그래파인(graphdiyne)의 합성 및 응용 연구 개발 동향
2020-02-05
org.kosen.entty.User@5644909d
이창석(fightleo)
그래다인(graphdiyne) 합성 및 응용 기술 동향
이창석, cslee0801@gmail.com
삼성종합기술원
Key words
Graphdyne, Carbon allotrope, Synthesis, Functionalization, Application, Direct bandgap
그래다인, 탄소 동소체, 합성, 기능화, 응용, 직접 밴드갭
1. 개요
그래다인(GDY; Graphdyne)이란 탄소 원자가 sp- 및 sp2 결합형태로 조합된 층으로 새로운 탄소 동소체 물질이다. 탄소 원자는 결합 형태에 따라 플러렌(Fullerene), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nanotube), 그리고 그래핀(Graphene)과 같은 다양한 물질을 형성하고 고유한 특성들을 이끌어 낼 수 있으며, 이를 탄소 동소체라고 부른다. 그래다인(GDY; Graphdyne)은 각각의 벤젠 고리가 sp(butadiene linker) 형태로 연결된 구조로, sp 및 sp2 결합에 의해 불균일한 p 결합 특성이 나타나면서 밴드갭을 형성하는 것으로 예측된다.
2010년 Li 그룹은 HEB(hexaethynylbenzene)의 cross-coupling reaction을 통해 Cu 기판 위에 대면적의 GDY를 합성하고, SAED(Selected-Area Electron Diffraction) 및 XRD(X-ray diffraction) 분석을 통해 우수한 결정성을 확인했다. 또한 실리콘과 유사한 높은 전도성 (2.56 x 10-1 S/m), 훌륭한 전하 이동도 (2 x 105 cm2/Vs), 밴드갭, 그리고 다공성의 특성을 보고했다. 이후 GDY 물질에 대한 관심히 증가하며, 다양한 합성법을 통해 1차원의 나노와이어/나노튜브, 2차원의 박막, 3차원의 결정질 나노 구조 형태로 만들어졌고, 촉매, 에너지 저장, 태양 전지, 광전자 소자, 생물학 및 환경 분야에 광범위한 연구가 진행되고 있다.
본 보고서는 최근 새롭게 주목 받고 있는 GDY 물질의 기초적인 특성들을 정리하고, GDY 기반의 나노구조 및 응용에 대해 살펴보고자 한다. 또한 관련 연구들의 이슈들을 짚어 보면서 앞으로의 연구 전망을 논의하고자 한다.
2. GDY 합성 및 도핑
2.1. GDY 합성
GDY는 기능성 물질을 개발할 수 있는 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다. 구조 및 특성 측면에서 GDY를 정교하게 제어할 수 있다면, 다양한 혁신적인 소자 개발로 이어질 것이다.
Li et al 연구진은 Cu 기판 위에 HEB monomer를 cross-coupling을 시킴으로써, self-catalyzing 전략을 개발했다[1]. 합성된 GDY 박막은 3.61 cm2 크기와 970 nm 두께를 갖는다. 전류-전압 측정을 통해 GDY 박막은 실리콘 전도도 2.516 x 10-4 S/m와 유사한 2.53 x 10-3 S/m 수준의 전형적인 Ohmic 거동을 나타냈다. Cu는 alkaline solution 속에서 쉽게 Cu-pyridine 복합체를 형성하고 아세틸렌계 교차 반응을 유도할 수 있다. 이는 임의의 기판 위에서 GDY 나노구조를 대면적으로 형성할 수 있는 아이디어를 제공한다. 즉, 증착하고자 하는 기판과 Cu foil을 함께 반응로에 넣으면, 촉매가 Cu foil에서 원하는 기판 위로 확산하면서 GDY를 직접 성장시킬 수 있다. 용액의 농도, 전구체의 농도, 그리고 전구체와 타겟 기판과의 상호작용등이 GDY 성장을 좌우하는 요인으로 작용할 수 있다. 그리고 반응 시간 및 전구체 농도를 변화시켜 GDY 두께를 조절할 수 있다.
대면적 증착에 적합한 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)도 여러 그룹에 의해 보고된 바 있다[2]. Nishihara 및 동료 연구원들은 가스/액체 또는 액체/액체 계면을 이용한 다중층 GDY 합성법을 보고했고, 훌륭한 결정성과 ABC 적층 구조를 확인했다[3]. Li et al. 역시 2.19 nm 두께의 ABC 적층 구조를 발표했다[4].
GDY 기반의 다양한 구조체를 제작하는 연구도 활발하게 진행되고 있다. VLS(Vapor-Liquid-Solid) 성장 메커니즘을 따라 30~40 nm 직경의 GDY 나노와이어 (GDY-NW; Nanowire)가 보고됐다[26]. 형성된 GDY-NW는 단결정 구조로 반도체 특성을 나타낸다. 양극산화 알루미나 박막(AAO; anodic aluminum oxide)과 Cu 촉매 반응을 조합하여 GDY 나노튜브 (GDY-NT; Nanotube) 형태를 제작할 수 있다[5]. 합성된 GDY-NT는 200 nm 반경과 40 nm 내경을 갖고, 매끈한 표면을 갖는다. 후속 열처리를 통해 내벽의 두께를 낮추고, 결정성을 향상시킬 수 있다. Li group은 Cu NW를 이용해 친환경의 고결정 초박막 GDY 제작법을 개발했다[6].
위와 같이 다양한 구조로 여러 합성법이 개발되고 있으며, GDY 기초 연구의 밑거름을 다지고 있으며 에너지 응용을 포함한 다양한 응용 소자 개발로 이어질 것으로 기대된다.
2.2. GDY 도핑
이종 원소의 도핑 또는 금속 원자를 도핑하는 등의 기능화(Functionalization)는 물질의 경쟁력을 크게 확장시킬 수 있는 필수적인 요소이다. GDY 구조 내에 존재하는 알킨(alkyne) 결합과 미세 나노포어(nanopore)는 반응성이 높기 때문에 기능화에 적합하고, 이를 통해 전기적/화학적/물리적 특성을 다양하게 조절할 수 있다.
2.2.1. 이종원소 도핑
질소, 붕소, 인, 그리고 황 등은 탄소 물질 도핑에 적합한 이종 원소라 할 수 있다. 다양한 전구체 환경 속에서 GDY 후속 열처리를 통해 쉽게 도핑을 유도할 수 있다. Huang 그룹은 N doping된 GDY(N-GDY)를 통해 전기적 특성을 향상시키고, 이종원소 결함을 만들어내서 전기화학적 반응성을 향상시킬 수 있음을 보고했다[7]. 초기 GDY 대비 N-GDY는 Fermi level이 위로 올라가 n-type 반도체 특성을 갖고, N과 S가 함께 도핑된 경우 p-type 반도체 특성을 나타낸다[8]. 이종원소의 종류와 농도 조절을 통해 약 1.0 eV 수준의 에너지갭을 조절할 수 있다. 이종원소 B와 N을 함께 도핑하는 경우, 직접 밴드갭 특성은 유지되며 밴드갭 크기를 조절할 수 있다[9]
이종원소 및 기능화 그룹을 통해 GDY 특성을 제어할 수 있지만, 아직 정교하게 도핑 농도를 조절하기 어렵고, 원하는 위치에 부착시키는데 한계가 있다. 또한 이종원소가 도핑 됨에 따른 결정성 저하가 나타날 수 있다. 이러한 한계요소들을 극복할 수 있는 도핑 기술의 계속적인 연구가 필요하다.
2.2.2. 금속 원자 도핑
GDY 특성을 조절하기 위해 금속 원자를 도핑할 수 있다. Sun 그룹은 제일원리 계산을 통해 GDY 표면에 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni과 같은 전이금속이 흡착될 수 있음을 증명했다[10]. sp- 하이브리드 결합의 탄소원자는 이러한 금소 원자와 결합하는 중요한 역할을 한다. 모든 금속 원자는 알킨 고리와 결합할 수 있고, 따라서 효과적으로 전기적/자기적 특성을 조절할 수 있다. 또한 GDY 표면에서는 금속 원자가 이동하는데 높은 에너지 장벽이 존재하기 때문에, 금속 원자들이 뭉치는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 단일 금속 원자를 GDY 표면에 위치시킬 수 있다. 그래핀, 탄소나노튜브와 같은 기존의 탄소 동소체들과 다르게, GDY는 단일 원자 촉매를 표면에 형성하여 수소 생산 반응에서 높은 반응성과 안정성을 이끌어내고 정교한 메커니즘 분석에 활용 할 수 있다.
3. GDY 응용
3.1. 전기화학적 물 분해
전기화학적 물 분해 반응은 가장 효과적이고 지속 가능한 수소 생산법으로, 다가오는 에너지 위기와 환경 문제를 풀어갈 수 있는 현실적인 대안이다. 현재 노블 금속 기반의 화합물이 전기화학적 물 분해 반응에서 가장 효과적인 촉매로 활용되고 있으나, 높은 비용 및 scarcity 문제로 실질적인 응용으로 확대 되기에는 한계가 있다. GDY는 intriguing 전자 구조, 높은 전도도, 화학적 안정성, 그리고 효과적인 수송 능력을 바탕으로, 효과적이고 저비용의 전기화학촉매로 새롭게 주목받고 있다.
3.2. 광전기화학적 물 분해
광전기화학적(PEC; Photoelectrochemical) 물 분해는 태양 에너지 포획 및 변환 모두 적합한 기술이다. 금속이 없는 GDY는 PEC의 정공 수송층으로 결정적인 역할을 할 수 있다. CdSe 양자점과 조합된 GDY 광전극을 제작해서 Xe lamp에 노출시키면, 적절한 광반응성과 함께 수소 생산을 위해 ~90±5% 수준의 패러데이 효율(Faraday efficiency)를 얻을 수 있다. 패러데이 효율이란 시스템 내에 전하가 전달되는 효율로, GDY와 양자점 사이에 상대적으로 강한 p- p 상호작용에 의해 정공 수송능력 및 광전류를 향상시킬 수 있다. 또한 BiVO4 위에 GDY를 합성하여 제작된 전극을 PEC르 활용하면, GDY의 훌륭한 정공 이동도 덕분에 1.32 mA/cm2 (at 1.32 V) 수준의 높은 광전류 밀도를 얻을 수 있으며 이는 BiVO4 전극 대비 2배에 가까운 수준이다. GDY 기반의 복합체는 금속 성분이 없는 친환경적인 PEC 시스템을 개발할 수 있는 새로운 길을 열어주고 있다.
3.3. 에너지 저장 물질
탄소 기반의 물질들은 미래의 에너지 저장 물질로 광범위하게 연구되고 있다[11]. 하지만 그래파이트, 플러렌, 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 기존의 탄소 물질들은 sp2 하이브리드 구조를 가지고 있기 때문에, 에너지 저장에 있어 근본적인 한계 요소가 있다. 반면에 GDY는 각각의 벤젠 고리가 diyne 연결을 하고 있기 때문에 저장 용량을 늘릴 수 있다. 예를 들어 그래파이트 안에 LiC6 형태로 Li을 저장할 수 있는 용량이 372 mAh/g인 반면, GDY는 LiC3 형태로 744 mAh/g의 높은 저장 용량을 갖는다[12]. 또한 GDY는 in-plane, out-of-plane 상에 적절한 Li 확산 장벽 에너지를 갖기 때문에, 리튬이온배터리(LIBs; Lithium Ion Batteries) 분야에 기대되는 물질이다.
LIBs 영역에 GDY를 실질적으로 활용하기 위해서, 구조 제어를 통해 저장 용량을 더 늘릴 수 있다. Cu 나노와이어를 촉매로 활용하면 합성기술에서 언급했던 고품질의 GDY-NT, GDY 나노박막 등을 합성할 수 있고, Cu와 함께 그 자체로 binder-free 전극으로 활용할 수 있다. 이러한 구조를 활용하여 1388 mAh/g의 높은 specific capacitance와 장시간 안정성이 보고됐다[13]. 또한 도핑 기술을 활용하면 전기화학적 특성을 광범위하게 조절할 수 있고, GDY 활용도를 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.
3.4. 에너지 변환 물질
탄소 p- p 접합에 기반한 GDY는 광전기적 특성 측면에서 여러 태양 전지의 효율 및 안정성 향상에 기여할 수 있다. 예를 들어, GDT를 P3HT:PCBM 광활성층에 함유시켜 제작된 고분자 태양 전지는 높은 단락전류(short circuit current, JSC=2.4 mA/cm2) 및 56% 향상된 전력변환효율(PCE; Power Conversion Efficiency)을 얻을 수 있다[14]. 유기금속 할라이드계 페로브스카이트 태양전지에 대한 관심이 꾸준히 증가하고 있는데, GDY는 전자 주개(electron donor) 또는 전자 받개(electron acceptor)로써 효과적으로 활용될 수 있다. Kuang은 GDY를 전자수송층(ETL; Electron Transport Layer) PCBM에 포함시켜 태양전지를 제작함으로써, GDY가 함유되지 않은 경우 대비 28.7% 향상된 PCE 14.8%를 달성했다[15]. 이러한 성능 향상은 ETL층의 효율 향상과 함께, GDY로 인한 전도도 및 전자 이동도 향상에 기인한 것이다.
3.5. 기타
앞에서 언급한 응용 영역 이외에도, bimolecular sensing, theranostic platform, humidity sensor, wastewater purification과 같은 분야에서 GDY의 가능성이 보고되고 있으나 아직 초기 연구 단계라 할 수 있다.
4. 결론
GDY는 sp, sp2 탄소 결합이 혼재된 형태의 어셈블리 층으로 직접 밴드갭을 나타내며, 화학적인 합성방법이 보고되면서 많은 주목을 받고 있다. 밴드갭 제어를 위해 strain, B/N doping, 나노리본 구조 형성, 그리고 수소화 공정등을 활용할 수 있다. 또한 나노박막, 나노와이어, 나노튜브 어레이, 나노시트 등 다양한 형태로 형성시킬 수 있기 때문에, 앞에서 언급한 여러 응용 영역을 개척하고 있다.
많은 연구진들은 현재 재생가능한 친환경 분야가 직면한 이슈들을 GDY를 활용함으로써 극복할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 하지만 아직 GDY 연구는 초기 단계로, 단결정 GDY, 단일층/다중층 GDY 박막, 그리고 임의의 나노구조 GDY 등을 원하는 크기로 성장시킬 수 있는 합성 기술 연구가 절실한 상황이다. 또한 질소, 붕소, 인, 황 같은 도핑을 통해 GDY의 전기적/화학적/물리적/구조적 특성들을 제어할 수 있기 때문에, 정교한 도핑 기술 개발이 필요하다. 마지막으로 새롭게 등장한 GDY 물질에 대한 다양한 분석법이 수반되어야 한다. 다양한 분야의 연구진들이 앞에서 언급한 GDY 연구에 참여함으로써, 새로운 2차원 탄소 동소체의 잠재력을 확장시킬 것으로 기대된다.
References
1. G. Li, Y. Li, H. Liu, Y. Guo, Y. Li, D. Zhu, Chem. Commun. 2010, 46, 3256
2. X. Qian, Z. Ning, Y. Li, H. Liu, C. Ouyang, Q. Chen, Y. Li, Dalton Trans. 2012, 41, 730
3. R. Matsuoka, R. Sakamoto, K. Hoshiko, S. Sasaki, H. Masunaga, K. Nagashio, H. Nishihara, J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3145.
4. C. Li, X. Lu, Y. Han, S. Tang, Y. Ding, R. Liu, H. Bao, Y. Li, J. Luo, T. Lu, Nano Res. 2018, 11, 1714
5. G. Li, Y. Li, X. Qian, H. Liu, H. Lin, N. Chen, Y. Li, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 2611
6. Z. Zuo, H. Shang, Y. Chen, J. Li, H. Liu, Y. Li, Y. Li, Chem. Commun. 2017, 53, 8074
7. R. Liu, H. Liu, Y. Li, Y. Yi, X. Shang, S. Zhang, X. Yu, S. Zhang, H. Cao, G. Zhang, Nanoscale 2014, 6, 11336
8. A. Mohajeri, A. Shahsavar, J. Mater. Sci. 2017, 52, 5366
9. H. Bu, M. Zhao, H. Zhang, X. Wang, Y. Xi, Z. Wang, J. Phys. Chem. A 2012, 116, 3934
10. J. He, S. Ma, P. Zhou, C. Zhang, C. He, L. Sun, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 26313
11. M. S. Whittingham, Chem. Rev. 2004, 104, 4271
12. H. Zhang, Y. Xia, H. Bu, X. Wang, M. Zhang, Y. Luo, M. Zhao, J. Appl. Phys. 2013, 113, 044309
13. H. Shang, Z. Zuo, L. Li, F. Wang, H. Liu, Y. Li, Y. Li, Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 774
14. H. Du, Z. Deng, Z. Lu, Y. Yin, L. Yu, H. Wu, Z. Chen, Y. Zou, Y. Wang, H. Liu, Y. Li, Synth. Met. 2011, 161, 2055
15. C. Kuang, G. Tang, T. Jiu, H. Yang, H. Liu, B. Li, W. Luo, X. Li, W. Zhang, F. Lu, J. Fang, Y. Li, Nano Lett. 2015, 15, 2756
이창석, cslee0801@gmail.com
삼성종합기술원
Key words
Graphdyne, Carbon allotrope, Synthesis, Functionalization, Application, Direct bandgap
그래다인, 탄소 동소체, 합성, 기능화, 응용, 직접 밴드갭
1. 개요
그래다인(GDY; Graphdyne)이란 탄소 원자가 sp- 및 sp2 결합형태로 조합된 층으로 새로운 탄소 동소체 물질이다. 탄소 원자는 결합 형태에 따라 플러렌(Fullerene), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nanotube), 그리고 그래핀(Graphene)과 같은 다양한 물질을 형성하고 고유한 특성들을 이끌어 낼 수 있으며, 이를 탄소 동소체라고 부른다. 그래다인(GDY; Graphdyne)은 각각의 벤젠 고리가 sp(butadiene linker) 형태로 연결된 구조로, sp 및 sp2 결합에 의해 불균일한 p 결합 특성이 나타나면서 밴드갭을 형성하는 것으로 예측된다.
2010년 Li 그룹은 HEB(hexaethynylbenzene)의 cross-coupling reaction을 통해 Cu 기판 위에 대면적의 GDY를 합성하고, SAED(Selected-Area Electron Diffraction) 및 XRD(X-ray diffraction) 분석을 통해 우수한 결정성을 확인했다. 또한 실리콘과 유사한 높은 전도성 (2.56 x 10-1 S/m), 훌륭한 전하 이동도 (2 x 105 cm2/Vs), 밴드갭, 그리고 다공성의 특성을 보고했다. 이후 GDY 물질에 대한 관심히 증가하며, 다양한 합성법을 통해 1차원의 나노와이어/나노튜브, 2차원의 박막, 3차원의 결정질 나노 구조 형태로 만들어졌고, 촉매, 에너지 저장, 태양 전지, 광전자 소자, 생물학 및 환경 분야에 광범위한 연구가 진행되고 있다.
본 보고서는 최근 새롭게 주목 받고 있는 GDY 물질의 기초적인 특성들을 정리하고, GDY 기반의 나노구조 및 응용에 대해 살펴보고자 한다. 또한 관련 연구들의 이슈들을 짚어 보면서 앞으로의 연구 전망을 논의하고자 한다.
2. GDY 합성 및 도핑
2.1. GDY 합성
GDY는 기능성 물질을 개발할 수 있는 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다. 구조 및 특성 측면에서 GDY를 정교하게 제어할 수 있다면, 다양한 혁신적인 소자 개발로 이어질 것이다.
Li et al 연구진은 Cu 기판 위에 HEB monomer를 cross-coupling을 시킴으로써, self-catalyzing 전략을 개발했다[1]. 합성된 GDY 박막은 3.61 cm2 크기와 970 nm 두께를 갖는다. 전류-전압 측정을 통해 GDY 박막은 실리콘 전도도 2.516 x 10-4 S/m와 유사한 2.53 x 10-3 S/m 수준의 전형적인 Ohmic 거동을 나타냈다. Cu는 alkaline solution 속에서 쉽게 Cu-pyridine 복합체를 형성하고 아세틸렌계 교차 반응을 유도할 수 있다. 이는 임의의 기판 위에서 GDY 나노구조를 대면적으로 형성할 수 있는 아이디어를 제공한다. 즉, 증착하고자 하는 기판과 Cu foil을 함께 반응로에 넣으면, 촉매가 Cu foil에서 원하는 기판 위로 확산하면서 GDY를 직접 성장시킬 수 있다. 용액의 농도, 전구체의 농도, 그리고 전구체와 타겟 기판과의 상호작용등이 GDY 성장을 좌우하는 요인으로 작용할 수 있다. 그리고 반응 시간 및 전구체 농도를 변화시켜 GDY 두께를 조절할 수 있다.
대면적 증착에 적합한 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)도 여러 그룹에 의해 보고된 바 있다[2]. Nishihara 및 동료 연구원들은 가스/액체 또는 액체/액체 계면을 이용한 다중층 GDY 합성법을 보고했고, 훌륭한 결정성과 ABC 적층 구조를 확인했다[3]. Li et al. 역시 2.19 nm 두께의 ABC 적층 구조를 발표했다[4].
GDY 기반의 다양한 구조체를 제작하는 연구도 활발하게 진행되고 있다. VLS(Vapor-Liquid-Solid) 성장 메커니즘을 따라 30~40 nm 직경의 GDY 나노와이어 (GDY-NW; Nanowire)가 보고됐다[26]. 형성된 GDY-NW는 단결정 구조로 반도체 특성을 나타낸다. 양극산화 알루미나 박막(AAO; anodic aluminum oxide)과 Cu 촉매 반응을 조합하여 GDY 나노튜브 (GDY-NT; Nanotube) 형태를 제작할 수 있다[5]. 합성된 GDY-NT는 200 nm 반경과 40 nm 내경을 갖고, 매끈한 표면을 갖는다. 후속 열처리를 통해 내벽의 두께를 낮추고, 결정성을 향상시킬 수 있다. Li group은 Cu NW를 이용해 친환경의 고결정 초박막 GDY 제작법을 개발했다[6].
위와 같이 다양한 구조로 여러 합성법이 개발되고 있으며, GDY 기초 연구의 밑거름을 다지고 있으며 에너지 응용을 포함한 다양한 응용 소자 개발로 이어질 것으로 기대된다.
2.2. GDY 도핑
이종 원소의 도핑 또는 금속 원자를 도핑하는 등의 기능화(Functionalization)는 물질의 경쟁력을 크게 확장시킬 수 있는 필수적인 요소이다. GDY 구조 내에 존재하는 알킨(alkyne) 결합과 미세 나노포어(nanopore)는 반응성이 높기 때문에 기능화에 적합하고, 이를 통해 전기적/화학적/물리적 특성을 다양하게 조절할 수 있다.
2.2.1. 이종원소 도핑
질소, 붕소, 인, 그리고 황 등은 탄소 물질 도핑에 적합한 이종 원소라 할 수 있다. 다양한 전구체 환경 속에서 GDY 후속 열처리를 통해 쉽게 도핑을 유도할 수 있다. Huang 그룹은 N doping된 GDY(N-GDY)를 통해 전기적 특성을 향상시키고, 이종원소 결함을 만들어내서 전기화학적 반응성을 향상시킬 수 있음을 보고했다[7]. 초기 GDY 대비 N-GDY는 Fermi level이 위로 올라가 n-type 반도체 특성을 갖고, N과 S가 함께 도핑된 경우 p-type 반도체 특성을 나타낸다[8]. 이종원소의 종류와 농도 조절을 통해 약 1.0 eV 수준의 에너지갭을 조절할 수 있다. 이종원소 B와 N을 함께 도핑하는 경우, 직접 밴드갭 특성은 유지되며 밴드갭 크기를 조절할 수 있다[9]
이종원소 및 기능화 그룹을 통해 GDY 특성을 제어할 수 있지만, 아직 정교하게 도핑 농도를 조절하기 어렵고, 원하는 위치에 부착시키는데 한계가 있다. 또한 이종원소가 도핑 됨에 따른 결정성 저하가 나타날 수 있다. 이러한 한계요소들을 극복할 수 있는 도핑 기술의 계속적인 연구가 필요하다.
2.2.2. 금속 원자 도핑
GDY 특성을 조절하기 위해 금속 원자를 도핑할 수 있다. Sun 그룹은 제일원리 계산을 통해 GDY 표면에 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni과 같은 전이금속이 흡착될 수 있음을 증명했다[10]. sp- 하이브리드 결합의 탄소원자는 이러한 금소 원자와 결합하는 중요한 역할을 한다. 모든 금속 원자는 알킨 고리와 결합할 수 있고, 따라서 효과적으로 전기적/자기적 특성을 조절할 수 있다. 또한 GDY 표면에서는 금속 원자가 이동하는데 높은 에너지 장벽이 존재하기 때문에, 금속 원자들이 뭉치는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 단일 금속 원자를 GDY 표면에 위치시킬 수 있다. 그래핀, 탄소나노튜브와 같은 기존의 탄소 동소체들과 다르게, GDY는 단일 원자 촉매를 표면에 형성하여 수소 생산 반응에서 높은 반응성과 안정성을 이끌어내고 정교한 메커니즘 분석에 활용 할 수 있다.
3. GDY 응용
3.1. 전기화학적 물 분해
전기화학적 물 분해 반응은 가장 효과적이고 지속 가능한 수소 생산법으로, 다가오는 에너지 위기와 환경 문제를 풀어갈 수 있는 현실적인 대안이다. 현재 노블 금속 기반의 화합물이 전기화학적 물 분해 반응에서 가장 효과적인 촉매로 활용되고 있으나, 높은 비용 및 scarcity 문제로 실질적인 응용으로 확대 되기에는 한계가 있다. GDY는 intriguing 전자 구조, 높은 전도도, 화학적 안정성, 그리고 효과적인 수송 능력을 바탕으로, 효과적이고 저비용의 전기화학촉매로 새롭게 주목받고 있다.
3.2. 광전기화학적 물 분해
광전기화학적(PEC; Photoelectrochemical) 물 분해는 태양 에너지 포획 및 변환 모두 적합한 기술이다. 금속이 없는 GDY는 PEC의 정공 수송층으로 결정적인 역할을 할 수 있다. CdSe 양자점과 조합된 GDY 광전극을 제작해서 Xe lamp에 노출시키면, 적절한 광반응성과 함께 수소 생산을 위해 ~90±5% 수준의 패러데이 효율(Faraday efficiency)를 얻을 수 있다. 패러데이 효율이란 시스템 내에 전하가 전달되는 효율로, GDY와 양자점 사이에 상대적으로 강한 p- p 상호작용에 의해 정공 수송능력 및 광전류를 향상시킬 수 있다. 또한 BiVO4 위에 GDY를 합성하여 제작된 전극을 PEC르 활용하면, GDY의 훌륭한 정공 이동도 덕분에 1.32 mA/cm2 (at 1.32 V) 수준의 높은 광전류 밀도를 얻을 수 있으며 이는 BiVO4 전극 대비 2배에 가까운 수준이다. GDY 기반의 복합체는 금속 성분이 없는 친환경적인 PEC 시스템을 개발할 수 있는 새로운 길을 열어주고 있다.
3.3. 에너지 저장 물질
탄소 기반의 물질들은 미래의 에너지 저장 물질로 광범위하게 연구되고 있다[11]. 하지만 그래파이트, 플러렌, 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 기존의 탄소 물질들은 sp2 하이브리드 구조를 가지고 있기 때문에, 에너지 저장에 있어 근본적인 한계 요소가 있다. 반면에 GDY는 각각의 벤젠 고리가 diyne 연결을 하고 있기 때문에 저장 용량을 늘릴 수 있다. 예를 들어 그래파이트 안에 LiC6 형태로 Li을 저장할 수 있는 용량이 372 mAh/g인 반면, GDY는 LiC3 형태로 744 mAh/g의 높은 저장 용량을 갖는다[12]. 또한 GDY는 in-plane, out-of-plane 상에 적절한 Li 확산 장벽 에너지를 갖기 때문에, 리튬이온배터리(LIBs; Lithium Ion Batteries) 분야에 기대되는 물질이다.
LIBs 영역에 GDY를 실질적으로 활용하기 위해서, 구조 제어를 통해 저장 용량을 더 늘릴 수 있다. Cu 나노와이어를 촉매로 활용하면 합성기술에서 언급했던 고품질의 GDY-NT, GDY 나노박막 등을 합성할 수 있고, Cu와 함께 그 자체로 binder-free 전극으로 활용할 수 있다. 이러한 구조를 활용하여 1388 mAh/g의 높은 specific capacitance와 장시간 안정성이 보고됐다[13]. 또한 도핑 기술을 활용하면 전기화학적 특성을 광범위하게 조절할 수 있고, GDY 활용도를 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.
3.4. 에너지 변환 물질
탄소 p- p 접합에 기반한 GDY는 광전기적 특성 측면에서 여러 태양 전지의 효율 및 안정성 향상에 기여할 수 있다. 예를 들어, GDT를 P3HT:PCBM 광활성층에 함유시켜 제작된 고분자 태양 전지는 높은 단락전류(short circuit current, JSC=2.4 mA/cm2) 및 56% 향상된 전력변환효율(PCE; Power Conversion Efficiency)을 얻을 수 있다[14]. 유기금속 할라이드계 페로브스카이트 태양전지에 대한 관심이 꾸준히 증가하고 있는데, GDY는 전자 주개(electron donor) 또는 전자 받개(electron acceptor)로써 효과적으로 활용될 수 있다. Kuang은 GDY를 전자수송층(ETL; Electron Transport Layer) PCBM에 포함시켜 태양전지를 제작함으로써, GDY가 함유되지 않은 경우 대비 28.7% 향상된 PCE 14.8%를 달성했다[15]. 이러한 성능 향상은 ETL층의 효율 향상과 함께, GDY로 인한 전도도 및 전자 이동도 향상에 기인한 것이다.
3.5. 기타
앞에서 언급한 응용 영역 이외에도, bimolecular sensing, theranostic platform, humidity sensor, wastewater purification과 같은 분야에서 GDY의 가능성이 보고되고 있으나 아직 초기 연구 단계라 할 수 있다.
4. 결론
GDY는 sp, sp2 탄소 결합이 혼재된 형태의 어셈블리 층으로 직접 밴드갭을 나타내며, 화학적인 합성방법이 보고되면서 많은 주목을 받고 있다. 밴드갭 제어를 위해 strain, B/N doping, 나노리본 구조 형성, 그리고 수소화 공정등을 활용할 수 있다. 또한 나노박막, 나노와이어, 나노튜브 어레이, 나노시트 등 다양한 형태로 형성시킬 수 있기 때문에, 앞에서 언급한 여러 응용 영역을 개척하고 있다.
많은 연구진들은 현재 재생가능한 친환경 분야가 직면한 이슈들을 GDY를 활용함으로써 극복할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 하지만 아직 GDY 연구는 초기 단계로, 단결정 GDY, 단일층/다중층 GDY 박막, 그리고 임의의 나노구조 GDY 등을 원하는 크기로 성장시킬 수 있는 합성 기술 연구가 절실한 상황이다. 또한 질소, 붕소, 인, 황 같은 도핑을 통해 GDY의 전기적/화학적/물리적/구조적 특성들을 제어할 수 있기 때문에, 정교한 도핑 기술 개발이 필요하다. 마지막으로 새롭게 등장한 GDY 물질에 대한 다양한 분석법이 수반되어야 한다. 다양한 분야의 연구진들이 앞에서 언급한 GDY 연구에 참여함으로써, 새로운 2차원 탄소 동소체의 잠재력을 확장시킬 것으로 기대된다.
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