KR101486658B1 - Electrode material based upon graphene for high-performance supercapacitor and supercapacitor comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고성능 수퍼커패시터 전극을 위한 그래핀 기반 전극재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질적으로 감소된 재적층 특성과, 이에 기반한 증가된 비표면적 및 다공 특성을 갖는 고성능 수퍼커패시터 전극을 위한 그래핀 기반 전극재료에 관한 것이다. The present invention relates to a graphene-based electrode material for a high performance supercapacitor electrode, and more particularly to a graphene-based electrode material for a high performance supercapacitor electrode, and more particularly to a graphene- Based electrode material.
화석연료의 사용으로 인한 에너지와 환경상의 문제가 중대해지고 있기 때문에 태양 및 풍력 에너지에 의해 대표되는 재생 가능한 에너지 자원의 활용이 점차 중요해지고 있다. 이러한 재생 가능한 에너지 자원의 효과적인 이용을 위하여 이들 자원의 이용성이 시간에 따라 변동하는 그리드 규모(grid-scale)의 에너지 저장 시스템(ESS)이 필수적이다. 이런 방향성에서 수퍼커패시터(SC)가 ESS 중 하나로서 매우 큰 주목을 받고 있는데, 이들의 고유한 고 전력 용량(약 10kW/kg)이 그리드 타입 ESS의 작동에 중요한 순시 부하 및 에너지 평준화를 뒷받침할 수 있기 때문이다. SC의 긴 수명(>100,000 사이클) 또한 이러한 ESS의 작동에 바람직하다. 게다가 SC는 전기 그리드 작동 동안 필수적인 단기적 과도현상이 전형적인 재충전형 배터리의 방전 용량비를 넘어서기 때문에 주로 ESS용의 재충전형 배터리와 조합된 시스템에서 고려되었다. ESS에 더하여, SC는 그 영역을 높은 전력 작동이 요구되는 다양한 용도로 넓혀가고 있으며, 무선 전기 기구 및 하이브리드 전기차(HEV)가 대표적인 예들이다.The use of renewable energy resources, represented by solar and wind energy, is becoming increasingly important as the energy and environmental challenges of using fossil fuels are becoming significant. A grid-scale energy storage system (ESS) in which the availability of these resources varies over time is essential for effective use of such renewable energy resources. In this direction, supercapacitors (SC) are attracting much attention as one of the ESSs, and their inherent high power capacity (about 10 kW / kg) can support instant load and energy leveling, which is important for the operation of grid type ESS It is because. The long service life of the SC (> 100,000 cycles) is also desirable for the operation of these ESSs. In addition, the SC has been considered in systems primarily combined with rechargeable batteries for ESS, since the short-term transients required during electrical grid operation exceed the discharge capacity of a typical rechargeable battery. In addition to the ESS, SCs are expanding their reach to a variety of applications where high-power operation is required, and wireless electric appliances and hybrid electric vehicles (HEVs) are typical examples.
SC의 한 부류에 속하는 소위 말하는 전기 이중층 커패시터(EDLC)에서 에너지는 전극 표면에서 EDL의 캐리어 이온의 흡착 및 탈착에 의해서 저장되고 방출된다. 따라서, 커패시턴스는 대체로 전극의 표면적에 비례하며, 이것은 다양한 탄소성 나노물질을 SC 전극으로서 매력 있게 한다. 이런 이유로 탄소 협회는 요즘 SC 전극을 위해 활성탄(AC), 탄소 나노튜브(CNT), 탄소 나노섬유(CNF), 및 그래핀을 집중 조사하고 있다. 이런 폭넓은 탄소 나노물질 중에서도 sp2 혼성화된 탄소 원자들의 2-차원(2d) 육각형 격자인 그래핀이 높은 도전성과 기대 이상의 큰 이론 비표면적(약 2650㎡/g) 덕분에 유망한 후보로 생각되고 있다. 참고로 이러한 높은 이론 표면적은 550F/g만큼 높은 SC의 중량 커패시턴스를 전달할 수 있는 정도일 수 있다. 이런 유망한 고유 특성에도 불구하고 기존의 용액 과정, 즉 Hummer의 방법을 통해서 환원된 산화그래핀(rGO)의 형태로 제조되었을 때 전형적인 그래핀 SC는 유기 전해질 중에서 단지 100~120F/g만을 나타낸다. 이렇게 적은 비 커패시턴스는 주로 환원 및 건조 과정 동안 개별적 rGO 시트들의 비가역적 재적층에서 기원하며, 이것은 rGO의 실질적인 표면을 전하 저장에 이용할 수 없게 만든다. 기존의 합성 과정 동안 취약한 재적층은 그래핀 SC의 커패시턴스가 관능기, 크기, 기공 구조 및 표면 접근성과 같은 그래핀의 상세한 특징에 크게 의존한다는 것을 의미한다.In a so-called electrical double layer capacitor (EDLC), which belongs to one class of SCs, energy is stored and released by adsorption and desorption of EDI carrier ions at the electrode surface. Thus, the capacitance is generally proportional to the surface area of the electrode, which makes various carbonaceous nanomaterials attractive as SC electrodes. For this reason, the Carbon Society is now focusing on active carbon (AC), carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers (CNF), and graphene for SC electrodes. Of these broad carbon nanomaterials, graphene, a two-dimensional (2d) hexagonal lattice of sp2-hybridized carbon atoms, is considered a promising candidate due to its high conductivity and greater theoretical specific surface area (about 2650 m2 / g) than expected. For reference, this high theoretical surface area can be such that it can carry the mass capacitance of SC as high as 550 F / g. Despite these promising intrinsic properties, typical graphene SC exhibits only 100-120 F / g of organic electrolyte when prepared in the form of reduced graphene oxide (rGO) through the conventional solution process, Hummer's method. This low non-capacitance originates primarily from the irreversible reclamation of the individual rGO sheets during the reduction and drying process, which makes the substantial surface of rGO unavailable for charge storage. During the conventional synthesis process, a weakly resilient layer means that the capacitance of graphene SC is highly dependent on the detailed characteristics of graphene such as functional groups, size, pore structure and surface accessibility.
그래핀 시트의 재적층 문제를 다루기 위해서는 이러한 현상의 원인을 밝히는 것이 필요하다. Hummer의 방법에서는 하나 또는 적은 수의 GO 시트가 GO 용액에 잘 분산된 것으로 알려졌다. 흥미롭게도 GO 용액이 건조된 후에도 물 분자와 GO의 산소-함유 관능기 간의 수소 결합 상호작용을 통해 물 분자는 GO 분말 내에 갇힌 채로 유지되며(도 1A), 이들 물 분자는 주로 "삽입된" 물 분자라고 언급된다. 삽입된 물 분자는 수소 결합이 GO 시트들 간의 상호작용을 촉진하여, 결과적으로 GO 시트들이 동일한 배향으로 정렬되도록 함으로써 최종 rGO의 재적층에서 결정적인 역할을 한다. To address the grafting problem of graphene sheets, it is necessary to identify the cause of this phenomenon. In Hummer's method, one or a few GO sheets were known to be well dispersed in the GO solution. Interestingly, even after the GO solution has dried, the water molecules remain trapped within the GO powder through the hydrogen bonding interaction between the water molecules and the oxygen-containing functional groups of the GO (Fig. 1A), and these water molecules are predominantly " . The intercalated water molecules play a crucial role in the redistribution of the final rGO by allowing the hydrogen bonds to promote the interaction between the GO sheets, resulting in the GO sheets being aligned in the same orientation.
본 발명의 목적은 SC에서 커패시턴스의 저하 원인이 되는 rGO 시트들의 비가역적 재적층을 억제하는 새로운 전극재료 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a novel electrode material for suppressing the irreversible re-layering of rGO sheets which causes a decrease in capacitance in SC, and a method for manufacturing the same.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 질소 함유 수지의 모노머로 관능화된 그래핀 시트를 함유하는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 전극재료를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a graphene-based electrode material characterized by containing a graphene sheet functionalized with a monomer of a nitrogen-containing resin.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 질소 함유 수지는 멜라민 수지이다. According to one embodiment of the present invention, the nitrogen-containing resin is a melamine resin.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 환원 산화 그래핀은 멜라민 수지 모노머가 결합된 후, 열처리 방식으로 환원된다. According to one embodiment of the present invention, the reduced graphene graphene is reduced by a heat treatment method after the melamine resin monomer is bonded.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 멜라민 수지는 모노머 형태에서 상기 그래핀 산화물 표면의 기능기와 축합 중합된다. According to one embodiment of the present invention, the melamine resin is condensation-polymerized with a functional group on the surface of the graphene oxide in the form of a monomer.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 그래핀 산화물 표면의 기능기는 히드록실 또는 카르복실산 기이며, 멜라민 수지 모노머는 하이드록실기를 포함한다.According to one embodiment of the present invention, the functional group of the graphene oxide surface is a hydroxyl or carboxylic acid group, and the melamine resin monomer includes a hydroxyl group.
본 발명은 또한 상술한 환원 산화 그래핀을 포함하는 수퍼커패시터를 제공한다. The present invention also provides a supercapacitor including the above-described reduced oxidation graphene.
본 발명은 그래핀 기반 전극재료 제조방법으로, 그래핀 산화물 분산 용액에 멜라인 수지 모노머 분산 용액을 혼입하는 단계; 및 상기 혼입되는 단계 후 멜라민 수지 모노머에 의하여 관능화된 상기 그래핀 산화물을 열처리하여 환원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 전극재료 제조방법을 제공한다. The present invention provides a graphene-based electrode material manufacturing method comprising: mixing a melamine resin monomer dispersion solution into a graphene oxide dispersion solution; And a step of heat treating the graphene oxide functionalized by the melamine resin monomer and reducing the graphene based electrode material after the mixing step.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 그래핀 산화물은 흑연 분말로부터 변형된 Hummer 방법에 의하여 제조된다. According to one embodiment of the present invention, the graphene oxide is produced by a modified Hummer method from graphite powder.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 그래핀 산화물 표면에는 히드록실기 또는 카르복실기인 기능기가 결합된다. According to an embodiment of the present invention, a functional group which is a hydroxyl group or a carboxyl group is bonded to the surface of the graphene oxide.
본 발명에 따르면, MR 모노머의 탄화 후 최종 그래핀 분자는 실질적으로 감소된 재적층 특성과, 이에 기반한 증가된 비표면적 및 다공 특성을 갖는다. 더 나아가, 수퍼커패시터오 같은 에너지 소자의 전극으로 사용되는 경우, 도핑된 질소 원자에 의한 개선된 전극 특성을 나타내므로, 수퍼커패시터 전극으로 우수한 전기화학 성능을 달성할 수 있다. According to the present invention, the final graphene molecules after carbonization of the MR monomers have substantially reduced redeposition properties and, accordingly, increased specific surface area and porosity characteristics. Furthermore, when used as an electrode of an energy element such as a supercapacitor, excellent electrochemical performance can be achieved as a supercapacitor electrode since it exhibits improved electrode characteristics by doped nitrogen atoms.
도 1은 현재 조사 중인 관심의 구조인 재적층이 억제된 rGO와 종래의 rGO의 합성 경로를 비교하여 예시한 모식도이다.
도 2a는 MR-GO, 2b는 GO의 SEM 이미지를 나타내고, 도 2c 및 2d는 동일한 샘플의TEM 이미지이고, 2e는 XRD 스펙트럼이다.
도 3a는 cMR-rGOth의 (A) SEM, 도 3b는 TEM 이미지를 나타낸다. 또한 도 3c는 동일 질량(=70mg)에서 cMR-rGOth, rGOH, 및 CNT-rGOth의 사진이다.
도 4는 MR-GO와 cMR-rGOth의 재적층 억제된 형태(A, B)가 주사 투과 전자 현미경(STEM) 이미지이다.
도 5a 및 5b는 각각 MR-GO 및 cMR-rGOth 의 XPS 분석 결과이고, 도 5c는 고해상도 N 1s XPS 데이터이다.
도 6은 (A) cMR-rGOth, (B) rGOH, (C) CNT-rGOth, and (D) CNTs의 고해상도 SEM 이미지이다.
도 7a는 cMR-rGOth, 7b는 rGOH의 질소 흡착-탈착 등온선을 나타낸다. 여기에서 흑색 선 및 적색 선은 각각 흡착 및 탈착 곡선에 해당한다. 또한, 도 7c 및 7d는 각각 cMR-rGOth(C) 및 rGOH(D)의 기공 크기 분포이고, 7e는 cMR-rGOth(흑색) 및 rGOH(적색)의 XRD 패턴이다.
도 8은 cMR-rGOth(A) 및 rGOH(B)에 대한 BJH 방식에 의한 기공 크기 분포(PSD) 결과이다.
도 9는 CNT-rGOth 및 CNTs의 N2 흡착-탈착 등온 그래프이고, 하기 표 2는 본 발명에서 사용된 모든 탄소성 물질의 비표면적 및 기공 부피 데이터이다.
도 10a는 0.5A/g의 동일 전류 밀도에서 측정된 cMR-rGOth(흑색 선) 및 rGOH(적색 선)의 충전 및 방전 프로파일, 도 10b는 모두 0.5A/g의 동일 전류 밀도에서 측정된 본 발명에서 조사된 모든 샘플의 비 커패시턴스, 도 10c는 다양한 전류 밀도에서 측정된 4개 샘플 모두의 중량 커패시턴스, 도 10d는 향후의 플래시 에너지 저장 장치로서 주어진 샘플을 평가하기 위한 cMR-rGOth 및 rGOH의 급속 충전 및 지연 방전 테스트를 나타낸다.
도 11은 (A) 0.5A/g 및 (B) 2.0A/g에서 측정된 cMR-rGOth의 사이클링 성능을 나타낸다.Fig. 1 is a schematic diagram illustrating a comparison of the synthesis route of rGO inhibited with re-growth layer, which is a structure of interest currently under investigation, and conventional rGO.
FIG. 2A shows the MR-GO, 2b shows the SEM image of the GO, FIGS. 2C and 2D show TEM images of the same sample, and 2e shows the XRD spectrum.
FIG. 3A shows (A) SEM of cMR-rGOth, and FIG. 3B shows a TEM image. 3C is a photograph of cMR-rGOth, rGOH, and CNT-rGOth in the same mass (= 70 mg).
Figure 4 is a scanning transmission electron microscope (STEM) image of MR-GO and cMR-rGOth restrained forms (A, B).
FIGS. 5A and 5B are XPS analysis results of MR-GO and cMR-rGOth, respectively, and FIG. 5C are high resolution N 1s XPS data.
6 is a high-resolution SEM image of (A) cMR-rGO th , (B) rGO H , (C) CNT-rGO th , and (D) CNTs.
FIG. 7A shows the cMR-rGOth, and 7b shows the nitrogen adsorption-desorption isotherm of rGOH. Here, the black line and the red line correspond to adsorption and desorption curves, respectively. 7C and 7D are pore size distributions of cMR-rGOth (C) and rGOH (D), respectively, and 7e is an XRD pattern of cMR-rGOth (black) and rGOH (red).
Fig. 8 shows pore size distribution (PSD) results of the BJH method for cMR-rGOth (A) and rGOH (B).
9 is an N2 adsorption-desorption isotherm graph of CNT-rGOth and CNTs, and Table 2 below shows specific surface area and pore volume data of all carbonaceous materials used in the present invention.
Fig. 10a shows the charge and discharge profiles of cMR-rGOth (black line) and rGOH (red line) measured at the same current density of 0.5 A / g, Fig. 10C shows the weight capacitances of all four samples measured at various current densities, Fig. 10D shows the fast charge of cMR-rGOth and rGOH for evaluating a given sample as a future flash energy storage device, Fig. And a delayed discharge test.
Figure 11 shows the cycling performance of cMR-rGOth measured at (A) 0.5 A / g and (B) 2.0 A / g.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings and the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention can be implemented in various different forms, and is not limited to the embodiments described. In order to clearly describe the present invention, parts that are not related to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings denote the same members.
본 발명은 그래핀 시트의 재적층(restacking) 문제를 해결하기 위하여, 질소 함유 수지의 모노머로 그래핀 산화물 시트를 관능화시키고, 이를 환원시킨다. 이를 통하여 물에 의한 그래핀 산화물 시트의 재적층 문제를 해결하고, 더 나아가, 본 발명에 따른 그래핀 기반 전극재료의 전기화학적 성능을 향상시킨다. The present invention solves the restacking problem of graphene sheets by functionalizing graphene oxide sheets with monomers of nitrogen containing resins and reducing them. Thereby solving the reclamation problem of the graphene oxide sheet by water and further improving the electrochemical performance of the graphene based electrode material according to the present invention.
도 1은 현재 조사 중인 관심의 구조인 재적층이 억제된 rGO와 종래의 rGO의 합성 경로를 비교하여 예시한 모식도이다.Fig. 1 is a schematic diagram illustrating a comparison of the synthesis route of rGO inhibited with re-growth layer, which is a structure of interest currently under investigation, and conventional rGO.
도 1을 참조하면, 두 합성 경로는 모두 GO 용액으로부터 시작되지만, 초기 단계에서 재적층이 억제된 경우, 질소 함유 수지인 멜라민 수지 처리를 수반하며, 이것이 현미경적 형태에서 극적인 차이를 만든다. 이하 멜라민 수지로서 상기 질소 함유 수지를 설명하지만, 그래핀 산화물의 히드록실기 또는 카브복실기와 축합 중합할 수 있으며, Referring to FIG. 1, both of the synthesis routes start with the GO solution, but when the redeposited layer is suppressed in the initial stage, it involves a nitrogenous resin, a melamine resin treatment, which makes a dramatic difference in microscopic form. Hereinafter, the nitrogen-containing resin is described as a melamine resin, but condensation polymerization can be carried out with a hydroxyl group or a carboxyl group of graphene oxide,
상기 설명된 대로, 환원 그래핀 산화물(rGO)의 경우, 건조된 그래핀 산화물은 중간 단계에서도 상당한 정도로 재적층을 촉진하는 수소 결합을 통해 삽입된 물 분자를 함유한다. 즉, 히드라진 처리에 의한 후속 환원시 rGO 시트들 간의 반데르발스 힘을 통해 재적층 동력이 최종 rGO로 전달된다. 반면에, 멜라민 수지(이하 MR로 표시된다)로 관능화된 그래핀 산화물(이하, MR-GO로 표시된다)은 MR 모노머의 히드록실 말단기와 GO 시트 상의 히드록실 또는 카르복실산 기의 축합 반응에 의해 수소 결합의 가능성을 미리 완전히 제거한다. 따라서, 건조된 MR-GO 제조 단계에서 재적층이 억제되고, 이러한 재적층 억제된 특징은 후속 탄화가 끝날 때까지 보존된다. As described above, in the case of reduced graphene oxide (rGO), the dried graphene oxide contains water molecules inserted through hydrogen bonds promoting the re-entrainment to a considerable degree in the intermediate stage. That is, reloading power is transferred to final rGO through van der Waals forces between rGO sheets upon subsequent reduction by hydrazine treatment. On the other hand, graphene oxide (hereinafter referred to as MR-GO) functionalized with a melamine resin (hereinafter referred to as MR) is obtained by condensation of the hydroxyl end group of the MR monomer with the hydroxyl or carboxylic acid group on the GO sheet The possibility of hydrogen bonding is completely eliminated by the reaction in advance. Thus, the reclaimed layer is suppressed in the dried MR-GO manufacturing step, and such reclaimed layer-retained features are retained until the end of the subsequent carbonization.
본 발명의 일 실시예에 따른 실험에서 MR 모노머 용액이 GO 용액에 연속 첨가되었던 특정 시기 이후, 축합 반응이 진행됨에 따라 연갈색으로 착색된 MR-GO가 GO 시트의 증가된 소수성으로 인해서 자발적으로 침전하기 시작했다. 이하 본 발명에 따른 재적층 억제 그래핀 제조방법을, 구체적인 실험예로서 설명한다. 하지만, 본 발명의 범위는 하기 실험예에 의하여 제한되지 않는다.
In the experiment according to one embodiment of the present invention, after a specific period when the MR monomer solution was continuously added to the GO solution, MR-GO colored MR-GO was spontaneously precipitated due to increased hydrophobicity of the GO sheet it started. Hereinafter, a method for producing a redeposited layer-inhibiting graphene according to the present invention will be described as a specific experimental example. However, the scope of the present invention is not limited by the following experimental examples.
실시예Example
cMR-rGOth, rGOH, 및 CNT-rGOth의 제조Preparation of cMR-rGOth, rGOH, and CNT-rGOth
먼저 흑연 분말(Alfa Aesar, APC 7-11)을 변형된 Hummer의 방법에 의해 산화시켜 GO를 얻었다. 0℃에서 아이스배스 안에서 흑연 2g과 질산나트륨(NaNO3, Sigma Aldrich) 1g을 황산(H2SO4, 50mL, Sigma Aldrich) 중에 3시간 동안 세게 교반하면서 혼합했다. 이 현탁액에 과망간산칼륨(KMnO4, Sigma Aldrich) 8g을 서서히 가하고, 암회색이 될 때까지 현택액을 교반했다. 다음에, 현탁액에 탈이온수(DI)(96mL)를 서서히 가하고, 현탁액을 1시간 동안 98℃에 유지했다. 마지막으로, 가온한 탈이온수(280mL)와 과산화수소 용액(H2O2, 50wt%, 20mL, Sigma Aldrich)을 서서히 가해서 연갈색 산화흑연 용액을 얻었다. First, graphite powder (Alfa Aesar, APC 7-11) was oxidized by modified Hummer method to obtain GO. 2 g of graphite and 1 g of sodium nitrate (NaNO3, Sigma Aldrich) were mixed with sulfuric acid (H2SO4, 50 mL, Sigma Aldrich) in an ice bath at 0 DEG C for 3 hours with vigorous stirring. To this suspension was slowly added 8 g of potassium permanganate (KMnO4, Sigma Aldrich), and the suspension was stirred until dark gray. Next, deionized water (DI) (96 mL) was slowly added to the suspension, and the suspension was kept at 98 DEG C for 1 hour. Finally, warm brown deionized water (280 mL) and a hydrogen peroxide solution (H2O2, 50 wt%, 20 mL, Sigma Aldrich) were slowly added to obtain a light brown graphite oxide solution.
이 용액을 여과하고 탈이온수로 여러 번 씻은 다음, 건조 단계를 거쳐 "산화흑연 분말"을 얻었다. 다음 단계는 초음파 처리에 의해 산화흑연 분말로부터 GO 용액을 얻는 것이었다. 전형적으로, 산화흑연 분말 4.2g을 탈이온수 350mL에 가하고, 이 용액을 2시간 동안 80W에서 팁 초음파 처리했다. 초음파 처리된 용액을 9500rpm에서 1시간 동안 원심분리하고, 상청액 용액을 건조시켜 GO 분말을 얻었다. This solution was filtered, washed several times with deionized water, and then subjected to a drying step to obtain a "graphite oxide powder ". The next step was to obtain the GO solution from the oxidized graphite powder by ultrasonic treatment. Typically, 4.2 g of graphite oxide powder was added to 350 mL of deionized water and the solution was tip-sonicated at 80 W for 2 hours. The sonicated solution was centrifuged at 9500 rpm for 1 hour, and the supernatant solution was dried to obtain a GO powder.
이후, 상기 얻어지느 GO 시트를 멜라민 수지로 관능화(MR-GO)한 후, 진공(0.1bar)에서 열처리해서 cMR-rGOth를 제조하였는데, 이를 위하여 먼저 멜라민(Sigma Aldrich) 2.5g과 37% 포름알데히드 수성 용액(Sigma Aldrich) 4.425mL를 탈이온수 40mL에 첨가해서 MR 용액을 먼저 제조했다. 이 용액을 10분간 70℃에서 열처리한 후, 용액이 투명하게 변하면, 이것은 수성 매질에 MR 모노머가 잘 용해한 것을 나타낸다. 다음에, GO 용액(20mL, 10mg/mL)을 MR 모노머 용액에 도입해서 3시간 동안 98oC에서 교반했다. The resulting GO sheet was functionalized with a melamine resin (MR-GO) and heat-treated in vacuum (0.1 bar) to prepare cMR-rGOth. First, 2.5 g of melamine (Sigma Aldrich) An MR solution was first prepared by adding 4.425 mL aldehyde aqueous solution (Sigma Aldrich) to 40 mL deionized water. After the solution was heat treated at 70 ° C for 10 minutes, the solution turned transparent, indicating that the MR monomer was well dissolved in the aqueous medium. Next, GO solution (20 mL, 10 mg / mL) was introduced into the MR monomer solution and stirred at 98 ° C for 3 hours.
교반하는 동안 MR과 GO 시트 사이에 축합반응이 일어나서 갈색 MR-GO 분말이 침전되었다. 이 MR-GO를 탈이온수와 에탄올로 몇 번 충분히 씻었다. 마지막으로, 1℃/min의 상승 속도로 MR-GO를 다단계 열처리하여 cMR-rGOth를 얻었다(120℃ 20분, 400℃ 2시간, 600℃ 2시간, 및 800℃ 2시간).During the stirring, a condensation reaction occurred between the MR and the GO sheet, and the brown MR-GO powder precipitated. The MR-GO was thoroughly washed several times with deionized water and ethanol. Finally, cMR-rGOth was obtained (120 DEG C for 20 minutes, 400 DEG C for 2 hours, 600 DEG C for 2 hours, and 800 DEG C for 2 hours) by multi-stage heat treatment of MR-GO at an increasing rate of 1 DEG C / min.
이와 달리, 1mg/mL GO 용액 200mL를 히드라진 일수화물(H2N-NH2·H2O, Sigma Aldrich) 400μL로 환원시켜서 대조 샘플로 rGOH를 제조하였는데, 이를 위하여 양 성분을 50mL 플라스크에 넣고 5시간 동안 98℃에서 열처리했다. 일단 환원 과정이 완료되면, 흑색 rGO를 몇 번 탈이온수 및 에탄올과 함께 알루미나 멤브레인(기공 크기 = 200nm, Whatman)을 통해 여과했다. 마지막으로, 12시간 동안 70℃에서 진공 건조시켜 rGO 분말을 얻었다. Alternatively, 200 mL of 1 mg / mL GO solution was reduced to 400 μL of hydrazine monohydrate (H2N-NH2 · H2O, Sigma Aldrich) to produce rGOH as a control sample. To this end, both components were placed in a 50 mL flask and incubated for 5 hours at 98 ° C. Heat treated. Once the reduction process was complete, the black rGO was filtered through an alumina membrane (pore size = 200 nm, Whatman) with deionized water and ethanol several times. Finally, rGO powder was obtained by vacuum drying at 70 DEG C for 12 hours.
또 다른 대조군으로서, 마이크로웨이브-보조 폴리올 과정에 의해 CNT-rGOth를 제조항. CNT(Hanwa Nanotech, Korea) 40mL을 에틸렌 글리콜(EG, Sigma Aldrich) 20mL에 5시간 동안 80W에서 팁 초음파 처리하여 분산시켰다. 다음에, GO 용액(10mg/mL) 5mL와 수산화나트륨 용액(0.5M, Sigma Aldrich) 0.5mL를 CNT 용액에 첨가했다. 1시간 동안 더 초음파 처리한 후, 용액을 가정용 마이크로웨이브 오븐(700W)에서 90초 처리했다. 다음에, 덩어리가 된 분말은 아세톤으로 몇 번 씻고, 12시간 동안 진공에서 70℃에서 건조시켰다. 1시간 동안 진공(약 0.1bar)에서 800℃에서 열처리하여 CNT-rGOth 합성을 완료했다.
As another control, a microwave-assisted polyol process is used to prepare CNT-rGOth. 40 mL of CNT (Hanwa Nanotech, Korea) was dispersed by tip ultrasonication in 20 mL of ethylene glycol (EG, Sigma Aldrich) at 80 W for 5 hours. Next, 5 mL of GO solution (10 mg / mL) and 0.5 mL of sodium hydroxide solution (0.5 M, Sigma Aldrich) were added to the CNT solution. After further sonication for 1 hour, the solution was treated in a domestic microwave oven (700 W) for 90 seconds. Next, the agglomerated powder was washed several times with acetone and dried at 70 DEG C in a vacuum for 12 hours. The CNT-rGOth synthesis was completed by heat treatment at 800 ° C in a vacuum (about 0.1 bar) for 1 hour.
특성분석Character analysis
주어진 샘플의 표면에 있는 화학적 관능기들을 엑스선 광전자 분광법(XPS, Thermo VG scientific, Sigma Probe)으로 분석하였다. 엑스선 회절(XRD, Rigaku)을 이용해서 각 샘플의 흑연 배열의 결정성을 분석했다. 비표면적, 기공 부피 및 기공 크기 분포를 N2 흡착-탈착 측정값(Quantachrome, Quadrasorb SI)으로부터 얻었다. 필드 에미션 주사 전자 현미경(FE-SEM, Sitrion) 및 필드 에미션 투과 전자 현미경(FE-TEM, TECNAI)을 사용해서 샘플 형태를 관찰했다. 전극은 모두 먼저 8:1:1의 질량비로 1-메틸-2-피롤리딘(NMP, Sigma Aldrich)에 분산된 활성 물질, 수퍼-P(TIMCAL) 및 폴리(비닐리덴 디플루오라이드)(PVDF, Sigma Aldrich)로 구성된 슬러리를 제조함으로써 제작했다. 슬러리를 Ni 메시 위에 캐스팅하고, 캐스팅한 샘플을 12시간 동안 70℃에서 진공 오븐 안에서 건조시켰다. 1M 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6)(PANAX E-TEC, Korea)를 함유하는 에틸렌카보네이트(EC)와 디에틸렌카보네이트(DEC)(1:1=v:v)의 공용매를 전해질로 사용했다. 다공질 멤브레인(폴리프로필렌, Celgard 2400)을 세퍼레이터로 사용해서 아르곤 충전된 글로브 박스에서 2032개의 코인 전지를 조립했다. 모든 샘플을 실제 전기화학 테스트하고자 25℃에서 WBCS 3000 전지 사이클러(WonATech, Korea)를 사용해서 0~2V의 전압 범위에서 갈바노스테이틱 충전/방전 측정을 수행했다. 갈바노스테이틱 결과로부터 비 커패시턴스(Cs, F/g), 에너지 밀도(ED, Wh/kg), 및 전력 밀도(PD, W/kg)를 얻었다. The chemical functionalities on the surface of a given sample were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, Thermo VG scientific, Sigma Probe). X-ray diffraction (XRD, Rigaku) was used to analyze the crystallinity of the graphite arrays in each sample. The specific surface area, pore volume and pore size distribution were obtained from N2 adsorption-desorption measurements (Quantachrome, Quadrasorb SI). The sample morphology was observed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, Sitrion) and a field emission transmission electron microscope (FE-TEM, TECNAI). The electrodes were all first treated with an active material, Super-P (TIMCAL) and poly (vinylidene difluoride) (PVDF) dispersed in 1-methyl-2- , Sigma Aldrich). The slurry was cast on a Ni mesh and the cast sample was dried in a vacuum oven at 70 DEG C for 12 hours. A co-solvent of ethylene carbonate (EC) and diethylene carbonate (DEC) (1: 1 = v: v) containing 1M lithium hexafluorophosphate (LiPF6) (PANAX E-TEC, Korea) was used as the electrolyte. 2032 coin cells were assembled in a glove box filled with argon using a porous membrane (polypropylene, Celgard 2400) as a separator. Galvanostatic charge / discharge measurements were performed at a voltage range of 0-2 V using a
다음 방정식에 기초하여 비 커패시턴스를 얻었다:A non-capacitance was obtained based on the following equation:
Cs = I/[-ΔV/Δt]·m = I/[-slope]·m Cs = I / [- DELTA V / DELTA t] m = I / [- slope]
여기서 I, m, 및 slope는 각각 방전 전류, 한쪽 전극에서 활성 물질의 질량, 및 iR 드롭 후 방전 곡선의 기울기이다. ED는 갈바노스테이틱 방전 곡선(전압 대 방전 시간)의 적분 면적에 전류 밀도(A/g)를 곱해서 산출했다. PD는 ED를 방전 시간으로 나눠서 산출했다. ED 및 PD에 대한 정확한 방정식은 다음과 같다: Where I, m, and slope are the discharge current, the mass of active material at one electrode, and the slope of the discharge curve after iR drop. ED was calculated by multiplying the integrated area of the galvanic nystic discharge curve (voltage vs. discharge time) by the current density (A / g). PD was calculated by dividing ED by discharge time. The exact equations for ED and PD are:
ED = , PD = ED = , PD =
여기서 V, M, I, 및 t는 각각 전압, 양쪽 전극에서 활성 물질의 질량, 방전 전류, 및 방전 시간이다.
Where V, M, I, and t are the voltage, the mass of the active material at both electrodes, the discharge current, and the discharge time.
분석 analysis
도 2a는 MR-GO, 2b는 GO의 SEM 이미지를 나타내고, 도 2c 및 2d는 동일한 샘플의TEM 이미지이고, 2e는 XRD 스펙트럼을 나타낸다.FIG. 2A shows an MR-GO, 2b shows a SEM image of GO, FIGS. 2C and 2D show TEM images of the same sample, and 2E shows an XRD spectrum.
도 2a 내지 2e를 참조하면, MR로 관능화된 GO의 재적층 억제 성질은 주사 전자 현미경(SEM) 및 투과 전자 현미경(TEM) 특성화에 반영되었다. Referring to Figures 2A-2E, the re-layering inhibitory properties of GO-functionalized GOs were reflected in scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) characterization.
본 실험예에 따른 두 샘플이 마이크로미터 규모로 비교되었을 때, 수십 내지 수백 나노미터 범위의 주름진 형태가 관찰되었으며(도 2a), 이것은 MR-GO의 재적층 억제 성질의 가장 처음의 표시일 수 있다. 반면에, 건조된 GO는 매끄러운 표면 형태를 가진 마이크로미터 규모 입자로 보였다(도 2b). 양 샘플 간의 이러한 뚜렷이 다른 형태는 TEM 특성화에 의해 더 자세히 특성화되었다. When two samples according to this example were compared on a micrometer scale, a corrugated form ranging from tens to hundreds of nanometers was observed (Fig. 2a), which may be the earliest indication of the re-deposition inhibiting nature of MR-GO . On the other hand, the dried GO was seen as micrometer scale particles with a smooth surface morphology (Fig. 2B). These distinct forms of both samples were characterized in more detail by TEM characterization.
즉, MR-GO는 무작위 3D 배향으로 산재된 개별적 시트들을 나타냈으며(도 2c), 건조된 GO에서 GO 시트는 TEM 그리드를 따라 대체로 정렬되는 것으로 나타났다(도 2d). That is, MR-GO exhibited individual sheets scattered in a random 3D orientation (Fig. 2C) and the GO sheet in the dried GO appeared to be generally aligned along the TEM grid (Fig. 2D).
또한, MR-GO의 고 배율 TEM 이미지(도 2c, 삽입)에서는 개별적 MR-GO 플레이크의 단면에 해당하는 어두운 선들이 자주 관찰되었다. 이들 어두운 선들의 평균 두께(약 20nm)로부터 MR-GO 분말의 지엽적 구조를 구성하는 각 그래핀 플레이크가 각 GO 시트의 두께(0.6 내지 1.2nm)와 GO 표면의 MR의 존재를 고려해서 MR-관능화된 GO의 대략 몇 개의 시트로 구성된다는 것이 판명된다. 건조된 GO의 경우(도 2d, 삽입) 흑색/백색 대비가 재적층된 특징으로 인해서 훨씬 덜 두드러졌다.Also, in the high magnification TEM image (Fig. 2c, insert) of MR-GO, dark lines corresponding to cross sections of individual MR-GO flakes were frequently observed. From the average thicknesses of these dark lines (about 20 nm), each graphene flake constituting the local structure of the MR-GO powder was evaluated for the MR-sensibility in consideration of the thickness of each GO sheet (0.6 to 1.2 nm) It is proved that it is composed of approximately several sheets of the GO. In the case of dried GO (Fig. 2d, insert), the black / white contrast was much less pronounced due to repositioned features.
또한, 엑스선 회절(XRD) 분석은 두 샘플에 대한 구조 정보를 제공하며(도 2e), 특히 이것은 결정성 및 층간 거리에 집중된다. 건조된 GO 분말은 2θ = 12.3°에서 날카로운 피크를 나타냈는데, 이것은 적층을 따라 정렬된 GO 층들의 정돈된 결정성과 산소-함유 관능기 및 삽입된 물 분자들로 인한 증가된 층간 거리(약 7.25Å)를 표시한다. 반면에, MR-GO 분말은 2θ = 24°에서 브로드한 피크만을 나타냈으며, 이것은 (002) 방향을 따라 적절히 정렬된 흑연 배열들에 상응한다. 이들 흑연 배열들은 실제로 도 2d의 TEM 이미지에서 검은색 선으로 보이는 그래핀 플레이크에 상응한다. 또한, 엑스선 광전자 분광법(XPS)를 이용한 원소 분석도 일관된 그림을 제시한다(표 1 및 도 S1A). MR-GO에서 제거된 수소 결합은 건조된 GO 분말(33.40%)에 비해서 실질적으로 적은 산소 함량(8.8%)에서 반영된다.
In addition, x-ray diffraction (XRD) analysis provides structural information for both samples (Fig. 2e), in particular this is concentrated on crystallinity and interlayer distance. The dried GO powder exhibited a sharp peak at 2? = 12.3 °, which indicated an ordered interlayer distance (about 7.25 Å) due to the ordered crystallinity of the GO layers aligned along the stack and the oxygen- . On the other hand, the MR-GO powder exhibited only a broad peak at 2? = 24 °, corresponding to graphite arrays properly aligned along the (002) direction. These graphite arrays actually correspond to graphene flakes visible as black lines in the TEM image of Figure 2D. Elemental analysis using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) also provides a consistent picture (Table 1 and Figure S1A). The hydrogen bonds removed in the MR-GO are reflected in a substantially lower oxygen content (8.8%) compared to the dried GO powder (33.40%).
도 3a는 cMR-rGOth의 (A) SEM, 도 3b는 TEM 이미지를 나타낸다. 또한 도 3c는 동일 질량(=70mg)에서 cMR-rGOth, rGOH, 및 CNT-rGOth의 사진을 나타낸다.FIG. 3A shows (A) SEM of cMR-rGOth, and FIG. 3B shows a TEM image. FIG. 3C also shows photographs of cMR-rGOth, rGOH, and CNT-rGOth in the same mass (= 70 mg).
도 3a 및 3b를 참조하면,MR-GO의 재적층 억제 성질은 열 환원 후에도 동일한 샘플에 전달되었다. 이 열처리 동안 MR은 동시에 탄화되었으며, 그래서 본 발명에서는 이 열처리된 샘플을 cMR-rGOth라고 표시한다. MR-GO의 경우와 마찬가지로 cMR-rGOth도 SEM 분석 결과(도 3a 참조), 수십 내지 수백 나노미터의 범위의 주름진 형태를 나타냈으며, 뿐만 아니라 TEM 분석 결과(도 3b 참조)에는 20nm 이하 규모로 산재된 개별적 또는 소수의 rGO 시트들이 나타났다. 이와 같이 다양한 치수의 보이드 공간을 함유하는 관찰된 형태들은 실제로 기공도 측정에서 광범위한 기공 크기로서 판단된다.
Referring to Figures 3A and 3B, the re-layering inhibiting properties of MR-GO were transferred to the same sample after thermal reduction. During this heat treatment the MRs were carbonized at the same time, so in the present invention this heat treated sample is labeled cMR-rGOth. As in the case of MR-GO, cMR-rGOth also exhibited SEM analysis results (see FIG. 3A), corrugated shapes ranging from tens to hundreds of nanometers, and TEM analysis (see FIG. 3B) Individual or few rGO sheets emerged. Observed forms containing such voided voids of varying dimensions are actually judged to be of a wide pore size in the porosity measurement.
도 4는 MR-GO와 cMR-rGOth의 재적층 억제된 형태(A, B)가 주사 투과 전자 현미경(STEM) 이미지이다. Figure 4 is a scanning transmission electron microscope (STEM) image of MR-GO and cMR-rGOth restrained forms (A, B).
도 4를 참조하면, MR-GO와 cMR-rGOth 모두 재적층 억제된 형태가 유지되는 것을 알 수 있다.
Referring to FIG. 4, it can be seen that both the MR-GO and the cMR-rGOth are maintained in a layer-restrained form.
도 5a 및 5b는 각각 MR-GO 및 cMR-rGOth 의 XPS 분석 결과이고, 도 5c는 고해상도 N 1s XPS 데이터이다. 또한 하기 표 1은 GO, MR-GO와 cMR-rGOth의 원소 함량을 나타내는 결과이다.FIGS. 5A and 5B are XPS analysis results of MR-GO and cMR-rGOth, respectively, and FIG. 5C are high resolution N 1s XPS data. Table 1 also shows the elemental contents of GO, MR-GO and cMR-rGOth.
상기 결과를 참조하면, 두 샘플의 XPS 원소 분석은 탄소 함량이 56.20%(MR-GO)에서 86.76%(cMR-rGOth)까지 증가했던 것으로 나타나며, 이것은 열처리 후 MR이 대부분 탄화되었음을 시사한다.Referring to the above results, XPS elemental analysis of the two samples showed that the carbon content increased from 56.20% (MR-GO) to 86.76% (cMR-rGOth), suggesting that the MR was mostly carbonized after the heat treatment.
실제로 cMR-rGOth의 탄소 함량은 히드라진에 의해 환원된 잘 확립된 rGO(rGOH로 표시된다)의 탄소 함량(82.00%)과 비슷하다. 한편, 고해상도 N 1s XPS 데이터는 398.4eV 및 400.9eV에서 2개의 피크를 나타냈으며, 이들은 각각 N-6(피리딘 유사) 및 N-Q(흑연 유사) 질소 형태에 상응한다(도 5c 참조). 이들 N-형태들은 유사한 MR-기원 물질 상에서 이미 보고된 것과 일치하며, 또한 N-Q의 과잉의 전자를 통해 cMR-rGOth의 도전성을 증진시킬 것으로 기대된다.
In fact, the carbon content of cMR-rGOth is similar to the carbon content (82.00%) of well-established rGO (designated rGOH) reduced by hydrazine. On the other hand, high resolution N 1s XPS data showed two peaks at 398.4 eV and 400.9 eV, which correspond to N-6 (pyridine-like) and NQ (graphite-like) nitrogen forms, respectively (see FIG. These N-forms are consistent with those already reported on similar MR-based materials and are also expected to enhance the conductivity of cMR-rGOth through the excess electrons of NQ.
도 6은 (A) cMR-rGOth, (B) rGOH, (C) CNT-rGOth, and (D) CNTs의 고해상도 SEM 이미지이다. 6 is a high-resolution SEM image of (A) cMR-rGO th , (B) rGO H , (C) CNT-rGO th , and (D) CNTs.
도 6에서는 정량적인 기공도 측정 전에도 주어진 질량에서 샘플의 부피는 샘플들 간에 기공도의 극적인 차이를 나타내는 것을, 더 충분히 비교하고자 또 다른 대조 샘플로서 CNT-rGOth 복합물을 추가하여 실험한 것이다. In Figure 6, the CNT-rGOth composite was added as another control sample to further compare the volume of the sample at a given mass before the quantitative porosity measurement, showing a dramatic difference in porosity between the samples.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 cMR-rGOth 의 기공도가 매우 크다는 것을 알 수 있다. 이 결과는, 70mg의 동일한 질량에서 cMR-rGOth는 나머지 두 대조예(도 3c 참조)와 비교해서 현저히 큰 부피를 나타내는 것과 일치하며, 이것은 cMR-rGOth의 재적층 억제 특징을 제대로 반영한다.
6, it can be seen that the pores of the cMR rGO-th also very large in accordance with the present invention. The results show that at the same mass of 70 mg, cMR-rGOth corresponds to a significantly larger volume compared to the other two controls (see Figure 3c), which correctly reflects the re-deposition inhibition characteristics of cMR-rGOth.
도 7a는 cMR-rGOth, 7b는 rGOH의 질소 흡착-탈착 등온선을 나타낸다. 여기에서 흑색 선 및 적색 선은 각각 흡착 및 탈착 곡선에 해당한다. 또한, 도 7c 및 7d는 각각 cMR-rGOth(C) 및 rGOH(D)의 기공 크기 분포이고, 7e는 cMR-rGOth(흑색) 및 rGOH(적색)의 XRD 패턴이다. FIG. 7A shows the cMR-rGOth, and 7b shows the nitrogen adsorption-desorption isotherm of rGOH. Here, the black line and the red line correspond to adsorption and desorption curves, respectively. 7C and 7D are pore size distributions of cMR-rGOth (C) and rGOH (D), respectively, and 7e is an XRD pattern of cMR-rGOth (black) and rGOH (red).
상기 결과는, cMR-rGOth 및 rGOH의 기공도에 대한 더욱 정량적인 정보 세트를 제공하는 것으로, cMR-rGOth는 P/P0=0.9 근처에서 작은 이력현상을 동반한 타입 IV 등온선을 나타냈으며, 이것은 주어진 분말에서 매크로 기공과 메조 기공의 동시 존재를 나타내고, 도 3a의 SEM 영상과 일치한다. The results provide a more quantitative set of information on the porosity of cMR-rGOth and rGOH, cMR-rGOth exhibiting a Type IV isotherm with a small hysteresis around P / P0 = 0.9, This shows the coexistence of macropores and mesopores in the powder and is consistent with the SEM image of Fig. 3A.
반면에, rGOH는 0.5~1.0의 P/P0 범위에서 큰 이력현상을 동반한 상이한 등온선 모양을 나타냈는데(도 7b 참조), 이것은 재적층된 rGOH 시트들 사이에 존재하는 상대적으로 작은 메조 기공들의 우세한 존재를 나타낸다. 이들 등온선으로부터 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 및 Barrett-Joyner-Halenda(BJH) 모델에 기초하여 분석했을 때 cMR-rGOth가 rGOH보다 현저히 높은 표면적 및 기공 부피를 보유한다는 것이 판명되었으며, 각각 1040 대 466㎡/g, 2.6 대 0.6㎤/g였다. 또한, 흡착 분지들에서 밀도 함수 이론(DFT) 방법에 기초하여 얻어진 기공 크기 분포(PSD)는 기공 크기 관점에서도 일관되는 그림을 제시한다. cMR-rGOth는 50~80nm 범위의 기공이 더 많은 나타났는데(도 7c), 이것은 rGO 플레이크들 사이에 기공이 형성됨으로 인한 것이다. 반면, rGOH에서 대부분의 기공은 10nm 이하 영역에 있는 것으로 판명되었고(도 7d), 이것은 비가역적 재적층 현상에 의한 rGO 시트들 사이에 형성된 작은 메조- 및 마이크로-기공과 관련된다. On the other hand, rGOH showed a different isotherm shape with large hysteresis in the P / P0 range of 0.5 to 1.0 (see Fig. 7b), which is the predominance of the relatively small mesopores existing between the resurfaced rGOH sheets Indicates presence. Based on the Brunauer-Emmett-Teller (BET) and Barrett-Joyner-Halenda (BJH) models from these isotherms, it was found that cMR-rGOth possesses significantly higher surface area and pore volume than rGOH, M < 2 > / g, and 2.6 to 0.6 cm < 3 > / g. In addition, the pore size distribution (PSD) obtained on the basis of the density function theory (DFT) method in adsorption basins also provides a consistent picture in terms of pore size. cMR-rGOth showed more pores in the range of 50-80 nm (Fig. 7c), which is due to the formation of pores between the rGO flakes. On the other hand, most of the pores in rGOH have been found to be in the sub-10 nm region (Fig. 7d), which is associated with small meso- and micro-pores formed between the rGO sheets by irreversible redeposition.
도 8은 cMR-rGOth(A) 및 rGOH(B)에 대한 BJH 방식에 의한 기공 크기 분포(PSD) 결과이다.Fig. 8 shows pore size distribution (PSD) results of the BJH method for cMR-rGOth (A) and rGOH (B).
도 8을 참조하면, BJH 방법으로부터 얻어진 PSD 역시 두 샘플에서 우세한 기공 치수와 관련하여 일관된 결과를 나타냈다. Referring to Figure 8, the PSD obtained from the BJH method also showed consistent results with respect to the dominant pore dimensions in the two samples.
도 9는 CNT-rGOth 및 CNTs의 N2 흡착-탈착 등온 그래프이고, 하기 표 2는 본 발명에서 사용된 모든 탄소성 물질의 비표면적 및 기공 부피 데이터이다.9 is a N2 adsorption-desorption isotherm graph of CNT-rGOth and CNTs, and Table 2 below shows specific surface area and pore volume data of all carbonaceous materials used in the present invention.
도 9 및 표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 cMR-rGOth는 매우 큰 비표면적과 기공 크기를 갖는 것을 알 수 있으며, 이것은 멜라닌 수지(MR) 및 탄화 과정을 통한 재적층 방지 효과에 기인한 것이다. 더 나아가, 도 7e의 cMR-rGOth 및 rGOH의 XRD 스펙트럼도 두 샘플의 뚜렷이 다른 구조적 특징들을 명백히 개시하며, 양 스펙트럼은 모두 흑연 배열의 (002) 면에 상응하는 2θ = 24°에서 피크를 나타낸다. 또한, cMR-rGOth의 재적층 억제 특징 때문에 cMR-rGOth의 피크가 rGOH의 피크보다 더 브로드했다.
9 and Table 2, it can be seen that cMR-rGOth according to the present invention has a very large specific surface area and pore size, and this is due to the melanin resin (MR) and the anti-redeposition effect through the carbonization process . Further, the XRD spectra of cMR-rGOth and rGOH in Figure 7e also clearly demonstrate the distinct structural features of both samples, both spectra exhibiting peaks at 2 [theta] = 24 [deg.] Corresponding to the (002) plane of the graphite array. In addition, the peak of cMR-rGOth was broader than the peak of rGOH because of the re-deposition inhibition characteristics of cMR-rGOth.
실험예 Experimental Example
전기화학적 성능에 대한 재적층 억제 효과를 평가하기 위하여 본 발명에서는 코인 전지를 제조함으로써 대칭 SC 전극의 활성 물질로서 cMR-rGOth를 평가했다. 대부분의 전기화학적 특성화는 0~2.0V의 전위 범위에서 갈바노스테이틱 모드하에 수행되었다. 상세한 전지 제조 및 측정 조건은 실험 부분에서 설명된다. rGOH, CNT-rGOth, 및 CNTs를 포함하는 다른 대조 샘플도 비교를 위해 테스트되었다. To evaluate the effect of restraining layer on electrochemical performance, in the present invention, cMR-rGOth was evaluated as an active material of a symmetric SC electrode by preparing a coin battery. Most electrochemical characterization was performed under the galvanic nystic mode at a potential range of 0-2.0V. Detailed cell preparation and measurement conditions are described in the experimental section. Other control samples including rGOH, CNT-rGOth, and CNTs were also tested for comparison.
도 10a는 0.5A/g의 동일 전류 밀도에서 측정된 cMR-rGOth(흑색 선) 및 rGOH(적색 선)의 충전 및 방전 프로파일, 도 10b는 모두 0.5A/g의 동일 전류 밀도에서 측정된 본 발명에서 조사된 모든 샘플의 비 커패시턴스, 도 10c는 다양한 전류 밀도에서 측정된 4개 샘플 모두의 중량 커패시턴스, 도 10d는 향후의 플래시 에너지 저장 장치로서 주어진 샘플을 평가하기 위한 cMR-rGOth 및 rGOH의 급속 충전 및 지연 방전 테스트를 나타낸다. 여기에서 5.0 및 0.5A/g는 각각 급속 충전 및 지연 방전을 위해 적용되었다.Fig. 10a shows the charge and discharge profiles of cMR-rGOth (black line) and rGOH (red line) measured at the same current density of 0.5 A / g, Fig. 10C shows the weight capacitances of all four samples measured at various current densities, Fig. 10D shows the fast charge of cMR-rGOth and rGOH for evaluating a given sample as a future flash energy storage device, Fig. And a delayed discharge test. Here 5.0 and 0.5 A / g were applied for rapid charging and delayed discharging, respectively.
도 10a 내지 10d를 참조하면, cMR-rGOth의 경우 상당히 더 긴 충전 및 방전 기간은 rGOH에 비해 뛰어난 커패시턴스를 나타낸다(도 10a). CNT-rGOth 및 CNTs와 비교했을 때도(도 10b) cMR-rGOth의 커패시턴스는 훨씬 더 높은 것으로 판명되었다. 0.5A/g의 동일한 전류 밀도에서 cMR-rGOth, rGOH, CNT-rGOH, 및 CNTs는 각각 210, 110, 33, 및 15F/g를 나타냈다. 이들 분명히 구별되는 커패시턴스로부터 다음의 특징이 주목된다:Referring to Figures 10a-10d, considerably longer charging and discharging periods for cMR-rGOth exhibit better capacitance than rGOH (Figure 10a). Compared with CNT-rGOth and CNTs (Fig. 10b), the capacitance of cMR-rGOth was found to be much higher. At the same current density of 0.5 A / g, cMR-rGOth, rGOH, CNT-rGOH, and CNTs exhibited 210, 110, 33, and 15 F / g, respectively. From these apparently distinct capacitances, the following features are noted:
1. cMR-rGOth는 rGOH에 비하여 약 2배 이상의 비 커패시턴스를 나타냈으며, 이것은 커패시턴스에 대한 중요한 형태학적 효과뿐만 아니라 증가된 커패시턴스를 향한 MR-처리에 의한 재적층 억제의 중요성을 나타내는 것이다. 또한, 증가된 질소 함량(2.31% 대 5.24%)이 개선된 커패시턴스에 기여함이 틀림없는데, N-도핑된 부위는 캐리어 이온과의 더 높은 친화력을 보유한다고 알려져 있기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 멜라닌 수진은 그래핀의 재적층을 방지할 뿐만 아니라, 캐리어의 이동에도 기여하여 전극의 성능 향상에도 기여한다. 1. cMR-rGOth exhibited about two times more capacitance than rGOH, indicating significant morphological effects on capacitance as well as the importance of MR restraining by increased resistivity towards increased capacitance. Also, the increased nitrogen content (2.31% vs. 5.24%) must contribute to improved capacitance, since the N-doped region is known to have a higher affinity for carrier ions. Therefore, the melanin swell according to the present invention not only prevents re-deposition of graphene but also contributes to the movement of the carrier, thereby contributing to the improvement of the performance of the electrode.
2. CNTs는 심한 재적층에서는 상당히 자유롭다 하더라도 CNTs는 최저의 커패시턴스를 나타냈는데, 이것은 캐리어 이온의 흡착에 실질적으로 기여하지 않는 큰 내부 튜브 표면과 기저면보다 캐리어 이온에 대해 더 높은 친화성을 가진다고 알려진 엣지 부위의 부재 때문인 것으로 생각된다.2. CNTs exhibited the lowest capacitance, even though they were fairly free in the deep reloading layer, which is known to have a higher affinity for carrier ions than for a large inner tube surface and basal plane that does not contribute substantially to the adsorption of carrier ions It is believed that this is due to the absence of edge regions.
3. CNT는 최종 복합물에서 rGO의 재적층을 완화하는데 있어서 MR보다 덜 효과적인 것으로 판명되었다. 이 차이는 주어진 처리가 삽입된 물과 GO 시트 사이의 수소 결합을 방지하고, 이로써 건조된 GO 상태에서 재적층을 방지하는 효과 정도와 관련되어야 한다(도 1 참조). 이런 의미에서 MR 모노머와 GO 관능기의 상당 부분 사이에 일어나는 잘 정의된 축합 반응이 수소 결합과 결과적으로 최종 rGO의 재적층을 완화하는데 매우 효과적이라는 결론이 도출될 수 있다.3. CNT proved to be less effective than MR in mitigating the redeposition of rGO in the final composite. This difference should be related to the degree of effectiveness of a given treatment to prevent hydrogen bonding between the inserted water and the GO sheet, thereby preventing redeposition in the dried GO state (see FIG. 1). In this sense, a conclusion can be drawn that a well-defined condensation reaction between the MR monomer and a significant portion of the GO functional group is very effective in mitigating hydrogen bonding and consequently re-deposition of the final rGO.
또한, cMR-rGOth의 뛰어난 커패시턴스는 더 높은 전류 밀도에서도 보존되었다(도 10c). 20배 증가된 전류 밀도(10A/g)에서도 154F/g가 유지되었는데, 이것은 원래 전류 밀도에서의 커패시턴스에 대해 73%의 커패시턴스 보유율에 상응한다. 동일하게 증가된 전류 밀도에서 rGOH는 단지 51%의 커패시턴스 보유율을 나타냈으며(111□57F/g), 이것은 재적층이 억제된 것에 기원하는 cMR-rGOth의 잘 전개된 기공 구조가 높은 전류 밀도에서 특별히 효과적인 이온 확산에 대해 어떤 역할을 한다는 것을 의미한다. 또한, N-Q 형태의 실질적인 함량이 증진된 전자 전도성에 의해서 뛰어난 방전 용량비 성능을 보조함에 틀림없다. 이러한 조합된 효과를 활용하여 cMR-rGOth는 15A/g의 높은 전류 밀도에서도 140F/g의 높은 비 커패시턴스를 전달했다. 따라서, 본 발명에 따른 cMR-rGOth는 나머지 대조예와 비교해서, 주어진 전력 밀도에서 일관되게 더 높은 에너지 밀도를 나타냈으며, 이것은 cMR-rGOth의 재적층 억제 구조 및 캐리어 이동 효율 향상에 기인한 것으로 판단된다.In addition, the outstanding capacitance of cMR-rGOth was also preserved at higher current densities (Fig. 10c). At a 20 times increased current density (10 A / g) 154 F / g was maintained, which corresponds to a capacitance retention of 73% for the capacitance at the original current density. At the same increased current density, rGOH exhibited a capacitance retention of only 51% (111 57 F / g), indicating that the well-developed pore structure of cMR-rGOth originating from restrained layer suppression Meaning that it plays a role in effective ion diffusion. In addition, the substantial content of the N-Q type must assure an excellent discharge capacity ratio performance by the enhanced electronic conductivity. Utilizing this combined effect, cMR-rGOth delivered a high non-capacitance of 140 F / g even at a high current density of 15 A / g. Therefore, cMR-rGOth according to the present invention showed a consistently higher energy density at a given power density, as compared to the rest of the control, which is attributed to the restructuring structure of cMR-rGOth and improved carrier transport efficiency do.
급속 충전 및 지연 방전 특성이 더 많이 요구되는 EV와 휴대용 전자기기의 실제 작동을 반영하기 위하여 추가의 SC 측정을 수행했다. 따라서, cMR-rGOth 및 rGOH에 대해 5A/g에서 급속 충전을, 0.5A/g에서 지연 방전을 테스트했다(도 10d). 이러한 급속 충전 모드에서도 cMR-rGOth는 약 180F/g의 비 커패시턴스를 나타냈으며, 이것은 동일한 조건에서 측정된 rGOH(약 70F/g)의 비 커패시턴스보다 2.5배 더 큰 값으로서, cMR-rGOth의 우수한 SC 성능이 급속 충전의 더욱 난이한 작동 조건에서도 가능함을 시사한다. 이 결과는 cMR-rGOth가 향후의 플래시 충전 SC 용도를 위한 전극 재료로서 귀중한 옵션이 될 수 있음을 내포한다. Additional SC measurements were performed to reflect the actual operation of EVs and portable electronic devices that require more rapid charge and delay discharge characteristics. Thus, rapid charging at 5 A / g for cMR-rGOth and rGOH and delayed discharge at 0.5 A / g were tested (Fig. 10d). The cMR-rGOth showed a capacitance of about 180 F / g even in this rapid charge mode, which is 2.5 times larger than the rCOH (about 70 F / g) capacitance measured under the same conditions, Suggesting that performance can be achieved even under difficult operating conditions of rapid charging. This result implies that cMR-rGOth can be a valuable option as electrode material for future flash-filled SC applications.
도 11은 (A) 0.5A/g 및 (B) 2.0A/g에서 측정된 cMR-rGOth의 사이클링 성능을 나타낸다.Figure 11 shows the cycling performance of cMR-rGOth measured at (A) 0.5 A / g and (B) 2.0 A / g.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 cMR-rGOth은 우수한 사이클링 성능을 나타냈다. 0.5A/g에서 측정했을 때(도 11a) 그것의 비 커패시턴스는 최초 5000 사이클 내에서 점차 증가하여 초기 값의 120%에 도달했는데, 이것은 전극 필름 내부 깊이 전해질이 점진적으로 스며드는 것과 같은 특정한 활성화 과정과 관련되었을 수 있다. 본 발명에 따른 전극 재료의 사용에 따라 증가된 커패시턴스는 9000 사이클까지 포화 상태로 유지되었다. 주목할 점은 이 사이클 수가 3개월의 연속 측정에 상응한다는 점이다. 사이클링 테스트의 사이클 회수를 연장하고자 또한 cMR-rGOth를 2A/g의 더 높은 전류 밀도에서 테스트했으며(도 6B), cMR-rGOth는 20000 사이클 후에도 96%의 우수한 커패시턴스 보유율을 나타냈다. Referring to FIG. 11, cMR-rGOth according to the present invention exhibited excellent cycling performance. When measured at 0.5 A / g (Fig. 11A), its non-capacitance gradually increased within the first 5000 cycles to reach 120% of the initial value, which is due to a specific activation process, such as progressive penetration of the electrolyte deep inside the electrode film . The increased capacitance with the use of the electrode material according to the present invention remained saturated until 9000 cycles. Note that this cycle number corresponds to a continuous measurement of three months. The cMR-rGOth was also tested at a higher current density of 2A / g (Fig. 6B) to extend the cycle count of the cycling test, and cMR-rGOth exhibited an excellent capacitance retention of 96% even after 20,000 cycles.
결론적으로, 본 발명에서는 종래의 용액 과정에서 rGO가 만성적으로 재적층되는 문제를 다루었으며, 현저히 개선된 SC 성능을 증명했다. 특히, 초기 건조된 GO 단계에서 삽입된 물 분자들이 최종 rGO의 재적층시 결정적인 역할을 한다는 것을 인식하고, GO를 용액 상태에서 MR 모노머로 관능화해서 수소 결합을 방지함으로써 삽입된 물을 GO 분말 내에 유지했다. 결과적으로, 최종 cMR-rGOth는 rGO 플레이크로서 높은 표면적(약 1040㎡/g)과 기공 부피(약 2.6㎤/g)를 지니게 되었고, 여러 전기화학적 측면에서 SC 전극으로서 우수한 성능을 나타냈다. 전반적으로, cMR-rGOth로부터 얻어진 일련의 결과는 용액 상태에서 GO 시트와 연동하는 다양한 축합 반응들이 확장성 있는 용액 과정에서 재적층이 억제된 rGO의 합성을 위한 일반적인 설계 원리가 될 수 있음을 시사한다.In conclusion, the present invention addresses the problem of chronic redeposition of rGO in conventional solution processes and has demonstrated significantly improved SC performance. In particular, recognizing that the water molecules inserted in the initially dried GO step play a crucial role in re-depositing the final rGO, the GO is functionalized with the MR monomer in solution to prevent hydrogen bonding, I kept it. As a result, the final cMR-rGOth had a high surface area (about 1040
이상, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the scope of the present invention . Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
Claims (9)
상기 환원 산화 그래핀 시트는, 멜라민 수지 모노머가 그래핀 산화물 시트에 결합된 후, 열처리 방식으로 환원되며,
상기 멜라민 수지 모노머는 상기 그래핀 산화물 시트 표면의 기능기와 축합 중합된 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 전극재료.A graphene-based electrode material comprising a reduced graphene oxide sheet functionalized with a melamine resin monomer,
The reduced graphene graphene sheet is formed by binding a melamine resin monomer to a graphene oxide sheet and then reducing it by a heat treatment method,
Wherein the melamine resin monomer is condensation-polymerized with a functional group on the surface of the graphene oxide sheet.
상기 그래핀 산화물 시트 표면의 기능기는 히드록실 또는 카르복실산 기이며, 멜라민 수지 모노머는 히드록실기를 함유하는 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 전극재료.The method according to claim 1,
Wherein the functional group on the graphene oxide sheet surface is a hydroxyl or carboxylic acid group and the melamine resin monomer contains a hydroxyl group.
그래핀 산화물 분산 용액에 멜라인 수지 모노머 분산 용액을 혼입하는 단계; 및
상기 혼입되는 단계 후 멜라민 수지 모노머에 의하여 관능화된 상기 그래핀 산화물을 열처리하여 환원하는 단계를 포함하며,
상기 그래핀 산화물은 흑연 분말로부터 변형된 Hummer 방법에 의하여 제조된 것이며,
상기 그래핀 산화물 표면에는 히드록실기 또는 카르복실기인 기능기가 결합된 것을 특징으로 하는 그래핀 기반 전극재료 제조방법.As a method of manufacturing a graphene based electrode material,
Mixing a melamine resin monomer dispersion solution into a graphene oxide dispersion solution; And
Heat-treating and reducing the graphene oxide functionalized by the melamine resin monomer after the step of mixing,
The graphene oxide is produced by a modified Hummer method from graphite powder,
Wherein a functional group that is a hydroxyl group or a carboxyl group is bonded to the surface of the graphene oxide.
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