탄소나노튜브와 연료전지의 접합목차1. 서론1.1 연구목적 및 범위2. 본론2.1 탄소나노튜브2.1.1) 탄소나노튜브의 정의2.1.2) 탄소나노튜브의 구조2.1.3) 탄소나노튜브의 특성2.14) 탄소나노튜브의 합성기술2.2 연료전지2.2.1) 연료전지의 정의 및 역사2.2.2) 연료전지의 작동 원리2.2.3) 연료전지의 종류 및 특성2.2.4) 연료전지의 문제점2.3 탄소나노튜브를 이용한 연료전지2.3.1) 저온성 연료전지2.3.2) 탄소나노튜브를 이용한 수소 저장기술2.3.3) 향후 전망2.5 연료전지 외 탄소나노튜브의 응용3. 결론4. 참고문헌1. 서론1.1 연구목적 및 범위최근에 나노미터 크기의 극 미세영역에서 새로운 물리현상과 향상된 물질특성을 나타내는 연구결과가 보고 되면서 나노과학기술이라는 새로운 영역이 태동하게 되었고, 이러한 나노과학기술은 앞으로 21C를 선도해 나갈 수 있는 과학기술로서 전자정보통신, 의약, 소재, 제조공정, 환경 및 에너지 등의 분야에서 미래의 기술로 부각되었다.나노과학기술 분야 중에서도 특히 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)는 새로운 물질특성 구현이 가능하여 기초연구의 중요성과 산업적응용성이 동시에 크게 각광받고 있는데 흥미롭게도 이러한 탄소나노튜브 기술이 최근 새롭게 개발되어진 연료전지와 접합하게 되면 기존의 연료전지보다 에너지 저장성과 에너지 효용성에서 큰 이득을 얻게 되는 것으로 밝혀졌다.연료전지에 사용되는 나노기술은 금속촉매 분야에서 금속을 나노크기의 분발로 제조하여 작은 양의 금속으로 더 큰 효과를 발현하기 위하여 사용되며, 촉매담체 분야에서는 나노 크기의 기공으로 표면이 이루어져 높은 표면적을 갖는 탄소소재를 이용하여 높은 분산력을 나타내도록 사용된다.특허청 자료에 따르면, 나노기술을 이용한 연료전지 관련 특허출원은, 2000년부터 2004년까지 5년간 총 88건이 출원되었으며 특히 2001년 이후의 출원이 전체 출원의 80.7% 이상을 나타내고 있음은 최근 고유가로 인한 대체에너지에 대한 기술개발의 관심을진 탄소나노튜브의 전기적, 열적, 기계적 성질들을 간략히 요약하여 아래에 서술하였다.(1) 전기적 성질1998년 Frank는 SPM(Scanning probing microscopy)을 이용하여 탄소나노섬유를 수은 액체상에 담지하여 전도성을 측정하였다. 그 결과 탄소나노튜브가 양자거동을 보이면서 획기적인 전도성 (ballistic conductance)을 가진다고 보고하였다. MWNT의 전도성은 각 나노튜브가 수은 액체상에 첨가될 때마다 1 Go만큼 증가하였다. Go의 값은 1/12.9 kΩ-1 이다. 1999년 Sanvito등은 scattering 기법을 이용하여 MWNT의 전도성을 측정하였으며 Frank의 결과를 재확인하였다. 또한 이들은 MWNT내의 양자전도성 채널이 interwall 반응에 의해 감소됨을 관찰하였고, 이 반응에 의해 각 탄소나노튜브의 전자흐름이 재배치됨을 관찰하였다. Thess등은 rope형태의 금속성 SWNT의 저항을 four-point 기법을 이용하여, 300 K에서 약 10-4 Ω-cm 임을 관찰하였으며, 이 값은 현재 알려진 고전도성 탄소나노섬유보다 더 높은 값을 가진 것으로 나타났다. Frank등과 Avouris등은 각각 107 A/cm2 이상, 1013 A/cm2 이상의 안정된 전류밀도가 나타남을 관찰하였다.(2) 열적성질탄소나노튜브의 열전도도는 온도와 phonon의 평균자유경로에 의존한다. Hone등은 1999년 탄소나노튜브의 열전도도가 온도에 일차적인 관계식을 가짐을 발표하였으며, 7-25 K의 온도범위에서는 직선관계, 25-40 K의 범위에서는 직선의 기울기가 증가하고, 상온이상에서는 온도가 증가함에 따라 단조증가함을 보고하였다. 여기서 kz는 열전도도, C는 비열, v는 음속, 는 relaxation time이다. Hone등은 상온에서 singlewalled nanotube rope에 대한 열전도도가 1,800 - 6,000 W/mK의 범위에 존재하는 것을 제시하였다.1999년 Goddard 등은 나노튜브의 열전도도가 형된 전기방전법이 시도 되어지고 있는 실정이다. 우수한 고품질 탄소나노튜브를 합성하기 위해서는 적절한 촉매 비율과 전류세기 챔버내부압력이 큰 변수로 작용하는 것으로 보고 되어지고 있다. 전기방전법으로 합성한 탄소나노튜브의 정제후 TEM 이미지(2) 촉매화학 기상증착법(Catalytic Chemical Vapor Deposition)고품질 SWNTs를 생산하는 방법으로 전기방전법(Arc-discharge), 레이저증발법(Laser-ablation)이 있지만 이들 방법은 나노튜브를 대량으로 생산하는데 있어서 적합한 합성방법이 아니다. 반면에 촉매 화학 기상증착법(Catalystic Chemical vapor depostion)은 산업 스케일에서 값싼 가격으로 SWNT, DWNT, MWNT합성을 하는데 매우 유용하다. 또한 CNT의 직경, 길이, 밀도, 구조, 결정성등을 제어하기가 쉽고, 고순도의 CNT를 대량생산 할 수 있어 유망한 합성방법이라 할 수 있다. 촉매 화학 기상증착법에는 두 부류의 방법으로 나눌수가 있다. 촉매 화학 기상증착법의 분류 고품질의 CNT합성을 위하여 사용된 catalytic CVD장치의 개략도(3) 기상합성법(Vapor phase growth)과 유기화합물의 열분해법기존의 CVD법은 기판위에 촉매금속을 증착시킨 후, 이러한 촉매금속위에 C2H2, C2H4, CH4, C2H6등의 반응가스를 이용해서 탄소나노튜브를 합성하는 방법이다. 그러나 기상합성법은 기판을 사용하지 않고 반응로안에 반응가스와 유기 금속촉매를 직접 공급하여 기상에서 탄소나노튜브를 직접 합성하는 방법으로써, 탄소나노튜브를 대량으로 합성하기에 유리한 방법으로 제안되고 있다. 은 탄소나노튜브의 기상합성법에 사용되는 장치의 개략도이다.기상합성 장치장치의 한편에 반응가스를 공급하기 위한 장치가 설치되어 있고 반응로 내에 촉매금속 분말이 들어있는 보트가 설치되어 있다. 반응로는 2단계 온도영역으로 설계되어 있는데, 촉매금속 분말이 들어 있는 보트가 위치한 제 1온도 영역은 비교적 저온을 담그고 산소와 수소를 흘려주어 전기를 발생시킨 것이 연료전지의 시작이다. 그 이후로 많은 연료전지들에 대한 소규모 실험들이 순수한 과학적 흥미 때문에 수행되었다. 주로 산소와 수소의 반응을 이용한 실험들이었으며, 전극 물질로는 값비싼 금이나 백금을 사용했기 때문에 실용화는 염두에 두지 않았던 순수한 실험실 규모의 연구들이었다. 다양한 산이나 알칼리를 전해질로 한 경우, 용융염을 전해질로 이용한 경우 등, 여러 종류의 실험들이 20세기 초반에 이미 보편화되었고, 다양하게 실험되고 있었다. 그러나 이 시대의 연구들은 시행착오에 기반을 둔 초보적인 실험 결과 보고서 수준이었다. 확실한 원리나 전극 메카니즘에 근거한 본격적인 연구는 20세기 중반 이후이다. 20세기 초반 연구의 특징은 Jungner 등이 최초로 제안했던 "산화 환원(redox)" 전지 시스템들에 대한 연구였다. 이 시스템은 화학 반응이 일어나는 장소와 전극 반응이 생기는 장소를 분리함으로써, 산소와 수소가 직접 만나는 것을 방지할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 산소와 수소는 특정 물질(주로 이온)을 산화 혹은 환원시키고, 이 산화 혹은 환원된 물질들이 전극 반응을 일으키는 시스템이다. 이런 연구는 많은 사례가 보고되었으며, 상당히 흥미로운 결과들도 보이고 있다. 연료전지를 실용화하려는 시도는 1930년대 영국의 Bacon에 의해서 수행되었다.가장 잘 알려져 있던 산소-수소 연료전지의 용량을 대형화하여 5kW 급을 1959년 시험 운전하였다. 장시간 동안 상당한 전력이 필요한 경우에 2차 전지를 사용하기보다는 고압 산소나 수소 통을 사용하는 것이 훨씬 유리하다는 관점에 근거하여 Bacon은 2차 전지를 대신할 목적으로 개발한 것이다. 연료전지가 최초로 다른 에너지 시스템에 비해 경쟁력을 가지고 실제로 사용된 경우로는 미국 NASA가 주관한 우주선의 전원 개발을 들 수 있다. 실제로 제미니 우주선에 연료전지가 탑재되었고 그 가치를 인정받았다. 아마도 이러한 우주선 탑재를 계기로 여러 나라에서 경쟁적으이다. 전극은 다공성 니켈로 만든다. 전극의 부식성과 내구성은 아직 개발에 중요한 애로점이다.용융탄산염형 기술의 산 또는 알칼리 연료전지 기술 보다 뚜렷한 장점은 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소에 대하여 내성이 있는 점이다. 이것은 일산화탄소와 이산화탄소를 분리하는 공정을 필요로 하는 다른 것들보다 초기 투자비가 낮고 시스템 설계가 매우 단순해지는 결과를 가져온다. 용융탄산염형 연료전지의 운전 온도는 약 650℃이고, 전지 스택의 열로 전지 내부의 탄화수소 기체의 개질을 허용한다. 내부 개질의 장점은 30% 또는 그 이상의 비용을 감소시킨다.용융탄산염 연료전지를 상업화하기 전에 내구성과 신뢰도를 개량시킬 필요가 있다. 운전온도가 높아 정상운전 되는 동안 용융탄산염 전해질의 결핍과 증발로 인하여 양이 줄어들기 때문이다. 이것이 운전의 안정성과 현재 용융탄산염형 연료전지의 유효 수명의 제한점이다.⑤ 고체산화물 연료전지 (Solid oxide fuel cell)고체산화물형 연료전지의 특징은 탄화수소를 직접 전기로 변화시킬 수 있는데 있다. 전해질은 안정화된 산화이트늄으로 가스가 스며들지 않은 산 이온이 효율적으로 접촉하고 있는 얇은 산화지르코늄 층이다. Cathode는 안정된 산화이트늄으로 된 지르코늄으로 만들어졌고, anode는 니켈-지르코늄 세라믹 합금으로 만들어졌다.고체산화물형 연료전지의 가장 톡특한 특성은 운전 온도는 약 1000℃ 로써 매우 높다는 것이다. 이 온도에서는 수소와 일산화탄소의 전기 화학적 산화 반응이 일어나고 촉매없이 연료가 개질된다. 운전 온도 1000℃에서 금속 재료의 적당한 열적-기계적 강도를 요구하기 때문에 가스 누출 방지가 가장 중요한 애로 사항이다. 세라믹 재료 기술의 개발은 고체산화물형 연료전지가 상업적으로 발전을 시작하기 전에 필요한 기술이다. 고체산화물형 연료전지는 상업적으로 자동차 응용에 연구되어지고 있다. 자동차에 사용하기 위한 이 전지 기술의 모형화가 밧데리 전원 공급형 자동차가 아닌 전위밀도를 요구하는 것과 접목시키는 않다.
과목섬유화학공학실험2지도교수최창남분반1분반이름최승진조원조은,정간미,정혜지,지민혁,진성환, 조하영실험주제나일론 합성fianl-report1. 실험방법① 5% 1,6-Hexanediamine 수용액을 재조한다. (물 19ml + 1,6-Hexanediamine 1ml)② 10% NaOH 수용액을 재조한다. (NaOH 1.13g + 10ml 물)③ 5% hexandioxy chloride 수용액을 재조한다. (adipoyl chloride 1ml + n-hexan 36.45ml)④ 5%의 1,6-Hexanediamine 수용액 20ml를 넣고 여기에 10% NaOH 수용액 10방울을 가하고 잘 섞는다⑤ 비이커를 기울여서 5% hexandioxy chloride에 헥산 수용액 10ml를 천천히 붓는다.-> 두상의 혼합을 방지하기 위해 천천히 붓는다.⑥ 두상의 경계면에 얇은 막이 생기면 집게 등을 이용하여 고분자 막을 꽉 잡아서 비이커 밖으로 끄집어 낸다.⑦ 꺼낸 생성물을 50% 아세톤 수용액에 씻는다.⑧ 씻어낸 고분자 생성물을 증류수로 깨끗이 씻는다.⑨ 조별 이름을 쓴 비커에 생성물을 넣어 건조기에서 건조시킨다.⑩ 생성물이 완전히 건조되면 무게를 제고 수율을 계산한다.2. 실험목적나일론66을 제조하여 보고 구성 성분을 파악하고 제조원리를 이해하며, 반응 원리를 알아보자.3. 계산① 5% 1,6-Hexanediamine 재조1,6-Hexanediamine의 양을 1g이라고 정하면,[1,6-Hexanediamine 1g / (1,6-Hexanediamine 1g + 물 Xml)] × 100 = 5%∴ 물 = 19ml∴ 물 19ml (용매) + 1,6-Hexanediamine 1g (용질)② 10% NaOH 재조* NaOH의 순도 : 98%, 물을 10ml라고 정하면,{(Xg × 0.98) / [(Xg × 0.98) + 10ml]} × 100 = 10%98X = 9.8X + 10098X - 9.8X = 10088.2X = 100∴ X = 1.13g∴ NaOH 1.13g (용질) + 물 10ml (용매)③ 5% hexandioxy chloride 재조* adipoyl chloride (용질) : 순도 - 98%밀도 - 1.259g/ml분자량 - 183.024 g/mol* n-hexan (용매) : 순도 - 95%밀도 - 0.677g/ml* adipoyl chloridedml 양이 1ml라고 정하면,{(1ml × 0.98 × 1.259g/ml) / [(1ml × 0.98 × 1.259g/ml) + (Xml × 0.95 ×0.677g/ml)]} × 100 = 5%[1.23 / (1.23 + 0.64X)] × 100 = 5%0.64X = 23.37ml∴ X = 36.45ml∴ adipoyl chloride (용질) 1ml + n-hexan (용매) 36.45ml④ 50% 아세톤 20ml-> 아세톤 10ml + 물 10ml (실험시 약간의 오차 무시함)4. 결과 및 토론1) 결과 (수율계산)수율 = (실제 생성량/ 이론 생성량) x 100① 실제 생성량 : 0.205g② 이론 생성량 -> 나일론의 분자량 x 생성된 몰 수 (한계반응물)☆ 나일론의 분자량 : 223.316 g/mol☆ 한계반응물 구하기?* 5% 1,6-Hexanediamine의 mol수-> 5% 1,6-Hexanediamine의 분자량이 116.208g/mol, 사용량이 10ml이므로,19ml : 1g = 10ml : Xg∴ 0.53g∴ 0.53g (사용량) / 116.208 g/mol (분자량) = 0.00452 mol* 5% hexandioxy chloride의 mol 수-> adipoyl chloride의 분자량 : 183.024g/moladipoyl chloride의 밀도 : 1.259 g/mladipoyl chloride의 순도 : 98%adipoyl chloride의 사용량 : 1ml∴ [(1.259 g/ml × 0.98 × 1ml) / (183.024 g/mol)]= 1.234g / (183.024 g/mol)= 0.0018mol∴ 223.316 g/mol (나일론의 분자량) × 0.0018mol(한계반응물의 몰수) = 0.401969g∴이론양 : 0.401969g★ [0.205g (실제 생성량) / 0.401969g (이론 생성량)] × 100 ≒ 50%2) 토론나일론66을 합성하는 위 실험에서 우리 조의 수율은 약 50%정도로 아주 낮게 나왔는데 그 이유를 생각해 보자면, 가장 큰 이유는 두 상의 막에 생긴 나일론을 충분히 걷어 내지 못한 데에 있다고 생각한다. 시간이 충분하지 않아 조원들 끼리 이리저리 한번씩 나일론을 취해 보았는데 아마도 거기서 두 상이 섞여 한계반응물이 충분히 반응하지 않아 남아 있어 나일론 생성이 후에 되어 수득한 나일론의 질량이 적게 나온 듯 하다.또 다른 이유를 들자면 5% hexandioxy chloride과 5% 1,6-Hexanediamine, 10% NaOH을 재조할 때 약간의 오차들이 결국 실험 후 수득률에 영향을 주었던 것 같다.5. 검토사항1) 나일론의 종류 및 그 특성과 용도에 대해서 알아보시오-> 폴리 아미드계 섬유이며, 아미드기로 연결된 구조단위가 주로 지방족 단량체로 이루어진 폴리아미드를 나일론이라고 한다. 또 아미드기 중 최소한 85% 이상이 직접 방향족기와 영결된 폴리아미드를 아마이드라고 부른다.① 나일론 66 : 상업화 된 최초의 섬유이자 진정한 의미에서의 합성섬유. 1935년에 등록되어 1938년에 공고되었다.② 나일론6 : 나일론66과 매우 유사하며, 반복단위 안에 아미드기를 사이에 두고 탄소수가 6개가 있는 나일론을 말하며 주로 유럽에서 생산된다. 우리나라에서도 대부분 나일론6을 생산한다.③ 나일론610 : 반복단위 내의 아미드기 사이에 탄소수가 6개와 10개가 있다. 의류용으로는 많이 쓰이지 않으나 레질리언스가 좋아서 솔이나 카펫으로 쓰인다.④ 나일론11 : 반복단위 내에 탄소수가 11개이므로 일반 나일론바다 융점, 비중, 수분율 등이 낮다.⑤ 키아나 : 듀퐁사에서 개발한 것으로 외관이 견과 유사하다⑥ 특수 나일론 : 일반 나일론보다 20~40% 정도가 더 부드러워 면처럼 피부에 직접 닿아도 감촉이 좋으며, 유연하고 가벼워 활동이 자유롭고 통기성이 좋다. 또한 구김이 없으며 오염에도 강하고 젖을 때에도 빠르게 건조된다. 가볍고 부드러우며 건조가 빨라 등산용 바지를 만드는 데 적합하다.
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반도체, 연료전지, 탄소나노튜브, 탄소나노튜브의 응용
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