[논문]그래핀 기반 기체 분리막의 연구동향 및 전망

유병민; 박호범

doi:10.14579/membrane_journal.2017.27.3.216

그래핀 기반 기체 분리막의 연구동향 및 전망
Current Status and Perspectives of Graphene-based Membranes for Gas Separation 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.27 no.3, 2017년, pp.216 - 225

초록
AI-Helper

원자 수준의 두께를 가지는 그래핀 단일층이 흑연으로부터 박리되어 구현된 이래로, 그래핀은 2차원 소재의 활용 가능성을 연 물질로서 각광받고 있으며, 그래핀 고유의 뛰어난 물리적 특성으로 인하여 활발히 연구되고 있다. 특히 분리막 분야는 그래핀과 산화 그래핀이 활용 가능한 가장 중요한 분야 중의 하나로서, 최근의 다양한 시뮬레이션 연구를 통하여 그 가능성이 입증되고 있다. 그래핀과 산화 그래핀은 원자 수준의 얇은 두께, 뛰어난 기계적 강도, 높은 수준의 내화학성, 기공생성이 가능한 2차원 구조 또는 기체 확산 유로 생성이 가능한 적층 구조 등 분리막 소재로서 매우 유리한 특성들을 보유하고 있음이 밝혀졌다. 본 총설에서는 그래핀과 산화 그래핀의 고유 특성을 기반으로 기체 분리막 분야로의 응용 가능성과 현재까지의 개발 현황 및 향후 전망에 대하여 논하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Since the experimental proof of one-atom-thick graphene single layer from graphite in 2004, graphene, as a leading material opening two-dimensional world, has been tremendously investigated owing to its intrinsic extraordinary physical properties. Among many promising graphene applications, it is believed that membranes might be one of the first significant applications for graphene and its derivatives (e.g., graphene oxide). Recently, a number of simulation results and proof-of-concept experimental approaches towards graphene membranes reflect such positive prospects. Moreover, graphene and graphene oxide already show many outstanding intrinsic properties suitable for promising membrane platforms, such as the minimum membrane thickness, excellent mechanical strength, high chemical and thermal stability, and the ability to generate nanopores in the two-dimensional, rigid hexagonal lattices or to create slit-like nanochannels between adjacent sheets. In this paper, important theoretical and experimental developments in graphene or graphene oxide-based membranes for gas separation based on intrinsic properties of graphene and its derivatives will be discussed, emphasizing on transport behavior, membrane formation methods, and challenging issues for actual membrane applications.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 분리막 소재로서 주목받는 그래핀과 산화 그래핀의 특성에 대하여 기술한 후 이를 기반으로한 기체 분리막의 개발 동향에 대하여 다루고자 한다. 또한 이러한 그래핀 및 산화 그래핀 분리막의 한계를 돌파할 수 있는 향후 연구 방향에 대해서도 논하고자 한다.
본 연구에서는 분리막 소재로서 주목받는 그래핀과 산화 그래핀의 특성에 대하여 기술한 후 이를 기반으로한 기체 분리막의 개발 동향에 대하여 다루고자 한다. 또한 이러한 그래핀 및 산화 그래핀 분리막의 한계를 돌파할 수 있는 향후 연구 방향에 대해서도 논하고자 한다.

제안 방법

Li는 양극 산화 알루미늄 디스크 위에 매우 얇은(1.8,9, 18 nm) 산화 그래핀 분리막을 제조하여 기체 투과 거동을 조사하였다[26]. 실험 결과 분리막의 두께가 얇을수록 더 높은 기체 투과도를 보이는 것으로 확인되었으며, 이는 기체 투과를 위한 확산 유로의 길이에 따른 결과이다(Fig.
더 나아가, 고분자 지지체 위에 산화 그래핀 분리막을 스핀 코팅하는 방식을 조절함에 따라 전혀 다른 기체 투과 거동을 보이기도 한다[23]. 산화 그래핀 용액위에 고분자 지지체를 띄워 적신 후 스핀 코팅하는 방식(방법 1)을 통해 산화 그래핀 시트 간에 덜 맞물린구조를 형성하였으며, 고분자 지지체 위에 직접 산화 그래핀 용액을 떨어뜨림으로서(방법 2) 산화 그래핀 시트 간에 더 맞물린 구조를 형성하였다(Fig. 7). 서로 다른 방식으로 제조된 산화 그래핀 분리막은 확연히 다른 기체 투과 거동을 보인다.
11)[35]. 산화 그래핀은 저농도부터 고농도까지(0.025-0.5 wt%) 다양한 농도로 첨가되어, 산화 그래핀이 고분자 나노복합막에 미치는 영향을 살펴보았다. 첨가된 산화 그래핀의 높은 종횡비로 인하여, 고분자 나노복합막의 기체 투과도는 산화 그래핀의 농도가 증가할수록 감소하는 경향을 보인다.

이론/모형

Bieri는 상향식 방식을 이용하여 다공성 그래핀을 제조하였다. 금속 표면에서의 aryl-aryl coupling 반응을 통해 원자 수준의 폭을 가지며 나노 수준 이하로 규칙적으로 배열된 기공을 2차원 구조의 polyphenylene 네트워크 상에 구현하였으며, 이 방법은 그동안 상대적으로 주목을 적게 받았던 상향식 그래핀 제조의 가능성을 보였다는 점에서 높은 가치를 가진다(Fig.

성능/효과

5 nm)을 생성한 결과를 보고한 바 있으나(Fig. 1.(a)), 전자 빔 조사방식은 대면적의 다공성 그래핀 시트를 제조하기에 적절치 않다는 단점을 가지고 있다[9]. Celebi는 이온 빔조사를 통해 크기 조절이 가능한 나노 기공을 그래핀 표면에 생성하였으나, 이 역시 기공 크기가 기체 분리용 분리막 용도에 적절치 않고(> 5 nm), 대면적화하기 힘들다는 단점을 내포하고 있다[10].
8,9, 18 nm) 산화 그래핀 분리막을 제조하여 기체 투과 거동을 조사하였다[26]. 실험 결과 분리막의 두께가 얇을수록 더 높은 기체 투과도를 보이는 것으로 확인되었으며, 이는 기체 투과를 위한 확산 유로의 길이에 따른 결과이다(Fig. 5). 높은 수준의 수소/이산화탄소, 수소/질소 분리 성능은 지지체에 의한 이온 가교 현상에 의하여 영향을 받는다[22].
10)[29]. 자외선 조사 후, 산화 그래핀의 산소 함유량은 34%에서 24%로 감소하였고, 이는 산화 그래핀의 환원과 동시에 나노 기공들이 생성되었음을 의미한다.

후속연구

하지만, 이러한 산화 그래핀의 환원은 산화 그래핀의 층간 거리를 좁혀 기체 분자의 투과를 위해 극복해야 하는 에너지 장벽을 증가시키는 영향을 초래한다. 따라서 나노 기공을 형성하면서도 산화 그래핀의 환원을 방지하고 기존 산화 그래핀의 구조를 변형시키지 않는 연구가 진행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산화 그래핀의 특징은?	산화 그래핀은 화학적으로 박리되고 산화된 흑연의 단일층으로서 초기에는 그래핀을 대량 생산하기 위한 전구체로서 간주되어 왔으나, 원자 수준의 얇은 두께 극성 용매에 대한 우수한 분산성, 대량 생산성, 높은 가공성으로 인하여 그래핀과 함께 우수한 분리막 소재로서 주목받고 있다. 따라서 그래핀과 산화 그래핀을 분리막 분야에 활용하기 위한 다양한 연구가 진행되어오고 있다.
	그래핀 및 산화 그래핀이 분리막 소재로 활용되기 위한 방안은?	향후 그래핀 및 산화 그래핀이 분리막 소재로 적극 활용되기 위한 몇 가지 방안이 제시되었다. 그래핀의 기체 차단성을 극복하기 위하여 그래핀 표면 위에 더 작은 크기의 기공을 균일하게, 또한 높은 밀집도로 생성하고, 이를 대면적화할 수 있어야 한다. 산화 그래핀의 경우 다공성 구조를 형성하기 위한 나노 기공을 생성하는 과정에서 수반되는 환원 반응을 최소화하여야 하며, 고분자 매트릭스 내에 분산될 경우 고분자 매트릭스와의 혼화성을 높이기 위한 다양한 개질이 수반되어야 할 것이다.
	그래핀 기반 소재의 특징은?	그래핀 소재가 실험적으로 처음 구현된 후, 많은 과학자들은 그래핀 소재 고유의 뛰어난 물성에 기인하여 다양한 분야에 그래핀 소재를 적용하기 위한 연구를 진행해오고 있다. 특히, 그래핀 기반 소재는 원자 수준의 얇은 두께와 물리적 및 화학적으로 개질 가능한 구조적 특성으로 인하여 분리막 소재로서 높은 각광을 받고 있다. 그래핀 시트 사이의 층간 거리(3.

참고문헌 (35)

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, "Electric field effect in atomically thin carbon films", Science, 306, 666 (2004).

상세보기
C. Lee, X. D. Wei, J. W. Kysar, and J. Hone, "Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene", Science, 321, 385 (2008).

상세보기
E. V. Kharanzhevskiy and T. A. Pisareva, "Dispersity of materials obtained by mechanical activation and laser sintering of Al-C systems and used for production of electrochemical capacitors", Colloid J., 74, 373 (2012).

상세보기
E. G. Steward, B. P. Cook, and E. A. Kellett, "Dependence on temperature of the interlayer spacing in carbons of different graphitic perfection", Nature, 187, 1015 (1960).

상세보기
D. Yoon, Y. W. Son, and H. Cheong, "Negative thermal expansion coefficient of graphene measured by raman spectroscopy", Nano Lett., 11, 3227 (2011).

상세보기
A. A. Balandin, "Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials", Nat. Mater., 10, 569 (2011).

상세보기
S. Ghosh, D. L. Nika, E. P. Pokatilov, and A. A. Balandin, "Heat conduction in graphene: experimental study and theoretical interpretation", New J. Phys., 11, 1 (2009).
F. Banhart, J. Kotakoski, and A. V. Krasheninnikov, "Structural Defects in Graphene", ACS Nano, 5, 26 (2011).

상세보기
M. D. Fischbein and M. Drndic, "Electron beam nanosculpting of suspended graphene sheets", Appl. Phys. Lett., 93, 113107-1 (2008).

상세보기
K. Celebi, J. Buchheim, R. M. Wyss, A. Droudian, P. Gasser, I. Shorubalko, J. I. Kye, C. Lee, and H. G. Park, "Ultimate permeation across atomically thin porous graphene", Science, 344, 289 (2014).

상세보기
S. P. Koenig, L. D. Wang, J. Pellegrino, and J. S. Bunch, "Selective molecular sieving through porous graphene", Nat. Nanotechnol., 7, 728 (2012).

상세보기
S. C. O'Hern, M. S. H. Boutilier, J. C. Idrobo, Y. Song, J. Kong, T. Laoui, M. Atieh, and R. Karnik, "Selective ionic transport through tunable subnanometer pores in single-layer graphene membranes", Nano Lett., 14, 1234 (2014).

상세보기
J. W. Bai, X. Zhong, S. Jiang, Y. Huang, and X. F. Duan, "Graphene nanomesh", Nat. Nanotechnol., 5, 190 (2010).

상세보기
M. Bieri, M. Treier, J. M. Cai, K. Ait-Mansour, P. Ruffieux, O. Groning, P. Groning, M. Kastler, R. Rieger, X. L. Feng, K. Mullen, and R. Fasel, "Porous graphenes: two-dimensional polymer synthesis with atomic precision", Chem. Commun., 45, 6919 (2009).
M. Segal, "Selling graphene by the ton", Nat. Nanotechnol., 4, 611 (2009).
S. Park and R. S. Ruoff, "Chemical methods for the production of graphenes", Nat. Nanotechnol., 4, 217 (2009).

상세보기
H. Bai, C. Li, X. L. Wang, and G. Q. Shi, "On the Gelation of Graphene Oxide", J. Phys. Chem. C, 115, 5545 (2011).

상세보기
L. Huang, C. Li, W. J. Yuan, and G. Q. Shi, "Strong composite films with layered structures prepared by casting silk fibroin-graphene oxide hydrogels", Nanoscale, 5, 3780 (2013).

상세보기
S. F. Pei and H. M. Cheng, "The reduction of graphene oxide", Carbon, 50, 3210 (2012).

상세보기
X. F. Ma, M. R. Zachariah, and C. D. Zangmeister, "Crumpled Nanopaper from Graphene Oxide", Nano Lett., 12, 486 (2012).

상세보기
C. H. Tsou, Q. F. An, S. C. Lo, M. De Guzman, W. S. Hung, C. C. Hu, K. R. Lee, and J. Y. Lai, "Effect of microstructure of graphene oxide fabricated through different self-assembly techniques on 1-butanol dehydration", J. Membr. Sci, 477, 93 (2015).

상세보기
C. N. Yeh, K. Raidongia, J. J. Shao, Q. H. Yang, and J. X. Huang, "On the origin of the stability of graphene oxide membranes in water", Nat. Chem., 7, 166 (2015).

상세보기
H. W. Kim, H. W. Yoon, S. M. Yoon, B. M. Yoo, B. K. Ahn, Y. H. Cho, H. J. Shin, H. Yang, U. Paik, S. Kwon, J. Y. Choi, and H. B. Park, "Selective gas transport through few-layered graphene and graphene oxide membranes", Science, 342, 91 (2013).

상세보기
A. Akbari, P. Sheath, S. T. Martin, D. B. Shinde, M. Shaibani, P. C. Banerjee, R. Tkacz, D. Bhattacharyya, and M. Majumder, "Large-area graphene- based nanofiltration membranes by shear alignment of discotic nematic liquid crystals of graphene oxide", Nat. Commun., 7, 1 (2016).
R. R. Nair, H. A. Wu, P. N. Jayaram, I. V. Grigorieva, and A. K. Geim, "Unimpeded permeation of water through helium-leak-tight graphene-based membranes", Science, 335, 442 (2012).

상세보기
H. Li, Z. N. Song, X. J. Zhang, Y. Huang, S. G. Li, Y. T. Mao, H. J. Ploehn, Y. Bao, and M. Yu, "Ultrathin, molecular-sieving graphene oxide membranes for selective hydrogen separation", Science, 342, 95 (2013).

상세보기
T. C. Merkel, H. Q. Lin, X. T. Wei, and R. Baker, "Power plant post-combustion carbon dioxide capture: An opportunity for membranes", J. Membr. Sci., 359, 126 (2010).

상세보기
Z. J. Fan, Q. K. Zhao, T. Y. Li, J. Yan, Y. M. Ren, J. Feng, and T. Wei, "Easy synthesis of porous graphene nanosheets and their use in supercapacitors", Carbon, 50, 1699 (2012).

상세보기
M. Koinuma, C. Ogata, Y. Kamei, K. Hatakeyama, H. Tateishi, Y. Watanabe, T. Taniguchi, K. Gezuhara, S. Hayami, A. Funatsu, M. Sakata, Y. Kuwahara, S. Kurihara, and Y. Matsumoto, "Photochemical engineering of graphene oxide nanosheets", J. Phys. Chem. C, 116, 19822 (2012).

상세보기
B. D. Freeman, "Basis of permeability/selectivity tradeoff relations in polymeric gas separation membranes", Macromolecules, 32, 375 (1999).

상세보기
L. M. Robeson, "The upper bound revisited", J. Membr. Sci., 320, 390 (2008).

상세보기
K. M. Kyung and J. Y. Park, "Effect of GAC packing mass in hybrid water treatment process of PVdF nanofibers spiral wound microfiltration and granular activated carbon", Membr. J., 27, 68 (2017).

원문보기 상세보기
S. J. Kim, J. P. Jung, D. J. Kim, and J. H. Kim, "Effect of mesoporous $TiO_2$ in facilitated olefin transport membranes contaning Ag nanoparticles", Membr. J., 25, 398 (2015).

원문보기 상세보기
J. H. Lee and J. Kim, "Research trends of metalorganic framework membranes: Fabrication methods ans gas separation applications", Membr. J. 25, 465 (2015).

원문보기 상세보기
M. Karunakaran, R. Shevate, M. Kumar, and K. V. Peinemann, " $CO_2$ -selective PEO-PBT ( $PolyActive^{TM}$ )/ graphene oxide composite membranes", Chem. Commun., 51, 14187 (2015).

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증