수퍼캐패시터로의 적용을 위한 폴리아닐린/다중벽 탄소나노튜브 복합체 합성

Abstract

폴리아닐린(PANI)은 Leucoemeraldine에서 Emeraldine을 거쳐 Pernig -aniline에 이르는 산화환원 상태를 갖는다. 이때 전이반응은 가역적이며 외부 전위 인가에 의해 충방전 반응으로 응용할 수 있다. 또한 이온성 유기 도판트에 의한 도핑이 가능하다는 점은 수퍼캐패시터로의 구현을 가능하게 했다. 전도성 고분자로부터 효율적인 전하 수송을 위한 도전체로 다중벽탄소나노튜브를 선택하였으며, 합성 전 수용액 상의 분산성을 높이고 아닐린과의 이온결합을 통한 아닐륨 염 형성을 유도하기 위해 폴리스티렌설폰산을 튜브표면에 라디칼 중합을 통하여 그래프트하였다. 그래프트된 튜브는 표면에 흡착된 고분자 층의 영향으로 비표면적은 줄었지만, 친수성기인 설폰기의 영향으로 함수율이 크게 증가하였다. 복합체의 합성을 위해 그래프트된 다중벽탄소나노튜브(MWCNT- PSSA)를 증류수에 분산 후 이를 아닐린 분산액과 혼합 후 암모늄퍼설페이트를 주입하여 산화환원 중합을 수행하였다. 이때 그래프트된 MWCNT-PSSA의 복합체와의 비교를 위해 산처리된 탄소나노튜브(c-MWCNT)를 사용하여 복합체에 적용하였다. MWCNT-PSSA를 혼입하였을 경우 폴리아닐린의 무게중합수율이 상대적으로 높았으며, 함수율도 c-MWCNT를 사용하였을 경우보다 높았다. 모폴로지 상에서도 MWCNT- PSSA를 사용한 경우 다량의 PANI의 표면 흡착을 확인하였으며, 입자 형태가 아닌 다발 형태의 망상 구조를 띄고 있는 것을 확인하였다. 폴리아닐린의 산화환원반응을 관찰하고 전기 용량을 구하기 위해 Cyclic Voltametry를 사용하였다. PANI의 함량이 낮은 경우 Cyclic Voltagram은 산화환원에 의한 굴곡이 거의 없는 대칭형 모양을 나타냈다. 그러나 폴리아닐린 함량이 높은 경우 산화 곡선 상에서는 Leucoemeraldine으로부터 Emeraldine이나 Perniganiline으로의 전이를 나타내는 굴곡이 관찰되었으며 MWCNT-PSSA를 복합체에 혼입한 경우 전이가 빨랐고 보다 낮은 전위에서 발생함을 확인하였다. 결과적으로 PANI와 MWCNT-PSSA의 복합체를 전극 활물질로 하는 전해성 수퍼캐패시터는 황산 전해질 내에서 10mV/s 의 주사 속도 기준으로 약 500F/g의 전기 용량을 나타냈다.; For the dispersion of multiwall carbon nanotube in aqueous media before the polymerization of aniline, polystyrenesulfonic acid was grafted on the surface of MWCNT through the radical polymerization (MWCNT-PSSA). In the comparison with carboxylated MWCNT (c-MWCNT), MWCNT-PSSA exhibited smaller specific surface area, However, it has high water uptakability due to the hydrophilic sulfonyl group and thermal stability by the effect of less defect sites. Because of the existence of sulfonyl group on the graft, the yield of polyaniline (PANI) was higher than the composite with c-MWCNT at the synthetic condition with low content of aniline. Capacitor in acidic aqueous electrolyte system was prepared using the working electrode by the deposition of PANI/MWCNT-PSSA on ITO glass and the Pt counter electrode. In this capacitor system, hybridized capacity between EDLC type capacity and pseudo capacity could be observed. At the optimum synthesis ratio of aniline and MWCNT-PSSA, the specific capacity calculated from cyclic voltagram was approximately 500 F/g.