초록 ▼

연구의 목적 및 내용:
마이크로웨이브를 통한 나노구조물의 효과적 합성과 마이크로웨이브와 물질간의 상호작용에 대한 메커니즘을 규명하고 ‘마이크로웨이브 화학반응’의 공학적 기반을 연구함으로 써 화학공학의 새로운 학문 영역의 확대에 기여한다.
연구의 1단계에서는 마이크로웨이브를 이용한 액상-고상 반응, 고압액상반응, 고상-기상 반응을 통해 효율적인 신소재 합성법 개발 및 형성 메커니즘을 연구하였다. 4차년도에는 시뮬레이션을 통하여 마이크로웨이브 반응기 설계 기술 및 scale-up 에 필요한 공학적 기반을 확립하였으며, 5차년

연구의 목적 및 내용:
마이크로웨이브를 통한 나노구조물의 효과적 합성과 마이크로웨이브와 물질간의 상호작용에 대한 메커니즘을 규명하고 ‘마이크로웨이브 화학반응’의 공학적 기반을 연구함으로 써 화학공학의 새로운 학문 영역의 확대에 기여한다.
연구의 1단계에서는 마이크로웨이브를 이용한 액상-고상 반응, 고압액상반응, 고상-기상 반응을 통해 효율적인 신소재 합성법 개발 및 형성 메커니즘을 연구하였다. 4차년도에는 시뮬레이션을 통하여 마이크로웨이브 반응기 설계 기술 및 scale-up 에 필요한 공학적 기반을 확립하였으며, 5차년도에는 4차년도에서 얻은 지식의 feedback 실험 및 응용 실험을 진행하였다.
연구결과:
본 연구 과제의 1단계 에서는 마이크로웨이브 화학반응을 이용한 효율적인 신소재 합성방법 개발 및 메커니즘 연구를 수행하였다. 1차년도에는 ZnO nanostructures, zinc aluminum layered double hydroxides, zinc nanostructures, carbon-doped ZnO nanostructures, CuO structures, zinc citrates등 나노구조체를, 2차년도에는 Porous ZnO nanostructures, 3차원 ZnO/ZnSe 이종접합 구조체, ZnO/ZnSe 이종접합 nanowire array, porous ZnO/ZnSe 이종접합 구조체 등 나노구조체를, 3차년도에는 금속 기판 (Ti, Fe, stainless steel)에 직접 마이크로웨이브를 조사하여 금속 산화물 (TiO2, hematite, Cr-doped hematite) SiC, SiOx, carbon nanotube등의 나노구조체를 효율적으로 합성하고 메커니즘에 대한 연구를 통해 32편의 SCI논문을 출판하였다.
2단계 연구에서는 마이크로웨이브 반응기 설계에 대한 시뮬레이션과 피드백 실험을 통하여 공학적 기반 확립과 산업적 응용에 한발 더 다가갔다. 피드백 실험으로는 기존에 불가능하다고 여겨지던 고순도 탄화 (90 at% 이상)와 흑연화를 시도하여 최초로 성공하였다. 또한, 기존에 알려져 있던 마이크로웨이브-고체탄소 가열 메커니즘이 잘못되었음을 수치분석을 통하여 밝혀냈다.
연구결과의 활용계획:
1. 마이크로웨이브를 이용한 무기 나노구조 합성 메커니즘을 규명하게 됨에 따라 다양한 나노구조를 에너지 효율적으로 합성하는 것이 가능해졌다. 이 방법은 태양광 수소제조 및 omniphobic surface 제조 등에 응용될 수 있다.
2. 마이크로웨이브 가열을 이용하여 glucose로부터 연료전지의 촉매 특성을 갖는 탄소 입자를 합성해냄에 따라, 값비싼 Pt 촉매를 대체할 수 있는 저가 촉매 개발에 응용할 계획이다.
3. 흑연은 탄소재료 중에서 산업적으로 가장 중요한 위치를 차지하고 있으나, 기존 제조공정은 막대한 에너지를 필요로 한다. 본 연구에서 개발한 마이크로웨이브 흑연화 공정은 scale-up에 성공하면 장차 산업에 막대한 파급효과를 가져올 것이다.

Abstract ▼

Purpose & contents:
The purpose of this research was to develop effective synthesis methods of nanostructures and to investigate the mechanism of interaction between microwave and materials. In addition, the research tried to contribute to the new realm of chemical engineering by establishing eng

Purpose & contents:
The purpose of this research was to develop effective synthesis methods of nanostructures and to investigate the mechanism of interaction between microwave and materials. In addition, the research tried to contribute to the new realm of chemical engineering by establishing engineering base for the microwave chemical reactions.
In the first three years, effective synthesis methods of new nanomaterials were developed and their mechanism was investigated with liquid-solid reactions, pressurized liquid reactions, and solid-vapor reactions using microwaves. In the fourth year, we established engineering base needed for microwave reactor design and scale-up, and in the fifth year, we further developed the knowledge obtained in the fourth year and carried out application experiments.
Result:
In the first period, effective synthesis methods of new nanomaterials were developed using microwave chemical reactions, and their mechanism was studied. In the first year, nanostructures including ZnO nanostructures, zinc aluminum layered double hydroxides, zinc nanostructures, carbon-doped ZnO nanostructures, CuO structures, and zinc citrates were synthesized. In the second year, syntheses of porous ZnO nanostructures, three dimensional hierarchical ZnO/ZnSe heterostructures, ZnO/ZnSe nanowire array, and porous ZnO/ZnSe heterostructures were reported. In the third year, microwave was directly irradiated onto metal substrates (Ti, Fe, and stainless steel) to synthesize metal oxides like TiO2, hematite, and Cr-doped hematite, SiC, SiOx, and carbon nanotubes. Total 32 SCI papers were published in the first period. In the second period, we took a step forward the establishment of engineering base and industrial application by performing simulation of microwave reactor design and feedback experiments. As the feedback experiment, we achieved high purity carbonization (over 90 at%) and graphitization for the first time, which was considered to be impossible before. It was also revealed that the existing theory to explain microwave heating of solid carbon was wrong by analyzing the parameters used in the theory.
Expected Contribution:
1. Synthesis of various nanostructures became possible. The method can be applied to photocatalysis and fabrication of omniphobic surface, and so on.
2. Conversion of glucose into catalytic carbon particle in fuel cell is possible. Thus, development of low-cost catalyst is planned, which can replace expensive Pt catalyst.
3. Graphite takes the most important place in industry among carbon materials, but the manufacturing process requires immense energy. If the microwave graphitization is successfully scaled up, it will bring a huge ripple effect in the industry.