분무열분해와 열수반응을 이용한 탄소체의 합성

Abstract

탄소체는 낮은 밀도, 화학적 안정성, 전기와 열 전도성을 갖는 물질이다. 이는 뛰어난 물리 화학적 성질 때문에 배터리와 슈퍼 커패시터의 전극소재, 흡착제, 촉매의 지지체 등 다양한 분야에 이용이 되고 있다. 탄소체의 합성을 위한 다양한 방법이 시도가 되었다. 본 연구는 분무 열분해와 열수 반응의 두 가지 방법을 이용한 탄소체의 합성에 대해 다루고 있다. 각각의 방법을 이용한 탄소체의 합성을 이해하고, 이해를 바탕으로 적절한 보완을 시도하였다. 분무 열분해를 이용한 탄소체의 합성은 대량 생산에 적합하고, 무엇보다 구형의 다공성 탄소체를 제조할 수 있는 장점이 있다. 구형의 탄소체는 확산 및 에너지 효율이 뛰어나다고 알려져 있다. 균일한 기공의 형성을 위해 최근 주형을 이용한 다공성 물질의 합성이 많은 관심을 받고 있다. 주형으로 많이 이용되는 실리카졸은 열처리 과정에서 서로 뭉치기에 형성된 기공의 크기는 균일하지 않다. 본 연구에서는 실리카졸 주형을 이용한 분무 열분해로 합성한 다공성 탄소체 제조의 시스템을 이해하고, 적절한 계면활성제를 이용하여 기공의 균일성을 확보하였다. 그리고 합성한 탄소체의 기공에 스테아르산 결정을 채워 계면활성제를 사용한 탄소체 내에 더 균일한 크기의 결정이 형성이 됨을 확인하였다. 열수 반응을 이용한 탄소체의 합성은 낮은 온도에서 가능한 방법이기에 소재의 합성을 위한 에너지 효율이 뛰어난 방법이다. 또한 저온의 합성 조건은 작용기의 손실을 줄이는 효과를 줄 수 있다. 본 연구에서는 당의 열수 반응을 이용한 탄소체의 합성에 아크릴산을 첨가하여 카르복실산의 함량이 높은 탄소체를 합성하고, 이를 셀로바이오스의 가수분해에 촉매로 이용을 하였다. 아크릴산의 사용은 카르복실산의 함량을 높여 주었고, 촉매 활성도 증가시켰다.