20250522_PBA 전극 물질목록_선택적 이온 전기흡착 연구.xlsx
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1. 연구배경
산업계 내 유가자원의 폐기되어 재사용이 불가능하게 됨 이에 전극으로부터 유용한 자원을 추출하고, 자원을 재사용하고자 전기-회수기술 활용 현재 여러기술들이 많이 개발되고 있지만, 그 중에서 CDI 기술이 폐수로부터 연속처리가 용이 하지만, 그 동안의 CDI의 전기-회수기술은 선택적 흡착 특성이 없어 여러종의 폐수로부터 이를 선별적으로 분리하기에는 어려움을 가짐 따라서 프러시안 블루 유도체 소재의 화학적 및 물리적 특성을 이용하여 이를 해결하고자 함 프러시안 블루는 격자구조로 다공성을 지니며, 그 격자 크기가 유도체 소재에 따라 달라져 1가 양이온의 크기에 따라 흡착 가능한 이온들이 달라질 것으로 예상 또한, 프러시안 블루의 유도체에 따른 전기화학적 성질이 달라져, 전극에 가압하는 전압에 따라 흡착하는 이온이 선택성을 지닐 것으로 보임 이에 프러시안 블루의 전압에 따른 전기화학적 특성과 격자간 크기의 물리적 특성을 이용하여 1가 양이온에 대해 선택적 흡착을 연구하고자 함 2. 연구설계
1.1) 프러시안 블루 소개
PBA에서 시아노(CN⁻) 리간드는 강한 리간드장을 형성하는 것으로 알려져 있지만, 금속 중심에 따라 리간드장의 효과가 다르게 나타납니다. 일반적으로 전이금속의 산화 상태, d-전자 배열, 금속-시아노 결합의 특성에 따라 결정됩니다.
1.2) 강한 리간드장(Strong-Field) PBA
주로 저스핀(Low-Spin) 상태를 형성하며, 안정적인 d-전자 배열을 가짐.
Fe³⁺-CN-Fe²⁺ (기본 Prussian Blue)
→ Fe²⁺(d⁶)과 Fe³⁺(d⁵)는 CN⁻ 리간드에 의해 강한 분할을 받아 저스핀 상태를 가짐. Co³⁺-CN-Co²⁺ (Cobalt Hexacyanocobaltate)
→ Co³⁺(d⁶, 저스핀)과 Co²⁺(d⁷, 중간상태)는 강한 리간드장을 가짐. Co³⁺-CN-Fe²⁺ (Cobalt Hexacyanocobaltate) Ni²⁺-CN-Fe³⁺ (Nickel Hexacyanoferrate, NiHCF)
→ Ni²⁺(d⁸, 저스핀)과 Fe³⁺(d⁵, 저스핀)는 강한 분할 효과를 가짐. 선택성: 작은 이온 (Li⁺, Na⁺) → 좁은 채널에 적합 강한 리간드장 PBA
→ 전자전달이 빠르며, 안정적인 배터리 전극재 및 촉매 성능이 우수함.
→ Ex: Na-ion 배터리, 전기화학 센서, 촉매 1.3) 약한 리간드장(Weak-Field) PBA
주로 고스핀(High-Spin) 상태를 형성하며, 상대적으로 불안정한 d-전자 배열을 가짐.
Mn²⁺-CN-Fe³⁺ (Manganese Hexacyanoferrate)
→ Mn²⁺(d⁵, 고스핀)는 CN⁻ 리간드에 의해 약한 분할 효과를 가짐. V²⁺-CN-Fe³⁺ (Vanadium Hexacyanoferrate)
→ V²⁺(d³, 고스핀)는 약한 리간드장을 가짐. Cu²⁺-CN-Fe³⁺ (Copper Hexacyanoferrate)
→ Cu²⁺(d⁹, 고스핀)의 경우, Jahn-Teller 효과로 인해 약한 리간드장 영향이 큼. 선택성: 큰 이온 (K⁺, Rb⁺, Cs⁺) → 격자 유연성으로 인해 흡착 특징: 격자 변형성 큼, 이온 교환 속도 빠름 약한 리간드장 PBA
→ 구조적 변형이 쉽게 일어나며, 가역적인 전기화학 반응이 가능.
→ Ex: 이온교환 소재, 탈염 및 방사성 물질 제거 1.4) 전극 플랫폼
분말 PBA 유도체 + PAN 전극
3. 연구 중요 요소
화학프로그램 VESTA를 이용 XRD 데이터 기반으로 3D 결정구조 시각화 분말시료, 전극시료의 Cyclic voltammetry를 통한 Band gap 측정 Solid UV-vis를 통한 에너지 흡수 영역 대측정 프러시안 블루 밴드갭 측정(Ligand Field Thoery에 따른 Metal-Ligand의 밴드갭 측정)
