능을 나타낸다. 8S-HCNS 복합체는 0.5C의 전류밀도에서 200사이클 후에 557mAh/g의 안전한 비용량을 얻었다. 리튬-황전지의 충·방전 과정에서 리튬폴리설파이드의 용해를 제어하기 위해 CCS를 사용하여 용량을 증가시켰다. 결과적으로 CCS를 사용한 93.75%황 화합물(9S-HCNS)은 0.5C의 전류밀도에서 200사이클 후에 463mAh/g에서 743mAh/g로 용량을 증가시켜 리튬폴리설파이드의 셔틀현상을 개선하였다. 이 연구는 고성능 리튬-황전지에 사용하기 위한 새로운 탄소재료를 제공 할뿐만 아니라 탄소재료의 구조와 표면화학을 동시에 조절할 수 있는 효과적인 방법을 보여준다.

Biomass Derived Metal Free Multiporous Carbon and Bioinspired Manganese Phosphate Nanomaterials for Supercapacitor and Electrocatalyst Applications

데비프라시스, 친나두라이 부산대학교 대학원 2020 국내박사

지구 온난화를 방지하기 위해 화석 연료를 대체하고 CO2 배출량을 줄이려면 재생 가능 에너지 변환 장치의 개발이 매우 중요합니다. 마찬가지로, 에너지 저장 시스템도 일상 생활에서 중요한 구성 요소가되고 있습니다. 에너지 저장 장치는 가솔린 연료 기반 운송을 전기 기반 운송으로 대체하고 미래 운송 시스템을보다 지속 가능한 전기 차량으로 전환 할 수있을 것으로 예상된다. 충전식 배터리가 수십 년 동안 전원으로 사용되었지만, 수명이 제한되는 양극과 음극 재료 사이의 이온의 셔틀로 인해 충전 / 방전이 느려집니다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 슈퍼 커패시터 (SC) 및 연료 전지는 높은 전력 밀도로 인해 급속 충전 / 방전 응용 분야에서 널리 연구되고 있지만, 에너지 밀도는 배터리 규모에 미치지 못한다. 따라서 저렴한 생산 비용으로 SC 저장 용량을 리튬 이온 배터리에 더 가깝게 만드는 새로운 재료는 저장 장치에서 획기적인 것입니다. 따라서, SC는 전해질 이온 침투가 유사한 전력을 수행하기 위해 쉽게 접근 할 수있는 다수의 전기 활성 부위로부터 상승 효과를 제공 할 수있는 계층 적 나노 구조로 개발된다. 이 연구에서 우리는 에너지 변환 및 저장 응용을위한 탄소원으로 바이오 매스 폐기물로 만다린 껍질과 브로콜리 줄기를 선택했습니다. 허니 콤 유사 구조화 된 활성탄은 KOH 및 NaOH 활성화를 사용하여 만다린 껍질로부터 유도되었다. 대칭형 슈퍼 커패시터는 240W / kg 전력 밀도에서 10.92Wh / kg의 최고 에너지 밀도를 보였으며 1740W / kg의 높은 전력 밀도에서 최대 7.06Wh / kg으로 유지되었습니다. 1A / g의 전류 밀도에서 348F / g의 최대 비정전 용량을 달성했습니다. 또한이 재료는 기존의 4-e 공정에서 RHE에 비해 0.87V의 시작 전위와 0.75V의 반파 전위로 탁월한 ORR 활성을 나타 냈습니다. 간단한 수성 보조 탄화 방법에 의해 자연적으로 질소가 풍부한 브로콜리 줄기 바이오 매스로부터 유래 된 계층 적 다공질 허니컴 탄소 네트워크. 가요 성 와이어 슈퍼 커패시터를 제조하고 450W / kg의 전력 밀도에서 3Wh / kg의 에너지 밀도 및 0.5A / g의 전류 속도에서 106F / g의 중량비 특정 커패시턴스를 나타내었다. 10mA / cm2의 전류 밀도에서 HER의 최저 전위는 184mV (vs. 가역 수소 전극)이며 OER의 경우 301mV (vs. 가역 수소 전극)입니다. 망간 계 전기 촉매는 자연 광합성 시스템의 활성 중심으로 인해 산소 발생 반응 (OER) 및 산소 환원 반응 (ORR) 적용에 큰 관심을 가지고있다. 우리는 10mA / cm2의 전류 밀도와 76mV / dec의 Tafel 기울기에 도달하기 위해 286mV의 낮은 과전 위로 우수한 수산화 활성을 나타내는 매우 안정적인 Mn3 (PO4) 2.3H2O 나노 다면체 (MnP)를 준비했습니다. 회전 디스크 전극 및 회전 링 디스크 전극 기술 둘 모두로부터 계산 된 전자 이동 수는 각각 RHE 대 0.998 V 및 0.936 V의 개시 및 반파 전위를 갖는 준 -4 전자 전송 프로세스이다. MnP는 5.7mA / cm2의 더 높은 제한 운동 전류와 1.6 %의 매우 낮은 H2O2 수율을 달성했습니다. 이 논문은 슈퍼 커패시터 및 전기 촉매 응용을위한 바이오 매스 유래 탄소 및 바이오 영향 망간 포스페이트 나노 물질의 합성 및 응용에서 귀중한 결과를 제공 하였다. 이 논문에 제시된 결과는 효율적인 전기 촉매를위한 바이오 매스 유래 활성탄 기반 슈퍼 커패시터 및 망간 인산염에 사용 된 전략을 다루는 데 도움이 될 것입니다. The development of renewable energy conversion devices is highly essential to replace the fossil fuels and subsequent reduction of CO2 emission to prevent global warming. Likewise, the energy storage systems are also becoming a vital component in day to day life. It is anticipated that energy storage devices would replace the gasoline fuel-based transportation into an electricity-based one and can transform the future transportation system into a more sustainable electric vehicle. Even though rechargeable batteries have been used as the power sources over some decades, they suffer from sluggish charge/discharge arise from the shuttling of ions between anode and cathode materials which limit their lifetime. To overcome these problems, supercapacitors (SC) and fuel cells are widely studied in rapid charge/discharge applications due to its high-power density, however, its energy density is not up to the scale of batteries. Hence, new materials that bring the SC storage capacity closer to the lithium-ion battery at cheaper production costs would be a breakthrough in storage devices. Thus, SC is developed with a hierarchical nanostructure that can offer synergetic effects from the easily accessible multiple electroactive sites for the electrolyte ions penetration to perform comparable power. In this work we have chosen mandarin peels and broccoli stem as biomass waste as carbon sources for energy conversion and storage applications. Honeycomb like structured activated carbon was derived from the mandarin peels using KOH and NaOH activation. The symmetrical supercapacitor showed a highest energy density of 10.92 Wh/kg at 240 W/kg power density maintained up to 7.06 Wh/kg at a higher power density of 1740 W/kg. A highest specific capacitance of 348 F/g at a current density of 1 A/g has been achieved. Also, the materials showed an excellent ORR activity with an onset potential of 0.87 V and half wave potential of 0.75 V vs RHE with a conventional 4-e process. Hierarchical multiporous honeycomb carbon network derived from naturally nitrogen enriched broccoli stem biomass by a simple aqueous assisted carbonization method. A flexible wire supercapacitor was fabricated and exhibited an energy density of 3 Wh/kg at a power density of 450 W/kg and a gravimetric specific capacitance of 106 F/g at a current rate of 0.5 A/g. The lowest overpotential of 184 mV (vs. reversible hydrogen electrode) for HER at a current density of 10 mA/cm2, and 301 mV (vs. reversible hydrogen electrode) for OER. Manganese-based electrocatalyst has a great attention for the oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR) applications due to its active centre in nature photosynthesis system. We prepared a highly stable Mn3(PO4)2.3H2O nano-polyhedrons (MnP) which showed a good water oxidation activity with a lower overpotential of 286 mV to reach the current density of 10 mA/cm2 and a Tafel slope of 76mV/dec. The electron transfer number calculated from both the rotating disk electrode and rotating ring-disk electrode techniques is a quasi-4 electron transfer process with an onset and halfwave potential of 0.998 V and 0.936 V vs RHE respectively. MnP achieved a higher limiting kinetic current of 5.7 mA/cm2 and a very low H2O2 yield of 1.6 %. This dissertation has provided a valuable result in synthesis and application of biomass derived carbon and bioinspired manganese phosphate nanomaterials for supercapacitor and electrocatalyst applications. The results presented in this dissertation would help to address the strategies used in biomass derived activated carbon-based supercapacitors and manganese phosphate for efficient electrocatalyst.

Development of highly durable carbon support for electro-catalyst in polymer electrolyte fuel cells

황소희 Graduate School, Yonsei University 2012 국내박사