KR101440850B1 - Method for preparing three-dimensional graphene nano-networks and application thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (1) 기재 위에 콜로이드 실리카(colloidal silica)를 적층시켜 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 형성하는 단계; (2) 상기 3차원 콜로이드 실리카 구조체에 그래핀 성장용 고체 탄소원 및 금속 전구체를 함유하는 용액을 채워 넣는 단계; (3) 상기 용액이 채워 넣어진 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 수소 기체 하에서 700 내지 1,200 ℃로 가열함으로써 금속을 함유하는 나노발포체(nano-foam) 구조의 그래핀을 형성하는 단계; 및 (4) 상기 콜로이드 실리카 및 상기 나노발포체 구조의 그래핀 중의 금속을 제거하는 단계를 포함하는, 3차원 그래핀 나노-네트워크의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 3차원 나노발포체 구조의 그래핀의 제조방법은 결함을 유발하는 이송 공정(transfer process)이나 독성 탄소 가스를 필요로 하지 않으며, 이러한 본 발명의 방법에 따라 제조된 3차원 나노발포체 구조의 그래핀은 염료감응형 태양전지(DSSC)의 제조에 유용하게 사용될 수 있다. (1) depositing colloidal silica on a substrate to form a three-dimensional colloidal silica structure; (2) filling the three-dimensional colloidal silica structure with a solution containing a solid carbon source for graphene growth and a metal precursor; (3) heating the three-dimensional colloidal silica structure packed with the solution to 700 to 1200 占 폚 under hydrogen gas to form a nano-foam structure containing metal; And (4) removing the metal in the graphene of the colloidal silica and the nano foam structure. The present invention relates to a method of manufacturing a three-dimensional graphene nano-network, The method of manufacturing a fin does not require a transfer process causing toxicity or toxic carbon gas, and the graphene of the three-dimensional nano foam structure manufactured according to the method of the present invention can be used as a dye-sensitized solar cell (DSSC ). ≪ / RTI >

Description

3차원 그래핀 나노-네트워크의 제조방법 및 그 응용{METHOD FOR PREPARING THREE-DIMENSIONAL GRAPHENE NANO-NETWORKS AND APPLICATION THEREOF}[0001] METHOD FOR PREPARING THREE-DIMENSIONAL GRAPHENE NANO-NETWORKS AND APPLICATION THEREOF [0002]

본 발명은 불활성 기재 상에서 3차원 그래핀 나노-네트워크(three-dimensional graphene nano-network; 3D-GN)를 넓은 면적 범위로 대량 제조할 수 있는 방법 및 그 응용에 관한 것이다. The present invention relates to a method of mass-producing a three-dimensional graphene nano-network (3D-GN) on an inert substrate in a large area and its application.

그래핀은 원자 하나 두께의 평면 시트로 벌집 결정 격자(honeycomb crystal lattice)에 sp2 결합 탄소가 조밀하게 채워져 있으며, 높은 광학 투과도, 우수한 전기 전도성, 높은 굴곡성 및 기계적 안정성, 큰 이론적 비표면적, 및 독특한 수송 특성(transport property)을 가진다(문헌 Zhang, Y.; Tan, Y.-W.; Stormer, H. L.; Kim, P. Nature 2005, 438, (7065), 201). 우수한 성질을 가진 그래핀 시트의 제조를 위해 산화 그래핀의 화학 박리, 흑연의 액상 초음파 박리, SiC 또는 금속 상의 결정축에 따른 성장(epitaxial growth), 및 금속 기재 상의 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition) 성장과 같은 많은 방법들이 활용되고 있다. Graphene is a flat sheet of one atom thick, densely packed with sp 2 -bonded carbons in a honeycomb crystal lattice and has high optical transparency, good electrical conductivity, high flexural and mechanical stability, a large theoretical specific surface area, (Zhang, Y .; Tan, Y.-W .; Stormer, HL; Kim, P. Nature 2005, 438, (7065), 201). For the production of graphene sheets having excellent properties, chemical grafting of oxide grains, liquid-phase ultrasonic peeling of graphite, epitaxial growth of SiC or metal phase, and chemical vapor deposition (CVD) ) Growth are being exploited.

금속 촉매 표면에서의 탄소의 용해 및 분리 메카니즘을 통한 CVD에 의한 금속 필름 상에서의 그래핀의 성장은 적은 결함 및 상대적으로 큰 영역 크기로 인해 우수한 전도성을 가진다. 그러나, 금속 필름에서의 CVD 성장은 단결정 그래핀(single-crystalline graphene)의 형성이 2차원(2D) 평면으로 제한되고, 적은 양만을 생산할 수 있다는 잠재적인 문제들을 가지고 있다. 대규모(bulk scale)에서의 보다 정교한 3D 그래핀 나노네트워크(3D-GN)의 가능성은 큰 표면적, 뛰어난 높은 전기/열 전도성, 및 3차원 환경을 이용한 에너지-관계 재료들, 방열판(heat sink) 및 세포배양기(cell culture plate)에서 중요한 진전을 가져올 수 있다. The growth of graphene on a metal film by CVD through a mechanism of dissolution and separation of carbon at the surface of the metal catalyst has excellent conductivity due to small defects and relatively large area size. However, CVD growth in metal films has the potential problems that the formation of single-crystalline graphene is limited to a two-dimensional (2D) plane and can only produce small quantities. The possibility of a more sophisticated 3D graphene nanowire network (3D-GN) at the bulk scale is achieved through the use of energy-related materials, heat sinks and heat sinks with large surface area, excellent high electrical / thermal conductivity, Can make important progress in the cell culture plate.

예컨대, 3D 니켈 프레임에서 성장된 3D 그래핀 네트워크는 3D 구조의 성질로 인해 우수한 기계적 강도, 수퍼커패시턴스(supercapacitance), 및 열전도성을 가진다. 그러나, 이러한 방법으로 제작된 구조체의 크기는 니켈 프레임의 크기에 국한되고, 수백 마이크로 미터 규모로 제한되며, 3D 그래핀의 잠재적인 다양한 응용을 방해할 수 있다. 지금까지 잘 확립된 방법으로서, 구리 및 니켈이 그래핀의 CVD 성장을 위한 금속 촉매로 공통적으로 사용되어 왔고, 최근에 카본 나노튜브의 성장을 위해 널리 사용하는 철계 촉매에서 다층 그래핀 필름의 성장이 성공하여 작은 진전이 있었다. 철은 지구 지각을 구성하는 원소 중 네번째에 해당하는 흔한 윈소이고, 독성이 없고, 저렴하며, 제거가 쉽기 때문에, 철을 그래핀 성장을 위한 촉매로 이용하는 것은 적용가능성이 커질 것이고 매력적인 연구 경로가 될 것이다. For example, a 3D graphene network grown in a 3D nickel frame has excellent mechanical strength, supercapacitance, and thermal conductivity due to the nature of the 3D structure. However, the size of the structure produced in this way is limited to the size of the nickel frame, is limited to a few hundred micrometers, and can interfere with the potential application of 3D graphene. As a well established method, copper and nickel have been commonly used as metal catalysts for CVD growth of graphene, and recently, the growth of multilayer graphene films in an iron-based catalyst widely used for the growth of carbon nanotubes There was little progress in success. Using iron as a catalyst for graphene growth is likely to become more feasible and attractive as it is the fourth most common element of the earth's crust and is non-toxic, inexpensive, and easy to remove. will be.

3차원(3D) 이중연속(bi-continuous) 구조는 외부 자극에 대한 3차원 반응들의 조절된 주기성, 넓은 표면적 및 유효성으로 인해 광결정, MEMS, 바이오센서 및 조직공학에 있어서 다양하게 응용되어 왔다[문헌 Jang, J.-H.; Jhaveri, S. J.; Rasin, B.; Koh, C.; Ober, C. K.; Thomas, E. L. Nano Lett. 2008, 8, (5), 1456, 및 문헌 Jang, J.-H.; Ullal, C. K.; Gorishnyy, T.; Tsukruk, V. V.; Thomas, E. L. Nano Lett. 2006, 6, (4), 740.].3D (3D) bi-continuous structures have been widely applied in photonic crystals, MEMS, biosensors, and tissue engineering due to the controlled periodicity, wide surface area, and effectiveness of three-dimensional reactions to external stimuli Jang, J.-H .; Jhaveri, SJ; Rasin, B .; Koh, C .; Ober, CK; Thomas, EL Nano Lett. 2008, 8 (5), 1456, and literature Jang, J.-H .; Ullal, CK; Gorishnyy, T .; Tsukruk, VV; Thomas, EL Nano Lett. 2006, 6, (4), 740.].

3차원 네트워크의 잠재력이 그래핀의 많은 우수한 특성들과 결합하였을 때 다기능 소재 플랫폼(platform)이 될 것을 기대할 수 있다. 예컨대, 3차원적으로 연결된 그래핀 네트워크는 넓은 표면적 및 높은 전도성의 이점을 제공하므로 전극, 수퍼커패시터 또는 촉매기재로서 이상적인 구조일 수 있다. 수퍼커패시터의 성능에는 높은 비표면적 외에도, 높은 전기 전도도, 적절한 공극 사이즈 및 분포, 및 전기화학, 열 및 기계적 안정성 등이 동등하게 중요하다. 이러한 요구 사항을 고려하여, 다공성 탄소계 재료가 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitor, EDLC)의 소재로서 제안되었으나, 높은 비표면적을 가지는 대부분의 다공성 탄소계 재료는 상당히 낮은 전도도로 인해 고성능 수퍼커패시터에 적용되기 어렵다. 반면, 그래핀은 높은 전기 전도도 및 우수한 화학적 및 기계적 안정성, 및 극단적으로 넓은 표면적으로 인해, 이상적인 EDLC 재료를 제공한다. 그러나, 전기 전도도 및 표면적과 같은 파라미터 값은 최소한 어느 정도 여전히 실현되어야 할 필요가 있다. The potential of a 3D network can be expected to be a multifunctional material platform when combined with many of the outstanding properties of graphene. For example, a three-dimensionally connected graphene network can be an ideal structure as an electrode, supercapacitor or catalyst substrate because it provides a large surface area and high conductivity benefits. Besides the high specific surface area, the performance of the supercapacitor is equally important, such as high electrical conductivity, proper pore size and distribution, and electrochemical, thermal and mechanical stability. In consideration of these requirements, porous carbonaceous materials have been proposed as materials for electric double layer capacitors (EDLC), but most porous carbonaceous materials having a high specific surface area have a low conductivity, It is difficult to apply. On the other hand, graphene provides an ideal EDLC material due to its high electrical conductivity, excellent chemical and mechanical stability, and extremely wide surface area. However, parameter values such as electrical conductivity and surface area need to be realized at least to some extent.

한편, 그래핀은 연료 감응형 태양전지(DSSC)의 대향 전극으로 사용될 수 있는 신규한 재료로서의 잠재성을 가지고 있다. DSSC는 태양에너지를 전기에너지로 높은 에너지 전환 효율로 직접적으로 변환할 수 있는 저비용 광전지 시스템으로, DSSC는 저비용 및 측정가능 프로세스라는 점에서 대체 재생 에너지 디바이스로 가장 유망한 것 중 하나이다. 전형적인 DSSC는 일반적으로 주요 구성요소로서 염료, 산화환원 쌍을 포함하는 전해질, 작업전극으로서의 광대역 밴드 갭 나노결정 TiO2, 및 대향 전극을 포함한다. 지금까지, 비용 면에서 비효율적인 Pt가 높은 안정성, 전도성 및 뛰어난 전기화학적 활성으로 인해 DSSC에서 가장 우수한 대향 전극의 재료로 간주되어 왔고, Pt와 비교할만한 특성을 가진 재료는 대체 재료는 극소수였다. 따라서, Pt에 비해 우수한 성능을 가지는 우수한 대향 전극 재료를 찾는 것이 시급하고, 저렴한 DSSC를 현실화 하기 위해 결정적인 것이다. On the other hand, graphene has potential as a novel material that can be used as the counter electrode of a fuel-responsive solar cell (DSSC). DSSC is a low cost photovoltaic system that can directly convert solar energy into electrical energy with high energy conversion efficiency, and DSSC is one of the most promising alternative renewable energy devices in that it is a low cost and measurable process. Typical DSSCs generally include a dye, an electrolyte comprising a redox couple, a broadband bandgap nanocrystalline TiO 2 as a working electrode, and an opposing electrode, as major components. Until now, inefficient Pt has been regarded as the most excellent counter electrode material in DSSC due to its high stability, conductivity and excellent electrochemical activity, and only a few materials have properties comparable to Pt. Therefore, it is crucial to realize an inexpensive and inexpensive DSSC to find an excellent counter electrode material having superior performance to Pt.

최근의 연구결과, 몇몇 탄소 재료가 그 낮은 비용, 높은 전도성 및 산화-환원 쌍에 대한 부식 저항성으로 인해 Pt를 대체할 수 있을 것이라는 보고가 있었으나, 아직까지 그 성능이 Pt에 미치지 못하였다. 이를 고려할 때, 그래핀은 지금까지의 탄소재료와 많은 우수한 특성들에서 비슷하고, DSSC의 대향 전극으로 사용될 수 있는 신규한 재료로서의 잠재성을 가진다. 본 발명자들은 그래핀의 높은 전도도 및 그래핀의 이중 연속 3차원 네트워크의 형성에 의해 달성될 수 있는 넓은 표면적의 두 중요한 특성이 DSSC에서 최신의 Pt 치환 가능한 대향 전극(CE)의 성능을 향상시키기 위해 효과적으로 개발될 수 있다는 점에 주목하였다. Recent studies have reported that some carbon materials could replace Pt due to their low cost, high conductivity and corrosion resistance to oxidation-reduction pairs, but their performance has not yet reached Pt. Given this, graphene is similar in many excellent properties to conventional carbon materials, and has potential as a novel material that can be used as the counter electrode of DSSC. The present inventors have found that two important characteristics of graphene's high conductivity and a large surface area that can be achieved by the formation of a double continuous three-dimensional network of graphenes are to improve the performance of the latest Pt replaceable counter electrode (CE) in DSSC It can be effectively developed.

따라서, 본 발명자들은 철 전구체 용액 공정을 이용한, 치수 확장성 및 대량 생산 능력이 있고, 잠재적으로 어떠한 임의적인 형상의 그래핀이라도 제조할 수 있는, 무기재 CVD 기술을 통하여 성장된 이중연속 3D-GN의 제조방법을 제공한다. Thus, the present inventors have found that the use of an iron precursor solution process, a dual continuous 3D-GN structure grown through an inorganic CVD technique, which has dimensional extensibility and mass production capability and can potentially produce grains of any arbitrary shape Of the present invention.

Zhang, Y.; Tan, Y.-W.; Stormer, H. L.; Kim, P. Nature 2005, 438, (7065), 201)Zhang, Y .; Tan, Y.-W .; Stormer, H. L .; Kim, P. Nature 2005, 438, (7065), 201) Jang, J.-H.; Jhaveri, S. J.; Rasin, B.; Koh, C.; Ober, C. K.; Thomas, E. L. Nano Lett. 2008, 8, (5), 1456Jang, J.-H .; Jhaveri, S. J .; Rasin, B .; Koh, C .; Ober, C. K .; Thomas, E. L. Nano Lett. 2008, 8, (5), 1456 Jang, J.-H.; Ullal, C. K.; Gorishnyy, T.; Tsukruk, V. V.; Thomas, E. L. Nano Lett. 2006, 6, (4), 740.Jang, J.-H .; Ullal, C. K .; Gorishnyy, T .; Tsukruk, V. V .; Thomas, E. L. Nano Lett. 2006, 6, (4), 740.

본 발명의 목적은 3차원 그래핀 나노-네트워크(3D-GN)를 불활성 기재 상에서 넓은 면적 범위로 신뢰성 있게 직접적으로 제조하는 방법 및 그 응용을 제공하는 데 있다. It is an object of the present invention to provide a method and an application for reliably and directly producing a three-dimensional graphene nano-network (3D-GN) over a large area over an inert substrate.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 In order to achieve the above object,

(1) 기재 위에 콜로이드 실리카(colloidal silica)를 적층시켜 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 형성하는 단계;(1) laminating colloidal silica on a substrate to form a three-dimensional colloidal silica structure;

(2) 상기 3차원 콜로이드 실리카 구조체에 그래핀 성장용 고체 탄소원 및 금속 전구체를 함유하는 용액을 채워 넣는 단계;(2) filling the three-dimensional colloidal silica structure with a solution containing a solid carbon source for graphene growth and a metal precursor;

(3) 상기 용액이 채워 넣어진 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 수소 기체 하에서 700 내지 1,200 ℃로 가열함으로써 금속을 함유하는 나노발포체(nano-foam) 구조의 그래핀을 형성하는 단계; 및(3) heating the three-dimensional colloidal silica structure packed with the solution to 700 to 1200 占 폚 under hydrogen gas to form a nano-foam structure containing metal; And

(4) 상기 콜로이드 실리카 및 상기 나노발포체 구조의 그래핀 중의 금속을 제거하는 단계를 포함하는,(4) removing the metal in the graphene of the colloidal silica and the nano foam structure.

3차원 그래핀 나노-네트워크의 제조방법을 제공한다.To provide a method of fabricating a three-dimensional graphene nano-network.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 3차원 그래핀 나노-네트워크, 및 이를 포함하는 수퍼커패시터 및 염료감응형 태양전지(DSSC)를 제공한다.In addition, the present invention provides a 3D graphene nano-network manufactured by the above method, a supercapacitor including the same, and a dye-sensitized solar cell (DSSC).

본 발명에 따른 3차원 그래핀 나노-네트워크의 제조방법은 결함을 유발하는 이송 공정(transfer process)이나 독성 탄소 가스를 필요로 하지 않는 손쉽고 경제적인 방법으로서, 대면적 및 고전도도의 3차원 그래핀 나노-네트워크의 제조에 유용하게 사용될 수 있다. The method of manufacturing a three-dimensional graphene nano-network according to the present invention is a simple and economical method that does not require a transfer process or toxic carbon gas that causes defects, Can be usefully used in the manufacture of nano-networks.

또한, 본 발명의 방법에 따라 제조된 3차원 그래핀 나노-네트워크는 수퍼커패시터 또는 염료감응형 태양전지(DSSC)의 제조에 유용하게 사용될 수 있다. In addition, the 3D graphene nano-network fabricated according to the method of the present invention can be usefully used for manufacturing a supercapacitor or a dye-sensitized solar cell (DSSC).

도 1은 본 발명에 따른 3차원 그래핀 나노-네트워크 제조방법의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 그래핀 네트워크(3D-GN)의 형태를 확인하기 위한 사진으로, 두께 3 ㎛의 PVA-FeCl3/CS 3차원 구조체의 주사전자 현미경(SEM) 사진(a); 그래핀의 성장 후 철/CS를 제거한 후의 저밀도 3D-GN의 SEM 사진(b); 가장자리 부근의 3D-GN의 투과전자현미경(TEM) 사진(c); 하나의 3D-GN 단위 셀의 확대사진(d); 및 하나의 그래핀 단위 셀의 가장자리의 선택된 영역의 회절 사진(e)이다.
도 3은 드롭-캐스팅 및 스핀 코팅에 의해 제작된 파우더 형태의 3D-GN(a) 및 필름(b, c)을 나타낸 사진; 대량으로 CVD에 의해 성장된 3D-GN의 라만 스펙트럼(d); 대량으로 CVD에 의해 성장된 3D-GN의 필름에서 C의 XPS 스펙트럼(e); 3D-GN의 TEM 사진(f); 및 수개층 3D-GN의 근접 사진이다.
도 4는 각각 다른 영역에서 촬영한 3D-GN의 TEM 사진이다.
도 5는 3D-GN 파우더의 전기 전도도를 나타낸 그래프이며, 각각 미처리 3D-GN(a), 3D-GN-3(b), 3D-GN-4(c) 및 3D-GN-5(d)에 관한 것이다.
도 6은 3D-GN 필름의 전기 전도도를 나타낸 그래프이며, 각각 미처리 3D-GN(a), 3D-GN-3(b), 3D-GN-4(c) 및 3D-GN-5(d)에 관한 것이다.
도 7은 30 nm의 공극 입경을 가지는 3D-GN의 BET 분석 결과를 나타낸 그래프이며, 삽입도는 공극 분포 곡선을 나타낸 것이고, 표는 구체적인 수치를 나타낸 것이다.
도 8은 PVA-FeCl3/SC의 어닐링 전(빨강) 및 후(검정)의 X-선 회절(XRD) 및 X-선 광전자(XPS) 스펙트럼으로, a) 미처리된 염화철 육수화물(FeCl3·6H2O)(검정) 및 PVA-FeCl3/CS 복합물(철 함유 3D-GN)(빨강)의 어닐링된 필름의 XRD; 및 b) 내지 d) 350 phr의 FeCl3 농도의 필름에서의 Fe, Cl 및 C의 XPS 스펙트럼이다.
도 9는 CVD에 의해 성장한 3D-GN의 라만 스펙트럼으로, a) 다양한 조성비에서의 라만스펙트럼, 및 H2 환경, 1,000 ℃에서 어닐링된 후의 미처리된 PVA의 라만스펙트럼; 및 b) 다양한 기재 상에서 성장한 3D-GN의 라만스펙트럼이다.
도 10은 350 phr의 PVA/FeCl3의 열무게 분석(Thermogravimetric analysis, TGA) 결과이다.
도 11은 FeCl3·6H2O 농도 함수로서의 ID/IG 및 I2D/IG를 나타낸 그래프이다.
도 12는 3D-GN계 수퍼커패시터의 전기화학적 성능을 평가한 그래프들로, a) 스캔 속도를 달리한 순환 전압전류 곡선; b) 다양한 스캔 속도에서의 정전용량(Capacitance) 변화; c) 방전 전류 밀도를 달리하였을 때의 충/방전 곡선; d) 3D-GN의 나이퀴스트 임피던스(impedance) 선도; e) 사이클 수에 따른 정전용량 보유 표; 및 f) 다양한 방법으로부터 얻어진 EDLC 전극의 비용량을 기록한 선도이다.
도 13은 AM 1.5 강도 조명에서 3D-GN CE 및 Pt CE를 사용한 DSSC의 광전지 성능을 나타낸 도면으로, 각각 3D-GN CE를 이용한 DSSC의 모식도(a), 광전류-전압(I-V) 곡선(b), 전기화학 임피던스 분광(electrochemical impedance spectroscopy, EIS) 곡선(c), 및 입사 광자의 전류 변환 효율(incident photon-to-electron conversion efficiency, IPCE) 스펙트럼(d)이다.
도 14는 질소원자의 다양한 함량에서의 p 도핑된 3D-GN를 비교한 도면으로, 각각 AM 1.5의 광원 하에서의 3D-GN CE 및 Pt CE를 이용한 DSSC의 광전지 성능(a), 3D-GN의 O1s의 XPS 스펙트럼(b), 스캔 속도 50 mV/s에서의 DSSC 셀 내에서의 요오드 종의 사이클릭볼타모그램(cyclic voltammogram)(c), 및 EIS 곡선(d)이며, (d)의 삽입도는 데이터에 적합하게 사용된 등가 회로를 나타낸 것이다.
도 15는 Pt, 미처리 3D-GN, 3D-GN-3, 3D-GN-4, 및 3D-GN-5의 대칭 더미 셀의 태펠(Tafel) 곡선이다.
도 16은 Pt, 미처리 3D-GN, 3D-GN-3, 3D-GN-4, 및 3D-GN-5의 CE를 가지는 DSSC의 IPCE 스펙트럼이다.
도 17은 Pt, 미처리 3D-GN, 및 P 도핑된 3D-GN의 CE를 가지는 DSSC의 성능 안정성을 보여주는 그래프이다.
1 is a diagram schematically showing an example of a method of manufacturing a three-dimensional graphene nano-network according to the present invention.
FIG. 2 is a photograph for confirming the shape of a 3D graphene network (3D-GN) according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) image of a PVA-FeCl 3 / Photo (a); SEM photo (b) of low-density 3D-GN after removal of iron / CS after growth of graphene; A transmission electron microscope (TEM) photograph of the 3D-GN near the edge (c); (D) an enlarged view of one 3D-GN unit cell; And a diffraction photograph (e) of a selected region of the edge of one graphene unit cell.
FIG. 3 is a photograph showing a 3D-GN (a) and a film (b, c) in powder form produced by drop-casting and spin coating; Raman spectra (d) of 3D-GN grown by bulk CVD; XPS spectrum (e) of C in a film of 3D-GN grown by bulk CVD; TEM photograph of 3D-GN (f); And three-layer 3D-GN.
4 is a TEM photograph of 3D-GN photographed in different regions.
(A), 3D-GN-3 (b), 3D-GN-4 (c) and 3D-GN-5 (d) are graphs showing electrical conductivities of the 3D- .
GN-3 (b), 3D-GN-4 (c) and 3D-GN-5 (d) are graphs showing electrical conductivities of the 3D- .
FIG. 7 is a graph showing the BET analysis results of 3D-GN having a pore size of 30 nm, and the inset shows a void distribution curve, and the table shows concrete numerical values.
8 is a PVA-FeCl 3 / X- ray of the annealing before the SC (red) and after (white) diffraction (XRD) and X- ray photoelectron (XPS) spectrum, a) the untreated iron chloride hexahydrate (FeCl 3 · 6H 2 O) (black) and an XRD of an annealed film of PVA-FeCl 3 / CS composite (iron-containing 3D-GN) (red); And b) to d) XPS spectra of Fe, Cl and C in a film with a FeCl 3 concentration of 350 phr.
9 is a Raman spectrum of 3D-GN grown by CVD, comprising: a) Raman spectra at various composition ratios and Raman spectrum of untreated PVA after H 2 environment, annealed at 1000 ° C; And b) Raman spectra of 3D-GN grown on various substrates.
10 is a thermogravimetric analysis (TGA) result of 350 phr of PVA / FeCl 3 .
11 is a graph showing I D / I G and I 2D / I G as a function of FeCl 3 .6H 2 O concentration.
FIG. 12 is a graph showing the electrochemical performance of a 3D-GN type supercapacitor. FIG. 12 is a graph showing a cyclic voltammetric curve with different scan speeds; b) Capacitance change at various scan rates; c) charging / discharging curves when discharging current density is different; d) Nyquist impedance of 3D-GN; e) Capacitance retention table according to number of cycles; And f) plotting the specific capacitance of the EDLC electrode obtained from the various methods.
FIG. 13 is a graph showing the photovoltaic performance of DSSC using 3D-GN CE and Pt CE in AM 1.5 intensity illumination. FIG. 13 is a schematic diagram (a), a photocurrent-voltage (IV) curve (b) of DSSC using 3D- , An electrochemical impedance spectroscopy (EIS) curve (c), and an incident photon-to-electron conversion efficiency (IPCE) spectrum (d).
FIG. 14 is a graph comparing p-doped 3D-GNs at various contents of nitrogen atoms, showing photocell performance (a) of DSSC using 3D-GN CE and Pt CE under a light source of AM 1.5, The cyclic voltammogram (c) and the EIS curve (d) of the iodine species in the DSSC cell at a scan rate of 50 mV / s, Shows an equivalent circuit suitably used for data.
15 is a Tafel curve of symmetric dummy cells of Pt, untreated 3D-GN, 3D-GN-3, 3D-GN-4, and 3D-GN-5.
16 is an IPCE spectrum of a DSSC having CE of Pt, untreated 3D-GN, 3D-GN-3, 3D-GN-4, and 3D-GN-5.
17 is a graph showing the performance stability of DSSC having CE of Pt, untreated 3D-GN, and P-doped 3D-GN.

본 발명에 따른 3차원 그래핀 나노-네트워크의 제조방법은 A method for fabricating a three-dimensional graphene nano-network according to the present invention comprises:

(1) 기재 위에 콜로이드 실리카(colloidal silica)를 적층시켜 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 형성하는 단계;(1) laminating colloidal silica on a substrate to form a three-dimensional colloidal silica structure;

(2) 상기 3차원 콜로이드 실리카 구조체에 그래핀 성장용 고체 탄소원 및 금속 전구체를 함유하는 용액을 채워 넣는 단계;(2) filling the three-dimensional colloidal silica structure with a solution containing a solid carbon source for graphene growth and a metal precursor;

(3) 상기 용액이 채워 넣어진 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 수소 기체 하에서 700 내지 1,200 ℃로 가열함으로써 금속을 함유하는 나노발포체(nano-foam) 구조의 그래핀을 형성하는 단계; 및(3) heating the three-dimensional colloidal silica structure packed with the solution to 700 to 1200 占 폚 under hydrogen gas to form a nano-foam structure containing metal; And

(4) 상기 콜로이드 실리카 및 상기 나노발포체 구조의 그래핀 중의 금속을 제거하는 단계를 포함한다.(4) removing the colloidal silica and the metal in the graphene of the nano foam structure.

본 발명에서 "3차원 그래핀 나노-네트워크"라 함은, 나노 단위의 두께(원자 단위의 두께)를 가지는 2차원 평면상의 그래핀들이 서로 연결되어 수개층을 이루어 측정 가능한 두께를 가지는 구조(3차원의 네트워크 구조)를 형성하고 있는 것을 의미한다. In the present invention, the term "three-dimensional graphene nano-network" refers to a structure in which graphenes on a two-dimensional plane having nano unit thickness (atomic unit thickness) Dimensional network structure).

단계 (1)에서는, 기재 위에 콜로이드 실리카(colloidal silica)를 적층시켜 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 형성한다. In step (1), colloidal silica is laminated on the substrate to form a three-dimensional colloidal silica structure.

순수한 용매에 콜로이드 실리카를 균일한 상태로 분산 시킨 후 용매를 제거하게 되면 콜로이드 실리카는 열역학적으로 가장 안정한 상태(가장 낮은 에너지 상태)를 유지하기 위해 육각형 모양으로 자가조립하게 되고 적층하게 된다. 즉, 상기 3차원 콜로이드 실리카 구조체는 기재 위에, 면심 입방 구조(face-centered cubic, FCC)로, 인근의 단결정 오팔(single crystalline opal)과 콜빈의 법칙(colvin's method)에 의해 자기조립(self-assemble)되어 형성될 수 있다. When the colloidal silica is uniformly dispersed in a pure solvent and then the solvent is removed, the colloidal silica is self-assembled and stacked in a hexagonal shape in order to maintain the thermodynamically most stable state (lowest energy state). That is, the three-dimensional colloidal silica structure is self-assembled on a substrate by face-centered cubic (FCC), by a single crystalline opal and a colvin's method, ).

상기 기재의 예로서는 석영(quartz), Al2O3, GaN 또는 SiO2/Si 기판을 들 수 있고, 그 두께 범위는 100 내지 1,000 nm, 200 내지 800 nm, 300 내지 600 nm, 또는 400 내지 500 nm일 수 있다. Examples of the substrate include quartz, Al 2 O 3 , GaN, and SiO 2 / Si substrates. The thickness ranges from 100 to 1,000 nm, from 200 to 800 nm, from 300 to 600 nm, or from 400 to 500 nm Lt; / RTI >

상기 콜로이드 실리카는 그 입경이 10 내지 300 nm, 20 내지 250 nm, 또는 30 내지 220 nm일 수 있고, 상기 3차원 콜로이드 실리카 구조체는 0.1 내지 6 ㎛, 0.5 내지 5 ㎛, 또는 1 내지 4 ㎛의 두께의 박막 형태로 형성될 수 있다.
The colloidal silica may have a particle size of 10 to 300 nm, 20 to 250 nm, or 30 to 220 nm, and the 3-dimensional colloidal silica structure may have a thickness of 0.1 to 6 탆, 0.5 to 5 탆, or 1 to 4 탆 As shown in FIG.

단계 (2)에서는, 상기 3차원 콜로이드 실리카 구조체에 그래핀 성장용 고체 탄소원 및 금속 전구체를 함유하는 용액을 채워 넣는다. In step (2), the three-dimensional colloidal silica structure is filled with a solution containing a solid carbon source for graphene growth and a metal precursor.

상기 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 이루는 콜로이드 실리카의 표면은, 상기 3차원 콜로이드 실리카 구조체에 채워 넣어지는 용액에 포함되어 있는 그래핀 성장용 고체 탄소원 및 금속 전구체가 상기 3차원 콜로이드 실리카 구조체 내에서 균일하게 도포될 수 있도록 표면의 -OH기가 황산(H2SO4) 등의 무기산에 의해 활성화되어 있을 수 있다. Wherein the surface of the colloidal silica constituting the three-dimensional colloidal silica structure is formed by uniformly applying the solid carbon source for graphene growth and the metal precursor contained in the solution filled in the three-dimensional colloidal silica structure, The surface -OH group may be activated by an inorganic acid such as sulfuric acid (H 2 SO 4 ).

상기 그래핀 성장용 고체 탄소원의 예로서는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리비닐알코올(PVA) 및 이들의 혼합물을 들 수 있고, 바람직하게는 폴리비닐알코올일 수 있다.Examples of the solid carbon source for graphene growth include polymethyl methacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), polyvinyl alcohol (PVA), and mixtures thereof. Preferably, polyvinyl alcohol have.

상기 금속 전구체는 니켈 전구체, 구리 전구체, 철 전구체 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 그 구체적인 예로서는 질산니켈 육수화물{Ni(NO3)2·6H2O}, 초산니켈{Ni(CH3COO)2}, 황산니켈 육수화물(NiSO4·6H2O), 염화니켈 육수화물(NiCl2·6H2O)과 같은 니켈 전구체, 염화구리 육수화물(CuCl2·6H2O)과 같은 구리 전구체, 염화제이철 육수화물(FeCl3·6H2O)과 같은 철 전구체를 들 수 있으며, 바람직하게는 질산니켈 육수화물, 초산니켈, 황산니켈 육수화물, 염화니켈 육수화물과 같은 니켈 전구체일 수 있고, 보다 바람직하게는 염화니켈 육수화물일 수 있다. The metal precursor may be a nickel precursor, a copper precursor, an iron precursor or a mixture thereof. Specific examples thereof include nickel nitrate hexahydrate {Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O}, nickel acetate {Ni (CH 3 COO) 2 , Nickel precursors such as nickel sulfate hexahydrate (NiSO 4 .6H 2 O), nickel chloride hexahydrate (NiCl 2 .6H 2 O), copper precursors such as copper chloride hexahydrate (CuCl 2 .6H 2 O) (FeCl 3 .6H 2 O), preferably a nickel precursor such as nickel nitrate hexahydrate, nickel acetate, nickel sulfate hexahydrate, nickel chloride hexahydrate, and more preferably May be nickel chloride hexahydrate.

예컨대, 상기 그래핀 성장용 고체 탄소원으로서 PVA를 사용하고, 상기 금속 전구체로서 니켈 전구체, 구리 전구체 또는 철 전구체를 사용하는 경우, 상기 PVA의 히드록시기와 상기 용액 중에 포함되어 있는 금속 이온 간에 정전기 상호작용에 의해 PVA와 금속 전구체가 보다 균일하게 분산될 수 있다.For example, when a PVA is used as the solid carbon source for graphene growth and a nickel precursor, a copper precursor, or an iron precursor is used as the metal precursor, the electrostatic interaction between the hydroxy group of the PVA and the metal ion contained in the solution Whereby the PVA and the metal precursor can be more uniformly dispersed.

상기 그래핀 성장용 고체 탄소원 및 금속 전구체는 1:2 내지 1:4, 바람직하게는 1:3 내지 1:3.5의 중량비일 수 있다. 상기 중량비와 같이 고체 탄소원 및 금속 전구체를 포함함으로써 이후의 그래핀 성장 단계에서 고체 탄소 원료로 사용될 수 있는 비정질 탄소의 사용량을 최소화할 수 있다.The solid carbon source for graphene growth and the metal precursor may be in a weight ratio of 1: 2 to 1: 4, preferably 1: 3 to 1: 3.5. By including the solid carbon source and the metal precursor in the weight ratio, the amount of the amorphous carbon that can be used as the solid carbon material in the subsequent graphene growth step can be minimized.

상기 코팅 방법의 예로는 스핀 코팅, 다이 코팅, 그라비아 코팅, 마이크로 그라비아 코팅, 콤마 코팅, 롤 코팅, 딥 코팅, 또는 스프레이 코팅 등을 들 수 있고, 바람직하게는 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅 등을 사용할 수 있다.
Examples of the coating method include spin coating, die coating, gravure coating, micro gravure coating, comma coating, roll coating, dip coating, spray coating and the like, preferably spin coating or spray coating .

단계 (3)에서는, 상기 용액이 채워 넣어진 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 수소 기체 하에서 700 내지 1,200 ℃로 가열함으로써 금속을 함유하는 나노발포체(nano-foam) 구조의 그래핀을 형성한다. In step (3), the three-dimensional colloidal silica structure filled with the solution is heated to 700 to 1,200 占 폚 under hydrogen gas to form a nano-foam graphene structure containing the metal.

상기 가열에 따라 상기 용액으로부터 금속을 함유하는 나노발포체 구조의 그래핀이 형성되는 것은 화학기상증착법(CVD)에 의한 것일 수 있다.According to the heating, the formation of graphene having a nano foam structure containing a metal from the solution may be performed by chemical vapor deposition (CVD).

상기 용액이 채워 넣어진 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 수소 기체 하에서 700 내지 1,200 ℃, 바람직하게는 800 내지 1,100 ℃, 더욱 바람직하게는 950 내지 1,050 ℃의 고온에서 가열(어닐링; annealing)하게 되면 상기 3차원 콜로이드 실리카 구조체에 포함되어 있는 탄소원의 탄화가 유도되어 나노발포체 구조의 형성이 이루어진다. 또한 상기 용액이 채워 넣어진 3차원 콜로이드 실리카 구조체에 함께 포함되어 있는 금속이온을 환원시킬 수 있으며, 예컨대 니켈 이온(II)을 니켈(0)로, 구리 이온(II)을 구리(0)로, 철 이온(III)을 철(0)로 환원시킬 수 있다. When the three-dimensional colloidal silica structure filled with the solution is heated (annealed) at a high temperature of 700 to 1,200 ° C, preferably 800 to 1,100 ° C, and more preferably 950 to 1,050 ° C under hydrogen gas, Carbonization of the carbon source contained in the colloidal silica structure is induced to form a nano foam structure. In addition, the solution can reduce the metal ions included in the filled three-dimensional colloidal silica structure. For example, nickel ions (II) can be converted into nickel (0), copper ions (II) The iron ion (III) can be reduced to iron (0).

즉, 그래핀 성장용 고체 탄소원인 고분자와 금속 전구체의 혼합물의 탄화(carbonization) 공정 중에 유기물질이 손실되어 나노발포체 구조의 나노 공극이 생성된다. 수소 기체 하에서 열분해에 의해 생성된 3차원 나노 프레임(frame) 내에서 감소된 금속과 탄화된 C(carbonized-C)는 각각 CVD 공정 중의 그래핀 성장을 위한 촉매 및 고체 탄소 원료로 사용된다.
That is, during the carbonization process of the mixture of the polymer and the metal precursor, which is a solid carbon source for graphen growth, the organic material is lost and nanopores of the nano foam structure are produced. Reduced metal and carbonized C in a three-dimensional nanoframe frame produced by pyrolysis under hydrogen gas are used as catalysts and solid carbon materials for graphene growth in CVD processes, respectively.

단계 (4)에서는, 콜로이드 실리카 및 형성된 나노발포체 구조의 그래핀 중의 금속을 제거하게 된다. In step (4), the metal in the graphene of the colloidal silica and the formed nano foam structure is removed.

상기 단계 (4)에서 콜로이드 실리카 및 금속은 식각액을 이용하여 제거(에칭; etching)될 수 있으며, 콜로이드 실리카 및 금속이 식각액 중에 용해되어 제거되므로 기재상에는 3차원 나노발포체 구조만이 남게 된다. In the step (4), the colloidal silica and the metal may be removed using an etchant. Since the colloidal silica and the metal are dissolved and removed in the etchant, only the three-dimensional nano foam structure remains on the substrate.

상기 식각액은 불산, 염산, 황산, 암모늄 퍼설페이트 용액 또는 이들의 혼합물일 수 있다. The etchant may be a solution of hydrofluoric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, ammonium persulfate, or a mixture thereof.

바람직하게는, 상기 식각액을 이용한 콜로이드 실리카 및 금속 제거시 기재도 함께 제거할 수 있으며, 이로서 자립성(freestanding) 3차원 나노발포체 구조 그래핀을 얻을 수 있다. Preferably, the colloidal silica using the etchant and the substrate upon removal of the metal may be removed together to obtain a freestanding three-dimensional nano foam structure graphene.

상기와 같은 본 발명의 3차원 그래핀 나노-네트워크 제조방법은 값비싼 금속 촉매의 사전 증착(pre-deposition) 공정 대신 탄소원 및 금속 전구체를 함유하는 용액의 스핀 코팅만을 필요로 하며, 또한 높은 가연성 및 독성을 가지는 CH4 또는 C2H2 가스 대신 일반적으로 사용되는 고분자를 이용한다는 장점을 가진다.
The above-described three-dimensional graphene nano-network fabrication method of the present invention requires only spin coating of a solution containing a carbon source and a metal precursor in place of a pre-deposition process of expensive metal catalysts, It has the advantage of using commonly used polymers instead of toxic CH 4 or C 2 H 2 gas.

도 1에 본 발명에 따른 3차원 그래핀 나노-네트워크 제조방법의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다. Fig. 1 is a view schematically showing an example of a method for producing a three-dimensional graphene nano-network according to the present invention.

도 1을 참조하면, 3D-GN의 제조 공정은 4단계로 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 1, the manufacturing process of the 3D-GN can be expressed in four steps.

단계 (I)에서는 300 nm 두께의 SiO2/Si 기판 상에 황산으로 표면 처리하여 표면 활성화된 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 3 ㎛의 두께로 형성한다. 단계 (II)에서는 상기 3차원 콜로이드 실리카 구조체에 PVA/FeCl3 용액을 채워 넣는다. 단계 (III)에서는 PVA/FeCl3 용액이 채워 넣어진 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 석영 튜브 내에서 1,000 ℃로 가열한다. 단계 (IV)에서 콜로이드 실리카 및 금속은 HF/HCl 용액에 의해 제거되어, SiO2/Si 기판 상에 3D-GN 구조가 남게 된다. In step (I), a surface-activated three-dimensional colloidal silica structure is formed to a thickness of 3 탆 on a SiO 2 / Si substrate with a thickness of 300 nm by surface treatment with sulfuric acid. In step (II), the three-dimensional colloidal silica structure is filled with a PVA / FeCl 3 solution. In step (III), the three-dimensional colloidal silica structure filled with the PVA / FeCl 3 solution is heated to 1,000 ° C in a quartz tube. In step (IV), the colloidal silica and the metal are removed by the HF / HCl solution leaving a 3D-GN structure on the SiO 2 / Si substrate.

이처럼 본 발명의 방법은 CVD에 의해 기재 상에 성장된 수개층으로 이루어진 3차원 그래핀 나노-네트워크(3D-GN)를 생산하는 독특하고 직접적인 방법을 제공한다.
As such, the method of the present invention provides a unique and direct method of producing a three-dimensional graphene nano-network (3D-GN) consisting of several layers grown on a substrate by CVD.

본 발명의 방법에 따르면 신뢰성 있게 직접적으로 3차원 그래핀 나노-네트워크를 제조할 수 있다. According to the method of the present invention, a three-dimensional graphene nano-network can be manufactured reliably and directly.

또한, 본 발명의 3차원 그래핀 나노-네트워크는 적층 조건에 따라 수십개 층으로 이루어진다. Further, the three-dimensional graphene nano-network of the present invention has dozens of layers depending on the lamination conditions.

본 발명의 방법에 따라 제조된 3차원 그래핀 나노-네트워크는 염료감응형 태양전지(DSSC)의 대향 전극 재료로서 유용하게 사용될 수 있다.
The 3D graphene nano-network fabricated according to the method of the present invention can be usefully used as an opposite electrode material of a dye-sensitized solar cell (DSSC).

실시예Example

<3차원 콜로이드 실리카 구조체의 제조>&Lt; Preparation of three-dimensional colloidal silica structure >

증류수에 콜로이드 실리카를 농도 10 중량%가 되도록 분산 시켜 분산 용액을 제조하였다. 상기 제조된 분산 용액을 300 nm 두께의 SiO2/Si 기판 상에 스핀코팅(3,000 rpm/min)을 이용해서 균일하게 도포하여 콜로이드 실리카를 적층시키고 용액을 제거하였다. 분산 용액을 도포하는 과정을 5회 반복한 후, 10 M의 황산으로 표면처리하여 두께 3 ㎛의 표면활성화된 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 형성하였다.Colloidal silica was dispersed in distilled water to a concentration of 10% by weight to prepare a dispersion solution. The prepared dispersion solution was uniformly coated on a SiO 2 / Si substrate with a thickness of 300 nm by spin coating (3,000 rpm / min) to deposit colloidal silica, and the solution was removed. The process of applying the dispersion solution was repeated 5 times, and then surface-treated with 10 M sulfuric acid to form a surface activated 3-dimensional colloidal silica structure having a thickness of 3 탆.

<CS/PVA-FeCl&Lt; CS / PVA-FeCl 33 ·6H· 6H 22 O 3차원 구조체의 제조>O 3-dimensional structure &gt;

폴리비닐알콜(PVA, Mw = 31,000 내지 50,000) 및 FeCl2·6H2O는 알드리치 케미칼사(Aldrich Chemical Company)로부터 구입하여 추가 정제 없이 사용하였다. PVA(10중량%)를 탈이온수 중에 90 ℃에서 용해시킨 후, FeCl3·6H2O 중량을 기준으로 100, 200, 350 및 600 phr(parts per hundred parts of resin)%로 혼합하였다. Polyvinyl alcohol (PVA, Mw = 31,000 to 50,000) and FeCl 2 .6H 2 O were purchased from Aldrich Chemical Company and used without further purification. After dissolving the PVA (10% by weight) at 90 ℃ in deionized water, FeCl 3 · mixed in (parts per hundred parts of resin) by weight 6H 2 O 100, 200, 350 and 600 phr%.

상기 항목 <3차원 콜로이드 실리카 구조체의 제조>를 통하여 제조된 3차원 콜로이드 실리카 구조체에 PVA/ FeCl3를 채워 넣었다. 용액 내 임의의 불순물을 0.2 ㎛ 셀룰로오스 아세테이트 시린지 필터(cellulose acetate syringe filter)로 여과하고 난 후 300 nm SiO2/Si 기판에 스핀 코팅하였다. 제조된 PVA/ FeCl3가 채워넣어진 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 진공 오븐에서 하루 동안 건조시켰다. 3D-그래핀 나노 네트워크(3D-GN)를 수퍼커패시턴스(supercapacitance)의 측정을 위해 전도성을 향상시키기 위하여 20 몰%의 HNO3 용액에 30분간 담그고, 순수(D.I. water)로 세척하여 p-도핑(p-doping) 하였다.
The three-dimensional colloidal silica structure prepared through the above item < Production of a three-dimensional colloidal silica structure > was filled with PVA / FeCl 3 . Any impurities in the solution were filtered through a 0.2 탆 cellulose acetate syringe filter and then spin-coated onto a 300 nm SiO 2 / Si substrate. The fabricated PVA / FeCl 3 filled three-dimensional colloidal silica structure was dried in a vacuum oven for one day. The 3D-graphene nanowire network (3D-GN) was immersed in a 20 mol% HNO 3 solution for 30 min to improve the conductivity for the measurement of supercapacitance and washed with DI water to remove p- p-doping).

<3차원 그래핀 나노-네트워크의 제조 1><Fabrication of 3D graphene nano-network 1>

제조된 PVA/ FeCl3가 채워넣어진 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 120 mm의 외경을 갖는 석영관(quartz tube, Scientech Co.)에 넣고 4 torr의 H2(100 sccm)/Ar 대기 하에서 20 ℃/1분의 가열 속도로 1,000 ℃로 가열하고 나서, 등온성 조건(isothermal condition) 하에 30분 동안 두었다(어닐링). 어닐링 후에, 상기 시료를 주위 온도로 냉각시켰다. 이어, 상기 300 nm SiO2/Si 기판 위의 3D-GN/Fe를 HF(5%) 및 HCl(3%)로 구성된 완충 산화물 식각액(BOE) 위에 48시간 띄워 SiO2 기판 및 철을 동시에 제거하였다.
The prepared three-dimensional colloidal silica structure filled with PVA / FeCl 3 was placed in a quartz tube (Scientech Co.) having an outer diameter of 120 mm, and the resultant was immersed in an atmosphere of 4 Torr H 2 (100 sccm) / Ar at 20 ° C / Heated to 1,000 DEG C at a heating rate of 1 minute, and then placed (is annealed) for 30 minutes under isothermal condition. After annealing, the sample was cooled to ambient temperature. Then, the SiO 2 substrate and the iron were simultaneously removed by moving the 3D-GN / Fe on the 300 nm SiO 2 / Si substrate for 48 hours on a buffer oxide etchant (BOE) composed of HF (5%) and HCl (3% .

<3차원 그래핀 나노-네트워크의 제조 2><Fabrication of 3D graphene nano-network 2>

제조된 PVA/ FeCl3가 채워넣어진 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 120 mm의 외경을 갖는 석영관(quartz tube, Scientech Co.)에 넣고 4 torr의 H2(100 sccm)/Ar 대기 하에서 20 ℃/1분의 가열 속도로 1,000 ℃로 가열하고 나서, 등온성 조건(isothermal condition) 하에 30분 동안 두었다(어닐링). 어닐링 후에, 상기 시료를 주위 온도로 냉각시켰다. 이어, 상기 300 nm SiO2/Si 기판 위의 3D-GN/Fe를 HF(10%)에 3시간 침지하고 HCl(10%)에 12시간 침지하여 SiO2 기판 및 철을 동시에 제거하였다.
The prepared three-dimensional colloidal silica structure filled with PVA / FeCl 3 was placed in a quartz tube (Scientech Co.) having an outer diameter of 120 mm, and the resultant was immersed in an atmosphere of 4 Torr H 2 (100 sccm) / Ar at 20 ° C / Heated to 1,000 DEG C at a heating rate of 1 minute, and then placed (is annealed) for 30 minutes under isothermal condition. After annealing, the sample was cooled to ambient temperature. 3D-GN / Fe on the 300 nm SiO 2 / Si substrate was immersed in HF (10%) for 3 hours and immersed in HCl (10%) for 12 hours to simultaneously remove the SiO 2 substrate and iron.

<3차원 그래핀 나노-네트워크 페이스트의 제조><Fabrication of 3D graphene nano-network paste>

50 mg의 3D-GN을 30 ml의 순수 에탄올에 분산시킨 다음, 2.75 g의 테르피네올(terpineol)을 첨가하였다. 에틸 셀룰로오스(0.5 g : 에탄올 중의 10 % 용액 5 g)를 가한 후에, 120 ℃의 오븐에서 5시간 동안 에탄올을 증발시켰다. 건조 페이스트에 4 ml의 IPA를 가하여 적절한 점도로 조절하였다.
50 mg of 3D-GN was dispersed in 30 ml of pure ethanol and then 2.75 g of terpineol was added. Ethyl cellulose (0.5 g: 5 g of a 10% solution in ethanol) was added, and then the ethanol was evaporated in an oven at 120 캜 for 5 hours. 4 ml of IPA was added to the dry paste to adjust the viscosity to an appropriate level.

<DSSC의 제작><Production of DSSC>

TiO2 페이스트(DyesolDSL사제, 18NR-T)를 닥터 블레이드에 의해 TiCl4 처리된 FTO 글래스에 40 mM의 두께로 코팅한 다음, 120 ℃에서 10분간 건조하였다. 그 다음, 도막을 500 ℃에서 15분간 소결하였다. 상기 페이스트를 이용한 상기 닥터 블레이드 공정(코팅, 건조, 어닐링)을 적절한 두께의 작업 전극을 제조하기 위해 반복하였다. 상기 TiO2의 도막을 40 mM의 TiCl4 용액으로 70 ℃에서 30분간 처리하고, 물 및 에탄올로 헹군 다음, 500 ℃에서 30분간 소결하였다. 0.21 cm2 (3 mm ×× mm)의 면적을 가지는 TiO2 전극을 순수 에탄올에 녹인 0.5 mM의 N719 염료 용액(Solaronix사제)에 침지하고, 24시간 동안 실온에서 방치하였다. TiO 2 paste (18NR-T, manufactured by Dyesol DSL Co., Ltd.) was coated on a TiCl 4 -treated FTO glass with a doctor blade to a thickness of 40 mM and then dried at 120 ° C for 10 minutes. Then, the coating film was sintered at 500 DEG C for 15 minutes. The doctor blade process (coating, drying, annealing) using the paste was repeated to produce working electrodes of appropriate thickness. The TiO 2 coating film was treated with 40 mM TiCl 4 solution at 70 ° C for 30 minutes, rinsed with water and ethanol, and sintered at 500 ° C for 30 minutes. A TiO 2 electrode having an area of 0.21 cm 2 (3 mm ×× mm) was immersed in a 0.5 mM N719 dye solution (manufactured by Solaronix) dissolved in pure ethanol, and left at room temperature for 24 hours.

3D-GN 대향 전극을 제조하기 위해, 3D-GN 페이스트를 FTO 글래스에 코팅하고, 400 ℃의 오븐에 5분간 둔 다음, 이를 4회 반복하였다. Pt 대향 전극의 경우, 40 mM의 H2PtCl6/IPA 용액을 FTO 글래스에 몇 차례 스핀 코팅한 다음, 500 ℃에서 30분간 소결하였다. In order to produce a 3D-GN counter electrode, a 3D-GN paste was coated on an FTO glass, placed in an oven at 400 DEG C for 5 minutes, and then repeated four times. In the case of the Pt counter electrode, a 40 mM H 2 PtCl 6 / IPA solution was spin-coated on the FTO glass several times and then sintered at 500 ° C. for 30 minutes.

염료 흡착 TiO2 광 전극 및 대향 전극(Pt, 3D-GN)을 60 ㎛의 핫 멜트 썰린(surlyn, Solaronix사제)으로 이루어진 샌드위치 형 셀 내에 조립하였다. 아세토나이트릴 및 발레로나이트릴(부피비 85:15)의 혼합물 중의 0.03 M의 I2(Sigma Aldrich사제), 0.1 M의 구아니디늄 싸이오사이아네이트(Sigma Aldrich사제), 0.6 M의 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드(Sigma Aldrich사제), 및 0.5 M의 4-tert-부틸 피리딘(Sigma Aldrich사제)으로 구성된 전해액을 대향 전극의 뒷면의 구멍을 통하여 주입하였다.
Dye adsorption TiO 2 The photoelectrode and the counter electrode (Pt, 3D-GN) were assembled into a sandwich-type cell made of 60 占 퐉 hot melt slurries (manufactured by Solaronix). 0.03 M I 2 (Sigma Aldrich), 0.1 M guanidinium thiocyanate (Sigma Aldrich) in a mixture of acetonitrile and valeronitrile (volume ratio 85:15), 0.6 M 1- An electrolyte composed of butyl-3-methylimidazolium iodide (manufactured by Sigma Aldrich) and 0.5 M 4-tert-butylpyridine (manufactured by Sigma Aldrich) was injected through the hole on the back surface of the counter electrode.

3D-GN의 특성 확인Characterization of 3D-GN

제조된 샘플(3D-GN)의 구조를 SEM(Nova Nano-SEM 230, 10 kV), TEM(JEM-2100, 200 kV) 및 라만 분광기(WITec, alpha300R, 532 nm 레이저에 의해 여기)에 의해 확인하였다. X선 분광 측정은 하이 파워 X-선 회절분석기(D/MAZX 2500V/PV, 리가쿠사제)를 이용하여 20˚ 내지 80˚에서 실시하였다. 표면적 확인은 BET(Brunauer-Emmett-Teller)법에 의해 ASAP 2000 표면적 측정기(Micrometerics Instrument사제)를 이용하여 수행하였다. The structure of the prepared sample (3D-GN) was confirmed by SEM (Nova Nano-SEM 230, 10 kV), TEM (JEM-2100, 200 kV) and Raman spectroscope (WITec, alpha300R, excited by 532 nm laser) Respectively. The X-ray spectroscopic measurement was carried out at 20 DEG to 80 DEG using a high-power X-ray diffractometer (D / MAZX 2500V / PV, manufactured by Rigaku Corporation). The surface area was confirmed by the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method using an ASAP 2000 surface area meter (manufactured by Micrometerics Instrument).

또한, 제조된 샘플(3D-GN)의 면저항을 면저항 측정기(다솔이엔지사제, FPP-RS8, 핀 간격 1 mm, 핀 반지름 100 ㎛)를 이용하여 4침법(4 point-probe)에 의해 측정하였다. 이때, 3D-GN의 파우더 형태의 저항을 측정하기 위하여, 제조된 샘플(3D-GN)을 기계적 밀링(mechanical milling)한 후, 가압(1,000 kg/cm2)하여 직경이 13 mm이고, 두께가 50 ㎛인 펠렛과 두께가 7 ㎛인 펠렛을 제조하였다. 필름 형태 및 파우더 형태 간의 저항 값은 별다른 차이를 나타내지 않았다. 펠렛은 80 중량%의 3D-GN, 10 중량%의 아세틸렌 블랙, 및 10 중량%의 PVDF로 구성되었다.
The sheet resistance of the prepared sample (3D-GN) was measured by a 4-point probe using a sheet resistance meter (FPP-RS8, pin spacing 1 mm, pin radius 100 탆, manufactured by Dasol-ENGENE). At this time, the manufactured sample (3D-GN) was mechanically milled and then pressed (1,000 kg / cm 2 ) to measure the resistance of the powder form of the 3D-GN to have a diameter of 13 mm, 50 탆 pellets and 7 탆 thick pellets were prepared. The resistance values between the film form and the powder form did not show any significant difference. The pellets consisted of 80 wt% 3D-GN, 10 wt% acetylene black, and 10 wt% PVDF.

전기화학적 측정 1: <수퍼커패시터 전극>Electrochemical measurement 1: <supercapacitor electrode>

수퍼커패시터 전극의 전기화학적 특성을 컴퓨터 제어된 전기 화학 인터페이스(Solartron사제, SI 1287)를 이용한 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 이용하여 삼전극 시스템으로 실온에서 -0.2 내지 0.8 V의 범위에서 측정하였다. 3D-GN, 백금 망, Ag/AgCl 및 아세토니트릴(ACN) 중의 1M의 H2SO4를 각각 작업 전극(working electrode), 상대 전극(counter electrode), 기준 전극(reference electrode) 및 전해질로 사용하였다. 전극 특성을 시험하기 위해, 0.5 mg의 3D-GN을 아세틸렌 블랙(10 wt%) 및 바인더인 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF, 10 wt%)와 혼합한 후, 혼합물을 FTO 전극(2.56 cm2)에 도포하고 대기 하 150 ℃에서 20분간 건조하였다. 사이클릭 볼타메트리를 5 mV/s 내지 500 mV/s의 범위에서 각기 다른 스캔 속도로 수행하였다. 전기화학적 임피던스 분광기(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)를 100 KHz 내지 0.1 Hz의 범위에서 일정전위기(potentiostat, Versa STAT 3, AMETEK사제)를 이용하여 수행하였다. EIS 측정을 위한 표본(control sample)은 95% 에틸렌 카본 및 5%의 PVDF로 제작하였다.
The electrochemical characteristics of the supercapacitor electrode were measured in a range of -0.2 to 0.8 V at room temperature using a three-electrode system using cyclic voltammetry using a computer controlled electrochemical interface (SI 1287, manufactured by Solartron) Respectively. 1M H 2 SO 4 in 3D-GN, platinum mesh, Ag / AgCl and acetonitrile (ACN) was used as a working electrode, a counter electrode, a reference electrode and an electrolyte, respectively . To test the electrode characteristics, 0.5 mg of 3D-GN was mixed with acetylene black (10 wt%) and polyvinylidene fluoride (PVDF, 10 wt%) as a binder, and the mixture was applied to an FTO electrode (2.56 cm 2 ) And dried at 150 캜 for 20 minutes in the atmosphere. Cyclic voltammetry was performed at different scan rates ranging from 5 mV / s to 500 mV / s. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was performed using a potentiostat (Versa STAT 3, manufactured by AMETEK) in the range of 100 KHz to 0.1 Hz. A control sample for EIS measurements was made with 95% ethylene carbon and 5% PVDF.

전기화학적 측정 2: <DSSC>Electrochemical measurement 2: < DSSC >

솔라 시뮬레이터(solar simulator, Oriel사제, SOL3A)로 1 태양 조건(1 Sun condition) 하에서 J-V 특성화(J-V characterization)를 수행하여 개방 회로 전압(Voc), 단락 회로 전류(Jsc), 충전율(FF), 및 전체 효율(η)을 얻었다. 전기화학적 임피던스 분광(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS) 및 사이클릭 볼타메트리를 각각 전기 화학 인터페이스(Solartron사제, SI 1287) 및 일정전위기(Biologic사제, VMP3)를 이용하여 실시하였다. 사이클릭 볼타메트리는 아세토나이트릴 중의 0.5 mM I2, 5 mM LiI, 및 100 mM LiClO4로 이루어진 전해질을 이용하였고, 50 mV/s의 스캔 속도에서 수행되었다.
Short Circuit Current (J sc ), Charge Rate (FF), and Open Circuit Voltage (V oc ) by performing JV characterization under a solar condition with a solar simulator (SOL3A, manufactured by Oriel) , And the overall efficiency (?). Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry were performed using an electrochemical interface (manufactured by Solartron, SI 1287) and a constant voltage (VMP3 manufactured by Biologic). Cyclic voltametry was carried out using an electrolyte consisting of 0.5 mM I 2 , 5 mM LiI, and 100 mM LiClO 4 in acetonitrile and at a scan rate of 50 mV / s.

도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 그래핀 나노-네트워크(3D-GN)의 형태적인 특징을 확인하기 위한 사진이 도시되어 있다. 도 2는 CVD 성장 후, 철 및 220 nm의 실리카 입자로 구성된 주형(template)을 제거하여 얻어진 3D-GN의 형태적인 특징을 보여준다. FIG. 2 is a photograph for confirming the morphological characteristics of a 3D graphene nano-network (3D-GN) according to an embodiment of the present invention. Figure 2 shows the morphological characteristics of 3D-GN obtained by removing a template composed of iron and 220 nm silica particles after CVD growth.

도 2의 a는 두께 3 ㎛의 PVA-FeCl3/CS 3차원 구조체의 주사전자 현미경(SEM) 사진이고, 도 2의 b는 그래핀의 성장 후 철/CS를 제거한 후의 저밀도 3D-GN의 SEM 사진이다.2 (a) is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a PVA-FeCl 3 / CS three-dimensional structure having a thickness of 3 μm, and FIG. 2 (b) It is a photograph.

PVA와 FeCl3의 적정(適正) 비율은 CVD 과정 중의 가스의 압력 및 유량을 조심스럽게 조절하여 결정하였다. CS 주형의 제거 후 3D-GN의 두께는 원래 두께의 약 80%로 줄어들었으며, 이는 탄소원의 상실 및 건조 과정 중에 수성 용매의 표면 장력으로 인한 기재 인근의 3D-GN의 붕괴에 의한 것이다. The proper ratio of PVA to FeCl 3 was determined by careful control of the gas pressure and flow rate during the CVD process. After removal of the CS template, the thickness of 3D-GN was reduced to about 80% of its original thickness, due to the loss of the carbon source and the collapse of the 3D-GN near the substrate due to the surface tension of the aqueous solvent during the drying process.

그러나, 일단 나노 공극 구조가 형성되면, 이미 알려진 그래핀의 고강도(1,100 GPa)에서 예상되는 바와 같이, 추가 응용에 사용되기에 충분할 만큼 단단해지며 안정화되었다. However, once the nanoporous structure is formed, it is sufficiently hardened and stabilized to be used in further applications, as would be expected from the high strength of already known graphene (1,100 GPa).

도 2의 c 및 d는 각각 3D-GN의 나노구멍(nano-cavity)을 분명히 보여주는 가장자리 부근의 3D-GN의 투과전자현미경(TEM) 사진 및 직경 220 nm인 하나의 3D-GN 단위 셀의 확대 이미지이다. Figures 2c and 2d are transmission electron microscope (TEM) photographs of 3D-GN near the edge clearly showing the nano-cavity of 3D-GN and enlargement of one 3D-GN unit cell of diameter 220 nm Image.

도 2의 c를 통하여 그래핀의 수개층을 확인할 수 있으며, 이는 도 9의 a의 350 phr에서의 라만 스펙트럼과 일치한다. Through Figure 2c, several layers of graphene can be identified, which is consistent with the Raman spectrum at 350 phr in Figure 9a.

한편, 단일 그래핀 구의 표면에서 직경 40 nm 이하의 공극들을 관찰할 수 있었다. 이는 어닐링 과정에서의 철의 응집에 의해 형성된 철 나노도메인(nanodomain)의 제거에 의한 것으로 생각된다. On the other hand, pores having a diameter of 40 nm or less were observed on the surface of a single graphene sphere. This is thought to be due to the removal of the iron nanodomain formed by the agglomeration of iron during the annealing process.

도 2의 e는 그래핀의 단일 결정 성질을 나타내는, 하나의 그래핀 단위 셀의 가장자리의 선택된 영역의 회절 이미지이다. Figure 2e is a diffraction image of a selected region of the edge of one graphene unit cell, representing the single crystalline nature of graphene.

필름에서의 네트워크의 형성 외에도, 용액의 드롭-캐스팅(drop-casting) 후 CVD를 수행하여 제작된 대량의 3D-GN은 또한 그래핀의 품질(라만, 저항 등)면에서도 비슷한 품질을 나타내었다. In addition to the network formation in the film, a large amount of 3D-GN produced by CVD after drop-casting of the solution also showed similar quality in terms of graphene quality (Raman, resistance, etc.).

도 3에 각각 3D-GN의 대량 합성을 나타내는, 드롭-캐스팅 및 스핀 코팅에 의해 제작된 파우더 형태의 3D-GN의 사진(a) 및 필름(b, c)을 나타내었으며, 또한, 대량으로 CVD에 의해 성장된 3D-GN의 라만 스펙트럼(d), 대량으로 CVD에 의해 성장된 3D-GN의 필름에서 C의 XPS 스펙트럼(e), 3D-GN의 TEM 사진(f), 및 수개층 3D-GN의 근접 사진(g)을 함께 나타내었다. 또한, 도 3의 (h)에 가장자리 부근의 저밀도 3D-GN의 이미지를 나타내었으며, 도 3의 (i)에 입경 30 nm의 수개층 그래핀의 하나의 유닛 셀의 근접 TEM 사진을 나타내었다. 다른 영역의 3D-GN의 TEM 사진을 도 4에 함께 나타내었다. 한편, 도 4에 각각 다른 영역에서의 촬영한 3D-GN의 TEM 사진을 나타내었다. (A) and (b), (b) and (c) of powder 3D-GN produced by drop-casting and spin coating, respectively, showing mass synthesis of 3D- The X-ray spectrum (e) of C, the TEM photograph (f) of 3D-GN, and the three-layer 3D-GN film of the 3D-GN grown by a large amount of CVD, Close-up photograph (g) of GN is shown together. 3 (h) shows an image of a low-density 3D-GN near the edge. FIG. 3 (i) shows a close-up TEM photograph of one unit cell of several-layer grains having a particle diameter of 30 nm. A TEM photograph of the 3D-GN of the different regions is also shown in Fig. On the other hand, FIG. 4 shows TEM photographs of 3D-GN photographed in different regions.

도 3의 (d)를 참조하면, I2D/IG의 최대비 및 ID/IG의 최소비는 각각 0.23이었고, 이는 3D 그래핀 네트워크의 유의미한 양을 나타낸다. 도 3의 (e)를 참조하면, 285.5 eV, 287.4 eV 및 289.3 eV의 상대적으로 적은 결함 피크와 함께 C-C 또는 C=C 결합으로부터 유래한 284.18 eV에서의 강하고 날카로운 피크를 확인할 수 있었다. 0.87의 반치전폭(full width at half maximum, FWHM)이 얻어졌고, 이는 고품질 단층 그래핀보다 약간 높은 값이다. 도 3의 (h)를 참조하면, 3D-GN의 나노 공극을 확실히 확인할 수 있다. 도 3의 (i)에 삽입된 사진은 3D-GN의 대량 합성을 확인할 수 있는 g 단위의 3D-GN의 사진이다. Referring to FIG. 3 (d), the maximum ratio of I 2D / I G and the minimum ratio of I D / I G were 0.23, which represents a significant amount of 3D graphene network. Referring to FIG. 3 (e), strong and sharp peaks at 284.18 eV derived from CC or C = C bonds were observed with relatively small defect peaks of 285.5 eV, 287.4 eV and 289.3 eV. A full width at half maximum (FWHM) of 0.87 was obtained, which is slightly higher than that of high quality single layer graphene. Referring to FIG. 3 (h), the nanopores of the 3D-GN can be reliably confirmed. 3 (i) is a photograph of the 3D-GN in g units in which mass synthesis of 3D-GN can be confirmed.

도 5에는 3D-GN 파우더의 전기 전도도를 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 미처리 3D-GN 파우더의 평균 전도도는 5 S/cm였고, 이는 이제까지 알려진 미크론-스케일(micron-scale) 니켈 나노프레임으로부터 제작된 그래핀 폼에 대해 보고된 10 S/cm 값과 비교할 만하다(도 6에는 3D-GN 필름의 전기 전도도를 나타낸 그래프가 도시되어 있으며, 필름 형태의 30 nm 3D-GN의 전도도는 도 6에 나타낸 바와 같이 49 S/cm였다).
FIG. 5 is a graph showing the electrical conductivity of the 3D-GN powder. Referring to Figure 5, the average conductivity of the untreated 3D-GN powder was 5 S / cm, which is the reported 10 S / cm value for the graphene foam made from the micron-scale nickel nanoframe as ever known (FIG. 6 shows a graph showing the electrical conductivity of the 3D-GN film, and the conductivity of 30 nm 3D-GN in film form was 49 S / cm as shown in FIG. 6).

도 7에는 30 nm의 공극 입경을 가지는 3D-GN의 BET 분석 결과가 도시되어 있다. 삽입도는 공극 분포 곡선을 나타낸 것이며, 구체적인 수치는 표에 나타나있다.FIG. 7 shows the BET analysis results of 3D-GN having a pore size of 30 nm. The inset shows the pore distribution curve, and the specific values are shown in the table.

도 7을 참조하면, BET 측정을 통하여 얻어진 3D-GN의 표면적은 13 nm의 공극 크기와 함께, 놀랍게도 1,025 m2/g에 달하는 높은 값이었다. Referring to Figure 7, the surface area of the 3D-GN obtained through the BET measurement was surprisingly high, up to 1,025 m 2 / g, with a pore size of 13 nm.

한편, X-선 회절(XRD) 측정에 의해 철(III)이 철(0)으로 환원되었음을 확인할 수 있었다. 도 7의 a에는 H2 가스 하에서 어닐링하기 전 및 직후의 PVA-FeCl3 필름의 XRD 데이터가 나타나 있다.On the other hand, it was confirmed by X-ray diffraction (XRD) measurement that the iron (III) was reduced to iron (0). Fig. 7 (a) shows PVA-FeCl 3 before and after annealing under H 2 gas XRD data of the film is shown.

미처리된(pristine) PVA/FeCl3 필름에서 얻은 데이터가 빨간색으로 표시되는 많은 수의 넓고 확실하지 않은 피크를 나타내는데 비하여, 검정색으로 표시되는(철(iron)을 포함하는 3D-GN) 어닐링된 샘플은 철(Fe)(0)의 (200) 및 (110) 결정면에 해당하는 두개의 날카로운 피크 및 그래핀의 (002) 결정면에 해당하는 또 다른 강하고 날카로운 피크가 발달하였다.The data obtained from the pristine PVA / FeCl 3 film represents a large number of large and uncertain peaks in red, whereas the annealed samples (in the case of iron-containing 3D-GN) Two sharp peaks corresponding to the (200) and (110) crystal planes of iron (Fe) (0) and another strong and sharp peak corresponding to the (002) crystal planes of graphene developed.

이들 피크에 의해 철 이온이 (110) 결정면 방향으로의 우선적인 성장과 함께, 거의 하나의 결정형 철 금속으로 완전히 환원되었음을 확인할 수 있고, 2θ=26°에서 나타나는 피크는 단결정 그래핀(single crystalline graphene)이 성공적으로 생성될 수 있음을 보여준다. 또한, PVA/FeCl3의 철 금속으로의 변환과 그 후의 그래핀 성장은, 샘플의 철, 염소 및 탄소의 X-선 광전자 분광 스펙트럼(XPS)의 분석에 의해 확인할 수 있다. It can be seen from these peaks that the iron ions are completely reduced to almost one type of ferrous metal together with the preferential growth in the direction of the (110) crystal plane, and the peak appearing at 2? = 26 is the single crystalline graphene, Can be generated successfully. In addition, conversion of PVA / FeCl 3 to ferrous metals and subsequent graphene growth can be confirmed by analysis of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of iron, chlorine and carbon of the sample.

도 8의 b 내지 d에는 미처리된 PVA/FeCl3(모두 빨강) 및 CVD 성장 공정 후의 전환된 3D-GN/Fe(모두 검정)의 Fe2p, Cl2p 및 C1의 XPS 스펙트럼이 나타나 있다. There is shown the XPS spectrum of Fe2p, Cl2p and C1 of the PVA / FeCl 3 untreated (both red) and switch the 3D-GN / Fe (all black) after the CVD growth process b to d in Fig.

철 이온종과 금속 철간의 주요한 차이는 도 8의 b에 나타낸 바와 같이 약 700 내지 730 eV에서의 Fe2p 영역에서 볼 수 있다. The major difference between the iron ion species and the metal iron can be seen in the Fe2p region at about 700 to 730 eV as shown in Figure 8b.

미처리된 PVA/FeCl3 샘플의 Fe2p 피크를 각각 FeCl3 및 Fe2O3의 Fe3+의 결합에너지에 상응하도록 711.5 eV와 724.54 eV의 두 개의 주요 피크로 디콘볼루트(deconvolute)하였고, 이는 FeCl3 및 산화된 Fe2O3가 공존함을 시사한다. 한편, 어닐링된 샘플에 나타나는 금속 이온의 결합에너지에 상응하는 약 704 eV의 피크는 철 이온의 환원을 분명히 보여주며, XPS 스펙트럼의 195 eV 및 204 eV의 결합에너지 간의 피크는 샘플 내의 염소의 존재를 나타낸다. 미처리된 샘플에서 각각 2p3/2 및 2p1/2 염소 이온 (Cl-)에 상응하는 198.8 eV 및 199.95 eV의 결합 에너지에 상응하는 2개의 넓은 빨간색 피크, 및 3D-GN/Fe 샘플에서의 염소 이온 피크의 소실은 염소가 3D-GN의 높은 온도의 성장 조건 하에서 완전히 증발해 버렸음을 시사한다. 즉, 도 8의 d에서의 미처리된 샘플의 넓고 현저히 낮은 C1s 피크에 비하여, 3D-GN/Fe의 C-C 또는 C=C 결합으로부터 유래한 284.18 eV에서의 강하고 날카로운 피크는 무정형 탄소의 고품질 그래핀으로의 전환을 나타낸다. 3D-GN에 대해서는 0.82의 반치전폭(full width at half maximum, FWHM)이 얻어졌고, 이는 고품질 단층 그래핀의 FWHM 값과 견줄만한 값이다. Fe2p the peak of the PVA / FeCl 3, each raw sample FeCl 3 and Fe 2 O were root (deconvolute) see Deacon into two major peaks of 711.5 eV and 724.54 eV to correspond to the binding energy of the third of the Fe 3+, which FeCl 3 and oxidized Fe 2 O 3 coexist. On the other hand, a peak of about 704 eV, which corresponds to the binding energy of the metal ions appearing in the annealed sample, clearly shows the reduction of iron ions, and the peak between binding energies of 195 eV and 204 eV of the XPS spectrum indicates the presence of chlorine in the sample . In the untreated sample, respectively 2p3 / 2 and 2p1 / 2 chlorine ion (Cl -) corresponds to 198.8 eV, and two large red peaks corresponding to the binding energy of 199.95 eV, and chlorine ion peak of the 3D-GN / Fe sample to the Suggesting that chlorine has completely evaporated under high temperature growth conditions of 3D-GN. That is, the strong and sharp peaks at 284.18 eV derived from the CC or C = C bonds of 3D-GN / Fe, compared to the broad and significantly lower C1s peaks of the untreated samples in Figure 8d, Lt; / RTI &gt; For 3D-GN, a full width at half maximum (FWHM) of 0.82 was obtained, which is comparable to the FWHM value of high quality single-layer graphene.

도 9에는 철 전구체에 대한 PVA의 다양한 조성비를 가지는 3차원 철 네트워크 표면에서의 탄소의 확산(diffusion) 및 석출(precipitation)에 의해 제조한 3D-GN의 라만 스펙트럼이 나타나 있다. FIG. 9 shows Raman spectra of 3D-GN produced by diffusion and precipitation of carbon on the surface of a three-dimensional iron network having various composition ratios of PVA to iron precursor.

철에서의 그래핀의 성장을 기술하고 있는 지금까지의 보고에 따르면, 철에서의 탄소의 상대적으로 높은 용해도는 약간의 결함 영역을 가지는 다층 그래핀의 형성을 유발할 수 있다고 알려져 왔다. According to heretofore reports describing the growth of graphene in iron, it has been known that the relatively high solubility of carbon in iron can lead to the formation of multilayer graphene with a few defect regions.

본 발명자들은, 철 및 탄소의 초기 양이 그래핀의 품질 및 3D-GN의 구조 형성에 큰 영향을 미친다는 사실을 발견하였으며, 이는 도 10의 열무게 분석(thermogravimetric analysis, TGA) 데이터에서 확인할 수 있듯이, 성장 공정 동안 철 및 탄소가 거의 소진되기 때문이다. The present inventors have found that the initial amounts of iron and carbon have a great influence on the quality of the graphene and the structure formation of 3D-GN, which can be confirmed in the thermogravimetric analysis (TGA) data of FIG. 10 This is because iron and carbon are almost exhausted during the growth process.

PVA-FeCl3/3D-CS 상의 그래핀의 최적화된 성장 조건은, 가장 우수한 라만 피크를 얻을 때까지, CVD 동안의 모든 실험에 있어서 1,000 ℃에서의 가스의 압력 및 유량을 조심스럽게 조절하여 결정할 수 있다(도 11 참조). Optimized growth conditions of graphene on PVA-FeCl 3 / 3D-CS were found to be the best for 1000 experiments in all experiments during CVD until the best Raman peaks were obtained Lt; RTI ID = 0.0 &gt; C &lt; / RTI &gt; (see FIG. 11).

도 9의 a의 하단 그래프를 참조하면, 20개 이상의 랜덤 위치에서 특징지어지는 PVA대 철의 다양한 비율에서의 3D-GN의 전형적인 라만 스펙트럼은 미처리된 FeCl3/PVA가 넓고 강한 D 및 G 피크를 나타내는 것과 비교된다. Referring to the bottom graph of Figure 9a, a typical Raman spectrum of 3D-GN at various ratios of PVA to Fe, characterized by more than 20 random locations, shows that the untreated FeCl 3 / PVA has broad and strong D and G peaks .

3D-GN 내의 그래핀의 생성은 D 밴드 강도의 감소, 및 고주파 영역에서 G 및 2D 밴드가 더 예리해지는 것을 통해 입증될 수 있다. sp2 결합의 형성을 수반하는 FeCl3 양의 증가(아래에서 위로)에 따라 G 밴드의 강도는 꾸준히 증가하였다. 350 phr에서의 3D-GN의 2D 밴드의 강도의 상당한 증가는 고품질 수개층 그래핀을 나타낸다. 3D-GN으로부터 관측되는 D밴드는 가장자리 근처 또는 잔류 탄소에 의한 것으로 생각되기 때문에, 350 phr에 대한 약 1350 cm-1에서의 D 피크는 무시할 수 있다. The creation of graphenes in 3D-GN can be demonstrated by the reduction of the D-band intensity and the sharpening of the G and 2D bands in the high frequency region. The intensity of the G band steadily increased with an increase in the amount of FeCl 3 accompanying the formation of sp 2 bonds (from top to bottom). A significant increase in the intensity of the 2D band of 3D-GN at 350 phr represents a high quality single layer graphene. Since the D band observed from 3D-GN is believed to be due to near-edge or residual carbon, the D peak at about 1350 cm -1 for 350 phr is negligible.

도 11에 나타낸 바와 같이, 350 phr에서 최적화된 I 2D /I G 의 최대비 및 I D /I G 의 최소비는 각각 1.74 및 0.15이다.As shown in Fig. 11, the maximum ratio of I 2D / I G optimized at 350 phr and the minimum ratio of I D / I G are 1.74 and 0.15, respectively.

그러므로, 라만 스펙트럼은 철 대 PVA의 비율을 약 1:3.5로 했을 때 탄화된 C의 무정형 부분이 거의 다 소진되고, 거의 단층인 3차원 그래핀 네트워크로 변형되었음을 나타낸다. 놀랍게도, 20개 이상의 필름 샘플에서 얻어진 3D-GN의 평균 전도도(average conductivity)는 52 S/cm였고, 이는 지금까지 보고된 값보다 훨씬 큰 값이다. 또한, 철을 제거하기 전의 3D-GN의 평균 전도도는 ~200 S/cm이었고, 다공성 3D 전극으로서의 3D-GN/철의 직접적인 사용 가능성을 잠재적으로 내포한다. Therefore, the Raman spectrum shows that when the ratio of iron to PVA is about 1: 3.5, the amorphous portion of carbonized C is almost exhausted and transformed into a nearly single-layer three-dimensional graphene network. Surprisingly, the average conductivity of 3D-GN from more than 20 film samples was 52 S / cm, which is much greater than the values reported so far. In addition, the average conductivity of 3D-GN before iron removal was ~200 S / cm and potentially implies the possibility of direct use of 3D-GN / iron as a porous 3D electrode.

보다 중요하게, 본 발명의 방법에 따른 중요한 이점은 대량생산을 가능하게 한다는 점이다. More importantly, an important advantage of the method of the present invention is that it enables mass production.

철 전구체가 탄소원과 함께 균일하게 분산되어 그래핀 프레임을 형성할 수 있기 때문에, 본질적으로 이러한 타입의 무기재(substrate-free) CVD는 제조 규모의 제한이 없다. 예컨대, CVD 1회당 3D-GN을 2 g 얻을 수 있으며, 이는 3D-GN의 표면에 근거한 평면 2D 그래핀의 2,050 m2/g과 비교된다. 이러한 대량 생산으로 인해, BET(Brunauer- Emmett-Teller) 분석법이 주로 이용된다. Essentially, this type of substrate-free CVD has no manufacturing scale limitations because the iron precursor can be uniformly dispersed with the carbon source to form a graphene frame. For example, 2 g of 3D-GN per CVD can be obtained, which is compared to 2,050 m 2 / g of a planar 2D graphene based on the surface of the 3D-GN. Due to this mass production, the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method is mainly used.

도 11에 나타낸 바와 같이, 220 nm의 균일한 실리카 입자의 주형(도 2 참조)에 의해 얻어진 3D-GN의 표면적은 448 m2/g, 3D-GN의 공극 범위는 입경 약 210 내지 230 nm로 측정되었고, 약간의 입경 14 nm의 보다 작은 메소 세공(mesopore)이 존재하였다. 448 m2/g의 표면적은 동일한 크기의 CS 주형(13 m2/g)에 비해 보다 큰 값이고, 이는 그래핀이 수개층(a few layers)으로 이루어졌을 뿐만 아니라 공동(cavity)이 존재하기 때문으로 생각된다. 보다 작은 크기의 균일한 실리카 주형을 이용한 더 작은 공극을 생성하고, 성장 조건뿐만 아니라, 조성물의 비율을 보다 체계적으로 조절하여 높은 전도도를 가지게 하는 등의 3D-GN의 물리적인 특성의 추가적인 향상이 가능할 것으로 생각된다. 사실상, 본 발명자들은, 대량으로, 입경 20 내지 30 nm의 크기를 가지는 실리카 입자 주형을 이용해 1,025 m2/g 및 5.4 S/cm의 비표면적 및 평균 전도도를 가지는 3D-GN을 얻을 수 있었다.As shown in Fig. 11, the surface area of 3D-GN obtained by a mold of uniform silica particles of 220 nm (see Fig. 2) was 448 m 2 / g, and the pore range of 3D-GN was about 210 to 230 nm And a smaller mesopore of 14 nm in diameter was present. The surface area of 448 m 2 / g is larger than that of the CS mold of the same size (13 m 2 / g), which is not only a few layers of graphene but also a cavity . It is possible to further improve the physical properties of 3D-GN, such as producing smaller pores using a smaller size of uniform silica mold, and not only growing conditions but also increasing the conductivity by controlling the composition ratio more systematically . In fact, the present inventors have been able to obtain a large amount of 3D-GN having a specific surface area and an average conductivity of 1,025 m 2 / g and 5.4 S / cm using a silica particle mold having a particle size of 20 to 30 nm.

도 11에 나타낸 바와 같이, 비록 보다 큰 크기의 입자에 비해 전체 형태에 있어서 다소간 입자가 낮은 균일성 및 형상을 가지고 있어도, 균일한 큰 크기의 입자와 라만 피크 및 다른 특성들이 유사하였고, 우수하게 결집된 3D-GN이 관찰되었다. As shown in FIG. 11, even though the particle size and uniformity in the overall shape are somewhat lower than those of the larger size particles, uniform large size particles and Raman peaks and other characteristics are similar, 3D-GN was observed.

이전에 보고된 다른 방법에 비해 본 발명의 또 다른 매우 유용한 이점은, 본질적으로 크기 확장이 자유로운 금속 전구체 용액의 사용으로 인해 그래핀의 성장이 기재의 선택에 의해 제한되지 않는다는 것이다. 또한, 입체적인 조정(dimensional tunability)을 가능하게 하며, 추가적인 결함을 불러올 수 있는 이송 공정(transfer process)을 필요로 하지 않는다. Another very useful advantage of the present invention over the other methods reported previously is that the growth of graphene is not limited by the choice of substrate due to the use of a metal precursor solution that is inherently scalable. It also allows for dimensional tunability and does not require a transfer process that can invoke additional defects.

도 9의 b는 베어 실리콘(bare silicon), 사파이어, GaN 또는 수정과 같은 임의적인 기재에서 성장한 3D-GN의 라만 스펙트럼을 보여준다. SiO2/Si 기재에서와 동일한 조건을 사용하였다. Figure 9b shows Raman spectra of 3D-GN grown on an arbitrary substrate such as bare silicon, sapphire, GaN or quartz. The same conditions as in the SiO 2 / Si substrate were used.

보다 향상된 2D 밴드 및 더 낮은 D 밴드를 가지는 가장 바람직한 라만 스펙트럼은 사파이어 기재 위에 성장시킨 3D-GN으로부터 얻어졌고, 이는 그래핀 격자를 가지는 사파이어(111) 면과 매우 유사한 것으로 생각되며, 그래핀 에피택시(epitaxy)를 위한 이상적인 표면을 제공한다. 전기 장치 호환 기재에서의 3D-GN의 직접적인 성장은 반도체 산업에 있어서, 최소한의 결함을 가지는 즉시 사용(ready-to-use) 그래핀의 제조를 가능하게 한다. The most preferred Raman spectra with a better 2D band and a lower D band were obtained from 3D-GN grown on a sapphire substrate, which is thought to be very similar to a sapphire (111) plane with a graphene lattice, lt; RTI ID = 0.0 &gt; (epitaxy). &lt; / RTI &gt; The direct growth of 3D-GN in electrical device compatible substrates enables the production of ready-to-use graphene with minimal defects in the semiconductor industry.

본 발명자들은 3D-GN의 잠재적인 적용을 살펴보기 위하여, EDLC(electric double layer capacitor) 전극으로서의 3D-GN의 성능을 사이클릭 볼타메트리(CV) 및 정전류(galvanostatic) 충/방전 측정을 이용하여 평가하였다. 대량으로 제조된 비표면적 1,025 m2/g 및 전도도 5.4 S/cm를 가지는 3D-GN을 사용하였다. 3D-GN을 6.9 S/cm 이상의 보다 향상된 전도도를 가지도록 HNO3에 침지하여 p 도핑(doping)하였다. To examine the potential application of 3D-GN, the inventors used 3D-GN performance as an electric double layer capacitor (EDLC) electrode using cyclic voltammetry (CV) and galvanostatic charge / discharge measurements Respectively. A large volume of 3D-GN having a specific surface area of 1,025 m 2 / g and a conductivity of 5.4 S / cm was used. A 3D-GN was p-doped (doping) was immersed in HNO 3 to have an improved conductivity than 6.9 S / cm or more.

도 12의 a는 활물질로서 3D-GN을 이용하여 제조된 3 전극 셀(3 cell electrodes)의 Ag/AgCl 전극 기준으로 0 V 내지 1.0 V의 다양한 스캔 속도 범위에서 실시한 CV 결과를 나타낸 그래프이다. FIG. 12A is a graph showing CV results obtained in various scan speed ranges of 0 V to 1.0 V based on Ag / AgCl electrodes of three-electrode cells manufactured using 3D-GN as an active material. FIG.

일반적으로, 탄소계 전극을 사용하는 수퍼커패시터는, CV 곡선 형상 및 비용량은 스캔 속도가 증가함에 따라 현저하게 감소하며, 직사각형 형상이 찌그러짐을 보인다. 가장 높은 스캔 속도인 100 mV/s를 제외한 모든 스캔 속도에서 3D-GN 수퍼커패시터의 CV 곡선은 거의 직사각형을 나타냈으며, 이는 3D-GN이 높은 정전용량 특성(capacitance behavior) 및 낮은 접촉 저항을 가지는 이상적인 탄소 전극 재료임을 나타낸다. 100 mV/s의 스캔 속도에서 이상적인 이중층 커패시터로부터 조금 벗어나는 것은 저항의 증가와 관련된 것으로 보인다. Generally, in the case of a supercapacitor using a carbon-based electrode, the shape of the CV curve and the specific capacity decrease remarkably as the scan speed increases, and the rectangular shape is distorted. At all scan rates, except for the highest scan rate of 100 mV / s, the CV curves of the 3D-GN supercapacitors were nearly rectangular, indicating that 3D-GN is ideal for high capacitance behavior and low contact resistance. Carbon electrode material. A slight departure from ideal double-layer capacitors at a scan rate of 100 mV / s appears to be related to increased resistance.

5 mV/s의 스캔속도에서 얻어진 H2SO4 용액에서의 245 F/g의 뛰어난 비용량이 하기 수학식 1로부터 계산되었다(이는 셀 가공에 있어서의 몇몇 파라미터의 최적화를 통하여 정전 용량 값의 추가적인 상승이 가능하다는 점에서 매우 고무적이다). An excellent cost of 245 F / g in the H 2 SO 4 solution obtained at a scan rate of 5 mV / s was calculated from the following equation (1), which is obtained by further optimization of some parameters in cell processing Is very encouraging in that it is possible).

Figure 112013064160410-pat00001
Figure 112013064160410-pat00001

그래핀 전극 재료의 이전에 보고된 비용량(101 내지 205 F/g, 도 8의 f 참조)에 비해 3D-GN의 큰 비용량은 높은 전도도와 함께 적절한 크기의 메소세공 내부의 큰 접촉 면적 및 그래핀의 3차원적으로 서로 연결된 전도 경로에 기인한 것이다. The large specific capacity of 3D-GN compared to the previously reported specific capacity (101 to 205 F / g, see Figure 8, f) of the graphene electrode material is such that a large contact area inside mesopores of appropriate size, It is due to the three-dimensionally interconnected conduction paths of graphene.

보다 구체적으로, 입경 2 nm 이하의 현저한 마이크로 공극의 존재로 인해 상대적으로 작은 정전용량 값을 가지는, 기존에 알려진 2,000 m2/S 이상의 높은 비표면적을 가지는 몇몇의 수퍼커패시터와 비교하여, 본 발명의 3D-GN은 입경 약 10 nm의 조절된 크기의 공극의 적당히 큰 비표면적을 가지며, 효과적이면서도 완전하게 전기화학적 반응 사이트(site)로 사용될 수 있다. More specifically, compared to some known supercapacitors with a high specific surface area of more than 2,000 m 2 / S, which have a relatively small capacitance value due to the presence of significant microvoids with a grain size of 2 nm or less, 3D-GN has an adequately large specific surface area of a controlled-size pore size of about 10 nm and can be used effectively and completely as an electrochemical reaction site.

단위 표면적 당 비용량은 23.9 μF/cm2이고, 이는 이중층 커패시터에 있어서 매우 높은 값이다. 3D-GN의 전기용량 성능을 평가하기 위해 정전류 충/방전법을 사용한 결과, 이상적인 커패시터가 전형적으로 나타내는 삼각 형상의 매우 대칭적인 충/방전 특성이 100 A/g의 높은 전류 부하에서도 관측되었다. 또한, 중요하게는, 도 12의 b에 나타낸 바와 같이, 5 내지 100 A/g의 전류 변화에서 그래핀의 전기용량 손실이 13% 이하이다.The specific capacity per unit surface area is 23.9 μF / cm 2 , which is very high for the bilayer capacitor. As a result of using the constant current charge / discharge method to evaluate the capacitive performance of 3D-GN, the highly symmetrical charging / discharging characteristics of a triangular shape typically represented by ideal capacitors were observed at a high current load of 100 A / g. Importantly, as shown in Fig. 12 (b), the capacitance loss of graphene is 13% or less at a current change of 5 to 100 A / g.

전기용량 응답에 있어서의 포괄적인 견해를 얻기 위하여, 전기화학적 임피던스 테스트를 수행하였다. To obtain a comprehensive view of the capacitance response, an electrochemical impedance test was performed.

도 12의 d에 나타낸 3D-GN의 나이퀴스트 선도는 높은 주파수 영역에서의 작은 반원 및 중간 주파수 영역에서의 직선을 보여준다. 높은 주파수 영역에서의 반원의 작은 직경은 전극과 전해질간의 계면에서의 낮은 전하 이송 저항을 나타낸다. 중간 주파수 영역에서의 거의 수직인 이차 부분 반원은 흡착 공정에서의 낮은 전하 이송 저항을 나타내고, 이는 전극 표면 형태에 의해 매우 영향을 받는다. 높은 주파수 및 중간 주파수 영역 모두에서의 낮은 저항은 바람직한 직경의 나노-통로를 통해 3차원적으로 서로 연결된 그래핀 네트워크의 향상된 전도성 때문일 수 있다. The Nyquist plot of 3D-GN shown in Fig. 12D shows a straight line in a small semicircle and an intermediate frequency region in a high frequency region. The small diameter of the semicircle in the high frequency region represents a low charge transfer resistance at the interface between the electrode and the electrolyte. The nearly vertical secondary part semicircle in the intermediate frequency domain exhibits a low charge transfer resistance in the adsorption process, which is highly influenced by the electrode surface morphology. The low resistance in both the high frequency and intermediate frequency domains may be due to the improved conductivity of the graphene network interconnected three-dimensionally through the desired diameter nano-passages.

수명 안정성(life-cycle stability)은 전기화학 커패시터로서의 실제 사용에 있어서 전기활성 재료의 또다른 중요한 특성이다. 3D-GN계 수퍼커패시터는 6,000 사이클 이후에도 96.5% 이상의 저장 용량(capacitance retention)을 유지하며, 이는 3D-GN계 전극 재료의 전기화학 커패시터에서의 실제 사용에 있어서의 우수한 수명-사이클 안정성을 제시하는 것이다. Life-cycle stability is another important characteristic of electroactive materials in practical use as electrochemical capacitors. The 3D-GN based supercapacitor maintains a capacitance retention of more than 96.5% even after 6,000 cycles, suggesting excellent lifetime-cycle stability in practical use in electrochemical capacitors of 3D-GN based electrode materials .

결론적으로, 본 발명자들은 대용량으로 PVA/철 전구체로부터 CVD 기술을 통하여 불활성의 기재 위에 성장할 수 있는 거의 단층인 그래핀의 3D 네트워크의 제조를 위한 쉽고 직접적인 방법을 개발하였다. In conclusion, the inventors have developed an easy and direct method for the fabrication of 3D networks of graphene, which is a nearly monolayer capable of growing on inert substrates via CVD techniques from PVA / iron precursors at high capacities.

본 발명의 무기재 CVD법은 나노네트워크의 형성을 가능성에 의해 고품질 그래핀의 입체적인 조정(dimensional tenability)을 포함한다.The inorganic re-CVD process of the present invention involves dimensional tenability of high quality graphene by the possibility of forming a nanowire network.

또한, 본 발명은 기재의 선택을 제한하지 않는다. 3D-GN은 Al2O3, 수정, 또는 SiO2/Si 웨이퍼 등과 같은 어떠한 불활성 기재에서도 성장될 수 있고, 또한 플렉서블 디바이스(flexible device), 세포배양접시(cell culture plates) 등 어떠한 임의의 기재에도 추가로 이송될 수 있다. Further, the present invention does not limit the selection of the substrate. 3D-GN can be grown on any inert substrate such as Al 2 O 3 , quartz, or SiO 2 / Si wafers, and also on any substrate, such as a flexible device, cell culture plates, It can be further transported.

대표적인 3D-GN에 대한 I2D/IG의 비율(= 1.74)은 수개층 그래핀의 형성을 입증한다. 3D-GN 파우더는 5.4 S/cm의 전도도, 1,025 m2/g의 높은 표면적, 및 약 3.4 cm3/g의 높은 다공성을 나타내었다. 또한 3D-GN 필름의 경우에는 더욱 우수한 ~52 S/cm의 전도도를 나타내었다.The ratio of I 2D / I G (= 1.74) to the representative 3D-GN demonstrates the formation of several layers of graphene. The 3D-GN powder showed a conductivity of 5.4 S / cm, a high surface area of 1,025 m 2 / g, and a high porosity of about 3.4 cm 3 / g. In the case of the 3D-GN film, the conductivity was also improved to ~ 52 S / cm.

전기화학적 측정은, 3차원 전도 경로를 통한 충전 및 전해질 양쪽에 있어서의 용이한 접촉 및 이송을 입증하는, 우수한 비수퍼커패시턴스(specific supercapacitance)를 나타내는 3D-GN계 전극임을 증명한다. 쉽고 저렴한 방법에 의해 제작된 3D-GN의 우수한 성능은 에너지 관련 소재뿐만 아니라, 전기 장치 및 방열 시스템으로의 사용에 관한 강한 잠재성과 더불어 나노-조직(nano-textured) 3차원 그래핀을 달성하기 위한 직접적인 루트를 제공한다.Electrochemical measurements demonstrate that the electrode is a 3D-GN based electrode exhibiting excellent specific supercapacitance, demonstrating both charge through the three-dimensional conduction path and easy contact and transport on both sides of the electrolyte. The superior performance of 3D-GN, produced by an easy and inexpensive method, is not only for energy-related materials, but also for its potential for use in electrical and thermal systems, as well as for achieving nano-textured 3D graphene Provide a direct route.

또한, 본 발명자들은 DSSC 디바이스에서 단일 성분 대향 전극(counter electrode, CE)로서 3D-GN의 잠재적인 적용 가능성을 개발하기 위하여, 3D-GN으로 제작한 DSSC 셀의 광전지 성능을 평가하였다. We also evaluated the photovoltaic performance of DSSC cells fabricated in 3D-GN to develop the potential applicability of 3D-GN as a single component counter electrode (CE) in DSSC devices.

도 13에 AM 1.5 강도 조명에서 3D-GN CE 및 Pt CE를 사용한 DSSC의 광전지 성능을 나타내었으며, 각각 3D-GN CE를 이용한 DSSC의 모식도(a), 광전류-전압(I-V) 곡선(b), 전기화학 임피던스 분광(electrochemical impedance spectroscopy, EIS) 곡선(c), 및 입사 광자의 전류 변환 효율(incident photon-to-electron conversion efficiency, IPCE) 스펙트럼(d)이다. 13 shows the photovoltaic performance of the DSSC using 3D-GN CE and Pt CE in the AM 1.5 intensity illumination. The photocurrent performance of the DSSC using the 3D-GN CE, the photocurrent-voltage (IV) curve (b) (C), and an incident photon-to-electron conversion efficiency (IPCE) spectrum (d) of the incident photon.

도 13의 a에는 DSSC 셀(상단), 디바이스의 사진(좌 하단), 및 3D-GN CE의 SEM 사진(우 하단)이 나타나있다. 도 2 a를 참조하면, SEM 이미지를 통하여 CE 내에서 밀집되어 적층되어 있고, 단단히 결합되어 있는 3D 그래핀의 존재를 확인할 수 있다. 13A shows a DSSC cell (top), a photograph of the device (bottom left), and a SEM photograph (bottom right) of the 3D-GN CE. Referring to FIG. 2A, it is confirmed that the 3D graphenes are stacked and stacked in the CE through the SEM image, and that the 3D graphene is tightly coupled.

도 13의 b에는 AM 1.5 강도 조명에서의 Pt CE를 가지는 DSSC와 미처리된 3D-GN CE를 가지는 DSSC의 광전류-전압 곡선이 나타나있다. 도 13의 b를 참조하면, 전력 전환 효율(η)은 Pt가 7.9%를 나타낸 반면, 미처리된 3D-GN는 7.91%의 최대값을 나타내었다. Pt(0.79)에 대해 ~ 0.8의 약간 큰 개방회로 전압(Voc)이 3D-GN계 CE에서 관찰되었고, TiO2 전극의 페르미 레벨 및 I-/I3 -의 산화환원 포텐셜 간의 향상된 밴드 갭 차이를 반영하며, 따라서 탄소계 CE 재료에 대해 이전에 보고된 바와 부합되는 바와 같이, 보다 느린 여기된 전자의 재조합율을 나타낸다. 또한, 3D-GN CE의 넓은 표면적(1,025 cm2/g)으로부터 예상되는 바와 같이 ~ 15.6 mA/cm2의 다소 큰 단락 회로 전류 밀도(Jsc)가 3D-GN계 샘플에서 관찰되었다. 그러나, 3D-GN CE 셀은 Pt CE보다 상대적으로 낮은 충전율(fill factor, FF)을 나타내고(63.6 % vs. 66.5 %, 하기 표 1 참조), 충전율이 면 저항(Rs) 및 다른 내부 저항에 의해 영향을 받는다는 점을 고려할 때, 3D-GN 및 FTO의 거친 표면간, 또는 3D-GN 전극 및 전해질 간의 어느 하나에서 보다 높은 저항을 나타낸다.Figure 13b shows the photocurrent-voltage curves of DSSC with Pt CE in AM 1.5 intensity illumination and DSSC with untreated 3D-GN CE. Referring to FIG. 13B, the power conversion efficiency (η) showed 7.9% of Pt, while the untreated 3D-GN showed a maximum value of 7.91%. A slightly larger open circuit voltage (V oc ) of ~ 0.8 for Pt (0.79) was observed in the 3D-GN CE and the improved band gap difference between the Fermi level of the TiO 2 electrode and the redox potential of I - / I 3 - And thus represents a recombination rate of the excited electrons that is slower, as is consistent with previously reported for carbon-based CE materials. In addition, a rather large short circuit current density (J sc ) of ~ 15.6 mA / cm 2 was observed in the 3D-GN system samples as expected from the large surface area (1,025 cm 2 / g) of the 3D-GN CE. However, 3D-GN CE cells (see 63.6% vs. 66.5%, Table 1) shows a relatively low charging rate (fill factor, FF) to Pt than CE, if the charging rate to the resistance (R s) and other internal resistance , It exhibits a higher resistance between the rough surfaces of the 3D-GN and the FTO, or between the 3D-GN electrode and the electrolyte.

도 13의 c에 나타낸 바와 같이, 3D-GN CE 및 Pt CE에 대해 전기화학 임피던스 분광학(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)이 내부 저항, 및 전극 및 전해질간의 계면에서의 전하 이동 저항을 조사하기 위해 수행되었다. 전극 표면의 전하 이동 저항(Rct)에 관계된 임피던스 곡선에서의 제 1 반원(고주파: 100-1 kHz)은 CE의 촉매 활동을 평가하기 위해 널리 사용된다. 전해질 종의 확산은 네른스트 확산 성분(N)에 의해 설명되는 제 2 반원(저주파: 1 kHz 미만)에 관계된다. 제 1 반원(~100 kHz)의 시작으로부터 결정되는 면저항은 Pt 및 3D-GN가 유사하고(21.96대 22.02), FTO 기재 상에의 3D-GN의 전기적으로 단단한 결합을 나타낸다. 상당히 낮은 충전율 값으로부터 예상할 수 있는 바와 같이, 3D-GN CE의 전체 임피던스 곡선은 상응하는 Pt CE보다 약간 크다. 그러나, 요오드계 전해질과 3D-GN CE의 계면에서 Pt의 경우에 비하여 매우 감소된 전하 이동 저항(Rct, 가장 작은 제 1 곡선)이 관찰되었다. 이는 미처리된 3D-GN의 표면이 결함 영역에서 촉매 특성의 향상을 위해 기존의 산소 원자에 의해 효과적으로 활성화 된다는 것을 암시한다. 또한, 3D-GN 나노 공극 성질이 원인이 되는 넓은 표면 영역 및 CVD 성장 그래핀의 이중연속 3D 특성에 의한 우수한 전도성의 의 상승 효과가, 일견 보다 빠른 전자 이동을 촉진 시키는 것으로 보인다. 지금까지 알려진 바에 따르면, 나노 공극을 통한 전해질의 우회된 통로 때문에 전해질이 보다 낮은 확산 속도를 나타내고, 따라서 3D-GN의 제 2 원은 상당히 큰 직경을 나타낸다. As shown in Figure 13c, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) for 3D-GN CE and Pt CE was performed to investigate the internal resistance and the charge transfer resistance at the interface between the electrode and the electrolyte . The first half-circle (high frequency: 100-1 kHz) in the impedance curve related to the charge transfer resistance (R ct ) of the electrode surface is widely used to evaluate the catalytic activity of CE. The diffusion of the electrolyte species is related to the second semicircle (low frequency: less than 1 kHz), which is accounted for by the Nernst diffusion component (N). The sheet resistance determined from the start of the first half-circle (~ 100 kHz) is similar for Pt and 3D-GN (21.96 vs. 22.02) and represents the electrically tight bonding of 3D-GN on the FTO substrate. As can be expected from fairly low fill rate values, the overall impedance curve of the 3D-GN CE is slightly larger than the corresponding Pt CE. However, a very reduced charge transfer resistance (R ct , the smallest first curve) was observed at the interface between the iodine electrolyte and the 3D-GN CE compared to Pt. This suggests that the surface of the untreated 3D-GN is effectively activated by existing oxygen atoms to improve the catalytic properties in the defect region. In addition, the synergistic effect of good conductivity due to the double-continuous 3D nature of CVD growth graphene and the large surface area caused by the 3D-GN nanoporous nature appears to promote faster electron transfer. It is well known that electrolytes exhibit lower diffusion rates due to the bypassed passage of electrolyte through the nanopore, thus the second circle of 3D-GN exhibits a significantly larger diameter.

도 13의 d에 나타낸 바와 같이, 입사 광자의 전류 변환 효율(incident photon-to-electron conversion efficiency, IPCE)의 수단으로서 입사 전자 당 광 생성 전자의 수를 종래의 Pt CE 및 3D-GN CE에 대해 얻었다. 300 내지 800 nm에서의 UV-가시광 스펙트럼을 다루기 위해, 비슷한 모양 및 최대 흡수 값을 가지는 기준 Pt CE 및 3D-GN CE는 540 nm에서 각각 58.9% 및 60.25%인 최대 IPCE 값을 나타냈고, 따라서 3D-GN계 DSSC가 약간 더 큰 IPCE를 제공할 것임을 알 수 있다. As shown in FIG. 13 d, the number of photo-generated electrons per incident electron as a means of incident photon-to-electron conversion efficiency (IPCE) . To address the UV-visible spectrum at 300 to 800 nm, the reference Pt CE and 3D-GN CE with similar shape and maximum absorption values exhibited a maximum IPCE value of 58.9% and 60.25% at 540 nm, respectively, -GN DSSC will provide a slightly larger IPCE.

Rs (Ω)R s (Ω) Rct (Ω)R ct (Ω) Voc (V)V oc (V) Jsc (mAcm-2)J sc (mAcm -2 ) FF (%)FF (%) η(%)侶 (%) PtPt 21.9121.91 8.338.33 0.7890.789 15.115.1 66.566.5 7.907.90 3D-GNs3D-GNs 22.0222.02 5.135.13 0.7990.799 15.615.6 63.663.6 7.917.91

표 1에 미처리 3D-GN계 DSSC와 비슷한 효율을 가지는 Pt계 DSSC의 광전지 특성이 EIS 파라미터와 함께 요약되어 있다. Table 1 summarizes the photovoltaic properties of Pt-based DSSCs with efficiencies similar to those of untreated 3D-GN based DSSCs, along with EIS parameters.

얻어진 결과로부터, 3D-GN의 보다 낮은 충전율은 향상된 Voc 및 Jsc에 의해 충분히 보상될 수 있다고 결론 내릴 수 있고, 이는 매우 낮은 Rct 및 더 큰 IPCE에 의해서도 지지된다. From the obtained results, it can be concluded that the lower filling rate of 3D-GN can be sufficiently compensated by the improved V oc and J sc , which is also supported by the very low R ct and the larger IPCE.

그래핀 매트릭스 상에 다른 작용기를 혼입하여 제조된 그래핀의 특성을 추가로 조정할 수 있다는 것은 이미 알려져 있다. 예컨대, 그래핀의 향상된 전기 전도성은 그래핀 격자 상에 도펀트 원자을 침착하여 달성될 수 있고, DSSC 내에서 흑연의 최적의 촉매 효과는 그래핀 표면에 소량의 산소 함유 작용기를 부가하여 달성될 수 있다. It is already known that the properties of graphene produced by incorporating other functional groups onto the graphene matrix can be further adjusted. For example, the improved electrical conductivity of graphene can be achieved by depositing dopant atoms on the graphene lattice, and the optimal catalytic effect of graphite in the DSSC can be achieved by adding small amounts of oxygen containing functionalities to the graphene surface.

또한, CVD 성장 미처리 3D-GN은 헤테로 원자의 간단한 도핑을 통하여 DSSC 내의 CE로서 보다 최적화 될 수 있다. 3D-GN의 p 도핑 과정을 통하여 질소 및 산소의 함량이 약간 증가함에 따라 전도도 및 촉매 활성이 현저히 증가하였다. 가벼운 도핑 공정을 통한 그래핀 격자의 약간의 수정을 통하여 최적 조건을 쉽게 달성할 수 있으면서도, CVD 공정을 통해 합성된 그래핀의 충분한 전도성, 및 또한 전도성 및 촉매활성의 향상을 우선적으로 보장하므로, 본 발명에서의 방법은 화학적으로 제조된 그래핀의 전도도의 향상에 목표를 둔다는 점에서 다른 방법과는 차이가 있다. In addition, the CVD growth untreated 3D-GN can be further optimized as CE in the DSSC through simple doping of heteroatoms. Through the p-doping process of 3D-GN, the conductivity and catalytic activity were significantly increased as the nitrogen and oxygen contents slightly increased. It is possible to easily achieve the optimum conditions through a slight modification of the graphene lattice through the light doping process and at the same time to ensure the sufficient conductivity of the graphene synthesized through the CVD process and also the improvement of the conductivity and the catalytic activity, The method in the present invention differs from other methods in that it aims to improve the conductivity of chemically produced graphene.

도 14에는 다양한 농도의 HNO3 용액에 3D-GN을 침지하여 p 도핑된 3D-GN의 전도도 및 촉매활성의 향상시킴으로써 이루어진 광전지 셀 성능의 향상을 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 한편, 원소분석(elemental analysis, EA)에 의해 얻어진 p 도핑된 그래핀의 화학 조성을 하기 표 2에 나타내었다. FIG. 14 is a graph showing an improvement in photovoltaic cell performance by immersing 3D-GN in various concentrations of HNO 3 solution to improve the conductivity and catalytic activity of p-doped 3D-GN. On the other hand, the chemical composition of p-doped graphene obtained by elemental analysis (EA) is shown in Table 2 below.

50%, 75%, 및 100%의 HNO3 용액에 30분간 침지된 3D-GN 내의 질소 원자의 분율은 0.3, 0.4 및 0.5%로 측정되었고, 상응하는 예들을 각각 3D-GN-3, 3D-GN-4, 및 3D-GN-5로 나타내었다. 7 S/cm까지 향상된 p 도핑된 그래핀의 측정된 전도도와 질소 원자 함량과의 선형 관계를 확인할 수 있다. 침지 시간의 추가적인 증가는 샘플의 전도도의 향상에 영향을 미치지 못하였다. The fraction of nitrogen atoms in 3D-GN immersed in HNO 3 solution of 50%, 75%, and 100% for 30 minutes was measured to be 0.3, 0.4 and 0.5%, corresponding examples were 3D-GN-3, 3D- GN-4, and 3D-GN-5, respectively. The linear relationship between the measured conductivity and the nitrogen atom content of p-doped graphene improved to 7 S / cm. An additional increase in immersion time did not affect the conductivity of the sample.

도 14의 a는 AM 1.5의 광원 하에서의 다양한 질소 및 산소 함량 값을 가지는 미처리 3D-GN 및 p 도핑된 3D-GN의 J-V 커브이다. 전도도, 및 질소 및 산소 함량 값과 함께 자세한 광전지 셀 성능을 하기 표 2에 나타내었다. p 도핑된 3D-GN의 전력 변환 효율은 N 및/또는 O의 함량 증가에 따라 증가되었고, 0.5%의 질소 함량의 최적화된 조건에서 8.42%였으며, 전도도는 7 S/cm였다.14A is a J-V curve of untreated 3D-GN and p-doped 3D-GN with various nitrogen and oxygen content values under a light source of AM 1.5. The detailed photovoltaic cell performance with conductivity and nitrogen and oxygen content values are shown in Table 2 below. The power conversion efficiency of p-doped 3D-GN increased with the increase of N and / or O contents, and it was 8.42% at the optimized condition of 0.5% nitrogen content and the conductivity was 7 S / cm.

도 14의 b에는 O1의 XPS 스펙트럼이 나타나있는데, 531.8 eV 영역의 피크는 HNO3 용액의 농도 증가에 따라 증가하고, EA 데이터와 마찬가지로, 산소 원자의 혼입 정도가 보다 높음을 확인할 수 있다. 0.5%의 N 함량에서 가장 높은 변환 효율을 가지는 샘플의 가장 높은 O 함량 값에 의해 3D-GN의 표면이 향상된 촉매 특성을 위해 최대량의 산소에 의해 추가로 활성화되어 있다는 점을 확인할 수 있다. 중요하게는, 많은 양의 산소 함량에 의해 전도도가 악영향을 받을 수 있지만, 표 2에 나타낸 바와 같이, 이 정도의 산소 함량으로는 전도도가 악화되지 않았음을 확인할 수 있다. There is b, the XPS spectrum of O1 in Figure 14 shows, a peak of 531.8 eV area increases with the increasing concentration of HNO 3 solution, and, as in the EA data, the degree of incorporation of oxygen atoms to determine a more high. It can be seen that the highest O content value of the sample with the highest conversion efficiency at 0.5% N content further activates the surface of 3D-GN by the maximum amount of oxygen for improved catalytic properties. Importantly, although the conductivity may be adversely affected by a large amount of oxygen content, as shown in Table 2, it can be confirmed that the conductivity is not deteriorated by such an oxygen content.

도 14의 c에 나타낸 바와 같이, 네 종류의 p 도핑된 3D-GN 및 Pt의 전기화학적 촉매 활성을 비교하기 위하여, 순환전압전류법이 0.1 M LiClO4, 10 Mm LiI, 및 0.5 mM I2 용액의 전해질에서 수행되었다. 두 개의 양의 전류 피크 사이의 상대적으로 음인 전위 피크는 3I- → I3 - + 2e-의 산화 반응에 해당하는 것이고, 두 개의 음의 전류 피크 사이의 상대적으로 음인 전위 피크는 I3 - + 2e- → 3I-의 환원 반응에 해당하는 것이다. 산화/환원 전류는 촉매 표면적이 증가함에 따라 증가하였다. 촉매 반응들의 실현 가능성의 증가와 함께 I3/I- 산화 환원 반응의 피크간의 분리(ΔEp)는 감소하였다. 14C, in order to compare the electrochemical catalytic activities of the four types of p-doped 3D-GN and Pt, the cyclic voltammetry was performed using 0.1 M LiClO 4 , 10 Mm LiI, and 0.5 mM I 2 solution Of the electrolyte. The relatively negative potential peak between the two positive current peaks corresponds to the oxidation reaction of 3I - → I 3 - + 2e - , and the relatively negative potential peak between the two negative current peaks is I 3 - + 2e - &gt; 3I &lt; - & gt ;. The oxidation / reduction current increased with increasing catalyst surface area. The separation between the peaks of the I 3 / I - redox reaction (ΔE p ) decreased with the increase in the feasibility of the catalytic reactions.

N (%)N (%) O (%)O (%) -1 (S/cm)Ω -1 (S / cm) Voc (V)V oc (V) Jsc (mAcm-2)J sc (mAcm -2 ) FF (%)FF (%) η (%)侶 (%) 3D-GN3D-GN 00 2.52.5 5.05.0 0.7990.799 15.615.6 63.663.6 7.917.91 3D-GN-33D-GN-3 0.30.3 8.38.3 6.06.0 0.7990.799 15.815.8 64.064.0 8.108.10 3D-GN-43D-GN-4 0.40.4 9.19.1 6.36.3 0.7830.783 16.016.0 65.465.4 8.178.17 3D-GN-53D-GN-5 0.50.5 9.69.6 7.07.0 0.7810.781 16.316.3 66.066.0 8.428.42

하기 표 3에 나타낸 바와 같이, 성능에 유익한 영향을 미치는, 도펀트의 양 및 절대 전류 피크 값 간의 긍정적인 관계, 및 도펀트의 양 및 ΔEp간의 부정적인 관계가 관찰되었다. 또한, 모든 3D-GN들은 보다 큰 전기화학 촉매 활성 및 촉매 표면적을 나타내므로, Pt 전극에 비하여 보다 큰 전류 밀도 및 낮은 ΔEp를 나타내었다. 3D-GN-5는 가장 낮은 Ep 값 및 가장 높은 전류 피크 값을 나타내었고, 이는 최적화된 3D-GN들의 넓은 표면적, 강한 촉매 효과 및 높은 전도도의 우수한 조절(수용)을 반영한다(Pt 에 비해 P 도핑된 3D-GN들의 확실하게 더 큰 전기화학 촉매 작용, 및 도펀트의 함량 및 로그 전류 밀도(logarithmic current density) 간의 단조 관계(monotonic relationship)를 제공하는 대칭 더미 셀의 태펠 곡선이 도 15에 나타나있다).As shown in following Table 3, the relationship between the negative effect a beneficial effect on performance, and positive relationship between the amount of current and the absolute peak value of the dopant, and the amount of p dopant, and ΔE was observed. In addition, all of the 3D-GNs exhibited greater electrochemical catalytic activity and catalyst surface area, thus exhibiting a higher current density and lower ΔE p than the Pt electrode. 3D-GN-5 has the lowest E p Values and the highest current peak values, reflecting excellent control of the wide surface area, strong catalytic effect and high conductivity of optimized 3D-GNs (certainly more of P-doped 3D-GNs than Pt A large electrochemical catalysis, and a tapel curve of a symmetric dummy cell that provides a monotonic relationship between the dopant content and the logarithmic current density is shown in FIG. 15).

ΔEp (mV)ΔE p (mV) Ire (mAcm-2)I re (mAcm -2 ) Rs (Ω)R s (Ω) Rct1
(Ω)
R ct1
(Ω)
PtPt 386386 -1.64-1.64 21.9121.91 8.348.34 3D-GN3D-GN 331331 -1.75-1.75 22.0322.03 5.135.13 3D-GN-33D-GN-3 314314 -1.76-1.76 22.0822.08 4.884.88 3D-GN-43D-GN-4 289289 -1.82-1.82 22.0322.03 2.492.49 3D-GN-53D-GN-5 269269 -1.96-1.96 22.2522.25 1.291.29

DSSC의 성능에 있어서 미처리 3D-GN의 도핑 효과는 추가적으로 EIS 데이터에 의해 확인할 수 있다. 도 14의 d의 임피던스 곡선에서 확인할 수 있는 바와 같이, 3D-GN들의 N 및 O 모두의 함량이 증가함에 따라, 미해결된(unresolved) 제 2 및 제 3의 반원들의 직경은 크게 변화하지 않았지만 Rct는 감소하였다. 최대의 N 및 O 함량을 가지는 3D-GN-5는 Pt와 비교할 만한 최적의 전체 임피던스 곡선과 함께 가장 작은 Rct 값을 가지고, 넓은 촉매 표면적 뿐만 아니라 최적의 전도도 및 촉매활성에 의해서도 강하게 뒷받침되는 명확히 빠른 전자 이송 메커니즘을 나타낸다.The doping effect of untreated 3D-GN in the performance of the DSSC can be further confirmed by EIS data. As can be found from the impedance curve of the 14 d, as the content of both N and O of the 3D-GN is increased, the unresolved (unresolved) second and semicircle diameter of the third did not change significantly R ct Respectively. 3D-GN-5 with the highest N and O content has the smallest R ct value with the optimal total impedance curve comparable to Pt, and has a strong catalytic activity, as well as a broad catalytic surface area. It represents a fast electronic transfer mechanism.

도 16에는 Pt, 미처리 3D-GN, 3D-GN-3, 3D-GN-4 및 3D-GN-5의 CE를 가지는 DSSC의 IPCE 스펙트럼이 나타나있고, 도 17에는 Pt, 미처리 3D-GN, P 도핑된 3D-GN의 CE를 가지는 DSSC의 성능 안정성을 보여주는 그래프가 나타나있다.16 shows the IPCE spectrum of DSSC having CE of Pt, untreated 3D-GN, 3D-GN-3, 3D-GN-4 and 3D-GN-5, A graph showing the performance stability of DSSC with CE of doped 3D-GN is shown.

도 16을 참조하면, 도핑의 정도가 증가할수록 더 높은 IPCE그래프를 보여주며, 3D-GN-5의 경우 가장 우수한 IPCE 성능을 나타냈고, 이는 DSSC 셀이 가장 우수한 성능을 보여주는 것과도 잘 일치한다. 또한, 도 17을 참조하면, 도핑한 샘플은 25일이 지난후에도 88% 이상의 성능 안정성을 보여주었고, 이는 Pt와 비교했을 때도 전혀 손색이 없다. 이로써, 도핑한 샘플의 경우, 전체적으로 미처리 3D-GN과 비교하여 6.4% 이상 강화된 8.42%의 인상적인 에너지 전환 효율이 p 도핑된 3D-GN CE에서 얻어진다. 중요하게는, Pt에 대해 평균 6% 더 큰 효율이, 본 발명에서의 실험 조건에서 20 개의 샘플 이상으로부터 관찰되었다. 3D-GN계 DSSC의 효율을, 현재 연구 중인 접착력의 향상 및 추가적인 도핑 조건의 최적화와 같은 디바이스의 제작을 위한 몇몇 파라미터의 정밀한 조율을 통하여 추가로 향상시킬 수 있다는 점을 고려할 때, 이는 매우 유망한 것이다. Referring to FIG. 16, as the degree of doping increases, a higher IPCE graph is shown. In the case of 3D-GN-5, the best IPCE performance is shown, which is in agreement with the best performance of a DSSC cell. Also, referring to FIG. 17, the doped samples exhibited a performance stability of 88% or more even after 25 days, which is comparable to Pt. Thus, for the doped sample, an impressive energy conversion efficiency of 8.42%, which is over 6.4% enhanced compared to the entire untreated 3D-GN, is obtained in p-doped 3D-GN CE. Importantly, an average of 6% greater efficiency for Pt was observed from more than 20 samples under the experimental conditions in the present invention. This is very promising, considering that the efficiency of 3D-GN based DSSCs can be further enhanced through precise tuning of some parameters for the fabrication of devices, such as improvement in adhesion under study and optimization of additional doping conditions .

결론적으로, 본 발명자들은 전구체-보조 CVD 성장 3D-GN를 통하여, 넓은 표면적 및 우수한 전도도를 갖는 DSSC의 대량 생산을 달성하기 위한 직접적인 방법을 개발하였다. 5 S/cm의 평균 전도도, 1,025 cm2/g의 넓은 표면적, 및 3.4 cm3/g의 뛰어난 다공도를 가지는 3D-GN는, 철 전구체 및 PVA 고체 탄소원을 갖는 CS 구조체를 형성하고, 그 후 CVD 조건 하에서의 순차적으로 그래핀을 성장시켜서 대규모로 제작된다. 어떠한 처리도 되어 있지 않은 미처리 단일 성분 3D-GN을 기반으로 하는 DSSC는 Pt에 비교할 만한 효율을 나타냈다. 가장 중요하게는, 최적화된 p 도핑된 3D-GN CE로 제작된 DSSC 셀의 효율은 Pt CE 셀로부터 얻어진 효율보다 6.6% 뛰어났고, 이는 Pt의 대안으로 뛰어난 단일 성분으로서의 3D-GN의 잠재력을 암시한다. CV 곡선, 임피던스 데이터, 및 태펠 곡선과 같은 모든 전기화학적 측정은 p 도핑된 3D-GN의 높은 전도도, 넓은 표면적, 및 높은 촉매 활성에 대한 명확한 증거를 제공하고, 이는 우수한 3D 전도성 통로를 통하여 전하의 이동을 촉진하며, 이들의 우수한 전력 전환 효율의 이유가 된다. In conclusion, the present inventors have developed a direct method for achieving mass production of DSSCs with large surface area and good conductivity through precursor-assisted CVD growth 3D-GN. 3D-GN having an average conductivity of 5 S / cm, a large surface area of 1,025 cm 2 / g, and an excellent porosity of 3.4 cm 3 / g form a CS structure having an iron precursor and a PVA solid carbon source, The graphenes are sequentially grown under the conditions and are manufactured on a large scale. DSSC based on untreated, untreated, single component 3D-GN showed comparable efficiency to Pt. Most importantly, the efficiency of a DSSC cell fabricated with optimized p-doped 3D-GN CE was 6.6% better than that obtained from a Pt CE cell, suggesting the potential of 3D-GN as an excellent single component as an alternative to Pt do. All electrochemical measurements, such as CV curves, impedance data, and tapel curves, provide clear evidence of the high conductivity, large surface area, and high catalytic activity of p-doped 3D-GN, Which is the reason for their excellent power conversion efficiency.

본 발명의 쉽고 저렴한 방법에 의해 제작된 DSSC 내에서 반대 전극으로서의 3D-GN의 뛰어난 성능은, 본 직관적인 루트가 에너지 관련 재료뿐만 아니라 다른 응용분야에서의 활용에도 뛰어난 잠재력을 가지는 나노 직조된 3D 그래핀의 개발에 이용될 수 있다. The excellent performance of 3D-GN as the counter electrode in the DSSC fabricated by the easy and inexpensive method of the present invention is the result of the intuitive route of nano-woven 3D gravure which has excellent potential for use in energy- Can be used for the development of pins.

Claims (9)

(1) 기재 위에 콜로이드 실리카(colloidal silica)를 적층시켜 0.1 내지 5 ㎛의 두께의 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 형성하는 단계;
(2) 상기 3차원 콜로이드 실리카 구조체에 그래핀 성장용 고체 탄소원 및 금속 전구체를 1:2 내지 1:4의 중량비로 함유하는 용액을 채워 넣는 단계;
(3) 상기 용액이 채워 넣어진 3차원 콜로이드 실리카 구조체를 수소 기체 하에서 700 내지 1,200 ℃로 가열함으로써 금속을 함유하는 나노발포체(nano-foam) 구조의 그래핀을 형성하는 단계; 및
(4) 상기 콜로이드 실리카 및 상기 나노발포체 구조의 그래핀 중의 금속을 제거하는 단계를 포함하는,
3차원 그래핀 나노-네트워크의 제조방법.
(1) laminating colloidal silica on a substrate to form a three-dimensional colloidal silica structure having a thickness of 0.1 to 5 탆;
(2) filling the three-dimensional colloidal silica structure with a solution containing a solid carbon source for graphene growth and a metal precursor in a weight ratio of 1: 2 to 1: 4;
(3) heating the three-dimensional colloidal silica structure packed with the solution to 700 to 1200 占 폚 under hydrogen gas to form a nano-foam structure containing metal; And
(4) removing the metal in the graphene of the colloidal silica and the nano foam structure.
Method of manufacturing a three dimensional graphene nano-network.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 성장용 고체 탄소원은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리비닐알코올(PVA) 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 3차원 그래핀 나노-네트워크의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solid carbon source for graphene growth is selected from the group consisting of polymethylmethacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), polyvinyl alcohol (PVA), and mixtures thereof. Way.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 전구체는 질산니켈 육수화물{Ni(NO3)2·6H2O}, 초산니켈{Ni(CH3COO)2}, 황산니켈 육수화물(NiSO4·6H2O), 염화니켈 육수화물(NiCl2·6H2O), 염화구리 육수화물(CuCl2·6H2O), 염화제이철 육수화물(FeCl3·6H2O) 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 3차원 그래핀 나노-네트워크의 제조방법.
The method according to claim 1,
The metal precursor may be selected from the group consisting of nickel nitrate hexahydrate {Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O}, nickel acetate {Ni (CH 3 COO) 2 }, nickel sulfate hexahydrate (NiSO 4 .6H 2 O) (NiCl 2揃 6H 2 O), copper chloride hexahydrate (CuCl 2揃 6H 2 O), ferric chloride hexahydrate (FeCl 3揃 6H 2 O), or a mixture thereof. &Lt; / RTI &gt;
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 단계 (4)의 콜로이드 실리카 및 금속을 제거하는 단계는 불산, 염산, 질산, 암모늄 퍼설페이트 용액 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 식각액을 이용하여 행해지는 것을 특징으로 하는 3차원 그래핀 나노-네트워크의 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of removing the colloidal silica and the metal in the step (4) is carried out using an etching solution selected from the group consisting of hydrofluoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, ammonium persulfate solution and mixtures thereof. - a method of manufacturing a network.
제 1 항, 제 3 항, 제 4 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 3차원 그래핀 나노-네트워크.
A three dimensional graphene nano-network fabricated by a manufacturing method according to any one of claims 1, 3, 4 or 6.
제 7 항에 따른 3차원 그래핀 나노-네트워크를 포함하는 수퍼커패시터.
10. A super-capacitor comprising a three-dimensional graphene nano-network according to claim 7.
제 7 항에 따른 3차원 그래핀 나노-네트워크를 포함하는 염료감응형 태양전지(DSSC).A dye-sensitized solar cell (DSSC) comprising a three-dimensional graphene nano-network according to claim 7.
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