KR101152351B1 - Nanostructure carbon nanotubes supported on silicon oxide nanowires, electrode and electrosorption apparatus for water-treatment employing thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노 구조체, 이를 포함하는 전기흡착용 전극 및 수처리용 전기흡착 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체, 이를 포함하는 전기흡착용 전극과 수처리용 전기흡착 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a nanostructure, an electrode for electrosorption comprising the same, and an electrosorption device for water treatment, and more particularly, a nanostructure in which carbon nanotubes are grown on a silicon oxide nanowire surface, and an electrode for electrosorption comprising the same. It relates to an electrosorption device for water treatment.

상기 전기흡착용 전극은 해수, 담수, 식수 또는 폐수와 같은 수처리용 전기흡착 전극으로 사용하여 처리수 내 이온의 흡착속도와 흡착용량이 증가하여 높은 효율로 수처리가 가능하다. 또한, 상기 전기흡착 전극에 역전류를 흘려줌으로써 이온이 탈착되는 간단한 재생이 방법을 통해 반영구적인 사용이 가능하다.The electrode for electrosorption is used as an electrosorption electrode for water treatment, such as seawater, fresh water, drinking water or wastewater, so that the adsorption rate and adsorption capacity of ions in the treated water increases, so that the water treatment can be performed with high efficiency. In addition, a simple regeneration in which ions are desorbed by flowing a reverse current through the electrosorption electrode can be semi-permanently used through this method.

전기흡착, 탄소나노튜브, 이온, 수처리, 재생, 역전류 Electrosorption, Carbon Nanotubes, Ions, Water Treatment, Regeneration, Reverse Current

Description

나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체, 이를 포함하는 이온흡착 전극 및 전기흡착 수처리 장치{Nanostructure carbon nanotubes supported on silicon oxide nanowires, electrode and electrosorption apparatus for water-treatment employing thereof}Nanostructure carbon nanotubes supported on silicon oxide nanowires, electrode and electrosorption apparatus for water-treatment employing young}

본 발명은 높은 효율로 수처리가 가능하며, 반영구적으로 사용할 수 있는 수처리를 위한 전기흡착 수처리 장치에 사용할 수 있는 나노 구조체, 이를 포함하는 이온흡착용 전극 및 전기흡착 수처리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a nanostructure, which can be used in an electroadsorption water treatment apparatus for water treatment that can be used for high efficiency and can be used semi-permanently, an ion adsorption electrode and an electrosorption water treatment apparatus including the same.

해수담수화기술은 해수로부터 염분 등을 제거하여 담수를 얻는 기술로, 이러한 기술은 댐 개발과 같은 전통적인 수자원 개발에 따른 환경 파괴 등의 부담이 없이 다량의 수자원을 확보할 수 있는 이점이 있어 물부족 국가는 물론 기술이 앞선 선진국들이 개발에 관심을 두고 있다.Seawater desalination technology is a technology that obtains fresh water by removing salt from seawater, and this technology has the advantage of securing a large amount of water resources without burdening the environment caused by traditional water resources development such as dam development. Of course, advanced countries with advanced technologies are interested in development.

이러한 담수화 기술은 식수뿐만 아니라 반도체 세척용이나 화학약품 제조공정 등에 사용하는 초순수 제조 기술에 적용되고 있다.This desalination technology is applied to not only drinking water but also ultrapure water manufacturing technology used for semiconductor cleaning or chemical manufacturing process.

전통적으로 담수화 기술은 해수를 끓여서 생기는 증기를 응축시켜 담수를 얻는 '증류법'이 주도하여 왔으며, 이어 고순도의 담수를 얻기 위해 RO 법과 전기 투 석(ED, Electrodialysis)과 같은 막분리법이 제안되었다. 그러나 이들 방법은 에너지 소비량이나 복잡한 처리 장치 사용, 약품 처리, 막 교환 등 비용이 높은 단점이 있다.Traditionally, desalination technology has been led by 'distillation' to obtain fresh water by condensing steam produced by boiling seawater, followed by membrane separation methods such as RO method and electrodialysis (ED) to obtain high purity fresh water. However, these methods have disadvantages such as high energy consumption, complicated processing apparatus, chemical treatment, and membrane replacement.

이에 최근 제안된 전기흡착(또는 이온교환) 방법은 탄소 계열 전극에 전압을 인가하여 극성을 걸어 매질 중의 이온 물질을 상기 전극 표면에 흡착 제거하는 기술로, 재생시에는 전극에 역전압을 걸어 탈착된 이온물질을 물과 함께 배출한다. 상기 방법은 처리 장치가 비교적 간단하고 막 등이 필요 없을 뿐만 아니라 경수성분과 유해이온까지 제거 가능한 이점이 있다.The recently proposed electrosorption (or ion exchange) method is a technique of applying a voltage to a carbon-based electrode to apply polarity to adsorb and remove ionic substances in a medium on the surface of the electrode. Drain the material with water. This method has the advantage that the treatment apparatus is relatively simple and does not require a membrane or the like, and also removes hard water components and harmful ions.

대한민국 특허공개 제2009-0008622호는 활물질, 물에 분산 가능한 폴리우레탄 및 도전제를 포함하는 전기 흡착 탈이온 장치용 전극을 제안하고 있으며. 이때 상기 활물질로 활성탄, 카본나노튜브(CNT), 메조포러스 카본(mesoporous carbon), 활성탄소섬유, 흑연 산화물, 금속 산화물 및 그 복합물을 사용하고 있다. 또한, 대한민국 특허공개 제2009-0032376호는 활성탄소, 바인더 및 이온교환수지를 포함하여 형성되는 이온흡착용 전극을 제안하고 있다. 그러나 이들 전극에서 전기흡착에 참여하는 탄소는 활성탄소분말 표면에 존재하는 일부분에만 해당하여 그 효율을 높이기 위한 방법이 요구된다.Korean Patent Publication No. 2009-0008622 proposes an electrode for an electroadsorption deionizer comprising an active material, a polyurethane dispersible in water and a conductive agent. At this time, activated carbon, carbon nanotubes (CNT), mesoporous carbon (mesoporous carbon), activated carbon fibers, graphite oxide, metal oxides and composites thereof are used as the active material. In addition, Korean Patent Publication No. 2009-0032376 proposes an ion adsorption electrode formed of activated carbon, a binder and an ion exchange resin. However, the carbon participating in the electrosorption at these electrodes is only a portion present on the surface of the activated carbon powder is required to increase the efficiency.

한편, 탄소 재질은 전기흡착뿐만 아니라 종래 이차전지 등의 전지 분야에서 전극 활물질로 가장 널리 사용되고 있다. 기존에 탄소 전극의 비표면적을 증가시키기 위해서 상전이법이 제안된바 있다. 대표적으로, 활성탄소분말, 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 유기용매인 NMP와 혼합한 전극슬러리를 전도성 흑연 박막 위에 캐스팅한 후 비용매인 증류수에 침지시켜 상전이를 통해 평균 기공이 수십 nm를 갖는 다공성 탄소 전극의 제조가 가능해졌으나, 이러한 방법을 통해서도 처리량이 증가할수록 효율이 저하되는 등의 문제가 발생하였다.On the other hand, the carbon material is most widely used as an electrode active material in the field of batteries such as secondary batteries as well as electrosorption. In order to increase the specific surface area of the carbon electrode, a phase transition method has been proposed. Typically, an electrode slurry obtained by mixing activated carbon powder and polyvinylidene fluoride (PVdF), which is a binder, with NMP, an organic solvent, is cast on a conductive graphite thin film, and then immersed in distilled water, which is a nonsolvent, to obtain an average pore of several tens of nm. Although it is possible to manufacture a porous carbon electrode having such a problem, such a problem occurs that the efficiency decreases as the throughput increases.

상기 활성탄소분말의 비표면적을 보다 증가시키기 위한 방법으로 탄소나노튜브를 도입하는 방법이 제시되었다[Dengsong Zhang et al, Influence of carbonization of hot-pressed carbon nanotube electrodes on removal of NaCl from saltwater solution, Materials Chemistry and Physics Vol. 96 P. 140 (2006)]; X. Z. Wang et al, Electrosorption of ions from aqueous solutions with carbon nanotubes and nanofibers composite film electrodes, Applied Physics Letters Vol. 89 P. 053127(2006)].In order to further increase the specific surface area of the activated carbon powder, a method of introducing carbon nanotubes has been proposed [Dengsong Zhang et al , Influence of carbonization of hot-pressed carbon nanotube electrodes on removal of NaCl from saltwater solution, M aterials Chemistry and Physics Vol. 96 P. 140 (2006); XZ Wang et al , Electrosorption of ions from aqueous solutions with carbon nanotubes and nanofibers composite film electrodes, Applied Physics Letters Vol. 89 P. 053127 (2006).

탄소나노튜브는 구조상 단일벽 및 다중벽 탄소나노튜브로 나뉠 수 있는데, 리튬이온 이차전지의 전극 활물질로 이용되고 있는 흑연의 최대 이론용량이 372 mAh/g인 것에 비해 단일벽의 경우 1000 mAh/g, 다중벽의 경우 400 mAh/g 정도의 용량을 갖는 것으로 보고되고 있다.Carbon nanotubes can be divided into single-walled and multi-walled carbon nanotubes in terms of structure. 1000 mAh / g is used for single-walled graphite, whereas the maximum theoretical capacity of graphite used as an electrode active material of a lithium ion secondary battery is 372 mAh / g. In the case of multiple walls, it has been reported to have a capacity of about 400 mAh / g.

이렇게 탄소나노튜브는 가벼우면서도 높은 전기전도도와 화학적 안정성 및 큰 비표면적 등의 전기화학적 에너지 저장장치의 전극 활물질로 매우 우수한 물성을 지니고 있다. As such, carbon nanotubes are lightweight and have very excellent physical properties as electrode active materials for electrochemical energy storage devices such as high electrical conductivity, chemical stability, and large specific surface area.

상기 Dengsong Zhang 및 X. Z. Wang 등이 제시한 문헌에서의 방법은 탄소나노튜브를 바인더와 혼합한 후 핫-프레싱 방법에 의해 전극으로 사용하는 방법을 제시하고 있다. 그러나 전기흡착에 참여하는 탄소는 활성탄소분말 표면에 존재하는 여전히 일부분에만 해당되어 그 효율이 만족스럽지가 않다.The method in the literature presented by Dengsong Zhang and X. Z. Wang et al suggests a method of mixing carbon nanotubes with a binder and then using them as electrodes by hot-pressing methods. However, the carbon participating in the electrosorption is still only a part of the surface of the activated carbon powder, so its efficiency is not satisfactory.

본 발명은 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 고밀도로 균일하게 성장된 나노 구조체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a nanostructure in which carbon nanotubes are grown uniformly and densely on a silicon oxide nanowire surface, and a method of manufacturing the same.

또한, 본 발명은 상기 나노 구조체를 포함하여 비표면적이 증가하여 이온의 흡착 속도 및 흡착 용량이 증가된 전기흡착 수처리 장치용 이온흡착 전극을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to provide an ion adsorption electrode for an electroadsorption water treatment apparatus including the nanostructure, in which a specific surface area is increased to increase the adsorption rate and adsorption capacity of ions.

또한, 본 발명은 상기 나노 구조체를 전극으로 사용하여 이온 처리 효율이 높고 반영구적으로 사용가능한 수처리용 전기흡착 장치를 제공하는 것으로 또 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to provide an electrosorption apparatus for water treatment, which has high ion treatment efficiency and can be used semi-permanently by using the nanostructure as an electrode.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a nanostructure in which carbon nanotubes are grown on a silicon oxide nanowire surface.

또한, 본 발명은 산화실리콘 나노선 표면에 금속 나노 입자를 형성한 다음, 상기 금속 나노 입자를 촉매로 하여 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브를 성장하는 단계를 포함하는 나노 구조체의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for producing a nanostructure comprising forming a metal nanoparticle on the surface of the silicon oxide nanowire, and then growing carbon nanotubes on the surface of the silicon oxide nanowire using the metal nanoparticle as a catalyst. do.

본 발명은 상기 나노 구조체를 포함하는 전기흡착 수처리 장치용 이온흡착 전극 및 이를 구비한 전기흡착 수처리 장치를 제공한다.The present invention provides an ion adsorption electrode for an electroadsorption water treatment apparatus including the nanostructure and an electroadsorption water treatment apparatus having the same.

본 발명에 따른 나노 구조체는 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장한 구조를 갖기 때문에, 전기흡착 수처리 장치의 전극으로 사용할 경우 기존 활물질로 사용되는 다공성 활성탄이나 탄소나노튜브에 비해 높은 비표면적을 갖는다. Since the nanostructure according to the present invention has a structure in which carbon nanotubes are grown on the surface of silicon oxide nanowires, the nanostructure has a higher specific surface area than that of porous activated carbon or carbon nanotubes used as an active material when used as an electrode of an electroadsorption water treatment apparatus. .

이러한 전극은 수처리를 위한 전기흡착 장치의 전극으로 사용하여 해수, 담수, 및 식수 등의 처리수 내 존재하는 이온의 선택적인 흡착이 가능하다. 특히 높은 비표면적을 갖는 전극의 사용으로 인해 상기 전기흡착 장치는 처리수 내 이온의 흡착속도와 흡착용량을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 흡착된 이온은 역전류를 흘려주어 간단히 탈착이 가능하여 반영구적인 사용이 가능하다.Such an electrode can be used as an electrode of an electroadsorption device for water treatment to selectively adsorb ions present in treated water such as seawater, fresh water, and drinking water. In particular, the use of the electrode having a high specific surface area can increase the adsorption rate and adsorption capacity of the ions in the treated water, and the adsorbed ions can be easily desorbed by flowing reverse current so that they can be semi-permanently used. This is possible.

본 발명에 따른 나노 구조체는 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 고밀도로 균일하게 성장된 구조를 갖는다.The nanostructure according to the present invention has a structure in which carbon nanotubes are grown uniformly at a high density on a silicon oxide nanowire surface.

도 1은 본 발명에 따른 나노 구조체의 제조 순서를 보여주는 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a manufacturing procedure of the nanostructure according to the present invention.

도 1의 (a)～(b)에 따르면, 준비된 기판(10) 상에 산화실리콘 나노선(11)을 성장시킨다.According to FIGS. 1A to 1B, the silicon oxide nanowires 11 are grown on the prepared substrate 10.

상기 기판(10)은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 통상적으로 사용하는 Si, Ge, C, Ga, As, P, B, Zn, Se, S, Cd, Sn, Al, In, SiGe, GaAs, AlGaAs, GaAsP, InAs, Sn, InAsP, InGaAs, AlAs, InP, GaP, ZnSe, CdS, ZnCdS, CdSe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 바람직하기로 Si가 가능하다.The substrate 10 is not particularly limited in the present invention, and commonly used Si, Ge, C, Ga, As, P, B, Zn, Se, S, Cd, Sn, Al, In, SiGe, GaAs, AlGaAs, GaAsP, InAs, Sn, InAsP, InGaAs, AlAs, InP, GaP, ZnSe, CdS, ZnCdS, CdSe and one selected from the group consisting of a combination thereof are possible, and preferably Si is possible.

산화실리콘 나노선(11)의 성장은 본 발명에서 그 제조방법을 한정하지 않으 며, 공지된 바의 방법을 통해 직접 제조하거나 시판되는 것을 구입하여 사용이 가능하다. 일례로, SLS(Solid-Liquid-Solid) 성장법, VLS(Vapor-Liquid-Soild) 성장법, 화학기상 증착법(CVD), 템플릿(template) 이용법, 레이저 어블레이션법(laser ablation) 등에 의해 제조가 가능하다.The growth of the silicon oxide nanowires (11) is not limited to the production method in the present invention, it is possible to purchase and use directly manufactured or commercially available through a known method. For example, the manufacturing method may be manufactured by a solid-liquid-solid (SLS) growth method, a vapor-liquid-soiled (VLS) growth method, a chemical vapor deposition method (CVD), a template method, a laser ablation method, or the like. It is possible.

본 발명의 실시예에서는 SLS(Solid-Liquid-Solid) 성장법을 이용하여 산화실리콘 나노선(11)을 성장시켰으며, Si 기판에 폴리이미드/Au를 순차적으로 증착 후 1000℃에서 열처리하여 Au 시드 나노 금속을 형성한 다음 성장시켰다. In the embodiment of the present invention, the silicon oxide nanowires 11 were grown by using a solid-liquid-solid (SLS) growth method, and polyimide / Au was sequentially deposited on a Si substrate, and then thermally treated at 1000 ° C. to seed Au. Nano metals were formed and then grown.

상기 산화실리콘 나노선(11)은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 산화/환원 반응, 수소화 반응, 연료 전지 분야에 적용되거나 적용 가능한 크기면 어느 것이든 가능하다. 바람직하기로, Si:O가 1:1.7의 원소비를 갖고, 직경이 50～100nm이고, 길이가 0.1～20㎛의 크기로 성장될 수 있으며, 이때 각각의 직경 및 길이는 적용 분야에 따라 다양하게 변화시킬 수 있다.The silicon oxide nanowires 11 are not particularly limited in the present invention, and may be any size that is applicable or applicable to the field of oxidation / reduction reaction, hydrogenation reaction, and fuel cell. Preferably, Si: O has an element ratio of 1: 1.7, diameters of 50 to 100 nm and lengths of 0.1 to 20 μm can be grown, wherein each diameter and length varies depending on the application. Can be changed.

도 1의 (c)에 따르면, 산화실리콘 나노선(11)의 표면에 촉매로 사용하기 위해 금속 나노 입자(12a)를 증착시킨다.According to FIG. 1C, the metal nanoparticles 12a are deposited on the surface of the silicon oxide nanowire 11 for use as a catalyst.

상기 금속 나노 입자(12a)는 층(layer)을 이루는 박막 형태가 아니라 나노 수준의 금속 입자가 균일하게 분산된 형태를 갖는다.The metal nanoparticles 12a have a form in which nano-level metal particles are uniformly dispersed, not a thin film form a layer.

상기 증착은 물리적, 화학적 증착법이 가능하며, 바람직하기로 물리적 증착법을 사용한다. 이때 사용하는 물리적 증착법은 스퍼터링, 전자빔 증착법, 열증착법, 레이저 분자빔 증착법, 펄스 레이저 증착법의 방법이 가능하며, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않으며, 바람직하기로 DC 스퍼터링으로 수행한다.The deposition may be a physical or chemical vapor deposition method, preferably using a physical vapor deposition method. At this time, the physical vapor deposition method used may be a method of sputtering, electron beam deposition, thermal deposition, laser molecular beam deposition, pulsed laser deposition method, and is not particularly limited in the present invention, preferably by DC sputtering.

일예로, 상기 금속 나노 입자(12a)의 증착 공정은 DC 스퍼터링으로 수행하는 경우 1X10-3 Torr～2 X10-3 Torr에서 1～20W의 전력으로 10～300초, 바람직하기로 70～190초 동안 증착하여 금속 나노 입자를 형성한다. 이러한 증착 조건은 당업자에 의해 선정이 되고, 장비 등에 의해 충분히 변경이 가능하다.For example, the deposition process of the metal nanoparticles (12a) is 10 ~ 300 seconds, preferably 70 ~ 190 seconds at a power of 1 ~ 20W at 1X10 -3 Torr ~ 2 X10 -3 Torr when performed by DC sputtering Deposition forms metal nanoparticles. Such deposition conditions are selected by those skilled in the art, and can be sufficiently changed by equipment or the like.

사용가능한 금속은 탄소나노튜브(13)의 성장을 촉진할 수 있는 촉매 금속이면 어느 것이든 가능하며, 바람직하기로 Pt, Au, Ti, Fe, Ag, Pd, Ni 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.The usable metal may be any catalytic metal capable of promoting the growth of the carbon nanotubes 13, and preferably in the group consisting of Pt, Au, Ti, Fe, Ag, Pd, Ni, and combinations thereof. One selected is possible.

도 1의 (d)에 따르면, 열처리를 수행하여 산화실리콘 나노선(11) 표면에 보다 안정한 금속 나노 입자(12)를 형성한다.According to FIG. 1D, heat treatment is performed to form more stable metal nanoparticles 12 on the surface of the silicon oxide nanowires 11.

이전 공정에서 증착된 금속 나노 입자(12)는 산소와 결합된 불안정한 구조(즉, 끊어진 결합, dangling bonding)를 이루는데, 이를 진공에서 열처리를 수행하게 되면 금속 원소와 산소와의 결합이 끊어지는 금속 입자의 환원이 수행되고, 이러한 환원에 의해 더욱 안정한 에너지 준위를 갖는 금속 나노 입자의 형성이 가능하다. 또한, 열처리를 통해 입자 표면 및 그 주변에 존재하는 유기물과 산화물이 제거됨에 따라 순도 및 안정성이 높아지는 이점이 있다.The metal nanoparticles 12 deposited in the previous process form an unstable structure combined with oxygen (that is, dangling bonding), and when the heat treatment is performed in vacuo, the metal is not bonded with the oxygen. Reduction of the particles is carried out, and by this reduction it is possible to form metal nanoparticles having a more stable energy level. In addition, there is an advantage that the purity and stability is increased as the organic material and the oxides present on the particle surface and its surroundings are removed through the heat treatment.

상기한 효과를 극대화하고, 일부 Co, Fe와 같은 금속의 경우 휘발이 일어날 수 있기 때문에 열처리는 300～600℃에서 30분～10시간, 바람직하기로 400～500℃ 에서 1～5시간 동안 수행하고, 보다 바람직하기로는 진공 분위기 하에서 수행한다.In order to maximize the above effects, in the case of metals such as Co and Fe, volatilization may occur, so that heat treatment is performed for 30 minutes to 10 hours at 300 to 600 ° C., preferably at 400 to 500 ° C. for 1 to 5 hours. More preferably in a vacuum atmosphere.

열처리를 통해 얻어지는 금속 나노 입자(12)의 크기와 밀도는 이를 촉매로 성장하는 탄소나노튜브(13)의 직경, 수직 배향성, 밀도와 밀접한 관계가 있다. 달리 말하면, 탄소나노튜브(13)의 특성은 지지체인 산화실리콘 나노선(11)이 아닌 촉매 입자의 특성에 의해 결정되며. 이러한 촉매의 특성은 이전의 증착 공정 또는 열처리 공정의 적절한 제어에 의해 이루어질 수 있다.The size and density of the metal nanoparticles 12 obtained through the heat treatment are closely related to the diameter, vertical orientation, and density of the carbon nanotubes 13 growing as a catalyst. In other words, the properties of the carbon nanotubes (13) is determined by the properties of the catalyst particles, not the silicon oxide nanowires (11) as a support. The nature of these catalysts can be achieved by appropriate control of previous deposition or heat treatment processes.

바람직하기로 열처리 후 얻어진 금속 나노 입자(12)는 그 직경이 0.5～50nm, 바람직하기로 1～10nm를 갖는다. 이러한 금속 나노 입자(12)는 그 크기가 균일하여 매우 좁은 입자 크기 분포도를 가질 뿐만 아니라 높은 순도를 가질 뿐만 아니라, 지지체인 산화실리콘 나노선(11)의 표면에 1.0～5.0X1012 개/cm2의 입자수 밀도, 고밀도로 분산된다. 이러한 고밀도 분산은 이를 촉매로 성장하는 탄소나노튜브가 높은 밀도로 성장할 수 있도록 하며, 결과적으로 전극 활물질로서의 성능을 향상시킨다.Preferably, the metal nanoparticles 12 obtained after the heat treatment have a diameter of 0.5 to 50 nm, preferably 1 to 10 nm. The metal nanoparticles 12 have a uniform size and not only have a very narrow particle size distribution, but also have high purity, and 1.0 to 5.0 X 10 12 / cm 2 on the surface of the silicon oxide nanowire 11 serving as a support. The particle number of the particles is dispersed at a high density. This high-density dispersion allows the carbon nanotubes grown as a catalyst to grow at a high density, resulting in improved performance as an electrode active material.

일예로, 본 발명의 실험예 2를 참조하면, 촉매로 Ni 입자를 산화실리콘 나노선에 형성하고, 이를 촉매로 탄소나노튜브를 성장시켰다. 이때 증착 시간을 달리하여 Ni 입자의 크기에 따른 탄소나토튜브의 성장 거동을 살펴본 결과, Ni 입자의 증착 시간이 길수록(Ni 입자의 직경이 클수록) 성장한 탄소나노튜브의 직경, 길이, 및 밀도가 증가하는 경향을 보였다. 탄소나노튜브의 물성은 전극으로서의 활성에 직접적으로 관여하는 요인으로서, 후속의 탄소나노튜브의 성장 공정뿐만 아니라 금 속 나노 입자의 증착 공정의 파라미터를 조절함으로서 산화실리콘 나노선 상에 성장하는 탄소나노튜브의 물성 제어가 가능함을 알 수 있다.For example, referring to Experimental Example 2 of the present invention, Ni particles were formed on the silicon oxide nanowires as catalysts, and carbon nanotubes were grown as catalysts. At this time, the growth behavior of the carbon nanotubes according to the size of the Ni particles by varying the deposition time showed that the longer the deposition time of the Ni particles (the larger the diameter of the Ni particles), the diameter, length, and density of the grown carbon nanotubes increased. Showed a tendency to. The physical properties of carbon nanotubes are a factor directly related to the activity as electrodes, and the carbon nanotubes grown on the silicon oxide nanowires by controlling the parameters of the deposition process of the metal nanoparticles as well as subsequent carbon nanotube growth processes. It can be seen that the physical properties of can be controlled.

다음으로, 도 1의 (e)에 나타낸 바와 같이, 금속 나노 입자(12)를 촉매로 하는 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD)을 통해 산화실리콘 나노선(11) 상에 탄소나노튜브(13)를 성장시킨다.Next, as shown in FIG. 1E, the carbon nanotubes 13 are grown on the silicon oxide nanowires 11 through plasma chemical vapor deposition (PECVD) using the metal nanoparticles 12 as a catalyst. Let's do it.

플라즈마 화학기상 증착법을 통한 탄소나노튜브(13)의 성장 공정 조건은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수행할 수 있다. 일예로, 불활성 분위기에서 0.1～100 Torr의 압력 하에 C2H2, C2H4, CH4, C2H6 등의 원료 가스를 주입하여 탄소나노튜브(13)를 합성한다. 상기 원료 가스 주입은 500～700℃에서, 30～300 sccm을 10～60초 동안 주입하여 수행한다.The growth process conditions of the carbon nanotubes 13 through the plasma chemical vapor deposition method is not particularly limited in the present invention, it can be carried out by those skilled in the art. For example, the carbon nanotubes 13 are synthesized by injecting source gases such as C 2 H 2 , C 2 H 4 , CH 4 , and C 2 H 6 under a pressure of 0.1 to 100 Torr in an inert atmosphere. The source gas injection is performed by injecting 30 to 300 sccm for 10 to 60 seconds at 500 to 700 ° C.

이처럼 플라즈마 화학기상 증착법은 원료 가스의 주입 속도, 처리 온도, 시간 등의 파라미터를 조절하여 탄소나노튜브(13)의 직경, 길이, 밀도, 구조, 결정성 등의 제어가 가능하며 고순도의 탄소나노튜브(13)의 대량생산이 가능하다. As such, the plasma chemical vapor deposition method can control the diameter, length, density, structure, crystallinity, etc. of the carbon nanotubes 13 by adjusting parameters such as feed rate, processing temperature, and time of source gas, and have high purity carbon nanotubes. Mass production of (13) is possible.

플라즈마 화학기상 증착법을 통해 제조된 탄소나노튜브(13)는 직경이 1～50nm이고, 길이가 10～1000nm이고, 밀도가 1～1012개/㎠ 이고, 단일벽 또는 다중벽 구조를 가지며, 이러한 물성은 적용 분야에 따라 통상의 기술자에 의해 다양하게 변형, 변경이 가능하다.The carbon nanotubes 13 produced by the plasma chemical vapor deposition method have a diameter of 1 to 50 nm, a length of 10 to 1000 nm, a density of 1 to 10 12 / cm 2, and have a single-walled or multi-walled structure. Physical properties can be variously modified and changed by those skilled in the art according to the application field.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 교류전압 60W/직류전압 420V*450mA, CH4:H2=18:12(sccm), 20Torr, 700℃ 조건에서 30초간 공정을 수행한 결과, 직경이 10～20nm, 길이가 100～600nm, 밀도가 4 x 109개/㎠ ～ 1.6 x 1010개/㎠ 인 탄소나노튜브를 얻을 수 있었다.According to a preferred embodiment of the present invention, the AC voltage 60W / DC voltage 420V * 450mA, CH 4 : H 2 = 18:12 (sccm), 20Torr, the result of performing the process for 30 seconds at 700 ℃ condition, the diameter is 10 ~ 20 nm, length 100-600 nm, density 4 x 10 9 holes / ㎠ Carbon nanotubes of ˜1.6 × 10 10 particles / cm 2 could be obtained.

상기 방법으로 제조된 나노 구조체는 이미 언급한 바와 같이 산화/환원 반응, 수소화 반응 등을 통해 수처리 분야, 반도체 분야, 연료 전지 분야, 센서 분야 등 다양한 분야에 적용이 가능하다. 이에 본 발명에서는 탄소나노튜브의 우수한 이온 흡착능을 이용하여 수처리 장치에 사용하는 전극으로 사용하는 용도를 제공한다. The nanostructure manufactured by the above method is applicable to various fields such as water treatment, semiconductor, fuel cell, and sensor through the oxidation / reduction reaction and hydrogenation reaction as mentioned above. Therefore, the present invention provides a use for use as an electrode for use in a water treatment device by using the excellent ion adsorption capacity of carbon nanotubes.

종래 해수, 담수, 식수 내 존재하는 이온을 선택적으로 제거하기 위해 사용하는 전기흡착 장치의 전극으로 탄소 계열 전극이 널리 사용하고 있는데, 이때 전극의 표면에 노출된 탄소 입자만이 전기흡착에 이용되어 그 흡착속도 및 용량이 크게 만족스럽지 못하였다. 이에, 본 발명에서는 탄소 재질 중 하나인 탄소나노튜브를 선택하고, 이의 비표면적을 넓힐 수 있도록 산화실리콘 나노선 상에 탄소나노튜브를 성장시켜 전극으로 사용하였다.Conventionally, a carbon-based electrode is widely used as an electrode of an electroadsorption apparatus used to selectively remove ions present in seawater, fresh water, and drinking water. Only carbon particles exposed on the surface of the electrode are used for electrosorption. Adsorption rate and capacity were not very satisfactory. Accordingly, in the present invention, carbon nanotubes, which are one of carbon materials, were selected, and carbon nanotubes were grown on silicon oxide nanowires to expand their specific surface area and used as electrodes.

본 발명에 따른 전기흡착 수처리 장치용 이온흡착 전극은 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체의 구조를 갖는다. The ion adsorption electrode for an electroadsorption water treatment apparatus according to the present invention has a structure of a nanostructure in which carbon nanotubes are grown on a silicon oxide nanowire surface.

상기 나노 구조체의 지지체로 사용되는 산화실리콘 나노선은 열적 및 화학적 안정성이 높고, 그 자체로서 높은 비표면적으로 가져 여기에 지지 성장하는 탄소나 노튜브의 밀도를 더욱 효과적으로 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 탄소나노튜브는 산화실리콘 나노선의 표면에 고밀도의 성장이 가능하여 비표면적이 상대적으로 크게 증가한다. 이러한 증가된 비표면적과 긴 나노 채널로 인해 처리하고자 하는 해수, 담수 또는 식수와 같은 처리수 내 이온의 흡착 속도와 흡착 용량이 크게 증가한다.The silicon oxide nanowires used as the support of the nanostructures have high thermal and chemical stability, and have a high specific surface area, and thus have an advantage of more effectively increasing the density of carbon or notubes grown thereon. In addition, the carbon nanotubes can grow at a high density on the surface of the silicon oxide nanowires, so that the specific surface area is relatively increased. This increased specific surface area and long nanochannels greatly increase the adsorption rate and adsorption capacity of ions in the treated water, such as seawater, freshwater or drinking water.

특히, 전극으로 사용하기 위해 다공성의 활성 탄소(ACF)에 비해 다량의 수소를 작은 부피에 저장이 가능하고, 긴 나노채널과 높은 비표면적으로 인해 빠른 흡착과 탈착 속도를 가지며, 간단한 처리를 통해 재생이 가능함에 따라 무한히 반복 사용이 가능한 이점이 있다.In particular, it is possible to store a large amount of hydrogen in a small volume compared to porous activated carbon (ACF) for use as an electrode, has a fast adsorption and desorption rate due to long nanochannels and high specific surface area, regeneration through simple processing This has the advantage that it can be used repeatedly indefinitely.

이러한 나노 구조체를 이용한 전기흡착 수처리 장치용 이온흡착 전극은 종래 활물질로 사용되는 흑연, 활성탄 또는 다공성의 활성탄에 비해 비표면적이 훨씬 높고, 특히 탄소나노튜브를 산화실리콘 나노선의 표면에 고밀도로 성장시켰기 때문에, 종래 탄소나노튜브와 바인더를 혼합하여 사용한 활물질에 비해서도 비표면적이 월등히 증가한다. 그 결과, 흑연, 활성탄, 탄소나노튜브 자체, 및 다공성 구조의 활물질과 비교하여 해수, 담수 또는 식수와 같은 처리수 내 이온의 흡착 속도와 흡착 용량을 크게 증가시킬 수 있다.The ion adsorption electrode for the electroadsorption water treatment device using the nanostructure has a much higher specific surface area than the graphite, activated carbon, or porous activated carbon used as a conventional active material, and in particular, carbon nanotubes are grown on the surface of the silicon oxide nanowires at high density. In addition, the specific surface area is significantly increased as compared with the active material used by mixing a conventional carbon nanotube and a binder. As a result, it is possible to greatly increase the adsorption rate and adsorption capacity of ions in the treated water, such as seawater, fresh water or drinking water, as compared with graphite, activated carbon, carbon nanotubes themselves, and porous active materials.

전기흡착 장치는 처리수를 저장하는 저장조, 상기 처리수의 무기 이온을 양이온과 음이온으로 각각 흡착한 후 탈착제거하는 전기흡탈착부, 상기 전기흡탈착부에 직류전원을 인가하는 전원부, 및 이들을 제어하기 위한 제어부로 이루어진다. 상기 장치는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이때 처리수는 해수, 담수, 식 수, 경우에 따라 각종 무기 이온 및 중금속이 함유된 폐수 또한 사용이 가능하다.The electrosorption apparatus includes a storage tank for storing the treated water, an electrical adsorption and desorption unit for adsorbing and removing the inorganic ions of the treated water with positive and negative ions, and a power supply unit for applying DC power to the electrosorption and desorption unit, and controlling them. It consists of a control unit for. The apparatus is not particularly limited in the present invention, wherein the treated water may be used for seawater, fresh water, drinking water, and optionally, wastewater containing various inorganic ions and heavy metals.

도 2는 전기흡탈착부를 보여주는 모식도이다. 이러한 장치는 일 실시예일 뿐 본 발명에서 한정하지 않으며, 이러한 구조외에 다양한 싱글셀, 멀티셀 구조가 사용될 수 있다.2 is a schematic diagram showing an electroadsorption and desorption part. Such an apparatus is not limited in the present invention as an embodiment only, and various single-cell and multi-cell structures may be used in addition to the structure.

도 2에 따른 전기흡탈착부는 처리수가 유출입을 할 수 있도록 양측에 인렛(53) 및 아웃렛(55)이 형성된 케이스(51); 상기 케이스(51) 내에 다수의 양극부(60)와 음극부(70)가 소정 간격 이격한 상대로 서로 대향하여 적층된 구조를 갖는다. 이러한 전극부(60, 70)는 물의 처리용량에 따라 여러 단으로 자유로이 증가하여 설치가 가능하다.2, a case 51 having an inlet 53 and an outlet 55 formed at both sides thereof to allow the treated water to flow in and out; In the case 51, a plurality of positive electrode parts 60 and negative electrode parts 70 are stacked to face each other at a predetermined interval. These electrode parts 60, 70 can be installed freely increased in several stages in accordance with the treatment capacity of the water.

이때, 처리수와 접하는 전극부(60, 70)는 각각의 집전체(61, 71) 상에 전극(63, 73)이 적층된 구조를 갖는데, 이때 상기 전극(63, 73)으로 본 발명에 따른 이온흡착 전극을 적용한다. 이때 상기 전극(63, 73)은 집전체(61, 71)의 일측 또는 양측 모두에 형성이 가능하다.In this case, the electrode portions 60 and 70 in contact with the treated water have a structure in which the electrodes 63 and 73 are stacked on the respective current collectors 61 and 71, wherein the electrodes 63 and 73 are used in the present invention. Apply the ion adsorption electrode according. In this case, the electrodes 63 and 73 may be formed on one side or both sides of the current collectors 61 and 71.

상기 도입시 전극은 기판을 포함하는 나노 구조체 자체를 전극에 도입하거나, 기판으로부터 나노 구조체를 분리하여 개별적으로 도입이 가능하다. 구체적인 도입 방법은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 선정이 가능하다.In the introduction, the electrode may introduce the nanostructure itself including the substrate into the electrode, or may be introduced separately by separating the nanostructure from the substrate. Specific introduction methods can be appropriately selected by those skilled in the art.

본 발명의 실시예에서는 Si 기판과 나노 구조체를 함께 도입하였다. 즉, Si 기판/산화실리콘/탄소나노튜브 구조에서 탄소나노튜브가 형성되지 않은 Si 기판의 타측과 집전체를 접합하였다. 이때 접합은 여러 가지 방법이 가능하며, 일예로 양 면이 접착 가능한 카본 테이프를 사이에 개제하여 수행하였다.In the embodiment of the present invention, the Si substrate and the nanostructure were introduced together. That is, in the Si substrate / silicon oxide / carbon nanotube structure, the other side of the Si substrate on which the carbon nanotubes were not formed and the current collector were bonded. At this time, the bonding is possible in a number of ways, for example, was performed by interposing a carbon tape that can be bonded to both sides.

상기 집전체는 스테인레스 스틸, 티타늄, 알루미늄, 구리 호일이 사용될 수 있으며, 구체적인 재료는 당업자에 의해 선택이 가능하다.The current collector may be used stainless steel, titanium, aluminum, copper foil, specific materials can be selected by those skilled in the art.

도 3은 본 발명에 따른 전기흡착 수처리 장치 내 이온흡착 전극으로 나노 구조체를 도입한 경우 처리수 내 이온을 흡착하는 것을 보여주는 모식도이다. 이때 처리수는 NaCl 수용액을 사용하였다.Figure 3 is a schematic diagram showing the adsorption of ions in the treated water when the nanostructure is introduced into the ion adsorption electrode in the electrosorption water treatment apparatus according to the present invention. At this time, the treated water used an aqueous NaCl solution.

도 3을 참조하면, 전기흡탈착부 내로 유입된 처리수는 Na+, Cl- 이온이 존재하는데 이때 각각의 전극부에 전기를 인가하면 양전하가 걸리는 양극에 Cl- 이온이, 음전하가 걸리는 음극에는 Na+ 이온이 흡착된다. 이러한 흡착은 탄소나노튜브의 높은 비표면적으로 인해 흡착 속도 및 용량이 크게 증가한다.3, the number of processed flows into the sub-electric desorption is Na +, Cl - to ion is present In this case, when electricity is applied to each electrode section Cl in the positive electrode has a positive charge across-ion, the negative electrode has a negative charge applied has Na + ions are adsorbed. This adsorption greatly increases the adsorption rate and capacity due to the high specific surface area of the carbon nanotubes.

이러한 이온의 흡착은 도 2에서 나타낸 전기흡탈착부와 같이 전극 배열을 다층으로 적층함으로써 그 처리 면적이 증가하고, 아웃렛을 통과하여 처리가 완료된 처리수의 경우 이온 농도가 크게 줄어드는 효과가 있다.The adsorption of ions increases the treatment area by stacking the electrode array in multiple layers as in the electrosorption and desorption unit shown in FIG. 2, and greatly reduces the ion concentration in the case of the treated water passing through the outlet.

본 발명에 따른 나노 구조체를 전기흡착 수처리 장치용 이온흡착 전극으로 구비한 수처리용 필터 시스템은 처리수와 접하는 탄소나노튜브의 탄소 물질이 증가하여 처리수 내 이온의 흡착속도와 흡착량이 증가하여 높은 효율로 처리가 가능하다. 특히, 기존 탄소나노튜브와 바인더를 사용하여 제조된 전극과 비교하여 고밀도로 탄소나노튜브를 함유하고 있어, 그 처리 효율이나 처리능이 월등하다. 또한, 역전극을 흘려줌으로써 탄소나노튜브에 흡착된 이온의 탈착이 가능하여 일회성이 아닌 반영구적인 사용이 가능하다.The water treatment filter system including the nanostructure according to the present invention as an ion adsorption electrode for an electroadsorption water treatment device increases the carbon material of the carbon nanotubes in contact with the treated water, thereby increasing the adsorption rate and the adsorption amount of ions in the treated water and thus increasing the efficiency. Can be processed as In particular, it contains carbon nanotubes at a higher density than electrodes manufactured using conventional carbon nanotubes and binders, and thus the processing efficiency and processing ability are excellent. Also, by flowing the reverse electrode, the adsorption of ions adsorbed on the carbon nanotubes is possible, and thus it is possible to use semi-permanently instead of one-time.

이러한 전기흡착 수처리 장치는 담수화 기술을 비롯한 다양한 수처리 분야에 사용될 수 있으며, 상기 장치를 통해 처리수 내 이온이 제거되어 순도 높은 음용수 및 생활용수, 공업용수 등으로 사용이 가능해진다.Such an electrosorption water treatment device may be used in various water treatment fields including desalination technology, and ions in the treated water may be removed through the device to be used as drinking water, living water, and industrial water of high purity.

이하 본 발명의 바람직한 실시예와 실험예를 제시한다. 그러나 하기한 예는 본 발명의 바람직한 일 예일 뿐 이러한 예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and experimental examples of the present invention are presented. However, the following examples are only preferable examples of the present invention, and the present invention is not limited to these examples.

실시예 1Example 1

Au 촉매에 의한 고체-액체-고체 메커니즘을 통해 SiOxNW를 제조하였다. 구체적으로 Si 기판에 폴리이미드 박막을 40nm 두께로 스핀 코팅에 의해서 증착하고, 여기에 Au를 금속 evaporator를 이용하여 4nm 두께로 증착 후 1000℃에서 1시간 동안 Ar 분위기에서 열처리를 하였다. 이어, DC 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 190초 동안 Ni을 증착하였다. SiO x NW was prepared via a solid-liquid-solid mechanism with Au catalysts. Specifically, a polyimide thin film was deposited on a Si substrate by 40 nm thickness by spin coating, and Au was deposited to a thickness of 4 nm using a metal evaporator, and then heat-treated in Ar atmosphere at 1000 ° C. for 1 hour. Then, Ni was deposited for 190 seconds using DC magnetron sputtering.

다음으로, 플라즈마 화학기상증착 장치(PECVD System) 내 온도 700℃ 및 압력 20 Torr로 유지하고 교류전압 60W/직류전압 420V*450mA 조건 하에서, 메탄과 수소 가스를 CH4:H2=18:12(sccm)으로 30초간 주입하여 Ni 입자를 촉매로 하여 탄소나 노튜브를 성장시켜 SiOxNW/CNT 나노 구조체를 제조하였다.Next, the temperature of the plasma chemical vapor deposition apparatus (PECVD System) is maintained at a temperature of 700 ° C. and a pressure of 20 Torr, and methane and hydrogen gas are discharged from CH 4 : H 2 = 18: 12 (60W / DC voltage 420V * 450mA). sccm) was injected for 30 seconds to grow carbon nanotubes using Ni particles as a catalyst to prepare SiOxNW / CNT nanostructures.

실험예 1Experimental Example 1

도 4는 실시예 1에서 제조된 SiOxNW/CNT 나노 구조체의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다. 도 4를 참조하면, 실시예 1에서 제조된 SiOxNW는 직경이 약 50 내지 100nm이고 길이가 20㎛ 정도를 가짐을 알 수 있다. 또한, CNT는 직경이 약 10～20nm이고 길이가 100～600nm 정도를 가지며, 밀도가 4 x 109개/㎠ ~ 1.6 x 1010개/㎠ 임을 확인하였다.4 is a scanning electron microscope (SEM) image of the SiO x NW / CNT nanostructures prepared in Example 1. FIG. Referring to FIG. 4, it can be seen that SiO x NW prepared in Example 1 has a diameter of about 50 to 100 nm and a length of about 20 μm. In addition, CNTs have a diameter of about 10 to 20 nm, a length of about 100 to 600 nm, and a density of 4 x 10 9 pieces / cm 2. It was confirmed that the 1.6 ~ 10 10 / cm 2.

실험예 2Experimental Example 2

나노 구조체 내 금속 나노 입자의 크기에 따른 CNT의 성장 거동을 알아보기 위해, 상기 실시예 1과 동일하게 DC 마그네트론 스퍼터링을 수행하되 증착시간을 변화시켜 Ni 입자를 형성시키고, 이를 촉매로 하여 CNT를 성장시켰다. 얻어진 SiOxNW/CNT 나노 구조체에 대한 물성을 측정하고, 하기 표 1, 도 5 및 도 6에 나타내었다.In order to examine the growth behavior of CNTs according to the size of the metal nanoparticles in the nanostructure, DC magnetron sputtering was performed in the same manner as in Example 1, but Ni deposition was formed by changing the deposition time, and CNT was grown using the catalyst. I was. Physical properties of the obtained SiO x NW / CNT nanostructures were measured and shown in Tables 1, 5, and 6 below.

증착시간
(s)Deposition time
(s) Ni 입자크기
(nm)Ni particle size
(nm) Ni 입자 밀도
(개/cm2)Ni particle density
(Pcs / cm 2 ) CNT 직경
(nm)CNT diameter
(nm) CNT 길이
(nm)CNT length
(nm) CNT 밀도
(개/cm2)CNT density
(Pcs / cm 2 ) 7070 2.5±0.72.5 ± 0.7 4.0×1012 4.0 × 10 12 10.2±2.810.2 ± 2.8 120±40120 ± 40 4.0×109 4.0 × 10 9 110110 3.5±0.73.5 ± 0.7 3.8×1012 3.8 × 10 12 11.4±2.311.4 ± 2.3 170±70170 ± 70 8.0×109 8.0 × 10 9 150150 3.6±0.83.6 ± 0.8 3.5×1012 3.5 × 10 12 14.1±3.414.1 ± 3.4 230±160230 ± 160 13.0×109 13.0 × 10 9 190190 3.7±1.13.7 ± 1.1 3.1×1012 3.1 × 10 12 14.9±2.614.9 ± 2.6 420±180420 ± 180 16.0×109 16.0 × 10 9

상기 표 1을 참조하면, Ni의 증착 시간이 증가함에 따라 Ni 입자 크기기 증가하고, 이를 촉매로 하여 성장된 CNT의 직경, 길이 및 밀도 값 또한 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과를 통해 Ni의 증착 공정 파라미터를 적절히 조절함으로써 SiOxNW에 성장하는 CNT의 물성을 용이하게 제어할 수 있음을 알 수 있다.Referring to Table 1, as the deposition time of Ni increases, the Ni particle size increases, and the diameter, length, and density values of CNTs grown using this catalyst also increase. These results show that the physical properties of CNTs grown on SiO x NW can be easily controlled by appropriately adjusting the deposition process parameters of Ni.

도 5는 Ni 증착 시간에 따른 SiOxNW/CNT 나노 구조체의 투과전자현미경(TEM) 사진으로, (a) 70s, (b) 110s, (c) 150s, (d) 190s를 보여준다. 도 5의 (a) 내지 (d)를 보면, 상기 표 1의 결과에서와 같이 Ni 증착 시간이 증가할수록 CNT의 길이 및 밀도가 증가함을 확인하였다.FIG. 5 is a transmission electron microscope (TEM) image of SiO x NW / CNT nanostructure according to Ni deposition time, and shows (a) 70s, (b) 110s, (c) 150s, and (d) 190s. Referring to (a) to (d) of FIG. 5, it was confirmed that the length and density of the CNT increased as the Ni deposition time increased as in the result of Table 1 above.

도 6은 Ni 증착 시간이 190s인 조건으로 제조된 SiOxNW/CNT로서, (a)는 투과전자현미경 사진, (b)는 고해상도 투과현미경 사진이다. 도 6의 (a)를 보면, 사진 상의 까만 점(Ni 입자, capping seed particle)으로 나타내는 촉매 입자 하부에 CNT가 연속적으로 성장함을 알 수 있다. 이는 도 6의 (b)에서 SiOxNW 상에 CNT가 관형 구조(tubular structure)를 가지며 성장함을 알 수 있다.6 shows SiO x NW / CNT prepared under the condition of Ni deposition time of 190 s, (a) is a transmission electron microscope photograph, and (b) is a high resolution transmission microscope photograph. Referring to FIG. 6A, it can be seen that CNTs continuously grow under the catalyst particles represented by black dots (Ni particles, capping seed particles) on the photograph. It can be seen from FIG. 6B that CNTs grow on the SiO x NWs with a tubular structure.

실험예 3Experimental Example 3

실험예 1에서 제조된 나노 구조체가 형성되지 않은 측의 Si 기판과 Cu 호일을 카본 테이프로 접합하여 전극을 제조하였다. 이러한 전극을 이용한 NaCl 처리수의 이온 처리능을 측정하였다. An electrode was manufactured by bonding a Si substrate and a Cu foil on a side where the nanostructure manufactured in Experimental Example 1 was not formed with a carbon tape. The ion treatment ability of NaCl treated water using this electrode was measured.

측정 조건은 분당 20ml의 유속으로 3M NaCl수용액 100ml을 아래에서 위로 흘려주었으며, 0.5V의 전압을 가해주었을 때 초기부터 25ml 씩 증가할 때마다 용액 내 저항수치를 측정하였다.The measurement conditions were 100 ml of 3M NaCl solution flowed from the bottom up at a flow rate of 20 ml per minute, and the resistance value in the solution was measured every 25 ml from the beginning when a voltage of 0.5 V was applied.

도 7은 본 발명에 따른 전기흡착 수처리 장치용 이온흡착 전극을 이용한 NaCl 처리수의 이온 처리능을 보여주는 그래프이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 처리수의 부피가 증가함에 따라 저항이 증가함을 알 수 있다. 이러한 저항 증가는 전극 표면에 Na 이온, Cl 이온의 흡착에 의한 것으로, 본 발명에 따른 전기흡착용 전극을 이용하여 NaCl 처리수를 처리하는 경우 이온 흡착이 효과적으로 이루어질 수 있음을 보여준다.Figure 7 is a graph showing the ion treatment capacity of NaCl treated water using the ion adsorption electrode for the electroadsorption water treatment apparatus according to the present invention. As shown in Figure 7, it can be seen that the resistance increases as the volume of the treated water increases. This increase in resistance is due to the adsorption of Na ions and Cl ions on the electrode surface, and shows that ion adsorption can be effectively performed when treating NaCl treated water using the electrode for electrosorption according to the present invention.

본 발명에 따른 나노 구조체는 전극으로 사용하여 해수, 담수, 및 식수와 같은 각종 수처리를 위한 전기흡착 장치에 적용이 가능하다.The nanostructure according to the present invention can be applied to an electroadsorption device for various water treatments such as seawater, freshwater, and drinking water by using as an electrode.

도 1은 본 발명에 따른 전기흡착 수처리 장치용 전극의 제조 순서를 보여주는 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a manufacturing procedure of the electrode for the electrosorption water treatment apparatus according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 전기흡착 수처리 장치의 전기흡탈착부를 보여주는 모식도이다. Figure 2 is a schematic diagram showing the electrosorption and desorption part of the electrosorption water treatment apparatus according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 전기흡착 수처리 장치 내 이온흡착 전극으로 나노 구조체를 도입한 경우 처리수 내 이온을 흡착하는 것을 보여주는 모식도이다.Figure 3 is a schematic diagram showing the adsorption of ions in the treated water when the nanostructure is introduced into the ion adsorption electrode in the electrosorption water treatment apparatus according to the present invention.

도 4는 실시예 1에서 제조된 SiOxNW/CNT 나노 구조체의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.4 is a scanning electron microscope (SEM) image of the SiO x NW / CNT nanostructures prepared in Example 1. FIG.

도 5는 Ni 증착 시간에 따른 SiOxNW/CNT 나노 구조체의 투과전자현미경(TEM) 사진으로, (a) 70s, (b) 110s, (c) 150s, (d) 190s를 보여준다. FIG. 5 is a transmission electron microscope (TEM) image of SiO x NW / CNT nanostructure according to Ni deposition time, and shows (a) 70s, (b) 110s, (c) 150s, and (d) 190s.

도 6은 Ni 증착 시간이 190s인 조건으로 제조된 SiOxNW/CNT 나노 구조체로서, (a)는 투과전자현미경 사진, (b)는 고해상도 투과현미경 사진이다. 6 is a SiO x NW / CNT nanostructure prepared under the condition that the Ni deposition time is 190s, (a) is a transmission electron micrograph, (b) is a high-resolution transmission microscope picture.

도 7은 본 발명에 따른 나노 구조체를 이온흡착 전극으로 이용한 경우 NaCl 처리수의 이온 처리능을 보여주는 그래프이다.7 is a graph showing the ion treatment capacity of NaCl treated water when the nanostructure according to the present invention is used as an ion adsorption electrode.

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete Si:O가 1:1.7의 원소비이며, 직경이 50～100nm이고, 길이가 0.1～20㎛인 산화 실리콘 나노선 표면에, Si: O is an element ratio of 1: 1.7, on the surface of a silicon oxide nanowire having a diameter of 50 to 100 nm and a length of 0.1 to 20 μm, 직경이 1～50nm이고, 길이가 10～1000nm이고, 입자수 밀도가 4×109～16×109개/㎠인 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체를 포함하는 것인 전기흡착 수처리 장치를 위한 이온흡착 전극. 1 to 50 nm in diameter, 10 to 1000 nm in length, particle number density of 4 × 10 9 ~ 16 × 10 9 / cm 2 The carbon nanotubes containing the grown nanostructures are grown for water treatment apparatus Ion adsorption electrode. 처리수가 유출입을 할 수 있도록 양측에 인렛과 아웃렛이 형성된 케이스;A case having inlets and outlets formed at both sides to allow the treated water to flow in and out; 상기 케이스 내에 다수의 양극부 및 음극부로 이루어진 전극부들이 소정 간격 이격한 상대로 서로 대향하여 위치하고,In the case, an electrode part including a plurality of anode parts and cathode parts is located to face each other with a predetermined distance from each other, 상기 전극부는 각각의 집전체 상에 전극이 적층된 구조를 가지며, The electrode unit has a structure in which electrodes are stacked on each current collector, 상기 전극은 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체를 포함하는 것인 전기흡착 수처리 장치. The electrode is an electroadsorption water treatment apparatus comprising a nanostructure in which carbon nanotubes are grown on a silicon oxide nanowire surface. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 산화실리콘 나노선은 Si:O가 1:1.7의 원소비를 갖고, 직경이 50～100nm이고, 길이가 0.1～20㎛이며, 탄소나노튜브는 직경이 1～50nm이고, 길이가 10～1000nm이고, 입자수 밀도가 4×109～16×109개/㎠인 것을 특징으로 하는 전기흡착 수처리 장치.The silicon oxide nanowires have an element ratio of Si: O of 1: 1.7, a diameter of 50 to 100 nm, a length of 0.1 to 20 μm, and carbon nanotubes of 1 to 50 nm in diameter and a length of 10 to 1000 nm. And particle number density is 4 × 10 9 to 16 × 10 9 holes / cm 2. 제10항에 있어서, 상기 나노 구조체는 The method of claim 10, wherein the nanostructures 산화실리콘 나노선 표면에 Pt, Au, Ti, Fe, Ag, Pd, Ni 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속을 증착하는 단계;Depositing at least one metal selected from the group consisting of Pt, Au, Ti, Fe, Ag, Pd, Ni, and alloys thereof on the silicon oxide nanowire surface; 300～600℃에서 열처리를 수행하여 직경이 0.5～50nm이며, 입자수 밀도가 1.0～5.0X1012 개/cm2 인 금속 나노 입자를 형성하는 단계; 및Performing heat treatment at 300 to 600 ° C. to form metal nanoparticles having a diameter of 0.5 to 50 nm and a particle number density of 1.0 to 5.0 × 10 12 particles / cm 2 ; And 상기 산화실리콘 나노선을 표면에 금속 나노 입자를 촉매로 하여 탄소나노튜브를 성장하는 단계를 포함하며,And growing carbon nanotubes by using metal nanoparticles as a catalyst on the surface of the silicon oxide nanowires, 이때 상기 탄소나노튜브의 성장은 불활성 분위기에서 500～700℃에서 C2H2, C2H4, CH4, C2H6 또는 이들의 혼합 원료 가스 30～300 sccm을 10～60초 동안 주입하는 플라즈마 화학기상 증착법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 전기흡착 수처리 장치.At this time, the growth of the carbon nanotubes is injected in the inert atmosphere of C 2 H 2 , C 2 H 4 , CH 4 , C 2 H 6 or a mixed raw material gas 30 ~ 300 sccm for 10 ~ 60 seconds at 500 ~ 700 ℃ Electrosorption water treatment apparatus characterized in that performed by a plasma chemical vapor deposition method.
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