Recently, heteroatom-doped nanoporous carbons have attracted a great deal of attention in the research field of electrochemical applications. However, a more rigorous research is still needed to determine the reaction mechanism and active sites involved with the heteroatom-doped carbons. The synthesis of heteroatom-doped carbons often requires high carbonization temperature, making the control over dopant bonding configurations and the structure of the carbon difficult. As a result, designing a reasonable model to identify the individual effect of different dopant species has been challenging. In this thesis, N-doped carbons having a high content of N with various distributions of N species and an identical 3D graphene-like microporous structure were synthesized using zeolite as a template. Using $Ca^{2+}$ ion catalysts embedded inside the zeolite framework, the carbonization temperature could be lowered down to $500^\circ C$, and the modulation of the N species substituted in the carbon could be achieved by changing the carbonization temperature. These N-doped carbons were used to investigate the efficiency of each N species on the oxygen reduction reaction, without the influences from the porous structure of the carbons. The results indicate that the graphitic N was more effective in enhancing the oxygen-reduction performance of the 3D microporous carbons than pyridinic N.
최근 헤테로원자가 도핑된 다공성 탄소 물질은 전기화학적 응용 분야에서 많은 주목을 받고 있다. 하지만, 현재까지 헤테로원자 도핑 탄소 물질의 반응 메커니즘 및 활성점에 대한 이해가 부족하여 이를 규명하기 위한 연구가 필요로 되고 있다. 헤테로 원자가 도핑된 탄소 합성에서는 높은 탄화 온도가 필요로 되어 탄소 구조 및 헤테로 원자의 함량을 조절하는 데에 많은 어려움이 있다. 따라서, 구조적인 영향을 배제하고 도핑된 원소의 영향만을 볼 수 있는 합리적인 모델을 설계하는 데에 한계가 있었다. 본 학위 논문에서는 제올라이트 주형을 이용하여 구조는 동일하지만 합성 온도에 따라 도핑된 질소의 종류가 다른 나노다공성 탄소 물질을 합성하는 데에 성공했다. 제올라이트 골격에 존재하는 칼슘 이온 촉매를 이용하여 합성 가능한 온도의 범위를 넓힐 수 있었고, 이에 따라 도핑된 질소의 종류를 조절할 수 있었다. 이때 합성된 탄소들은 제올라이트의 기공 구조를 잘 본뜬 3차원 그래핀 구조를 보였으며, 비표면적과 기공 부피가 모두 비슷했다. 이와 같은 방법으로 합성된 질소 도핑 탄소 물질들을 이용하여 도핑된 질소의 종류의 변화가 산소 환원 반응의 활성에 미치는 영향을 관찰하였다. 산소 환원 반응 결과에 의하면 그래피틱 질소가 피리디닉 질소 보다 더 효율적으로 산소 환원 반응을 촉진시킨다는 결론을 얻을 수 있었다.
