연료전지 핵심 소재인 고분자 전해질막은 높은 내화학성과 수소이온전도성을 갖는 과불소계 술폰산 이오노머가 주로 사용된다. 하지만 이러한 이오노머조차도 연료전지 구동 중 발생하는 라디칼 공격으로 인해 화학적 분해가 발생하여 장 기 내구성 확보에 어려움을 겪고 있다. 이를 완화하기 위해 라디칼 스캐빈저로 도입이 간편한 이온형 산화방지제를 적용하고 있으나, 연료전지 구동 중 전극 간 전위차에 의해 세륨 이온이 이동(cerium ion migration)하는 현상으로 스캐빈저 효과가 감 소하는 문제가 있다. 본 연구에서는 강화막 내에서 세륨 이온의 이동성을 조절하기 위한 방안으로 폴리에틸렌글리콜(PEG) 도입을 제시하였으며, 이를 통해 PEG 도입이 강화막의 내구성에 미치는 영향을 조사하였다.

본 연구에서는 상용 폴리염화비닐을 개질하여 두 종류의 PVC 기반 이온교환용 고분자를 성공적으로 제조하였다. 이후 개질된 두 이온교환 고분자를 활용한 전기방사 공정과 열 압착 공정을 거쳐 2차원 계면(2D-PVC-BPM)과 3차원 접합부 (3D-PVC-BPM)를 갖는 바이폴라막(BPM)을 제조하였다. 제조된 3D-PVC-BPM은 2D-PVC-BPM에 비해 우수한 물 분해 효율 및 안정성을 보였다. 구체적으로, 300 mA cm-2의 고전류 밀도에서 3D-PVC-BPM은 2D-PVC-BPM가 나타낸 전위보다 4.4 V 낮은 8.05 V의 막 전위를 나타냈다. 더욱이, PVC 주쇄가 가진 내화학성 덕분에 3D-PVC-BPM은 가혹한 조건에서도 높은 화 학적 안정성을 보였고, 이는 4 M H2SO4 및 4 M NaOH 용액에 28일간 침지한 후 관측된 질량 손실이 각각 2.8%와 2.1%에 그친 것을 통해 입증되었다. 끝으로, 3차원 접합부가 3D-PVC-BPM에 맞물림(interlocking) 효과와 넓은 계면면적을 제공해준 덕분에 3D-PVC-BPM의 인장 강도는 36 MPa를 초과했고 신장률 또한 약 50%에 이르는 등 우수한 기계적 물성을 나타냈다.

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.

본 연구에서는 이온성 물질 제거와 재생을 동시 수행하는 바이폴라막에 대한 운전 조건에 따른 성능 영향과 고회 수율을 위한 재생 조건을 연구하였다. 유입수의 농도와 유량이 증가할수록 제거율이 빠르게 감소하였으며 제거율 80% 지점 까지 유입수 농도 300 mg/L에서 최대의 TDS 제거용량을 나타내었고, 유입수 유량은 낮을수록 더 많은 TDS 제거용량을 나 타내었다. 낮은 전압에서는 제거율이 급격하게 감소하였고 전압이 높아질수록 제거율이 증가하지만, 일정 수준 이상의 전압 에서는 추가적인 제거율 향상을 보이지 않았다. 한편 재생을 위한 전압은 75 V로 선정하였는데, 이 이상의 재생 전압에서는 온도의 급격한 상승 및 이로 인한 바이폴라막의 손상이 관찰되었다. 재생 시 재생수의 공급을 최소화하기 위한 다양한 운전 모드가 평가되었고 70%의 고회수율을 구현할 수 있는 재생모드를 제안하였다.

고온 구동형 고분자 전해질 막 연료전지(high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, HT-PEMFC)는 구동 중 발생되는 불순물에 대한 내성이 높고 물관리가 용이하며 고순도의 가스를 연료로 사용하지 않아도 되는 장점을 갖는 다. HT-PEMFC는 인산이 도핑된 막을 통해 수소이온이 전도되기 때문에 전해질 막의 높은 인산의 유지율이 요구된다. 본 총 설에서는 인산의 침출을 방지하여 고성능의 HT-PEMFC용 고분자 전해질 막을 개발하기 위해 1) 인산이 도핑된 전해질 막의 인산 침출에 영향을 미치는 요소를 파악한 후, 이를 개선하기 위해 2) 폴리벤즈이미다졸 기반 막과 인산과의 상호작용을 강 화하여 인산 침출을 방지할 수 있도록 고분자 구조 설계를 진행한 연구와 3) 이오노머의 이온교환 작용기와 인산과의 이온 쌍 상호작용을 통해 인산의 침출을 방지할 수 있도록 이오노머 구조 설계를 진행한 연구들에 대해 살펴보고자 한다.

In this study, in order to develop an eco-friendly filtration method that considers the health and safety of the aquatic ecosystem by differentiating it from chemical methods (coagulants, oxidants, etc.), which are mainly used as methods for managing the removal of algae in the algal bloom stage, an effective separation membrane for algae removal was reviewed, an appropriate technology was proposed through field application, and the effect of algae removal was evaluated. The membrane used was applied in the field by constructing an optimal technology through auxiliary facilities with an immersion tubular membrane and a pressurized tubular membrane resistant to adhesive pollutants and algae. As a result, the strong characteristics of Fouling (blocking) by adhesive algae were confirmed, and the effect of removing algae and particulate matter in the immersion type tubular membrane was 99% chlorophyll-a (Chl-a), 99.2% suspended solid (SS), and 96.7% of pressurized tubular membranes, showing excellent effects in removing algae and particulate organic matter. In addition, as a result of field application to eutrophic reservoirs where high-density algae are distributed, it was confirmed that stable operation of algae was possible during the process of filtering, separation, and concentration.

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.

본 연구에서는 산 폐수에서 효율적인 산-금속이온 분리를 위한 전기투석 공정에 적용할 수 있는 1가 이온에 대한 높은 선택성을 가진 양이온 교환막의 제조에 관한 연구를 수행하였다. 설폰산기를 가진 sodium 4-vinylbenzenesulfonate (NaSS), 포스폰산기를 가진 vinylphosphonic acid (VPA) 단량체 및 가교제를 비대칭 구조의 다공성 지지체에 충진하고 in-situ 광중합을 통해 세공충진 양이온 교환막을 제조하였다. 제조된 세공충진 양이온 교환막은 상용막 대비 이온교환용량이 다소 낮았으나 실제 응용에 적합한 수준의 전기적 저항 및 기계적 물성을 나타내었다. 다양한 NaSS:VPA 몰 비율로 제조된 세공충진 양이온 교환막과 상용막(CSE, Astom, Japan)의 H+/Fe2+ 혼합용액에서의 선택투과도를 측정한 결과 NaSS:VPA = 25:75 조건에서 가장 우수한 선택투과도를 확인하였으며 이는 상용막 대비 10 이상 높은 값이었다. 또한 최적 조건의 제조막 을 이용한 H+/Fe2+ 혼합용액의 전기투석 결과 상용막 대비 우수한 산-금속 이온 분리 성능을 확인할 수 있었다. 이온전도성이 우수한 설폰산기와 금속이온에 대한 결합력이 강한 포스폰산을 함께 도입한 양이온 교환막은 Fe2+ 이외에도 산 폐액으로부터 다양한 유가 금속이온을 분리하는 데 효과적일 것으로 기대된다.

높은 종횡비와 원자 수준의 얇은 두께를 갖는 다공성 2D 소재는 고성능 분리막 제작에 활용된다. 이를 위해서는 다공성 2D 소재를 다공성 지지체 위에 균일하게 도포할 수 있는 코팅법이 필수이다. 본 연구는 이를 위한 제올라이트 MFI 나노막의 간단하면서도 효과적인 코팅법을 제시한다. 직접합성법으로 합성된 제올라이트 MFI 나노막은 물에 분산되면서 동 시에 표면 활성을 보여, 이 특성을 활용하여 소수성 계면에 흡착시키는 것이 가능하다. 소수성 개질을 다양한 형태의 지지체 에 적용하여, 이들 표면에 고밀도의 나노막 흡착 코팅이 가능함을 보였다. 또한, 이 흡착코팅의 반복 수행을 통해 나노막의 완전피복을 달성하고, 이를 연속적인 MFI 필름 및 멤브레인으로 성장시킬 수 있었다. 이 간단한 코팅법은 제올라이트 나노막 뿐만 아니라, 표면활성을 보이는 다른 2D 소재에도 적용 가능할 것으로 보이며, 2D 소재의 활용도를 제고할 수 있을 것이다.

에너지 저장 장치의 필수 요소인 리튬에 대한 필요성이 증가함에 따라 전 세계 리튬 침전물의 주요 공급원인 염 수로부터 효율적인 리튬 회수 방법의 개발이 요구됩니다. 염수로부터 리튬을 회수하는 과정은 유사한 특성을 가진 공존하는 이온의 존재로 인해 복잡합니다. 크라운 에테르 기능화된 막은 선택적 리튬 회수를 위한 유망한 솔루션을 제시합니다. 이온- 쌍극자 상호 작용을 통한 금속 이온에 대한 강한 친화력으로 유명한 크라운 에테르는 공동-이온 크기 호환성에 기반한 리튬 이온의 선택적 추출을 촉진하는 “호스트-게스트” 복합체를 형성합니다. 다양한 연구에서 크라운 에테르 이식된 막이 리튬 선 택성을 향상시키는 데 효과가 있음이 입증되었습니다. 이 리뷰는 크라운 에테르 기능화된 막의 발전을 탐구하여 염수로부터 의 리튬 회수 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 보여줍니다.