알코올 혼합법에 의한 NiO 나노입자의 제조와 특성

Theories and  Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

김두현, 신상일, 송기창

건양대학교 화학공학과

Preparation and Characteristics of Nickel Oxide Nanoparticles

by Alcohol Mixing Method

Du Hyun Kim, Sang Il Shin, Ki Chang Song

Department of Chemical Engineering, Konyang University

서론

오늘날 우리 사회가 본격적으로 고도 정보화 사회가 되어 감에 따라 상업적인 정보는 물론 개인적 정보의 부가가치가 점차 높아지고 있다. 이에 따라 신뢰성이 높은 정보 통신 시스템이 요구되고 있으며, 이와 함께 안정적인 전기 에너지 확보가 절대적으로 필요하게 되었다. 또한 석유 에너지 고갈에 의한 대체 에너지의 개발이라는 요구가 꾸준히 진행되어 오고 있다[1].

NiO는 이러한 대체에너지 system인 일차·이차 전지의 전극 활 물질, 전자 착색 재료, 전해조의 전극, 초고용량 캐패시터 등으로의 응용 범위가 매우 넓고 다양하게 사용되고 있는 재료이다. 또한 가격이 저렴하면서도 에너지 저장 능력이 뛰어난 것으로 알려져 있다[2].

현재 초고용량 캐패시터용 NiO 전극을 제조한 대표적인 예로는 미국 Wisconsin 대학의 Mark A. Anderson 교수 팀의 연구를 들 수 있다[3]. 그들은 출발물질로 nickel acetate를 사용하여 이를 증류수에 녹여 수용액을 만든 후 일정 시간 동안 (1∼2 day) 교반하여 가수 분해 반응을 진행 시켜 침전물을 얻은 후 이 침전물을 여과시켜 얻어진 나노입자로 nickel foil 위에 코팅하여 전극으로 제조하였다. 그러나 이들이 제조한 나노입자의 직경은 50∼100nm로 상당히 큰 크기를 보였고 전극의 비축전 용량의 큰 영향을 미칠 것으로 판단되는 특성인 활성 물질의 비표면적, pore volume, pore diameter 등의 기공 특성을 전혀 고려하지 않았다는 문제점이 제기되고 있다. 따라서 본 연구에서는 최근에 활발히 연구되고 있는 알코올 혼합법을 사용하여 전극 활 물질로 사용되는 NiO 나노입자를 제조하고자 한다.

알코올 혼합법은 지금까지 일반적으로 사용해 왔던 금속 수용액에 첨가제를 직접 첨가해 분말을 생성하는 방식(침전법) 대신에 금속염의 수용액에 일정량의 알코올을 첨가한 후 가열하여 분말을 생성하는 방법으로서 알코올의 첨가와 온도의 증가가 용액의 유전상수를 감소시켜 금속염의 용해도를 감소시키므로 침전이 발생하게 된다[4]. 기존의 침전법에서는 제조 공정 상 생성된 입자들의 응집이 심해 나노 입자를 제조하기 어려웠지만, 알코올 혼합법에서는 응집이 없는 나노 입자를 제조할 수 있다. 본 연구에서는 알코올 혼합법으로 NiO 나노입자를 제조한 후 여러온도에서 열처리하여 그 분말의 특성변화를 살펴보았다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

실험

본 실험에서는 출발물질로서 Nickel acetate tetrahydrate (Aldrich 98%)를 사용하였으며, 일정량의 Nickel acetate tetrahydrate에 증류수를 가하여 0.2M의 수용액을 50mL 제조하였다. 이렇게 제조된 수용액에 일정부피의 Ethanol (250mL)을 첨가하여 수조에서 81℃까지 서서히 승온하였다. 승온 과정 중 침전이 발생하여 침전물이 얻어지는데 81℃에서 침전물이 재 용해되는 현상을 방지하기 위해 침전제로써 5N농도의 NH4OH를 첨가해 용액의 pH를 9로 조절하였다. 그 후 이 용액을  8500rpm에서 10min동안 원심분리시켜 침전물을 얻었다. 침전물에 있는 불순물을 제거하기 위하여 일정부피의 증류수로 2회 세척을 실시하였다. 세척된 분말을 100℃의 건조오븐에서 건조시킨 후 막자사발로 분쇄하여 미분말을 제조하였다. 건조된 분말을 각각 150℃, 200℃, 250℃, 300℃로 열처리시켜 XRD, FT-IR, BET측정 등으로 분말의 특성을 살펴보았다.

결과 및 토론

Fig.1은 원심분리에 의해 얻어진 침전물을 250℃에서 1시간 하소시켜 제조한 NiO 나노입자의 TEM사진이다. 전반적으로 3-4nm크기의 일정한 크기의 구형 입자들이 균일하게 존재하는 미세구조를 나타내고 있다. Fig.2는 100℃분말에 대하여 2℃/min의 승온속도로 600℃까지 열분석을 한 결과이다. DTA곡선은 250℃부근에서 강한 발열Peak가 나타나는데 이것은 수산화물의 결정수와 Nickel acetate중의 acetate기가 소멸되면서 나타나는 Peak로 사료된다. 한편 TG곡선은 50-100℃부근에서 탈수로 인한 것으로 여겨지는 중량감소가 일어나며, 250-300℃ 부근에서는 결정수의 탈수 및 acetate기의 연소에 의해 중량감소가 크게 진행되는 경향을 보여주고 있다. Fig.3은 여러 온도에서 열처리시킨 분말에 대한 비표면적 결과이다. 250℃이하에서는 H2O나 acetate기와 같은 불순물이 분말사이의 기공을 막고 있어 기공이 발달하지 못해 100m2/g이하의 낮은 비표면적을 보이다가 250℃에서 불순물들이 제거되면서 급격히 상승하여 161m2/g의 수치를 보였다. 또한 300℃에서 비표면적이 감소하는데 이는 결정화가 일어나 분말의 크기가 커져 비표면적이 감소하는 결과로 인한 것이다. Fig.4는 여러 온도에서 열처리된 분말의 XRD결과로 100℃, 150℃, 200℃에서는 비정질을 보이다 250℃의 온도에서 결정화되는 것을 확인 할 수 있다.

Theories and  Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

참고문헌

□1. B. E. Conway, J. Electrochem. Soc. 138, 1539 (1991).

2. S. Trasatti and p. Kurzweil, Platinum Met. Rev. 38, 46 (1994).

3. K. C. Liu and M. A. Anderson, J. Electrochem. Soc. 143(1), 124 (1996)

4. Y. T. Moon, D. K. Kim and C. H. Kim, J. Am. Ceram. Soc. 78(4) 1103 (1995)

Fig.1 TEM morphology of nickel oxide powder heat-treated at 250℃.

Fig.2 TG-DTA data of nickel oxide powder dried at 100℃.

Fig.3 The specific surface areas of nickel oxide powders calcined

at several temperatures.

Fig.4 X-ray diffraction patterns  of nickel oxide powders calcined

at several temperatures.