나노기술 및 정책 정보

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중국 푸단(復旦) 대학교 자오둥위안(趙東元, 조동원) 원사(院士) 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 일종 "프로그램화 전단력 유도의 동적 상태 조립 방법"을 개발하고, 독특한 코어-쉘 구조의 발산 경사도 공극 MCSs를 개발함. 최종적으로 합성한 발산 경사도 공극 구조를 보유한 메조포러스(Mesoporous) 탄소 나노볼 MCS는 균일한 입자 지름(~230nm), 높은 비표면적(～686 m2•g-1), 큰 공극 용량(～1.5 cm3•g-1), 풍부한 N 함유량(～6.7 wt%)과 3차원 오픈 구조를 보유하고 있는 것으로 나타났으며, 합성한 MCSs는 나트륨 이온 전지(SIB) 속에서 우수한 전지 용량과 초장(超長) 순환 안정성을 보임.

연구팀이 개발한 독특한 코어-쉘 구조를 갖는 발산 경사도 공극 MCSs 중, 큰 공극(~24.0nm)은 내부 코어 속에 위치하여 있고, 작은 공극(~9.0nm)은 외부 쉘 속에 배열되어 있으며, 합성 방법의 관건은 한 개 동적 상태의 안정적인 미셀 시스템(Micelle system)에서 미셀은 전단력 동적 상태의 조정 제어에 따라 메조스코픽 구조(Mesoscopic structure)를 조립할 수 있다는 데 있음.

그 외, 연구팀은 전단력에 대한 조정을 통해 미셀(Micelle) 사이즈를 정밀 제어하였으며, ~15.0-58.0nm 범위 내에서의 조정을 실현하는 데 성공하였음.

연구팀은 믹서 속도 조절을 통해 전단력을 제어하고, 필요에 따라 미셀(Micelle) 사이즈에 대한 동적 상태 제어를 실행할 수 있기 때문에 각 종 코어-쉘 구조의 발산 경사도를 보유한 MCSs를 합성할 수 있다는 점을 발견하였음.

연구팀은 발산 경사도 구조를 보유한 MCSs를 나트륨 이온 전지 음극 소재로 사용할 때의 전기화학 성능에 대한 측정 테스트를 실행하였는데 전통적인 다공성 탄소에 비해 경사도 공극 MCS는 더욱 높은 나트륨 이온 저장 용량을 보유하고 있을 뿐만 아니라 높은 전류 밀도 하에서 더욱 우수한 순환 안정성을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

이번 연구를 통해 MCSs가 우수한 전기 화학 성능을 보유하고 있는 원인을 분석하고 다음과 같은 네 가지 연구 결론을 도출함.

(1) 발산의 3차원 공극 구조는 전해질로 하여금 더욱 쉽게 각 개 방향으로부터 경사도 공극 MCS 속에 침투되게끔 함으로써 전해질의 확산과 활성 위치 점의 이용 비율을 향상시킴.

(2) 코어-쉘 메조포러스(Mesoporous) 구조는 나트륨 이온으로 하여금 충전 및 방전 과정에서 탄소 프레임워크에 대한 파괴 및 체적 팽창 효과를 완충시키게끔 함.

(3) 작은 입자 지름과 얇은 공벽(孔壁)은 전자 이전에 유리하고, 전극은 치밀한 퇴적 구조를 구축할 수 있음.

(4) 탄소 프레임워크 속의 질소 원자는 전자 클라우드 배열 분포에 영향을 끼치고 풍부한 나트륨 이온 저장 활성 중심을 형성함.

연구팀은 프로그램화 전단력 유도의 동적 상태 조립 방법을 개발하고, 독특한 코어-쉘 및 발산의 경사도 공극 구조를 보유한 메조포러스(Mesoporous) 탄소 나노볼 MCSs를 스마트하게 합성함으로써 고도의 복잡성과 기능성을 보유한 메조포러스 소재 개발을 위한 새로운 루트를 제공하였음.

본 연구 성과는 Chem ("Programmable synthesis of radially gradient-structured mesoporous carbon nanospheres with tunable core-shell architectures")에 게재됨.