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리튬이온 배터리는 보통 음극 물질로 그래피티 탄화수소(graphitic carbon)를 함유하고 있다. 과학자들은 배터리 용도에 적합한 새로운 2차원 탄소 네트워크로서 탄소 나노웹 그래프디인(nanoweb graphdiyne)을 연구해왔다. Graphdiyne은 그래핀처럼 납작하고 얇지만, 흑연의 1원자층 얇은 버전으로 다공성과 조절 가능한 전자적 특성을 가지고 있다. 학술지 Angelwandte Chemie에서 연구진은 맞춤형 전구체 분자로부터 얻은 간단한 상향 합성법을 설명하고 있다. 탄소는 리튬이온 배터리에서 가장 흔한 양극 물질이다. 층 구조가 리튬이온 배터리 사이클 중 층간 공간을 오갈 수 있게 하고 전도성이 높은 2차원 육각 결정격자를 가지며 안정적이고 다공성 네트워크를 형성해 전해질 침투가 효율적이다. 그러나 탄소 재료는 대부분 고분자탄소 물질로부터 하향 합성되어 준비되기 때문에 구조 및 전기화학적 성질을 미세조정하기 어렵다. Graphdiyne은 두 개의 acetylene으로 브리징된 육각형 탄소 링으로 만들어진 하이브리드 2차원 네트워크다. Graphdiyne은 동위원소나 헬륨 분리를 위한 나노웹 막으로 활용이 주목되어 왔다. 그러나 뚜렷한 전자적 특성과 거미줄 같은 구조로 인해 전기화학적 용도에 적합하다. 베이징의 중국과학원의 Changshui Huang 박사와 동료들은 맞춤 제작하여 전자적으로 조정된 graphdiyne의 리튬 저장 능력과 전기화학 특성을 조사했다. 연구진은 구리 호일에 전구 분자를 추가하여 상향식 전략으로 graphdiyne 유도체를 합성했는데, 순서가 정해진 나노 구조를 형성하도록 순서를 정한 것이다. 좋은 전자적 특성을 가진 기능그룹을 포함하는 단일체를 사용하여 전기화학적 특성과 형태학적 특성을 가진 기능성 graphdiyne을 만들었다. 기능그룹 중 전자 인출효과를 갖는 그룹은 graphdiyne의 대역간극을 줄이고 전도성을 높이는 특성을 보였다. cyano 그룹이 특히 효과적이었으며 양극성 물질로 사용할 때 높은 리튬 저장능력을 보였고 수천 사이클 동안 안정적이었다. 반대로 methyl 그룹은 결과가 매우 나빴다. 수정된 graphdiyne은 배터리, 캐패시터 및 기타 전기촉매 장치를 위한 기능성 2차원 탄소 재료 아키텍처 구축에 활용이 예상된다. |
