초록 ▼

□ 연구개요
본 과제는 축전식 탈염(Capacitive Deionization, CDI) 기술의 핵심적인 역할을 하는 전극소재의 맞춤설계에 관한 것으로 메조기공 탄소의 제조 및 표면 개질을 통해 이온의 축전용량을 개선 연구, 선택적 이온 흡착이 가능한 기능기 도입을 통해 기존 탄소전극 소재의 한계를 극복할 수 있는 CDI 맞춤형 탄소전극 설계 연구를 수행하였다. 에어로졸 공정을 이용하여 3D 메조/매크로 기공을 가지는 탄소 제조 기술과 양이온 교환 작용기를 가지는 Tion을 나노 입자 표면에 도입하거나 탄소 표면에 직접 도입시

□ 연구개요
본 과제는 축전식 탈염(Capacitive Deionization, CDI) 기술의 핵심적인 역할을 하는 전극소재의 맞춤설계에 관한 것으로 메조기공 탄소의 제조 및 표면 개질을 통해 이온의 축전용량을 개선 연구, 선택적 이온 흡착이 가능한 기능기 도입을 통해 기존 탄소전극 소재의 한계를 극복할 수 있는 CDI 맞춤형 탄소전극 설계 연구를 수행하였다. 에어로졸 공정을 이용하여 3D 메조/매크로 기공을 가지는 탄소 제조 기술과 양이온 교환 작용기를 가지는 Tion을 나노 입자 표면에 도입하거나 탄소 표면에 직접 도입시켜 축전 용량의 향상과 이온 선택성을 갖는 전극 표면개질 기술을 확보하였다. 다양한 구조의 전극을 제조하고 전기화학적 특성과 탈염 성능평가를 통해 확보된 탄소 전극소재의 우수성을 검정하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1차년도 목표: 에어로졸 공정을 이용하여 Meso/Macro 3D Hierarchical Carbon 제조기술 확립
● 에어로졸 공정을 이용하여 메조기공을 가지는 탄소 합성 조건에 대한 기초 data 확보함
● TEOS 또는 유기 첨가물(PEG)를 이용하여 탄소의 메조기공도를 증가시켰고, 구형 또는 나노시트 형태의 탄소를 제조기술 개발함.
● 합성된 탄소 전극들의 전기화학적 특성을 평가한 결과 메조기공도 개선된 구형 탄소 또는 메조기공을 가지는 탄소 나노시트가 상용 나노기공 탄소보다 우수한 이온 축전용량을 가졌음.

2차년도 목표: 표면개질을 통한 축전용량 개선과 이온선택성 전극재료 제조기술 확보
● 다공성 탄소 표면에 졸-겔법을 통해 티타니아를 균일하게 코팅시켜 이온 축적용량이 개선시켰고, 최적의 티타니아 코팅량은 0.75 mmol TiO₂/g-C 였음.
● Tiron을 이용하여 양이온 교환 작용기를 나노입자 표면에 도입시켜 이온교환 능력을 부여하고 다공성 탄소 표면에 얇은 막으로 제조함으로써 복합전극의 탈염 특성을 개선시켰음.
● 다공성 탄소 표면에 직접 티타니아를 코팅한 후 Trion을 부착시킴으로써 비 축전용량과 탈염 성능을 향상시켰음. 이로서 다공성 탄소 전극은 자체만으로 이온 축전용량 향상과 더불어 양이온 선택성을 가지는 전극 표면 개질기술을 확보하였음.

3차년도 목표: 이온선택성 전극 구조의 다변화 및 CDI 탈염 성능 최적화
● 디자인 된 전극 물질을 이용하여 다양한 구조의 CDI 전극을 만든 후 탈염 특성 조사 완료.
● 표면이 기능화된 나노 입자 혹은 다공성 탄소는 음극으로써 사용했을 때 우수한 탈염성능
을 보임.
● 표면 기능화된 나노 입자는 탄소 전극내로 분산시키는 것 보다 탄소전극 표면에 다공성 막으로 사용하는 것이 탈염 성능개선 측면에서 바람직함.
● 3D 메조기공 나노시트 탄소는 음극 소재로 적합하며, 표면을 TiO₂로 코팅시킬 경우 탈염 속도가 크게 향상되었고, 기존 MCDI와 유사하게 탈염거동을 가짐을 확인함.

□ 연구개발결과의 중요성
○ 에어로졸 공정을 이용하여 이온 축전용량이 향상된 3D 메조/매크로 기공을 가지는 탄소제조 기술 확보함.
○ 선택적 이온교환이 가능한 작용기를 나노입자 표면 또는 다공성 탄소의 표면에 직접 도입시켜 CDI 탈염 특성을 개선시켰음. 이를 통해 기존 CDI의 한계를 극복할 수 있는 전극재료 설계기술을 확보함.
○ 본 연구에서 합성한 메조/마이크로 기공을 가지는 판상의 탄소는 자체적으로 이온 선택을 가짐. 또한 다공성 판상모양의 탄소 표면에 티타니아를 코팅시킴으로써 기존 MCDI와 같은 특성을 나타내는 CDI 전극 구현이 가능함.
○ 본 연구에서 설계한 탄소 전극은 해수 담수화, 산업용 보일러수 제조, 초순수 제조장치, 의약품 정제 등 다양한 분야에서 활용될 수 있음.
○ 탄소 복합체 합성에 대한 에어로졸 합성기술은 다양한 탄소 복합체 제조에 확대 적용 가능할 것임.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 연구배경 및 필요성 ... 4
• 나. 최종목표 및 연구범위 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• 가. 1차년도 ... 5
• 나. 2차년도 ... 10
• 다. 3차년도 ... 16
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 21
• 4. 참고문헌 ... 22
• 5. 연구성과 ... 23
• 대표적 연구실적 ... 26
• 끝페이지 ... 42