Over the past few decades, due to the limited amount of fossil fuel, research into energy storage systems has been regarded as one of the important studies along with the study of developing renewable energy sources. Super capacitors materials, one of the various types of energy storage systems, have been studied as promising energy storage materials for the future. In this study, among the substances used as super capacitors, a nickel-based organic framework (MOF) was selected to improve electrical conductivity, a fatal disadvantage of this material. For this purpose, partial substitution of copper metal with four different proportions (0.5%, 1.0%, 3%, 5%) for nickel metal in the nickel-based MOF was conducted to synthesize Cu-substituted Ni MOF and this material was studied. The above four materials’ nanostructure and chemical characteristics were verified, and electrochemical performances of them were measured by using cyclic voltammetry and constant current charge discharge technique. In addition, to ensure that partial replacement with copper actually improves the electrical conductivity of metal organic framework, DFT simulation focused on the charge transfer was also conducted. Through the above analysis and simulation, we found that the metal organic framework with partial metal substitution showed a better capacitance value than the metal organic framework without the substitution, thus demonstrating its potential as an electrochemical energy storage electrode material.
지난 수십 년간 화석 연료의 제한된 양 때문에 에너지 저장 시스템에 대한 연구는 재생 에너지원을 개발하는 연구와 함께 중요한 연구 중 하나로 간주되어 왔다. 그 중, 에너지 저장 시스템의 다양한 종류 중 하나인 슈퍼캐패시터 재료가 미래의 유망한 에너지 저장 재료로서 연구되어 왔다. 본 연구에서는 각종 슈퍼캐패시터 소재로 사용되는 물질 가운데, 니켈 기반 금속유기구조체 (Metal Organic Framework, MOF)를 선택하여 이 물질의 치명적인 단점인 전기전도도를 향상시킬 수 있는 연구를 진행했다. 이를 위해, 4가지 비율(0.5%, 1.0%, 3%, 5%)의 구리가 부분 치환된 니켈 기반 금속유기구조체를 합성하고 연구하였다. 위 4가지 물질의 나노 구조와 화학적결합의 특성 등을 확인하였고, 에너지 저장 소재 전극으로의 성능을 확인하기 위하여 순환 전압 전류법, 정전류 충전방전기법 등을 사용하여 전기화학적 성능을 측정하였다. 이와 더불어 구리를 사용한 부분 치환이 실제로 금속유기구조체의 전기전도도를 향상시키는 지를 확인하고자 전하 이동을 위주로 한 밀도함수이론을 이용하여 시뮬레이션을 함께 시도 하였다. 위와 같은 분석 및 시뮬레이션을 통하여, 구리 금속이 부분치환된 금속유기구조체가 치환이 안된 금속 유기구조체보다 더 뛰어난 전기용량 값을 보이는 것을 확인하였고, 이에따라 전기화학적 에너지 저장을 위한 전극소재로서 가능성을 보여주었다.
