Zeolite-templated carbons (ZTCs) can now be synthesized on a large scale (e.g., 70 g of carbon) with the aid of zeolite-embedded $Ca^{2+}$ ions as a carbonization catalyst, thereby giving much attention to the carbon materials for electrical energy storage applications. In this thesis, the anode characteristics of the ZTC electrode in Li-ion battery application will be addressed. Due to sub-nanometric pore sizes of the ZTC, $Li^+$ ions could diffuse into the carbon pores possibly without associated with solvent molecules or counter anions, and thus the Li storage capacity was increased to 8 times the capacity of the graphite electrode. However, there still remained a critical safety issue in the synthesis of ZTCs arising from the use of HF solutions for the dissolution of zeolites. To avoid the toxic HF, the detailed procedures using aqueous ethanolic NaOH and HCl solutions for the template removal have been developed while maintaining ordered microporous structures of ZTCs. In this thesis, the template-dissolution methods and the supercapacitor characteristics of the ZTC products from the NaOH-washing will be discussed. During the washing processes using the alkaline solutions, oxygen-containing functional groups were introduced on the ZTC structures. The increased oxygen content of the ZTCs resulted in a remarkable enhancement of supercapacitance in an aqueous electrolyte, whereas the opposite phenomenon was observed in an organic electrolyte. This result may be due to a decrease in the electrical conductance of the ZTCs, and an improvement in the hydrophilicity. The effect of the surface oxygen functionalities in ZTCs will provide valuable insights for research on the electrochemical applications of the nanoporous carbons as an electrode material.
제올라이트 주형 탄소 합성에서 칼슘이온을 탄화 촉매로 사용함으로써 70g에 달하는 규모로 탄소를 대량 합성할 수 있게 되었다. 탄소 물질이 전기적 에너지 저장 응용에서 많은 관심을 받는 것과 관련하여, 본 학위 논문에서는 3차원 그래핀형 제올라이트 주형 탄소가 리튬이온전지 응용에서 나타내는 음극 소재 특성을 다루고자 한다. 제올라이트 주형 탄소 물질의 나노 기공 내부로 리튬이온이 전해질로부터 탈 용매화된 채로 이동할 수 있고, 더 나아가서 탄소 전극이 흑연이 나타내는 용량의 약 8배에 해당하는 전지 용량을 가짐을 보인다. 하지만, 탄소 물질을 얻어낼 때 주형 제거를 위해 사용되는 불화수소산의 독성으로 인한 안전 문제가 남아 있었다. 본 학위 논문에서는 불화수소산을 수산화 소듐 용액으로 대체하여, 규칙적인 나노 다공성 구조를 갖는 제올라이트 주형 탄소를 합성하는 연구에 관해 이어서 다루고자 한다. 주형 제거 과정 중에 사용하는 알칼리성 용액은 탄소의 표면에 산소 기능기를 도입시킨다. 탄소 물질의 증가한 산소 함량으로 인해 수성 전해질에서의 슈퍼축전지 용량이 증가할 수 있지만, 유기 전해질에서는 반대의 결과를 낳는다. 제올라이트 주형 탄소 표면에 관능화된 산소 기능기가 미치는 전기적 에너지 저장 특성에 대한 영향은 향후 전기화학적 응용 연구에 유용한 정보를 제공한다.
