The present study introduces a facile method to produce nitrogen-doped graphitic porous carbons (NGPCs) with balanced pore size distribution (0.5 - 5 nm) and high surface area (above 3000 $m^2/g^{-1}$) by utilizing polyacrylonitrile (PAN) as a precursor. The NGPCs are obtained by the stabilization of PAN at 290 ℃ and subsequent carbonization with KOH activation at 700 - 800 ℃. It is striking that the activation also changes the morphology of PAN from a grape-like structure to a smooth porous structure accompanying partial layer formations of nitrogen-doped graphene. Generation of evenly distributed micro- and mesopores with high specific surface areas, heteroatom doping on the surface of NGPCs, and low resistance of NGPCs contribute to the enhanced capacitance as supercapacitor electrodes.
탄소 물질은 오랜 시간 동안 많은 분야에서 널리 사용되고 있다. 최근에는 석탄, 석유 등의 연소용도가 아닌 섬유, 촉매, 차세대 에너지원으로 점점 더 활용 분야를 넓히고 있다. 특히 환경오염에 따라 재생에너지 활용의 필요성이 부각됨에 따라 고용량 에너지 저장장치도 같이 주목 받고 있다. 이 에너지 저장 장치에 전극으로 쓰이는 물질이 다공성 탄소 물질인데 새로운 물질이 지속적으로 나오면서 점점 더 성능이 높아지고 있다. 그래핀 또는 탄소 나노 튜브가 대표적인 예인데 이 둘은 기존의 탄소물질보다 뛰어난 전기 전도성, 열 전도성, 그리고 높은 표면적을 가지고 있다. 하지만 아직까지 대량생산 및 가격적인 문제로 인해 활용화에 대한 어려움을 가지고 있다.
상대적으로 대량생산이 쉽고 가격도 비싸지 않은 다공성 탄소를 활용하기 위해 탄소 이외의 원소를 도핑하여 성능을 높이는 방법이 있다. 본 논문에서는 질소 원자를 탄소에 포함시켜 전기적 성능을 높였고 화학 활성화 방법을 통해서 탄소의 표면적을 증가시켜 슈퍼캐퍼시터의 전극으로서의 활용가능성을 보여 주었다.
예전부터 탄소 섬유로 많이 쓰였던 고분자, Polyacrylonitrile는 질소 원소를 포함하고 있고 특정 고온에서 질소와 탄소 원소들이 그래핀과 비슷한 구조로 변형되는 성질을 가지고 있다. 두 번의 열처리를 통해서 처음에는 공기와 290 ℃ 에서 반응을 하고 두 번째 열처리 시에는 700-800 ℃에서 KOH와 함께 반응하여 원하는 질소가 도핑된 다공성 탄소를 얻어낼 수 있었다. KOH 반응은 탄소 원자와 반응을 통해 많은 기공을 만들어 내었는데, 700 ℃ 에서 800 ℃ 로 온도가 높아질수록 표면적이 증가하고 기공이 넓어졌다. 그리고 시간이 2시간으로 증가하였을 때는 기공의 크기는 많이 변하지 않았지만 표면적이 증가하였다. 뿐만 아니라 SEM이미지를 통해서 전체적인 탄소의 모형에도 변형이 있었다. 하지만 그러면서도 Raman과 XRD을 통해 보면 여전히 탄소는 KOH 반응을 하여도 그래핀과 같은 구조를 유지하고 있었고 흑연처럼 층상 구조도 부분적으로 가졌다. 열처리 시에 나오는 기체의 성분 분석을 통하여 KOH가 탄소와 반응을 통해 산화탄소가 기체로 나와 기공이 생기는 것을 확인할 수 있었고 KOH 반응이 진행될 때 더 많은 질소기체가 발생하는 것으로 질소 원자의 양에 미치는 영향도 밝힐 수 있었다.
슈퍼캐패시터의 전극으로 각 탄소의 전기화학적 특성을 측정하였다. 슈퍼캐패시터의 특성상 높은 표면적을 가진 탄소가 높은 성능을 보였지만 표면적이 낮음에도 불구하고 많은 질소를 가지고 있는 탄소가 더 높은 성능을 보였다. 그리고 높은 전류로 인한 충방전에도 안정감을 보였고 질소가 도핑되어 있음으로 전도성 또한 일반 다공성 탄소보다 높아졌다.
