그래핀 합성을 위한 혁신적이고 효과적인 촉매로서의 칼슘

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21492(2022) 이 기사 인용

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리그노셀룰로오스 바이오매스(경질 탄소)의 열분해는 흑연질 바이오 숯을 제대로 생성하지 않습니다. 본 연구에서는 칼슘을 비전통적인 촉매로 사용하여 미결정 셀룰로오스로부터 나노 구조의 바이오 숯을 생산했습니다. 칼슘은 풍부하고 환경 친화적이며 널리 접근 가능합니다. 칼슘이 함침된 셀룰로오스의 흑연화는 흑연화가 일반적으로 발생하는 2000°C 미만의 온도인 1800°C에서 수행되었습니다. XRD, 라만 분광학, 고해상도 TEM은 자체 개발된 수치 도구와 함께 바이오 숯의 그래핀 무늬를 정량화할 수 있습니다. 함침되지 않은 셀룰로오스 바이오 숯은 짧고 제대로 쌓이지 않은 그래핀 무늬로 구성되었습니다. 2wt%의 칼슘을 함침시키면 초기 구조가 잘 조직되고 결함이 적은 그래핀 같은 구조로 전환됩니다. 얻은 그래핀 유사 구조는 결정 크기가 최대 20 nm이고 평균 층간 간격이 0.345 nm인 수십 개의 적층된 그래핀 줄무늬로 구성되었으며 이는 표준 육각형 흑연의 기준 값(0.3354 nm)에 가깝습니다. 칼슘 농도의 증가는 그래핀 유사 물질의 결정 크기를 크게 향상시키지 못했지만 오히려 결정 속도를 크게 향상시켰습니다. 우리의 결과는 철과 니켈과 같은 전이 금속에 초점을 맞춘 문헌에서 칼슘을 사용하여 바이오 공급 원료로부터 그래핀 유사 물질의 합성에 대한 메커니즘을 제안하고 새로운 통찰력을 제공합니다. 흑연화 온도를 2000°C 이하로 낮추면 바이오매스를 이용한 열 그래핀 유사 물질 합성의 환경 영향뿐만 아니라 생산 비용도 낮아질 것입니다. 이 발견은 해당 분야의 추가 연구를 자극하고 응용 관점을 넓혀야 합니다.

그래핀은 하나의 원자층을 두께로 갖는 이차원 탄소 소재입니다1. 그래핀 시트는 탄소 나노튜브, 풀러렌, 탄소 섬유, 카본 블랙 또는 흑연2,3,4의 전구체입니다. 그래핀 시트의 길이 및 방향과 같은 특성에 따라 전기 전도성, 기계적 또는 열 저항 등 다양한 특성이 개발될 수 있습니다. 따라서 그래핀은 배터리, 에너지 저장, 전자 및 생물학과 같은 광범위한 응용 분야에 유망한 고성능 소재로 간주됩니다4,7,8,9,10,11.

오늘날 그래핀은 하향식 또는 상향식 공정을 통해 화석 공급원료로부터 생산될 수 있습니다3,12,13,14,15,16. 하향식 공정에는 추출된 흑연을 기계적 또는 화학적으로 벗겨내어 그래핀 시트를 분리하는 과정이 포함됩니다. 상향식 공정에는 기체 탄화수소 전구체로부터 그래핀을 합성하는 과정이 포함됩니다. 각 프로세스의 장점과 단점은 이전에 문헌17,18에서 논의되었습니다. 거의 모든 공정은 화석 탄소원을 사용하며 높은 에너지를 요구합니다. 균질하고 결함이 없는 그래핀을 업계 규모로 더욱 친환경적으로 생산하는 것을 관리하는 것은 그래핀의 추가적인 상업적 사용을 구상하기 위한 주요 과제 중 하나입니다. 바이오자원(바이오매스, 바이오폐기물…)으로부터 그래핀 유사 물질을 생산하면 뛰어난 특성을 지닌 새로운 물질의 길을 열 수 있습니다. 화학 물질과 다양한 용매를 사용하는 표준 그래핀 제조 기술과 달리 이러한 접근 방식은 그래핀 유사 물질 합성이 환경에 미치는 영향을 낮출 수 있습니다.

셀룰로오스는 재생 가능한 자원이자 지구상에서 가장 풍부한 유기 폴리머입니다. 셀룰로오스는 전 세계적으로 종이 생산에 사용되며 저렴한 비용으로 널리 접근할 수 있습니다. 그 구조는 리그닌이나 헤미셀룰로오스에 비해 리그노셀룰로오스 바이오매스에서도 상대적으로 균질합니다. 바이오매스로부터 그래핀 유사 물질을 합성하기 위한 주요 접근법은 그래핀 유사 바이오 숯을 생성하기 위한 열분해입니다. 셀룰로오스는 sp3 탄소로만 구성된 긴 사슬의 D-글루코스 분자로 구성됩니다. 셀룰로오스 열분해 동안 sp3 탄소는 다중적이고 복잡한 화학적 재배열을 거쳐 sp2 탄소로 변환되어 방향족 고리를 형성합니다. 이 때문에 셀룰로오스는 흑연화에 유리한 재료가 아닙니다.