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[재료공학] Sol-Gel 공정

Sol-Gel Process2004.9.14Sol-Gel process좁은 의미의 sol-gel 공정 : - 알콕사이드의 가수, 축합반응에 의한 gel 화 넓은 의미의 sol-gel 공정 : - 유기물의 열분해 및 증발과 같은 열반응에 의 한 산화물 제조 ** 콜로이드성 액체가 연속적 고체 망목구조의 상태로 변화하는 공정 Sol → Gel→ CeramicsDefinitionSol: 액상에 고체입자가 분산되어 있는 콜로이드. Aerosol : 기상에 고체입자 혹은 액적이 분산 Emulsion : 액상에 액적이 분산 Gel: sol의 입자들이 물리적인 힘으로 연결되어 형성(gelation)된 망상조직. Xerogel : 상압에서 졸용액을 증발시켜 얻은 젤 Aerogel : 고온 감압 하에서 졸용액을 증발시켜 얻은 젤.HistoryChemist Ebelmen(1846) Geffcken, Graham, Hurd, Kistler (1930s) Mineralogist Homogeneous powder의 제조 radioactive oxide의 작은 구체 제조 Ceramic Industry 60년대 후반에서 70년대 초반에 관심 Levene Thomas(1972), Dislich (1971) Ceramic fiber Yamme, Yoldas(1970s)Overview of the Sol-gel Processingsolvent extractionEvaporation of solventGelation, EvaporationTotal sol-gel공정; 수화/축합 → gelation → aging (숙성) → drying(건조) → calcinationFormation mechanism of dense particleVolume precipitation by GEL formationApplicationThin films and coatings Optical coating, Electronic films, Protective films, Porous films Monoliths Powders, Grains and Spheres Fibers Composites Porous gels and membranesAlkoxide sol-gel processAlkoxide sol-gel process: - 공유결합에 의해 연결되며 비가역적 영구적인 화학적 겔인 중합 겔(Polymeric gel) *직경이 3 ~ 4nm인 일차입자들이 겔 망목을 형성 *입자들이 사슬로 뭉쳐지면서 겔을 단단하게 한다. *겔이 건조되면서 수축 *수축이 더 진행되면서 소결 중에 기공이 닫힌다. *최종적으로 기공이 제거된 소자가 제조~!Colloid sol-gel processColloid sol-gel process : - 반 데르 발스힘에 의해 형성되는 분산이 가역적인 물리적 입자 겔(Particlate gel ) *평균 직경이 50 ~ 500nm의 균일한 콜로이드 입자 sol *성형한 건조 소자에 조밀하게 충진된 입자들 *기공의 크기가 점차 감소하지만 기공은 완전히 제거되지 않으면서 소자의 점진적인 소결과 수축의 진행Precursor다양한 ligand로 둘러싸인 금속 or 준금속 원자 금속 유기 화합물 : 금속알콕사이드(metalorganic compound), 금속아세틸아세테이트(organometallic compounds), 금속유기산염 금속 무기 화합물 : 질산염, 옥시화합물, 염화물 산화물 : 산화물 미립자precursor의 조건화학식과 구조가 분명한 순수화합물 합성 및 정제가 쉬워야 함 증발하거나 잔류 탄소층이 없이 열에 분해 되어야 함 높은 금속함량금속 알콕사이드가 precursor 로 가장 많이 사용되는 이유물과 쉽게 반응한다. 무기재료들로 쉽게 전이될 수 있다. 합성하기가 상당히 쉽다. 일반적으로 독성이 없다. 알코올과 같은 보통의 용매로 쉽게 사용이 가능하다.금속 알콕사이드(alkoxide)금속 알콕사이드(alkoxide): M(OR)n - 알코올의 히드록시기 －OH의 수소원자를 금속원자로 치환한 화합물 - M : 금속원자 - R : 알킬기(alkyl group) - n : 양이온의 원자가The basic step of sol-gel synthesis of oxide nanoparticlesAlkoxide De-ionized Water + + Alcohol Polymer + Alcohol Mixing In Dry Nitrogen Enviromen Hydrolysis and Codensation Reactions - Formation of a Sol Drying at 80℃ in Petri Dishes Monodisperse submicron Oxide Particles or Nanocrystalline Oxide PowderHydrolysis가수분해(Hydrolysis) M-OR + HO-H ---- M-O-H + ROHCondensation축합(Condensation) *alcohol condensation(alcoxolation) M-OR + HO-M ---- M-O-M + ROH *water condensation(oxolation) M-OH + HO-M ---- M-O-M + H2OSol-gel 법의 materials• 물: 가수분해용 • 용매: 용액 균질화;M-OH, E-OH, 에틸렌글리콜 등 • 산 또는 염기: 촉매작용;염산,황산,질산,초산,황산 등 금속화합물 -금속유기화합물 : 고가 • 금속알콕사이드(Si(OC2H5)4, Al(OC3H7)3 • 금속아세틸아세트네트(In(COCH2COCH3)3, Zn(COCH2COCH3)2 • 아세테이트, 수산염(Ba(HCOO)2, 카본산염(Y(C17H35COO)3 -금속무기화합물 : 저가 • Nitrate(Y(NO3)3•6H2O, Ni(NO3)2•3H2O, ZrOCl2, AlOCl – 산화물(분말)금속 알콕사이드의 종류반응의 변화요소물과 알콕사이드의 비율 (R) Low R value( 3) : fiber and thin-film formation Large R value( 3): generate powder particles = Nanoparticle size, distribution, surface, morphology 용액의 pH 촉매의 성질과 농도 가수분해 과정HydrolysisH2O: alkoxide ratio 증가하면 가수분해 과정 촉진Steric effects Alkoxy group이 복잡해지면 hydrolysis 속도 감소 Catalyst HCl or ammonia가 일반적Hydrolysis(2)Solvent Hydrolysis의 초기 단계에서 액-액 상분리를 막고 alkoxide와 물의 농도를 조절하기 위해 첨가 Cracking 없는 monolithic gel의 빠른 건조를 위해 cosolvent 사용 고려 사항 용해 능력, 극성, dipole moment, 불안정한 수소 유무Condensation(1)pH 알콕사이드 전구체의 중합과정은 pH 영역을 pH 2, pH 2-7, 그리고 pH 7의 3개의 영역으로 나누어 설명Condensation(2)Steric and inductive effects condensation 속도는 alkyl chain의 길이나 branching이 증가 시 감소한다. Solvent protic solvent는 base-catalysed condensation 속도 감소, acid-catalysed condensation 속도 증가 Aprotic은 반대Sol-gel법의 장단점장점 Homogeneity Purity가 좋다 저온 제조  에너지 절약, 휘발 손실 최소화, 공기 오염 최소화, 반응기와 반응이 없다(순도), 상분리 무시, 결정화 무시 새로운 비결정성 고체 제조 및 새로운 비결정성 고체에서 새로운 결정상 제조 Gel의 특성에 따른 유리 특성의 향상 film과 같은 특수한 생성물 생산 단점 원료 물질이 고가 공정중에 수축이 심하다 미세한 pore, Hydroxyl, 탄소가 남는다 유기 용매의 유해성 공정 시간이 길다Surfactant계면활성제는 입자의 표면을 완화하고 입자의 lypophilic chain을 solvent로 확장하고 반응을 유도, Solvent와 chain 상호 반응으로 계의 자유에너지가 증가되고 입자의 면밀한 접근에 대한 에너지 장벽을 만듬.steric stabilizationAmphiphatic block 또는 graft copolymer 사용 불용성인 anchor polymer와 가용성 안정화부로 나뉜다 효과적으로 안정화하기 위하여 분산성(고농도)과 흡착성을 고려 - steric stabilization은 전기적 장벽이 없을 때 일어나며 aqueous나 non- aqueous매체 모두 효과적controlled flocculation{nameOfApplication=Show}

공학/기술| 2005.03.09| 28페이지| 1,000원| 조회(2,313)

졸겔공정, 축합반응, 금속알콕사이드

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탄소나노튜브 평가B괜찮아요

탄소나노튜브:흑연 판이 말려있는 구조를 갖고 있으며, 직경이 약 2 nm 수준인 나노구조체{탄소나노튜브는 속이 비어있기 때문에 가볍고, 기계적으로나 화학적으로도 매우 좋은 특성을 보이기 때문에 다양한 분야에서 관심을 갖고 연구를 하고 있다. 그 중 전기적으로 특기할 만한 특성 중 하나는 탄소나노튜브는 어떻게 말려있느냐에 따라 금속적인 특성을 갖기도 하고, 반도체적인 특성을 갖기도 한다는 것이다.순수 탄소의 원자결합 구조1) 다이아몬드: 탄소 원자간에 동일한 거리를 갖는 같은 특성의 결합이 3차원적으로 견고하게 형성2) 흑연: 탄소원자들이 2차원적으로 결합되어 판들을 형성하고, 그 판들이 긴 거리를 두고 느슨하게 결합하고 있는 형태{★단층나노튜브(single-walles NT:SWNT):직경이 1.2nm로 현재의 최첨단 반도체 소자보다 훨씬 작다. 게다가 그 길이는 직경의 수 백만 배 이상도 가능해 구형이 아닌 긴 끈의 형태로 제조될 수 있다. 나노튜브는 자주 탄소로 이루어진 roll라고 묘사되지만, 실제 CNT는 플러렌의 일종으로 버키볼을 중심으로부터 실린더 형태로 벌려 놓은 것이라고 볼 수 있다.반도체적인 특성을 갖는 탄소나노튜브를 이용하면 탄소나노튜브 트랜지스터 제작이 가능하며, 외부에서 힘을 주어 탄소나토튜브를 구부리면 전기적 특성이 금속에서 반도체로 바뀌기도 하기 때문에 탄소나노튜브 만으로 이루어진 diode 소자 제작도 가능하다.-다층 나노튜브는 전기적 물성이 흑연과 흡사해, 물성적으로 새로운 무언가를 갖지는 않았지만, 화학적 안정성, 기계적 강도 등에서 단층 나노튜브보다 훨씬 우수해, 그 독특한 형상과 맞물려, 전자방출재료, 기계적 재료로 산업에의 응용에 커다란 가능성을 갖고 있었다.-단층 나노튜브를 공업재료로 실용화를 추진하면서 최대의 과제가 저가로 대량공급이 가능한 합성기술을 확립하는 것이었다. 나노튜브의 합성방법에는 아크법, Laser-ablation법, 촉매분해법(혹은 화학기상성장법, 생략해 CVD법이라고도 불린다)등이 있었다.* carbon 등이 훗날 아크법으로 발전하는 플러렌의 생성법을 발견한 이래 이에 대한 연구가 활발해졌다. 압력 약 50~600토르의 헬륨 가스 안에서 흑연을 전극으로 하여 아크방전을 하여 생성한 주석의 유기용매(벤젠, 톨루엔 등) 추출로 얻어진다. 이 때 럭비공 모양의 C70이나, 소량이기는 하지만 보다 사이즈가 큰 C76, C78, C82, C90, C94, C96과 같은 고차 풀러렌도 생성된다.- 또한 C60에는 지름 0.4nm(0.4 10-9m)의 공간이 있고, 고차 풀러렌에서는 보다 큰 공간이 있기 때문에 금속내포 풀러렌도 만들 수 있다. 이것은 금속원자를 혼합한 흑연을 전극으로 하여 아크방전했을 때에 생성되는 것이다.{1쉽게 환원된다.=>플러렌 분자는 전기화학적으로 전위를 이용하여 전자가 반결합성 결합에 들어감으로써 쉽게 환원된다.--->이 특징으로 말미암아 1족 금속들과 반응하여 환원되어 같은 이온성 염을 형성하기도 한다.2신물질 합성에 용의하다.=>플러렌을 합성시, 탄소수를 계속 늘려가면서 결합시키면, 한쪽으로 길게 늘어나 양쪽이 구모양인 튜브를 만들 수 있는데, 이를 버키튜브, 또는 나노튜브라 한다.=>나노튜브 제작시 어느 각도로 말 것인가, 튜브의 직경이 얼마나 되게 말 것인가가 문제가 된다. 이에 따라 탄소 나노튜브는 금속과 같은 전기적 도체가 되기도 하고 또 전기가 잘 안통하는 반도체가 되기도 한다.- 탄성과 강도가 매우 좋다.=>강한 탄소 공유결합으로 화학적으로 안정--->외부 충격이나 마찰에 강하다.=>강철보다 1백 배 강하지만 무게는 6분의 1밖에 안 되는 구조물을 만들어내는 등 재료과학의 혁명을 약속하고 있다.3수소 저장 수단으로 가능성이 높다.=>분자자신의 수소화에의한 수소저장이 검토되고 있다. 플러렌은 탄소원자가 축구공으로 보이는 기하학적 모양을 하고 있으며 정점에 위치한 직경 1nm의 가마모양의 탄소분자가 있으며, Autoclave(6.9MPa, 400도)와 촉매를 이용하여, 최대 C60H36의 조성까지 탄소화하는 것이 가능하다(4.8wt.anning tunneling Microscopy)-1.5v에서는 나노튜브만 보이지만, +1.5v에서는 밝고 둥근 무늬가 나타났다. 이는 나노튜브 안에 들어있는 C60을 나타내는 것이다.* 탄소나노튜브의 합성법1)전기방전법(arc-discharge){{두 개의 전극으로는 그래파이트 막대를 사용하였다. 두 전극 사이에서 방전이 일어나면 양극으로 사용된 그래파이트 막대에서 떨어져 나온 탄소 크러스트들이 낮은 온도로 유지되고 있는 음극 그래파이트 막대에 응축된다. 이렇게 음극에서 응축된 그래파이트는 탄소나노튜브와 탄소나노 파티클(particle)을 포함하고 있다. 이 장치에서 chamber는 진공펌프와 헬륨공급 장치에 연결되어 있으며 전기방전시 챔버내부는 수백 Torr의 압력을 유지한다.순수한 양극 그래파이트 막대에 구멍을 뚫고 Co, Ni. Fe, Y등의 금속파우더를 채우고 합성시키면 단중벽 탄소나노튜브를 얻을 수 있다.{전기방전법으로 합성된 단중벽 나노튜브가 반데르발스 힘으로 서로 결합되어 다발(bundle) 형태를 이루고 있는 것을 보여주는 TEM 사진이다.{2)플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)플라즈마 CVD의 장점은 전기방전법이나 레이저증착법에 비해서 비교적 저온에서 탄소나노튜브를 합성할 수 있는 장점이 있다. 플라즈마 방식은 두 전극 사이에 인가되는 직류 또는 고주파 전계에 의하여 반응가스를 글로우 방전시키는 방법이다.보통 탄소나노튜브를 합성시키 위한 기판은 접지시킨 하부전극위에 놓이고, 반응가스는 상부전극에서 공급하는 형태를 갖는다. 이 경우 열저항 히터를 하부전극 아랫부분에 설치하거나 두 전극 사이에 필라멘트형태로 설치하여 반응가스를 분해하거나 나노튜브를 합성하느데 필요한 에너지를 공급하게된다. 탄소나노튜브 합성에는 CH4, C2H2, H2 등이 반응가스로 사용된다.Ren 그룹에서 C2H2 가스와 NH3 가스를 혼합가스로 사용해서 660 이하의 온도에서 유리기판위에 DC 플라즈마방법으로 증기는 쉽게 관통되었고, 실선과 같은 나노튜브를 채웠다. 플러렌은 약 1나노미터의 간격을 두고 나노튜브안에 일렬로 정렬된 이미지를 보였다.1. Introduction1.1 Filling MWNTs: a less-than-10-year-old history-carbon nano tube 더 명확하게 말하면, 단일벽 나노튜브는 extreme(극단성, ex.Young's modules, strength), versatile(다목적, 다용도 ex. 반도체/금속행동) 물리적 성질 때문에 다양한 응용이 가능한 유망한 재료이다.- TEM을 통하여 정확하지는 않았지만, Tubular나 bamboo형태, 직경이 10~80nm정도라는 것은 알아낼 수 있었으나, TEM의 제한성으로 인해 정확한 내부구조의 결정(동심원, 평행선, 판형태)을 알아내는 것은 더 후에 이루어졌다.- 실제로 탄소나노튜브에 관한 과학적 흥미는 1991년에 생성되었는데, 그 후에 concentric cylinderical(c-MWNT) 다층나노튜브는 플러렌을 합성하는 동안에 전기방전 반응기의 cathode(음극)에서 탄소질의 석출물이 발생하는 것을 발견하였다.- 실제로 전기방전법으로 생산된 MWNT의 tube cavity는 10~50nm정도의 범위를 가지고 있다.(표면장력이 200mN/m보다 작은 값을 갖는 액체는, 대기압상에서 MWNT의 내부 cavity의 open end를 통하여 자발적으로 들어갈 것이라고 예측했다.그러나 액체가 높은 표면장력을 가질때, 대부분 중금속(수은, 주석, 납...400~600mN/m)은 대기압에서의 filling은 가능하지 않고, 액체/기체 경계면의 적당한 압력차이가 (이를테면, 나노튜브안이 낮은 압력이 될 때 까지) 생겨 나야한다.- 전기방전법에서 기체상의 산화제나 산화acid를 사용하여 산화처리에 의한 filling을 하게 되는데 이 방법은, 낮은 filling 수율, filling materials의 범위 제한, 나노튜브의 비가적역 손상을 가져올 수 있다.{이러한 문제점들 는 실제로 outer diameter가 1.4nm정도 되고, 전기방전법으로 생산했던 MWNTs 보다 더 작은 형태이다. 그들은 극도로 안정한 물체이고, 하나의 흑연 시트가 동그랗게 말려있는 특이한 구조를 갖는다{2. Literacture survey{{2.1.Who?{- peapods:완두콩형태그림1은 'peapods'라고 불리는 C60@SWNTs의 TEM이미지로 C60분자들의 배열을 쉽게 구별할 수 있다.*nanotube peapod(peapod:완두모양) : 가변적인 전자특성을 가지고 있다.- 피포드는 나노튜브에서 가장 최근에서야 만들어진 나노재료- 나노튜브의 단을 코어로 채워서 만들어지는데, 회로를 보다 압축시키기 위해서 나노튜브가 나노전자공학의 실 리콘과 같은 역할을 한다고 볼 수 있다.- 피포드형의 나노튜브 구조는 분자의 자기조립 기술을 이용한 기술로 뛰어난 기계적 강도와 열 전도성을 갖고 있을 뿐만 아니라 가변 전자특성인 광학, 전기 혹은 촉매성을 갖고 있어서 직접 나노디바이스나 복잡한 나노디바이스에 필요한 기능들을 제공할 수 있다.2. What?- first foreign material: RuCl3 (Ru:루테늄)SWNT내부에 외부의 다른물질을 넣는데 처음으로 성공한 물질이 루테늄인데, 45도에서 열처리, 수소가스를 사용하였다.- halides@SWNTs: KI, ZrCl4, AgClxBry, MoCl5(Mo:몰리브덴), FeCl3, CdCl2....- oxide@SWNTs: chromoum oxide, Sb2O3(Sb:안티몬),일반적으로, filling SWNTs oxide는 드물게 시도되고 있는데, 아마도 halide보다 oxides가 낮은 녹는 온도와 쉬운 용해성을 가지고 있기 때문이다.{{-그림2는 KI@SWNT hybrid material의 TEM이미지로 KI crystal형태의 두 원자들이 SWNT의 1.4nm지름을 갖는다. 어두운 점 부분이 K-I와 I-K 두 원자가 포개진 모양이다. 두 원자간의 거리에서 SWNT축 방향(tube 벽CrO4

공학/기술| 2005.03.09| 14페이지| 1,000원| 조회(946)

탄소나노튜브, 플러렌, 단층튜브

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[화학공학] 연료전지 평가A+최고예요

{Seminar[연료전지(Fuel cell)에 대해서.....]1. 연료전지란 무엇인가 ?연료전지는 수소 등의 활성을 갖는 물질(연료로서 LNG, LPG, 메탄올 등)을 전기화학 반응에 의하여 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술(연료의 연소 증기발생 터빈구동 발전기구동)과는 달리 연소 과정이나 구동장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제(대기오염, 진동, 소음 등)를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이라고 말을 할 수 있다.연료전지에 의한 발전은 기존의 발전방식과 비교할 때 발전효율이 높을 뿐 아니라, 발전에 따른 공해물질의 배출이 전혀 없어서 미래의 발전기술로 평가되고 있으며, 뿐만 아니라 다양한 연료(천연가스, 석유, 석탄)를 사용할 수 있고, 발전소 건설에 필요한 부지 및 송전, 변전시설이 필요하지 않으므로 에너지 부존자원이 적고, 발전소 건설을 위한 입지확보가 어려운 우리나라의 실정에 매우 적합한 발전방식이라 할 수 있다.{2. 연료전지의 필요성우리나라에서 사용하는 전기의 60%가량은 화력 발전으로 생산된다. 그런데, 화력 발전에 쓰이는 연료들은 거의 모두 우리나라에서 생산되지 않는 화석연료들이다. 그래서 우리나라의 전력 생산에는 많은 외화가 들어간다. 전기의 95%이상을 외국에서 수입한 자원으로 만든다.하지만 화력 발전을 하는 것보다 적은 양의 화석연료를 이용하여 많은 양의 발전을 할 수 있다면 그것이야말로 우리나라 같은 자원빈국에서 필요로 하는 발전이다.기존의 화력발전은 화석연료를 연소해서 증기기관을 돌리고 다시 터빈을 돌림으로써 발전을 하기 때문에 발전 도중에 많은 양의 에너지가 손실되지만 연료전지는 화석연료를 전기화학 반응시켜서 바로 전기에너지를 얻기 때문에 에너지 손실이 적은 저공해의 발전이다.3. 연료전지의 원리-물의 전기분해 반응의 역반응{연료로서는 주로 천연가스로부터 쉽게 생산해 낼 수 있는 수소와 공기중의 산소가 사용된다. 수소와 산소는 각각 양극과 음극에서 전자를 주고 받는 반응에 참여하게 되는데, 양극에서 음극으로 흐른 전자를 이용하는 것이다.{{양극반응(Anode) : H2(g) 2H+ + 2e-음극반응(Cathode) : 1/2O2(g) + 2e- O2-총반응식 : H2(g) + 1/2O2(g) H2O( ){연료극에서 수소가 수소이온과 전자로 분해된다수소이온은 전해질을 거쳐 공기극으로 이동한다.전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생한다.공기극에서 수소이온과 전자,그리고 산소가 결합하여 물이된다.한쌍의 양극과 음극에서 발생되는 전기의 세기는 약 1.2volt 정도로서 매우 약한 것이다. 따라서 실제 사용할 수 있는 전력을 얻기 위해서는 여러 개의 양극과 음극을 차례로 쌓아서 필요한 전기의 세기를 얻게 된다.4. 연료전지의 구성{{5. 연료전지의 특징일반적으로 전지는 전기 에너지를 저장하는 장치로, 내부에 저장할 수 있는 반응물의 양에 의해서 에너지 용량이 한정되어 있다. 이 반응물이 소진하면(방전) 전지는 더 이상 전기 에너지를 줄 수 없게 된다. 2차 전지 경우는 외부에서 에너지를 재투입(충전)함으로써, 전기 에너지를 내줄 수 있는 화학 반응물을 재생하게 되지만, 1차 전지는 그나마도 불가능하다.반면에, 연료전지는 에너지 변환 장치이기 때문에, 외부에서 연료와 산화제가 계속해서 공급되는 한, 끊임없이 전기 에너지를 생산해 낸다. 물론, 연료전지 자체의 내구성 때문에 사용할 수 있는 기간은 한정되어 있다.고효율연료전지는 연료의 연소과정과 열에너지를 기계적에너지로 변환시키는 과정이 없어 기존에너지원보다 효율이 10 - 20 % 정도 높아진다.무공해연료전지는 연료로써 화석연료를 사용하므로 개질기에 의한 조작이 반드시 필요하다. 이 경우 탈황, 분진제거를 충분히 할 수 있어서 SOx와 분진의 방출은 거의 없다. 또, 종합 효율이 높기 때문에 이산화탄소(CO2)의 발생도 적게 된다.에너지 효율이상적인 조건에서 조차 내연기관의 효율은 열역학적인Carnot Cycle의 지배를 받는다. 즉 모든 화학에너지가 기계적 에너지로 전환되는 것은 아니며 일부는 소모된다. 그러나 연료전지는 화학에너지가 기계적에너지를 통하지 않고 직접 전기화학 반응에 의하여 전기에너지로 전환되기 때문에 Carnot Cycle의 한계를 넘어서는 높은 에너지 변환 효율을 보인다. 일반적으로 연료전지는 내연기관에 비하여 2 - 3배 정도의 높은 효율을 갖는다.연료의 다양성신뢰도가 중요시 되는 특수목적용으로 순수소가 사용되나 일반전력 공급용으로는 비교적 가격이 저렴한 탄화수소계열의 연료가 모두 사용이 가능하다.부지선정의 용이성연료전지를 이용해 발전을할경우 공해요인이 없으므로 도심지 속에서의 건설이 가능하고, 다른 발전방식에 비해 소요면적이 적으며지속적인 냉각수 공급이 불필요하기 때문에 발전소용 부지의 선정이 용이하다.저소음, 저진동연료전지는 기계적 구동부분이 없고, 가스공급기 등에 약간의 소음,진동 등이 있을 뿐이므로 기계식의 발전기와는 비교도 안될 정도로 적다.6. 연료전지의 종류와 그 특성. 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cells)이 연료 전지는 오늘날 상용화 된 것으로 200개 이상의 연료 전지 시스템이 전세계에 병원, 사설 요양원, 호텔, 사무실, 학교, 공공사업 발전소, 공항 터미널 그리고 심지어 도시 쓰레기 수거장에 걸쳐 설치 되어있다. 인산 전지는 40% 이상의 효율로 전기를 생산하는데, 이 연료 전지가 생산하는 증기의 85%가 cogeneration에 쓰인다. 미국의 공공 발전소에서 35%로 생산하는 것과 비교될 수 있다. 온도는 화씨 400도 범위 내에서 조절해 준다.. 고분자 전해질 연료전지(Proton-Exchange Membrane Fuel Cells)이 전지는 상대적으로 낮은 온도에서(화씨 200도 정도) 조작되고, 동력 밀도가 높으며, 변하는 동력 요구를 빨리 만족시킬 수 있는가에 따라 그 생산량은 달라질 수 있다. 또 자동차와 같이 운전이 빨리 개시되어야 하는 응용 분야에도 적용이 가능하다. 미국 에너지 부에 따르면, 엔진 소비가 적은 운송기와 건물 및 재충전 건전지 대용품과 같은 훨씬 소형에 응용도 가능한 주요 후보로써 연료 전지를 들었다.. 고체형 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells)또 다른 유망한 연료 전지로, 고형 산화물 연료 전지가 산업과 대형의 중앙 전기 발생 시설을 포함해서 크고 동력이 높은 것에 적용되어 왔다. 어떤 연구가는 이것을 자동차에도 적용하고, 연료 전지 보조 동력 장치로 개발하고 있다. 고형 산화물 시스템은 액체 전해질보다는 화씨 1800도씨에서도 운전할 수 있는 단단한 세라믹 물질을 주로 사용한다. 동력 발생 효율은 60%에 이른다. 고형 산화물은 연속된 긴 튜브로 된 것과 캔의 윗면과 같이 생긴 압축된 원반 형태가 있다. 튜브형은 거의 상용화가 되었고, 세계 곳곳에서 여러 회사들에 의해 생산되고 있다.. 직접 메탄올 연료전지(Direct-Methanol Fuel Cells)이 전지는 전해질로 고분자 막을 사용한다는 점에서 양성자 교환 막과 비슷하다. 그러나 이 전지는 양극 촉매 자체가 액체 메탄올에서 수소를 얻을 수 있기 때문에, 연료를 다시 재생 시켜주어야 할 필요가 없다. 일반적으로 약 화씨 120에서 190도 씨 정도에서 운전할 때 이 전지의 효율은 약 40%정도이다. 온도가 높아질수록 효율도 높아진다.. 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cells)용융 탄산염 연료 전지는 연료 대 전기 효율이 높고, 약 화씨 1200도에서 운전할 수 있다. 최근에는 수소, 일산화탄소, 천연 가스, 프로판, 매립에서 발생하는 가스, 해양 디젤, 모의 석탄 가스 발생 제품등에 사용되고 있다.. 알카라인 연료전지(Alkaline Fuel Cells)NASA 에서 오랜 동안 작업 해왔던 이 전지는 70%까지 동력 재생 효율을 얻을 수 있다. 전해질로는 알칼리 수산화칼륨을 사용한다. 최근 까지도 상용화되기엔 너무 비싼 가격이었지만, 몇몇 회사들이 가격을 낮추고 운전상의 유연성을 증진시킬 방법을 고안하고 있다.. 재생, 가역 연료 전지 (Regenerative or Reversible Fuel Cells)연료 전지 중에서 얼마 되지 않은 편에 속하는 재생 연료 전지는 동력 생산을 closed-loop form으로 한다는 점에서 흥미로운 전지이다. 물은 태양으로 동력 받은 전기 분해기에 의해 수소와 산소로 분리된다. 수소와 산소는 연료 전지로 들어가서 전기와 열 그리고 물을 생산한다. 그러고 나서 이 물은 다시 태양열로 발전된 전기 분해기로 재순환되고, 공정은 다시 시작된다. 이 연료 전지는 현재 NASA와 다른 세계 곳곳에서 연구되고 있다.{종류특성인산(PAFC)용융탄산염(MCFC)고체산화물(SOFC)고분자전해질(PEMFC)직접메탄올(DMFC)알칼리(AFC)전해질인산(H3PO4)탄산리튬탄산칼륨(Li2CO3-K2CO3)지르코니아Yttria-stabilized zirconia수소(H+)이온전도성 고분자 교환막수소이온 교환막수산화칼륨이온전도체수소이온탄산이온산소이온수소이온수소이온수소이온발전온도( )150-200600-700700-1000상온-100

공학/기술| 2004.11.24| 10페이지| 1,000원| 조회(864)

연료전지, 전지, 고체산화물

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[유전공학] Plasmid DNA Extraction 평가A좋아요

{생명공학실험[실험1] Plasmid DNA Extraction1.실험목적{- 세포로부터 plasmid DNA를 분리한다.- Alkaline lysis procedure법을 사용하여 분리한다.2. 실험이론★Alkaline lysis miniprep- 기본적인 원리는 세균의 cell wall과 cell membrane을 부수고 DNA만을 분리하는 것~이 때, 중요한 것은 세균이 원래 가직고 있는 chromosomal DNA와 plasmid DNA를 구분하여 분리하는 것이다. 이 둘은 모두 DNA이므로 성질이 비슷하여 구분하여 분리하기가 쉽지 않은데 Chromosomal DNA는 linear형태로 비교적 크기가 크기 때문에 성질의 차이를 이용하면 분리가 가능하다.- alkaline lysis procedure(Bimboim, Doly, 1979)은 가장 일반적으로 쓰이는 분리방법이다. Plasmid DNA는 plasmid을 지니고 있는 bacteria에서 적은 양의 배양으로 분리될수 있다. Bacteria는 sodium dodecyle sulfate(SDS), NaOH를 함유하는 용액으로 처리하여 용균되어 진다(여기서 SDS는 bacterial proteins을 변성시키며 NaOH는 chromosomal DNA와 plasmid DNA를 변성시킨다). 다음 potassium acetate를 첨가하여 혼합액을 중성화시키는데 이것은 covalently closed plasmid DNA를 빠르게 reanneal 시킨다. chromosomal DNA와 bacterial proteins의 대부분은 침전되며(SDS는 potassium과 화합물을 이룬다) 침전물은 원심분리로서 제거할 수 있다. plasmid DNA는 상등액에 남아있게 되고 ethanol precipitation으로 집중시킬 수가 있다.{1. A culture of bacteria is grown and then harvested.(박테리아의 배양과 수확)2. The cells are broken open to 서 내용물이 유리된다)3. This cell extract is treated to remove all components except the DNA.(DNA를 제외한 모든 성분을 제거하기 위해 세포추출물을 처리한다)4. The resulting DNA solution is concentrated.(얻어지는 DNA용액을 농축한다)3. 실험방법▒ Kit Components: By ACCuPrep TM Plasmid Extraction kit(BIONEER)1. Resuspension buffer(RS) : RNase A를 첨가한 후 4 에 보관한다.2. RNase A powder- 보관기간 6개월이 지나면 RNA를 제거하는 효율3. Lysis buffer(BL) : 상온보관, 염이 침전되었을 경우 10~20분정도 60 로 가열 후 사용4. Neutralization buffer(NE) : 상온보관, 염 침전경우 10~20분정도 60 로 가열 후 사용5. Denaturation buffer(DE)6. Elution buffer(E) : 10mM Tris-HCl, 1mM EDTA(pH 8.5)▒ 시작하기 전 주의사항1. Resuspension buffer(RS)에 RNase A powder를 첨가하였는가?2. Denaturation buffer(DE)에 ethanol을 첨가하였는가?3. Washing용으로 사용한 80% ethanol을 준비하였는가?1. E. coli pUC18을 ampicilin 50㎍/㎖가 들어있는 LB media에 현탁한 후 37 ,250rpm에서 24시간동안 incubation한다.{LB(Luria-Bertani)tryptoneyeast extractNaCl10510rich media(undefined media)미지의 여러 성분 및 생체 활성성분 존재-> 복합, 비한정 배지:★한정배지는 박테리아 배양이 정확하게 조절된 조건에게 성장해야 할 때 사용된다. 그렇지만 단지 DNA를 얻기 위한 배양이라면, 한정배지가 필요하지 않고 복합배지가 적당하m으로 centrifuge한 후 250㎕ Resuspension buffer(RS)를 첨가한다.★ 주의 ★yield of plasmid는 cell양과 plasmid type에 따라 다양하다. centrifuge한 후 tube에 남아있는 양이 너무 적을 때에는 pellet를 남겨두고 E. coli를 더 넣고 centrifuge과정을 반복하여 사용한다.-> pellet의 성분- 아직 세포벽이 분해되지 않은 세포상태(buffer용액으로 pellet을 완전히 부유시키도록 한다,.)3. Vortexing 또는 pipetting으로 cell pellet을 완전히 resuspension한다.- tube를 rack에 긁어 pellet을 풀어주는 것도 한 방법이 될 수 있다.{cell extract를 만들기 위해 cell을 centrifuge하여 cell을 침전 및 배지와 분리하고 이 pellet을 10ml 정도의 부피가 되도록 다시 resuspension시킨다.bacterial culture ---> centrifuge---> pellet of bacteria ---> resuspensionLysis efficiency는 완전한 Resuspension에 의해 좌우 된다!!!!!!4. Lysis buffer(BL) 250㎕를 첨가하고 부드럽게 섞은 다음 상온에서 4~5분간 incubation한다.상온에서 방치하게 되면 약간 투명해지는 것을 관찰할 수 있다.(cell은 세포 표면에 cell wall과 membrane등 으로 구성되어 있다. 따라서 cell 내용물을꺼내기 위해선 이러한 barriers의 제거가 필요.)★ 주의 ★mixing 할때 주의할 점은 genomic DNA의 shearing을 일으킬 수 있으므로 절대 격렬히섞지 말고 위아래로 천천히 inverting한다. superoil(closed circular)이 linear(깨짐), open circular(nick존재시)형태로 변형을 일으킬 수 있다.5. Neutralization buffer(NE) 350㎕를 첨가ubation한다.★ 주의 ★genomic DNA와 cell debris는 하얀 덩어리(protein, Ribosome, chromosom)로 뭉쳐서 나타나므로 genomic DNA shearing이 나타나지 않도록 주의한다.(DNA는 buffer용액에 녹아있음) pellet을 제거해야함~!6. 12,000 rpm에서 5분간 centrifuge한다.- centrifuge하는 동안 4 로 온도를 유지하는 것이 바람직하다7. Binding column tube에 상층액을 옮기고 12,000 rpm에서 1분간 centrifuge한다.(상등액 속의 DNA가 porous membrane column에 binding됨-용액은 빠져나가고 DNA만 결합되는 원리)- 이때 plasmid DNA는 glass fiber 표면에 결합되어 있는 것이다.8. Column에 80% ethanol 700㎕을 첨가하여 washing하고 12,000 rpm에서 1분간 centrifuge한 후 filtrate는 버린다.- 이 과정은 salts, soluble debris를 제거하는 과정이다. 이때 발생하는 plasmid DNA의 손실은 극히 소량으로 무시한다.- Colum끝에 매달려 있는 작은 물방울은 없어야 한다.★ 주의 ★ethanol을 완전히 제거하기 위해 13,000 rpm으로 1분간 한번 더 centrifuge한다.(colum에 DNA가 결합되어 있는 상태임)9. 이 단계에서 tube를 2㎖에서 1.5㎖ collection tube로 바꾸고 column에 elution buffer 100㎕를 첨가한 후 buffer가 완전히 glass fiber에 흡착되도록 1분간 incubation한다.- plasmid가 low copy거나 10kb보다 크다면 elution volume을 늘림으로써 efficient를 높이는 것이 좋다.- Volume은 50~100㎕로 조절할 수 있는데, volume을 줄이면 concentrated plasmid DNA를 얻을 수 있지만 total yield는 감소 는 60 로 유지해놓은 것을 사용한다.(elution효율과 관련됨~)(Elution buffer 에 DNA가 들어 있고, 그 것에 Plasmid DNA가 포함되어 있음)10 -40 Deep freezer에서 보관한다.11. Agarose gel 전기영동으로 분석한다(다음주 실험)4. 참고사항★Plasmid DNA★Plasmid DNA란 염색체 밖에 존재하는 DNA(extrachromosomal small circular DNA)이다. Plasmid DNA는 그 자체내에 replication origin을 가지고 있어서 박테리아 내에서 염색체 DNA 복제와 상관없이 독자적으로 복제되는 특징이 있다. 박테리아의 항생제에 대한 내성이 한 세포에서 다른 세포로 옮겨질 때 plasmid를 통해 이루어진다고 알려진 후 항생제 내성에 대한 유전자 뿐 아니라 항생제 합성이나 독물질 합성, 질소고정 및 분해, 여러 효소들에 대한 유전자를 함께 가지고 있음이 밝혀졌다.Plasmid는 한 세포에서 다른 세포로 옮겨갈 수 있는 성질을 지니고 있으므로 유전자를 옮기는 운반자 혹은 vector로 작용을 한다. 항생제 내성을 지닌다는 이유로 의사들에게는 반갑지 않은 존재로 여겨지지만 분자생물학의 연구에 있어서는 유전자 특성 규명에 없어서는 안될 중요한 수단으로 이용되고 있다. 즉 외부에서 연구하고자 하는 DNA 조각을 plasmid에 삽입하여 연결시킨 후 박테리아에 넣어 주면 이 형질전환된 세포내에서 DNA는 독자적으로 복제되므로 DNA 조각을 cloning하는 vector로 이용될 수 있는 것이다.분자생물학 실험에 사용되는 plasmid는 자연계에 존재하는 plasmid의 특정 부위를 조합하여 만든 plasmid가 이용된다. 이러한 plasmid는 작고 활성이 높은 relaxed replication origin을 가지고 있으며 적어도 항생제 내성에 대한 한개의 유전자를 지니고 있다. 또한 이들 plasmid 내에는 한가지 제한효소에 의해 단지 한군데만 절단될 수 있는 부위를 여러개

공학/기술| 2004.10.06| 6페이지| 1,000원| 조회(2,398)

플라스미드, DNA추출, 유전공학실험, 유전자클로닝, PUC18

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[유전공학] Plasmid DNA Extraction 평가B괜찮아요

생명 공학 실험1.Plasmid DNA ExtractionDNA(Deoxyribo Nucleic Acid)DNA란 핵산의 일종으로 유전자의 본질 서로 반대 방향으로 되어 있는 2개의 사슬 염기간 상보결합 약 10개 nucleotide 뉴클레오티드(nucleotide)가 많이 연결된 고분자 유기물DNA의 이중나선 구조DNA 구조DNA의 화학적구조(DNA의 염기쌍)PhosphateSugarBase[원핵세포] -E.coli[진핵세포]Plasmid DNA 염색체 밖에 존재하는 DNA(extrachromosomal small circular DNA) - 자체내에 replication origin을 가지고 있어서 세포내에서 염색체DNA복제와 상관없이 독자적으로 복제되는 특징이 있음~!Minipreps of plasmid DNAAlkaline lysis prep - 세균의 cell wall과 cell membrane을 부수고 DNA만을 분리하는 것 2) Boiling method 3) Lithium-based procedure실험 목적세포로부터 plasmid DNA를 분리한다. Alkaline lysis procedure법을 사용하여 분리한다.1. A culture of bacteria is grown and then harvested. 2. The cells are broken open to release their contents. 3. This cell extract is treated to remove all components except the DNA. 4. The resulting DNA solution is concentrated.Procedure1. E. coli pUC18을 Ampicilin 50㎍/㎖가 들어있는 LB media에 현탁한 37℃, 250rpm에서 24시간 동안 incubation한다. 2. E. coli 1~5ml를 15분 13,000rpm으로 centrifuge한 후 250㎕ Resuspension buffer(RS)를 첨가한다Bacterial culture - Centrifuge- Pellet of bacteria- Resuspension3. Vortexing 또는 pipetting으로 cell pellet을 완전히 resuspension한다. 4. Lysis buffer(BL) 250㎕를 첨가하고 부드럽게 섞은 다음 상온에서 5분간 incubation한다. Cell lysis(cell extract) -------- remove insoluble cell debris ↑ (DNA, Protein의 상등액 분리) centrifugation5. Neutralization buffer(NE) 350㎕를 첨가하고 역시 부드럽게 섞은 다음 4℃에서 5분간 incubation한다. 6. 12,000 rpm에서 5분간 centrifuge한다.7. Binding column tube에 상층액을 옮기고 12,000 rpm에서 1분간 centrifuge한다. ※ 이때 plasmid DNA는 glass fiber 표면에 결합되어 있다. 8. Column에 80% ethanol 700㎕을 첨가하고 12,000 rpm에서 1분간 centrifuge한 후 filtrate는 버린다. ※ ethanol을 완전히 제거하기 위해 13,000 rpm으로 1분간 centrifuge한다.9. tube를 2㎖에서 1.5㎖ collection tube로 바꾸고 column에 elution buffer 100㎕를 첨가한 후 buffer가 완전히 glass fiber에 흡착되도록 1분간 incubation한다. (Elution buffer안에 plasmid DNA가 포함되어 있는 것임~!) ★ 이 때 elution buffer는 60℃로 유지해 놓은 것을 사용한다. 10. -20℃에서 보관하여 Agarose gel 전기영동으로 분석한다.Micropipette의 사용법※ 취하는 용량은 피펫 머리부분의 돌리는 손잡이로 조절 주의 피펫 위의 단추를 누르면 걸리는 곳까지가 정확한 용량! 용액을 취할 때와 옮길 때는 천천히 버튼을 조작할 것. 용액이 담긴 상태로 피펫을 거꾸로 세우지 않는다.{nameOfApplication=Show}

공학/기술| 2004.10.06| 13페이지| 1,000원| 조회(1,593)

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