KR100792267B1 - 탄소 나노구를 제조하기 위한 레이저 열분해법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소질 숯에 포매된 금속 나노입자를 생성하는 방법 및 장치, 포매된 금속성 나노입자를 갖는 탄소질 숯의 숯에 의해 둘러싸인 흑연을 넣은 나노 크기의 금속 입자로의 전환, 상기 숯 매트릭스로부터 흑연을 넣은 금속 입자의 분리, 및 포함된 금속 나노입자의 존재 또는 부재로 탄소 나노구 물질의 관련 제조 및 분리, 및 연료 전지 전극 촉매 및 기타 적용에 대한 지지체 및 증진로서 상기 탄소 나노구 및 흑연 포함된 금속 나노입자의 용도를 포함한다.

Description

탄소 나노구를 제조하기 위한 레이저 열분해법{Laser pyrolysis method for producing carbon nano-spheres}
본 발명은 일반적으로 나노기술의 분야, 구체적으로 탄소 나노입자의 합성에 대한 개선 방법에 관한 것이다. 본 발명은 값싸고 재생가능한 전구체인 탄소질 기질, 바람직하게는 셀룰로오스 숯(char)으로부터 금속염에 의해 매개된 주형(template) 합성을 통해 유도된 중공의(hollow) 탄소 나노구, 및 관련된 중간 산물의 비교적 균일한 시료의 레이저 열분해 제조를 위한 신규 방법을 제공한다. 상기 나노구 및 관련 산물은 예를 들면, 나노 복합 소재(예를 들면, 중합체 및 고온 유리에서)에서 배합제로서, 촉매 지지체로서, 및 나노반응 챔버로서 많은 잠재적인 용도를 가진다. 상기 신규 탄소 구조물은 연료 전지 전극 촉매 지지체의 최적화에 특히 관련된다.
매우 굽은 흑연 구조를 갖는 신규한 탄소계 나노물질의 제조에 막대한 관심이 존재한다. 상기 물질에서 관심은 이의 독특한 구조적, 기계적 및 전자적 성질, 및 그리하여 중요한 상업적인 제품에서 이의 용도에 대한 잠재성으로부터 유래한다. 개방 및 폐쇄 나노튜브, 탄소 양파(onion) 및 흑연 나노콘(nanocone)를 포함하는 상기 물질은 고진공하에 레이저 증발, 저항 가열법 또는 아크 방전법을 통해 전형적으로 저수율로 대개 합성된다. 예를 들면, 본원에 참고로 포함된 Iijima, S. Nature, 1991, 354, 56; Ugarte, D. Nature, 1992, 359, 707; 및 Krishna, A.; Dujardin, E.; Treacy, M. M. J.; Hugdahl, J.; Lynum, S.; Ebbesen, T. W. Nature, 1997, 388, 451를 참고한다. 더욱이, 상기 통상적인 합성 제품은 종종 이질적이며, 전형적으로 다량의 바람직하지 못한 물질과 혼합되므로, 정제하기 어렵거나 불가능하다.
예를 들면, 본원에 참고로 포함된 Georgakilas, V.; Voulgaris, D.; Vaquez, E.; Prato, M.; Guldi, D. M.; Kukovecz, A.; Kuzmany, H. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 14318 을 참고한다. 탄소 나노입자의 제조를 위한 신규하고 개선된 방법이 용이하게 유용하고, 재생가능하고, 값싸고, 유리한 출발 물질로부터 고순도 및 고수율 양자의 시료를 제조할 수 있다면 특히 환영된다.
셀룰로오스는 400℃ 미만 및 280℃의 이의 분해 온도 이상에서 탄화되는 경우에, 폴리시클릭 방향족 탄화수소 (PAH)의 도메인이 상기 탄화되는 단계 동안 5- 및 6-원 방향족 고리의 더 큰 앙상블로 어닐링하는 방향족 구조물을 제조하는 점에서 생물 고분자 중에서 독특하다. 예를 들면, 본원에 참고로 포함된 Herring, A. M.; McKinnon, J. T.; Petrick, D. E.; Gneshin,K W.; Filley, J.; McCloskey, B. D. J. Annal. Appl. Pyrol. 2003, 66, 165를 참고한다.
기타 생물 고분자, 예를 들면, 펙틴, 자일란 및 리그닌은 또한 방향족 구조를 포함하는 숯을 생산하나, 상기 기타 생물 고분자는 탄화될 때 셀룰로오스와 동일한 정도로 상기 PAH 어닐링 양상을 나타내지 않는다. 분해하는 셀룰로오스 가닥 사이의 광대한 수소 결합 망은 거의 확실히 이의 양상에 중요한 역할을 한다. 셀룰로오스의 분해는 주로 바이오매스 에너지 과정을 이해할 목적으로 광대하게 연구되었으나, 셀룰로오스는 이전에는 나노물질 합성에는 이용되지 않았다.
나노입자는 이전에는 예를 들면, 촉매된 또는 주형된(templated) 경로를 통해, 방향족 및 PAH 분자 및 탄소 검댕으로부터 제조되었다. 예를 들면, 본원에 참고로 포함된 Boese, R.; Matzanger, A. J.; Volhardt, K. P. C. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2052; Goel, A.; Hebgen, P.; Vander Sande, J. B.; Howard, J. B. Carbon 2002, 40, 177; Hou, H.; Schaper, A. K.; Weller, F.; Greiner, A. Chem. Mater. 2002, 14, 3990; Hu, G.; Ma, D.; Cheng, M.; Liu, L.; Bao, X. Chem. Commun. 2001, 8630; 및, Gherghel, L.; Kubel, C.; Lieser, G.; Rader, H. , -J. ; Mullen, K. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 13130를 참고한다. 상기 방법은 잘 이해되지 않으나, 촉매 또는 주형 종의 존재 또는 부재에 의해 강하게 영향을 받는다. 직경이 약 100 nm인 유사한 구조가 1400℃에서 NaCl 및 헥사클로로 벤젠의 오토클레이브 반응에 의해 제조된 탄소 양파를 어닐링함으로써 제조되었다. 상기 실험에서, NaCl은 탄소 양파의 흑연층에 삽입되며, 상기 염의 증발은 더 큰 중공의 탄소 나노구를 초래한다.
그리하여, 다양한 방식으로 제조되고, 많은 형태학적 구조를 갖는 탄소 나노입자는 본 발명 전에 존재하였다. 그러나, 본 분야에서 현재 기술은 하나 이상의 하기 방식에서 부족하거나 또는 부적당하다:
1. 나노입자 제품을 생성하기 위한 비싼 가공 작업.
2. 나노입자 제품을 생성하기 위해 필요한 비싼 물질 또는 촉매.
3. 나노입자 제품은 저수율로 제조된다.
4. 나노입자 제품은 저순도로 제조된다.
5. 나노입자 제품은 순수한 형태로 수득하기가 어렵거나 또는 불가능하다.
6. 나노입자 제품은 원하는 적용에 이용하기 위한 최선의 형태학적 배치가 아니다.
선행 기술의 상기 및 기타 결핍 또는 제한은 본 발명의 장치 및 방법에 의해 전적으로 또는 적어도 부분적으로 극복된다.
발명의 목적
본 발명의 주요 목적은 숯 기질 물질로부터 탄소 나노구를 합성하는 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 더욱 구체적인 목적은 금속염의 나노입자를 이용하여 셀룰로오스 숯을 주형하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 구체적인 목적은 부드러운(mild) 산화를 이용하여 숯으로부터 금속염 나노입자를 제조 및 분리하는 것이다.
본 발명의 여전히 또 다른 목적은 셀룰로오스 숯에 넣어진(encased) 금속염 입자를 흑연에 넣어진 금속 나노입자로 전환하는 것이다.
본 발명의 여전히 또 다른 목적은 숯 매트릭스로부터 흑연을 넣은 나노입자를 분리하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 중공의 탄소 나노구로서 나노입자의 흑연 껍질을 분리하는 것이다.
본 발명의 여전히 또 다른 목적은 양성자 교환 막 연료 전지의 막 전극 어셈블리에 이용하기 위한 전극 촉매 성분을 형성하기 위해 백금 또는 기타 귀금속 또는 이의 합금에 대한 지지체로서 흑연을 넣은 금속 나노입자 또는 중공의 탄소 나노구를 이용하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적, 장점 및 이점은 도 1-7과 함께 읽혀지는 하기 기재로부터 더욱 잘 이해될 것이다.
발명의 요약
탄소 나노구가 고온에서 숯을 열분해함으로써 제조되는 금속염 도핑 처리된(doped) 탄소계 기질로부터 중공의 탄소 나노구를 합성하는 방법이 제공된다. 상기 숯은 나노구를 생성하는 주형으로서 이용되는 선택된 금속/금속염으로 도핑 처리된다. 열분해 가열은 레이저, 기타 강한 광원, 또는 2000 K 초과의 온도로 고체를 가열할 수 있는 기타 에너지원을 이용하여 발생할 수 있다. 본 발명에 따른 탄소 나노구의 크기는 이용된 금속 촉매의 양 및 유형; 숯을 생성하기 위해 이용된 온도, 압력, 온도 변화율(ramp rate), 및 기타 조건; 및 숯을 열분해하기 위해 이용된 온도, 압력, 온도 변화율, 및 기타 조건을 조절함으로써 최적화될 수 있다. 본 발명의 방법은 또한 이의 각각이 다양한 적용에 독립적인 유용성을 가지는 금속으로 충전된 탄소질 물질, 및 탄소 나노구로부터 분리될 수 있는 금속 나노입자를 생성하기 위해 이용될 수 있다. 본 발명의 탄소 나노구는 연료 전지 전극 지지체, 나노반응 챔버, 중합체의 배합제, 및 고온 유리에 대한 강화제에서와 같은 다양한 적용을 가진다.
더욱 구체적으로, 본 발명은 탄화될 수 있는, 탄소질 기질 물질로부터 탄소 나노구를 합성하는 개선된 방법 및 장치를 제공한다. 상기 숯은 셀룰로오스 또는 기타 탄소 기질 물질로부터 제조될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 바람직하게는 금속염의 형태인 금속은 약 1-99 중량%, 더욱 바람직하게는 약 10-50 중량%, 가장 바람직하게는 약 15-35 중량%의 양으로 탄화되지 않은 기질에 첨가한다. 상기 금속염은 1 중량부의 금속염 대 4 중량부의 탄소계 기질의 중량비로 탄소계 기질과 혼합된다. 상기 금속/염은 숯에서 나노미터 크기의 입자를 형성하는 것을 돕는 것으로 믿어진다. 상기 나노미터 크기의 입자는 이어서 원하는 탄소 나노구를 생성하는 주형으로서 이용된다. 본 발명에 이용하기 위한 바람직한 금속염은 제1주기 전이 금속, 예를 들면, 3d 전이 금속의 염, 특히 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu의 염이다. 구체적인 예는 염화니켈이다. 나노구는 약 2000 K 초과의 정도로 매우 고온의 열분해 온도로 특별하게 제조된 숯 기질을 가열함으로써 형성된다. 바람직한 구현예에서, 숯 기질을 가열하는 열원은 적외선 레이저 또는 플라즈마 토치(plasma torch)이나, 기타 열원이 또한 본 발명을 실시하는데 효과적으로 이용될 수 있다.
전술한 고온 열분해 단계 동안 형성된 후에, 탄소 나노구는 예를 들면 진한 질산에서 무정형 물질을 증해(digest)함으로써 이를 둘러싸는 무정형 탄소로부터 제거될 수 있다. 본 발명에 따라 형성된 나노구 구조물은 실질적으로 산에 의한 공격에 모두 내성이 있는 것은 아니다. 본 발명에 따라 형성된 나노구의 투과전자현미경(TEM) 분석은 시료가 거의 전부 균일하다는 것을 보여준다.
즉, 이는 거의 또는 전혀 이물질이 없이 크기가 균일하다 (예를 들면, 직경이 약 30-40 nm). 본 발명은 선행 기술과 비교하여 비교적 저비용으로 우수한 순도, 균일성 및 기타 성질을 갖는 다량의 상기 나노구의 제조 수단을 제공한다.
본 발명은 탄화되는 탄소질 기질 물질, 특히 셀룰로오스의 화학이 탄화되는 물질에 대한 주형으로서 작용할 수 있는 특정 유형의 금속, 예를 들면 금속염의 형태의 첨가에 의해 다양한 놀랍고도 유리한 방식으로 변형될 수 있다는 신규 발견에 기초한다. 더욱이, 숯에 포매된 상기 금속 입자는 또한 이은 열분해 화학에 우호적으로 영향을 주어, 원하는 탄소 나노입자 형태의 제조를 허용하는 것이 발견되었다. 최종적으로, 본 발명에 따른 나노 크기의 금속 주형(금속 나노입자)의 중간체 생성 및 분리는 또한 원하는 결과이다.
전이 금속은 단일 및 다중 벽 나노튜브의 효율적인 생산에 대해 이전에 알려져 있다. 예를 들면, 본원에 참고로 포함된 Colomer, J. F.; Bister, G.; Willems, I.; Konya; Fonseca, A.; Van Tendeloo, G.; Nagy, J. B. Chem Commun. 1999, 1343을 참고한다. 특히, 3d 전이 금속의 전체 시리즈, 예를 들면, 니켈, 코발트 및 철이 단일 및 다중 벽 나노튜브의 효율적인 생산에 특히 효과적인 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 기술에 따른 나노구 형성의 하기 기재에서, 니켈은 바람직한 전이 금속으로서 선택되었으나, 기타 유사한 금속이 또한 다소 상이한 결과로서 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 초기 탄화되는 과정(T< 400℃)은 무정형 탄소를 생산한다. 상기 탄소는 본 발명의 이은 열분해 단계 (T> 2000 K) 동안 흑연이 된다. 바람직한 구현예에서, 레이저가 셀룰로오스 숯을 급격히 열분해하고, 흑연 나노구조물을 생성하기 위한 열원으로서 이용된다. 예를 들면, 이산화탄소 레이저가 본 발명에 따른 흑연/이금속성 표적으로부터 탄소 나노튜브를 생산하기 위해 연속파 방식으로 작동될 수 있다. 예를 들면, 이산화탄소 레이저의 일반적인 기재에 대해, 본원에 참고로 포함된 Maser, W. K.; Munoz, E.; Beito, A. M.; Martinez, M.T.; de la Fuente, G. F.; Naniette, Y.; Anglaret, E.; Sauvajor, J., 1. Chem. Phys. Lett. 1998, 292, 587을 참고한다. 상기 방법은 본 발명에 따른 적당하게, 이전에 제조된 금속 도핑 처리된 숯 물질의 연속적으로 공급된 숯 스트림을 이용하여 과정의 용이한 스케일 업을 가능하게 한 본 발명의 목적에 적합하였다.
도 1은 염화니켈 나노입자가 무정형 탄소에 의해 둘러싸인 탄화된 혼합된 염화니켈/셀룰로오스 펠렛의 부분의 투과전자현미경 (TEM) 이미지를 보여준다.
도 2는 니켈 나노입자가 지금 흑연에 넣어지고, 무정형 탄소에 의해 둘러싸인다는 것을 예시하면서, 본 발명의 바람직한 구현예에 따라 레이저 열분해 처리된 후의 도 1의 탄화된 혼합된 염화니켈/셀룰로오스 펠렛을 보여준다.
도 3은 본 발명에 따라 형성된 중공의 흑연 나노구를 보여준다.
도 4a는 탄화된 염화니켈/셀룰로오스 펠렛의 X-선 회절 (XRD) 이미지를 보여준다.
도 4b는 본 발명의 바람직한 구현예에 따라 레이저 열분해 처리 후의 탄화된 염화니켈/셀룰로오스 펠렛의 XRD 이미지를 보여준다.
도 4c는 증해/분리 단계 후에 본 발명에 따라 제조된 제품 시료의 XRD 이미 지를 보여주는데, 상기 제품 시료는 일부 니켈 나노입자 및 미확인 상의 작은 단편을 갖는 중공의 탄소 나노구로 주로 구성된다.
도 5는 일부 표면 기능화를 보여주는 본 발명에 따라 형성된 중공의 탄소 나노구의 확산 반사 적외선 스펙트럼을 보여준다.
도 6은 본 발명에 따라 형성된 중공의 탄소 나노구에 부착된 백금 나노입자를 보여준다.
도 7은 염화니켈 도핑 처리된 셀룰로오스로부터 본 발명에 따른 탄소 나노구의 제조를 예시한다.
예시적인 숯 생산
하기 기재는 본 발명에 따른 금속 도핑 처리된 숯을 제조하는 하나의 전형적인 기술을 기재한다. 숯 물질을 제조하기 위해, 분말의 셀룰로오스 (4 그램, 상표명 Avicel)를 미세한 분말이 형성될 때까지 마노 유발(agate mortar) 및 막자를 이용하여 염화니켈(II) 육수화물(1 그램)과 함께 분쇄하였다. 이어서, NiCl2·6H20를 임의의 부차적인 실험에 이용되기 전에 1일 이상 동안 약 80℃의 오븐에 건조하였다. 분말 입자의 초기 크기는 대략 30㎛ 이었다.
일단 NiCl2/Avicel 혼합물을 제조하고, 1시간 이상 동안 80℃ 오븐에 방치하였다. 분말의 혼합물을 이어서 30초 동안 약 10,000 psi 압력으로 2.5 cm 금형에서 압착하였다. 생성된 고체 펠렛을 이어서 375℃에 도달할 때까지 주위 온도에서 출발하여 5분 열 변화 절차를 이용하여 약 30분 동안 375℃의 튜브 전기로에서 탄화시켰다. 불활성 대기(아르곤) 하에 숯이 발생하였다. 불활성 기체는 13.3 cm3/s로 31 mm 직경 탄화된 튜브를 통해 흘렀다. 탄화시키는 과정 동안, 펠렛 질량의 약 80%는 휘발성 화합물로서 유동 기체로 소실되었다. 탄화시킨 후에, 펠렛 중의 니켈은 도 1의 이미지에 보여준 바와 같이, 무정형 탄소질 물질에 의해 둘러싸인 크기가 10-20 nm의 소결정을 형성하였다.
탄화시킨 후에, 펠렛을 이은 열분해 작업을 위한 축 상에 올리기 전에 약 5-10분 동안 질소하에 글러브 주머니에서 냉각시켰다.
금속 나노입자가 원하는 최종 제품이라면, 금속 나노입자는 숯 물질을 공기 중에서 부드러운 산화로 처리함으로써 탄소질 물질로부터 분리될 수 있다. 상기 숯의 DRIFTS(Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy)는 2가지 예외를 가지고, 동일한 조건하에 탄화시킨 도핑 처리되지 않은 셀룰로오스의 것과 매우 유사하다. 첫째, ν(C=O) 밴드, 1709 cm-1가 감소되며; 두번째 새로운 예리한 방향족 γ(CH) 밴드가 764 cm-1에 나타나는데, 이는 방향족 고리 구조가 순수한 셀룰로오스 숯에서보다 덜 치환된다는 것을 나타낸다. 예상한 바와 같이, 도 4a에 보여준 XRD 이미징 패턴은 NiCl2 및 무정형 탄소의 혼합물을 나타내는 것이다.
예시적인 열분해 과정
이전의 예시적인 숯 제조 방법에 따라 제조된 탄화시킨 물질의 적어도 부분을 58.5 W의 출력을 갖는 이산화탄소 레이저를 이용하여 열분해 챔버에서 레이저 열분해하였다. 상기 가열 과정에 의해 달성된 온도는 무수 NiCl2 의 승화 온도, 즉 973℃를 초과하였다. 열분해 챔버를 비우고, 펠렛을 레이저 열분해하기 전에 아르곤으로 2회 충전하였다. 0.5 토르의 압력에서, 펠렛을 1.2 rev/분의 각속도(약 1.63mm/s의 펠렛의 가장자리에서 선속도에 해당함)에서 연속적으로 스테퍼(stepper) 모터에 의해 스핀하면서 펠렛의 가장자리는 20W/mm2 C02 레이저 빔에 의해 조사되었다. 펠렛을 레이저 조사에서 하나의 완전한 회전을 완성하도록 허용하였다. 열분해가 완료되면, 펠렛을 열분해/연소 챔버에서 꺼내고, 주위 조건에서 밤새 방치하였다.
분자 빔 질량 분석법에 의해 검출된 바와 같이, 약 6.5W의 낮은 레이저 출력에서 상기 반응으로부터의 주요 산물은 HCl, CO 및 CO2 이다. NiCl2는 탄소, Ni(0) 및 HCl을 생성하는 무정형 산소화된 PAH와의 산화 반응에 관련되는 것으로 믿어지며; CO 및 CO2 는 단지 숯의 열분해의 부산물이다.
약 6.5 내지 약 50W의 낮은 레이저 출력에서, 그 결과 물질은 일반적으로 회색을 나타내었고, 삽입된 니켈을 포함하는 무정형 탄소로 이루어지는 것으로 밝혀졌다. 열분해가 고 레이저 출력, 예를 들면, 58.5 W에서 수행될 때, 고체 물질은 도 4b에 보여준 바와 같이 니켈 금속 및 흑연 탄소를 나타낸는 것으로 보이는 XRD 이미징 패턴에서 새로운 피크를 보여주었다.
TEM 이미징에 의한 물질의 조사는 도 2에 보여준 바와 같이 흑연의 5-10 nm 껍질에 의해 각각 둘러싸인 순수한 Ni의 30 nm 입자를 나타낸다.
무정형 탄소를 제거하고, 본 발명에 따른 나노 크기의 금속 입자를 분리하기 위해, 예를 들면 진한 질산을 환류하면서 산 증해에 의해 생성된 물질을 추가 정제 처리하였다. 이를 위해, 펠렛을 유발 및 막자을 이용하여 가능한 한 미세한 분말로 분쇄하였다. 분쇄된 펠렛을 20 ml 탈이온수에 위치하고, 약 10분 동안 초음파처리하여 매우 미세한 분말을 형성하였다. 분쇄된 펠렛을 이어서 원심분리하고, 질산에 위치하기 전에 건조하였다. 교반 막대를 이용하여 연속적으로 교반하면서 4시간 동안 진한 질산에서 환류하면서 증해를 완성하였다. 4시간이 지나면, 20 ml의 탈이온수를 질산 용액에 첨가하였다. 질산으로부터 원하는 금속 입자 최종 산물을 분리하기 위해, 용액을 유리 프릿(frit) 필터를 이용하여 여과하고, 필터로부터의 유출물이 더 이상 산성이 아닐 때까지(리트머스 종이 시험에 의해 나타냄) 탈이온수로 세정하였다. 상기 방법은 건조시 100 mg의 흑색 분말을 수득하였다.
도 4c에 보여준 바와 같이 흑색 분말의 SRD 이미지는 흑연 탄소, 일부 잔류 니켈 금속, 및 소량의 아직까지 미확인된 상에 지정된 피크가 지배적이었다. Sherrer 식을 이용한 XRD 이미지의 라인 폭 분석은 5.2 nm의 흑연 및 니켈에 대해 29.4 nm 의 결정 크기를 초래하였따. 상기 물질의 복수(8개 이상)의 시료의 개개의 TEM 이미징은 도 3에 보여준 바와 같이, 40-50 nm 직경의 중공의 탄소 나노구의 덩어리의 극도로 균일한 시료를 나타내었다. 상기 나노구의 껍질은 60개 이하의 동심원의 제한된 흑연 시트의 매우 정렬된 층으로 구성된 것으로 측정되었다. 흑연층의 간격 3.41Å은 2250℃의 형성 온도와 관련된다. 예를 들면, 본원에 참고로 포함된 Mantel, C. Carbon and Graphite Handbook, Wiley and Sons, New York, 1968을 참고한다. TEM 이미징은 약 1%의 시료를 포함하는 니켈 금속으로 충전된 탄소 나노구를 보여주었다. 상기 물질의 DRIFTS(Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy)는 표면 카보닐 및 히드록실이 각각 1764 및 3181cm-1에 지정된 약한 특징을 나타내었다.
전술한 금속 도핑 처리된 물질과 동일한 방식으로 탄화시킨, 금속염이 없는 순수한 Avicel 셀룰로오스를 이용한 대조군 실험은 질산 증해 후에 불용성 물질을 생성하지 않았다. 명백히 니켈 도핑 처리는 일부 중요한 방식으로 탄화시키는 화학에 영향을 주었으며, 이는 도 7에 보여준 바와 같이, 숯의 수소 결합 망을 파괴하고, 산소화된 PAH 도메인을 주형함으로써 믿어진다. 상기 생성된 탄소 나노구의 크기는 숯에서 전구체 NiCl2 소결정의 크기에 의존한다.
NiCl2 소결정의 크기는 차례로 본 발명에 따른 탄화시키는 조건을 변화시킴으로써 변할 수 있다. 대안적으로, 상이한 금속염은 생성된 탄소 나노구의 크기를 변화시키기 위해 예비숯 탄소질 물질을 도핑 처리하기 위해 이용될 수 있다. 상기 탄소 나노구는 전기적으로 전도성뿐만 아니라 기능화된 표면을 갖는 것으로 측정되었다.
탄소 나노구의 적용
본 발명은 신규하고 새롭게 개발된 물질의 형성을 초래하기 때문에, 본 발명 의 방법에 의해 제조된 독특한 탄소 나노구의 적용의 전 범위는 아직 충분히 인지되지 않는다. 상기 불확실성에도 불구하고, 본 발명에 따라 제조된 나노구는 적어도 3가지 기술 영역에서 극도로 유용할 것으로 나타날 것이다: 연료 전지 전극 촉매 지지체; 고온 유리 첨가제; 및 중합체 배합제.
연료 전지 전극 촉매 지지체:
PEM 연료 전지의 전극 촉매 지지체는 4가지 별개의 작업을 수행해야 한다. 첫째, 비싼 백금 (또는 기타 귀금속) 전극 촉매를 효율적으로 분산시키는 수단을 제공해야 하는데, 즉, 효과적인 표면적을 최대화하기 위해 가능한 가장 작은 소결정에 백금을 분산시켜야 한다. 두번째, 전극 촉매에 연료 또는 강 산화성 물질에 대한 연속적인 벌크 수송 경로를 제공해야 한다. 세번째, 전자의 수송을 허용하기 위해 전기적으로 전도성이어야 한다. 마지막으로, 전극 촉매 지지체는 막에 양성자 수송을 허용해야 한다. 본 발명에 따라 제조된 탄소 나노구의 성질은 첫번째 3가지 전극 촉매 지지체 작업을 첨가제 없이 바람직하게 수행되도록 한다. 본 발명에 따라 제조된 탄소 나노구에 기초한 전극 촉매 지지체에 양성자 도체, 예를 들면 Nafion의 간단한 첨가는 거의 동일한 전극 촉매 지지체가 형성되게 한다. 상기 물질을 생성하기 위해, 나노구 산물의 표면은 무수물 표면 작용기를 카르복실산기로 전환하기 위해 4M HN03를 이용한 부드러운 산화에 의해 변형하였다. 생성된 흑색 분말을 6시간 동안 에틸렌 글리세롤에서 클로로플래틴산으로 환류에 이어 세정 및 풍건하였다. 상기 전극 촉매 물질의 TEM 이미지는 도 6에 보여준다.
고온 안정한 유리:
카바이드 및 니트리드계 세라믹 유리 (예를 들면, SiCN, SiOC, SiOCN)는 고온 및 가혹 환경에서 구조적 적용에 대한 큰 잠재성을 보여주었다. 불행하게도, 전통적인 분말 강화 및 소결을 통해 가공된 많은 카바이드 및 니트리드는 수동 및 능동 산화로 인해 산소 함유 환경에 불안정하다. 중합체 유도된 카바이드 및 니트리드 유리는 다른 한편으로는 1450℃ 이하의 온도에서 산화에 우수한 내성을 보여주었다. 정확한 기작이 여전히 잘 이해되지 않지만, 유리 망 구조에 혼입된 유리 탄소는 다결정 세라믹보다 본질적으로 덜 산화 및 부식된다고 믿어진다. 본 발명에 따라 제조된 중공의 탄소 나노구의 첨가는 1700℃ 이하의 온도에서 결정화를 막고, 경량의, 크리프(creep) 내성의, HT 안정한 유리를 수득하기 위한 노력으로 부가적인 유리 탄소를 O-, N-계 유리내로 도입함으로써 상기 유리 조성물의 특성을 추가로 증가시키는 유망한 방법을 제공한다.
전적으로 재생가능한 나노 복합 소재 플라스틱:
옥수수(corm)계 폴리락트산(PLA)로부터 제조된 중합체 분야는 연구 및 상업적인 관심에서 급격하게 폭발적인 영역이다. 그러나, 현재의 PLA 물질은 이들이 광대한 시장 침투를 하기 전에 기울여야 할 형태학적 및 성능 문제를 가진다. PLA 플라스틱을 본 발명에 따라 제조된 탄소 나노구와 배합하는 것은 플라스틱 성능 문제를 제기하고, 재생가능한 자원에 전적으로 기초한 물질을 생산하는데 전망을 보여준다.
본 발명에 따라 제조된 탄소 나노구 제품 및 나노 크기의 금속 입자의 상기 및 기타 중요한 적용은 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명의 신규 제품의 모든 상기 용도 및 적용은 첨부된 청구범위에 의해 포함될 의도이다.
또한, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 탄소 나노구를 제조하기 위해 금속 도핑 처리된 탄소질 숯의 열분해에 대한 전술한 장치 및 방법에서 기타 변화 및 변형이 가능할 것이며, 상기 기재에 포함된 모든 사항은 예시적이며, 제한적인 의미가 아니라는 것을 의도한다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (35)

  1. 하기 연속적인 단계를 포함하는, 탄소 나노구 물질의 제조 방법:
    (a) Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu의 염으로 구성된 군으로부터 선택되는 금속염 1-99 중량%로 탄소계 기질을 도핑하는 단계;
    (b) 무정형 탄소 및 나노입자를 형성하기 위한 기질의 초기 탄화를 생성하기 위해, 200℃ 내지 400℃의 제 1 가열 온도로 불활성 기체 대기에서 도핑된 기질을 가열하는 단계;
    (c) 상기 탄화된 기질을 냉각하고, 상기 탄화된 기질로부터 금속 나노입자를 분리하는 단계; 및
    (d) 남아있는 탄화된 기질을 불활성 기체 대기에서 2000 K 초과의 제 2 가열 온도로 가열함으로써, 상기 남아있는 탄화된 기질을 열분해하여, 탄소 나노구를 생성하는 단계.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속염은 염화니켈(II) 육수화물(NiCl2·6H20)인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소계 기질은 10-50 중량%의 금속염으로 도핑되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 금속염은 1 중량부의 금속염 대 4 중량부의 탄소계 기질의 중량비로 탄소계 기질과 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소계 기질은 셀룰로오스인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 탄화된 기질은 탄소질 물질로부터 금속 나노입자를 분리하기 위해 냉각되며, 산화를 시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 모든 상기 남아있는 탄화된 기질을 단계 (d)의 열분해 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 열분해 처리는 금속 도핑된 탄화된 기질을 열분해하기 위해 열원으로서 레이저를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (d)는 이산화탄소 레이저를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (d)는 적외선 레이저를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (d)는 플라즈마 토치(plasma torch)를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서, 단계 (d)에서 생성된 탄소 나노구를 정제하는 단계를 추가로 포함하는 방법으로서, 상기 정제 단계가 산 증해(digestion) 또는 기체상 산화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 하기 단계를 포함하는 연료 전지 적용을 위한 전극 촉매 지지체의 제조 방법:
    제 1 항의 방법에 따른 탄소 나노구 물질을 제조하는 단계; 및
    탄소 나노구 물질의 표면을 따라 귀금속을 분산하는 단계.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 귀금속은 백금인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 1 항의 방법에 따라 제조된 탄소 나노구 물질과, 카바이드 및/또는 니트리드계 세라믹 물질로 이루어진 물질을 배합하는 단계를 포함하는 유리 조성물의 제조 방법.
  19. 제 1 항의 방법에 따라 제조된 탄소 나노구 물질과, 폴리락트산(PLA)로 이루어진 물질을 배합하는 단계를 포함하는 플라스틱 조성물의 제조 방법.
  20. 하기 연속적인 단계를 포함하는 탄소 나노구 물질의 제조 방법:
    (a) Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu의 염으로 구성된 군으로부터 선택되는 금속염 1-99 중량%로 탄소계 기질을 도핑하는 단계;
    (b) 무정형 탄소 및 금속 나노입자를 형성하기 위한 기질의 초기 탄화를 생성하기 위해 200℃ 내지 400℃의 제 1 가열 온도로 불활성 기체 대기에서 도핑된 기질을 가열하는 단계; 및
    (c) 탄소 나노구를 생성하기 위해, 불활성 기체 대기에서 2000 K 초과의 제 2 가열 온도로 가열함으로써 탄화된 기질의 적어도 부분을 열분해하는 단계.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 금속염은 염화니켈(II) 육수화물(NiCl2·6H20)인 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 20 항에 있어서, 상기 탄소계 기질은 10-50 중량%의 금속염으로 도핑되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 20 항에 있어서, 상기 탄소계 기질은 셀룰로오스인 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 20 항에 있어서, 상기 열분해 처리는 금속 도핑된 탄화된 기질을 열분해하기 위해 열원으로서 레이저를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 20 항에 있어서, 상기 단계 (c)는 이산화탄소 레이저를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 20 항에 있어서, 상기 단계 (c)는 적외선 레이저를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 20 항에 있어서, 상기 단계 (c)는 플라즈마 토치(plasma torch)를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 하기 연속적인 단계를 포함하는 금속 나노입자 물질의 제조 방법:
    (a) Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu의 염으로 구성된 군으로부터 선택되는 금속염 1-99 중량%로 탄소계 기질을 도핑하는 단계;
    (b) 무정형 탄소 및 나노입자를 형성하기 위한 기질의 초기 탄화를 생성하기 위해, 200℃ 내지 400℃의 제 1 가열 온도로 불활성 기체 대기에서 도핑된 기질을 가열하는 단계; 및
    (c) 상기 탄화된 기질의 적어도 부분을 냉각하고, 이를 산화시켜 탄소질 물질로부터 금속 나노입자를 분리하는 단계.
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 제 30 항에 있어서, 상기 금속염은 염화니켈(II) 육수화물(NiCl2·6H20)인 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 30 항에 있어서, 상기 금속염은 1 중량부의 염 대 4 중량부의 탄소계 기질의 중량비로 탄소계 기질과 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 30 항에 있어서, 상기 탄소계 기질은 셀룰로오스인 것을 특징으로 하는 방법.
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