고밀도 그래핀/망간산화물 나노복합체 전극 제조 및 전극 밀도가 에너지 저장 성능에 미치는 영향 연구

박승화 강원대학교 대학원 2021 국내석사

에너지 환경 이슈로 인한 화석 연료 공급 제한과 과학 기술의 발전으로 전기에너지의 효율성이 강조되고 있다. 재생 가능한 에너지원을 이용한 발전은 기존의 화력 발전을 대체할 수 있지만 지속적인 전력 공급에 어려움을 겪고 있다. 슈퍼커패시터 및 배터리 같은 에너지 저장 소자는 불규칙한 전력 공급을 안정화 시킬 수 있으며 모바일 전자기기 및 전기 자동차의 핵심 구성으로 사용된다. 최근 에너지 저장 소자에 나노 구조체를 적용함으로써 고효율 및 고성능의 에너지 저장 소자를 저가격으로 생산하고자 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구는 원자 하나의 두께의 육각형 sp2 탄소가 배열된 2차원 단일 시트인 그래핀을 이용하여 고출력 및 에너지밀도, 장수명 특성을 갖는 슈퍼커패시터를 개발하는데 있다. 이론적으로 그래핀은 2630 m2/g 의 넓은 비표면적, ∼105의 전기전도도 그리고 550F/g의 높은 비정전용량을 갖기 때문에 에너지 저장 소자의 전극 물질로서 매우 유망하다. 하지만 그래핀 시트간의 pi-pi 상호작용과 그래핀간의 반데르발스 힘에 의해 다시 그라파이트의 성질로 되돌아 가는 특성이 있어 그래핀의 안정성을 높여주어야 한다. 이러한 구조적인 문제를 해결하기 위해 chemical solution을 통한 산화 그래핀을 물리-화학적으로 안정하면서 넓은 비표면적의 3차원 그래핀 에어로겔로 합성하였다. 3차원 그래핀 에어로겔은 ∼200F/g의 높은 비정전용량을 가지지만 전극 밀도가 0.1g/cm3이하로 매우 낮기 때문에 불필요한 전해질의 저장과 전체 소자의 무게를 증가시켜 에너지 밀도를 낮추는 결과를 초래한다. 본 논문은 그래핀에 기능화를 통해 나노 구조를 조절하여 3차원 그래핀 겔의 밀도를 높이고 고성능의 슈퍼커패시터에 응용한 연구를 다룬다. 먼저 그래핀 겔 포면에 전기화학적 활성이 가능한 망간산화물을 합성하여 과도한 기공을 채워 고밀화 시켰다. 망간산화물의 표면 산화-환원 반응은 추가적인 전하 저장 효과가 있어 비정전용량을 상승시켰다. 이 후 기계적인 압축에 의해 mseo pore(2-50nm) 및 macro pore(>50nm의 분포를 감소시켜 고밀화 하였다. 이때 그래핀 표면에 얇게 합성된 망간 산화물은 그래핀의 재적층 효과를 막아줄 수 있다. 기계적 압축에 의한 그래핀, 그래핀 필름 또는 그라파이트(2.2g/cm3) 같은 고밀도 그래핀은 이온 이동 경로가 수평적으로 길어지기 때문에 이온 전달 및 확산 속도를 감소시킨다. 이 문제를 해결하기 위해 그래핀 기저면에 수 나노미터의 나노 구멍을 뚫어 이온의 수직적인 이동이 가능하도록 하였다. 이 결과로 고밀도의 다공성 그래핀/망간산화물을 유도했다. 이 나노복합체는 고밀도이면서 물리-화학적으로 안정한 3D 다공성 그래핀/망간산화물 구조체로서 고출력 밀도, 장수명 특성, 고에너지 밀도의 우수한 전기화학적 성능 특성을 입증하였다. 나아가 전극의 두께를 조절하여 상용 EDLC용 전극 기준 100μm 이상 두께에서도 우수한 전기화학적 성능이 유지되는 것을 확인하였다. 제조된 나노 복합체의 구조는 슈퍼커패시터의 하이브리드 전극 물질로서 활용되어 빠른 이온 흡착 및 확산을 유도할 수 있어 우수한 전극 소재로써 가능성을 증명하였다. The efficiency of electric energy is being emphasized due to the limitation of fossil fuel supply due to energy environment issues and the development of science and technology. Power generation using renewable energy sources can replace conventional thermal power generation and is struggling with continuous power supply. Energy storage elements such as super capacitors and batteries stabilize the power supply and are used as key components in electric devices and automobiles. Recently, nano energy storage devices are being produced at low prices in energy storage devices. This study is to develop a high-performance capacitor with high power, energy density, and long life characteristics using a pin, a two-dimensional single sheet of hexagonal sp2 carbons arranged in one atom. In theory, graphene is very promising as a material material for energy storage devices because it has a large specific surface area of ​​2630 m2/g, an electrical conductivity of ∼105, and a high specific capacitance of 550F/g. However, the pi-pi interaction of the graphene sheet and the Van der Waals force of graphene have the characteristics that it is necessary again as a property of graphite, so the stability of graphene should be improved. In order to solve the synthetic structural problems, the chemical solution was oxidized graphene to be a three-dimensional graphene aerogel with a large specific surface area while physico-chemically stable. The three-dimensional graphene airgel has a high specific capacitance of ∼200F/g, but its density is very low, less than 0.1 g/cm3, resulting in lower energy density by increasing the storage of all electrolytes and the weight of the entire device. This paper deals with the application to supercapacitors that increase the density of 3D graphene gels by controlling the nanostructure through functionalization of graphene. First, manganese oxide, which can be electrochemically active, is synthesized on the surface of the graphene gel to fill the excess pores for densification. The surface oxidation-reduction reaction of manganese oxide has an additional charge storage effect, increasing the specific capacitance. Afterwards, it can be densified by reducing mseo pores (2-50nm) and macro pores (> 50nm) by mechanical compression. The use of manganese synthesized on the graphene surface prevents the re-stacking effect of graphene, and thus the effect of julfinite. Large graphene, such as graphene by graphene compression, graphene film or graphite (2.2g/cm3), decreases ion transport and velocity because the ion migration path is horizontally lengthened, resulting in a decrease in the ion transport and velocity on the basal surface. Vertical movement of ions is possible by drilling a few nanometers of holes. As a result of this, graphene/inducing fins/manganese oxide inducing fins. This nanocomposite is stable and physically-chemically stable 3D high power density, It has long life, high energy density, excellent electrochemical performance characteristics, and maintains excellent electrochemical performance with a pin/manganese oxide compensation standard of 100μm or more The structure of the manufactured nanojunction is utilized as a hybrid electrode material for supercapacitors, making it fast and fast. The ability to provide and induce ions proved the possibility of an excellent electrode material.

PCBA@nMLM 내부에서 일어나는 순차적인 에너지 전달과 전자 전달을 통한 광 촉매 성능 향상 연구

조우성 인천대학교 대학원 2024 국내석사

광 촉매 반응이란 광 촉매를 통해 빛을 흡수하여 화학반응을 촉진시키는 것으로서, 태 양광을 이용한 광 촉매 반응은 온실가스나 유해한 화학물질이 나오지 않아 자연 친화적 이며, 그 에너지원이 무한하다. 그 중에서 자연계의 광합성은 가장 오래된, 그리고 가장 고효율의 광 촉매 반응이다. 자연계의 광합성은 엽록소 내부의 정렬된 구조를 통한 순차 적인 에너지 전달과 전자전달을 유도, 이를 통해 엽록소는 넓은 파장 범위의 빛을 흡수 하고, 전자-정공의 재결합을 효과적으로 억제하여 95% 이상의 광합성 효율을 낼 수 있었 다. 기존 광 촉매들은 넓은 범위의 빛을 흡수하지 못하고, 표면적이 작으며, 전자-정공의 재결합을 억제하지 못하여 광 촉매로서 효율이 낮았다. 금속-유기 골격체 (MOF)는 유기 리간드와 금속 클러스터로 이루어진 다공성 물질로서, 정렬된 구조, 넓은 표면적, 그리고 유기 연결체를 조정할 수 있는 특성은 MOF가 광합성 이 일어나는 엽록소를 모방하기에 좋은 플랫폼으로 여겨진다. MOF를 광 촉매에 사용하 고자 하는 기존 연구들에서 MOF 내부에서 일어나는 에너지 전달에 관한 연구는 많이 진행되었으나, 자연계의 광합성에서 일어나는 순차적인 에너지 전달과 전자 전달에 관한 연구는 거의 진행되지 않았다. 본 연구에서는 에너지 전달을 통해 서로 상호 보완적인 특성으로 넓은 범위의 빛을 흡 수할 수 있는 파이렌과 포피린을 이용하여 nMLM를 합성하고, 이에 SALI를 통한 C60 유 도체를 도입하여 삼중 에너지, 전자 전달 시스템을 구축했다. 이는 TRPL을 통하여 PCBA@nMLM 내부에서 광합성 반응과 비슷한 순차적인 에너지 전달과 전자 전달이 일어 나는 것을 확인하였고, 이를 전기화학분석을 통해 저항이 낮으며, 전하 분리가 더 많이 일어나는 것을 관찰, 전자-정공의 재결합이 효과적으로 억제됨을 보여주었다. 이러한 PCBA@nMLM은 광 촉매 반응에서도 기존 nMLM 보다 더 향상된 활성산소종 생성 성능 을 보여줌으로써, 자연계의 광합성을 모방한, 3중 인공 광합성 시스템이 될 것이다. Photocatalytic reaction is to increase the reaction rate by absorbing light with catalyst, the catalytic reaction with sunlight is ecofriendly and abundant energy source. In case of photocatalytic reaction, the natural photosynthesis is the oldest and the most efficient photocatalytic reaction in the world. The natural photosynthesis has ordered structure in inner place, which can induce the transfer the energy and electron, then chlorophyll can absorb wide range of light and restrict the electron-hole recombination so that reaction can go over 95 % of efficiency. However, the catalyst which we use commonly can’t absorb wide range of light and restrict the electron-hole recombination, so it has low efficiency of catalytic reactions. The metal-Organic frameworks (MOFs), consisted of organic ligand and metal clusters, have ordered structure, large surface area and tunable ligand, metal and structure properties, which can mimic the natural photosynthetic pigment arrays. In the studies for using MOF to catalyst, the energy transfer studies in inner MOF were proceeded so much, but no study for sequential transfer of energy and electron were proceed. Herein, we synthesize nanosized-Mixed ligand MOF (nMLM) consisted of Pyrene and Porphyrin which have complementary absorption so that they can absorb wide range of light, then introduce C60 derivatives by Solvent-Assisted Ligand Incorporation (SALI), we make triad system of transfer of Energy and Electron. And It was analyzed by TRPL so that sequential transfer of energy and electron like natural photosynthesis happens within PCBA@nMLM, and by electrochemical analysis, we checked the resistance of PCBA@nMLM was low and the charge separation of PCBA@nMLM was high than nMLM, so the electron-hole recombination was restricted efficiently. That PCBA@nMLM also showed high performance of catalysis than nMLM, it will become triad artificial photosynthesis system to mimic the natural synthesis.

고성능 리튬-설퍼전지를 위한 활물질 증착 및 담지 분리막과 전해액 용매에 관한 연구

강진경 한국기술교육대학교 대학원 2019 국내석사

Chapter 1. A Sulfur-Layered Separator Enabling an Innovative Wearable Li-S Battery without Integrating Elemental Sulfur in the Cathode We present an innovative Li-S battery concept for the potential realization of low-cost wearable batteries. A novel Li-S battery is constructed by employing a sulfur-free carbon cathode and a sulfur-layered separator (SLS) fabricated using thermal evaporation at a temperature as low as 120 ℃. The cell exhibits superior performances compared with a control cell with a sulfur-containing cathode as all sulfur on the SLS takes part in the electrochemical reactions. We revealed that all electrically isolated sulfur from the carbon cathode was successfully converted to polysulfides via the electrode reactions of sulfur molecules at the interface of the carbon surface and the electrolyte solution. Our new concept brings a paradigm shift in the rechargeable battery community. Chapter 2. A New Configuration of Li-S Battery Combining a Li2S-Incorporated Separator with a Sulfur Cathode We present a new and facile design of a high-performance Li-S cell by integrating a Li2S-impregnated glass fibre separator together with a common sulfur cathode. We find that a considerable amount of Li2S is consumed amidst the first charge, and most of Li2S disappears at the end of the second charge. During the charge process, additional sulfur material is formed and contributes to a significant enhancement of the discharge capacity (∼1400 mAh/g), compared with a control cell (∼1260 mAh/g) without Li2S. Moreover, the Li2S containing cell exhibits much higher cycling stability (a 31% increase from ∼840 to ∼1100 mAh/g in the 100th cycle) and rate capability (a 30% increase from ∼580 to ∼750 mAh/g at 2 C) than the control cell. Our results indicate that adopting Li2S-containing separator is highly effective to improving the electrochemical performances of Li-S cells. Chapter 3. Essential Features of Electrolyte Solvents that Enable High-Performance Li-S Batteries In a lithium-ion battery, the organic solvent in the electrolyte simply acts as a medium that facilitates ionic charge transfer, whereas for the lithium-sulfur (Li-S) battery, the choice of the electrolyte deserves incomparable attention as it influences the chemical nature of the soluble polysulfides and the cycling stability of the lithium metal anode. Li-S batteries currently use ether-based electrolytes with high polysulfide solubility. Until now, however, the necessary requirements and the roles of the electrolytes have been inconclusive. This work elucidates the essential features and functions of the electrolyte based on an intensive investigation into 17 variants of organic solvents. In accordance to the examination, examples of electrolytes for high performance, rechargeable Li-S batteries are suggested. The three major study procedures are 1) analyzing chemical stability of reactive polysulfide species and lithium metal in the solvents of choice, 2) inspecting the chemical reactivity of lithium metal in a polysulfide solution, and 3) evaluating the influences of the organic solvent on the performance of Li-S cells. Based on the chemical and electrochemical test results, we suggest that the stability of the active materials (i.e., lithium metal and lithium polysulfides) should be ensured in an electrolyte for the proper operation of Li-S cells, that chemical reactions between the polysulfide species and lithium metal should be negligible during the charge-discharge process. In addition, we have confirmed that the high polysulfide solubility should be met to induce high rate performance. 웨어러블 리튬-설퍼전지를 위한 초박형 설퍼 증착 분리막: 활물질이 없는 탄소 양극과 설퍼가 증착된 분리막을 사용하여 웨어러블 디바이스에 적용 가능한 새로운 형태의 리튬-설퍼전지를 제시하였다. 120 ℃의 낮은 온도에서 열 증착법을 이용하여 기존 분리막에 설퍼가 5 μm 내외로 증착 된 설퍼 코팅 분리막을 제조하였다. 설퍼 증착 분리막을 탄소 양극과 리 튬 음극 사이에 위치시켜 코인셀을 제조하고 전기화학적 특성을 평가하였 다. 설퍼 증착 분리막을 적용한 셀은 높은 방전용량(1350 mAh/g)과 뛰어 난 수명특성(100 싸이클에서 89.5%)을 보였다. 분리막 표면에 위치한 설 퍼의 반응 특성은 제조 직후 2.1 V 까지 방전시킨 셀의 해체 분석을 통해 면밀히 조사하였다. 분리막 샘플의 전자현미경 분석을 통해 분리막 위의 설퍼가 전해액에 용해 및 양극으로의 확산 과정을 거쳐 탄소 양극에서의 전기화학반응에 모두 참여하는 것을 확인하였다. 본 연구에서 제시한 설 퍼 증착 분리막은 활물질을 전지 내에 박막 형태로 도입이 가능하기에 초 박형 리튬-설퍼전지 구현에 크게 기여할 것으로 기대된다. Li2S 담지 분리막을 적용한 고에너지밀도 리튬-설퍼전지: 리튬-설퍼전 지의 부피에너지밀도를 향상시키기 위한 방안으로 Li2S가 담지된 분리막 을 제조하고, 기존 분리막 대신 Li2S 담지 분리막을 사용하여 리튬-설퍼 전지를 제조하였다. 충전 말기에 셀을 해체하여 분리막의 표면을 분석함 으로써 설퍼양극에서 전기적으로 분리된 Li2S 입자의 전기화학적 반응 특성을 분석하였다. 두 번째 충전 말기에서 얻은 분리막 샘플의 전자현미경 분석을 통해 분리막 내의 Li2S가 대부분 전기화학 반응에 참여하여 소진 되는 것을 확인하였다. Li2S 담지 분리막을 적용한 전지는 기존 리튬-설 퍼전지 대비 방전용량, 수명 및 고율특성 측면에서 크게 개선된 성능을 보였다. 고성능 리튬-설퍼전지를 위한 전해액 유기용매의 화학적 특성에 관한 연구: 리튬-설퍼전지는 리튬음극과 방전 생성물인 폴리설파이드가 화학적 반응성이 매우 높아 활물질의 화학적 특성과 존재 양태가 전해액 용매에 따라 크게 달라진다. 이러한 유기용매의 중요성에서 불구하고 아직까지 리튬-설퍼전지에 적합한 유기용매에 대한 연구가 매우 미진한 상황이다. 본 연구에서는 17 가지 종류의 다양한 유기용매를 대상으로 활물질(리튬 금속, 폴리설파이드)의 화학적 안전성 및 폴리설파이드와 리튬 간의 반응 성을 분석하고, 리튬-설퍼전지의 전기화학적 특성에 대한 유기 용매의 영 향을 조사하였다. 광범위한 화학적 및 전기화학적 실험 결과를 바탕으로 고용량, 장수명 리튬-설퍼전지에 부합하는 전해액 유기용매가 갖추어야 할 필수적인 화학적 특성을 제시하였다.

폴리옥소메탈레이트와 철 기반 화합물을 커플링한 수계 레독스 흐름 전지의 특성

이서진 강원대학교 일반대학원 2024 국내석사

에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)은 신재생 에너지의 불규칙한 생산성을 보완하여 전력망의 안정성을 향상시키는 핵심 기술로 부상하고 있다. 대표적인 에너지 저장 시스템인 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)는 신재생 에너지에서 생산된 전력을 저장하고 필요에 따라 공급함으로써 그리드 전력망의 효율을 높이고 거시적으로 배출을 감소시키는 시스템으로 각광받고 있으며 많은 연구 개발이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 폴리옥소메탈레이트(polyoxometalate, POM)와 철 기반 화합물을 활용한 수계 레독스 흐름 전지의 성능을 평가하였다. 음극 활물질로는 tungstosilic acid(TSA)를, 양극 활물질로는 철 기반 화합물인 ferrocyanide, iron sulfate와 iron chloride를 사용하였다. 첫 번째 연구에서는 ferricyanide와 TSA를 레독스 커플로 이용하여 NaOH 전해질 농도에 따른 전지 성능을 비교하였다. 순환 전류 전압법(Cyclic Voltammetry, CV) 측정 결과, ferrocyanide와 TSA는 가역적인 산화환원 특성을 보였으며, 충방전 실험 결과 1.5 M 농도에서 가장 높은 용량 유지율을 나타냈다. 두 번째 연구에서는 iron sulfate와 TSA를 레독스 커플로 이용하여 NaCl 전해질 농도에 따른 전지 성능을 평가하였다. 전기화학 특성 평가 결과, iron sulfate는 지지 전해질 농도가 증가함에 따라 전류밀도가 상승하였지만, 충방전 실험 결과 전해질의 농도가 높아질수록 점도 증가로 인해 물질 전달 저항이 증가됨으로써, 전지의 용량이 감 소하였다. 세 번째 연구에서는 iron chloride와 TSA를 레독스 커플로 사용하여 2 M 황산 전해질 조건에서 양극과 음극의 용량 비율 및 말산(Malic acid) 첨가제의 유무에 따른 전지 성능을 비교하였다. 양극과 음극 용량에 따른 성능은 2.5:1 비율에서 가장 높은 전지 성능을 나타냈으며, 특히 해당 비율에서 각각의 말산 첨가제의 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)분석 결과 전해질의 저항이 줄어 들어 전지 성능이 추가로 향상되었다. 본 연구는 전해질 농도 조절, 전해질 용량 비율 최적화, 첨가제 활용이 레독스 흐름 전지 성능 향상에 중요한 요소임을 확인하였다. 이러한 접근은 레독스 흐름 전지의 설계 및 개발 더 나아가, 에너지 저장 시스템의 발전에 중요한 전략으로 작용할 수 있다. Energy Storage Systems (ESS) have emerged as essential technologies for improving grid stability by compensating for the irregular production of renewable energy. A key example of ESS is the Redox Flow Battery (RFB), which stores electricity generated from renewable sources and supplies it as needed. This improves grid efficiency and reduces carbon emissions. Due to these benefits, RFBs have gained significant attention, leading to extensive research and development in this field. This study evaluates the performance of aqueous redox flow batteries using polyoxometalate (POM) and iron-based compounds. The negative electrode material used was used as tungstosilic acid (TSA), while the positive electrode materials were iron-based compounds: ferrocyanide, iron sulfate, and iron chloride. In the first study, ferrocyanide and TSA were used as a redox couple to compare battery performance under different NaOH electrolyte concentrations. Cyclic Voltammetry (CV) measurements showed that ferrocyanide and TSA exhibited reversible redox characteristics, and the charge-discharge experiments indicated that the highest capacity retention was observed at a concentration of 1.5 M. In the second study, iron sulfate and TSA were used as a redox couple to evaluate battery performance under different NaCl electrolyte concentrations. Electrochemical characterization showed that the current density of iron sulfate increased with the electrolyte concentration. However, charge-discharge experiments indicated that as the electrolyte concentration increased, the viscosity also increased, leading to higher mass transfer resistance and a subsequent decrease in battery capacity. In the third study, iron chloride and TSA were used as a redox couple to compare battery performance under 2 M sulfuric acid electrolyte conditions, examining the effects of different capacity ratios and the presence of malic acid additives. The performance was highest at a capacity ratio of 2.5:1. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) analysis showed that, at this ratio, the addition of malic acid further improved battery performance by reducing electrolyte resistance. This study confirms that adjusting electrolyte concentration, optimizing the electrolyte capacity ratio, and utilizing additives are critical factors in enhancing the performance of redox flow batteries. These approaches can serve as important strategies in the design and development of redox flow batteries and, further, inadvancing energy storage systems.

리튬이차전지용 대소입경 혼합 Nickel rich 양극 표면의 망간 산화물 코팅 제어에 관한 연구

이수빈 인천대학교 일반대학원 2022 국내석사

대나무로부터 바이오에너지와 탄소소재 생산을 위한 열분해반응 특성 연구

박정우 강원대학교 대학원 2019 국내석사

세계는 인구증가와 산업 발전으로 인해 에너지 수요가 기하급수적으로 증가하고 있다. 이로 인한 환경문제와 화석연료 고갈에 대한 문제에 직면하고 있다. 문제 해결방안으로 친환경 신재생에너지 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 친환경적으로 재생산이 가능하며 지속적으로 공급 가능한 바이오매스에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 바이오매스는 탄소화합물 특성으로 에너지원으로서의 역할뿐만 아니라 화석연료 공급원으로서의 역할까지도 기대할 수 있는 재생 자원이며, 지구상에서 1년간 생산되는 바이오매스는 석유의 전체 매장량과 견줄 수 있는 양이 생산된다. 본 연구는 생장속도가 빠르고 재배가 용이하며, 종이(Pulp)를 생산하는 목질계 바이오매스 보다 사용 용도가 낮은 대나무를 이용하여 열분해 특성을 연구와 바이오에너지 생산의 효용성 및 고품질 탄소소재 생산을 알아보고자 다음과 같은 연구를 진행하였다. 첫째, 대나무에 대한 원소분석, 무기물분석, 수분 및 회분함량 분석을 실시하여 대나무에 대한 물성 자료를 확보하였으며, TGA를 통해 열분해 특성을 파악하였다. 둘째, 마이크로 튜빙 반응기를 이용하여 대나무의 열분해반응 특성을 통해 속도식 모델을 적용하여 반응속도 상수를 계산하였다. 셋째, 기포 유동층 반응기를 이용하여 반응 조건을 온도 400~550 ℃, 최소 유동 속도 1.5~4 Umf, 대나무의 크기 및 유동화 매체를 변화시켜 열분해 생성물 수율과 특성을 분석하였다. 넷째, 관형 반응기를 이용하여 대나무와 인산을 혼합한 대나무를 탄화 시켜 활성탄 제조 실험을 수행하였다. 물리적 활성화 과정을 거친 후 생성되는 최종 생성물의 비표면적과 흡착 특성을 파악하여 상용 활성탄으로서의 가능성을 평가하였다. 본 연구를 통해 대나무의 바이오에너지 생산과 탄소소제 생산에 있어 주요한 열분해반응 특성 및 에너지원으로서 잠재적인 가치에 대한 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다. With exponential population growth and industrial development, energy demand has been gradually increased. This issue has led to environmental problems and the depletion of fossil fuels. Therefore, various studies have been performed in terms of new and renewable energy sources. Among them, biomass has been attracted not only as a renewable resource but also as a carbon resource. In addition, biomass production for every year can be comparable with petroleum reserves. Bamboo is one of the fastest growth rate biomass and easily cultivated on earth. To investigate the thermogravimetric characteristics, effectiveness of bio-energy, and high quality carbon materials of bamboo, as following study was carried out; First, the elemental analysis, mineral analysis, and moisture/ash content analysis of bamboo were performed to obtain physical property data for bamboo, and thermogravimetric analysis using TGA. Second, pyrolysis of bamboo was carried out in a micro-tubing reactor, and kinetic analysis have been tried to calculate reaction rate constants using proposed lumped kinetic model. Third, the effect of pyrolysis temperature (400~550 ℃), fluidization velocity (1.5~4.0 Umf), particle size of biomass, and bed material on product yield and characteristics of products were analyzed. Fourth, activated carbon was produced with the variation of carbonation conditions, mixing ratio of bamboo and phosphoric acid, and steam activation in a tubular furnace. The specific surface area and adsorption characteristics were systematically analyzed to evaluate of the performance of prepared activated carbon. This study can provide guidelines on the main pyrolysis characteristics of bamboo and the potential value as an energy source in the production of bio-energy and carbon scavenging of bamboo.

폐커피 분말의 열분해반응 특성 및 바이오에너지 생산 최적화 연구

심재욱 강원대학교 일반대학원 2018 국내석사

세계는 산업발전의 영향으로 지구온난화와 화석연료의 고갈의 문제에 직면하고 있다. 이 문제의 해결방안으로 신재생에너지에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 지속적인 공급이 가능하고 광합성을 통한 지구온난화 문제를 해결할 수 있는 바이오매스에 관한 연구 또한 주목받고 있다. 특히, 지구상에서 연간 생성되는 바이오매스는 전체 석유매장량과 견주는 양이 생성되며, 주요 구성성분이 탄소화합물인 바이오매스를 활용하여 에너지원 혹은 화학원료의 공급원으로서 화석연료를 대체할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이에 본 연구는 폐자원으로 버려지는 폐커피 분말을 재활용 하여 열분해반응 특성을 연구하고 바이오에너지의 효용성을 알아보기 위하여 다음과 같은 연구를 진행하였다. 첫째, 폐커피 분말에 대한 원소분석과 무기물분석 및 수분·회분함량분석을 실시하여 폐커피 분말에 대한 물성자료를 확보하였으며, TGA를 통해 활성화 에너지 16.44~26.41 kJ/mol을 확인하였으며 열분해특성을 파악하였다. 둘째, 마이크로 튜빙 반응기를 이용하여 폐커피 분말의 열분해반응 특성과 kinetic 모델을 적용하여 반응속도 상수를 계산한 결과 바이오-오일 생성 반응이 주도적 임을 확인하였다. 셋째, 기포 유동층반응기를 이용하여 반응조건을 온도 400~500 ℃, 최소 유동 속도 1.5~4.0 Umf , 유동화 매체를 변화시켜 460 ℃-2.0 Umf에서 바이오-오일 최고수율 59.43 wt% 및 열분해 생성물 수율 변화를 관찰 하였다. 본 연구를 통해 폐커피 분말의 바이오에너지 생산에 있어 주요한 열분해 반응특성 및 에너지원으로서 잠재적인 가치에 대한 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

금속-유기 골격체 내의 효율적인 에너지 전달을 활용한 광촉매 연구

박경철 인천대학교 일반대학원 2018 국내석사

자연계의 광합성 시스템을 성공적으로 모방하기 위해서는 상호보완적인 흡수와 에너지 주개와 에너지 받개사이의 에너지 전달이 필수 적이다. 이를 위해 정렬된 구조를 지니고 있는 금속-유기 골격체를 이용하여 에너지 전달 과정을 모방하고자 한다. 금속으로는 지르코늄을 사용하고, 리간드로는 1,3,6,8-tetrakis(p-benzoic acid)pyrene 과 [5,10,15,20-tetrakis(4-carboxy-phenyl)porphyrinato]-Zn(II) 를 사용하여 새로운 금속-유기 골격체인 MLM(Mixed-Ligand Metal-organic frameworks)를 합성하였다. 합성된 골격체에 사용된 두 가지 리간드는 동일한 대칭성과 연결성을 가지고 있어 단일 금속-유기 골격체를 성공적으로 합성 할 수 있었다. 또한 피렌의 방출스펙트럼과 포피린의 흡수 스펙트럼 사이의 중첩으로 인해 효율적인 에너지 전달이 가능한 금속-유기 골격체를 합성하였다. 이러한 에너지 전달에 대한 과정을 공 초점 이미지와 시간-분해 분광법을 이용해 시각화 하여 제시하였으며, 에너지 전달 과정으로 인한 우수한 일 중항 산소 생성 능력을 가지는 것을 입증 하였다. Solvothermal reaction between the Zr6 cluster and mixture of an appropriate ratio of 1,3,6,8-tetrakis(p-benzoic acid)pyrene (H4TBAPy) and [5,10,15,20-Tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrinato]-Zn(II) (Zn-TCPP) provided the mixed-ligand MOFs (MLMs, MLM-1~3). Due to the identical symmetry and connectivity of the two ligands, MLMs were successfully synthesized as a single MOF form. Efficient energy transfer (EnT) between two ligands in MLMs would be expected because of the good overlap between the emission spectrum of pyrene and the absorption spectrum of porphyrin. This expecting phenomenon was confirmed by the confocal fluorescence mapping and fluorescence lifetime mapping techniques carried out with the nanoscale spatial resolution. Moreover, MLMs were employed as a photoinduced singlet oxygen generator to verify their enhanced light-harvesting properties. MLMs exhibited the superior performances for singlet oxygen generation compared with those of comparative test subjects. The enhancement of light-harvesting through the complementary absorption and energy transfer between two ligands in MLMs is responsible for the increase of photoinduced singlet oxygen production ability.

연구실 안전사고 예방을 위한 안전진단 개선방안 연구

최성수 한국기술교육대학교 2019 국내석사

국내 산업계의 고부가가치 전략에 따라 정부 산하 및 기업연구소의 규모가 양적·질적으로 모두 증가하고 있다. 증가하는 연구 규모에 비례하여 연구실 안전사고 또한 증가하고 있으며 빈도뿐만 아니라 안전사고 강도 또한 커지고 있다. 유사한 상황인 미국, 일본 등 주요 선진국은 별도의 연구실 안전에 대한 법률이 제정되어 있지 않으나 각 국의 요구에 맞는 화학물 안전관리법에 의하여 화학연구실의 안전관리를 겸하고 있다. 국내에 서는 2005년 ‘연구실 안전환경조성에 관한 법률’이라는 독창적인 연구실 안전법을 시행하고 있으나 여전히 연구실 안전사고는 규모와 빈도에서 꾸준히 증가하고 있으며 그 중 화학연구실의 안전사고는 인명과 대규모 재산 피해에 직접적인 영향을 주고 있다. 2018년 대전의 H기업 연구소에서 실시한 연구실 정기안전점검과 2017 년 S연구소에서 실시한 정기안전점검 및 H기업 연구소에서 진행한 2018 년 연구실 정밀안전진단결과를 토대로 화학연구실에서의 안전실태를 분석하였다. 두 진단 모두 화학안전 분야에서는 주로 MSDS 미비치나 경고표지 미 부착 등 화학물질에 대한 관리가 미흡하였고, 화학물의 성상이 분류되어 있지 않거나 부적합한 장소에 보관과 같이 화학물질의 보관 또한미흡하였다. 이는 두 방법이 유사한 방식으로 진행되고 있으며, 점검 및진단이 정성적인 형식으로 이루어지고 있다는 문제점이 있었다. 또한 기존의 등급제가 실질적으로 연구실 안전을 향상시켜줄 수 있는 동기 부여가 되고 있지 못하고 있다. 화학연구실에 근거하여 다음과 같은 사항의 제도 개선안을 제시하였다. 첫째로 연구실 정밀안전진단을 정량적인 기준의 진단으로 개선하여 실험실의 고위험군 유해인자의 직접적인 진단과 개선이 가능하여야 한다. 둘째로 연구실 정기안전점검에서 화공약품의 사용에 관한 평가가 이루어져 실제 사용 시 위험요소를 파악하여야 한다. 본 연구를 통해 개발한 연구실 안전진단 평가기준 및 종합등급 산정방식을 활용하여 연구실 안전관리 실태가 객관적으로 평가되도록 함으로써 연구 실별 안전관리 수준을 정확히 제시할 수 있게 하였다. 평가된 연구실 등급을확인하고 각 연구실의 안전관리 및 조치가 원활히 이행되어 연구실 안전사고 예방에 기여하고자 한다. 본 연구를 바탕으로 화학물질을 취급하는 화학연구실의 안전관리제도가 실질적이며 보다 유효하게 개선될 것으로 희망한다. According to the high value-added strategy of the domestic industry, the size of government lab and enterprise research institutes both have increased in quantity and quality. As research increase, laboratory safety accidents are also increasing and the strength of the safety incidents as well as frequency are increasing. In the similar situation, major developed countries - USA and Japan do not have a special laboratory safety law, but they manage the safety of chemical laboratories according to the Chemical Safety Management Act that is in accordance with the requirements of each country. In Korea, an advanced laboratory safety law called 'Law for Establishment of Safety Environment for Laboratories' has been implemented in 2005. However, safety accidents in laboratory have been increasing steadily in scale and frequency. In particular, safety accidents in chemical laboratories have a direct impact on human life and massive property damage. I have analyzed the safety status of chemical laboratories based on the regular safety inspection of laboratories conducted at a corporate research center in Daejeon in 2018 and the precise safety diagnosis results of laboratories conducted at the same institute in 2017. In both chemical diagnosis shows a similar results. The management of chemical substances was poor such as MSDS was not available and warning signs had not seen. The storage of chemical substances was also poor such as stored in unsuitable environment and stored with mixed. This has led to the problem that both methods are proceeding in a similar manner, and that the inspection and diagnosis are performed in a qualitative format. In addition, existing grading systems are not motivated to actually improve laboratory safety. I suggested the following system improvements focused on the Chemistry Laboratory. First, the diagnosis should be done with the quantitative criteria in order to directly diagnose the high-risk harmful factors in the laboratory. Second, The risk analysis for the chemical substances should be done in order to identify the existing hazards. By using the evaluation criteria of the safety diagnosis for the laboratory and the method of calculating the overall rating of the laboratory safety, which is developed through this study, the safety management status of the laboratory can be objectively evaluated. I have studied the research to check the evaluated laboratory class and fulfill the action in order to prevent the laboratory safety accidents. Based on this research, I hope that the safety management system of chemical laboratories handling chemicals will be improved substantially and more effectively.

Digital device를 이용한 화학공장의 공정 patrol system 개선 방안 연구

이태형 한국기술교육대학교 2019 국내석사

화학산업의 발전과 성장은 국가 산업발전에 크게 기여한 측면이 있는 반면에 통제, 관리 실패로 인한 화학사고 발생이라는 어두운 면이 있는 것도 사실이다. 대부분 화학공장은 다양한 유독성 및 인화성 화학물질을 다루고 있기 때문에 한 번의 사고만으로도 막대한 인적, 물적 손실을 초래한다. 특히 국내 화학사고가 증가하고 있으며, 그 중 누출 사고가 지속적으로 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 이러한 누출 사고의 방지를 위해서는 화학공장의 평소 현장안전관리 시스템이 가장 중요하다. 누출에 대비한 시스템으로 공정에 가스 누출 감지기, CCTV, 화재 감지기 등이 설치되어 있으나, 설비의 센서 작동 이상 및 고장으로 잘못된 정보를 수신할 경우 현장의 이상 상황을 조기에 감지하지 못할 수도 있어 감시 설비에만 전적으로 안전을 의존할 수 는 없는 것이다. 본 논문은 이런 감시 설비들의 문제점을 보오나 할 수 있는 기본적이면서도 필수적인 현장 순찰(Patrol)을 강화하기 위하여 PDA와 Beacon을 통해 공정안전관리 측면에서 개선된 방법을 제시하였다. 그리고 제시한 방안에 대한 타당성을 검증하기 위해 울산, 여수, 대산 소재 A, B, C 화학공장에 Beacon을 제외한 PDA를 공정 순찰(Patrol) System에 2개월 적용하였고 이에 대해 총 98명을 상대로 만족도 설문조사를 실시하였다. 공정 순찰(Patorl)에 PDA사용을 통해 확인된 개선점은 다음과 같다. 첫째, 작업자의 실수 및 업무 소홀에 의한 화학공장 공정 순찰(Patrol) 지점을 누락하는 실수를 방지할 수 있다. Logging 지점마다 주변에 바코드를 부착하면 작업자는 PDA를 지참하고 순찰(Patrol)을 수행하기 떄문에 바코드를 스캐너로 반드시 스캔해야 그 Gauge값들을 입력할 수 있다. 즉, 바코드를 스캔하면서 그 주변을 몇 시에 순찰(Patrol) 하였는지 기록이 남게 되어 만약 사고가 날 경우 사고의 경위 파악이 쉽게 된다. 또한 바코드를 스캔하지 않은 순찰(Patrol) 지점이 있다면 PDA에 기록이 남고 경고 알림을 통해 작업자의 업무 소홀을 방지할 수 있다. 안전관리 측면으로 현장에서 꼭 주기적으로 확인해야하는 순찰지점에 대한 누락을 방지하는 것이다. 둘째, Logging 시 종이 Sheet를 PDA로 대체하면서 업무의 편의성을 증가시킬 수 있다. 보통 큰 종이에 Logging하는 것에 비해 작은 PDA 사용으로 간편할 뿐만 아니라 내구성이 뛰어나 활동성을 요하는 현장 업무에 적절하다. 야외에서 폭우, 폭설 중에 종이 Sheet를 기록해야 되는 애로사항으로 업무효율을 떨어뜨리게 하지만 방수, 방진의 산업용 PDA에 기록하는 특성상 위와 같은 애로사항에 대해 업무효율을 증진시켜 주는 것이다. 셋째, Logging Data의 Big Data화로 기존보다 활용범위를 넓힐 수 있다. 종이로만 기록되어 온 수많은 Logging Data를 PDA를 활용해 컴퓨터로 송신하면 Big Data로 누적되어 공정 파라미터들의 최적값 산출에 활용될 수 있다. DCS Data와 겹치는 항목에 대해서는 오차 범위를 벗어나는 값들에 대해 자동적으로 알람을 띄우게 하여 온도, 압력, 레밸 등 DCS로 송신하는 계기가 잘못 되었는지 Local Gauge가 잘못되었는지 확인할 수 있다. 이에 온도, 압력, 레밸 등의 파라미터들을 보고 공정 운전을 하는 화학공장의 특성상 이 값들에 대한 오류가 있을 시 공정 안전상에 문제가 될 수 있기 떄문에 이를 미연에 방지할 수 있을 것이다. 설문조사로 진행 된 결과 확인된 개선점은 위와 같지만 이번 연구에서 적용하지 못하였던 Beacon을 PDA와 같이 적용할 시 아주 뛰어난 공정안전관리 Device중 하나가 될 것으로 기대되며 이에 대한 예상 효과는 다음과 같다. 첫째, 위험성 평가를 통해 도출된 위험지역에 Beacon 설치를 통한 작업자 위치 모니터링이 가능하다. GPS보다 정밀한 위치 추적이 가능한 Beacon을 설치한 곳에서부터 몇 m를 위험구역으로 할 것인지 설정하면 작업자가 위험 지역에 진입할 시 Control Room에서 이를 확인할 수 있게 하고, 위험지역 내에서의 위치를 실시간으로 모니터링이 가능하다. 둘째, Beacon이 설치된 위험 지역 진입시 팝업, 소리, 진동과 같은 알람으로 위험지역임을 환기 시킬 수 있다. 작업자가 위험지역에서 팝업 서비스를 통해 위험지역에서의 위험 인자, 필요한 보호구, 물질에 대한 MSDS 등을 확인할 수 있게 하여 충분한 위험 인지가 가능하다. 특히 공정 안전관리의 변경관리 측면에서 비상변경 또는 임시변경 건 등 갑작스럽고 중요한 변경 사항에 대한 정보 전달에 유용할 것으로 기대된다. 셋째, 위험지역에 대한 작업자 접근 통계를 분석하여 활용할 수 있다. 작업자가 위험지역으로 진입하면서 Beacon과의 거리측정을 통해 평소 위험지점까지의 접근 평균거리를 알 수 있고, 위험경고 알림 횟수를 분석하여 위험지역으로의 접근 횟수를 알 수 있다. 이를 근거로 작업자가 근무 중 위험지역에 얼마나 노출되는지 확인 후 위험성 평가를 다시 실시하여 안전대책을 세울 수 있다. While the development and growth of the chemical industry has contributed greatly to the development of the national industry, on the other hand it is true that there is a dark side of chemical accident caused by control and management failure. Most chemical plants use a variety of toxic and flammable chemicals, which causes huge human and material losses in a singe accident. Especially, domestic chemical accidents are increasing, among which leakage accidents are consistently the largest. In order to prevent such a leakage accident, safety management system of the chemical factory is usually most important. Gas leakage detector, CCTV, fire detector, etc. are installed in the process as a system to prepare for leakage. However, if wrong information is received due to abnormal operation or malfunction of the sensor of the facility, It can not be relied solely on safety. This study presents an improved method of process safety management through PDA and Beacon in order to strengthen basic and essential on – site patrol that can overcome the problems of these monitoring facilities. In order to verify the validity of the proposed measures, PDA except Beacon was applied to the patrol system for 2 months at A, B and C chemical plants in Ulsan, Yeosy and Daesan. Satisfaction questionnaires were conducted for 98 people. The identified improvements of using PDA in process patrol are as follows. First, it is possible to prevent a mistake in omitting chemical plant process patrol points due to operator error and neglect of work. When attaching a barcode around each logging point, the operator must patrol the barcode with the PDA, so the barcode must be scanned with the scanner to enter the gauge values. In other words if you scan a barcode, you will have a record of how many times you patrol the area around it, and this record makes it easy to identify the accident that occurred. In addition, if there is a patrol point that does not scan the bar code, the PDA will keep a record and alert notification will prevent the operator from neglection the work. In terms of safety management, it is necessary to prevent omissions in patrol points that must be periodically checked in the field. Second, it can increase the convenience of patrol by replacing paper with PDA when logging. It is easy to use with a small PDA compared to logging on a large paper, and it is durable and suitable for the field work that needs activity. It is a difficult task to record paper sheets during heavy rains and heavy snowfalls in the open air, thereby reducing work efficiency. However, due to the fact that it is recorded in the waterproof and dustproof industrial PDA, it will improve the work efficiency against the above difficulties. Third, the use of Big Data in Logging Data can broaden the scope of application. When a large number of logging data is transmitted to a computer using a PDA, it can be accumulated in Big Data and used for calculating the optimum value of process parameters. For parts overlapping with DCS data, an alarm is triggered automatically for values outside the error range. You can check if the instrument sending to DCS for temperature, pressure, level, etc. is wrong or local gauge is wrong. Therefore, due to the characteristic of the chemical plant if there is an error in these values, it will be a problem for the process safety and it can be prevented in advance. As a result of the surveys, the confirmed improvement is as above. However, Beacon, which was not applied in this study, is expected to be one of the outstanding process safety management devices when applied with PDA. The expected effects are as follows. First, it is possible to monitor the operator’s location by installing Beacon in the dangerous area derived from the risk assessment. If you set a few meters from where you installed Beacon, which can be more precise positioning than GPS, When the operator enters dangerous area, it cam be confirmed in Control Room and it is possible to monitor the position in danger zone in real time. Second, when entering the hazardous area where Beacon is installed, alarms such as pop-ups, sounds, and vibrations can remind dangerous areas. It is possible for the operator to be aware of the risk factors, required protective equipment, MSDS for the substances, etc. through the pop-up service in the dangerous area, thus recognizing the danger sufficiently. Especially, it is expected to be useful for informing about sudden and important changes such as emergency change or temporary change in the aspect of change management of process safety management. Third, it cam be used by analyzing the operator access statistics on the dangerous area. As the operator enters the hazardous area, the distance to the beacon is measured and the average distance approach to the danger point is known. By analyzing the number of danger warning notifications, the number of accesses to the hazardous area can be also known. Based on this, it is possible to determine how much the operator is exposed to the dangerous area while working and then to carry out the risk assessment again to establish safety measures.