이온 반응성 배터리 담수화 시스템 (IBD)의 담수화 용량 및 안정성 향상 연구

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 화학생물공학부, 2022. 8. 윤제용.Electrochemical desalination technologies such as capacitive deionization (CDI) and battery desalination (BD) has considered as a next-generation desalination technology due to its mild operating conditions, portable features and low energy consumption. Among various BD systems, cation reactive battery desalination (CBD) is receiving great attention as a high efficiency system due to its continuity unlike other BD systems. Although CBD has high efficiency compared to other electrochemical desalination technologies, it still needs to improve its low stability and desalination capacity. A major reason for the low stability of CBD is known to be the reactivity of the electrode with OH- in water. This dissertation provides three approaches to overcome the low stability and desalination capacity of CBD: modifying electrode surface, applying new battery material, and introducing a new system. First, Nafion, cation exchange resin, was coated on the electrode surface to enhance the low stability and desalination capacity of CBD. Nafion, allowing the selective passage of cations, serves to prevent contact between OH- and the electrodes. As a result, it was possible to effectively suppress the side reaction between OH- and the electrode. The system maintained 94% retention capacity after 100 cycles. Moreover, the overall desalination performance was enhanced, achieving high desalination capacity (approx. 72 mg g-1). Second, sodium cobalt hexacyanoferrate (NaCoHCF) electrodes having two oxidation/reduction reaction regions were applied to CBD in order to increase desalination capacity. The specific capacity of the NaCoHCF electrode using two redox active sites was 88 mAh g-1 (active material: 110 mAh g-1), which was confirmed to have a specific capacity 1.5 times higher than that of NaNiHCF electrode using one redox active site. Consequently, this system achieve a high desalination capacity of 123 mg g-1 with 88% ion removal in 500 mM NaCl solution. Despite these efforts, CBD has a fundamental limitation in securing very high stability due to its reactivity of cation reactive battery electrodes with water. Third, anion reactive battery desalination (ABD) using anion reactive battery electrodes was introduced to overcome the stability limitation of CBD. In this study, proposed ABD consists of two Ag/AgCl electrodes, and a cation exchange membrane; the Ag/AgCl electrodes have advantages of high stability and specific capacity in water. As a consequence, the system showed high stability with a retention capacity reduction of less than 1% even after 100 cycles, and achieved a very high desalination capacity of 85 mg g-1. The results of this study are expected to contribute to the expansion and development of a new field of electrochemical desalination research based on battery electrodes.축전식 탈염기술(CDI) 및 배터리 탈염기술(BD)와 같은 에너지 저장장치를 기반으로 하는 전기화학적 담수화 기술은 온화한 작동 조건, 휴대형 기능 및 낮은 에너지 소비의 장점을 가지고 있어 차세대 담수화 기술로 여겨진다. 다양한 BD 시스템들 중 양이온 반응성 전극 기반 배터리 탈염기술 (CBD)는 다른 BD 시스템들과 다르게 시스템의 연속성을 갖고 있어 고효율 시스템으로 큰 주목을 받고 있다. 그러나 CBD는 안정성과 탈염용량이 낮아 해수와 같은 고농도 염수에 적용하기 어려운 한계가 존재한다. CBD의 낮은 안정성의 주된 원인은 전극과 물 속에 존재하는 OH-의 반응성 때문으로 알려져 있다. 이 논문은 CBD의 낮은 안정성과 담수화 용량을 극복하기 위한 세 가지 접근 방식, 즉 전극 표면 개질, 새로운 배터리 재료 적용 및 새로운 시스템 소개를 제안한다. 먼저 CBD의 낮은 안정성과 담수화 능력을 향상시키기 위해 전극 표면에 양이온 교환 수지인 Nafion을 코팅하였다. 양이온의 선택적 통과를 허용하는 나피온은 OH-와 전극 사이의 접촉을 방지하는 역할을 한다. 그 결과, OH-와 전극 사이의 부반응을 효과적으로 억제할 수 있었다. 시스템은 100회 주기 후에도 94%의 보유 용량을 유지하였고, 전반적인 담수화 성능이 향상되어 높은 담수화 용량 (약 72 mg g-1)을 달성하였다. 둘째, 두 개의 산화/환원 반응 영역을 갖는 sodium cobalt hexacyanoferrate(NaCoHCF) 전극을 CBD에 적용하여 담수화 용량을 증가시켰다. 2 개의 산화/환원 반응 영역을 사용한 NaCoHCF 전극의 비용량은 88 mAh g-1(활물질: 110 mAh g-1)로, 1 개의 산화/환원 영역을 사용한 기존 NaNiHCF 전극보다 1.5 배 높은 비용량을 갖는 것으로 확인하였다. 결과적으로, 이 시스템은 500mM NaCl 용액에서 88% 이온 제거와 함께 123mg g-1의 높은 담수화 용량을 달성하였다. 이러한 노력에도 불구하고 CBD는 양이온 반응성 배터리 전극과 물의 반응성으로 인해 매우 높은 안정성을 확보하는데 근본적인 한계가 존재한다. 셋째, CBD의 안정성 한계를 극복하기 위해 음이온 반응성 배터리 전극을 활용한 ABD(음이온 반응성 배터리 담수화 시스템)을 제안한다. ABD는 두 개의 Ag/AgCl 전극과 양이온 교환막으로 구성된다. Ag/AgCl 전극은 물에서 높은 안정성과 비용량의 장점이 있다. 그 결과, 시스템은 100 사이클 후에도 1% 미만의 용량 감소율을 갖으며 높은 안정성을 보였고, 85 mg g-1의 매우 높은 담수화 용량을 달성하였다. 본 연구에서는 배터리 기반의 전기화학적 담수화 기술인 CBD의 전극 표면을 개질하고 새로운 배터리 전극 재료를 도입하여, CBD 시스템의 전반적인 성능을 개선하고 발전시켰다. 또한, 음이온 반응성 배터리 담수화 시스템 (ABD)이라는 새로운 시스템을 제안해 높은 안정성 및 담수 성능을 확보하였다. 이 연구 결과들은 배터리 전극을 기반으로 하는 전기화학적 담수화 연구의 새로운 영역을 확장하고 발전하는데 기여할 것으로 예상한다.Abstract I 1. Introduction 1 1.1. Research Background 1 1.2. Objectives of the research 4 2. Literature Review 6 2.1. Electrochemical chemical desalination 6 2.1.1 Capacitive Deionization (CDI) 8 2.1.2 Membrane Capacitive Deionization (MCDI) 21 2.2. Electrochemical desalination using battery electrodes 26 2.2.1 Battery Desalination 26 2.2.2 Cation Reactive Battery Desalination (CBD) 30 2.2.3 Battery Materials for CBD 34 3. Nafion-coated Prussian blue electrodes to enhance the stability and efficiency of cation reactive battery desalination system 40 3.1. Introduction 40 3.2. Materials and Method 45 3.2.1 Material Preparation 45 3.2.2 Materials Characterization 47 3.2.3 Electrochemical Tests 48 3.2.4 Desalination Tests 50 3.3. Results and Discussion 54 3.3.1 Electrodes Characterizations 54 3.3.2 Electrochemical Characterization 59 3.3.3 Cycling Performances 63 3.3.4 Desalination Performances 67 3.4. Summary 73 4. High-capacity cation reactive battery desalination using sodium cobalt hexacyanoferrate (NaCoHCF) electrodes 74 4.1. Introduction 74 4.2. Materials and Method 78 4.2.1 Electrode Preparation 78 4.2.2 Characterization of the Electrode 79 4.2.3 Cell Construction 80 4.2.4 Desalination Test 82 4.3. Results and Discussion 84 4.3.1 Electrodes Characterizations 84 4.3.2 Electrochemical Characterizations 89 4.3.3 Desalination Performance 94 4.3.4 Desalination performance comparison 98 4.4. Summary 105 5. Development of Anion Reactive Battery Desalination using Silver and Silver-chloride Electrodes 106 5.1. Introduction 106 5.2. Materials and Method 111 5.2.1 Electrode Preparation 111 5.2.2 Characterization of the Electrodes 112 5.2.3 Cell Construction 113 5.3. Results and Discussion 115 5.3.1 Desalination Test 115 5.3.2 Electrochemical Characterization of the Electrode 119 5.3.3 Desalination Performance of the System 127 5.4. Summary 135박

양자컴퓨팅이 중요한 미래기술의 하나로 대두되고 있다. 최근 KAIST의 물리학 연구진들이 초기 단계의 양자컴퓨팅에 해당하는 리드버그 원자를 이용한 25큐빗 양자 시뮬레이터를 실험-이론의 공동연구를 통하여 개발하였다. 이 양자시뮬레이터는 양자-아이징모델로 잘 알려진 중요한 물리문제를 계산하는 데 활용되어, 양자얽힘 다체계의 열화과정을 실험적으로 관찰하는데 성공하였다. 이 시스템은 프로그램이 가능한 범용 양자컴퓨터 수준에 아직 도달하지 못하였으나, 제한된 물리 문제를 계산하는 데에는 활용할 수 있음을 보여주었다.

korJaewook Ahn한국과학기술원 : 물리학

IMAGING DEVICE FOR TERAHERTZ SINGLE-PIXEL DIFFRACTION IMAGE

본 발명의 실시예는 테라헤르츠 빔을 이용하는 테라헤르츠 단일 픽셀 회절 영상 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 테라헤르츠 빔을 광원으로 하여 대상 물체의 2D 영상을 복원하는 테라헤르츠 단일 픽셀 회절 영상 장치에 관련된다본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠 단일 픽셀 회절 영상 장치는 테라헤르츠 빔을 광원으로 하고, 위상 지연 장치를 이용하여 대상 물체에 조사된 테라헤르츠 빔의 스펙트럼을 굴절시켜 2D 영상을 복원할 수 있다

Rydberg-atom Quantum Simulator Development

KAIST 2018 대표 연구성과 10선양자컴퓨팅이 중요한 미래기술의 하나로 대두되고 있다. 최근 KAIST의 물리학 연구진들이 초기 단계의 양자컴퓨팅에 해당하는 리드버그 원자를 이용한 25큐빗 양자 시뮬레이터를 실험-이론의 공동연구를 통하여 개발하였다. 이 양자시뮬레이터는 양자-아이징모델로 잘 알려진 중요한 물리문제를 계산하는 데 활용되어, 양자얽힘 다체계의 열화과정을 실험적으로 관찰하는데 성공하였다. 이 시스템은 프로그램이 가능한 범용 양자컴퓨터 수준에 아직 도달하지 못하였으나, 제한된 물리 문제를 계산하는 데에는 활용할 수 있음을 보여주었다.Quantum computing has emerged as one of the most important future technologies. Recently, KAIST physicists developed a 25-qubit quantum simulator (an early-version of a quantum computer), with neutral atoms entangled through Rydberg-atom excitation. This Rydberg-atom quantum simulator was used for an old physics problem, known as quantum Ising Hamiltonian, and revealed the thermalization dynamics of this massively entangled many-body system. This system is not yet a universal quantum computer as it is not fully programmable, but it is capable of solving certain physics problems.한국과학기술원 : 물리학

TERAHERTZ SINGLE-POINT FIBER DETECTOR USING THIN ELECTRO-OPTICAL MATERIALS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

전광물질을 이용한 테라헤르츠 광섬유 일점 검출장치 및 그 제조 방법이 개시된다. 테라헤르츠파 검출 장치는 일 측면이 수직으로 절단된 광 섬유; 및 광 섬유의 일 측면에 부착되는 텔루륨화아연(ZnTe, Zinc Telluride) 박막을 포함하고, 텔루륨화아연 박막에 의해 반사되는 펨토초 레이저 펄스의 위상지연 정도를 이용하여 테라헤르츠 전자기파를 검출할 수 있다

SHAPED TERAHERTZ FUNCTIONAL IMAGING DEVICE BY USING SPECTRAL CORRELATION

본 발명은 테라헤르츠 전자기파를 이용하여 영상대비가 큰 기능적 영상을 획득할 수 있는 장치에 관한 것이다. 기능적 영상 기술 장치에 있어서, 광학적 펄스를 재단하는 파형 재단기; 재단된 광학적 펄스를 테라헤르츠(Terahertz)파 펄스로 발생시키는 테라헤르츠 발생기; 및 테라헤르츠파 펄스를 영상화하고자 하는 물체에 투과 혹은 반사시켜 물체의 주파수 특성에 대한 기능적 영상을 검출하는 테라헤르츠 검출기를 포함하는 영상 기술 장치가 제공될 수 있다

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접촉형 테라헤르츠 시간 도메인 분광 장치를 개시한다. 테라헤르츠 시분해 분광 장치는 테라헤르츠 전자기파를 발생하는 테라헤르츠 발생기와, 상기 발생된 테라헤르츠 전자기파를 측정하고자 하는 샘플에 맞추고 반사시키는 비대칭형 테라헤르츠 렌즈 및 상기 비대칭형 테라헤르츠 렌즈로부터 반사된 테라헤르츠 전자기파를 측정하는 테라헤르츠 측정기를 포함할 수 있다. 테라헤르츠 시간 도메인 분광(terahertz time domain spectrum), 반사형(reflection type), 접촉형(contact type), 비대칭형 테라헤르츠 렌즈(asymmetric terahertz lense

Modeling of THz Frequency Spectrum via Optical Rectification in THz Time Domain Spectroscopy

최근 비파괴 검사를 위한 테라헤르츠 전자기파 기술에 대한 관심이 높아지고 있으며 특히 비파괴검사에서 많은 응용이 기대된다. 테라헤르츠 시간 영역 분광법은 이러한 테라헤르츠 기술에 핵심이 되는 기술로 많은 실험이 이루어지고 있다. 본 논문에서는 테라헤르츠 시간 영역 분광에서 비선형 전광물질을 이용하는 광정류 방식을 통해 발생된 테라헤르츠 전자기파 스펙트럼이 비선형 맥스웰 방정식의 해와 실험에 의해 결정되는 흡수, 회절, 표면간섭 효과 등을 고려한 본문의 모델을 통하여 예측가능하며 실제 티타늄:사파이어 레이저 펄스를 400 CdTe에 조사하여 발생된 테라헤르츠파 주파수 스펙트럼의 측정 결과와 비교하여 매우 유사하다는 사실을 보여준다. 이를 통하여 본문에서 소개된 모델은 다른 전광물질을 통해 발생된 테라헤르츠 스펙트럼에도 확장되어 적용 될 수 있다

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High-Speed High-Resolution Terahertz Time-Domain Spectrometer

본 논문에서 비동시성 광샘플링(asynchronous optical sampling; AOS) 방식을 이용하는 고속 고분해 테라헤르츠 시간영역 분광(terahertz time domain spectroscopy; THz-TDS)을 시연한다. 모터로 구동되는 선형 스테이지를 사용하지 않고, 약간 다른 반복 주파수를 갖는 두 대의 펨토초 레이저를 각각 테라헤르츠파 발생과 검출에 사용하여 고속으로 10 ns의 시간축 상의 신호를 획득하고 fast Fourier transformation(FFT)을 통하여 100 MHz의 주파수 분해능을 갖는 고분해 분광을 구현한다. Cross-correlation 방법에 의해 시간 분해능은 278 fs으로 측정되었다. 또한, 본 분광기를 이용하여 수증기의 투과 스펙트럼을 측정하고 흡수선들을 분석하였다.본 연구는 일부 교육과학기술부 지원으로 한국표준과학연 구원 일반사업에서 수행되었고(KRISS-08-2402-221), 일부 지 식경제부/정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업에서 지 원되었다(2008-F-021-01)