본 연구에서는 산화 방지 특성이 있는 가리워진 아민기를 함유한 산화 그래핀(hindered amine grafted graphene oxide, HA-GO)을 합성하여 이를 도입한 나피온(Nafion) 기반의 복합 막을 제조한 후 고분자 전해질 막 연료전지 시스템에 응용하였다. HA-GO는 4-아미노-2, 2, 6, 6-테트라메틸-4-피페리딘(4-amino-2, 2, 6, 6-tetramethyl piperidine)에 존재하는 아민 기와 GO 표면에 존재하는 에폭시기의 개환 반응을 통해 제조하였으며, 합성된 HA-GO의 함량을 달리한 복합 막을 제조하여 순수 Nafion 막과 성능 특성을 비교하였다. HA-GO가 첨가된 복합 막은 Nafion 단일 막에 비해 기계적 물성, 화학적 안정성 및 수소이온 전도 특성이 향상되었다. 특히 HA-GO의 산화 방지 특성으로 인해 HA-GO가 첨가된 복합 막은 펜톤 평가 (Fenton’s test) 이후 수소이온 전도도의 유지 특성이 Nafion 단일 막에 비해 큰 폭으로 향상된 것을 확인할 수 있었다.

그래핀옥사이드는 우수한 물리적 특성 및 가공성으로 멤브레인 소재로 각광받고 있다. 특히, 이론적 예측과 실험 적인 접근을 통해 그래핀옥사이드의 원자 수준의 얇은 두께, 뛰어난 기계적 강도, 높은 수준의 내화학성, 기공 생성이 가능한 2차원 구조 또는 기체 확산 유로 생성이 가능한 적층구조 등 멤브레인 소재로서 매우 유리한 특성들을 보유하고 있음이 밝혀 졌다. 또한 그래핀옥사이드에서의 분자 투과 거동은 적층된 그래핀옥사이드 사이의 채널 크기에 따라 영향을 받는다는 것이 발견되었다. 그 후, 이러한 특성을 응용하여 그래핀옥사이드를 멤브레인 소재로 활용하기 위해 많은 연구가 집중적으로 진행 되고 있다. 본 총설에서는 그래핀옥사이드의 고유 특성을 기반으로 멤브레인 분야로의 응용 가능성에 대하여 논하고자 한다.

Recently, Graphene Oxide (GO) has extensively studied as a membrane material due to its 2D structure and high CO2 sorption property, however, GO membrane still has challenging issues; low gas permeability to apply to practical system and low stability under dry condition. In this study, we introduced GO as a nanofiller in CO2-philic polymer matrix because GO has molecular sieving property and 2D structure. First, we mixed two kinds of PEO-containing polymers by controlling the ratio of free volume in polymer networks to increase the permeability, and then, we added GO in the mixed polymer matrix for improving the CO2/N2 selectivity. Finally, we fabricated GO-incorporated mixed matrix membranes with high CO2/N2 separation performance beyond the upper bound. High long-term stability and high CO2/N2 selectivity were also achieved in mixed gas system.

본 연구에서는 그래핀 함량에 따른 고분자 나노섬유의 물리적 특성 변화에 대해 연구하였다. 전기방사법으로 GO PAN 나노섬유 복합체 막을 제조하였으며, 접촉각⋅SEM⋅인장강도에 관한 실험을 진행하였다. GO+계면활성제를 이용 하여 나노섬유에 존재하는 GO의 함량을 증가시켰다. 제조한 나노섬유의 경우 기존의 나노섬유보다 강한 기계적 강도를 나타내었다. 이러한 결과를 바탕으로 수처리 분리막의 연구 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Recently, a few-layered graphene oxide (GO), which high CO2/N2 selective characters in the humidified feed, has been extensively investigated as a membrane material for gas and liquid separation. Although GO membrane is considered as one of promising membranes, it has a limitation to apply for practical application because of low CO2 permeance and low stability under dry condition. As such, in this study, we fabricated CO2-philic polymers and GO composite membranes by using GO as a filler for high CO2/N2 selectivity. We used two kinds of PEO-containing polymers to increase CO2 permeability by controlling the ratio of free volume in polymer networks. High CO2 permeability (~850barrer) and high CO2/N2 selectivity (~55) were achieved in CO2-philic composite membranes.