Clathrate hydrates have increasingly attracted attention as a potential proton conductor due to relatively high proton conductivity even low temperature. To applications to various electrochemical energy devices, however, its unique brittleness with relatively low mechanical strength arisen from the hydrogen bonded frameworks will have to be improved without accompanying any structural transformation which causes a loss of inherent structural characteristics. This study investigated the preparation of clathrate $Me_4NOH$·$5H_2O$ O nanocomposite incorporated with clay particles to improve its mechanical properties. For clay/ $Me_4NOH$·$5H_2O$ O nanocomposite, clay loading can induce the compressive strength to be increased up to 16.41 MPa from 7.78 MPa. The improvement could be attributed to good compatibility between clathrate hydrate matrix and clay particles, and well dispersion of the clay into the matrix on nano-meter scale. In addition, the proton conductivity and potential window of the nanocomposite were examined in order to confirm being still sufficient to the real applications. For further enhancing mechanical property, however, structural characteristics of clay particles and interaction between clay layers and water molecules or ammonium guest molecules will have to be well understood.
저온에서 비교적 높은 양성자 전도성을 보이는 이온성 크러스레이트 하이드레이트에 대한 최근 연구들이 다양한 전기화학적 장치에 적용하기 위한 양성자 전도체로의 가능성에 주목하고 있다. 하지만 이온성 크러스레이트 하이드레이트는 근본적으로 물 분자들의 수소 결합으로 이루어지는 골격 구조를 가지기 때문에 비교적 약한 기계적 응력에 대해서 낮은 변형율을 보이며 파괴되는데, 이는 전기화학적 장치 제작에 관련된 이온성 크러스레이트 하이드레이트의 응용성을 높이기 위해 우선적으로 해결되어야 할 과제이다. 따라서 본 연구는 이온성 크러스레이트 하이드레이트 중에서도 가장 높은 열적 안정성과 우수한 전도성을 보이는 $Me_4NOH$·$5H_2O$의 강도를 높이기 위해 점토 충전제를 나노미터 수준으로 분산시킨 크러스레이트 기반 나노복합물을 제작하였다.
친수성 점토인 나트륨 알루미노 실리케이트는 이온성 크러스레이트 하이드레이트로 용이하게 분산되었고, 압축 강도 측정 결과, 기존 대비 111%의 응력 향상을 보인다는 것을 밝혔다. 또한 TEM, PXRD 분석을 통해 알루미노 실리케이트 층들의 거리가 서로 멀어지면서 크러스레이트가 삽입되고, 층들의 일부가 박리되는 일반적인 나노복합물의 분산 과정을 규명함으로써 구조적인 측면에서 나노복합물의 기계적 강도 향상의 원인을 입증하였다. 더 나아가 나노복합물의 전기화학적 성능을 순수한 크러스레이트와 비교하기 위해 온도에 따른 상 전이, 양성자 전도도, 포텐셜 윈도우와 같은 전기화학적 물성들을 조사하였고, 결과적으로 장치 제작으로의 응용 가능성을 여전히 가지고 있음을 알 수 있었다.
