본 연구에서는 유기계 산화 방지제인 가려진 페놀이 그래프팅된 산화 그래핀(hindered phenol-grafted graphene oxide, HP-GO)을 합성하였고, 이를 도입한 나피온(Nafion) 기반의 복합 막을 제조하여 고분자 전해질 막 연료전지에 응용하 였다. HP-GO는 3,5-디-tert-뷰틸-4-히드록시페닐프로피오닐 클로라이드에 존재하는 염화 카보닐기(carbonyl chloride)와 GO에 존재하는 히드록시간의 치환 반응을 통해 합성되었으며, 합성된 HP-GO를 고분자 기지체 대비 0.01~0.5 wt%까지 포함하는 복합 막을 제조하여 순수 Nafion과의 물성 차이를 비교하였다. 특정 함량의 HP-GO가 첨가된 복합 막은 순수 Nafion에 비해 우수한 인장강도와 수분 흡수율 및 치수안정성을 나타내었다. 특히 HP-GO의 산화 방지 특성으로 인해 HP-GO가 첨가된 복 합 막은 장시간의 펜톤 평가(Fenton’s test) 이후 순수 Nafion 대비 높은 산화 안정성을 나타내었다. 또한 HP-GO에 의한 향상 된 수분 흡수율에 의해 복합 막은 전 습도 구간에서 순수 Nafion 대비 우수한 수소 이온 전도도를 나타내었다.

본 연구에서는 산화 방지 특성이 있는 가려진 페놀기를 도입한 산화 그래핀(hindered phenol-grafted graphene oxide, HP-GO)을 합성한 후 탄화수소계 고분자인 sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES)을 기지체로 사용한 복합 막을 제조하여 고분자 연료전지 시스템에 응용하고자 하였다. HP-GO는 GO 표면의 하이드록시기(hydroxy group)와 HP의 염화 카 보닐(carbonyl chloride) 간의 친핵성 아실치환 반응을 통해 합성되었으며, HP-GO의 비율을 다르게 첨가한 복합 막을 제조한 후 선형 SPAES 막과의 비교를 통해 성능 특성 변화를 확인하였다. 특정 함량의 HP-GO를 첨가한 복합 막의 경우 선형 SPAES 막에 비해 체적 안정성과 기계적 강도 및 수소 이온 전도도가 증가된 것을 확인할 수 있었으며, 펜톤 평가(Fenton’s test) 진행 후 막 분해 시간 및 잔여 막 무게 비율이 증가되는 경향을 통해 화학적 내구성 역시 증가한 것을 확인할 수 있었다.

이 실험에서는 α-Al2O3 지지체 위에 진공 코팅(vacuum coating)과 딥 코팅(dip-coating) 기법을 사용하여 GO/γ -Al2O3 중간층을 형성하였고, 무전해도금 방식을 통해 Pd-Ag 수소 분리막을 제작하였다. Pd와 Ag는 각각 무전해도금을 통해 지지체 표면에 증착되었으며, 합금화를 위해 도금 과정 중 H2 분위기 하에서 500°C에서 18 h 동안 열처리를 진행하였다. 제 조된 분리막의 표면과 단면은 SEM을 통해 분석되었으며, Pd-Ag 분리막의 두께는 1.88 μm, GO/γ-Al2O3 중간층을 가진 Pd-Ag 분리막의 두께는 1.07 μm로 측정되었다. EDS 분석을 통해 Pd-77%, Ag-23%의 조성으로 합금이 형성된 것을 확인하 였다. 기체투과 실험은 H2 단일가스와 H2/N2 혼합가스를 이용하여 수행되었다. H2 단일가스 투과실험에서 450°C, 4 bar 조건 하에서 Pd 분리막의 최대 H2 플럭스는 0.53 mol/m²·s로, Pd-Ag 분리막의 경우 0.76 mol/m²·s로 측정되었다. H2/N2 혼합가스 실험에서 측정된 분리막의 separation factor는 450°C, 4 bar 조건에서 Pd 분리막이 2626, Pd-Ag 분리막이 13808로 나타났다.

그래핀 산화물(GO), 폴리에틸렌 글리콜 다이아크릴레이트(PEGDA), 폴리에틸렌 글리콜 메틸 에터 아크릴레이트 (PEGMEA)의 나노복합체를 자외선 광중합을 통해 합성하였다. GO는 가교된 폴리에틸렌 옥사이드(XPEO) 매트릭스 내에 최 대 1.0 wt% 농도까지 균일하게 분산시켰다. 더 높은 농도에서는 GO가 응집되는 경향을 보였다. 잘 분산된 GO는 친수성 PEO 사슬과 추가적인 화학적 가교 네트워크를 형성했다. XPEO-GO 나노복합체는 GO 농도에 따라 기계적 강도 및 염과 가 스에 대한 차단 특성이 향상된 것으로 나타났다. 이 연구는 다양한 GO 농도와 플레이크 크기를 가진 XPEO-GO 하이드로겔 의 제조 및 특성화를 다루고 있다. 이러한 특성은 나노복합 하이드로겔이 강화된 XPEO 기반 바이오소재 및 고급 항균성 한 외여과(UF) 친수성 코팅에서의 잠재적 응용 가능성을 시사한다.

비록 산화 그래핀의 비표면적은 환원된 산화 그래핀에 비해 낮지만, 산화 그래핀의 이산화탄소 흡착량은 기존 그 래핀 또는 환원된 산화 그래핀에 비해 많다. Lerf-Klinowski 모델에 따르면, 산화 그래핀은 가장 자리와 면 내부에 수산화기, 에폭시드, 카보닐, 카복실기 등이 있으며, 이러한 작용기가 이산화탄소 분자와 강하게 결합하여 화학 흡착을 유도한다. 본 연 구에서는 산소 플라즈마/UV 오존 및 열처리를 통해 그래핀 산화물의 산소 함량과 이산화탄소 흡착 친화도 사이의 상관관계 를 탐구하였다. 산소 함량의 변화는 XPS와 FT-IR 분석을 통해 확인하였다. 흥미롭게도 산화 그래핀의 이산화탄소 흡착 경향 은 전체 산소 함량과 정비례하지 않았다. 반면, XPS 분석 결과 산화 그래핀의 카보닐 작용기가 이산화탄소 흡착에 중요한 기 여를 하는 것으로 나타났다. 이러한 연구 결과는 산화 그래핀의 특성 및 이를 활용한 탄소 포집 및 가스 저장 응용 가능성에 대한 통찰을 제공한다.