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.

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.

수전해는 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 방법으로, 재생에너지와 연계할 경우 이산화탄소 배출이 없는 청정 수소생산이 가능하다. 수전해 기술 중, 알칼라인 수전해와 음이온교환막 수전해는 알칼라인 환경에서 구동되어 저렴한 비귀 금속 전극 사용이 가능하여, 재생에너지를 연계한 대용량 수소생산에 적합한 기술로 평가받는다. 수전해 시스템에서 분리막 은 안정성과 효율성을 담당하는 핵심부품으로, 안정적이고 효율적인 수소생산을 위하여 높은 기체차단성과 높은 이온전달능 을 필요로 한다. 수전해에 사용되는 분리막은 구조 및 특성에 따라 다공막, 이온솔베이팅 분리막, 박막 복합 분리막, 음이온교 환막으로 분류되고, 각각의 분리막은 구조 및 특성이 상이하여 각각의 특성을 보완하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 본 총설에서는 알칼라인 수전해 및 음이온교환막 수전해에 사용되는 분리막들의 구조 및 특성과 연구 현황에 대해 소개하고자 한다.

멤브레인 기술은 폐수 처리, 담수화, 혈액 투석 등의 분리 공정에서 사용되고 있다. 하지만, 고분자 멤브레인을 만 들기 위해 사용되는 비용매상전이 방식에서 환경에 유해하고 독성인 유기 용매를 사용한다는 문제점이 있다. 따라서 비용매 상전이 방식에서 사용되는 유기 용매를 물로 대체해 고분자 멤브레인을 제작하는 aqueous phase separation (APS) 방법이 주 목받고 있다. 본 총설에서는 APS의 원리와 APS를 통한 멤브레인의 제작 공정을 소개하고자 한다. 멤브레인의 구조는 단량체 의 비율, 수용액의 pH와 염 농도 차이, 캐스팅 용액의 점도, 가교제 농도를 통해 조절할 수 있다.

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.

분리막 공정 설계에 있어 응용 분야에 적합한 막 소재 및 물성 선택은 중요하다. 특히 다공성 막의 경우, 분리 메 커니즘이 투과 종 크기에 따라 선별되는 원리에 기반함에 따라 기공 크기와 같은 기공 특성을 확인하는 막 소재 스크리닝이 우선되어야 한다. 하지만 일반적으로 분리막 매질 내의 기공들은 불균일하게 형성된다. 본 논문에서는 이러한 불균일성을 정 규화한 기공 크기 분포도 분석 기법들에 대해 중점적으로 다루고 각 기법들이 기반한 Young-Laplace, Kelvin 그리고 Gibbs- Thomson 식에 대해 소개하고자 한다.