수열반응을 통한 탄소 시트 합성

Abstract

산화 그래핀(Graphene oxide)은 탄소 원자가 서로 공유결합을 한 상태로 육각형의 격자 구조를 이루고 원자 한 층의 얇은 두께를 가진 2차원 물질이며, 표면에 다양한 산소 기능기를 가진 화학적 구조를 가진다. 이런 특징에 기인하여 산화 그래핀은 높은 비 표면적, 수용액에서 안정적인 분산 상태 유지, 화학적 반응 유도 및 기능화가 가능하여 다양한 형태를 가진 산화 그래핀 거시적 구조체가 제작될 수 있다. 또한 추가적인 환원 과정을 통해 그래핀과 유사한 열, 전기적 특성을 회복시킬 수 있어 투명 전극[8], 히터[9], 에너지 저장장치의 전극[10], 수처리 분리막[11], 복합소재[12] 등 다양한 응용분야에 적용될 수 있다. 지금까지 보고된 산화 그래핀의 제작 공정은 흑연(Graphite)을 강력한 산화제로 산화 시켜 층간 간격을 증가 시킨 후 용액 상에서의 중화 과정과 분리 과정을 이용한다. [1,2,3,4,5,6,7] 따라서 공정의 특성상 장 시간의 산화 공정이 필요하고, 유독가스, 중금속 및 산 폐수 배출은 피할 수 없는 문제로 지적되고 있으며 이는 산화 그래핀 제작의 경제성과 생산 효율성을 감소시키는 요인이라 할 수 있다. 본 논문에서는 산화 그래핀과 유사한 기하학적, 화학적 특징을 가지는 탄소 시트(Carbon sheet)를 값싼 재료를 이용해 단 시간에 합성하는 친 환경적 공정 방법을 제시한다. 탄소 시트를 제작하기 위한 빌딩 블록으로 피로갈롤(1,2,3-Trihydroxybenzene), 포도당(Glucose), 여분의 물 만을 이용하였으며 고온 고압의 수열법 공정을 통해 단 시간에 피로갈롤과 포도당의 화학적 결합을 유도하는 상향식 접근법(Bottom-up approach)을 이용하여 탄소 시트를 제작하였다. 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)과 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM), 원자간력현미경(Atomic Force Microscope, AFM)을 이용하여 2차원 탄소 시트의 기하학적 구조를 확인하였고, 퓨리에 변환 적외선 분광계(Fourier-Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR)과 광전자 분광계(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)를 이용하여 산화 그래핀과 유사한 히드록실기, 에폭시기, 카르보닐기, 카르복실기의 화학적 구조를 확인하였다. 본 연구에서 제작된 탄소 시트를 이용하여 열 전지(Thermocell)의 전극을 제작하여 단위 질량 당 최대 출력 성능을 측정하고 그래핀 전극과 성능을 비교하였다. 온도 차 부식 전지(Thermogalvanic cell) 혹은 열-전기화학 전지(Thermo-electrochemical cell)로 알려진 열 전지는 두 전극 사이의 온도 차에 기인해 발생하는 전해질의 산화 환원 반응을 이용하여 전력을 생산하므로 발전소 혹은 산업 시설에서 발생하는 폐열로부터 전기 에너지를 수집할 수 있다. 수열법(Hydrothermal process)에 기반하여 제작된 탄소 시트의 생산 단가는 216.8원/g으로 산화 그래핀(150,000원/g~300,000원/g)에 비해 약 700배 저렴하며 필요한 물의 양은 2.3L/kg으로 산화 그래핀 제작 시 필요한 양(160L/kg~460L/kg)보다 약 80배 적은 수치이다. 탄소 시트 합성 공정 시간은 4시간에 불과하며 합성 과정 시 유독가스, 중금속, 산 폐수 배출 없이 환경 친화적인 방법으로 탄소 시트를 제작할 수 있으며, 열 전지 응용에서 그래핀과 유사한 성능을 확인하였다.