The needs for reducing carbon dioxide ($CO_2$) have been increasing because of global warming effect. One of the ways to reduce $CO_2$ include conversion of $CO_2$ into various carbon materials. In this thesis, converting $CO_2$ to heteroatom-doped carbon material using reducing agent of ammonia borane ($NH_3BH_3$) and sodium borohydride ($NaBH_4$) was studied. The synthesized carbon material was utilized as a catalyst for oxygen reduction reaction (ORR), electrode materials for supercapacitor and lithium ion battery anode materials after some surface modifications. The thermal treatment, incorporation of iron oxide species were used to enhance electrocatalytic activity for ORR and the KOH treatment was used to increase capacity in supercapacitor applications. For lithium ion battery applications, two-dimensional metal carbide of $Mo_2C$ MXene was used and it was oxidized by using $CO_2$ as a mild oxidant, resulting molybdenum oxide and amorphous carbon composite.
The procedure of $CO_2$ conversion by using $NaBH_4$ as a reducing agent can be also applied flue gas conversion. The porous carbon can be made through flue gas conversion with further KOH treatment to be tested for supercapacitor electrode. The B, N-incorporated flue gas derived carbon shows 210 F/g at 1 A/g and this value which is comparable to activated carbon (150 - 200 F/g). The iron-atom incorporated carbon derived from flue gas shows comparable ORR activity to commercially available platinum-based catalyst. The iron-atom incorporated porous carbon from $CO_2$ shows the current density of $4.7 \times 10^{-3} A/cm^2$ at -0.8 V vs. Ag/AgCl and onset potential of -0.07 V vs. Ag/AgCl and this value is comparable to platinum-based catalysts showing current density of $4.4 \times 10^{-3} A/cm^2$ at the same potential and onset potential of -0.06 V vs. Ag/AgCl. The $CO_2$ -derived molybdenum oxide and carbon composite shows 323 mAh/g at 50 mA/g in lithium-based electrolyte with good cycle stability of 85 % after 280 cycles.
지구온난화로 인한 이산화탄소를 감축하려는 노력이 계속 이루어지고 있다. 따라서 이러한 맥락에서 이산화탄소가 전환되는 것이 한 방법이 될 수 있다. 이산화탄소가 전환된 후 생성된 카본 물질을 실제 적용가능한 분야에 적용할 수 있다면 이러한 이산화탄소의 전환 반응의 부가가치는 크게 오를 것이라고 생각한다. 이 논문에서는 이산화탄소를 전환하여 생성된 여러 카본 물질들을 연료전지의 산소 환원 반응 및 슈퍼커패시터, 리튬이온 배터리의 전극 물질로서 적용하고자 하였다. 환원제로는 암모니아 보레인과 소듐 보로하이드라이드가 사용되었다. 암모니아 보레인을 사용했을 때는 보론과 질소가 함유된 그래핀 옥사이드 물질이 생성되었으며 소듐 보로하이드라이드를 사용했을 때는 보론 원자가 함유된 다공성 카본 물질이 생성되었다. 생성된 카본물질에 열처리와 금속의 후처리는 산소 환원 반응의 촉매의 성능을 높이기 위해 처리되었고, 수산화칼륨의 처리는 기공의 크기와 생성된 카본 물질의 표면적을 높여 슈퍼커패시터의 적용에 있어 커패시턴스 값을 높이고자 하였다. 금속 옥사이드와 카본의 화합물은 2차원 구조의 맥신 소재로부터 이산화탄소의 산화반응을 통해 형성되어 리튬 이온 배터리의 음극 물질로서 특성을 평가하였다.
