Urea를 이용한 다공성 중공구조 탄소튜브의 형성 메카니즘 규명 및 그의 특성 평가

Abstract

본 연구에서는 urea가 분해하면서 발생하는 생성물과 가스를 이용하여 mesopore를 포함하는 중공 구조의 일 차원 탄소섬유를 합성하였다. 일반적으로 전기 방사를 통해 제작된 Polyacrylonitrile (PAN) 나노 섬유가 탄화 되어 미세 다공성을 가지는 탄소나노섬유를 생성하는 반면에, PAN 나노섬유에 urea 코팅 후에 소결하는 간단한 공정을 포함하면 소결을 통해 생성 된 탄소 나노 섬유의 다공성 구조는 크게 달라진다. Urea는 중공 구조 및 mesopore를 생성하기 위한 역할 외에도 탄소 나노 섬유의 질소 공급원 역할을 하며 이러한 결과로 질소가 도핑 된 중공구조의 탄소섬유를 합성하였다. 이러한 미세한 기공과 중공구조는 350℃에서 나타나기 시작하였으며, 400℃에서 미세기공과 중공구조가 자리를 잡기 시작하여 다공성 중공구조탄소섬유 (HCF)와 같은 형태를 보이기 시작하였다. 질소가 도핑 된 중공 구조의 탄소나노섬유는 기존 탄소나노섬유와 비교하여 리튬이온 배터리에 우수한 특성을 보이는 이유를 분석한 결과 위에 언급된 구조적인 변화뿐만 아니라 약 2배 높은 비표면적과 질소 도핑 때문인 것으로 규명되었다. 이러한 결과는 mesopore와 결합한 공극으로 인해 리튬이온의 (de-)intercalation에 유리하게 나타난다. 본 논문은 희생 template 없이 urea를 이용한 다공성 탄소 나노 구조체를 생산하는 새로운 방법을 제시하였다.