Three dimensional porous graphene networks for $CO_2$ adsorption and $H_2$ storage

Abstract

현재 인류가 당면한 도전 중 하나는 지구 온난화이다. 19세기 산업혁명 이후, 인류의 무분별한 화석연료 사용(제조업 및 교통 등)은 지난 1세기동안 온실효과를 발생시키는 이산화 탄소($CO_2$), 아산화 질소($N_2O$) 및 오존($O_3$)을 대량 발생시켰다. 이에 따라, 세계는 지금 이산화 탄소 포집 및 저장 기술, 신재생 에너지 개발에 집중하고 있다. 이와 같은 맥락에서, 다공성 물질은 앞서 서술된 두 분야 모두에서 해결책이 될 수 있다. 물질의 구멍크기 조절을 통해 이산화탄소 포집 및 수소저장이 가능하기 때문이다. 그래핀은 하나의 탄소 층으로 이루어진 2차원 물질이다. 그래핀의 우수한 물질적, 화학적, 전기적 특성 때문에 에너지 저장, 베터리의 전극, 촉매, 센서 및 가스 저장 분야 등에서 활발히 연구되어오고 있다. 특히, 이론 면적 $2600 m^{2}g^{-1}$ 에 달하는 넓은 $\pi$-$\pi$ 표면적 특성 때문에 그래핀은 가스 저장 분야에서 활발히 연구되어 오고 있다. 그러나 반데르 발스 인력에 의한 그래핀의 응집은 극복해야 할 과제이며, 2차원 그래핀 층들을 3차원 그래핀 구조체로 전환시키는 방식이 하나의 정답이 될 수 있다. 이 연구에서 우리는 무촉매 다공성 그래핀 합성 방법을 제시하였다. 에스터 단량체로 환원된 그래핀과 서로 다른 길이를 갖는 유기 연결체들을 사용하여 벤지미다졸 구조를 포함한 다공성 그래핀 물질을 합성하였다. 그래핀의 에스터기와 유기연결체가 형성한 벤지미다졸은 다공성 그래핀이 이산화 탄소 및 수소 분자에 대한 높은 친화력을 갖게 하여 각각의 높은 저장량을 나타내었다. 또 다공성 구조체가 유연성을 갖게 되어 고압 수소 저장 시 급격한 저장용량 증가를 관찰하였다. 따라서 이 연구에서 제시한 에스터기를 이용한 그래핀 관능화 방식은 그래핀 구조체 합성 분야에서 새로운 지표를 제시할 것이다.