A new and simple method to prepare three-dimensional (3D) graphene foams is developed by using 3D Ni nanowire foams as a catalyst for chemical vapor deposition (CVD). Synthesized Ni nanowires by reduction of Ni ions under an applied magnetic field were assembled into 3D film by filtrating bulk Ni nanowire solution or pressing and additional CVD process was conducted to grow the graphene on the 3D Ni nanowire foams at a lower temperature of 670℃ than conventional growth temperatures around 1000℃. The resulting 3D gra-phene exhibits higher electrical conductivity (17.46 S/cm) and higher specific surface area (145.32 m2/g) due to its highly dense and interconnected structure with several micron scale pores. Electrochemical performance of 3D graphene foams as electrodes for capacitor showed ideal electrical-double layer behavior with good electrochemical stability. We believe that our 3D graphene foams have the potential to be applied to improve the performance of various applications such as freestanding electrode or conductive porous support for en-ergy storage and catalyst system.
3차원 다공성 그래핀은 그래핀의 우수한 특성과 3차원 다공성 구조의 장점을 접목한 탄소 소재의 하나로 최근 에너지 전극 소재, 촉매 담지체 및 센서 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 3차원 다공성 그래핀은 우수한 전기전도도 뿐만 아니라 다공성의 안정적인 구조, 넓은 비표면적, 많은 흡착 사이트를 갖고 있기 때문에 산화금속과 같은 기능성 물질을 도입하기에 유리하고, 공극 사이로 반응 물질의 이동이 용이하다는 장점을 갖는다.
3차원 그래핀의 우수성이 알려진 이후로 이를 구현하기 위한 다양한 연구가 진행되었다. 그 중 그래핀 옥사이드를 3차원 형태로 조립하는 방법의 경우, 흑연에서 박리된 그래핀 옥사이드가 지니는 구조적 결함과 낱장의 그래핀 옥사이드가 조립되면서 생기는 경계면에서의 높은 저항으로 인해 전기적 성질이 떨어지는 근본적인 문제를 지니고 있다. 반면, 화학 기상 증착법을 이용할 경우, 구조 결함이 거의 없는 우수한 품질의 그래핀을 금속 촉매의 형태에 따라 성장시킬 수 있다는 장점을 갖고 있어 니켈폼, 니켈 구형입자 등 다양한 형태의 니켈을 촉매로 이용한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 현재까지 개발된 방법들은 기공의 크기가 수 백 마이크로 수준으로 커 박막 소재 응용에 부적절하거나, 고온 과정에서 금속 촉매가 녹아 구조를 유지하지 못하는 문제, 복잡한 과정 등 한계를 지니고 있다.
본 연구에서는 위와 같은 문제점을 해결하기 위해3차원 니켈 나노와이어 폼을 화학 기상 증착법의 촉매로 이용하여 그물 구조로 잘 연결된 3차원 다공성 그래핀을 제조하는 새롭고, 간단한 방법을 제안한다. 니켈 전구체로부터 니켈 나노와이어를 대량으로 합성하였으며, 이를 진공 여과법이나 간단히 눌러주는 방법으로 3차원 폼 형태로 만들었다. 이후, 670도의 화학 기상 증착 과정에서 니켈 나노와이어가 부분적으로 용융되어 하나의 연속적인 다공성 폼을 형성함과 동시에 그래핀이 니켈 표면에 성장하였다. 최종적으로는 니켈을 에칭시키고, 동결 건조 과정을 거쳐 전 영역에 걸쳐 그물 구조로 잘 연결된 3차원 다공성 그래핀 구조를 얻을 수 있었다. 이렇게 만들어진 3차원 다공성 그래핀은 구조 결함이 적고, 기공의 크기가 수 마이크로 수준으로 작고, 기공의 밀도가 높기 때문에 우수한 전기전도도 (17.46 S/cm)와 높은 비표면적 값 (145.32 m2/g)을 갖는 것으로 확인되었다. 특히 캐패시터의 전극 소재로 실험을 진행하여 전기화학적 응용 분야에 적용 가능성을 확인하였으며, 추후 프리스탠딩 에너지 전극 소재 및 촉매 담지체 물질로 활용되어 기존의 3차원 그래핀보다 우수한 성능을 보일 것으로 기대하고 있다.
