JP6824406B2 - コーヒー豆抽出物を利用した活性炭素の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はコーヒー豆抽出物を利用した活性炭素の製造方法に関する。

活性炭素は細孔構造を有する無定形炭素であって、気相および液相で優秀な吸着特徴を示す物質として広く知られている。このような特徴を有する活性炭素は、主に精製工程および大気浄化などの多様な分野にわたって多様に使われており、迅速な充放電、長寿命、親環境、広範囲な作動温度条件などを有さなければならないキャパシタの電極素材などとしてその活用範囲が次第に広くなりつつある。

このような活性炭素は、一般的にヤシ殻、大鋸屑、石炭または石油から得られるコークス、ピッチ、レジンなどを原料にして製造されている。しかし、キャパシタのような電極素材に使われる活性炭素の場合、高い電気電導度とともに適切な比表面積、細孔の直径および粒子の大きさなどが要求されるが、既存の商業用として使われている活性炭素は相対的に粒子の大きさが大きく、細孔の大きさの調節が難しい問題がある。また、大韓民国公開特許第２０１５−００６６９２５号のように、活性炭素の粒子の大きさや細孔の大きさを制御するためには、人体に有害で腐食性が非常に強い高濃度の水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液や塩化亜鉛（ＺｎＣｌ_２）を利用した化学的活性化工程が追加的に要求されるため作業者の健康を害する恐れがあり、工程設備の寿命が短く、設備の維持・保守費用が高価な限界がある。

したがって、人体に有害で腐食性が強いアルカリ金属水酸化物やアルカリ金属塩化物を使わずに高い比表面積と小さな細孔大きさを有する活性炭素を経済的に製造する技術の開発が切に要求されている。

本発明の目的は、人体に有害で腐食性が強いアルカリ金属水酸化物やアルカリ金属塩化物を使わずに高い比表面積と小さな細孔大きさを有する活性炭素を経済的に製造する方法を提供するところにある。

前記目的を達成するために、本発明は一実施例において、活性化溶液が吸収されたセルロースを熱処理して活性炭素を製造する段階を含み、前記活性化溶液はコーヒー豆から由来する抽出物であることを特徴とする、活性炭素の製造方法を提供する。

本発明に係る活性炭素の製造方法は、セルロースの炭化時に活性化触媒としてコーヒー豆から得た抽出物を利用して、人体に安全で工程設備の維持・保守が容易であり、作業性および経済性に優れているだけでなくコーヒーの捨てられる食物廃棄物を利用することができるため、環境に優しい利点がある。また、これによって製造される活性炭素は、比表面積が大きく細孔の直径が２ｎｍ以下と微細であるため、スーパーキャパシタなどの電極素材などに有用に使われ得る。

本発明に係る活性炭素の製造方法を概略的に示したイメージ。 本発明により製造された活性炭素（実施例３）とセルロースを含む紙を炭化させて製造される活性炭素（比較例１）のエネルギー分散分光器（ＥＤＳ）および走査電子顕微鏡（ＳＥＭ、加速電圧：２０ｅＶ）分析したイメージ。 本発明により製造された活性炭素（実施例３）の（ａ）ラマン分光および（ｂ）Ｘ線回折（ＸＲＤ）を測定したグラフ。 本発明により製造された活性炭素（実施例３）のＸ線光電子分光（ＸＰＳ）を測定したグラフ。 本発明により製造された活性炭素（実施例３）の（ａ）細孔体積および（ｂ）細孔平均直径を測定したグラフ。 本発明により製造された活性炭素（実施例３）とセルロースを含む紙を炭化させて製造される活性炭素（比較例１）を電極にそれぞれ含むスーパーキャパシタの電気的物性を測定したグラフ：（ａ）：循環電圧電流（ｃｙｃｌｉｃ ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ）グラフ、（ｂ）：定電流充放電（ｇａｌｖａｎｏｓｔａｔｉｃ ｃｈａｒｇｅ−ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）時に時間による電圧グラフ、（ｃ）：充放電周期評価グラフ、（ｄ）：インピーダンスグラフ。

本発明は多様な変更を加えることができ、多様な実施例を有することができるところ、特定の実施例を「図面」に例示して「詳細な説明」により具体的に説明する。

しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。

本発明で、「含む」または「有する」等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものなどの存在または付加の可能性をあらかじめ排除しないものと理解されるべきである。

また、本発明で添付された図面は、説明の便宜のために拡大または縮小して図示されたものと理解されるべきである。

本発明は活性炭素の製造方法に関する。

活性炭素は細孔構造を有する無定形炭素であって、気相および液相で優秀な吸着特徴を示す物質として広く知られている。このような特徴を有する活性炭素は、主に精製工程および大気浄化などの多様な分野にわたって多様に使われており、迅速な充放電、長寿命、親環境、広範囲な作動温度条件などを有さなければならないキャパシタの電極素材などとしてその活用範囲が次第に広くなりつつある。

このような活性炭素は、一般的にヤシ殻、大鋸屑、そして石炭または石油から得られるコークス、ピッチ、レジンなどを原料にして製造されている。しかし、キャパシタのような電極素材に使われる活性炭素の場合、高い電気電導度とともに適切な比表面積、細孔の直径および粒子の大きさなどが要求されるが、既存の商業用として使われている活性炭素は相対的に粒子の大きさが大きく、細孔の大きさの調節が難しい問題がある。また、活性炭素の粒子の大きさや細孔の大きさを制御するためには、人体に有害で腐食性が非常に強い高濃度の水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液や塩化亜鉛（ＺｎＣｌ_２）を利用した化学的活性化工程が追加的に要求されるため作業者の健康を害する恐れがあり、工程設備の寿命が短く、設備の維持・保守費用が高価な限界がある。

そこで、本発明はコーヒー豆抽出物を利用した活性炭素の製造方法を提供する。

本発明に係る活性炭素の製造方法は、セルロースの炭化時に活性化触媒としてコーヒー豆から得た抽出物を利用して、人体に安全で工程設備の維持・保守が容易であり、作業性および経済性に優れているだけでなくコーヒーの捨てられる食物廃棄物を利用することができるため、環境に優しい利点がある。また、これによって製造される活性炭素は、比表面積が大きく細孔の直径が２ｎｍ以下と微細であるため、スーパーキャパシタなどの電極素材などに有用に使われ得る。

以下、本発明をより詳細に説明する。

本発明は一実施例において、活性化溶液が吸収されたセルロースを熱処理して活性炭素を製造する段階を含み、前記活性化溶液はコーヒー豆から由来する抽出物であることを特徴とする、活性炭素の製造方法を提供する。

本発明に係る活性炭素の製造方法は、炭素の供給源であるセルロースの炭化時にセルロースの炭化速度を高め、形成される活性炭素の微細孔構造を誘導する活性化触媒として食品から抽出された活性化溶液を使って活性炭素を製造することができる。

具体的には、本発明は炭素の供給源であるセルロースを活性化溶液に浸漬させてセルロースに活性化溶液を吸収させ、活性化溶液が吸収されたセルロースを乾燥させた後、乾燥したセルロースを熱処理して炭化することによって、活性炭素を得ることができる。

この時、前記活性化溶液はカリウムイオン（Ｋ^＋）等の金属イオン含量が高い食品から抽出された抽出物であり得る。具体的には、前記活性化溶液はコーヒー豆、ピーナッツ、アーモンド、えんどう豆などの豆類や；アボカドなどの果物または昆布、わかめ、青海苔、海苔などの海草類のうち、いずれか一つ以上を熱水抽出したものであり得、より具体的にはコーヒー豆、ピーナッツ、アーモンドおよびえんどう豆からなる群から選択される１種以上を熱水抽出したものであり得る。一つの例として、前記活性化溶液はコーヒー豆を熱水抽出したものであり得る。

また、前記熱水抽出は高温の水を利用して物質内の水溶性成分を抽出する方法であり、前記水の温度は８０℃以上であり得る。一つの例として、前記水の温度は９０℃〜１１０℃、９０℃〜９５℃、９５℃〜１００℃、１００℃〜１０５℃、９５℃〜１０５℃または９８℃〜１０２℃であり得る。

併せて、前記熱水抽出は常圧（１ｂａｒ）以上の圧力条件で遂行され得る。具体的には、前記熱水抽出は１ｂａｒ〜２０ｂａｒの圧力条件で抽出されたものであり得、より具体的には１ｂａｒ〜１５ｂａｒ、１ｂａｒ〜１０ｂａｒ、１ｂａｒ〜５ｂａｒ、３ｂａｒ〜５ｂａｒ、３ｂａｒ〜４ｂａｒ、５ｂａｒ〜１５ｂａｒ、５ｂａｒ〜１０ｂａｒ、１０ｂａｒ〜１５ｂａｒ、１３ｂａｒ〜１５ｂａｒ、１４ｂａｒ〜１７ｂａｒ、１５ｂａｒ〜２０ｂａｒまたは８ｂａｒ〜１０ｂａｒの圧力条件で抽出されたものであり得る。

さらに、前記活性化溶液はカリウムイオン（Ｋ^＋）、ソディウムイオン（Ｎａ^＋）および亜鉛イオン（Ｚｎ ^２＋ ）からなる群から選択される１種以上の金属イオンを多量含んだものであり得る。本発明で使われる活性化溶液は、前述した圧力および温度条件下でカリウム含量が高い食品の熱水抽出を遂行して得られるため、カリウムイオン（Ｋ^＋）の含量が高い特徴を有する。具体的には、活性化溶液に含まれる前記金属イオンの含量はそれぞれ５０ｍｇ／Ｌ以上であり得、より具体的にはそれぞれ５０ｍｇ／Ｌ以上、１００ｍｇ／Ｌ以上、１５０ｍｇ／Ｌ以上、２００ｍｇ／Ｌ以上、２５０ｍｇ／Ｌ以上、３００ｍｇ／Ｌ以上、３５０ｍｇ／Ｌ以上、４００ｍｇ／Ｌ以上，５００ｍｇ／Ｌ以上、５０ｍｇ／Ｌ〜１０，０００ｍｇ／Ｌ、１００ｍｇ／Ｌ〜９，０００ｍｇ／Ｌ、５００ｍｇ／Ｌ〜９，０００ｍｇ／Ｌ、５００ｍｇ／Ｌ〜７，０００ｍｇ／Ｌ、５００ｍｇ／Ｌ〜６，０００ｍｇ／Ｌ、１，０００ｍｇ／Ｌ〜９，０００ｍｇ／Ｌ、５，０００ｍｇ／Ｌ〜９，０００ｍｇ／Ｌ、６，０００ｍｇ／Ｌ〜１０，０００ｍｇ／Ｌ、５００ｍｇ／Ｌ〜５，０００ｍｇ／Ｌ、５００ｍｇ／Ｌ〜４，０００ｍｇ／Ｌ、ｍｇ／Ｌ、３，０００ｍｇ／Ｌ〜５，０００ｍｇ／Ｌ、３，０００ｍｇ／Ｌ〜４，０００ｍｇ／Ｌ、３，５００ｍｇ／Ｌ〜４，５００ｍｇ／Ｌ、４，０００ｍｇ／Ｌ〜５，０００ｍｇ／Ｌ、１，０００ｍｇ／Ｌ〜３，０００ｍｇ／Ｌ、２，０００ｍｇ／Ｌ〜３，０００ｍｇ／Ｌ、２，０００ｍｇ／Ｌ〜２，５００ｍｇ／Ｌまたは２，０００ｍｇ／Ｌ〜２、２００ｍｇ／Ｌであり得る。一つの例として、前記活性化溶液はコーヒー豆から熱水抽出されてカリウムイオン（Ｋ^＋）の含量が２，１００±５０ｍｇ／Ｌであり得る。本発明は活性化溶液内に含まれた金属イオンの含量を前記範囲で制御することによって、セルロースの炭化時に炭化速度を増加させて活性炭素の表面を活性化して細孔比率を高めるとともに、細孔の直径を微細化して活性炭素の微細孔構造を誘導することができる。

一つの例として、本発明により製造される活性炭素は細孔の平均直径が２ｎｍ以下であり得、具体的には０．５ｎｍ〜１．５ｎｍ、０．５ｎｍ〜１．０ｎｍまたは１．０ｎｍ〜１．５ｎｍであり得る。併せて、前記活性炭素の平均比表面積は３０ｍ^２／ｇ〜２，０００ｍ^２／ｇであり得、具体的には５０ｍ^２／ｇ〜２，０００ｍ^２／ｇ、５０ｍ^２／ｇ〜１，５００ｍ^２／ｇ、５０ｍ^２／ｇ〜１，０００ｍ^２／ｇ、５０ｍ^２／ｇ〜５００ｍ^２／ｇ、２００ｍ^２／ｇ〜５００ｍ^２／ｇ、２００ｍ^２／ｇ〜４００ｍ^２／ｇ、２００ｍ^２／ｇ〜３００ｍ^２／ｇ、２３０ｍ^２／ｇ〜２７０ｍ^２／ｇ、１００ｍ^２／ｇ〜３００ｍ^２／ｇ、１００ｍ^２／ｇ〜２００ｍ^２／ｇ、２５０ｍ^２／ｇ〜３００ｍ^２／ｇ，３００ｍ^２／ｇ〜５００ｍ^２／ｇまたは２５０ｍ^２／ｇ〜２６０ｍ^２／ｇであり得る。

一方、本発明で使われるセルロースは、炭素の供給源として緑色植物、緑・海草類または微生物から得られるものであり得る。一つの例として、前記セルロースは木材から得られる繊維形態のセルロースであり得、具体的にはセルロース繊維で構成された紙であり得る。セルロースとして木材から得られる紙を利用する場合、従来原料物質の用意にかかる費用を節減することができる。

また、前記セルロースに吸収される活性化溶液の量は、セルロースを十分に濡らすことができる量であれば特に制限なく適用できる。一つの例として、前記活性化溶液の吸収量はセルロース単位重さ（１ｍｇ）当たり０．００１ｍｌ〜０．１ｍｌであり得、具体的には０．００１ｍｌ〜０．０５ｍｌ、０．００１ｍｌ〜０．０３ｍｌ、０．００１ｍｌ〜０．０２ｍｌ、０．００１ｍｌ〜０．０１ｍｌ、０．０１ｍｌ〜０．５ｍｌ、０．０１ｍｌ〜０．０３ｍｌ、０．０１ｍｌ〜０．０２ｍｌ、０．０２ｍｌ〜０．０３ｍｌ、０．０１５ｍｌ〜０．０２５ｍｌ、０．０５ｍｌ〜０．１ｍｌ、０．０３ｍｌ〜０．０５ｍｌ、０．０４ｍｌ〜０．０８ｍｌ、または０．０８ｍｌ〜０．１ｍｌであり得る。本発明は活性化溶液の吸収量を前記範囲で制御することによって、セルロースに残留するカリウムイオン（Ｋ^＋）の量を最適化することができる。

これと共に、前記活性化溶液が吸収されたセルロースの熱処理は紙が炭化する温度範囲で遂行され得る。具体的には、前記熱処理は１００℃〜１，０００℃で遂行され得、より具体的には１００℃〜９００℃、１００℃〜８００℃、１００℃〜７００℃、１００℃〜６００℃、５００℃〜１，０００℃、５００℃〜９００℃、５００℃〜８００℃、２００℃〜７００℃、３００℃〜７００℃、３５０℃〜７００℃、４００℃〜７００℃、５００℃〜７００℃、５５０℃〜６５０℃、１００℃〜３００℃、１５０℃〜３００℃、２００℃〜３００℃、２２０℃〜２８０℃または２４０℃〜２７０℃で遂行され得る。一つの例として、本発明に係るセルロースは活性化溶液を吸収してセルロースが炭化する温度より低い２５５±２℃で分解が始まるので、従来セルロースが炭化する温度と比較してより低い温度においても効果的に炭化され得る。

また、前記熱処理は５分〜３００分の間遂行され得、具体的には５分〜２５０分、５分〜２００分、１０分〜２５０分、３０分〜２５０分、６０分〜２５０分、１００分〜２５０分、５分〜１８０分、５分〜１５０分、５分〜１３０分、１０分〜１３０分、２０分〜２００分、２０分〜１５０分、２０分〜１３０分、３０分〜２００分、３０分〜１８０分、３０分〜１５０分、３０分〜１３０分、６０分〜１８０分、６０分〜１５０分、６０分〜１３０分、６０分〜１００分、１００分〜２００分、１００分〜１８０分、１００分〜１５０分、１００分〜１３０分、５分〜１５分、５分〜３５分、２０分〜４０分、１７０分〜１９０分または１１０分〜１３０分の間遂行され得る。本発明はセルロースの熱処理時間を前記範囲で制御することによって、製造される活性炭素の比表面積を最大化することができる。一つの例として、セルロースの熱処理を１２０分の間遂行して製造される活性炭素の平均比表面積は２５５±２ｍ ^２ ／ｇであり得る。

また、本発明によれば、コーヒー豆の熱水抽出物を利用して、セルロースから製造される活性炭素を含む電池用電極を提供できる。

得られる電池用電極は、コーヒー豆の熱水抽出物を利用して、セルロースから製造される活性炭素を電極活物質としてしようするため、製造費用が低いだけでなく高い容量を示すことができる。

以下、本発明を実施例および実験例によってより詳細に説明する。

ただし、下記の実施例および実験例は本発明の例示に過ぎず、本発明の内容は下記の実施例および実験例に限定されるものではない。

実施例１〜４．活性炭素の製造
コーヒー豆から９５±１℃および９ｂａｒの条件下で熱水抽出されたエスプレッソ（ｅｓｐｒｅｓｓｏ）を活性化溶液として準備した。この時、準備したエスプレッソを対象に誘導結合プラズマ放出分光（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、ＩＣＰ−ＯＥＳ、７００−ＥＳ、Ｖａｒｉａｎ社）を測定した結果、溶液内に存在するカリウムイオン（Ｋ^＋）の含量は２１１２±１０ｍｇ／Ｌと確認された。その後、準備した前記エスプレッソ（２０ｍｌ）に横１０．７ｃｍおよび縦２１ｃｍの紙（キムワイプス、柳韓キンバリー）を浸漬させてエスプレッソを紙に吸収させ、１２０±２℃で６±０．５時間の間乾燥させた。エスプレッソを吸収させた紙が乾燥すると窒素６００±１０℃、ガス雰囲気で熱処理して活性炭素を製造した。この時、熱処理時間は下記の表１に示したし、紙に吸収されたエスプレッソの吸収量は単位重さ（１ｍｇ）当たり０．０２±０．００２ｍｌであった。

比較例１．
蒸溜水（ＩＣＰ−ＯＥＳ測定されたＫ^＋含量：３ｍｇ／Ｌ）を準備し、準備した蒸溜水に横１０．７ｃｍおよび縦２１ｃｍの紙（キムワイプス、柳韓キンバリー）を浸漬させて吸収した後、１２０±２℃で６±０．５時間の間乾燥させた。紙が乾燥すると窒素６００±１０℃、ガス雰囲気で２時間の間熱処理して活性炭素を製造した。

実施例５．スーパーキャパシタの製造
実施例３で製造された活性炭素、多重壁炭素ナノチューブ（ＭＷＮＴ）およびポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＴＦＥ）を８５：１０：５（ｗ／ｗ／ｗ）の重量比率で混合し、多孔性ニッケル集電体（Ｎｉｃｋｅｌ ｆｏａｍ）に圧延機を利用した圧着工程を遂行して電極を製造した。

その後、６Ｍ ＫＯＨ水溶液およびセルガード３５０１（Ｃｅｌｇａｒｄ３５０１、厚さ＝２５μｍ）をそれぞれ電解質および分離膜として準備し、先立って製造された電極と共にコインタイプのセル（２０３２−ｔｙｐｅ）にパッケージングして二重層スーパーキャパシタを製造した。

比較例２．
前記実施例５で実施例３で製造された活性炭素を使う代わりに比較例１で製造された活性炭素を使うことを除いては前記実施例５と同じ方法で遂行して二重層スーパーキャパシタを製造した。

実験例１．
本発明により製造される活性炭素の生成温度、成分および構造を確認するために下記のような実験を遂行した。

（イ）活性炭素の生成温度分析
コーヒー豆を熱水抽出したエスプレッソを活性化溶液として使う場合、セルロースの炭化に及ぼす影響を確認するために、実施例１と同じ方法で活性化溶液を準備し、準備した活性化溶液に横１０．７ｃｍおよび縦２１ｃｍの紙（キムワイプス、柳韓キンバリー）を浸漬させてエスプレッソを紙に吸収させた。その後、前記紙を１２０±２℃で６±０．５時間の間乾燥させ、乾燥した紙の熱重量分析（ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ）を遂行した。この時、前記熱重量分析は窒素ガス雰囲気で遂行されたし、昇温速度は５±０．１℃／ｍｉｎで調節した。また、対照群としてエスプレッソを吸収していない横１０．７ｃｍおよび縦２１ｃｍの紙（キムワイプス、柳韓キンバリー）を使ったし、その結果を下記の表２に示した。

表２に示した通り、エスプレッソを吸収させた実施例１の紙は熱分解温度が２５４±２℃であって、エスプレッソを吸収させていない対照群の紙と対比して約６８℃低くなることが分かる。

このような結果は、エスプレッソに含まれたカリウムイオン（Ｋ^＋）がセルロースの炭化を促進させて、より低い温度でもセルロースの炭化が可能であることを示すものである。

（ロ）活性炭素の成分分析
活性炭素の成分を確認するために、実施例１〜３と比較例１で製造された活性炭素を対象にエネルギー分散分光器（ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＥＤＳ）が装着された走査電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ、加速電圧：２０ｅＶ）観察を遂行した。また、ラマン分光（Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、Ｘ線回折（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ、ＸＲＤ）およびＸ線光電子分光（Ｘ−ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＸＰＳ、Ｋ−ａｌｐｈａＴＭ＋ ＸＰＳ ｓｙｓｔｅｍ、Ｔｈｅｒｍｏ ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＴＭ）分析を遂行した。ここで、前記Ｘ線回折は４０ｋＶおよび４０ｍＡ（ＣｕＫα照射、λ＝０．１５４０５６ｎｍ）条件下で遂行したし、その結果は図２〜図４に示した。

ます、図２を詳察すると、本発明により製造された実施例３の活性炭素は表面が活性化して粗くなったことが確認されたし、エネルギー分散分光（ＥＤＳ）を通じてカリウムイオン（Ｋ^＋）含有していることが分かる。これに反して、活性炭素の製造時にコーヒー抽出物であるエスプレッソを使っていない比較例１の活性炭素は表面がなめらかでありカリウムイオンを含有しないことが確認された。

また、図３を詳察すると、実施例３の活性炭素は（ａ）ラマン分光測定時に１３４４±２ｃｍ^−１および１５９３±２ｃｍ^−１で活性炭素を示すピークが確認されたし、（ｂ）Ｘ線回折測定時に２３±０．５°と４４±０．５°でそれぞれ活性炭素の［０、０、２］面と［１、０、０］面を示すピークが確認された。

さらに、図４を詳察すると、実施例３の活性炭素は２９３±１ｅＶおよび２９６±１ｅＶでカリウム結合を表すエネルギーピークを示し、２８７±１ｅＶ、２８９±１ｅＶ、および５３３±１ｅＶなどでカルボニル基（−Ｃ（＝Ｏ）⁻基）やカーボネート基（ＣＯ_３ ^２−基）等の官能基結合を示すエネルギーピークも表れた。しかし、エスプレッソを使っていない比較例１の活性炭素はこのようなピークを示さなかった。

これはコーヒー豆から熱水抽出されたエスプレッソを紙に吸収させた後、これを熱分解する場合に活性炭素が製造されるが、この時、エスプレッソに含まれたカリウムイオン（Ｋ^＋）はセルロースの炭化を促進させ、炭化したセルロースの微細孔構造を誘導することを示す。

（ハ）活性炭素の構造分析
実施例１〜３および比較例１で製造された活性炭素を対象にＢＥＴ比表面積、細孔の体積および細孔平均直径を測定した。この時、ＢＥＴ比表面積は７７Ｋ、窒素ガス雰囲気で物理吸着分析器（ｐｈｙｓｉｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎａｌｙｚｅｒ ＡＳＡＰ２０２０、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ）を利用して測定したし、その結果は表３および図５に示した。

表３および図５の（ａ）を詳察すると、本発明により製造された実施例３の活性炭素は活性炭素の製造時にエスプレッソを使っていない比較例１の活性炭素と対比して、ＢＥＴ平均比表面積と細孔の平均体積が広いことが確認された。

また、図５の（ｂ）を詳察すると、活性炭素の熱処理時間につれて細孔の平均体積は増加し、平均直径は減少することが確認された。

これはエスプレッソに含まれたカリウムイオン（Ｋ^＋）がセルロースに残留してセルロースの炭化時活性炭素の微細孔構造を誘導し、このような傾向は熱処理時間に影響を受けることを意味し得る。

実験例２．
本発明により製造された活性炭素を電極に含有するスーパーキャパシタの性能を確認するために、下記のような実験を遂行した。

具体的には、実施例５および比較例２で製造されたスーパーキャパシタを対象に、ｉ）循環電圧電流（ｃｙｃｌｉｃ ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ）、ｉｉ）定電流充放電（ｇａｌｖａｎｏｓｔａｔｉｃ ｃｈａｒｇｅ−ｄｉｓｃｈａｇｅ）時に時間による電圧、ｉｉｉ）充放電による保存容量の変化およびｉｖ）インピーダンスを測定した。

この時、前記循環電圧電流は０〜０．８Ｖの電圧範囲で１．０ｍＶ・ｓ^−１の走査速度で測定したし、定電流充放電時時間による電圧は０．５Ａ・ｇ^−１の電流密度で１００秒の間測定した。また、充放電による保存容量は０．５Ａ・ｇ^−１の電流密度で１０，０００回充放電時の保存容量を測定したし、インピーダンスは１０^−２〜１０^−５Ｈｚの振動数範囲でＴＬＭ−ＰＳＤモデルを利用して測定した。さらに、インピーダンス測定時に実施例３および比較例１で製造された活性炭素の総イオン伝導度（Ｙｐ）と浸透率（ｐｅｎｅｔｒａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ、α０）を共に導き出したし、その結果は図６に示した。

図６の（ａ）〜（ｄ）に示した通り、本発明により製造された活性炭素を電極に含有する実施例５のスーパーキャパシタは、比較例２のスーパーキャパシタと比較して高い充放電容量を示した。具体的には、実施例５のスーパーキャパシタは１３１±５Ｆ／ｇの静電容量を示す反面、比較例２のスーパーキャパシタは６４±５Ｆ／ｇの静電容量を示すことが確認された。また、前記実施例５のスーパーキャパシタは１０，０００回充放電が遂行された後にも充放電容量が一定に維持されることが確認された。

このような結果から、本発明により製造された活性炭素は比表面積が大きく、細孔の直径が２ｎｍ以下と微細な微細孔構造を有して電気化学的物性が優秀であるため、スーパーキャパシタの電極素材などに有用に使われ得ることが分かる。

本発明に係る活性炭素の製造方法は、セルロースの炭化時に活性化触媒としてコーヒー豆から得た抽出物を利用して、人体に安全で工程設備の維持・保守が容易であり、作業性および経済性に優れているだけでなくコーヒーの捨てられる食物廃棄物を利用することができるため、環境に優しい利点がある。また、これによって製造される活性炭素は、比表面積が大きく細孔の直径が２ｎｍ以下と微細であるため、スーパーキャパシタなどの電極素材などに有用に使われ得る。

Claims (10)

1. 活性化溶液が吸収されたセルロースを熱処理して活性炭素を製造する段階を含み、
   前記活性化溶液は、コーヒー豆から由来する抽出物であることを特徴とする、活性炭素の製造方法。
2. 活性化溶液は、コーヒー豆を熱水抽出したことを特徴とする、請求項１に記載の活性炭素の製造方法。
3. 活性化溶液は１ｂａｒ〜２０ｂａｒの圧力で熱水抽出されたことを特徴とする、請求項１に記載の活性炭素の製造方法。
4. 活性化溶液は、カリウムイオン（Ｋ^＋）、ソディウムイオン（Ｎａ^＋）および亜鉛イオン（Ｚｎ ^２＋ ）からなる群から選択される１種以上の金属イオンを含み、
   前記金属イオンの濃度はそれぞれ５０ｍｇ／Ｌ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の活性炭素の製造方法。
5. セルロースは、緑色植物、緑・海草類または微生物から得られることを特徴とする、請求項１に記載の活性炭素の製造方法。
6. 熱処理温度は、１００〜１，０００℃である、請求項１に記載の活性炭素の製造方法。
7. 熱処理時間は、５分〜３００分である、請求項１に記載の活性炭素の製造方法。
8. 活性化溶液が吸収されたセルロースを熱処理して活性炭素を製造する段階の前に、
   セルロースを活性化溶液に浸漬させる段階；および
   浸漬されたセルロースを乾燥させる段階をさらに含む、請求項１に記載の活性炭素の製造方法。
9. 活性化溶液の吸収量は、セルロース単位重さ（１ｍｇ）当たり０．００１ｍｌ〜０．１ｍｌであることを特徴とする、請求項８に記載の活性炭素の製造方法。
10. 活性炭素は平均比表面積が３０ｍ ^２ ／ｇ〜２，０００ｍ ^２ ／ｇである、請求項１に記載の活性炭素の製造方法。