Synthesis of Nitrogenous Activated Carbon

Abstract

Nitrogen doping은 Activated carbon(이하 AC)의 특성을 조절하고, 다양한 응용 분야에 대한 잠재적 능력을 부여할 수 있는 효과적인 방법이다. 기본적인 AC의 주요한 특성은 바로 큰 specific surface area(이하 SSA)와 pore volume이다. 이 특성은 AC의 주 응용 분야인 가스 흡착과 센서, 에너지 저장, 전기화학적 표면특성에 모두 중요한 역할을 하며 더 나아가 nitrogen이 doping되면 carbon matrix의 전반적인 electron energy density가 변화하여 carbon재료만의 한계를 극복할 수 있는 가능성을 열어준다. 하지만 nitrogen이 doping된 경우 AC의 기본적인 성질인 높은 SSA와 큰 pore volume이 기존의 AC에 비해 매우 작은 값을 갖는 것이 일반적이다. 지금까지의 연구에 의하면 AC에 nitrogen을 doping하는 방법은 다량의 nitrogen source를 갖고 있는 precursor를 이용하여 carbonization하는 일종의 bottom up 방식이다. 이들은 SSA와 pore volume이 낮기 때문에 이들을 향상시키기 위하여 미리 SSA와 pore volume이 매우 큰 carbon을 가지고 top down 방식의 새로운 doping방법을 사용하였다. 안정한 carbon 재료 내에 nitrogen을 doping하기 위해 많은 defect site를 생성해야 하므로 먼저 carbon을 oxidation한 후에 oxygen functional group들을 reduction하면 많은 defect sites가 생성되며 이 sites는 nitrogen이 doping되기에 충분한 sites가 되었다. 이렇게 얻은 N-doped AC는 매우 높은 doping level에도 불구하고 비교적 큰 SSA와 pore volume을 갖게 되었다. 일련의 과정들의 mechanism과 properties를 짚어나가 기존의 N-doped AC들과는 다른 새로운 합성 방법과 이 재료만의 특성을 보이는 것이 이 논문의 취지이다.