Atomic level engineering of graphitic surface of graphene-based materials is highly demanded for the customized structures and properties aiming at different applications. Unzipping of graphene plane is a strong candidate to this purpose, but uncontrollable damage of the two-dimensional crystalline framework during harsh unzipping reaction has remained as the key challenge. In this thesis, we present heteroatom dopant-specific unzipping of carbon nanotubes as a reliable and controllable route to customized intact crystalline graphene-based nanostructures. Substitutional pyridinic nitrogen dopant sites at carbon nanotubes can selectively initiate the unzipping of graphene side walls at a relatively low electrochemical potential (0.6 V). The resultant nanostructures consisting of unzipped graphene nanoribbons wrapping around carbon nanotube cores maintain the intact two-dimensional crystallinity with well-defined atomic configuration at the unzipped edges. Large surface area and robust electrical connectivity of the synergistic nanostructure demonstrates ultrahigh-power supercapacitor performance, which can serve for AC filtering with the record-high rate-capability of -85º of phase angle at 120 Hz. The controllable manner of dopant-specific unzipping allows to manipulate doping concentration for property tuning of graphitic carbons. The produced oxygen-functionalized edges, which are potential site for target dopants, facilitate the incorporation of the desired amount of dopant. Suitable surface energy (wettability), tuned electronic structure (the Fermi energy level) and enhanced electrostatic interaction (protonation of pyrinidic nitrogen) are achieved by controlled unzipping and subsequent nitrogen doping. Taking advantage of the property tuning, we demonstrate efficient synthesis of metal- or metal oxide-graphitic carbon hybrids, such as Au nanoparticle-NCNT, Pt nanoparticle-NCNT and MnOx-NCNT hybrids, and improve the performance of diverse electrochemical applications, such as oxygen reduction reaction catalyst, bio-sensors and pseudo-capacitors.
흑연계 탄소나노소재 표면의 원자단위 제어는 탄소나노소재의 응용 분야별 맞춤형 구조 및 물성 확보를 위해 필수적이다. 최근에 탄소나노튜브 벽의 절개를 통한 탄소나노소재의 물성 제어가 매우 유용하다는 것이 알려지며, 전 세계적으로 큰 관심 아래 연구가 진행되고 있다. 그러나, 현존하는 탄소나노튜브 절개법은 탄소나노튜브 벽의 절개원리의 부재로 인해 절개반응의 조절이 불가능하여 탄소나노튜브에 무작위적인 결점을 발생시키고, 이에 따라 소재의 물성이 저하되는 어려움에 직면해 있다. 본 학위연구에서는, 질소도핑된 탄소나노튜브 내에 존재하는 질소원소를 활용하여 선택적이며 조절가능한 탄소나노튜브 절개법을 개발하고, 이를 기반으로 고결정성을 가지는 그래핀 기반 나노소재를 구현하였다. 질소도핑된 탄소나노튜브의 피리디닉 질소 위치가 상대적으로 우수한 화학반응성을 가진다는 점과 세밀한 조절이 가능한 전기화학적인 방법을 활용하여 탄소나노튜브의 절개위치와 절개정도를 조절함으로써, 소재의 물성 저하를 최소화하였다. 선택적으로 절개된 탄소나노튜브 소재는 탄소나노튜브의 외벽이 절개되어 생성된 그래핀 나노리본과 절개되지 않고 그대로 존재하는 탄소나노튜브의 내벽이 공존하는 특이구조를 가진다. 그래핀과 탄소나노튜브의 장점을 모두 가지는 특이구조로 넓은 비표면적과 우수한 전기전도도를 가지며, 이를 교류필터용 수퍼캐패시터에 적용하여 120 Hz 주파수에서 -85º 의 위상각을 보이는 세계 최고 수준의 주파수 반응 특성을 확인하였다. 또한 개발한 탄소나노튜브 절개법을 활용하여 탄소나노튜브의 질소도핑률을 향상시켜 탄소나노소재의 페르미 에너지 준위, 표면에너지, 산성 용액에서의 정전기적 상호작용 제어 등의 물성 제어가 가능함을 보였다. 이러한 탄소나노소재의 물성 제어를 통해 금속-절개된 탄소나노튜브 또는 금속산화물-절개된 탄소나노튜브 복합소재를 효율적으로 합성하였고, 기존 탄소나노튜브를 기반 복합소재 대비 우수한 성능의 산소환원반응 촉매, 포도당 센서, 수도 캐패시터 등을 구현하였다.
