This work introduces the derivation of boron-manganese-carbon nanocomposites by $CO_2$ carbonization using sodium borohydride ($NaBH_4$) as a reduction agent at 1 bar, followed by impregnating a manganese oxide (MO) form into boron-doped porous carbon (BPC). The prepared composites (BPCMO) can be used as an advanced electrochemical energy material such as an active electrocatalyst for oxygen reduction reaction (ORR) and an electrode material for supercapacitors. Various spectroscopic and microscopic measurements were carried out to investigate the morphology and structure of the BPCMO. Among many types of manganese oxide, it was confirmed that only $Mn_3O_4$ is embedded into the BPC. Cyclic and linear sweep voltammetry indicated that the BPCMO exhibits a four electron transfer pathway and comparable oxygen reduction reaction (ORR) activity to commercial Pt/C. Galvanostatic charge/discharge and electrochemical impedance spectroscopic measurements showed that the BPCMO provided a remarkable capacitance ($150 F g^{-1}$ at $1.0 A g^{-1}$ and $136 F g^{-1}$ at $10.0 A g^{-1}$) compared to the BPC ($58 F g^{-1}$ at $1.0 A g^{-1}$ and $15 F g^{-1}$ at $10.0 A g^{-1}$) with a highly stable capacitance retention of 93.9 % over 3500 charge/discharge cycles. It was found that the electrochemical performance is enhanced due to the generation of new active sites, the increase in specific surface areas, and the reduced overall resistance through the impregnation of $Mn_3O_4$.
본 연구는 보론-망간-탄소 나노복합체에 관한 것이다. 이 물질은 상압에서 환원제인 수소화붕소나트륨 ($NaBH_4$) 과 이산화탄소 탄화반응을 통해 보론이 도핑된 다공성 탄소 (BPC)를 합성한 후, 산화망간을 함침시켜 제조하였다. 합성된 물질 (BPCMO)은 연료전지의 산소환원반응의 전기화학적촉매와 슈퍼커패시터의 전극물질과 같은 전기화학적 에너지 물질로서 사용될 수 있다. 다양한 분광학적 분석을 통해 BPCMO의 구조를 확인하였고, 다양한 산화망간의 종류 가운데 BPC 안에 함침 된 산화망간은 $Mn_3O_4$ 의 형태만 존재한다는 것을 확인하였다. 순환전압전류법과 선형주사전위법의 결과, BPCMO는 4-전자전달 경로를 따르며 상업적으로 사용되고 있는 백금촉매와 비견할만한 산소환원반응의 활성을 보였다. 또한 정전류적 충방전 측정과 전기화학적 임피던스 분광분석법을 통하여 BPCMO (전류밀도 1 A/g에서 150 F/g, 전류밀도 10 A/g에서 136 F/g) 가 BPC (전류밀도 1 A/g에서 58 F/g, 전류밀도 10 A/g에서 15 F/g)보다 더욱 큰 정전용량을 가진다는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 3500번의 충방전 실험 이후에도 초기용량의 93.9%를 유지함으로 매우 안정적인 정전용량을 보였다. $Mn_3O_4$ 를 함침 시켰을 때, 전기화학적으로 더욱 향상된 성능을 보이는 이유는 새로운 활성자리의 형성, 비표면적의 증가 그리고 전체 저항이 감소하였기 때문인 것으로 보여진다.
