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WO2024205144A1 - Nanoporous graphite, precursor thereof, and electrochemical device including same - Google Patents

Nanoporous graphite, precursor thereof, and electrochemical device including same Download PDF

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Publication number
WO2024205144A1
WO2024205144A1 PCT/KR2024/003625 KR2024003625W WO2024205144A1 WO 2024205144 A1 WO2024205144 A1 WO 2024205144A1 KR 2024003625 W KR2024003625 W KR 2024003625W WO 2024205144 A1 WO2024205144 A1 WO 2024205144A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
graphite
nanoporous
nanopores
paragraph
band
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/KR2024/003625
Other languages
French (fr)
Korean (ko)
Inventor
정희태
루이즈토레스클라우디오아드리안
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Original Assignee
Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020240039041A external-priority patent/KR20240143940A/en
Application filed by Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST filed Critical Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Publication of WO2024205144A1 publication Critical patent/WO2024205144A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02Inorganic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/20Graphite
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/30Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32Carbon-based
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx

Definitions

  • the present invention relates to nanoporous graphite comprising nano-sized pores, precursors thereof, and applications thereof.
  • Carbon materials are widely used in various industrial fields such as water treatment, gas separation, and energy devices.
  • membranes such as gas separation membranes, water treatment separation membranes, ion separation membranes, and secondary battery separation membranes that selectively allow ions or specific substances to pass through.
  • An object of the present invention is to provide nanoporous graphite in which the interlayer distance is stably maintained even under harsh conditions or for long-term use.
  • Another object of the present invention is to provide a nanoporous graphite precursor capable of enabling the production of the above-described nanoporous graphite.
  • Another object of the present invention is to provide various applications of the above-mentioned nanoporous graphite.
  • the present invention provides nanoporous graphite, characterized in that the nanoporous graphite includes a plurality of nanopores on at least one surface of a graphite layer, has a diffraction peak due to a (002) crystal plane of graphite in X-ray diffraction analysis, and at least one of the plurality of nanopores is located on an in-plane within the graphite layer.
  • the nanoporous graphite may include a D' band in a Raman spectrum.
  • the ratio of I d /I g intensities of the Raman spectrum of the nanoporous graphite may be 0.3 to 1.5.
  • the nanoporous graphite may include a D' band having a stronger scattering intensity than the D band in a Raman spectrum.
  • the nanoporous graphite may include a D' band having a stronger scattering intensity than the 2D band in a Raman spectrum.
  • the FWHM of the diffraction peak due to the (002) crystal plane of graphite in the X-ray diffraction analysis of the nanoporous graphite may be 5° or less.
  • the average diameter of the nanopores may be 500 nm or less.
  • nanoporous graphite after the nanoporous graphite is exfoliated into graphene, five or more nanopores may be included within a 50 nm x 50 nm image observed using a transmission electron microscope.
  • the nanoporous graphite can satisfy the following equation 1.
  • the nanoporous graphite may have a BET specific surface area of 20 m 2 /g or less.
  • the size of the nanopores can be controlled by a chemical oxidation reaction.
  • the nanoporous graphite may have a pore volume of 0.1 cm 3 /g or less.
  • the present invention provides a separator, wherein the separator comprises the nanoporous graphite.
  • the separation membrane may be for water treatment, solvent nanofiltration, gas separation, or ion separation.
  • the present invention provides an electrochemical device, wherein the electrochemical device comprises the nanoporous graphite described above.
  • the present invention provides a graphite precursor, characterized in that the graphite precursor includes Cr on at least one side of a graphite layer, includes a D' band in a Raman spectrum, and has two or more diffraction peaks diffracted at an angle lower than a diffraction angle 2 ⁇ due to a (002) crystal plane of graphite in X-ray diffraction analysis.
  • the graphite precursor may include a D band having a weaker scattering intensity than the 2D band in the Raman spectrum.
  • the Cr may be included in an amount of 3 wt% or less of the total weight of the nanoporous graphite precursor.
  • the present invention provides a method for producing nanoporous graphite, the method for producing nanoporous graphite comprising: (S1) a step of producing a nanoporous graphite precursor by positioning one or more intercalating compounds on at least one surface included in graphite; (S2) a step of reacting the intercalating compound with an unsaturated bond between carbon atoms included in the graphite; and (S3) a step of forming nanopores due to the reaction of the step (S2); wherein the intercalating compound induces nanopores at the positions of the saturated bonds.
  • the intercalating compound is CrO 2 Cl 2 ; Cr 2 O 3 ; FeCl 3 ; and a compound comprising the same; may be selected from the group consisting of:
  • the reaction in step (S2) may be an oxidation reaction.
  • step (S2) in the method for producing nanoporous graphite according to the present invention, can be performed under acidic conditions.
  • the step (S2) can be performed by adding an oxidizing agent.
  • the oxidizing agent may include KMnO 4 .
  • the nanoporous graphite according to the present invention comprises a plurality of nanopores on at least one side of a graphite layer, has a diffraction peak due to a (002) crystal plane of graphite in X-ray diffraction analysis, and is characterized in that at least one of the plurality of nanopores is located on an in-plane within the graphite layer. Accordingly, when used as a separation membrane, not only can the selective permeability to a target substance be significantly improved, but also has the advantage of excellent durability in which the interlayer distance is stably maintained even under harsh conditions or for long-term use.
  • FIG. 1a, FIG. 1b, and FIG. 1c are drawings showing X-ray diffraction patterns, Raman spectra, and XPS spectra for graphite and GIC of Preparation Examples 1 to 3, respectively, and FIG. 1d is a drawing showing the Cr content included in Preparation Examples 1 to 3 calculated through XPS analysis.
  • Figure 2 is a schematic diagram illustrating a series of processes for manufacturing nanoporous graphite using graphite as a starting material.
  • FIG. 3a is a diagram showing a transmission electron microscope image of Example 1 and a corresponding energy dispersive spectroscopy (EDS) mapping image
  • FIGS. 3b and 3c are diagrams showing a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image of Example 1 and a corresponding fast Fourier transform (FFT) pattern, respectively.
  • HR-TEM transmission electron microscope
  • Figures 4a and 4b are drawings showing the Raman spectrum and C1s XPS spectrum for the carbon body, respectively, and Figure 4c is a drawing showing the X-ray diffraction pattern for the carbon body, respectively.
  • FIG. 5a is a diagram showing FT-IR spectra of graphite, Preparation Example 3, Comparative Example 1, Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4, and FIGS. 5b and 5c are diagrams showing water contact angles and zeta potentials of Examples 1 to 4, respectively.
  • FIG. 6a is a drawing showing high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) images of Example 1, Example 2, and Comparative Example 3, and FIG. 6b is a drawing showing the pore size distribution results of Example 1 and Example 2.
  • HR-TEM transmission electron microscope
  • FIG. 7a and FIG. 7b are diagrams showing N 2 adsorption-desorption isotherms and BJH (Barrett-Joyner-Halenda) pore size distributions for Examples 1 and 2, respectively.
  • Figure 8 is a schematic diagram illustrating the pore formation process of nanoporous graphite.
  • FIGS. 9a, 9b, and 9c are drawings showing an optical image, a top-view scanning electron microscope (SEM) image, and a cross-section SEM image, respectively, of a membrane manufactured according to Example 5.
  • SEM scanning electron microscope
  • FIG. 10a, FIG. 10b, and FIG. 10c are schematic diagrams showing the results of changes in the interlayer structure of carbon bodies included in the membranes of Example 5 and Comparative Example 4 under conditions of aqueous solutions containing various ions, the results of changes in the interlayer structure according to the concentration of ions, and the interlayer distance expansion phenomenon under pure H 2 O conditions, respectively.
  • FIG. 11a and FIG. 11b are drawings showing XRD patterns measured after the membrane of Example 5 was immersed in pure water for 1 day and 60 days, respectively, and schematically showing the interlayer distance expansion phenomenon under pure H 2 O conditions for Comparative Example 4 and Example 5.
  • FIG. 12a and FIG. 12b are drawings comparing XRD patterns measured for the membranes of Examples 5 to 8 in a dry state and after immersion in pure water for 24 hours, respectively, and drawings comparing interlayer distances calculated from XRD patterns measured for the membranes after immersing each membrane in 0.1 M of each ionic solution (NaCl, Na 2 SO 4 , LiCl, CaCl 2 , MgCl 2 , K 3 [Fe(CN) 6 ], and AlCl 2 ) for 24 hours.
  • each ionic solution NaCl, Na 2 SO 4 , LiCl, CaCl 2 , MgCl 2 , K 3 [Fe(CN) 6 ], and AlCl 2
  • FIG. 13a and FIG. 13b are diagrams showing ion permeability characteristics according to the ion permeability and the anion-to-cation valence ratios included in the ion solution for the membranes of Examples 5 to 8, respectively.
  • Figures 14a and 14b are diagrams comparing the performance results of Example 5 according to a continuous forward osmosis desalination test for 24 hours and the ion rejection rate according to a continuous forward osmosis desalination test for 1 day and 7 days, respectively.
  • Figures 15a and 15b are diagrams showing the results of evaluating the performance of a separation membrane according to the concentration of a NaCl solution and the results of evaluating the performance of a separation membrane according to the change in pH of a NaCl solution, respectively.
  • FIG. 16a and FIG. 16b are diagrams showing the performance evaluation results for the membrane of Example 5 according to a continuous forward osmosis desalination test for 30 days using a 0.1 M NaCl solution and a 1 M NaCl solution as feed solutions, respectively, and the performance evaluation results for the membrane of Example 5 according to the thickness of the membrane using a 0.1 M NaCl solution.
  • Figure 17 is a schematic diagram illustrating the mechanism of desalination using a membrane containing nanoporous graphite.
  • a part such as a film (layer), region, component, etc. is said to be on or above another part, it includes not only the case where it is directly above and in contact with the other part, but also the case where another film (layer), another region, another component, etc. is interposed.
  • a numerical range as used herein includes a lower bound and an upper bound and all values within that range, increments logically derived from the shape and width of the defined range, all doubly defined values, and all possible combinations of upper and lower bounds of a numerical range defined in different shapes.
  • nanoporous graphite of the present invention the nanoporous graphite precursor, the electrochemical device including the same, and the components of the electrochemical device will be described in detail.
  • the present invention provides nanoporous graphite, characterized in that the nanoporous graphite includes a plurality of nanopores on at least one surface of a graphite layer, has a diffraction peak due to a (002) crystal plane of graphite in X-ray diffraction analysis, and at least one of the plurality of nanopores is located on an in-plane within the graphite layer.
  • the nanoporous graphite may include a D' band in a Raman spectrum.
  • the nanoporous graphite may mean that the graphite layer includes one or more nanopores on a plane, i.e., on an in-plane, within the layer, including the D' band in the Raman spectrum.
  • the I d /I g intensity ratio of the Raman spectrum of the nanoporous graphite can be from 0.3 to 1.5.
  • the I d /I g intensity ratio of the Raman spectrum of the nanoporous graphite can be 0.3 or more, 0.4 or more, 0.5 or more, or 0.6 or more, and an upper limit can be 2.0 or less, 1.5 or less, 1.3 or less, or 1.2 or less.
  • the I d /I g intensity ratio of the Raman spectrum of the nanoporous graphite can be 0.3 to 2.0, 0.4 to 1.5, 0.5 to 1.3, or 0.6 to 1.2.
  • the ratio of I d /I g intensities of the Raman spectrum of the above nanoporous graphite satisfies the above-described range, it can significantly improve the selective permeability to the target substance when used as a separation membrane due to fewer defects, and can also exhibit excellent durability in which the interlayer distance is stably maintained even under harsh conditions or for long-term use.
  • the nanoporous graphite may include a D' band having a stronger scattering intensity than the D band in a Raman spectrum.
  • the D' band may be a peak that appears when the graphite layer includes defects and nano-pores in the aromatic carbon structure. Accordingly, the single layer of the nano-porous graphite may have a D' band higher than the D band, thereby maintaining high crystallinity and indicating that nano-pores are formed.
  • the nanoporous graphite may include a D' band having a stronger scattering intensity than the 2D band in a Raman spectrum.
  • the 2D band may be a peak that appears when the crystal structure of each layer of the nanoporous graphite is maintained.
  • the nanoporous graphite may mean that the interlayer crystal structure has high crystallinity and appropriate nanopores because the 2D band is maintained and the D' band is higher than the 2D band.
  • the FWHM of the diffraction peak due to the (002) crystal plane of graphite in the X-ray diffraction analysis may be 5° or less.
  • the FWHM of the diffraction peak due to the (002) crystal plane of graphite in the X-ray diffraction analysis may be 0.1° or more, 0.5° or more, or 1° or more, and may have an upper limit of 10° or less, 5° or less, or 3° or less.
  • the FWHM of the diffraction peak due to the (002) crystal plane of graphite in the X-ray diffraction analysis may be 0.1 to 10°, 0.5 to 5°, or 1 to 3°.
  • the X-ray diffraction peak in the (002) crystal plane of the nanoporous graphite may maintain high crystallinity while having a large number of pores, thereby satisfying the above-described full width at half maximum (FWHM).
  • the average diameter of the nanopores included in the nanoporous graphite may be 500 nm or less.
  • the average diameter of the nanopores included in the nanoporous graphite may be 1,000 nm or less, 500 nm or less, 200 nm or less, 100 nm or less, or 50 nm or less, and a lower limit may be 0.1 nm or more, 1 nm or more, or 5 nm or more.
  • the average diameter of the nanopores included in the nanoporous graphite may be 0.1 to 1,000 nm, 1 to 500 nm, 1 to 200 nm, 1 to 100 nm, 1 to 50 nm, or 5 to 50 nm.
  • the nanopores may have a diameter within the above-described range to improve material transfer and/or solvent transport properties, thereby increasing permeability to a target substance.
  • a 50 nm x 50 nm image observed with a scanning electron microscope (SEM) may include 5 or more nanopores.
  • the number of nanopores included in the 50 nm x 50 nm image observed with a transmission electron microscope after exfoliating one layer of graphene included in the nanoporous graphite may be 1 or more, 2 or more, 3 or more, 5 or more, or 10 or more, and an upper limit may be 500 or less, 200 or less, 100 or less, 50 or less, or 20 or less.
  • the number of nanopores in a 50 nm x 50 nm image observed by a transmission electron microscope after peeling off one layer of graphene included in the nanoporous graphite may be 1 to 500, 2 to 200, 3 to 100, 5 to 50, or 10 to 20.
  • the number of nanopores described above refers to the density of the nanopores, and the nanopores included in the nanoporous graphite may have a density in the above-described range to improve material transfer and/or solvent transport properties, thereby increasing permeability to a target substance.
  • the nanoporous graphite can satisfy the following equation 1.
  • SNPG represents the BET surface area of nanoporous graphite
  • SG represents the BET surface area of pristine graphite.
  • the value of SNPG/SG of the above formula 1 can be 20 or less, 10 or less, 5 or less, 3 or less, or 2 or less, and as a lower limit, can be greater than 1.0. Specifically, the value of SNPG/SG of the above formula 1 can be greater than 1.0 and less than 20, greater than 1.0 and less than 10, greater than 1.0 and less than 5, greater than 1.0 and less than 3, or greater than 1.0 and less than 2.
  • the above pristine graphite refers to general graphite, and the nanoporous graphite has a highly stacked and dense crystal structure of graphene, and thus can satisfy the range described in Equation 1.
  • the porous graphite has a large number of pores, and thus can have higher permeability to a target material and higher durability than general graphite materials.
  • the nanoporous graphite can have a BET surface area of 20 m 2 /g or less.
  • the BET surface area of the nanoporous graphite can be 20 m 2 /g or less, 10 m 2 /g or less, or 5 m 2 /g or less, and may be, as a lower limit, 0.1 m 2 /g or more, 1 m 2 /g or more, or 2 m 2 /g or more.
  • the BET surface area of the nanoporous graphite can be 0.1 to 20 m 2 /g, 1 to 10 m 2 /g, or 2 to 5 m 2 /g.
  • the nanoporous graphite has a highly stacked and dense structure, and thus the BET surface area can satisfy the above-described range. Nonetheless, the above nanoporous graphite has a large number of pores and thus can have higher permeability to target substances and higher durability than general graphite materials.
  • the size of the nanopores can be controlled by a chemical oxidation reaction.
  • CrO 2 Cl 2 or the like is inserted, i.e., intercalated, between each plane of graphene included in the nanoporous graphite, and the CrO 2 Cl 2 inserted between layers under acidic conditions can react with double-bonded carbon to cleave the double bonds, thereby inducing strain in the carbon lattice to form defects and pores. More specifically, the CrO 2 Cl 2 can induce local cleavage of the sp 2 domain of the graphene included in the nanoporous graphite to induce the nanopores. At this time, the size of the nanopores can be determined by being affected by the concentration and treatment time of the CrO 2 Cl 2. Meanwhile, the oxidizing agent that induces the chemical oxidation reaction may be KMnO 4 or the like, but the present invention is not limited thereto.
  • the nanoporous graphite can have a pore volume of 0.1 cm 3 /g or less.
  • the pore volume of the nanoporous graphite can be 0.20 cm 3 /g or less, 0.10 cm 3 /g or less, or 0.05 cm 3 /g or less, and as a lower limit, can be 0.001 cm 3 /g or more, 0.05 cm 3 /g or more, or 0.01 cm 3 /g or more.
  • the pore volume of the nanoporous graphite can be 0.001 to 0.20 cm 3 /g, 0.05 to 0.10 cm 3 /g, or 0.01 to 0.05 cm 3 /g.
  • the above nanoporous graphite can have high material transfer efficiency and durability despite having a low pore volume in the above-described range due to pores appropriately formed between planes of graphene included in the nanoporous graphite.
  • the nanopores included in the nanoporous graphite may be generated by a chemical oxidation reaction as described above, the peak including an oxygen functional group of the X-ray photoelectron spectroscopy may be greater than the carbon peak.
  • the pores are not densely located between layers but are randomly located, and thus the remarkable effect according to the present invention may not be exhibited.
  • the present invention provides a separator, wherein the separator comprises nanoporous graphite according to the present invention.
  • the separator comprises the above-described nanoporous graphite
  • the separator according to the present invention comprises all the contents described above with respect to the nanoporous graphite.
  • the separation membrane can be used for water treatment, solvent nanofiltration, gas separation, or ion separation.
  • the separation membrane since the separation membrane includes the nanoporous graphite described above, it can have material transfer efficiency, permeability to a target substance, and high durability. Therefore, the separation membrane can be used for the purposes described above, but the present invention is not limited thereto.
  • the nanoporous graphite can be included in electrode active materials, supercapacitor electrodes, and electrochemical devices.
  • the electrode active material may be included in a negative electrode for a secondary battery, a supercapacitor electrode, etc.
  • the electrode active material includes the nanoporous graphite described above, and since the nanoporous graphite can have significantly high material transfer efficiency and durability as described above, it may be included in the negative electrode for a secondary battery, a supercapacitor electrode, etc. to improve the performance and durability of the secondary battery and the supercapacitor.
  • the electrochemical device may be an electrochemical sensor, an electrochemical catalyst, or an energy storage device.
  • the nanoporous graphite has remarkable effects such as high material transfer efficiency and high durability, and thus can be applied to the electrochemical device described above.
  • the nanoporous graphite according to the present invention is not limited to the above-described uses, and it can also be applied to various industrial fields to which the remarkable effects of the nanoporous graphite according to the present invention can be applied.
  • the present invention provides a nanoporous graphite precursor, characterized in that the nanoporous graphite precursor includes Cr on at least one side of a graphite layer, includes a D' band in a Raman spectrum, and has two or more diffraction peaks diffracted at an angle lower than 2 ⁇ due to a (002) crystal plane of graphite in X-ray diffraction analysis.
  • the nanoporous graphite precursor may be an intermediate in the manufacturing process of the above-described nanoporous graphite, and the D' band and the (002) crystal plane of the graphite may be the same as or similar to the terms described above in the nanoporous graphite, and therefore the nanoporous graphite precursor according to the present invention includes all the contents described above in the nanoporous graphite.
  • nanoporous graphite precursor according to the present invention will be described in more detail.
  • the above-described nanoporous graphite can be manufactured by the graphite intercalation reaction of Cr of the nanoporous graphite precursor.
  • CrO 2 Cl 2 or the like is inserted, i.e., intercalated, between the planes of each graphene included in the above-described nanoporous graphite, and then a chemical oxidation reaction is performed, whereby the above-described nanoporous graphite can be manufactured.
  • the Cr that is, the chromium atoms
  • the Cr may be included in an amount of 3 wt% or less of the total weight of the nanoporous graphite precursor.
  • the Cr that is, the chromium atoms, may be included in an amount of 10 wt% or less, 5 wt% or less, or 3 wt% or less of the total weight of the nanoporous graphite precursor, and as a lower limit, may be included in an amount of 0.1 wt% or more, 0.5 wt% or more, or 1 wt% or more.
  • the Cr that is, the chromium atoms
  • the Cr may be included in an amount of 0.1 to 10 wt%, 0.5 to 5 wt%, or 1 to 3 wt% of the total weight of the nanoporous graphite precursor.
  • the Cr included in the nanoporous graphite precursor is included within the above-described range to appropriately control the pore size and pore distribution of the nanoporous graphite described above.
  • the Cr contained in the above-described nanoporous graphite precursor can be removed after pore creation, thereby producing the above-described nanoporous graphite.
  • the present invention provides a method for producing nanoporous graphite, the method for producing nanoporous graphite comprising: (S1) a step of producing a nanoporous graphite precursor by positioning one or more intercalating compounds on at least one surface included in graphite; (S2) a step of reacting the intercalating compound with an unsaturated bond between carbon atoms included in the graphite; and (S3) a step of forming nanopores due to the reaction of the step (S2); wherein the intercalating compound induces nanopores at the positions of the saturated bonds.
  • the method for producing the above nanoporous graphite may be the method for producing the above-described nanoporous graphite; and the graphite and nanopores, etc. may be the same as or similar to the terms described above in the nanoporous graphite and the nanoporous graphite precursor, and therefore the method for producing nanoporous graphite according to the present invention includes all the contents described above in the nanoporous graphite and the nanoporous graphite precursor.
  • the intercalating compound is inserted, i.e., intercalated, between each plane of graphene included in the nanoporous graphite, and the intercalating compound inserted between layers under acidic conditions can react with double-bonded carbon to cleave the double bonds, thereby inducing strain in the carbon lattice to form defects and pores. More specifically, the intercalating compound can induce local cleavage of the sp 2 domain of the graphene included in the nanoporous graphite to induce the nanopores.
  • the intercalating compound is CrO 2 Cl 2 ; Cr 2 O 3 ; FeCl 3 ; and a compound including the same; may be selected from the group consisting of:
  • the intercalating compound may be selected from the chemical species described above and may form the nanopores between the planes of each graphene included in the graphite.
  • the reaction of the step (S2) may be an oxidation reaction.
  • the intercalating compound may react with the double-bonded carbon to break the double bond included in the graphene.
  • the process in which the double bond of an unsaturated hydrocarbon is broken to become a saturated hydrocarbon; or the process in which the double bond is removed to create pores or defects; may be performed by an oxidation reaction.
  • the oxidation reaction may be performed by further adding an oxidizing agent.
  • the intercalating compound intercalated between the planes of the graphene included in the graphite may be oxidized by an oxidizing agent under acidic conditions to generate the nanopores.
  • the oxidizing agent may include KMnO 4 or the like, but the present invention is not limited thereto.
  • the reaction of the step (S2) can be performed under acidic conditions.
  • the reaction of the step (S2) can be an oxidation reaction and can be performed by adding an oxidizing agent.
  • the reaction of the step (S2) can be performed under acidic conditions of less than pH 7.
  • the nanoporous graphite precursor is dispersed in water (H- 2 O), and an oxidizing agent, KMnO 4 , and sulfuric acid (H 2 SO 4 ), are added to the aqueous solution in which the precursor is dispersed, so that the reaction can be performed under acidic conditions and conditions in which an oxidizing agent is added.
  • the amount of the oxidizing agent added may be 0.01 to 10 equivalents based on 1 equivalent of the intercalating compound included in the nanoporous graphite precursor.
  • the amount of the oxidizing agent added may be 0.01 equivalent or more, 0.05 equivalent or more, 0.1 equivalent or more, 0.2 equivalent or more, 0.5 equivalent or more, or 1 equivalent or more based on 1 equivalent of the intercalating compound included in the nanoporous graphite precursor, and the upper limit may be 100 equivalent or less, 50 equivalent or less, 30 equivalent or less, 20 equivalent or less, 10 equivalent or less, or 5 equivalent or less.
  • the amount of the oxidizing agent added may be 0.01 to 100 equivalents, 0.05 to 50 equivalents, 0.1 to 30 equivalents, 0.2 to 20 equivalents, 0.5 to 10 equivalents, or 1 to 5 equivalents based on 1 equivalent of the intercalating compound included in the nanoporous graphite precursor.
  • the amount of the oxidizing agent added may be adjusted within the above-described range, but may vary depending on various conditions such as the chemical species of the additive, the chemical species of the intercalating compound, and the pH during the manufacturing process, and therefore the present invention is not limited to the above-described amount of the oxidizing agent added.
  • the mixture was stirred for 2 hours to cause an intercalation reaction to form CrO 2 Cl 2 between the graphite layers.
  • each manufactured GIC was compared through X-ray diffraction (XRD) analysis, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis, and Raman analysis.
  • XRD X-ray diffraction
  • XPS X-ray photoelectron spectroscopy
  • Raman analysis The structures of each manufactured GIC were compared through X-ray diffraction (XRD) analysis, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis, and Raman analysis.
  • FIG. 1a, FIG. 1b, and FIG. 1c are drawings showing X-ray diffraction patterns, Raman spectra, and XPS spectra for graphite and GIC of Preparation Examples 1 to 3, respectively, and FIG. 1d is a drawing showing the Cr content included in Preparation Examples 1 to 3 calculated through XPS analysis.
  • both Manufacturing Examples 1 to 3 included a first peak located at a diffraction angle approximately 0.4 degrees lower than the diffraction angle 2 ⁇ due to the (002) crystal plane of graphite among the two diffraction peaks, and that the diffraction angles at which the second peak was located were different.
  • the second peaks of Manufacturing Examples 1, 2, and 3 were observed to be located at diffraction angles that were approximately 0.9 degrees, approximately 1.8 degrees, and approximately 2.2 degrees lower, respectively, than the diffraction angle corresponding to the (002) crystal plane of graphite.
  • GIC includes both a region with a wide interlayer space where CrO 2 Cl 2 is located and a region with a narrow interlayer space where CrO 2 Cl 2 is not located due to the intercalated CrO 2 Cl 2.
  • FIGS. 1c and 1d it can be seen that as the intercalation reaction time increases, more CrO 2 Cl 2 is formed between the graphite layers, which increases the Cr content.
  • FIG. 1c in Preparation Examples 1 to 3, an O 1s peak is observed along with the Cr 2p peak, which can be seen to originate from the intercalated CrO 2 Cl 2.
  • the GICs of Preparation Examples 1, 2, and 3 contained 1.71 wt%, 2.01 wt%, and 2.13 wt% of Cr, respectively.
  • GIC of Manufacturing Example 3 was used as a precursor for manufacturing nanoporous graphite.
  • the solution containing the washed product was sonicated for 1 hour, centrifuged at 5000 rpm for 1 hour, and the supernatant obtained was freeze-dried to produce nanoporous graphite.
  • FIG. 2 A series of processes for manufacturing nanoporous graphite using pristine graphite as a starting material is schematically illustrated in Fig. 2.
  • Example 2 The same procedure as Example 1 was followed, except that KMnO 4 was added so that the weight ratio of GIC: KMnO 4 was 1:1.25.
  • Example 2 The same procedure as Example 1 was followed, except that KMnO 4 was added so that the weight ratio of GIC: KMnO 4 was 1:1.5.
  • Example 2 The same procedure as Example 1 was followed, except that KMnO 4 was added so that the weight ratio of GIC: KMnO 4 was 1:2.
  • Example 2 The same procedure as Example 1 was followed, except that KMnO 4 was added so that the weight ratio of GIC: KMnO 4 was 1:0.25.
  • Example 2 The same procedure as Example 1 was followed, except that KMnO 4 was added so that the weight ratio of GIC: KMnO 4 was 1:0.5.
  • Example 2 The same procedure as Example 1 was followed, except that the oxidizing agent KMnO 4 was not added.
  • Example 2 The same procedure as in Example 1 was followed, except that graphite instead of GIC was used and KMnO 4 was added so that the weight ratio of graphite: KMnO 4 was 1:1.
  • FIG. 3a is a diagram showing a transmission electron microscope image of Example 1 and a corresponding energy dispersive spectroscopy (EDS) mapping image
  • FIGS. 3b and 3c are diagrams showing a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image of Example 1 and a corresponding fast Fourier transform (FFT) pattern, respectively.
  • HR-TEM transmission electron microscope
  • the nanoporous graphite of Example 1 included nanopores, and mainly contained sp2 carbon domains as the main structure, and it was confirmed that sp3 carbon domains existed locally due to oxygen bonding.
  • the graphene crystal structure is maintained from the hexagonal FFT pattern derived from the HR-TEM image.
  • Figures 4a and 4b are drawings showing a Raman spectrum and a C1s XPS spectrum for the carbon body, respectively, and Figure 4c is a drawing showing an X-ray diffraction pattern for the carbon body, respectively.
  • Example 1 it was observed that a D band peak with a sharp increase in intensity was present along with a broad 2D band peak compared to Comparative Example 1, and it was confirmed that the G band peak was red-shifted. It can be seen that this is due to the presence of a mixture of sp2 bonded carbon and sp3 bonded carbon, which is consistent with the results of the HR-TEM image analysis described above.
  • the concentration of the oxidizing agent increased, so the sp3 carbon domain area increased, so the intensity of the D band peak gradually decreased and the red-shifted G band, i.e., the D' band peak, appeared broad.
  • the ratios (ID /IG) of the intensities of the D band peak (ID) and the G band peak (IG) of graphite, Manufacturing Example 3, Comparative Example 1, Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, and Comparative Example 2 were confirmed to be 0.072, 0.14, 0.48, 1.09, 1.04, 0.87, 0.81, and 0.95, respectively.
  • FIG. 5a is a diagram showing FT-IR spectra of graphite, Preparation Example 3, Comparative Example 1, Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4, and FIGS. 5b and 5c are diagrams showing water contact angles and zeta potentials of Examples 1 to 4, respectively.
  • Example 1 the wettability and hydrophilic properties of carbon bodies such as graphene are affected by the content of oxygen functional groups included in the carbon body.
  • Example 2 the water contact angle of Example 1, in which oxygen functional groups are limited, was 75°, whereas Example 4, in which oxygen functional groups are relatively more included, was found to exhibit a water contact angle characteristic of 33°.
  • Example 1 when comparing the zeta potential values as shown in Fig. 5c, it was observed that Example 1 still exhibited a zeta potential characteristic of -53 mV despite containing less oxygen functional groups. This characteristic can be advantageously applied when dispersing nanoporous graphite in water or a solvent for application, and can also further enhance the ion rejection rate effect when applied to the treatment of solutions with low ionic strength.
  • FIG. 6a is a drawing showing high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) images of Example 1, Example 2, and Comparative Example 3, and FIG. 6b is a drawing showing the pore size distribution results of Example 1 and Example 2.
  • HR-TEM transmission electron microscope
  • nano-pores is caused by the CrO 2 Cl 2 intercalant inserted between the layers.
  • the oxidizing agent added during the process of manufacturing nano-porous graphite can additionally etch the nano-pores to form larger pores.
  • FIG. 7a and FIG. 7b are diagrams showing N 2 adsorption-desorption isotherms and BJH (Barrett-Joyner-Halenda) pore size distributions for Examples 1 and 2, respectively, and the pore characteristics calculated using the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method from the analysis results of the diagrams related to the pores are summarized in Table 1 below.
  • BET Brunauer-Emmett-Teller
  • the ratio of the BET surface area of nanoporous graphite / the BET surface area of pristine graphite was confirmed to be 3.59 m 2 /g.
  • the nanopores contained in the nanoporous graphite are formed by CrO 2 Cl 2 inserted between the layers.
  • Fig. 8 which schematically illustrates the pore formation process of nanoporous graphite
  • the CrO 2 Cl 2 inserted into the interlayer reacts with double-bonded carbon to break the double bonds, thereby inducing strain in the carbon lattice to form defects or to favor oxidation by an oxidizing agent.
  • the CrO 2 Cl 2 inserted into the interlayer can control the content of oxygen functional groups by oxidation by suppressing the diffusion of the oxidizing agent.
  • the pore size can be controlled by a chemical oxidation reaction by an oxidizing agent.
  • nanoporous graphites of Examples 1, 2, 3, and 4 were used to manufacture membranes of Examples 5, 6, 7, and 8, respectively.
  • Each nanoporous graphite dispersion (0.01 mg/mL) in deionized water was coated on a polyethersulfone (PES) porous polymer support (47 mm, pore size: 200 nm, Sterlitech) using a vacuum filtration method and then dried at 25°C to produce each membrane.
  • PES polyethersulfone
  • Example 5 The same process as for manufacturing a membrane in Example 5 was carried out, except that the membrane was manufactured using the carbon body of Comparative Example 2.
  • FIGS. 9A, 9B, and 9C are diagrams showing an optical image, a top-view scanning electron microscope (SEM) image, and a cross-section SEM image, respectively, of a membrane manufactured according to Example 5.
  • SEM scanning electron microscope
  • the manufactured separator is flexible and has excellent bending resistance characteristics, and it was confirmed that an active layer including nanoporous graphite with a thickness of 50 nm was formed.
  • FIG. 10a, FIG. 10b, and FIG. 10c are schematic diagrams showing the results of changes in the interlayer structure of carbon bodies included in the membranes of Example 5 and Comparative Example 4 under conditions of aqueous solutions containing various ions, the results of changes in the interlayer structure according to the concentration of ions, and the interlayer distance expansion phenomenon under pure H 2 O conditions, respectively.
  • the result of the change in the interlayer structure of Fig. 10a was compared using the interlayer distance calculated from the measured XRD pattern after immersing each membrane in the dried membrane and each of the pure and 0.1 M ionic solutions (NaCl, Na 2 SO 4 , LiCl, CaCl 2 , MgCl 2 , K 3 [Fe(CN) 6 ], and AlCl 2 ) for 24 hours, and the result of the change in the interlayer structure of Fig.
  • the interlayer distance of the membrane of Example 5 was observed to increase by 1.4 ⁇ from the interlayer distance of the dry membrane (7.5 ⁇ ) to 8.9 ⁇ after being immersed in pure water, whereas the interlayer distance of the membrane of Comparative Example 4 was observed to increase by 3.6 ⁇ from 7.9 ⁇ to 11.5 ⁇ after being immersed in pure water.
  • Example 5 the degree of change in the interlayer structure is affected by the ions inserted between the layers, and it can be seen that the interlayer distance change of Example 5 and Comparative Example 4 occurs the most in the MgCl2 ion solution.
  • Example 5 it was confirmed that the interlayer distance expanded by a maximum of 2.91 ⁇ from 7.5 ⁇ to 10.41 ⁇ , whereas in the case of Comparative Example 4, the interlayer distance expanded by a maximum of 6.02 ⁇ from 7.9 ⁇ to 13.92 ⁇ , and it was confirmed that the interlayer distance expanded to a maximum of about 2.1 times more than that of Example 5.
  • ion rejection capacity can be defined by the interlayer distance of the separation membrane, and stabilizing the interlayer distance has the advantage of improving the ion rejection rate and enhancing reliability.
  • FIG. 11a and FIG. 11b are drawings showing XRD patterns measured after the membrane of Example 5 was immersed in pure water for 1 day and 60 days, respectively, and schematically showing the interlayer distance expansion phenomenon under pure H 2 O conditions for Comparative Example 4 and Example 5.
  • the nanoporous graphite included in the membrane of Example 5 was not exfoliated even after immersion in pure water for 60 days, and the interlayer distance based on the XRD pattern was also maintained, confirming that the stability of the interlayer distance was maintained for a long period of time.
  • FIG. 12a and FIG. 12b are drawings comparing XRD patterns measured for the membranes of Examples 5 to 8 in a dry state and after immersion in pure water for 24 hours, respectively, and drawings comparing interlayer distances calculated from XRD patterns measured for the membranes after immersing each membrane in 0.1 M of each ionic solution (NaCl, Na 2 SO 4 , LiCl, CaCl 2 , MgCl 2 , K 3 [Fe(CN) 6 ], and AlCl 2 ) for 24 hours.
  • each ionic solution NaCl, Na 2 SO 4 , LiCl, CaCl 2 , MgCl 2 , K 3 [Fe(CN) 6 ], and AlCl 2
  • controlled oxidation is essential for the production of nanoporous graphite with limited oxygen-containing functional groups along with pore formation in graphite, especially in the field of desalination under high-salinity conditions, because the ion rejection rate is enhanced depending on the steric effect between the interlayer distance and the hydrated shell.
  • ion permeation tests and forward osmosis desalination tests were performed using an H-type cell divided into a feed region and a permeation region, and each membrane was positioned in the middle of each region divided so as to face the feed region.
  • the ion permeation test was performed by filling the feed zone and permeation zone with 80 mL of deionized water and each ion solution (KCl, NaCl, Na 2 SO 4 , LiCl, CaCl 2 , MgCl 2 , and K 3 [Fe(CN) 6 ]) for 24 hours, and then measuring the ion conductivity in the permeation zone to compare and evaluate the ion permeation rate.
  • each ion solution KCl, NaCl, Na 2 SO 4 , LiCl, CaCl 2 , MgCl 2 , and K 3 [Fe(CN) 6 ]
  • FIG. 13a and FIG. 13b are diagrams showing ion permeability characteristics according to the ion permeability and the anion-to-cation valence ratios included in the ion solution for the membranes of Examples 5 to 8, respectively.
  • the forward osmosis desalination test was performed using an H-type cell divided into feed and draw regions similar to the ion permeation test, with the membrane of Example 5 positioned in the middle of each region. 80 mL of 0.1 M each ion solution (KCl, NaCl, Na 2 SO 4 , LiCl, MgCl 2 ) was used as the feed solution, and 80 mL of 2 M sucrose solution was used as the draw solution.
  • Equation 2 C ep is the concentration of the drawn salt and C f is the ion concentration in the feed solution.
  • the concentration of the salt drawn here was calculated using Equation 3 below.
  • Equation 3 C p is the salt concentration in the draw solution, V draw is the volume of the draw solution, and ⁇ V is the change in volume of the draw solution.
  • Figures 14a and 14b are diagrams comparing the performance results of Example 5 according to a continuous forward osmosis desalination test for 24 hours and the ion rejection rate according to a continuous forward osmosis desalination test for 1 day and 7 days, respectively.
  • Fig. 14a it was confirmed that the ion rejection rate for monovalent ions and polyvalent ions was 99.5% or higher regardless of the type of ion, and the water flux was also 0.75 to 0.92 LMH, showing excellent membrane performance.
  • Fig. 14b it was found that the ion rejection rate characteristic of 99.5% or higher was still maintained even after 7 days of continuous forward osmosis desalination, confirming that the durability of the membrane was also excellent.
  • Figures 15a and 15b are diagrams showing the results of evaluating the performance of a separation membrane according to the concentration of a NaCl solution and the results of evaluating the performance of a separation membrane according to the change in pH of a NaCl solution, respectively.
  • ion rejection characteristic was greater than 99.4% even in the case of 0.01 to 1 M NaCl solutions, and it was observed that the ion rejection characteristic was maintained at greater than 90.5% even in the case of a highly concentrated 2 M NaCl solution.
  • the long-term durability of the membrane was evaluated by performing a forward osmosis desalination test for 30 days, and the performance according to the thickness of the membrane was additionally compared and analyzed.
  • the thickness of the membrane refers to the thickness of the nanoporous graphite layer coated on the PES porous polymer support.
  • FIG. 16a and FIG. 16b are diagrams showing the performance evaluation results for the membrane of Example 5 according to a continuous forward osmosis desalination test for 30 days using a 0.1 M NaCl solution and a 1 M NaCl solution as feed solutions, respectively, and the performance evaluation results for the membrane of Example 5 according to the thickness of the membrane using a 0.1 M NaCl solution.
  • the water flow rate increases to 2.21 LMH and 4.42 LMH, respectively, and the ion rejection rate is 96% and 84%, respectively. It is judged that the decrease in the ion rejection rate is due to the increase in defects due to the decrease in the membrane thickness, but the ion rejection rate characteristic of 84% still shows excellent performance based on the two-dimensional membrane.
  • the excellent ion rejection performance of the membrane according to the present invention is due to the modulation of the interlayer distance due to the nanopores contained in the nanoporous graphite and limited oxidation.
  • Figure 17 is a schematic diagram illustrating the mechanism of desalination using a membrane containing nanoporous graphite.
  • nanoporous graphite can include sp3 regions with expanded interlayer distances while containing nanopores.
  • nanoporous graphite can include sp3 regions with expanded interlayer distances and sp2 regions with relatively narrow interlayer distances, along with an interconnected two-dimensional pore network.
  • the nanoporous graphite provides resistance to ion permeation due to the steric effect by including a structure including pores having a size smaller than or similar to the size of the hydrated ion and an sp3 region and an sp2 region having different interlayer distances, thereby increasing the permeation selectivity of the ion.
  • water that is limitedly introduced into a relatively narrow interlayer distance region can shorten the movement path of the water or effectively reduce the tortuosity of the movement path by the pore structure, thereby further enhancing the selective exclusion effect of the ion.

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Abstract

The present invention pertains to a nanoporous graphite that significantly improves selective permeability to a target substance when used as a separator and can exhibit excellent durability due to the interlayer spacing being reliably maintained even under severe conditions or long-term use. The nanoporous graphite contains a plurality of nanopores on at least one surface of a graphite layer and has a diffraction peak corresponding to the (002) crystal plane of graphite, and at least one of the plurality of nanopores is located in-plane in the graphite layer.

Description

나노 다공성 그래파이트, 이의 전구체 및 이를 포함하는 전기화학 소자Nanoporous graphite, precursor thereof and electrochemical device comprising same

본 발명은 나노 사이즈의 기공을 포함하는 나노다공성 그래파이트, 이의 전구체 및 이의 응용에 관한 것이다.The present invention relates to nanoporous graphite comprising nano-sized pores, precursors thereof, and applications thereof.

수처리, 가스분리, 에너지 장치 등 다양한 산업 분야에서 탄소 재료는 널리 사용되고 있다.Carbon materials are widely used in various industrial fields such as water treatment, gas separation, and energy devices.

그 중에서도 이온 또는 특정 물질을 선택적으로 투과시키는 기체 분리막, 수처리 분리막, 이온 분리막, 이차전지 분리막 등의 분리막 분야에서 그래핀 등과 같은 2차원 구조체를 이용한 분리막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Among these, research on membranes using two-dimensional structures such as graphene is being actively conducted in the field of membranes such as gas separation membranes, water treatment separation membranes, ion separation membranes, and secondary battery separation membranes that selectively allow ions or specific substances to pass through.

2차원 구조체에 기반한 분리막 구조 중에서도 분리하려는 목적 물질에 대한 선택도나 투과도를 향상시킬 수 있는 단층 구조의 산화그래핀(GO) 또는 복수개의 단일 층이 적층된 다층 구조의 산화그래핀을 활용하는 연구가 꾸준히 진행되고 있다. Among the membrane structures based on two-dimensional structures, research is being conducted continuously on the use of single-layer graphene oxide (GO) or multilayer graphene oxide in which multiple single layers are stacked to improve the selectivity or permeability for the target substance to be separated.

일 예로, 다공성 지지체 상에 산화그래핀 등 관능기화한 그래핀을 포함하여 투과 유량이나 특정 기체 혼합물에 대한 선택도를 향상시키기 위한 연구가 진행된 바 있으나, 산화그래핀을 코팅하여 복합막을 제조하는 경우와 같이 단순히 산화그래핀이 적층된 복합막의 경우 외부의 물리 및/또는 화학적 자극에 의해 쉽게 박리되는 현상이 일어나 내구성이 떨어지는 문제가 있다.For example, research has been conducted to improve the permeation flux or selectivity for a specific gas mixture by including functionalized graphene such as graphene oxide on a porous support. However, in the case of a composite membrane simply made of laminated graphene oxide, such as when a composite membrane is manufactured by coating graphene oxide, there is a problem of low durability due to the phenomenon of easy exfoliation by external physical and/or chemical stimuli.

또한, 수성 매체 또는 용매가 존재하는 조건하에서 다층 구조의 산화그래핀을 사용할 경우 분리막에 포함된 다층 구조에서 층간 거리가 팽창하여 목적 물질의 선택적 분리의 효율이 급격히 저하되는 단점이 존재하고, 분리막의 장기 안정성이 열위하여 산업적으로 이용하는데 한계가 있다.In addition, when using multilayer graphene oxide in the presence of an aqueous medium or solvent, there is a disadvantage in that the interlayer distance in the multilayer structure included in the membrane expands, rapidly reducing the efficiency of selective separation of the target substance, and the long-term stability of the membrane is poor, limiting its industrial use.

이에, 목적 물질의 선택적 투과 효율을 향상시킴과 동시에 우수한 내구성으로 인해 장기적으로 사용함에도 성능의 저하를 효율적으로 억제시킬 수 있는 새로운 구조의 재료가 개발될 필요성이 있다. Accordingly, there is a need to develop a new structural material that can improve the selective penetration efficiency of the target substance while efficiently suppressing performance degradation even during long-term use due to excellent durability.

본 발명의 목적은 가혹 조건 또는 장기간 사용에도 층간 거리가 안정적으로 유지되는 나노 다공성 그래파이트를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide nanoporous graphite in which the interlayer distance is stably maintained even under harsh conditions or for long-term use.

본 발명의 다른 목적은 전술한 나노 다공성 그래파이트의 제조를 가능하게 할 수 있는 나노 다공성 그래파이트 전구체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a nanoporous graphite precursor capable of enabling the production of the above-described nanoporous graphite.

본 발명의 또 다른 목적은 전술한 나노 다공성 그래파이트의 다양한 응용 분야를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide various applications of the above-mentioned nanoporous graphite.

본 발명은 나노 다공성 그래파이트를 제공하며, 상기 나노 다공성 그래파이트는 복수개의 나노기공을 그래파이트 층의 적어도 일 면에 포함하고, X선 회절분석에서 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절 피크를 가지며, 상기 복수개의 나노기공 중 적어도 한 개는 상기 그래파이트 층의 내부의 평면(in-plane)상에 위치하는 것을 특징으로 한다.The present invention provides nanoporous graphite, characterized in that the nanoporous graphite includes a plurality of nanopores on at least one surface of a graphite layer, has a diffraction peak due to a (002) crystal plane of graphite in X-ray diffraction analysis, and at least one of the plurality of nanopores is located on an in-plane within the graphite layer.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트에 있어, 상기 나노 다공성 그래파이트는 라만 스펙트럼에서 D' 밴드를 포함할 수 있다.In the nanoporous graphite according to the present invention, the nanoporous graphite may include a D' band in a Raman spectrum.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트에 있어, 상기 나노 다공성 그래파이트의 라만 스펙트럼의 Id/Ig 강도의 비가 0.3 내지 1.5일 수 있다. In the nanoporous graphite according to the present invention, the ratio of I d /I g intensities of the Raman spectrum of the nanoporous graphite may be 0.3 to 1.5.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트에 있어, 상기 나노 다공성 그래파이트는 라만 스펙트럼에서 D 밴드보다 강한 산란강도를 가지는 D' 밴드를 포함할 수 있다.In the nanoporous graphite according to the present invention, the nanoporous graphite may include a D' band having a stronger scattering intensity than the D band in a Raman spectrum.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트에 있어, 상기 나노 다공성 그래파이트는 라만 스펙트럼에서 2D 밴드보다 강한 산란강도를 가지는 D' 밴드를 포함할 수 있다.In the nanoporous graphite according to the present invention, the nanoporous graphite may include a D' band having a stronger scattering intensity than the 2D band in a Raman spectrum.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트에 있어, 상기 나노 다공성 그래파이트의 상기 X선 회절분석에서 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절 피크의 FWHM은 5° 이하일 수 있다.In the nanoporous graphite according to the present invention, the FWHM of the diffraction peak due to the (002) crystal plane of graphite in the X-ray diffraction analysis of the nanoporous graphite may be 5° or less.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트에 있어, 상기 나노기공의 평균직경은 500nm 이하일 수 있다.In the nanoporous graphite according to the present invention, the average diameter of the nanopores may be 500 nm or less.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트에 있어, 상기 나노 다공성 그래파이트를 그래핀으로 박리한 후 투과전자현미경으로 관측된 50nm x 50nm 이미지 내에 상기 나노기공이 5개 이상 포함될 수 있다.In the nanoporous graphite according to the present invention, after the nanoporous graphite is exfoliated into graphene, five or more nanopores may be included within a 50 nm x 50 nm image observed using a transmission electron microscope.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트에 있어, 상기 나노 다공성 그래파이트는 하기 식 1을 만족할 수 있다.In the nanoporous graphite according to the present invention, the nanoporous graphite can satisfy the following equation 1.

(식 1)(Formula 1)

SNPG/SG ≤ 10SNPG/SG ≤ 10

(SNPG는 나노 다공성 그래파이트의 BET 비표면적을 의미하며, SG는 프리스틴 그래파이트의 BET 비표면적을 의미한다)(SNPG stands for the BET surface area of nanoporous graphite, and SG stands for the BET surface area of pristine graphite)

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트에 있어, 상기 나노 다공성 그래파이트는 20 m2/g 이하의 BET 비표면적을 가질 수 있다. In the nanoporous graphite according to the present invention, the nanoporous graphite may have a BET specific surface area of 20 m 2 /g or less.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트에 있어, 상기 나노기공의 크기는 화학적 산화 반응에 의해 조절될 수 있다.In the nanoporous graphite according to the present invention, the size of the nanopores can be controlled by a chemical oxidation reaction.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트에 있어, 상기 나노 다공성 그래파이트는 0.1 cm3/g 이하의 기공 부피를 가질 수 있다. In the nanoporous graphite according to the present invention, the nanoporous graphite may have a pore volume of 0.1 cm 3 /g or less.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트에 있어, 상기 나노 다공성 그래파이트는 X선 광전자 분광법에 따른 C-O-C, C=O 또는 C(=O)O 결합에너지의 피크의 강도가 C=C 및 C-C 결합에너지의 피크의 강도보다 작을 수 있다.In the nanoporous graphite according to the present invention, the intensity of the peak of C-O-C, C=O or C(=O)O binding energy according to X-ray photoelectron spectroscopy may be lower than the intensity of the peak of C=C and C-C binding energy.

본 발명은 분리막을 제공하며, 상기 분리막은 상기 나노 다공성 그래파이트를 포함한다.The present invention provides a separator, wherein the separator comprises the nanoporous graphite.

본 발명에 따른 분리막에 있어, 상기 분리막은 수처리용, 용매 나노여과용, 가스분리용 또는 이온 분리용일 수 있다.In the separation membrane according to the present invention, the separation membrane may be for water treatment, solvent nanofiltration, gas separation, or ion separation.

본 발명은 전기화학소자를 제공하며, 상기 전기화학소자는 상술한 나노 다공성 그래파이트를 포함한다.The present invention provides an electrochemical device, wherein the electrochemical device comprises the nanoporous graphite described above.

본 발명은 그래파이트 전구체를 제공하며, 상기 그래파이트 전구체는 Cr을 그래파이트 층의 적어도 일 면에 포함하고, 라만 스펙트럼에서 D' 밴드를 포함하며, X선 회절분석에서 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절 각도 2θ보다 낮은 각도에서 회절되는 2개 이상의 회절 피크를 가지는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a graphite precursor, characterized in that the graphite precursor includes Cr on at least one side of a graphite layer, includes a D' band in a Raman spectrum, and has two or more diffraction peaks diffracted at an angle lower than a diffraction angle 2θ due to a (002) crystal plane of graphite in X-ray diffraction analysis.

본 발명에 따른 그래파이트 전구체에 있어, 상기 그래파이트 전구체는 상기 라만 스펙트럼에서 2D 밴드보다 약한 산란강도를 가지는 D 밴드를 포함할 수 있다.In the graphite precursor according to the present invention, the graphite precursor may include a D band having a weaker scattering intensity than the 2D band in the Raman spectrum.

본 발명에 따른 그래파이트 전구체에 있어, 상기 Cr은 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체의 총 중량 중 3wt% 이하로 포함될 수 있다.In the graphite precursor according to the present invention, the Cr may be included in an amount of 3 wt% or less of the total weight of the nanoporous graphite precursor.

본 발명은 나노 다공성 그래파이트의 제조방법을 제공하며, 상기 나노 다공성 그래파이트의 제조방법은 (S1) 그래파이트가 포함하는 적어도 일 면의 상부에 하나 이상의 인터칼레이팅 화합물을 위치시켜 나노 다공성 그래파이트 전구체를 제조하는 단계; (S2) 상기 인터칼레이팅 화합물이 상기 그래파이트가 포함하는 탄소간 불포화 결합과 반응하는 단계; 및 (S3) 상기 (S2) 단계의 반응으로 인하여 나노 기공이 형성되는 단계; 를 포함하고, 상기 인터칼레이팅 화합물은 상기 포화결합의 위치에서 나노 기공을 유발한다.The present invention provides a method for producing nanoporous graphite, the method for producing nanoporous graphite comprising: (S1) a step of producing a nanoporous graphite precursor by positioning one or more intercalating compounds on at least one surface included in graphite; (S2) a step of reacting the intercalating compound with an unsaturated bond between carbon atoms included in the graphite; and (S3) a step of forming nanopores due to the reaction of the step (S2); wherein the intercalating compound induces nanopores at the positions of the saturated bonds.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트의 제조방법에 있어, 상기 인터칼레이팅 화합물은 CrO2Cl2; Cr2O3; FeCl3; 및 이를 포함하는 화합물; 를 포함하는 군에서 하나 이상 선택될 수 있다. In the method for producing nanoporous graphite according to the present invention, the intercalating compound is CrO 2 Cl 2 ; Cr 2 O 3 ; FeCl 3 ; and a compound comprising the same; may be selected from the group consisting of:

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트의 제조방법에 있어, 상기 (S2) 단계의 반응은 산화반응일 수 있다.In the method for producing nanoporous graphite according to the present invention, the reaction in step (S2) may be an oxidation reaction.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트의 제조방법에 있어, 상기 (S2) 단계의 반응은 산성 조건 하에서 수행될 수 있다.In the method for producing nanoporous graphite according to the present invention, the reaction of step (S2) can be performed under acidic conditions.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트의 제조방법에 있어, 상기 (S2) 단계는 산화제를 첨가하여 수행될 수 있다.In the method for manufacturing nanoporous graphite according to the present invention, the step (S2) can be performed by adding an oxidizing agent.

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트의 제조방법에 있어, 상기 산화제는 KMnO4를 포함할 수 있다. In the method for producing nanoporous graphite according to the present invention, the oxidizing agent may include KMnO 4 .

본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트는 복수개의 나노기공을 그래파이트 층의 적어도 일 면에 포함하고, X선 회절분석에서 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절 피크를 가지며, 상기 복수개의 나노기공 중 적어도 한 개는 상기 그래파이트 층의 내부의 평면(in-plane)상에 위치하는 것을 특징으로 함에 따라 분리막으로 사용 시 목적 물질에 대한 선택적 투과성을 현저히 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 가혹 조건 또는 장기간 사용에도 층간 거리가 안정적으로 유지되는 우수한 내구성을 지닐 수 있는 장점이 있다.The nanoporous graphite according to the present invention comprises a plurality of nanopores on at least one side of a graphite layer, has a diffraction peak due to a (002) crystal plane of graphite in X-ray diffraction analysis, and is characterized in that at least one of the plurality of nanopores is located on an in-plane within the graphite layer. Accordingly, when used as a separation membrane, not only can the selective permeability to a target substance be significantly improved, but also has the advantage of excellent durability in which the interlayer distance is stably maintained even under harsh conditions or for long-term use.

도 1a, 도 1b 및 도 1c는 각각 그래파이트 및 제조예 1 내지 제조예 3의 GIC에 대한 X선 회절 패턴, 라만 스펙트럼 및 XPS 스펙트럼을 도시한 도면이고, 도 1d는 XPS 분석을 통해 산출된 제조예 1 내지 제조예 3에 포함된 Cr 함량을 도시한 도면이다. FIG. 1a, FIG. 1b, and FIG. 1c are drawings showing X-ray diffraction patterns, Raman spectra, and XPS spectra for graphite and GIC of Preparation Examples 1 to 3, respectively, and FIG. 1d is a drawing showing the Cr content included in Preparation Examples 1 to 3 calculated through XPS analysis.

도 2는 그래파이트를 출발물질로 하여 나노 다공성 그래파이트가 제조되는 일련의 과정을 모식적으로 도시한 도면이다.Figure 2 is a schematic diagram illustrating a series of processes for manufacturing nanoporous graphite using graphite as a starting material.

도 3a는 실시예 1의 투과전자현미경 이미지와 이에 대응되는 에너지 분산 분광법(EDS)에 의한 EDS 맵핑 이미지를 도시한 도면이고, 도 3b 및 도 3c는 각각 실시예 1에 대한 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 및 이에 대응되는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT) 패턴을 도시한 도면이다.FIG. 3a is a diagram showing a transmission electron microscope image of Example 1 and a corresponding energy dispersive spectroscopy (EDS) mapping image, and FIGS. 3b and 3c are diagrams showing a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image of Example 1 and a corresponding fast Fourier transform (FFT) pattern, respectively.

도 4a 및 도 4b는 각각 탄소체에 대한 라만 스펙트럼 및 C1s XPS 스펙트럼을 도시한 도면이고 도 4c는 각각 탄소체에 대한 X선 회절 패턴을 도시한 도면이다.Figures 4a and 4b are drawings showing the Raman spectrum and C1s XPS spectrum for the carbon body, respectively, and Figure 4c is a drawing showing the X-ray diffraction pattern for the carbon body, respectively.

도 5a는 그래파이트, 제조예 3, 비교예 1, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4의 FT-IR 스펙트럼을 도시한 도면이고, 도 5b 및 도 5c는 각각 실시예 1 내지 실시예 4의 수 접촉각 및 제타 전위(zeta potential)를 나타내는 도면이다. FIG. 5a is a diagram showing FT-IR spectra of graphite, Preparation Example 3, Comparative Example 1, Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4, and FIGS. 5b and 5c are diagrams showing water contact angles and zeta potentials of Examples 1 to 4, respectively.

도 6a는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 3의 고분해능 투과전자현미경 이미지(HR-TEM)이미지를 도시한 도면이고, 도 6b는 실시예 1 및 실시예 2의 기공 크기 분포 결과를 도시한 도면이다.FIG. 6a is a drawing showing high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) images of Example 1, Example 2, and Comparative Example 3, and FIG. 6b is a drawing showing the pore size distribution results of Example 1 and Example 2.

도 7a 및 도 7b는 각각 실시예 1 및 실시예 2에 대한 각각 N2 흡-탈착 등온곡선 및 BJH(Barrett-Joyner-Halenda) 기공 크기 분포도를 도시한 도면이다. FIG. 7a and FIG. 7b are diagrams showing N 2 adsorption-desorption isotherms and BJH (Barrett-Joyner-Halenda) pore size distributions for Examples 1 and 2, respectively.

도 8은 나노 다공성 그래파이트의 기공 형성 과정을 모식적으로 도시한 도면이다.Figure 8 is a schematic diagram illustrating the pore formation process of nanoporous graphite.

도 9a, 도 9b 및 도 9c는 각각 실시예 5에 따라 제조된 분리막의 광학 이미지, 평면(top-view) 주사전자현미경(SEM) 이미지 및 단면(cross-section) SEM 이미지를 도시한 도면이다.FIGS. 9a, 9b, and 9c are drawings showing an optical image, a top-view scanning electron microscope (SEM) image, and a cross-section SEM image, respectively, of a membrane manufactured according to Example 5.

도 10a, 도 10b 및 도 10c는 각각 다양한 이온이 포함된 수용액의 조건 하에서 실시예 5 및 비교예 4의 분리막에 포함된 탄소체의 층간 구조 변화 결과, 이온의 농도에 따른 층간 구조 변화 결과 및 순수(pure H2O) 조건하에서의 층간 거리 팽창 현상을 모식적으로 나타낸 도면이다. FIG. 10a, FIG. 10b, and FIG. 10c are schematic diagrams showing the results of changes in the interlayer structure of carbon bodies included in the membranes of Example 5 and Comparative Example 4 under conditions of aqueous solutions containing various ions, the results of changes in the interlayer structure according to the concentration of ions, and the interlayer distance expansion phenomenon under pure H 2 O conditions, respectively.

도 11a 및 도 11b는 각각 실시예 5의 분리막을 순수에 1일과 60일 동안 침지시킨 후에 측정된 XRD 패턴을 도시한 도면 및 비교예 4와 실시예 5에 대하여 순수(pure H2O) 조건하에서의 층간 거리 팽창 현상을 모식적으로 나타낸 도면이다. FIG. 11a and FIG. 11b are drawings showing XRD patterns measured after the membrane of Example 5 was immersed in pure water for 1 day and 60 days, respectively, and schematically showing the interlayer distance expansion phenomenon under pure H 2 O conditions for Comparative Example 4 and Example 5.

도 12a 및 도 12b는 각각 실시예 5 내지 실시예 8의 분리막에 대하여 건조 상태와 순수에서 24시간 동안 침지시킨 다음 측정된 XRD 패턴을 비교 도시한 도면 및 0.1 M의 각 이온 용액(NaCl, Na2SO4, LiCl, CaCl2, MgCl2, K3[Fe(CN)6] 및 AlCl2)에 각각의 분리막을 24시간 동안 침지시킨 다음 측정된 XRD 패턴으로부터 산출된 층간 거리를 비교 도시한 도면이다. FIG. 12a and FIG. 12b are drawings comparing XRD patterns measured for the membranes of Examples 5 to 8 in a dry state and after immersion in pure water for 24 hours, respectively, and drawings comparing interlayer distances calculated from XRD patterns measured for the membranes after immersing each membrane in 0.1 M of each ionic solution (NaCl, Na 2 SO 4 , LiCl, CaCl 2 , MgCl 2 , K 3 [Fe(CN) 6 ], and AlCl 2 ) for 24 hours.

도 13a 및 도 13b는 각각 실시예 5 내지 실시예 8 분리막에 대한 이온 투과율 및 이온 용액에 포함된 음이온-양이온 원자가 비율(anion-to-cation valence ratios)에 따른 이온 투과율 특성을 도시한 도면이다. FIG. 13a and FIG. 13b are diagrams showing ion permeability characteristics according to the ion permeability and the anion-to-cation valence ratios included in the ion solution for the membranes of Examples 5 to 8, respectively.

도 14a 및 도 14b는 각각 24시간 동안 연속적인 정삼투 담수화 시험에 따른 실시예 5의 성능 결과 및 1일과 7일 동안 연속적인 정삼투 담수화 시험에 따른 이온 배제율을 비교 도시한 도면이다. Figures 14a and 14b are diagrams comparing the performance results of Example 5 according to a continuous forward osmosis desalination test for 24 hours and the ion rejection rate according to a continuous forward osmosis desalination test for 1 day and 7 days, respectively.

도 15a 및 도 15b는 각각 NaCl 용액의 농도에 따른 분리막의 성능 평가 결과 및 NaCl 용액의 pH 변화에 따른 분리막의 성능 평가 결과를 도시한 도면이다.Figures 15a and 15b are diagrams showing the results of evaluating the performance of a separation membrane according to the concentration of a NaCl solution and the results of evaluating the performance of a separation membrane according to the change in pH of a NaCl solution, respectively.

도 16a 및 도 16b는 각각 0.1M의 NaCl 용액과 1M의 NaCl 용액을 피드 용액으로 하여 30일 동안 연속적인 정삼투 담수화 시험에 따른 실시예 5의 분리막에 대한 성능 평가 결과 및 0.1M의 NaCl 용액을 이용하여 분리막의 두께에 따른 실시예 5의 분리막에 대한 성능 평가 결과를 도시한 도면이다.FIG. 16a and FIG. 16b are diagrams showing the performance evaluation results for the membrane of Example 5 according to a continuous forward osmosis desalination test for 30 days using a 0.1 M NaCl solution and a 1 M NaCl solution as feed solutions, respectively, and the performance evaluation results for the membrane of Example 5 according to the thickness of the membrane using a 0.1 M NaCl solution.

도 17은 나노 다공성 그래파이트가 포함된 분리막에 의한 담수화가 진행되는 기작을 모식적으로 도시한 도면이다.Figure 17 is a schematic diagram illustrating the mechanism of desalination using a membrane containing nanoporous graphite.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 나노 다공성 그래파이트에 대하여 상세히 설명한다.The nanoporous graphite of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.The drawings introduced below are provided as examples so that the idea of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Therefore, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated in order to clarify the idea of the present invention.

이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명을 생략한다.At this time, if there is no other definition for the technical and scientific terms used, they have the meaning commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the description of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the gist of the present invention is omitted in the following description and the attached drawings.

또한, 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. Additionally, the singular forms used in the specification and the appended claims are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly dictates otherwise.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다. In this specification and the appended claims, the terms first, second, etc. are not used in a limiting sense but are used to distinguish one component from another.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.The terms “include” or “have” in this specification and the appended claims mean that a feature or component described in the specification is present, and unless specifically limited, do not exclude in advance the possibility that one or more other features or components may be added.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 막(층), 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분과 접하여 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막(층), 다른 영역, 다른 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.In this specification and the appended claims, when a part such as a film (layer), region, component, etc. is said to be on or above another part, it includes not only the case where it is directly above and in contact with the other part, but also the case where another film (layer), another region, another component, etc. is interposed.

본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다.A numerical range as used herein includes a lower bound and an upper bound and all values within that range, increments logically derived from the shape and width of the defined range, all doubly defined values, and all possible combinations of upper and lower bounds of a numerical range defined in different shapes.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위하여 사용된다.The terms “about,” “substantially,” and the like, as used in this specification and the appended claims, are used in a meaning that is at or close to the numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the meaning referred to are presented, and are used to prevent unscrupulous infringers from unfairly utilizing the disclosure where precise or absolute values are mentioned in order to aid in the understanding of this specification and the appended claims.

이하, 본 발명의 나노 다공성 그래파이트, 나노 다공성 그래파이트 전구체, 이를 포함하는 전기화학 소자 및 상기 전기화학 소자의 구성요소에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the nanoporous graphite of the present invention, the nanoporous graphite precursor, the electrochemical device including the same, and the components of the electrochemical device will be described in detail.

본 발명은 나노 다공성 그래파이트를 제공하며, 상기 나노 다공성 그래파이트는 복수개의 나노 기공을 그래파이트 층의 적어도 일 면에 포함하고, X선 회절분석에서 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절 피크를 가지며, 상기 복수개의 나노기공 중 적어도 한 개는 상기 그래파이트 층의 내부의 평면(in-plane)상에 위치하는 것을 특징으로 한다.The present invention provides nanoporous graphite, characterized in that the nanoporous graphite includes a plurality of nanopores on at least one surface of a graphite layer, has a diffraction peak due to a (002) crystal plane of graphite in X-ray diffraction analysis, and at least one of the plurality of nanopores is located on an in-plane within the graphite layer.

일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 그래파이트는 라만 스펙트럼에서 D' 밴드를 포함할 수 있다. 상기 나노 다공성 그래파이트는 라만 스펙트럼에서 D' 밴드를 포함하여 상기 그래파이트 층이 포함하는 층 내부의 평면, 즉, in-plane 상에 나노기공을 하나 이상 포함하는 것을 의미할 수 있다.According to one embodiment, the nanoporous graphite may include a D' band in a Raman spectrum. The nanoporous graphite may mean that the graphite layer includes one or more nanopores on a plane, i.e., on an in-plane, within the layer, including the D' band in the Raman spectrum.

일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 그래파이트의 라만 스펙트럼의 Id/Ig 강도의 비가 0.3 내지 1.5 일 수 있다. 상기 나노 다공성 그래파이트의 라만 스펙트럼의 Id/Ig 강도의 비는 0.3 이상, 0.4 이상, 0.5 이상 또는 0.6 이상일 수 있으며, 상한으로는 2.0 이하, 1.5 이하, 1.3 이하 또는 1.2 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 나노 다공성 그래파이트의 라만 스펙트럼의 Id/Ig 강도의 비는 0.3 내지 2.0, 0.4 내지 1.5, 0.5 내지 1.3 또는 0.6 내지 1.2일 수 있다. 상기 나노 다공성 그래파이트의 라만 스펙트럼의 Id/Ig 강도의 비는 상술한 범위를 만족할 때 결함이 적어 분리막으로 사용 시 목적 물질에 대한 선택적 투과성을 현저히 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 가혹 조건 또는 장기간 사용에도 층간 거리가 안정적으로 유지되는 우수한 내구성을 나타낼 수 있다. According to one embodiment, the I d /I g intensity ratio of the Raman spectrum of the nanoporous graphite can be from 0.3 to 1.5. The I d /I g intensity ratio of the Raman spectrum of the nanoporous graphite can be 0.3 or more, 0.4 or more, 0.5 or more, or 0.6 or more, and an upper limit can be 2.0 or less, 1.5 or less, 1.3 or less, or 1.2 or less. Specifically, the I d /I g intensity ratio of the Raman spectrum of the nanoporous graphite can be 0.3 to 2.0, 0.4 to 1.5, 0.5 to 1.3, or 0.6 to 1.2. When the ratio of I d /I g intensities of the Raman spectrum of the above nanoporous graphite satisfies the above-described range, it can significantly improve the selective permeability to the target substance when used as a separation membrane due to fewer defects, and can also exhibit excellent durability in which the interlayer distance is stably maintained even under harsh conditions or for long-term use.

일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 그래파이트는 라만 스펙트럼에서 D밴드보다 강한 산란강도를 가지는 D'밴드를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the nanoporous graphite may include a D' band having a stronger scattering intensity than the D band in a Raman spectrum.

구체적으로, 상기 D'밴드는 상기 그래파이트 층이 방향족 탄소 구조에서의 결함 및 나노 기공을 포함할 때 나타나는 피크일 수 있다. 따라서, 상기 나노 다공성 그래파이트의 단일 층은 상기 D밴드 보다 D'밴드를 가져 높은 결정성을 유지하며 나노 기공이 형성되는 것을 의미할 수 있다.Specifically, the D' band may be a peak that appears when the graphite layer includes defects and nano-pores in the aromatic carbon structure. Accordingly, the single layer of the nano-porous graphite may have a D' band higher than the D band, thereby maintaining high crystallinity and indicating that nano-pores are formed.

일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 그래파이트는 라만 스펙트럼에서 2D밴드보다 강한 산란강도를 가지는 D'밴드를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the nanoporous graphite may include a D' band having a stronger scattering intensity than the 2D band in a Raman spectrum.

구체적으로, 상기 2D 밴드는 상기 나노 다공성 그래파이트의 각 층의 결정구조가 유지될 때 나타나는 피크일 수 있다. 따라서, 상기 나노 다공성 그래파이트는 상기 2D밴드가 유지되며 상기 2D밴드보다 더 높은 D'밴드를 가짐으로 인하여 층간 결정구조가 높은 결정성을 가짐과 동시에 적절한 나노기공을 가짐을 의미할 수 있다.Specifically, the 2D band may be a peak that appears when the crystal structure of each layer of the nanoporous graphite is maintained. Accordingly, the nanoporous graphite may mean that the interlayer crystal structure has high crystallinity and appropriate nanopores because the 2D band is maintained and the D' band is higher than the 2D band.

일 구현예에 따르면, 상기 X선 회절분석에서 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절피크의 FWHM은 5° 이하일 수 있다. 상기 X선 회절분석에서 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절피크의 FWHM은 0.1° 이상, 0.5° 이상 또는 1° 이상일 수 있으며, 상한으로는, 10° 이하, 5° 이하 또는 3° 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 X선 회절분석에서 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절피크의 FWHM은 0.1 내지 10°, 0.5 내지 5° 또는 1 내지 3°일 수 있다. 상기 나노 다공성 그래파이트의 (002) 결정면에서의 X선 회절분석 피크는 상기 기공을 다수 가지면서도 높은 결정성을 유지하여 상술한 반치전폭(FWHM)을 만족할 수 있다.According to one embodiment, the FWHM of the diffraction peak due to the (002) crystal plane of graphite in the X-ray diffraction analysis may be 5° or less. The FWHM of the diffraction peak due to the (002) crystal plane of graphite in the X-ray diffraction analysis may be 0.1° or more, 0.5° or more, or 1° or more, and may have an upper limit of 10° or less, 5° or less, or 3° or less. Specifically, the FWHM of the diffraction peak due to the (002) crystal plane of graphite in the X-ray diffraction analysis may be 0.1 to 10°, 0.5 to 5°, or 1 to 3°. The X-ray diffraction peak in the (002) crystal plane of the nanoporous graphite may maintain high crystallinity while having a large number of pores, thereby satisfying the above-described full width at half maximum (FWHM).

일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 그래파이트가 포함하는 상기 나노기공의 평균직경은 500 nm 이하일 수 있다. 상기 나노 다공성 그래파이트가 포함하는 상기 나노기공의 평균직경은 1,000 nm 이하, 500 nm 이하, 200 nm 이하 100 nm 이하 또는 50 nm 이하일 수 있으며, 하한으로는, 0.1 nm 이상, 1 nm 이상 또는 5 nm 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 나노 다공성 그래파이트가 포함하는 상기 나노기공의 평균 직경은 0.1 내지 1,000 nm, 1 내지 500 nm, 1 내지 200 nm, 1 내지 100 nm 또는 1 내지 50 nm 또는 5 내지 50 nm일 수 있다. 상기 나노기공은 상술한 범위 내의 직경을 가져 물질전달 및/또는 용매수송성 등을 향상시켜 목적물질에 대한 투과성이 높을 수 있다.According to one embodiment, the average diameter of the nanopores included in the nanoporous graphite may be 500 nm or less. The average diameter of the nanopores included in the nanoporous graphite may be 1,000 nm or less, 500 nm or less, 200 nm or less, 100 nm or less, or 50 nm or less, and a lower limit may be 0.1 nm or more, 1 nm or more, or 5 nm or more. Specifically, the average diameter of the nanopores included in the nanoporous graphite may be 0.1 to 1,000 nm, 1 to 500 nm, 1 to 200 nm, 1 to 100 nm, 1 to 50 nm, or 5 to 50 nm. The nanopores may have a diameter within the above-described range to improve material transfer and/or solvent transport properties, thereby increasing permeability to a target substance.

일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 그래파이트가 포함하는 그래핀의 한 층을 박리한 후 투과전자현미경(scanning electron microscope; SEM)으로 관측된 50 nm x 50 nm 이미지 내에 상기 나노기공이 5개 이상 포함될 수 있다. 상기 나노 다공성 그래파이트가 포함하는 그래핀의 한 층을 박리한 후 투과전자현미경 으로 관측된 50 nm x 50 nm 이미지 내에 상기 나노기공의 갯수는 1개 이상, 2개 이상, 3개 이상, 5개 이상 또는 10개 이상일 수 있으며, 상한으로는 500개 이하, 200개 이하, 100개 이하, 50개 이하 또는 20개 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 나노 다공성 그래파이트가 포함하는 그래핀의 한 층을 박리한 후 투과전자현미경 으로 관측된 50 nm x 50 nm 이미지 내에 상기 나노기공의 개수는 1 내지 500개, 2 내지 200개, 3 내지 100개, 5 내지 50개 또는 10 내지 20개일 수 있다. 상술한 나노기공의 개수는 상기 나노기공의 밀도를 의미하는 것으로서, 상기 나노 다공 그래파이트가 포함하는 상기 나노기공은 상술한 범위의 밀도를 가져 물질전달 및/또는 용매수송성 등을 향상시켜 목적물질에 대한 투과성이 높을 수 있다.According to one embodiment, after exfoliating one layer of graphene included in the nanoporous graphite, a 50 nm x 50 nm image observed with a scanning electron microscope (SEM) may include 5 or more nanopores. The number of nanopores included in the 50 nm x 50 nm image observed with a transmission electron microscope after exfoliating one layer of graphene included in the nanoporous graphite may be 1 or more, 2 or more, 3 or more, 5 or more, or 10 or more, and an upper limit may be 500 or less, 200 or less, 100 or less, 50 or less, or 20 or less. Specifically, the number of nanopores in a 50 nm x 50 nm image observed by a transmission electron microscope after peeling off one layer of graphene included in the nanoporous graphite may be 1 to 500, 2 to 200, 3 to 100, 5 to 50, or 10 to 20. The number of nanopores described above refers to the density of the nanopores, and the nanopores included in the nanoporous graphite may have a density in the above-described range to improve material transfer and/or solvent transport properties, thereby increasing permeability to a target substance.

일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 그래파이트는 하기 식 1을 만족할 수 있다.According to one embodiment, the nanoporous graphite can satisfy the following equation 1.

(식 1)(Formula 1)

SNPG/SG ≤ 10SNPG/SG ≤ 10

(식 1에서, SNPG는 나노 다공성 그래파이트의 BET 비표면적을 의미하며, SG는 프리스틴(pristine) 그래파이트의 BET 비표면적을 의미한다)(In Equation 1, SNPG represents the BET surface area of nanoporous graphite, and SG represents the BET surface area of pristine graphite.)

상기 식 1의 SNPG/SG의 값은 20 이하, 10 이하, 5 이하, 3 이하 또는 2 이하일 수 있으며, 하한으로는, 1.0 초과일 수 있다. 구체적으로, 상기 식 1의 SNPG/SG의 값은 1.0 초과 내지 20 이하, 1.0 초과 내지 10 이하, 1.0 초과 내지 5 이하, 1.0 초과 내지 3이하 또는 1.0 초과 내지 2 이하일 수 있다.The value of SNPG/SG of the above formula 1 can be 20 or less, 10 or less, 5 or less, 3 or less, or 2 or less, and as a lower limit, can be greater than 1.0. Specifically, the value of SNPG/SG of the above formula 1 can be greater than 1.0 and less than 20, greater than 1.0 and less than 10, greater than 1.0 and less than 5, greater than 1.0 and less than 3, or greater than 1.0 and less than 2.

상기 프리스틴(pristine) 그래파이트는 일반적인 그래파이트를 의미하는 것으로, 상기 나노 다공성 그래파이트는 그래핀이 고도로 적층되고 조밀한 결정구조를 가져 상기 식 1이 상술한 범위를 만족할 수 있다. 그러나, 상기 다공성 그래파이트는 고도로 적층되고 조밀한 구조를 가짐에도 불구하고 다수의 기공을 가져 일반적인 그래파이트 물질보다 목적물질에 대한 투과성이 높으면서도 높은 내구성을 가질 수 있다.The above pristine graphite refers to general graphite, and the nanoporous graphite has a highly stacked and dense crystal structure of graphene, and thus can satisfy the range described in Equation 1. However, despite having a highly stacked and dense structure, the porous graphite has a large number of pores, and thus can have higher permeability to a target material and higher durability than general graphite materials.

일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 그래파이트는 20 m2/g 이하의 BET 비표면적을 가질 수 있다. 상기 나노 다공성 그래파이트의 BET 비표면적은 20 m2/g 이하, 10 m2/g 이하 또는 5 m2/g 이하일 수 있으며, 하한으로는, 0.1 m2/g 이상, 1 m2/g 이상 또는 2 m2/g 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 나노 다공성 그래파이트의 BET 비표면적은 0.1 내지 20 m2/g, 1 내지 10 m2/g 또는 2 내지 5 m2/g일 수 있다. 상기 나노 다공성 그래파이트는 고도로 적층되고 조밀한 구조를 가져 BET 비표면적이 상술한 범위를 만족할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 나노 다공성 그래파이트는 다수의 기공을 가져 일반적인 그래파이트 물질보다 목적물질에 대한 투과성이 높으면서도 높은 내구성을 가질 수 있다. According to one embodiment, the nanoporous graphite can have a BET surface area of 20 m 2 /g or less. The BET surface area of the nanoporous graphite can be 20 m 2 /g or less, 10 m 2 /g or less, or 5 m 2 /g or less, and may be, as a lower limit, 0.1 m 2 /g or more, 1 m 2 /g or more, or 2 m 2 /g or more. Specifically, the BET surface area of the nanoporous graphite can be 0.1 to 20 m 2 /g, 1 to 10 m 2 /g, or 2 to 5 m 2 /g. The nanoporous graphite has a highly stacked and dense structure, and thus the BET surface area can satisfy the above-described range. Nonetheless, the above nanoporous graphite has a large number of pores and thus can have higher permeability to target substances and higher durability than general graphite materials.

일 구현예에 따르면, 상기 나노기공의 크기는 화학적 산화 반응에 의하여 조절될 수 있다. According to one embodiment, the size of the nanopores can be controlled by a chemical oxidation reaction.

비 한정적인 일 예로, 상기 나노 다공성 그래파이트가 포함하는 각 그래핀의 면간에 CrO2Cl2 등이 삽입, 즉, 인터칼레이팅(intercalating)되고, 산성조건 하에서 층간 삽입된 상기 CrO2Cl2는 이중결합된 탄소와 반응하여 상기 이중결합을 끊어 탄소 격자 내에서 스트레인(strain)을 유발하여 결함 및 기공을 형성시킬 수 있다. 좀 더 상세하게, 상기 CrO2Cl2는 상기 나노 다공성 그래파이트가 포함하는 그래핀의 sp2 도메인의 국소 절단을 유발하여 상기 나노기공을 유발시킬 수 있다. 이 때, 상기 나노기공의 크기는 상기 CrO2Cl2의 농도 및 처리시간 등에 영향을 받아 결정될 수 있다. 한편, 상기 화학적 산화 반응을 유발하는 산화제는 KMnO4등일 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. As a non-limiting example, CrO 2 Cl 2 or the like is inserted, i.e., intercalated, between each plane of graphene included in the nanoporous graphite, and the CrO 2 Cl 2 inserted between layers under acidic conditions can react with double-bonded carbon to cleave the double bonds, thereby inducing strain in the carbon lattice to form defects and pores. More specifically, the CrO 2 Cl 2 can induce local cleavage of the sp 2 domain of the graphene included in the nanoporous graphite to induce the nanopores. At this time, the size of the nanopores can be determined by being affected by the concentration and treatment time of the CrO 2 Cl 2. Meanwhile, the oxidizing agent that induces the chemical oxidation reaction may be KMnO 4 or the like, but the present invention is not limited thereto.

일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 그래파이트는 0.1 cm3/g 이하의 기공 부피를 가질 수 있다. 상기 나노 다공성 그래파이트의 기공 부피는 0.20 cm3/g 이하, 0.10 cm3/g 이하 또는 0.05 cm3/g 이하일 수 있으며, 하한으로는, 0.001 cm3/g 이상, 0.05 cm3/g 이상 또는 0.01 cm3/g 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 나노 다공성 그래파이트의 기공 부피는 0.001 내지 0.20 cm3/g, 0.05 내지 0.10 cm3/g 또는 0.01 내지 0.05 cm3/g일 수 있다. 상기 나노 다공성 그래파이트는 상술한 범위의 낮은 기공 부피를 가짐에도 불구하고 상기 나노 다공성 그래파이트가 포함하는 그래핀의 면간에 적절하게 형성된 기공으로 인하여 높은 물질전달 효율 및 내구성을 가질 수 있다. In one embodiment, the nanoporous graphite can have a pore volume of 0.1 cm 3 /g or less. The pore volume of the nanoporous graphite can be 0.20 cm 3 /g or less, 0.10 cm 3 /g or less, or 0.05 cm 3 /g or less, and as a lower limit, can be 0.001 cm 3 /g or more, 0.05 cm 3 /g or more, or 0.01 cm 3 /g or more. Specifically, the pore volume of the nanoporous graphite can be 0.001 to 0.20 cm 3 /g, 0.05 to 0.10 cm 3 /g, or 0.01 to 0.05 cm 3 /g. The above nanoporous graphite can have high material transfer efficiency and durability despite having a low pore volume in the above-described range due to pores appropriately formed between planes of graphene included in the nanoporous graphite.

일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 그래파이트의 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)에 따른 C-O-C, C=O 또는 C(=O)O 결합에너지의 피크의 강도가 C=C 및 C-C 결합에너지의 피크의 강도보다 작을 수 있다. 구체적으로, 상기 나노 다공성 그래파이트가 포함하는 상기 나노기공은 상술한 바와 같이 화학적 산화 반응에 의하여 생성될 수 있음에 따라, 상기 X선 광전자 분광법의 산소 기능기를 포함하는 피크가 탄소 피크보다 많을 수 있다. 이를 만족하지 않는 일반적인 프리스틴(pristine) 그래파이트의 경우에는 기공이 층간에 밀집하여 위치하지 않고 랜덤(random)하게 위치하고 있어 본 발명에 따른 현저한 효과가 나타나지 않을 수 있다.According to one embodiment, the intensity of a peak of C-O-C, C=O or C(=O)O binding energy according to X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of the nanoporous graphite may be lower than the intensity of the peaks of C=C and C-C binding energies. Specifically, since the nanopores included in the nanoporous graphite may be generated by a chemical oxidation reaction as described above, the peak including an oxygen functional group of the X-ray photoelectron spectroscopy may be greater than the carbon peak. In the case of general pristine graphite that does not satisfy this, the pores are not densely located between layers but are randomly located, and thus the remarkable effect according to the present invention may not be exhibited.

본 발명은 분리막을 제공하며, 상기 분리막은 본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트를 포함한다. 상기 분리막을 서술함에 있어, 상기 분리막은 상술한 나노 다공성 그래파이트를 포함함에 따라 본 발명에 따른 상기 분리막은 앞서 나노 다공성 그래파이트에서 상술한 모든 내용을 포함한다.The present invention provides a separator, wherein the separator comprises nanoporous graphite according to the present invention. In describing the separator, since the separator comprises the above-described nanoporous graphite, the separator according to the present invention comprises all the contents described above with respect to the nanoporous graphite.

이하, 본 발명의 분리막에 대해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the separation membrane of the present invention will be described in more detail.

일 구현예에 따르면, 상기 분리막은 수처리용, 용매 나노여과용, 가스분리용 또는 이온분리용일 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막은 상술한 나노 다공성 그래파이트를 포함함에 따라, 물질전달효율, 목적물질에 대한 투과성 및 높은 내구성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 분리막은 상술한 용도로 사용될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment, the separation membrane can be used for water treatment, solvent nanofiltration, gas separation, or ion separation. Specifically, since the separation membrane includes the nanoporous graphite described above, it can have material transfer efficiency, permeability to a target substance, and high durability. Therefore, the separation membrane can be used for the purposes described above, but the present invention is not limited thereto.

일 구현예에 따르면, 상기 나노 다공성 그래파이트는 전극 활물질, 수퍼커패시터 전극 및 전기화학소자 등에 포함될 수 있다.According to one embodiment, the nanoporous graphite can be included in electrode active materials, supercapacitor electrodes, and electrochemical devices.

구체적으로, 상기 전극 활물질은 2차전지용 음극 및 수퍼커패시터 전극 등에 포함될 수 있다. 상기 전극 활물질은 상술한 나노 다공성 그래파이트를 포함하고, 상기 나노 다공성 그래파이트는 상술한 바와 같이 물질전달 효율 및 내구성 등이 현저히 높을 수 있음에 따라 상기 2차전지용 음극 및 수퍼커패시터 전극 등에 포함되어 2차전지 및 수퍼커패시터의 성능 및 내구성 등을 높일 수 있다.Specifically, the electrode active material may be included in a negative electrode for a secondary battery, a supercapacitor electrode, etc. The electrode active material includes the nanoporous graphite described above, and since the nanoporous graphite can have significantly high material transfer efficiency and durability as described above, it may be included in the negative electrode for a secondary battery, a supercapacitor electrode, etc. to improve the performance and durability of the secondary battery and the supercapacitor.

또한, 구체적으로, 상기 전기화학소자는 전기화학센서, 전기화학촉매 또는 에너지저장소자일 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 나노 다공성 그래파이트는 높은 물질전달효율 및 높은 내구성 등의 현저한 효과를 가져, 상술한 전기화학소자에 적용될 수 있다.In addition, specifically, the electrochemical device may be an electrochemical sensor, an electrochemical catalyst, or an energy storage device. As described above, the nanoporous graphite has remarkable effects such as high material transfer efficiency and high durability, and thus can be applied to the electrochemical device described above.

그러나, 본 발명에 따른 상기 나노 다공성 그래파이트가 상술한 용도만에 한정되는 것은 아니며, 본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트의 현저한 효과가 적용될 수 있는 다양한 산업분야에 또한 적용될 수 있음은 물론이다.However, the nanoporous graphite according to the present invention is not limited to the above-described uses, and it can also be applied to various industrial fields to which the remarkable effects of the nanoporous graphite according to the present invention can be applied.

본 발명은 나노 다공성 그래파이트 전구체를 제공하며, 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체는 Cr을 그래파이트 층의 적어도 일 면에 포함하고, 라만 스펙트럼에서 D' 밴드를 포함하며, X선 회절분석에서 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절각도 2θ보다 낮은 각도에서 회절되는 2개 이상의 회절 피크를 가지는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a nanoporous graphite precursor, characterized in that the nanoporous graphite precursor includes Cr on at least one side of a graphite layer, includes a D' band in a Raman spectrum, and has two or more diffraction peaks diffracted at an angle lower than 2θ due to a (002) crystal plane of graphite in X-ray diffraction analysis.

상기 나노 다공성 그래파이트 전구체를 서술함에 있어, 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체는 상술한 나노 다공성 그래파이트의 제조과정에서의 중간체일 수 있고, 상기 D' 밴드 및 상기 그래파이트의 (002) 결정면 등은 앞서 나노 다공성 그래파이트에서 상술한 용어와 동일 내지 유사할 수 있음에 따라, 본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트 전구체는 앞서 나노 다공성 그래파이트에서 상술한 모든 내용을 포함한다.In describing the above nanoporous graphite precursor, the nanoporous graphite precursor may be an intermediate in the manufacturing process of the above-described nanoporous graphite, and the D' band and the (002) crystal plane of the graphite may be the same as or similar to the terms described above in the nanoporous graphite, and therefore the nanoporous graphite precursor according to the present invention includes all the contents described above in the nanoporous graphite.

이하, 본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트 전구체에 대해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the nanoporous graphite precursor according to the present invention will be described in more detail.

일 구현예에 따르면, 상술한 나노 다공성 그래파이트는 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체의 상기 Cr의 그래파이트 층간삽입반응에 의하여 제조될 수 있다. 상술한 비 한정적인 일 예와 같이, 상술한 나노 다공성 그래파이트가 포함하는 각 그래핀의 면간에 CrO2Cl2 등이 삽입, 즉, 인터칼레이팅(intercalating)되고 이후 화학적 산화 반응이 진행되어 상술한 나노 다공성 그래파이트가 제조될 수 있다. According to one embodiment, the above-described nanoporous graphite can be manufactured by the graphite intercalation reaction of Cr of the nanoporous graphite precursor. As in the non-limiting example described above, CrO 2 Cl 2 or the like is inserted, i.e., intercalated, between the planes of each graphene included in the above-described nanoporous graphite, and then a chemical oxidation reaction is performed, whereby the above-described nanoporous graphite can be manufactured.

일 구현예에 따르면 상기 Cr, 즉, 크롬 원자는 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체의 총 중량 중 3 wt% 이하로 포함될 수 있다. 상기 Cr, 즉, 크롬 원자는 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체의 총 중량 중 10 wt% 이하, 5 wt% 이하 또는 3 wt% 이하로 포함될 수 있으며, 하한으로는, 0.1 wt% 이상, 0.5 wt% 이상 또는 1 wt% 이상으로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 Cr, 즉, 크롬 원자는 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체의 총 중량 중 0.1 내지 10 wt%, 0.5 내지 5 wt% 또는 1 내지 3 wt% 포함될 수 있다. 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체가 포함하는 상기 Cr은 상술한 범위 내에서 포함되어 상술한 나노 다공성 그래파이트의 기공 크기 및 기공 분포도 등을 적절히 조절할 수 있다. According to one embodiment, the Cr, that is, the chromium atoms, may be included in an amount of 3 wt% or less of the total weight of the nanoporous graphite precursor. The Cr, that is, the chromium atoms, may be included in an amount of 10 wt% or less, 5 wt% or less, or 3 wt% or less of the total weight of the nanoporous graphite precursor, and as a lower limit, may be included in an amount of 0.1 wt% or more, 0.5 wt% or more, or 1 wt% or more. Specifically, the Cr, that is, the chromium atoms, may be included in an amount of 0.1 to 10 wt%, 0.5 to 5 wt%, or 1 to 3 wt% of the total weight of the nanoporous graphite precursor. The Cr included in the nanoporous graphite precursor is included within the above-described range to appropriately control the pore size and pore distribution of the nanoporous graphite described above.

또한, 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체가 포함하는 Cr는 기공 생성 후 제거되어 상술한 나노 다공성 그래파이트가 제조될 수 있음은 물론이다.In addition, it goes without saying that the Cr contained in the above-described nanoporous graphite precursor can be removed after pore creation, thereby producing the above-described nanoporous graphite.

본 발명은 나노 다공성 그래파이트의 제조방법을 제공하며, 상기 나노 다공성 그래파이트의 제조방법은 (S1) 그래파이트가 포함하는 적어도 일 면의 상부에 하나 이상의 인터칼레이팅 화합물을 위치시켜 나노 다공성 그래파이트 전구체를 제조하는 단계; (S2) 상기 인터칼레이팅 화합물이 상기 그래파이트가 포함하는 탄소간 불포화 결합과 반응하는 단계; 및 (S3) 상기 (S2) 단계의 반응으로 인하여 나노 기공이 형성되는 단계; 를 포함하고, 상기 인터칼레이팅 화합물은 상기 포화결합의 위치에서 나노 기공을 유발한다.The present invention provides a method for producing nanoporous graphite, the method for producing nanoporous graphite comprising: (S1) a step of producing a nanoporous graphite precursor by positioning one or more intercalating compounds on at least one surface included in graphite; (S2) a step of reacting the intercalating compound with an unsaturated bond between carbon atoms included in the graphite; and (S3) a step of forming nanopores due to the reaction of the step (S2); wherein the intercalating compound induces nanopores at the positions of the saturated bonds.

상기 나노 다공성 그래파이트의 제조방법을 서술함에 있어, 상기 나노 다공성 그래파이트의 제조방법은 상술한 나노 다공성 그래파이트; 의 제조방법일 수 있고, 상기 그래파이트 및 나노 기공 등은 앞서 나노 다공성 그래파이트 및 나노 다공성 그래파이트 전구체에서 상술한 용어와 동일 내지 유사할 수 있음에 따라, 본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트의 제조방법은 앞서 나노 다공성 그래파이트 및 나노 다공성 그래파이트 전구체에서 상술한 모든 내용을 포함한다.In describing the method for producing the above nanoporous graphite, the method for producing the above nanoporous graphite may be the method for producing the above-described nanoporous graphite; and the graphite and nanopores, etc. may be the same as or similar to the terms described above in the nanoporous graphite and the nanoporous graphite precursor, and therefore the method for producing nanoporous graphite according to the present invention includes all the contents described above in the nanoporous graphite and the nanoporous graphite precursor.

이하, 본 발명의 나노 다공성 그래파이트의 제조방법에 대해 상세히 서술한다.Hereinafter, the method for manufacturing nanoporous graphite of the present invention will be described in detail.

상술한 바와 같이, 비 한정적인 일 예로, 상기 나노 다공성 그래파이트가 포함하는 각 그래핀의 면간에 상기 인터칼레이팅 화합물이 삽입, 즉, 인터칼레이팅(intercalating)되고, 산성조건 하에서 층간 삽입된 상기 인터칼레이팅 화합물은 이중결합된 탄소와 반응하여 상기 이중결합을 끊어 탄소 격자 내에서 스트레인(strain)을 유발하여 결함 및 기공을 형성시킬 수 있다. 좀 더 상세하게, 상기 인터칼레이팅 화합물은 상기 나노 다공성 그래파이트가 포함하는 그래핀의 sp2 도메인의 국소 절단을 유발하여 상기 나노기공을 유발시킬 수 있다. As described above, as a non-limiting example, the intercalating compound is inserted, i.e., intercalated, between each plane of graphene included in the nanoporous graphite, and the intercalating compound inserted between layers under acidic conditions can react with double-bonded carbon to cleave the double bonds, thereby inducing strain in the carbon lattice to form defects and pores. More specifically, the intercalating compound can induce local cleavage of the sp 2 domain of the graphene included in the nanoporous graphite to induce the nanopores.

일 구현예에 따르면, 상기 인터칼레이팅 화합물은 CrO2Cl2; Cr2O3; FeCl3; 및 이를 포함하는 화합물; 를 포함하는 군에서 하나 이상 선택될 수 있다. 상기 인터칼레이팅 화합물은 상술한 화학종에서 선택되어 상기 그래파이트가 포함하는 각 그래핀의 면간에 상기 나노기공을 형성할 수 있다. In one embodiment, the intercalating compound is CrO 2 Cl 2 ; Cr 2 O 3 ; FeCl 3 ; and a compound including the same; may be selected from the group consisting of: The intercalating compound may be selected from the chemical species described above and may form the nanopores between the planes of each graphene included in the graphite.

일 구현예에 따르면, 상기 (S2) 단계의 반응은 산화반응일 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 (S2) 단계에서는 상기 인터칼레이팅 화합물이 이중결합된 탄소와 반응하여 상기 그래핀이 포함하는 이중결합을 끊을 수 있다. 이 때, 불포화탄화수소의 이중결합이 끊어져 포화탄화수소가 되거나; 이중결합이 제거되어 기공 또는 결함(defect)가 생기는 과정; 은 산화반응에 의하여 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the reaction of the step (S2) may be an oxidation reaction. As described above, in the step (S2), the intercalating compound may react with the double-bonded carbon to break the double bond included in the graphene. At this time, the process in which the double bond of an unsaturated hydrocarbon is broken to become a saturated hydrocarbon; or the process in which the double bond is removed to create pores or defects; may be performed by an oxidation reaction.

일 구현예에 따르면, 상기 산화반응은 산화제를 더 첨가하여 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 그래파이트가 포함하는 그래핀의 면간에 인터컬레이팅 된 상기 인터컬레이팅 화합물은 산성조건 하에서 산화제에 의하여 산화되며 상기 나노 기공을 생성할 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 상기 산화제는 KMnO4 등을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. According to one embodiment, the oxidation reaction may be performed by further adding an oxidizing agent. Specifically, the intercalating compound intercalated between the planes of the graphene included in the graphite may be oxidized by an oxidizing agent under acidic conditions to generate the nanopores. As a non-limiting example, the oxidizing agent may include KMnO 4 or the like, but the present invention is not limited thereto.

일 구현예에 따르면, 상기 (S2) 단계의 반응은 산성조건 하에서 수행될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 (S2) 단계의 반응은 산화반응일 수 있고, 산화제를 첨가하여 수행되는 것일 수 있다. 이 때, 상기 산화반응을 원활히 하기 위하여 상기 (S2) 단계의 반응은 pH 7 미만의 산성조건 하에서 수행될 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체 물(H-2O)에 분산되고, 상기 전구체가 분산된 수용액에 산화제인 KMnO4 및 황산(H2SO4)를 첨가하여 산성조건 및 산화제 첨가조건 하에서 수행될 수 있다. According to one embodiment, the reaction of the step (S2) can be performed under acidic conditions. As described above, the reaction of the step (S2) can be an oxidation reaction and can be performed by adding an oxidizing agent. At this time, in order to facilitate the oxidation reaction, the reaction of the step (S2) can be performed under acidic conditions of less than pH 7. As a non-limiting example, the nanoporous graphite precursor is dispersed in water (H- 2 O), and an oxidizing agent, KMnO 4 , and sulfuric acid (H 2 SO 4 ), are added to the aqueous solution in which the precursor is dispersed, so that the reaction can be performed under acidic conditions and conditions in which an oxidizing agent is added.

일 구현예에 따르면, 상기 산화제의 첨가량은 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체가 포함하는 상기 인터칼레이팅 화합물 1 당량을 기준으로 0.01 내지 10 당량 첨가될 수 있다. 상기 산화제의 첨가량은 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체가 포함하는 상기 인터칼레이팅 화합물 1 당량을 기준으로 0.01 당량 이상, 0.05 당량 이상, 0.1 당량 이상, 0.2 당량 이상, 0.5 당량 이상 또는 1 당량 이상일 수 있으며, 상한으로는, 100 당량 이하, 50 당량 이하, 30 당량 이하, 20 당량 이하 10 당량 이하 또는 5 당량 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 산화제의 첨가량은 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체가 포함하는 상기 인터칼레이팅 화합물 1 당량을 기준으로 0.01 내지 100 당량, 0.05 내지 50 당량, 0.1 내지 30 당량, 0.2 내지 20 당량, 0.5 내지 10 당량 또는 1 내지 5 당량일 수 있다. 상기 산화제 첨가량은 상술한 범위 내에서 조절될 수 있으나, 상기 첨가제의 화학종, 상기 인터칼레이팅 화합물의 화학종, 제조과정에서의 pH 등 여러 조건에 따라 달라질 수 있음에 따라, 본 발명이 상술한 첨가량에 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment, the amount of the oxidizing agent added may be 0.01 to 10 equivalents based on 1 equivalent of the intercalating compound included in the nanoporous graphite precursor. The amount of the oxidizing agent added may be 0.01 equivalent or more, 0.05 equivalent or more, 0.1 equivalent or more, 0.2 equivalent or more, 0.5 equivalent or more, or 1 equivalent or more based on 1 equivalent of the intercalating compound included in the nanoporous graphite precursor, and the upper limit may be 100 equivalent or less, 50 equivalent or less, 30 equivalent or less, 20 equivalent or less, 10 equivalent or less, or 5 equivalent or less. Specifically, the amount of the oxidizing agent added may be 0.01 to 100 equivalents, 0.05 to 50 equivalents, 0.1 to 30 equivalents, 0.2 to 20 equivalents, 0.5 to 10 equivalents, or 1 to 5 equivalents based on 1 equivalent of the intercalating compound included in the nanoporous graphite precursor. The amount of the oxidizing agent added may be adjusted within the above-described range, but may vary depending on various conditions such as the chemical species of the additive, the chemical species of the intercalating compound, and the pH during the manufacturing process, and therefore the present invention is not limited to the above-described amount of the oxidizing agent added.

이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 나노 다공성 그래파이트에 대해 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.Hereinafter, the nanoporous graphite according to the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are only a reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.

또한, 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.Also, unless otherwise defined, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used in the description herein is only for the purpose of effectively describing particular embodiments and is not intended to be limiting of the present invention.

(제조예 1) 나노 다공성 그래파이트의 전구체 제조(Manufacturing Example 1) Manufacturing of precursor for nanoporous graphite

나노 다공성 그래파이트의 제조를 위해 25 mL 플라스크에 1g의 흑연(그래파이트) 및 10g의 Cr2O3를 첨가한 다음, 10 mL의 HCl을 천천히 첨가하여 혼합물을 제조하였다. For the preparation of nanoporous graphite, 1 g of graphite and 10 g of Cr 2 O 3 were added to a 25 mL flask, and then 10 mL of HCl was slowly added to prepare a mixture.

그래파이트 층간에 CrO2Cl2을 형성시키기 위해 2시간 동안 혼합물을 교반하여 인터칼레이션 반응(intercalation reaction) 시켰다. The mixture was stirred for 2 hours to cause an intercalation reaction to form CrO 2 Cl 2 between the graphite layers.

이후, 그래파이트 층간에 CrO2Cl2이 형성된 수득물을 진공 여과하여 수득한 다음 탈이온수로 세척한 후 60 ℃의 오븐에서 건조하여 나노 다공성 그래파이트의 전구체인 흑연 층간 화합물(graphite intercalation compound, GIC)을 제조하였다. Thereafter, the obtained product in which CrO 2 Cl 2 was formed between graphite layers was vacuum filtered, washed with deionized water, and dried in an oven at 60° C. to produce a graphite intercalation compound (GIC), which is a precursor of nanoporous graphite.

(제조예 2) (Manufacturing example 2)

제조예 1과 동일하게 실시하되, 5시간 동안 혼합물을 교반하여 인터칼레이션 반응시킨 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.The same procedure as Manufacturing Example 1 was followed, except that the mixture was stirred for 5 hours to perform an intercalation reaction.

(제조예 3) (Manufacturing Example 3)

제조예 1과 동일하게 실시하되, 20시간 동안 혼합물을 교반하여 인터칼레이션 반응시킨 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.The same procedure as Manufacturing Example 1 was followed, except that the mixture was stirred for 20 hours to perform an intercalation reaction.

(실험예 1) 흑연 층간 화합물(GIC)의 구조 분석(Experimental Example 1) Structural Analysis of Graphite Interlayer Compound (GIC)

각각 제조된 GIC의 구조를 X선 회절(XRD) 분석, X선 광전자 분광(XPS) 분석 및 라만 분석을 통해 비교하였다.The structures of each manufactured GIC were compared through X-ray diffraction (XRD) analysis, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis, and Raman analysis.

도 1a, 도 1b 및 도 1c는 각각 그래파이트 및 제조예 1 내지 제조예 3의 GIC에 대한 X선 회절 패턴, 라만 스펙트럼 및 XPS 스펙트럼을 도시한 도면이고, 도 1d는 XPS 분석을 통해 산출된 제조예 1 내지 제조예 3에 포함된 Cr 함량을 도시한 도면이다. FIG. 1a, FIG. 1b, and FIG. 1c are drawings showing X-ray diffraction patterns, Raman spectra, and XPS spectra for graphite and GIC of Preparation Examples 1 to 3, respectively, and FIG. 1d is a drawing showing the Cr content included in Preparation Examples 1 to 3 calculated through XPS analysis.

도 1a를 참조하면, 제조예 1 내지 제조예 3에서는 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절 각도 2θ보다 낮은 각도에서 회절되는 2개의 회절 피크를 가지는 것이 관찰되었다. Referring to Fig. 1a, in Manufacturing Examples 1 to 3, it was observed that there were two diffraction peaks diffracted at an angle lower than the diffraction angle 2θ due to the (002) crystal plane of graphite.

제조예 1 내지 제조예 3 모두 2개의 회절 피크 중 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절 각도 2θ대비 약 0.4도 낮은 회절각에 위치하는 제1피크를 포함하고, 제2피크가 위치하는 회절각은 상이하게 나타나는 것이 관찰되었다.It was observed that both Manufacturing Examples 1 to 3 included a first peak located at a diffraction angle approximately 0.4 degrees lower than the diffraction angle 2θ due to the (002) crystal plane of graphite among the two diffraction peaks, and that the diffraction angles at which the second peak was located were different.

제조예 1, 제조예 2 및 제조예 3의 제2피크는 그래파이트의 (002) 결정면에 대응되는 회절각 대비 각각 약 0.9도, 약 1.8도 및 약 2.2도 낮은 회절각에 위치하는 것이 관찰되었다.The second peaks of Manufacturing Examples 1, 2, and 3 were observed to be located at diffraction angles that were approximately 0.9 degrees, approximately 1.8 degrees, and approximately 2.2 degrees lower, respectively, than the diffraction angle corresponding to the (002) crystal plane of graphite.

이로부터 그래파이트의 층간 공간은 인터칼레이션 반응 시간이 증가함에 따라 그래파이트 층간에 더 많은 CrO2Cl2이 형성되어 보다 확대되고 더 넓어지나 그래파이트의 결정 구조는 여전히 유지되는 것을 알 수 있다. From this, it can be seen that the interlayer space of graphite becomes larger and wider as the intercalation reaction time increases due to the formation of more CrO 2 Cl 2 between the graphite layers, but the crystal structure of graphite is still maintained.

이러한 특성은 도 1b의 라만 스페트럼을 살펴보면 보다 명확하게 알 수 있다.These characteristics can be seen more clearly by examining the Raman spectrum in Fig. 1b.

도 1b를 참조하면, 제조예 1 내지 제조예 3 모두 그래파이트와 유사하게 2D 밴드보다 약한 산란강도를 가지는 D 밴드를 포함하는 것이 관찰된 반면에 그래파이트와 달리 약 1596 cm-1 라만 쉬프트에서 D' 밴드가 포함되는 것이 관찰되었다. Referring to FIG. 1b, it was observed that all of Manufacturing Examples 1 to 3 included a D band having a weaker scattering intensity than the 2D band, similar to graphite, whereas, unlike graphite, a D' band was observed to be included at a Raman shift of about 1596 cm -1 .

즉, 그래파이트 층간에 CrO2Cl2가 인터칼레이션 되어 GIC를 형성함에도 구조적 결함이 실질적으로 형성되지 않아 그래파이트의 결정 구조와 거의 동일하게 유지되는 것을 알 수 있다. 또한, 층간 삽입된 CrO2Cl2에 의해 GIC는 CrO2Cl2가 위치하는 층간 공간이 넓은 영역 및 CrO2Cl2가 위치하지 않는 층간 공간이 좁은 영역 모두 포함하는 것을 알 수 있다. That is, it can be seen that even though CrO 2 Cl 2 is intercalated between graphite layers to form GIC, structural defects are practically not formed, and the crystal structure is maintained almost identically to that of graphite. In addition, it can be seen that GIC includes both a region with a wide interlayer space where CrO 2 Cl 2 is located and a region with a narrow interlayer space where CrO 2 Cl 2 is not located due to the intercalated CrO 2 Cl 2.

도 1c 및 도 1d를 살펴보면, 인터칼레이션 반응 시간이 증가함에 따라 그래파이트 층간에 더 많은 CrO2Cl2이 형성되어 Cr 함량이 증가함을 알 수 있다. 도 1c에 나타난 바와 같이 제조예 1 내지 제조예 3에서 Cr 2p피크와 더불어 O 1s 피크가 관찰되는데 이는 층간 삽이된 CrO2Cl2로부터 기인한 것을 알 수 있다. 또한, 제조예 1, 제조예 2 및 제조예 3의 GIC는 각각 1.71 wt%, 2.01 wt% 및 2.13 wt%의 Cr이 포함되는 것을 확인하였다. Looking at FIGS. 1c and 1d, it can be seen that as the intercalation reaction time increases, more CrO 2 Cl 2 is formed between the graphite layers, which increases the Cr content. As shown in FIG. 1c, in Preparation Examples 1 to 3, an O 1s peak is observed along with the Cr 2p peak, which can be seen to originate from the intercalated CrO 2 Cl 2. In addition, it was confirmed that the GICs of Preparation Examples 1, 2, and 3 contained 1.71 wt%, 2.01 wt%, and 2.13 wt% of Cr, respectively.

이러한 결과로부터 제조예 3의 GIC를 나노 다공성 그래파이트 제조를 위한 전구체로 사용하였다.From these results, GIC of Manufacturing Example 3 was used as a precursor for manufacturing nanoporous graphite.

(실시예 1) 나노 다공성 그래파이트의 제조(Example 1) Preparation of nanoporous graphite

제조예 3의 GIC 100mg을 10 mL의 황산에 용해시킨 다음 상온(23℃에서 2시간 동안 교반하여 전구체 용액을 제조하였다. 이어서 전구체 용액의 온도를 오일 배스(oil-bath)에서 35 ℃로 증가시킨 다음 전구체 용액에 산화제인 KMnO4가 첨가된 혼합액을 2시간 동안 교반하였다. 100 mg of GIC of Manufacturing Example 3 was dissolved in 10 mL of sulfuric acid and stirred at room temperature (23°C) for 2 hours to prepare a precursor solution. Subsequently, the temperature of the precursor solution was increased to 35°C in an oil bath, and a mixture containing KMnO 4 as an oxidizing agent was stirred for 2 hours.

이 때, GIC : 산화제인 KMnO4의 중량비가 1 : 1이 되도록 KMnO4를 첨가하였다. At this time, KMnO 4 was added so that the weight ratio of GIC: oxidizing agent KMnO 4 was 1:1.

이후, 교반된 혼합액을 아이스 배스(ice-bath)에 넣고 탈이온수와 과산화수소를 천천히 첨가하여 온도가 상승하지 않도록 반응을 종료시켰고, 반응이 종료된 합성물을 10%의 염산으로 정제한 다음 원심분리하여 수득한 수득물을 탈이온수를 이용하여 수 회 세척하였다.Afterwards, the stirred mixture was placed in an ice bath, and deionized water and hydrogen peroxide were slowly added to stop the reaction so that the temperature did not rise. The resulting compound was purified with 10% hydrochloric acid, and then centrifuged to obtain the product, which was washed several times using deionized water.

이어서, 세척한 수득물이 포함된 용액을 1시간 동안 초음파 처리한 후 5000 rpm에서 1시간 동안 원심분리하여 얻은 상등액을 동결 건조하여 나노 다공성 그래파이트를 제조하였다.Next, the solution containing the washed product was sonicated for 1 hour, centrifuged at 5000 rpm for 1 hour, and the supernatant obtained was freeze-dried to produce nanoporous graphite.

프리스틴(pristine) 그래파이트를 출발물질로 하여 나노 다공성 그래파이트가 제조되는 일련의 과정을 도 2에 모식적으로 도시하였다.A series of processes for manufacturing nanoporous graphite using pristine graphite as a starting material is schematically illustrated in Fig. 2.

(실시예 2)(Example 2)

실시예 1과 동일하게 실시하되, GIC : KMnO4의 중량비가 1 : 1.25가 되도록 KMnO4를 첨가한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. The same procedure as Example 1 was followed, except that KMnO 4 was added so that the weight ratio of GIC: KMnO 4 was 1:1.25.

(실시예 3)(Example 3)

실시예 1과 동일하게 실시하되, GIC : KMnO4의 중량비가 1 : 1.5가 되도록 KMnO4를 첨가한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. The same procedure as Example 1 was followed, except that KMnO 4 was added so that the weight ratio of GIC: KMnO 4 was 1:1.5.

(실시예 4)(Example 4)

실시예 1과 동일하게 실시하되, GIC : KMnO4의 중량비가 1 : 2가 되도록 KMnO4를 첨가한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. The same procedure as Example 1 was followed, except that KMnO 4 was added so that the weight ratio of GIC: KMnO 4 was 1:2.

(실시예 5)(Example 5)

실시예 1과 동일하게 실시하되, GIC : KMnO4의 중량비가 1 : 0.25가 되도록 KMnO4를 첨가한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. The same procedure as Example 1 was followed, except that KMnO 4 was added so that the weight ratio of GIC: KMnO 4 was 1:0.25.

(실시예 6)(Example 6)

실시예 1과 동일하게 실시하되, GIC : KMnO4의 중량비가 1 : 0.5가 되도록 KMnO4를 첨가한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. The same procedure as Example 1 was followed, except that KMnO 4 was added so that the weight ratio of GIC: KMnO 4 was 1:0.5.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

실시예 1과 동일하게 실시하되, 산화제인 KMnO4를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. The same procedure as Example 1 was followed, except that the oxidizing agent KMnO 4 was not added.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

실시예 1과 동일하게 실시하되, GIC가 아닌 그래파이트를 이용하여 그래파이트 : KMnO4의 중량비가 1 : 1이 되도록 KMnO4를 첨가한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. The same procedure as in Example 1 was followed, except that graphite instead of GIC was used and KMnO 4 was added so that the weight ratio of graphite: KMnO 4 was 1:1.

(비교예 3)(Comparative Example 3)

종래의 휴머 방법(hummers method)을 이용하여 그래파이트 : KMnO4의 중량비가 1 : 3.5이 되도록 KMnO4를 첨가된 혼합액을 15시간 동안 교반한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. The same procedure was followed as in the conventional Hummers method, except that the mixture was stirred for 15 hours with KMnO 4 added so that the weight ratio of graphite:KMnO 4 was 1:3.5.

(실험예 2) 나노 다공성 그래파이트의 구조 분석(Experimental Example 2) Structural Analysis of Nanoporous Graphite

도 3a는 실시예 1의 투과전자현미경 이미지와 이에 대응되는 에너지 분산 분광법(EDS)에 의한 EDS 맵핑 이미지를 도시한 도면이고, 도 3b 및 도 3c는 각각 실시예 1에 대한 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 및 이에 대응되는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT) 패턴을 도시한 도면이다.FIG. 3a is a diagram showing a transmission electron microscope image of Example 1 and a corresponding energy dispersive spectroscopy (EDS) mapping image, and FIGS. 3b and 3c are diagrams showing a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image of Example 1 and a corresponding fast Fourier transform (FFT) pattern, respectively.

도 3a에 나타난 바와 같이, 산소에 관한 시그널이 낮게 측정된 것이 관찰되는데 이는 산화제에 의한 산화반응이 효과적으로 억제되었음을 알 수 있다.As shown in Fig. 3a, it is observed that the signal for oxygen is measured at a low level, indicating that the oxidation reaction by the oxidizing agent is effectively suppressed.

또한, 도 3b 및 도 3c를 참조하면, 실시예 1의 나노 다공성 그래파이트는 나노기공을 포함하는 것이 관찰되었고, 주로 sp2 탄소 도메인이 주요 구조로 포함되었으며, 국부적으로 산소 결합에 의한 sp3 탄소 도메인이 존재하는 것을 확인하였다. In addition, referring to FIGS. 3b and 3c, it was observed that the nanoporous graphite of Example 1 included nanopores, and mainly contained sp2 carbon domains as the main structure, and it was confirmed that sp3 carbon domains existed locally due to oxygen bonding.

또한, HR-TEM 이미지로부터 산출된 육각형의 FFT 패턴으로부터 그래핀 결정 구조가 유지되고 있음을 알 수 있다.Additionally, it can be seen that the graphene crystal structure is maintained from the hexagonal FFT pattern derived from the HR-TEM image.

도 4a 및 도 4b는 각각 탄소체에 대한 라만 스펙트럼 및 C1s XPS 스펙트럼을 도시한 도면이고, 도 4c는 각각 탄소체에 대한 X선 회절 패턴을 도시한 도면이다.Figures 4a and 4b are drawings showing a Raman spectrum and a C1s XPS spectrum for the carbon body, respectively, and Figure 4c is a drawing showing an X-ray diffraction pattern for the carbon body, respectively.

먼저, 도 4a의 라만 스펙트럼을 참조하면, 전술한 제조예의 GIC와 달리 비교예 1의 경우 1340 cm-1의 라만 쉬프트에 위치하는 D 밴드 피크의 세기가 증가하고, G 밴드 피크(1570 cm-1 라만 쉬프트에 위치) 및 브로드한 D' 밴드 피크가 나타나는 것으로부터 방향족 탄소 구조에서 결함 및 나노 기공의 형성되었음을 알 수 있다. 또한, 단일 2D 피크(2700 cm-1 라만 쉬프트에 위치)의 존재로 그래파이트의 결정 구조를 유지하면서 나노 기공이 형성되었음을 알 수 있다. First, referring to the Raman spectrum of Fig. 4a, unlike the GIC of the aforementioned manufacturing example, in the case of Comparative Example 1, the intensity of the D band peak located at a Raman shift of 1340 cm -1 increases, and the G band peak (located at a Raman shift of 1570 cm -1 ) and the broad D' band peak appear, indicating that defects and nanopores were formed in the aromatic carbon structure. In addition, the presence of a single 2D peak (located at a Raman shift of 2700 cm -1 ) indicates that nanopores were formed while maintaining the crystal structure of graphite.

반면에, 실시예 1의 경우는 비교예 1 대비 브로드한 2D 밴드 피크와 더불어 세기가 급격히 증가한 D 밴드 피크가 존재하는 것이 관찰되었고, G 밴드 피크가 레드 시프트 되어 위치하는 것이 확인되었다. 이는 sp2 결합의 탄소 및 sp3 결합의 탄소가 혼합되어 존재하는 것으로부터 기인한 것으로 전술한 HR-TEM 이미지 분석 결과와 일치함을 알 수 있다.On the other hand, in the case of Example 1, it was observed that a D band peak with a sharp increase in intensity was present along with a broad 2D band peak compared to Comparative Example 1, and it was confirmed that the G band peak was red-shifted. It can be seen that this is due to the presence of a mixture of sp2 bonded carbon and sp3 bonded carbon, which is consistent with the results of the HR-TEM image analysis described above.

산화제의 농도가 증가할수록 sp3 탄소 도메인 영역이 증가하여 D 밴드 피크의 세기는 점차 감소하고 레드 시프트된 G 밴드, 즉, D' 밴드의 피크는 브로드하게 나타나는 것이 관찰되었다.As the concentration of the oxidizing agent increased, the sp3 carbon domain area increased, so the intensity of the D band peak gradually decreased and the red-shifted G band, i.e., the D' band peak, appeared broad.

추가적으로 그래파이트, 제조예 3, 비교예 1, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 및 비교예 2의 D 밴드 피크의 세기 (ID) 및 G 밴드 피크의 세기(IG)의 비(ID /IG)는 각각 0.072, 0.14, 0.48, 1.09, 1.04, 0.87, 0.81 및 0.95인 것을 확인하였다.Additionally, the ratios (ID /IG) of the intensities of the D band peak (ID) and the G band peak (IG) of graphite, Manufacturing Example 3, Comparative Example 1, Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, and Comparative Example 2 were confirmed to be 0.072, 0.14, 0.48, 1.09, 1.04, 0.87, 0.81, and 0.95, respectively.

이어서 도 4b의 C1s XPS 스펙트럼을 살펴보면, 비교예 1의 경우는 산화제가 첨가되지 않아 산소와 관련된 피크는 관찰되지 않고, 전형적인 탄소 결합 피크만이 존재하는 것을 확인하였다. 이로부터 나노기공 형성 과정에서 그래파이트의 화학구조가 유지되는 것을 알 수 있다.Next, looking at the C1s XPS spectrum of Fig. 4b, in the case of Comparative Example 1, since no oxidizing agent was added, no oxygen-related peaks were observed, and only typical carbon bond peaks were present. From this, it can be seen that the chemical structure of graphite is maintained during the nanopore formation process.

산화제가 첨가되는 경우는 286.2 eV의 결합 에너지에 위치하는 CO 피크와 더불어 C=O 결합 피크(287.8 eV) 및 C=O(O) (288.9 eV) 결합 피크가 나타나기 시작하는 것이 관찰되는데 이로부터 에폭사이드기, 하이드록시기 및 카르복실기가 추가로 존재하는 것을 알 수 있다.When an oxidizing agent is added, it is observed that in addition to the CO peak located at a binding energy of 286.2 eV, the C=O bond peak (287.8 eV) and C=O(O) (288.9 eV) bond peaks begin to appear, indicating the additional presence of epoxide groups, hydroxyl groups, and carboxyl groups.

구체적으로 실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예 2 모두 C-O-C, C=O 또는 C(=O)O 결합에너지의 피크의 강도가 C=C 및 C-C 결합에너지의 피크의 강도보다 작게 나타나는 것이 확인되고, 산소를 포함하는 기능기와 관련된 결합 피크의 강도는 산화제의 농도가 증가할수록 증가하는 것을 알 수 있으며, 특히 비교예 2에서 가장 강하게 나타나는 것이 확인되었다.Specifically, in all of Examples 1 to 4 and Comparative Example 2, it was confirmed that the intensity of the peak of C-O-C, C=O or C(=O)O bond energy was smaller than the intensity of the peak of C=C and C-C bond energy, and it was confirmed that the intensity of the bond peak related to the functional group containing oxygen increased as the concentration of the oxidizing agent increased, and in particular, it was confirmed that it was the strongest in Comparative Example 2.

보다 구체적으로, 실시예 1에서 C-O-C 결합 피크의 강도 : C=C 및 C-C 결합 피크의 강도의 비는 1 : 4.5이고, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 및 비교예 2에서의 동일 결합 피크에 대한 강도의 비는 각각 1 : 2.4, 1: 1.5, 1 : 1.4 및 1 : 1.2인 것이 확인되었다.More specifically, it was confirmed that the ratio of the intensity of the C-O-C bond peak in Example 1 to the intensity of the C=C and C-C bond peaks was 1:4.5, and the ratios of the intensities for the same bond peaks in Examples 2, 3, 4, and Comparative Example 2 were 1:2.4, 1:1.5, 1:1.4, and 1:1.2, respectively.

실시예 1 및 비교예 2를 비교 시 동일 농도의 산화제를 첨가하더라도 실시예 1의 GIC에 의해 산화가 억제되는 것이 확인되었다.When comparing Example 1 and Comparative Example 2, it was confirmed that oxidation was inhibited by the GIC of Example 1 even when the same concentration of oxidizer was added.

이러한 결과는 푸리에 변환 적외선 분광(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR) 분석 결과와 일치하는 것을 확인하였다.These results were confirmed to be consistent with the results of Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) analysis.

한편, 도 4c를 참조하여, 비교예 1, 제조예 3, 실시예 1, 실시예 5 및 실시예 6에 따른 탄소체의 X선 회절 분석 결과를 살펴보면, 비교예 1, 제조예 3, 실시예 1, 실시예 5 및 실시예 6에 따른 탄소체가 그래파이트 (002)결정면에 의한 회절 피크를 가지는 것을 확인하였다. 따라서, 비교예 1, 제조예 3, 실시예 1, 실시예 5 및 실시예 6은 그래파이트의 적층구조를 잘 유지하는 것을 확인하였다. Meanwhile, referring to FIG. 4c, the results of X-ray diffraction analysis of carbon bodies according to Comparative Example 1, Manufacturing Example 3, Example 1, Example 5, and Example 6 were examined, and it was confirmed that the carbon bodies according to Comparative Example 1, Manufacturing Example 3, Example 1, Example 5, and Example 6 had a diffraction peak due to the graphite (002) crystal plane. Therefore, it was confirmed that Comparative Example 1, Manufacturing Example 3, Example 1, Example 5, and Example 6 well maintained the layered structure of graphite.

또한, 10 내지 15°에 위치하는 그래파이트의 산화(oxidation) 피크는 산화제인 KMnO4의 투입량이 증가함에 따라 높아지는 것을 확인하였다. 이는 상기 그래파이트가 산화됨에 따라 발생되는 상기 그래파이트가 포함하는 나노 기공이 증가함을 의미하는 것으로서, 산화제를 사용하지 않은 제조예 3 및 비교예 1에 따른 탄소체는 10 내지 15°에 위치하는 회절피크가 나타나지 않음을 확인하였다. In addition, it was confirmed that the oxidation peak of graphite located at 10 to 15° increased as the amount of the oxidizing agent, KMnO 4 , increased. This means that the nano pores contained in the graphite, which are generated as the graphite is oxidized, increased, and it was confirmed that the carbon bodies according to Manufacturing Example 3 and Comparative Example 1, which did not use an oxidizing agent, did not show a diffraction peak located at 10 to 15°.

도 5a는 그래파이트, 제조예 3, 비교예 1, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4의 FT-IR 스펙트럼을 도시한 도면이고, 도 5b 및 도 5c는 각각 실시예 1 내지 실시예 4의 수 접촉각 및 제타 전위(zeta potential)를 나타내는 도면이다. FIG. 5a is a diagram showing FT-IR spectra of graphite, Preparation Example 3, Comparative Example 1, Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4, and FIGS. 5b and 5c are diagrams showing water contact angles and zeta potentials of Examples 1 to 4, respectively.

도 5a의 FT-IR 스펙트럼을 참조하면, 제조예 3의 경우는 1560 cm-1의 파수(wavenember)에서 특정 방향족 탄소 피크 1000 cm-1 및 와 1130 cm-1의 파수에서 C-Cl 진동 모드에 대응되는 피크로부터 층간에 CrO2Cl2 인터칼란트가 삽입되어 있음을 알 수 있다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 4의 경우를 참조하면 O-H (600 cm-1 및 1074 cm-1), C-O-C (1230 cm-1) 및 COOH (1675 cm-1)와 같은 산소 기능기를 포함하는 피크의 강도는 첨가된 산화제의 농도가 증가할수록 강하게 나타나는 것을 알 수 있다. Referring to the FT-IR spectrum of Fig. 5a , in the case of Manufacturing Example 3, it can be seen that CrO 2 Cl 2 intercalant is inserted between the layers from the peaks corresponding to the C-Cl vibration mode at wavenumbers of 1000 cm -1 and 1130 cm -1 and a specific aromatic carbon peak at wavenumber of 1560 cm -1 . In addition, referring to the cases of Examples 1 to 4, it can be seen that the intensity of peaks containing oxygen functional groups such as OH (600 cm -1 and 1074 cm -1 ), COC (1230 cm -1 ), and COOH (1675 cm -1 ) becomes stronger as the concentration of the added oxidizing agent increases.

알려진 바와 같이, 그래핀과 같은 탄소체의 젖음성 및 친수성 특성은 탄소체에 포함된 산소 기능기의 함량에 영향을 받는 것을 알 수 있는데 도 5b에 도시된 바와 같이 산소 기능기가 제한되어 포함되는 실시예 1의 수 접촉각은 75°로 나타난 반면에 상대적으로 산소 기능기가 더 많이 포함된 실시예 4의 경우는 33°의 수 접촉각 특성을 나타내는 것을 확인하였다. As is known, the wettability and hydrophilic properties of carbon bodies such as graphene are affected by the content of oxygen functional groups included in the carbon body. As shown in Fig. 5b, the water contact angle of Example 1, in which oxygen functional groups are limited, was 75°, whereas Example 4, in which oxygen functional groups are relatively more included, was found to exhibit a water contact angle characteristic of 33°.

이와 더불어, 도 5c에 도시된 바와 같이 제타 전위 값을 비교해 보면, 실시예 1의 경우 산소 기능기가 적게 포함됨에도 불구하고 여전히 -53 mV라는 제타 전위 특성을 나타내는 것이 관찰되었다. 이러한 특성은 나노 다공성 그래파이트의 응용을 위해 물 또는 용매에 분산시킴에 있어 유리하게 작용할 수 있고, 또한 낮은 이온 강도(ionic strength)의 용액의 처리에 응용할 경우 이온 배제율(ion rejection rate) 효과를 보다 향상시킬 수 있다.In addition, when comparing the zeta potential values as shown in Fig. 5c, it was observed that Example 1 still exhibited a zeta potential characteristic of -53 mV despite containing less oxygen functional groups. This characteristic can be advantageously applied when dispersing nanoporous graphite in water or a solvent for application, and can also further enhance the ion rejection rate effect when applied to the treatment of solutions with low ionic strength.

도 6a는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 3의 고분해능 투과전자현미경 이미지(HR-TEM)이미지를 도시한 도면이고, 도 6b는 실시예 1 및 실시예 2의 기공 크기 분포 결과를 도시한 도면이다.FIG. 6a is a drawing showing high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) images of Example 1, Example 2, and Comparative Example 3, and FIG. 6b is a drawing showing the pore size distribution results of Example 1 and Example 2.

도 6a에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 실시예 2에서는 다수의 나노 기공이 존재하는 것이 확인된 반면에 비교예 3의 경우는 나노 기공이 거의 형성되지 않은 것을 알 수 있다.As shown in Fig. 6a, it was confirmed that a large number of nanopores were present in Examples 1 and 2, whereas in the case of Comparative Example 3, almost no nanopores were formed.

즉, 나노 기공의 형성은 층간에 삽입된 CrO2Cl2 인터칼란트로부터 기인한 것을 알 수 있다. 이와 더불어 도 6b에 도시된 바와 같이, 나노 다공성 그래파이트 제조 과정에서 첨가된 산화제는 추가적으로 나노 기공을 식각하여 보다 큰 크기의 기공을 형성시킬 수 있음을 확인하였다. That is, it can be seen that the formation of nano-pores is caused by the CrO 2 Cl 2 intercalant inserted between the layers. In addition, as shown in Fig. 6b, it was confirmed that the oxidizing agent added during the process of manufacturing nano-porous graphite can additionally etch the nano-pores to form larger pores.

도 7a 및 도 7b는 각각 실시예 1 및 실시예 2에 대한 각각 N2 흡-탈착 등온곡선 및 BJH(Barrett-Joyner-Halenda) 기공 크기 분포도를 도시한 도면이고, 상기 기공과 관련된 도면 분석 결과로부터 BET(Brunauer-Emmett-Teller)법을 이용하여 산출된 기공 특성을 하기 표 1에 정리하였다. FIG. 7a and FIG. 7b are diagrams showing N 2 adsorption-desorption isotherms and BJH (Barrett-Joyner-Halenda) pore size distributions for Examples 1 and 2, respectively, and the pore characteristics calculated using the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method from the analysis results of the diagrams related to the pores are summarized in Table 1 below.

SampleSample SBET(m2/g)S BET (m 2 /g) Sexternal(m2/g)S external (m 2 /g) Smicro(m2/g)S micro (m 2 /g) Vtotal(cm3/g)V total (cm 3 /g) Vexternal(cm3/g)V external (cm 3 /g) Vmacro(cm3/g)V macro (cm 3 /g) 실시예 2Example 2 2.282.28 2.222.22 0.060.06 0.00740.0074 0.00720.0072 0.00020.0002 실시예 1Example 1 2.862.86 2.612.61 0.250.25 0.00980.0098 0.00970.0097 0.00010.0001

도 7a, 도 7b 및 표 1를 참조하면, 기공이 포함된 그래핀이 고도로 적층된 나노 다공성 그래파이트의 치밀한 결정 구조로 인해 기공이 노출되어 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 7a, FIG. 7b and Table 1, it can be seen that the pores are exposed due to the dense crystal structure of the highly stacked nanoporous graphite with graphene containing pores.

추가적으로 프리스틴 그래파이트의 BET 비표면적과 비교 시 나노 다공성 그래파이트의 BET 비표면적 / 프리스틴 그래파이트의 BET 비표면적의 비는 3.59 m2/g인 것을 확인하였다. Additionally, when compared to the BET surface area of pristine graphite, the ratio of the BET surface area of nanoporous graphite / the BET surface area of pristine graphite was confirmed to be 3.59 m 2 /g.

앞서 상술한 바와 같이, 나노 다공성 그래파이트에 포함되는 나노 기공은 층간에 삽입된 CrO2Cl2에 의해 형성되는 것을 알 수 있다. As described above, it can be seen that the nanopores contained in the nanoporous graphite are formed by CrO 2 Cl 2 inserted between the layers.

구체적으로 나노 다공성 그래파이트의 기공 형성 과정을 모식적으로 도시한 도 8을 참조하여 설명하면, 층간에 삽입된 CrO2Cl2에 의해 층간 거리가 증가된 흑연 층간 화합물(GIC)의 형성 이후, 산성 조건 하에서 층간 삽입된 CrO2Cl2는 이중 결합된 탄소와 반응하여 이중 결합을 끊어 탄소 격자 내에서 스트레인을 유발하여 결함을 형성시키거나 산화제에 의한 산화를 유리하게 한다. 다만, 산화제에 의한 산화는 확산 제어 프로세스(diffusive-controlled process)에 의해 이루어지기 때문에 층간 삽입된 CrO2Cl2는 산화제의 확산을 억제하여 산화에 의한 산소 기능기의 함량을 제어할 수 있는 것이다. Specifically, referring to Fig. 8 which schematically illustrates the pore formation process of nanoporous graphite, after the formation of graphite interlayer compound (GIC) in which the interlayer distance is increased by CrO 2 Cl 2 inserted into the interlayer, under acidic conditions, the CrO 2 Cl 2 inserted into the interlayer reacts with double-bonded carbon to break the double bonds, thereby inducing strain in the carbon lattice to form defects or to favor oxidation by an oxidizing agent. However, since oxidation by an oxidizing agent is carried out by a diffusive-controlled process, the CrO 2 Cl 2 inserted into the interlayer can control the content of oxygen functional groups by oxidation by suppressing the diffusion of the oxidizing agent.

이와 더불어, 기공의 크기는 산화제에 의한 화학적 산화 반응에 의해 조절될 수 있음을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the pore size can be controlled by a chemical oxidation reaction by an oxidizing agent.

(실시예 5 내지 실시예 8) 분리막의 제조(Examples 5 to 8) Preparation of membrane

실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4의 나노 다공성 그래파이트를 이용하여 각각 실시예 5, 실시예 6, 실시예 7 및 실시예 8의 분리막을 제조하였다.The nanoporous graphites of Examples 1, 2, 3, and 4 were used to manufacture membranes of Examples 5, 6, 7, and 8, respectively.

각각의 나노 다공성 그래파이트가 탈이온수에 분산된 분산액(0.01 mg/mL)을 폴리에테르설폰(Polyethersulfone, PES) 다공성 고분자 지지체(47 mm, 기공 크기: 200 nm, Sterlitech)에 진공여과법을 이용하여 코팅한 다음 25 ℃에 건조하여 각각의 분리막을 제조하였다.Each nanoporous graphite dispersion (0.01 mg/mL) in deionized water was coated on a polyethersulfone (PES) porous polymer support (47 mm, pore size: 200 nm, Sterlitech) using a vacuum filtration method and then dried at 25°C to produce each membrane.

(비교예 4)(Comparative Example 4)

실시예 5의 분리막 제조 공정과 동일하게 실시하되, 비교예 2의 탄소체를 이용하여 분리막을 제조한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.The same process as for manufacturing a membrane in Example 5 was carried out, except that the membrane was manufactured using the carbon body of Comparative Example 2.

(실험예 3) 분리막의 층간 구조 변화 분석(Experimental Example 3) Analysis of changes in the interlayer structure of the membrane

도 9a, 도 9b 및 도 9c는 각각 실시예 5에 따라 제조된 분리막의 광학 이미지, 평면(top-view) 주사전자현미경(SEM) 이미지 및 단면(cross-section) SEM 이미지를 도시한 도면이다.FIGS. 9A, 9B, and 9C are diagrams showing an optical image, a top-view scanning electron microscope (SEM) image, and a cross-section SEM image, respectively, of a membrane manufactured according to Example 5.

도 9a, 도 9b 및 도 9c를 참조하면 제조된 분리막은 유연하여 굽힘 저항 특성이 우수함을 알 수 있고, 50 nm 두께의 나노 다공성 그래파이트를 포함하는 활성층이 형성된 것을 확인하였다.Referring to FIGS. 9a, 9b, and 9c, it can be seen that the manufactured separator is flexible and has excellent bending resistance characteristics, and it was confirmed that an active layer including nanoporous graphite with a thickness of 50 nm was formed.

도 10a, 도 10b 및 도 10c는 각각 다양한 이온이 포함된 수용액의 조건 하에서 실시예 5 및 비교예 4의 분리막에 포함된 탄소체의 층간 구조 변화 결과, 이온의 농도에 따른 층간 구조 변화 결과 및 순수(pure H2O) 조건하에서의 층간 거리 팽창 현상을 모식적으로 나타낸 도면이다. FIG. 10a, FIG. 10b, and FIG. 10c are schematic diagrams showing the results of changes in the interlayer structure of carbon bodies included in the membranes of Example 5 and Comparative Example 4 under conditions of aqueous solutions containing various ions, the results of changes in the interlayer structure according to the concentration of ions, and the interlayer distance expansion phenomenon under pure H 2 O conditions, respectively.

이 때, 도 10a의 층간 구조 변화 결과는 건조 상태의 분리막과 순수 및 0.1 M의 각 이온 용액(NaCl, Na2SO4, LiCl, CaCl2, MgCl2, K3[Fe(CN)6] 및 AlCl2)에 각각의 분리막을 24시간 동안 침지시킨 다음 측정된 XRD 패턴으로부터 산출된 층간 거리를 이용하여 비교하였고, 도 10b의 층간 구조 변화 결과는 농도가 0.01M, 0.1M 및 1 M인 각각의 이온 용액(NaCl, Na2SO4 및 MgCl2)에 각각의 분리막을 24시간 동안 침지시킨 다음 측정된 XRD 패턴으로부터 산출된 층간 거리를 이용하여 비교하였다. At this time, the result of the change in the interlayer structure of Fig. 10a was compared using the interlayer distance calculated from the measured XRD pattern after immersing each membrane in the dried membrane and each of the pure and 0.1 M ionic solutions (NaCl, Na 2 SO 4 , LiCl, CaCl 2 , MgCl 2 , K 3 [Fe(CN) 6 ], and AlCl 2 ) for 24 hours, and the result of the change in the interlayer structure of Fig. 10b was compared using the interlayer distance calculated from the measured XRD pattern after immersing each membrane in the respective ionic solutions (NaCl, Na 2 SO 4 , and MgCl 2 ) with concentrations of 0.01 M, 0.1 M, and 1 M for 24 hours.

먼저 도 10a를 참조하면, 실시예 5의 분리막은 순수에 침지 된 이후 층간 거리가 8.9 Å로 건조 상태 분리막의 층간 거리(7.5 Å) 대비 1.4 Å 증가된 것이 관찰된 반면에 비교예 4의 분리막은 순수에 침지 된 이후에 층간 거리가 7.9 Å에서 11.5 Å로 3.6 Å 증가된 것이 관찰되었다. 이는 비교예 4의 분리막은 실시예 5의 분리막 대비 약 2.6 배 더 층간 거리가 팽창되어 순수에 침지될 경우 층간 거리 안정성이 현저히 떨어지는 것을 알 수 있다.First, referring to FIG. 10a, the interlayer distance of the membrane of Example 5 was observed to increase by 1.4 Å from the interlayer distance of the dry membrane (7.5 Å) to 8.9 Å after being immersed in pure water, whereas the interlayer distance of the membrane of Comparative Example 4 was observed to increase by 3.6 Å from 7.9 Å to 11.5 Å after being immersed in pure water. This shows that the interlayer distance of the membrane of Comparative Example 4 expanded by about 2.6 times more than that of the membrane of Example 5, and thus the interlayer distance stability significantly deteriorates when immersed in pure water.

또한, 층간 구조의 변화 정도는 층간에 삽입된 이온에 영향을 받는데 MgCl2 이온 용액에서 실시예 5 및 비교예 4의 층간 거리 변화가 가장 많이 일어나는 것을 알 수 있다. 실시예 5의 경우는 7.5 Å에서 10.41 Å로 최대 2.91 Å 만큼 층간 거리가 확대된 것이 확인된 반면에 비교예 4는 7.9 Å에서 13.92 Å로 최대 6.02 Å 만큼 층간 거리가 확대되어 마찬가지로 실시예 5 대비 약 2.1 배 더 층간 거리가 최대로 팽창된 것을 확인하였다. In addition, the degree of change in the interlayer structure is affected by the ions inserted between the layers, and it can be seen that the interlayer distance change of Example 5 and Comparative Example 4 occurs the most in the MgCl2 ion solution. In the case of Example 5, it was confirmed that the interlayer distance expanded by a maximum of 2.91 Å from 7.5 Å to 10.41 Å, whereas in the case of Comparative Example 4, the interlayer distance expanded by a maximum of 6.02 Å from 7.9 Å to 13.92 Å, and it was confirmed that the interlayer distance expanded to a maximum of about 2.1 times more than that of Example 5.

일반적으로 수처리 분야에서 이온 배제 용량(Ion rejection capacity)은 분리막의 층간 거리에 의해 정의될 수 있는데 층간 거리의 안정화는 이온 배제율을 향상시킴과 동시에 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. In general, in the field of water treatment, ion rejection capacity can be defined by the interlayer distance of the separation membrane, and stabilizing the interlayer distance has the advantage of improving the ion rejection rate and enhancing reliability.

추가적으로 도 10b를 참조하면, 다양한 농도의 이온 용액 하에서도 실시예 5의 분리막은 층간 거리가 10 Å 이하로 억제됨이 확인되었으나, 비교예 4의 분리막의 경우는 층간 거리가 최대 14 Å까지 확대되어 이온 용액의 농도에 따른 안정성 역시 떨어지는 것을 확인하였다.Additionally, referring to Fig. 10b, it was confirmed that the interlayer distance of the membrane of Example 5 was suppressed to less than 10 Å even under various concentrations of ion solutions, but in the case of the membrane of Comparative Example 4, the interlayer distance was expanded to a maximum of 14 Å, and it was confirmed that the stability according to the concentration of the ion solution also decreased.

도 11a 및 도 11b는 각각 실시예 5의 분리막을 순수에 1일과 60일 동안 침지시킨 후에 측정된 XRD 패턴을 도시한 도면 및 비교예 4와 실시예 5에 대하여 순수(pure H2O) 조건하에서의 층간 거리 팽창 현상을 모식적으로 나타낸 도면이다. FIG. 11a and FIG. 11b are drawings showing XRD patterns measured after the membrane of Example 5 was immersed in pure water for 1 day and 60 days, respectively, and schematically showing the interlayer distance expansion phenomenon under pure H 2 O conditions for Comparative Example 4 and Example 5.

도 11a에 나타난 바와 같이, 실시예 5의 분리막에 포함된 나노 다공성 그래파이트는 순수에서 60일 동안 침지된 이후에도 박리되지 않고, XRD 패턴에 기반한 층간 거리도 유지되어 층간 거리의 안정성이 장기간 유지되는 것을 확인하였다.As shown in Fig. 11a, the nanoporous graphite included in the membrane of Example 5 was not exfoliated even after immersion in pure water for 60 days, and the interlayer distance based on the XRD pattern was also maintained, confirming that the stability of the interlayer distance was maintained for a long period of time.

이러한 결과는 도 11b에 도시된 바와 같이, 실시예 5의 분리막은 순수 또는 이온 용액 하에서 나노 다공성 그래파이트에 포함된 산소를 포함하는 기능기가 제한되어 포함되기 때문에 파이-파이(ππ상호 작용에 의한 층간의 상호 작용을 향상시켜 모세관의 좁은 형상(층간 거리)을 효과적으로 유지할 수 있는 것이다.These results, as shown in Fig. 11b, indicate that the membrane of Example 5 can effectively maintain a narrow capillary shape (interlayer distance) by enhancing the interaction between layers through pi-pi (ππ interaction) because the functional groups containing oxygen contained in the nanoporous graphite are limitedly included in a pure or ionic solution.

도 12a 및 도 12b는 각각 실시예 5 내지 실시예 8의 분리막에 대하여 건조 상태와 순수에서 24시간 동안 침지시킨 다음 측정된 XRD 패턴을 비교 도시한 도면 및 0.1 M의 각 이온 용액(NaCl, Na2SO4, LiCl, CaCl2, MgCl2, K3[Fe(CN)6] 및 AlCl2)에 각각의 분리막을 24시간 동안 침지시킨 다음 측정된 XRD 패턴으로부터 산출된 층간 거리를 비교 도시한 도면이다. FIG. 12a and FIG. 12b are drawings comparing XRD patterns measured for the membranes of Examples 5 to 8 in a dry state and after immersion in pure water for 24 hours, respectively, and drawings comparing interlayer distances calculated from XRD patterns measured for the membranes after immersing each membrane in 0.1 M of each ionic solution (NaCl, Na 2 SO 4 , LiCl, CaCl 2 , MgCl 2 , K 3 [Fe(CN) 6 ], and AlCl 2 ) for 24 hours.

도 12a 및 도 12b를 참조하면, 분리막에 포함된 나노 다공성 그래파이트에 산소를 포함하는 기능기가 많이 포함될수록 층간 거리의 팽창에 따른 변화 정도가 커지는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 12a and 12b, it can be seen that the degree of change due to expansion of the interlayer distance increases as the number of oxygen-containing functional groups included in the nanoporous graphite included in the separation membrane increases.

이와 같이, 층간 거리와 수화된 쉘 사이의 입체 효과(steric effect)에 따라 이온 배제율이 향상되기 때문에 특히, 고염도 조건에서의 담수화 분야에서 그래파이트의 기공 형성과 더불어 산소를 포함하는 기능기가 제한된 나노 다공성 그래파이트의 제조를 위해 제어된 산화는 필수적으로 수반되어져 한다.Thus, controlled oxidation is essential for the production of nanoporous graphite with limited oxygen-containing functional groups along with pore formation in graphite, especially in the field of desalination under high-salinity conditions, because the ion rejection rate is enhanced depending on the steric effect between the interlayer distance and the hydrated shell.

(실험예 4) 분리막 성능 비교 분석 (Experimental Example 4) Comparative Analysis of Membrane Performance

제조된 각각의 분리막 성능을 비교하기 위해 이온 투과 시험 및 정삼투 담수화(forward osmosis desalination) 시험을 수행하였다.To compare the performance of each manufactured membrane, ion permeation tests and forward osmosis desalination tests were performed.

이 때, 이온 투과 시험 및 정삼투 담수화 시험은 피드 영역과 투과 영역이 구획된 H형 셀(H-type cell)을 이용하여 수행하였고, 각각의 분리막을 피드 영역을 향하도록 각 영역이 구획된 중간에 위치시켰다.At this time, ion permeation tests and forward osmosis desalination tests were performed using an H-type cell divided into a feed region and a permeation region, and each membrane was positioned in the middle of each region divided so as to face the feed region.

이온 투과 시험은 피드 영역 및 투과 영역을 각각 80 mL의 탈이온수 및 각 이온 용액(KCl, NaCl, Na2SO4, LiCl, CaCl2, MgCl2, and K3[Fe(CN)6])을 채운 다음 24시간 동안 시험을 수행한 후 투과 영역에서의 이온 전도도를 측정하여 이온 투과율을 비교 평가하였다. The ion permeation test was performed by filling the feed zone and permeation zone with 80 mL of deionized water and each ion solution (KCl, NaCl, Na 2 SO 4 , LiCl, CaCl 2 , MgCl 2 , and K 3 [Fe(CN) 6 ]) for 24 hours, and then measuring the ion conductivity in the permeation zone to compare and evaluate the ion permeation rate.

도 13a 및 도 13b는 각각 실시예 5 내지 실시예 8 분리막에 대한 이온 투과율 및 이온 용액에 포함된 음이온-양이온 원자가 비율(anion-to-cation valence ratios)에 따른 이온 투과율 특성을 도시한 도면이다. FIG. 13a and FIG. 13b are diagrams showing ion permeability characteristics according to the ion permeability and the anion-to-cation valence ratios included in the ion solution for the membranes of Examples 5 to 8, respectively.

도 13a 및 도 13b를 참조하면, 실시예 7 및 실시예 8의 경우는 1가 이온(K+, Na+, and Li+) 및 다가 이온((SO4 2-, Ca2+, Mg2+, Al3+, Fe(CN)6 3-) 모두에 대하여 상대적으로 높은 이온 투과율이 나타나 이온 배제를 위한 선택성이 떨어지는 것이 관찰되었다. Referring to FIGS. 13a and 13b, in the case of Examples 7 and 8, monovalent ions (K + , Na + , and Li + ) and polyvalent ions ((SO 4 2- , Ca 2+ , Mg 2+ , Al 3+ , It was observed that relatively high ion permeability was observed for all of Fe(CN) 6 3- ), resulting in poor selectivity for ion exclusion.

반면에, 제어된 산화에 의해 산소를 포함하는 기능기가 제한된 나노 다공성 그래파이트가 포함된 실시예 5의 분리막의 경우 1가 이온 및 다가 이온에 대한 투과율이 3 배 내지 5배 감소하여 수용액 상에 존재하는 이온 배제의 효율을 현저히 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다.On the other hand, in the case of the membrane of Example 5 containing nanoporous graphite with limited functional groups containing oxygen by controlled oxidation, it can be seen that the permeability for monovalent ions and polyvalent ions is reduced by 3 to 5 times, which can significantly improve the efficiency of ion exclusion present in the aqueous solution.

정삼투 담수화 시험은 이온 투과 시험과 유사하게 피드 영역과 드로우 영역이 구획된 H형 셀(H-type cell)을 이용하여 실시예 5의 분리막을 각 영역이 구획된 중간에 위치시켜 수행하였고, 0.1M의 각 이온 용액(KCl, NaCl, Na2SO4, LiCl, MgCl2) 80 mL를 피드용액으로, 2M의 수크로스 용액 80 mL를 드로우 용액(draw solution)으로 이용하였다. The forward osmosis desalination test was performed using an H-type cell divided into feed and draw regions similar to the ion permeation test, with the membrane of Example 5 positioned in the middle of each region. 80 mL of 0.1 M each ion solution (KCl, NaCl, Na 2 SO 4 , LiCl, MgCl 2 ) was used as the feed solution, and 80 mL of 2 M sucrose solution was used as the draw solution.

이 때, 이온 배제율(ion rejection rate) R(%)는 하기 식 2를 이용하여 계산하였다.At this time, the ion rejection rate R(%) was calculated using the following equation 2.

(식 2)(Formula 2)

R(%) = 1 - (Cep/Cf) x 100 R(%) = 1 - (Cep/Cf) x 100

(식 2에서 Cep는 드로우된 염의 농도이고, Cf는 피드 용액에서의 이온 농도이다.) (In Equation 2, C ep is the concentration of the drawn salt and C f is the ion concentration in the feed solution.)

여기서 드로우된 염의 농도는 하기 식 3를 통해 계산하였다.The concentration of the salt drawn here was calculated using Equation 3 below.

(식 3)(Formula 3)

Cep = (Cp(Vdraw+ΔV))/ΔV C ep = (C p (V draw +ΔV))/ΔV

(식 3에서 Cp는 드로우 용액에서의 염의 농도이고, Vdraw는 드로우 용액의 부피이며, ΔV는 드로우 용액의 부피변화량이다.) (In Equation 3, C p is the salt concentration in the draw solution, V draw is the volume of the draw solution, and ΔV is the change in volume of the draw solution.)

도 14a 및 도 14b는 각각 24시간 동안 연속적인 정삼투 담수화 시험에 따른 실시예 5의 성능 결과 및 1일과 7일 동안 연속적인 정삼투 담수화 시험에 따른 이온 배제율을 비교 도시한 도면이다. Figures 14a and 14b are diagrams comparing the performance results of Example 5 according to a continuous forward osmosis desalination test for 24 hours and the ion rejection rate according to a continuous forward osmosis desalination test for 1 day and 7 days, respectively.

도 14a에 나타난 바와 같이, 이온의 종류에 관계없이 1가 이온 및 다가 이온에 대한 이온 배제율이 99.5 % 이상인 것을 확인하였고, 물의 유량(water flux) 또한 0.75 내지 0.92 LMH로 우수한 분리막 성능을 보이는 것을 확인하였다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 7일 동안의 연속적인 정삼투 담수화 시험에도 불구하고 여전히 99.5 % 이상의 이온 배제율 특성이 유지된 것을 알 수 있는데 이로부터 분리막의 내구성 또한 우수함을 확인하였다.As shown in Fig. 14a, it was confirmed that the ion rejection rate for monovalent ions and polyvalent ions was 99.5% or higher regardless of the type of ion, and the water flux was also 0.75 to 0.92 LMH, showing excellent membrane performance. As shown in Fig. 14b, it was found that the ion rejection rate characteristic of 99.5% or higher was still maintained even after 7 days of continuous forward osmosis desalination, confirming that the durability of the membrane was also excellent.

추가적으로 이온 용액의 농도 및 pH 조건에 따른 분리막의 성능을 비교 평가하였다.Additionally, the performance of the membrane was compared and evaluated according to the concentration and pH conditions of the ion solution.

도 15a 및 도 15b는 각각 NaCl 용액의 농도에 따른 분리막의 성능 평가 결과 및 NaCl 용액의 pH 변화에 따른 분리막의 성능 평가 결과를 도시한 도면이다.Figures 15a and 15b are diagrams showing the results of evaluating the performance of a separation membrane according to the concentration of a NaCl solution and the results of evaluating the performance of a separation membrane according to the change in pH of a NaCl solution, respectively.

도 15a를 참조하면, 0.01 내지 1M의 NaCl 용액의 경우에도 99.4 % 이상의 이온 배제율 특성을 보이는 것이 관찰되었고, 2M의 고농축 NaCl 용액에서도 이온 배제율 특성이 90.5 % 이상으로 유지되는 것이 관찰되었다.Referring to Fig. 15a, it was observed that the ion rejection characteristic was greater than 99.4% even in the case of 0.01 to 1 M NaCl solutions, and it was observed that the ion rejection characteristic was maintained at greater than 90.5% even in the case of a highly concentrated 2 M NaCl solution.

물의 유량의 경우 이온 용액의 농도가 증가할수록 점차 감소되는 것을 알 수 있는데 이는 피드 용액 및 드로우 용액 영역에서의 농도 차가 감소하여 삼투압 효과가 저하되었기 때문이다. 특히, 드로우 용액의 농도와 비교 시 이온 용액의 농도가 같거나 더 높을 경우 물의 이동을 가능하게 하는 원동력(driving force)이 낮아 고농축 이온 용액의 경우에 이온 배제율 특성이 낮게 나타나는 것이다. In the case of the water flow rate, it can be seen that it gradually decreases as the concentration of the ion solution increases. This is because the concentration difference in the feed solution and draw solution areas decreases, thereby reducing the osmotic pressure effect. In particular, when the concentration of the ion solution is the same or higher than that of the draw solution, the driving force that enables the movement of water is low, so that the ion rejection rate characteristics appear low in the case of highly concentrated ion solutions.

도 15b에 도시된 바와 같이 알칼리 및 산성 조건과 같은 가혹한 조건 하에서도 여전히 7일 동안의 연속적인 정삼투 담수 시험에도 99.5 % 이상의 이온 배제율 특성이 유지되는 것을 확인하였다. As shown in Fig. 15b, it was confirmed that an ion rejection rate characteristic of more than 99.5% was maintained even under harsh conditions such as alkaline and acidic conditions during continuous forward osmosis desalination tests for 7 days.

나아가, 정삼투 담수 시험을 30일 동안 장기적으로 수행하여 분리막의 장기 내구성을 평가하였고, 분리막의 두께에 따른 성능을 추가로 비교 분석하였다.Furthermore, the long-term durability of the membrane was evaluated by performing a forward osmosis desalination test for 30 days, and the performance according to the thickness of the membrane was additionally compared and analyzed.

이 때, 분리막의 두께는 PES 다공성 고분자 지지체 상에 코팅되는 나노 다공성 그래파이트 층의 두께를 의미한다.At this time, the thickness of the membrane refers to the thickness of the nanoporous graphite layer coated on the PES porous polymer support.

도 16a 및 도 16b는 각각 0.1M의 NaCl 용액과 1M의 NaCl 용액을 피드 용액으로 하여 30일 동안 연속적인 정삼투 담수화 시험에 따른 실시예 5의 분리막에 대한 성능 평가 결과 및 0.1M의 NaCl 용액을 이용하여 분리막의 두께에 따른 실시예 5의 분리막에 대한 성능 평가 결과를 도시한 도면이다.FIG. 16a and FIG. 16b are diagrams showing the performance evaluation results for the membrane of Example 5 according to a continuous forward osmosis desalination test for 30 days using a 0.1 M NaCl solution and a 1 M NaCl solution as feed solutions, respectively, and the performance evaluation results for the membrane of Example 5 according to the thickness of the membrane using a 0.1 M NaCl solution.

도 16a에 나타난 바와 같이, 30일 동안의 장기적인 시험 후에도 0.1M의 NaCl 및 1M의 NaCl의 피드 용액에서의 이온 배제율은 각각 99.8 % 및 98 % 수준으로 우수하게 유지되는 것을 알 수 있고, 물의 유량 또한 안정적인 것을 확인할 수 있다.As shown in Fig. 16a, even after a long-term test for 30 days, the ion rejection rates in the feed solutions of 0.1 M NaCl and 1 M NaCl were excellently maintained at the levels of 99.8% and 98%, respectively, and the water flow rate was also confirmed to be stable.

도 16b를 참조하면, 분리막의 두께가 20 nm 및 10 nm일 경우 물의 유량은 각각 2.21 LMH 및 4.42 LMH로 증가하고, 이온 배제율은 각각 96 % 및 84 % 수준으로 나타나는 것을 확인하였다. 이온 배제율의 감소는 분리막 두께의 감소에 따른 결함이 증가한 것으로부터 기인한 것으로 판단되나, 84 %의 이온 배제율 특성은 2차원 분리막 기준으로 여전히 우수한 성능을 나타내고 있는 것이다.Referring to Fig. 16b, when the thickness of the membrane is 20 nm and 10 nm, the water flow rate increases to 2.21 LMH and 4.42 LMH, respectively, and the ion rejection rate is 96% and 84%, respectively. It is judged that the decrease in the ion rejection rate is due to the increase in defects due to the decrease in the membrane thickness, but the ion rejection rate characteristic of 84% still shows excellent performance based on the two-dimensional membrane.

상술한 바와 같이, 본 발명의 따른 분리막이 우수한 이온 배제율 성능을 나타내는 것은 나노 다공성 그래파이트에 포함된 나노 기공 및 제한된 산화에 따른 층간 거리의 변조(modulation)로부터 기인한 것이다. As described above, the excellent ion rejection performance of the membrane according to the present invention is due to the modulation of the interlayer distance due to the nanopores contained in the nanoporous graphite and limited oxidation.

도 17은 나노 다공성 그래파이트가 포함된 분리막에 의한 담수화가 진행되는 기작을 모식적으로 도시한 도면이다.Figure 17 is a schematic diagram illustrating the mechanism of desalination using a membrane containing nanoporous graphite.

도 17에 도시된 바와 같이, 제어된 산화를 통해 나노 다공성 그래파이트는 나노 기공을 포함함과 동시에 층간 거리가 확대된 sp3 영역을 포함할 수 있다. 이와 같이 나노 다공성 그래파이트는 상호 연결된 2차원의 기공 네트워크와 더불어 층간 거리가 확대된 sp3 영역 및 상대적으로 층간 거리가 좁은 sp2 영역을 포함할 수 있는 것이다.As illustrated in Fig. 17, through controlled oxidation, nanoporous graphite can include sp3 regions with expanded interlayer distances while containing nanopores. In this way, nanoporous graphite can include sp3 regions with expanded interlayer distances and sp2 regions with relatively narrow interlayer distances, along with an interconnected two-dimensional pore network.

이때, 나노 다공성 그래파이트는 수화 이온 크기 대비 더 작거나 유사한 크기를 갖는 기공을 포함하는 구조와 더불어 층간 거리가 상이한 sp3 영역 및 sp2 영역을 포함함에 따라 입체 효과에 따른 이온 투과에 대한 저항성을 제공하고, 이온의 투과 선택성을 증가시키게 된다. 또한, 상대적으로 좁은 층간 거리 영역에 제한적으로 유입된 물은 기공 구조에 의해 물의 이동 경로를 단축시키거나 이동 경로의 비틀림(tortuosity)을 효과적으로 감소시켜 이온의 선택적 배제 효과를 보다 향상시킬 수 있는 것이다.At this time, the nanoporous graphite provides resistance to ion permeation due to the steric effect by including a structure including pores having a size smaller than or similar to the size of the hydrated ion and an sp3 region and an sp2 region having different interlayer distances, thereby increasing the permeation selectivity of the ion. In addition, water that is limitedly introduced into a relatively narrow interlayer distance region can shorten the movement path of the water or effectively reduce the tortuosity of the movement path by the pore structure, thereby further enhancing the selective exclusion effect of the ion.

이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.Although the present invention has been described through specific matters and limited examples as above, these have been provided only to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above examples, and those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications and variations from this description.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the idea of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all things that are equivalent or equivalent to the claims described below as well as the claims are included in the scope of the idea of the present invention.

Claims (25)

복수개의 나노기공을 그래파이트 층의 적어도 일 면에 포함하고, X선 회절분석에서 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절 피크를 가지며, 상기 복수개의 나노기공 중 적어도 한 개는 상기 그래파이트 층의 내부의 평면(in-plane)상에 위치하는 것을 특징으로 하는, 나노 다공성 그래파이트.Nanoporous graphite comprising a plurality of nanopores on at least one surface of a graphite layer, and having a diffraction peak due to a (002) crystal plane of graphite in X-ray diffraction analysis, wherein at least one of the plurality of nanopores is located on an in-plane within the graphite layer. 제1항에 있어서,In the first paragraph, 상기 나노 다공성 그래파이트는 라만 스펙트럼에서 D' 밴드를 포함하는, 나노 다공성 그래파이트.The above nanoporous graphite is a nanoporous graphite containing a D' band in a Raman spectrum. 제1항에 있어서,In the first paragraph, 상기 나노 다공성 그래파이트의 라만 스펙트럼의 Id/Ig 강도의 비가 0.3 내지 1.5인, 나노 다공성 그래파이트.Nanoporous graphite, wherein the ratio of I d /I g intensities of the Raman spectrum of the nanoporous graphite is 0.3 to 1.5. 제1항에 있어서,In the first paragraph, 상기 나노 다공성 그래파이트는 라만 스펙트럼에서 D 밴드보다 강한 산란강도를 가지는 D' 밴드를 포함하는, 나노 다공성 그래파이트.The above nanoporous graphite is a nanoporous graphite including a D' band having a stronger scattering intensity than the D band in a Raman spectrum. 제1항에 있어서,In the first paragraph, 상기 나노 다공성 그래파이트는 라만 스펙트럼에서 2D 밴드보다 강한 산란강도를 가지는 D' 밴드를 포함하는, 나노 다공성 그래파이트.The above nanoporous graphite is a nanoporous graphite including a D' band having a stronger scattering intensity than the 2D band in a Raman spectrum. 제1항에 있어서,In the first paragraph, 상기 나노 다공성 그래파이트의 상기 X선 회절분석에서 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절 피크의 FWHM은 5° 이하인, 나노 다공성 그래파이트.Nanoporous graphite, wherein the FWHM of the diffraction peak due to the (002) crystal plane of graphite in the X-ray diffraction analysis of the above nanoporous graphite is 5° or less. 제1항에 있어서,In the first paragraph, 상기 나노기공의 평균직경은 500nm 이하인, 나노 다공성 그래파이트.Nanoporous graphite having an average diameter of the above nanopores of 500 nm or less. 제1항에 있어서,In the first paragraph, 상기 나노 다공성 그래파이트를 그래핀으로 박리한 후 투과전자현미경으로 관측된 50nm x 50nm 이미지 내에 상기 나노기공이 5개 이상 포함되는, 나노 다공성 그래파이트.Nanoporous graphite, wherein at least five nanopores are included in a 50 nm x 50 nm image observed with a transmission electron microscope after the nanoporous graphite is exfoliated into graphene. 제1항에 있어서,In the first paragraph, 상기 나노 다공성 그래파이트는 하기 식 1을 만족하는, 나노 다공성 그래파이트.The above nanoporous graphite is nanoporous graphite satisfying the following equation 1. (식 1)(Formula 1) SNPG/SG ≤ 10SNPG/SG ≤ 10 (SNPG는 나노 다공성 그래파이트의 BET 비표면적을 의미하며, SG는 프리스틴 그래파이트의 BET 비표면적을 의미한다)(SNPG stands for the BET surface area of nanoporous graphite, and SG stands for the BET surface area of pristine graphite) 제1항에 있어서,In the first paragraph, 상기 나노 다공성 그래파이트는 20 m2/g 이하의 BET 비표면적을 가지는, 나노 다공성 그래파이트.The above nanoporous graphite is a nanoporous graphite having a BET surface area of 20 m 2 /g or less. 제1항에 있어서,In the first paragraph, 상기 나노기공의 크기는 화학적 산화 반응에 의해 조절되는, 나노 다공성 그래파이트.Nanoporous graphite, wherein the size of the nanopores is controlled by a chemical oxidation reaction. 제1항에 있어서,In the first paragraph, 상기 나노 다공성 그래파이트는 0.1 cm3/g 이하의 기공 부피를 가지는, 나노 다공성 그래파이트.The above nanoporous graphite is nanoporous graphite having a pore volume of 0.1 cm 3 /g or less. 제1항에 있어서,In the first paragraph, 상기 나노 다공성 그래파이트는 X선 광전자 분광법에 따른 C-O-C, C=O 또는 C(=O)O 결합에너지의 피크의 강도가 C=C 및 C-C 결합에너지의 피크의 강도보다 작은, 나노 다공성 그래파이트.The above nanoporous graphite is a nanoporous graphite in which the intensity of the peak of C-O-C, C=O or C(=O)O binding energy according to X-ray photoelectron spectroscopy is lower than the intensity of the peak of C=C and C-C binding energy. 제1항에 따른 나노 다공성 그래파이트를 포함하는 분리막.A membrane comprising nanoporous graphite according to claim 1. 제14항에 있어서,In Article 14, 상기 분리막은 수처리용, 용매 나노여과용, 가스분리용 또는 이온 분리용인 분리막.The above separation membrane is a separation membrane for water treatment, solvent nanofiltration, gas separation or ion separation. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 나노 다공성 그래파이트를 포함하는 전기화학소자.An electrochemical device comprising nanoporous graphite according to any one of claims 1 to 13. Cr을 그래파이트 층의 적어도 일 면에 포함하고, 라만 스펙트럼에서 D' 밴드를 포함하며, Contains Cr on at least one side of the graphite layer, and includes a D' band in the Raman spectrum, X선 회절분석에서 그래파이트의 (002) 결정면에 의한 회절 각도 2θ보다 낮은 각도에서 회절되는 2개 이상의 회절 피크를 가지는 것을 특징으로 하는, 나노 다공성 그래파이트 전구체.A nanoporous graphite precursor characterized by having two or more diffraction peaks diffracted at angles lower than the diffraction angle 2θ due to the (002) crystal plane of graphite in X-ray diffraction analysis. 제17항에 있어서,In Article 17, 상기 라만 스펙트럼에서 2D 밴드보다 약한 산란강도를 가지는 D 밴드를 포함하는, 나노 다공성 그래파이트 전구체.A nanoporous graphite precursor comprising a D band having a weaker scattering intensity than the 2D band in the above Raman spectrum. 제17항에 있어서,In Article 17, 상기 Cr은 상기 나노 다공성 그래파이트 전구체의 총 중량 중 3wt% 이하로 포함되는, 나노 다공성 그래파이트 전구체.A nanoporous graphite precursor, wherein the Cr is contained in an amount of 3 wt% or less of the total weight of the nanoporous graphite precursor. (S1) 그래파이트가 포함하는 적어도 일 면의 상부에 하나 이상의 인터칼레이팅 화합물을 위치시켜 나노 다공성 그래파이트 전구체를 제조하는 단계;(S1) A step of preparing a nanoporous graphite precursor by positioning one or more intercalating compounds on at least one surface included in graphite; (S2) 상기 인터칼레이팅 화합물이 상기 그래파이트가 포함하는 탄소간 불포화 결합과 반응하는 단계; 및(S2) a step in which the intercalating compound reacts with the carbon-carbon unsaturated bonds contained in the graphite; and (S3) 상기 (S2) 단계의 반응으로 인하여 나노 기공이 형성되는 단계; 를 포함하고,(S3) a step in which nanopores are formed due to the reaction of the step (S2); 상기 인터칼레이팅 화합물은 상기 포화결합의 위치에서 나노 기공을 유발하는, 나노 다공성 그래파이트의 제조방법.A method for producing nanoporous graphite, wherein the intercalating compound induces nanopores at the location of the saturated bond. 제20항에 있어서,In Article 20, 상기 인터칼레이팅 화합물은 CrO2Cl2; Cr2O3; FeCl3; 및 이를 포함하는 화합물; 를 포함하는 군에서 하나 이상 선택되는, 나노 다공성 그래파이트의 제조방법.The above intercalating compound is CrO 2 Cl 2 ; Cr 2 O 3 ; FeCl 3 ; A method for producing nanoporous graphite, wherein at least one compound is selected from the group consisting of: and a compound comprising the same. 제20항에 있어서,In Article 20, 상기 (S2) 단계의 반응은 산화반응인, 나노 다공성 그래파이트의 제조방법.A method for producing nanoporous graphite, wherein the reaction in the above step (S2) is an oxidation reaction. 제20항에 있어서,In Article 20, 상기 (S2) 단계의 반응은 산성 조건 하에서 수행되는, 나노 다공성 그래파이트의 제조방법.A method for producing nanoporous graphite, wherein the reaction of the above step (S2) is performed under acidic conditions. 제20항에 있어서,In Article 20, 상기 (S2) 단계는 산화제를 첨가하여 수행되는, 나노 다공성 그래파이트의 제조방법.A method for producing nanoporous graphite, wherein the step (S2) is performed by adding an oxidizing agent. 제24항에 있어서,In Article 24, 상기 산화제는 KMnO4를 포함하는, 나노 다공성 그래파이트의 제조방법.A method for producing nanoporous graphite, wherein the oxidizing agent comprises KMnO 4 .
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150063373A (en) * 2012-09-28 2015-06-09 스미토모덴키고교가부시키가이샤 Electrode active material for capacitor, and capacitor using said electrode active material
KR20180099735A (en) * 2016-01-04 2018-09-05 나노텍 인스트러먼츠, 인코포레이티드 Supercapacitors with integrated 3D graphene-carbon hybrid foam-based electrodes
CN109314225A (en) * 2016-06-07 2019-02-05 纳米技术仪器公司 Alkali metal batteries with electrodes based on integrated 3D graphene-carbon-metal hybrid foams

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150063373A (en) * 2012-09-28 2015-06-09 스미토모덴키고교가부시키가이샤 Electrode active material for capacitor, and capacitor using said electrode active material
KR20180099735A (en) * 2016-01-04 2018-09-05 나노텍 인스트러먼츠, 인코포레이티드 Supercapacitors with integrated 3D graphene-carbon hybrid foam-based electrodes
CN109314225A (en) * 2016-06-07 2019-02-05 纳米技术仪器公司 Alkali metal batteries with electrodes based on integrated 3D graphene-carbon-metal hybrid foams

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DONG LEI, CHEN ZHONGXIN, LIN SHAN, WANG KE, MA CHEN, LU HONGBIN: "Reactivity-Controlled Preparation of Ultralarge Graphene Oxide by Chemical Expansion of Graphite", CHEMISTRY OF MATERIALS, vol. 29, no. 2, 24 January 2017 (2017-01-24), US , pages 564 - 572, XP093216467, ISSN: 0897-4756, DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b03748 *
LIN SHAN, DONG LEI, ZHANG JIAJIA, LU HONGBIN: "Room-Temperature Intercalation and ∼1000-Fold Chemical Expansion for Scalable Preparation of High-Quality Graphene", CHEMISTRY OF MATERIALS, vol. 28, no. 7, 12 April 2016 (2016-04-12), US , pages 2138 - 2146, XP093216468, ISSN: 0897-4756, DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b05043 *

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