[논문]그래핀 옥사이드의 환원 반응에 적용되는 3종류 환원제에 관한 비교 연구

박노일; 박완수; 이슬비; 이성민; 정대원

doi:10.14478/ace.2014.1127

그래핀 옥사이드의 환원 반응에 적용되는 3종류 환원제에 관한 비교 연구
Comparative Studies on Three Kinds of Reductants Applicable for the Reduction of Graphene Oxide 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.26 no.1, 2015년, pp.99 - 103

박노일 (수원대학교 공과대학 신소재공학과) , 박완수 (수원대학교 공과대학 신소재공학과) , 이슬비 ((주)에버켐텍) , 이성민 ((주)에버켐텍) , 정대원 (수원대학교 공과대학 신소재공학과)

초록
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본 연구에서는, 그래핀 옥사이드(GO)의 환원에 가장 보편적으로 사용되는 3종류의 환원제를 사용하여 환원 그래핀 옥사이드(RGO)를 제조하였다. 합성된 3종류 RGO의 화학적 구조를 비교/분석하여 구조적 특징에 따른 전도도 및 분산성의 차이를 고찰하였다. Ethylene glycol을 사용한 경우에는 환원도가 낮고 전도도도 상대적으로 낮았다. 반면에 hydrazine과 thiourea dioxide (TU)를 사용하여 합성한 RGO에서는 환원 정도, 전도도 및 물에서의 분산성 등에 차이가 거의 없었다. 그러나 N-methylpyrrolidone에서의 분산성은 TU에 의해 합성된 RGO에서 가장 우수하여 4개월 후에도 안정적인 분산액을 유지하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We conducted reduction reactions of graphene oxide (GO) using three selected reductants. The conductivity and solubility of three kinds of the reduced graphene oxides (RGOs) were examined based on the degree of reduction. When the ethylene glycol (EG) was used as a reductant, the reduction reaction did not sufficiently progress and as a result the conductivity of RGOs was observed to be relatively low. For RGOs made by hydrazine (HZ) and thiourea dioxide (TU), we observed no significant differences in the degree of the reduction, conductivity and dispersity in water. However, RGO prepared by TU showed an exceptionally good solubility in N-methylpyrrolidone, and the solution was stable for more than 4 months.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

본 논문에서는, 독성이 없으며 실온에서도 환원반응이 가능하여 주목을 받고 있는 thiourea dioxide (TU)[10,11] 및 환경친화적 양자성 용매(protic solvent)이며 마일드한 환원제인 ethylene glycol (EG)[12]을 환원제로 사용하여 각각의 RGO를 제조하고 GO의 환원 반응에 가장 보편적으로 사용되어지는 HZ에 의하여 합성된 RGO와 비교/검토하여 각각의 구조적 특징 및 그에 따른 분산성의 차이를 고찰하였다

대상 데이터

환원제로 사용된 hydrazine monohydrate (80.0%)와 ethylene glycol(99.5%)은 Samchun으로부터 구입하여 사용하였으며, thiourea dioxide(≥ 98.0%)는 Sigma Aldrich로부터 구입하였다. RGO-TU반응에 필요한 potassium hydroxide (≥ 85%)는 Junsei로부터 구입하였다.

이론/모형

RGO-TU반응에 필요한 potassium hydroxide (≥ 85%)는 Junsei로부터 구입하였다. GO는 Modified Hummer’s Method[13]를 약간 수정하여 제조하였다[14].

성능/효과

또한 3종류 RGO의 수분산성 역시 환원 정도에 따른 차이를 보여서 RGO-EG에서 가장 분산성이 좋은 것으로 나타났다. 그러나 NMP에서의 분산성은 RGO-TU에서 가장 우수하여 4달이 지난 후에도 안정적인 분산액을 유지하였다. 이와 같은 결과는, 열악한 분산성 때문에 활용이 제한되어 있었던 RGO의 한계를 극복할 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.
0 × 10^-3 S/cm로 매우 낮게 나타났다. 또한 3종류 RGO의 수분산성 역시 환원 정도에 따른 차이를 보여서 RGO-EG에서 가장 분산성이 좋은 것으로 나타났다. 그러나 NMP에서의 분산성은 RGO-TU에서 가장 우수하여 4달이 지난 후에도 안정적인 분산액을 유지하였다.
세 종류의 환원제를 사용하여 합성한 RGO의 구조를 XPS, IR 및 Raman을 통하여 분석한 결과, RGO-HZ 및 RGO-TU에서는 거의 비슷한 정도로 환원이 일어났으나 EG의 경우에는 환원도가 낮은 것으로 나타났다. 또한 이와 같은 환원 정도는 RGO의 전도도에도 반영이 되어 RGO-HZ와 RGO-TU에서는 각각 6.

후속연구

그러나 NMP에서의 분산성은 RGO-TU에서 가장 우수하여 4달이 지난 후에도 안정적인 분산액을 유지하였다. 이와 같은 결과는, 열악한 분산성 때문에 활용이 제한되어 있었던 RGO의 한계를 극복할 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그래핀이란 무엇인가?	그래핀(graphene)은 탄소 원자들이 sp2 결합으로 벌집모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질로서, 열적, 기계적 특성 또한 매우 우수하여 최근에 가장 주목을 받고 있는 신소재이다[1-3]. 그래핀을 제조하는 방식은 bottom-up 및 top-down으로 크게 나눌 수 있으며, bottom-up 방식은 탄소 원자로부터 그래핀을 조립하는(build) 방식이며, top-down 방식은 흑연에서부터 그래핀 층을 뽑아내는(extract) 방식이다.
	top-down 방식의 특징은 무엇인가?	그래핀을 제조하는 방식은 bottom-up 및 top-down으로 크게 나눌 수 있으며, bottom-up 방식은 탄소 원자로부터 그래핀을 조립하는(build) 방식이며, top-down 방식은 흑연에서부터 그래핀 층을 뽑아내는(extract) 방식이다. 후자의 경우에는, 그래핀 각 층 사이의 강한 ππ interaction 때문에 그래핀 층을 뽑아내는 것이 용이하지 않으므로 흑연을 산화시킨 산화물(graphene oxide, GO) 형태로 만든 후, 이를 환원시켜 환원 GO (reduced GO, RGO)로 변형시키는 방식이 일반적이다.
	GO의 환원 반응을 위해서 일반적으로 어떤 방식이 사용되는가?	GO의 환원 반응을 위해서는 환원제가 필요하며 가장 일반적으로는 hydrazine (HZ)을 사용하는 방식이다[4]. 이외에도 화학반응에서 환원제로 사용되어온 다양한 물질들이 GO의 환원 반응에 적용하는 연구가 지속적으로 진행되어 왔다.

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