Recently, Carbon dioxide (CO$_2$) is one of the main causes of global warming, and many researchers are trying to find ways to reduce carbon dioxide. In these studies, two main ways of reducing carbon dioxide emissions or dealing with captured carbon dioxide have been studied. In the emission reduction, eco-friendly electric energy is used as an alternative to fossil fuels, which are the main source of CO$_2$, and in the latter case, carbon dioxide capture and utilization (CCU) technology is used to capture CO$_2$ and convert it into other chemicals. However, there are several problems with the commercialization of these methods. First of all, the use of electrical energy requires improved generation methods and a next-generation energy storage system that can efficiently store energy produced. In addition, carbon dioxide is a chemically stable molecular structure, making it difficult to convert under mild conditions. As a result, there have been studies to convert supercritical carbon dioxide by applying high pressure or heating, but the additional cost problem will be a major challenge for commercialization. Therefore, the appropriate technology for carbon dioxide utilization should be found by comparing the conditions under which carbon dioxide is converted with the corresponding costs and the value of the product.
This dissertation concentrated on the study of conversion CO$_2$ into carbon material and utilization CO$_2$-derived carbon as a material for energy storage systems. These studies have the advantage of using CO$_2$ as a raw material for high-valued carbon production, while improving the efficiency of energy storage systems. In this conversion, CO$_2$-derived carbon materials were synthesized by converting CO$_2$ under moderate conditions compared to conventional conversion methods through reactions with reducing agents. As a result, the boron-doped porous carbon and graphitic porous carbon were synthesized, which were utilized as electrode materials for lithium-sulfur batteries. These CO$_2$-derived carbons show higher electrochemical performance than conventional carbon. In addition, the properties of each electrode material were considered to be effective in improving the performance of lithium sulfur batteries.
이산화탄소는 현재 지구온난화의 주 원인인 온실 가스로써, 여러 연구자들이 이산화 탄소 저감을 위해 노력하고 있다. 이러한 연구들에 있어, 이산화탄소의 배출량을 저감하거나 배출된 이산화탄소를 포집 후 처리하는 2가지 방식으로 주로 연구되었다. 배출 저감에서는, 친환경적 전기에너지를 이산화탄소 생산의 주요 원인인 화석 연료의 대체 방안으로 사용하는 방식이 있으며, 후자의 경우 이산화탄소 포집 후 이를 전환하여 화학물질로 합성하는 이산화탄소 포집 및 활용 기술이 있다. 그러나 이러한 방식들이 상업화하기 위해서는 여러 문제점들이 있다. 우선, 전기 에너지를 사용하기 위해서는 개선된 발전 방식 및 생산된 에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 차세대 에너지 저장 시스템이 필요하다. 또한 이산화탄소는 화학적으로 안정적인 분자 구조를 지니는 물질이므로 일반적인 조건에서는 전환하기가 어렵다. 이에 따라 현재 이산화탄소 전환에 있어서 높은 압력을 가해주거나 가열함으로써 임계상태에서 이를 전환하려는 연구들이 있으나, 이에 따른 추가적인 비용 문제는 추후 상업화의 큰 어려움이 될 것이다. 따라서, 이산화탄소 활용에 있어서 이산화탄소가 전환되는 조건과 조건에 따른 비용, 생산물의 경제적 가치를 비교하여 적합한 기술을 찾아야 한다.
본 학위 논문에서는 이산화탄소를 생산을 위한 원료로 사용함으로써 포집된 탄소를 활용함과 동시에, 에너지 저장 시스템의 효율성 개선을 이루어 내기 위하여, 이산화탄소를 고부가 가치의 탄소 물질로 전환하여 에너지 저장 시스템의 재료로 활용하기 위한 연구를 진행하였다. 이산화탄소의 전환에 있어서 환원제를 이용해 기존 전환 방식에 비해 온건한 조건에서 이산화탄소를 전환하여 이산화탄소 유도 탄소 물질을 합성하였다. 그 결과, 보론 도핑된 다공성 탄소와 결정성을 가지는 다공성 탄소를 합성하였으며, 이를 리튬-황 전지의 전극 물질로 활용하였다. 이러한 이산화 탄소 유도 탄소들은 기존 탄소 소재인 카본 블랙 대비 높은 전기화학적 성능을 보임을 확인하였다. 또한, 각각의 전극 물질이 가지는 성질 중 어떤 성질이 리튬 황 전지의 성능 개선에 효과적인지에 대해 고찰하였다.
