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본 연구에서는 과불화 알킬 사슬이 도입된 산화 그래핀(perfluoroalkyl-grafted graphene oxide, FGO)을 합성하고, 이를 과불소화계 고분자인 나피온(Nafion)에 복합화하여 바나듐 레독스 흐름 전지(vanadium redox flow battery, VRFB)용 이 온 교환 막을 개발하고자 하였다. FGO는 염기성 촉매 하에서 카르복실산기를 함유한 폴리(헥사플루오로프로필렌 옥사이드) (157 FSL, DuPont)의 카르복실산기와 GO의 에폭시기 간 개환 에스터화 반응을 통해 합성하였다. 합성된 FGO를 Nafion 기 지체에 함량을 달리하여 첨가한 복합막(N/FGO_X)을 제조하고, 함수율, 체적 안정성, 수소 이온 전도도, 바나듐 이온 투과도 및 셀 성능을 평가하였다. N/FGO 복합막은 Nafion 단일막 대비 낮은 함수율과 체적 변화율을 보였으며, FGO의 물리적 차단 효과에 의해 바나듐 이온 투과도가 감소하면서도 수소 이온 전도도를 유지하여 우수한 이온 선택도를 나타내었다. VRFB 단 위 셀 평가 결과, FGO가 도입된 복합막은 Nafion 단일막을 적용한 셀 대비 높은 방전 용량, 쿨롱 효율 및 에너지 효율을 유 지하였다.
In this study, perfluoroalkyl-grafted graphene oxide (FGO) was synthesized and incorporated into a perfluorinated polymer matrix (Nafion) to develop an ion-exchange membrane for vanadium redox flow battery (VRFB). FGO was prepared via a ring-opening esterification reaction between the carboxylic acid groups of poly(hexafluoropropylene oxide) containing carboxylic acid groups (157 FSL, DuPont) and the epoxy groups on GO in the presence of a basic catalyst. Composite membranes (N/FGO_X) with different FGO contents were fabricated and evaluated based on water uptake, dimensional stability, proton conductivity, vanadium ion permeability, and single-cell performance. The N/FGO membranes exhibited lower water uptake and less dimensional change than pristine Nafion, while maintaining similar proton conductivity. Due to the physical barrier effect of FGO, the membranes significantly reduced vanadium ion permeability, resulting in improved ion selectivity. The VRFB single-cell tests confirmed that the N/FGO membranes achieved higher discharge capacity, coulombic efficiency, and energy efficiency compared with the pristine Nafion membrane.
Abstract
1. 서 론
2. 실 험
2.1. 시약 및 재료
2.2. 과불화 알킬기 그래프트된 GO (FGO) 합성
2.3. FGO가 도입된 Nafion 기반 복합막 (N/FGO) 제조
2.4. 특성 평가
2.5. 바나듐 레독스 흐름 전지(VRFB) 성능 평가
3. 결과 및 고찰
3.1. FGO 합성
3.2. 함수율과 체적변화율
3.3. 수소 이온 전도도와 바나듐 이온 투과도 및 이온선택도
3.4. VRFB 셀 성능 평가
4. 결 론
감 사
Reference
