KR102236652B1 - 복합 섬유, 그의 제조 방법, 및 그를 포함하는 가스 정화 시스템 - Google Patents

복합 섬유, 그의 제조 방법, 및 그를 포함하는 가스 정화 시스템 Download PDF

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Abstract

그래핀 산화물을 포함하는 용매를 준비하는 단계, GCN(graphitic carbon nitride)이 표면에 제공된 고분자 섬유를 준비하는 단계, 칼코겐 원소를 포함하는 도핑 원소를 갖는 도핑 소스를 준비하는 단계, 전이금속을 포함하는 전구체를 준비하는 단계, 및 상기 용매 중에, 상기 고분자 섬유, 상기 도핑 소스, 및 상기 전구체를 혼합하고 열처리하여, 복합 섬유를 제조하는 단계를 포함하되, 상기 복합 섬유는, 상기 GCN이 표면에 제공된 상기 고분자 섬유, 상기 열처리에 의해, 상기 그래핀 산화물이 환원된 그래핀에, 상기 도핑 소스의 상기 도핑 원소가 도핑된 기능화된 그래핀, 및 상기 열처리에 의해, 상기 도핑 소스의 상기 도핑 원소 및 상기 전구체로부터 생성된 전이금속 디칼코게나이드 시트를 포함하는 복합 섬유의 제조 방법이 제공된다.

Description

복합 섬유, 그의 제조 방법, 및 그를 포함하는 가스 정화 시스템{Composite fiber, manufacturing method thereof, and gas purification system comprising the same}
본 발명은 복합 섬유, 그의 제조 방법, 및 그를 포함하는 가스 정화 시스템에 관련된 것으로, 상세하게는, GCN(graphitic carbon nitride) 및 기능화된 그래핀 사이의 제1 계면, 상기 기능화된 그래핀 및 전이금속 디칼코게나이드 시트 사이의 제2 계면, 및 상기 GCN 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 사이의 제3 계면을 포함하는 복합 섬유, 그의 제조 방법, 및 그를 포함하는 가스 정화 시스템에 관련된 것이다.
산업 혁명 이후, 화석 연료를 사용하여 물질적으로 풍요로운 산업화를 이뤘지만, 지속적인 화석 연료의 사용은 심각한 환경 오염을 비롯한 환경 문제를 일으켜왔다. 이러한 환경 오염의 심각성으로 인해, 전세계적으로 화석 연료를 무독성의 청정 에너지로 대체하려는 노력이 시도되고 있다.
그의 일환으로, 화석 연료를 수소로 대체하려는 새로운 에너지 전환 시스템이 개발되고 있다. 수소는 높은 에너지 밀도와 무독성 연소 생성물로, 효율적이고 유망한 연료로 각광받고 있다. 따라서, 종래에는 백금을 이용해 수소 가스를 방출하는 방법이 이용되고 있다.
예를 들어, 국제특허 공개공보 WO2017082563A1에는, 연료 컷이 적용되고 공기-연료혼합물이 화학양론적 공기-원료 비율로 작용되는 가솔린 엔진에 사용되는 지지체 상에 로딩된 삼원촉매 성분, 및 NOx 저장 성분을 포함하는 배기 가스 정제용 촉매가 개시되어있다. 상술된 특허에서는, 상기 NOx 저장 성분으로 백금 성분, 알칼리 토금속 성분, 알칼리 금속 성분 및 희토류 금속 성분으로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 방법을 개시하고 있다.
하지만, 고가의 백금을 사용하는 데에는 한계가 있으며, 이를 대체하기 위한 소재 및 친환경적인 에너지 전환 시스템의 개발이 필요한 상황이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, GCN(graphitic carbon nitride)이 표면에 제공된 중공 구조의 상기 고분자 섬유의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, GCN 및 고분자 섬유를 둘러싸는 전이금속 디칼코게나이드 시트, 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트와 상기 고분자 섬유 사이, 또는 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 상에 제공되는 상기 기능화된 그래핀을 포함하는 복합 섬유의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, GCN 및 기능화된 그래핀 사이의 제1 계면을 포함하는 복합 섬유의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 기능화된 그래핀 및 전이금속 디칼코게나이드 시트 사이의 제2 계면을 포함하는 복합 섬유의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, GCN 및 전이금속 디칼코게나이드 시트 사이의 제3 계면을 포함하는 복합 섬유의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 광이 조사되는 경우, 고분자 섬유의 GCN의 가전도대로부터 여기된 전자가, 전이금속 디칼코게나이드 시트로 이동하고, 상기 기능화된 그래핀의 페르미 에너지대로 이동하는 것에 따라 광합성 효율이 증대된 복합 섬유를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 복합 섬유를 포함하는 광합성 반응부, 복수의 멤브레인으로 구분된 가스 포집부, 및 상기 광합성 반응부 및 상기 가스 포집부 사이에 배치된 가스 분석부를 포함하는 가스 정화 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 광합성 효율이 향상된 가스 정화 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 복합 섬유의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복합 섬유의 제조 방법은, 그래핀 산화물을 포함하는 용매를 준비하는 단계, GCN(graphitic carbon nitride)이 표면에 제공된 고분자 섬유를 준비하는 단계, 칼코겐 원소를 포함하는 도핑 원소를 갖는 도핑 소스를 준비하는 단계, 전이금속을 포함하는 전구체를 준비하는 단계, 및 상기 용매 중에, 상기 고분자 섬유, 상기 도핑 소스, 및 상기 전구체를 혼합하고 열처리하여, 복합 섬유를 제조하는 단계를 포함하되, 상기 복합 섬유는, 상기 GCN이 표면에 제공된 상기 고분자 섬유, 상기 열처리에 의해, 상기 그래핀 산화물이 환원된 그래핀에, 상기 도핑 소스의 상기 도핑 원소가 도핑된 기능화된 그래핀, 및 상기 열처리에 의해, 상기 도핑 소스의 상기 도핑 원소 및 상기 전구체로부터 생성된 전이금속 디칼코게나이드 시트를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 섬유를 준비하는 단계는, 유기 용매에 고분자 물질을 첨가하고 교반하여, 고분자 소스 용액을 제조하는 단계, 상기 고분자 소스 용액을 전기 방사하여, 배어(bare) 고분자 섬유를 제조하는 단계, 상기 배어 고분자 섬유 내에 중공을 형성하는 단계, 및 중공이 형성된 상기 배어 고분자 섬유의 표면 상에 상기 GCN을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 배어 고분자 섬유 내에 중공을 형성하는 단계는, 상기 배어 고분자 섬유에 질소를 포함하는 제1 소스 제공하고 1차 열처리하는 것을 포함하고, 상기 GCN을 형성하는 단계는, 중공이 형성된 상기 배어 고분자 섬유에 황 및 질소를 포함하는 제2 소스를 제공하고 2차 열처리하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 2차 열처리하는 단계는, 상기 1차 열처리하는 단계보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 도핑 원소는 황 및 질소를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열처리하는 단계는, 열수처리(熱水處理)를 수행하는 것을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 복합 섬유를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복합 섬유는, GCN이 표면에 제공된 중공 구조의 고분자 섬유, 상기 GCN 및 상기 고분자 섬유를 둘러싸는 전이금속 디칼코게나이드 시트, 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트와 상기 고분자 섬유 사이, 또는 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 상에 제공되는 기능화된 그래핀을 포함하되, 상기 GCN 및 상기 기능화된 그래핀 사이의 제1 계면, 상기 기능화된 그래핀 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 사이의 제2 계면, 및 상기 GCN 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 사이의 제3 계면을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 광이 조사되는 경우, 상기 고분자 섬유의 상기 GCN의 가전도대로부터 여기된 전자가, 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트로 이동하고, 상기 기능화된 그래핀의 페르미 에너지대로 이동하는 것에 따라 광합성 효율이 증대될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기능화된 그래핀은, 그래핀 상에 황 및 질소가 도핑된 것을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 가스 정화 시스템이 제공된다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 정화 시스템은, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유를 포함하는 광합성 반응부, 복수의 멤브레인으로 구분된 가스 포집부, 및 상기 광합성 반응부 및 상기 가스 포집부 사이에 배치된 가스 분석부를 포함하되, 상기 광합성 반응부에 광이 조사되는 경우, 상기 광합성 반응부로 유입된 오염 가스가, 상기 복합 섬유와 광합성 반응을 하여, 연료 가스가 생성되고, 생성된 상기 연료 가스는 상기 가스 분석부에서 분석된 후에, 상기 연료 가스의 분자 무게 순으로 상기 멤프레인에 의해 걸러져, 상기 가스 포집부에 포집되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복합 섬유에 광이 조사되는 경우, 상기 고분자 섬유의 상기 GCN의 가전도대로부터 여기된 전자가, 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트로 이동하고, 상기 기능화된 그래핀의 페르미 에너지대로 이동하는 것에 따라 광합성 효율이 증대될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료 가스는 가벼운 순서로 상기 멤브레인에 의해 걸러져, 상기 가스 포집부에 포집될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 그래핀 산화물을 포함하는 용매를 준비하는 단계, GCN(graphitic carbon nitride)이 표면에 제공된 고분자 섬유를 준비하는 단계, 칼코겐 원소를 포함하는 도핑 원소를 갖는 도핑 소스를 준비하는 단계, 전이금속을 포함하는 전구체를 준비하는 단계, 및 상기 용매 중에, 상기 고분자 섬유, 상기 도핑 소스, 및 상기 전구체를 혼합하고 열처리하여, 복합 섬유를 제조하는 단계를 포함하는 복합 섬유의 제조 방법이 제공될 수 있다.
이에 따라, 상기 GCN 및 상기 기능화된 그래핀 사이의 제1 계면, 상기 기능화된 그래핀 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 사이의 제2 계면, 및 상기 GCN 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 사이의 제3 계면을 포함하되, 광이 조사되는 경우, 상기 고분자 섬유의 상기 GCN의 가전도대로부터 여기된 전자가, 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트로 이동하고, 상기 기능화된 그래핀의 페르미 에너지대로 이동하는 것에 따라 광합성 효율이 증대되는 상기 복합 섬유가 제공될 수 있다.
또한, 상기 복합 섬유를 포함하는 광합성 반응부, 복수의 멤브레인으로 구분된 가스 포집부, 및 상기 광합성 반응부 및 상기 가스 포집부 사이에 배치된 가스 분석부를 포함하되, 광합성 효율이 증대된 상기 복합 섬유를 포함하는 것에 따라, 광합성 효율이 향상된 상기 가스 정화 시스템이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고분자 섬유를 준비하는 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유에서 전자 이동 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 정화 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 종래의 벌크 GCN의 SEM(scanning electron microscopy) 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 SEM 이미지이다.
도 9는 종래의 벌크 GCN 및 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 광학 흡광도를 보여주는 그래프이다.
도 10은 종래의 벌크 GCN 및 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 밴드 갭 에너지를 보여주는 그래프이다.
도 11은 종래의 벌크 GCN 및 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 transient photocurrent analysis를 보여주는 그래프이다.
도 12 (A)는 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 SEM 이미지이다.
도 12 (B)는 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체의 SEM 이미지이다.
도 12 (C)는 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 SEM 이미지이다.
도 13 (A)는 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 TEM(transmission electron microscopy) 이미지이고, 삽입된 도면은 상기 고분자 섬유의 SAED(selected area electron diffraction) 패턴이다.
도 13 (B)는 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체의 TEM 이미지이고, 삽입된 도면은 상기 섬유 구조체의 SAED 패턴이다.
도 13 (C)는 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 TEM 이미지이고, 삽입된 도면은 상기 복합 섬유의 SAED 패턴이다.
도 14는 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 TEM 및 그로부터 측정된 EDS(electron diffraction spectroscopy)이다.
도 15는 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유에 포함된 기능화된 그래핀(S,N doped graphene)의 SEM 이미지이다.
도 16은 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유에 포함된 기능화된 그래핀의 TEM 이미지이다.
도 17은 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유에 포함된 전이금속 디칼코게나이드 시트(MoS2)의 SEM 이미지이다.
도 18은 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유에 포함된 전이금속 디칼코게나이드 시트의 EDS 이미지이다.
도 19는 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유에 포함된 전이금속 디칼코게나이드 시트의 EDS 분석 결과이다.
도 20 (A)는 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유(HGCNF)의 XRD(X-ray diffraction) 그래프이다.
도 20 (B)는 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체(HGCNF/MoS2)의 XRD 그래프이다.
도 20 (C)는 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2)의 XRD 그래프이다.
도 21은 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유(HGCNF), 섬유 구조체(HGCNF/MoS2), 및 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2)의 광학 흡광도를 보여주는 그래프이다.
도 22는 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 C 1s 스펙트럼이다.
도 23은 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 N 1s 스펙트럼이다.
도 24는 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체의 C 1s 스펙트럼이다.
도 25는 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체의 N 1s 스펙트럼이다.
도 26은 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 C 1s 스펙트럼이다.
도 27은 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 N 1s 스펙트럼이다.
도 28은 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유, 섬유 구조체, 및 복합 섬유의 전기 화학적 성능 평가를 위한 램프(lamp)의 사진이다.
도 29는 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유(HGCNF), 섬유 구조체(HGCNF/MoS2), 및 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2), working electrode(GCE)의 분극 곡선이다.
도 30은 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체(HGCNF/MoS2), 및 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2)의 Tafel slope이다.
도 31은 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유(HGCNF), 섬유 구조체(HGCNF/MoS2), 및 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2)의 Nyquist plot이다.
도 32는 본 발명의 실시 예에 따른 고분자 섬유(HGCNF)의 전기 용량 플롯(capacitive current plot)이다.
도 33은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 구조체(HGCNF/MoS2)의 전기 용량 플롯이다.
도 34는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2)의 전기 용량 플롯이다.
도 35는 본 발명의 실시 예에 따른 고분자 섬유(HGCNF), 섬유 구조체(HGCNF/MoS2), 및 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2) 의 전기 용량 측정(capacitive current measurement) 그래프이다.
도 36은 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2)의 Chronoamperometric response이다.
도 37은 3000 사이클 전 및 후의 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 편광 곡선이다.
도 38은 3000 사이클 전 및 후의 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 Nyquist plot이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상, 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고분자 섬유를 준비하는 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 그래핀 산화물을 포함하는 용매를 준비할 수 있다(S110). 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 산화물을 포함하는 용매는, 증류수와 혼합되어 준비될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매 및 상기 증류수는 4:96의 부피 비로 혼합되어 준비될 수 있다.
GCN(graphitic carbon nitride, 110)이 표면에 제공된 고분자 섬유(100)를 준비할 수 있다(S120). 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 고분자 섬유(100)는 중공(130) 구조를 포함할 수 있다. 다시 말해, 상기 GCN(110)이 표면에 제공된 중공(130) 구조의 상기 고분자 섬유(100)가 준비될 수 있다. S120 단계 즉, 상기 고분자 섬유(100)를 준비하는 단계를 상세히 설명하기 위해, 도 3을 참조할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 고분자 섬유(100)를 준비하기 위해, 유기 용매에 고분자 물질을 첨가하고 교반하여, 고분자 소스 용액을 제조할 수 있다(S210). 일 실시 예에 따르면, 상기 유기 용매는 DMF(dimethylformamide) solution일 수 있고, 상기 고분자 물질은 PVP(polyvinylpyrrolidone)일 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 10 wt%의 상기 DMF solution에, 0.7 g의 상기 PVP를 첨가하고 교반하여, 고분자 소스 용액을 제조할 수 있다.
상기 고분자 소스 용액을 전기 방사하여, 배어(bare) 고분자 섬유(120)를 제조할 수 있다(S220). 구체적으로 예를 들어, 상기 고분자 소스 용액을 전기 방사하는 단계는, 27 게이지(gauge)의 실린지 노즐(syringe nozzle)을 갖는 실린지로부터 거리가 110 mm인 떨어진 flat-type 컬렉터에, 상기 고분자 소스 용액을 제공하고, 20 kV 전압 및 10 μL/min의 유속으로 전기 방사하여, 상기 배어 고분자 섬유(120)를 제조할 수 있다.
상기 배어 고분자 섬유(120) 내에 중공(130)을 형성할 수 있다(S230). 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 배어 고분자 섬유(120) 내에 중공(130)을 형성하는 단계는, 상기 배어 고분자 섬유(120)에 질소를 포함하는 제1 소스 제공하고 1차 열처리하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스는 우레아(urea)를 포함할 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 제1 소스는 상기 우레아가 용해된 용액일 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 배어 고분자 섬유(120)에 상기 제1 소스를 제공하기 위해, 상기 배어 고분자 섬유(120)를 상기 제1 소스에 침지할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 배어 고분자 섬유(120)에 상기 제1 소스를 제공한 후에, 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 건조하는 단계는, 60 ℃의 오븐에서 12 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 제1 소스가 제공된 후에 건조된 상기 배어 고분자 섬유(120)를, 상기 1차 열처리 할 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 1차 열처리는 아르곤 및 수소를 포함하는 분위기에서, 800 ℃의 온도로 4 시간 동안 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 배어 고분자 섬유(120) 내에 중공(130)이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 배어 고분자 섬유(120)에 상기 제1 소스가 제공되고 상기 1차 열처리됨에 따라, 상기 배어 고분자 섬유(120)의 표면 상에 상기 GCN(110)이 형성될 수 있다. 상기 배어 고분자 섬유(120)의 표면 상에 형성된 상기 GCN(110)에 의해, 상기 배어 고분자 섬유(120)의 외벽이 고정되고, 이에 따라, 상기 배어 고분자 섬유(120) 직경의 중심으로부터 외벽 방향으로 수축되어, 상기 배어 고분자 섬유(120) 내에 중공(130)이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 배어 고분자 섬유 및 상기 GCN 사이의 접착력은, 상기 배어 고분자 섬유가 수축되는 힘보다 강할 수 있다. 이에 따라, 상기 배어 고분자 섬유 내에 중공이 용이하게 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 배어 고분자 섬유(120) 내에 중공(130)이 형성된 이후에, 상기 배어 고분자 섬유(120) 표면 상의 상기 GCN(110)은 분해될 수 있다. 상기 1차 열처리하는 단계의 열처리 온도는, 상기 배어 고분자 섬유(120) 내에 중공(130)이 형성되기 용이한 온도인 한편, 상기 배어 고분자 섬유(120)의 상기 고분자 물질이 탄화되는 온도일 수 있다. 따라서, 상기 1차 열처리에 의해, 상기 배어 고분자 섬유(120)의 표면 상에 상기 GCN(110)이 형성되고, 상기 GCN(110)에 의해 상기 배어 고분자 섬유(120) 내에 중공(130)이 용이하게 형성되되, 중공(130)이 형성된 이후에, 상기 배어 고분자 섬유(120) 상의 상기 GCN(110)이 분해될 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 중공(130)이 형성된 상기 배어 고분자 섬유(120)의 표면 상에 상기 GCN(110)을 형성할 수 있다(S240). 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 GCN(110)을 형성하는 단계는, 중공(130)이 형성된 상기 배어 고분자 섬유(120)에 황 및 질소를 포함하는 제2 소스를 제공하고 2차 열처리하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 소스는 티오우레아(thiourea)를 포함할 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 제2 소스는 상기 티오우레아가 용해된 용액일 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 중공(130)이 형성된 상기 배어 고분자 섬유(120)에 상기 제2 소스를 제공하기 위해, 중공(130)이 형성된 상기 배어 고분자 섬유(120)를 상기 제2 소스에 침지할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 중공(130)이 형성된 상기 배어 고분자 섬유(120)를 상기 제2 소스에 침지한 이후에, 상기 2차 열처리 할 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 2차 열처리는 질소를 포함하는 분위기에서, 580 ℃의 온도로 4 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 중공(130)이 형성된 상기 배어 고분자 섬유(120)에 상기 제2 소스가 제공되고 상기 2차 열처리됨에 따라, 중공(130)이 형성된 상기 배어 고분자 섬유(120)의 표면 상에 상기 GCN(110)이 형성될 수 있다. 다시 말해, 상기 GCN(110)은, S230 단계에서 상술된 바와 같이, 상기 배어 고분자 섬유(120) 내부에 중공(130)을 형성하기 위한 상기 1차 열처리 과정을 통해 분해될 수 있지만, S240 단계를 통해 용이하게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 2차 열처리하는 단계는, 상기 1차 열처리하는 단계보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 상기 2차 열처리하는 단계의 열처리 온도는, 중공(130)이 형성된 상기 배어 고분자 섬유(120) 상에 상기 GCN(110)이 형성되기 용이한 온도이되, 형성된 상기 GCN(110)이 분해되지 않는 온도일 수 있다. 따라서, 상기 2차 열처리에 의해, 중공(130)이 형성된 상기 배어 고분자 섬유(120)의 표면 상에 상기 GCN(110)이 분해되지 않고 용이하게 형성될 수 있고, 이에 따라, 상기 GCN(110)이 표면에 제공된 상기 고분자 섬유(120)를 용이하게 준비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이, S210 내지 S240 단계에 따라 준비된, S120 단계의 상기 GCN(110)이 표면에 제공된 상기 고분자 섬유(100)를 준비한 후에, 칼코겐(320) 원소를 포함하는 도핑 원소를 갖는 도핑 소스를 준비할 수 있다(S130). 본 발명의 실시 예에 따르면, 구체적으로 예를 들어, 상기 도핑 소스는 티오 우레아일 수 있고, 상기 도핑 원소는 황(220) 및 질소(230)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 후술되는 공정에서 열처리하는 단계를 통해, 상기 도핑 원소 즉, 상기 황(220) 및 상기 질소(230)가 도핑된 기능화된 그래핀(200)을 제조할 수 있다.
전이금속(310)을 포함하는 전구체를 준비할 수 있다(S140). 본 발명의 실시 예에 따르면, S130 단계에서 상술된 바와 같이, 상기 도핑 소스는 상기 칼코겐(320) 원소를 포함할 수 있고, 이에 따라, 후술되는 열처리 공정에 의해, 상기 칼코겐(320) 원소 즉, 상기 황(220) 및 상기 전구체의 상기 전이금속(310)이 결합된 전이금속 디칼코게나이드 시트(300)를 제조할 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 전이금속(310)을 포함하는 전구체는 Na2MoO4(sodium molybdate)를 포함할 수 있고, 상기 전이금속(310)은 몰리브데넘(Mo)일 수 있다. 이에 따라, 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트(300)는 MoS2 시트를 포함할 수 있다.
상기 용매 중에, 상기 고분자 섬유(100), 상기 도핑 소스, 및 상기 전구체를 혼합하고 열처리하여, 복합 섬유(400)를 제조할 수 있다(S150). S120 및 S130 단계에서 상술된 바와 같이, 상기 도핑 소스는 상기 황(220) 및 상기 질소(230)를 포함할 수 있고, 상기 전구체는 상기 몰리브데넘을 포함할 수 있다. 이에 따라 상기 열처리하는 단계에 의해, 상기 그래핀 산화물이 환원된 그래핀(210)에, 상기 도핑 소스의 상기 황(220) 및 상기 질소(230)가 도핑된 기능화된 그래핀(200) 즉, SNG(sulfur/nitrogen-doped graphene)가 제조될 수 있다. 또한, 상기 열처리에 의해, 상기 도핑 소스의 상기 황(220) 및 상기 전구체의 몰리브데넘으로부터 생성된 전이금속 디칼코게나이드 시트(300) 즉, MoS2 시트가 제조될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 열처리하는 단계는, 열수처리(熱水處理)를 수행하는 것을 포함할 수 있다. 구체적으로, S110 단계에서 상술된 바와 같이, 상기 그래핀 산화물을 포함하는 상기 용매 및 상기 증류수가 4:96의 부피비로 혼합된 제1 용액이 준비될 수 있다. 상기 제1 용액에, S120 단계에서 상술된, 상기 GCN(110)이 표면에 제공된 상기 고분자 섬유(100) 0.1 g을 첨가하고, 30 분 동안 초음파 처리하여, 상기 혼합 용액에 상기 고분자 섬유(100)가 분산된 제2 용액을 제조할 수 있다. 이후, 상기 제2 용액에, S130 단계에서 상술된, 상기 도핑 소스(예를 들어, 상기 티오 우레아) 0.8 g을 첨가하고, 1 시간 동안 교반하여, 제3 용액을 제조할 수 있다. 상기 제3 용액에, S140 단계에서 상술된, 상기 전이금속(310)을 포함하는 상기 전구체(예를 들어, 상기 Na2MoO4) 0.4 g을 첨가하고, 1 시간 동안 교반하여, 제4 용액을 제조할 수 있다. 상기 제4 용액을 오토클레이브(예를 들어, teflon-lined autoclave)에 장입하고, 200 ℃에서 24 시간 동안 열수처리할 수 있다. 상기 열수처리하는 단계를 통해, 상기 그래핀 산화물이 환원된 그래핀(210)에, 상기 도핑 소스(예를 들어, 상기 티오 우레아)의 상기 황(220) 및 상기 질소(230)가 도핑된, 상기 기능화된 그래핀(200, 즉, 상기 SNG), 및 상기 티오 우레아의 상기 황(220) 및 상기 전구체(예를 들어, 상기 Na2MoO4)로부터 생성된 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트(300, 예를 들어, 상기 MoS2 시트)를 포함하는 예비 복합 섬유가 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 예비 복합 섬유는 검은 색일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 예비 복합 섬유는 복수 회 세척된 후에 오븐에서 건조될 수 있다. 예를 들어, 상기 예비 복합 섬유는 증류수 및 에탄올로 복수 회 세척된 후에 오븐에서 건조될 수 있다. 이후, 오븐에서 건조된 상기 예비 복합 섬유는, 동결 건조될 수 있고, 이에 따라, 상기 복합 섬유(400)가 제조될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 동결건조 하는 단계에 의해, 상기 예비 복합 섬유로부터 수분이 제거될 수 있다. 상기 예비 복합 섬유로부터 수분이 제거됨에 따라, 제조된 상기 복합 섬유(400)에 포함된 상기 기능화된 그래핀(200)의 표면적이 증가될 수 있다.
정리하면, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유(400)의 제조 방법은, 그래핀 산화물을 포함하는 용매를 준비하는 단계, GCN(101)이 표면에 제공된 고분자 섬유(100)를 준비하는 단계, 칼코겐(320) 원소를 포함하는 도핑 원소를 갖는 도핑 소스를 준비하는 단계, 전이금속(310)을 포함하는 전구체를 준비하는 단계, 및 상기 용매 중에, 상기 고분자 섬유(100), 상기 도핑 소스, 및 상기 전구체를 혼합하고 열처리하여, 복합 섬유(400)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 복합 섬유(400)의 제조 방법으로 제조된 상기 복합 섬유(400)는, 상기 GCN(110)이 표면에 제공된 상기 고분자 섬유(100), 상기 그래핀 산화물이 환원된 그래핀(210)에, 상기 도핑 소스의 상기 도핑 원소가 도핑된 기능화된 그래핀(200) 및 상기 도핑 소스의 상기 도핑 원소 및 상기 전구체로부터 생성된 전이금속 디칼코게나이드 시트(300)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유에서 전자 이동 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상술된 바와 같이, 상기 복합 섬유(400)는 GCN(110)이 표면에 제공된 중공(130) 구조의 고분자 섬유(100), 상기 GCN(110) 및 상기 고분자 섬유(100)를 둘러싸는 전이금속 디칼코게나이드 시트(300), 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트(300)와 상기 고분자 섬유(100) 사이, 또는 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트(300) 상에 제공되는 기능화된 그래핀(200)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면 상기 복합 섬유(400)는, 상기 GCN(110) 및 상기 기능화된 그래핀(200) 사이의 제1 계면(410), 상기 기능화된 그래핀(200) 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트(300) 사이의 제2 계면(420), 및 상기 GCN(110) 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트(300) 사이의 제3 계면(430)을 포함할 수 있다.
이에 따라, 도 5를 참조하면, 상기 복합 섬유(400)에 광이 조사되는 경우, 상기 고분자 섬유(100)의 상기 GCN(110)의 가전도대로부터 여기된 전자가, 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트(300)로 이동하고, 상기 기능화된 그래핀(200)의 페르미 에너지대로 이동하는 것에 따라 광합성 효율이 증대될 수 있다.
이러한 광학적 특성에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 복합 섬유(400)를 가스 정화 시스템(500)에 이용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 정화 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 가스 정화 시스템(500)은, 상기 복합 섬유(400)를 포함하는 광합성 반응부(510), 복수의 멤브레인으로 구분된 가스 포집부(520), 및 상기 광합성 반응부 및 상기 가스 포집부 사이에 배치된 가스 분석부(530)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 광합성 반응부(510)에 광이 조사되는 경우, 상기 광합성 반응부(510)로 유입된 오염 가스(610)가, 상기 복합 섬유(400)와 광합성 반응을 하여, 연료 가스(620)가 생성되고, 생성된 상기 연료 가스(620)는 상기 가스 분석부(530)에서 분석된 후에, 상기 연료 가스(620)의 분자 무게 순으로 상기 멤프레인에 의해 걸러져, 상기 가스 포집부(520)에 포집될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 연료 가스(620)는 가벼운 순서로 상기 멤브레인에 의해 걸러져, 상기 가스 포집부(520)에 포집될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이, 상기 광합성 반응부(510)의 상기 복합 섬유(400)에 광이 조사되는 경우, 상기 고분자 섬유(100)의 상기 GCN(110)의 가전도대로부터 여기된 전자가, 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트(300)로 이동하고, 상기 기능화된 그래핀(200)의 페르미 에너지대로 이동하는 것에 따라 광합성 효율이 증대될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유, 그의 제조 방법, 및 그를 포함하는 가스 정화 시스템이 설명되었다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 복합 섬유의 제조 방법은, 그래핀 산화물을 포함하는 용매를 준비하는 단계, GCN이 표면에 제공된 고분자 섬유를 준비하는 단계, 칼코겐 원소를 포함하는 도핑 원소를 갖는 도핑 소스를 준비하는 단계, 전이금속을 포함하는 전구체를 준비하는 단계, 및 상기 용매 중에, 상기 고분자 섬유, 상기 도핑 소스, 및 상기 전구체를 혼합하고 열처리하여, 복합 섬유를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복합 섬유의 제조 방법에 의하면, 상기 GCN이 표면에 제공된 중공 구조의 상기 고분자 섬유, 상기 GCN 및 상기 고분자 섬유를 둘러싸는 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트, 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트와 상기 고분자 섬유 사이, 또는 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 상에 제공되는 상기 기능화된 그래핀을 포함하는 복합 섬유가 제공될 수 있다. 상기 복합 섬유는, 상기 GCN 및 상기 기능화된 그래핀 사이의 제1 계면, 상기 기능화된 그래핀 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 사이의 제2 계면, 및 상기 GCN 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 사이의 제3 계면을 포함할 수 있다.
이에 따라, 광이 조사되는 경우, 상기 고분자 섬유의 상기 GCN의 가전도대로부터 여기된 전자가, 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트로 이동하고, 상기 기능화된 그래핀의 페르미 에너지대로 이동하는 것에 따라 광합성 효율이 증대될 수 있다.
또한, 상기 복합 섬유를 포함하는 광합성 반응부, 복수의 멤브레인으로 구분된 가스 포집부, 및 상기 광합성 반응부 및 상기 가스 포집부 사이에 배치된 가스 분석부를 포함하는 가스 정화 시스템이 제공될 수 있다. 광합성 효율이 증대된 상기 복합 섬유를 포함하는 것에 따라, 상기 가스 정화 시스템의 광합성 효율도 향상될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유의 제조 방법에 대한 구체적인 실험 예가 설명된다.
실험 예에 따른 고분자 섬유의 제조
10 wt%의 DMF solution에, 0.7 g의 PVP를 첨가하고 교반하여, 고분자 소스 용액을 제조하였다.
27 게이지의 실린지 노즐을 갖는 실린지로부터 거리가 110 mm인 떨어진 flat-type 컬렉터에, 상기 고분자 소스 용액을 제공하고, 20 kV 전압 및 10 μL/min의 유속으로 전기 방사하여, 배어 고분자 섬유를 제조하였다.
레아가 용해된 용액을 제1 소스로 준비하고, 상기 배어 고분자 섬유를 상기 제1 소스에 침지하였다. 상기 제1 소스가 제공된 상기 배어 고분자 섬유를, 60 ℃의 오븐에서 12 시간 동안 건조한 후에, 아르곤 및 수소를 포함하는 분위기에서, 800 ℃의 온도로 4 시간 동안 1차 열처리하여, 상기 배어 고분자 섬유 내에 중공을 형성하였다.
티오우레아가 용해된 용액을 제2 소스로 준비하고, 중공이 형성된 상기 배어 고분자 섬유를 상기 제2 소스에 침지하였다. 상기 제2 소스가 제공된 중공이 형성된 상기 배어 고분자 섬유를, 질소를 포함하는 분위기에서 580 ℃의 온도로 4 시간 동안 2차 열처리하여, 실험 예에 따른 고분자 섬유를 제조하였다.
실험 예에 따른 복합 섬유의 제조
그래핀 산화물을 포함하는 용매 및 증류수를 4:96의 부피 비로 혼합하여 제1 용액을 준비하였다.
상술된 실험 예에 따른 고분자 섬유를 준비하였다.
황 및 질소를 포함하는 도핑 소스로 티오 우레아를 준비하였다.
전이금속을 포함하는 전구체로 Na2MoO4를 준비하였다.
상기 제1 용액에, 상기 고분자 섬유 0.1 g을 첨가하고, 30 분 동안 초음파 처리하여, 상기 제1 용액에 상기 고분자 섬유가 분산된 제2 용액을 제조하였다.
상기 제2 용액에, 상기 티오 우레아 0.8 g을 첨가하고, 1 시간 동안 교반하여, 제3 용액을 제조하였다.
상기 제3 용액에, 상기 Na2MoO4 0.4 g을 첨가하고, 1 시간 동안 교반하여 제4 용액을 제조하였다.
상기 제4 용액을 teflon-lined autoclave에 장입하고, 200 ℃에서 24 시간 동안 열수처리하여, 상기 그래핀 산화물이 환원된 그래핀에, 상기 티오 우레아의 상기 황 및 상기 질소가 도핑된 SNG, 및 상기 티오 우레아의 상기 황 및 상기 Na2MoO4로부터 생성된 MoS2 시트를 포함하는 검은색의 예비 복합 섬유를 제조하였다.
상기 예비 복합 섬유를 증류수 및 에탄올로 복수 회 세척한 후에, 오븐에서 건조하였다. 이후, 오븐에서 건조된 상기 예비 복합 섬유를 동결 건조하여, 실험 예에 따른 복합 섬유를 제조하였다.
실험 예에 따른 섬유 구조체의 제조
증류수 60 mL에 상술된 실험 예에 따른 고분자 섬유 0.1 g을 첨가하고, 30 분 동안 초음파 처리하여, 상기 고분자 섬유가 분산된 제1 용액을 제조하였다.
전이금속을 포함하는 전구체로 Na2MoO4를 준비하여, 상기 제1 용액에, 티오 우레아 0.8 g 및 상기 Na2MoO4 0.4 g을 첨가하고, 완전히 용해될 때까지 교반하여, 제2 용액을 제조하였다.
상기 제2 용액을 teflon-lined autoclave에 장입하고, 200 ℃에서 24 시간 동안 열수처리한 후에, 증류수 및 에탄올로 복수 회 세척하고, 오븐에서 건조하여, 고분자 섬유를 둘러싸는 전이금속 디칼코게나이드 시트 구조의, 실험 예에 따른 섬유 구조체를 제조하였다.
도 7은 종래의 벌크 GCN의 SEM(scanning electron microscopy) 이미지이고, 도 8은 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 SEM 이미지이다. 도 9는 종래의 벌크 GCN 및 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 광학 흡광도를 보여주는 그래프이고, 도 10은 종래의 벌크 GCN 및 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 밴드 갭 에너지를 보여주는 그래프이고, 도 11은 종래의 벌크 GCN 및 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 transient photocurrent analysis를 보여주는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상기 벌크 GCN의 경우 표면적이 12.9 m2/g인 것을 확인할 수 있다. 반면에, 도 8을 참조하면, 상기 고분자 섬유의 경우, 표면적이 24.7 m2/g인 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 상기 벌크 GCN의 표면적보다 상기 고분자 섬유의 표면적이 약 2 배정도 넓은 것을 알 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 벌크 GCN보다 상기 고분자 섬유의 광학 흡광도가 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 10을 참조하면, 상기 벌크 GCN보다 상기 고분자 섬유의 밴드 갭 에너지가 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, 도 11을 참조하면, 상기 벌크 GCN의 transient photocurrent는 2.6 μA이고, 상기 고분자 섬유의 transient photocurrent는 5.3 μA인 것에 따라, 상기 벌크 GNC보다 상기 고분자 섬유의 transient photocurrent가 상대적으로 큰 것을 알 수 있다.
이러한 실험 결과를 통해, 상기 고분자 섬유의 가시 광선 영역의 흡수 범위가, 상기 벌크 GCN보다 큰 것을 알 수 있다. 이는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 고분자 섬유의 표면적이 상기 벌크 GCN의 표면적보다 넓은 것에 따라, 상기 고분자 섬유에서 전자 이동이 빠르게 촉진되기 때문일 수 있다.
도 12 (A)는 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 SEM 이미지이고, 도 12 (B)는 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체의 SEM 이미지이고, 도 12 (C)는 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 SEM 이미지이다. 도 13 (A)는 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 TEM(transmission electron microscopy) 이미지이고, 삽입된 도면은 상기 고분자 섬유의 SAED(selected area electron diffraction) 패턴이다. 도 13 (B)는 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체의 TEM 이미지이고, 삽입된 도면은 상기 섬유 구조체의 SAED 패턴이다. 도 13 (C)는 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 TEM 이미지이고, 삽입된 도면은 상기 복합 섬유의 SAED 패턴이다.
도 12 (A), 도 13 (A), 및 삽입 도면을 참조하면, 상기 고분자 섬유는, 중공이 형성된 상기 배어 고분자 섬유의 표면 상에, 상기 GCN이 나노 시트의 형태로 제공된 것을 관찰할 수 있다. 또한, 상기 고분자 섬유는 다공성 구조를 포함하는 것을 확인할 수 있다, 상기 고분자 섬유의 TEM 이미지로부터, 상기 고분자 섬유의 표면적은 24.7 m2/g으로 측정될 수 있다.
도 12 (B), 도 13 (B), 및 삽입 도면을 참조하면, 상기 섬유 구조체는, 상기 고분자 섬유를 둘러싸는 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트(MoS2)를 포함하는 것을 관찰할 수 있다. 상기 섬유 구조체의 TEM 이미지로부터, 상기 섬유 구조체의 표면적은 16.6 m2/g으로 측정될 수 있고, 이에 따라, 상기 고분자 섬유보다 상기 섬유 구조체의 표면적이 상대적으로 작은 것을 알 수 있다. 이는, 상기 섬유 구조체가, 상기 고분자 섬유를 둘러싸는 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트를 포함하는 것에 따라, 상기 전이금속 디칼코게나이드가 상기 고분자 섬유의 다공성 구조를 막기 때문일 수 있다.
도 12 (C), 도 13 (C), 및 삽입 도면을 참조하면, 상기 복합 섬유는, 상기 고분자 섬유 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 사이, 또는 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 상에 제공된 기능화된 그래핀의 구조를 포함하는 것을 관찰할 수 있다. 구체적으로, TEM 이미지를 통해, 0.618 nm의 d(002) 값이 관찰되는 것에 따라, 상기 복합 섬유가 MoS2를 포함하는 것을 알 수 있고, 0.326 nm의 d(002) 값이 관찰되는 것에 따라, 상기 복합 섬유가 SNG를 포함하는 것을 알 수 있다. 상기 복합 섬유의 TEM 이미지로부터, 상기 복합 섬유의 표면적은 41.2 m2/g으로 측정될 수 있다. 이에 따라, 상기 고분자 섬유 및 상기 섬유 구조체의 표면적보다 상기 복합 섬유의 표면적이 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 이는, 상기 복합 섬유가, 상기 고분자 섬유 및 상기 섬유 구조체와는 달리, 상기 기능화된 그래핀을 포함하기 때문일 수 있다.
도 14는 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 TEM 및 그로부터 측정된 EDS(electron diffraction spectroscopy)이다. 도 15는 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유에 포함된 기능화된 그래핀(S,N doped graphene)의 SEM 이미지이고, 도 16은 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유에 포함된 기능화된 그래핀의 TEM 이미지이다. 도 17은 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유에 포함된 전이금속 디칼코게나이드 시트(MoS2)의 SEM 이미지이고, 도 18은 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유에 포함된 전이금속 디칼코게나이드 시트의 EDS 이미지이고, 도 19는 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유에 포함된 전이금속 디칼코게나이드 시트의 EDS 분석 결과이다.
도 14를 참조하면, 상기 복합 섬유는, 상기 고분자 섬유가 상기 기능화된 그래핀 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트에 의해 완전히 감겨져 있는 것을 관찰할 수 있다. 또한, 상기 복합 섬유의 EDS에서 탄소(C), 질소(N), 몰리브데넘(Mo), 및 황(S) 원소가 관찰되는 것에 따라, 상기 복합 섬유가 상기 고분자 섬유, 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트, 및 상기 기능화된 그래핀을 포함하는 것을 알 수 있다.
상세하게, 도 15 및 도 16을 참조하면, 상기 기능화된 그래핀이 상기 고분자 섬유에 층상의 형태로 제공된 것을 관찰할 수 있다. 또한, 도 17 내지 도 19를 참조하면, 상기 고분자 섬유에 제공된 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트가 Mo 및 S를 포함하되, 상기 Mo 및 상기 S를 78.25 : 21.75의 원자 비로 포함하는 것을 알 수 있다.
도 20 (A)는 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유(HGCNF)의 XRD(X-ray diffraction) 그래프이고, 도 20 (B)는 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체(HGCNF/MoS2)의 XRD 그래프이고, 도 20 (C)는 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2)의 XRD 그래프이다.
도 20 (A)를 참조하면, 11.8 °에 대응하는 (100) GCN(g-C3N4) 피크, 및 27.65 °에 대응하는 (002) GCN 피크를 관찰할 수 있다. 이에 따라, 상기 고분자 섬유가 상기 GCN을 포함하는 것을 알 수 있다.
한편, 도 20 (B) 및 도 20 (C)를 참조하면, 13.96 °에 대응하는 (002) MoS2 피크, 33.06 °에 대응하는 (100) MoS2 피크, 39.37 °에 대응하는 (103) MoS2 피크, 및 58.6 °에 대응하는 (110) MoS2 피크를 관찰할 수 있다. 이에 따라, 상기 섬유 구조체 및 상기 복합 섬유가, 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트로써 상기 MoS2를 포함하는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 MoS2 피크들이 뾰족한(sharp)한 것에 따라, 상기 MoS2의 결정성이 높은 것을 알 수 있다.
하지만, 상기 섬유 구조체 및 상기 복합 섬유가, 본 발명의 실험 예에 따라 제조되어, 상기 고분자 섬유를 포함함에도 불구하고, 상기 섬유 구조체의 XRD 그래프에서 도 20 (A)와 같은 상기 고분자 섬유의 상기 GCN 피크를 관찰할 수 없다. 이는, 상기 고분자 섬유의 상기 GCN보다 상기 MoS2의 결정성이 상대적으로 더 높기 때문일 수 있다.
도 21은 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유(HGCNF), 섬유 구조체(HGCNF/MoS2), 및 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2)의광학 흡광도를 보여주는 그래프이다.
도 21을 참조하면, 상기 고분자 섬유는, 450 ㎚ 영역에서 밴드 엣지를 나타내며, 1.81 eV의 밴드 갭 에너지는 갖는 것으로 계산되었다. 상기 섬유 구조체는, 이론적으로 벌크 MoS2가 1.8 eV의 밴드 갭 에너지를 가지는 것에 의해, 550 nm 영역에서 느린 밴드 엣지를 나타내며, 상기 고분자 섬유보다 높은 흡광도를 나타낼 수 있다. 한편, 상기 복합 섬유 구조체는, 정확한 밴드 갭 에너지가 없기 때문에, 상기 고분자 섬유 및 상기 섬유 구조체보다 전체 영역에서 가장 높은 흡광도를 나타낼 수 있다.
반면에, 상기 섬유 구조체 및 상기 복합 섬유에서는 상기 고분자 섬유에서 관찰되는 피크를 발견하기 어렵다. 이는, 상기 섬유 구조체 및 상기 복합 섬유에 포함된 상기 MoS2의 양보다 상기 고분자 섬유의 양이 상대적으로 적기 때문일 수 있다. 하지만, 688 cm-1의 영역에 대응하는 MoS2의 공유 작용을 관찰할 수 있다. 이에 따라, 상기 섬유 구조체 및 상기 복합 섬유에서, C-S 신축 진동의 존재를 파악할 수 있으며, 따라서, 상기 섬유 구조체가 상기 고분자 섬유, 및 상기 MoS2를 포함하고, 상기 복합 섬유가 상기 고분자 섬유, 상기 SNG, 및 상기 MoS2를 포함하는 것을 알 수 있다.
도 22는 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 C 1s 스펙트럼이고, 도 23은 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유의 N 1s 스펙트럼이고, 도 24는 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체의 C 1s 스펙트럼이고, 도 25는 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체의 N 1s 스펙트럼이고, 도 26은 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 C 1s 스펙트럼이고, 도 27은 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 N 1s 스펙트럼이다.
도 22 내지 도 27을 참조하면, XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석을 이용해, 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유, 섬유 구조체, 및 복합 섬유의 화학 결합 에너지를 확인할 수 있다.
도 22를 통해, 284.1 eV에 대응하는 C-C 결합, 288.3 eV에 대응하는 C-(N)3 결합, 및 285.6 eV에 대응하는 C=N 결합을 관찰할 수 있다. 또한, 도 23을 통해, 397.9 eV에 대응하는 C-N=C 결합, 399.7 eV에 대응하는 N-(C)3 결합, 및 402.7 eV에 대응하는 C-NH 결합을 관찰할 수 있다. 이에 따라, 상기 고분자 섬유가 상기 GCN을 포함하는 것을 알 수 있다.
도 24를 통해, 283.9 eV에 대응하는 C-C 결합, 285.4 eV에 대응하는 C=N 결합, 및 287.6 eV에 대응하는 C-(N)3 결합을 관찰할 수 있다. 또한, 도 25를 통해, 392.9 eV에 대응하는 C-N=C 결합, 394.4 eV에 대응하는 N-(C)3 결합, 및 396.8 eV에 대응하는 및 C-NH 결합을 관찰할 수 있다. 이에 따라, 상기 섬유 구조체가 상기 고분자 섬유의 상기 GCN 및 상기 MoS2를 포함하는 것을 알 수 있다.
그러나, 상기 고분자 섬유에서보다 상기 섬유 구조체에서, C-(N)3 결합을 나타내는 피크가 상대적으로 낮은 것을 알 수 있다. 이는, 상술된 바와 같이, 상기 섬유 구조체에 포함된 상기 MoS2의 양보다 상기 고분자 섬유의 양이 상대적으로 적기 때문일 수 있다.
도 26을 통해, 283.8 eV에 대응하는 C-C 결합, 284.6 eV에 대응하는 C=N 결합, 및 287.2 eV에 대응하는 C-(N)3 결합을 관찰할 수 있다. 또한, 도 27을 통해, 394.4 eV에 대응하는 C-N=C 결합, 397.7 eV에 대응하는 N-(C)3 결합, 및 399.7 eV에 대응하는 및 C-NH 결합을 관찰할 수 있다. 이에 따라, 상기 복합 섬유가 상기 고분자 섬유의 상기 GCN, 상기 SNG, 및 상기 MoS2를 포함하는 것을 알 수 있다.
그러나, 상기 섬유 구조체와 마찬가지로, 상기 고분자 섬유에서보다 상기 복합 섬유에서, C-(N)3 결합을 나타내는 피크가 상대적으로 낮은 것을 알 수 있다. 이는, 상기 섬유 구조체와 마찬가지로, 상기 복합 섬유에 포함된 상기 MoS2의 양보다 상기 고분자 섬유의 양이 상대적으로 적기 때문일 수 있다.
이하, 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유, 섬유 구조체, 및 복합 섬유의 전기 화학적 성능 평가가 설명된다.
도 28은 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유, 섬유 구조체, 및 복합 섬유의 전기 화학적 성능 평가를 위한 램프(lamp)의 사진이다.
도 28을 참조하면, 상기 고분자 섬유, 상기 섬유 구조체, 및 상기 복합 섬유의 전기 화학적 성능을 평가하기 위해, 3원 전극 시스템(three-electrode system)을 이용할 수 있다. 상기 3원 전극 시스템의 working electrode로 GCE(glassy carbon electrode)가 이용될 수 있고, counter electrode로 graphite가 이용될 수 있으며, reference electrode로 Ag/AgCl이 이용될 수 있다.
도 29는 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유(HGCNF), 섬유 구조체(HGCNF/MoS2), 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2), 및 working electrode(GCE) 의 분극 곡선이고, 도 30은 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체(HGCNF/MoS2), 및 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2) 의 Tafel slope이다.
도 29를 참조하면, 상기 고분자 섬유, 상기 섬유 구조체, 상기 복합 섬유, 상기 working electrode, 및 상기 Pt/C의 전기 화학적 수소 발생 반응을 관찰할 수 있다. 상기 분극 곡선을 통해, 상기 working electrode는 전기 촉매 반응을 일으키기 않는 반면, 상기 고분자 섬유는 낮은 전기 촉매 반응을 나타내는 것을 알 수 있다. 한편, 상기 고분자 섬유보다 높은 전기 촉매 반응을 상기 섬유 구조체에서 관찰할 수 있고, 또한, 상기 섬유 구조체보다 높은 전기 촉매 반응을 상기 복합 섬유로부터 관찰할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 전기 화학적 특성이 가장 우수한 것을 알 수 있다.
도 30을 참조하면, 상기 섬유 구조체, 상기 복합 섬유, 및 상기 Pt/C의 HER(hydrogen evolution reaction) 메커니즘을 관찰할 수 있다. 선형의 Tafel slope은 아래 <수학식 1>에 의해 계산될 수 있다.
<수학식 1>
η = a + blog|j|
여기서, η는 과전압, a는 교환 전류 밀도, b는 타펠 경사, j는 전류 밀도를 의미할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, Tafel slope의 기울기가 작을수록, 과전압에 의한 수소 생산 속도가 빠르다는 것을 의미할 수 있다. 본 발명의 실험 예에 따르면, 상기 <수학식 1>에 따라, 상기 섬유 구조체의 Tafel slope는 116 mV/dec이고, 상기 복합 섬유의 Tafel slope는 83 mV/dec으로 계산될 수 있다. 이는, 상기 섬유 구조체보다 상기 복합 섬유의 HER 특성이 우수하다는 것을 의미할 수 있다.
이론적으로, 산성 전해질에서 HER 메커니즘은 Volmer-Heyrovsky 및 and Volmer-Tafel의 두 가지 반응으로 분류될 수 있다. Volmer-Heyrovsky 또는 Volmer-Tafel 반응은 아래 <화학식 1>로 표현될 수 있다.
<화학식 1>
H3O+ + e- → Had + H2O
Had + H3O+ + e- → H2 + H2O
2Had → H2
<화학식 1>을 참조하면, 수소 발생 반응에 의해 전기 촉매로써 활성화 정도를 살펴볼 수 있다. 이에 따라, 상기 고분자 섬유는 전기 촉매 반응을 나타내지 않는 반면, 상기 섬유 구조체는 낮은 전기 촉매 반응을 나타내는 것을 알 수 있다. 한편, 상기 복합 섬유는, 상기 섬유 구조체 보다 상대적으로 높은 전기 촉매 반응을 나타내는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 전기 화학적 특성이 가장 우수한 것을 알 수 있다.
도 31은 본 발명의 실험 예에 따른 고분자 섬유(HGCNF), 섬유 구조체(HGCNF/MoS2), 및 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2) 의 Nyquist plot이다.
도 31을 참조하면, Nyquist plot의 아크 반경(arc radius)으로부터 상기 상기 고분자 섬유, 섬유 구조체, 복합 섬유, 및 상용화된 Pt/C의 전하 이동 저항을 살펴볼 수 있다. 일반적으로, Nyquist plot의 아크 반경이 작을수록, 전하 이동이 빠른 것을 의미할 수 있다. 이에 따르면, 도 31에 도시된 바와 같이, 상기 고분자 섬유 및 상기 섬유 구조체보다, 상기 복합 섬유의 Nyquist plot의 아크 반경이 작은 것을 확인할 수 있고, 따라서, 상기 복합 섬유의 전하 이동 저항이 작다는 것을 알 수 있다. 다시 말해, 상기 복합 섬유의 전하 이동 속도가 빠르며, 이에 따라, 전기 화학적 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
도 32는 본 발명의 실시 예에 따른 고분자 섬유(HGCNF)의 전기 용량 플롯(capacitive current plot)이고, 도 33은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 구조체(HGCNF/MoS2)의 전기 용량 플롯이고, 도 34는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2)의 전기 용량 플롯이고, 도 35는 본 발명의 실시 예에 따른 고분자 섬유(HGCNF), 섬유 구조체(HGCNF/MoS2), 및 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2) 의 전기 용량 측정(capacitive current measurement) 그래프이다.
도 32 내지 도 34를 참조하면, 0 V vs. RHE(reversible hydrogen electrode, 가역 수소 전극) 내지 - 0.4 V vs. RHE 범위의 전기 용량 플롯을 통해 전기 화학적으로 활성화된 표면적 특성을 살펴볼 수 있다. 상기 전기 용량 플롯을 통해, 상기 고분자 섬유 및 상기 섬유 구조체보다 상기 복합 섬유의 전기적으로 활성화된 표면적이 넓은 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 35를 참조하면, 다양한 스캔 속도의 함수로써 0.2 V vs. RHE의 전기 용량을 살펴볼 수 있다. 도 35 그래프의 기울기를 통해, 전기 용량을 계산할 수 있다. 이에 따라, 상기 고분자 섬유의 전기 용량은 0.2 μF/cm2, 상기 섬유 구조체의 전기 용량은 2.75 μF/cm2, 및 상기 복합 섬유의 전기 용량은 6.5 μF/cm2으로 계산될 수 있다. 따라서, 상기 복합 섬유의 전기 용량이, 상기 고분자 섬유의 전기 용량 보다 약 33배 크고, 상기 섬유 구조체의 전기 용량 보다 약 2.4배 큰 것을 알 수 있다. 이를 통해, 상기 고분자 섬유, 섬유 구조체, 및 복합 섬유의 전기적으로 활성화된 표면적에 의해, 전자 경로뿐만 아니라, 전기 전도성이 향상된다는 것을 알 수 있다.
도 36은 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유(HGCNF/SNG/MoS2)의 Chronoamperometric response이고, 도 37은 3000 사이클 전 및 후의 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 편광 곡선이고, 도 38은 3000 사이클 전 및 후의 본 발명의 실험 예에 따른 복합 섬유의 Nyquist plot이다.
도 36을 참조하면, -0.16V vs. RHE의 일정 포텐셜에서 48 시간까지, 상기 복합 섬유의 전류 밀도가 안정한 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 37을 참조하면, 3000 사이클 전 및 후의 편광 곡선에서, 상기 복합 섬유의 전류 밀도에 큰 변화가 없는 것을 관찰할 수 있다. 이에 따라, 상기 복합 섬유의 전기적 안정성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 38을 참조하면, 상기 복합 섬유의 임피던스 스펙트럼이 3000 사이클 전 및 후에, 첫 번째 반원에서 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 이는, 상기 복합 섬유의 내부 경계면 저항이 감소되어 HER 활성이 우수하다는 것을 의미할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예 및 실험 예에 따른 복합 섬유의 제조 방법, 그 제조 방법으로 제조된 복합 섬유, 및 그 복합 섬유를 이용한 가스 정화 시스템에 대해 상세히 설명하였다. 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 고분자 섬유
110: GCN(graphitic carbon nitride)
120: 배어 고분자(bare) 섬유
130: 중공
200: 기능화된 그래핀
210: 그래핀
220: 황
230: 질소
300; 전이금속 디칼코게나이드 시트
310: 전이금속
320: 칼코겐
400: 복합 섬유
410: 제1 계면
420: 제2 계면
430: 제3 계면
500: 가스 정화 시스템
510: 광합성 반응부
520: 가스 포집부
530: 가스 분석부
610: 오염 가스
620: 연료 가스

Claims (12)

  1. 그래핀 산화물을 포함하는 용매를 준비하는 단계;
    GCN(graphitic carbon nitride)이 표면에 제공된 고분자 섬유를 준비하는 단계;
    칼코겐 원소를 포함하는 질소 및 황 원소를 갖는 도핑 소스를 준비하는 단계;
    Na2MoO4를 포함하는 전구체를 준비하는 단계; 및
    상기 그래핀 산화물을 포함하는 상기 용매 중에, 상기 고분자 섬유, 상기 도핑 소스, 및 상기 전구체를 혼합하고 열처리하여, 복합 섬유를 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 복합 섬유는,
    상기 GCN이 표면에 제공된 상기 고분자 섬유;
    상기 열처리에 의해, 상기 그래핀 산화물이 환원된 그래핀에, 상기 도핑 소스의 질소 및 황이 도핑된 기능화된 그래핀; 및
    상기 열처리에 의해, 상기 도핑 소스의 상기 도핑 원소 및 상기 전구체로부터 생성된 전이금속 디칼코게나이드 시트를 포함하는 복합 섬유의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 고분자 섬유를 준비하는 단계는,
    유기 용매에 고분자 물질을 첨가하고 교반하여, 고분자 소스 용액을 제조하는 단계;
    상기 고분자 소스 용액을 전기 방사하여, 배어(bare) 고분자 섬유를 제조하는 단계;
    상기 배어 고분자 섬유 내에 중공을 형성하는 단계; 및
    중공이 형성된 상기 배어 고분자 섬유의 표면 상에 상기 GCN을 형성하는 단계를 포함하는 복합 섬유의 제조 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 배어 고분자 섬유 내에 중공을 형성하는 단계는, 상기 배어 고분자 섬유에 질소를 포함하는 제1 소스 제공하고 1차 열처리하는 것을 포함하고,
    상기 GCN을 형성하는 단계는, 중공이 형성된 상기 배어 고분자 섬유에 황 및 질소를 포함하는 제2 소스를 제공하고 2차 열처리하는 것을 포함하는 복합 섬유의 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 2차 열처리하는 단계는, 상기 1차 열처리하는 단계보다 낮은 온도에서 수행되는 것을 포함하는 복합 섬유의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는, 열수처리(熱水處理)를 수행하는 것을 포함하는 복합 섬유의 제조 방법.
  7. GCN이 표면에 제공된 중공 구조의 고분자 섬유;
    상기 GCN 및 상기 고분자 섬유를 둘러싸는 전이금속 디칼코게나이드 시트; 및
    상기 전이금속 디칼코게나이드 시트와 상기 고분자 섬유 사이, 또는 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 상에 제공되고, 그래핀에 질소 및 황이 도핑된 기능화된 그래핀을 포함하되,
    상기 GCN 및 상기 기능화된 그래핀 사이의 제1 계면;
    상기 기능화된 그래핀 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 사이의 제2 계면; 및
    상기 GCN 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트 사이의 제3 계면을 포함하는 복합 섬유.
  8. 제7 항에 있어서,
    광이 조사되는 경우,
    상기 고분자 섬유의 상기 GCN의 가전도대로부터 여기된 전자가, 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트로 이동하고, 상기 기능화된 그래핀의 페르미 에너지대로 이동하는 것에 따라 광합성 효율이 증대되는 것을 포함하는 복합 섬유.
  9. 삭제
  10. 제7 항에 따른 복합 섬유를 포함하는 광합성 반응부;
    복수의 멤브레인으로 구분된 가스 포집부; 및
    상기 광합성 반응부 및 상기 가스 포집부 사이에 배치된 가스 분석부를 포함하되,
    상기 광합성 반응부에 광이 조사되는 경우, 상기 광합성 반응부로 유입된 오염 가스가, 상기 복합 섬유와 광합성 반응을 하여, 연료 가스가 생성되고, 생성된 상기 연료 가스는 상기 가스 분석부에서 분석된 후에, 상기 연료 가스의 분자 무게 순으로 상기 멤프레인에 의해 걸러져, 상기 가스 포집부에 포집되는 것을 포함하는 가스 정화 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 복합 섬유에 광이 조사되는 경우,
    상기 고분자 섬유의 상기 GCN의 가전도대로부터 여기된 전자가, 상기 전이금속 디칼코게나이드 시트로 이동하고, 상기 기능화된 그래핀의 페르미 에너지대로 이동하는 것에 따라 광합성 효율이 증대되는 것을 포함하는 가스 정화 시스템.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 연료 가스는 가벼운 순서로 상기 멤브레인에 의해 걸러져, 상기 가스 포집부에 포집되는 것을 포함하는 가스 정화 시스템.
KR1020190008044A 2018-08-30 2019-01-22 복합 섬유, 그의 제조 방법, 및 그를 포함하는 가스 정화 시스템 KR102236652B1 (ko)

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