3.1.1 Na0.44MnO2 Powder
Na0.44MnO2 (NMO) 전극 물질은 고체상반응 (solid-state reaction)을 통해 합성되었다. (Lee et al., 2014) Na2CO3(Aldrich)와 Mn2O3(Aldrich)를 Na/Mn 몰 비율 0.484:1로 섞어준 후 볼 분쇄기(ball miller)로 분쇄해 고체상반응 전구체를 준비한다. 전구체를 Electric Furnace (MF-12GH, JEIO Tech)에 넣고 대기 조건 500
˚C에서 5시간 가열한다. 가열된 전구체는 재차 볼 분쇄기로 분쇄해 대기 조건 900 ˚C 에서 12시간 가열한다. 두 번의 가열을 거친 후 완성된 NMO는 이 후 증류수에 풀어져 진공 여과기를 통해 걸러지고 60 °C에서 12시간 건조된다.
3.1.2 Na0.44MnO2 Electrode
NMO 전극은 롤러 압착 방식을 사용해 제작하였다. Na0.44MnO2
활물질을 carbon black (Timcal)과 바인더 (polytetrafluoroethylene, PTFE) (Sigma Aldrich)와 함께 86:7:7의 질량비로 섞었다. 여기에 에탄올 (Aldrich) 약 1 ml를 첨가해 만든 반죽을 롤러 압착기에 넣어 60 °C에서 300 μm 두께로 전극을 제조한다. 이 후 전극을 진공 오븐에 넣어 약 80 °C에서 12 시간 건조시켜 에탄올과 물을 증발시킨다. 전기 화학 실험에 사용하기 위해 진공 오븐에서 건조된 전극을 3.5 cm x 2.5 cm 크기의 0.25 μm 두께의 티타늄판 위에 탄소접착제를 이용하여 부착하였다.
제조된 Na0.44MnO2 전극은 이미 Na+ 이온을 포함하고 있는 상태이므로 그대로 두어 AgCl로 충전된 은 전극과 함께 충전 상태를 맞춰준다. 본 실험의 목적은 고농도 KCl 용액에서 방전 과정을 통해 Na+ 이온을 선택적으로 제거하는 것이기 때문에 먼저 양극을 충전하여 Na+ 이온이 전극에서 빠진 상태로 만들어 방전 용액 (고농도 공업용 KCl 용액)에서 방전 과정을 통해 Na+ 제거를 하게 된다.
Scanning electron microscopy (SEM, FESEM, JEOL )와 X-ray diffraction (XRD, D8 Discover)을 사용하여 제조된 전극의 특징을 알아 보았다.
Figure 5. Scanning electron microscopy (SEM) image of Na0.44MnO2 electrode
Figure 6. X-ray diffraction (XRD) pattern of Na0.44MnO2 electrode
3.1.3 Silver Electrode
선택적 Na+ 제거를 위한 탈염 배터리 시스템에서 NMO 전극의 상대 전극으로 은 전극을 사용하였다. 마찬가지로 전극 활물질 Ag microparticle (5-8 μm, Aldrich), carbon black (Timcal) 그리고 바인더 (PTFE)를 8:1:1 질량비로 섞어 에탄올을 첨가해 반죽한다. 그 후 롤러 압착기를 이용하여 약 200 μm 두께로 제조해 티타늄 판 위에 3.5 cm x 2.5 cm 크기로 잘라 탄소접착제로 부착하였다.
은 전극은 NMO 전극과는 달리 Ag microparticle로 만들었을 때 Cl- 이온을 포함하고 있지 않다. 따라서 NMO 전극과 같은 충전 상태를 맞춰 주기 위해서 3-전극 시스템에서 은 전극만을 따로 충전해 AgCl로 만들어 줄 필요가 있다. 은 전극 충전 시 NMO 작동 전극의 상대전극으로 SUS를 사용하였고 기준 전극으로는 Ag/AgCl (KCl sat’d)을 사용하였다. 3-전극 시스템을 0.5 M NaCl 용액에서 10 mA 전류로 0.9 V (vs. Ag/AgCl)까지 충전하였다.