칼슘의 메커니즘

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11390(2023) 이 기사 인용

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최근 연구에 따르면 칼슘을 비전통적인 촉매로 사용하여 제대로 조직되지 않은 탄소 전구체로부터 결정성이 높은 그래핀 기반 물질을 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다. 칼슘 함침 셀룰로오스 및 리그닌 바이오 숯의 XRD 및 TEM 분석은 표준 그래핀화 온도(T > 2000°C)보다 훨씬 낮은 1200°C 이상에서 잘 정렬된 그래핀 구조(Lc > 7 nm, d002 < 0.345 nm)의 형성을 보여주었습니다. . 여기에서 우리는 Ca를 촉매로 사용하여 고도의 그래핀 바이오 숯의 형성을 제어하는 ​​메커니즘에 대한 새로운 통찰력을 제안합니다. 우리는 칼슘 촉매 그래핀화가 1000~1200°C 사이에서 CaO 입자와 비정질 탄소 사이의 반응에 의해 준안정 탄화칼슘의 형성을 통해 발생한다고 가정합니다. CaC2는 칼슘 증기와 CaC2 입자를 덮고 있는 그래핀 껍질로 분해되는데, 이는 TEM 분석을 통해 확인됩니다. 그래핀 껍질의 두께와 평면성은 CaC2 초기 입자 크기(20~200nm)에 따라 증가하며, 그 성장은 그래핀 층을 통한 칼슘 증기의 확산에 의해 제어됩니다. Lc > 10 nm 및 d002 < 0.340 nm인 셀룰로오스에 비해 리그닌 바이오 숯에 대해 훨씬 효과적인 그래핀화가 얻어졌습니다. 이는 그래핀 껍질에 황이 삽입되어 파열과 CaC2가 그래핀으로 분해되는 것을 선호하기 때문입니다. 우리는 이러한 발견이 저렴하고 풍부한 재생 가능한 공급원료와 촉매를 사용하여 그래핀 기반 재료 합성의 비용과 환경 영향을 줄일 수 있을 것이라고 믿습니다.

그래핀은 육각형 격자로 배열된 sp2 혼성 탄소 원자로 구성된 2차원 탄소 소재입니다. 이는 높은 전기 전도도(~ 106 sm−1), 기계적 저항(인장 강도 ≒ 130 GPa) 및 비표면적(~ 2675 m2 g−1)1,2이 특징입니다. 따라서 그래핀과 풀러렌, 탄소나노튜브, 흑연 등 그래핀 기반 소재는 슈퍼커패시터3,4,5, 전자6, 에너지 저장7, 의료기기8,9 등 다양한 첨단 분야에 응용이 고려되고 있습니다. 그래핀은 현재 일반적으로 복잡한 기계적, 화학적 또는 열 처리가 필요한 하향식 또는 상향식 공정에 의해 합성됩니다. 또한, 그래핀 합성을 위한 표준 탄소 전구체의 대부분은 지속 불가능한 화석 또는 석유 기반 자원을 포함하므로 그래핀 및 그래핀 기반 재료 합성의 환경 비용을 심화시킵니다.

지난 몇 년 동안 리그노셀룰로오스 바이오매스를 그래핀 합성의 전구체로 사용하는 것은 그 풍부함, 재생 가능성 및 저렴한 비용으로 인해 많은 관심을 끌었습니다. 그러나 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌과 무기 원소의 복합 혼합물인 리그노셀룰로오스 바이오자원은 "비흑연화" 탄소입니다. 즉, 고온에서 탄화한 후에도 짧고 불규칙하게 쌓인 그래핀 시트(터보층 탄소)를 생성한다는 의미입니다. T > 2000°C)13,14,15,16. 따라서 그래핀화는 무질서한 탄소에서 약간의 3D 특성(터보스트라틱)을 갖는 2D 탄소 재료로 그래핀 층의 형성 및 성장에 해당하는 반면, 흑연화는 규칙적인 결정질 3D 구조를 나타냅니다. 그럼에도 불구하고, 이전 연구에서는 신중하게 선택된 종으로 리그노셀룰로오스 바이오매스 전구체를 도핑하면 상대적으로 낮은 온도(T < 1000°C)에서 비흑연화 탄소의 고결정성 그래핀 기반 물질로의 그래핀화를 향상시키는 것으로 보고되었습니다. Hoekstraet al. 및 Sevillaet al. 둘 다 니켈을 사용하여 800 및 900°C에서 셀룰로오스로부터 고결정성 그래핀 탄소를 얻었으나 Yan et al., Gong et al. 및 Thompsonet al. 철을 사용하여 각각 크래프트 리그닌, 대나무 및 침엽수 톱밥으로부터 1000°C 미만의 다층 그래핀 재료를 생산했습니다20,21,22. 촉매 그래핀화에 관한 대부분의 기사는 그래핀화 효율성과 풍부함을 위해 전이 금속, 특히 철, 코발트 및 니켈에 중점을 두었습니다. 그럼에도 불구하고 Oya et al.28이 요약한 80년대에 수행된 오래된 연구에서는 여러 원소, 특히 칼슘과 같은 알칼리 토금속이 다양한 탄소 자원의 그래핀화를 위한 효율적인 촉매가 될 수 있음이 밝혀졌습니다29,30. 이 후자의 경로는 우리 팀의 최근 연구까지 더 이상 고려되지 않았습니다. 우리는 1800 °C에서 탄화된 셀룰로오스 바이오 숯의 그래핀화에 대한 칼슘의 촉매 활성을 확인했습니다. 요약하면, 바이오자원에 칼슘을 함침시키면 바이오 숯에 높은 그래핀 도메인이 형성되며, 그 비율은 칼슘 로딩에 따라 증가합니다. 표준 전이 금속 촉매(Fe, Ni, Co)와 달리 칼슘은 환경 친화적이고 풍부하며 저렴하므로 그래핀 탄소 재료 분야의 향후 연구에서 더 많은 관심을 끌 수 있습니다.