Carbon nanomaterials have been widely used in the field of material science, power conversion, nanotechnology, and environmental technology due to their unique physical and chemical properties. Carbon can exist in various forms as amorphous carbon, graphite, diamond, buckminsterfullerene (C60), carbon nanotube (CNT), and graphene depending on how the carbon atoms are arranged. Due to their superior optical, electrical, mechanical, and thermal properties, they are utilized in wide range of applications, including optoelectronic device, electronic device, electrochemical capacitor, drug delivery, sensor, catalyst, adsorbent etc. To enhance the performance of these applications, tailoring the properties of carbon nanomaterials by modifying their molecular structure is important. For this reason, various chemical synthetic routes have been developed to modify carbon nanomaterials, however, they suffer from complicated, time-consuming, and high cost process to limit the commercialization of final products.
In this study, carbon nanomaterials were fabricated and their properties were tuned by novel electron beam irradiation for the application of improvement in photoelectrochemical (PEC) cells and adsorbents to remove environmental pollutants. According to this study, the electronic band structure of PCBM was tuned based on electron irradiation by controlling the electron fluence. As a result, the performance of the PEC cell using electron-irradiated PCBM was maximized at an optimum electron irradiation condition. On the other hand, nanostructured carbon adsorbents were fabricated by electron irradiation and post-heating of nanostructured polystyrene. The fabricated nanostructured carbon adsorbent efficiently removed organic pollutants from water. Based on these studies, we suggest that novel electron beam irradiation technique can be a good tool to fabricate and control properties of carbon nanomaterials for various applications.
탄소나노물질은 독특한 물리적, 화학적 성질로 인해 재료과학, 전력전환, 나노기술, 환경기술 등의 분야에서 널리 이용되고 있다. 탄소물질은 탄소원자들이 어떻게 배열하는가에 따라 비정질 탄소, 흑연, 다이아몬드, 버크민스터풀러렌 (C60), 탄소나노튜브 (CNT), 그래핀과 같이 다양한 형태로 존재한다. 각각의 탄소나노물질들은 우수한 광학적, 전기적, 기계적, 열적 특성으로 인해 광전자 소자, 전자소자, 전기화학 커패시터, 약물 전달, 센서, 촉매, 흡착제 등 다양한 응용 분야에서 이용되고 있다. 이러한 응용분야에서 기기의 성능을 향상시키기 위해서는 탄소나노물질의 분자 구조를 제어하여 그들의 특성을 조절하는 것이 중요하다. 이러한 이유로, 탄소나노물질의 분자 구조를 바꾸는 다양한 화학적 합성법들이 개발되었지만, 공정이 복잡하고 시간 소모가 크며 비용이 많이 들기 때문에 최종 생산물의 상업화를 제한하고 있다.
이 연구에서는 전자빔 조사를 이용하여 탄소나노물질을 제조하고 그들의 특성을 조절하여 광전기화학 셀의 성능 향상시키고 흡착제로서 환경오염물질을 제거하고자 한다. 본 연구에 따르면, 전자 플루언스를 제어함에 따라 전자빔 조사된 PCBM의 전자띠 구조를 조절할 수 있었다. 결과적으로, 최적의 전자 플루언스에서 전자빔 조사된 PCBM을 이용한 광전기화학 셀의 성능을 최대가 되게 하였다. 한편, 나노구조 폴리스티렌에 전자빔 조사와 후열처리를 하여 탄소나노물질 흡착제를 제조하였다. 제조된 탄소나노물질 흡착제를 이용하여 물로부터 유기오염물질을 효과적으로 제거할 수 있었다. 이들 연구에 따라, 전자빔 조사 기술은 다양한 응용분야에 사용되고 있는 탄소나노물질을 제조하고 그들의 특성을 조절하기에 좋은 도구가 될 수 있을 것이라 기대한다.
