Synthesis of Heteroatom-Modified Carbon Nanomaterials for their Applications to Water Oxidation and Supercapacitor

Abstract

탄소 물질은 가격 경쟁력, 쉬운 합성법, 환경 친화성 떄문에 기존에 사용되는 금속/금속 산화물의 대안으로 주목을 받고 있다. 탄소 물질은 나노 규모에서 다양한 크기, 모양, 차원을 갖도록 합성함으로써 그 성질을 조절할 수 있다. 더욱이 질소, 인, 황, 붕소와 같은 이원자를 갖도록 탄소 물질을 변형하면 새로운 기능을 더하고, 전하를 재분배하며 새로운 에너지 상태를 도입하여 탄소물질의 성질을 현저히 개선시킨다. 이러한 변형은 도핑 과정, 탄소 물질 내의 이원자 치환 또는 교체를 통해 일어난다. 더욱이, 하나 이상의 이원자가 개질된 탄소 물질은 단일체보다 그 특성을 향상시키는 시너지 효과를 나타낸다. 이원자로 개질된 탄소 나노 물질은 많은 응용 분야에서 잘 정립된 금속/금속 산화물과 비교하여 우수한 성능을 나타낸다. 도입부인 제 1 장에서는 탄소 나노 물질의 이원자-변형을 위해 개발된 다양한 합성 전략을 논의하였다.<br/> 제 2 장에서는 황-개질된 그래피틱 카본나이트라이드 나노 구조의 합성에 대해 설명하였다. 자연 정동석에 의해 영감을 얻은 독특한 멜라민 나노 입자를 열수 과정으로 합성하였다. 멜라민 나노 입자와 황의 in-situ 혼합 및 열분해를 통해 황-개질된 그래피틱 카본 나이트라이드 (S-modified g-CNx) 나노 구조가 생성되었다. S-modified g-CNx는 물 산화 전극 촉매로 적용 할 경우, 보고된 금속/금속 산화물 및 잘 정립 된 전극 촉매와 비교할 수 있는 탄소 기반 시스템 중에서 가장 우수한 산소 발생 반응 (OER) 활성을 나타내었다. g-CNx 구조의 황 개질은 OER에 대한 활성화 에너지의 최소화로 인해 과전압을 낮추었다. <br/> 제 3 장에서 질소, 인 (N, P)이 동시에 도핑된 탄소 나노 케이지 (NPHC)의 그램 규모 합성을 위한 wrap-bake-sublime 접근법 개발에 대해 논의하였다. 아연을 함유한 Zeolitic-imidazole-framework (ZIF-8) 나노 입자를 코어로 사용하여 N, P를 포함하고 있는 올리고머인 oligo(cyclotriphosphazene-co-hexahydroxytriphenylene) (OCHT)로 감쌌다. 이 ZIF-8@OCHT 나노 입자의 열분해는 아연을 승화시키고 합성된 NPHC에 다공성을 도입시켰다. NPHC의 미세 다공성은 ZIF-8@OCHT 나노 입자의 합성 과정에서 OCHT 껍질의 두께를 조절한 후 열분해함으로써 정밀하게 조절할 수 있었다. 수퍼 커패시터의 전극으로 미세기공 크기 의존 NPHCs의 응용은 NPHCs의 전기 화학적 성능과 미세 다공성 사이의 우수한 상관 관계가 있습니다. 또한, 전기 화학적 성능은 NPHC에서의 이원자 도핑량 사이의 비와 상관 관계가 있었다. 마지막으로, 대칭적이고 유연한 all-solid-state-수퍼 커패시터를 제작하였으며, 75%의 용량 유지율로 20,000 사이클 동안 높은 에너지 밀도, 전력 밀도 및 우수한 장기 안정성을 보였다.<br/>