Graphene, a two-dimensional material with a single atomic layer, has recently become a major research focus in various applications such as electronic devices, sensors, energy storage, catalysts, and adsorbents, because of its large theoretical surface area, excellent electrical conductivity, outsta...
Graphene, a two-dimensional material with a single atomic layer, has recently become a major research focus in various applications such as electronic devices, sensors, energy storage, catalysts, and adsorbents, because of its large theoretical surface area, excellent electrical conductivity, outstanding chemical stability, and good mechanical properties. Recently, 3D nanoporous graphene structures have received tremendous attention to expand the application of 2D graphene. Here, we overview the synthesis of 3D nanoporous graphene network structure with two-dimensional graphite oxide sheets, the control of porous parameters such as specific surface area, pore volume and pore size etc, and the modification of electronic structure by heteroatom doping along with its various applications. The 3D nanoporous graphene shows superior performance in diverse applications as a promising key material. Consequently, 3D nanoporous graphene can lead the future for advanced nanotechnology.
Graphene, a two-dimensional material with a single atomic layer, has recently become a major research focus in various applications such as electronic devices, sensors, energy storage, catalysts, and adsorbents, because of its large theoretical surface area, excellent electrical conductivity, outstanding chemical stability, and good mechanical properties. Recently, 3D nanoporous graphene structures have received tremendous attention to expand the application of 2D graphene. Here, we overview the synthesis of 3D nanoporous graphene network structure with two-dimensional graphite oxide sheets, the control of porous parameters such as specific surface area, pore volume and pore size etc, and the modification of electronic structure by heteroatom doping along with its various applications. The 3D nanoporous graphene shows superior performance in diverse applications as a promising key material. Consequently, 3D nanoporous graphene can lead the future for advanced nanotechnology.
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문제 정의
본론에서는 다공성 물질의 정의와 분류에 대해 우선적으로 소개할 것이다. 다음으로 3차원 나노 다공성 그래핀의 제조와 기공 특성 제어 및 응용성에 대해 기술 하고자 한다.
기공이 작을수록 혹은 클수록 좋다고 일반화하기 어려우며, 연구목적과 대상에 따라 적절한 크기의 기공을 제어하는 것이 중요하다. 본론에서는 다공성 물질의 정의와 분류에 대해 우선적으로 소개할 것이다. 다음으로 3차원 나노 다공성 그래핀의 제조와 기공 특성 제어 및 응용성에 대해 기술 하고자 한다.
가설 설정
특히 그래핀에 질소나 인과 같은 이종 원소를 도핑하여 최외각 오비탈 에너지에 영향을 줌으로써 인접한 탄소를 활성화시켜 HER의 반응성을 증가할 수 있다.16) 일반적으로 촉매의 다공성은 HER에서 중요 한 역할을 한다. 전형적인 가스 발생 불균일 촉매에서, 넓은 비표면적에서 비롯되는 기공 가장자리의 계면에는 많은 촉매 활성 자리가 노출되어 있어 촉매 반응의 효율이 향상된다.
제안 방법
AMG의 아민기와 CMPO의 트리 에틸 포스포노 아세테이트의 에스터기 사이에 아마이드 결합 을 통해 선택성이 높은 흡착체가 형성된다. 얻어진 CMPO-AMG의 희토류 원소에 대한 흡착 성능은 란타넘 이온(La3+)을 이용하여 평가되었다.23,24)
성능/효과
그래핀은 이론적인 비표면적이 넓으며, 기계적 강도가 우수하고 전자 이동도와 열전 도도가 높다.1) 그래핀의 구조는 탄소 원자가 평면상에 육각형으로 배열된 단일 층으로 이루어져 있으며, 층 내부 (in-plane)의 탄소 원자는 주변의 3개의 탄소 원자와 공유결합을 이룬다. 이에 반해, 그래핀과 동소체(allotrope) 관계인 흑연은 단일 층의 그래핀들이 층에 수직인 방향 (out-plane)으로 반데르발스 인력(Van der Waals interaction)이 작용하여 서로 적층된 구조를 가진다.
3) GO의 하이드록실기 혹은 카복실기 등 산소가 포함된 작용기는 분자 내 혹은 마이셀과 탈수 반응을 통한 올레핀 결합 혹은 에터나 에스터 등의 공유 결합을 형성하기도 한다.4,5)
VOCs 흡착에 있어 흡착제의 기공 크기의 중요성은 서로 다른 기공 구조를 갖는 RGO와 MG 흡착제를 기준 농도 100 μg/ml (Supelco)의 크기가 다양한 총 52가지 실 내 오염물질을 이용한 VOCs 흡착 테스트 결과를 통해 확인할 수 있다(Fig. 7).
결과적으로 MG 분체는 RGO분체에 비해 많게는 40배 까지 흡착 용량이 증가하였다. 흡착 용량은 작은 분자들의 경우 큰 차이가 없지만, 비교적 큰 분자들(n-hexadecane, p-ethyltoluene, D-limonene, 1,2,4,5-tetramethyl benzene 등)에서는 크게 차이가 난다.
결과적으로, NMG는 최외각 오비탈 에너지 준위가 변해 그래핀의 활성 자리로 이동하는 전자를 가속화하여 흡착된 수소 원자를 수소 분자로 빠르게 변환시킬 수 있다. 따라서 NMG는 전류밀도 10 mA/cm2에서 비금속 촉매 중 가장 낮은 과전압인 239 mV의 값을 가져 우수한 HER 특성을 나타냈다(Fig.
결과적으로, 가시광선 조건의 광원(tungsten halogen vapour lamp, λ > 410 nm)에 240분간 노출시킨 후 4-cholorophenol의 분해의 정도를 비교하였을 때, 초기 농도의 약 88.6 %를 감소시켜 기존의 Eu2O3/TiO2 복합 체(~55%)에 비해 향상된 광효율을 확인할 수 있다.
붕소의 화학적 배치가 다른 BMG에 대한 물리화학적, 전기화학적 특성들을 비교한 연구가 진행된 바 있다. 결과적으로, 소성 과정을 거친 BMG(BMG-c, 1102 m2 /g)는 수열합성법으로 얻어진 BMG(BMG-h, 997 m2 /g)에 비 해 상대적으로 넓은 비표면적을 나타냈다.25,26)
질소가 도핑된 메조 다공성 그래핀(nitrogen doped 3D-mesoporous graphene, NMG)은 특히 비금속 촉매로써 수소 발생 반응에서 효율이 우수하다. 높은 비표 면적 값(916 m2 /g)을 가지고 있으며 질소 도핑에 의해 활 성 자리가 증가하여 HER 전기 촉매로써 우수한 특성을 나타내었다. 수소 원자와 그래핀 사이의 인력은 질소가 도핑됐을 때 더 강하게 작용하였으며 질소 주변의 탄소 원자의 전하 분배(charge distribution) 비대칭에 의해 더 큰 편극(polarization)이 나타났다.
각각의 물질들이 가지고 있는 장점을 특징으로 하여 목적에 적합 한 기능성 탄소 소재를 합성할 수 있다. 삼차원 구조의 나노 다공성 그래핀은 다양한 마이셀 주형을 이용하여 기공 크기를 조절할 수 있으며, 본론에서 다룬 바와 같이 GO 층 사이의 화학 결합을 조절하여 기공 특성을 제어하는 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로 연구목적에 최적화된 다공성 물질을 합성할 수 있다.
수소 원자와 그래핀 사이의 인력은 질소가 도핑됐을 때 더 강하게 작용하였으며 질소 주변의 탄소 원자의 전하 분배(charge distribution) 비대칭에 의해 더 큰 편극(polarization)이 나타났다.
BMG-c는 비표면적이 상대적으로 넓고 이온의 확산 저항이 낮아 EDLC 양상이 두드러진다. 이처럼 이종 원소 도핑을 통해 그래핀의 전기적 특성을 조절하여 슈퍼커패시터 성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
전극과 전해질 계면에서의 전하 이동(charge transfer) 의 반응속도와 메커니즘을 살펴보기 위해 EIS (electrochemical impedance spectroscopy)를 측정한 결과, BMG-c와 비교했을 때 BMG-h는 상대적으로 산소 함량이 많고 반응속도가 느려 전도도가 낮아지므로 높은 진동수에서 더 큰 반원을 보인다. 전해질 저항(Rs)은 BMG-c와 BMG-h가 표면 특성이 유사하여 거의 비슷한 값을 나타냈다.
후속연구
기공 특성이 조절된 나노 다공성 그래핀은 특정 화학종의 선택적인 흡착 및 담지에 용이하며 증대된 비표면적과 기공 부피로 인해 전기적, 자기적, 광학적 성능을 향상시 킬 수 있어 앞으로도 신소재 연구 발전에 큰 기여를 할 소 재로 기대된다. 미래에 한정된 자원을 활용하기 위해서는 보다 진보된 기술과 신소재가 필요하며, 국가 경쟁력 확 보에 기여할 수 있는 기술 개발의 시작은 소재로부터 출 발한다.
또한 3차원 나노 다공성 그래핀 구조의 기공은 전해질 이온의 통로 역할을 하므로 전해질과 전극 계면 사이의 이온 교환 및 전극 내 전자의 이동이 수월하여 슈퍼커패 시터나 배터리의 전극 소재로 유망하다. 더불어 금속산화물 나노입자를 도입하거나 이종 원소의 도핑 등을 통해서 그래핀의 전기적 성질을 향상시킬 수 있어 차세대 기능성 소재로서 다양한 응용이 가능하다
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
1 nm란 무엇인가?
십억 분의 일을 뜻하는 나노는 난쟁이를 의미하는 그리스어 나노스(nanos)를 어원으로 한다. 1 nm는 결국 10-9 m와 같으며 대략 원자 서너 개의 크기에 해당한다. 현대 과학기술은 이러한 나노미터 수준에서 물질의 구조 제어를 가능하게 함으로써 화학 및 재료과학 분야에 무궁한 발전 가능성을 열어주었다.
화학적 박리화를 이용하여 그래핀 제조 시 산화된 흑연은 어떤 과정을 거쳐 그래핀을 얻는가?
따라서 흑연으로부터 단일 층의 그래핀을 얻어 그래핀 소재의 나노 복합체를 합성하여 소재의 효율을 향상시키려는 연구가 계속 진행되어왔다. 화학적 박리화(chemical exfoliation)를 이용하여 흑연의 층과 층 사이의 인력을 끊어 그래핀을 얻는 제조법이 제시되었는데, 산화된 흑연 (graphite oxide, GO)은 층 사이의 인력이 약해져 쉽게 단일 층으로 박리화되고 다시 환원 과정을 통해 그래핀을 얻을 수 있다(Fig. 2).
화학적 박리화를 사용하여 그래핀을 제조할 경우 장점은?
2).2,3) 이 방법은 그래핀을 대량으로 생산하기 쉬울 뿐만 아니라 산소가 포함된 작용기가 풍부하 여 기능화(functionalization)로 다양한 복합체를 형성할 수 있다. 따라서 GO는 그래핀 기반의 나노 복합체 소재를 만드는데 전구체로 쓰일 수 있다.
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