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PAN계 활성탄소섬유의 미세기공 구조가 신경작용제 유사가스(DMMP) 감응 특성에 미치는 영향
Influence of the Micropore Structures of PAN-based Activated Carbon Fibers on Nerve Agent Simulant Gas (DMMP) Sensing Property 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.29 no.2, 2018년, pp.191 - 195  

강다희 (충남대학교 응용화학공학과) ,  김민지 (충남대학교 응용화학공학과) ,  조한주 (충남대학교 응용화학공학과) ,  최예지 (충남대학교 응용화학공학과) ,  이영석 (충남대학교 응용화학공학과)

초록
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본 실험에서는 활성탄소섬유의 미세기공구조가 신경작용제 유사가스인 dimethyl methylphosphonate (DMMP) 감응 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 탄소섬유에 화학적 활성화법을 이용하여 기공구조를 부여하였고, 이를 이용하여 가스센서용 전극을 제조하였다. N형 반도체인 polyacrylonitrile (PAN)계 활성탄소섬유 기반 전극은 환원성 가스인 DMMP로부터 전자를 받아 정공의 밀도 감소로 인하여 전기저항이 감소하게 되었다. DMMP 가스센서의 민감도는 미세기공 부피가 증가함에 따라 1.7%에서 5.1%까지 증가하였다. 이는 분자 크기가 0.57 nm인 DMMP를 흡착하기에 적합한 미세기공이 형성됨에 따라, DMMP와 활성탄소섬유간의 전자 이동이 용이해졌기 때문이라 사료된다. 결론적으로, 높은 감도의 DMMP 가스센서를 제조하기 위해서는 적절한 기공구조 조절이 중요한 역할을 한다고 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the influence of microporous structures of activated carbon fibers (ACFs) on dimethyl methylphosphonate (DMMP) gas sensing properties as a nerve agent simulant was investigated. The pore structure was given to carbon fibers by chemical activation process, and an electrode was fabricat...

주제어

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문제 정의

  • 따라서, 본 연구에서는 상온에서 작동하는 DMMP 가스센서를 제조하기 위하여, 활성탄소섬유를 이용한 가스센서를 제조하였다. 이를 위하여 PAN계 안정화 섬유를 열처리하고, KOH 용액의 농도를 달리하여 활성탄소섬유의 기공 구조를 조절하였다.
  • 본 연구에서는 PAN계 탄소섬유를 화학적 활성화하여 활성탄소섬유를 제조하고, 그에 따른 기공 특성 변화와 상온, 저농도에서 DMMP 가스 감응 특성을 고찰하였다. 활성화제의 농도가 증가할수록 분자 크기가 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
polyacrylonitrile (PAN)계 활성탄소섬유의 장점은 무엇인가? 대표적으로 활성탄소섬유는 대부분이 미세기공으로 이루어져 비표면적이 매우 크며, 확산경로가 짧아 흡착물질의 속도가 빠른 장점을 가지고 있어 가스센서 전극 소재로의 활용이 기대되고 있다[16,17]. 그중에서 polyacrylonitrile (PAN)계 활성탄소섬유는 다양한 활성화제를 이용하여 쉽게 세공 조절이 가능하고, 표면처리를 이용하여 가스흡착에 유리한 관능기를 도입하면 센서로 이용 가능할 것으로 기대되지만, 활성탄소섬유를 DMMP 가스 감지 전극 물질로 이용한 연구는 전무한 실정이다.
신경계 가스에 대한 연구 수행시의 어려움은 무엇인가? 이러한 사건은 신경계 가스를 조기에 감지함으로써 큰 피해를 막아야 한다는 필요성을 절실히 느끼게 한다[3,4]. 그러나 신경계 가스에 대한 연구는 심각한 인체유해성 때문에 연구를 수행함에 어려움이 많이 있다. 이에 따라 최근에는 사린, 소만 가스와 유사한 구조를 띠고 있지만 독성이 적은 dimethyl methylphosphonate (DMMP) 가스를 이용하여 검출 및 흡착, 그리고 제거에 대한 연구가 진행되고 있다[5].
탄소나노튜브 기반 가스센서의 문제점을 해결하기 위한 방안은 무엇인가? 이러한 문제를 해결하기 위하여 여러가지 탄소재료를 이용한 가스 센서 개발이 진행되고 있다[15]. 대표적으로 활성탄소섬유는 대부분이 미세기공으로 이루어져 비표면적이 매우 크며, 확산경로가 짧아 흡착물질의 속도가 빠른 장점을 가지고 있어 가스센서 전극 소재로의 활용이 기대되고 있다[16,17].
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참고문헌 (29)

  1. Y. Zhu, Z. Cheng, Q. Xiang, X. Chen, and J. Xu, Synthesis of functionalized mesoporous $TiO_2-SiO_2$ with organic fluoroalcohol as high performance DMMP gas sensor, Sens. Actuators B, 248, 785-792 (2017). 

  2. Z. Ying, Y. Jiang, X. Du, G. Xie, J. Yu, and H. Wang, PVDF coated quartz crystal microbalance sensor for DMMP vapor detection, Sens. Actuators B, 125, 167-172 (2007). 

  3. R. Yoo, S. Yoo, D. Lee, J. Kim, S. Cho, and W. Lee, Highly selective detection of dimethyl methylphosphonate (DMMP) using CuO nanoparticles/ZnO flowers heterojunction, Sens. Actuators B, 240, 1099-1105 (2017). 

  4. C. Majumder, Adsorption and decomposition of dimethyl methylphosphonate on pristine and mono-vacancy defected graphene: A first principles study, Appl. Chem. Eng., 418, 318-327 (2017). 

  5. E. Brunol, F. Berger, M. Fromm, and R. Planade, Detection of dimethyl methylphosphonate (DMMP) by tin dioxide-based gas sensor: Response curve and understanding of the reactional mechanism, Sens. Actuators B, 120, 35-41 (2006). 

  6. T. Ueda, H. Abe, K. Kamada, S. R. Bishop, H. L. Tuller, T. Hyodo, and Y. Shimizu, Enhanced sensing response of solid-electrolyte gas sensors to toluene: Role of composite Au/metal oxide sensing electrode, Sens. Actuators B, 252, 268-276 (2017). 

  7. M. Zhao, M. H. Wong, H. C. Man, and C. W. Ong, Resistive hydrogen sensing response of Pd-decorated ZnO "nanosponge" film, Sens. Actuators B, 249, 624-631 (2017). 

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  22. X. Lu, V. Nguyen, X. Zeng, B. J. Elliott, and D. L. Gin, Selective rejection of a water-soluble nerve agent stimulant using a nanoporous lyotropic liquid crystal-butyl rubber vapor barrier material: Evidence for a molecular size-discrimination mechanism, J. Membr. Sci., 318, 397-404 (2008). 

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  24. S. W. Lee, W. Lee, Y. Hong, G. Lee, and D. S. Yoon, Recent advances in carbon material-based $NO_2$ gas sensors, Sens. Actuators B, 255, 1788-1804 (2017). 

  25. Z. Li, Z. Lin, N. Wang, J. Wang, W. Liu, K. Sun, Y. Q. Fu, and Z. Wang, High precision $NH_3$ sensing using network nano-sheet $Co_3O_4$ arrays based sensor at room temperature, Sens. Actuators, B, 235, 222-231 (2016). 

  26. B. C. Bai and T.-S. Bae, Pore structure control of activated carbon fiber for CO gas sensor electrode, Carbon lett., 18, 76-79 (2016). 

  27. S. C. Kang, J. S. Im, S.-H. Lee, T.-S. Bae, and Y.-S. Lee, High-sensitivity gas sensor using electrically conductive and porosity-developed carbon nanofiber, Colloids Surf. A, 384, 297-303 (2011). 

  28. S. M. Kanan, A. Waghe, B. L. Jensen, and C. P. Tripp, Dual $WO_3$ based sensors to selectively detect DMMP in the presence of alcohols, Talanta, 72, 401-407 (2007). 

  29. N. Kobayashi, T. Enoki, C. Ishii, K. Kaneko, and M. Endo, Gas adsorption effects on structural and electrical properties of activated carbon fibers, J. Chem. Phys., 109, 1983-1990 (1998). 

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