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Development and analysis of novel functional materials for energy and gas storage applications = 에너지 저장 및 기체 포집을 위한 기능성 신재료 합성과 분석에 관한 연구
서명 / 저자 Development and analysis of novel functional materials for energy and gas storage applications = 에너지 저장 및 기체 포집을 위한 기능성 신재료 합성과 분석에 관한 연구 / Ji Hoon Lee.
저자명 Lee, Ji Hoon ; 이지훈
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2017].
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초록정보

For the last decade, the increasing carbon dioxide ($CO_2$) emission from burning fossil fuels has been regarded as one of the main origins for various energy and environmental issues. To resolve both grand challenges, the global $CO_2$ level decrease and efficient energy storage are essential as short- and long-term solutions, respectively. In this thesis, I cover the development and analysis of novel functional materials for energy and gas storage applications. In Chapter 2, restacking-inhibited 3D reduced graphene oxides were developed for electrical double layer capacitors (EDLCs), one of the energy storage systems (ESSs). Having noticed that the intercalated water molecules between graphene oxide interlayers play a critical role for the restacking of graphene sheets, in this study, these restacking phenomena were effectively mitigated by functionalizing the surface of graphene oxides, thus consequently, verifying the effect of restacking-inhibition on electrochemical performances. In Chapter 3, multicomponent transition metal (TM) oxides were synthesized and evaluated as pseudocapacitor electrodes. The roles of crystal defects, formed by solid-solution mixing of TMs, could be elucidated by the combined X-ray absorption fine structure (XAFS) analyses and density functional theory (DFT) calculations. In Chapter 4, TM-based $\alpha$ -layered double hydroxides (LDHs) were utilized as pseudocapacitor electrodes. While $\alpha$ -LDHs exhibited excellent electrochemical activities, mainly originating from its unique layered structures, they also possessed the vulnerable $\alpha -to- \beta$ phase transition, thus undergoing the severe capacity decay. Based on the crystal field theories, the solid solution mixing of binary TM ions is able to allow $\alpha$ -LDHs to possess the sustainable cycling performance without sacrificing the original high capacity. In Chapter 5, porous activated carbons from recycling coffee bean dreg were synthesized for dry $CO_2$ sorbents. Through the varied porosity condition, the dependence of the overall $CO_2$ capture performance (absolute uptake, isosteric heat of adsorption, $CO_2/N_2$ selectivity) on pore size was verified. In Chapter 6, the series of porous melamine resins with mesoscopic regularity were synthesized by a using the simple co-polymerization route. In this study, it was confirmed that the hydrogen bonding between resin monomers and surfactant molecules play a pivotal role for mesoscopic ordered structures. Based on this ordered mesoporous melamine resins, the general design principles for selective $CO_2$ captures over $N_2$ could be provided.

화석 연료 사용으로 인해 이산화탄소 배출량의 증가는 지난 10여 년간 인류를 가장 위협하는 에너지/환경 문제의 원인으로 인식되고 있다. 위와 같은 에너지/환경 문제를 해결하기 위해 단기적인 관점에서 이산화탄소의 배출량을 줄이고, 장기적인 관점에서는 신재생에너지의 활용과 효율적인 에너지 저장이 매우 중요하다고 할 수 있다. 본 학위 논문에서는 에너지 저장과 기체 포집을 위한 기능성 신소재를 개발하고 분석하는 디자인 원리에 대해 다루고자 한다. 제 2장에서는 재적층이 억제된 3차원 환원 그래핀을 설계 및 합성을 하고, 에너지 저장 시스템 중 하나인 전기 이중층 커패시터에 적용했다. 환원 과정 전의 그래핀 산화물의 결정수가 환원 그래핀의 재적층 현상에 큰 영향을 미침을 발견하고, 표면 작용기 개선을 통해 재적층 현상을 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한, 환원 그래핀의 재적층이 전기 이중층 커패시터에 미치는 영향을 확인할 수 있었다. 제 3장에서는 다중 성분계 전이금속 산화물을 합성하고, 에너지 저장 시스템 중 하나인 유사 커패시터에 적용했다. 다중 성분계의 전이금속이 산화물을 형성하는 과정에서 생기는 과정에서 발생하는 결정 결함이 에너지 저장에 있어 미치는 영향을 확인할 수 있었다. 제 4장에서는 전이금속 이중층 수산화물을 합성하고, 유사 커패시터에 적용했다. 전이 금속 이중층 수산화물은 결정 구조의 특이성에서 오는 성질들로 인해 높은 전기화학 활성을 보이지만 내구성이 약하다는 단점이 있었는데, 이를 결정장 이론을 바탕으로 한 이종 원소 치환을 통해 용량과 수명 특성을 효과적으로 개선할 수 있었다. 제 5장에서는 폐 커피콩 가루를 재활용하여 다공질 활성탄을 합성하고, 이산화탄소 포집에 적용했다. 기공도를 다양하게 조절해 이산화탄소의 포집의 기공 크기에 대한 의존도를 파악할 수 있었다. 제 6장에서는 기존의 비-다공성 멜라민 레진을 규칙성을 띄며 메조 기공을 다공성 멜라민 레진으로 합성하는 연구를 수행했다. 계면 활성제와의 수소 결합의 중요성을 제언할 수 있었고, 규칙성을 띄며 메조 기공을 갖는 다공성 멜라민 레진을 바탕으로 선택적인 이산화탄소의 포집에 대한 디자인 원리를 제시할 수 있었다.

서지기타정보

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청구기호 {DEEW 17007
형태사항 ix, 108 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이지훈
지도교수의 영문표기 : Jang Wook Choi
지도교수의 한글표기 : 최장욱
수록잡지명 : "Combined $CO_2$ philicity and Ordered Mesoporosity for Highly Selective $CO_2$ Capture at High Temperatures". Journal of the American Chemical Society, v.137,no.22, pp.7210-7216(2015)
수록잡지명 : "Restacking-Inhibited 3D Reduced Graphene Oxide for High Performance Supercapacitor Electrodes". ACS Nano, v.7, no.10, pp.9366-9374(2013)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : EEWS대학원,
서지주기 Including references
주제 Energy Storage
Gas Storage
Material Design Principles
Crystal Field Theory
Hydrogen Bonding
Melamine Resin
Reduced Graphene Oxide
Activated Carbon
Transition Metal Oxides
Transition Metal Layered Double Hydroxides
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결정장 이론
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