[논문자료]초고압 공정을 이용한 산화물 분말합성 및 특성평가

출처: 픽사베이

 

초고압 공정을 이용한 산화물 분말합성 및 특성평가

기존 입자들의 분산 공정에서 액상의 분산, 균질화, 에멀전, 세포벽 파괴 등을 위해 초고압을 활용하는 고압 균질기를 사용하다. 이 고압 균질기에서 아이디어를 얻어 본 연구에서는 고압 균질기를 활용하여 나노입자를 합성하는 공정을 시도하였다. 출발원료가 다이아몬드로 제작한 미세 구멍을 통과할 때 큰 에너지를 얻어서 새로운 입자를 얻게 되는 것이다. 합성 메커니즘은 고온과 고압에서 합성하는 수열 합성법과 공동화 현상으로 합성하는 초음파 합성법의 현상들이 일어남으로 나노입자가 합성된다.

실험의 방법은 우선 단원자에 대한 합성으로 이산화망간(MnO2)과 마그네타이트(Fe3O4) 입자를 선정하여 진행하여 결과를 얻었고, 합성이 일어나는 것에 대한 확인을 위해 단원자 합성보다는 더 어려운 이원자 합성으로 음극활물질인 리튬티탄늄 산화물(Li4Ti5O12) 나노입자를 합성하여 전기적 특성을 확인하였다. 실험한 입자들에 대한 각각의 결과에 대한 결론은 다음과 같이 얻었다.

초고압 균질화 공정을 이용하여 산화제 및 침전제 없이 균일한 이산화망간 나노입자를 합성하였다. 1,500 bar 내에서 통과횟수(1, 3, 5)를 변경하여 실험한 이산화망간 나노입자는 육방정계 구조의 구체 모양이고, 4.7 ~ 5.2 nm의 입자 크기, 7.2 nm의 세공 크기, 208 m2/g의 비표면적을 가졌다. CO-TPR을 활용하여 더 저온에서 일산화탄소의 승온 산화반응에 대한 탁월한 촉매 활성도를 보였다. 초고압 균질화 공정의 공정 압력(500, 1,000, 1,500 bar)과 통과 횟수(1, 3, 5회)를 변경하여 마그네타이트 나노입자의 합성하였다. 제조한 마그네타이트 나노입자는 역스피넬 구조를 가지며, 17~26 nm의 평균 입자 크기를 가진다. VSM을 이용하여 자기적 특성을 측정한 결과 1,500 bar 이상의 공정 압력 조건에서는 초상자성의 자기적 특성을 확인할 수 있었다. 리튬 이차전지용 음극재 소재인 Li4Ti5O12(LTO) 나노입자를 합성하였다. Li 몰비, 열처리, 용매 분산도와 출발 물질의 다변화와 같은 사전 테스트를 실시하여 공정의 최적 조건을 얻었다. 고압 균질기의 2,000 bar에 공정 압력을 고정하고, 통과횟수(5, 7, 10회)를 변경하여 진행하며, 10회 통과시에 순수한 LTO 분말을 얻었으며, 평균 입자 크기는 5회 488 nm, 7회 438 nm, 그리고 10회 404 nm 로 관찰되었다. 전기적 특성 평가를 확인하기 위해 반전지(half-cell)를 이용하여 충·방전 특성, 율특성, 임피던스 분석하였고, 일반적으로 전지에 사용되는 마이크로 단위의 LTO 소재를 통한 전기화학적 특성보다 좋지 않은 결과를 확인하였다. 전기적 특성이 좋았던 7회 통과한 LTO를 다양한 양극활물질(LCO, LNCO, LMO)을 코인형 완전 전지(coins full-cell)로 충·방전 특성을 분석하였다. LCO+LNCO를 사용한 경우는 초기 충전 전압의 저하가 발생하는 것으로 보았다. 그 외의 양극활물질은 충전 전압의 저하 없이 안정함을 확인하였으며, 150회의 충·방전 측정 과정에서 2개 시료는 모두 94 %가 넘는 높은 유지율을 나타내었다.

 

In this study, nanoparticles were synthesized by ultra-high pressure homogenization method using a high pressure homogenizer different from the conventional synthesis method. Nanoparticles synthesized in this method were the oxide powders of MnO2, Fe3O4 and Li4Ti5O12(LTO). We evaluated the physical, chemical, electrical and magnetic properties of nanoparticles synthesized by varying the conditions of the ultra-high pressure process.

Priority, MnO2 nanoparticles were synthesized with out any dispersing agents and oxidant by ultra-high pressure homogenization process using a high pressure homogenizer. Various physicochemical properties and CO oxidation reactions of nanoparticles synthesized by passing 1, 3, 5 times at 1,500bar in a high pressure homogenizer from KMnO4 and MnCl2·4H2O were investigated. The MnO2 nanoparticles synthesized through the high-pressure homogenization process had a hexagonal structure and confirmed that it was a uniform spherical shape by X-ray diffraction(XRD) and Scanning electron microscopy(SEM). The Brunauer emmett teller(BET) measurement revealed that the poresize decreased from 23.6 nm to 7.2 nm, and the specific surface area increased from 24 m2g-1 to 208 m2g-1. As a result of the CO-TPR analysis, it was confirmed that the CO oxidation reaction exhibited excellent catalytic activity at low temperature.

We study the effect of pressure varying from 0 to 1500 bar on the magnetic properties of magnetite nanoparticles synthesized from Fe(OH)2 suspension using a high pressure homogenizer. The observed X-ray diffraction (XRD) patterns showed that all the synthesized nanoparticles had the inverse spinel structure of magnetite. It was found from transmission electron microscopy (TEM) and XRD analysis that the average size of the synthesized magnetite particles could be controlled by the pressure of the high pressure homogenizer. The average particle size was found to range from 21 to 26 nm and decrease with increasing pressure. Magnetic hysteresis measurements performed at room temperature using a vibrating sample magnetometer (VSM) revealed the appearance of a superparamagnetic behavior in the magnetite nanoparticles synthesized at a pressure of 1500 bar.

In addition, we report the effect of passing from 1, 3, 5 times at 1,500 bar pressure on the magnetic properties of magnetite nanoparticles synthesized using a high pressure homogenizer. The observed X-ray diffraction (XRD) patterns revealed that all the samples had the inverse spinel structure of magnetite nanoparticles. The average size of the synthesized magnetite particles was found to be controlled by the number of passes in the high pressure homogenizer nozzle. The average particle size estimated by the XRD and transmission electron microscopy (TEM) analysis ranged from 17 to 22 nm. Magnetic hysteresis measurements were performed using a vibrating sample magnetometer (VSM) to investigate the magnetic properties of the magnetite nanoparticles at room temperature, revealing the appearance of superparamagnetism in the magnetite nanoparticles synthesized through 1 to 3 passes at 1,500 bar.

Using a high pressure homogenizer, we report on the electrochemical performance of Li4Ti5O12 (LTO) particles manufactured as anode active material for lithium ion battery. High-pressure synthesis processing is performed under conditions in which the mole fraction of Li/Ti is 0.9, the synthesis pressure is 2,000 bar and the numbers of passings-through are 5, 7 and 10. The observed X-ray diffraction patterns show that pure LTO is manufactured when the number of passings-through is 10. It is found from scanning electron microscopy analysis that the average size of synthesized particles decreases as the number of passings-through increases. LiCoO2-based active cathode materials are used to fabricate several coin half/full cells and their battery characteristics such as lifetime, rate capability and charge transfer resistance are then estimated, revealing quite good electrochemical performance of the LTO particles as an effective anode active material for lithium secondary batteries.

 

출처: http://www.riss.kr/search/detail/DetailView.do?p_mat_type=be54d9b8bc7cdb09&control_no=e50bfcdc5f5a8825ffe0bdc3ef48d419&outLink=K

 

▼논문 바로가기

http://www.riss.kr/search/detail/DetailView.do?p_mat_type=be54d9b8bc7cdb09&control_no=e50bfcdc5f5a8825ffe0bdc3ef48d419&outLink=K

---