| 초록 |
합성 상태의 CNT에는 탄소불순물과 합성 첨가제인 촉매로 인한 금속불순물이 존재한다. 열처리로 비교적 쉽게 제거할 수 있는 탄소불순물에 비해 금속불순물은 탄소층으로 둘러싸여 있기 때문에 화학물질의 침투가 어려워 제거하기가 쉽지 않다. 특히, 다중벽 CNT에서는 탄소불순물은 적은 반면 금속불순물이 더 큰 부분을 차지하고 있으며, 정제가 더욱 어려운 것이 현실이다. CNT의 금속불순물은 재료의 열적 안정성을 감소시키고 고부가가치 응용(예: 리튬이온 배터리, 초고압케이블 등)에서 제품의 성능을 크게 저하시킬 수 있다. 따라서 금속불순물은 반드시 제거해야만 하며, 이를 위한 효과적인 정제기술이 필요한 실정이다. 현재까지 CNT의 금속불순물을 정제하기 위해 액상 정제법, 마이크로웨이브 정제법, 진공 정제법 등 다양한 방법이 개발되어 왔으나 이 방법들은 산처리 과정을 수반하거나 고비용과 장시간을 필요로 하는 경우가 대부분이었다. 본 연구에서는 금속불순물에 대한 기존 정제법의 문제점을 극복하고자 친환경적인 동시에 비용 및 시간 측면에서도 효율적인 정제법을 개발하고자 하였다. 공업적으로 흔하게 사용하는 액상의 클로로포름을 질소 운반기체로 기화시켜 CNT에 주입하여 단순히 통과시켜줌으로써 산처리 등 별도의 복잡한 과정 없이 one-step으로 금속불순물을 제거할 수 있는 정제법을 개발하였다. 본 연구의 중요한 특징 중 하나는 상온에서 액상으로 존재하는 클로로포름을 사용함으로써 클로로포름, HCl 등의 배기가스를 cold trap을 통과시킨 후 다시 액상으로 포집하여 대기 중으로 배출되는 유해 화학물질을 최소화하였다는 것이다. 본 연구에 사용된 다중벽 CNT는 Al2O3 지지체에 Fe, Co를 담지시킨 촉매를 이용하여 CVD로 합성되었다. 다중벽 CNT 0.5g을 석영 유리관에 넣고 수직형 열처리로에 유리관을 장착한 후 질소 분위기에서 상온부터 500~900℃ 사이의 설정온도까지 승온하였다. 각각의 설정온도에 도달한 후 질소 가스를 100 mL/min의 유량으로 1시간 동안 주입하여 액상의 클로로포름을 기화시켜 유리관을 통과시킴으로써 클로로포름 가스가 유리관 내의 CNT와 반응하도록 하였다. 설정온도에서 1시간 동안 정제한 후 다시 질소 가스만을 주입하면서 설정온도로부터 상온까지 냉각시켰다. 정제된 CNT 내의 금속불순물을 ICP-AES로 정량분석한 결과, 500~800℃ 사이에서는 정제 온도가 높아짐에 따라 금속불순물의 농도가 선형적으로 감소하였으나 800℃ 이상에서는 금속불순물이 더 이상 제거되지 않았다. 최적 정제온도인 800℃에서 정제하지 않은 CNT 내에는 Fe, Co, Al의 금속불순물이 총 17,350 ppm 포함되어 있었으나, 정제 후에는 784 ppm으로 감소함으로써 약 96%의 높은 정제율을 달성하였다. 본 정제법은 클로로포름의 분해반응으로 생성되는 HCl(g)과 Cl radical이 Fe, Al, Co 등의 금속불순물과 반응하여 고온에서 기체 상태로 존재하는 FeCl3, AlCl3, CoCl2 금속염화물을 형성함으로써 금속불순물을 제거하는 원리이다. |
