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문제 정의
- 본 연구는 술폰화된 bis(4-fluorophenyl)phenyl phosphine oxide(sBFPPO)를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막의 합성과 특성 분석에 관한 것으로써, 전해질 막의 구조분석, 열적 안정성 및 성능 평가를 수행하였다. 고분자 전해질막은 친수성 올리고머와 소수성 올리고머의 몰 비율을 50:50으로 하여 약 50%의 술폰 화도(DS)를 갖는 블록 코폴리머의 형태로 제조하였다.
- 본 연구에서는 과 불소계 고분자 전해질막의 결점을 보완하기 위하여 술폰화된 bis(4-fluorophenyl) phenyl phosphine oxide(BFPPO)를 포함한 고분자 전해질 막을 제조하여 이의 특성 연구를 실시하였다. 즉, 먼저 친수성 올리고머와 소수성 올리고머를 각각 합성한 후 연결자로 decafluorobiphenyl(DFBP)를 사용하여 블록 코폴리머를 합성하였다.
제안 방법
- 시료는 100℃ 오븐에 건조하여 표면의 수분을 완전히 증발시킨 상태로 측정하였다. 5 mg 이내로 시편을 제작하여 상온부터 800℃까지 10 ℃/min의 승온 속도로 온도에 따른 시료의 무게 변화를 관찰하였다.
- 1의 비율로 반응하여 말단이 -OH인 친수성 올리고머를 합성하였다. BCPS와 DHBP를 사용하여 친수성 올리고머와 동일한 공정으로 소수성 올리고머를 합성하였다. 블록 코폴리머는 친수성 올리고머와 소수성 올리고머의 몰 비율을 50:50으로 결정하고 연결자 (linker)인 DFBP를 이용해 공중합하여 제조하였다.
- Sheme 1에 나타낸 바와 같이 sBFPPO와 DHBP를 1:1.1의 비율로 반응하여 말단이 -OH인 친수성 올리고머를 합성하였다. BCPS와 DHBP를 사용하여 친수성 올리고머와 동일한 공정으로 소수성 올리고머를 합성하였다.
- Sulfonated bis(4-fluorophenyl)phenyl phosphine oxide(sBFPPO, 5 g, 15.9 mmol), 4,4’-dihydroxybenzopohenone(DHBP, 3.74 g, 17.49 mmol), 탄산칼슘(K2CO3, 4.8 g, 34.9 mmol) 그리고 DMAc(15 mL), 톨루엔(20 mL)을 둥근 플라스크에 첨가하여 친수성 올리고머를 제조했다.
- 원자간 전자 현미경은 Veeco multimode atomic force microscope와 Nanoscope IV controller 장비를 사용 했다. Tapping mode로 이미지를 관찰하였으며 전해질막의 이온클러스터 형성을 확인하기 위해 3차 증류수에서 24시간 동안 수화시킨 전해질막을 사용하였다.
- 2와 같다. 각 시료는 80℃ 진공 오븐에 24시간 동안 건조한 후 질소 분위기 하에서 상온부터 800℃까지 약 10 ℃/min의 승온 속도로 측정하였다. 합성한 블록 코폴리머는 크게 두 차례의 무게 감소(weight loss)를 관찰할 수 있었다.
- 합성한 블록 코폴리머는 DMSO 용매에 10 wt%로 완전히 용해시킨 뒤 얇은 유리판에 붓고 80℃ 진공 오븐에서 건조하였다. 건조된 고분자 막은 유리판으로부터 분리하여 90℃ 1 M의 황산(H2SO4) 용액에 3시간 동안 담근 뒤, 90℃ 3차 증류수에서 1시간 동안 표면에 남아있는 과량의 황산을 씻어주어 염 형태의 작용기를 산 형태로 치환하였다.
- 겔 투과 크로마토그래피(GPC)를 이용하여 제조한 블록 코폴리머의 평균분자량과 다분산지수(PDI)를 확인하였다. 샘플을 DMF 용매에 완전히 용해시킨 뒤 20 ㎛ 멤브레인 필터에 여과한 뒤 측정을 실시하였다.
- 본 연구는 술폰화된 bis(4-fluorophenyl)phenyl phosphine oxide(sBFPPO)를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막의 합성과 특성 분석에 관한 것으로써, 전해질 막의 구조분석, 열적 안정성 및 성능 평가를 수행하였다. 고분자 전해질막은 친수성 올리고머와 소수성 올리고머의 몰 비율을 50:50으로 하여 약 50%의 술폰 화도(DS)를 갖는 블록 코폴리머의 형태로 제조하였다. 블록 코폴리머는 핵 자기 공명 분광법을 통해 고분자주 사슬에 도입된 작용기의 변화 및 술폰화도(DS)를 확인하였다.
- BCPS와 DHBP를 사용하여 친수성 올리고머와 동일한 공정으로 소수성 올리고머를 합성하였다. 블록 코폴리머는 친수성 올리고머와 소수성 올리고머의 몰 비율을 50:50으로 결정하고 연결자 (linker)인 DFBP를 이용해 공중합하여 제조하였다. 제조한 블록 코폴리머는 block copolymer-50라고 명명하였다.
- 고분자 전해질막은 친수성 올리고머와 소수성 올리고머의 몰 비율을 50:50으로 하여 약 50%의 술폰 화도(DS)를 갖는 블록 코폴리머의 형태로 제조하였다. 블록 코폴리머는 핵 자기 공명 분광법을 통해 고분자주 사슬에 도입된 작용기의 변화 및 술폰화도(DS)를 확인하였다. 열 중량 분석법(TGA)의 측정을 통해 200℃이상의 고온조건에서 블럭코폴리머의 내열성을 증명하였고, 제조한 block copolymer-50이 Nafion-115보다 열적 안정성이 우수하다는 것을 확인하였다.
- 겔 투과 크로마토그래피(GPC)를 이용하여 제조한 블록 코폴리머의 평균분자량과 다분산지수(PDI)를 확인하였다. 샘플을 DMF 용매에 완전히 용해시킨 뒤 20 ㎛ 멤브레인 필터에 여과한 뒤 측정을 실시하였다. 측정 결과는 다음 Table 1과 같으며, 제조한 블록 코폴리머의 분자량은 10만 g/mol 이하로 확인되었다.
- 이온전도도를 확인하기 위해서 전해질막을 3 cm x 0.5 cm로 자른 뒤 90℃ 1 M의 황산(H2SO4) 용액에 한 시간 동안 전 처리 후 3차 증류수에 세 차례 세척 했다. 전해질 막은 증류수에 24시간 동안 침적시켜서 충분히 수화된 상태로 만든 후 이온전도도를 측정했다.
- 이온전도도 측정 장비는 Bekk Tech conductivity measurement system이며 four-point-probe의 방법으로 측정하였다. 전류의 흐름과 potential drop을 감지하는 백금 사이에 막을 위치시킨 상태로 분석하였으며, 30℃부터 90℃의 온도 범위에서 100% 가습 조건하에서 측정을 실시하였다. 이온전도도를 산출하는 식은 다음과 같다.
- 5 cm로 자른 뒤 90℃ 1 M의 황산(H2SO4) 용액에 한 시간 동안 전 처리 후 3차 증류수에 세 차례 세척 했다. 전해질 막은 증류수에 24시간 동안 침적시켜서 충분히 수화된 상태로 만든 후 이온전도도를 측정했다. 이온전도도 측정 장비는 Bekk Tech conductivity measurement system이며 four-point-probe의 방법으로 측정하였다.
- 제조한 블록 코폴리머의 모폴로지(morphology) 형성이 전해질막의 성능과 어떠한 연관이 있는지 확인하기 위하여 AFM 분석을 수행하였다. 전해질 막이 함습 시 친수성 영역과 소수성 영역의 미세 상분리를 관찰하고자 샘플을 24시간 동안 충분히 수화 시킨 뒤 이미지를 측정하였다. Fig.
- 제조한 고분자 전해질 막의 열적 안정성은 thermal analysis system(Q50, TA instrument)를 사용하여 실시하였다. 시료는 100℃ 오븐에 건조하여 표면의 수분을 완전히 증발시킨 상태로 측정하였다.
- 즉, 먼저 친수성 올리고머와 소수성 올리고머를 각각 합성한 후 연결자로 decafluorobiphenyl(DFBP)를 사용하여 블록 코폴리머를 합성하였다. 제조한 블록 코폴리머는 구조분석, 열적 안정성, 이온전도도 등을 측정해서, 고분자 전해질 막으로서의 성능을 평가하였다.
- 고분자 전해질 막의 이온전도성은 전해질 막이 이온 클러스터의 크기, 밀집도, 수 같은 표면 특성에 따라 좌우된다. 제조한 블록 코폴리머의 모폴로지(morphology) 형성이 전해질막의 성능과 어떠한 연관이 있는지 확인하기 위하여 AFM 분석을 수행하였다. 전해질 막이 함습 시 친수성 영역과 소수성 영역의 미세 상분리를 관찰하고자 샘플을 24시간 동안 충분히 수화 시킨 뒤 이미지를 측정하였다.
- 본 연구에서는 과 불소계 고분자 전해질막의 결점을 보완하기 위하여 술폰화된 bis(4-fluorophenyl) phenyl phosphine oxide(BFPPO)를 포함한 고분자 전해질 막을 제조하여 이의 특성 연구를 실시하였다. 즉, 먼저 친수성 올리고머와 소수성 올리고머를 각각 합성한 후 연결자로 decafluorobiphenyl(DFBP)를 사용하여 블록 코폴리머를 합성하였다. 제조한 블록 코폴리머는 구조분석, 열적 안정성, 이온전도도 등을 측정해서, 고분자 전해질 막으로서의 성능을 평가하였다.
- 합성된 블록 코폴리머의 중합 여부를 판단하기 위하여 핵 자기 공명 스펙트라( 1H-NMR) 분석을 실시하였다. Fig.
- 5 ppm 부근의 낮은 장에서 관찰되었다. 합성한 블록 코폴리머의 술폰 화도(DS)는 고분자 주 사슬에 치환된 술폰산기 인근의 수소와 기준물질의 면적비로부터 예측하였다[6].
- 합성한 올리고머와 블록 코폴리머의 합성 여부를 확인하기 위한 수단으로 구조 분석을 수행하였다. 핵자기 공명 분광 스펙트라는 JNM-EX600 instrument (JEOL Ltd.
대상 데이터
- Bis(4-fluorophenyl)phenyl phosphineoxide(BFPPO), 4,4’-dihydroxybenzophenone(DHBP, 98% Alfa Aeser Inc.), bis(4-chlorophenyl)sulfone(BCPS, 99% Alfa Aeser Inc.), decafluorobiphenyl(DFBP, 99% Sigma-Aldrich Inc.), 발연황산(fuming sulfuric acid, 30% Sigma-Aldrich Inc.), 톨루엔(anhydrous, 99% Sigma-Aldrich Inc.), N,N-dimethylacetamide(anhydrous, 99% Sigma-Aldrich Inc.), 탄산칼륨(K2CO3, pottasium carbonate, anhydrous, SamChun Chemical Inc.), 염화나트륨(NaCl, anhydrous, 99.5% SamChun Chemical Inc.), 수산화나트륨(NaOH, DaeJung Chemical Inc.), dimethyl sulfoxide(DMSO, DaeJung Chemical Inc.) 그리고 3차 증류수를 실험에 사용하였다.
이론/모형
- 블록 코폴리머의 열적 안정성의 확인은 열 중량 분석법(TGA)의 측정으로 확인하였으며, 그 결과는 다음 Fig. 2와 같다. 각 시료는 80℃ 진공 오븐에 24시간 동안 건조한 후 질소 분위기 하에서 상온부터 800℃까지 약 10 ℃/min의 승온 속도로 측정하였다.
- 전해질 막은 증류수에 24시간 동안 침적시켜서 충분히 수화된 상태로 만든 후 이온전도도를 측정했다. 이온전도도 측정 장비는 Bekk Tech conductivity measurement system이며 four-point-probe의 방법으로 측정하였다. 전류의 흐름과 potential drop을 감지하는 백금 사이에 막을 위치시킨 상태로 분석하였으며, 30℃부터 90℃의 온도 범위에서 100% 가습 조건하에서 측정을 실시하였다.
- 합성한 올리고머와 블록 코폴리머의 합성 여부를 확인하기 위한 수단으로 구조 분석을 수행하였다. 핵자기 공명 분광 스펙트라는 JNM-EX600 instrument (JEOL Ltd.)를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- 합성한 블록 코폴리머는 크게 두 차례의 무게 감소(weight loss)를 관찰할 수 있었다. 1차 무게 손실 구간인 200℃ ~ 230℃ 범위는 막에 도입된 술폰산기가 주 사슬로부터 분해되는 온도이며, 두 번째 무게 감소 구간인 500℃ 부근은 고분자 주 사슬이 분해되는 온도로 확인되었다. 블록 코폴리머에 도입된 술폰산기의 함량이 증가할수록 분해 시작 온도와 커브의 크기가 커지는 것을 확인하였다.
- 열 중량 분석법(TGA)의 측정을 통해 200℃이상의 고온조건에서 블럭코폴리머의 내열성을 증명하였고, 제조한 block copolymer-50이 Nafion-115보다 열적 안정성이 우수하다는 것을 확인하였다. 또한 block copolymer-50은 일정한 습도에서 온도의 상승에 따라이온전도도의 성능이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 술폰산기의 응집체인 친수성기의 이온클러스터가 온도에 증가함에 의하여 낮은 활성화 에너지를 갖기 때문이라고 판단하였다.
- 1차 무게 손실 구간인 200℃ ~ 230℃ 범위는 막에 도입된 술폰산기가 주 사슬로부터 분해되는 온도이며, 두 번째 무게 감소 구간인 500℃ 부근은 고분자 주 사슬이 분해되는 온도로 확인되었다. 블록 코폴리머에 도입된 술폰산기의 함량이 증가할수록 분해 시작 온도와 커브의 크기가 커지는 것을 확인하였다. Block copolymer-50의 5% 무게 감소가 270℃에서 나타났으며 Nafion-115 보다 첫 번째 무게 감소 구간이 늦게 발생하였다.
- 블록 코폴리머는 핵 자기 공명 분광법을 통해 고분자주 사슬에 도입된 작용기의 변화 및 술폰화도(DS)를 확인하였다. 열 중량 분석법(TGA)의 측정을 통해 200℃이상의 고온조건에서 블럭코폴리머의 내열성을 증명하였고, 제조한 block copolymer-50이 Nafion-115보다 열적 안정성이 우수하다는 것을 확인하였다. 또한 block copolymer-50은 일정한 습도에서 온도의 상승에 따라이온전도도의 성능이 증가하는 것을 확인하였다.
- Block copolymer-50의 5% 무게 감소가 270℃에서 나타났으며 Nafion-115 보다 첫 번째 무게 감소 구간이 늦게 발생하였다. 이처럼 첫 번째 무게 감소 구간은 술폰산기의 함량에 의존하며, 열분해 시 desulfonation이 열적 안정성에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 500℃ 부근의 두 번째 무게 감소 영역은 고분자 주 사슬의 분해로 인해 관찰되는 것 이라고 판단 하였다[9,10].
- 이는 술폰산기의 응집체인 친수성기의 이온클러스터가 온도에 증가함에 의하여 낮은 활성화 에너지를 갖기 때문이라고 판단하였다. 제조한 고분자 전해질 막의 표면 특성은 원자간 전자 현미경(AFM)의 이미지를 관찰함으로써 확인하였으며, 함습 과정에서 친수성 부분과소수성 부분의 미세 상 분리로 인한 극명한 명암차이를 관찰할 수 있었다.
- 3에서 나타내었다. 제조한 블록 코폴리머의 이온전도도는 온도가 상승함에 따라 수치가 증가하는 양상을 보였고, 90℃에서 58 mS/cm의 이온전도도 값을 나타내었다. 온도가 증가는 양이온의 이동을 위한 활성화 에너지의 감소 효과를 주기 때문에 이온전도도의 상승에 영향을 미쳤다고 판단할 수 있다.
- Block copolymer-50보다 높은 이온전도도를 보인 Nafion은 수분함량이 20% 이상일 때 가장 우수한 성능을 보인다고 알려져 있다. 함수율은 크게 차이가 나지 않지만 block copolymer-50보다 Nafion의 이온 교환능이 높기 때문에 이온전도도 또한 Nafion이 우수하다고 판단하였다.
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