[논문]도파민 코팅을 이용한 3차원 그래핀 나노 구조체의 전기화학적/기계적 특성 향상 연구

이국환; 한종훈; 강현욱; 이원오

doi:10.7234/composres.2019.32.6.388

도파민 코팅을 이용한 3차원 그래핀 나노 구조체의 전기화학적/기계적 특성 향상 연구
Enhancement of Electrochemical and Mechanical Properties of 3D Graphene Nanostructures by Dopamine-coating 원문보기

Composites research = 복합재료, v.32 no.6, 2019년, pp.388 - 394

이국환 (School of Mechanical Engineering, Chonnam National University) , (School of Mechanical Engineering, Chonnam National University) , 한종훈 (School of Chemical Engineering, Chonnam National University) , 강현욱 (School of Mechanical Engineering, Chonnam National University) , 이원오 (School of Mechanical Engineering, Chonnam National University)

초록
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그래핀의 저차원 구조에서 기인하는 우수한 전기적/기계적 특성을 지닌 3차원 그래핀 나노 구조체는 높은 다공성과 비표면적을 가지고 있기 때문에 전기화학 에너지 저장 전극 물질로 각광을 받고 있다. 또한 도파민은 카테콜아민 구조를 갖고 있어 다양한 유무기 재료와의 결합력이 뛰어나고, 소수성 재료를 친수성으로 개질시킬 수 있는 다기능 소재이다. 이에 본 연구에서는 도파민을 3차원 그래핀 나노 구조체에 코팅하여, 전해질과의 젖음성을 증대시켜 전기화학 전극의 비축전용량을 개선하고, 3차원 나노 네트워크 간 결합력을 올려 기계적 압축 특성을 증가시키고자 하였다. 연구 결과, 도파민이 코팅된 3차원 그래핀 나노 구조체는 전기화학 비축전용량이 51.5%, 압축 응력은 59.6%로 증가하는 높은 개선 효과를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Inherited the excellent electrical and mechanical properties based on the low dimensional structure of graphene, three-dimensional graphene nanostructures have gathered great attention as electrochemical energy storage electrodes owing to their high porosity and large specific surface area. Also, having the catecholamine structure, dopamine has been regarded as a multifunctional material to possess high affinity to various organic/inorganic materials and to modify a hydrophobic surface to a hydrophilic one. In this work, through coating dopamine on the three-dimensional graphene nanostructure, we tried to increase the specific capacitance by enhancing the wettability with electrolyte and to improve the mechanical compressive property by strengthening the nano-architecture. As a result, the dopamine-coated nanostructure exhibited significant improvement on the specific capacitance (51.5% increase) and compressive stress (59.6% increase).

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. SEM images of 3D GNS ((a) and (b)) and 3D DA-GNS ((c) and (d))
그림 Fig. 2. Nitrogen adsorption-desorption isotherms of 3D GNS and 3D DA-GNS
그림 Fig. 3. Wide scan XPS spectra of 3D GNS and 3D DA-GNS
그림 Fig. 4. C 1s XPS spectra with deconvolution peaks of (a) 3D GNS and (b) 3D DA-GNS
그림 Fig. 5. Water contact angles of 3D GNS and 3D DA-GNS
$Table 1. Atomic fractions obtained by the XPS analysis for 3D GNS and 3D DA-GNS$ 표 Table 1. Atomic fractions obtained by the XPS analysis for 3D GNS and 3D DA-GNS
그림 Fig. 6. Electrochemical CV results of (a) 3D GNS and (b) 3D DA-GNS
그림 Fig. 7. Compressive stress-strain curves of 3D GNS and 3D DA-GNS

AI 본문요약
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문제 정의

연구에서는 보다 특성이 뛰어난 3차원 탄소 나노 구조체를 제조하기 위해 도파민(Dopamine, DA)을 코팅하였다. DA는 해양 홍합의 접착성 물질인 3,4-dihydroxy-l-phenylalanine과 유사한 카테콜아민 구조를 가지고 있어 많은 유무기 재료와의 우수한 결합력을 갖기 때문에, 이를 활용한 표면 개질, 강화제, 생화학 및 전기 화학 에너지 장치를 포함한 다양한 분야에서 광범위하게 이용되고 있다[15-17].

제안 방법

이를 위해 먼저 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)을 에틸렌 다이아민(Ethylene diamine, EDA)을 이용하여 GO 시트 간의 공유 결합을 유도하여 3차원 그래핀 나노 구조체(3D graphene nanostructure, 3D GNS)를 제조하였다. 그리고 여기에 DA를 코팅하여 기계적 특성, 젖음성 및 전기 화학 특성이 증대된 3D DA-GNS를 합성하였다. DA의 효과를 검증하기 위하여, 모폴로지 분석, 화학 분석 및 비표면적 특성 분석을 실시하였고, 접촉각, 순환전압전류법 시험 및 압축 시험을 통하여 제조된 3차원 탄소나노 구조체의 특성 향상을 살펴보았다.
그리고 여기에 DA를 코팅하여 기계적 특성, 젖음성 및 전기 화학 특성이 증대된 3D DA-GNS를 합성하였다. DA의 효과를 검증하기 위하여, 모폴로지 분석, 화학 분석 및 비표면적 특성 분석을 실시하였고, 접촉각, 순환전압전류법 시험 및 압축 시험을 통하여 제조된 3차원 탄소나노 구조체의 특성 향상을 살펴보았다.
이를 위해 먼저 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)을 에틸렌 다이아민(Ethylene diamine, EDA)을 이용하여 GO 시트 간의 공유 결합을 유도하여 3차원 그래핀 나노 구조체(3D graphene nanostructure, 3D GNS)를 제조하였다. 그리고 여기에 DA를 코팅하여 기계적 특성, 젖음성 및 전기 화학 특성이 증대된 3D DA-GNS를 합성하였다.

데이터처리

시험에 사용한 3차원 탄소 나노 구조체는 지름 14 mm, 높이 10 mm의 원기둥 형상을 갖도록 준비하였고, 1 kN의 로드셀을 갖는 MTDI사의 MINOS-100S 만능시험기를 사용하여 2 mm/min의 속도로 압축하였다. 얻어진 데이터는 공칭 응력과 공칭 변형율의 곡선으로 계산하여 분석하였다.

이론/모형

GO는 허머스 방법을 이용하여 제조하였다[18]. 먼저 흑연 파우더 10 g, 질산 20 mL, 과망간산 칼륨 10 g을 섞은 후, 마이크로웨이브 오븐에 넣어 5초간 에너지를 가하여 팽창 흑연을 얻었다.
487 keV) X-ray를 이용한 X선 분광 분석기(XPS, KALPHA+, Thermo-fisher)를 이용하였다. 제조된 3차원 탄소 나노 구조체의 비표면적은 Micromeritics사의 ASAP 2020 장비를 이용하여 질소의 흡탈착을 측정하고, Brunauer-Emmett-Teller(BET) 식을 이용하여 계산하였다. 또한 3차원 탄소 나노 구조체의 DA 코팅에 따른 젖음성을 분석하기 위하여 초고속 카메라(pco.

성능/효과

특히 DA의 코팅을 통해 소수성인 그래핀 구조체의 표면을 친수성으로 개질하여 전기화학 전극으로 활용할 경우 요구되는 전해질 흡습성을 대폭 개선시킬 수 있는 가능성을 볼 수 있었다. 비록 3D DA-GNS의 비표면적이 DA의 코팅을 통해 다소 감소하였으나, 카테콜아민 구조에서 기인하는 우수한 전기화학 특성에 의해 비축전용량이 51.5% 증가한 결과를 얻었다. 뿐만 아니라 DA가 갖는 뛰어난 접착력에 의해 3D DA-GNS의 기계적 압축 응력이 59.
5% 증가한 결과를 얻었다. 뿐만 아니라 DA가 갖는 뛰어난 접착력에 의해 3D DA-GNS의 기계적 압축 응력이 59.6% 개선되었음을 알 수 있었다. 따라서 DA를 3차원 그래핀 나노 구조체에 도입하면, 기계적 특성과 함께 전기 화학 특성을 동시에 증대할 수 있다.
본 연구에서는 EDA를 이용한 수열 합성법을 통하여 3D-GNS를 만들고, 추가적으로 DA를 코팅하여 전기화학적 특성과 기계적 특성이 모두 향상된 3D DA-GNS을 제조하였다. 제조된 3D DA-GNS는 3D-GNS와 유사한 다공 구조와 C/O 원자비를 가지고 있고, 추가된 DA에 의해 질소 성분이 증가된 화학 구조를 가지고 있음을 확인하였다. 특히 DA의 코팅을 통해 소수성인 그래핀 구조체의 표면을 친수성으로 개질하여 전기화학 전극으로 활용할 경우 요구되는 전해질 흡습성을 대폭 개선시킬 수 있는 가능성을 볼 수 있었다.
제조된 3D DA-GNS는 3D-GNS와 유사한 다공 구조와 C/O 원자비를 가지고 있고, 추가된 DA에 의해 질소 성분이 증가된 화학 구조를 가지고 있음을 확인하였다. 특히 DA의 코팅을 통해 소수성인 그래핀 구조체의 표면을 친수성으로 개질하여 전기화학 전극으로 활용할 경우 요구되는 전해질 흡습성을 대폭 개선시킬 수 있는 가능성을 볼 수 있었다. 비록 3D DA-GNS의 비표면적이 DA의 코팅을 통해 다소 감소하였으나, 카테콜아민 구조에서 기인하는 우수한 전기화학 특성에 의해 비축전용량이 51.

후속연구

따라서 DA를 3차원 그래핀 나노 구조체에 도입하면, 기계적 특성과 함께 전기 화학 특성을 동시에 증대할 수 있다. 이러한 DA 코팅을 이용한 3차원 탄소 나노 구조체의 특성 향상은 에너지 저장매체의 전극 뿐만 아니라, 전기화학/바이오 센서, 폐수 정화 및 전자파 흡수체 등의 다양한 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3차원 탄소나노 구조체를 형성하려는 원동력은 무엇이 있는가?	3차원 탄소나노 구조체를 형성하는 원동력은 수소 결합, 정전기적 인력 및 π-π 인력과 같은 분자 상호 작용에 기반한 비공유 결합에 의한 것과, 탄소나노 소재를 특정 화학물질을 이용하여 앵커링는 공유 결합에 의한 것으로 구분할 수 있다. 비공유 결합에 의한 3차원 탄소나노 구조체는 에너지 저장 전극으로 사용할 경우, 전해질의 이온성 액체에 의해 구조가 수축되어 기계적 강도와 내구성이 저하될 수 있다는 단점이 존재한다.
	나노 소재의 전망은 어떠한가?	나노 기술은 IT, BT 기술과 함께 21세기에 기술 혁명을 주도해 나갈 핵심 기술이기에 현재 우리나라를 비롯한 전 세계의 선진국들이 이 분야에 많은 연구 역량을 투자하고 있고, 그 중에서도 나노 소재 산업은 경쟁의 중심에 있다. 나노 소재는 나노 미터의 재료라는 점에서 기존의 마이크론 혹은 서브 마이크론 재료에서 발견할 수 없는 특별한 효과를 나타내거나 전혀 새로운 응용 분야를 만들어낼 가능성이 크다. 다양한 나노 재료 중에서도 기계적 특성과 전기적 성질이 모두 우수한 재료로서 탄소나노튜브와 그래핀과 같은 탄소 나노 소재가 많은 각광을 받고 있다.
	도파민의 구조적 특성과 이로 인한 이용 범위는?	본 연구에서는 보다 특성이 뛰어난 3차원 탄소 나노 구조체를 제조하기 위해 도파민(Dopamine, DA)을 코팅하였다. DA는 해양 홍합의 접착성 물질인 3,4-dihydroxy-lphenylalanine과 유사한 카테콜아민 구조를 가지고 있어 많은 유기 재료와의 우수한 결합력을 갖기 때문에, 이를 활용한 표면 개질, 강화제, 생화학 및 전기 화학 에너지 장치를 포함한 다양한 분야에서 광범위하게 이용되고 있다[15- 17]. 특히, DA의 카테콜 그룹은 흑연 구조의 탄소 나노 소재에 극성을 부여할 수 있어, 전해질과의 젖음성을 증대시킬 수 있으며[11], 아민 작용기는 다양한 유기 물질과의 공유 결합을 형성할 수 있는 활성이 높은 부위이다.

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