KR101464317B1 - Porous carbon structure and the fuel cell comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다공성 탄소 구조체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직경이 마이크로 단위 미만으로 종래에 비해 현저히 작은 반면에 기공의 발달이 현저하여 촉매 등의 담지능력이 우수함과 동시에 반응을 위한 확산이 구조체내에서 원활히 이루어짐에 따라 연료전지 등에 널리 활용될 수 있는 다공성 탄소 구조체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a porous carbon structure and a fuel cell including the porous carbon structure. More particularly, the present invention relates to a porous carbon structure and a fuel cell including the same. And more particularly to a porous carbon structure that can be widely used in fuel cells and the like and a fuel cell including the porous carbon structure.
다공성 물질 또는 다공성 구조체의 기공(pore)은 그 직경 크기에 따라 마이크로포어(< 2 nm), 메조포어(2 ~ 50nm) 및 매크로포어(> 50 nm)의 세 가지로 분류(IUPAC)될 수 있다. 또한, 이러한 기공 크기의 제어를 통해 다공성 물질은 촉매, 분리 시스템, 저유전 물질, 수소 저장 물질, 광결정, 전극 등을 포함하여 많은 분야에 이용될 수 있어 최근 주목을 받고 있는 물질이다.The pores of the porous material or porous structure can be classified into three classes (IUPAC) depending on their diameters: micropores (<2 nm), mesopores (2-50 nm) and macropores . Also, through the control of the pore size, the porous material can be used in many fields including a catalyst, a separation system, a low dielectric material, a hydrogen storage material, a photonic crystal, an electrode, and the like.
이러한 다공성 물질 또는 구조체는 산화금속, 반도체 등의 무기 물질, 금속, 폴리머 또는 탄소 등을 포함할 수 있으며, 특히 반도체성 산화금속을 포함하는 다공성 구조체는 광촉매 반응 및 광전기화학 전환 특성을 통해 공기 및 수질 오염의 자기 정화, 수소연료전지를 위한 물 분해를 통한 수소 생산 등 폭넓은 범위의 다양한 응용이 가능하며, 대한민국 특허출원 제2008-7007043호는 이러한 다공성 물질에 백신항원을 캡슐화시켜 면역원 복합체를 제공하고 있다. 이렇게 다양한 분양에 응용이 가능한 다공성 물질 중에서 특히, 다공성 탄소 구조체는 그의 표면 특성, 이온 전도성, 내부식성 및 저비용 때문에 다양한 종류와 다양한 형태의 탄소 물질이 현재 이용되고 있다.Such a porous material or structure may include an inorganic material such as a metal oxide or a semiconductor, a metal, a polymer or carbon, and in particular, a porous structure containing a semiconducting metal oxide may be formed by a photocatalytic reaction and photo- A variety of applications such as self-purification of pollution, hydrogen production through water decomposition for hydrogen fuel cell are possible, Korean Patent Application No. 2008-7007043 discloses a method of encapsulating a vaccine antigen in such a porous material to provide an immunogen complex have. Among various types of porous materials that can be applied to various types of soils, various types and various types of carbon materials are currently used because of their surface characteristics, ionic conductivity, corrosion resistance and low cost.
이와 같은 다공성 탄소 구조체를 제조하기 위해서, 종래에 주형의 사용이 제안되어 왔고, 주형으로는 구형의 실리카 또는 라텍스 폴리머 나노입자의 정렬된 응집체에 기초된 콜로이달 결정성 어레이가 사용되고 있다.In order to produce such a porous carbon structure, the use of a mold has been conventionally proposed, and a colloidal crystalline array based on aligned aggregates of spherical silica or latex polymer nanoparticles is used as a template.
주형을 이용한 합성 방법을 보다 구체적으로 살펴보면, 실리카, 알루미나 등과 같은 무기물로 구성된 물질을 주형으로 사용하고, 이를 탄소 전구체로 활용할 수 있는 고분자와의 주형 복합체를 만든 뒤, 이를 탄소화를 위한 열처리를 실시하고 무기물 부분만 선택적으로 제거함으로써, 주형으로 사용된 무기물이 있던 자리를 공극으로 잔존시켜 목적하는 다공성 탄소 구조체를 얻는다. 이러한 합성 방법 중 특히 주목할 만한 방법으로는 메조포러스 실리카 물질에 페놀 수지 등을 기상 또는 액상으로 함침시킨 뒤 열처리를 거쳐 탄소/실리카 복합체를 얻고 실리카 물질을 제거함으로서 목적하는 메조포러스 탄소를 얻는 방법과, 수용성 실리카졸과 탄소 전구체를 이용하여 탄소 전구체 겔과 실리카 복합체를 얻고, 이를 열처리함으로써 탄소/실리카 복합체를 얻은 뒤, 이로부터 실리카 물질을 제거하여 목적하는 메조포러스 탄소를 얻는 방법이 알려져 있다.More specifically, the synthesis method using a template is performed by using a material composed of inorganic materials such as silica and alumina as a template, forming a template complex with a polymer capable of using the template as a carbon precursor, and then performing heat treatment for carbonization And by selectively removing only the inorganic part, the site where the inorganic material used as the template was present is left as the pores to obtain the desired porous carbon structure. Particularly notable among these synthesis methods is a method of obtaining a desired mesoporous carbon by impregnating a mesoporous silica material with a phenol resin or the like in a gas phase or a liquid phase, followed by heat treatment to obtain a carbon / silica composite and removing the silica material, A method of obtaining a desired mesoporous carbon by obtaining a carbon precursor gel and a silica complex by using a water-soluble silica sol and a carbon precursor, and heating the resultant to obtain a carbon / silica composite, and then removing the silica material therefrom.
그러나 전자 방법에 따르면, 메조포러스 탄소의 공극이 3차원적으로 잘 연결되어 있어 우수한 물성을 보이지만, 메조포러스 실리카의 제조 단가가 매우 비싸고 합성 방법이 여러 단계를 거치게 되므로, 공업적으로 적용되기에는 어려움이 많다.However, according to the electron method, the pores of the mesoporous carbon are three-dimensionally well connected and exhibit excellent physical properties. However, since the manufacturing cost of the mesoporous silica is very high and the synthesis method is subjected to various steps, it is difficult to industrially apply There are many.
한편, 후자 방법에 따르면, 전자 방법에 비하여 제조단가가 저렴하다는 장점이 있는 반면, 최종적으로 얻은 메조포러스 탄소의 기공 크기, 메조포러스 탄소의 형상 등을 목적하는 바대로 제어하기가 용이하지 않은 문제점이 있다.On the other hand, according to the latter method, there is an advantage that the manufacturing cost is lower than that of the electron method, but it is not easy to control the final pore size of the mesoporous carbon and the shape of the mesoporous carbon as desired. have.
상기와 같은 기공의 크기나 형상 등이 제어되어야 하는 이유로는 다공성 탄소 구조체는 그 기공분포, 연결성, 표면적, 표면특성 등의 구조에 따라서 그 효율에 큰 차이를 보이고 있으며, 더불어 표면적과 기공부피의 경우에는 탄소 구조체가 사용될 목적에 따라 알맞게 제조되어야 하기 때문이다. 예를 들어, 연료전지의 전극에 사용되는 경우, 탄소 구조체의 표면적과 세공부피가 큰 것을 담체로 사용하면 담지되는 금속 촉매입자의 크기는 작아지고 탄소 담체에 보다 균일하게 분포하여 활성면적이 증가하고, 연료 및 반응 생성물의 확산이 쉽게 일어나 활성이 향상될 수 있지만, 탄소 구조체의 세공의 크기가 극단적으로 작은 경우에는 비표면적이 매우 높아져서 촉매물질의 담지량이 증가하지만, 반응가스 등의 전달 및 확산이 어려워지고, 미세기공 내부로 고분자 전해질의 침입할 수 없기 때문에 촉매의 이용효율이 저하되어 연료전지특성을 향상시키지 못하는 경향이 있다.The reason why the size and shape of the pores should be controlled is that the efficiency of the porous carbon structure varies depending on the structure of the pore distribution, the connectivity, the surface area, the surface characteristics, and the like, and also the surface area and the pore volume Because the carbon structure must be manufactured to suit the purpose for which it is to be used. For example, when used for a fuel cell electrode, when the carrier having a large surface area and pore volume of the carbon structure is used as the carrier, the size of the metal catalyst particle to be supported becomes smaller and more uniformly distributed in the carbon carrier to increase the active area The diffusion of the fuel and the reaction product can easily occur and the activity can be improved. However, when the pore size of the carbon structure is extremely small, the specific surface area becomes very high and the loading amount of the catalyst material increases. And the polymer electrolyte can not enter into the fine pores. Therefore, the utilization efficiency of the catalyst is lowered and the fuel cell characteristics can not be improved.
그러나 현재까지의 다공성 탄소 구조체의 연구로는 구조체내 기공의 크기 및 기공도가 목적하는 수준으로 제어되면서 구조체의 입경이 마이크로 단위보다 축소된 다공성 탄소 구조체를 제조하기 어려운 실정이며, 이에 따라 연료전지 분야 등에 널리 활용될 수 있는 기공의 직경과 기공도가 제어되고, 사이즈가 마이크로 단위보다 축소된 다공성 탄소 구조체의 연구가 시급한 실정이다.However, research on the porous carbon structure to date has made it difficult to produce a porous carbon structure in which the particle size of the structure is smaller than the micro-unit, while controlling the size and porosity of the pores in the structure to a desired level. It is urgently required to study a porous carbon structure in which the diameter and porosity of the pores, which can be widely used, are reduced, and the size is reduced to be smaller than the micro unit.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 직경이 마이크로 단위 미만으로 종래에 비해 현저히 작은 반면에 기공의 발달이 현저하여 촉매 등의 담지능력이 우수함과 동시에 반응을 위한 확산이 구조체 내에서 원활히 이루어질 수 있도록 기공이 제어된 다공성 탄소 구조체 를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the above-mentioned problems. The first problem to be solved by the present invention is that the diameter is less than a unit of micrometers, which is significantly smaller than that of the prior art, And at the same time to provide a porous carbon structure in which pores are controlled so that diffusion for reaction can be smoothly performed in the structure.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 금속촉매의 담지능력을 향상시키는 동시에 외부 전해질 등의 이동이 원활하여 촉매이용효율을 현저히 향상시킬 수 있는 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체를 포함하는 전극을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.A second problem to be solved by the present invention is to provide an electrode comprising a porous carbon structure according to the present invention, which improves the supporting ability of a metal catalyst, To provide a fuel cell.
상술한 첫 번째 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 하기의 조건 (1) 내지 (6)을 모두 만족하는 다공성 탄소 구조체를 제공한다.In order to solve the above-described first problem, the present invention provides a porous carbon structure satisfying all of the following conditions (1) to (6).
(1) 탄수화물 유래의 다공성 탄소 구조체고, (2) 탄소구조체의 평균입경 700 ~ 900 nm이며, (3) 기공의 총부피 0.35 ㎤/g 이상이고, (4) 기공의 평균직경 12 ~ 15nm이고, (5) 기공 전체 부피에서 IUPAC 분류법에 의거한 메조기공이 차지하는 부피비율이 40% 이상이며, (6) BET 비표면적이 550 ㎡/g 이상이다.(2) the average particle size of the carbon structure is 700 to 900 nm, (3) the total volume of the pores is 0.35 cm 3 / g or more, (4) the average diameter of the pores is 12 to 15 nm , (5) the volume ratio of the mesopores in the total volume of the pores is 40% or more based on the IUPAC classification, and (6) the BET specific surface area is 550
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 탄수화물은 오탄당(pentose) 및 육탄당(hexose) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the carbohydrate may include at least one of pentose and hexose.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 다공성 탄소 구조체의 형상이 구형일 수 있다. According to another preferred embodiment of the present invention, the shape of the porous carbon structure may be spherical.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 다공성 탄소 구조체는 글루코오스(glucose) 유래일 수 있다. According to another preferred embodiment of the present invention, the porous carbon structure may be glucose-derived.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 다공성 탄소 구조체의 입경에 대한 하기 식 1의 분산계수(CV)가 15 % 이하일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the dispersion coefficient (CV) of the following
[식 1][Formula 1]
한편, 상술한 두 번째 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체를 포함하는 전극을 포함하는 연료전지를 제공한다.
In order to solve the second problem, the present invention provides a fuel cell including an electrode including a porous carbon structure according to the present invention.
이하, 본 발명에서 사용하는 용어에 대해 설명한다.Hereinafter, terms used in the present invention will be described.
본 발명에서 사용하는 용어인, 기공의 크기에 따른 분류로 마이크로 기공, 메조기공은 IUPAC의 분류법에 의거 2nm 미만의 직경을 가지는 기공을 마이크로 기공으로 하고, 2 ~ 50nm의 직경을 가지는 기공을 메조기공으로 한다.As used herein, micropores and mesopores are classified into micropores having a diameter of less than 2 nm according to the IUPAC classification, micropores having a diameter of 2 to 50 nm and mesopores having a diameter of 2 to 50 nm, .
본 발명의 다공성 탄소 구조체는 마이크로 단위 미만의 종래보다 작은 직경을 가짐에 따라 한정된 부피에 많은 양이 포함될 수 있고, 개별 구조체내에 기공의 발달이 우수하여 많은 양의 담지물을 담지할 수 있는 동시에 담지물 또는 담지물과의 반응물의 이동, 확산이 구조체 내에서 원활히 이루어질 수 있다. 또한, 탄소 구조체의 크기 균일성이 우수하여 발현되는 물성의 변동폭이 좁고, 발현되는 물성값의 정도를 예상할 수 있어 이를 활용하여 제품으로 전개시 제품의 표준화에 보다 유리할 수 있다. 나아가 형상의 특이성으로 인해 큰 표면적과 기공도를 가질 수 있으며, 열전도성, 화학적/물리적 안정성이 우수하다.Since the porous carbon structure of the present invention has a smaller diameter than that of the conventional one, the porous carbon structure of the present invention can contain a large amount in a limited volume, and the development of pores in the individual structure is excellent, The movement and diffusion of the reactant with water or the support can be smoothly carried out in the structure. In addition, since the size uniformity of the carbon structure is excellent, the variation range of the physical properties to be expressed is narrow, and the degree of the physical property value to be expressed can be predicted. Furthermore, due to the specificity of the shape, it can have a large surface area and porosity, and is excellent in thermal conductivity and chemical / physical stability.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예 및 비교예에 따라 제조된 다공성 탄소 구조체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 제조된 다공성 탄소 구조체의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 제조된 다공성 탄소 구조체의 고해상도 투과전자현미경(HRTEM) 사진이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예 및 비교예에 따라 제조된 다공성 탄소 구조체의 질소흡착 등온선 및 기공직경에 대한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예 및 비교예에 따라 제조된 다공성 탄소 구조체의 질소흡착 등온선 및 기공직경에 대한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 제조된 탄화된 탄소/실리카복합체 및 다공성 탄소 구조체에 대한 TEM 라인 맵핑 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일구현예 및 비교구현예에 따른 순환전압전류도(Cyclic voltammogram) 그래프이다.1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a porous carbon structure produced according to a preferred embodiment and a comparative example of the present invention.
FIG. 2 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a porous carbon structure manufactured according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) photograph of a porous carbon structure manufactured according to a preferred embodiment of the present invention.
4 is a graph showing nitrogen adsorption isotherms and pore diameters of a porous carbon structure manufactured according to one preferred embodiment of the present invention and a comparative example.
5 is a graph showing nitrogen adsorption isotherms and pore diameters of a porous carbon structure manufactured according to one preferred embodiment of the present invention and a comparative example.
FIG. 6 is a graph showing a TEM line mapping result of a carbonized carbon / silica composite and a porous carbon structure manufactured according to a preferred embodiment of the present invention.
7 is a graph of a cyclic voltammogram according to a preferred embodiment and a comparative embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
상술한 바와 같이 종래에는 다공성 탄소 구조체내 기공의 크기 및 기공도가 목적하는 수준으로 제어되면서 구조체의 입경이 마이크로 단위 미만으로 축소된 다공성 탄소 구조체를 제조하기 어려워 목적하는 담지물의 담지용량 확보가 용이하지 않고, 담지물 및/또는 반응물의 구조체내로의 이동 및 반응생성물의 외부로의 이동, 확산 등이 원활하지 못한 문제점이 있었다.
As described above, conventionally, it is difficult to obtain a porous carbon structure having a reduced size of the structure body to less than a micro-unit, while controlling the size and porosity of the pores in the porous carbon structure to a desired level, And there is a problem that migration of the supported materials and / or reactants into the structure and migration and diffusion of the reaction products to outside are not smooth.
이에 본 발명에서는 하기의 조건 (1) 내지 (6)을 모두 만족하는 다공성 탄소 구조체를 제공함으로써 상술한 문제의 해결을 모색하였다.
Accordingly, the present invention has solved the above-mentioned problem by providing a porous carbon structure which satisfies all of the following conditions (1) to (6).
(1) 탄수화물 유래의 다공성 탄소 구조체(1) Porous carbon structure derived from carbohydrate
(2) 탄소구조체의 평균입경 700 ~ 900 nm (2) Average particle diameter of carbon structure 700 to 900 nm
(3) 기공의 총부피 0.35 ㎤/g 이상(3) The total volume of the pores is 0.35 cm 3 / g or more
(4) 기공의 평균직경 12 ~ 15nm(4) Average diameter of pores of 12 to 15 nm
(5) 기공 전체 부피에서 IUPAC 분류법에 의거한 메조기공이 차지하는 부피비율이 40% 이상(5) The volume ratio of the mesopores in the total pore volume based on the IUPAC classification is 40% or more
(6) BET 비표면적이 550 ㎡/g 이상(6) a BET specific surface area of 550 m < 2 > / g or more
이를 통해 나노단위의 크기로 한정된 부피에 많은 양이 포함될 수 있고, 개별 구조체내에 기공의 발달이 우수하여 많은 양의 담지물을 담지할 수 있는 동시에 담지물 및/또는 담지물과의 반응물 및 이를 통한 반응생성물의 이동, 확산이 구조체 내에서 원활히 이루어져 목적하는 물성의 발현에 보다 우수할 수 있다.
As a result, it is possible to incorporate a large amount into the volume defined by the size of the nano unit, and it is possible to support a large amount of the supported material due to the excellent development of the pores in the individual structure and at the same time the reactant with the supported material and / The migration and diffusion of the reaction product can be smoothly carried out in the structure, and the desired physical properties can be excellently exhibited.
먼저, 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체는 조건 (1)로써, 탄수화물 유래의 탄소 나노구조체이다. First, the porous carbon structure according to the present invention is a carbon nanostructure derived from a carbohydrate as a condition (1).
상기 탄수화물은 바람직하게는 오탄당(pentose) 및 육탄당(hexose) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 오탄당, 육탄당의 단량체 상태 및/또는 상기 오탄당, 육탄당이 일부 중합된 올리고머 형태일 수 있다. 상기 오탄당은 바람직하게는 리보오스, 아라비노스, 자일로스, 리블로스 등일 수 있으며, 상기 육탄당은 글루코오스, 갈락토오스(galactose), 만노오스(mannose), 프락토오스(fructose) 등일 수 있다. 상기와 같은 오탄당 및/또는 육탄당을 사용하는 경우 마이크로 단위 미만의 종래보다 직경이 작은 탄소구조체의 제조에 보다 유리하며, 여러 종류의 탄소전구체를 혼합하여 사용하지 않아도 됨에 따라 제조공정이 간단해지고, 원료단가가 저렴해 경제성에서 다른 종류의 탄소전구체를 사용하는 경우에 비해 이점이 있다. Preferably, the carbohydrate may include at least one of pentose and hexose, and may be in the form of oligomers in which the pentose, the monomer state of the hexose, and / or the pentose and hexose are partially polymerized. Preferably, the pentose sugar may be glucose, galactose, mannose, fructose, or the like. The pentose sugar may be glucose, galactose, mannose, fructose, or the like, preferably ribose, arabinose, xylose, ribulose and the like. In the case of using the pentane and / or hexane as described above, it is more advantageous in the production of a carbon structure having a diameter smaller than that of a conventional one, and the manufacturing process is simplified because a plurality of kinds of carbon precursors are not used. The cost of raw materials is low, which is advantageous over the use of other types of carbon precursors in economics.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 탄수화물은 글루코오스일 수 있으며, 이 경우 다공성 탄소 구조체의 형상을 구형으로 제조하기에 적합하고, 구형의 구조체임에 따라 큰 표면적과 기공도를 가질 수 있으며, 열전도성, 화학적/물리적 안정성에 있어 다른 형상을 가지는 다공성 탄소 구조체에 비해 유리할 수 있고, 연료전지에 응용 시에 다른 형상을 가지는 탄소 구조체에 비해 연료전달을 현저히 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 하기에 설명한 본 발명에 따른 바람직한 일실시예(실시예 1)의 경우 글루코오스를 사용하여 구형의 다공성 탄소 구조체를 제조할 수 있었으나, 탄소원으로 자일로오스(실시예 3), 프락토오스(실시예 4)를 사용한 경우 구형이 아닌 불규칙한 형상의 다공성 탄소구조체를 수득할 수 있었다.
According to a preferred embodiment of the present invention, the carbohydrate may be glucose, and in this case, the porous carbon structure is suitable for producing a spherical shape, and may have a large surface area and porosity depending on a spherical structure, Can be advantageous over porous carbon structures having different shapes in terms of thermal conductivity, chemical / physical stability, and can significantly improve fuel transfer compared to carbon structures having different shapes in fuel cell applications. Specifically, in the case of the preferred embodiment (Example 1) according to the present invention described below, a spherical porous carbon structure can be produced using glucose, but it is also possible to use a carbon source such as xylose (Example 3), fructose Example 4) was used, a porous carbon structure irregular in shape, not spherical, could be obtained.
다음으로, 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체는 조건 (2) 로써, 탄소구조체의 평균입경 700 ~ 900 nm를 만족한다.Next, the porous carbon structure according to the present invention satisfies the condition (2) that the average particle size of the carbon structure is 700 to 900 nm.
종래에 제조되던 다공성 탄소 구조체는 탄소전구체로 멜라민-포름알데히드 레진, 페놀-포름알데히드 레졸 등을 이용함에 따라 제조되는 탄소 구조체의 직경이 나노단위를 초과하는 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터에 달함에 따라 동일 부피내 포함시킬 수 있는 탄소 구조체의 개수가 감소할 수 있고, 입경이 너무 크거나 작아 상기 입경 범위를 벗어나는 탄소 구조체가 연료전지에 포함될 경우 연료전달이 원활히 이루어지지 않는 문제점이 있을 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체는 평균입경이 700 ~ 900nm로써, 한정된 부피에 포함될 수 있는 다공성 탄소 구조체의 개수가 종래의 탄소 구조체에 비해 현저히 증가될 수 있고, 연료전지에 포함될 경우 연료전달이 보다 원활히 이루어져 효율을 증가시킬 수 있는 등 목적하는 물성의 발현을 극대화 시킬 수 있는 이점이 있다. 상기 다공성 탄소 구조체의 입경은 구조체의 형상이 구형인 경우에는 직경에 해당하고, 구형이 아닌 경우 구조체 표면의 어느 한 점에서 구조체 표면의 다른 한 점까지의 거리 중 가장 긴 거리를 의미한다.
Conventionally, the porous carbon structure produced by using melamine-formaldehyde resin, phenol-formaldehyde resin or the like as a carbon precursor has a diameter of several micrometers to tens of micrometers, The number of carbon structures that can be included in the same volume can be reduced. If the carbon structure is too large or too small to exceed the particle diameter range, the fuel cell may not be smoothly delivered. However, since the porous carbon structure according to the present invention has an average particle size of 700 to 900 nm, the number of porous carbon structures that can be included in a limited volume can be significantly increased as compared with the conventional carbon structure, It is possible to maximize the manifestation of the desired physical properties such as an increase in the efficiency. The diameter of the porous carbon structure corresponds to the diameter when the shape of the structure is spherical and the longest distance from any point on the surface of the structure to another point on the surface of the structure when the shape is not spherical.
다음으로, 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체는 조건 (3)으로써, 기공의 총부피 0.35 ㎤/g 이상을 만족한다. Next, the porous carbon structure according to the present invention satisfies the condition (3), that is, the total pore volume of 0.35 cm 3 / g or more.
기공의 부피가 클수록 개별 다공성 탄소 구조체에 담지할 수 있는 담지물의 함량을 높일 수 있으며, 이에 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체는 기공의 총부피가 0.35㎤/g 이상이고, 바람직하게는 0.35 ~ 0.7㎤/g일 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 0.39 ~ 0.7㎤/g일 수 있고, 다공성 탄소 구조체에 담지될 수 있는 담지물의 용량이 증가됨에 따라 담지물을 통해 구현하려는 효과의 발현을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
The larger the volume of the pores, the higher the amount of the support material that can be carried on the individual porous carbon structure. Thus, the total volume of the pores of the porous carbon structure according to the present invention is 0.35 cm 3 / g or more, / g, and even more preferably 0.39 to 0.7 cm 3 / g. As the capacity of the support capable of being supported on the porous carbon structure is increased, the effect of the effect to be realized through the support can be further improved There is an advantage.
다음으로, 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체는 조건 (4)로써, 기공의 평균직경이 12 ~ 15nm를 만족한다.Next, the porous carbon structure according to the present invention satisfies condition (4), wherein the average diameter of the pores is 12 to 15 nm.
상기 조건 (4)는 조건 (3)과 연동되는 조건으로써, 다공성 탄소 구조체의 총부피가 커도 탄소 나노구조체 내에 마이크로 기공의 비율이 높아 기공의 평균직경이 작을 경우 담지물, 반응물, 담지물과 반응물의 반응생성물이 탄소 나노구조체 내부 및/또는 외부로의 이동, 확산이 원활하지 않아 목적하는 효과를 발현할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 이에 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체는 조건 (4)로써 기공의 평균직경이 12 ~ 15nm를 만족하고, 바람직하게는 기공의 평균직경이 14 ~ 15nm를 만족할 수 있어 담지물 및/또는 담지물과 반응하게 되는 반응물이 탄소 나노전구체의 다공성 부분으로 유입, 유출이 원활하여 목적하는 효과의 발현에 보다 유리한 이점이 있을 수 있다.
The condition (4) is a condition for interlocking with the condition (3). Even if the total volume of the porous carbon structure is large, the ratio of the micropores in the carbon nanostructure is high and the pore size, The reaction product of the carbon nanostructure may not be smoothly moved and diffused into and / or out of the carbon nanostructure, and thus the desired effect may not be exhibited. The porous carbon structure according to the present invention is characterized in that the average diameter of the pores is in the range of 12 to 15 nm and the average diameter of the pores is in the range of 14 to 15 nm under the condition (4) The reactant may flow into the porous portion of the carbon nanotube precursor and flow smoothly, which may be advantageous for manifesting the desired effect.
다음으로 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체는 조건 (5)로써, 기공 전체 부피에서 메조기공이 차지하는 부피비율이 40% 이상이다.Next, the porous carbon structure according to the present invention has the volume ratio occupied by mesopores in the entire pore volume of 40% or more as the condition (5).
상기 메조기공은 IUPAC의 기공분류기준에 의거 기공의 직경이 2 ~ 50nm에 해당하는 기공을 의미하며, 본 발명은 메조기공이 차지하는 부피가 기공 전체 부피 중 40% 이상이고, 보다 바람직하게는 40 ~ 70%일 수 있어 다공성 탄소 구조체에 담지되는 담지물의 이동, 반응물의 다공성 탄소 구조체 내로의 이동, 확산에 보다 더 유리할 수 있다. 만일 메조기공이 치지하는 부피가 전체 기공부피의 40% 미만일 경우 기공의 전체부피가 커 담지물의 담지용량이 늘어나더라도 담지물 등의 물질이동이 원활하지 않아 담지물을 통해 목적하는 물성을 발현시킬 수 없는 문제점이 있을 수 있다.
The mesopores refer to pores having a pore diameter of 2 to 50 nm according to the pore classification standard of IUPAC. In the present invention, the volume occupied by mesopores is at least 40% of the total volume of pores, 70%, which may be more advantageous for the migration of the support carried on the porous carbon structure, and for the migration and diffusion of the reactants into the porous carbon structure. If the volume of the mesopores is less than 40% of the total pore volume, the total volume of the pores is large, and even if the supporting capacity of the supporting material is increased, the mass transfer of the supporting material is not smooth, There can be no problem.
다음으로, 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체는 조건 (6)으로써, BET 비표면적이 550 ㎡/g 이상이다. Next, as the condition (6), the porous carbon structure according to the present invention has a BET specific surface area of 550
BET 비표면적이 넓을수록 담지물의 분산도를 높일 수 있는 이점이 있다. 이에 본 발명의 다공성 탄소 구조체의 BET 비표면적이 550 ㎡/g 이상이고, 바람직하게는 600㎡/g 이상일 수 있다. 그러나 비표면적이 너무 커질 경우 연료전지에서는 부식이 쉽게 일어날 수 있어 바람직하지 않은 바, 다공성 탄소 구조체의 비표면적은 600㎡/g ~ 700㎡/g일 수 있다. 만일 BET 비표면적이 550 ㎡/g 미만인 경우 담지물의 분산이 용이하지 않고, 만일 BET 비표면적이 700 ㎡/g을 초과하는 경우 무정형(amorphous) 탄소들이 부식되는 문제점이 있을 수 있다.
The wider the BET specific surface area, the more advantageous is the degree of dispersion of the support. Accordingly, the porous carbon structure of the present invention may have a BET specific surface area of 550
한편, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체의 형상은 구형일 수 있다. 탄소 나노구조체의 형상이 구형일 경우 불규칙한 형상이나, 구형이 아닌 다른 종류의 형상일 때에 비해 넓은 표면적 및 기공도, 열 전도성, 화학적/물리적 안정성이 우수하며, 약물 전달체, 전극, 센서, 촉매 등 다양한 용도로 사용되기에 보다 적합할 수 있다. Meanwhile, according to a preferred embodiment of the present invention, the shape of the porous carbon structure according to the present invention may be spherical. When the shape of the carbon nanostructure is spherical, it has irregular shape, but it has a large surface area, porosity, thermal conductivity, and chemical / physical stability compared to other types of non-spherical shapes. May be more suitable to be used for applications.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체는 형상이 구형이면서도 입경의 균일성이 현저히 우수할 수 있다. 즉, 단분산성이 우수함에 따라 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체는 입경에 대한 하기 식 1의 분산계수(CV)가 15 % 이하일 수 있다. In addition, according to a preferred embodiment of the present invention, the porous carbon structure according to the present invention may have a spherical shape and a uniform particle size uniformity. That is, the porous carbon structure according to the present invention may have a dispersion coefficient (CV) of 15% or less of the following
[식 1][Formula 1]
분산계수(CV)가 낮을수록 입경이 평균입경에 가까운 구조체로만 구성되며, 이에 따라 입경의 균일성이 현저히 우수하며, 이에 따라 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체는 식 1에 의한 분산계수가 15%이하, 바람직하게는 5 ~ 11%일 수 있다. 만일 분산계수가 15%를 초과하는 경우 탄소 구조체의 입경이 불균일함에 따라 탄소 구조체를 이용해 발현시키는 물성의 변동폭이 크고, 발현되는 물성값을 예상하기 어려우며, 입경이 불균일한 다공성 탄소 구조체를 활용하여 제품으로 전개시 제품마다 발현되는 물성이 상이하게 됨에 따라 제품의 표준화가 어려울 수 있다. 또한, 분산계수가 5% 미만의 탄소 구조체는 제조되기 매우 어려운 문제점이 있다.
The porous carbon structure according to the present invention has a dispersion coefficient of not more than 15% according to the
이상으로 상술한 다공성 탄소 구조체는 (a) 탄수화물 유래의 탄소전구체 및 실리카 입자를 포함하는 혼합용액을 가열하여 탄소전구체-실리카 복합체를 제조하는 단계; (b) 상기 탄소전구체-실리카 복합체를 탄화시키는 단계; 및 (c) 탄화된 탄소-실리카 복합체에서 실리카를 제거하는 단계;를 포함하여 탄소구조체를 제조하되, 상기 (a) 단계는 탄소전구체에 포함된 탄소원자의 몰수와 실리카에 포함된 규소원자 몰수의 비가 3 : 0.30 ~ 1.1을 만족하도록 혼합용액이 제조되는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소 구조체 제조방법에 의해 제조될 수 있으나, 이러한 제조방법에 의해 제한되지는 않는다.
The porous carbon structure described above comprises: (a) preparing a carbon precursor-silica composite by heating a mixed solution containing a carbon precursor derived from a carbohydrate and silica particles; (b) carbonizing the carbon precursor-silica complex; And (c) removing the silica from the carbonized carbon-silica composite, wherein the step (a) comprises the steps of: (a) mixing the carbon precursor with the silicon precursor; 3: 0.30 to 1.1. However, the present invention is not limited to such a method.
먼저, (a) 단계로써, 탄수화물 유래의 탄소전구체 및 실리카 입자를 포함하는 혼합용액을 가열하여 탄소전구체-실리카 복합체를 제조하는 단계를 포함한다. First, in step (a), a carbon precursor-silica composite is prepared by heating a mixed solution containing a carbohydrate-derived carbon precursor and silica particles.
구체적으로 상기 혼합용액은 탄수화물 유래의 탄소전구체 및 실리카 입자를 포함하고, 바람직하게는 산 및 용매 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 다만, 상기 혼합용액은 탄소전구체에 포함된 탄소원자의 몰수와 실리카에 포함된 규소원자 몰수의 비가 3 : 0.30 ~ 1.1을 만족해야 된다. 만일 탄소 원자에 비해 규소원자의 몰수 비가 0.30 미만의 경우 기공의 형성이 어렵고, 이에 따라 목적하는 담지물을 수용할 수 있을 정도의 기공부 및 BET 비표면적이 큰 탄소 나노구조체를 구현할 수 없는 문제점이 있을 수 있다. 또한, 탄소 원자에 비해 규소원자의 몰수 비가 1.1을 초과하는 경우 직경이 수 마이크로에 달하는 탄소구조체가 구현되며, 형상이 구형인 탄소 구조체를 구현할 수 없고, 제조된 탄소 구조체의 입경 또한 현저히 불균일할 수 있는 문제점이 있을 수 있다. 이에 따라 보다 구형이 형상을 가지고, 입경의 균일성이 높은 나노크기의 탄소 구조체를 구현하기 위해 상기 혼합용액은 바람직하게는 탄소전구체에 포함된 탄소원자의 몰수와 실리카에 포함된 규소원자 몰수의 비가 3 : 0.70 ~ 1.1일 수 있다. Specifically, the mixed solution includes a carbohydrate-derived carbon precursor and silica particles, and may further include at least one of an acid and a solvent. However, in the mixed solution, the ratio of the number of moles of carbon atoms contained in the carbon precursor to the number of moles of silicon atoms contained in the silica should satisfy 3: 0.30 to 1.1. If the molar ratio of the silicon atoms to the carbon atoms is less than 0.30, it is difficult to form pores, and thus a carbon nano structure having a pore size and BET specific surface area large enough to accommodate a desired support can not be realized Can be. In addition, when the molar ratio of silicon atoms to carbon atoms is more than 1.1, a carbon structure having a diameter of several microns is realized, and a carbon structure having a spherical shape can not be realized, and the particle size of the carbon structure produced can be remarkably uneven There may be a problem. Accordingly, in order to realize a nano-sized carbon structure having a spherical shape and high uniformity of particle diameter, the mixed solution preferably has a ratio of the number of moles of carbon atoms contained in the carbon precursor and the number of moles of silicon atoms contained in the silica is 3 : 0.70 to 1.1.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 탄수화물은 바람직하게는 오탄당(pentose) 및 육탄당(hexose) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 오탄당, 육탄당의 단량체 상태 및/또는 상기 오탄당, 육탄당이 일부 중합된 올리고머 형태일 수 있다. 상기 오탄당은 바람직하게는 리보오스, 아라비노스, 자일로스, 리블로스 등일 수 있으며, 상기 육탄당은 글루코오스, 갈락토오스(galactose), 만노오스(mannose), 프락토오스(fructose) 등일 수 있다. 상기와 같은 오탄당 및/또는 육탄당을 사용하는 경우 마이크로 단위 미만의 입경을 가지는 탄소구조체의 제조에 보다 유리하며, 원료단가가 저렴해 경제적인 면에서 다른 종류의 탄소전구체를 사용하는 경우에 비해 이점이 있다. 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 탄수화물 유래의 탄소전구체는 글루코오스일 수 있으며, 이 경우 다공성 탄소 구조체의 형상을 구형으로 제조하기에 적합하고, 마이크로 단위 미만의 종래보다 직경이 현저히 감소한 구형의 구조체인 동시에 큰 표면적과 기공부피를 가질 수 있으며, 열전도성, 화학적/물리적 안정성에 있어 다른 형상을 가지는 다공성 탄소 구조체에 비해 유리할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the carbohydrate may preferably include at least one of pentose and hexose, and may contain at least one of a pentose, a monomer state of a hexose, and / or a pentose, May be in the form of some polymerized oligomers. Preferably, the pentose sugar may be glucose, galactose, mannose, fructose, or the like. The pentose sugar may be glucose, galactose, mannose, fructose, or the like, preferably ribose, arabinose, xylose, ribulose and the like. In the case of using the pentane and / or hexane as described above, it is more advantageous in the production of the carbon structure having a particle size of less than the micro-unit, and the cost of raw materials is low, which is advantageous compared with the case of using other kinds of carbon precursors in terms of economy . According to a preferred embodiment of the present invention, the carbohydrate-derived carbon precursor may be glucose. In this case, the carbon precursor may be spherical in shape, and may be spherical in shape, Structure, large surface area and pore volume, and may be advantageous over porous carbon structures having different shapes for thermal conductivity and chemical / physical stability.
상기 실리카 입자의 입경은 실리카입자가 제1 용액 내에서 용이하게 분산될 수 있는 경우 제한이 없으며, 바람직하게는 입경이 5 ~ 20nm일 수 있으나 목적하는 기공의 직경에 따라 실리카 입자의 직경을 변경하여 사용할 수 있다. 이러한 실리카 입자는 입자상태 그대로 탄소전구체와 혼합될 수도 있고, 또는 졸 용액상태로 탄소전구체와 혼합될 수 있으며, 이 경우 졸 용액에 실리카 입자는 30 ~ 90 중량%로 포함될 수 있다. 상기 졸 용액의 용매는 실리카를 용해시키지 않고 분산시키기에 적합한 용매가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 물이 사용될 수 있고, 그 밖에 수산화나트륨, 암모니아 등의 안정제를 더 포함할 수 있다.
The particle size of the silica particles is not limited as long as the silica particles can be easily dispersed in the first solution, and preferably the particle size is 5 to 20 nm, but the diameter of the silica particles is changed according to the diameter of the desired pores Can be used. The silica particles may be mixed with the carbon precursor in the form of particles or may be mixed with the carbon precursor in the form of a sol solution. In this case, the silica particles may be contained in the sol solution in an amount of 30 to 90 wt%. The solvent of the sol solution may be a solvent suitable for dissolving the silica without dissolving it, preferably water, and may further contain stabilizers such as sodium hydroxide and ammonia.
상기 혼합용액이 산 및 용매 중 어느 하나 이상을 더 포함할 경우 탄소전구체에 대해 산 및 용매 중 어느 하나 이상이 700 ~ 1400 중량부로 포함될 수 있고, 바람직하게는 산 및 용매가 모두 포함될 수 있고, 이러한 경우 탄소전구체에 대해 산은 200 ~ 400 중량부, 용매는 500 ~ 1000 중량부로 포함될 수 있다. When the mixed solution further contains at least one of an acid and a solvent, at least one of an acid and a solvent may be included in the carbon precursor in an amount of 700 to 1400 parts by weight, preferably an acid and a solvent. The acid may be contained in an amount of 200 to 400 parts by weight based on the carbon precursor, and the solvent may be included in the amount of 500 to 1,000 parts by weight.
만일 산이 200 중량부 미만으로 포함되는 경우 산에 의한 탄수화물 유래의 탄소전구체의 중합이 미약할 수 있고 이에 따라 중합된 탄소전구체와 실리카입자가 구형으로 뭉쳐 응집체를 형성하는 것이 미약함에 따라 목적하는 다공성 탄소 구조체를 구현할 수 없거나, 형상이 불규칙하고 입경이 일정하지 않은 탄소 구조체가 구현되며, 탄소구조체의 수득률이 감소될 수 있는 문제점이 있다. 또한, 만일 산이 400 중량부를 초과하여 포함되는 경우 형상 및/또는 입경이 현저히 불규칙한 탄소구조체가 제조될 수 있는 문제점이 있을 수 있다. If the acid is contained in an amount of less than 200 parts by weight, the polymerization of the carbon precursor derived from the carbohydrate by the acid may be insignificant, and the polymerized carbon precursor and the silica particles aggregate in a spherical shape to form aggregates, There is a problem that a structure can not be realized, a carbon structure having irregular shapes and a constant particle diameter is realized, and the yield of the carbon structure can be reduced. In addition, if the acid is contained in an amount exceeding 400 parts by weight, there may be a problem that a carbon structure having irregular shape and / or grain size can be produced.
상기 산은 유기산 및 무기산 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 황산, 질산, 인산, 파라톨루엔 황산 등이 사용될 수 있고, 이 경우 산은 물과 혼합된 수용액상태 일 수 있으며, 산 용액의 농도는 목적에 따라 변경하여 사용될 수 있으나 바람직하게는 85중량% 이상의 강산을 사용할 수 있고 보다 바람직하게는 황산을 사용할 수 있다. As the acid, any one or more of organic acid and inorganic acid may be used. As a non-limiting example, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, para-toluenesulfuric acid and the like may be used. In this case, the acid may be an aqueous solution mixed with water, The concentration of the acid solution may be changed depending on the purpose, but it is preferable to use at least 85 wt% of strong acid, more preferably sulfuric acid.
또한, 상기 용매는 탄소 전구체 및 실리카 입자를 균일하게 분산시킬 수 있는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 물, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜, n-프로필알콜, 부탄올, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, N-메틸-2-피롤리돈, 테트라하이드로퓨란, 테트라부틸아세테이트, n-부틸아세테이트, m-크레졸, 톨루엔, 에틸렌글리콜, 감마 부티로락톤, 또는 헥사플루오로이소프로판올(HFIP) 등을 단독 또는 2종 이상 병용할 수 있다.
In addition, the solvent can be used without limitation as long as it can uniformly disperse the carbon precursor and the silica particles. As a non-limiting example, water, acetone, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, Dimethylformamide, dimethylsulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, tetrahydrofuran, tetrabutyl acetate, n-butyl acetate, m-cresol, toluene, ethylene glycol, gamma butyrolactone, Or hexafluoroisopropanol (HFIP) may be used alone or in combination of two or more.
본 발명에 따른 (a) 단계에서 상술한 것과 같이 혼합된 용액을 가열하는 과정을 거치는데, 가열을 통한 수열반응으로 탄수화물 유래의 탄수화물 전구체를 포함하는 올리고머와 실리카 입자를 포함하는 복합체를 제조할 수 있다. 상기 수열반응을 위한 가열은 100 ~ 130℃의 온도로 20 ~ 26시간 동안 이루어질 수 있으며, 반응이 종료된 후 증류수로 제조된 복합체의 세척 및 건조과정을 더 거칠 수 있으며, 이때 건조는 60 ~ 90℃에서 공기분위기 하에서 이루어질 수 있다.
The mixed solution as described in step (a) according to the present invention is heated, and a hydrothermal reaction through heating can be used to produce a composite comprising an oligomer containing a carbohydrate-derived carbohydrate precursor and silica particles have. The heating for the hydrothermal reaction may be carried out at a temperature of 100 to 130 ° C. for 20 to 26 hours. After completion of the reaction, washing and drying of the complex prepared from distilled water may be further carried out, Lt; 0 > C under an air atmosphere.
다음으로 (b)단계로써, 상기 탄소전구체-실리카 복합체를 탄화시키는 단계를 수행한다.Next, in step (b), carbonization of the carbon precursor-silica composite is performed.
상기 탄화(carbonization)를 통해 탄소전구체-실리카 복합체의 탄소전구체에서 탈수소를 유도하여 탄소로 구조화할 수 있으며, 이를 위해 바람직하게는 600 ~ 1200℃의 온도로 2 ~ 4시간 동안 열처리될 수 있으며, 상기 열처리에 대한 구체적인 방법은 통상적인 탄화를 위해 사용되는 열처리 방법일 수 있다. 상기 (b) 단계는 비산화 분위기에서 수행됨이 바람직하고, 이에 따라 진공, 질소 및 불활성 기체 중 어느 하나의 분위기 하에서 수행될 수 있다.
The carbon precursor of the carbon precursor-silica complex may be dehydrogenated by carbonization to form a carbon structure. For this purpose, the carbon precursor may be heat-treated at a temperature of 600 to 1200 ° C. for 2 to 4 hours, A specific method for the heat treatment may be a heat treatment method used for ordinary carbonization. The step (b) is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere, and may be performed under any one of vacuum, nitrogen and inert gas.
다음으로 (c) 단계로써, 상기 (b)단계를 통해 제조된 탄소-실리카 복합체에서 실리카를 제거하는 단계를 수행한다.Next, in step (c), the step of removing silica from the carbon-silica composite produced through the step (b) is performed.
상기 실리카를 제거를 통해 다공성의 탄소구조체를 구현할 수 있으며, 실리카의 제거는 통상적인 공지 관용의 방법을 이용하여 제거할 수 있으나 바람직하게는 불산, 수산화나트륨, 및 수산화칼륨 중 어느 하나 이상을 처리하여 실리카를 제거할 수 있으며, 이때, 불산은 바람직하게는 5 ~ 50 중량%의 불산 수용액일 수 있으며, 상기 수산화나트륨 및 수산화칼륨은 5 ~ 30 중량%의 수용액일 수 있다. 이러한 농도의 수용액을 처리시에 가해주는 양 미 처리시간은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 탄소-실리카 복합체에서 실리카가 전량 제거될 수 있도록 충분한 양과 시간으로 처리됨이 바람직하다. 상기 (c) 단계를 통해 실리카는 알칼리 용융을 통해 가용성인 규산염이 되거나 불산과 반응하여 침식되기 쉬운 사불화규소(SiF4)를 형성함에 따라 탄소-실리카 복합체에서 실리카가 제거되고 목적하는 다공성의 탄소 나노구조체를 제조할 수 있다.
A porous carbon structure may be formed through removal of the silica. Removal of the silica may be carried out by using a conventional known method, but preferably at least one of hydrofluoric acid, sodium hydroxide, and potassium hydroxide is treated The hydrofluoric acid may preferably be an aqueous solution of 5 to 50% by weight of hydrofluoric acid, and the sodium hydroxide and potassium hydroxide may be an aqueous solution of 5 to 30% by weight. The treatment time for the treatment of the aqueous solution at such a concentration is not particularly limited in the present invention, and it is preferable that the treatment is carried out in a sufficient amount and for a sufficient time to remove all the silica from the carbon-silica composite. Through the step (c), the silica becomes soluble silicate through alkali melting or reacts with hydrofluoric acid to form silicon tetrafluoride (SiF 4 ) which is likely to be eroded, so that silica is removed from the carbon-silica composite and the desired porous carbon A nanostructure can be produced.
한편, 본 발명은 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체를 포함하는 전극을 포함하는 연료전지를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell including an electrode including the porous carbon structure according to the present invention.
상기 전극은 연료전지에 포함되는 캐소드 또는 에노드 중 어느 하나 이상일 수 있으며, 이때 다공성 탄소 구조체는 금속입자를 담지한 촉매담체 형태로 전극에 포함될 수 있다. 연료 전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 전극에 사용되는 촉매는 필수적 구성요소이며, 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체를 포함하는 촉매담체를 전극에 사용되는 촉매로 포함할 수 있다. 전극이 촉매담체를 포함하여 구현되는 연료전지의 비제한적인 구현예로써, 촉매담체를 포함하는 전극을 막-전극 어셈블리에 도입하고, 이러한 막-전극 어셈블리의 양면에 세퍼레이터 및 기타 부재를 포함하여 형성되는 단위 셀을 수 개 내지 수 십 개로 적층시켜 연료전지를 구현할 수 있다.The electrode may be at least one of a cathode and an anode included in the fuel cell, and the porous carbon structure may be included in the electrode in the form of a catalyst carrier carrying metal particles. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol, and natural gas into electrical energy. The fuel cell is classified into a phosphoric acid type fuel cell, a molten carbonate type fuel cell, a solid oxide type fuel cell, a polymer electrolyte type or an alkaline type fuel cell depending on the type of the electrolyte used. Although each of these fuel cells operates on essentially the same principle, the catalyst used in the electrode is an essential component, and the catalyst carrier comprising the porous carbon structure according to the present invention can be included as a catalyst for use in the electrode. As a non-limiting embodiment of a fuel cell in which an electrode is embodied including a catalyst carrier, an electrode including a catalyst carrier is introduced into the membrane-electrode assembly, and a separator and other members are formed on both sides of the membrane- The number of the unit cells may be several to several tens.
상기 촉매담체는 금속입자와 본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체를 포함할 수 있으며, 상기 금속입자는 Pt, Ru, Rh, Os, Ir, Re, Co, Ni, Ti, Cu, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Pd 및 Ga 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 촉매담체는 다공성 탄소 구조체의 기공 및/또는 표면에 상기와 같은 금속입자를 포함할 수 있으며, 상기 금속을 담지는 방법은 당업자 수준에서 적절한 금속의 선택과 시약 및 조건 등을 선택하여 용이하게 수행될 수 있다. 또한, 다공성 탄소 구조체에 금속 코팅층을 형성하는 방법에 있어서도, 당업계의 공지된 코팅 방법들을 사용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 상기 금속을 무전해도금(electroless plating) 방법 또는 전해도금(electrodeposiion) 방법 등으로 화학적 습식 증착법에 의하여 코팅시킬 수 있다. 이러한 화학적 습식 증착법은 공지 관용이 통상적인 방법에 의해 수행될 수 있으며, 본 발명에서는 구체적인 방법 및 조건에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.
The catalyst support may include metal particles and a porous carbon structure according to the present invention. The metal particles may include at least one of Pt, Ru, Rh, Os, Ir, Re, Co, Ni, Ti, Cu, Zr, But is not limited to, at least one selected from the group consisting of In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Pd and Ga. The catalyst carrier may include the metal particles as described above on the pores and / or surfaces of the porous carbon structure. The method of supporting the metal may be easily performed by selecting a suitable metal, reagents, conditions, . Also, in the method of forming the metal coating layer on the porous carbon structure, known coating methods in the art can be used, and as a non-limiting example, the metal can be coated by an electroless plating method or an electrolytic plating electrodeposition method, or the like, by a chemical wet deposition method. Such a chemical wet deposition method can be carried out by a conventional method for publicly known methods, and the specific methods and conditions are not particularly limited in the present invention.
본 발명에 따른 다공성 탄소 구조체는 상술한 것과 같이 금속입자를 담지하여 촉매로써, 연료전지에 포함될 수 있으나 이 밖에도 약물이나 촉매로 작용하는 물질을 담지하는 담지체로써 기타 용도로도 활용될 수 있는 바, 용도가 연료전지를 위한 담지체로 한정되는 것은 아니다.
The porous carbon structure according to the present invention can be used for other purposes as a carrier that supports a substance acting as a drug or a catalyst although the porous carbon structure according to the present invention can be included in a fuel cell as a catalyst supporting metal particles as described above , The application is not limited to the support for the fuel cell.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
The present invention will now be described more specifically with reference to the following examples. However, the following examples should not be construed as limiting the scope of the present invention, and should be construed to facilitate understanding of the present invention.
<실시예 1> ≪ Example 1 >
상온에서 글루코오스(98%, 무수화물, SAMCHUN pure chemicals사) 0.5몰을 500㎖의 증류수에 혼합하여 교반하여 글루코오스 용액을 제조하였다. 상기 글루코오스 용액에 증류수를 용매로 하고, 0.9몰의 실리카 입자(Ludox HS-40, 알드리치사, 입경 12nm)를 포함한 실리카 용액 103.9㎖을 투입하여 계속 교반하였다. 이후 교반 중에 17.75M의 황산(SAMCHUN pure chemicals사) 수용액을 112.7㎖ 천천히 투입한 후 혼합용액에 증류수를 더 투입하여 혼합용액의 총 부피를 1L로 제조하였다. 이후 제조된 혼합용액을100℃ 오븐에 24시간 동안 처리하여 글루코오스 올리고머/실리카 복합체를 제조하였다. 제조된 복합체를 증류수에 세번 세척하고, 80℃의 온도로 공기 중에서 건조시켰다. 건조된 상기 복합체를 질소 분위기 하에서 900℃로 3시간 동안 탄화시켜 탄소/실리카 복합체를 제조하였다. 이후 제조된 탄소/실리카 복합체를 20중량%의 불산수용액 200㎖에 넣고 30분간 교반하여 실리카를 제거한 후, 증류수로 4회 세척과정을 거치고, 80℃의 온도로 공기 중에서 건조시켜 하기 표 1과 같은 다공성 탄소 구조체를 제조하였다.
0.5 mol of glucose (98%, anhydrate, SAMCHUN pure chemicals) was mixed with 500 mL of distilled water at room temperature and stirred to prepare a glucose solution. 103.9 ml of a silica solution containing 0.9 mole of silica particles (Ludox HS-40, Aldrich, particle size of 12 nm) was added to the above glucose solution as distilled water as a solvent, and stirring was continued. Then, 112.7 ml of an aqueous solution of 17.75M sulfuric acid (SAMCHUN pure chemicals) was added slowly while stirring, and distilled water was further added to the mixed solution to make the total volume of the mixed solution to 1L. The resulting mixed solution was treated in an oven at 100 ° C for 24 hours to prepare a glucose oligomer / silica complex. The prepared composite was washed three times with distilled water and dried in air at a temperature of 80 캜. The dried composite was carbonized at 900 DEG C for 3 hours under a nitrogen atmosphere to prepare a carbon / silica composite. The thus prepared carbon / silica composite was placed in 200 ml of a 20% by weight aqueous solution of hydrofluoric acid and stirred for 30 minutes to remove silica. The silica was washed four times with distilled water and dried in air at 80 ° C. A porous carbon structure was prepared.
<실시예 2 > ≪ Example 2 >
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 실리카 용액에 포함된 실리카 입자의 몰수를 하기 표 1과 같이 달리하여 하기 표 1과 같은 다공성 탄소 구조체를 제조하였다.
The porous carbon structure as shown in Table 1 below was prepared in the same manner as in Example 1 except that the number of moles of the silica particles contained in the silica solution was changed as shown in Table 1 below.
<실시예 3 ~ 4> ≪ Examples 3 to 4 >
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 글루코오스 대신에 하기 표 1과 같이 각각 자일로오스 및 프락토오스를 사용하여 하기 표 1과 같은 다공성 탄소 구조체를 제조하였다.
Except that xylose and fructose were used instead of glucose as shown in Table 1 below to prepare a porous carbon structure as shown in Table 1 below.
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 실리카 용액을 투입하지 않고 탄소 나노구조체를 제조하였다.
The carbon nanostructure was prepared in the same manner as in Example 1 except that no silica solution was added.
< 비교예 2> ≪ Comparative Example 2 &
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 실리카 용액에 포함된 실리카 입자의 몰수를 하기 표 1과 같이 달리하여 하기 표 1과 같은 다공성 탄소 구조체를 제조하였다.
The porous carbon structure as shown in Table 1 below was prepared in the same manner as in Example 1 except that the number of moles of the silica particles contained in the silica solution was changed as shown in Table 1 below.
<비교예 3> ≪ Comparative Example 3 &
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 글루코오스 대신에 하기 표 1과 같이 수크로오스를 사용하여 하기 표 1과 같은 다공성 탄소 구조체를 제조하였다.
The porous carbon structure as shown in Table 1 below was prepared using sucrose instead of glucose as shown in Table 1 below.
<구현예>- 백금/다공성 탄소 구조체 복합체<Implementation example> - platinum / porous carbon structure complex
백금전구체로 20 중량%의 염화백금산(chloroplatinic acid hexahydrate, H2PtCl6·6H2O, 유미코어사) 0.125g을 아세톤 0.192g에 용해시켰다. 상기 혼합용액에 대해 초기 함침법(incipient wetness impregnation)에 의해 실시예 1에서 제조된 다공성 탄소 구조체 0.2g을 혼합하였다. 이후 6시간 동안 60℃의 오븐에서 건조시킨 후 200℃로 2시간 동안 수소기체 분위기하에서 열처리하였고, 이후 350℃로 2시간 동안 질소가스를 처리하여 흡착된 수소원자를 제거하여 백금/다공성 탄소 구조체 복합체를 제조하였다.
0.125 g of 20% by weight of chloroplatinic acid hexahydrate (H 2 PtCl 6 .6H 2 O, Yumiko) was dissolved in 0.192 g of acetone as a platinum precursor. The mixed solution was mixed with 0.2 g of the porous carbon structure prepared in Example 1 by incipient wetness impregnation. Thereafter, the substrate was dried in an oven at 60 ° C for 6 hours, then heat-treated at 200 ° C for 2 hours under a hydrogen gas atmosphere, and then treated with nitrogen gas at 350 ° C for 2 hours to remove adsorbed hydrogen atoms to form a platinum / .
<비교 구현예> 백금/활성탄 복합체Comparative Example Platinum / activated carbon composite
상기 구현예와 같이 동일하게 실시하여 제조하되, 30중량%의 염화백금산을 사용하였으며, 실시예 1의 다공성 탄소 구조체 대신에 활성탄을 사용하였고, 건조시간을 6시간 대신에 12시간 수행하여 백금/활성탄 복합체를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that 30 weight% of chloroplatinic acid was used. Instead of the porous carbon structure of Example 1, activated carbon was used and the drying time was changed to 6 hours, instead of 6 hours, Complex.
<실험예 1><Experimental Example 1>
상기 실시예 및 비교예를 통해 제조된 다공성 탄소 구조체에 대해 하기의 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
The following physical properties of the porous carbon structure prepared through the above Examples and Comparative Examples were measured and are shown in Table 1 below.
1. 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM) 및 고해상도 투과전자현미경(HRTEM) 촬영1. Scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and high resolution transmission electron microscopy (HRTEM)
실시예 및 비교예의 다공성 탄소 구조체에 대해 주사전자현미경 촬영을 하여 도 1에 나타내었다.The porous carbon structures of Examples and Comparative Examples were subjected to scanning electron microscopy and shown in FIG.
또한, 실시예 1의 다공성 탄소 구조체에 대해 투과전자현미경 촬영을 실시하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.The porous carbon structure of Example 1 was also examined by transmission electron microscopy and the results are shown in Fig.
또한, 실시예 1의 다공성 탄소 구조체에 대해 고해상도투과전자현미경 촬영을 실시하여 그 결과를 도 3에 나타내었다.
Further, the porous carbon structure of Example 1 was subjected to high-resolution transmission electron microscopy and the results are shown in Fig.
구체적으로 도 1에서, 실시예 1은 제조된 다공성 탄소 구조체의 직경이 약 800nm인 것을 확인할 수 있으며, 형상이 구형이고, 입경이 균일도가 현저히 우수함을 확인할 수 있다. 실시예 2의 경우 제조된 다공성 탄소 구조체의 직경이 600 nm ~ 3㎛로 입경이 균일도가 현저히 떨어지고, 형상도 구형이 아닌 타원형, 비정형의 탄소구조체를 포함하고 있음을 알 수 있다. 또한, 실시예 3의 경우 탄소전구체가 자일로스인 경우로, 제조된 탄소 구조체의 직경이 200 ~ 300nm로 작은 것을 포함하고 있으며, 형상이 비정형의 탄소구조체를 일부 포함하고 있고, 입경의 균일도가 현저히 좋지 못함을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 4의 경우 탄소전구체가 프락토오스인 경우로 제조된 탄소 구조체의 직경이 200 ~ 900nm로 입경의 균일도가 현저히 좋지 못하고, 형상도 비정형인 탄소구조체가 제조되었음을 확인할 수 있다. 비교예 1의 경우 실리카를 포함시키지 않고 탄소구조체를 제조한 경우로, 구형의 탄소구조체가 제조되었으나 입경의 균일도가 좋지 않음을 확인할 수 있다. 비교예 2의 경우 직경이 약 1㎛ 정도의 비정형의 형상을 갖는 탄소 구조체가 제조되었음을 확인할 수 있다. 비교예 3의 경우 탄소전구체로 수크로오스를 사용한 경우로, 제조된 탄소 구조체의 형상이 비정형이며, 입경의 균일도가 매우 좋지 못하고, 입경이 수마이크로인 탄소 구조체를 포함하고 있음을 확인할 수 있다.
Specifically, in FIG. 1, it can be confirmed that the diameter of the prepared porous carbon structure is about 800 nm in Example 1, and that the shape is spherical and the particle size is remarkably excellent. In the case of Example 2, it can be seen that the produced porous carbon structure has a diameter of 600 nm to 3 탆 and the particle size is remarkably lowered, and the porous carbon structure includes elliptical and irregular carbon structures which are not spherical. In the case of Example 3, when the carbon precursor was xylose, the produced carbon structure had a diameter as small as 200 to 300 nm, and the carbon precursor contained a part of the irregular carbon structure, I can confirm that it is not good. In the case of Example 4, when the carbon precursor was fructose, the carbon structure prepared had a diameter of 200 to 900 nm, and the uniformity of the particle size was not remarkably poor, and it was confirmed that the carbon structure having irregular shape was produced. In the case of Comparative Example 1, when a carbon structure was prepared without silica, a spherical carbon structure was produced, but the uniformity of the particle diameter was not good. In the case of Comparative Example 2, it can be confirmed that a carbon structure having an irregular shape with a diameter of about 1 탆 was produced. In the case of using sucrose as the carbon precursor in the case of Comparative Example 3, it can be confirmed that the carbon structure thus formed has an irregular shape, a uniform particle size is not very good, and a carbon structure having a particle size of several microns is included.
구체적으로 도 2에서, 실시예 1에서 제조된 다공성 탄소 구조체의 직경이 800nm 정도이고 형상이 구형임을 확인할 수 있다.
Specifically, in FIG. 2, it can be seen that the diameter of the porous carbon structure prepared in Example 1 is about 800 nm and the shape is spherical.
구체적으로 도 3에서 HRTEM으로 분석 결과 기공의 직경이 14nm정도인 기공을 포함하고 있는 것을 알 수 있다.
Specifically, the HRTEM analysis in FIG. 3 reveals that the pores have pores having a diameter of about 14 nm.
2. 다공성 탄소 구조체의 비표면적 및 기공 직경 측정2. Measurement of specific surface area and pore diameter of porous carbon structure
비표면적과 기공 직경은 Micromeritics Tristar 3000을 이용하여 77K에서 질소 흡착을 통해 BET equation을 사용하여 분석하였고, 그 결과를 도 4 및 도5 에 나타내었다.
The specific surface area and the pore diameter were analyzed using a BET equation through nitrogen adsorption at 77 K using a Micromeritics Tristar 3000, and the results are shown in FIGS. 4 and 5.
구체적으로 도 4 및 5를 통해 실시예 1의 기공직경 분포가 평균값에 가깝게 좁게 나온 것을 알 수 있고 이를 통해 실시예 1을 통해 제조된 다공성 탄소 구조체에 형성된 기공의 직경 균일도도 높음을 알 수 있다.
4 and 5, it can be seen that the pore diameter distribution of Example 1 is close to the average value, and that the uniformity of pores formed in the porous carbon structure manufactured through Example 1 is also high.
3. TEM line mapping3. TEM line mapping
실시예 1의 제조과정에서 제조된 탄화된 탄소/실리카 복합체와 실리카 제거 후의 다공성 탄소 구조체에 대해 TEM line mapping 은 JEOLJEM-2100F (200 kV)를 사용하여 분석하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
TEM line mapping of the carbonized carbon / silica composite prepared in the manufacturing process of Example 1 and the porous carbon structure after silica removal was analyzed using JEOL JEM-2100F (200 kV). The results are shown in FIG.
구체적으로 도 6을 통해 실리카 제거 전에는 실리카와 카본이 모두 존재하지만 실리카 제거 후에는 탄소구조체 속에 실리카들이 거의 제거된 것을 확인할 수 있다.
Specifically, it can be seen from FIG. 6 that silica and carbon are present before the removal of the silica, but the silica is substantially removed in the carbon structure after the removal of the silica.
4. 다공성 탄소 구조체 입경이 표준편차 측정4. Measurement of standard deviation of particle size of porous carbon structure
실시예 1의 다공성 탄소 구조체의 입경 및 표준편차를 주사전자현미경(SEM) 이미지를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
The particle size and standard deviation of the porous carbon structure of Example 1 were measured using a scanning electron microscope (SEM) image, and the results are shown in Table 2 below.
<실험예 2><Experimental Example 2>
상기 구현예 및 비교구현예에 의해 제조된 복합체에 대해 전기적 분석을 위해 질소 조건하에서 0.1M HClO4 전해질에서 scan rate를 5 mV/s로 하여 순환전압전류(Cyclic voltammogram)를 측정하고 이를 도 7에 나타내었다.
For the electrical analysis of the composite prepared by the above embodiment and comparative embodiment, a cyclic voltammogram was measured at a scan rate of 5 mV / s in a 0.1 M HClO 4 electrolyte under a nitrogen condition, Respectively.
구체적으로 도 7에서 0 ~ 0.4 V 사이에서 생기는 수소 탈착 피크를 이용하여 ECSA(electrochemical active surface areas)를 계산한 결과, 구현예의 ESCA가 82m2/g인데 반하여, 비교구현예의 ESCA가 42 m2/g에 불과했다. ESCA가 클수록 Pt의 중량당 촉매작용을 할 수 있는 면적이 넓은 것을 의미한다. Specifically, the electrochemical active surface areas (ECSA) were calculated using the hydrogen desorption peaks at between 0 and 0.4 V in FIG. 7. As a result, the ESCA of the embodiment was 82 m 2 / g, while the ESCA of the comparative embodiment was 42 m 2 / g. The larger the ESCA, the larger the area that can catalyze the weight of Pt.
또한, 이용도(Utilization)는 입자의 직경이 3nm인 입자의 이론적인 표면적 대비하여 측정된 ESCA에 의해 계산될 수 있는데, 이러한 이용도(Utilization)가 구현예는 96.6%에 인데 반하여, 비교구현예는 21.2%에 불과하여 구현예가 촉매활성에 있어 현저히 우수함을 확인할 수 있다.
Utilization can also be calculated by ESCA measured relative to the theoretical surface area of particles with a diameter of 3 nm, which is 96.6% in the implementation example, Was only 21.2%, confirming that the embodiment is significantly superior in catalytic activity.
전구체carbon
Precursor
몰수:
실리카원자몰수Carbon atom
confiscation:
Number of moles of silica atoms
기공 부피
비율(%)Meso
Pore volume
ratio(%)
평균
직경 (nm)pore
Average
Diameter (nm)
구체적으로 상기 표 1에서 실시예 1 내지 4의 탄소 구조체에서 기공의 총 부피(Vtotal)가 0.4cm3/g 이상으로 측정되어 기공의 발달이 우수함을 확인할 수 있고, 메조기공의 부피비율이 전체 기공부피에 대해 40% 이상으로 메조기공의 구현이 우수함을 확인할 수 있다. 다만, 비표면적에서 실시예 1의 경우가 현저히 우수하여, 기공 총부피, 메조기공의 부피비율 및 비표면적을 모두 고려 시에 실시예 1의 다공성 탄소 구조체가 이들 물성을 동시에 만족하고 있음을 확인할 수 있다.
Specifically, in Table 1, the total volume (V total ) of the pores in the carbon structures of Examples 1 to 4 was measured to be 0.4 cm 3 / g or more, and it was confirmed that the pore development was excellent, It can be confirmed that the implementation of mesopores is excellent in the pore volume of 40% or more. However, the case of Example 1 was remarkably excellent in the specific surface area, and it was confirmed that the porous carbon structure of Example 1 satisfies these physical properties at the same time considering both the pore volume, the volume ratio of the mesopores, and the specific surface area have.
이에 반하여, 비교예 1이 경우 기공의 발달이 미약했고, 비교예 2의 경우 기공 총 부피가 현저히 적었으며, 비교예 3의 경우 기공 평균직경이 13nm로 작았으며, 비표면적도 실시예 1에 비해 적어 모든 물성을 동시에 만족하지 못함을 확인할 수 있다.
On the other hand, in Comparative Example 1, pore development was slight, Comparative Example 2 had a significantly smaller total pore volume, Comparative Example 3 had a pore average diameter as small as 13 nm, It can be confirmed that all the properties are not satisfied at the same time.
구체적으로 표 2에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1에서 제조된 탄소 구조체의 경우 평균입경이 774.74nm이고, 표준편차가 80.74nm임에 따라 분산계수가 10.42%로 단분산성이 현저히 우수함을 확인할 수 있다. Specifically, as shown in Table 2, it can be seen that the carbon structure produced in Example 1 had a mean particle diameter of 774.74 nm and a standard deviation of 80.74 nm, which indicates that the dispersed phase number was 10.42%, which is significantly superior to that of the monodispersed.
Claims (6)
(1) 탄수화물 유래의 다공성 탄소 구조체
(2) 탄소구조체의 평균입경 700 ~ 900 nm
(3) 기공의 총부피 0.35 ㎤/g 이상
(4) 기공의 평균직경 12 ~ 15nm
(5) 기공 전체 부피에서 IUPAC 분류법에 의거한 메조기공이 차지하는 부피비율이 40% 이상
(6) BET 비표면적이 550 ㎡/g 이상A porous carbon structural body satisfying all of the following conditions (1) to (6) and having a spherical shape.
(1) Porous carbon structure derived from carbohydrate
(2) Average particle diameter of carbon structure 700 to 900 nm
(3) The total volume of the pores is 0.35 cm 3 / g or more
(4) Average diameter of pores of 12 to 15 nm
(5) The volume ratio of the mesopores in the total pore volume based on the IUPAC classification is 40% or more
(6) a BET specific surface area of 550 m < 2 > / g or more
상기 탄수화물은 오탄당(pentose) 및 육탄당(hexose) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소 구조체.The method according to claim 1,
Wherein the carbohydrate comprises at least one of pentose and hexose.
상기 다공성 탄소 구조체는 글루코오스(glucose) 유래인 것을 특징으로 하는 다공성 탄소 구조체.The method according to claim 1,
Wherein the porous carbon structure is derived from glucose.
상기 다공성 탄소 구조체의 입경에 대한 하기 식 1의 분산계수(CV)가 15 % 이하인 것을 특징으로 하는 다공성 탄소 구조체.
[식 1]
Wherein a dispersion coefficient (CV) of the following formula 1 with respect to the particle diameter of the porous carbon structure is 15% or less.
[Formula 1]
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