단일 벽 탄소 나노 튜브를 사용하여 넓은 비 바카라 족보적을 가진 재료 개발

바카라 커뮤니티 (Nomaguchi Ari 회장) (이하 "AIST")Nanotube 응용 연구 센터8393_8490단일 벽 탄소 나노 튜브(단일 레이어 CNT 포함)특정 바카라 족보적2240 m²/g의 섬유질 재료가 개발되었습니다

특이 적 바카라 족보적이 큰 재료는 커패시터와 같은 에너지 저장 장치뿐만 아니라 물질 저장, 정화 및 분리에 사용됩니다 그러나, 기존의 많은 재료는 부서지기 쉬우 며 특정 바카라 족보적의 크기를 유지하면서 다루기 쉬운 고체 상태로 만드는 것은 어려웠다

이번에는슈퍼 성장 방법산화에 의해 구멍이 나노 튜브의 팁과 벽에서 구멍을 뚫는 "개방 처리"가 적용되어 2240m의 특정 바카라 족보적을 초래한다²/g의 섬유질 물질이 실현되었습니다 이 값은 기존의 높은 특이 적 바카라 족보적 재료 인 다공성 실리카 및 활성탄의 값보다 큽니다 이 재료는 전극으로 생산되었습니다커패시터247 wh/kg의 높은 에너지 밀도와 989 kW/kg의 높은 전력 밀도를 나타 냈습니다 이것은 기존 커패시터를 능가하는 성능입니다 또한, 개방 처리 온도를 변경함으로써, 개구부의 크기를 조정할 수 있고, 단일 층 CNT에 저장 될 물질을 선택할 수있다 앞으로, 작고, 빛 및 고성능 커패시터가 전극 재료로 실질적으로 사용될 것으로 예상됩니다 또한 다른 물질과 에너지의 저장 바디로 널리 사용될 것으로 예상 될 수 있습니다

자세한 결과는 독일어 아카데믹 저널 "고급 기능 재료"에 게시 됨

1G 단일 층 CNT 고 비 바카라 족보적 재료 (왼쪽은 500 엔 코인) 및 변속기 전자 현미경 이미지

특이 적 바카라 족보적이 큰 재료는 제습 및 탈취제로 사용되거나 센서와 물질을 정화하고 별도의 센서와 물질을 정화하고 분리하는 흡착 기능을 활용하여 사용되며 일상 생활과 산업용 사용에 널리 사용됩니다 최근에, 하이브리드 차량, 전기 자동차 및 연료 전지 차량이 주목을 끌었으며, 커패시터 및 연료 전지를위한 전극 재료와 같은 에너지 저장 재료로서의 적용은 관심을 끌었다

큰 특이 적 바카라 족보적을 가진 물질에는 다공성 실리카와 활성탄이 포함되지만 이들은 비정질 재료이며 깨지기 쉽다 또한, 대부분은 가루이며, 제품이 사용하기 쉬운 고체 상태에있을 때, 특정 바카라 족보적이 작아집니다 고성능 전기 저장 장치에 대한 관심이 높아짐에 따라이를 대체하기 위해 높은 특이 적 바카라 족보적 재료를 개발할 필요가 있습니다

단일 계층 CNT는 응집 될 때에도 작은 특이 적 바카라 족보적이 없으며 기존의 높은 특이 적 바카라 족보적 재료의 단점을 보상하는 재료로 관심을 끌고 있지만 지금까지는 이론적 값 (2630 m²/g) 근처의 비 바카라 족보적은 실현되지 않았고 240-1250 m²/g의 작은 값만보고되었습니다

AIST는 이전에 단일 계층 CNT의 합성 방법 인 SuperGloss 방법을 개발했으며, 고급 단일 계층 CNT가 수직으로 지향되는 CNT- 지향 구조 (일반적으로 CNT Forest)를 개발했습니다 최근 그는이 정렬 구조의 밀도를 높이기위한 기술 개발 기술을 포함하여 커패시터 전극 재료에 대한 응용을 연구하고 있습니다

AIST Nanotube 응용 연구 센터와 Energy Technology Research Division은 특정 바카라 족보적을 개선하는 처리 방법을 포함하여 커패시터 전극에 대한 응용 프로그램에 대한 연구를 수행 하고이 기사의 결과를 달성했습니다

이 연구 및 개발은 "Nanotechnology Program : Carbon Nanotube 커패시터 개발 프로젝트"의 결과입니다

Super Growth 방법을 사용하는 CNT 숲은 995% 단일 계층 CNT로 구성되며 한 방향으로 지향되는 구조입니다 다른 단일 계층 CNT와 비교하여 직경이 크고 순도가 높습니다 이러한 특성에 초점을 맞추면서, 우리는 산화에 의해 나노 튜브의 팁과 벽에서 구멍을 뚫는 "개방 처리"를 수행함으로써 특정 바카라 족보적을 증가 시키려고 시도했다 CNT 숲을 공기 중 산소로 산화시키고 건조 공기에서 1 ° C/분의 속도로 가열 한 다음, 고온에서 산화에 의해 개방시켰다 가열 온도는 350 ° C에서 600 ° C 사이입니다

질소 분자의 흡착 현상을 사용하여 특이 적 바카라 족보적을 측정 하였다Brunauer-Emmett-Teller(BET) 방법이 사용되었습니다 공기 산화에 의해 개방 된 샘플의 특이 적 바카라 족보적은도 1에 도시되어있다 여기서 파란색은 CNT의 외부 바카라 족보적이며 빨간색은 CNT의 내부 바카라 족보적입니다 또한, 마크 (흰색 원)는 치료로 인한 CNT의 중량 감소를 나타냅니다 500 ℃로 가열되고 개방 처리를 하였던 샘플에서, CNT 연소로 인해 눈에 띄는 체중 감량은 거의 없었다 또한, 특정 바카라 족보적은 2240m²/g 및 처리되지 않은 샘플의 특정 바카라 족보적 1300 m²/g에서 크게 증가했습니다 이론적 가치 (2630 m²/g)와 비교하여, CNT에서 탄소 원자의 약 85%가 바카라 족보 원자로서 작용하는 것으로 여겨진다

그림 1 : 조리개 처리 온도, 특정 바카라 족보적 및 CNT 산림의 체중 감량 속도 파란색 : 외부 특이 적 바카라 족보적, 빨간색 : 내부 특이 적 바카라 족보적, 흰색 원 : 체중 감량 속도

CNT- 지향 구조는 용매로 처리함으로써 밀도가 될 수있다 고밀화 된 CNT- 지향 구조 (일반적으로 CNT 고체라고도 함)에 대해 유사한 개방 처리가 수행되었고, 특정 바카라 족보적은 2190m²/g (1310m는 단위 부피당으로 변환됩니다²/cm³)

임의의 CNT 샘플의 특이 적 바카라 족보적은 상업적으로 이용 가능한 다공성 실리카 (SBA-15, 750 m²/g) 및 활성탄 (YP17, 1700 m²/g)에 비해 바카라 족보적이 충분히 크다고 말할 수 있습니다 (그림 2)

그림 2 기존 물질과 비교 한 비교

우리는 이번에는 커패시터 전극으로 개발 된 재료의 성능을 조사했습니다 테트라 메틸 암모늄 테트라 플루오로 보공/프로필렌 카보네이트는 전극과 같은 가열 온도를 갖는 재료를 사용하여 전극으로 사용되었을 때, 525 ℃로 가열 된 전극은 247 wh/kg의 에너지 밀도 및 989 kW/kg의 전력 밀도를 나타냈다 이것은 활성화 된 탄소 전극 (169 WH/kg, 357 kW/kg)을 사용하는 기존 커패시터보다 성능이 우수하고 비 바카라 족보적이 낮고 순도가 낮은 CNT를 사용하는 고성능 커패시터가 전기 자동차와 같은 전기 저장 장치에 적용될 것으로 예상됩니다 (그림 3)

그림 3 : 이번에는 기존 제품과 제작 한 고성능 커패시터의 성능 비교

질소 분자를 사용하여 특이 적 바카라 족보적이 최대 측정되는 가열 온도 (500 ° C)와 가열 온도 (525 ° C)가 전해질 이온을 사용한 프로토 타입 커패시터의 성능이 고온으로 인해 CNT 벽에서 생성 된 개구부의 크기가 더 넓기 때문에, 대형 분자에 적합한 크기에 적합하기 때문에 전해질 이온을 사용하는 프로토 타입 커패시터의 성능이 다릅니다 이것은 개방 처리 조건을 제어함으로써 CNT 내부에 저장 될 물질을 선택할 수 있음을 시사한다

그림 4 조리개 처리 후 단일 층 CNT 투과 전자 현미경 이미지

AIST는 이번에 개발 된 단일 계층 CNT 고 비 바카라 족보적 재료에 대한 응용 프로그램 개발을 촉진하기 위해 회사, 조직 등에 그램의 연구 샘플을 제공 할 계획입니다 또한 NEDO의 계약 된 프로젝트 인 "Carbon Nanotube Capacitor Development Project"에서 회사는 고유 한 바카라 족보적 재료의 원료 인 CNT Forest의 산업 대량 생산 기술을 공동으로 개발할 것이며 Nippon Chemi-Con Co, Ltd와의 공동 작업에서 고성능 커패시터를 개발할 것입니다

◆ 단일 벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT :단일 벽 카본 나노 튜브)

탄소 나노 튜브는 탄소 원자로만 구성된 일차원 나노 물질이며, 직경은 04 ~ 50 nm (1 나노 미터 : 10 억의 미터) 및 대략 1 내지 몇 ~ µm의 길이입니다 화학 구조는 흑연 층을 롤링하고 함께 스티칭하여 표현되며, 하나의 층 만있는 단일 층을 단일 벽 탄소 나노 튜브라고하며 전자 구조는 흑연 층이 상처를 입는 방식에 따라 금속 또는 반도체가됩니다[참조로 돌아 가기]

◆ 특정 바카라 족보적

용어는 일반적으로 재료의 단위 질량 당 바카라 족보적을 나타냅니다 그러나 경우에 따라 단위 부피당 바카라 족보적을 결정한 결과를 나타낼 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 슈퍼 성장 방법

단일 벽 탄소 나노 튜브를 합성하는 CVD 방법을 사용하여 매우 적은 양의 물을 추가하여 촉매의 활동 시간과 활성을 크게 향상시키는 방법 기존의 길이의 500 배, 종래의 길이의 2000 배에 도달하는 고효율 단일 벽 탄소 나노 튜브를 합성 할 수 있습니다 또한, 방향이 높고 거시 구조가 생성 될 수있다[참조로 돌아 가기]

◆ 커패시터

전기 이중층이라고하는 에너지 저장 장치는 고체와 액체 사이의 인터페이스에서 양의 이온과 음성 이온이 배열되는 현상을 사용하는 현상을 전기 이중 층 커패시터라고합니다 충전 및 배출 할 때 전해질 이온은 전극 만 움직이고 흡착하여 화학 반응을 수행하는 2 차 배터리보다 더 빠르게 배출 할 수 있으며 저하가 적을 수 있다는 장점이 있습니다 최근에는 2 차 배터리의 화학적 반응에도 불구하고 커패시터를 신속하게 충전하고 배출 할 수있는 의사-캡 케이터를 포함하여 다양한 유형의 차세대 커패시터가 개발되었습니다[참조로 돌아 가기]