Synthesis of carbon materials from CO$_2$ is an attractive strategy to reduce CO$_2$ emission, but involves extreme reaction conditions and has low scalability. To overcome this, sodium borohydride is used as a reducing agent to synthesize CO$_2$ into porous carbon under mild conditions at 500 °C and 1 atm., which is discussed in Chapter 1.Chapter 2 introduces continuous chemical vapor deposition for CO$_2$-derived CNTs (CCNTs) using NaBH$_4$ reductant and NiCl2 catalyst at 500 ~ 700 ℃ and 1 atm. Based on in situ analyses, the proposed mechanism behind the formation of CCNTs is CO$_2$ activation and subsequent hydroboration for the generation of methane, which can induce the growth of CCNTs on the catalyst. In Chapter 3, the intrinsic properties of CCNTs give enhanced supercapacitive performance. The boron and oxygen of CCNTs provide pseudo-capacitance, showing a value of 302 F g$^{-1}$ at a low charging rate of 0.1 A g$^{-1}$ in 1 M TEABF4/acetonitrile. The mesoporous networks between CCNT fibers enhance ion transport at a high current density of 204.8 A g$^{-1}, leading to an outstanding energy density of 13 W h kg$^{-1} at a high power density of 115 kW kg$^{-1}. A well-developed graphitized structure of CCNTs also contributes to reducing the electrochemical resistance and leads to superior stability at 65℃ during 10,000 cycles. In Chapter 4, CCNT is coated by an amorphous boron layer, which acts as a protection layer of carbon networks by oxidizing first to become boron oxide, so it has a remarkable stability on thermal oxidation around 1000 ℃. CCNT shows the stable electrical conductivity even up to 1000 ℃ under air conditions while conventional carbon-based materials including commercial CNTs cannot maintain electrical properties due to the oxidative expire below 400 ℃.
이산화탄소로부터 탄소 물질을 합성하는 기술은 지구온난화 현상의 주범인 이산화탄소 기체를 제거함과 동시에 고부가가치의 물질을 얻을 수 있다는 점에서 매력적이다. 그러나 현재까지 개발된 이산화탄소 기반의 탄소 물질 합성 기술들은 극한의 반응 조건을 요구하기 때문에 상업화를 위한 스케일 업에 한계를 지니고 있다. 이를 위해 수소붕소화나트륨을 환원제로 사용하여 500도 및 1기압의 온화한 조건 하에 이산화탄소를 다공성 탄소로 합성하는데 성공하였으며, 이에 관한 포괄적인 내용이 1장에서 다뤄지고 있다.2장에서는 1장에서 다뤄진 기반 기술을 기초로 하여 수소붕소화나트륨을 환원제로, 염화니켈을 니켈 촉매의 전구체로 사용한 이산화탄소 화학 기상 증착법을 구축하였고, 이를 통해 500도 및 1기압의 조건에서 탄소나노튜브를 합성하였다. 해당 합성 조건에서 탄소나노튜브가 합성되는 기작을 공정 분석들에 기반하여 제시하였다. 3장에서는 이산화탄소로부터 만들어진 탄소나노튜브를 슈퍼커패시터의 전극 물질로 적용하였고, 탄소나노튜브가 지닌 특이 성질들이 성능 향상에 영향을 미침을 확인하였다. 4장에서는 마찬가지로 특이성 중 하나인 고온산화 조건에서의 안정성을 바탕으로 전기전도도 측정 및 고온에서의 전기화학 디바이스에 적용 가능성을 논하였다.
