그래핀/GO/GrO 나노복합체 기반 의사 제조를 위한 최적화된 시간 의존적 흑연 박리

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14218(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

최근 그래핀 및 그 복합재와 같은 2차원 물질을 사용하여 제작된 고용량 소자(슈퍼커패시터)가 연구계의 큰 주목을 받고 있습니다. 2D 재료 기반 슈퍼커패시터를 제작하려면 2D 재료와 그 복합재를 고품질로 합성하는 것이 바람직합니다. UALPE(초음파 보조 액상 박리)는 그래핀 합성에 널리 사용되는 기술 중 하나입니다. 이 기사에서는 슈퍼커패시터 응용 분야에 적합한 최적의 특성을 가진 샘플을 추출하기 위해 흑연 분말의 각질 제거에 대한 초음파 처리 시간의 변화 효과를 보고합니다. 세 가지 다른 흑연 분말(이하 샘플 A, 샘플 B 및 샘플 C로 칭함)을 60°C에서 24시간, 48시간 및 72시간 동안 초음파 처리했습니다. 그래핀, GO 및 GrO2로의 흑연 분말 박리는 XRD 및 RAMAN을 사용하여 연구되었습니다. 합성된 나노복합체의 층 구조를 조사하기 위해 AFM과 SEM을 추가로 사용했습니다. UV-가시광선 분광법과 순환 전압전류법을 사용하여 샘플의 밴드 갭과 용량성 거동을 측정했습니다. 샘플 B는 1A/g에서 530.1C/g의 전하 비용량과 66kW/kg의 에너지 밀도로 534.53F/g의 놀라운 비용전용량을 나타냈습니다. 전력 밀도는 1~10A/g의 전류 밀도 변화에 대해 0.75kWh/kg~7.5kWh/kg으로 다양했습니다. 샘플 B는 다른 두 샘플에 비해 94%의 용량성 유지율을 나타냈고, 이는 가장 낮은 임피던스와 가장 높은 박리 및 전도성을 나타냈습니다.

에너지 저장 장치는 에너지 수요의 지속적인 증가로 인해 항상 개화 연구 분야였습니다. 에너지를 화학적, 전기화학적, 기계적, 운동학적, 자기적 및 열적 등으로 저장하는 다양한 유형의 에너지 저장 장치가 실현되었습니다. 예를 들어 연료 전지, 배터리, 플라이 휠, 수력 펌프 및 슈퍼 자석 등이 있습니다. 화석 연료의 지속적인 증가로 인해 가격(고갈 우려), 친환경 에너지 증가로 인해 에너지 저장 장치에 대한 수요가 증가했습니다. 전기화학 에너지 저장 장치는 활성 물질의 화학 에너지를 사용하여 산화 환원 반응을 통해 효율적이고 비용 효과적으로 전기 에너지를 생성합니다1. 이러한 장치는 현재 및 미래의 휴대용 전자 장치에 매우 적합한 높은 에너지 밀도 또는 높은 전력 밀도를 나타냅니다. 그러나 오늘날에는 동일한 재료로 높은 에너지 밀도와 전력 밀도를 달성하는 것이 바람직합니다2. 슈퍼 커패시터는 높은 비정전 용량과 높은 에너지 밀도를 나타내므로 에너지 저장 응용 분야에 적합한 후보입니다.

2차원 재료(2D 재료)는 나노 수준의 두께를 가지며 전자 이동성, 전도성, 기계적 강도 등 우수한 전자적, 기계적 특성을 나타냅니다. 수많은 2D 재료는 그래핀, 전이금속 디칼코게나이드(TMDC), 전이금속 탄화물 또는 질화물(MXene), 육방정계 질화붕소(h-BN) 등과 같은 에너지 저장 응용 분야의 후보입니다. 대부분의 2D 재료는 3D 전구체에서 박리됩니다. 예를 들어, 그래핀은 흑연에서 기계적으로 박리됩니다. 흑연에서 각 탄소 원자는 3개의 다른 탄소 원자와 공유 결합되어 있으며 각 탄소 원자는 sp3 혼성화되어 있습니다. 이러한 탄소 원자는 층 사이에 약한 반 데르 발스 힘이 있는 육각형 벌집형 층으로 배열됩니다. 이러한 약한 층간 결합으로 인해 그래핀이 흑연에서 박리될 수 있습니다. 그래핀은 유연성, 탁월한 열 전도성 및 전자적 특성과 같은 특별한 특성을 보여줍니다. 그래핀 단층은 sp2 혼성 탄소 원자 시트가 있는 밴드갭이 없는 물질입니다. 밴드갭이 0이기 때문에 반도체 장치에서의 사용이 제한됩니다.

단층 그래핀은 19473년 Wallace에 의해 처음으로 이론적으로 연구되었습니다. Andre Geim과 Kostya Novoselov는 흑연에서 그래핀을 추출하기 위해 미세 기계 절단 기술을 사용했습니다4. 미세 기계 절단 또는 스카치 테이프 방법은 벌크 재료를 사용하고 나노 규모로 박리하는 하향식 접근 방식입니다. 그래핀 단층을 제공하지만 확장 가능한 공정이 아니며 그래핀 시트에 불순물이 부착되어 매우 지루합니다. 그래핀 제조에는 화학 기상 증착(CVD), 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD), 액상 박리(LPE) 및 초음파 보조 액상 박리(UALPE)와 같은 다양한 상향식 기술이 사용됩니다. 금속 기판에 그래핀을 증착하고 SiC와 같은 다른 기판으로 전사하는 데 사용되는 화학 기상 증착(CVD)이 도입되고 최적화되었습니다5,6. CVD를 통해 유전체 기판 위에 성장한 단결정의 최대 크기는 1마이크론7이다. 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)은 도메인 크기의 품질을 손상시키면서 더 낮은 온도와 더 짧은 시간에 그래핀을 성장시켜 CVD의 단점을 극복합니다8,9. 3D 그래핀 필름은 PECVD10을 사용하여 나노다공성 양극 알루미나 위에 성장됩니다. 액상 박리(LPE)는 그래핀 박리를 위한 간단하고 저렴하며 확장 가능한 방법입니다. 이 방법에서는 온도 제약이 없으며 그래핀을 현탁액 형태로 얻어 전자 장치 제작에 사용할 수 있습니다. 그러나 일부 용매는 박리를 위해 긴 초음파 처리 시간이 필요할 수 있으며 분산액의 그래핀 양은 매우 낮습니다. 최근, 그래핀 나노혈소판은 분산제로 산화흑연을 사용하여 3시간이라는 비교적 짧은 초음파 처리 시간에 흑연에서 박리됩니다. 그래핀 유사 물질은 Ultra Plus Konzentrat 계면활성제12를 사용하여 DI 수에서 상업용 흑연 분말을 간헐적으로 전단하여 얻습니다. 그래핀 합성을 상용화하려면 단순 분산제를 사용하는 것이 매우 중요합니다. UALPE(초음파 보조 액상 박리)에서는 분말을 용매에 분산시키고 초음파 음파를 분산액에 통과시켜 그래핀 분산액을 생성합니다.