Journal of the Korean Industrial and Engineering Chemistry, Vol.19, No.2, 185-190, April, 2008
유기용매의 함량비에 따른 다공성 탄소전극의 전기화학적 특성 연구
A Study on the Electrochemical Properties of Porous Carbon Electrode according to the Organic Solvent Contents
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초록
전기흡착용 전극의 비표면적을 증가시키기 위하여 상전이법을 이용한 다공성 탄소전극을 제조하였다. 활성탄소분말, polyvinylidene fluoride (PVdF)를 유기용매인 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)과 혼합한 전극슬러리를 전도성 흑연박막 위에 캐스팅한 후 비용매인 증류수에 침지시켜 상전이를 통해 다공성 탄소전극을 제조하였다. 제조된 전극에 대하여 SEM, porosimetry, cyclic voltammetry 분석을 통해 전극의 물리적, 전기화학적 특성을 분석하였다. SEM 측정 결과 다양한 크기의 미세한 기공이 전극 표면에 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있었다. NMP 함량을 변화시켜 제조한 전극들의 평균 기공크기를 측정한 결과 64.2∼82.4 nm 범위의 기공을 갖는 것으로 나타났으며 NMP 함량이 증가할수록 기공의 크기도 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한 탄소전극에 대한 cyclic voltammogram을 측정한 결과 전형적인 전기이중층에서의 흡착 및 탈착 특성을 보였다. 전극의 축전용량은 NMP의 함량에 따라 3.88∼5.87 F/cm2 범위의 값을 나타냈으며 NMP의 함량이 감소할수록 축전용량이 증가하는 것으로 나타났다. 이상의 연구결과로부터 상전이 방법으로 다공성 탄소전극을 제조할 때 유기용매의 함량은 전극의 기공 크기를 제어할 수 있는 중요한 인자이며 이를 통해 전극의 비표면적을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
In order to increase the surface area of electrodes for electrosorption, porous carbon electrodes were fabricated by a wet phase inversion method. A carbon slurry consisting of a mixture of activated carbon powder (ACP), polyvinylidene fluoride (PVdF), and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent was cast directly on a graphite sheet. The cast film was then immersed in pure water for phase inversion. The physical and electrochemical properties of the electrodes were investigated using scanning electron microscopy (SEM), porosimetry, and cyclic voltammetry. The SEM images verified that the pores of various sizes were formed uniformly on the electrode surface. The average pore sizes determined for the electrodes fabricated with various NMP contents ranged from 64.2 to 82.4 nm and the size increased as the NMP content increased. All of the voltammograms showed a typical behavior of charging and discharging characteristic at the electric double layer. The electrical capacitance ranged from 3.88 to 5.87 F/cm2 depending on the NMP contents, and the electrical capacitance increased as the solvent content decreased. The experimental results showed that the solvent content is an important variable controlling pore size and ultimately the capacitance of the electrode.
Keywords:electrical double layer;electrosorption;organic solvent contents;porous carbon electrode;wet phase inversion
- Helfferich F, Ion Exchange, Dover Publications, Inc., New York (1992)
- Younos T, Tulou KE, J. Contemp. Water Res. Edu., 132, 3 (2005)
- Mulder M, Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Boston (1996)
- Strathmann H, Ion-Exchange Membrane Separation Processes, Elsevier, Amsterdam (2004)
- Ying TY, Yang KL, Yiacoumi S, Tsouris C, J. Colloid Interface Sci., 250(1), 18 (2002)
- Mayer ST, Pekala RW, Kaschmitter JL, J. Electrochem. Soc., 140, 446 (1993)
- Korea patent 10-0442773 (2004)
- Han YH, Quan X, Chen S, Wang SB, Zhang YB, Electrochim. Acta, 52(9), 3075 (2007)
- Koresh J, Soffer A, J. Electrochem. Soc., 124, 1379 (1977)
- Mitani S, Lee SI, Yoon SH, Korai Y, Mochida I, J. Power Sources, 13, 298 (2004)
- Shiraisgi S, Kurihara H, Shi L, Nakayama T, Oya A, J. Electrochem. Soc., 149, 855 (2002)
- Kim YJ, Horie Y, Matsuzawa Y, Ozaki S, Endo M, Mildred SD, Carbon, 42, 2423 (2004)
- Hou CH, Liang CD, Yiacoumi S, Dai S, Tsouris C, J. Colloid Interface Sci., 302(1), 54 (2006)
- Webb PA, Volume and Density for Particle Technologist, Micrometritics Instrument Co. (2002)
- Bard AJ, Faulkner LR, Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, 2nd ed., John Wiley & Sons (2001)
- Yang KL, Yiacoumi S, Tsouris C, J. Electroanal. Chem., 540, 159 (2003)
- Xu B, Wu F, Chen S, Zhang CZ, Cao GP, Yang YS, Electrochim. Acta, 52(13), 4595 (2007)