초록 ▼

1. 연구개요
1.1 배경
산업 혁명 이후 급속한 경제발전으로 인해, 생활의 편리성 및 물질의 풍요는 확보할 수 있었지만 무분별한 개발과 환경에 대한 인식 미비 등으로 인하여 여러 가지 환경 문제에 봉착하였다. 그 중에서도 지구 온난화와 도시화에 따른 인구집중 현상으로 발생된 물 부족 문제, 화석연료 사용에 따른 이산화탄소의 배출과 그로 인한 지구 온난화, 화석연료의 고갈 문제는 인류의 지속적인 발전과 생존을 위해 피해갈 수 없는 핵심 문제로 여겨진다.
기후변화, 환경 개선, 에너지 및 수자원 확보를 위해서는 자연

1. 연구개요
1.1 배경
산업 혁명 이후 급속한 경제발전으로 인해, 생활의 편리성 및 물질의 풍요는 확보할 수 있었지만 무분별한 개발과 환경에 대한 인식 미비 등으로 인하여 여러 가지 환경 문제에 봉착하였다. 그 중에서도 지구 온난화와 도시화에 따른 인구집중 현상으로 발생된 물 부족 문제, 화석연료 사용에 따른 이산화탄소의 배출과 그로 인한 지구 온난화, 화석연료의 고갈 문제는 인류의 지속적인 발전과 생존을 위해 피해갈 수 없는 핵심 문제로 여겨진다.
기후변화, 환경 개선, 에너지 및 수자원 확보를 위해서는 자연 상에 혼재되어 있는 물질들 중에서 원하는 물질을 분리하는 것이 필수 연구 주제임. 특히, 물 부족 문제 해결을 위해, 오염된 물을 정수하거나, 해수 속 염을 분리하여 인간 생활에 이용할 수 있는 담수로 만드는 것이 중요하다.

1.2 연구목적
효율적인 수처리 기술을 위한 차세대 소재 및 시스템 개발

1.3 초점
1.3.1. 그래핀 분리막 상용화를 위한 기초 연구: 그래핀 분리막 지지체의 유기용매 내에서의 안정성 향상에 관한 연구 및 새로운 분리막 후보군 개발
1.3.2. 산화 그래핀 막 사이를 이동하는 물의 흐름에 대한 원자 수준 시뮬레이션 연구
1.3.3. 스판덱스 바인더의 도입을 통한 축전식 탈염장치의 성능 향상

2. 연구방법 및 결과 9
2.1 그래핀 분리막 상용화를 위한 기초 연구: 그래핀 분리막 지지체의 유기용매 내에서의 안정성 향상에 관한 연구 및 새로운 분리막 후보군 개발
본 연구팀은 2017년 기간 동안 2차원 소재 와 분리막 활용을 연구하였다.
• 세계 최초로 CNT에서 유도된 그래핀 나노 리본 소재 연구와 분리막 특성연구
• 유기 용매 분리를 위한 고 안정성 GO-CNT 복합 분리막 지지체
Multi wall CNT를 화학적으로 분리시켜 긴 리본 형태의 그래핀 나노 리본(GNR) 물질을 제작하고 특성에 대한 기초연구를 진행하였다. 또한 산업체에서 중요한 분야인 유기 용매 분리막 활용을 위해 안정성이 떨어졌던 기존의 고분자 분리막을 대체할 GO, CNT 고안정성 복합 분리막 지지체를 개발하고 성능을 확인하였다. 2017년도에 진행된 연구내용은 아래와 같다.
GNR 제조 방법과 작은 폭을 가진 적층 구조 분리막을 제조하고, 다양한 용매에 대한 투과도와 입자에 대한 선택성을 확인하였다. 용매 분리에 적합한 용매 안정성을 가진 GO-CNT 복합 분리막 제작과 성능을 확인하였다.
• GNR 분리막은 용매에 대해 기존 GO 분리막 대비 10~100배 수준의 투과도 향상을 보였다. 또한 풍부한 작용기로 인해 염료와 이온에 대한 우수한 선택성을 보였다. 압력하에서 생기는 구조의 변화를 확인하고 우수한 구조안정성과 두께가 안정성에 끼치는 영향을 실험적, 이론적으로 확인하고 구현하였다. GO-CNT 복합체를 제작하고 다양한 유기용매상에서 장시간 안정성을 확인하였다. 특히 나프탈렌 등의 입자 분리에서 기존 분리막 보다 50배 이상의 용매 투과율을 보였다.

기대효과
2차원 물질 분리막의 특성에 대해 학계에 정립 되어있는 이론이 없다. 본 연구 결과들은 여러 요소들에 대한 특성을 구분하고 실현, 확인함으로서 2차원 분리막 연구 선두 중에 있다. 최초로 1차원에 가까운 GNR 물질의 성능을 확인하고 활용함으로서 새로운 후보군을 확장시켰다. GO-CNT복합체의 용매 안정성을 통해 앞으로 연구팀이 확장하게 될 용매 분리막에서 지지체로서의 활발한 활용이 기대된다.
2.2 산화 그래핀 막 사이를 이동하는 물의 흐름에 대한 원자 수준 시뮬레이션 연구.
다중 산화 그래핀 분리막은 담수화 공정에 있어서 기존의 역삼투 공정보다 에너지 효율성이 좋고 이온 선택성이 뛰어난 분리막 물질로 주목받고 있다. 하지만 산화 그래핀의 구조와 물의 투과에 관한 성질은 정확하게 밝혀지지 않은 부분이 많다. 산화 그래핀 표면의 파편들과 기능기 구조에 따른 물의 투과 성질을 밝혀내기 위해 본 연구에서는 여러 가지 분자동역학 시뮬레이션 모델을 개발하고 수행하였다.
시뮬레이션 결과, 산화그래핀 위의 파편(OD)들과 기능기는 물의 투과성을 크게 저해하는 효과를 나타내었고 압력이 높아질수록 기능기와 물 사이의 상호 작용의 효과가 약해지고 기능기의 크기가 물의 투과저해성을 결정하는 요소가 된다는 것을 밝혀내었다. 이러한 고찰을 통해 산화 그래핀막의 물 투과 성질을 잘 이해할 수 있고, 좋은 분리막을 개발하는 과정에 기여할 수 있다.

2.3 스판덱스 바인더의 도입을 통한 축전식 탈염장치의 성능 향상
최근 들어, Capacitive deionization (CDI)은 낮은 전극 작동전위 (1-1.5 V)와 높은 회수율 (>90%)의 특징으로 인하여, 에너지효율적이고 환경적인 담수화기술로서 각광을 받고 있다. 상용화된 CDI는 전기이중충 (Electric double-layer, EDL) 캐패시터를 전기화학적 근간으로 작동하는 다공성 탄소 전극으로 구성되어 있다. 충전과정에서, 염수 내의 카운터 이온 (전극의 전하와 반대 전하를 갖는 이온)은 시스템에 부하된 자기장에 따라 전극표면으로 이동하여 EDL을 형성한다. 반대로, 방전과 정에서는, 해당 카운터 이온이 EDL로부터 떨어져 나와 다시 염수로 돌아간다. 이와 같이, CDI 시스템에서는 충방전과정을 반복하면서 염수 (기수, 해수 등)에 대한 담수화 공정이 실시된다. 하지 만, 다공성 탄소 전극으로 이루어진 상용화된 CDI에서는 다음의 문제점들로 인하여 CDI 성능의 저하가 유발된다; 물에 대한 낮은 젖음성 및 높은 계면저항. 무엇보다 다공성 탄소 전극은 낮은 친수성을 갖기 때문에 담수화 과정동안 염수에 충분하게 젖기 힘들다. 이로써 염수 내의 카운터 이온이 전극표면으로 양껏 이동하지 못하게 되어 이온제거용량의 감소가 발생한다. 본 연구에서 는, 해당 문제를 해결하기 위하여 Spandex라는 비교적 낮은 분자량 (약 90,000 g mol-1)을 가진 고분자를 CDI용 전극물질로서 최초로 도입하였다. Spandex 내 존재하는 urea과 urethane 작용기 는 친수성을 나타내고 집전체와는 수소결합을 형성할 수 있기 때문에 기존 CDI용 전극물질에 사 용된 van der Waals 인력을 기반으로 한 Polyvinylidene fluoride (PVDF) 바인더의 경우보다 염수 에 대한 젖음성 및 집전체와의 접착력이 우수하다. 결과적으로, 본 CDI 시스템에서는 기존보다 향상된 이온제거용량이 구현된다.
CDI용 전극의 제작과정에서 90 wt%의 활성탄과 10 wt%의 바인더 (Spandex 혹은 PVDF)를 N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) 용매로 혼합하여 슬러리를 제조하였고, 해당 슬러리를 닥터블레이드 방법 (Doctor blade)을 이용하여 카본페이퍼 (TGP-H-090 with 20% wet-proofing, Toray, Japan) 집전 체에 캐스팅하고 60 의 진공오븐에서 밤새 건조하였다. 담수화 시험은 아래 그림에 나타난 CDI 모듈을 가지고 실시되었다. 충전과정에서 염수 내 이온은 potentiostat (WBCS3000; Wonatech, Republic of Korea)라는 장비를 통해 양쪽 전극 사이에 인가된 1.2 V의 전위차에 의해 전극표면으 로 이동하며, 담수화를 거친 유출수의 농도는 이온전도도미터 (UniCond 2-E; METTLER TOLEDO, USA)를 통해 측정되었다. 500 ppm의 NaCl 수용액이 염수로서 사용되었다.

Spandex 바인더의 효과는 담수화 특징에서 더욱 두드러진다. 서로 다른 두 바인더로 만들어진 활성탄 기반의 대칭형 CDI 모듈은 1.2 V의 정전압 조건에서 시험되었다. Spandex와 PVDF 기반의 전극 모두가 외부 전압이 인가되는 동시에 염수 내 이온을 제거하였으나, 염수의 농도는 친수성 의 전극표면과 낮은 계면저항을 가진 Spandex 기반의 전극에서 보다 많이 감소하였다. 무엇보다, 담수화 시스템에서는 염수가 지속적으로 흐르기 때문에 전극의 순간적인 젖음 특성이 담수화 성능을 결정짓는 주요 역할로 작용할 수 있다. 결과적으로, Spandex 기반의 전극에서의 이온제거 용량 (2.31 mg g^-1)은 PVDF 기반의 전극에서의 이온제거용량 (1.75 mg g^-1) 대비 32% 증가하였다.

결론적으로, 본 연구에서는 Spandex 물질이 CDI 담수화 시스템을 위한 바인더로서 새로이 사용되었다. Spandex 기반 전극은 이온제거능력과 계면저항 특성 측면에서 우수한 전기화학적 성능을 나타낸다. 다양한 분석을 통해, Spandex의 hard domain에는 urea와 urethane의 작용기가 존재하며 이들의 친수성과 집전체와 수소결합이 가능하다는 특징 때문에 각각 전극표면의 젖음성 을 향상되고 전극과 집전체 간의 접착력이 강화되어 계면저항이 감소한다는 것을 밝혀냈다. 따라서, Spandex는 CDI 담수화 시스템의 새로운 바인더 물질로서 가능성이 있다고 판단된다.

(출처 : 요약문 9p)

Abstract ▼

1. Research Introduction
1.1 Background
Rapid growth of industries after industrial revolution, has brought conveniences in human life. However, chemical pollutants and gases emitted from industries have induced lots of environmental problems including the contamination of water, air and clima

1. Research Introduction
1.1 Background
Rapid growth of industries after industrial revolution, has brought conveniences in human life. However, chemical pollutants and gases emitted from industries have induced lots of environmental problems including the contamination of water, air and climate changes, threating the sustainable human life. Additionally, increasing industrial demands for the rare natural resources, water and petroleum are another issues bring conflicts in various nations.
The separation and concentration of target materials are one of the critical processes in order to secure a supply of resources, essential to maintain human life. Especially, contaminated or salted water is needed to be purified to guarantee the supply of clean water for mankind to drink in the regions where suffered from the depletion of water.

1.2 Objective
Develop next generation of sustainable water treatment materials and systems.

1.3 Scope
1.3.1. Basic research for commercialization of graphene membrane: Enhanced stability of membrane support in organic solvent and development of new type membrane, graphene oxide nanoribbon.
1.3.2. Atomistic simulation study of water flow between graphene oxide membranes
1.3.3. Enhanced performance in capacitive deionization via introduction of spandex binder

2. Research Method and Results
2.1 Basic research for commercialization of graphene membrane: Enhanced stability of membrane support in organic solvent and development of new type membrane, graphene oxide nanoribbon.
This project aims to basic research for study about 2D material and its application of membrane.
For the first time, graphene nanoribbon, which made by unzipping CNT, membrane fabrication and it’s solvent, ion separation performance
Membrane support with high stability made of GO-CNT composite.
Fabricated graphene nanoribbon by unzipping CNT and conducted basic characteristic study at the same time, for application to the solvent separation membrane, membrane with high stability to substitute the polymer membrane support studied. The detail of 2017 research is as follow.
• Fabrication of GNR and laminated structure with narrow width.
• Check selectivity for dyes and ions, and solvent permeance of the fabricated membrane.
• GO-CNT composite membrane as a solvent separation process support.
• GNR membrane showed 10 to 100 times higher solvent permeance comparing with the GO membrane.
• High rejection rate of ions and dyes due to the rich functional groups
• Observed structural change under the pressure driven condition and effect of the thickness to the physical stability by both experimentally and theoretically.
• Checked long time stability of GO-CNT composite membrane in the various solvent media. Especially, the membrane showed 50 times faster permeance during the naphthalene filtration comparing with the commercial membrane.

Expectation
• No specific mechanisms is established for the 2D laminated structure membrane. By basic studies we have done, our research team became the leading group in the field.
• For the first time, fabricated membrane made of GNR and its performance.
• The GO-CNT composite membrane is expected to be used widely as the support in the various field.

2.2 Atomistic simulation study of water flow between graphene oxide membranes 4
Multilayered graphene oxide(GO) membranes have emerged as a novel filtering materials because of their outstanding ion selectivity and efficiency. However, physics and properties of their water permeability remain chiefly unknown. To discover dependence of water permeability on oxygen debris(OD) and functional group, we constructed various GO membrane systems and simulated the water permeation through the GO membranes focusing oxygen debris and kinds of functional group.
Our simulations showed that the flux of water between GO membranes is largely inhibited by oxygen debris and functional groups and revealed that the size exclusion of functional groups becomes dominant inhibiting factor while water-binding interaction effect of these is weakening by increasing external pressure. Our results provide new physical features for understanding interlayer channels in multilayered GO membranes.

2.3 Enhanced performance in capacitive deionization via introduction of spandex binder
In the recent years, Capacitive deionization (CDI) has been receiving significant amount of attention as an energy-efficient and environment-friendly desalination technology due to its low electrode potential (1-1.5 V) and high recovery rate (>90%). The conventional CDI is composed of porous carbon electrodes, which establishes its electrochemical basis on an electric double-layer (EDL) capacitor. During the charging-step, the counter-ions from inlet water are attracted to the electrode surfaces in accordance with an applied electric field and contribute to the EDL formation. On the contrary, during the discharging-step, the counter-ions are come off from the EDL into the inlet water. As the CDI repeats the charging- and discharging-step, the desalination process of saline water (e.g. brackish water, seawater, etc.) operates. However, these porous carbon electrodes of the conventional CDI systems suffer from performance loss associated with its low wettability as well as interfacial resistance. The porous carbon electrode exhibits low hydrophilicity and therefore lacks wettability to saline water during the desalination process. Herein, our group firstly introduce a Spandex polymer with relatively low molecular weight, around 90,000, as a binder for CDI electrodes. 5
Spandex has hydrophilic functional group such as urea and urethane, and also binds with current collector by hydrogen bond interaction which is stronger than that of Polyvinylidene fluoride (PVDF) binder by van der Waals interaction, therefore it exhibited superiority in wettability of water condition, adhesion of electrode to a carbon current collector, and salt removal capacity compared to those of the commercial PVDF binder.
For the CDI electrode preparation, slurry was fabricated by dispersing 90 wt% Activated carbon (AC), 10 wt% binder (Spandex or PVDF) in N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent. The slurry was cast on carbon paper (TGP-H-090 with 20% wet-proofing Toray, Japan) current collectors using the doctor blade method and then dried in a vacuum oven at 60 ℃ over-night. Desalination tests were carried out using the CDI module shown in the figure below. In the charging-step (ion-capturing step), the ions in the influent were captured by the potential (1.2 V) applied between both electrodes using potentiostat (WBCS3000; Wonatech, Republic of Korea). The effluent concentration was measured by ion conductivity meter (Uni Cond 2-E; METTLER TOLEDO, USA). The 500 ppm NaCl aqueous solution was used as saline water.
The effect of Spandex binder was more pronounced in the desalination characterizations. The symmetric AC based CDI cells made up of two different binders were tested under the constant voltage (1.2 V) mode. While both Spandex and PVDF based electrodes lowered the salinity of the influent water as soon as the voltage was applied, saline water concentration was more reduced in the Spandex based electrode compared to the PVDF based electrode owing to the hydrophilic surface and lower interfacial resistance. Remarkably, because the influent water continuously flow in the desalination system, the instantaneous wetting plays a key role in maximizing the desalination performance. As a result, the salt removal capacity in the Spandex based electrode (2.31 mg g^-1) was enhanced by 32% compared to the PVDF based electrode (1.75 mg g^-1).
In conclusion, we firstly introduced the Spandex as a binder for CDI desalination system. The Spandex based electrode exhibited superior electrochemical performance in terms of high salt removal capacity and low interfacial resistance. As a result of various analyses, it has been found that as the Spandex bears urea and urethane in a hard domain, it improves the wettability of the electrode surface leading to low interfacial resistance and the adhesion ability between the electrode and current collector. Thus, the Spandex should be a promising candidate as a binder material for CDI desalination system.

(출처 : Summary 3p)

목차 Contents

• COVER ... 1Summary ... 3국문 요약문 ... 91. Research Purpose ... 162. Research Target and Achievement ... 183. Research Method ... 19 Task 1. Basic research for commercialization of graphene membrane:Enhanced stability of membrane support in organic solvent and development of new type membrane, graphene oxide nanoribbon ... 19 Task 2. Atomistic simulation study of water flow between graphene oxide membranes ... 21 Task 3. Enhanced performance in capacitive deionization via introduction of spandex binder ... 224. Research Results ... 24 (1)Outcome results ... 24 Task 1. Basic research for commercialization of graphene membrane: Enhanced stability of membrane support in organic solvent and development of new type membrane, graphene oxide nanoribbon ... 24 Task 2. Atomistic simulation study of water flow between graphene oxide membranes ... 26 Task 3. Enhanced performance in capacitive deionization via introduction of spandex binder ... 34 (2)Further research required ... 39 (3)Findings deserve to press ... 405. Research Outcomes ... 40 (1) Publication ... 40 (2) Conference presentation ... 41 (3) Patents ... 42 (4)Creation of New Big Project ... 436. Reference ... 437. Total Research Output ... 45붙임 : 국문보고서 ... 45 1. 연구목적 ... 45 2. 연구목표와 성과 ... 47 3. 연구방법 ... 49 4. 연구결과 및 고찰 ... 53 5. 연구결과물 발표실적 ... 70 6. 참고문헌 ... 73 7. 연구실적 종합표 ... 74End of Page ... 75