선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 EDLC용 전극으로써 피치계 활성탄소섬유의 열처리 온도에 따른 전기화학적 특성 변화를 알아보았다. 각각의 조건에서 열처리한 활성탄소섬유는 결정화도 변화의 큰 차이가 없이 비슷하였으나, 열처리 과정으로 탄소 외의 원소가 탈리되고, 활성탄소섬유의 수축이 일어나 구성 성분 및 기공특성에 변화를 나타내었다.
- 본 연구에서는 활성탄소섬유의 열처리 온도가 기공특성 및 비표면적, 구성 원소 성분 그리고 결정화도에 어떠한 영향을 주는지에 관하여 알아보고, 이러한 특성 변화가 전기화학적 특성에 미치는 영향에 대하여 고찰하고자 한다.
제안 방법
- 이렇게 제조된 슬러리를 바 코팅방법으로 Ti 판에약 100 µm 두께로 코팅 후 건조하였다. 그 후 핫 프레스를 이용하여 150℃에서 20 MPa의 압력으로 압착하여 전극을 제조하여 전기화학적 특성을 분석하였다. 제조된 전극의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 computer-controlled potentiostat/galvanostat (Ivium Technologies, Netherlands) 를 이용하여 삼전극방법으로 분석을 실시하였다.
- 따라서 본 실험에서는 전극재로 사용한 피치계 활성탄소섬유의 열처리 온도에 따른 기공특성 변화에 대한 고찰이 매우 중요하다. 기공특성은 -196.15 ℃에서 질소의 흡ㆍ탈착을 통하여 제조된 시료의 비표면적, 기공 구조, 그리고 기공분포도를 조사하였고 그 결과를 Figures 4, 5 및 Table 4에 나타내었다. Figure 4는 열처리 온도에 따른 피치계 활성탄소섬유의 N2-흡착등온선으로 IUPAC 에서 명시한 6가지의 흡착등온선 중 TypeⅠ, Ⅳ의 혼합 형태로 보여 진다.
- EDLC의 연구에서 EDLC가 고용량 및 고출력을 발현하기 위해서는 다양한 전기화학적 특성 평가 중 비정전용량의 평가가 중요한 항목으로 강조되고 있다. 따라서 본 실험에서는 0~1 V의 전압범위에서 각각 5, 50 mV/s의 전위주사 속에서 CV측정 방법을 통하여 열처리 온도에 따른 피치계 활성탄소섬유의 전기화학적 특성을 확인하였으며, 측정한 CV 그래프와 비정전용량 값을 각각 Figure 6와 Table 5에 나타내 었다. 일반적으로 다공성 탄소전극의 CV 그래프는 전위를 인가시켰을 때 초기에는 전류가 급격히 증가하다가 점점 증가폭이 감소하고, 전위를 감소시켰을 때 초기 전류는 급격한 변화량을 보이다가 변화폭이 점점 감소하여 기울어진 직사각형 형태로 나온다[27].
- 제조된 전극의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 computer-controlled potentiostat/galvanostat (Ivium Technologies, Netherlands) 를 이용하여 삼전극방법으로 분석을 실시하였다. 작업전극으로 제조된 활성탄소섬유 전극, 기준전극으로 Ag│AgCl, 상대전극으로 Pt 전극을 이용하였고, 순환전압전류법(Cyclic voltammetry, CV)을 이용한 측정은 1 M H2SO4 용액을 전해질로 하여 0~1 V의 범위에서 각각 5, 50 mV/s의 전위주사속도로 실시하였다[16]
- 제조된 활성탄소섬유의 탄소, 산소, 수소 및 질소 원소 함량비를 알아보기 위해 자동원소분석기(Thermo Fisher Scientific Co., Flash EA 1112 series)를 이용하여 분석하였고, 활성탄소섬유의 표면 산소 관능기 변화를 알아보기 위해 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, MultiLab 2000, Thermo) 분석을 실시하였다. 또한 활성탄소섬유의 열처리 온도에 따른 결정화도의 변화를 확인하기 위해 X-ray diffraction (XRD, D/MAX-2200 Ultima/PC, Rigaku international Corp.
- 5 ℃/min의 승온속도로 800 ℃에서 3 h 동안 질소가스를 100 cc/min으로 주입하여 활성화하였다[15]. 활성화 섬유를 각각 질소 분위기에서 1050, 1450 ℃로 열처리하여 활성탄소섬유를 제조하였다. 활성화 공정만 시행된 샘플을 ACF-800으로 명명하였으며 ACF-800을 1050, 1450 ℃에서 열처리한 샘플을 각각 ACF-1050H, 그리고 ACF-1450H으로 명명하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 원유 정제 공정 후의 잔사유인 PFO를 열처리하여 제조한 연화점 250 ℃의 피치를 용융방사한 방사섬유를 280 ℃에서 안정화하여 다공성 탄소재료의 전구체로 사용하였다. 다공성 탄소재료 제조를 위한 활성화제로써 고상의 수산화칼륨(KOH, 95.0%, SAMCHUN, Korea)을 사용하였고, 전극제조를 위한 결합제로는 Poly vinylidene fluoride (PVDF, Mw 534,000, Aldrich, USA), 도전제로는 Carbon black (CB, super P, Timcal Ltd., Switzerland), 점도조절제로는 1-Methyl-2- pyrrolidinone (NMP, 99.5%, Aldrich, USA)을 사용하였다.
- 본 논문에서는 원유 정제 공정 후의 잔사유인 PFO를 열처리하여 제조한 연화점 250 ℃의 피치를 용융방사한 방사섬유를 280 ℃에서 안정화하여 다공성 탄소재료의 전구체로 사용하였다. 다공성 탄소재료 제조를 위한 활성화제로써 고상의 수산화칼륨(KOH, 95.
이론/모형
- Figure 5. Pore size distributions of the activated carbon fiber samples calculated using the DFT method.
- , Flash EA 1112 series)를 이용하여 분석하였고, 활성탄소섬유의 표면 산소 관능기 변화를 알아보기 위해 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, MultiLab 2000, Thermo) 분석을 실시하였다. 또한 활성탄소섬유의 열처리 온도에 따른 결정화도의 변화를 확인하기 위해 X-ray diffraction (XRD, D/MAX-2200 Ultima/PC, Rigaku international Corp., Japan)을 통하여 평가하였으며, 비표면적 및 기공특성을 확인하기 위하여 ASAP 2020 (Micromeritics Ins. Corp.)을 이용해 분석을 실시하였다. 모든 샘플은 150 ℃에서 전처리를 실시하고, -196.
- 15 ℃에서 질소기체의 흡착 및 탈착을 통하여 분석하였다. 비표면적 및 미세기공 부피는 각각 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 방법과 t-plot 방법을 이용한 계산을 통하여 평가하였고, 기공분포도는 밀도함수이론(density functional theory, DFT)을 이용한 계산을 통하여 평가하였다.
- 그 후 핫 프레스를 이용하여 150℃에서 20 MPa의 압력으로 압착하여 전극을 제조하여 전기화학적 특성을 분석하였다. 제조된 전극의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 computer-controlled potentiostat/galvanostat (Ivium Technologies, Netherlands) 를 이용하여 삼전극방법으로 분석을 실시하였다. 작업전극으로 제조된 활성탄소섬유 전극, 기준전극으로 Ag│AgCl, 상대전극으로 Pt 전극을 이용하였고, 순환전압전류법(Cyclic voltammetry, CV)을 이용한 측정은 1 M H2SO4 용액을 전해질로 하여 0~1 V의 범위에서 각각 5, 50 mV/s의 전위주사속도로 실시하였다[16]
성능/효과
- 각각의 조건에서 열처리한 활성탄소섬유는 결정화도 변화의 큰 차이가 없이 비슷하였으나, 열처리 과정으로 탄소 외의 원소가 탈리되고, 활성탄소섬유의 수축이 일어나 구성 성분 및 기공특성에 변화를 나타내었다. 기공특성 변화에 관한 결과로부터 보다 큰 크기의 미세공과 중간세공 증가했음을 확인하였고, 이러한 기공특성 변화는 전기화학적 특성의 향상에 기여 하였다. 본 실험 조건에서 가장 높은 온도에서 열처리한 ACF-1450H은5 mV/s 전위주사속도에서의 비정전용량은 163 F/g으로 ACF-800과 비교하여 약 163%의 용량 증대 효과를 나타냈다.
- 66의 값을 갖는데, 이는 활성탄소섬유에 존재하던 질소원소가 열처리에 의하여 1050 ℃ 부근에서 탈리된 것이고 1450 ℃ 부근에서부터 실험 중 흘려준 질소가스가 분해되어 활성탄소섬유에 결합된 것으로 보인다. 또한, 활성탄소섬유의 열처리 온도가 증가함에 따라 H/C 의 비율이 감소하는 것으로 보아 본 실험 조건에서 온도가 증가함에 따라 활성탄소섬유의 방향족화도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 제조된 활성탄소섬유의 기공특성을 상세히 알아보기 위하여 기공크기 분포를 DFT식을 이용하여 분석한 결과 그래프를 Figure 5에 나타내었다. 모든 샘플은 주로 직경이 1 nm 이하인기공이 존재하고, 기공 직경이 0.6 nm 이하의 영역에서는 열처리 온도가 증가할수록 미세공의 분포가 감소하였다. 반면에 기공 직경이 1 nm 이상의 영역에서는 열처리 온도가 증가할수록 기공이 발달하였다.
- 기공특성 변화에 관한 결과로부터 보다 큰 크기의 미세공과 중간세공 증가했음을 확인하였고, 이러한 기공특성 변화는 전기화학적 특성의 향상에 기여 하였다. 본 실험 조건에서 가장 높은 온도에서 열처리한 ACF-1450H은5 mV/s 전위주사속도에서의 비정전용량은 163 F/g으로 ACF-800과 비교하여 약 163%의 용량 증대 효과를 나타냈다. 이러한 결과로부터 열처리 온도에 따른 기공 특성의 변화가 전기화학적 특성에 영향을 주는 것을 확인하였고, 본 실험 조건에서는 활성탄소섬유의 열처리 온도가 증가할수록 전기화학적 특성이 향상되었음을 확인하였다.
- C는 정전용량, w는 활물질의 무게, i는 시간의 경과(dt)에 따른 전류, 그리고 V는 인가한 전압의 변화량을 나타낸다. 본 실험에서 제조된 피치계 활성탄소섬유는 열처리 온도가 증가함에 따라 비정전용량이 증가하는 것으로 나타났고 ACF-1450H이 5 mV/s의 전위주사속도에서 119 F/g, 50 mV/s의 전위주사속도에서 111 F/g으로 가장 큰 비 정전용량을 가졌다. 이는 기공특성 변화에서 알아보았듯이 피치계 활성탄소섬유의 열처리 온도가 증가함에 따라 활성탄소섬유가 수축하면서 기공특성에 변화를 주어 미세공과 중간세공 및 비표면적이 증가하였기 때문에 전극과 전해질 사이의 전기이중층에서 이온 흡ㆍ탈착이 더욱 용이했을 것이라고 사료된다.
- 본 실험 조건에서 가장 높은 온도에서 열처리한 ACF-1450H은5 mV/s 전위주사속도에서의 비정전용량은 163 F/g으로 ACF-800과 비교하여 약 163%의 용량 증대 효과를 나타냈다. 이러한 결과로부터 열처리 온도에 따른 기공 특성의 변화가 전기화학적 특성에 영향을 주는 것을 확인하였고, 본 실험 조건에서는 활성탄소섬유의 열처리 온도가 증가할수록 전기화학적 특성이 향상되었음을 확인하였다.
- 12%로 감소하였다. 이에 따라, 탄소원소 함량 대비 산소원소의 함량과 수소원소의 함량도 열처리 온도가 증가 함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 이는 활성탄소섬유의 열처리 온도가 증가할수록 활성탄소섬유에 결합되어있던 산소원소와 수소원소가 탈리되어 산소 및 수소원소의 함량이 감소하여 활성탄소섬유의 탄소원소의 함량 비율이 증가한 것으로 사료된다[17].
- 제조된 활성탄소섬유는 열처리 온도가 증가하여도 26°와 43°에서의 피크가 큰 변화가 없는 것으로 보아 활성탄소섬유의 결정화도는 본 실험 조건에서의 열처리 온도에 큰 영향을 받지 않는 것으로 보여진다.
- 4 이상에서 히스테리시스가 보이는 것을 확인하였다[24,25]. 특히 본 논문에서 열처리 온도가 증가할수록 흡착량이 증가하는 것과 히스테리시스의 형태가 더 발달하는 것으로 보아 열처리 온도가 증가하면 피치계 활성탄소섬유의 중간세공의 분포가 증가 되는 것으로 사료된다. 제조된 활성탄소섬유의 기공특성을 상세히 알아보기 위하여 기공크기 분포를 DFT식을 이용하여 분석한 결과 그래프를 Figure 5에 나타내었다.
- 3 eV의 결합에너지에서 각각 O(1), O(2), O(3) 그리고 O(4) 네 가지 피크로 분할되었고, 각각의 피크는 O=C, O-C, R-O*-C=O 그리고 O*=C-OH의 결합을 의미한다[19]. 특히, 본 실험 조건에서 제조된 활성탄소섬유의 열처리 온도가 증가할수록 산소원소의 함유량이 감소하고 산소 관능기의 비율 또한 변화되는데, 산소 관능기 중 O=C (퀴논형) 관능기가 20.9%에서 25.7, 29.3%로 함량율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 열처리 온도가 증가함에 따라 O=C 관능기 외의 산소 관능기가 해리되면서 O1s의 비율에 변화가 일어나지만 O=C 관능기는 결합력이 강하므로 해리되기 어려워 상대적인 비율이 증가한 것이다.
- Table 4는 피치계 활성탄소섬유의 열처리 온도에 따른 비표면적 및 기공 특성 변화 값을 나타낸 것이다. 피치계 활성탄소섬유의 열처리 온도가 증가할수록 비표면적, 총 기공부피 및 미세공, 중간세공 부피가 증가하는 경향을 보였고, ACF-1450H은 비표면적이 987 m2/g, 총기공부피가 0.51 cm3/g, 미세공 및 중간세공 부피가 각각 0.43, 0.08 cm3/g으로 제조된 샘플 중에서 가장 높은 값을 가졌다. 이는 피치계 활성탄소섬유의 열처리 온도 상승에 따라 활성탄소섬유의 산소 및 수소 등의 비탄소 계열 분자들이 탈리되어 활성탄소섬유의 수축을 유도한 것으로 보인다[26].
- Table 1은 열처리 온도에 따라 제조된 피치계 활성탄소섬유의 원소 분석(Elemental Analysis, EA) 결과를 정리한 것이다. 활성탄소섬유의 열처리 온도가 증가할수록 탄소원소의 함량은 66.30%에서 82.46%로 증가하였으며 산소원소의 함량은 14.36%에서 1.74%로 감소하였고 수소원소의 함량도 1.10%에서 0.12%로 감소하였다. 이에 따라, 탄소원소 함량 대비 산소원소의 함량과 수소원소의 함량도 열처리 온도가 증가 함에 따라 감소하는 경향을 보였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.